JPH1085937A - アーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ座標からロボット座標への座標変換を
行うための両者の相対位置関係を随時かつ容易に求める
ことができ、これによって常に高精度な倣い制御をする
ことが可能なアーク溶接装置を提供する。 【解決手段】 溶接線２上に基準点Ｐを設定する。これ
を溶接トーチ４の先端部で教示してロボット座標上の基
準点Ｐの位置Ａを得る。レーザセンサ５で基準点Ｐを検
知してそのセンサ座標上の位置Ｓ_i を得ると共に、その
ときの溶接トーチ４の先端部の位置Ｒ_i をロボット座標
上で得る。Ａ、Ｓ_i 、Ｒ_i から変換マトリックスＣを得
る。Ｃを用いてセンサ座標からロボット座標への座標変
換を行い、これによって倣い制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、溶接線を倣いな
がら溶接を行うアーク溶接装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、この発明の一実施形態のアーク
溶接装置を示す概略構成図であるが、この図を用いて上
記のようなアーク溶接装置の従来例を説明する。同図に
おいて４は溶接トーチであり、また３は、この溶接トー
チ４内のコンタクトチップ（図示せず）を通過し、ワイ
ヤ送給装置（図示せず）により母材１ａ、１ｂに向けて
送給される溶接ワイヤである。また同図において８は、
溶接トーチ４を移動させるロボットアーム（トーチ移動
手段）、溶接トーチ４の位置を検知するためのエンコー
ダ（溶接位置把握手段）、溶接電源、及び溶接ワイヤ送
給装置等を備えて成る溶接制御部である。一方、同図に
示す５は溶接線を検知するためのレーザセンサ（溶接線
検知センサ）である。このレーザセンサ５は、例えばス
リット光源とカメラとを備えて成り、上記溶接トーチ４
に取り付けて設けられている。そしてこのレーザセンサ
５による検知結果は、マイクロコンピュータの機能を含
む集積回路を用いて構成されたセンサコントローラ６に
送られて加工され、ＲＳ２３２Ｃの通信線又はバスライ
ン等を介してコントローラ７に送信される。このコント
ローラ７も、上記センサコントローラ６と同様にマイク
ロコンピュータの機能を含む集積回路を用いて構成さ
れ、溶接制御部８の制御等を行うようになっている。上
記従来のアーク溶接装置では、溶接電源から供給された
電力により、溶接トーチ４の先端部において溶接ワイヤ
３と母材１ａ、１ｂとの間にアークを発生させ、これに
よって母材１ａ、１ｂの溶接を行う。そしてレーザセン
サ５で検知した溶接線の位置に基づいてロボットアーム
を制御することにより、自動的に溶接線を倣いながら溶
接ができるようになっている。そこで次に、この倣い制
御について説明する。

【０００３】まずレーザセンサ５から溶接線前方の所要
の目標点に向けて、溶接線を横断するようにレーザ光を
出射する。この出射光は例えば帯状のものであり、その
反射光が有する輝線の屈曲形状からレーザセンサ５と目
標点との相対位置、すなわちセンサ座標上の目標点の位
置を読み取ることができる。そこでレーザセンサ５は再
びその反射光を受光し、これに基づく出力信号をセンサ
コントローラ６に出力する。このようにセンサコントロ
ーラ６は、目標点把握手段としての機能を有するもので
ある。

