JPH05165515A - 作業ロボットの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】任意形状ワークの加工が精度よく、かつ迅速に
行われる作業ロボットの制御装置を提供する。 【構成】ティーチングデータに基づきツール４の先端が
ワークＷＫ上の記憶位置Ｄから一定値だけ離間した位置
になるようツール４がワークの方向Ｚへ移動される。こ
れにより、ワークＷＫの形状がいかなるものであっても
逐次ツール先端４ａとワークＷＫとの距離が一定に保持
され、良好な加工がなされる。そして、ティーチングデ
ータに基づき記憶法線方向Ｈにツール４の長手方向４ｂ
が一致するよう該ツール４の姿勢が補正される。これに
よりワークＷＫの形状がいかなるものであっても、逐次
ツール４の長手方向４ｂがワークＷＫの法線方向Ｈと一
致するよう補正され、「板厚」一定ｔとなって良好な加
工がなされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットアーム先端に
設けられたツールにより切断等の加工を行う作業ロボッ
トに関し、特に任意形状のワークに対応でき、ワーク形
状に応じて最適な制御が行われる作業ロボットの制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、多品種生産に対応すべく、小
穴の抜き加工をプレスによることなく、切断用のツール
をロボットアーム先端に設けた作業ロボットにより行わ
せる発明が種々提案されている。

【０００３】この種の発明として特開昭６３ー２３５０
７３号公報に開示されたものがあり、この発明ではロボ
ットアーム先端に、ロボット各軸の動きとは独立して駆
動される、２重偏心構造のツール移動機構が設けられ
る。しかして、ロボット各軸を駆動することによりロボ
ットアーム先端の基準位置がワーク上の加工すべき円の
中心位置に位置決めされる。そして、加工すべき円の半
径データに基づき上記ツール移動機構によりツールの先
端が上記基準位置を回転中心として回転され、小円の切
断加工が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した発明では、ロ
ボット各軸の動きとは独立して低慣性のツールが移動で
きることから、小円等の小穴を高精度かつ迅速に切断で
きるという利点がある。しかし、上記２重偏心構造のツ
ール移動機構では、単にツール先端が基準位置を回転中
心として２次元平面内を回転移動されるのみであり、同
２次元平面に対して垂直な方向へツールを移動させる機
構は持ち合わせていない。ここに、切断加工作業用のロ
ボットとしていわゆるプラズマ加工によるロボットがあ
り、かかるロボットではプラズマアークの電圧を一定に
して良好な切断形状にすべくツール（トーチ）先端とワ
ークとの距離を一定に保持する必要がある。さらに、か
かるロボットではワークの板厚に応じて最適なツールの
移動速度が決定されており、板厚が大きいほどツールの
移動速度を小さくして切断を良好に行う必要がある。し
たがって、移動速度が一定のときにワーク板厚が変化す
るような場合には良好に切断を行うことができない。こ
こに、ワークの板厚とはツールの長手方向における板厚
を意味する。

【０００５】従来のものでは、ワークが平坦な２次元平
面であれば、ひとたびツール先端とワークとの距離が所
定距離となるようロボットハンド先端の位置決めをしさ
えすれば、あとは同所定距離が保持されて小円の加工が
良好に行われることになる。しかし、ワークが平坦でな
く、丸パイプや波板等３次元形状のものでは、ツール先
端とワークとの距離がワーク形状に応じて変化してしま
い、ドロスが残る等して良好な切断形状を得ることがで
きないこととなる。さらにワークの曲面に応じてワーク
に対するツール姿勢も変化することとなり、ツールの長
手方向における板厚が変化してしまい良好な切断を行う
ことができない。

【０００６】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、２次元平面のワークのみならず任意形状のワ
ークを高精度かつ迅速に加工することができる作業ロボ
ットの制御装置を提供することをその目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明では、
ロボット各軸を駆動することによりロボットアーム先端
の基準位置をワーク上の所定位置に位置決めするととも
に、前記ロボットアーム先端に設けられたツールの先端
を、前記基準位置によって決定されるワーク上の目標経
路に沿って移動させて作業を行う作業ロボットの制御装
置において、ティーチング時には、前記ワークの形状デ
ータに基づき前記目標経路に沿ったワーク表面の各位置
と該ワーク表面の各位置における法線方向とを求め、記
憶しておき、プレイバック時には、前記ワーク表面の記
憶位置に基づき該記憶位置と前記ツールの先端との距離
が一定値となるよう前記ツールを前記ワークの方向へ移
動させるとともに、前記記憶法線方向に基づき該記憶法
線方向に前記ツールの長手方向が一致するよう該ツール
の姿勢を補正する。

