JP4981513B2 - 溶接方法、溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接トーチを被溶接部材（以下、「ワーク」）の溶接線に沿って自動的溶接する方法および装置に関する。

ワークの溶接線に対し予め溶接ワイヤ（以下、単に「ワイヤ」）の位置を設定し、この予め設定されたワイヤの位置に基づき、自動的にワイヤを溶接線に沿って溶接を行っている。溶接を正確に行うために、溶接中に移動するワイヤが溶接線に正確に沿う必要がある。ワイヤを溶接線に正確に沿わせるためには、溶接を開始する位置において、溶接線に対して溶接トーチが正確に位置決めされなければならない。
自動溶接を行う場合、ワークに対して予め溶接線を設定する。この溶接線を「基準溶接線」と言う。溶接トーチ（またはワイヤ）は基準溶接線に沿って移動することになる。ところが、現場での溶接作業において、実際にセットされたワークの溶接線（以下、「実溶接線」）が基準溶接線に対してずれていることがある。これでは、正確な溶接作業を自動で行うことができなくなる。
そこで、溶接を開始する前に、基準溶接線と実溶接線とのずれを検出し、このずれ量に基づいて溶接線を補正する技術が種々提案されている。

例えば、特許文献１は、タッチセンサでワークの大まかな位置を検出し、このタッチセンサが検出したワークの大まかな位置に応じて、カメラの位置を補正して、この補正された位置でカメラがワークの溶接箇所を撮像する。この場合、補正された位置でカメラがワークの溶接箇所を撮像することができるので、溶接箇所を十分に拡大して撮像することができる。したがって、ワークの溶接箇所の位置を精密に算出し、この算出した溶接箇所の位置に基づきワイヤの位置を制御することで、ワークの溶接箇所に対するワイヤの位置決め精度を向上することができる。

特許文献１は、ワイヤとは別個にタッチセンサを設けるとともに、カメラを設けているため、装置構成が複雑かつ高価となる。これに対して、ワイヤにタッチセンサの機能を持たせ、ワイヤを用いて基準溶接線と実溶接線とのずれ量を検出する手法が知られている（例えば、特許文献２、特許文献３）。ワイヤにタッチセンサの機能を持たせる場合、ワイヤに検出電圧を印加しておき、ワイヤがワークに接触すると電流がワークに流れることにより、電圧が低下して接触を検知することができる。または、ワークに流れた電流を検知することによっても、接触を検知することができる。

図１０は、隅肉継手において、タッチセンサ１００で基準溶接線と実溶接線とのずれ量を検出する原理を説明する図である。
図１０に示すように、基準ワークモデル１０１が点線で示されている。この基準ワークモデル１０１は、ティーチングを行うために予め設定されるものであり、板１０１ａと板１０１ｂとが直交して隅肉継手を構成する。この交差部が基準溶接線１０３で示してある。実際にセットされた実ワーク１０２が実線で示されている。実ワーク１０２も、板１０２ａと板１０２ｂとが直交して隅肉継手を構成する。この交差部が実溶接線１０４で示してある。

基準ワークモデル１０１に対して、タッチセンサ１００の初期位置Ｐｓがティーチングにより設定される。タッチセンサ１００は触針として機能するワイヤ１００ａを備えている。タッチセンサ１００は、ワイヤ１００ａの先端が初期位置Ｐｓに一致するように配置される。以下説明するセンシングは、ワイヤ１００ａの突き出し長さを一定として行われる。
タッチセンサ１００の初期位置Ｐｓから、ｘ軸に沿って板１０１ａに向かって、タッチセンサ１００を移動させたとき、タッチセンサ１００のワイヤ１００ａ（以下、単にタッチセンサ１００と言うことがある）と板１０１ａが仮想的に接触する位置を、位置座標Ｐ_１０１ａと設定する。また、タッチセンサ１００の初期位置Ｐｓから、ｚ軸に沿って板１０１ｂに向かって、タッチセンサ１００を移動させたとき、ワイヤ１００ａと板１０１ｂが仮想的に接触する位置を位置座標Ｐ_１０１ｂと設定する。

タッチセンサ１００を、初期位置Ｐｓからｘ軸に沿って板１０２ａに向かって移動させる。ワイヤ１００ａと板１０２ａとが接触して、ワイヤ１００ａと板１０２ａが接触する位置座標Ｐ_１０２ａを検出する。ワイヤ１００ａが板１０２ａと接触する位置座標Ｐ_１０２ａを検出した後、タッチセンサ１００は、初期位置Ｐｓに復帰する。次いで、タッチセンサ１００を、初期位置Ｐｓからｚ軸方向に沿って板１０２ｂに向かって移動させる。ワイヤ１００ａと板１０２ｂとが接触して、ワイヤ１００ａと板１０２ｂが接触する位置座標Ｐ_１０２ｂを検出する。
予め設定されている位置座標Ｐ_１０１ａと検出された位置座標Ｐ_１０２ａにより、基準ワークモデル１０１に対する実ワーク１０２との水平方向、つまり、ｘ軸方向のずれ量Δｘが求められる。また、予め設定されている位置座標Ｐ_１０１ｂと検出された位置座標Ｐ_１０２ｂにより、基準ワークモデル１０１に対する実ワーク１０２との垂直方向、つまり、ｚ軸方向のずれ量Δｚが求められる。求められたΔｘおよびΔｚに基づいて、基準ワークモデル１０１の基準溶接線１０３を実ワーク１０２の実溶接線１０４に合わせて補正することができる。

特開２００３−３３８７４号公報 特開平６−５５２６９号公報 特開２００１−２２５２８８号公報

しかしながら、上述したような従来の技術においては、実溶接線の検出を、より迅速に、より高精度に行うという点で更なる改善の余地がある。例えば、図１０の例では、基準ワークモデル１０１と実ワーク１０２の設置角度が同一となっているが、実ワーク１０２を実際にセットした時には、実ワーク１０２が基準ワークモデル１０１に対して傾くことがある。このような場合、上記手法では、実溶接線１０４の位置を正確に特定できず、補正後の基準溶接線１０３も実溶接線１０４からずれたままとなる。また、実ワーク１０２の板１０２ａと板１０２ｂとが直交するものとしているが、これについても、板１０２ａと板１０２ｂを実際にセットした時に、その交差角度がずれることがある。このような場合も、上記手法では実溶接線１０４の位置を正確に特定することができない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、溶接線の検出を、より迅速に、より高精度に行うことのできる溶接方法、溶接装置を提供することを目的とする。

