JPS63251811A - 産業用ロボツトの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は産業用ロボットの制御装置に関する。

本発明は特に、ロボットのアームの先端に加圧手段およ
び押圧手段が設けられた産業機械であって、アーム、加
圧手段および押圧手段を空間的に位置決めすると共に位
置決めされた位置において加圧手段を付勢して押圧手段
を移動させ、対象物を押圧する制御装置に関する。

本発明の産業用ロボットの制御装置は、上述の如く所定
の位置において押圧した状態で対象物を電気溶接する、
スタンドガン溶接機等に好適に用いられる。

〔従来の技術〕

第１図にスタンドガン溶接機の外形図、および第２図（
ａ）〜（ｃ）に第１図スタッドガン溶接機の概念および
その動作を示す図を示す。

スタッドガン溶接機は、ロボットアーム機構部と押圧溶
接部から構成されている。ロボットアームは６軸アーム
である。すなわち、一端がθ軸のまわりに回転し得るよ
うに固定されたθ軸アーム３１、θ軸アームの節（ビポ
ッ））ＰＶθに連結されたＷ軸アーム３１およびＷ軸ア
ームの節に連結されたα軸アーム３３の３軸アームの外
、Ｕ軸アームの先端部に連結されたγ、β、α軸アーム
３４〜３６から成り、自由端アームとしてのα軸アーム
３６の先端が３次元空間における任意の位置に位置決め
されるように構成されている。これらの各アームには、
アーム駆動用モータが接続されて、　いる（図示せず）
。押圧溶接部としては、α軸アーム３６の先端に、スタ
ッドガン４１が設けられ、さらにスタッドガン内部に一
部挿入された電極４２が装着されている。固定電極４４
には端部電極４３に設けられ、電極４３に電気溶接すべ
き被溶接物５１が部分的に接触する状態で載置される。

尚、第２図（ｂ）は第２図（ａ）の矢印Ａの方向からみ
た、α軸アーム３６、スタンドガン４１および電極先端
４２の断面図を示す。第２図（ｃ）は第２図（ａ）の部
分拡大図を示す。

スタッドガン溶接機の動作を述べる。

オペレータは教示操作盤（図示せず）を介して、電極４
２が、第２図（ａ）（ｃ）で図示の如く実線で示された
位置、すなわち、被溶接物５１をはさんで対向電極４４
と対向し且つ被溶接物５１から離れた位置に位置決めさ
れるように教示操作を行う。制御装置（図示せず）は上
記教示位置に電極４２が位置決めされるように各アーム
を制御する。

電極４２が位置決めされると、制御装置はスタッドガン
４１を付勢する、すなわちスタッドガン４１に圧縮空気
を印加する。これにより、一部がスタッドガン４１に挿
入装着されている電極４２が被溶接物５１に向って押し
出され、被溶接物５１に当接すると共に、対向電極４３
と協働し被溶接物５１を押圧する。すなわち、第３図に
図示の如く、教示操作盤から教示された前述の位置Ｐｌ
に電極４２が位置決めされると、スタッドガン４１を介
して電極４２を加圧し被溶接物５１を押圧する。第３図
は加圧の過渡状態を示すが、時間ｔ、Ｊにおいて、電極
４２に所定の圧力が印加され定常状態になると、制御装
置は電極４２　、４３間に電圧を印加する。この電圧は
被溶接物５１が電気溶接されるに充分な値である。これ
により、被溶接物５１の２枚の導電部材が、電極４２　
、４３間で押圧されながら、電気溶接される。この状態
を一定時間継続し、押圧溶接が十分確立された時点で、
通電を停止し、電極４２を被溶接物５１から離し、次に
作業に移る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の電極４２を加圧押出し被溶接吻５１を電極４２を
介して押圧する、スタッドガン４１の加圧力は３００〜
８００　ｋｇ／ｃｄと大きく、しかも加圧押出しは瞬時
に行なわれる。その結果、電極４２が被溶接物５１に当
接し押圧することにより相当の反発力（反力）が生じる
。その反力によりロボットアームは、第２図（ａ）（ｃ
）に破線で図示の如く、偏位し、またその結果、電極４
２が、教示された対向電極４３の中心軸上の線から位置
ずれをおこした、電極４２ａとして破線に図示の位置に
おいて被溶接物５１を押圧する。この位置ずれは、加圧
力によって異なる外、ロボットアームの位置によっても
異なり、その値は数鶴程度となる。すなわち、押圧位置
の誤差が無視し得ない程度化ずるという問題が生じてい
る。

