JP4733367B2 - スポット溶接用ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、多関節汎用ロボットを利用して高精度のスポット溶接を自動化できるスポット溶接用ロボットシステムに関するものである。

スポット溶接用ロボットシステムとしては、特許文献１に開示されるように、スポット溶接用チップの開閉駆動源として電動式サーボモーターを備えたスポット溶接用ガンユニットをロボットの最終段ロボットアームに取り付け、この電動式サーボモーターで開閉駆動されるスポット溶接用チップ（具体的には、ねじ機構などで往復直線駆動される可動チップ）を前記ロボットの追加された１軸として、当該ロボットを制御するロボット制御装置により、他のロボット軸と同期的に制御するように構成したものが知られている。勿論この場合、従来の一般的なスポット溶接機と同様に、スポット溶接用ガンユニットによる溶接時の溶接電流を制御する溶接用制御装置が併用される。
実開平５−３３９６８号公報

スポット溶接は、開閉駆動されるスポット溶接用チップ（一般的には、固定チップと当該固定チップに対し遠近方向に駆動される可動チップとの組合せ）間で通常二枚の溶接対象物（金属板）を所定圧力で挟み付け、その状態で当該チップを通じて所定の溶接電流を溶接対象物の溶接箇所に流すことにより、当該溶接箇所を発熱溶融させて二枚の溶接対象物（金属板）を互いに溶着させることである。而して、スポット溶接を行うに際しては、要求される溶接強度や溶接箇所の外観状態が確保できるように、材質や厚みなど溶接対象物の物性に応じて、溶接箇所に対する加圧力と溶接電流などを設定することになるが、近年の産業界では、スポット溶接箇所に高い溶接強度と高品質の外観状態が要望され、特にアルミニウム板に対する高強度のスポット溶接も要望される状況にある。

このような要望に応えるためには、一定圧力で溶接対象物を加圧している状態で一定の溶接電流を流せば良いという単純なことではなくなり、１溶接サイクル（溶接箇所に対する加圧開始から加圧終了までの時間）中で加圧力や通電中の電流値を変化させることや、溶接電流の通電時間、通電開始時点や通電終了時点などを変える必要があるということが理論的には知られている。この場合に重要なことは、加圧力と溶接電流とは互いに密接に関係しているため、経過時間に対応して変化せしめられる加圧力や溶接電流は、共通の時間軸上で変化せしめられることであり、１溶接サイクル中での加圧力の変化と溶接電流の変化との時間的な相対関係が設定通りとなるように実行されなければならない。一方、１溶接サイクルは、通常、秒単位ではなく、ｍｓ単位の非常に短いものであるから、その１溶接サイクル中での加圧力や溶接電流の制御は、ｍｓ単位で高精度に行われる必要があり、当然、上記の１溶接サイクル中での加圧力の変化時期と溶接電流の変化時期とのずれ時間もｍｓ単位で設定された通りに正確でなければならない。

而して、先に説明したようなスポット溶接用ロボットシステムにおいては、スポット溶接用チップの開閉駆動源である電動式サーボモーターの制御によって溶接箇所に対する加圧力が制御されるのであるから、特許文献１に記載の構成では、加圧力の制御はロボットを制御するロボット制御装置により実行されることになり、一方、溶接電流は、ロボット制御装置とは別の溶接用制御装置によって制御されることになる。即ち、ロボット制御装置に設定されたロボット駆動プログラムがこのロボット制御装置が備えるタイマーからの時間情報に基づいて実行される結果、スポット溶接用ガンユニットが所定のスポット溶接点に到達すると同時にスポット溶接用チップの開閉駆動源である電動式サーボモーターが前記ロボット駆動プログラムによって制御され、スポット溶接用チップが溶接対象物の溶接箇所を挟んで加圧を開始する。このとき、当該ロボット制御装置（ロボット駆動プログラム）から溶接用制御装置に溶接開始指令が出力され、この溶接用制御装置が備える溶接プログラム、即ち、この溶接用制御装置が備えるタイマーからの時間情報に基づいて実行される溶接プログラムが動作し、溶接箇所に溶接電流が流され、溶接箇所に対するスポット溶接が行われることになる。

