JP2007229734A - 溶接ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】操作者が自由にウィービングパターンを定義し、そのウィービングパターンの任意の位置で溶接条件を変更することができるロボットシステムを提供する。
【解決手段】教示装置４は、ウィービング座標系上の複数点に関する３次元位置情報及びウィービング１周期の開始時刻を０として複数点の各々に溶接トーチ２が到達する時刻を入力する位置入力手段と、溶接電源７に対し、複数点における溶接条件を設定する溶接条件入力手段とを備え、ロボット制御装置５は、位置入力手段による入力に基づいてウィービング軌跡を演算するウィービング演算部と、溶接条件入力手段による入力に基づいて複数点の各々に溶接トーチ２が到達する時刻に同期して溶接電源７に対する溶接条件を指令する溶接条件指令部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウィービングパターン及び溶接条件を容易に変更可能な溶接ロボットシステムに関する。

ロボットを用いて溶接作業を行う場合、対象ワークの板厚や継手形状などの条件に応じてウィービング条件を変更することが望ましい。従来のウィービング機能においては、ウィービングパターンの幾何学的形状を入力して、そのウィービングパターンの各パラメータと１周期分の時間に基づいてロボットをウィービングさせていた。
また、他の従来技術として、ウィービング１周期分の時間を複数に分割して振幅割合をテーブルに登録しておくものがあった（例えば特許文献１参照）。

特許第２５００２０７号公報（第４頁表１、図４）

しかしながら、従来のウィービングを行うロボットシステムでは、幾何学的な形状を指定して、１周期分の時間を複数に分割し振幅の割合をテーブルに登録しているため、操作者が自由にウィービングパターンを作成できないという問題があった。
また、このウィービングに同期して操作者が溶接電源に対する溶接条件を変化させることができないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、操作者が自由にウィービングパターンを定義し、そのウィービングパターンの任意の位置で溶接条件を変更することができるロボットシステムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の溶接ロボットシステムは、手先部に溶接トーチを取り付けたロボットと、前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、前記溶接トーチを通じて溶接電力を供給する溶接電源と、前記ロボット制御装置に接続され前記ロボットの動作を教示する教示装置とを備え、溶接進行方向を座標軸の１つとするウィービング座標系に関し、予め教示されたウィービング位置に基づいて前記溶接トーチをウィービングさせる溶接ロボットシステムにおいて、前記教示装置は、前記ウィービング座標系上の複数点に関する３次元位置情報及びウィービング１周期の開始時刻を０として前記複数点の各々に前記溶接トーチが到達する時刻を入力する位置入力手段と、前記溶接電源に対し、前記複数点における溶接条件を設定する溶接条件入力手段とを備え、前記ロボット制御装置は、前記位置入力手段による入力に基づいてウィービング軌跡を演算するウィービング演算部と、前記溶接条件入力手段による入力に基づいて前記複数点の各々に前記溶接トーチが到達する時刻に同期して前記溶接電源に対する溶接条件を指令する溶接条件指令部とを備えることを特徴とするものである。

請求項２に記載の溶接ロボットシステムは、前記溶接条件指令部は、ウィービング１周期ごとに、前記溶接条件指令値の増減を行うことを特徴とするものである。

請求項３に記載の溶接ロボットシステムは、前記３次元位置情報は、直交座標系における３次元位置及び姿勢であることを特徴とするものである。

請求項４に記載の溶接ロボットシステムは、前記ウィービング演算部は、予め教示された溶接線の終点に到達するまでの所要時間がウィービング１周期の時間より短い場合は、予め設定された別のウィービング条件に基づいてウィービング軌跡の演算を行うことを特徴とするものである。

請求項５に記載の溶接ロボットシステムは、前記ウィービング演算部は、外部から前記ロボットを停止するための信号が入力された場合には、その時点でのロボット移動速度と、前記溶接トーチの位置と、予め教示された溶接線への最短距離に基づいて、前記溶接トーチを前記溶接線上に移動させるウィービング軌跡の演算を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、操作者が任意のウィービングパターンを定義することができ、かつ、そのウィービングパターンに同期して溶接条件を変更することができるため、溶接品質が向上するとともに、データの設定などが簡易化されるという格段の効果を奏するものである。さらに、教示軌跡から離れた位置で溶接が終了することを回避し、高品質な溶接を施工することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本発明のシステム構成図を図１に示す。ロボット１は、手先部に溶接トーチ２が設けられている。溶接トーチ２には、ロボット１の後方に配置されたワイヤ格納部６から溶接ワイヤが供給される。ワイヤ格納部６内のワイヤは、ワイヤ送給装置３へ引き込まれ、さらにワイヤ送給装置３から溶接トーチ２へと送り出される。
図２は、本発明の溶接ロボットシステムによるウィービング動作の座標系について説明する斜視図である。溶接線方向をＸ軸とし、Ｙ軸は溶接線の左右方向、Ｚ軸は溶接トーチ２から送り出される溶接ワイヤの上下方向で、ロボット１の座標系のＺ軸と平行であるとする。ロボット１により溶接トーチ２を図２中のＸＹ平面上で動作させながら進行方向へ移動させることでウィービングパターンが実現される。

