JP4006504B2 - 溶接作業装置 - Google Patents

Description

本発明は、管や棒等のワークの溶接作業を補助する溶接作業装置において、特に、溶接作業を簡単に行なえる溶接作業支援システムに関するものである。

アルミ管やステンレス管等の複数の管同士の接合は、溶接、接着、圧着、ビス止め等の種々の方法が用いられる。特に、管同士を溶接してＬ字型、Ｔ字型、Ｙ字型等の製品を得るには、溶接するワークの向きを何度も置き換えて作業をする必要がある。そのため、溶接の継ぎ目や溶接ガスによる変色が発生し、外観上の見栄えも悪くなるという問題があった。

特許文献１には、被溶接物であるワークを溶接する準備段階として、まず、ワークを回転テーブルに載せ、これを一定速度で回転させながら、その動作を画像センサおよびレーザ変位計で読み取り、溶接経路を演算測定し、その測定結果に基づいて、回転テーブルと多関節ロボットの先端にある溶接トーチとを駆動制御する自動溶接装置が開示されている。
特開２００２−１０３０３９号（段落０００７〜００１２、図２）

しかしながら、特許文献１の自動溶接装置は、回転テーブルと多関節ロボットの２つの駆動対象を備えていることから、その振り分け制御動作が複雑になり、制御データ作りに時間を要することになる。また、溶接線の決定に画像センサおよびレーザ変位計を用い、かつ多関節ロボットを用いるため、高価な自動溶接装置になる。したがって、特許文献１に開示された自動溶接装置は、小ロット多品種の生産には向かず、このような小ロット多品種の生産に最適な溶接作業装置の出現が望まれているところである。

本発明は、上記に鑑み、簡単な構成によって溶接作業を支援でき、小ロット多品種生産に最適な溶接作業装置の提供を目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、溶接作業台としてワークを支持してＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の三軸周りに回転可能なものを提供する。具体的には、溶接作業台は、架台と、そのＺ軸周りに回転する回転枠と、該回転枠の左右の支柱にＹ軸周りに回転する回転アームと、該回転アームに前記Ｙ軸と直交するＸ軸の周りに回転するワーク支持台と、前記回転枠、回転アームおよびワーク支持台を垂直方向のＺ軸、水平方向のＹ軸および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転駆動する駆動部とを備えたものである。

上記構成においては、ワークを支持する溶接作業台が三軸周りに回転するため、溶接具は所定の位置に固定した状態、すなわち、溶接具と溶接箇所との接点を固定した状態で、ワークを三次元に移動することができ、その制御は溶接作業台のみを駆動制御すればよい。このとき、溶接線の溶接状態によっては、溶接箇所と接する溶接具の接触角度を変化させて微調整するだけで良く、２つの駆動部を制御する特許文献１に比べて、制御が簡単になる。

この溶接作業台の支援システムは、ワークに関する情報、すなわち、溶接するワークの溶接条件を入力する入力部と、ワークを支持してＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の三軸周りに回転可能な溶接作業台を駆動する駆動部と、前記入力部からの入力情報に基づいて前記駆動部を制御する制御部とを備え、制御部は、前記入力部から入力されたワークに関する情報に基づいて、予め記憶した多種類のワーク形状から選択されたワーク形状、これに対応する溶接線情報および溶接具の位置情報等のワーク溶接条件を選択し、選択した情報に基づいて前記駆動部の三軸回転条件を演算し、前記駆動部を回転制御することを特徴としている。

上記構成においては、制御部は、多種類のワーク形状等の溶接条件を記憶しておき、入力されたワーク溶接条件に基づいて、記憶する多種類のワーク形状等の溶接条件を選択する。そして、制御部は、選択した情報に基づいてワークの接合線に沿った溶接作業台の三軸回転角度等の回転条件を演算して、この演算結果に基づいて駆動部を制御するので、特許文献１のように、画像センサ等により、その都度、溶接線や回転角度等を読み込み演算する必要がない。

また、溶接具の位置情報も記憶しておくので、溶接具の位置に合せた駆動部の回転制御が可能となる。つまり、回転台によって溶接対象の姿勢を変更しても溶接箇所が大きく移動することがなく、作業者にとっては目の前の狭い範囲で溶接線に沿って簡便に作業を行なうことができる。この点は、溶接具を自動制御する場合でも、あるいは溶接作業者が手動で操作する場合も同様に行なえる。