【０００８】

【作用】かかる構成によれば、ティーチングデータに基
づきツールの先端がワーク上の記憶位置から一定値だけ
離間した位置になるようツールがワークの方向へ移動さ
れる。これにより、ワークの形状がいかなるものであっ
ても逐次ツール先端とワークとの距離が一定に保持さ
れ、良好な加工がなされる。

【０００９】そして、ティーチングデータに基づき記憶
法線方向にツールの長手方向が一致するよう該ツールの
姿勢が補正される。これによりワークの形状がいかなる
ものであっても、逐次ツールの長手方向がワークの法線
方向と一致するよう補正され、「板厚」一定となって良
好な加工がなされる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る作業ロボ
ットの制御装置の実施例について説明する。

【００１１】なお、実施例では丸パイプの外壁に小円を
プラズマ加工によって切断穴明けする場合を想定してい
る。

【００１２】図１は実施例の構成を概念的に示してい
る。同図に示すようにプラズマ加工作業を行う多関節ロ
ボットの先端アーム１には、ブラケット２がロボット先
端軸１ａにより回動自在に枢着されている。このブラケ
ット２にはトーチ移動機構部３が固設されている。

【００１３】トーチ移動機構部３は、該機構部３の基準
位置３ａを中心にして、プラズマ加工用のトーチ４の先
端４ａを任意の距離だけ２次元方向Ｘ、Ｙへ移動させる
機構と、該移動した場合にトーチ先端４ａを基準位置３
ａを回転中心にして２次元平面ＸーＹ内で回転させる機
構とを有している。なお、かかる移動機構部３およびロ
ボット各軸は図示せぬコントローラにより駆動制御され
る。

【００１４】よって、いまＸーＹ平面上において中心が
Ｃ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、半径がｒの小円の切断加工を行わせ
ようとすると、先端軸１ａを含むロボットの各軸が駆動
され、基準位置３ａが中心ＣのＸ、Ｙ座標位置に合わせ
られるととともに、プラズマアークが最適に発生される
ようトーチ先端４ａが中心ＣのＺ座標位置から上方へ距
離ｈだけ離間された位置に合わせられる。かかるロボッ
ト各軸による位置決めの後、各軸が固定されたまま移動
機構部３が駆動制御され、トーチ先端４ａが基準位置３
ａから半径ｒだけ離間した周ＣＬに沿って回転移動され
る。これにより上記小円の切断加工が良好に行われる。

【００１５】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図３は
かかる構成のロボットにより対象ワークである丸パイプ
ＷＫの外壁に小円ＣＬを切断穴明けする様子を示したも
のである。図２（ａ）は丸パイプＷＫの斜視図であり、
図２（ｂ）、（ｃ）および図３は図２（ａ）を矢視Ａ方
向からみたパイプ断面図である。

【００１６】以下、図４に示すフローチャートを併せ参
照して制御内容を説明する。なお、同フローチャートは
上記コントローラで行われる処理手順を示したものであ
る。まず、コントローラには、切断加工しようとする切
断円の中心位置Ｃの座標位置およびその半径ｒを示すデ
ータが入力され、教示される。さらに、丸パイプＷＫの
曲率半径（外径）ρおよびトーチ４の移動速度ｖを示す
データが入力、教示される（ステップ１０１）。

【００１７】つぎに入力された切断円の中心位置Ｃ、半
径ｒおよびパイプＷＫの外径ρに基づき円周ＣＬ上の各
点Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3 …の各座標位置Ｐ（ｒ、θ、ｚ）が
図２（ａ）に示すようｒ−θーＺの極座標系の座標位置
として演算される。ここにＺ軸は鉛直方向の軸であり、
中心位置Ｃに位置している。ｒは水平方向の軸であり、
θは水平回転方向の軸である。

