JPH0823766B2 - ロボットのティーチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ワークの表面上におけるエンドエェクタ
の位置および姿勢情報を、ロボットに教示するためのロ
ボットのティーチング方法に関する。

〔従来の技術とその課題〕

プレス成形された板金などのような複雑な立体形状を
有するワークを切断して所望の形状とすることのできる
切断ロボットとしては、本件出願人によって出願され、
特開昭57−96791号公報において開示されたプラズマ切
断ロボットなど、種々のものが既に提案されて実用化さ
れている。

そして、このようなロボットにおいては、切断線をロ
ボットに教示するために、あらかじめワークやティーチ
ングモデル上の所定の位置の情報をティーチングデータ
としてロボットに教示する必要がある。

そして、このようなティーチングデータを作成する方
法として、他のNC工作機械の制御装置等で作成されたNC
データに基づいてロボットのエンドエフェクタを移動さ
せ、NCデータに含まれていないティーチングデータは運
転員が調整し、設定する方法がある。

第８図は、このようなNCデータを用いたティーチング
データ作成方法を示す説明図である。図において、立体
形状を有するワークＷの表面上には切断線Ｃと教示点P
_i-1〜P_i+2が仮想的に設けられている。なお、これらの
教示点は簡単のため実際よりも相互の距離が大きくとら
れている。NCデータはＸ軸及びＹ軸の２次元データであ
り、NCデータにより指定されるＸ−Ｙ表面上のNCデータ
点Q_i-1〜Q_i+2及びNCデータ線ＤがワークＷの上方に示さ
れている。なお、NCデータ線ＤはロボットのトーチＴと
ワークＷが干渉しないようにするため、ワークＷに対し
て十分高いＺ座標位置におけるＸ−Ｙ平面上に設定され
ている。

切断線ＣはNCデータ曲線ＤをワークＷ上に投影したも
のであり、NCデータ点Q_i-1〜Q_i+2と教示点P_i-1〜P_i+2と
がそれぞれ対応している。

また、図にはロボットのエンドエフェクタとしてのト
ーチＴ及びトーチＴの概略の移動経路Ｒを併せて示して
いる。

従来の方法でティーチングデータを作成するには、ま
ずNCデータに基づいてトーチＴを最初のNCデータ点Q_i-1
に自動的に移動させる。このとき、トーチＴは一定の
（例えば鉛直下向きの）姿勢をとるようにする。次に、
手動モードに切換えて、トーチＴをワークＷ上の教示点
P_i-1に下降させ、教示点P_i-1におけるトーチＴのＺ座標
位置と姿勢とを調整し、教示点情報としてロボットに記
憶させることによってティーチングデータを作成する。

教示点P_i-1のティーチングデータ作成後は、自動モー
ドに切換え、トーチＴを次のNCデータ点Q_iの位置に自動
的に移動させるとともにその姿勢を鉛直下向きに直す。
このときトーチＴを最初の教示点P_i-1から次の教示点P_i
に直接移動させないのは、この時点においてロボットが
有しているティーチングデータはNCデータ点Q_i-1〜Q_i+2
の２次元データのみであり、そのＺ座標やトーチＴの姿
勢を規定するデータがないからである。NCデータ点Q_iか
ら教示点P_iへのトーチＴの移動は、前記と同様に手動モ
ードに切換え、トーチＴを手動により教示点P_iに近づけ
てトーチＴのＺ座標位置及び姿勢を調整する、そして、
教示点情報としてロボットに記憶させることにより、テ
ィーチングデータの作成を行なう。

以上のように、従来は教示点P_i-1〜P_i+2毎に一旦対応
するNCデータ点Q_i-1〜Q_i+2にトーチＴを自動的に移動さ
せ、次に手動によりトーチＴを動かしてＺ座標位置と姿
勢とを調整することによりティーチングデータの作成を
行なっていた。

