JPH0635060B2 - 溶接ロボツトの位置制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、船殻ブロツク等の升目状大型鋼構造物等の
ように、水平母材と，周面を形成する垂直母材との溶接
部の溶接に適用される溶接ロボツトの位置を制御する溶
接ロボツトの位置制御装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、ロボツトはアームの長さによりその動作範囲が
決定されるため、対象ワークの大きさや種類に応じ、最
適のアーム長さのロボツトを選定し、あるいは門型プレ
ーサ，マニピユレータあるいはポジシヨナなどの周辺装
置を組み合わせた装置型ロボツトを用いることが通常行
なわれている。

しかし、前者のように、対象ワークに応じたアーム長の
ロボツトを選定するには、各種の対象ワークごとのロボ
ツトを準備しなければならず極めて不経済である。

一方、後者の装置型ロボツトを用いる場合、装備に多大
な費用がかかり、しかもロボツトの適用ステージが固定
化されるという制約があり、現状では、装置型ロボツト
は限られたワークにしか適用されていない。

すなわち、第13図に示すように、水平母材としてのスキ
ン(Ｓ)と，周面を形成する垂直母材としてのロンジ
(Ｌ)，トランス(Ｔ)とからなる船殻ブロツクなどの大型
構造物の溶接部の溶接を行なう場合、前記した装置型ロ
ボツトはランニングコストが大きくなりすぎるため、従
来可搬型ロボツトを、手動により，あるいは半自動化手
段により，継手から継手へ移動させながら、分散的に適
用することが行なわれている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、このような可搬型ロボツトにより溶接を行な
う場合、ロボツトを原点位置に固定した状態で動作範囲
内の溶接部の溶接を行なわなければならないため、動作
範囲内に溶接部が集中している場合には非常に効果があ
るが、前記した大型構造物の溶接を行なうには、可搬型
ロボツトをハンドリングさせる回数が多く、アークタイ
ム率の低下を招くという問題点がある。

そこで、この発明では、距離センサからの検出信号によ
り、溶接ロボツトの位置を自動的に制御し、船殻ブロツ
クのように、水平母材と，周面を形成する垂直母材との
溶接部の溶接を自動的に効率よく行なえるようにするこ
とを技術的課題とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そして、前記した従来技術の問題点を解決するための手
段を、実施例に対応する第１図ないし第４図を用いて説
明する。

すなわち、水平母材と，周面を形成する垂直母材との溶
接部を溶接する溶接ロボツト(1)の位置を制御する溶接
ロボツト(1)の位置制御装置において、この発明では、 前記溶接ロボツト(1)を搭載した基台(2)と、 前記基台(2)に回転自在に設けられた複数個の車輪(4a),
(4b)と、 前記基台(2)に設けられ前記各垂直母材との距離を検出
して検出信号を出力する複数個の非接触式距離センサ(8
a)〜(8e)と、 前記溶接部の角部の溶接時，前記各検出信号により前記
ロボツト(1)のマニピユレータ(1b)の最大動作距離以下
の作業原点と前記マニピユレータ(1b)の動作中心点Ｍと
の偏差を導出し，該偏差を零にする前記車輪(4a),(4b)
の移動方向および回転量を導出する導出手段としての移
動制御盤(10)と、 前記車輪(4a),(4b)を導出された前記移動方向に前記回
転量駆動する駆動手段としてのモータ(6a),(6b)とを設
け、 前記溶接部の直線部の溶接時，前記各検出信号により前
記垂直母材から前記動作中心点Ｍまでの距離が一定にな
るように前記車輪(4a),(4b)を制御する倣い制御手段と
しての機能を移動制御盤(10)に付加するという技術的手
段を講じている。

〔作用〕

したがつて、この発明によると、各センサ(8a)〜(8e)か
らの検出信号により、溶接ロボツト(1)のマニピユレー
タ(1b)の最大動作距離以下の作業原点が設定され、該作
業原点とマニピユレータ(1b)の動作中心点Ｍとの偏差が
ゼロになるように移動制御盤(10)の制御によつて車輪(4
a),(4b)が駆動され、溶接ロボツト(1)の位置，すなわち
ロボツト基準点としての前記動作中心点Ｍが所定の位置
に制御され、溶接部の角部の溶接時に、前記動作中心点
Ｍが作業原点に一致して配設され、溶接部の直線部の溶
接時に、前記動作中心点Ｍが垂直母材から一定距離に保
持された状態で基台(2)が走行し、水平母材および垂直
母材の溶接部の溶接が行なわれる。

