JP2011045934A - アーク溶接ロボットおよびそのウィービング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置コストの高騰を招来することなく、ウィービング動作時におけるトーチ先端位置の位置決め精度を向上させる。
【解決手段】旋回軸Ｊ１、第１揺動軸Ｊ２および第２揺動軸Ｊ３からなるアーム軸の３軸を含む少なくとも６自由度を有する多関節ロボットの各軸Ｊ１〜Ｊ６を用いて溶接トーチ７のトーチ先端を溶接線に沿って移動させると共に、トーチ先端を所定の周波数で溶接線に対して左右に周期的に揺動させるウィービング動作を行うときに、ウィービング動作によるアームの先端部２０ａの移動量が最小となるように溶接トーチ７の、該溶接トーチ７の中心軸に対する回転角度であるトーチ回転角を、多関節ロボットの各軸Ｊ１〜Ｊ６を用いて変化させるウィービング方法により溶接を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接トーチをウィービングさせながら溶接するアーク溶接ロボットおよびそのウィービング方法に関するものである。

例えば６自由度の多関節ロボットを備えたアーク溶接ロボットは、アーム先端部に溶接トーチを取り付け、この溶接トーチを任意のトーチ姿勢で空間座標の任意の位置に移動させるように構成されている。そして、突き合わせ溶接や隅肉溶接を行う場合には、溶接金属を平坦に形成して内部欠陥を少なくするため、溶接トーチのトーチ先端部から突き出された溶接電極を溶接線に対して垂直方向に揺動させるウィービング動作が実行される（例えば特許文献１参照）。また、アーク溶接ロボットには、アーム先端部にウィービング機構を取り付け、上記のウィービング動作を実行させるように構成されたものもある（例えば特許文献２・３参照）。

しかしながら、上記従来のように、多関節ロボットの各軸を用いてウィービング動作を行う構成では、溶接トーチのトーチ先端部の位置決め精度が低下し易いという問題がある。尚、位置決め精度が低下し易い原因は、各軸の移動により誤差が累積されると共に、剛性の小さな旋回軸、前後揺動軸および上下揺動軸からなる基本３軸において大きな誤差が発生するためであることを各種の試験により見出した。また、ウィービング機構を用いてウィービング動作を行う構成では、ウィービング機構が装置コストを高騰させるという問題がある。

特開２００２−２３９７２３号公報 特開２０００−１１７４４５号公報 特開平８−２８１４４３号公報

解決しようとする問題点は、装置コストが高騰し、ウィービング動作時におけるトーチ先端位置の位置決め精度を向上させることができない点である。

本発明は、ウィービング動作を行うときに、アームの先端部の移動量が最小となるように前記溶接トーチのトーチ回転角を変化させることを最も主要な特徴とする。

即ち、本発明は、アームの基台の旋回軸、該旋回軸に対して揺動する第１揺動軸および該第１揺動軸に対して揺動する第２揺動軸からなるアーム軸の３軸の３自由度を含む、少なくとも６自由度を有する多関節ロボットと、前記多関節ロボットのアームの先端部における、該先端部の回転軸の軸線から外れた位置にトーチ本体が設けられ、該回転軸の軸線に対して、このトーチ本体から送り出される溶接ワイヤの送り出し方向が交差するように設定され、且つこの溶接ワイヤの先端であるトーチ先端が前記回転軸の軸線上に位置するように設定された溶接トーチとを有するアーク溶接ロボットのウィービング方法であって、前記多関節ロボットの各軸を用いて、前記溶接トーチのトーチ先端を溶接線に沿って移動させると共に、前記トーチ先端を所定の周波数で溶接線に対して左右に周期的に揺動させるウィービング動作を行うときに、前記ウィービング動作による前記アームの先端部の移動量が最小となるように前記溶接トーチの、該溶接トーチの中心軸に対する回転角度であるトーチ回転角を、前記多関節ロボットの各軸を用いて変化させることを特徴としている。

