JPS5823186B2 - ヨウセツヨウロボツトノ セイギヨソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアーク溶接作業を行なう工業用ロボットにおい
て、特にトーチ姿勢の変更制御に関するものである。

一般にアーク溶接において、溶接線は３次元空間内にあ
り、かつ溶接トーチを考慮すると汎用を目指す場合、動
作軸の自由度は３〜５軸程度が必要となる。

アーク溶接用ロボットは、基本的にこれらの動作自由度
と、予かしめ操作軸に教示された通りに目的の溶接線に
従い所定の姿勢で連続した軌跡を描かせる制御機能とを
有する。

アーク溶接の溶接線は、被層接物つまりワークの形状に
従いさまざまであるが、曲線が直線で近似しうろことを
考えると折線とみなしうる。

そこで、アーク溶接ロボットでは、折線で近似しうるト
イう前提に立って、つぎつぎに点から点へ位置決めする
、所謂ＦＴＰ（ポイント・ツー・ポイント）の方式を用
い、この位置決め点を数多く細かに教えてゆく多点折線
の制御法を採用している。

この場合、溶接トーチの姿勢は一定で、溶接トーチを支
える腕の位置が点から点へ直線的に移動してゆく。

このような方法であると、溶接線の緩やかな曲りに対し
ては連続して溶接線を辿ることが可能であるが、トーチ
姿勢の大きな変化を要する曲りに対しては、連続して作
業を続けることが不可能となり、その曲り部で溶接線を
切ることが必要となる。

溶接品質上或いはまた作業効率上も溶接線はできる限り
連続することが望ましく、この意味で溶接ロボットとし
ては問題がある。

溶接線を連続させるために、トーチ姿勢を決定するロボ
ット手首の動作軸をも、腕の動作軸同様、その手首の角
度について細かく教示してなめらかに姿勢変化を行なわ
せるものも存在するが、手首系の動作軸は極座標形式で
あるため、トーチの先端はその手首角度についての単純
な補間制御では、腕の位置と手首角度を非常に細かく教
示しないと軌跡に誤差を生じることになる。

本発明は、比較的簡単な教示手段で、溶接トーチ姿勢変
更の要求に対し、溶接線を断絶させるこ・となく連続し
て溶接作業を実行できる溶接用ロボットの制御装置を提
供することを目的とする。

以下図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明に係わる溶接用ロボットの腕およびトー
チ部分を示す外観斜視図である。

この。ロボットは図のようにＸ、Ｙ、Ｚの３軸の各腕、
またθ、φの手首２軸の動作軸を持っており、手首Ａに
取付けられた溶接トーチＢの先端を、ワークＣの溶接線
りに沿って駆動してアーク溶接が行なわれる。

第２図は第１図の溶接用ロボットの制御構成を、サーボ
部についてはＸ軸のみを例にとって示したブロック図で
ある。

この第２図で、１は記憶装置で、つぎの目標値までの腕
の位置および手首角度の増分、ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ、Δθ
、Δφと各種溶：接条件、速度等の制御指令を複数ポイ
ントにわたって記憶しておくものである。

これらの情報は、数示時に溶接線の各折点について数示
され、記憶装置１に記憶される。

そして運転時には、つぎつぎに各々の折点のデータを制
御回路１０からの指・令により読みだし、つぎつぎに位
置決めを行なう。

読出された情報は指令レジスタ２にセットされ、これに
基いてパルス分配器３が直線補間のパルス分配を行ない
、偏差レジスタ４に位置指令パルスを入力する。

この偏差レジスタ４、Ｄ／Ａ変換器。５、電力増幅器６
、駆動電動機７、負荷８およびパルスジェネレータ９は
ポジションサーボ系を構成しており、駆動電動機７は負
荷８を駆動して位置指令に従って位置決めを行ない、こ
れにより一つの折点に達すると次の折点の情報が読出さ
れ、それに向って位置決めの動作をつづけてゆく。

つぎに第３図でトーチ姿勢変更の機能について説明する
。

同図ａは第１図のようなすみ肉溶接作業のワークＣと溶
接トーチＢの関係をＺ軸方向から見た図である。

図で単線矢印はトーチ先端、二重丸印は腕の先端、即ち
手首中心を表わしている。

教示時には仮りにイ→ロ→ハの順に溶接するものとする
と、図のＩ 、ｎ 、ＩＩ［、ＩＶの位置をこの順に４
箇所教える。

同時に、トーチ姿勢変更指令という制御指令を設け、こ
れを■の位置で制御情報の一つとして記憶させておく。

このトーチ姿勢変更は、第３図ａの例では、腕先端をト
ーチ先端ＰＣを中心としてＰｎ＋１からＰｎ＋２までの
円弧運動に同期させてφ軸を回転させることにより行な
われる。

