JPH0222401B2

JPH0222401B2 -

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Publication number: JPH0222401B2
Application number: JP6358980A
Authority: JP
Inventors: Etsuzo Murakami; Toshio Yoneda
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1980-05-13
Filing date: 1980-05-13
Publication date: 1990-05-18
Also published as: JPS56159707A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、予じめ教示された動作を再生しなが
ら加工を施す工業用ロボツトに関するものであ
り、特に加工具の姿勢変更時および加工具の実効
長さの変更時における動作を容易に行なう制御装
置に関するものである。

一般に工業用ロボツトにおいては加工具と被加
工物とを相対的に移動させるための座標軸（以後
これらの座標軸を主座標軸と呼ぶ。）例えば互い
に直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸とこの加工具を保持
する手首部の姿勢を決定するための副座標軸であ
る姿勢制御軸、例えばＸ軸およびＹ軸に平行な
面、即ちXY平面内にて回転するΘ軸、およびＺ
軸に平行な面内にて回転するΨ軸（以後Θ軸およ
びΨ軸を一括して手首軸と呼ぶ。）とを備え、こ
れら各軸を教示された通りに移動させて三次元空
間内に形成された加工線を忠実に再現するように
制御される。

第１図は、このように構成された工業用ロボツ
トの例を示す斜視図であり、同図において１はベ
ース、２はベース１上にＸ軸方向に横行自在に取
付けられたコラム、３はコラム２にＺ軸方向に昇
降自在に取付けられたアーム支持体、４はアーム
支持体３にＹ軸方向に前後動自在に支持されたア
ームであり、このアーム先端には加工具６例えば
アーク溶接用トーチを有する手首５が取付けら
れ、さらにこの手首５は加工具６をXY平面内に
てΘ軸廻りに、またＺ軸に平行な面内にてΨ軸廻
りに廻動して姿勢制御可能になつている。これら
のコラム２、アーム支持体３、アーム４はそれぞ
れ直交軸からなる主座標軸を構成し、電動機ある
いは油圧シリンダ等図示を省略した駆動手段によ
りそれぞれ指令された位置まで駆動されて位置決
めされる。さらにこれらロボツト本体は別途用意
される被加工物７の取付治具８に対応して設置さ
れる。被加工物取付治具は必要により図のＵ軸お
よびＶ軸廻りに回転可能に、またＷ軸方向に移動
可能に構成される。

この種の工業用ロボツトにおいては、被加工物
の形状、板厚あるいは加工線の傾きなどに対応し
て加工具の実効長さ、例えば溶接用に用いる場合
には溶接ガンの選択あるいはアーク溶接における
電極高さや溶接トーチ先端からの消耗電極の突出
し長さなどを適宜の値に調整することが必要であ
る。第１図に示したような工業用ロボツトにおい
て加工具の取付方向がこれらの主座標軸のいずれ
かと平行である場合には、単にこの実効長さの変
化分、例えば溶接用ロボツトにおける溶接電圧や
突出し長さの変化分だけを該当軸において実行時
に教示されたデータから修正してトーチの移動軌
跡をその軸方向に平行移動してやればよい。しか
し加工具の取付方向が主座標軸と平行であること
は少なく、一般には主座標のいずれに対しても有
限の角度を有する姿勢となるのが通常の使用状態
である。そしてこれら加工具の姿勢そのものも加
工線が曲線あるいは折れ線状であるときは、これ
らの加工線に対して常に一定の姿勢を保つことが
要求される。このため加工の進行に伴なつて加工
具の姿勢制御軸の原点からの角度が変化するよう
に制御されるので主座標軸に対する角度が変化す
るものである。いま説明を簡単にするために加工
具としてアーク溶接用トーチを使用し、第２図ａ
に示すようにＸ、Ｙ平面内においてＣ点で屈曲し
た溶接線ＡないしＥが存在し、かつ要求されるア
ーク電圧が第２図ｂに示すようにＡ−Ｂ間および
Ｄ−Ｅ間においてはe₁であり、Ｂ−Ｄ間において
はe₂であり、また溶接トーチもＸ、Ｙ平面内にお
いて移動する場合を考える。同図において点Ａ−
Ｃ間は直線であるから溶接トーチの姿勢はＹ軸か
らθ₁だけ傾いた一定角度でよく、点Ｃにおいて屈
曲しているため手首軸を溶接線の屈曲角度に応じ
て回転させてＹ軸に対してθ₂としてＣ−Ｅ間にお
いてもＡ−Ｃ間におけると同じく溶接線に対して
角度αとなるようにすることが要求される。また
アーク電圧はＢ、Ｄ点およびＥ点で変化させる必
要があるから、溶接用トーチ支持点から被溶接物
の溶接点までの距離、即ち加工具の実効長さ：Ｌ
をＡ−Ｂ間およびＤ−Ｅ間においてはlaに、Ｂ−
Ｄ間においてはlbにすることが必要となる。一般
にＹ軸に対してθの角度を有する溶接用トーチの
実効長さＬがΔLだけ変化したときにはＹ軸方向
にはΔLy＝ΔLcosθ、Ｘ軸方向には、ΔLx＝
ΔLsinθの変化となつて現われるから必要なアー
ク電圧が変わつて実効的なトーチ長さが変化して
もトーチ先端の指向位置を不変に保ち溶接を切ら
ずに連続して行なうためにはトーチ支持点をこの
分だけ修正することが必要となる。それ故、トー
チ姿勢θの値によつて同一のトーチの実効長さの
変化ΔLに対しても各軸の修正量は零からΔLまで
の範囲で大きく異なることになる。

