JP4998180B2 - ウィービング動作制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、与えられた動作プログラムに従って溶接作業を行う溶接ロボットを始めとする自動溶接装置のウィービング動作制御に関し、特に、動作プログラムに溶接狙い位置として登録された複数の教示点のうちの２点の一方を補間開始点とし、他方を補間終了点として直線補間や円弧補間といった所定の補間方式で結ぶ補間線上で、補間開始点から補間終了点に向かって複数の補間点を求め、かつ、その各補間点について所定のウィービングパターンで変化するウィービングベクトルにより補間点からの制御対象点の位置を求めることでウィービング動作を行う制御方法に関するものである。

溶接ロボットを用いた溶接において、マニピュレータに取り付けられた溶接トーチから送給される溶接電極の先端の位置を制御対象とすることにより、溶接トーチの動作を制御している。この溶接ロボットの制御対象点のことを、一般的に「ＴＣＰ（Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）」と称している。溶接ロボットは、実際のワーク上の「溶接線」に沿ってＴＣＰの移動軌跡を制御することで溶接作業を行う。

溶接ロボットの動作プログラム内には、溶接部位では「溶接線」上の位置、すなわち狙い位置を教示点として複数登録している。指定された順序に応じてこれらの教示点のうちの２点を選び、その一方を補間開始点とし、他方を補間終了点として生成した補間線上に複数の補間点を算出し、これに基づいてＴＣＰの位置を制御することでマニピュレータの動作軌跡が制御される。その際、教示点間をどのように補間するかは、同じく動作プログラム内で指定された「補間タイプ」に応じて行う。なお、「補間タイプ」としては、「直線補間」や「円弧補間」等を用いることが一般的である。

溶接継手に対する溶接トーチの動かし方には、「溶接線」に対する相対位置を保ちながら溶接線方向に進む動作を行うストリンガ溶接と、「溶接線」の方向に進みながら併せて溶接トーチを「溶接線」の方向とは異なる方向に振るウィービング溶接がある。そして、各々の溶接トーチの動かし方は、その「溶接線」を成す継手に求められる溶接性能に応じて使い分けられる。

ストリンガ溶接の場合、ＴＣＰは上記のように構成した「溶接線」上を移動する点として次々に算出される補間点を再現すべく動作制御される。一方、ウィービング溶接の際のウィービング動作では、補間点が「溶接線」上を移動するのに合わせて、補間点からの実際のＴＣＰ位置への方向と距離、すなわち、ベクトルが所定パターンで繰り返し変化させるよう制御される。

このウィービング動作を行う場合の制御方法について、図５を用いて説明する。

補間位置ベクトル算出部５１では、１つの補間区間の補間開始点から補間終了点までの間に設定した複数の補間点において、順次各補間点の位置を表す補間位置ベクトル６１を算出する。その一方で、ウィービングベクトル算出部５２では、その時点での補間点の位置からＴＣＰの位置へのベクトルをウィービングベクトル６３として算出する。このとき、補間位置ベクトル算出部５１で算出を行っている補間点との対応をとるため、ウィービングベクトル算出部５２は、補間開始点からの補間回数６２、例えば具体的には、「補間開始点から３個目の補間点である」等の情報を利用する。なお、補間位置ベクトル算出部５１においても同様に補間回数６２を用いて補間位置ベクトルを算出する。そして、補間回数６２は、例えば動作プログラムから特定することができる。そして、加算部５３において、補間位置ベクトル６１とウィービングベクトル６３とを結合することにより、溶接線に沿ってウィービングを繰り返しながら移動するために溶接ロボットを制御するための動作指令位置６４を算出する。

ウィービングの１周期の間に、補間点が溶接線上を進む距離がウィービングの１ピッチに相当する。ピッチの大きさ情報を含むウィービングのパターンを決めるパラメータは、予め何らかの方法で指定されている。ウィービングのピッチは、動作プログラムから参照する溶接条件内に直接的に指定される場合もあれば、溶接条件内に指定された溶接速度と周波数から結果的に決まる場合もある。ピッチがどのように決まるにしても、ピッチは溶接線とは無関係に決まるため、ある２点間の補間の補間開始点と補間終了点間の距離をピッチで割ったとき割り切れるとは限らず、「あまり」が生じる場合がほとんどである。すなわち、実際の動作ではウィービングしながら溶接線上を動作して補間終了点に到達したときに、ウィービングもちょうどピッチの区切りとなるとは限らない。

