WO1999009641A1 - Procede et dispositif de regulation de l'application d'une pression au moyen d'un moteur d'asservissement - Google Patents

Description

T

明 細 書

サーボモータ による加圧制御方法及び装置

技 術 分 野

本発明は、 サーボモータ によ って駆動制御される可動 体 （例えば、 スポッ ト溶接用の溶接ガンの溶接チッ プ） による他の物体への押圧力の制御方法及び装置に関する < 背 景 技 術

サーボモータ によ って駆動制御される可動体による他 の物体への押圧力 （加圧力） の制御は、 一般に、 速度制 御ループの出力 （すなわち、 トルク指令値） に トルク リ ミ ツ トをかけて、 サ一ポモータから設定 トルク 以上の ト ルク を発生させないよ う に している。

例えば、 サーボモータ で駆動されるスポッ ト溶接用の 溶接ガンの場合は、 溶接ガンの電極部の溶接チッ プでも つてワーク を挟み、 サーポモータの出力 トルク による所 定圧力でワーク を加圧 し、 溶接チ ッ プ間を通電 しワーク を溶着させている。

この溶接ガンの場合、 溶接ガンを駆動するサーボモー タ に対 して、 加圧方向に対 して加圧点よ り も さ らに前進 する移動指令を与えてお く。 そ して、 電極チッ プがヮー クに当接して移動が停止 しても、 移動指令による移動量 がまだ残っているため、 さ らに電極チッ プを前進させよ う と して速度ループから出力される トルク指令値は増大 してい く。 そこで、 この トルク指令値に対して トルク リ ミ ツ 卜をかけて、 この制限された一定の出力 トルク によ つてワークを加圧するよ う に している。

上述した方法による と、 溶接ガンの先端部がパネとな つて加圧力に振動が生 じた り、 また、 サーポモータへの トルク指令値が設定された トルク リ ミ ッ 卜値に達するま で時間がかかり、 設定 した加圧力になるまで時間を要し サイ クルタ イムが遅く なる と いう 問題がある。 さ らに、 サーボモータ で駆動されるサーボガンの電極部の溶接チ ッ プが移動すれば、 この移動の加速 トルク分が制限され た出力 トルク内で消費される こ と にな リ、 結局加圧力に 不足が生 じる こ とになる。

発 明 の 開 示

本発明の目的は、 加圧力の振動をな く すと共に加圧力 の遅れをもな く し、 かつ加圧力不足が生 じないよ う に し たサーポモータ による加圧制御方法及び装置を提供する し と I おる。

上記目的を達成するため、 本発明によるサーボモータ による加圧制御方法では、 サーボモータ で駆動される可 動体の他の物体への押 し付け力を制御するにおいて、 上 記サーボモータ に指令される指令加圧力 と、 オブザーバ によ って推定 した上記押 し付け力と によ って、 力の制御 ループを形成し、 上記押圧力をフ ィ ー ドバック制御する _£ なお、 好ま し く は、 上記可動体の速度を検出 し、 速度 のフィ 一 ドバック制御をも行う よ う にする。

また、 本発明によるサーボモータ による加圧制御装置 は、 サーボモータ で駆動される可動体の他の物体への押 し付け力の制御するものであって、 上記押 し付け力を推 定するオブザーバと、 サーボモータへ指令される加圧力 と上記オブザーバによ って推定 した上記押 し付け力によ つて力のフィー ドバッ ク制御を行う 力の制御ループ制御 手段と を備える。

なお、 好ま し く は、 さ らに、 速度検出手段によって上 記可動体の速度を検出 し、 速度のフ ィ ー ドバック制御を 行う速度フ ィ ー ドバック制御手段をも備える。

