JP7108155B1 - ロボットシステム - Google Patents

Abstract

手首機構（９）を備え、手首機構（９）の先端に、回転軸線（Ｇ）回りに回転可能なフランジ（１２）を備えるロボット（２）と、フランジ（１２）にトーチブラケットによって固定された溶接トーチ（３）と、溶接トーチ（３）に対して固定され、溶接トーチ（３）により溶接される溶接線を先行的に検出する溶接センサ（４）とを備え、溶接センサ（４）が、フランジ（１２）から溶接トーチ（３）のトーチブラケットへの固定位置までの間において、回転軸線（Ｇ）に平行な平面に沿って溶接線に交差する方向にレーザビームを走査可能な位置に配置され、溶接トーチ（４）が、固定位置よりも先端側に突出して配置され、少なくとも２回湾曲させられることにより、回転軸線（Ｇ）に平行な方向に、先端からワイヤ（５１）を突出させる管状のトーチ本体を備えるロボットシステム（１）である。

Description

本開示は、ロボットシステムに関するものである。

ロボットに用いられるアーク溶接用のトーチは、一般に、湾曲したトーチ本体を備えることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。トーチ本体内部を通過するワイヤをトーチ本体の湾曲形状によって湾曲させることにより、トーチ本体の先端に配置された給電チップの内面とワイヤとの安定的な接触を確保し、発生するアークを安定させることができる。

また、溶接しようとする溶接線の位置および状態をレーザビームの走査によって先行的に検出しながら、検出された溶接線に沿ってロボットによる溶接を実施するリアルタイムトラッキング技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献２においては、ロボットによるトーチ本体の移動方向の前方に、トーチ本体に並列して溶接センサが配置されている。

特開２００９－３４７４６号公報 特開平１０－２４４３６７号公報

特許文献２のように、トーチ本体の先端近傍に並列させて溶接センサを配置する場合には、トーチ本体をワークに近接させる際に溶接センサがワーク等に干渉する可能性が高くなる。この場合に、溶接センサをトーチ本体の先端から十分に後退させた位置に配置することにより、トーチ本体の先端周辺における干渉を低減することはできる。

しかし、トーチ本体が一方向に湾曲しているため、トーチ本体の先端から十分に後退させた位置に溶接センサを配置しても、トーチ本体の隣接位置にレーザビームを走査させるには、溶接センサをトーチ本体の中心軸から大きく離して配置する必要がある。その結果、トーチ本体からの溶接センサの突出量が大きくなり、やはり、溶接センサと周辺機器等とが干渉する可能性が高くなる。
したがって、溶接センサをトーチ本体の中心軸から大きく突出させることなく、溶接線の位置および状態を検出することが望まれている。

本開示の一態様は、手首機構を備え、該手首機構の先端に、回転軸線回りに回転可能なフランジを備えるロボットと、前記フランジにトーチブラケットによって固定された溶接トーチと、該溶接トーチに対して固定され、該溶接トーチにより溶接される溶接線を先行的に検出する溶接センサとを備え、該溶接センサが、前記フランジから前記溶接トーチの前記トーチブラケットへの固定位置までの間において、前記回転軸線に平行な平面に沿って前記溶接線に交差する方向にレーザビームを走査可能な位置に配置され、前記溶接トーチが、前記固定位置よりも先端側に突出して配置され、少なくとも２回湾曲させられることにより、前記回転軸線に平行な方向に、先端からワイヤを突出させる管状のトーチ本体を備えるロボットシステムである。

本開示の一実施形態に係るロボットシステムを示す全体構成図である。 図１のロボットシステムにおけるロボットの手首ユニット、溶接トーチおよび溶接センサを示す側面図である。 図２の手首ユニット、溶接トーチおよび溶接センサを示す平面図である。 図２のロボットシステムの第１の変形例における手首ユニット、溶接トーチおよび溶接センサを示す側面図である。 図２のロボットシステムの第２の変形例における手首ユニット、溶接トーチおよび溶接センサを示す側面図である。 図５の手首ユニット、溶接トーチおよび溶接センサを示す平面図である。 図５の手首ユニット、溶接トーチおよび溶接センサを示す正面図である。 図５の溶接トーチおよび溶接センサのフランジへの取付の変形例を説明する下面図である。

本開示の一実施形態に係るロボットシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１は、図１に示されるように、ロボット２と、ロボット２の手首機構９の先端に取り付けられる溶接トーチ３および溶接センサ４とを備えている。

