JP4168046B2 - スポット溶接ガンのサーボ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、スポット溶接ガンを備えた産業用ロボットに適用され、相対向する一対のガンチップの少なくとも一方の可動側ガンチップを、サーボモータにより駆動して、一対のガンチップの間で狭持される溶接対象物に対する加圧力を制御するスポット溶接ガンのサーボ制御装置に関する。

従来、一対のガンチップ間で狭持される溶接対象物に対する加圧力を制御するスポット溶接ガンのサーボ制御装置として、指令加圧力に実際の加圧力が一致するようにフィードバック制御によって加圧力が制御されるものがある（例えば、特許文献１）。特許文献１のサーボ制御装置では、検出された加圧力と指令加圧力との差分値に加圧力制御ゲインを乗じたものが一対のガンチップを駆動するサーボモータの速度指令となり、この速度指令と実際のサーボモータの速度の差に速度制御ゲインを乗じたものがサーボモータのトルク指令となっている。

特許文献１では、図４に示すように、フィードバック制御の伝達関数２１である加圧力制御ゲインＫｆと、サーボモータの伝達関数２２と、速度フィードバックの伝達関数２３である速度制御ゲインＫｖとが示されている。伝達関数２２の項の内、Ｋｔは溶接ガンのチップを駆動するサーボモータのトルク定数、Ｊはイナーシャ、ｓは微分のラプラス演算子となっている。このフィードバック制御では、指令加圧力Ｆｃからオブザーバによって推定された相当加圧力Ｆを減算し、その差分値（Ｆｃ−Ｆ）に加圧力制御ゲインＫｆが乗じられる。

この従来例では、相当加圧力Ｆが指令加圧力Ｆｃに到達するまでの時間はこの制御系の時定数によって決まる。例えば、前述した指令加圧力Ｆｃと相当加圧力Ｆの差分値（Ｆｃ−Ｆ）に加圧力制御ゲインＫｆを乗じたものが速度指令になり、速度指令と実際の速度の差に速度制御ゲインＫｖを乗じたものがトルク指令Ｔｃとなる制御系では、相当加圧力Ｆが指令加圧力Ｆｃに到達するまでの時間は、加圧力制御ゲインＫｆによって決まり、加圧力制御ゲインＫｆが高くなればなるほど指令加圧力Ｆｃに到達するまでの時間が短くなる。

特開平１１−６５６７６号公報（第２−３頁、図１）

しかしながら、加圧力制御ゲインＫｆを大きくしていくと制御系が不安定になる傾向があるため、スポット溶接ガンの構造によっては加圧力制御ゲインＫｆを十分高くとることができない場合がある。このような場合には、スポット溶接ガンでチップ間加圧力が指令加圧力に到達するまでに時間がかかり、制御系の応答を速くすることができないという不都合があった。

そこで、本発明は、チップ間加圧力が指令加圧力（目標加圧力）に到達するまでの時間を十分に早くすることができるスポット溶接ガンのサーボ制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の請求項１の発明は、相対向する一対のガンチップの少なくとも一方の可動側ガンチップを、サーボモータにより対向方向に駆動して、前記一対のガンチップの間で狭持される溶接対象物に対する加圧力を制御するスポット溶接ガンのサーボ制御装置であって、検出された前記加圧力と指令加圧力との差分値を算出するフィードバック制御手段と、前記サーボモータに対する位置指令又は速度指令に基づいて算出され又は提供された補正指令を前記差分値に加算するフィードフォワード制御手段と、を備え、前記差分値に前記補正指令が加算された制御指令に基づいて、前記加圧力を制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のスポット溶接ガンのサーボ制御装置において、前記相当加圧力が所定のしきい値に到達した時点で、前記フィードフォワード制御手段を無効にするスイッチ手段を備えたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載のスポット溶接ガンのサーボ制御装置において、前記しきい値を前記指令加圧力と同じ値としたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載のスポット溶接ガンのサーボ制御装置において、前記加圧力が、オブザーバ又はシミュレーションにより推定された相当加圧力であることを特徴とする。

本願の請求項１記載の発明によれば、検出された加圧力と指令加圧力との差分値をフィードバック制御により算出するフィードバック制御手段を備えることで、可動側ガンチップを駆動するサーボモータを加圧力に基づいて直接に制御することが可能となる。さらに、サーボモータに対する位置指令又は速度指令に基づいて算出され又は提供された補正指令を差分値に加算するフィードフォワード制御手段を備えているから、加圧力制御ゲインを大きくできない場合であっても、加圧力制御ゲインを大きくした場合と同等の効果を得ることができる。したがって、チップ間加圧力が指令加圧力に到達するまでの時間を十分に早くすることができ、制御系の応答性を高めることができる。