〔実施例〕

つぎに、この発明を、その１実施例を示した第１図ない
し第12図とともに詳細に説明する。

第１図ないし第３図において、(1)は溶接ロボツトであ
り、ロボツト本体(1a)と，該本体(1a)に取り付けられた
複数個のアームからなるマニピユレータ(1b)と，先端の
アームに取り付けられた溶接トーチ(1c)と，該トーチ(1
c)に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給部(1d)とからな
り、ロボツト本体(1a)が長方形の基台(2)に直接固定さ
れるとともに、ワイヤ送給部(1d)が支持部材(3)により
基台(2)に固定され、溶接ロボツト(1)が基台(2)に搭載
されている。

(4a),(4b)は基台(2)の左端部に回転自在に設けられた車
輪であり、基台(2)に搭載された駆動手段としてのステ
アリング用モータ(5a),(5b)によりそれぞれ移動方向が
互いに連動して制御され、基台(2)に搭載された駆動手
段としての走行用サーボモータ(6a),(6b)により回転量
が互いに連動して制御され、水平母材上を車輪(4a),(4
b)が転動する。

(7a),(7b)は基台(2)の右端部に回転自在に設けられ車輪
(4a),(4b)と同様の動きをなすローラ、(8a)〜(8e)は基
台(2)に設けられた超音波センサからなる非接触式の第
１〜第５距離センサ（以下第１〜第５センサという）で
あり、第１〜第４センサ(8a)〜(8d)が基台(2)の四隅部
に配設され、第５センサ(8e)が基台(2)の右端中央部に
配設され、第１，第３センサ(8a),(8c)により前側の垂
直部材との距離が、第２，第４センサ(8b),(8d)により
後側の垂直部材との距離が、第５センサ(8e)により右側
の垂直部材との距離がそれぞれ検出され、検出信号が出
力される。

(9)は基台(2)の左端中央部に設けられたリミツトスイツ
チ、(10)，(11)はそれぞれ支持部材(3)に取り付けられ
た移動制御盤およびA/D変換ユニツトである。

つぎに、制御回路のブロツク構成を示す第４図について
説明する。

第４図において、(12)は溶接ロボツト(1)に設けられた
溶接ロボツト制御盤であり、マニピユレータ(1b)を制御
するとともに、溶接機用インターフエイスユニツト(13)
を介して溶接出力の制御を行なう。

(14)はA/D変換ユニツト(11)によりデジタル信号に変換
された各センサ(8a)〜(8e)からの検出信号が入力される
インターフエイス回路、(15)はテンキー，準備完了キー
などの操作キーからなるキーボード、(16)はパネルイン
ターフエイス回路、(17)はＲＡＭ、(18)はI/Oインター
フエイス回路(19)を介して溶接ロボツト制御盤(12)との
間で信号およびデータの入出力を行なうＣＰＵ、(20)は
デジタルサーボ回路であり、ＣＰＵ(18)からの制御デー
タ，および各サーボモータ(5a),(5b),(6a),(6b)用のパ
ルスジエネレータ(21a)〜(21d)からの信号にもとづき、
各サーボモータ(5a),(5b),(6a),(6b)のサーボ制御を行
なうようになつており、ＣＰＵ(18)，各インターフエイ
ス回路(14)，(16)，(19)，キーボード(15)，ＲＡＭ(1
7)，サーボ回路(20)により移動制御盤(10)が構成されて
いる。

このとき、前記した構成の移動制御盤(10)が、溶接部の
角部の溶接時，各センサ(8a)〜(8e)からの検出信号によ
りマニピユレータ(1b)の最大動作距離以下の作業原点と
前記マニピユレータ(1b)の動作中心点との偏差を導出
し，該偏差を零にする車輪(4a),(4b)の移動方向および
回転量を導出する導出手段としての機能を有し、溶接部
の直線部の溶接時，各センサ(8a)〜(8e)からの検出信号
により垂直母材からマニピユレータ(1b)の動作中心点ま
での距離が一定になるように車輪(4a),(4b)を制御する
倣い制御手段としての機能を有する。

つぎに、前記実施例の動作について説明する。

いま、第５図のフローチヤートに示すように、溶接ロボ
ツト(1)を基台(2)ごと水平母材上に設置し、キーボード
(15)の準備完了キーをオンすると、移動制御盤(10)のＣ
ＰＵ(18)により、移動指令の入力があつたか否かが判定
され、入力あり，すなわちYESであれば、左原点合わ
せ，あるいは右原点合わせの処理がなされたのち、位置
決め完了信号が溶接ロボツト制御盤(12)に出力され、再
び移動指令の入力の判定がなされる。なお、移動指令の
入力判定の結果がNOであれば、該判定が，YESで通過す
るまで繰り返される。

