WO1994000269A1 - Robot for welding - Google Patents

Robot for welding Download PDF

Info

Publication number
WO1994000269A1
WO1994000269A1 PCT/JP1993/000875 JP9300875W WO9400269A1 WO 1994000269 A1 WO1994000269 A1 WO 1994000269A1 JP 9300875 W JP9300875 W JP 9300875W WO 9400269 A1 WO9400269 A1 WO 9400269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coordinate system
positional relationship
welding
signal waveform
distance sensor
Prior art date
Application number
PCT/JP1993/000875
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yasushi Mukai
Makoto Takahashi
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. filed Critical Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority to US08/199,169 priority Critical patent/US5495090A/en
Priority to DE69313590T priority patent/DE69313590T2/de
Priority to EP93913590A priority patent/EP0601206B1/en
Publication of WO1994000269A1 publication Critical patent/WO1994000269A1/ja

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/24—Features related to electrodes
    • B23K9/28—Supporting devices for electrodes
    • B23K9/287—Supporting devices for electrode holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/12—Automatic feeding or moving of electrodes or work for spot or seam welding or cutting
    • B23K9/127—Means for tracking lines during arc welding or cutting
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/42—Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/42—Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine
    • G05B19/425—Teaching successive positions by numerical control, i.e. commands being entered to control the positioning servo of the tool head or end effector
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/36—Nc in input of data, input key till input tape
    • G05B2219/36441—Follow contour, line with sensor and record points
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37425—Distance, range
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45104—Lasrobot, welding robot

