JPS625709B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は溶接線を探知して追従する溶接ロボ
ツトの倣い制御装置に関する。

自動倣いにより溶接を行なう溶接ロボツトにお
いては溶接すべき線（鉄板と鉄板との境い目であ
り、以下単に溶接線という）を探知するセンサが
必要である。従来においてはこの種のセンサには
汎用型のものがなく溶接線の形状によつて異なる
ものを使用しなければならなかつた。

この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、
様々な形状の溶接線を探知し追従することのでき
る溶接ロボツトの倣い制御装置を提供しようとす
るものである。

この発明によれば、溶接ワークの溶接線に関連
した溶接トーチの目標位置を指令することにより
該溶接トーチを溶接線に追従移動させる溶接ロボ
ツトにおいて、前記溶接トーチの中心軸と同軸の
回動軸を有する支持棒と、前記支持棒の回動角を
検出する第１の角度検出手段と、非接触式のセン
サであつて、その検出部の指向方向における溶接
ワークとの距離に対応する電気信号を出力するセ
ンサと、前記支持棒の先端に配設され、前記セン
サを前記支持棒に直交する平面内において振子の
ように揺動させる揺動手段と、前記センサの揺動
角を常時検出する第２の角度検出手段と、前記セ
ンサから出力される電気信号の極値を検出し、該
極値検出時における前記第２の角度検出器の検出
角から前記センサの検出部が前記溶接ワークの溶
接線を指向したときにおける揺動角を求める揺動
角検出手段と、前記揺動角検出手段によつて検出
される揺動角が前記溶接トーチの方向に対応する
所定の設定値になるように前記支持棒を回動させ
る支持棒回動制御手段と、前記第１の角度検出手
段によつて検出される前記支持棒の回動角、前記
溶接トーチの現在位置および前記溶接トーチと前
記センサとの距離に基づいて前記センサの位置を
算出する演算手段と、前記演算手段によつて算出
したセンサの位置を、前記溶接トーチがそのセン
サの位置に達する所定時間後における該溶接トー
チの目標位置として指令する手段とを具えたこと
を特徴としている。

以下この発明を添付図面の一実施例にもとづい
て詳しく説明する。

第１図はこの発明に係る溶接線探知追従センサ
を溶接ロボツトに装着した状態を示したものであ
る。

第１図に示す溶接ロボツト１において、固定さ
れたレール２にはＸ軸方向に摺動自在にＸ軸送り
機構３が取付けられている。またＸ軸送り機構３
にはＹ軸方向に摺動自在にＹ軸送り機構４が取付
けられている。更にＹ軸送り機構４にはＺ軸方向
に摺動自在にＺ軸送り機構５が取付けられてい
る。そして、上記Ｚ軸送り機構５には溶接トーチ
６が取付けられており、上記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の
各送り機構３，４，５の摺動によりあらゆる個所
に移動して溶接を行うことができるようになつて
いる。

Ｚ軸送り機構５において溶接トーチ６が取付け
られている部分には、この発明の一部を構成する
溶接線探知センサ部７が取付けられている。この
溶接線探知センサ部７は溶接トーチ６に先行して
溶接線を検出するためのもので、上記トーチ６が
取付けられている部分を軸としてＸ−Ｙ座標平面
方向に回動可能となつている。第１図において
は、トーチ６上を軸として回転するギア８に溶接
線探知センサ部７を取付け、該ギア８には他のギ
ア９をかみ合わせてこのギア９をその上部に設け
られたサーボモータ１０で回転駆動することによ
つて溶接線探知センサ部７をＸ−Ｙ座標平面方向
に回動させるようにしている。尚、ギア８上に設
けられている角度検出器１１はＸ軸方向に対する
溶接線探知センサ部７の角度（以下センサートー
チ角という）を検出するためのものである。

