KR20090078737A

KR20090078737A - 용접 로봇

Info

Publication number: KR20090078737A
Application number: KR1020080136497A
Authority: KR
Inventors: 도시히꼬 니시무라; 마사유끼 시게요시
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2009-07-20
Also published as: CN101486123B; JP2009166076A; CN101486123A; KR101060435B1; US20090179021A1

Abstract

본 발명의 과제는 탠덤 용접시의 용접선 추적에 있어서, 선행극 뿐만 아니라 후행극에 대해서도 높은 추적 추종 성능을 실현하는 것이다.

병진 보정 연산부(23)는 선행극(5a)의 다음 시각의 위치의 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 병진 방향의 보정량인 병진 보정량 ΔP(t)로 선행극(5a)의 목표값 Plead(t)를 보정하여 1차 보정 목표값 Plead(t)'를 얻는다. 회전 보정 연산부(24)는 병진 보정량 ΔP(t)에 의한 보정에 의해 발생하는 실제 용접선 Lre에 대한 선행극(5a) 주위의 토치(6)의 자세 어긋남을 보정하기 위한 회전 보정량 Δθ(t)를 계산하고, 회전 보정량 Δθ(t)만큼 선행극(5a) 주위로 토치(6)를 회전시키도록 1차 보정 목표값 Plead(t)'를 보정한 2차 보정 목표값 Plead(t)"를 계산한다. 2차 보정 목표값 Plead(t)"로 매니퓰레이터(2)를 구동한다.

병진 보정 연산부, 토치, 매니퓰레이터, 용접 로봇, 용접 전원

Description

용접 로봇{WELDING ROBOT}

본 발명은 용접 로봇에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 탠덤 용접에서의 용접선 추적을 행하는 용접 로봇에 관한 것이다.

용접 로봇 등의 자동 용접 장치에 있어서는, 각종 센서에 의해 용접선을 자동 추종하는「용접선 추적(Seam Tracking)」이 광범위하게 채용되어 있다. 용접선 추적은, 대상 작업물의 가공 오차, 설치 오차, 열변형에 기인하는 용접 중의 동적 오차 등에 의해 발생하는 용접 목표 위치의 어긋남을 센서로 검지하여 보정함으로써, 용접 결함을 방지하는 것을 목적으로 하고 있다. 도13은 용접선 추적의 원리를 모식적으로 도시하고 있다. 사용되는 센서(1)로서는, 기계식 센서, 아크 용접 전류 변화를 이용하는 센서, 광학·시각 센서 등이 있다. 센서(1)의 방식이 상이해도, 센서(1)에 의해 계측한 신호를 신호 처리부(2)에서 처리하여 용접 이음과 토치(3)의 위치 어긋남 δ'를 검출하고, 로봇 등의 자동 기계인 토치 위치 제어 장치(4)에 보정을 지령한다고 하는 점에서 원리는 동일하다.

탠덤 용접법은, 2개의 아크 전극(용접 와이어)에서 동시에 아크를 내어 고용착 또한 고속의 용접을 행하는 것이다. 탠덤 용접에는, 도14a에 도시하는 바와 같 이 2개의 아크 전극(5a, 5b)이 공통의 토치(6)를 구비하는 토치 일체형과, 도14b에 도시하는 바와 같이 개개의 아크 전극(5a, 5b)마다 별개의 부재의 토치(6a, 6b)를 구비하는 복수 토치형이 있다. 일반적으로 2개의 아크 전극(5a, 5b) 중 용접선 상의 진행 방향에 대해 전방측에 위치하는 것[도14a 및 도14b의 아크 전극(5a)]은 선행극이라 불리고, 후방측에 위치하는 것[도14a 및 도14b의 아크 전극(5b)]은 후행극이라 불린다.

용접 로봇으로 탠덤 용접을 행할 때의 종래의 용접선 추적을 설명하기 위해, 위빙 동작시의 아크 용접 전류 변화를 센서로 검출하고, 이 센서를 2개의 아크 전극의 양쪽에 설치하고 있는 장치를 예로 든다. 이 종래예에서는, 용접선에 대한 경로의 보정은 상하 및 좌우의 병진 성분에 의해 행하고 있다. 또한, 2개의 아크 전극 중 어떠한 전류 변화를 참조할지(선행극의 전류 변화를 참조할 필요가 있음)는 조작자가 프로그램 명령 등에 의해 지정하는 방식을 채용하고 있다. 이러한 종래의 용접선 추적에는, 주로 이하의 2가지의 문제가 있다.

