溶接ロボット
【目的】 操作性に優れ、教示精度がよく、かつ溶接作業に先立って高精度にワークの位置検出を行うことができ、これにより、教示装置で教示された点で結ぶ溶接作業線に沿って正確に溶接を行うことができるようにする。
【構成】 所定の自由度を有するアーム部材の先端に指示具を装着し、この指示具でワーク上の溶接線を指示することによりロボットアームの動作を教示するようにした教示装置と、溶接線を検出する検出装着とを溶接ロボットのロボットアームの先端部に装着し、前記検出装置からの検出からの検出信号を受けて、教示装置からの信号による教示動作を補正する制御手段を設けた構成となっている。
【構成】 所定の自由度を有するアーム部材の先端に指示具を装着し、この指示具でワーク上の溶接線を指示することによりロボットアームの動作を教示するようにした教示装置と、溶接線を検出する検出装着とを溶接ロボットのロボットアームの先端部に装着し、前記検出装置からの検出からの検出信号を受けて、教示装置からの信号による教示動作を補正する制御手段を設けた構成となっている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、いわゆるティーチング・プレイバック方式の溶接ロボットで、特にワーク上の各作業点を教示装置にて教示すると共に、この各作業点を結ぶ溶接線を検出してこの溶接線に沿って自動的に溶接加工を行うようにした溶接ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ロボットの動作を教示する場合、ティーチング・プレイバック方式が使用される。この教示方式では、ティーチングペンダント（ロボット操作盤）を手動操作してロボット各軸を動作させ、ロボットのアーム先端に装着された効果器をワーク上の各作業点に沿って移動させ、各作業点の座標位置を教示し、溶接ロボットを動作させるためのプログラムを作成し、これをロボットの制御装置に記憶させることで、教示がなされる。そして、再生時には、ロボット制御装置に記憶されたプログラムを逐次読みだし、このプログラムを実行することによってロボットに所定の加工作業を行わせるというものである。
【０００３】しかし、かかるティーチング・プレイバック方式では、ロボットをワーク上の各作業点に沿って実際に動かす必要があるため、ロボットを所望の駆動位置、姿勢に移動させるための操作に手間がかかり、莫大な教示時間が必要となる。
【０００４】そこで、短時間で教示作業を行うべく、ロボット自体を実際に動かすことなく、教示専用のアームを使用して教示を行う方法が提案されている。
【０００５】たとえば、特開昭５４−５３４６２号公報では、ロボットのアームと相似形のティーチングアームを用意し、これをロボットの旋回台に装着し、この装着したティーチングアームを動かすことで教示を行うようにしている。
【０００６】また、特開昭６０−２２１８０６号公報、特開昭６０−１０８９０８号公報、特開昭６０−１２４７０７号公報、特開昭６０−１６４８１３号公報、実開昭６１−１８４６８３号公報には、実際に加工作業を行うロボットのアームと同一の構造、寸法のティーチングアームを有した疑似ロボットを動作させて教示を行う方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ティーチング・プレイバック方式における、従来のロボットの教示装置では、いずれも加工作業を行うロボットのアームとほぼ等しい大きさのティーチングアームを使用するというものであり、その大きさゆえに操作性が悪くなり、教示精度も低下する。
【０００８】ここで、教示精度とは、ティーチングアームによって教示された位置と、この教示位置に位置されるようロボットを制御したときの実際の移動位置との誤差のことをいう。この誤差は、主にティーチングアームの計測器としての精度やティーチングアームと加工作業が行われる実際のロボットのアームとは剛性が異なる等、機構上の問題に起因するものであり、ティーチングアームが大きくなるほど誤差が大きくなる。
【０００９】また、特開昭５４−５３４６２号公報記載のものでは、旋回台から大型の多関節のアームを取り外し、これを同じく大型の多関節のティーチングアームに交換するという作業を行なわなくてはならないため、着脱作業に時間を要するという問題も発生する。
【００１０】本発明は上記のことにかんがみなされたもので、操作性に優れ、教示精度が良く、かつ溶接作業に先立って高精度にワークの位置検出を行うことができ、これにより、教示装置で教示された点を結ぶ溶接線に沿って正確に溶接を行うことができるようにした溶接ロボットを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明に係る溶接ロボットは、多関節型のロボットアームの先端部に溶接トーチを装着し、この溶接トーチがワーク上の溶接線に沿って移動されるように教示装置にて教示するようにした溶接ロボットにおいて、所定の自由度を有するアーム部材の先端に指示具を装着し、この指示具でワーク上の溶接線を指示することにより前記ロボットアームの動作を教示するようにした教示装置と、溶接線を検出する検出装置とを前記ロボットアームの先端部に装着し、前記検出装置からの検出信号を受けて、教示装置からの信号による教示動作を補正する制御手段を設けた構成になっている。
【００１２】また上記溶接ロボットは、移動車等の移動手段にて移動可能にしたベース上に搭載した構成になっている。
【００１３】
【作 用】教示装置と検出装置は、溶接ロボットのロボットアームの動作を教示する際に、ロボットアームの先端部に対して適宜着脱される。教示装置による教示データは、これの制御手段において、検出装置の検出データにより補正され、溶接ロボットのロボットアーム先端に装着された溶接トーチはこの補正されたデータに基づいて溶接を実行する。
【００１４】
