JP6168890B2 - ロボット制御装置および多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御装置およびこのロボット制御装置を用いた多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示方法に関する。

厚板構造物の溶接施工方法として用いられる多層盛溶接では、溶接区間を複数のパスにより繰り返し溶接する。各パスの教示点を全て教示していては作業量が膨大となるために、最下層の１パス目を対象として教示点を教示し、２パス目以降の教示は、１パス目の各教示点に対し、相対的な位置を示すオフセット値が入力するようにすることで、教示作業の軽減が行われている。オフセット値としては、１パス目の各教示点上に設定される溶接線座標系を基準とした位置座標値を入力する。

図５は、一般的な溶接線座標系の軸方向を示す図である。同図に示すように、溶接線座標系は、溶接方向をＸ軸、溶接トーチＴの中心軸方向をＺ軸とし、両軸に直交する軸をＹ軸とすることが一般的である（溶接方向をＺ軸、溶接トーチの中心軸方向をＸ軸とする場合もある）。上述したように、多層盛溶接を行う場合の２パス目以降は、１パス目の位置に対する２パス目の位置を、溶接線座標系を基準にしたオフセット値により教示することになるが、図示しているように、溶接線座標系の軸方向とワークＷの開先形状とは直接の関係がない。そのため、オフセット値を入力する場合、開先形状の図面等から得られる理想的なオフセット値をそのまま採用することはできず、１パス目の教示点から２パス目や３パス目等の位置まで手動操作を行い、教示作業で決める必要がある。１パス目の教示点から２パス目や３パス目等の教示点に溶接トーチを手動操作により移動させて行う教示作業では、溶接線座標系の下で手動操作することになるが、従来の溶接線座標系は、溶接線を含む軸方向と、トーチ中心軸等の軸方向により設定される。ところが、溶接線以外の軸方向は開先形状とは関係なくトーチ姿勢に依存しているため、手動操作がしづらいという問題があった。

そこで、特許文献１では、溶接線が大地に平行に教示されていることを前提として、Ｚ軸方向を大地に直交する軸（重力方向軸）とした溶接線座標系が提案されている（以下では、特許文献１で提案されている座標系を大地溶接線座標系と呼ぶ）。大地溶接線座標系を用いることにより、２パス目以降の教示を手動操作により行う場合の操作性を向上させることができる。しかしながら、後述する問題を有している。

特開２００９−１１９５２５号公報

図６は、大地溶接線座標系の軸方向を表す図である。同図（ａ）に示すように、大地溶接線座標系は、大地に直交する軸方向を固定してＺ軸、溶接トーチＴが教示点Ｐ１からＰ２に向かう溶接方向（点線矢印）をＸ軸、両軸に直交する軸をＹ軸としている。しかしながら、大地溶接線座標系は、溶接線が大地と平行であることを前提としてＺ軸を固定しているために、同図（ｂ）に示すようにワークＷが傾いて設置される場合等、溶接線が大地と平行でなくなると、Ｘ軸が溶接方向と一致しなくなるために、手動操作やオフセット値の設定がしづらくなるという問題がある。

そこで、本発明は、溶接線等の教示線に依拠する座標系について、その軸方向を直感的に把握できるようにし、ロボットの手動操作等を簡単に行うことができるロボット制御装置を提供することを目的としている。また、多層盛溶接ロボットにおいて、２パス目以降の教示を１パス目に対するオフセット値により指定する場合に、溶接線が大地と平行でなくても簡単にオフセット値を設定することができる教示方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、
予め教示された教示線と、重力方向に平行な軸であって前記教示線と交わる基準軸と、前記教示線上の軸および前記基準軸の両軸に共に直交する軸とに基づいて定められる非直交座標系に従ってロボットを動作制御する制御手段を備えたことを特徴とするロボット制御装置である。

請求項２の発明は、前記教示線は、前記ロボットに取り付けた溶接トーチの移動経路であり、１つの教示点と、この教示点に隣り合う教示点で定められることを特徴とする請求項１記載のロボット制御装置である。

請求項３の発明は、前記非直交座標系における位置座標値を前記教示線上の教示点を原点としたオフセット値として記憶する記憶手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロボット制御装置である。

