JP3550192B2

JP3550192B2 - 溶接ロボット

Info

Publication number: JP3550192B2
Application number: JP23998094A
Authority: JP
Inventors: 高太郎永井
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1994-10-04
Filing date: 1994-10-04
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JPH08103869A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、動腕部の先端手首に溶接トーチと共にセンサを配設し、このセンサで溶接予定部位の形状（位置も含む）をセンシングして、そのセンシングデータにより予め教示したデータを補正しながら溶接を行うティーチングプレイバック方式のアーク溶接ロボット（以下、単に溶接ロボットという）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の溶接ロボットとしては、例えば、特開平５−２１２５４０号公報や特願平６−１６２９３号公報に記載のものが存在する。このような溶接ロボット１では、図５に示すように、台座２上に配設された可動アーム３の先端手首に、レーザセンサ４及び溶接トーチ５が配設されている。上記レーザセンサ４は、溶接部位の近傍において、溶接予定線の方向に直交する方向の検出線に沿ってレーザビームで走査可能に配備され、走査中に被溶接物の表面で乱反射するレーザ拡散光の一部を受光して溶接予定部位の位置等の形状を検出する。
【０００３】
この溶接ロボット１では、同図に示すように、まず、教示（ティーチング）モードにして、可動アーム３を被溶接物７と同形同大の教示物７’に向け、ロボット本体（マニピュレータ）を制御するコントローラ６に、溶接を行う溶接基準位置と、レーザセンサ４で走査して計測を行うセンサ計測位置とを予め学習記憶させる。この後、再生（プレイバック）モードにして可動アーム３を送りラインＬ上の被溶接物７に向け、記憶された溶接基準位置とセンサ計測位置とに基づいて、被溶接物７の溶接予定位置からのずれを検出して位置補正データを作成し、この位置補正データに基づいて、上記記憶された溶接基準位置と検出した溶接予定位置との位置差をコントローラ６で補正して、被溶接物７の溶接予定部位８に対して溶接トーチ５が溶接を行う。
このような構成の溶接ロボットによれば、繰り返し正確な位置に位置決めすることの難しい被溶接物に対して、常に正確な溶接予定位置で、教示内容に忠実な溶接を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザセンサで被溶接物の溶接予定部位をセンシングした場合、何らかの原因で誤ったデータがコントローラに送られてしまうことがある。この場合、そのままレーザセンサからのデータに基づいて教示データを補正して溶接を実行してしまうと、溶接不良を起こしたり、被溶接物に溶接トーチをぶつけてしまう可能性がある。
【０００５】
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、センシングエラーが発生した場合、コントローラ側で即座にそれに対処できるようにした溶接ロボットを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、動腕部の先端に溶接トーチと溶接予定部位の表面位置を測定するセンサとを備えたロボット本体と、このロボット本体の動腕部の動作及び溶接動作を制御するロボット制御手段と、上記センサのデータより溶接予定部位の基準位置を解析する解析手段と、教示データを記憶する記憶手段と、上記教示データに含まれる基準位置と上記解析手段が解析した被溶接物の溶接予定部位の基準位置とのずれ量を算出するずれ量算出手段と、このずれ量算出手段の出力に基づいて上記教示データを補正する補正手段とを備え、上記ロボット制御手段がこの補正手段の出力に応じて上記ロボット本体を制御する溶接ロボットにおいて、前記ずれ量が所定以上となった場合エラー信号を前記ロボット制御手段に送出するエラー信号発生手段とを設けたことを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の溶接ロボットであって、前記教示データに含まれる基準位置が、前記センサを教示物の溶接予定部位に走査させ前記解析手段で解析して得た位置であることを特徴としている。
