JP7079047B1 - 作業システム、作業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は被作業部材の形状などが理想的な形状から誤差が発生している場合においても、作業精度が悪化することを抑制することを目的とする。【解決手段】本発明は、複数の対象部材同士２０１，２０２を溶接又は接合する作業を実行する作業システムであって、前記対象部材２０１，２０２の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測部と、ギャップ計測部により計測した前記ギャップの距離に応じて、作業ノズルの位置と、作業ノズルの角度の少なくともいずれかを変更することを特徴とする作業システムである。【選択図】図２

Description

本発明は、対象部材に対する溶接、接着、シーリングなどの作業を行う技術に関する。

従来から溶接ロボットを用いて溶接対象である二つの被溶接部材を溶接する技術が提案されており、３次元CADデータ等に基づいて溶接ロボットの溶接ツールの移動経路を予め計算して、溶接ツールと他の部材などと干渉することが無いか確認し、干渉する場合には移動経路を変更する技術が開示されている。

特許６８０９９４８

引用文献１に記載されたような溶接、シーリングまたは接着等の作業経路を決定する技術では、被作業部材の形状などが、３次元ＣＡＤデータに登録されている理想的な形状から誤差が生じた場合に、発生する作業精度悪化の課題については検討されていない。

本発明はこのような背景を鑑みてなされたものであり、被作業部材の形状などが理想的な形状から誤差が発生している場合においても、作業精度が悪化することを抑制することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、複数の対象部材同士を溶接又は接合する作業を実行する作業システムであって、前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測部と、ギャップ計測部により計測した前記ギャップの距離に応じて、作業ノズルの位置と、作業ノズルの角度の少なくともいずれかを変更することを特徴とする作業システムである。

その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、溶接の精度が悪化することを抑制することができる溶接システム、溶接方法を提供することができる。

本実施形態の溶接システム１００の全体構成例を示す図である。 本実施形態の溶接システム１００を用いて溶接対象部材を計測する様子を示す図である。 本実施形態の溶接システム１００を用いて溶接対象部材を溶接する様子を示す図である。 本実施形態に係る端末１のハードウェアの構成例を示す図である。 本実施形態に係る端末１の機能構成例を示す図である。 本実施形態に係るトーチ位置・角度条件記憶部により記憶される条件データの一例を示す図である。 本実施形態に係る溶接システムの制御フローチャートの一例を示す図である。 本実施形態に係るギャップ計測部が溶接対象部材間の境界線を検出す一例を示す図である。 本実施形態に係るギャップ計測部が溶接パスの回りに定義するシリンダ状の複数円弧の一例を示す図である。 本実施形態に係る溶接対象部材がオーバーラップ型で溶接される際の溶接パスと定義される円弧の一例を示す図である。 本実施形態に係るギャップ計測部が点群データからギャップ距離を推定する一例を示す図である。 本実施形態において、ギャップ距離が所定値よりも小さい場合に行う溶接の様子を示す図である。 本実施形態において、ギャップ距離が所定値よりも大きい場合に行う溶接の様子を示す図である。 本実施形態に係る溶接対象部材がＴ型で溶接される際の溶接パスと定義される円弧の一例を示す図である。 本実施形態に係るギャップ計測部が点群データからギャップ距離を推定する一例を示す図である。 本実施形態において、ギャップ距離が所定値よりも小さい場合に行う溶接の様子を示す図である。 本実施形態において、ギャップ距離が所定値よりも大きい場合に行う溶接の様子を示す図である。 本実施形態に係る溶接対象部材がＪ型で溶接される際の溶接パスと定義される円弧の一例を示す図である。 本実施形態に係るギャップ計測部が点群データからギャップ距離を推定する一例を示す図である。 本実施形態において、ギャップ距離が所定値よりも小さい場合に行う溶接の様子を示す図である。 本実施形態において、ギャップ距離が所定値よりも大きい場合に行う溶接の様子を示す図である。

