CN105312632B

CN105312632B - 将工具按压至工件来进行作业的机器人的控制装置

Info

Publication number: CN105312632B
Application number: CN201510372550.0A
Authority: CN
Inventors: 原田邦彦; 高桥广光; 有田创; 有田创一
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: DE102015009872B4; CN105312632A; JP5890488B1; DE102015009872A1; US20160039092A1; US9895806B2; JP2016036858A

Abstract

本发明提供机器人控制装置(10)，其包括：修正量计算部(11)，该修正量计算部(11)计算对工具前端的位置因作用于安装在机器人的前端的工具的外力而偏移的情况进行修正的修正量；以及修正曲线生成部(12)，该修正曲线生成部(12)生成修正曲线，该修正曲线表示由修正量计算部计算的上述修正量与时间的关系。

Description

将工具按压至工件来进行作业的机器人的控制装置

技术领域

本发明涉及对将工具按压至工件来进行作业的机器人进行控制的机器人控制装置。

背景技术

作为将不同种类的多个金属部件机械地接合的机械接合法，已知有FDS(钻尾螺钉)。这种接合法是通过将高速旋转的螺钉旋入重合的金属部件而使这些金属部件相互熔敷的技术。在FDS等机械接合法中不会在金属部件间生成化合物层，所以有利于对不同种类的金属部件进行接合。

另外，在FDS等机械接合法中，使螺钉朝向重合的金属部件仅向一个方向接近即可。因此，能够容易使用机器人使这种机械接合法自动化。从而，这种机械接合法使用于期望多材料化的汽车组装工序等。

在FDS工序中，机器人受到将螺钉旋入重合的金属部件的作用力的反作用力。机器人所受的反作用力对机器人的减速器施加扭转并且使机器人的臂变形，其结果，会使机器人的工具前端的位置偏移。若工具前端的位置偏移，则金属部件的接合位置产生偏移，可能会使接合质量降低或者接合作业自身失败。

为了修正这种工具前端的位置偏移，已知有对机器人的减速器的扭转进行修正的方法。在日本专利第3654475号公报中，公开有马达的控制技术，该马达具有不受减速器的扭转角影响而能够以高精度进行定位的减速器。具体来说，基于因减速器的扭转而产生的电流值来计算出补偿值，从而进行反馈控制。

另外，在日本特开平11－221707号公报中公开有通过将工具与工件相互固定来抑制工具前端的位置偏移的技术。

在日本专利第3654475号公报中公开的技术中，前提是机器人的臂为刚体并且工具前端没有摩擦。然而，实际情况下，臂为弹性体，会因来自工件的反作用而变形。再有，实际情况下，在工具前端的位置产生摩擦。因此，在日本专利第3654475号公报中，因为由臂的变形以及反馈控制而产生的延迟，会使工具前端的位置偏移。

如果在产生工具前端的位置偏移的情况下，需要在与位置偏移方向相反的方向上作用比金属部件的表面与工具的接触面之间的最大静摩擦力更大的力。因此，对机器人进行控制变得极为复杂。

另外，日本特开平11－221707号公报需要用于将工具与工件相互固定的配件。因此，结构变得复杂，成本也变高。

本发明鉴于这种情况而完成，其目的在于提供不使用特别的配件就能够简单地修正工具前端的位置偏移的机器人控制装置。

发明内容

为了达成上述的目的，根据第一方案，提供机器人控制装置，其对机器人进行控制，该机器人将安装于机器人的前端的工具按压至工件而进行作业，并且具备：修正量计算部，其计算对工具前端的位置因作用于上述工具的外力而偏移的情况进行修正的修正量；以及修正曲线生成部，其生成修正曲线，该修正曲线表示由上述修正量计算部计算出的上述修正量与时间的关系。

根据第二方案，在第一方案的基础上，与将上述工具开始按压至上述工件而使作用于上述工具的外力增加一致地，上述修正曲线生成部以使上述修正量增加的方式生成上述修正曲线。

根据第三方案，在第一方案的基础上，与上述工具从上述工件开始脱离而使作用于上述工具的外力减少一致地，上述修正曲线生成部以使上述修正量减少的方式生成上述修正曲线。

根据第四方案，在第一方案至第三那方案中的任一方案的基础上，还具备：反转判定部，其基于上述机器人或上述工具所具备的马达的电流值来判定上述马达是否反转；以及反冲修正量计算部，其在由该反转判定部判定为上述马达反转时，计算出对工具的前端位置因反冲而偏移的情况进行修正的反冲修正量，并将其加算至由上述修正量计算部所计算出的修正量上。

