JP6250372B2

JP6250372B2 - 自動溶接機

Info

Publication number: JP6250372B2
Application number: JP2013242072A
Authority: JP
Inventors: 浩磯部; 清悟坂田; 幸宏西尾; 山田　裕之; 裕之山田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: EP3072625A1; EP3072625B1; US20160256952A1; JP2015100802A; CN105764644B; EP3072625A4; WO2015076202A1; US9855621B2; CN105764644A

Description

この発明は、製造工程等で用いられ、人の手を介さず、自動できめ細かい溶接作業を高速・高精度で行うことができる自動溶接機に関する。

従来の自動溶接機は、特許文献１〜３の提案のような、多関節ロボットの先端に溶接用トーチを搭載したものが一般的であった。

特開平０６−０７９４７２号公報特開２００２−１２００９３号公報特開２０１０−２５３５３８号公報

多関節ロボットを用いた自動溶接機は、作業範囲を広く取れるが、ロボット本体が大型となるため、動作範囲等を考慮すると、設置するのに広い占有スペースが必要となる。また、多関節ロボットは複数の軸で構成されるため、従来の自動溶接機では、きめ細かい動作を高速で行うことができず、精密な溶接が難しい。

この発明の目的は、コンパクトな構成でありながら、高速・高精度できめ細かい動作を行える自動溶接機を提供することである。

この発明の自動溶接機は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢変更用アクチュエータを設けたリンク作動装置を備え、前記リンク作動装置は、その前記基端側のリンクハブを架台に直接または間接的に固定することによって前記架台に設置し、かつ前記先端側のリンクハブに溶接用トーチを取り付け、前記架台に対し前記リンク作動装置を進退させる１軸以上の直動アクチュエータ、および前記架台に対し前記溶接用トーチにより溶接作業が行われる作業対象物となるワークを進退させる１軸以上の直動アクチュエータの両方またはいずれか一方を設け、前記溶接用トーチを、前記ワークに対して溶接作業を行う先端部が基端側を向き、かつ前記基端側のリンクハブよりも基端側に突出させて前記先端側のリンクハブに取り付けたことを特徴とする。

なお、この明細書において、「基端側」および「先端側」とは、以下の意味で用いられている。すなわち、リンクハブと端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および、端部リンク部材と中央リンク部材の各回転対偶がそれぞれ交差する点をリンクハブの「球面リンク中心」と称し、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を「リンクハブ中心軸」と称する場合、それぞれのリンクハブから基端側および先端側の各リンクハブ中心軸が交差する交点から見て基端側の球面リンク中心方向を基端側、先端側の球面リンク中心方向を先端側としている。

この自動溶接機に用いられるリンク作動装置は、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸周りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。また、コンパクトである分、迅速な動作を行える。例えば、基端側のリンクハブ中心軸と先端側のリンクハブ中心軸の最大折れ角は約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。各姿勢制御用アクチュエータの動作を制御することで、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させることができる。
また、前記溶接用トーチを、前記ワークに対して溶接作業を行う先端部が基端側を向き、かつ前記基端側のリンクハブよりも基端側に突出させて前記先端側のリンクハブに取り付けるが、溶接用トーチは細長い形状のものが多い。そのため、溶接用トーチを先端部が先端側を向くように設置すると、慣性モーメントが大きくなり、移動速度の低下や位置決め精度の悪化を招くおそれがある。しかし、この構成のように溶接用トーチを設置すると、溶接用トーチの先端部の位置がリンク作動装置の回転中心に近づくため、溶接用トーチの慣性モーメントを小さくすることができ、高速動作や高い位置決め精度を実現できる。

この自動溶接機は、１軸以上の直動アクチュエータでリンク作動装置またはワークを平面上で移動させると共に、リンク作動装置を作動させて基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢を変更しながら、先端側のリンクハブに取り付けた溶接用トーチによりワークに対して溶接を行う。これにより、ワークに対して角度を付けながら、ワークの複数方向の面に対して溶接できる。また、溶接用トーチが搭載されるリンク作動装置は、先端側のリンクハブの可動範囲を広く、かつ迅速な動作を行えるため、溶接用トーチの先端のきめ細かい動作を高速で実現できる。このため、ワークに対して精密な溶接作業を行うことができる。