本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明は、たとえば以下のような構成を備える。

［項目１］
複数の対象部材同士を溶接又は接合する作業を実行する作業システムであって、
前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測部と、
ギャップ計測部により計測した前記ギャップの距離に応じて、作業ノズルの位置と、作業ノズルの角度の少なくともいずれかを変更することを特徴とする作業システム。
［項目２］
項目１に記載の作業システムにおいて、
前記ギャップの距離が第１しきい値よりも大きい場合に、作業ノズルにより作業が行われる対象部材上の位置と、作業ノズルの角度の少なくともいずれかを変更することを特徴とする作業システム。
［項目３］
項目２に記載の作業システムにおいて、
前記ギャップの距離が、第１しきい値よりも大きく、かつ前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合に、作業ノズルにより作業が行われる対象部材上の位置と、作業ノズルの角度の少なくともいずれかを変更し、
前記ギャップの距離が、第２しきい値を超えた場合に、前記作業を中止する、又は前記ギャップ距離が大きいことをユーザへ通知することを特徴とする作業システム。
［項目４］
項目１乃至３のいずれか１項に記載の作業システムにおいて、
前記作業は溶接作業であり、前記作業ノズルは溶接トーチであることを特徴とする作業システム。
［項目５］
項目４に記載の作業システムにおいて、
前記複数の対象部材の三次元点群データを取得する点群データ取得部を更に備え、
ギャップ計測部は、取得した前記三次元点群データに基づいて、溶接を行う溶接パスを検出し、前記溶接パスの断面における二次元の点群データから前記ギャップの距離を計測することを特徴とする作業システム。
［項目６］
項目４又は項目５に記載の作業システムにおいて、
前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１と第２の対象部材の面同士が重なり合う状態で互いに溶接が行われる場合であって、前記第１と第２の部材のギャップの距離が前記第１しきい値よりも大きく、前記第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材に対して前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業システム。
［項目７］
項目４又は項目５に記載の作業システムにおいて、
前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１の部材を前記第２の部材の面上に突き立てた状態で互いに溶接される場合であって、前記第１と第２の部材のギャップの距離が前記第１しきい値よりも大きく、前記第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材に対して前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業システム。
［項目８］
項目４又は項目５に記載の作業システムにおいて、
前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１部材は折り曲げ部を備え、当該折り曲げ部を前記第２部材と溶接される場合であって、前記第１と第２の部材のギャップの距離が前記第１しきい値よりも大きく、前記第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材の平面を前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業システム。
［項目９］
項目４又は項目５に記載の作業システムにおいて、
前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１部材は折り曲げ部を備え、当該折り曲げ部を前記第２部材と溶接される場合であって、前記第１と第２の部材のギャップの距離が前記第１しきい値よりも大きく、前記第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの前記第２部材に対する角度は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記角度よりも小さい角度に設定されることを特徴とする作業システム。
［項目１０］
複数の対象部材同士を溶接又は接合する作業を実行するシステムを用いた作業方法であって、
前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測ステップと、
ギャップ計測ステップにより計測した前記ギャップの距離に応じて、作業ノズルの位置と、作業ノズルの角度の少なくともいずれかを変更するステップと、
を備えることを特徴とする作業方法。

＜実施の形態１の詳細＞
本発明の一実施形態に係る溶接システム１００の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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。以下の説明では、添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号及び名称が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

図１は、本実施形態の溶接システム１００の一例を示す図である。図１に示されるように、本実施形態の溶接検査システム１００では、端末１と、計測用ロボット２、溶接用ロボット３，コントローラ４とを有している。計測用ロボット２は、少なくともアーム２１、アーム２１の先端に搭載されたセンサ２２を有している。溶接用ロボットは、少なくともアーム３１、アーム３１の先端に搭載された溶接トーチ３２を有している。端末１とコントローラ４は、計測用ロボット２と溶接用ロボットに対してそれぞれ有線または無線にて互いに通信可能に接続されている。

図２は、溶接システム１００の計測用ロボット２を用いて、溶接パス２００の形状を測定する様子と示す図である。溶接パス２００は、予め設定された溶接を行うルートであって、一般的には、溶接を行う２つの部材である溶接対象部材２０１及び２０２の部材同士が近接する部分である。計測用ロボット２のアーム２１に設けられたセンサ２２により、溶接パス２００を含む２つの溶接対象部材２０１、２０２の表面形状の点群データが取得される。

図３は、溶接システム１００の溶接用ロボット３を用いて、溶接パス２００に対して溶接を行う様子を示す図である。前述した計測用ロボット２のセンサ２２により計測した溶接パス２００の形状情報に応じて溶接トーチの目標位置と目標角度が決定され、溶接用ロボット３は、溶接トーチ３２が目標位置、目標角度となるようにアーム３１の動作を制御して、溶接作業を実行する。

＜端末１＞
図４は、端末１のハードウェア構成を示す図である。端末１は、例えばパーソナルコンピュータのような汎用コンピュータとしてもよいし、或いはクラウド・コンピューティングによって論理的に実現されてもよい。なお、図示された構成は一例であり、これ以外の構成を有していてもよい。例えば、端末１のプロセッサ１０に設けられる一部の機能が外部のサーバや別端末により実行されてもよい。

端末１は、少なくとも、プロセッサ１０、メモリ１１、ストレージ１２、送受信部１３、入出力部１４等を備え、これらはバス１５を通じて相互に電気的に接続される。

プロセッサ１０は、端末１全体の動作を制御し、少なくとも計測用ロボット２及び溶接用ロボット３とのデータ等の送受信の制御、及びアプリケーションの実行及び認証処理に必要な情報処理等を行う演算装置である。例えばプロセッサ１０はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）またはＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であり、あるいは、ＣＰＵ及びＧＰＵであり、ストレージ１２に格納されメモリ１１に展開された本システムのためのプログラム等を実行して各情報処理を実施する。

メモリ１１は、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の揮発性記憶装置で構成される主記憶と、フラッシュメモリやＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）等の不揮発性記憶装置で構成される補助記憶と、を含む。メモリ１１は、プロセッサ１０のワークエリア等として使用され、また、端末１の起動時に実行されるＢＩＯＳ（Ｂａｓｉｃ Ｉｎｐｕｔ ／ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、及び各種設定情報等を格納する。

ストレージ１２は、アプリケーション・プログラム等の各種プログラムを格納する。各処理に用いられるデータを格納したデータベースがストレージ１２に構築されていてもよい。

送受信部１３は、端末１を少なくとも計測用ロボット２及び溶接用ロボット３と接続し、プロセッサの指示に従い、データ等の送受信を行う。なお、送受信部１３は、有線または無線により構成されおり、無線である場合には、例えば、ＷｉＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）及びＢＬＥ（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ）の近距離通信インターフェースにより構成されていてもよい。

