JPS595072B2 - 汎用型溶接ロボツトによる自動溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は汎用型溶接ロボットによる溶接方法の創案に係
り、、特に造船用大型部材の溶接において、プログラミ
ング及び制御機構の簡素化を図り、加？５ えて部材の
多様性に対処し得る自動溶接により、その多様化、高速
化と共に信頼性の向上を図つたものである。

ククー 造船工事において、？接作業の占めるウエイトの高いこ
とはよく知られる。

このために多数の熟練溶接工による手動もしくは手自動
溶接を改善し、省力化、自動化及び高速化によつて生産
性の向上とコストの低減ま図らんとする要求が高い。こ
れに対し、従来から各種の自動溶接機構が提案されたが
、これを大別するならば、油圧系と電気系に区分するこ
とができよう。これらの中油圧系を代表するものとして
は、センサーによつて、そのトーチの対象物に対する正
確な位置決めを図つたものがある。これによるメリツト
としては、それまでの例えば座標、姿勢、条件などをあ
らかじめロボツトに詳細に記憶させる。いわゆるテーチ
ングの簡略化を図つたことにある。それにしても大型で
しかも形状寸法が多種多様である造船用部材に対処し得
るにはなお多くの難点のあることは不可避と言うことが
できる。電気系を代表するものとしては同じくセンサー
を付設した造船用箱型部材に対する水平隅肉用ロボツト
の提案が知られる。これは不幸にして、水平用であり、
立向き溶接ができないことに最大の難点がある。直角に
近い箱型部材専用にとどまることは言うまでもなく、加
うるにその据付及び移動には別個の装置が必要とされて
、上記した如き大型でしかも形状寸法が多様な部材化に
対処し得て、多様化に向く汎用性を備えたロボツトとは
言い得ず、依然として専用機の域を出ないものと言うべ
きであろう。このような例も含めて、従来知られている
各種ロボツトに共通する難点として次の点をあげること
ができる。

即ち、４上述した如く、１部機種にその簡略化が図られ
たとしても、依然としてテーチングに難点のあることで
ある。

このようなテーチングは、その対象が複雑多岐な形状や
大型部材にあつてはテーチング作業に多くの時間を必要
とするとと Ｊもに、プログラミングと制御機構の複雑
化を招き、このため造船用部材の如く１つの溶接単位が
長く且つ多様である対象については精度確保の点からそ
の自動溶接が不可能に近い。◎ 従来から提案され、か
つ実用にも供されてい つるロボツトは半固定タイプが
多く、その動作範囲もせいぜい１．５ｍ程度であつて、
複雑な造船用の大型部材に対しては適格性に欠くものと
言うべきである。

＠ 造船用部材として、その組立精度、加工精度及び搬
入位置決め精度などに信頼性が薄い。

＠ アーク溶接用としては、技術的にまだ完成されたロ
ボツトの提゛案がまだない。（ホ）高価な割りに適応能
力に乏しい。

などの諸点をあげることができる。

これを端的に言うならば、スカロツプやスニツプの形状
、これにスチフナ一が付設され、かつこれらが互いに交
差して溶接線の障害ともなることが常態とされている造
船用大型部材の組立溶接を自動的にこなし得る躊接ロボ
ツトの提案がまだないということに外ならない。これが
現状であつて、そのために有効適切なメカニズム及びこ
の溶接制御プロセスの樹立が久しく渇望されていたもの
である。本発明は、このような現状を打開するために開
発されたものであつて、その特徴は、后接ロボツトの前
後（Ｘ軸）及び左右（Ｙ軸）の自在な移動を可能とし、
これに配設したセンサー及びトーチ保持用主軸に、自在
な上下動（Ｚ軸）及びその回転運動（Ｖ／軸）を与えた
メカニズムからなり、上記Ｘ，Ｙ及びＺ各制御軸の運動
による上記トーチの位置を、各軸の現在値と指令値との
差を残値として求めこの残値と計算機から出力される増
分値とを加算して得られた値を指令値としてサーボ制御
系で制御し、これにより自動的に溶接するようにしたこ
とにある。

また本発明の他の特徴は、上記構成に加えてトーチの進
退（Ｒ軸）、トーチの回転（θ軸）及びトーチ自体の傾
角回動（φ軸）を可能ならしめ、少なくとも２個のセン
サーによつて、洛接部材構成における各種形状を検知し
、これにより上記Ｒ軸、θ軸及びφ軸を制御して上記ト
ーチ位置及び姿勢を微細に決定し、自動的に溶接するよ
うにしたことにある。これによつて大型で醇接距離が長
くしかも多様化された造船用部材の粗み立てに対し、簡
易なプログラミングと制御機構により自動的にかつ安定
した精度をもつ溶接が可能となり、複雑な造船の洛接工
程を、その切断、配材から、自動后接などこれに関連す
る搬送システムまで、例えば１台のミニコンピユータで
群制御を行う場合の中核たらしめることができる。本発
明に供される洛接ロボツトの基本的メカニズムは、特願
昭５１−１２１６７４号及び特願昭５１−１２１６７５
号として提案されたが、その構成の１例は、第１図及び
第２図で示す通りである。

