JP2022083166A - 作業ロボットによる塗装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業ロボットを用いた従来の塗装では、プリントヘッドの軌跡精度の低下により塗装品質が不安定になる虞があった。【解決手段】垂直軸回りに回転駆動される旋回体Ｔに、ハンド部Ｈを有する多関節アームＡを連結した構造を有する多軸制御型の作業ロボットＲと、ハンド部に装着したプリントヘッドＰとを用いて、被塗装物Ｗに塗料を塗布するに際し、旋回体Ｔによりハンド部Ｈを回動させて、プリントヘッドＰを円弧状軌跡に沿って移動させながら塗装する方法とし、プリントヘッドＰの軌跡精度を高めて塗装品質の向上を実現した。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、自動車の車体塗装などに用いられる作業ロボットによる塗装方法に関するものである。

従来の作業ロボットによる塗装方法としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の塗装方法は、プリントヘッドを装着した多軸ロボットを使用する。プリントヘッドは、インクジェットプリンタと同様に、塗料を粒子化して噴射するものである。多軸ロボットは、複数のアームを関節により順次連結した構造を有する。

そして、上記の塗装方法は、被塗装物にプリントヘッドを対向させ、多軸ロボットにより、プリントヘッドを直線的に移動させながら被塗装物に塗料を塗布する。この際、多軸ロボットは、プリントヘッドが直線的に移動するように、各関節に内蔵したモータの制御が行われる。

特許第５９７６３２０号公報

ところで、塗装などに用いられる作業ロボットは、一般的に、定位置に固定してあり、各関節のモータを制御することにより、アームの角度を変化させてハンド部を三次元的に動作させる。このため、作業ロボットを用いた従来の塗装方法では、プリントヘッドを直線的に移動させるのが難しく、プリントヘッドの軌跡精度の低下により塗装品質が不安定になる虞があることから、このような問題点を解決することが課題であった。

上記の軌跡精度とは、設定経路に対する実際の移動軌跡の精度である。プリントヘッドを直線的に移動させる場合は、直線経路に対する移動軌跡の精度であり、その精度が意匠性の良否に影響することがあるので、誤差が少ない方が当然望ましい。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、作業ロボットを用いた塗装において、プリントヘッドの軌跡精度を高めて塗装品質の向上を実現することができる作業ロボットによる塗装方法を提供することを目的としている。

本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法は、垂直軸回りに回転駆動される旋回体に、先端にハンド部を有する多関節アームの基端を連結した構造を有する多軸制御型の作業ロボットと、作業ロボットのハンド部に装着され且つ塗料を粒子化して噴射するプリントヘッドとを用いて、被塗装物に塗料を塗布する方法である。そして、上記の塗装方法は、塗装開始点から塗装終了点までの間、旋回体により多関節アームとともにハンド部を回動させて、前記プリントヘッドを円弧状軌跡に沿って移動させながら被塗装物に塗料を塗布することを特徴としている。

本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法は、旋回体によりハンド部を回動させて、プリントヘッドを円弧状軌跡に沿って移動させることから、旋回体の回動がプリントヘッドの円弧状軌跡を決定することとなり、プリントヘッドの軌跡精度を高めて塗装品質の向上を実現することができる。

本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法の第１実施形態において、適用可能な作業ロボットを説明する側面図（Ａ）、及び平面図（Ｂ）である。 塗装時における作業ロボットを説明する平面図である。 作業ロボットの動作に関する従来例及び実施例を示すグラフである。 本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法の第２実施形態において、被塗装物に噴射した塗料の粒子を説明する平面図である。 本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法の第３実施形態において、適用可能な作業ロボットを説明する平面図である。

図１～図３は、本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法の第１実施形態を説明する図であり、図１及び図２は、上記塗装方法が適用可能な作業ロボットを示す図である。