入出力部１４は、例えば端末１がパーソナルコンピュータで構成されている場合は情報出力機器（例えばディスプレイ）と情報入力機器（例えばキーボードやマウス）により構成され、スマートフォンまたはタブレット端末で構成されている場合はタッチパネル等の情報入出力機器により構成されている。

バス１５は、上記各要素に共通に接続され、例えば、アドレス信号、データ信号及び各種制御信号を伝達する。

＜計測用ロボット２＞
図１、図２に戻り、本実施形態に係る作業用ロボット２について説明する。上述のとおり、計測用ロボット２は、アーム２１と、センサ２２とを有する。なお、図示された構成は一例であり、この構成に限定されない。

アーム２１は、三次元のロボット座標系に基づき、端末１にその動作を制御される。また、アーム２１は、有線または無線で計測用ロボット２と接続されたコントローラ４をさらに備え、これによりその動作を制御されてもよい。

センサ２２は、三次元のセンサ座標系に基づき、溶接対象部材２０１，２０２のセンシングを行う。センサ２２は、例えば三次元スキャナとして動作するレーザセンサであり、センシングにより溶接パス２００を含む溶接対象部材２０１，２０２の三次元点群データ５０を取得する。三次元モデルデータ５０は、例えば、それぞれの点データがセンサ座標系の座標情報を有し、点群により検査対象物の形状を把握することが可能となる。なお、センサ２２は、レーザセンサに限らず、例えばステレオ方式などを用いた画像センサなどであってもよいし、計測用ロボットとは独立したセンサであってもよく、三次元のセンサ座標系における座標情報が取得できるものであればよい。また、説明を具体化するために、以下では三次元モデルデータ５０として、三次元点群データを用いた構成を一例として説明する。

なお、作業前に所定のキャリブレーションを行い、ロボット座標系及びセンサ座標系を互いに関連付け、例えばセンサ座標系を基にユーザが位置（座標）を指定することにより、アーム２１やセンサ２２が対応した位置を基に動作制御されるように構成をなしてもよい。

＜溶接用ロボット３＞
図１、３を用いて、本実施形態に係る溶接用ロボット３について説明する。上述のとおり、溶接用ロボット２は、アーム３１と、溶接トーチ３２とを有する。なお、図示された構成は一例であり、この構成に限定されない。

アーム３１は、三次元のロボット座標系に基づき、端末１にその動作を制御される。また、アーム３１は、有線または無線で溶接用ロボット２と接続されたコントローラ４をさらに備え、これによりその動作を制御されてもよい。

溶接トーチ３２は、三次元のセンサ座標系に基づき、溶接対象部材２０１，２０２の近接部分に設定された溶接パス２００に対して溶接作業を行う。溶接トーチ３２は、例えばアーク溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接、プラズマアーク溶接などの融接による溶接方式に用いられるツールであり、溶接トーチから溶接対象部材を溶融させるアーク、レーザー、ビームなどを出力して、溶接対象部材２０１，２０２を溶接する。なお、溶接トーチは、ろう付けなどのろう接で用いられる溶加材（接着剤）の吐出部、またはシーリング材や接着剤の吐出部であっても良い。

なお、作業前に所定のキャリブレーションを行い、計測用ロボットと溶接用ロボットのロボット座標系、及びトーチ座標系を互いに関連付け、例えばトーチ座標系を基にユーザが位置（座標）を指定することにより、アーム３１や溶接トーチ３２が対応した位置を基に動作制御されるように構成をなしてもよい。

＜端末１の機能＞
図５は、端末１に実装される機能を例示したブロック図である。本実施の形態においては、端末１のプロセッサ１０は、溶接条件設定部１０１、点群データ取得部１０２、ギャップ計測部１０３、溶接トーチ位置・角度決定部１０４、移動経路生成部１０５、溶接実行部１０６を有している。また、端末１のストレージ１２は、溶接条件記憶部１２１、三次元ＣＡＤデータ記憶部１２２、計測点群データ記憶部１２３、トーチ位置・角度条件記憶部１２４を有している。

溶接条件設定部１０１は、端末１の入出力部１４を介して、溶接対象部材２０１、２０２の溶接部の形状タイプに関する情報入力をユーザから受け付ける。具体的には、例えば、Ｔ型、Ｊ型、オーバーラップ型などの溶接の形状タイプから、いずれかの形状タイプをユーザーが選択して入力する。入力された形状タイプは溶接条件記憶部１２１に記憶される。ここで、Ｔ型とは、図１４に示すように、板状の溶接対象部材２０２の面上に、他方の板状の溶接対象部材２０１を突き立てた状態（２つの溶接対象部材の断面形状がＴ型となる状態）において、２つの溶接対象部材２０１、２０２の接触部分を溶接するタイプである。次に、Ｊ型とは、図１８に示すように、任意の角度に折り曲げられた板状の溶接対象部材２０１が折り曲げ部分を溶接パスとして溶接対象部材２０２と溶接するタイプである（溶接対象部材２０１の断面形状がＪ型となる）。次に、オーバーラップ型とは、図１０に示すように、板状の溶接対象部材２０１と２０２の面同士を合せた状態で、溶接対象部材２０１のエッジ部分と溶接対象部材２０２の面の接触部分を溶接するタイプである溶接対象部材２０１が２０２にオーバーラップしている状態）。