同図すは后述するが、その腕の円弧運動を説明する図で
ある。

この第３図で、トーチ姿勢変更を伴なう溶接動作を予じ
め説明しておくと、いまロボットが溶接開始点Ｉの位置
にあり、この位置でつぎのＨの位置の情報を読出すと、
ロボットの腕先端はＰｎからＰｎ＋１へ直線移動し、こ
のときトーチ姿勢は不変であるのでトーチは■の位置か
らＨの位置に同じ状態で移行し、この移行でイ→口の溶
接線の溶接を行なう。

つぎに、位置■の情報を読出すと、トーチ姿勢変更指令
が制御情報に含まれているので、トーチ先端は点ＰＣに
位置したまま、腕先端はＰｎ＋１からＰ ｎ ＋２へ回
転する。

この後、■の位置情報を読出し、この場合はトーチ姿勢
は不変なのでトーチは■の位置から■の位置に同じ状態
で移行し、この移行で口→ハの溶接線の溶接を行なう。

前述のトーチ姿勢変更はトーチ先端を中心とする回転に
よる場合のもので、このトーチ姿勢変更機能に対する指
令をここで仮りにＴＣＡと呼ぶことにし、またこの機能
における回転と同時にトーチ全体を移動させることによ
り、トーチ先端部ＰＣを移動させつつ姿勢変更を行なう
機能をも設け、これに対する指令を便宜上ＴＣＢと呼ぶ
ことにする。

この２つの制御指令に対する姿勢変更の動きの違いを第
４図ａ、ｂに示す。

即ち、ａ図のように溶接線の曲がりが太きいときには、
ＴＣＡの指令により折点てトーチを回転させ、ｂ図のよ
うに曲がりが小さいときにはＴＣＢの指令によりトーチ
姿勢を変更しつつ次の溶接線上を進行してゆく。

教示に際しては、ＴＣＡ、ＴＣＢのいずれの姿勢変更に
対しても第３図ａに示すようにＩ 、 ｎ 、 ＩＩＩ
。

■の状態を記憶させる。

この図例では、その指令は■の位置の教示時にＴＣＡか
ＴＣＢかを記憶させることになる。

つぎに第５図により、前記トーチ姿勢変更を具現する位
置指令制御回路を説明する。

尚、ここでは、φ軸は半固定としてサーボ制御は行なわ
ないものとし、従って図ではＸ、Ｙ、Ｚ、θの４軸を示
している。

図で１は記憶装置で、この記憶装置１からは各ｍ、ＭＡ
（装置に到達する毎につぎの記憶装置への各軸の位置指
令の増分ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ。

Δθと速度、溶接条件、姿勢変更指令等の制御指令が各
軸指令レジスタ１１，１２，１３．１４および制御レジ
スタ１７に読出される。

１８〜２１は各軸のパルス分配器であり、これらの出力
パルスはこの図では示してないが第２図で示した各軸の
偏差レジスタ４への位置指令パルス入力となる。

２７〜３０はアンド回路、３１〜３３はオア回路、３４
はノット回路であり、これらは前記した２種のトーチ姿
勢変更を行なう指令ＴＣＡ、ＴＣＢに応じて平面動作の
２軸（この例ではＸ及びＹ軸）の分配器１８．１９の出
力または次に述べる円弧。

補間パルス分配器２２の出力ａＸ、ｄＹを選択或いは合
成して出力する分配器出力の切換手段を構成する。

また、２２は腕先端の円弧運動のための分配パルスｄＸ
、ｄＹを出力する円弧補間パルス分配器で。

ある。

この円弧運動を行なうためには第３図すに示す円弧の終
端Ｐｎ＋２の座標（Ｘｅ、Ｙｅ）と、回転中心ＰＣの座
標（Ｘｃ、Ｙｃ）が必要である。

このため、前記の座標（Ｘｅ 、 Ｙｅ）はレジスタ１
１を通しレジスタ１５から、またレジスタ１２を通しし
。

ジスタ１６から位置■→位置■へのＸ、Ｘ軸の増分ΔＸ
、ΔＹを導入し、一方回転中心ＰＣの座標（Ｘｃ、Ｙｃ
）は回転中心演算器２３から導入している。

この回転中心ＰＣはＸ軸方向からのトーチの回転角θと
トーチのＸ、Ｙ平面への正射影ｌの長さによって計算さ
れる。

そこで、回転中心演算器２３は、θ軸の角度位置を検出
する検出器２６の出力パルスを積算するカウンタ２５の
θの現在値と、前記ｌを設定する設定器２４出力を導入
し、回転中心ＰＣを演算している。

