JPH0724574A - 多関節溶接ロボットのウィービング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】正確な軌跡によるウィービング制御をなし得る
ようにする。 【構成】この発明では、指令振幅と実振幅との関係をウ
ィービング周波数および当該軸のイナーシャをパラメー
タとして各ウィービング対象軸毎にメモリテーブルに記
憶し、ウィービングの１周期毎に、ウィービング対象軸
の各イナーシャをそれぞれ求め、指定されたウィービン
グベクトルを各ウィービング対象軸毎の振幅成分に分解
し、前記メモリテーブルから前記分解した振幅成分値、
指令ウィービング周波数および前記求めたイナーシャ値
に対応する指令振幅値を出力する処理を各ウィービング
対象軸毎にかつウィービングの１周期毎に実行し、前記
導出した各ウィービング対象軸毎の指令振幅値を合成す
ることにより各ウィービング周期毎の指令ウィービング
ベクトルを算出し、該算出された指令ウィービングベク
トルに従ってウィービング駆動制御を実行するようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、多関節溶接ロボット
において、高精度のウィービング波形を実現するための
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接多関節ロボットにおいては、幅広の
溶接のために、溶接中にロボットが把持しているトーチ
を左右に振るウィービング制御を実行する場合がある。
このウィービングは、垂直多関節ロボットの場合、旋回
体側の３つの軸（第１軸〜第３軸、以下これらを基本３
軸という）を指定された周波数、振幅、波形（サイン
波、三角波）でトーチが動くように制御することによっ
て得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかるウィービング制
御において、最近は、ロボットの手首先端に取り付けら
れる機械的なウィービング装置に代わって、ロボットの
各軸をソフトウェアによって制御するのみでウィービン
グを実行するソフトウィービング制御が主流となってい
る。

【０００４】このソフトウィービング制御において、従
来、ウィービング周波数が振幅に影響を与えることに着
目し、ウィービング周波数に対するトーチ先端の振幅特
性を予め測定しておき、ウィービング開始時に指定され
た周波数、振幅となるような指令振幅を抽出するように
していたが、その結果はあまり思わしくなかった。

【０００５】その原因としては、ウィービング周波数以
外にも振幅に影響を与える要因が多く存在すると考えら
れる。

【０００６】すなわち、ウィービングの場合、各軸の速
度はウィービングの１周期中に正負に切り替わるため、
通常の動作では問題にならない減速機によるがたつきの
影響が大きく、またトーチ先端の位置（アームを延ばし
ている場合と延ばしていない場合の違い）によって動き
に差がでてきてしまう。特に、周波数１〜１０Ｈｚ、振
幅２〜１０ｍｍのサイン波形を高精度に実現することが
難しい。

【０００７】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、正確な軌跡によるウィービング制御をなし得
る多関節溶接ロボットのウィービング制御装置を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明では、旋回軸側
の数軸をウィービング対象軸とし、これらウィービング
対象軸をウィービングさせることによりウィービング制
御を行う多関節溶接ロボットのウィービング制御装置に
おいて、指令振幅と実振幅との関係をウィービング周波
数および当該軸のイナーシャをパラメータとして各ウィ
ービング対象軸毎に記憶するメモリテーブル手段と、ウ
ィービングの１周期毎に、ウィービング対象軸の各イナ
ーシャをそれぞれ求めるイナーシャ演算手段と、指定さ
れたウィービングベクトルを各ウィービング対象軸毎の
振幅成分に分解し、前記メモリテーブル手段から前記分
解した振幅成分値、指令ウィービング周波数および前記
求めたイナーシャ値に対応する指令振幅値を出力する処
理を各ウィービング対象軸毎にかつウィービングの１周
期毎に実行することにより各ウィービング対象軸毎の指
令振幅値を求める指令振幅演算手段と、前記導出した各
ウィービング対象軸毎の指令振幅値を合成することによ
り各ウィービング周期毎の指令ウィービングベクトルを
算出する指令ウィービングベクトル演算手段と、前記算
出された指令ウィービングベクトルに従ってウィービン
グ駆動制御を実行する駆動制御手段とを具えるようにす
る。