この発明において、前記１軸以上の直動アクチュエータは、前記リンク作動装置または前記ワークを基端側のリンクハブ中心軸と直交する平面上で進退させると良い。
この場合、基端側のリンクハブ中心軸と直交する平面、例えば水平面上での溶接作業が容易となる。

この発明において、前記溶接用トーチを、前記ワークに対して溶接作業を行う先端部の中心軸が、先端側のリンクハブ中心軸と一致するように前記先端側のリンクハブに取り付けると良い。
この場合、先端側のリンクハブの角度と溶接用トーチの先端部の角度が一致するため、溶接用トーチの先端部の姿勢制御が容易となる。

この発明において、前記溶接用トーチに対して溶接ワイヤを自動で供給するワイヤ供給装置を設けると良い。
ワイヤ供給装置が設けられていると、リンク作動装置の動作により溶接用トーチの先端部とワークとの距離が変動する場合でも、安定した溶接を実現できる。

この発明において、前記溶接用トーチは、前記先端側のリンクハブに、先端側のリンクハブ中心軸に沿って進退動作するトーチ進退用直動アクチュエータを介して取り付けても良い。
この構成であると、リンク作動装置の動作により、溶接用トーチの先端部とワークとの距離が大きく変動する場合でも、その距離の変動を補正し、安定した溶接を実現できる。また、ワークにおける先端側のリンクハブ中心軸方向の位置が異なる各部位に対しても溶接が可能となる。

この発明において、前記リンク作動装置は、基端側および先端側のそれぞれにおいて、前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶の中心軸と、前記端部リンク部材と中央リンク部材との回転対偶の中心軸とが成す角度が９０°未満であるのが良い。
前記角度を９０°未満とすることで、各リンク機構の配列の内側の空間を広く取れる。これにより、溶接用トーチを各リンク機構の配列の内側の空間に配置し易い。

この発明において、前記溶接トーチが湾曲部を有する場合、前記溶接用トーチの一部を前記３組以上のリンク機構のうち、任意の２組のリンク機構の間に配置すると良い。
溶接用トーチを任意の２組のリンク機構の間に配置することで、溶接用トーチとリンク機構の干渉を防止できる。これにより、溶接用トーチを各リンク機構の配列の内側の空間に配置する構成としても、リンク作動装置の大型化を防止できる。

この発明において、前記１軸以上の直動アクチュエータは、基端側のリンクハブ中心軸と直交する平面上を進退動作し、かつそれぞれの進退動作方向が互いに異なる２軸の直動アクチュエータを組み合わせて構成されたアクチュエータ組合せ体とし、このアクチュエータ組合せ体により、前記架台に対し前記リンク作動装置を進退させても良い。
１軸以上の直動アクチュエータをアクチュエータ組合せ体とすることで、溶接用アークを基端側のリンクハブ中心軸と直交する平面に沿って移動させることができ、ワークの全周面に対して溶接が可能となる。また、アクチュエータ組合せ体により架台に対しリンク作動装置を進退させると、ワークを移動させずに済むため、大型のワークに対する溶接においても高速動作での溶接を実現できる。

前記アクチュエータ組合せ体の下向きとなるステージに前記基端側のリンクハブを固定して、前記リンク作動装置は前記先端側のリンクハブが上向きとなるように設置すると共に、前記溶接用トーチを、その先端部が基端側を向き、かつ前記基端側のリンクハブよりも基端側に突出するように設置すると良い。
この場合、自動溶接機の構成部品の中で溶接用トーチの先端部が最下部となる構成となり、自動溶接機とワークとが互いに干渉し難い。