溶接線探知センサ部７は様々な形状の溶接用ワ
ークについて溶接線を探知できるように構成され
ている。

すなわち、溶接線探知センサ部７は、前記ギア
８に支持棒１２を介して取付けられたセンサ振動
部１３と、センサ振動部１３にアーム１４を介し
て取付けられ、該センサ振動部１３の駆動によつ
てアーム１４を軸としてＹ−Ｚ座標平面方向に振
動（走査）して溶接線を探知するセンサ１５から
構成されている。ここでセンサ振動部１３は例え
ば第２図ａに示すように構成されている。すなわ
ち、振動部１３内においてアーム１４は軸受１６
および１７によつて軸支され、また、該アーム１
４には細長い長孔８ａがあけられた突片１８が取
付けられている。また、振動部１３内にはパルス
モータ１９が取付けられており、その回転軸には
偏心位置に突起２０ａが設けられた円板２０が取
付けられている。ここで前記突片１８の長孔１８
ａには上記円板２０の突起２０ａが挿通してお
り、パルスモータ１９の回転に応じて突片１８が
アーム１４との取付部分を軸としてＹ−Ｚ座標平
面方向に振動するようになつている。すなわち、
第２図ｂに示すように円板２０が回転して突起２
０ａが該円板２０の左側に位置したときは突片１
８は左に傾き、また、突起２０ａが２０a′で示す
ように円板２０の右側に位置したときは突片１８
は１８′で示すように右側に傾き、また、図では
示していないが突起２０ａが円板２０の中央部上
または下に位置したときは突片１８は中立の状態
となる。このようにして、突片１８はパルスモー
タ１９が１回転する毎に１往復振動し、これに連
動してセンサ１５も１往復振動する。尚、センサ
振動部１３内においてアーム１４が連結されてい
る角度検出器２１はＺ軸に対する突片１８の角度
すなわちＺ軸に対するセンサ１５の角度（以下単
にセンサ角という）θを検出するためのものであ
る。

ところで、センサ１５は例えば磁気センサであ
り、第３図に示すようにその底面１５ａと目標物
（溶接ワーク）との距離に比例した電圧を出力す
る。センサ１５がこのように距離に応じた特性を
持つため、該センサ１５を溶接ワーク上方におい
て前述のように振動（走査）させることにより溶
接ラインを簡単に検出することができる。第４図
ａ〜ｅは様々な形状の溶接ワークの溶接線上でセ
ンサ１５を振動させる状態、およびそのときのセ
ンサ角θと検出電圧の関係を夫々示したものであ
る。第４図ａ〜ｄの形状の溶接ワークについては
検出電圧が最大となるときのセンサ角θを求めれ
ば、その方向が溶接線の存在する方向となつてい
る。また、第４図ｅの形状の溶接ワークについて
は検出電圧が最小となるセンサ角θを２個所求
め、その平均の角度を求めれば、その角度の方向
が溶接線の存在する方向となつている。このよう
に、この発明においてはセンサ１５を溶接線上で
振動させることにより様々な形状の溶接線を探知
することができる。

つぎに以上説明した溶接線探知センサ部７によ
る追従制御すなわち溶接線の真上にセンサ１５を
位置させる制御について第５図にもとづいて説明
する。

溶接線の真上にセンサ１５が常に位置するよう
にセンサートーチ角を補正する方法としては、
例えば、センサ出力ピーク時におけるセンサ角
（以下ピークセンサ角といい、θｍで示す）に対
応するセンサートーチ角の補正量△を算出し、
検出される実際のセンサートーチ角に上記補正
量△を加算して、その加算値＋△をセンサ
−トーチ角の指令値として前記サーボモータ１０
に加えるようにする方法もあるが、この実施例に
おいては別の方法により補正を行なうようにして
いる。すなわち、ピークセンサ角θｍの値は求め
ずに、単にそのセンサ角θｍが予め設定された値
θthより大きいか小さいかのみを各走査毎に検出
し、もし大きい場合には予め定められた角度△
ａだけセンサートーチ角を補正するようにしてい
る。ここで１回の補正量△ａは溶接送り速度に
応じて定めている。すなわち、溶接送り速度が速
いほど１回走査する間に溶接ロボツトが移動する
距離は大きくなり、その間におけるピークセンサ
角θｍの変化は大きくなるので、溶接送り速度に
応じて１回の補正量△ａを大きくしてピークセ
ンサ角θｍの変化に追従できるようにする。

