点焊装置制造方法
【专利摘要】本发明提供点焊装置，使点焊枪的可动电极对被焊接物的加压力成为预期值。点焊装置具备机器人、点焊枪和控制装置。点焊枪具备枪臂、固定电极、可动电极以及枪用电机。控制装置控制枪用电机的动作，使可动电极移动，在固定电极与可动电极之间对被焊接物进行加压夹持而实施点焊。另外，控制装置通过向枪用电机输出位置指令的位置控制来控制枪用电机的动作。
【专利说明】点焊装置
【技术领域】
[0001]公开的实施方式涉及点焊装置。
【背景技术】
[0002]一直以来，点焊装置构成为，具备具有固定电极和可动电极的点焊枪，利用枪用电机使可动电极朝固定电极移动，在固定电极与可动电极之间对被焊接物进行加压夹持，在此状态下以预定时间使电流流过固定电极与可动电极之间，由此实施点焊(例如，参照专利文献I)。
[0003]为了适当地进行该点焊，希望可动电极对被焊接物的加压力是预期值。因此，在上述点焊装置中，预先设定使得加压力成为预期值的枪用电机的转矩指令，将该转矩指令输出到枪用电机，即，对枪用电机进行转矩控制，对被焊接物进行加压夹持而进行点焊。
[0004]专利文献1:日本专利第2596722号公报
[0005]但是，例如向可动电极传递枪用电机的输出的滚珠丝杠机构的静摩擦系数或动摩擦系数等由于与反复动作相伴的磨合等而发生变化。因此，当利用如上所述预先设定的转矩指令进行电机控制时，对被焊接物的加压力可能随着时间的经过而不再是预期值。
[0006]另外，这些摩擦系数随着点焊装置的环境温度而发生变化。因此，各个摩擦系数根据环境温度而改变，加压力同样可能不再是预期值。此外，根据点焊枪的姿势的不同，可能受重力的影响而使得对被焊接物的加压力不再是预期值。
【发明内容】
[0007]实施方式的一个方式是鉴于上述问题而完成的，其目的是提供能够使点焊枪的可动电极对被焊接物的加压力成为预期值的点焊装置。
[0008]实施方式中一个方式的点焊装置具备机器人、点焊枪和控制装置。点焊枪具有枪臂、固定电极、可动电极以及枪用电机。固定电极固定在上述枪臂上。可动电极设置在与上述枪臂的上述固定电极相对的位置。枪用电机使上述可动电极移动。另外，控制装置控制上述枪用电机的动作，使上述可动电极移动，在上述固定电极与上述可动电极之间对被焊接物进行加压夹持，实施点焊。而且，上述控制装置通过对上述枪用电机输出位置指令的位置控制来控制上述枪用电机的动作。
[0009]发明效果
[0010]根据实施方式的一个方式，可使点焊枪的可动电极对被焊接物的加压力成为预期值。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是示出实施方式的点焊装置的结构例的整体示意图。
[0012]图2是图1所示的点焊枪的放大示意图。
[0013]图3是示出图1所示的点焊装置的结构的框图。[0014]图4是简化地示出图1所示的固定电极和可动电极对工件进行加压夹持的状态的示意图。
[0015]图5是示出图1所示的点焊装置的控制装置的动作的流程图。
[0016]图6是示出使图1所示的点焊装置变形后的结构例的整体示意图。
[0017]标号说明
[0018]1、101点焊装置；2、102机器人；3焊接电源；4控制装置；4a机器人用电机控制部；4b枪用电机控制部；4c焊接控制部；4d挠曲量计算部；10、110点焊枪；10b枪臂；10c固定电极；10d可动电极；10e枪用电机；10f滚珠丝杠机构；M1~M6机器人用电机。
【具体实施方式】
[0019]以下，参照附图来详细说明本申请所公开的点焊装置的实施方式。此外，本发明不被以下所示的实施方式限定。
