JP4335880B2 - 溶接トーチの動作シミュレーション方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機インペラ等の溶接対象物を溶接線に沿って溶接するに際しての溶接トーチの動作をシミュレーションする溶接トーチの動作シミュレーション方法および装置に関する。

従来、ロボットアームに装着された溶接用トーチの溶接線に沿った動きを、溶接対象物のＣＡＤデータに基づいて自動的に生成する技術が提案されている。

特許第３３２７８５４号公報

上記したような従来の技術は、実情としては、周囲に干渉物等のない、単純な形状のものを溶接対象とし、溶接トーチの姿勢を変化させずに平行移動させて、直線状の溶接線に沿って溶接を行うようなケースを対象としているのが現状である。
例えば、プラント用の圧縮機のインペラ等、複雑な形状の部品等を溶接する場合、溶接線に沿って溶接を行うために溶接トーチを移動させようとすると、圧縮機インペラ自体をはじめ、周囲に様々な干渉物がある。したがって、溶接を行いながら、干渉物を避けるために溶接トーチの姿勢を変化させなければならないことも多い。このように溶接対象物が複雑な形状の場合に上記従来の技術を単純に適用しようとすると、シミュレーション自体が非常に複雑になり、例えば高度な画像処理が要求されることになって、技術的に困難である。さらに、シミュレーションを行えたとしても、コンピュータ装置による処理に多大な負荷がかかり、シミュレーションに要する時間やコストの面で現実的には採用できるものではない。

このため、複雑な形状の部品等を溶接する場合には、実寸大の圧縮機（タービン）の模型を製作して溶接トーチとの干渉を確認しているのが現状である。そして、ベテラン作業員によるノウハウを駆使し、溶接トーチが届きにくい箇所を溶接できるよう、溶接トーチの形状を異なるものに変更したり、溶接トーチ自体を手で曲げて変形させる等して、試行錯誤が行われている。
さらに、確実な溶接を行うには、単に、溶接ができる、というだけでなく、溶接品質確保の観点から、溶接トーチの溶接対象物に対する角度や、溶接トーチの動き等、より理想的な溶接条件に近い状態で溶接が行えるようにするのが好ましい。

また、ロボットを用いずに、手作業で溶接を行う場合、複数の作業員間で、溶接条件が異なることがある。これは、個々の作業員が自らの経験に基づいて作業を行うためであり、特に、溶接トーチが届きにくいような箇所を溶接する場合、溶接トーチの角度や動きが他者から視認しにくいため、作業員間で溶接トーチの姿勢が異なっていても、これを比較・評価することが困難である。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、複雑な形状の部品等を溶接する場合においても、溶接トーチの溶接線に沿った動作をシミュレートすることができ、より理想的な条件に近い状態で溶接を行うことが可能となる溶接トーチの動作を見出すことのできる溶接トーチの動作シミュレーション方法および装置を提供することを目的とする。
また、他の目的は、手作業で溶接を行う場合に、その作業の評価を行うことのできる溶接トーチの動作シミュレーション方法および装置を提供することにある。

かかる目的のもとになされた本発明は、圧縮機インペラの溶接線に沿って溶接を行うための溶接トーチの動作をコンピュータ装置でシミュレーションする方法であって、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接トーチの理想的な基準姿勢に対し、前記の位置のそれぞれにおける溶接トーチの複数の候補姿勢を生成し、候補姿勢の基準姿勢との差を算出するステップと、溶接線上で互いに前後する位置間において、一方の位置における複数の候補姿勢のそれぞれから、他方の位置における複数の候補姿勢のそれぞれに姿勢変化するときの姿勢変化量を算出するステップと、候補姿勢の基準姿勢との差と、姿勢変化量との累積に基づき、溶接トーチの最適動作情報を生成するステップと、を含むことを特徴とする。なお、溶接トーチの最適動作とは、溶接トーチの理想的な基準姿勢に対する差が小さく、かつ溶接トーチが滑らかに動作するように、姿勢変化量が小さくなるような動作である。
ここで、候補姿勢は、溶接トーチを、基準姿勢に対して一定角度ずつ変位させることで生成することができる。さらに、候補姿勢は、溶接トーチを、基準姿勢に対し、それぞれの位置における溶接線の接線に対する角度と、溶接すべき二つの部材の中間位置に対する角度を異ならせることで生成できる。もちろん、いずれか一方のみ、あるいは他の方向に候補姿勢を変化させることも可能である。
候補姿勢の基準姿勢との差と、姿勢変化量との累積に基づき、溶接トーチの最適動作情報を生成するには、候補姿勢の基準姿勢との差をノード、姿勢変化量をアークとし、ノードとアークのそれぞれに設定された重み付け係数と、前記のノード、アークとの積の累積に基づいて評価値を算出し、その評価値による評価が最も高いものを溶接トーチの最適動作とすることができる。
このようにして、溶接トーチの最適動作を、コンピュータ装置による評価によって、自動的に求めることが可能となる。