この発明の自動溶接機は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢変更用アクチュエータを設けたリンク作動装置を備え、前記リンク作動装置は、その前記基端側のリンクハブを架台に直接または間接的に固定することによって前記架台に設置し、かつ前記先端側のリンクハブに溶接用トーチを取り付け、前記架台に対し前記基端側のリンクハブを進退させる１軸以上の直動アクチュエータ、および前記架台に対し前記溶接用トーチにより溶接作業が行われる作業対象物となるワークを進退させる１軸以上の直動アクチュエータの両方またはいずれか一方を設け、前記溶接用トーチを、前記ワークに対して溶接作業を行う先端部が基端側を向き、かつ前記基端側のリンクハブよりも基端側に突出させて前記先端側のリンクハブに取り付けたため、コンパクトな構成でありながら、高速・高精度できめ細かい動作を行える。

この発明の一実施形態にかかる自動溶接機の一部を省略した正面図である。同自動溶接機の一部を省略した平面図である。同自動溶接機のリンク作動装置等を示す斜視図である。同リンク作動装置の基端側のリンクハブ等の横断面図である。同リンク作動装置の先端側のリンクハブ等の横断面図である。同リンク作動装置の一つのリンク機構を直線で表現した図である。同リンク作動装置の基端側のリンクハブに対する溶接用トーチの取付部の断面図である。（Ａ）はウィービング動作を含む溶接軌道の一例を示す図、（Ｂ）はウィービング動作を含む溶接軌道の異なる例を示す図である。図１の自動溶接機に異なる溶接用トーチを取り付けた状態を示す一部を省略した正面図である。この発明の異なる実施形態にかかる自動溶接機の一部を省略した正面図である。この発明のさらに異なる実施形態にかかる自動溶接機の部分図である。この発明のさらに異なる実施形態にかかる自動溶接機の部分図である。

この発明の一実施形態を図１〜図７と共に説明する。
図１および図２に示すように、この自動溶接機は、作業台または地面に固定した架台５０に、２軸の直動アクチュエータを組み合わせたアクチュエータ組合せ体であるＸＹステージ５１を介してリンク作動装置１を設置し、このリンク作動装置１に溶接用トーチ５２を取り付けてなる。また、架台５０から離れた位置に、ワイヤ供給装置５３および冷却水装置５４が設けられている。

ＸＹステージ５１は、架台５０に固定され左右方向（Ｘ軸方向）に進退動作するＸ軸直動アクチュエータ５５と、このＸ軸直動アクチュエータ５５の底面に設けられたステージに固定され前後方向（Ｙ軸方向）に進退動作するＹ軸直動アクチュエータ５６とを有し、Ｙ軸直動アクチュエータ５６の底面がリンク作動装置１を設置するステージとなっている。架台５０へのＸ軸直動アクチュエータ５５の固定、およびＸ軸直動アクチュエータ５５へのＹ軸直動アクチュエータ５６の固定は、ボルト等により行う。

次に、リンク作動装置１について説明する。
図３に示すように、リンク作動装置１は、基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブ３を３組のリンク機構４を介して姿勢変更可能に連結したものである。各リンク機構４は、基端側の端部リンク部材５、先端側の端部リンク部材６、および中央リンク部材７で構成され、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材５，６は、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３にそれぞれ回転自在に連結されている。中央リンク部材７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材５，６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

図４は基端側のリンクハブ等の横断面図、図５は先端側のリンクハブ等の横断面図である。これらの図に示されているように、リンク作動装置１は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構成であって、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の各回転対偶、および、端部リンク部材５，６と中央リンク部材７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材５，６と中央リンク部材７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材５，６と中央リンク部材７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角を持っていてもよいし、平行であってもよい。

３組のリンク機構４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図６のように、各リンク部材５，６，７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図６は、リンク作動装置１の一組のリンク機構４を直線で表現した図である。この実施形態のリンク機構４は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ２および基端側の端部リンク部材５と、先端側のリンクハブ３および先端側の端部リンク部材６との位置関係が、中央リンク部材７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。

基端側のリンクハブ２と先端側のリンクハブ３と３組のリンク機構４とで、基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブ３が直交２軸周りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の可動範囲を広くとれる。また、コンパクトである分、迅速な動作を行える。

