JPH0741418B2 - 溶接ロボットの制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多関節型アーク溶接ロ
ボットの溶接線倣い制御における制御方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、消耗電極式アーク溶接機で図１
（ａ）に示すような隅肉溶接や、図１（ｂ）に示すよう
なＶ開先溶接を行う場合、ウィービング運動する溶接ト
ーチ１を搭載した台車を開先線に沿って走行させている
が、台車がワークの開先線に沿って正しく走行しないと
きは溶接部２が偏って溶接される。この問題点を除去す
るため、溶接トーチ先端のウィービングの中心が、溶接
線から偏った場合、ウィービング両端における溶接電流
又は電圧が異なったものとなることを利用し、溶接トー
チ１を溶接線に対し、ウィービング方向に水平に移動さ
せるアクチュエータを設け、これを前記ウィービング両
端での検出値の差が０になるように制御して左右にずれ
のない溶接ビードが得られるようにし、またその検出値
が常に一定になるように垂直方向（消耗電極方向）にア
クチュエータを制御する溶接線自動追従倣い制御装置が
提案されている。この倣い方式を公知の円筒座標ロボッ
ト（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ
ｒｏｂｏｔ）、極座標ロボット（ｐｏｌａｒ ｃｏｏ
ｒｄｉｎａｔｅｓ ｒｏｂｏｔ）、直角座標ロボット
（ｃａｒｔｅｓｉａｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｒｏ
ｂｏｔ）、多関節ロボット（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ
ｒｏｂｏｔ）で実行する場合を考えると、例えば図２に
示すような構成のアーク溶接ロボットとなる。この図２
に示すものは多関節ロボットに前記方式を適用した場合
の一例を示すもので、ロボットの手首にウィービング装
置３と水平駆動アクチュエータ４、及び垂直駆動アクチ
ュエータ５を装備したものであるが、２軸のアクチュエ
ータとウィービング装置の合計３軸の駆動源がロボット
手首に装着されることになるため、その重量と大きさが
問題になる。即ち、作業ツールが重くなると、ロボット
手首への負担が大きくなり、手首の耐久性から好ましく
ないし、また作業ツールが大きくなると、狭い所へ入っ
て行わないため、溶接箇所の制約を受け、汎用性を損う
欠点がある。また、提案されている前記溶接線自動追従
倣い制御装置には、溶接ロボットに必要な以下の技術・
手段が何ら開示されていない。すなわち、手首角度（溶
接トーチ姿勢）制御や多数ブロックから成る被溶接物の
ブロック切替方法（曲り角検出方法）やワークずれのた
め、被溶接物の溶接開始点に溶接トーチが正しくセット
されないときの迅速な溶接開始点への接近方法や、間欠
的に与えられるウィービング両端での軌跡修正信号間の
３次元的溶接トーチ駆動方法が、この先行技術には何ら
示されておらず、汎用の３次元ワーク溶接倣いに使用で
きないという欠点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のよう
に、ロボットの手首に、ウィービング装置３、水平駆動
アクチュエータ４及び垂直駆動アクチュエータ５を装備
しなくとも、それらを装備した場合と同様の動作を行う
多関節型溶接ロボットを提供することができる制御方法
を得ることを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の目的を達
成するためになされたもので、溶接トーチ先端をウィー
ビングさせ、教示線に沿って移動させる多関節型溶接ロ
ボットであって、ウィービング両端での溶接電流又は溶
接電圧を検出し、その検出値の変化により被溶接物の実
際の溶接線のずれを検知し、前記検出値から演算した軌
跡修正信号によって溶接線に沿った溶接トーチ先端の移
動軌跡を修正するようにした多関節型溶接ロボットにお
いて、前記軌跡修正信号によってロボット基本３軸又は
基本３要素を制御することにより、前記溶接トーチ先端
のウィービング動作およびウィービング中心の軌跡の修
正動作を行うと共に、実際の溶接開始点が既に教示され
ている溶接開始点よりずれているとき、実際の溶接線に
到達するまでの溶接速度及び溶接電流を正規の値より下
げウィービング周波数と軌跡修正量を正規の値より大き
くすることを特徴とする多関節型溶接ロボットの制御方
法である。

【作用】本発明によると、ワーク精度が悪く、実際のワ
ーク溶接点がティーチングされた点から大巾にずれてい
ても、高価なビジョンシステム等の形状認識装置がなく
ても、実際の溶接開始点までに溶接しながら、極めて短
い区間で追従させることができる為に、タクトタイムの
短縮が図れ、最小限の追従区間で溶接を実行させること
が可能となる。

【０００５】

【実施例】以下にその制御方法について更に図面を参照
しながら説明する。図３は本発明を実行するための多関
節型ティーチング・プレイバック・ロボットの一例を示
すもので、１１が消耗電極式溶接トーチである。この溶
接ロボットは、土台１２上に屈曲する２つのアーム１
３，１４を具えた旋回体１５を設け、アーム１３の先端
に取付けられた溶接トーチ１１はふり角度及びひねり角
度を駆動モータで変えられるようになっており、溶接ト
ーチ１１のウィービングは、アーム１３と１４と旋回体
１５を制御して行なわれる。周知のように、ティーチン
グ・プレイバック・ロボットは、図示しないティーチボ
ックスで２点を教示すると、直線補間によってその２点
間を結ぶ直線上を溶接トーチ１１が移動する。従って、
図４に示すような曲線からなるワーク溶接線Ｒを追跡さ
せるような場合には、軌跡修正機能を持たないロボット
では多数の教示点を与えないと、適正な溶接を行なうこ
とができない。そこで、この発明ではおおまかにＰ_１，
Ｐ_２，Ｐ_３の３教示点を与えるだけで、ワーク溶接線Ｒ
を追跡する制御方法を提供しようとするものである。こ
の実用的価値は、溶接開始前の教示作業を簡単化し、ロ
ボットの取扱を容易にすると共に、ワークの精度が悪い
場合でも適正な溶接が実行されることを可能とするもの
である。

