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

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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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