即ち基床１に配設した定盤１１及び溶接ロポツト用支台
１６ａ及び１６ｂ、ついでこの支台上に敷設されたレー
ル１７ａ及び１７ｂが溶接ロボツトの支持機構であつて
、上記定盤上に被酪接材１２，１３，１４及び１５が組
み立てられる。上記溶接ロボツトの基本形態は、まずガ
ータ一２ａ及び２ｂとそのガータ一脚２１ａと２１ｄ及
び２１ｂと２１ｃが、ターンフレーム２２ａ及び２２ｂ
にそれぞれ固定され、上記２１ａ−２１ｂ間及び２１ｃ
−２１ｄ間に前記被醇接材を配置し得る如く、門型機構
とされる。ターンフレームはその下部にレール走行用車
輪２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｂ及びレール側面に接
し得る如く、ガイドローラー２３ａ−２３ｂと２３ｃ−
２３ｄが配設される。更に前記ガータ一上には、それぞ
れ案内条２４ａ及び２４ｂが敷設されるものである。こ
のような門型機構の移動は、前記ガータ一脚の下部に配
設されたモーター２５ａ及び２５ｂ、ピニオン２６ａ及
び２６ｂ、及び前記レールに沿つて固設されたラツク２
７ａ及び２７ｂからなる５駆動装置によつてなされる。
これに図示した如く、上記門型機構の位置検出装置２８
ａ及び２８ｂを付設するならば、車輪２９ａ，２９ｂ，
２９ｃ，２９ｂを介して門型機構の走行一停止（図示で
はＸ軸）の位置コントロールは極めて容易である。次に
溶接ロボツトのＹ軸方向の移動機構は次の通りである。
まず移動台車３は前記案内条２４ａ２４ｂに載荷され、
この横行（Ｙ軸）は、モーター３１．ピニオン３２−ラ
ツク３３及び車輪、３４ａ−３４ａ，３４ｂ−３４ｂ，
３４ｃ−３４ｃ，３４ｄ−３４ｄ及び３５ａ−３５ｄ，
３５ｂ−３５ｃ（いずれも前記案内条の上下及び側面に
接して設けられる）からなる駆動装置によつてなされる
。これに図示の如く検出器３６を配設して、車輪３５ａ
及び３５ｂを介し、一移動台車の移動一停止（Ｙ軸）を
コントロールするものである。更に洛接ロポツトの上下
動（Ｚ軸）は主軸４による。この主軸は上記上下動と共
にそれ自身旋回可能（Ｗ軸）に保持される。その基本的
なメカニズムは次の通りである。即ちまず前記移動台車
の中央部に主軸保持筒４１が配設され、これに図示しな
い軸受を介して軸筒４２が縦挿され、この軸筒に上記主
軸が貫装されるものである。ついでこの軸筒の上下部に
はこれと同心の角筒状上下動用ガイド４３ａ及び４３ｂ
が連結され、同時に上記軸筒の中間部にはギヤー４４が
固設される。更に前記主軸の片側は上下動用ラツク４５
、他側には上記上下動用ガイドに設けられたガイドロー
ラー（図示しない）に挟持された案内条４６ａ及び４６
ｂが固設される。このような機構において主軸の上下動
（Ｚ軸）の駆動装置は、モーター４７及びギヤーボツク
ス４８からなり、このギヤーボツクスには図示しないウ
オーム機構とこれに付設されたピニオンが内蔵される。
主軸の上下動は前記上下動用ラツクとこのピニオンによ
つてなされ、同時に付設された検出機構４９によつて、
その上下動一停止（Ｚ軸）がコントロールされるもので
ある。一方主軸の旋回（Ｗ軸）装置はモーター５０とそ
の中にギヤー機構５１−５２を設けたギヤーボツクス５
３からなり、具体的な旋回はこのギヤー５２と前記，駆
動用ギヤー４４によつてなされるが、付設した検出機構
５４によつてその旋回一停止（Ｆ軸）がコントロールさ
れる。本発明に供される汎用溶接ロボツトは前述した如
きＸ，Ｙ，Ｚ及びＷ各軸に対する制御系によつて、溶接
線に対する正確なトーチの位置制御が可能である。

然しながら、浩接用部材の形状寸法によつては、更にそ
の位置が微調整さるべき必要のあることは言うまでもな
い。このような微調整は、以下に述べる機構によつてな
される。この場合添付図面では２トーチシステムが示さ
れているので、これに基づいて詳述する。さてトーチ６
ａ及び６ｂは、それぞれトーチ保持軸６１ａ及び６１ｂ
を介し、ブラケツト６２によつて前記主軸４に取り付け
られるが、この保持軸は、上記ブラケツトに取付手段６
３で固定された軸受筒（図示しない）内で回転自在に保
持される。

保持軸の回転（θ軸）はモーター６４ａ及び６４ｂ及び
保持軸と係合するギヤー機構（図示しない）を内蔵した
ギヤーボツクス６５ａ及び６５ｂによつてなされる。こ
の場合、回転検出機構６６ａ及び６６ｂを付設し、これ
によつて保持軸の回転一停止（θ軸）によるトーチの洛
接線に対する正確お指向制御は容易にコントロールする
ことができる。上述した如く、Ｗ軸とθ軸によつてトー
チが正しく醇接線に向き得たならば、次はトーチの先端
と洛接線の距離が必要なレベルに達していなければなら
ないことは言うまでもない。