上記の構成によれば、装置コストの高騰を招来することなく、ウィービング動作時におけるトーチ先端位置の位置決め精度を向上させることができる。

また、本発明は、アーク溶接ロボットであって、アームの基台の旋回軸、該旋回軸に対して揺動する第１揺動軸および該第１揺動軸に対して揺動する第２揺動軸からなるアーム軸の３軸の３自由度を含む、少なくとも６自由度を有する多関節ロボットと、前記多関節ロボットのアームの先端部における、該先端部の回転軸の軸線から外れた位置にトーチ本体が設けられ、該回転軸の軸線に対して、このトーチ本体から送り出される溶接ワイヤの送り出し方向が交差するように設定され、且つこの溶接ワイヤの先端であるトーチ先端が前記回転軸の軸線上に位置するように設定された溶接トーチと、前記多関節ロボットの各軸を用いて、前記溶接トーチのトーチ先端を溶接線に沿って移動させると共に、前記トーチ先端を所定の周波数で溶接線に対して左右に周期的に揺動させるウィービング動作を行うときに、前記溶接トーチの中心軸に対する回転角度であるトーチ回転角を、前記多関節ロボットの各軸を用いて変化させることにより前記ウィービング動作による前記アームの先端部の移動量が最小となるように前記多関節ロボットを制御する制御装置とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、装置コストの高騰を招来することなく、ウィービング動作時におけるトーチ先端位置の位置決め精度を向上させることができるアーク溶接ロボットを得ることができる。

本発明によれば、装置コストの高騰を招来することなく、ウィービング動作時におけるトーチ先端位置の位置決め精度を向上させることができるという利点がある。

アーク溶接ロボットのブロック図である。 ウィービング動作の状態を示す説明図である。 ウィービング動作の状態を示す説明図である。 ウィービング動作の状態を示す説明図である。 溶接トーチの移動する状態を示す説明図である。 溶接トーチの移動する状態を示す説明図である。 トーチ回転角の算出方法を示す説明図である。 トーチ回転角の算出方法を示す説明図である。 トーチ回転角の算出方法を示す説明図である。 トーチ回転角を変化させてウィービングした場合の基本３軸の挙動を示すグラフである。 トーチ回転角を変化させずにウィービングした場合の基本３軸の挙動を示すグラフである。 溶接トーチの移動する状態を示す説明図である。 トーチ回転角の算出方法を示す説明図である。 トーチ回転角を変化させてウィービングした場合の基本３軸の挙動を示すグラフである。 トーチ回転角を変化させずにウィービングした場合の基本３軸の挙動を示すグラフである。

ウィービング動作時におけるトーチ先端位置の位置決め精度を向上させることができるという目的を、装置コストの高騰を招来することなく実現した。

本発明の実施の形態を図１ないし図１４に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係るアーク溶接ロボットは、図１に示すように、床面に固設されたベース１と、ベース１に設けられたアーム２０とを備えている。アーム２０は、基台２と第１アーム３と第２アーム４と手首部材５とを有している。基台２は、旋回軸Ｊ１として機能するようにベース１上に旋回可能に設けられている。基台２の上面には、第１アーム３が縦設されており、第１アーム３は、前後揺動軸Ｊ２として機能するように揺動可能にされている。

上記の第１アーム３は、主アーム３ａおよび副アーム３ｂからなっている。主アーム３ａおよび副アーム３ｂは、上下揺動軸Ｊ３として機能するように、自由端側において第２アーム４をそれぞれ回動自在に軸支している。第２アーム４は、アーム回転軸Ｊ４として機能するように回転可能にされており、自由端側には、手首部材５が設けられている。手首部材５は、手首揺動軸Ｊ５および手首回転軸Ｊ６として機能するように揺動可能および回転可能にされている。そして、このように構成されたアーム２０は、各軸Ｊ１〜Ｊ６により複数の自由度を備えることによって、３次元からなる空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の任意の位置にアーム先端部２０ａを移動可能になっている。

上記のアーム先端部２０ａには、トーチブラケット８を介して溶接トーチ７が設けられている。トーチブラケット８は、手首回転軸Ｊ６の軸線から外れた位置で溶接トーチ７を支持している。溶接トーチ７のトーチ本体は、トーチ本体の送り出し先端面から後端面にかけて連通されており、後端面に供給された溶接ワイヤ６をトーチ本体内に挿通させて送り出し先端面から送り出すようになっている。溶接トーチ７の送り出し方向は、手首回転軸Ｊ６の軸線に対して交差するように設定されており、且つ、溶接ワイヤ６の先端であるトーチ先端が手首回転軸Ｊ６の軸線上に位置するように設定されている。これにより、図２に示すように、溶接トーチ７は、溶接トーチ７の先端部の位置（トーチ先端位置）を頂点した回転円錐体２１の底辺を移動軌跡としてアーム先端部２０ａが移動するように各軸Ｊ１〜Ｊ６が作動されることによって、トーチ傾斜角、トーチ前進角およびトーチ先端位置を維持した状態でトーチ回転角のみをアーム先端部２０ａの移動とトーチ支持姿勢の変化とで変更可能になっている。

