JP2018012121A - 溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接点に向けられた先端アームの角度を変化させても、溶接点の位置を変化させないようにできる溶接装置を提供する。
【解決手段】トーチの軸線上にある溶接点において溶接を行う溶接装置は、ベースと、ベースに取り付けられた第１アームと、ベースから突出する位置に配置され、第１アームに対して回転可能な第２アームと、第２アームに取り付けられたトーチと、ベースに設けられ、ベースに対して第１アームを移動させるアクチュエータと、アクチュエータを制御するコントローラと、第１アームの角度変化または第１アームに取り付けられた第１回転体の回転に対応させて第２アームの角度を変化させる連結機構と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶接装置に関する。

溶接装置の自動化に用いられるアクチュエータには、直動、回転、ウィービング等の様々な種類がある。多関節ロボットを用いる溶接装置は、自由度が高く、位置と角度を自由に設定できる。一方、特許文献１，２に記載されるように、溶接トーチの角度（狙い角）を調整できる装置が知られている。特許文献１記載の角度調整器は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の３軸で操作できる溶接ロボットに適用される。この角度調整器では、ワイヤの狙い位置を中心にして、ガイド部材に円弧状溝が設けられている。連結トーチホルダに連結されたスライド部材は、ガイド部材の円弧状溝に沿って動くようになっている。特許文献２に記載の溶接ロボットは、指定距離に基づいて第１センシング点から第２センシング点に変位センサを移動させ、この検出結果に基づきマニピュレータの位置と姿勢を演算し、軸角度を求める。溶接ロボットは、その軸角度で、溶接トーチを移動させるようにマニピュレータを移動制御する。

特開平１０−３２８８３１号公報 特開２０１１−１３８２７５号公報

一般的に、多間接ロボットは強力なアクチュエータを用いるために腕が太く、狭隘かつ先端で角度を振らなければならないような部位（たとえば、複雑形状を持つ狭隘部分の隅肉溶接）では、適用が困難である。このような部位に対しては、溶接士が手作業で溶接するのが一般的である。また、仮に多関節ロボットに先端回転用の軸（先端回転軸）を付加する場合、制御が複雑化し、コストの増大を招く。しかも、ロボットを製作し得る事業者でなければ、そのような特製のロボットを実用化するのは困難である。

そこで、安価な直交ロボットにそのような先端回転軸を組み合わせて用いることが考えられる。直交座標で制御されるアクチュエータは制御が単純であり、ロボットメーカーでなくとも実用的な動作をさせる制御装置の製作が可能である。しかしその場合でも、回転を行う付加軸があるため、溶接位置の座標が直交ロボット側のみで決定できないという問題がある。よって、制御を行うためには、先端回転軸を含めた複雑な座標位置計算を行いつつ、位置制御をする必要が生じる。また、先端回転軸は、その目的からいって機械的には高い強度を有しない。そのため、先端回転軸の回転により座標が変化する場合は、誤差もそれだけ増幅されてしまうという問題点もある。

本発明は、溶接点に向けられた先端アームの角度を変化させても、溶接点の位置を変化させないようにできる溶接装置を提供する。

本発明の一態様に係る溶接装置は、トーチの軸線上にある溶接点において溶接を行う溶接装置であって、ベースと、ベースに取り付けられた第１アームと、ベースから突出する位置に配置され、第１アームに対して回転可能な第２アームと、第２アームに取り付けられたトーチと、ベースに設けられ、ベースに対して第１アームを移動させるアクチュエータと、第１アームの角度変化または第１アームに取り付けられた第１回転体の回転に対応させて第２アームの角度を変化させる連結機構と、を備える。

この溶接装置によれば、アクチュエータは、第１アームを移動させる。第１アームの角度が変化する、または、第１アームの移動によって第１回転体が回転すると、連結機構によって、これらの角度変化や回転に対応して第２アームの角度が変化する。第２アームの角度が変化することにより、たとえば狭隘部や複雑形状を持つ部分に第２アームを配置することができる。このように、ベース側（手元側）におけるアクチュエータの制御によって、トーチ側（先端側）の第２アームの角度を変化させることができる。さらに、ベース側の第１アームの位置を調整すれば、トーチの軸線上の溶接点の位置を不変とすることができる。よって、溶接点に向けられた先端側の第２アームの角度を変化させても、溶接点の位置を変化させないようにできる。すなわち、溶接点を中心に第２アームが回転する機構が実現され得る。

いくつかの態様において、第２アームは第１アームに連結されており、アクチュエータは、第１方向に延びる第１アームを平行移動させるものであり、連結機構は、第１アームに取り付けられ、第１アームの平行移動に伴って第１アームに対して回転する第１回転体と、第１アームと第２アームとの間に配置されると共に第２アームに連結された第２回転体と、を含み、第１回転体と第２回転体とは同じ位相で回転するように構成されており、連結機構は、第１回転体の回転に対応させて第２回転体を回転させ、第２回転体を中心として第２アームの角度を変化させる。この構成によれば、手元側の第１回転体を回転させることにより、先端側の第２回転体を同じ位相で回転させることができる。したがって、第２アームの所望の角度に対応させて第１回転体を回転させればよく、第２アームの回転制御が一層容易である。

いくつかの態様において、連結機構は、第１回転体および第２回転体に係合し第１回転体の回転を第２回転体に伝達するワイヤを含み、ワイヤが係合する第１回転体の外周部の直径と第２回転体の外周部の直径とは等しい。この構成によれば、第１回転体と第２回転体とは、同じ直径を有する部分に係合されたワイヤを介して連動して回転する。上記した第１回転体と第２回転体とを同じ位相で回転させる制御を簡易な構成で実現できる。また、先端側の構成（すなわち第２回転体および第２アームの周辺の構成）がコンパクト化され得る。