根据第五方案，在第一方案至第四方案中任一方案的基础上，还具备：存储部，其存储上述机器人或上述工具所具备的马达的电流值与作用于上述工具的外力之间的关系；以及外力计算部，其基于存储于上述存储部的上述关系与上述马达的上述电流值来计算上述外力。

根据第六方案，在第五方案的基础上，还具备时间序列存储部，其以时间序列存储从将上述工具开始按压至上述工件到上述工具从上述工件脱离结束为止的上述马达的上述电流值，上述外力计算部基于存储在上述存储部的上述关系与存储在上述时间序列存储部的上述马达的上述电流值来计算上述外力。

根据附图所示的本发明的典型的实施方式的详细的说明，将会使本发明的这些目的、特征以及优点以及其他目的、特征以及优点更明确。

附图说明

图1是包含本发明的机器人控制装置的控制系统的功能方框图。

图2是工件的俯视图。

图3是表示加压力与时间的关系的图。

图4是表示修正量与时间的关系的图。

图5是机器人的侧视图。

图6是表示修正量与马达的电流值之间的关系的图。

图7是表示作用于工具的外力与马达的电流值的关系的图。

图8是表示电流值与时间的关系以及修正量与时间的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下的附图中对相同的部件标注相同的附图标记。为了容易理解，这些附图适当缩小比例尺。

图1是包含本发明的机器人控制装置的控制系统的功能方框图。图1所示的控制系统1主要包括机器人R和控制机器人R的机器人控制装置10。机器人R例如是六轴垂直多关节机器人，具有六个轴J1～J6。而且，在机器人R的前端安装有工具T例如螺钉。该工具T利用安装于工具T的基座B的马达M而旋转。此外，在马达M安装有检测马达M的位置的位置检测器E，例如编码器。

图1所示的工件W由相互重合的不同种类的第一金属部件W1以及第二金属部件W2构成。典型情况为，这些第一金属部件W1以及第二金属部件W2为同一形状的板状部件。但是，第一金属部件W1以及第二金属部件W2也可以是相互外形不同的板状部件。本发明的控制系统1用于将这些第一金属部件W1以及第二金属部件W2机械接合。

另外，在图1中，在工具T周围配置有按压部分C。按压部分C的前端在工具T接触工件W之前，到达工件W，因此，能够避免工具T最先被按压至工件W的情况。此外，排除掉按压部分C的情况也包含在本发明的范围内。

在将第一金属部件W1以及第二金属部件W2机械接合(FDS)时，利用马达M使工具T旋转，并且使工具T接近以及远离工件W的装置(未图示)或机器人R使工具T朝向工件W移动。当工具T到达工件W时，来自工件W的反力在与工具T的移动方向相反的方向上作用于工具T。如图1中箭头A1、A2所示，机器人R的减速器(未图示)机器人R的臂被该反力扭转。

因此，工具T的前端位置在工件W上滑动，如作为工件的俯视图的图2所示，工件W的加工位置有可能移动至由虚线所示的位置。本发明如下所述地解决该问题。另外，在与FDS类似的例子中，本发明也能够适用于对工具T的前端位置进行修正时。

再次参照图1，机器人控制装置10包括：计算对因作用于工具T的外力而使工具前端的位置偏移的情况进行修正的修正量的修正量计算部11；以及生成表示由修正量计算部11计算的修正量与时间的关系的修正曲线的修正曲线生成部12。

再有，机器人控制装置10包括：基于机器人R的各轴的马达的电流值来判定上述马达是否反转的反转判定部13；以及反冲修正量计算部14，其在由反转判定部13判定为上述马达为反转时，计算对因反转的轴的反冲而使工具的前端位置偏移进行修正的反冲修正量，并与上述的修正量相加。此外，代替对机器人R的各轴的马达进行判定，反转判定部13也可以对配备于工具T的马达M或使工具T接近以及离开工件W的马达(未图示)的反转进行判定。

再有，机器人控制装置10包括：将机器人R的各轴的马达的电流值与作用于工具T的外力之间的关系以图或表的形式存储的存储部15；以及基于存储在存储部15的关系与上述马达的电流值来计算外力的外力计算部16。此外，存储部15也可以存储配备于工具T的马达M或使工具T接近以及离开工件W的马达(未图示)的电流值与外力的关系。