上記のような課題を解決すべくなされた本発明の溶接方法は、隅肉継手部を有するワークを隅肉溶接する際に溶接トーチを隅肉継手部の溶接線に沿って動作させるための軌道情報を作成するステップと、作成された軌道情報に基づいて溶接トーチを溶接線に沿って動作させてワークを隅肉溶接するステップと、を備える。そして、軌道情報を作成するステップでは、ワークに対し、溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおいて、隅肉継手部の溶接線を挟んだ両側でタッチセンサによる３箇所以上のタッチセンシングを行って各箇所の位置座標を取得する。さらに、取得された各箇所の位置座標から、溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおける溶接線の位置座標を特定し、特定された溶接線の位置座標から軌道情報を生成する。
ここで、本発明においては、隅肉継手部の溶接線を挟んだ両側で３箇所以上のタッチセンシングを行うが、ここで言う３箇所とは、隅肉継手部の溶接線を挟んだ一方の側におけるタッチセンシングの箇所数と、他方の側におけるタッチセンシングの箇所数の合計である。

このような方法によれば、実際のワークに対して３箇所以上でタッチセンシングを行うことで、実際のワークが傾いている場合にも、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接線の位置座標を正確に特定することができ、特定された位置座標から溶接トーチの軌道情報を生成できる。平板どうしを隅肉溶接するような単純な形状のワークであれば、実際にセットしたワークのタッチセンシングのみで軌道情報を生成して自動溶接を行うこともできる。
溶接線が３次元上に湾曲している場合等、複雑な形状のワークの場合には、ワークの設計データに基づいて、ワークを隅肉溶接する際に溶接トーチを動作させるための基準軌道情報を作成するステップをさらに備えるのが好ましい。そして、軌道情報を作成するステップでは、特定された溶接線の位置座標と基準軌道情報との位置ずれ量を取得し、取得された位置ずれ量から基準軌道情報を補正し、ワークを隅肉溶接するステップでは、補正された基準軌道情報を軌道情報とし、溶接トーチを動作させる。

軌道情報を作成するステップでは、タッチセンサによる３箇所以上のタッチセンシングを行うことで、溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおける溶接線の位置座標を特定することで、溶接線の位置座標を高精度に特定できる。
ここで、タッチセンサによる３箇所以上のタッチセンシングを行うわけであるが、本発明においては、以下の構成を必須とする。

すなわち、溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおいて、ワークに対し、隅肉継手部の溶接線を挟んだ一方の側のタッチ箇所と他方の側のタッチ箇所でそれぞれタッチセンシングを行って、一方の側のタッチ箇所と他方の側のタッチ箇所の中間位置を算出するステップと、算出された中間位置にタッチセンサを移動させ、タッチセンサを溶接線に接近させるステップと、を複数回繰り返していく。この手法では、タッチセンサは最終的に溶接線に対向する位置に到達する。これにより、ワークが傾いている場合だけでなく、隅肉継手部の角度がずれている場合にも、溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおける溶接線の位置座標を正確に特定することができる。

さて、上記したような手法は、ＭＩＧ溶接（Metal Inert Gas welding）等において、溶接トーチの先端に取り付けられたシールドノズルからシールドガスを吐出するとともに、シールドノズルをワークに接触させながら隅肉溶接を行う場合に有効である。

ところで、例えば、図１１（ａ）に示すように、シールドノズル１０５をワーク（隅肉継手）１０６に接触させながら溶接を行う場合、前述したように、基準ワークモデル１０１に対する実ワーク１０２のずれ量を求めるセンシング過程で、ワイヤ１００ａの突き出し長さは一定である。そして、溶接時におけるワイヤ１００ａの突き出し長さも、このずれ量を求める過程の突き出し長さと一致させることを前提としている。この場合、継手角度が一定のワーク１０６を溶接する場合には支障はない。ところが、溶接線上の位置によって継手角度が変化するワーク１０６を溶接する場合には、問題が生ずる。すなわち、図１１（ｂ）に示すように、継手角度が小さい部分では、ワーク１０６とシールドノズル１０５が干渉してしまい、溶接自体ができなくなる。また、図１１（ｃ）のように、継手角度が大きい部分では、ワーク１０６とシールドノズル１０５とが離間してしまい、シールドガスのシールド性を確保することができなくなる。

従来、図１０にも示しているように、突き出し量が一定のワイヤ１００ａにタッチセンサの機能を持たせてセンシングを行っていた。したがって、前述したように、ワーク１０６とシールドノズル１０５の干渉または離間が発生した。そこで、本発明者は、ワークに接触させるべきシールドノズルにタッチセンサの機能を持たせ、シールドノズルのずれ量を求めることを着想した。センシングの際にシールドノズルと実ワークとは接触するから、このセンシングに基づき補正されたトーチの軌道情報に沿って溶接を行う過程で、シールドノズルと実ワークとの接触を確保することができる。これにより、継手角度が変化するワークであっても、シールドノズルとワークの干渉または離間を防止して自動で溶接を行うことが可能となる。

