JP2002153993A - 溶接治具設計装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接中に溶接器具と接触しないような溶接治
具の形状を容易に得る。 【解決手段】 入力装置１０から被溶接物の３次元デー
タや被溶接部位、溶接器具の形状などを入力する。演算
装置１２は、被溶接部位に溶接するために溶接器具に要
求される移動範囲を３次元軌跡として算出する。そし
て、演算装置１２は算出された３次元軌跡とデータベー
ス１４に予め記憶された溶接治具形状とを比較し、３次
元軌跡と干渉しない溶接治具を選択して出力装置１６に
出力する。３次元軌跡と干渉しない溶接治具が存在しな
い場合には、演算装置１２は３次元形状データを修正
し、干渉しない溶接治具形状を得て出力装置１６に出力
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶接治具設計装置、
特に溶接器具との干渉を抑制する溶接治具設計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、溶接時に溶接ガンや溶接トー
チなどの溶接器具が円滑に溶接部位に接近し待避できる
ような溶接治具を設計する技術が知られている。例え
ば、特開平７−３２１６１号公報には、被溶接物の被溶
接部位を三次元的に表す加工基準面データと、溶接ガン
に関するデータと、標準溶接治具に関するデータとから
標準溶接治具が使用可能か否かを判断し、標準溶接治具
が使用不可能と判断された場合に、溶接部位の位置と溶
接ガンの形式及び溶接ガンの被溶接部位への接近方向と
を考慮しつつ、溶接ガンの被溶接部位に対する溶接作業
を妨げない溶接治具を設計する技術が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術においては、基本的に溶接ガンが非溶接物の所定
の溶接点に移動し、そこで溶接を行って再び初期位置に
待避するスポット溶接を想定しており、したがって例え
ば被溶接部位が点ではなく線であり、溶接ガンなどがあ
る点に達し、その点から連続的に移動しながら溶接する
必要がある場合においては、当初設計したスポット溶接
用の溶接治具では移動する溶接ガンとの間に干渉が生じ
るおそれがあり、円滑に溶接作業を行うことができない
問題があった。

【０００４】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、被溶接部位が線状
の場合などのように、溶接器具に比較的複雑な動きが要
求される場合においても、溶接器具との干渉を防止し、
効率的に溶接を行うことができる治具を簡易に設計でき
る装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、被溶接部位のデータを入力する手段と、
前記被溶接部位を溶接するために必要な溶接機具の３次
元軌跡を算出する手段と、被溶接物を保持する溶接治具
の３次元形状データを記憶する手段と、前記溶接治具の
３次元形状データの内、前記３次元軌跡と干渉しない溶
接治具を選択する手段とを有することを特徴とする。被
溶接部位が点以外、例えば線状であっても、溶接機具の
動きを３次元軌跡として算出し、この３次元軌跡と溶接
治具の３次元形状データとを比較することで、溶接機具
と溶接治具との干渉の有無を簡易にシミュレーションす
ることができ、溶接作業に伴って移動する溶接機具と干
渉しない溶接治具を容易に得ることができる。なお、溶
接部位が点の場合であっても同様に適用できることは言
うまでもない。

【０００６】ここで、前記算出する手段は、前記溶接機
具の前記被溶接部位に対する所定のねらい角及び前進角
に基づき前記３次元軌跡を算出することが好適である。
ねらい角及び前進角は被溶接部位と溶接機具との相対的
位置関係を規定するパラメータであり、これらを拘束条
件として３次元軌跡を算出することができる。

【０００７】また、本発明において、少なくとも前記ね
らい角あるいは前進角のいずれかを変更する手段をさら
に有し、前記算出する手段は、前記選択する手段で前記
干渉しない溶接治具が存在しない場合に変更された前記
ねらい角あるいは前進角に基づき新たな３次元軌跡を算
出することが好適である。拘束条件としてのねらい角あ
るいは前進角を変更することで、３次元軌跡を変化さ
せ、これにより干渉しない溶接治具の選択枝を広げるこ
とができる。なお、ねらい角と前進角のいずれか、ある
いは両方を変更する場合、いずれかを優先的に変更する
ことも可能である。