その補間終了点を次の補間開始点として続く溶接線においてもウィービング動作が継続して行われる場合、その「あまり」を如何に処理して動作を円滑につなげていくかが問題となる。すなわち、「あまり」が生じ、１つの溶接線を溶接するウィービング動作の補間終了点と、次に溶接線を溶接するウィービング動作の補間開始点との位置が異なっており、この異なった状態で１つの溶接線を溶接するウィービング動作の補間終了点から次に溶接線を溶接するウィービング動作の補間開始点に急激にＴＣＰの位置を移動させると、この間の溶接に悪影響が生じてしまう。

なお、複数の教示点で構成され複数の教示点を順に通る溶接線は、ある教示点で溶接方向に屈曲を生じることが一般的である。従って、上述した「あまり」の処理の仕方次第では、その屈曲部分で溶接ビード形状に「くびれ」あるいは「膨らみ」といった不良を生じ、溶け込み不足といった溶接性能への悪影響を生じる。

また、溶接条件は、その継手に対して要求される溶接性能（脚長、のど厚、溶け込み深さ等）を実現するものを指定することになる。多数の教示点で構成される溶接線上で使用される溶接条件は、例えそこで要求されている脚長が同じであっても、継手の状態によっては異なる溶接条件が必要となる。例えば継手に隙間があり、その隙間に埋め溶接が施されている場合には、異なる溶接条件が必要となる。あるいは、同じ円弧であっても、その内側と外側では異なる条件による溶接が必要となる。その他にもいろいろな要因により異なる溶接条件が必要になる場合がある。そのとき、溶接電流、溶接電圧だけでなく、必要に応じてウィービングも異なる場合がある。このとき、上述したつなぎの問題は、異なるウィービングをつなぐという問題も含むことになる。

そこで、従来のウィービング動作制御では、上記した「あまり」を生じさせないように教示点ごとにウィービング動作を完結させることを基本としていた。例えば、ウィービング動作制御方法として、教示点到着時に余剰ウィービング周期、すなわち、「あまり」が出ないように、ピッチを調整しているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−８７０７６号公報

しかしながら、従来のウィービング動作制御方法は、ピッチを調整するため、同じウィービング条件のつもりで動作プログラムを作成しても、溶接対象により実際の動作では異なるウィービングを行うことになってしまい、ビード外観に相違が生じるという課題を有していた。

本発明は、ウィービングを行うある溶接線の補間終了点としてのある教示点に到達後、この教示点から次の教示点に向かう際にもウィービングを続ける場合、滑らかに動作をつなぐことができ、特に、教示点を境に溶接線が屈曲する、すなわち溶接方向が切り替わる場合や、教示点を境に異なるウィービング動作に切り替わる場合の動作を滑らかにし、溶接結果へ悪影響を出さないウィービング動作制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のウィービング動作制御方法は、溶接を行うための溶接狙い位置として教示された複数の教示点のうち隣り合う２点を補間開始点と補間終了点とした補間線に沿って、所定のウィービングパターンで溶接ロボットの制御対象点を動作させるウィービング動作制御方法であって、前記補間線上に所定の間隔で、繰り返し算出される補間点の位置を表す補間点位置ベクトルと、補間開始点から何点目の補間点であるかを示す補間点情報とを順次求めるステップと、前記所定のウィービングパターンと前記補間点情報とに基づいて、前記補間点の位置からウィービング位置にいたるウィービングパターンベクトルを算出するステップと、前記補間点位置ベクトルと前記ウィービングパターンベクトルとを結合して制御対象点が移動すべき位置を表すウィービング位置ベクトルを算出するステップと、溶接ロボットを動作させるための動作プログラムと前記補間点情報とに基づいて前記補間点が１周期のウィービングの開始に対応する補間点である場合には、前記ウィービング位置ベクトルの表す位置と実際の制御対象点のある位置との差である位置差ベクトルを算出するステップと、前記位置差ベクトルを算出した時点の補間点以降の補間点では、前記位置差ベクトルをウィービング１周期の補間回数のうちにゼロにするために、前記補間点情報に基づいて前記位置差ベクトルを漸減するステップと、前記ウィービング位置ベクトルと前記位置差ベクトルとを結合して溶接ロボットを動作させる動作指令位置を算出するステップと、を繰り返し行い、前記位置差ベクトルの算出は各１周期のウィービングの開始に対応する補間点の全てにおいて行うものである。

