JP2804474B2

JP2804474B2 - 産業用ロボットにおけるティーチング方法

Info

Publication number: JP2804474B2
Application number: JP62276410A
Authority: JP
Inventors: 和裕森川
Original assignee: 株式会社日平トヤマ
Priority date: 1987-10-31
Filing date: 1987-10-31
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH01118907A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、直交３軸と腕先端部の角度を制御する回転
２軸とからなり、位置情報および姿勢情報によって少な
くとも同時５軸制御される産業用ロボットにおいて、そ
の位置情報および姿勢情報をティーチングする方法に関
し、特にそのティーチング方法を簡易化したものに関す
る。（従来技術とその問題点）従来、この種の産業用ロボットとして、例えば特開昭
59−21491号に示すように、レーザの照射位置を１点に
固定したまま、ノズルの角度を任意に変更できる一点指
向型の５軸レーザ加工機は既に公知である。この５軸レ
ーザ加工機は、ロボットの位置を決定するＸ、Ｙ、Ｚの
直交３軸と、ノズルの角度を決定するα、βの回転２軸
とからなる少なくとも５軸の制御系を有する。すなわ
ち、位置情報（X,Y,Z）と回転姿勢情報（α，β）によ
ってロボットのノズルから照射されるレーザの照射位置
および角度を自由に制御している。そして、平板または立体ワーク上の任意な図形をトレ
ースして加工する場合、例えばワーク上に予め描かれた
罫書き線に倣ってティーチングヘッドを動かし、その罫
書き線上の各教示ポイントでの位置情報およびティーチ
ングヘッドの回転姿勢情報を教示することにより、ロボ
ットの運動制御のティーチングを行っていた。このようなティーチングでは、作業者は普通、加工形
状が円の場合は最低５ポイント、トラック形状の場合は
10ポイント、四角形の場合は８ポイント、コーナＲ付四
角形の場合は16ポイント、その他図形が複雑になるに従
い多数の教示ポイントを必要としていた。例えば、ティ
ーチング時間が１ポイント当り30秒かかるとすれば、円
の場合150秒、トラック形状の場合300秒……と図形が複
雑になるに従ってティーチング作業に非常に多くの時間
がかかっていた。また、これら同一形状の図形をワーク上の複数箇所に
繰り返し加工するような場合であっても、個々の同一形
状図形に対しそれぞれ罫書き線上の全ての位置に同数の
教示ポイントをティーチングしなければならず、これの
ティーチング作業に膨大な時間を要していた。しかも、１ポイント毎のティーチング時の誤差がその
ままプレイバックされたロボットの加工に影響するた
め、加工形状精度にばらつきが生じ、その後の各種デー
タの修正に多くの時間を要し、加工効率を低下させる原
因となるなど多くの問題点を有していた。そこで、本発明は、各種の定形図形や任意の自由曲線
図形に対するティーチング作業を簡易化することで、テ
ィーチング時間の短縮および作業を容易にし、上記問題
点を解決しようとするものである。（問題点を解決するための手段）本発明は、予め複数種の図形データを登録しておき、
ティーチング時、この登録されている図形データを指定
し、複写平面上すなわちワーク上の２点をティーチング
するだけで、図形の複写位置、複写方向および複写面の
ティーチング作業を全て完了でき、これによりティーチ
ング時間を大幅に短縮できるとともに、特に立体ワーク
上の任意平面への同一図形の繰り返し複写或は各種図形
の複数個の複写を短時間でかつ容易に行えるようにした
ものである。すなわち、本発明は、ロボットに特有な固有座標系に
より複数種の図形データを予め登録しておき、ティーチ
ング時に登録図形のうち指定した図形位置を決定する第
１点と図形の方向を決定するための図形の基準点となる
第１点におけるティーチングヘッドの姿勢と図形の方向