また、このように位置ずれが生じた状態で両電極間に電
圧を印加すると、教示位置から外れた位置で電気溶接が
行なわれる。すなわち、電気溶接の位置の誤差が生じ、
その誤差が無視し得ないという問題がある。

更に、第３図に図示の如く、教示位置ＰＩに位置決めが
完了した後、スタッドガンを付勢し、上述の如く位置ず
れを起して位置決めされる訳であるが、位置ずれを起し
た後位置決めおよび加圧力が安定するまでいく分時間が
か＼る。安定後、電気溶接のために通電を行うので、作
業時間が若干のびるという問題が生じる。か＼る問題は
、直接作業能率の低下させるという問題を惹起させる。

〔問題を解決する手段、および、作用〕本発明は上述の
問題を解決すべくなされたものであり、本発明によれば
、その基本的形態として、複数の節部を介して運動可能
に連結された複数のアーム、該複数のアームの端部自由
アームの先端に装着された加圧手段、および該加圧手段
に係合し加圧手段からの圧力印加に応答してその前方に
配設された対象物を押圧するように押出される押圧手段
を有する産業機械の駆動部、該駆動部の押圧手段が押出
された場合該押圧手段の先端の位置として第１の空間的
位置を教示する教示操作部、および、該教示操作部から
の指令に応答し前記駆動部を制御する装置を具備し、該
制御装置が、（ａ）前記押圧手段への加圧押圧に伴う前
記アームへの反力によって生じ得る前記押圧手段の第１
の空間的位置からの位置ずれを補正する第２および第３
の空間的位置を計算し、（ｂ）第１〜第３の空間的位置
へ前記押圧手段の先端を連続的に位置決めし、（ｃ）該
位置決めと並行して、第１の空間的位置到達後所定時間
経過後、前記加圧手段を付勢して前記押圧手段を第３の
空間的位置において前記対象物を押圧させるように構成
された、産業機械の制御装置、が提供される。

第２および第３の空間的位置は２通りの形態で規定され
得る。

第１の形態とては、第３の空間的位置を、前記加圧手段
の加圧力および前置アームの位置に基いて前記第１の空
間的位置からの位置ずれを補正するように規定し、第２
の空間的位置を、前記アームに印加されるトルクと該ト
ルクにより生ずる前記アームのねじれとのヒステリシス
特性に基いた所定量だけ第３の空間位置に対し前記トル
クの印加を緩和する方向に偏位させた位置として規定す
る。

すなわち、第１の形態によれば、教示された第１の空間
的位置に対して、反力に伴う位置ずれを補正する第３の
空間的位置および結果的に第３の空間的位置においてト
ルクを緩和されるように決定された第２の空間的位置を
計算し、連続的にこれらの位置に位置決めする。これに
よりトルクを緩和しつつ、位置ずれ補正を行った位置決
めが遂行される。この位置決めと併行して加圧押圧が行
なわれる。この際、アームの復元力も加わることにより
、押圧力が増加し加圧押圧が促進され、定常状態に到達
する時間が短縮される。

第２の形態としては、第１の形態と位置関係を逆にして
、第２の空間的位置を、前記加圧手段の加圧力および前
置アームの位置に基いて前記第１の空間的位置からの位
置ずれを補正するように規定し、第３の空間的位置を、
前記アームに印加さるトルクと該トルクにより生ずる前
記アームのねじれとのヒステリシス特性に基いた所定量
だけ第２の空間位置に対し前記トルクの印加を緩和する
方向に偏位させた値として規定する。

第２の形態においても、第１の形態と同等の作用、効果
となる。

好適には、前記押圧手段の第３の空間的位置への位置決
めは前記端部自由アームの軸線上に沿って行なわせるこ
とが望ましい。反力によって自由アームと一体化された
手首アーム部分自体は偏位されず、主軸アーム部のみが
偏位し、復原力が作用するのみであるので、位置補正が
容易になるからである。

