溶接作業装置
【課題】
アルミ管継手の溶接を自動で簡単に行なえる溶接作業装置を提供する。
【解決手段】
溶接する主管３ａと枝管３ｂとの溶接条件を入力する入力部１０１と、ＸＹＺ軸周りに回転可能で、ワーク３の姿勢を変更する三次元回転台１と、該三次元回転台１を駆動する回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃと、溶接トーチ４を下向きに保持する溶接トーチ保持部２ｄと、入力部１０１からの入力情報に基づいて回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃを制御する制御部１０６とを備え、入力部１０１からの情報に基づいて、全ての溶接箇所６の絶対座標系における座標位置を演算し、溶接トーチ４の中心線が常に絶対座標系のＸＺ平面上に位置させ、かつ、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａのなす線分を溶接線７としたとき、溶接線７がほぼＸＹ平面に含まれるように前記回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃの三軸回転条件を演算し、回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃを回転制御する。
アルミ管継手の溶接を自動で簡単に行なえる溶接作業装置を提供する。
【解決手段】
溶接する主管３ａと枝管３ｂとの溶接条件を入力する入力部１０１と、ＸＹＺ軸周りに回転可能で、ワーク３の姿勢を変更する三次元回転台１と、該三次元回転台１を駆動する回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃと、溶接トーチ４を下向きに保持する溶接トーチ保持部２ｄと、入力部１０１からの入力情報に基づいて回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃを制御する制御部１０６とを備え、入力部１０１からの情報に基づいて、全ての溶接箇所６の絶対座標系における座標位置を演算し、溶接トーチ４の中心線が常に絶対座標系のＸＺ平面上に位置させ、かつ、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａのなす線分を溶接線７としたとき、溶接線７がほぼＸＹ平面に含まれるように前記回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃの三軸回転条件を演算し、回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃを回転制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接作業を補助する溶接作業装置であって、特に、主管とその側面から突出する枝管との接合部を簡単に溶接が行なえる溶接作業装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、溶接作業の自動化が進んでいる。例えば、産業用ロボットマニピュレータを用いた、自動車等のボディの溶接が挙げられる。しかしながら、雨樋等に使用されるアルミ管同士の溶接においては、自動化が行われていない。そのため、生産性の向上のために、アルミ管同士を自動で溶接できる溶接作業装置の開発が望まれている。
【０００３】
ところで、アルミ管等の主管および枝管からなるワークの接合としては、溶接、接着、圧着、ビス止め等の種々の方法が挙げられる。特に、管同士を溶接してＬ字型、Ｔ字型、Ｙ字型等の製品を得るには、溶接するワークの向きを何度も置き換えて作業をする必要がある。そのため、溶接の継ぎ目や溶接ガスによる変色等が発生し、外観上の見栄えが悪くなるという問題があった。
【０００４】
特許文献１には、ワークを溶接する準備段階として、先ず、ワークを回転テーブルに載せ、これを一定速度で回転させながら、その動作を画像センサおよびレーザ変位計で読み取り、溶接経路を演算測定し、その測定結果に基づいて、回転テーブルと多関節ロボットの先端にある溶接トーチとを駆動制御する溶接作業装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１０３０３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の溶接作業装置は、回転テーブルと多関節ロボットの２つの駆動対象を備えていることから、その振り分け制御動作が複雑になり、制御データ作りに時間を要することになる。
【０００６】
また、溶接線の決定に画像センサおよびレーザ変位計を用い、かつ、多関節ロボットを用いるため、高価な溶接作業装置になる。したがって、特許文献１の溶接作業装置は、小ロット多品種の生産には向かず、このような小ロット多品種の生産に最適な溶接作業装置の出現が望まれているところである。
【０００７】
本発明は、上記に鑑み、簡単な構成によって溶接作業を支援でき、小ロット多品種生産に最適な溶接作業装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、溶接するワークの溶接条件を入力する入力部と、垂直軸となるＺ軸、このＺ軸に直交する水平軸となるＹ軸、および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転可能で、ワークの姿勢を変更する三次元回転台と、該三次元回転台を駆動する回転台駆動部と、溶接トーチを下向きに保持する溶接トーチ保持部と、前記入力部からの入力情報に基づいて前記回転台駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記入力部からの情報に基づいて、全ての溶接箇所の絶対座標系における座標位置を演算し、溶接トーチの中心線が常に絶対座標系のＸＺ平面上に位置させ、かつ現在の溶接箇所と次の溶接箇所のなす線分を溶接線としたとき、前記溶接線がＸＹ平面に平行な平面で区切られる所定の許容幅に含まれるように前記回転台駆動部の三軸回転条件を演算し、前記回転台駆動部を回転制御することを特徴とする。
【０００９】
ここで、溶接方式としては、溶接アークによる弊害が生じるおそれのある溶接方式ならば、特に限定されるものではない。例えば、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接などが例示でき、これらのいずれの溶接方式にも適用することができる。
【００１０】
また、入力部に入力される溶接条件としては、コンピュータのキーボードから直接入力される情報や外部より通信部を介して入力される情報も含まれる。これらの情報は、例えば、主管とその側面に接合する枝管とからなるＴ字型やＹ字型などの継手管の場合、主管と枝管のなす角度や直径などである。また、入力部には、三次元回転台の可動範囲情報や溶接トーチを保持して稼動するマニピュレータの可動範囲情報が入力される。これらの情報により、例えば、ＸＹＺの絶対座標系における溶接位置の座標を演算し、また、溶接トーチの動作計画をすることができる。
【００１１】
また、制御部は、マイクロコンピュータのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭから構成され、さらにその他の記憶部を備えている。この制御部では、入力部から入力した溶接条件に基づいて、溶接線演算部で溶接線の位置情報を演算する。また、三次元回転台の回転角度演算部により、回転台駆動部の三軸回転条件を演算する。さらに、マニピュレータの制御演算部により、溶接トーチを保持して互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能とするマニピュレータの駆動制御を行なう。
【００１２】
なお、「溶接線がＸＹ平面に平行な平面で区切られる所定の許容幅に含まれる」とは、溶接線が、ほぼＸＹ平面内に含まれることを意味する。溶接トーチおよび溶接線をほぼＸＹ平面内に含まれるように設定することで、アークが溶接線以外の部分に当たるのを防止するためである。
【００１３】
さらに、溶接トーチを下方向に向けることでシールドガスが重力にしたがって広がり、溶接トーチ先端から発生するアークが安定する。また、溶接トーチの中心線を常に絶対座標系のほぼＸＺ平面上に位置させ、かつ現在の溶接箇所と次の溶接箇所のなす線分を溶接線としたとき、溶接線がほぼＸＺ平面内に含まれるように回転台駆動部の三軸回転条件を演算するようにしたので、溶接線に対して溶接トーチが傾く角度と傾く方向を一定にして溶接電流などのパラメータを設定しやすくできる。
【００１４】
なお、溶接トーチ保持部は、溶接トーチを下向きに保持するが、溶接トーチ保持部は、マニピュレータによって、溶接トーチを互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能か否かを問わない。本発明は、三次元回転台の三軸回転条件を制御して、溶接トーチのアークを溶接線以外に当たらないようにすることを本質的事項としているからである。
【００１５】
また、現在の溶接箇所と次の溶接箇所のなす線分を溶接線としたとき、溶接線がほぼＸＺ平面内に含まれるようにしているので、アークが溶接箇所以外の部分に当たるのを防ぎ、アルミ管等の金属光沢が損失するのを防止できる。
【００１６】
また、現在の溶接箇所のＺ座標よりも次の溶接箇所のＺ座標が小さく（低く）なるようにする。また、溶接トーチの中心線を前記絶対座標系ＸＹＺのＸＺ平面に平行な平面で区切られる前記許容幅内で、前記溶接線に対して溶接トーチの進行方向と逆方向に所定角度傾斜した姿勢で溶接できるように、回転台駆動部の三軸回転条件を設定する。
【００１７】
上記構成によると、次の溶接箇所が下向きになり、また、アークが次の溶接箇所の方向に広がるため、溶接が終了した箇所のビードへのアークによる影響をなくすことができる。
【００１８】
また、制御部は、少なくとも以下の判定式を入力し、各溶接位置でこれらの判定式を満たすように前記三次元回転台の三軸回転条件を演算する。
（ア）｜現在の溶接箇所のＹ座標−次の溶接箇所のＹ座標｜＜Ｌ（ｍｍ）（但し、Ｙは絶対座標系のＹ座標、ＬはＸ軸両側に持たせた許容幅）
（イ）現在の溶接箇所のＺ座標＞次の溶接箇所のＺ座標
【００１９】
さらに、三次元回転台の機構上、Ｘ軸、Ｙ軸の回転角度が制限されている場合もあるので、これらの制限事項も入力して回転条件を演算することもできる。すなわち、制御部は、以下の判定式を入力し、各溶接位置でこれらの判定式を満たすように前記三次元回転台の三軸回転条件を演算する。但し、Ａ，Ｂは、三次元回転台のベース中央を原点とした作業座標系の各軸ＸＹＺの反時計周りの回転角を正、時計周りの回転角を負としたときの角度である。
（ウ）−Ａ≦Ｘ軸の回転角度≦Ａ（但し、０°＜｜Ａ｜＜１８０°）
（エ）−Ｂ≦Ｙ軸の回転角度≦Ｂ（但し、０°＜｜Ｂ｜＜９０°）
【００２０】
また、制御部は以下の手順により動作計画を実行することができる。つまり、制御部は、
１）溶接位置ごとに、前記三次元回転台のＺ軸を３６０°回転させながら、各Ｚ軸角度において前記判定式を満たすワーク姿勢を取れるか否かを判定し、判定式を満たす場合と満たさない場合とに区分し、
２）すべての溶接位置に対する前記１）の計算が終了した時点で、最初の溶接位置から最終の溶接位置まで、Ｚ軸角度の変化率を所定値以下に保ちながら前記判定式を満たすＺ軸角度の系列を選択して前記三次元回転台の三軸回転条件の動作計画を行なう。
３）前記最初の溶接位置から最終の溶接位置まで、前記判定式を満たすＺ軸角度の系列を選択することができずに不連続となるか、あるいは、前記判定式を満たすＺ軸角度の系列が連続する場合でも、前記Ｚ軸角度の変化率が所定値を越える場合には、前記（ア）式の許容幅Ｌを拡大して、前記１）のＺ軸角度の分類から再計算して動作計画を行ない、前記判定式を満たすＺ軸の範囲が溶接位置の移動に対して連続となるように動作計画を実行する。
【００２１】
上記構成によると、溶接箇所は、全ての判定式を満たす動作可能領域がＺ軸回りに連続する場合と、途中で不連続となり、これを補うために。不連続となる動作可能領域を結ぶ条件付の動作可能領域を通る場合とがある。
【００２２】
つまり、溶接トーチの中心線は絶対座標系のＸＺ平面内で溶接トーチの進行方向と逆方向に所定角度傾斜した姿勢で連続して溶接できる場合と、このような動作可能領域から、溶接トーチが前記ＸＺ平面内からわずかに外れて進行する条件付の動作可能領域を通る場合とがある。このような条件付の動作可能領域を通る場合でも、溶接トーチは極力溶接線に沿って移動するので、アークの金属表面への影響を極力抑えて溶接することができる。
【００２３】
特に、主管とその側面に接合する枝管とからなる継手管の溶接作業において、本発明に係る溶接作業装置を使用すれば、自動化溶接が熟練を要することなく簡単に行なえる。また、金属表面にアークの影響が大きく出るアルミ管では有効な手段となる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のとおり、本発明によると、主管と枝管のなす角度の違いや直径、ワークの溶接箇所に溶接トーチを傾けて当てる際の溶接トーチの傾く角度に拘わらず、Ｔ字型やＹ字型といったワークを溶接することができる。
【００２５】
また、ワークの形状のデータを予め入力しておくだけで、溶接箇所の座標を演算し、これに基づいて装置各部の動作計画を自動的に行なうので、現物でのティーチングが不要となる。そのため、小ロット・多品種の製品の溶接を効率よく行なうことができる。特に、アルミの溶接は熟練者が必要な分野であるが、溶接経験が無くても、形状を指定することで幅広い溶接が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
〔溶接作業装置の構成〕
図１は本実施形態における溶接作業装置の構成ブロック図である。図に示すように、本実施形態の溶接作業装置は、溶接するワークの溶接条件等を入力する入力部１０１と、垂直軸となるＺ軸、このＺ軸に直交する水平軸となるＹ軸、および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転可能で、ワーク３の姿勢を変更する三次元回転台１と、該三次元回転台１を駆動する回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃと、溶接トーチ４を鉛直下向きに保持する溶接トーチ保持部２ｄと、溶接トーチ４を互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能とする直交座標形マニピュレータ２と、前記入力部１０１からの入力情報に基づいて前記回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃおよび溶接トーチ４の移動を制御する制御部１０６とを備えている。
【００２８】
入力部１０１に入力される溶接条件としては、コンピュータのキーボードから直接入力される情報や、外部より通信部を介して入力される情報も含まれる。これらの情報は、例えば、主管３ａとその側面に接合する枝管３ｂとからなるＴ字型やＹ字型などの継手管の場合、主管３ａと枝管３ｂのなす角度や直径などである。
【００２９】
また、入力部１０１には、三次元回転台１の可動範囲情報や、溶接トーチ４を保持して稼動する直交座標形マニピュレータ２の可動範囲情報が入力される。これらの情報により、例えば、ＸＹＺの絶対座標系における溶接箇所６の座標を演算し、また、溶接トーチ４の動作計画をすることができる。
【００３０】
また、制御部１０６は、マイクロコンピュータのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭから構成され、さらに、その他の記憶部を備えている。この制御部１０６では、入力部１０１から入力した溶接条件に基づいて、溶接線演算部１０６ａで溶接線７の位置情報を演算する。また、三次元回転台１の回転角度演算部１０６ｂにより、回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃの三軸回転条件を演算する。
【００３１】
また、直交座標形マニピュレータ２の制御演算部１０６ｃにより、溶接トーチ４を保持して互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能とする直交座標形マニピュレータ２の駆動制御を行なう。
【００３２】
さらに、制御部１０６では、モニタ等の表示部１０７に三次元回転台１の動作や直交座標形マニピュレータ２の動作を確認するためのシミュレーションを視覚的に表示制御する。
【００３３】
溶接対象となるワーク３は、Ｔ字型やＹ字型といった継手管、特にアルミ管である。アルミ管の溶接箇所６、すなわち、主管３ａとその側面から突出する枝管３ｂとの接合部が自動で溶接される。溶接方式は、ＴＩＧ溶接であるが、これに限定されるものではなく、プラズマ溶接やレーザ溶接などのアーク溶接であってもよい。
【００３４】
本実施形態の溶接作業装置は、図２および図３に示すように、三次元回転台１と直交座標形マニピュレータ２とを備えている。直交座標形マニピュレータ２は、ワーク３の溶接箇所６の溶接を、常に鉛直下向きに行なえるように、三次元回転台１の上方を囲うように設置されている。
【００３５】
三次元回転台１は、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てるために、現在溶接する溶接箇所６が鉛直上向きになるように、溶接の対象であるワーク３の姿勢を変更する。ワーク３の溶接箇所６を鉛直上向きにすることにより、溶接トーチ４から発生するアーク４ａがワーク３である主管３ａと枝管３ｂに均等に当たるため、溶接作業が行ないやすくなる。また、ワーク３の姿勢を変更することによって、溶接を行なう際に、ワーク３へのアーク４ａの当たり方を調整することもできる。
【００３６】
三次元回転台１は、図２に示すように、３つの回転軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を持ち、これら３つの回転軸の回転によってワーク３の姿勢を変更する。三次元回転台１のＺ軸の回転を与えるＺ軸モータ１ｃにはダイレクトドライブモータが使用され、Ｘ軸およびＹ軸の回転を与えるＸ軸モータ１ａおよびＹ軸モータ１ｂには、ステッピングモータが使用されている。
【００３７】
直交座標形マニピュレータ２は、図３に示すように、溶接トーチ４の位置決めを行なうためのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３つの方向への平行移動を可能とする直動スライダ２ａ，２ｂ，２ｃを備える。また、溶接トーチ４と三次元回転台１のフレームおよびワーク３との接触を回避するために、直交座標形マニピュレータ２の手先部分には、ステッピングモータを用いた回転関節２ｅを有する手先リンク２ｄが備えられる。
【００３８】
手先リンク２ｄは溶接トーチ保持部を構成する。手先リンク２ｄの先端には、溶接トーチ４が鉛直下向きに取り付けられている。溶接トーチ４を鉛直下向きに取り付けることで、溶接トーチ４から排出されるシールドガスが重力にしたがって下方に広がり、溶接トーチ４の先端から発生するアーク４ａを安定させることができる。
【００３９】
本実施形態では、ワーク３の溶接動作の計画を行なうために、三次元回転台１と直交座標形マニピュレータ２のそれぞれに作業座標系を設定する。
【００４０】
三次元回転台１に設定した作業座標系の三軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の向きは、垂直方向をＺ軸、このＺ軸に直交する水平方向をＹ軸、および、前記Ｙ軸に直交する方向をＸ軸とする。すなわち、この三軸は、図２に示すように、三次元回転台１の３つの回転軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）とそれぞれが同じ方向となる。なお、作業座標系の三軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の原点は、三次元回転台１の架台の中央である。
【００４１】
直交座標形マニピュレータ２に設定した作業座標系は、図３に示すように、鉛直方向をＺ軸、水平方向をＹ軸、Ｙ軸およびＺ軸と直交する方向をＸ軸とする座標系である。この座標系の原点は、直交座標形マニピュレータ２のＸ軸方向の直動スライダ２ａの移動距離が０ｍｍとなる位置である。
【００４２】
〔ワークの溶接動作を行なうための条件式〕
ワーク３の溶接は、ＴＩＧ溶接を用いて行われている。ＴＩＧ溶接では、フィラワイヤ９と呼ばれるワーク３とほぼ同じ材質の棒を、溶融した溶接箇所６に充填することで溶接が行われる。溶接の結果として、溶接線７上には、ビード４ｂと呼ばれる鱗状の溶着金属が形成される。溶接作業では、高い品質を持つ製品の基準として、ビード４ｂの幅や高さが均一であることや、ビード４ｂが金属光沢を失っていないことが挙げられる。また、ワーク３の溶接箇所６は、ワーク３の周囲を囲むように線を形成している。この線を溶接線７とする。
【００４３】
本実施形態では、溶接の結果として得られるビード４ｂの形成において、特に、アーク４ａの溶解作用によるワーク３の表面への影響を最小限にし、金属光沢の損失が無いビード４ｂを形成できるように溶接トーチ４の姿勢やアーク４ａの当たる範囲を考慮して、ワーク３の姿勢変更を行なう。
【００４４】
三次元回転台１の各軸の回転方向は、図４に示すように、架台１ｅの中央を原点とした作業座標の各軸の正方向から三次元回転台１を見た状態で、反時計回りの回転を正の向き、時計回りの回転を負の向きとする。
【００４５】
図４に示すように、本実施形態で使用する三次元回転台１は、その機構上、Ｘ軸とＹ軸の回転を実現する回転軸の可動範囲に制限がある。三次元回転台１のＸ軸は、正負共に１２０°まで回転することができる。Ｘ軸の可動範囲の制限は、ワーク３を回転させた際に、枝管３ｂが三次元回転台１のフレームに接触することを防ぐためである。
【００４６】
Ｙ軸が回転できる範囲は、正の向きに４５°、負の向きに６０°まで回転することができる。この制限は、手作業でワーク３の溶接を行なう際に、作業者がワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てるときの姿勢から設計された三次元回転台１の機構上の制限である。なお、三次元回転台１のＺ軸の回転は、回転角度の制限を持たない。そのため、三次元回転台１のＺ軸は、正の向き、負の向き共に３６０°自由に回転することができる。
【００４７】
以上に挙げた三次元回転台１の可動範囲の制限から、本実施形態で行なう溶接動作計画では、三次元回転台１を可動範囲内で動作させるために、以下のような条件式を設定した。
−１２０°≦Ｘ軸の回転角度≦１２０° ・・・（ウ）
−６０° ≦Ｙ軸の回転角度≦４５° ・・・（エ）
【００４８】
なお、Ｘ軸，Ｙ軸の回転角度の制限は、上記例に限定されるものではない。例えば、Ｘ軸の回転角度は、三次元回転台の機構が理想的なものである場合、正負１８０°の範囲内とすることができる。また、Ｙ軸の回転角度は、同様に正負９０°の範囲内に設定することができる。
【００４９】
次に、直交座標形マニピュレータ２の可動範囲について説明する。
【００５０】
図３に示すように、直交座標形マニピュレータ２は、３つの直動スライダ２ａ，２ｂ，２ｃによって溶接トーチ４の位置決めを行なうことができる。これらは、全て可動範囲が４００（ｍｍ）の同じ直動スライダを使用して実現されている。したがって、直交座標形マニピュレータ２の平行移動の可動範囲は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向にそれぞれ４００（ｍｍ）となる。
【００５１】
手先リンク２ｄに設けられた回転関節２ｅの回転可動範囲は、図５に示すように、絶対座標系のＺ軸方向から見て正負共に９０°までに制限される。これは、手先リンク２ｄに取り付けられる溶接トーチ４が、直交座標形マニピュレータ２のフレームに接触することを避けるためである。
【００５２】
以上のことから、直交座標形マニピュレータ２を可動範囲内で動作させるために、以下のような条件式を設定した。
０（ｍｍ）≦直動スライダの移動距離≦４００（ｍｍ） ・・・（３）
−９０°≦回転関節の回転角度≦９０° ・・・（４）
【００５３】
〔アルミ平板自動溶接実験における溶接状況の再現〕
図６は、アルミ平板５の自動溶接実験の状況を模試的に示す斜視図である。この自動溶接実験では、溶接トーチ４を斜めに傾けた状態でアルミ平板５の溶接箇所８に当て、溶接トーチ４の傾き角度を一定に保ったまま、溶接対象であるアルミ平板５を移動させて溶接を行なう。この溶接では、アルミ平板５の表面にアーク４ａが当たることによってアルミ平板５の表面の金属光沢が失われることを防いでいる。そのための方法として挙げられるのは、溶接対象であるアルミ平板５の溶接箇所８に対して、溶接トーチ４を傾けて当てていることである。
【００５４】
