專利名稱：焊接系統(tǒng)及自耗電極式焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制由電機驅(qū)動的焊接機械手的位置的控制方法。
背景技術(shù)：
近來，在焊接工業(yè)中，不斷努力提高生產(chǎn)率。具體地，減少小問題造成的生產(chǎn)線的短時停止以及縮短生產(chǎn)節(jié)拍時間的需求比以前更大。
許多因素被認(rèn)為是造成生產(chǎn)線停止的原因。最大的原因是由于起弧較差造成的。
因此，在常規(guī)的自耗電極式焊接過程的起弧中，當(dāng)從外部輸入開始信號時，驅(qū)動機械手操縱器將焊炬移動到已知的焊接起始位置處。之后，在停止焊絲進給的狀態(tài)下，由機械手操縱器在近似焊絲的進給方向上移動焊炬，并且焊絲的前端被逐漸帶到工件附近。當(dāng)判斷出焊絲前端已與工件接觸時，由焊接電源單元施加具有預(yù)設(shè)小電流值的初始電流。同時，焊炬在與焊絲進給方向相反的方向上移動，以進行焊絲前端遠離工件的回退操作。當(dāng)焊絲通過回退操作與工件分離時，產(chǎn)生初始電流所連接的電弧。在保持初始電弧產(chǎn)生的狀態(tài)下，繼續(xù)回退移動，從而使焊炬返回到焊接開始位置。此后，回退移動切換為在已知的焊接方向上的移動，同時開始焊絲進給并施加穩(wěn)定的焊接電流，由此初始電弧產(chǎn)生狀態(tài)變?yōu)榉€(wěn)定電弧產(chǎn)生狀態(tài)(參考例如專利文獻1)。
圖4是具有采用上述自耗電極式焊接過程的機械手的焊接系統(tǒng)的總體示意框圖。
在圖4中，通過焊絲進給電機103，在焊炬104的方向上從繞線盤102中抽出用作自耗電極的焊絲101。
焊接電源單元105通過焊炬104和焊接芯片106在焊絲101與用作工件的基材107之間施加焊接電流I和焊接電壓V，從而生成電弧108并控制焊絲進給電機103。
機械手操縱器109握持焊炬104，將焊炬104放置于焊接開始位置(未示出)，并沿焊接線(未示出)移動焊炬104。
機械手控制器110與焊接電源單元105進行雙向通訊S，并傳遞焊接條件(例如焊接電流I和焊接電壓V)以及焊接開始和結(jié)束指令，從而控制機械手操縱器109。
將參照圖5的時間圖描述在如上所述構(gòu)造的焊接系統(tǒng)中的自耗電極式焊接過程。
在圖5中，縱軸表示每種條件，即，焊炬移動速度TV，焊絲進給速度WF，短路判斷信號A/S，焊接電流I以及焊接電壓V；橫軸表示時間。焊接開始信號從機械手控制器110傳輸?shù)胶附与娫磫卧?05的時間點由TS0′表示，下文將描述TS0′之后的TS1′到TS5′。
首先，機械手控制器110將焊接開始信號傳送到焊接電源單元105，致動機械手操縱器109，并使焊炬104朝基材107加速。當(dāng)焊炬104的速度達到初始焊炬速度TV0時，停止機械手操縱器109的加速，使得焊炬104以等速繼續(xù)下降。
進一步地，在從機械手控制器110接收到焊接開始信號時，焊接電源單元105在焊絲101與基材107之間施加無負(fù)載電壓V0。
當(dāng)焊絲101與基材107在時刻TS1′互相接觸時，從設(shè)置在焊接電源單元105內(nèi)的短路判斷單元(未示出)輸出短路判斷信號A/S。
當(dāng)該短路判斷信號A/S通過雙向通訊S傳輸?shù)綑C械手控制器110時，機械手控制器110減速并立即停止機械手操縱器109。在時刻TS2′，機械手操縱器109的操作，即焊炬104的速度變?yōu)榱恪?br> 之后，機械手控制器110立即反向機械手操縱器109的操作，由此焊炬104開始在從基材107分離的方向上操作以拉起焊炬104。
時刻TS1′與時刻TS3′之間的間隔是初始短路周期。從TS1′到機械手操縱器109減速并且焊炬104的速度變?yōu)榱愕臅r刻TS2′期間，機械手操縱器109將焊絲101壓向基材107。從時刻TS2′起，機械手操縱器109的操作反向，使得焊絲101的按壓量逐步降低，并在時刻TS3′點解除短路。
當(dāng)由表示焊炬104的速度的線TV形成并表示焊絲101的拉起量的三角形cde的面積大于表示焊絲101的按壓量的三角形abc的面積的時刻為解除該短路的時刻TS3′。
進一步地，當(dāng)在時刻TS1′出現(xiàn)初始短路時，焊接電源單元105將焊接電流I控制在焊接電流I1′。預(yù)設(shè)時間后，焊接電源單元105將焊接電流I1′增加到電流I2′，并等待短路解除。
在該初始短路期間在第一階段將焊接電流控制在設(shè)置得比較低的I1′的原因是防止因初始短路而被焊絲101的前端部分的焦耳熱融化的焊絲101在產(chǎn)生電弧的同時發(fā)散而飛濺。
進一步地，將電流I1′變到電流I2′的原因是為了在時刻TS3′的短路解除時刻給予足夠能量以產(chǎn)生電弧。
在時刻TS3′產(chǎn)生電弧時，焊接電源單元105啟動焊絲進給電機103并朝基材107加速焊絲101。繼續(xù)加速直到焊絲101的速度達到用于正常焊接的焊絲速度。在焊絲101的速度達到用于正常焊接的焊絲速度后，繼續(xù)等速進給焊絲101。
進一步地，在與焊絲進給電機103的啟動同步的一段固定時間中，焊接電源單元105將電弧電流I控制在電弧初始電流I3′，之后將電弧電流I控制在第二初始電流I4。之后，焊接電源單元105將電弧電流I控制在正常焊接輸出(未示出)。
專利文獻1JP-A-2002-205169但是，常規(guī)的自耗電極式焊接過程要求機械手操縱器109的逆操作。即，當(dāng)判斷焊絲101的前端已與基材107接觸時，開始對向前移動的機械手操縱器109進行減速。一旦減速停止之后，機械手操縱器109反向并在回退方向上加速。因此，需要有機械手操縱器109的響應(yīng)時間和加速減速時間。
通常由電機通過減速齒輪驅(qū)動機械手操縱器109。因此，當(dāng)機械手操縱器109的速度在時刻TS2′反向時，由于減速齒輪的齒隙(嚙合齒隙)、彈簧組件、摩擦不連續(xù)等因素而產(chǎn)生振動。
因此，焊絲101會因上述振動而被過度壓向基材107，從而焊絲101有可能會彎曲。
進一步地，如果機械手操縱器109的響應(yīng)性差，并且在焊炬104的速度指令(velocity command)與其實際速度之間產(chǎn)生延遲時，從時刻TS1′檢測到短路到時刻TS2′速度減小并反向的時間被延長。因此，焊絲101會被過度壓向基材107，因而焊絲101有可能會彎曲。
這里，機械手操縱器109的響應(yīng)性由在機械手控制器110內(nèi)構(gòu)成的位置控制回路確定。圖6示出該位置控制回路的組成。
圖6中，當(dāng)在所需軌跡上操作焊炬104時，組成機械手操縱器109的每個軸的電機位置的軌跡通過逆動力學(xué)計算得到，其速度分量作為速度回路指令(velocity loop command)TVC 201輸入到控制回路中。
將速度分量而不是位置分量輸入到控制回路中的原因是位置分量要求包括機械手所有操作范圍的非常多的數(shù)位，因而增加了數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。
焊炬位置指令TPC 203由積分元件202通過積分該速度回路指令TVC201而獲得。