そして、教示点を境に溶接線が屈曲する場合や異なるウィービング動作に切り替わる場合の動作が滑らかになり、溶接結果への好結果をもたらすこととなる。

以上のように、本発明のウィービング動作制御方法によれば、教示点を境に溶接線が屈曲する場合や異なるウィービング動作に切り替わる場合の動作が滑らかになり、溶接結果に好結果をもたらすこととなる。すなわち、溶接結果へ悪影響を与えないウィービングの継続を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図４を用いて説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、溶接トーチを取り付けたマニピュレータと、このマニピュレータを制御するコントローラを備えた溶接ロボットが、溶接トーチをウィービング動作させながら移動し、１つの教示点を越えても、次の教示点に向けてウィービング動作を継続する場合の制御方法を例として説明する。

なお、本実施の形態の溶接ロボットは、溶接を行うための溶接狙い位置として複数の教示点が教示され、複数の教示点のうちある連続した２つの教示点を補間開始点と補間終了点として結ぶ補間線に沿って溶接トーチが移動されるように制御されるものである。

ある補間における補間開始点から補間終了点までの間には、直線補間あるいは円弧補間といった指定された補間方式にしたがって複数の補間点が求められる。図１は本実施の形態における制御方法を行う際の補間点１つ毎に対する処理ブロック図である。この処理ブロック図はコントローラ内の一部分を示している。
図１において、補間位置ベクトル算出部２１により、処理Ａとして、直線補間あるいは円弧補間といった指定された補間方式にしたがって補間開始点から順次１つの補間点を求め、その補間点位置を表す補間位置ベクトル３１、および、補間開始点から何点目の補間点であるかを示す情報である補間回数３２を算出して出力する。この補間位置ベクトル３１に対して次に示す処理ブロックが働く。

ウィービングベクトル算出部２２により、処理Ｂとして、その時点での補間点位置からウィービング位置にいたるベクトルをウィービングベクトル３３として算出する。なお、ウィービングベクトル算出部２２は、予め決められたウィービング動作を示すウィービング速度やピッチや周期等からなるウィービングパターンと、複数の補間点のうち何点目の補間点であるかといった情報である補間回数３２に基づいて、ウィービングベクトル３３を算出するものである。これにより、処理Ｂにおいて、処理Ａにおける補間点と同じ補間点についてウィービングベクトル３３の算出を行うことが可能である。そして、加算部２３により、処理Ｃとして、補間位置ベクトル３１とウィービングベクトル３３とを結合することで、ウィービング位置３５を算出する。

また、その時の補間点がウィービング周期の始めの位置である場合についてのみ、初期位置差ベクトル算出部２４により、処理Ｄとして、初期のウィービング位置３５と、現在位置出力部２７から出力されるＴＣＰの現在位置３８との差である初期位置差ベクトル３６を求める。なお、処理Ｄでは、１ウィービング周期の始めであることを知るために、補間の補間開始点から補間終了点までの補間回数３２の情報を利用する。また、現在位置出力部２７は、図示しない溶接ロボットの位置制御機構からの情報に基づいてＴＣＰの現在位置３８を出力するものである。

