JP2006341283A - アーク溶接用ポジショナ及びアーク溶接ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 可動部材の少ないより単純な構成及びその最小限の動作によって、溶接部位に応じてワークの姿勢を最適に変更することができるアーク溶接用ポジショナ、及びそのポジショナとアーク溶接ロボットとを含むアーク溶接ロボットシステムを提供する。
【解決手段】 ポジショナ３０は、ポジショナ３０の設置面Ｇに立設された一対の支持部材３２と、設置面Ｇに平行な第１軸線３４回りに回転可能であるように支持部材３２に両端を支持された第１部材３６と、第１軸線３４と垂直な第２軸線３８回りに回転可能であるように第１部材３６の一対の支持部４０に両端を支持された第２部材４２と、第２部材４２にワーク１００を固定するためのワーク固定手段４４とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アーク溶接用ポジショナと、アーク溶接用ポジショナ及びアーク溶接ロボットを含む産業用アーク溶接ロボットシステムに関する。

一般に、ロボットを用いて被作業物すなわちワークにアーク溶接を行うシステムにおいては、溶接品質向上のために、溶接トーチの前進角及びねらい角、並びに溶接継手の傾斜角が最適になるように、ワークの姿勢を変更するポジショナがアーク溶接ロボットと組み合わされて使用される。この場合ロボットは、ワークの位置及び姿勢に応じて溶接トーチの姿勢を最適化することができる。例えば特許文献１には、溶接トーチ移動装置とポジショナを備えたワーク取扱装置を有し、トーチの位置がワークベース座標系の原点となるようにロボットを制御する設置誤差較正方法及び装置が開示されている。このポジショナは４つのリンク及び各リンク間の関節を有し、それぞれの動作を制御することによってワークの姿勢を変更するものである。また特許文献２には、２つの多関節ロボットを上下に配置し、上側及び下側のロボットで溶接トーチ及びワークをそれぞれ把持するロボットが開示されている。このロボットは、下側のロボットの第１、第２アーム及びワーク把持部材の軸線の交点にワークの中心が常に位置するような構成を有することにより、ロボットの動作領域を最小化して全体としての省スペース化及びサイクルタイムの短縮化を図るものである。

特開平６−３０１４１１号公報 特許第３５１１４８５号公報

上述のポジショナは、ワークの姿勢を適宜変更可能ではあるが、複数のアーム、リンク及び関節等の多数の可動部材を含む複雑な構成を有しており、故にその制御及び教示作業も複雑なものとなっていた。また可動部材の個数が多くなると、ロボットとの協調制御の遅れや各可動部材の加減速に伴う振動も生じやすい。特に振動は、溶接作業を不安定にさせるとともに溶融池の形状に好ましくない影響を与え得る。

そこで本発明は、可動部材の少ないより単純な構成及びその最小限の動作によって、溶接部位に応じてワークの姿勢を最適に変更することができるアーク溶接用ポジショナ、及びそのポジショナとアーク溶接ロボットとを含むアーク溶接ロボットシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、溶接すべきワークの姿勢を変更するためのアーク溶接用ポジショナであって、前記ポジショナの設置面に立設された一対の支持部材と、前記支持部材に両端を支持され、前記設置面に平行な第１軸線回りに回転可能に構成された第１部材と、前記第１部材に設けられた一対の支持部に両端を支持され、前記第１軸線と垂直な第２軸線回りに回転可能に構成された第２部材と、前記第２部材に前記ワークを固定するためのワーク固定手段と、前記第１部材を前記第１軸線回りに回転させる第１駆動手段と、前記第２部材を前記第２軸線回りに回転させる第２駆動手段と、前記第１駆動手段及び前記第２駆動手段を制御する制御手段と、を有するアーク溶接用ポジショナを提供する。