ロボット２は、例えば、垂直６軸多関節型ロボットであり、床面等の被設置面Ｆに設置されるベース５と、ベース５に対して第１軸線Ａ回りに回転可能に支持された旋回胴６と、旋回胴６に対して第２軸線Ｂ回りに回転可能に支持された第１アーム７とを備えている。また、ロボット２は、第２軸線Ｂに平行な第３軸線Ｃ回りに第１アーム７に対して回転可能に支持された第２アーム８と、第２アーム８の先端に配置された３軸の手首ユニット（手首機構）９とを備えている。

手首ユニット９は、第２アーム８に対して第４軸線Ｄ回りに回転可能な第１手首要素１０と、第４軸線Ｄに直交する第５軸線Ｅ回りに第１手首要素１０に対して回転可能な第２手首要素１１とを備えている。また、手首ユニット９は、第４軸線Ｄと第５軸線Ｅとの交点を通過し、第５軸線Ｅに直交する第６軸線（回転軸線）Ｇ回りに回転可能な円板状の第３手首要素（以下、フランジという。）１２を備えている。

フランジ１２と溶接トーチ３との間には、電気的な絶縁材料により構成された絶縁アダプタ１３が固定されている。絶縁アダプタ１３により、フランジ１２と溶接トーチ３とが電気的に絶縁されている。

第２手首要素１１、フランジ１２および絶縁アダプタ１３は、図２および図３に破線で示すように、フランジ１２の径方向の中央位置に、第６軸線Ｇに沿って貫通する中央孔（貫通孔）１４を備えている。中央孔１４には、第４軸線Ｄに沿って導かれてきて溶接トーチ３に接続する溶接ケーブル、ワイヤ５１、シールドガス配管および溶接センサ４に接続するセンサケーブル５２等の線条体５０が貫通させられる。

溶接トーチ３は、先端に配置され内孔（図示略）を備える管状のトーチ本体１５と、トーチ本体１５の基端部を支持するネックホルダ１６とを備えている。トーチ本体１５は、先端部に配置された給電チップ１７を備えている。給電チップ１７には、図示しない溶接電源に接続された溶接ケーブルが接続されているとともに、ワイヤ５１を貫通させる内孔（図示略）が備えられている。

また、トーチ本体１５は、ネックホルダ１６に支持される基端部１８と、給電チップ１７が配置された先端部１９と、基端部１８と先端部１９との間に配置された湾曲部２０とを備えている。湾曲部２０は、基端部１８から一方向に湾曲する第１湾曲部２０ａと、第１湾曲部２０ａから第１湾曲部２０ａとは逆方向に湾曲する第２湾曲部２０ｂと、第２湾曲部２０ｂからさらに第２湾曲部２０ｂとは逆方向に湾曲する第３湾曲部２０ｃとを備えている。トーチ本体１５は、３回湾曲させられることにより、基端部１８と先端部１９とを、いずれも第６軸線Ｇに一致する位置に同軸に配置する形状に形成されている。

ワイヤ５１は、トーチ本体１５の内孔を通過させられた後に、給電チップ１７の内孔を貫通させられることにより、トーチ本体１５の先端から第６軸線Ｇ上に第６軸線Ｇに沿う方向に突出させられる。また、ワイヤ５１は、トーチ本体１５の内孔を通過させられる際に、湾曲部２０によって湾曲させられることにより、給電チップ１７の内孔を通過させられる際には、内孔の内面に押し付けられる。これにより、ワイヤ５１と溶接ケーブルとが給電チップ１７を経由して安定的に電気的に導通する。

ネックホルダ１６には、例えば、トーチ本体１５の先端がワーク等の周辺部材に接触したことを検出するショックセンサ（図示略）が搭載されている。これにより、ネックホルダ１６は、トーチ本体１５よりも大径の円柱状の外面形状を有している。

溶接トーチ３は、トーチブラケット２１によって、絶縁アダプタ１３を挟んでフランジ１２に固定されている。
トーチブラケット２１は、絶縁アダプタ１３に固定される固定部２２と、絶縁アダプタ１３から第６軸線Ｇに沿う方向に離れた位置において溶接トーチ３のネックホルダ１６の基端部分（固定位置）１６ａを保持する保持部２３と、固定部２２と保持部２３とを連結する連結部２４とを備えている。本実施形態においては、連結部２４が、第６軸線Ｇ回りの周方向の一部に配置されている。これにより、溶接トーチ３とフランジ１２との間には、連結部２４が配置されていない領域に、径方向内方に窪む凹部２５が形成されている。

溶接センサ４は、図３に示されるように、ロボット２によるトーチ本体１５の移動方向前方において、移動方向に交差する走査平面に沿ってレーザビームＬを走査するとともに、溶接対象物におけるレーザビームＬの反射光を検出する。これにより、溶接が行われる溶接継手（溶接線：図示略）の位置および状態を溶接前に先行的に検出することができる。ここで、溶接継手の状態としては、例えば、突き合せ溶接の開先幅、隅肉溶接の隙間などを示す。