첫 번째로, 특히 후행극에 대해 충분한 추적 추종 성능이 확보되지 않는다. 구체적으로는, 추적에 의한 경로 수정에 의해 후행극이 위치 어긋남을 일으켜 용접 결함을 발생한다. 도15에 도시하는 바와 같이, 교시 경로 Lte에 대해 실제 용접선 Lre가 왜곡되고, 병진 성분에 의해서만 보정된 토치(6)의 진행 방향이 교시 경로 Lte의 진행 방향에 대해 회전 성분을 갖는 경우가 있다. 이 경우, 선행극(5a)은 실제 용접선 Lre를 정확하게 추종하지만, 후행극(5b)에 대해서는 실제 용접선 Lre에 대한 위치 어긋남 δ가 발생하여 용접 결함으로 된다. 이 문제를 회피하기 위 해서는, 추적에 의한 수정량 자체를 작게 하는 것 이외에 방법이 없다. 추적에 의한 수정량을 작게 하기 위해서는, 용접 대상 작업물의 가공 정밀도 향상뿐만 아니라 설치시의 위치 어긋남이나 용접 열변형을 최소한으로 억제하는 등의 제조면에서의 고안도 필요해져, 본래 이들 오차를 보정하는 목적의 용접선 추적이 유효하게 기능하지 않는 결과로 된다.

두 번째로, 조작이 번거로워 휴먼 에러(human error)의 원인이 된다. 전술한 바와 같이 종래의 용접선 추적에서는, 2개의 아크 전극 중 어느 쪽의 전류 변화를 추적 제어에 이용할지는, 조작자가 프로그램 명령 등에 의해 지정하는 방식을 채용하고 있다. 그러나 이 방식에서는, 프로그램 작성시에 용접의 진행 방향을 파악하면서 차례로 어느 쪽의 전극을 선택할지를 입력한다고 하는 번거로운 작업을 조작자에게 강요하게 된다. 또한, 입력 오류에 의해 후행극의 전류 변화값을 기초로 하여 추적을 행한다고 하는 부적절한 추적 방법을 선택할 가능성도 있다.

본 발명은 탠덤 용접시의 용접선 추적에 있어서, 선행극뿐만 아니라 후행극에 대해서도 높은 추적 추종 성능을 실현하는 것, 및 조작자에게 번거로운 작업을 강요하지 않고 휴먼 에러도 방지하는 것을 과제로 한다.

본 발명은, 다관절형의 매니퓰레이터와, 상기 매니퓰레이터의 선단부에 장착되고, 또한 한 쌍의 전극을 구비하는 토치와, 상기 전극에 급전하는 용접 전원을 적어도 포함하는 용접기와, 상기 전극이 교시 경로를 따라 이동하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키면서 상기 용접기에 의해 용접 대상물의 용접을 실행하는 제어 장치와, 용접 중에 상기 용접 대상물의 용접 이음의 위치에 대한 상기 전극의 위치 어긋남을 계측하는 센싱 수단을 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 전극 중 선행극의 고정 직교 좌표계에 있어서의 다음 시각의 위치 및 자세의 목표값을 계산하는 목표값 연산 수단과, 상기 센싱 수단에 의해 계측된 상기 위치 어긋남을 기초로 하여 상기 선행극의 다음 시각의 위치 및 자세의 상기 고정 좌표계에 있어서의 병진 방향의 보정량인 병진 보정량을 계산하고, 또한 이 병진 보정량으로 상기 목표값을 보정한 1차 보정 목표값을 계산하는 병진 보정 연산 수단과, 상기 병진 보정량에 의한 보정에 의해 발생하는 실제 용접선에 대한 후행극의 위치 어긋남을 보정하기 위한 회전 보정량을 계산하고, 이 회전 보정량만큼 상기 선행극 주위로 토치를 회전 시키도록 상기 1차 보정 목표값을 보정한 2차 보정 목표값을 계산하는 회전 보 정 연산 수단과, 상기 2차 보정 목표값으로부터 계산한 목표 관절 각도에 의해 상기 매니퓰레이터의 각 관절을 구동하는 구동 수단을 구비하는 용접 로봇을 제공한다.

이 구성에 의해, 추적 제어에 의해 용접 진행 방향이 변화한 경우에, 선행극뿐만 아니라 후행극의 위치도 보정된다.

구체적으로는, 상기 회전 보정량은 이하의 식으로 나타내어진다.

상기 센싱 수단은, 각각 상기 한 쌍의 전극 중 하나에 관련된 제1 및 제2 센싱 수단을 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 토치의 진행 방향과, 상기 토치의 형상 및 상기 한 쌍의 전극의 위치 관계를 규정하는 토치 형상 파라미터를 기초로 하여 상기 한 쌍의 전극 중 어느 것이 상기 선행극인지를 판별하는 선행극 판별 수단을 구비하고, 상기 병진 보정 연산 수단은 상기 선행극 판별 수단의 판별 결과를 기초로 하여 상기 제1 및 제2 센싱 수단 중 상기 선행극에 관련된 것의 측정 결과를 사용하여 상기 병진 보정량을 계산한다.

