(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータにより溶接ガンアーム先端に取り付けられた電極チップを移動し、該電極チップにより被溶接部材を加圧して溶接を行う際のナゲット膨脹量の推定方法であって、
前記アクチュエータの発生力を徐々に上げて行き、アクチュエータの動き出した時点の前記アクチュエータの発生力を、前記アクチュエータによって動作する可動部の摩擦力Ｆｄとして求める段階と、
前記アクチュエータの発生力を所定の発生力Ｆとなるまで上げて、前記電極チップが被溶接部材に達するまでの間の前記アクチュエータの移動速度ｄｘ／ｄｔ（ただし、ｘはアクチュエータの移動量、ｔは時間）を求める段階と、
前記アクチュエータの移動速度から、移動速度が定速状態となった速度ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ）を抽出し、該抽出した速度から下記（１）式により前記可動部の粘性摩擦係数の推定値Ｄａを算出する段階と、
Ｄａ＝（Ｆ−Ｆｄ）／（ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ））  …（１）
前記移動速度が定速状態となった速度ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ）と、前記粘性摩擦係数の推定値Ｄａを用いて、下記（２）式により前記可動部の質量の推定値Ｍａを算出する段階と、
Ｍａ＝Ｄａ×ｔ１  …（２）
（ただし、式中、ｔ１は、時定数である）
溶接開始後、前記アクチュエータの移動量ｘを計測し、該計測されたアクチュエータの移動量ｘ、前記摩擦力Ｆｄ、前記粘性摩擦係数の推定値Ｄａ、および前記質量の推定値Ｍａを用いて下記（３）式からナゲットの膨脹量Ｘｎを推定する段階と、
Ｘｎ＝ｘ−（Ｆ−Ｍａ・ｄ２ｘ／ｄｔ２−Ｄａ・ｄｘ／ｄｔ−Ｆｄ）／ｋ  …（３）
（ただし、式中、ｋは前記溶接ガンアームのばね係数である）
を有することを特徴とする溶接時ナゲット膨脹量の推定方法。
【請求項２】
前記可動部の摩擦力Ｆｄを求める段階は、溶接のために前記アクチュエータが動作を開始する際に行われることを特徴とする請求項１記載の溶接時ナゲット膨脹量の推定方法。
【請求項３】
前記粘性摩擦係数の推定値Ｄａを算出する段階、および前記可動部の質量の推定値Ｍａを算出する段階は、溶接のために前記アクチュエータが動作を開始した後に行われることを特徴とする請求項１記載の溶接時ナゲット膨脹量の推定方法。
【請求項４】
アクチュエータにより溶接ガンアーム先端に取り付けられた電極チップを移動し、該電極チップにより被溶接部材を加圧して、溶接を行う溶接方法において、
溶接加圧前に、前記アクチュエータの発生力を徐々に上げて行き、アクチュエータの動き出した時点の前記アクチュエータの発生力を、前記アクチュエータによって動作する可動部の摩擦力Ｆｄとして求める段階と、
前記アクチュエータの発生力を所定の発生力Ｆとなるまで上げて、前記電極チップが被溶接部材に達するまでの間の前記アクチュエータの移動速度ｄｘ／ｄｔ（ただし、ｘはアクチュエータの移動量、ｔは時間）を求める段階と、
前記アクチュエータの移動速度から、該移動速度が定速状態となった速度ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ）を抽出し、該抽出した速度から下記（１）式により前記可動部の粘性摩擦係数の推定値Ｄａを算出する段階と、
Ｄａ＝（Ｆ−Ｆｄ）／（ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ））  …（１）
前記移動速度が定速状態となった速度ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ）と、前記粘性摩擦係数の推定値Ｄａを用いて、下記（２）式により前記可動部の質量の推定値Ｍａを算出する段階と、