溶接条件設定部１０１は、更に、溶接トーチを移動させながら連続的に溶接動作を行い線状の溶接部を生成する線状溶接と、溶接トーチが静止した状態で溶接動作を行う点状溶接から、溶接タイプを入力することもできる。また、三次元ＣＡＤデータ記憶部１２２に記憶された溶接対象部材のＣＡＤデータに対して、溶接パス２００を設定入力することができる。また、溶接パス２００に対して、後述するギャップ計測を行う位置を設定入力することができる。入力された溶接タイプ、溶接パス２００、ギャップ計測位置の情報は溶接条件記憶部１２１に記憶される。

点群データ取得部１０２は、端末１の指示により、例えば計測用ロボット２を制御し、アーム２１及びセンサ２２を動作させて溶接パス２００を含む溶接対象部材２０１及び２０２の三次元点群データ４０を取得する。なお、溶接パス２００の三次元点群データを取得できるよう、アーム２１及びセンサ２２の動作は予め設定されている。取得した三次元点群データは、例えばセンサ座標系に基づく三次元座標情報データであり、計測点群データ記憶部１２３に記憶される。

ギャップ計測部１０３は、取得した点群データと、溶接条件記憶部１２１の情報と、更に場合によっては、三次元ＣＡＤデータ記憶部１２２の情報に基づいて、設定されたギャップ計測位置における溶接対象部材２０１と２０２の間の距離（ギャップ）を計測する。Ｔ型、Ｊ型、オーバーラップ型のそれぞれの形状タイプにおけるギャップ計測の詳細な方法は、後述する。

溶接トーチ位置・角度決定部１０４は、計測したギャップの距離と、Ｔ型、Ｊ型、オーバーラップ型のそれぞれの形状タイプの情報と、トーチ位置・角度条件記憶部１２４の情報に応じて、ギャップ計測位置における溶接トーチの溶接対象部材に対する位置と角度を決定する。また、ギャップの距離が所定のしきい値を超える場合には、溶接不可と判断して、入出力部１４を介して、溶接すべきでない旨のエラー通知を行うと共に、溶接作業の実行を禁止する。Ｔ型、Ｊ型、オーバーラップ型のそれぞれの形状タイプにおける溶接トーチの位置と角度の決定方法の詳細は、後述する。

移動経路生成部１０５は、ギャップ計測位置における決定された溶接トーチの位置と角度に基づいて、溶接トーチの移動経路を生成する。複数のギャップ計測位置に対して溶接トーチの位置と溶接トーチの角度を決定する場合には、当該複数位置においてそれぞれ決定した溶接トーチの位置と溶接トーチの角度となるような移動経路を生成する。

溶接実行部１０６は、生成した移動経路に基づいて、溶接用ロボット３を制御して、溶接作業を実行する。

溶接条件記憶部１２１は、前述した通り、溶接条件設定部１０１で入力設定されたＴ型、Ｊ型、オーバーラップ型などの溶接の形状タイプ、溶接タイプ、溶接パス２００、ギャップ計測位置の情報が記憶される。なお、記憶される情報は溶接条件設定部１０１を介してユーザが入力した情報に限られず、予めシステムに登録されている情報や、所定ルールに基づいてシステムが自動的に判断した情報であってもよい。

三次元ＣＡＤデータ記憶部１２２は、溶接対象部材２０１、２０２の形状情報、溶接パスの情報、溶接対象部材の板厚の情報、溶接対象部材の折り曲げ部の曲率半径の情報などを記憶する。

計測点群データ記憶部１２３は、点群データ取得部１０２で取得された点群データが記憶される。

トーチ位置・角度条件記憶部１２４は、図６に示す通り、計測したギャップの距離と、Ｔ型、Ｊ型、オーバーラップ型のそれぞれの形状タイプに対応する溶接トーチの位置と角度の情報、及び溶接適否の情報が記憶されている。オーバーラップ型では、ギャップ距離ｎが第１しきい値（Th1）よりも小さい場合には、溶接トーチの位置と溶接トーチの角度はそれぞれ所定位置と所定角度（θ１）から変更せず、ギャップ距離ｎが第１しきい値（Th1）よりも大きく、第２しきい値（Th2）よりも小さい場合には、溶接トーチの位置を所定位置からＺ方向のプラス側にシフトさせる（トーチ角度は所定角度から変更しない）、またギャップ距離ｎが第２しきい値（Th2）よりも大きい場合は、ギャップが大き過ぎるため溶接ＮＧとする。

次に、Ｔ型では、ギャップ距離ｎが第３しきい値（Th3）よりも小さい場合には、溶接トーチの位置は部材境界位置を溶接する位置とし、溶接トーチの角度は所定角度（θ２）から変更せず、ギャップ距離ｎが第３しきい値（Th3）よりも大きく、第４しきい値（Th4）よりも小さい場合には、トーチ位置を部材境界位置からＺ方向のプラス側にシフトさせる（トーチ角度は所定角度（θ２）から変更しない）、またギャップ距離ｎが第４しきい値（Th4）よりも大きい場合は、ギャップが大き過ぎるため溶接ＮＧとする。