そこで本発明では、上記トーチの進退をコントロールす
る機構を設けることとした。即ち上記保持軸６１ａ及び
６１ｂとトーチ６ａ及び６ｂとの連結機構が重要であつ
て、この基本的構成は次の通りである。まずトーチ保持
軸６１ａ及び６１ｂの下端に横筒７ａ及び７ｂが固設さ
れる。この内部にはトーチ駆動軸７１ａ，７１ｂ及びこ
れと螺合せしめたトーチ進退軸７２ａ，７２ｂが図示し
ないギヤー機構を内蔵したギヤーボツクス７５ａ，７５
ｂが配設されるものである。更にこのギヤー機構に連結
するモーター７３ａ，７３ｂ及び検出機構７４ａ，７４
ｂが付設される。このような機構において、検出機構の
作動により、トーチ進退軸を介したトーチの進退一停止
（Ｒ軸）の制御は容易である。ついでトーチの姿勢、即
ち角度調整機構は次の通りである。即ち上記トーチ進退
軸にはトーチホルダー７６ａ及び７６ｂが固設され、こ
の中にトーチ回動軸７７ａ及び７７ｂ、この回動用ギヤ
ー機構（図示しない）及び上記回動軸と連動するトーチ
角度検出機構（例えばシンクロ制御発振器など）７８ａ
及び７８ｂが配設される。更に、上記回動軸にはトーチ
軸７９ａ及び７９ｂを介してトーチ６ａ及び６ｂが固設
されるものである。前記トーチホルダーにはモーター８
０ａ及び８０ｂが取り付けられて、上記回動軸に連結さ
れる。このような機構において、トーチ角度検出機構の
作動により、トーチの回動一停止（ψ軸）の制御がなさ
れる。上述してきたＸ，Ｙ，Ｚ，Ｖ／の各制御軸、さら
にこれに加えたθ，Ｒ及びφ各制御軸によつて、后接線
の変化に対応したトーチの位置及び姿勢の正確な制御が
可能となつて溶接ロボツトの汎用化は容易である。

第３図のものは、第１及び２図から上記各制御軸を抜き
取つて示したものである。本発明では、上記各制御軸の
機能を十分に発揮せしめて、これによる溶接トーチの位
置及び姿勢を正しくコントロールするため別にセンサー
を付設することとした。この基本的機構は第４図及び第
５図の通りである。即ちセンサー１００，ａ一ｂ−ｃ及
びｅ−ｆ−ｇはその支持軸１０１ａ及び１０１ｂを介し
て前記横筒７ａ及び７ｂの一端に取付けられ、それぞれ
前記トーチ６ａ及び６ｂと同一平面上にある如く構成さ
れる。この場合、上記センサー支持軸とセンサーとの連
結機構はシリンダー１０２ａ，１０２ｂ及びピストンロ
ツド１０３ａ，１０３ｂによる。このようなセンサーは
、そのホルダー１０４ａ及び１０４ｂによつて上記ピス
トンロツドに連結され、更にホルダー内部には第６図に
示された如く、先に述べたＸ，Ｙ及びＺ各軸の感応面１
０５，１０６及び１０７に対応せしめたセンサー本体１
０８，１０９及び１１０と検出機構１１１が組み込まれ
る。このセンサー本体としては、必ずしも特定のものの
必要はなく、従来から知られている差動トランスなどの
接触型のもの、あるいは渦流センサーや光電管のような
非接触型のものいずれでもその使用は可能である。この
ようなセンサーは前記シリンダーの作動によつて、その
形式及び性能に応じた位置にコントロールされる。本発
明に供される溶接ロボツトは、付設されたセンサーによ
り、洛接部材の形状とその溶接線を刻々検出することが
できる。

これによつて検出された情報に応じて先に述べたＸ，Ｙ
，Ｚ，Ｆ，θ，Ｒ及びφ各制御軸に指令が与えられ、ト
ーチの位置及び姿勢が自由にコントロールされ決定され
るものである。このような各種検出情報の処理のために
適当なコンピユータ一が配設される。このような制御機
構は各制御軸の同時コントロールをも可能とするもので
あつて、その汎用性と共に、ＮＣサーボ機構とすること
によつて数値コントロール（ＮＣ）も容易にできる。上
記制御用各軸に対する制御系の基本的構成が第７，８及
び９図で示され、この中７図のものは、概念的プロツク
、８図のものは前記各制御軸に対する基本的プロツク及
び９図のものは、特に上記各図におけるインターフエイ
スを中心としたプロツクである。

図中１２０は電子計算機、１２１はその入出力装置、１
２２はインターフエイス、１２３は演算制御回路、１２
４はデイジタルーアナログ（１１）／Ａ）変換器、１２
５はジッタローディジタル（Ｓ／／Ｄ）又はコード変換
器及びこの増巾器、１２６は制御軸用モーター制御装置
、１２７はタコジェネレーター、１２８は制御用モータ
ー、１２９はパルス発生器又はシンクロ発振器、１３０
は各制御軸、１２２ｗは溶接器用インターフエイス、１
４０は溶接機用電源、１４１は洛接制御装置、１４２は
藩接機用ワイヤー供給装置、記号ＴＧはタコジニネレー
タ一、ＰＧはパルス発生器、ＤＨは絶対値型パルス発生
器、ＣＸはシンクロ発振器、ＳＤはシンクローデイジタ
ル変換器、及びＲは右側、Ｌは左側のものを示す。他の
番号は前記各図におけるものと同様である。上記制御系
による溶接ロポツトの制御においてもつとも重要なこと
は、トーチを正確に浩接線へ位置決めすることである。