請求項２記載の発明によれば、相当加圧力が所定のしきい値に到達した時点で、フィードフォワード制御手段を無効にするスイッチ手段を備えているから、相当加圧力のオーバシュート量（行き過ぎ量）を調整することができ、チップ間加圧力の安定性を高めることができる。

請求項３記載の発明によれば、指令加圧力に到達するまでフィードフォアードが有効になるので、指令加圧力まで最短の時間で到達し、さらにオーバシュート量を抑えることができる。

請求項４記載の発明によれば、オブザーバ又はシミュレーションが検出手段として用いられるから、加圧力を検出するロードセルなどの圧力センサを不要とすることができ、コストをかけずに加圧力を検出することができる。相当加圧力は、モータ速度などから推定された加圧力であり、溶接ガンの通電中（溶接中）でも計測を行うことができる。このため、ロボットの位置、姿勢に影響されず、正確な加圧力制御を行うことができ、スポット溶接の品質信頼性を向上することができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るスポット溶接ガンのサーボ制御装置の第１の実施形態を示したものである。

本実施形態のサーボ制御装置は、図示しない相対向する一対のガンチップのうち、一方の可動側ガンチップを、サーボモータにより対向方向に駆動して、一対のガンチップの間で狭持される溶接対象物に対する加圧力を制御するスポット溶接ガンのサーボ制御装置であり、図示しない溶接ロボットの上位制御装置に共有メモリを介してバス接続されている。

図示しない上位制御装置は、ＣＰＵ、入出力インターフェース、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭなどで構成されている。入出力インターフェースには、ロボットに各種動作を教示したり、各種設定値やパラメータを設定したりするための教示操作盤が接続されている。ＲＯＭにはシステムプログラムが記憶され、不揮発性ＲＡＭには動作プログラムや各種設定値やパラメータやスポット溶接ガンの目標とされる加圧力が記憶される。ＲＡＭには、オブザーバなどで推定したスポット溶接ガンの相当加圧力が記憶される。

図示しない共有メモリは、上位制御装置のＣＰＵとサーボ制御装置のＣＰＵ（不図示）との間で信号の送受信を行うためのものである。上位制御装置側からは、位置指令や速度指令や加圧力指令がサーボ制御装置側へ送信され、逆にサーボ制御装置側からは、サーボモータの状態を表す信号が上位制御装置側に送信される。

サーボ制御装置は、図示しないＣＰＵ、各種メモリ、入出力インターフェースなどを備えたデジタルサーボ回路を構成して、サーボモータの位置制御、速度制御、トルク（電流）制御などを行なう。

図１に示すように、本実施形態のサーボ制御装置は、モータ速度に基づいて相当加圧力を推定するためのオブザーバ１２と、オブザーバ１２により推定された相当加圧力Ｆと指令加圧力Ｆｃとの差分値（Ｆ−Ｆｃ）を算出するフィードバック制御手段１５と、サーボモータ（制御対象）２に対する位置指令Ｕｐに基づいて算出された補正指令Ｖｕを差分値（Ｆ−Ｆｃ）に加算するフィードフォワード制御手段１４とを備えたものであり、スポット溶接ガンの一対のガンチップの相当加圧力Ｆを推定するオブザーバ１２の処理を行うと共に、このオブザーバ１２で推定された相当加圧力Ｆに基づく加圧力制御を行ない、スポット溶接ガンのチップ間加圧力Ｆを加圧力指令Ｆｃに一致させる制御を行うものである。なお、オブザーバ１２についての処理は、公知であるため、説明を省略することとする（例えば、特開平１１−５８０２４を参照されたい）。

図１に示すように、ブロック線図中、２はサーボモータとしての制御対象、３及び４はそれぞれ制御方法切り替えスイッチ（スイッチ手段）、５は加圧力制御ゲインＫｆ、６は加圧力制御ゲインＫｆに対するフィードフォアードゲインＫ１、７で示されるｓは微分のラプラス演算子、８で示される（１／ｓ）は積分のラプラス演算子、９は位置制御ゲインＫｐ、１０は速度制御ゲインＫｖである。

この制御系はスポット溶接ガンの一対のガンチップが離れているときは、スイッチ３が端子ｃに接続し、位置指令Ｕｐに従って駆動側ガンチップのサーボモータが位置制御され移動する。一対のガンチップの間隔が狭まり駆動側ガンチップが溶接対象物に当接し、スポット溶接ガンの相当加圧力Ｆが一定値を超えた瞬間からスイッチ２が端子ｄに接続し、加圧力指令Ｆｃに従う加圧力制御に切り替わる。