如果預(yù)知機械手操縱器109的軌跡，則通常會指定開始點和結(jié)束點的位置。需要位置回路216的原因是只利用速度回路218不能實現(xiàn)精確定位。
因此，在通常的反饋控制(以下由FB控制表示)中，焊炬位置指令TPC203和從用于電機214的旋轉(zhuǎn)位置傳感器215輸出的焊炬位置反饋(以下由FB表示)信號TPF 204之間的差乘以位置回路增益KPP 205，從而產(chǎn)生速度回路指令TVCA 200，并將速度回路指令TVCA 200輸入到速度控制回路218。
TVCA＝KPP×(TPC-TPF)速度控制塊218利用速度回路指令TVCA 200與焊炬速度FB信號TVF208之間的差產(chǎn)生電流指令TCC 212，其中，所述焊炬速度FB信號TVF 208通過微分焊炬位置FB信號TPF 204，速度回路比例增益KPS 209，積分元件210和速度回路積分增益211而獲得。已接收該電流指令TCC 212的電流放大器213將實際電流施加到電機214，從而驅(qū)動操縱器109。
在這種狀態(tài)下，通常，通過該位置回路216計算得到的速度回路指令TVCA 200成為與作為電機位置指令TPC 203的速度分量的焊炬速度指令TVC 201存在相位延遲的信號。這一點是焊炬速度FB信號TVF 208不能充分跟蹤焊炬速度指令TVC 201并發(fā)生相位延遲的主要原因。圖7(a)示出該相延遲。
圖7(a)示出焊炬速度指令TVC 201的例子，其中以大致梯形的形狀給出加速、等速、減速。焊炬速度FB信號TVF 208不能充分跟蹤焊炬速度指令TVC 201，焊炬速度FB信號TVF 208的相延遲，并且最大速度比方面的最大誤差為35.3％。
因此，作為通常用于提高機械手操縱器109的響應(yīng)性的方法，使用一種增加如圖9所示的前饋控制(以下用FF控制表示)的方法。
在圖9中，F(xiàn)F控制塊217加到圖6的控制塊中的位置控制回路216，從而使得速度回路指令進入TVCB 206內(nèi)。FF控制塊217將焊炬速度指令TVC201乘以速度FF增益KFF 219并將其計算結(jié)果加到由數(shù)值表達式1獲得的速度回路指令TVCA 200中。
TVCB＝TVCA+KFF×TVC已知通過將數(shù)值表達式2計算的TVCB 206作為速度指令輸入到速度控制回路218，如后所述的速度跟隨(follow-up)性能提高。
速度FF增益KFF 219的范圍如以下數(shù)值表達式3所示。
0≤KFF≤1.0圖9中，如果KFF＝0，圖9中的控制指令等于圖6中的控制指令。
隨著速度FF增益KFF 219增加，即隨著速度FF增益KFF 219更接近于1，速度跟隨性能更加提高，但超調(diào)增加。圖7(b)和7(c)示出該關(guān)系。
在圖7(b)中，KFF＝0.5；而在圖7(c)中，KFF＝1.0。作為焊炬速度指令TVC 201，在圖7(b)和7(c)中給出與圖7(a)中相同的波形。
在機械手操縱器109的正常操作中，焊炬速度指令TVC 201的波形通過機械手操縱器109的負(fù)載參數(shù)，電機214的最大旋轉(zhuǎn)數(shù)，以及最大力矩來預(yù)設(shè)。通常，對跟隨延遲的校正不是實時進行的。
在圖8(a)到8(c)中，圖7(a)到7(c)中縱軸表示出的焊炬速度變?yōu)楹妇嫖恢茫渲卸瞬课恢帽划?dāng)作100％。這里，可以發(fā)現(xiàn)類似于速度的情況，當(dāng)速度FF增益KFF 219增加并更接近1時，位置的超調(diào)增加。
位置超調(diào)的增加導(dǎo)致以下問題。
完成焊接后，通常，機械手操縱器109移動到不阻止取出已完成焊接的基材107并放入新的基材107的回退位置，放入新的基材107，之后將焊炬104移動到時刻TS0′的位置，所述時刻TS0′是焊炬104開始接近基材107的焊接開始點。在這種情況中，優(yōu)選地，焊絲101停止焊絲101的前端以便不會在基材107側(cè)發(fā)生超調(diào)。如果焊絲101的前端超調(diào)，則它在不應(yīng)該的時刻與基材7接觸，從而可能使焊絲101彎曲并產(chǎn)生飛濺。
即，發(fā)現(xiàn)考慮到從回退位置到焊接開始點TS0′的移動，為了防止焊絲101的前端與基材7接觸，與基材107側(cè)超調(diào)相關(guān)的速度FF增益KFF 219不能太大。
另一方面，在圖5所示的常規(guī)起弧過程從TS0′到TS2′的時間間隔中，如后所述，不能事先預(yù)知在焊絲101與基材107接觸的TS1′時刻的減速位置。
即，由于焊絲101從焊炬104的突起量以及由于基材107的形狀誤差，短路位置不固定。之后，通過短路判斷信號A/S檢測到短路后，進行減速。
但是，為給予簡要描述，假設(shè)焊絲101的突起量和基材107的形狀沒有誤差，給出以下描述。
圖10(a)示出常規(guī)起弧進程中，速度FB信號TVF 208在TSO′和TS2′之間沒有跟隨延遲并且完全跟隨焊炬速度指令TVC 201的示例。在圖10(b)中，縱軸繪出位置分量。
在圖10(a)和10(b)中，在時刻TS1′＝(0.4)，焊炬接觸到基材107，檢測到短路，并開始對焊炬減速。在時刻TS2′＝(0.6)，焊炬停止。
在圖10(b)的縱軸中，到時刻TS2′的移動量設(shè)為100％，在出現(xiàn)短路的時刻TS1′，移動量為75％。
但是，實際上，如圖7(a)到7(c)所示，在速度FB信號TVF 208產(chǎn)生與焊炬速度指令TVC 201相關(guān)的跟隨延遲。因此，速度FB信號TVF 208短路的時刻，即，圖10(b)的移動量達到75％的時刻TS1′被延遲。
圖11(a)示出KFF＝0時速度FB信號TVF 208和焊炬速度指令TVC 201之間的關(guān)系。
在圖11(a)中，焊炬速度指令TVC 201加速到時刻0.2，之后以恒定速度輸出。此時，因跟隨延遲而造成的誤差存儲在速度FB信號TVF 208內(nèi)，并且即使在焊炬速度指令TVC 201達到短路位置的時刻0.4，速度FB信號TVF208也未達到短路位置。由于未產(chǎn)生短路，焊炬速度指令TVC 201不減速而保持恒定。之后，在時刻0.47(如TS1′所示)，速度FB信號TVF 208最后實現(xiàn)短路位置，焊炬速度指令TVC 201轉(zhuǎn)為減速并減速到零。
但是，之后，還是產(chǎn)生跟隨延遲，并且焊炬下降直到速度FB信號TVF208減速到零。
圖12(a)由在圖11(a)的縱軸上繪制焊炬位置而得。在圖12(a)的縱軸上，在示出無跟隨延遲情況的圖10(b)中時刻TS2′的移動量被設(shè)為100％。
在圖12(a)中，用于焊炬位置指令TPC 203的位置FB信號TPF 204的超調(diào)較小。但是，由于跟隨延遲造成的短路時刻TS1′的延遲，時刻TS2′的移動量比圖10(b)中的移動量大17.6％。即，下降的移動量變大，焊絲101過度擠入基材107內(nèi)。因此，造成焊絲101可能會彎曲。
圖11(c)和圖12(c)示出KFF＝1.0的波形。
在圖11(c)中，速度超調(diào)為13.3％，大于KFF＝0時的速度超調(diào)。但是，跟隨延遲更小，并且最大誤差降低到13.3％。
圖12(c)由在圖11(a)的縱軸繪制焊炬位置而得。在圖12(c)的縱軸上，在示出無跟隨延遲情況的圖10(b)中的時刻TS2′的移動量被設(shè)為100％。
