JP2597978B2 - 切断作業を行うロボツト制御データの作成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、作業内容が毎回異なり、加工形状が１つま
たは複数のパターンに分類できる切断作業を、軸線まわ
りに回転対称な道具を用いて、多関節ロボツトに行わせ
る場合の切断作業を行うロボツト制御データの作成方法
に関する。

背景技術 従来から、ロボツトに対する位置および姿勢に関する
制御データは、操作員が実際の作業環境のもとで教示ボ
ツクスを用いて、作業に必要な各点へロボツトのアーム
を直接誘導して教示している。

発明が解決しようとする問題点 このような先行技術において、ロボツトの制御データ
を作成する場合には、前述したようにロボツトのアーム
を直接誘導して教示する必要がある。したがつてロボツ
トの作業内容が毎回異なるとき、作業内容毎の制御デー
タの作成のために多大の時間を要している。また制御デ
ータの作成中は、ロボツトを稼動させて実際の作業を行
わせることができないので、ロボツトを含む加工ライン
の稼動率を低下させてしまうこととなる。また作業内容
毎の制御データを前述の方法で予め全て作成したとして
も、その制御データを記憶するメモリの容量を大きくす
る必要があり、膨大な記憶内容から作業内容に対応する
制御データを探し出すことも大変な作業となる。

したがつて本発明は、上述の問題点を解決し、軸線ま
わりに回転対称な切断トーチを用いる作業に対する多関
節ロボツトの制御データを作成するに際し、ロボツトを
動作させることなく制御データを作成する方法を提供す
ることを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、軸線24まわりに回転対称な切断トーチ22を
用いる作業に対する多関節ロボツトの制御データ作成方
法において、 切断トーチ22によつて加工されるワークの加工順序に
従つて隣接して連続する複数の平面である各加工面（S1
〜S4）の組合せからそれぞれ成る複数の予め定める加工
形状パターンのうちの１つを入力し、 その入力した加工形状パターンを構成する前記加工面
の隅部の３点Pi1,Pi2,Pi3が定まるように、座標軸X,Y,Z
を有するワーク座標系Σにおける加工形状を定めるパラ
メータ（P1〜P6）の値を入力し、 前記パラメータ（P1〜P6）を用いて各加工面毎の前記
３点Pi1,Pi2,Pi3の３次元座標値を求めて、各加工面の
平面方程式、 を算出し、 隣接する加工面の交線Liを求めて各交線Liの３次元方
向比を求め、 ワークの表面に向かう切断トーチ22の各交線Liに沿う
方向比（li,mi,ni）を前記交線Liの３次元方向比に基づ
いて定め、 切断トーチ22の前記方向比（li,mi,ni）に基づいて切
断トーチ22の軸線24がワーク座標系Σの座標軸X,Yと成
す前記軸線24まわりの回転角度γｉ以外のオイラ角（α
i,βｉ）、 を求め、 前記各交線Liとワーク表面4,10との交点（xi0,yi0,zi
0）を求めて、その各交点（xi0,yi0,zi0）と切断トーチ
22の先端との予め定める距離ｈから、切断トーチ22の先
端の位置座標（xi,yi,zi）、 を求め、ここで、 ai＝yi1・zi2＋yi3・zi1＋yi2・zi3 −yi3・zi2−yi1・zi3−yi2・zi1 bi＝−xi1・zi2−xi3・zi1−xi2・zi3 ＋xi3・zi2＋xi1・zi3＋xi2・zi1 di＝xi1・yi2・zi3＋xi2・yi3・zi1＋xi3・yi1・zi2 −xi3・yi2・zi1−xi1・yi3・zi2−xi2・yi1・zi3 Bi＝ai・b_i-1−a_i-1・bi Di＝ai・d_i-1−a_i-1・di こうして求められたワーク座標系Σで表現された切断
トーチ22の先端の位置および方向（xi,yi,zi,αi,β
ｉ）の順序列と、ワーク座標系Σからロボツト座標系へ
の座標変換行列とを用いて、ロボツト補間データを作成
することを特徴とするロボツト制御データの作成方法で
ある。