【０００４】一方上記エンコーダからは、溶接トーチ４
を移動させるロボットアームが備える各アームの回転角
度が出力される。この出力からは、ロボット座標上にお
ける溶接トーチ４先端部の位置を知ることができる。こ
こでロボット座標とは、ロボットアームの基点を原点と
する座標系のことである。つまり溶接トーチ４はロボッ
ト座標上で制御されるということである。そこでセンサ
座標上で把握した上記目標点の位置を、次にロボット座
標上へと座標変換する。そしてロボット座標上で表され
た目標点の位置に基づいてロボットアームを制御し、溶
接線に沿った倣い制御を行うようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た従来のアーク溶接装置では、レーザセンサ５を溶接ト
ーチ４に取り付けて設けているので、レーザセンサ５用
としての特別の駆動機構は不要となり、簡素な構成によ
ってアーク溶接の倣い制御を行うことができる。しかし
ながら一方で、溶接線上の目標点の位置をセンサ座標上
からロボット座標上へと座標変換しなければならない。
このとき溶接トーチ４とレーザセンサ５との幾何的な関
係から決定される変換マトリックスが必要となるが、こ
の変換マトリックスを求める操作をキャリブレーション
と呼んでいる。

【０００６】上記従来のアーク溶接装置では、キャリブ
レーションを次のような手法で行っている。すなわち、
溶接トーチ４とレーザセンサ５との相対位置関係を正確
に決定することのできる治具を形成し、この治具の表す
幾何的な関係から変換マトリックスを求めるのである。
しかしながらこのようなキャリブレーションによれば、
上記治具を用いてレーザセンサ５を溶接トーチ４に取り
付けた後に、例えば衝突等によって溶接トーチ４とレー
ザセンサ５との相対位置関係に変化が生じると、以後は
正確な座標変換をすることができなくなるという問題が
あった。そこで他のキャリブレーションの手法として、
レーザセンサ５を溶接トーチ４に取り付けた後、概略の
寸法から変換マトリックスの概略値を求め、以後試行錯
誤を繰り返しながら次第に変換精度を上げていくという
ことも行われていた。しかしながらこの手法によれば、
精度の高い変換マトリックスを求めるのに時間がかかる
という問題があった。

【０００７】この発明は、上記従来の欠点を解決するた
めになされたものであって、その目的は、センサ座標か
らロボット座標への座標変換を行うための両者の相対位
置関係を随時かつ容易に求めることができ、これによっ
て常に高精度な倣い制御をすることが可能なアーク溶接
装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１のアーク
溶接装置は、図１に示すように、溶接トーチと、この溶
接トーチを移動させるトーチ移動手段と、上記溶接トー
チに取り付けて設けられた溶接線検知センサと、この溶
接線検知センサの出力に基づいて溶接線上の所要の目標
点の位置をセンサ座標上で把握する目標点把握手段と、
上記溶接トーチの先端部の位置をロボット座標上で把握
する溶接位置把握手段と、センサ座標上で把握した上記
目標点の位置をロボット座標上へと座標変換する座標変
換手段と、座標変換して得たロボット座標上の目標点の
位置に基づいて、上記溶接トーチを溶接母材に対して相
対移動させるようトーチ移動手段を制御する制御手段と
を備え、溶接線を倣いながら溶接を行うアーク溶接装置
であって、予め設定された所定の基準点に対し、上記目
標点把握手段によってそのセンサ座標上の位置を把握す
ると共に、そのときの溶接トーチ先端部の位置を上記溶
接位置把握手段によってロボット座標上において把握
し、上記座標変換手段は、ここで把握したセンサ座標上
の基準点の位置及びロボット座標上の溶接トーチ先端部
の位置と、上記基準点のロボット座標上の位置との相対
位置関係に基づいて、上記座標変換を行うよう成されて
いることを特徴としている。

【０００９】ここでセンサ座標とは、上述のように溶接
線検知センサの所定の基点を原点とする座標系をいい、
またロボット座標とは、ロボットアームの基点を原点と
する座標系をいう。

【００１０】上記請求項１のアーク溶接装置では、セン
サ座標上の基準点の位置と、この基準点を溶接線検知セ
ンサで検知しているときのロボット座標上の溶接トーチ
先端部の位置とを、ロボット座標上の上記基準点の位置
と比較することにより、溶接トーチ先端部とセンサ座標
の原点との相対位置関係を把握することができる。従っ
てセンサ座標からロボット座標への座標変換を行うため
の相対位置関係を随時かつ容易に求めることができ、こ
れによって常に高精度な座標変換をすることが可能とな
る。