Definitions

  • the present invention relates to a teaching play-pack type welding port bot which automatically recognizes a welding point and a posture of an object to be welded, and self-teaches an operation program while autonomously following a welding line.
  • the most commonly used teaching work method is that a teaching worker uses a control switch of an operation box for instructing a robot to perform a predetermined movement while observing the movement of the robot.
  • the teaching of the motion program while the robot is being operated In the case of a work to be welded that includes a curve or direction change, this teaching operation requires not only skill but also the desired movement of the robot. There is a problem that it takes time, for example, it is necessary to repeat trials.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-136680 discloses a method called teaching which teaches the absolute position by simulation on a computer.
  • a position teaching working device provided with a plurality of light emitting elements is moved along the welding line of the workpiece instead of the torch,
  • the robot not only is the robot required to have high absolute positioning accuracy, but also the robot arm, welding torch, welding cable, etc., and the work to be welded or peripheral jigs, etc. Confirmation of interference is also required.
  • the first method is that while the operator grasps the welding torch fixed to the end of the robot arm or the gripping part that imitates it and follows the welding line, the robot sometimes moves its movement.
  • This method is called so-called direct matching, which detects and stores momentarily, and a method of detecting the movement is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-85106.
  • a force detector for detecting the direction in which the worker guides the gripping portion and the magnitude of the guiding force is provided, and the position and orientation of the tip of the torch are calculated using the output signal.
  • the robot automatically recognizes the welding start point and welding line using a sensor, and the mouth robot performs teaching work while following the welding line autonomously. Since the teaching work proceeds while performing the same operation as during actual operation, it is not necessary to check interference and correct the teaching point, and it is necessary for the worker to work close to the mouth bot. Teaching work can be done safely, and the positioning and posture adjustment are automatically performed by the mouth box using the sensor information.Therefore, there is the advantage that the teaching quality can be homogenized regardless of the skill of the worker. .
  • the means for automatically recognizing the welding start point and welding line can be broadly classified into two types.
  • the first means is a distance sensor or an image using laser light or ultrasonic waves.
  • the second means is to use the welding work itself, such as the welding wire and the welding arc itself.
  • a tactile sensor based on a wire earth using a welding wire is used for welding.
  • a voltage is applied to the wire to make one electrode, and the work surface is used as the other electrode.
  • the welding wire is moved by the robot, and the two electrodes, that is, the welding wire and the work, come into contact with each other to generate electricity.
  • the position of the work is recognized from the position of the robot arm at the time when electrical continuity is obtained, and the welding line is detected by repeating this at a plurality of points.
  • the detection operation since it is necessary to perform sensing at a plurality of positions for each teaching point, the detection operation is slow, the work becomes complicated, and as the number of teaching points increases, the time required for teaching increases, and the practicality increases. It had the problem of serious damage.
  • an arc sensor utilizing a welding arc uses a change in a welding current signal as an information source to determine the position of a welding line.
  • a welding current signal as an information source.
  • the arc itself acts as a sensor, so it is necessary to perform teaching work while performing welding, so it is not possible to start over.
  • it is difficult to trace welding lines at high speed, and practically, lap joints made of thin sheets However, it had problems that it was difficult to apply, that tracking performance was greatly affected by welding conditions, and that it was difficult to control the torch attitude.
  • the present invention solves the above problems, has a size and shape that does not impair accessibility to a work, is applicable to a wide range of work shapes and work environments, and does not require welding.
  • a sensor that can automatically recognize the position of the welding line and the posture of the torch with respect to the workpiece at high speed.
  • Another object of the present invention is to provide a welding port bot that can realize a simple, safe and effective teaching man-hour reduction method using the same. Disclosure of the invention
  • the welding robot includes a robot arm, a first coordinate system set at a tip of the robot arm, a second coordinate system set at a target work, and a target robot.
  • a non-contact distance sensor attached to the tip of the Bottom that measures the distance to the work and outputs distance information, and a non-contact distance in which the rotation center axis is fixed to the first coordinate system
  • Rotary scanning means for rotationally scanning the sensor, rotational phase detecting means for detecting the rotational phase of the non-contact distance sensor and outputting rotational phase information, and characteristic points of a signal waveform obtained from the distance information and the phase information
  • Signal waveform processing means for extracting distance information and phase information for each feature point, and the position and orientation relationship between the first and second coordinate systems based on information from the signal waveform processing means (hereinafter referred to as Is simply called the position relation).
  • Engagement calculation means a positional relationship setting storage means for setting and storing a positional relationship as a reference between the first coordinate system and the second coordinate system in advance; and a first coordinate system calculated by the positional relationship calculation means.
  • a robot control that operates the robot arm so that the positional relationship between the first coordinate system and the second coordinate system preset and stored by the positional relationship between the first and second coordinate systems and the positional relationship between the first and second coordinate systems are stored. And a control means.
  • the non-contact distance sensor is rotated by the rotation scanning means, and the characteristic points of the signal waveform are extracted by the signal waveform processing means using the distance information to the target work and the rotation phase information. From the distance information and rotation phase information for each feature point The step calculates the positional relationship between the first coordinate system and the second coordinate system, that is, the position and orientation of the welding line and the workpiece and the welding torch, and the calculated positional relationship is set and stored in advance. Since the robot control means operates the robot arm so as to coincide with the relationship, the robot is automatically set to a desired positional relationship set and stored in advance, that is, the target position or posture of the welding torch. Arm can be operated.
  • a capacitance type non-contact distance sensor as the non-contact distance sensor, high-precision detection is possible without being affected by the surface condition of the work, environmental illuminance, and ambient temperature.
  • a small sensor can be configured.
  • Fig. 1 is an external view showing the overall configuration of the present invention
  • Fig. 2 is a block diagram showing the data flow of the present invention
  • Fig. 3 is a two-channel capacitance type distance sensor.
  • Fig. 4 is an explanatory diagram of the first coordinate system
  • Fig. 5 is an explanatory diagram of the second coordinate system
  • Fig. 6 is a schematic diagram when the torch coordinate system and the workpiece coordinate system match
  • Fig. 7 is a sensor signal waveform diagram when the torch coordinate system and the work coordinate system match
  • Fig. 8 is a schematic diagram when the torch coordinate system and the work coordinate system are displaced in the Xt direction.
  • Fig. 4 is an explanatory diagram of the first coordinate system
  • Fig. 5 is an explanatory diagram of the second coordinate system
  • Fig. 6 is a schematic diagram when the torch coordinate system and the workpiece coordinate system match
  • Fig. 7 is a sensor signal waveform diagram when the torch coordinate system and the work coordinate system match
  • Fig. 9 shows a sensor signal waveform diagram when the torch coordinate system and the work coordinate system deviate in the Xt direction.
  • Fig. 10 shows a case where the torch coordinate system and the work coordinate system deviate around Zt.
  • Fig. 11 is a sensor signal waveform diagram when the torch coordinate system and the work coordinate system deviate around Zt, and
  • Fig. 12 is the torch coordinate system and the work. Schematic diagram of a case where target system is shifted in Z t direction, the first 3 FIG torch coordinate system and the workpiece coordinate system Z t Sensor signal waveform diagram when the sensor is displaced in the direction,
  • Fig. 14 is a schematic diagram when the torch coordinate system and the work coordinate system are displaced around Yt, and
  • Fig. 15 is the torch coordinate system.
  • Figure 16 (A) shows a sensor signal waveform diagram when the sensor and the work coordinate system are displaced around Yt
  • Fig. 16 (A) uses a two-channel capacitance-type distance sensor
  • Fig. 16 (B) is an enlarged view of the vicinity of the tip of the capacitive distance sensor shown in Fig. 16 (A).
  • the figure shows the sensor signal waveform when the torch coordinate system and the work coordinate system deviate around Xt
  • Fig. 18 shows the sensor signal waveform when the torch coordinate system and the work coordinate system move around Xt.
  • Fig. 19 is a phase relationship diagram when there is a shift
  • Fig. 19 is a sensor signal waveform diagram when the torch coordinate system and the work coordinate system are shifted within one scan
  • Fig. 20 is a teaching example of the present invention.
  • Workpiece to be used It is a perspective view.
  • reference numeral 1 denotes a vertically articulated robot arm, to which a welding torch (hereinafter referred to as a torch) 13 is attached at the forefront of the arm.
  • 2 is a work having a fillet joint.
  • Reference numeral 5 denotes a capacitive non-contact distance sensor (hereinafter referred to as an electrostatic sensor) that is eccentrically mounted on the tip of the torch 13 eccentrically from the center axis of the torch 13 (Xt axis described later). And a predetermined radius with the center axis of the torch 13 as the center axis of rotation by the rotary scanning means 6 using a servomotor (not shown) as a drive source. Rotate and scan with.
  • the encoder for controlling the servo motor is provided with a non-contact distance sensor 5 with the Yt-axis direction of the torch coordinate system 3 described later as a reference position. It functions as rotation phase detection means 7 for detecting the rotation phase.
  • Reference numeral 8 denotes a signal waveform processing unit that obtains a signal waveform indicating the relationship between the distance and the rotation phase from the output signal of the capacitance type distance sensor 5 and the output signal of the rotation phase detection unit 7 and extracts the characteristic point.
  • the information for each feature point is output to the positional relationship calculating means 9.
  • the positional relationship calculating means 9 calculates a positional relationship between a first coordinate system 3 and a second coordinate system 4, which will be described later.
  • Numeral 10 is a positional relationship setting storage means for pre-setting and storing a desired target position and a torch posture with respect to the workpiece 2 as a positional relationship between the first coordinate system 3 and the second coordinate system 4.
  • the robot arm 1 is attached to the robot arm 1 and the robot arm 1 such that the positional relationship stored by the setting arm and the positional relationship calculated by the positional relationship calculating means 9 match. It is driven by a shaft drive motor 20. As shown in FIG.
  • the robot control means 11 includes a movement target position calculation means 14, a current position management means 15, a third coordinate conversion section 16, a first coordinate conversion section 17, and a second
  • the coordinate conversion unit 18 and the servo control unit 19 are the same as the conventional ⁇ bot, and the positional relationship calculating means 9 and the positional relationship setting storage means 10 are included. It is mainly provided in the robot controller 12.
  • reference numeral 21 denotes an encoder attached to the robot arm driving motor 20.In FIG. 2, the motor 20 and the encoder 21 show only one axis, and other encoders are shown. The axis is omitted. As shown in FIG.
  • the capacitance type distance sensor 5 has two sensor electrodes 22 and 23 concentrically, and these two sensor electrodes 22 and 23 Are arranged at a fixed distance in the X-t-axis direction described later, and operate independently for two channels.
  • the capacitance type distance sensor 5 is configured. Further, since the work 2 is a fillet joint, the sensor electrode is formed in a conical shape so that the effective electrode area with respect to the electrode diameter increases.
  • the torch 13 and the capacitance type distance sensor 5 can be connected to each other via a member having high electrical insulation, and the center axis of the welding torch 13 and the rotation of the rotary scanning means 6 are rotated.
  • Fig. 4 shows the first coordinate system 3 (hereinafter referred to as the torch coordinate system 3) set on the torch 13 attached to the robot arm 1.
  • the action point at the tip of the torch 13 is defined as the first coordinate origin O t (hereinafter referred to as the torch origin O t), and the central axis of the torch 13 is X.
  • the positive direction of the Xt axis is indicated by an arrow in FIG.
  • a straight line orthogonal to the Xt axis on a plane including this Xt axis and the rotation center axis TW of the robot arm 1's most advanced wrist axis is defined as the zt axis.
  • FIG. 5 shows the second coordinate system 4 set on the target work 2 (hereinafter, referred to as the work coordinate system 4).
  • the work coordinate system 4 With the robot arm 1 lying down near the welding line on the workpiece 2, the Xt axis of the torch coordinate system 3 is extended, and the point at which the robot arm 1 intersects the workpiece 2 is Q.
  • the intersection of the perpendicular and the weld line drawn from point Q to the weld line is defined as the second coordinate origin O w (hereinafter referred to as the workpiece origin O w).
  • the direction of the welding line from this primary origin O w is defined as the Y w axis, and the direction orthogonal to the Y w axis and bisecting the groove angle of the work 2 is defined as the X w axis.
  • the positive direction of the Y w axis may be taken in either direction, but the positive direction of X w is the direction from the work origin to the back side of work 2, and the remaining Z w axes are X w and Y It is assumed to be perpendicular to the w-axis and in a right-handed direction.
  • the capacitance-type distance sensor 5 utilizes the fact that the capacitance between two electrodes is inversely proportional to the distance between the electrodes.
  • the object itself is used as the other electrode, a potential difference is applied between the two electrodes to form a circuit, and the capacitance between the two electrodes is measured to indirectly reduce the distance between the two electrodes. That is, set the distance between the capacitance type distance sensor 5 and the work 2.o
  • the distance information measured by the capacitance type distance sensor 5 and the phase information obtained from the rotation phase detecting means 7 are input to the signal waveform processing means 8 and are processed into distance information and phase information for each feature point. Then, it is input to the positional relationship calculating means 9.
  • the positional relationship calculating means 9 calculates the positional relationship between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4. The operations of the signal waveform processing means 8 and the positional relationship calculating means 9 will be described later in detail. I do.
  • the positional relation calculated by the positional relation calculating means 9 is input to the movement target position detecting means 14 together with the reference positional relation preset and stored in the positional relation setting storing means 10 and calculated. Then, the moving target position represented by the triangular coordinate system 3 is calculated so that the reference positional relationship previously set and stored becomes equal.
  • the movement target position represented by the torch coordinate system 3 is calculated by the third coordinate conversion unit 16 using the current position of each axis stored in the current position management unit 15.
  • the current position of the first coordinate system 3 expressed in the rectangular coordinate system is input to the first coordinate converter 17 and converted into the movement target position expressed in the rectangular coordinate system, and then the second coordinate is obtained.
  • the data is input to the conversion unit 18 and is further converted to a movement target position expressed in the joint coordinate system.
  • the movement target position represented by the joint coordinate system is input to the servo control unit 19 and is simultaneously controlled for each axis.
  • the movement target position is compared with the current position information of each axis from the above-described current position management means 15, and a motor rotation command is output to the motor 20 incorporated in the robot arm 1.
  • the encoder 21 attached to the motor 20 outputs feedback information and is input to the servo control unit 19 to form a servo system and the current position. It is also input to the management means 15 and used for updating the current position.
