JPH06214625A - 溶接ロボット動作プログラムの自動生成システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ひとつのワークに対して複数の溶接ロボット
を使用する場合、プログラム作成時のティーチング作業
を削減する。 【構成】 ワークの形状情報と溶接設計情報のみを利用
してロボット動作プログラムを自動生成するもので、手
段２２で入力されたワーク形状をもとに取付線から両端
点を持つ２本の溶接線を生成し、手段２３で溶接線とワ
ークとの干渉チェックにより干渉回避点、干渉発生点を
生成し、手段２４で溶接線を複数のロボット動作領域に
分割し、該動作領域ごとに手段２５で溶接順序を決定
し、溶接線上の全ての溶接点に対して手段２６で動作パ
ターンを決定し、以上により得られたロボット情報を基
にして溶接ロボットの動作プログラムを自動生成し、ロ
ボットを動作させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ひとつのワークに対し
て複数台の溶接ロボットが作業を行う場合における溶接
ロボットデータを自動的に生成するシステムに関し、特
にティーチングレスＣＡＤ・ＣＡＭシステムにより橋梁
パネル等の自動溶接を可能にする溶接ロボット動作プロ
グラムの自動生成システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接ロボット等の産業用ロボットの作業
プログラムの教示作業は、従来、生産ラインのロボット
に対してその動作をティーチングすることにより行われ
てきた。近年は、このような教示方法に代わり、生産ラ
インとは別のところでロボットの教示作業が行えるオフ
ラインティーチングシステムが開発され（特開昭６２−
１０８３１４号、特開平２−２６２９８６号、特開平３
−１０９６０８号等）、ロボットの稼動率の向上、教示
作業の簡易化が図られるようになってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
オフラインティーチングシステムにおいても、オペレー
タがＣＲＴに向かいながら何らかの作業を行うものが一
般的であり、この方式では、オペレータの介在が不可欠
となるため省人化を阻む一因となっている。さらに、ひ
とつのワークに対して複数台のロボットが動作するよう
な場合においては、オフラインティーチングシステムそ
のものが適用できないのが現状である。前記特開昭６２
−１０８３１４号公報に示す技術の場合でも、ひとつの
ワークに対する各ロボットの動作領域を相互に重複しな
いように定めているものであるから、結局は、それぞれ
のワークに対してそれぞれのロボットの動作プログラム
をオフラインティーチングするものとあまり変わりない
ものである。

【０００４】一方、橋梁パネル等の製作のように対象ワ
ークが非常に大きく、かつ同一部材がほとんどない重工
業の分野においては、従来の一般的なオフラインティー
チングシステムでは生産設計工程での作業時間が膨大と
なり、事実上使用できないものである。

【０００５】本発明は、このような現状に鑑み、ティー
チング作業の大幅な省力化を達成できる溶接ロボット動
作プログラムの自動生成システムを提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ひとつのワー
クに対して複数台の溶接ロボットが作業を行う場合にお
いて、ワークの形状情報と溶接設計情報のみを利用し
て、溶接ロボットの動作プログラムを自動生成するシス
テムとすることで、前記課題を解決したものである。す
なわち、本発明の特徴とする構成は、ワークの形状情報
と溶接設計情報を入力するワーク情報入力手段と、この
入力されたワーク形状に基づいて溶接線を決定する溶接
線決定手段と、前記溶接線とワークとの干渉をチェック
して、溶接ロボットとワークとの干渉を回避する干渉回
避手段と、前記溶接線を複数のロボット動作領域に分割
する動作領域分割手段と、前記ロボット動作領域ごとに
前記溶接線の動作順序を決定する溶接順序決定手段と、
前記溶接線を構成する溶接点に対して動作パターンを決
定する動作パターン決定手段と、からなるものである。