以上のように、従来のスポット溶接用ロボットシステムにおいては、スポット溶接用チップの電動式サーボモーターによる加圧制御は、ロボット制御装置が備えるタイマーから与えられる時間情報に基づいて実行されるロボット駆動プログラムにより行われ、溶接電流の制御は、溶接用制御装置が備えるタイマーから与えられる時間情報に基づいて実行される溶接電流制御プログラムによって行われることになる。即ち、スポット溶接を行う場合の必須要件である加圧制御と溶接電流制御とがそれぞれ別のタイマーから与えられる異なる時間情報に基づいて実行されることになるので、仮にそれぞれの制御プログラムをｍｓ単位の時間軸を使用して精密に組んだとしても、加圧制御と溶接電流制御とをそれぞれ単独で検証したとき、各プログラムが使用する時間軸上で加圧制御と溶接電流制御のそれぞれがプログラム通りに実行されているだけであって、加圧制御と溶接電流制御との組合せから成る溶接プログラム全体として検証したときは、それぞれのプログラムに時間情報を与えるタイマーの特性（精度）やプログラム起動時の基準時点の誤差などが原因で、１溶接サイクル中での加圧力の変化と溶接電流との間の時間的な相対関係にずれが生じることになり、１溶接サイクル中での加圧力の変化と溶接電流の変化との時間的な相対関係をｍｓ単位で設定された通りに正確に再現することが現実には不可能になるから、高精度なスポット溶接を実現することができなかった。

本発明は上記のような従来の問題点を解消し得るスポット溶接用ロボットシステムを提供することを目的とするものであって、その手段を後述する実施形態の参照符号を付して示すと、ロボット１、このロボット１の最終段ロボットアーム８に取り付けられ且つスポット溶接用チップ１１，１３の開閉駆動源として電動式サーボモーター１４を備えたスポット溶接用ガンユニット９、前記ロボット１をロボット駆動プログラム２２に基づいて制御するロボット制御装置１７、前記スポット溶接用ガンユニット９による溶接時の溶接電流を制御する溶接電流制御装置（溶接電流制御部２９）、及び主制御装置１９を備え、前記主制御装置１９は、前記電動式サーボモーター１４を制御するチップ駆動プログラム２８と前記溶接電流制御装置（溶接電流制御部２９）を制御する溶接電流制御プログラム２７、及びこれら両プログラム２７，２８に対して共通の時間情報２５ａを与える両プログラム共通の１つのタイマー２５を備え、溶接開始指令（溶接点到達信号２２ａ）に基づき、前記チップ駆動プログラム２８と溶接電流制御プログラム２７とが前記タイマー２５から与えられる共通の時間情報２５ａに従って動作し、スポット溶接用チップ１１，１３の開閉駆動とその間の溶接電流の制御とが共通の時間軸上で両プログラム２７，２８に従って実行される構成となっている。

尚、理解を容易にするため、チップ駆動プログラム２８と溶接電流制御プログラム２７とが各々独立して存在するように表現しているが、これら２つのプログラム２７，２８は主制御装置１９という１つのハードウエアのメモリーに記録されるものであるから、チップ駆動プログラム部と溶接電流制御プログラム部とから成る１つのプログラム（溶接プログラム２４）として設計し、記録することができる。また、主制御装置１９と溶接電流制御装置（溶接電流制御部２９）とは、ハードウエアとして個別に分けておく必要はなく、場合によっては両者を１つの筐体に内蔵させ、チップ駆動プログラム２８、溶接電流制御プログラム２７、電動式サーボモーター１４の制御部（サーボアンプなど）２６などを内蔵する溶接機として実施することもできる。また、ロボット１としては、後述する実施形態で採用している多関節汎用ロボットに限定されるものではなく、昇降運動などの一次元方向にのみ往復移動自在な最終段ロボットアームを備えたものであっても良い。即ち、本発明のシステムは、例えば、可動チップを昇降駆動する昇降ハンドを備えた据置き型の足踏み起動式スポット溶接機や、溶接対象物と可動チップを昇降駆動する前記昇降ハンドとの内の何れか一方を移動させて溶接対象物に対する溶接箇所を順次自動的に変えることができる自動スポット溶接機などにも応用することができるものである。