  • FIG. 6 shows that the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 coincide.
  • a schematic diagram of the case is shown.
  • the capacitance type distance sensor 5 is rotated counterclockwise by the rotary scanning means 6 (not shown) with the Xt axis as the rotation center axis as shown by the dashed arrow.
  • the distance in the Xt axis direction to the work 2, that is, the lengths of a plurality of arrows parallel to Xt in the figure are continuously and sequentially measured.
  • the rotation phase of the capacitance type distance sensor 5 can be simultaneously detected by the rotation phase detection means 7, and a signal waveform as shown by a solid line in FIG. 7 is obtained.
  • the vertical axis in FIG. 7 is the distance to the work 2 measured by the capacitance type distance sensor 5, and the horizontal axis is the rotation phase at the time of measurement.
  • the signal waveform indicating the relationship between the rotation phase and the distance is theoretically a waveform obtained by folding a sine waveform every half cycle, but the capacitance type distance sensor 5 Measures the average distance based on the total capacitance between the object to be measured (work 2) and the sensor electrode. Since the work 2 is captured as a surface rather than a point, the signal actually obtained is As shown by the dashed line in Fig. 7, the waveform is similar to a sine wave with two periods per revolution without discontinuities. However, here, the description will be made using a theoretical signal waveform as shown by the solid line in FIG. 7 unless otherwise specified.
  • a simple method is to extract the characteristic points in order to know the change in the signal waveform and to analyze the change in the waveform from the information for each characteristic point, that is, the positional relationship between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4. do it Since the processing can be performed at high speed by using the extreme points of the signal waveform, in the present invention, the signal waveform processing means 8 generates the waveform as shown in FIG. The extreme points are extracted, and the positional relationship between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 is calculated by the positional relationship calculating means 9 from the information of the extreme points of the obtained waveform.
  • the signal waveform naturally contains noise, and the difference between the values of two consecutive extreme points and the phase difference are set so that the extreme points are not erroneously extracted due to the noise. If the value is less than a predetermined value, these extreme points are not extracted as feature points.
  • the capacitance type distance sensor is used as described above, discontinuity points do not originally appear in the signal waveform. It has been ruled out as noise.
  • the minimum point of these extreme points is located at the position where the left and right inner surfaces of the joint of work 2 intersect the Xt-Zt plane.
  • LB and RB are hereinafter referred to as LB and RB, respectively (LB 0 and RB 0 in FIG. 7 where the two coordinate systems match).
  • the local maximum points are located before and after in the traveling direction of the workpiece 2 on the welding line, and the local maximum points before and after this are denoted by FP and BP (FP0 and BP0 in FIG. 7), respectively.
  • FIG. 8 shows a state where the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are shifted by the distance X in the Xt direction.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of FIG. 6 viewed in the direction of Yw.
  • the signal waveform obtained at this time is shown by the solid line in FIG.
  • the extreme points at this time are FP1, BP1, RB1, and LB1.
  • the waveform shown by the broken line in FIG. 9 is a waveform when the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 shown in FIG. 7 are aligned.
  • FIG. 10 shows a state in which the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are shifted (inclined) about the Zt axis by an angle 7.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of FIG. 6 viewed in the direction of Zw.
  • the signal waveform obtained at this time is shown by a solid line in FIG.
  • the extreme points at this time are designated as FP2, BP2, RB2, and LB2.
  • the waveform shown by the broken line in FIG. 11 is a waveform when the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 shown in FIG. 7 match.
  • FIG. 12 shows a state in which the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are shifted by the distance Z in the Zt direction.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of FIG. 6 viewed in the direction of Yw, similarly to FIG. 8, and the signal waveform obtained at this time is shown by a solid line in FIG. At this time, the extreme points are designated as FP3, BP3, RB3 and LB3, respectively.
  • the signal waveform in Fig. 13 is the waveform actually measured using the capacitance type distance sensor 5, and the waveform shown by the broken line is the same between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4. This is the signal waveform in the case of matching, which is also actually measured using the capacitance type distance sensor 5.
  • the minimum points LB 3 and RB 3 on the left and right surfaces of the work 2 are determined.
  • the phase scanning on the right inner surface that is, the difference RH 3 between the phase value at the maximum point FP 3 and the phase value at the maximum point BP 3
  • the phase scanning on the left inner surface That is, a difference occurs between the phase value of the maximum point FP 3 ′ and the difference LH 3 of the phase value at the maximum point BP 3.
  • the local maximum point FP 3 ′ is a value obtained by measuring the same position as the local maximum point FP 3 one revolution before, and the Zt direction of the torch coordinate system 3 and the workpiece coordinate system 4 is described above.
  • the direction deviation can be calculated by using either the difference between the two minimum points or the phase difference between the maximum points.
  • the actual signal waveform of the capacitance type distance sensor 5 is the first As shown in Fig. 3, no discontinuity point occurs at the local maximum point, and the calculation method using the phase is inferior in detection accuracy.
  • the minimum point RB 3 is used and the torch coordinate is calculated using the difference between the values of B 3.
  • the positional relationship between the system 3 and the work coordinate system 4 in the Zt direction is calculated.
  • FIG. 14 shows a state where the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are shifted (inclined) about the Yt axis by an angle of / 3.
  • FIG. 14 is a schematic view of FIG. 6, as viewed in the direction of Yw, similarly to FIGS. 8 and 10.
  • the signal waveform obtained at this time is shown by a solid line in FIG.
  • the extreme points at this time are designated as FP4, BP4, RB4, and LB4, respectively.
  • the signal waveform in Fig. 15 is the waveform actually measured using the capacitance type distance sensor 5 as in Fig. 13 o
  • the same result can be obtained by using any of the two channels of the capacitance type distance sensor 5 as the positional relationship calculation result described so far.
  • the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are displaced by an angle 3 around the Yt axis, there are two cases: The same waveform is obtained when 3 and the work coordinate system 4 are shifted by the distance Z in the Zt direction. Therefore, it is impossible to discriminate between the case where the touch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are displaced around the Yt axis and the case where they are displaced in the Zt direction.
  • the two channels of the capacitance type distance sensor 5 are used to determine this.
  • Figures 16 (A) and (B) show that the two-channel capacitive distance sensor 5 is used to move the touch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 only at an angle around the Yt axis.
  • the capacitance-type distance sensor 5 obtains the distance based on the total capacitance between the measurement object and the sensor electrode, the distance actually measured is the distance in the Xw-axis direction.
  • Each of the two channels of the capacitance type distance sensor 5 measures the distance between the solid arrow and the broken arrow in the figure.
  • the distance SZ between the solid arrow and the dashed arrow in the Zw direction changes according to the angle / 3 as is clear from Figs. 16 (A) and (B), and the capacitance type distance sensor 5 can be rotated and scanned, the shift amount in the Zt-axis direction is calculated for each of the two channels, and the difference between the calculated results can be calculated.
  • FIG. 16 (B) is an enlarged view of the electrode portion of the capacitance type distance sensor 5 shown in FIG. 16 (A).
  • the first electrode 22 and the second electrode 23 measure the distances from points S 1 and S 2 in the figure to work 2. Are located at a distance SX in the Xt'-axis direction parallel to the Xt-axis.
  • a straight line is drawn from the point S1 in the Zw direction, and the intersection with the dashed arrow indicating the distance measured by the second electrode 23 is S ′, and the corners of the straight triangles S1, S2, S ′ are Since S1, S2, and S 'are S, if SX is divided by SZ to calculate the inverse sine, S, that is, the Yt axis rotation of the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 is obtained. Is required (the inclination of the capacitance type distance sensor 5)
  • Fig. 17 shows the signal waveform obtained when the torch coordinate system 3 ⁇ and the work coordinate system 4 are shifted by an angle ⁇ around the Xt axis in Fig. 17 by solid lines.
  • the extreme points at this time are F ⁇ 5, BP 5, RB5 and LB5.
  • the signal waveform when the torch coordinate system 3 and the workpiece coordinate system 4 are aligned is indicated by a broken line.
  • Fig. 18 shows that the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are both displaced in the Xt and Zt directions, and are also displaced around the Xt ⁇ , Yt, and Zt axes.
  • the deviation amount around the axis that is, the angle ⁇ between the welding line Yw and the Yt axis in the figure.
  • the line connecting the minimum points RB and LB and the line connecting the dashed lines FP and BP are always orthogonal on the rotational scanning trajectory plane, and this can be understood from the definition of the workpiece shape and coordinate system and the geometric considerations for the rotational scanning trajectory.
  • the angle ⁇ is defined as the direction indicated by the average value ⁇ of the phase from the reference position of RB and the reference position of L ⁇ , or the average of the phase from the reference position of F and the phase of BP from the reference position. value It can be calculated as a direction orthogonal to the indicated direction, and according to this calculation method, the positional relationship around the Xt axis can be easily calculated.
  • the capacitance type distance sensor 5 rotates and scans five of the six components representing the positional relationship between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4. It can be calculated more easily.
  • the robot arm 1 is operated so that the positional relationship calculated as described above matches the desired positional relationship set and stored in advance, both the direction and the position are obtained.
  • the robot arm 1, that is, the torch 13 can be positioned at the desired target position S and the torch posture by automatically detecting an unknown workpiece.
  • the positional relationship in the Yt direction that is, the positional relationship in the welding line direction, which is the remaining one component representing the positional relationship, may be always set to 0 for the detection of the start point, and if a value other than 0 is given, the robot is set.
  • the arm will move to a position deviated from the current position in the direction of the welding line, and by repeating this operation continuously, the welding line will be maintained while maintaining the predetermined target position and torch posture.
  • the ⁇ -bot arm 1 can be operated to track automatically.
  • the component in the Yt direction of the six components representing the positional relationship between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 is a variable that determines the direction and speed at which the welding line is tracked.
  • the direction of the welding line and the welding speed can be arbitrarily selected or adjusted by changing this value in accordance with the instruction of the robot operator.
  • the curvature of the welding line, the operating speed of each axis of the mouth-bottom arm, and the like are calculated from the positional relationship between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 obtained according to the above-described calculation method, and accordingly, By increasing or decreasing the value of the Yt direction component, the welding speed can be automatically adjusted to the optimum value according to the situation at that time.
  • the rotational scanning cycle of the capacitance type distance sensor 5 is increased, and the time per one rotational scan is so large that the robot arm can be continuously operated. It is effective to shorten the length, but in reality, there are limits to the response frequency and various processing times of the capacitance type distance sensor 5, and to the achievable rotational scanning cycle.
  • Fig. 19 shows the state in which the coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are displaced in the Xt direction while the electrostatic capacitance type distance sensor 5 scans in the Xt direction.
  • the solid line shows the signal waveform when the robot arm operates at a constant speed, and the extreme points in this case are FP6, RB6, BP6, and LB6.
  • the signal waveforms when the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 are kept aligned are indicated by broken lines, and the extreme points in this case are indicated by FP0, RB0, BP0, and LB0.
  • the difference between the value of one maximum point, FP 6 and the value of the same maximum point FP 6 ′, which is about one rotation before, is divided by the phase difference FH 6 between both extreme points, and the movement per unit phase Calculate the correction amount for each extreme point by multiplying this DDX t by the phase difference from FP 6 of the other extreme points RB 6, BP 6, and LB 6 located between the extreme points. And add correction to each value.
  • the correction amount for the phase of the minimum points PB6 and LB6 is calculated, and Add correction to.
  • the minimum points RB and LB are set as described in FIG.
  • the line connecting the minimum points RB and LB and the line connecting the maximum points FP and BP are no longer orthogonal to each other, and the angle formed by the two lines and the right angle
  • the amount of movement in the Zt direction per one rotation scan is obtained from the angle of the difference between the rotation and the radius of the rotation scan, and the amount of correction for the phase of each extreme point is calculated using this as in the case of movement in the Xt direction.
  • the correction is applied to each phase.
  • the positional relationship between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 is accurately calculated by the positional relationship calculating means 9.
  • Table 1 shows a comparison between the teaching time of the welding port bot according to the present invention and the IHj during teaching using the conventional operation box.
  • the capacitance type distance sensor 5 is rotationally scanned by the rotational scanning means 6, and the characteristic points of the signal waveform are determined using the distance information to the target work 2 and the rotational phase information. It is extracted by the signal waveform processing means 8, and the positional relationship between the torch coordinate system 3 and the work coordinate system 4 is calculated by the positional relationship calculating means 9 from the extracted distance information and rotation phase information for each feature point. Then, the robot control means operates the robot arm 1 so that the calculated positional relationship matches the positional relationship set and stored in advance, so that the desired positional relationship set and stored in advance, that is, the welding toe, is set. Robot autonomously to the target position or posture The torch 1, that is, the torch 13 can be operated.
  • the electrostatic capacitance type distance sensor 5 was previously attached to the rotary scanning means 6, and the rotary scanning means 6 and the entire welding torch 13 were configured to be detachable from the welding torch 13, but the electrode rod was positioned at the center of the torch.
  • a member that constitutes the torch 13 such as a tip that rotates the electrostatic capacitance type distance sensor 5 together with the electrode rod.
  • the rotary scanning means 6 may use an electrode rod rotating mechanism of the torch as a structure that can be replaced with a part of the electrode.
  • the rotation phase detection means 7 an example in which an encoder is provided as the rotation phase detection means 7 has been described.
  • the rotation scanning means 6 is accurately rotated at a constant speed to measure time.
  • the rotation phase detecting means 7 can be realized.
  • the correction method in the case where the mouth-bottom arm continuously operates in the Xt-axis direction and the Zt-axis direction has been described, but other positional relationships, i.e., robots around each axis.
  • the above-mentioned correction is performed using the amount of movement per rotation scan in each direction, but it is calculated assuming that the positional relationship is fixed. By subtracting the calculated positional relationship from the positional relationship calculated before one rotation scan, the movement amount per rotation is approximately calculated, and the value of each extreme value is calculated using the approximately calculated movement amount. Also, by correcting the phase and calculating the positional relationship again, this error can be reduced. It is possible.
  • a capacitance-type non-contact distance sensor is used.
  • another type of non-contact distance sensor such as a laser-type distance sensor may be used.
  • the welding mouth bot of the present invention can be used by workers who do not have skilled teaching techniques to work with a complicated shape and require many teaching points, It is suitable for easily, efficiently, and accurately teaching a work that requires a large number of operation programs to cope with production.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Numerical Control (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Description