このような着想に基づき、本発明者らは、以下のような溶接方法を既に提案した（特願２００７−４４８２２）。この方法は、ガスシールドアーク溶接によって溶接される隅肉継手部を有するワークの設計データに基づいて、溶接する際の溶接トーチの基準軌道情報を作成するステップ（ａ）と、基準軌道情報に対する溶接トーチの位置ずれ量を、溶接位置に実際にセットされたワークへのタッチセンシングにより取得するステップ（ｂ）と、溶接トーチの位置ずれ量に基づいて基準軌道情報を補正して実軌道情報を作成するステップ（ｃ）と、実軌道情報に基づいて溶接トーチの軌道を制御して溶接するステップ（ｄ）と、を備えている。ここで、溶接は、溶接トーチの先端に取付けられ、かつ溶接時にシールドガスが吐出されるシールドノズルを隅肉継手部に接触させながら行われる。シールドガスによるシールド性を確保するためである。そこで、基準軌道情報を、シールドノズルをワークに接触させながら溶接するものとして作成するとともに、溶接トーチの位置ずれ量を、シールドノズルをワークに接触させることにより取得する。その結果、補正された溶接トーチの実軌道情報に基づいて、シールドノズルをワークに接触させながら溶接を行うことができる。
このような溶接方法において、シールドノズル上において、溶接の際にシールドノズルが隅肉継手部に接触する位置にタッチセンサの触針を配置して、ワークへのタッチセンシングを行うことができる。シールドノズル自体がワークに接触してセンシングできることから、その結果得られる溶接トーチの実軌道情報は、シールドノズルとワークの接触を確保するものとなる。

また、シールドノズルと同形状を有したシールドノズル模擬体にタッチセンサの機能を持たせてセンシングを行っても、溶接位置に実際にセットされたワークに対する溶接トーチの位置ずれ量を同様に取得することができる。そして、実際に溶接を行う際には模擬体に替えてシールドノズルを装着すればよい。この着想は、シールドノズルが取付けられた溶接トーチ全体を、タッチセンサとしての機能を有する模擬体に替えて実現することを含む。つまり、シールドシールドノズルに替えて、シールドノズル模擬体をワークに接触させることにより、溶接トーチの位置ずれ量を取得することもできる。

上記のような技術について、本発明者らが更なる検討を重ねた結果、上記技術には以下に示すような解決すべき課題があることを見出した。
まず、シールドノズル模擬体を用いてセンシングを行う場合には、実際に溶接を行うときに用いるシールドノズルとの間での精度の確保に課題がある。すなわち、シールドノズル模擬体でセンシングを行った後、シールドノズル模擬体をシールドノズルに交換する際、その取付誤差等により、位置ずれが生じる可能性がある。また、使用に伴い、シールドノズル模擬体やシールドノズルに変形などが生じれば、これも実際のシールドノズルに交換したときの位置ずれに繋がる。さらに、ワークが大型のものである場合、溶接トーチも長尺なものとなることがある。長尺な溶接トーチにおいては、使用にともなって外力等によって形状変化が生じることもある。したがって、シールドノズル模擬体とシールドノズルの双方の精度維持が必要となり、そのための管理に手間がかかる。
また、シールドノズル模擬体を用いず、シールドノズルにタッチセンサの触針を設ける場合、溶接トーチやシールドノズルが導電性材料から形成されているため、これらと触針との絶縁を図る必要がある。このためには触針と溶接トーチおよびシールドノズルとの間に絶縁層を形成する必要があるが、溶接トーチは、隅肉継手部の狭い空間に挿入する必要があるため、絶縁のために溶接トーチやシールドノズルが大型化するのは好ましくない。しかし、絶縁層の厚さが小さくては、十分な絶縁が図れない。
さらに、触針は、シールドノズルあるいはシールドノズル模擬体に対称な位置に一対を設ける必要があるが、それぞれの触針に通電するための配線も必要であり、これもシールドノズルあるいはシールドノズル模擬体の大型化につながってしまう。加えて、溶接線が３次元的に湾曲しているような場合、シールドノズルあるいはシールドノズル模擬体の中心軸に対し、隅肉継手部の両側の被溶接材料の位置（角度）が、溶接線上の位置によって異なる。その結果、シールドノズルあるいはシールドノズル模擬体に設けられた一対の触針に対するワークのタッチ角度が変わり、確実なタッチセンシングが行えないこともある。これに対応するため、溶接トーチをその中心軸線周りに回転させ、一対の触針によるワークのタッチ角度を常に適切なものとすることも考えられるが、これでは制御が複雑化する。
上記したような理由から、本発明者らが既に提案した手法については更なる改善の余地があるのである。

そこで、本発明においては、シールドノズルを用いる場合、タッチセンサは、導電性材料から形成されたシールドノズルと、シールドノズルに電圧を印加する電源と、シールドノズルに印加された電圧の変化を検出し、電圧の変化が検出されたときの溶接トーチの位置座標を取得するコントローラと、を含むものとすることを提案する。つまり、シールドノズル自体をタッチセンサとして機能させるのである。これによって上記のような問題が解決できる。

本発明は、隅肉継手部を有するワークの隅肉溶接を行う溶接トーチと、溶接トーチを移動させる移動装置と、溶接トーチに設けられて溶接時にシールドガスを吐出し、導電性材料からなるシールドノズルと、シールドノズルに電圧を印加する電源と、シールドノズルに印加された電圧の変化を検出し、電圧の変化が検出されたときの溶接トーチの位置座標を取得するとともに、取得された位置座標に基づき溶接トーチを隅肉継手部の溶接線に沿って動作させるための軌道情報を生成する軌道生成部と、軌道情報に基づいて溶接トーチの動作を制御するトーチ動作制御部と、を備え、軌道生成部は、ワークに対し、溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおいて、ワークに対し、隅肉継手部の溶接線を挟んだ一方の側のタッチ箇所と他方の側のタッチ箇所でそれぞれタッチセンシングを行って、一方の側のタッチ箇所と他方の側のタッチ箇所の中間位置を算出するステップと、算出された中間位置にタッチセンサを移動させ、さらにタッチセンサを溶接線に接近させるステップと、を複数回繰り返すことで、位置における溶接線の位置座標を特定するとともに、ワークの設計データに基づいて、ワークを隅肉溶接する際に溶接トーチを動作させるための基準軌道情報を生成し、特定された溶接線の位置座標の基準軌道情報に対する位置ずれ量を取得し、取得された位置ずれ量から基準軌道情報を補正し、トーチ動作制御部は、補正された基準軌道情報を軌道情報とし、溶接トーチを動作させ、溶接トーチの先端に取り付けられたシールドノズルからシールドガスを吐出するとともに、シールドノズルをワークに接触させながら隅肉溶接が行われることを特徴とする溶接装置とすることもできる。