在圖12(c)中，用于焊炬位置指令TPC 203的位置FB信號TPF 204的超調(diào)大于KFF＝0時的超調(diào)。但是，由于伺服誤差更小，短路時刻TS1′幾乎不被延遲。對應(yīng)圖10(b)中移動量(100％)的時刻TS2′的移動量的超調(diào)下降到3.1％。
由以上結(jié)果可知在常規(guī)起弧進程中的TS0′到TS2′之間，由于在TS1′檢測到短路后開始減速，若即使速度超調(diào)大跟隨延遲卻較小，也即，若KFF設(shè)置為1.0，可使得TS1′的短路檢測后的移動量更小，并減少彎曲焊絲101的可能性。
但是，如果KFF＝1，為了獲得從焊接開始點的TS0′時刻起所需的速度跟隨性能，則增加從回收位置到焊接開始點TS0′的移動操作中的超調(diào)量。因此，焊絲101的前端在不應(yīng)該的時刻與基材107接觸，可能引起焊絲101彎曲并產(chǎn)生飛濺。因此，難以調(diào)整FF增益KFF以同時滿足速度跟隨性能和超調(diào)抑制要求。
如上所述，在常規(guī)方法中，由于方向反向時刻的振動以及跟隨延遲，焊絲101可能被過度壓向基材107。因此，TS0′和TS4′之間的焊炬加速和減速必須降低，使得起弧工序中的無效時間可能較長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種自耗電極式焊接過程，可減少常規(guī)的自耗電極式焊接過程已包括的起弧工序中的無效時間，且不產(chǎn)生焊絲的彎曲或飛濺。
為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的焊接系統(tǒng)包括將焊絲進給到焊炬的焊絲進給單元；保持所述焊炬并移動焊炬的致動器；具有位置控制系統(tǒng)并驅(qū)動控制所述致動器的控制器；以及在工件與焊絲之間施加焊接輸出的焊接電源單元。這里，所述焊炬由所述致動器在與所述工件分離的方向上移動，從而控制所述焊絲對所述工件的速度。除所述位置控制系統(tǒng)外，所述控制器包括，在所述焊炬與所述工件分離的方向上移動所述致動器的專用分離控制系統(tǒng)。
進一步地，本發(fā)明的自耗電極式焊接過程，采用具有如下部件的焊接系統(tǒng)將焊絲進給到焊炬的焊絲進給單元；保持所述焊炬并移動焊炬的致動器；具有位置控制系統(tǒng)并驅(qū)動控制所述致動器的控制器；以及在工件與焊絲之間施加焊接輸出的焊接電源單元，在焊接過程中，供應(yīng)焊絲同時通過所述致動器在與所述工件分離的方向上移動所述焊炬，從而控制所述焊絲對所述工件的速度。這里，所述過程的特性在于，除所述位置控制系統(tǒng)外，所述控制器還包括，在所述焊炬與所述工件分離的方向上移動所述致動器的專用分離控制系統(tǒng)。
根據(jù)該過程，在焊接開始時間，通過致動器分離焊炬的單方向操作，可控制焊絲對工件的速度。因此，不會產(chǎn)生因焊炬速度反向而造成的振動。進一步地，移動焊炬的致動器的速度跟隨性能通過專用分離控制系統(tǒng)得以提高，因此可相對常規(guī)過程減少響應(yīng)時間和加速減速時間。另外，專用分離控制系統(tǒng)不在正常的定位中執(zhí)行，從而防止產(chǎn)生因分離控制系統(tǒng)而造成的超調(diào)。
如上所述，本發(fā)明中，在焊接開始時間焊炬由通過專用分離控制系統(tǒng)控制的致動器在與工件分離的方向上移動。因此，可減少常規(guī)的自耗電極式焊接過程已包括的起弧工序中的無效時間，從而減少生產(chǎn)節(jié)拍時間，或防止焊絲在焊接開始端部彎曲或產(chǎn)生飛濺，因而有效減少所謂“最小停工期(minordowntimes)”。


圖1是示出本發(fā)明的實施例中的位置控制回路的框圖。
圖2是用在本發(fā)明的該實施例中的焊接系統(tǒng)的示意框圖。
圖3是本發(fā)明的該實施例中的起弧時間的時間圖。
圖4是用在現(xiàn)有技術(shù)中的焊接系統(tǒng)的示意框圖。
圖5是在現(xiàn)有技術(shù)中的起弧時間中的時間圖。
圖6是示出現(xiàn)有技術(shù)中的位置控制回路的框圖。
圖7(a)是示出正常操作中前饋增益為零時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖。
圖7(b)是示出正常操作中前饋增益為0.5時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖。
圖7(c)是示出正常操作中前饋增益為1時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖。
圖8(a)是示出正常操作中前饋增益為零時，焊炬位置指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖。
圖8(b)是示出正常操作中前饋增益為0.5時，焊炬位置指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖。
圖8(c)是示出正常操作中前饋增益為1時，焊炬位置指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖。
圖9是示出現(xiàn)有技術(shù)中的位置控制回路的框圖，對其添加前饋控制。
圖10(a)是示出在焊炬拉起操作中沒有跟隨延遲的情況下，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖，其中所述關(guān)系由時間和焊炬速度表示。
圖10(b)是示出在焊炬拉起操作中沒有跟隨延遲的情況下，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖，其中所述關(guān)系由時間和焊炬位置表示。
圖11(a)是示出焊炬拉起操作中前饋增益為零時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖，其中所述關(guān)系由時間和焊炬速度表示。
圖11(b)是示出焊炬拉起操作中前饋增益為0.5時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖，其中所述關(guān)系由時間和焊炬速度表示。
圖11(c)是示出焊炬拉起操作中前饋增益為1時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖，其中所述關(guān)系由時間和焊炬速度表示。
圖12(a)是示出焊炬拉起操作中前饋增益為零時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖，其中所述關(guān)系由時間和焊炬位置表示。
圖12(b)是示出焊炬拉起操作中前饋增益為0.5時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖，其中所述關(guān)系由時間和焊炬位置表示。
圖12(c)是示出焊炬拉起操作中前饋增益為1時，焊炬速度指令與反饋之間的關(guān)系的曲線圖，其中所述關(guān)系由時間和焊炬位置表示。
圖13是示出本發(fā)明的實施例中的碰撞檢測方法的框圖。
圖14是示出現(xiàn)有技術(shù)中的碰撞檢測方法(動力學(xué)計算方法)的框圖。
圖15是示出機械手的減速齒輪中的彈簧組件的示意框圖。
