JP2019063829A - 溶接ロボットシステム及び溶接ロボットシステムを用いた溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被溶接物の状態を検出する検出装置にかかるコストの増加を抑えながら、良好な溶接品質を確保することができる溶接ロボットシステム及び溶接ロボットシステムを用いた溶接方法を提供する。【解決手段】溶接ロボットシステムは、ワーク２００の状態を検出する一つの検出装置１２２と、溶接トーチ１０２の進行方向の前方側におけるワーク２００の状態を検出する際には、溶接トーチ１０２の前方側に検出装置１２２を移動させ、溶接トーチ１０２の進行方向の後方側におけるワーク２００の状態を検出する際には、溶接トーチ１０２の後方側に検出装置１２２を移動させるように制御する制御装置とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、溶接ロボットシステム及び溶接ロボットシステムを用いた溶接方法に関する。

従来、溶接作業の自動化のために溶接ロボットが用いられている。かかる溶接ロボットを用いた溶接作業においては、溶接ラインに沿って溶接が行われるようにするために、溶接対象又は溶接状況を検出するセンサが用いられることがある。

例えば特許文献１には、溶接ロボットに取り付けられた溶接トーチの進行方向の前方側に、ワークの開先形状を検出するセンサを配置した構成が記載されている。当該センサにより溶接トーチの狙い位置のずれを検出し、これを補正することにより溶接線に倣って溶接が行われる。

また特許文献２には、溶接トーチの進行方向に追従する位置（溶接トーチの進行方向の後方側）にセンサを設けて溶融池（溶融金属）の形状や温度を観測し、得られた情報に応じて溶接の調整を行うことが記載されている。具体的には、センサにより検出された、予め最適な溶接位置が溶接されている状態での溶融池の形状を登録しておき、当該登録情報に応じて溶接ワイヤ先端の溶接位置及び溶接条件等が調整される。

特開平７−１０４８３１号公報 特開２０００−３５１０７１号公報

特許文献１では、センサにより溶接トーチの狙い位置のずれを検出することが可能であるものの、次のような問題がある。具体的には、より高い溶接品質を担保するために、特許文献１に記載のセンサを用いて溶融池を観測し、観測情報に応じて溶接の調整を行う構成を採用することが考えられるが、センサの取り付け位置の制約上、この構成を採用することが難しい。なぜなら、溶融池を観測するためには、溶融池が溶接トーチの進行方向に追従するように伸びる特性上、当該進行方向に追従する方向（すなわち、溶接トーチの後方側）にセンサを取り付ける必要があるが、特許文献１のように溶接線に倣う制御を行うためには溶接トーチの進行方向の前方側の位置に取り付けられている必要があるためである。

一方、特許文献２には次のような問題があった。具体的には、特許文献２のように、センサにより観測した溶融池の情報をもとに溶接の調整を行うことで、ワークの細かいアーク減少の乱れや溶接ワイヤの微小な曲がり癖等に対応できるものの、ワークの溶接開始点から大きく溶接位置がずれている場合には溶融池が大きく乱れてしまう。溶融池が大きく乱れると溶接線に倣いきれない場合があることから、特許文献２に記載の溶接手法では、予めある程度正確な溶接位置の教示ができていることが前提として必要である。そこで、特許文献２に、特許文献１に記載された技術を適用してこの問題を解決する手法も考えられる。ところが、特許文献１のようにワークの開先形状をセンサによって検出し、当該検出情報を用いて溶接線に倣って溶接を行うためには、溶接トーチの進行方向の前方側の位置にセンサを配置するというセンサの位置に制約がある。そのため、特許文献２のように、溶接トーチの進行方向の後方側の位置にセンサが取り付けられた構成では、当該センサを用いて、溶接線に倣って溶接を行う手法を組み合わせることが困難である。

特許文献１及び２には以上の問題があるため、当該問題を解決することを意図して、溶接トーチの進行方向の前方側及び後方側にそれぞれセンサを取り付ける手法も考えられる。しかしながら、このようにセンサを取り付けた構成ではコストの増加を招いてしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、被溶接物の状態を検出する検出装置にかかるコストの増加を抑えながら、良好な溶接品質を確保することができる溶接ロボットシステム及び溶接ロボットシステムを用いた溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る溶接ロボットシステムは、予め作成された作業プログラムに従って、ロボットアームに支持される溶接トーチを移動させて被溶接物に溶接処理を実行する溶接ロボットであって、溶接トーチの周囲に移動可能に設けられ、被溶接物の状態を検出する一つの検出装置と、溶接トーチの進行方向の前方側における被溶接物の状態を検出する際には、溶接トーチの前方側に検出装置を移動させ、溶接トーチの進行方向の後方側における被溶接物の状態を検出する際には、溶接トーチの後方側に検出装置を移動させるように制御する制御装置と、を備える。

