JP7438013B2 - ティーチング支援システムおよびそれを用いたティーチング支援方法 - Google Patents

Description

本発明は、作業用ロボットに設けられ、作業対象部に対する作業ツールの位置合わせ動作のティーチングの際に用いられるティーチング支援システムおよびそれを用いたティーチング支援方法に関する。

自動車の車体に穴を開けずにボルト溶接する技術として、スタッド溶接工法が用いられている。中でも、作業用ロボットを用いたスタッド溶接は、種々の打点面に的確に対応できることから広く用いられている。

ロボットを用いたスタッド溶接では、ティーチング作業、すなわち、実際の作業を、ロボットのマニュアル動作指示ツールによって動作軌跡を記録し、この動きのデータに基づいて、ロボットに同じ動作を記憶させ、それを正しく再生させるようにセッティングする作業、が行われる。このティーチング作業において、特に、作業対象部である溶接する打点面に対しての、作業ツールである溶接ガンの間隔と面直度合いが的確な溶接を行うための重要な要素となる。

特許文献１には、ロボットのアームの先端部に設けられ、３つのレーザー変位計を備えた測定装置を用いて、ワークに対するアーム先端部の位置および姿勢を調整する技術が開示されており、この技術を用いてティーチング作業が行われている。

特開２０１８－１４４１９３号公報

特許文献１の技術では３つのレーザー変位計の測定値から制御装置を用いて位置および姿勢を算出し、その算出結果に基づいてワークの先端部の位置および姿勢を調整するものであり、システム自体が複雑である。したがって、この技術によるティーチング作業は煩雑なものとなり、実際的ではない。

また、簡便には、特許文献１に開示されているような制御装置を用いず、作業者がスケールを使って面直を確認しながらティーチング作業を行うことも考えられる。しかし、この方法では、熟練者であれば可能であっても、不慣れな者が行うと、溶接する打点面に対して、溶接ガンとの距離および面直が正しく設定されず、溶接不良を起こすこととなる。特に、スタッド溶接では、スポット溶接のように板を挟み込まないため、僅かなずれも溶接品質に影響する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、不慣れな作業者であっても、ティーチング作業をより正確に簡便に行うことのできるティーチング支援システムおよびそれを用いたティーチング支援方法を提供することにある。

上記目的の達成のため請求項１に記載のティーチング支援システムは、
作業用ロボットに設けられ、作業対象部に対する作業ツールの位置合わせ動作のティーチングの際に用いられるティーチング支援システムにおいて、
前記作業用ロボットの作業ツールの動作軸に対して直交する面上に一つの中心から等間隔に配置され前記作業ツールとは独立して前記動作軸方向での一体的移動が可能で、それぞれ出射角度の調整可能な少なくとも３つのレーザー光源を有するレーザー光出射部と、
前記レーザー光源に対応する数が設けられ、前記各レーザー光源から出射されたレーザー光をそれぞれ同時に受光した時に前記動作軸が前記作業対象部の面に対して直交する状態となる様な位置に配置された受光部を有する面直確認用の分散受光部と、前記各レーザー光源から出射されたレーザー光を受光可能な一つの離間距離確認用の中央受光部と、を上面に有し、前記作業対象部に着脱可能に取り付けられる受光ブロックと、を有することを特徴とする。

この構成により、作業ツールと作業対象部との面直は、受光ブロックの上面に設けられた分散受光部の各受光部が、作業ツールに設けられたレーザー光出射部の各光源からのレーザー光を同時に受光している状態となった時に確保される。

次に、作業ツールと作業対象部との離間距離は、少なくとも３つの光源からそれぞれ出射されるレーザー光が、受光ブロックの上面の一つの離間距離確認用の受光部に同時に入射した状態を確認すること、すなわち、各レーザー光の交点が当該離間距離確認用の中央受光部に位置するように前記作動軸方向におけるレーザー光出射部の位置を調整することで正しく確認される。すなわち、全ての光源からのレーザー光の交点を受光ブロック上面の離間距離確認用の中央受光部に位置させることで、その交点と作業対象部までの距離（前記受光ブロックの厚さに相当）が的確に認識される。したがって、作業ツールの先端を一旦、その交点位置に合わせることで、作業ツールを作業対象部に的確に近接させることができ、これにより、的確なティーチング情報を作業者の如何に関わらず安定して得ることができる。