このためには必要な溶接速度において、前記各軸の位置
決めと速度制御のなさるべきことが必要となる。本発明
では、この前提として、上記第７及び８図で示した各軸
制御用モーター機構はすべてＮＣ−サーボ制御方式によ
ることとした。然しながら、上記制御系を具体的な溶接
ロボツトへ適用するに当つては、なお細い配慮の必要な
ことが分つた。それは各制御軸の作動時定数がかなり異
なるからである。本発明による浩接ロボツトの主たる対
象が造船用としての大型部材に対する自動溶接にあるか
らに外ならない。このような観点において、上記第７及
び８図で示した制御系において、１２２として示したイ
ンターフエイス回路の１例が第９図である。まず第９図
−ａのものは、先に述べてきた各制御軸の中、Ｒ軸及び
φ軸に対するインターフエイスを中心とした制御系を示
す。これらＲ軸及びψ軸は溶接ロポツトの各制御軸の中
でもつとも小型であつて、その作動距離一回転数も極め
て小さいので、その制御系は通常のアブソリユート方式
とする。本制御系は先に述べた如く、溶接線に対するト
ーチ位置一姿勢の精密なコントロールにあることからモ
ーターの回転によるシンクロ発振器１２９ａがその特徴
である。この出力は１２５ａとして示したＳ／Ｄ変換器
によつてデイジタル数に変換されて、コンピユータ一か
らの指令値カウンター１３５の出力と前記演算制御器１
２３において計算され、この出力が１２４のＤ／Ａ変換
器でアナログ量となり、前記モーター制御装置に導入さ
れて、それぞれの制御軸をコントロールするものである
。次に上記ｂ図は、前記Ｆ軸及びθ軸に対する制御系を
示す。

このＷ軸及びθ軸は、上記Ｒ軸及びψ軸の基盤となるこ
とは、先に述べた通りであるが、いずれも回転軸のため
、上記同様にアブソリユート方式で十分なことが確認さ
れている。この場合、上記Ｒ軸、φ軸に対する制御系と
異なるところは、上記シンクロ発振器をアブソリユート
パルス発生器１２９ｂに置き換え、従つてＳ／Ｄ変換器
が通常のコード変換器１２５ｂとなることだけである。
これによる制御機能は、上記Ｒ軸及びφ軸に対するもの
と基本的に差はない。更にＸ，Ｙ及びＺ各軸については
特段の配慮を必要とすることが分つた。

これは先に述べた各軸の制御系とは異なり、Ｘ，Ｙ及び
Ｚ各軸共、その移動距離が大きく、これを上記の如く、
絶対値方式（アブソリユート方式）とした場合、そのプ
ログラミングが極めて複雑となり、これに伴う制御装置
の構成も容易でないからである。そこで本発明ではイン
クリメンタル、即ち増分方式を基盤に、直接の制御には
上記絶対値方式によることとした。このような増分一絶
対値のコンバイン方式としたのは、増分方式のみによつ
た場合、例えば制御装置にミスカウントなどの誤動作が
あつたとき、これが累積されて大きく狂うからである。
上記コンバイン方式によるならば、増分方式におけるプ
カグラミング及び制御装置の簡素化という利点と共に、
絶対値方式におけるプログラムの変換や運転の１時中止
一再開などが容易であるという利点を併せ発揮せしめる
ことができる。このような増分絶対値結合方式とした１
例が第９図−ｃとして示した制御系である。同図におい
て、先に述べた以外のプロツク名を述べるならば、１３
１はパルス発生器１２９ｃによる現在値の絶対値回路、
１３２は現在値に対する残値カウンター １３３は加算
器、１３４は現在値の増分カウンターを示す。一般に、
サーボ機構においては、目標値と実際値とが必ずしも一
致しないのが常態とされる。これを１つの模式的パター
ンとして示したのが第１０図である。同図で示した如き
ずれが生じた場合、必要な速度において、自動后接する
ことは困難となろう。このようなずれが何等の手段で補
償さるべきは言うまでもない。これが本発明のＸ，Ｙ及
びＺ軸に対する制御系において、増分一絶対値の結合方
式を開発したもう１つの理由である。？接ロボツトにお
いて、藩接線に対するトーチの位置決め及び各制御軸の
位置決めと速度制御が、その自動浩接を左右するもので
あつて、そのために、上記各軸に対し、ＮＣサーボ機構
を採用が好ましいことは先に述べた。このようなサーボ
機構による位置決めとしては、例えば具体的には一軸の
場合、０．５ｍ７！Ｌごとの位置指令を５０ｍｓｅｃご
とに出す位置制御系となる。この時の溶接速度は６００
ｍｍ／Ｍｉｎとなろう。従つて、上記５０ｍｓｅｃを変
えることによつて、洛接速度がコントロールされるもの
である。このような条件において、二軸の場合、Ｘ方向
には（０．５Ｃ０Ｓθ）Ｍｌｌ．Ｙ方向には（０．５Ｓ
１ｎθ）Ｍ７！Ｌの位置指令が出されることになる。こ
れが上記増分方式であつて、その基本形が第１１図であ
る。即ちそれぞれの位置Ｐｌ，Ｐ２・・・・・・は（Δ
Ｘ１−ΔＹ１）で示される。本発明ではこのような増分
方式による現在値が前記第９図−ｃにおける１３４とし
て示されたカウンターで計算され、貯えられるものであ
る。同時に上記ＰＧｌ２９ｃの出力は残値カウンター１
３２において現在値と目標値との差が計算され、この値
がその時点での絶対値カウンター１３１によるコンピユ
ータ一１２０の指令出力と加算器１３３で加算される。
この加算値が具体的な指令値として指令値カウンター１
３５で整えられ、減算器１２３で先に計算された増分値
が差引かれて、Ｄ／Ａ変換器１２４においてアナログ量
となる。これがモーター１２８の制御量である。この場
合、指令値カウンター１３５の出力は同時に残値カウン
ター１３２に入り、検出現在値（１２９ｃのＰＧ出力）
と比較の上、その差即ち残値の計算がなされる。このよ
うにして先に述べた如く、一定のインターバル毎に（指
令＋残値）の形で制御量が出され、Ｘ，Ｙ及びＺの各制
御軸が正確にコントロールされる。換言するならば、上
述した如き増分及び絶対値方式それぞれの欠点を抑え、
その長所を有効に生かした制御系にしたものである。こ
のような制御系の機能をノーマルな状態で模式的に示し
たのが次の表である。ここではその距離軸及び時間軸共
先に１例として述べた値を採用した。上表の如き機能が
、その時間軸及び距離軸とも、あらかじめ定められたイ
ンタパルで継断され、必要な洛接速度が容易に可能とな
る。