【０００６】先ず原理について説明する。ロボットの溶
接トーチ１１の先端がワークの溶接線Ｒ上の軌跡を動く
ためには前述のずれ量検出のためのウィービング運動を
続け乍ら、溶接トーチのウィービング中心を常に溶接線
上に持って行うようにすればよい。そして、ウィービン
グ中心が溶接線Ｒ上をたどるためには、公知のセンサか
ら与えられるウィービング両端での軌跡修正信号に対応
した方向にウィービング中心を移動させ、その後、

【０００７】

【外１】

【０００８】これら３つの動き、即ちウィービング運
動、ウィービング中心の軌跡修正、ティーチング軌跡の
３次元平行シフトされた軌跡上をウィービング中心が移
動する運動をロボット基本３軸又は基本３要素で実行さ
せ、ウィービング中心より等しい距離だけ溶接線に対し
左右にウィービングしながら両端での軌跡修正信号が与
えられると、その方向へウィービング中心を移動させ、
移動完了後は３次元平行シフトされた新たな軌跡上をウ
ィービング中心が移動、与えられないときにはもとの軌
跡上を移動しながら次の軌跡修正信号を持つ動作をくり
返し，Ｐ_２”に到達する。

【０００９】

【外２】

【００１０】せ乍ら追跡動作を行なわせればワーク溶接
線Ｒの追跡制御が実行されることになる。この平行シフ
ト方向の切換を行うための変曲点Ｐ_２”の検出は、曲り
角検出監視点Ｐ_２０を∠Ｐ_１Ｐ_２Ｐ_３の補角側に定め、
溶接トーチ先端のウィービング中心との距離ｍを常に演
算し、その最小値よりある変動巾だけ大きくなった点を
検出すればＰ_２”が求めることが出来る。なおＰ_２０は
∠Ｐ_１Ｐ_２Ｐ_３の２等分線上に設定されることが望まし
い。このようにして追跡制御を行えば、従来法に比し、
極めてラフなティーチング（教示）で、適正なウィービ
ング溶接が実行され、溶接ロボットの運転操作に貢献す
るところ極めて大である。次に、ロボット基本３軸又は
基本３要素によるウィービング運動に関し図５に基づき
説明する。ロボット運転に先立って先ず、ウィービング
の方向、振巾、周波数等、倣い溶接上必要な条件をティ
ーチングする必要がある。前記教示点Ｐ_１，Ｐ_２間でＱ
_１，Ｑ_２，Ｑ_３の３点を任意にティーチングすることに
より、ウィービングの方向と振巾を設定する。２点
Ｑ_１，Ｑ_２のみでは溶接線に対するウィービングする面
が決まらないため、点Ｑ_３を設定するものである。

【００１１】

【外３】

【００１２】

【数１】

【００１３】Ｐ_１，Ｐ_２，Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３は教示され
た点であり、その座標値は判明しているので、α，β，
γ，α’，β’，γ’，λ，μ，νすなわちｘ_Ｗ，
ｙ_Ｗ，ｚ_Ｗ，は演算装置により簡単に求められる。 ウ
ィービング中心はＨであるが、説明をわかりやすくする
ために、本記載事項中では、交点Ｗをウィービング中心
と仮称する。このウィービング中心Ｗが図４におけるＰ
_１から始まり、倣い動作をしながらＰ_２’点に到達する
ことになる。ロボットの手首に装着した溶接トーチ先

【００１４】

【外４】

【００１５】こゝにいう基準クロックとは、一般にサー
ボクロックと称される信号で、図４に示す分周、立上り
微分回路３７の出力信号である。その詳細は図１８に関
する説明で後述するが、同図ＢＲＭ（Ｂｉｎａｒｙ Ｒ
ａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）の出力、即ちロボッ
トを構成している各軸の位置サーボへのパルス列信号と
しての位置サーボ指令が同図に示すクロックφとＢＲＭ
ビット数で決まる時間で払い出し完了となる周期を有す
るクロックのことである。そしてその周期を基準クロッ
ク周期と称する。この基準クロック周期内に各軸への次
の位置サーボ指令データ、即ち、同図に示すバッファ４
１への入力データが演算器３１で演算される。なおこの
演算クロック周期は、通常数ｍｓに設定され、この基準
クロック周期毎にロボット各軸の移動量をインクリメン
タル演算し、きめの細いウィービング運動を行なわせる
ものである。ウィービング運動を行なわせるにあたり、
最初このＫをＫ＝１とし、基準クロック周期毎にＫ＝Ｋ
＋１となる値にＫを増分させていく。こゝで、基準クロ
ック周期をＣ_０、ウィービング周波数をｈ、ウィービン
グ振巾の半分をｊとすると、

【００１６】

【数２】

【００１７】

【外５】

【００１８】

【数３】

【００１９】で求められる。左右方向の方向余弦は前記
α，β，γとなる。図６は８通りの左右上下の修正ベク
トルを示す。

【００２０】

【外６】

【００２１】

【数４】

【００２２】となる。ウィービング中心、Ｗの修正なし
のときの進行方向はＰ_１Ｐ_２に平行であり、その方向余
弦は前記（λ，μ，ν）となる。図７はウィービング中
心Ｗを（λ，μ，ν）の方向へγだけ移動させながら修
正させることを示す図である。合成された実際のＷの修
正ベクトルδのｘ，ｙ，ｚ成分δｘ，δｙ，δｚは次式
より求まる。