本発明はサーボモータ によ って駆動される可動体 （溶 接チ ッ プ） による押圧力 をフ ィ ー ドバッ ク制御するよ う に したから、 応答よ く 目標とする加圧力を発生する こ と ができ、 又、 作業のサイ クルタ イムを速 く する こ とがで きる。 又、 力のフ ィー ドパック制御のゲイ ンや力のルー プ内に設けられた速度ループのゲイ ンを調整する こ とに よ って加圧力に振動が発生 しないよ う に調整できるから、 加圧中に振動が発生する こ と もな く、 定常的に目標とす る加圧力を発生させる こ とができる。

図 面 の 簡 単 な 説 明

図 1 は、 本発明によるサーボモータ による加圧制御を 実行するため、 サーポモータ に対 して組んだ力の制御ル ープのブロ ッ ク線図である。

図 2 は、 図 1 に示す加圧制御を位置 ■ 速度ループ処理 周期毎に行う処理のフ ローチヤ一 卜である。

図 3 は、 図 1 に示す加圧制御で使用される外乱ォブザ ーバのブロ ッ ク線図である。 図 4 は、 図 1 に示す加圧制御を実行する制御系のハー ドウエアのプロ ック図である。

発 明 を 実施 す る た め の 最 良 の 形態 本発明による、 サーボモータ によ って駆動制御される 可動体による押圧力の制御方法を、 その可動体がサーボ モータ によ って駆動制御されるスポッ 卜溶接用の溶接ガ ンの溶接チッ プである場合を例に して、 以下に説明する。 スポッ 卜溶接用の溶接チッ プを駆動するサーボモータ に対 して組まれた力の制御ループのブロ ック線図を図 1 に示す。

この図 1 の制御ループのブロ ック線図は、 力のフ ィー ドバック制御のゲイ ン Aの伝達関数の項 1 と、 サーボモ 一夕 の伝達関数の項 2 と、 速度フ ィー ドバックの速度ル ープゲイ ン K V の伝達関数の項 3 とから成る。 なお、 項 2 における K t は溶接ガンの溶接チッ プを駆動するサー ポモータ の トルク定数、 J はイナ一シャ、 S はラプラス 演算子である。

被溶接体に対 して溶接チッ プが加える押 し付け力の目 標値と しての加圧指令 F c から、 サーボモータ に加わる 外乱を推定するオブザーバによ って推定された加圧力 T d を減算し、 その値 （ F c - T d ) にゲイ ン Aを乗じ、 その値 （ A * ( F c - T d ) ) から、 サーボモータの速 度フ ィ ー ドノくック値 V に速度ループゲイ ン K V を乗じた 値 （ v * K v ) を減じた値 （ A * ( F c — T d ) - V * K V ) を トルク指令値 T c と して求めて、 サーボモータ ( 2 ) を駆動制御する。

溶接チッ プのパネ定数を K、 ダンピング定数を D とす る と、 上記外乱推定オブザーバで推定される推定加圧力 T d は次の 1 式のよ う に表すことができる。

T d = K * e + D * v

= K * 0 + D * 0 S · · · ( "! ) なお、 S は溶接チッ プが被溶接体に当接してからの移 動量であり、 V はその移動量の時間に対する変化値、 す なわち速度である。

そこで、 図 1 よ り、

{ A ( F c 一 T d ) - K V * V } ( KtZ J S )

= v · · · · ( 1 ' )

( 1 ' ) 式において、 （ 1 ) 式と さ らに v = 0 S と から、

{ A [ F c 一 ( K * e + D * e s ) ]

- K V * Θ S } ( KtZ J S ) = Θ s

■ · · · ( 1 " )

( 1 " ) 式を F c について解く と、

F c = ( J / ( A * Kt) ) Θ S ²

+ [ ( Κ ν / A ) + D ] θ S + Κ * θ

·· · · ( 2 )

( 1 ) 式と （ 2 ) 式とから、 加圧指令 F c から推定加 圧力 T d までの伝達関数 T d / F c を求める と、

T d F c

= ( K + D S ) / { ( J / ( A * Kt) ) S ² + [ ( K v / A ) + D ] S + K } ( 3 )

