JPH106025A - 溶接ガンの加圧制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワークに電極が接触するときの衝撃力を小さ
くし、溶接のために適切な加圧を行う。 【解決手段】 図２（１）に示すように、溶接ガン１の
電極２ａ，２ｂ間をワークなしの状態で接触させ、モー
タ電流を監視して設定トルクに対応する位置に達した位
置を接触位置Ｘとする。そして（２）に示すように、実
ワークへの加圧溶接時にはワーク２０の板厚ｄを考慮し
て位置目標値Ｘ−ｄを設定し、電極２ａ，２ｂを位置制
御によって高速度で移動させる。次に加圧力を得るため
の行き過ぎ位置を位置目標値として、位置制御を行い、
電極２ａ，２ｂがワーク２０の表面に接触するまでは、
予め設定された低い速度で移動させ、モータ電流を監視
して接触状態を判定する。接触した後では、（３）に示
すように、その行き過ぎた位置へ電極２ａ，２ｂを高速
で移動させる指令値を与え、モータ電流を設定加圧力に
対応する値に制限して加圧力制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属製品の製造工
場でスポット溶接などに用いられる溶接ガンの加圧制御
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、金属製品の製造工場では、自
動的にスポット溶接を行うための溶接ロボットが広く用
いられている。溶接ロボットは、予め設定される複数の
溶接箇所に順次溶接ガンを移動させながら、各溶接箇所
毎にワークを溶接ガンの電極先端間で挟持し、加圧した
状態で通電して溶接を行う。溶接箇所の信頼性を向上す
るためには、適切な加圧力を印加する必要がある。しか
しながら、溶接ガンの電極先端がワークの表面に接触を
開始する時点では、できるだけ衝撃を避けることが好ま
しい。衝撃が大きいと、電極先端の損耗が激しくなった
り、ワークの表面の変形が大きくなったりしてしまい、
溶接品質の低下をもたらすからである。

【０００３】溶接ガンの電極をワークの表面に接触させ
るための制御に関連する先行技術は、たとえば特開平６
−３１２２７３、特開平６−３１２２７４あるいは特開
平７−６４６１５などに開示されている。このうち特開
平６−３１２２７３には、電極の移動を行うサーボモー
タの電流と加圧力との関係を求めておいて、ワークの厚
みと溶接ガンのアームのたわみとを考慮した動作目標位
置に電極の先端を移動させ、さらに所定の加圧力に対応
するモータ電流となるように電極先端位置を制御してい
る。特開平６−３１２２７４では、溶接ガンの電極間の
間隔を、電極の平均的な摩耗を考慮して補正し、溶接の
繰返しによって電極が摩耗しても摩耗量がない状態と同
様な電極間隔を保つように制御する。特開平７−６４６
１５では、電極先端の位置を検知しながら電極を移動さ
せるサーボモータのモータ電流を監視し、電極先端がワ
ークの厚みを考慮して設定される位置に達する前にモー
タ電流が増大すると、障害物等が存在する過負荷である
と判定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平６−３１２２７
３の先行技術では、加圧時にワークの厚みや溶接ガンの
アームのたわみなどを考慮して電極の動作目標位置を設
定し、モータ電流に対応する加圧力と設定加圧力との差
から電極の突出量を補正している。しかし、実際に加圧
を行う前に加圧によって生じるアームのたわみを考慮す
ることとなり、加圧前にはたわみを生じていないので、
その加圧位置は電極がワークに接触する位置よりさらに
押し進んだ位置になっている。このため実際に電極がワ
ーク表面に接触するときの速度は大きく、ワークに接触
時の衝撃も大きいはずである。その一方で、電極先端が
ワーク表面に衝撃的に接触しないように、接触する充分
手前から減速し、低速で接触するように制御しようとし
ているけれども、その具体的な構成は不明である。ま
た、その後の加圧力を得るための制御において、実加圧
力のフィードバックにより位置補正をかける等、複雑な
制御が必要となってくる。特開平６−３１２２７４の先
行技術では、電極の平均摩耗量で補正して設定電極間隔
を保つようにしているけれども、電極先端をワーク表面
に静かに接触させたり、所定の加圧力で制御するための
構成は開示されていない。特開平７−６４６１５の先行
技術では、ワークの厚みより大きな電極間間隔で電極の
移動を行う段階でサーボモータのモータ電流が増大する
ときに、障害物として検出することができるけれども、
電極先端をワーク表面に静かに接触させたり、所定の加
圧力で制御するための構成は開示されていない。