このときトーチＴの姿勢は、トーチＴまわりの回転軸
を回転させて調整するので、例えば教示点P_iから次のNC
データ点Q_i+1にトーチＴを自動的に移動させると、トー
チＴまわりの回転軸も自動的にまわってトーチＴを一定
姿勢（鉛直下向き）に戻す。ところが、この移動は自動
的に行なわれるので、トーチＴの回転の仕方や移動経路
及びワークＷの形状によってはトーチＴがワークＷに衝
突する危険性がある。また、教示点P_i-1〜P_i+2における
トーチ姿勢によってはトーチＴが鉛直下向きの姿勢に戻
る際に伴って、トーチＴが急激な動きをするので特に危
険性が高いという問題があった。

また、相互に隣接する教示点（例えばP_i-1とP_i）はそ
の座標位置及びトーチ姿勢が似通っているので、隣接す
る教示点に対してトーチＴを順次移動していけば、トー
チＴの位置及び姿勢を調整するのも容易である。ところ
が、ティーチングデータとして限られた（上記の場合、
Ｘ軸,Y軸のみの）データに基いてトーチＴを移動させる
ので、教示点P_i-1〜P_i+2毎にトーチＴを一旦NCデータ点
Q_i-1〜Q_i+2に戻している。従って、トーチＴを教示点毎
に所望の位置及び姿勢に調整するために手間と時間を要
し、ティーチングデータを効率的に作成できないという
問題があった。

〔発明の目的〕

この発明は上記のように課題を解決するためになされ
たもので、NCデータ等の、他のデータ作成手段によって
予め作成された所定の自由度のみについての座標データ
に基いてティーチングを行なう際に、エンドエフェクタ
の自動的な動作によって、エンドエフェクタとワークと
が衝突するなどの危険性がなく、また、多数の教示点に
係るティーチングを行なうことができるロボットのティ
ーチング方法を提供することにある。

〔目的を達成するための手段〕

上述の目的を達成するため、この発明は、ワークの表
面上におけるロボットのエンドンエフェクタの動作を教
示するに当たって、所定のデータ作成手段によって予め
作成された一部の自由度のみについての教示点座標デー
タを用いて前記ロボットのティーチングを行なう方法で
あって、（ａ）前記ワークの表面と前記エンドエフェク
タの相互の位置関係を、前記ロボットが備える相互位置
検出手段によって検出し、その検出結果に基づいて前記
ワークの表面と前記エンドエフェクタとの相互の位置関
係を所定の関係に保ちつつ、移動制御手段を用いて前記
教示点座標データが指示する場所へ前記エンドエフェク
タを移動させ、（ｂ）前記移動後または移動中に前記エ
ンドエフェクタの姿勢を所望の姿勢とした後に、前記エ
ンドエフェクタの位置情報及び姿勢情報を取込み、
（ｃ）以上の（ａ）および（ｂ）の処理を繰返してティ
ーチングを進める。

〔実施例〕

A.実施例の構成の概要 第１図は、この発明を適用してティーチングを行なわ
せるべきロボットの一例としての、直角座標型レーザ切
断ロボットの機構的構成を示す概略斜視図である。同図
において、このレーザ切断ロボットRBは、基台１の上
に、図示しないモータM₁によってＸ方向（水平方向）に
移動自在な移動台２を有しており、この移動台２の上に
ワーク（図示せず）を載置する。基台１の両側方に垂直
に立設されたコラム３の頂部にはビーム４が架設され、
このビーム４には、図のＺ方向（垂直方向）に延びると
ともに、モータM₂によってＹ方向に移動自在な移動コラ
ム５が設けられている。

また、この移動コラム５の下端には、モータM₃によっ
てＺ方向に上下するモータM₄が設けられている。これに
よって、移動コラム５の中心軸から偏心した位置に設け
られているアーム６が図のθ方向に回転する。また、こ
のアーム６の下端側方にはモータM₅が設けられており、
これによってエンドエフェクタとしてのレーザトーチＴ
が図のψ方向に回動する。さらに、このレーザトーチＴ
を利用して、レーザトーチＴとワークＷの表面との距離
を検出するハイトセンサHS（後述する。）が形成されて
いる。