이 구성에 의해, 한 쌍의 전극 중 어느 것이 선행극인지가 자동적으로 판별되고, 이 판별 결과를 기초로 하여 제1 및 제2 센싱 수단 중 선행극에 대응하는 것 을 사용한 용접선 추적이 실행된다.

상기 제1 및 제2 센싱 수단으로서는 전류 검출 센서를 사용할 수 있다. 또한, 광학식 센서, 기계식 센서 등의 다른 방식의 센서도 채용할 수 있다.

회전 보정 연산 수단을 구비하는 제어 장치에 의해, 추적에 의해 용접 진행 방향이 변화한 경우에 병진 보정에 부가하여 선행극 주위로 토치를 회전시키는 보정을 행함으로써, 선행극뿐만 아니라 후행극에 대해서도 높은 추적 추종성을 실현할 수 있다. 그 결과, 용접 대상물의 가공 정밀도나 설치 정밀도가 낮은 경우나, 열변형 등에 의한 용접 중의 동적 오차가 발생한 경우라도 고품질의 용접이 가능해진다.

제어 장치에 선행극 판별 수단을 마련하여 선행극을 자동적으로 판단하고, 선행극에 대응하는 센싱 수단을 자동적으로 선택함으로써 종래와 같이 프로그램 작성시에 추적 제어에 사용하는 센서를 조작자가 차례로 지정한다고 하는 번거로운 작업이 불필요해져, 휴먼 에러도 확실하게 방지할 수 있다.

(제1 실시 형태)

도1에 도시하는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 용접 로봇(1)은, 매니퓰레이터(2), 용접기(3) 및 제어 장치(4)를 구비한다. 이 용접 로봇(1)은 용접 이음(8a)을 따라 작업물(용접 대상물)(8)을 자동적으로 용접한다.

매니퓰레이터(2)의 선단부의 플랜지면(2a)(도3 참조)에는, 와이어로 이루어 지는 한 쌍의 아크 전극(이하, 단순히 전극이라 함)(5a, 5b)을 구비하는 탠덤형의 토치(6)가 장착되어 있다. 매니퓰레이터(2)는 이 토치(6)의 위치 및 자세를 3차원 공간 내에서 변화시킨다. 매니퓰레이터(2)는 6개의 회전 관절(RJm1, RJm2, RJm3, RJm4, RJm5, RJm6)을 갖는다. 회전 관절(RJm1 내지 RJm6) 사이는 링크로 연결되고, 가장 기단부측의 회전 관절(RJm1)은 받침대(7)에 장착되어 있다. 각 회전 관절(RJm1 내지 RJm6)은 회전 구동을 위한 모터 관절 각도[J(J1, J2, J3, J4, J5, J6)]를 검출하기 위한 각도 센서를 구비한다.

용접기(3)는, 전술한 토치(6)에 부가하여 개개의 전극(5a, 5b)에 전력을 공급하는 용접 전원(9a, 9b)을 구비한다. 개개의 전극(5a, 5b)과 대응하는 용접 전원(9a, 9b) 사이에는 전류 검출 센서(10a, 10b)가 배치되어 있다.

도2를 참조하면, 제어 장치(4)는 기억부(11), 매니퓰레이터 제어부(12) 및 용접 제어부(13)를 구비한다. 기억부(11)에는, 후술하는 교시 프로그램과 토치 형상 파라미터를 포함하는 다양한 정보가 기억되어 있다. 매니퓰레이터 제어부(12)는, 회전 관절(RJm1 내지 RJm6)을 구동하여 매니퓰레이터(2)를 동작시켜, 그 위치 및 자세를 제어한다. 매니퓰레이터 제어부(12)는 선행극 판별부(21), 목표값 연산부(22), 병진 보정 연산부(23), 회전 보정 연산부(24), 목표 관절 각도 연산부(25) 및 구동부(26)를 구비한다. 용접 제어부(13)는 와이어[전극(5a, 5b)]의 송출 속도나, 용접 전원(9a, 9b)의 공급 전력을 포함하는 용접기(3)의 동작을 제어한다.

다음에, 매니퓰레이터(2)의 제어에 사용하는 좌표를 설명한다. 우선, 매니퓰레이터(2)에 관하여, 원점이 매니퓰레이터(2)의 받침대(7)에 설정되고, 또한 3차 원 공간에 대해 고정된 직교 좌표계(베이스 좌표계 Σbase)를 설정한다. 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 매니퓰레이터(2)의 위치 및 자세를 baseP(X, Y, Z, α, β, γ)로 표기한다. α는 롤각, β는 피치각, γ는 요(yaw)각을 각각 나타낸다. 또한, 도3에 도시하는 바와 같이, 전극(5a, 5b)을 구비하는 토치(6)에 관하여, 원점이 매니퓰레이터(2)의 선단부의 플랜지면(2a)에 고정된 직교 좌표계(플랜지 좌표계 Σfln)를 설정한다.