再有，机器人控制装置10包括时间序列存储部17，其以时间序列存储从将工具T开始按压至工件W到工具T从工件W脱离结束的马达M的电流值。此外，时间序列存储部17也可以如上所述地存储机器人R的各轴的马达的电流值或使工具T接近以及离开工件W的马达(未图示)的电流值。

图3是表示本发明的加压力与时间的关系的图。以下，参照图3，对本发明的控制系统1的加工过程进行说明。首先，在时间段T1中，机器人控制装置10驱动机器人R，使工具T移动至工件W上的期望的加工位置。接下来，在时刻T2，机器人控制装置10输出开始加压信号。由此，马达M被驱动而使工具T开始旋转，然后工具T朝向工件W下降。此外，在时间段T1以及时刻T2，作用于工具T的加压力为零。

接下来，在时刻T3，工具T到达工件W而开始按压工件W，机械接合工序开始。因此，如图3所示，从时刻T3开始产生加压力。从图3可以看出，加压力随时间的经过而线性上升，并在时刻T4到达目标加压力。

在从时刻T4经过规定时间的时刻T5，机器人控制装置10输出开始减压信号。由此，在时刻T6，工具T从工件W开始脱离，因此，加压力将降低。从图3可以看出，加压力随时间的经过而线性下降，在时刻T7加压力成为零，减压作用结束。由此，工件W的一个加工位置的机械接合工序结束。此外，在时间段T8中，使工具T移动至工件W的下一个下降位置，或是更换工件W。

在此，在现有技术中，在从时刻T3到时刻T4之间工具T的前端位置偏移的情况下，需要在与位置偏移的方向相反的方向上作用比工件W的表面与工具T的接触面之间的最大静摩擦力更大的力。

为了应对这样的情况，在本发明中，修正量计算部11计算对因作用于工具T的外力而使工具前端的位置偏移的情况进行修正的修正量。而且，修正曲线生成部12基于每个规定的控制周期的修正量来生成修正曲线。

图4是表示修正量与时间的关系的图，表示修正曲线。将图3与图4比较可以看出，修正曲线大致对应于图3所示的加压力与时间的关系。而且，机器人控制装置10在机器人R的每个规定的控制周期的动作指令上加上基于修正曲线的修正量。

以下，对修正量的计算方法进行说明。图5是机器人的侧视图。如图5所示，在作为弹性模型的机器人R中，预先设定球坐标系的弹性系数。图5的Ks(θ1～θ6)为机器人R的各轴J1～J6的绕Z轴的弹性系数，Ks(α1～α6)为各轴J1～J6的绕X轴的弹性系数，Ks(β1～β6)是各轴J1～J6的绕Y轴的弹性系数。此外，出于简洁的目的，在图5中省略一部分的弹性系数。

修正量计算部11基于图5所示的弹性系数，根据以下的数学式(1)，计算工具T的前端位置的修正量(Δx，Δy，Δz)。对每个规定的控制周期计算这种修正量。

(Δx，Δy，Δz)＝f(ω，FORCE，Ks) (1)

在此，ω为机器人R的当前位置，FORCE为预先指定的外力，Ks为图5所示的弹性系数。此外，机器人R的当前位置能够从配备于驱动机器人R的各轴的马达(未图示)的编码器(未图示)掌握。对外力进行后述。

修正量计算部11根据预先指定的外力以及机器人的当前位置，计算施加于加压前后的各轴J1～J6的转矩并乘以上述的弹性系数。由此，计算绕各轴J1～J6的修正量。而且，修正量计算部11将考虑绕各轴的修正量并进行顺序变换的情况的位置与不考虑修正量而进行顺序变换的情况的位置之间的差分作为球坐标系中外力引起的工具T的前端位置的修正量(Δx，Δy，Δz)进行计算。

此外，工具T的前端位置的实际偏移量虽然受到工件W的表面与工具T的接触面之间的摩擦的影响，但是大致与施加于加压前后的各轴J1～J6的转矩成比例。但是，对于因工具T的旋转而引起的摩擦、依赖于机器人R的非线性的特性的部分，不与加压力成比例。对于这种不与加压力成比例的要素，通过按加工位置向数学式(1)追加能够调整的变量来对应即可。