【０００８】また、本発明において、前記干渉しない溶
接治具が存在しない場合に、前記記憶する手段に記憶さ
れた溶接治具の３次元形状モデルを修正する手段をさら
に有することが好適である。予め用意された溶接治具に
最適の治具が存在しない場合に、３次元軌跡と干渉しな
い程度に３次元形状を変更することで、初めから形状を
設計する場合に比べ、効率的に設計することが可能とな
る。なお、修正すべき３次元形状としては、例えば３次
元軌跡との干渉の度合いが最も少ないものを選択するこ
とが望ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について、アーク溶接を例にとり説明する。

【００１０】図１には、本実施形態に係る溶接治具設計
装置の構成が示されている。入力装置１０は、キーボー
ドやマウスなどで構成され、被溶接物の形状データや被
溶接部位を入力する。入力された形状データや被溶接部
位は演算装置１２に出力される。また、溶接に用いられ
る溶接器具が複数存在する場合には、いずれかの溶接機
具を入力装置１０で選択して演算装置１２に出力する。
演算装置１２は、これらのデータに基づき、指定された
被溶接部位に溶接を行うために溶接機具が移動する領
域、すなわち軌跡を三次元データとして算出する。そし
て、算出された溶接機具の３次元軌跡とデータベース１
４に予め記憶された溶接治具の３次元形状データとを比
較し、溶接治具の３次元形状データが溶接機具の３次元
軌跡と干渉するか否か、すなわち溶接機具が溶接治具に
接触するか否かを判定する。そして、演算装置１２は、
データベース１４の中から溶接機具の３次元軌跡と干渉
しない溶接治具を選択し、出力装置１６に出力する。デ
ータベース１４の中に３次元軌跡と干渉しない溶接治具
が存在しない場合には、データベース１４に記憶された
標準的な３次元形状データを修正し、３次元軌跡と干渉
しない溶接治具の３次元形状データを作成して出力装置
１６に出力する。図１に示された溶接治具設計装置は、
パーソナルコンピュータやワークステーションからなる
ＣＡＤシステムで構成することが可能である。すなわ
ち、被溶接物の形状データや被溶接部位データは、デジ
タルデータとして入力することができ、入力された形状
データは適宜ディスプレイに出力するとともに、選択さ
れた溶接治具の形状をディスプレイに出力することがで
きる。

【００１１】図２には、本実施形態における全体処理フ
ローチャートが示されている。まず、演算装置１２は入
力装置１０から被溶接物の三次元形状データを読み込む
（Ｓ１０１）。図３には、被溶接物の一例が示されてお
り、自動車のリアサスペンションの一部である。長尺上
のビーム２０の両端にアーム２２が形成されており、ア
ーム２２の端部にキャリア２４が溶接されて構成され
る。ビーム２０、アーム２２、キャリア２４がＣＡＤデ
ータとして既に存在する場合には、このＣＡＤデータを
そのまま入力装置１０から読み込むことができる。もち
ろん、データベース１４内に予め被溶接物のＣＡＤデー
タが存在する場合には、データベース１４から読み込ん
でも良い。

【００１２】３次元形状データを読み込んだ後、次に入
力装置１０から被溶接部位のデータを入力する（Ｓ１０
２）。図４には、図３に示されたアーム２２とキャリア
２４の一部を拡大した図が示されている。上述したよう
に、キャリア２４は円筒状のアーム２２の端部に溶接さ
れる。被溶接部位２６は、キャリア２４が円筒状アーム
２２と接する円弧状部位である。アーム２２やキャリア
２４がＣＡＤデータとして与えられてディスプレイ上に
表示されている場合、マウスなどを用いて図４における
円弧状部位を指定することで被溶接部位を演算装置１２
に入力することが可能である。被溶接部位のデータは、
３次元データとして演算装置１２に与えられる。