【実 施 例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。まず、本発明に係る溶接ロボットに用いる教示装置の一例について説明する。図１は実施例装置の外観を概略的に示す図であり、図２は実施例装置の構成を示すブロック図であり、図３はロボットの先端アームの先端の様子をより詳細に示す図である。
【００１５】これら図に示すように、所定の加工作業を行う溶接ロボット１は、多関節のたとえば６軸のロボットであり、これのロボットアーム１ａの先端の手首１３には、溶接ロボット１と同じ６軸の教示装置（教示用アーム）が着脱自在に配設されている。ここで、手首１３は、ロボット第５軸によって、図３の矢印Ａ′に示すように先端アーム１ａに対して回動され、またロボット第６軸によって矢印Ｂ′に示すように手首長手方向中心軸を回転中心として回動される。手首１３の先端には、溶接作業を行う溶接トーチ１２が装着されており、この溶接トーチ１２は、その先端部に軸１２ａを有し、その先端１２ｂがワーク６の溶接線Ｌに沿って移動されることにより、溶接作業が行われる。
【００１６】そしてこの溶接トーチ１２の先端軸部に上記ワーク６の溶接線Ｌの位置、形状を溶接前に予め検出する変位センサ５０が着脱自在に装着されている。この変位センサ５０は後述する図５に示すセンサユニット５１の一部を構成している。溶接ロボット１の旋回ベース１ｃには、センサユニット５１を載置して係止する後述する着脱ベース５５が配設されている。この着脱ベース５５は溶接ロボット１の動作範囲内にある。
【００１７】教示装置４は、当該装置の各軸４２〜４７の位置を検出する位置検出器４０を有しており、保持部材４１により、手首１３に固定される。たとえば、図４に示すように、リング状の保持部材４１を手首１３に環装し、この保持部材４１と教示装置４の取付部４１ａとをボルト４１ｂによって締結する固定方法が考えられる。なお、保持部材４１は、ロボットアーム１ａの手首側に常時固定しておき、この保持部材４１に教示装置４の取付部４１ａを着脱可能に装着するようにすれば、教示装置４を溶接ロボット１に配設する際の位置ずれ等の誤差をより少なくすることができる。教示装置４のアーム先端には、指示具４８が装着されている。この指示具４８は、溶接作業を行う溶接ロボット１の溶接トーチ１２に相当するものである。なお、この実施例では、溶接ロボット１と同じ６軸の教示装置を用いたが、後述する溶接トーチ１２の座標位置および姿勢ｒR を求めることができる構造であれば、軸数に制限はなく、また溶接ロボットと異構造であってもよい。
【００１８】さて、教示装置４の位置検出器４０からは各軸４２〜４７の位置θT を示す位置検出信号がデータ変換装置５に出力される。一方、溶接ロボット１にもこれのロボットアーム１ａの各軸の位置を検出する位置検出器１１が付設されており、この位置検出器１１から各軸の位置θR を示す位置検出信号が、ロボット制御装置２のモニタ部２３を介してデータ変換装置５に出力される。
【００１９】データ変換装置５では、上記各検出信号θT ，θR を取り込んで、後述するように、これら位置θT ，θR を溶接ロボット１のロボットアーム１ａの先端の溶接トーチ１２の座標位置および姿勢ｒR に変換する演算が行われ、これがロボット制御装置２に出力される。ロボット制御装置２では、変換座標位置・姿勢ｒRが記憶部２１に記憶される。
【００２０】一方変位センサ５０の検出信号Ｓ１はセンサアンプ５２に加えられ、データ変換装置（Ａ／Ｄコンバータ）５３を介してセンサコントローラ５４に入力される。センサコントローラ５４は、後述するように、入力された検出信号Ｓ１に基づいて溶接線Ｌの位置、形状を示すデータを生成し、これを溶接ロボット１のロボット制御装置２に加える。
【００２１】ロボット制御装置２は、上記センサコントローラ５４から入力された位置、形状データに基づいて、記憶部２１に記憶されている教示装置４からのティーチングデータを補正する。
【００２２】また、ロボット制御装置２は、後述するように、着脱ベース５５上のセンサ着脱装置のエアシリンダ５９（図５）を駆動制御するための駆動制御信号Ｓ3 を出力する。
【００２３】図５はセンサユニット５１を溶接トーチ１２に装着させるとともに溶接トーチ１２から脱着させる着脱装置の構成を示す平面図である。図６は図５のＣ−Ｃ断面図である。
【００２４】これら図に示すようにセンサユニット５１は、上記変位センサ５０とグリッパ５６とが一体的になるよう螺合されており、着脱装置は、上記着脱ベース５５と、着脱ベース５５の上面に配設され、上記センサユニット５１を係止するストッパ５７，５８と、着脱ベース５５の上面に配設されたエアシリンダ５９とから構成されている。
【００２５】センサユニット５１の変位センサ５０には、検出信号Ｓ1 の信号線５０ａが接続されており、この信号線５０ａの他端は上記センサアンプ５２に接続されている。
【００２６】センサユニット５１のグリッパ５６は、一対の部材６０，６１をピン６２によって回動自在にした構造となっており（図６参照）、アーム部５６ａと把持部５６ｂとからなっている。
【００２７】把持部５６ｂは、溶接トーチ１２の軸１２ａをクランプする部分であり、軸１２ａが挿通され得る開口部５６ｃが形成されている。開口部５６ｃの内周には、軸１２ａとの緩衝のために弾性体（たとえばゴム）が貼着されている。
【００２８】一方、アーム部５６ａは、作用する力に応じてグリッパ５６の開閉を行い、上記開口部５６ｃの大きさを変化させる部分である。
【００２９】いま、エアシリンダ５９のロッド５９ａが縮退された状態であって外部からアーム部５６ａに対して力が作用していない場合には、両部材６０，６１間に介装されたバネ６３による弾性力によってアーム部５６ａの先端がストッパ５７，５８に当接されることとなり、センサユニット５１全体がストッパ５７，５８によって係止された状態となっている。
【００３０】しかし、エアシリンダ５９のロッド５９ａが伸張され、アーム５６ａに当接されて、エアシリンダ５９の駆動力がアーム部５６ａに作用した場合には、当該駆動力がバネ６３の弾性力に打ち勝ち、グリッパ５６が開かれ、開口部５６ｃが最大の大きさにされる。したがって、かかる状態において、上記溶接トーチ１２の軸１２ａを開口部５６ｃ内に遊挿させることができる。