다음에, 제어 장치(4)에 의해 실행되는 매니퓰레이터(2) 및 용접기(3)의 제어에 대해 설명한다.

우선, 제어 장치(4)의 기억부(11)에는 교시 프로그램과 토치 형상 파라미터가 기억되어 있다.

본 실시 형태에 있어서의 교시 프로그램을 도4에 도시한다. 이 교시 프로그램은, 용접 개시 위치 Pn까지 이동한 후, 용접 개시 위치 Pn으로부터 용접 속도 V(cm/min)로 직선 이동하고, 진폭 A이며 주파수 f의 정현파로 위빙 동작을 실행하면서 용접 개시 위치 Pn으로부터 용접 종료 위치 Pn+1까지 용접을 행한다고 하는 동작을 용접 로봇(1)에 실행시키는 것이다. 본 실시 형태에서는 교시 경로 Lte(도7 및 도8 참조)는 직선이다. 단, 이 교시 프로그램은 일례이며, 교시 경로 Lte가 곡선 등의 다른 조건하에서도 본 발명을 실행할 수 있다.

토치 형상 파라미터는 매니퓰레이터(2)의 선단부에 장착된 토치(6)가 구비하는 한 쌍의 전극(5a, 5b)의 매니퓰레이터(2)에 대한 위치와, 전극(5a, 5b) 사이의 상호의 위치 관계를 규정한 파라미터이다. 구체적으로는, 토치 형상 파라미터는 한쪽의 전극(5a)의 선단부의 플랜지 좌표계 Σfln에서의 위치 및 자세 flnP_a(X_fa, Y_fa, Z_fa, α_fa, β_fa, γ_fa)와, 다른 쪽의 전극(5b)의 플랜지 좌표계 Σfln에서의 위치 및 자세 flnP_b(X_fb, Y_fb, Z_fb, α_fb, β_fb, γ_fb)를 포함한다.

이하, 도5a 및 도5b의 흐름도를 참조한다. 우선, 단계 S5-1에 있어서, 매니퓰레이터(2)에 의해 교시 프로그램에서 교시된 용접 개시 위치 Pn까지 토치(6)[본 실시 형태에서는 전극(5a)의 선단부]가 이동한다. 다음에, 단계 S5-2에 있어서 선행극 판별부(21)가 전극(5a, 5b) 중 어느 것이 선행극인지를 판별한다. 이 선행극의 판별을 위해, 교시 프로그램에서 교시된 용접 개시 위치 Pn과 용접 종료 위치 Pn+1로부터 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 용접의 진행 방향을 나타내는 단위 벡터(용접 진행 방향 단위 벡터 d)가 계산된다. 이 용접 진행 방향 단위 벡터(이하, 단순히 진행 방향 벡터라 함) d와 전술한 토치 형상 파라미터로부터 전극(5a, 5b) 중 어느 것이 선행극인지가 판별된다.

이하의 도5a 및 도5b에 관한 설명에서는, 단계 S5-2에 있어서 전극(5a)이 선행극라고 판별되고, 용접 개시 위치 Pn 및 용접 종료 위치 Pn+1은 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 전극(5a)의 위치 및 자세로 나타내어지는 것으로 한다. 선행극의 판별 및 그에 수반되는 용접 개시 위치 Pn 및 용접 종료 위치 Pn+1의 설정의 상세에 대해서는 도6 및 도9를 참조하여 후술한다. 이하의 도5a 및 도5b에 관한 설명에서는, 필요에 따라서 전극(5a)을「선행극」, 전극(5b)을「후행극」이라 하는 경우가 있다. 또한, 전극(5a, 5b)의 위치 및 자세에 관하여 언급하는 경우에는, 전극(5a, 5b)의 선단부의 위치 및 자세를 말하는 것으로 한다.

스텝 S5-3에서 용접이 개시되고, 단계 S5-4에서 시각 t가 초기화된다(t = 0). 계속해서, 단계 S5-5 내지 단계 S5-13의 처리가 용접 종료 위치 Pn+1에 도달할 때까지(단계 S5-14), 일정한 시간 간격[매니퓰레이터(2)의 경로 계산 주기] Tc마다 반복되고, 전극(5a, 5b)의 선단부가 위빙 동작하면서 직선 이동하도록 보간 동작이 실행된다. 우선, 단계 S5-5에 있어서 시각 t가 시각 t+Tc(다음 시각)로 갱신된다. 도7 및 도8에 있어서 부호 6A는 현 시점에 있어서의 토치(6)[전극(5a, 5b)]의 위치 및 자세를 나타낸다.