【０００９】

【作用】かかる発明においては、各ウィービング対象軸
毎の応答性の違い、ウィービング周波数、指令振幅の大
小による応答性の違い、各ウィービング対象軸のイナー
シャによる応答性の違いを考量して指令振幅を決定す
る。

【００１０】そして、各軸毎に単独でウィービングを実
行させて上記各パラメータの関係を予め測定し、、該測
定結果をメモリテーブルに記憶する。すなわち、メモリ
テーブルに、指令振幅と実振幅との関係をウィービング
周波数および当該軸のイナーシャをパラメータとして各
ウィービング対象軸毎に記憶する。

【００１１】ウィービングを実行する際には、以下の演
算をウィービングの各周期毎に繰り返し実行させる。

【００１２】まず、指定されたウィービングベクトルを
各ウィービング対象軸毎の振幅成分に分解し、各ウィー
ビング対象軸毎に前記メモリテーブル手段から前記分解
した振幅成分値、指令ウィービング周波数および前記求
めたイナーシャ値に対応する指令振幅値を出力する。

【００１３】次に、前記導出した各ウィービング対象軸
毎の指令振幅値を合成することにより各ウィービング周
期毎の指令ウィービングベクトルを算出し、該算出され
た指令ウィービングベクトルに従ってウィービング駆動
制御を実行する。

【００１４】

【実施例】以下この発明を添付図面に示す実施例に従っ
て詳細に説明する。

【００１５】この発明においては、ウィービング振幅に
影響を与える要因として以下の４つのものを考慮に入れ
る。

【００１６】(1)基本３軸の応答性の違い (2)ウィービング周波数ｆ (3)指令振幅Ａiの大小による応答性の違い (4)駆動軸のイナーシャＭによる応答性の違い なお、(1)の基本３軸の応答性の違いは、各軸の減速機
モータの違いによると考えられる。

【００１７】すなわち、基本３軸各々について上記(2)
(3)(4)の特性を予め調べておき、各軸毎に実際の振幅を
Ａrとするときの指令振幅Ａiを、下式の関係にしたがっ
て抽出する。

【００１８】Ａi＝Ｒi（Ａr，ｆ，Ｍ） i=1〜3 そして、ウィービングの１周期毎に指定されたウィービ
ングベクトルを基本３軸の動作方向の成分にそれぞれ分
配し、これら分配した成分値をそれぞれ前記実振幅値Ａ
rとして前記関係式に従って各軸の指令振幅Ａiを求め、
該求めた各軸の指令振幅Ａiを合成することにより指令
ウィービングベクトルを算出する。

【００１９】以下、詳細を述べる。

【００２０】図１はこの発明の実施例を示すもので、こ
の場合はモータ７を６個備えた６軸多関節ロボットを想
定している。

【００２１】軌道生成部１は指定された溶接線に沿って
ツール先端を移動させるためのツール先端の目標座標位
置および目標ツール姿勢（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｔ）を演算し、
これらを順次加算点４に出力する。

【００２２】イナーシャ検知部８は、ウィービングの１
周期毎に基本３軸のイナーシャＭをそれぞれ算出し、こ
れらをウィービング振幅補償部２へ入力する。なお、こ
の場合、第１軸のイナーシャＭ1は第１軸中心とツール
先端との距離Ｌで代用し、第２軸イナーシャは第３軸の
角度θ3で代用する。

【００２３】ウィービング振幅補償部２は、本発明の要
部であり、前述したように、ウィービング１周期毎に、
ウィービング振幅をウィービング周波数ｆや駆動軸のイ
ナーシャＭによって補償することにより指令ウィービン
グベクトルを算出する。この補償部２の動作内容につい
ては、後で詳述する。

【００２４】ウィービング移動量算出部３は、補償部３
で算出された指令ウィービングベクトルに基づき前記目
標座標位置を増減するためのウィービング移動量（Δ
Ｘ，ΔＹ，ΔＺ，）を演算し、これらを順次加算点４に
出力する。