ここで、軌道生成部は、ワークに対し、溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおいて、隅肉継手部の溶接線を挟んだ両側でシールドノズルを３箇所以上で接触させて各箇所の位置座標を取得し、取得された各箇所の位置座標から位置における溶接線の位置座標を特定し、特定された溶接線の位置座標から軌道情報を生成するものとすることができる。

本発明によれば、実際のワークに対して、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおいて、３箇所以上のタッチセンシングを行うことで、それぞれの位置における溶接線の位置座標を高精度に特定することができ、特定された位置座標から溶接トーチの軌道情報を生成できる。このとき、最小限の箇所へのタッチセンシングにより溶接線の位置座標が高精度に特定できるので、実溶接線の検出をより迅速に行うことが可能となる。
また、シールドノズル自体をタッチセンサとして機能させることにより、シールドノズル模擬体を用いる場合に比較し、精度を確実に確保できる。また、シールドノズルにタッチセンサの触針を設ける場合に比較し、シールドノズルが大型化することもなく、隅肉継手部の狭い空間にもシールドノズルを確実に挿入してタッチセンシングや溶接を行うことが可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した自動溶接装置１の概略構成を示す図である。なお、自動溶接装置１は、例えばＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接（Tungsten Inert Gas）、ＭＡＧ溶接（Metal Active Gas welding）等のシールドガスをシールドノズルから吐出するガスシールド溶接に広く適用することができる。

自動溶接装置１は、図１に示すように、溶接ワイヤ５を保持する溶接トーチ２と、溶接トーチ２の先端に着脱自在に取付けられるシールドノズル３と、を備えている。ここで、シールドノズル３は、実際にセットされたワーク１３（以下、これを実ワークと称することがある）の位置を検出するためのタッチセンサとして機能するものとされている。
なお、図１は、実ワークの位置ずれ量を検出する状態を示しているため、溶接ワイヤ５はシールドノズル３内に退避している。溶接時には溶接ワイヤ５はシールドノズル３から所定の長さだけ突き出す。自動溶接装置１は、所謂消耗電極式の溶接装置であり、溶接ワイヤ５は溶接時には図示しないワイヤ供給装置から逐次供給される。
また、自動溶接装置１は、溶接トーチ２を保持する多関節ロボット（移動装置）６、シールドガスを供給するガス供給装置７、この多関節ロボット６を駆動制御するロボットコントローラ（コントローラ、トーチ動作制御部）８、シールドノズル３に所定の電圧を印加するセンサ用電源（電源）９、溶接時に溶接ワイヤ５に電力を供給する溶接電源１０を備えている。
さらに、自動溶接装置１はＣＡＤシステム１１およびオフライン教示データ作成システム（軌道生成部）１２を備えている。

自動溶接装置１にて溶接されるワーク１３は、底板１３ａと縦板１３ｂを備えている。隅肉継手を構成するワーク１３は、溶接線１３ｃが連続する方向において、図１に示すように底板１３ａと縦板１３ｂからなる継手角度が一定ではなく、変化する。このワーク１３は、図中、手前から継手角度が連続的に小さくなる例を示しているが、本発明はこれに限らず、継手角度が増減するワークについて適用できることは言うまでもない。また、図１において、溶接線１３ｃは直線状であるが、溶接線１３ｃは、３次元状に湾曲したものであっても本発明は適用できる。

自動溶接装置１は、ガス供給装置７から供給され、かつ溶接トーチ２を通過してきた不活性ガスで溶接部分を外部から効果的にシールドするために、シールドノズル３を備えている。シールドノズル３は、中空円筒状の形態をなしている。ワーク１３を溶接する場合、図１１に示したのと同様にして、シールドノズル３の先端外周縁を、底板１３ａおよび縦板１３ｂに接触させる。シールド性を高めるためである。シールドノズル３の先端外周縁の１点が底板１３ａに接触し、この点と中心を挟んで対称に位置するシールドノズル３の先端外周縁の１点が縦板１３ｂに接触しながら、ワーク１３の長手方向に連続する溶接線１３ｃに沿って溶接が行われる。溶接時には、溶接電源１０から溶接ワイヤ５に電力を供給するとともに、ガス供給装置７からシールドガス（不活性ガス）を供給する。溶接電源１０からの電力供給制御、ガス供給装置７からのシールドガス供給制御は、ロボットコントローラ８によって行われる。

シールドノズル３は、導電性材料から形成され、外形が、例えば円形、矩形等、左右対称形状とされている。
このシールドノズル３を実ワークの位置を検出するためのタッチセンサとして機能させるため、センサ用電源９からシールドノズル３に電圧を印加するための通電ケーブル４ａ、４ｂがシールドノズル３に接続されている。
センサ用電源９から通電ケーブル４ａ、４ｂを介して電圧が印加された状態で、シールドノズル３が底板１３ａまたは縦板１３ｂに接触すると、シールドノズル３に印加されていた電圧が低下する。センサ用電源９に電気的に接続されるロボットコントローラ８において、この電圧の低下を検知することで、シールドノズル３が底板１３ａまたは縦板１３ｂに接触したことを検出できる。ロボットコントローラ８においては、シールドノズル３の底板１３ａまたは縦板１３ｂへの接触を検出したときのシールドノズル３（溶接トーチ２）の位置（座標）を検出できるようになっている。
このとき、シールドノズル３の移動方向は既知であるため、ロボットコントローラ８では、底板１３ａに接触したのか、縦板１３ｂに接触したのかを認識できる。そして、シールドノズル３の外形寸法も既知であるため、ロボットコントローラ８で検出する位置座標から、シールドノズル３の底板１３ａまたは縦板１３ｂに対するタッチ箇所の位置座標を検出できる。

多関節ロボット６は、例えば、６つの互いに独立したジョイントを有するものとすることができる。多関節ロボット６は、ヘッド６ａを備え、このヘッド６ａで溶接トーチ２を保持する。ヘッド６ａを移動させることにより、溶接軌道上に沿って溶接トーチ２を自在に移動させることができる。ヘッド６ａに対して溶接トーチ２は着脱自在な装置を別途設けることにより、溶接トーチ２を自動で交換する自動溶接装置１とすることができる。これらの動作は、多関節ロボット６に電気的に接続されるロボットコントローラ８により制御される。