本発明による溶搦ロボツトがセンサーを併設することは
先に述べた。

具体的な自動溶接において、前記制御系の情報源として
、センサーが使用されるが、造船用大型部材の組み立て
において、そのＸ，Ｙ及びＺ方向各面に対応するそれぞ
れのセンサーを１セツトとして構成さるべきものとした
のが、本発明である。このような構成とされたセンサー
プロツクをそのトーチ軸に配設するならば、その水平及
び垂直溶接線に対し、自在な自動溶接が容易に可能とな
る。本発明において、センサーによる倣い機構とそのプ
ロセスを大別するならば次の如きものを使用することが
できる。即ち、 １センサー先行方式 ２センサー後行方式 ３Ｒ軸制御方式 などがそれである。

これらそれぞれの機構による倣い制御については以下に
詳述する。まず第１にセンサー先行方式である。

一般にセンサー先行方式はよく知られているが、その実
体を検討して見るに、単なるオンオフ制御系であつて、
タイムラグなどによる位置ずれが起り、精度において劣
る。本発明は、かかる難点を改良したものであつて、繁
雑さを避けるために、１トーチ式の機能を述べてその代
表とする。この１トーチ式の場合、現に壁面を倣つてい
るセンサーの制御系に参加する制御軸は、Ｘ，Ｙ及びＷ
軸である。さて上記センサーによる倣い制御機構をプロ
ツクとして示したのが第１２図であつて、これは前記第
７図、８図及び９図から抽出して整理したものである。
ここで重要なことはまず先行するセンサーとトーチとの
間隔が常に一定とされる。その第２はセンサー及びトー
チの現在値（位置）の検出が一定のインタバル（例えば
先に述べた如き０．５ｍ１Ｌ５０ｍｓｅｃがそのｌ例で
ある）においてなされることである。このような現在値
、即ち上記第１２図において見るならば、壁面１５０に
対するセンサーによる検出アナログ量１５１及び同じく
トーチによる検出デイジタル量１５２（Ｘ′，Ｙ′及び
Ｆ″゛）は、上記一定のインタバル毎に計算機１２０に
入り、ここで予め決められた手順に従つて演算、比較さ
れ、新たな指令値、ΔＸ，ΔＹ及びＷｌ５３として制御
機構１２６に入り、ここで具体的なアナログ量としてそ
れぞれへ制御軸をコントロールするものである。これに
よつて、トーチは浩接線に対しその溶接速度を減するこ
となく、正確な位置づけができる。今、仮にセンサーと
トーチの距離を５Ｃ！！Ｌに固定し、上記検出インタバ
ルを１？、１ｓｅｃとし、かつ分り易くするために、Ｘ
軸のみの１軸系倣いを例にとるならばセンサーとトーチ
の倣いシステムとして第１３図のプロツクが得られよう
。従つて倣いの初期状態では同図５ｃＴｒＬの点にセン
サーが位置することになる。ここからほぼ１．２秒後に
は６αの地点を通過する。このときセンサーの現在値（
第１２図の１５１）を読み込んで計算機に、一方トーチ
の現在値（同じく１５２）も同時に計算機に入り、ここ
で演算され、指令値（同じく１５３）として出される。
この指令値１５３によつて制御軸１３０がコントロール
されてトーチの位置付けが決まる。このように一定のイ
ンタバルでデータを読み取りながら指令値を出し、これ
により溶接が進行するものである。このような第１３図
の倣いシステムを１つのアルゴリズムにまとめるならば
、第１４図のフローチヤートを得ることができる。これ
は上記第１３図のものと同様に、第１４図で示されたル
ープの１回りを１秒と仮定してのものである。この値は
必要とされる溶接速度その他から、計算機１２０におけ
るハードウエアの１つとして適宜設定しておけばよい。
さて同図１５５はトーチ及びセンサーの現在値取り込み
であつて、この出力が第１２図における１５１及び１５
２となつて計算機に入る。１５６は指令値としての計算
機出力で第１２図の１５３がこれである。