【００２５】加算点４はツール先端の目標座標位置およ
び目標ツール姿勢（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｔ）にウィービング移
動量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を加算し、その加算結果を逆
変換部５に出力する。

【００２６】逆変換部５では、入力されたＸＹＺ座標系
の目標座標位置及びツール姿勢をロボット各軸の角度デ
ータθ1〜θ6に変換し、これら角度データθ1〜θ6をサ
ーボ制御部６に出力する。サーボ制御部６では、入力さ
れた角度データθ1〜θ6にしたがって各軸のモータ７を
それぞれ駆動する。

【００２７】次に、ウィービング振幅補償部２について
説明する。

【００２８】ウィービング振幅補償部２には、図２に示
すように、各軸毎のウィービング特性が記憶されたルッ
クアップテーブル１０が備えられている。

【００２９】すなわち、該ルックアップテーブル１０に
おいては、第１軸、第２軸、第３軸毎に、複数（n個）
のイナーシャ値Ｍ0〜Ｍnについての指令振幅Ａiと実振
幅Ａrとの関係がウィービング周波数ｆ1〜ｆn（図２で
は３、５、１０Ｈｚの３つの周波数のみが示されてい
る）別に記憶されている。また、この場合、実振幅Ａr
も、n個の異なる値が測定されているとする。なお、こ
の場合、第１軸のイナーシャＭ1は、前述したように、
第１軸中心とツール先端との距離Ｌで代用し、第２軸イ
ナーシャは第３軸の角度θ3で代用するとする。

【００３０】上記第１軸に関しての特性関係は、第１軸
のみを駆動することによりウィービングを実行させ、そ
のときの上記各値を測定することによって得るようにす
る。第２軸に関しての特性関係も同様であり、第２軸の
みを駆動することによりウィービングを実行させ、その
ときの上記各値を測定するようにする。第３軸に関して
の特性関係についても同様であり、第３軸のみを駆動す
ることによりウィービングを実行させ、そのときの上記
各値を測定するようにする。

【００３１】次に、ウィービング振幅補償部２で行われ
る振幅補償処理について図３のフローチャートに従って
説明する。

【００３２】この振幅補償処理は以下の３つの処理に大
別される。

【００３３】(i)ウィービングベクトルの分解 (ii)振幅補償処理 (iii)合成処理 以下、順を追って説明する。

【００３４】(i)ウィービングベクトルの分解 この処理では、ウィービングベクトルを基本３軸（第１
軸、第２軸、第３軸）の成分に分解する。

【００３５】図４に示すように、ウィービングベクトル
をＷr（｜Ｗr｜：振幅）とする。ツール先端位置はベー
ス座標［Ｘ，Ｙ，Ｚ］または各軸角度の座標系［θ1，
θ2，θ3，θ4，θ5，θ6］で表すとする。なお、図４
（ａ）は平面図である。

【００３６】このウィービングベクトルの分解処理は、
以下の３手順によって構成されている。

【００３７】 (a)波形補償座標系［Ｘe，Ｙe，Ｚe］に変換 (b)第１〜第３軸の動作方向ベクトルを算出 (c)第１〜第３軸の振幅を算出 以下、順に説明していく。

【００３８】 (a)波形補償座標系［Ｘe，Ｙe，Ｚe］に変換 この処理では、ウィービングベクトルＷrをベース座標
系から波形補償座標系に変換する。波形補償座標系と
は、図４に示すように、ベース座標系を第１軸を中心に
θ1だけ回転させた座標であり、その変換マトリックス
Ｍeを以下のようになる。

【００３９】 そして、以下の変換式を用いてウィービングベクトルＷ
rをベース座標系から波形補償座標系［Ｘe，Ｙe，Ｚe］
に変換する。

【００４０】Ｗre＝Ｍe・Ｗr (b)第１〜第３軸の動作方向ベクトルを算出 次に、波形補償座標系［Ｘe，Ｙe，Ｚe］での各軸の動
作方向ベクトルu1，u2，u3を算出する（図３ステップ１
００）。