を決定する基準軸方向の第２点とをティーチングするこ
とにより、指定した図形データをワーク上すなわち複写
座標系からロボット固有座標系に最終的に変換してロボ
ットの制御位置情報を得るようにしたものである。（実施例）次に、本発明の一実施例を５軸レーザ加工機について
図面に基づき説明する。第１図において、レーザ加工機の本体コントローラ１
は、CRT装置２など外部コントローラから入力されるテ
ィーチングデータや各種加工データに基づいて、ロボッ
ト本体の運動を決定する位置と姿勢データＸ、Ｙ、Ｚ、
α、βを出力し、ロボットの５軸同時制御を行う。第２図は、ロボットの先端部に設けられたレーザ加工
ヘッド３を示し、ロボット固有座標系のＸ、Ｙ、Ｚ軸の
座標で決まるレーザ照明位置Ｅを固定にしたまま、α軸
とβ軸の回転制御により、ノズル４の姿勢を任意に変更
できる一点指向型のヘッド構成となっている。上記CRT装置２には、例えば大容量メモリのハードデ
ィスクが接続され、このハードディスクに、各種基本パ
ターンおよび任意形状の複数種の図形データを予め登録
することができる。これらの図形データは、位置情報と
なるロボット固有座標系の直交Ｘ、Ｙ、Ｚ軸上の座標デ
ータとして登録される。この図形データの登録方法は、ダイレクトティーチン
グ入力、CRTからの座標指定入力、図形パターン入力、
あるいはNCテープによる入力など任意の入力方法が可能
である。ここでは、図形パターン入力について説明する。第３図で示すような頻繁に使用される図形パターン、
例えば円、トラック、四角、コーナＲ付四角の入力につ
いて説明する。これらの各図形パターンに対応してロボ
ットを制御するそれぞれのパターン動作制御プログラム
が予め上記ハードディスクに組み込まれ、半径や長さの
寸法を入力するのみで各種図形データが自動作成される
ようになっている。円においては、半径Ｒと切込み量Ｓを、トラックにお
いては、半径Ｒと直線部分の長さＵと切込み量Ｓを、四
角においては、２辺の長さＵおよびＶと切込み量Ｓを、
コーナＲ付四角においては、半径Ｒと直線部分の２辺の
長さＵおよびＶと切込み量Ｓをそれぞれ入力することに
より、各種寸法形状の図形データが登録される。また、
これらの図形パターンについて、基準点P₁と基準軸Ｌが
それぞれ設定されている。また他に、ダイレクトティーチング入力、CRT入力、N
Cテープ入力等により、上記図形パターン以外の任意形
状の自由曲線図形データを登録することも可能である。このようにして、各種寸法の図形パターンおよび任意
形状の各種図形データを登録しておくことにより、ワー
ク上にティーチングする場合において、立体任意平面上
に２点（ただし円の場合は１点だけ）をティーチングす
るのみで、指定した図形データと同一の図形軌跡を三次
元的に複写できるようになっている。次に、登録された図形を立体ワーク上にティーチング
するティーチング方法を説明する。まずティーチングに先だって、図１のノズル４を取外
して該ノズル先端と同一座標を指定できるティーチング
棒に交換してから行なうようにしている。この状態の加
工ヘッド３はティーチングヘッドと称す。第４図に示すように、例えば図形パターンが円の場合
は、円パターンを指定し、その基準点P1に対応する１点
のみ、他の図形パターンの場合は、それぞれの基準点
P1に対応する点とこの点を通る基準軸Ｌに対応する
図形長手方向のラインＬ′上の１点との２点を教示す
る。最初の第１点のティーチング時にはノズルの姿勢を
示すティーチングヘッドの教示姿勢を複写平面Waに対し
法線方向に略一致させる。すなわち、第１点のティー
チングによって、図形パターンの複写基準位置情報が教
示入力されるとともに、このときのティーチングヘッド
の教示姿勢から複写平面情報が教示され、かつティーチ
ングヘッドの姿勢がそのままノズルの姿勢情報（α，
β）として教示される。このとき、第１点のティーチングと同時に、登録さ
れている図形データを指定することにより、例えば円の
場合は、図形パターンに方向性がないため基準点P1の１
点のみでよいが、他の図形パターンの場合は、図形パタ
