JPH1071475A - スポット溶接装置およびその制御方法 - Google Patents
スポット溶接装置およびその制御方法Info
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- JPH1071475A JPH1071475A JP9168546A JP16854697A JPH1071475A JP H1071475 A JPH1071475 A JP H1071475A JP 9168546 A JP9168546 A JP 9168546A JP 16854697 A JP16854697 A JP 16854697A JP H1071475 A JPH1071475 A JP H1071475A
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Abstract
するスポット溶接装置およびその制御方法の提供。 【解決手段】 スポット溶接装置の加圧軸9aに対し、
機械的インピダーダンスを制御するインピダーダンス制
御装置2を設けたスポット溶接装置。インピダーダンス
制御装置2は溶接条件指令装置21、加圧軸制御装置2
2、機械的インピーダンス演算装置23を含む。この装
置を用いた溶接方法において、薄板同士の溶接では機械
的インピーダンスを低く、厚板同士の溶接では機械的イ
ンピーダンスを高くして溶接を実行するスポット溶接装
置の制御方法。
Description
に対しても機械的インピーダンスを制御することができ
るスポット溶接装置およびその制御方法に関する。
ット溶接機の加圧アクチュエータの制御方法を開示して
おり、静的な加圧力の設定方法とこの設定加圧力を正確
に出すためのフィードバック制御を開示している。
ト溶接機とその制御には、つぎの問題がある。 通電前には、つぎの問題がある。厚板同士のスポッ
ト溶接においては、プレス成形品の剛性が高く成形性が
悪く、板合わせが悪いため、板間に隙間があり溶接クラ
ンプ機構が低インピーダンスでワークに接触すると、十
分な板の接触状態が得られない。したがって、最適な溶
接電流密度、接触応力が得られず、溶接品質が低下する
可能性がある。一方、薄板同士のスポット溶接において
は、上記と逆の問題が生じる。すなわち、薄板の場合、
プレス成形品の剛性が低く、接触インピーダンスを小さ
くしないと接触面積が過剰になり、溶接電流密度の大幅
な低下を招き、「溶接はなれ」の問題を起こす可能性が
ある。 通電中には、つぎの問題がある。通電中の母材の熱
膨張、収縮現象に対しても機械的インピーダンスは溶接
条件(加圧力、溶接電流、通電時間)、溶接品質に大き
く影響する。すなわち、低インピーダンスの場合、通電
初期は接触面積が小さく十分な溶接電流密度が得られる
が、ナゲット生成時には母材の膨張、収縮を押えきれ
ず、接触面積が小さくなりすぎて、過剰な溶接電流密度
となり、チリを発生しやすくなる。一方、高インピーダ
ンスの場合、母材膨張による加圧力上昇が発生し、通電
初期は接触面積が大きくなり、十分な溶接電流密度が得
られず、溶接強度の低下や「はなれ」などの問題を起こ
しやすい。所望の溶接強度を得るためには溶接電流を上
げる必要があり、溶接電源に過大な能力が必要になる。
本発明の目的は、スポット溶接中の動的挙動に対応して
溶接条件を調整できるスポット溶接装置とその制御方法
を提供することにある。
明は、つぎの通りである。 (1) スポット溶接装置の加圧軸に対し、機械的イン
ピーダンスを制御するインピーダンス制御装置を設けた
スポット溶接装置。 (2) 前記インピーダンス制御装置が、溶接点の情報
に基づいて溶接条件を設定し指令を出す溶接条件指令装
置と、該溶接条件指令装置からの指令値に基づいて加圧
軸を制御する加圧軸制御装置と、前記加圧軸制御装置に
よって駆動される加圧軸の位置と加圧力の測定値に基づ
いて前記溶接条件指令装置からのインピーダンス値と加