また、本発明では、溶接作業台の駆動状況を表示する表示部を備えることで、溶接作業台の回転状況を確認するモニタリング機能や溶接作業台を実際に駆動することなく、ワークの動きを模擬的に表示するシミュレーション機能を付与することができる。

すなわち、制御部は、前記入力部からの入力情報に応じて選択したワーク溶接条件に基づいて、前記表示部に溶接作業台の駆動状況を表示することができる。この場合の駆動状況は、モニタリング機能とシミュレーション機能の両方を含むものである。

また、制御部は、入力部から入力された溶接するワークに関する情報の修正入力情報に基づいて前記情報管理部から選択された溶接条件データを修正し、この修正データに基づいて前記駆動部または表示部を制御することができる。加えて、制御部は、前記入力部からの入力情報が前記情報管理部に記憶された溶接条件データに適合しないとき、入力部からの入力情報に基づいて新たな溶接条件を設定し、この溶接条件に基づいて前記駆動部または表示部を制御することができる。これにより、寸法などが異なるワークについても簡単に溶接作業を行なうことができる。

以上のとおり、本発明によると、情報管理部に記憶されたデータに基づいて、溶接作業台のみを駆動制御することにより、簡単な構成ながらも溶接作業を支援することができ、小ロット多品種生産に最適な溶接作業装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る溶接作業台の斜視図である。本実施形態の溶接作業台１は、架台２と、そのＺ軸周りに回転する回転枠３と、該回転枠３の左右の支柱３ａにＹ軸周りに回転する回転アーム４と、該回転アーム４に前記Ｙ軸と直交するＸ軸の周りに回転するワーク支持台５と、前記回転枠３、回転アーム４およびワーク支持台５を垂直方向のＺ軸、水平方向のＹ軸および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転駆動する駆動部６，７，８とを備えている。

駆動部として、Ｘ軸周りに回転するＸ軸モータ６、Ｙ軸周りに回転するＹ軸モータ７、およびＺ軸周りに回転するＺ軸モータ８が用いられている。これら各軸モータ６〜８は、サーボモータ、ステッピングモータなどが用いられる。

架台２は、平板もしくは四角枠状のフレームから構成されており、床置き可能となっている。

回転枠３は、Ｃ型鋼、Ｌ型鋼、角パイプなどのフレーム材料から、左右一対の垂直方向の支柱３ａと、該支柱３ａの下部同士を連結する底フレーム３ｂとから上側開放のコの字形状に形成されている。

そして、架台２の中心部には、Ｚ軸モータ８が設置され、このＺ軸モータ８のモータ軸８ａに底フレーム３ｂの中央部が連結され、回転枠３が縦軸（Ｚ軸）周りに回転可能になっている。

回転アーム４は、左右の支柱３ａの上端間に差し渡された角パイプ等の部材から、Ｙ軸に対して直交する左右一対のアーム部４ａと、該アーム部４ａの片側端部同士を連結する連結フレーム４ｂとから片側開放のコの字形状に形成されている。そして、一方のアーム部４ａが左右横方向の横軸１０に軸支され、他方のアーム部４ａが支柱３ａに取り付けられたＹ軸モータ７のモータ軸７ａに連結され、回転アーム４がＹ軸周りに回転可能となっている。

ワーク支持台５は円盤状に形成され、連結フレーム４ｂに取り付けられたＸ軸モータ６のモータ軸６ａに連結され、Ｘ軸周りに回転可能となっている。ワーク支持態様の好ましい実施形態としては、ワーク支持台５にワークを支持した際、ワーク１１を構成する複数のアルミ管の中心線の交点が、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸が互いに交差する交点と一致するように、前記回転アーム４およびワーク支持台５の位置を設定するのが良い。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。

ワーク支持台５は、溶接するワーク１１を支持するワーク取付部（図示略）を備えており、このワーク取付部はワークを支持しやすいように設定されている。例えば、アルミ管などのワーク１１を支持する場合は、取付部は管内部に挿通可能な棒状に形成される。