例えば、溶接トーチ４を真上から溶接箇所８に当てた場合には、溶接が終了した箇所にアーク４ａが当たってしまう。そのため、溶接トーチ４の進行方向と逆の方向に溶接トーチ４を傾けることによって、溶接が終了した箇所にアーク４ａが当たることを防止できる。また、溶接トーチ４の先端が向く方向を固定し、アルミ平板５の溶接箇所以外の部分にアーク４ａが当たらないようにすることもできる。傾けた溶接トーチ４の先端が、常に次の溶接箇所８ａの方向を向いた状態となっていることによって、アーク４ａは常に溶接線８ａ上に広がるようになる。これにより、溶接箇所以外のアルミ平板５の表面へのアーク４ａの溶解作用による影響を防止できる。
【００５５】
本実施形態では、アルミ平板５の自動溶接実験の状況と同様に、溶接が終了した箇所にアーク４ａが当たらないようにすることと、溶接箇所以外のワーク３の表面にアーク４ａが当たらないようにする。そのために、本実施形態では、溶接トーチ４を溶接箇所６に対して傾け、更にアーク４ａが広がる方向を固定することで溶接箇所以外の箇所に当たることを防止する。これらのことによって、ワーク３の自動溶接でも金属光沢の損失が無いビード４ｂを得られると考えたためである。
【００５６】
先ず、溶接箇所６に溶接トーチ４を傾けて当てることについて説明する。
【００５７】
本実施形態では、ワーク３の溶接箇所６に、溶接トーチ４を当てるための方向を表す方向ベクトルを使用する。この方向ベクトルＲの求め方を図７に示す。
【００５８】
ワーク３の溶接箇所６において、主管３ａの法線Ｈｓと枝管３ｂの法線Ｈｅを求め、それら２つの法線の二等分線をとることによってできたベクトルが方向ベクトルＲとなる。この方向ベクトルＲは、溶接トーチ４をワーク３の溶接箇所６に真上から当てるために計画された方向ベクトルである。
【００５９】
この方向ベクトルＲが、鉛直上向きとなるように三次元回転台１でワーク３の姿勢を変更し、直交座標形マニピュレータ２の動作によって溶接トーチ４を鉛直上向きから溶接箇所６に当てた状況は、アルミ平板５の溶接実験において、溶接トーチ４を溶接箇所８に真上から当てた場合と同様にアーク４ａが溶接箇所６に当たる。そのため、アーク４ａの溶解作用とシールドガスのクリーニング作用の影響が溶接を終了した溶接箇所６におよぶことになる。そのため、溶接を終了した溶接箇所６が再び溶融し、ビード４ｂの金属光沢が失われることになる。
【００６０】
本実施形態では、ワーク３の溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲを、鉛直上向きにした状態から、さらに、図８に示した絶対座標系のＺ軸に対して角度φ傾ける。これによって、方向ベクトルＲと絶対座標系のＺ軸は角度φをなす（図９参照）。溶接トーチ４は、Ｚ軸の正の方向から当てることになる。そのため、角度φは、溶接トーチ４をワーク３の溶接箇所６に当てた際に溶接トーチ４が傾く角度となる。
【００６１】
次に、アーク４ａの広がる方向をワーク３の溶接線７上にするための方法について説明する。図６に示したアルミ平板５の自動溶接実験の状況のように、溶接トーチ４を傾けてワーク３の溶接箇所６に当てた場合、溶接トーチ４の中心線と溶接線７のなす角度によって、アーク４ａが広がる方向が変化する。
【００６２】
図１０は、溶接トーチ４の中心線とワーク３の溶接線７がなす角度が変化した様子を絶対座標系のＸＹ平面で示したものである。ここでは、アーク４ａが広がる領域を斜線部で示す。図１０（ａ）に示すように、溶接トーチ４の中心線とワーク３の溶接線７が９０°の角度をなす場合は、アーク４ａの広がる領域となる斜線部が溶接箇所以外のワーク３の表面に広がってしまう。したがって、アーク４ａが当たることによって溶接箇所以外のワーク３の表面が溶解して金属光沢を失うため、ワーク３の品質が落ちてしまう。
【００６３】
また、図１０（ｂ）に示すように、溶接トーチ４の中心線とワーク３の溶接線７のなす角度が０°の場合、溶接トーチ４の中心線は、ワーク３の溶接線７に沿った状態となる。この場合は、アーク４ａがワーク３の溶接線７上に広がるようになるため、溶接線以外の箇所にアーク４ａが当たる範囲を最小限にできる。
【００６４】
本実施形態では、図１０（ｂ）のように、溶接トーチ４の中心線がワーク３の溶接線７に沿う状態にする。ワーク３の溶接線７は曲線であるため、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａを結んだ線分に溶接トーチ４の中心線が沿う状態にすることで、アルミ平板５の自動溶接実験と同様の状態を作り出すことができる。
【００６５】
また、溶接トーチ４は、鉛直下向きであることから、溶接トーチ４の中心線は、常に絶対座標系のＸＺ平面上にあると考える。したがって、方向ベクトルＲを傾けることをＸＺ平面内で行ない、溶接トーチ４を傾く角度をＸＺ平面内で構成した。
【００６６】
更に、本実施形態では、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａのなす線分を溶接線７と考え、ワーク３の溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲ回りにθＲ回転してワーク３の姿勢変更を行なうことによって、溶接線７がＸＺ平面内に含まれるようにする（図９（ｂ）参照）。これによって、溶接トーチ４の中心線と溶接線７のなす角度はφとなる。すなわち、図９（ｂ）に示した方向ベクトルＲを回転軸としてワーク３を回転させることで、溶接トーチ４と溶接線７がＸＺ平面内で角度φを構成する。
【００６７】
以上のことから、本実施形態では、現在の溶接箇所６の座標と次の溶接箇所６ａの座標を使用して、以下のような条件式を設定した。この条件式によって、アーク４ａが広がる方向が溶接線７上になっていることを判定する。なお、この条件式のＬは、アーク４ａが広がる方向の許容幅である。
|現在の溶接箇所のＹ座標−次の溶接箇所のＹ座標|＜Ｌ（ｍｍ） ・・・（ア）
【００６８】
この条件を満たしている場合、アーク４ａが溶接箇所以外に当たることを最小限にしており、ワーク３の表面への影響が最も少ない状態であると判断される（図１１参照）。条件式に許容幅を持たせることによって、Ｘ軸の両側にＬ（ｍｍ）の幅を持たせ、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａを結んだ溶接線７がＸＺ平面の周囲Ｌ（ｍｍ）の範囲内にあれば条件式を満たすとする。
【００６９】
また、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てた際に、溶接トーチ４の傾く方向は、ワーク３の溶接線７が傾く方向によって変化する。その溶接トーチ４の傾く方向の変化を、図１２に示す。
【００７０】
図１２は、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａを結んだ溶接線７を、溶接トーチ４が存在する絶対座標系のＸＺ平面をＹ軸の正の方向から見たものである。ここで、溶接トーチ４の進行方向は、絶対座標系のＸ軸の正の方向とし、溶接トーチ４の進行方向は、図１２中の上方に矢印で示されている。図１２（ａ）のように、次の溶接箇所６ａのＺ座標が現在の溶接箇所６のＺ座標よりも大きい場合、溶接トーチ４は、溶接トーチ４の進行方向となるＸ軸の正の方向に傾くことになる。この場合、溶接トーチ４から発生するアーク４ａは、次の溶接箇所６ａとは逆の方向、つまり、溶接が終了した溶接箇所６の方向へ広がることになる。したがって、アーク４ａの溶解作用によって溶接が終了した箇所のビード４ｂが溶解し、ビード４ｂから金属光沢が失われてしまう。
【００７１】
また、図１２（ｂ）のように、次の溶接箇所６ａのＺ座標が現在の溶接箇所６のＺ座標よりも小さい場合、溶接トーチ４は、溶接トーチ４の進行方向とは逆となるＸ軸の負の方向に傾くことになる。この場合、溶接トーチ４から発生するアーク４ａは、次の溶接箇所６ａの方向に広がるため、溶接が終了した箇所のビード４ｂへのアーク４ａによる影響を防止できる。
【００７２】
したがって、本実施形態では、ワーク３の姿勢を変更することで溶接トーチ４が進行方向、つまり、次の溶接箇所６ａがある方向とは逆の方向に傾くようにワーク３の姿勢を変更する。このような状態となるように、ワーク３の姿勢を変更して溶接線７を傾けることで、現在の溶接箇所６のＺ座標よりも次の溶接箇所６ａのＺ座標を低くする。したがって、本実施形態では、溶接トーチ４を傾けるためのワーク３の傾き方向を決定するために以下の条件式を設定した。
現在の溶接箇所のＺ座標＞次の溶接箇所のＺ座標 ・・・（イ）
【００７３】
〔ワークの溶接箇所の座標と三次元回転台の回転角度の計算方法〕
上述したように、本実施形態で行なう動作計画では、ワーク３の姿勢を変更した後の現在の溶接箇所６の座標と、次の溶接箇所６ａの座標によって動作の妥当性を判定する。したがって、動作計画の際に、ワーク３の溶接箇所６の座標を求める必要がある。
【００７４】
また、ワーク３の溶接箇所６に、常に溶接トーチ４を傾けて当てるために、ワーク３の溶接箇所６に設定した方向ベクトルは、溶接動作中に常に絶対座標系のＺ軸とＸＺ平面内で角度φを保っていなければならない。そこで、条件式の判定に使用するワーク３の溶接箇所６の座標の計算方法と、ワーク３の姿勢を変更する際の三次元回転台１の三軸の回転角度の計算方法について説明する。
【００７５】
〔ワークの溶接箇所の座標の計算方法〕
ワーク３の溶接線７は、ワーク３の周囲を囲うように存在するが、ワーク３の溶接箇所６は特に枝管３ｂの円周上に存在する。このことから、本実施形態では、枝管３ｂ上に溶接箇所６の座標を求めるための基準点６ｂをとることで溶接箇所６の座標を求めた。
【００７６】
ワーク３の溶接箇所６の座標は、まず、図１３に示すワーク３に設定した作業座標系上で求める。この作業座標系は、ワーク３の主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線の交点を原点とする。また、ワーク３の主管３ａの中心線とＸ軸は一致しており、枝管３ｂが傾いている方向を正の方向とした。
【００７７】
Ｙ軸は、ワーク３の側面方向に正の方向とする。また、枝管３ｂの中心線がＸＺ平面に位置するようにＺ軸をおき、Ｚ軸は枝管３ｂの伸びた方向に正の方向とする。ワーク３のＴ字型やＹ字型の形状から、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線は角度をなす。よって、溶接箇所６は、中心線の交点を原点として存在すると考え、作業座標系の原点は、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線の交点とした。
【００７８】
図１３には、ワーク３に設定した作業座標系と同時に、溶接箇所６の座標計算のために設定した基準点６ｂを示す。ワーク３の溶接箇所６の座標を求めるための基準点は、図１３に示すように、枝管３ｂの先端の円周上に位置するとした。枝管３ｂ上に設定した基準点から枝管３ｂの表面に沿った直線を引いた場合、その直線は必ず主管３ａと交わることになる。
【００７９】
本実施形態におけるワーク３の溶接箇所６の座標の計算では、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線が角度をなすこと、基準点６ｂと溶接箇所６が枝管３ｂの中心線に平行な直線で結べること、溶接箇所が主管３ａと枝管３ｂの上に必ず同時に存在することの３つの条件から溶接箇所６の座標を求めた。
【００８０】
ワーク３は、Ｔ字型のものとＹ字型のものがあり、主管３ａと枝管３ｂの中心線のなす角は、ワーク３の作業座標系のＸ軸と枝管３ｂの中心線のなす角度であり、Ｔ字型は９１．１°、Ｙ字型は４５°および７５°である。
【００８１】
ここでは、ワーク３の溶接箇所６の座標を(Ｘ，Ｙ，Ｚ)、枝管３ｂの先端にとった溶接箇所６の座標を求めるための基準点６ｂの座標を（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）とする。
【００８２】
まず、枝管３ｂが主管３ａと重なっている状態、つまり、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線の角度が０°の状態を考える（図１４（ａ）参照）。この状態で、枝管３ｂ先端の円周上に点をとり、枝管３ｂの長さをｌｅ、枝管３ｂの半径をｒｅとする。また、枝管３ｂの円周上の点であることから、図１４（ｂ）に示した角度θｅを用いてＢ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）の座標をワーク３の作業座標系上で表わすと以下のようになる。
ｘｂ＝ｌｅ ・・・（７）
ｙｂ＝ｒｅｃｏｓθｅ ・・・（８）
ｚｂ＝ｒｅｓｉｎθｅ ・・・（９）
【００８３】
実際は、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線は角度θａをなすことから、点Ｂをワーク３の作業座標系のＹ軸で回転させることにより基準点の座標が得られる。したがって、基準点の座標は、
ｘｂ＝ｘｂｃｏｓθａ＋ｚｂｓｉｎθａ ・・・（１０）
ｙｂ＝ｙｂ ・・・（１１）
ｚｂ＝−ｘｂｓｉｎθａ＋ｚｂｃｏｓθａ ・・・（１２）
となる。ここで、使用した枝管３ｂの円周上の点を表す角度θｅは、枝管３ｂの円周上の基準点６ｂの位置を表している。したがって、角度θｅによって枝管３ｂの円周上にある溶接箇所６の位置を特定することができ、この角度を変更することによって全ての溶接箇所６の位置を求めることができる。
【００８４】
次に、基準点６ｂの座標からワーク３の溶接箇所６の座標を求める。まず、ワーク３の主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線が角度をなすことから、中心線の角度をθａとすると以下の式を得ることができる。
(Ｘ−ｘｅ)ｔａｎθａ＝Ｚ−zｅ ・・・（１３）
【００８５】
また、ワーク３の溶接箇所６と基準点６ｂが枝管３ｂの表面上で直線で結べることから、次の式を得ることができる。
Ｙ＝ｙｅ ・・・（１４）
【００８６】
加えて、主管３ａの直径をｒとすると、ワーク３の溶接箇所６は必ず主管３ａ上にあることから、以下の式を得ることができる。
Ｚ２＋Ｙ２= ｒ２ ・・・（１５）
【００８７】
以上の（１３）、（１４）、（１５）式を解くことによって、ワーク３に設定した作業座標系の上での溶接箇所６の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は以下のように表される。
【数１】
【００８８】
ここで、溶接箇所６のＺ座標には、符号の異なる２つの値が得られる。しかし、溶接箇
所６は主管３ａの上側半分にしか存在しないことから、Ｚ座標の値は正の値を選べばよい。
【００８９】
〔三次元回転台の回転角度の計算方法〕
次に、三次元回転台１の回転角度の計算方法を説明する。
【００９０】
ワーク３の溶接箇所６に対する溶接トーチ４の傾きは、溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲを絶対座標系のＺ軸に対してＸＺ平面内で角度φ傾けることで作り出す。まず、上述した計算方法を用いてワーク３の溶接箇所６の座標を求める。ワーク３は三次元回転台１に取り付けられていることから、求めた溶接箇所６の座標を設定した絶対座標系の上で表わす。
【００９１】
本実施形態では、ワーク３の溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲが、目標ベクトルＲａに一致するための三次元回転台１の三軸の回転角度を、ワーク３の姿勢変更のための角度とした。
【００９２】
本実施形態で使用する三次元回転台１は、図１５（ａ）に示すような機構を備える。よって、方向ベクトルＲは三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転を用いることで、Ｚ軸の回転が加えられても、目標ベクトルの位置に移動させるようにワーク３の姿勢を変更することができる（図１５（ｂ）参照）。
【００９３】
ワーク３の溶接線７をＸＺ平面に移動させるための方向ベクトルＲ回りの回転θＲによってワーク３の姿勢を変更し、ワーク３の表面へのアーク４ａの影響を最小限にする場合、方向ベクトルＲ回りの回転角度は、三次元回転台１のＺ軸の回転角度として表わすことができる。このことから、三次元回転台１のＺ軸の回転角度をφｚとすると、
φｚ＝φＲ ・・・（１９）
と表わすことができる。
【００９４】
また、三軸の回転によってワーク３の姿勢変更を行なう場合、三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転によって方向ベクトルＲの向きを変更することができることから、ワーク３の姿勢をひとつに決定するために、三次元回転台１のＺ軸の回転を先に決定しておくことが必要となる。
【００９５】
ワーク３の姿勢変更において、目標ベクトルＲａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）は、絶対座標系のＺ軸と角度φをなすことと、角度φが絶対座標系のＸＺ平面内で構成されることから、Ｒａを以下のように表わすことができる。
（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）＝（ｓｉｎφ,０,ｃｏｓφ） ・・・（２０）
【００９６】
溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲ（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）は、絶対座標系上で表されたワーク３の溶接箇所６の座標を(Ｘ,Ｙ,Ｚ)と、方向ベクトルＲの頂点Ｔ（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）から以下のように求められる。
ｘｒ＝ｘｔ−Ｘ ・・・（２１）
ｙｒ＝ｙｔ−Ｙ ・・・（２２）
ｚｒ＝ｚｔ−Ｚ ・・・（２３）
【００９７】
次に、方向ベクトルＲを目標ベクトルＲａの位置に移動させるための三次元回転台１の回転角度を求める。ここで、絶対座標系のＸ軸の回転角度をφｘ、Ｙ軸の回転角度をφｙとすると、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸による回転行列Ｒφｚ、Ｒφｙ、ＲφＲは、それぞれ以下のように表わされる。
【数２】
【００９８】
これら３つの回転行列を用いて、方向ベクトルＲを目標ベクトルＲａに一致させることから、以下の式を得ることができる。
Ｒａ＝ＲφｘＲφｙＲφＲＲ ・・・（２７）
【００９９】
この式を展開することによって、以下の３つの式を得ることができる。ここでは、ｓｉｎθｘをＳｘ、ｃｏｓθｘをＣｘと略して記載する。θｙ、θＲの正弦、余弦を表わす場合にも同様に略して記載した。
【数３】
【０１００】
これら３つの式をθｘ、θｙについて解くと、ワーク３の姿勢を変更する際の三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転角度を以下のように求めることができる。
【数４】
【０１０１】
（３１）、（３２）式で求めたＸ軸の回転角度とＹ軸の回転角度は±の符号に応じて、それぞれ２つの値が求められるが、三次元回転台１の可動範囲に含まれる値を取るように角度の選択を行なう。
【０１０２】
〔動作計画法〕
次に、本実施形態で提案する動作計画法における、ワーク３の姿勢を変更するための三次元回転台１の動作計画方法と、溶接トーチ４の位置を決定するための直交座標形マニピュレータ２の動作計画法について説明を行なう。
【０１０３】
また、本実施形態で提案する動作計画法では、以下に示す順番でワーク３の溶接動作を計画する。
（１）ワーク３の姿勢を決定するための、三次元回転台１の三軸の回転角度の計画
（２）姿勢を変更されたワーク３の溶接箇所６にトーチを当てるための、直交座標形マニピュレータ２の３つの直動スライダの平行移動距離と手先リンク２ｄの回転角度の計画
【０１０４】
〔三次元回転台の動作計画〕
三次元回転台１のＺ軸の角度を変数とすることで、Ｘ軸とＹ軸の角度の決定を行なう計算方法を説明した。この方法は、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を常に角度φだけ傾けて当てるための計算方法である（図９参照）。
【０１０５】
したがって、本実施形態では、（３２）、（３３）式から三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転角度を決定するために、まず、三次元回転台１のＺ軸の角度を決定しなければならない。その後、溶接箇所６の座標を座標変換によって求めることで、（ア）、（イ）式の判定を行なう。本実施形態では、図１６に示す手順によって三次元回転台１の動作計画を行なった。
【０１０６】
〔動作計画のための条件を満たすワークの姿勢の選択方法〕
本実施形態におけるワーク３の姿勢は、上述で示した三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転角度の計算方法から、三次元回転台１のＺ軸の角度の値を決定することによって求めることができる。
【０１０７】
また、今回行なう動作計画法では、三次元回転台１の回転角度から座標変換によって溶接箇所６の座標を求めることによって、（ア）、（イ）式に示した溶接トーチ４を溶接箇所６に傾けて当てるための判定式と、溶接アーク４ａによる枠の表面への影響を抑えるための判定式を判定することができる。
【０１０８】
同様に、（ウ）、（エ）式に示した三次元回転台１の可動範囲の判定式も判定することができる。
【０１０９】
したがって、すべての条件の判定式を判定するためには、三次元回転台１のＺ軸の角度を決定しなければならない。よって、本実施形態で行なう動作計画では、まず、三次元回転台１のＺ軸が取り得る全ての回転角度において、（ア）、（イ）、（ウ）、（エ）式に示した判定式を満たすかどうかをワーク３の各溶接箇所６において判定し、全ての判定式を満たすワーク３の姿勢と、判定式をひとつでも満たさないワーク３の姿勢に分類する。その結果は、ｐｇｍ（ポータブルグレイマップ）形式のデータを用いて、二次元平面に画像データとして表した。
【０１１０】
ｐｇｍ形式の画像データでは、ひとつの数字が１ピクセルの色として認識され、ＧＩＭＰ（ＧＮＵ Ｉｍａｇｅ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ）等の画像の加工が行なえるソフトで読み込むことによって、画像として表示される。画像はグレイスケールとなるため、本実施形態では、数字の最大値を８として、数字が８のときは白色、０のときには黒色となるように設定した。本実施形態では、（ア）、（イ）、（ウ）、（エ）式で示した判定式全てを満たすワーク３の姿勢を示す領域１０の数値を７として薄い灰色、判定式をひとつでも満たさないワーク３の姿勢を示す領域１１の数値を８として白色で表した。
【０１１１】
本実施形態では、上述した枝管３ｂ上の基準点６ｂを求める方法で使用した、枝管３ｂの円周上の点を表わすための角度θｅを一度ずつ変更することによって、ワーク３の溶接箇所６の数を３６０箇所とした。また、ワーク３の各溶接箇所６で取り得るＺ軸の角度を０〜３５９°とした。
【０１１２】
したがって、今回は溶接箇所６が３６０箇所、それぞれの溶接箇所６でのワーク３の姿勢が３６０あることから、３６０ピクセル×３６０ピクセルのｐｇｍ画像を作成した。このｐｇｍ画像によって、溶接箇所６毎に３６０の異なるワーク３の姿勢を作り出し、そのワーク３の姿勢を、全ての判定式を満たすワーク３の姿勢と、そうでないワーク３の姿勢に分類を行なった結果を確認した。
【０１１３】
図１７で示したｐｇｍ画像では、全ての判定式を満たすワーク３の姿勢を示す領域を薄い灰色で表している。また、ひとつでも判定式を満たさない場合のワーク３の姿勢を示す領域を白色で表している。作成したｐｇｍ画像の縦軸は、上端から下端の方向へ溶接箇所６の数１〜３６０点目までを、横軸は、左端から右端の方向へ三次元回転台１のＺ軸の角度０〜３５９°までを表わしている。
【０１１４】
ここで、例として示した図１７におけるワーク３の形状は、主管３ａの直径８９（ｍｍ）、枝管３ｂの直径６３（ｍｍ）の場合の異径Ｔ字型の画像である。また、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てる際の溶接トーチ４が傾く角度は２０°、（ア）式の許容幅Ｌの値は０．０５（ｍｍ）である。
【０１１５】
また、本実施形態では、上述した判定式（ア）、（イ）、（ウ）、（エ）式を全て満たす場合のワーク３の姿勢を示す薄い灰色の領域を動作可能領域１０と呼称する。また、判定式をひとつでも満たしていない場合のワーク３の姿勢を示す白色の領域を動作不可能領域１１と呼称する。加えて、上述の三次元回転台１の可動範囲の説明において示したように、三次元回転台１のＺ軸は３６０°自由に回転させることができる。したがって、本実施形態で行なう動作計画法では、作成した全てのｐｇｍ画像の右端と左端は連続していると考える。
【０１１６】
