JP3841757B2

JP3841757B2 - アーク溶接ロボットのトーチケーブル処理構造

Info

Publication number: JP3841757B2
Application number: JP2003014942A
Authority: JP
Inventors: 俊彦井上; 一隆中山; 雅裕萩原; 武志津村
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: DE602004000917D1; EP1440760B1; US20040144764A1; US7105771B2; DE602004000917T2; EP1440760A1; JP2004223576A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接用のトーチを搭載した産業用ロボットにおけるトーチケーブル処理構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットの典型的なアプリケーションの１つとして、いわゆるアーク溶接ロボットがある。アーク溶接ロボットは、アーク溶接用のトーチ（以下、単に「溶接トーチ」という）をアーム先端付近に搭載してワークに対するアーク溶接を実行する産業用ロボットである。
【０００３】
アーク溶接ロボットを用いた実際の作業現場では、アーク溶接ロボットのアームをワーク、治具、周辺機器などの間の狭い隙間に入り込ませて溶接作業を行わねばならないことが多い。そのような場合、アーク溶接ロボットの動きに伴って干渉の問題が発生し易い。特に、溶接トーチに接続されているトーチケーブルは、比較的狭い範囲で動くロボット先端部のアームや溶接トーチなどと比べて、周辺のワーク、治具、周辺機器等と干渉する危険性が大きい。その１つの理由は、トーチケーブルは、溶接ワイヤの送給安定性を確保するためにロボット機体の周辺で緩やかに取回しがされており、その分、周辺との干渉する領域が広くなってしまうからである。
【０００４】
また、アーク溶接のプログラムをオフラインで作成する場合、アームや溶接トーチ、ワイヤ送給装置の動作などのシミュレーションは可能であるが、溶接トーチとワイヤ送給装置との間を接続するトーチケーブルの動きをシミュレートすることは困難である。これは、トーチケーブルの挙動は、ロボットの手首軸の姿勢により大きく変り、また、柔軟性がある分、経年変化により、その挙動が変化する場合もある等の事情による。従って、アーク溶接のプログラムをオフラインで作成する段階で、予めトーチケーブルと周辺物体との干渉性を正確に予測することも容易でない。
【０００５】
このような背景の下、トーチケーブルの干渉の問題に関連して、いくつかの提案がなされている。例えば、特許文献１には、溶接トーチを、ロボット最終回転軸に対し一定量オフセットした平行な軸回りに回転可能に設け、溶接トーチの回転自由度を上げたものが記載されている。また、特許文献２には、図１（ａ）、（ｂ）に示したような構造が提案されている。
【０００６】
全体構造を正面図で表わした図１（ａ）に描かれているように、ロボットの手首先端にトーチが装着され、該溶接トーチにトーチケーブルを介して溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置がロボットアームの支持ベースに装着されている。このワイヤ送給装置は、ロボットアームの制御部により位置制御されるシフトユニットを介して溶接ワイヤの送給方向に沿って進退調整自在（スライド自在）となっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２１６１８９号公報
【特許文献２】
実開平５−２８５６３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載の技術では、ロボットの手首軸の姿勢が変更される場合は、図１（ａ）、（ｂ）における破線で示したようにトーチケーブルの挙動が大きく変化し、周辺と干渉する問題があった。また、特許文献２に記載の技術では、トーチケーブルが前腕に対し大きく張り出しており、周辺と干渉する危険性が大きい。即ち、溶接トーチの姿勢を変更する場合に溶接トーチが前腕に対し旋回する為、溶接トーチ姿勢が溶接作業中に変更される場合、トーチケーブルが過剰に引っ張られて前腕に絡まったり、あるいは、トーチケーブルが過剰に弛んでその曲率が大きく変化することで溶接ワイヤの送給不良が発生するなど、溶接作業に支障を来す問題がある。