圧力値を最適化して前記溶接条件指令装置にフィードバ
ックする機械的インピーダンス演算装置と、を含む
(1)記載のスポット溶接装置。 (3) 前記インピーダンス制御装置を一対の加圧軸の
各々に対して設けた(1)記載のスポット溶接装置。 (4) スポット溶接装置の加圧軸に対し、機械的イン
ピーダンスを制御するインピーダンス制御装置を設けた
スポット溶接装置の制御方法であって、薄板同士の溶接
時には機械的インピーダンスを低く、厚板同士の溶接時
には機械的インピーダンスを高く制御するスポット溶接
装置の制御方法。
的インピーダンスとは、加圧軸にかかる加圧力をF
(t)、加圧軸系を仮想の振動系適応モデルとみなした
ときの仮想質量をI、仮想減衰係数をD、仮想ばね定数
をK、変位をXとした場合、振動方程式 F(t)=I(d2 X/dt2 )+D(dX/dt)+
KX の係数I、D、Kで表される物理量で、I、D、Kが大
の場合が高インピーダンス(ばね定数でいえば、硬いば
ねに相当)で、I、D、Kが小の場合が低インピーダン
ス(ばね定数でいえば、柔らかいばねに相当)である。
加圧軸の機械的インピーダンスを制御インピーダンス制
御装置により制御可能としたので、スポット溶接中の動
的挙動に対応して溶接条件を調整でき、最適条件での溶
接が可能になる。上記(3)の装置では、両加圧軸にイ
ンピーダンス制御装置を設けたので、加圧位置のばらつ
きに対応するイコライザが不要になる。上記(4)の方
法では、ワークの板厚に応じた最適なスポット溶接が可
能になる。
は、図1に示すように、加圧軸9aに対し機械的インピ
ーダンス制御(調整)機構を設けたものからなる。さら
に詳しくは、本発明実施例のスポット溶接装置は、溶接
条件(各溶接打点の板厚、材質、各時点での、設定加圧
力、設定溶接電流、設定機械的インピーダンスなど)を
格納した溶接条件データベース1と、加圧軸制御CPU
の一部に含まれた加圧軸の機械的インピーダンスを制御
するインピーダンス制御CPU2、溶接電流制御CPU
7、ロボット軌道制御CPU13、溶接条件データベー
ス1との間の通信によるデータのやりとりを管理する通
信PLC・CPU14、CPU2、7、13、14間の
データ送信を高速で行うロボット・バス15、加圧軸制
御CPU、インピーダンス制御CPU2からの指令に従
って加圧軸9aを駆動する加圧力制御ドライバ12、加
圧軸の駆動アクチュエータ9、加圧軸9aに取り付けた
溶接電極6、溶接電流制御CPU7の指令に従って電極
間6に流れる溶接電流を制御する溶接電流ドライバ8、
を有する。インピーダンス制御CPU2、溶接電流制御
CPU7のうち最適溶接電流を求める部分、溶接条件デ
ータベース1のうちインピーダンス制御CPU2からの
最適インピーダンスおよび溶接電流制御CPU7からの
最適溶接電流を格納、指令する部分等は、従来のロボッ
ト溶接装置には無く、本発明で特別に設けられたもので
ある。
エータ9がシリンダ(エアシリンダ)からなる場合に適
用され得る機械的制御であってもよく(図2参照)、あ
るいはアクチュエータ9がサーボモータからなる場合に
適用され得る電気的制御であってもよい(図3参照)。
データベース1から溶接するワーク母材に適した最適機
械的インピーダンスをインピーダンスコントローラ2
(図1のインピーダンス制御CPU2に対応)にばね定
数K(Ku、Kl、ただしuはアッパ、lはロアの意味
である)、減衰係数Dとして情報を送る。インピーダン
スコントローラ2は、図4に示すように、電極6がワー
クに接触するまでの機械的インピーダンスと、溶接電流
通電中の機械的インピーダンスを、制御する。
の方法がある。 機械的な可変ダンパ3、可変バネ4を使用し、それ
らの設定を変化させて減衰係数D、ばね定数Kを変化さ
せる方法で、電子制御サスペンションに代表される技術
がある。 サーボモータを用いた場合の減速機5の摩擦特性を
変える方法である。動摩擦力は一般に、図5に示すよう