いくつかの態様において、第１アームとベースとの間に設けられ、第１アームが第１方向と第１方向に直交する第２方向との両方に移動可能であるように、第１アームを支持する支持機構と、第１回転体が一端に取り付けられ、第１方向および第２方向のいずれにも直交する第３方向に延びる軸部と、ベースに形成され、軸部の他端が配置される円弧状の長孔であって、第２アームの第２回転体を中心とする回転半径と同じ曲率半径を有する長孔と、軸部の他端が長孔内で移動することにより、他端が移動した中心角と同じ角度だけ第１回転体をさせる回転機構と、を備える。この構成によれば、第１アームの移動に伴って、第１回転体に取り付けられた軸部がベースの長孔内で所定の中心角をもって移動することにより、第１回転体が、中心角と同じ角度だけ回転する。そして、第２回転体も、それと同じ角度だけ回転する。第１アームは平行移動するので、長孔の曲率中心と第１回転体とを結んだ直線は、溶接点と第２回転体とを結んだ直線と平行を保つ。ベースに形成された長孔の曲率中心は一定であるから、溶接点の位置も変化しない。なお、「だけ」との語は、「のみ」または「ほんの」を意味するのではなく、「その量（角度等）で」を意味する。

いくつかの態様において、第１アームと第２アームとの間に設けられ、基端が第１アームの先端に回転可能に連結されると共に先端が第２アームの基端に回転可能に連結された第３アームを備え、第１アームの長さと第２アームの長さとは等しく、連結機構は、第１方向に延びる第３アームを平行移動させると共に、第３アームに垂直な仮想平面に関して第１アームと第２アームとが面対称に回転するように構成されており、アクチュエータは、第１アームの基端を第１方向に沿って移動させるものであり、連結機構は、第１アームの角度変化に対応させて第２アームの角度を変化させる。この構成によれば、手元側の第１アームの基端を第１方向に沿って移動させることにより、第３アームは平行移動し、第１アームの先端は第３アームに対して回転する。このとき、第２アームは、第１アームと対称に回転する。したがって、第２アームの所望の角度に対応させて第１アームを回転させればよく、第２アームの回転制御が一層容易である。

本発明のいくつかの態様によれば、溶接点に向けられた先端側の第２アームの角度を変化させても、溶接点の位置を変化させないようにできる。

本発明の第１実施形態に係る溶接装置の連結機構を概念的に説明するための図である。 図２の（ａ）および図２の（ｂ）は、第１実施形態に係る溶接装置の動作を概念的に説明するための図である。 第１実施形態に係る溶接装置を示す平面図である。 図３の溶接装置を示す断面図である。 図５の（ａ）、図５の（ｂ）、および図５の（ｃ）は、それぞれ、第１アームと第２アームを示す平面図、側面図、底面図である。 第２アームおよびトーチを先端側から見て示す図である。 第１実施形態の変形例に係る溶接装置を示す斜視図である。 図７の溶接装置の第１の状態を示す斜視図である。 図７の溶接装置の第２の状態を示す斜視図である。 図７の溶接装置の第３の状態を示す斜視図である。 図７の溶接装置の第４の状態を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る溶接装置の連結機構を概念的に説明するための図である。 図１３の（ａ）、図１３の（ｂ）、および図１３の（ｃ）は、第２実施形態に係る溶接装置の動作を概念的に説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。以下の説明において、「前」、「後」、「左」、「右」との語は、ベース２から溶接点Ｓを見た方向を基準とする。すなわち、Ｙ軸の正方向は前方であり、Ｙ軸の負方向は後方である。Ｘ軸の正方向は右方であり、Ｘ軸の負方向は左方である。

まず、図１および図２を参照して、第１実施形態に係るギヤ式の溶接装置１について説明する。図１および図２は、溶接装置１を概念的に示している。溶接装置１は、所定の溶接点Ｓにおいて溶接を行う装置である。溶接装置１は、先端アーム２０が回転しても溶接点Ｓの位置（座標）を変化させないような機構を有している。溶接装置１は、円盤３を含むベース２と、ベース２に固定された一対の縦スライダ８，８と、縦スライダ８，８に対して端部７ａおよび端部７ｂが連結された横スライダ７と、を備える。溶接装置１は、さらに、横スライダ７に取り付けられ、横スライダ７上を移動可能であるギヤ（第１回転体）４と、ベース２から突出する位置に配置されたギヤ（第２回転体）１４と、を備える。

円盤３は、中心３ａと、円弧３ｂとを含む。中心３ａおよび円弧３ｂは、直線状の仮想ライン５によって連結される。仮想ライン５の長さ、すなわち中心３ａと円弧３ｂとの距離は、半径Ｌに相当する。ギヤ４は中心４ａを含み、ギヤ１４は中心１４ａを含む。ギヤ４およびギヤ１４は、直線状の連結ライン１０によって連結されている。より詳しくは、ギヤ４の外周部に設けられた連結点６と、ギヤ１４の外周部に設けられた連結点１６とにおいて、ギヤ４およびギヤ１４が連結されている。

ギヤ１４には、先端アーム（第２アーム）２０が回転可能に連結されている。先端アーム２０は、ベース２からＹ軸方向に突出する位置に配置される。溶接点Ｓは、先端アーム２０の先端付近に位置する。先端アーム２０の長さ（詳しくは溶接点Ｓまでの長さ）は、上記した円盤３の半径Ｌと等しい。

ベース２には、図示されないベースアーム（第１アーム）が取り付けられる。ベースアームの基端には、中心４ａを介して、ギヤ４が取り付けられる。ベースアームの先端には、先端アーム２０が連結される。ベースアームの先端と先端アーム２０との間には、ギヤ１４が配置される。ギヤ１４は、中心１４ａを介して、先端アーム２０に固定される。先端アーム２０には、トーチが取り付けられる。なお、図１および図２では、ベースアームおよびトーチの図示は省略されている。

溶接装置１は、ギヤ４の回転に対応させて先端アーム２０の角度を変化させる連結機構Ｍを備えている。この連結機構Ｍは、縦スライダ８，８および横スライダ７と、円盤３と、ギヤ４およびギヤ１４と、を含む。