次に、Ｊ型では、ギャップ距離ｎが第５しきい値（Th5）よりも小さい場合には、溶接トーチの位置と溶接トーチの角度はそれぞれ所定位置と所定角度（θ３）から変更しない。ギャップ距離ｎが第５しきい値（Th5）よりも大きく、第６しきい値（Th6）よりも小さい場合には、トーチ位置を所定位置からＸ方向のマイナス側にシフトさせ、トーチ角度は所定角度から変更しない。ギャップ距離ｎが第６しきい値（Th6）よりも大きく、第７しきい値（Th7）よりも小さい場合には、トーチ位置を所定位置からＸ方向のマイナス側にシフトさせ、トーチ角度は所定角度（θ３）から角度減少して下側部材と並行に近くなる角度（θ３’）に変更する。ギャップ距離ｎが第７しきい値（Th7）よりも大きい場合は、ギャップが大き過ぎるため溶接ＮＧとする。

＜制御フロー＞
図７は、溶接システムの全体の制御フローを示す図である。まず、溶接条件設定部１０１により溶接条件等の決定を行う（ステップ１０１）。このステップでは、溶接条件設定部１０１により、溶接対象部材２０１、２０２の溶接部の形状タイプに関する情報（Ｔ型、Ｊ型、オーバーラップ型など）、入力された溶接タイプ、溶接パス２００、ギャップ計測位置の情報を、端末１の入出力部１４を介してユーザから受け付ける。これらの情報は、必ずしもユーザが入力する必要は無く、システムに予め登録されていても良い。図８に示す例では、オーバーラップ型の形状タイプの溶接を行う場合の溶接対象部材２０１、２０２を示しているため、この場合の、形状タイプは「オーバーラップ型」、溶接タイプは「線状溶接」が入力される。

次に、点群データ取得部１０２により三次元点群データを取得する（ステップ１０２）。このステップでは、前述したステップ１０１で入力される、あるいは予め設定された溶接パス２００の情報に基づいて、計測用ロボット２を制御し、溶接パス２００を含む溶接対象部材の表面形状の三次元点群データを取得する。

次に、ギャップ計測部１０３によりギャップ計測を行う（ステップ１０３）。このステップにおいて、ギャップ計測部１０３は、計測した三次元点群データに基づいて溶接パス２００を検出する。図８は、オーバーラップ型の形状タイプの溶接を行う場合に、溶接対象部材２０１と２０２の境界線を検出し、当該境界線を溶接パス２００として検出する例を示している。ギャップ計測部１０３は、溶接パス２００に基づいて、溶接パスを囲う複数の円弧を生成して、溶接パスの回りにシリンダ上の空間を生成する。図９は、この処理で溶接パスの回りに定義されるシリンダ状の複数円弧の一例を示している。ギャップ計測部１０３は、この円弧で定義される各断面平面上におけるシリンダ内（円弧内）の二次元点群データを点群データ取得部１０２により取得された三次元点群データから抽出する。ギャップ計測部１０３は、二次元の点群データに基づいて、溶接対象部材２０１と溶接対象部材２０２の間のギャップ距離を算出する。

次に、溶接トーチ位置・角度決定部１０４により溶接トーチによる溶接位置と溶接トーチの角度の決定を行う（ステップ１０４）。このステップにおいて、溶接トーチ位置・角度決定部１０４は、トーチ位置・角度条件記憶部１２４に記憶されている、ギャップ距離と形状タイプに対応するトーチ位置と角度の情報、溶接適否の情報に基づいて、溶接トーチの位置と溶接トーチの角度を決定すると共に、溶接適否を決定して、溶接適否の決定結果をユーザに通知する。

次に、溶接パス生成部１０５により溶接パスの生成を行う（ステップ１０５）。このステップにおいて、溶接パス生成部１０５は、複数の円弧でそれぞれ定義された各断面平面に対して決定した溶接トーチの位置と溶接トーチの角度に基づいて、溶接トーチの移動ルートと角度で定義される溶接パスを生成する。ここで、溶接パスは溶接トーチの位置のみで定義される移動ルートで定義することも可能である。

最後に、溶接実行部１０６により溶接を実行する（ステップ１０６）。このステップでは、溶接パス生成部が生成した溶接パスに基づいて、溶接用ロボットのアーム及び溶接トーチの動作を制御して、溶接を実行する。

図１０乃至図２１は、各形状タイプ（Ｔ型、Ｊ型、オーバーラップ型）のそれぞれについて、ギャップ計測と、溶接トーチの溶接位置と溶接トーチの角度の決定を行う具体的な方法について説明する。

＜オーバーラップ型タイプ＞
図１０は、溶接対象部材２０１、２０２がオーバーラップ型で溶接される際に、検出された溶接パス２００と、溶接パスの回りに定義される円弧２２０の例と示す図である。また、図１１（ａ）はオーバーラップ型の形状タイプの溶接対象部材２０１と２０２を測定する際の円弧２２０で定義される断面平面上における位置関係を示す。図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）は、図１１（ａ）に示す位置関係で取得された三次元点群データから抽出された、円弧２２０で定義される断面平面上の点群データ（二次元）を示す。ギャップ計測部１０３は、図１１（ｂ）に示すような二次元の点群データに基づいて、溶接対象部材２０１の最下部（端部）を示す点群と、溶接対象部材２０２の表面形状を示す点群との距離を算出することにより、溶接対象部材２０１と２０２のギャップ距離を取得する。