レーザトーチＴには、レーザ発振装置７からのレーザ
ビームがレーザガイドパイプ８を通して与えられる。ま
た、制御装置９には、後述するトーチ距離検出器やマイ
クロコンピュータなどが内臓されており、操作盤10に
は、キーボードやディスプレイ等が設けられている。さ
らに、外部コンピュータ11は種々のデータの入出力やデ
ータ処理を行なうためのものであり、CRT12やキーボー
ド13などを備えている。

第２図は、第１図に示したロボットRBの電気的構成の
概略図である。第２図において、制御装置９に内臓され
たマイクロコンピュータ21には、バスBLを介して、以下
の各機器などが接続されている。

上記モータM₁〜M₅や、これらのモータM₁〜M₅の回転角
を検知するエンコーダE₁〜E₅（第１図中には図示せず）
を含んだ機構駆動系23 レーザ発振装置７ 操作盤10 外部コンピュータ11 レーザトーチＴには、レーザ発振装置７からレーザビ
ームが与えられるほか、レーザトーチＴの先端部に設け
られたハイトセンサHSを用いてレーザトーチＴとワーク
Ｗとの相対的距離がトーチ距離検出装置22によって検出
され、上記相対的距離を示すデータがマイクロコンピュ
ータ21に与えられる。なお、このシステムは、上位のホ
ストシステム（図示せず）の制御下で動作させることも
できる。

B.レーザトーチＴの詳細構造 第３図は、上述したレーザトーチＴの詳細を示す部分
断面図である。図において、レーザトーチＴの円筒状の
ハウジング40の下部は、その下端にあるトーチ孔43に向
かって円錘状に内外径が減小するノズルチップ41となっ
ている。トーチ孔43部分におけるノズルチップ41の外周
部は、ワークＷと対向する平面積を大きくしたハイトセ
ンサHSとされている。また、ハウジング40内にはレンズ
42が設けられており、レーザ発振装置７から与えられた
レーザビームLBがレンズ42で絞られてワークＷに照射さ
れる。

ハイトセンサHSは、レーザトーチＴがワークＷに向け
られると、ワークＷとノズルチップ41のクリアランスｈ
の差を静電容量の変化で検知するセンサである。すなわ
ち、予め設定したレーザトーチＴとワークＷの相対的距
離に対して、両者が互いに近づくと静電容量が増大し、
逆に両者が互いに離れると静電容量が減少する。従っ
て、レーザトーチＴとアーム６とを電気的に絶縁してお
き、第２図に示すトーチ距離検出装置23によってハイト
センサHSの静電容量を検出すれば、レーザトーチＴとワ
ークＷとの実際の相対的距離が予め設定された相対的距
離に対して小さいか大きいかを判断することができる。

この発明においては、このハイトセンサHSによる検出
データに基づいてレーザトーチＴとワークＷとの相対的
距離が常に一定となるようにマイクロコンピュータ21が
レーザトーチＴの動作を制御する。

C.ティーチングデータの構成 上記のように、レーザ切断ロボットRBは自由度として
直角座標系３軸（X,Y,Z）、レーザトーチＴまわり回転
として２軸（θ，ψ）を有する５軸のロボットである
が、NCデータとして得られるのは、このうち直角座標系
の２軸（X,Y）又は３軸（X,Y,Z）だけである場合が多
い。

そこで、まずNCデータから最終的なティーチングデー
タを作成する場合のデータ構成について説明する。

第４図はNCデータからティーチングデータに至るまで
のデータ構成の違いを示したものである。図において、
NCデータとしては、x_i,y_iの２軸データが得られている
（第４図（ａ））。ここで添字のｉは各教示点毎のデー
タであることを示す。この発明による実施例においてテ
ィーチングデータを作成するためのロボットRBの動作モ
ードを「倣いモード」と呼ぶ。第４図（ｂ）は倣いモー
ドにおいてロボットRBに与える倣いモードデータの構成
を示すものである。倣いモードデータはＸ軸、Ｙ軸のデ
ータ（X_i,Y_i）としてNCデータ（x_i,y_i）をそのまま用い
ている。またＺ軸のデータ（Z_i）は上述したハイトセン
サHSによりレーザトーチＴとワークＷとの相対的距離を
一定に保つことによって決定する。