横スライダ７は、Ｘ軸に平行である。縦スライダ８，８は、Ｙ軸に平行である。Ｙ軸は、Ｘ軸に直交する。横スライダ７は、端部７ａおよび端部７ｂが縦スライダ８，８上を移動可能であることにより、Ｙ軸方向に沿って平行移動可能である。ギヤ４の中心４ａは、横スライダ７上を移動するとともに、円弧３ｂ上を移動する。ギヤ４は、円盤３の中心３ａに対してある中心角をもって移動すると、その中心角と同じ角度だけ回転する。

連結ライン１０は、たとえば、図示されないベースアームに取り付けられている。ベースアームは、たとえばＸ軸方向に沿って平行移動する。これにより、連結ライン１０も平行移動する。なお、ベースアームは、横スライダ７に対して連結されて、Ｘ軸方向に沿って移動可能であってもよい。ギヤ４が円弧３ｂ上を移動することにより、連結ライン１０のＹ軸方向の位置は変化する。連結ライン１０の両端に位置する連結点６と連結点１６は、中心４ａと中心１４ａに対して、同じ位相で移動する。すなわち、ギヤ４と中心１４ａは、同じ位相で回転する。ギヤ１４は、ギヤ４と同じ角度だけ回転する。言い換えれば、ギヤ４からギヤ１４へと、連結ライン１０を経由して回転角度が伝達される。

溶接装置１は、横スライダ７を移動させることによりギヤ４を移動させるアクチュエータ１１と、アクチュエータ１１を制御するコントローラ２５とを備える。アクチュエータ１１として、様々なタイプの公知のアクチュエータが用いられ得る。コントローラ２５は、アクチュエータ１１を制御することにより、縦スライダ８，８に沿って横スライダ７を平行に移動させる。なお、アクチュエータ１１は、円盤３を回転させる態様であってもよい。その場合、円盤３は中心３ａの周りを回転可能であり、ギヤ４は、円盤３の円周（円弧３ｂ）上の一点に取り付けられてもよい。

横スライダ７の移動に伴い、ギヤ４は、回転しながら円弧３ｂ上を移動する。ギヤ４の移動および回転に伴い、ギヤ１４も移動および回転する。ギヤ１４の中心１４ａの移動軌跡は、中心４ａの移動軌跡すなわち円弧３ｂと同じ直径を有する。その移動軌跡のＸ軸における位置は、円弧３ｂと同じである。このように、溶接装置１の連結機構Ｍは、円盤３によって先端アーム２０の動きを単純に再現できるように構成されている。横スライダ７および縦スライダ８，８によって位置補正を実施可能になっている。以下の説明において、図１に示される連結機構Ｍ（ギヤ４、ギヤ１４、連結ライン１０等）の状態を初期状態という。

図２の（ａ）および図２の（ｂ）を参照して、連結機構Ｍによる先端アーム２０の角度変化について説明する。図２の（ａ）に示されるように、コントローラ２５によってアクチュエータ１１が駆動制御されて、横スライダ７が移動すると、ギヤ４は、初期状態を基準として、角度θ１（中心３ａに対する中心角）だけ移動する。それと同時に、ギヤ４は、その角度θ１だけ回転する。連結ライン１０を介して連動するギヤ１４は、ギヤ４と同じ軌跡をたどり、同じ角度θ１だけ回転する。その結果、溶接点Ｓの位置は維持された状態（溶接点Ｓの位置は不変）で、先端アーム２０の角度は変化する。このときの角度変化は、初期状態を基準として角度θ１である。

図２の（ｂ）に示されるように、コントローラ２５によってアクチュエータ１１が駆動制御されて、横スライダ７が更に移動すると、ギヤ４は、初期状態を基準として、角度θ２だけ移動する。それと同時に、ギヤ４は、その角度θ２だけ回転する（角度θ１＜角度θ２）。連結ライン１０を介して連動するギヤ１４は、ギヤ４と同じ軌跡をたどり、同じ角度θ２だけ回転する。その結果、溶接点Ｓの位置は維持された状態（溶接点Ｓの位置は不変）で、先端アーム２０の角度は変化する。このときの角度変化は、初期状態を基準として角度θ２である。

このようにして、連結機構Ｍを備えた溶接装置１によれば、溶接点Ｓの位置を不変とすることができる。言い換えれば、溶接点Ｓに向けられた先端アーム２０の角度を変化させても、溶接点Ｓの位置を変化させないようにできる。このように、手元側のアクチュエータ１１、横スライダ７、およびギヤ４の移動・回転を制御することにより、先端側の先端アーム２０の姿勢を制御できる。

続いて、図３〜図６を参照して、第１実施形態に係る溶接装置についてより詳細に説明する。図３および図４に示されるように、溶接装置１００は、たとえばＴＩＧ溶接（tungsten inert gas arc welding）を行うための装置である。なお、溶接装置１００は、ＴＩＧ溶接とは別のアーク溶接を行うための装置であってもよい。溶接装置１００には、たとえば、溶接電源、ワイヤ送給機、シールドガス用の不活性ガスボンベ（いずれも図示されず）が接続されている。溶接部５０のトーチ５１ａに対して接続される溶接に必要な機器や部品は、公知の機器や部品であってよい。

溶接装置１００は、トーチ５１ａの軸線上にある溶接点Ｓにおいて溶接を行う。溶接装置１００は、矩形状のベース３０と、ベース３０に取り付けられたベースアーム（第１アーム）３８と、ベース３０から突出する位置に配置され、ベースアーム３８に対して回転可能な先端アーム５１（第２アーム）と、を備える。先端アーム５１の先端には、トーチ５１ａが取り付けられている。

溶接装置１００は、ベース３０から突出したベースアーム３８と、ベースアーム３８の先端に連結された先端アーム５１と、先端アーム５１の先端に取り付けられたトーチ５１ａとを備えることにより、狭隘かつ先端で角度を振らなければならないような部位（たとえば、複雑形状を持つ狭隘部）において溶接を行う。たとえば、溶接装置１００は、原子力機器等に適用されてもよく、より詳しくは、回転体等に取り付けられる翼のハブに対する接合等に適用されてもよい。たとえば、複数の翼が配列されている場合、翼間の距離は小さくなり得る。溶接装置１００は、そのような狭隘部に先端アーム５１を配置し、溶接点Ｓを所望の位置に配置する。