あるいは、ギャップ距離の別の算出方法として、ギャップ計測部１０３は、図１１（ｃ）に示すように、溶接対象部材２０１の上面を示す点群のＺ軸方向の座標と、溶接対象部材２０２の上面を示す点群のＺ軸方向の座標から上面間の距離を算出し、さらに当該距離から溶接対象部材２０１の部材板厚を差し引いた値をギャップ距離として取得することも可能である。

図１２は、部材間のギャップ距離が第１しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）未満の場合における溶接トーチによる溶接位置と溶接トーチの角度を示す図である。図１２に示すように、部材間のギャップ距離が所定距離（例えば0.1～10ミリメートル）未満の場合は、溶接トーチはＸ軸方向における部材境界位置からＸ軸方向に所定距離（数ミリメートル）だけシフトした位置を溶接位置とし、溶接トーチの角度は溶接対象部材２０２の部材平面に対する角度が所定角度（θ₁）に決定される。

図１３は、部材間のギャップ距離（ｎミリメートル）が第１しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）よりも大きくで、かつ第２しきい値未満の場合における溶接トーチによる溶接位置と溶接トーチの角度を示す図である。図１３に示すように、部材間のギャップ距離が第１しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）よりも大きく、かつ第２しきい値未満の場合は、溶接トーチはＺ軸方向における溶接対象部材２０２の表面位置から部材の境界位置からＺ軸方向にギャップ距離分（ｎミリメートル）シフトした位置を溶接位置とし、溶接トーチの角度は溶接対象部材２０２の部材平面から所定角度（θ₁）傾いた角度に決定される（つまり、角度の変更なし）。このように、溶接トーチを境界位置からＺ軸方向にギャップ距離分（ｎミリメートル）シフトさせることにより、溶接トーチから吐出されるアーク等が上側の溶接対象部材に追従し下側の溶接対象部材と接合させることができる。

更に、部材間のギャップ距離が第２のしきい値を超えた場合には、ギャップ距離が大きすぎるため溶接が適切に行えない可能性が高いため、図６に示す通り、溶接ＮＧと判断し、ギャップ距離が大きすぎる、又は溶接がＮＧである旨をユーザへ通知すると共に、ステップ１０６で溶接実行することを不許可とする（中止する）。

＜Ｔ型タイプ＞
図１４は、溶接対象部材２０１、２０２がＴ型で溶接される際に、検出された溶接パス２００と、溶接パスの回りに定義される円弧２２０の例と示す図である。また、図１５（ａ）はＴ型の形状タイプの溶接対象部材２０１と２０２を測定する際の円弧２２０で定義される断面平面上における位置関係を示す。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す位置関係で取得された三次元点群データから抽出された、円弧２２０で定義される断面平面上の点群データ（二次元）を示す。ギャップ計測部１０３は、図１５（ｂ）に示すような二次元の点群データに基づいて、溶接対象部材２０１の最下部（端部）を示す点群と、溶接対象部材２０２の表面形状を示す点群との距離を算出することにより、溶接対象部材２０１と２０２のギャップ距離を取得する。

図１６は、部材間のギャップ距離が第３しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）未満の場合における溶接トーチによる溶接位置と溶接トーチの角度を示す図である。図１６に示すように、部材間のギャップ距離が所定距離（例えば0.1～10ミリメートル）未満の場合は、溶接トーチは部材境界位置を溶接位置とし、溶接トーチの角度は溶接対象部材２０２の部材平面から所定角度（θ₂）傾いた角度に決定される。

図１７は、部材間のギャップ距離（ｎミリメートル）が第３しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）よりも大きくで、かつ第４しきい値未満の場合における溶接トーチによる溶接位置と溶接トーチの角度を示す図である。図１７に示すように、部材間のギャップ距離が第３しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）よりも大きくで、かつ第４しきい値未満の場合は、溶接トーチはＺ軸方向における溶接対象部材２０２の表面位置から部材の境界位置からＺ軸方向にギャップ距離分（ｎミリメートル）シフトした位置を溶接位置とし、溶接トーチの角度は溶接対象部材２０２の部材平面から所定角度（θ₂）傾いた角度に決定される（つまり角度の変更なし）。このように、溶接トーチを境界位置からＺ軸方向にギャップ距離分（ｎミリメートル）シフトさせることにより、溶接トーチから吐出されるアーク等が上側の溶接対象部材に追従し、下側の溶接対象部材と接合させることができる。

更に、部材間のギャップ距離が第４のしきい値を超えた場合には、ギャップ距離が大きすぎるため溶接が適切に行えない可能性が高いため、図６に示す通り、溶接ＮＧと判断し、ギャップ距離が大きすぎる、又は溶接がＮＧである旨をユーザへ通知すると共に、ステップ１０６で溶接実行することを不許可とする（中止する）。

＜Ｊ型タイプ＞
図１８は、溶接対象部材２０１、２０２がＪ型で溶接される際に、検出された溶接パス２００と、溶接パスの回りに定義される円弧２２０の例と示す図である。また、図１９（ａ）はＪ型の形状タイプの溶接対象部材２０１と２０２を測定する際の円弧２２０で定義される断面平面上における位置関係を示す。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）に示す位置関係で取得された三次元点群データから抽出された、円弧２２０で定義される断面平面上の点群データ（二次元）を示す。ギャップ計測部１０３は、図１９（ｂ）に示すように、溶接対象部材２０１の折り曲げられた曲率部の点群データに基づいて、曲率部の曲率半径を推定、またはユーザによる入力情報により曲率半径を取得する。推定又は取得した曲率半径に基づいて曲率部の下側（溶接対象部材２０２側）と溶接対象部材２０２とのギャップ距離を推定する。

