JP2750739B2 - 産業用ロボットの制御装置 - Google Patents

産業用ロボットの制御装置

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JP2750739B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、加工ヘッドを有する産業用ロボットに関
し、特に一点指向型の加工ヘッドにおけるティーチング
の容易な制御手段に係る。
〔従来の技術〕
加工ヘッドの姿勢制御可能な産業用ロボット型式の加
工機は、加工ヘッド先端つまり工具(トーチ)の加工点
と加工対象のワークとの相対位置を決定するための直交
する3軸の他、加工ヘッド(工具)姿勢を決定するため
に少なくとも回転する2軸を具備している。したがっ
て、その運動制御は、それらの各軸について必要なデー
タを入力することによって行われる。
そして、産業用ロボットの制御装置に対する運動経路
の設定は、点座標をティーチングすることによって行わ
れる。
従来、そのティーチング操作は、斜面上の経路などに
対して加工ヘッドの姿勢を傾斜面に沿わせ、加工ヘッド
の工具の加工点を工具の向いている方向に移動させると
きや、工具の方向に直交する面に沿って移動させるとき
に、工具を直交するX、Y、Z軸の3軸の方向にそれぞ
れインチングキーなどで動かすことによって行われてい
る。この場合、工具の方向やその方向に直交する面に対
し、直交3軸は、加工対象ワークの表面に対し必ずしも
平行な状態または垂直な状態となっていない。このた
め、工具の方向やその方向に直交する平面上での移動経
路のティーチング操作は、移動方向を各軸方向に分解
し、同時に2軸以上のデータを入力することによって割
り出さなければならないため、非常に困難であり、また
長時間を必要とした。
〔発明の目的〕
したがって、本発明の目的は、加工対象のワークに対
し加工ヘッドを三次元方向に相対的に移動可能な状態で
支持してなる直交座標系の産業用ロボットにおいて、加
工ヘッドの工具方向やその方向に直交する平面上の移動
を簡単な入力操作により行えるようにし、加工対象ワー
クの斜面上の教示点のティーチング操作を簡略化し、教
示時間の短縮を図ることである。
〔発明の解決手段〕
上記目的のもとに、本発明は、加工対象のワークに対
し加工ヘッドを三次元方向に相対的に移動可能な状態で
支持してなる直交座標系の産業用ロボットにおいて、加
工ヘッドにおける3軸直交座標系と別に、ティーチング
のために、加工ヘッドの工具について専用の工具座標系
を設定し、この工具座標系で加工ヘッド先端つまり工具
の加工点のティーチング操作をティーチングボックスに
より直接行えるようにしている。
このため、ティーチングに際し、作業者は、加工ヘッ
ドの姿勢を加工対象のワークの傾斜面に沿わせ、加工ヘ
ッドの工具に固有な工具座標系に基づいて、ティーチン
グボックスのインチングキーにより加工ヘッド先端つま
り工具の加工点を移動させる。この教示に際し、制御装
置は、工具座標系の教示点データを3軸直交座標系に変
換し、加工ヘッド先端を移動し、加工ヘッド先端座標を
3軸直交座標系での位置データとしてメモリ内に格納し
て行く。
工具座標系と3軸直交座標系との関係は、以下のよう
に定められる。
工具座標系で各軸の速度指令値(l、m、n)が与え
られると、加工ヘッドの移動ベクトルVは次式で計算さ
れ、3軸直交座標系での移動に変換される。
ここで、式中の各項は、以下のものを表す。
〔ext eyt eztT:工具座標系基底ベクトル 〔ex ey ez :3軸直交座標系基底ベクトル 〔l m n〕 :工具座標系での各座標軸 の速度指令値 したがって、この教示操作によると、直交3軸に対す
る加工対象のワークの傾斜面に対し加工ヘッドを垂直な
状態に設定すれば、その傾斜面と平行または垂直な位置
関係の工具座標系によって直接必要な軸移動ができる。
このため、教示過程で、移動方向の分解・合成や変換操
