JP5522207B2 - スポット溶接システムおよびスポット溶接ロボットの制御装置 - Google Patents

スポット溶接システムおよびスポット溶接ロボットの制御装置 Download PDF

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Description

開示の実施形態は、スポット溶接システムおよびスポット溶接ロボットの制御装置に関する。
自動車などの生産ラインでは、生産性を高めるために多くのスポット溶接ロボットが配置されており、かかるスポット溶接ロボットによって、自動的に溶接作業が行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−２１３０２０号公報
スポット溶接ロボットは、例えば、重量があるスポット溶接ガンを把持する大型のロボットであり、一つの生産ラインに数百台のスポット溶接ロボットが使用される場合がある。そのため、スポット溶接工程での省電力化は生産ライン全体の省電力化にとって重要な課題である。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、省電力化を図ることができるスポット溶接システムおよびスポット溶接ロボットの制御装置を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係るスポット溶接システムは、スポット溶接ロボットと、制御装置とを備える。前記スポット溶接ロボットは、複数の関節軸を有し各関節軸に対応して複数のモータを有する。前記制御装置は、交流電力を直流電力へ変換して直流母線へ出力するコンバータ部と、前記直流母線に接続され、前記コンバータ部から出力される直流電力を交流電力に変換して前記複数のモータのそれぞれに供給するモータ駆動部と、前記直流母線に接続され前記モータで発生した回生電力を蓄積するコンデンサと、を備え、前記コンデンサは、前記制御装置の筐体に対して一部が突出した状態で前記筐体に形成された開口を介して前記直流母線に着脱可能に取り付けられる。
実施形態の一態様によれば、省電力化を図ることができるスポット溶接システムおよびスポット溶接ロボットの制御装置を提供することができる。
図１は、実施形態に係るスポット溶接システムの構成例を示す模式図である。 図２は、実施形態に係る制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 図３は、実施形態に係るモータ駆動ユニット、コンバータユニットおよびコンデンサユニットの構成の一例を示す図である。 図４は、モータによるリンク体の駆動状態と回生電力との関係を示す図である。 図５は、コンデンサユニットの取り付け構成の一例を示す模式図である。 図６Ａは、コンデンサユニットの着脱に関する説明図である。 図６Ｂは、コンデンサユニットの着脱に関する説明図である。 図６Ｃは、コンデンサユニットの着脱に関する説明図である。 図７は、コンデンサユニットの他の構成例を示す図である。 図８は、コンデンサユニットの他の構成例を示す図である。 図９は、モータ駆動ユニット毎にコンデンサユニットを配置した制御装置の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するスポット溶接システムおよびスポット溶接ロボットの制御装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
図１は、実施形態に係るスポット溶接システムの構成例を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係るスポット溶接システム１は、スポット溶接ロボット２と、溶接電源３と、制御装置４とを備える。
スポット溶接ロボット２は、複数の関節軸Ｊ１〜Ｊ６を有する多関節型ロボットである。かかるスポット溶接ロボット２は、ベース１３と、旋回部１４と、下部アーム１５と、上部アーム１６と、第１手首部１７、第２手首部１８と、手首フランジ１９とを備え、これらは互いに回動可能に連結される。
具体的には、旋回部１４は、ベース１３に対して関節軸Ｊ１回りに回動可能に連結され、下部アーム１５は、旋回部１４に対して関節軸Ｊ１と略垂直な関節軸Ｊ２回りに回動可能に連結される。また、上部アーム１６は、下部アーム１５に対して関節軸Ｊ２と略平行な関節軸Ｊ３回りに回動可能に連結され、第１手首部１７は、上部アーム１６に対して関節軸Ｊ３と略垂直な関節軸Ｊ４回りに回動可能に連結される。