また請求項２に記載の発明は、溶接すべきワークの姿勢を変更するためのアーク溶接用ポジショナであって、前記ポジショナの設置面に設けられるとともに、前記設置面に略垂直な軸線回りに旋回可能に構成されたベースプレートを有するポジショナベースと、前記ベースプレート上に立設された一対の支持部材と、前記支持部材に両端を支持され、前記設置面に平行な第１軸線回りに回転可能に構成された第１部材と、前記第１部材に設けられた一対の支持部に両端を支持され、前記第１軸線と垂直な第２軸線回りに回転可能に構成された第２部材と、前記第２部材に前記ワークを固定するためのワーク固定手段と、前記第１部材を前記第１軸線回りに回転させる第１駆動手段と、前記第２部材を前記第２軸線回りに回転させる第２駆動手段と、前記第１駆動手段及び前記第２駆動手段を制御する制御手段と、を有するアーク溶接用ポジショナを提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のアーク溶接用ポジショナにおいて、前記第１軸線及び前記第２軸線は互いに直交し、前記ワークは該ワークの重心が前記第１軸線及び前記第２軸線の交点と略一致するように前記第２部材に固定される、アーク溶接用ポジショナを提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のアーク溶接用ポジショナにおいて、前記第１部材は、該第１部材内に前記第２部材を収容できるように、前記第１部材の重心が前記第１軸線に対しオフセットした形状を有する、アーク溶接用ポジショナを提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアーク溶接用ポジショナと、該ポジショナに固定されたワークに対して溶接を行うアーク溶接ロボットとを含むアーク溶接ロボットシステムを提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のアーク溶接ロボットシステムにおいて、前記アーク溶接ロボットは、前腕と、前記前腕の先端に、該前腕の長手方向に延びる第３軸線回りに回転可能に設けられた第１手首要素と、前記第１手首要素に、前記第３軸線と略垂直な第４軸線回りに回転可能に設けられた第２手首要素と、前記第２手首要素に、前記第４軸線と略垂直であって前記第３軸線と所定距離離れた第５軸線回りに回転可能に設けられた溶接トーチと、を有するアーク溶接ロボットシステムを提供する。

請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載のアーク溶接ロボットシステムにおいて、前記制御手段は前記アーク溶接ロボットを制御するロボット制御装置の一部であり、前記第１駆動手段及び前記第２駆動手段は前記アーク溶接ロボットの付加軸として制御される、アーク溶接ロボットシステムを提供する。

本発明に係るアーク溶接用ポジショナによれば、溶接部位に応じたワークの最適な姿勢変更を、２つの部材を互いに垂直な２つの軸線回りにそれぞれ回転させるという単純な動作で実現することができる。一方溶接ロボットは、溶接トーチを下向きに固定し、ワークの外周部をなぞるように溶接トーチの位置を変更すればよい。一般にロボットとポジショナとを組み合わせたシステムでは、その自由度が大きい故に様々な姿勢での溶接が可能であるが、却って教示作業が煩雑となる場合も少なくない。本発明に係るアーク溶接ロボットシステムを使用することにより、ポジショナ及びロボットの動作分担が明確になり、教示作業が行いやすくなる。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るアーク溶接ロボットシステムの好適な実施形態の概略の正面図、上面図及び右側面図を含む図である。アーク溶接ロボットシステムは、溶接すべきワーク１００（上面図にのみ図示）に対してアーク溶接を行うアーク溶接ロボット１０、ワークを保持するポジショナ３０を含み、それらは図示しない制御装置により各々制御可能であり、溶接中は協調制御される。アーク溶接ロボット１０は周知の６軸関節型でよいが、例えば特開２００４−２２３５７６号に記載されるような６軸関節型のアーク溶接ロボットが好適である。すなわち、アーク溶接ロボット１０は、前腕１２と、前腕１２の先端に、前腕１２の長手方向に延びる第３の軸線Ａ回りに回転可能に設けられた第１手首要素１４と、第１手首要素１４に、軸線Ａと略垂直な第４の軸線Ｂ回りに回転可能に設けられた第２手首要素１６と、第２手首要素１６に、軸線Ｂと略垂直であって軸線Ａと所定距離離れた第５の軸線Ｃ回りに回転可能に設けられた溶接トーチ１８とを有する。このような構造によれば、ワーク１００の外周部を溶接するような場合に、溶接トーチ１８又は溶接トーチ１８に接続されたトーチケーブル２０と前腕１２、ワーク又は周辺機器との干渉を防止して、溶接トーチ１８の位置及び姿勢を自由に変更することができる。溶接トーチ１８を前腕１２に対し３６０°回転させることも可能である。

ポジショナ３０は、ポジショナ３０の設置面Ｇに立設された一対の支持部材３２と、設置面Ｇに平行な第１軸線３４回りに回転可能であるように支持部材３２に両端を支持された第１部材３６と、第１軸線３４と垂直な第２軸線３８回りに回転可能であるように第１部材３６の一対の支持部４０に両端を支持された第２部材４２と、第２部材４２にワーク１００を固定するためのワーク固定手段４４（上面図にのみ概略図示；詳細は後述）とを有する。第１部材３６の第１軸線３４回りの回転は、モータ及び減速機を備えた第１駆動手段４６によって行われる。同様に第２部材４２の第２軸線３８回りの回転は、モータ及び減速機を備えた第２駆動手段４８によって行われる。第１及び第２駆動手段はそれぞれ、図示しない適当な制御部によって制御可能であるが、上述のロボット１０用の制御装置の一部により制御することもできる。その場合、ポジショナ３０はロボット１０の付加軸として制御することができ、ロボット及びポジショナを含む溶接ロボットシステム全体としての制御がより単純になる。