【０００７】ここで、ワーク形状情報は、対象とするワ
ークの幾何情報であり、具体的には、パネルの外形形状
や取付部材の取付線の位置情報、取付部材の形状・断面
形状などである。さらに、対象ワークが複数のパネルか
ら構成されている場合には、その突合せ線の位置情報も
含まれる。また、各取付部材に対する溶接設計情報は、
水平隅肉溶接、開先溶接、突合せ溶接などの溶接方法、
隅肉脚長、開先形状などの溶接設計条件である。これら
の情報はＣＡＤシステムに定義されていることが前提と
なっている。

【０００８】

【作用】本自動溶接システムでは、ワークの形状情報を
取り込み、溶接ロボットの稼動エリア内の適切な位置に
ワークを配置する。そして、ワークの取付線情報をもと
に溶接線の溶接開始点及び溶接終了点となる両端点を定
義する。さらに、溶接線の交差部分で、溶接ロボットモ
デルとしてあらかじめ定義されているロボット形状デー
タとワークの形状情報のうちの取付部材の形状情報とを
用いてロボットとワークとの干渉チェックを行い、干渉
が発生した場合には、干渉部分に干渉を回避するための
点を新たに定義する。以上の点で構成される溶接線に対
して、ロボットの動作範囲内にあるかどうかをチェック
して、どのロボットがどの溶接線を溶接するかを定義す
る。ここで、複数のロボットにまたがる溶接線に対して
は、それぞれの動作範囲で溶接線を分割するために、境
界線と溶接線の交点に新たに２つの点を定義する。この
処理により、全ての溶接線がそれぞれのロボットに割り
付けられる。

【０００９】次に、各ロボットにおける溶接順序を、無
駄時間が最小になるように定義する。さらに、溶接線の
各点において、その点が前記の定義のうちのどの種類の
点かという属性情報とその点での形状的な属性情報を用
いて、最適な動作パターンを選択する。以上の処理によ
り生成されたロボット情報を用いて、ロボットの動作プ
ログラムを自動生成し、複数台のロボットを動作させる
ことができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を橋梁パネルの場合
を例にとり図により説明する。

【００１１】（１）パネル製作ラインの管理システム 箱桁橋梁パネルの製作ラインはウエブパネルとフランジ
パネルの独立したラインを並行に設置したもので、ウエ
ブパネル、フランジパネルの両ラインは、図１に示すよ
うな集中制御室のコンピュータ類によって集中管理され
ている。

【００１２】図１において、１０はＣＡＤ・ＣＡＭシス
テムからなるホストコンピュータ、１はウエブライン制
御用コンピュータ、２はフランジライン制御用コンピュ
ータ、３は前記３機種のコンピュータ相互間のデータの
送受を制御するデータコントロールコンピュータであ
る。また、ウエブラインには仮付け装置１１０，溶接装
置１２０，歪取り装置１３０，孔明装置１４０，仕上げ
装置１５０が配置されており、各装置はウエブラインコ
ントローラ４によってシーケンス制御されている。５は
溶接装置１２０のＦＡコンピュータ、６は孔明装置１４
０のＦＡコンピュータである。また、フランジラインに
も板継ぎ装置１６０，仮付け装置１７０，溶接装置１８
０，歪取り装置１９０，孔明装置２００，仕上げ装置２
１０が配置されており、これらの各装置はフランジライ
ンコントローラ７によってシーケンス制御されている。
８は溶接装置１８０のＦＡコンピュータ、９は孔明装置
２００のＦＡコンピュータである。

【００１３】集中管理される情報は、ロボットの動作を
制御するためのＣＡＤ・ＣＡＭ情報と、各装置のシーケ
ンス、稼動状況監視などの生産管理情報である。なお、
ここでは、主として前記溶接ロボットシステムを稼動さ
せるための動作プログラムの自動生成システムについて
述べる。

【００１４】（２）対象パネル まず、本発明の対象ワークとなるウエブパネル、フラン
ジパネルの代表的な構成例をそれぞれ図９，図１０に示
す。標準的なパネルサイズは両パネル共、幅３ｍ，長さ
１２ｍとなっている。ウエブパネル１００は、図９に示
すようにウエブプレート１０２に縦横に垂直スティフナ
１０３，水平スティフナ１０４を複数本取り付けたもの
で、各スティフナ端部は回し溶接を行う。フランジパネ
ル１０１は、図１０に示すようにフランジプレート１０
５の長さ方向に複数本の縦リブ１０６を取り付けたもの
で、水抜穴やダイヤフラム取付位置などで溶接線が不連
続となることもある。