ワーク３の全ての溶接箇所６を次々と連続して溶接するためには、ｐｇｍ画像に現れる動作可能領域１０が上端から下端まで連続して存在していることが望ましい。例として示した図１７のｐｇｍ画像においては、ｐｇｍ画像の右端と左端がＺ軸角度として連続していることから、動作可能領域１０は連続しているといえる。しかし、図１７に示すｐｇｍ画像から分るように、動作可能領域１０は幅を持っている。したがって、この幅の中からＺ軸角度をひとつに決定しなければならない。
【０１１７】
よって、本実施形態では、各溶接箇所の動作可能領域１０を構成する三次元回転台１のＺ軸の角度の最大値と最小値を調べ、それらの中点をとることでＺ軸の角度をひとつに決定した。図１８は、この方法で決定した三次元回転台１のＺ軸の角度を表す線１２を図１７に加えたｐｇｍ画像である。この画像では、決定した三次元回転台１のＺ軸の角度を示す線１２が、動作可能領域１０を表す薄い灰色の箇所の幅の中央を通っていることが確認できる。
【０１１８】
〔動作可能領域が不連続となる状況〕
異径Ｔ字型のワーク３の場合のｐｇｍ画像（図１７参照）では、動作可能領域１０が上端から下端まで連続している。これは、異径Ｔ字型の場合の溶接線７が枝管３ｂの円周に沿って円形になっているためである。しかし、同径管の場合は、図１９に示すように、溶接線７が側面で９０°に屈折する。このような場合、溶接線７が屈折する溶接箇所６に溶接トーチ４を当てた際は、それまで溶接を行なっていた溶接線７に対して９０°方向の異なる位置に次の溶接箇所６の位置とすることになる。したがって、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａの座標が（イ）式を満たすように動作計画を行った場合、次の溶接箇所６ａの位置がＸＺ平面上に位置するようにするためには、溶接線７が屈折する箇所で三次元回転台１のＺ軸の角度を９０°回転させなければならない。
【０１１９】
また、三次元回転台１のＺ軸の角度が大きく変更されるため、Ｘ軸とＹ軸の回転角度も大きく変更される。したがって、溶接線７の屈折がある同径のワーク３では、全ての溶接箇所６に動作可能領域１０は存在するが、動作可能領域１０は途中で分断された状態となる。また、動作可能領域１０内で三次元回転台１のＺ軸を決定したとしても、決定したＺ軸角度を表わすわ線は途中で不連続になってしまう（図２０参照）。
【０１２０】
また、（ウ）、（エ）式を満たす状態、つまり、三次元回転台１の可動範囲内でワーク３の姿勢変更を行ったとしても、（ア）、（イ）式を満たさない場合が考えられる。そのような場合には、溶接箇所６に動作可能領域１０が存在しない範囲を持つ（図２１参照）。したがって、動作可能領域１０を持たない溶接箇所６が存在する場合にも動作可能領域１０は不連続となり、決定したＺ軸角度を表す線も不連続となる。
【０１２１】
以上のことから、ワーク３の溶接動作計画を行なうためには、動作可能領域１０が上端から下端まで連続して存在し、かつ、決定したＺ軸角度を表す線の連続で存在できるようなｐｇｍ画像を作成しなければならない。そのため、本実施形態では、（ア）式の許容幅Ｌを変更したｐｇｍ画像を作成した。
【０１２２】
図２２は、直径１４０（ｍｍ）の同径Ｔ字型のワーク３において、（ア）式の許容幅Ｌを０．０５（ｍｍ）、１．５（ｍｍ）とした場合のそれぞれのｐｇｍ画像である。図２２（ａ）では動作可能領域１０は不連続であり、決定したＺ軸角度を表す線１２が連続になるように引くことはできないが、図２２（ｂ）では、許容幅Ｌを広げることによって（ア）式を満たすワーク３の姿勢が増加したため、動作可能領域１０は連続で存在し、決定したＺ軸角度の線１２も引くことができる。
【０１２３】
しかし、（ア）式の許容幅Ｌを広げるということは、ワーク３の溶接動作計画において、アーク４ａの溶解作用によるワーク３の表面への影響を増大させるということである。よって、本実施形態では、アーク４ａの溶解作用によるワーク３の表面への影響を極力小さくするために、（ア）式の許容幅Ｌが異なる２つのｐｇｍ画像を重ね合わせた画像（図２３参照）を作成した。
【０１２４】
このｐｇｍ画像は、３つの異なる領域を持つため、三色にわけられている。一つめは、図２２の（ａ）と（ｂ）の両方の画像で動作可能領域１０となる領域を表している薄い灰色の領域である。二つめは、許容幅Ｌの値を大きくした図２２（ｂ）の画像でのみ動作可能領域１０となる濃い灰色の領域である。三つめは、図２２の（ａ）と（ｂ）の両方の画像で動作不可能領域１１となる白色の領域である。本実施形態では、以後、２つのｐｇｍ画像を重ね合わせた画像においても薄い灰色で表される領域を動作可能領域１０、白色で表される領域を動作不可能領域１１と呼称する。また、濃い灰色で表される領域を、条件付き動作可能領域１０ａと呼称する。
【０１２５】
本実施形態では、まず、動作可能領域１０内で三次元回転台１のＺ軸の角度を決定し、動作可能領域１０が不連続となる箇所でのみ、条件付き動作可能領域１０ａ内で三次元回転台１のＺ軸の角度を決定する。この方法によって、アーク４ａの溶解作用によるワーク３の表面への影響を極力抑えることができる。
【０１２６】
〔動作可能領域が不連続となる場合の三次元回転台の角度の決定方法〕
次に、（ア）式の許容幅Ｌが小さい値の場合にワーク３の溶接線７が屈折していることや、三次元回転台１の動作範囲によって動作可能領域１０が存在しないことで動作可能領域１０が不連続となる場合の、三次元回転台１のＺ軸の角度の計画方法について説明を行なう。
【０１２７】
ｐｇｍ画像の動作可能領域１０が不連続となる場合、本実施形態では、三次元回転台１のＺ軸の角度を条件付き動作可能領域１０ａから決定する。その決定方法として、条件付き動作可能領域１０ａを通って動作可能領域１０を結ぶ直線を引き、その直線に沿ってＺ軸角度を決定した。
【０１２８】
直線を引くためには、まず、作成したｐｇｍ画像を図２４に示すような二次元の座標系として考える。この二次元座標系では、Ｘ軸が三次元回転台１のＺ軸の角度、Ｙ軸がワーク３の溶接箇所の位置を表している。三次元回転台１のＺ軸の角度を決定するための直線１３は、この二次元座標系において、一次関数の直線として表わすことができる。
【０１２９】
本実施形態では、この直線１３を引くために、直線１３の傾きの値と、直線１３の通過点を二次元座標系上で決定した。直線１３の傾きの値は、直線１３に沿ってＺ軸の角度を決定した場合に、溶接箇所６が一点移動した際のＺ軸の角度の変化量を決定する。
【０１３０】
本実施形態では、溶接箇所６を移る際の移動時間を１．０（ｓ）、三次元回転台１の動作する速度を２．０（°／ｓ）と設定し、この条件から求めた角度の変化量の最大値は２．０°とした。したがって、本実施形態では、角度の変化量が２．０°となるように直線１３の傾きを０．５と設定した。また、直線１３の通過点を決めることによって、二次元座標系上における直線１３の位置を決定する。以後は、引く直線１３が必ず通る点を、直線１３を引くための基準点１３ｃと呼称し、その二次元座標系上での座標を（ＸＰ，ＹＰ）とする。
【０１３１】
三次元回転台１のＺ軸は、３６０°自由に回転できるようになっている。したがって、図２３に示したようなｐｇｍ画像の場合、三次元回転台１のＺ軸の角度を決定するための直線は、Ｚ軸の角度が０°となる箇所を経由して２つの動作可能領域１０を結ぶ（図２５参照）。
【０１３２】
また、図２６に示すように、動作不可能領域１１によって動作可能領域１０が分断されている場合は、動作不可能領域１１を避けるように２つの動作可能領域１０を結ぶ必要がある。図２７は、三次元回転台１のＺ軸の角度の決定を行なうための直線１３を引く手順を表わすフローチャートである。
【０１３３】
ここからは、図２７に示した手順にしたがって、直線１３を引くための方法について説明を行なう。最初に、直線１３の基準点１３ｃの位置の決定方法について説明を行なう。
【０１３４】
Ｚ軸の角度が０°の箇所を経由して動作可能領域１０を直線１３で結ぶ場合（図２５参照）は、直線１３の基準点１３ｃのＸ座標ＸＰを０とする。しかし、図２８に示すように、Ｚ軸角度が０°となる位置を示す直線１３上には濃条件付き動作可能領域１０ａの幅がある。したがって、基準点を（０，ＹＰ）とした時のＹ座標の値ＹＰは、複数存在することになる。したがって、直線１３を引くための基準点１３ｃを一点に決定するためには、ＹＰを決定しなければならない。
【０１３５】
本実施形態では、ＹＰを更に２本の直線１３ａ，１３ｂを引くことによって決定した（図２９参照）。ここで用いた２本の直線１３ａ，１３ｂは、図２９に示すように、動作不可能領域１１と条件付き動作可能領域１０ａの境界となる位置にある点１３ｄ，１３ｅを通過点として引く。これらの２本の直線１３ａ，１３ｂにおいてＸ座標を０°としてＹ座標を求めると、それら２つのＹ座標の幅は、Ｚ軸角度を決定するための直線１３を、動作不可能領域１１内を通らない状態で引くことができるＹ座標の幅を表わす。したがって、これらの２本の直線１３ａ，１３ｂ上でＸＰ＝０となるＹ座標の値の中点を、ＹＰの値とした（図３０参照）。
【０１３６】
また、図２６のような動作可能領域１０が存在しない範囲を持つ場合も、直線１３に沿ってＺ軸の角度を決定する。直線は、基準点１３ｃ（ＸＰ，ＹＰ）を二次元座標系上で決定することで引く。まず、基準点１３ｃのＸ座標の値ＸＰを決定する。動作可能領域１０の中点をとることでＺ軸の角度を決定した場合、不連続となる箇所が２箇所あることになる（図３１参照）。本実施形態では、その２箇所のＸ座標の幅の中点をＸＰの値とする。
【０１３７】
次に、基準点１３ｃのＹ座標ＹＰを決定する。図３２に示すように、決定した基準点のＸ座標ＸＰにおいて、条件付き動作可能領域１０ａとなるＹ座標の値には幅がある。よって、本実施形態では、Ｙ座標の幅の最大値と最小値を取り、それらの中点をとることで基準点のＹ座標ＹＰの値を決定した。
【０１３８】
本実施形態では、動作可能領域１０の中点を取る方法と、直線１３に沿う方法の２つの方法によってＺ軸の角度を決定する。動作計画ではこれらの２つの方法を切替えながら三次元回転台１のＺ軸の角度を決定することによって、ワーク３表面へのアーク４ａによる影響を抑えることができる。
【０１３９】
本実施形態では、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と動作可能領域１０の交点を二次元座標系上で求め、その交点の位置でＺ軸の角度を求める２つの方法を切替えた。また、直線１３は、動作可能領域１０と動作可能領域１０を結ぶため、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と動作可能領域１０の交点は２箇所求める。
【０１４０】
まず、１箇所目の交点を求める。直線１３の基準点１３ｃのＹ座標ＹＰから直線に沿ってＹＰを１ずつ加算して行く。それぞれのＹＰの値の位置では、そのときのＸ座標の値ＸＰと、現在のＹＰに１を加算したＹ座標の位置における動作可能領域１０の中点をとることによって求めたＸ座標を求め、それらの値の差の絶対値をとる（図３３（ａ）参照）。この値が、直線１３の傾きを決定する際に用いた三次元回転台１の角度の変化量２．０°以下ならば、三次元回転台１のＺ軸の角度が連続となっていると判断し、交点のＹ座標を現在のＹ座標の値ＹＰとする。決定したＹ座標の位置は直線１３上であるので、直線１３にしたがってＸ座標を決めることができ、その点（ＸＰ，ＹＰ）を直線１３に沿ったＺ軸の角度決定が開始される交点であるとする。
【０１４１】
また、２箇所目の交点は、直線１３の基準点１３ｃの位置からＹＰの値を１ずつ減少させ、それぞれのＹＰの値の位置において直線１３上のＸ座標ＸＰと、現在のＹＰから１を減算したＹ座標の位置における動作可能領域１０の中点を取ったＸ座標を求め、それらの値の差の絶対値をとる（図３３（ｂ）参照）。この値が三次元回転台１の回転速度から決定した角度の変化量２．０°以下ならば、三次元回転台１のＺ軸の角度が連続していると判断して、交点のＹ座標の値を現在のＹＰの値とする。正の方向の交点を求めた時と同様に、決定したＹ座標での位置は直線１３上となるので、２箇所目の交点のＸ座標は、直線１３の式からＸＰを求めることができる。
【０１４２】
次に、直線１３の位置変更について説明する。Ｚ軸角度を決定するための直線１３上に動作不可能領域１１がある場合、直線１３に沿ってＺ軸角度を決定することができない。そのため、動作不可能領域１１を回避するように直線１３の基準点１３ｃの位置を変更することにした。また、本実施形態では、直線１３のどの範囲で動作不可能領域１１を検出したかによって、直線１３の基準点１３ｃを移動させる方向を決定した。
【０１４３】
ここでは、図２５および図２６に示した直線１３において、直線１３の基準点１３ｃの位置を境界として基準点１３ｃよりもＸ座標の値が大きい右側の部分と、Ｘ座標の値が小さい左側の部分にわけて考えた。
【０１４４】
本実施形態でＺ軸の角度の決定のために引く直線１３は、傾きが正の値であるため、二次元座標系で見ると右上りの直線１３となる。したがって、基準点１３ｃよりも右側の位置で動作不可能領域１１を検知した場合には、基準点１３ｃを二次元座標系のＹ軸の負の方向に移動させ、直線１３の基準点１３ｃよりも左側の位置で動作不可能領域１１が検知された場合には、二次元座標系のＹ軸の正の方向に移動させる。これによって、直線が動作不可能領域１１を回避できる可能性が高いと考えた。
【０１４５】
しかし、動作不可能領域１１の位置によっては、基準点１３ｃの位置を変更しても直線１３が動作不可能領域１１を回避できないことも考えられる。よって、そのような場合には直線１３の傾きを小さくすることで直線を水平に近くし、次の溶接箇所６ａに移る際のＺ軸の角度の変化量を大きくすることによって、動作不可能領域１１を回避できるようにした。
【０１４６】
しかし、Ｚ軸角度を決定するための直線１３を移動した場合、動作不可能領域１１を回避できたとしても、動作可能領域１０と交わらなくなってしまうことが考えられる。図３４中のＡに示すように、動作可能領域１０の形状が曲線状になっている場合には、直線１３を引くための基準点１３ｃの位置によっては、直線１３と動作可能領域１０とが交わらない。このような状態においても、Ｚ軸角度を決定するため、本実施形態では、直線１３と動作可能領域１０の交点がない場合、図３５に示すような二次元座標系において、Ｙ軸に平行な直線１４を用いてＺ軸の角度の決定を行った。
【０１４７】
Ｚ軸角度を決定するための直線１３が動作可能領域１０と交わらない場合に、この直線１３と動作可能領域１０を結ぶＹ軸に平行な直線１４は、以下の手順で設定する。
（１）動作可能領域１０の不連軸においてＺ軸の角度を決定するための直線１３と、動作可能領域１０との交点が無い場合、動作可能領域１０が不連続となる点からＹ軸に平行な直線１４を引く。
（２）Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と、Ｙ軸に平行な直線１４の交点を求める。
（３）動作可能領域１０が不連続となる点から、上記（２）で求めた交点までの間で、動作不可能領域１１が無いことを確認する。
【０１４８】
Ｙ軸に平行な直線１４上に動作不可能領域１１が検知された場合、この直線１４の位置を不連続となる点の位置からＸ軸の正の方向へ移動する。図３５の場合、Ｙ軸に平行な直線１４を画像の右方向に移動する。この方法を用いることによって、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と動作可能領域１０が動作不可能領域１１によって分断されているような状況であっても、Ｚ軸の角度を決定することができる。
【０１４９】
図３７は、条件付き動作可能領域１０ａを通過する直線１３を用いて、Ｚ軸角度を決定した様子を示したｐｇｍ画像である。この画像では、Ｚ軸角度の決定に用いたｐｇｍ画像に、動作可能領域１０の中点をとることで決定したＺ軸角度を表わす線１２と、条件付き動作可能領域１０ａを通過する直線によって決定したＺ軸角度の線１３を加えている。
【０１５０】
〔直交座標形マニピュレータ２の動作計画〕
本実施形態で行なう直交座標形マニピュレータ２の動作計画では、マニピュレータ２の手先リンク２ｄに鉛直下向きに取り付けられた溶接トーチ４の先端を姿勢変更後のワーク３の溶接箇所６に当てる動作の計画を行なう。また、マニピュレータ２の手先リンク２ｄの動作計画を行ない、溶接動作中に溶接トーチ４や手先リンク２ｄとワーク３および三次元回転台１とが接触しないような動作の計画を行なう。加えて、本実施形態では、ワーク３の溶接箇所６全てに溶接トーチ４を当てるために、ワーク３の溶接箇所６全てが溶接トーチ４の移動できる範囲内に位置するように、三次元回転台１と直交座標形マニピュレータ２の位置関係を決定した。
【０１５１】
まず、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの動作計画について説明を行なう。
【０１５２】
本実施形態では、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６を結んだ線分に、溶接トーチ４を沿わせるように手先リンク２ｄの角度を変更することによって、マニピュレータ２の手先リンク２ｄや溶接トーチ４とワーク３の枝管３ｂとの接触の可能性を抑えることができると考えた。この方法における手先リンク２ｄの角度は、図３８に示す角度φａによって表される。この角度は絶対座標系のＸＹ平面上で求めることができる。
【０１５３】
上述した直交座標型マニピュレータ２の機構から、手先リンク２ｄの初期位置は、絶対座標系のＹ軸の正の方向に一致している。したがって、絶対座標系のＹ軸と２つの溶接箇所６を結んだ線分のなす角度を手先リンク２ｄの回転関節２ｅの角度として求めることができる。
【０１５４】
このように、手先リンク２ｄの回転関節２ｅの角度を変更することによって、溶接トーチ４は、ワーク３の枝管３ｂを回り込むように動作することができる（図３９参照）。したがって、本実施形態では、この方法を用いて、ワーク３の枝管３ｂと直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄおよび溶接トーチ４とが接触することを回避する。
【０１５５】
しかし、ワーク３は、三次元回転台１のチャック１ｄに固定されているため、図４０に示すように、ワーク３の枝管３ｂが鉛直上向きに向くような姿勢になった場合に、チャック１ｄとワーク３の枝管３ｂの間が狭くなる。そのため、枝管３ｂを回り込むように手先リンク２ｄが動いた場合に、図４０中でｇａｐとして示した幅には、手先リンク２ｄが入れない可能性が考えられる。また、ワーク３を固定するためのチャック１ｄが大きいため、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄがチャック１ｄ上を通過することができない状況も存在すると考えられる（図４１参照）。このような場合に、本実施形態では、チャック１ｄを回避するために、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの角度を決定する方法を変更した。
【０１５６】
手先リンク２ｄの回転関節２ｅの回転角度を決定するための２つ目の方法は、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６を結んだ線分と手先リンク２ｄが９０°の角度をなすように手先リンク２ｄの回転関節２ｅの回転角度を決定する方法である。
【０１５７】
この方法で決定する手先リンク２ｄの回転関節２ｅの回転角度は、図４２に示した角度φＬで表される。この角度を手先リンク２ｄの回転関節２ｅの回転角度とすることで、枝管３ｂとチャック１ｄとが近接した箇所に手先リンク２ｄが入り込むことなく、枝管３ｂの上から溶接箇所６に溶接トーチ４を当てることができる（図４０参照）。本実施形態では、この方法によって、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄと、三次元回転台１のチャック１ｄとの接触を回避する。
【０１５８】
ワーク３の溶接箇所６を溶接して行く順番は、まず、ワーク３の側面の溶接箇所６から溶接を開始し、チャック１ｄに近い方向の溶接箇所６から次々と溶接していく。そして、溶接を開始した側面の裏側の側面の溶接箇所６を経由して、溶接を開始した溶接箇所６に戻って来る。
【０１５９】
溶接動作の前半は、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄがチャック１ｄに近接しているため、手先リンク２ｄとチャック１ｄの接触の可能性が高い。したがって、本実施形態では、チャック１ｄとの接触を回避するために、溶接動作の前半となる溶接開始点からその裏側の点までの間、溶接線７と９０°の角度をなすように、手先リンク２ｄの角度を決定する。溶接動作の後半となる裏側の点から溶接の開始点までの間では、溶接線７に沿うように手先リンク２ｄの回転関節２ｅの角度を決定する。
【０１６０】
これら２つの方法では、溶接線７と手先リンク２ｄの回転関節２ｅのなす角度が９０°異なる。これら２つの方法は、溶接を開始する溶接箇所６の裏側の溶接箇所６で切替えられる。２つの方法を切替える溶接箇所６に溶接トーチ４を合わせた場合、同径管では、溶接線７に溶接トーチ４が沿うように手先リンク２ｄが位置する（図４３（ａ）参照）。そのため、溶接線と手先リンク２ｄが９０°をなす状態から溶接線７に沿う状態に切替えた際にそのまま溶接線７に沿うことができる。
【０１６１】
しかし、異径管の場合は、手先リンク２ｄが溶接線７に沿うような状態ではない（図４３（ｂ）参照）。したがって、手先リンク２ｄの角度を決める方法を切替えた際に、溶接線７に沿うために角度が大きく変化してしまう。これを防ぐために、異径管の溶接動作では、全ての溶接箇所６において、溶接線７と手先リンク２ｄが９０°の角度をなす状態で溶接動作を行なう。
【０１６２】
次に、直交座標形マニピュレータ２と三次元回転台１の位置関係について説明を行なう。
【０１６３】
全てのワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てるためには、ワーク３の溶接箇所６全てが直交座標形マニピュレータ２によって溶接トーチ４の先端が移動できる範囲内になければならない。上述した三次元回転台１の機構から、三軸によるワーク３の姿勢変更を行った場合に、Ｚ軸の回転軸を中心としてワーク３の溶接箇所６の位置が変更される。したがって、本実施形態では、まず、直交座標形マニピュレータ２の動作によって溶接トーチ４の先端が移動できる範囲を求め、その範囲の中央に三次元回転台１を設置した。
【０１６４】
溶接トーチ４の移動できる範囲は、３つの直動スライダ２ａ，２ｂ，２ｃの平行移動距離０（ｍｍ）、手先リンク２ｄの回転角度を０°とした場合の溶接トーチ４の位置を原点としている。直交座標形マニピュレータ２の可動範囲から求めた溶接トーチ４の移動できる範囲を図４４に示す。図４４（ａ）は、絶対座標系のＸ軸の正の方向から見た画像であり、溶接トーチ４がＹ軸方向とＺ軸方向に移動できる範囲を表している。Ｙ軸の正の方向とＺ軸の正の方向へは４００（ｍｍ）移動することができる。また、図４４（ｂ）は、直交座標形マニピュレータ２を絶対座標系のＺ軸の正の方向から見た画像であり、溶接トーチ４がＸ軸方向に移動できる範囲を表している。Ｘ軸方向の移動範囲は、直動スライダ２ａの可動範囲は４００（ｍｍ）となるが、手先リンク２ｄが回転関節によって正の方向、負の方向共に９０°まで回転することができるため、手先リンク２ｄの長さを含めて６００（ｍｍ）の幅を持つ。
【０１６５】
以上に示した溶接トーチ４が移動できる範囲の中央に、三次元回転台１の作業座標系の原点となる架台の中央が位置するように三次元回転台１を設置した。
【０１６６】
〔動作計画実験〕
本実施形態では、作成した動作計画プログラムを用いて、Ｔ字型やＹ字型のワーク３に対する動作計画実験を行なった。加えて、溶接動作確認用シミュレータを用いて計画した動作の状況を表示し、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄや溶接トーチ４と、三次元回転台１およびワーク３の動作中の接触の有無について目視で確認を行なった。
【０１６７】
〔溶接動作計画を行なうワークの形状〕
今回行なった動作計画実験で設定したワーク３であるアルミ管の形状には、主管３ａと枝管３ｂのなす角度の違いと、主管３ａと枝管３ｂの直径の違いを考えて以下の６種類を設定した。
（１）同径Ｔ字型（角度９１．１° 管直径１４０（ｍｍ））
（２）異径Ｔ字型（角度９１．１° 主管直径８９（ｍｍ） 枝管直径６３（ｍｍ））
（３）同径Ｙ字型（角度７５° 管直径８９（ｍｍ））
（４）同径Ｙ字型（角度４５° 管直径１１４（ｍｍ））
（５）異径Ｙ字型（角度７５° 主管直径１１４（ｍｍ） 枝管直径８９（ｍｍ））
（６）異径Ｙ字型（角度４５° 主管直径８９（ｍｍ） 枝管直径６３（ｍｍ））
【０１６８】
これら６種類のワーク３について、自動溶接作業装置による自動溶接の動作の計画と、動作確認用シミュレータによる計画された動作の表示を行なった。
【０１６９】
本実施形態で提案する動作計画法では、動作計画のパラメータとして、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を傾けて当てる際の角度を決定する必要がある。今回行なった溶接動作計画実験では、この角度を１０°、２０°、３０°とした場合の動作計画を行なった。
