-
Die
Erfindung betrifft ein Punktschweißsystem zum Durchführen von
Punktschweißarbeitsgängen und
ein Verfahren zum Steuern einer Presskraft an zu schweißenden Gegenständen gemäß der jeweiligen
Oberbegriffe der Ansprüche
1 und 2 (siehe beispielsweise
US-B1-6 342 686 ).
-
Beschreibung des dazugehörigen Standes
der Technik.
-
Beim
Durchführen
eines Punktschweißarbeitsganges
mit einer Punktschweißpistole
werden die Schweißgegenstände, wie
Metallplatten, mit einem Paar Schweißspitzen der Punktschweißpistole festgeklemmt
und zusammengepresst, und ein elektrischer Strom fließt zwischen
den Schweißspitzen durch
die zu schweißenden
Gegenstände
hindurch, die durch die durch den elektrischen Strom erzeugte Joule'sche Wärme verschweißt werden
sollen. Eine Punktschweißpistole
mit einem Servomotor zum Antreiben der Schweißspitzen ist als Servo-Schweißpistole
bekannt.
-
Die 4 zeigt
schematisch ein herkömmliches
Schweißsystem
mit der Servoschweißpistole,
in der die Schweißspitzen
von einem Servomotor angetrieben werden.
-
Die
Punktschweißpistole 1 umfasst
Arme 3a, 3b mit Schweißspitzen 2a, 2b an
ihren distalen Enden, einen Mechanismus 4 aus Kugelgewindespindel und
Spindelmutter zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung,
und einen Servomotor 5 zum Antreiben des Arms 3A gegenüber Arm 3b über den
Mechanismus 4 aus Kugelgewindespindel und Spindelmutter
zum Öffnen
bzw. Schließen
der Schweißspitzen 2a und 2b zum
Festklemmen und Ausüben
einer Presskraft auf die Schweißgegenstände. Ein
Positionsdetektor 6 befindet sich am Servomotor 5 und
erfasst eine Drehposition des Servomotors 5 und somit die
lineare Position der Schweißspitzen 2a, 2b.
Im Allgemeinen besteht eine Steuervorrichtung 10 zum Steuern
der Servo-Punktschweißpistole 1 aus
einer Roboter-Steuervorrichtung zum Steuern eines Roboter, an dem
die Schweißpistole 1 befestigt
ist. Spezifisch wird zudem eine Servo-CPU 12 zum Steuern
des Servomotors 5 an der Roboter-Steuervorrichtung bereitgestellt,
oder eine Servo-CPU, die sich in der Roboter-Steuervorrichtung zum
Steuern der Servomotoren für
die Achsen der Roboter befindet, kann als Servo-CPU 12 zum
Steuern des Servomotors der Punktschweißpistole verwendet werden.
-
Eine
Haupt-CPU 11 der Steuervorrichtung 10 erteilt
einen Befehl zum Antreiben eines Roboters, damit er die Punktschweißpistole 1 zu
einer festgelegten Schweißposition
bewegt, und erteilt dann einen Bewegungsbefehl an den Servomotor 5 der Punktschweißpistole 1.
Die Servo-CPU erteilt eine Positionsrückkopplungsverarbeitung auf
der Basis des Bewegungsbefehls und der Rückkopplungssignale vom Positionsdetektor 6 und
gibt die Strombefehle (Drehmomentbefehle) für den Servoverstärker 13 aus.
Der Servoverstärker 13 treibt
den Servomotor 5 und bewegt den Arm 3a gegenüber Arm 3b,
indem ein Treiberstrom in Servomotor 5 gemäß dem Strombefehl
fließt,
so dass sich die Schweißspitzen 2a und 2b aufeinander
zu bewegen.
-
Wenn
sich die Schweißspitze 2a zu
einer festgelegten Position in Bezug auf die Schweißspitze 2b bewegt,
erteilt die Haupt-CPU 11 einen Steuerumschaltbefehl und
einen Presskraftbefehl an die Servo-CPU 12. Bei Erhalt
dieser Befehle schaltet die Servo-CPU 12 die Positionsrückkopplungssteuerung zu
einer Presskraftsteuerung und erteilt eine Strombefehl (Drehmomentbefehl)
an den Servoverstärker 13 zum
Antreiben des Servomotors 5, so dass eine eingegebene Presskraft
durch die Schweißspitzen 2a und 2b auf
die Gegenstände
ausgeübt
wird. Dann wird ein Schweißstrom
zwischen den Schweißspitzen 2a und 2b durch
die zu verschweißenden
Gegenstände
geleitet, und nach dem Schweißen
werden die Schweißspitzen 2a und 2b geöffnet, und
die Schweißpistole 1 wird
zur nächsten
Schweißposition bewegt.
