JP2006035410A - 新規な機能を付加したロボットコントローラー - Google Patents

Abstract

【課題】溶接ビード周辺部や金型仕上げにおいて、塾錬作業者の領域まで、自動化ロボットでの仕上げ技術を高めることは、永年の課題であった。
【解決手段】三次元形状計測値と目標形状の差分より目標研削体積を算出して、自動化ロボットによる仕上げは、すでに本発明者により出願されている。本発明は、さらに研削精度を上げ、滑らかな自由曲面を形成させるため、研削位置情報に加え、時間的ファクターすなわち、グラインダーの送り速度情報によってロボットの動作軌道を計算し、軌道追従性を向上させて、目標とする仕上げ表面を達成するロボットコントローラーを完成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、溶接ビード、金型仕上げの自動仕上げ装置において、位置及びグラインダー送り速度情報を取り入れて、研削精度を向上せしめた仕上げ用ロボットコントローラーに関する。

自動車のドアフレームに見られるように、溶接により生ずる溶接ビードは、熟練作業者の手作業で、あたかも溶接されていないように仕上げられている。長年ロボットによる自動化が望まれていたが、実用的なシステムは、まだ開発されていないのが現状である。溶接ビード仕上げ作業を自動化できない要因は、二つある。その一つは、接合部に段差が生じることがある。また、溶接歪により溶接ビード周辺部が変形する。これらはワーク毎に異なり予測できないため、ティーチング・プレイバックによるロボット制御では、自動仕上げを実現することができない。二つ目は、溶接した痕跡を認識させないためには、溶接ビード周辺部を滑らかな自由曲面に仕上げる必要がある。そのためには，グラインダーの位置と送り速度の両方を指示する必要があり，通常の産業用ロボットでは始点終点の位置決め精度は良いが，その区間内の位置と速度は正確性を欠くことが知られており不可能である。また，ＮＣコントローラにおける切削位置は，加工点毎に送り速度を設定することができないため不可能であった。本発明者らは、その対策として，単位時間研削量を実測により定量化し、立体形状測定と目標形状より研削目標体積を求め，その数値をロボット動作軌道計算に利用する方法を見出した。この方法を実現するために研削位置のみでなく時間的ファクターを取り入れて、送り速度情報により軌道追従制御機能を持たせたロボットコントローラを必要とする。しかし，このような自動仕上げが可能なロボットコントローラは知られていない。

先行特許から見た背景技術は、次の通りである。ティーチングした基本的なロボット経路に、スリット光を用いて検出した溶接ビードの幅情報を加えてロボット経路を自動生成する技術が知られている（特許文献１）。また、事前に得たロボット経路に溶接ビードの幅情報を加えて補正しながらロボットを動かす方法も公知である（特許文献２）。さらに、一歩進んだ溶接ビード仕上げ法として、単なる溶接ビードの幅だけでなく、薄板突き合わせで生ずる段差をも考慮して、溶接ビード周辺を研削して、滑らかな自由曲面を形成する技術が公開されている。これでは、推定完成曲面を目標として、研削量からロボット経路を生成させている（特許文献３）。しかし、研削場所のみでなく、時間的ファクターを取り入れた位置と送り速度の制御を可能にしたロボットコントローラーはない。

日本精密工学会誌 ６８巻 Ｎｏ７ ９５３ページ ２００２年 日本ロボット学会誌 １７巻 Ｎｏ１ １４７ページ １９９９年 特開平０５−３４５２５５号 特開平０５−３３７７８５号 特開２００２−２８３０９９

本発明で解決しようとしている課題は、単に溶接ビードの除去ではなく、溶接ビード周辺に、滑らかな自由曲面を形成させることを目標としている。そのためには、砥石ベルトの押付け圧力や砥石周速度のような間接的条件管理だけではなく、管理できない砥粒の変化や砥石寿命をも包含した単位時間研削量を、定期的に測定し、ドアサッシュの薄板突き合わせのような段差の生じ易い曲面溶接ビードの研削にも役立つ特許文献３よりもさらに精度の高いロボットコントローラーの開発が課題であった。とくに、熟練作業者に近い仕上げ品質を得るため位置情報に加えて、グラインダー送り速度を設定し、ロボットの動作軌道を制御するロボットコントローラーの開発が課題であった。

図１によってのように、研削パターンを仕上げ目標形状に投影し、三次元空間上の自由曲線データとして経路を求める。次いで、経路上の研削目標体積と砥石の単位時間研削量からグラインダー送り速度を設定し、ロボットの動作軌道を決定する。

ロボットの動作軌道が決まると、一定時間間隔のグラインダー位置と姿勢を求め、ロボットの各軸データに変換する。ＣＡＭで云う切削位置データに時間的ファクターを導入して位置と送り速度を正確に定義する。本発明者らは、この位置と送り速度情報を持った点群データを、タイム・ベース切削位置と名づけ、このタイム・ベース切削位置をＬＡＮ経由で送り、軌道追従制御機能を持たせ課題を解決した。

薄い鉄板を突き合わせて溶接する場合に生じる溶接ビードは、熟練作業者の手作業によりあたかも溶接されていないように仕上げられている。しかし、手作業並みのロボット仕上げシステムは開発されていなかった。その要因は、曲面溶接では接合部段差が、わずかに発生する。また、溶接歪により溶接ビード周辺部が変形する。これらの接合部段差と歪は、ワーク毎に異なるため産業用ロボット制御では、自動仕上げを実現できない。さらに溶接ビード部のみの研削とは異なり、溶接ビード周辺部を滑らかな自由曲面にするには、ワーク毎に異なる三次元形状への対応が困難であった。本発明は、これらの問題点を解決し、算出した目標形状に対して、ロボットが正確に仕上げることが実現できた効果は大きい。