【００４１】なお、 u1；第１軸動作方向の単位ベクトル u2；第２軸動作方向の単位ベクトル u3；第３軸動作方向の単位ベクトル とする。

【００４２】各単位ベクトルu1，u2，u3の算出式は以下
の通りである。

【００４３】u1＝［０，１，０］ u2＝［(Z-E0/K，0，(E8-X)/K］ u3＝［-sin(θ2+θ3)，０，-cos(θ2+θ3)］ E0.E8は本体定数で、Kは以下の通りである。

【００４４】 (c)第１〜第３軸の振幅を算出 次に、ウィービングベクトルＷre［Wrex，Wrey，Wrez］
を各軸の動作方向［u1，u2，u3］の成分に分解して各軸
の振幅a1，a2，a3を算出する（図３ステップ１１０）。
ただし、各軸の回転軸方向に垂直な平面にツール先端と
軸を結んだベクトルを投影し、このベクトルに直角な方
向を各軸の動作方向［u1，u2，u3］とする。そして、ウ
ィービング方向Ｗreをu1，u2，u3に投影したものを各軸
のウィービング成分a1、a2、a3とする。

【００４５】なお、 Ｗre=a1・u1+a2・u2+a3・u3 a1；第１軸振幅 a2；第２軸振幅 a3；第３軸振幅 とする。

【００４６】各軸の振幅a1、a2、a3を求めるための演算
式は以下の通りである。

【００４７】a1=Wrey a2=｛Wrex・cos(θ2+θ3)-Wrez・sin(θ2+θ3)｝・K／
(E2・cosθ3) a3=｛Wrex・(E8-X)-Wrez・(Z-E0)｝・K／(E2・cosθ3) なお、E0,E2,E8は本体定数で、Kは以下の通りである。

【００４８】 (ii)振幅補償処理 次に、振幅補償の手順について説明する。

【００４９】ウィービング周波数をｆとする。

【００５０】まず、第１軸の指令振幅 A1を算出するた
めの手順について説明する。

【００５１】初めに、イナーシャ検知部８では、第１軸
の軸中心からツール先端［Ｘ，Ｙ，Ｚ］までの距離Ｌを
下式に従って算出し、該算出した距離Ｌをウィービング
振幅補償部２に出力する。この距離Ｌの算出はウィービ
ング１周期毎に行われる。

【００５２】 上記距離Ｌは前述したように第１軸のイナーシャＭの代
用として使われる。

【００５３】ここで、図２に示したウィービング特性が
記憶されたルックアップテーブル１０においては、ウィ
ービング周波数ｆ、実振幅Ａr、およびイナーシャＭは
それぞれｎ個の値しかプロットされていない。そこで、
これら各パラメータについて、連続した特性値が得られ
るように以下のような内挿処理を実行する。

【００５４】まず、今回のウィービング周波数ｆが第１
軸用ルックアップテーブルに記憶された各値中のどの値
ｆi0とどの値ｆi0+1の間にあるかを調べる。同様に、実
振幅Ａrについても、先の演算で求めた第１軸振幅値｜a
1｜が第１軸用ルックアップテーブルに記憶された各値
中のどの値ｒj0とどの値ｒj0+1の間にあるかを調べる。
さらに、ツール先端までの距離Ｌについても、今回の距
離Ｌが第１軸用ルックアップテーブルに記憶された各値
中のどの値Ｌk0とどの値Ｌk0+1の間にあるかを調べる。

【００５５】すなわち、 ｆio≦ｆ＜ｆi0+1 ｒj0≦｜a1｜＜ｒj0+1 Ｌk0≦ Ｌ＜Ｌk0+1 が成立する各値ｆio、ｆi0+1、ｒj0、ｒj0+1、Ｌk0、Ｌ
k0+1を求める。

