JPH0741417B2

JPH0741417B2 - 軌跡補間装置

Info

Publication number: JPH0741417B2
Application number: JP62214896A
Authority: JP
Inventors: 馥木村; 正則西; 善勝南
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1986-10-06
Filing date: 1987-08-28
Publication date: 1995-05-10
Anticipated expiration: 2010-05-10
Also published as: JPS63235073A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、可動体に取り付けられ、前記可動体に対して
ツールを所望の位置に移動させることが可能な軌跡補間
装置に関する。

〔従来の技術〕

自動車のボディ部品、計装部品等の製造においては、ね
じやボルト・ナット類の締付用の小穴あるいは各種部品
の挿入用の小穴、多角形穴、長穴などを多数形成する必
要がある。この小穴加工はプレス打抜きで行われるのが
一般的であるが、自動車のボディ部品等のように３次元
成形品の場合には、プレス金型へのセッティングが難し
く、また、自動車のモデルチェンジや車種の相違によっ
て成形品の形状、大きさが異なり、プレス打抜きを適用
し難い状況にあった。

このため従来からロボットを使用した小穴加工が行われ
ている。第16図はこの小穴加工を行う装置の側面図を示
している。複数のアーム1a,1bが連結された多自由度の
ロボットが使用され、このロボットの先端側のアーム1b
の先端部にツール２が取り付けられている。ツール２は
例えば、レーザガン、プラズマガン、ウォータジェット
ガン等が使用されており、ロボットを制御するコントロ
ーラの高速演算に基づき円弧補間動作を行って三次元加
工されたワーク３に所定径の小穴４を形成するようにな
っている。

また、多角形穴、長穴などについても同様に直線補間、
円弧補間を組み合せて形成している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらロボットによる円および異形状の軌跡補間
制御では、下記の〜の理由により所定の穴加工がで
きないという問題があった。

穴加工が非接触加工であるため、ツールとしてレーザ
ガン、プラズマガンが使用されることが多く、これらの
ツールの特性によって決定される穴加工の周速度がロボ
ットの制御速度に比べて非常に速い。

加工される穴の径がたとえば４〜20mmの小径であるた
め、円弧補間が難しい。

直交する２軸（X-Yテーブル）の異形状軌跡補間演算
によってツールを制御する構造では、ユニットが大きく
なり、コストが高く、ツール、モータ等のケーブル処理
が困難である。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもの
で、ツールの加工速度と比較して制御速度の遅いロボッ
トをも、小径の円ならびに異形状の穴加工に使用でき、
小形にして、かつ、ツールにエネルギーを供給するケー
ブル処理も容易な軌跡補間装置を提供することを目的と
する。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、可動体に取り付けら
れ、前記可動体に対してツールを所望の位置に移動させ
ることが可能な軌跡補間装置であって、可動体に対して、軸心廻りに回転可能に支持された筒状
の回転軸と、回転軸の先端部に、自転及び公転可能に支持されると共
に、回転軸の回転中心から所定の距離だけ隔てた位置に
回転中心を有し、この回転中心から所定の距離だけ隔て
た位置にツールの作用点が位置するように該ツールを保
持する動作軸と、回転軸の内側に、前記回転軸の軸心と平行な軸心廻りに
回転可能に支持されると共に、動作軸に対する駆動力を
伝達する筒状の駆動伝達軸と、を備え、駆動伝達軸の軸心部にツールへエネルギーを伝
達するケーブルを通し、可動体の動作とは独立に回転軸
及び動作軸を制御してツールを円ならびに異形状の軌跡
に沿って移動させるものである。