請求項２に記載のティーチング支援システムは、請求項１に記載のティーチング支援システムにおいて、
前記作業対象部が被溶接部であり、前記作業ツールが溶接ガンであり、該溶接ガンに取り付けられたスタッドボルトが前記被溶接部に溶接される対象物であることを特徴とする。

この構成により、面直及び被溶接部との離間距離が厳しく要求されるスタッドボルトについても、溶接ガンが被溶接部に近接するまでの動きの情報が常に的確に確保され、該情報を作業者の如何に関わらず安定して得ることができる。

請求項３に記載のティーチング支援システムは、請求項１に記載のティーチング支援システムにおいて、
前記各分散受光部に前記レーザー光がそれぞれ同時に入射したときに、該同時入射の状況を知らせる第１の報知手段と、前記中央受光部に全ての前記レーザー光が同時に入射したときに、該同時入射の状況を知らせる第２の報知手段と、を有することを特徴とする。

この構成により、前記作業ツールと作業対象部との面直及びそれらの離間距離の位置合わせが正しく為されるとそれぞれの報知手段からその旨が報知される。したがって、作業者は前記作業ツールと作業対象部との面直及びそれらの離間距離の位置合わせが正しく為されたことを確実に認識することができる。

上記目的の達成のため請求項４に記載のティーチング支援方法は、
請求項２に記載のティーチング支援システムを用いたティーチング支援方法であって、
前記受光ブロックを、前記中央受光部が前記溶接ガンの動作軸方向で前記溶接対象部と重なるように前記溶接対象部上に設置し、前記レーザー光源から出射された少なくとも３つのレーザー光が前記溶接ガンの先端部で交点を結ぶ様に前記レーザー光源のレーザー出射角度を調整し、その後、前記出射角度を維持しつつ、前記受光ブロック方向に移動させ、前記各分散受光部に前記各レーザー光が同時に受光する状態となる位置に移動させて前記溶接ガンと前記溶接対象部との面直を確認し、次に、前記溶接ガンの前記面直状態を維持しつつ、前記レーザー光の交点が前記中央受光部の受光位置に位置するように前記溶接ガンの前記溶接対象部からの離間距離を調整し、その後、前記受光ブロックを取り除いて、前記溶接ガンを前記溶接対象部方向に移動させ、前記溶接ガンの先端を前記離間距離の調整された前記交点から更に前記取り除いた前記受光ブロックの厚さ分の距離だけ前記溶接対象部に近接させることを特徴とする。

この方法により、まず、設置された受光ブロックの上面の各分散受光部に、予め前記溶接ガンの先端部で交点を結ぶ様に出射角度調整された前記レーザー光源からのレーザー光がそれぞれ分散受光部に同時に入射する様に位置させることで、溶接ガンの前記溶接対象部との面直が確保される。そして、この溶接ガンの面直状態を維持して、前記レーザー光の交点が前記中央受光部の受光位置に位置するように調整することで溶接ガン先端部の溶接対象部からの離間距離を確定することができる。
そして、受光ブロックを取り除いた後、溶接ガンを溶接対象部方向に移動させ、前記離間距離の調整された交点位置から更に受光ブロックの厚さ分の距離だけ溶接対象部に近接させることで、正確に溶接ガンの先端を溶接対象部に近接させる動作を行うことができ、その動作の情報をロボットへのティーチング情報とすることができる。

本発明のティーチング支援システムおよびそれを用いたティーチング支援方法によれば、作業ツールが作業対象部に近接するまでの動きの情報が常に的確に確保され、この情報を作業者の如何に関わらず安定して得ることができる。これにより、不慣れな作業者であっても熟練者と同様のティーチングのための作業を行うことが可能となる。

本発明のティーチング支援システムのレーザー光出射部の概略構成図を示す。 本発明のティーチング支援システムの受光ブロックの概略構成図を示す。 本発明のティーチング支援システムを用いてティーチング支援作業を行う前の準備作業について示す。 本発明のティーチング支援システムを用いてティーチング支援作業を行う前の準備作業について示す。 本発明のティーチング支援システムを用いてティーチング支援作業を行う前の準備作業について示す。 本発明のティーチング支援システムを用いてティーチング支援を行う方法についての説明図である。 本発明のティーチング支援線システムを用いてティーチング支援を行う方法についての説明図である。 本発明のティーチング支援線システムを用いてティーチング支援を行う方法についての説明図である。