【０１７０】
また、ワーク３が同径管である場合に、２つのｐｇｍ画像を重ねる場合は、各ワーク３の形状において、上端から下端まで動作可能領域１０が連続するようになる最低限の許容幅を調査し、調査した許容幅で作成したｐｇｍ画像と許容幅０．０５（ｍｍ）で作成したｐｇｍ画像の２つを重ねて用いた。
【０１７１】
各形状のワーク３の動作計画実験では、動作確認用シミュレータを用いて計画された溶接動作の表示を行なった。また、計画された溶接動作の表示中に動作確認用シミュレータの動作の再生を途中で停止させて視点を変更することによって、溶接トーチ４や直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの位置、ワーク３の姿勢および三次元回転台１のフレームの位置を確認することで、それらの機材が接触していないことの確認を行なった。
【０１７２】
〔動作確認用シミュレータによる動作の再現方法と機能〕
図４５は、本実施形態で作成した動作確認用シミュレータの画面である。動作確認用シミュレータでは、ＯｐｅｎＧＬを用いた３Ｄ−ＣＧで直交座標形マニピュレータ２、三次元回転台１、ワーク３の描画を行ない、表示・再生している動作を途中で停止する機能と、視点の位置を変更する機能を持たせた。動作確認用シミュレータの画面は、三次元回転台１に取り付けられたワーク３を中心としている。また、ズーム機能も備え、ズームさせることで、画面の中心部分を拡大することができる。これらの機能は、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４が傾けて当てられていることや、溶接トーチ４および手先リンク２ｄとワーク３あるいは手先リンク２ｄと三次元回転台１との接触の有無を確認するためのものである。したがって、本実施形態で行なう動作計画では、これらの機能を用いて、各溶接箇所６におけるワーク３の姿勢と直交座標形マニピュレータ２の動作の確認および各機材の接触の有無を目視によって確認する。
【０１７３】
動作確認用シミュレータを用いて計画された動作の表示を行なうためには、各溶接箇所６の三次元回転台１の三軸の回転角度、直交座標形マニピュレータ２を構成する直動スライダ２ａ，２ｂ，２ｃの平行移動距離、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの回転角度の値を使用する。したがって、本実施形態では、動作計画プログラムによる動作計画の結果として、動作確認用シミュレータによる動作の表示に必要な値をひとつのファイルに出力している。動作確認用シミュレータでは、出力されたファイルを読み込むことで計画された動作を表示する。
【０１７４】
〔実験結果と考察〕
動作計画実験の結果と計画された動作の様子を示す。また、動作計画実験では、動作計画プログラムの実行時間についても検証を行った。
【０１７５】
まず、実験概要で示した形状の異なる６種類のワーク３についてｐｇｍ画像の作成を行った結果を図４６〜図４８に示す。なお、掲載するｐｇｍ画像には、計画された三次元回転台１のＺ軸の角度を表す線１２を加えて示した。また、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てる際の溶接トーチ４を傾ける角度は２０°である。
【０１７６】
図４６は、同径と異径のＴ字型の動作計画結果を表したｐｇｍ画像である。Ｔ字型の場合には、同径管の場合のみ（５）式の許容幅Ｌを変更して作成したｐｇｍ画像を２つ重ねて使用した。ｐｇｍ画像を作成する際の許容幅は、０．０５（ｍｍ）と１．５（ｍｍ）であり、動作可能領域１０と、条件付き動作可能領域１０ａからＺ軸角度を決定した。また、異径管の場合の許容幅は０．０５（ｍｍ）である。
【０１７７】
図４６（ａ）の同径Ｔ字型の場合では、上述した同径管の側面の溶接線７の屈折による動作可能領域１０の不連続を、条件付き動作可能領域１０ａを通過する直線１３に沿ってＺ軸角度の決定を行なうことによって、全ての溶接箇所６のＺ軸角度の決定が行なえていることが確認できる。また、図４６（ｂ）の異径Ｔ字型の場合には、動作可能領域１０内からＺ軸角度の決定が行なえていることが確認できる。
【０１７８】
図４７は、中心線の角度が７５°の場合のＹ字型の動作計画結果である。このワーク３の場合は、Ｔ字型の場合と同様に同径管でのみｐｇｍ画像を２つ重ね合わせて動作計画を行った。同径管の場合の許容幅は０．０５（ｍｍ）と１．２（ｍｍ）である。異径管の場合は異径Ｔ字型と同様に０．０５（ｍｍ）である。図４７（ａ）の角度７５°の同径Ｙ字型の場合は、同径Ｔ字型の動作計画結果と同様に、上述した溶接線７の屈折による動作可能領域１０の不連続が見られるため、条件付き動作可能領域１０ａを通過する直線１３によって動作可能領域１０を結ぶことで全ての溶接箇所６のＺ軸の角度を決定できている。
【０１７９】
また、図４７（ｂ）の角度７５°の異径Ｙ字型の場合にも、異径Ｔ字型と同様に動作可能領域１０の中点をとることによって全ての溶接箇所６のＺ軸の角度を決定できている。
【０１８０】
図４８は、中心線の角度が４５°のＹ字型の動作計画結果である。４５°のＹ字型の場合には、三次元回転台１の可動範囲によって動作可能領域１０が存在しない箇所が現れている。したがって、同径、異径にかかわらず（ア）式の許容幅Ｌを変更した２つのｐｇｍ画像を重ねて使用した。許容幅は同径管、異径管どちらの場合も０．０５（ｍｍ）と１．２（ｍｍ）である。図４８（ａ）に示す角度４５°の同径Ｙ字型の場合には、上述した同径管の場合の溶接線７の屈折と、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の不連続を、条件付き動作可能領域１０ａを通る直線１３によって接続した動作を計画している。
【０１８１】
また、図４８（ｂ）に示した角度４５°の異径Ｙ字型の場合にも、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の不連続を、条件付き動作可能領域１０ａを通る直線１３によって接続してＺ軸の角度を決定できていることが確認できる。また、図４９は、図４８（ｂ）に示した４５°の異径Ｙ字型の場合の動作結果の画像において、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の不連続箇所を拡大した画像である。図４９中のＢでは、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と動作可能領域１０との交点がないため、上述で計画したＹ軸に平行な直線１４を用いてＺ軸の角度を決定した様子を確認することができる。
【０１８２】
本実施形態で行った動作計画実験では、実験の概要で示した全ての形状のワーク３において、溶接動作の計画を行なうことができた。また、動作可能領域１０の不連続があった場合には、条件付き動作可能領域１０ａを通る傾き０．５の直線１３を用いてＺ軸の角度の決定が正しく行われていることが確認できた。
【０１８３】
しかし、角度４５°の同径Ｙ字型の動作計画結果において、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の存在しない範囲において決定したＺ軸の角度を表す直線１２を見ると、動作不可能領域１１と条件付き動作可能領域１０ａの境界付近を通っていることが確認できる（図５０参照）。
【０１８４】
このように、Ｚ軸角度を決定した場合、溶接動作では、三次元回転台１の可動範囲内と可動範囲外の境界となる付近で動作していることになる。そのため、不慮の異常動作などでワーク３の姿勢が変更された場合、三次元回転台１の可動範囲を越えてしまうことが考えられる。このような事態があった場合、アーク４ａが溶接箇所６以外に当たってしまう可能性が考えられる。
【０１８５】
したがって、決定したＺ軸の角度の直線のＸ座標の±１０°の範囲内に動作不可能領域１１がある場合には、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３の位置を動作不可能領域１１から遠ざかる方向に移動させることで位置を変更し、動作不可能領域１１と条件付き動作可能領域１０ａとの境界付近でのＺ軸角度の決定を控えるような動作計画が必要ではないかと考えられる。図５０中のＣに示すように、直線１３の基準点よりも右側で動作不可能領域１１が直線１３の付近にある場合には、動作不可能領域１１から遠ざけるために直線１３を下の方向へ移動させる。
【０１８６】
次に、動作計画プログラムの実行時間の測定について説明を行なう。本実施形態では、実行に必要な時間が最も少ないと考えられる異径Ｔ字型の場合と、実行に必要な時間が最も多いと考えられる中心線の角度４５°の同径Ｙ字型の場合について計測を行なった。動作計画プログラムは、Ｄｅｂｉａｎ Ｌｉｎｕｘ（登録商標）上で作成し、実行時間の計測に用いたコンピュータのＣＰＵは、ＩＮＴＥＬ Ｃｅｌｅｒｏｎ ｄ ２．１３ＧＨｚ（登録商標）、メモリは５１２ＭＢ、使用したコンパイラはｇｃｃ（ＧＮＵ Ｃｏｍｐｉｌｅｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）バージョン ３．３．５である。また、コンパイルオプションとして−Ｏ２オプションを付けて最適化を行なっている。
【０１８７】
まず、最も計算プロセスが少ないと考えられる異径Ｔ字型の動作計画にかかった時間は４７．２４１（ｓ）であった。また、最も計算プロセスが多いと考えられる４５°の同径Ｙ字型の動作計画の時間は８３．４０４（ｓ）であった。このように動作計画にかかる時間に差があるのは、動作可能領域１０の不連続の有無が関係していると考えられる。また、最も時間が必要となる角度４５°の同径Ｙ字型においてでも約８３（ｓ）であることから、作成した動作計画プログラムを用いて十分に実用的な時間でワーク３の溶接動作の計画が行なえる。
【０１８８】
〔動作確認用シミュレータによる動作確認〕
動作計画を行った６種類のワーク３の中で角度４５°の同径Ｙ字型における動作計画実験の結果を動作確認用シミュレータで表示した様子を示す。この動作計画では、溶接線７の屈折によって動作可能領域１０が不連続になる箇所と、三次元回転台１の可動範囲によって動作可能領域１０が不連続になる箇所を直線で結んでＺ軸の角度を決定した様子が確認できる。そのため、本実施形態で行われた三軸の回転による溶接動作計画プログラムで使用したＺ軸角度の計画方法をすべて確認することができた。
【０１８９】
図５１〜図５３は、動作確認用シミュレータで動作を表示した際の様子を示した画像である。これらの画像は、上述した絶対座標系のＸ軸の負の方向から見た様子である。また、これらの画像では、時間の経過をアルファベット順で表し、図５１、図５２、図５３の順に連続して溶接動作を表している。加えて、同じ動作の様子を別の視点から確認した画像を、時間を表すアルファベットに「‘」を付けた画像で同時に示した。この画像は、溶接トーチ４と手先リンク２ｄが、ワーク３や三次元回転台１と接触していないことが確認できる位置に視点を移して動作確認を行ったものである。
【０１９０】
図５１〜図５３の全体を通して三次元回転台１の動作を見ると、Ｚ軸の回転がほぼ一周していることが確認できた。また、図５１（Ｃ）〜図５２（Ｆ）までの間では、三次元回転台１のＺ軸の角度が大きく変化している。このＺ軸の角度の変化は、溶接線７の屈折による動作可能領域１０の不連続箇所において、条件付き動作可能領域１０ａを通る直線１３で結んでＺ軸の角度の決定を行った際の様子である。ここでは、傾き０．５の直線に沿ってＺ軸の角度が決定されているため、溶接箇所６がひとつ変わる毎にＺ軸の角度が２．０°変化する。そのため、Ｚ軸の角度が大きく変化している。同様に図５２（Ｇ）〜図５３（Ｊ）の間でのＺ軸の角度の大きな変化は、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の不連続箇所を直線で結んでＺ軸角度を決定した様子である。ここでも、Ｚ軸の角度が直線１３に沿って決定されており、溶接箇所６の位置がひとつ変わるごとにＺ軸角度が２．０°変化するために、Ｚ軸のモータ１ｃが大きく回転している。
【０１９１】
次に、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの動作について説明を行なう。図５１（Ａ）〜図５２（Ｆ）の間では、ワーク３の姿勢変更によって三次元回転台１のチャック１ｄが上方に回転してくる。したがって、上述したチャック１ｄを回避するために計画した通りに、手先リンク２ｄは、溶接線７に対して９０°の角度を保って動作している。
【０１９２】
また、図５２（Ｇ）〜図５３（Ｋ）の間では、三次元回転台１のチャック１ｄは、下方向に移動して行くことと、ワーク３の枝管３ｂが再び上方に回転してくることが確認できる。したがって、手先リンク２ｄは、上述した枝管３ｂを回避するために計画した通りにワーク３の溶接線７に沿うように角度が変更され、手先リンク２ｄが枝管３ｂを回り込んでいることが確認できた。
【０１９３】
また、今回行なった動作確認では、動作中の溶接トーチ４や手先リンク２ｄと三次元回転台１およびワーク３の接触について確認を行なった。視点を変更して確認した画像から、各機材が接触することが無いことが確認できた。
【０１９４】
本実施形態では、三次元回転台１の三軸の回転によるワーク３の姿勢変更を用いた自動溶接作業装置の動作計画法を提案し、提案した動作計画を行なう動作計画プログラムと動作確認用シミュレータを作成した。本実施形態で提案した動作計画法を用いてワーク３の溶接動作の計画を行ったところ、主管３ａと枝管３ｂのなす角度の違いや直径、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を傾けて当てる際の溶接トーチ４の傾く角度にかかわらず、Ｔ字型やＹ字型のワーク３を溶接するための自動溶接作業装置の動作の計画を行なうことができた。
【０１９５】
また、動作計画プログラムによって計画された動作を動作確認用シミュレータを用いて確認したところ、溶接トーチ４や直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄと、ワーク３および三次元回転台１とが接触することなく溶接動作を行なえることが確認できた。
【０１９６】
また、本実施形態では、動作計画に必要となる計算プロセスの時間計測を行った。その結果から、動作計画を行なうために必要となる時間は、最長で８３．４０４（ｓ）であり、作業者が動作計画を行なう際に動作計画に時間がかかることで不快になったりせず、十分に実用的な時間で動作計画が行なえることが分った。
【０１９７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で修正・変更を加えることができるのは勿論である。例えば、上記実施形態においては、駆動部の構成としてモータを例示したが、これに限らず、各種流体圧シリンダや他の駆動手段であってもよいことは勿論である。また、各回転部材はモータのモータ軸に直結した例を示したが、減速機構を介して連結するようにしてもよい。
【０１９８】
本実施形態では、ワークを同径Ｔ字型、異径Ｔ字型、同径Ｙ字型、異径Ｙ字型を例に説明したが、特にこの限りではなく、主管が角筒で枝管が円筒といった形状が異なるワークであっても良い。
【０１９９】
また、ワークの接続形状がＴ字、Ｙ字に限られることはなく、Ｌ字、Ｘ字といった種々の接合形状であっても良い。さらに、溶接方法は、ＴＩＧ溶接だけでなく、プラズマ溶接、レーザ溶接であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【０２００】
【図１】本発明の実施形態を示す溶接作業装置の全体ブロック図
【図２】三次元回転台の機構を示す概略図
【図３】直交座標形マニピュレータの機構を示す斜視図
【図４】三次元回転台の可動範囲を示す概略図であって、（ａ）はＹ軸の可動範囲を示す図、（ｂ）はＸ軸の可動範囲を示す図
【図５】直交座標形マニピュレータの手先リンクの回転関節の可動範囲を示す概略図
【図６】平板の自動溶接実験の様子を示す図
【図７】溶接箇所における方向ベクトルを示す図
【図８】溶接作業装置における絶対座標を示す斜視図
【図９】溶接トーチの傾き角度を示す図であって、（ａ）は溶接トーチが鉛直上向きの状態を示す図、（ｂ）は溶接トーチを鉛直上向きから傾けた状態を示す図
【図１０】アークの広がる方向を示す概略図であって、（ａ）は溶接線と溶接トーチの中心線が９０°の角度をなす場合を示す図、（ｂ）は溶接線と溶接トーチの中心線が０°の角度をなす場合を示す図
【図１１】Ｙ座標に関する条件の溶接幅を示す図
【図１２】溶接トーチの先端の向きを示す図であって、（ａ）は溶接トーチを進行方向に傾けた場合を示す図、（ｂ）は溶接トーチを進行方向と逆に傾けた場合を示す図
【図１３】主管の作業座標系と、枝管上の基準点および枝管に沿った溶接線を示す図
【図１４】枝管の円周上の基準点を示す図であって、（ａ）は主管と枝管とが重なった状態を示す図、（ｂ）は枝管の円周上の点を表わす角度を示す図
【図１５】三次元回転台の機構を示す概略図であって、（ａ）はＺ軸の回転を加えていない状態を示す図、（ｂ）はＺ軸の回転を加えた状態を示す図
【図１６】三次元回転台の動作計画のフローチャート
【図１７】主管と枝管の径が異なる管をＴ字型に溶接する場合のｐｇｍ画像を示す図
【図１８】図１７に決定したＺ軸角度を表わす線を加えた図
【図１９】主管と枝管の径が同じ場合の側面の溶接線を示す図
【図２０】主管と枝管の径が同じ管をＴ字型に溶接する場合のｐｇｍ画像を示す図
【図２１】主管と枝管との溶接において、動作可能領域が存在しない範囲を持つ場合のｐｇｍ画像を示す図
【図２２】許容幅を変更したｐｇｍ画像を示す図であって、（ａ）は許容幅が０．０５ｍｍの場合を示す図、（ｂ）は許容幅が１．５ｍｍの場合を示す図
【図２３】図２２の（ａ）のｐｇｍ画像と（ｂ）のｐｇｍ画像とを重ねた画像を示す図
【図２４】図２３に２次元の座標を加えた図
【図２５】Ｚ軸の角度が０°の位置を経由したＺ軸角度を決定するための直線を示す詳細図
【図２６】動作可能領域が存在しない範囲を持つ場合のＺ軸の角度が０°の位置を経由したＺ軸角度を決定するための直線を示す詳細図
【図２７】Ｚ軸角度を決定するための直線を引くためのフローチャート
【図２８】Ｚ軸の角度が０°での条件付き動作可能領域の幅を示す図
【図２９】図２５に基準点の設定をする際に用いた２本の直線を加えた図
【図３０】図２５に基準点の設定をする際に用いた２本の直線の溶接線の許容幅を示す図
【図３１】２箇所の動作可能領域の不連続箇所を示す図
【図３２】基準点のＺ軸角度における溶接箇所の許容幅を示す図
【図３３】Ｚ軸角度を決定するための直線と動作可能領域の交点を示す図であって、（ａ）はＸ軸の正の方向に検索した場合を示す図、（ｂ）はＸ軸の負の方向に検索した場合を示す図
【図３４】基準点を通る直線と動作可能領域に交点がない場合を示す図
【図３５】図３４に縦方向の直線を加えた状態を示す図
【図３６】図３５の動作不可能領域が広がった状態を示す図
【図３７】図２４に決定したＺ軸角度の線を加えた図
【図３８】溶接線に沿うような手先リンクの状態を示す図
【図３９】手先リンクが枝管を回り込んだ状態を示す図
【図４０】枝管とチャックが近接した状態を示す図
【図４１】チャックの上方から溶接トーチを溶接箇所に当てた状態を示す図
【図４２】枝管の上に手先リンク移動させた状態を示す図
【図４３】溶接開始点の裏側の溶接箇所に溶接トーチを当てた状態を示す図であって、（ａ）は主管と枝管の径が同じ場合の図、（ｂ）は主管と枝管の径が異なる場合の図
【図４４】溶接トーチが移動できる範囲を示す図であって、（ａ）はＹ軸方向とＺ軸方向に溶接トーチが移動できる範囲を示す図、（ｂ）はＸ軸方向に溶接トーチが移動できる範囲を示す図
【図４５】動作確認用シミュレータの画面を示す図
【図４６】Ｔ字型の動作計画結果を示す図であって、ａ）は主管と枝管の径が同じ場合の図、（ｂ）は主管と枝管の径が異なる場合の図
【図４７】角度７５°で接合するＹ字型の動作計画結果を示す図であって、（ａ）は主管と枝管の径が同じ場合の図、（ｂ）は主管と枝管の径が異なる場合の図
【図４８】角度４５°で接合するＹ字型の動作計画結果を示す図であって、（ａ）は主管と枝管の径が同じ場合の図、（ｂ）は主管と枝管の径が異なる場合の図
【図４９】基準点を通る直線と動作可能領域の交点の補正した状態を示す図
【図５０】動作可能領域と動作不可能領域との境界を通る直線を示す図
【図５１】動作確認用シミュレータによる表示の様子を示す図
【図５２】動作確認用シミュレータによる表示の様子を示す図
【図５３】動作確認用シミュレータによる表示の様子を示す図
【符号の説明】
【０２０１】
１ 三次元回転台
１ａ Ｘ軸モータ
１ｂ Ｙ軸モータ
１ｃ Ｚ軸モータ
１ｄ チャック
２ 直交座標形マニピュレータ
２ａ Ｘ軸直動スライダ
２ｂ Ｙ軸直動スライダ
２ｃ 軸直動スライダ
２ｄ 手先リンク
２ｅ 回転関節
３ ワーク
３ａ 主管
３ｂ 枝管
４ 溶接トーチ
４ａ アーク
５ アルミ平板
６ 溶接箇所
６ａ 次の溶接箇所
６ｂ 基準点
７ 溶接線
８ 溶接箇所
８ａ 次の溶接箇所
９ フィラワイヤ
１０ 動作可能領域
１０ａ 条件付き動作可能領域
１１ 動作不可能領域
１２ Ｚ軸の角度を示す直線
１３ Ｚ軸の角度を決定する直線
１３ａ 動作可能領域と動作不可能領域の境界を通る直線
１３ｂ 動作可能領域と動作不可能領域の境界を通る直線
１３ｃ 基準点
１３ｄ 条件付き動作可能領域と動作不可能領域の境界点
１３ｅ 条件付き動作可能領域と動作不可能領域の境界点
１４ Ｙ軸に平行に引いた直線
１０１ 入力部
１０６ 制御部
１０６ａ 溶接線演算部
１０６ｂ ３次元回転台の回転角度演算部
１０６ｃ 直交座標形マニピュレータの制御演算部
１０７ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接作業を補助する溶接作業装置であって、特に、主管とその側面から突出する枝管との接合部を簡単に溶接が行なえる溶接作業装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、溶接作業の自動化が進んでいる。例えば、産業用ロボットマニピュレータを用いた、自動車等のボディの溶接が挙げられる。しかしながら、雨樋等に使用されるアルミ管同士の溶接においては、自動化が行われていない。そのため、生産性の向上のために、アルミ管同士を自動で溶接できる溶接作業装置の開発が望まれている。
【０００３】
ところで、アルミ管等の主管および枝管からなるワークの接合としては、溶接、接着、圧着、ビス止め等の種々の方法が挙げられる。特に、管同士を溶接してＬ字型、Ｔ字型、Ｙ字型等の製品を得るには、溶接するワークの向きを何度も置き換えて作業をする必要がある。そのため、溶接の継ぎ目や溶接ガスによる変色等が発生し、外観上の見栄えが悪くなるという問題があった。
【０００４】
特許文献１には、ワークを溶接する準備段階として、先ず、ワークを回転テーブルに載せ、これを一定速度で回転させながら、その動作を画像センサおよびレーザ変位計で読み取り、溶接経路を演算測定し、その測定結果に基づいて、回転テーブルと多関節ロボットの先端にある溶接トーチとを駆動制御する溶接作業装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１０３０３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の溶接作業装置は、回転テーブルと多関節ロボットの２つの駆動対象を備えていることから、その振り分け制御動作が複雑になり、制御データ作りに時間を要することになる。
【０００６】
また、溶接線の決定に画像センサおよびレーザ変位計を用い、かつ、多関節ロボットを用いるため、高価な溶接作業装置になる。したがって、特許文献１の溶接作業装置は、小ロット多品種の生産には向かず、このような小ロット多品種の生産に最適な溶接作業装置の出現が望まれているところである。
【０００７】
本発明は、上記に鑑み、簡単な構成によって溶接作業を支援でき、小ロット多品種生産に最適な溶接作業装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、溶接するワークの溶接条件を入力する入力部と、垂直軸となるＺ軸、このＺ軸に直交する水平軸となるＹ軸、および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転可能で、ワークの姿勢を変更する三次元回転台と、該三次元回転台を駆動する回転台駆動部と、溶接トーチを下向きに保持する溶接トーチ保持部と、前記入力部からの入力情報に基づいて前記回転台駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記入力部からの情報に基づいて、全ての溶接箇所の絶対座標系における座標位置を演算し、溶接トーチの中心線が常に絶対座標系のＸＺ平面上に位置させ、かつ現在の溶接箇所と次の溶接箇所のなす線分を溶接線としたとき、前記溶接線がＸＹ平面に平行な平面で区切られる所定の許容幅に含まれるように前記回転台駆動部の三軸回転条件を演算し、前記回転台駆動部を回転制御することを特徴とする。
