JP2010184278A

JP2010184278A - 溶接線選定方法

Info

Publication number: JP2010184278A
Application number: JP2009031216A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Hida; 正俊飛田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: CN102317024A; CN102317024B; US8779324B2; US20120029674A1; WO2010093018A1; JP5578791B2

Abstract

【課題】溶接線候補を含む多くの線分から構成される３次元ＣＡＤデータに基づいて、溶接線を迅速に抽出する。
【解決手段】溶接線作成方法は、溶接線を形成する部材の２面のうち、基準となる面（第１の面）を指定するステップ（Ｓ１１０）と、溶接線を形成する部材の２面のうち、他方の面（開先面である第２の面）を指定するステップ（Ｓ１２０）と、稜線を抽出するステップ（Ｓ１３０）と、溶接可能となる稜線区間を選択するステップ（Ｓ１４０）と、溶接可能な稜線を統合し溶接線情報を作成するステップ（Ｓ１５０）と、開先形状に応じて、溶接線情報を修正するステップ（Ｓ１６０）とを含む。
【選択図】図８

Description

本発明は、ディスプレイ画面上に表示された三次元ＣＡＤデータのワーク図形を基に、溶接ロボットで溶接を行う溶接線を自動的に選定する溶接線選定方法に関する。

従来から、コンピュータに入力された三次元ＣＡＤデータをディスプレイ画面上に表示し、ワークを構成する図形データから溶接を行うべき溶接線をオペレータが指定し、溶接線を選定する技術が開発されている。この溶接線選定技術は、溶接ロボットの動作軌跡を作成し所望とする作業動作を教示するようなオフライン教示システムに採用されている。
しかしながら、上述の溶接線選定技術においては、図１０に示す如く、ディスプレイ画面上に表示されるワーク図形には溶接線と無関係な線分が多数含まれていたり、曲線部は多数の短い直線で近似されており、ディスプレイ画面上に表示されているワーク図形を見ながら多数の線分の中から必要な溶接線だけを正確に選択することは煩雑で、間違って選択する等の問題点があった。

このような問題点を解決するために、部材と部材の接触部位の稜線を溶接線として抽出する方法（特許第３１６５２４９号、特開平１１−２９１０３９号）、三次元ＣＡＤシステム内にて予め溶接線候補を指定しておき、仮想的に組立てたときの接触部位と溶接線候補から溶接線を抽出する方法（特許第３５５４８３２号、特許第３３５４８７０号）等がある。

特許第３１６５２４９号公報特開平１１−２９１０３９号公報特許第３５５４８３２号公報特許第３３５４８７０号公報

しかしながら、これらの特許文献に開示された技術では、オペレータが複数の溶接線候補の中からロボットの教示対象となる溶接線を選択する必要があり、多数の溶接線候補の中から対象となる溶接線だけを正確に選択するという煩雑さは十分に解消できない。また、特許文献３及び特許文献４においては溶接線候補を事前にＣＡＤ情報に設定する作業が発生するが、この設定作業も繁雑であり効率的ではない。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、オペレータが作業対象とする溶接線を迅速に作成することができる溶接ロボットの動作軌跡作成方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る溶接線選定方法は、ディスプレイ画面上に表示された三次元ＣＡＤデータのワーク図形を基に、溶接ロボットで溶接を行う溶接線を自動的に選定する溶接線選定方法であって、前記ワーク図形を構成する面であって溶接の開先を形成する２面のうち、１以上の一方の面を指定した上で、指定した一方の面を第１の面群とする「第１面群選定ステップ」と、前記溶接の開先を形成する２面のうち、１以上の他方の面を指定した上で、指定した他方の面を第２の面群とする「第２面群選定ステップ」と、第２面群選定ステップで選定された各面の稜線（各面を形成する縁の線、又は各面のエッジ線）に関し、前記第１の面群の各面に対する距離が所定値以下となっている頂点を有する稜線を全て抽出する「稜線抽出ステップ」と、前記第１の面群の各面及び第２の面群の各面での法線ベクトルの方向に基づいて、稜線抽出ステップで抽出された稜線の中から、溶接ロボット側に位置し当該溶接ロボットでの溶接が可能な領域に存在する稜線を選択する「溶接可能稜線抽出ステップ」と、溶接可能稜線抽出ステップで選択された稜線の中、各面の境界をまたがる稜線に関してはその交点を計算し、計算された交点の情報を基に、溶接可能な稜線を更に選択する「溶接可能稜線追加ステップ」と、溶接可能稜線抽出ステップ及び溶接可能稜線追加ステップで選択された稜線を、１本の溶接線に統合する「統合ステップ」と、を有することを特徴とする。