-
Der
Servomotor 5 zum Antreiben der Schweißspitzen 2a und 2b ist
wie beschrieben relativ näher
zu den Schweißspitzen 2a und 2b in
der Schweißpistole 1 angeordnet.
Die Joule'sche Wärme, die
durch den Schweißstrom
erzeugt wird, der zwischen den Schweißspitzen 2a und 2b durch
die Gegenstände
fließt,
erhöht
in hohem Maße
die Temperatur des Servomotors 5 und die Temperatur der beweglichen
Komponenten eines Treibkraft-Übertragungsmechanismus
einschließlich
des Arms 3a, 3b und des Mechanismus 4 aus
Kugelgewindespindel und Spindelmutter der Punktschweißpistole 1.
Zum Senken der hohen Temperatur werden die distalen Enden der Arme 3a, 3b und
die Schweißspitzen 2a, 2b der
Punktschweißpistole 1 regelmäßig wassergekühlt, und
der Servomotor wird in einigen Punktschweißpistolen wassergekühlt.
-
Im
Allgemeinen sinkt das Ausgangsmoment eines Elektromotors mit steigender
Temperatur. Ein Ausgangsmoment des Elektromotors wird durch die folgende
Gleichung ausgedrückt. Ausgangsmoment = Drehmomentkonstante × elektrischer
Strom
-
Aus
der Offenbarung von beispielsweise
JP 2002-165478 A weiß man, dass die Drehmomentkonstante
in Abhängigkeit
von der Temperatur des Motors variiert, so dass sie mit steigender
Temperatur sinkt.
-
Da
die Temperatur des Servomotors der Punktschweißpistole durch die von dem
Schweißstrom
erzeugte Joule'sche
Wärme und
die vom Motor selbst erzeugte Wärme erhöht wird,
sinkt das Ausgangsmoment mit sinkender Drehmomentkonstante, was
durch die hohe Temperatur verursacht wird, so dass die Presskraft
der Schweißspitzen
gesenkt wird.
-
Die
Schwankung der Drehmomentkonstante mit der Temperaturschwankung
des Servomotors, die durch die Wärmeerzeugung
des Motors selbst verursacht wird, ist nicht so groß, dass
sie vernachlässigbar
ist, aber der Temperaturanstieg des Servomotors, der durch die Joule'sche Wärme verursacht wird,
welche durch den Schweißstrom
erzeugt wird, ist groß.
Somit wird die Drehmomentkonstante gesenkt, so dass das Drehmoment
des Servomotors 5 zum Antreiben der Schweißspitzen 2a, 2b gesenkt wird.
-
Bei
dem Servopunktschweißsystem
leitet der Servoverstärker 13 den
Treiberstrom in dem Servomotor 5 und erzeugt ein Ausgangsmoment
gemäß dem Strombefehl
aus der Servo-CPU 12, und das Ausgangsmoment wird umgewandelt
von einer Drehbewegung zu einer linearen Bewegung durch einen Bewegungswandlermechanismus,
wie einen Mechanismus 4 aus Kugelgewindespindel und Spindelmutter,
so dass die Schweißspitzen 2a, 2b linear
bewegt werden, und eine Presskraft auf die Gegenstände ausgeübt wird,
wie in der 5 gezeigt.
-
Beim
Umwandeln der Drehbewegung in die Linearbewegung zur Produktion
einer Linearkraft wird eine Beziehung zwischen dem Ausgangsmoment
des Motors und der umgewandelten Linearkraft idealerweise folgendermaßen ausgedrückt: Kraft (N) = Drehmoment (Nm)/(ein Betrag der linearen
Bewegung pro 1 Umdrehung des Motors × 2π).
-
In
der Praxis wird die obige Beziehung aufgrund des Energieverlusts,
der durch die Reibung usw. verursacht wird, nicht eingesetzt. Ein
Reibungsverlust hängt
bekanntlich von der Temperatur der beweglichen Komponenten des Bewegungsumwandlungsmechanismus
ab.