上述のように、第１部材３６の回転軸線である第１軸線３４及び第２部材４２の回転軸線である第２軸線３８は、互いに垂直であり、好ましくは互いに直交する。従って図１に示すように、第１部材３６は、第２部材４２を内部に収容できるように、第１軸線３４に対して重心がオフセットしたコの字型又は箱型等の形状を有することが好ましい。また溶接対象のワーク１００は、その重心が第１軸線３４と第２軸線３８との交点と略一致又はその近傍に位置するように第２部材４２上に固定されることが好ましい。このような構成によれば、第１軸線３４及び第２軸線３８回りの回転という単純な動作のみによってワーク１００の姿勢変更を適切に行うことができる。

また本発明に係るポジショナが有する第１部材３６及び第２部材４２はいずれも両端支持されるので、ワークが比較的大きい場合であっても両部材やワークに撓みを実質的に生じさせることなくワークを保持することができる。このことは、ポジショナの加速度をロボットと同等に引上げることを可能にし、故に協調動作時にも遅れのない制御が可能になる。

また図１の上面図に略示するように、ワーク１００にはマイナス側の溶接パワーケーブル（アース線）Ｌを接続する必要があるが、本発明の場合、このアース線Ｌをワーク１００に接続するためには、第１軸線３４及び第２軸線３８のモータ４６及び４８が固定されていない側の端部を中空とし、それら端部にアース線Ｌを通せばよい。

図２は、ワーク１００の形状の具体例を示す。一般に、ワークの外周部を溶接する場合は自動車用プレス部品において多く、図２に示す例では椀状にプレス加工された上板１０２及び下板１０４が互いに被せられるようにして配置され、両者の合せ目が溶接されて中空の部品が形成される。なおワークは溶接作業が終了する度に順次新たなワークに交換されるので、ワークを第２部材４２上の所定の基準位置に固定するための治具が必要となる。図２は、ワーク１００を第２部材４２に固定するワーク固定手段すなわち溶接治具４４を併せて図示している。固定手段４４は、ワーク１００を適所に保持するためのいくつかの支持部又は把持部４４ａ〜４４ｆを備える。

ここでワーク１００は、初期はその厚さ方向が鉛直すなわちポジショナ３０の設置面に対し垂直になるようにポジショナに保持されるが、溶接中はワーク１００の溶接継手１０６が最適な姿勢となるようポジショナ３０が制御される。具体的には、図３に示すように、ポジショナ３０は、アーク溶接によりワーク１００上に形成される溶融池１０８が溜まりやすいように（重力により垂れないように）、さらにワーク１００が溶接方向に沿って若干下り勾配となるように溶接継手１０６が設置面に対して傾斜角αを有する状態で、ワーク１００の姿勢を維持する。一般に好適なαは約１０°であるが、ワーク形状や溶接条件等によって異なる場合もある。

一方、図１及び図３に示すように、溶接トーチ１８の位置及び姿勢を変更するアーク溶接ロボット１０は、上述の構成により、溶接トーチ１８を下向きに保持し、ワーク１００の溶接すべき外周部をなぞるようにトーチ１８をワーク１００に対して移動させることができる。

図４〜図７は、本発明に係るポジショナを用いて図２に示したワーク１００の溶接部位のうち１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ及び１００Ｄを溶接する場合のポジショナ３０の動作をそれぞれ示す図である。なお以下の説明における第１及び第２軸線３４及び３８の回転角度は、それぞれ第１及び第２駆動手段４６及び４８側からみたときの時計回り方向を正として表記する。

先ずワーク１００の溶接部位１００Ａを溶接するときは、図４に示すように、第２駆動手段４８が第２部材４２及びワーク１００を第２軸線３８回りに４５°回転させ、溶接部位１００Ａの溶接継手の略Ｖ字の断面の頂点が設置面すなわち下向きになるようにする。さらに第１駆動手段４６が第１部材３６を第１軸線３４回りに−１０°回転させることにより、ワーク１００の溶接継手が溶接方向に沿って若干の下り勾配となる。