また、圧縮機インペラおよび溶接トーチの仮想モデルを構築し、候補姿勢のそれぞれにおいて、溶接トーチの仮想モデルが圧縮機インペラの仮想モデルと干渉するか否かを判定するステップをさらに備えて、溶接トーチの最適動作情報を生成するステップでは、圧縮機インペラに干渉しない溶接トーチの最適動作情報を生成することも可能である。

また、溶接トーチと溶接部位が対向するように圧縮機インペラを保持し、溶接トーチに対する圧縮機インペラの姿勢を変化させるポジショナを備える場合、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接トーチの姿勢を基準としたときのポジショナの理想的な基準姿勢を取得した後、前記の位置のそれぞれにおけるポジショナの複数の候補姿勢を生成し、候補姿勢の基準姿勢との差を算出するステップと、候補姿勢の基準姿勢との差の累積が最小となるポジショナの最適動作情報を生成するステップと、をさらに含むのが有効である。これにより、溶接トーチだけでなく、ポジショナの姿勢についても最適な動作を求めることができる。

さて、このようにして求めた溶接トーチの最適動作情報およびポジショナの最適動作情報に基づき、溶接トーチを保持して移動させるロボットアームと、ポジショナとを制御するための教示プログラムを生成することも可能である。

一方、作業者が手作業で溶接線に沿った溶接作業を行うときの溶接トーチの動作情報の外部からの入力を受け付け、溶接トーチの最適動作情報との差を算出するステップと、算出された差に基づき、作業者による溶接作業を評価する評価値を生成するステップと、を備えるようにしても良い。このようにすれば、最適な溶接トーチの動作に対する手作業による溶接動作の評価を行うことができる。

本発明の溶接トーチの動作シミュレーション装置は、溶接対象物の溶接線に沿って溶接を行うための溶接トーチの動作をシミュレーションする装置であって、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接トーチの理想的な基準姿勢に対し、前記位置のそれぞれにおける溶接トーチの複数の候補姿勢を生成し、候補姿勢の基準姿勢との差を算出する基準姿勢算出手段と、溶接線上で互いに前後する位置間において、一方の位置における複数の候補姿勢のそれぞれから、他方の位置における複数の候補姿勢のそれぞれに姿勢変化するときの姿勢変化量を算出する姿勢変化量算出手段と、候補姿勢の基準姿勢との差と、姿勢変化量との累積に基づき、溶接トーチの最適動作情報を生成する最適動作情報生成手段と、を含むことを特徴とする。
この場合、溶接対象物が、圧縮機インペラ等、三次元状の溶接線を有するものである場合に本発明は特に有効であるが、溶接対象物は、必ずしも三次元状の溶接線を有するものに限らず、直線状の溶接線に沿って溶接を行うような溶接対象物であっても良い。
また、最適動作情報生成手段は、候補姿勢の基準姿勢との差をノードとし、姿勢変化量をアークとし、ノードとアークのそれぞれに設定された重み付け係数と、ノード、アークとの積の累積に基づき、溶接トーチの最適動作情報を生成するのが有効である。