-
Somit
wird das Servopunktschweißsystem durch
die von dem Schweißstrom
erzeugte Joule'sche
Wärme beeinflusst,
so dass die Drehmomentkonstante des Servomotors 5 zum Antreiben der
Schweißspitzen 2a, 2b variiert
(die Drehmomentkonstante wird durch den Temperaturanstieg gesenkt)
und der Reibungsverlust der Komponenten eines Antriebskraft-Übertragungsmechanismus,
einschließlich
des Mechanismus aus Kugelgewindespindel und Spindelmutter und der
Arme variiert mit der Temperaturschwankung (der Reibungsverlust sinkt
mit steigender Temperatur). Daher kommt es zu einem Fehlerproblem
beim Ausüben
einer konstanten Presskraft auf die Schweißgegenstände gemäß einer eingegebenen Presskraft
durch komplexe Auswirkungen der Schwankung der Drehmomentkonstante
und der Schwankung des Reibungsverlustes mit der hohen Temperatur.
-
In
US-B1-6 342 686 erfasst
eine Codiervorrichtung die Position des Servomotors, aber es folgt keine
Erfassung der Temperatur.
-
JP-2002 051595A offenbart
ein Verfahren zum Unterdrücken
der Drehmomentschwankungen in einem Motor, in dem der Magnetfluss
des Motors geschätzt
wird durch Berechnung auf der Basis der Temperatur, die von einem
in den Motor eingebauten Temperaturdetektor ermittelt wird.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Punktschweißsystem mit einer Servopunktschweißpistole und
ein Steuerverfahren für
eine Presskraft der Servopunktschweißpistole bereit, die die Presskraftschwankung
durch Einfluss von der von einem Schweißstrom erzeugten Wärme unterdrücken können, sodass
eine gleichförmige
Presskraft auf die Schweißgegenstände ausgeübt wird.
-
Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung wird ein Punktschweißsystem zum Durchführen von Punktschweißarbeitsgängen nach
Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer
auf die zu schweißenden
Gegenstände
ausgeübten
Presskraft nach Anspruch 2 bereitgestellt.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Es
zeigt:
-
1 ein
Blockschema eines Punktschweißsystems,
einschließlich
einer Punktschweißpistole
und einer Steuervorrichtung dafür
gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
-
2 ein
Fließschema
der Verarbeitung für einen
Schweißarbeitsgang
durch die Punktschweißpistole
gemäß der Ausführungsform;
-
3,
ein Schaubild, Ergebnisse der Experimente, die eine Beziehung zwischen
der Temperaturschwankung und der Presskraftschwankung der Punktschweißpistole
zeigen;
-
4 ein
Blockschema eines herkömmlichen
Punktschweißsystems;
und
-
5 ein
Blockschema eines Antriebssystems der Punktschweißpistole,
einschließlich
eines Bewegungsumwandlungsmechanismus zum Umwandeln einer Drehbewegung
des Servomotors in eine Linearbewegung.
-
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
-
Bei
der Servopunktschweißpistole,
bei der die Schweißspitzen
von einem Servomotor angetrieben werden, werden die Drehmomentkonstante
des Servomotors und ebenfalls der Reibungsverlust der beweglichen
Komponenten des Antriebskraftübertragungsmechanismus
durch Wärmeerzeugung
in der Punktschweißpistole
beeinflusst. Daher variiert die Presskraft, die von den Schweißspitzen
auf die Schweißgegenstände ausgeübt wird,
je nach der Temperatur des Servomotors und den beweglichen Komponenten
der Punktschweißpistole,
sogar bei einer Bedingung eines konstanten Antriebsstroms des Servomotors
(dem gleichen Presskraftbefehl). Es wurden Experimente durchgeführt, bei
denen die Temperatur und die Presskraft der Punktschweißpistole
gemessen werden bei der wiederholten Durchführung von Punktschweißarbeitsgängen unter
den Bedingungen eines konstanten Antriebsstroms in dem Servomotor
und einem konstanten Schweißstrom
zwischen den Schweißspitzen.
Die Ergebnisse der Experimente sind in der 3 gezeigt.
-
Der 3 zufolge
steigt die Schweißkraft durch
die Schweißspitzen
mit steigender Temperatur. Der Einfluss der Minderung des Reibungsverlustes mit
dem Temperaturanstieg übersteigt
vermutlich den Einfluss der Minderung des Reibungsverlustes, wenn der
Temperaturanstieg den Einfluss der Minderung der Drehmomentkonstante
des Servomotors mit dem Temperaturanstieg übersteigt, so dass die Presskraft mit
steigender Temperatur zunimmt.
