JP2017121687A

JP2017121687A - ロボットシステムの制御方法

Info

Publication number: JP2017121687A
Application number: JP2016002260A
Authority: JP
Inventors: 友也山崎; Tomoya Yamazaki; 雄大伊藤; Takehiro Ito; 博茂吉田; Hiroshige Yoshida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2017-07-13

Abstract

【課題】加工点速度を均一にして作業品質を向上させることができるロボットシステムの制御方法を提供する。【解決手段】ロボットと該ロボットによって加工されるワークを保持するポジショナとを備えたロボットシステムの制御方法において、ワークの加工点を始点から終点まで移動させるためのロボットの制御点及びポジショナの移動量を算出する工程Ｓ１２と、制御点とワークとの相対速度である加工点速度を任意の値に設定し、該加工点速度と前記始点から前記終点までの前記加工点の移動距離とに基づいて前記加工点の移動時間を算出する工程Ｓ２と、前記制御点及び前記ポジショナの前記移動量をそれぞれ前記移動時間で移動させる前記ロボット及び前記ポジショナの出力を算出する工程Ｓ３と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、多軸のロボットと該ロボットによって加工されるワークを保持する多軸のポジショナとを備えたロボットシステムの制御方法に関する。

従来から容易に溶接線などの作業線を水平に保ち、溶接品質などの作業品質を向上させることができるティーチングシステム及びティーチング方法が知られている（下記特許文献１を参照）。このティーチングシステムは、表示部と、画像生成部と、表示制御部と、作業線生成部（溶接線生成部）と、演算部（水平維持演算部）と、ジョブ生成部とを備える。

上記画像生成部は、ロボット、該ロボットの作業対象であるワークおよびこのワークを保持するポジショナを含むロボットシステムの仮想画像を生成する。上記作業線生成部は、オペレータの溶接線選択操作を受け付けた場合に、かかる稜線におけるティーチングの目標点の各点を抽出し、目標点群である作業線を生成する。

上記演算部は、上記目標点の各点における作業線のベクトル方向が水平方向に略平行となるように、上記各点ごとのポジショナの位置および姿勢についての教示値を演算する。上記ジョブ生成部は、演算部によって演算された教示値に基づいて実際のポジショナを動作させるジョブプログラムを生成する。

特開２０１４−１６１９２２号公報

上記特許文献１のシステムでは、例えばロボットの溶接トーチの先端等、制御点の移動速度を指定して制御することができる。しかし、ロボットの制御点の移動速度を制御しても、ポジショナによるワークの移動速度と、ロボットの制御点の移動速度との相対速度である加工点速度が変動し、作業品質が低下する虞がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、加工点速度を均一にして作業品質を向上させることができるロボットシステムの制御方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明のロボットシステムの制御方法は、ロボットと該ロボットによって加工されるワークを保持するポジショナとを備えたロボットシステムの制御方法であって、前記ワークの加工点を始点から終点まで移動させるための前記ロボットの制御点及び前記ポジショナの移動量を算出する工程と、前記制御点と前記ワークとの相対速度である加工点速度を任意の値に設定し、該加工点速度と前記始点から前記終点までの前記加工点の移動距離とに基づいて前記加工点の移動時間を算出する工程と、前記制御点及び前記ポジショナの前記移動量をそれぞれ前記移動時間で移動させる前記ロボット及び前記ポジショナの出力を算出する工程と、を有することを特徴とする。

本発明のロボットシステムの制御方法において、ロボットシステムを構成するロボット及びポジショナとしては、例えば６軸ロボット等の多軸ロボットや、例えば傾動軸及び回動軸を有する２軸のポジショナ等の多軸ポジショナを用いることができる。ロボットによるワークの加工としては、例えば、レーザ加工、溶接加工、シール加工等を例示することができる。ロボットシステムは、演算制御部としてのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、表示装置としてのモニタ、及び、入力装置としてのキーボード等を備えてもよい。

