JP4794937B2 - アーク溶接用プログラミング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットと被溶接ワークの３次元モデルを画面に配置して表示し、ロボットの動作プログラムのコンピュータシミュレーションを行うアーク溶接用プログラミング装置に関する。

ロボットのコンピュータシミュレーションを行う装置は、オフラインデータとして与えられるロボット、ワーク、周辺機器等の計算機モデルを画面上に表示して、オフラインで作成された動作プログラムでコンピュータシミュレーションを実施する。動作プログラムは、そのまま実際のシステム（現場）で使用されることはほとんどなく、修正されてから使用されている。これは、オフライン上の世界とオンライン上（現場）の世界で、ワークとロボットの相対的位置関係やロボットの姿勢などが微妙に異なり、ずれを生じるためである。

溶接ロボットのコンピュータシミュレーションを行うアーク溶接用プログラミング装置も同様であり、オフラインで作成された動作プログラムは修正されてから実際のシステムで使用される。アーク溶接装置に適用される動作プログラムの修正作業には、実際のシステムの目標動作経路上の教示点と計算機システムの動作経路上の教示点のずれを修正する作業の他に、溶接トーチのねらい角や前進角、溶接速度などを修正する作業が含まれる。

一般に、溶接ロボットでアーク溶接をする場合は、相互に接続するワークの突き合わせた部分を溶接する。突き合わせた部分には大小の間隙を存するため、動作プログラムで同一の溶接条件を設定した場合でも溶け込み量が異なり、溶接結果の相違することが知られている。このような場合、現場では、一定の溶接結果を得ることができるように、動作プログラムの溶接条件を試行錯誤的に修正することが行われている。

溶接ロボットの動作プログラムを修正するプログラミング装置の従来の一例として、特許文献１に記載されているものが知られている。

特開平８−１２３５３６号公報

しかしながら、現場において動作プログラムの溶接条件を試行錯誤的に修正する作業では、溶接トーチのねらい角や前進角、溶接速度を考慮しつつ、相互接合するワーク間の間隙の大きさと溶け込み量の関係から溶接条件を決めなければならず、非常に工数がかかり、ロボット生産システムの構築に時間がかかり、また、システムの変更に柔軟に対応することができないという問題があった。

そこで、本発明は、アーク溶接の溶接条件出しを容易に行うことができるアーク溶接用プログラミング装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の請求項１の発明は、少なくとも溶接ロボットと被溶接ワークの３次元モデルを画面に表示し、前記溶接ロボットの動作プログラムにより該溶接ロボットのコンピュータシミュレーションを行って前記被溶接ワークの溶け込み量を特定するアーク溶接用プログラミング装置であって、溶け込み量を含む溶接状態を表す情報を検索できるように整理した溶接データベースを記憶する第１の記憶手段と、前記動作プログラム中で指定された溶接箇所で、相互接合する前記被溶接ワーク間の間隙幅を入力する入力手段と、前記動作プログラムを実行してシミュレーションが実施された場合に、周期的に前記動作プログラムの実行行、経過時間とそのときのロボットの位置・姿勢を前記シミュレーションの結果から取得して記憶する第２の記憶手段と、前記第２の記憶手段で記憶した３箇所以上の前記ロボットの位置・姿勢から、ねらい角、前進角を算出するための基準となる平面の基準面を算出する第１の算出手段と、前記基準面から、前記ねらい角、前記前進角を算出する第２の算出手段と、前記溶接データベースを参照して、少なくとも前記ねらい角、前記前進角、前記間隙幅から、前記被溶接ワークの溶け込み量を算出する第３の算出手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のアーク溶接用プログラミング装置において、前記第３の算出手段は、前記被溶接ワークの位置・姿勢を溶接条件のパラメータとして前記溶け込み量を算出することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のアーク溶接用プログラミング装置において、前記シミュレーションの結果から前記ねらい角、前記前進角を取得して、前記動作プログラムの教示点を自動更新するプログラム更新手段を備えたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２又は３記載のアーク溶接用プログラミング装置において、前記被溶接ワークの位置・姿勢を変更する保持手段がポジショナであり、該ポジショナを前記動作プログラムが制御することを特徴とする。