さらに、稜線抽出ステップで抽出された稜線のうち、第１の面群の各面に接しない稜線に関しては、前記第１の面群と前記第２の面群との相互位置及び／又は距離に応じて、当該稜線の位置を移動する「稜線移動ステップ」を有することは好ましい。

本発明によると、多数の溶接線候補の中から対象となる溶接線だけを正確に選択することができるので、作業対象とする溶接線をオペレータが迅速に作成することができる。

本発明の実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。基準面群と開先面群とを示す斜視図である。基準面群と開先面群とを示す斜視図である（開先面が基準面を貫通）。稜線移動ステップ（溶接線の位置の補正）を説明するための図である。溶接線の選定手順を示すフローチャートである。溶接線の選定手順を示す図である。抽出された稜線（溶接可能な溶接線）を示す図である。溶接線選定におけるディスプレイ上のワークの表示態様を示す図である溶接教示作業を示すフローチャートである。ディスプレイ画面上に表示されているワーク図形の例を示す図である。

本発明の実施形態を、図を基に説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１を基に、本実施形態に係るロボットシステム１の全体構成について説明する。
図１に示すように、ロボットシステム１は、垂直多関節型の６軸を備えた溶接ロボット２と、溶接ロボット２自体を移動させるスライダ３と、姿勢が変化可能な状態でワークＷを把持するポジショナ４と、教示ペンダント５１を備えた制御装置５と、パソコン６（パーソナルコンピュータ）とを含む。

溶接ロボット２は垂直多関節型の６軸の産業用ロボットであり、その先端に溶接トーチ２１が設けられている。
制御装置５は、溶接ロボット２、スライダ３及びポジショナ４を、予め教示したプログラムに従って制御する。教示プログラムは、制御装置５に接続された教示ペンダント５１を使用して作成する場合や、パソコン６を利用したオフライン教示システムを使用して作成する場合がある。いずれの場合であっても、教示プログラムは、実際の動作の前に予め作成される。パソコン６により作成されたプログラムは、磁気的にデータを記憶した媒体等を介して制御装置５に受渡しされたり、データ通信により制御装置５に転送されたりする。

パソコン６、すなわちオフライフ教示システムは、表示装置としてグラフィック表示可能なディスプレイを備え、入力装置としてキーボード又はマウスを備える。また、ワークＷのＣＡＤ情報を取込むために、磁気記憶装置又は通信装置が設けられている。
ところで、本願発明は、ディスプレイ画面上に表示された三次元ＣＡＤデータのワーク図形を基に、溶接ロボット２で溶接を行う「溶接線」を自動的に選定する溶接線の選定方法に関するものであり、オフライフ教示システムを構成するパソコン６にて、溶接線の選定処理が行われる。