【００３１】上記溶接ロボット１は図７に示すように、ロボット制御装置２と共にベース６６上に搭載されている。そしてこのベース６６は移動車６８にて移動可能になっており、この移動車６８にてワークの近くまで移動されて床上に降ろされた状態で上下方向に伸縮する足６９にて安定して固定されるようになっている。上記移動車６８の走行装置は車輪あるいは無限軌道装置を用いる。
【００３２】次に本発明の作用を図８以下のフロー図で説明する。まずベース６６を移動車６８にてワーク６の近くまで移動し（ステップａ）、ベース６６を床面に固定する（ステップｂ）。ついで、教示装置４を取付けて溶接線を教示する（ステップｃ）。次にこの教示装置４で教示された概略位置に対して正確な位置および形状を認識するためのサーチジョブをロボット制御装置２で自動作成する（ステップｄ）と共に、教示装置４を取りはずす。
【００３３】次にセンサユニット５１を溶接ロボット１の溶接トーチ１２の軸１２ａに装着してから溶接ロボット１を上記教示装置４で教示された軌跡に従って走査させて、変位センサ５０の形状認識機能により溶接線Ｌの正確な位置、溶接形状を認識し（ステップｅ）、このセンサユニット５１を取りはずす。
【００３４】ついで、変位センサ５０で得られたサーチデータをもとに、記憶部２１に記憶されている教示装置４からの教示データを補正し、溶接ロボット１が溶接を行うための移動命令および溶接速度、溶接電流等の条件を設定し、溶接ロボット１が実行可能なジョブをロボット制御装置２で自動作成する（ステップｆ）。その後溶接を実行する（ステップｇ）。
【００３５】このとき、ワーク６が大きくて溶接ロボット１のアーム１ａがとどかず、溶接ロボット１を移動する必要があるかを判断し（ステップｈ）、必要がある場合には再び上記各ステップ（ａ〜ｇ）を行う。移動する必要がない場合には溶接作業を終了させる。
【００３６】上記教示装置４の教示時の処理内容の一例を図９のフロー図にて説明する。まず、オペレータは、ティーチングペンダント３を操作して溶接ロボット１を動作させる。そして、教示装置４の動作範囲内でワーク６上の各作業点を教示し得るような位置まで溶接ロボット１が移動された時点で、溶接ロボット１をサーボオフ、ブレーキオンの状態にする。このようにサーボオフ、ブレーキオンの状態とするのは、オペレータの安全を考慮した措置であり、技術的にはサーボオンの状態のままでも以下の処理を行うことができる（ステップ１０１）。
【００３７】つぎに、ロボット１の先端アーム１ａの先端に教示装置４を、例えば上述した図４に示す固定方法によって取り付ける（ステップ１０２）。そして、オペレータは、教示装置４を手で持ち（図１参照）、先端の指示具４８によってワーク６上の作業点Ｐを指示させつつ、ポイントＰを記憶させるためのスイッチ（図示せず）をオン操作する（ステップ１０３）。このスイッチ操作によりデータ変換装置５は、位置検出器４０から、上記作業点Ｐに対応する位置θT のデータを取り込むとともに、ロボット制御装置２のモニタ部２３を介して溶接ロボット１の現在位置θR を取り込む（ステップ１０４，１０５）。
【００３８】そして、取り込まれたデータが合成され、溶接ロボット１の溶接トーチ１２の位置、姿勢を表す座標位置・姿勢データｒR に変換される。ここで、変換された座標位置・姿勢データｒR が動作可能か否か、つまり溶接ロボット１の動作範囲内であるか否かが判断される（ステップ１０６）。これにより動作可能であると判断されると、データ変換装置５は、ロボット制御装置２の記憶部２１に、座標位置・姿勢データｒR を書き込む処理を行う（ステップ１０７）。
【００３９】以上の処理が、ワーク６上の各作業点Ｐ…について繰り返し行われ、教示作業が終了する（ステップ１０８）。さて、上記座標位置・姿勢データｒR は、下記（１）式で表される。
【００４０】
ｒR ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ，Ｃ）…（１）
ここで、Ｘ，Ｙ，Ｚは溶接トーチ１２の先端の３次元座標位置を示し、Ａ，Ｂ，Ｃは溶接トーチ１２の姿勢を表す角度（例えばオイラ角が用いられる）である。上記座標位置・姿勢データｒR への変換は、下記（２）式によって行われる。
ｒR ＝fTR （θT ，θR ）…（２）
ここで、fTR は、教示装置４および溶接ロボット１の各軸の位置データθT ，θr から、溶接トーチ１２の座標位置・姿勢データｒR に変換する関数を表す。この関数は、溶接ロボット１、教示装置４の構造および教示装置４の取付け方法によって異なるものである。
【００４１】また、大きなワークを教示する場合には、作業範囲が広範囲にわたることから、教示装置４の動作範囲を越えたり、動作範囲のエンド付近で教示装置４を操作したりする必要がある。そこで、教示装置４の動作範囲が所定範囲内に入っているか否かを判断し（ステップ１１０）、この所定範囲内に入っていない場合には、教示装置４が動作不可能であると判断し（ステップ１１０の判断ＮＯ）、ティーチングペンダント３でロボット１を移動させて、教示装置４の動作範囲の中央部で教示作業を行うようにする（ステップ１１１）。
【００４２】ここに、従来技術にあっては、溶接ロボットのアームと同型、同寸法の教示用アームを使用していたため、動作範囲のエンド付近や構造上の特異点付近では操作性制が悪くなってしまうが、本発明の実施例によれば、常に操作性のよい状態での教示が可能となる。また、ロボットアームの先端に教示装置４を配設するようにしたので、設置誤差が極端に小さく、小型、軽量化できるので、教示装置の精度も向上し、その結果操作性に優れ、短時間で精度のよい教示が可能となる。
【００４３】教示作業が終了したならば、オペレータは溶接ロボット１から教示装置４を前述した図４に示す方法で取り外し、溶接ロボット１をサーボオンの状態に戻す（ステップ１０９）。