請求項４の発明は、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット制御装置を用いた多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示方法であって、
多層盛溶接の１パス目の教示線に基づいて前記非直交座標系を設定する第１ステップと、
前記１パス目のｍ（ｍ＝１，……Ｍ）点目の教示点に前記非直交座標系を基準にして前記溶接トーチを手動操作で移動する第２ステップと、
１パス目のｍ点目の教示点から２パス目以降の各パスの対応するオフセット予定位置へ前記非直交座標系を基準にして前記溶接トーチを手動操作で移動させ、前記各パスにおけるオフセット予定位置に前記溶接トーチが移動する毎に、該溶接トーチの位置・姿勢を教示し、１パス目の位置・姿勢との差分を、２パス目以降の各パスにおける前記非直交座標系を基準にしたオフセット値として記録する第３ステップと、を含むことを特徴とする多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示方法である。

請求項５の発明は、２パス以降の各パスにおける教示済みのオフセット位置へ前記溶接トーチを移動させ、前記教示済みのオフセット位置で前記溶接トーチの位置・姿勢を修正したときは、修正後の位置・姿勢と１パス目の位置・姿勢との差分を、２パス目以降の各パスにおける前記非直交座標系を基準にしたオフセット値として再記録する第４ステップをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示方法である。

本発明によれば、重力方向をＺ軸として固定するとともに、教示線方向が必ずＸ軸となるような非直交の座標系を設定できるようにした。このようにすることにより、軸方向を直感的に把握することができるので、溶接線等の教示線に依拠する座標系に基づいて手動操作や位置姿勢座標値の入力を行う場合など、簡単に操作することができる。特に、多層盛溶接ロボットにおいては、２パス目以降の教示を１パス目に対するオフセット値により指定する場合に、簡単にオフセット値を設定することができる。

本発明の多層盛溶接ロボットの構成図 本発明の多層盛溶接ロボットの機能ブロック図 本発明の溶接線座標系の軸方向を表す図 多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示手順を示すフローチャート 従来の溶接線座標系の軸方向を表す図 大地溶接線座標系の軸方向を表す図

［実施の形態１］
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。

図１は、多層盛溶接ロボット１のブロック図である。同図においてロボット制御装置ＲＣは、ティーチペンダントＴＰからの操作信号Ｓｓに基づいて、ロボットＲに配置された複数軸のサーボモータを動作制御するための動作制御信号Ｍｃを出力するとともに、所定のタイミングで溶接電源ＷＰに溶接指令信号Ｗｃを出力する。溶接電源ＷＰは、溶接指令信号Ｗｃを入力として、溶接電圧Ｖｗおよび溶接電流Ｉｗを供給したり、図示しないガスボンベに備えられた電磁弁を制御してシールドガスを出力したり、ワイヤ送給モータＷＭに送給制御信号Ｆｃを出力してワイヤ送給モータＷＭを回転駆動したりする。ロボットＲは、ワイヤ送給モータＷＭ、溶接トーチＴ等を載置し、溶接トーチＴの先端位置（制御点）を操作信号Ｓｓに応じて移動させる。溶接ワイヤＷｒは、ワイヤ送給モータＷＭによって溶接トーチＴ内を通って送給され、作業対象物であるワークＷとの間でアークＡが発生して溶接が行われる。

ティーチペンダントＴＰは可搬式の教示操作盤であり、ロボット制御装置ＲＣに接続されている。作業者は、このティーチペンダントＴＰを用いてロボットＲの基準座標系を切り替えたり、ロボットＲの制御点をジョグ送りするための操作を行いながら、ロボットＲの１パス目の位置姿勢（教示点）を複数教示する。このとき、各教示点にはステップ番号が１から昇順に付与される。２パス目以降の教示点は、溶接パス毎に１パス目の教示点に対するオフセット値を入力することにより、自動的に生成される。このようにして入力された教示データは、多層盛溶接プログラムＴｄとしてロボット制御装置ＲＣの内部に記憶される。なお、オフセット値は、本願発明の溶接線座標系を基準に入力することになるが、詳細については後述する。

ロボット制御装置ＲＣは、ティーチペンダントＴＰからの入力に応じてロボットＲをジョグ送りしたり、多層盛溶接プログラムＴｄに基づいてロボットＲを再生運転したりするものである。以下、ロボット制御装置ＲＣの詳細について説明する。