以下、本発明のティーチング支援システムおよびそれを用いたティーチング支援方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

本発明のティーチング支援システムは、作業ツールに設けられたレーザー光出射部と作業対象部に着脱可能に取り付けられる受光ブロックを有する。図１は、レーザー光出射部の概略構成図である。図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は上面図を示す。

作業ツールは、本実施の形態では溶接ガン１６であり、作業用ロボット（図示していない）のアームの先端部に取り付けられている。レーザー光出射部１０は、３つのレーザー光源２３と、それらを保持するレーザー光源保持部２２と、溶接ガン１６に取り付けるための第１ブラケット１７および第２ブラケット１８を有する。第１ブラケット１７は溶接ガン１６に取り付けられ、第２ブラケット１８は、溶接ガン１６のストローク方向（矢印Ａ）およびストローク方向と直交する方向（矢印Ｂ）に移動可能に第１ブラケット１７に取り付けられている。第２ブラケット１８の下部にはレーザー光源保持部２２が取り付けられている。この構成により、レーザー光源保持部２２は、溶接ガン１６に対して矢印Ａ、Ｂで示す方向に移動可能であり、その移動量を調整する調整部（図示していない）が設けられている。また、調整部にはそれぞれの移動量を把握できるように数値メモリが設けられている。

レーザー光源保持部２２は、３本の腕により上面視コの字型に構成され、２本の腕の各先端部にレーザー光源２３が取り付けられ、また２本の腕を連結する腕の中央部にもレーザー光源２３が取り付けられている。各レーザー光源２３は、レーザー光の出射方向が調整可能に構成されている。２本の腕を連結する腕は、第２ブラケット１８と連結されている。

各レーザー光源２３の配置関係は、上面視で正三角形の各頂点に配置されており、各レーザー光源２３からの出射光は、上面視三角形の中心点を通る法線Ｌ上の一点に集まるように角度付けされている。また、溶接ガン１６の動作軸またはストローク方向は、この上面視三角形の中心点を通る法線Ｌと重なる。したがって、レーザー光出射部１０に設けられた３つのレーザー光源２３を包含する面は、溶接ガン１６の動作軸に対して直交している。

図２（ａ）は、受光ブロックの側面図、図２（ｂ）は、受光ブロックの上面図を示す。受光ブロック１２は円筒形状の本体部２６を有し、上面２９の中央部には、溶接ガンと作業対象部との位置および距離を確認するための中央受光部３０が設けられている。また、この中央受光部３０を軸として該軸の周りにそれぞれ等間隔に配置され、溶接ガンと作業対象部である被溶接部との面直を確認するための分散受光部が設けられている。分散受光部は、レーザー光出射部１０のレーサー光源２３に対応する数の受光部３２で構成される。本実施の形態では分散受光部の受光部３２は３つである。また、本実施の形態では、受光ブロック１２の厚さ、すなわち、被溶接部と中央受光部との距離は２０ｍｍである。

受光ブロック１２の本体部２６の底面にはリング状の磁石３６が設けられており、この受光ブロック１２が溶接ガンの打点面（被溶接部）に簡単に着脱できるように構成されている。また、本体部２６の側部には、第１の報知手段である発光ランプ３８と第２の報知手段である発光ランプ３９が設けられている。第１の報知手段である発光ランプ３８は、例えば緑色を発光する発光ランプであり、分散受光部３３の３つの受光部３２のすべてにレーザー光がそれぞれ同時に入射したときに発光するように構成されている。また、第２の報知手段である発光ランプ３９は、例えば赤色を発光する発光ランプであり、中央受光部３０に、一点で交わる３つのレーザー光のその一点が入射したときに発光するように構成されている。

次に本発明のティーチング支援システムを用いたティーチング支援方法について説明する。

まず、準備段階として以下の作業を行う。図３は、第１の準備作業についての説明図である。レーザー光出射部１０を溶接ガン１６に取り付ける。溶接ガン１６は作業用ロボット１４に取り付けられている。レーザー光源保持部２２の３か所に取り付けられたレーザー光源２３からの各出射光が、溶接ガン１６の先端部１６ａで交わるように、レーザー光源２３からのレーザー光の出射角度、また第２ブラケット１８の調整部（図示していない）を調整する。図３（ａ）は、調整が終わったレーザー光出射部１０の側面図、図３（ｂ）は、調整が終わったレーザー光出射部１０の背面図を示す。３つのレーザー光は、溶接ガン１６の先端部１６ａで交わっている。