１５７はここで実際の進行距離の下記Ｄに計算を表わし
、この進行距離が１儂を超えたかどうかの判断が１５８
であり、１Ｃ−JモV！未満の場合は新しくサンプリング
点の計算をすることはない。

１Ｃ！！Ｌを超えた場合は新しい次のサンプル点が計算
されて、計算機に格納される。

これが１５９として示したステツプである。このような
ループを具体的に更に説明するならば、初め１秒でトー
チ及びセンサーは８１］！程度進むことになる。サンプ
ル点は１秒周期であるから、ここでは新しく計算して格
納することはない。これが２秒後では、初期状態から１
．８ｃｍ程度進行している。ここで１ｃＴｒＬの地点に
おける壁面の標座と１．８ＣＴ！Ｌにおける座標値との
補間によつて計算し、格納するものである。これは６秒
後に指令値として使われる。３秒後には２．８ｃｍ進行
しているから同様に２ｃの地点における座標を求めてお
くものである。

この場合、上記の補間とは、例えば２秒後に第１３図６
におけるサンプル点を考えて見るに、まず５としての座
標は既に知られており、この関係は）５←−一１ｃＴｒ
Ｌ＋６となる。

２秒後には、上記５の点より１．８７！Ｊｍ程度進行し
ているから６のサンプル点（ＳＸ，ＳＹ）は
Ｘｓ−Ｓｘ′１ＳＸ＝ＳＸ′＋ ここで 〜 Ｄ− （ＸＳ−ＳＸ）＋（ＹＳ−ＳＹ）２で計算される
。

一方センサーによる壁面の座標（ＸＳ，ＹＳ）は第１５
図で示したように、センサーの基準座標を（Ｐ．Ｑ）と
し、同センサーの微少変位を５とすれば、Ｉｒ′１ｎ＾
１．１ｒ′ ノ で容易に計算することができる。

このように、洛接の終了まで計算機によつて、それぞれ
の座標が、一定の周期をもつて逐次検出、演算され、正
確なトーチの位置決めによつて容易に自動醇接を行うこ
とができる。次はセンサー後行方式である。

ここでは上記先行方式とは逆に、トーチより一定の距離
をもつてその後方にセンサーが固設される。第１６図は
このようなトーチ−センサーシステムによる倣いプロセ
スを示す。同図において、模式的に示した各点をつない
だトーチ−センサーの動きに関するアルゴリズムは次の
通りである。まず、図中１の点：ここにおける初期状態
でトーチの位置が基準より５だけずれていると仮定した
ものである。

２の点：サンプリング即ち検出周期４が先に述べた通り
決められているので、上記５と４より＠を求め、ｒをこ
の＠分だけ修正して進行する。

３の点：上記ステツプにより＠だけ進んだら、再び上記
偏差＠を計算して進む。

４の点：これは壁面が曲つている場合の例を示′したも
ので、まず、この地点において仮想壁面Ｗからの変位＠
２を確認する。

５の点：同時に、次の前記４分進んだ時点で上′記仮想
壁面Ｗと交差するように（α＋β）分だけＦを修正する
。

６の点：ここで再び上記１と同様の動作を繰り返す。

このようなアルゴリズムによれば、センサー後行方式を
とつても支障なく、トーチの正確な位置決めが可能であ
つて、正確に溶接できるものである。

この場合、後行方式の制御プロツクとしては、前述した
第１２図のものと同様であつて、その演算は次のように
なされる。即ち上記第１６図において
ｌ−′Ｎ ょ−ー一２ ／ ）が
あるが、ここで、Ｌ：単位時間における進行距離 ｌ″：ｌより１周期前の値 この１，１′が第１２図のセンサーによる計算機入力１
５１である。

この場合上記Ｌは次の式によつて計算される。即ち、こ
こでＸ汲びＹ′は第１２図に関して述べたトーチ現在値
、即ち計算機入力１５２のデータ上記各人力によつて計
算される指令出力１５３は次の通りである。

即ち、である。

このような指令値によつて、トーチは正確かつ容易に制
御される。上記センサー倣いシステムは、先に第９図ｂ
及びｃ及びこの関連記載で示した制御系に組み込まれて
、その情報源となる。