【０００８】
【作用】
請求項１記載の発明では、センサからのデータにより被溶接物の溶接予定部位の基準位置を解析し、予め教示された教示データの基準位置と、センサで検知した基準位置とのずれ量を算出し、そのずれ量に応じて教示データを補正し、その補正した教示データに基づいてロボット制御手段がロボット本体を制御して溶接を行う。
この際、ずれ量算出手段のデータが、予め定めたエラー条件に合致する場合（例えば、ずれ量が極端に大きかったりする場合）、つまりセンシングエラーが発生した場合、エラー信号発生手段からエラー信号がロボット制御手段に送られる。
【０００９】
また、請求項２記載の発明では、センサを教示物の溶接予定部位で走査させることにより教示データの基準位置を決める。そして、その教示データと実際の被溶接物の基準位置とのずれを算出して、その結果に基づき教示データを補正して溶接ロボットを制御する。
【００１０】
【実施例】
以下、図面を参照してこの発明の実施例について説明する。
図１は、この発明の一実施例である溶接ロボットのシステム全体の構成を示す概略図、また、図２は、同システムに適用されるセンサコントローラの電気的構成を示すブロック図である。
この例の溶接ロボットは、鉄骨系の建物ユニットの組立工場に配備され、送りライン上で仮組立された構造体の鋼製の梁と柱とをジョイントピースを介してアーク溶接する作業を行うもので、図１に示すように、ロボット本体１１と、ロボットコントローラ１２と、センサコントローラ１３と、表示装置（モニタ）１４と、教示ボックス１５とからなり、必要に応じて、パソコンやホストコンピュータが接続されるようになっている。
【００１１】
ロボット本体１１は、モータと減速機が直接各関節に取り付けられた多関節構造のもので、台座２の上に３次元的に駆動すると共に所望の姿勢をとり得る動腕部１６が設けられている。
動腕部１６は、２つのアーム（第１アーム１７ａと第２アーム１７ｂと）で構成され、所定方向に駆動可能な可動アーム１７と、この可動アーム１７の先端に設けられた手首部１８と、可動アーム１７の基端部を台座２上で回動自在に軸支して、可動アーム１７を被溶接物と教示物との間で往復駆動する基動部１９とからなっている。上記手首部１８には、溶接トーチ２０及び溶接予定部位の形状や溶接予定線の位置を検出するためのレーザセンサ２１が配設されている。
【００１２】
図３は、構造体である被溶接物５０の一例を示す部分斜視図である。
この例において、被溶接物５０は、建物ユニットの鉄骨躯体の一部分であって、角にＲ部がついた角形鋼管からなる柱５１と、柱５１の上端部又は下端部に接近して配置されたジョイントピース５２とからなり、ジョイントピース５２のエッジ部５２ａが、柱５１の角部に数ｍｍ程度のギャップを持って予め仮付けされている。そして、このジョイントピース５２のエッジ部５２ａと柱５１の角部とを接合すべく、エッジ部５２ａに沿ってアーク溶接のための溶接予定線Ｐが設定されている。
ジョイントピース５２は、梁を柱５１に接合して架設するための断面コ字型の接合用部材であり、ジョイントピース５２と柱５１とをアーク溶接する際には、既に、ジョイントピースのコ字型の凹部に梁が挿入され、２重構造部分となった所がスポット溶接されて両者は互いに固定されている。つまり、建物ユニットの鉄骨躯体が送りライン上で仮組立された後、当該鉄骨躯体の隅部（柱５１の上下端部とジョイントピース５１との接合部位）がこの例の溶接ロボットによって本溶接されることとなる。
【００１３】
上記レーザセンサ２１は、半導体レーザや投光レンズ等からなる発光部と、結像レンズや位置検出素子（ＰＳＤ）等からなる受光部とを備え、半導体レーザからの射出光が、投光レンズで絞られ、被測定物上にビームスポットを作ると、このビームスポットが、被測定物の表面で乱反射（拡散反射）し、その一部が戻ってきて結像レンズによって位置検出素子上に像となって結ばれることで、スポット光の位置やレーザセンサ２１の前面から被測定物の表面までの距離が計測されるようになっている。このレーザセンサ２１は、溶接予定線Ｐの近傍において、検出線Ｓの方向に走査可能に備えられ、検出線Ｓに沿う被溶接物５０の表面位置を検出する。