ロボット１は、ロボット制御装置５によってその動作を制御される。ロボット１は溶接トーチ２の位置および姿勢を自在に変化させるため一般的に６つの関節を備えており、各関節にはサーボモータが組み込まれている。サーボモータはロボット制御装置５により駆動される構成になっている。また、ロボット制御装置５には、操作者がロボット１に動作データを教示したり、ロボット１を操作したりするための教示装置４が接続されている。
溶接電源７は、ロボット制御装置５と信号線で接続されており、ロボット制御装置５との双方向通信を行うことができる構成になっている。ロボット制御装置５から溶接電源７へは、溶接開始指令、溶接条件データなどを送信する。溶接電源７からロボット制御装置５へは、溶接確認信号、溶接エラー信号などを送信する。

図３は、教示装置４とロボット制御装置５の本発明に関する部分のブロック図である。教示装置４上には、表示画面と複数のキー（いずれも図示せず）が存在しており、操作者によるキー操作によって、教示装置４はウィービング動作と溶接に関するパラメータを入力するための位置入力手段、溶接条件入力手段として機能する。
具体的には、位置入力手段１０によって、操作者はウィービングパターンの各頂点の位置データと、ロボット１の動作によって溶接トーチ２が各頂点間を移動する際の移動速度あるいは所要時間を設定する。図４に、ウィービングパターンの例を示す。図４は、図２のウィービング座標系を上面から見た状態であり、図中のＡ、Ｂ、・・・Ｅがウィービングパターンの頂点である。図４から分かるように、Ｅまで到達すると、そこから再度同じウィービングパターンを繰り返すようになっている。
また、操作者は溶接条件入力手段１１によって溶接トーチ２が各頂点に到達した時点における溶接電流指令あるいは溶接電圧指令などを設定する。
位置入力手段１０にて設定されたウィービングパターンに関するパラメータはロボット制御装置５内の位置データ記憶部１３に記憶され、溶接条件入力手段１１にて設定された溶接条件に関するパラメータは同じく溶接条件記憶部１４に記憶される。

図４のウィービングパターンに沿って入力例を説明する。
ロボット１は、予め教示装置４によって、溶接線に沿って移動するように教示されている。溶接開始点をＡとする。ウィービングを行わない場合、ロボットは点Ａから溶接線上を進行方向にまっすぐ動作する。
本発明のウィービングを行う場合、溶接トーチ２が順に頂点Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅと辿るように、図２に示したウィービング座標系に基づき溶接線からの相対的な移動量を予め指定する。この移動について、その移動速度または移動にかける時間も位置入力手段１０によって入力しておく。

次に、溶接条件入力手段１１によって各頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅでの溶接条件を設定する。図５は、溶接条件として電流指令値を設定した例を示している。さらに図５に示すように、各頂点に溶接トーチ２が到達した時刻から指定時間だけ経過後に溶接電流値を変化させることができ、その遅れ時間をＴ１、Ｔ２、・・・として設定できる。

図６は、ウィービング動作しながら溶接を行う際のロボット１の作業プログラムの例である。図６に沿ってウィービングの実行に関して説明する。
１行目のＭＯＶＬはロボット１の各関節を動作させ、手先の溶接トーチ２を移動させる命令である。この例では、１行目のＭＯＶＬによって溶接開始点（Ａ）へ移動する。図５では説明を簡略化するため図示しないが、ＭＯＶＬ命令にはロボットの手先の到達位置を示すオペランドがあり、操作者は予め教示装置４の位置入力手段１０によってそのオペランドの内容を設定しておく。その設定内容は位置データ記憶部１３に格納されている。

続いて、２行目のＡＲＣＯＮ命令により、ロボット制御装置５内の溶接条件指令部１５から溶接電源７に対して溶接を実行するように指令を送信する。
１行目のＭＯＶＬ命令と同様、図示しないが、ＡＲＣＯＮ命令には溶接条件を指定するオペランドが設定されている。操作者は予め教示装置４の溶接条件入力手段１１によってそのオペランドの溶接条件の内容を設定して溶接条件記憶部１４に記憶させておくことで、溶接実行時に溶接電源７に対して所望の溶接条件を送信できる。
溶接電源７は、ロボット制御装置１からの溶接指令に基づいて、溶接トーチ２を介して溶接ワイヤと母材側に電力の供給を開始する。電力供給を開始した後、溶接電源７は溶接電流が所定の値を超えた状態になっていることを確認すると、ロボット制御装置５へ溶接確認信号を送信する。