ここで、トーチ傾斜角、トーチ前進角およびトーチ回転角は、溶接進行方向（溶接線座標系Σline）に対する溶接トーチの姿勢角度のことである。溶接線座標は、Ｘ軸＝進行方向、Ｙ軸＝Ｘ軸×（−重力方向）、Ｚ軸＝Ｘ軸×Ｙ軸で決定される。そして、トーチ傾斜角Ｒｘは、Ｘ軸（Ｘｍ）回りの回転角度（右ネジ方向が＋方向）として定義される。トーチ前進角Ｒｙは、Ｙ軸（Ｙｍ）回りの回転角度（右ネジ方向が＋方向）として定義される。トーチ回転角Ｒｚは、Ｚ軸（Ｙｚ）回りの回転角度（右ネジ方向が＋方向）として定義される。

また、トーチ傾斜角、トーチ前進角およびトーチ回転角の回転の順番は、図３に示すように、[Ｘｍ回り]Ｒｘ→[Ｙｍ回り]Ｒｘ→[Ｚｍ回り]Ｚｘである。即ち、溶接線座標系Σlineから見た溶接トーチ７の回転行列は、下記の（１）式で示される。尚、上記の３種類の角度表記において、溶接施工に影響があるものは、トーチ傾斜角Ｒｘとトーチ前進角Ｒｙであり、トーチ回転角Ｒｚは、溶接施工に影響のない冗長な自由度である。

また、トーチ支持姿勢とは、図２に示すように、溶接トーチ７を支持するトーチブラケット８の姿勢のことである。例えば図示実線で示すように、溶接トーチ７のトーチ傾斜角とトーチ前進角とを一定に維持しながらトーチ回転角を変化させる場合には、トーチ先端位置を頂点とした回転円錐体２１の円形状の底辺上を移動する各位置に応じた形態のトーチ支持姿勢が存在する。

上記のアーク溶接ロボットは、図１に示すように、アーム２０等を制御する制御装置１０を備えている。制御装置１０は、入力用変換部１１と出力用変換部１２と入出力部１３と記憶部１４と演算部１５とを有している。これらの各部１１〜１５は、信号バス１６を介してデータ信号を送受信可能に接続されている。出力用変換部１２は、アーム２０の各軸Ｊ１〜Ｊ６を駆動するモータに接続されており、モータを所望の回転角度および回転速度で駆動可能になっている。入力用変換部１１は、各軸Ｊ１〜Ｊ６の変位量を検出する検出器に接続されており、検出器からの変位信号を演算部１５の処理に適した信号形態に変換するようになっている。入出力部１３は、教示ボックス１７に接続されている。教示ボックス１７は、オペレータのキー操作により溶接条件等の溶接データやウィービング動作のウィービングデータ等を教示する際に使用される。

また、記憶部１４には、プログラム領域やデータ領域が形成されている。プログラム領域には、溶接動作を実行する溶接プログラムや、ウィービング動作を実行するウィービングプログラム等が格納されている。また、データ領域は、プログラムの実行時に必要な各種のデータを書き換え可能に格納している。尚、溶接プログラムやウィービングプログラムは、記憶部１４のＲＯＭに予め読み出し専用に書き込まれていても良いし、ＣＤ等の記録媒体に記録されたものが必要時に読み出されて記憶部１４に書き込まれても良いし、さらにはインターネット等の電気通信回線を介して伝送されて記憶部１４に書き込まれても良い。

上記のウィービングプログラムは、ウィービング動作時におけるアーム２０の振動を抑制する機能を含んでいる。この機能を実現するための基本的な考え方は、基本３軸（旋回軸Ｊ１・前後揺動軸Ｊ２・上下揺動軸Ｊ３）の移動量を低減させるトーチ回転角を決定するというものである。即ち、基本３軸の移動量は、アーム先端部２０ａ（図４のような典型的な垂直多関節型ロボットでは手首揺動軸Ｊ５の回転中心位置）の移動量と略等価である。また、溶接施工において、トーチ傾斜角は、溶接条件の一つとして指令通りに動作させるべき項目であるが、トーチ回転角は、溶接に影響しない冗長な自由度である。従って、トーチ回転角を操作することによりアーム先端部２０ａの移動量を低減することによって、ウィービング動作時における基本３軸の移動量を低減し、結果として精度劣化を低減することを可能にしている。