明 細 書
発明の名称
溶接用口ボッ ト
技術分野
本発明は、 被溶接物の溶接点と姿勢を自動認識して自律的に 溶接線を倣いながら動作プログラムの自己教示を行なうティ ー チ ングプレイパッ ク型溶接用口 ボッ 卜 に関する。
背景技術
現在稼動している溶接用ロボッ トのほとんどはティ 一チ ング プ レイパッ ク型ロボッ トであり、 多品種少量生産に対応するた めには、 一台の ロ ボ ッ 卜 に対して多 く の動作プロ グラ ムを教示 する必要がある一方、 熟練した πボッ 卜の教示作業者が不足の 傾向にある こ とから、 効果的な教示工数の低減策が望まれてい る
現在最も一般的に行われている教示作業法は、 教示作業者が ロ ボッ 卜の動きを指示する操作箱の操作スィ ツ チを使用 して、 ロボッ 卜の動きを観察しつつ所定の動きをさせながら動作プロ グラ ムを教示する もので、 曲線や方向転換等を含む被溶接物に あっては、 この教示操作には熟練を必要とするばかりでなく、 ロボッ 卜の所望の動きを得るために試行を繰り返すこ とが必要 であるなど時間がかかるといった問題がある。
このよ うなこ とから操作箱によらない種々な教示手段が提案 され、 少しずつ実用化され始めている。
その一つはロボッ 卜を実際には動かさずに、 口ボッ トを含む 作業場に設定した座標系上での絶対位置を教示するいわゆるォ フ ラ イ ンテ ィ ーチ ングと呼ばれる方法で、 絶対位置をコ ン ピュ 一タ上でシ ュ ミ レー シ ョ ンにより教示する方法や、 特開昭 6 0— 1 3 6 8 0 6号公報または特公昭 6 4 - 4 8 7 5号公報に開示 されているよう に、 複数の発光素子を設けた位置教示作業器を ト ーチの代わり に被溶接物の溶接線に沿って動かして、 その発 する光を作業場に固定して設置したイ メ ー ジセ ンサで検出して 教示する方法などがある。 これらの方法では、 ロボッ 卜 に高度 な絶対位置決め精度が要求されるのみでな く 、 ロ ボ ッ ト ァー ム、 溶接 ト ーチや溶接ケー ブルなどと被溶接物あるいは周辺治 具等との干渉の有無の確認も要する。
また、 他の方法と してロボッ トを実際に動作させながら教示 する方法がある。 その第 1 の方法は作業者がロボッ ト アームの 先端部に固定された溶接 ト ーチまたはそれを摸した把持部を把 持して溶接線上を倣い誘導する間にロボッ トがその動きを時々 刻々検知して記憶するいわゆるダイ レ ク 卜 テ ィ一チ ングと呼ば れる もので、 その動きの検知方法と しては例えば特開昭 5 6— 8 5 1 0 6号公報に開示されているよ うに、 作業者が把持部を 誘導する方向と誘導力の大きさを検知する力検出器を設けて、 その出力信号を用いて トーチ先端の位置と姿勢とを潢算する方 法がある。 この ダイ レク 卜 テ ィ 一チ ングは作業者がロ ボッ 卜 の 座標系などを意識する こ となく 直感的に口ボッ 卜を操作する こ とが可能であるので、 教示作業者には扱い易いティ ーチ ング方 法であるが、 取り付ける力検出器などがワ ークや治具と干涉し て操作できないこ とがあるばかりでな く 、 ワークの形状によつ ては作業者に不自然な姿勢を強いる場合もあるほか、 作業者が ロ ボ ッ ト に接触して危害を受ける危険性も高い。
さ らに第 2 の方法は、 セ ンサを利用 してロボッ 卜 に溶接開始 点および溶接線を自動認識させ、 口ボッ トが自律的に溶接線を ならいながら教示作業を行なう もので、 ロボッ トが実稼働時と 同じ動作を行いながら教示作業が進められるので、 干渉の確認 や教示点の修正作業が不要であるばかり でな く 、 作業者が口 ボッ ト に接近して作業を行う必要がないので教示作業が安全に 行え、 位置決めおよび姿勢合わせはセ ンサ情報を用いて口ボッ 卜が自動的に行うので、 作業者の技能に左右されずに教示品質 の均質化が図れる といった利点がある。
溶接開始点および溶接線の自動認識手段と しては大き く 2種 類に分類する こ とができ、 その第 1 の手段は、 レーザ光や超音 波等を用いた距離セ ンサまたはイ メ ージセ ンサを利用 したもの であり、 第 2 の手段は、 溶接ワ イ ヤや溶接アーク 自体といった 溶接作業その ものを利用 したものである。
一般に、 レーザ光や超音波等を用いた距離セ ンサま たはィ メ ー ジセ ンサを利用した溶接開始点または溶接線の自動認識手 段の多く は、 溶接 ト ーチの近傍に別途これらのセ ンサを取り付 ける必要があ り、 小型高精度のセ ンサが得がたい現状では、 ワークや治具等とセンサとの干渉が障害となる場合が多い上、 ワークの表面状態や環境照度、 周囲温度等に大き く 影響される 場合が多く 、 適応できる ワークや治具あるいは作業環境に大き な制約を与えるといった問題を有していた。
溶接ワ イ ヤ を利用する ワ イ ヤ ーア ー ス に よ る タ ツ チセ ンサ は、 特公昭 5 4— 1 5 4 4 1号公報に示されているよ うに溶接 ワイ ヤに電圧を印加して一方の電極と し、 ワーク面を他方の電 極と して、 ロボッ 卜 によって溶接ワイ ヤを動かして両電極すな わち溶接ワイ ヤと ワークが接触して電気的導通が得られた時点 での ロ ボ ッ ト アームの位置からワ ー ク の位置を認識し、 これを 複数の点において繰り返すことによ り溶接線を検出する もので ある。 この方法は教示点毎に複数の位置でセ ン シ ングを行う必 要があるので検出動作が遅く、 ワークが複雑になり教示点数が 多く なればそれだけ教示に要する時間が長く なり、 実用性を著 し く損なう といった問題を有していた。
また、 溶接アー ク を利用する アー ク セ ンサは、 特公昭 5 4— 5 5 6 3 5号公報に示されているよ う に溶接電流信号の変化を 情報源と して、 溶接線の位置を認識する方式であり、 溶接継手 の開先内において溶接 ト ーチを溶接線と交差するよ うにウ イ一 ビングを行う こ とにより溶接チッ ブ〜母材間の距離が変化し、 それにと もない溶接電流が変化する こ とを利用 して溶接線の位 置を認識する ものである。 この方法では、 アーク 自体にセ ンサ の働きをさせるために、 溶接施工を行いながら教示作業を行な わねばならないのでやり直しができない他、 高速の溶接線追跡 が困難、 実用的に薄板の重ね継手には適用しにく い、 溶接条件 によ り追跡性能が大き く影響される、 ト ーチ姿勢の制御が困難 である等の問題を有していた。
本発明は、 上記問題を解決する もので、 ワー クへの接近性を 損なわない大きさ と形状を持ち、 広範なワ ー ク形状や作業環境 に適用可能で、 溶接施工を行う こ となく、 溶接線の位置および ワ ーク に対する ト ー チ の姿勢を高速に自動認識でき るセ ンサ と、 それを用いた簡便で安全かつ効果的な教示工数低減法が実 現できる溶接用口ボッ トを提供する こ とを目的と している。 発明の開示
本発明の溶接用ロ ボッ ト は、 ロ ボ ッ ト アー ム と、 ロ ボッ ト アームの先端部に設定した第 1 の座標系と、 対象ワ ー ク に設定 した第 2 の座標系と、 対象ワ ー ク に対する距離を測定し距離情 報を出力する σボッ ト ァームの先端部に取り付けられた非接触 距離セ ンサと、 回転中心軸が第 1 の座標系に固定して設けられ 非接触距離セ ンサを回転走査させる回転走査手段と、 非接触距 離セ ンサの回転位相を検出し回転位相情報を出力する回転位相 検出手段と、 距離情報と位相情報とから得られる信号波形の特 徵点を抽出し特徴点毎の距離情報および位相情報を出力する信 号波形処理手段と、 信号波形処理手段からの情報によ り第 1 の 座標系と第 2の座標系の位置および姿勢関係 （以下単に位置関 係と呼ぶ） を算出する位置関係算出手段と、 第 1の座標系と第 2の座標系の基準となる位置関係を予め設定記憶する位置関係 設定記憶手段と、 位置関係算出手段によ って算出された第 1 の 座標系と第 2 の座標系の位置関係と位置関係設定記憶手段に よって予め設定記憶された第 1の座標系と第 2の座標系の位置 関係が一致するよ うにロボッ 卜 アームを動作させる ロボッ 卜制 御手段とを備えた構成を有したものである。
本発明は上記した構成により、 非接触距離セ ンサを回転走査 手段で回転させ、 対象ワーク との距離情報と回転位相情報を用 いて信号波形の特徴点を信号波形処理手段で抽出し、 この抽出 された特徴点毎の距離情報と回転位相情報から位置関係算出手 段で第 1 の座標系と第 2の座標系との間の位置関係すなわち溶 接線およびワーク と溶接 ト ーチの位置および姿勢を算出し、 こ の算出した位置関係が予め設定記憶された位置関係と一致する よ う にロ ボッ ト制御手段がロ ボッ ト アームを動作させるので、 予め設定記憶しておいた所望の位置関係すなわち溶接 ト ーチの 狙い位 ®や姿勢に自動的にロボッ 卜 アームを動作させる こ とが でき る。
また、 上記非接触距離セ ンサに静電容量型の非接触距離セ ン サを用いるこ と によ り ワークの表面状態や環境照度、 周囲温度 に影響される こ となく高精度の検出が可能となる小型のセ ンサ を構成する こ とが可能となる。
図面の簡単な説明
第 1図は本発明の全体構成を示す外観図、 第 2図は本発明の デー タ の流れを示したプロ ッ ク図、 第 3図は 2 チ ヤ ンネルの静 電容量型距離セ ンサの構成図、 第 4図は第 1 の座標系の説明 図、 第 5図は第 2の座標系の説明図、 第 6図は ト ーチ座標系と ワーク座標系が一致した場合の模式図、 第 7図は ト ーチ座標系 と ワーク座標系が一致した場合のセ ンサ信号波形図、 第 8図は ト ーチ座標系と ワ ーク座標系が X t 方向にずれた場合の模式 図、 第 9図は トーチ座標系と ワーク座標系が X t方向にずれた 場合のセ ンサ信号波形図、 第 1 0図は トーチ座標系と ワ ー ク座 標系が Z t回り にずれた場合の模式図、 第 1 1図は ト ーチ座標 系と ワ ー ク座標系が Z t 回り にずれた場合のセ ンサ信号波形 図、 第 1 2図は ト ーチ座標系と ワ ー ク座標系が Z t方向にずれ た場合の模式図、 第 1 3図は トーチ座標系とワーク座標系が Z t 方向にずれた場合のセ ンサ信号波形図、 第 1 4図は 卜 ーチ座標 系と ワ ーク座標系が Y t 回り にずれた場合の模式図、 第 1 5図 は ト一チ座標系と ワ ー ク座標系が Y t 回り にずれた場合のセ ン サ信号波形図、 第 1 6図 （ A ) は 2 チ ャ ンネルの静電容量型距 離セ ンサを用い、 トーチ座標系と ワーク座標系が Y t 回り にず れた場合の模式図、 第 1 6図 （ B ) は第 1 6図 （A ) の静電容 量型距離セ ンサの先端部付近の拡大図、 第 1 7図は ト ーチ座標 系と ワ ーク座標系が X t 回り にずれた場合のセ ン サ信号波形 図、 第 1 8図は ト ーチ座標系と ワ ーク座標系が X t回り にずれ た場合の位相関係図、 第 1 9図は ト ーチ座標系と ワーク座標系 が一走査内でずれを生じた場合のセ ンサ信号波形図、 第 2 0図 は本発明の教示例に用いた被溶接物の斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、 添付の図面に従つてこ れを説明する。