演算制御部は、例えば、ロボット及びポジショナの移動量、移動速度、及び出力、並びに、加工点速度、及び、加工点の移動時間等を算出し、ロボット及びポジショナを制御する。表示装置は、例えば、ロボットシステムのオフラインデータ作成時のモデルの画像や、種々のデータ等を表示する。入力装置は、例えば、演算制御部に種々のデータを入力するために使用される。

本発明のロボットシステムの制御方法では、まず、ワークの加工点を始点から終点まで移動させるためのロボットの制御点の移動量とポジショナの移動量とを算出する工程を実施する。具体的には、例えばＰＣのソフトウェアを用いて、ロボットシステムのオフラインティーチを行って加工パスを作成し、ワークの加工の始点と終点を設定する。なお、加工パスの始点と終点との間を複数のピッチに分割し、各ピッチに始点と終点を設定してもよい。

そして、ワークの加工点を始点から終点まで移動させるためのロボットの制御点の移動量を、例えばＰＣのソフトウェアを用いて算出する。ここで、ロボットの制御点は、例えば、ロボットの先端のエンドエフェクタ、例えば、レーザ照射部、溶接トーチ、シーリングノズル等のツールセンターポイントとすることができる。同様に、ワークの加工点を始点から終点まで移動させるためのポジショナの移動量を、例えばＰＣのソフトウェアを用いて算出する。以上により、ワークに加工の始点と終点が設定され、ロボット及びポジショナの各軸の必要動作が算出される。

次に、ロボットの制御点の移動速度とワークの移動速度との相対速度である加工点速度を任意の値に設定し、例えばキーボードによってＰＣのソフトウェアに入力する。加工点速度は、例えばロボットによるワークの加工の種類に応じて、良好な加工品質を得るのに適した速度に設定することができる。そして、設定した加工点速度と、始点から終点までの加工点の移動距離とに基づいて、加工点の移動時間を算出する。

最後に、前述の工程で算出したロボットの制御点の移動量とポジショナの移動量とを、それぞれ、前述の工程で算出した加工点の移動時間で移動させるのに必要なロボットの出力とポジショナの出力とを算出する工程を実施する。ロボットの出力は、例えば、ロボットの制御点の速度ｖ_toolであり、例えばＰＣのソフトウェアを用いて、以下の式（１）に基づいて算出することができる。

なお、上記式（１）において、（ｘ，ｙ，ｚ）は、ロボットの加工の始点、すなわち制御点の始点の座標である。（ｘ´，ｙ´，ｚ´）は、ロボットの加工の終点、すなわち制御点の終点の座標である。Ｔは、ワークの加工の始点から終点まで移動する加工点の移動時間である。

ポジショナの出力は、例えばポジショナの各軸の出力であり、ポジショナが傾斜軸と回動軸の２軸を有する場合には、例えばＰＣのソフトウェアを用いて、以下の式（２）及び（３）に基づいて算出することができる。

なお、上記式（２）において、Ａ_rotは、ポジショナの回動軸の出力であり、Δθ_rotは、ポジショナの回動軸の回転の始点から終点までの角移動量であり、ω_rotmaxは、ポジショナの回動軸の最大角速度である。また、上記式（３）において、Ａ_tiltは、ポジショナの傾動軸の出力であり、Δθ_tiltは、ポジショナの傾動軸の回転の始点から終点までの角移動量であり、ω_tiltmaxは、ポジショナの傾動軸の最大角速度である。

本発明のロボットシステムの制御方法によれば、上記の各工程により求めたロボットの制御点の速度とポジショナの出力とを、例えばジョブ情報として出力することで、ロボットの制御点とワークとの相対速度である加工点速度を均一にして、作業品質を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るロボットシステムのブロック図。図１に示すロボットとポジショナの概略構成を示す模式図。図２に示す加工パスの始点と終点を示す模式図。図１に示すロボットシステムの制御方法のフロー図。図３に示す加工パスの一例を示す模式図。加工パスの１ピッチにおける加工点の移動量の一例を示す模式図。加工点の移動量を実現する制御点及びポジショナの移動量を示す模式図。