また、移動指令の入力判定がYESであれば、第５図に示
すように、左倣い走行，あるいは右倣い走行の処理がな
され、倣い走行完了信号が溶接ロボツト制御盤から移動
制御盤(10)に出力される。

つぎに、前記した第13図の船殻ブロツクの溶接部を溶接
する場合の動作について、第６図のフローチヤート，第
７図および第８図の動作説明図を用いて、具体的に説明
する。

まず、溶接ロボツト(1)を基台(2)ごと水平母材であるス
キン(Ｓ)上の任意の位置に設置し、キーボード(15)の準
備完了キーをオンすると、ＣＰＵ(18)がパネルインター
フエイス回路(16)を介して、準備完了キーのオンが読み
とられ、直ちにＣＰＵ(18)からI/Oインターフエイス回
路(19)を介して、溶接ロボツト制御盤(12)に、準備完了
信号が出力され、この準備完了信号の入力により、
第７図(a)に示すように、交差する垂直母材である一方
のトランス(Ｔ)およびロンジ(Ｌ)からマニピユレータ(1
b)の最大動作距離以下の距離(X1,Y1)として与えられる
単位作業原点P1の位置情報と、右原点合せ信号が、
溶接ロボツト制御盤(12)から移動制御盤(10)に出力され
る。

そして、ＣＰＵ(18)によるデイジタルサーボ回路(20)，
パルスジエネレータ(21c),(21d)を介したソフトウエア
サーボ制御によつて、第８図(a)に示す状態から同図(b)
に示す状態に、車輪(4a),(4b)の向きを９０°回転させ
るべく、サーボモータ(5a),(5b)が適宜回転され、この
状態で、第３，第５センサ(8c),(8e)，A/D変換ユニツト
(11)，インターフエイス回路(14)を介して、第７図(b)
に示すようにセンサ(8c),(8e)とトランス(Ｔ)との距離l
3,l4が、ＣＰＵ(18)により読み取られ、この距離l3,l4
をフイードバツク情報として、l3＝l4＝X1−w/2（ただ
し、ｗは基台(2)の幅）となるように、サーボモータ(6
a),(6b)がソフトウエアサーボ制御によつて、適宜回転
され、基台(2)がロンジ(Ｌ)に対して平行に制御され
る。

つぎに、ＣＰＵ(18)により、サーボモータ(5a),(5b)が
回転され、第８図(c)に示すように、車輪(4a),(4b)の向
きが９０°回転されたのち、ＣＰＵ(18)によりサーボモ
ータ(6a),(6b)が回転され、第７図(b)に示す単位作業原
点P1に向かい、マニピユレータ(1b)の動作中心点Ｍが作
業原点P1上に達するまで基台(2)が走行する。

このとき、基台(2)の走行中、ＣＰＵ(18)により、第５
センサ(8e)，A/D変換ユニツト(11)，インターフエイス
回路(14)を介して、第７図(c)に示すように、センサ(8
e)とロンジ(Ｌ)との距離l5が読み取られ、l5＝Ｙ₁−Ｄ
（ただし、Ｄはセンサ(8e)からマニピユレータ(1b)の動
作中心点Ｍまでの距離）となつたときに、車輪(4a),(4
b)の駆動が停止され、動作中心点Ｍと単位作業原点P1と
が一致した状態で基台(2)が停止する。

そして、この状態でＣＰＵ(18)によるサーボロツクによ
り、車輪(4a),(4b)が固定され、I/Oインターフエイス回
路(19)を介して、位置決め完了信号が溶接ロボツト制
御盤(12)に出力され、この位置決め完了信号の入力に
より、予め記憶されている単位作業プログラムに従い、
溶接ロボツト制御盤(12)により、溶接ロボツト(1)が制
御され、第７図(d)に示すように、一方のトランス
(Ｔ)，一方のロンジ(Ｌ)とスキン(Ｓ)との溶接部の角部
の単位溶接作業が実行される。

さらに、前記した第１の単位溶接作業が終了すると、溶
接ロボツト制御盤(12)から、左原点合せ信号、および
第７図(d)に示すように、他方のトランス(Ｔ)および前
記一方のロンジ(Ｌ)からマニピユレータ(1b)の最大動作
距離以下の距離(X2,Y1)として与えられる単位作業原点P
2の位置情報が、移動制御盤(10)に出力され、ＣＰＵ
(18)により、第８図(d)に示すように、車輪(4a),(4b)の
向きが９０°回転され、基台(2)が第２の単位作業原点P
2に向かつて走行し、第７図(e)に示すように、第４，第
１センサ(8d),(8a)とトランス(Ｔ)との距離l1,l2が、l1
＝l2＝X2−w/2となつたときに、車輪(4a),(4b)が停止さ
れ、動作中心点Ｍと単位作業原点P2とが一致した状態で
基台(2)が停止する。