更に本発明がスタッドガン溶接機等に適用される場合は
、前記押圧手段がその先端に電極を有し、該電極に対向
する位置に前記対象物と少くとも部分的接触を保ちつつ
前置対象物を！！置する対向電極が設けられ、前記対象
物が前記電極間に重ねられた複数の導電性部材を有する
ように構成され、前記制御装置が、前記押圧手段の先端
電極が第３の空間的位置に位置決めされた後、前記対象
物が前記電極間で押圧されている状態で前記電極間に電
圧を印加し、前記対象物の導電性部材を加圧印加状態下
で電気溶接する。

上述の如く電極の位置決めは正確に行なわれ、加圧押圧
も迅速に行なわれるので、正確な位置決めおよび迅速な
加圧押圧下で電気溶接が遂行される。

〔実施例〕

本発明の好適実施例として、スタッドガン溶接機に適用
した場合について述べる。

第４図に本実施例のスタッドガン溶接機の全体構成図を
示す。

スタッドガン溶接機は、教示操作部１、制御装置２およ
び駆動部３から構成される。

教示操作盤１は、従来と同様、電極４２の先端を被溶接
物５１の近傍且つ対向電極４３の中心軸線上の第１の空
間的位％ｔＰ１を教示するものである。

制御装置２は、タイマ２１、位置制御回路２２、加圧制
御回路２３、電圧印加制御回路２４、および後述する第
２および第３の空間的位置ｔ　Ｐ　２　。

Ｐ３を計算する位置計算回路２５から成る。制御装置２
の動作については後述する。

産業機械の駆動部としては、第１図および第２図（ａ）
〜（ｃ）に図示の如く、スタッドガン溶接機の駆動部３
が該当する。当該駆動部３は、アームとして前述の主軸
アーム３１〜３３および手首操作軸アーム３４〜３６、
加圧手段として端部自由アームとしてのα軸アーム３６
の先端に装着された前述のスタンドガン４１、および押
圧手段としてスタッドガン４１に介装された電極４２を
有する。更に駆動部３は、固定電極４４の先端に取り付
けられた対向電極４２を具備する。対向電極４２には、
対象物として被溶接物であると共に被押圧物でもある２
枚の導電性部材５１が載置される。被溶接物５１は、対
向電極４２の載置近傍が導電性部材であればよい。

以下、スタンドガン溶接機の動作について述べる。スタ
ッドガン溶接機の全体動作のタイムチャートを第５図（
ａ）〜（ｅ）、制御袋ｗ２の動作フローチャートを第６
図に示す。

制御装置２が教示操作部１から、押出直前の本来的な位
置決め位置、第１の空間的位置ＰＬを受信すると（第６
図、ステップ５ｏｉ１）　、位置計算回路２５が第２の
空間的位ｆＰ２および第３の空間的位置Ｐ３を計算する
（５０１２）。第３の空間的位置Ｐ３は、スタッドガン
４１により押出された電極４２が被溶接物５１に当接し
その反力によりアーム３１〜３６が第２図（ａ）（ｃ）
の如く偏位し、更にその復原力により電極４２を被溶接
物５１に押し戻すことにより生ずる位置ずれを補正する
ための位置である。今、この位置補正を容易にすること
と、位置ずれ自体が極力小さくなるようにするため、手
首部のアーム端部のα軸アーム３６の軸線のみに沿って
反力を受は復原力が生ずるようにアームを駆動して位置
決めする場合を例にとると、θ軸、Ｗ軸およびＵ軸にそ
れぞれ下記式で示される角度偏位δθ、δ、、δ。が生
じる。