サーボモータ２の制御は、上述した位置制御と加圧力制御の２段階で行なわれる。加圧力制御では、フィードバック制御手段１５によりフィードバック制御が行われるから、溶接対象物に対するスポット溶接ガンの加圧力を正確に制御することができる。フィードバック制御手段１５では、相当加圧力Ｆを推定するためにオブザーバ１２を用いているから、ロードセルなどの圧力センサが不要になり、コストをかけずに相当加圧力Ｆを算出することができる。相当加圧力Ｆは、モータ出力である速度などにより推定された加圧力であるから、溶接ガンの通電中（溶接中）でも加圧力を推定することができ、スポット溶接の品質信頼性を向上することができる。なお、フィードバックされる相当加圧力Ｆは、従来の圧力センサに代わる検出手段で推定されたものであれば好ましく、シミュレーションなどで推定された加圧力とすることもできる。

また、加圧力制御では、指令加圧力Ｆｃとスポット溶接ガンの相当加圧力Ｆの差分値（Ｆｃ−Ｆ）に加圧力制御ゲインＫｆが乗じられて速度指令Ｖｃが算出されると共に、フィードフォアード制御手段１４により、位置指令Ｕｐに基づいて算出された補正指令Ｖｕがスイッチ４を介し、速度指令Ｖｃに加算される。フィードフォアード制御手段１４では、上位制御装置からの位置指令Ｕｐが微分されることで速度の次元に変換され、それにフィードフォアードゲインＫ１が乗じられて、補正指令Ｖｕが算出される。この補正指令Ｖｕが速度指令Ｖｃに加算されることで、チップ間の相当加圧力Ｆを指令加圧力Ｆｃにより早く一致させることができ、この制御系の応答性を高めることが可能となる。すなわち、フィードフォアード制御手段１４により算出された補正指令Ｖｕが、この制御系に加算されることで、加圧力制御ゲインＫｆを大きくした場合と同等の作用・効果を奏することが可能となる。

次に、補正指令Ｖｕが加算された速度指令（Ｖｃ＋Ｖｕ）とサーボモータ２からフィードバックされた速度の差分値が算出され、この差分値に速度制御ゲインＫｖが乗じられてトルク（電流）指令が得られる。相当加圧力Ｆが指令加圧力Ｆｃに一致し、スポット溶接終了後、スイッチ２は端子ｃに接続し、スポット溶接ガンを駆動するサーボモータは、初期状態に戻る。

なお、スイッチ４を介して加算されるフィードフォアード制御手段１４の補正指令Ｖｕの値は、その大きさがフィードフォアードゲインＫ１で調整可能であり、相当加圧力Ｆを指令加圧力Ｆｃまでスムーズに立ち上げることができる。

しかし、スポット溶接ガンの相当加圧力Ｆが指令加圧力Ｆｃに到達するときのガンチップの位置は不明であるため、位置指令Ｕｐが大きいときは、Ｆ＞Ｆｃとなっても、前述のフィードフォアード制御１４ため、オーバシュートが生じるという問題がある。そこで、本実施形態では、一旦Ｆ＞Ｆｃとなったら、補正指令Ｖｕを０にするための、スイッチ４を備えている。スイッチ４を備えることで、スポット溶接ガンの相当加圧力Ｆが加圧力指令Ｆｃより小さいときは位置指令Ｕｐを元に補正指令が制御系に加算され、加圧力制御ゲインＫｆが小さいスポット溶接ガンでもスポット溶接ガンの加圧力の立ち上がりが素早くでき、一旦相当加圧力Ｆがオーバシュートしたら補正指令Ｖｕが０になるように、スイッチ３を端子ｂに接続することで、それ以上に相当加圧力Ｆがオーバシュートしないようにすることができる。

以上のように、本実施形態の発明によれば、サーボモータ２に対する位置指令Ｕｐに基づいて算出した補正指令Ｖｕを相当加圧力Ｆと指令加圧力Ｆｃとの差分値（Ｆｃ−Ｆ）に加算するフィードフォワード制御手段１４を備えているから、大型で、低剛性のスポット溶接ガンのように、加圧力制御ゲインＫｆを大きくできない場合であっても、加圧力制御ゲインＫｆを大きくした場合と同等の効果を得ることができ、チップ間加圧力が指令加圧力Ｆｃに到達するまでの時間を十分に早くすることができ、これにより、サイクルタイムの短縮により加工能率を向上することができる。

次に、本発明に係るスポット溶接ガンのサーボ制御装置の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態と第１の実施形態の共通する構成部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図２に示すように、本実施形態のサーボ制御装置１Ａでは、補正指令Ｖｐが上位制御装置からの速度指令Ｖｐであるという点で、位置指令Ｕｐから算出された第１の実施形態の補正指令Ｖｕと相違する。本実施形態のフィードフォワード制御手段１４Ａは、上位制御装置からの速度指令Ｖｐをスイッチ４を介して速度指令Ｖｃに加算する手段である。