ロボットコントローラ８は、センサ用電源９、溶接電源１０の動作を制御する他、上述のように、多関節ロボット６の動作を制御する。この動作制御は、基準ワークモデル（設計モデル）に対する実ワークのずれ量の検知、溶接時の溶接トーチ２の動作を含んでいる。ロボットコントローラ８には、オフライン教示データ作成システム１２が接続され、かつオフライン教示データ作成システム１２を介してＣＡＤシステム１１が接続されている。ロボットコントローラ８は、コンピュータ装置のＣＰＵやメモリ等が協働して所定の処理を実行することによって上記の動作制御を実現する。

ＣＡＤシステム１１は、オフライン教示データ作成システム１２と協働して、ワーク１３のＣＡＤデータ（設計データ）に基づき、より理想的な溶接状態を得るための溶接トーチ２の基準軌道情報を作成する。ＣＡＤシステム１１は、マウス、キーボード等からなる入力手段と、予めインストールされたコンピュータプログラムに基づいて所定の処理を行う処理手段と、処理手段での処理結果等を出力（表示）する表示部と、溶接対象物であるワーク１３のＣＡＤデータ等、各種データを格納するデータ格納部とを含んでいる。オフライン教示データ作成システム１２は、オフライン教示データを作成するためのコンピュータプログラムを含んでいる。

ＣＡＤシステム１１において基準軌道情報を作成するには、まず、処理手段にて、データ格納部から読み出されたワーク１３のＣＡＤデータに基づき、ワーク１３の三次元モデル（ワーク形状モデル）を仮想的に作成する。このモデルが基準ワークモデルとなる。このモデルは、少なくともワーク１３の底板１３ａ、縦板１３ｂの表面の形状を示す線分を含んでいる。ワーク形状モデルは、表示部に表示される。オペレータは、表示部に表示されたワーク１３のワーク形状モデルを見ながら、溶接トーチ軌道生成の基準となる溶接線位置情報を、入力手段のマウス等を用いて作成する。したがって、この溶接線位置情報は、ＣＡＤシステム１１とオフライン教示データ作成システム１２が協働してティーチングによって作成される。次に、ＣＡＤシステム１１およびオフライン教示データ作成システム１２は、データ格納部に格納された溶接トーチ２の寸法データおよび溶接線位置情報に基づき、溶接線位置情報で特定される溶接線に沿って溶接トーチ２が溶接を行うための基準軌道情報を作成する。
つまりこのようにして作成された基準軌道情報は、設計データ（基準ワークモデル）上における基準軌道を示す情報である。

オフライン教示データ作成システム１２は、実際にセットされたワーク１３の溶接線１３ｃに沿って溶接トーチ２を移動させるため、前記のように作成された基準軌道情報を、実際にセットされたワーク１３の位置に応じて補正し、実軌道情報（軌道情報）を作成する。

次に、自動溶接装置１を用いてワーク１３の底板１３ａおよび縦板１３ｂを溶接する手順について説明する。なお、以下に示す処理は、ＣＡＤシステム１１、オフライン教示データ作成システム１２が協働して、予めインストールされたプログラムに基づいて所定の処理を実行することで行われる。

自動溶接装置１を用いてワーク１３を溶接する場合、まず、前述したように、実際の溶接を行う前に溶接トーチ２の実軌道情報を作成する。これには、図２のＳ１０１（ワーク形状モデル作成）、Ｓ１０３（溶接線位置情報作成）、Ｓ１０５（トーチ基準軌道情報作成）、Ｓ１０７（タッチセンシング）およびＳ１０９（トーチ軌道補正）の各ステップを順次行う。溶接トーチ２の実軌道情報の作成が終了した後に、当該軌道情報に基づいて溶接トーチ２を移動させながら溶接を実行させる。

「ステップＳ１０１（ワーク形状モデル作成）」
溶接トーチ２の実軌道情報作成の最初の手順として、ワーク１３について、三次元のワーク形状モデルを作成する。このモデルは、前述したようにして、ＣＡＤシステム１１の処理手段がデータ格納部から読み出したワーク１３のＣＡＤデータに基づいて作成される。この三次元のワーク形状モデルが基準ワークモデルとなる。したがって、このモデルはｘ，ｙおよびｚの三次元座標によって特定される。

「ステップＳ１０３（溶接線位置情報作成）」
基準ワークモデルが作成されたならば、このモデル上における溶接線の位置情報が作成される。この溶接線位置情報は、前述したように、ＣＡＤシステム１１とオフライン教示データ作成システム１２が協働して作成される。この溶接線位置情報もまた、ｘ，ｙおよびｚの三次元座標によって特定される。溶接線の位置情報は、基準ワークモデル上の溶接線上において、互いに間隔を隔てた複数の点の位置情報からなる。これにより、基準ワークモデル上における溶接線（これを基準溶接線と適宜称する）を特定できる。

「ステップＳ１０５（トーチ基準軌道情報作成）」
ロボットコントローラ８は、ＣＡＤシステム１１およびオフライン教示データ作成システム１２により作成された溶接線位置情報とデータ格納部に格納された溶接トーチ２の寸法データを取得し、溶接線位置情報で特定される基準溶接線に沿って溶接トーチ２が溶接を行うための基準軌道情報を作成する。

「ステップＳ１０７（タッチセンシング）」
次いで、実際にセットされたワーク１３へのタッチセンシングを行う。タッチセンシングのステップは、本願発明の最も特徴的な部分であり、後に詳述するように複数のステップを含んでいる。タッチセンシングはロボットコントローラ８が、多関節ロボット６の動作を制御して、タッチセンサとして機能するシールドノズル３を接触させることでワーク１３の位置を検出し、基準ワークモデルに対するワーク１３の位置ずれ量を取得する。