ワーク１００の溶接部位１００Ａの反対側の溶接部位１００Ｂを溶接するときは、図４とは逆の動作となる。すなわち、図５に示すように、第２駆動手段４８が第２部材４２を第２軸線３８回りに−４５°回転させ、さらに第１駆動手段４６が第１部材３６を第１軸線３４回りに１０°回転させる。

次にワーク１００の溶接部位１００Ｃを溶接するときは、図６に示すように、第１駆動手段４６が第１部材３６を第１軸線３４回りに４５°回転させ、溶接部位１００Ｃの溶接継手の略Ｖ字の断面の頂点が設置面すなわち下向きになるようにする。さらに第２駆動手段４８が第２部材４２を第２軸線３８回りに１０°回転させ、ワークの溶接継手が溶接方向に沿って若干の下り勾配となるようにする。

ワーク１００の溶接部位１００Ｃの反対側の溶接部位１００Ｄを溶接するときは、図６とは逆の動作となる。すなわち、図７に示すように、第１駆動手段４６が第１部材３６を第１軸線３４回りに−４５°回転させ、さらに第２駆動手段４８が第２部材４２を第２軸線３８回りに−１０°回転させる。

ワーク１００は上述の溶接部位１００Ａ〜１００Ｄ以外にも種々の形状の溶接部位を含み得るが、いずれの部位も第１及び第２軸線の回転角を適切に制御することにより、２つ軸線回りの回転のみという少ない動作で溶接継手の姿勢を最適に保つことができる。

図８は、ポジショナ３０により実現可能なさらなるワークの好適な姿勢変更例として、ポジショナ３０が反転した場合を示す図である。ワークの種類によっては、図２に示した上板１０２及び下板１０４の双方にブラケット等の部品を溶接すべき場合がある。この場合、上板１０２への溶接は比較的容易であるが、下板１０４への溶接はワーク１００を反転させる必要がある。本発明においては、設置面Ｇに対する第１部材３６及び第１軸線３４の位置を適当に選定することにより、第１部材３６を第１軸線３４について反転すなわち１８０°回転させることが可能であるので、下板１０４への溶接が必要な場合にも１つの軸線についての反転という単純な動作で対応することができる。

溶接すべきワークが相当に大きい場合は、ロボット１０の動作範囲ではワークの溶接部位全てをカバーすることが難しい場合がある。そのような場合は、ポジショナ３０の支持部材３２を設置面Ｇに固定するのではなく、図９に示すような、ワークを略垂直な軸回りで旋回させることができるように支持部材３２を可動に支持するポジショナベース５０を設けることが有利である。ポジショナベース５０は、支持部材３２が載置されるベースプレート５２と、ベースプレート５２を旋回軸すなわち鉛直線ＶＬ回りに旋回可能に支持する減速機５４と、減速機５４に動力伝達する駆動源すなわち旋回軸サーボモータ５６とを有する。減速機５４及びサーボモータ５６は、図示するように一対のかさ歯車５８を介して連結されることが好ましい。それにより、サーボモータ５６を水平に設置してポジショナ３０との干渉を回避し、ポジショナベース５０全体の高さを低く抑えることができる。但し、この場合でも図示するようにロボット１０を架台６０等の上に載置してロボット１０の高さ調整を行ってもよい。また減速機５４は中空部分を有することが好ましく、それにより、アース線Ｌやサーボモータの制御ケーブル等をその中空部分を通して、ケーブル等がロボットやポジショナの周辺に置かれる煩雑な状態を回避することができる。さらに減速機５４の主軸として大きいサイズのものを選択することにより、ポジショナ３０を振動なく高速に旋回させることができる。

本発明に係るポジショナは、ワークの溶接継手の姿勢をワークの重心回りの回転により変化させることができるので、最小限のワークの動作でワークを最適の姿勢に保つことができる。一方溶接ロボットは、溶接トーチを下向きに固定し、ワークの外周部をなぞるように溶接トーチの位置を変更すればよい。その場合、上述の特開２００４−２２３５７６号に記載されるような６軸関節型のアーク溶接ロボットを使用すれば、溶接トーチとワークとの干渉を回避しながら連続的に溶接を行うことができ、非常に効率の高い溶接ロボットシステムを構築することができる。一般にロボットとポジショナとを組み合わせたシステムでは、その自由度が大きい故に様々な姿勢での溶接が可能であるが、却って教示作業が煩雑となる場合も少なくない。本発明に係るポジショナを使用することにより、ポジショナ及びロボットの動作分担が明確になり、教示作業が行いやすくなる。