作用 軸線24まわりに回転対称な道具である切断トーチを用
いる作業を行う多関節ロボツトを準備する。加工形状
を、加工順序に従つて並べたワークの隣接する被加工面
で表現し、各被加工面を３点で表現する。各点の座標の
成分を、加工形状を定めるパラメータの関数として表現
する。このようにして表現された各加工形状を、加工形
状パターンと称する。このとき、加工形状パターンの指
定とパラメータへの数値の設定とにより、加工形状を構
成する各被加工面とその加工順序とを算出する。算出さ
れた相隣合う被加工面の交線Liを算出し、この交線Li上
の作業点に道具を位置決めするときの道具先端の位置お
よび方向と、その移動順序とを作成する。このようにし
て多関節ロボツトの制御データを、実際にロボツトを動
かすことなく作成することができる。

すなわち多関節ロボツトによつて、切断トーチ22を用
いてワークの切断加工を行うにあたり、この切断トーチ
22は軸線24まわりに回転対称に構成されており、複数の
予め定める加工形状パターンのうちの１つを入力し、各
形状パターンは、ワークの加工順序に従つて隣接して連
続する複数の平面である各加工面（S1〜S4）の組合せか
ら成る。これらの複数の予め定める加工形状パターンの
うちの１つを入力して選択し、こうして選択した１つの
加工形状パターンを構成する各加工面（S1〜S4）を決定
するパラメータの値を入力する。すなわちワークの複数
の平面である各加工面（S1〜S4）のワーク座標系Σにお
ける加工形状を定めるパラメータ（P1〜P6）の値を入力
し、このパラメータ（P1〜P6）は、前記各加工面（S1〜
S4）の隅部の３点Pi1,Pi2,Pi3が定まるように、与えら
れ、これによつて各加工面毎の平面方程式を算出するこ
とができ、これによつて隣接する加工面の交線Liを求め
て各交線Liの３次元方向比を求め、これによつて切断ト
ーチ22がワークの表面に向かう各交線Liに沿う方向比
（li,mi,ni）を求め、こうして切断トーチ22の軸線24が
ワーク座標系Σの座標軸X,Yと成す前記軸線24まわりの
回転角度γｉ以外のオイラ角（αi,βｉ）を求め、前記
各交線Liとワーク表面4,10との交点（xi0,yi0,zi0）を
求めて、その各交点と切断トーチ22の先端との予め定め
る距離ｈから、切断トーチ22の先端の位置座標（xi,yi,
zi）を求め、こうして得られた切断トーチ22の先端の位
置および方向の順序列と、ロボツト座標系への座標変換
行列とによつてロボツト制御データを作成する。したが
つて多関節ロボツトの制御データを、実際にロボツトを
動かすことなく、作成することができる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例のロボツト制御データの
作成方法を実現する工程のブロツク図である。入力装置
14から、加工形状パターンとパラメータ値が、制御デー
タ作成装置15に入力される。制御データ作成装置15で
は、入力されたデータに関連して定められる各被加工面
を表現する３点の座標値が座標値算出装置16で算出され
る。この３点が決定する平面の方程式が、面方程式算出
装置17によつて算出される。面方程式算出装置17で算出
された相隣合う面の交線の方向比が、交線方向比算出装
置18で算出される。

こうして算出される方向比などに基づいて、道具の位
置・方向が位置・方向算出装置19によつて算出される。
このようにして算出された制御データは、ロボツト制御
装置20に与えられ、ロボツトのアームを駆動する駆動装
置21を動作させる。

第２図は、ワークである山形鋼１の斜視図である。

第３図は、第２図の山形鋼１のウエブ２およびフラン
ジ３を展開して山形鋼１の切断形状パターンを示した図
である。第２図示の山形鋼１に対して、切断作業を行う
場合、その切断形状は、たとえば第３図（１）〜（４）
で示される各切断形状パターンに分類できる。以下の説
明では、第３図（４）の切断形状パターンを例示して説
明する。第３図（４）図示の山形鋼１の切断形状パター
ンは切断面S1,S2,S3,S4で示される。