この態様によれば、溶接トーチの進行方向前方側の被溶接物の状態を検出すること、及び、溶接トーチの進行方向後方側の被溶接物の状態を検出することを一つの検出装置で行うことができる。これにより、例えば溶接開始前に溶接トーチの進行方向前方側に移動した検出装置により被溶接物の状態を検出し、当該検出情報を用いて溶接線に倣えば、倣い結果を溶接に反映させることができる。また、例えば溶接中において、溶接トーチの進行方向後方側に移動した検出装置により被溶接物の状態を検出することにより、溶接結果に基づき溶接の調整や溶接不良の監視を行うことができる。このように一つの検出装置により検出することができるので、検出装置にかかるコストを抑えながら、良好な溶接品質を確保することができる。

上記態様において、溶接トーチの周囲には、検出装置が移動するための軌道を形成する環状の環状軌道部が設けられ、制御装置は、検出装置を環状軌道部に沿って移動させるように制御してもよい。

この態様によれば、溶接トーチの周囲に環状に設けられた環状軌道部に沿って、検出装置を移動させることができるので、一つの検出装置によって溶接トーチ周りの検出範囲の向上を図ることができる。

上記態様において、検出装置は、被溶接物の開先形状又は溶接ロボットによる溶接中に生じた溶融池を撮像するカメラを用いてもよい。

この態様によれば、カメラにより撮像された、被溶接物の開先形状又は溶接中に生じた溶融池の画像情報を基にして、溶接位置又は溶接条件等の調整や画像情報に基づく溶接不良の監視を行うことができる。

上記態様において、検出装置は、被溶接物の開先形状又は溶接ロボットによる溶接中に生じた溶融池の形状を検出するレーザーセンサを用いてもよい。

この態様によれば、レーザーセンサにより検出された、被溶接物の開先形状又は溶接中に生じた溶融池の形状を基にして、溶接位置又は溶接条件等の調整や溶接不良の監視を行うことができる。

本発明の他の態様に係る溶接ロボットシステムを用いた溶接方法は、予め作成された作業プログラムに従って、ロボットアームに支持される溶接トーチを移動させて被溶接物に溶接処理を実行する溶接ロボットシステムを用いた溶接方法であって、溶接処理前に、被溶接物の状態を検出する検出装置を溶接トーチの進行方向の前方側へ移動させるステップと、移動後に、溶接トーチ及び検出装置を被溶接物の溶接開始位置から溶接終了位置まで移動させると共に、検出装置により被溶接物の開先形状を検出するステップと、開先形状の検出後に、検出装置を溶接トーチの進行方向の後方側に移動させるステップと、後方側への移動後に、検出装置により検出された情報に基づき被溶接物に溶接を行うと共に、検出装置により溶接中に生じた溶融池を検出するステップと、を含む。

この態様によれば、溶接開始前に、溶接トーチの進行方向前方側に移動した検出装置により被溶接物の開先形状を検出するので、当該検出した情報を用いて溶接線に倣って溶接を行うことができる。また溶接開始後においては、溶接トーチの進行方向後方側に移動した検出装置により溶接中に生じた溶融池を検出するので、当該溶融池の情報に基づき溶接の調整や溶接不良を監視することができる。このように一つの検出装置を用いて検出することができるので、検出装置にかかるコストを抑えながら、良好な溶接品質を確保することができる。

本発明によれば、被溶接物の状態を検出する検出装置にかかるコストの増加を抑えながら、良好な溶接品質を確保することができる溶接ロボットシステム及び溶接ロボットシステムを用いた溶接方法を提供することができる。

本実施形態に係る溶接ロボットシステムの概要を示す模式図である。 図１に示す溶接ロボットシステムの機能ブロック図である。 （Ａ）検出装置が溶接トーチの進行方向の前方側に移動した例を示す模式図である。（Ｂ）検出装置が溶接トーチの進行方向の後方側に移動した例を示す模式図である。 （Ａ）溶接トーチの進行方向の前方側における被溶接物の状態を検出する例を示す模式図である。（Ｂ）溶接トーチの進行方向の後方側における被溶接物の状態を検出する例を示す模式図である。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、本実施形態における溶接ロボットシステムの概要を示す図である。同図に示す例において、溶接ロボットシステムは、ロボット制御装置１、溶接電源２０、電流・電圧測定装置３０及び溶接ロボット１００を含む。なお、溶接ロボットシステムは、これら以外の構成を含んでもよいし、必ずしもこれら全ての構成を含まなくてもよい。