【０００９】
更に、溶接トーチの姿勢を変更した場合、トーチケーブルの挙動が大きく変化し、トーチケーブルとワーク、治具、周辺機器との干渉する問題もある。
そこで本発明の目的は、これら従来技術の問題点を解決し、アーク溶接ロボットのトーチケーブル処理構造を改良し、トーチケーブル（溶接ケーブル）が過剰に引っ張られたり、緩んだりすることを防止してワイヤの安定送給を図るとともに、溶接トーチの姿勢を変更した場合でもトーチケーブルの挙動が大きく変化しないようにして、トーチケーブルと周辺物体との干渉を最小に抑えることができるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記の課題を解決する為に、溶接トーチをロボットの最終回転軸に対し一定量オフセットした平行な軸回りに回転可能に支持するとともに、ワイヤ送給装置をロボットの前腕上にスライド可能に搭載する。また、ワイヤ送給装置と溶接トーチの間にトーチケーブルの動きを制限するガイド部材を設け、溶接トーチとトーチケーブルの結合部を、回転可能な状態で支持する。これにより、溶接トーチの姿勢が変更した場合でもトーチケーブルの挙動が大きく変化せず、トーチケーブルとワーク、治具、周辺機器との干渉を最小に抑えることができ、かつ、安定した溶接ワイヤ送給を実現することができる産業用アーク溶接ロボットのトーチケーブル処理構造が提供される。
【００１１】
即ち、本発明においては、溶接トーチを回転可能に支持する位置をロボットの最終回転軸に対し一定量オフセットされた位置とすることと、ワイヤ送給装置をスライド機構を介して上腕の支持部に装着して位置制御することとを組み合わせることで、トーチケーブルが過剰に引っ張られて前腕に絡まったり、逆に、過剰に弛んでその曲率が大きく変化したりすることが防止される。また、そのことを通して、干渉の危険性が低下し、狭い隙間に入り込んで溶接作業を行なうことも可能になる。
【００１２】
具体的に言えば、本発明は、前腕の先端に、該前腕長手方向の第１軸線回りに回転可能に設けられた第１手首要素と、第１手首要素に、第１軸線と略垂直に交わる第２軸線回りに回転可能に設けられた第２手首要素と、第２手首要素に、第２軸線と略垂直であり、且つ、第１軸線と所定距離隔てた第３軸線回りに回転可能に設けられた溶接トーチとを備えたアーク溶接ロボットのトーチケーブル処理構造に適用されるものであり、前記前腕上に前記第１軸線に略平行な方向に沿って往復移動自在なスライド機構を介してワイヤ送給装置を搭載し、該ワイヤ送給装置により、前記溶接トーチと前記トーチケーブルの結合部で前記溶接トーチに結合された前記トーチケーブルを介して溶接ワイヤを前記溶接トーチに送給するようにし、また、該ワイヤ送給装置と前記溶接トーチの間において、前記第１手首要素または前記第２手首要素にトーチケーブルの動きを制限するためのガイド部材を設け、更に、前記溶接トーチと前記トーチケーブルの結合部を回転可能な状態に支持することを基本的な特徴としている。
【００１３】
ここで、前記スライド機構の駆動は例えばサーボモータで行なうことが好ましい。その場合、第１手首要素の前記前腕に対する第１軸線回りの回転位置、及び第２手首要素の第１手首要素に対する第２軸線回りの回転位置に基いて、前記スライド機構を前記サーボモータにより駆動して前記ワイヤ送給装置の位置を変更する手段を設けることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２（ａ）、（ｂ）は、本発明に１つの実施形態に係るトーチケーブル処理構造を持つ産業用アーク溶接ロボットについて、システム構成を正面図（ａ）、右側面図（ｂ）で示したものである。図示されているように、本実施形態のシステムは、アーク溶接ロボット（ロボット機構部）、溶接トーチ、ワイヤ送給装置、溶接電源、ロボット制御装置を含んでいる。本例におけるアーク溶接ロボットは、６軸の自由度を持つロボットである。各軸は、周知の態様で、ロボット制御装置によって制御されるサーボモータによって駆動される。
【００１７】
ロボット制御装置には動作プログラムが教示されており、手首先端付近に装着された溶接トーチは、動作プログラムに従って目標位置まで移動し、指定された姿勢でワーク（例えば継手：図示は省略）に対してアーク溶接を行なう。ロボット制御装置によるサーボモータの駆動制御は、ロボット制御装置と各サーボモータを接続する制御ケーブルを介して周知の態様で行なわれる。