第４図は第３図（４）で示される切断形状パターンを
有する山形鋼１の斜視図である。山形鋼１に対してワー
ク座標系Σ１を設定する。切断面S1はウエブ２の面４
に、S3,S4はフランジ３の面10に直交するものとする。
ワーク座標系Σ１に従つて、切断面S1〜S4に関連して、
パラメータP1,P2,P3,P4,P5およびP6を下記のように設定
する。ウエブ２の面４と切断面S2との交線の延長線と、
ウエブ２の稜５との交点６のＸ座標に関する値をP1とす
る。切断面S1と稜５との交点７と、交点６との距離をP2
とする。切断面S1とS2の交線とウエブ２の面４との交点
を、交点６との距離もP2とする。また切断面S2と稜８と
の交点９のＸ座標に関する値をP3とする。切断面S3,S4
の交線のフランジ３の面10との交点11のＺ座標に関する
値をP4とする。切断面S4がＸ座標軸となす角をP5とす
る。切断面S2がウエブ２の面４となす角をP6とする。こ
の第３図（４）の加工形状パターンでは、切断面S3は、
Ｚ座標軸に平行である。後述の第５図における稜L1は、
ウエブ２に垂直であり、稜L5はフランジ３に垂直であ
る。したがつて切断面S3は、前記値P4を用いるだけで一
意的に決定することができ、切断面S4は、上述のように
切断面S3が決まるので、前記値P5を求めることによつ
て、決定される。

このようにして設定されたパラメータP1〜P6によつ
て、第３図（４）の山形鋼１の具体的な切断形状を指定
することができる。残余の第３図（１）〜第３図（３）
にそれぞれ示される各加工形状パターンに関しても、そ
の切断形状パターンの切断面を決定するパラメータが設
定される。以下の説明は、主として、この第３図（４）
の切断形状パターンに関して、行う。

第５図は、山形鋼１を前述の切断面S1〜S4で切断した
形状を示す斜視図である。ウエブ２の端面12と、切断面
S1との交線を稜L1とする。また切断面S1,S2、切断面S2,
S3および切断面S3,S4間の各交線を、それぞれ稜L2,L3,L
4とする。またフランジ３の端面13と、切断面S4との交
線を稜L5とする。

第６図は、各切断面Si（ｉ＝0,1,2,3,4,5）を、それ
ぞれその切断面Si上の３点の座標によつて表現する方法
を説明するための斜視図である。切断面S1は、３点P11
（x11,y11,z11）,P12（x12,y12,z12）,P13（x13,y13,z1
3）で表現される。したがつて一般に切断面Siは、３点P
i1（xi1,yi1,zi1）,Pi2（xi2,yi2,zi2）,Pi3（xi3,yi3,
zi3）で表現される。ここでxij,yij,zij（Ｊ＝1,2,3）
は、前記パラメータP1〜P6の関数であり、これらのパラ
メータP1〜P6の値を入力装置14から、制御データ作成装
置15の座標値算出装置16に入力することによつて得るこ
とができる。

前述の切断面Siは３点Pi1,Pi2,Pi3を通る平面であ
り、その面の方程式は下記の第１式のように表現され、
面方程式算出装置17によつて算出される。

この第１式を展開すると、 ai・ｘ＋bi・ｙ＋ci・ｚ＝di …（２） を得ることができる。ここで ai＝yi1・zi2＋yi3・zi1＋yi2・zi3 −yi3・zi2−yi1・zi3−yi2・zi1 …（３） bi＝−xi1・zi2−xi3・zi1−xi2・zi3 ＋xi3・zi2＋xi1・zi3＋xi2・zi1 …（４） ci＝xi1・yi2＋xi3・yi1＋xi2・yi3 −xi3・yi2−xi1・yi3−xi2・yi1 …（５） di＝xi1・yi2・zi3＋xi2・yi3・zi1＋xi3・yi1・zi2 −xi3・yi2・zi1−xi1・yi3・zi2−xi2・yi1・zi3 …（６） である。このようにして求められた相隣合う下記の２つ
の切断面 S_i-1：a_i-1・ｘ＋b_i-1・ｙ＋c_i-1・ｚ＝d_i-1 …（７） Si:ai・ｘ＋bi・ｙ＋ci・ｚ＝di …（８） の交線Liは、下式により表現される。

Bi・ｙ＋Ci・ｚ＝Di …（９） Bi・ai・ｘ＋（Bi・ci−Ci・bi）・ｚ＝Bi・di−Di・bi …（10） ここで Bi＝ai・b_i-1−a_i-1・bi …（11） Ci＝ai・c_i-1−a_i-1・ci …（12） Di＝ai・d_i-1−a_i-1・di …（13） である。

ai≠０である場合、交線すなわち前述した各稜Liの方
向比は、第９式および第10式に示される各変数の係数か
ら、 となる。またai＝０の場合も同様にして、交線すなわち
稜Liの方向比を求めることができる。第１図を参照し
て、この演算は、面方程式算出装置17の算出の算出結果
が入力される交線方向比算出装置18によつて実施され
る。