【０００９】
ここで、溶接方式としては、溶接アークによる弊害が生じるおそれのある溶接方式ならば、特に限定されるものではない。例えば、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接などが例示でき、これらのいずれの溶接方式にも適用することができる。
【００１０】
また、入力部に入力される溶接条件としては、コンピュータのキーボードから直接入力される情報や外部より通信部を介して入力される情報も含まれる。これらの情報は、例えば、主管とその側面に接合する枝管とからなるＴ字型やＹ字型などの継手管の場合、主管と枝管のなす角度や直径などである。また、入力部には、三次元回転台の可動範囲情報や溶接トーチを保持して稼動するマニピュレータの可動範囲情報が入力される。これらの情報により、例えば、ＸＹＺの絶対座標系における溶接位置の座標を演算し、また、溶接トーチの動作計画をすることができる。
【００１１】
また、制御部は、マイクロコンピュータのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭから構成され、さらにその他の記憶部を備えている。この制御部では、入力部から入力した溶接条件に基づいて、溶接線演算部で溶接線の位置情報を演算する。また、三次元回転台の回転角度演算部により、回転台駆動部の三軸回転条件を演算する。さらに、マニピュレータの制御演算部により、溶接トーチを保持して互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能とするマニピュレータの駆動制御を行なう。
【００１２】
なお、「溶接線がＸＹ平面に平行な平面で区切られる所定の許容幅に含まれる」とは、溶接線が、ほぼＸＹ平面内に含まれることを意味する。溶接トーチおよび溶接線をほぼＸＹ平面内に含まれるように設定することで、アークが溶接線以外の部分に当たるのを防止するためである。
【００１３】
さらに、溶接トーチを下方向に向けることでシールドガスが重力にしたがって広がり、溶接トーチ先端から発生するアークが安定する。また、溶接トーチの中心線を常に絶対座標系のほぼＸＺ平面上に位置させ、かつ現在の溶接箇所と次の溶接箇所のなす線分を溶接線としたとき、溶接線がほぼＸＺ平面内に含まれるように回転台駆動部の三軸回転条件を演算するようにしたので、溶接線に対して溶接トーチが傾く角度と傾く方向を一定にして溶接電流などのパラメータを設定しやすくできる。
【００１４】
なお、溶接トーチ保持部は、溶接トーチを下向きに保持するが、溶接トーチ保持部は、マニピュレータによって、溶接トーチを互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能か否かを問わない。本発明は、三次元回転台の三軸回転条件を制御して、溶接トーチのアークを溶接線以外に当たらないようにすることを本質的事項としているからである。
【００１５】
また、現在の溶接箇所と次の溶接箇所のなす線分を溶接線としたとき、溶接線がほぼＸＺ平面内に含まれるようにしているので、アークが溶接箇所以外の部分に当たるのを防ぎ、アルミ管等の金属光沢が損失するのを防止できる。
【００１６】
また、現在の溶接箇所のＺ座標よりも次の溶接箇所のＺ座標が小さく（低く）なるようにする。また、溶接トーチの中心線を前記絶対座標系ＸＹＺのＸＺ平面に平行な平面で区切られる前記許容幅内で、前記溶接線に対して溶接トーチの進行方向と逆方向に所定角度傾斜した姿勢で溶接できるように、回転台駆動部の三軸回転条件を設定する。
【００１７】
上記構成によると、次の溶接箇所が下向きになり、また、アークが次の溶接箇所の方向に広がるため、溶接が終了した箇所のビードへのアークによる影響をなくすことができる。
【００１８】
また、制御部は、少なくとも以下の判定式を入力し、各溶接位置でこれらの判定式を満たすように前記三次元回転台の三軸回転条件を演算する。
（ア）｜現在の溶接箇所のＹ座標−次の溶接箇所のＹ座標｜＜Ｌ（ｍｍ）（但し、Ｙは絶対座標系のＹ座標、ＬはＸ軸両側に持たせた許容幅）
（イ）現在の溶接箇所のＺ座標＞次の溶接箇所のＺ座標
【００１９】
さらに、三次元回転台の機構上、Ｘ軸、Ｙ軸の回転角度が制限されている場合もあるので、これらの制限事項も入力して回転条件を演算することもできる。すなわち、制御部は、以下の判定式を入力し、各溶接位置でこれらの判定式を満たすように前記三次元回転台の三軸回転条件を演算する。但し、Ａ，Ｂは、三次元回転台のベース中央を原点とした作業座標系の各軸ＸＹＺの反時計周りの回転角を正、時計周りの回転角を負としたときの角度である。
（ウ）−Ａ≦Ｘ軸の回転角度≦Ａ（但し、０°＜｜Ａ｜＜１８０°）
（エ）−Ｂ≦Ｙ軸の回転角度≦Ｂ（但し、０°＜｜Ｂ｜＜９０°）
【００２０】
また、制御部は以下の手順により動作計画を実行することができる。つまり、制御部は、
１）溶接位置ごとに、前記三次元回転台のＺ軸を３６０°回転させながら、各Ｚ軸角度において前記判定式を満たすワーク姿勢を取れるか否かを判定し、判定式を満たす場合と満たさない場合とに区分し、
２）すべての溶接位置に対する前記１）の計算が終了した時点で、最初の溶接位置から最終の溶接位置まで、Ｚ軸角度の変化率を所定値以下に保ちながら前記判定式を満たすＺ軸角度の系列を選択して前記三次元回転台の三軸回転条件の動作計画を行なう。
３）前記最初の溶接位置から最終の溶接位置まで、前記判定式を満たすＺ軸角度の系列を選択することができずに不連続となるか、あるいは、前記判定式を満たすＺ軸角度の系列が連続する場合でも、前記Ｚ軸角度の変化率が所定値を越える場合には、前記（ア）式の許容幅Ｌを拡大して、前記１）のＺ軸角度の分類から再計算して動作計画を行ない、前記判定式を満たすＺ軸の範囲が溶接位置の移動に対して連続となるように動作計画を実行する。
【００２１】
上記構成によると、溶接箇所は、全ての判定式を満たす動作可能領域がＺ軸回りに連続する場合と、途中で不連続となり、これを補うために。不連続となる動作可能領域を結ぶ条件付の動作可能領域を通る場合とがある。
【００２２】
つまり、溶接トーチの中心線は絶対座標系のＸＺ平面内で溶接トーチの進行方向と逆方向に所定角度傾斜した姿勢で連続して溶接できる場合と、このような動作可能領域から、溶接トーチが前記ＸＺ平面内からわずかに外れて進行する条件付の動作可能領域を通る場合とがある。このような条件付の動作可能領域を通る場合でも、溶接トーチは極力溶接線に沿って移動するので、アークの金属表面への影響を極力抑えて溶接することができる。
【００２３】
特に、主管とその側面に接合する枝管とからなる継手管の溶接作業において、本発明に係る溶接作業装置を使用すれば、自動化溶接が熟練を要することなく簡単に行なえる。また、金属表面にアークの影響が大きく出るアルミ管では有効な手段となる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のとおり、本発明によると、主管と枝管のなす角度の違いや直径、ワークの溶接箇所に溶接トーチを傾けて当てる際の溶接トーチの傾く角度に拘わらず、Ｔ字型やＹ字型といったワークを溶接することができる。
【００２５】
また、ワークの形状のデータを予め入力しておくだけで、溶接箇所の座標を演算し、これに基づいて装置各部の動作計画を自動的に行なうので、現物でのティーチングが不要となる。そのため、小ロット・多品種の製品の溶接を効率よく行なうことができる。特に、アルミの溶接は熟練者が必要な分野であるが、溶接経験が無くても、形状を指定することで幅広い溶接が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
〔溶接作業装置の構成〕
図１は本実施形態における溶接作業装置の構成ブロック図である。図に示すように、本実施形態の溶接作業装置は、溶接するワークの溶接条件等を入力する入力部１０１と、垂直軸となるＺ軸、このＺ軸に直交する水平軸となるＹ軸、および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転可能で、ワーク３の姿勢を変更する三次元回転台１と、該三次元回転台１を駆動する回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃと、溶接トーチ４を鉛直下向きに保持する溶接トーチ保持部２ｄと、溶接トーチ４を互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能とする直交座標形マニピュレータ２と、前記入力部１０１からの入力情報に基づいて前記回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃおよび溶接トーチ４の移動を制御する制御部１０６とを備えている。
【００２８】
入力部１０１に入力される溶接条件としては、コンピュータのキーボードから直接入力される情報や、外部より通信部を介して入力される情報も含まれる。これらの情報は、例えば、主管３ａとその側面に接合する枝管３ｂとからなるＴ字型やＹ字型などの継手管の場合、主管３ａと枝管３ｂのなす角度や直径などである。
【００２９】
また、入力部１０１には、三次元回転台１の可動範囲情報や、溶接トーチ４を保持して稼動する直交座標形マニピュレータ２の可動範囲情報が入力される。これらの情報により、例えば、ＸＹＺの絶対座標系における溶接箇所６の座標を演算し、また、溶接トーチ４の動作計画をすることができる。
【００３０】
また、制御部１０６は、マイクロコンピュータのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭから構成され、さらに、その他の記憶部を備えている。この制御部１０６では、入力部１０１から入力した溶接条件に基づいて、溶接線演算部１０６ａで溶接線７の位置情報を演算する。また、三次元回転台１の回転角度演算部１０６ｂにより、回転台駆動部１ａ，１ｂ，１ｃの三軸回転条件を演算する。
【００３１】
また、直交座標形マニピュレータ２の制御演算部１０６ｃにより、溶接トーチ４を保持して互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能とする直交座標形マニピュレータ２の駆動制御を行なう。
【００３２】
さらに、制御部１０６では、モニタ等の表示部１０７に三次元回転台１の動作や直交座標形マニピュレータ２の動作を確認するためのシミュレーションを視覚的に表示制御する。
【００３３】
溶接対象となるワーク３は、Ｔ字型やＹ字型といった継手管、特にアルミ管である。アルミ管の溶接箇所６、すなわち、主管３ａとその側面から突出する枝管３ｂとの接合部が自動で溶接される。溶接方式は、ＴＩＧ溶接であるが、これに限定されるものではなく、プラズマ溶接やレーザ溶接などのアーク溶接であってもよい。
【００３４】
本実施形態の溶接作業装置は、図２および図３に示すように、三次元回転台１と直交座標形マニピュレータ２とを備えている。直交座標形マニピュレータ２は、ワーク３の溶接箇所６の溶接を、常に鉛直下向きに行なえるように、三次元回転台１の上方を囲うように設置されている。
【００３５】
三次元回転台１は、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てるために、現在溶接する溶接箇所６が鉛直上向きになるように、溶接の対象であるワーク３の姿勢を変更する。ワーク３の溶接箇所６を鉛直上向きにすることにより、溶接トーチ４から発生するアーク４ａがワーク３である主管３ａと枝管３ｂに均等に当たるため、溶接作業が行ないやすくなる。また、ワーク３の姿勢を変更することによって、溶接を行なう際に、ワーク３へのアーク４ａの当たり方を調整することもできる。
【００３６】
三次元回転台１は、図２に示すように、３つの回転軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を持ち、これら３つの回転軸の回転によってワーク３の姿勢を変更する。三次元回転台１のＺ軸の回転を与えるＺ軸モータ１ｃにはダイレクトドライブモータが使用され、Ｘ軸およびＹ軸の回転を与えるＸ軸モータ１ａおよびＹ軸モータ１ｂには、ステッピングモータが使用されている。
【００３７】
直交座標形マニピュレータ２は、図３に示すように、溶接トーチ４の位置決めを行なうためのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３つの方向への平行移動を可能とする直動スライダ２ａ，２ｂ，２ｃを備える。また、溶接トーチ４と三次元回転台１のフレームおよびワーク３との接触を回避するために、直交座標形マニピュレータ２の手先部分には、ステッピングモータを用いた回転関節２ｅを有する手先リンク２ｄが備えられる。
【００３８】
手先リンク２ｄは溶接トーチ保持部を構成する。手先リンク２ｄの先端には、溶接トーチ４が鉛直下向きに取り付けられている。溶接トーチ４を鉛直下向きに取り付けることで、溶接トーチ４から排出されるシールドガスが重力にしたがって下方に広がり、溶接トーチ４の先端から発生するアーク４ａを安定させることができる。
【００３９】
本実施形態では、ワーク３の溶接動作の計画を行なうために、三次元回転台１と直交座標形マニピュレータ２のそれぞれに作業座標系を設定する。
【００４０】
三次元回転台１に設定した作業座標系の三軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の向きは、垂直方向をＺ軸、このＺ軸に直交する水平方向をＹ軸、および、前記Ｙ軸に直交する方向をＸ軸とする。すなわち、この三軸は、図２に示すように、三次元回転台１の３つの回転軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）とそれぞれが同じ方向となる。なお、作業座標系の三軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の原点は、三次元回転台１の架台の中央である。
【００４１】
直交座標形マニピュレータ２に設定した作業座標系は、図３に示すように、鉛直方向をＺ軸、水平方向をＹ軸、Ｙ軸およびＺ軸と直交する方向をＸ軸とする座標系である。この座標系の原点は、直交座標形マニピュレータ２のＸ軸方向の直動スライダ２ａの移動距離が０ｍｍとなる位置である。
【００４２】
〔ワークの溶接動作を行なうための条件式〕
ワーク３の溶接は、ＴＩＧ溶接を用いて行われている。ＴＩＧ溶接では、フィラワイヤ９と呼ばれるワーク３とほぼ同じ材質の棒を、溶融した溶接箇所６に充填することで溶接が行われる。溶接の結果として、溶接線７上には、ビード４ｂと呼ばれる鱗状の溶着金属が形成される。溶接作業では、高い品質を持つ製品の基準として、ビード４ｂの幅や高さが均一であることや、ビード４ｂが金属光沢を失っていないことが挙げられる。また、ワーク３の溶接箇所６は、ワーク３の周囲を囲むように線を形成している。この線を溶接線７とする。
【００４３】
本実施形態では、溶接の結果として得られるビード４ｂの形成において、特に、アーク４ａの溶解作用によるワーク３の表面への影響を最小限にし、金属光沢の損失が無いビード４ｂを形成できるように溶接トーチ４の姿勢やアーク４ａの当たる範囲を考慮して、ワーク３の姿勢変更を行なう。
【００４４】
三次元回転台１の各軸の回転方向は、図４に示すように、架台１ｅの中央を原点とした作業座標の各軸の正方向から三次元回転台１を見た状態で、反時計回りの回転を正の向き、時計回りの回転を負の向きとする。
【００４５】
図４に示すように、本実施形態で使用する三次元回転台１は、その機構上、Ｘ軸とＹ軸の回転を実現する回転軸の可動範囲に制限がある。三次元回転台１のＸ軸は、正負共に１２０°まで回転することができる。Ｘ軸の可動範囲の制限は、ワーク３を回転させた際に、枝管３ｂが三次元回転台１のフレームに接触することを防ぐためである。
【００４６】
Ｙ軸が回転できる範囲は、正の向きに４５°、負の向きに６０°まで回転することができる。この制限は、手作業でワーク３の溶接を行なう際に、作業者がワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てるときの姿勢から設計された三次元回転台１の機構上の制限である。なお、三次元回転台１のＺ軸の回転は、回転角度の制限を持たない。そのため、三次元回転台１のＺ軸は、正の向き、負の向き共に３６０°自由に回転することができる。
【００４７】
以上に挙げた三次元回転台１の可動範囲の制限から、本実施形態で行なう溶接動作計画では、三次元回転台１を可動範囲内で動作させるために、以下のような条件式を設定した。
−１２０°≦Ｘ軸の回転角度≦１２０° ・・・（ウ）
−６０° ≦Ｙ軸の回転角度≦４５° ・・・（エ）
【００４８】
なお、Ｘ軸，Ｙ軸の回転角度の制限は、上記例に限定されるものではない。例えば、Ｘ軸の回転角度は、三次元回転台の機構が理想的なものである場合、正負１８０°の範囲内とすることができる。また、Ｙ軸の回転角度は、同様に正負９０°の範囲内に設定することができる。
【００４９】
次に、直交座標形マニピュレータ２の可動範囲について説明する。
【００５０】
図３に示すように、直交座標形マニピュレータ２は、３つの直動スライダ２ａ，２ｂ，２ｃによって溶接トーチ４の位置決めを行なうことができる。これらは、全て可動範囲が４００（ｍｍ）の同じ直動スライダを使用して実現されている。したがって、直交座標形マニピュレータ２の平行移動の可動範囲は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向にそれぞれ４００（ｍｍ）となる。
【００５１】
手先リンク２ｄに設けられた回転関節２ｅの回転可動範囲は、図５に示すように、絶対座標系のＺ軸方向から見て正負共に９０°までに制限される。これは、手先リンク２ｄに取り付けられる溶接トーチ４が、直交座標形マニピュレータ２のフレームに接触することを避けるためである。
【００５２】
以上のことから、直交座標形マニピュレータ２を可動範囲内で動作させるために、以下のような条件式を設定した。
０（ｍｍ）≦直動スライダの移動距離≦４００（ｍｍ） ・・・（３）
−９０°≦回転関節の回転角度≦９０° ・・・（４）
【００５３】
〔アルミ平板自動溶接実験における溶接状況の再現〕
図６は、アルミ平板５の自動溶接実験の状況を模試的に示す斜視図である。この自動溶接実験では、溶接トーチ４を斜めに傾けた状態でアルミ平板５の溶接箇所８に当て、溶接トーチ４の傾き角度を一定に保ったまま、溶接対象であるアルミ平板５を移動させて溶接を行なう。この溶接では、アルミ平板５の表面にアーク４ａが当たることによってアルミ平板５の表面の金属光沢が失われることを防いでいる。そのための方法として挙げられるのは、溶接対象であるアルミ平板５の溶接箇所８に対して、溶接トーチ４を傾けて当てていることである。
【００５４】
例えば、溶接トーチ４を真上から溶接箇所８に当てた場合には、溶接が終了した箇所にアーク４ａが当たってしまう。そのため、溶接トーチ４の進行方向と逆の方向に溶接トーチ４を傾けることによって、溶接が終了した箇所にアーク４ａが当たることを防止できる。また、溶接トーチ４の先端が向く方向を固定し、アルミ平板５の溶接箇所以外の部分にアーク４ａが当たらないようにすることもできる。傾けた溶接トーチ４の先端が、常に次の溶接箇所８ａの方向を向いた状態となっていることによって、アーク４ａは常に溶接線８ａ上に広がるようになる。これにより、溶接箇所以外のアルミ平板５の表面へのアーク４ａの溶解作用による影響を防止できる。
【００５５】
本実施形態では、アルミ平板５の自動溶接実験の状況と同様に、溶接が終了した箇所にアーク４ａが当たらないようにすることと、溶接箇所以外のワーク３の表面にアーク４ａが当たらないようにする。そのために、本実施形態では、溶接トーチ４を溶接箇所６に対して傾け、更にアーク４ａが広がる方向を固定することで溶接箇所以外の箇所に当たることを防止する。これらのことによって、ワーク３の自動溶接でも金属光沢の損失が無いビード４ｂを得られると考えたためである。
【００５６】
先ず、溶接箇所６に溶接トーチ４を傾けて当てることについて説明する。
【００５７】
本実施形態では、ワーク３の溶接箇所６に、溶接トーチ４を当てるための方向を表す方向ベクトルを使用する。この方向ベクトルＲの求め方を図７に示す。
【００５８】
ワーク３の溶接箇所６において、主管３ａの法線Ｈｓと枝管３ｂの法線Ｈｅを求め、それら２つの法線の二等分線をとることによってできたベクトルが方向ベクトルＲとなる。この方向ベクトルＲは、溶接トーチ４をワーク３の溶接箇所６に真上から当てるために計画された方向ベクトルである。
【００５９】
この方向ベクトルＲが、鉛直上向きとなるように三次元回転台１でワーク３の姿勢を変更し、直交座標形マニピュレータ２の動作によって溶接トーチ４を鉛直上向きから溶接箇所６に当てた状況は、アルミ平板５の溶接実験において、溶接トーチ４を溶接箇所８に真上から当てた場合と同様にアーク４ａが溶接箇所６に当たる。そのため、アーク４ａの溶解作用とシールドガスのクリーニング作用の影響が溶接を終了した溶接箇所６におよぶことになる。そのため、溶接を終了した溶接箇所６が再び溶融し、ビード４ｂの金属光沢が失われることになる。
【００６０】
本実施形態では、ワーク３の溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲを、鉛直上向きにした状態から、さらに、図８に示した絶対座標系のＺ軸に対して角度φ傾ける。これによって、方向ベクトルＲと絶対座標系のＺ軸は角度φをなす（図９参照）。溶接トーチ４は、Ｚ軸の正の方向から当てることになる。そのため、角度φは、溶接トーチ４をワーク３の溶接箇所６に当てた際に溶接トーチ４が傾く角度となる。
【００６１】
次に、アーク４ａの広がる方向をワーク３の溶接線７上にするための方法について説明する。図６に示したアルミ平板５の自動溶接実験の状況のように、溶接トーチ４を傾けてワーク３の溶接箇所６に当てた場合、溶接トーチ４の中心線と溶接線７のなす角度によって、アーク４ａが広がる方向が変化する。
【００６２】
図１０は、溶接トーチ４の中心線とワーク３の溶接線７がなす角度が変化した様子を絶対座標系のＸＹ平面で示したものである。ここでは、アーク４ａが広がる領域を斜線部で示す。図１０（ａ）に示すように、溶接トーチ４の中心線とワーク３の溶接線７が９０°の角度をなす場合は、アーク４ａの広がる領域となる斜線部が溶接箇所以外のワーク３の表面に広がってしまう。したがって、アーク４ａが当たることによって溶接箇所以外のワーク３の表面が溶解して金属光沢を失うため、ワーク３の品質が落ちてしまう。
【００６３】
また、図１０（ｂ）に示すように、溶接トーチ４の中心線とワーク３の溶接線７のなす角度が０°の場合、溶接トーチ４の中心線は、ワーク３の溶接線７に沿った状態となる。この場合は、アーク４ａがワーク３の溶接線７上に広がるようになるため、溶接線以外の箇所にアーク４ａが当たる範囲を最小限にできる。
【００６４】
本実施形態では、図１０（ｂ）のように、溶接トーチ４の中心線がワーク３の溶接線７に沿う状態にする。ワーク３の溶接線７は曲線であるため、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａを結んだ線分に溶接トーチ４の中心線が沿う状態にすることで、アルミ平板５の自動溶接実験と同様の状態を作り出すことができる。
【００６５】
また、溶接トーチ４は、鉛直下向きであることから、溶接トーチ４の中心線は、常に絶対座標系のＸＺ平面上にあると考える。したがって、方向ベクトルＲを傾けることをＸＺ平面内で行ない、溶接トーチ４を傾く角度をＸＺ平面内で構成した。
【００６６】
更に、本実施形態では、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａのなす線分を溶接線７と考え、ワーク３の溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲ回りにθＲ回転してワーク３の姿勢変更を行なうことによって、溶接線７がＸＺ平面内に含まれるようにする（図９（ｂ）参照）。これによって、溶接トーチ４の中心線と溶接線７のなす角度はφとなる。すなわち、図９（ｂ）に示した方向ベクトルＲを回転軸としてワーク３を回転させることで、溶接トーチ４と溶接線７がＸＺ平面内で角度φを構成する。
【００６７】
以上のことから、本実施形態では、現在の溶接箇所６の座標と次の溶接箇所６ａの座標を使用して、以下のような条件式を設定した。この条件式によって、アーク４ａが広がる方向が溶接線７上になっていることを判定する。なお、この条件式のＬは、アーク４ａが広がる方向の許容幅である。
|現在の溶接箇所のＹ座標−次の溶接箇所のＹ座標|＜Ｌ（ｍｍ） ・・・（ア）
【００６８】
この条件を満たしている場合、アーク４ａが溶接箇所以外に当たることを最小限にしており、ワーク３の表面への影響が最も少ない状態であると判断される（図１１参照）。条件式に許容幅を持たせることによって、Ｘ軸の両側にＬ（ｍｍ）の幅を持たせ、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａを結んだ溶接線７がＸＺ平面の周囲Ｌ（ｍｍ）の範囲内にあれば条件式を満たすとする。