【００２３】

【数５】

【００２４】指定された溶接速度Ｖを実現するために平
行移動モード時の基準クロック毎の移動量は

【００２５】

【数６】

【００２６】

【外７】

【００２７】

【数７】

【００２８】図７のベクトルδをたどる修正モードでは
ｒ方向が指定速度Ｖで制御されるのでｒ／Ｖなる時間に
Ｗはδだけ移動する。よって基準クロック１回当りのδ
方向

【外８】

【００２９】

【数８】

【００３０】

【外９】 このδ_ｘ１，δ_ｙ１，δ_ｚ１が修正モード終了時δｘ，
δｙ，δｚと一致するように修正モードの最終回でその
差を補正する。

【００３１】

【数９】

【００３２】を基準クロック毎に求め、最小値を保存
し、ＷがＰ_２に近づくにつれ最小値が更新され、ＷがＰ
_２”点を過ぎるとＤが最小値より大きくなる。ＷのＰ_１
Ｐ_２”への進行につれて平均的には距離Ｄは小さくなっ
ていくが、修正モードでの修正ベクトルの出かたによっ
ては必ずしもミクロな意味でＤは小さくなるとはかぎら
ない。このため現在までの最小値にある微小な変動巾を
持たせ、それを越えた点をそのブロックの終点とする。
この曲り角認識方法は、図４に示すようななだらかな曲
り角検出には有効であるが、急峻な直角コーナ等の曲り
角には適用できない。よって図１３，図１４で説明する
曲り角認識法と併用することになる。つぎにロボット手
首軸の制御について説明する。 手首姿勢は、溶接線に
沿いトーチ角、前進角が溶接上で決まるある変化巾内に
あるよう制御されねばならない。教示点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ
_３点での手首姿勢は当然正しくティーチングされてい
る。Ｐ_１Ｐ_２への溶接倣いの場合、手首ふり軸Ｂ、ひね
り軸ＴのＰ_１，Ｐ_２点での値をＢ_１，Ｔ_１，Ｂ_２，Ｔ_２
として、基準クロックＣ_０当りの増分量ΔＢ，ΔＴは次
式より求められる。

【００３３】

【数１０】

【００３４】ブロックの終点Ｐ_２”でのＢ，ＴはＢ_２，
Ｔ_２と一般に等しくならないが、図４ではワークのずれ
が跨張して書かれているにすぎず、現実の対象ワークで
のＰ_２，Ｐ_２”点間の距離は小さいため、この差は何ら
実用上の支障にならない。従って溶接倣い中、常に適正
な溶接トーチ姿勢が保たれる。（１）式のＸ，Ｙ，Ｚ値
は制御点である溶接トーチ先端の値であるから、（１）
式を求めるために、ロボットの形態が直交形、多関節
形、円筒形、極座標形を問わず、メモリに格納されてい
るＰ_１，Ｐ_２，Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３の各駆動軸座標データ
から直交座標への変換が必要となる。また（１７）式、
（２０）式で計算された時々刻々（基準クロック毎）の
溶接トーチのあるべき位置（Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ，Ｚ_ｎ，Ｂ_ｎ，
Ｔ_ｎ）をロボットとして実現するために（１７）式の解
Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ，Ｚ_ｎをロボット基本３軸の駆動軸データに
逆変換しなければならない。ロボット手首軸データはＢ
_ｎ，Ｔ_ｎとなる。図３に示した実施例ロボットの基本３
軸、すなわち３要素の旋回体１５アーム１３，１４はそ
れぞれ回転角φ，ψ，θで制御され、手首ふり軸、ひね
り軸は回転角Ｂ，Ｔで制御される。制御点Ｐは溶接トー
チ１１の先端である。手首ふり軸回転中心より距離Ａ、
ひねり軸回転中心より距離ｄ離れた点Ｐがティーチング
された制御点であるから、その直交座標値は

【００３５】

【数１１】

【００３６】（２１）式，（２２）式はそれぞれのロボ
ット形態に応じ、夫々定義される。図８はウィービング
両端での溶接電圧、溶接電流等から上，下，左，右方向
へ一定量ｑだけ移動させるための軌跡修正信号を発生さ
せるセンサ回路部である。図５図で説明したＱ_１，
Ｑ_２，Ｑ_３がティーチングで与えられると、垂線の足Ｈ
の座標は求まり、それをｘ_ｈ，ｙ_ｈ，ｚ_ｈとすると、ウ
ィービングの現在値ｘ_ｋ，ｙ_ｋ，Ｚ_ｋ（（６）式）より
現在の振巾ｊ’が求まる。

【００３７】

【数１２】

【００３８】このｊ’がｊとなったときがウィービング
端であり、このときセンサ回路部へ測定開始指令が与え
られる。溶接トーチのウィービング中心が実際の溶接線
より溶接線方向に対し右にずれているときには“左”信
号が発生される。左にずれたときには“右”信号が発生
される。ウィービング両端の値の平均値がプリセットさ
れている値より大きいときには“上”信号が、小さいと
きには“下”信号が発生される。この上下左右信号は８
通りの組み合わせがある（図６参照）。図９にこゝで言
う上下左右の方向を示す。左右はウィービング方向で、
上下は溶接トーチ方向、すなわちワイヤ電極１１ａの出
てくる方向である。図１０はウィービング教示パターン
の自動継続を説明するための図である。図において
Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３は図５同様ティーチング点、Ｑ_１，Ｑ
_２’，Ｑ_３は図５と全く同じことを意味する。

【００３９】

【外１０】

【００４０】

【数１３】

【００４１】

【外１１】

【００４２】り返しながらウィービングが適正な方向に
自動継続される。途中にウィービングをしないエアーカ
ットのブロックがあっても演算上は上記計算を続行する
のでエアーカット後の溶接線でもウィービング点Ｑ_１，
Ｑ_２，Ｑ_３のティーチングは不要である。換言すると、
Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３のティーチングは１回で済む。ティー
チング点Ｐ_１，Ｐ_２間の同一ブロック内で、ティーチン
グされている軌跡と実際のワーク溶接線のずれ角ξ（図
１１，図１２参照）には溶接倣い上の制約がある。すな
わちウィービング周波数ｈ（Ｈｚ）、溶接濃度Ｖ（ｍｍ
／ｍｉｎ）、図６に示した軌跡修正量ｑ（ｍｍ）、また
は√２ｑ（ｍｍ）によりζの許容最大値ζ_ｍａｘが決ま
る。