δｅ＝−ｓｉｎ（φ０−φβ）ｓｉｎφ丁・Ｋθ （Ｊ、ｓｉｎ　φ、　＋ｌ　ｕｃｏｓφｕ）−（１）δ
、＝二ｃｏｓ　（φβ−φ１−φＵ）ｃｏｓ　　φ、・
１．・・・　（２） δ、＝−ｓｉｎ　φβ・ＣＯ８φ７・ｌＵ　・・・（３
）ｕ 但し、Ｆ：スタッドガンの押出圧力（ｋｇ　ｆ　）、Ｋ
Ｉ９．Ｋｗ、Ｋｕ’θ軸、Ｗ軸：Ｕ軸のねじり剛性（ｒ
ａｄ／　ｋｇ　−ｍ）、φ、、φ１　、φヶ、φβ、φ
丁：各軸まわりの角度（ｒａｄ）、 ｌｌＪ、１．、Ｊ：Ｕ軸、Ｗ軸アーム長（ｍ）そこで位
置計算回路２５は、予め入力されている加圧力Ｆ、ねじ
り剛性ＫＱ、に、、に、およびアーム長ｌｌＪ、１１．
ｌと、角度センサを介して各軸まわりの角度φ、〜φ丁
を入力し、角度偏位δθ。

δ１．δ。を計算する。次いで、位置計算回路２５は、
手首アーム部が反力によって逃げる方向と逆方向にこれ
らの角度偏位を教示位置Ｐ１に補正して第３の空間的位
置Ｐ３を計算する。

次いで位置計算回路２５は、第３の空間位置Ｐ３に対し
て、数％大きく移動させた第２の空間的位置Ｐ２を計算
する。この位置Ｐ２は第３の空間位置Ｐ３移動時にヒス
テリシス特性に基づきアームにか＼るトルクを緩和させ
るために設けられた位置である。第７図に図示の如く、
トルクと各軸アームのねじれとはヒステリシス関係を有
する。

すなわちトルクを増加させると７−ムのねじれも増加す
るが、トルクを減少させてもねじれは同じ履歴をとらず
、その−巡曲線はヒステリシスループを描く。一方、大
きいトルクＴ１．と小さいトルクＴ２とでもＴＩ　、Ｔ
２と順次印加することにより、同じねじれとなる。一方
、教示位置Ｐｌを補正して第３の空間的位１ｉＰ３に位
置決めしようとすると、本来的な教示位置Ｐ１に対し、
各軸アームはねじれるので各軸アーム駆動用のモータに
は余分のトルクがか＼ることになる。このため、同じね
じれでもトルクを小さい方のトルクが印加されるように
、いわゆる「もどし効果」を作用させるべく、第２の位
置Ｐ２を用いる。この第２の位置Ｐ２は、第７図のヒス
テリシス特性を考慮しつつ、誤差が極力小さくなるよう
、第１の空間位置Ｐ１から第３の空間位ＷＰ３までの移
動距離に対して移動距離を数％太き（したものとする。

尚、上述の計算は教示操作部側、すなわちオペレータが
計算し得ないこともないが、複雑な計算であり、オペレ
ータの作業を著しく高度にするこ′とから、オペレータ
は従来通りの操作をすればよく、制御装置側で行なうよ
うにしている。

以上の如く、第１〜第３の空間的位置Ｐ１〜Ｐ３が求ま
ると、時間ｔｏ　　（第５図（ａ））において、位置制
御回路２２は、連続的に、順次、第１〜第３の空間的位
置Ｐ１〜Ｐ３への位置決め制御を開始する（Ｓ０１３）
。

一方、加圧制御回路２３も作動し、第１の空間的位置Ｐ
Ｌに到達したか否か検査しく５Ｏ１４）、到達した場合
（ｔ１）タイマ２１をｔ、（ｍｓ）にセフ）する。

位置制御回路２２は第２の空間的位置Ｐ２への位置制御
を続ける（ＳＯ１５）。

ｔａ′・時間経過後ｔ２において、加圧制御回路２３は
スタッドガン４１を付勢して電極４２を押し出す（５０
１６、５０１７）。これにより、電極４２が被溶接物５
１に衝突しその反力でアーム全体が偏位させられる。ま
たその結果、復原力がスタッドガン４１の加圧力に重畳
されて電極４２を介して被溶接物５１を押圧する。

上記押圧動作と併行して第２位置Ｐ２への位置決め制御
が行なわれており、位置制御回路２２は第２位ＸＰ２に
到達したことを検出すると（ＳＯｌＢ）、第３の位置Ｐ
３への位置決め制御を行う（ＳＯ１９）。