本発明によれば、複雑な形状の部品等を溶接する場合においても、溶接トーチの溶接線に沿った動作をシミュレートすることができ、より理想的な条件に近い最適な動作で溶接を行うことが可能となる溶接トーチの動作を見出すことが可能となる。
また、手作業で溶接を行う場合に、最適な動作との比較によりその作業の評価を行うことが可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における溶接動作シミュレーションシステム１０の構成を説明するための図である。
この図１に示すように、溶接動作シミュレーションシステム１０は、ハードウェア的にはＣＡＤシステムからなり、ＣＡＤシステムに、溶接動作シミュレーションシステム１０としての機能を発現するためのコンピュータプログラムを導入することで構成される。すなわち、溶接動作シミュレーションシステム１０は、予めインストールされたコンピュータプログラムに基づいて、ＣＡＤシステムを構成するコンピュータ装置のＣＰＵやメモリ等が協働して所定の処理を実行することによって機能的に実現されるものである。

溶接動作シミュレーションシステム１０は、溶接対象物のＣＡＤデータ（設計データ）に基づき、より理想的な溶接条件に近い状態で溶接トーチを動作させるための溶接トーチ軌道を生成するものであり、マウス、キーボード等からなる入力手段１１と、予めインストールされたコンピュータプログラムに基づいて所定の処理を行う処理手段１２と、処理手段１２での処理結果等を出力（表示）する表示手段１３と、溶接対象物のＣＡＤデータ等、各種データを格納するデータ格納部１４とを備える。
なお、本実施の形態において、溶接動作シミュレーションシステム１０では、図２に示すように、溶接トーチ２０を用い、圧縮機インペラ（溶接対象物）３０のブレード３１をカバー３２やディスク３３に溶接する場合における、溶接トーチ２０による溶接を行うための溶接トーチ軌道生成を行うものとする。

処理手段１２においては、予め導入（インストール）されたコンピュータプログラムに基づき、所定の処理を実行することで、溶接トーチ軌道生成を行う。以下、その具体的な処理について説明する。
処理手段１２においては、溶接部位に対する溶接トーチ２０の挿入可能な範囲内において溶接を行うときの溶接トーチ２０の最適な動作を求めるトーチ動作探索処理と、圧縮機インペラ３０を保持し、溶接トーチ２０に対する圧縮機インペラ３０の姿勢を変化させるポジショナ（図示無し）の、溶接時における最適な動作を求めるポジショナ動作探索処理と、を少なくとも行い、溶接時における溶接トーチ２０およびポジショナの最適な動作を求める。
この後、求めた最適な動作を、溶接トーチ２０を保持するロボットアーム５０、ポジショナに実行させるための教示プログラムを生成することもできる。
また、後述するように、求めた最適な動作と、作業者が手作業で溶接を行う際の動作とを比較し、作業者の溶接作業の評価を行うこともできる。

図３に示すように、処理手段１２では、まず、トーチ動作探索処理として、検討対象となる圧縮機インペラ３０のＣＡＤデータを、データ格納部１４から読み出す。読み出されたＣＡＤデータに基づき、検討対象となる圧縮機インペラ３０の三次元モデル（仮想モデル）を構築し、これを表示手段１３に表示させる（ステップＳ１０１）。
オペレータは、表示手段１３に表示された圧縮機インペラ３０の三次元モデルを見て、溶接トーチ軌道生成の対象となる溶接線を、入力手段１１のマウス等を用いて選択・指定する（ステップＳ１０２）。

次いで、溶接トーチ２０についての設定を行う。データ格納部１４に格納された溶接トーチ２０の寸法データに基づき、溶接トーチ２０の三次元モデル（仮想モデル）を構築する。図２に示すように、溶接トーチ２０は、筒状のトーチ本体２１と、トーチ本体２１の先端部に装着されるノズル２２とから構成される。