ーンを指定後第２点をティーチングすることにより、
図形基準軸Ｌ′方向すなわち図形パターン方向が教示さ
れ、同時に後述する複写座標系が決定される。したがって、指定図形データは一旦複写座標系に複写
された後、ロボットに特有な固有座標系の情報（X,Y,Z,
α，β）に自動変換される。このように、ワーク上に登録図形をティーチングする
場合には、第５図のようにワーク面Wa上の第１点と第
２点を教示するのみでよい。そして、加工時にはこのティーチングにより記録され
た情報（X,Y,Z,α，β）によって、第６図に示すよう
に、登録時にＳで指定された切込み点から指定図形軌
跡の全周を移動し、再び切込み点へ帰還し、登録され
た図形の加工を終了する。これが、レーザ加工時の三次
元複写加工軌跡である。以上は、図１で示す本体コントローラ１により次のよ
うな演算処理で行なわれる。第７図において、ロボット固有座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ
軸）に教示用座標系（ｘ、ｙ、ｚ軸）を一致させる。次に、ワークの立体面上の各位置に各種図形をティー
チングする時に決定される複写座標系（ｘ′、ｙ′、
ｚ′軸）の原点ｏ′を教示用座標系の原点Ｏに一致させ
るように平行移動させ、ｘ′、ｙ′、ｚ′軸に対応する
座標軸ｘ″、ｙ″、ｚ″軸を得る。各種登録された図形データは、例えば第８図のよう
に、教示用座標系（ロボット固有座標系）のｘ−ｙ平面
上において、その基準点P₁を原点Ｏに、基準軸Ｌ方向を
ｘ軸方向に一致させてそれぞれ登録されている。複写平面上にティーチングされる上記基準点P₁に対応
する点と上記図形基準軸Ｌに対応する基準軸Ｌ′線上
の点の各座標を点＝（x_o,y_o,z_o）点＝（x_p,y_p,z_p）とし、かつｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の単位ベクトルとなる。ここで、 l_x、m_x、n_xは、複写面のｘ′軸の方向余弦 l_y、m_y、n_yは、複写面のｙ′軸の方向余弦 l_z、m_z、n_zは、複写面のｚ′軸の方向余弦とする。次に、登録図形の複写時の複写座標系からロボット固
有座標系への座標変換は、次式により行なわれる。点を教示したときのティーチング棒の方向でｚ′
（ｚ″）軸方向が決まり、同時にノズルの姿勢情報
（α，β）も決定される。すなわち、点を含みかつ
ｚ′（ｚ″）軸と垂直な平面すなわちｘ′−ｙ′（ｘ″
−ｙ″）平面が決定される。つまり、点教示時の姿勢情報（α，β）より、＋
ｚ′（ｚ″）軸方向の方向余弦は、次のようになる。ここで、第10図に示すように、Ｕはティーチング棒方
向のベクトルであり、また、α軸とβ軸の交角を45゜と
すると、である。ただし、n₁、n₂、n₃は、とする。次に、点の教示により、基準軸Ｌ′方向が決まるた
め、ｘ′（ｘ″）軸方向およびｙ′（ｙ″）軸方向が決
まる。すなわち、＋ｙ′（ｙ″）軸方向の方向余弦は、次式
により求まる。よって、ここで、このように、が求まったので、＋ｘ′（ｘ″）軸方向の方向余弦は、
次式で求まる。したがって、これら［II］［III］［IV］式を上記
［Ｉ］式に代入することにより、第９図に示すように登
録図形データは回転と平行移動で複写座標系に一旦移さ
れ、引続き教示用座標系すなわちロボット固有座標系に
変換されてその位置情報（X,Y,Z,α，β）が得られる。また、自由曲線でなる任意形状の場合においても、複
写平面に対しノズル４を一定姿勢で複写加工するような
場合に、例えばティーチング等により図形データを登録
し、上記図形パターンの場合と同様に、複写時の第１点
目のティーチング時のロボット姿勢をそのまま姿勢情報
（α，β）として得、第２点目のティーチングによって
基準軸方向を教示し、複写座標系を決定することにより
位置情報（X,Y,Z）を容易に得ることができる。さらに、このようなティーチング方法によれば、例え
ば第11図に示すように、立体ワークＷ上の複数箇所の任
意面に同一図形の複写を連続して行うこともできる。この場合、第12図で示すように各複写位置において図