【００４４】次に図８におけるステップ（ｅ）における変位センサ５１の作用を図１０のフロー図にて説明する。まず、制御部２２から駆動制御信号Ｓ2 が溶接ロボット各軸の駆動源に対して出力され、溶接トーチ１２が図１の矢印Ａに示すように移動され、トーチ先端１２ｂが着脱ベース５５上に係止されているセンサユニット５１のグリッパ５６の把持部５６ｂの上方に位置決めされる（ステップ２０１）。
【００４５】上記位置決めがなされた後、溶接ロボット１の制御部２２は、駆動制御信号Ｓ3 をエアシリンダ５９に対して出力し、ロッド５９ａを伸張させてグリッパ５６を開かせ、開口部５６ｃを最大の大きさにする。つぎに、駆動制御信号Ｓ2 をロボット各軸に対して出力し、開口部５６ｃ内に溶接トーチ１２の軸１２ａを所定の位置まで挿通させる。つぎに、エアシリンダ５９に対して駆動制御信号Ｓ3 が出力され、ロッド５９ａが縮退される。これによりアーム部５６ａがバネ力により押し戻され、グリッパ５６が閉じられ、開口部５６ｃに挿通された溶接トーチ１２の軸１２ａがバネ力により把持される。こうしてセンサユニット５１が溶接トーチ１２の軸１２ａに装着される（ステップ２０２）。溶接ロボット制御装置２で自動作成されたサーチジョブにもとづいて制御部２２は駆動制御信号Ｓ2 を出力し、図１の矢印Ｂに示すように溶接トーチ１２をワーク６上に移動させ、さらにトーチ先端を溶接線Ｌに沿って移動させることにより、当該トーチ１２に装着されたセンサユニット５１を溶接線Ｌ上に沿って走査させる（ステップ２０３）。この走査中、変位センサ５０の検出信号Ｓ1 がセンサアンプ５２、Ａ／Ｄコンバータ５３を介してセンサコントローラ５４に順次入力され、記憶される（ステップ２０４）。そして、制御部２２は、記憶された走査データに基いて溶接線Ｌの形状、位置を示すデータを生成する（ステップ２０５）。
【００４６】つぎに、制御部は駆動制御信号Ｓ2 を出力して図１の矢印Ａに示すように再び着脱ベース５５上まで溶接トーチ１２を移動させ、溶接トーチ１２の軸１２ａに装着されたセンサユニット５１を着脱ベース５５上のストッパ５７，５８間に位置決めする（ステップ２０６）。駆動制御信号Ｓ3 を出力しエアシリンダ５９を駆動し、ロッド５９ａを伸張させ、グリッパ５６を開かせる。これによってトーチ１２の軸１２ａの開口部５６ｃによる把持状態が解除される。つぎに、駆動制御信号Ｓ2 を出力し、溶接トーチ１２を上方に移動させ開口部５６ｃから軸１２ａを所定位置まで移動させる。駆動制御信号Ｓ3 がエアシリンダ５９に出力されロッド５９ａが縮退される。この結果、バネ力によってアーム部５６ａがストッパ５７，５８に当接され、センサユニット５１全体が当該ストッパ５７，５８により再び係止された状態となる（ステップ２０７）。なお、この実施例では、教示装置４のデータ処理をデータ変換装置５で行ない、変位センサ５０のデータ処理をセンサコントローラ５４にて行なうようにしたが、これの処理をすべてロボット制御装置２で行なうようにしてもよい。またロボット制御装置２で行なっているサーチジョブが溶接ジョブの自動作成や、データ変換装置５、センサコントローラ５４で行なっている処理を一括して外部コンピュータで行なわせるようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】本発明によれば、アーム部材からなる教示装置をロボットアームの先端部に装着することにより、操作性に優れ、短時間で溶接線の概略位置の教示が可能となり、かつ溶接線検出装置により、溶接作業に先立って、前記教示装置で教示された溶接線の概略位置に対し、正確な位置および形状検出を行なうことができる。この結果、短時間で溶接ロボットの溶接作業の教示が行え、かつ正確な溶接を行なうことができ、従来できなかった多品種少量ワークへの溶接ロボットの適用が可能となる。また移動手段をもうけることにより、移動が困難で形状が複雑な大型、重量物ワークへのロボットの適用も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶接ロボットの一例を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す実施例装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示すロボット先端の様子を詳細に示した図である。
【図４】実施例の教示装置をロボットアームに固定させるための方法を例示した図である。
【図５】図１で示す変位センサの着脱ベースを上面から見た図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図７】本発明に係る溶接ロボットの教示作業状態を示す図である。
【図８】本発明に係る溶接ロボットの作業手順を示すフロー図である。
【図９】教示装置で行われる処理手順を示すフロー図である。
【図１０】変位センサで行われる処理手順を示すフロー図である。
【符号の説明】
１…溶接ロボット
１ａ…アーム
２…ロボット制御装置
４…教示装置
６…ワーク
１２…溶接トーチ
１３…手首
５０…変位センサ
５１…センサユニット
５４…センサコントローラ
５５…着脱ベース
６６…ベース
６８…移動車。
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、いわゆるティーチング・プレイバック方式の溶接ロボットで、特にワーク上の各作業点を教示装置にて教示すると共に、この各作業点を結ぶ溶接線を検出してこの溶接線に沿って自動的に溶接加工を行うようにした溶接ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ロボットの動作を教示する場合、ティーチング・プレイバック方式が使用される。この教示方式では、ティーチングペンダント（ロボット操作盤）を手動操作してロボット各軸を動作させ、ロボットのアーム先端に装着された効果器をワーク上の各作業点に沿って移動させ、各作業点の座標位置を教示し、溶接ロボットを動作させるためのプログラムを作成し、これをロボットの制御装置に記憶させることで、教示がなされる。そして、再生時には、ロボット制御装置に記憶されたプログラムを逐次読みだし、このプログラムを実行することによってロボットに所定の加工作業を行わせるというものである。