【００４３】

【数１４】

【００４４】このζ_ｍａｘ以下なら同一ブロック内での
溶接倣いが可能となり、本来曲り角とみなす必要はな
い。 しかし、こゝではζ_ｍａｘ／２を同一ブロック内
の許容角度とする。今ｈ＝２Ｈｚ、ｑ＝０．７ｍｍ、Ｖ
＝３００ｍｍ／ｍｉｎではζ_ｍａｘ≒３０°となりζ
_ｍａｘ／２≒１５°と溶接自動化上の生産技術からみて
も１５°もワークのバラツキがある被溶接物は一般に存
在しないことからしてζ_ｍａｘ／２を採用することは妥
当といえる。図１３は隅肉溶接における急峻な直角コー
ナ部での倣い溶接の挙動を示している。

【００４５】

【外１２】

【００４６】

【数１５】

【００４７】このξとηの平均値を溶接倣い中修正モー
ドの前後で毎回計算し、ＦＩＦＯに順次記憶しておきＦ
ＩＦＯ内の平均値がζ_ｍａｘ／２以上でζ_ｍａｘに近づ
いたとき図１３点Ｐ_２”を曲り角と認識するようにす
る。こゝで図１０で説明したようにウィービング方向が
切り替わりＰ_２Ｐ_３に直角な方向となる。Ｐ_２”を始点
としＰ_２Ｐ_２”’変位ベクトルだけＰ_３をシフトした点
Ｐ_３’を終点とする直線を基準として次のブロックの倣
い溶接が始まる。

【００４８】

【外１３】

【００４９】曲り角認識後のξ，ηの平均値もζ_ｍａｘ
となるためこゝで曲り角の認識をしないためのインター
ロックは必要である。この場合Ｐ_２’→Ｐ_２”→
Ｐ_３”’というようにオーバターンをすることになる
が、このオーバターンは必ずしも悪いとはいえない。即
ち、もともと鋭角コーナ部の溶接は難しく、アンダーカ
ットをなくすために、倣なしのロボットによる鋭角曲り
角のティーチングは、図１５に示すように溶接線の外側
を曲る例が多い。図１５は隅肉溶接でのティーチング位
置と溶接トーチ姿勢を上と横からみた図である。比較的
大きな溶接電流を使う隅肉溶接では、通常ウエブ側のア
ンダーカットを防ぐため、溶接トーチのねらい位置をフ
ランジ側にｔだけずらして溶接する。そして、特にコー
ナ部では肉量が多くなるため、ウエブ側のアンダーカッ
トが生じやすいので、図示のようにコーナ部では溶接ト
ーチのねらい位置をｔよりも大きくする。このことを考
えると、この曲り角認識法には妥当性があるといえる。
また図１５に示すｔなるオフセット量は、センサ回路部
の左右信号比較回路（図示せず）にバイアスをかけ、零
点をオフセットすれば本溶接倣いでも当然可能である。
図１６，図１７は、量産の場合にしばしば起る実際の溶
接開始点が、もともと溶接開始点としてティーチングさ
れていた点から大きくずれているときの溶接開始点サー
チ機能の説明図である。図１６中、点線で示されたワー
ク位置で正しくティーチングされた溶接開始点Ｐ_１が、
ワークが点線から実線の位置に斜め上方にずれたため隅
肉部がなく実際の溶接開始点は平板上になるので、その
点Ｐ’_１でウィービング溶接倣いを開始すると平板上を
図９で説明したウィービング方向（左右方向）に溶接ト
ーチ１１を

【００５０】

【外１４】

【００５１】を基準とし、その電流差をなくし、しかも
溶接電流を一定にしようとして左方向、下方向の合成ベ
クトル方向すなわち隅肉部へ向かってζ_ｍａｘなる角度
で近づきＰ_１”点より正常な溶接を始めることになる。
長さｍ_１を最小にし、しかもＰ_１’→Ｐ_１”への不要溶
接ビードが被溶接物に悪影響を与えないようにするた
め、Ｐ’_１→Ｐ_１”間は実際の溶接線（Ｐ_１”以降）と
異なるウィービング条件、溶接速度で溶接倣いを行なう
ようにする。すなわち、溶接速度Ｖと溶接電流値を落と
し、ウィービング周波数ｈを上げ、軌跡修正ｑを大きく
し、（２６），（２７）式のζ_ｍａｘが大きくなるよう
にする。Ｐ_１”点の認識は、図１３，図１４で説明した
方法を準用すればよい。図１７はワークが逆にずれたと
きの図であり、図１６と全く同様に処理される。図１８
は本発明の一実施例における演算器と２段バッファ付き
ＢＲＭで構成された溶接倣い制御器とロボット全体の動
作を総括するメインＣＰＵ（マイクロプロセッサ）と、
溶接電流指令切替スイッチ及び図８で説明したセンサ回
路部とのつなぎを示すブロック図である。演算器からの
コマンド要求に対し、全体のロボット動作シーケンス上
から溶接倣いを行なう場合には、メインＣＰＵ２０は図
示しないティーチボックスで指定した倣うべきブロック
の始点Ｐ_１、終点Ｐ_２と倣うべきブロックに続くつぎの
ブロックの終点Ｐ_３とウィービングパターン定義点
Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３および距離監視点Ｐ_２０のロボット基
本３軸とロボット手首軸の原点からのパルス数、溶接速
度Ｖ、ウィービング周波数ｈ、軌跡修正量ｑをメモリ
（図示せず）から読み出してレジスタ２１〜レジスタ３
０にセットし、溶接倣い開始マクロコマンドを出力する
機能を有している。演算器３１は、シーケンスコントロ
ーラ３２、マイクロプログラムメモリ３３、パイプライ
ンレジスタ３４、マルチプレクサ３５、ＲＡＬＵ（Ｒｅ
ｇｉｓｔｅｒ ａｎｄ Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ Ｌｏｇ
ｉｃａｌ Ｕｎｉｔ）３６，レジスタ２１〜レジスタ３
０、クロックφの分周、立ち上り微分回路３７及び基準
クロック・アドレスゼネレータ３８より構成される。シ
ーケンスコントローラ３２はマイクロプログラムメモリ
３３に格納されているマイクロインストラクションの実
行シーケンスを制御するアドレスコントローラである。
パイプラインレヂスタ３４からの制御指令により種々の
アドレッシングとスタックコントロールを行う。更に詳
しくいえば、現在実行中のアドレスのインクリメント、
マイクロコマンドで指定されたアドレス選択、基準クロ
ックアドレスジェネレータ３８で指定されたアドレス選
択、ＲＡＬＵスティタスを含めたテスト条件に応じた条
件ジャンプのときパイプラインレヂスタ３４から与えら
れるジャンプアドレスの選択、無条件ジャンプのときパ
イプラインレヂスタ３４から与えられるジャンプアドレ
スの選択、マイクロサブルーチンコール時のスタックコ
ントロール等を処理する部分である。