例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ２，３と端部リンク５，６の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ中心軸ＱＢの折れ角θの最大値（最大折れ角）を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の旋回角φを０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。各リンク機構４の姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｄは変化しない。

各リンク機構４におけるリンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の回転対偶の中心軸の角度および長さが互いに等しく、かつ各リンク機構４にリンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の回転対偶、および、中央リンク部材７と端部リンク部材５，６の回転対偶の中心軸が基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差し、かつ基端側の端部リンク部材５と先端側の端部リンク部材６の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材７についても基端側の先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材７の対称面に対して、中央リンク部材７と端部リンク部材５，６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ２および基端側の端部リンク部材５と、先端側のリンクハブ３および先端側の端部リンク部材６とは同じに動く。

図４に示すように、基端側のリンクハブ２は、中央部に円形の貫通孔１０ａを有し、一部が前記Ｙ軸直動アクチュエータ５６（図１）に固定されるステージ取付部１０ｂとなった平板状の土台１０と、この土台１０の貫通孔１０ａの周囲に円周方向等配で設けられた３個の支持軸取付部材１１と、各支持軸取付部材１１にそれぞれ取り付けられた３個の支持軸１２とで構成される。

前記各支持軸１２に、基端側の端部リンク部材５の一端が、２個の軸受１４を介して回転自在に支持される。また、基端側の端部リンク部材５の他端に、２個の軸受１５を介して中央リンク部材７の一端に設けられた回転軸１６が回転自在に支持される。軸受１４，１５は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナットによる締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で固定されている。基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶の中心軸Ｏ１と、基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αは、９０°未満としている。図の例では、４５°である。

土台１０には、３組のリンク機構４のすべてに、基端側の端部リンク部材５を回動させて基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢を任意に変更させる姿勢変更用アクチュエータ２０と、この姿勢変更用アクチュエータ２０の動作速度を基端側の端部リンク部材５に減速して伝達する減速機構２１とが設けられている。姿勢変更用アクチュエータ２０はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機２０ａ付きのサーボモータであって、モータ固定部材２２により土台１０に固定されている。減速機構２１は、姿勢変更用アクチュエータ２０の減速機２０ａと、歯車式の減速部２３とでなる。姿勢変更用アクチュエータ２０および減速機構２１は、３組のリンク機構４のうち２組にだけ設けても良い。２組あれば、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢を確定することができる。

歯車式の減速部２３は、姿勢変更用アクチュエータの出力軸２０ｂにカップリング２５を介して回転伝達可能に連結された小歯車２６と、基端側の端部リンク部材５に固定され前記小歯車２６と噛み合う大歯車２７とで構成されている。小歯車２７は両側に軸部を有し、これら軸部がそれぞれ、土台１０に固定された回転支持部材２８に２個の軸受２９を介して回転自在に支持されている。図示例では、小歯車２６および大歯車２７は平歯車であり、大歯車２７は、扇形の周面にのみ歯が形成された扇形歯車である。大歯車２７は小歯車２６よりもピッチ円半径が大きく、姿勢変更用アクチュエータ２０の出力軸２０ｂの回転が基端側の端部リンク部材５へ、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５との回転対偶の回転軸Ｏ１回りの回転に減速して伝達される。その減速比は、例えば１０以上とされている。
この例では、減速機構２１に平歯車を使用しているが、その他の機構（例えば、かさ歯車やウォーム機構）でも良い。また、この例では、大歯車２７は基端側の端部リンク部材５と別部材とされているが、基端側の端部リンク部材５と一体であってもよい。

姿勢変更用アクチュエータ２０の回転軸心および小歯車２６の回転軸心は同軸上に位置する。これら回転軸心は、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶軸Ｏ１と平行で、かつ土台１０からの高さが同じとされている。

図５に示すように、先端側のリンクハブ３は、中央部に円形の貫通孔３０ａを有する円環板状の先端部材３０と、この先端部材３０の貫通孔３０ａの周囲に円周方向等配で設けられた３個の支持軸取付部材３１と、各支持軸取付部材３１にそれぞれ取り付けられた３個の支持軸３２とで構成される。先端部材３０の外周部の１箇所に、トーチ取付部材３３がボルト等により固定して設けられている。