【０００５】したがって、これらの先行技術を用いて溶
接ガンの加圧制御を行うと、ワークの厚みのばらつきや
ワーク間のギャップの変動などを考慮して、大きな衝撃
力を与えず、電極をワーク表面に安定接触させることが
できない。また、加圧力を得るための制御で、突出量の
補正が必要となる等、複雑な制御を行う必要も生じる。

【０００６】本発明の目的は、電極先端がワーク表面に
接触するときに大きな衝撃力を発生しないで、しかもワ
ークや電極の形状的な変動に対しても安定な加圧を行う
ことが容易にできる溶接ガンの加圧制御方法を提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、通電して溶接
を行うワークを、モータ駆動のロボットとして制御され
る電極先端間で挟持する溶接ガンの加圧制御方法におい
て、予めワークが存在しない状態で、電極先端間が接触
する接触位置を求めておき、電極先端間の間隔をあけて
ワークを挿入し、電極先端を移動させる目標位置とし
て、接触位置にワークの厚さを見込んだ厚み補正位置を
設定し、モータ電流を監視しながら位置制御によって電
極先端を移動させ、そして、さらに、電極先端を移動さ
せる目標位置として、加圧力を得るための行き過ぎ位置
を設定し、行き過ぎ位置までは、モータ電流を予め設定
される加圧力に対応する電流値となるように規制しなが
ら、まず、予め設定される速度以下で電極を移動させ、
モータ電流の変化状態から電極先端がワークに接触して
いるか否かを判断し、電極先端がワークに接触している
と判断された後では、すばやく加圧力を得るため、電極
先端を行き過ぎ位置へ高速で移動させる指令値を与え、
厚み補正位置と行き過ぎ位置への２回の位置制御を行
い、かつ、行き過ぎ位置へは低／高速の速度を切換えな
がら制御することを特徴とする溶接ガンの加圧制御方法
である。本発明に従えば、ワークが存在しない状態で、
電極先端間が接触する接触位置を予め求めておき、電極
先端間に挿入したワークに対して、接触位置にワークの
厚みを見込んだ厚み補正位置を設定し、位置制御によっ
て電極先端を移動させる。厚み補正位置では、ワークの
厚さの変動も考慮して、ワークの表面には接触しない位
置に設定しておくことによって、ワークの表面への衝撃
を考慮することなく、電極の移動を迅速に行うことがで
きる。そしてさらに、厚み補正位置から、電極先端を行
き過ぎ位置まで再度位置制御する。その際にモータ電流
の変化状態を監視しながら、電極先端を予め設定される
速度以下で移動させて、モータ電流の変化によって接触
状態を検出するまで移動させる。移動速度が小さいの
で、接触時の衝撃力を小さくすることができ、厚み補正
位置がワーク表面に充分に近い位置であれば、接触まで
に要する時間を短くして、低速でも短時間で接触するよ
うに設定することができる。また、加圧力については、
行き過ぎ目標位置によりオーバロード状態を発生させ、
モータ電流を予め設定される加圧力に対応する電流値に
規制するので、適切な加圧力でワークを電極間に挟持す
ることができる。また、板厚の変動が小さい場合等、実
際の状況に応じて、厚み補正位置をワーク表面に接触す
る位置とすることにより、途中の低速での接触を除くこ
ともでき、厚み補正位置から一気に、行き過ぎ位置への
高速での位置制御を実施することも可能である。こうす
ることにより、溶接サイクルタイムの短縮も図れる。

【０００８】また本発明で前記ワークの存在しない状態
での接触位置を求める動作は、ロボットの１つの動作と
して選択可能に備えられていることを特徴とする。本発
明に従えば、ワークの存在しない状態での接触位置を求
める動作は、ロボットの１つの動作として選択可能であ
るので、電極先端の摩耗量を考慮して、たとえばある回
数の溶接を行ったら接触位置を改めて求め、電極の消耗
等を補償させることができる。