溶接装置１００は、図１および図２に示された溶接装置１を具現化した装置である。すなわち、溶接装置１００は、先端アーム５１が回転しても溶接点Ｓの位置（座標）を変化させないような機構（すなわち連結機構Ｍ）を有している。

ベースアーム３８は、ベース３０から離れるようにして真っ直ぐに延びており、第１方向に延在する。この第１方向は、溶接装置１におけるＹ軸方向（正方向も負方向も含む）に相当する。ベース３０は、溶接装置１００の全体が固定される溶接装置取付部（図示されず）に固定される矩形のメインベース３１を備える。固定されたメインベース３１は、溶接作業の間、移動することがなくてもよいし、溶接装置取付部の移動に伴って移動してもよい。溶接装置取付部が移動する場合は、コントローラ２５は、少なくともメインベース３１の位置（座標）に関する情報を入力し得る。

ベースアーム３８とメインベース３１との間には、メインベース３１上で、第１方向に移動可能な可動ベース３５が設けられている。第２方向は、第１方向に直交する方向であり、溶接装置１におけるＸ軸方向（正方向も負方向も含む）に相当する。溶接装置１００において、左右方向はＸ軸方向（第２方向）に相当し、前後方向はＹ軸方向（第１方向）に相当する。

メインベース３１の左右の両端部には、前後方向に延びる一対の縦スライダ３３，３３が固定されている。メインベース３１の後端部には、左右方向に延びる１本の横スライダ３２が取り付けられている。縦スライダ３３，３３は互いに平行なレールであり、横スライダ３２は、縦スライダ３３，３３に直交する。横スライダ３２は、たとえば、ねじが形成されたスクリュー軸であり、その中心軸線周りで回転自在に取り付けられている。

ベースアーム３８とメインベース３１との間には、縦スライダ３３，３３に連結されて前後方向に移動可能な可動ベース３５が設けられている。可動ベース３５の左右の両端部は、縦スライダ３３，３３上に載置されている。可動ベース３５の左右の両端部に車輪が設けられることで、可動ベース３５が縦スライダ３３，３３上を走行してもよい。可動ベース３５は、縦スライダ３３，３３に対して摺動してもよい。

さらに、ベースアーム３８の基端部３８ａは、この可動ベース３５上で、左右方向に移動可能である。基端部３８ａの前後の両端部は、可動ベース３５上に載置されている。基端部３８ａの前後の両端部に車輪が設けられることで、基端部３８ａが可動ベース３５上を走行してもよい。基端部３８ａは、可動ベース３５に対して摺動してもよい。

ベースアーム３８の基端部３８ａには、基端部３８ａから後方に突出する突出軸３７が固定されている。一方、横スライダ３２には、ブロック状のホルダ３６が取り付けられている。ホルダ３６は内部にボールスクリューを含み、ボールスクリューに横スライダ３２が螺合している。ホルダ３６上には前後方向に貫通する孔部を含むガイド部３６ａが設けられている。突出軸３７は、ガイド部３６ａの孔部を貫通している。ガイド部３６ａは、突出軸３７しいてはベースアーム３８の前後方向の移動を許容する。

メインベース３１には、横スライダ３２を回転させるモータ３４が固定されている。横スライダ３２は、図１に示されるコントローラ２５によって制御され得る。

モータ３４が横スライダ３２を回転させると、その回転方向および回転量に応じて、ホルダ３６が左右に移動する。ホルダ３６の移動に伴って、ベースアーム３８の全体が左右に移動する。その間、ベースアーム３８は、後述する別の機構によって所定の軌道上に案内され、前後方向にも僅かに移動する。ベースアーム３８の前後方向への移動は、上記のガイド部３６ａによって案内される。

以上説明したように、溶接装置１００は、ベースアーム３８とメインベース３１との間に設けられ、ベースアーム３８が前後方向と左右方向との両方に移動可能であるように、ベースアーム３８を支持する支持機構を備える。支持機構は、横スライダ３２、縦スライダ３３、可動ベース３５、ホルダ３６、および突出軸３７を含む。モータ３４は、アクチュエータに相当する。支持機構によって、ベースアーム３８は、前後方向に延在した状態で、左右方向および前後方向に移動可能である。

メインベース３１の前部には、メインベース３１の矩形状の本体部よりもやや高い位置で前方に突出する突出片３１ｂが設けられている。突出片３１ｂには、ベースアーム３８を円弧状に移動させるための中心軸３９が設けられている。中心軸３９は、左右方向および前後方向のいずれにも直交する上下方向に延びており、突出片３１ｂ上に立設されている。この中心軸３９とベースアーム３８の基端部３８ａとの間には、搖動アーム４０が設けられている。搖動アーム４０は、前端が中心軸３９に連結された第１部材４１と、第１部材４１の後ろ側に接続される第２部材４２とを含む。第１部材４１と第２部材４２とは一直線状をなしており、中心軸３９を中心とする径方向に延びる。

第１部材４１は、中心軸３９を中心に揺動可能である。第１部材４１の後端部４１ａ（中心軸３９から遠い方の端部）と、第２部材４２の前端部４２ｃ（中心軸３９に近い方の端部）とは、互いにフリーに嵌合している。たとえば、前端部４２ｃの２枚の保持板の間に、後端部４１ａが配置されている。

第２部材４２の後端部（中心軸３９から遠い方の端部）は、円板状の第１回転体４２ａとされている。第１回転体４２ａは、ベースアーム３８の基端部３８ａに取り付けられている。より詳しくは、第１回転体４２ａは、板状の基端部３８ａに沿うようにして、メインベース３１に平行に配置されている。図４に示されるように、第１回転体４２ａの厚みは、第２部材４２のアーム部の厚みより大きくなっており、それによって第１回転体４２ａの上部はアーム部の上面よりも突出している。