-
Angesichts
der Ergebnisse der Experimente wird eine Beziehung zwischen der
Schwankung der Temperatur und der Schwankung der Presskraft durch
eine lineare Funktion angenähert,
und ein Koeffizient A zum Umwandeln eines Betrags der Änderung
der Temperatur in einen Betrag der Änderung der Presskraft wird
in dieser Ausführungsform
erhalten. Der Koeffizient A veranschaulicht mit anderen Worten einen
Betrag der Änderung
der Presskraft pro Einheitsbetrag der Temperaturänderung.
-
Die 1 zeigt
ein Punktschweißsystem, einschließlich einer
Punktschweißpistole
und eine Steuervorrichtung dafür
gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform.
-
Das
Punktschweißsystem
unterscheidet sich von dem in der 4 gezeigten
herkömmlichen Punktsschweißsystem
insofern, als ein Temperatursensor 7 in der Schweißpistole 1 bereitgestellt
wird, und als die Verarbeitung für
die Temperaturkompensation der Presskraft durchgeführt wird.
-
Der
Temperatursensor 7 ist in dem Servomotor 5 oder
in der Nähe
der beweglichen Komponenten der Punktschweißpistole 1 angeordnet,
wie einem Mechanismus 4 aus Kugelgewindespindel und Spindelmutter.
In dieser Ausführungsform
ist der Temperatursensor 7 am Servomotor 7 angeordnet.
Eine Steuervorrichtung 10 zum Steuern der Servopunktschweißpistole 1 besteht
aus einer Roboter-Steuervorrichtung zum Steuern eines Roboters,
an dem die Schweißpistole 1 befestigt
ist, oder die gesondert von der Roboter-Steuervorrichtung bereitgestellt
ist.
-
Ein
Koeffizient A zum Umwandeln eines Betrags der Temperaturänderung
in einen Betrag der Presskraftänderung
wird vorher auf der Basis der Ergebnisse erhalten und wird als Parameter
für die
Servo-CPU 12 eingestellt. Eine Temperatur, die bei der Festlegung
einer Presskraft, die auf Schweißgegenstände ausgeübt werden soll, als eine der
Schweißbedingungen
von dem Temperatursensor 7 erfasst wird, wird als Anfangstemperatur
T0 als Parameter eingestellt.
-
Die
Haupt-CPU 11 erteilt Befehle zum Antreiben des Roboters
zur Bewegung zu einer einprogrammierten Position zur Durchführung eines Schweißarbeitsganges,
der so in einem einprogrammierten Betriebsprogramm ausgelegt ist,
dass ein Werkstück
durch die Schweißspitzen 2a und 2b der Punktschweißpistole 1 an
einer festgelegten Position festgeklemmt wird, und dann nacheinander
einen Bewegungsbefehl, einen Steuerumschaltbefehl und einen Presskraftbefehl
an die Servo-CPU 12 erteilt.
-
Die
Servo-CPU 12 führt
die Verarbeitung wie in der 2 gezeigt
aus, einschließlich
der Verarbeitung für
die Temperaturkompensation oder Presskraft, bei Empfang der Bewegungsbefehle
für die Schweißspitzen 2a und 2b,
einen Steuerumschaltbefehl und einen Presskraftbefehl von der Haupt-CPU 11.
-
Die
Servo-CPU 12 liest den Bewegungsbefehl r von der Haupt-CPU 11 und
einen Positionsrückkopplungsbetrag
y, der von dem Positionsdetektor 6 gesendet wird (Schritt
S1). Dann ermittelt die Servo-CPU 12 ein Störmoment
d mit einem in die Servo-CPU 12 eingebauten Störmomentbeobachter (Schritt
S2). Das ermittelte Störmoment
d veranschaulicht die Presskraft, während die Schweißspitzen 2a und 2b die
Schweißgegenstände pressen. Die
vom Temperatursensor 7 erfasste Temperatur T wird gelesen,
und eine Berechung gemäß der folgenden
Gleichung (1) wird durchgeführt,
so dass durch Multiplikation einer Differenz zwischen der erfassten Temperatur
T und der Anfangstemperatur T0 mit dem Koeffizient A ein Kompensationsbetrag α erhalten wird. α =
A × (T – T0) (1)
-
Dann
wird bestimmt, ob ein Steuerumschaltsignal erteilt wurde oder nicht,
und wenn nicht, wird ein Drehmomentbefehl (Strombefehl) τ durch Multiplikation
eines Proportionalkoeffizienten K1 mit einer Differenz des Bewegungsbefehls
r und dem in Schritt S1 gelesenen Positionsrückkopplunsbetrag gemäß der folgenden
Gleichung (2) erhalten. τ = K1 × (r – y) (2)
-
Der
erhaltene Drehmomentbefehl (Strombefehl) τ wird an den Servoverstärker 13 erteilt
(Schritt S7), und die Verarbeitung des aktuellen Verarbeitungszeitraums
wird beendet.