【００１５】（３）ウエブパネルの自動溶接装置 図１１にウエブパネルの自動溶接装置１２０の概要を示
す。本自動溶接装置１２０は、門型の固定フレーム１２
１上に外部軸としての横行軸１２２を備えた多関節溶接
ロボット１２３を天吊り姿勢でウエブプレートの長さ方
向に８台、２ｍ間隔で設置したものである。この溶接ロ
ボット１２３は６軸の多関節ロボットのアーム先端に公
知の高速回転アーク溶接トーチ１２４を取り付けたもの
で、アークセンサによる溶接線自動倣い機能、部材終端
検出機能、及びビード継ぎ部検出機能を備えている。そ
して、各ロボット１２３が２ｍピッチの分担領域を同時
に溶接することで、パネルの大きさに拘らず溶接作業時
間をほぼ一定にすることができる。また、隣接するロボ
ット相互では、後述する溶接順序の適正化とロボットの
干渉チェック機能により、ロボット同士の衝突を回避す
るようになっている。

【００１６】（４）フランジパネルの自動溶接装置 図１２にフランジパネルの自動溶接装置１８０の概要を
示す。本自動溶接装置１８０は、走行ガントリー１８１
上に外部軸として３式の横行軸１８２を備え、各々の横
行軸１８２には前記ロボット１２３と同様の構成からな
る多関節溶接ロボット１８３が２台ずつ天吊り姿勢で設
置されている。縦リブ１０６の溶接は各横行軸上の２台
の溶接ロボット１８３が縦リブ１０６の両側を溶接トー
チ１８４が対向する配置で同時溶接し、１回のガントリ
ー走行で３本の縦リブ１０６を溶接することができる。
また、水抜穴やダイヤフラム取付位置等の溶接線不連続
部に対して、各々のロボット１８３が個別にアークを消
弧、再点弧し、一定速度のガントリー走行中に断続溶接
を行うことができる。

【００１７】（５）ティーチングレスＣＡＤ・ＣＡＭシ
ステム 図２は図１中の溶接システムにおける溶接ロボットの動
作データを自動生成するティーチングレスＣＡＤ・ＣＡ
Ｍシステムの概要を示したものである。図２において、
１１はホストコンピュータ１０のワーク情報データベー
スで、ワーク形状情報とワーク溶接設計情報が格納され
ている。１２はこれらのワーク情報を取り出し、ロボッ
トの動作プログラムを自動生成するロボット動作プログ
ラム自動生成システムである。１３は生成されたロボッ
ト動作プログラムを格納するロボットデータベースであ
る。生成されるプログラムは、動作パターン、位置情
報、及び溶接情報を動作順にならべたものである。ここ
までの処理をホストコンピュータ１０で行う。

【００１８】次に、以下の処理は工場のＦＡコンピュー
タ５または８が行う処理で、ロボットデータをもとに、
ＦＡコンピュータ５または８は、動作パターンデータベ
ース１４と溶接条件データベース１５から必要な情報を
取り出し、ロボットデータ処理システム１６がロボット
動作データに変換し、各溶接ロボット１２３，１８３に
そのデータを転送する。

【００１９】以下、ホストコンピュータ１０で行うロボ
ット動作プログラム自動生成処理に関してその詳細を述
べる。前記ワーク形状情報には、パネルの外形形状、取
付線の位置情報、取付部材の形状・断面形状などが定義
されている。対象ワークが複数のパネルから構成されて
いる場合には、その突合せ線の位置情報も含まれる。さ
らに、各取付部材に対する溶接設計情報として、水平隅
肉溶接、開先溶接、突合せ溶接などの溶接方法、隅肉脚
長、開先形状などの溶接設計条件が定義されている。こ
れらの情報はＣＡＤシステムに定義されていることを前
提としている。図３にデータベース１１に登録されるべ
きワーク情報の一例を示す。各々のパネルの名称ごと
に、材料属性、表面属性、形状属性、補剛部材属性、溶
接属性の各項目について指定値を登録する。