【００１３】被溶接部位２６を入力した後、次に溶接機
具としての溶接トーチが複数種類存在する場合には、入
力装置１０を用いて溶接に用いる溶接トーチを選択入力
する（Ｓ１０３）。図５には、溶接トーチ２８の一例が
示されている。溶接トーチ２８が予めＣＡＤデータとし
てデータベース１４内に格納されている場合、ディスプ
レイにこれらを表示し、ユーザが適宜所望のタイプを選
択することで入力することが好適である。選択された溶
接トーチの３次元形状データは演算装置１２に供給され
る。

【００１４】ここで、被溶接部位が点であるスポット溶
接の場合には、溶接トーチ２８は初期位置からその溶接
点まで直線的あるいは一定範囲内で移動し、一定姿勢で
溶接が完了した後に再び初期位置に同一経路を経て復帰
すれば良いが、図４に示されたように被溶接部位２６が
円弧であり、溶接点が連続して存在する場合には、溶接
トーチ２８を初期溶接点から円弧状の被溶接部位２６に
沿って移動させることが必要となる。したがって、ある
溶接点において溶接トーチ２８と干渉しなくても、溶接
治具の形状あるいは配置が適当でないと、溶接トーチ２
８の溶接中の移動により溶接治具との干渉が生じること
となる。

【００１５】そこで、本実施形態においては図４に示さ
れた円弧状のように線状の被溶接部位２６が存在する場
合でも、溶接トーチ２８の３次元軌跡を考慮して最適な
溶接治具の形状あるいは配置を決定している。

【００１６】具体的には、入力装置１０を用いて溶接ト
ーチ２８のねらい角及び前進角を入力し（Ｓ１０４）、
このねらい角及び前進角を拘束条件として被溶接部位２
６を溶接するために必要な溶接トーチ２８の３次元軌跡
を算出する（Ｓ１０５）。

【００１７】図６には、溶接トーチ２８のねらい角及び
前進角が示されている。（ａ）に示されるように、アー
ム２２及びキャリア２４を共に平板に簡略化した場合、
非溶接部位２６は平板状のアーム２２とキャリア２４の
交線に対応する。そして、（ｂ）に示されるように、こ
の交線に沿って溶接する際に溶接トーチ２８と平板状の
キャリア２４とのなす傾き角がねらい角θであり、
（ｃ）に示されるように、溶接トーチ２８を溶接方向に
沿って移動させる際に溶接方向と垂直な方向に対してな
す傾き角が前進角φである。標準的なねらい角θ及び前
進角φとしては、例えば共に４５度とすることができ
る。ユーザがねらい角θ及び前進角φを入力装置１０か
ら入力するのではなく、演算装置１２内のメモリに予め
初期値としてねらい角θ及び前進角φを記憶させてお
き、この値を読み出して用いることも可能である。そし
て、溶接トーチ２８のねらい角θ及び前進角φに基づ
き、溶接トーチ２８の３次元軌跡を算出する。３次元軌
跡は、被溶接部位２６の３次元形状及び溶接トーチの３
次元形状に基づき、ねらい角θ及び前進角φを拘束条件
として算出することができる。もちろん、溶接トーチ１
８が溶接ロボットの先端に取り付けられ、この溶接ロボ
ットの移動自由度が予め規定されている場合には、この
移動自由度も拘束条件とすることも可能である。算出さ
れた３次元軌跡は、演算装置１２のメモリに格納され
る。

【００１８】図７には、以上のようにして算出された溶
接トーチ２８の３次元軌跡３０の一例が示されている。
３次元軌跡３０は、溶接トーチ２８の位置集合として定
義され、溶接作業中に溶接トーチ２８が存在する領域を
示す。したがって、仮に何らかの物質（具体的には被溶
接物を保持する溶接治具）がこの３次元軌跡３０内に存
在（干渉）する場合には、溶接作業中に溶接トーチ２８
とその物質とが衝突することとなり、円滑に溶接できな
いことを意味する。そこで、演算装置１２は、溶接トー
チの３次元軌跡３０の外に溶接治具を配置すべく溶接治
具の最適形状あるいは最適位置を選択する。