前記各支持軸３２に、先端側の端部リンク部材６の一端が、２個の軸受３４を介して回転自在に支持される。さらに、先端側の端部リンク部材６の他端に、２個の軸受３５を介して中央リンク部材７の他端に設けた回転軸３６が回転自在に支持される。軸受３４，３５は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナットによる締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で固定されている。先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材６の回転対偶の中心軸Ｏ３と、先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７の回転対偶の中心軸Ｏ４とが成す角度βは、前記角度αと同一である。

上記リンク作動装置１は、図１のように、Ｙ軸直動アクチュエータ５６の下側を向くステージに土台１０のステージ取付部１０ｂの先端側の面をボルト等で固定することにより、基端側のリンクハブ２が下側で先端側のリンクハブ３が上側となり、かつ基端側のリンクハブ中心軸ＱＡが上下方向を向くように設置する。これにより、互いに直交するＸ軸直動アクチュエータ５５およびＹ軸直動アクチュエータ５６を進退動作させることで、リンク作動装置１を基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと直交する平面（この例では水平面）上で移動させることができる。

図３に示すように、溶接用トーチ５２は湾曲部５２ａを有しており、先端部材３０の前記トーチ取付部材３３に取り付けられる。具体的には図７に示すように、トーチ取付部材３３の断面半円形の凹部３３ａに溶接用トーチ５２の円筒状の把持部５２ｂを嵌めると共に、トーチ取付部材３３の反対側からトーチ押え部材３７を被せてその断面半円形の凹部３７ａに溶接用トーチ５２の把持部５２ｂを嵌め、トーチ取付部材３３とトーチ押え部材３７とをボルト３８で結合する。これにより、トーチ取付部材３３とトーチ押え部材３７で把持部５２ｂを挟み付けて、溶接用トーチ５２を固定する。固定された溶接用トーチ５２の先端部の中心軸は、先端側のリンクハブ中心軸ＱＢと一致させてある。溶接用トーチ５２の先端部は、作業対象物に対して溶接する溶接作業部である。このように先端側のリンクハブ３に取り付けられた溶接用トーチ５２は、３組以上のリンク機構のうちの２組のリンク機構４の間に配置され、先端部が基端側を向き、かつ基端側のリンクハブ２よりも基端側に突出している。

図１において、溶接用トーチ５２の根元からケーブル５８が出ており、その先端が前記ワイヤ供給装置５３および冷却水装置５４に繋がっている。ワイヤ供給装置５３は、溶接機制御装置（図示せず）の指令により、溶接用トーチ５２に対してワイヤを任意の速度で送り出す装置である。冷却水装置５４は、溶接用トーチ５２の先端部を冷却するための冷却水を供給する装置である。他に、シールドガスを供給する配管等（図示せず）も溶接用トーチ５２に接続される。

作業対象物であるワーク６０は、例えば、円筒状ワーク６０ａと、円筒状ワーク６０ａを溶接にて結合するブロック６０ｂからなり、リンク作動装置１の下方に設置される。ワーク６０は、ジャッキ機構等により高さ調節可能としても良い。また、地面に直接、ワーク６０を置いても良い。

この自動溶接機は、Ｘ軸直動アクチュエータ５５およびＹ軸直動アクチュエータ５６を進退動作させてリンク作動装置１を水平面上で移動させると共に、リンク作動装置１を作動させて基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢を変更しながら、先端側のリンクハブ３に取り付けた溶接用トーチ５２によりワーク６０に対して溶接を行う。これにより、ワーク６０に対して角度を付けながら、ワーク６０の複数方向の面に対して溶接できる。また、溶接用トーチ５２を搭載するリンク作動装置１は、先に説明したように、先端側のリンクハブ３の可動範囲を広く、かつ迅速な動作を行えるため、溶接用トーチ５２の先端のきめ細かい動作を高速で実現できる。このため、ワーク６０に対して精密な溶接作業を行うことができる。さらに、ワイヤ供給装置５３が設けられているため、リンク作動装置１の動作により溶接用トーチ５２の先端部とワーク６０との距離が変動する場合でも、安定した溶接を実現できる。