図２０は、部材間のギャップ距離が第５しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）未満の場合における溶接トーチによる溶接位置と溶接トーチの角度を示す図である。図２０に示すように、部材間のギャップ距離が所定距離（例えば0.1～10ミリメートル）未満の場合は、溶接トーチは上側の溶接対象部材２０１の側面の延長線と下側の溶接対象部材２０２の交点からＸ軸マイナス方向に所定距離（例えば、0.1～10ミリメートル）シフトした位置を溶接位置とし、溶接トーチの角度は溶接対象部材２０２の部材平面から所定角度（θ₃）傾いた角度に決定される。このように、上側の溶接対象部材２０１の側面の延長線と下側の溶接対象部材２０２の交点からＸ軸マイナス方向に所定距離シフトした位置を溶接位置とすることにより、溶接トーチから吐出されるアーク等が上側と下側の溶接対象部材に当たり易くなり、より確実に溶接対象部材同士を接合させることができる。

図２１は、部材間のギャップ距離（ｎミリメートル）が第５しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）よりも大きい場合における溶接トーチによる溶接位置と溶接トーチの角度を示す図である。溶接トーチの角度は、部材間のギャップ距離（ｎミリメートル）が第５しきい値（例えば１ミリメートル）よりも大きく、かつ第６しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）未満である場合には、溶接トーチ角度は所定角度（θ₃）に決定する（つまり角度は変更しない）。部材間のギャップ距離（ｎミリメートル）が第６しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）よりも大きく、かつ第７しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）未満である場合は、溶接トーチの角度を小さくする方向に変更し、θ₃よりも角度が小さいθ_3’を溶接トーチの角度に決定する（つまり、下側の溶接対象部材）。このように、溶接トーチの角度を小さくする方向に変更し、θ₃よりも角度が小さいθ_3’を溶接トーチの角度とすることにより、部材同士のギャップ距離が大きい場合であっても、溶接トーチから吐出されるアーク等が、曲率部の奥側に届くため、上側と下側の溶接対象部材に当たり易くなり、より確実に溶接対象部材同士を接合させることができる。

溶接トーチによる溶接位置は、部材間のギャップ距離（ｎミリメートル）が第５しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）よりも大きく、かつ第７しきい値（例えば0.1～10ミリメートル）未満である場合には、上側の溶接対象部材２０１の側面の延長線と下側の溶接対象部材２０２の交点からＸ軸マイナス方向（つまり曲率部の奥側に向かう方向）に前記所定距離＋α（例えば、0.1～10ミリメートル）シフトした位置を溶接位置とする。つまり、図２０で示した溶接位置よりも曲率部の奥側に向かう方向）にαだけシフトした位置を溶接位置とする。このように、上側の溶接対象部材２０１の側面の延長線と下側の溶接対象部材２０２の交点からＸ軸マイナス方向（つまり曲率部の奥側に向かう方向）に溶接トーチを前記所定距離＋αシフトさせることにより、部材同士のギャップ距離が大きい場合であっても、溶接トーチから吐出されるアーク等が、曲率部の奥側に届くため、上側と下側の溶接対象部材に当たり易くなり、より確実に溶接対象部材同士を接合させることができる。

更に、部材間のギャップ距離が第７のしきい値を超えた場合には、ギャップ距離が大きすぎるため溶接が適切に行えない可能性が高いため、図６に示す通り、溶接ＮＧと判断し、ギャップ距離が大きすぎる、又は溶接がＮＧである旨をユーザへ通知すると共に、ステップ１０６で溶接実行することを不許可とする（中止する）。

実施形態の中で説明したように、溶接対象部材の間の距離に応じて溶接トーチによる溶接位置と溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更することで、溶接作業を実際に行う時の溶接対象部材のそりやズレなどが生じた場合であっても、その時の状況に適した溶接を行うことが可能となり、溶接の品質を向上させることができる。

以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

上述した実施形態では、ロボットアームを用いて溶接を行う溶接システムに本発明を適用する実施例を説明したが、本発明は溶接の用途に限らず、シーリング作業や接着作業などの二つの部材の境界部分に対して接着等の作業を行う作業システムにおいても本発明を適用することは可能であり、その場合には、溶接トーチは、シーリング剤又は接着剤を吐出する吐出部に置き換えることが可能であり、本明細書における作業ノズル部とは、溶接トーチや吐出部を含む意味に解釈するものとする。

１ 端末
２ 計測用ロボット
３ 溶接用ロボット
４ コントローラ
１０ プロセッサ
１１ メモリ
１２ ストレージ
１３ 送受信部
１４ 入出力部
１５ バス
２１、３１ アーム
２２ センサ
３２ 溶接トーチ
２００ 溶接パス
２０１、２０２ 溶接対象部材
２２０ 円弧
１００ 溶接システム
１０１ 溶接条件設定部
１０２ 点群データ取得部
１０３ ギャップ計測部
１０４ 溶接トーチ位置・角度決定部
１０５ 移動経路生成部
１０６ 溶接実行部
１２１ 溶接条件記憶部
１２２ 三次元ＣＡＤデータ記憶部
１２３ 計測点群データ記憶部
１２４ トーチ位置・角度条件記憶部