ロボット制御装置１は、溶接ロボット１００の動作が記述されたプログラムを読み込み、溶接ロボット１００及び溶接電源２０を制御する。溶接ロボット１００は、多関節のアームを有する産業用ロボットであり、エンドエフェクタとして溶接トーチ１０２を備えたロボットである。溶接トーチ１０２は、溶接ワイヤ１１０を送給する送給機構を備える。アーク溶接は、溶接トーチ１０２に備えられた送給機構により溶接ワイヤ１１０を送給し、溶接ワイヤ１１０の先端とワーク２００との間にアークを発生させることにより行う。

溶接電源２０は、ケーブルを介して溶接トーチ１０２へ電力を送電する。溶接ロボット１００は、溶接電源２０から電圧及び電流が供給されるのに応じて、溶接トーチ１０２を移動させ、ワーク２００のアーク溶接を行う。ここで、ワーク２００は、溶接台３００の上に載置され、溶接電源２０の電極の一方は溶接ワイヤ１１０に接続され、他方は溶接台３００に接続される。

電流・電圧測定装置３０は、溶接ワイヤ１１０と溶接台３００の間の電圧及び電流のうち少なくともいずれかを測定する。電流・電圧測定装置３０は、測定した値を逐次ロボット制御装置１のサンプリングバッファ（図示略）に伝送してもよい。

図２は、図１に示したロボット制御装置１の機能ブロック図である。ロボット制御装置１は、解析部２、実行部３、溶接制御部４、サーボ制御部５、プログラム記憶部ＤＢ１、環状軌道制御部１２を備える。なお、ロボット制御装置１は、これら以外の構成を含んでもよいし、必ずしもこれら全ての構成を含まなくてもよい。

プログラム記憶部ＤＢ１は、溶接ロボット１００の動作が記述されたプログラムを記憶する記憶部であり、半導体メモリやハードディスクドライブで構成されてよい。溶接ロボット１００は、プログラム記憶部ＤＢ１に記憶されたプログラムに基づいて溶接を実行する。解析部２は、プログラム記憶部ＤＢ１に記憶されたプログラムを解析し、プログラムから、少なくとも、溶接ロボット１００の関節を構成するサーボモータ１０１の制御指令と、溶接電源２０により供給される電流及び電圧を制御する電流・電圧制御指令と、を読み取る。

実行部３は、解析部２により読み取られた制御指令に基づいて、溶接電源２０、サーボモータ１０１及び環状軌道駆動部１２１を制御する。溶接制御部４は、溶接電源２０に対して、電流及び電圧の指令値を伝送する。サーボ制御部５は、各サーボモータ１０１に対して、角度、角速度及び角加速度等の指令値を伝送する。環状軌道制御部１２は、実行部３から送信される溶接ロボット１００の位置情報を受信する。

環状軌道制御部１２は、受信した溶接ロボット１００の位置情報を用いて、環状軌道駆動部１２１に対して移動指令値を伝送する。詳細には、環状軌道制御部１２は、溶接ロボット１００の位置情報を用いて（或いは、実行部３からの移動指令値を受けて）、環状軌道部１２０の特定位置に検出装置１２２（図３等参照）を移動させる指令値を環状軌道駆動部１２１に対して送信する。環状軌道駆動部１２１は、環状軌道制御部１２からの移動指令を受けて環状軌道部１２０に沿って移動する。

環状軌道部１２０は、図３に示すように、溶接トーチ１０２に取り付けられたブラケット１３０に連結され、溶接トーチ１０２の周囲を覆うように環状に形成されている。環状軌道部１２０は、例えばその下方側に開口したガイド溝（図示略）を有する環状のガイドレールであり、このガイド溝に環状軌道駆動部１２１の一部が差し込まれて環状軌道駆動部１２１をスライド可能な状態で保持している。この環状軌道駆動部１２１には検出装置１２２が連結されている。環状軌道駆動部１２１は、環状軌道制御部１２から出力される移動指令を受けて、環状軌道部１２０の軌道上に沿って検出装置１２２と連動して移動可能に構成されている。