【０００９】また本発明は、電極先端がワークに接触す
るまでに要する移動量を、次に厚み補正位置を設定する
際に反映させて厚み補正位置を最適化させることを特徴
とする。本発明に従えば、厚み補正位置から電極先端が
ワークに接触するまでに要する移動量は、長すぎるとこ
の間で電極の移動速度が小さいので溶接のサイクルタイ
ムが長くなってしまい、短すぎるとワークの厚みなどの
ばらつきによって、電極先端を厚み補正位置まで移動さ
せただけでもワークの表面に接触し、大きな衝撃力を発
生してしまう可能性がある。実際の移動量に基づいて、
次に厚み補正位置を設定する際の移動量を変更させるの
で、適切な移動量となるように学習させながら厚み補正
位置の設定を行うことができる。

【００１０】また本発明は、前記電極先端を移動させる
駆動系に、コンプライアンス要素を含ませることを特徴
とする。本発明に従えば、コンプライアンス要素が電極
先端を移動させる駆動系に含まれているので、ワークの
厚みのばらつきやギャップの変動を吸収し、電極先端の
ワーク表面への接触時の衝撃を緩和させることができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態に
よる溶接ガンの加圧制御方法に関連するハードウェアの
構成を示す。溶接ガン１の先端にはスポット溶接用の電
極２が設けられ、溶接用の電源３からの電流を溶接電流
コントローラ４によって制御し、ワークに対するスポッ
ト溶接を行うことができる。溶接ガン１の移動は、駆動
機構５をサーボモータ６で回転駆動することによって行
われる。サーボモータ６の回転量は、エンコーダ７によ
って検出され、サーボモータ６に流れる電流は電流検出
器８によって検出される。溶接ガン１、駆動機構５、サ
ーボモータ６、エンコーダ７および電流検出器８は、溶
接ロボットの構成要素の一部としてそれぞれ設けられて
いる。

【００１２】ロボット全体の制御のため、ロボットＣＰ
Ｕ１０が設けられる。ロボットＣＰＵ１０には、システ
ムバス１１を介して、溶接ガン１の制御のためのサーボ
ＣＰＵ１２が接続される。サーボＣＰＵ１２は、加圧力
コントローラ１３に対して溶接ガン１の電極２を位置制
御するための指令値や、力制御するための指令値を与え
る。加圧力コントローラ１３は、与えられた指令に従っ
てドライバ１４を介してサーボモータ６を制御する。加
圧力コントローラ１３には、サーボモータ６の回転量に
対応するエンコーダ７からの出力と、サーボモータ６に
流れる電流を検出する電流検出器８からの出力とが入力
され、フィードバック制御が行われる。

【００１３】ロボットＣＰＵ１０には、システムバス１
１を介して、溶接データ記憶装置１５からの溶接データ
に基づいて溶接条件を算出する溶接条件計算装置１６
や、溶接ロボットとしてのティーチングモードへの切換
え等の入力装置１７なども接続される。溶接データ記憶
装置１５には、ティーチングによって教示された溶接位
置や、各溶接位置におけるワークの厚みなどのデータが
記憶される。

【００１４】図２は、図１の溶接ロボットによって行わ
れる本発明の実施の一形態の基本的な考え方を示す。図
２（１）は、電極間の接触位置を計測する動作を示す。
図１の溶接ガン１は、２つの電極２ａ，２ｂ間で直接接
触する。このとき、サーボモータ６に取付けてあるエン
コーダ７の指示値は、接触開始位置まで急激に変化し、
その後の変化は少なくなる。そしてサーボモータ７のモ
ータ電流も接触位置で急激に変化する。モータ電流に対
応する設定トルクを、この際もアームのたわみが生じて
くるため、このときの加圧力は低加圧が望ましく、たと
えば５０ｋｇｆに設定しておき、モータ電流がこの設定
トルクに対応するモータ電流に到達した位置から加圧力
とたわみとの関係を前もって求めておき、このときの加
圧力に対するたわみ分を考慮し、接触位置Ｘとして設定
する。電極２ａ，２ｂの先端が摩耗しているときは、接
触位置Ｘは、摩耗分も補償されて設定されることとな
る。