具体的には、ウィービングプログラムは、図１および図４に示すように、制御装置１０内の演算部１５および記憶部１４を備えたコンピュータに、予め与えられた溶接開始点Ｐ１および溶接終了点Ｐ２に基づいて溶接線座標系Σlineと移動径路方程式Ｐ（ｔ）＝Ｐ１＋ΔＰ・ｔとを求める第１手段と、移動径路方程式Ｐ（ｔ）＝Ｐ１＋ΔＰ・ｔに基づいて溶接トーチ７のトーチ先端が単位時間後に移動する溶接線座標系lineの移動点Ｐを求める第２手段と、移動点Ｐにウィービング並進成分を加算（Ｐ＝Ｐ＋ΔＷ・sin(２πｆｔ)）する第３手段と、移動点Ｐを座標変換することによって、溶接線座標系lineから見た溶接トーチ７の位置・姿勢をlineＰ＝（ｘ,ｙ,ｚ,Ｒｘ,Ｒｙ,Ｒｚ）として求める第４手段と、位置・姿勢に含まれるトーチ傾斜角Ｒｘに傾斜角ウィービング成分を加算する第５手段と、基本３軸の動きを減少させるようにトーチ回転角Ｒｚを求め、このトーチ回転角Ｒｚを位置・姿勢に含まれるトーチ回転角Ｒｚとする第６手段と、前記位置・姿勢をベース座標系に座標変換し、このベース座標系の移動点Ｐ’を求める第７手段と、移動点Ｐ’から逆キネマティネマティクスにより各軸の関節角度を求め、これら関節角度に基づいて多関節ロボットを作動させる第８手段とを実行させるようになっている。尚、ここでは、上記移動径路方程式の移動径路を直線であるとして説明するが、これに限らず、移動径路が曲線であっても同様である。従って、以下は、移動径路方程式を直線径路方程式と言うことがある。

また、ウィービングプログラムは、上記の第６手段として、所望のウィービング幅となるようにトーチ傾斜角を変更したときのトーチ回転軸後端部の変動幅ｄＹを記憶しておく変動幅記憶手段と、回転角振幅Rzwidth＝−Sin^-1（ｒ／ｄＹ）の計算式に、前記変動幅ｄＹと、前記アーム先端部から前記溶接トーチのトーチ回転軸に対する垂線距離ｒとを代入して回転角振幅Rzwidth を求める回転角振幅算出手段と、回転角振幅Rzwidthに対応したトーチ回転角を求める回転角算出手段と有している。

ここで、ウィービングプログラムにおける回転角振幅Rzwidth＝−Sin^-1（ｒ／ｄＹ）は、下記のようにして導き出されている。

先ず、図５に示すように、本実施形態のアーク溶接ロボットにおいて、トーチ回転角Ｒｚを変化させると、アーム先端部２０ａの移動軌跡が円となる。そして、この円を底面とし、溶接トーチ７の先端部を頂点とした回転円錐体２１を想定する。この回転円錐体２１において、図６に示すように、手首回転軸Ｊ６と溶接トーチ７のトーチ回転軸との交差角度が傾斜角φである。溶接トーチ７の先端部からアーム先端部２０ａまでの距離が斜面長Ｌである。アーム先端部２０ａからトーチ回転軸に対する垂線距離が底面半径ｒである。アーム回転軸２２が回転円錐体２１の底面に対して交差する点がトーチ回転軸後端部である。トーチ回転軸後端部と溶接トーチ７の先端部との距離が高さＨである。

次に、図７に示すように、傾斜角振幅をRxWidth（rad）、ｙ成分のウィービング振幅をΔＹ（ｍｍ）、計画した元々の（ウィービング加算前の）トーチ姿勢をα、β、γ（rad）であると仮定し、溶接線座標系ΣlineのＹＺ平面で、トーチ傾斜角を元々の姿勢Rx0（rad）から＋RxWidth(rad)回転させた場合を考える。この場合において、所望のウィービング幅となるようにトーチ傾斜角を変更したときのアーム回転軸後端部の変動幅ｄＹについては幾何学的に求めることができる。そして、この変動幅ｄＹにおける最適なトーチ回転角振幅Rzwidthの計算式は、回転円錐体２１を底面側から見たときに、この回転円錐体２１の底辺軌道を移動するアーム先端部２０ａの移動量が最小となる場合であるため、底面半径ｒと変動幅ｄＹとをパラメータとした−Sin^-1（ｒ／ｄＹ）で表すことができる。