Ｍａ＝Ｄａ×ｔ１  …（２）
（ただし、式中、ｔ１は、時定数である）
前記電極チップが被溶接部材に到達した後、溶接を開始する段階と、
該溶接開始後、前記アクチュエータの移動量ｘを計測し、該計測されたアクチュエータの移動量ｘ、前記摩擦力Ｆｄ、前記粘性摩擦係数推定値Ｄａ、および前記質量の推定値Ｍａを用いて下記（３）式からナゲットの膨脹量Ｘｎを推定する段階と、
Ｘｎ＝ｘ−（Ｆ−Ｍａ・ｄ２ｘ／ｄｔ２−Ｄａ・ｄｘ／ｄｔ−Ｆｄ）／ｋ  …（３）
（ただし、式中、ｋは前記溶接ガンアームのばね係数である）
を有することを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接時におけるナゲットの膨脹量を正確に知ることができるナゲット膨脹量の推定方法および溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スポット溶接に代表される抵抗溶接では、その良否をリアルタイム（溶接中）で判断するための方法として、形成されるナゲットの膨脹量を検出することが行われている。
【０００３】
従来、このナゲットの膨脹量を検出する方法としては、その一つに、溶接ガンを動作させるアクチュエータの移動量を計測し、計測した値をナゲットの膨脹量と見なす方法がある。この方法は、アクチュエータに取り付けたエンコーダの値からアクチュエータの移動量を容易に求めることができ、かつ、圧力センサなどを溶接ガンに別途取り付ける必要がないため、経済性や、装置の信頼性、保守性などに優れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようにアクチュエータの移動量からナゲットの膨脹量を検出する方法では、ナゲットの熱膨脹による溶接ガンアームを押し上げる力が、溶接ガンアームの剛性や、可動部が動くのに必要な摩擦力などによって打ち消されてしまい、正確に検出できないといった問題がある。これは特に大型の溶接ガンの場合に顕著に現れ、溶接の良否を判断する際に悪影響を及ぼす。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、アクチュエータの移動量を計測することだけで、正確にナゲットの膨脹量を検出することができるナゲット膨脹量の推定方法および溶接方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記する手段により達成される。
【０００７】
（１）アクチュエータにより溶接ガンアーム先端に取り付けられた電極チップを移動し、該電極チップにより被溶接部材を加圧して溶接を行う際のナゲット膨脹量の推定方法であって、前記アクチュエータの発生力を徐々に上げて行き、アクチュエータの動き出した時点の前記アクチュエータの発生力を、前記アクチュエータによって動作する可動部の摩擦力Ｆｄとして求める段階と、前記アクチュエータの発生力を所定の発生力Ｆとなるまで上げて、前記電極チップが被溶接部材に達するまでの間の前記アクチュエータの移動速度ｄｘ／ｄｔ（ただし、ｘはアクチュエータの移動量、ｔは時間）を求める段階と、前記アクチュエータの移動速度から、該移動速度が定速状態となった速度ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ）を抽出し、該抽出した速度から下記（１）式により前記可動部の粘性摩擦係数の推定値Ｄａを算出する段階と、
Ｄａ＝（Ｆ−Ｆｄ）／（ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ））  …（１）