第 1図において、 1 は垂直多関節型のロボッ ト アー ムで、 そ のアー ムの最先端に溶接 ト ーチ （以下 トーチと呼ぶ） 1 3が取 り付けられている。 2はワ ークで隅肉継手を有している。 5は ト ーチ 1 3の中心軸 （後述の X t軸） から偏芯して ト ーチ 1 3 の先端に回転自在に取り付けられた静電容量型の非接触距離セ ンサ （以下静電容量型距離セ ンサと呼ぶ） で、 駆動源と して サ ー ボモー タ （図示せず） を用いた回転走査手段 6 によって ト ーチ 1 3の中心軸を回転中心軸と して所定の半径で回転走査 する。 サーボモータの制御用のエ ンコーダは、 後述する ト ーチ 座標系 3 の Y t軸方向を基準位置と して非接触距離セ ンサ 5 の 回転位相を検出する回転位相検出手段 7 と して機能する。 8は 静電容量型距離セ ンサ 5の出力信号と回転位相検出手段 7の出 力信号から距離と回転位相の関係を示す信号波形を得て、 その 特徴点を抽出する信号波形処理手段で、 この特徴点毎の情報を 位置関係算出手段 9に出力する。 位置関係算出手段 9では後述 する第 1 の座標系 3 と第 2の座標系 4の位置関係を算出する。
1 0はワーク 2に対する所望の狙い位置およびト ーチ姿勢を 第 1の座標系 3 と第 2の座標系 4の位置関係と して予め設定記 憶させておく位置関係設定記憶手段で、 ロボッ ト アーム 1 はこ の設定記憶された位置関係と前記位置関係算出手段 9により算 出された位置関係が一致するように、 ロボッ 卜制御手段 1 1お よびロボッ ト アーム 1 に取り付けられている各軸駆動用モータ 2 0 によつて駆動される。 ロボッ 卜制御手段 1 1 は、 第 2図に 示すように移動目標位置算出手段 1 4、 現在位置管理手段 1 5、 第 3の座標変換部 1 6、 第 1の座標変換部 1 7、 第 2の座標変 換部 1 8、 サ—ボ制御部 1 9等から嵇成されているのは従来の □ボッ 卜 と同様であり、 位置関係算出手段 9、 位置関係設定記 憶手段 1 0 と と もにロ ボッ ト制御装置 1 2 内に設け られてい る。 第 2図の 2 1 はロボッ ト ァー厶駆動用モータ 2 0に取り付 けられたエ ンコーダであり、 第 2図では、 モータ 2 0およびェ ンコーダ 2 1 は一軸分のみを示し、 他の軸は省略している。 本発明における静電容量型距離セ ンサ 5は、 第 3図に示すよ うに、 2つのセ ンサ電極 2 2および 2 3を同心上に有し、 これ ら 2つのセ ンサ電極 2 2および 2 3は後述する X t軸方向に所 定距離離れた位置に配されて、 個別に動作する 2 チ ヤ ンネ ルの 静電容量型距離セ ンサ 5を構成している。 また、 ワーク 2が隅 肉継手であるから、 電極径に対する有効電極面積が増加するよ うセ ンサ電極の形状を円錐状に構成している。 また、 トーチ 1 3 と静電容量型距離セ ンサ 5は電気絶縁性の高い部材を介して接 合できるようになつており、 溶接 ト ーチ 1 3の中心軸と回転走 査手段 6の回転中心軸の軸合わせ及び静電容量型距離セ ンサ 5 の基準点の位置合わせ作業を簡単に行う ことができるよ うに構 成すると と もに、 溶接ケー ブルや溶接ワ イ ヤ、 溶接電源内の回 路等を介して静電容量型距離セ ンサ 5 と他方の電極である ヮ ー ク 2の短絡を防止している。
以上のように構成された溶接用ロボッ 卜について、 以下その 動作を説明する。 始めに、 ト ーチ 1 3 と ワーク 2の位置関係の 基準となる座標系について第 4図および第 5図を用いて定義し ておく 。
第 4図にロボッ ト アー ム 1 に取り付けられた トーチ 1 3 に設 定した第 1 の座標系 3 (以下、 ト ーチ座標系 3 と呼ぶ） を示 す。 ト ーチ座標系 3は、 ト ーチ 1 3の先端の作用点を第 1の座 標原点 O t (以下 ト ーチ原点 O t と呼ぶ） と し ト ーチ 1 3の 中心軸を X t軸とする。 X t軸の正の方向は第 4図に矢印で示 した。 こ の X t軸と ロボッ ト アー ム 1 の最先端手首軸の回転中 心軸 T Wとを含む平面上で X t軸と直交する直線を z t軸とす る。 Z t軸の正の方向は、 トーチ 1 3上に設けた点 Pに対して 回転軸 T Wから垂線と して描いた図中の破線矢印の方向とす る。 さ らに X t 、 Z t軸に直交し、 かつ右手系をなす方向を Y t 軸と して定義する。 次に、 第 5図に対象ワ ー ク 2上に設定した第 2 の座標系 4 (以下、 ワ ーク座標系 4 と呼ぶ） を示す。 ロ ボ ッ ト アー ム 1 が、 ワ ーク 2上の溶接線近傍に位置決めされた伏態で、 前記 ト ーチ座標系 3 の X t軸を延長しワーク 2 と交差した点を Qと し、 点 Qから溶接線におろ した垂線と溶接線の交点を第 2の座 標原点 O w (以下、 ワーク原点 O wと呼ぶ） とする。 このヮ 一 ク原点 O wから溶接線の方向を Y w軸と し、 この Y w軸と直交 し、 ワーク 2 の開先角度を 2等分する方向を X w軸とする。 こ の時 Y w軸の正の方向はどちら向きに取ってもよいが、 X wの 正方向はワーク原点からワーク 2 の裏面へ向かう方向と し、 残 る Z w軸は、 X w、 Y w軸に直交し、 かつ右手系をなす方向に と る こ と とする。
まず、 静電容量型距離セ ンサ 5は、 二つの電極間の静電容量 が電極間の距離に反比例するこ とを利用する もので、 セ ンサに 設けた電極を一方の電極と し、 測定対象物自身を他方の電極と して両電極間に電位差を与えて回路を構成して、 こ の両電極間 の静電容量を測定する こ と によ り間接的に両電極間の距離すな わち、 静電容量型距離セ ンサ 5 と ワ ー ク 2の間の距離を設定す o
静電容量型距離セ ンサ 5によつて計測された距離情報および 回転位相検出手段 7から得られる位相情報は、 信号波形処理手 段 8に入力され、 特徴点毎の距離情報および位相情報に処理さ れ、 位置関係算出手段 9に入力される。 位置関係算出手段 9で は、 ト ーチ座標系 3 と ワ ー ク座標系 4の位置関係を算出する。 信号波形処理手段 8 と位置関係算出手段 9 の動作は後に詳述 する。
位置関係算出手段 9で算出された位置関係は、 位置関係設定 記憶手段 1 0 に予め設定記憶されている基準位置関係と と もに 移動目標位置検出手段 1 4に入力され、 算出された位置関係と 予め設定記憶されている基準位置関係が等し く なるよ う に ト — チ座標系 3で表した移動目標位置を算出する。 この ト ーチ座標 系 3で表した移動目標位置は、 現在位置管理手段 1 5に記憶さ れている各軸現在位置を用いて、 第 3の座標変換部 1 6 によつ て算出される直交座標系で表した第 1 の座標系 3の現在位置と と もに第 1 の座標変換部 1 7に入力され、 直交座標系で表した 移動目標位置に変換された後、 第 2の座標変換部 1 8 に入力さ れてさ らに関節座標系で表した移動目標位置に変換される。 こ の関節座標系で表された移動目標位置はサーボ制御部 1 9 に入 力され、 各軸単位に同時制御される。
すなわち、 移動目標位置は前述の現在位置管理手段 1 5から の各軸現在位置情報と比較され、 ロボッ ト アー ム 1 に組み込ま れたモータ 2 0にモータ回転指令を出力する。 モータ 2 0に取 り付け られたエ ン コ ーダ 2 1 は、 フ ィ ー ドバッ ク情報を出力 し、 サーボ制御部 1 9 に入力されてサ一ボ系を構成すると と も に、 現在位置管理手段 1 5 にも入力されて現在位置の更新に利 用される。
次に、 信号波形処理手段 8 と位置関係算出手段 9による ト ー チ座標系 3 と ワーク座標系 4の位置関係の具体的な算出法につ いて図面を参照しながら説明する。
まず、 第 6図は ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が一致した 場合の模式図を示している。 第 6図において、 静電容量型距離 セ ンサ 5が回転走査手段 6 (図示せず） によ っ て X t 軸を回転 中心軸と して破線矢印に示すように反時計回り に回転しながら ワーク 2 までの X t軸方向の距離すなわち図中に X t に平行な 複数の矢印の長さを連続的に順次測定していく 。 その間、 回転 位相検出手段 7 によ つて静電容量型距離セ ンサ 5 の回転位相が 同時に検出でき、 第 7図に実線で示すような信号波形が得られ る。 第 7図の縦軸は静電容量型距離セ ンサ 5 で測定したワーク 2 までの距離であり、 横軸は測定時の回転位相である。
第 7図に示したよ う に、 回転位相と距離関係を示す信号波形 は、 理論的には正弦波形を半サイ ク ルおき に折り返したよ う な 波形となるが、 静電容量型距離セ ンサ 5は測定対称物 （ワーク 2 ) とセ ンサ電極間の静電容量の総量による平均的な距離を測 定しており、 ワーク 2を点ではな く面と して捕えるため、 実際 に得られる信号波形は第 7図に破線で示すよ う に不連続点の無 い一回転あたり 2周期の正弦波に似た波形となる。 しかし、 こ こでは特に断らない限り第 7図の実線のような理論信号波形を 用いて説明する。
この信号波形は、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4 の位置関 係に応じて変化するので、 この信号波形の変化を検出する こ と によ り ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4の位置関係を知る こ と ができ る。
信号波形の変化を知るためにその特徴点を抽出し、 特徴点毎 の情報から波形の変化すなわち トーチ座標系 3 とワーク座標系 4の位置関係を解析する方法が簡便であり、 特に特徴点と して 信号波形の極値点を用いる こ と によ り高速で処理を行う こ とが でき る こ とから、 本発明においては、 信号波形処理手段 8によ り第 7図に示したような波形の極値点を抽出し、 得られた波形 の極値点の情報から位置関係算出手段 9によ り トーチ座標系 3 と ワ ー ク座標系 4の位置関係を算出している。
信号波形には当然ノ イ ズが含まれており、 ノ イ ズによって極 値点が誤って抽出される こ とのないよ う、 連続する 2つの極値 点の値の差および位相の差が所定量以下の場合、 これらの極値 点を特徴点と して抽出しないようにしている。 また、 先にも述 ベたよ うに静電容量型の距離セ ンサを用いているので、 信号波 形に不連続点が本来現れないこ とから、 極値点が不連続点であ る場合にもそれはノ ィ ズであると して排除されている。