従つて従来のように教示データに一定のシフト
量を合算して加工具の軌跡を平行移動させるよう
な方法においては、一連の動作中において自由に
加工具の姿勢を変更することはできず、わずかに
予じめ定められた姿勢変化がプログラムされてい
るときにのみ、このプログラムによつて指示され
るシフト量を合算して加工具を移動させることが
できるだけである。このため実行時において、こ
れらを任意に、或いは他の現象、例えば溶接用ロ
ボツトにおける溶接用ガンの種類、アーク電圧、
電極突出し長さの変化等、に対応して加工具の位
置を制御することは不可能であつた。したがつ
て、従来装置においては、加工線の軌跡を教示す
るに際して、別途実験により求めた加工条件から
加工具のシフト量を計算し、これらを標準軌跡と
ともに教示してやることが必要であつた。このた
めに、加工条件を見出すときの実験は全て手動指
令に頼る他なく、また自動加工実行中において、
例えば非消耗電極を用いるTIG溶接法において、
アーク電圧を検出してこれを基準値と比較し、差
がなくなる方向に溶接用トーチを被溶接物に向つ
て移動させる、いわゆるアーク電圧倣いや消耗電
極を用いる溶接法において、溶接用トーチからの
消耗電極の突出長さの変化によつて溶接電流が変
化することを検出してこれが復帰するように溶接
用トーチを移動させる方法は全く採用することが
できず、これらの方法のためには夫々専用の手段
を設ける必要があつた。また第２図のＣ点におい
ては手首軸を回転させて溶接トーチがＡ−Ｃ間に
おけると同じ角度αとなるようにすることが必要
となる。このとき手首の支持部即ち第１図のアー
ム４の先端の位置を変えずに手首軸だけを角度θ
回転させると、その回転中心が加工具先端と離れ
ているために加工具先端は第２図中に点線で示す
ように本来の指向位置とは大きく離れた位置とな
る。

従来このような屈曲する加工線を加工する場合
あるいは加工線に対する加工具の姿勢を変化させ
ても加工具先端の指向位置が変化しないようにす
るためには、加工線を記憶させる段階、即ちテイ
ーチング時において手首姿勢変更のために発生し
た加工具先端位置の変化を、手動指令によりＸ軸
およびＹ軸を移動させて、加工具先端が正常位置
に復帰したことを確認した後にテイーチング指令
を行い、手首軸およびＸ軸およびＹ軸の目標値を
記憶させておき、実行時において、この手首姿勢
の変更時におけるＸ、Ｙ各軸の必要な移動量を先
に記憶した各目標値からコンピユータにより計算
させながら行う方法が用いられていた。このよう
な方法によるときは、テイーチング作業が非常に
繁雑となるのみならず、実行時において手首軸の
廻動とこれによる主座標軸の位置の補正動作とが
独立して行なわれることになる。ところで、主座
標軸であるＸ、Ｙ、Ｚ各軸にはそれぞれ異なる重
量の機構が装着されておりかつ極座標系である手
首回転のためのΘ、Ψ軸とは当然ループゲインお
よび応答速度が異なり、これらを正確に調整して
動特性を一致させることは相当な困難性を有す
る。しかも、これら各軸の動特性は各軸の調整位
置によつても負担重量の変化や慣性モーメントが
変化するために一定ではなく、これら変動する動
特性をすべての位置において一致させることはほ
とんど不可能に近い。

一方、テイーチング作業を容易にするために手
首軸の回転指令を分割し、この指令信号に応じて
加工具先端をもとの位置に保持するために、主座
標軸の移動すべき量を演算し、この演算結果を
Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸に対する位置指令信号に加算して
主座標軸の位置を補正しながら制御する方法、あ
るいは手首軸の回転角度を検出し、この検出値に
よつてＸ、Ｙ、Ｚ各軸の補正量を計算して制御す
る方法が提案されている。しかるに、前者におい
ては、手首軸の回転指令信号により手首の廻動と
補正のための主座標軸の駆動とを独立して行うこ
とになるので、前述のように各軸の動特性の差か
ら各軸を正確に協動させることは困難であり、一
方、後者においては手首軸の回転量を検出してか
らこの検出値に対する主座標軸の補正量を演算
し、この演算結果によつて主座標軸を移動させる
ことになるので相当量の動作遅れが避けられな
い。さらに、主座標軸の位置の補正を正確に行う
には、手首軸の回転角の検出をできるだけ細かい
間隔で行うことが必要となるが、この補正量の演
算には後述するように三角函数を含むから、大量
の三角函数の演算を高速で行うことが必要とな
り、一般に工業用ロボツトに用いられるマイクロ
コンピユータ程度の能力では到底実現不可能であ
る。したがつて、演算能力の範囲内に検出間隔が
制約されることになり、遅れの増加は避けられ
ず、正確な補正動作は望めない。

本発明は、加工具の姿勢制御軸の現在位置信号
と加工具の実効長さ指令信号とから、加工具の実
効長さ変更時に発生する加工具の先端指向位置の
変化量を算出し、この結果に応じて加工具の支持
手段である主座標軸の位置修正信号を得、さらに
これに加えて、姿勢制御指令信号を受けて手首軸
を回転するときに姿勢制御指令信号を受けて姿勢
変更により発生する加工具先端の指向位置の変化
量を演算し、この演算結果を順次記憶するととも
に姿勢制御軸の動作に応じて、先に演算して記憶
しておいた加工具先端の指向位置の変化量を読み
出し、この信号により主座標軸に対する位置修正
信号を修正して主座標軸の位置を制御する構造と
して手首軸の廻動を含む場合においても加工具先
端の指向位置を全く変化させることなく正確でか
つ遅れのない位置制御を可能にしたものである。