このとき、第８図(e)に示すように、車輪(4a),(4b)の向
きがさらに９０°回転され、第５センサ(8e)とロンジ
(Ｌ)との距離l5が、l5＝Y1−Ｄとなるように微調整さ
れ、微調整終了後、ＣＰＵ(18)によるサーボロツクによ
り、車輪(4a),(4b)が固定され、I/Oインターフエイス回
路(19)を介して、位置決め完了信号が溶接ロボツト制
御盤(12)に出力され、この位置決め完了信号の入力に
より、予め記憶されている単位作業プログラムに従い、
溶接ロボツト制御盤(12)により、溶接ロボツト(1)が制
御され、第７図(f)に示すように、一方のロンジ(Ｌ)，
他方のトランス(Ｔ)とスキン(Ｓ)との溶接部の角部の単
位溶接作業が実行される。

そして、前記した第２の単位溶接作業が終了すると、溶
接ロボツト制御盤(12)により、溶接トーチ(1c)が最適な
姿勢，位置となるよう、溶接ロボツト(1)が制御された
のち、左倣い走行指令，走行距離L1，走行速度V1が、
溶接ロボツト制御盤(12)から移動制御盤(10)に出力され
るとともに、アークスタート信号が溶接機用インターフ
エイスユニツト(13)を介して、図外の溶接電源に出力さ
れる。

つぎに、基台(2)が、第７図(f)に示す状態のまま前記他
方のトランス(Ｔ)と近似的に平行走行しながら、当該ト
ランス(Ｔ)とスキン(Ｓ)との直線状の溶接部の倣い走行
が停止され、倣い走行完了信号が溶接ロボツト制御盤
(12)に出力され、この倣い走行完了信号により、溶接
ロボツト制御盤(12)により直ちにアークが停止され溶接
ロボツト(1)が制御されて原点姿勢に復帰される。

さらに、前記した動作と同様にして、第７図(g)ないし
(l)に示すように、ロボツト(1)，基台(2)の姿勢が反転
され、他方のトランス(Ｔ)，他方のロンジ(Ｌ)，一方の
トランス(Ｔ)とスキン(Ｓ)との溶接部の角部および直線
部の溶接が行なわれ、１個の船殻ブロツクの溶接部の溶
接が終了する。

なお、このときの作業原点として、第７図(h)に示すよ
うに、他方のトランス(Ｔ)および他方のロンジ(Ｌ)から
の距離(X3,Y2)として与えられる点P3が設定されるとと
もに、第７図(j)に示すように、一方のトランス(Ｔ)お
よび他方のロンジ(Ｌ)からの距離(X4,Y2)として与えら
れる点P4が設定される。

つぎに、前記した左倣い走行処理について第９図のフロ
ーチヤートを用いて説明する。

いま、第９図に示す左倣い走行ルーチンが実行される前
に、走行距離L1と走行速度V1のデータが溶接ロボツト制
御盤12より出力され、ＲＡＭ(17)に記憶されており、左
倣い走行ルーチンが実行されると、まずモータ(6a),(6
b)が、 で与えられる回転数n1で回転される。

すると、基台(2)は走行を開始するが、無軌道でかつト
ランス(Ｔ)とは非接触であるため、トランス(Ｔ)との平
行線：Pl1より反トランス(Ｔ)側またはトランス(Ｔ)側
へ逸れることが当然予想されるため、センサ(8a),(8c)
によつて測定される基台(2)とトランス(Ｔ)との距離l1,
l2より逸れ量Δlが求められ、ついで逸れている方向が
判別される。

まず、逸れていない場合と，逸れ量が第１の基準値｜±
lk1｜以下の場合とは、操舵が行なわれない。

つぎに、基台(2)が反トランス(Ｔ)側へ逸れているとき
は，＋θk1、トランス(Ｔ)側へ逸れているときは、−θ
k1だけ，モータ(6a),(6b)が制御され、車輪(4a),(4b)が
回転され、その際逸れ量が第２の基準値｜±lk2｜以下
の場合、すなわち， の場合は、ωk1なる角速度でモータ(6a),(6b)が回転さ
れ、逸れ量が第２の基準値｜±lk2｜より大きい場合
は、ωk2なる角速度で回転される。

