JP6914067B2

JP6914067B2 - 動作プログラム補正方法および溶接ロボットシステム

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Publication number: JP6914067B2
Application number: JP2017054686A
Authority: JP
Inventors: 俊介宮田; 定廣　健次; 健次定廣; 有卓焦; 雄士木村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2037-03-21
Also published as: WO2018173655A1; CN110475649A; CN110475649B; KR102315485B1; KR20190120283A; JP2018153905A

Description

本発明は、被溶接部材を溶接する溶接ロボットの動作プログラムを補正する動作プログラム補正方法および溶接ロボットシステムに関する。

現在、種々の産業分野でロボットが使用されている。このような産業用のロボットの代表的なものに溶接ロボットがある。溶接作業に至っては、各施工条件に合わせ最適な溶接条件を設定しなければならず、施工条件、溶接条件の設定においては多数の要素、パラメータ、これらの組み合わせが存在する。

特許文献１は、複雑な形状の大型部材の溶接などを行う場合、ロボットの動作プログラミングが簡素化できる走行ロボットおよびその制御方法を提供する。旋回軸を有する多関節ロボットにその外部軸として走行軸と横行軸と昇降軸と旋回軸とを付加し、前記外部軸により前記多関節ロボットを移動させながら、同多関節ロボットに、溶接作業などの所定の作業をさせるものである。

特許文献２は、パネル上にロンジとトランスが交差している大型の枠組構造物の交差部を本溶接することができ、本溶接が可能な溶接部位の制約が少なく、人手に頼る手溶接がほとんど不要であり、大型ガントリ構造による従来のマルチロボット溶接装置と比較して装置全体を小型化でき、複雑な制御システムが不要である大型枠組構造物の溶接ロボット装置を提供する。１対のロンジと又は１対のトランスで囲まれた升目形状の枠内を溶接対象領域とし、溶接対象領域を跨いで大型枠組構造物に固定され溶接対象領域の上部に位置する水平支持架台を有するロボット架台と、水平支持架台の下面に取付けられ升目形状枠内（溶接対象領域）の全域にわたり溶接ヘッドを３次元的に数値制御して溶接可能な溶接ロボットとを備える。

特開２０００−２４６６７７号公報特開２０１０−２５３５１８号公報

ところで、溶接ロボットの動作プログラムは、溶接対象である被溶接部材が所定の位置に位置決めされた前提で定められている。しかしながら、現実の溶接作業では、被溶接部材の位置は、予め想定した所定の位置に必ずしも配置されるわけではなく、このような所定の位置から被溶接部材がずれて配置された場合、溶接作業に支障が出るおそれがある。

本発明は、実際の被溶接部材の配置位置に応じて、溶接ロボットの動作プログラムを適切に補正し得る動作プログラム補正方法、溶接ロボットシステムに関する。

本発明は、被溶接部材を溶接する溶接ロボットの動作プログラムを補正する動作プログラム補正方法であって、３次元ＣＡＤデータから、所定の被溶接部材のデータを抽出するステップと、抽出した被溶接部材のデータから複数のフェースを取得するステップと、前記複数のフェースのうち最大の面積を持つ最大フェースを取得するステップと、前記最大フェース上の少なくとも二つの頂点を抽出するステップと、溶接ロボットが位置決めして配置した前記被溶接部材をセンサが撮像するステップと、撮像した前記被溶接部材の画像データから、前記二つの頂点に対応する二つの画像内頂点を抽出するステップと、前記前記二つの頂点の座標と、前記二つの画像内頂点の座標との差分を取得するステップと、前記差分に基づき、前記溶接ロボットを動作させる動作プログラムを補正するステップと、を含む。

本発明は、被溶接部材を溶接する溶接ロボットと、前記溶接ロボットの動作を、所定の動作プログラムに則って制御するコンピュータと、を含む溶接ロボットシステムであって、前記コンピュータは、３次元ＣＡＤデータから、所定の被溶接部材のデータを抽出し、抽出した前記被溶接部材のデータから複数のフェースを取得し、前記複数のフェースのうち最大の面積を持つ最大フェースを取得し、前記最大フェース上の少なくとも二つの頂点を抽出し、センサが撮像した、溶接ロボットが位置決めして配置した前記被溶接部材の画像を取得し、撮像した前記被溶接部材の画像データから、前記二つの頂点に対応する二つの画像内頂点を抽出し、前記二つの頂点の座標と、前記二つの画像内頂点の座標との差分を取得し、前記差分に基づき、前記動作プログラムを補正する。