【００２０】以下、ウエブパネルの水平隅肉溶接の場合
を例にとり、説明する。図４は前記ロボット動作プログ
ラム自動生成システム１２の処理の流れと処理内容を示
したものであり、図５は本システム全体の流れ図であ
る。

【００２１】Ａ．ワーク情報入力処理（ステップＳ１） まず、本システムのワーク情報入力手段２１では、対象
とする前記ワーク情報をホストコンピュータ１０のデー
タベース１１からシステム内のロボットデータベース１
３に取り込む。なお、図４において、３１は対象パネル
１００の取付線で、次に述べるように一方の溶接線とも
なっている。３２は板継ぎの突合せ線である。

【００２２】Ｂ．溶接線決定処理（ステップＳ２） 次に、溶接線決定手段２２では、ワーク情報のうちの取
付線の位置情報を取り出し、溶接線を定義する。取付線
は１本の線で定義されていることが一般的であり、取付
線に対して、取付部材の板厚分離れた位置に取付線３１
と平行に線３３を生成し、これら２本の線３１，３３が
溶接線として定義される。この取付線は、直線でも曲線
でもよい。以上の処理で、ワークに対する溶接線３１，
３３が定義され、それぞれの溶接線の両端に点３５，３
６が生成される。この点３５，３６を端点として定義す
る。すなわち、この端点３５，３６は溶接開始点または
溶接終了点を意味する。曲線の場合には、図６に示すよ
うに線分を何等分かするような位置にも点３７を生成す
る。この点３７を曲率中間点として定義する。

【００２３】Ｃ．干渉回避処理（ステップＳ３） ワークとロボットとの干渉を回避するための干渉回避手
段２３では、まず、溶接の対象となる取付部材とロボッ
トとの干渉をチェックする。対象部材が形鋼などの場合
には、溶接可能なトーチ姿勢をとることができない場合
がある。そこでまず、標準の溶接姿勢（例えば、トーチ
角度４５°）で干渉のチェックを行い、干渉する場合に
は、トーチ姿勢を特定の範囲内で変化させる。この範囲
とは、溶接上の品質が維持できる姿勢範囲のことであ
る。図７の（Ａ）にトーチ姿勢の変化による干渉チェッ
クの方法を示してある。トーチ姿勢の変化で干渉が回避
できない場合には、溶接不可能な溶接線として、ロボッ
ト溶接の対象から外す。以上が、溶接対象となる取付部
材とロボットとの干渉回避処理である。

【００２４】次に、対象部材に近接する取付部材とロボ
ットとの干渉チェックを行う。まず、干渉のおそれのあ
る部分を求める。ひとつとして、全溶接線に対して、溶
接線どうしの交差点を求める。これは、２つの溶接線の
交差部分では干渉が発生しやすいためである。また、溶
接線と溶接線が近接する場合にも干渉が発生しやすい。
この距離は、図７の（Ｂ）に示すように、一方の溶接線
３３から一定距離離れた位置にその溶接線と平行な線分
３７，３８を生成し、その線分が他の線分３９と交差し
た場合にその交点４０，４１から溶接線３３に下ろした
垂線の位置が候補となる点である。このようにして求め
られた各点４２，４３において、溶接ロボットとワーク
との干渉をチェックする。干渉が発生した場合には、そ
の位置でのトーチ姿勢を変化させて干渉が回避できるか
をチェックする。干渉が回避できた場合には、干渉回避
中間点４３としてその点を定義する。ただし、トーチ姿
勢には溶接上の制約があるので特定の範囲内でしか変化
させることができない。トーチ姿勢を変化させても干渉
が回避できない場合には、干渉しない位置まで、溶接線
に沿って点を移動させ、その点を干渉発生点４２として
定義する。この干渉発生点４２で溶接は不連続とならざ
るを得ないので、本来の溶接線は、この干渉発生点によ
って溶接残しが発生することとなる。