前記移動速度が定速状態となった速度ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ）と、前記粘性摩擦係数の推定値Ｄａを用いて、下記（２）式により前記可動部の質量の推定値Ｍａを算出する段階と、
Ｍａ＝Ｄａ×ｔ１  …（２）
（ただし、式中、ｔ１は、時定数である）
溶接開始後、前記アクチュエータの移動量ｘを計測し、該計測されたアクチュエータの移動量ｘ、前記摩擦力Ｆｄ、前記粘性摩擦係数の推定値Ｄａ、および前記質量の推定値Ｍａを用いて下記（３）式からナゲットの膨脹量Ｘｎを推定する段階と、
Ｘｎ＝ｘ−（Ｆ−Ｍａ・ｄ２ｘ／ｄｔ２−Ｄａ・ｄｘ／ｄｔ−Ｆｄ）／ｋ  …（３）
（ただし、式中、ｋは前記溶接ガンアームのばね係数である）を有することを特徴とする溶接時ナゲット膨脹量の推定方法。
【０００８】
（２）前記可動部の摩擦力Ｆｄを求める段階は、溶接のために前記アクチュエータが動作を開始する際に行われることを特徴とする請求項１記載の溶接時ナゲット膨脹量の推定方法。
【０００９】
（３）前記粘性摩擦係数の推定値Ｄａを算出する段階、および前記可動部の質量の推定値Ｍａを算出する段階は、溶接のために前記アクチュエータが動作を開始した後に行われることを特徴とする請求項１記載の溶接時ナゲット膨脹量の推定方法。
【００１０】
（４）アクチュエータにより溶接ガンアーム先端に取り付けられた電極チップを移動し、該電極チップにより被溶接部材を加圧して、溶接を行う溶接方法において、溶接加圧前に、前記アクチュエータの発生力を徐々に上げて行き、アクチュエータの動き出した時点の前記アクチュエータの発生力を、前記アクチュエータによって動作する可動部の摩擦力Ｆｄとして求める段階と、前記アクチュエータの発生力を所定の発生力Ｆとなるまで上げて、前記電極チップが被溶接部材に達するまでの間の前記アクチュエータの移動速度ｄｘ／ｄｔ（ただし、ｘはアクチュエータの移動量、ｔは時間）を求める段階と、前記アクチュエータの移動速度から、該移動速度が定速状態となった速度ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ）を抽出し、該抽出した速度から下記（１）式により前記可動部の粘性摩擦係数の推定値Ｄａを算出する段階と、
Ｄａ＝（Ｆ−Ｆｄ）／（ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ））  …（１）
前記移動速度が定速状態となった速度ｄｘ／ｄｔ（ｍａｘ）と、前記粘性摩擦係数の推定値Ｄａを用いて、下記（２）式により前記可動部の質量の推定値Ｍａを算出する段階と、
Ｍａ＝Ｄａ×ｔ１  …（２）
（ただし、式中、ｔ１は、時定数である）
前記電極チップが被溶接部材に到達した後、溶接を開始する段階と、該溶接開始後、前記アクチュエータの移動量ｘを計測し、該計測されたアクチュエータの移動量ｘ、前記摩擦力Ｆｄ、前記粘性摩擦係数推定値Ｄａ、および前記質量の推定値Ｍａを用いて下記（３）式からナゲットの膨脹量Ｘｎを推定する段階と、
Ｘｎ＝ｘ−（Ｆ−Ｍａ・ｄ２ｘ／ｄｔ２−Ｄａ・ｄｘ／ｄｔ−Ｆｄ）／ｋ  …（３）
（ただし、式中、ｋは前記溶接ガンアームのばね係数である）を有することを特徴とする溶接方法。
【００１１】
【発明の効果】
本発明は、請求項ごとに以下のような効果を奏する。
【００１２】
請求項１〜３に記載のナゲット膨脹量の推定方法によれば、溶接前に、可動部の摩擦力Ｆｄ、粘性摩擦係数の推定値Ｄａ、質量の推定値Ｍａをそれぞれ求め、これらの値を使用して、溶接中に計測されるアクチュエータの移動量からナゲットの膨張量を算出することとしたので、単にアクチュエータの移動量をナゲットの膨張量としてしまう場合と比較して、より正確なナゲットの膨張量を得ることができる。
【００１３】