本願の請求項１記載のアーク溶接用プログラミング装置によれば、溶接データベースを参照し、溶接条件パラメータとしてのワーク間隙幅、ねらい角、前進角から、溶け込み量を算出することができるから、逆に溶け込み量に基づいて溶接条件パラメータの見直しをすることができる。したがって、従来のように、溶接条件パラメータを試行錯誤的に修正する必要がなくなり、アーク溶接の溶接条件出しを容易に行うことができる。また、溶け込み量が浅くなって溶接不良が生じることを未然に防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、被溶接ワークの位置・姿勢を溶接条件パラメータに加えて溶け込み量を算出することができるから、ロボットと被溶接ワークの両方の位置・姿勢を考慮してより一層正確に溶け込み量を算出することができる。このため、溶接品質の信頼性を高めることができる。

請求項３記載の発明によれば、算出した溶け込み量に基づいて新たに溶接条件を設定した場合に、プログラム更新手段により新たな溶接条件で動作プログラムの教示点を自動更新することができる。このため、オフラインで動作プログラムを実際のシステムに整合させることが可能となり、ロボット生産システムの立ち上げ時間を短くすることができる。

請求項４記載の発明によれば、被溶接ワークを保持したまま、被溶接ワークの姿勢を回動自在に変更するポジショナを動作プログラムが制御することで、ロボットと被溶接ワークの相対的位置関係の自由度が増した複雑な溶接条件においても、溶け込み量を算出することができる。したがって、様々な溶接形態に柔軟に対応することができ、このプログラミング装置の適用範囲を広げることができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るアーク溶接用プログラミング装置を含むアーク溶接用ロボットシステムのシステム構成図である。

図１において、２はプログラミング装置、３はロボット動作プログラムによりロボットの動作を制御するコントローラ、４は制御対象としてのアーク溶接用ロボット、５はロボットの教示点を教示などするために用いられる教示装置、６は溶接対象のワークである。ロボット４には、例えば６軸の多関節型ロボットを適用することができる。ワーク６は２つの回転動作軸を有し、ワーク６の位置・姿勢を変えることができる図示しないポジショナに保持されている。なお、このシステム１において、ロボット４の溶接トーチ４ａに溶接電圧／溶接電流を供給する溶接電源や、溶接トーチ４ａへ溶接ワイヤを供給するワイヤ供給装置は省略されている。

本発明に係るプログラミング装置２は、少なくとも入力装置７、コンピュータ８、出力装置９を備えており、オフラインで動作プログラムを作成でき、オフラインでロボット４のコンピュータシミュレーションを実施できる装置である。なお、プログラミング装置２と、コントローラ３と、ロボット４と、教示装置５と、ワーク６からアーク溶接用ロボットシステム１が構成される。

プログラミング装置２の出力装置９は、表示装置としてのディスプレイであり、ロボット４や、溶接対象としてのワーク６（図７，８参照）や、ロボット４の周囲に存在する周辺機器（図示せず）などの画像データを表示する。コンピュータ８は出力装置９と共に、動作プログラムに基づいてロボット４のシミュレーションを実施することができるようになっている。シミュレーションは、動作プログラムの評価や修正を行うために実施され、指定された移動指令に従ってロボット４を模擬動作させる。

図２は、プログラミング装置２の第１の実施形態を示す構成図である。本実施形態のプログミング装置２は、相互に接合する一対のワーク６，６の溶接箇所１０における溶け込み量（図８参照）を算出することができるものであり、３つの記憶手段１２，１３，１４と、入力手段１５と、３つの算出手段１６，１７，１８とからなっている。

記憶手段は、ロボットモデルや、被溶接ワークモデルや、動作プログラムなどを記憶するモデル・プログラム記憶手段１２と、溶け込み量などの溶接状態を表す情報を検索できるように整理した溶接データベースを記憶するデータベース記憶手段（第１の記憶手段）１３と、動作プログラムを実行し、周期的に動作プログラムの実行行、経過時間とそのときのロボットの位置・姿勢をシミュレーション結果から取得して記憶するシミュレーション結果記憶手段（第２の記憶手段）１４とからなっている。