上記のタッチセンシングは、ワーク１３を所定の溶接位置に設置して行う。ワーク１３を設置する対象は特に限定されず、タッチセンシング時および溶接時にワーク１３を適切に固定できるものであればよい。ワーク１３の姿勢を変えることのできるポジショナに設置することもできる。
そして、ワーク１３の溶接線１３ｃに沿って互いに間隔を隔てた複数の位置ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、…、ｙ_ｎのそれぞれにおいて、タッチセンシングを行っていき、位置ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、…、ｙ_ｎのそれぞれにおいて、溶接線１３ｃの位置（底板１３ａと縦板１３ｂの交差位置）情報を取得する。

「ステップＳ１０９（トーチ軌道補正）」
位置ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、…、ｙ_ｎのそれぞれにおける、溶接線１３ｃの位置情報が求められたなら、この位置情報を用いてロボットコントローラ８がトーチ軌道補正を行う。トーチ軌道補正は、ステップＳ１０５で作成された基準軌道情報に含まれる位置ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、…、ｙ_ｎのそれぞれにおける基準溶接線の位置と、前記の実際のワーク１３の溶接線１３ｃの位置とのずれ量を算出し、基準軌道情報にこのずれ量を加算することにより得ることができる。例えば、位置ｙ_１におけるトーチ軌道情報を（ｘ_１、ｚ_１）とし、位置ｙ_１における位置ずれ量を（Δｘ_１、Δｚ_１）とすると、（ｘ_１＋Δｘ_１、ｚ_１＋Δｚ_１）が補正された実軌道情報となる。補正された実軌道情報は、実際の溶接線１３ｃに対応する。この補正を、位置ｙ_２、ｙ_３、…、ｙ_ｎまで行って、トーチ軌道の補正は終了する。

位置ずれ量を求めるワーク１３の溶接線１３ｃに沿った方向における位置は任意であるが、必要以上に多くの位置で位置ずれ量を求めることにすれば、センシングの時間が無駄に長くなる。そこで、溶接線１３ｃの曲率に応じてセンシングを行う位置を定めることが好ましい。図３はこのことを示している。つまり、溶接線１３ｃの曲率が大きい領域ではセンシングの間隔が広くなるようにセンシングの位置を特定し、逆に、溶接線１３ｃの曲率が小さい領域ではセンシングの間隔が狭くなるようにセンシングの位置を特定する。そうすることにより、位置精度を確保しつつもセンシング点数を低減することができる。溶接線１３ｃの曲率は、ティーチングによって求められる基準溶接線から求めることができる。そして、得られた実軌道情報（ｘ_１＋Δｘ_１、ｚ_１＋Δｚ_１）、（ｘ_２＋Δｘ_２、ｚ_２＋Δｚ_２）（ｘ_３＋Δｘ_３、ｚ_３＋Δｚ_３）、（ｘ_４＋Δｘ_４、ｚ_４＋Δｚ_４）…の間は、当該曲率に応じて直線補間または円弧補間すればよい。

なお、以上では溶接線１３ｃの位置ずれ量として説明した。しかし、位置検出はシールドノズル３で行うため、溶接線１３ｃを溶接するときのシールドノズル３の位置ずれ量として取り扱うことも可能である。さらに、シールドノズル３は溶接トーチ２に取付けられているものであるから、溶接トーチ２の位置ずれ量として取り扱うこともできる。

「ステップＳ１１１（溶接）」
実軌道情報に基づいて溶接トーチ２を移動させながら溶接が行われる。一連の溶接の制御はロボットコントローラ８が行う。なお、トーチ軌道の補正までは、溶接ワイヤ５はシールドノズル３内に退避しているので、溶接ワイヤ５を所定長だけ突き出した後に溶接を行う。溶接は、シールドノズル３をワーク１３に接触させながら、かつシールドノズル３内にシールドガスを供給しながら行う。
ワーク１３の場合、溶接線１３ｃが一つであるが、複数の溶接線１３ｃを有するワーク１３の場合には、溶接線１３ｃ毎にステップＳ１０３（溶接線位置情報作成）〜Ｓ１１１（溶接）までの手順を実行する（ステップＳ１１３、Ｓ１１７）。
全ての溶接線１３ｃについて溶接が完了したならば（ステップＳ１１３）、次に溶接すべきワーク１３がある場合には（ステップＳ１１５）、次のワーク１３について、ステップＳ１０１（ワーク形状モデル作成）〜Ｓ１１１（溶接）までの手順を実行する。次に溶接すべきワーク１３がない場合には（ステップＳ１１５）、一連の処理は終了する。

ここで、前記のタッチセンシングのステップＳ１０７について詳述する。図４はタッチセンシングの詳細な処理の流れを示す図である。タッチセンシングを行うには、まず、ワーク１３の溶接線１３ｃに沿った方向の位置ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、…、ｙ_ｎのそれぞれにおいて、タッチセンシングを行う際の、基準となる当初のタッチセンサの位置（以下、これを初期位置と称する）Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、…、Ｐ_ｎを設定する。例えば図５に示すように、初期位置Ｐ_１は、ワーク１３の溶接線１３ｃに沿った方向における位置ｙ_１におけるものである。この初期位置Ｐ_１は、オペレータがティーチングによって設定する。ただし、初期位置Ｐ_１の設定はティーチングに限定されるものではなく、基準軌道情報に所定のオフセット値を与える等の方法により自動設定してもよい。なお、初期位置Ｐ_１の設定にあたっては、タッチセンサとワーク１３とが干渉しないように行われることは言うまでもない。

この後、まず、位置ｙ_１におけるタッチセンシングを行う。
「ステップＳ２０１（タッチセンサ初期位置Ｐ_１に移動）」
図５に示すようにワーク１３の溶接線１３ｃに沿った方向における位置ｙ_１における初期位置Ｐ_１にタッチセンサを移動させる。ここでいうタッチセンサとは、センサ用電源９から通電したシールドノズル３を意味し、シールドノズル３の中心が初期位置Ｐ_１と一致するように移動させる。なお、シールドノズル３は溶接トーチ２に取付けられているが、図５〜図９ではシールドノズル３のみを記載している。
図５において、ワーク（実ワーク）１３は便宜上、図１の設置状態とは姿勢を変えて描いている。また、図５は、位置ｙ_１におけるワーク１３の断面を示している。さらに、図５において、三次元ｘ、ｙ、ｚの軸方向は図示矢印のように定義されるものとする。したがって、ｙ軸はワーク１３の長手方向に沿っている。図５に示すように、ワーク（実ワーク）１３は、基準ワークモデル１３’に対してずれて設置されている。