圖16是其中機械手的減速齒輪中的彈簧組件被模型化的框圖。
圖17是示出現(xiàn)有技術(shù)的實施例中的碰撞判斷的波形圖。
圖18是示出現(xiàn)有技術(shù)中的碰撞檢測方法(擾動觀測器方法)的框圖。
圖19示出機械手減速齒輪(諧波減速齒輪)的彈簧常數(shù)的圖。
圖20是示出本發(fā)明的實施例中的碰撞判斷的波形圖。
圖21是示出本發(fā)明的實施例中的碰撞判斷的波形圖。
參考標(biāo)號說明1焊絲；3焊絲進給電機；4焊炬；5焊接電源單元；7基材；8電??；9機械手操縱器；10機械手控制器；200速度回路指令TVCA；201焊炬速度指令TVC；202積分元件；203焊炬位置指令TPC；204導(dǎo)數(shù)元件；205位置回路增益KPP；206速度回路指令TVCB；207導(dǎo)數(shù)元件；208焊炬速度FB信號TVF；209速度回路比例增益KPS；210積分元件；211速度回路積分增益KIS；212電流指令TCC；213電流放大器；214電機；215旋轉(zhuǎn)位置傳感器；216位置控制回路；217FF控制塊；218速度回路；219速度FF增益KFF；220速度FF增益KFFA；221速度FF增益KFFB；222焊炬拉起速度指令TUVC；223正常操作速度指令TNVC；224焊炬分離控制塊。
具體實施例方式
實施例1以下將參照圖1到3以及圖7和8描述本發(fā)明的一個實施例。
參照圖2和3，將描述本實施例中的焊接系統(tǒng)的構(gòu)造和起弧過程。接下來參照圖1、7和8，將描述本實施例中的機械手控制器10的位置控制回路。
圖2是示出本實施例中的焊接系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)圖。通過焊絲進給電機3，從繞線盤2在焊炬4的方向上供應(yīng)用作自耗電極的焊絲1。
焊接電源單元5通過焊炬4和焊接芯片6在焊絲1與用作工件的基材7之間施加預(yù)設(shè)焊接電流I和焊接電壓V，從而生成電弧8，并控制焊絲進給電機3進行焊接。
持有焊炬4的機械手操縱器9將焊炬4放在焊接開始位置(未示出)中，并沿焊接線(未示出)移動焊炬4。
機械手控制器10與焊接電源單元5進行雙向通訊S，并傳送焊接條件(例如焊接電流I和焊接電壓V)以及焊接開始或結(jié)束指令，從而控制機械手控制器9。
圖3中，縱軸表示每種條件焊炬4的移動速度TV，焊絲1的進給速度WF，短路判斷信號A/S，焊接電流I以及焊接電壓V；橫軸表示時間。焊接開始信號被從機械手控制器10傳輸?shù)胶附与娫磫卧?的時刻T由TS0表示，而TS0之后的TS1到TS5表示以下描述的時刻。進一步地，TS1表示焊絲1與基材7接觸的時刻，TS2表示所施加的將焊絲1壓在基材7上的功率變?yōu)榱愕臅r刻，即，焊炬4的拉起速度與焊絲1的進給速度互相匹配的時刻，TS3表示焊絲1與基材7之間的短路被解除的時刻，TS4表示焊炬4的高度達到預(yù)設(shè)水平并且完成焊炬4的拉起的時刻，以及TS5表示焊絲的速度WF達到預(yù)設(shè)速度的時刻。
圖3中，在本實施例中，當(dāng)焊接開始信號被從機械手控制器10傳送到焊接電源單元5時(TS0)，焊接電源單元5在焊絲1與基材7之間施加無負(fù)載電壓V0，并致動焊絲進給電機3從而朝基材7加速焊絲1。
當(dāng)焊絲1的進給速度達到初始速度W0時，停止焊絲進給電機3的加速，并以等速繼續(xù)進給焊絲。
在時刻TS1，當(dāng)焊絲1與基材7互相接觸時，從在焊接電源單元5內(nèi)設(shè)置的短路判斷單元(未示出)中輸出短路判斷信號A/S。
該短路判斷信號A/S通過雙向通訊S傳送到機械手控制器10，機械手控制器10立即使機械手操縱器9開始在焊炬4幾乎從基材7分離的方向上操作，從而進行焊炬4的拉起操作。
時刻TS1與時刻TS3之間的間隔是初始短路周期。在該周期，以初始焊絲速度W0繼續(xù)焊絲1的進給，而機械手操縱器9則繼續(xù)焊炬4的拉起操作。因此，焊絲1的前端部分的速度達到焊絲速度WF與焊炬速度TV的合成速度，如圖3中虛線所示。
因此，從時刻TS1起，到圖3中虛線所示合成速度達到零時的TS2時刻，焊絲1的前端被壓在基材7上。但是，從時刻TS2起，合成速度變?yōu)樨?fù)速度，使得壓量減少，在時刻TS3時立刻解除短路。在時刻TS3，表示焊絲1的拉起量的三角形hji的面積大于表示焊絲1的按壓量的三角形fgh的面積。
進一步地，當(dāng)在時刻TS1′產(chǎn)生初始短路時，焊接電源單元5將焊接電流I控制于焊接電流I1。預(yù)設(shè)時間后，焊接電源單元5將焊接電流I1′增大到電流I2′，并等待短路解除。
在該初始短路期間的第一階段將焊接電流I控制在設(shè)置得比較低的I1的原因是防止因初始短路而被焊絲1的前端部分的焦耳熱融化的焊絲1在產(chǎn)生電弧的同時發(fā)散而飛濺。
進一步地，將電流I1′變?yōu)殡娏鱅2′的原因是為了在時刻TS3′的短路解除時刻給予足以產(chǎn)生電弧的能量。
在時刻TS1短路檢測后的焊炬4拉起操作中，如果焊炬4的速度TV產(chǎn)生跟隨延遲，并且花費額外的時間使焊炬4的拉起速度TV超過焊絲1的速度WF，即，花費額外的時間使合成速度變?yōu)樨?fù)速度，在該時間繼續(xù)進給焊絲1會使得焊絲1的按壓量過度，并且有可能焊絲1彎曲。
進一步地，如上所述，現(xiàn)有技術(shù)中TS1的短路檢測時刻不能事先預(yù)知，并且TS1′時的減速位置也事先不知道。因此，不可能預(yù)料跟隨延遲而提前進行拉起操作。
因此，為了減少焊絲1的按壓量，必須減少焊炬速度TV的跟隨延遲。進一步地，在本實施例的焊接過程中，從時刻TS0的位置起的焊炬4的操作方向僅在與基材7分離的方向上，這與參照圖5所述常規(guī)例子中焊炬104從時刻TS0′的位置起還移動到基材107側(cè)不同。因此，無需顧慮常規(guī)例子中速度方向變化而導(dǎo)致的振動所造成的彎曲。
另外，優(yōu)選地，焊炬4速度與焊絲1速度的合成速度為常數(shù)。因此，有利于調(diào)整速度跟隨誤差使其最小化。
另一方面，考慮機械手操縱器9的正常操作和定位，在時刻TS0位于收回位置以供應(yīng)基材7的焊炬4在焊接開始位置通過由機械手控制器10驅(qū)動機械手操縱器9而移動。
此時，優(yōu)選在沒有超調(diào)基材7側(cè)的情況下停止焊絲1的前端。這是因為擔(dān)心焊絲1前端的超調(diào)會導(dǎo)致在不應(yīng)該的時間點焊絲1的前端與基材7接觸。
接下來，將描述本實施例中在機械手控制器10內(nèi)構(gòu)造的位置控制回路。
圖1是示出在機械手控制器10內(nèi)構(gòu)造的位置控制回路的框圖。圖1中，與圖6和9相同的元件由相同的參考標(biāo)號表示。
圖1所示位置控制回路通過向參照圖9所述的常規(guī)例子的位置控制回路增加用于提高起弧時間內(nèi)僅焊炬拉起操作的響應(yīng)性的焊炬分離控制塊224而構(gòu)成。
另外，在圖1中，速度指令包括與從圖3中焊接開始時間的時刻TS1到時刻TS4的焊炬拉起操作相關(guān)的焊炬拉起速度指令TUVC 222，以及與焊炬拉起操作以外的正常操作相關(guān)的正常操作速度指令TNVC 223。