以下、本発明のロボットシステムの制御方法について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るロボットシステム１００のブロック図である。図２は、図１に示すロボット１０とポジショナ２０の概略構成を示す模式図である。

本実施形態の制御方法は、ロボット１０と該ロボット１０によって加工されるワークＷを保持するポジショナ２０とを備えたロボットシステム１００の制御方法である。ロボット１０としては、例えば６軸ロボット等、垂直多関節型の多軸ロボットを用いることができる。また、ポジショナ２０としては、単軸ポジショナ又は２軸以上の多軸ポジショナを用いることができる。

図２に示す例において、ロボット１０は、ワークＷに対してレーザクラッディングを行うためのエンドエフェクタとして、レーザ加工ヘッド１１を備えている。レーザ加工ヘッド１１は、レーザ光を生成するレーザ発振器１２にホモジナイザ１３を介して接続されている。また、レーザ加工ヘッド１１は、金属粉末を供給する粉末フィーダ１４に接続され、金属粉末とシールドガスをワークＷに吹きつけながらレーザ光を照射して、ワークＷの加工パスＰに肉盛りする。

図２に示す例において、ポジショナ２０は、ワークＷを保持して移動させるワークテーブル２１を備え、ワークテーブル２１を傾動させる傾動軸２１ａと、ワークテーブル２１を回転させる回動軸２１ｂとを有する２軸のポジショナ２０である。

ロボットシステム１００は、図１に示すように、演算制御部３０を備えることができる。演算制御部３０は、ロボット１０及びポジショナ２０の移動量、移動速度、及び出力、並びに、加工点速度、及び加工点の移動時間等を算出し、ロボット１０及びポジショナ２０を制御する。演算制御部３０としては、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。また、ロボットシステム１００は、表示装置としてのモニタ、及び、入力装置としてのキーボード等を備えることができる。

図３は、図２に示す加工パスＰの始点Ｐｓと終点Ｐｅを示す模式図である。

ロボット１０がエンドエフェクタとしてレーザ加工ヘッド１１を備えている場合には、例えばレーザ加工ヘッド１１の先端の収束レーザの収束点をロボット１０のツールセンターである制御点ＣＰとすることができる。ロボット１０の制御点ＣＰは、加工パスＰ上のワークＷの加工点と重なるか、又は、僅かな間隔をあけて加工点に対向させることができる。

図４は、図１に示すロボットシステム１００の制御方法のフロー図である。

本実施形態のロボットシステム１００の制御方法では、まず、ワークＷの加工点を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるためのロボット１０の制御点ＣＰの移動量とポジショナ２０の移動量とを算出する工程Ｓ１を実施する。

図５Ａは、図３に示す加工パスＰの始点Ｐｓと終点Ｐｅの一例を示す模式図である。図５Ｂは、加工パスＰの１つのピッチｐにおける加工点の移動量ｌの一例を示す模式図である。図５Ｃは、図５Ｂに示す加工点の移動量ｌを実現するための制御点ＣＰの移動量Ｌとポジショナ２０の移動量Ｒの一例を示す模式図である。

工程Ｓ１では、まず、例えばＰＣのソフトウェアを用いたオフラインティーチにより加工座標を指定する工程Ｓ１１を実施して、加工パスＰを作成することができる。加工パスＰの始点Ｐｓと終点Ｐｅは、ワークＷに対して要求される加工に応じて任意に設定することができる。また、加工パスＰの始点Ｐｓと終点Ｐｅとの間は、複数のピッチｐに分割することができる。この場合、各ピッチｐは、それぞれ加工の始点ｐｓと終点ｐｅを有している。加工パスＰの各ピッチｐの始点ｐｓと終点ｐｅの座標は、例えばＰＣのソフトウェアを用いて算出した座標に指定することができる。