位置差ベクトル漸減計算部２５により、処理Ｅとして、所定の補間回数の間に初期位置差ベクトル３６の影響をなくすために、補間の補間開始点から補間終了点までの補間回数３２、すなわち、補間回数３２に応じて順次漸減された位置差ベクトル３７を計算する。なお、この漸減された位置差ベクトル３７は、例えば下の式を用いて計算する。下の式は、ウィービング１辺の補間回数で位置差ベクトルをゼロにするものである。
今回の位置差ベクトル＝前回の位置差ベクトル−初期位置差ベクトル／ウィービング１辺の補間回数
そして、加算部２６により、処理Ｆとして、各補間点に対するウィービング位置３５に各補間点に対する位置差ベクトル３７を結合して、溶接ロボットを動作させるための各補間点に対応した動作指令位置３４を算出する。
この様子について、図１のブロック図で示した構成が、１補間点毎にどのような流れで処理されるかを、図２に示すフローチャートを用いてさらに説明する。

まず、処理Ａでその時の補間点の補間位置ベクトルが算出される。処理Ｂが指定されている溶接条件のウィービングパラメータを基にウィービングベクトル３３を算出し、処理Ｃが、補間位置ベクトル３１とウィービングベクトル３３を結合することで、ウィービング位置３５を求める。処理１００で補間軌跡上の最初のウィービング周期の始まりか否かを判断する。この判断がＹＥＳとなった場合は、処理Ｄにより現在位置３８とウィービング位置３５の差から初期位置差ベクトル３６を求める。以降は、処理１００の判断がＮＯとなった場合、すなわち、補間軌跡上の最初のウィービング周期の始まりで無い場合も行われる処理となる。処理Ｅでは、補間回数３２に応じて、初期位置差ベクトル３６を漸減した位置差ベクトル３７を求める。処理Ｆでは、ウィービング位置３５に位置差ベクトル３７を結合することで、動作指令位置３４を求める。そして、これらの処理が１補間点ごとに繰り返し行われる。

図３は、ある教示点を補間開始点とし教示点Ｐを補間終了点とする溶接線Ｍと、教示点Ｐを補間開始点とし他の教示点を補間終了点とする溶接線Ｎとがあり、連続した溶接線Ｍと溶接線Ｎに沿ってウィービング動作が行われる例を示している。なお、溶接線Ｍのウィービング動作はウィービング動作最終位置Ｗｅ点まで継続して行われ、この点から次の新たなウィービング周期、すなわち、溶接線Ｎのウィービング動作が行われる。

図３の溶接線Ｍのウィービング動作の最終位置はウィービング動作最終位置Ｗｅであり、新たなウィービング周期に入った時点において、図１の現在位置出力部２７から出力されるＴＣＰの現在位置３８は、ウィービング動作最終位置Ｗｅとなる。補間位置ベクトル算出部２１により、処理Ａとして、補間位置ベクトル３１を算出し、溶接線Ｎ上の補間点ｘを特定する。そして、これに対するウィービングベクトル３３を処理Ｂにより算出し、処理Ｃにより両者を結合して溶接線Ｎのウィービング動作の初期位置であるウィービング初期位置Ｗｓ（ウィービング位置３５）を算出する。なお、このとき、溶接線Ｍにおける最終ウィービングの最終位置、すなわち、実際に現在いる位置はウィービング動作最終位置Ｗｅである。一方、溶接線Ｎにおけるあるべき初期位置はウィービング初期位置Ｗｓであり、これらの位置の間には差が生じている。そこで、初期位置差ベクトル算出部２４により処理Ｄとして、現在いる位置すなわちウィービング最終位置Ｗｅとウィービング初期位置Ｗｓの間のベクトル差である初期位置差ベクトル３６（ｄ０）を算出する。

以降は、溶接方向に並ぶ各々の補間点について、処理Ｃで算出した初期ウィービング位置３５に、初期位置差分配ベクトル計算部２５により処理Ｅとして算出する初期位置差分配ベクトル３７（ｄｎ）を加え、各々の補間点について動作指令位置３４を決める。なお、初期位置差分配ベクトル３７（ｄｎ）は、初期位置差ベクトルｄ０からゼロまでの大きさであり、溶接進行方向にある補正点程大きさが小さくなるものである。