第２部材４２の中心には、上下方向に延びる軸線を有する軸部４２ｂが設けられている。軸部４２ｂの上端は第１回転体４２ａに取り付けられている。軸部４２ｂは、基端部３８ａを貫通すると共に、可動ベース３５に形成された左右に延びる長孔３５ａを貫通する。軸部４２ｂの下端は、メインベース３１に達している。

メインベース３１には、円弧状の長孔３１ａが形成されており、この長孔３１ａ内に軸部４２ｂの下端が配置されている。軸部４２ｂの下端には、長孔３１ａ内に配置され長孔３１ａに沿って移動する軸受が取り付けられてもよい。軸部４２ｂの下端は、長孔３１ａの内壁面によって案内される。軸部４２ｂの下端が長孔３１ａ内で移動することにより、搖動アーム４０は、中心軸３９を中心として所定の角度だけ揺動する。

ベースアーム３８は、中心軸３９と、搖動アーム４０と、メインベース３１の長孔３１ａとによって、移動範囲を規制されている。すなわち、ベースアーム３８の基端部３８ａは、中心軸３９を中心とする円弧、すなわち長孔３１ａに沿った軌道に案内される。

モータ３４によってホルダ３６が左右に移動すると、ベースアーム３８の全体が左右に移動するが、軸部４２ｂの下端が長孔３１ａの内壁面によって案内されることにより、基端部３８ａは、円弧状に移動する。すなわち、ベースアーム３８は、左右に移動すると共に、前後に移動する。この際、基端部３８ａは可動ベース３５上を左右に移動し、可動ベース３５はメインベース３１上を前後に移動する。軸部４２ｂは可動ベース３５の長孔３５ａ内を左右に移動する。

軸部４２ｂの下端が長孔３１ａ内で移動することにより、当該下端が移動した中心角と同じ角度だけ、第１回転体４２ａは回転する。言い換えれば、第１回転体４２ａは、ベースアーム３８に取り付けられ、ベースアーム３８の平行移動に伴ってベースアーム３８に対して回転する。このように、溶接装置１００は、ベースアーム３８の基端部３８ａに取り付けられた第１回転体４２ａが移動した中心角と同じ角度だけ第１回転体４２ａを回転させる第１回転機構を備える。第１回転機構は、中心軸３９と、搖動アーム４０とを含む。

溶接装置１００において、アクチュエータに相当するモータ３４は、前後方向に延びるベースアーム３８を平行移動させる。第１回転体４２ａは、溶接装置１のギヤ４に相当し、軸部４２ｂは中心４ａに相当する。搖動アーム４０は仮想ライン５に相当し、搖動アーム４０の長さ（中心軸３９と軸部４２ｂとの中心間距離）は半径Ｌに相当する。

先端アーム５１は、第２回転体４６を介してベースアーム３８の先端部３８ｂに連結されている。より詳しくは、円板状の第２回転体４６は、ベースアーム３８の先端部３８ｂと先端アーム５１との間に配置されている。先端アーム５１は、ブロック状の保持部５３によって保持されており、保持部５３の一部が、第２回転体４６に連結されている。このようにして、第２回転体４６は、先端アーム５１に対して連結されている。

第２回転体４６の中心には、上下方向に延びる軸部４６ａが設けられている。軸部４６ａの中心を通る回転軸線Ｌ２と溶接点Ｓとの間の距離は、先端アーム５１の回転軸線Ｌ２を中心とする回転半径に相当する。上記した長孔３１ａは、その回転半径と同じ曲率半径を有する。長孔３１ａ（またはその内壁面）は、溶接装置１の円盤３の円弧３ｂに相当する。

第２回転体４６の高さと、第１回転体４２ａの高さとは等しい。溶接装置１００は、第１回転体４２ａおよび第２回転体４６に係合し、第１回転体４２ａの回転を第２回転体４６に伝達するワイヤ４３を備える。ワイヤ４３が係合する第１回転体４２ａの外周部の直径と、ワイヤ４３が係合する第２回転体４６の外周部の直径とは、等しい（図３参照）。

ワイヤ４３の移動によって第１回転体４２ａの回転が第２回転体４６に伝達されると、第２回転体４６と、先端アーム５１およびトーチ５１ａを含む溶接部５０とが、軸部４６ａを中心に回転する。

以上の構成により、第１回転体４２ａと第２回転体４６とは、同じ位相で回転するように構成されている。すなわち、溶接装置１００の連結機構Ｍは、第１回転体４２ａと、ワイヤ４３と、第２回転体４６とを含む。連結機構Ｍは、第１回転体４２ａの回転に対応させて第２回転体４６を回転させ、軸部４６ａを中心として先端アーム５１の角度を変化させる。第１回転体４２ａの中心を通る回転軸線Ｌ１と、第２回転体４６の中心を通る回転軸線Ｌ２とは、互いに平行であり、上下方向に延びる。

第２回転体４６の回転軸線Ｌ２と溶接点Ｓとの間の距離は、搖動アーム４０の長さ（中心軸３９と軸部４２ｂとの中心間距離）に等しく、したがって、溶接装置１の半径Ｌに相当する。

図３〜図６を参照して、溶接部５０の回転機構について説明する。溶接装置１００は、第２回転体４６に対して溶接部５０を回転させるトーチ回転機構（第２回転機構）６０を更に備える。トーチ回転機構６０は、ベースアーム３８に取り付けられた操作部６８と、操作部６８に連結されて上下方向に延びる回転軸線を中心に回転するベベルギヤ６１と、ベベルギヤ６１に噛み合い、前後方向に延びる回転軸線中心に回転するベベルギヤ６２と、を含む。トーチ回転機構６０は、後方のユニバーサルジョイント６４を介してベベルギヤ６２の軸に連結される連結バー６３と、前方のユニバーサルジョイント６４を介して連結バー６３に連結される先端部６６と、を含む。この先端部６６は第２回転体４６に対して固定されている。先端部６６には、操作部６８からの回転駆動力が伝達されるようになっている。先端部６６には、その回転駆動力によって回転させられるギヤ群６７が取り付けられている。図６に示されるように、保持部５３には、ギヤ群６７に噛み合うインナーギヤ５２が設けられている。インナーギヤ５２は、溶接点Ｓを通る回転軸線Ｌ３を中心に形成されている（図５の（ａ）〜図５の（ｃ）参照）。