なお、環状軌道部１２０は、図示の例ではブラケット１３０に連結されて溶接トーチ１０２の周囲を覆うように設けられているが、この構成に限定されるわけではない。例えば、溶接ロボットのアーム（図示略）に環状軌道部１２０が連結された状態で、溶接トーチ１０２の周囲を覆うように設けられていても良く、他の構成に適宜変更可能である。

また、環状軌道部１２０は、検出装置１２２を溶接トーチ１０２の進行方向前方側及び後方側に移動可能な形状を有していれば、環状のガイドレールに限定されることなく他の形状や大きさ等の部材に適宜変更可能である。また、環状軌道部１２０を含む環状軌道駆動部１２１及び環状軌道制御部１２の構成も、これらの構成に限定されるわけではなく、これら以外の構成を含んでもよいし、必ずしもこれら全ての構成を含まなくてもよい。

検出装置１２２は、ワーク２００の状態（例えば、ワーク２００の開先形状又は溶接中に生じる溶融池を含む）を検出する機能を有する装置である。本実施形態では、検出装置１２２として、例えばワーク２００の状態を撮像するカメラ又はワーク２００の状態の位置情報を検出するレーザーセンサ等を用いることができる。検出装置１２２により検出された信号は、順次ロボット制御装置１に伝送される。検出装置１２２により例えば溶融池の観測を行えば、その観測情報に基づき溶接不良を検知することができる。ロボット制御装置１は、検出装置１２２からの検出信号を受けて、溶接ロボット１００による溶接位置又は溶接速度、或いは溶接電流、溶接電圧といった溶接条件等を調整する。

本実施形態において、検出装置１２２は、次のように環状軌道部１２０に沿って移動してワーク２００の状態を検出する。詳述すると、溶接トーチ１０２の進行方向（図３では左方向）の前方側におけるワーク２００の状態を検出装置１２２によって検出する際には、環状軌道制御部１２からの指令を受けて環状軌道駆動部１２１が駆動し、図３（Ａ）に示すように、環状軌道駆動部１２１と共に検出装置１２２が溶接トーチ１０２の進行方向の前方側の位置に移動する。例えば溶接開始前に、検出装置１２２を溶接トーチ１０２の進行方向前方側の位置に移動させることにより、ワーク２００の開先形状を検出装置１２２により検出し、これに基づき溶接線に倣えば、当該倣い結果を溶接に反映させることができる。

また図３（Ｂ）に示すように、溶接トーチ１０２の進行方向の後方側におけるワーク２００の状態を検出装置１２２によって検出する際には、環状軌道制御部１２からの指令を受けて駆動する環状軌道駆動部１２１と連動して、溶接トーチ１０２の進行方向の後方側の位置に検出装置１２２が移動する。このように検出装置１２２を移動させることにより、例えば溶接中に生じた溶融池（溶融金属）の監視用に検出装置１２２を用いることができる。また、検出装置１２２により得られた溶融池の情報を用いて溶接位置や溶接条件等の調整を行うことができる。

以上説明した本実施形態によれば、溶接トーチ１０２の周囲に検出装置１２２が移動可能に設けられているので、ワーク２００の開先形状及び溶接中に生じた溶融池を観測するために、複数の検出装置を設ける必要がない。このように一つの検出装置１２２を用いて検出することができるので、ワーク２００の状態を検出する検出装置にかかるコストを抑えながら、良好な溶接品質を確保することができる。

続いて、上述した構成を備える溶接ロボットシステムを用いた溶接方法の一例について説明する。図４は、溶接ロボットシステムを用いた溶接方法を説明するための図である。

はじめに、溶接ロボット１００による溶接前に、環状軌道制御部１２から出力される移動指令により環状軌道駆動部１２１を駆動させ、環状軌道駆動部１２１と共に検出装置１２２を溶接トーチ１０２の進行方向の前方側へ移動させる（第１ステップ）。

上記第１ステップ後に、図４（Ａ）に示すように、検出装置１２２により溶接の進行方向の前方側（例えば図４（Ａ）に示す領域１２２ａ）のワーク２００の状態を検出する。詳細には、溶接トーチ１０２及び検出装置１２２を、溶接の進行方向に沿ってワーク２００の溶接開始位置から溶接終了位置まで移動させながら、ワーク２００の開先形状を検出装置１２２によって検出する（第２ステップ）。検出装置１２２から検出される信号は、逐次ロボット制御装置１に伝送される。溶接トーチ１０２の狙い位置のずれを検出装置１２２により検出し、これを補正することにより溶接線に倣うように溶接トーチ１０２が調整される。このように溶接線に倣うことで、溶接トーチ１０２の狙い位置のずれが生じることを防ぐことができる。なお、第２ステップにおける倣い結果は、以下の工程で実行される溶接に反映される。