【００６９】
また、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てた際に、溶接トーチ４の傾く方向は、ワーク３の溶接線７が傾く方向によって変化する。その溶接トーチ４の傾く方向の変化を、図１２に示す。
【００７０】
図１２は、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａを結んだ溶接線７を、溶接トーチ４が存在する絶対座標系のＸＺ平面をＹ軸の正の方向から見たものである。ここで、溶接トーチ４の進行方向は、絶対座標系のＸ軸の正の方向とし、溶接トーチ４の進行方向は、図１２中の上方に矢印で示されている。図１２（ａ）のように、次の溶接箇所６ａのＺ座標が現在の溶接箇所６のＺ座標よりも大きい場合、溶接トーチ４は、溶接トーチ４の進行方向となるＸ軸の正の方向に傾くことになる。この場合、溶接トーチ４から発生するアーク４ａは、次の溶接箇所６ａとは逆の方向、つまり、溶接が終了した溶接箇所６の方向へ広がることになる。したがって、アーク４ａの溶解作用によって溶接が終了した箇所のビード４ｂが溶解し、ビード４ｂから金属光沢が失われてしまう。
【００７１】
また、図１２（ｂ）のように、次の溶接箇所６ａのＺ座標が現在の溶接箇所６のＺ座標よりも小さい場合、溶接トーチ４は、溶接トーチ４の進行方向とは逆となるＸ軸の負の方向に傾くことになる。この場合、溶接トーチ４から発生するアーク４ａは、次の溶接箇所６ａの方向に広がるため、溶接が終了した箇所のビード４ｂへのアーク４ａによる影響を防止できる。
【００７２】
したがって、本実施形態では、ワーク３の姿勢を変更することで溶接トーチ４が進行方向、つまり、次の溶接箇所６ａがある方向とは逆の方向に傾くようにワーク３の姿勢を変更する。このような状態となるように、ワーク３の姿勢を変更して溶接線７を傾けることで、現在の溶接箇所６のＺ座標よりも次の溶接箇所６ａのＺ座標を低くする。したがって、本実施形態では、溶接トーチ４を傾けるためのワーク３の傾き方向を決定するために以下の条件式を設定した。
現在の溶接箇所のＺ座標＞次の溶接箇所のＺ座標 ・・・（イ）
【００７３】
〔ワークの溶接箇所の座標と三次元回転台の回転角度の計算方法〕
上述したように、本実施形態で行なう動作計画では、ワーク３の姿勢を変更した後の現在の溶接箇所６の座標と、次の溶接箇所６ａの座標によって動作の妥当性を判定する。したがって、動作計画の際に、ワーク３の溶接箇所６の座標を求める必要がある。
【００７４】
また、ワーク３の溶接箇所６に、常に溶接トーチ４を傾けて当てるために、ワーク３の溶接箇所６に設定した方向ベクトルは、溶接動作中に常に絶対座標系のＺ軸とＸＺ平面内で角度φを保っていなければならない。そこで、条件式の判定に使用するワーク３の溶接箇所６の座標の計算方法と、ワーク３の姿勢を変更する際の三次元回転台１の三軸の回転角度の計算方法について説明する。
【００７５】
〔ワークの溶接箇所の座標の計算方法〕
ワーク３の溶接線７は、ワーク３の周囲を囲うように存在するが、ワーク３の溶接箇所６は特に枝管３ｂの円周上に存在する。このことから、本実施形態では、枝管３ｂ上に溶接箇所６の座標を求めるための基準点６ｂをとることで溶接箇所６の座標を求めた。
【００７６】
ワーク３の溶接箇所６の座標は、まず、図１３に示すワーク３に設定した作業座標系上で求める。この作業座標系は、ワーク３の主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線の交点を原点とする。また、ワーク３の主管３ａの中心線とＸ軸は一致しており、枝管３ｂが傾いている方向を正の方向とした。
【００７７】
Ｙ軸は、ワーク３の側面方向に正の方向とする。また、枝管３ｂの中心線がＸＺ平面に位置するようにＺ軸をおき、Ｚ軸は枝管３ｂの伸びた方向に正の方向とする。ワーク３のＴ字型やＹ字型の形状から、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線は角度をなす。よって、溶接箇所６は、中心線の交点を原点として存在すると考え、作業座標系の原点は、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線の交点とした。
【００７８】
図１３には、ワーク３に設定した作業座標系と同時に、溶接箇所６の座標計算のために設定した基準点６ｂを示す。ワーク３の溶接箇所６の座標を求めるための基準点は、図１３に示すように、枝管３ｂの先端の円周上に位置するとした。枝管３ｂ上に設定した基準点から枝管３ｂの表面に沿った直線を引いた場合、その直線は必ず主管３ａと交わることになる。
【００７９】
本実施形態におけるワーク３の溶接箇所６の座標の計算では、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線が角度をなすこと、基準点６ｂと溶接箇所６が枝管３ｂの中心線に平行な直線で結べること、溶接箇所が主管３ａと枝管３ｂの上に必ず同時に存在することの３つの条件から溶接箇所６の座標を求めた。
【００８０】
ワーク３は、Ｔ字型のものとＹ字型のものがあり、主管３ａと枝管３ｂの中心線のなす角は、ワーク３の作業座標系のＸ軸と枝管３ｂの中心線のなす角度であり、Ｔ字型は９１．１°、Ｙ字型は４５°および７５°である。
【００８１】
ここでは、ワーク３の溶接箇所６の座標を(Ｘ，Ｙ，Ｚ)、枝管３ｂの先端にとった溶接箇所６の座標を求めるための基準点６ｂの座標を（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）とする。
【００８２】
まず、枝管３ｂが主管３ａと重なっている状態、つまり、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線の角度が０°の状態を考える（図１４（ａ）参照）。この状態で、枝管３ｂ先端の円周上に点をとり、枝管３ｂの長さをｌｅ、枝管３ｂの半径をｒｅとする。また、枝管３ｂの円周上の点であることから、図１４（ｂ）に示した角度θｅを用いてＢ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）の座標をワーク３の作業座標系上で表わすと以下のようになる。
ｘｂ＝ｌｅ ・・・（７）
ｙｂ＝ｒｅｃｏｓθｅ ・・・（８）
ｚｂ＝ｒｅｓｉｎθｅ ・・・（９）
【００８３】
実際は、主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線は角度θａをなすことから、点Ｂをワーク３の作業座標系のＹ軸で回転させることにより基準点の座標が得られる。したがって、基準点の座標は、
ｘｂ＝ｘｂｃｏｓθａ＋ｚｂｓｉｎθａ ・・・（１０）
ｙｂ＝ｙｂ ・・・（１１）
ｚｂ＝−ｘｂｓｉｎθａ＋ｚｂｃｏｓθａ ・・・（１２）
となる。ここで、使用した枝管３ｂの円周上の点を表す角度θｅは、枝管３ｂの円周上の基準点６ｂの位置を表している。したがって、角度θｅによって枝管３ｂの円周上にある溶接箇所６の位置を特定することができ、この角度を変更することによって全ての溶接箇所６の位置を求めることができる。
【００８４】
次に、基準点６ｂの座標からワーク３の溶接箇所６の座標を求める。まず、ワーク３の主管３ａの中心線と枝管３ｂの中心線が角度をなすことから、中心線の角度をθａとすると以下の式を得ることができる。
(Ｘ−ｘｅ)ｔａｎθａ＝Ｚ−zｅ ・・・（１３）
【００８５】
また、ワーク３の溶接箇所６と基準点６ｂが枝管３ｂの表面上で直線で結べることから、次の式を得ることができる。
Ｙ＝ｙｅ ・・・（１４）
【００８６】
加えて、主管３ａの直径をｒとすると、ワーク３の溶接箇所６は必ず主管３ａ上にあることから、以下の式を得ることができる。
Ｚ２＋Ｙ２= ｒ２ ・・・（１５）
【００８７】
以上の（１３）、（１４）、（１５）式を解くことによって、ワーク３に設定した作業座標系の上での溶接箇所６の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は以下のように表される。
【数１】
【００８８】
ここで、溶接箇所６のＺ座標には、符号の異なる２つの値が得られる。しかし、溶接箇
所６は主管３ａの上側半分にしか存在しないことから、Ｚ座標の値は正の値を選べばよい。
【００８９】
〔三次元回転台の回転角度の計算方法〕
次に、三次元回転台１の回転角度の計算方法を説明する。
【００９０】
ワーク３の溶接箇所６に対する溶接トーチ４の傾きは、溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲを絶対座標系のＺ軸に対してＸＺ平面内で角度φ傾けることで作り出す。まず、上述した計算方法を用いてワーク３の溶接箇所６の座標を求める。ワーク３は三次元回転台１に取り付けられていることから、求めた溶接箇所６の座標を設定した絶対座標系の上で表わす。
【００９１】
本実施形態では、ワーク３の溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲが、目標ベクトルＲａに一致するための三次元回転台１の三軸の回転角度を、ワーク３の姿勢変更のための角度とした。
【００９２】
本実施形態で使用する三次元回転台１は、図１５（ａ）に示すような機構を備える。よって、方向ベクトルＲは三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転を用いることで、Ｚ軸の回転が加えられても、目標ベクトルの位置に移動させるようにワーク３の姿勢を変更することができる（図１５（ｂ）参照）。
【００９３】
ワーク３の溶接線７をＸＺ平面に移動させるための方向ベクトルＲ回りの回転θＲによってワーク３の姿勢を変更し、ワーク３の表面へのアーク４ａの影響を最小限にする場合、方向ベクトルＲ回りの回転角度は、三次元回転台１のＺ軸の回転角度として表わすことができる。このことから、三次元回転台１のＺ軸の回転角度をφｚとすると、
φｚ＝φＲ ・・・（１９）
と表わすことができる。
【００９４】
また、三軸の回転によってワーク３の姿勢変更を行なう場合、三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転によって方向ベクトルＲの向きを変更することができることから、ワーク３の姿勢をひとつに決定するために、三次元回転台１のＺ軸の回転を先に決定しておくことが必要となる。
【００９５】
ワーク３の姿勢変更において、目標ベクトルＲａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）は、絶対座標系のＺ軸と角度φをなすことと、角度φが絶対座標系のＸＺ平面内で構成されることから、Ｒａを以下のように表わすことができる。
（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）＝（ｓｉｎφ,０,ｃｏｓφ） ・・・（２０）
【００９６】
溶接箇所６に設定した方向ベクトルＲ（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）は、絶対座標系上で表されたワーク３の溶接箇所６の座標を(Ｘ,Ｙ,Ｚ)と、方向ベクトルＲの頂点Ｔ（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）から以下のように求められる。
ｘｒ＝ｘｔ−Ｘ ・・・（２１）
ｙｒ＝ｙｔ−Ｙ ・・・（２２）
ｚｒ＝ｚｔ−Ｚ ・・・（２３）
【００９７】
次に、方向ベクトルＲを目標ベクトルＲａの位置に移動させるための三次元回転台１の回転角度を求める。ここで、絶対座標系のＸ軸の回転角度をφｘ、Ｙ軸の回転角度をφｙとすると、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸による回転行列Ｒφｚ、Ｒφｙ、ＲφＲは、それぞれ以下のように表わされる。
【数２】
【００９８】
これら３つの回転行列を用いて、方向ベクトルＲを目標ベクトルＲａに一致させることから、以下の式を得ることができる。
Ｒａ＝ＲφｘＲφｙＲφＲＲ ・・・（２７）
【００９９】
この式を展開することによって、以下の３つの式を得ることができる。ここでは、ｓｉｎθｘをＳｘ、ｃｏｓθｘをＣｘと略して記載する。θｙ、θＲの正弦、余弦を表わす場合にも同様に略して記載した。
【数３】
【０１００】
これら３つの式をθｘ、θｙについて解くと、ワーク３の姿勢を変更する際の三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転角度を以下のように求めることができる。
【数４】
【０１０１】
（３１）、（３２）式で求めたＸ軸の回転角度とＹ軸の回転角度は±の符号に応じて、それぞれ２つの値が求められるが、三次元回転台１の可動範囲に含まれる値を取るように角度の選択を行なう。
【０１０２】
〔動作計画法〕
次に、本実施形態で提案する動作計画法における、ワーク３の姿勢を変更するための三次元回転台１の動作計画方法と、溶接トーチ４の位置を決定するための直交座標形マニピュレータ２の動作計画法について説明を行なう。
【０１０３】
また、本実施形態で提案する動作計画法では、以下に示す順番でワーク３の溶接動作を計画する。
（１）ワーク３の姿勢を決定するための、三次元回転台１の三軸の回転角度の計画
（２）姿勢を変更されたワーク３の溶接箇所６にトーチを当てるための、直交座標形マニピュレータ２の３つの直動スライダの平行移動距離と手先リンク２ｄの回転角度の計画
【０１０４】
〔三次元回転台の動作計画〕
三次元回転台１のＺ軸の角度を変数とすることで、Ｘ軸とＹ軸の角度の決定を行なう計算方法を説明した。この方法は、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を常に角度φだけ傾けて当てるための計算方法である（図９参照）。
【０１０５】
したがって、本実施形態では、（３２）、（３３）式から三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転角度を決定するために、まず、三次元回転台１のＺ軸の角度を決定しなければならない。その後、溶接箇所６の座標を座標変換によって求めることで、（ア）、（イ）式の判定を行なう。本実施形態では、図１６に示す手順によって三次元回転台１の動作計画を行なった。
【０１０６】
〔動作計画のための条件を満たすワークの姿勢の選択方法〕
本実施形態におけるワーク３の姿勢は、上述で示した三次元回転台１のＸ軸とＹ軸の回転角度の計算方法から、三次元回転台１のＺ軸の角度の値を決定することによって求めることができる。
【０１０７】
また、今回行なう動作計画法では、三次元回転台１の回転角度から座標変換によって溶接箇所６の座標を求めることによって、（ア）、（イ）式に示した溶接トーチ４を溶接箇所６に傾けて当てるための判定式と、溶接アーク４ａによる枠の表面への影響を抑えるための判定式を判定することができる。
【０１０８】
同様に、（ウ）、（エ）式に示した三次元回転台１の可動範囲の判定式も判定することができる。
【０１０９】
したがって、すべての条件の判定式を判定するためには、三次元回転台１のＺ軸の角度を決定しなければならない。よって、本実施形態で行なう動作計画では、まず、三次元回転台１のＺ軸が取り得る全ての回転角度において、（ア）、（イ）、（ウ）、（エ）式に示した判定式を満たすかどうかをワーク３の各溶接箇所６において判定し、全ての判定式を満たすワーク３の姿勢と、判定式をひとつでも満たさないワーク３の姿勢に分類する。その結果は、ｐｇｍ（ポータブルグレイマップ）形式のデータを用いて、二次元平面に画像データとして表した。
【０１１０】
ｐｇｍ形式の画像データでは、ひとつの数字が１ピクセルの色として認識され、ＧＩＭＰ（ＧＮＵ Ｉｍａｇｅ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ）等の画像の加工が行なえるソフトで読み込むことによって、画像として表示される。画像はグレイスケールとなるため、本実施形態では、数字の最大値を８として、数字が８のときは白色、０のときには黒色となるように設定した。本実施形態では、（ア）、（イ）、（ウ）、（エ）式で示した判定式全てを満たすワーク３の姿勢を示す領域１０の数値を７として薄い灰色、判定式をひとつでも満たさないワーク３の姿勢を示す領域１１の数値を８として白色で表した。
【０１１１】
本実施形態では、上述した枝管３ｂ上の基準点６ｂを求める方法で使用した、枝管３ｂの円周上の点を表わすための角度θｅを一度ずつ変更することによって、ワーク３の溶接箇所６の数を３６０箇所とした。また、ワーク３の各溶接箇所６で取り得るＺ軸の角度を０〜３５９°とした。
【０１１２】
したがって、今回は溶接箇所６が３６０箇所、それぞれの溶接箇所６でのワーク３の姿勢が３６０あることから、３６０ピクセル×３６０ピクセルのｐｇｍ画像を作成した。このｐｇｍ画像によって、溶接箇所６毎に３６０の異なるワーク３の姿勢を作り出し、そのワーク３の姿勢を、全ての判定式を満たすワーク３の姿勢と、そうでないワーク３の姿勢に分類を行なった結果を確認した。
【０１１３】
図１７で示したｐｇｍ画像では、全ての判定式を満たすワーク３の姿勢を示す領域を薄い灰色で表している。また、ひとつでも判定式を満たさない場合のワーク３の姿勢を示す領域を白色で表している。作成したｐｇｍ画像の縦軸は、上端から下端の方向へ溶接箇所６の数１〜３６０点目までを、横軸は、左端から右端の方向へ三次元回転台１のＺ軸の角度０〜３５９°までを表わしている。
【０１１４】
ここで、例として示した図１７におけるワーク３の形状は、主管３ａの直径８９（ｍｍ）、枝管３ｂの直径６３（ｍｍ）の場合の異径Ｔ字型の画像である。また、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てる際の溶接トーチ４が傾く角度は２０°、（ア）式の許容幅Ｌの値は０．０５（ｍｍ）である。
【０１１５】
また、本実施形態では、上述した判定式（ア）、（イ）、（ウ）、（エ）式を全て満たす場合のワーク３の姿勢を示す薄い灰色の領域を動作可能領域１０と呼称する。また、判定式をひとつでも満たしていない場合のワーク３の姿勢を示す白色の領域を動作不可能領域１１と呼称する。加えて、上述の三次元回転台１の可動範囲の説明において示したように、三次元回転台１のＺ軸は３６０°自由に回転させることができる。したがって、本実施形態で行なう動作計画法では、作成した全てのｐｇｍ画像の右端と左端は連続していると考える。
【０１１６】
ワーク３の全ての溶接箇所６を次々と連続して溶接するためには、ｐｇｍ画像に現れる動作可能領域１０が上端から下端まで連続して存在していることが望ましい。例として示した図１７のｐｇｍ画像においては、ｐｇｍ画像の右端と左端がＺ軸角度として連続していることから、動作可能領域１０は連続しているといえる。しかし、図１７に示すｐｇｍ画像から分るように、動作可能領域１０は幅を持っている。したがって、この幅の中からＺ軸角度をひとつに決定しなければならない。
【０１１７】
よって、本実施形態では、各溶接箇所の動作可能領域１０を構成する三次元回転台１のＺ軸の角度の最大値と最小値を調べ、それらの中点をとることでＺ軸の角度をひとつに決定した。図１８は、この方法で決定した三次元回転台１のＺ軸の角度を表す線１２を図１７に加えたｐｇｍ画像である。この画像では、決定した三次元回転台１のＺ軸の角度を示す線１２が、動作可能領域１０を表す薄い灰色の箇所の幅の中央を通っていることが確認できる。
【０１１８】
〔動作可能領域が不連続となる状況〕
異径Ｔ字型のワーク３の場合のｐｇｍ画像（図１７参照）では、動作可能領域１０が上端から下端まで連続している。これは、異径Ｔ字型の場合の溶接線７が枝管３ｂの円周に沿って円形になっているためである。しかし、同径管の場合は、図１９に示すように、溶接線７が側面で９０°に屈折する。このような場合、溶接線７が屈折する溶接箇所６に溶接トーチ４を当てた際は、それまで溶接を行なっていた溶接線７に対して９０°方向の異なる位置に次の溶接箇所６の位置とすることになる。したがって、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６ａの座標が（イ）式を満たすように動作計画を行った場合、次の溶接箇所６ａの位置がＸＺ平面上に位置するようにするためには、溶接線７が屈折する箇所で三次元回転台１のＺ軸の角度を９０°回転させなければならない。
【０１１９】
また、三次元回転台１のＺ軸の角度が大きく変更されるため、Ｘ軸とＹ軸の回転角度も大きく変更される。したがって、溶接線７の屈折がある同径のワーク３では、全ての溶接箇所６に動作可能領域１０は存在するが、動作可能領域１０は途中で分断された状態となる。また、動作可能領域１０内で三次元回転台１のＺ軸を決定したとしても、決定したＺ軸角度を表わすわ線は途中で不連続になってしまう（図２０参照）。
【０１２０】
また、（ウ）、（エ）式を満たす状態、つまり、三次元回転台１の可動範囲内でワーク３の姿勢変更を行ったとしても、（ア）、（イ）式を満たさない場合が考えられる。そのような場合には、溶接箇所６に動作可能領域１０が存在しない範囲を持つ（図２１参照）。したがって、動作可能領域１０を持たない溶接箇所６が存在する場合にも動作可能領域１０は不連続となり、決定したＺ軸角度を表す線も不連続となる。
【０１２１】
以上のことから、ワーク３の溶接動作計画を行なうためには、動作可能領域１０が上端から下端まで連続して存在し、かつ、決定したＺ軸角度を表す線の連続で存在できるようなｐｇｍ画像を作成しなければならない。そのため、本実施形態では、（ア）式の許容幅Ｌを変更したｐｇｍ画像を作成した。
【０１２２】
図２２は、直径１４０（ｍｍ）の同径Ｔ字型のワーク３において、（ア）式の許容幅Ｌを０．０５（ｍｍ）、１．５（ｍｍ）とした場合のそれぞれのｐｇｍ画像である。図２２（ａ）では動作可能領域１０は不連続であり、決定したＺ軸角度を表す線１２が連続になるように引くことはできないが、図２２（ｂ）では、許容幅Ｌを広げることによって（ア）式を満たすワーク３の姿勢が増加したため、動作可能領域１０は連続で存在し、決定したＺ軸角度の線１２も引くことができる。
【０１２３】
しかし、（ア）式の許容幅Ｌを広げるということは、ワーク３の溶接動作計画において、アーク４ａの溶解作用によるワーク３の表面への影響を増大させるということである。よって、本実施形態では、アーク４ａの溶解作用によるワーク３の表面への影響を極力小さくするために、（ア）式の許容幅Ｌが異なる２つのｐｇｍ画像を重ね合わせた画像（図２３参照）を作成した。
【０１２４】
このｐｇｍ画像は、３つの異なる領域を持つため、三色にわけられている。一つめは、図２２の（ａ）と（ｂ）の両方の画像で動作可能領域１０となる領域を表している薄い灰色の領域である。二つめは、許容幅Ｌの値を大きくした図２２（ｂ）の画像でのみ動作可能領域１０となる濃い灰色の領域である。三つめは、図２２の（ａ）と（ｂ）の両方の画像で動作不可能領域１１となる白色の領域である。本実施形態では、以後、２つのｐｇｍ画像を重ね合わせた画像においても薄い灰色で表される領域を動作可能領域１０、白色で表される領域を動作不可能領域１１と呼称する。また、濃い灰色で表される領域を、条件付き動作可能領域１０ａと呼称する。
【０１２５】
本実施形態では、まず、動作可能領域１０内で三次元回転台１のＺ軸の角度を決定し、動作可能領域１０が不連続となる箇所でのみ、条件付き動作可能領域１０ａ内で三次元回転台１のＺ軸の角度を決定する。この方法によって、アーク４ａの溶解作用によるワーク３の表面への影響を極力抑えることができる。
【０１２６】
〔動作可能領域が不連続となる場合の三次元回転台の角度の決定方法〕
次に、（ア）式の許容幅Ｌが小さい値の場合にワーク３の溶接線７が屈折していることや、三次元回転台１の動作範囲によって動作可能領域１０が存在しないことで動作可能領域１０が不連続となる場合の、三次元回転台１のＺ軸の角度の計画方法について説明を行なう。
【０１２７】
ｐｇｍ画像の動作可能領域１０が不連続となる場合、本実施形態では、三次元回転台１のＺ軸の角度を条件付き動作可能領域１０ａから決定する。その決定方法として、条件付き動作可能領域１０ａを通って動作可能領域１０を結ぶ直線を引き、その直線に沿ってＺ軸角度を決定した。
【０１２８】
直線を引くためには、まず、作成したｐｇｍ画像を図２４に示すような二次元の座標系として考える。この二次元座標系では、Ｘ軸が三次元回転台１のＺ軸の角度、Ｙ軸がワーク３の溶接箇所の位置を表している。三次元回転台１のＺ軸の角度を決定するための直線１３は、この二次元座標系において、一次関数の直線として表わすことができる。
【０１２９】
本実施形態では、この直線１３を引くために、直線１３の傾きの値と、直線１３の通過点を二次元座標系上で決定した。直線１３の傾きの値は、直線１３に沿ってＺ軸の角度を決定した場合に、溶接箇所６が一点移動した際のＺ軸の角度の変化量を決定する。
【０１３０】
