JP7201537B2 - スポット溶接システム - Google Patents

Description

本開示は、スポット溶接システムに関するものである。

スポット溶接ガンを第１の姿勢から角度θだけ回転させたときに、第１の姿勢において測定される加圧力と角度θの姿勢において測定される加圧力との変化量δを算出し、変化量δと角度θとの相関関係を記憶しておくスポット溶接システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
スポット溶接ガンの姿勢を変更したときに、その姿勢における角度θに対応して記憶されている変化量δを読み出して加圧力指令を補正することにより、スポット溶接ガンの姿勢に関わらず均一な加圧力でスポット溶接を行うことができる。

特開２０１６－８７６６３号公報

スポット溶接ガンにおいては、実際には機構部に静止摩擦が発生し、静止摩擦力は変動するため、補正に用いる加圧力の変動量δを精度よく算出するには、加圧力を精度よく測定することが望ましい。

本開示の一態様は、可動電極を含む可動部と、該可動部を駆動する駆動部とを有するスポット溶接ガンと、前記駆動部を制御する制御部と、前記スポット溶接ガンの前記可動電極による加圧力を計測する加圧力センサと、前記可動電極の移動方向を異ならせる前記スポット溶接ガンの異なる２つの姿勢において、前記加圧力センサにより検出された前記加圧力に基づいて前記可動部の自重を算出する自重算出部とを備え、前記制御部は、前記自重算出部により前記可動部の前記自重を算出する際に用いる前記加圧力の計測に際し、制御信号にディザ信号を重畳して前記駆動部を制御し、前記自重が算出された後には、算出された前記自重に基づいて前記制御信号を補正するスポット溶接システムである。

本開示の一実施形態に係るスポット溶接システムを示す全体構成図である。 図１のスポット溶接システムの通常運転モードにおいてスポット溶接ガンの駆動部に供給される加圧指令信号の一例を示す図である。 図１のスポット溶接システムの自重計測モードにおいてスポット溶接ガンの駆動部に供給される加圧指令信号の一例を示す図である。 図３の自重計測モードにおけるスポット溶接ガンの第１の姿勢の一例を示す図である。 図３の自重計測モードにおけるスポット溶接ガンの第２の姿勢の一例を示す図である。

本開示の一実施形態に係るスポット溶接システム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るスポット溶接システム１は、スポット溶接ガン２と、スポット溶接ガン２を取り付けるロボット３と、ロボット３に接続された制御装置（制御部）４と、スポット溶接ガン２による加圧力を計測する加圧力センサ５とを備えている。

スポット溶接ガン２は、例えば、図１に示されるように、固定溶接チップ６と、可動溶接チップ（可動電極）７と、可動溶接チップ７を含む可動部８を１軸方向に駆動する駆動部９とを備え、全体として略Ｃ形状を有している。
スポット溶接ガン２は、サーボガンであり、駆動部９は、サーボモータ１０と、サーボモータ１０の駆動力により回転させられる図示しないボールねじと、ボールねじに噛み合い可動部８に固定された図示しないナットとを備えている。

スポット溶接ガン２は、サーボモータ１０を駆動することによって可動溶接チップ７を移動させて、固定溶接チップ６と可動溶接チップ７との隙間を開閉し、両チップ６，７間に被溶接物を挟んで加圧する。この状態で、両チップ６，７間に電流を流すことによって被溶接物をスポット溶接する。

ロボット３は、例えば、６軸多関節型ロボットである。ロボット３は、図１に示されるように、床面Ｆに設置されるベース１１と、鉛直な第１軸線Ａ回りにベース１１に対して回転可能な旋回胴１２とを備えている。また、ロボット３は、水平な第２軸線Ｂ回りに旋回胴１２に対して回転可能な第１アーム１３、第１アーム１３の先端に第２軸線Ｂに平行な第３軸線Ｃ回りに回転可能な第２アーム１４および第２アーム１４の先端に支持された３軸の手首ユニット１５を備えている。

ロボット３の手首ユニット１５の先端にスポット溶接ガン２を取り付けることにより、ロボット３の作動によってスポット溶接ガン２の位置および姿勢を任意に変更することができる。
制御装置４は、ロボット３を制御するとともに、スポット溶接ガン２のサーボモータ１０を付加軸として制御する制御信号生成部１６を備えている。

また、制御装置４は、加圧力センサ５からの出力および制御信号生成部１６からの手首ユニット１５の各軸の角度情報に基づいて、スポット溶接ガン２の可動部８の自重を算出する自重算出部１７と、算出された自重を記憶する記憶部１８とを備えている。
加圧力センサ５は、自重計測時に固定溶接チップ６と可動溶接チップ７との間に挟まれる位置に配置され、駆動部９の作動により両チップ６，７から受ける加圧力を計測する。