このとき、各交線上に位置決めされる切断トーチ22の
方向は、山形鋼１の表面に向かう必要がある。したがつ
てウエブ２の面４における切断トーチ22の姿勢M1,M2,M3
に関して、方向比のＺ成分が正値になり、フランジ３の
面10における切断トーチ22の姿勢M4,M5に関して、Ｙ成
分が正値となるように、方向比の各成分に＋１または−
１を乗じる。このようにして得られた切断トーチ22の方
向比を（li,mi,ni）とする。

第７図は、ロボツトの制御データとしての切断トーチ
22の姿勢を説明する図である。切断トーチ22の軸線24が
ワーク座標系Σ１と原点０を通るように切断トーチ22を
平行移動する。このとき切断トーチ22と原点０とを結ぶ
直線のＸ−Ｙ平面への投影を、線分23とする。この線分
23のＹ軸の負方向となす角をαとし、線分23と切断トー
チ22の軸線24となす角をβとし、切断トーチ22の軸線24
まわりの回転角度をγとする。したがつて第６図を参照
して説明した切断トーチ22の姿勢は、オイラ角（αi,β
i,γｉ）で表現される。このとき切断トーチ22の方向を
表す量（αi,βｉ）は、前述した切断トーチ22の方向比
（li,mi,ni）から下式のように、第１図の位置・方向算
出装置19によつて算出される。

前記軸線24まわりの回転角度γｉは、たとえば切断ト
ーチ・フライスカツタ、デイスク状砥石、ドリルなどの
軸線まわりに回転対称な道具を用いる作業においては、
任意の値でよい。

第８図は、切断トーチ22の位置決め状態を説明する山
形鋼１などの斜視図である。切断トーチ22の先端を、山
形鋼１の表面４から、稜Liの延びる方向に沿う距離ｈだ
け離れた位置に位置決めする場合、道具先端の位置は、
以下のようにして求められる。まず稜Liと山形鋼１の表
面４あるいは10との交点（xi0,yi0,zi0）は、稜の延び
る方向に沿う線すなわち前述した交線および山形鋼１の
表面４あるいは10を、それぞれ表す方程式をともに満足
する点である。したがつてたとえばウエブ２の面４（す
なわちＺ＝０）に対する道具先端の位置の場合、交点
（xi0,yi0,zi0）は、 となる。したがつて道具先端の位置（xi,yi,zi）は、交
点（xi0,yi0,zi0）から稜Liの延びる方向に沿つて山形
鋼１の表面４あるいは10からｈだけ離れた点であり、そ
の座標は、 として求めることができる。

前述したような操作を、予め記憶されている各切断面
S0〜S5について順次行うことにより、ロボツトの制御デ
ータ（xi,yi,zi,αi,βｉ）の組が得られる。こうして
求められたワーク座標系Σ１で表現された道具先端の位
置および方向（xi,yi,zi,αi,β１）の順序列と、ワー
ク座標系Σ１をロボツト座標系へ変換する座標変換行列
とがロボツトへの制御データとなる。このような操作に
よつて、ロボツトを実際に動かすことなくロボツトの制
御データを作成することができる。ロボツトを実際に動
かしてワークを切断する際には、上述のようにして教示
した前記先端の位置間では、ロボツト制御装置20によつ
て、切断トーチ22の前記方向を前記先端の位置に対応し
て補間演算して求めればよい。

また前述の実施例では、切断トーチ22の先端と、山形
鋼１の表面4,10との距離ｈに関してｈ≠０の条件で説明
したけれども、ｈ＝０であつてもよい。

効果 以上のように本発明に従えば、ロボツトを直接動作さ
せることなく、ロボツトの制御データを作成できる。し
たがつて内容が毎回異なる作業において、いわゆる教示
ボツクスを用いてロボツトを毎回作業点まで誘導してロ
ボツトの制御データを教示することが不要となり、操作
員による教示労力の軽減を図ることができる。またロボ
ツトの制御データ作成のために、実際の作業を行つてい
るロボツトを一旦停止させる必要がなく、ロボツトを含
む加工ラインの稼動率を向上させることができる。

特に本発明によれば、ワークの各加工面（S1〜S4）の
隅部の３点Pi1,Pi2,Pi3が定まるように、加工形状を定
めるパラメータ（P1〜P6）の値を入力し、また切断トー
チ22の軸線24に沿う切断トーチ22の先端とワーク表面4,
10との間の距離ｈを設定し、その切断トーチ22の先端の
位置および方向の順序列を設定して、自動的にロボツト
制御データを作成することが上述のように可能になる。