다음에, 단계 S5-6에 있어서 목표값 연산부(22)가 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 시각(다음 시각) t에서의 선행극(5a)의 위치 및 자세의 목표값 Plead(t)를 계산한다. 도4의 교시 프로그램의 경우, 목표값 Plead(t)는 이하의 식(1)로 나타내어진다. 이 식(1)에 있어서, 진폭 방향 벡터 w는 진행 방향 벡터 d와 직교하는 단위 벡터이며, 위빙 동작의 방향을 규정한다. 도8에 있어서, 부호 6B는 이 목표값 Plead(t)에 의해 매니퓰레이터(2)가 동작한 경우의 토치(6)[전극(5a, 5b)]의 위치 및 자세를 나타낸다.

단계 S5-7 내지 단계 S5-9는 병진 보정 연산부(23)가 실행한다.

우선, 단계 S5-7에 있어서 선행극의 전류 검출 센서[본 예에서는 전극(5a)의 전류 검출 센서(10a)]로부터 용접 전류 Ilead를 취득한다. 전술한 바와 같이 단계 S5-2에 있어서 선행극이 자동적으로 판별되고, 자동적으로 판별된 선행극(5a)에 대응하는 전류 검출 센서(10a)로부터 용접 전류 Ilead를 취득한다.

다음에, 단계 S5-8에 있어서, 이 용접 전류 Ilead와 위빙 패턴(본 실시 형태에서는 진폭 A, 주파수 f의 정현파)으로부터 목표값 Plead(t)의 실제 용접선 Lre[작업물(8)의 실제 용접 이음(8a)]에 대한 위치 어긋남[시각 t에 있어서의 선행극(5a)의 실제 용접선 Lre에 대한 위치 어긋남]을 산출하고, 이 위치 어긋남을 보정하기 위한 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 병진 보정량 ΔP(t)(ΔX, ΔY, ΔZ)를 산출한다(도8 참조). 이 선행극(5a)의 위치 어긋남의 산출 및 시각 t에 있어서의 병진 보정량 ΔP(t)를 산출하는 방법은 여러가지 알려져 있고, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 소58-53375호에 개시되어 있다. 계속해서, 단계 S5-9에 있어서 목표값 Plead(t)를 병진 보정량 ΔP(t)로 보정하여, 시각 t에 있어서의 1차 보정 목 표값 Plead(t)'를 계산한다. 1차 보정 목표값 Plead(t)'는 이하의 식(2)로 나타낼 수 있다.

도8의 부호 6B를 참조하면 명백한 바와 같이, 가령 1차 보정 목표값 Plead(t)'를 기초로 하여 매니퓰레이터(2)를 동작시킨 경우, 즉 병진 보정량 ΔP(t)만을 고려하여 경로 수정을 행한 경우, 선행극(5a)은 실제 용접선 Lre를 정확하게 추종하지만, 후행극(5a)에 대해서는 실제 용접선 Lre에 대한 위치 어긋남 δ가 발생한다. 그래서, 이 후행극(5b)의 위치 어긋남 δ를 해소하기 위해 회전 보정 연산부(24)가 단계 S5-10, 단계 S5-11을 실행하여 1차 보정 목표값 Plead(t)'를 또한 보정한다.

우선, 단계 S5-10에 있어서 시각 t에 있어서의 회전 보정량 Δθ(t)를 계산한다. 도8을 참조하면, 이 회전 보정량 Δθ(t)는 병진 보정량 ΔP(t)에 의한 목표 위치 Plead(t)의 보정[1차 보정 목표값 Plead(t)'의 계산] 전후의 진행 방향 벡터 d, d'의 각도차를 나타낸다. 환언하면, 회전 보정량 Δθ(t)는 병진 보정량 ΔP(t)에 의한 목표 위치 Plead(t)의 보정에 의해 발생하는 진행 방향 벡터 d의 회전 각도를 나타낸다. 도8을 참조하면 명백한 바와 같이, 기하학적 관계로부터 회전 보정량 Δθ(t)는 이하의 식(3)으로 나타내어진다.

다음에, 단계 S5-11에 있어서 1차 보정 목표값 Plead(t)'를 회전 보정량 Δθ(t)로 보정하여 2차 보정 목표값 Plead(t)'를 계산한다. 구체적으로는, 화살표 RC로 나타내는 바와 같이, 부호를 고려하여 회전 보정량 -Δθ(t)만큼 선행축(5a)주위로 토치(6)가 회전하도록 1차 보정 목표값 Plead(t)'를 보정한다. 도7 및 도8의 부호 6D를 참조하면 명백한 바와 같이, 2차 보정 목표값 Plead(t)"를 기초로 하여 매니퓰레이터(2)를 동작시킨 경우, 즉 병진 보정량 ΔP(t)에 부가하여 회전 보정량 Δθ(t)를 고려하여 경로 수정을 행한 경우, 선행극(5a)이 실제 용접선 Lre를 정확하게 추종할 뿐만 아니라, 후행극(5b)도 위치 어긋남 δ가 해소되어 실제 용접선 Lre를 정확하게 추종한다.