請求項４に記載の溶接方法によれば、溶接前に、可動部の摩擦力Ｆｄ、粘性摩擦係数の推定値Ｄａ、質量の推定値Ｍａをそれぞれ求め、これらの値を使用して、溶接中に計測されるアクチュエータの移動量からナゲットの膨張量を算出することとしたので、溶接中にリアルタイムで、正確なナゲットの膨張量を知ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明にかかる溶接装置の構成を示すブロック図である。
【００１６】
この溶接装置は、溶接ガン１０と制御装置２０よりなる。
【００１７】
溶接ガン１０は、溶接ガンアーム１１、電極チップ１２および１４、サーボモータ１８（以下、単にモータと記す）、およびエンコーダ１９よりなる。この溶接ガン１０は、通常、ロボットアームの先端などに取り付けられる。
【００１８】
一方、制御装置２０は、データ処理装置２２、演算装置２４、記憶装置２６よりなる。
【００１９】
溶接動作時においては、モータ１８の回転により送り捩子１５が回転することで、該送り捩子１５に噛合し、電極チップ１２を支持している支持材１６が上下に移動して、電極チップ１２が被溶接部材１を所定の加圧力で加圧する。
【００２０】
エンコーダ１９は、モータ１８の回転軸に取り付けられており、モータ１８の移動量（回転量）を計測する。
【００２１】
エンコーダ１９からの信号は、データ処理装置２２に伝達される。そして、データ処理装置２２において、モータ１８の移動量（回転量）から電極チップ１２の移動量ｘが求められる。ここで求められた電極チップ１２の移動量は、演算装置２４に送られて、ナゲット膨張量の推定などに使用される。
【００２２】
また、データ処理装置２２は、予め記憶装置２６に記憶されている溶接プログラムに従って、溶接に必要なモータのトルクや、電極チップに印加する電流の制御なども行っている。
【００２３】
記憶装置２６は、溶接プログラムや溶接条件（溶接加圧力、溶接電流、通電時間、通電間隔）などを記憶している。
【００２４】
この溶接装置による溶接動作の概略は、まず、被溶接部材１に、その上下方向から電極チップ１２，１４が所定の溶接加圧力で圧接される。圧接された状態で、両電極チップ１２，１４に、データ処理装置２２の制御により図示しない電源から溶接電流が供給されて、溶接が開始される。溶接が開始されると被溶接部材１における溶接点では、ナゲットの形成が始まり、部材が溶融して熱膨脹する。このときナゲットの膨脹による力が溶接加圧力より強ければ電極チップ１２を押し上げ、モータ１８が逆回転することになる。その後電極チップ１２、１４への通電を止めるとナゲットは収縮する。この膨脹、収縮を一定時間（溶接時間）繰り返すことにより適宜なナゲットの形成が行われて、溶接終了となる。この溶接時におけるナゲットの膨張や収縮による電極チップ１２の移動量を、モータ１８の移動量（回転量）としてエンコーダ１９により計測している。
【００２５】
ところで、溶接ガンアーム１１は、電極チップ１２が被溶接部材１に圧接し、モータ１８のトルクが強くなると、その剛性によって撓みが生じるが、電極チップ１２の加圧中はその加圧力と撓みとの釣り合いがとれた状態で静止する。この状態で溶接を開始すると、被溶接部材１に形成されるナゲットの熱膨張により一瞬、溶接ガンアーム１１の撓み量が増加する。このとき、その加圧力と撓みとの釣り合いが不均衡となり、この釣り合いが平衡するまで電極チップ１２が押し戻され、このとき電極チップ１２の変位量がエンコーダ１９によって計測される。
【００２６】
しかし、エンコーダ１９によって計測される値は、ナゲットの膨脹量それ自体ではなく、あくまで電極チップ１２を支えている可動部の移動量をモータの移動量（回転量）として計測したものである。したがって、この可動部に作用している力の関係が変化すると、ナゲットの膨張量が同じであっても、計測される値が変わることになる。このような違いは、例えば可動部の質量変化や可動部の摺動抵抗の変化などによって生じる。なお、ここで、可動部とは、モータ１８によって動作している総べての部材を指し、モータのロータ部分やモータに取り付けられているエンコーダの可動部品、電極チップ１２、支持部材１６、送りネジ１５など実際に動いているものすべてである。