図３では、溶接線Ｎにおける最初のウィービングの１辺の間、すなわち、ウィービング初期位置Ｗｓからウィービング頂点Ｗｍの間に、初期位置差ベクトル３６（ｄ０）の影響を順次低減する状態を示しており、溶接線Ｍのウィービング動作最終位置Ｗｅから溶接線Ｎの最初のウィービング１辺のウィービング頂点Ｗｍに向かって円滑な動作軌跡を実現する例を示している。

以上のように、本実施の形態の制御方法によれば、教示点Ｐを越えてもウィービング動作を継続して円滑に行うことができる。すなわち、溶接線Ｍのウィービング動作最終位置Ｗｅから溶接線Ｎのウィービング初期位置Ｗｓに急激に移動することはないので、溶接線Ｍのウィービング動作から溶接線Ｎのウィービング動作に変わる場合の溶接の乱れを防ぐことができる。

なお、本実施の形態の制御方法は、溶接線Ｍと溶接線Ｎに求められるウィービングが同じであっても、異なっていても有効に働くものである。

また、本実施の形態の溶接ロボットは、上記により決定した動作指令位置３４に基づき、コントローラがマニピュレータを制御して動作を行うものである。

なお、本実施の形態は、ウィービングパターンに依存するものではなく、三角波形のウィービングだけでなく円形・螺旋形のウィービングパターンにも適用可能であり、溶接ロボットを始めとする種々の自動溶接装置に適用が可能である。

また、本実施の形態では、三角形状のウィービングにおけるウィービング１辺の間に初期位置差ベクトル３７（ｄ０）をゼロにする例を示したが、ウィービング１辺の途中までにゼロにするように初期位置差分配ベクトル３７を決定するようにしてもよい。あるいは、ウィービング１周期の終了時点まで、あるいは、ウィービング１周期の途中までにゼロにするようにしてもよい。そして、円形・螺旋形のウィービングにおいても同様に、ウィービングのウィービング１周期の終了時点までの間に初期位置差ベクトル３７をゼロにするようにすればよい。

（実施の形態２）
本実施の形態では、ウィービングを行わずに溶接を行っている状態に引き続いて、ウィービング動作を開始してウィービング溶接を行う場合の制御方法について、図１と図４を用いて説明する。図４において、溶接線Ｍではストリンガ動作を行い、溶接線Ｎではウィービング動作を行っている例を示している。

実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

実施の形態１と異なる点は、あるウィービング動作から別のウィービング動作に切り替わるのではなく、ストリンガ動作からウィービング動作に切り替わる点である。そして、実施の形態１で示した初期位置差ベクトル算出部２４による処理Ｄの計算に使用する実際の現在位置は、溶接線Ｍのウィービング動作の最終位置であるウィービング動作最終位置Ｗｅであったが、本実施の形態では、溶接線Ｍでウィービングを行わないため、初期位置差ベクトル算出部２４による処理Ｄの計算に使用する実際の現在位置を教示点Ｐとする。

そして、実施の形態１で示したものと同様の制御を行うことにより、溶接線Ｍにおけるストリンガ動作の最終位置Ｐと、溶接線Ｎにおけるウィービング初期位置Ｗｓとの間のベクトル差は初期位置差ベクトル３６（ｄ０）となる。また、位置差ベクトル３７（ｄｎ）は、初期位置差ベクトル３６（ｄ０）からゼロまでの大きさであり、溶接方向にある補間点程大きさが小さくなるものである。

この図４では、溶接線Ｎにおける最初のウィービングの１辺の間、すなわち、ウィービング初期位置Ｗｓからウィービング頂点Ｗｍの間に、初期位置差ベクトル３６（ｄ０）の影響を順次低減する状態を示しており、溶接線Ｍのストリンガ動作最終位置である教示点Ｐから溶接線Ｎの最初のウィービング１辺のウィービング頂点Ｗｍに向かって円滑な軌跡を描いている。

以上のように、本実施の形態の制御方法によれば、ストリンガ動作からウィービング動作へ円滑に移行することができる。すなわち、溶接線Ｍのストリンガ動作最終位置である教示点Ｐから溶接線Ｎのウィービング初期位置Ｗｓに急激に移動することはないので、溶接線Ｍのストリンガ動作から溶接線Ｎのウィービング動作に変わる場合の溶接の乱れを防ぐことができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、ウィービング動作中にウィービング条件が変更された場合の制御方法について図１を用いて説明する。