本発明によれば、実際の被溶接部材の配置位置に応じて、溶接ロボットの動作プログラムが補正されるため、溶接ロボットが適切に補正された動作プログラムに従って動作し、適切な溶接作業が確保され得る。

図１は、本発明の実施形態に係る溶接ロボットシステムの概略構成図である。図２は、制御装置の動作の概要を示すフローチャートである。図３は、溶接対象である被溶接部材である下板、立板を示し、（ａ）は下板の斜視図、（ｂ）は、下板に立板が取り付けられた状態の斜視図である。図４は、被溶接部材から二つの画像内頂点を抽出する処理の概念を示す図であり、（ａ）は被溶接部材である下板から画像内頂点を抽出する処理を示し、（ｂ）は接合された複数の下板から画像内頂点を抽出する処理を示す。図５は、画像内頂点を抽出する方法の例を示し、（ａ）〜（ｃ）は二つの画像内頂点を抽出する方法の例を示し、（ｄ）は二つの画像内頂点を抽出するにあたって一つの頂点を選ぶ方法の例を示す。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。まず、本発明が適用される溶接ロボットシステムについて、述べることとする。

図１に示すように、溶接ロボットシステム１００は、溶接ロボット１と、例えば教示ペンダントとして用いられるロボットペンダント１７を含む制御装置１５であるコンピュータと、を有している。

溶接ロボット１は、例えば二つの溶接トーチを持つツイン溶接ロボット装置である。溶接ロボット１は、支持フレーム２を備えている。この支持フレーム２は、４本の支柱２ａと、これら４本の支柱２aのうち、間隔が広い支柱２a同士の頂部間に架設されてなる一対のガイド支持梁２ｂと、間隔が狭い支柱２a同士の頂部間に架設されてなる一対のフレーム２ｃとから構成されている。この支持フレーム２のガイド支持梁２ｂ、２ｂの下面には、相対するガイド支持梁２ｂの方向に突出する板状のガイド支持部材３の基端側が固着されている。また、これらガイド支持部材３の上面には、リニアガイドレールと、このリニアガイドレールにより往復移動自在に案内されるリニアガイドベアリングとからなるリニアガイド４が、前記ガイド支持梁２ｂと平行に固着されている。

そして、これらリニアガイド４のリニアガイドベアリングにより、後述する構成になる走行台車５が往復移動し得るように構成されている。即ち、この走行台車５は、台フレームの上面に基端側が固着されてなる取付けブラケット５ａが前記リニアガイドベアリングに取り付けられて、前記ガイド支持梁２ｂ、２ｂの内側で、かつ下端付近の位置で往復移動するように構成されている。つまり、この走行台車５は、従来例に係る走行台車の下部台フレームに相当する位置で往復移動するように構成されている。

そして、この走行台車５の幅方向の中央位置にはθ軸（旋回軸）６ａを収容してなるθ軸フレーム６が取付けられており、θ軸６ａのθ軸フレーム６からの突出端には、長手方向の中心を旋回中心として旋回する旋回フレーム７が水平に取付けられている。

旋回フレーム７の先端部の下面のそれぞれには、先端に溶接トーチが取付けられてなる６軸垂直多関節型のマニピュレータ８が垂直軸心回りに旋回可能取付けられている。また、前記走行台車５の上面には、コイル状に巻回されてなる溶接用ワイヤを収納する二つのワイヤパック９が搭載されている。そして、一対の前記ガイド支持梁２ｂのうちの一方のガイド支持梁２ｂの上面１０の上に、走行台車５およびマニピュレータ８を作動させると共に、溶接用の電力を供給するためのケーブルベア（登録商標）１１が設けられている。

本実施形態では、溶接ロボット１は、二つの溶接トーチを持つツイン溶接ロボット装置であるが、本発明が適用される溶接ロボットの種類は特に限定されない。

溶接ロボット１の下方、特に先端に溶接トーチが取付けられたマニピュレータ８の下方には、溶接ロボット１の溶接対象である被溶接部材Ｗが配置されており、複数の被溶接部材Ｗが、マニピュレータ８の溶接トーチによって溶接される。被溶接部材Ｗは種々の金属部材であり、後述する下板２１、立板２２などを含む（図３参照）。

また、実施形態の溶接ロボット１は、被溶接部材Ｗを撮像するセンサであるカメラ１２を備えている。カメラ１２は実際に配置された被溶接部材Ｗを撮像して被溶接部材Ｗの画像を取得する。被溶接部材Ｗを撮像できるならば、センサの種類は特に限定されないし、センサの取り付け位置も特に限定はされない。