溶接センサ４により検出された溶接継手の位置および状態は、ロボット２の制御装置（図示略）にフィードバックされることにより、溶接位置および溶接条件が補正される。これにより、溶接継手の位置および形状等がばらついた場合においても高品質に溶接することができる。

本実施形態においては、溶接センサ４は、溶接トーチ３のトーチブラケット２１への固定位置と絶縁アダプタ１３との間に配置され、センサブラケット２６によってトーチブラケット２１に固定されている。これにより、溶接センサ４におけるレーザビームＬの射出面およびレーザビームＬの反射光の入射面は、溶接トーチ３のネックホルダ１６の最大径部分１６ａよりもフランジ１２側に配置されている。

また、溶接センサ４は、溶接トーチ３とフランジ１２との間に形成されている凹部２５に部分的に収容され、かつ、第６軸線Ｇに平行な走査平面に沿ってレーザビームＬを走査させる位置および方向に配置されている。すなわち、溶接センサ４は、射出されるレーザビームＬおよび溶接対象から戻ってくるレーザビームＬの反射光が溶接トーチ３によって遮られない位置であって、第６軸線Ｇに可能な限り近づけた位置に配置されている。

このように構成された本実施形態に係るロボットシステム１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１によれば、ワイヤ５１は第２手首要素１１、フランジ１２および絶縁アダプタ１３に設けられた中央孔１４を貫通して、絶縁アダプタ１３を挟んでフランジ１２に固定されている溶接トーチ３内に導かれる。溶接トーチ３に導入されたワイヤ５１は、トーチ本体１５の内孔および給電チップ１７の内孔を通過して、トーチ本体１５の先端から突出させられる。

この場合において、本実施形態によれば、溶接トーチ３のトーチ本体１５を３回湾曲させることにより、トーチ本体１５の先端を第６軸線Ｇ上に配置することができ、ワイヤ５１を第６軸線Ｇに沿って突出させることができる。トーチ本体１５を通過する間にワイヤ５１が湾曲させられるので、給電チップ１７の内孔を通過する際に、ワイヤ５１が内孔の内面に押し付けられ、安定したアークを発生させることができる。

そして、ワイヤ５１を第６軸線Ｇに沿って突出させることにより、レーザビームＬの走査平面を溶接トーチ３の先端近くに配置しながら、溶接センサ４をトーチ本体１５の先端から大きく後退させてフランジ１２に近接する位置に、第６軸線Ｇに近接させて配置することができる。

溶接センサ４をトーチ本体１５の先端から大きく後退させることにより、溶接トーチ３の周囲に他の物体が存在せず、トーチ本体１５を狭いスペースに挿入して溶接を行う場合等に、トーチ本体１５の先端周辺における周辺物体との干渉を低減することができる。また、溶接センサ４を第６軸線Ｇに近接させることにより、フランジ１２近傍における径方向外方への突出を抑えて、手首ユニット９周辺における干渉を抑えることができるという利点がある。

特に、溶接トーチ３を絶縁アダプタ１３に固定するトーチブラケット２１が、第６軸線Ｇ回りの周方向の一部のみに連結部２４を備えることとして、連結部２４のない領域に凹部２５を形成している。これにより、溶接トーチ３とフランジ１２との間に配置した溶接センサ４の一部を凹部２５内に収容することができ、第６軸線Ｇから径方向外方への溶接センサ４の突出量をさらに低減することができるという利点がある。

また、溶接センサ４をフランジ１２に近接する位置に配置することにより、溶接センサ４を取り付けるためのセンサブラケット２６を小さくかつ軽量に構成することができる。すなわち、溶接センサ４をトーチ本体１５の先端近傍に配置する場合には、フランジ１２またはトーチブラケット２１に固定するセンサブラケット２６が長くなり、重量が増大する。

センサブラケット２６が長くなると剛性が低減するので、振動し易くなって、検出精度が低下する。これに対して、溶接センサ４をフランジ１２に近づけることにより、トーチブラケット２１に固定するセンサブラケット２６も短く、軽量化でき、より低い剛性でも振動の発生を抑え、溶接線を精度よく検出することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、トーチ本体１５を３回湾曲させることにより、フランジ１２の中央孔１４からトーチ本体１５の基端部１８に向かって第６軸線Ｇに沿う方向に突出したワイヤ５１を、トーチ本体１５の先端部１９において再度第６軸線Ｇ上に戻している。これにより、ロボット２の動作の基準となるツール先端点として設定するワイヤ５１の先端を第６軸線Ｇ上に配置して、教示作業および制御を容易にすることができるという利点もある。