上記構成の本発明に係るスポット溶接用ロボットシステムによれば、スポット溶接用チップを開閉駆動する電動式サーボモーターを制御するチップ駆動プログラム（加圧制御プログラム）をロボット制御装置から切り離して、溶接電流制御装置を制御する溶接電流制御プログラムと共に主制御装置に組み込み、これら両プログラムに対して１つのタイマーから共通の時間情報を与えるようにしたので、チップ駆動プログラムと溶接電流制御プログラムの両者を共通の時間軸上で動作させることができる。換言すれば、１溶接サイクル中のチップ駆動による加圧力（電動式サーボモーターの回転数）の経時変化と溶接電流値の経時変化とを共通の時間軸上で設定することができると共に、その設定通りに再現させることができるので、１溶接サイクル中の加圧力の変化と溶接電流値の変化との時間的な相対関係をｍｓ単位でプログラム通り正確に再現させ、多関節汎用ロボットを利用しながら極めて高精度で高品質なスポット溶接を自動化させることができる。

以下に本発明の具体的実施例を添付図に基づいて説明すると、図１において、１は６軸の多関節汎用ロボットであって、基台２に対して垂直軸心２ａの周りに回転可能に搭載された第一回転台３、この第一回転台３に対して水平軸心３ａの周りに扇動自在に支持された第一ロボットアーム４、この第一ロボットアーム４の先端部に前記水平軸心３ａと平行な水平軸心４ａの周りに扇動自在に連結された関節アーム５、この関節アーム５の先端に前記水平軸心４ａに対し直角向きの軸心５ａの周りに自転可能に連結された第二ロボットアーム６、この第二ロボットアーム６の先端に前記軸心５ａに対し直角向きの軸心６ａの周りに扇動自在に連結された第三ロボットアーム７、及び当該第三ロボットアーム７の先端に前記軸心６ａに対し直角向きの軸心７ａの周りに自転可能に連結された最終段ロボットアーム８から構成されている。

前記最終段ロボットアーム８の先端には、スポット溶接用ガンユニット９が取り付けられている。このスポット溶接用ガンユニット９は、図２にも示すように、Ｃ形部材１０の下端内側に取り付けられた固定チップ１１、この固定チップ１１に対向するように前記Ｃ形部材１０の上端側に取り付けられたチップ開閉駆動手段１２、このチップ開閉駆動手段１２に支持されて前記固定チップ１１に対し遠近方向に駆動される可動チップ１３、前記チップ開閉駆動手段１２の駆動源としての電動式サーボモーター１４、及び溶接電流供給用トランス１５などから構成されている。前記チップ開閉駆動手段１２としては、ボールスクリューを利用したねじ送り機構を利用することができ、このねじ送り機構を前記電動式サーボモーター１４で駆動して前記可動チップ１３を固定チップ１１に対し遠近方向に移動させることができる。また、電動式サーボモーター１４には、可動チップ１３の現在位置検出のためのエンコーダー１６（図２参照）が連動連結される。

多関節汎用ロボット１には、従来周知のロボット制御装置１７が併用される。スポット溶接用ガンユニット９に対しては、前記トランス１５を介して可動チップ１３に溶接電流を供給する溶接電源１８と主制御装置１９とが併用される。

図２に基づいてシステム全体のハード構成を説明すると、多関節汎用ロボット１は、従来周知のように、ロボット各軸駆動手段２０とロボット各軸位置検出器２１を備えている。また、ロボット制御装置１７は、ロボット各軸駆動手段２０を制御するロボット駆動プログラム２２と、ロボット各軸位置検出器２１からの信号に基づいてスポット溶接用ガンユニット９の現在位置情報（３次元座標値と姿勢データ）を演算出力する溶接ガン現在位置演算部２３とを備えている。ロボット駆動プログラム２２は、起動指令に基づいてホームポジションにあるスポット溶接用ガンユニット９を、この多関節汎用ロボット１に対して定位置にセットされた溶接対象物のスポット溶接点に対しその固定チップ１１が所定の姿勢で対応する位置及び姿勢に移動させるべく、溶接ガン現在位置演算部２３からリアルタイムにフィードバックされるスポット溶接用ガンユニット９の現在位置情報２３ａに基づいてロボット各軸駆動手段２０を駆動制御する従来周知のプログラムであって、ロボット各軸駆動手段２０の手動運転によって行われる学習作業に基づいて設定される。