熟練作業者の巧みな手作業なみに、ロボットが仕上げるための最良の形態について述べる。ロボットの動作軌道生成と制御を以下の手順で行う。仕上げ目標形状が決まると、三次元測定結果と目標形状との差分から研削目標体積を求める。研削目標体積は、溶接歪や接合部段差の影響により場所により２倍以上異なる場合が多い。この研削目標体積を忠実に研削するロボットの動きを実現すればよい。そこで次に重要なことは、砥石ベルトの単位時間研削量の定量化であり、さらに、経路上の研削目標体積と砥石の単位時間研削量からグラインダー送り速度を設定し、ロボット動作軌道の決定である。

図１は、ロボット動作軌道である。１は、研削されるワークであり、２は、グラインダーである。３は、研削領域を示している。４がグラインダーの軌跡である。図のように、研削パターンを仕上げ目標形状に投影して、三次元空間上の自由曲線データとして経路を求める。つぎに、経路上の研削目標体積と砥石の単位時間研削量からグラインダー送り速度を設定し、ロボットの動作軌道を決める。ロボットの動作軌道が決まると、一定時間間隔のグラインダー位置と姿勢を求め、ロボットの各軸データに変換する。

本発明のロボットコントローラーは、位置サーボをベースに、速度フィードフォワード制御を入れ、軌道追従性を向上させた。本発明者らは、タイム・ベース切削位置データによる軌道追従性について、図２に模式的に示すような、待機・研削・退避の一連動作の動作目標速度と位置制御エラーの結果を得た。５が、動作目標速度であり、６が、位置制御エラーである。図２の横軸の時間軸のａ−ｂが、待機位置からワークに接触する動作で、横軸のｂ−ｃが、研削動作である。この研削動作の目標速度は、研削体積に応じて、変化させている。研削動作中の位置制御エラーは、±２５ミクロンに入っており、軌道追従性が確保されている。位置制御エラーが、±２００ミクロンを越えると仕上げ面に傷が発生し、品質不良になる。

図１のような研削パターンを仕上げ目標形状に投影することにより、三次元空間上の自由曲面データとして経路を求めた。次いで、経路上の研削目標体積と砥石の単位時間研削量からグラインダー送り速度を設定し、ロボットの動作軌道を求めた。ロボットの動作軌道が決まった後、３〜１０ミリ秒の一定時間間隔のグラインダー位置と姿勢を求めて、ロボットの各軸データに変換した。つまりＣＡＭで云う切削位置的なデータに時間的な意味を付与し、位置と送り速度を正確に定義した。この位置と送り速度情報をもった点群データを、タイム・ベース切削位置と呼び、このデータをＬＡＮ経由で位置と送り速度の制御を可能にした。

図２は、待機・研削・退避の一連動作の動作目標速度と位置制御エラーをグラフに示したものである。横軸は、ゼロから３秒までの時間軸である。縦軸は、曲線５の動作目標速度と曲線６の位置制御エラーである。このグラフで、ａ−ｂは、０．０〜０．７秒であり、０．７秒でグラインダーがワークに接触し、２．６秒まで研削動作があった。この研削動作の目標速度は研削体積により変化していた。曲線６の０．７〜２．６秒における位置エラーは、２４ミリミクロンであり、軌道追従性が確保された。単位時間研削量の他に、グラインダーの位置、送り速度等による制御を取り入れて、軌道追従制御機能を持った精度の高い溶接ビードの周辺部の滑らかな仕上げ用のロボットコントローラーが完成した。

具体的な工具として実施例を説明するならば、三次元空間上の自由曲面或いは平面上の溶接ビード又はバリを仕上げる装置において、立体形状測定結果から形状計算された工具位置情報と、研削目標量から計算された工具送り速度を、工具の所定時間間隔の動作位置及び姿勢として記載された点群データにより、工具の送り速度と位置を制御するロボットコントローラーである。

薄板を突き合わせて溶接し、ドアサッシュを製作する場合の他、自動車ボディー部品で、あたかも溶接されていないように仕上げる必要のある場合や鉄板プレス用金型、プラスチック成形用の金型の仕上げにも利用できる。

グラインダーロボットの動作軌道の模式図 待機・研削・退避の一連動作と研削動作の目標速度並びに位置制御エラーの模式図 Ｘは横軸で、研削時間である。ａ−ｂは待機位置からワークへ接触する動作 ｂ−ｃは研削動作の期間である。ｃ−ｄは退避の動作である。Ｙは縦軸で、切削動作目標速度と位置制御エラーの変化である。

符号の説明

１被研削ワーク
２グラインダー
３研削領域
４グラインダーの軌道
５切削動作目標速度の時間変化
６位置制御エラー

Claims (2)

1. 立体形状測定と目標形状より研削目標体積を求め、自動研削仕上げをする装置において、定期的或いは決めた時間間隔でグラインダーの単位時間研削量を測定して、時間単位の目標値を計測して、グラインダー工具経路を決定するに当たり、研削位置情報に加えて、時間的ファクターを取り入れ、位置とグラインダー送り速度情報による制御を可能にした研削仕上げロボットコントローラー
2. 三次元空間上の自由曲面或いは平面上の溶接ビード又はバリ，金型を仕上げる装置において、立体形状から計算された工具位置情報と、研削目標量から計算された工具送り速度を、工具の所定時間間隔の動作位置及び姿勢として記載された点群データにより、工具の送り速度と位置を制御するロボットコントローラー

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