続いて、図４に示すように、処理手段（基準姿勢算出手段）１２は、予め適宜間隔で設定した、あるいはオペテータが入力手段１１により入力した溶接線１００上の複数の位置Ｐ１、Ｐ２、…に対し、構築された溶接トーチ２０の三次元モデル、およびステップＳ１０１で読み出した圧縮機インペラ３０のＣＡＤデータを用い、溶接トーチ２０の検討基準姿勢（基準姿勢）を決定する（ステップＳ１０３）。ここでは、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおける、溶接トーチ２０の検討基準姿勢は、図５（ａ）に示すように、溶接線１００の接線１００ａに対して一定の角度α、図５（ｂ）に示すように、圧縮機インペラ３０を構成する二つの部材のなす角度に対しその中間位置となるような角度βであり、これら角度α、βは、溶接トーチ２０で溶接を行う場合のもっとも理想的な溶接条件を実現する姿勢である。

次いで、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおける、溶接トーチ２０の検討基準姿勢である角度α、βに対し、溶接トーチ２０の姿勢を、予め設定した一定ピッチ（角度）で、角度α、β方向に変動させた場合の、角度α、βに対する角度θ１、θ２を姿勢情報（θ１、θ２）として取得する。
これにより、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおいて、姿勢情報（θ１、θ２）が異なる溶接トーチ２０の候補姿勢を複数取得する（ステップＳ１０４）。

続いて、処理手段（姿勢変化量算出手段）１２は、溶接線１００上の位置Ｐ１、Ｐ２、…と、その位置毎の溶接トーチ２０の候補姿勢とから、溶接線１００に沿って溶接トーチ２０を動かしたときの、位置Ｐ１から位置Ｐ２、位置Ｐ２から位置Ｐ３、…と、互いに前後する位置間における溶接トーチ２０の姿勢の変化量（姿勢変化量）を、それぞれの位置における姿勢情報（θ１、θ２）から、（角度、角速度、角加速度）として算出する（ステップＳ１０５）。このとき、溶接線１００上の位置Ｐ１、Ｐ２、…と、その位置毎のポジショナの候補姿勢との関係から図６に示すようなグラフを作成した場合においては、位置Ｐ１、Ｐ２、…における個々の姿勢情報（θ１、θ２）がノード（図６中、丸印）に相当し、算出される変化量の（角度、角速度、角加速度）はアーク（図６中、矢印）に相当する。
この変化量は、互いに前後する２つの位置、例えば位置Ｐ１と位置Ｐ２のそれぞれの候補姿勢の数の組み合わせ分だけ算出されることになる。

また、位置Ｐ１、Ｐ２、…における溶接トーチ２０の候補姿勢のそれぞれにおいて、溶接トーチ２０と圧縮機インペラ３０との干渉の有無を判定する（ステップＳ１０６）。これには、ＣＡＤシステムに備えられた干渉判定機能を用いることができ、溶接トーチ２０の三次元モデルと圧縮機インペラ３０の三次元モデルとの干渉を判定する。

この後、ステップＳ１０５で算出された変化量と、ステップＳ１０６における溶接トーチ２０と圧縮機インペラ３０との干渉の有無の判定結果を用い、溶接線１００に沿って溶接トーチ２０を動かしたときの、溶接線１００の姿勢変化の評価を行う（ステップＳ１０７）。
これには、例えば、以下のような評価式Ｆ１を用いることができる。
Ｆ１＝ｗ１×θ１＋ｗ２×θ２＋ｗ３×Intersec＋ｗ４×σ＋ｗ５×δ
ここで、Intersecは溶接トーチ２０の干渉の有無の判定結果、σは角速度、δは角加速度であり、ｗ１〜ｗ５は予め設定した重み付け係数。

このような評価式Ｆ１を用い、全検索、もしくはダイクストラ法等のグラフ理論により、溶接トーチ２０を溶接線１００に沿って動かしたときの溶接トーチ２０の姿勢変化を評価し、最適な評価値を有する溶接トーチ２０の軌道を求める（ステップＳ１０８）。このとき、溶接トーチ２０の干渉を避けるため、重み付け係数ｗ３は、他の重み付け係数ｗ１、ｗ２、ｗ４、ｗ５よりも大きく設定するのが好ましい。また、溶接トーチ２０がなるべく滑らかに動くようにするには、角速度、角加速度の変化が少ないのが好ましい。したがって、評価式Ｆ１によって算出される評価値が小さい方が、より滑らかな動きを実現することができる。