以下、この溶接線選定処理の内容について説明する。
まず、図２、図３に示すように、溶接線は連続した２面、又は違う部材間でも連続と同等に扱える２面の交線近傍に存在する。
そこで、本実施形態に係るロボットシステム１においては、以下のステップを経ることで、ディスプレイ画面上に表示された三次元ＣＡＤデータのワーク図形を基に、溶接ロボットで溶接を行う溶接線を自動的に選定可能としている。
すなわち、
・ステップ１（第１面群選定ステップ）：ワークＷを構成する面であって溶接の開先を形成する２面のうち、１以上の一方の面（基準面）を指定した上で、指定した一方の面を第１の面群（基準面群）とし、
・ステップ２（第２面群選定ステップ）：溶接の開先を形成する２面のうち、１以上の他方の面（開先面）を指定した上で、指定した他方の面を第２の面群（開催面群）とし、
・ステップ３（稜線抽出ステップ）：第２面群選定ステップで選定された各面の稜線（各面を形成する縁の線、又は各面のエッジ線）に関し、基準面群の各面に対する距離がゼロ又はゼロに近い値（溶接対象によって適宜選定できる値）以下となっている頂点を有する稜線を全て抽出し、
・ステップ４（溶接可能稜線抽出ステップ）：基準面群の各面及び開先面群の各面での法線ベクトルの方向に基づいて、稜線抽出ステップで抽出された稜線の中から、溶接ロボット側に位置し当該溶接ロボットでの溶接が可能な領域に存在する稜線を選択し、
・ステップ５（溶接可能稜線追加ステップ）：溶接可能稜線抽出ステップで選択された稜線の中、各面の境界をまたがる稜線に関してはその交点を計算し、計算された交点の情報を基に、溶接可能な稜線を更に選択し、
・ステップ６（統合ステップ）：溶接可能稜線抽出ステップ及び溶接可能稜線追加ステップで選択された稜線を、１本の溶接線に統合する
という手順で溶接線を作成し、
・ステップ７（稜線移動ステップ）：稜線抽出ステップで抽出された稜線のうち、基準面群の各面に接しない稜線に関しては、基準面群と開先面群との相互位置及び／又は距離に応じて、当該稜線の位置を移動する
というステップを有していて、各ステップを経ることで、溶接線を自動的に選定可能としている。

なお、図４（Ａ）に示すように、開先面と基準面とが略９０度の角度をもって合わさっているが、開先面が基準面と接合せず隙間を有している場合がある。このような場合、ステップ１〜ステップ５の手順で抽出された溶接線は、開先面側の稜線となっており、基準面に対してあるギャップ（隙間）を有している。そこで、稜線移動ステップにおいては、ギャップが小さいときは、抽出された溶接線（開先面側の稜線）を基準面に射影したものを、新たな溶接線とする。ギャップが大きいときは、ギャップの中間位置を新たな溶接線とする。

図４（Ｂ）に示すように、開先面と基準面とが略水平につき合わさっているが、開先面が基準面と接合せずギャップ（隙間）を有している場合には、ギャップの中間位置に溶接線が来るように、稜線移動ステップにおいて溶接線を移動させる。
図５は、上述した溶接線の選定処理をフローチャートの形で示したものであり、図６は、図を用いて示したものである。
溶接線の選定処理においては、まず、図５のＳ１１０にて、基準面となる部材の面を指定する。複数の部材に基準面が跨るときは、複数の基準面を指定する。三次元ＣＡＤデータによっては、曲面を多角形の集合で近似的に表現（ポリゴン近似）している場合もあるため、指定された平面に隣接する同じ部材の平面が連続面と判断されるときは自動的にそれらの面も選択する。これら複数個選択された面を基準面群として記憶しておく。

次に、Ｓ１２０にて、溶接線を形成する２面のうち、他方の面をＳ１１０と同様にして必要に応じて複数面指定し、開先面群として記憶しておく。
Ｓ１３０にて、開先面群のそれぞれの平面の稜線の端点と基準面群のそれぞれの平面との距離を計算し、距離がゼロはゼロ近傍に両端が存在する稜線を全て抽出する。
このとき、稜線が１本も抽出されない場合は、図３に示すように、例えば、平面に円柱部材が貫通していて、基準面群側の稜線が溶接線を形成している場合と考えられる。この場合は、基準面群と開先面群を入れ替えて稜線を抽出する。すなわち、基準面群のそれぞれの平面の稜線の端点と開先面群との距離を計算し、ゼロ又はゼロ近傍に両端が存在する稜線を全て抽出する。