該焊炬分離控制塊224基于焊炬拉起速度指令TUVC 222進行FF(前饋)控制，以提高焊接開始時在與基材7分離的方向上移動焊炬4的操作的響應(yīng)性。在機械手控制器10進行焊接開始時在與基材7分離的方向上移動焊炬4的控制時，輸出該焊炬拉起速度指令TUVC 222，而不在正常操作中輸出。
將描述圖1的控制回路中從位置控制回路216輸出到速度回路218的速度回路指令TVCB 206。將乘以速度FE增益KFFB 221的焊炬拉起速度指令TUVC 222加到乘以速度FF增益KFFA 220的正常操作速度指令TNVC 223，所加得的結(jié)果加到由數(shù)值表達式1計算的速度回路指令TCVA 200，由此獲得速度回路指令TVCB 206。該TVCB由以下數(shù)值表達式表示(數(shù)值表達式4)。
TVCB＝TVCA+KFFA×TNVC+KFFB×TUVC這里，速度FF增益KFFA和KFFB的各自范圍如下0≤KFFA≤1.00≤KFFB≤1.0接下來，將描述輸出到位置控制回路216的位置指令TPC 203。焊炬位置指令TPC 203由對焊炬拉起速度指令TUVC 222與正常操作速度指令TNVC 223之和進行積分而得。該位置指令TPC由以下數(shù)值表達式表示(數(shù)值表達式5)[數(shù)值表達式5]TPC＝∫(TNVC+TUVC)dt另外，當(dāng)KFFA＝KFFB＝0時，圖1中的控制指令與圖6所示控制回路中的一樣，類似不包括FF的常規(guī)例子。
如前所述，優(yōu)選通過在超調(diào)允許值范圍內(nèi)提高FF增益而提高在TS0之前和TS4之后的正常操作中的拉起性能。
如果正常操作速度指令TNVC 223所乘的速度FF增益KFFA 220設(shè)置為例如0.5，獲得如圖7(b)和8(b)所示的拉起特性。這里，由于位置超調(diào)不大于1％，拉起特性提高，且最大位置誤差減少到9.2％。
另一方面，對于從圖3所示焊接開始的時刻TS1開始到時刻TS4為止的焊炬拉起操作，必須降低焊炬速度TV的拉起延遲并最小化速度跟隨誤差。因此，如果焊炬拉起速度指令TUVC 222所乘的速度FF增益KFFB設(shè)置為例如1.0，獲得如圖7(c)和8(c)所示的拉起特性。因此，速度上的跟隨延遲和最大誤差可被最小化。
如上所述，在機械手控制器10的位置控制回路中，提供圖1所示的焊炬分離控制塊224，焊炬拉起速度指令TUVC 222與正常操作速度指令TNVC223被分別輸入，焊炬拉起速度指令TUVC 222只在機械手控制器10進行從基材7分離的方向上移動焊炬4這樣的控制時輸出，卻不在正常操作時間中輸出。因此，可通過焊炬分離控制塊224在焊接開始時間提高焊炬4移動中的速度跟隨性能，從而可減少電弧發(fā)生工序中的無效時間，并可防止焊絲1彎曲并產(chǎn)生飛濺。
另外，由于焊炬拉起速度指令TUVC 222不在正常操作時間中輸出，所以在正常操作時間中不產(chǎn)生焊炬分離控制塊224的超調(diào)，從而可正常操作。
即，通過構(gòu)造圖1所示的位置控制回路，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整在從焊接開始的TS1到TS4為止的焊炬拉起操作中以及焊炬拉起操作以外的正常操作中的速度跟隨特性。
在本實施例的控制過程中，如上所述，焊炬4從焊接開始的時刻TS0的位置起移動的方向僅在與基材7分離的方向。因此，無需顧慮如常規(guī)例子那樣，焊炬4的速度方向反向而產(chǎn)生的焊炬4的振動以及焊絲1彎曲。
另外，如果，在焊接方向上移動焊炬4的同時執(zhí)行起弧，則同時進行焊接方向操作和焊炬拉起操作。在這種情況中，速度指令分為與從圖3所示焊接開始的時刻TS1到時刻TS4為止的焊炬拉起操作相關(guān)的焊炬拉起速度指令TUVC 222，以及在焊炬拉起操作以外的正常操作中的正常操作速度指令TNVC 223。因此，焊接方向操作和焊炬拉起操作中的速度拉起特性可分別得到最合適的調(diào)整。另外，在焊炬拉起速度指令TUVC 222與正常操作速度指令TNVC 223不獨立而是一個速度指令改變FF增益的系統(tǒng)中，難以適當(dāng)改變FF增益，并且難以于在焊接方向上移動焊炬的同時執(zhí)行起弧操作。
優(yōu)選地，本發(fā)明的焊接系統(tǒng)中的焊接機械手采用如下所述的碰撞檢測方法。
近來，為了提高碰撞時刻的安全性以及防止在該時刻中的故障損失，機械手要求碰撞檢測的高準(zhǔn)確性。但是，采用高準(zhǔn)確性的碰撞傳感器導(dǎo)致成本增加，并導(dǎo)致該傳感器作為加重負(fù)載移動，與機械手的高速操作及節(jié)約能量的要求矛盾。因此，要求高準(zhǔn)確性且無傳感器的碰撞檢測。
作為在沒有傳感器的情況下獲得碰撞功率的方法之一，有一種通過從減速齒輪輸出力矩減去機械手的動力矩而獲得碰撞功率的方法，其中所述機械手的動力矩由機械手的逆動力學(xué)計算而獲得，減速齒輪輸出力矩由從電機驅(qū)動電流所產(chǎn)生的力矩中減去電機和減速齒輪的慣性和摩擦損耗力矩而獲得(下文中稱為動力學(xué)計算方法。參照非專利文獻1)；以及一種通過擾動估計觀測器獲得碰撞功率的方法(此后，稱之為擾動估計觀測器(disturbanceestimation observer)方法)。
圖14是該動力學(xué)計算方法的控制框圖。
在圖14中，參考標(biāo)號6是位置控制塊，基于對位置指令的速度分量dθcom1積分得到的位置指令θcom3與對電機速度反饋 2積分得到的電機位置反饋θm4之間的差值產(chǎn)生速度回路指令 7。
圖14中的參考標(biāo)號10是速度控制塊，基于速度回路指令 7和電機速度反饋 2之間的差值產(chǎn)生電機電流指令I(lǐng)m11。
圖14中的參考標(biāo)號18是示出電機和外力的程序塊，參考符號τm13是電機產(chǎn)生力矩。假設(shè)減速齒輪是剛體，電機產(chǎn)生力矩τm13從電機驅(qū)動側(cè)看由以下所述的數(shù)值表達式6中的數(shù)值表達式6-1表示，而從負(fù)載側(cè)看則由數(shù)值表達式6-2表示。
τm＝Kt×Im (數(shù)值表達式1-1) (數(shù)值表達式1-2)在數(shù)值表達式1-1和數(shù)值表達式1-2中，參考符號如下所示Kt12電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Im11電機電流；αm電機角加速度( 的微分值)； 2電機角速度；Jm電機慣量(電機+減速齒輪一級側(cè))；D粘滯摩擦系數(shù)；τμ15動摩擦力矩；τdyn14動力矩(重力矩，慣性力，離心力與科氏力之和)；τdis16碰撞力矩。
進一步地，以上所示動摩擦力矩τμ15可由以下數(shù)值表達式7計算。

τμ＝Kμ×sgn其中Kμ是動摩擦系數(shù)的大小，而sgn=1(ωm>0)0(ωm=0)-1(ωm<0)---(5)]]>另外，數(shù)值表達式6-2右邊的碰撞力矩τdis可由在數(shù)值表達式6-1和數(shù)值表達式6-2的基礎(chǔ)上修改的以下數(shù)值表達式8獲得。
在以上數(shù)值表達式8中， 是由電機輸出到減速齒輪的扭矩，而τdyn則是動力矩。
在圖14中，參考標(biāo)號30表示作為碰撞力矩估計塊的數(shù)值表達式8。