上記第２ステップ後に、環状軌道制御部１２から出力される移動指令により環状軌道駆動部１２１を駆動させ、環状軌道駆動部１２１と共に検出装置１２２を溶接トーチ１０２の進行方向の後方側に移動させる（第３ステップ）。

上記第３ステップ後に、図４（Ｂ）に示すように、検出装置１２２により溶接の進行方向の後方側（例えば図４（Ｂ）に示す領域１２２ａ）のワーク２００の状態を検出する。詳細には、第２ステップにおいて溶接線に倣うように溶接トーチ１０２を制御した倣い結果を反映させてワーク２００に溶接を行うと共に、検出装置１２２によりワーク２００上の溶融池を検出する（第４ステップ）。検出装置１２２により検出された信号は、逐次ロボット制御装置１に伝送され、得られた溶融池の情報を参照してロボット制御装置１により溶接条件の適性判断及び調整等が行われる。

なお、上記第２ステップで検出装置１２２により検出したワーク２００と同じロットのワークに対しては、上記第２ステップにおいて行った溶接線の倣いと同じ倣い結果を用いても良い。このように同じ倣い結果を用いた場合には、上記第１ステップから第３ステップの工程を省略することができる。ワークの精度誤差はワークのロット毎に決まっている場合が多い。このため、ロットのうち最初のワークに対して溶接線に倣えば、同じロットのワークに対しては同じ倣い結果を使用することにより、溶接トーチの狙い位置が大きくずれることを防ぐことができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１…ロボット制御装置、２…解析部、３…実行部、４…溶接制御部、５…サーボ制御部、１２…環状軌道制御部、２０…溶接電源、３０…電流・電圧測定装置、１００…溶接ロボット、１０１…サーボモータ、１０２…溶接トーチ、１１０…溶接ワイヤ、１２０…環状軌道部、１２１…環状軌道駆動部、１２２…検出装置、２００…ワーク、３００…溶接台

Claims (5)

1. 予め作成された作業プログラムに従って、ロボットアームに支持される溶接トーチを移動させて被溶接物に溶接処理を実行する溶接ロボットシステムであって、
   前記溶接トーチの周囲に移動可能に設けられ、前記被溶接物の状態を検出する一つの検出装置と、
   前記溶接トーチの進行方向の前方側における前記被溶接物の状態を検出する際には、前記溶接トーチの前方側に前記検出装置を移動させ、前記溶接トーチの進行方向の後方側における前記被溶接物の状態を検出する際には、前記溶接トーチの後方側に前記検出装置を移動させるように制御する制御装置と、
   を備える溶接ロボットシステム。
2. 前記溶接トーチの周囲には、前記検出装置が移動するための軌道を形成する環状の環状軌道部が設けられ、
   前記制御装置は、前記検出装置を前記環状軌道部に沿って移動させるように制御する、
   請求項１に記載の溶接ロボットシステム。
3. 前記検出装置は、前記被溶接物の開先形状又は前記溶接処理中に生じた溶融池を撮像するカメラである、
   請求項１又は２に記載の溶接ロボットシステム。
4. 前記検出装置は、前記被溶接物の開先形状又は前記溶接処理中に生じた溶融池の形状を検出するレーザーセンサである、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の溶接ロボットシステム。
5. 予め作成された作業プログラムに従って、ロボットアームに支持される溶接トーチを移動させて被溶接物に溶接処理を実行する溶接ロボットシステムを用いた溶接方法であって、
   前記溶接処理前に、前記被溶接物の状態を検出する検出装置を前記溶接トーチの進行方向の前方側へ移動させるステップと、
   前記移動後に、前記溶接トーチ及び前記検出装置を前記被溶接物の溶接開始位置から溶接終了位置まで移動させると共に、前記検出装置により前記被溶接物の開先形状を検出するステップと、
   前記開先形状の検出後に、前記検出装置を前記溶接トーチの進行方向の後方側に移動させるステップと、
   前記後方側への移動後に、前記検出装置により検出された情報に基づき前記被溶接物に溶接を行うと共に、前記検出装置により溶接中に生じた溶融池を検出するステップと、
   を含む溶接ロボットシステムを用いた溶接方法。