JP7142249B2 - 溶接装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１８年３月８日付けで提出された日本特許出願２０１８－０４２１３４を基礎とする優先権を主張するとともに、これに開示されたすべての内容は、参考として本願に一体のものとして統合する。

（技術分野）
本発明は、溶接装置およびその制御方法に関し、溶接装置の溶接ロボットのウィービング動作に関するオペレータの負担を軽減する溶接装置およびその制御方法に関する。

これまでにも、いくつかの産業用ロボットのウィービング装置が提案されている。例えば特許文献１には、ワークの立体的形状が複雑で、ウィービング方向の変化が多い場合において、溶接の進行方向の変化やツールの方向の変化が生じても、適切なウィービング方向を自動的に算出してウィービングできるウィービング装置が開示されている。

より具体的には、特許文献１のウィービング装置は、ウィービング座標系算出手段と、溶接線の進行方向ベクトルを算出する進行方向ベクトル算出手段と、溶接線の進行方向ベクトルが変化すると、その変化により、その外積ベクトルを算出する外積ベクトル算出手段と、溶接線の進行方向ベクトルが変化すると、変化の前後のウィービング座標系を外積ベクトルまわりに軌跡変化量の角度分回転させることにより新しいウィービング座標系を定義する座標決定手段と、算出され、あるいは決定されたウィービング座標系に従ってウィービングを行うウィービング手段と、を有する。

すなわち、特許文献１のウィービング装置は、溶接線の進行方向ベクトルが変化するごとに新しいウィービング座標系を定義し、これに基づいてウィービングを行うものである。さらに換言すると、特許文献１のウィービング装置は、溶接線の進行方向ベクトルが異なるワークをウィービング溶接する際、個別のウィービング座標系を定義しなければならない。

特許文献１には、ウィービング座標系を定義する際、ウィービング装置に、例えば複数の振幅点を教示し、溶接線と各振幅点の間でウィービング座標系を作る方法が記載されているが（振幅点教示型）、振り方向やウィービング形状の自由度が高い反面、オペレータは複数の振幅点を教示しなければならず、ウィービング装置への入力操作（ティーチング、教示）が煩雑となり、作業効率が下がる。

一方、ウィービング装置に振幅点を入力する代わりに、溶接開始点を基準に決められたパラメータを設定して、ウィービング動作を定義する手法も提案されている（パラメータ指定型）。ただし、この手法によれば、ウィービング装置への入力操作（ティーチング、教示）は簡略化されるものの、振幅点を直接教示するわけではないため、特にワークが水平面に対して傾斜して配置されている場合、ウィービング方向の設定または調整（傾き調整）は容易ではない。

特開昭６４－００７１０７号公報

そこで本発明に係る態様は、溶接装置への入力操作（ティーチング、教示）を簡便な手法で実現するとともに、ワークが傾斜して配置されている場合であっても、ウィービング方向を容易に設定することができる溶接装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の態様は、溶接装置に関し、この溶接装置は、溶接トーチと、前記溶接トーチが取り付けられた溶接ロボットを駆動する駆動部と、前記駆動部の位置および動作を制御する制御部と、前記溶接トーチのアプローチ点（Ａ）、および溶接開始点（Ｂ）ならびに溶接終了点（Ｃ）に関するデータを入力するための教示データ入力部と、を備え、前記制御部は、前記溶接開始点（Ｂ）から前記アプローチ点（Ａ）に至る第１のベクトルと、前記溶接開始点（Ｂ）から前記溶接終了点（Ｃ）に至る第２のベクトルと、前記第１のベクトルおよび前記第２のベクトルと直交する第３のベクトルとを求めて、ウィービング座標系を定義するとともに、前記溶接開始点（Ｂ）に配置された前記溶接トーチを、前記第３のベクトルの方向に沿ってウィービングさせながら、前記第２のベクトルの方向に沿って移動させるように前記駆動部を制御する。