【０００３】しかし、かかるティーチング・プレイバック方式では、ロボットをワーク上の各作業点に沿って実際に動かす必要があるため、ロボットを所望の駆動位置、姿勢に移動させるための操作に手間がかかり、莫大な教示時間が必要となる。
【０００４】そこで、短時間で教示作業を行うべく、ロボット自体を実際に動かすことなく、教示専用のアームを使用して教示を行う方法が提案されている。
【０００５】たとえば、特開昭５４−５３４６２号公報では、ロボットのアームと相似形のティーチングアームを用意し、これをロボットの旋回台に装着し、この装着したティーチングアームを動かすことで教示を行うようにしている。
【０００６】また、特開昭６０−２２１８０６号公報、特開昭６０−１０８９０８号公報、特開昭６０−１２４７０７号公報、特開昭６０−１６４８１３号公報、実開昭６１−１８４６８３号公報には、実際に加工作業を行うロボットのアームと同一の構造、寸法のティーチングアームを有した疑似ロボットを動作させて教示を行う方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ティーチング・プレイバック方式における、従来のロボットの教示装置では、いずれも加工作業を行うロボットのアームとほぼ等しい大きさのティーチングアームを使用するというものであり、その大きさゆえに操作性が悪くなり、教示精度も低下する。
【０００８】ここで、教示精度とは、ティーチングアームによって教示された位置と、この教示位置に位置されるようロボットを制御したときの実際の移動位置との誤差のことをいう。この誤差は、主にティーチングアームの計測器としての精度やティーチングアームと加工作業が行われる実際のロボットのアームとは剛性が異なる等、機構上の問題に起因するものであり、ティーチングアームが大きくなるほど誤差が大きくなる。
【０００９】また、特開昭５４−５３４６２号公報記載のものでは、旋回台から大型の多関節のアームを取り外し、これを同じく大型の多関節のティーチングアームに交換するという作業を行なわなくてはならないため、着脱作業に時間を要するという問題も発生する。
【００１０】本発明は上記のことにかんがみなされたもので、操作性に優れ、教示精度が良く、かつ溶接作業に先立って高精度にワークの位置検出を行うことができ、これにより、教示装置で教示された点を結ぶ溶接線に沿って正確に溶接を行うことができるようにした溶接ロボットを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明に係る溶接ロボットは、多関節型のロボットアームの先端部に溶接トーチを装着し、この溶接トーチがワーク上の溶接線に沿って移動されるように教示装置にて教示するようにした溶接ロボットにおいて、所定の自由度を有するアーム部材の先端に指示具を装着し、この指示具でワーク上の溶接線を指示することにより前記ロボットアームの動作を教示するようにした教示装置と、溶接線を検出する検出装置とを前記ロボットアームの先端部に装着し、前記検出装置からの検出信号を受けて、教示装置からの信号による教示動作を補正する制御手段を設けた構成になっている。
【００１２】また上記溶接ロボットは、移動車等の移動手段にて移動可能にしたベース上に搭載した構成になっている。
【００１３】
【作 用】教示装置と検出装置は、溶接ロボットのロボットアームの動作を教示する際に、ロボットアームの先端部に対して適宜着脱される。教示装置による教示データは、これの制御手段において、検出装置の検出データにより補正され、溶接ロボットのロボットアーム先端に装着された溶接トーチはこの補正されたデータに基づいて溶接を実行する。
【００１４】
【実 施 例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。まず、本発明に係る溶接ロボットに用いる教示装置の一例について説明する。図１は実施例装置の外観を概略的に示す図であり、図２は実施例装置の構成を示すブロック図であり、図３はロボットの先端アームの先端の様子をより詳細に示す図である。
【００１５】これら図に示すように、所定の加工作業を行う溶接ロボット１は、多関節のたとえば６軸のロボットであり、これのロボットアーム１ａの先端の手首１３には、溶接ロボット１と同じ６軸の教示装置（教示用アーム）が着脱自在に配設されている。ここで、手首１３は、ロボット第５軸によって、図３の矢印Ａ′に示すように先端アーム１ａに対して回動され、またロボット第６軸によって矢印Ｂ′に示すように手首長手方向中心軸を回転中心として回動される。手首１３の先端には、溶接作業を行う溶接トーチ１２が装着されており、この溶接トーチ１２は、その先端部に軸１２ａを有し、その先端１２ｂがワーク６の溶接線Ｌに沿って移動されることにより、溶接作業が行われる。
【００１６】そしてこの溶接トーチ１２の先端軸部に上記ワーク６の溶接線Ｌの位置、形状を溶接前に予め検出する変位センサ５０が着脱自在に装着されている。この変位センサ５０は後述する図５に示すセンサユニット５１の一部を構成している。溶接ロボット１の旋回ベース１ｃには、センサユニット５１を載置して係止する後述する着脱ベース５５が配設されている。この着脱ベース５５は溶接ロボット１の動作範囲内にある。