第 6図から も明 らかなよ う に、 こ の極値点の う ち極小点は ワーク 2の継手の左右の内面と X t — Z t平面が交差する位置 にあり、 この左右の極小点を以後それぞれ L B、 R B ( 2つの 座標系が一致している第 7図では L B 0、 R B 0 ) とする。 ま た極大点はワーク 2の溶接線上進行方向の前後にあり、 この前後 の極大点をそれぞれ F P、 B P (第 7図では F P 0、 B P 0 ) とする。
第 7図より、 トーチ座標系 3とワーク座標系 4がー致している 場合には、 極小点 R B 0、 L B 0の値と、 極大点 F P 0、 B P 0 の値はそれぞれ等し く 、 それら四つの極値点の位相は一回転を 四等分している。 また、 回転位相の基準位置は Y t軸の正の方 向と したので、 点 F P 0の位相は位相の基準位置と一致してい る。 次に第 8図は、 トーチ座標系 3 と ワ ーク座標系 4が X t方向 に距離 Xだけずれた状態を示している。 第 8図は第 6図の模式 図を Ywの方向に見たものである。 この時、 得られる信号信号波 形を第 9図に実線で示した。 この時の各極値点を F P 1、 B P 1、 R B 1、 L B 1 とする。 また、 第 9図の破線で示した波形は第 7図に示した ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4がー致している 場合の波形である。
第 9図より容易に理解されるよう に、 ト ーチ座標系 3 と ヮ一 ク座標系 4が X t方向にずれた場合波形全体が上下に移動する ので、 波形の極大点である F P 1 と B P 1の平均値と ト ーチ座 標系 3 と ヮーク座標系 4がー致している場合の F P 0 と B P 0 の平均値とを比較すれば、 トーチ座標系 3と ワーク座標系 4の X t方向の位置関係を算出する ことができる。
第 1 0図は、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が Z t軸回り に角度 7だけずれた （傾斜した） 状態を示している。 第 1 0図 は、 第 6図の模式図を Z wの方向に見たものである。 このとき 得られる信号波形を第 1 1図に実線で示した。 この時の各極値 点をそれぞれ F P 2、 B P 2、 R B 2、 L B 2 とする。 また、 第 1 1図の破線で示した波形は第 7図に示した トーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が一致している場合の波形である。
第 1 1図よ り容易に理解されるよ う に、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が Z t軸回りにずれた場合、 波形の極大点であ る F P 2及び B P 2に差が生じる。 回転走査の半径は既知であ るので、 F P 2 と B P 2 との差と回転半径から トーチ座標系 3 と ワーク座標系 4の Z t軸回りの位置関係を算出する こ とがで きる
第 1 2図は、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が Z t方向に 距離 Zだけずれた状態を示している。 第 1 2図は第 8図と同様 に、 第 6図の模式図を Y wの方向に見たもので、 この時得られ る信号波形を第 1 3図に実線で示した。 この時の各極値点をそ れぞれ F P 3、 B P 3、 R B 3、 L B 3とする。 ただし、 第 1 3 図の信号波形は静電容量型距離セ ンサ 5を用いて実際に測定し た波形であり、 破線で示した波形は ト ーチ座標系 3 と ワーク座 標系 4が一致している場合の信号波形で、 同じ く静電容量型距 離セ ンサ 5を用いて実際に測定したものである。
第 1 3図よ り容易に理解されるよ う に、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が Z t方向にずれた場 、 ワーク 2の左右面で の極小点 L B 3および R B 3の値に差が生じると と もに右内面 上を走査している位相すなわち極大点 F P 3の位相値と極大点 B P 3での位相値の差 R H 3 と、 左内面上を走査している位相 すなわち極大点 F P 3 ' の位相値と極大点 B P 3での位相値の 差 L H 3 との間に も差異が生じる。 こ こ で、 極大点 F P 3 ' は、 極大点 F P 3 と同 じ位置を一回転前に測定した ものであ 以上のこ とから、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4の Z t方 向のずれは、 2つの極小点の差か、 極大点間の位相差のどちら を用いても算出できるが、 前述したように静電容量型距離セ ン サ 5では実際の信号波形は第 1 3図に示すように極大点で不連 続点が生じないので、 位相を用いた算出法は検出精度が劣る。 本発明では極小点 R B 3 と し B 3の値の差を用いて ト ーチ座標 系 3 と ワーク座標系 4の Z t方向の位置関係を算出している。 第 1 4図は、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が Y t軸回り に角度 /3だけずれた （傾斜した） 状態を示している。
第 1 4図は、 第 8図、 第 1 0図と同様に第 6図の模式図を Yw の方向に見たものである。
この時得られる信号波形を第 1 5図に実線で示した。 この時 の各極値点をそれぞれ F P 4、 B P 4、 R B 4、 L B 4 とす る。
ただし、 こ こでも第 1 5図の信号波形は第 1 3図の場合と同 じ く 静電容量型距離セ ンサ 5を用いて実際に測定した波形であ る o
これまで説明した位置関係算出結果は、 静電容量型距離セ ン サ 5の二つのチ ャ ンネルのいずれを用いても同じ結果が得られ る。 しかしながら、 第 1 5図と第 1 3図との比較より明らかな よ うに、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が Y t軸回り に角度 3だけずれた場合と、 ト 一チ座標系 3 と ワーク座標系 4が Z t 方向に距離 Zだけずれた場合とが同様の波形となる。 したがつ て、 このま ま では 卜 一チ座標系 3 と ワ ーク座標系 4が Y t軸回 り にずれた場合と、 Z t方向にずれた場合の判別ができないこ とになる。 これを判別するために静電容量型距離セ ンサ 5の二 つのチ ャ ンネルを利用する。
図 1 6図 （A) ， （ B ) は、 この 2チ ャ ンネルの静電容量型 距離セ ンサ 5を用いて、 卜一チ座標系 3とワーク座標系 4が Y t 軸回り に角度 だけ傾いた場合の算出法の説明図で、 前述した よ う に静電容量型距離セ ンサ 5が測定対象物とセ ンサ電極間の 静電容量の総量により距離を求めている こ とから実際に測定す る距離は X w軸方向の距離で、 静電容量型距離セ ンサ 5の 2つ のチ ヤ ンネルはそれぞれ図中実線の矢印と破線の矢印の距離を 測定する。
実線の矢印と破線の矢印の Z w方向の距離 S Zは、 第 1 6図 ( A ) , ( B ) からも明らかなよ う に角度 /3に応じて変化し、 静電容量型距離セ ンサ 5 を回転走査させ、 2つのそれぞれの チ ヤ ンネ ルについて Z t軸方向のずれ量を算出し、 それらの算 出結果の差をとる ことにより算出できる。
第 1 6図 （ B ) は第 1 6図 （A ) に示した静電容量型距離セ ンサ 5の電極部を拡大したものである。 第 1 6図 （ B ) におい て、 第 1 の電極 2 2および第 2の電極 2 3は、 図中の点 S 1お よび S 2からワ ーク 2 までの距離を測定しており、 これらの点 S 1 および S 2は X t軸と平行な X t ' 軸方向に距離 S X離れ て配置されている。 こ こで点 S 1から Z w方向に直線を引き、 第 2の電極 2 3が測定する距離を示す破線矢印との交点を S ' とすると、 直線三角形 S 1， S 2 , S ' において角 S l， S 2 , S ' が Sである こ とから、 S Xを S Zで除して逆正弦を算出す れば、 Sすなわち ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4の Y t軸回 り の位置関係 （静電容量型距離セ ンサ 5 の傾き） が求め られ る o
最後に、 第 1 7図に ト ーチ座標系 3·と ワーク座標系 4が X t 軸回り に角度 αだけずれたとき得られる信号波形を第 1 7図に 実線で示した。 この時の各極値点をそれぞれ F Ρ 5、 B P 5、 R B 5、 L B 5 とする。 また、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4がー致している場合の信号波形を破線で示している。
第 1 7図よ り、 トーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が X t軸回 り にずれた場合、 波形の極大点である F P 5、 B P 5および極 小点である R B 5、 L B 5の基準位置からの位相が全体的にず れる ことが容易に理解される。
第 1 8図は、 卜ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4が X t方向 Z t 方向にと もにずれを生じ、 かつ X t轴、 Y t軸、 Z t軸回り に もずれを生じている場合の F P、 B P、 L B、 R B各極値点の 位相を、 静電容量型距離セ ンサ 5 の回転走査軌道上にあ らわし た図で、 こ こで求めたい位置関係は X t軸回りのずれ量すなわ ち図中 Y wの溶接線と Y t軸のなす角 αである。
以上のことから、 この状態での X t軸回りのずれ量 αを求め る こ とができれば、 ト ーチ座標系 3 と ワ ー ク座標系 4の位置関 係に関係なく X t軸回りの位置関係を単独に算出する こ とがで き る こ と になる。
第 1 8図を見る と、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4 の位置 関係に関係なく 極小点 R B、 L Bを結ぶ図中破線で示した直線 と F P、 B Pを結ぶ直線すなわち Y w軸は回転走査軌道面上で は常に直交する関係にあり、 このこ とはワーク形状や座標系の 定義および回転走査軌道に対する幾何学的考察から も理解でき る o