次に、図４（ａ）の側面図、図４（ｂ）の背面図に示すように、第２の準備作業として、レーザー光出射部１０を溶接ガン１６から被溶接部方向（矢印Ｃ）に所定の量だけずらす。本実施の形態では３０ｍｍとした。すなわち、３台のレーザー光源２３の交わる位置を溶接ガン１６の先端部１６ａから３０ｍｍだけ被溶接部側に離す。このとき、溶接ガン１６の先端部１６ａと３つのレーザー光の交わる点を結ぶ線は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように側面から見ても背面から見ても一直線上にある。

図５は、第３の準備段階として、中央受光部３０が溶接ガン１６の動作軸方向で溶接対象部４０と重なるように溶接対象部４０上に設置する。被溶接部４０と受光ブロック１２の中央受光部３０がちょうど重なり合うように設置することが重要である。受光ブロック３０の底面には磁石３６が配置されているので、容易に作業対象部４０上に設置することが可能である。なお、この第３の準備は、第１及び第２の準備よりも前に行っても良い。

図６は、まず面直合わせの方法について示す。レーザー光出射部１０が取り付けられた溶接ガン１６を受光ブロック１２上に移動させる。溶接ガン１６の先端部１６ａを受光ブロック１２に近づけ、受光ブロック１２の分散受光部３２でレーザー光出射部１０からのレーザー光をそれぞれ同時に受光するように作業ロボットを調整する（矢印参照）。３方向から出射されたレーザー光がちょうど３つの受光部３２にそれぞれ入射すると、溶接ガン１６の動作軸は被溶接部４０の面に対して直交することとなる。すなわち、溶接ガン１６と被溶接部４０との面直が達成される。３方向から放射されたレーザー光がちょうど３つの受光部３２にそれぞれ同時に入射すると、第１の報知手段である発光ランプ３８が発光する。したがって、作業者は面直の確認を、緑色のランプが発光するように行えば良いので、不慣れな作業者であっても、簡単に素早く且つ高精度で調整することが可能である。

次に、図７を用いて被溶接部４０と溶接ガン１６との離間距離の確認について説明する。溶接ガン１６と被溶接部４０との面直が達成されているので、この面直合わせしたときの作業ロボットのアームの手首角度が変化しないように注意しながら、すなわち、面直状態を維持しながら、溶接ガン１６を引き上げて行く（矢印参照）。すると、３つのレーザー光の交わる一点が受光ブロック１２の上面２９の中央受光部３０に入射し、赤色の発光ランプ３９が発光する。この時、溶接ガン１６の引き上げを停止する。

その後、図８に示すように、溶接ガン１６を溶接対象部４０方向に移動させ、溶接ガン１６の先端部１６ａを中央受光部３０に位置させた後に、受光ブロック１２を取り除いて、そこから更に、取り除いた受光ブロック１２の厚さ分の距離だけ被溶接部４０に近接させる。

言い換えると、発光ランプ３９が発光したとき、溶接ガン１６の先端部１６ａと被溶接部４０との距離は、第２の準備作業でレーザー光出射部１０を溶接ガン１６から被溶接部方向（矢印Ｃ）にずらした量が正確に３０ｍｍならば、合計５０ｍｍになっている。そして、溶接ガン１６の先端部１６ａを受光ブロック１２の中央受光部３０の位置に合わせると、溶接ガン１６の先端部１６ａと被溶接部４０との間隔は、受光ブロック１２の厚さ、すなわち正確に２０ｍｍとなっている。このようにして溶接ガン１６の高さ位置合わせが完了する。したがって、高さ位置合わせも、赤色の発光ランプ３９が発光するように調整を行えば良いので、不慣れな作業者であっても容易に且つ高精度で位置合わせすることが可能である。

溶接ガンとしてスタッドガンを、スタッドガンにスタッドボルトとすると、面直及び被溶接部との離間距離が厳しく要求されるスタッドボルトについても、スタッドガンが被溶接部に近接するまでの動きの情報が常に的確に確保され、該情報を作業者の如何に関わらず安定して得ることができる。