また、第２手首部１８は、第１手首部１７に対して関節軸Ｊ４と略垂直な関節軸Ｊ５回りに回動可能に連結され、手首フランジ１９は、第２手首部１８に対して関節軸Ｊ５と略垂直な関節軸Ｊ６回りに回動可能に連結される。
スポット溶接ロボット２には、各関節軸Ｊ１〜Ｊ６に対応してモータＭ１〜Ｍ６（以下、モータＭと総称する場合がある）が配置されており、かかるモータＭは、制御装置４によって駆動される。モータＭは、例えば、永久磁石式の回転電機である。かかる永久磁石式の回転電機は、例えば、回転子コアの周方向に並べて配設される複数の永久磁石を備える回転子と、回転子の外周面と空隙を介して対向配置される固定子とを備える。
スポット溶接ロボット２の先端部にはスポット溶接ガン１０が取り付けられており、制御装置４によるモータＭの制御によって、スポット溶接ガン１０の位置、角度、向きなどが制御される。
スポット溶接ガン１０は互いに対向して配置された可動電極２１と固定電極２２とを備える。制御装置４は、スポット溶接を行う場合、可動電極２１と固定電極２２とで被溶接部材であるワークを挟むようにスポット溶接ガン１０を制御し、溶接電源３からスポット溶接ガン１０へ電力を供給させて電極２１、２２間に所定時間電流を流す。
制御装置４は、溶接が完了すると、可動電極２１を固定電極２２から離れる方向へ動かしてワークを解放し、スポット溶接ロボット２を動作させてスポット溶接ガン１０を次の溶接点へと移動させる。
こうした一連の動作が制御装置４内に予め記憶されている動作プログラムに設定されている。作業者は、かかる動作プログラムを制御装置４に実行させることによって、スポット溶接ロボット２によるスポット溶接作業を実行させる。
ここで、制御装置４の構成について説明する。図２は、制御装置４の構成の一例を示すブロック図である。制御装置４は、図２に示すように、制御ユニット３０と、コンバータユニット３１と、モータ駆動ユニット３２１〜３２６（以下、モータ駆動ユニット３２と総称する場合がある）と、コンデンサユニット３３とを備える。
制御ユニット３０、コンバータユニット３１およびモータ駆動ユニット３２は、通信バス３４によって互いに接続される。また、コンバータユニット３１、モータ駆動ユニット３２およびコンデンサユニット３３は、直流母線６Ａ、６Ｂによって互いに接続される。なお、本実施形態では、直流母線６Ａ、６Ｂが図示しない主回路基板に形成されており、コンバータユニット３１、モータ駆動ユニット３２およびコンデンサユニット３３は、主回路基板に形成されたコネクタを介して直流母線６Ａ、６Ｂに着脱可能に接続される。
制御ユニット３０は、内部に動作プログラムを記憶しており、かかる動作プログラムを内部のＣＰＵが読み出して実行することで、モータ駆動ユニット３２１〜３２６、スポット溶接ガン１０の可動電極２１および溶接電源３を制御する。
かかる制御によって、スポット溶接ロボット２のモータＭ１〜Ｍ６が駆動されてスポット溶接ガン１０の位置、角度および向きなどが変更された後、スポット溶接ガン１０によるスポット溶接が行われる。
図３は、コンバータユニット３１、モータ駆動ユニット３２およびコンデンサユニット３３の構成の一例を示す図である。
図３に示すように、コンバータユニット３１は、ブリッジ接続された６つのダイオードからなる整流回路５１と、平滑用コンデンサＣ１と、回生電力処理部５２を備える。かかるコンバータユニット３１は、交流電源５から供給される３相交流電圧を整流回路５１によって整流し、かかる整流後の電圧を平滑用コンデンサＣ１により平滑することによって３相交流電圧を直流電圧へ変換する。
回生電力処理部５２は、スイッチング素子Ｑ７と抵抗Ｒ１とを備え、これらは直列に接続されて直流母線６Ａ、６Ｂ間に配置される。かかる回生電力処理部５２は、モータ駆動ユニット３２から後述する回生電力が供給された場合に、直流母線６Ａ、６Ｂの電圧を所定値以下に抑える保護回路である。なお、スイッチング素子Ｑ７は、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体素子である。
かかる回生電力処理部５２では、直流母線６Ａ、６Ｂの電圧が所定値よりも上昇した場合に図示しない制御部によってスイッチング素子Ｑ７がオンにされる。これにより、抵抗Ｒ１で回生電力の一部が消費され、直流母線６Ａ、６Ｂの電圧が所定値以下に抑えられる。なお、保護用ダイオードＤ７は、抵抗Ｒ１と並列に接続され、スイッチング素子Ｑ７がオフした際に、抵抗Ｒ１の配線インダクタンスに起因するサージ電圧を抑制する。