図２は図１の溶接作業台１に据付けられるワークの一例を示す。同図（ａ）はＹ型アルミ管の斜視図、同図（ｂ）はＴ型アルミ管の斜視図、同図（ｃ）はＬ型アルミ管の斜視図である。各々複数のアルミ管Ａ，Ｂを接合して所定の製品形状が得られるようになっている。このアルミ管Ａ，Ｂの接合部は、各製品形状によって異なる接合線形状となっている。この接合線に沿って溶接を行なう場合であって、例えば、正面側に溶接具１２を設置し、この溶接具１２の位置を固定した状態で溶接を行なう場合、夫々の製品に応じて溶接作業台１の各軸モータ６〜８の回転角を制御しなければならない。

この溶接作業台１の各軸モータ６〜８を駆動制御する制御機器１２のハード構成は、図１に示すように、キーボード１３やフットスイッチ１４などの入力部１５と、溶接作業台の駆動状況を表示するデスプレイなどの表示部１６と、入力部１５からの入力情報に基づいて表示部１６および各軸モータ６〜８を制御する制御部１７とを備えている。

図３は図１に示す制御機器２０のハード構成をさらに詳細に示す制御ブロック図である。図３に示すように、制御機器２０は、溶接するワークの溶接条件を入力する入力部１５と、ワーク１１を支持してＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の三軸周りに回転可能な溶接作業台１を駆動するＸ軸モータ６、Ｙ軸モータ７およびＺ軸モータ８からなる駆動部と、前記入力部１５からの入力情報に基づいて前記駆動部を制御する制御部１７とを備えている。

入力部１５は、キーボード１３やフットスイッチ１４を例示できる。これに限らず、マウスやその他の入力手段も含むことは勿論である。フットスイッチ１４は、各軸モータ６〜８の駆動を開始させるためのスイッチとして用いられている。なお、このフットスイッチ１４をアナログスイッチとして、その踏み込み量によって各軸モータ６〜８の回転速度を変えるようにしてもよい。

制御部１７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータから構成され、ワーク１１の溶接条件を演算する演算処理手段１７ａと、この演算結果に基づいて駆動部を制御する駆動制御手段１７ｂと、同じく演算結果に基づいて表示部１６を制御するＣＧ制御手段１７ｃとを有している。

演算処理手段１７ａでは、入力部１５からの入力情報により、予め記憶した情報管理部１８からワーク溶接条件を選択する選択機能と、選択されたワークの溶接条件を修正する修正機能と、新たなワーク形状を作成するティーチング機能と、さらに、上記各機能に基づいて各軸モータ６〜８の回転角を算出する機能とを有している。

情報管理部１８は、溶接条件を予め記憶しておく不揮発性のメモリであって、例えば、ＲＯＭやフラッシュメモリ、コンパクトディスク等である。記憶しておく情報としては、多種類のワーク形状、これに対応する溶接線情報、各ワークの溶接線に応じた駆動部の三軸回転情報、および溶接具の位置情報等の溶接条件が例示できる。

ワーク形状は、例えば、図２に示すＹ型、Ｔ型、Ｌ型などである。このようなワーク形状においては、ワーク形状ごとに管同士の接合線（溶接線）の軌跡が決まるので、ワーク形状に対応させて溶接線情報を記憶しておく。また、接合する管径によっては溶接線の軌跡が異なるので、管径の規格に合せて記憶しておくのが好ましい。例えば、６３φ、８９φ、１１４φ、１４０φなどの管径情報を記憶しておく。

溶接線軌跡情報が得られれば、Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸周りの回転角も演算できるので、この情報も記憶しておくことが好ましいが、ワーク形状および管径情報を記憶しておき、これらの情報を制御部１７の演算処理手段１７ａにより演算処理して各軸モータ６〜８の回転角を算出するようにしてもよい。

さらに、溶接具１２の位置情報も記憶しておく。溶接具１２の位置により、前記三軸の回転角も変化するからである。作業者が手動で溶接する場合、溶接具１２の位置情報は視線の位置としても活用することができるので、重要である。

また、情報管理部１８は、制御部１７の演算処理手段１７ａにより演算した溶接条件を格納することもできる。

制御部１７のＣＧ制御手段１７ｃは、演算処理手段１７ａにより算出された溶接条件に基づいてワークのＣＧ（コンピュータ グラフィック）映像を作成する。作成したＣＧ映像は、表示部１６に出力される。ＣＧ制御手段１７ｃでは、出力されたＣＧ映像を溶接手順に沿って模擬的に回転させるシミュレーション機能や、ワークを実際に駆動している場合に、ワークの駆動状況に合せてワークの回転状況を確認表示するモニター機能とを発揮させることができる。