【００１５】図２（２）は、板厚補正による安定高速接
触についての考え方を示す。図２（１）で求められる接
触位置Ｘにワーク２０の板厚ｄを考慮した位置目標値Ｘ
−ｄを設定し、位置目標値Ｘ−ｄまでは電極２ａ，２ｂ
を位置制御によって移動させる。板厚ｄは、ワーク２０
を構成する金属板２１，２２の板厚の和と、金属板２
１，２２間のギャップと、変形や板厚のばらつきを考慮
して設定する。位置目標値Ｘ−ｄへは、電極２ａ，２ｂ
をできるだけ迅速に移動させるため、途中まで最大速度
で移動させることが好ましく、最大の減速で位置目標値
Ｘ−ｄで停止するような制御を行う。次に、行き過ぎ位
置への位置制御を行い、まず電極２ａ，２ｂをワーク２
０の表面に近付ける微速前進を行う。電極チップ先端速
度が０に近い非常に小さな速度となるように制御しなが
ら、モータ電流を監視し、接触位置でモータ電流が増大
するのを検出する。

【００１６】図２（３）では、電極２ａ，２ｂがワーク
２０の表面に接触した後、その行き過ぎ位置へ高速で移
動させる指令値を与え、設定圧力によるモータ電流の規
制を行うことによって加圧力を得る。

【００１７】図２（２）および図２（３）の動作では、
モータ電流の監視と電極２ａ，２ｂの先端位置の監視と
を行うことによって、ワーク２０の状態、たとえばワー
クの有無やギャップの程度などが予想よりも大きい場合
などには、状況に対応して、図２（２）の位置目標値の
設定の際にフィードバック補正するようにすることもで
きる。また、ワークやギャップの厚みのバラツキが小さ
い等、実際の状況に合わせ、厚み補正位置をチップとワ
ークの接触面とし、図２（２）での微速前進をカットす
ることも可能である。

【００１８】図３は、図２に示す考え方に従って行われ
る図１のロボットＣＰＵ１０の動作を示す。ステップａ
１から動作を開始し、ステップａ２では接触位置Ｘの計
測を行う。ステップａ３では次に溶接する作業が空打ち
モード（ワークなしのテスト起動）で行う作業であるか
否かを判断する。空打ちモードであればステップａ４に
移る。ステップａ４では、板厚を０に設定する。

【００１９】ステップａ３で空打ちモードではないと判
断されるときには、ステップａ５で溶接データ記憶装置
１５から溶接データを読出し、ステップａ６で接触位置
に板厚ｄを見込んだ厚み補正位置を設定する。接触時の
安定性をより以上に得るため、ワーク表面に接触しない
位置とすることが好ましいが、状況に合わせ厚み補正位
置はワーク表面でもよい。次にステップａ７で、板厚の
ばらつきや母材板間のギャップなどに対する位置補正を
行う。ステップａ８では、厚み補正位置まで電極を移動
する位置制御を行う。次にステップａ９では、電極の移
動目標位置として、ワークの表面よりも深い位置にある
行き過ぎ位置を設定し、位置制御を行う。厚み補正位置
から実際に電極がワーク表面に接触するまでは、微速移
動を行う。モータ電流を監視しながら接触検出を行い、
接触が検出された後は、行き過ぎ位置へ高速で移動させ
る指令値を与える位置制御を行う。

【００２０】ステップａ１０では、電極に対する位置制
御を行いながら、モータ電流を予め設定される加圧力に
対応する電流値に規制して、加圧力規制を行う。次にス
テップａ１１で、電極間に通電して溶接を行い、ステッ
プａ１２で終了でないと判断されるときには、ステップ
ａ３に戻って次の溶接動作に移る。溶接箇所がなくなれ
ばステップａ１３で、１つのワークについての溶接を終
了する。なお、チップがワークに接触するまでの移動量
は、次のワークに対するステップａ７の補正量としてフ
ィードバックされる。また、空打ちモードでは、ステッ
プａ１１の通電の際に電流は流さない。

【００２１】さらに、図４では、より一層の安定接触を
図るための本発明の実施の他の形態による溶接ガンの加
圧制御方法を示す。本実施形態で、図１の実施形態に対
応する部分には同一の参照符を付し、重複した説明を省
略する。本実施形態では、溶接ガンの先端の電極２ａ側
に、機械的コンプライアンス３０を加え、斜線を施して
示す接触時に、ワーク２０の板厚のばらつきや、金属板
２１，２２間のギャップの変動に対応させることができ
る。すなわち、図４（１）に示すように、たとえば上側
の電極２ａは機械的コンプライアンス３０によってｄｕ
の変位を吸収可能に構成される。下側の電極２ｂにもｄ
ｌの変位を吸収可能な図示しない機械的コンプライアン
スが設けられていると、図４（２）に示すように、ワー
ク２０の金属板２１，２２にそれぞれｄｕ，ｄｌの板厚
の増大があっても吸収することができる。機械的コンプ
ライアンス３０の代わりに、サーボＣＰＵ１２によるコ
ンプライアンス制御を行うこともできる。