また、前記３点Pi1,Pi2,Pi3は、隣接する各加工面（S
1〜S4）の隅部であるので、隣接する加工面（S1〜S4）
を定めるのに必要なパラメータ（P1〜P6）の数を可及的
に少なくすることができる。

しかも本発明によれば、切断トーチ22を３次元空間に
移動させることによつて、目的端面形状に加工すること
ができ、その切断トーチ22の経路データは、３次元のデ
ータであり、さらにその切断トーチ22の位置だけでな
く、切断トーチ22の方向をも算出する方法が具体的に提
供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロツク図、第２図は山形
鋼１の斜視図、第３図は各種の切断形状パターンを有す
る山形鋼１の展開図、第４図は切断形状パターンをパラ
メータP1〜P6を用いて表現する操作を説明する山形鋼１
の斜視図、第５図は山形鋼１を各切断面S1〜S4で切断し
た状態を示す斜視図、第６図は切断トーチ22の方向を説
明する山形鋼１などの斜視図、第７図は切断トーチ22の
姿勢をオイラ角で説明するための図、第８図は切断トー
チ22の先端の位置決め操作を説明するための山形鋼１な
どの斜視図である。 １……山形鋼、4,10……面、5,8……稜、6,7,9,11……
交点、14……入力装置、15……制御データ作成装置、16
……座標値算出装置、17……面方程式算出装置、18……
交線方向比算出装置、19……位置・方向算出装置、22…
…切断トーチ、P1〜P6……パラメータ、L1〜L5……稜、
S1〜S4……切断面、Σ１……ワーク座標系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−52304（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−178504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−55412（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−98208（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸線24まわりに回転対称な切断トーチ22を
   用いる作業に対する多関節ロボツトの制御データ作成方
   法において、 切断トーチ22によつて加工されるワークの加工順序に従
   つて隣接して連続する複数の平面である各加工面（S1〜
   S4）の組合せからそれぞれ成る複数の予め定める加工形
   状パターンのうちの１つを入力し、 その入力した加工形状パターンを構成する前記加工面の
   隅部の３点Pi1,Pi2,Pi3が定まるように、座標軸X,Y,Zを
   有するワーク座標系Σにおける加工形状を定めるパラメ
   ータ（P1〜P6）の値を入力し、 前記パラメータ（P1〜P6）を用いて各加工面毎の前記３
   点Pi1,Pi2,Pi3の３次元座標値を求めて、各加工面の平
   面方程式、 を算出し、 隣接する加工面の交線Liを求めて各交線Liの３次元方向
   比を求め、 ワークの表面に向かう切断トーチ22の各交線Liに沿う方
   向比（li,mi,ni）を前記交線Liの３次元方向比に基づい
   て定め、 切断トーチ22の前記方向比（li,mi,ni）に基づいて切断
   トーチ22の軸線24がワーク座標系Σの座標軸X,Yと成す
   前記軸線24まわりの回転角度γｉ以外のオイラ角（αi,
   βｉ）、 を求め、 前記各交線Liとワーク表面4,10との交点（xi0,yi0,zi
   0）を求めて、その各交点（xi0,yi0,zi0）と切断トーチ
   22の先端との予め定める距離ｈから、切断トーチ22の先
   端の位置座標（xi,yi,zi）、 を求め、ここで、 ai＝yi1・zi2＋yi3・zi1＋yi2・zi3 −yi3・zi2−yi1・zi3−yi2・zi1 bi＝−xi1・zi2−xi3・zi1−xi2・zi3 ＋xi3・zi2＋xi1・zi3＋xi2・zi1 di＝xi1・yi2・zi3＋xi2・yi3・zi1＋xi3・yi1・zi2 −xi3・yi2・zi1−xi1・yi3・zi2−xi2・yi1・zi3 Bi＝ai・b_i-1−a_i-1・bi Di＝ai・d_i-1−a_i-1・di こうして求められたワーク座標系Σで表現された切断ト
   ーチ22の先端の位置および方向（xi,yi,zi,αi,βｉ）
   の順序列と、ワーク座標系Σからロボツト座標系への座
   標変換行列とを用いて、ロボツト補間データを作成する
   ことを特徴とするロボツト制御データの作成方法。