実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

実施の形態１では、溶接線Ｎの最初のウィービングの間において、図１で示した処理を行う例を示したが、本実施の形態では、補間線上の最初のウィービングの間だけではなく、ウィービング動作中全てにおいて図１で示した処理を行う。

このようにすることで、例えばウィービング動作の途中にウィービングパラメータが変更される場合があったとしても、溶接位置の急峻な移動はなく、滑らかな移行を実現できるので、ウィービング条件が変更される場合であっても、その変更箇所で溶接が乱れることがなく、滑らかなつなぎを実現することができる。

以上のように、本実施の形態の制御方法によれば、ウィービング動作中にウィービング条件を切り替える場合が生じても、ウィービング動作を円滑に切り替えることができる。

本発明のウィービング動作制御方法は、ウィービング動作の開始および異なる条件でのウィービングへの切り替えを円滑に行うことができ、ウィービング動作により溶接を行う際の制御方法として産業上有用である。

本発明の実施の形態１における処理ブロック図 本発明の実施の形態１における処理フローチャート 本発明の実施の形態２における動作概念図 本発明の実施の形態３における動作概念図 従来のウィービング動作制御方法の処理ブロック図

符号の説明

Ｍ 溶接線
Ｎ 溶接線
Ｐ 教示点
ｘ 補間点
Ｗｅ ウィービング最終位置
Ｗｓ ウィービング初期位置
ｄ０ 初期位置差ベクトル
ｄｎ 位置差ベクトル
Ｗｍ ウィービング頂点
２１ 補間位置ベクトル算出部
２２ ウィービングベクトル算出部
２３ 加算部
２４ 初期位置差ベクトル算出部
２５ 位置差ベクトル漸減計算部
２６ 加算部
２７ 現在位置出力部
３１ 補間位置ベクトル
３２ 補間回数
３３ ウィービングベクトル
３４ 動作指令位置
３５ ウィービング位置
３６ 初期位置差ベクトル
３７ 位置差ベクトル
３８ 現在位置
５１ 補間位置ベクトル算出部
５２ ウィービングベクトル算出部
５３ 加算部
６１ 補間位置ベクトル
６２ 補間回数
６３ ウィービングベクトル
６４ 動作指令位置

Claims (1)

1. 溶接を行うための溶接狙い位置として教示された複数の教示点のうち隣り合う２点を補間開始点と補間終了点とした補間線に沿って、所定のウィービングパターンで溶接ロボットの制御対象点を動作させるウィービング動作制御方法であって、
   前記補間線上に所定の間隔で、繰り返し算出される補間点の位置を表す補間点位置ベクトルと、補間開始点から何点目の補間点であるかを示す補間点情報とを順次求めるステップと、
   前記所定のウィービングパターンと前記補間点情報とに基づいて、前記補間点の位置からウィービング位置にいたるウィービングパターンベクトルを算出するステップと、
   前記補間点位置ベクトルと前記ウィービングパターンベクトルとを結合して制御対象点が移動すべき位置を表すウィービング位置ベクトルを算出するステップと、
   溶接ロボットを動作させるための動作プログラムと前記補間点情報とに基づいて前記補間点が１周期のウィービングの開始に対応する補間点である場合には、前記ウィービング位置ベクトルの表す位置と実際の制御対象点のある位置との差である位置差ベクトルを算出するステップと、
   前記位置差ベクトルを算出した時点の補間点以降の補間点では、前記位置差ベクトルをウィービング１周期の補間回数のうちにゼロにするために、前記補間点情報に基づいて前記位置差ベクトルを漸減するステップと、
   前記ウィービング位置ベクトルと前記位置差ベクトルとを結合して溶接ロボットを動作させる動作指令位置を算出するステップと、
   を繰り返し行い、前記位置差ベクトルの算出は各１周期のウィービングの開始に対応する補間点の全てにおいて行うウィービング動作制御方法。

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