【００５２】アドレッシングのための入力情報としては
ＣＰＵからのマクロコマンド、基準クロックアドレスジ
ェネレータ３８の出力及びパイプラインレヂスタ３４の
出力の３つがある。マイクロプログラムすなわちパイプ
ラインレヂスタ３４の制御命令により、シーケンスコン
トローラ３２がこの３つのうちどれを選ぶか、またはど
ちらも選ばずカレントアドレスのインクリメントを行な
うかが決まる。溶接倣い制御用には次の４つのマクロコ
マンドがある。 エアカット直後のアークスタートブロックであり、
しかも次のブロックとの曲り角認識を距離監視方式で行
う。 エアカット直後のアークスタートブロックであり、
しかも次のブロックとの曲り角認識を（ξ＋η）／２角
度計算方式で行なう。 既に前回のブロックでアークスタートが出され溶接
を連続して行なうブロックで、次のブロックとの曲り角
認識を距離監視方式で行なう。 既に前回のブロックでアークスタートが出され、溶
接を連続して行なうブロックで、次のブロックとの曲り
角認識を（ξ＋η）／２角度計算方式で行なう。 このマクロコマンドと基準クロックアドレスジェネレー
タ３８の出力はハードウェア上からいえば、それぞれの
処理マイクロプログラムの先頭アドレスを示す形で与え
られる。これらがシーケンスコントローラに与えられて
いないときには、パイプラインレヂスタ３４出力からの
ジャンプアドレス、サブルーチンコールアドレス、カレ
ントアドレスインクリメントが与えられる。マイクロプ
ログラムメモリ３３は本演算器３１の中枢部で、全ての
演算処理はこのマイクロプログラムの指令通りに実行さ
れる。パイプラインレヂスタ３４はマイクロプログラム
メモリ３３のバッファレヂスタで現在実行すべき演算用
マイクロインストラクションをＲＡＬＵ３６へ出力する
とともに、次のマイクロアドレス決定のための制御命令
をシーケンスコントローラ３２と、マルチプレクサ３５
へ出力し、ジャンプアドレス、サブルーチンコールアド
レス、カレントアドレスインクリメントをシーケンスコ
ントローラ３２へ出力する、また溶接倣い実行中のブロ
ックで曲り角が検出されたときには、次のブロックの座
標データを要求するコマンド要求をメインＣＰＵ２０へ
出力する。

【００５３】このパイプラインレヂスタ３４は、２つの
信号パスを形成し、各々を並列に同時進行させ、マイク
ロサイクルタイムを短縮させ、演算の高速化をはかるた
めにある。すなわち、１つのパスはパイプラインレヂス
タ３４→シーケンスコントローラ３２→マイクロプログ
ラムメモリ３３とつながるコントロール系のパス、今一
つはパイプラインレヂスタ３４→ＲＡＬＵ３６の演算系
のパスで、この２つのパスを同じクロックサイクルの間
に並列に動作させるために、パイプラインレヂスタ３４
が用意されている。クロックＣＰの立ち上り時には既に
コントロール系のパスで準備されたマイクロプログラム
の次の命令がパイプラインレヂスタ３４の入力にあらわ
れているため、メモリフェッチ時間がゼロと等価な高速
動作が可能となる。マルチプレクサ３５はパイプライン
レヂスタ３４の制御命令に応じＲＡＬＵスティタス，セ
ンサ部よりの軌跡修正信号の図６に示す８通りのテスト
条件をシーケンスコントローラ３２へ与え、それぞれの
処理プログラムへの条件ジャンプを実行させるためのも
のである。ＲＡＬＵ３６は論理・算術演算ユニットとプ
ログラマブルレヂスタで構成され、マイクロプログラム
で規定された演算インストラクションを実行する。演算
結果である基準クロック毎のロボット各駆動軸の増分パ
ルス数がＲＡＬＵ３６内の所定のレヂスタに格納され
る。レヂスタ２１は始点Ｐ_１、レヂスタ２２は終点
Ｐ_２、レヂスタ２３はＰ_３点、レヂスタ２４はＱ_１点、
レヂスタ２５はＱ_２点、レヂスタ２６はＱ_３点、レヂス
タ２７はＰ_２０点のロボット基本３軸とロボット手首軸
の原点からのパルス数を格納するレヂスタである。レヂ
スタ２８は倣い溶接速度Ｖを、レヂスタ２９はウィービ
ング周波数ｈを、レヂスタ３０は軌跡修正量ｑを格納す
るレヂスタである。バッファ４１はロボット各駆動軸の
つぎの基準クロックで払い出すべき増分パルス数を格納
するレヂスタ、バッファ４２は現在払い出し中の増分パ
ルス数を格納するレヂスタである。ＢＲＭはバッファ４
２に格納されているパルス数を基準クロック周期内に、
クロックφに同期したパルスとして均一一様に配分し、
基準クロック毎にバッファ転送用払い出し完了信号を出
力する。