本発明に係る第２の態様は、溶接装置の制御方法に関し、この制御方法は、溶接トーチのアプローチ点（Ａ）、および溶接開始点（Ｂ）ならびに溶接終了点（Ｃ）を設定する工程と、前記溶接開始点（Ｂ）から前記アプローチ点（Ａ）に至る第１のベクトルと、前記溶接開始点（Ｂ）から前記溶接終了点（Ｃ）に至る第２のベクトルと、前記第１のベクトルおよび前記第２のベクトルと直交する第３のベクトルとを求めて、ウィービング座標系を定義する工程と、前記溶接開始点（Ｂ）に配置された前記溶接トーチを、前記第３のベクトルの方向に沿ってウィービングさせながら、前記第２のベクトルの方向に沿って移動させる工程と、を備える。

前記ウィービングの振幅、ピッチ、および高さは、前記教示データ入力部を用いてユーザが入力してもよい。

溶接装置への入力操作（ティーチング、教示）を簡便な手法で実現するとともに、ワークが傾斜して配置されている場合であっても、ウィービング方向を容易に設定することができる。

本発明の実施形態に係る溶接装置の概略的な構成を示すブロック図である。 第１のプレート（立板）と第２のプレート（下板）とを突き合わせた溶接線（Ｘ軸）を中心にウィービングさせながら、溶接線に沿って溶接を行う水平すみ肉溶接（フィレット溶接）の制御方法を示す概略斜視図である。 図２の鉛直断面で切断したときの側面図である。 本発明の実施形態に係る溶接制御方法を示すフローチャートである。 第２のプレートが水平方向に対して傾斜角θだけ傾斜しているときの図３と同様の側面図である。 本実施形態に係る溶接制御方法を用いて、溶接線に沿った開先溶接を示す概略斜視図である。

添付図面を参照して本発明に係る溶接装置の実施形態を以下説明する。実施形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば「Ｘ，Ｙ，Ｚ」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。

図１は、本発明の実施形態に係る溶接装置１の概略的な構成を示すブロック図である。溶接装置１は、溶接トーチ１０と、溶接トーチ１０が取り付けられた溶接ロボットを駆動する溶接ロボット駆動部１２と、溶接ロボット駆動部１２の位置および動作をサーボ制御する制御部２０と、ユーザが溶接トーチ１０のウィービング座標系を設定する教示データ入力部（教示データインターフェイスともいう。）２２と、制御部２０に接続され、溶接トーチ１０に放電アークを発生させるための電源を供給する溶接電源２４とを備える。

図２は、第１のプレート（立板）３２と第２のプレート（下板）３４とを突き合わせた溶接線（Ｘ軸）を中心にウィービングさせながら、溶接線に沿って溶接を行う水平すみ肉溶接（フィレット溶接ともいう。）の制御方法を示す概略斜視図である。また図３は、図２のＸ方向に垂直な断面で切断したときの断面図である。さらに図４は、本発明の実施形態に係る溶接制御方法を示すフローチャートである。

図４のフローチャートのステップＳＴ０１において、図３に示すように、教示データ入力部２２を用いて、溶接トーチ１０を被加工物３０に近接して配置する位置、すなわちアプローチ点（Ａ）がユーザにより設定される。アプローチ点（Ａ）の設定もしくは教示は、本発明以外の任意の溶接装置でも行われることであり、特に本発明を限定するものではない。また教示データ入力部２２を用いて、アーク放電により溶接を開始する溶接開始点（Ｂ）および溶接を終了する溶接終了点（Ｃ）がユーザにより設定または入力される。

制御部２０は、ステップＳＴ０２において、溶接開始点（Ｂ）からアプローチ点（Ａ）に至る第１のベクトル（便宜上、以下「ＢＡベクトル」という。）と、溶接開始点（Ｂ）から溶接終了点（Ｃ）に至る第２のベクトル（便宜上、以下「ＢＣベクトル」という。）とを定義する。すなわち本実施形態に係る制御部２０は、ＢＡベクトルに沿った方向にＺ軸を定義し、ＢＣベクトルに沿った方向にＸ軸を定義する。

次に、ステップＳＴ０３において、制御部２０は、ＢＡベクトルとＢＣベクトルに直交する方向に第３のベクトル（便宜上、以下「Ｗベクトル」という。）を求め、これに沿った方向にＹ軸を定義する。なおＷベクトルは、ＢＡベクトル（Ｚ軸方向）とＢＣベクトル（Ｘ軸方向）との外積で求められる（Ｗベクトル＝ＢＡベクトル×ＢＣベクトル）。こうして制御部２０は、第１のプレート３２と第２のプレート３４の配置関係とは無関係にＸＹＺウィービング直交座標系を定義する。