ここで、溶接手順とは、ワークを溶接する際、使用者が溶接箇所を溶接できるようにワークを回転させる回転方向をいう。なお、ＣＧ映像の表示は、溶接作業を種々の角度から表示することができるようにするのが好ましい。例えば、ワーク１１を溶接具１２の位置あるいは使用者の目線位置に合せて表示する視点映像や、溶接作業台１を含む全体を表示する全体映像などが挙げられる。このような制御は、ＣＧ制御手段１７ｃに格納された所定のプログラムにより実行される。

制御部１７の駆動制御手段１７ｂは、演算された三軸回転角情報に基づいてＸ軸モータ６、Ｙ軸モータ７およびＺ軸モータ８の回転を制御する。この制御は、ワーク１１の溶接線が溶接具１２の方向に向き、溶接線に沿って連続して溶接できるように、三軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各回転角や回転速度が各軸モータ６〜８に指示される。なお、この制御は、ワーク１１の回転を連続して行なう場合に限らず、途中で一時的に停止させる制御も含むものである。一時停止は、入力部１５のフットスイッチ１４やキーボード１３からの指令を演算処理手段１７ａを介して受け、これによって行なうことができる。

図４は図１に示す溶接支援システムを使った溶接作業手順を示すフローチャートである。この図に基づいて、溶接作業手順を説明する。

まず、使用者は、入力部１５からの入力操作により、ワーク１１の溶接条件を選択する。この操作は、例えば、表示部１６上に表示された選択画面からワーク形状を選択することにより行われる。次に、抽出された基本情報に基づいて溶接するワーク１１の寸法や使用者の位置を入力する。これら入力された溶接条件情報は、制御部１７の演算処理手段１７ａで演算処理され、各軸モータ６，７，８の回転量が算出される。

得られた回転量データは、ＣＧ制御手段１７ｃおよび駆動制御手段１７ｂを介して表示部１６の表示制御および溶接作業台１の各軸モータ６〜８の駆動制御に利用される。

表示部１６の表示制御においては、ＣＧ制御手段１７ｃによりワーク１１のＣＧ映像を作成し、表示部１６に出力される。使用者は、表示部１６に映し出されたワーク１１のＣＧ映像により溶接手順を検証する。例えば、入力部１５のキー操作によりワークのＣＧ映像を溶接作業手順に従って回転させるシミュレーション表示を行って溶接作業ができるか否かを検証する。

検証の結果、表示された溶接手順では溶接作業ができないと判断した場合、溶接条件を修正する。修正作業は入力部１５から行い、再度、表示部にＣＧ映像を表示する。

ＣＧ映像でワーク１１の溶接手順を確認し、良好ならば溶接手順を決定する。この決定は入力部１５からのキーボード操作やフットスイッチ１４からの入力により行なう。

入力部１５からの出力は、演算処理手段１７ａを介して駆動制御手段１７ｂに入力され、駆動制御手段１７ｂから各軸モータ６〜８の回転制御信号が出力され、各軸モータ６〜８が駆動制御される。

このとき、駆動制御手段１７ｂでは、まず、溶接作業台１のワーク支持台位置をそのワーク形状に合った初期位置に駆動させ、その後、得られた溶接作業手順に従って各軸モータ６〜８を駆動制御する。

図４のフローはワーク支持台位置を初期位置に設定する制御動作を示している。また、同図のフローはワーク支持台を初期位置に駆動させた後、ワーク１１をワーク支持台の取付部に固定する作業手順を示しているが、ワーク１１の取付時期は、これに限定されるものではなく、作業開始と同時に設置するようにしてもよい。なお、ワーク１１はワーク支持台に固定する前に、溶接箇所を点付け溶接等によって仮止めしておく。

ワークを初期位置まで回転させた後、例えば、フットスイッチ１４をＯＮすると、演算処理手段１７ａによって演算された溶接条件に従って駆動制御手段１７ｂが各軸モータ６〜８に駆動信号を出力し、各軸モータ６〜８は、指令を受けた回転角に応じて駆動され、三次元の接合線を固定した溶接具１２側に常に向いた状態に設定することができる。したがって、溶接具１２は特別な回転動作を必要とせず、固定した状態で溶接作業を行なうことができる。