다음에, 단계 S5-12에 있어서, 목표 관절 각도 연산부(25)가 2차 보정 목표값 Plead(t)"의 역 키네마틱스를 계산하여 목표 관절 각도 Jta(t)[= (Jta1, Jta2, Jta3, Jta4, Jta5, Jta6)]를 계산한다. 또한, 단계 S5-13에 있어서, 구동부(26)가 목표 관절 각도 Jta(t)에 의해 매니퓰레이터(2)의 개개의 회전(RJm1 내지 RJm6)을 구동한다.

이상과 같이, 본 실시 형태의 용접 로봇(1)에서는 추적에 의해 용접 진행 방 향이 변화한 경우에, 병진 방향의 보정에 부가하여 선행극(5a) 주위로 토치(6)를 회전시키는 보정을 행함으로써, 선행극(5a)뿐만 아니라 후행극(5b)에 대해서도 높은 추적 추종성을 실현할 수 있다. 그 결과, 작업물(8)의 가공 정밀도나 설치 정밀도가 낮은 경우나, 열변형 등에 의한 용접 중의 동적 오차가 발생한 경우라도 고품질의 용접이 가능해진다.

다음에, 도6 및 도9를 참조하여 선행극의 판별(도5a의 단계 S5-2)에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 예에서는 현재 위치(용접 개시 위치)가 매니퓰레이터(2)의 현재 관절 각도 Jnow(J1now, J2now, J3now, J4now, J5now, J6now)로 부여되고, 다음 교시 위치(용접 종료 위치)도 매니퓰레이터(2)의 관절 각도 J(J1n+1, J2n+1, J3n+1, J4n+1, J5n+1, J6n+1)로 부여된 것으로 한다.

우선, 단계 S6-1에 있어서, 현재 관절 각도 Jnow를 전극(5a, 5b)의 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 현재 위치 및 자세 Panow, Pbnow로 변환한다. 이 변환은, 현재 관절 각도 Jnow의 순 키네마틱스를 계산 후, 토치 형상 파라미터를 적용함으로써 실행할 수 있다. 또한, 단계 S6-2에 있어서 다음 교시 위치에서의 관절 각도 Jn+1을, 전극(5a, 5b)의 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 위치 및 자세 Pan+1, Pbn+1로 변환한다. 이 변환도 관절 각도 Jn+1의 순 키네마틱스를 계산 후, 토치 형상 파라미터를 적용함으로써 실행할 수 있다.

다음에, 단계 S6-3에 있어서 전극(5a, 5b)에 대해 이하의 식(4), (5)로 정의되는 용접 진행 방향 단위 벡터(진행 방향 벡터) da, db를 계산한다.

계속해서, 단계 S6-4에 있어서, 진행 방향 벡터 da, db의 내적을 계산하고, 이들 벡터가 거의 동일한 방향인지 여부를 확인한다. 단계 S6-3에 있어서 진행 방향 벡터 da, db가 동일한 방향이 아닌 경우에는, 에러(교시 위치 Pn, Pn+1이 실행 불가능한 부정의 것임)라고 판단하여 처리를 중지한다. 이와 같이, 선행극의 판별시에 교시 위치 Pn, Pn+1의 타당성[전극(5a, 5b)의 목표가 용접 이음(8a)으로부터 벗어나 있지 않은지]을 확인 가능하며, 교시 프로그램의 오류를 용접 개시 전에 사전에 검출할 수 있다. 한편, 단계 S6-4에 있어서 벡터 da, db가 거의 동일한 방향이면, 단계 S6-5에 있어서 전극(5a, 5b)의 진행 방향 벡터 da, db 중 어느 한쪽(어느 쪽이라도 좋음)을 대표 진행 방향 벡터 d로서 선택한다. 이하의 설명에서는, 전극(5a)의 진행 방향 벡터 da를 진행 방향 벡터 d로서 선택한 것으로 한다(da = d).

다음에, 단계 S6-6에 있어서, 이하의 식(6)으로 정의되는 현재 위치(용접 개시 위치)에 있어서의 전극(5a)으로부터 전극(5b)을 향하는 단위 벡터[전극(5a, 5b)의 차분 벡터 dab]를 계산한다.

계속해서, 단계 S6-7에 있어서, 진행 방향 벡터 d와 차분 벡터 dab의 내적을 계산하고, 그것을 기초로 하여 진행 방향 벡터 d와 차분 벡터 dab의 각도차 Δθd를 계산한다. 단계 S6-8에 있어서, 이 각도차 Δθd를 평가함으로써 전극(5a, 5b) 중 어느 쪽이 선행극인지 판별한다.