【００１９】再び図２に戻り、３次元軌跡を算出した
後、演算装置１２は被溶接物を保持するための基準位置
や受け位置、クランプ位置を選択し（Ｓ１０６）、これ
らの位置における溶接治具として基準ピン、受け、クラ
ンプをデータベース１４から検索し、それぞれを基準位
置、受け位置、クランプ位置に仮に配置する（Ｓ１０
７）。上述した図３には、選択される基準位置、受け位
置、クランプ位置の一例も示されており、図中Ｃ１は基
準位置、Ｃ２は受け位置、Ｃ３はクランプ位置である。
基準位置Ｃ１は例えば長尺状のビームの２点に設定する
ことができ、受け位置Ｃ２は両アーム２２の下面に設定
することができ、クランプ位置はビーム、アーム、キャ
リアそれぞれの所定位置に設定することができる。基準
位置、受け位置、クランプ位置の選択は、例えばディス
プレイに表示された被測定物のＣＡＤデータ上でマウス
により所望の位置を指定することで行うことができる。

【００２０】次に、Ｓ１０５で算出された溶接トーチ２
８の３次元軌跡と基準位置に配置された基準ピン、受け
位置に配置された受け、クランプ位置に配置されたクラ
ンプの形状データとを比較し、両者が干渉するか否か、
具体的には両者が共通する３次元位置を有するか否かを
判定する。基準ピン、受け、クランプのいずれもが３次
元軌跡と干渉しない場合には、溶接トーチ２８を被溶接
部位２６に沿って移動させても基準ピンや受け、クラン
プなどの溶接治具と接触しないことを意味するから、選
択した基準ピン、受け、クランプを適当な溶接治具であ
るとして出力装置１６に出力する（Ｓ１０９）。

【００２１】また、データベース１４から選択した基準
ピン、受け、クランプの少なくともいずれかが３次元軌
跡と干渉する場合には、干渉した形状に対してデータベ
ース１４から他の３次元形状データを検索して選択した
位置に配置し、再び３次元軌跡と干渉するか否かを判定
する。

【００２２】以上のように、データベース１４からの検
索、検索した溶接治具形状と３次元軌跡との干渉の有無
の判定という処理を繰り返し、基準ピン、受け、クラン
プの全てにおいて干渉しない組み合わせを見出した場合
には、それらを最適な溶接治具として出力装置１６に出
力し処理を終了する。

【００２３】一方、データベース１４内の全てのデータ
を検索しても３次元軌跡と干渉しない基準ピン、受け、
クランプの組み合わせが存在しない場合には、演算装置
１２は溶接トーチ２８のねらい角θ及び前進角φを変更
できるか否かを判定する（Ｓ１１０）。そして、ねらい
角あるいは前進角を変更できる場合（例えば、ねらい角
を４５度からプラスマイナス１０度の範囲で変更できる
場合）には、再びＳ１０４の処理に戻り、溶接トーチ２
８の新たなねらい角あるいは前進角を入力し、この新た
なねらい角及び前進角を新たな拘束条件として新たな溶
接トーチ２８の３次元軌跡を作成する。ねらい角あるい
は前進角のいずれかが異なれば、溶接トーチ２８の３次
元軌跡も異なることになる。そして、新たに作成された
３次元軌跡とデータベース１４内のデータとを比較し、
干渉しない組み合わせが存在する場合には、当該ねらい
角、前進角及び基準ピン、受け、クランプの組み合わせ
を適当なねらい角、前進角及び最適な溶接治具として出
力する。ねらい角、前進角のいずれを変更するか、ある
いはねらい角と前進角をともに変更するかは、ユーザが
適宜選択できるように構成することもできる。

【００２４】ねらい角、前進角のいずれもが変更できな
い場合には、現在のデータベース１４に記憶されたデー
タでは被溶接部位２６の溶接ができないことになるの
で、演算装置１２は初期のねらい角及び前進角から算出
された３次元軌跡と最も干渉度の少ない基準ピン、受
け、クランプの組み合わせを選択し、選択した基準ピ
ン、受け、クランプの３次元形状データを修正して干渉
のない三次元形状データを作成する（Ｓ１１１）。な
お、修正は、干渉が生じている溶接治具についてのみ行
えばよく、例えば基準ピン、受け、クランプのうち、ク
ランプのみが干渉する場合には、クランプの３次元形状
のみを修正すればよい。この作業のためには、例えばデ
ィスプレイ上に３次元軌跡と溶接治具をともに表示し、
干渉が生じている部位を他の部位と異なる色で表示し、
ユーザが容易に視認できるようにするのが好適である。
もちろん、演算装置１２は干渉の有無を判定した際に、
干渉の度合いを各溶接治具毎に出力することも好適であ
る。例えば、基準ピン：干渉０、受け：干渉０、クラン
プ：干渉１０％などである。修正作成された３次元デー
タは出力装置１６に出力される。これにより、溶接トー
チ２８と接触しない最適の溶接治具が得られる（Ｓ１１
２）。