【００１７】教示装置４は、当該装置の各軸４２〜４７の位置を検出する位置検出器４０を有しており、保持部材４１により、手首１３に固定される。たとえば、図４に示すように、リング状の保持部材４１を手首１３に環装し、この保持部材４１と教示装置４の取付部４１ａとをボルト４１ｂによって締結する固定方法が考えられる。なお、保持部材４１は、ロボットアーム１ａの手首側に常時固定しておき、この保持部材４１に教示装置４の取付部４１ａを着脱可能に装着するようにすれば、教示装置４を溶接ロボット１に配設する際の位置ずれ等の誤差をより少なくすることができる。教示装置４のアーム先端には、指示具４８が装着されている。この指示具４８は、溶接作業を行う溶接ロボット１の溶接トーチ１２に相当するものである。なお、この実施例では、溶接ロボット１と同じ６軸の教示装置を用いたが、後述する溶接トーチ１２の座標位置および姿勢ｒR を求めることができる構造であれば、軸数に制限はなく、また溶接ロボットと異構造であってもよい。
【００１８】さて、教示装置４の位置検出器４０からは各軸４２〜４７の位置θT を示す位置検出信号がデータ変換装置５に出力される。一方、溶接ロボット１にもこれのロボットアーム１ａの各軸の位置を検出する位置検出器１１が付設されており、この位置検出器１１から各軸の位置θR を示す位置検出信号が、ロボット制御装置２のモニタ部２３を介してデータ変換装置５に出力される。
【００１９】データ変換装置５では、上記各検出信号θT ，θR を取り込んで、後述するように、これら位置θT ，θR を溶接ロボット１のロボットアーム１ａの先端の溶接トーチ１２の座標位置および姿勢ｒR に変換する演算が行われ、これがロボット制御装置２に出力される。ロボット制御装置２では、変換座標位置・姿勢ｒRが記憶部２１に記憶される。
【００２０】一方変位センサ５０の検出信号Ｓ１はセンサアンプ５２に加えられ、データ変換装置（Ａ／Ｄコンバータ）５３を介してセンサコントローラ５４に入力される。センサコントローラ５４は、後述するように、入力された検出信号Ｓ１に基づいて溶接線Ｌの位置、形状を示すデータを生成し、これを溶接ロボット１のロボット制御装置２に加える。
【００２１】ロボット制御装置２は、上記センサコントローラ５４から入力された位置、形状データに基づいて、記憶部２１に記憶されている教示装置４からのティーチングデータを補正する。
【００２２】また、ロボット制御装置２は、後述するように、着脱ベース５５上のセンサ着脱装置のエアシリンダ５９（図５）を駆動制御するための駆動制御信号Ｓ3 を出力する。
【００２３】図５はセンサユニット５１を溶接トーチ１２に装着させるとともに溶接トーチ１２から脱着させる着脱装置の構成を示す平面図である。図６は図５のＣ−Ｃ断面図である。
【００２４】これら図に示すようにセンサユニット５１は、上記変位センサ５０とグリッパ５６とが一体的になるよう螺合されており、着脱装置は、上記着脱ベース５５と、着脱ベース５５の上面に配設され、上記センサユニット５１を係止するストッパ５７，５８と、着脱ベース５５の上面に配設されたエアシリンダ５９とから構成されている。
【００２５】センサユニット５１の変位センサ５０には、検出信号Ｓ1 の信号線５０ａが接続されており、この信号線５０ａの他端は上記センサアンプ５２に接続されている。
【００２６】センサユニット５１のグリッパ５６は、一対の部材６０，６１をピン６２によって回動自在にした構造となっており（図６参照）、アーム部５６ａと把持部５６ｂとからなっている。
【００２７】把持部５６ｂは、溶接トーチ１２の軸１２ａをクランプする部分であり、軸１２ａが挿通され得る開口部５６ｃが形成されている。開口部５６ｃの内周には、軸１２ａとの緩衝のために弾性体（たとえばゴム）が貼着されている。
【００２８】一方、アーム部５６ａは、作用する力に応じてグリッパ５６の開閉を行い、上記開口部５６ｃの大きさを変化させる部分である。
【００２９】いま、エアシリンダ５９のロッド５９ａが縮退された状態であって外部からアーム部５６ａに対して力が作用していない場合には、両部材６０，６１間に介装されたバネ６３による弾性力によってアーム部５６ａの先端がストッパ５７，５８に当接されることとなり、センサユニット５１全体がストッパ５７，５８によって係止された状態となっている。
【００３０】しかし、エアシリンダ５９のロッド５９ａが伸張され、アーム５６ａに当接されて、エアシリンダ５９の駆動力がアーム部５６ａに作用した場合には、当該駆動力がバネ６３の弾性力に打ち勝ち、グリッパ５６が開かれ、開口部５６ｃが最大の大きさにされる。したがって、かかる状態において、上記溶接トーチ１２の軸１２ａを開口部５６ｃ内に遊挿させることができる。
【００３１】上記溶接ロボット１は図７に示すように、ロボット制御装置２と共にベース６６上に搭載されている。そしてこのベース６６は移動車６８にて移動可能になっており、この移動車６８にてワークの近くまで移動されて床上に降ろされた状態で上下方向に伸縮する足６９にて安定して固定されるようになっている。上記移動車６８の走行装置は車輪あるいは無限軌道装置を用いる。
【００３２】次に本発明の作用を図８以下のフロー図で説明する。まずベース６６を移動車６８にてワーク６の近くまで移動し（ステップａ）、ベース６６を床面に固定する（ステップｂ）。ついで、教示装置４を取付けて溶接線を教示する（ステップｃ）。次にこの教示装置４で教示された概略位置に対して正確な位置および形状を認識するためのサーチジョブをロボット制御装置２で自動作成する（ステップｄ）と共に、教示装置４を取りはずす。
【００３３】次にセンサユニット５１を溶接ロボット１の溶接トーチ１２の軸１２ａに装着してから溶接ロボット１を上記教示装置４で教示された軌跡に従って走査させて、変位センサ５０の形状認識機能により溶接線Ｌの正確な位置、溶接形状を認識し（ステップｅ）、このセンサユニット５１を取りはずす。
【００３４】ついで、変位センサ５０で得られたサーチデータをもとに、記憶部２１に記憶されている教示装置４からの教示データを補正し、溶接ロボット１が溶接を行うための移動命令および溶接速度、溶接電流等の条件を設定し、溶接ロボット１が実行可能なジョブをロボット制御装置２で自動作成する（ステップｆ）。その後溶接を実行する（ステップｇ）。
【００３５】このとき、ワーク６が大きくて溶接ロボット１のアーム１ａがとどかず、溶接ロボット１を移動する必要があるかを判断し（ステップｈ）、必要がある場合には再び上記各ステップ（ａ〜ｇ）を行う。移動する必要がない場合には溶接作業を終了させる。