なお、レーザセンサ２１の走査機構としては、レーザセンサ２１自体を全体的に駆動するものであっても良いし、レーザセンサ２１の内部においてミラー等を用いて発光部からの光の照射方向を変更するものであっても良い。
【００１４】
このレーザセンサ２１には、センサコントローラ１３が接続されている。このセンサコントローラ１３は、図２に示すように、形状解析部１３ａと、記憶部１３ｂと、ずれ量算出部１３ｃと、補正部１３ｄと、エラー判定部１３ｅと、エラー信号発生部１３ｆと、制御部１３ｇと、さらには、センシング駆動回路、教示データ作成部、最適条件選択部、及び送信回路（いずれも図示略）とから電気的に構成されている。
【００１５】
センサコントローラ１３において、上記センシング駆動回路は、センシング位置に位置決めされたレーザセンサ２１を上述のように走査させるための回路であり、形状解析部１３ａは、レーザセンサ２１から送出されてくる検出信号に基づいて、かつ、所定のアルゴリズムに従って、被溶接物５０の溶接部位のギャップ、段差等の寸法やエッジ部５２ａの位置（この例では、このエッジ部の位置が溶接予定位置となる）等の形状データを算出する。教示データ作成部（図示略）は、教示モードのとき、レーザセンサ２１を走査させて、模擬溶接部位の形状データを含む教示データを作成して、ＲＡＭやＥＥＰＲＯＭ等からなる記憶部１３ｂに格納する。
【００１６】
記憶部１３ｂは、上記教示データを格納する他、レーザセンサ２１を走査して、各計測点毎に測定された受光量を記憶する。また、ずれ量算出部１３ｃは、教示データに含まれる基準位置（教示物５０’で教示したエッジ部５２ａ’の位置）と形状解析部１３ａが解析した被溶接物５０の溶接予定部位の基準位置（エッジ部５２ａの位置）とのずれ量を算出する。補正部１３ｄは、ずれ量算出部１３ｃの出力に基づいて、教示データを補正する。最適条件選択部（図示略）は、ロボットコントローラ１２が予め保管している最適溶接条件データベースからこの補正した教示データに応じた最適な溶接条件を選択する。
また、エラー判定部１３ｅは、レーザセンサ２１又はずれ量算出部１３ｃからの信号が予め定められたエラー条件に該当するか否かを判定する。エラー信号発生部１３ｆは、エラー判定部１３ｅが、エラーと判定した場合エラー信号を発生する。また、送信回路（図示略）は、ロボットコントローラ１２へ溶接予定部位の座標値（補正された教示データ）、最適溶接条件信号、及びエラー信号を送信する。
制御部１３ｇは、ＣＰＵ（中央処理装置）及びＲＯＭやＲＡＭ等の内部メモリを備え、ＲＯＭに記憶された処理プログラムを、ＲＡＭを用いて実行することによりセンサコントローラ１３の構成各部を制御する。
【００１７】
なお、この例のエラー判定部１３ｅは、予め与えられた複数のエラー条件のいずれのエラー条件に該当するかを判定できるようになっている。そして、エラー信号発生部１３ｆは、該当するエラー条件に対応するエラー番号（エラー条件毎に異なる）を発生する。特に、エラー判定部１３ｅが複数のエラー条件に該当すると判定した場合、エラー信号発生部１３ｆは、予め定めた優先順位の上位のエラー条件に応じたエラー番号のみを発生するようになっている。具体的なエラー条件とエラー番号の関係については、作用の説明のところで述べる。
【００１８】
このセンサコントローラ１３は、ロボットコントローラ１２に接続されており、ロボットコントローラ１２はセンサコントローラ１３から送られてきた補正された教示データ（溶接予定部位の補正された座標値）、最適溶接条件信号等に基づいて、ロボット本体１１の動作制御を行い、溶接を実行する。また、エラー信号が送られてきたときには、そのエラー信号を表示装置１４に表示させ、必要に応じてロボット本体１１の動作を停止する。
なお、このロボットコントローラ１２内の最適溶接条件データベースには、熟練工の知識や経験に基づいて、溶接条件決定のための電流、電圧、速度、トーチ角度、狙い角度等の情報が記憶されている。