本発明に係るアーク溶接用ポジショナを含むロボットシステムの概略構成を示す図である。 ワークの具体例及びワーク固定手段を示す図である。 溶接時の溶接トーチ及びワークの姿勢を示す図である。 図２のワークの各部位を溶接するときのポジショナの動作を示す図である。 図２のワークの各部位を溶接するときのポジショナの動作を示す図である。 図２のワークの各部位を溶接するときのポジショナの動作を示す図である。 図２のワークの各部位を溶接するときのポジショナの動作を示す図である。 図１の正面図において第１部材を反転させた状態のポジショナを示す図である。 本発明に係るアーク溶接用ポジショナの他の実施形態を含むロボットシステムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ アーク溶接ロボット
１８ 溶接トーチ
３０ ポジショナ
３２ 支持部材
３４ 第１軸線
３６ 第１部材
３８ 第２軸線
４２ 第２部材
４４ 固定手段
４６ 第１駆動手段
４８ 第２駆動手段
５０ ポジショナベース
５２ ベースプレート
５４ 減速機
１００ ワーク

Claims (7)

1. 溶接すべきワークの姿勢を変更するためのアーク溶接用ポジショナであって、
   前記ポジショナの設置面に立設された一対の支持部材と、
   前記支持部材に両端を支持され、前記設置面に平行な第１軸線回りに回転可能に構成された第１部材と、
   前記第１部材に設けられた一対の支持部に両端を支持され、前記第１軸線と垂直な第２軸線回りに回転可能に構成された第２部材と、
   前記第２部材に前記ワークを固定するためのワーク固定手段と、
   前記第１部材を前記第１軸線回りに回転させる第１駆動手段と、
   前記第２部材を前記第２軸線回りに回転させる第２駆動手段と、
   前記第１駆動手段及び前記第２駆動手段を制御する制御手段と、
   を有するアーク溶接用ポジショナ。
2. 溶接すべきワークの姿勢を変更するためのアーク溶接用ポジショナであって、
   前記ポジショナの設置面に設けられるとともに、前記設置面に略垂直な軸線回りに旋回可能に構成されたベースプレートを有するポジショナベースと、
   前記ベースプレート上に立設された一対の支持部材と、
   前記支持部材に両端を支持され、前記設置面に平行な第１軸線回りに回転可能に構成された第１部材と、
   前記第１部材に設けられた一対の支持部に両端を支持され、前記第１軸線と垂直な第２軸線回りに回転可能に構成された第２部材と、
   前記第２部材に前記ワークを固定するためのワーク固定手段と、
   前記第１部材を前記第１軸線回りに回転させる第１駆動手段と、
   前記第２部材を前記第２軸線回りに回転させる第２駆動手段と、
   前記第１駆動手段及び前記第２駆動手段を制御する制御手段と、
   を有するアーク溶接用ポジショナ。
3. 前記第１軸線及び前記第２軸線は互いに直交し、前記ワークは該ワークの重心が前記第１軸線及び前記第２軸線の交点と略一致するように前記第２部材に固定される、請求項１又は２に記載のアーク溶接用ポジショナ。
4. 前記第１部材は、該第１部材内に前記第２部材を収容できるように、前記第１部材の重心が前記第１軸線に対しオフセットした形状を有する、請求項３に記載のアーク溶接用ポジショナ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のアーク溶接用ポジショナと、該ポジショナに固定されたワークに対して溶接を行うアーク溶接ロボットとを含むアーク溶接ロボットシステム。
6. 前記アーク溶接ロボットは、
   前腕と、
   前記前腕の先端に、該前腕の長手方向に延びる第３軸線回りに回転可能に設けられた第１手首要素と、
   前記第１手首要素に、前記第３軸線と略垂直な第４軸線回りに回転可能に設けられた第２手首要素と、
   前記第２手首要素に、前記第４軸線と略垂直であって前記第３軸線と所定距離離れた第５軸線回りに回転可能に設けられた溶接トーチと、
   を有する請求項５に記載のアーク溶接ロボットシステム。
7. 前記制御手段は前記アーク溶接ロボットを制御するロボット制御装置の一部であり、前記第１駆動手段及び前記第２駆動手段は前記アーク溶接ロボットの付加軸として制御される、請求項５又は６に記載のアーク溶接ロボットシステム。

Images