〔作用〕

以下、本発明の概略及び原理を説明した後で、その作用
を説明する。

本発明に係る軌跡補間装置は第１図中に参照符号５で示
すように、基本的には、多数のアーム7a,7bを有する多
自由度のロボット６の先端側のアーム7bの先端に装着さ
れると共に、この装着状態でツール８を把持してツール
８に各種動作を与えるように作動する。この作動はロボ
ット６によるツールの位置決め後にロボット６とは独立
して行われ、これによりツール８はワーク９に対して非
接触の状態で例えば所定位置に所定径の小穴10を加工す
る。この場合、ワーク９が３次元成形品であれば、ワー
クの３次元曲面に対し多自由度ロボット６の機構が５自
由度必要であり、軌跡補間装置５はこれに加えて円動作
機構および半径設定機構（加工点における穴径変更機
構）の２自由度が必要であり、システム全体としては７
自由度の機構が前提となる。

一方、ワーク９が平面の場合にはロボット６は３自由度
で機能するからシステム全体では５自由度の機構が前提
となる。軌跡補間装置５に支持されるツールとしては、
YAGレーザガン、炭酸ガスレーザガン、プラズマガンあ
るいはウォータジェットガン等、各種ツールが選択され
る。

軌跡補間装置５は基本的にツールの移動速度およびツー
ルの円動作の半径（又は直径）あるいは異形状の長辺等
の情報が数値的に与えられ、予め設定された範囲におい
て与えられた数値に対応してツール位置を変える構造に
なっている。このツールの動作速度、動作軌跡を決定す
る機能はロボット６の本体の動作とは独立しており、ツ
ール８の動作は軌跡補間装置５によって制御される。

次に、本発明に係る軌跡補間装置に円の軌跡補間の原理
を第２図、第３図および第４図により説明する。第２図
は円動作の作動軌跡を示し、第３図は円動作の回転角と
半径との関係を示す特性図である。第２図において、11
はロボットの先端に回転可能に支持された回転軸（以
下、T₁軸という）の回転中心である。このT₁軸の回転中
心11から距離ｒだけ隔てた位置が動作軸（以下、T₂軸と
いう）の回転中心12になっている。T₂軸はT₁軸に支持さ
れており、T₁軸が回転すれば、T₂軸はT₁軸と一体的に回
転（公転）し、かつ、T₂軸はT₁軸とは独立に回転（自
転）する。また、T₂軸にはその回転中心12から所定の距
離だけ隔てたツール位置13でツール（第２図ではツール
８を省略）を把持している。T₂軸の回転中心からツール
位置13までの距離も、ｒに等しくなっている。しかし
て、T₁軸を静止させたまま、T₂軸のみを回転させればツ
ールは円軌跡14に沿って移動する。また、T₂軸を静止さ
せたまま、T₁軸のみを回転させればツールは円軌跡15に
沿って移動する。

いま、T₂軸の回転中心12及びT₁軸の回転中心11を結ぶ線
分と、T₂軸の回転中心12及びツール位置13を結ぶ線分と
のなす角をθとすれば、T₁軸の回転中心11とツール位置
13との距離はθの関数Ｒ（θ）で表され、第３図に示す
関係にある。距離Ｒ（θ）はツールの円動作の半径（す
なわち、加工される小穴の半径）に関する情報であり、
軌跡補間装置５に与えられる。そして、Ｒ（θ）は下記
（１）式で一義的に決定することができる。

従って、（１）式のツールの円動作の半径Ｒ（θ）から
T₂軸の回転角θを下記の（２）式により求めることがで
きる。

一方、軌跡補間装置５に与えられるもう一つの情報、す
なわちツールの円動作の周速度ｖ（mm/sec）は下記
（３）式および（４）式によってT₁軸のモータの回転速
度ω₁（周辺歯数i₁）とT₂軸のモータの回転速度ω₂（周
辺歯数i₂）とに変換することができる。