作が必要とされず、教示のための移動が簡略化できる。
〔実施例〕
第1図は、制御対象の産業用ロボット1を示してい
る。
産業用ロボット1は、例えばレーザ加工機であり、加
工対象のワーク2に対し加工ヘッド3を三次元方向に相
対的に移動可能な状態で支持してなる3軸直交座標系の
ものであって、加工対象のワーク2に対し一点指向型の
加工ヘッド3の相対位置および運動経路を制御するため
に、3軸直交つまりX軸、Y軸およびZ軸方向の位置決
め機構4および回転2軸、つまり第1回転軸としてのα
軸および第2回転軸としてのβ軸の位置決め機構5を備
えている。3軸直交の位置決め機構4は、例えば門形加
工機の3軸直交割り出し機構などによって構成されてい
る。また、α軸は、Z軸を中心に回転する軸であり、β
軸は、α軸に対して45度の交角で回転する。
そして、一点指向型の加工ヘッド3は、β軸の回りに
45度の交角で回転自在に支持されていて、加工ヘッド3
の先端つまり工具の加工点Pは、α軸とβ軸との交点に
あるため、α軸やβ軸の回転にかかわらず、3軸直交座
標上では移動しない。ここで、加工対象のワーク2と加
工ヘッド3の先端との相対位置は、3軸直交座標系すな
わちX軸、Y軸およびZ軸によって決定され、また加工
ヘッド3の姿勢は、α軸およびβ軸の角度により決定さ
れる。
次に、第2図は、産業用ロボット1の制御装置10の構
成を示している。
この制御装置10は、各軸毎に位置制御部11、12、13、
14、15を備えている。これらの回転量および回転速度の
制御は、運動制御部16内のCPU161のプログラムおよびメ
モリ162の記憶データにもとづいてデータバス17を介し
行われる。また、これらの運動制御部16に対するデータ
入力は、主制御盤18によりインターフェース19を介し、
またはティーチングボックス20によるインターフェース
21を介し設定される。
第3図は、ティーチングボックス20の一例を示す。こ
のティーチングボックス20は、インチング指定キー22、
軸指定キー23、インチングキー24、レーザ光線発射用の
トーチ(工具)モードキー25、テンキー26、その他のフ
ァンクションキーや、表示器27および各種の表示ランプ
28を具備している。
〔ティーチング操作〕
まず、作業者は、主制御盤18でティーチングモードを
選択し、ティーチングボックス20のインチング指定キー
22を操作して、軸移動モードをインチングモードに設定
し、軸指定キー23を押すことによって、α軸、β軸を選
択してから、インチングキー24を押すことによって、α
軸またはβ軸を回転中心として加工ヘッド3を回転さ
せ、加工対象のワーク2の例えば斜面のティーチングに
対し加工ヘッド3を適切な垂直姿勢とする。
次に、作業者は、トーチモードキー25を押し、軸指定
モードを工具座標系移動モードとし、インチングキー24
を押すことによって、工具座標系をXYZ軸の方向に移動
させる。
また、この時点で、制御装置10は、工具座標系と3軸
直交座標系との関係を現在のα軸、β軸の回転角により
計算し、〔T〕の値をあらかじめ求めておく。
このあと、作業者が各インチングキー24を押すと、制
御装置10は、予め工具座標系の軸毎に指定してある速度
を参照し、選択した軸に対応する工具座標系の速度指令
値(lmn)を決定し、〔lmn〕〔T〕の演算を施すことに
より、3軸直交座標系の各軸移動速度を求め、位置制御
部11、12、13、14、15に指令データを送り、加工ヘッド
3を移動させる。なお、工具座標系のインチングでは、
α軸およびβ軸のインチングは無視される。
〔工具座標系から3軸直交座標系への変換〕 ティーチング操作中に、運動制御部16は、座標変換し
て、3軸直交座標系(XYZ)の移動指令を作成し、加工
ヘッド3の先端を移動後ティーチングボックスの追加、
修正キーによりティーチングデータを記憶する。
第4図は座標変換の説明である。
(1) 3軸直交座標系(XYZ)をZ軸回りにu回転
し、その座標系をx1y1z1座標系とする。