단계 S6-8에서 각도차 Δθd가 대략 0°인 경우, 즉 진행 방향 벡터 d와 차분 벡터 dab가 거의 동일한 방향인 경우에는 선행극은 전극(5b)이다. 이 경우, 용접 개시 위치 Pn과 용접 종료 위치 Pn+1은 선행극인 전극(5b)의 현재 위치 Pbnow와 다음 교시 위치 Pbn+1로 각각 설정된다. 단계 S6-8에서 Δθd가 대략 180°인 경우, 즉 진행 방향 벡터 d와 차분 벡터 dab가 대략 반대 방향인 경우에는 선행극은 전극(5a)이다. 이 경우, 용접 개시 위치 Pn과 용접 종료 위치 Pn+1은 선행극인 전극(5a)의 현재 위치 Panow와 다음 교시 위치 Pan+1로 각각 설정된다. 단계 S6-8에서, 각도차 Δθd가 대략 0°도, 대략 180°도 아닌 경우에는 단계 S6-11에 있어서 교시 위치 부정의 에러라 판정되어 처리를 중지한다.

이상과 같이, 제어 장치(4)의 선행극 판별부(21)가 선행극을 자동적으로 판단하고, 선행극에 대응하는 전류 검출 센서(10a, 10b)를 자동적으로 선택함으로써, 종래와 같이 프로그램 작성시에 추적 제어에 사용하는 센서를 조작자가 차례로 선택한다고 하는 번거로운 작업이 불필요해져, 휴먼 에러도 확실하게 방지할 수 있 다.

현재 위치와 다음 교시 위치는 관절 각도 이외에, 즉 전극(5a)의 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 위치 및 자세, 전극(5b)의 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 위치 및 자세, 또는 전극(5a, 5b)의 중간의 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 위치 및 자세로 부여되어도 좋다. 이들 중 어떠한 경우도, 도6의 흐름도를 참조하여 설명한 방법과 동일한 방법으로 선행극을 판별한 후, 현재 위치(용접 개시 위치)와 다음 교시 위치(용접 종료 위치)를 전극(5a, 5b) 중 선행극의 베이스 좌표계 Σbase에 있어서의 위치 및 자세로 변환한 후, 도5a 및 도5b의 흐름도를 참조하여 설명한 방법을 적용함으로써, 선행극과 후행극의 양쪽이 실제로 용접선을 추종하는 추적 제어를 실행할 수 있다.

(제2 실시 형태)

도10 및 도11에 도시하는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 용접 로봇(1)은, 전류 검출 센서(10a, 10b)(도1 및 도2 참조) 대신에 광학식 센서(100)를 구비한다. 광학식 센서(100)는 투광기(101)와 수광 센서(102)를 구비한다. 또한, 본 실시 형태에서는 선행극은 미리 알고 있다[이하, 전극(5a)을 선행극으로 함].

도12a 및 도12b에 도시하는 제어 장치(4)에 의해 실행되는 매니퓰레이터(2)의 제어는 용접 개시 위치 Pn까지 이동하여 용접이 개시된 후(단계 S12-1, 단계 S12-2), 선행 전극(5a)의 목표값 Plead(t)의 계산, 병진 보정량 ΔP(t)를 사용한 1차 보정 목표값 Plead(t)'의 계산, 회전 보정량 Δθ(t)를 사용한 2차 보정 목표값 Plead(t)"의 계산, 2차 보정 목표값 Plead(t)"의 목표 관절 각도 Jta(t)로의 변환 및 목표 관절 각도 Jta(t)의 매니퓰레이터(2)에의 출력을 경로 계산 주기 Tc마다 반복하는 점은 제1 실시 형태와 동일하다(단계 S12-3 내지 단계 S12-13).

본 실시 형태는 병진량 연산부(23)가 광학식 센서(100)로부터 입력되는 화상 신호를 사용하여 병진 보정량 ΔP(t)를 계산하고 있는 점이 제1 실시 형태와 상이하다. 구체적으로는, 투광기(101)로부터 레이저 슬릿광이 작업물(8)에 조사되고, 그 반사광이 수광 센서(102)에 의해 수광된다. 단계 S12-6에 있어서, 병진량 연산부(23)는 수광 센서(102)로부터 입력되는 화상 신호를 처리하여 용접 이음의 위치를 검출한다[매니퓰레이터(2)의 선단부에 고정된 센서 좌표계가 설정되어 있고, 화상 처리에 의해 우선 센서 좌표계에 있어서의 용접 이음의 위치를 검출하고, 그 후 베이스 좌표계 Σbase로 좌표 변환함]. 단계 S12-7에 있어서, 광학식 센서(100)를 사용하여 검출한 용접 이음의 위치와 선행극(5a)의 위치(모두 베이스 좌표계 Σbase)를 비교하여 병진 보정량 ΔP(t)를 계산한다.

제2 실시 형태의 그 밖의 구성 및 동작은 제1 실시 형태와 동일하다.