ここでは、まず、上記の方法において各走査毎
にピークセンサ角θｍが設定値θthより大きいか
否かを検出するまでについて説明する。

第５図において、発振器３０は所定周波数のパ
ルス信号を出力する。このパルス信号はセンサ振
動部１３に加えられ、前記パルスモータ１９を駆
動する信号として用いられる。センサ１５の検出
信号はアナログ−デジタル変換器（以下Ａ−Ｄ変
換器という）３１においてデジタル信号に変換さ
れた後ゲート３２に加わる。前記発振器３０から
のパルス信号は前記パルスモータ１３に加わるほ
かにゲート３２にも加わり、上記Ａ−Ｄ変換器３
１の出力データを処理装置３４に取込むためのサ
ンプル信号として用いられる。ここで、発振器３
０とゲート３２間に点線で示すように分周器３３
を挿入すれば、センサ１５の１回の走査当たりに
取込むデータ数は該分周器３３の分周率によつて
任意に設定することができる。

ゲート３２の出力データおよび発振器３０の出
力パルスおよび該出力パルスを分周器３５で分周
した信号は第６図に示すように処理装置３４のピ
ークセンサ角検出部４０に加わる。

ピークセンサ角検出回路４０はセンサ１５の１
回の走査においてセンサ出力が最大となるときの
センサ角すなわちピークセンサ角θｍを検出する
回路である。ピークセンサ角検出部４０は例えば
第７図に示すように構成される。

第７図において記憶回路４１は走査間にゲート
３２でサンプリングされたセンサ出力を記憶する
回路である。記憶する際のアドレス指令としては
前記発振器３０からのパルスが用いられる。すな
わち、記憶回路４１は第８図に示すように例えば
１走査間にゲート３２から出力されるデータ数
（すなわち、１走査する間に発振器３０から発生
されるパルス数ｒ）に応じた記憶個所を有し、カ
ウンタ４２はセンサ角θが０になつたときからの
発振器３０の出力パルスをカウントし、該カウン
ト値（１走査間に発振されるパルス数は一定であ
るから、このカウント値はセンサ角θに対応して
いる）をアドレス指令として記憶回路４１に加
え、上記ゲート３２からのデータを記憶回路４１
の所定アドレスに順次読込ませる。

１走査間にサンプリングされたセンサ出力が記
憶回路４１にすべて記憶されたら、つづいてピー
クセンサ角検出回路４３において上記記憶された
データのうちの最大値を調べ、更にその最大値が
記憶されていたアドレスを調べる。最大値および
そのアドレスを調べる手順の一例を第９図のフロ
ーチヤートにもとづいて説明する。

ピークセンサ角検出回路４３は上記記憶回路４
１に記憶されたデータの大小を調べる比較器およ
び該比較器の比較結果に応じて大きいほうのデー
タおよびそのアドレスを記憶するメモリ等（いず
れも図示せず）を含む回路である。手順として
は、第９図に示すように、まずメモリにデータと
して０を記憶する。つぎに、アドレス指令を０と
して記憶回路４１からデータを読出す。そして、
その読出したデータと上記記憶されたデータ０と
を比較して読出したデータのほうが大きければメ
モリの内容をそのデータに書替える。また同時に
そのデータのアドレスも記憶する。データおよび
アドレスを記憶したらアドレス指令を＋１する。
もし、上記の比較で読出したデータのほうが小さ
かつた場合はメモリの内容は書替えずにそのまま
アドレス指令を＋１する。アドレス指令を＋１し
たら記憶回路４１からそのアドレスのデータを読
出して上記の比較を行なう。以上のような比較動
作を記憶回路４１に記憶されたすべてのデータに
ついて繰返して行なう。以上のような比較動作の
結果メモリには１走査間におけるセンサ出力のピ
ーク値およびその値が記憶されていた記憶回路４
１のアドレスが残されることになる。ここで、記
憶回路４１のアドレスは前述のようにセンサ角θ
に対応したものであるから、メモリに残された記
憶回路４１のアドレスがピーク値におけるセンサ
角すなわちピークセンサ角θｍに対応しているこ
とになる。