主制御装置１９は、溶接プログラム２４、１つのタイマー２５、及びサーボモーター制御部２６を備えている。溶接プログラム２４は、溶接電流制御プログラム２７とチップ駆動プログラム２８とから成り、これら両プログラム２７，２８に前記タイマー２５から共通の時間情報２５ａが与えられる。溶接電流制御プログラム２７は、溶接電源１８が備える溶接電流制御部２９を制御し、以て、スポット溶接用ガンユニット９が備える固定チップ１１と可動チップ１３とで加圧挟持した溶接対象物のスポット溶接点に流される溶接電流を制御する。チップ駆動プログラム２８は、スポット溶接用ガンユニット９が備える前記エンコーダー１６からリアルタイムにフィードバックされるチップ現在位置情報１６ａに基づく位置制御と、図示省略しているが、可動チップ１３が溶接対象物を加圧し始める直前から開始される加圧制御、即ち、電動式サーボモーター１４に作用する負荷電流値から測定されフィードバックされる現在トルク値に基づく加圧制御とを、スポット溶接用ガンユニット９が備える前記電動式サーボモーター１４に対しサーボモーター制御部２６を介して行うものであり、この結果、当該電動式サーボモーター１４で駆動されるチップ開閉駆動手段１２が可動チップ１３を固定チップ１１に対して遠近方向にプログラム通りに開閉駆動すると共に、両チップ１１，１３間で溶接対象物のスポット溶接点を所定圧力で加圧ことができる。

図３に基づいて、溶接プログラム２４の構成をより具体的に説明すると、図３Ａは、チップ駆動プログラム２８によって設定されたスポット溶接点に対する加圧力の変化を示すグラフであって、横軸を時間、縦軸を圧力値としている。図３Ｂは、溶接電流制御プログラム２７によって設定されたスポット溶接点に対する溶接電流の変化を示すグラフであって、横軸を時間、縦軸を電流値としている。

即ち、チップ駆動プログラム２８は、スポット溶接用ガンユニット９（固定チップ１１）が設定されたスポット溶接点に到達して停止したときにロボット制御装置１７のロボット駆動プログラム２２から出力される溶接点到達信号（溶接開始指令）２２ａを受けた時点、即ち、溶接開始時点から、加圧力がＰ１となるように電動式サーボモーター１４により可動チップ１３を降下させ、その状態を時間Ｘ１ｍｓだけ保持した後、加圧力をＰ１からＰ２に高めるように電動式サーボモーター１４により可動チップ１３を更に降下させる。そしてこの加圧力Ｐ２の状態を時間Ｘ２ｍｓだけ保持させた後、電動式サーボモーター１４により可動チップ１３を上昇開放させるように、電動式サーボモーター１４をサーボモーター制御部２６を介して制御する。一方、溶接電流制御プログラム２７は、前記溶接開始時点から時間Ｙ１ｍｓだけ遅らせた時点から時間Ｙ２ｍｓだけＡアンペアの溶接電流をチップ１１，１３間に流すように、溶接電流制御部２９を制御する。