に、速度Vに依存する性質があり、これは回転速度を変
えることで減衰率を変えることが可能であることを意味
している。したがってギアの組み合わせを変えること
で、減衰率、伝達系のばね定数を変化させることが可能
になる。さらに詳しくは、摩擦力Fは速度Vの関数であ
り、一般にこの関数は、 F=Aexp〔−λ1*V〕+Bexp〔λ2*V〕+
F0*sign〔V〕 ただし、A、B、λ1、λ2は定数、F0は静止摩擦
力、sign〔V〕はVがプラスのとき+1、マイナス
のとき−1、である。Fを図5の破線で示すように一次
関数で近似すれば傾きをDとすると、F=DVとなり、
この傾きDで減衰率が調整できる。
エータ9をもつシステムでは、電気的に、サーボモータ
9の位置ゲイン、速度ゲインを制御することによって機
械的インピーダンスを変えることが可能になる。これ
は、位置ゲインがばね定数K、速度ゲインが減衰係数D
に相当するためである。さらに詳しくは、位置、速度の
フィードバック制御の場合、目標位置をXd(t),目
標速度をVd(t)、時々刻々と変化する位置をX
(t),速度をV(t)とすると、インピーダンスと力
F(t)との間につぎの関係があり、各ゲインK、Dを
調整することでインピーダンスを制御できる。 F(t)=K〔Xd(t)−X(t)〕+D〔Vd
(t)−V(t)〕
、を単独に使用して行ってもよいし、組み合わせて
使用して行ってもよい。組み合わせた場合は、そのイン
ピーダンスは各々のインピーダンスを合成したものとな
る。また、機械的インピーダンスの調整機構は上下の加
圧軸の両方に対して設けてもよいし、あるいは上下の加
圧軸の何れか一方にのみ設けてもよい。
示している。図8において、本発明実施例装置は、一対
のスポット溶接用電極6の少なくとも一方をワーク方向
に駆動する加圧アクチュエータ9と、加圧アクチュエー
タ9によって駆動される電極6の位置を検出する位置検
出装置(たとえば、エンコーダ)24と、加圧アクチュ
エータ9の加圧力を検出する加圧力検出装置(たとえ
ば、加圧軸9aに貼付された歪ゲージ、またはサーボモ
ータ駆動の場合はモータ電流)25と、インピーダンス
制御装置2(図1参照)と、を有する。インピーダンス
制御装置2は、溶接条件指令装置21、加圧軸制御装置
22、機械的インピーダンス演算装置23、を有する。
を含み溶接条件を格納、指令する装置である。溶接条件
指令装置21は、通信PLC・CPU14を介して溶接
条件データベース1と接続している。加圧軸制御装置2
2は、溶接条件指令装置21からの指令と、位置検出装
置24および加圧力検出装置25からのフィードバック
信号(位置信号X(t)、それを微分器26で1階微分
した速度信号)を受けて、加圧アクチュエータ9によっ
て駆動される電極6の位置、加圧アクチュエータ9の加
圧力を溶接条件指令装置21からの指令値に近づけるよ
うに制御する装置である。機械的インピーダンス演算装
置23は、位置検出装置24からの時時刻刻変化する位
置信号X(t)と加圧力検出装置25からの時時刻刻変
化する加圧力信号F(t)とに基づいて機械的インピー
ダンス適応モデルを用いて時時刻刻の溶接時点での機械
的インピーダンスI、D、Kと加圧力Fを演算し、その
機械的インピーダンスI、D、Kと加圧力Fに近づくよ
うに溶接条件指令装置21からの時時刻刻に対応する時
点での設定機械的インピーダンスと設定加圧力を最適化
し、この最適化した機械的インピーダンスと加圧力を溶
接条件指令装置21にフィードバックして次回の溶接条
件として学習、格納する装置である。27、28は微分
器を示す。
6を流れる電流を測定する溶接電流測定装置33と、一
対の電極6間の電気抵抗を測定する電極間抵抗測定装置
32と、溶接電流制御CPU7(図1参照)と、を有す
る。溶接電流制御CPU7は、溶接条件指令装置21
と、溶接電流制御装置29と、同期装置30と、溶接電