さらに、Ｓ１４０にて、基準面群および開先面群の各面に垂直な法線ベクトルを考える。この法線ベクトルの方向に基づいて、Ｓ１３０で抽出された稜線の中から、溶接ロボット２側に位置して溶接ロボット２での溶接が可能な領域に存在する稜線を全て選択する。なお、溶接可能な領域と溶接不可能な領域に跨って存在する稜線は、領域との交点を計算すると共に得られた交点で稜線を分離し、溶接可能な区間に存在する稜線のみを選択する。
例えば、図６（Ａ）に示すような稜線が抽出された場合において、図６（Ｂ）に示すように、開先面１の方向（開先面１の法線方向）、開先面２の方向（開先面２の法線方向）、開先面３の方向（開先面３の法線方向）が、それぞれ計算される。

図６（Ｃ）に示すように、開先面１、開先面２及び開先面３の法線ベクトルが交錯する側（当然、溶接ロボット２が存在する側）が溶接可能エリアとして判定されて、反対側が溶接不可能区間として判定され、図６（Ｄ）に示すように溶接可能区間にある稜線が溶接可能稜線として分離される。
さらに、Ｓ１５０にて、Ｓ１４０にて選択された全ての溶接可能な稜線に対して、稜線の端点と別の稜線の端点がゼロ又はゼロ近傍とみなせる距離以下であるときは１本の溶接線として統合する。端点がゼロでない時は、各稜線の延長もしくは縮退した交点位置を計算し、その位置に稜線の端点を修正する。このような処理の結果、図７に示すように、抽出されたが溶接できない稜線を除かれた一連の溶接線を作成することができる。

Ｓ１６０にて、Ｓ１５０にて生成された溶接線情報を、図４を用いて説明したように修正する。
以上述べた溶接線の選定処理が実際に行われる際に、ディスプレイ上に表示されるワークＷの状況を以下に説明する。
図８はディスプレイ上に表示されるワークＷの表示態様を示しており、図８（Ａ）のワイヤフレームで示すように、このワークＷは、平板状のワークＷ（１）、略コの字型のワークＷ（２）、ワークＷ（２）と対称なワークＷ（４）及び、ワークＷ（２）とワークＷ（４）とを接続するワークＷ（３）から構成される。なお、以下の説明では、ワークＷ（２）、ワークＷ（３）及びワークＷ（４）は、一体化されているものとする。

図８（Ａ）に示すワークＷのワイヤフレームは、詳しくは、図１０に示すように、曲線を複数の線分で近似して表しており、このワイヤフレーム上でワークＷの溶接線を選択しようとすると、多くの線分を１つずつ選択する必要があり、非常に面倒である。
溶接線作成手順においては、まず、基準面が指定される（Ｓ１１０）。このとき、基準面としてワークＷ（１）を指定すると（例えばマウスのポインタをワークＷ（１）に持って行きマウスのボタンをクリックすると）、図８（Ｂ）に示すように、ワークＷ（１）の表示態様が変化する（図８（Ｂ）ではハッチングされているがカラーディスプレイの場合、色が変化する）。

続いて、基準面ではない他方の面が指定される（Ｓ１２０）。このとき、必要に応じて複数の面が指定される。このとき、他方の面としてワークＷ（２）を指定すると（例えばマウスのポインタをワークＷ（２）に持って行きマウスのボタンをクリックすると）、図８（Ｃ）に示すように、ワークＷ（２）の表示態様（色）が変化する。
さらに、他方の面としてワークＷ（３）を指定すると（例えばマウスのポインタをワークＷ（３）に持って行きマウスのボタンをクリックすると）、図８（Ｄ）に示すように、ワークＷ（３）の表示態様（色）が変化する。