以上の関係からツールの円動作は第４図に示すフローチ
ャートに従って制御することができる。この制御は、ま
ず、ツールの円動作の半径Ｒ（θ）および周速度ｖの情
報が与えられる（ステップ20およびステップ21）。半径
Ｒ（θ）に関する情報は上記（２）式に基づいてツール
を支持するT₂軸の移動量に変換され、T₂軸の回転角θが
決定されT₂軸はその角度θに位置決めされる（ステップ
22）。一方、周速度ｖに関する情報は上記（３）式に基
づいてT₁軸のモータの回転速度ω₁に変換されると共に
（ステップ23）、T₁軸のモータの回転速度ω₁からT₂軸
モータの回転速度ω₂に変換される（ステップ24）。こ
れに基づきT₁軸モータとT₂軸モータとがそれぞれ回転速
度ω₁，ω₂で同時に作動し、ツールは360°あるいはそ
れ以上回動し、ワークに小穴が開設される（ステップ2
5）。この小穴開設後は次の小穴開設のため、ロボット
が移動し、ツールを所定位置に位置決めし（ステップ2
6）、その小穴に関する情報が与えられる（ステップ20
およびステップ21）。従って、以上の作動によってツー
ルの円動作が迅速かつ円滑に行なわれるから、ツールの
種類および穴径の大小に関係なく小穴加工を正確に行う
ことができる。

次に、異形状の軌跡補間について説明する。

長方形（正方形を含む）、長穴の場合は、形状に方向性
があるため、円の軌跡補間のようにT₁軸の回転中心を円
軌跡の座標原点とするだけではなく、第５図（ａ），
（ｂ）に示すように軌跡動作のスタート点（Ｓ）をT
₂軸、T₁軸を動作させて、教示し、記憶する。異形状の
軌跡中心である原点（Ｃ）がT₁軸の回転中心にあること
は、円軌跡と同様である。数値情報は辺Ａ（mm）、周速
度ｖ（mm/sec）を与える。

以下に、軌跡形成制御を具体的に説明する。

第６図に示すように、T₁軸の回転中心を座標原点（Ｃ）
とし、座標原点とスタート点（Ｓ）を結ぶ線をＹ軸、座
標原点を通りＹ軸と垂直な線をＸ軸とする。軌跡形成方
向は、スタート点を通りＹ軸と垂直とする。T₁軸の回転
角をθ₁、T₂軸の回転角をθ₂とすると、ツール８の先端
の座標を下記（５），（６）式のように一義的に決定す
ることができる。

Ｘ＝r cosθ₁＋r cosθ₂ …（５）Ｙ＝r sinθ₁＋r sinθ₂ …（６）スタート点（Ｓ）は教示されるため、その時のT₂軸の移
動角度θ₀₂から辺Ｂが計算できる。

数値情報Ａ、計算値Ｂより、長方形、長穴の軌跡形成は
可能となる。

ここで、周速度ｖ（mm/sec）の情報により、制御クロッ
クＴ（sec）間隔での座標値計算はあまりにも公知なの
で省略し、第７図に表すように、その座標値を（X₁,
Y₁）とすると X₁＝r cosθ₁＋r cosθ₂ …（８） Y₁＝r sinθ₁＋r sinθ₂ …（９）（８），（９）式より X₁−r cosθ₁＝r cosθ₂ …（10） Y₁−r sinθ₁＝r sinθ₂ …（11） (10)²＋(11)²より X₁cosθ₁＋Y₁cosθ₁＝(X₁ ²＋Y₁ ²)/2r …（12）ここで、Ｊ＝(X₁ ²＋Y₁ ²)/2r X₁＝M cosθ₀ Y₁＝M sinθ₀ とおいて、（12）式に代入にすると M cos（θ₀＝θ₁）＝Ｊ cos（θ₀＝θ₁）＝J/M …（13）ここで、ωを定義すると cosω＝J/M sinω＝N/M しかるにである。