本実施の形態によれば、溶接ガン１６と被溶接部４０との面直は、溶接ガン１６に取り付けられたレーザー光出射部１０から照射される３つのレーザー光が、受光ブロック１２に設けられた３つの受光部３２にそれぞれ同時に受光されるように、溶接ガン１６の傾きなどを調整することにより達成される。溶接ガン１６と被溶接部４０との距離は、３方向から照射され溶接ガン１６の軸方向の所定の位置で交わるレーザー光が、受光ブロック１２の上面の中心部に設けられた中央受光部３０に入射するように調整することで正しく設定される。

したがって、溶接ガン１６が被溶接部４０に近接するまでの動きの情報が常に的確に確保され、該情報を作業者の如何に関わらず安定して得ることができ、距離と面直の位置合わせ作業が不慣れな作業者であっても正確にティーチングのための作業を行うことができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、レーザー光出射部には３つのレーザー光源を設けたが、それ以上の台数を備えてもよい。また、受光ブロックには３つの分散受光部を設けたが、レーザー光出射部のレーザー光源の数に対応してそれ以上であっても良い。また、報知手段として受光ブロックに発光ランプを設け光により報知するように構成したが、報知手段を受光ブロックとは別に、例えば、電波を発信し作業者が所持する受信機により報知されるように構成しても良い。

１０ レーザー光出射部
１２ 受光ブロック
１４ 作業用ロボット
１６ 溶接ガン（作業ツール）
１６ａ 先端部
１７ 第１ブラケット
１８ 第２ブラケット
２２ レーザー保持部
２３ レーザー光源
２６ 本体部
２９ 上面
３０ 中央受光部
３２ 面直確認用の受光部
３６ 磁石
３８ 発光ランプ（第１の報知手段）
３９ 発光ランプ（第２の報知手段）
４０ 被溶接部（作業対象部）
Ｌ 法線

Claims (4)

1. 作業用ロボットに設けられ、作業対象部に対する作業ツールの位置合わせ動作のティーチングの際に用いられるティーチング支援システムにおいて、
   前記作業用ロボットの作業ツールの動作軸に対して直交する面上に一つの中心から等間隔に配置され前記作業ツールとは独立して前記動作軸方向での一体的移動が可能で、それぞれ出射角度の調整可能な少なくとも３つのレーザー光源を有するレーザー光出射部と、
   前記レーザー光源に対応する数が設けられ、前記各レーザー光源から出射されたレーザー光をそれぞれ同時に受光した時に前記動作軸が前記作業対象部の面に対して直交する状態となる様な位置に配置された受光部を有する面直確認用の分散受光部と、前記各レーザー光源から出射されたレーザー光を受光可能な一つの離間距離確認用の中央受光部と、を上面に有し、前記作業対象部に着脱可能に取り付けられる受光ブロックと、
   を有することを特徴とするティーチング支援システム。
2. 前記作業対象部が被溶接部であり、前記作業ツールが溶接ガンであり、該溶接ガンに取り付けられたスタッドボルトが前記被溶接部に溶接される対象物であることを特徴とする請求項１に記載のティーチング支援システム。
3. 前記各分散受光部に前記レーザー光がそれぞれ同時に入射したときに、該同時入射の状況を知らせる第１の報知手段と、
   前記中央受光部に全ての前記レーザー光が同時に入射したときに、該同時入射の状況を知らせる第２の報知手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のティーチング支援システム。
4. 請求項２に記載のティーチング支援システムを用いたティーチング支援方法であって、
   前記受光ブロックを、前記中央受光部が前記溶接ガンの動作軸方向で前記溶接対象部と重なるように前記溶接対象部上に設置し、
   前記レーザー光源から出射された少なくとも３つのレーザー光が前記溶接ガンの先端部で交点を結ぶ様に前記レーザー光源のレーザー出射角度を調整し、
   その後、前記出射角度を維持しつつ、
   前記受光ブロック方向に移動させ、前記各分散受光部に前記各レーザー光が同時に受光する状態となる位置に移動させて前記溶接ガンと前記溶接対象部との面直を確認し、
   次に、前記溶接ガンの前記面直状態を維持しつつ、前記レーザー光の交点が前記中央受光部の受光位置に位置するように前記溶接ガンの前記溶接対象部からの離間距離を調整し、
   その後、前記受光ブロックを取り除いて、前記溶接ガンを前記溶接対象部方向に移動させ、前記溶接ガンの先端を前記離間距離の調整された前記交点から更に前記取り除いた前記受光ブロックの厚さ分の距離だけ前記溶接対象部に近接させることを特徴とするティーチング支援方法。

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