このように、ワークの溶接作業は、ＣＧ映像で確認した溶接手順でワークが回転され、常に接合線が溶接具に向いた状態に設定することができ、複雑な接合線であっても簡単かつ確実に溶接することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で修正・変更を加えることができるのは勿論である。例えば、上記実施形態においては、駆動部の構成としてモータを例示したが、これに限らず、各種流体圧シリンダや他の駆動手段であってもよいことは勿論である。また、各回転部材はモータのモータ軸に直結した例を示したが、減速機構を介して連結するようにしてもよい。

本発明の実施形態を示す溶接作業装置の全体構成図 （ａ）はＹ字型ワークの斜視図、（ｂ）はＴ字型ワークの斜視図、（ｃ）はＬ字型ワークの斜視図 溶接作業台を制御する制御機器の制御ブロック図 溶接作業手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 溶接作業台
２ 架台
３ 回転枠
４ 回転アーム
５ ワーク支持台
６ Ｘ軸モータ（駆動部）
７ Ｙ軸モータ（駆動部）
８ Ｚ軸モータ（駆動部）
１０ 横軸
１１ ワーク
１２ 溶接具
１３ キーボード
１４ フットスイッチ
１５ 入力部
１６ 表示部
１７ 制御部
１８ 情報管理部
２０ 制御機器

Claims (5)

1. ワークを支持する溶接作業台を垂直方向のＺ軸、水平方向のＹ軸および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転可能とし、
   溶接具の位置に合わせてワークを三次元に移動するよう前記溶接作業台を回転駆動する溶接作業装置であって、
   溶接するワークに関する情報を入力する入力部と、前記溶接作業台を駆動する駆動部と、前記入力部からの入力情報に基づいて前記駆動部を制御する制御部とを備え、
   前記溶接作業台は、架台と、前記Ｚ軸周りに回転する回転枠と、前記Ｙ軸周りに回転する回転アームと、前記Ｘ軸周りに回転するワーク支持台とを有し、
   前記回転枠は、前記架台の上方に位置し、前記Ｚ軸と平行な一対の支柱と、一対の前記支柱の一端側端部同士を連結する底フレームとから構成され、
   前記回転アームは、一対の前記支柱同士の間に位置し、前記Ｙ軸と直交する一対のアーム部と、一対の前記アーム部の一端側端部同士を連結する連結フレームとから構成され、
   前記ワーク支持台は、一対の前記アーム部同士の間に位置し、
   前記制御部は、入力されたワークに関する情報に基づいて、予め記憶した多種類のワーク形状から選択されたワーク形状、これに対応する溶接線情報および溶接具の位置情報を選択し、選択した情報からワークの接合線に沿った溶接作業台の三軸回転角度の回転条件を演算し、この演算結果に基づいて駆動部を回転制御することを特徴とする溶接作業装置。
2. 入力部から入力される情報として溶接具の位置情報を含み、
   前記溶接具の位置で溶接箇所を溶接できるようにワークを回転させるために、制御部は、使用者の位置情報を付加して溶接作業台の三軸回転角度の回転条件を演算することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業装置。
3. 溶接作業台やワークの回転状況を表示する表示部を備え、
   前記表示部に模擬的にワークの回転状況を表示するために、制御部は、演算された溶接作業台の回転条件に基づいてワークのコンピュータグラフィック映像を作成し、前記溶接作業台を実際に駆動することなく、ワークを溶接手順に沿って模擬的に回転させて表示するシミュレーション機能を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接作業装置。
4. 制御部は、入力部から入力された溶接するワークに関する情報の修正情報に基づいて溶接作業台の三軸回転角度の回転条件を演算し、その演算結果に基づいて駆動部または表示部を制御することを特徴とする請求項３に記載の溶接作業装置。
5. 駆動部は、回転枠をＺ軸周りに回転させるＺ軸モータと、回転アームをＹ軸周りに回転させるＹ軸モータと、ワーク支持台をＸ軸周りに回転させるＸ軸モータとを備え、
   前記Ｚ軸モータは、架台の中心に位置し、その回転軸が底フレームと直行するように前記回転枠と接続され、
   前記Ｙ軸モータは、いずれか一方の支柱の他端側端部に位置し、その回転軸がいずれか一方のアーム部と直交するように前記回転アームと接続され、
   前記Ｘ軸モータは、連結フレームの中心に位置し、その回転軸が前記Ｙ軸と直交するように前記ワーク支持台と接続されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶接作業装置。
   

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