【００２５】図８には、以上のようにして選択された溶
接治具を配置した状態が示されている。ビーム２０、ア
ーム２２及びキャリア２４からなるリアサスペンション
は治具フレーム３２上に配置され、治具フレーム３２に
設けられた受け治具３６でアーム２２の下面を受ける。
治具フレーム３２には基準ピン４０が配置され、この基
準ピン４０にビームの基準位置Ｃ１を位置決めする。ア
ーム２２はクランプ治具３４によりクランプされ、キャ
リア２４はクランプ治具４２によりクランプされる。

【００２６】基準ピン４０の形状、受け治具３６の形
状、クランプ治具３４，４２の形状は、いずれも上述し
た処理により決定された形状である。溶接ロボット３８
のアーム先端に溶接トーチ２８を取付け、アーム２２に
キャリア２４を溶接する際にも、これらの治具との干渉
を生じることなく溶接を行うことができる。

【００２７】このように、本実施形態においては被溶接
部位が線状であり、溶接中に溶接トーチ２８が被溶接部
位に沿って移動する場合であっても、その溶接トーチ２
８の３次元軌跡を算出し、この３次元軌跡と干渉しない
ような溶接治具を選択するので、最適の溶接治具を容易
に得ることができ、溶接作業を効率化することができ
る。

【００２８】なお、本実施形態においては被溶接部位が
線状の場合について例示したが、被溶接部位は直線ある
いは曲線のいずれであってもよく、また点であるスポッ
ト溶接にも同様に適用することも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば溶
接器具と接触しないように溶接治具を容易に設計するこ
とが可能となり、効率的に溶接作業を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態の構成ブロック図である。

【図２】 実施形態の全体処理フローチャートである。

【図３】 実施形態における被溶接物説明図である。

【図４】 図３の一部拡大図である。

【図５】 溶接トーチ説明図である。

【図６】 溶接部位及びねらい角、前進角説明図であ
る。

【図７】 実施形態における溶接トーチの３次元軌跡説
明図である。

【図８】 実施形態における溶接治具配置説明図であ
る。

【符号の説明】

１０ 入力装置、１２ 演算装置、１４ データベー
ス、１６ 出力装置。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被溶接部位のデータを入力する手段と、 前記被溶接部位を溶接するために必要な溶接機具の３次
   元軌跡を算出する手段と、 被溶接物を保持する溶接治具の３次元形状データを記憶
   する手段と、 前記溶接治具の３次元形状データの内、前記３次元軌跡
   と干渉しない溶接治具を選択する手段と、 を有することを特徴とする溶接治具設計装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、 前記算出する手段は、前記溶接機具の前記被溶接部位に
   対する所定のねらい角及び前進角に基づき前記３次元軌
   跡を算出することを特徴とする溶接治具設計装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の装置において、さらに、 少なくとも前記ねらい角あるいは前進角のいずれかを変
   更する手段と、 を有し、前記算出する手段は、前記選択する手段で前記
   干渉しない溶接治具が存在しない場合に変更された前記
   ねらい角あるいは前進角に基づき新たな３次元軌跡を算
   出することを特徴とする溶接治具設計装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の装置に
   おいて、さらに、 前記干渉しない溶接治具が存在しない場合に、前記記憶
   する手段に記憶された溶接治具の３次元形状モデルを修
   正する手段と、 を有することを特徴とする溶接治具設計装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の装置に
   おいて、 前記被溶接部位は、線状であることを特徴とする溶接治
   具設計装置。