Ｘ軸直動アクチュエータ５５およびＹ軸直動アクチュエータ５６が、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと直交する平面上で進退動作するように設けられているため、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと直交する平面、例えば水平面上での溶接作業が容易である。また、溶接用トーチ５２は、その先端部の中心軸が先端側のリンクハブ中心軸ＱＢと一致するように設置されているため、先端側のリンクハブ３の角度と溶接用トーチ５２の先端部の角度が一致し、溶接用トーチ５２の先端部の姿勢制御が容易である。

溶接用トーチ５２は細長い形状のものが多い。そのため、後述する図１２のように溶接用トーチ５２を先端部が先端側のリンクハブ３に対して先端側を向くように設置すると、慣性モーメントが大きくなり、移動速度の低下や位置決め精度の悪化を招く。しかし、この自動溶接機のように、溶接用トーチ５２を先端部が先端側のリンクハブ３に対して基端側のリンクハブ２側を向き、かつ基端側のリンクハブ２よりも基端側に突出させて設置すると、溶接用トーチ５２の先端部の位置がリンク作動装置１の回転中心に近づくため、溶接用トーチ５２の慣性モーメントを小さくすることができ、高速動作や高い位置決め精度を実現できる。また、リンク作動装置１の構成部品のうち溶接用トーチ５２の先端部が最下部に位置するため、自動溶接機とワーク６０とが干渉し難い。

基端側および先端側のリンクハブ２，３と基端側および先端側の端部リンク部材５，６の回転対偶の中心軸Ｏ１，Ｏ２と、基端側および先端側の端部リンク部材５，６と中央リンク部材７との回転対偶の中心軸Ｏ３，Ｏ４とが成す角度α，βを９０°未満としたことで、各リンク機構４の配列の内側の空間を広く取れる。このため、溶接用トーチ５２を各リンク機構４の配列の内側の空間に配置し易い。

この実施形態の溶接トーチ５２は湾曲形状をしているため、溶接トーチ５２の先端部の中心軸を先端側のリンクハブ中心軸ＱＢと一致させた場合、溶接トーチ５２の根元部は各リンク機構４の配列の外側に出た状態となる。溶接用トーチ５２が任意の２組のリンク機構４の間に配置したことで、溶接トーチ５２が各リンク機構４を干渉することを避けられる。これにより、溶接用トーチ５２を各リンク機構４の配列の内側の空間に配置する構成としても、リンク作動装置１の大型化を防止できる。

この自動溶接機を用いて行う溶接の例を図８（Ａ）に示す。この溶接軌道８０Ａは、所望の溶接位置付近に位置する基準線８１に対して、円を描きながら進行方向に進むウィービング動作を行う。この自動溶接機を用いると、ＸＹステージ５１により基準線８１に沿う動作を行い、リンク作動装置１により円を描く動作を行うことで、上記溶接軌道８０Ａになぞる溶接を容易に行える。このように、基準線８１に沿う動作と、円を描く動作をそれぞれ別の機構で行うことで、両動作の同時制御が容易となる。この例では、基準線８１は円であるが、他の基準線でも円を描きながらのウィービング動作を行うことができる。このような円を描くウィービング動作を行うと、軌道の方向が連続的に変化するため、移動速度の急な変化がなく、高速で滑らかなウィービング動作を実現できる。

溶接軌道８０Ａは、すべて軌道計算により生成しても良く、ティーチングにより基準線８１を作成し、ウィービングの径を指定することで生成しても良い。いずれの場合も、この自動溶接機は軌跡の制御が容易であるため、ティーチング作業が不要であるか、またはティーチング作業時間を短縮することができる。

図８（Ｂ）は、従来一般的に行われているウィービング動作を含む溶接軌道を示す。リンク作動装置１を有しない従来の自動溶接機では、円を描きながらのウィービング動作は難しいため、図８（Ｂ）のように、所望の溶接位置付近に位置する基準線８１に対して、波形を描きながら進行方向に進むウィービング動作を行う。波形を描くウィービング動作は、溶接軌道８０Ｂをすべてティーチングにより教示することが容易であるが、進行方向が不連続となり、移動速度が急に変化する。そのため、高速で動かすことが難しい。高速で動かすと、モータが発振する場合があるからである。