このようにして、処理手段（最適動作情報生成手段）１２では、溶接線１００に沿って溶接トーチ２０を動かしたときに、圧縮機インペラ３０との干渉を避けつつ、溶接トーチ２０の最適な動作を求めることができる。具体的には、最適動作情報として、個々の位置Ｐ１、Ｐ２、…における、最適な溶接トーチ２０の最適な姿勢情報（θ１、θ２）を取得することができる。

ここで、上記について具体例を示す。簡単のため、溶接トーチ２０の姿勢変化は、前記の角度θ１のみが変化するものとする。そして、表１に示す通り、溶接トーチ２０の軌道の候補として、候補１〜３を用意した。また、図７は、表１に示した候補１〜３の溶接トーチ２０の軌道を図示したものであり、図中○印が候補１、△印が候補２、□印が候補３である。また、図７の下半部に、候補１〜３の圧縮機インペラ３０との干渉状態を示す。

これらの候補１〜３について、それぞれ、前後の位置間における姿勢の変化量を算出し、算出された変化量を用い、評価式Ｆ１によって評価値を算出する。このとき、
Ｆ＝ｗ１×θ１＋ｗ３×Intersec＋ｗ４×σ＋ｗ５×δ
であり、ｗ１＝１、Ｗ２＝２００、ｗ３＝１、ｗ４＝５とした。
すると、候補１は、
Ｆ＝(1*0 + 100*1)+(1*0 + 5*0)
+(1*0 + 100*1)+(1*20 + 5*0)
+(1*0 + 100*1)+(1*15 + 5*5)
+(1*0 + 100*0)+(1*10 + 5*5)
+(1*0 + 100*0)+(1*15 + 5*5)
＝100 + 120 + 140 + 35 + 40 ＝ 435
候補２は、
Ｆ＝(1*50 + 100*0)+(1*0 + 5*0)
+(1*30 + 100*0)+(1*0 + 5*0)
+(1*15 + 100*0)+(1*0 + 5*0)
+(1*5 + 100*0)+(1*0 + 5*0)
+(1*5 + 100*0)+(1*0 + 5*5)
＝50 + 30 + 15 + 5 + 30 = 130
候補３は、
Ｆ＝(1*40 + 100*0)+(1*0 + 5*0)
+(1*20 + 100*0)+(1*0 + 5*0)
+(1*5 + 100*0)+(1*0 + 5*0)
+(1*0 + 100*0)+(1*5 + 5*5)
+(1*0 + 100*0)+(1*15 + 5*10)
=40 + 20 + 5 + 30 + 65 = 160

このようにして、評価式Ｆ１を用いると、候補２の評価値が低くなるため、溶接トーチ２０の軌道としては、候補２が選択される。

さて、上記のようにして軌道が決定された溶接トーチ２０によって圧縮機インペラ３０を溶接するに際しては、圧縮機インペラ３０の姿勢を変化させるポジショナを用いることもできる。
その場合、ポジショナによって保持された圧縮機インペラ３０の最適な姿勢を求めるため、ポジショナの動作探索処理を行う。

図８に示すように、ポジショナ動作探索処理では、まず、ポジショナの検討基準姿勢を決定する（ステップＳ２０１）。図９に示すように、この検討基準姿勢は、圧縮機インペラ３０を構成するために溶接する二つの部材のなす角度に対し、溶接トーチ２０がその中間位置となるような角度γであり（図９（ａ）参照）、かつ、重力ベクトルＧに対する溶接線１００の接線１００ａの角度が一定の角度εとなる姿勢である（図９（ｂ）参照）。このとき、溶接トーチ２０側の姿勢は、前記ステップＳ１０８で求められた溶接トーチ２０の軌道から取得できる位置Ｐ１、Ｐ２、…毎の姿勢とする。このようなポジショナの検討基準姿勢は、溶接トーチ２０を溶接線１００に沿って上方から下方に向けて溶接していくときに、ビードを形成する溶接金属の流れ等を考慮し、溶接トーチ２０に対する圧縮機インペラ３０の理想的な姿勢とするために設定されるものである。