【００５６】上記各値が算出されると、下式（１）にし
たがって第１軸の振幅指令A1を算出する。

【００５７】 なお、上記（１）式で用いられる各パラメータ値は下式
に示す通りである。

【００５８】 Rfi0=｛R1［ｆi0，ｒj0，Ｌk0］+R1［ｆi0，ｒj0，Ｌk0
+1］+R1［ｆi0，ｒj0+1，Ｌk0］+R1［ｆi0，ｒj0+1，Ｌ
k0+1］｝／４=ΣR1［ｆi0，ｒj，Ｌk］／４ Rfi0+1=ΣR1［ｆi0+1，ｒj，Ｌk］／４ Rrj0 =ΣR1［ｆi，ｒj0，Ｌk］／４ Rrj0+1=ΣR1［ｆi，ｒj0+1，Ｌk］／４ Rlk0 =ΣR1［ｆi，ｒj，Ｌk0］／４ Rlk0+1=ΣR1［ｆi，ｒj，Ｌk0+1］／４ i=i0,i0+1 j=j0,j0+1 k=k0,k0+1 ただし、 ｆ＜ｆ1のときｆ＝ｆ1とする ｆ≧ｆnのときｆ＝ｆnとする ｜a1｜≧ｒ1のときj0=0,ｒj0=0,R1［ｆi，ｒj0，Ｌk］=
0とする ｜a1｜≧ｒnのときj0=0,ｒj0=0,R1［ｆi，ｒj0，Ｌk］=
0,j0+1=nとする （範囲外の時、実振幅：指令振幅の比率は境界と等しく
する） Ｌ＜Ｌ1のときＬ＝Ｌ1とする Ｌ≧ＬnのときＬ＝Ｌnとする なお、上記（１）式において、例えば、R1［ｆi0，ｒj
0，Ｌk0］は第１軸用のルックアップテーブルにおい
て、周波数がｆi0で、第１軸実振幅がｒj0で、ツール先
端までの距離がＬk0のときに前記ルックアップテーブル
から得られる指令振幅値を示している。

【００５９】以上が、第１軸の振幅指令A1の算出手順で
ある。

【００６０】次に、第２軸の指令振幅 A2を算出するた
めの手順について説明する。

【００６１】この第２軸の指令振幅 A2の算出の際は、
イナーシャ値として、第３軸の角度θ3を代用するよう
にしており、それ以外は前述した第１軸の指令振幅と同
じである。

【００６２】次に、第３軸の指令振幅 A3の算出手順に
ついて説明する。

【００６３】第３軸については、イナーシャの影響が極
く僅かであるので、この場合はイナーシャ一定として、
イナーシャは考慮にいれない。従って、指令振幅 A3の
算出の際は、ウィービング周波数ｆと第３軸実振幅｜a3
｜の２つのパラメータを考慮にいれる。それ以外は前述
した第１軸の指令振幅と同じである。

【００６４】このようにして、第１軸〜第３軸の指令振
幅 a1、a2、a3が算出される（図３ステップ１２０）。

【００６５】(iii)合成処理 次に、各軸のウィービング成分を合成したものを求め、
これを次回周期までの指令ウィービングベクトルとして
出力する（図３ステップ１３０）。

【００６６】すなわち、まず波形補償座標系［Ｘe，Ｙ
e，Ｚe］で、先に算出した第１軸〜第３軸の指令振幅 a
1、a2、a3を下式に従って合成する。

【００６７】Ｗie=A1・u1+A2・u2+A3・u3 なお、Ｗieは波形補償座標系での指令ウィービングベク
トルである。

【００６８】次に、この指令ウィービングベクトルＷie
を下式を用いてベース座標［Ｘ，Ｙ，Ｚ］に変換する。

【００６９】 なお、Ｗiはベース座標系での指令ウィービングベクト
ルである。

【００７０】ウィービング振幅補償部２においては、上
記の演算を例えばウィービングの位相が０゜の度に行う
ことにより上記演算をウィービングの１周期毎に実行
し、該演算結果Ｗiを次回周期までの指令ウィービング
ベクトルとしてウィービング移動量算出部３に出力する
（図３ステップ１４０〜１６０）。