尚、上記のような処理方法を用いる場合は記憶
回路４１にデータを取込んでからの処理時間が必
要であるので、データのサンプリングとピークセ
ンサ角θｍ検出とを１走査毎に交互に行なうか
（１走査は１往復であるので1/2走査毎でもよ
い）、またはメモリ４１を２つ設計、１走査毎に
交互にデータを読み込んで並行して処理を行なう
ようにする。また、１走査間におけるセンサ出力
を一旦記憶する記憶回路４１は特別設けなくても
ピーク時センサ角検出回路４３においてゲート３
２からのデータを遂次比較して大きいデータを順
次残していくように処理すればピークセンサ角を
検出する処理時間を省略することができる。

尚、第７図において分周器３５から加わるパル
スは記憶回路４１およびピークセンサ角検出回路
４３内のメモリ等を１回の処理毎にクリアするた
めに用いられる。

以上のようにしてピーク時センサ角検出回路４
３においてピークセンサ角θｍが求まつたら、つ
ぎにこのピークセンサ角θｍが予め設定された値
±θthより大きいか否かを調べる。比較回路４４
はこのための回路でピークセンサ角θｍが＋θth
を越している場合はラインｌからパルスを１つ出
力し、また−θthを越している場合はラインか
らパルスを１つ出力する。

ところで上記比較を行なう場合は、カウンタ４
２のカウント値を常にセンサ角θに対応する値と
して取扱つてはいけない。すなわち、１走査間に
カウンタ４２のカウント値は順次大きくなつてい
くのに対し、センサ角θは往路では順次大きくな
るが復路では順次小さくなつていくからである。
そこで、ピークセンサ角θｍとして検出されたカ
ウント値（Nmとする）と設定値±θthとを比較
する場合においてもカウント値Nmがｒ−１／２（ｒは １走査間に発振されるパルス）より小さい場合
（すなわち往路）はNmと±θthをそのまま比較
し、カウント値Nmがｒ−１／２より大きい場合（すな わち復路）はｒ−Nmと±θthを比較するように
する。

比較回路４４の出力パルスはピーク時センサ角
検出部４０から出力される。そして、第６図に示
すようにラインｌから出力されたパルスはアツプ
パルスとして、また、ラインから出力されたパ
ルスはダウンパルスとしてアツプ／ダウンカウン
タ５０に夫々加わりアツプ／ダウンカウントされ
る。

アツプ／ダウンカウンタ５０の計数値はＤ−Ａ
変換器５１でアナログ信号に変換された後センサ
ートーチ角の指令値として減算器５２に加わ
る。すなわち、ピークセンサ角検出部４０の出力
は１つのパルスが前記所定の補正量△ａに対応
している。また、補正の方向は、例えばアツプパ
ルスが右回り方向の補正にダウンパルスが左回り
方向の補正に夫々対応している。

減算器５２は上記Ｄ−Ａ変換器５１から出力さ
れるセンサートーチ角の指令値と角度検出器１１
から出力されるセンサートーチ角の検出値の偏差
を求める。この偏差は増幅器５３を介してサーボ
モータ１０に加わり、該偏差が０となるまでサー
ボモータ１０を駆動する。

第１０図は１走査毎に検出されるピークセンサ
角θｍと補正量△ａの関係を示したものであ
る。この図に示すようにピークセンサ角θｍが設
定値＋θthより大きいと判別された回は＋△ａ
だけセンサートーチ角を補正し、逆に−θthより
小さいと判別された回は−△ａだけセンサート
ーチ角を補正し、−θthから＋θthの範囲にある
と判別されたときは補正は行なわれない。