Claims (10)

1. 複数の対象部材同士を溶接する作業を実行する作業システムであって、
   前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測部を備え、
   ギャップ計測部により計測した前記ギャップの距離に応じて、溶接トーチの位置と、溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更し、
   前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１と第２の対象部材の面同士が重なり合う状態で互いに溶接が行われる場合であって、前記ギャップ計測部により計測した前記第１と第２の部材のギャップの距離が第１しきい値よりも大きく、前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材に対して前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業システム。
2. 複数の対象部材同士を溶接する作業を実行する作業システムであって、
   前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測部を備え、
   ギャップ計測部により計測した前記ギャップの距離に応じて、溶接トーチの位置と、溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更し、
   前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１の部材を前記第２の部材の面上に突き立てた状態で互いに溶接される場合であって、前記ギャップ計測部により計測した前記第１と第２の部材のギャップの距離が第１しきい値よりも大きく、前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材に対して前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業システム。
3. 複数の対象部材同士を溶接する作業を実行する作業システムであって、
   前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測部を備え、
   ギャップ計測部により計測した前記ギャップの距離に応じて、溶接トーチの位置と、溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更し、
   前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１部材は折り曲げ部を備え、当該折り曲げ部を前記第２部材と溶接される場合であって、前記ギャップ計測部により計測した前記第１と第２の部材のギャップの距離が第１しきい値よりも大きく、前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材の平面を前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業システム。
4. 複数の対象部材同士を溶接する作業を実行する作業システムであって、
   前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測部を備え、
   ギャップ計測部により計測した前記ギャップの距離に応じて、溶接トーチの位置と、溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更し、
   前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１部材は折り曲げ部を備え、当該折り曲げ部を前記第２部材と溶接される場合であって、前記ギャップ計測部により計測した前記第１と第２の部材のギャップの距離が第１しきい値よりも大きく、前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの前記第２部材に対する角度は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記角度よりも小さい角度に設定されることを特徴とする作業システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業システムにおいて、
   前記複数の対象部材の三次元点群データを取得する点群データ取得部を更に備え、
   前記ギャップ計測部は、取得した前記三次元点群データに基づいて、溶接を行う溶接パスを検出し、溶接パスの断面における二次元の点群データから前記ギャップの距離を計測することを特徴とする作業システム。
   
6. 複数の対象部材同士を溶接する作業を実行する作業システムを用いた作業方法であって、
   前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測ステップと、
   ギャップ計測ステップにより計測した前記ギャップの距離に応じて、溶接トーチの位置と、溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更する変更ステップと、を備え、
   前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１と第２の対象部材の面同士が重なり合う状態で互いに溶接が行われる場合であって、前記ギャップ計測部により計測した前記第１と第２の部材のギャップの距離が第１しきい値よりも大きく、前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材に対して前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業方法。
7. 複数の対象部材同士を溶接する作業を実行する作業システムを用いた作業方法であって、
   前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測ステップと、
   ギャップ計測ステップにより計測した前記ギャップの距離に応じて、溶接トーチの位置と、溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更する変更ステップと、を備え、
   前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１の部材を前記第２の部材の面上に突き立てた状態で互いに溶接される場合であって、前記ギャップ計測部により計測した前記第１と第２の部材のギャップの距離が第１しきい値よりも大きく、前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材に対して前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業方法。
8. 複数の対象部材同士を溶接する作業を実行する作業システムを用いた作業方法であって、
   前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測ステップと、
   ギャップ計測ステップにより計測した前記ギャップの距離に応じて、溶接トーチの位置と、溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更する変更ステップと、を備え、
   前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１部材は折り曲げ部を備え、当該折り曲げ部を前記第２部材と溶接される場合であって、前記ギャップ計測部により計測した前記第１と第２の部材のギャップの距離が第１しきい値よりも大きく、前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの位置は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチ位置よりも前記第２の部材の平面を前記第１の部材側にシフトした位置に設定されることを特徴とする作業方法。
9. 複数の対象部材同士を溶接する作業を実行する作業システムを用いた作業方法であって、
   前記対象部材の間に生じるギャップの距離を計測するギャップ計測ステップと、
   ギャップ計測ステップにより計測した前記ギャップの距離に応じて、溶接トーチの位置と、溶接トーチの角度の少なくともいずれかを変更する変更ステップと、を備え、
   前記複数の対象部材は第１と第２部材を有し、前記第１部材は折り曲げ部を備え、当該折り曲げ部を前記第２部材と溶接される場合であって、前記ギャップ計測部により計測した前記第１と第２の部材のギャップの距離が第１しきい値よりも大きく、前記第１しきい値よりも大きな第２しきい値よりも小さい場合の前記溶接トーチの前記第２部材に対する角度は、前記ギャップの距離が前記第１しきい値よりも小さい場合の前記角度よりも小さい角度に設定されることを特徴とする作業方法。
10. 請求項６乃至９のいずれか１項に記載の作業方法において、
    前記複数の対象部材の三次元点群データを取得する点群データ取得ステップを更に備え、
    前記ギャップ計測ステップは、取得した前記三次元点群データに基づいて、溶接を行う溶接パスを検出し、溶接パスの断面における二次元の点群データから前記ギャップの距離を計測することを特徴とする作業方法。
    
    

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