本実施形態では、溶接箇所６を移る際の移動時間を１．０（ｓ）、三次元回転台１の動作する速度を２．０（°／ｓ）と設定し、この条件から求めた角度の変化量の最大値は２．０°とした。したがって、本実施形態では、角度の変化量が２．０°となるように直線１３の傾きを０．５と設定した。また、直線１３の通過点を決めることによって、二次元座標系上における直線１３の位置を決定する。以後は、引く直線１３が必ず通る点を、直線１３を引くための基準点１３ｃと呼称し、その二次元座標系上での座標を（ＸＰ，ＹＰ）とする。
【０１３１】
三次元回転台１のＺ軸は、３６０°自由に回転できるようになっている。したがって、図２３に示したようなｐｇｍ画像の場合、三次元回転台１のＺ軸の角度を決定するための直線は、Ｚ軸の角度が０°となる箇所を経由して２つの動作可能領域１０を結ぶ（図２５参照）。
【０１３２】
また、図２６に示すように、動作不可能領域１１によって動作可能領域１０が分断されている場合は、動作不可能領域１１を避けるように２つの動作可能領域１０を結ぶ必要がある。図２７は、三次元回転台１のＺ軸の角度の決定を行なうための直線１３を引く手順を表わすフローチャートである。
【０１３３】
ここからは、図２７に示した手順にしたがって、直線１３を引くための方法について説明を行なう。最初に、直線１３の基準点１３ｃの位置の決定方法について説明を行なう。
【０１３４】
Ｚ軸の角度が０°の箇所を経由して動作可能領域１０を直線１３で結ぶ場合（図２５参照）は、直線１３の基準点１３ｃのＸ座標ＸＰを０とする。しかし、図２８に示すように、Ｚ軸角度が０°となる位置を示す直線１３上には濃条件付き動作可能領域１０ａの幅がある。したがって、基準点を（０，ＹＰ）とした時のＹ座標の値ＹＰは、複数存在することになる。したがって、直線１３を引くための基準点１３ｃを一点に決定するためには、ＹＰを決定しなければならない。
【０１３５】
本実施形態では、ＹＰを更に２本の直線１３ａ，１３ｂを引くことによって決定した（図２９参照）。ここで用いた２本の直線１３ａ，１３ｂは、図２９に示すように、動作不可能領域１１と条件付き動作可能領域１０ａの境界となる位置にある点１３ｄ，１３ｅを通過点として引く。これらの２本の直線１３ａ，１３ｂにおいてＸ座標を０°としてＹ座標を求めると、それら２つのＹ座標の幅は、Ｚ軸角度を決定するための直線１３を、動作不可能領域１１内を通らない状態で引くことができるＹ座標の幅を表わす。したがって、これらの２本の直線１３ａ，１３ｂ上でＸＰ＝０となるＹ座標の値の中点を、ＹＰの値とした（図３０参照）。
【０１３６】
また、図２６のような動作可能領域１０が存在しない範囲を持つ場合も、直線１３に沿ってＺ軸の角度を決定する。直線は、基準点１３ｃ（ＸＰ，ＹＰ）を二次元座標系上で決定することで引く。まず、基準点１３ｃのＸ座標の値ＸＰを決定する。動作可能領域１０の中点をとることでＺ軸の角度を決定した場合、不連続となる箇所が２箇所あることになる（図３１参照）。本実施形態では、その２箇所のＸ座標の幅の中点をＸＰの値とする。
【０１３７】
次に、基準点１３ｃのＹ座標ＹＰを決定する。図３２に示すように、決定した基準点のＸ座標ＸＰにおいて、条件付き動作可能領域１０ａとなるＹ座標の値には幅がある。よって、本実施形態では、Ｙ座標の幅の最大値と最小値を取り、それらの中点をとることで基準点のＹ座標ＹＰの値を決定した。
【０１３８】
本実施形態では、動作可能領域１０の中点を取る方法と、直線１３に沿う方法の２つの方法によってＺ軸の角度を決定する。動作計画ではこれらの２つの方法を切替えながら三次元回転台１のＺ軸の角度を決定することによって、ワーク３表面へのアーク４ａによる影響を抑えることができる。
【０１３９】
本実施形態では、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と動作可能領域１０の交点を二次元座標系上で求め、その交点の位置でＺ軸の角度を求める２つの方法を切替えた。また、直線１３は、動作可能領域１０と動作可能領域１０を結ぶため、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と動作可能領域１０の交点は２箇所求める。
【０１４０】
まず、１箇所目の交点を求める。直線１３の基準点１３ｃのＹ座標ＹＰから直線に沿ってＹＰを１ずつ加算して行く。それぞれのＹＰの値の位置では、そのときのＸ座標の値ＸＰと、現在のＹＰに１を加算したＹ座標の位置における動作可能領域１０の中点をとることによって求めたＸ座標を求め、それらの値の差の絶対値をとる（図３３（ａ）参照）。この値が、直線１３の傾きを決定する際に用いた三次元回転台１の角度の変化量２．０°以下ならば、三次元回転台１のＺ軸の角度が連続となっていると判断し、交点のＹ座標を現在のＹ座標の値ＹＰとする。決定したＹ座標の位置は直線１３上であるので、直線１３にしたがってＸ座標を決めることができ、その点（ＸＰ，ＹＰ）を直線１３に沿ったＺ軸の角度決定が開始される交点であるとする。
【０１４１】
また、２箇所目の交点は、直線１３の基準点１３ｃの位置からＹＰの値を１ずつ減少させ、それぞれのＹＰの値の位置において直線１３上のＸ座標ＸＰと、現在のＹＰから１を減算したＹ座標の位置における動作可能領域１０の中点を取ったＸ座標を求め、それらの値の差の絶対値をとる（図３３（ｂ）参照）。この値が三次元回転台１の回転速度から決定した角度の変化量２．０°以下ならば、三次元回転台１のＺ軸の角度が連続していると判断して、交点のＹ座標の値を現在のＹＰの値とする。正の方向の交点を求めた時と同様に、決定したＹ座標での位置は直線１３上となるので、２箇所目の交点のＸ座標は、直線１３の式からＸＰを求めることができる。
【０１４２】
次に、直線１３の位置変更について説明する。Ｚ軸角度を決定するための直線１３上に動作不可能領域１１がある場合、直線１３に沿ってＺ軸角度を決定することができない。そのため、動作不可能領域１１を回避するように直線１３の基準点１３ｃの位置を変更することにした。また、本実施形態では、直線１３のどの範囲で動作不可能領域１１を検出したかによって、直線１３の基準点１３ｃを移動させる方向を決定した。
【０１４３】
ここでは、図２５および図２６に示した直線１３において、直線１３の基準点１３ｃの位置を境界として基準点１３ｃよりもＸ座標の値が大きい右側の部分と、Ｘ座標の値が小さい左側の部分にわけて考えた。
【０１４４】
本実施形態でＺ軸の角度の決定のために引く直線１３は、傾きが正の値であるため、二次元座標系で見ると右上りの直線１３となる。したがって、基準点１３ｃよりも右側の位置で動作不可能領域１１を検知した場合には、基準点１３ｃを二次元座標系のＹ軸の負の方向に移動させ、直線１３の基準点１３ｃよりも左側の位置で動作不可能領域１１が検知された場合には、二次元座標系のＹ軸の正の方向に移動させる。これによって、直線が動作不可能領域１１を回避できる可能性が高いと考えた。
【０１４５】
しかし、動作不可能領域１１の位置によっては、基準点１３ｃの位置を変更しても直線１３が動作不可能領域１１を回避できないことも考えられる。よって、そのような場合には直線１３の傾きを小さくすることで直線を水平に近くし、次の溶接箇所６ａに移る際のＺ軸の角度の変化量を大きくすることによって、動作不可能領域１１を回避できるようにした。
【０１４６】
しかし、Ｚ軸角度を決定するための直線１３を移動した場合、動作不可能領域１１を回避できたとしても、動作可能領域１０と交わらなくなってしまうことが考えられる。図３４中のＡに示すように、動作可能領域１０の形状が曲線状になっている場合には、直線１３を引くための基準点１３ｃの位置によっては、直線１３と動作可能領域１０とが交わらない。このような状態においても、Ｚ軸角度を決定するため、本実施形態では、直線１３と動作可能領域１０の交点がない場合、図３５に示すような二次元座標系において、Ｙ軸に平行な直線１４を用いてＺ軸の角度の決定を行った。
【０１４７】
Ｚ軸角度を決定するための直線１３が動作可能領域１０と交わらない場合に、この直線１３と動作可能領域１０を結ぶＹ軸に平行な直線１４は、以下の手順で設定する。
（１）動作可能領域１０の不連軸においてＺ軸の角度を決定するための直線１３と、動作可能領域１０との交点が無い場合、動作可能領域１０が不連続となる点からＹ軸に平行な直線１４を引く。
（２）Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と、Ｙ軸に平行な直線１４の交点を求める。
（３）動作可能領域１０が不連続となる点から、上記（２）で求めた交点までの間で、動作不可能領域１１が無いことを確認する。
【０１４８】
Ｙ軸に平行な直線１４上に動作不可能領域１１が検知された場合、この直線１４の位置を不連続となる点の位置からＸ軸の正の方向へ移動する。図３５の場合、Ｙ軸に平行な直線１４を画像の右方向に移動する。この方法を用いることによって、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と動作可能領域１０が動作不可能領域１１によって分断されているような状況であっても、Ｚ軸の角度を決定することができる。
【０１４９】
図３７は、条件付き動作可能領域１０ａを通過する直線１３を用いて、Ｚ軸角度を決定した様子を示したｐｇｍ画像である。この画像では、Ｚ軸角度の決定に用いたｐｇｍ画像に、動作可能領域１０の中点をとることで決定したＺ軸角度を表わす線１２と、条件付き動作可能領域１０ａを通過する直線によって決定したＺ軸角度の線１３を加えている。
【０１５０】
〔直交座標形マニピュレータ２の動作計画〕
本実施形態で行なう直交座標形マニピュレータ２の動作計画では、マニピュレータ２の手先リンク２ｄに鉛直下向きに取り付けられた溶接トーチ４の先端を姿勢変更後のワーク３の溶接箇所６に当てる動作の計画を行なう。また、マニピュレータ２の手先リンク２ｄの動作計画を行ない、溶接動作中に溶接トーチ４や手先リンク２ｄとワーク３および三次元回転台１とが接触しないような動作の計画を行なう。加えて、本実施形態では、ワーク３の溶接箇所６全てに溶接トーチ４を当てるために、ワーク３の溶接箇所６全てが溶接トーチ４の移動できる範囲内に位置するように、三次元回転台１と直交座標形マニピュレータ２の位置関係を決定した。
【０１５１】
まず、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの動作計画について説明を行なう。
【０１５２】
本実施形態では、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６を結んだ線分に、溶接トーチ４を沿わせるように手先リンク２ｄの角度を変更することによって、マニピュレータ２の手先リンク２ｄや溶接トーチ４とワーク３の枝管３ｂとの接触の可能性を抑えることができると考えた。この方法における手先リンク２ｄの角度は、図３８に示す角度φａによって表される。この角度は絶対座標系のＸＹ平面上で求めることができる。
【０１５３】
上述した直交座標型マニピュレータ２の機構から、手先リンク２ｄの初期位置は、絶対座標系のＹ軸の正の方向に一致している。したがって、絶対座標系のＹ軸と２つの溶接箇所６を結んだ線分のなす角度を手先リンク２ｄの回転関節２ｅの角度として求めることができる。
【０１５４】
このように、手先リンク２ｄの回転関節２ｅの角度を変更することによって、溶接トーチ４は、ワーク３の枝管３ｂを回り込むように動作することができる（図３９参照）。したがって、本実施形態では、この方法を用いて、ワーク３の枝管３ｂと直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄおよび溶接トーチ４とが接触することを回避する。
【０１５５】
しかし、ワーク３は、三次元回転台１のチャック１ｄに固定されているため、図４０に示すように、ワーク３の枝管３ｂが鉛直上向きに向くような姿勢になった場合に、チャック１ｄとワーク３の枝管３ｂの間が狭くなる。そのため、枝管３ｂを回り込むように手先リンク２ｄが動いた場合に、図４０中でｇａｐとして示した幅には、手先リンク２ｄが入れない可能性が考えられる。また、ワーク３を固定するためのチャック１ｄが大きいため、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄがチャック１ｄ上を通過することができない状況も存在すると考えられる（図４１参照）。このような場合に、本実施形態では、チャック１ｄを回避するために、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの角度を決定する方法を変更した。
【０１５６】
手先リンク２ｄの回転関節２ｅの回転角度を決定するための２つ目の方法は、現在の溶接箇所６と次の溶接箇所６を結んだ線分と手先リンク２ｄが９０°の角度をなすように手先リンク２ｄの回転関節２ｅの回転角度を決定する方法である。
【０１５７】
この方法で決定する手先リンク２ｄの回転関節２ｅの回転角度は、図４２に示した角度φＬで表される。この角度を手先リンク２ｄの回転関節２ｅの回転角度とすることで、枝管３ｂとチャック１ｄとが近接した箇所に手先リンク２ｄが入り込むことなく、枝管３ｂの上から溶接箇所６に溶接トーチ４を当てることができる（図４０参照）。本実施形態では、この方法によって、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄと、三次元回転台１のチャック１ｄとの接触を回避する。
【０１５８】
ワーク３の溶接箇所６を溶接して行く順番は、まず、ワーク３の側面の溶接箇所６から溶接を開始し、チャック１ｄに近い方向の溶接箇所６から次々と溶接していく。そして、溶接を開始した側面の裏側の側面の溶接箇所６を経由して、溶接を開始した溶接箇所６に戻って来る。
【０１５９】
溶接動作の前半は、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄがチャック１ｄに近接しているため、手先リンク２ｄとチャック１ｄの接触の可能性が高い。したがって、本実施形態では、チャック１ｄとの接触を回避するために、溶接動作の前半となる溶接開始点からその裏側の点までの間、溶接線７と９０°の角度をなすように、手先リンク２ｄの角度を決定する。溶接動作の後半となる裏側の点から溶接の開始点までの間では、溶接線７に沿うように手先リンク２ｄの回転関節２ｅの角度を決定する。
【０１６０】
これら２つの方法では、溶接線７と手先リンク２ｄの回転関節２ｅのなす角度が９０°異なる。これら２つの方法は、溶接を開始する溶接箇所６の裏側の溶接箇所６で切替えられる。２つの方法を切替える溶接箇所６に溶接トーチ４を合わせた場合、同径管では、溶接線７に溶接トーチ４が沿うように手先リンク２ｄが位置する（図４３（ａ）参照）。そのため、溶接線と手先リンク２ｄが９０°をなす状態から溶接線７に沿う状態に切替えた際にそのまま溶接線７に沿うことができる。
【０１６１】
しかし、異径管の場合は、手先リンク２ｄが溶接線７に沿うような状態ではない（図４３（ｂ）参照）。したがって、手先リンク２ｄの角度を決める方法を切替えた際に、溶接線７に沿うために角度が大きく変化してしまう。これを防ぐために、異径管の溶接動作では、全ての溶接箇所６において、溶接線７と手先リンク２ｄが９０°の角度をなす状態で溶接動作を行なう。
【０１６２】
次に、直交座標形マニピュレータ２と三次元回転台１の位置関係について説明を行なう。
【０１６３】
全てのワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てるためには、ワーク３の溶接箇所６全てが直交座標形マニピュレータ２によって溶接トーチ４の先端が移動できる範囲内になければならない。上述した三次元回転台１の機構から、三軸によるワーク３の姿勢変更を行った場合に、Ｚ軸の回転軸を中心としてワーク３の溶接箇所６の位置が変更される。したがって、本実施形態では、まず、直交座標形マニピュレータ２の動作によって溶接トーチ４の先端が移動できる範囲を求め、その範囲の中央に三次元回転台１を設置した。
【０１６４】
溶接トーチ４の移動できる範囲は、３つの直動スライダ２ａ，２ｂ，２ｃの平行移動距離０（ｍｍ）、手先リンク２ｄの回転角度を０°とした場合の溶接トーチ４の位置を原点としている。直交座標形マニピュレータ２の可動範囲から求めた溶接トーチ４の移動できる範囲を図４４に示す。図４４（ａ）は、絶対座標系のＸ軸の正の方向から見た画像であり、溶接トーチ４がＹ軸方向とＺ軸方向に移動できる範囲を表している。Ｙ軸の正の方向とＺ軸の正の方向へは４００（ｍｍ）移動することができる。また、図４４（ｂ）は、直交座標形マニピュレータ２を絶対座標系のＺ軸の正の方向から見た画像であり、溶接トーチ４がＸ軸方向に移動できる範囲を表している。Ｘ軸方向の移動範囲は、直動スライダ２ａの可動範囲は４００（ｍｍ）となるが、手先リンク２ｄが回転関節によって正の方向、負の方向共に９０°まで回転することができるため、手先リンク２ｄの長さを含めて６００（ｍｍ）の幅を持つ。
【０１６５】
以上に示した溶接トーチ４が移動できる範囲の中央に、三次元回転台１の作業座標系の原点となる架台の中央が位置するように三次元回転台１を設置した。
【０１６６】
〔動作計画実験〕
本実施形態では、作成した動作計画プログラムを用いて、Ｔ字型やＹ字型のワーク３に対する動作計画実験を行なった。加えて、溶接動作確認用シミュレータを用いて計画した動作の状況を表示し、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄや溶接トーチ４と、三次元回転台１およびワーク３の動作中の接触の有無について目視で確認を行なった。
【０１６７】
〔溶接動作計画を行なうワークの形状〕
今回行なった動作計画実験で設定したワーク３であるアルミ管の形状には、主管３ａと枝管３ｂのなす角度の違いと、主管３ａと枝管３ｂの直径の違いを考えて以下の６種類を設定した。
（１）同径Ｔ字型（角度９１．１° 管直径１４０（ｍｍ））
（２）異径Ｔ字型（角度９１．１° 主管直径８９（ｍｍ） 枝管直径６３（ｍｍ））
（３）同径Ｙ字型（角度７５° 管直径８９（ｍｍ））
（４）同径Ｙ字型（角度４５° 管直径１１４（ｍｍ））
（５）異径Ｙ字型（角度７５° 主管直径１１４（ｍｍ） 枝管直径８９（ｍｍ））
（６）異径Ｙ字型（角度４５° 主管直径８９（ｍｍ） 枝管直径６３（ｍｍ））
【０１６８】
これら６種類のワーク３について、自動溶接作業装置による自動溶接の動作の計画と、動作確認用シミュレータによる計画された動作の表示を行なった。
【０１６９】
本実施形態で提案する動作計画法では、動作計画のパラメータとして、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を傾けて当てる際の角度を決定する必要がある。今回行なった溶接動作計画実験では、この角度を１０°、２０°、３０°とした場合の動作計画を行なった。
【０１７０】
また、ワーク３が同径管である場合に、２つのｐｇｍ画像を重ねる場合は、各ワーク３の形状において、上端から下端まで動作可能領域１０が連続するようになる最低限の許容幅を調査し、調査した許容幅で作成したｐｇｍ画像と許容幅０．０５（ｍｍ）で作成したｐｇｍ画像の２つを重ねて用いた。
【０１７１】
各形状のワーク３の動作計画実験では、動作確認用シミュレータを用いて計画された溶接動作の表示を行なった。また、計画された溶接動作の表示中に動作確認用シミュレータの動作の再生を途中で停止させて視点を変更することによって、溶接トーチ４や直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの位置、ワーク３の姿勢および三次元回転台１のフレームの位置を確認することで、それらの機材が接触していないことの確認を行なった。
【０１７２】
〔動作確認用シミュレータによる動作の再現方法と機能〕
図４５は、本実施形態で作成した動作確認用シミュレータの画面である。動作確認用シミュレータでは、ＯｐｅｎＧＬを用いた３Ｄ−ＣＧで直交座標形マニピュレータ２、三次元回転台１、ワーク３の描画を行ない、表示・再生している動作を途中で停止する機能と、視点の位置を変更する機能を持たせた。動作確認用シミュレータの画面は、三次元回転台１に取り付けられたワーク３を中心としている。また、ズーム機能も備え、ズームさせることで、画面の中心部分を拡大することができる。これらの機能は、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４が傾けて当てられていることや、溶接トーチ４および手先リンク２ｄとワーク３あるいは手先リンク２ｄと三次元回転台１との接触の有無を確認するためのものである。したがって、本実施形態で行なう動作計画では、これらの機能を用いて、各溶接箇所６におけるワーク３の姿勢と直交座標形マニピュレータ２の動作の確認および各機材の接触の有無を目視によって確認する。
【０１７３】
動作確認用シミュレータを用いて計画された動作の表示を行なうためには、各溶接箇所６の三次元回転台１の三軸の回転角度、直交座標形マニピュレータ２を構成する直動スライダ２ａ，２ｂ，２ｃの平行移動距離、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの回転角度の値を使用する。したがって、本実施形態では、動作計画プログラムによる動作計画の結果として、動作確認用シミュレータによる動作の表示に必要な値をひとつのファイルに出力している。動作確認用シミュレータでは、出力されたファイルを読み込むことで計画された動作を表示する。
【０１７４】
〔実験結果と考察〕
動作計画実験の結果と計画された動作の様子を示す。また、動作計画実験では、動作計画プログラムの実行時間についても検証を行った。
【０１７５】
まず、実験概要で示した形状の異なる６種類のワーク３についてｐｇｍ画像の作成を行った結果を図４６〜図４８に示す。なお、掲載するｐｇｍ画像には、計画された三次元回転台１のＺ軸の角度を表す線１２を加えて示した。また、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を当てる際の溶接トーチ４を傾ける角度は２０°である。
【０１７６】
図４６は、同径と異径のＴ字型の動作計画結果を表したｐｇｍ画像である。Ｔ字型の場合には、同径管の場合のみ（５）式の許容幅Ｌを変更して作成したｐｇｍ画像を２つ重ねて使用した。ｐｇｍ画像を作成する際の許容幅は、０．０５（ｍｍ）と１．５（ｍｍ）であり、動作可能領域１０と、条件付き動作可能領域１０ａからＺ軸角度を決定した。また、異径管の場合の許容幅は０．０５（ｍｍ）である。
【０１７７】
図４６（ａ）の同径Ｔ字型の場合では、上述した同径管の側面の溶接線７の屈折による動作可能領域１０の不連続を、条件付き動作可能領域１０ａを通過する直線１３に沿ってＺ軸角度の決定を行なうことによって、全ての溶接箇所６のＺ軸角度の決定が行なえていることが確認できる。また、図４６（ｂ）の異径Ｔ字型の場合には、動作可能領域１０内からＺ軸角度の決定が行なえていることが確認できる。
【０１７８】
図４７は、中心線の角度が７５°の場合のＹ字型の動作計画結果である。このワーク３の場合は、Ｔ字型の場合と同様に同径管でのみｐｇｍ画像を２つ重ね合わせて動作計画を行った。同径管の場合の許容幅は０．０５（ｍｍ）と１．２（ｍｍ）である。異径管の場合は異径Ｔ字型と同様に０．０５（ｍｍ）である。図４７（ａ）の角度７５°の同径Ｙ字型の場合は、同径Ｔ字型の動作計画結果と同様に、上述した溶接線７の屈折による動作可能領域１０の不連続が見られるため、条件付き動作可能領域１０ａを通過する直線１３によって動作可能領域１０を結ぶことで全ての溶接箇所６のＺ軸の角度を決定できている。
【０１７９】
また、図４７（ｂ）の角度７５°の異径Ｙ字型の場合にも、異径Ｔ字型と同様に動作可能領域１０の中点をとることによって全ての溶接箇所６のＺ軸の角度を決定できている。
【０１８０】
図４８は、中心線の角度が４５°のＹ字型の動作計画結果である。４５°のＹ字型の場合には、三次元回転台１の可動範囲によって動作可能領域１０が存在しない箇所が現れている。したがって、同径、異径にかかわらず（ア）式の許容幅Ｌを変更した２つのｐｇｍ画像を重ねて使用した。許容幅は同径管、異径管どちらの場合も０．０５（ｍｍ）と１．２（ｍｍ）である。図４８（ａ）に示す角度４５°の同径Ｙ字型の場合には、上述した同径管の場合の溶接線７の屈折と、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の不連続を、条件付き動作可能領域１０ａを通る直線１３によって接続した動作を計画している。
【０１８１】
また、図４８（ｂ）に示した角度４５°の異径Ｙ字型の場合にも、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の不連続を、条件付き動作可能領域１０ａを通る直線１３によって接続してＺ軸の角度を決定できていることが確認できる。また、図４９は、図４８（ｂ）に示した４５°の異径Ｙ字型の場合の動作結果の画像において、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の不連続箇所を拡大した画像である。図４９中のＢでは、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３と動作可能領域１０との交点がないため、上述で計画したＹ軸に平行な直線１４を用いてＺ軸の角度を決定した様子を確認することができる。