【００１１】また請求項２のアーク溶接装置は、上記基
準点は、溶接線上に設定していることを特徴としてい
る。

【００１２】上記請求項２のアーク溶接装置では、上記
相対位置関係を溶接状況に即して容易に求めることが可
能となる。

【００１３】さらに請求項３のアーク溶接装置は、上記
基準点のセンサ座標上の位置と、溶接トーチ先端部のロ
ボット座標上の位置とは、それぞれ目標点把握手段と溶
接位置把握手段とによって複数回に亘って把握された複
数の位置情報から成ることを特徴としている。

【００１４】上記請求項３のアーク溶接装置では、基準
点の検知誤差を低減して上記相対位置関係を高精度で求
めることが可能となる。

【００１５】請求項４のアーク溶接装置は、上記複数の
位置情報は、溶接線検知センサの検知姿勢を３回以上変
えながら把握したものであることを特徴としている。

【００１６】上記請求項４のアーク溶接装置では、回転
成分をも含めて上記相対位置関係を容易に求めることが
可能となる。

【００１７】請求項５のアーク溶接装置は、上記検知姿
勢は４回変えていることを特徴としている。

【００１８】上記請求項５のアーク溶接装置では、回転
成分をも含めた上記相対位置関係を、高精度かつ容易に
求めることが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次にこの発明のアーク溶接装置の
具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に
説明する。

【００２０】図２は、上記アーク溶接装置の概略構成図
である。このアーク溶接装置の概略構成は上述した従来
例と同様であって、ロボットアームによって移動される
溶接トーチ４、溶接トーチ４の先端部において母材１
ａ、１ｂに向け送給される溶接ワイヤ３、溶接トーチ４
に取り付けて設けられたレーザセンサ５、ロボットアー
ムやエンコーダ等を備えた溶接制御部８、レーザセンサ
５の検知結果を加工して出力するセンサコントローラ
６、及び上記溶接制御部８の制御等を行うコントローラ
７等を備えて構成されている。

【００２１】上記アーク溶接装置も従来例のものと同様
に、溶接電源から供給された電力により、溶接トーチ４
の先端部において溶接ワイヤ３と母材１ａ、１ｂとの間
にアークを発生させ、これによって母材１ａ、１ｂの溶
接を行う。そしてレーザセンサ５で検知した溶接線２上
の目標点の位置に基づいてロボットアームを制御するこ
とにより、同図の矢印に示すように図における左方から
右方へと自動的に溶接線２を倣いながら溶接を行うよう
になっている。従って同図における溶接線２のうち溶接
ワイヤ３よりも左側が溶接済の部分２ａとなり、そして
同じく右側が未溶接の部分２ｂとなる。このとき上述の
ようにロボットアームがロボット座標上で制御されるの
に対し、レーザセンサ５はセンサ座標上で溶接線上の目
標点の位置を把握する。従って溶接トーチ４とレーザセ
ンサ５との幾何的な関係から決定される変換マトリック
スが必要となる。そこで次に、この変換マトリックスを
求めるキャリブレーションについて説明する。

【００２２】まず溶接トーチ４にレーザセンサ５を取り
付ける。そして母材１ａ、１ｂを設置し、図３に示すよ
うに適当な溶接線２を選んでその溶接線２上の１点にマ
ーキングする。このようにマーキングした点が基準点Ｐ
となる。次にこの基準点Ｐを溶接トーチ４の先端部で教
示する。すると溶接制御部８に備えられたエンコーダに
よってロボット座標上の上記基準点Ｐの位置が把握され
るので、把握されたその位置をコントローラ７に出力す
る。