tanω＝N/J, tanθ₀＝Y₁/X₁ したがって tanθ₁＝tan（θ₀＝ω）＝（tanθ₀−tanω）／（１＋tanθ₀・tanω）＝(Y₁J−X₁N)/(X₁J＋Y₁N) θ₁＝tan-1｛(Y₁J−X₁N)/(X₁J＋Y₁N)｝ …（14）
（14）式を（10），（11）式へ代入すると cosθ₂＝(X₁−r cosθ₁)/r sinθ₂＝(Y₁−r sinθ₁)/r tanθ₂＝(Y₁−r sinθ₁)/(X₁−r cosθ₁) θ₂＝tan-1｛Y₁−r sinθ₁)/(X₁−r cosθ₁) …（1
5）ここでスタート点より(X₁,Y₁)へツールが移動するため
のT₁軸、T₂軸の回転角度は、第８図に示すように、
θ₁₁，θ₂₂と表わすことができ、 θ₁₁＝θ₁−θ₀₁ …（16） θ₂₂＝θ₂₂＋180°−θ₁ …（17）（ただし、θ₀₁＝180°−θ₀₂/₂である）と求めることができる。

以上の原理に基づき、第９図のフローチャートに沿って
長方形、長穴の軌跡形成が行われる。

すなわち、ステップ91で辺Ａ（mm）、ツール８の周速度
ｖ（mm/sec）が入力され、ステップ92で（７）式により
辺Ｂ（mm）の計算が行われる。

そして、ステップ93で、（８），（９）式から長方形、
長穴を形成する座標値を計算し、ステップ94で（14）〜
（17）式によりT₁、T₂軸の回転角度θ₁₁，θ₂₂を計算す
る。

このようにT₁、T₂軸の回転角度がθ₁₁，θ₂₂になるよう
に回転することで、ステツプ95で所望の異形状の軌跡が
ツール８により形成され、終了するまでステップ93〜95
が繰り返され、軌跡形成終了により、ステップ96でロボ
ットは移動し他の穴明け部に対応する。

本発明の軌跡補間装置においては、ツールの周速度と半
径、長辺の情報が与えられて、設定されたスタート点か
らツールを移動させるもので、可動体たとえばロボット
の動きとは独立してツールを直接に制御し、ツールに円
動作、長方形動作、長穴動作を行なわせることができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明を図示する実施例によって詳細に説明す
る。

第10図、第11図、第12図は本発明に係る軌跡補間装置の
第１実施例の縦断面図、正面図および背面図である。

ケース30は円筒状の先端部と、内外の各寸法がこれよれ
一回り大きくその末端がカバー31で覆われた後端部とを
備えている。この後端部の一方の側壁（図面の各下方）
にはフランジ32が一体的に形成され、このフランジ32を
ロボット６のアーム7bの先端の手首部に取り付けるよう
になっている。また、後端部における他方の側壁（図面
の各上方）の角部は外側に突出した角筒壁に似た形状を
有しており、この角部に対応するカバー31の外側にはT₁
軸を回転させるT₁軸モータ33とT₂軸を回転させるT₂軸モ
ータ34とが並べて取り付けられている。

ケース30の先端部の内側に、その軸方向に配置された２
個の軸受35を介して、筒状のT₁軸（回転軸）36が回転可
能に取付けられている。T₁軸36は軸受35の内側に挿入さ
れる後端部と、ケース30から軸方向に突出する先端部と
でなっている。T₁軸36の後端部は回転中心とほぼ同心の
内側面を有している。これに対して、T₁軸36の先端部は
後端部よりも外径が大きく、かつ、その回転中心に対し
て偏心した内側面を有している。その偏心量は第２図に
示す距離ｒに等しい。そして、偏心した先端部の内側
に、その軸方向に配置された２個の軸受37を介して、円
筒状のT₂軸（動作軸）38が回転可能に取付けられてい
る。

T₂軸38もまた、回転中心に対して偏心した内側面を有し
ている。その偏心量も第２図に示す距離ｒに等しい。そ
して、T₂軸38の内側すなわち回転中心とは偏心した位置
を作用点としてツール８が取付けられている。この場
合、ツール８は例えば、レーザガンが使用され、このツ
ールは、軸方向に配置された２個の軸受39を介して、ツ
ール取付け部材40に回転可能に支持され、このうち、ツ
ール取付け部材40がT₂軸の先端面に結合されている。