即ち上記センサーによつて、Ｘ，Ｙ及びＷ及び／又はθ
の各制御軸が適確にコントロールされて、トーチの位置
決めが容易に可能となるものである。通常の部材組み立
て后接にあたつては、これで十分ということができよう
。然しながら、造船用大型部材の組み立てにあつては、
先にも述べた通り、その形状及び寸法が多種多様である
ことはよく知られている。そこで本発明ではこれら多種
多様な部材形状に対してもこれに対応し得る微調整と十
分な適応性を発揮せしめるために、更にＲ軸及びψ軸に
対するセンサー倣いシステムをとり入れたものである。
このような部材の形状及び寸法について述べるならば、
まず第１に基板としての鋼板に平板と曲板のあることが
知られる。次に具体的な組み立て部材としての上記鋼板
の形状にいわゆるスカロツプ、スニツプがあり、これに
スチフナ一などが加わつて？接線に対する障害物となる
なで、更に厚さ違いもあつて、実に多様な形状の組み合
わせが示されることである。一隻の船舶の建造において
、その船舶の種類及び用途などによつて、更に異なる部
材組み合わせのあることは言うまでもなかろう。これら
をセンサー倣い機構のもとで自動的に酪接する場合、上
記してきたＸ，Ｙ，Ｚ及びＷ（２トーチシステムの場合
は更にθ）各制御軸によるシステムだけは対処しきれな
い恐れが強い。これら大型部材の組み立て用溶接ロボツ
トの上記各軸が必然的に大型化して重量もかさむことか
ら、その時定数も大きく、かつ本発明において採用され
ている各軸現在値把握用サーポ機構は、本来必ずしもそ
のレスポンスが早くないからである。本発明において、
このような形状に対処せしめるためにこまかな調整用と
して上記Ｆ（又はθ）軸へ更にＲ及びφ制御軸を配設し
た理由がここにある。第１７図ａ及びｂで示したものは
、このような部材の端部及ひその形状の検知のために構
成せしめたセンサーとトーチとの配置関係を示した１例
である。ここで例示したものは、先に詳記した第４〜６
図及びこれと関連した記載のものとその基本的な構成と
同様であるが、第１７図のものは、φ軸を含むＲ軸によ
る倣い制御を達成せしめるための機構配置としたもので
ある。即ち図中Ａは差動トランス型センサー、Ｂは渦流
型又はＬＣ型の磁気センサーを示す。これが基本構成で
あつて、これらの他必要に応じ、更に同じく差動トラン
ス型であるＣ及びＤセンサーが付設される。今これらセ
ンサーの果すべき役割りを見るに、まず磁気センサーＢ
は部材端部の変化態様を面としての検知し得ること及び
これによつて狭い部分で極めて有利なことからである。
Ａセンサーを差動トランス型としたのは、これによつて
上記Ｒ軸のＮＣ的微調整を可能ならしめることによる。
このようなＡ及びＢそれぞれのセンサーの構成と配置に
おいてもつとも重要なことは、そのトーチとの関連にお
いて常に一定の間隔と高さを保持せしめることである。
この関係において両センサーを同時に移動せしめるなら
ば、部材端部及び形状の変化の検知及びこれに基づくＲ
軸を主体としたＮＣ的微調整ができる。この場合、上記
両センサーの機能として特別なものの必要はない。ただ
進行方向における形状変化の始点及びその終点を知るだ
けの０Ｎ−０ＦＦ機能だけで十分である。差動トランス
としてのＡ及び磁気センサーとしてのＢ両センサーそれ
ぞれの０Ｎ−０ＦＦの変化と組み合わせによつて形状変
化の凡てをカバーし得る。具体的な部材の組み立て溶接
に当つては、その浩接進行方向において、多くの障害物
（例えばスチフナ一など）のあることは常態とされる。

このような場合、上記Ａ及びＢ両センサーのみで対処せ
しめることは困難となろう。このためのセンサーが上記
第１７図でＣとして示したものがそれである。これもＡ
，Ｂ両センサーと同様に単なる０Ｎ−０ＦＦ機能のみで
よいが、要するに上記Ａ，Ｂ及びＣの３センサーの０Ｎ
−０ＦＦの変化とその組み合わせによつて障害物を含む
部材形状のあらゆる変化に対応せしめたのが本発明であ
る。更に第１７図で示したＤセンサーを付設して、高さ
を一定レベルに保持せしめるならば尚万全の態勢と言う
ことができよう。以上第１７図で示したものは、その基
本的構成の１例であつて、必要によつては更に他のセン
サーの配設さるべきは言うまでもない。以上詳記したよ
うに、本発明によるならば、文字通り汎用型の浩接ロボ
ツトが始めて可能となつたものであつて、造船用の如き
大型で、しかもその部材形状が多様化された部材構成に
対しても、簡易なプログラミンと制御機構により有効に
対処し得るものである。