但し、−Sin^-1（ｒ／ｄＹ）の計算式で得たトーチ回転角振幅Rzwidthを有効に機能させるためには、（１）溶接線座標が急激に変化せず、（２）トーチ前進角の振幅RyWidthが略０であり、（３）元々の（ウィービング加算前の）トーチ姿勢が大きく変化しないという３つの条件を満足させる必要がある。

また、図８に示すように、トーチ傾斜角振幅RxWidthが小さく、Sin(RxWidth)≦ｌ₃／Ｈという条件下においては、RzWidth＝Sin^-1（ｒ／ｄＹ）の計算式によりトーチ回転角振幅RzWidthを計算することが望ましい。

上記の構成において、アーク溶接ロボットの動作およびウィービング方法について説明する。

先ず、図１に示すように、ワークが所定の姿勢にセットされた後、制御装置１０に電源が投入されると、記憶部１４に格納された溶接プログラムやウィービングプログラム等のプログラムが演算部１５により実行される。この後、例えば教示ボックス１７が操作され、溶接開始点Ｐ1や溶接終了点Ｐ２、正弦波ウィービング条件（振幅ΔＷ、周波数ｆＨｚ等）、トーチ傾斜角振幅RxWidth(rad)、トーチ前進角振幅RyWidth(rad)、トーチ回転角振幅RzWidth(rad)等が入力される。

次に、図４に示すように、溶接開始点Ｐ１および溶接終了点Ｐ２から溶接線座標系Σlineと、Ｐ１〜Ｐ２の直線径路方程式Ｐ（ｔ）＝Ｐ１＋ΔＰ・ｔが求められる。尚、ΔＰは単位時間当たりの移動量である。また、ｔ＝０とされる。この後、ｔ＝ｔ＋Δｔとして、Ｐ＝Ｐ１＋ΔＰ・ｔが計算され、トーチ先端がＰ１→Ｐ２に向かって移動される。尚、Δｔはロボットの制御周期である。

次に、ウィービング並進成分が加算されることによって、Ｐ＝Ｐ＋ΔＷ・sin(２πｆｔ)とされる。そして、Ｐが座標変換され、溶接線座標Σlineから見た溶接トーチ７の位置・姿勢がlineＰ＝（ｘ,ｙ,ｚ,Ｒｘ,Ｒｙ,Ｒｚ）として求められる。このとき、トーチ姿勢角は、（Ｒｘ：トーチ傾斜角,Ｒｙ：トーチ前進角,Ｒｚ：トーチ回転角）として計算される。

即ち、図９に示すように、先ず、溶接線座標系Σlineの方向余弦ベクトルＸｍ、Ｙｍ、Ｚｍから^baseＲ_lineが計算される。次いで、ベース座標系Σbaseから見た溶接トーチ７のトーチ姿勢角（ロール・ピッチ・ヨー角：α,β,γ）から^baseＲ_toolが計算される。また、溶接線座標系Σlineから見た溶接トーチ７の回転行列^lineＲ_tool＝^lineＲ_base・ ^baseＲ_tool が計算される。

この後、計算した^lineＲ_toolより溶接トーチ７の傾斜角・前進角・回転角（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）が計算され、傾斜角・前進角・回転角の時系列変化が加算（＝ウィービング量の加算）される。具体的には、傾斜角Ｒｘ’＝Ｒｘ＋RxWidth (２πｆ・ｔ)と、前進角Ｒｙ’＝Ｒｙ＋RyWidth (２πｆ・ｔ)と、回転角Ｒｚ’＝Ｒz＋RzWidth (２πｆ・ｔ)とが求められる。