【００７１】次に、第１軸のみをウィービングする場合
についての振幅補償手順を図５を参照して説明する。

【００７２】(a)ウィービングの１周期毎に（例えばウ
ィービング波形の位相０゜毎に）その時点におけるイナ
ーシャＭを算出する。

【００７３】(b)そして、該算出されたイナーシャＭの
他にウィービング開始時に設定された周波数ｆと第１軸
の振幅Ａrを用いて、第１軸のルックアップテーブルか
ら指令振幅Ａiを求める。

【００７４】(c)該求めた指令振幅Ａiを次回周期までの
指令振幅Ａiとしてウィービング指令を出力する。

【００７５】以上の処理をウィービングの１周期毎に繰
り返し実行する。

【００７６】なお、上記実施例では、第１軸のイナーシ
ャは第１軸からツール先端までの距離で代用し、第２軸
のイナーシャは第３軸の角度で代用するようにしたが、
これらを他の値で代用するようにしてもよく、またこれ
らイナーシャ値自体を演算で求めるようにしてもよい。

【００７７】また、ルックアップテーブルに対し、各測
定値を連続的な値として数多く記憶させるようにすれ
ば、前述した内挿処理を行わなくても精度の良い指令振
幅を得ることができる。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
各ウィービング対象軸毎の応答性の違い、ウィービン
グ周波数、指令振幅の大小による応答性の違い、各ウィ
ービング対象軸のイナーシャによる応答性の違いを考量
して指令振幅を決定するようにしたので、正確な軌跡に
よるウィービング制御をなし得、ウィービングの精度を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック図。

【図２】ルックアップテーブルの記憶内容を示す図。

【図３】この発明の実施例を示すフローチャート。

【図４】ウィービングベクトルの分解処理を説明する
図。

【図５】第１軸のみをウィービングさせる場合の振幅補
償処理を説明するための図。

【符号の説明】

１…軌跡生成部 ２…ウィービング振幅補償部 ３…ウィービング移動量算出部 ５…逆変換部 ６…サーボ制御部 ７…各軸モータ １０…ルックアップテーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２５Ｊ 9/16 Ｇ０５Ｂ 19/18 19/4093

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】旋回軸側の数軸をウィービング対象軸と
   し、これらウィービング対象軸をウィービングさせるこ
   とによりウィービング制御を行う多関節溶接ロボットの
   ウィービング制御装置において、 指令振幅と実振幅との関係をウィービング周波数および
   当該軸のイナーシャをパラメータとして各ウィービング
   対象軸毎に記憶するメモリテーブル手段と、 ウィービングの１周期毎に、ウィービング対象軸の各イ
   ナーシャをそれぞれ求めるイナーシャ演算手段と、 指定されたウィービングベクトルを各ウィービング対象
   軸毎の振幅成分に分解し、前記メモリテーブル手段から
   前記分解した振幅成分値、指令ウィービング周波数およ
   び前記求めたイナーシャ値に対応する指令振幅値を出力
   する処理を各ウィービング対象軸毎にかつウィービング
   の１周期毎に実行することにより各ウィービング対象軸
   毎の指令振幅値を求める指令振幅演算手段と、 前記導出した各ウィービング対象軸毎の指令振幅値を合
   成することにより各ウィービング周期毎の指令ウィービ
   ングベクトルを算出する指令ウィービングベクトル演算
   手段と、 前記算出された指令ウィービングベクトルに従ってウィ
   ービング駆動制御を実行する駆動制御手段と、 を具える多関節溶接ロボットのウィービング制御装置。
2. 【請求項２】前記多関節溶接ロボットは６軸ロボットで
   あり、前記ウィービング対象軸は第１軸、第２軸及び第
   ３軸である請求項１記載の多関節溶接ロボットのウィー
   ビング制御装置。
3. 【請求項３】前記指令振幅演算手段は、前記メモリテー
   ブル手段から出力した指令振幅値に内挿演算を施して各
   ウィービング対象軸毎の指令振幅値を算出する請求項１
   記載の多関節溶接ロボットのウィービング制御装置。