また、トーチ本体１５の先端から溶接センサ４を大きく後退させて配置しているので、トーチ本体１５の先端において発生する溶接ヒュームが溶接センサ４に届きにくく、溶接センサ４の汚れ等の不都合の発生を低減することができる。

なお、本実施形態においては、トーチ本体１５を３回湾曲させることにより、トーチ本体１５の先端においてワイヤ５１を第６軸線Ｇ上に配置した。これに代えて、図４に示されるように、トーチ本体１５を２回湾曲させることにより、第６軸線Ｇに対して間隔をあけて平行な位置にワイヤ５１を突出させてもよい。これによっても、上記実施形態と同様に、溶接センサ４を溶接トーチ３よりもフランジ１２側に後退させかつ第６軸線Ｇに近接させた位置に配置することができる。

また、本実施形態においては、溶接トーチ３をフランジ１２に固定するトーチブラケット２１に、センサブラケット２６を固定したが、これに代えて、トーチブラケット２１およびセンサブラケット２６を、別々にフランジ１２に固定してもよい。図５から図７に示す例では、フランジ１２の中央孔１４の周囲の半周分を使ってトーチブラケット２１を固定し、残りの半周分を使ってセンサブラケット２６を固定している。

トーチブラケット２１およびセンサブラケット２６を、別々にフランジ１２に固定することにより、トーチブラケット２１に加わる外力および振動の影響が溶接センサ４に伝わることを防止して、溶接線を撚り精度よく検出することができる。
また、本実施形態においては、ロボット２として垂直多関節型ロボットを例示したが、これに限定されるものではなく、他の任意の形式のロボットを採用してもよい。

また、図８に示されるように、トーチブラケット２１は、絶縁アダプタ１３を挟んでフランジ１２に固定される第１ブラケット２７と、溶接トーチ３に固定される第２ブラケット２８とを備えていてもよい。そして、例えば、第１ブラケット２７と第２ブラケット２８とは、一方に設けられた長孔２９と、長孔２９を貫通して他方に着脱可能に締結されるボルト３０とによって、第６軸線Ｇに沿う方向に位置調整可能であってもよい。図８に示す例では、第１ブラケット２７に長孔２９が設けられ、第２ブラケット２８にボルト３０が締結されているが、逆でもよい。これにより、トーチ本体１５の先端位置を第６軸線Ｇに沿う方向に調節することができる。

また、図８に示されるように、溶接センサ４は、センサブラケット２６に対して、走査平面に沿う方向に延びる軸線回りに角度調整可能に取り付けられていてもよい。図８に示す例では、センサブラケット２６に、軸線回りに円弧上に延びる長孔３１と、長孔３１を貫通して溶接センサ４に着脱可能に締結されるボルト３２とにより、角度調整機構が構成されている。センサブラケット２６に対して溶接センサ４の取り付け角度を調整することにより、ワイヤ５１に対する走査平面の位置を調節することができる。

１ ロボットシステム
２ ロボット
３ 溶接トーチ
４ 溶接センサ
９ 手首ユニット（手首機構）
１２ 第３手首要素（フランジ）
１５ トーチ本体
２１ トーチブラケット
２５ 凹部
２６ センサブラケット
５１ ワイヤ
Ｇ 第６軸線（回転軸線）

Claims (5)

1. 手首機構を備え、該手首機構の先端に、回転軸線回りに回転可能なフランジを備えるロボットと、
   前記フランジにトーチブラケットによって固定された溶接トーチと、
   該溶接トーチに対して固定され、該溶接トーチにより溶接される溶接線を先行的に検出する溶接センサとを備え、
   該溶接センサが、前記フランジから前記溶接トーチの前記トーチブラケットへの固定位置までの間において、前記回転軸線に平行な平面に沿って前記溶接線に交差する方向にレーザビームを走査可能な位置に配置され、
   前記溶接トーチが、前記固定位置よりも先端側に突出して配置され、少なくとも２回湾曲させられることにより、前記回転軸線に平行な方向に、先端からワイヤを突出させる管状のトーチ本体を備えるロボットシステム。
2. 前記トーチ本体が、該トーチ本体の先端から前記回転軸線上に、該回転軸線に沿って前記ワイヤを突出させるよう湾曲させられている請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記フランジから前記固定位置までの間に、前記回転軸線回りの径方向内方に窪む凹部を備え、
   前記溶接センサが、前記凹部に部分的に収容される位置に配置されている請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記溶接センサが、前記トーチブラケットに固定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボットシステム。
5. 前記溶接センサが、前記トーチブラケットとは別個に、センサブラケットにより前記フランジに固定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボットシステム。
   

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