入力手段１５は、一対のワーク６，６の溶接箇所１０に関連付けされた動作プログラム中の溶接箇所で、相互接合する一対のワーク６，６間の間隙幅を入力する手段である。間隙幅は、キーボードなどの入力装置７を介して入力手段に入力される。

算出手段は、シミュレーション結果記憶手段１４で記憶した３箇所以上のロボット４の位置・姿勢から、ねらい角や前進角を算出するための基準となる基準面を算出する基準面算出手段（第１の算出手段）１６と、基準面から、ねらい角や前進角や溶接速度を算出する溶接パラメータ算出手段（第２の算出手段）１７と、溶接データベースを参照して、ねらい角や前進角や溶接速度やワーク間隙幅や溶接方向やワーク６の位置・姿勢から、ワーク６の溶け込み量を補間して算出する溶け込み量算出手段（第３の算出手段）１８とからなっている。

ここで、以下に、本明細書におけるアーク溶接ロボット４に設定される座標系、アーク溶接トーチ４ａの姿勢を記述する「ねらい角」及び「前進角」について定義する。図３に示すように、アーク溶接ロボット４においては、アーム先端部に装着されたアーク溶接トーチ（以下、単に「トーチ」とも言う）４ａの先端４ｂを原点、トーチ４ａの軸方向をＺ軸方向と定める。トーチ４ａの軸方向に直交する方向で、トーチ４ａの進行方向をＸ軸方向、Ｘ軸に直交する方向をＹ軸方向と定める。

図４に示すように、トーチ４ａの「ねらい角」及び「前進角」は、トーチ姿勢を記述する量であり、直線ＡＢは直線状の溶接線の場合の例、円弧Ｑ１ＰＱ２は溶接線が円弧状である場合の例を示している。ねらい角・前進角を定めるには、基準面を定義しなくてはならない。基準面はここでは両例共通して符号Γ０で示されている。基準面は、通常、次のように決められる。

（１）曲線溶接経路Ｑ１ＰＱ２の場合、その経路で定義される平面を基準面Γ０とする。
（２）直線溶接経路ＡＢの場合、その経路ＡＢが存在するワーク部分を代表するワーク面を基準面Γ０とする。
符号＜ｎ＞はこのようにして決められた基準面Γ０の向きを表わす法線ベクトルを表わし、符号Γ１は点Ｐにおける溶接経路の接線を基準面Γ０との交線とする、基準面Γ０に対する垂面を表わしている。

直線溶接経路ＡＢとした場合、基準面Γ０に対してトーチ１のＺ軸方向と溶接線の接線が乗る平面Γ２を考えた時、平面Γ２が基準面Γ０に対してなす角θが「ねらい角」である。

また、ツール先端点４ｂから、平面Γ２に乗る溶接線の接線に対する垂線ｇを立てた時、この垂線ｇに対して、トーチ４ａのＺ軸方向を表わす直線がなす角φが「前進角」である。図示した角度φの取り方において角度φが０度を下回った時には、前進角に代えて後退角の呼称が使用されることもあるが、本明細書では前進角（±符号付き）の呼称で統一する。このように、ねらい角θは溶接線周りの角度であり、前進角φは基準面Γ０上でその点で溶接線に立てた垂線ｇ周りの角度である。

図５は、アーク溶接用プログラミング装置の処理の流れを示すフローチャートである。図において、ステップＳ１では、出力装置９の画面上で、ロボット４、ワーク６、ポジショナ、周辺機器、などの画像データを３次元的に配置するレイアウト作成を行うと共に（モデル記憶手段１２）、溶け込み量や溶接条件パラメータや溶接速度などの情報を系統的に集めて、検索できるように整理した溶接データベースを記憶する（データベース記憶手段１３）。ロボット４、ワーク６、周辺機器の位置や姿勢などの画像データは、ＣＡＤ装置等から図形情報、配置情報等が読み込まれて作成される。

ステップＳ２では、出力装置９の画面上で、ロボット４、ワーク６、ポジショナ、周辺機器に対応づけられた動作プログラムを作成する。ステップＳ３では、図６に示すように動作プログラム中でワーク６に対する溶接箇所１０を指定する。図６では、Ｐ[４]にアーク溶接の開始位置が指定され、Ｐ[９]にアーク溶接の終了位置が指定されている。