位置制御回路２２は第３の位置Ｐ３に到達したことを検
出すると（ＳＯ２０）、電圧印加制御回路２４を駆動す
る。

第３の位置Ｐ３に到達した時点ｔ３においては、電極４
２の押圧力は整定し、定常状態に達しており、電極印加
制御回路２４は即座に電極４２　、４３間に電圧を印加
して電気溶接を行う（ＳＯ２１）。この電気溶接は押圧
子状態で行なわれ、電気溶接に充分な一定時間ｔｅ　（
第５図（ｄ））経過後、通電が停止される。

スタッドガン４１による加圧制御は、電気溶接終了（ｔ
４）後も、一定時間ｔ、たけ継続され、電気溶接後の溶
接部の冷却固着化を確実化する。一定時間１．経過後、
加圧制御回路２３はスタッドガン４１を消勢する（ＳＯ
２２、５０２３）。

以上の動作を第１の位置Ｐ１に到達後、加圧および通電
との関係を第８図に示す。従来の第３図と比較すると、
加圧開始は第１の位置到達後の時間ｔ２とおそいが、上
述の如く押圧動作に伴う圧力が定常状態に到達する時間
が短縮されるので、通電タイミングｔ、Ｉが、従来例の
第３図に比し短縮される。

以上の実施例ではα軸アームの軸線上に沿って偏位する
場合について述べたが、軸線から外れる場合も同様であ
る。但し、この場合、軸角度偏位は第１〜第３式より複
雑になる。

また上述の実施例においては、第３の空間内位ＸＰ３を
、前記加圧手段の加圧力および前置アームの位置に基い
て第１の空間内位ｔ＋　　Ｐ　１からの位置ずれを補正
するように規定し、第２の空間内位置Ｐ２を前記アーム
に印加されるトルクと該トルクにより生ずる前記アーム
のねじれとのヒステリシス特性に基いた所定量だけ第３
の空間位置Ｐ３に対し前記トルクの印加を緩和する方向
に偏位させた位置として規定した場合について述べたが
、第３の空間的位置と第２の空間的位置を入れ替えて、
すなわち、第２の空間的位置Ｐ２を、前記加圧手段の加
圧力および前置アームの位置に基いて第１の空間的位置
Ｐｉからの位置ずれを補正するように規定し、第３の空
間内位置Ｐ３を、前記アームに印加されるトルクと該ト
ルクにより生ずる前記アームのねじれとのヒステリシス
特性に基いた所定量だけ第２の空間位置に対し前記トル
クの印加を緩和する方向に偏位させた値として規定し、
上記同様、第１〜第３の空間的位置へ順次位置決めしつ
つ、押圧動作をしても前記同様の効果を得ることができ
る。最終的に位置ずれが許容範囲内におさまり、トルク
緩和が達成されればよいからである。

以上、好適実施例として、押圧動作を伴う位置決め制御
、更に電気溶接加工を行う、スタッドガン溶接機につい
て例示した。以上から明らかなように、本発明は、押圧
動作を伴う位置決め制御を高精度且つ迅速に行うものの
みにも適用し得る。

また本発明は、か＼る位置決め制御の後、電気溶接等の
加工を行う場合にも通用し得る。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、押圧動作に伴う位置
ずれ補償およびアーム駆動部へのトルク印加を極力小さ
くしつつ、高精度な位置決め制御が可能となる。