第３図は、本第１の発明を第１図に示したよう
な主座標軸としてＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸および手
首軸としてΘ、Ψの回転２軸を有する工業用ロボ
ツトに適用するときの実施例を示す構成図であ
る。同図において、９は各軸に対する指令信号を
発生する制御器であり、１１ａはＸ軸駆動制御回
路、１１ｂはＸ軸駆動電動機、１１ｃはＸ軸位置
検出用エンコーダであり、この１１ａないし１１
ｃはＸ軸位置決め用サーボ制御回路を構成してい
る。同様に１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａはそ
れぞれＹ軸、Ｚ軸、Θ軸およびΨ軸の各駆動制御
回路、１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂは各軸駆
動用電動機、１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃは
各軸位置検出用エンコーダであり、１２ａないし
１２ｃはＹ軸用、１３ａないし１３ｃはＺ軸用、
１４ａないし１４ｃはΘ軸用、１５ａないし１５
ｃはΨ軸用のそれぞれ位置決め用サーボ制御装置
を構成している。１６および１７はそれぞれ制御
器９からのΘ軸位置指令信号およびΨ軸位置指令
信号を積算し記憶するΘ軸およびΨ軸現在位置記
憶用レジスタであり、それぞれ各軸が原点位置に
復帰したときにリセツトされる。このレジスタ１
６および１７はエンコーダ１４ｃおよび１５ｃの
出力を積算するものであつてもよく、この場合は
実際の動作に即した信号を得ることができる。１
８は制御器９からのΘ、Ψ軸に対する両軸の位置
増分指令θc，φcを受けてこのときのＸ、Ｙ、Ｚ
各軸の修正量をΘ、Ψ軸の各現在位置に応じて算
出する演算回路、１９は各軸の移動を手動指令す
るためのテイーチング操作箱、２０は自動運転実
行時に運転開始、停止などを指令する自動操作箱
２１ないし２３は制御器９の出力を演算回路１８
の出力にて修正して総合出力を得る修正回路であ
る。

第３図において、制御器９は各軸に対する位置
指令信号xcないしφcを別途定められた移動速度
に対応したパルス間隔で指令単位毎に出力し、各
軸はこの位置指令信号を受けてサーボ制御回路に
より入力信号に対応して駆動される。この位置決
め結果は、それぞれに設けられたエンコーダ１１
ｃないし１５ｃによつて検出され、それぞれの軸
の制御回路１１ａないし１５ａにフイードバツク
されて入力信号との間に偏差がなくなつた位置で
停止する。手首軸に対する位置指令信号θc，φc
はまたΘ軸およびΨ軸現在位置記録用レジスタ１
６および１７にて積算される。レジスタ１６およ
び１７においては手首軸の原点からの回転角度
θ，φを積算し演算回路１８に出力する。

一方制御器９からはまた加工具の実効長さを指
令する信号ａも出力され、この信号ａは演算回路
１８に供給されレジスタ１６および１７の信号
θ，φとともにＸ、Ｙ、Ｚ各軸の修正量を演算
し、この修正量は主座標軸に対する指令信号xc，
yc，zcと修正回路２１ないし２３にて加算合成
されて各軸の駆動回路１１ａないし１３ａに供給
される。この結果、加工具の先端は加工具の実効
長さ信号の変化にかかわらず常に同じ指向位置に
向うことになる。

ここで演算回路１８について詳細に説明する。

第４図は第１図の装置の加工具部分のみを取出
した座標軸との関係を示した説明図である。第４
図において、a₀は手首のΘ軸の回転中心から加工
具取付位置までの手首の長さを示し、a₁は加工具
の実効長さを示す。いま手首の回転中心が点Ｑに
あり、手首がΘ軸廻りに図示の方向にΘ、Ψ軸廻
りにφだけ回転しているときの溶接ヘツドの先端
位置P₁（x₁，y₁，z₁）は、 x₁＝a₀ cosθ a₁ sinθ sinφ …(1) y₁＝a₀ sinθ＋a₁ sinφ cosθ …(2) z₁＝a₁（１−cosφ） …(3) である。

ここで手首の長さa₀はロボツト本体の構造によ
つて定まるので通常一定と考えてよい。加工具６
の実効長さa₁は前述のように目的によつて種々変
化した値が指示される。いま加工具６の実効長さ
がa₁からa₂に変化したときを考える。このとき加
工具６の先端位置の座標P₂（x₂，y₂，z₂）は上記
(1)ないし(3)式にa₁のかわりにa₂を代入すれば得ら
れ、このときの加工具６の先端の移動量は各座標
軸において Δx₁＝x₂−x₁＝（a₁−a₂）sinθ sinφ …(4) Δy₁＝y₂−y₁＝（a₂−a₁）sinφ cosθ …(5) Δz₂＝z₂−z₁＝（a₂−a₁）（１−cosφ）…(6) となる。これを実効長さがa₁であつたもとの位置
にもどすには加工具の取付部Ｑを主座標軸に沿つ
て（−Δx₁，−Δy₁，−Δz₂）だけ移動させればよ
い。このようにして修正した状態からさらに加工
具の実効長さの指令がa₂からa₃に変化したときに
は Δx₂＝x₃−x₂ Δy₂＝y₃−y₂ Δz₂＝z₃−z₂ （ただしP₃（x₃，y₃，z₃）は実効長さがa₁から
a₃に変化したときの先端の位置を示す。）だけ点P₂から移動していることになる。

(4)ないし(6)式から明らかなように、一般にこれ
らの修正量は手首姿勢θ，φの値が変化しない限
り実効長さの変化分をΔaとしたとき Δx＝−Δa sinθ sinφ …(7) Δy＝Δa sinφ cosθ …(8) Δz＝Δa（１−ocsφ） …(9) となる。したがつて演算回路１８は加工具の実効
長さａの変化量Δaと手首姿勢θ，φとから(7)な
いし(9)式を演算する回路とすればよい。