【００１９】
次に、この例の作用について説明する。
建物ユニットの組立工場において、この溶接ロボットにより、構造体である被溶接物５０の溶接予定部位（柱５１とジョイントピース５２との間）に対して溶接を実行するには、まず、ロボット本体１１に対する相対位置が送りライン上の被溶接物と同じ関係になるように送りライン外に教示物を配置する。教示物は被溶接物と同じもの、あるいはモデル化したものである。そして、この教示物にロボット本体１１を向けて教示を行う。
すなわち、まず、教示物の基準座標を、可動アーム１７の先端を動かすことで溶接ロボット１０に教示する。ついで、教示物の模擬溶接予定線に沿って溶接トーチ２０の先端を手動で動かすことにより、動腕部１６の座標値を検出して溶接基準線を算出させる。
【００２０】
次に、センシング位置（レーザセンサ２１の測定位置）を定め、その位置でレーザセンサ２１を走査させて、その計測データにより模擬溶接部位の形状を解析させる。この解析データの中には教示物のエッジ部（溶接基準位置）の座標値や溶接基準線の座標値が含まれている。センシング位置は、この例の場合、上下に間隔をおいた２点である（３点以上でも勿論良い）。
【００２１】
次に、ロボット本体１１の可動アーム１７を送りライン上の被溶接物５０に戻して再生モードとする。このとき、教示物に向けて教示を行った際の座標値のうち、可動アーム１８及び手首部１９の座標値のみを用いて、ワーク空間上の座標値を算出するようにしているので、教示物と被溶接物５０との間の往復動に用いられる基動部２０の座標値は除かれて、そのまま、送りライン上の被溶接物５０の溶接予定部位の走査が行われる。すなわち、図３に示すように、上下２つのセンシング位置ＳＰ１、ＳＰ２でレーザセンサ２１を走査させて（図中ｈが走査範囲を示す）、被溶接物５０のエッジ部（溶接予定位置）５２ａの位置Ｓ１、Ｓ２を解析させる。ついで、図４に示すように、教示物５０’で解析したエッジ部５２ａ’の位置と、被溶接物５０で解析したエッジ部５２ａの位置とのずれ量δを算出させ、上下のセンシング位置ＳＰ１、ＳＰ２でのずれ量δの大きい方を選択して、そのずれ量δに応じて教示データの内容を補正し、補正したデータを正式な溶接予定部位の座標データとする。そして、このデータに対応した溶接条件を選択し、それらをロボットコントローラ１２に送信する。
【００２２】
このセンシング動作の際、センサコントローラ１３にはエラー診断機能が備わっており、下記のエラー条件（診断条件）に合致するか否かを判断する。
（１）センシング位置ＳＰ１でのエッジ部の位置Ｓ１が計測不可能である。
（２）センシング位置ＳＰ２でのエッジ部の位置Ｓ２が計測不可能である。
（３）教示データのエッジ部の位置と被溶接物のエッジ部の位置Ｓ１との差
（ずれ量δ）が所定値Ｌ１以上である。
（４）教示データのエッジ部の位置と被溶接物のエッジ部の位置Ｓ２との差
（ずれ量δ）が所定値Ｌ１以上である。
（５）Ｓ１とＳ２の差が所定値Ｌ２を超えている。
【００２３】
そして、以上のエラー条件に該当する場合は、該当したエラー条件に対応したエラー番号をロボットコントローラ１２に送信する。この場合、エラー番号とエラー条件は一対一の対応関係にあり、各エラー条件毎に異なるエラー番号が下記のように対応付けされている。
【００２４】
エラー番号 … エラー内容
３１ … （１）
３２ … （２）
３３（※） … （３）
３４（※） … （４）
３５（※） … （５）
【００２５】
したがって、上記の（２）の条件に該当するエラーが発生した場合は、エラー番号「３２」がロボットコントローラ１２に送信される。また、複数のエラーが同時に起こった場合は、同時にエラー番号が送信される。但し、優先順位のあるものの場合は、優先順位の上位のエラー番号のみが送信される。ここでは、※印の番号のエラーに対して、※印のない番号のエラーが優先順位の上位にある。したがって、※印のエラーが検出されても、エラー番号「３１」又は「３２」が発生した場合には、※印の番号は送信されない。
【００２６】