モータ駆動ユニット３２は、三相ブリッジ接続されたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、それぞれのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に逆並列に接続したダイオードＤ１〜Ｄ６と、スイッチ制御部４１を備える。
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、スイッチ制御部４１から出力されるスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ６に基づいてオン／オフ制御される。これにより、コンバータユニット３１から供給される直流電力が交流電力に変換されてモータＭへ供給される。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの自己消弧形の半導体素子である。
モータ駆動ユニット３２から交流電力がモータＭへ供給されると、モータＭは対応するリンク体を関節軸回りに回動させる。例えば、モータＭ１は、モータ駆動ユニット３２１から供給される交流電力によって旋回部１４を関節軸Ｊ１回りに回動させ、モータＭ２は、モータ駆動ユニット３２２から供給される交流電力によって下部アーム１５を関節軸Ｊ２回りに回動させる。
このように、モータＭは対応するリンク体を負荷として駆動するが、リンク体の駆動を停止させようとする場合、モータ駆動ユニット３２へ回生電力が供給される。図４は、モータＭによるリンク体の駆動状態と回生電力との関係を示す図である。
図４に示すように、モータ駆動ユニット３２から交流電力が供給されたモータＭはリンク体を回転させ、リンク体の回転位置が目的位置に近づくとリンク体の回転を減速させる。かかる減速の際、リンク体の運動エネルギーによってモータＭが発電機として動作し、モータＭからモータ駆動ユニット３２へ回生電力が供給される。かかる回生電力は、モータ駆動ユニット３２によって直流に変換され直流母線６Ａ、６Ｂへ出力される。
スポット溶接ロボット２は、上述のように、スポット溶接ガン１０を次々に溶接点へと移動させてスポット溶接を行うため、比較的短い時間で回生電力が繰り返し発生することになる。スポット溶接ガン１０の移動はショートピッチで行われることから、大きな回生電力が生じず、コンデンサに回生電力を蓄積することが可能である。
そこで、本実施形態に係る制御装置４では、かかる回生電力を蓄積するコンデンサユニット３３を設けている。これにより、比較的低コストで回生電力を有効に利用することができ、省電力化を図ることができる。
コンデンサユニット３３は、図２および図３に示すように、コンバータユニット３１とモータ駆動ユニット３２との間の直流母線６Ａ、６Ｂに接続され、モータ駆動ユニット３２から出力される回生電力を蓄積する。
コンデンサユニット３３は、例えば、コンデンサＣ１０を備え、かかるコンデンサＣ１０に回生電力を蓄積する。コンデンサＣ１０は、例えば、比較的安価な電解コンデンサである。なお、コンデンサＣ１０として、例えば、電気二重層コンデンサなどの蓄電効率が高いコンデンサを用いることもできる。
コンデンサユニット３３は、モータ駆動ユニット３２に対して着脱可能に制御装置４に取り付けられる。したがって、例えば、メンテナンス時において、コンデンサユニット３３やコンデンサＣ１０の取り換えを容易に行うことができる。
また、スポット溶接ロボット２の動作はワークによって異なり、モータＭから発生する回生電力の大きさも異なる。そのため、コンデンサユニット３３を制御装置４に対して着脱可能にすることによって、適切な静電容量のコンデンサユニット３３をモータ駆動ユニット３２に接続することが可能となる。例えば、モータＭから発生する回生電力に対して回生電力処理部５２が回生電力を消費しない割合が、例えば８０〜１００％となる静電容量のコンデンサＣ１０を用いる。
ここで、コンデンサユニット３３の構成の一例を説明する。図５は、コンデンサユニット３３の構成の一例を示す模式図である。図５に示すように、コンデンサユニット３３は、制御装置４の筐体５０に外部から着脱可能に構成される。なお、制御装置４の筐体５０内には、制御ユニット３０、コンバータユニット３１およびモータ駆動ユニット３２が収納される。
コンデンサユニット３３は、コンデンサＣ１０と、コンデンサ保持部６１とを備えており、筐体５０内に支持部７１によって支持されたコネクタ７２に接続される。コンデンサ保持部６１は、外周に複数の突出部が形成された円筒状の第１保持部材６３と、締結部材６５によって第１保持部材６３に連結される第２保持部材６４とを備える。