したがって角 αは、 R Bの基準位置からの位相と L Βの基準 位置からの位相の平均値 Βが示す方向と して、 あるいは F の 基準位置からの位相と B Pの基準位置からの位相の平均値 が 示す方向と直交する方向と して算出する こ とができ、 この算出 法によれば X t軸回りの位置関係を容易に算出する こ とができ る。
以上の動作によって、 ト ーチ座標系 3 と ワ ーク座標系 4の位 置関係を表す 6つの成分の内の 5つの成分を静電容量型距離セ ン サ 5を回転走査する こ と によ り容易に算出するこ とができ る こ と になる。
既に述べたように、 以上のように算出した位置関係と予め設 定記憶したおいた所望の位 «関係が一致するよ う にロ ボッ ト アー ム 1 を動作させれば、 方向、 位置と もに未知である ワーク を自動検出して希望する狙い位 Sおよび ト ーチ姿勢にロボッ ト アー ム 1すなわち トーチ 1 3を位置決めする こ とができる。 位置関係をあらわす残りの 1つの成分である Y t方向の位置 関係すなわち溶接線方向の位置関係は、 開始点の検出と しては 常に 0 とすれば良く 、 0以外の値を与えればロボッ ト アー ムは 現在位置から溶接線方向にずれた位置に動く こ と になり、 これ を繰り返して前記動作を連続的に行えば、 所定の狙い位置およ び ト ーチ姿勢を保ちながら溶接線を自動的に追跡するよ う に σ ボッ ト アー ム 1 を動作させる こ とができる。
この こ とは、 ト ーチ座標系 3 と ワ ー ク座標系 4の位置関係を 表す 6つの成分の内 Y t方向の成分は溶接線を追跡していく方 向および速度を定める変数である こ.とを意味し、 ロボッ 卜操作 者の指示に従つてこの値を変更する こ とにより溶接線の方向や 溶接速度を任意に選択し、 あるいは調整する こ とができる こ と になる。 また、 前記の算出法に従って求めた ト ーチ座標系 3 と ワーク 座標系 4の位置関係から例えば溶接線の曲率や口 ボ ッ ト アーム の各軸の動作速度等を算出し、 それらに応じて Y t方向成分の 値を増減させれば、 その時々の状況に合わせて溶接速度を最適 値に自動調整させるこ とができる。
しかしながら、 このよ う にロボッ ト アームが溶接線を追跡し て連続的に動作している場合には、 前述の算出法では位置関係 の算出結果に誤差が生じる。 これは前記算出法がロボッ ト ァー ムが静止した状態、 正確には ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4 の位置関係が静電容量型距離セ ンサ 5 の一回転走査時間内は変 ィ匕しないことを仮定して導出している ことに起因しており、 溶 接線を追跡する速度が速く なればこの仮定と実際の状況とに差 が大き く なり誤差は増大する。 これは溶接線追跡可能速度を制 限する要因となる。
この誤差を減少させるためには、 静電容量型距離セ ンサ 5の 回転走査周期を速く して、 ロボッ ト アームが連続的に動作して いる こ とが無視できるほど一回転走査当たりの時間を短く する こ とが有効であるが、 実際には静電容量型距離セ ンサ 5の応答 周波数や各種の処理時間には限界があり、 実現可能な回転走査 周期にも限界がある。
このよ うなことから本発明では、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座 標系 4 の位置関係が静電容量型距離セ ンサ 5 の一回転走査時間 内に変化する実際のデータから位置関係が固定している状態を 仮想的に作り出すことによってこの種の誤差を減少させており、 以下その具体的方法について図面を参照しながら説明する。 第 1 9図は、 静電容量型距離セ ンサ 5がー回転走査する間に、 卜 一チ座標系 3 と ワーク座標系 4が X t方向にずれた状態から —致した状態まで X t方向にロボッ ト アームが一定速で動作し た場合の信号波形を実線で示し、 この場合の各極値点を F P 6、 R B 6、 B P 6、 L B 6 とする。
また ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4がー致したままの状態 で推移した場合の信号波形を破線で示し、 この場合の各極値点 を F P 0、 R B 0、 B P 0、 L B 0 とする。
こ こで、 一つの極大点、 F P 6の値と約一回転前の同じ極大 点 F P 6 ' の値との差を両極値点間の位相差 F H 6で除して単 位位相当たりの移動量 D D X t を求め、 この D D X t に両極大 点間に位置する他の極値点 R B 6、 B P 6、 L B 6の F P 6か らの位相差を乗じて各極値点に対する補正量を算出してそれぞ れの値に捕正を加える。
さらに前記単位位相当たりの移動量 D D X tから求めた一回転 走査当たりの X t方向の移動量 D X tを用いて、 極小点 P B 6、 L B 6の位相に対する捕正量を算出してそれぞれの位相に補正 を加える。
このよ う に して静電容量型距離セ ンサ 5がー回転走査する間 に X t方向にロボッ ト アームが移動したことにより生じる誤差 を補正する こ とができ る。
同様に、 静電容量型距離セ ンサー 5がー回転走査する間に Z t 方向に口ボッ ト アームが一定速で動作した場合については、 第 1 8図で説明したように極小点 R B、 L Bを結ぶ直線と極大点 F P、 B Pを結ぶ直線が直交関係にある ことを利用して一回転 走査間の Z t方向移動量を求め、 これを用いて各極値点の位相 に補正を加える こ とができる。
すなわち、 一回転走査間に Z t方向にロボッ ト アームが動作 した場合前記極小点 R B、 L Bを結ぶ直線と極大点 F P、 B P を結ぶ直線は直交しなく なり、 両直線のなす角度と直角との差 の角度と回転走査半径とから一回転走査当たりの Z t方向の移 動量を求め、 これを用いて X t方向に移動した場合と同じ く 各 極値点の位相に対する補正量を算出し、 それぞれの位相に補正 をカロえる。
このよ う に して静電容量型距離セ ンサ 5がー回転走査する間 に Z t方向にロボッ ト アームが移動したこ とにより生じる誤差 を補正する こ とができ る。
実際に溶接線を追跡しながらロボッ 卜 アームが動作している 場合、 静電容量型距離セ ンサ 5がー回転走査する間の αボッ ト アームの移動は、 一定速であるとは限らないが、 静電容量型距 離セ ンサ 5の回転走査周期は速く 、 一回転間の時間が十分短い ので、 一回転走査間にロボッ ト アームが一定速で動作すると考 えて補正すれば実用上問題は生じない。
以上のよ う に して位置関係算出手段 9 によ り、 ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4の位置関係が正確に算出される。
本発明による溶接口ボッ トにおける教示時間と従来の操作箱 を J¾いる方法による教示時 IHjの比較を第 1表に示す。 作 業 者 A B C D E 平均 熟 練 度 上級 中 級 初 級
本発明の実施例によ 230 240 259 280 285 244 る教示時間 [秒]
従来法（操作箱）によ 564 752 855 1157 1240 860 る教示時間 [秒]
従 来 法 .比 [ % ] 40. 8 31. 9 30. 3 24. 2 23. 0 28. 4 教示作業は第 2 0図に示すワ ー ク に対して丸印を教示点と し、 水 面に対する ト ーチの ¼度は 4 5度、 溶接線に対する前 進または後退角は 0度となるよ う に指定して教示作業を行つ た。 この時の教示点数は 2 2点で、 溶接長は 8 1 0麵である。 第 1表から明らかなよう に、 本発明の溶接用ロボッ ト におけ る教示時間は平均で従来法の 3 0 %程度に教示時間を低減で き、 作業者の熟練度に関係なく 初心者でも熟練者と同程度の時 間で教示作業が行える点で優れた効果が得られる。
以上のように本発明によれば、 静電容量型距離セ ンサ 5を回 転走査手段 6 で回転走査させ、 対象ワーク 2 との距離情報と回 転位相情報を用いて信号波形の特徴点を信号波形処理手段 8で 抽出し、 この抽出された特徴点毎の距離情報と回転位相情報か ら位置関係算出手段 9 で ト ーチ座標系 3 と ワーク座標系 4 との 間の位置関係を算出し、 この算出した位置関係が予め設定記憶 された位置関係と一致するよ うにロボッ 卜制御手段がロボッ ト アーム 1を動作させるので、 予め設定記憶しておいた所望の位置 関係、 すなわち溶接 ト ーチの狙い位置や姿勢に自律的にロボッ ト アーム 1すなわち ト ーチ 1 3を動作させる こ とができる。 なお、 静電容量型距離セ ンサ 5を回転走査手段 6に予め取り 付けておき、 回転走査手段 6 ごと溶接 ト ーチ 1 3に着脱可能な 構造と したが、 電極棒を ト ーチの中心軸回り に回転する ことが でき る回転アーク溶接用 ト ーチなどにおいては、 静電容量型距 離セ ンサ 5を電極棒と と もに回転するチッ プなど ト ーチ 1 3を 構成する部材の一部と交換可能な構造と して回転走査手段 6は ト —チが有する電極棒回転機構を利用 して もよい。
また、 本発明においては、 回転位相検出手段 7 と してェ ン コーダを設けた例を示したが、 例えば回転走査手段 6を正確に 一定速に回転させて、 時間を計測する こ と によ っても回転位相 検出手段 7を実現するこ とができる こ とは言うまでもないこ と である。
なお、 本発明においては X t 軸方向および Z t 軸方向に口 ボ ッ ト アー ムが連続して動作している場合の補正法を示した が、 他の位置関係すなわち各軸回り にロボッ ト ァームが連続し て動作している場合についても同様の考え方に従い、 任意の極 値点と概ね一回転前の極値点の値の差を用いて各極値に補正を 加える こ とができる。 また、 前述の捕正が各方向への一回転走 査当たりの移動量を用いて行われているこ とは既に述べたとお りであるが、 位置関係が固定していると仮定して算出した位置 関係を一回転走査前に算出した位置関係から減ずる こ と によつ て一回転当たりの移動量を近似的に算出し、 この近似的に算出 した移動量を用いて各極値の値および位相に補正を加えて再度 位置関係を算出する こ と によ って も この誤差を低減する こ と は 可能である。
なお、 本発明においては非接触距離セ ンサと して静電容量型 のものを用いたが、 例えばレーザ式の距離セ ンサなど、 他の方 式の非接触距離セ ンサを用いてもよい。
産業上の利用可能性
以上のように本発明の溶接用口ボッ 卜は、 熟練したティ ーチ ング技術を有しない作業者が、 複雑な形状のため多く の教示点 を必要とするワ ー ク、 または、 多品種少量生産に対応するため 多く の動作プロ グラ ムを必要とする ワ ー ク に対するテ ィ 一チ ン グを、 容易にかつ高能率に、 しかも高精度に実行するのに適し ている。