一方、T₁軸36の後端部の内側には、T₂軸38に回転運動を
伝達する円筒状の駆動伝達軸41が、軸方向に配置された
２個の軸受42を介して、回転可能に取付けられている。
この駆動伝達軸41の先端面と、T₂軸38の後端面とは互い
に偏心運動可能に対向し、これらの間に等速カップリン
グ43が設けられている。すなわち、駆動伝達軸41の回転
を、等速カップリング43を介して、T₂軸38に伝達するよ
うになっている。なお、等速カップリング43の軸心部に
も穴が穿たれ、T₂軸38、等速カップリング43、駆動伝達
軸41及び前述のカバー31の各軸心部にケーブル44が通さ
れており、ツール８の偏心運動に対して何等の支障を与
えることなく、このツール８に加工エネルギーを供給す
ることができる。

また、駆動伝達軸41の後端面に、その回転中心とは同心
にて歯車45が取付けられている。歯車45には前述のケー
ブル44を挿通させる穴が形成されている。さらに、T₁軸
36の後端面にもその回転中心とは同心にて歯車46が取付
けられている。歯車46にはT₂軸41を通すような穴が形成
されている。そして、T₁軸モータ33の出力軸に取付けら
れた小歯車47が歯車46と噛み合い、さらに、T₂軸モータ
32の出力軸に取付けられた図示省略の小歯車が歯車45と
噛み合うようになっている。

第13図は、等速カップリング43として用いたオルダムカ
ップリングの分解斜視図である。これは接続すべき２軸
が平行であっても、一直線上にない場合に用いられる継
手であって、２軸端に取付けられたフランジ43A,43Bが
中間片43Cを介して連結されている。その際、軸端のフ
ランジ43A,43Bと中間片43Cとは直径方向に設けられた溝
と突起ではまりあい、しかも、二組みのはまりあいは互
いに直角をなす向きに設けられている構造のものであ
る。中間片43Cは楕円運動をして偏心のある２軸間に運
動を伝達する。なお、軸端の各フランジ及び中間片の各
軸芯部にケーブルを通すようにそれぞれ穴48が設けられ
ている。

因みに、第２図の動作軌跡の関係は、第11図中に同様に
表すことができ、これによって上記の原理に基づく制御
が可能になる。

第14図および第15図は本発明に係る軌跡補間装置の第２
実施例の縦断面図および正面図であり、第１実施例と同
効の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

ここで、T₁軸36は、それぞれ内部に軸を支持する第１の
穴及び第２の穴を備えている。第１の穴は駆動伝達軸41
を内部に支持するものであり、第２の穴はT₂軸38を内部
に支持するものである。これら第１及び第２の穴の各軸
心は互いに平行で、かつ、相互に距離がｒだけ隔てられ
ている。そして、第１の穴には、軸受42を介して駆動伝
達軸41が回転可能に支持されており、第２の穴には軸受
37を介してT₂軸38が回転可能に支持されている。この場
合、駆動伝達軸41の先端部の外周面にギヤ51が形成さ
れ、T₂軸38の先端部の外周面にもギヤ52が形成され、こ
れらのギヤが相互に噛合している。また、T₂軸の先端面
にはアーム53の一端部がボルトによって固着されてい
る。アーム53の他端部には、軸受39を介してツール８が
回転可能に支持されている。このツール８の回転中心す
なわちその作用点とT₂軸の回転中心とは、前述した如く
距離ｒだけ隔てられている。

なお、ツール８の後端部は駆動伝達軸41の内部で移動で
きるようになっており、T₁軸をT₁軸モータ33で回転させ
ると共に、駆動伝達軸41をT₂軸モータ34で回転させるこ
とにより、T₂軸38は自転及び公転が可能になっており、
第２図の動作軌跡の関係は、第11図中に同様に表すこと
ができ、これによって上記の原理に基づく制御が可能に
なる。