次いで、溶接線１００に沿って溶接トーチ２０を動かしていったときの、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおける、ポジショナの最適な姿勢を求める。
これには、まず、ポジショナの三次元モデル（仮想モデル）をポジショナのＣＡＤデータから構築する。そして、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおいてポジショナの三次元モデルを、角度γ、εに対して一定角度ずつ回転させ、このときの角度γ、εに対する角度θ３、θ４を姿勢情報（θ３、θ４）として取得する。
これにより、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおいて、姿勢情報（θ３、θ４）が異なるポジショナの候補姿勢が複数取得されることになる（ステップＳ２０２）。

続いて、溶接線１００上の位置Ｐ１、Ｐ２、…と、その位置毎のポジショナの候補姿勢とから、溶接線１００に沿ってポジショナを動かしたときの、位置Ｐ１から位置Ｐ２、位置Ｐ２から位置Ｐ３、…と、互いに前後する位置間におけるポジショナの姿勢の変化量（姿勢変化量）を、それぞれの位置における姿勢情報（θ３、θ４）から、（角度、角速度、角加速度）として算出する（ステップＳ２０３）。このとき、溶接線１００上の位置Ｐ１、Ｐ２、…と、その位置毎のポジショナの候補姿勢との関係から図６に示すようなグラフを作成した場合においては、位置Ｐ１、Ｐ２、…における個々の姿勢情報（θ３、θ４）がノードに相当し、算出される変化量の（角度、角速度、角加速度）はアークに相当する。
この変化量は、互いに前後する２つの位置（例えば位置Ｐ１と位置Ｐ２）のそれぞれの候補姿勢の数の組み合わせ分だけ算出されることになる。

そして、算出された変化量を用い、溶接線１００に沿ってポジショナを動かしたときの、溶接線１００の姿勢変化の評価を行う（ステップＳ２０４）。
これには、例えば、以下のような評価式Ｆ２を用いることができる。
Ｆ２＝ｗ６×θ３＋ｗ７×θ４
ここで、ｗ６、ｗ７は予め設定した重み付け係数。
このような評価式Ｆ２を用い、全検索、もしくはダイクストラ法等のグラフ理論により、ポジショナを溶接線１００に沿って動かしたときのポジショナの姿勢変化を評価し、最適な評価値を有するポジショナの動作を求める（ステップＳ２０５）。

このようにして、溶接トーチ２０の動作に対応した、ポジショナの最適な動作を求めることができる。具体的には、最適動作情報として、個々の位置Ｐ１、Ｐ２、…における、ポジショナの最適な姿勢情報（θ３、θ４）を取得することができる。

このようにして、溶接トーチ２０およびポジショナの最適な動作を実現するための情報（位置Ｐ１、Ｐ２、…における、溶接トーチ２０、ポジショナの最適な姿勢情報（θ１、θ２）、（θ３、θ４））を用い、溶接動作シミュレーションシステム１０では、溶接トーチ２０を保持するロボットアーム５０、およびポジショナに最適な動作実行させるための教示プログラムを生成することもできる。これは、溶接線１００に沿った位置Ｐ１、Ｐ２、…の位置座標情報と、位置Ｐ１、Ｐ２、…における、溶接トーチ２０、ポジショナの最適な姿勢情報（θ１、θ２）、（θ３、θ４）とから、溶接動作シミュレーションシステム１０に備わった教示プログラム生成機能を用いれば良い。

この他、溶接トーチ２０およびポジショナの最適な動作を実現するための情報（位置Ｐ１、Ｐ２、…における、溶接トーチ２０、ポジショナの最適な姿勢情報（θ１、θ２）、（θ３、θ４））を用い、作業者が手作業で溶接を行う場合の実際の動作とを比較し、作業者の溶接作業の評価を行うこともできる。
これには、例えば、モーションキャプチャー等を用い、作業者が手作業で溶接を行う場合の溶接線１００に沿った溶接トーチ２０の動作を示す動作情報（データ）を取得する。この動作情報は、後述するように、溶接トーチ２０を溶接線１００に沿って動作させたときの姿勢情報を取得できるものであれば、いかなる形態のものであっても良い。
この、作業者による溶接トーチ２０の動作を示す動作情報を、溶接動作シミュレーションシステム１０に、各種記憶媒体やネットワークを介して入力する。