形データの指定と１点或は２点をそれぞれ教示しなが
ら、それらを連続した加工プログラム（第13図）に作成
することにより、第14図で示すような連続加工のロボッ
ト位置情報を得ることができる。また、同様にしてそれぞれ異種の図形データを加工プ
ログラム内に組み込むことにより、立体ワークＷ上の複
数箇所の任意面に異種図形の複写を連続して行うことも
可能である。この場合も、ティーチングはそれぞれの図形軌跡上の
全数のポイントを教示する必要がなく、一図形につき１
点或は２点のティーチングで行えるため、ティーチング
時間が短かくてよく、加工プログラムの作成も非常に短
時間で容易に行えるものである。さらに、この加工プログラムを上記ハードディスクに
登録しておくことにより、同一形状ワークの同一複写加
工をプログラム指定だけで簡単に繰り返し加工すること
ができ、生産効率も大幅に向上される。（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、予め複数種の
図形データを登録し、この登録した図形データを選択し
て複写したい任意面上に２点のみをティーチングする。
つまり図形データの基準点となる第１点の座標とこの面
の傾きをティーチングヘッドの姿勢によりティーチング
するとともに、図形の方向を決定する図形の基準軸方向
の第２点をティーチングするだけで、選択した図形デー
タの複写位置情報、複写方向情報および複写平面情報を
同時にティーチングでき、これにより複写座標系が決定
されるため、複写した図形データを上記複写座標系によ
り座標交換演算処理を介してロボット固有座標系の位置
情報および姿勢情報が簡単に得られる。従って、２点のティーチングで、選択された図形情報
の全ポイントにおけるティーチングと同様な方法で、位
置情報および姿勢情報が複写されるため、登録された図
形を準備しておくだけで、図形の全てのポイントをティ
ーチングする必要がなくなり、ティーチング作業が簡易
化でき、ティーチング時間を大幅に短縮できるものであ
る。また、全数ポイントのティーチングに比べ、ティーチ
ング誤差の加工への影響も少なく、複写座標系が決まれ
ば登録図形データそのままの図形軌跡が指定位置に複写
されるため、加工形状精度が向上される。特に、立体ワーク上の任意面への同一図形の繰り返し
複写或は各種図形の複数個の複写を短時間でかつ高精度
に行え、ロボットによる生産効率が大幅に向上される。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明方法によるレーザ加工機の制御系を示す
図、第２図はレーザ加工ヘッドおよびロボット固有座標
系を示す図、第３図は各種図形パターンの登録方法を示
す図、第４図は各種図形パターンのティーチング方法を
示す図、第５図はティーチング軌跡を示す図、第６図は
変換後の位置情報によるロボット軌跡を示す図、第７図
ないし第10図は座標変換演算のための説明図、第11図は
複数個の複写例を示す図、第12図は同上ティーチング軌
跡を示す図、第13図は同上加工プログラムを示す図、第
14図は同上変換後の位置情報によるロボット軌跡を示す
図である。Ｘ、Ｙ、Ｚ……ロボット固有座標系を構成する直交３
軸、ｘ′、ｙ′、ｚ′……複写座標系を構成する直交３
軸、α、β……ロボット固有座標系を構成する回転２
軸、P₁……基準点、Ｌ……基準軸、Ｐ′_１、Ｐ′_２……
教示点。

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．ロボット固有座標系の直交３軸と回転２軸とで同時
５軸制御される産業用ロボットにおいて、複数種の図形
データを予め登録し、この図形データの内、選択された
図形データの任意の三次元平面上へ複写してティーチン
グする際に、複写すべき面上に選択された図形データの
基準点に対応する第１点の座標とこの面の傾きのティー
チングヘッドの姿勢によりティーチングするとともに、
該図形データの方向を決定する第２点の座標をティーチ
ングすることによって、三次元平面上に図形データを複
写することを特徴とする産業用ロボットにおけるティー
チング方法。