ここで上記Δaに対応する信号について考えて
みる。一般に加工具の移動軌跡を教示するテイー
チング時においては加工具の形状および実効長さ
は一定のものにより行うのが作業上容易でありか
つ作業者の観念的にも理解しやすい。そこで本発
明においては、テイーチング時においては基準と
なる特定の実効長さl₀を有する模擬的な加工具を
用いてテイーチングを行い、実行時においては使
用する加工具の実効長さl₁を指示することにより
Δa＝l₀−l₁を得て上記(7)ないし(9)式の演算を行な
わせることにより任意の加工具に対して加工具の
先端を教示通りの軌跡を描かせることができる。
これは例えば溶接用ロボツトにおいて、溶接箇所
に応じて溶接ガンを自動交換する場合、あるいは
アーク溶接において教示時には溶接電極の先端ま
でを実効長さとし、実行時にはこれに必要なアー
ク長を加えた長さの指令にかえて行う場合などに
も相当する。また非消耗電極を用いるTIGアーク
溶接においては、一般に溶接電源として垂下特性
あるいは定電流特性の電源を用い、溶接電圧即ち
アーク電圧がアーク長に比例することを利用して
アーク電圧に応じて加工具、即ち溶接トーチを被
溶接物に対して進退させてアーク電圧を一定に保
ついわゆるアーク電圧倣いを行うときがあるが、
このアーク電圧eaと基準電圧erとの差を先の各式
のΔaに相当させて溶接トーチの主座標軸位置を
修正することにより、特別なアーク電圧倣い機構
を溶接トーチ部に設けることなくアーク電圧倣い
を実施することができる。この場合、基準電圧er
を外部から調整可能とすることにより、各軸の指
令信号にかかわらず任意のアーク電圧に設定する
ことができ、溶接条件の設定および変更が容易と
なる。

また消耗電極を用いるアーク溶接においては加
工具の実効長さは支持点からの溶接トーチの長さ
l₄と溶接トーチの先端からの消耗電極ワイヤの突
出し長さl₅とアーク長l₆との和となる。そして溶
接電源に定電圧特性の電源を用いるときはワイヤ
突出し長さl₅の変化に対応して溶接電流が変化
し、また定電流特性の電源を用いるときは前述の
TIG溶接の場合と同様にアーク長の変化に対応し
てアーク電圧eaが変化し、これらはいずれも溶
接結果に変化をもたらす。そこでワイヤ突出し長
さおよびアーク電圧に相当する信号あるいは溶接
電流およびアーク電圧検出値と溶接トーチの長さ
l₄とを溶接ヘツドの実効長さ信号a₂として用いる
ことによりワイヤ突出し長さとアーク電圧とを常
に任意の値にすることができる。

ところで上記各演算は、工業用ロボツトに用い
られるマイクロコンピユータにおいては通常デイ
ジタル信号を入力とし、デイジイタル信号にて出
力される方式によるのが便利である。そして上記
(7)ないし(9)式の演算において、演算結果をデイジ
イタル量にて出力する際には、演算毎に１単位置
未満の値は切捨てられるから、単にデイジイタル
化された信号により(7)ないし(9)式の演算結果の
（Δx，Δy，Δz）を修正量として採用すると演算
の都度端数が切捨てられて、これが順次累積され
て大きな誤差を生ずる可能性がある。これを防止
するには、演算回路１８として加工具の実効長さ
に対する第２番目の指令信号anを受けたときに、
各原点からの手首軸の角度に対応して前述の(4)な
いし(6)式に相当する Δxn＝（a₁−an）sinθ sinφ …(10) Δyn＝（an−a₁）sinφ cosθ …(11) Δzn＝（an−a₁）（１−cosθ） …(12) を求める主演算回路と、原点から第（ｎ−１）番
目までに各指令の変更毎に算出した主座標軸の修
正量 Δxi，Δyi，Δzi、の総和 _o-1 〓ⁱ⁼¹ Δx′i，_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δy′i，_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δz′i を算出する加算器と、上記主演算器の演算結果か
らこの加雑器の加算結果を差引き Δx′n＝Δxz−_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δx′i …(13) Δy′n＝Δyn−_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δx′i …(14) Δz′n＝Δzn−_o-1 〓ⁱ⁼¹ Δx′i …(15) を算出する補助演算器とから構成すればよい。演
算回路１８をこのように構成することによつてデ
イジイタル化された値により演算を行う場合の上
記誤差は、加工具の実効長さの各指令変更毎に随
時補償される。この結果、誤差の発生は極めて少
なくなり精度を飛躍的に向上させることができ
る。

第３図に示した実施例においては手首軸の角度
θおよびφが不変の場合について、加工具の実効
長さａに変更のあつた場合に手首の取付部の位置
を主座標軸に対する指令信号を修正することによ
り移動させて加工具の指向位置を不動に保つ装置
について説明したが、上記(1)ないし(9)式から判る
ように、加工具の指向位置は加工具の実効長さａ
以外に手首軸の角度θ，φによつても変化する。
したがつてこれら手首軸の角度に変化が生じる場
合にはこれらに対しても加工具の指向位置を不動
に保つことが要求される。

