JP3948092B2 - トーチ位置検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットを使用して行う作業において、トーチの対象物や治具等と干渉した際のトーチ先端の位置ずれ量を検出するトーチ位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロボット手先に取り付けられた溶接トーチから突き出された溶接ワイヤ先端の位置を検出する方法としては、ワイヤタッチセンシングによる方法があった。この方法は、溶接トーチの先端から一定の長さだけ突き出された溶接ワイヤと溶接対象物の間に電圧を加えて、ワイヤ先端と溶接対象物が電気的に接触したときのワイヤ先端位置を検出するものである。このワイヤタッチセンシングを利用したトーチ先端の位置ずれ検出技術として、特開平１−２５７５９３号公報に示すような方法がある。図８は従来技術での検出動作を表す図である。
【０００３】
同図において、導電性の３平板で構成される治具１３はロボットの動作範囲内に配置され、ロボット手先部に取り付けられた溶接トーチ２から溶接ワイヤ７が突き出されている。上記構成において、溶接ワイヤ７と治具１３の間に電圧を加え、あらかじめロボット制御装置の記憶部に記憶させた方向にロボットを動作させて溶接ワイヤ７と治具１３との電気的接触位置をそれぞれ３平板に対して検出し、トーチ変形前に検出した接触位置とトーチ変形後に検出した接触位置の差分から溶接ワイヤ先端の位置ずれ量をロボット制御装置の演算部で算出して記憶部に記憶し、以降の動作において前記位置ずれ量を呼吸する方向に溶接ワイヤ先端をずらして補正動作するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術において高精度な位置検出を行うためには、トーチから突き出している溶接ワイヤが決められた長さであることおよび検出動作中にワイヤ長さが変化しないことが必要である。ワイヤの長さを自動的に適正長にする手段としてワイヤの自動切断機があるが、通常ワイヤの自動切断機はトーチとは分離され、ロボット動作範囲内の別の場所に設置されているので、トーチ先端を自動切断機の所定の場所へ位置決めしたのちワイヤを切断しなければならないものである。したがってトーチが大きく変形した状態では正しい位置でワイヤを切断することができないため、作業者がワイヤの長さを調整する必要があり、手作業によって精度が悪化したり調整に時間がかかるという問題があった。
【０００５】
さらに、検出動作中にトーチの姿勢が変化することやワイヤタッチセンシングの際にワイヤと治具が接触するときの圧力が原因でワイヤの突き出し長さが変化するという問題があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するものであり、溶接トーチの変形による溶接ワイヤ先端の位置ずれを補正する際に、トーチの種類に制限されることなく高い精度で溶接ワイヤ先端の位置ずれを補正することができるトーチ位置検出装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、ロボット本体と、前記ロボット本体を制御するロボット制御装置と、前記ロボット本体の動作範囲内に設置されており前記ロボット本体の手先に取り付けられたトーチが接触したことを検出して信号を送信する検出器を備え、前記検出器方向に前記ロボット本体を動作させるステップと、前記ステップの後でトーチ先端位置を中心に前記トーチを回転させるステップと、前記回転後に前記検出器方向へロボットを動作させるステップと、前記検出器が前記トーチの接触を検出した時点のロボット座標系に対するトーチ先端位置と姿勢を前記ロボット制御装置が記憶するステップを有する。
【０００８】
また、ロボット本体と、前記ロボット本体を制御するロボット制御装置と、前記ロボット本体の動作範囲内でありロボットの直交座標系における２軸平面に平行に設置されており前記ロボット本体の手先に取り付けられたトーチが接触したことを検出して信号を送信する検出器を備え、前記２軸平面に対して垂直方向から前記検出器方向に前記ロボット本体を動作させるステップと、前記ステップの後でトーチ先端位置を中心に２軸平面を構成する１軸回りに９０度回転させるステップと、前記回転後に検出器方向へロボットを動作させるステップと、前記検出器が前記トーチの接触を検出した時点のロボット座標系に対するトーチ先端位置と姿勢を前記ロボット制御装置が記憶するステップを有する。