【００２７】
図２は、溶接ガンに生じる力関係をモデル化した図面である。
【００２８】
図示するように、溶接ガンは、可動部が移動するときに、質量Ｍに対して、アクチュエータの発生力Ｆと、摩擦力Ｆｄが作用する。また、可動部には粘性摩擦係数Ｄ、ガンアームには、その撓み量がどの程度になるかを決めるバネ係数ｋがある。
【００２９】
ここで、溶接によるナゲットの膨張量をＸｎ、エンコーダによって計測される変位量をｘとすると、図２に示したモデルから、下記（４）式が成り立つ。
【００３０】
Ｍ・ｄ２ｘ／ｄｔ２＋Ｄ・ｄｘ／ｄｔ＋ｋ（ｘ−Ｘｎ）＋Ｆｄ＝Ｆ  …（４）
したがって、可動部の質量Ｍ、可動部の粘性摩擦係数Ｄ、ガンアームのバネ係数ｋ、摩擦力Ｆｄ、アクチュエータの発生力Ｆが分かれば、正確なナゲットの膨張量Ｘｎを算出することができる。
【００３１】
ところで、溶接時に分かっている値は、アクチュエータの発生力Ｆおよびガンアームのバネ係数ｋである。アクチュエータの発生力Ｆはモータ１８のトクルであるので、モータへ供給する電流値から知ることができる。また、ガンアームのバネ係数ｋは、ガンアームの素材から知ることができる。
【００３２】
一方、可動部の質量Ｍ、可動部の粘性摩擦係数Ｄ、および摩擦力Ｆｄは予め知ることができない。これは、例えば可動部の質量Ｍは、可動している部分が特定できれば容易に分かりそうであるが、実際には溶接ごとに変動する。これは、例えば電極チップの場合、溶接を実行することで磨耗するので、その質量が変わってしまう。したがって、これを正確に求めるためには、溶接の度に一々電極チップを取り外して計量しなければならず、これは実際上不可能である。また、粘性摩擦係数Ｄ、および摩擦力Ｆｄは時間の経過ととも、歯車や摺動する部分に塗布（あるいは充填）されているオイルが劣化したり、温度によりその粘性が変化するため、これも正確な値を予め知ることは難しい。
【００３３】
そこで、本実施形態では、以下のようにしてこれら予め知ることのできない値を計測または推定することにより、正確なナゲットの膨張量を推定している。
【００３４】
まず、摩擦力Ｆｄは、溶接開始時において、モータの発生力を徐々に上げてゆきモータが動き出した時点のモータの発生力を検出し、これを摩擦力Ｆｄとする。
【００３５】
次に、前記モータの発生力を所定の発生力Ｆとなるまで上げて、電極チップが被溶接部材の加圧点に達するまでの間モータの移動量ｘを微小時間間隔ごとに計測して、移動速度ｄｘ／ｄｔを算出する。
【００３６】
このとき、モータの移動速度、すなわち回転速度はある一定の値に収束する。
これをｄｘ／ｄｔ(max)とする。そして、下記（１）式により可動部の粘性摩擦係数Ｄの推定値Ｄａを算出する。
【００３７】
Ｄａ＝（Ｆ−Ｆｄ）／（ｄｘ／ｄｔ(max)）    …（１）
図３Ａはモータの発生力Ｆの時間変化を示す図面であり、図３Ｂはモータの移動速度ｄｘ／ｄｔの時間変化を示す図面である。各図から分かるように、先の摩擦力Ｆｄはモータが動き出したときのモータの発生力である。そして、モータの移動速度ｄｘ／ｄｔは、一定の値ｄｘ／ｄｔ(max)に収束しているのが分かる。
【００３８】
次に、可動部の質量Ｍを推定する。図４は、モータの移動速度ｄｘ／ｄｔの時間変化を示す図面である。可動部の質量Ｍと粘性摩擦係数Ｄには、一定となった速度ｄｘ／ｄｔ(max)の６３％に相当する速度のときの時間ｔ１がＭ／Ｄとなる関係（ｔ１＝Ｍ／Ｄ）がある。
【００３９】
そこで、上記のｔ１＝Ｍ／Ｄの関係をもとに、先の粘性摩擦係数の推定値Ｄａを利用して、下記（２）式により、質量の推定値Ｍａを求める。