【００１８】つぎに入力されたパイプＷＫの外径ρと各
点Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3 …の座標位置（ｒ、θ）とに基づき
各点Ｐ1 …の法線方向が演算される。すなわち、周ＣＬ
上の任の点ＰのＸ軸方向位置、つまりパイプ断面に平行
な方向の軸上の位置は点Ｐの座標位置ｒ、θから求めら
れることは明白である（図２（ａ）参照）。したがっ
て、周ＣＬ上の位置としてたとえばパイプ断面上の点Ｄ
を例にとれば、図３に示すように点ＤのＸ軸方向位置は
Ｚ軸を原点として、ｒとなる。

【００１９】そこで、同図３に示す直角三角形ＫＥＤの
幾何学的関係から明かなように、点ＤにおけるパイプＷ
Ｋ表面の法線方向Ｈを示す角度φは、 φ＝ｓｉｎ-1（ｒ／ρ） …（１） のごとく演算される。各点Ｐ1 …についても同様に演算
され、各点Ｐ1 …における法線方向を示す角度φは上記
演算された各点Ｐ1 …の座標位置とともに図示せぬメモ
リに記憶される（ステップ１０２）。

【００２０】つぎに、先端軸１ａを含むロボット各軸が
駆動制御され、トーチ先端４ａが教示中心位置Ｃに位置
決めされる。なお、このときのトーチ先端４ａとパイプ
ＷＫとの鉛直方向（Ｚ軸方向）の距離は、加工を最適に
行うべく所定の一定値ｈになるように位置決めされてい
る（図２（ｂ）参照、ステップ１０３）。

【００２１】つぎに教示された半径ｒに基づき移動機構
部３が駆動制御され、トーチ４が中心位置Ｃから移動開
始され、中心Ｃからｒだけ離間した円周ＣＬに沿ってト
ーチ先端４ａが移動される（ステップ１０４）。円周Ｃ
Ｌに沿っての移動はステップ１０２で記憶された座標位
置データに基づき行われる。

【００２２】たとえば、いまトーチ先端４ａを点Ｄ上に
位置させる場合には、点Ｄに対応する座標位置（ｒ、
θ）に基づき移動機構部３がトーチ先端４ａを水平方向
に移動させ、トーチ先端４ａを座標位置（ｒ、θ）に位
置させる。しかし、この移動に伴いトーチ先端４ａとパ
イプＷＫの表面までの距離が変化して、同距離はｈ´と
なる（図２（ｂ）参照）。

【００２３】ここで、点ＤにおけるＺ軸位置ｚ1 は記憶
座標位置データにより判明している。このため、ロボッ
ト各軸が駆動制御され、トーチ４の姿勢が一定に保持さ
れたままの状態で、トーチ４が矢印Ｂに示すようにＺ軸
のマイナス極性方向（鉛直方向）に距離ｚ1 だけ移動さ
れる（Ｚ軸の原点をＣとする）。つまり、ｈ´ーｈだけ
トーチ先端４ａが同方向へ移動され、トーチ先端４ａと
パイプＷＫとの距離が一定値ｈにされる（図２（ｃ）参
照）。

【００２４】ところで、図３に示すようにトーチ先端４
ａがＣ点上に位置しているときトーチ４の長手方向４ｂ
は、点Ｃにおける法線方向と一致しており、法線方向に
おける厚さｔに応じて定まる所定の移動速度ｖでトーチ
４を移動させれば良好な加工を行うことができる。しか
し、トーチ先端４ａが点Ｄ上に位置したときトーチ４の
長手方向４ｂと点Ｄにおける法線方向Ｈとは一致しなく
なる。したがって上記ステップ１０２で記憶された点Ｄ
に対応する法線方向（φ）を読みだし、これとトーチ４
の長手方向４ｂとを一致させてやれば、厚さｔに応じた
同じ移動速度ｖをもって良好な加工が行われることにな
り、点Ｃのときと同様に点Ｄにおいても法線方向に切断
される。