[0020]图1是示出实施方式的点焊装置的结构例的整体示意图。如图1所示，本实施方式的点焊装置I具备点焊机器人2 (以下，记为“机器人2”)、焊接电源3、控制装置4和点焊枪10。
[0021]机器人2是具有多个关节轴Jl~J6的多关节型机器人。该机器人2具备基座13、旋转部14、下部臂15、上部臂16、第I手腕部17、第2手腕部18和手腕凸缘19，这些部件以可转动的方式相互连结。
[0022]具体地说，旋转部14以可围绕关节轴Jl转动的方式与基座13连结，下部臂15以可围绕与关节轴Jl大致垂直的关节轴J2转动的方式与旋转部14连结。另外，上部臂16以可围绕与关节轴J2大致平行的关节轴J3转动的方式与下部臂15连结，第I手腕部17以可围绕与关节轴J3大致垂直的关节轴J4转动的方式与上部臂16连结。
[0023]另外，第2手腕部18以可围绕与关节轴J4大致垂直的关节轴J5转动的方式与第I手腕部17连结，手腕凸缘19以可围绕与关节轴J5大致垂直的关节轴J6转动的方式与第2手1?部18连结。
[0024]在机器人2上配置有与各个关节轴Jl~J6对应地驱动机器人2的未图示的机器人用电机Ml~M6 (以下,统称为机器人用电机M),由控制装置4控制该机器人用电机M的动作。机器人用电机M具体地说是伺服电机，但不限于此，例如也可以是液压马达等其它电机。
[0025]另外，在图1中虽然省略图示，但在机器人用电机M上分别安装有编码器20(参照图3)。从编码器20输出的表示机器人用电机M的旋转量或旋转角度的编码器值被输出至控制装置4。
[0026]此外，虽然以6轴结构的机器人说明了机器人2，但不限于此结构，还可以使用6轴结构以外的机器人，例如使用7轴或8轴结构的机器人。
[0027]在机器人2的前端部安装有上述的点焊枪10，通过控制装置4对机器人用电机M进行控制，来控制点焊枪10的位置、角度、方向等。
[0028]点焊枪10是C型的点焊枪，具备外壳10a、枪臂10b、固定电极IOc和可动电极IOcL此外，虽然点焊枪10为C型，但不限于此，也可以是单驱动X型等其它类型的点焊枪。
[0029]图2是图1所示的点焊枪10的放大示意图。在图2中，为了便于理解，透视地示出外壳10a。如图2所示，在外壳IOa内收容有枪用电机10e、滚珠丝杠机构IOf以及编码器10g、减速机IOh等。
[0030]枪用电机IOe与机器人用电机M同样地由控制装置4控制动作，使可动电极IOd移动。枪用电机IOe具体地说是伺服电机，但只要是如后所述可由控制装置4进行位置控制的电机，则也可以是其它种类的电机。
[0031]滚珠丝杠机构IOf具备丝杠轴IOfl和螺母10f2。枪用电机IOe的输出轴经由减速机IOh与丝杠轴IOfl的一端连接，另一方面，在另一端附近经由未图示的滚珠与螺母10f2螺合。另外，在螺母10f2上安装有可动电极10d。
[0032]因此，当枪用电机IOe旋转时，其旋转输出经由减速机传递至丝杠轴10fl，使丝杠轴IOfl旋转。伴随着丝杠轴IOfl的旋转，螺母10f2以及可动电极IOd在图2中朝上方向或下方向进行伸缩。这样，滚珠丝杠机构IOf是将枪用电机IOe的旋转运动变换为可动电极IOd的直线运动的机构。
[0033]编码器IOg安装在枪用电机IOe上，向控制装置4输出表示枪用电机IOe的旋转量或旋转角度的编码器值。枪臂IOb在侧面观察时呈大致C字状。另外，枪臂IOb在预定的应力范围内可自如地进行弹性变形，并且由铝合金或铍铜等轻金属制成。
[0034]在本实施方式中构成为，在考虑枪臂IOb的弹性变形的基础上使可动电极IOd对工件W的加压力成为预期值，关于这点使用图3进行后述。