上記の回転角Ｒｚ’＝Ｒz＋RzWidth (２πｆ・ｔ)の計算時においては、回転角振幅Rzwidthの最適化処理が実施される。即ち、傾斜角振幅RxWidthが小さく、且つSin(RxWidth)≦ｌ₃／Ｈという所定条件下でウィービング動作が実行されるか否かが判定される。所定条件下でのウィービング動作でない場合には、図７に示すように、Rzwidth＝−Sin^-1（ｒ／ｄＹ）の計算式に、変動幅ｄＹと、アーム先端部から溶接トーチ７のアーム回転軸２２に対する垂線距離ｒとが代入されることによって、回転角振幅Rzwidthが求められる。一方、図８に示すように、所定条件下でのウィービング動作である場合には、RzWidth＝Sin^-1（ｒ／ｄＹ）の計算式に基づいて回転角振幅RzWidthが求められる。尚、回転角振幅Rzwidthの最適化処理に使用される計算式は、ウィービング動作の実行前に予め選択されている。

この後、上記の傾斜角・前進角・回転角（Ｒｘ’，Ｒｙ’，Ｒｚ’）から^lineＲ_tool'が計算され、ベース座標系Σbaseでの回転行列に座標変換（^baseＲ_tool'＝^baseＲ_line・ ^lineＲ_tool' ）される。そして、この^baseＲ_tool'に基づいてベース座標系Σbaseから見た溶接トーチ７のロール・ピッチ・ヨー角度（α,β,γ）が計算される。この後、逆キネマティクス処理により各軸Ｊ１〜Ｊ６の関節角度が求められ、これらの関節角度となるように各軸Ｊ１〜Ｊ６のモータが駆動されることによって、ウィービング動作が実施される。

上記のようにしてウィービング動作が実施されると、図４に示すように、上述の計算式により算出された回転角振幅RzWidthに基づいてトーチブラケット８の支持姿勢が変更されながら、溶接トーチ７が回転されることによって、アーム先端部２０ａが回転円錐体２１の底辺軌道中の例えばＡ点とＢ点との最短距離を揺動する状態となる。そして、このアーム先端部２０ａの短距離の揺動によって、アーム２０の各軸Ｊ１〜Ｊ６の関節角度が僅かな変動幅に抑制される。これにより、特に比較的に剛性が低い基本３軸（Ｊ１、Ｊ２，Ｊ３）についての振動が抑制され、結果としてトーチ先端位置の精度確保が容易化することによって、正確な溶接作業を行うことが可能になる。

次に、本実施形態におけるウィービング方法の効果を確認するため、本実施形態のウィービング方法でトーチ回転角Ｒｚの最適化処理を実施してウィービング動作を行った場合と、従来のウィービング方法、即ち、トーチ回転角Ｒｚの最適化処理を実施せずにウィービング動作を行った場合とで基本３軸（Ｊ１、Ｊ２，Ｊ３）の挙動をそれぞれ調査した。

この結果、トーチ回転角Ｒｚの最適化処理を実施してウィービング動作を行った場合には、図１０に示すように、基本３軸（Ｊ１、Ｊ２，Ｊ３）に殆んど振動が起らないことが確認された。これに対し、トーチ回転角Ｒｚの最適化処理を実施せずにウィービング動作を行った場合には、図１１に示すように、基本３軸（Ｊ１、Ｊ２，Ｊ３）の特にＪ１軸に大きな振動が起ることが確認された。これにより、本実施形態のウィービング方法によれば、より高い周波数でのウィービング動作も可能になることが明らかになった。

即ち、一般に、ウィービング周波数の上限は、比較的に剛性の低い基本３軸の固有振動数（１０〜２０Ｈｚ程度）により決定される。これは、ウィービング周波数が高くなり、固有振動数に近づく程、共振による振動が大きくなり、所望の精度を維持できなくなるからである。従って、本実施形態のウィービング方法によれば、基本３軸の移動量を低減して振動を抑制できることから、従来のウィービング方法よりも高い周波数のウィービング動作であっても所望の精度を確保できることが明らかになった。

以上のように、本実施形態のアーク溶接ロボットは、図１に示すように、旋回軸Ｊ１、前後揺動軸Ｊ２および上下揺動軸Ｊ３からなる基本３軸を含む少なくとも６自由度を有する多関節ロボットの各軸Ｊ１〜Ｊ６を用いて溶接トーチ７のトーチ先端を溶接線に沿って移動させると共に、トーチ先端を溶接線に対して左右に揺動させ、且つ溶接トーチ７のトーチ傾斜角とトーチ前進角を変化させながらウィービング動作を行うときに、基本３軸の動きを減少させるように溶接トーチ７のトーチ回転角を変化させるウィービング方法により溶接を行うように構成されている。