前記したパルス分配器１８〜２１は、第６図ａに示すデ
ィジタル積分器で具現できる。

即ち、このディジタル積分器は図のように２個のＲ，Ｘ
レジスタ４１．４３と加算器４２から構成され、Ｙレジ
スタ４１にＹという値を保持させておき、一方パルス列
置を加算器４２を通してＲレジスタ４３に入力してカウ
ントし、このカウント値がＹレジスタ４１と同じになっ
たとき加算器４２によりパルス列ｄｔを停止させ、Ｒレ
ジスタ４３からＹ。

ｄｔという値を出力させるものであり、一般に同図すの
ように記号化される。

各ディジタル積分器のＹレジスタの値としては、次の目
標値までの各軸の増分、即ち各軸レジスタ１１〜１４に
セットされているΔＸ、ΔＹ、ΔＺ、Δθが導入され、
ｄｔとしては第５図のクロックパルスが相当する。

Ｙレジスタのビット数がＮであるとき、クロックパルス
としては２Ｎ個のパルスを与えるようにしておくと、各
ディジタル積分器からはΔＸ、ΔＹ。

ΔＺ、Δθに等しい個数のパルスが同一時間内に分配さ
れて出力する。

したがって分配器１８．１９゜２０は同図ｄに示すＸ、
Ｙ、Ｚ三次元の直線補間器として動作する。

また分配器２１は円弧補間のパルス分配器２２と同期し
て動作するので、腕の円弧運動指令と手首動作軸の回転
運動指令を同期させることができる。

円弧補間パルス分配器２２も、同様にディジタル積分器
で同図Ｃのように構成することによって具現できる。

第３図すから円の方程式は（Ｘ−Ｘｃ）２＋（Ｙ−Ｙｃ
）２＝ｌ１２であるからｄＹ−（Ｘ−Ｘｃ）ｄｔ、ｄＸ
−（Ｙ−Ｙｃ）ｄｉとなり、このＣ図構成で円弧補間パ
ルス分配器として動作することができる。

また回転中心演算器２３についても、ディジタル積分器
により第７図ａのように構成し、初期値（２，０）と半
径ｌの円関数を発生させθ回転させることにより、回転
中心の座標（Ｘｃ、Ｙｃ）を計算することができる。

同図すにより円の方程式はＸ２＋￥２−１２であるから
ｄＸ−−Ｙｄθ、ｄＹ＝Ｘ、ｄθであり、ａ図の構成と
なる。

この初期値ｌは第５図において設定器２４で与えられ、
ｄθとしてはカウンタ２５の値に等しいパルスが与えら
れる。

尚、φ軸は半固定なので予め設定が可能である。

第６図、第７図の説明では、信号の極性、タイミング等
を含めた細かな回路構成については省略したが、これら
はＤＤＡ方式として公知である。

また、第６図、第７図で説明した補間器並びに演算器に
ついてはＤＤＡ方式のみならず、代数演算による方式或
いはレート掛算器による方式等によっても実現される。

つぎに第５図回路の動作を説明する。

基本となるのはＴＣＡに相当するトーチ先端を中心とす
る腕回転による姿勢変更機能なので、まずこの変更制御
から説明する。

第３図ａにおける位置■から位置■、位置■から位置■
への運動のようにトーチ姿勢変更指令ＴＣＡ、ＴＣＢの
いずれも記憶されていない場合は前述の分配器出力の切
換手段のうちのアンド回路２９，３０は開かず、一方ア
ンド回路２７．２８はノット回路３４から゛°１″信号
が与えられ開くので、Ｘ、Ｙ軸の指令はそれぞれ分配器
１８．１９から出力される。

したがって、前記位置■から位置■、位置■から位置■
へのトーチ姿勢に変更のない運動では、Δθ−〇である
から分配器１８，１９，２０がＸ、Ｙ、Ｚ３軸について
の直線補間器として動作し、トーチ先端は（イ）−（＝
＝）、（ロ）→（ハ）へ直線運動を行なう。