【００２２】以上の各実施形態では、スポット溶接を行
う溶接ガン１を上下方向でワーク２０を挟持するように
しているけれども、同様な構成の溶接ガンで、他の方向
でワークを挟持するような場合にも同様に適用すること
ができる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電極の摩
耗を考慮して接触位置を求めておき、ワークの厚みなど
を考慮した厚み補正位置まで迅速に電極を移動させた
後、小さな衝撃力で電極をワーク表面に接触させ、接触
後に適切な加圧を行うことができる。接触時の衝撃が小
さいので、電極の損耗やワーク表面の損傷を避けること
ができる。ワークを適切な加圧力で挟持するので、溶接
を信頼性が高い状態で行うことができる。

【００２４】また本発明によれば、電極間を接触させて
接触位置を求めるための動作を、ロボットの動作の１つ
として備えているので、溶接位置の教示時に電極先端の
摩耗量を考慮した接触位置を容易に設定することができ
る。また接触位置の設定を、一定回数の溶接を行った後
で定期的に行うことによって、電極の摩耗に対応する補
正量は自動的に更新され、連続的な溶接作業を自動的に
継続させることができる。

【００２５】また本発明によれば、電極先端がワークに
接触するまでの移動量を適切にフィードバック制御する
ことができる。

【００２６】また本発明によれば、コンプライアンス要
素によって電極先端がワーク表面に接触するときの衝撃
を緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態のための概略的なハード
ウェア構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施の一形態の基本的な考え方を示す
模式図およびグラフである。

【図３】図１のロボットＣＰＵ１０の動作を示すフロー
チャートである。

【図４】本発明の実施の他の形態の基本的な構成を示す
模式図である。

【符号の説明】

１ 溶接ガン ２，２ａ，２ｂ 電極 ５ 駆動機構 ６ サーボモータ ７ エンコーダ ８ 電流検出器 １０ ロボットＣＰＵ １２ サーボＣＰＵ １３ 加圧力コントローラ １４ ドライバ １５ 溶接データ記憶装置 １６ 溶接条件計算装置 ２０ ワーク ２１，２２ 金属板 ３０ 機械的コンプライアンス

フロントページの続き (72)発明者 平山 智 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 吹田 和嗣 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 鈴木 清司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 坂本 好隆 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通電して溶接を行うワークを、モータで
   駆動される電極先端間で挟持する溶接ガンの加圧制御方
   法において、 予めワークが存在しない状態で、電極先端間が接触する
   接触位置を求めておき、 電極先端間の間隔をあけてワークを挿入し、 電極先端を移動させる目標位置として、接触位置にワー
   クの厚さを見込んだ厚み補正位置を設定し、位置制御に
   よって電極先端を移動させ、 さらに目標位置として、加圧力を得るための行き過ぎ位
   置を設定し、 モータ電流を予め設定される加圧力に対応する電流値と
   なるように制限しながら、まず、予め設定される速度以
   下で電極先端を移動させ、モータ電流の変化状態から電
   極先端がワークに接触しているか否かを判断し、 電極先端がワークに接触していると判断された後では、
   行き過ぎ位置まで、高速で電極先端を移動させる指令値
   を与えて制御することを特徴とする溶接ガンの加圧制御
   方法。
2. 【請求項２】 前記ワークの存在しない状態での接触位
   置を求める動作は、ロボットの１つの動作として選択可
   能に備えられていることを特徴とする請求項１記載の溶
   接ガンの加圧制御方法。
3. 【請求項３】 電極先端がワークに接触するまでに要す
   る移動量を、次打点の厚み補正位置を設定する際に反映
   させて移動量を減少させることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の溶接ガンの加圧制御方法。
4. 【請求項４】 前記電極先端を移動させる駆動系に、コ
   ンプライアンス要素を含ませることを特徴とする請求項
   １〜３のいずれかに記載の溶接ガンの加圧制御方法。