即ち、アーク溶接ロボットは、旋回軸Ｊ１、前後揺動軸Ｊ２および上下揺動軸Ｊ３からなる基本３軸を含む少なくとも６自由度を有する多関節ロボットと、多関節ロボットの各軸Ｊ１〜Ｊ６を用いてトーチ傾斜角とトーチ前進角とトーチ回転角とを変更可能にされると共に任意の位置に移動可能にされた溶接トーチ７と、溶接トーチ７のトーチ先端を溶接線に沿って移動させると共に、トーチ先端を溶接線に対して左右に揺動させ、且つトーチ傾斜角とトーチ前進角を変化させながらウィービング動作を行うときに、トーチ回転角を変化させることにより基本３軸の動きを減少させるように多関節ロボットを制御する制御装置１０とを有した構成にされている。

これにより、剛性の小さな旋回軸Ｊ１、前後揺動軸Ｊ２および上下揺動軸Ｊ３からなる基本３軸における移動量を減少させながらウィービングを動作を行うことができるため、ウィービング動作時におけるトーチ先端位置の位置決め精度を向上させることができる。また、専用のウィービング機構を備える必要がないため、装置コストが高騰することもない。

尚、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。即ち、本実施形態においては、最適なトーチ回転角を幾何学的に求める場合について説明したが、これに限定されるものではない。即ち、図１２に示すように、アーム先端部２０aの移動前（前回位置ARMold）と移動後（次回位置ARM）の距離（｜ARM−ARMold｜）を最短化する方法により最適なトーチ回転角が求められるようになっていても良い。

即ち、旋回軸Ｊ１、前後揺動軸Ｊ２および上下揺動軸Ｊ３からなる基本３軸を含む少なくとも６自由度を有する多関節ロボットのアーム先端部に溶接トーチ７を設け、多関節ロボットの各軸Ｊ１〜Ｊ６を用いて溶接トーチ７をウィービングさせながら溶接を行うアーク溶接ロボットのコンピュータにおいて実行されるウィービングプログラムの第６手段が、アーム先端部の前回の位置を記憶する前回位置記憶手段と、ウィービング動作のための次回のトーチ傾斜角を記憶する次回傾斜角記憶手段と、次回のトーチ傾斜角を維持した状態でトーチ回転角とトーチ支持姿勢とを変化させることで取り得るアーム先端部の可動軌跡の中から、前回のアーム先端部の位置に最も近い位置となるトーチ回転角を求める次回回転角取得手段と有した構成であっても良い。

具体的には、図１３に示すように、傾斜角振幅:RxWidth（rad）、前進角振幅:RyWidth（rad）、ウィービング加算ベクトルＶｗ（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）（ｍｍ）、ウィービング加算前のトーチ姿勢：αβγ（rad）、傾斜・前進・回転角＝（Ｒｘ０、Ｒｙ０、Ｒｚ０）（rad）ウィービング成分加算後のトーチ傾斜角：Rx'＝ Rx0＋RxWidth(2πft)、トーチ前進角：Ry'＝ Ry0＋RyWidth(2πft)、前回のアーム位置：ARMoldとする。

溶接線座標系Σlineから見たトーチ回転円錐体底面が座標系Σｃであるとすると、回転行列は、^lineＲ_c ＝ ^lineＲ_tool＝ Rot(Rx')・Rot(Ry')・Rot(Rz0)となり、並進行列は、^lineＴ_c ＝ ベクトルＶｗ＋ベクトルＨ・Ｚｃとなる。そして、 [ARM(Rz)-ARMold]の絶対値が最小となる最適なツール回転角Ｒｚ'は、ベクトルＶ＝ARMold−ＯｃをΣｃに正射影し、Ｖｃ（Ｖｘ，Ｖｙ）を求めることによって、Ｒｚ'＝ Tan^-1(Vy/Vx)で算出することができる。

また、本実施形態においては、溶接トーチ７のトーチ傾斜角を周期的に変更することによりウィービング動作が行われる場合について説明したが、これに限定されるものでもない。即ち、溶接トーチ７のトーチ傾斜角およびトーチ前進角を一定に保持しながらトーチ先端位置を周期的に変更するウィービング動作においても適用することができる。そして、このウィービング動作においても効果を奏することを確認するため、本実施形態のウィービング方法でトーチ回転角Ｒｚの最適化処理を実施してウィービング動作を行った場合と、従来のウィービング方法、即ち、トーチ回転角Ｒｚの最適化処理を実施せずにウィービング動作を行った場合との基本３軸（Ｊ１、Ｊ２，Ｊ３）の挙動を調査した。