【００２５】Ｄ．動作領域分割処理（ステップＳ４） 動作領域分割手段２４では、各溶接線を複数のロボット
に割り当てる。ここでは、複数の溶接ロボットがそれぞ
れ隣接して配置されており、対象となるワークの溶接を
複数のロボットで行うことを前提としている。具体的に
は、特定のロボットの動作範囲内にある溶接線をそのロ
ボットの溶接線として定義する。ただし、ひとつの溶接
線が複数のロボットの動作範囲にまたがることがある。
例えば図８に示すように、水平溶接線３１，３３が複数
のロボットの動作範囲にまたがる場合である。この場合
には、１台のロボットで連続的に溶接できないので、溶
接線３１，３３を分割する。処理としては、溶接線３
１，３３と領域の境界線（領域分割線）４４との交差部
分に点４５，４６を発生させ、その点４５，４６を領域
分割点として定義する。また、ひとつの溶接線４７が複
数の溶接線の領域内に完全に入り、どちらのロボットで
も溶接可能なときには、作業の平準化の目的で、トータ
ル溶接長の小さいロボットで溶接させることとする。

【００２６】Ｅ．溶接順序決定処理（ステップＳ５） 溶接順序決定手段２５では、ロボットの動作範囲内にあ
る溶接線の溶接順序を定義する。基本的には、エアカッ
ト時間が最小になるような順序を選択するのであるが、
複数のロボットが隣接する溶接システムでは、ロボット
同士の干渉回避を最優先に考えなければならない。ここ
では、干渉を回避する目的で、動作領域の境界に干渉の
恐れのある干渉領域を設定する。左右のロボットに隣接
するロボットでは、ロボットの左右に干渉領域を設け
る。溶接の順序は、左側の干渉領域にある溶接線、中央
部分の干渉のない領域にある溶接線、右側の干渉領域に
ある溶接線の順に溶接する。具体的には、まず、左側の
干渉範囲内に溶接線の一部が含まれる溶接線群の溶接順
序を定義する。その後、干渉のない中央部の溶接線群内
の溶接順序を定義する。そして、最後に右側の干渉範囲
にある溶接線群の溶接順序を定義する。ここで、各溶接
線の溶接方向は反時計方向を基本としているが、領域分
割された溶接線に対しては、ビード重ね溶接上の制約か
ら常に左から右に溶接方向を定義している。このような
処理において、ロボット相互の干渉を最小限にすること
ができるが、完全には回避できない。そこで、上記の３
つの部分においてロボット相互のインターロックをと
り、ロボットの制御機能として、ロボット相互の干渉を
回避している。具体的には、右隣のロボットがそのロボ
ットの左側の干渉範囲内にある溶接線の溶接を完了する
まで、左側の干渉領域の溶接を開始しないようにインタ
ーロックをとることで干渉を回避している。

【００２７】Ｆ．動作パターン決定処理（ステップＳ
６） 動作パターン決定手段２６では、ここまでの各処理で溶
接線に対して定義された全ての点に対して、その点の近
傍での動作パターンをあらかじめ選択する。まず、溶接
開始点となる端点に対してはアプローチの動作パターン
を選択する。この動作パターンの選択時には、溶接しよ
うとする取付部材の断面形状と近接部材との位置関係を
もとにパターンを選択する。溶接開始点でのタッチセン
シングのパターンに関しては、取付部材の断面形状と近
接部材との位置関係の他に取付部材の端部形状も考慮し
てパターンを選択する。溶接開始点での端部溶接のパタ
ーンに対しては、取付部材の端部形状をもとに選択す
る。溶接開始点が干渉発生点の場合には、さらに、干渉
する部材があることも考慮してパターンを選択する。溶
接開始点が領域分割点である場合にも、そのことを考慮
したパターンを選択する。次に、溶接中間点に対して、
曲率中間点であれば、円弧補間を行うようなパターンを
選択する。干渉回避中間点であれば、トーチ姿勢を変化
させるパターンを選択する。最後に、溶接終了点に関し
ても、溶接開始点と同様の処理を行うことで動作パター
ンを選択する。