-
Anschließend wird
die Verarbeitung von Schritt S1 bis Schritt S7 bei jedem Verarbeitungszeitraum
wiederholt ausgeführt,
bis ein Steuerumschaltsignal erteilt wird. Werden Steuerumschaltbefehl
und ein Presskraftbefehl erteilt, verläuft das Verfahren von Schritt
S5 zu Schritt S8, wo der Presskraftbefehl p gelesen wird, und der
Presskraftkompensierungsbetrag α wird
von dem Presskraftbefehl p subtrahiert, so dass eine kompensierte
Presskraft p' erhalten
wird (Schritt S9). p' = p – α (3)
-
Das
ermittelte Drehmoment (die ermittelte Presskraft) d wird von dem
in Schritt S2 erhaltenen kompensierten Presskraftbefehl p' subtrahiert, und die
erhaltene Differenz wird mit dem Proportionalkoeffizient K2 der
Presskraft-Rückkopplungssteuerung multipliziert,
so dass ein Drehmomentbefehl (Strombefehl) τ erhalten wird (Schritt S10).
Der erhaltene Drehmomentbefehl (Strombefehl) τ wird an den Servoverstärker 13 erteilt
(Schritt S7), und die Verarbeitung des aktuellen Verarbeitungszeitraums
wird beendet.
-
Anschließend wird
die Verarbeitung der Schritte S1-S5, der Schritte S8-S10 und von
Schritt S7 wiederholt ausgeführt,
so dass die Temperaturkompensation an der befohlenen Presskraft
ausgeführt
wird, die festgelegte Presskraft erhalten wird, und ein Drehmomentbefehl
(Strombefehl) τ zum
Antreiben des Servomotors 5 erhalten wird, so dass die ermittelte
Presskraft dem kompensierten Presskraftbefehl entspricht. Da die
eingegebene Presskraft p gemäß der erfassten
Temperatur kompensiert wird, und der Drehmomentbefehl τ auf der
Basis des kompensierten Presskraftbefehls p' erhalten wird, wird der Drehmomentbefehl τ gemäß der Temperatur kompensiert,
so dass die festgelegte Presskraft durch die Schweißspitzen 2a und 2b am
Werkstück erzeugt
wird.
-
Dann
fließt
der festgelegte Schweißstrom zwischen
den Schweißspitzen 2a und 2b für eine eingestellte
Zeit, so dass die Gegenstände
miteinander verschweißt
werden, und nach dem Ablauf der eingestellten Zeit werden die Schweißspitzen
geöffnet,
und die Schweißpistole
wird zur nächsten
Schweißposition
bewegt.
-
Da
der Presskraftkompensationsbetrag α nötig ist, wenn bei Empfang eines
Steuerumschaltsignals der Steuermodus von der Positionssteuerung zur
Presskraftsteuerung geändert
wird, kann die Verarbeitung der Schritte S2-S4 unmittelbar vor oder
unmittelbar nach der Verarbeitung von Schritt S8 erfolgen. In diesem
Fall verläuft
das Verfahren von Schritt S1 bis Schritt S5.
-
Bei
der vorstehenden Ausführungsform
wird die Beziehung zwischen der Temperaturschwankung und der Presskraftschwankung
durch eine lineare Funktion angenähert. Die Beziehung kann durch
eine quadratische Funktion oder eine Funktion höherer Ordnung und andere Funktionen
angenähert
werden. Zudem können
die Koeffizienten A für
eine Vielzahl von Temperaturbanden eingestellt werden. Zudem kann
der Änderungsbetrag
(Kompensationsbetrag α)
der Presskraft für
den Änderungsbetrag
der Temperatur in einer Tabelle gespeichert werden, und der Presskraftkompensationsbetrag α kann aus
der Tabelle gelesen werden.
-
Erfindungsgemäß wird die
Presskraftschwankung, die durch die Schwankung der Drehmomentkonstanten
des Servomotors verursacht wird, und der Reibungsverlust des Antriebsmechanismus
mit der Temperaturschwankung der Punktschweißpistole unterdrückt, damit
eine stabile Presskraft zur Steigerung der Schweißqualität der Punktschweißarbeitsgänge aufrecht
gehalten wird. Die Erfindung eignet sich besonders dann, wenn ein
nicht wassergekühlter
Servomotor als Servomotor der Punktschweißpistole angewendet werden
soll.