「ステップＳ２０２（タッチセンサ底板１３ａに接触）」
初期位置Ｐ_１のシールドノズル３を、図６に示すように、図中右方向に移動させて底板１３ａに接触させる。初期位置Ｐ_１から底板１３ａに接触したことを検知するまでのシールドノズル３の移動量ｘ_Ｒが求められる。シールドノズル３の移動は、ｘ軸と平行に行われる。ロボットコントローラ８は、移動量ｘ_Ｒを取得する。
「ステップＳ２０３（タッチセンサ縦板１３ｂに接触）」
移動量ｘ_Ｒが求められたら、次いで、縦板１３ｂに接触するまで、図７に示すように、シールドノズル３を図中左方向に移動させる。縦板１３ｂに接触したことを検知することにより、初期位置Ｐ_１から縦板１３ｂに接触するまでのシールドノズル３の移動量ｘ_Ｌが求められる。この場合も、シールドノズル３の移動は、ｘ軸と平行に行われる。ロボットコントローラ８は、移動量ｘ_Ｌを取得する。
「ステップＳ２０４（底板１３ａ−縦板１３ｂ間の中央位置座標Ｐ_ｃ１算出）」
移動量ｘ_Ｒおよび移動量ｘ_Ｌが求められたなら、ロボットコントローラ８は（ｘ_Ｒ＋ｘ_Ｌ）／２の演算処理を行う（図８）。この演算処理で求められる中央位置座標Ｐ_ｃ１は、底板１３ａと縦板１３ｂの間の中央となる。この中央位置座標Ｐ_ｃ１は、初期位置Ｐ_１を通りかつｘ軸と平行な線上に存在する。

「ステップＳ２０５（タッチセンサ中央位置へ移動、下降）」
底板１３ａと縦板１３ｂの間の中央位置座標Ｐ_ｃ１が求められたなら、図８に示すように、シールドノズル３の中心が中央位置座標Ｐ_ｃ１と一致するようにシールドノズル３を移動させる。
シールドノズル３が中央位置座標Ｐ_ｃ１に移動したならば、今度は、シールドノズル３をｚ軸方向に平行に下降させる。すると、図９に示すように、シールドノズル３が底板１３ａおよび縦板１３ｂに接触する。そこで、シールドノズル３が底板１３ａおよび縦板１３ｂに接触したときの位置座標Ｐ_ｗ１を取得する。

このとき、ワーク１３の形状が複雑な３次元形状である場合や、ワーク１３が基準ワークモデル１３’に対して傾いて設置されている場合等においては、シールドノズル３をｚ軸方向に平行に下降させても、シールドノズル３が底板１３ａおよび縦板１３ｂに接触しないことがある。そこで、ワーク１３の形状等によっては、シールドノズル３を中央位置座標Ｐ_ｃ１に移動させた後、シールドノズル３をｚ軸方向に平行に所定寸法だけ移動させ、溶接線１３ｃに接近させる（ステップＳ２０６、Ｓ２０７）。このときの移動寸法は、シールドノズル３が底板１３ａおよび縦板１３ｂに接触しない位置までの下降に留める。
その位置において、上記のステップＳ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４を、シールドノズル３が底板１３ａおよび縦板１３ｂに接触するまで繰り返す。そして、シールドノズル３が底板１３ａおよび縦板１３ｂに接触したときの位置座標Ｐ_ｗ１を取得する。

ここで、図２のステップＳ１０５において作成されている溶接トーチ２の軌道情報から、シールドノズル３が基準ワークモデル１３’の底板１３’ａおよび縦板１３’ｂに接触する位置座標Ｐ’_ｗ１を算出することができる。したがって、図９に示すように、位置座標Ｐ_ｗ１と位置座標Ｐ’_ｗ１を比較することにより、基準ワークモデル１３’に対するワーク（実ワーク）１３の位置ずれ量（Δｘ_１、Δｚ_１）を求めることができる（ステップＳ２０８）。

以上で、ワーク１３の溶接線１３ｃに沿った方向における位置ｙ_１におけるワーク１３の位置ずれ量の算出が終了する。ワーク１３の溶接線１３ｃに沿った方向における他の位置（位置ｙ_２、ｙ_３、…、ｙ_ｎ）において、ワーク１３の位置ずれ量の算出が必要であれば、シールドノズル３を、ワーク１３の溶接線１３ｃに沿った方向に移動させ、他の位置（位置ｙ_２、ｙ_３、…、ｙ_ｎ）に位置させる（ステップＳ２０９、Ｓ２１０）。そして、ステップＳ２０１に戻り、上記と同様の位置ずれ量の算出を行う。必要とされる全ての溶接線１３ｃに沿った方向における他の位置において、ワーク１３の位置ずれ量の算出が終了していれば、タッチセンシングのステップＳ１０７は終了する。

本実施の形態による自動溶接装置１は、ワーク１３の位置ずれ量を、シールドノズル３をワーク（実ワーク）１３に接触させて自動的に算出することができる。したがって、自動溶接装置１がシールドノズル３をワーク１３に接触させながら溶接する場合にも、溶接の過程においてシールドノズル３がワーク１３と干渉し、あるいはシールドノズル３がワーク１３から離間することがない。また、シールドノズル３自体をタッチセンサとして機能させるので、シールドノズル模擬体を用いる場合に比較し、精度を確実に確保できる。また、シールドノズル３にタッチセンサの触針を設ける場合に比較し、シールドノズル３が大型化することもなく、隅肉継手部の狭い空間にもシールドノズル３を確実に挿入してタッチセンシングや溶接を行うことが可能となる。
また、このとき、ワーク１３の形状が複雑な３次元形状である場合や、ワーク１３が基準ワークモデル１３’に対して傾いて設置されている場合等においては、溶接線１３ｃに沿った複数の位置（位置ｙ_１、ｙ_２、…、ｙ_ｎ）のそれぞれにおいて３箇所以上のタッチセンシングを行うことで、それぞれの位置における溶接線１３ｃの位置座標を高精度に特定することができ、特定された位置座標から溶接トーチ２の実軌道情報を生成できる。このとき、最小限の箇所へのタッチセンシングにより溶接線１３ｃの位置座標が高精度に特定できるので、実溶接線の検出をより迅速に行うことが可能となる。