この結果、トーチ回転角Ｒｚの最適化処理を実施してウィービング動作を行った場合には、図１４に示すように、基本３軸（Ｊ１、Ｊ２，Ｊ３）に殆んど振動が起らないことが確認された。これに対し、トーチ回転角Ｒｚの最適化処理を実施せずにウィービング動作を行った場合には、図１５に示すように、基本３軸（Ｊ１、Ｊ２，Ｊ３）の特にＪ１軸に大きな振動が起ることが確認された。これにより、上記のウィービング方法によっても、より高い周波数でのウィービング動作も可能になることが明らかになった。

また、ウィービング動作は、予め設定された動作データに基づいて行なわれて良い。即ち、本実施形態におけるアーク溶接ロボットのコンピュータにおいて実行されるウィービングプログラムの第６手段は、基本３軸の動きを減少させるように予め決定されたトーチ回転角を前記溶接線座標系の全移動点Ｐに対応して記憶する回転角記憶手段と、次回の移動点Ｐに対応したトーチ回転角を前記回転角記憶手段から読み出す回転角読出手段と有した構成にされていても良い。

溶接トーチをウィービングさせながら溶接する用途にも適用できる。

１ ベース
２ 基台
３ 第１アーム
４ 第２アーム
５ 手首部材
６ 溶接ワイヤ
７ 溶接トーチ
８ トーチブラケット
１０ 制御装置
１１ 入力用変換部
１２ 出力用変換部
１３ 入出力部
１４ 記憶部
１５ 演算部
１６ 信号バス
１７ 教示ボックス
１８ ベース
２０ アーム
２０ａ アーム先端部
２１ 回転円錐体

Claims (2)

1. アームの基台の旋回軸、該旋回軸に対して揺動する第１揺動軸および該第１揺動軸に対して揺動する第２揺動軸からなるアーム軸の３軸の３自由度を含む、少なくとも６自由度を有する多関節ロボットと、前記多関節ロボットのアームの先端部における、該先端部の回転軸の軸線から外れた位置にトーチ本体が設けられ、該回転軸の軸線に対して、このトーチ本体から送り出される溶接ワイヤの送り出し方向が交差するように設定され、且つこの溶接ワイヤの先端であるトーチ先端が前記回転軸の軸線上に位置するように設定された溶接トーチとを有するアーク溶接ロボットのウィービング方法であって、
   前記多関節ロボットの各軸を用いて、前記溶接トーチのトーチ先端を溶接線に沿って移動させると共に、前記トーチ先端を所定の周波数で溶接線に対して左右に周期的に揺動させるウィービング動作を行うときに、前記ウィービング動作による前記アームの先端部の移動量が最小となるように前記溶接トーチの、該溶接トーチの中心軸に対する回転角度であるトーチ回転角を、前記多関節ロボットの各軸を用いて変化させることを特徴とするアーク溶接ロボットのウィービング方法。
2. アームの基台の旋回軸、該旋回軸に対して揺動する第１揺動軸および該第１揺動軸に対して揺動する第２揺動軸からなるアーム軸の３軸の３自由度を含む、少なくとも６自由度を有する多関節ロボットと、
   前記多関節ロボットのアームの先端部における、該先端部の回転軸の軸線から外れた位置にトーチ本体が設けられ、該回転軸の軸線に対して、このトーチ本体から送り出される溶接ワイヤの送り出し方向が交差するように設定され、且つこの溶接ワイヤの先端であるトーチ先端が前記回転軸の軸線上に位置するように設定された溶接トーチと、
   前記多関節ロボットの各軸を用いて、前記溶接トーチのトーチ先端を溶接線に沿って移動させると共に、前記トーチ先端を所定の周波数で溶接線に対して左右に周期的に揺動させるウィービング動作を行うときに、前記溶接トーチの中心軸に対する回転角度であるトーチ回転角を、前記多関節ロボットの各軸を用いて変化させることにより前記ウィービング動作による前記アームの先端部の移動量が最小となるように前記多関節ロボットを制御する制御装置と
   を有することを特徴とするアーク溶接ロボット。

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