[0035]枪臂IOb的一端IObl经由外壳IOa与机器人2连接。另一方面，固定电极IOc固定在枪臂IOb的另一端10b2。上述可动电极IOd设置在与该固定电极IOc相对的位置。另夕卜，在此说明书中，设固定电极IOc的轴方向与可动电极IOd的轴方向为“Z轴方向”，设与Z轴方向垂直的轴方向即图2中的左右方向为“X轴方向”。
[0036]在如上所述相对配置的固定电极IOc与可动电极IOd之间，插入作为被焊接物的工件W。此外，虽然省略图示，工件W是通过架台等适当地固定的。
[0037]图3是示出图1所示的点焊装置I的结构的框图。如图3所示，控制装置4具备:机器人用电机控制部4a、枪用电机控制部4b、焊接控制部4c和挠曲量计算部4d。各个控制部4a、4b、4c可相互自由通信地进行连接，并且挠曲量计算部4d与机器人用电机控制部4a以及枪用电机控制部4b可自由通信地进行连接。
[0038]机器人用电机控制部4a通过控制机器人用电机M的动作来驱动机器人2。另外，枪用电机控制部4b控制枪用电机IOe的动作，使点焊枪10的可动电极IOd进行伸缩，在固定电极IOc与可动电极IOd之间对工件W进行加压夹持，或者释放加压夹持的工件W。在图3的控制装置4的结构中仅示出与本实施方式的说明关联较深的部分。
[0039]这里，说明一般的枪用电机的控制。在固定电极与可动电极之间对工件进行加压夹持，在此状态下以预定时间使电流流过固定电极与可动电极之间，由此进行点焊。
[0040]为了适当地进行该点焊，希望可动电极对工件的加压力是预期值。因此，在一般的点焊装置中，通过实验等预先设定使得加压力成为预期值的枪用电机的转矩指令，将该转矩指令输出到枪用电机，即，对枪用电机进行转矩控制而对工件进行加压夹持，由此进行点焊。
[0041]但是，例如滚珠丝杠机构的静摩擦系数或动摩擦系数等由于与反复动作相伴的磨合等而发生变化。因此，当利用如上所述预先设定的转矩指令进行电机控制时，对工件的加压力可能随着时间的经过而不再是预期值。
[0042]另外，这些摩擦系数随着点焊装置的环境温度而发生变化。因此，各个摩擦系数根据环境温度而改变，加压力同样可能不再是预期值。另外，根据点焊枪的姿势的不同，可能受重力的影响而使对工件的加压力不再是预期值。此外，在可动电极以较高的速度接触工件时，有可能加压力大于预期值，从而无法改善生产节拍时间(tact time)。
[0043]因此，在该实施方式的点焊装置I中，控制装置4通过向枪用电机IOe输出位置指令的位置控制来控制枪用电机IOe的动作。这样，对枪用电机IOe进行位置控制，所以，可控制由枪用电机IOe驱动的可动电极IOd的位置，而不会受到滚珠丝杠机构IOf的各摩擦系数变化等的影响，结果，能够使加压力成为预期值。
[0044]继续图3的说明，枪用电机控制部4b如上所述通过位置控制来控制枪用电机IOe的动作而使可动电极IOd进行伸缩。另外，机器人用电机控制部4a也同样通过位置控制来控制机器人用电机M的动作而驱动机器人2。
[0045]焊接控制部4c与焊接电源3连接。在由固定电极IOc和可动电极IOd对工件W进行加压夹持的状态下，焊接控制部4c使来自焊接电源3的电流流过固定电极IOc与可动电极IOd之间，实施点焊。
[0046]挠曲量计算部4d计算预期的加压力作用于工件W时的枪臂IOb的挠曲量。根据由挠曲量计算部4d计算出的挠曲量进行上述枪用电机IOe的位置控制和机器人用电机M的位置控制。以下，对此进行详细说明。
[0047]首先，参照图4来说明挠曲量的计算。图4是简化地示出固定电极IOc和可动电极IOd对工件W进行加压夹持的状态的示意图。如图4所示，固定电极IOc和可动电极IOd对工件W进行加压夹持，当其加压力增加时，枪臂IOb如上所述构成为可自由弹性变形，所以在Z轴方向和X轴方向进行弹性变形。