第２回転体４６の回転軸線Ｌ２と、トーチ回転機構６０におけるインナーギヤ５２の回転軸線Ｌ３とは、交差する。操作部６８が回転すると、先端アーム５１およびトーチ５１ａを含む溶接部５０の全体が、回転軸線Ｌ３を中心に回転する。回転軸線Ｌ３は溶接点Ｓを通るように構成されているので、溶接部５０が回転する際にも、溶接点Ｓの位置（座標）は変化しない。

コントローラ２５は、ベースアーム３８の移動量または第１回転体４２ａの回転角度を検出する機能を有してもよく、回転軸線Ｌ２を中心とする先端アーム５１の回転角度を検出する機能を有してもよい。第１回転体４２ａおよび／または第２回転体４６にエンコーダが設けられてもよい。先端アーム５１に観察用カメラが設けられてもよい。

溶接装置１００によれば、モータ３４は、ベースアーム３８を移動させる。ベースアーム３８の移動によって第１回転体４２ａが回転すると、連結機構Ｍによって、その回転に対応して先端アーム５１の角度が変化する。先端アーム５１の角度が変化することにより、たとえば狭隘部や複雑形状を持つ部分に先端アーム５１を配置することができる。このようにベース３０側（手元側）におけるモータ３４の制御によって、トーチ５１ａ側（先端側）の先端アーム５１の角度を変化させることができる。さらに、ベース３０側のベースアーム３８の位置を調整すれば、溶接点Ｓの位置を不変とすることができる。よって、溶接点Ｓに向けられた先端側の先端アーム５１の角度を変化させても、溶接点Ｓの位置は変化しない。すなわち、溶接点Ｓを中心に先端アーム５１が回転する機構が実現されている。これにより、直交ロボットの制御ソフトウェアをそのまま活用することも可能である。また、直交ロボット、あるいは、多関節ロボット、その他回転軸等を含むロボットが溶接装置１００に用いられてもよいが、溶接装置１００では、軸の機能をもって溶接点の位置制御を完結するようにできる。その結果として、制御方法を簡便化することができる。

第１回転体４２ａと第２回転体４６とは同じ位相で回転するように構成されており、連結機構Ｍは、第１回転体４２ａの回転に対応させて第２回転体４６の角度を変化させる。この構成によれば、手元側の第１回転体４２ａを回転させることにより、先端側の第２回転体４６を同じ位相で回転させることができる。したがって、先端アーム５１の所望の角度に対応させて第１回転体４２ａを回転させればよく、先端アーム５１の回転制御が一層容易になっている。

第１回転体４２ａと第２回転体４６とは、同じ直径を有する部分に係合されたワイヤ４３を介して連動して回転する。したがって、第１回転体４２ａと第２回転体４６とを同じ位相で回転させる制御を簡易な構成で実現できる。また、先端側の構成（すなわち第２回転体４６および先端アーム５１の周辺の構成）がコンパクト化されている。

軸部４２ｂと長孔３１ａと回転機構を備える構成によれば、ベースアーム３８の移動に伴って、軸部４２ｂがベース３０の長孔３１ａ内で所定の中心角をもって移動することにより、第１回転体４２ａが、その中心角と同じ角度だけ回転する。そして、第２回転体４６も、それと同じ角度だけ回転する。ベースアーム３８は平行移動するので、長孔３１ａの曲率中心である中心軸３９と第１回転体４２ａとを結んだ直線は、溶接点Ｓと第２回転体４６とを結んだ直線と平行を保つ。ベース３０に形成された長孔３１ａの曲率中心は一定であるから、溶接点Ｓの位置も変化しない。回転軸の動きを伝える部分にワイヤを使用することにより先端をより小型に構成することを可能としている。

溶接装置１００では、追加の回転軸線Ｌ３が設けられている。回転軸線Ｌ３周りのストロークを大きくする必要はないので、インナーギヤ５２を用いて回転中心を空間として、回転中心に溶接点Ｓが来るように構成することにより、溶接点Ｓの位置を移動させることなく、先端アーム５１を回転する機能を実現している。なお、インナーギヤ５２に代えて、中心部が切り欠かれた通常のギヤを用いてもよい。

図７〜図１１を参照して、溶接装置１００の変形例に係る溶接装置１００Ａについて説明する。溶接装置１００Ａは、溶接装置１００のトーチ回転機構６０に代えて、第２回転体４６に対して溶接部５０を回転させるトーチ回転機構（第２回転機構）７０を備える。トーチ回転機構７０は、ベースアーム３８に取り付けられたモータ（図示されない）と、モータで発生した回転駆動力を連結バー７３に伝達する後方のユニバーサルジョイント７４と、前方のユニバーサルジョイント７４を介して連結バー７３に連結される先端部７６と、を含む。この先端部７６は第２回転体４６に対して固定されている。先端部７６には、モータからの回転駆動力が伝達されるようになっている。先端部７６には、その回転駆動力によって回転させられるギヤ群７７が取り付けられている。溶接部５０には、ギヤ群７７に噛み合う扇状のギヤ５２Ａが設けられている。ギヤ５２Ａは、溶接点Ｓを通る回転軸線Ｌ３を中心に形成されている。第２回転体４６の下方には、ワイヤガイドＧが前方の溶接点Ｓに向けて延びている。

第２回転体４６の回転軸線Ｌ２と、トーチ回転機構７０におけるギヤ５２Ａの回転軸線Ｌ３とは、交差する。モータが回転すると、トーチ５１ａを含む溶接部５０の全体が、回転軸線Ｌ３を中心に回転する。回転軸線Ｌ３は溶接点Ｓを通るように構成されているので、溶接部５０が回転する際にも、溶接点Ｓの位置（座標）は変化しない。