以上のようにしてセンサ１５を溶接線に沿つて
追従させるようにしている。ところで、この実施
例においては前述のように発振器３０からのパル
ス信号をカウントした値をセンサ角θに対応させ
るようにしているため、カウントし始める時点に
おいてセンサ角θが０となつていなければならな
い。そこでこの実施例においては、運転開始前に
前記センサ振動部１３内に内蔵された角度検出器
２１を用いてセンサ角θが０になつたことを検出
してパルス信号のカウントを開始するようにす
る。具体的にいえば、第５図において、手動操作
等にもとづいて処理装置３４から０点移動指令が
出されると、該指令は排他的オア回路３７および
オア回路３６を介して発振器３０に加わり、該パ
ルス発振器３０からパルス信号を発生させる。そ
して、このパルス信号によりセンサ１５が駆動さ
れて、センサ振動部１３内の角度検出器２１によ
りセンサ角θが０になつたことが検出されたら、
０点検出回路３８から信号が出力されて排他的オ
ア回路３７からは信号が出力されなくなり発振器
３０の駆動は一旦停止される。このようにして運
転開始前においてセンサ角θ＝０に初期設定され
る。初期設定が完了したら、手動操作等にもとづ
いて処理装置３４からスタート指令が出力され、
オア回路３６を介して発振器３０を駆動し、運転
が開始される。また、これと同時に処理装置３４
内のカウンタはパルス信号をカウントし始め、ゲ
ート３２の出力データを記憶回路４１の所定のア
ドレスに取込む。

つぎに、上記センサ１５の追従制御にもとづい
て行なわれる溶接トーチ６の位置制御について説
明する。

第５図において、センサ位置算出回路６０は前
記センサ１５のＸ−Ｙ座標平面上における座標位
置を算出する回路である。すなわち、センサ位置
検出回路６０は前記角度検出器１１からセンサー
トーチ角の検出値を、ロボツト制御装置６１か
ら溶接トーチ６の座標位置を夫々入力し、これら
の情報とセンサ１５とトーチ６間の距離Ｌにもと
づいてセンサ１５の座標位置を算出する。算出さ
れた座標位置は適宜の間隔でサンプリングされて
記憶回路６２に順次記憶される。

遅延回路６３はロボツト制御装置６１から送ら
れてくる溶接送り速度υの情報とセンサ１５とト
ーチ６との距離ＬとからL/υに相等する。時間
遅れをつくり、記憶回路６２にあるデータを溶接
トーチ６の位置指令としてロボツト制御装置６１
に送出する。すなわち、センサ１５の位置を溶接
ロボツトがその位置まで進んだときの溶接トーチ
１５の位置指令として与える。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
の各制御系６５，６５，６６、はこの指令に応じ
た位置に溶接トーチ６を位置制御する。このよう
にして溶接トーチ６はセンサ１５の軌跡すなわち
溶接線に沿つて理想的な軌跡をたどる。これによ
つて自動倣いによる溶接が実現さかる。

ところで、第５図においてNCデータ出力装置
６７は溶接開始地点および溶接終了地点などのポ
イントを指示するためのものである。

尚、上記実施例においてはセンサ出力を単に溶
接線を探知するためだけに用いたが、センサ１５
と溶接ワークとの距離を適正に保つための信号と
しても利用できる。すなわち、第５図に点線６８
で示すようにゲート３２からのセンサ出力をロボ
ツト制御装置６１に加え、ロボツト制御装置６１
では、例えばその平均値をとつて、該平均値が所
定値となるようにセンサ１５と溶接ワーク間の距
離補正を行なうようにする。

また、上記実施例においてはセンサ１５として
磁気センサを用いたが、これに限らず目標物との
距離に応じた信号を出力するセンサであればどの
ようなものでもよい（例えば超音波を利用したも
のなど）。