つぎに第３図ａで位置■から位置■への運動の場合のよ
うに、トーチ姿勢変更指令ＴＣＡが記憶されており、制
御指令レジスタ１７からＴＣＡが出力されるとノット回
路３４出力が０″となることからアンド回路２７．２８
は閉じるが、アンド回路２９．３０はオア回路３３から
°゛１″１″信号られ開くので、Ｘ、Ｙ軸の指令は円弧
補間パルス分配器２２を通して与えられることになる。

この姿勢変更の運動は、前記したように腕先端のｐｎ＋
ｉからＰｎ＋２への円弧運動に同期してθを回転させる
ことによって達成できる。

そこで円弧補間パルス分配器２２は、前記したようにレ
ジスタ１５．１６を介し位置■から位置■へのＸ、Ｙ軸
の増分ΔＸ、ΔＹが与えられ、且つ回転中心演算器２３
から回転中心ＰＣの座標Ｘｃ、Ｙｃが与えられ、円弧運
動のための分配パルスｄＸ、ｄＹを出力するので、ＴＣ
へ指令により腕先端はＰｎ＋１から”ｎ−）−２への円
弧運動が行なわれる。

この期間、同時に同じクロックパルスに同期して分配器
２１からθ軸にΔθの分配パルスを出力するので、腕先
端の円弧運動と同時にトーチ方向の修正がなされ、トー
チ先端は常に同じ点りに位置するように制御される。

つぎにＴＣＢ指令によるトーチ姿勢制御について説明す
る。

第４図すで説明したように、曲り角が小さい場合には姿
勢変更を行ないつつ溶接線を進行してゆくのがのぞまし
い。

いま、このＴＣＢ制御が記憶されており、制御指令レジ
スタ１７からＴＣＢ指令がだされたとすると、分配器出
力の切換手段のうちアンド回路２７．２８はノット回路
３４出力が１″のため開き、一方アンド回路２９．３０
はオア回路３３出力が°１″のため結局アンド回路２７
〜３０の全てが開き、合成手段であるオア回路３１，３
２を通すことによってＸ。

Ｙ軸の指令はパルス分配器１８．１９および円弧補間パ
ルス分配器２２の出力パルスの合成されたものとなる。

このとき円弧補間パルス分配器２２の出力は前述のＴＣ
Ａ指令の場合と同様に、第３図の例をとればＰｎ＋１→
Ｐｎ＋２への円弧運動の分配パルスであるが、パルス分
配器１８．１９からの直線補間パルスはＰｎ＋２→Ｐｎ
＋３への直線運動の分配パルスである。

そこで、図示しないが、適宜なる手段を講じてまず位置
■の位置情報を読出すとそのＸ、Ｙ軸に関する情報がレ
ジスタ１１から補助レジスタ１５、またレジスタ１２か
ら補助レジスタ１６にセットされたのち、直ちに■の位
置情報がＴＣＢ指令のもとに読出されるようにしておく
ことにより、パルス分配器１８，１９はＰｎ＋２→Ｐｎ
＋３へ直線運動の分配パルスを出力する。

オア回路３１，３２はこれらの直線運動と円弧運動の指
令パルスを合成するので、トーチ先端はトーチ姿勢を変
えつつ（ロ）−＋９に沿って直線的に進行してゆき、こ
れによって第４図すに示す運動を行なうことができるこ
とになる。