本実施形態のＸＹＺウィービング直交座標系において、Ｗベクトル（Ｙ軸方向）は、ウィービングの振れ方向を規定する。ステップＳＴ０４において、教示データ入力部２２を用いて、図２に示すように、ウィービングの振れ幅（振幅）Ｄおよびウィービングの周期間距離すなわちピーク間距離（ピッチ）Ｐ等のパラメータがユーザにより設定または入力される。

ステップＳＴ０５において、制御部２０は、ワークの溶接加工時、溶接トーチ１０をＷベクトル（Ｙ軸方向）に平行な方向に、振幅Ｄでウィービングさせながら、ＢＣベクトル（Ｘ方向）に沿ってピッチＰで移動させることにより溶接加工を行う。

なおステップＳＴ０４では、ウィービングの振幅ＤおよびピッチＰの他、詳細図示しないが、ユーザが教示データ入力部２２を用いて、溶接開始点（Ｂ）から第１のプレート３２と第２のプレート３４とを突き合わせた溶接線（Ｘ軸）までのＺ軸方向の高さが設定されてもよい。また、図２の溶接トーチ１０は、ＸＹ平面上で鋸歯状の軌跡をウィービングするように図示されているが、これに限定されるものではなく、Ｕ字状、正弦波状、または螺旋状の軌跡上でウィービングするように、ステップＳＴ０４でユーザが教示データ入力部２２を用いて設定してもよい。

また、上記説明では、溶接トーチ１０をＷベクトル（Ｙ軸方向）に平行な方向にウィービングさせるものとしたが（図３）、ＹＺ平面内において溶接線に向かって凸となるような円弧または放物線等の軌跡上でウィービングするように、ステップＳＴ０４でユーザが教示データ入力部２２を用いて設定してもよい。

図５を参照して、本実施形態に係る溶接制御方法の利点について以下説明する。溶接すべき第１のプレート３２および第２のプレート３４は、必ずしも鉛直方向および水平方向に配置されるとは限らず、例えば図５に示すように、第２のプレート３４が水平方向に対して傾斜角θだけ傾斜している場合がある。こうした場合、従前の溶接制御方法においては、傾斜角θをパラメータとして算出するか、または設定する必要がある。１つの被加工部材が、傾斜角θの異なる部分を数多く含む場合、傾斜角θを求めるために数多くの基準点を設定する必要があり、オペレータの設定入力（ティーチング）に係る負担が増大する。

しかしながら、本実施形態に係る溶接制御方法によれば、上記説明したように、アプローチ点（Ａ）、溶接開始点（Ｂ）、および溶接終了点（Ｃ）を入力するだけで、第１のプレート３２と第２のプレート３４の配置関係とは無関係に（水平方向に対する第２のプレート３４の傾斜角θによらず）ＸＹＺウィービング直交座標系を定義して、第１のプレート３２および第２のプレート３４を溶接することができるので、オペレータの作業負担を大幅に軽減することができる。

図示しないが、第１のプレート３２が第２のプレート３４に対して傾斜している場合も同様に、同様にＸＹＺウィービング直交座標系を定義して、第１のプレート３２および第２のプレート３４を溶接することができるので、オペレータの設定入力の手間を省くことができる。

図６は、本実施形態に係る溶接制御方法を用いて、溶接線に沿った開先溶接（グルーブ溶接ともいう。）を示す概略斜視図である。ステップＳＴ０１において、教示データ入力部２２を用いて、アプローチ点（Ａ）、溶接開始点（Ｂ）、および溶接終了点（Ｃ）がユーザにより設定または入力される。

ステップＳＴ０２において、制御部２０は、ＢＡベクトルおよびＢＣベクトルを求め、ＢＡベクトルに沿った方向にＺ軸を、ＢＣベクトルに沿った方向にＸ軸を定義する。

ステップＳＴ０３において、ＢＡベクトルとＢＣベクトルに直交するＷベクトルを求め、Ｗベクトルに沿った方向にＹ軸を定義する。こうして制御部２０は、被加工物の配置関係によらず、ＸＹＺウィービング直交座標系を定義する。