以上説明したようにこの発明によれば、距離セ
ンサを溶接ワーク上方において振子のように振動
させ、センサ出力が極値を示すときのセンサ角を
調べて溶接線の方向を探知するようにし、また、
溶接トーチの位置を軸として溶接ワークの面に沿
つて回動するロツドを溶接ロボツトに取付け、該
ロツドの先端には上記距離センサを取付けて、上
記検出されるセンサ角が所定の設定値となるよう
に上記ロツドを回動制御することにより様々な形
状の溶接線について上記距離センサを探知追従さ
せることができる。そして、このように溶接線に
追従するセンサを支持するロツドの回動角から溶
接トーチから一定距離先行する地点における溶接
線の位置を求めることができ、溶接トーチを該溶
接線に追従させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る溶接線探知センサの構
成例を示す図で溶接ロボツトに装着した状態を示
す斜視図、第２図ａは第１図の溶接線探知センサ
部の詳細例を示す構成図、第２図ｂはセンサを振
動させるための機構を示す図、第３図は第１図の
センサの特性例を示すグラフ、第４図は第１図の
センサを様々な形状の溶接ワーク上で振動させる
状態およびそのときのセンサ出力を示す図、第５
図はこの発明の一実施例を示すブロツク図、第６
図は第５図の処理装置の構成例を示すブロツク
図、第７図は第６図のピーク時センサ角検出部の
構成例を示すブロツク図、第８図は第７図の記憶
回路における記憶方法の一例を示す図、第９図は
第７図のピーク時センサ角検出回路における検出
手順の一例を示すフローチヤート、第１０図はピ
ーク時センサ角とセンサートーチ角の補正量との
関係を示す図である。 １……溶接ロボツト、２……レール、３……Ｘ
軸送り機構、４……Ｙ軸送り機構、５……Ｚ軸送
り機構、６……溶接トーチ、７……溶接線探知セ
ンサ部、８，９……ギア、１０……サーボモー
タ、１１……角度検出器、１３……センサ振動
部、１５……距離センサ、１６，１７……軸受、
１８……突片、１９……パルスモータ、２０……
円板、３０……発振器、３１……Ａ−Ｄ変換器、
３４……処理装置、６１……ロボツト制御装置、
６２……記憶回路、６３……遅延回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接ワークの溶接線に関連した溶接トーチの
   目標位置を指令することにより該溶接トーチを溶
   接線に追従移動させる溶接ロボツトにおいて、 前記溶接トーチの中心軸と同軸の回動軸を有す
   る支持棒と、 前記支持棒の回動角を検出する第１の角度検出
   手段と、 非接触式のセンサであつて、その検出部の指向
   方向における溶接ワークとの距離に対応する電気
   信号を出力するセンサと、 前記支持棒の先端に配設され、前記センサを前
   記支持棒に直交する平面内において振子のように
   揺動させる揺動手段と、 前記センサの揺動角を常時検出する第２の角度
   検出手段と、 前記センサから出力される電気信号の極値を検
   出し、該極値検出時における前記第２の角度検出
   器の検出角から前記センサの検出部が前記溶接ワ
   ークの溶接線を指向したときにおける揺動角を求
   める揺動角検出手段と、 前記揺動角検出手段によつて検出される揺動角
   が前記溶接トーチの方向に対応する所定の設定値
   になるように前記支持棒を回動させる支持棒回動
   制御手段と、 前記第１の角度検出手段によつて検出される前
   記支持棒の回動角、前記溶接トーチの現在位置お
   よび前記溶接トーチと前記センサとの距離に基づ
   いて前記センサの位置を算出する演算手段と、 前記演算手段によつて算出したセンサの位置
   を、前記溶接トーチがそのセンサの位置に達する
   所定時間後における該溶接トーチの目標位置とし
   て指令する手段と、 を具えた溶接ロボツトの倣い制御装置。 ２ 前記センサは磁気センサである特許請求の範
   囲第１項記載の溶接ロボツトの倣い制御装置。