ロボット制御装置５は、溶接電源７から溶接確認信号を入信するとウィービング動作を開始する。これが図６の３行目のＷＶＯＮ命令である。
ウィービング動作開始時には、位置データ記憶部１３に記憶された内容をもとに、ロボット１の手先の溶接トーチ２の現在位置と次の移動位置までの軌跡の計画は既に完了している。
具体的には、まず次に移動するべき頂点Ｂの位置が位置データ記憶部１３から読み込まれる。この位置は、図２に示した、溶接進行方向をＸ、ロボット座標系のＺ方向をＺとした直交座標系であるウィービング座標系に基づいており、ウィービング演算部１６にて、頂点Ｂの位置はロボット座標系に基づく位置に変換され、ロボット１手先の溶接トーチ２の現在位置からの移動方向と距離が求められる。
その後、予め位置入力手段１０によって指定された移動時間をマシンクロックで除算することにより、頂点Ｂまで移動する間のマシンクロック数を求め、さらにマシンクロック毎の移動量を求める。ここでいうマシンクロックとは、サーボモータ制御部１７がロボット１の各関節のサーボモータへ動作指令を出力する周期のことである。
以上のようにウィービング演算部１６にてウィービング動作の軌跡を求め、さらに元の教示軌跡（溶接線に沿って直進する軌跡）との和をとってロボット１への動作指令を決定し、サーボモータ制御部１７を介してロボット１の各軸を動作させる。

以後は同様に、頂点ＢからＣ、・・・Ｅに至る動作指令を生成して、ロボット１に所望のウィービング動作を行わせる。
ここで、溶接条件指令部１５は予め設定された図５のような溶接電流指令値をマシンクロックに同期して溶接電源７に送信する。

ロボット１は、溶接トーチ２を４行目のＭＯＶＬ命令のオペランドにて指定された溶接終了点まで移動させつつ、上記のようなウィービング動作を繰り返す。図６では図示しないが、このＭＯＶＬ命令のオペランドには溶接終了点の位置が指定されている。
溶接終了点に到達すると５行目のＷＶＯＦ命令にてウィービング動作を終了するが、ロボット制御装置５は、ウィービング１周期を開始する段階で、溶接終了点に到達するまでの時間とウィービング１周期とを比較しており、もし溶接終了点に到達するまでの所要時間がウィービング１周期の時間より短い場合、溶接終了点到達前にウィービング動作を終了する。
溶接終了点まで到達すると６行目のＡＲＣＯＦ命令より、溶接条件指令部１５から溶接電源７に対して溶接を停止するように指令を送信し、７行目のＭＯＶＬ命令にて溶接トーチ２を移動させる。

実施例１では、溶接トーチ２の位置が変化することを述べたが、ロボット１の各関節の動作によって、溶接トーチ２の位置に加えて姿勢を変化させることもできるのは明らかである。
図７に頂点Ａ、Ｂにおいて溶接トーチ２の姿勢を変化させた場合の例を示す。ウィービングパターンの端の頂点（教示した溶接線から最も離れたところに位置する頂点）にて溶接トーチ２の姿勢を変化させることで、溶接トーチとワークとの干渉防止などに効果を奏する。特に、開先がＩ型の場合には有効である。

実施例３では、図４で示したウィービングパターンで動作するとともに、図５で示した溶接条件を設定したとする。これに加えて、溶接条件指令部１５は、ウィービング１周期につき、溶接電流を変化させる割合を指定する。例えば１周期毎に、Ａ−Ｂ区間の溶接電流を１[Ａ]下げることができる。
図８に、本実施例の電流指令値の変化を示す。ウィービング２周期目における、頂点Ａ到達Ｔ１時間経過後の電流指令値が１周期前と比較して下がっている。このようにすることで、母材への入熱を制御し高品質な溶接を施工することができる。
また、この変化の割合には、ある一定値の制限を設けることができるものとする。