具体的には、制御装置４は、ユーザによって選択可能な自重計測モードと通常動作モードとを切り替えるモード切替部１９を備えている。モードの選択は、例えば、ティーチングペンダントまたは操作盤のスイッチ等の入力部２０を操作することにより行われる。

加圧力センサ５が固定溶接チップ６と可動溶接チップ７との間に配置され、入力部２０の操作により自重計測モードが選択されたときには、モード切替部１９は、制御信号生成部１６を自重計測モードに切り替える。自重計測モードでは、制御信号生成部１６は、ロボット３に対し、所定の第１の姿勢にスポット溶接ガン２を配置する制御信号を生成する。制御信号生成部１６によって生成された制御信号は、スポット溶接ガン２の駆動部９を構成しているサーボモータ１０に入力される。

この自重計測モードにおける制御信号は、スポット溶接ガン２を所定の姿勢、例えば、可動溶接チップ７が鉛直下方に向かって被溶接物を加圧する姿勢に配置した状態で駆動部９のサーボモータ１０に供給する指令信号（基準加圧力指令：制御信号）に、ディザ信号を重畳している。基準加圧力指令は、例えば、図２に示されるように、目標値Ｘとしてステップ状に変化し、ディザ信号が重畳されていない信号である。

ディザ信号が重畳されていない場合には、加圧力センサ５により計測される実際の加圧力の応答波形は、静止摩擦の影響により基準加圧力指令の目標値Ｘには到達せず、最終値はＹ＜Ｘとなって偏差が残る。
これに対し、自重計測モードにおける指令信号には、図３に示されるようにディザ信号が重畳されている。ディザ信号は、加圧力センサ５による加圧力の計測値が立ち上がった後、所定時間経過後から基準加圧力指令に重畳される。

例えば、ディザ信号の重畳を開始する所定時間としては、ディザ信号を重畳しないで加圧した場合の、図２に示される加圧力値の応答において、静定した加圧力値Ｙの７５％以上８５％未満、好ましくは、８０％となる時点の時間Δｔ１に設定することが好ましい。

ディザ信号は周期信号を使用する。例えば、振幅Ａ周波数ｆの正弦波を使用してもよい。振幅Ａについては、可動部８が静止状態から動き出すのに必要な力の大きさで決定することができる。周波数ｆについては、スポット溶接ガン２の固有周波数に近い周波数に設定するとよい。

また、ディザ信号は、加圧力センサ５により検出される加圧力が静定した時点で、基準加圧力指令への重畳が停止される。すなわち、ディザ信号は、図３に示されるように基準加圧力指令の立ち上がり後Δｔ１からΔｔ２までの期間のみに基準加圧力指令に重畳される。
時間Δｔ１，Δｔ２については、予備的な実験により取得された応答波形に基づいて予め設定しておいてもよい。

そして、静定した後の加圧力値が加圧力センサ５から自重算出部１７に送られる。これと同時に、手首ユニット１５の各軸の角度も自重算出部１７に送られ、加圧力値と対応付けて一時的に記憶される。

次いで、制御信号生成部１６は、ロボット３に対し、第１の姿勢とは異なる所定の第２の姿勢にスポット溶接ガン２を配置する制御信号を生成する。この場合に生成される制御信号は、第１の姿勢において生成された制御信号と同一の基準加圧力指令に同一のディザ信号を同一期間だけ重畳した信号である。生成された制御信号は、スポット溶接ガン２の駆動部９を構成しているサーボモータ１０へ入力される。

自重算出部１７は、スポット溶接ガン２の２つの異なる姿勢において計測された２組の加圧力値と手首ユニット１５の角度とに基づいて、スポット溶接ガン２の可動部８の自重を算出する。
例えば、図４に示されるように、第１の姿勢において、可動部８の移動方向が、鉛直下方に対して鉛直平面内において角度θ１であり、加圧力値がＦ１であるとする。また、図５に示されるように、第２の姿勢において、可動部８の移動方向が、鉛直下方に対して鉛直平面内において角度θ２であり、加圧力値がＦ２であるとする。

角度θ１，θ２は、手首ユニット１５の各軸の角度に基づいて算出することができる。加圧力センサ５により検出される加圧力値Ｆ１，Ｆ２は、駆動部９による加圧力指令値Ｚと可動部８の自重Ｗの移動方向の成分との合力である。
したがって、以下の関係式が成立する。
Ｆ１＝Ｚ＋Ｗｃｏｓθ１
Ｆ２＝Ｚ＋Ｗｃｏｓθ２

上記関係式から、自重算出部１７は、下式の通りに可動部の自重Ｗを算出する。
Ｗ＝（Ｆ１－Ｆ２）／（ｃｏｓθ１－ｃｏｓθ２）
算出された自重Ｗは記憶部１８に記憶される。