【００２３】続いて、上記基準点Ｐをレーザセンサ５で
検出する。すなわち、レーザ光が形成する光切断線５ａ
が基準点Ｐを横切るように、ロボットアームを教示する
のである。このとき出射レーザ光を可視光とすると、光
切断線５ａが基準点Ｐを横切ったか否かを肉眼で容易に
判別できるが、赤外光であっても赤外スコープ等を用い
れば光切断線５ａを視認できるので、用いるレーザ光は
可視光であってもよいし赤外光であってもよい。そして
このセンサ出力からは、センサコントローラ６によって
センサ座標上における上記基準点Ｐの位置が把握され、
把握された位置情報はＲＳ２３２Ｃの通信線又はバスラ
インを介してコントローラ７に送信される。

【００２４】ところで溶接制御部８に備えられたエンコ
ーダは、ロボットアームの移動角度、すなわち溶接トー
チ４先端部の位置を、常にロボット座標上で把握してい
る。従って上記のような教示を行ったときには、レーザ
センサ５で基準点Ｐを検出するのと略同時に、そのとき
の溶接トーチ４先端部の位置がエンコーダによってロボ
ット座標上で把握されていることになる。そこでこの位
置情報についても溶接制御部８からコントローラ７へと
出力する。

【００２５】上記のようなレーザセンサ５による基準点
Ｐの検知を、図５に示すようにその検知姿勢を変えなが
ら合計４回（ｉ＝１〜４）繰り返して行う。従って上記
操作からは、ロボット座標で表した基準点Ｐの位置Ａ
（Ａは４×４のマトリックス）、センサ座標で表した４
種類の基準点Ｐの位置Ｓ_i （ｉ＝１〜４）、及びロボッ
ト座標で表した４種類の溶接トーチ４先端部の位置Ｒ_i
（ｉ＝１〜４）が得られることになる。そしてこれらの
Ａ、Ｓ_i 、Ｒ_i はコントローラ７に入力され、座標変換
手段によって変換マトリックスが求められる。この座標
変換手段はソフトウェアで構成されたものであり、次に
その計算アルゴリズムについて説明する。

【００２６】図４は、上記Ａ、Ｓ_i 、Ｒ_i の関係を示す
図である。ここで図に示すツール座標系とは溶接トーチ
４の先端部を原点とする座標系のことであり、Ｃは、こ
のツール座標系からセンサ座標系への変換マトリックス
である。従ってＡとＳ_i とＲ_i との関係からこのＣを求
めることがキャリブレーションだということになる。と
ころで同図に示す関係から、Ａ、Ｓ_i 、Ｒ_i 、Ｃの間に
は次のような関係が成り立つことが分かる。

【数１】 これを変形すると、

【数２】 を得ることができる。ここでＲ_i ^-1、Ｓ_i ^-1は、それぞ
れＲ_i 、Ｓ_i の逆マトリックスを表している。しかしな
がら（式２）において、Ｓ_i についてはｘ、ｙ、ｚ成分
のみがレーザセンサ５から得られ、その回転成分につい
ては未知である。従って上記（式２）をそのまま解くこ
とはできない。そこでＣを次のように定義する。

【数３】

【数４】

【数５】 Ｃ₀ はＣの概略値を表し、ΔＣはＣ₀ をＣに一致させる
ための微小量を表している。このうちｃ₁₁〜ｃ₃₃、
ｘ_c 、ｙ_c 、ｚ_c の値は溶接トーチ４とレーザセンサ５
との幾何的関係から容易に求めることのできる概略値で
ある。しかしδｘ、δｙ、δｚ、Δｘ、Δｙ、Δｚはそ
れぞれ未知である。

【００２７】一方、Ａのｘ、ｙ、ｚ成分をそれぞれ
ｘ_p 、ｙ_p 、ｚ_p とする。これらはエンコーダの出力か
ら把握できる値であっていずれも既知であるから、これ
を（式１）に代入し、ｘ、ｙ、ｚ成分のみを抽出するこ
とにより、

【数６】 を得ることができる。ここでさらにＳ_i のｘ、ｙ、ｚ成
分をそれぞれｘ_si、ｙ_si、ｚ_siとする。これらはレーザ
センサ５の出力値から把握することができるものであ
り、従っていずれも既知である。これを（式６）に代入
すると、