図７に示されるように、ベースアーム３８は左右方向の中央に位置している（上記した初期状態）。図８に示されるように、モータ３４によってベースアーム３８が左方に移動させられると、ベースアーム３８は僅かに前方へ移動すると共に、溶接部５０は回転軸線Ｌ２を中心に、（上から見て時計回りに）回転する。その結果、初期状態から、第２回転体４６およびギヤ群７７等の角度は変化しているが、溶接点Ｓの位置は変化していない。

図９に示されるように、トーチ回転機構７０によって、溶接部５０は回転軸線Ｌ３を中心に、（前から見て反時計回りに）回転する。その結果、トーチ５１ａの角度は変化しているが、溶接点Ｓの位置は変化していない。

図１０に示されるように、モータ３４によってベースアーム３８が右方に移動させられると、ベースアーム３８は僅かに前方へ移動すると共に、溶接部５０は回転軸線Ｌ２を中心に、（上から見て反時計回りに）回転する。その結果、初期状態から、第２回転体４６およびギヤ群７７等の角度は変化しているが、溶接点Ｓの位置は変化していない。

図１１に示されるように、トーチ回転機構７０によって、溶接部５０は回転軸線Ｌ３を中心に、（前から見て反時計回りに）回転する。その結果、トーチ５１ａの角度は変化しているが、溶接点Ｓの位置は変化していない。

続いて、図１２および図１３を参照して、第２実施形態に係るリンク式の溶接装置２００について説明する。図１２および図１３は、溶接装置２００を概念的に示している。溶接装置２００は、所定の溶接点Ｓにおいて溶接を行う装置である。溶接装置２００は、先端アーム２２２が回転しても溶接点Ｓの位置（座標）を変化させないような機構を有している。溶接装置２００は、ベース２と、ベース２に固定された一対の縦スライダ８，８と、縦スライダ８，８に対して端部７ａおよび端部７ｂが連結された横スライダ７と、を備える。

溶接リンク機構２２０は、３つのリンクから構成されており、ベース２に取り付けられた基端アーム（第１アーム）２２１と、ベース２から突出する位置に配置され、基端アーム２２１に対して回転可能な先端アーム（第２アーム）２２２と、これらの間の中間アーム（第３アーム）２２３と、を含む。基端アーム２２１、先端アーム２２２、および中間アーム２２３のそれぞれの長さＬは等しい。先端アーム２２２には、トーチ（図示されない）が取り付けられる。

中間アーム２２３の基端は、基端アーム２２１の先端に回転可能に連結されており、中間アーム２２３の先端は、先端アーム２２２の基端に回転可能に連結されている。中間アーム２２３には、溶接装置２００の姿勢を制御するためのアクチュエータ２３０が連結されている。中間アーム２２３はＹ軸方向（第１方向）に延び、平行移動するように構成されている。基端アーム２２１と先端アーム２２２とは、中間アーム２２３に垂直な仮想平面に関して、面対称に回転するように構成されている。基端アーム２２１の基端は、横スライダ７に対して連結されており、その連結点は不動点Ｒとされている（図１２において黒丸で示される）。ただし、基端アーム２２１は、不動点Ｒを中心に回転自在であるように設けられている。

一方、横スライダ７には、入力リンク２０１の一端が連結されており、その連結点は可動点Ｑとされている（図１２において白丸で示される）。入力リンク２０１の他端は、不動点Ｐとされている。すなわち、入力リンク２０１の他端は、装置内の他の箇所に固定されている。ただし、入力リンク２０１は、不動点Ｐを中心に回転自在であるように設けられている。入力リンク２０１の長さ（不動点Ｐと可動点Ｑとの間の距離）は、基端アーム２２１（先端アーム２２２）の回転軸線Ｌ２の２倍である。入力リンク２０１には、入力リンク２０１の姿勢を制御するためのアクチュエータ２１０が連結されている。

溶接装置２００は、アクチュエータ２１０およびアクチュエータ２３０を制御するためのコントローラ２５を備える。コントローラ２５は、アクチュエータ２１０およびアクチュエータ２３０を制御することにより、基端アーム２２１の基端をＹ軸方向に沿って移動させる。連結機構Ｍは、基端アーム２２１の角度変化に対応させて先端アーム２２２の角度を変化させる。

図１３の（a）〜図１３の（ｃ）を参照して、連結機構Ｍによる基端アーム２２１の角度変化について説明する。図１３の（ａ）に示されるように、コントローラ２５によってアクチュエータ２１０が駆動制御されて、入力リンク２０１の角度が変更され、可動点Ｑの移動に伴い横スライダ７が移動すると、溶接リンク機構２２０は、アクチュエータ２３０の制御により不動点Ｐ側に台形状に折れ曲がる。すなわち、中間アーム２２３は平行移動し、基端アーム２２１および先端アーム２２２は角度β１だけ回転する。不動点Ｒは横スライダ７上に位置するが、Ｘ軸方向には動かない。基端アーム２２１と先端アーム２２２とが逆方向に回転することで、溶接点Ｓの位置は変化しない。なお、不動点ＲのＹ軸方向の位置は移動距離ｄ＝２Ｌ（１−ｃｏｓ（β１））だけ動くが、この移動距離ｄが、基端アーム２２１および先端アーム２２２の各移動距離であるＬ（１−ｃｏｓ（β１））を相殺しており、溶接点Ｓの位置（座標）
は変化しない。

図１３の（ｂ）に示されるように、コントローラ２５によってアクチュエータ２１０が駆動制御されて、入力リンク２０１の角度が変更され、可動点Ｑの移動に伴い横スライダ７が移動すると、溶接リンク機構２２０は、アクチュエータ２３０の制御により不動点Ｐ側に台形状に更に折れ曲がる。すなわち、中間アーム２２３は平行移動し、基端アーム２２１および先端アーム２２２は角度β２だけ回転する。不動点Ｒは横スライダ７上に位置するが、Ｘ軸方向には動かない。基端アーム２２１と先端アーム２２２とが逆方向に回転することで、溶接点Ｓの位置は変化しない。