ステップＳ４では、相互接合する一対のワーク６，６の溶接箇所１０に対してワーク間の間隙幅を指定する（入力手段１５）。間隙幅は、ワーク６の形状、ワーク６の位置・姿勢などによって異なるものであり、溶け込み量を左右する溶接パラメータである。この間隙幅は、例えば一対のワーク６，６がＬ字状に溶接される場合は、一対のワーク６，６の交差部分に形成される（図７，８参照）。

ステップＳ５では、図７に示すように動作プログラム中の溶接箇所とワーク６の溶接箇所１０の関連づけを指定する。図７では、Ｐ[４]がワーク内側コーナの一端に指定され、Ｐ[９]がワーク内側コーナの他端に指定されている。

ステップＳ６では、シミュレーションを実施し、シミュレーション結果から各動作軸の単位時間毎の現在位置を経過時間と共にロボット４の位置・姿勢などを取得する（シミュレーション結果記憶手段１４）。

ステップＳ７では、ねらい角、前進角を算出する基準となる基準面を求めた後、ステップ６で取得したロボット４の位置・姿勢などから、特願２００４−２１６４６７に記載された公知の方法でねらい角、前進角を算出する。（基準面算出手段１６、溶接パラメータ算出手段１７）

ステップＳ８では、溶接条件パラメータとしてのねらい角、前進角、溶接速度、ワーク６の間隙幅、ワーク６の位置・姿勢、溶接の向き（上向き溶接、下向き溶接など）などからワーク６の溶け込み量を算出する（溶け込み量算出手段１８）。溶接の向きは溶け込み量に影響する重力方向を考慮したものである。ここで、溶け込み量とは、図８に示すように、ビードの断面形状を楕円と仮定し、溶接中心としての楕円中心を一対のワーク６の交線に一致させたときの溶け込み部分の長軸ａと短軸ｂの長さで表示されるものとする。

溶け込み量の算出に際しては、ねらい角、前進角、溶接速度、ワークの間隙幅、ワーク６の位置・姿勢、溶接の向き表す情報を溶け込み量と関連づけて集め、溶け込み量を検索できるように整理した溶接データベースを参照し、検索時に該当するデータが存在する場合はそのデータを取得し、該当するデータが存在しない場合は補間によって算出したデータ取得し、取得したデータを溶け込み量とする。

本発明は、相互接合する一対のワーク６，６の間隙と溶け込み量との関係に着目したものであり、ワーク間隙幅及び他の溶接条件パラメータを考慮して溶け込み量を数値化して表示し、溶け込み量が基準に達していない場合には、動作プログラム中の溶接条件パラメータを修正して一定の溶け込み量を確保できるようにするものである。このため、種々の溶接条件パラメータと溶け込み量との関係について精度良く、系統的に整理されている溶接データベースを用いることで、現場でのアーク溶接において一定した溶け込み量を確保することができ、溶接品質の信頼性をより一層高めることが可能となる。

次に、本発明に係るアーク溶接用プログラミング装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態と第１の実施形態の共通する構成部分については同一符号を付して説明する。

図９に示すように、本実施形態のアーク溶接用プログラミング装置２Ａは、プログラム更新手段１９を備えている点で、第１の実施形態のアーク溶接用プログラミング装置２と相違している。その他の構成は第１の実施形態と同一である。

プログラム更新手段１９は、算出した溶け込み量に基づいて溶接条件を見直し、新たに溶接条件を設定した場合に、シミュレーション結果から取得したねらい角、前進角、溶接速度などを反映させるように、動作プログラムの教示点を自動更新する手段である。

図１０，１１は、本実施形態のアーク溶接用プログラミング装置２Ａの処理の流れを示したものである。図１０のフローチャートでは、ステップＴ１〜Ｔ８が第１の実施形態のステップＳ１〜Ｓ８に対応している。ステップＴ９はプログラム更新手段１９に対応する部分であり、オフラインで動作プログラムが自動更新されることで、動作プログラムを実際のシステムに整合させることが可能となり、生産システムの立ち上げ時間を短くすることが可能となる。