( 3 )式において、 S = 0、 即ち、 速度が Γ 0」 となった と きには、

T d / F c = K / K = 1 、

よ って、 T d = F c とな り、 目標加圧力を得る こ とが できる。

そ こで、 この溶接ガンを取付けたロボッ トの教示ペン ダン 卜等の表示装置の表示画面に外乱推定オブザーバで 検出 される推定外乱、 即ち推定加圧力をグラフ ィ ック表 示する。 そ して、 上記速度ループのゲイ ン K V を、 推定 加圧力の振動が収束するよ う に調整する。 または、 上記 力の制御ループのゲイ ン Aを、 推定加圧力の振動が収束 するよ う に調整する。

図 1 に示 した加圧制御を実行する制御系のハー ドゥエ ァを図 4のブロ ック図を用いて説明する。

溶接ガンを搭載する ロボッ トを制御する数値制御装置 等の制御装置 1 0 によ って溶接ガンも制御される。 図 4 では、 溶接ガンの溶接チッ プを駆動するサーボモータ 1 4のみ示されている。

制御装置 1 0から移動指令を含む各種制御信号が共有 メ モ リ 1 1 を介 してディ ジタルサーボ回路 1 2 に出力さ れる。 ディ ジタ ルサ一ボ回路 1 2 は、 プロセッサ， R O M , R A M等で構成され、 位置、 速度等のサーボ制御を ディ ジタル的に実行する と共に、 溶接チッ プが被溶接体 夯押 し付ける力の制御も実行する。 このディ ジタ ルサーボ回路 1 2から出力される各相の 電流指令に基づき、 イ ンバータ等で構成されるサーボア ンプ 1 3 を介して、 溶接ガンの溶接チッ プを駆動するサ ーポモータ 1 4及びロボッ ト各軸のサーボモータ はそれ ぞれ駆動制御される。 また、 サーボモータ 1 4の位置、 速度は、 サーボモータ 1 4のモータ軸に取り付けられた パルスコーダ等で構成される検出器 1 5 で検出される。 この検出器 1 5 の出力である位置、 速度フ ィー ドバック 信号は、 ディ ジタルサーボ回路 1 2 に帰還される。 なお、 図 4 に示すサ一ボ制御系自体は公知のものである。

次に、 溶接チ ッ プが被溶接体を押 し付ける力 （加圧力） を推定するために用いる外乱推定オブザーバ 6 の一例を 図 3 のプロ ック線図を用いて説明する。

図 3 においては、 図 1 の K t Z J S の項 2 を K t の項 4 と 1 J Sの項 5 と に分けている。

この図 3 の外乱推定オブザーバ 6 は、 速度ループ等か ら出力 される トルク指令 T c とサーボモータの速度 V と によ って外乱 トルク を推定する。

外乱推定オブザーバ 6 の項 6 2 の K 3 及び項 6 3の

K 4 はそれぞれ外乱推定オブザーバのパラメ ータである。 また、 項 6 1 の K t ' J ' は、 実際にサーボモータ に 出力 される トルク指令と しての電流値 T c に乗じるパラ メータ の値であ り、 モータのノ ミナル トルク定数の値

K t ' をノ ミナルイナ一シャの値 J ' で除した値である。 項 6 4 は積分項であ り、 項 6 1、 6 2及び 6 3 の出力を すべて加算した値を積分 して、 モータの推定速度 v a を 求める項である。

この図 3のブロ ック図を K t' / J ' = K tZ J と し て解析すると、

( T c* Kt+ T dis) ( 1 / J S ) = v ( 4 )

{ T c * ( K t/ J ) + ( v - v a) K 3

+ ( v - v a) ( K 4/ S ) } / ( 1 / S ) = v a

· ·■ · ( 5 )

( 4 ) 式よ り、

T c = ( v * J S — T dis) K t ( 6 )