図２は、本発明の多層盛溶接ロボット１の機能ブロック図である。同図において、ティーチペンダントＴＰおよびロボットＲは、図１と同符号を付与した同一のものであるので説明を省略する。

ロボット制御装置ＲＣは、中央演算処理装置であるＣＰＵ２１、ソフトウェアプログラムや制御パラメータ等が格納されたＲＯＭ２２、一時的な計算領域としてのＲＡＭ２３、各種メモリ等を含むマイクロコンピュータによって構成されている。ＴＰインターフェース１０は、ティーチペンダントＴＰを接続するためのものである。ハードディスク５は不揮発性メモリであり、多層盛溶接プログラムＴｄや後述するオフセットファイルＯｆを記憶する。

ＲＯＭ２２には、各種処理を行うためのソフトウェアプログラムが記憶されている。これらを機能的に同図に示すと、キー入力監視部２、教示処理部３、座標系演算部７、動作制御部９、解釈実行部１１および駆動指令部１２の各処理部を備えている。これらの各処理部は、ＣＰＵ２１に読み込まれて実行される。

キー入力監視部２は、ティーチペンダントＴＰの操作がなされたときに入力される操作信号Ｓｓを監視するとともに解析して、教示処理部３に教示情報を通知する。

教示処理部３は、キー入力監視部２から通知される教示点（すなわち、１パス目の基本溶接線を構成する溶接開始点、中間点、溶接終了点等）の位置姿勢座標値や、２パス目以降の溶接パスにおける基本溶接線からのオフセット値に応じて多層盛溶接プログラムＴｄを作成し、ハードディスク５に記憶する。オフセット値は、多層盛溶接プログラムＴｄの内部データとして持たせても良いし、図示するように多層盛溶接プログラムＴｄから間接的に参照されるオフセットファイルＯｆとして記憶するようにしても良い。

座標系演算部７は、オフセット値の基準となる溶接線座標系を演算する。溶接線座標系の軸方向についての詳細は後述する。

解釈実行部１１は、作業者により作成済みの多層盛溶接プログラムＴｄが再生されたときに、多層盛溶接プログラムＴｄを教示点ごとに読み出してその内容を解析する。そして、ロボットＲを駆動させる必要がある場合は、駆動に必要な制御情報（命令の種類、位置姿勢値等）を動作制御部９に出力する。動作制御部９は、制御情報に基づいて軌道計画等を行い、駆動指令部１２を介してロボットＲに動作制御信号Ｍｃを出力する。この結果、ロボットＲが駆動制御される。

次に、上記のように構成された多層盛溶接ロボット１において、１パス目の教示を行い、この後に２パス目以降の位置姿勢をオフセット値により教示する場面での本発明の作用について説明する。

まず、本発明の溶接線座標系について説明する。図３は、本発明の溶接線座標系の軸方向を表す図である。同図に示すように、Ｚｓ軸は、重力方向と平行な軸方向（ロボティクス上のいわゆるワールド座標系のＺ軸と平行な軸方向）であり、溶接トーチＴの姿勢や溶接線方向により変化することがない固定の軸である。Ｘｓ軸は、溶接トーチＴが教示点ｍから教示点ｍ＋１に向かう溶接方向（点線矢印）である。当然のことながら、溶接方向が変化すれば、その変化に応じて軸方向も変わる。Ｙｓ軸は、Ｚｓ軸とＸｓ軸の両軸に直交する軸である。このように、本発明の溶接線座標系は、非直交座標系となっている。このように、非直交座標系を採用して、Ｚｓ軸を誰もが理解できる重力方向として固定し、さらにＸｓ軸を必ず溶接線方向となるようにし、Ｙｓ軸を両軸に直交する方向としたことにより、軸方向を直感的に理解することができるので、ジョグ送りの操作性を格別に向上させることができる。

次に、多層盛溶接ロボット１におけるオフセット値の教示手順を説明する。図４は、多層盛溶接ロボット１におけるオフセット値の教示手順を示すフローチャートである。

ステップ（以下、ＳＴという）１では、オペレータは、ワークＷの１パス目の溶接経路からＭ個の教示点を決定し、ティーチペンダントＴＰを操作してロボットＲをジョグ送りする。そして、ワークＷ上の各教示点に溶接トーチＴが達する毎に、その各教示点において溶接トーチＴのワークＷに対する位置姿勢を教示する。このようにして１パス目のＭ個の教示点を教示することにより基準溶接線を教示する。なお、教示点毎にロボットＲの動作条件や溶接条件も入力する。