また本発明によれば、押圧動作と位置決め制御とを並行
して行うことにより、押圧整定時間を短縮させ、ひいて
は作業能率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はスタッドガン溶接機の断面図、第２図（ａ）は
第１図の概略動作を示す図、第２図（ｂ）は第２図（ａ
）Ａ部からみた図、第２図（ｃ）は第２図（ａ）の部分
拡大図、第３図は従来のスタッドガン溶接機の動作特性
図、 第４図は本発明の実施例としてのスタッドガン溶接機の
制御回路構成図、 第５図（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施例のスタッドガン
溶接機の動作タイミングチャート、第６図は第４図制御
回路の動作フローチャート、第７図はスタッドガン溶接
機のアームのトルク・ねじれヒステリシス曲線図、 第８図は、第３図に対応する、本発明の実施例のス・タ
ソドガン溶接機の動作特性図、である。 （符号の説明） １・・・教示操作部、　　　２・・・制御装置、３・・
・駆動部、　　　　　２１・・・タイマ、２２・・・位
置制御回路、　２３・・・加圧制御回路、２４・・・電
圧印加制御回路、 ２５・・・位置計算回路、　３１・・・θ軸アーム、３
２・・・Ｗ軸アーム、　　　３３・・・α軸アーム、３
４・・・Ｔ軸アーム、　　　３５・・・β軸アーム、３
６・・・α軸アーム、　　　４１・・・スタッドガン、
４２　、４３・・・電極先端、　　４４・・・固定電極
、５１・・・被溶接物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の節部を介して運動可能に連結された複数のア
   ーム（３１〜３６）、該複数のアームの端部自由アーム
   （３６）の先端に装着された加圧手段（４１）、および
   該加圧手段に係合し加圧手段からの圧力印加に応答して
   その前方に配設された対象物（５１）を押圧するように
   押出される押圧手段（４２）を有する産業機械の駆動部
   （３）、 該駆動部の押圧手段が押出された場合該押圧手段の先端
   の位置として第１の空間的位置（Ｐ１）を教示する教示
   操作部（１）、および、 該教示操作部からの指令に応答し前記駆動部を制御する
   装置（２）であって、 （ａ）前記押圧手段への加圧押圧に伴う前記アームへの
   反力によって生じ得る前記押圧手段の第１の空間的位置
   からの位置ずれを補正する第２および第３の空間的位置
   （Ｐ２、Ｐ３）、を計算し、（ｂ）第１〜第３の空間的
   位置へ前記押圧手段の先端を連続的に位置決めし、 （ｃ）該位置決めと並行して、第１の空間的位置到達後
   所定時間（ｔ＿ａ）経過後、前記加圧手段を付勢して前
   記押圧手段を第３の空間的位置において前記対象物を押
   圧させる、もの、 を具備する、産業用ロボットの制御装置。 ２、前記第３の空間的位置が、前記加圧手段の加圧力お
   よび前記アームの位置に基いて前記第１の空間的位置か
   らの位置ずれを補正するように規定され、 前記第２の空間的位置が、前記アームに印加されるトル
   クと該トルクにより生ずる前記アームのねじれとのヒス
   テリシス特性に基いた所定量だけ第３の空間位置に対し
   前記トルクの印加を緩和する方向に偏位させた位置とし
   て規定される、特許請求の範囲第１項に記載の産業用ロ
   ボットの制御装置。 ３、前記第２の空間的位置が、前記加圧手段の加圧力お
   よび前記アームの位置に基いて前記第１の空間的位置か
   らの位置ずれを補正するように規定され、 前記第３の空間的位置が、前記アームに印加されるトル
   クと該トルクにより生ずる前記アームのねじれとのヒス
   テリシス特性に基いた所定量だけ第２の空間位置に対し
   前記トルクの印加を緩和する方向に偏位させた値として
   規定される、特許請求の範囲第１項に記載の産業用ロボ
   ットの制御装置。 ４、前記押圧手段の第３の空間的位置への位置決めを前
   記端部自由アームの軸線上に沿って行なわせることを特
   徴とする、特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに
   記載の産業用ロボットの制御装置。 ５、前記押圧手段がその先端に電極を有し、該電極に対
   向する位置に前記対象物と少くとも部分的接触を保ちつ
   つ前置対象物を載置する対向電極が設けられ、前記対象
   物が前記電極間に重ねられた複数の導電性部材を有し、 前記制御装置が、前記押圧手段の先端電極が第３の空間
   的位置に位置決めされた後、前記対象物が前記電極間で
   押圧されている状態で前記電極間に電圧を印加し、前記
   対象物の導電性部材を加圧印加状態下で電気溶接するよ
   うにしたことを特徴とする、特許請求の範囲第１項又は
   第２項に記載の産業用ロボットの制御装置。