【００２８】次に、図５のロボットデータ処理システム
では以下の処理を行う。 Ｇ．ロボットデータ変換処理（ステップＳ７） ロボットデータ変換手段では、前記データをもとに、動
作パターンデータベースから動作パターンに対応した動
作プログラムを取り出し、溶接線に定義されている溶接
設計情報をもとに、動作プログラムに対して、溶接条件
を割り付ける。

【００２９】Ｈ．ロボットデータ転送処理（ステップＳ
８） 以上の処理によって、ロボットの動作プログラムが生成
されるので、必要に応じて、ロボットの実行データに変
換し、各ロボット制御装置３０にデータを転送する。こ
れら一連の処理により、複数台のロボットが動作可能な
動作プログラムが自動的に生成され、ロボットが動作可
能となる。

【００３０】なお、本発明は、前述した橋梁パネルの製
作に限らず、造船ブロックの小組立パネルなどにも適用
することができるものである。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数のロ
ボットが同一のワークに対して溶接を行うような溶接ロ
ボットシステムにおいて、取付部材の位置情報を含むワ
ークの形状情報と取付部材に対する溶接設計情報さえあ
れば、オペレータを介在することなく、複数のロボット
に対する動作データを自動的に生成することができ、多
品種少量部材を対象とした溶接ロボットシステムを運用
する際に、ティーチング作業の大幅な削減が計れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す集中管理システムの概
要図である。

【図２】実施例における溶接ロボットシステムの概要図
である。

【図３】ワーク情報の説明図である。

【図４】本システムの処理の流れと処理内容を示す説明
図である。

【図５】本システム全体の流れ図である。

【図６】曲線の溶接線を生成する場合の説明図である。

【図７】干渉回避処理の内容を示す説明図である。

【図８】動作領域分割処理の内容を示す説明図である。

【図９】代表的なウエブパネルの斜視図である。

【図１０】代表的なフランジパネルの斜視図である。

【図１１】ウエブパネルの自動溶接装置の概要を示す正
面図である。

【図１２】フランジパネルの自動溶接装置の概要を示す
正面図である。

【符号の説明】

１０ ホストコンピュータ １１ ワーク情報データベース １２ ロボット動作プログラム自動生成システム １３ ロボットデータベース １４ 動作パターンデータベース １５ 溶接条件データベース １６ ロボットデータ処理システム ２１ ワーク情報入力手段 ２２ 溶接線決定手段 ２３ 干渉回避手段 ２４ 動作領域分割手段 ２５ 溶接順序決定手段 ２６ 動作パターン決定手段 ３０ ロボット制御装置 ３１ 取付線（溶接線） ３２ 突合せ線 ３３ 溶接線 ３５，３６ 端点（溶接開始点・終了点） ３７ 曲率中間点 ４２ 干渉発生点 ４３ 干渉回避中間点 ４４ 領域分割線 ４５，４６ 領域分割点 １００ ウエブパネル １０１ フランジパネル １２３，１８３ 溶接ロボット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワーク形状情報とワーク溶接設計情報を
   入力するワーク情報入力手段と、 入力されたワーク形状に基づいて溶接線を決定する溶接
   線決定手段と、 前記溶接線とワークとの干渉をチェックして溶接ロボッ
   トとワークとの干渉を回避する干渉回避手段と、 前記溶接線を複数のロボット動作領域に分割する動作領
   域分割手段と、 前記ロボット動作領域ごとに前記溶接線の動作順序を決
   定する溶接順序決定手段と、 前記溶接線を構成する溶接点に対して動作パターンを決
   定する動作パターン決定手段と、を有する溶接ロボット
   動作プログラムの自動生成システム。