【００１８】
前腕から手首先端までのロボット機構部をみると、前腕の先端に該前腕の長手方向の第１軸線Ａの回りで回転可能に第１手首要素が設けられ、同第１手首要素に、第２軸線Ｂの回りで回転可能に第２手首要素が設けられている。第２軸線Ｂは、第１軸線Ａと略垂直に交わる関係にある。そして、第２手首要素に、第２軸線Ｂと略垂直であり、且つ、第１軸線Ａと所定距離隔てた第３軸線Ｃの回りで回転可能に溶接トーチが支持されている。
【００１９】
この溶接トーチの支持・回転機構の概要は、図３に示されている。図示されているように、第２手首要素には第６軸駆動用のサーボモータが設けられ、このサーボモータに減速装置が結合されている。減速装置は、出力側のフランジ（以下、出力フランジという）を支持するベアリングを内蔵しており、これらサーボモータと減速装置を介して軸Ｄの周りで回転制御される出力フランジには入力ギヤが結合されている。
【００２０】
また、出力フランジのベース部分にはギヤボックス筐体が装着されており、溶接トーチが軸線Ｂと垂直で、且つ、軸線Ａから所定距離隔てた軸線Ｃの周りでベアリングを介し回転可能に装着されている。換言すれば、軸線Ｃは、軸線Ｂと垂直に交わる軸線Ｄと平行な関係にある。軸線Ｃと軸線Ｄの間には一定の距離がある。
【００２１】
そして、溶接トーチ回転軸と一体化された出力ギヤが、入力ギヤと噛合う様に装着されている。これにより、ロボット制御装置からの指令に応じ、溶接トーチの向きを自由に回転制御できるようになっている。この例では、ギヤでの回転力伝達を示したが、もちろん、ベルトとプーリを使った構成など他の動力伝達要素を用いても良い。
【００２２】
また、溶接トーチの長さ方向の軸回りで姿勢を変更するケースに備えて、溶接トーチとトーチケーブルの結合部は、回転可能な状態に支持する。このようにすれば、トーチを溶接トーチ軸回りに回転させても、トーチケーブルに曲げが加わらなくすることができる。
【００２３】
上述の如く回転可能に支持された溶接トーチに対して溶接ワイヤを送給するために、ロボットの前腕上から第１手首要素上にかけての適所に、第１軸線に略平行な方向に沿って往復移動自在なスライド機構を設け、このスライド機構を介してワイヤ送給装置が搭載されている。図２に示した例では、前腕上にスライド機構を設けた例が描かれている。
【００２４】
図４（ａ）、（ｂ）は、ワイヤ送給装置を移動させるスライド機構とその制御について説明するための上面図及び側面図である。
図示されているように、前腕の後部上端に支持ベースが設けられ、この支持ベースにスライド機構（リニアモータスライダ）が装着され、更に、その上部にワイヤ送給装置が装着されている。スライド機構は、リニアゲージ付リニアモータとリニアガイドにより構成されている。リニアモータは、ロボット制御装置と制御ケーブルを介し接続されている。ロボット制御装置内には付加軸アンプが設けられ、この付加軸アンプでリニアモータが駆動制御される。制御態様については後述する。なお、本実施例では、駆動要素として、リニアモータを記載したが、サーボモータとサーボモータの回転を直動動作に変換するボールネジを組合せたものでも実現可能である。
【００２５】
一方、ワイヤ送給装置はサーボモータと、サーボモータの回転出力を減速し、送給ローラにその回転出力を伝達する減速機機構と、送給ローラにより溶接ワイヤを送給するワイヤ送給機構から構成されている。サーボモータは、ロボット制御装置と制御ケーブルを介し接続され、溶接電源への指令に合う様、ロボット制御装置により制御されている。即ち、ロボット制御装置は、上記サーボモータへの動作指令と同時に溶接電源への溶接指令も出力し、溶接電源は、溶接指令に応じて、ロボットの動作と同期して、溶接トーチ先端の溶接ワイヤ部の溶接電圧、溶接電流を制御するとともに、ワイヤ送給装置を動作させて溶接ワイヤドラムから溶接ワイヤを引出し、溶接トーチに溶接ワイヤを送給する。
【００２６】
なお、必要に応じて、柔軟性のあるトーチケーブルがワイヤ送給装置のスライド時にスムースに上腕長手方向に移動できるよう、第１手首要素または第２手首要素の1つ以上の個所でガイドにより案内することもできる。また、近年、ワイヤ送給装置もサーボ化により小型化が進んでおり、それを用いる場合、ワイヤ送給装置を第１手首要素上に搭載し、溶接トーチとワイヤ送給装置間の距離を短くし、さらに溶接ワイヤの安定送給を計ることも可能である。