而して、上記溶接電流制御プログラム２７とチップ駆動プログラム２８の２つのプログラムは、１つのタイマー２５から与えられる共通の時間情報２５ａに基づいて動作するので、結果的に、図３Ｃに示すように、溶接電流制御プログラム２７による溶接電流制御部２９の制御（溶接電流制御）とチップ駆動プログラム２８による電動式サーボモーター１４の制御（加圧力制御）とが共通の時間軸上で実行されることになり、加圧力の変化と溶接電流の変化との間の時間的な相対関係が崩れることがない。即ち、チップ駆動プログラム２８と溶接電流制御プログラム２７とがそれぞれに専用のタイマーから与えられる時間情報に基づいて動作するときは、これら２つのタイマーの特性の不一致などにより両プログラム２７，２８に与えられる時間情報の間でずれが生じた場合、図３Ａに示す加圧力変化のグラフの時間軸と図３Ｂに示す溶接電流変化のグラフとの時間軸との間にずれが生じることになるから、これら両プログラム２７，２８を実行しても、図３Ｃに示すように単純に図３Ａに示す加圧力変化のグラフと図３Ｂに示す溶接電流変化のグラフとを重ね合わせた状態にはならず、加圧力の変化と溶接電流の変化との間の時間的な相対関係が崩れることになるのであるが、本発明の構成ではこのような不都合は生じない。

尚、電動式サーボモーター１４により可動チップ１３を上昇開放させた時点で１溶接サイクルが完了するが、このとき溶接プログラム２４（チップ駆動プログラム２８）から溶接終了信号２８ａがロボット制御装置１７のロボット駆動プログラム２２に対して出力される。而して、次のスポット溶接点が設定されているときは、前記溶接終了信号２８ａに基づいて再びロボット駆動プログラム２２が動作し、次のスポット溶接点に向けてスポット溶接用ガンユニット９を移動させるべく、多関節汎用ロボット１のロボット各軸駆動手段２０が制御されるが、次のスポット溶接点における溶接対象物の構造などに応じて、１溶接サイクル完了時における可動チップ１３の上昇位置を、上昇限位置（ホームポジション）よりも低い（固定チップ１１に近い）中間位置とするように電動式サーボモーター１４を制御し、次のスポット溶接点における溶接サイクルタイムの短縮を図ることができる。勿論、設定された全てのスポット溶接点に対するスポット溶接が完了したときは、その最終の溶接終了信号２８ａの出力に基づいて、可動チップ１３を上昇限位置（ホームポジション）まで上昇させるように電動式サーボモーター１４が制御されると共に、スポット溶接用ガンユニット９をホームポジションに戻すようにロボット各軸駆動手段２０が制御される。

溶接ガンユニットが取り付けられた多関節汎用ロボットの側面図と、併用される外部装置を説明するブロック線図である。 本発明ロボットシステム全体の構成を説明するブロック線図である。 チップ駆動プログラム（加圧制御プログラム）と溶接電流制御プログラムの内容を説明するグラフである。

符号の説明

１ 多関節汎用ロボット
８ 最終段ロボットアーム
９ スポット溶接用ガンユニット
１１ 固定チップ
１２ チップ開閉駆動手段
１３ 可動チップ
１４ 電動式サーボモーター
１７ ロボット制御装置
１８ 溶接電源
１９ 主制御装置
２０ ロボット各軸駆動手段
２１ ロボット各軸位置検出器
２２ ロボット駆動プログラム
２４ 溶接プログラム
２５ タイマー
２６ サーボモーター制御部
２７ 溶接電流制御プログラム（溶接プログラム）
２８ チップ駆動プログラム（溶接プログラム）
２９ 溶接電流制御部

Claims (1)

1. ロボット、このロボットの最終段ロボットアームに取り付けられ且つスポット溶接用チップの開閉駆動源として電動式サーボモーターを備えたスポット溶接用ガンユニット、前記ロボットをロボット駆動プログラムに基づいて制御するロボット制御装置、前記スポット溶接用ガンユニットによる溶接時の溶接電流を制御する溶接電流制御装置、及び主制御装置を備え、前記主制御装置は、前記電動式サーボモーターを制御するチップ駆動プログラムと前記溶接電流制御装置を制御する溶接電流制御プログラム、及びこれら両プログラムに対して共通の時間情報を与える両プログラム共通の１つのタイマーを備え、溶接開始指令に基づき、前記チップ駆動プログラムと溶接電流制御プログラムとが前記タイマーから与えられる共通の時間情報に従って動作し、スポット溶接用チップの開閉駆動とその間の溶接電流の制御とが共通の時間軸上で両プログラムに従って実行される、スポット溶接用ロボットシステム。

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