【０００９】
また、アーク溶接用ロボットの手先に取り付けられた溶接トーチの位置を検出する独立した２つの検出器と、前記検出器の出力を入力とした判定器を設けたものである。
【００１０】
また、溶接トーチの電極を挟んで相対した位置に２つの検出器を配置したものである。
【００１１】
また、検出器として、一端を固定した弾性体とこの弾性体の他端に配設したリミットスイッチを用いるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は上記手段により、溶接ワイヤではなく、トーチが２つの検出器に接触することによってその位置を検出することができるため、溶接ワイヤの突き出し長さに関係なくトーチ位置を検出することができるものである。
【００１３】
以下、本発明の一実施の形態を説明する。
図１〜７は本実施の形態を説明する図である。図１はロボットとトーチ位置検出装置の全体構成を表す概略図、図２は溶接トーチ側面での検出動作を表す概略図、図３は溶接チップ先端での検出動作を表す概略図、図４は溶接チップ先端での検出動作を表す詳細図である。図１に示すようにロボット本体１はロボット制御装置５で制御される。トーチ位置検出器３は、ロボット動作範囲内に設置され、トーチ位置検出器３の出力信号線は判定器４を介してロボット制御装置５に接続される。
【００１４】
次に図２（ａ）を参照して溶接トーチ側面での位置検出動作について説明する。トーチ位置検出器３は、２つの独立した位置検出器で構成されており、この２つの独立した位置検出器は、トーチ接触部８とリミットスイッチ１０、トーチ接触部９とリミットスイッチ１１の組み合わせからなり、トーチ接触部８，９を支持部１２で共通に支持している。トーチ接触部８は、上方から外力が加わると支持部１２を支点に回転動作しリミットスイッチ１０を押し下げ、リミットスイッチ１０を作動させる。同様にトーチ接触部９は、上方から外力が加わると支持部１２を支点に回転動作してリミットスイッチ１１を押し下げ、リミットスイッチ１１を作動させる。リミットスイッチ１０、１１は外力がなくなると内部にあるバネの反作用により外力が加わる前の位置に復帰する。トーチ接触部８，９は一定間隔で配置されており、その間隔は溶接ワイヤ７の直径より大きく溶接チップ６の直径より小さい。
【００１５】
これ以降の説明は、トーチ位置検出器３をロボット座標系のＸＹ面に並行に設置し、センシング方向をＺ軸方向で行う場合の例について述べる。なお、例で述べる以外のトーチ位置検出器３の設置位置およびセンシング方向によってトーチ位置検出を行うことも可能である。
【００１６】
あらかじめロボット制御装置に記憶する位置検出動作について図６を参照して説明する。
【００１７】
ステップ１〜２ではトーチのＺ軸に対する傾きを求めるための位置検出動作を記憶する。ステップ１では図２（ｂ）に示すように溶接トーチ２のトーチ長さ方向がロボット座標系のＸ軸方向に並行になるような姿勢にし、溶接トーチの姿勢を保持したままＺ軸に沿ってセンシングしたとき、溶接トーチ２がトーチ位置検出器３のトーチ接触部８および９に当たるようなセンシング動作を記憶する。ステップ２ではステップ１と同じトーチ姿勢でトーチの位置をＸ軸に沿って一定量Ｈだけ並行移動させた位置からＺ軸に沿ってセンシングする動作を記憶する。
【００１８】
ステップ３〜４ではトーチのＹ軸に対する傾きを求めるための位置検出動作を記憶する。ステップ３ではステップ１のトーチ姿勢に対してトーチ先端位置を固定したまま、トーチをＸ軸回りに−９０度回転させた姿勢にし、Ｚ軸に沿ってセンシングする動作を記憶する。Ｘ軸回りに−９０度回転させることでＺ軸方向のセンシングをＹ軸方向のセンシングとみなすことができる。ステップ４ではステップ３と同じトーチ姿勢でトーチの位置をＸ軸に沿って一定量Ｈだけ並行移動させた位置からＺ軸に沿ってセンシングする動作を記憶する。
【００１９】
ステップ５ではトーチに垂直方向の位置ずれを求めるための位置検出動作を記憶する。ステップ１と同じ姿勢で、溶接トーチの姿勢を保持したままＺ軸に沿ってセンシングしたとき、溶接トーチ２がトーチ位置検出器３のトーチ接触部８および９に当たるようなセンシング動作を記憶する。
【００２０】