通常、溶接区間での溶接時間とウィービング周期は無関係に設定される。このため、溶接区間の最後の周期では、溶接終了点にてウィービングパターンが終了しない。つまり、図４における頂点Ｃなどウィービングパターンの途中で溶接が終了してしまう。このような形で溶接が終了すると溶接欠陥が生じる恐れがある。
このため、溶接区間中に、残りの溶接時間を監視し、その残り時間が、ウィービング１周期より短い場合には、予め設定された別のウィービングパターンに切替えて溶接を行うウィービング動作変更部を設ける。
ウィービング動作変更部は、ウィービング１周期が終了する度に、残り溶接時間を計算する。そして、残り溶接時間とウィービング１周期とを比較し、ウィービング１周期より残り溶接時間が長い場合は、そのままウィービングを実行する。ウィービング１周期より残り溶接時間が短い場合は、予め設定されたウィービング条件に変更する。
本実施例では、このウィービング動作変更部をウィービング演算部１６の機能の一部として設けている。
この実施例を図９に示す。頂点Ｃ２は、溶接終了点と同一点となる。溶接線上で溶接が終了するよう、直前の頂点Ｅの後は、頂点Ｂ２、頂点Ｃ２へと動作させる。頂点Ｂ２、頂点Ｃ２へは、指定された溶接速度にて動作させる。
このようにすることで、教示軌跡から離れた位置で溶接が終了することを回避し、高品質な溶接を施工することができる。

続いて図１０を用いて実施例５について説明する。溶接トーチ２は、溶接線方向にＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｂ・・・といったウィービングパターンに沿って移動している。図１０は、頂点ＢからＣへと移動中のＳ１の時点で例えば教示装置４のような外部から、ロボット１に対してホールド信号が入信した場合を示す。その時点で溶接トーチ２は頂点Ｂ、Ｃの間を速度Ｖ_ＢＣで移動しているとする。
ロボット制御装置５はホールド信号を入信すると、ウィービング演算部１６にて点Ｓ１から教示線上への最短距離Ｌで戻った場合の点Ｓ２を求め、溶接トーチ２を速度Ｖ_ＢＣでＳ２へ移動させ溶接を終了する。
このようにすることで、教示軌跡から離れた位置で溶接が終了することを回避し、高品質な溶接を施工することができる。

本発明の第１実施例を示すシステム構成図 ウィービング座標系を示す図 本発明の溶接ロボットシステムのブロック図 ウィービングパターンの例 溶接電流指令値の時間変化の例 ウィービングを実行するためのロボットプログラムの例 実施例２を示すトーチの姿勢の例 実施例３の溶接指令の例 実施例４の溶接軌跡の図 実施例５の溶接軌跡の図

符号の説明

１ ロボット
２ 溶接トーチ
３ ワイヤ送給装置
４ 教示装置
５ ロボット制御装置
６ ワイヤ格納部
７ 溶接電源
１０ 位置入力手段
１１ 溶接条件入力手段
１２ 記憶部
１３ 位置データ記憶部
１４ 溶接条件記憶部
１５ 溶接条件指令部
１６ ウィービング演算部
１７ サーボモータ制御部

Claims (5)

1. 手先部に溶接トーチを取り付けたロボットと、前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、前記溶接トーチを通じて溶接電力を供給する溶接電源と、前記ロボット制御装置に接続され前記ロボットの動作を教示する教示装置とを備え、溶接進行方向を座標軸の１つとするウィービング座標系に関し、予め教示されたウィービング位置に基づいて前記溶接トーチをウィービングさせる溶接ロボットシステムにおいて、
   前記教示装置は、前記ウィービング座標系上の複数点に関する３次元位置情報及びウィービング１周期の開始時刻を０として前記複数点の各々に前記溶接トーチが到達する時刻を入力する位置入力手段と、前記溶接電源に対し、前記複数点における溶接条件を設定する溶接条件入力手段とを備え、
   前記ロボット制御装置は、前記位置入力手段による入力に基づいてウィービング軌跡を演算するウィービング演算部と、前記溶接条件入力手段による入力に基づいて前記複数点の各々に前記溶接トーチが到達する時刻に同期して前記溶接電源に対する溶接条件を指令する溶接条件指令部とを備えることを特徴とする溶接ロボットシステム。
2. 前記溶接条件指令部は、ウィービング１周期ごとに、前記溶接条件指令値の増減を行うことを特徴とする請求項１記載の溶接ロボットシステム。
3. 前記３次元位置情報は、直交座標系における３次元位置及び姿勢であることを特徴とする請求項１記載の溶接ロボットシステム。
4. 前記ウィービング演算部は、予め教示された溶接線の終点に到達するまでの所要時間がウィービング１周期の時間より短い場合は、予め設定された別のウィービング条件に基づいてウィービング軌跡の演算を行うことを特徴とする請求項１記載の溶接ロボットシステム。
5. 前記ウィービング演算部は、外部から前記ロボットを停止するための信号が入力された場合には、その時点でのロボット移動速度と、前記溶接トーチの位置と、予め教示された溶接線への最短距離に基づいて、前記溶接トーチを前記溶接線上に移動させるウィービング軌跡の演算を行うことを特徴とする請求項１記載の溶接ロボットシステム。

Images