( 5 ) 式に （ 6 ) 式を代入 して整理する と、

V S - ( T disZ J ) + ( V — v a) * K 3

+ ( V - V a) * K 4/ S = V aS —— （ 7 ) よって、 T disZ J は以下の式で表される。

T disZ J = S ( V — v a) + ( v - v a) * K 3

+ ( v - v a) * ( K 4/ S ) ( 8 )

( 8 ) 式よ り、

V — V a

= V err

= ( T dis/ J ) { 1 / [ S + K 3+ ( K 4/ S ) ] }

·■■■ ( 9 )

( 9 ) 式よ り、 項 6 3 の出力である積分値 Xは次の式で 表される。

X = V err * ( K 4ノ S )

= ( T dis J ) { K 4ノ [ S ²+ K 3S + K ] } ·■■ · ( 1 0 ) そこで、 （ 1 0 ) 式において、 パラメ ータ K 3 及び

K 4 を極が安定するよ う に選択する と、 X = T disZ J と近似する こ とができる。 そこで、 この積分値 X ( = T disZ J ) に項 6 5のパラメ ータ J ' Kt' を乗じて、 推定外乱 トルク T d ( トルク指令 T c の次元に合わせた 推定外乱 トルク） を求める。

溶接ガンの溶接チッ プが被溶接体を押圧 している状態 では、 その押圧力は外乱推定オブザーバから得られる推 定外乱 トルク T d に等 しいと見なすこ とができる。 なお、 図 3 に示 した外乱推定オブザーバは公知 （例えば、 日本 の特許公報、 特開平 7 — 1 1 0 7 1 7号参照） であ り、 この外乱推定オブザーバに代えて他の形態の外乱推定ォ ブザーバを用いて押圧力を推定するよ う に してもよい。 次に、 ディ ジタ ルサーボ回路 1 2のプロセ ッサが位置

■ 速度ループ処理周期毎実施する処理を図 1 のフ ローチ ヤー 卜 を用いて説明する。

制御装置 1 0は、 教示プロ グラムに したがって、 ロボ ッ ト各軸に対 して移動指令値を分配周期毎出力 し、 ロボ ッ 卜手首に取付けられた溶接ガンを溶接位置までの移動 指令を出力 し、 さ らに溶接チッ プを被溶接体に押圧する 位置まで移動指令を出力 した後に、 加圧力制御への切 り 替え指令を出力 し、 共有メ モ リ 1 1 のフラグ Fを 「 1 」 にセ ッ 卜する。

そ して、 溶接ガンから溶接完了の信号を受信 した制御 装置 1 0 は、 加圧力制御から通常の位置 ■ 速度制御への 切 り替え指令を出力 し上記フラグ F を 「 0」 に し、 次の 移動指令を出力する。 制御装置 1 0 は上述した動作を教 示プログラムに基づいて実行する。

一方、 ディ ジタルサ一ボ回路 1 2 のプロセッサは、 共 有メ モ リ 1 1 が移動指令を含む各種の指令を読取り、 図 2 に示す処理を位置 ■ 速度ループ処理周期毎実行する。 ディ ジタルサ一ボ回路 1 2 のプロセ ッサは、 共有メ モ リ 1 1 の加圧力制御を指令する フラグ Fが Γ 1 」 にセッ 卜 されているか判断し （ステッ プ S 1 ) 、 Γ 1 」 にセッ 卜 されていなければ、 従来と 同様に、 指令された移動指 令値と位置 · 速度検出器 1 5 から フ ィ ー ドバック されて < る位置 ■ 速度のフ ィ一 ドバック値に基づいて、 位置ル ープ処理、 速度ループ処理を実行し トルク指令 T c を求 める （ステッ プ S 2 ) 。

そ して求め られた トルク指令 T c を電流ループに引き 渡し （ステッ プ S 3 ) 、 電流ループ処理では、 この トル ク指令 T c に基づいて電流ループ処理を行いサーボモー タの各相の電流指令を求めイ ンバータ等のサーボアンプ を介 して各軸のサーボモータ を駆動制御する。