レーザトーチＴまわりの回転軸データ（θ_i,ψ_ｉ）
は、各教示点において運転員がレーザトーチＴの姿勢を
適宜調節することによって決定する。但し、一つの教示
点から次の教示点にレーザトーチＴを自動的に移動させ
る際には、これらの回転軸データを一定に保つこととす
る。そこで、第４図（ｂ）では、θ_ｉ＝θ_i-1およびψ
_ｉ＝ψ_i-1（ｉは教示点の順番を示す。）としている。
さらに、ティーチング時におけるレーザトーチＴの動作
を規定するものとして、その移動速度データV_iを指定す
る必要があるが、倣いモードにおいては、これを一定の
比較的ゆっくりした速度V₀に設定している。

倣いモードでは、以上のように作成する５軸のデータ
（X_i,Y_i,Z_i,θ_i,ψ_ｉ）および速度データV_iに基づいて
レーザトーチＴを自動的に移動させ、各教示点において
運転員がレーザトーチＴの姿勢（すなわち回転軸θ_i,ψ
_ｉ）を調整することにより、各教示点についての５軸の
データをティーチングデータとして作成していく。第４
図（Ｃ）は最終的なティーチングデータの構成を示して
おり、倣いモードで作成された５軸のデータの他に、再
生動作時のための速度データV_iとして各教示点毎に適切
な値を改めて設定するとともに、レーザのオン／オフ等
のデータを含む他のティーチングデータS_i各教示点毎に
設定される。

次に、倣いモードにおけるティーチングデータの作成
方法について説明する。

D.倣いモードにおけるティーチングデータ作成方法 第５図は、この発明の実施例による倣いモードにおけ
るティーチングデータ作成方法を示す説明図である。図
においてワークＷ、切断線Ｃと切断線Ｃ上の教示点P_i-1
〜P_i+2,NCデータ点Q_i-1〜Q_i+2およびNCデータ線Ｄは第
８図に示す従来のティーチングデータ作成方法における
ものと同一である。なお、NCデータ（x_i,y_i）によって
規定されるのはNCデータ点Q_i-1〜Q_i+2とこれを結ぶXY平
面上のNCデータ線Ｄであって、教示点P_i-1〜P_i+2はNCデ
ータ点Q_i-1〜Q_i+2をワークＷの表面上に投影したもの、
また切断線ＣはNCデータ線ＤをワークＷの表面上に投影
したものとなっている。

第６図は第５図の状況下においてロボットRBの動作を
教示するために、各教示点P_i-1〜P_i+2のティーチングデ
ータを作成する手順を示すフローチャートである。

まずステップS1では各教示点P_i-1〜P_i+2につき、ロボ
ットRBの一部の自由度についての座標データが教示され
る。但し、この発明の実施例においてはNCデータにより
この座標データが与えられるものとしており、従って、
ここで与えられる座標データは２軸の座標データ（x_i,y
_i）のみである。

次にステップS2で示すテストモードに移行する。テス
トモードは作成された座標データを加工するモードであ
る。テストモードにおけるステップS21において、倣い
モードか修正モードかを選択する。この修正モードは、
一応完成したティーチングデータに従ってエンドエフェ
クタを移動させ、これに修正を加える通常の修正モード
であり、本発明の特徴とは関係しないのでその説明は省
略する。

倣いモードを選択すると、次のステップS22でレーザ
トーチＴをNCデータで指示された始点（第５図の例では
点Q_i-1）に自動的に移動させる。このとき使用されるの
はNCデータ（x_i-1,y_i-1）のみであり、レーザトーチＴ
がワークＷと干渉しないようにするため、Ｚ座標位置は
十分高いものとしている。また、レーザトーチＴの姿勢
は特に規定する必要はないが、ここでは鉛直下向きとし
ている。