制御装置１５は、溶接対象である二つの被溶接部材を溶接する溶接パスの施工条件に関する溶接パス情報を取得する。制御装置１５は、この溶接パス情報の取得方法を所定のプログラムに従って実行するとともに、溶接ロボット１に対する動作指示、すなわち取得した溶接パスを予め教示されたプログラム（教示プログラム）に従って出力することで溶接ロボット１の動作を制御するコンピュータである。制御装置１５は、プログラムを読み込んで実行するプロセッサからなる制御部１６、その他データを記憶するメモリ、ハードディスクなどの記憶装置を含んでいる。特に制御装置１５は、被溶接部材Ｗの設計データである３次元ＣＡＤデータのデータベースを記憶しており、溶接ロボット１の動作を制御する際に、この３次元ＣＡＤデータを参照する。３次元ＣＡＤデータのデータベースは、ネットワークを介して制御装置１５に接続されたサーバーなどで構築してもよく、データベースの場所、形式などは特に限定されない。

図２は、制御装置１５の動作の概要を示すフローチャートである。制御装置１５の制御部１６は、溶接ロボットシステム１００の操作者の操作により、図示せぬ記憶装置から３次元ＣＡＤデータを読み込む（ステップＳ１）。ここでは特に溶接対象である被溶接部材Ｗの３次元ＣＡＤデータが読み込まれる。そして、制御部１６は、この３次元ＣＡＤデータから複数の被溶接部材Ｗが溶接される溶接箇所の軌跡である溶接パスを取得する（ステップＳ２）。さらに、制御部１６は、後述するように、カメラ１２が撮像した被溶接部材Ｗの画像から被溶接部材Ｗの座標を取得し、当該被溶接部材Ｗの元の３次元ＣＡＤデータにおける座標と比較して、その差分に基づき、溶接ロボット１の動作を制御する動作プログラムを補正する（ステップＳ３）。最後に制御部１６は、溶接ロボット１の最終的な動作を記録した溶接情報ファイルを出力する（ステップＳ４）。この溶接情報ファイルに従って、溶接ロボット１は動作する。

ステップＳ２の溶接パスの取得において、図２に示すように、制御部１６は、３次元ＣＡＤデータ二つの被溶接部材Ｗを溶接する溶接パスの抽出を行う。被溶接部材Ｗには、例えば図３（ａ）に示す水平に配置される下板２１、下板２１の主面（最も大きい面）２１ａに一つの板厚面（板の厚さに相当する面）２２ａが溶接される立板２２（図３（ｂ）参照）がある。破線に示すように下板２１と立板２２を溶接するパスである溶接パスＥが、下板２１の主面と立板２２の板厚面との接合箇所となる。

ところで、制御装置１５が読み込んで実行する溶接ロボット１の動作プログラムは、溶接対象である被溶接部材Ｗが所定の位置に位置決めされた前提で定められており、この位置に対応した座標が予め設定されている。しかしながら、現実の溶接作業では、被溶接部材Ｗの位置は、予め想定した所定の位置に必ずしも配置されるわけではなく、このような所定の位置から被溶接部材Ｗがずれて配置された場合、正しい溶接パスＥの位置を把握することが困難となり、溶接作業に支障が出るおそれがある。

そこで本発明では、図２のステップＳ３において、溶接ロボット１の動作プログラムを補正する動作プログラム補正を行う。すなわち、実際に溶接ロボット１が位置決めして配置した被溶接部材Ｗの位置を取得し、当該位置に対応して動作プログラムを補正することにより、適切な溶接作業を実施することを狙っている。

まず、制御部１６は、３次元ＣＡＤデータから、所定の被溶接部材Ｗのデータを抽出する。さらに制御部１６は、この抽出した被溶接部材Ｗのデータから複数のフェースを取得する。図４（ａ）に示すように例えば被溶接部材Ｗが下板２１である場合、制御部１６は、下板２１の主面２１ａ、板厚面２１ｂのそれぞれに対応する少なくとも二つのフェースを取得することができる。

さらに制御部１６は、取得した複数のフェースのうち最大の面積を持つ最大フェースを取得する。図４（ａ）では、主面２１ａは板厚面２１ｂより面積が大きく、そのフェースが最大フェースになる。

さらに制御部１６は、最大フェース上の少なくとも二つの頂点を抽出する。図４（ａ）では、主面２１ａの最大フェースにおける二つの頂点Ｘ１、Ｘ２が抽出されている。

その後、図１に示すように、溶接ロボット１が位置決めして配置した被溶接部材Ｗを、センサとしてのカメラ１２が撮像する。そして制御部１６は、撮像した被溶接部材Ｗの画像データから、３次元ＣＡＤデータから先に抽出した二つの頂点に対応する二つの画像内頂点を抽出する。ここでは制御部１６は、被溶接部材Ｗの画像を取得するとともに、撮像した被溶接部材Ｗの現実の座標を取得することができる。