図１１では、プログラム自動更新の流れが視覚的に図示されており、ワーク６の溶け込み量が溶接データベースから検索によって取得され、又は検索データを補間することによって算出され、溶け込み量が評価された後、ねらい角や前進角や溶接速度が修正され、この修正がプログラム更新手段１９によって動作プログラムに反映されるようになっている。

以上のように、本実施形態によれば、オフラインで作成された動作プログラムを実際のシステムに整合させることが可能となり、ロボット生産システムの立ち上げ時間を短くすることができると共に、システムの変更や溶接方法の変更などに柔軟に対応することも可能になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。第１，２の実施形態において、ワーク６はポジショナに保持された状態で、動作プログラムの指令によって姿勢（傾き）を変えることができるようになっているが、ワーク６が動かないように固定することも可能である。

本発明に係るアーク溶接用プログラミング装置を含むロボットシステムのシステム構成図である。 アーク溶接用プログラミング装置の第１の実施形態を示す構成図である。 アーク溶接ロボットに設定される座標系を説明するための図である。 アーク溶トーチのねらい角及び前進角を説明する図である。 図２に示すアーク溶接用プログラミング装置の処理の流れを示したフローチャートである。 図５に示すステップＳ３の説明図である。 図５に示すステップＳ５の説明図である。 図５に示すステップＳ８の説明図である。 アーク溶接用プログラミング装置の第２の実施形態を示す構成図である。 図９に示すアーク溶接用プログラミング装置の処理の流れを示したフローチャートである。 同じくアーク溶接用プログラミング装置の処理の流れを示した説明図である。

符号の説明

２，２Ａ アーク溶接用プログラミング装置
８ コンピュータ
１０ 溶接箇所
１２ モデル・プログラム記憶手段
１３ データベース記憶手段（第１の記憶手段）
１４ シミュレーション結果記憶手段（第２の記憶手段）
１５ 入力手段
１６ 基準面算出手段（第１の算出手段）
１７ 溶接パラメータ算出手段（第２の算出手段）
１８ 溶け込み量算出手段（第３の算出手段）
１９ プログラム更新手段

Claims (4)

1. 少なくとも溶接ロボットと被溶接ワークの３次元モデルを画面に表示し、前記溶接ロボットの動作プログラムにより該溶接ロボットのコンピュータシミュレーションを行って前記被溶接ワークの溶け込み量を特定するアーク溶接用プログラミング装置であって、
   溶け込み量を含む溶接状態を表す情報を検索できるように整理した溶接データベースを記憶する第１の記憶手段と、
   前記動作プログラム中で指定された溶接箇所で、相互接合する前記被溶接ワーク間の間隙幅を入力する入力手段と、
   前記動作プログラムを実行してシミュレーションが実施された場合に、周期的に前記動作プログラムの実行行、経過時間とそのときのロボットの位置・姿勢を前記シミュレーションの結果から取得して記憶する第２の記憶手段と、
   前記第２の記憶手段で記憶した３箇所以上の前記ロボットの位置・姿勢から、ねらい角、前進角を算出するための基準となる平面の基準面を算出する第１の算出手段と、
   前記基準面から、前記ねらい角、前記前進角を算出する第２の算出手段と、
   前記溶接データベースを参照して、少なくとも前記ねらい角、前記前進角、前記間隙幅から、前記被溶接ワークの溶け込み量を算出する第３の算出手段と、
   を備えたことを特徴とするアーク溶接用プログラミング装置。
2. 前記第３の算出手段は、前記被溶接ワークの位置・姿勢を溶接条件のパラメータとして前記溶け込み量を算出することを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用プログラミング装置。
3. 前記シミュレーションの結果から前記ねらい角、前記前進角を取得して、前記動作プログラムの教示点を自動更新するプログラム更新手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接用プログラミング装置。
4. 前記被溶接ワークの位置・姿勢を変更する保持手段がポジショナであり、該ポジショナを前記動作プログラムが制御することを特徴とする請求項２又は３記載のアーク溶接用プログラミング装置。

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