【００４０】
Ｍａ＝Ｄａ×ｔ１    …（２）
ここで、速度ｄｘ／ｄｔ(max)の６３％に相当する速度のときの時間ｔ１がＭ／Ｄとなる理由について説明する。
【００４１】
まず、溶接ガンのモデルから、質量Ｍおよび粘性摩擦係数Ｄを推定する段階では、下記（ｉ）式が成り立つ。
【００４２】
Ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＋Ｄ・ｄｘ／ｄｔ＝Ｆ−Ｆｄ  …（ｉ）
ここで速度を  ｖ＝ｄｘ／ｄｔ  とおくと、前記（ｉ）式は、
Ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＋Ｄ・ｖ＝Ｆ−Ｆｄ  …（ｉ´）
となる。このような数式モデルを一次遅れ系と呼ぶ。
【００４３】
この（ｉ´）式の速度ｖの解は、（ii）式となる。
【００４４】
ｖ＝（（Ｆ−Ｆｄ）／Ｄ）・（１−ｅ(-D/M・t)）    …（ii）
そして、Ｔ＝Ｍ／Ｄを時定数と呼び、速度ｖの波形の立ち上がりの速さを評価する指標として用いられる。
【００４５】
ここで、ｔ＝∞とすると、その時の速度ｖsat は（iii）となる。
【００４６】
0003783481.tif 000002
また、時刻ｔが、ｔ＝Ｔのときの速度ｖt は、（iv）式となる。
【００４７】
0003783481.tif 000003
ｅ-1≒０．３６８であるので、前記（iv)から、ｖt は、下記（iv´）式の通りである。
【００４８】
0003783481.tif 000004
以上のように、時刻ｔが時定数Ｔ（＝Ｍ／Ｄ）のとき、速度ｖは定常状態（ｔ＝∞）の約６３．２％となることが分かる。
【００４９】
以上のようにして推定する各値は、いずれも電極チップが被溶接部材に達するまでの間に行うことができる。したがって、溶接ごとに毎回、これらの推定作業を行ったとしても溶接作業になんら影響することはない。このため、毎回ごく僅かな質量変化や摩擦力の変化などを正確に求めることが可能である。
【００５０】
そして、以上により求めた各値を利用して、実際の溶接中にエンコーダによって得られた可動部の移動量ｘから下記（３）式を用いてナゲットの膨張量Ｘｎを求める。
【００５１】
Ｘｎ＝ｘ−（Ｆ−Ｍａ・ｄ２ｘ／ｄｔ２−Ｄａ・ｄｘ／ｄｔ−Ｆｄ）／ｋ  …（３）
これにより、従来のようにエンコーダの値をそのままナゲットの膨張量としてしまう場合と比較し、より正確なナゲットの膨張量を知ることができる。
【００５２】
以上本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば各実施形態では、アクチュエータとしてサーボモータを利用した溶接装置を示したが、これに代えてオイルシリンダやエアーシリンダを用いたものであってもよく、このような場合、移動量計測手段としてはピストンの出、戻り量を計測するゲージが用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用した溶接装置の概略を示す図面である。
【図２】  溶接ガンに生じる力関係をモデル化した図面である。
【図３】  図３Ａはモータの発生力Ｆの時間変化を示す図面であり、図３Ｂはモータの移動速度ｄｘ／ｄｔの時間変化を示す図面である。
【図４】  モータの移動速度ｄｘ／ｄｔの時間変化を示す図面である。
【符号の説明】
１０…溶接ガン、
１１…溶接ガンアーム、
１２、１４…電極チップ、
１８…サーボモータ、
１９…エンコーダ、
２０…制御装置、
２２…データ処理装置、
２４…演算装置、
２４…記憶装置。
【図１】
0003783481.tif 000005
【図２】
0003783481.tif 000006
【図３】
0003783481.tif 000007
【図４】
0003783481.tif 000008