自重Ｗが記憶部１８に記憶された後に、入力部２０の操作により通常運転モードが選択されたときには、モード切替部１９は、制御信号生成部１６を通常運転モードに切り替える。通常運転モードでは、制御信号生成部１６は、ロボット３に対し、予め教示されたプログラムに従う制御信号を生成して出力し、スポット溶接ガン２の駆動部９のサーボモータ１０に対しては、各溶接点におけるスポット溶接ガン２の姿勢と、記憶部１８に記憶されている自重Ｗとに基づいて補正した加圧力指令値Ｚを生成する。

加圧力指令値Ｚは、下式により補正される。
Ｚ＝Ｚ０－Ｗｃｏｓθ
ここで、Ｚ０は所望の加圧力値、θは鉛直平面内における可動部８の移動方向の鉛直下方からの角度である。

制御信号生成部１６によって生成された制御信号は、ロボット３およびスポット溶接ガン２の駆動部９を構成しているサーボモータ１０にそれぞれ入力される。
通常運転モードにおいては、スポット溶接ガン２に出力する制御信号にはディザ信号は含まれない。

このように構成された本実施形態に係るスポット溶接システム１によれば、自重計測モードを選択することにより、ディザ信号が重畳された制御信号がスポット溶接ガン２の駆動部９に供給される。これにより、静止摩擦の影響を低減して、駆動部９が発生している加圧力を精度よく計測することができる。したがって、スポット溶接ガン２の可動部８の自重Ｗを、精度よく計測された加圧力を用いて精度よく算出することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、加圧力指令値Ｚへのディザ信号の重畳を加圧力値の応答の立ち上がり後所定時間経過後に限定している。立ち上がり後所定時間内は駆動部９が停止しておらず静止摩擦が発生していないので、ディザ信号を重畳する必要がない。これにより、ディザ信号を含む制御信号により駆動部９が駆動される時間を短くすることができる。

また、本実施形態においては、加圧力指令値Ｚへのディザ信号の重畳を加圧力値が静定した時点で停止している。加圧力値が静定した後にはディザ信号の有無によって加圧力値の変動はないので、ディザ信号を停止することにより、ディザ信号を含む制御信号により駆動部９が駆動される時間を最小限に短縮することができる。

すなわち、本実施形態によれば、ディザ信号の重畳によって静止摩擦の影響を低減しつつ、ディザ信号を重畳する時間を必要最小限に抑えて、ディザ信号を含む制御信号により駆動部９が作動させられることによる影響を未然に防止することができる。ディザ信号を含む制御信号により駆動部９が作動させられることによる影響としては、例えば、フレッチング等の問題を挙げることができる。

そして、本実施形態においては、このようにして静止摩擦の影響を低減して精度よく算出された可動部８の自重Ｗを用いて、各溶接点におけるスポット溶接ガン２の姿勢に応じて、駆動部９に供給する制御信号を補正する。これにより、可動部８の自重Ｗに関わらず、均一な加圧力で、全ての溶接点を加圧しつつスポット溶接を行うことができて、溶接品質を安定させることができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、Ｃ型のスポット溶接ガン２を例示したが、これに代えて、Ｘ型のスポット溶接ガン、あるいはスタッド溶接用のスポット溶接ガンに適用してもよい。

１ スポット溶接システム
２ スポット溶接ガン
４ 制御装置（制御部）
５ 加圧力センサ
７ 可動溶接チップ（可動電極）
８ 可動部
９ 駆動部
１７ 自重算出部
Ｗ 自重
Ｙ 加圧力値

Claims (4)

1. 可動電極を含む可動部と、該可動部を駆動する駆動部とを有するスポット溶接ガンと、
   前記駆動部を制御する制御部と、
   前記スポット溶接ガンの前記可動電極による加圧力を計測する加圧力センサと、
   前記可動電極の移動方向を異ならせる前記スポット溶接ガンの異なる２つの姿勢において、前記加圧力センサにより検出された前記加圧力に基づいて前記可動部の自重を算出する自重算出部とを備え、
   前記制御部は、前記自重算出部により前記可動部の前記自重を算出する際に用いる前記加圧力の計測に際し、制御信号にディザ信号を重畳して前記駆動部を制御し、前記自重が算出された後には、算出された前記自重に基づいて前記制御信号を補正するスポット溶接システム。
2. 前記制御部は、前記加圧力センサにより検出される前記加圧力の立ち上がり後所定時間経過後から、前記ディザ信号を前記制御信号に重畳する請求項１に記載のスポット溶接システム。
3. 前記所定時間は、前記ディザ信号を重畳しない制御信号による加圧力値の一定の割合が検出されるまでの時間である請求項２に記載のスポット溶接システム。
4. 前記制御部は、前記加圧力センサにより検出される前記加圧力が静定した時点で、前記ディザ信号の重畳を停止する請求項１から請求項３のいずれかに記載のスポット溶接システム。
   

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