図１３の（ｃ）に示されるように、コントローラ２５によってアクチュエータ２１０が駆動制御されて、入力リンク２０１の角度が変更され、可動点Ｑの移動に伴い横スライダ７が移動すると、溶接リンク機構２２０は、アクチュエータ２３０の制御により不動点Ｐとは反対側に台形状に折れ曲がる。すなわち、中間アーム２２３は平行移動し、基端アーム２２１および先端アーム２２２は逆方向に角度β３だけ回転する。不動点Ｒは横スライダ７上に位置するが、Ｘ軸方向には動かない。基端アーム２２１と先端アーム２２２とが逆方向に回転することで、溶接点Ｓの位置は変化しない。

溶接装置２００によれば、溶接点Ｓの位置を不変とすることができる。言い換えれば、溶接点Ｓに向けられた基端アーム２２１の角度を変化させても、溶接点Ｓの位置を変化させないようにできる。このように、アクチュエータ２１０、入力リンク２０１、横スライダ７、および溶接リンク機構２２０の回転を制御することにより、先端側の先端アーム２２２の姿勢を制御できる。

溶接装置２００によれば、手元側の基端アーム２２１の基端をＹ軸方向に沿って移動させることにより、中間アーム２２３は平行移動し、基端アーム２２１の先端は中間アーム２２３に対して回転する。このとき、先端アーム２２２は、基端アーム２２１と対称に回転する。したがって、先端アーム２２２の所望の角度に対応させて基端アーム２２１を回転させればよく、先端アーム２２２の回転制御が一層容易である。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。上記したギヤ式またはリンク式の連結機構Ｍを実現する態様は、当業者が設計し得る範囲において、適宜に変更可能である。たとえば、溶接装置１００または溶接装置１００Ａにおいて、第１部材４１と第２部材４２とからなる搖動アーム４０に代えて、２つの扇状のギヤが噛み合う機構を採用してもよい。その場合、前側のギヤが中心軸３９を中心にして突出片３１ｂに固定され、後ろ側のギヤが前側のギヤに噛み合いながら、軸部４２ｂを中心に回動し得る。

１ 溶接装置
２ ベース
３ 円盤
４ ギヤ
７ 横スライダ
８ 縦スライダ
１０ 連結ライン
１１ アクチュエータ
１４ ギヤ
２０ 先端アーム
２５ コントローラ
３０ ベース
３１ メインベース
３１ａ 長孔
３２ 横スライダ
３３ 縦スライダ
３４ モータ（アクチュエータ）
３５ 可動ベース
３８ ベースアーム（第１アーム）
４０ 搖動アーム
４１ 第１部材
４２ 第２部材
４２ａ 第１回転体
４６ 第２回転体
４６ａ 軸部
５０ 溶接部
５１ 先端アーム（第２アーム）
５１ａ トーチ
１００ 溶接装置
２００ 溶接装置
２０１ 入力リンク
２１０ アクチュエータ
２２０ 溶接リンク機構
２２１ 基端アーム
２２２ 先端アーム
２２３ 中間アーム
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 回転軸線
Ｍ 連結機構
Ｐ 不動点
Ｑ 可動点
Ｒ 不動点
Ｓ 溶接点

Claims (5)

1. トーチの軸線上にある溶接点において溶接を行う溶接装置であって、
   ベースと、
   前記ベースに取り付けられた第１アームと、
   前記ベースから突出する位置に配置され、前記第１アームに対して回転可能な第２アームと、
   前記第２アームに取り付けられた前記トーチと、
   前記ベースに設けられ、前記ベースに対して前記第１アームを移動させるアクチュエータと、
   前記第１アームの角度変化または前記第１アームに取り付けられた第１回転体の回転に対応させて前記第２アームの角度を変化させる連結機構と、を備える溶接装置。
2. 前記第２アームは前記第１アームに連結されており、
   前記アクチュエータは、第１方向に延びる前記第１アームを平行移動させるものであり、
   前記連結機構は、
   前記第１アームに取り付けられ、前記第１アームの平行移動に伴って前記第１アームに対して回転する前記第１回転体と、
   前記第１アームと前記第２アームとの間に配置されると共に前記第２アームに連結された第２回転体と、を含み、
   前記第１回転体と前記第２回転体とは同じ位相で回転するように構成されており、
   前記連結機構は、前記第１回転体の回転に対応させて前記第２回転体を回転させ、前記第２回転体を中心として前記第２アームの角度を変化させる、請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記連結機構は、前記第１回転体および前記第２回転体に係合し前記第１回転体の回転を前記第２回転体に伝達するワイヤを含み、前記ワイヤが係合する前記第１回転体の外周部の直径と前記第２回転体の外周部の直径とは等しい、請求項２に記載の溶接装置。
4. 前記第１アームと前記ベースとの間に設けられ、前記第１アームが前記第１方向と前記第１方向に直交する第２方向との両方に移動可能であるように、前記第１アームを支持する支持機構と、
   前記第１回転体が一端に取り付けられ、前記第１方向および前記第２方向のいずれにも直交する第３方向に延びる軸部と、
   前記ベースに形成され、前記軸部の他端が配置される円弧状の長孔であって、前記第２アームの前記第２回転体を中心とする回転半径と同じ曲率半径を有する長孔と、
   前記軸部の前記他端が前記長孔内で移動することにより、前記他端が移動した中心角と同じ角度だけ前記第１回転体をさせる回転機構と、を備える、請求項２または３に記載の溶接装置。
5. 前記第１アームと前記第２アームとの間に設けられ、基端が前記第１アームの先端に回転可能に連結されると共に先端が前記第２アームの基端に回転可能に連結された第３アームを備え、
   前記第１アームの長さと前記第２アームの長さとは等しく、
   前記連結機構は、第１方向に延びる前記第３アームを平行移動させると共に、前記第３アームに垂直な仮想平面に関して前記第１アームと前記第２アームとが面対称に回転するように構成されており、
   前記アクチュエータは、前記第１アームの前記基端を前記第１方向に沿って移動させるものであり、
   前記連結機構は、第１アームの角度変化に対応させて前記第２アームの角度を変化させる、請求項１に記載の溶接装置。

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