実施例１と同様にして、スポット溶接ガンの一対のガンチップが相互に離れているときは、スイッチ３が端子ｃに接続し、位置指令Ｕｐに従って位置制御が行われる。一対のガンチップが溶接対象物に当接し、相当加圧力Ｆが一定値を超えたときからスイッチ３が端子ｄに接続し、加圧力指令Ｆｃに従う加圧力制御が行われる。スイッチ３が端子ｄに接続しているとき、加圧力指令Ｆｃと相当加圧力Ｆの差分値（Ｆｃ−Ｆ）に加圧力制御ゲインＫｆを乗じ、フィードフォワード制御手段１４Ａによる補正指令Ｖｐを速度指令Ｖｃに加算し、さらに、この速度指令（Ｖｃ＋Ｖｐ）とモータ速度の差分値に速度制御ゲインＫｖを乗じた値が制御対象のトルク指令となる。

なお、補正指令Ｖｐは、スイッチ４により選択的に速度指令Ｖｐ又は０となるが、この速度指令Ｖｐの値をガンチップと溶接対象物の相対位置によって決まるように定めることも可能である。

この実施形態では、速度指令Ｖｐを一定速度とした場合、ガンチップを駆動するサーボモータ２の位置とガンチップの相当加圧力Ｆとが比例関係（線形）にあるガンチップの相当加圧力Ｆを、ほぼ一定速度で大きくすることができる。また、この制御系では、フィードフォアードを無効にした瞬間のガンチップの速度をフィードフォアードで指定できるため、フィードフォアードを無効にしてからのオーバシュート量を調整することができる。すなわち、速度指令Ｖｐを一定速度としたとき、スイッチ４によりフィードフォアードを無効にしてからも一定量だけ加圧力が増加するため、指令加圧力Ｆｃよりフィードフォアードを無効にした後の加圧力増加分を考慮して、その分だけ小さい相当加圧力Ｆでフィードフォアードを無効にすることで、オーバシュートなくスポットガンの相当加圧力Ｆを指令加圧力Ｆｃに一致させることが可能となる。

この第２の実施形態によれば、フィードフォワード制御手段１４Ａによる補正指令Ｖｐが速度指令Ｖｐであるから、加圧力の応答性をより早くすることができる。また、スイッチ４の切換えによりオーバシュート量を小さく抑えることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。第１、第２の実施形態では、位置指令Ｕｐに従う位置制御と、加圧力指令Ｆｃに従う加圧力制御とがスイッチ３により切換えられるようになっているが、図３に示すように、位置制御を行わないサーボ制御装置１Ｂとすることも可能である。この場合、サーボ制御の応答性を高めるため、補正指令Ｖｐとして一定速度の速度指令が用いられることが好ましい。

また、加圧力を検出する手段として、本実施形態ではオブザーバが用いられているが、ロードセルなどの圧力センサを用いることも可能である。検出手段をオブザーバから圧力センサに代えたとしても、本発明の作用・効果が変わるものではない。

本発明に係るスポット溶接ガンのサーボ制御装置の第１の実施形態を示すブロック線図である。 本発明に係るスポット溶接ガンのサーボ制御装置の第２の実施形態を示すブロック線図である。 図２に示すスポット溶接ガンのサーボ制御装置の変形例を示すブロック線図である。 従来のサーボ制御装置の一例を示すブロック線図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ サーボ制御装置
２ 制御対象（サーボモータ）
３，４ スイッチ（スイッチ手段）
１２ オブザーバ
１４，１４Ａ，１４Ｂ フィードフォワード制御手段
１５ フィードバック制御手段

Claims (4)

1. 相対向する一対のガンチップの少なくとも一方の可動側ガンチップを、サーボモータにより対向方向に駆動して、前記一対のガンチップの間で狭持される溶接対象物に対する加圧力を制御するスポット溶接ガンのサーボ制御装置であって、
   検出された前記加圧力と指令加圧力との差分値を算出するフィードバック制御手段と、
   前記サーボモータに対する位置指令又は速度指令に基づいて算出され又は提供された補正指令を前記差分値に加算するフィードフォワード制御手段と、を備え、
   前記差分値に前記補正指令が加算された制御指令に基づいて、前記加圧力を制御することを特徴とするスポット溶接ガンのサーボ制御装置。
2. 前記相当加圧力が所定のしきい値に到達した時点で、前記フィードフォワード制御手段を無効にするスイッチ手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接ガンのサーボ制御装置。
3. 前記しきい値を前記指令加圧力と同じ値とした請求項２記載のスポット溶接ガンのサーボ制御装置。
4. 前記加圧力が、オブザーバ又はシミュレーションにより推定された相当加圧力であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のスポット溶接ガンのサーボ制御装置。

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