さらに、他方の面としてワークＷ（４）を指定すると（例えばマウスのポインタをワークＷ（４）に持って行きマウスのボタンをクリックすると）、図８（Ｅ）に示すように、ワークＷ（４）の表示態様（色）が変化する。
稜線が抽出されて（Ｓ１３０）、溶接可能な稜線区間の演算と選択が行われて（Ｓ１４０）、選択された稜線を統合して溶接線が作成される（Ｓ１５０）。このようにして、図８（Ｆ）に示すように、連続した溶接線が表示される。
なお、この図８（Ｆ）に示すように、ワークＷ（１）と他のワーク（ワークＷ（１）、ワークＷ（２）、ワークＷ（４））との間における溶接不可能区間（法線ベクトルが交差しなかったり、溶接ロボット２に向かわない領域）には、溶接線が作成されない。

このように、溶接線を形成する基準面と開先面を指定するだけで、一連の連続した溶接線を効率よく指定することが出来、また、ギャップなどがある場合でも、実際に即した溶接狙い位置となるため、溶接品質の向上も図れる。つまり、溶接ロボットによる動作軌跡の作成を行うオペレータの操作負担を軽減し作業効率を格段に向上した溶接線の選定処理を提供することが出来る。
次に図９を参照して、溶接教示作業（ティーチング作業）について説明する。
この溶接教示作業は、Ｓ１００にて、本実施形態で説明した溶接線の選定処理を行い、溶接線の位置を指定し、溶接線情報を作成する。

Ｓ２００にて、各溶接線に対する溶接条件及び溶接トーチの姿勢を設定する。Ｓ３００にて、ロボットが動作範囲となり且つ干渉しないように、必要に応じてスライダ３の位置およびポジショナ４の位置を設定する。Ｓ４００にて、溶接開始の接近軌跡、溶接終了の退避軌跡を設定する。
このようなＳ１００〜Ｓ４００の処理が行われることにより、溶接教示作業（ティーチング作業）が完了する。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、実施形態では溶接ロボットのオフライン教示システムを例として説明しているが、本発明の適用は、自動溶接装置の溶接線指定などにも適用できる。

１ロボットシステム
２溶接ロボット
３スライダ
４ポジショナ
５制御装置
６パソコン

Claims

ディスプレイ画面上に表示された三次元ＣＡＤデータのワーク図形を基に、溶接ロボットで溶接を行う溶接線を自動的に選定する溶接線選定方法であって、
前記ワーク図形を構成する面であって溶接の開先を形成する２面のうち、１以上の一方の面を指定した上で、指定した一方の面を第１の面群とする「第１面群選定ステップ」と、
前記溶接の開先を形成する２面のうち、１以上の他方の面を指定した上で、指定した他方の面を第２の面群とする「第２面群選定ステップ」と、
第２面群選定ステップで選定された各面の稜線に関し、前記第１の面群の各面に対する距離が所定値以下となっている頂点を有する稜線を全て抽出する「稜線抽出ステップ」と、
前記第１の面群の各面及び第２の面群の各面での法線ベクトルの方向に基づいて、稜線抽出ステップで抽出された稜線の中から、溶接ロボット側に位置し当該溶接ロボットでの溶接が可能な領域に存在する稜線を選択する「溶接可能稜線抽出ステップ」と、
溶接可能稜線抽出ステップで選択された稜線の中、各面の境界をまたがる稜線に関してはその交点を計算し、計算された交点の情報を基に、溶接可能な稜線を更に選択する「溶接可能稜線追加ステップ」と、
溶接可能稜線抽出ステップ及び溶接可能稜線追加ステップで選択された稜線を、１本の溶接線に統合する「統合ステップ」と、
を有することを特徴とする溶接線選定方法。
稜線抽出ステップで抽出された稜線のうち、第１の面群の各面に接しない稜線に関しては、前記第１の面群と前記第２の面群との相互位置及び／又は距離に応じて、当該稜線の位置を移動する「稜線移動ステップ」を有することを特徴とする請求項１に記載の溶接線選定方法。