これによる実利益は誠に大きく、上記洛接作業の効率化
及び省力化は測り知ることができないものと言うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明溶接用ロボツトの１実施例として示す２
トーチ方式の正面図、第２図は同じくその側面図、第３
図は第１図における制御系の説明図、第４図は第１図に
おけるセンサー、トーチ及びトーチ進退軸の配置を示す
正面図、第５図は同じくその側面図、第６図は第４図に
よるセンサー配置の１例を示す側面、平面及び背面図、
第７図は本発明による制御系のアウトラインを示すプロ
ツク図、第８図はその詳細プロツク図、第９図ａは第３
図におけるＲ及びψ軸絶対値方式による制御プロツク図
、同じくｂはＦ及びθ軸用絶対値方式による制御プロツ
ク図、同じくｃはＸ，Ｙ及びＺ軸用増分値一絶対値方式
のコンビネーシヨンによる制御プロツク図、第１０図及
び第１１図は第９図−ｃによる増分値方式の説明図、第
１２図はセンサー先行方式による制御系の１例を示すプ
ロツク図、第１３図は第１２図のセンサーによる先倣い
説明図、第１４図はこれによるフローチヤート、第１５
図は同じくセンサーによる壁面座標を求める１例を示す
説明図、第１６図はセンサー後行方式の説明図、第１７
図−ａは爵接部材形状を検知するためのセンサー配置の
縦断正面図、同じｂはその側面図である。 図中、１は基床、１１は定盤、１２，１３，１４及び１
５は溶接部材、１６ａ及び１６ｂは藩接ロボツト用支台
、１７ａ及び１７ｂはレール。 ２ａ及び２ｂはガータ一、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ及び
２１ｄはガータ一支持脚、２２ａ及び２２ｂはターンフ
レーム、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ及び２３ｄはガイドロ
ーラ、２４ａ及び２４ｂは案内条、２５ａ及び２５ｂは
モーター、２６ａ及び２６ｂはピニオン、２７ａ及び２
７ｂはラツク、２８ａ及び２８ｂは位置検出装置、２９
ａ，２９ｂ，２９ｃ及び２９ｄは車輪。 ３は移動台車、３１はモーター、３２はピニオン、３３
はラツク、３４ａ−３４ａ，３４ｂ−３４ｂ，３４ｃ−
３４ｃ及び３４ｄ−３４ｄは駆動装置、３５ａ及び３５
ｂは車輪、３６は検出器。 ４は主軸、４１はその保持筒、４２は軸筒、４３ａ及び
４３ｂは上下動ガイド、４４はギヤー、４５は上下動ラ
ツク、４６ａ及び４６ｂは案内条、４７はモーター、４
８はギヤーポツクス、１４９は検出機構、５０は主軸旋
回用モーター、５１，５２はギヤー機構、５３はギヤー
ボツクス、５４ａ，５４ｂは検出機構。 ６，６ａ及び６ｂはトーチ、６１ａ及び６１ｂはトーチ
保持軸、６２はブラケツト、６３は取付手段、６４ａ及
び６４ｂはモーター、６５ａ及び６５ｂはギヤーボツク
ス、６６ａ及び６６ｂは回転検出機構。 ７ａ及び７ｂは横筒、７１ａ及び７１ｂはトーチ，駆動
軸、７２ａ及び７２ｂはトーチ進退軸、７３ａ及び７３
ｂはモーター、７４ａ及び７４ｂは検出機構、７５ａ及
び７５ｂはギヤーポツクス、７６ａ及び７６ｂはトーチ
ホルダー、７７ａ及び７７ｂはトーチ回転軸、７８ａ及
び７８ｂはトーチ角度検出機構、７９ａ及び７９ｂはト
ーチ軸、８０ａ及び８０ｂはモーター。 １００，ａ−ｂ−ｃ及びｅ−ｆ−ｇはセンサー、１０１
ａ及び１０１ｂはその支持軸、１０２ａ及び１０２ｂは
シリンダー、１０３ａ及び１０３ｂはピストンロツド、
１０４ａ及び１０４ｂはセンサーホルダー、１０５，１
０６及び１０７はＸ，Ｙ，Ｚ各軸のそれぞれ感応面、１
０８，１０９及び１１０はそれぞれのセンサー本体、１
１１は検出機構。 １２０は電子計算機、１２１は入出力装置、１２２はイ
ンターフエイス、１２３は演算制御回路、１２４はＤ／
Ａ変換器、１２５はＳ／Ｄ又はコード変換器、１２６は
制御軸用モータ制御装置、１２７はタコジェネレーター
、１２８はモーター、１２９はパルス又はシンクロ発振
器、１３０は各制御軸、１３１は現在値の絶対値回路、
１３２は現在値に対する残値カウンター、１３３は加算
器、１３４は増分カウンター、１３５は指令値カウンタ
ー、１３６は各制御軸ギヤー機構。 １４０は溶接器用電源、１４１は浩接器制御装置、１４
２は溶接器用ワイヤー供給装置１５０は壁面、１５１は
検出アナログ量、１５２は検出デジタル量、１５３は指
令値、１５５は現在値の取り込み、１５６は指令値とし
ての出力、１５７は進行距離計算、１５８距離の判断、
１５９は計算器入力である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接ロボットの前後（Ｘ軸）及び左右（Ｙ軸）の自
   在な移動を可能とし、これに配設したセンサー及びトー
   チ保持用主軸に自在な上下動（Ｚ軸）及びその回転運動
   （Ψ軸）を与えたメカニズムからなり、上記Ｘ、Ｙ及び
   Ｚ各制御軸の運動による上記トーチの位置を、各軸の現
   在値と指令値との差を残値として求めこの残値と計算機
   から出力される増分値とを加算して得られた値を指令値
   としてサーボ制御系で制御し、これにより自動的に溶接
   することを特徴とする汎用型溶接ロボットによる自動溶
   接方法。 ２ 溶接ロボットの前後（Ｘ軸）及び左右（Ｙ軸）の自
   在の移動を可能とし、これに配設したセンサー及びトー
   チ保持用主軸に自在な上下動（Ｚ軸）及びその回転運動
   （Ψ軸）を与え、かつ上記トーチの進退（Ｒ軸）、トー
   チの回転（θ軸）及びトーチ自体の傾角回動（φ軸）を
   可能ならしめたメカニズムからなり、上記Ｘ、Ｙ及びＺ
   各軸の運動による上記トーチの位置を、各軸の現在値と
   指令値との差を残値として求めこの残値と計算機から出
   される増分値とを加算して得られた値を指令値としてサ
   ーボ制御系で制御するとともに、少なくとも２個のセン
   サーによつて、溶接部材構成における各種形状を検知し
   、これにより上記Ｒ軸、θ軸及びφ軸を制御して上記ト
   ーチ位置及び姿勢を微細に決定し、自動的に溶接するこ
   とを特徴とする汎用型溶接ロボットによる自動溶接方法
   。