第１保持部材６３は、コンデンサＣ１０の外周と略同径の内径を有する円筒状部材であり、コンデンサＣ１０の外周に装着される。第１保持部材６３の外周に形成される複数の突出部と第２保持部材６４の先端部とにはそれぞれ対応する位置に貫通孔が形成されており、かかる貫通孔に締結部材６５が挿通されて第１保持部材６３が第２保持部材６４に連結される。
第２保持部材６４の先端部には、コンデンサＣ１０の外径よりも大きな貫通孔が形成され、かかる貫通孔にコンデンサＣ１０が挿通される。また、第２保持部材６４の基端部には貫通孔を有する突出部が形成されており、かかる突出部が締結部材６６によって筐体５０に取り付けられる。
図６Ａ〜図６Ｃは、コンデンサユニットの着脱に関する説明図である。図６Ａに示すように、コンデンサユニット３３の取り付けは、コンデンサＣ１０をコンデンサ保持部６１に取り付けた状態で、筐体５０に形成された開口７３にコンデンサＣ１０の基端部を挿入し、コンデンサＣ１０の端子７８をコネクタ７２に接続して行う。
また、コンデンサユニット３３の取り付けは、図６Ｂに示すように行うこともできる。すなわち、第２保持部材６４を筐体５０に取り付け、また、コンデンサＣ１０を第１保持部材６３に取り付ける。そして、コンデンサＣ１０を第１保持部材６３に取り付けた状態で、筐体５０に形成された開口７３にコンデンサＣ１０の基端部を挿入し、コンデンサＣ１０の端子７８をコネクタ７２に接続する。その後、第１保持部材６３と第２保持部材６４とを締結部材６５によって連結する。
また、例えば、図６Ｃに示すように、コンデンサユニット３３とは異なる静電容量のコンデンサＣ１０Ａを有するコンデンサユニット３３Ａをコンデンサユニット３３に代えて制御装置４に取り付けることもできる。
具体的には、第２保持部材６４を筐体５０に取り付け、また、コンデンサＣ１０Ａを第１保持部材６３Ａに取り付ける。そして、コンデンサＣ１０Ａを第１保持部材６３Ａに取り付けた状態で、筐体５０に形成された開口７３にコンデンサＣ１０Ａの基端部を挿入し、コンデンサＣ１０Ａの端子７８Ａをコネクタ７２に接続する。その後、第１保持部材６３Ａと第２保持部材６４とを締結部材６５によって連結する。
なお、コンデンサＣ１０Ａのサイズは、コンデンサＣ１０よりサイズが小さい。また、コネクタ７２は、端子形状や端子間隔が異なるコンデンサＣ１０、Ｃ１０Ａを接続可能に構成されている。
このように、本実施形態に係るスポット溶接システム１では、コンデンサユニット３３を制御装置４の筐体５０から外部に突出させて制御装置４に取り付けることができる。そのため、コンデンサユニット３３を筐体５０内に収納する場合に比べ、筐体５０のサイズを小さくすることができる。
しかも、コンデンサユニット３３を制御装置４に対して着脱可能に構成していることから、回生電力の大きさに応じた静電容量のコンデンサユニット３３を容易に取り付けることができる。
したがって、メンテナンス時において、コンデンサユニット３３やコンデンサＣ１０の取り換えを容易に行うことができる。また、スポット溶接システム１によって溶接されるワークに応じた最適な静電容量のコンデンサユニット３３を取り付けることができる。
なお、図５に示す例では、制御装置４の筐体５０に形成された開口７３からコンデンサユニット３３の一部が筐体５０の外部に突出するように、制御装置４にコンデンサユニット３３を取り付けるようにしたが、かかる構成に限定されるものではない。例えば、制御装置４の筐体５０内にコンデンサユニット３３を着脱可能に収納する構成であってもよい。
また、コンデンサユニット３３の構成は、図５に示した構成に限定されるものではなく、制御装置４に着脱可能な構成であれば、他の構成であってもよい。例えば、図７に示す構成のコンデンサユニット３３を用いることもできる。図７および図８は、コンデンサユニットの他の構成例を示す図である。
図７に示すコンデンサユニット３３Ｂでは、コンデンサＣ１０の端子７８をケース８０の底部に形成したコネクタ８１に接続した状態で、ケース８０内にコンデンサＣ１０が収納される。ケース８０の外面底部には、コネクタ８１の接続端子に電気的に接続された端子８２が接続されており、かかる端子８２が制御装置４のコネクタ７２に着脱可能に接続される。
また、例えば、図８に示すコンデンサユニット３３Ｃのように、回生電力を蓄積する静電容量を変更可能に構成することもできる。具体的には、コンデンサユニット３３Ｃでは、ケース８０内に複数のコンデンサＣ１０Ｃを着脱可能なコネクタ８１Ａを配置している。そのため、コネクタ８１Ａに接続するコンデンサＣ１０Ｃの数を調整することで、コンデンサユニット３３Ｃの静電容量の変更が可能である。