第５図はこのような要求に対処し得る装置の実
施例を示す構成図である。同図において９ないし
２３は第３図と同様の機能を有するものを示す。
２４は制御器９からのΘ軸およびΨ軸に対する指
令信号を積算するレジスタ１６および１７の出力
と加工具の実効長さ信号ａとから主座標軸に対す
る修正信号を演算する第１の演算回路であり第３
図の演算回路１８と同じ機能を有するものであ
る。２５は制御器９からのΘ，Ψ軸に対する両軸
の位置増分指令θc，φcを受けてこのときの主座
標軸即ちＸ，Ｙ，Ｚ各軸の修正量をΘ、Ψ軸の各
現在位置に応じて算出する第２の演算回路、２６
は一般に待合せ行列またはFIFOメモリとよばれ
る記憶回路であつて、演算回路２５の演算終了信
号ｍを書込み指令として演算結果を到来する順に
記憶し、後述する補間回路２７の補間完了信号ｒ
を読み出し指令として記憶した順に先頭から読み
出す回路である。

２７は記憶回路２６の出力を受けてΘ，Ψ各軸
の移動を検出するエンコーダ１４ｃおよび１５ｃ
の出力毎にパルス分配する直線補間器であり２１
ないし２３は制御器９の出力を第１の演算回路２
４および直線補間器２７の出力にて修正して総合
出力を得る修正回路である。

第５図の装置において各軸のサーボ制御回路お
よび加工具の実効長さａの変化に対する第１の演
算回路２４による主座標軸の修正動作は第３図に
示した実施例と同様であるので詳細説明は省略
し、手首軸の回転時における修正動作に関して動
作を説明する。制御器９からの手首軸に対する信
号θc，φcはΘ軸およびΨ軸現在位置記録用レジ
スタ１６および１７にて積算されるとともに第２
の演算回路２５にも供給される。レジスタ１６お
よび１７においては手首軸の原点からの回転角度
θ，φを積算し第１の演算回路２４および第２の
演算回路２５に出力する。第２の演算回路２５
は、後に詳述するようにこのθ，φからＸ，Ｙ，
Ｚ各軸の修正量を演算し記憶回路２６に出力す
る。記憶回路２６は第２の演算回路２５の演算終
了によりこの演算結果を受けて順次記憶する。一
方、手首軸の指令信号θc，φcを受けてΘ軸およ
びΨ軸は回転を始め、これに従つてエンコーダ１
４ｃおよび１５ｃは出力パルスを発生する。この
エンコーダからの出力パルスによつて補間器２７
は記憶回路２６の内容を記憶した順に読み出し、
エンコーダ１４ｃおよび１５ｃからの出力パルス
に従つて記憶内容をパルス分配して直線補間によ
りＸ，Ｙ，Ｚ各主座標軸に対する修正量を順次出
力する。この修正量は、修正回路２１ないし２３
にて第１の演算回路２４の出力とともに制御器９
からの指令信号xc，yc，zcと加算合成されて主
座標軸の駆動制御回路１１ａないし１３ａに供給
される。この結果、加工具の先端は手首軸Θおよ
びΨ軸の位置変化にかかわらず常に同じ指向位置
に向うことになる。

ここで演算回路２５、記憶回路２６および補間
回路２７について第６図とともに詳細に詳明す
る。

第６図は第１図の装置の加工具部分のみを取出
して座標軸との関係を示した説明図である。第６
図において、a₀は手首のΘ軸の回転中心から加工
具取付位置までの手首の長さを示し、a₁は加工具
の実効長さを示す。いま、手首取付位置が点Ｑに
あり、加工具先端が点P₀にあるときを考える。
点P₀の座標をP₀（x₀，y₀，z₀）とし、これからΘ
軸廻りにΘ、Ψ軸廻りにφだけ回転したときの加
工具の先端の位置をP₄（x₄，y₄，z₄）とすると、
このとき点P₄は点P₀から Δx₄＝a₀（cosθ−１）−a₁ sinφ sinθ …(16) Δy₄＝a₀ sinθ＋a₁ sinφ cosθ …(17) Δz₄＝a₁（１−cosφ） …(18) だけ移動することになる。したがつて手首軸の位
置が（θ，φ）のときは加工具の先端の位置は
P₄（x₀＋Δx₄，y₀＋Δy₄，z₀＋Δz₄）となる。これ
をもとの位置P₀に保つには手首の取付部Ｑを直
交座標軸に沿つて（−Δx₄，−Δy₄，−Δz₄）だけ
移動させればよい。このようにして修正した状態
からさらに手首軸をその１指令単位であるθc，
φcだけ回転させると、このときの加工具先端の
位置（Δx₅，Δy₅，Δz₅）は上記(16)ないし(18)式
のθを（θ＋θc），φを（φ＋φc）とおくことに
よつて得られるが、実際には手首の取付部はすで
に（−Δx₄，−Δy₄，−Δz₄）だけ修正されている
から今回の補正すべき量は（Δx₅−Δx₄，Δy₅−
Δy₄，Δz₅−Δz₄）である。したがつて、第２の演
算回路２５はΘ軸およびΨ軸の１指令単位毎に上
記(16)ないし(18)式の演算を行うことともにこれ
を記憶し先に演算して記憶しておいた１指令単位
前のΔx，Δy，Δzの値から差引いて差を主座標軸
Ｘ，Ｙ，Ｚの修正信号として記憶回路２６に演算
終了信号ｍとともに出力するものであればよい。
（１６）ないし(18)式の演算において、演算結果をデ
イジイタル量にて出力する際には、第３図に示し
た実施例にて説明したように演算毎に１単位量未
満の値は切捨てられるから、前述のように単にデ
イジイタル化された演算結果の（Δx，Δy，Δz）
と１指令単位前の演算結果との差を修正量として
採用すると演算の都度端数が切捨てられて、これ
が順次累積されて大きな誤差を生ずる可能性があ
る。そこで第３図の演算回路１８と同様に演算回
路２５としてΘおよびΨ軸に対する第ｎ番目の指
令信号を受けたときに、各原点からの角度に対す
る上記(16)ないし(18)式のΔxn，Δyn，Δznを求め
る主演算器と、原点から第（ｎ−１）番目までに
各指令単位毎に算出した主座標軸の修正量Δx′，
Δy′，Δz′の総和を算出する加算器と、上記主演
算器の演算結果からこの加算器の加算結果を差引
く補助演算器とから構成することによつて精度の
向上が計れるものである。