そして制御部１６は、二つの頂点Ｘ１、Ｘ２の座標と、二つの画像内頂点の座標との差分を取得する。画像内頂点は、現実の被溶接部材Ｗの座標を持つが、Ｘ１、Ｘ２はあくまで３次元ＣＡＤデータ内で予め設定された座標であり、これらは必ずしも一致しない。尚、これら二つの座標の差分Δには、例えば、特定の面内において被溶接部材Ｗを回転させずに移動させる水平差分や、被溶接部材Ｗを回転させる角度差分等が含まれ得るが、制御部１６はこの様な種々の差分を取得することができる。

こうして求めた差分に基づき、制御部１６は、溶接ロボット１を動作させる動作プログラムを補正する。具体的には求めた差分Δだけ、３次元ＣＡＤデータにおける被溶接部材Ｗの位置の座標を移動させることにより、補正することができる。

図４（ｂ）は、複数の被溶接部材が一つの面を画定しており、これが最大の面となる場合の例を示している。この場合、三つの下板２１１、２１２、２１３が接合しており、これら三つの下板をあわせて一つの被溶接部材とみなし、その主面の最大フェース画像から画像内頂点Ｘ１、Ｘ２を抽出してもよい。

図５（ａ）は二つの頂点Ｘ１、Ｘ２を抽出する方法の一例である。本図に示すように、被溶接部材Ｗの画像中の頂点Ｘ１において、接線Ｌ１、Ｌ２が連続していない（接線の向きが大きく変わる）ような場合、制御部１６は、当該頂点Ｘ１を抽出することができる。同様に、点Ｘ２において、接線Ｌ３、Ｌ４が連続していないため、制御部１６は、当該頂点Ｘ２を抽出することができる。ただし、実際の処理にあたっては、制御部１６は、頂点Ｘ１、Ｘ２以外の頂点も含む複数の候補点を抽出し、各候補点について接線の連続性を判定したうえで、適切な二つの頂点（本例では接線が連続でないＸ１、Ｘ２）を決定することにしている。以下の例、図５（ｂ）〜（ｄ）でも同様に、制御部は予め複数の候補点を抽出したうえで、適切な頂点を抽出している。

図５（ｂ）は二つの頂点Ｘ１、Ｘ２を抽出する方法の他の例である。本図に示すように、被溶接部材Ｗの二つの頂点Ｘ１、Ｘ２の間の距離Ｄが所定の閾値Ｔ以上である場合、制御部１６は、当該二つの頂点Ｘ１、Ｘ２を抽出することができる。所定の距離の閾値以上離れた二つの頂点を用いることにより、より正確な補正をすることができる。

図５（ｃ）は二つの頂点Ｘ１、Ｘ２を抽出する方法の他の例である。本図に示すように、一つの被溶接部材Ｗの二つの頂点を結ぶベクトルとして、二つのベクトルＶ１、Ｖ２が得られる場合がある。この場合、制御部１６は、短手方向で最小、かつ長手方向で最大である組み合わせを持つベクトルの二つの頂点を抽出する。このようなベクトルを用いることにより、より正確な補正をすることができるからである。本例ではベクトルＶ１がこの要件を満たすため、ベクトルＶ１の両端が、頂点Ｘ１、Ｘ２として抽出される。

図５（ｄ）は二つの頂点Ｘ１、Ｘ２を抽出するにあたって、少なくとも一つの頂点を選ぶ方法の一例である。本図に示すように、所定の距離Ｒの範囲内において、他の部材が存在しない被溶接部材Ｗの頂点を抽出することができる。周辺に他の部材が存在しないような頂点は、座標認識に好ましいからである。

上記のような動作プログラム補正方法によって補正された動作プログラムを用いて、溶接ロボット１は、所定の構造物を組み立てることができる。また、制御装置１５が、上記のような動作プログラム補正方法をコンピュータに実行させるための動作プログラム補正用プログラムを実行することにより、容易に動作ブログラムを補正することができる。