図１に示す作業ロボットＲは、垂直軸回りに回転駆動される旋回体Ｔに、先端にハンド部Ｈを有する多関節アームＡの基端を連結した構造を有する多軸制御型の作業ロボットである。より具体的には、作業ロボットＲは、床面に設置した基台１上に、垂直軸回りに回転駆動される旋回体Ｔを備え、旋回体Ｔに、水平軸回りに回転駆動する第１関節部Ｊ１を介して多関節アームＡの基端が連結してある。

図示例の多関節アームＡは、第１関節部Ｊ１に、第１アーム部Ｂ１の基端を連結し、この第１アーム部Ｂ１の先端に、水平軸回りに回転駆動する第２関節部Ｊ２を介して、第２アーム部Ｂ２の基端が連結してある。

第２アーム部Ｂ２の先端には、水平軸回りに回転駆動する第３関節部Ｊ３を介して、ハンド部Ｈが連結してあり、ハンド部Ｈには、第３関節部Ｊ３の回転軸に直交する軸回りに回転駆動される回転部Ｋを介して、塗料を粒子化して噴射するプリントヘッドＰが装着してある。

上記の作業ロボットＲは、基台１上の旋回体Ｔにより、多関節アームＡを支持した構造になっている。多関節アームＡは、第１～第３の関節部Ｊ１～Ｊ３の水平軸が互いに平行である。旋回体Ｔ、第１～第３の関節部Ｊ１～Ｊ３、及び回転部Ｋは、いずれも回転型モータや回転センサ類を内蔵している。これにより、作業ロボットＲは、多関節アームＡの旋回角度や、第１及び第２のアーム部Ｂ１，Ｂ２の角度を変化させて、ハンド部Ｈを三次元的に移動させることができる。

プリントヘッドＰは、周知のインクジェットプリンタと同様に、例えば、塗料を充填したタンク、ピエゾ素子を動力源とするアクチュエータ、及び複数の噴射ノズルなどを備えたものであり、図示しない制御装置によりアクチュエータの動作制御を行うことで、塗料を粒子化して噴射する。

上記の作業ロボットＲは、第１及び第２のアームＢ１，Ｂ２などの寸法が一定であるから、原点を基準にして、各回転型モータの回転数（回転量）を検出すれば、プリントヘッドＰの位置（位置座標）を把握し得る。換言すれば、作業ロボットＲは、図示しない制御装置により、プリントヘッドＰが所定位置になるように、各回転型モータの回転数を制御する。

上記の作業ロボットＲは、その近傍にセットした板状の被塗装物Ｗに対してプリントヘッドＰを移動させるのであるが、被塗装物Ｗの位置や大きさも一定であるから、その範囲に応じてプリントヘッドＰを移動させることが可能である。すなわち、作業ロボットＲは、多関節アームＡを伸縮駆動して、図１中実線で示す状態から仮想線で示す状態に至る縦方向にプリントヘッドＰを移動させる。

また、上記の作業ロボットＲは、旋回体Ｔを回転駆動して、多関節アームＡを垂直軸回りに回動させることで、横方向にプリントヘッドＰを移動させる。さらに、作業ロボットＲは、多関節アームＡの駆動により、被塗装物Ｗに対するプリントヘッドＰの距離（高さ）を調整し得る。

上記作業ロボットＲによる塗装方法は、被塗装物Ｗに塗装を行うに際し、図３に示すように、塗装開始点Ｓから塗装終了点Ｅまでの間、旋回体Ｔにより多関節アームＡとともにハンド部Ｈを回動させて、プリントヘッドＰを円弧状軌跡に沿って移動させながら被塗装物Ｗに塗料を塗布する。この際、塗装方法では、プリントヘッドＰを往復移動、若しくは往復移動を複数回行って塗装することもある。

また、塗装方法は、プリントヘッドＰを円弧状軌跡に沿って移動させる際、被塗装物Ｗの表面に対してプリントヘッドＰを略平行に移動させることがより望ましい。つまり、被塗装物Ｗが、自動車のボディパネル等のように起伏を有する場合、被塗装物ＷとプリントヘッドＰとの距離をほぼ一定に維持することで、良好な塗装品質を得ることができる。より具体的には、塗装開始点Ｓにおける被塗装物ＷとプリントヘッドＰとの距離を基準にして、プラス・マイナス２０％の範囲で距離を維持すれば、良好な塗装品質が確保できる。