流演算装置31と、を有する。
制御CPU2の溶接条件指令装置がバス通信で共有され
る。溶接電流制御装置29は、溶接条件指令装置21か
らの指令と溶接電流測定装置33および電極間抵抗測定
装置32からの信号を受けて溶接電流を溶接条件指令装
置21からの溶接電流指令値に近づけるように制御する
装置である。同期装置30は、加圧軸制御装置22と溶
接電流制御装置29間に設けられ加圧軸制御装置22と
溶接電流制御装置29との同期をとる装置である。溶接
電流演算装置31は、電流測定装置33からの時時刻刻
変化する溶接電流信号I(t)と電極間抵抗測定装置か
らの時時刻刻変化する電極間抵抗信号r(t)とに基づ
いて電気的インピーダンス適応モデルを用いて時時刻刻
の溶接時点での電気的インピーダンスと溶接電流を演算
し、その溶接電流に近づくように溶接条件指令装置21
からの時時刻刻に対応する時点での設定溶接電流を最適
化し、その最適化した溶接電流を溶接条件指令装置21
にフィードバックして次回の溶接条件として学習、格納
する装置である。
方法が実行される。溶接前(溶接電流通電前、図4の領
域I、II)の接触インピーダンス制御はつぎのように
実行される。薄板溶接の場合は、図6に示すように、板
同士のなじみが良く、接触面積17が大となって溶接抵
抗が小さく、溶接電流密度が小となり、「はなれ」とい
った問題が生じる可能性があるので、本発明実施例の方
法では、低インピーダンス状態で接触させることで(図
4の領域I、IIのインピーダンスZ1の値を小さなも
のを選定してそれに基づいてインピーダンス制御す
る)、母材間の接触抵抗rtを確保する。厚板溶接の場
合は、図7に示すように、板同士のなじみが悪く、接触
面積17が小となって溶接抵抗が大きく、「チリ、爆
飛」といった問題が生じるおそれがあるので、本発明実
施例の方法では、高インピーダンス状態で接触させるこ
とで(図4の領域I、IIのインピーダンスZ1の値が
大きなものを選定してそれに基づいてインピーダンス制
御する)、母材間の接触抵抗rtおよび板の隙間dを最
適化する。とくに厚板同士の(薄板同士であっても適用
可能)スポット溶接の場合、接触後、低電流で通電し
(図4の領域II)、母材を発熱させ熱変形、成形する
ことで、板材のなじみをよくし、母材間の接触面積を最
適化する制御方法をあわせ実施し、溶接電流を流す前の
プリ加熱による板のフィット性の向上をはかる。
ピーダンス制御はつぎのように実行される。図4に示す
ように、通電初期は低インピーダンス(図4の領域II
Iの溶接電流値Z2を小さくしたもの)で高い溶接電流
密度を確保する。一方、ナゲット成長時(図4の領域I
IIの中期から後期)はインピーダンスを高くなるよう
に変化させ(Z3>Z2)、母材膨張により内部応力が
上がり接触面積が増大することで最適な溶接電流密度と
コロナボンド形成を促すようにする。通電終了後の母材
収縮についても高いインピーダンスで追従できるように
続けて制御する。
れる本発明実施例の方法を工程順に示している。ステッ
プ51で、溶接条件指令装置21は溶接条件データベー
ス1から各溶接打点の溶接条件(板厚、材質など)を読
込み、各溶接打点の溶接電流通電前、通電中の各時点に
おける、目標加圧力、目標抵抗インピーダンス、目標溶
接電流を演算し、それぞれをステップ52、53、72
で設定する。図4は、設定溶接電流、設定機械的インピ
ーダンスを示している。ステップ52、53は機械的イ
ンピーダンス制御CPU2側にあり、ステップ72は溶
接電流制御CPU7側にある。ついで、ステップ54で
ロボットを駆動し、電極6のワークへの接近・加圧動作
をスタートさせる。ステップ55で、各センサー24、
25からの位置信号、加圧力信号および微分器56から
の速度信号により時々刻々の機械的インピーダンスを演
算し、設定機械的インピーダンスと比較し、電極6がワ
ークに接触したと判定するまでステップ54、55のル