ステップ６ではトーチに垂直でステップ５で検出する位置ずれ方向に対して直角方向の位置ずれを求めるための位置検出動作を記憶する。ステップ３と同じ姿勢で、溶接トーチの姿勢を保持したままＺ軸に沿ってセンシングしたとき、溶接トーチ２がトーチ位置検出器３のトーチ接触部８および９に当たるようなセンシング動作を記憶する。
【００２１】
ステップ７ではトーチに沿った方向の位置ずれを求めるための位置検出動作を記憶する。図３のように溶接トーチ２のトーチ長さ方向がトーチ位置検出器３に対して垂直になるような姿勢にする。この姿勢を保持したままＺ軸に沿ってセンシングしたとき、図４（ａ）に示すように溶接チップ６がトーチ接触部８と９の中間に位置するようなセンシング動作を記憶する。
【００２２】
図６のステップ１〜ステップ６までの検出動作を行う場合、図１の判定器４はリミットスイッチ１０と１１の検出信号のどちらか一方が入力されたとき、ロボット制御装置５に検出信号を送信し、ロボット制御装置５は信号が入力された時点のロボット座標系に対するトーチ先端位置と姿勢を記憶する。
【００２３】
図６のステップ７の検出動作を行う場合、図１の判定器４はリミットスイッチ１０と１１の検出信号が両方とも入力されたとき、ロボット制御装置５に検出信号を送信し、ロボット制御装置５は信号が入力された時点のロボット座標系に対するトーチ先端位置と姿勢を記憶する。図４（ｂ）のようにトーチ位置がトーチ接触部８，９の中間になくリミットスイッチの検出信号が一方だけしか入力されなかったときは、ロボット制御装置５にエラー信号を送信し、ロボット制御装置５はロボットを停止させる等のエラー処理を行う。
【００２４】
次に溶接トーチが変形する前に図６のステップ１〜７までの位置検出動作を行い、ステップ１〜７にそれぞれ対応した検出位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７を記憶する。
【００２５】
このＰ１〜Ｐ４の位置データからトーチ変形前のステップ１におけるトーチ方向の単位ベクトルｉを算出する。図５に示すようにステップ１での検出動作を行うときに記憶した任意の一点のトーチ先端位置を位置Ｔ１とし、位置Ｔ１からＸ軸方向に沿って一定量Ｈだけ離れた点を通るＹＺ面と変形前のトーチの中心線とが交わる交点の位置をＴ２とすると、位置Ｔ２はＴ２＝ｆ（Ｔ１，ΔＰ１２ｚ，ΔＰ３４ｚ）に示すようにＰ１とＰ２のＺ方向成分の差分ΔＰ１２ｚ、Ｐ３とＰ４のＺ方向成分の差分ΔＰ３４ｚ、位置Ｔ１の関係式で表される。
【００２６】
トーチの中心線は、この位置Ｔ１，位置Ｔ２を通るのでこのときのトーチ方向の単位ベクトルｉは、ｉ＝ｆ（Ｔ１，Ｔ２）のように位置Ｔ１，位置Ｔ２の関係式で表される。
【００２７】
ｉ＝ｆ（Ｔ１，Ｔ２）で求まるトーチ方向の単位ベクトルｉをＸ軸とするツール座標系の直交３軸単位ベクトル（ｉ，ｊ，ｋ）を適当に決定し、記憶する。
【００２８】
次に溶接トーチが変形した後の位置検出動作とトーチ補正量の算出方法について図７を参照して説明する。
【００２９】
ステップａでは、図６のステップ１〜４の位置検出動作を行い、それぞれの検出位置Ｐ１´，Ｐ２´，Ｐ３´，Ｐ４´を記憶する。
【００３０】
ステップｂでは、このＰ１´〜Ｐ４´の位置データからトーチ姿勢の補正値ΔＭを算出して記憶する。ステップ１での検出動作を行うときに記憶した任意の一点のトーチ先端位置を位置Ｔ１とし、位置Ｔ１からＸ軸に沿って一定量Ｈだけ離れた点を通るＹＺ面と位置Ｔ１を通るトーチ変形後のトーチの中心線に並行な線とが交わる交点の位置をＴ２´とすると、位置Ｔ２´はＴ２´＝ｆ（Ｔ１，ΔＰ１２´ｚ，ΔＰ３４´ｚ）に示すようにＰ１´とＰ２´のＺ方向成分の差分ΔＰ１２´ｚ、Ｐ３´とＰ４´のＺ方向成分の差分ΔＰ３４´ｚ、位置Ｔ１の関係式で表される。
【００３１】
トーチの中心線は、この位置Ｔ１，位置Ｔ２´を通る線分に並行であるのでこのときのトーチ方向の単位ベクトルｉ´は、ｉ´＝ｆ（Ｔ１，Ｔ２´）のように位置Ｔ１，位置Ｔ２´の関係式で表される。
【００３２】
ｉ´＝ｆ（Ｔ１，Ｔ２´）で求まるトーチ方向の単位ベクトルｉ´をＸ軸とするツール座標系の直交３軸単位ベクトル（ｉ´，ｊ´，ｋ´）を決定し、記憶する。
【００３３】
トーチ変形後のツール座標系の単位ベクトル（ｉ´，ｊ´，ｋ´）をトーチ変形前のツール座標系の単位ベクトル（ｉ，ｊ，ｋ）に変換補正するための回転行列ΔＭは、ΔＭ＝ｆ（（ｉ，ｊ，ｋ），（ｉ´，ｊ´，ｋ´））に示すような関係式で表される。
【００３４】
このΔＭをトーチ姿勢の補正値として記憶する。