次に記憶回路２６の役割と動作について説明す
る。前述のようにフイードバツクループを有する
サーボ制御系においてはその立上り時および定常
時に必らず指令信号に対する遅れが発生する。換
言すれば、サーボ系の動作はこの遅れの存在によ
つて動作し得るものである。したがつて、各軸は
指令信号を受けると各軸特有の遅れを持つて目的
に近づく方向に動作する。第２図および第６図に
て説明したように、手首軸ΘおよびΨ軸が指令信
号を受けたとき、この指令信号に対して所定の演
算を施し、この演算結果によつて主座標軸（この
場合Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸）に修正指令を発するよう
な場合には、指令信号のみの取扱いによつてこれ
ら修正動作を行うと、本来修正の原因となる軸
（即ちΘ，Ψ軸）の動作と、これらの軸の動作に
よつて位置の修正指令を受ける軸（即ちＸ，Ｙ，
Ｚ軸）の動作との間に動作順序が逆になる場合が
生じる。即ち修正指令を受ける軸の応答が速いと
手首軸Θ，Ψ軸が未だ主座標軸の修正を必要とす
るほどに回転しない間にＸ，Ｙ，Ｚの各軸が不要
な修正動作を実行してしまうことが発生する。こ
れを防止するために設けられたのが記憶回路２６
であり、手首軸（Θ，Ψ軸）の指令値に対する主
座標軸の修正量の演算のみを行い、この演算結果
を一時記憶し、その後、現実にΘ，Ψ軸が回転し
て修正が必要な値となつたときに、この演算結果
を順次読み出して主座標軸の修正を行うようにし
たものである。このようにΘ，Ψ軸の回転指令に
対してあらかじめ演算しておいた修正量を現実に
Θ，Ψ軸が回転したときに主座標軸に出力するの
でΘ，Ψ軸の動作遅れ量即ち動特性にかかわらず
常に必要量のみの修正が実行されて動作が非常に
安定確実となる。補間回路２７は、記憶回路２６
の先頭の記憶内容を読み出し、これを一時蓄える
とともに姿勢制御軸Θ，Ψの回転を検出するエン
コーダ１４ｃ，１５ｃの出力により、この記憶内
容を直線補間によりパルス分配する。ここで、エ
ンコーダ１４ｃおよび１５ｃの出力がΘおよびΨ
軸の各１指令単位に対して１単位のパルスを発す
るときは、補間回路２７は当然不要であり、記憶
回路２６の記憶内容を直接エンコーダ１４ｃおよ
び１５ｃの出力を読み出し指令として読み出して
修正回路２１ないし２３に供給するとよい。しか
し、この場合には、ΘおよびΨ軸の１指令ユニツ
トに対する前述の修正量が、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各１
指令単位程度ならよいが第６図の手首長さa₀、加
工具長さa₁が大きな値となるときはΘ，Ψ軸の１
指令単位に対してＸ，Ｙ，Ｚの各軸の修正量は数
10〜数100指令単位に達することがある。このよ
うな大きな修正量を一度に修正することは、加工
具先端の動作が不規則なものとなり、初期の目的
を達し得ないときがある。これを解決するために
は、エンコーダ１４ｃおよび１５ｃの出力をΘ，
Ψ軸の指令数に対してｎ倍の出力パルスを発生す
るものとし、このｎ倍のパルスによつて記憶回路
２６から読み出した修正量を直線補間してｎ回に
分配すればよい。このようにすれば、Θ，Ψ軸の
１指令単位に対してｎ倍の分解能でＸ，Ｙ，Ｚの
各軸の位置の修正が可能となる。この場合、Ｘ，
Ｙ，Ｚ各軸に対する指令信号xc，yc，zcとΘ，
Ψ軸に対する指令信号θc，φcとの間にはｎ：１
以上のパルス比率とすることが必要となるが、一
般にＸ，Ｙ，Ｚ各軸の移動量は毎分数メートル以
上となりこれに対応するパルスは数万パルスに達
する。これに対して、Θ，Ψ両軸の移動量は毎分
数回転程度でありこれに要するパルスは数百ない
し数千パルスである。したがつて上記比率のｎは
10程度に設定しても十分に間に合うものである。

上記記憶回路２６において出力を外部からのパ
ルス分配指令に応じて直線補間した出力を得るも
のとすれば補間回路２７は省略してもよいことは
もちろんである。

なお上記の説明においては説明を簡単にするた
めに加工具をＸ，Ｙ，Ｚの各直交３軸に沿つて位
置決めする工業用ロボツトについて説明したが、
これら主座標軸は２軸以下でもよく、また手首軸
もΘ軸あるいはΨ軸のいずれか一方のみを有する
ロボツトに対しても本発明の制御装置を適用する
ことができる。さらに加工具と被加工物とは相対
移動することによつて加工が行なわれるものであ
るからこれら主座標軸のうち任意の軸を被加工物
の位置を制御する軸としてもよいことはもちろん
である。例えば第１図の装置においてＸ軸のかわ
りに被加工物取付治具のＷ軸の位置の制御に本発
明の装置を適用する。このようにするときは載荷
重量および慣性モーメントともに最大となる正確
な位置決め制御が難しいＸ軸に微妙な補正動作を
行なわせる必要がなくなり、またＸ軸方向の加工
可能範囲がＸ軸およびＷ軸の調整範囲の和となり
機能の向上が計れるものである。