このように本発明は空間内を移動し位置決めする動作軸
を有する腕およびこの腕の先端にとつけられた溶接トー
チの姿勢を決定する動作軸を有する手首とを持つアーク
溶接用ロボットにおいて、クロックパルスに同期して各
動作軸の位置指令を補間分配する各分配器、トーチ姿勢
変更で腕を円弧運動させるときその円弧運動の中心位置
を演算する回転中心演算器、前記クロックパルス同期し
て動作し、この回転中心演算器出力および前記分配器の
うちその円弧運動に係わる平面２軸の目標値を入力しそ
の２軸の位置指令を円弧補間する円弧補間用分配器、こ
の円弧補間用分配器と前記２軸の分配器出力を直線、円
弧補間により制御し、トーチ姿勢不変時には前記２軸の
分配器出力を出力させ、ト・−チ姿勢変更時には円弧補
間用分配器出力を出力させる切換手段とを備えて成り、
トーチ姿勢の制御内容に応じて前記切換手段により前記
２軸の分配器出力または円弧補間用分配器出力を選択し
て抽出することにより円弧補間用分配器による腕の円弧
運動と手首回転運動を同期させて溶接トーチ先端を中心
にトーチ回転を行なわせて、溶接線の折点にて溶接を連
続したままトーチ姿勢変更することを可能とし、また、
前記円弧補間用分配器に入力されるべき平面２軸の円弧
運動の目標値をそれぞれ記憶する補助レジスタを設け、
これら補助レジスタがその目標値をセットしたのち、つ
ぎの目標値を平面２軸の指令レジスタに読みだし、この
とき切換回路により平面２軸分配器からのトーチ姿勢可
変の分配出力と円弧補間用分配器からのトーチ姿勢変更
の分配出力とを合成して出力し、溶接線折点に停止する
ことなく通過進行しつつトーチ姿勢の変更を行なうよう
にしたので、曲りの大きい場合も曲りの小さい場合もそ
れぞれに対応した適切な動作により連続して溶接動作が
行なわれるので、作業効率が向上しまた溶接品質を高め
ることができる。

尚、上記実施例では、動作軸φを半固定としたが、これ
をサーボコントロールする場合には、回転中心演算器２
３のｌ入力を与えている設定器２４の代わりに、トーチ
の長さのＸＹ平面への正射影の長さ、即ちトーチの長さ
をり、Ｚ軸方向からのトーチの角度をφとしてＬｓｉｎ
φを演算する回路を設ければよい。

また第２図に示したサーボ系は一例であり、指令に従っ
て位置するサーボ系であれば、その要素、構成は第２図
に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接用ロボットの概略斜視図、第２図は同ロボ
ットの制御回路の一例のブロック図、第３図ａ、ｂおよ
び第４図ａ、ｂは本発明におけるトーチ姿勢変更機能を
説明する各図、第５図は本発明の一実施例の要部制御回
路図、第６図ａ ＝ ｄおよび第７図ａ、ｂは本発明に
おけるパルス分配器、円弧補間パルス分配器および回転
中心演算器を説明する図である。 １・・・・・・記憶装置、１１〜１４・・・・・・指令
レジスタ、１５．１６・・・・・・補助レジスタ、１７
・・・・・・制御指令レジスタ、１８〜２１・・・・・
・パルス分配器、２２・・・・・・円弧補間パルス分配
器、２３・・・・・・回転中心演算器、２４・・・・・
・設定器、２５・・・・・・カウンタ、２６・・・・・
・θ軸検出器、２７〜３０・・・・・・アンド回路、３
１〜３３・・・・・・オア回路、３４・・・・・・ノッ
ト回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 空間内を移動し位置決めする動作軸を有する腕およ
   びこの腕の先端にとつけられた溶接トーチの姿勢を決定
   する動作軸を有する手首とを持つアーク溶接用ロボット
   において、クロックパルスに同期して各動作軸の位置指
   令を補間分配する各分配器、トーチ姿勢変更で腕を円弧
   運動させるときその円弧運動の中心位置を演算する回転
   中心演算器、前記クロックパルスに同期して動作し、こ
   の回転中心演算器出力および前記分配器のうちその円弧
   運動に係わる平面２軸の目標値を入力しその２軸の位置
   指令を円弧補間する円弧補間用分配器、この円弧補間用
   分配器と前記２軸の分配器出力を直線、円弧補間により
   制御し、トーチ姿勢不変時には前記２軸の分配器出力を
   出力させ、トーチ姿勢変更時には円弧補間用分配器出力
   を出力させる分配器出力の切換手段とを備えたことを特
   徴とする溶接用ロボットの制御装置。 ２ 前第１項において、前記円弧補間用分配器に入力さ
   れるべき平面２軸の円弧運動の目標値をそれぞれ記憶す
   る補助レジスタを設け、また、これら補助レジスタがそ
   の目標値をセットしたのち、続いてつぎの目標値を平面
   ２軸の指令レジスタに読みだすように構成し、また前記
   平面２軸分配器からの分配出力と円弧補間用分配器から
   の分配出力とを合成して出力する分配器出力の切換手段
   を設けて成り、溶接線折点に停止することなく通過進行
   しつつトーチ姿勢の変更を行なうようにした溶接用ロボ
   ットの制御装置。