【数７】 を得ることができ、さらにこれを変形すると、

【数８】 となる。

【００２８】上記（式８）は、δｘ、δｙ、δｚ、Δ
ｘ、Δｙ、Δｚを未知数とする６元連立方程式である
が、式の数は１２ある。未知数の数よりも式の数の方が
多いので、次に示す手法によって最小２乗解を求める。
まず（式８）の右辺の値は既知であり、そのｘ、ｙ、ｚ
成分をｘ_pi、ｙ_pi、ｚ_piとおく。すると上記（式８）は

【数９】 と書くことができる。この（式９）をｉ＝１〜４までに
ついて書き下すと、

【数１０】 となる。

【００２９】ここで簡単のため、（式１０）を次のよう
に置き換える。

【数１１】 Ｈは（式１０）における１２行×６列のマトリックスで
あり、ＬとＺとは列ベクトルである。ここで上記（式１
１）に最短左側インバース法を適用する。すると、

【数１２】 を用いて、

【数１３】 と書くことができる。 ^tＨはＨの転置マトリックスであ
る。こうしてδｘ、δｙ、δｚ、Δｘ、Δｙ、Δｚを求
めることができる。そしてこれを（式５）に代入して
（式３）を計算することにより、変換マトリックスであ
るＣを求めることができる。

【００３０】上記のようにして得られた変換マトリック
スＣは、溶接トーチ４の先端部とセンサ座標系の原点と
の相対位置関係を表すものであるから、この変換マトリ
ックスＣを用いることによってレーザセンサ５で検知し
たセンサ座標上の目標点の位置をロボット座標上へと座
標変換することができる。そしてそのために要するの
は、レーザセンサ５を溶接トーチ４に取り付けた後にお
けるロボットアームの教示による移動とソフトウェア処
理とであり、従って上記キャリブレーションは随時かつ
容易に行うことができる。そのため衝突等によって溶接
トーチ４とレーザセンサ５との相対位置関係が変化して
も、上記アーク溶接装置では再度迅速にキャリブレーシ
ョンを行うことによって引き続き正確な倣い制御を行う
ことができる。

【００３１】また上記では、レーザセンサ５の検知姿勢
を変えながら基準点Ｐの検出を４回繰り返して行ってい
る。従って回転成分をも含めたキャリブレーションを行
うことができ、これによって高精度な変換マトリックス
Ｃを得ることができる。しかも未知数の数よりも多い連
立方程式をたてることによって最小２乗解を求めている
ので、一段とその精度を向上させることができる。

【００３２】以上にこの発明の具体的な実施の形態につ
いて説明したが、この発明は上記形態に限定されるもの
ではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施するこ
とができる。上記ではレーザセンサ５による基準点Ｐの
検知を、検知姿勢を変えながら４回繰り返して行ってい
るが、これは３回としてもよい。この場合にはより迅速
なキャリブレーションを行うことができるので、精度と
の関係でいずれかを適宜に選択することができる。また
回転成分を含むキャリブレーションが特に必要とされな
い場合には、レーザセンサ５の姿勢を変えることなく基
準点Ｐを検出するようにしてもよい。この場合にも、基
準点Ｐを複数回に亘ってレーザセンサ５で検出すること
により、検知誤差を低減してより高精度な変換マトリッ
クスを求めることができる。さらに上記ではロボットア
ームの制御と座標変換とを同一のコントローラ７内で行
うようにしたが、図２に示す構成は一例であって、それ
ぞれ別個の処理部において行うようにしてもよいのは勿
論である。

【００３３】また上記ではキャリブレーションのための
基準点Ｐを溶接線上に置き、これによって溶接状況に即
した高精度なキャリブレーションを可能としているが、
教示動作の都合等によっては基準点Ｐを溶接線上以外の
場所に設定するようにしてもよい。このときロボット座
標上における位置が予め既知である点を基準点Ｐとする
と、溶接トーチ４の先端部で基準点Ｐを教示する操作を
省略し、キャリブレーションをさらに簡素化することが
できる。