[0048]此外，在图4中，用虚线示出弹性变形之前的枪臂10b。另外，在图4中为了说明而夸张地描绘了枪臂IOb弹性变形后的状态，各个电极的长度等未必被描绘成在弹性变形的
前后一致。
[0049]考虑到该枪臂IOb对工件W进行加压夹持时发生弹性变形的现象，挠曲量计算部4d根据计算式求出预期加压力作用于工件W时的枪臂IOb的挠曲量。
[0050]以下进行说明，如图4所示，在设从可动电极IOd向工件W作用的加压力为F、设加压力F的矢量与X轴方向成的角度为Θ时，可通过使用了胡克定律的下式(1)、(2)来表示加压力F。
[0051]FXsin Θ = k(z) Xz..?式(I)
[0052]FXcos Θ = k(x) XX..?式(2)
[0053]在上式中，k (Z)是枪臂IOb的Z轴方向的弹簧常数，k (X)是枪臂IOb的X轴方向的弹簧常数，z是枪臂IOb的Z轴方向的挠曲量，X是枪臂IOb的X轴方向的挠曲量。
[0054]首先，通过实验预先计算式(I)、(2)中的弹簧常数k (z)、k (X)。在实验中，例如在可动电极IOd等对工件W进行加压的部位安装加压力传感器，并且在枪臂IOb上安装挠曲传感器。然后，使可动电极IOd以向固定电极IOc延伸任意的预定值(以下，记为“第I预定值”)的方式进行动作，对工件W进行加压夹持，使枪臂IOb进行弹性变形。
[0055]在设从加压力传感器输出的加压力为F1、设从挠曲传感器输出的枪臂IOb的Z轴方向的挠曲量为zl、X轴方向的挠曲量为xl时，式(1)、(2)成为式(3)、(4)。
[0056]FlXsin Θ I = k(z) Xzl..?式(3)
[0057]FlXcos Θ I = k(x) Xxl..?式(4)
[0058]式中的Θ I是加压力Fl的矢量与X轴方向成的角度。
[0059]在实验中，接着,使可动电极IOd以向固定电极IOc延伸与上述第I预定值不同的第2预定值的方式进行动作，对工件W进行加压夹持，使枪臂IOb进行弹性变形。然后，同样地读取该状态下的加压力传感器以及挠曲传感器的输出。
[0060]在设从加压力传感器输出的加压力为F2、设从挠曲传感器输出的枪臂IOb的Z轴方向的挠曲量为z2、X轴方向的挠曲量为x2时,式(I)、(2)成为下式(5)、(6)。
[0061]F2 X sin Θ 2 = k (z) X ζ2...(5)
[0062]F2 X cos Θ 2=k (χ) Χχ2..?式(6)
[0063]式中的θ 2是加压力F2的矢量与X轴方向成的角度。
[0064]然后，对式(3)~(6)这4个式子进行求解，得到弹簧常数k (z)、k (x)0具体地说，例如在式(3)、(4)中以消去Θ I的方式求解，并且在式(5)、(6)中以消去Θ 2的方式求解。由此，可导出由弹簧常数k (z)、k (χ)和根据各个传感器输出而得到的加压力F1、F2、挠曲量zl、z2、Xl、X2构成的两个式子，对其进行求解可得到弹簧常数k (z)、k (x)0
[0065]此外，还计算枪臂IOb的泊松比V。泊松比V是横形变[%]相对于纵形变[%]之比，例如在设枪臂IOb的Z轴方向的长度为ZI ength、设X轴方向的长度为xI ength时，可利用下式(7)或式(8)求出该泊松比。
[0066]泊松比V = (xl/xlength)/(zl/zlength)..?式(7)
[0067]泊松比V = (x2/xlength)/(z2/zlength)..?式(8)