본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 토치 일체형의 용접 로봇을 예로 들어 본 발명을 설명하였으나, 복수 토치형의 용접 로봇에도 본 발명을 적용할 수 있다. 전류 검출 센서나 광학 센서 이외에도 기계식 센서를 본 발명의 용접 로봇에 채용할 수 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 용접 로봇을 도시하는 개략 구성도.

도2는 제1 실시 형태에 있어서의 제어 장치의 블록도.

도3은 매니퓰레이터의 선단부 부근을 도시하는 모식도.

도4는 교시 프로그램을 도시하는 모식도.

도5a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 용접 로봇의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

도5b는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 용접 로봇의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

도6은 선행극의 판별을 설명하기 위한 흐름도.

도7은 병진 보정 및 회전 보정을 설명하기 위한 모식도.

도8은 병진 보정 및 회전 보정에 의한 선행극과 후행극의 이동을 도시하는 모식도.

도9는 선행극의 판별을 설명하기 위한 모식도.

도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 용접 로봇을 도시하는 개략 구성도.

도11은 제2 실시 형태에 있어서의 제어 장치의 블록도.

도12a는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 용접 로봇의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

도12b는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 용접 로봇의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

도13은 용접선 추적의 원리를 도시하는 모식도.

도14a는 토치 일체형을 도시하는 모식도.

도14b는 복수 토치형을 도시하는 모식도.

도15는 경로 수정시의 후행극의 위치 어긋남을 도시하는 모식도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 용접 로봇

2 : 매니퓰레이터

2a : 플랜지면

3 : 용접기

4 : 제어 장치

5a, 5b : 아크 전극

6 : 토치

7 : 받침대

8 : 작업물

9a, 9b : 용접 전원

10a, 10b : 전류 검출 센서

11 : 기억부

12 : 매니퓰레이터 제어부

13 : 용접 제어부

21 : 선행극 판별부

22 : 목표값 연산부

23 : 병진 보정 연산부

24 : 회전 보정 연산부

25 : 목표 관절 각도 연산부

26 : 구동부

100 : 광학식 센서

101 : 투광기

102 : 수광 센서

RJm1 내지 RJm6 : 회전 관절

Claims

다관절형의 매니퓰레이터와,

상기 매니퓰레이터의 선단부에 장착되고, 또한 한 쌍의 전극을 구비하는 토치와, 상기 전극에 급전하는 용접 전원을 적어도 포함하는 용접기와,

상기 전극이 교시 경로를 따라 이동하도록 상기 매니퓰레이터를 동작시키면서 상기 용접기에 의해 용접 대상물의 용접을 실행하는 제어 장치와,

용접 중에 상기 용접 대상물의 용접 이음의 위치에 대한 상기 전극의 위치 어긋남을 계측하는 센싱 수단을 구비하고,

상기 제어 장치는,

상기 전극 중 선행극의 고정 직교 좌표계에 있어서의 다음 시각의 위치 및 자세의 목표값을 계산하는 목표값 연산 수단과,

상기 센싱 수단에 의해 계측된 상기 위치 어긋남을 기초로 하여, 상기 선행극의 다음 시각의 위치 및 자세의 상기 고정 좌표계에 있어서의 병진 방향의 보정량인 병진 보정량을 계산하고, 또한 이 병진 보정량으로 상기 목표값을 보정한 1차 보정 목표값을 계산하는 병진 보정 연산 수단과,

상기 병진 보정량에 의한 보정에 의해 발생하는 실제 용접선에 대한 후행극의 위치 어긋남을 보정하기 위한 회전 보정량을 계산하고, 이 회전 보정량만큼 상기 선행극 주위로 토치를 회전시키도록 상기 1차 보정 목표값을 보정한 2차 보정 목표값을 계산하는 회전 보정 연산 수단과,

상기 2차 보정 목표값으로부터 계산한 목표 관절 각도에 의해 상기 매니퓰레이터의 각 관절을 구동하는 구동 수단을 구비하는 용접 로봇.
제1항에 있어서, 상기 회전 보정량은 이하의 식으로 나타내어지는 용접 로봇.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센싱 수단은 각각 상기 한 쌍의 전극 중 하나에 관련된 제1 및 제2 센싱 수단을 포함하고,

상기 제어 장치는 상기 토치의 진행 방향과, 상기 토치의 형상 및 상기 한 쌍의 전극의 위치 관계를 규정하는 토치 형상 파라미터를 기초로 하여, 상기 한 쌍의 전극 중 어느 것이 상기 선행극인지를 판별하는 선행극 판별 수단을 구비하고,

상기 병진 보정 연산 수단은, 상기 선행극 판별 수단의 판별 결과를 기초로 하여 상기 제1 및 제2 센싱 수단 중 상기 선행극에 관련된 것의 측정 결과를 사용하여 상기 병진 보정량을 계산하는 용접 로봇.
제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 센싱 수단은 전류 검출 센서인 용접 로봇.