また、 少な く と も溶接ガンの溶接チッ プを駆動するサ ーボモータ 1 4 に対しては、 ステッ プ S 2 で求めた トル ク指令 T c と速度フ ィー ドバック値よ り 図 3 に示したォ ブザーバの処理 （なおこのオブザーバの処理はすでに公 知であるので処理のフ ローチャー トは省略する） を実行 し、 外乱推定 トルク T d を求めレジスタ に記憶し （ステ ッ プ S 4 ) 、 当該位置 ' 速度ループ処理周期の処理を終 了する。 以下、 制御装置 1 0 よ り加圧力制御指令が出力 されフラグ Fが 「 1 」 にセ ッ トされるまで上述した処理 を繰り返し実行する こ と になる。

一方、 制御装置 1 0 よ り加圧力制御指令が出力されフ ラグ Fが Γ 1 J にセッ ト されると、 ディ ジタルサーボ回 路 1 2 のプロセ ッサは、 該フラグ F力、' Γ 1 」 にセッ ト さ れている こ と を検出 し （ステッ プ S 1 ) 、 制御装置 1 0 から送られて く る加圧指令値 F c 、 レジスタ に記憶され ている溶接チッ プを駆動するサーボモータ 1 4の外乱推 定 トルク T d 、 即ち推定加圧力を読み取ると共に、 位置 ■ 速度検出器 1 5 から フ ィー ドバック されて く る速度フ イー ドバック値 V を読み取る （ステッ プ S 5 ) 。 そ して、 図 1 に示す力の制御ループ処理及び該力の制御ループ内 の速度ループ処理を行って トルク指令 T c を求める。 即 ち、 次の式の演算を行って トルク指令値 T c を求める (ステッ プ S 6 ) 。

T c = A * ( F c — T d ) - K v * ν ·■■ · ( 1 1 ) こ う して求められた トルク指令値 T c を電流ループに 引き渡し （ステッ プ S 7 ) 、 溶接チッ プを駆動するサー ボモータ 1 4 をサーボアンプ 1 3 を介して駆動制御する。 そ して、 前述したステッ プ S 4 に移行してオブザーバの 処理を実行し外乱推定 トルク （推定加圧力） T d を求め 記憶する。 以下、 フラグ Fが Γ 1 j にセ ッ ト されている 限り、 ステッ プ S 1 、 S 5 〜 S 7、 S 4の処理を位置 ' 速度ループ処理周期毎実行し、 加圧力のフ ィ ー ドバック 制御を行う。

スポッ ト溶接が終了 し、 溶接ガンから溶接完了信号が 制御装置 1 0 に入力 される と、 制御装置 1 0 は加圧力制 御から通常の位置 · 速度ループ制御へ切 り替え信号を出 力 し上記フラグ「 を 「 0」 にセッ ト し、 以後、 従来と同 様の前述した移動指令の分配を行い、 ディ ジタルサーボ 回路 1 2のプロセ ッサは位置 · 速度ループ処理周期毎ス テツ プ S 1 〜 S 4の処理を繰り返し実行する。

なお、 上記力の制御ループでは、 定常状態では、 速度 のフ ィ ー ドバック値 V が Γ 0 」 とな り、 加圧指令 F c と 推定加圧力 T d との力の偏差がわずかある状態 （定常偏 差） でこの定常偏差にゲイ ン Aを乗じた値が トルク指令 T c となって安定 した状態となる。 この定常偏差をな く すために、 外乱推定オブザーバ 6 で推定 した推定加圧力 T d を上記 トルク指令 T c に加算して、 この加算した 卜 ルク指令をサーボモータへの指令と してもよい。 即ち、 図 1 において、 項 1 からの出力 （力の偏差にゲイ ン Aを 乗じた値） から項 3 の出力 （速度フ ィー ドバック値にゲ イ ン K v を乗じた値） を減じた後、 さ らに推定加圧力 T d を加算してサーボモータ （ 2 ) への トルク指令と と ても よい。 この場合には、 F c = T d とな リ カの偏差が 「 0」 となっても、 推定加圧力 T d 力 トルク指令と して 与え られるから、 推定加圧力 T d が加圧指令 F c と一致 するよ う に制御される こ とになる。