另外，在控制机器人R时利用次级编码器的反馈控制的情况下，能够排除机器人R的减速器的反冲、空转区域的非线性成分的影响。然而，在次级编码器引起的反馈控制中，不能对绕机器人R的减速器(绕图5的Z轴)以外的扭转以及机器人R的臂的变形量进行修正。因此，可以并用次级编码器引起的反馈控制与上述的弹性模型，在这种情况下，能够提高工具前端的位置偏移的修正精度。

此外，在修正曲线生成部12基于由修正量计算部11计算的每个规定的控制周期的修正量来生成修正曲线时，设定以下的项目(a)到(d)。

(a)从时刻T2输出开始加压信号到时刻T3开始加压为止的延迟时间(加压延迟时间)

(b)从时刻T3开始加压到时刻T4到达目标加压力为止的时间常数(加压时间常数)

(c)从时刻T5输出开始减压信号到时刻T6开始减压为止的延迟时间(减压延迟时间)

(d)从时刻T6开始减压到时刻T7减压结束为止的时间常数(减压时间常数)

修正曲线生成部12根据每个规定的控制周期的修正量而预先生成修正曲线，在图3的时刻T2到时刻T7中，在机器人R的每个规定的控制周期的动作指令加上修正量，并供给至机器人R的各轴J1～J6的伺服马达。此时，考虑上述的项目(a)到(d)。

这样，在本发明中，基于预先制作的修正曲线而将修正量输入机器人的动作指令，所以能够以工具T的前端的位置不会偏移的方式进行控制。因此，能够简单地修正工具前端的位置偏移。

因此，在本发明中，如图2中虚线所示，工件W的加工位置不会偏移。因此，能够将第一金属部件W1以及第二金属部件W2机械性良好地接合。另外，在本发明中，不需要使用将工具T与工件W相互固定的配件，就能够以简单的结构实施机械接合工序。

此外，存在图3的时刻T4加压力过冲的情况或图3中有不同的多个目标加压力的情况。在这种情况下，增加由修正曲线设定的变量即可，由此，能够进一步精密地对工具前端的位置偏移进行修正。

另外，在驱动机器人R而进行加压作用时，存在如下情况，加压前，例如时刻T2的马达的电流值为负，加压后，例如时刻T4的马达的电流值变为正。在这种情况下，由于马达反转，受到反冲的影响，成为修正量不足的情况。

因此，反转判定部13优选判定加压作用的前后马达的电流值的符号是否变化。而且，在符号变化的情况下，将由反冲修正量计算部14计算的反冲修正量再加至由修正量计算部11计算的修正量。

图6是表示修正量与马达的电流值之间的关系的图。在图6中，在电流值从负变至正时，反冲修正量被加至修正量。因此，在电流值从负变至正时，修正量大幅上升。由此可知，补充工具T的前端位置的修正量的不足量，能够进一步正确地修正工具T的前端位置。

由反冲修正量计算部14计算的反冲修正量也可以在校准如图5所示的弹性模型的弹性系数的同时决定。或者，也可以由非线性函数逼近空转区域，在校准如图5所示的弹性模型的弹性系数时与该函数的常数部分同时决定来求得空转量。另外，也能够使用已知的值作为反冲修正量。

另外，图7是表示作用于工具的外力与马达的电流值的关系的图。如图7所示，作用于工具的外力与马达的电流值大致存在线性关系。而且，图7中表示从时刻T3之前的电流值到时刻T3之后的电流值，例如时刻T5的电流值。而且，与时刻T3之前的电流值对应的外力和与时刻T3之后的电流值对应的外力之间的偏差相当于修正量计算部11计算的外力。

这样的作用于工具的外力与马达的电流值的关系以图或表的形式预先存储于存储部15。而且，为了决定修正曲线的几个变量而以未修正的状态驱动机器人R来进行加压作用。此时，外力计算部16获得轴J1～J6的各马达的电流值。

而且，外力计算部16参照存储于存储部15的图或表，计算与所取得的马达的电流值对应的外力。此时，优选采用加压作用的前后变化最大的电流值。之后，使用修正量计算部11计算的外力来计算修正量，并使用修正曲线生成部12计算的修正量来生成修正曲线即可。在这样的情况下，使用存储于存储部15的外力与马达的电流值之间的关系，能够自动设定修正量计算部11使用的外力。