次に、図５Ｃに示すように、ワークＷの加工点を加工パスＰの各ピッチｐの始点ｐｓから終点ｐｅまで移動させるためのロボット１０の制御点ＣＰの移動量Ｌとポジショナ２０の移動量Ｒとを、例えばＰＣのソフトウェアを用いて算出する工程Ｓ１２を実施する。その後、図４に示すように、加工点の移動時間を算出する工程Ｓ２を実施する。

工程Ｓ２では、ロボット１０の制御点ＣＰとワークＷとの相対速度である加工点速度を任意の値に設定する。加工点速度は、例えばロボット１０によるワークＷの加工の種類に応じて、良好な加工品質を得るのに適した速度に設定することができる。加工点速度は、例えばキーボード等の入力装置を介して、ＰＣ等の演算制御部３０に入力することができる。

そして、加工点速度と加工パスＰの各ピッチｐの始点ｐｓから終点ｐｅまでの加工点の移動距離ｌに基づいて、各ピッチｐにおける加工点の移動時間Ｔを、例えばＰＣのソフトウェアを用いて算出する。その後、図４及び図５Ｃに示すように、ロボット１０の制御点ＣＰの移動量Ｌ及びポジショナ２０の移動量Ｒを、前述の工程で算出した移動時間Ｔでそれぞれ移動させるためのロボット１０の出力及びポジショナ２０の出力を算出する工程Ｓ３を実施する。

この工程Ｓ３で算出するロボット１０の出力は、例えば、ロボット１０の制御点ＣＰの速度ｖ_toolであり、例えばＰＣのソフトウェアを用いて、以下の式（１）に基づいて算出することができる。

なお、上記式（１）において、（ｘ，ｙ，ｚ）は、ワークＷの加工パスの各ピッチｐの始点ｐｓに対応するロボット１０の制御点ＣＰの始点の座標である。（ｘ´，ｙ´，ｚ´）は、ワークＷの加工パスの各ピッチｐの終点ｐｅに対応するロボット１０の制御点ＣＰの終点の座標である。Ｔは、ワークＷの加工パスの各ピッチｐの始点ｐｓから終点ｐｅまで移動する加工点の移動時間である。

ポジショナ２０の出力は、例えばポジショナ２０の各軸の出力であり、ポジショナ２０が傾動軸２１ａと回動軸２１ｂの２軸を有する場合には、例えばＰＣのソフトウェアを用いて、以下の式（２）及び（３）に基づいて算出することができる。

なお、上記式（２）において、Ａ_rotは、ポジショナ２０の回動軸２１ｂの出力であり、Δθ_rotは、ポジショナ２０の回動軸２１ｂの回転の始点から終点までの角移動量であり、ω_rotmaxは、ポジショナ２０の回動軸２１ｂの最大角速度である。また、上記式（３）において、Ａ_tiltは、ポジショナ２０の傾動軸２１ａの出力であり、Δθ_tiltは、ポジショナ２０の傾動軸２１ａの回転の始点から終点までの角移動量であり、ω_tiltmaxは、ポジショナ２０の傾動軸２１ａの最大角速度である。

最後に、上述の工程で算出したロボット１０の出力ｖ_tool及びポジショナ２０の出力Ａ_rot，Ａ_tiltを、図４に示すように、例えばＰＣ等の演算制御部３０からロボット１０及びポジショナ２０に対してジョブ情報として出力する工程Ｓ４を実施することができる。

以下、本実施形態のロボットシステム１００の制御方法の作用について説明する。

図３に示すように、例えば曲面形状を有するワークＷに対してレーザクラッド等の加工を施す場合には、ワークＷの各加工点において入射エネルギーや加工点速度等のパラメータを均一に制御する必要がある。例えば、ワークの曲率半径の大きい部分等、曲面形状の変化が緩やかな部分では、ロボット１０とポジショナ２０の少なくとも一方の姿勢制御によって上記のパラメータを均一に制御することができる。しかし、ワークの曲率半径の小さい部分等、曲面形状の変化が急峻な部分では、設備の動作負荷の上限や、加工部位の傾斜量制限等の理由からロボット１０とポジショナ２０の双方を制御する必要が生じることがある。