上記の被塗装物ＷとプリントヘッドＰとの距離は、例えば、複数の噴射ノズルを有するプリントヘッドＰを用いる場合、同プリントヘッドＰの中央部と被塗装物Ｗとの距離である。この距離の維持は、予め作業ロボットＲに入力した被塗装物Ｗの三次元形状データに基づいて、作業ロボットＲを制御しても良いし、プリントヘッドＰに取り付けた距離センサの実測値に基づいて、作業ロボットＲをフィードバック制御しても良い。

さらに、塗装方法は、プリントヘッドＰを円弧状軌跡で移動させながら被塗装物Ｗに塗料を塗布した後、多関節アームＡによりプリントヘッドＰを円弧状軌跡の半径方向に移動させ、その後、プリントヘッドＰの円弧状軌跡に沿う移動と、円弧状軌跡の半径方向への移動（図１で説明した縦方向の移動）とを交互に繰り返して被塗装物Ｗに塗料を塗布する。これにより、被塗装物Ｗの所定領域や全面領域に対する塗装が効率的に行われる。

このようにして、上記作業ロボットによる塗装方法は、旋回体Ｔにより多関節アームＡとともにハンド部Ｈを回動させて、プリントヘッドＰを円弧状軌跡に沿って移動させることから、旋回体Ｔの回動がプリントヘッドＰの円弧状軌跡を決定することとなり、プリントヘッドＰの軌跡精度を高めて塗装品質の向上を実現することができる。

また、上記の塗装方法で用いる作業ロボットＲは、床面に設置した基台１上に旋回体Ｔを配置しているので、旋回体Ｔが構造上安定しており、その旋回体Ｔが、多関節アームＡの重量を支えつつ回動する。したがって、旋回体Ｔの駆動源である回転型モータには、第１～第３の関節部Ｊ１～Ｊ３や回転部Ｋの駆動源である回転型モータに比べて、相対的に大出力で剛性や動作精度の高いものが使用される。

そこで、上記の塗装方法では、上述の旋回体Ｔ、すなわち構造上安定的で動作精度の高い回転型モータを駆動源とする旋回体Ｔにより多関節アームＡとともにハンド部Ｈを回動させて、プリントヘッドＰを円弧状軌跡に沿って移動させる。これにより、上記の塗装方法によれば、プリントヘッドＰの軌跡精度をより向上させ、塗装品質のさらなる向上に貢献し得る。また、作業ロボットＲに対するティーチングも簡素化できる。

ここで、上記の塗装方法が適用可能な作業ロボットは、上記の旋回体Ｔ及び多関節アームＡを備えた構造に限らず、多段式の旋回体や、垂直軸回りに回転駆動される関節部を有する多関節アームを備えた作業ロボット、すなわち、垂直軸回りの回転型モータを複数備えた多軸制御型の作業ロボットも適用可能である。

本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法は、垂直軸回りの回転型モータを複数備えた多軸制御型の作業ロボットと、先述のプリントヘッドＰとを用いる場合には、塗装開始点Ｓから塗装終了点までの間、複数の回転型モータのうちで回転角度が最も大きくなる回転型モータによりハンド部を回動させて、プリントヘッドＰを円弧状軌跡に沿って移動させながら被塗装物Ｗに塗料を塗布する。これにより、プリントヘッドＰの軌跡精度や塗装品質の向上を実現する。

また、回転型モータを複数備えた多軸制御型の作業ロボットを用いる場合には、複数の回転型モータのうちで最も回転精度（剛性）が高い回転型モータによりハンド部Ｈの回動を行うことがより望ましい。これにより、プリントヘッドＰの軌跡精度が高められる。この際、回転型モータの回転精度は、モータ自体の軸受の精度や軸受の剛性などから判断可能であり、プリントヘッドＰの移動軌跡を確認することでも評価し得る。