在碰撞力矩估計塊30中，τdyno29可通過利用組成機械手的所有軸的電機速度反饋以及機械手的機械參數(shù)在動力矩計算塊26中執(zhí)行逆動力學(xué)計算而得。碰撞力矩估計塊30通過利用該動力矩估計值τdyno29獲得碰撞力矩估計值τdiso28，并將該碰撞力矩估計值τdiso28輸出到碰撞判斷塊31。
碰撞判斷塊31通過預(yù)設(shè)的碰撞檢測閾值τth，根據(jù)以下數(shù)值表達式9檢測碰撞。
|τdiso|＞τth上述常規(guī)動力學(xué)計算方法預(yù)設(shè)減速齒輪是剛體。
但是減速齒輪實際上包括一彈簧組件，并且可由該彈簧組件產(chǎn)生振動。
圖15是機械手內(nèi)的電機和減速齒輪的模型化圖。這里，電機72、減速齒輪73和軸承74固定到用作電機聯(lián)接基座的臂(71)，并且驅(qū)動用作耦接到減速齒輪二級側(cè)77的旋轉(zhuǎn)部分的負(fù)載的臂2(79)。
減速齒輪一級側(cè)76通過電機轉(zhuǎn)軸80耦接于電機內(nèi)的轉(zhuǎn)子，并以電機旋轉(zhuǎn)速度 2旋轉(zhuǎn)。減速齒輪73以預(yù)設(shè)的減速比Rg將電機旋轉(zhuǎn)速度 2減速到負(fù)載轉(zhuǎn)動速 41。
這里，減速齒輪的減速比Rg由以下數(shù)值表達式10表示。
但是，由于減速齒輪73包括在減速齒輪一級側(cè)76與減速齒輪二級側(cè)77之間的彈簧組件，只有彈簧的伸縮為常數(shù)的穩(wěn)定狀態(tài)才能滿足數(shù)值表達式10。
在圖16中，圖15所示模型由框圖表示，該彈簧組件的彈簧常數(shù)設(shè)為KS。
圖16中，參考符號Im11是用于驅(qū)動電機72的電機電流指令，Kt12是電機72的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，1/Rg 42、43是減速比的倒數(shù)，參考標(biāo)號44是電機傳遞函數(shù)，45是負(fù)載傳遞函數(shù)，KS46是減速齒輪73的彈簧常數(shù)，θs47是減速齒輪一級側(cè)76與減速齒輪二級側(cè)77之間產(chǎn)生的扭角，48是積分。
參考符號τdis22是施加到負(fù)載(臂2)上的碰撞力矩，τdyn′49是去除了自軸的慣性力和重力矩的動力矩，τG50是重力矩，τμ15是動摩擦力矩。
在電機傳遞函數(shù)44中，電機慣量Jm是繞電機轉(zhuǎn)子75和減速齒輪一級側(cè)76的轉(zhuǎn)軸80的慣性矩，而Dm是電機粘滯摩擦系數(shù)。
另外在負(fù)載傳遞函數(shù)45中，負(fù)載慣量JL是繞負(fù)載(臂2)79和減速齒輪二級側(cè)77的轉(zhuǎn)軸80的慣性矩，而DL是負(fù)載粘滯摩擦系數(shù)。
具體地，在大尺寸機械手中，圖16中模型化的減速齒輪的彈簧組件的共振頻率為10Hz或更低的低頻。隨著機械手的動態(tài)頻率更接近該共振頻率，產(chǎn)生振動的可能性增加。
在機械手的一般應(yīng)用中，為了防止產(chǎn)生振動，控制加速和減速使得機械手的動態(tài)頻率低于彈簧組件的共振頻率。因此，不會出現(xiàn)大問題。但是，在機械手的焊接應(yīng)用中，在專利文獻2所述的起弧時間中的拉起操作，以及振動焊炬的橫擺操作需要即使產(chǎn)生一點振動以及軌跡準(zhǔn)確性略有惡化，仍具有響應(yīng)性。因此，很有可能機械手的動態(tài)頻率接近彈簧組件的共振頻率。
在這種情況中，如果不考慮因減速齒輪的彈簧組件造成的振動而設(shè)置碰撞檢測閾值，有可能出現(xiàn)盡管沒有碰撞卻檢測到碰撞的錯誤檢測。
圖17示出該錯誤檢測的例子，其中時刻0.1到時刻0.5表示正常操作，時刻0.6到時刻0.8表示焊炬拉起操作。圖17中，以降序示出位置指令的速度分量dθcom1的時間變化，通過微分以上速度分量而獲得的加速度分量αcom的時間變化，以及碰撞力矩估計值τdiso28的時間變化。
在正常操作中，為了防止因減速齒輪的彈簧組件而產(chǎn)生振動，加速度分量的絕對值受到控制，從而不會超過加速度閾值αth。該加速度閾值αth由實際正常操作獲得。
但是，由于焊炬拉起操作要求即使產(chǎn)生一點振動以及軌跡準(zhǔn)確性下降一點也有響應(yīng)性，有可能此時的加速度分量αcom超過加速度閾值αth。
在圖14所示常規(guī)的動力學(xué)計算方法中，由于減速齒輪的彈簧組件未被模型化為如圖16所示的彈簧組件，因彈簧組件而產(chǎn)生的振動表現(xiàn)出碰撞力矩估計值τdiso28的誤差。該條件在圖5的時刻0.6與時刻0.8之間示出，其中碰撞力矩估計值τdiso28的絕對值超過碰撞檢測閾值τth39兩倍。
如果產(chǎn)生該現(xiàn)象，則產(chǎn)生盡管沒有碰撞卻檢測到碰撞的錯誤。只有增大碰撞檢測閾值τth39可防止該錯誤檢測。但是，在這種情況中，碰撞檢測靈敏度反而降低。因此，延遲了實際產(chǎn)生碰撞時的檢測。碰撞檢測中的該延遲導(dǎo)致減輕碰撞沖擊的步驟的延遲，會給臂、減速齒輪及工件造成損傷。
另一方面，作為擾動估計觀測器方法，已知一種用其中減速齒輪具有彈簧的模型作為對象獲得碰撞檢測的方法(參照例如專利文獻3)。
圖18示出說明擾動觀測器方法的框圖。在碰撞力矩估計塊69中，擾動估計觀測器61通過將電機電流Im11和電機旋轉(zhuǎn)速度 11作為輸入?yún)?shù)，以及將電機慣量Jm，負(fù)載慣量JL，電機粘滯摩擦系數(shù)Dm，負(fù)載粘滯摩擦系數(shù)DL，減速齒輪彈簧常數(shù)KS46以及減速齒輪比RG作為計算參數(shù)，來估計負(fù)載旋轉(zhuǎn)速 41，扭角θs47以及擾動力矩之和(τdis+τdyn′+τμ+τG)o65。
重力矩計算塊62從構(gòu)成機械手的所有軸的位置信息(速度積分63)計算重力力矩估計值，并輸出重力矩估計值τGo67。
碰撞力矩估計塊69從擾動力矩之和(τdis+τdyn′+τμ+τG)o65中減去重力矩估計值τGo67和動摩擦力矩估計值τμo24，并將碰撞力矩估計值(τdis+τdyn′)o66輸出到碰撞判斷塊30。
專利文獻2JP-A-2002-205169專利文獻3JP-A-2000-52286非專利文獻1Kosuge Kazuhiro和其他人在日本機械工程學(xué)協(xié)會機器人技術(shù)的機電演講會99年的會議論文2A1-11-030(The Japan society ofMechanical Engineerings[No.9909]Robotics Mechatronics Lecture Meeting，′99Lecture Paper 2A1-11-030)中發(fā)表的“操縱器動態(tài)碰撞檢測(Detection ofDynamic Collision of Manipulator)”。
但是，常規(guī)的擾動估計觀測器方法具有如下問題。
第一個問題是，其自軸慣性力和重力矩被移除的動力矩τdyn′49包括在碰撞力矩估計值(τdis+τdyn′)o66中，動力矩τdyn′49主要由來自其它軸的干涉力(離心力，科氏力)組成。
由于該動力矩τdyn′49是誤差分量，所以認(rèn)為碰撞檢測閾值τth變得比在動力學(xué)計算方法中的大(碰撞檢測靈敏度變低)。即，即使有意模型化減速齒輪的彈簧組件，如圖15和16所示，也仍有可能碰撞檢測靈敏度下降得比動力學(xué)計算方法中多。