(2) x1y1z1座標系をy1軸回りに、π/4回転し、その
座標系を、x2y2z2座標系とする。この座標系で(0、
0、1)がβ軸の方向ベクトルである。
(3) x2y2z2座標系をv2軸回りにz回転し、その座標
系をx3y3z3座標系とする。
(4) x3y3z3座標系をy3軸回りに−π/4回転し、その
座標系をx4y4z4座標系とする。この座標系で(0、0、
1)が工具方向ベクトルNであり、この座標系が工具座
標系である。
ここで、u=−α、v=−βである。
よって、これら(1)(2)(3)(4)より、回転
マトリックスを求めて、XYZ座標系(3軸直交座標系)
とx4y4z4座標系(工具座標系)との関係を求める。な
お、マトリックス中CはCosを、またSはSinをそれぞれ
表す。
Z軸回りの回転マトリックス y1軸回りの回転マトリックス z2軸回りの回転マトリックス y3軸回りの回転マトリックス よって、T=Ty3・Tz2・Ty1・Tzとすれば、x4y4z4
工具座標系とXYZ座標系の関係は、それぞれの座標系の
基底ベクトルを(ex4,ey4,ez4)、(ex,ey,ez)とすれ
ば、下記となる。
工具方向ベクトルは、x4y4z4座標系では、(0、0、
1)より次式が成立する。
ただし、Tijは式(6)の各要素である。
工具方向ベクトルは、それをntとすると、次式となる。
また、x4y4z4座標系で速度指令値(lmn)が与えられ
ると、加工ヘッド3の移動方向ベクトルは、次式で求め
られる。
〔発明の効果〕 本発明では、工具座標移動モードにより、3軸直交座
標系とは別に加工ヘッド(工具)の姿勢に固有な工具座
標系が設定され、この工具座標系で加工ヘッド(工具)
の移動経路が入力できるため、加工ヘッド(工具)の方
向やその方向に直交する面でのデータ入力がティーチン
グボックスのインチングキーなどにより直接的に行え、
複雑な演算や同時入力なども必要とされないため、教示
操作が簡単に行え、それに必要な時間も短縮できる。
【図面の簡単な説明】 第1図は産業用ロボットのスケルトン斜面図、第2図は
制御装置のブロック線図、第3図はティーチングボック
スの正面図、第4図および第5図は座標変換の説明図で
ある。 1……産業用ロボット、2……加工対象のワーク、3…
…加工ヘッド、4……3軸直交の位置決め機構、5……
回転2軸の位置決め機構、10……制御装置、11、12、1
3、14、15……位置制御部、16……運動制御部、18……
主制御盤、20……ティーチングボックス。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】加工対象のワークに対し加工ヘッドを三次
    元方向に相対的に移動可能な状態で支持してなる直交座
    標系の産業用ロボットの運動を制御する制御装置におい
    て、 上記加工ヘッドは、三次元方向の1つの軸を中心に回転
    する第1回転軸とその第1回転軸に対し所定の交角で交
    差する第2回転軸とを有し、その加工ヘッド先端の加工
    点は、第1回転軸および第2回転軸の交点であって、そ
    の加工ヘッド先端の加工点の運動を制御する制御装置
    と、少なくとも加工点の座標と加工ヘッドの姿勢を入力
    するティーチングボックスとを備え、加工ヘッド姿勢を
    決定する前記第1回転軸および第2回転軸の角度により
    加工ヘッドの姿勢に固有の工具座標系を設定して工具座
    標系での加工ヘッド位置と移動速度の入力手段を備え、
    加工ヘッドの移動ベクトルを求める手段により3軸直交
    座標系への座標変換手段を設けたことを特徴とする産業
    用ロボットの制御装置。
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柿倉正義,産業用ロボットの制御方式と利用技術,昭和61年6月28日日刊工業新聞社 73頁から76頁

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