さらに本発明は上記実施例に示したように主座
標軸が直交座標系にて構成される場合にのみ適用
されるものではなく、主座標軸が極座標系により
構成される場合および円柱座標系により構成され
る場合、あるいはこれら各座標系を部分的に混合
して用いる場合などあらゆる座標系により構成さ
れる工業用ロボツトに対して適用し得るこは容易
に理解できるところである。これらの場合、演算
回路の演算内容および座標軸に対する指令信号の
種類などはそれぞれの座標系に応じたものとする
ことはもちろんである。

以上のように本発明の装置によるときは、加工
具の長さを任意に変更することができるので、加
工具の選定、取替が容易にできる。特に本制御装
置を溶接用ロボツトに用いるときは、アーク溶接
においてアーク電圧や消耗電極の突出し長さを変
更する場合あるいは抵抗溶接において溶接ガンの
取替えを行う場合など加工具である溶接トーチの
実効長さに変更が生じても教示操作をやり直す必
要がなく、教示されたデータはもとのままで、単
に実効長さの変更指令を行うだけで主座標軸に対
する位置指令が修正されるので任意の実効長さを
容易に選択することができる。このため溶接条件
の選定および変更がきわめて容易となる。またこ
の実効長さ指令信号に検出した溶接電圧や溶接電
流信号を加味するときは、非消耗電極を用いる
TIG溶接におけるアーク電圧倣い制御や消耗電極
を用いるアーク溶接における電極ワイヤの突出し
長さの制御などのフイードバツク制御をテイーチ
ング指令の実行中にオンラインで行うことができ
るので、これら制御方法を行うための専用の機構
を溶接ヘツド部に設ける必要がなく、装置が大幅
に簡略化され安価に製作できるのみならず溶接ヘ
ツド部の重量が軽くなり、動作をより高速で精度
よく行なわせることが可能となる。さらに上記実
効長さの変更に対する修正動作に加えて手首姿勢
制御軸Θ，Ψに対する指令信号を受けて姿勢変更
のために生ずる主座標軸の位置修正量を演算し、
これを順次記憶するとともに、手首軸の移動に応
じてその移動を検出する検出パルスによつてこの
記憶した修正量を順次読み出して主座標軸の位置
指令値を修正して各軸を駆動するようにしたの
で、手首姿勢変更時も加工具先端の指向位置を所
定の位置にしたまま円滑に行うことができる。ま
た修正量の演算そのものは、姿勢指令信号発信時
にΘ，Ψ軸の１指令単位毎に行うので演算時間を
比較的長くとることができ、また演算結果を記憶
回路に一時記憶し、これを順次読み出して主座標
軸の修正を行うようにしたので、応答遅れによる
誤差や不要な修正動作がなく安定して正確に修正
をすることができる。さらに、記憶した修正量を
手首軸の移動指令単位のｎ倍の出力パルス数を発
生するエンコーダの出力にて直線補間して出力し
修正するときは、主座標軸の位置の修正を高分解
能にて行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象となる工業用ロボツトの
外形を示す斜視図、第２図第４図および第６図は
加工具が実効長さおよび姿勢を変更するときの様
子を示す説明図、第３図および第５図は本発明の
装置の実施例を示す構成図である。２…コラム、３…アーム支持体、４…アーム、
５…手首部、６…加工具、９…制御器、１１ａ〜
１５ａ…各軸の駆動制御回路、１１ｂ〜１５ｂ…
駆動電動機、１１ｃ〜１５ｃ…エンコーダ、１
８，２４，２５…演算回路、２６…記憶回路、２
７…補間回路、２１〜２３…修正回路、Ｘ，Ｙ，
Ｚ…直交座標軸、Θ，Ψ…姿勢制御軸。