ープを繰り返す。電極6がワークに接触したと判定され
ると、ステップ57に進み、加圧が開始されるととも
に、接触時の、測定値から装置23にて演算された機械
的インピーダンスを装置23から装置21にデータを送
って、ステップ65にて学習、格納しておく。このデー
タは図4の領域Iに対応するものである。
テップ58に進み、センサ24、25で測定された位置
X(t)、加圧力F(t)が設定された位置、加圧力に
なっているか否かを判定し、設定位置、設定加圧力にな
るまでステップ57に戻って加圧指令を出し、設定位
置、設定加圧力である場合は、ステップ59に進むとと
もに、同期装置30を介してステップ73にも進む。ス
テップ73では、ステップ72からの溶接電流制御指令
信号とステップ58からの位置、加圧力OK信号を受け
ると、すなわちステップ72と58の両方が満足される
と、ステップ74に進み、ステップ74で溶接電流制御
I(Iは図4の領域Iに対応)を行い、溶接電流を0
(電流が流れていない)に制御する。その結果をステッ
プ80で溶接条件指令装置21にフィードバックし、学
習、格納する。
演算装置23で機械的インピーダンスを演算し、制御
し、それをステップ60で時間がT1になるまで繰り返
す。ステップ60で時間T1が経過したことが確認され
ると、それをステップ75に通信しておくとともに、ス
テップ61に進む。ステップ61では、領域IIの機械
的インピーダンス、加圧力制御を行い、その値をステッ
プ66にて、溶接条件指令装置21に送信して格納して
おき、次回の領域IIの溶接条件とする。ステップ61
の演算、制御をステップ62で時間T2が経過したこと
が確認されるまで繰り返す。ステップ75では、ステッ
プ74からの溶接電流制御I信号とステップ60からの
時間T1経過信号を受けると、すなわちステップ74と
60の両方が満足されると、ステップ76に進み、ステ
ップ76で溶接電流制御II(IIは図4の領域IIに
対応)を行い、低電流で通電を開始し母材加熱のための
電流制御を行い、母材を発熱させて板同士のフィット性
を向上させる。その結果をステップ81で溶接条件指令
装置21にフィードバックし、学習、格納する。
確認されると、それをステップ77に通信しておくとと
もに、ステップ63に進む。ステップ63では、領域I
IIの機械的インピーダンス、加圧力制御を行い、その
値をステップ67にて、溶接条件指令装置21に送信し
て格納しておき、次回の領域IIIの溶接条件とする。
ステップ63の演算、制御をステップ64で時間T3が
経過したことが確認されるまで繰り返す。ステップ77
では、ステップ76からの溶接電流制御II信号とステ
ップ62からの時間T2経過信号を受けると、すなわち
ステップ76と62の両方が満足されると、ステップ7
8に進み、ステップ78で溶接電流制御III(III
は図4の領域IIIに対応)を行い、通電を開始し溶接
電流制御を行い、溶接を実行する。その結果をステップ
82で溶接条件指令装置21にフィードバックし、格納
する。
確認され、ステップ79でステップ78とステップ64
の両方が満足されたことが確認されると、エンドステッ
プに進む。また、ステップ67およびステップ82で
の、機械的インピーダンス、溶接電流の格納が終わる
と、ステップ68に進み、溶接条件モデル(ステップ2
3のI、D、K、ステップ31のL、Cなど)をステッ
プ65、66、67、80、81、82で学習、格納し
た最適値に修正し、ついで溶接条件指令装置21の溶接
条件指令値に補正する。ついで、ステップ70で溶接条
件データベース1を修正する。また、ステップ69から
ステップ71に進み、スタートステップにジャンプし、
つぎの溶接打点に備え、エンドステップに進み、その打
点の制御を終了する。つぎの溶接打点では、再び上記の
制御を繰り返す。
機械的インピーダンス制御装置を設けたので、溶接中に
インピーダンスを動的に(時々刻々に)制御することが