従つて、逸れ量Δlと，操舵角度θおよび操舵角速度ω
との関係を図示すると、第10図(a)のようになり、この
ようにして、走行距離が指令値L1に等しくなるまで制御
が行なわれ、動作中心点Ｍの走行軌跡Ｑは第10図(b)に
示すようになるが、逸れ量の最大値A1が、溶接ロボツト
(1)の実施作業に支障をきたさない程度になるよう、基
準定数lk,θk,ωkを実験等により予め求めておき、実用
に供することができるようにしておく。

一方、右倣い走行処理の動作も、第11図のフローチヤー
トに示すように、前記した左倣い走行処理と同様に行な
われ、そのときの逸れ量Δlと，操舵角度θおよび操舵
角速度ωとの関係は第12図(a)のようになり、動作中心
点Ｍの走行軌跡Ｑは第12図(b)のようになり、逸れ幅の
最大値A2mが、溶接ロボツト(1)の実施作業に支障をきた
さない程度になるよう、基準定数lk,θk,ωkを予め求め
ておき、実用に供することができるようにしておく。

したがつて、前記実施例によると、各センサ(8a)〜(8e)
からの検出信号により、溶接部の角度の溶接時に、溶接
ロボツト(1)のマニピユレータ(1b)の動作中心点Ｍが作
業原点P1〜P4に一致するように位置制御され、溶接部の
直線部の溶接時に、前記動作中心点Ｍが垂直母材である
トランス(Ｔ)から一定の距離に保持されつつ、基台(2)
が走行制御されるため、溶接ロボツト(1)の位置を自動
的に制御でき、水平母材であるスキン(Ｓ)と周面を形成
する垂直母材であるトランス(Ｔ)，ロンジ(Ｌ)との溶接
部を自動的に効率よく溶接することができる。

なお、距離センサは５個に限るものではない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の溶接ロボツトの位置制御装置
によると、各距離センサからの検出信号により、溶接ロ
ボツトの位置を自動的に制御することができ、船殻ブロ
ツクのように、水平母材と，周面を形成する垂直母材と
の溶接部を自動的に効率よく溶接することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第12図は、この発明の溶接ロボツトの位置
制御装置の１実施例を示し、第１図ないし第３図はそれ
ぞれ外観の正面図，平面図および右側面図、第４図は回
路ブロツク図、第５図および第６図は動作説明用フロー
チヤート、第７図(a)〜(l)は基台の位置制御の動作説明
図、第８図(a)〜(e)は車輪の方向制御の動作説明図、第
９図および第11図は左倣い走行および右倣い走行時の動
作説明用フローチヤート、第10図(a)，(b)および第12図
(a)，(b)はそれぞれ左倣い走行，右倣い走行時の動作説
明図であり、各図(a)は各基準定数の関係を示す図、各
図(b)は動作中心点の走行軌跡を示す図、第13図は一般
の船殻ブロツクの斜視図である。 (1)…溶接ロボツト、(1b)…マニピユレータ、(2)…基
台、(4a),(4b)…車輪、(5a),(5b),(6a),(6b)…モータ、
(8a)〜(8e)…第１，第５センサ、(Ｓ)…スキン、(Ｔ)…
トランス、(Ｌ)…ロンジ、Ｍ…動作中心点、P1〜P4…作
業原点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三原 良人 大阪府大阪市西区江戸堀１丁目６番14号 日立造船株式会社内 (72)発明者 茂木 茂雄 大阪府大阪市此花区桜島１丁目３番４号 ハイシステムコントロール株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水平母材と，周面を形成する垂直母材との
   溶接部を溶接する溶接ロボツトの位置を制御する溶接ロ
   ボツトの位置制御装置において、 前記溶接ロボツトを搭載した基台と、 前記基台に回転自在に設けられた複数個の車輪と、 前記基台に設けられ前記各垂直母材との距離を検出して
   検出信号を出力する複数個の非接触式距離センサと、 前記溶接部の角部の溶接時，前記各検出信号により前記
   ロボツトのマニピユレータの最大動作距離以下の作業原
   点と前記マニピユレータの動作中心点との偏差を導出
   し，該偏差を零にする前記車輪の移動方向および回転量
   を導出する導出手段と、 前記車輪を導出された前記移動方向に前記回転量駆動す
   る駆動手段と、 前記溶接部の直線部の溶接時，前記各検出信号により前
   記垂直母材から前記動作中心点までの距離が一定になる
   ように前記車輪を制御する倣い制御手段と を備えたことを特徴とする溶接ロボツトの位置制御装
   置。