【００３６】上記教示装置４の教示時の処理内容の一例を図９のフロー図にて説明する。まず、オペレータは、ティーチングペンダント３を操作して溶接ロボット１を動作させる。そして、教示装置４の動作範囲内でワーク６上の各作業点を教示し得るような位置まで溶接ロボット１が移動された時点で、溶接ロボット１をサーボオフ、ブレーキオンの状態にする。このようにサーボオフ、ブレーキオンの状態とするのは、オペレータの安全を考慮した措置であり、技術的にはサーボオンの状態のままでも以下の処理を行うことができる（ステップ１０１）。
【００３７】つぎに、ロボット１の先端アーム１ａの先端に教示装置４を、例えば上述した図４に示す固定方法によって取り付ける（ステップ１０２）。そして、オペレータは、教示装置４を手で持ち（図１参照）、先端の指示具４８によってワーク６上の作業点Ｐを指示させつつ、ポイントＰを記憶させるためのスイッチ（図示せず）をオン操作する（ステップ１０３）。このスイッチ操作によりデータ変換装置５は、位置検出器４０から、上記作業点Ｐに対応する位置θT のデータを取り込むとともに、ロボット制御装置２のモニタ部２３を介して溶接ロボット１の現在位置θR を取り込む（ステップ１０４，１０５）。
【００３８】そして、取り込まれたデータが合成され、溶接ロボット１の溶接トーチ１２の位置、姿勢を表す座標位置・姿勢データｒR に変換される。ここで、変換された座標位置・姿勢データｒR が動作可能か否か、つまり溶接ロボット１の動作範囲内であるか否かが判断される（ステップ１０６）。これにより動作可能であると判断されると、データ変換装置５は、ロボット制御装置２の記憶部２１に、座標位置・姿勢データｒR を書き込む処理を行う（ステップ１０７）。
【００３９】以上の処理が、ワーク６上の各作業点Ｐ…について繰り返し行われ、教示作業が終了する（ステップ１０８）。さて、上記座標位置・姿勢データｒR は、下記（１）式で表される。
【００４０】
ｒR ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ，Ｃ）…（１）
ここで、Ｘ，Ｙ，Ｚは溶接トーチ１２の先端の３次元座標位置を示し、Ａ，Ｂ，Ｃは溶接トーチ１２の姿勢を表す角度（例えばオイラ角が用いられる）である。上記座標位置・姿勢データｒR への変換は、下記（２）式によって行われる。
ｒR ＝fTR （θT ，θR ）…（２）
ここで、fTR は、教示装置４および溶接ロボット１の各軸の位置データθT ，θr から、溶接トーチ１２の座標位置・姿勢データｒR に変換する関数を表す。この関数は、溶接ロボット１、教示装置４の構造および教示装置４の取付け方法によって異なるものである。
【００４１】また、大きなワークを教示する場合には、作業範囲が広範囲にわたることから、教示装置４の動作範囲を越えたり、動作範囲のエンド付近で教示装置４を操作したりする必要がある。そこで、教示装置４の動作範囲が所定範囲内に入っているか否かを判断し（ステップ１１０）、この所定範囲内に入っていない場合には、教示装置４が動作不可能であると判断し（ステップ１１０の判断ＮＯ）、ティーチングペンダント３でロボット１を移動させて、教示装置４の動作範囲の中央部で教示作業を行うようにする（ステップ１１１）。
【００４２】ここに、従来技術にあっては、溶接ロボットのアームと同型、同寸法の教示用アームを使用していたため、動作範囲のエンド付近や構造上の特異点付近では操作性制が悪くなってしまうが、本発明の実施例によれば、常に操作性のよい状態での教示が可能となる。また、ロボットアームの先端に教示装置４を配設するようにしたので、設置誤差が極端に小さく、小型、軽量化できるので、教示装置の精度も向上し、その結果操作性に優れ、短時間で精度のよい教示が可能となる。
【００４３】教示作業が終了したならば、オペレータは溶接ロボット１から教示装置４を前述した図４に示す方法で取り外し、溶接ロボット１をサーボオンの状態に戻す（ステップ１０９）。
【００４４】次に図８におけるステップ（ｅ）における変位センサ５１の作用を図１０のフロー図にて説明する。まず、制御部２２から駆動制御信号Ｓ2 が溶接ロボット各軸の駆動源に対して出力され、溶接トーチ１２が図１の矢印Ａに示すように移動され、トーチ先端１２ｂが着脱ベース５５上に係止されているセンサユニット５１のグリッパ５６の把持部５６ｂの上方に位置決めされる（ステップ２０１）。
【００４５】上記位置決めがなされた後、溶接ロボット１の制御部２２は、駆動制御信号Ｓ3 をエアシリンダ５９に対して出力し、ロッド５９ａを伸張させてグリッパ５６を開かせ、開口部５６ｃを最大の大きさにする。つぎに、駆動制御信号Ｓ2 をロボット各軸に対して出力し、開口部５６ｃ内に溶接トーチ１２の軸１２ａを所定の位置まで挿通させる。つぎに、エアシリンダ５９に対して駆動制御信号Ｓ3 が出力され、ロッド５９ａが縮退される。これによりアーム部５６ａがバネ力により押し戻され、グリッパ５６が閉じられ、開口部５６ｃに挿通された溶接トーチ１２の軸１２ａがバネ力により把持される。こうしてセンサユニット５１が溶接トーチ１２の軸１２ａに装着される（ステップ２０２）。溶接ロボット制御装置２で自動作成されたサーチジョブにもとづいて制御部２２は駆動制御信号Ｓ2 を出力し、図１の矢印Ｂに示すように溶接トーチ１２をワーク６上に移動させ、さらにトーチ先端を溶接線Ｌに沿って移動させることにより、当該トーチ１２に装着されたセンサユニット５１を溶接線Ｌ上に沿って走査させる（ステップ２０３）。この走査中、変位センサ５０の検出信号Ｓ1 がセンサアンプ５２、Ａ／Ｄコンバータ５３を介してセンサコントローラ５４に順次入力され、記憶される（ステップ２０４）。そして、制御部２２は、記憶された走査データに基いて溶接線Ｌの形状、位置を示すデータを生成する（ステップ２０５）。