第二個問題是擾動觀測器61要求負(fù)載慣量JL和彈簧常數(shù)KS46的準(zhǔn)確值；如果這些參數(shù)中有誤差，則在擾動估計中也會產(chǎn)生誤差，模型化彈簧的效果會降低。
由于負(fù)載慣量JL隨機械手的姿態(tài)以及附接到臂上的負(fù)載而改變，必須實時計算，而其計算是可能的。
但是，有一個問題是彈簧常數(shù)KS19設(shè)置為固定值。圖19是示出在作為用在機械手中的典型減速齒輪的諧波減速齒輪中的彈簧常數(shù)KS的例子的圖，以制造者樣本描述。圖19中，隨著扭角變化，彈簧常數(shù)也改變。因此，彈簧常數(shù)由三段近似直線表示，各段上的力矩常數(shù)取為K1、K2和K3。考慮到機械手中高頻應(yīng)用的彈簧常數(shù)以及80或更高的減速比，如果K1、K2和K3的平均值從制造者樣本目錄值中獲得，并且基于其平均值計算每個K1、K2和K3的誤差，該誤差最大為大約33％。
進一步地，扭角θs47及負(fù)載旋轉(zhuǎn)速 41不直接測量，卻作為擾動估計觀測器的變量而估計。因此，隨著彈簧常數(shù)KS46變化，扭角θs47的估計值也改變。但是，實際上，彈簧常數(shù)KS46是扭角θs47的函數(shù)，且互受影響。因此，該估計是不可能的。
因此，為了滿足擾動估計觀測器，除將彈簧常數(shù)KS46當(dāng)作常值外沒有別的方法。但是，很有可能彈簧常數(shù)中的誤差會極大地影響擾動估計值的準(zhǔn)確性。
即，即使在模型化了減速齒輪的彈簧組件的情況下，碰撞力檢測的準(zhǔn)確性也不是總能充分提高。因此，難以消除在沒有碰撞時檢測到碰撞的錯誤檢測的可能性。
因此，本發(fā)明的檢測機械手碰撞的方法的目的是當(dāng)機械手的動態(tài)頻率接近減速齒輪的彈簧組件的共振頻率時(例如，在焊炬的拉起操作中)，防止錯誤的碰撞檢測，而不會在機械手的動態(tài)頻率低的時候(例如，在正常操作時間中)降低碰撞檢測靈敏度。
為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的檢測機械手碰撞方法包括用于由電機通過減速齒輪驅(qū)動的機械手的碰撞檢測方法，其中在沒有傳感器的情況下通過從由電機輸出到減速齒輪的力矩減去由機械手的逆動力學(xué)計算得到的動力矩而檢測到因碰撞而產(chǎn)生的外力，并且如果外力的檢測值大于預(yù)設(shè)閾值，判斷臂接收到了外力。進一步地，在該碰撞檢測方法中，如果用于機械手操作的指令加速度大于預(yù)設(shè)值，碰撞檢測中的閾值增加，由此降低檢測靈敏度。
進一步地，在本發(fā)明的機械手碰撞檢測方法中，如果用于機械手操作的指令加速度大于預(yù)設(shè)值，碰撞檢測中的閾值增加，并且在一預(yù)設(shè)時間內(nèi)其值保持。
如上所述，在本發(fā)明的機械手碰撞檢測方法中，可防止當(dāng)機械手的動態(tài)頻率接近減速齒輪的彈簧組件的共振頻率時(例如，在焊炬的拉起操作中)，發(fā)生錯誤的碰撞檢測，且不會在機械手的動態(tài)頻率低的時候(例如，在正常操作時間中)降低碰撞檢測靈敏度。
進一步地，如果用于機械手操作的指令加速度大于預(yù)設(shè)值，碰撞檢測中的閾值增加，并且在預(yù)設(shè)時間內(nèi)其值保持，由此可防止因減速齒輪的彈簧組件的振動造成的相位延遲以及連續(xù)振動而導(dǎo)致的錯誤的碰撞檢測。
以下將描述機械手碰撞檢測的一個實施例。
圖13是示出該實施例中的檢測機械手碰撞的方法的框圖，其中基于圖14所示的動力學(xué)計算方法增加了碰撞檢測閾值設(shè)置塊34。在圖13中，類似于圖14的部分由相同的參考標(biāo)號表示，其詳細描述省略。
在圖13中，通過對位置指令的速度分量dθcom1微分得到的位置指令的加速度分量αcom33輸入到碰撞檢測閾值設(shè)置塊34中，將該加速度分量αcom33與預(yù)設(shè)的加速度閾值αth比較，并根據(jù)以下數(shù)值表達式11獲得碰撞檢測閾值τvth35，并將碰撞檢測閾值τvth35輸出到碰撞判斷塊31。
τv=τth+dτth(|αcom|>αth)τth(|αcom|≤αth)]]>其中τth是在正常操作中調(diào)整的碰撞檢測閾值，而dτth是該閾值相應(yīng)于減速齒輪彈簧振動的增量。
進一步地，基于實際執(zhí)行的正常操作預(yù)先獲得以上τth，并基于實際執(zhí)行的非正常操作預(yù)先獲得dτth。
圖20示出在碰撞判斷塊31中通過該碰撞檢測閾值τvth35進行碰撞判斷時的波形。在圖20中，作為非正常操作的例子，示出由機械手進行的焊炬拉起操作。
如圖20所示，在從時刻0.6到時刻0.8的焊炬拉起操作進行期間，位置指令的加速度分量αcom33的絕對值超過預(yù)設(shè)的加速度閾值αth38。因此，在這一期間，如數(shù)值表達式11所示，碰撞檢測閾值τvth35變得比在正常操作中調(diào)整的碰撞檢測閾值τth大dτth36。由此，即使減速齒輪彈簧的振動誤差加到在時刻0.6到時刻0.8期間的碰撞力矩估計值τdiso28，其絕對值也不會超過碰撞檢測閾值τvth35。因此，不產(chǎn)生錯誤的碰撞檢測。
進一步地，在時刻0.8之后，位置指令的加速度分量αcom33變?yōu)轭A(yù)設(shè)的加速度閾值αth38或更小。因此，碰撞檢測閾值τvth35回到在正常操作中調(diào)整的碰撞檢測閾值τth，由此正常操作期間碰撞檢測靈敏度不會降低。
以上閾值的判斷及其改變由例如包括在機械手系統(tǒng)內(nèi)的CPU(中央處理器)內(nèi)存儲的程序進行。
在以上描述中，已示出當(dāng)位置指令的加速度分量αcom33的絕對值達到預(yù)設(shè)的加速度閾值αth38或更小時，碰撞檢測閾值τvth35立即回到在正常操作中調(diào)整的碰撞檢測閾值τth的例子。但是，當(dāng)位置指令的加速度分量αcom33的絕對值達到預(yù)設(shè)的加速度閾值αth38或更小時，碰撞檢測閾值τvth35并不立即回到在正常操作中調(diào)整的碰撞檢測閾值τth，而是碰撞檢測閾值τvth35可能在一段預(yù)設(shè)的時間Td37內(nèi)保持在τth+dτth，如圖21所示。
該例將參照圖21描述。在圖21中，在從時刻0.6到時刻0.8的焊炬拉起操作進行期間，位置指令的加速度分量αcom33的絕對值超過預(yù)設(shè)的加速度閾值αth38。因此，在這一期間，碰撞檢測閾值τvth35變得比數(shù)值表達式6所示的正常情況大dτth36。當(dāng)位置指令的加速度分量αcom33的絕對值一旦高于預(yù)設(shè)的加速度閾值αth38且接下來變低(在圖21的時刻0.8)時，碰撞檢測閾值τvth35在一段預(yù)設(shè)的時間Td37內(nèi)保持在τth+dτth。
如此，即使位置指令的加速度分量αcom33的絕對值超過預(yù)設(shè)的加速度閾值αth38，之后又低于加速度閾值αth38，碰撞檢測閾值τvth35的值也不立即回到碰撞檢測閾值τth，而是在一段預(yù)設(shè)的時間Td37內(nèi)保持在τth+dτth。因此，即使存在因減速齒輪的彈簧組件造成的振動而導(dǎo)致的相延遲以及連續(xù)振動的情況，也可防止錯誤的碰撞檢測。