図９は、上記実施形態とは異なる溶接用トーチを取り付けた自動溶接機を示す。この自動溶接機の溶接用トーチ５２はストレート状であり、中心軸を先端側のリンクハブ中心軸ＱＢと一致させて、先端側のリンクハブ３のトーチ取付部材３３に取り付けられる。溶接用トーチ５２の形状の違いを除けば、基本的な構成は図１〜図７のものと同じである。
このように、ストレート状の溶接用トーチ５２を各リンク機構４の配列の中心部に配置した場合、溶接用トーチ５２とリンク作動装置１との干渉が無いため、前記角度α，βが９０°でも、リンク作動装置１を大型化せずに溶接トーチ５２を配置することができる。ただし、溶接トーチ５２のケーブル５８が垂直方向に向くため、湾曲形状の溶接トーチ５２と比較してケーブル５８の取り回しが困難となる。

図１０は、図１の実施形態と比べてＸＹステージ５１の位置が異なる自動溶接機を示す。この自動溶接機は、基端側のリンクハブ２を架台５０に直接固定してリンク作動装置１を設置して、地面または作業台に設置したＸＹステージ５１によりワーク６０を水平面上で移動させる構成である。図の例の場合、ＸＹステージ５１は、地面に設置されたＸ軸直動アクチュエータ５５と、このＸ軸直動アクチュエータ５５の上面に設けられたステージに固定されたＹ軸直動アクチュエータ５６とからなり、Ｙ軸直動アクチュエータ５６の上面がワーク６０を載せるステージとなっている。他は、図１の実施形態と同じ構成である。
この自動溶接機の場合、ＸＹステージ５１により水平面上を移動させられるワーク６０に対して、リンク作動装置１により姿勢変更可能な溶接用トーチ５２で溶接する。それにより、図１の実施形態と同様の作用・効果が得られる。

図１の実施形態や図１０の実施形態の他に、架台５０に対しリンク作動装置１を進退させる直動アクチュエータ、および架台５０に対しワーク６０を進退させる直動アクチュエータの両方を設けても良い（図示せず）。例えば、架台５０に対しリンク作動装置１をＸ軸直動アクチュエータ５５で進退させ、架台５０に対しワーク６０をＹ軸直動アクチュエータで進退させる。または、その逆とする。

図１１は、先端側のリンクハブ３に対して溶接用トーチ５２を移動可能に取り付けた実施形態の部分図である。この自動溶接機は、先端側のリンクハブ３を構成する先端部材３０に、先端側のリンクハブ中心軸ＱＢに沿って進退動作するトーチ進退用直動アクチュエータ７０を設け、このトーチ進退用直動アクチュエータ７０に溶接用トーチ５２を取り付けている。この構成であると、リンク作動装置１の動作により、溶接用トーチ５２の先端部とワーク６０との距離が大きく変動する場合でも、安定した溶接を実現できる。

図示例のトーチ進退用直動アクチュエータ７０は、以下の構成となっている。すなわち、先端部材３０の先端側に配置され、トーチ取付部材３３およびトーチ押え部材３７により溶接用トーチ５２が取り付けられた取付板７１を有する。この取付板７１に設けられたブッシュ７２に先端部材３０に設けられた複数の案内用シャフト７３が摺動自在に嵌合しており、取付板７１は、先端側のリンクハブ中心軸ＱＢに沿って移動自在に案内されている。そして、ボールねじ機構７４により、取付板７１を進退させる。ボールねじ機構７４は、取付板７１に回転自在に支持され、基端側へ延びるボールねじ７５と、このボールねじ７５を回転させるモータ７６と、先端部材３０に固定して設けられ前記ボールねじ７５と螺合するナット７７とで構成される。トーチ進退用直動アクチュエータ７０は、１軸の位置決めが可能であれば別の構成であっても良い。