また、 この場合の処理は、 図 2 においてステップ S 6 の トルク指令 T c を求める （ 1 1 ) 式において、 推定加 圧力 T d を加算して、

T c = A * ( F c — T d ) — K v * v + T d

とすればよい。

Claims

請 求 の 範 囲

サーボモータで駆動される可動体の他の物体への押 し付け力を制御するにおいて、

上記サーボモータ に指令される指令加圧力と、 ォブ ザーバによ って推定 した上記押 し付け力と によって、 力の制御ループを形成し、 上記押圧力をフ ィ ー ドバッ ク制御するよ うに した

サーボモータ による加圧制御方法。

上記可動体の速度を検出 し、 速度のフ ィー ドバック 制御をも行う よ う に した請求の範囲第 1 項記載のサー ボモータ による加圧制御方法。

上記推定押 し付け力を表示 して、 該推定押 し付け力 の振動が収束するよ う に上記速度フ ィー ドパックのゲ イ ンを調整するよ う に した請求の範囲第 2項記載のサ ーボモータ による加圧制御方法。

上記推定押 し付け力を表示して、 該推定押 し付け力 の振動が収束するよ う に、 上記力の制御ループの加圧 指令と推定押 し付け力の差を増幅するゲイ ンを調整す るよ う に した、 請求の範囲第 1 項， 第 2項又は第 3項 に記載のサーボモータ による加圧制御方法。

サーボモータで駆動される可動体の他の物体への押 し付け力の制御する制御装置であって、

上記押 し付け力を推定するオブザーバと、

サーボモータへ指令される加圧力と上記オブザーバ によ って推定 した上記押 し付け力によ って力のフ ィー ドバック制御を行う 力の制御ループ制御手段と

を備える こ と を特徴とするサーボモータ による加圧制 御装置。

さ らに、 速度検出手段によって上記可動体の速度を 検出 し、 速度のフ ィ ー ドバック制御を行う速度フィー ドバック制御手段をも備える、 請求の範囲第 5項記載 のサーボモータ による加圧制御装置。

上記可動体とは口ポッ トの手首に取り付けられた溶 接ガンの溶接チ ッ プである、 請求の範囲第 5項または 6項に記載のサーボモータ による加圧制御装置。

加圧力制御指令を出力する制御装置と、

上記制御装置からの加圧力制御指令に基づいて可動 体をサーボモータで駆動 して他の物体に向けて押 し付 けるときの、 その押 し付け力を推定する押 し付け力推 定手段と、

上記サーボモータ の実速度を検出する速度検出手段 上記サーボモータへの トルク指令 T c を、 以下の式, T c = A * ( F c — T d ) — K v * ν

を用いて算出 し出力する トルク指令手段、 ただ し、 上 の式において、 Α及び Κ V は係数であ り、 F c は上記 制御装置から出力される加圧力制御指令であり、 丁 d は上記押 し付け力推定手段で推定された押 し付け力で あり、 V は上記速度検出手段で検出 されたサーボモー タの速度である、 と を含むサーボモータ による加圧制御装置。

9. 上記 トルク指令手段は、 サーポモータへの トルク指 令 T c を上記の式を用いる こと に代えて、 以下の式、 T c = A * ( F c - T d ) - K v * ν + Τ d を用いて算出 し出力するよ うに した、

請求の範囲 8項記載の、 サーポモータ による加圧制御 装置。

1 0. 上記 トルク指令手段が トルク指令 T c の算出に用 いる押 し付け力 T d の値は、 前回に出力 した トルク指 令 T c と、 その トルク指令出力の時に上記速度検出手 段が出力 した速度 V とから、 上記押 し付け力推定手段 が算出 した値である、

請求の範囲第 8項または 9項記載の、 サーボモータ に よる加圧制御装置。