【０１８２】
本実施形態で行った動作計画実験では、実験の概要で示した全ての形状のワーク３において、溶接動作の計画を行なうことができた。また、動作可能領域１０の不連続があった場合には、条件付き動作可能領域１０ａを通る傾き０．５の直線１３を用いてＺ軸の角度の決定が正しく行われていることが確認できた。
【０１８３】
しかし、角度４５°の同径Ｙ字型の動作計画結果において、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の存在しない範囲において決定したＺ軸の角度を表す直線１２を見ると、動作不可能領域１１と条件付き動作可能領域１０ａの境界付近を通っていることが確認できる（図５０参照）。
【０１８４】
このように、Ｚ軸角度を決定した場合、溶接動作では、三次元回転台１の可動範囲内と可動範囲外の境界となる付近で動作していることになる。そのため、不慮の異常動作などでワーク３の姿勢が変更された場合、三次元回転台１の可動範囲を越えてしまうことが考えられる。このような事態があった場合、アーク４ａが溶接箇所６以外に当たってしまう可能性が考えられる。
【０１８５】
したがって、決定したＺ軸の角度の直線のＸ座標の±１０°の範囲内に動作不可能領域１１がある場合には、Ｚ軸の角度を決定するための直線１３の位置を動作不可能領域１１から遠ざかる方向に移動させることで位置を変更し、動作不可能領域１１と条件付き動作可能領域１０ａとの境界付近でのＺ軸角度の決定を控えるような動作計画が必要ではないかと考えられる。図５０中のＣに示すように、直線１３の基準点よりも右側で動作不可能領域１１が直線１３の付近にある場合には、動作不可能領域１１から遠ざけるために直線１３を下の方向へ移動させる。
【０１８６】
次に、動作計画プログラムの実行時間の測定について説明を行なう。本実施形態では、実行に必要な時間が最も少ないと考えられる異径Ｔ字型の場合と、実行に必要な時間が最も多いと考えられる中心線の角度４５°の同径Ｙ字型の場合について計測を行なった。動作計画プログラムは、Ｄｅｂｉａｎ Ｌｉｎｕｘ（登録商標）上で作成し、実行時間の計測に用いたコンピュータのＣＰＵは、ＩＮＴＥＬ Ｃｅｌｅｒｏｎ ｄ ２．１３ＧＨｚ（登録商標）、メモリは５１２ＭＢ、使用したコンパイラはｇｃｃ（ＧＮＵ Ｃｏｍｐｉｌｅｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）バージョン ３．３．５である。また、コンパイルオプションとして−Ｏ２オプションを付けて最適化を行なっている。
【０１８７】
まず、最も計算プロセスが少ないと考えられる異径Ｔ字型の動作計画にかかった時間は４７．２４１（ｓ）であった。また、最も計算プロセスが多いと考えられる４５°の同径Ｙ字型の動作計画の時間は８３．４０４（ｓ）であった。このように動作計画にかかる時間に差があるのは、動作可能領域１０の不連続の有無が関係していると考えられる。また、最も時間が必要となる角度４５°の同径Ｙ字型においてでも約８３（ｓ）であることから、作成した動作計画プログラムを用いて十分に実用的な時間でワーク３の溶接動作の計画が行なえる。
【０１８８】
〔動作確認用シミュレータによる動作確認〕
動作計画を行った６種類のワーク３の中で角度４５°の同径Ｙ字型における動作計画実験の結果を動作確認用シミュレータで表示した様子を示す。この動作計画では、溶接線７の屈折によって動作可能領域１０が不連続になる箇所と、三次元回転台１の可動範囲によって動作可能領域１０が不連続になる箇所を直線で結んでＺ軸の角度を決定した様子が確認できる。そのため、本実施形態で行われた三軸の回転による溶接動作計画プログラムで使用したＺ軸角度の計画方法をすべて確認することができた。
【０１８９】
図５１〜図５３は、動作確認用シミュレータで動作を表示した際の様子を示した画像である。これらの画像は、上述した絶対座標系のＸ軸の負の方向から見た様子である。また、これらの画像では、時間の経過をアルファベット順で表し、図５１、図５２、図５３の順に連続して溶接動作を表している。加えて、同じ動作の様子を別の視点から確認した画像を、時間を表すアルファベットに「‘」を付けた画像で同時に示した。この画像は、溶接トーチ４と手先リンク２ｄが、ワーク３や三次元回転台１と接触していないことが確認できる位置に視点を移して動作確認を行ったものである。
【０１９０】
図５１〜図５３の全体を通して三次元回転台１の動作を見ると、Ｚ軸の回転がほぼ一周していることが確認できた。また、図５１（Ｃ）〜図５２（Ｆ）までの間では、三次元回転台１のＺ軸の角度が大きく変化している。このＺ軸の角度の変化は、溶接線７の屈折による動作可能領域１０の不連続箇所において、条件付き動作可能領域１０ａを通る直線１３で結んでＺ軸の角度の決定を行った際の様子である。ここでは、傾き０．５の直線に沿ってＺ軸の角度が決定されているため、溶接箇所６がひとつ変わる毎にＺ軸の角度が２．０°変化する。そのため、Ｚ軸の角度が大きく変化している。同様に図５２（Ｇ）〜図５３（Ｊ）の間でのＺ軸の角度の大きな変化は、三次元回転台１の可動範囲による動作可能領域１０の不連続箇所を直線で結んでＺ軸角度を決定した様子である。ここでも、Ｚ軸の角度が直線１３に沿って決定されており、溶接箇所６の位置がひとつ変わるごとにＺ軸角度が２．０°変化するために、Ｚ軸のモータ１ｃが大きく回転している。
【０１９１】
次に、直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄの動作について説明を行なう。図５１（Ａ）〜図５２（Ｆ）の間では、ワーク３の姿勢変更によって三次元回転台１のチャック１ｄが上方に回転してくる。したがって、上述したチャック１ｄを回避するために計画した通りに、手先リンク２ｄは、溶接線７に対して９０°の角度を保って動作している。
【０１９２】
また、図５２（Ｇ）〜図５３（Ｋ）の間では、三次元回転台１のチャック１ｄは、下方向に移動して行くことと、ワーク３の枝管３ｂが再び上方に回転してくることが確認できる。したがって、手先リンク２ｄは、上述した枝管３ｂを回避するために計画した通りにワーク３の溶接線７に沿うように角度が変更され、手先リンク２ｄが枝管３ｂを回り込んでいることが確認できた。
【０１９３】
また、今回行なった動作確認では、動作中の溶接トーチ４や手先リンク２ｄと三次元回転台１およびワーク３の接触について確認を行なった。視点を変更して確認した画像から、各機材が接触することが無いことが確認できた。
【０１９４】
本実施形態では、三次元回転台１の三軸の回転によるワーク３の姿勢変更を用いた自動溶接作業装置の動作計画法を提案し、提案した動作計画を行なう動作計画プログラムと動作確認用シミュレータを作成した。本実施形態で提案した動作計画法を用いてワーク３の溶接動作の計画を行ったところ、主管３ａと枝管３ｂのなす角度の違いや直径、ワーク３の溶接箇所６に溶接トーチ４を傾けて当てる際の溶接トーチ４の傾く角度にかかわらず、Ｔ字型やＹ字型のワーク３を溶接するための自動溶接作業装置の動作の計画を行なうことができた。
【０１９５】
また、動作計画プログラムによって計画された動作を動作確認用シミュレータを用いて確認したところ、溶接トーチ４や直交座標形マニピュレータ２の手先リンク２ｄと、ワーク３および三次元回転台１とが接触することなく溶接動作を行なえることが確認できた。
【０１９６】
また、本実施形態では、動作計画に必要となる計算プロセスの時間計測を行った。その結果から、動作計画を行なうために必要となる時間は、最長で８３．４０４（ｓ）であり、作業者が動作計画を行なう際に動作計画に時間がかかることで不快になったりせず、十分に実用的な時間で動作計画が行なえることが分った。
【０１９７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で修正・変更を加えることができるのは勿論である。例えば、上記実施形態においては、駆動部の構成としてモータを例示したが、これに限らず、各種流体圧シリンダや他の駆動手段であってもよいことは勿論である。また、各回転部材はモータのモータ軸に直結した例を示したが、減速機構を介して連結するようにしてもよい。
【０１９８】
本実施形態では、ワークを同径Ｔ字型、異径Ｔ字型、同径Ｙ字型、異径Ｙ字型を例に説明したが、特にこの限りではなく、主管が角筒で枝管が円筒といった形状が異なるワークであっても良い。
【０１９９】
また、ワークの接続形状がＴ字、Ｙ字に限られることはなく、Ｌ字、Ｘ字といった種々の接合形状であっても良い。さらに、溶接方法は、ＴＩＧ溶接だけでなく、プラズマ溶接、レーザ溶接であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【０２００】
【図１】本発明の実施形態を示す溶接作業装置の全体ブロック図
【図２】三次元回転台の機構を示す概略図
【図３】直交座標形マニピュレータの機構を示す斜視図
【図４】三次元回転台の可動範囲を示す概略図であって、（ａ）はＹ軸の可動範囲を示す図、（ｂ）はＸ軸の可動範囲を示す図
【図５】直交座標形マニピュレータの手先リンクの回転関節の可動範囲を示す概略図
【図６】平板の自動溶接実験の様子を示す図
【図７】溶接箇所における方向ベクトルを示す図
【図８】溶接作業装置における絶対座標を示す斜視図
【図９】溶接トーチの傾き角度を示す図であって、（ａ）は溶接トーチが鉛直上向きの状態を示す図、（ｂ）は溶接トーチを鉛直上向きから傾けた状態を示す図
【図１０】アークの広がる方向を示す概略図であって、（ａ）は溶接線と溶接トーチの中心線が９０°の角度をなす場合を示す図、（ｂ）は溶接線と溶接トーチの中心線が０°の角度をなす場合を示す図
【図１１】Ｙ座標に関する条件の溶接幅を示す図
【図１２】溶接トーチの先端の向きを示す図であって、（ａ）は溶接トーチを進行方向に傾けた場合を示す図、（ｂ）は溶接トーチを進行方向と逆に傾けた場合を示す図
【図１３】主管の作業座標系と、枝管上の基準点および枝管に沿った溶接線を示す図
【図１４】枝管の円周上の基準点を示す図であって、（ａ）は主管と枝管とが重なった状態を示す図、（ｂ）は枝管の円周上の点を表わす角度を示す図
【図１５】三次元回転台の機構を示す概略図であって、（ａ）はＺ軸の回転を加えていない状態を示す図、（ｂ）はＺ軸の回転を加えた状態を示す図
【図１６】三次元回転台の動作計画のフローチャート
【図１７】主管と枝管の径が異なる管をＴ字型に溶接する場合のｐｇｍ画像を示す図
【図１８】図１７に決定したＺ軸角度を表わす線を加えた図
【図１９】主管と枝管の径が同じ場合の側面の溶接線を示す図
【図２０】主管と枝管の径が同じ管をＴ字型に溶接する場合のｐｇｍ画像を示す図
【図２１】主管と枝管との溶接において、動作可能領域が存在しない範囲を持つ場合のｐｇｍ画像を示す図
【図２２】許容幅を変更したｐｇｍ画像を示す図であって、（ａ）は許容幅が０．０５ｍｍの場合を示す図、（ｂ）は許容幅が１．５ｍｍの場合を示す図
【図２３】図２２の（ａ）のｐｇｍ画像と（ｂ）のｐｇｍ画像とを重ねた画像を示す図
【図２４】図２３に２次元の座標を加えた図
【図２５】Ｚ軸の角度が０°の位置を経由したＺ軸角度を決定するための直線を示す詳細図
【図２６】動作可能領域が存在しない範囲を持つ場合のＺ軸の角度が０°の位置を経由したＺ軸角度を決定するための直線を示す詳細図
【図２７】Ｚ軸角度を決定するための直線を引くためのフローチャート
【図２８】Ｚ軸の角度が０°での条件付き動作可能領域の幅を示す図
【図２９】図２５に基準点の設定をする際に用いた２本の直線を加えた図
【図３０】図２５に基準点の設定をする際に用いた２本の直線の溶接線の許容幅を示す図
【図３１】２箇所の動作可能領域の不連続箇所を示す図
【図３２】基準点のＺ軸角度における溶接箇所の許容幅を示す図
【図３３】Ｚ軸角度を決定するための直線と動作可能領域の交点を示す図であって、（ａ）はＸ軸の正の方向に検索した場合を示す図、（ｂ）はＸ軸の負の方向に検索した場合を示す図
【図３４】基準点を通る直線と動作可能領域に交点がない場合を示す図
【図３５】図３４に縦方向の直線を加えた状態を示す図
【図３６】図３５の動作不可能領域が広がった状態を示す図
【図３７】図２４に決定したＺ軸角度の線を加えた図
【図３８】溶接線に沿うような手先リンクの状態を示す図
【図３９】手先リンクが枝管を回り込んだ状態を示す図
【図４０】枝管とチャックが近接した状態を示す図
【図４１】チャックの上方から溶接トーチを溶接箇所に当てた状態を示す図
【図４２】枝管の上に手先リンク移動させた状態を示す図
【図４３】溶接開始点の裏側の溶接箇所に溶接トーチを当てた状態を示す図であって、（ａ）は主管と枝管の径が同じ場合の図、（ｂ）は主管と枝管の径が異なる場合の図
【図４４】溶接トーチが移動できる範囲を示す図であって、（ａ）はＹ軸方向とＺ軸方向に溶接トーチが移動できる範囲を示す図、（ｂ）はＸ軸方向に溶接トーチが移動できる範囲を示す図
【図４５】動作確認用シミュレータの画面を示す図
【図４６】Ｔ字型の動作計画結果を示す図であって、ａ）は主管と枝管の径が同じ場合の図、（ｂ）は主管と枝管の径が異なる場合の図
【図４７】角度７５°で接合するＹ字型の動作計画結果を示す図であって、（ａ）は主管と枝管の径が同じ場合の図、（ｂ）は主管と枝管の径が異なる場合の図
【図４８】角度４５°で接合するＹ字型の動作計画結果を示す図であって、（ａ）は主管と枝管の径が同じ場合の図、（ｂ）は主管と枝管の径が異なる場合の図
【図４９】基準点を通る直線と動作可能領域の交点の補正した状態を示す図
【図５０】動作可能領域と動作不可能領域との境界を通る直線を示す図
【図５１】動作確認用シミュレータによる表示の様子を示す図
【図５２】動作確認用シミュレータによる表示の様子を示す図
【図５３】動作確認用シミュレータによる表示の様子を示す図
【符号の説明】
【０２０１】
１ 三次元回転台
１ａ Ｘ軸モータ
１ｂ Ｙ軸モータ
１ｃ Ｚ軸モータ
１ｄ チャック
２ 直交座標形マニピュレータ
２ａ Ｘ軸直動スライダ
２ｂ Ｙ軸直動スライダ
２ｃ 軸直動スライダ
２ｄ 手先リンク
２ｅ 回転関節
３ ワーク
３ａ 主管
３ｂ 枝管
４ 溶接トーチ
４ａ アーク
５ アルミ平板
６ 溶接箇所
６ａ 次の溶接箇所
６ｂ 基準点
７ 溶接線
８ 溶接箇所
８ａ 次の溶接箇所
９ フィラワイヤ
１０ 動作可能領域
１０ａ 条件付き動作可能領域
１１ 動作不可能領域
１２ Ｚ軸の角度を示す直線
１３ Ｚ軸の角度を決定する直線
１３ａ 動作可能領域と動作不可能領域の境界を通る直線
１３ｂ 動作可能領域と動作不可能領域の境界を通る直線
１３ｃ 基準点
１３ｄ 条件付き動作可能領域と動作不可能領域の境界点
１３ｅ 条件付き動作可能領域と動作不可能領域の境界点
１４ Ｙ軸に平行に引いた直線
１０１ 入力部
１０６ 制御部
１０６ａ 溶接線演算部
１０６ｂ ３次元回転台の回転角度演算部
１０６ｃ 直交座標形マニピュレータの制御演算部
１０７ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接するワークの溶接条件を入力する入力部と、垂直軸となるＺ軸、このＺ軸に直交する水平軸となるＹ軸、および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転可能で、ワークの姿勢を変更する三次元回転台と、該三次元回転台を駆動する回転台駆動部と、溶接トーチを鉛直下向きに保持する溶接トーチ保持部と、前記入力部からの入力情報に基づいて前記回転台駆動部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記入力部からの情報に基づいて、全ての溶接箇所の絶対座標系における座標位置を演算し、溶接トーチの中心線が常に絶対座標系のＸＺ平面上に位置させ、かつ現在の溶接箇所と次の溶接箇所のなす線分を溶接線としたとき、前記溶接線がＸＹ平面に平行な平面で区切られる所定の許容幅Ｌに含まれるように前記回転台駆動部の三軸回転条件を演算し、前記回転台駆動部を回転制御することを特徴とする溶接作業装置。
【請求項２】
前記溶接トーチ保持部は、前記溶接トーチを互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能とされ、前記制御部は、前記入力部からの入力情報に基づいて溶接トーチの移動を制御することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業装置。
【請求項３】
前記制御部は、現在の溶接箇所のＺ座標よりも次の溶接箇所のＺ座標が小さくなるように演算することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接作業装置。
【請求項４】
前記制御部は、溶接トーチの中心線を前記絶対座標系ＸＹＺのＸＺ平面に平行な平面で区切られる前記許容幅内で、前記溶接線に対して溶接トーチの進行方向と逆方向に所定角度傾斜した姿勢で溶接できるように、回転台駆動部の三軸回転条件を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶接作業装置。
【請求項５】
前記制御部は、少なくとも以下の判定式を入力し、各溶接位置でこれらの判定式を満たすように前記三次元回転台の三軸回転条件を演算することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業装置。
（ア）｜現在の溶接箇所のＹ座標−次の溶接箇所のＹ座標｜＜Ｌ（ｍｍ）（但し、Ｙは絶対座標系のＹ座標、ＬはＸ軸両側に持たせた許容幅）
（イ）現在の溶接箇所のＺ座標＞次の溶接箇所のＺ座標
【請求項６】
前記制御部は、さらに以下の判定式を入力し、各溶接位置でこれらの判定式を満たすように前記三次元回転台の三軸回転条件を演算することを特徴とする請求項５に記載の溶接作業装置。但し、Ａ，Ｂは、三次元回転台のベース中央を原点とした作業座標系の各軸ＸＹＺの反時計周りの回転角を正、時計周りの回転角を負としたときの角度である。
（ウ）−Ａ≦Ｘ軸の回転角度≦Ａ（但し、０°＜｜Ａ｜＜１８０°）
（エ）−Ｂ≦Ｙ軸の回転角度≦Ｂ（但し、０°＜｜Ｂ｜＜９０°）
【請求項７】
前記制御部は、
１）溶接位置ごとに、前記三次元回転台のＺ軸を３６０°回転させながら、各Ｚ軸角度において前記判定式を満たすワーク姿勢を取れるか否かを判定し、判定式を満たす場合と満たさない場合とに区分し、
２）すべての溶接位置に対する前記１）の計算が終了した時点で、最初の溶接位置から最終の溶接位置まで、Ｚ軸角度の変化率を所定値以下に保ちながら前記判定式を満たすＺ軸角度の系列を選択して前記三次元回転台の三軸回転条件の動作計画を行ない、
３）記最初の溶接位置から最終の溶接位置まで、前記判定式を満たすＺ軸角度の系列を選択することができずに不連続となるか、あるいは、前記判定式を満たすＺ軸角度の系列が連続する場合でも、前記Ｚ軸角度の変化率が所定値を越える場合には、前記（ア）式の許容幅Ｌを拡大して、前記１）のＺ軸角度の区分から再計算して動作計画を行ない、前記判定式を満たすＺ軸の範囲が溶接位置の移動に対して連続となるように動作計画を実行することを特徴とする請求項５または６に記載の溶接作業装置。
【請求項８】
ワークは、主管とその側面に接合される枝管とから構成される継手管であることを特徴とする請求項１に記載の溶接作業装置。
【請求項９】
継手管がアルミ管であることを特徴とする請求項８に記載の溶接作業装置。
【請求項１】
溶接するワークの溶接条件を入力する入力部と、垂直軸となるＺ軸、このＺ軸に直交する水平軸となるＹ軸、および前記Ｙ軸に直交するＸ軸の三軸周りに回転可能で、ワークの姿勢を変更する三次元回転台と、該三次元回転台を駆動する回転台駆動部と、溶接トーチを鉛直下向きに保持する溶接トーチ保持部と、前記入力部からの入力情報に基づいて前記回転台駆動部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記入力部からの情報に基づいて、全ての溶接箇所の絶対座標系における座標位置を演算し、溶接トーチの中心線が常に絶対座標系のＸＺ平面上に位置させ、かつ現在の溶接箇所と次の溶接箇所のなす線分を溶接線としたとき、前記溶接線がＸＹ平面に平行な平面で区切られる所定の許容幅Ｌに含まれるように前記回転台駆動部の三軸回転条件を演算し、前記回転台駆動部を回転制御することを特徴とする溶接作業装置。
【請求項２】
前記溶接トーチ保持部は、前記溶接トーチを互いに直交する三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って移動可能とされ、前記制御部は、前記入力部からの入力情報に基づいて溶接トーチの移動を制御することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業装置。
【請求項３】
前記制御部は、現在の溶接箇所のＺ座標よりも次の溶接箇所のＺ座標が小さくなるように演算することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接作業装置。
【請求項４】
前記制御部は、溶接トーチの中心線を前記絶対座標系ＸＹＺのＸＺ平面に平行な平面で区切られる前記許容幅内で、前記溶接線に対して溶接トーチの進行方向と逆方向に所定角度傾斜した姿勢で溶接できるように、回転台駆動部の三軸回転条件を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶接作業装置。
【請求項５】
前記制御部は、少なくとも以下の判定式を入力し、各溶接位置でこれらの判定式を満たすように前記三次元回転台の三軸回転条件を演算することを特徴とする請求項１に記載の溶接作業装置。
（ア）｜現在の溶接箇所のＹ座標−次の溶接箇所のＹ座標｜＜Ｌ（ｍｍ）（但し、Ｙは絶対座標系のＹ座標、ＬはＸ軸両側に持たせた許容幅）
（イ）現在の溶接箇所のＺ座標＞次の溶接箇所のＺ座標
【請求項６】
前記制御部は、さらに以下の判定式を入力し、各溶接位置でこれらの判定式を満たすように前記三次元回転台の三軸回転条件を演算することを特徴とする請求項５に記載の溶接作業装置。但し、Ａ，Ｂは、三次元回転台のベース中央を原点とした作業座標系の各軸ＸＹＺの反時計周りの回転角を正、時計周りの回転角を負としたときの角度である。
（ウ）−Ａ≦Ｘ軸の回転角度≦Ａ（但し、０°＜｜Ａ｜＜１８０°）
（エ）−Ｂ≦Ｙ軸の回転角度≦Ｂ（但し、０°＜｜Ｂ｜＜９０°）
【請求項７】
前記制御部は、
１）溶接位置ごとに、前記三次元回転台のＺ軸を３６０°回転させながら、各Ｚ軸角度において前記判定式を満たすワーク姿勢を取れるか否かを判定し、判定式を満たす場合と満たさない場合とに区分し、
２）すべての溶接位置に対する前記１）の計算が終了した時点で、最初の溶接位置から最終の溶接位置まで、Ｚ軸角度の変化率を所定値以下に保ちながら前記判定式を満たすＺ軸角度の系列を選択して前記三次元回転台の三軸回転条件の動作計画を行ない、
３）記最初の溶接位置から最終の溶接位置まで、前記判定式を満たすＺ軸角度の系列を選択することができずに不連続となるか、あるいは、前記判定式を満たすＺ軸角度の系列が連続する場合でも、前記Ｚ軸角度の変化率が所定値を越える場合には、前記（ア）式の許容幅Ｌを拡大して、前記１）のＺ軸角度の区分から再計算して動作計画を行ない、前記判定式を満たすＺ軸の範囲が溶接位置の移動に対して連続となるように動作計画を実行することを特徴とする請求項５または６に記載の溶接作業装置。
【請求項８】
ワークは、主管とその側面に接合される枝管とから構成される継手管であることを特徴とする請求項１に記載の溶接作業装置。
【請求項９】
継手管がアルミ管であることを特徴とする請求項８に記載の溶接作業装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【公開番号】特開２００９−４５６４２（Ｐ２００９−４５６４２Ａ）
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１２９８８（Ｐ２００７−２１２９８８）
【出願日】平成１９年８月１７日（２００７．８．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年２月２０日 国立大学法人 福井大学主催の「平成１８年度 福井大学大学院工学研究科 知能システム工学専攻 修士論文公聴会」に文書をもって発表
【出願人】（５９２１３１６６３）井上商事株式会社 (18)
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１７日（２００７．８．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年２月２０日 国立大学法人 福井大学主催の「平成１８年度 福井大学大学院工学研究科 知能システム工学専攻 修士論文公聴会」に文書をもって発表
【出願人】（５９２１３１６６３）井上商事株式会社 (18)
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
[ Back to top ]