図１２は、リンク作動装置１を基端側のリンクハブ２が上側になるように設けた実施形態を示す。この実施形態も、溶接用トーチ５２は先端側のリンクハブ３に取り付けられるが、前記各実施形態と異なりリンク作動装置１が上下逆向きであるため、溶接トーチ５２の先端部が先端側のリンクハブ３に対して先端側に向けられている。このように溶接用トーチ５２を取り付けると、リンク作動装置１を小型化できるが、先端側のリンクハブ３に作用する慣性モーメントが大きくなり、高速動作が難しくなる。また、溶接トーチ５２のケーブル５８の取り回しが難しくなる。

１…リンク作動装置
２…基端側のリンクハブ
３…先端側のリンクハブ
４…リンク機構
５…基端側の端部リンク部材
６…先端側の端部リンク部材
７…中央リンク部材
２０…姿勢変更用アクチュエータ
５０…架台
５１…ＸＹステージ
５２…溶接用トーチ
５２ａ…湾曲部
５３…ワイヤ供給装置
５５…Ｘ軸直動アクチュエータ
５６…Ｙ軸直動アクチュエータ
６０…ワーク
７０…トーチ進退用直動アクチュエータ
Ｏ１…基端側のリンクハブと基端側の端部リンク部材との回転対偶の中心軸
Ｏ２…基端側の端部リンク部材と中央リンク部材との回転対偶の中心軸
Ｏ３…先端側のリンクハブと先端側の端部リンク部材との回転対偶の中心軸
Ｏ４…先端側の端部リンク部材と中央リンク部材との回転対偶の中心軸
ＰＡ…基端側の球面リンク中心
ＰＢ…先端側の球面リンク中心
ＱＡ…基端側のリンクハブ中心軸
ＱＢ…先端側のリンクハブ中心軸

Claims

基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢変更用アクチュエータを設けたリンク作動装置を備え、
前記リンク作動装置は、その前記基端側のリンクハブを架台に直接または間接的に固定することによって前記架台に設置し、かつ前記先端側のリンクハブに溶接用トーチを取り付け、前記架台に対し前記リンク作動装置を進退させる１軸以上の直動アクチュエータ、および前記架台に対し前記溶接用トーチにより溶接作業が行われる作業対象物となるワークを進退させる１軸以上の直動アクチュエータの両方またはいずれか一方を設け、前記溶接用トーチを、前記ワークに対して溶接作業を行う先端部が基端側を向き、かつ前記基端側のリンクハブよりも基端側に突出させて前記先端側のリンクハブに取り付けたことを特徴とする自動溶接機。
請求項１に記載の自動溶接機において、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンクの各回転対偶、および、前記基端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を基端側の球面リンク中心と称し、この基端側の球面リンク中心を通り前記各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を基端側のリンクハブ中心軸と称する場合、前記１軸以上の直動アクチュエータは、前記リンク作動装置または前記ワークを前記基端側のリンクハブ中心軸と直交する平面上で進退させる自動溶接機。
請求項１または請求項２に記載の自動溶接機において、前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンクの各回転対偶、および、前記先端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を先端側の球面リンク中心と称し、この先端側の球面リンク中心を通り前記各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を先端側のリンクハブ中心軸と称する場合、前記溶接用トーチは、前記ワークに対して溶接作業を行う先端部の中心軸が、前記先端側のリンクハブ中心軸と一致するように前記先端側のリンクハブに取り付けられる自動溶接機。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の自動溶接機において、前記溶接用トーチに対して溶接ワイヤを自動で供給するワイヤ供給装置を設けた自動溶接機。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の自動溶接機において、前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンクの各回転対偶、および、前記先端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を先端側の球面リンク中心と称し、この先端側の球面リンク中心を通り前記各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を先端側のリンクハブ中心軸と称する場合、前記溶接用トーチを、前記先端側のリンクハブに、前記先端側のリンクハブ中心軸に沿って進退動作するトーチ進退用直動アクチュエータを介して取り付けた自動溶接機。