ステップＳＴ０４において、教示データ入力部２２を用いて、ウィービングの振幅ＤおよびピッチＰ等のパラメータがユーザにより設定される。

ステップＳＴ０５において、制御部２０は、ワークの溶接加工時、溶接トーチ１０をＷベクトル（Ｙ軸方向）に平行な方向に、振幅ＤおよびピッチＰでウィービングさせながら、ＢＣベクトル（Ｘ方向）に沿って移動させることにより溶接加工を行う。

図６では、溶接トーチ１０は、ＸＹ平面上で鋸歯状の軌跡をウィービングするように図示されているが、Ｕ字状、正弦波状、または螺旋状の軌跡上でウィービングするように設定してもよい。また、溶接トーチ１０をＷベクトル（Ｙ軸方向）に平行な方向にウィービングさせるものとしたが、ＹＺ平面内において溶接線に向かって凸となるような円弧または放物線等の軌跡上でウィービングするように設定してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る溶接制御方法によれば、溶接すべき被加工部材が水平方向に対して傾斜角θだけ傾斜している場合であっても、アプローチ点（Ａ）、溶接開始点（Ｂ）、および溶接終了点（Ｃ）を入力するだけで、被加工部材の配置関係とは無関係にＸＹＺウィービング直交座標系を定義することができるので、オペレータの作業負担を実質的に軽減することができる。

本発明は、ウィービング方向を容易に設定することができる溶接装置およびその制御方法に利用することができる。

１…溶接装置
１０…溶接トーチ
１２…溶接ロボット駆動部
２０…制御部
２２…教示データ入力部
２４…溶接電源
３０…被加工物
３２…第１のプレート
３４…第２のプレート

Claims (6)

1. 溶接トーチと、
   前記溶接トーチが取り付けられた溶接ロボットを駆動する駆動部と、
   前記駆動部の位置および動作を制御する制御部と、
   前記溶接トーチのアプローチ点（Ａ）、および溶接開始点（Ｂ）ならびに溶接終了点（Ｃ）に関するデータを入力するための教示データ入力部と、を備え、
   前記制御部は、前記溶接開始点（Ｂ）から前記アプローチ点（Ａ）に至る第１のベクトルと、前記溶接開始点（Ｂ）から前記溶接終了点（Ｃ）に至る第２のベクトルと、前記第１のベクトルおよび前記第２のベクトルと直交する第３のベクトルとを求めて、前記第１から第３のベクトルに沿った直交三軸を含むウィービング座標系を定義するとともに、前記溶接開始点（Ｂ）に配置された前記溶接トーチを、前記第３のベクトルの方向に沿ってウィービングさせながら、前記第２のベクトルの方向に沿って移動させるように前記駆動部を制御する、溶接装置。
2. 前記ウィービングの振幅およびピッチは、前記教示データ入力部を用いて入力される、請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記制御部は、前記溶接開始点（Ｂ）に配置された前記溶接トーチを、前記第３のベクトルの方向および前記第１のベクトルの方向に沿ってウィービングさせながら、前記第２のベクトルの方向に沿って移動させるように前記駆動部を制御する、請求項１または２に記載の溶接装置。
4. 溶接トーチのアプローチ点（Ａ）、および溶接開始点（Ｂ）ならびに溶接終了点（Ｃ）を設定する工程と、
   前記溶接開始点（Ｂ）から前記アプローチ点（Ａ）に至る第１のベクトルと、前記溶接開始点（Ｂ）から前記溶接終了点（Ｃ）に至る第２のベクトルと、前記第１のベクトルおよび前記第２のベクトルと直交する第３のベクトルとを求めて、前記第１から第３のベクトルに沿った直交三軸を含むウィービング座標系を定義する工程と、
   前記溶接開始点（Ｂ）に配置された前記溶接トーチを、前記第３のベクトルの方向に沿ってウィービングさせながら、前記第２のベクトルの方向に沿って移動させる工程と、を備えた溶接装置の制御方法。
5. 前記ウィービングの振幅およびピッチを設定する工程を、さらに備えた請求項４に記載の溶接装置の制御方法。
6. 前記移動させる工程では、前記溶接開始点（Ｂ）に配置された前記溶接トーチを、前記第３のベクトルの方向および前記第１のベクトルの方向に沿ってウィービングさせながら、前記第２のベクトルの方向に沿って移動させる、請求項４または５に記載の溶接装置の制御方法。

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