【００５４】分周、立ち上り微分回路はクロックφより
ＢＲＭのビット数だけ分周された基準クロックを作りそ
の立ち上りを微分する回路で、ＢＲＭ払い出し完了信号
と基準クロックの同期をとるためのものである。溶接機
とセンサ回路部５０への溶接電流指令はメインＣＰＵ２
０から与えられるが溶接開始点検出時には演算器出力に
より溶接電流指令切替スイッチ５１が切替わり、固定値
を選択するし、溶接開始点が検出されると演算器出力に
よりメインＣＰＵ指令値側に切替わる。図１９は、図１
８で説明したＢＲＭから払い出される指令パルスにより
制御される多関節形ロボットの基本３軸（φ軸，θ軸，
ψ軸）と手首２軸（Ｂ軸，Ｔ軸）の位置サーボである。
溶接トーチ先端がウィービング運動をしながら溶接倣い
をするべく与えられた各軸指令パルスと各パルスゼネレ
ータ６１６，６２６，６３６，６４６，６５６からのフ
ィードバックパルスとの差が偏差カウンタ６１１，６２
１，６３１，６４１，６５１から出力されＤ／Ａ変換器
６１２，６２２，６３２，６４２，６５２を介してアナ
ログの速度指令がサーボアンプ６１３，６２３，６３
３，６４３，６５３に夫々入力される。サーボアンプは
その速度指令とタコゼネレータ６１５，６２５，６３
５，６４５，６５５の出力（検出速度）とを夫々比較
し、その差がなくなるように各駆動モータを制御する。
この位置サーボ系により、ロボットに装着された溶接ト
ーチ先端が指令パルス通りに追従し所望の溶接倣い動作
が行なわれる つぎに、図１８に示した制御回路による溶接倣い制御動
作について説明する。演算器３１は最初ウェイトルーチ
ンを実行している。シーケンスコントローラ３２は、メ
インＣＰＵ２０からマクロコマンドが与えられると、そ
のサービスプログラムの先頭アドレスを選択する制御命
令をパイプラインレヂスタ３４から与えられながら、演
算器３１がウェイトルーチンを実行するようアドレスコ
ントロールしている。このウェイトルーチンには基準ク
ロック分周回路３７をリセットする命令が入っているた
め、基準クロックは発生しない。

【００５５】

【外１５】

【００５６】メインＣＰＵ２０が前記４つのマクロコマ
ンドのうち１ヶを出力するとそれぞれの対応するサービ
スマイクロプログラムの先頭アドレスが選択される。こ
の４通りのサービスプログラムは、溶接開始点検出を含
むブロックであるときには溶接開始点検出フラグ（図示
せず）を１にセットし、含まないブロックであるときに
は０にリセットし、曲り角検出が距離監視方式であると
きには、曲り角検出フラグ（図示せず）を１にセット
し、（ξ＋η）／２計算方式であるときには曲り角検出
フラグを０にリセットした後溶接倣い処理プログラムＮ
＃へエントリーするプログラムである。またこの４通り
のプログラムには基準クロック分周回路３７のリセット
信号の解除命令が入っているため、分周回路３７はクロ
ックφをカウントし始める。以後次の基準クロックアド
レスゼネレータ３８よりの出力がくるまでシーケンスコ
ントローラ３２は演算処理に必要なアドレッシングを行
なうよう動作する。では次にＮ＃から始まる溶接倣い処
理プログラムについて説明しよう。アークスタート時の
ブロックから溶接倣いを始めるので、最初は溶接開始点
フラグは１になっている。よって正規の溶接開始点に溶
接倣い動作が到達する迄は、溶接速度Ｖ、ウィービング
周波数ｈ、軌跡修正量ｑはレヂスタ２８〜レヂスタ３０
にセットされている値を使わずに、演算器内に固定値と
して記憶されている値を使う。また溶接機とセンサ回路
部５０に与える溶接電流指令が固定値となるよう溶接電
流指令切替スイッチ５１を演算器出力で切替える。

【００５７】

【外１６】

【００５８】つぎに演算器内に固定値として記憶されて
いるｈにより（４）式、（５）式を解く。また、固定値
Ｖにより（１１）式を解く。また（２）式及び（３）式
を解き次いで（７）式を解く。Ｐ_１，Ｐ_２の手首軸角度
より（１９）式を解く。これ以降の処理プログラムが格
納されている先頭番地がＭ＃であるとする。溶接倣いを
開始する最初の基準クロックでは、溶接トーチはまだウ
ィービング中心上に位置しているため軌跡修正信号は発
生しない。よって今の時点では（８）式〜（１０）式、
（１３）式、（１４）式は関与せず演算器３１は平行移
動モードの状態となる。一番最初の基準クロックではＮ
＝１にして（６）式を解く。またＫ’＝０であるから
（１６）式よりＫ＝１となる。（１２）式、（１５）
式、（７）式より（１７）式のＸ_ｎ，Ｙ_ｎ，Ｚ_ｎを求め
る。（２０）式よりＢ_ｎ，Ｔ_ｎを求める。