上記の塗装方法では、より好ましい実施形態として、プリントヘッドＰを円弧状軌跡に沿って移動させる際、プリントヘッドＰを一定速度で移動させる。ここで、図３は、作業ロボットの動作に関する従来例及び実施例を示すグラフである。

図３中に点線で示す従来例は、作業ロボットによりプリントヘッドを直線的に移動させる方法である。従来例の場合、作業ロボットは、アームを旋回させながら伸縮動作を連動させる必要があるので、塗装開始点から塗装終了点に至る間、時間、距離及び回転角が周期的に変化する。これにより、従来例では、プリントヘッドの軌跡精度が低下して塗装品質に影響を及ぼす虞がある。

上記従来例に対する本発明の実施例では、基本的に多関節アームＡの回動だけでプリントヘッドＰの円弧状軌跡を決定するので、多関節アームＡを伸縮動作させる必要が全く無く、塗装開始点から塗装終了点に至る間、時間、距離及び回転角が一定である。これにより、実施例では、プリントヘッドＰの軌跡精度を高めて塗装品質の向上を実現する。

さらに、上記の塗装方法では、より好ましい実施形態として、旋回体Ｔにより多関節アームＡとともにハンド部Ｈを回動させる際、プリントヘッドＰの向きを一定に維持しながら多関節アームＡを回動させる。この際、作業ロボットＲは、多関節アームＡの回動に回転部Ｋの回転を連動させることにより、プリントヘッドＰの向きを一定にすることができる。これにより、上記の塗装方法では、粒子化した塗料の噴射が常に同じ向きで行われるので、塗装品質のさらなる向上を図ることができる。

図４は、本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法の第２実施形態を説明する図である。この実施形態の塗装方法では、プリントヘッドＰの位置座標に基づいて塗料の噴射タイミングを制御する。

すなわち、プリントヘッドＰを用いた塗装では、図４に示すように、被塗装物Ｗにドット状の塗料ｐａ～ｐｆが塗布される。図４では、３個のノズルを有するプリントヘッドを例示しており、例えば、プリントヘッドを矢印ａ１～ａ３の方向に移動させた場合は、同矢印ａ１～ａ３に沿ってドット状の塗料ｐａ～ｐｃが塗布される。同様に、プリントヘッドを矢印ａ４～ａ６の方向に移動させた場合は、同矢印ａ４～ａ６に沿ってドット状の塗料ｐｄ～ｐｆが塗布される。

そこで、上記の塗装方法では、プリントヘッドＰの位置座標に基づいて塗料の噴射タイミングを制御することにより、ドット状の塗料ｐａ～ｐｆの配置を任意に制御することができ、例えば、塗布領域同士の継ぎ目に塗料をむら無く塗布することが可能となって、塗装品質のさらなる向上を図ることができる。

図５は、本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法の第３実施形態を説明する図である。なお、第３実施形態では、第１実施形態（図１参照）と同一の構成部位に同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

図５は、本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法が適用可能な作業ロボットを示す図である。この実施形態では、被塗装物Ｗを間にして相対向する少なくとも２基の作業ロボットＲ，Ｒを用いる。

そして、上記の塗装方法は、プリントヘッドＰの円弧状軌跡に沿う移動と円弧状軌跡の半径方向への移動とを交互に繰り返して被塗装物Ｗに塗料を塗布する。その際、作業ロボットＲの一方（図５中で左方）は、プリントヘッドＰを円弧状軌跡の円弧中心に接近する方向（矢印Ｑ１方向）に移動させて、被塗装物Ｗに塗料を塗布する。また、作業ロボットＲの他方（図５中で右方）は、プリントヘッドＰを円弧状軌跡の円弧中心から離間する方向（矢印Ｑ２方向）に移動させて、被塗装物Ｗに塗料を塗布する。