溶接動作シミュレーションシステム１０で、溶接作業の評価処理が開始されると、まず、入力された動作情報から、溶接線１００に沿った位置Ｐ１、Ｐ２、…における、作業者によって作業を行った場合の溶接トーチ２０の姿勢情報（θ１’、θ２’）を取得する。
そして、前記のステップＳ１０８で得た、位置Ｐ１、Ｐ２、…における、溶接トーチ２０の最適な姿勢情報（θ１、θ２）と、前記の姿勢情報（θ１’、θ２’）との比較から、溶接作業の評価を行う。この評価には、表示手段１３等に、位置Ｐ１、Ｐ２、…における、溶接トーチ２０の最適な姿勢と、作業者による溶接トーチ２０の姿勢とを、色分け等によって識別可能な状態で表示したり、これをプリンタ等で印刷しても良い。また、位置Ｐ１、Ｐ２、…における、最適な姿勢情報（θ１、θ２）と、前記の姿勢情報（θ１’、θ２’）との差を算出し、その差を用い、最適な溶接トーチ２０の動作に対する実際の作業者による動作を数値化して評価することもできる。数値化のための式には様々な数学的手法を用いることが考えられるので、ここでは具体的な式を開示しない。

このようにして、溶接動作シミュレーションシステム１０では、溶接線１００に沿って溶接を行うときの、溶接トーチ２０およびポジショナの最適動作情報を自動的に得ることができる。
これにより、圧縮機インペラ３０のように三次元的な溶接線１００を溶接トーチ２０で溶接する場合であっても、溶接トーチ２０が圧縮機インペラ３０等に干渉することなく、円滑に、かつ確実な品質で溶接を行うことが可能となる。
また、得られた溶接トーチ２０およびポジショナの最適な動作から、溶接トーチ２０を保持するロボットアーム５０やポジショナの教示プログラムを作成することもでき、これにより教示プログラムの自動作成も可能となる。
この他、得られた溶接トーチ２０およびポジショナの最適な動作から、作業者が手作業で溶接を行うときの動作の評価も可能となり、これによって複数の作業者による溶接作業のバラつきを抑えることができ、溶接品質の向上の可能性がある。

なお、上記実施の形態では、プラントを構成する圧縮機のインペラを溶接対象とする例を挙げたが、三次元的な溶接線に沿って溶接を行う必要があれば、他の溶接対象に対しても本発明は有効である。
また、一連の処理においては、同様の結果を得られるのであれば、詳細な処理方法等は適宜変更することが可能であるのは言うまでもない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における溶接動作シミュレーションシステムの構成を示す図である。 溶接対象となる圧縮機インペラを示す図である。 溶接トーチの動作探索処理の流れを示す図である。 溶接線に沿った複数の位置を示すための図である。 溶接線上に沿った溶接トーチの姿勢を示すための図である。 溶接線上の位置と、位置ごとの姿勢情報との関係をグラフ化し、ノードとアークで表した図である。 溶接トーチ軌道を生成する具体例を示すである。 ポジショナの動作探索処理の流れを示す図である。 ポジショナの姿勢を示すための図である。

符号の説明

１０…溶接動作シミュレーションシステム、１１…入力手段、１２…処理手段（基準姿勢算出手段、姿勢変化量算出手段、最適動作情報生成手段）、１３…表示手段、１４…データ格納部、２０…溶接トーチ、２１…トーチ本体、２２…ノズル、３０…圧縮機インペラ（溶接対象物）、５０…ロボットアーム、１００…溶接線、１００ａ…接線

Claims (10)