次のＳＴ２では、２パス目以降の教示を行うために、オペレータは、ティーチペンダントＴＰに設けられたモード設定キー（図示せず）により、オフセット値の入力モードを選択する。

次のＳＴ３〜ＳＴn+2は、２パス目以降の各パスにおける教示処理（オフセット値の入力モード）であり、１パス目の第１教示点から第Ｍ教示点まで繰り返して行われる処理である。なお、第１教示点，…，第Ｍ教示点は溶接開始点から溶接終了点側にカウントしたときの教示点の順番を示している。

以下、ＳＴ４〜ＳＴn+2を、１パス目の第１教示点（この場合はｍ＝１）に対応した２パス目以降の各パスにおける処理として説明する。

ＳＴ４においては、オペレータはティーチペンダントＴＰを使用し、１パス目の第１教示点に溶接トーチＴを移動する（手動による低速再生運転を行って移動する）。

ＳＴ５では、オペレータはティーチペンダントＴＰを使用し、溶接線座標系の選択操作を行う。この操作を受けて、ロボット制御装置ＲＣの座標系演算部７は、溶接線座標系のＺｓ軸としてワールド座標系のＺ軸と平行な軸を設定する。次いで溶接線座標系のＸｓ軸として、第１教示点と第２教示点を結ぶ直線（図３の場合だと教示点ｍと教示点ｍ＋１を結ぶ直線方向）に基づいてＸｓ軸を設定する。さらに、Ｘｓ軸とＺｓ軸とに直交するＹｓ軸を演算することにより、第１教示点を原点とした溶接線座標系を設定する。本実施例では溶接線座標系の設定をオペレータの操作により行うようにしたが、１パス目の第１教示点に溶接トーチＴが到達した段階で自動的に溶接線座標系を演算し、設定することが好ましい。このようにすることでオペレータによる設定操作を省略することができるので教示時間を短縮することができる。

ＳＴ６では、オペレータはティーチペンダントＴＰでジョグ送り操作を行い、溶接トーチＴを１パス目における第１教示点に対応する２パス目のオフセット予定位置に移動する。

このようにして溶接トーチＴを２パス目のオフセット予定位置に位置させた後、ＳＴ７において、ティーチペンダントＴＰに設けられた記憶キー（図示しない）を押下することにより、１パス目の第１教示点と２パス目の対応する教示点における位置姿勢との差分が、オフセット値としてハードディスク５のオフセットファイルＯｆに記憶される。

続いて、ＳＴ８では、オペレータはＳＴ６と同様にティーチペンダントＴＰでジョグ送り操作を行い、溶接トーチＴを３パス目のオフセット予定位置に移動する。

溶接トーチＴを３パス目のオフセット予定位置に位置させた後、ＳＴ９において、ティーチペンダントＴＰに設けられた記憶キー（図示しない）を押下することにより、１パス目の第１教示点と３パス目の対応する教示点における位置姿勢との差分が、オフセット値としてハードディスク５のオフセットファイルＯｆに記憶される。

以下、２パス目、３パス目と同様にして、ＳＴｎでは、Ｎパス目の位置へ溶接トーチＴをオフセット予定位置に移動する。また、２パス目、３パス目と同様にして、ＳＴn+1では、ティーチペンダントＴＰに設けられた記憶キー（図示しない）を押下することにより、１パス目の第１教示点とＮパス目の対応する教示点における位置姿勢との差分が、オフセット値としてハードディスク５のオフセットファイルＯｆに記憶される。

１パス目の第ｍ教示点（この場合はｍ＝１）に対応する多層盛溶接の全パスにおける教示点での溶接トーチＴのオフセット値の記録が終了すると、続く、ＳＴn+2では、１パス目の次の教示点（この場合はｍ＝２）の教示処理のための準備がされて、ＳＴ３に戻る。

ＳＴ３に戻ると、以下、同様にＳＴ４〜ＳＴn+2の操作や処理を繰り返す。そして、最終的に１パス目の第Ｍ教示点に関するＳＴ４〜ＳＴn+2の操作や処理が終了し、ＳＴ３においてｍ＞Ｍとなったとき、一連の教示作業を終了する。