【００５９】

【外１７】

【００６０】また曲り角検出フラグが１のときには（１
８）式を計算しその値をＲＡＬＵ内の所定のレヂスタに
セットし演算器３１は待機する。この待機はメインＣＰ
Ｕ２０よりのマクロコマンドを待つウェイトルーチンと
は異なり、次の基準クロックアドレスゼネレータ出力Ｍ
＃を待つルーチンであり、分周回路３７のリセットは行
なわれない。以上の演算が終了するまでの時間以上に基
準クロック周期が長くなるようにクロックφとＢＲＭビ
ット数を設定しているので、演算時間が間にあわないと
いうトラブルは発生しない。演算器３１がＭ＃を待つウ
ェイトルーチンを実行しているとき基準クロックが発生
すると同時にＢＲＭより払い出し完了信号が出力され５
ヶのバッファ４１に前記ＲＡＬＵ３６内の所定のレヂス
タからΔψ，Δθ，Δφ，ΔＢ，ΔＴがそれぞれロード
され、バッファ４２にはバッファ４１の内容がロードさ
れる。初回の基準クロックではバッファ４１がクリアさ
れたままであるため、バッファ４２には０が入り、ＢＲ
Ｍによるパルス払い出しは行なわれない。この基準クロ
ックにより基準クロックアドレスジェネレータ３８が作
動し、マイクロプログラムはＭ＃から実行され始めＮ＝
２にして（６）式を求める。前回の基準クロック時の
（２３）式のｊ’がｊになっていないため軌跡修正信号
は発生せず演算器は平行移動モードを継続する。よって
Ｋ’＝０のままで、（１６）式よりＫ＝２となる。そこ
で（１２）式、（１５）式より（１７）式のＸ_ｎ，
Ｙ_ｎ，Ｚ_ｎを求める。また（２０）式のＢ_ｎ，Ｔ_ｎを求
め、前回との差ΔＢ，ΔＴをＲＡＬＵ内の所定のレヂス
タにセットする。このＸ_ｎ，Ｙ_ｎ，Ｚ_ｎとＢ_ｎ，Ｔ_ｎを
（２２）式に代入しψ_ｎ，θ_ｎ，φ_ｎを求め、前回との
差Δψ，Δθ，ΔφをＲＡＬＵ内の所定のレヂスタにセ
ットする。また（１８）式を計算し、その値がＲＡＬＵ
内に格納されている前回の値より小さいことを確認して
その値を入れ換える。

【００６１】その後演算器は待機し、次の基準クロック
アドレスゼネレータ出力Ｍ＃を待つ。つぎの基準クロッ
クでバッファ４２には前回のバッファ１の内容が入り、
バッファ４１には今回のΔψ，Δθ，Δφ，ΔＴ，ΔＢ
がそれぞれロードされ、ＢＲＭにより各軸位置サーボへ
指令パルスが払い出される。この動作は（２３）式にお
けるｊ’がｊになるまでくり返えされる。ｊ’＝ｊとな
った時点で（１５）式で求めたウィービング中にｘ_ｎ，
ｙ_ｎ，ｚ_ｎを記憶しておき、測定開始指令をセンサ回路
部５０へ与え、次の基準クロックで演算器３１は軌跡修
正モードに入る。すなわちセンサ回路部よりの上下左右
の軌跡修正信号をＭ＃でテスト条件として受けとり、既
に計算済みのα，β，γ，λ，μ，νと演算器内に固定
値として記憶されているｑと固定値γとにより（８）
式、（１０）式、（１３）式を解く。Ｋ’＝１とおき
（１４）式を解き、Ｋは前回の値のままで（１５）式を
解いて求めたウィービング中心ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎをｘ’
_ｎ，ｙ’_ｎ，ｚ’_ｎとして記憶しておく。Ｎ＝Ｋ＋Ｋ’
とおき（６）式を解く。（１７）式の解Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ，Ｚ
_ｎを求める。Ｂ_ｎ，Ｔ_ｎを求め、Δψ，Δθ，Δφ，Δ
Ｔ，ΔＢに変換しＲＡＬＵ内の所定のレヂスタにセット
し、ＢＲＭにより位置サーボ制御をする。また（１８）
式を計算しその値を更新する。次に演算器は再度平行移
動モードに入り、基準クロックがくる毎にψ_ｎ，θ_ｎ，
φ_ｎ，Ｔ_ｎ，Ｂ_ｎを求め前回の基準クロック時との差Δ
ψ，Δθ，Δφ，ΔＴ，ΔＢにより位置サーボ制御を行
なう。（１８）式の計算も毎回行ない最小値を保存して
おく。

【００６２】

【外１８】

【００６３】また今回求めたｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎを前回値
と入れ替え記憶する。測定開始指令をセンサ回路部５０
へ与え、次の基準クロックで演算器３１は軌跡修正モー
ドに入る。センサ回路部５０から軌跡修正信号に応じ
（８）式、（１０）式、（１３）式を解く、そしてＫ’
＝２とおき（１４）式を解き、Ｋは前回の基準クロック
時の値のままで（１５）式を解いて求めたウィービング
中心ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎをｘ’_ｎ，ｙ’_ｎ，ｚ’_ｎとす
る。このｘ’_ｎ，ｙ’_ｎ，ｚ’_ｎと前回記憶した
ｘ’_ｎ，ｙ’_ｎ，ｚ’_ｎ（ｘ’_ｎ−１，ｙ’_ｎ−１，
ｚ’_ｎ−１となる）を結ぶ直線の方向余弦（ａ’，
ｂ’，ｃ’）をｘ’_ｎ，ｙ’_ｎ，ｚ’_ｎｘ’_ｎ−１，
ｙ’_ｎ−１，ｚ’_ｎ−１の座標値から求め、既に求めて
いる方向余弦（λ，μ，ν）と（λ’，μ’，ν’）に
より（２９）式のηを計算する。そのηの値ＦＩＦＯメ
モリに記憶しておく。また今回求めたｘ_ｎ’，ｙ_ｎ’，
ｚ_ｎ’を前回値と入れ替え記憶する。Ｎ＝Ｋ＋Ｋ’とお
き（６）式を解く。（１７）式の解Ｘ_ｎ，Ｙ_ｎ，Ｚ_ｎを
求める。Ｂ_ｎ，Ｔ_ｎを求めΔψ，Δθ，Δφ，ΔＴ，Δ
Ｂに変換しＲＡＬＵ内所定のレヂスタにセットし、ＢＲ
Ｍにより位置サーボ制御をする。また（１８）式を計算
しその値を更新する。これで修正モードは終り再度平行
移動モード⇒修正モード⇒平行移動モード…を繰り返え
す。この修正モードでの前後でＦＩＦＯメモリに記憶さ
れている（ξ＋η）／２の平均値が（２６）式または
（２７）（２７）式で計算されたζ_ｍａｘの１／２以上
でζ_ｍａｘに近づいているかどうか計算し、ζ_ｍａｘに
近い値であるときには溶接開始点検出中であると認識
し、Ｖ，ｈ，ｑをそのままの固定値で、溶接電流指令切
替スイッチ５１も固定値側にしたまま溶接倣いを続行す
る。そして（ξ＋η）／２の平均値がζ_ｍａｘ／２以下
になったとき溶接開始点に到達したと判断し、溶接電流
指令切替スイッチ５１がメインＣＰＵ２０よりの溶接電
流指令値を選択するよう演算器出力を制御し、Ｖ，ｈ，
ｑの値をレヂスタ２８〜レヂスタ３０の値に変更し、
（４），（５）式を解き基準クロック当りのウィービ