【００２７】
ワイヤ送給装置から溶接トーチへのワイヤ送給と溶接のための電力供給に使用されるトーチケーブルについては、例えば図５に示した断面構造を有するものが使用される。同図に示すように、トーチケーブルは、２つのシースを用いた二重構造を有している。内側のシース内には、溶接ワイヤ送給用スプリングが設けられている。この溶接ワイヤ送給用スプリングは、トーチケーブルの断面中心付近を取り囲んでトンネル状の通路を形成するようにらせん状に巻回されており、このトンネル状の通路内を溶接ワイヤが自由に通過できるようになっている。
【００２８】
また、内側のシースと外側のシースとの間にはパワーケーブルが設けられている。このパワーケーブルは溶接トーチに溶接のための電力を送るケーブルで、ワイヤ送給装置内で給電ケーブルに電気的に接続される一方、溶接トーチ内で溶接ワイヤと電気的に接続されている。更に、内側のシース内には空間が確保されており、この空間によって形成される通路を、アシストガス源（図示省略）から供給されるアシストガス（不活性ガス）が流動するようになっている。このアシストガス通路を通ったアシストガスは、溶接トーチ先端の開口から溶接個所に向けて吹き付けられる。
【００２９】
次に、以上の構成と機能の下で、溶接トーチ姿勢を溶接作業中に変更する場合の制御について説明する。この場合、ロボット制御装置のＣＰＵはソフトウェアを用いて、第１手首要素、第２手首要素の位置からトーチケーブルの溶接トーチ側端点を計算する。そして、その結果からトーチケーブルの溶接トーチ側端点とワイヤ送給装置側端点間の距離が常に一定となる様に、ワイヤ送給装置のスライド位置を制御する。
【００３０】
ここで、トーチケーブルの溶接トーチ側端点とワイヤ送給装置側端点間の距離は、ワイヤ送給装置が前腕上に搭載されている場合には、前腕に対する第１手首要素の位置及び第２手首要素の位置から決定されるが、前述のように、ワイヤ送給装置が第１手首要素上に搭載されている場合には、第１手首要素に対する第２手首要素の位置から決定されることになる。
【００３１】
図５は、このような制御の下で第２手首要素の位置が変化した場合について、トーチケーブルの挙動を示したものである。図５では、説明を簡単にし、また、ワイヤ送給装置が前腕上、第１手首要素上のいずれに搭載されている場合にも説明を適用できるようにするために、第１手首要素の位置は一定と仮定する。
【００３２】
第２手首要素の位置としては３つの位置を考え、各位置におけるロボットの姿勢を姿勢Ｉ、姿勢ＩＩ、姿勢ＩＩＩとした。ここで姿勢ＩＩは、標準的なロボット姿勢に対応しており、この時の適正なトーチケーブル長（溶接トーチ・ワイヤ送給装置間）を基準長Ｌとする。また、姿勢Ｉは、姿勢ＩＩに比べて溶接トーチが前腕先端から遠くなるようにほぼ９０度第２手首要素回転が移動した時のロボット姿勢に対応し、姿勢ＩＩＩは姿勢ＩＩに比べて溶接トーチが前腕先端に近付くようにほぼ９０度第２手首要素が回転移動した時のロボット姿勢に対応している。
【００３３】
ロボット制御装置は、常時、「前腕、第１手首要素及び第２手首要素の位置」を常時監視する。但し、ワイヤ送給装置が第１手首要素上に搭載されている場合には、「第１手首要素及び第２手首要素の位置」を常時監視すれば足りる。今一例として、姿勢ＩＩを初期状態として考え、姿勢ＩＩから姿勢Ｉに変化した場合、ワイヤ送給装置の位置を２＊Ｒ＊π／４分だけ前方に移動させる。これにより、姿勢変化に伴って前腕（前腕上にスライド機構を設置した場合）あるいは第１手首手段（第１手首手段上にスライド機構を設置した場合）と、溶接トーチとの遠近変化が起ることが回避され、トーチケーブル長（溶接トーチ・ワイヤ送給装置間）も基準長Ｌのままで適正な張り具合い（緊張や過度の弛みがない状態）が維持される。
【００３４】
逆に、姿勢ＩＩを初期状態として考え、姿勢ＩＩから姿勢ＩＩＩに変化した場合には、ワイヤ送給装置の位置を２＊Ｒ＊π／４分だけ後方に移動させる。これにより、姿勢変化に伴って前腕（前腕上にスライド機構を設置した場合）あるいは第１手首手段（第１手首手段上にスライド機構を設置した場合）と、溶接トーチとの遠近変化が起ることが回避され、トーチケーブル長（溶接トーチ・ワイヤ送給装置間）も基準長Ｌのままで適正な張り具合い（緊張や過度の弛みがない状態）が維持される。
【００３５】