另外，在驱动机器人R进行加压作用时，也可以由时间序列存储部17以时间序列存储从将工具T开始按压至工件W到工具T从工件W脱离结束的马达的电流值。图8是表示这样存储的电流值与时间的关系以及修正量与时间的关系的图。图8中表示与从图3的时刻T2到时刻T7相当的时间段。根据这样以时间序列存储的马达的电流值，能够自动设定生成修正曲线所需要的变量。而且，以与上述同样的方法生成修正曲线。

在所存储的马达的电流值包含反馈引起的延迟的情况下，考虑该延迟来设定加压延迟时间、减压延迟时间等。此外，也可以代替马达电流值而记录马达偏差量。

如图8所示，电流值在时刻T4后过冲，在时刻T6前一直下冲。因此，外力计算部16能够更正确地计算外力。而且，从图8可以看出，基于这样的外力而制作的修正量包含与该过冲以及下冲对应的部分。因此，可以看出能够计算更正确的修正量。这种情况在机器人R重复实施相同作业的情况下尤其有利。

本发明具有如下效果。

在第一方案中，基于预先制作的修正曲线将修正量输入机器人的动作指令。因此，不用使用特别的配件就能够简单地修正工具前端的位置偏移。

在第二方案中，能够正确地求得将工具开始按压于工件时的修正量。

在第三方案中，能够正确地求得工具从工件开始脱离时的修正量。

在第四方案中，通过加上反冲修正量，补充修正量的不足量，能够进一步正确地修正工具的前端位置。此外，配备于机器人或工具的马达也可以是机器人的各轴的马达、使工具旋转的马达、或使工具接近以及离开工件的马达中的任一种。

在第五方案中，使用存储于存储部的外力与马达的电流值之间的关系，能够自动设定修正量计算部使用的外力。此外，存储部优选存储有外力与马达的电流值之间的关系的图或表。

在第六方案中，使机器人动作并使用实际记录的马达的电流值，所以能够进一步正确地计算外力。因此，能够计算更正确的修正量。这种情况在机器人重复实施相同作业的情况下尤其有利。

虽然使用典型的实施方式对本发明进行说明，但若是本领域技术人员则应该能够理解可以不超出本发明的范围地进行上述的变更以及多种其他的变更、省略、追加。

Claims

1.一种机器人控制装置，其对机器人进行控制，该机器人将安装于机器人的前端的工具按压至工件而进行作业，上述机器人控制装置的特征在于，具备：

修正量计算部，其计算对工具前端的位置因作用于上述工具的外力而偏移的情况进行修正的修正量；以及

修正曲线生成部，其生成修正曲线，该修正曲线表示由该修正量计算部计算出的上述修正量与时间的关系，

基于由该修正曲线生成部预先生成的修正曲线，在上述机器人的动作指令上加算修正量。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

与将上述工具开始按压至上述工件而使作用于上述工具的外力增加一致地，上述修正曲线生成部以使上述修正量增加的方式生成上述修正曲线。

3.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

与上述工具从上述工件开始脱离而使作用于上述工具的外力减少一致地，上述修正曲线生成部以使上述修正量减少的方式生成上述修正曲线。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，还具备：

反转判定部，其基于上述机器人或上述工具所具备的马达的电流值来判定上述马达是否反转；以及

反冲修正量计算部，其在由该反转判定部判定为上述马达反转时，计算出对工具的前端位置因反冲而偏移的情况进行修正的反冲修正量，并将其加算至由上述修正量计算部所计算出的修正量上。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，还具备：

存储部，其存储上述机器人或上述工具所具备的马达的电流值与作用于上述工具的外力之间的关系；以及

外力计算部，其基于存储于上述存储部的上述关系与上述马达的上述电流值来计算上述外力。

6.根据权利要求4所述的机器人控制装置，其特征在于，还具备：

7.根据权利要求5所述的机器人控制装置，其特征在于，

还具备时间序列存储部，其以时间序列存储从将上述工具开始按压至上述工件到上述工具从上述工件脱离结束为止的上述马达的上述电流值，

上述外力计算部基于存储在上述存储部的上述关系与存储在上述时间序列存储部的上述马达的上述电流值来计算上述外力。

8.根据权利要求6所述的机器人控制装置，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

上述修正量以作用于上述工具的外力比上述工具与上述工件之间的最大静止摩擦力小的方式计算。