[0068]只要枪臂IOb的材料相同，则上述的泊松比V是恒定的，所以无论使用式(7)、(8)中的哪一个式子都能够计算。
[0069]此外，根据枪臂IOb的形状或特性等，还可能有适于采用图4所示的zlength’来取代式(7)、(8)的zlength的情况(因为该泊松比v的计算方法本身不是本实施方式的要点，所以省略详细的说明)。这样，首先通过实验预先计算弹簧常数k (z)、k (χ)以及泊松比V，将其存储在控制装置4的未图示的存储器等中。
[0070]此外，例如在点焊装置I从工场出厂之前进行上述的弹簧常数k (z)、k (χ)以及泊松比V的计算，但不限于此，也可以在点焊装置I出厂之后，在实际实施点焊的场所进行计算。
[0071]上述这样获得的枪臂IOb的弹簧常数k (z)、k (X)以及泊松比V表示枪臂IOb的特性，所以其值与加压力F的多少无关，基本上是相同的值。因此，如果能知道弹簧常数k (z)、k (χ)和泊松比V，则能够在加压力实际作用之前利用计算式计算任意的加压力进行作用时的挠曲量Z、x。
[0072]在本实施方式中，通过使用了弹簧常数k (z)、k (χ)的计算式来计算枪臂IOb的可动电极IOd对工件W的加压力F成为预期值而适当进行点焊时的挠曲量ζ、X,根据计算出的挠曲量ζ、χ来控制可动电极IOd或机器人2。
[0073]即，挠曲量ζ、χ相当于可动电极IOd和工件W抵接的位置与加压力F成为预期值时的可动电极IOd的目标位置之间的偏移量。因此，如果根据挠曲量ζ、χ来控制可动电极IOd或机器人2的动作，则能够使可动电极IOd和工件W的抵接位置与目标位置一致。
[0074]具体进行说明，首先，在初始设定中，将适当进行点焊时的预期的加压力Fa经由未图示的输入装置输入到控制装置4的挠曲量计算部4d。在输入预期的加压力Fa后，挠曲量计算部4d计算枪臂IOb的Z轴方向的挠曲量ζ和X轴方向的挠曲量χ。具体地说，可根据使式(I)变形后的式(9)求出挠曲量z，可根据使式(2)变形后的式(10)求出挠曲量χ。
[0075]z = FaXsin Θ /k(z)..?式(9)
[0076]χ = FaXcos Θ /k(x)..?式(10)
[0077]具体地说，例如在式(9)、(10)中以消去Θ的方式求解，由此能够导出由挠曲量ζ、X、作为输入的值的加压力Fa和已经通过实验求出的弹簧常数k (z)、k (χ)构成的式子。如上所述，如果枪臂IOb的材料相同，则泊松比V是恒定的，所以还可以根据泊松比V来导出挠曲量ζ与挠曲量χ的关系式。通过对这些式子进行求解，计算挠曲量ζ和挠曲量X。
[0078]这样，构成为使用计算式来计算加压力Fa作用于工件W时的枪臂IOb的Z轴方向的挠曲量ζ与X轴方向的挠曲量X，所以可准确地计算挠曲量ζ、X。
[0079]返回图3的说明，挠曲量计算部4d向枪用电机控制部4b输出通过式(9)计算出的挠曲量ζ以及通过式(10)计算出的挠曲量X，并且同样地向机器人用电机控制部4a输出挠曲量Z以及挠曲量X。
[0080]枪用电机控制部4b根据挠曲量ζ、挠曲量χ和编码器IOg的编码器值来控制枪用电机IOe的动作，详细地说，控制枪用电机IOe的动作，使可动电极IOd移动根据挠曲量ζ以及挠曲量χ计算出的校正量a。
[0081]具体地说，在加压力Fa作用于工件W而使枪臂IOb弹性变形时，可动电极IOd的前端位置朝与目标位置分离的方向、更具体地说是图4中的Z轴方向的负侧、且X轴方向的正侧偏移。因此，这里，使可动电极IOd移动(延伸)用于校正该偏移的量。
[0082]例如，可通过使用了勾股定理的下式(11)求出偏移了挠曲量ζ、χ时的可动电极IOd的校正量a。