なお、上記実施の形態において、図４〜図９に示したような、実軌道情報を生成するための各手法については、シールドノズル３自体をタッチセンサとして機能させる場合のみならず、シールドノズル３にタッチセンサの触針を設けたり、シールドノズル３に変えてタッチセンシング専用のシールドノズル模擬体を設けたりする場合にも適用することが可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における自動溶接装置の概略構成を示す図である。 本実施の形態による自動溶接装置における溶接手順を示すフローチャートである。 センシング位置を特定する方法を説明する図である。 タッチセンサで実ワークの位置ずれ量を検出する手順を示すフローチャートである。 タッチセンサで実ワークの位置ずれ量を検出する原理を説明する図であって、タッチセンサが初期位置に配置された状態を示す図である。 同、タッチセンサが一方の板に接触した状態を示す図である。 同、タッチセンサが他方の板に接触した状態を示す図である。 同、タッチセンサが両方の板間の中央に配置した状態を示す図である。 同、タッチセンサが両方の板に接触した状態を示す図である。 隅肉継手において、タッチセンサで基準溶接線と実溶接線とのずれ量を検出する原理を説明する図である。 継手角度が変化するワークで、シールドノズルがワークと干渉し、または離間することを示す図である。

１…自動溶接装置、２…溶接トーチ、３…シールドノズル、５…溶接ワイヤ、６…多関節ロボット（移動装置）、７…ガス供給装置、８…ロボットコントローラ（コントローラ、トーチ動作制御部）、９…センサ用電源（電源）、１０…溶接電源、１１…ＣＡＤシステム、１２…オフライン教示データ作成システム（軌道生成部）、１３…ワーク、１３’…基準ワークモデル、１３ａ…底板、１３ｂ…縦板、１３ｃ…溶接線

Claims (3)

1. 隅肉継手部を有するワークを隅肉溶接する際に溶接トーチを前記隅肉継手部の溶接線に沿って動作させるための軌道情報を作成するステップと、
   前記ワークの設計データに基づいて、前記ワークを隅肉溶接する際に前記溶接トーチを動作させるための基準軌道情報を作成するステップと、
   作成された前記軌道情報に基づいて前記溶接トーチを前記溶接線に沿って動作させて前記ワークを隅肉溶接するステップと、を備え、
   前記軌道情報を作成するステップでは、前記溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおいて、前記ワークに対し、前記隅肉継手部の前記溶接線を挟んだ一方の側のタッチ箇所と他方の側のタッチ箇所でそれぞれタッチセンシングを行って、前記一方の側のタッチ箇所と前記他方の側のタッチ箇所の中間位置を算出するステップと、算出された前記中間位置に前記タッチセンサを移動させ、さらに前記タッチセンサを前記溶接線に接近させるステップと、を複数回繰り返すことで、前記位置における前記溶接線の位置座標を特定し、
   特定された前記溶接線の位置座標の前記基準軌道情報に対する位置ずれ量を取得し、取得された前記位置ずれ量から前記基準軌道情報を補正し、
   前記ワークを隅肉溶接するステップでは、補正された前記基準軌道情報を前記軌道情報とし、前記溶接トーチを動作させ、
   前記隅肉溶接は、前記溶接トーチの先端に取り付けられたシールドノズルからシールドガスを吐出するとともに、前記シールドノズルを前記ワークに接触させながら行われることを特徴とする溶接方法。
2. 前記タッチセンサは、
   導電性材料から形成された前記シールドノズルと、
   前記シールドノズルに電圧を印加する電源と、
   前記シールドノズルに印加された電圧の変化を検出し、電圧の変化が検出されたときの前記溶接トーチの位置座標を取得するコントローラと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
3. 請求項１または２に記載の溶接方法を実行するための溶接装置であって、
   隅肉継手部を有するワークの隅肉溶接を行う溶接トーチと、
   前記溶接トーチを移動させる移動装置と、
   前記溶接トーチに設けられて溶接時にシールドガスを吐出し、導電性材料からなるシールドノズルと、
   前記シールドノズルに電圧を印加する電源と、
   前記シールドノズルに印加された電圧の変化を検出し、電圧の変化が検出されたときの前記溶接トーチの位置座標を取得するとともに、取得された前記位置座標に基づき前記溶接トーチを前記隅肉継手部の溶接線に沿って動作させるための軌道情報を生成する軌道生成部と、
   前記軌道情報に基づいて前記溶接トーチの動作を制御するトーチ動作制御部と、を備え、
   前記軌道生成部は、前記ワークに対し、前記溶接線に沿って互いに間隔を隔てた複数の位置のそれぞれにおいて、前記ワークに対し、前記隅肉継手部の前記溶接線を挟んだ一方の側のタッチ箇所と他方の側のタッチ箇所でそれぞれタッチセンシングを行って、前記一方の側のタッチ箇所と前記他方の側のタッチ箇所の中間位置を算出するステップと、算出された前記中間位置に前記タッチセンサを移動させ、さらに前記タッチセンサを前記溶接線に接近させるステップと、を複数回繰り返すことで、前記位置における前記溶接線の位置座標を特定するとともに、
   前記ワークの設計データに基づいて、前記ワークを隅肉溶接する際に前記溶接トーチを動作させるための基準軌道情報を生成し、特定された前記溶接線の位置座標の前記基準軌道情報に対する位置ずれ量を取得し、取得された前記位置ずれ量から前記基準軌道情報を補正し、
   前記トーチ動作制御部は、補正された前記基準軌道情報を前記軌道情報とし、前記溶接トーチを動作させ、前記溶接トーチの先端に取り付けられたシールドノズルからシールドガスを吐出するとともに、前記シールドノズルを前記ワークに接触させながら隅肉溶接が行われることを特徴とする溶接装置。

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