ステップｃでは、ΔＭを補正した状態で図６のステップ５〜６の位置検出動作を行い、それぞれの検出位置Ｐ５´，Ｐ６´を記憶する。
【００３５】
ステップｄでは、位置Ｐ５´のＺ方向成分とあらかじめ記憶していたトーチ変形前の検出位置Ｐ５のＺ方向成分との差分ΔＰ５を図６のステップ５でのツール座標系に対する値ΔＰ５ｔに変換して記憶する。同じく位置Ｐ６´のＺ方向成分とあらかじめ記憶していたトーチ変形前の検出位置Ｐ６のＺ方向成分との差分ΔＰ６を図６のステップ６でのツール座標系に対する値ΔＰ６ｔに変換して記憶する。
【００３６】
ステップｅでは、ΔＭ，ΔＰ５ｔ＋ΔＰ６ｔを補正した状態で図６のステップ７の位置検出動作を行い、検出位置Ｐ７´を記憶する。
【００３７】
ステップｆでは、位置Ｐ７´のＺ方向成分とあらかじめ記憶していたトーチ変形前の検出位置Ｐ７のＺ方向成分との差分ΔＰ７を図６のステップ７でのツール座標系に対する値ΔＰ７ｔに変換して記憶する。
【００３８】
以上の位置検出動作により、ツール座標系に対するトーチ位置の補正量（ΔＰ５ｔ＋ΔＰ６ｔ＋ΔＰ７ｔ）とトーチ姿勢の補正量ΔＭが記憶される。そして、トーチ変形前に教示し記憶した動作に対して位置と姿勢を補正して動作することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば溶接用ロボットの手先に取り付けられた溶接トーチの特定位置を検出する独立した２つの位置検出器と、この検出器の出力を入力とした判定器とからなるトーチ位置検出装置を使用することにより、溶接ワイヤのタッチセンシングでトーチ位置を検出する際のワイヤ突き出し長の調整にかかる時間を削減することができ、ワイヤタッチセンシングの際にワイヤ突き出し長の変化により検出精度が悪くなる問題を解決することができる高精度のトーチ位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるロボットとトーチ位置検出装置の全体構成を表す概略図
【図２】同実施の形態における溶接トーチ側面での検出動作を表す概略図
【図３】同実施の形態における溶接チップ先端での検出動作を表す概略図
【図４】同実施の形態における溶接チップ先端での検出動作を表す詳細図
【図５】同実施の形態におけるトーチの位置を説明する図
【図６】同実施の形態におけるあらかじめ記憶する位置検出動作を表すフローチャート
【図７】同実施の形態におけるトーチ変形後の位置検出動作を表すフローチャート
【図８】従来技術の検出動作を表す図
【符号の説明】
１ ロボット本体
２ 溶接トーチ
３ トーチ位置検出器
４ 判定器
５ ロボット制御装置
６ 溶接チップ
７ 溶接ワイヤ
８，９ トーチ接触部
１０，１１ リミットスイッチ
１２ 支持部
１３ 導電性治具

Claims (3)

1. ロボット本体と、前記ロボット本体を制御するロボット制御装置と、前記ロボット本体の動作範囲内に設置されており前記ロボット本体の手先に取り付けられたトーチが接触したことを検出して信号を送信する検出器を備え、前記検出器方向に前記ロボット本体を動作させるステップと、前記ステップの後でトーチ先端位置を中心に前記トーチを回転させるステップと、前記回転後に前記検出器方向へロボットを動作させるステップと、前記検出器が前記トーチの接触を検出した時点のロボット座標系に対するトーチ先端位置と姿勢を前記ロボット制御装置が記憶するステップを有するトーチ位置検出方法。
2. ロボット本体と、前記ロボット本体を制御するロボット制御装置と、前記ロボット本体の動作範囲内でありロボットの直交座標系における２軸平面に平行に設置されており前記ロボット本体の手先に取り付けられたトーチが接触したことを検出して信号を送信する検出器を備え、前記２軸平面に対して垂直方向から前記検出器方向に前記ロボット本体を動作させるステップと、前記ステップの後でトーチ先端位置を中心に２軸平面を構成する１軸回りに９０度回転させるステップと、前記回転後に検出器方向へロボットを動作させるステップと、前記検出器が前記トーチの接触を検出した時点のロボット座標系に対するトーチ先端位置と姿勢を前記ロボット制御装置が記憶するステップを有するトーチ位置検出方法。
3. 検出器として、一端を固定した弾性体とこの弾性体の他端に配設したリミットスイッチを用いる請求項１または２に記載のトーチ位置検出方法。

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