なお、上記教示作業の終了後、２パス目以降の各パスにおける教示済みのオフセット位置を修正する場合は、次のようにする。

最初に、オペレータがティーチペンダントＴＰを操作して教示済みのオフセット位置に溶接トーチＴを順次移動し（手動による低速再生運転を行って移動し）、各オフセット位置での溶接トーチの位置姿勢を確認する。次いで、修正したいオフセット位置があれば、ジョグ送り操作を行って溶接トーチＴの位置姿勢を変更し、ティーチペンダントＴＰに設けられた記憶キーを押下する。この結果、修正後の位置姿勢と１パス目の位置姿勢との差分が、２パス目以降の各パスにおける前記非直交座標系を基準にしたオフセット値としてハードディスク５のオフセットファイルＯｆに記憶される。

以上説明したように、本発明によれば、重力方向をＺ軸として固定するとともに、教示線方向が必ずＸ軸となるような非直交の座標系を設定できるようにした。このようにすることにより、軸方向を直感的に把握することができるので、溶接線等の教示線に依拠する座標系に基づいて手動操作や位置姿勢座標値の入力を行う場合など、簡単に操作することができる。特に、多層盛溶接ロボットにおいては、２パス目以降の教示を１パス目に対するオフセット値により指定する場合に、簡単にオフセット値を設定することができる。

１ 多層盛溶接ロボット
２ キー入力監視部
３ 教示処理部
５ ハードディスク
７ 座標系演算部
９ 動作制御部
１０ インターフェース
１１ 解釈実行部
１２ 駆動指令部
２１ ＣＰＵ
２２ ＲＯＭ
２３ ＲＡＭ
Ａ アーク
Ｆｃ 送給制御信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｍｃ 動作制御信号
Ｏｆ オフセットファイル
Ｒ ロボット
ＲＣ ロボット制御装置
Ｓｓ 操作信号
Ｔ 溶接トーチ
Ｔｄ 多層盛溶接プログラム
ＴＰ ティーチペンダント
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗ ワーク
Ｗｃ 溶接指令信号
ＷＭ ワイヤ送給モータ
ＷＰ 溶接電源
Ｗｒ 溶接ワイヤ

Claims (5)

1. 予め教示された教示線と、重力方向に平行な軸であって前記教示線と交わる基準軸と、前記教示線上の軸および前記基準軸の両軸に共に直交する軸とに基づいて定められる非直交座標系に従ってロボットを動作制御する制御手段を備えたことを特徴とするロボット制御装置。
2. 前記教示線は、前記ロボットに取り付けた溶接トーチの移動経路であり、１つの教示点と、この教示点に隣り合う教示点で定められることを特徴とする請求項１記載のロボット制御装置。
3. 前記非直交座標系における位置座標値を前記教示線上の教示点を原点としたオフセット値として記憶する記憶手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロボット制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット制御装置を用いた多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示方法であって、
   多層盛溶接の１パス目の教示線に基づいて前記非直交座標系を設定する第１ステップと、
   前記１パス目のｍ（ｍ＝１，……Ｍ）点目の教示点に前記非直交座標系を基準にして前記溶接トーチを手動操作で移動する第２ステップと、
   １パス目のｍ点目の教示点から２パス目以降の各パスの対応するオフセット予定位置へ前記非直交座標系を基準にして前記溶接トーチを手動操作で移動させ、前記各パスにおけるオフセット予定位置に前記溶接トーチが移動する毎に、該溶接トーチの位置・姿勢を教示し、１パス目の位置・姿勢との差分を、２パス目以降の各パスにおける前記非直交座標系を基準にしたオフセット値として記録する第３ステップと、を含むことを特徴とする多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示方法。
5. ２パス以降の各パスにおける教示済みのオフセット位置へ前記溶接トーチを移動させ、前記教示済みのオフセット位置で前記溶接トーチの位置・姿勢を修正したときは、修正後の位置・姿勢と１パス目の位置・姿勢との差分を、２パス目以降の各パスにおける前記非直交座標系を基準にしたオフセット値として再記録する第４ステップをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の多層盛溶接ロボットにおけるオフセット値の教示方法。

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