実施形態の溶接ロボットシステム１００は、溶接ロボット１と、制御装置１５であるコンピュータと、を有している。制御装置１５であるコンピュータは、溶接ロボット１に、所定の動作を教示する。ここでコンピュータとしての制御装置１５は、３次元ＣＡＤデータから、所定の被溶接部材Ｗのデータを抽出し、抽出した被溶接部材Ｗのデータから複数のフェースを取得し、複数のフェースのうち最大の面積を持つ最大フェースを取得し、最大フェース上の少なくとも二つの頂点Ｘ１、Ｘ２を抽出し、溶接ロボット１が位置決めして配置した被溶接部材Ｗをカメラ（センサ）１２が撮像し、撮像した被溶接部材Ｗの画像データから、上述した二つの頂点に対応する二つの画像内頂点を抽出し、二つの頂点Ｘ１、Ｘ２の座標と、二つの画像内頂点の座標との差分を取得し、差分に基づき、動作プログラムを補正する。溶接ロボット１は、実際の被溶接部材Ｗの配置位置に応じて、適切に補正された動作プログラムに従って動作するため、適切な溶接作業が確保され得る。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態には限定されない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々に変更したり代替態様を採用したりすることが可能なことは、当業者に明らかである。

１溶接ロボット
１２カメラ（センサ）
１５制御装置（コンピュータ）
１６制御部
１７ロボットペンダント
２１下板（被溶接部材）
２２立板（被溶接部材）
１００溶接ロボットシステム
Ｗ被溶接部材

Claims

被溶接部材を溶接する溶接ロボットの動作プログラムを補正する動作プログラム補正方法であって、
前記動作プログラムにて用いられる３次元ＣＡＤデータから、所定の被溶接部材のデータを抽出するステップと、
抽出した被溶接部材のデータから複数のフェースを取得するステップと、
前記複数のフェースのうち最大の面積を持つ最大フェースを取得するステップと、
前記最大フェース上の前記３次元ＣＡＤデータにおける少なくとも二つの頂点を抽出するステップと、
前記溶接ロボットが前記動作プログラムに対応して位置決めして配置した前記被溶接部材をセンサが撮像するステップと、
撮像した前記被溶接部材の画像データから、前記最大フェースに対応する前記被溶接部材の主面上における、前記少なくとも二つの頂点に対応する少なくとも二つの画像内頂点を抽出するステップと、
前記３次元ＣＡＤデータにおける少なくとも二つの頂点の座標と、前記少なくとも二つの画像内頂点の座標との差分を取得するステップと、
前記差分に基づき、前記３次元ＣＡＤデータにおける被溶接部材の位置の座標を補正することにより、前記溶接ロボットを動作させる動作プログラムを補正するステップと、
を含む
動作プログラム補正方法。
請求項１に記載の動作プログラム補正方法であって、
前記少なくとも二つの画像内頂点を抽出するステップにおいて、特定の二つの頂点の間の距離が所定の閾値以上である場合は、当該二つの頂点を画像内頂点として抽出する、動作プログラム補正方法。
請求項１に記載の動作プログラム補正方法であって、
前記少なくとも二つの画像内頂点を抽出するステップにおいて、所定の距離の範囲内において、他の部材が存在しない前記被溶接部材のデータの少なくとも一つの頂点を抽出する、動作プログラム補正方法。
請求項１から３のいずれか１項に記載の動作プログラム補正方法を含む、構造物の組立方法。
請求項１から３のいずれか１項に記載の動作プログラム補正方法をコンピュータに実行させるための動作プログラム補正用プログラム。
被溶接部材を溶接する溶接ロボットと、
前記溶接ロボットの動作を、所定の動作プログラムに則って制御するコンピュータと、
を含む溶接ロボットシステムであって、
前記コンピュータは、
前記動作プログラムにて用いられる３次元ＣＡＤデータから、所定の被溶接部材のデータを抽出し、
抽出した前記被溶接部材のデータから複数のフェースを取得し、
前記複数のフェースのうち最大の面積を持つ最大フェースを取得し、
前記最大フェース上の前記３次元ＣＡＤデータにおける少なくとも二つの頂点を抽出し、
センサが撮像した、前記溶接ロボットが前記動作プログラムに対応して位置決めして配置した前記被溶接部材の画像を取得し、
撮像した前記被溶接部材の画像データから、前記最大フェースに対応する前記被溶接部材の主面上における、前記少なくとも二つの頂点に対応する少なくとも二つの画像内頂点を抽出し、
前記３次元ＣＡＤデータにおける少なくとも二つの頂点の座標と、前記少なくとも二つの画像内頂点の座標との差分を取得し、
前記差分に基づき、前記３次元ＣＡＤデータにおける被溶接部材の位置の座標を補正することにより、前記動作プログラムを補正する、
溶接ロボットシステム。