上記の２基の作業ロボットＲ，Ｒを用いた塗装方法は、夫々のプリントヘッドＰ同士の干渉を防止しつつ、被塗装物Ｗの塗装を短時間で効率的に行うことができる。なお、当該塗装方法では、２基以上の作業ロボットＲを用いることも可能であり、この場合にも、夫々のプリントヘッドＰ同士が互いに干渉しないように、多関節アームＡの旋回範囲や伸縮範囲を設定することが可能である。

なお、本発明に係わる作業ロボットによる塗装方法は、その構成が上記各実施形態のみ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で適宜変更することが可能である。

Ａ 多関節アーム
Ｈ ハンド部
Ｐ プリントヘッド
Ｒ 作業ロボット
Ｔ 旋回体
Ｗ 被塗装物
１ 基台

Claims (9)

1. 垂直軸回りに回転駆動される旋回体に、先端にハンド部を有する多関節アームの基端を連結した構造を有する多軸制御型の作業ロボットと、前記作業ロボットの前記ハンド部に装着され且つ塗料を粒子化して噴射するプリントヘッドとを用いて、被塗装物に塗料を塗布するに際し、
   塗装開始点から塗装終了点までの間、前記旋回体により前記ハンド部を回動させて、前記プリントヘッドを円弧状軌跡に沿って移動させながら前記被塗装物に塗料を塗布することを特徴とする作業ロボットによる塗装方法。
2. 前記作業ロボットが、床面に設置した基台上に前記旋回体を備えると共に、前記旋回体により前記多関節アームを支持する構造であることを特徴とする請求項１に記載の作業ロボットによる塗装方法。
3. 垂直軸回りの回転型モータを複数備えた多軸制御型の作業ロボットと、前記作業ロボットの前記ハンド部に装着され且つ塗料を粒子化して噴射するプリントヘッドとを用いて、被塗装物に塗料を塗布するに際し、
   塗装開始点から塗装終了点までの間、複数の前記回転型モータのうちで回転角度が最も大きくなる回転型モータにより前記ハンド部を回動させて、前記プリントヘッドを円弧状軌跡に沿って移動させながら前記被塗装物に塗料を塗布することを特徴とする作業ロボットによる塗装方法。
4. 前記プリントヘッドを円弧状軌跡に沿って移動させる際、前記被塗装物の表面に対して前記プリントヘッドを略平行に移動させることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の作業ロボットによる塗装方法。
5. 前記プリントヘッドを円弧状軌跡で移動させながら前記被塗装物に塗料を塗布した後、前記プリントヘッドを円弧状軌跡の半径方向に移動させ、それ以降、前記プリントヘッドの円弧状軌跡に沿う移動と円弧状軌跡の半径方向への移動とを交互に繰り返して前記被塗装物に塗料を塗布することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の作業ロボットによる塗装方法。
6. 前記プリントヘッドを円弧状軌跡に沿って移動させる際、前記プリントヘッドを一定速度で移動させることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の作業ロボットによる塗装方法。
7. 前記プリントヘッドを円弧状軌跡に沿って移動させる際、前記プリントヘッドの向きを一定に維持しながら移動させることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の作業ロボットによる塗装方法。
8. 前記プリントヘッドの位置座標に基づいて塗料の噴射タイミングを制御することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の作業ロボットによる塗装方法。
9. 前記被塗装物を間にして相対向する少なくとも２基の前記作業ロボットを用い、
   前記プリントヘッドの円弧状軌跡に沿う移動と円弧状軌跡の半径方向への移動とを交互に繰り返して前記被塗装物に塗料を塗布する際、
   前記作業ロボットの一方が、前記プリントヘッドを円弧状軌跡の円弧中心に接近する方向に移動させると共に、前記作業ロボットの他方が、前記プリントヘッドを円弧状軌跡の円弧中心から離間する方向に移動させて、前記被塗装物に塗料を塗布することを特徴とする請求項５～８のいずれか１項に記載の作業ロボットによる塗装方法。

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