また、上述の実施形態では、コンデンサユニット３３を複数のモータ駆動ユニット３２１〜３２６で共通なものとしたが、かかる構成に限定されるものではない。例えば、図９に示す制御装置４Ａのように、コンデンサユニット３３を、モータ駆動ユニット３２毎に配置することもできる。図９は、制御装置４Ａの一例を示す図である。
このようにすることで、コンデンサユニット３３をモータ駆動ユニット３２に隣接させて配置することができ、直流母線６Ａ、６Ｂでの電力損失をより低減することができる。また、コンデンサユニット３３毎にそれぞれ対応するモータＭの回生電力に応じた静電容量とすることができる。
また、上述の実施形態では、６軸構成のスポット溶接ロボット２について説明したが、かかる構成に限定されるものではなく、６軸構成以外のスポット溶接ロボットであってもよい。例えば、７軸構成のスポット溶接ロボットを用いることも可能である。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ スポット溶接システム
２ スポット溶接ロボット
３ 溶接電源
４ 制御装置
５ 交流電源
１０ スポット溶接ガン
３１ コンバータユニット
３２ モータ駆動ユニット
３３ コンデンサユニット

Claims (8)

  1. 複数の関節軸を有し各関節軸に対応して複数のモータを有するスポット溶接ロボットと、
    前記モータを駆動して前記スポット溶接ロボットを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    交流電力を直流電力へ変換して直流母線へ出力するコンバータ部と、
    前記直流母線に接続され、前記コンバータ部から出力される直流電力を交流電力に変換して前記複数のモータのそれぞれに供給するモータ駆動部と、
    前記直流母線に接続され前記モータで発生した回生電力を蓄積するコンデンサと、を備え、
    前記コンデンサは、前記制御装置の筐体に対して一部が突出した状態で前記筐体に形成された開口を介して前記直流母線に着脱可能に取り付けられる
    ことを特徴とするスポット溶接システム。
  2. 前記直流母線は回路基板に形成されており、
    前記コンデンサは、前記回路基板に形成されたコネクタに着脱可能に取り付けられる
    ことを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接システム。
  3. 前記モータ駆動部および／または前記コンバータ部は、前記直流母線に着脱可能に取り付けられる
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のスポット溶接システム。
  4. 前記コンデンサは、前記制御装置の筐体に取り付けられた保持部材によって保持される
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のスポット溶接システム。
  5. 前記保持部材は、前記コンデンサの外周を保持する円筒状の第１保持部材と、前記第１保持部材に連結され前記制御装置の筐体に取り付けられる第２保持部材とを含む
    ことを特徴とする請求項４に記載のスポット溶接システム。
  6. 前記コンデンサは、前記複数のモータに対して共通に設けられる
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のスポット溶接システム。
  7. 前記制御装置は、
    前記回生電力を蓄積する静電容量が異なる前記コンデンサを取り付け可能に構成される
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のスポット溶接システム。
  8. 交流電力を直流電力へ変換して直流母線へ出力するコンバータ部と、
    前記直流母線に接続され、前記コンバータ部から出力される直流電力を交流電力に変換してスポット溶接ロボットの各関節軸に対応して設けられるモータに供給するモータ駆動部と、
    前記直流母線に接続され前記モータで発生した回生電力を蓄積するコンデンサと、を備え、
    前記コンデンサは、筐体に対して一部が突出した状態で前記筐体に形成された開口を介して前記直流母線に着脱可能に取り付けられる
    ことを特徴とするスポット溶接ロボットの制御装置。
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