【００６４】

【外１９】

【００６５】以降、曲り角検出フラグが１のときには
（１８）式の最小値を更新していき、曲り角検出フラグ
が０のときにはξ，ηを順次ＦＩＦＯに貯えておき、上
記溶接倣い動作を続行する。曲り角検出フラグが１のと
きには、（１８）式の最小値がある変動巾以上になった
ときをそのブロックの終点とする。曲り角検出フラグが
０のときには、ＦＩＦＯメモリ内の（ξ＋η）／２の平
均値がζ_ｍａｘ／２以上でζ_ｍａｘに近づいたときをそ
のブロックの終点とする。曲り角検出が終ると、演算器
３１は次のブロックでのウィービング方向を決め、前の
ブロックのウィービング振巾と等しい振巾になるように
ウィービングパタ

【００６６】

【外２０】

【００６７】その後演算器３１からのコマンド要求に対
しメインＣＰＵ２０は次ブロックの終点のロボット５軸
の原点からのパルス数をレヂスタ２２にセットし、つぎ
のつぎのブロックの終点および次のブロックの距離監視
点のロボット５軸の原点からのパルス数をレヂスタ２
３、レヂスタ２７にセットした後、前記マクロコマンド
を演算器３１に与える。このマクロコマンドは溶接開始
点検出を含まない。

【００６８】

【外２１】

【００６９】

【発明の効果】本発明によると次のような効果がある。 （１） ワーク精度が悪く、実際のワーク溶接点がティ
ーチングされた点から大巾にずれていても、また高価な
ビジョンシステム等の形状認識装置がなくても、実際の
溶接開始点までに溶接しながら、極めて短い区間で追従
させることができる為に、タクトタイムの短縮が図れ、
最小限の追従区間で溶接を実行させることが可能とな
る 。（２） ロボット手首に溶接トーチ以外なにも装着され
ていないため、溶接トーチが入っていける所ならどんな
狭い所でも溶接倣いが可能である。（３） 特別のセンサをロボット手首に装着するのでは
なく、アーク現象（溶接電流、溶接電圧）そのものから
センシング情報を得るため、非接触センサ、接触センサ
を問わず通常他のセンサは問題になる”溶接時センサが
邪魔になる”、”死角が存在する”、”溶接熱、スパッ
ター、ヒユーム等による悪環境下での信頼性に弱点があ
る”等の欠点がない。 従って本発明によれば、精度の悪いワークでも、ワーク
取付位置が多少ずれたり、溶接線が波を打っているよう
な場合でもロボットによる溶接の自動化が可能となり、
溶接自動化に貢献するところが極めて大きいといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ウィービング溶接の説明図である。

【図２】従来のウィービング溶接方式を適用したアーク
溶接ロボットの斜視図である。

【図３】本発明を実施するためのアーク溶接ロボットの
斜視図である。

【図４】本発明による倣い制御方式の説明図である。

【図５】ウィービング運動設定用教示点の説明図であ
る。

【図６】修正ベクトル図である。

【図７】修正ベクトル図である。

【図８】センサ回路部の入出力信号の説明図である。

【図９】溶接トーチの制御方向を示す図である。

【図１０】ウィービング教示パターンの自動継続を説明
するための図である。

【図１１】ティーチング軌跡と実際の溶接線のずれ角を
説明するための図である。

【図１２】ティーチング軌跡と実際の溶接線のずれ角を
説明するための図である。

【図１３】隅肉溶接における急峻な直角コーナ部での倣
い溶接の挙動を示す説明図である。

【図１４】図１３の一部拡大説明図である。

【図１５】隅肉溶接での教示点と溶接トーチ姿勢を示す
図である。

【図１６】実際の溶接開始点が教示点と相違する場合の
動作説明図である。

【図１７】実際の溶接開始点が教示点と相違する場合の
動作説明図である。

【図１８】実施例における制御回路のブロック図であ
る。

【図１９】実施例におけるサーボ制御部のブロック図で
ある。

【符号の説明】

１１ 溶接トーチ １２ 土台 １３ アーム １４ アーム １５ 旋回体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接トーチ先端ウィービングさせ、教示
   線に沿って移動させる多関節型溶接ロボットであって、
   ウィービング両端での溶接電流又は溶接電圧を検出し、
   その検出値の変化により被溶接物の実際の溶接線のずれ
   を検知し、前記検出値から演算した軌跡修正信号によっ
   て溶接線に沿った溶接トーチ先端の移動軌跡を修正する
   ようにした多関節型溶接ロボットにおいて、前記軌跡修
   正信号によってロボット基本３軸又は基本３要素を制御
   することにより、前記溶接トーチ先端のウィービング動
   作およびウィービング中心の軌跡の修正動作を行うと共
   に、実際の溶接開始点が既に教示されている溶接開始点
   よりずれているとき、実際の溶接線に到達するまでの溶
   接速度及び溶接電流を正規の値より下げウィービング周
   波数と軌跡修正量を正規の値より大きくすることを特徴
   とする多関節型溶接ロボットの制御方法。