でき、溶接中の各時点で最適インピーダンスで溶接を行
うことができ、「はなれ」、チリ、爆飛などを抑制で
き、溶接品質を向上させることができる。請求項2の装
置によれば、溶接条件データベース、溶接条件指令装
置、機械的インピーダンス演算装置を設けたので、機械
的インピーダンス演算装置にて時々刻々機械的インピー
ダンスを演算し最適化して、それを溶接条件指令装置を
介して溶接条件データベースに更新、格納することがで
き、溶接実行中に自律的に溶接品質を高めていくことが
できる。請求項3の装置によれば、両加圧軸にインピー
ダンス制御装置を設けるので、イコライザが不要にな
り、ロボットの溶接ガンまわりをコンパクト化、軽量化
することができる。請求項4の方法によれば、ワークの
厚さに応じて最適に機械的インピーダンス制御を行うこ
とができ、「はなれ」、チリ、爆飛などを抑制すること
ができ、より高品質の溶接を実施することができる。
御システム図である。
械的制御器からなる場合の概略システム図である。
気的制御器からなる場合の概略システム図である。
すグラフである。
う場合の動摩擦力−速度特性図である。
である。
御方法のフローチャートである。
CPU) 5 減速機 6 溶接電極 7 溶接電流制御CPU 9 加圧アクチュエータ 9a 加圧軸 21 溶接条件指令装置 22 加圧軸制御装置 23 機械的インピーダンス演算装置 24 位置検出装置 25 加圧力検出装置 29 溶接電流制御装置 30 同期装置 31 溶接電流演算装置 32 電極間抵抗制御装置 33 溶接電流測定装置
Claims (4)
- 【請求項1】 スポット溶接装置の加圧軸に対し、機械
的インピーダンスを制御するインピーダンス制御装置を
設けたスポット溶接装置。 - 【請求項2】 前記インピーダンス制御装置が、溶接点
の情報に基づいて溶接条件を設定し指令を出す溶接条件
指令装置と、該溶接条件指令装置からの指令値に基づい
て加圧軸を制御する加圧軸制御装置と、前記加圧軸制御
装置によって駆動される加圧軸の位置と加圧力の測定値
に基づいて前記溶接条件指令装置からのインピーダンス
値と加圧力値を最適化して前記溶接条件指令装置にフィ
ードバックする機械的インピーダンス演算装置と、を含
む請求項1記載のスポット溶接装置。 - 【請求項3】 前記インピーダンス制御装置を一対の加
圧軸の各々に対して設けた請求項1記載のスポット溶接
装置。 - 【請求項4】 スポット溶接装置の加圧軸に対し、機械
的インピーダンスを制御するインピーダンス制御装置を
設けたスポット溶接装置の制御方法であって、薄板同士
の溶接時には機械的インピーダンスを低く、厚板同士の
溶接時には機械的インピーダンスを高く制御するスポッ
ト溶接装置の制御方法。
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
JP16854697A JP3228187B2 (ja) | 1996-07-04 | 1997-06-25 | スポット溶接装置およびその制御方法 |
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EP97111222A EP0816005B1 (en) | 1996-07-04 | 1997-07-03 | Spot welding apparatus and a method for controlling the apparatus |
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JP17452996 | 1996-07-04 | ||
JP16854697A JP3228187B2 (ja) | 1996-07-04 | 1997-06-25 | スポット溶接装置およびその制御方法 |
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