【００２５】しかして法線方向Ｈを示す角度φだけトー
チ４が傾斜されるようロボット各軸が駆動制御される。
かかる駆動制御は、前述した移動機構部３によりトーチ
先端４ａを点Ｄ上に水平移動させる移動制御と、前述し
たトーチ先端４ａと点Ｄとの距離を一定値ｈに保持する
各軸の駆動制御と同期して行われる。この結果、トーチ
先端４ａが距離ｈを保持するよう円周ＣＬ上の点Ｄ上に
位置決めされると同時に、トーチ４の姿勢が矢印Ｊに示
すよう角度φだけ補正される。そして移動機構部３によ
りトーチ３の移動速度は厚さｔに応じた一定速度ｖに保
持される。この結果、トーチ４の長手方向４ｂとパイプ
ＷＫの法線方向Ｈとが一致して切断形状一定の切断加工
が良好になされる（ステップ１０５）。

【００２６】なお、実施例では、対象ワークとして断面
が円形のパイプを想定したが、これに限定されることな
く、あらゆる形状のワークに適用可能であり、ステップ
１０１においては任意形状ワークの各点における「曲率
半径」が入力されることになる。

【００２７】また、実施例では、トーチ４とワークとの
距離を一定値ｈに保持する制御をロボット各軸を駆動制
御させる（鉛直方向移動）ことにより行わせるようにし
ているが（ステップ１０５）、たとえば、図１に示すト
ーチ移動機構部３にトーチ４をＺ軸方向に移動させる機
構、つまり２次元平面ＸーＹに対してトーチ４を垂直方
向Ｚに移動させる機構を設けることによりロボット各軸
を駆動させずに行わせる実施も可能である。

【００２８】さらに、実施例では、トーチ４の姿勢を補
正する制御をロボット各軸を駆動制御させることにより
行わせるようにしているが（ステップ１０５）、同様に
図１に示すトーチ移動機構部３にトーチ４を傾斜揺動さ
せる機構を設けることによりロボット各軸を駆動させず
に行わせる実施も可能である。

【００２９】また、実施例では、プラズマ加工用のトー
チを有したロボットを想定したが、これに限定されるこ
となくレーザガン等あらゆる切断加工用のツールを有し
たロボットにも本発明は適用可能である。さらに、切断
加工に限定されることなく、ツールとワークとの距離を
一定に保持することが必要であり、かつツールの長手方
向とワークの法線方向とを常に一致させることが必要な
作業ロボットであれば、シーリング作業等の任意の作業
ロボットに本発明を適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、対
象ワークがいかなる形状であろうとも、ツールとワーク
との距離が一定となるよう制御され、かつワークの法線
方向とツールの長手方向とが一致するようにツールの姿
勢が補正制御されるので、２次元平面のワークのみなら
ず任意形状のワークを高精度かつ迅速に加工することが
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る作業ロボットの制御装置の
実施例の装置構成を概念的に示す斜視図である。

【図２】図２は実施例においてトーチとワークとの距離
を一定に保持する制御を説明するために用いた図であ
り、同図（ａ）は対象ワークである丸パイプの斜視図で
あり、同図（ｂ）、（ｃ）は同図（ａ）の矢視Ａ方向を
示す断面図である。。

【図３】図３は実施例の制御を説明するために用いた図
であり、トーチの先端の姿勢を補正する制御を示す図で
ある。

【図４】図４は実施例の処理手順を説明するフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１ ロボット先端アーム ３ トーチ移動機構部 ４ トーチ ＷＫ 丸パイプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボット各軸を駆動することにより
   ロボットアーム先端の基準位置をワーク上の所定位置に
   位置決めするとともに、前記ロボットアーム先端に設け
   られたツールの先端を、前記基準位置によって決定され
   るワーク上の目標経路に沿って移動させて作業を行う作
   業ロボットの制御装置において、 ティーチング時には、前記ワークの形状データに基づき
   前記目標経路に沿ったワーク表面の各位置と該ワーク表
   面の各位置における法線方向とを求め、記憶しておき、 プレイバック時には、前記ワーク表面の記憶位置に基づ
   き該記憶位置と前記ツールの先端との距離が一定値とな
   るよう前記ツールを前記ワークの方向へ移動させるとと
   もに、前記記憶法線方向に基づき該記憶法線方向に前記
   ツールの長手方向が一致するよう該ツールの姿勢を補正
   するようにした作業ロボットの制御装置。