しかし、従来の制御方法では、ロボットのエンドエフェクタに取り付けられたツールとワークとの間の角度を制御することはできても、ワークの加工点が加工パスの各ピッチを移動するときの加工点速度を制御できなかった。そのため、目視によるティーチング及び確認作業が必要になり、実作業に膨大な工数が必要となることから、必要な作業品質を確保するのが困難であった。この問題は、例えばオフラインティーチソフトによる２点間移動における各軸動作の演算を行うときに、ツールセンターである制御点の移動速度のみが指定可能であることに起因している。

これに対し、本実施形態では、ロボット１０と該ロボット１０によって加工されるワークＷを保持するポジショナ２０とを備えたロボットシステム１００の制御方法において、前述の各工程Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を実施している。

すなわち、図４に示す工程Ｓ１２において、ワークＷの加工点を始点ｐｓから終点ｐｅまで移動させるためのロボット１０の制御点ＣＰの移動量Ｌとポジショナ２０の移動量Ｒとを算出する。次に、図４に示す工程Ｓ２において、制御点ＣＰとワークＷとの相対速度である加工点速度を任意の値に設定し、該加工点速度と始点ｐｓから終点ｐｅまでの加工点の移動距離ｌに基づいて加工点の移動時間Ｔを算出する。そして、図４に示す工程Ｓ３において、制御点ＣＰ及びポジショナ２０の移動量Ｌ，Ｒを、それぞれ前述の工程Ｓ２で算出した移動時間で移動させるロボット１０及びポジショナ２０の出力を算出する。

このように、本実施形態のロボットシステム１００の制御方法では、ツールセンターであるロボット１０の制御点ＣＰの移動速度とワークＷの移動速度との相対速度である加工点速度を設定している。これにより、適切な加工点速度で加工パスＰのピッチｐの始点ｐｓから終点ｐｅまで加工点が移動したときの加工点の移動時間を求め、その移動時間でロボット１０の各軸及びポジショナ２０の各軸の動作が完了するように制御点ＣＰ及びポジショナ２０の動作速度を算出することができる。そのため、予め作成した加工パスＰにおいて、各ピッチｐの始点ｐｓから終点ｐｅまでの加工点の移動時間が一定になるようにポジショナ２０及びツールセンターであるロボットの制御点ＣＰを制御することができる。

したがって、本実施形態のロボットシステム１００の制御方法によれば、加工パスＰにおける加工点速度が均一化され、加工点速度を一定に保つことができ、作業品質を従来よりも向上させることができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０ロボット、２０ポジショナ、１００ロボットシステム、ＣＰ制御点、Ｓ１２移動量を算出する工程、Ｓ２移動時間を算出する工程、Ｓ３出力を算出する工程、Ｐｓ始点、ｐｓ始点、Ｐｅ終点、ｐｅ終点、Ｗワーク

Claims

ロボットと該ロボットによって加工されるワークを保持するポジショナとを備えたロボットシステムの制御方法であって、
前記ワークの加工点を始点から終点まで移動させるための前記ロボットの制御点及び前記ポジショナの移動量を算出する工程と、
前記制御点と前記ワークとの相対速度である加工点速度を任意の値に設定し、該加工点速度と前記始点から前記終点までの前記加工点の移動距離とに基づいて前記加工点の移動時間を算出する工程と、
前記制御点及び前記ポジショナの前記移動量をそれぞれ前記移動時間で移動させる前記ロボット及び前記ポジショナの出力を算出する工程と、を有することを特徴とするロボットシステムの制御方法。