Claims

【特許請求の範囲】１加工具と被加工物とを相対的に移動させるた
めの座標軸と、前記加工具の姿勢を決定する姿勢
制御軸とを有し、前記各軸の動作を指令する制御
器と、前記制御器からの指令信号に応じて各軸を
位置決めするサーボ制御回路とからなる工業用ロ
ボツトの制御装置において、前記姿勢制御軸の現
在位置信号と前記制御器からの指令信号のうち加
工具の実効長さを指示する指令信号とを受けて加
工具の実効長さ変更時に発生する加工具先端指向
位置の変化量を演算し前記座標軸の位置修正信号
を算出する演算回路と、前記指令信号のうち前記
座標軸に対する位置指令信号を前記演算回路の出
力信号により修正して前記サーボ制御回路に伝送
する修正回路とを具備した工業用ロボツトの制御
装置。２前記工業用ロボツトの制御装置において、加
工具の移動軌跡を教示するテイーチング時におい
ては基準の加工具長さl₀にて教示し、実行時にお
いては前記基準長さl₀に替えて調整可能な実行長
さl₁を前記演算回路に供給する切替え回路を設け
た特許請求の範囲第１項に記載の工業用ロボツト
の制御装置。３前記加工具は非消耗電極を用いるアーク溶接
用トーチであり、前記加工具の実効長さ信号は前
記アーク溶接用トーチの支持点から非消耗電極先
端までの距離l₂と、予じめ設定された溶接電圧設
定値erと検出された溶接電圧eaとの差電圧（er−
ea）に相当する信号l₃との和である特許請求の範
囲第１項または第２項に記載の工業用ロボツトの
制御装置。４前記加工具は消耗電極を用いるアーク溶接用
トーチであり、前記加工具の実効長さ信号は前記
アーク溶接用トーチの支持点からトーチ先端まで
の距離l₄と、トーチ先端から突出した消耗電極の
長さl₅と予め定められた溶接電圧eaに相当する信
号l₆との和であり前記電極の突出し長さl₅と溶接
電圧に相当する信号l₆との少なくとも一方を調整
可能とした特許請求の範囲第１項または第２項に
記載の工業用ロボツトの制御装置。５前記演算回路は、前記加工具の実効長さの変
更指令信号を受けたときに姿勢制御軸の原点から
の回転角と実効長さの基準信号からの偏差量とに
応じて前記座標軸の位置修正信号を算出する主演
算器と、前記主演算器の出力から前記実効長さの
変更指令信号を受ける以前に算出した前記座標軸
の修正量の総和を差引く補助演算器とからなる特
許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか一に記
載の工業用ロボツトの制御装置。６前記姿勢制御軸の現在位置信号は前記制御器
から出力される姿勢制御指令信号である特許請求
の範囲第１項乃至５項のいずれか一に記載の工業
用ロボツトの制御装置。７前記姿勢制御軸の現在位置信号は、姿勢制御
軸の動作位置を検出する検出器の出力である特許
請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか一に記載
の工業用ロボツトの制御装置。８加工具と被加工物とを相対向に移動させるた
めの座標軸と、前記加工具の姿勢を決定する姿勢
制御軸とを有し、前記各軸の動作を指令する制御
器と、前記制御器からの指令信号に応じて各軸を
位置決めするサーボ制御回路とからなる工業用ロ
ボツトの制御装置において、前記姿勢制御軸の現
在位置信号と前記制御器からの指令信号のうち加
工具の実効長さを指示する指令信号とを受けて加
工具の実効長さ変更時に発生する加工具先端指向
位置の変化量を演算し前記座標軸の位置修正信号
を算出する第１の演算回路と、前記姿勢制御軸の
動作量を検出する検出器を設けるとともに前記位
置指令信号のうち姿勢制御軸に対する指令信号を
受けて姿勢変更時に発生する加工具先端指向位置
の変化量を演算し前記座標軸の位置修正信号を算
出する第２の演算回路と、前記第２の演算回路の
出力を記憶し前記検出器の出力に対応して読み出
す記憶回路と、前記位置指令信号のうち前記座標
軸に対する指令信号を前記第１の演算回路の出力
と前記記憶回路の出力信号とにより修正して前記
サーボ制御回路に伝送する修正回路とを具備した
工業用ロボツトの制御装置。９前記工業用ロボツトの制御装置において、加
工具の移動軌跡を教示するテイーチング時におい
ては基準の加工具長さl₀にて教示し、実行時にお
いては前記基準長さl₀に替えて調整可能な実行長
さl₁を前記演算回路に供給する切替え回路を設け
た特許請求の範囲第８項に記載の工業用ロボツト
の制御装置。１０前記加工具は非消耗電極を用いるアーク溶
接用トーチであり、前記加工具の実効長さ信号は
前記アーク溶接用トーチの支持点から非消耗電極
先端までの距離l₂と、予じめ設定された溶接電圧
設定値erと検出された溶接電圧eaとの差電圧（er
−ea）に相当する信号l₃との和である特許請求の
範囲第８項または第９項に記載の工業用ロボツト
の制御装置。１１前記加工具は消耗電極を用いるアーク溶接
用トーチであり、前記加工具の実効長さ信号は前
記アーク溶接用トーチの支持点からトーチ先端ま
での距離l₄と、トーチ先端から突出した消耗電極
の長さl₅と予め定められた溶接電圧eaに相当する
信号l₆との和であり前記電極の突出し長さl₅と溶
接電圧に相当する信号l₆との少なくとも一方を調
整可能とした特許請求の範囲第８項または第９項
に記載の工業用ロボツトの制御装置。１２前記第１の演算回路は、前記加工具の実効
長さの変更指令信号を受けたときに姿勢制御軸の
原点からの回転角と実効長さの基準信号からの偏
差量とに応じて前記座標軸の位置修正信号を算出
する主演算器と、前記主演算器の出力から前記実
効長さの変更指令信号を受ける以前に算出した前
記座標軸の修正量の総和を差引く補助演算器とか
らなる特許請求の範囲第８項乃至第１１項のいず
れか一に記載の工業用ロボツトの制御装置。１３前記第２の演算回路は、姿勢制御軸の回転
指令信号を受けたときに各軸の原点からの回転角
に応じて前記座標軸の位置修正信号を算出する主
演算器と、前記主演算器の出力から姿勢制御軸の
前記回転指令信号を受ける以前に算出した前記座
標軸の修正量の総和を差引く補助演算器とからな
る特許請求の範囲第８項乃至第１２項のいずれか
一に記載の工業用ロボツトの制御装置。１４前記姿制御軸の現在位置信号は前記制御器
から出力される姿勢制御指令信号である特許請求
の範囲第８項乃至第１３項のいずれか一に記載の
工業用ロボツトの制御装置。１５前記姿勢制御軸の現在位置信号は、姿勢制
御軸の動作位置を検出する検出器の出力である特
許請求の範囲第８項乃至第１３項のいずれか一に
記載の工業用ロボツトの制御装置。１６前記記憶回路は、姿勢制御指令信号の１指
令単位に対応する基本動作量をｎ分割（ｎ≧１）
した信号を出力するエンコーダの出力により記憶
値を姿勢制御指令信号の１指令単位の間でｎ分割
した直線補間法により分配して出力する回路を含
む回路である特許請求の範囲第８項に記載の工業
用ロボツトの制御装置。