Claims

• 請 求 の 範 囲
1 . ロボッ ト アームと、 前記ロボッ ト アームの先端部に設定し た第 1 の座標系と、 対象ワ ー ク に設定した第 2 の座標系 と、 前記対象ワークに対する距離を測定し距離情報を出力 する前記ロボッ 卜 アームの先端部に取り付けられた非接触 距離セ ンサと、 回転中心軸が前記第 1 の座標系に固定して 設けられ前記非接触セ ンサを回転走査させる回転走査手段 と、 前記非接触距離セ ンサの回転位相を検出し回転位相情 報を出力する回転位相検出手段と、 前記距離情報と前記位0 相情報とから得られる信号波形の特徴点を抽出し特徴点毎 の距離情報および位相情報を出力する信号波形処理手段 と、 前記信号波形処理手段からの情報により前記第 1 の座 標系と第 2の座標系の位置関係を算出する位置関係算出手 段と、 前記第 1の座標系と前記第 2の座標系の基準となる5 位置関係を予め設定記憶させる位置関係設定記憶手段と、 前記位置関係算出手段によ って算出された前記第 1 の座標 系と前記第 2の座標系の位置関係と前記位置関係設定記憶 手段によって予め設定記憶された前記第 1 の座標系と前記 第 2の座標系の位置関係とがー致するよう に前記口ボッ ト0 ァームを動作させる ロボッ 卜制御手段とからなる溶接用□ ボッ 卜
2 . 非接触距離セ ンサが、 セ ンサの電極部と対象ワーク間の静 電容量により距離を測定する静電容量型距離セ ンサである 請求の範囲第 1項記載の溶接用ロボッ ト。
5 3 . 静電容量型距離セ ンサが、 電極部を円錐状と したものであ • る請求項の範囲第 1項または第 2項記載の溶接用口 ボ ッ 卜 ο
4 . 静電容量型距離セ ンサが、 セ ンサ電極を同軸上に複数個配 置し個別に動作する複数の静電容量型距離セ ンサ と した請 求の範囲第 1項、 第 2項または第 3項記載の溶接用ロボッ 卜 ο
5 . 静電容量型距離セ ンサを、 回転走査手段に電気絶縁性を有 する部材を介して取り付けるようにした請求の範囲第 1項、 第 2項、 第 3項または第 4項記載の溶接用ロボッ 卜。
0 6 . 信号波形処理手段が抽出する信号波形の特徴点が、 極値点 である請求の範囲第 1項記載の溶接用ロボッ ト。
7 . 信号波形処理手段が、 連続する二つの極値間の位相が所定 角以下の場合にはどちらかの極値点を特徴点と して抽出し ないようにした請求の範囲第 1項または第 6項記載の溶接5 用口ボッ ト。
8 . 信号波形処理手段が、 連続する二つの極値点の値の差が所 定量以下の場合にはこれらの極値点を特徴点と して抽出し ないように した請求の範囲第 1項、 第 6項または第 7項記 載の溶接用口ボッ ト。
0 9 . 信号波形処理手段が、 非接触距離セ ンサが出力する距離が 所定の範囲外の場合には極値点を特徵点と して抽出しない ようにした請求の範囲第 1項、 第 6項、 第 7項、 または第 8項記載の溶接用口ボッ ト。
10. 位置関係検出手段が、 一つの特徴点と非接触距離セ ンサの5 約一回転前の特徴点との値の差を用いて両特徵点間の複数 • の特徴点の距離情報および位相情報に補正を加えた後、 第 1の座標系と第 2の座標系の位置関係を算出するよ うにし た請求項の範囲第 1項記載の溶接用ロボッ ト。
11. 位置関係算出手段が、 前回の位置関係算出結果を参照して 複数の特徴点の距離情報および位相情報に補正を加えた 後、 第 1 の座標系と第 2の座標系の位置関係を算出するよ うにした請求の範囲第 1項または第 1 0項記載の溶接用口 ッ 卜 o
12. 位置関係算出手段が、 第 1 の座標系と第 2の座標系の位置0 関係の算出結果を用いて溶接線方向の位置関係を調整する よ う に した請求の範囲第 1項、 第 1 0項または第 1 1項記 載の溶接用口ボッ ト。
13. 非接触距離セ ンサ と回転走査手段を、 ロ ボ ッ ト アームの先 端部に取り付けられた溶接 ト ーチに着脱可能な構造と した 請求の範囲第 1項記載の溶接用ロボッ ト。
14. 回転走査手段が、 ロボッ ト アーム'に取り付けられた回 転アーク溶接用 ト ーチの電極棒回転手段であり、 非接触距 離セ ンサが前記回転ァ一 ク溶接用 ト ーチのコ ン タ ク ト チ ッ プと交換可能な構造と した請求の範囲第 1項記載の溶接用0 口 ボ ッ 卜。
PCT/JP1993/000875 1992-06-29 1993-06-28 Robot for welding WO1994000269A1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/199,169 US5495090A (en) 1992-06-29 1993-06-28 Welding robot
DE69313590T DE69313590T2 (de) 1992-06-29 1993-06-28 Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Roboterarms
EP93913590A EP0601206B1 (en) 1992-06-29 1993-06-28 Method for controlling operation of a robot arm

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP17040292 1992-06-29
JP4/170402 1992-06-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1994000269A1 true WO1994000269A1 (en) 1994-01-06

Family

ID=15904266

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP1993/000875 WO1994000269A1 (en) 1992-06-29 1993-06-28 Robot for welding

Country Status (4)

Country Link
US (1) US5495090A (ja)
EP (1) EP0601206B1 (ja)
DE (1) DE69313590T2 (ja)
WO (1) WO1994000269A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021169103A (ja) * 2020-04-14 2021-10-28 三菱電機株式会社 ワイヤ送給装置および付加製造装置

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3394322B2 (ja) 1994-05-19 2003-04-07 ファナック株式会社 視覚センサを用いた座標系設定方法
JPH08166813A (ja) * 1994-12-14 1996-06-25 Fanuc Ltd ウィービング動作を伴うロボットのトラッキング制御方法
US5729345A (en) * 1996-09-11 1998-03-17 Caterpillar Inc. Apparatus and method for determining distortion of a welded member
JPH1177569A (ja) * 1997-09-10 1999-03-23 Honda Motor Co Ltd オフラインティーチング装置
US6243621B1 (en) * 1998-03-13 2001-06-05 Fanuc Robotics North America, Inc. Method of determining workpiece positions including coordinated motion
US6166506A (en) * 1998-06-19 2000-12-26 Tregaskiss, Ltd. Wireless safety clutch
US6168066B1 (en) * 1999-04-21 2001-01-02 Lockheed Martin Corp. Friction stir conduction controller
KR100621100B1 (ko) * 2000-02-11 2006-09-07 삼성전자주식회사 용접로봇 교시위치 보정방법 및 용접로봇시스템
WO2002016091A1 (fr) * 2000-08-25 2002-02-28 Janome Sewing Machine Co., Ltd. Robot
SE0302092L (sv) * 2003-07-11 2005-01-12 Abb Ab Robotsystem
JP2005196242A (ja) * 2003-12-26 2005-07-21 Fanuc Ltd 倣い加工装置
JP4439940B2 (ja) * 2004-02-19 2010-03-24 タカタ株式会社 エアバッグカバーの製造方法
JP4291382B2 (ja) * 2007-07-31 2009-07-08 ファナック株式会社 接触検知による取り付け誤差の自動補正機能を有する工作機械
US9168613B2 (en) 2010-10-22 2015-10-27 Paul T. Colby Vertical laser cladding system
JP6773084B2 (ja) * 2018-07-02 2020-10-21 株式会社安川電機 動作教示装置、ロボットシステム及び動作教示方法
JP2020049642A (ja) * 2018-09-28 2020-04-02 セイコーエプソン株式会社 制御装置、ロボットシステム、及びロボット
CN114472074A (zh) * 2022-01-17 2022-05-13 中国第一汽车股份有限公司 一种机器人涂胶距离自动补偿系统及方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5956982A (ja) * 1982-09-27 1984-04-02 Hitachi Zosen Corp ワ−クセンサ

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4215299A (en) * 1975-05-02 1980-07-29 Minnesota Mining And Manufacturing Company Adaptive path following motion control system for welding head assembly
JPS5415441A (en) * 1977-04-30 1979-02-05 Shin Meiwa Ind Co Ltd Automatic welding machine
CH622292A5 (ja) * 1977-09-15 1981-03-31 Bbc Brown Boveri & Cie
DE2829851A1 (de) * 1978-07-07 1980-01-24 Precitec Gmbh Anordnung zur messung des abstands zwischen einem metallischen werkstueck und einem bearbeitungswerkzeug
DE2851063A1 (de) * 1978-11-25 1980-06-04 Cloos Gmbh Carl Vorrichtung zur automatischen fuehrung einer schweisspistole laengs einer vorprogrammierten schweissnaht
JPS5685106A (en) * 1979-12-14 1981-07-11 Hitachi Ltd Robot teaching method
JPS5791877A (en) * 1980-11-28 1982-06-08 Nippon Kokan Kk <Nkk> Rotary arc welding method
US4590577A (en) * 1982-12-01 1986-05-20 Yaskawa Electric Mfg. Co., Ltd. Welding robot controlling method
JPS60136806A (ja) * 1983-12-26 1985-07-20 Agency Of Ind Science & Technol ロボツト作業教示装置
JPS61249667A (ja) * 1985-04-26 1986-11-06 Nippon Kokan Kk <Nkk> 高速回転ア−ク隅肉自動溶接方法
KR900003972B1 (ko) * 1985-04-30 1990-06-07 닛뽕 고오깡 가부시기가이샤 고속회전 아아크 필릿(fillet)용접의 그루우브 트레이싱(GROOVE TRACING) 제어방법
JP2615055B2 (ja) * 1987-06-29 1997-05-28 三菱重工業株式会社 ハフ変換装置
EP0320442B1 (de) * 1987-11-27 1992-04-15 Karl-Heinz Schmall Verwendung eines dielektrischen Mikrowellen-Resonators und Sensorschaltung

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5956982A (ja) * 1982-09-27 1984-04-02 Hitachi Zosen Corp ワ−クセンサ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021169103A (ja) * 2020-04-14 2021-10-28 三菱電機株式会社 ワイヤ送給装置および付加製造装置

Also Published As

Publication number Publication date
US5495090A (en) 1996-02-27
EP0601206B1 (en) 1997-09-03
EP0601206A1 (en) 1994-06-15
EP0601206A4 (en) 1994-11-17
DE69313590T2 (de) 1998-04-02
DE69313590D1 (de) 1997-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO1994000269A1 (en) Robot for welding
US4761596A (en) Method of detecting and controlling work start point of robot
CN107717981B (zh) 机械手臂的控制装置及其教导系统与方法
JPH08505091A (ja) 冗長軸を使用して対象物上の形態をトラッキングするためのシステム並びに方法
JP3317101B2 (ja) 溶接用ロボット
CN110450150B (zh) 轨迹跟踪控制方法及轨迹跟踪系统
JP2010142910A (ja) ロボットシステム
JP2728399B2 (ja) ロボツトの制御方法
JP5502462B2 (ja) アーク溶接ロボットの制御装置及びプログラム
JP2009166164A (ja) 工業用ロボット
JP2770570B2 (ja) 溶接用ロボット
JP5239901B2 (ja) ロボットシステムおよびロボットの制御方法
JP2011083883A (ja) ロボット装置
JP3543329B2 (ja) ロボットの教示装置
JP2011062763A (ja) ロボット制御装置
JP2017121649A (ja) 溶接ロボットのティーチング装置
KR100859335B1 (ko) 엘브이에스와 비주얼서보잉을 이용한 용접시작점 추적방법
JPH07314359A (ja) マニピュレータ用追従装置およびその制御方法
JPH0146275B2 (ja)
JPS6054275A (ja) 溶接ト−チの駆動制御方法
JP3285694B2 (ja) 自動溶接装置及び該自動溶接装置を用いた溶接方法
JP2652444B2 (ja) ロボットシステム
JPH0668695B2 (ja) ロボツト制御装置
JPH06297369A (ja) 知的ロボット
JP2802117B2 (ja) 教示機能を備えた加工機

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 08199169

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1993913590

Country of ref document: EP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1993913590

Country of ref document: EP

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 1993913590

Country of ref document: EP