ロボットコントローラ１２は、エラー番号「３２」が送信されてきた場合は、その番号を表示装置に表示させると共に、エラー番号（文番号）「３２」の命令語に飛んで、この命令を実行する。すなわち、ロボット本体の運転を停止させる。一方、エラー番号が送信されて来ない場合は、補正された教示データ及び選択された溶接条件に従い、溶接トーチ２０を動かして溶接を実行する。
【００２７】
このように、センシングエラーが発生した場合、即座にロボットコントローラ１２にエラー信号が送られてくるので、ロボットコントローラ１２側ですぐそれに対処することができる。したがって、誤ったセンシングデータにより溶接を実行してしまう心配がなく、溶接不良を生じたり、被溶接物５０に溶接トーチ２０をぶつけたりするおそれがない。また、表示画面を見ることで、何のエラーが発生したかが分かる。したがって、即座にそのエラーに対処することができる。特に、優先順位の上位のエラーのみが表示されるので、表示内容に沿って対処すれば、効率良くエラーを解消できる。
【００２８】
以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、エラー条件は上記の例に限らず、種々設定することができる。エラー番号も任意の文番号に設定し得る。
また、センサコントローラは、ソフトウェア構成であるとハードウェア構成であるとを問わない。また、上述の実施例では、センサコントローラとロボットコントローラとが互いに別体である場合について述べたが、例えば、ロボットコントローラがセンサコントローラの機能を兼ね備えるようにしても良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、ずれ量が所定値以上になった場合、エラー信号がロボット制御手段に送られてくるので、ロボット制御手段側でエラーに対処することができる。したがって、誤ったデータにより溶接を実行してしまうおそれがなく、溶接不良を生じたり、被溶接物に溶接トーチをぶつけてしまったりする等の心配がない。
【００３０】
また、請求項２記載の発明によれば、教示物で教示した教示データ（基準位置）とセンシングデータ（溶接予定位置）とのずれに応じて教示データを補正するので、被溶接物の位置が教示した位置と微妙にずれていても、正確な溶接予定位置で溶接することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例である溶接ロボットのシステム全体の構成を示す概略図である。
【図２】同システムに適用されるセンサコントローラの電気的構成を示すブロック図である。
【図３】同溶接ロボットに搭載されるレーザセンサで被溶接物の溶接予定部位をセンシングする様子を説明するための図である。
【図４】同実施例による教示物と被溶接物とのエッジ部の位置のずれを説明するための平面図である。
【図５】従来の溶接ロボットの概略構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０溶接ロボット
１１ロボット本体
１２ロボットコントローラ（ロボット制御手段）
１３センサコントローラ
１３ａ形状解析部
１３ｂ記憶部
１３ｃずれ量算出部
１３ｄ補正部
１３ｅエラー判定部
１３ｆエラー信号発生部
１３ｇ制御部
１６動腕部
２０溶接トーチ
２１レーザセンサ
５０被溶接物
５２ａエッジ部（基準位置）
δ ずれ量

Claims

動腕部の先端に溶接トーチと溶接予定部位の表面位置を測定するセンサとを備えたロボット本体と、このロボット本体の動腕部の動作及び溶接動作を制御するロボット制御手段と、前記センサのデータより溶接予定部位の基準位置を解析する解析手段と、教示データを記憶する記憶手段と、前記教示データに含まれる基準位置と前記解析手段が解析した被溶接物の溶接予定部位の基準位置とのずれ量を算出するずれ量算出手段と、このずれ量算出手段の出力に基づいて前記教示データを補正する補正手段とを備え、前記ロボット制御手段がこの補正手段の出力に応じて前記ロボット本体を制御する溶接ロボットにおいて、
前記ずれ量が所定以上となった場合エラー信号を前記ロボット制御手段に送出するエラー信号発生手段とを設けたことを特徴とする溶接ロボット。
請求項１記載の溶接ロボットであって、
前記教示データに含まれる基準位置が、前記センサを教示物の溶接予定部位に走査させ前記解析手段で解析して得た位置であることを特徴とする溶接ロボット。