【００４６】つぎに、制御部は駆動制御信号Ｓ2 を出力して図１の矢印Ａに示すように再び着脱ベース５５上まで溶接トーチ１２を移動させ、溶接トーチ１２の軸１２ａに装着されたセンサユニット５１を着脱ベース５５上のストッパ５７，５８間に位置決めする（ステップ２０６）。駆動制御信号Ｓ3 を出力しエアシリンダ５９を駆動し、ロッド５９ａを伸張させ、グリッパ５６を開かせる。これによってトーチ１２の軸１２ａの開口部５６ｃによる把持状態が解除される。つぎに、駆動制御信号Ｓ2 を出力し、溶接トーチ１２を上方に移動させ開口部５６ｃから軸１２ａを所定位置まで移動させる。駆動制御信号Ｓ3 がエアシリンダ５９に出力されロッド５９ａが縮退される。この結果、バネ力によってアーム部５６ａがストッパ５７，５８に当接され、センサユニット５１全体が当該ストッパ５７，５８により再び係止された状態となる（ステップ２０７）。なお、この実施例では、教示装置４のデータ処理をデータ変換装置５で行ない、変位センサ５０のデータ処理をセンサコントローラ５４にて行なうようにしたが、これの処理をすべてロボット制御装置２で行なうようにしてもよい。またロボット制御装置２で行なっているサーチジョブが溶接ジョブの自動作成や、データ変換装置５、センサコントローラ５４で行なっている処理を一括して外部コンピュータで行なわせるようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】本発明によれば、アーム部材からなる教示装置をロボットアームの先端部に装着することにより、操作性に優れ、短時間で溶接線の概略位置の教示が可能となり、かつ溶接線検出装置により、溶接作業に先立って、前記教示装置で教示された溶接線の概略位置に対し、正確な位置および形状検出を行なうことができる。この結果、短時間で溶接ロボットの溶接作業の教示が行え、かつ正確な溶接を行なうことができ、従来できなかった多品種少量ワークへの溶接ロボットの適用が可能となる。また移動手段をもうけることにより、移動が困難で形状が複雑な大型、重量物ワークへのロボットの適用も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶接ロボットの一例を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す実施例装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示すロボット先端の様子を詳細に示した図である。
【図４】実施例の教示装置をロボットアームに固定させるための方法を例示した図である。
【図５】図１で示す変位センサの着脱ベースを上面から見た図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図７】本発明に係る溶接ロボットの教示作業状態を示す図である。
【図８】本発明に係る溶接ロボットの作業手順を示すフロー図である。
【図９】教示装置で行われる処理手順を示すフロー図である。
【図１０】変位センサで行われる処理手順を示すフロー図である。
【符号の説明】
１…溶接ロボット
１ａ…アーム
２…ロボット制御装置
４…教示装置
６…ワーク
１２…溶接トーチ
１３…手首
５０…変位センサ
５１…センサユニット
５４…センサコントローラ
５５…着脱ベース
６６…ベース
６８…移動車。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 多関節型のロボットアームの先端部に溶接トーチを装着し、この溶接トーチがワーク上の溶接線に沿って移動されるように教示装置にて教示するようにした溶接ロボットにおいて、所定の自由度を有するアーム部材の先端に指示具を装着し、この指示具でワーク上の溶接線を指示することにより前記ロボットアームの動作を教示するようにした教示装置と、溶接線を検出する検出装置とを前記ロボットアームの先端部に装着し、前記検出装置からの検出信号を受けて、教示装置からの信号による教示動作を補正する制御手段を設けたことを特徴とする溶接ロボット。
【請求項２】 移動車等の移動手段にて移動可能にしたベース上に搭載したことを特徴とする請求項１記載の溶接ロボット。
【請求項１】 多関節型のロボットアームの先端部に溶接トーチを装着し、この溶接トーチがワーク上の溶接線に沿って移動されるように教示装置にて教示するようにした溶接ロボットにおいて、所定の自由度を有するアーム部材の先端に指示具を装着し、この指示具でワーク上の溶接線を指示することにより前記ロボットアームの動作を教示するようにした教示装置と、溶接線を検出する検出装置とを前記ロボットアームの先端部に装着し、前記検出装置からの検出信号を受けて、教示装置からの信号による教示動作を補正する制御手段を設けたことを特徴とする溶接ロボット。
【請求項２】 移動車等の移動手段にて移動可能にしたベース上に搭載したことを特徴とする請求項１記載の溶接ロボット。
【図１】
【図４】
【図６】
【図２】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図４】
【図６】
【図２】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開平８−１９７２５０
【公開日】平成８年（１９９６）８月６日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−１２６６５
【出願日】平成７年（１９９５）１月３０日
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【公開日】平成８年（１９９６）８月６日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）１月３０日
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
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