[0083]
【权利要求】
1.一种点焊装置，其特征在于，该点焊装置具备: 机器人； 点焊枪，其具有枪臂、固定在所述枪臂上的固定电极、设置在与所述枪臂的所述固定电极相对的位置上的可动电极和使所述可动电极移动的枪用电机；以及 控制装置，其控制所述枪用电机的动作，使所述可动电极移动而在所述固定电极与所述可动电极之间对被焊接物进行加压夹持，实施点焊， 所述控制装置通过向所述枪用电机输出位置指令的位置控制来控制所述枪用电机的动作。
2.根据权利要求1所述的点焊装置，其特征在于， 在设所述固定电极的轴方向和所述可动电极的轴方向为Z轴方向、设与所述Z轴方向垂直的轴方向为X轴方向、设所述枪臂的所述Z轴方向的挠曲量为Z、设所述枪臂的所述X轴方向的挠曲量为X、设所述可动电极对所述被焊接物的预期加压力为Fa的情况下， 所述控制装置计算所述加压力Fa作用于所述被焊接物时的所述挠曲量z和所述挠曲量X，并且控制所述枪用电机的动作，使所述可动电极移动根据所述挠曲量z以及所述挠曲量X计算出的校正量。
3.根据权利要求1或2所述的点焊装置，其特征在于， 该点焊装置还具备驱动所 述机器人的机器人用电机， 在设所述固定电极的轴方向和所述可动电极的轴方向为Z轴方向、设与所述Z轴方向垂直的轴方向为X轴方向、设所述枪臂的所述Z轴方向的挠曲量为Z、设所述枪臂的所述X轴方向的挠曲量为X、设所述可动电极对所述被焊接物的预期加压力为Fa的情况下， 所述控制装置计算所述加压力Fa作用于所述被焊接物时的所述挠曲量z和所述挠曲量X，并且控制所述机器人用电机的动作，将所述机器人驱动所述挠曲量z以及所述挠曲量Xo
4.根据权利要求2所述的点焊装置，其特征在于， 在设所述加压力Fa的矢量与所述X轴方向成的角度为Θ、设所述枪臂的所述Z轴方向的弹簧常数为k (z)的情况下， 所述控制装置根据下式计算所述挠曲量z，
Z=FaX sin Θ /k (z)。
5.根据权利要求3所述的点焊装置，其特征在于， 在设所述加压力Fa的矢量与所述X轴方向成的角度为Θ、设所述枪臂的所述Z轴方向的弹簧常数为k (z)的情况下， 所述控制装置根据下式计算所述挠曲量z，
Z=FaX sin Θ /k (z)。
6.根据权利要求2所述的点焊装置，其特征在于， 在设所述加压力Fa的矢量与所述X轴方向成的角度为Θ、设所述枪臂的所述X轴方向的弹簧常数为k (x)的情况下， 所述控制装置根据下式来计算所述挠曲量X，
X=FaXcos Θ /k (X)。
7.根据权利要求3所述的点焊装置，其特征在于，在设所述加压力Fa的矢量与所述X轴方向成的角度为Θ、设所述枪臂的所述X轴方向的弹簧常数为k (x)的情况下， 所述控制装置根据下式来计算所述挠曲量X， X=FaXcos Θ /k (X)。
8.根据权利要求4所述的点焊装置，其特征在于， 在设所述加压力Fa的矢量与所述X轴方向成的角度为Θ、设所述枪臂的所述X轴方向的弹簧常数为k (x)的情况下， 所述控制装置根据下式来计算所述挠曲量X， X=FaXcos Θ /k (X)。
9.根据权利要求5所述的点焊装置，其特征在于， 在设所述加压力Fa的矢量与所述X轴方向成的角度为Θ、设所述枪臂的所述X轴方向的弹簧常数为k (x)的情况下， 所述控制装置根据下式来计算所述挠曲量X， X=FaXcos Θ /k (X)。
【文档编号】B23K37/02GK103624385SQ201310373584
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2012年8月27日
【发明者】木本和彦 申请人:株式会社安川电机