【００３４】

【発明の効果】上記請求項１のアーク溶接装置では、セ
ンサ座標からロボット座標への座標変換を行うための相
対位置関係を随時かつ容易に求めることができるので、
常に高精度な倣い制御をすることが可能となる。

【００３５】上記請求項２のアーク溶接装置では、上記
相対位置関係を溶接状況に即して容易に求めることが可
能となる。

【００３６】上記請求項３のアーク溶接装置では、基準
点の検知誤差を低減して上記相対位置関係を高精度で求
めることが可能となる。

【００３７】上記請求項４のアーク溶接装置では、回転
成分をも含めて上記相対位置関係を容易に求めることが
可能となる。

【００３８】上記請求項５のアーク溶接装置では、回転
成分をも含めた上記相対位置関係を、高精度かつ容易に
求めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のアーク溶接装置を示す機能ブロック
図である。

【図２】上記アーク溶接装置の一実施形態を示す概略構
成図である。

【図３】溶接線上の基準点を示す図である。

【図４】各座標系の関係と変換マトリックスとを説明す
る図である。

【図５】レーザセンサによる基準点の検知状態を示す図
である。

【符号の説明】

１ａ 母材 １ｂ 母材 ２ 溶接線 ２ａ 溶接線（溶接済の部分） ２ｂ 溶接線（未溶接の部分） ４ 溶接トーチ ５ レーザセンサ ６ センサコントローラ ７ コントローラ ８ 溶接制御部 Ｐ 基準点 Ａ 基準点の位置（ロボット座標） Ｓ_i 基準点の位置（センサ座標） Ｒ_i 溶接トーチ先端部の位置（ロボット座標） Ｃ 変換マトリックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｆ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接トーチと、この溶接トーチを移動さ
   せるトーチ移動手段と、上記溶接トーチに取り付けて設
   けられた溶接線検知センサと、この溶接線検知センサの
   出力に基づいて溶接線上の所要の目標点の位置をセンサ
   座標上で把握する目標点把握手段と、上記溶接トーチの
   先端部の位置をロボット座標上で把握する溶接位置把握
   手段と、センサ座標上で把握した上記目標点の位置をロ
   ボット座標上へと座標変換する座標変換手段と、座標変
   換して得たロボット座標上の目標点の位置に基づいて、
   上記溶接トーチを溶接母材に対して相対移動させるよう
   トーチ移動手段を制御する制御手段とを備え、溶接線を
   倣いながら溶接を行うアーク溶接装置であって、予め設
   定された所定の基準点に対し、上記目標点把握手段によ
   ってそのセンサ座標上の位置を把握すると共に、そのと
   きの溶接トーチ先端部の位置を上記溶接位置把握手段に
   よってロボット座標上において把握し、上記座標変換手
   段は、ここで把握したセンサ座標上の基準点の位置及び
   ロボット座標上の溶接トーチ先端部の位置と、上記基準
   点のロボット座標上の位置との相対位置関係に基づい
   て、上記座標変換を行うよう成されていることを特徴と
   するアーク溶接装置。
2. 【請求項２】 上記基準点は、溶接線上に設定している
   ことを特徴とする請求項１のアーク溶接装置。
3. 【請求項３】 上記基準点のセンサ座標上の位置と、溶
   接トーチ先端部のロボット座標上の位置とは、それぞれ
   目標点把握手段と溶接位置把握手段とによって複数回に
   亘って把握された複数の位置情報から成ることを特徴と
   する請求項１又は請求項２のアーク溶接装置。
4. 【請求項４】 上記複数の位置情報は、溶接線検知セン
   サの検知姿勢を３回以上変えながら把握したものである
   ことを特徴とする請求項３のアーク溶接装置。
5. 【請求項５】 上記検知姿勢は４回変えていることを特
   徴とする請求項４のアーク溶接装置。