このように、ロボット制御装置は、前腕、第１手首要素及び第２手首要素の位置（あるいは第１手首要素及び第２手首要素の位置）を常時監視し、このフィードバック情報をリアルタイムで処理し、ワイヤ送給装置の位置が常に最適になるよう制御している。そのために、ロボット制御装置内には、トーチケーブルの溶接トーチ側端点とワイヤ送給装置側端点間の距離を求める計算式（ソフトウェア）を準備し、ロボット制御装置内でワイヤ送給装置の最適な位置を計算する。
【００３６】
このようにして、本実施形態によれば、トーチケーブルが過剰に引っ張られて前腕に絡まったり、逆に、トーチケーブルが過剰に弛んでその曲率が大きく変化したりすることがなくなる。更に、前述したように、溶接トーチを第２軸線と略垂直で第１軸線と所定距離隔てた第３軸線の回りで回転可能に設けたことで、溶接トーチの姿勢の変更時のトーチケーブルの挙動に大きな変化が生じ難くなるよう、トーチケーブルをコンパクトに装着することができる。
【００３７】
従って、トーチケーブルとワーク、治具、周辺機器との干渉を最小に抑えることができ、ワーク、治具、周辺機器の間の狭い隙間に入り込んだ溶接作業も安定して行えるようになる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明により、トーチケーブルが過剰に引っ張られて前腕に絡まったり、あるいは、トーチケーブルが過剰に弛んでその曲率が大きく変化したりしなくなる。その結果、溶接ワイヤの安定送給が可能となり、溶接作業が安定して行えるようになる。また、溶接トーチの姿勢が変化した場合でも、トーチケーブルの挙動が大きく変化しないよう、トーチケーブルをコンパクトに装着することができるため、トーチケーブルとワーク、治具、周辺機器との干渉を最小に抑えることができ、ワーク、治具、周辺機器の間の狭い隙間に入り込んで溶接作業を行うことも容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のアーク溶接ロボットについて、全体を説明する正面図（ａ）、及び、トーチ姿勢の周辺を示した側面図（ｂ）である。
【図２】本発明に１つの実施形態に係るトーチケーブル処理構造を持つ産業用アーク溶接ロボットについて、システム構成を正面図（ａ）、右側面図（ｂ）で示したものである。
【図３】実施形態で用いられる溶接トーチ支持・回転機構について、上面図（ａ）、側面図（ｂ）の断面図である。
【図４】実施形態で用いられるワイヤ送給装置スライド機構とその制御について説明するための上面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図５】実施形態で使用されるトーチケーブルの概略構造を例示した断面図である。
【図６】トーチケーブルの挙動を３つのロボット姿勢における正面図、即ち、姿勢Ｉにおける正面図（ａ）、姿勢ＩＩにおける正面図（ｂ）及び姿勢ＩＩＩにおける正面図（ｃ）で示したものである。

Claims

前腕の先端に、該前腕長手方向の第１軸線回りに回転可能に設けられた第１手首要素と、
該第１手首要素に、前記第１軸線と略垂直に交わる第２軸線回りに回転可能に設けられた第２手首要素と、
該第２手首要素に、前記第２軸線と略垂直で、且つ、前記第１軸線と所定距離隔てた第３軸線回りに回転可能に設けられた溶接トーチとを備えたアーク溶接ロボットのトーチケーブル処理構造であって、
前記前腕上に、前記第１軸線に略平行な方向に沿って往復移動自在なスライド機構を介してワイヤ送給装置が搭載されると共に、
該ワイヤ送給装置は、前記溶接トーチと前記トーチケーブルの結合部で前記溶接トーチに結合された前記トーチケーブルを介して溶接ワイヤを前記溶接トーチに送給するものであり、
前記ワイヤ送給装置と前記溶接トーチの間において、前記第１手首要素または前記第２手首要素に前記トーチケーブルの動きを制限するためのガイド部材が設けられており、更に、
前記溶接トーチとトーチケーブルの結合部は、回転可能な状態に支持されていることを特徴とする、アーク溶接ロボットのトーチケーブル処理構造。
前記第１手首要素の前記前腕に対する前記第１軸線回りの回転位置、及び前記第２手首要素の前記第１手首要素に対する前記第２軸線回りの回転位置に基いて、前記スライド機構を前記サーボモータにより駆動して前記ワイヤ送給装置の位置を変更する手段を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のアーク溶接ロボットのトーチケーブル処理構造。