進一步地，通過例如機械手系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的CPU(中央處理器)內(nèi)存儲的程序進行將碰撞檢測閾值τvth35的值在一段預(yù)設(shè)的時間Td37內(nèi)保持在τth+dτth的過程。
進一步地，基于動力學(xué)計算方法描述本實施例。但是，本實施例中的方法也可應(yīng)用于圖18所示的擾動估計觀測器。
如上所述，在進行加速度分量大于正常操作加速度分量的焊炬拉起操作的情況下，碰撞檢測閾值大于在正常操作中調(diào)整的閾值，可防止錯誤的碰撞檢測。進一步地，在加速度分量回到正常操作狀態(tài)的情況下，碰撞檢測閾值回到在正常操作中調(diào)整的碰撞檢測閾值，由此可在不降低正常操作時間內(nèi)的碰撞檢測靈敏度的情況下檢測碰撞。
盡管參照特定實施例具體地描述了本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯見，可在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明做各種變化和修改。
本申請基于2004年10月21日申請的日本專利申請第2004-306672和2004年10月21日申請的日本專利申請第2004-206673而提出，其內(nèi)容在此引用作為參考。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的自耗電極式焊接過程可減少常規(guī)的自耗電極式焊接過程包括的電弧發(fā)生工序中的無效時間，從而減少生產(chǎn)節(jié)拍時間，防止焊絲在焊接開始端部彎曲以及產(chǎn)生飛濺，并有效減少因起弧差而造成的生產(chǎn)線的停止。因此，本發(fā)明的自耗電極式焊接過程作為應(yīng)用于例如制造裝備和建筑用途的自耗電極式焊接過程具有工業(yè)應(yīng)用性。
進一步地，通過采用前述檢測機械手碰撞方法，不會在機械手的動態(tài)頻率低時降低碰撞檢測靈敏度，且可防止機械手的動態(tài)頻率接近減速齒輪彈簧組件的共振頻率時錯誤的碰撞檢測。因此，可防止在即使產(chǎn)生一點振動且軌跡準(zhǔn)確性略微降低也要求響應(yīng)性的條件下(例如在焊接應(yīng)用中起弧時的焊炬拉起操作中，或在振動焊炬的橫擺操作中)發(fā)生錯誤的碰撞檢測。
權(quán)利要求
1.一種焊接系統(tǒng)，包括將焊絲進給到焊炬的焊絲進給單元；保持所述焊炬并移動所述焊炬的致動器；具有位置控制系統(tǒng)并驅(qū)動控制所述致動器的控制器；以及在工件與所述焊絲之間施加焊接輸出的焊接電源單元，其中，所述焊炬由所述致動器驅(qū)動在與所述工件分離的方向上移動，從而控制所述焊絲對所述工件的速度；以及所述控制器，除所述位置控制系統(tǒng)外，還包括在所述焊炬與所述工件分離的方向上移動所述致動器的專用分離控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述分離控制系統(tǒng)進行前饋控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中，所述分離控制系統(tǒng)僅當(dāng)所述焊炬在與所述工件分離的方向上移動時使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中，包括由電機通過減速齒輪驅(qū)動的多關(guān)節(jié)機械手，所述系統(tǒng)采用檢測所述多關(guān)節(jié)機械手碰撞的方法，所述方法包括以下步驟在無傳感器的情況下，通過從由電機輸出到減速齒輪的力矩中減去由逆動力學(xué)計算得到的動力矩來進行對因碰撞而造成的外力的檢測；如果所檢測的外力值大于預(yù)設(shè)閾值，則判斷臂已受到外力；以及如果所述機械手操作的指令加速度大于預(yù)設(shè)值，則增大用于檢測碰撞的閾值，以降低碰撞檢測靈敏度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接系統(tǒng)，其中，如果所述機械手操作的指令加速度大于所述預(yù)設(shè)值，則增大用于檢測碰撞的所述閾值，并且在預(yù)設(shè)時間內(nèi)保持所述閾值增大狀態(tài)。
6.一種自耗電極式焊接方法，該焊接方法使用包括如下部件的焊接系統(tǒng)將焊絲進給到焊炬的焊絲進給單元；保持所述焊炬并移動所述焊炬的致動器；具有位置控制系統(tǒng)并驅(qū)動控制所述致動器的控制器；以及在工件與所述焊絲之間施加焊接輸出的焊接電源單元，在所述焊接方法中，通過所述焊接系統(tǒng)，由所述致動器在與所述工件分離的方向上移動所述焊炬，從而控制所述焊絲對所述工件的速度，其中，所述控制器，除所述位置控制系統(tǒng)外，還包括在所述焊炬與所述工件分離的方向上移動所述致動器的專用分離控制系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自耗電極式焊接方法，其中，所述分離控制系統(tǒng)進行前饋控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自耗電極式焊接方法，其中，僅當(dāng)所述焊炬在與所述工件分離的方向上移動時使用。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自耗電極式焊接方法，其中，采用由電機通過減速齒輪驅(qū)動的多關(guān)節(jié)機械手，所述方法包括以下步驟在無傳感器的情況下，通過從由電機輸出到減速齒輪的力矩中減去由逆動力學(xué)計算得到的動力矩來進行對因碰撞而造成的外力的檢測；如果所檢測的外力值大于預(yù)設(shè)閾值，則判斷臂已受到外力；以及如果所述機械手操作的指令加速度大于預(yù)設(shè)值，則增大用于檢測碰撞的閾值，以降低碰撞檢測靈敏度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自耗電極式焊接方法，其中，如果所述機械手操作的指令加速度大于所述預(yù)設(shè)值，則增大用于檢測碰撞的所述閾值，并且在預(yù)設(shè)時間內(nèi)保持所述閾值增大狀態(tài)。
全文摘要
一種焊接系統(tǒng)和自耗電極式焊接方法，其中，焊矩通過操縱器在與基材(7)分離的方向上移動，且通過在分離焊炬的方向上驅(qū)動該機械手操縱器的致動器的操作來控制焊絲對工件的速度以供應(yīng)焊絲，不會產(chǎn)生因反向焊炬速度而造成振動。進一步地，通過利用專用分離控制系統(tǒng)，可在正常操作時間內(nèi)不增加焊炬超調(diào)的情況下提高對移動焊炬的致動器的速度跟隨性能，從而減少操縱器的加速和減速時間。
文檔編號B23K9/067GK1905982SQ20058000163
公開日2007年1月31日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者中田廣之, 向井康士, 池田達也, 增永直人, 古和將, 本內(nèi)保義 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社