なお、上記実施例では、ツールとしてレーザガンを用い
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、プラス
マガンあるいはウォータジェットガン等を使用すること
もできる。

〔発明の効果〕

以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、
自動車のボディ部品等のように３次元成形品に穴加工す
る場合でも、その大小、使用されるツールの種類に関係
なく正確な位置に正確な径の円穴、長方形穴、長穴を迅
速かつ円滑に形成することができる。

また、本発明によれば、それぞれ筒状をなす回転軸の内
側に駆動伝達軸を支持し、この駆動伝達軸の軸心部に、
ツールにエネルギーを伝達するケーブルを通すようにし
たので、x-yテーブル等で問題となるケーブル処理が容
易になるという効果も得られている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構造を示す側面図、第２図は円動
作を決定するための軌跡を示す概念図、第３図は円動作
の回転角と半径との関係を示す特性図、第４図は円動作
の制御の一例を示すフローチャート、第５図（ａ），
（ｂ）は長方形穴、長穴（異形状）における軌跡形成の
ために与えられる情報の説明図、第６図は異形状の動作
開始時のT₁軸、T₂軸回転中心位置関係図、第７図および
第８図は異形状長片の任意点における座標値およびT₁、T
₂軸の回転角度説明図、第９図は異形状動作の制御の一
例を表わすフローチャート、第10図、第11図および第12
図は本発明の第１実施例の縦断面図、正面図および背面
図、第13図は第１実施例を構成する等速カップリングの
分解斜視図、第14図および第15図は本発明の第２実施例
の断面図および正面図、第16図は小穴加工を行う従来装
置の側面図である。５……軌跡補間装置、６……ロボット、7a,7b……リス
ト、８……ツール、36……回転軸（T₁軸）、38……動作
軸（T₂軸）、41……駆動伝達軸、43……等速カップリン
グ、44……ケーブル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０５Ｂ 19/414 (72)発明者南善勝福岡県北九州市小倉北区大手町12番１号株式会社安川電機製作所小倉工場内 (56)参考文献特開昭63−62694（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−174278（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−11702（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−31580（ＪＰ，Ｕ) 機関誌“ロボット”（20号）昭和53年９月10日（社団法人）日本産業用ロボット工業会Ｐ．45〜48

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動体に取り付けられ、前記可動体に対し
てツールを所望の位置に移動させることが可能な軌跡補
間装置であって、前記可動体に対して、軸心廻りに回転可能に支持された
筒状の回転軸（36）と、前記回転軸の先端部に、自転及び公転可能に支持される
と共に、前記回転軸の回転中心から所定の距離だけ隔て
た位置に回転中心を有し、この回転中心から所定の距離
だけ隔てた位置に前記ツール（８）の作用点が位置する
ように該ツール（８）を保持する動作軸（38）と、前記回転軸の内側に、前記回転軸の軸心と平行な軸心廻
りに回転可能に支持されると共に、前記動作軸に対する
駆動力を伝達する筒状の駆動伝達軸（41）と、を備え、前記駆動伝達軸の軸心部に前記ツールへエネル
ギーを伝達するケーブル（44）を通し、前記可動体の動作とは独立に前記回転軸及び動作軸を制
御して前記ツールを円ならびに異形状の軌跡に沿って移
動させる軌跡補間装置。
【請求項２】前記回転軸の回転中心を座標中心とし、円
ならびに異形状の半径、長辺、短辺の数値情報等によ
り、前記ツールの先端が所望の軌跡となるように前記回
転軸及び動作軸を制御する特許請求の範囲第１項記載の
軌跡補間装置。
【請求項３】前記駆動伝達軸と前記動作軸とを等速カッ
プリング（43）で結合した特許請求の範囲第１項又は第
２項に記載の軌跡補間装置。
【請求項４】前記可動体がロボットである特許請求の範
囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の軌跡補間装置。