1. 圧縮機インペラの溶接線に沿って溶接を行うための溶接トーチの動作をコンピュータ装置でシミュレーションする方法であって、
   前記溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける前記溶接トーチの理想的な基準姿勢に対し、前記位置のそれぞれにおける前記溶接トーチの複数の候補姿勢を生成し、前記候補姿勢の前記基準姿勢との差を算出するステップと、
   前記溶接線上で互いに前後する前記位置間において、一方の前記位置における複数の前記候補姿勢のそれぞれから、他方の前記位置における複数の前記候補姿勢のそれぞれに姿勢変化するときの姿勢変化量を算出するステップと、
   前記候補姿勢の前記基準姿勢との差と、前記姿勢変化量との累積に基づき、前記溶接トーチの最適動作情報を生成するステップと、
   を含むことを特徴とする溶接トーチの動作シミュレーション方法。
2. 前記候補姿勢は、前記溶接トーチを、前記基準姿勢に対して一定角度ずつ変位させたものであることを特徴とする請求項１に記載の溶接トーチの動作シミュレーション方法。
3. 前記候補姿勢は、前記溶接トーチを、前記基準姿勢に対し、それぞれの前記位置における前記溶接線の接線に対する角度と、溶接すべき二つの部材の中間位置に対する角度を異ならせたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接トーチの動作シミュレーション方法。
4. 前記圧縮機インペラおよび前記溶接トーチの仮想モデルを構築し、前記候補姿勢のそれぞれにおいて、前記溶接トーチの仮想モデルが前記圧縮機インペラの仮想モデルと干渉するか否かを判定するステップをさらに備え、
   前記溶接トーチの最適動作情報を生成するステップでは、前記圧縮機インペラに干渉しない前記溶接トーチの最適動作情報を生成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の溶接トーチの動作シミュレーション方法。
5. 前記溶接トーチと溶接部位が対向するように前記圧縮機インペラを保持し、前記溶接トーチに対する前記圧縮機インペラの姿勢を変化させるポジショナについて、前記溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける前記溶接トーチの姿勢を基準としたときの前記ポジショナの理想的な基準姿勢を取得した後、前記位置のそれぞれにおける前記ポジショナの複数の候補姿勢を生成し、前記候補姿勢の前記基準姿勢との差を算出するステップと、
   前記候補姿勢の前記基準姿勢との差の累積が最小となる前記ポジショナの最適動作情報を生成するステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の溶接トーチの動作シミュレーション方法。
6. 前記溶接トーチの最適動作情報および前記ポジショナの最適動作情報に基づき、前記溶接トーチを保持して移動させるロボットアームと、前記ポジショナとを制御するための教示プログラムを生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の溶接トーチの動作シミュレーション方法。
7. 作業者が手作業で前記溶接線に沿った溶接作業を行うときの前記溶接トーチの動作情報の外部からの入力を受け付け、前記溶接トーチの最適動作情報との差を算出するステップと、
   算出された前記差に基づき、作業者による溶接作業を評価する評価値を生成するステップと、
   を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の溶接トーチの動作シミュレーション方法。
8. 溶接対象物の溶接線に沿って溶接を行うための溶接トーチの動作をシミュレーションする装置であって、
   前記溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける前記溶接トーチの理想的な基準姿勢に対し、前記位置のそれぞれにおける前記溶接トーチの複数の候補姿勢を生成し、前記候補姿勢の前記基準姿勢との差を算出する基準姿勢算出手段と、
   前記溶接線上で互いに前後する前記位置間において、一方の前記位置における複数の前記候補姿勢のそれぞれから、他方の前記位置における複数の前記候補姿勢のそれぞれに姿勢変化するときの姿勢変化量を算出する姿勢変化量算出手段と、
   前記候補姿勢の前記基準姿勢との差と、前記姿勢変化量との累積に基づき、前記溶接トーチの最適動作情報を生成する最適動作情報生成手段と、
   を含むことを特徴とする溶接トーチの動作シミュレーション装置。
9. 前記溶接対象物は、三次元状の溶接線を有するものであることを特徴とする請求項８に記載の溶接トーチの動作シミュレーション装置。
10. 前記最適動作情報生成手段は、
    前記候補姿勢の前記基準姿勢との差をノードとし、前記姿勢変化量をアークとし、
    前記ノードと前記アークのそれぞれに設定された重み付け係数と、前記ノード、前記アークとの積の累積に基づき、前記溶接トーチの最適動作情報を生成することを特徴とする請求項８または９に記載の溶接トーチの動作シミュレーション装置。

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