次に、ステップS23でレーザトーチＴが下向きにゆっ
くり下降し、レーザトーチＴとワークｗの相対的距離が
予め設定された一定値になったところで停止する。これ
は前述したハイトセンサHSを用いることにより自動的に
行なわれ、この結果、ワークＷ上の教示点P_i-1に対して
トーチＴのX,Y,Z座標が所望の値に一致するようにレー
ザトーチＴが位置決めされる。

なお、この場合におけるレーザトーチＴのＸ、Ｙ、Ｚ
座標は、レーザビームLBがレンズ42で絞られて集光され
る焦点位置のＸ、Ｙ、Ｚ座標として処理されるように制
御されており、この焦点位置（後述の作業点Cpに対応）
のＸ、Ｙ、Ｚ座標位置が教示点P_i-1に対して所望の値に
一致するようにレーザトーチＴが位置決めされることと
なる。

次にステップS24では、このレーザトーチＴの前記X,
Y,Z座標位置を変更することなく、レーザトーチＴの姿
勢のみを運転員が手動で調節してθ軸、ψ軸のデータを
修正する。この場合、レーザトーチＴは前記Ｘ、Ｙ、Ｚ
座標位置回り姿勢が修正されることとなる。

レーザトーチＴの姿勢の修正後、ステップS25におい
て、このようにして設定された５軸のデータをティーチ
ングデータとしてロボットRBに教示する。

以上が最初の教示点P_i-1についてのティーチングデー
タ作成方法であるが、この発明は、特に２番目の教示点
以降についてのティーチングデータ作成方法に特徴があ
る。すなわち、次の教示点P_iにレーザトーチＴを移動さ
せるために、第４図（ｂ）に示したように、Ｘ軸、Ｙ軸
の座標データとしてNCデータ（x_i,y_i）が用いられ、ま
たＺ軸はハイトセンサHSによりワークＷに対して一定距
離に設定される。さらに、レーザトーチＴの回転軸デー
タθ_i,ψ_ｉは一つ手前の教示点における回転軸データθ
_i-1,ψ_i-1が用いられる。またレーザトーチＴの移動速
度V_iはゆっくりした一定速度V₀に設定されている。

ステップS26ではこのように設定された倣いモードデ
ータに基づいて、レーザトーチＴがマイクロコンピュー
タ21による移動制御により、ワークＷの表面付近に沿っ
て前の教示点P_i-1から次の教示点P_iへと移動する。な
お、ハイトセンサHSを用いたＺ座標位置の制御は第７図
に示すように、レーザトーチＴの作業点CpがワークＷの
表面に対して所定の深さ位置にくるようレーザトーチＴ
とワークＷとの距離を一定値ｈに保ちつつ、レーザトー
チＴのＺ座標位置のみを変化させることにより行なわれ
る。従ってレーザトーチＴの作業点CpはNCデータで規定
されるＸ軸とＹ軸の座標データを保持したまま、Ｚ軸座
標のみがハイトセンサHSの働きによって設定される。こ
のように、レーザトーチＴとワークＷとが一定距離ｈを
保ちつつ、ワークＷの表面に沿って教示点P_i-1から教示
点P_iへとレーザトーチＴが速度V₀でゆっくりと移動す
る。

ステップS27では教示点P_iにおけるレーザトーチＴの
姿勢を手動で調整し、ステップS28では設定された５軸
の座標データをロボットRBにティーチングデータとして
教示する。

次のステップS29では全教示点が終了したか否かを判
定し、終了していなければステップS26に戻り、次の教
示点におけるティーチングデータの作成を続行する。

以上の繰返しによってティーチングが進み、それによ
って全教示点が終了すると、ステップS30においてレー
ザトーチＴの速度V_i及びその他のティーチングデータS_i
が設定され、ティーチングデータの作成が終了する。

こうしてすべてのティーチングデータが作成される
と、実際にワークＷを切断する再生モード（ステップS
3）へと移行する。

以上のように、この実施例ではハイトセンサHSにより
レーザトーチＴとワークＷとが常に一定距離を保つよう
にレーザトーチＴが自動的に移動するので、従来のよう
にレーザトーチＴとワークＷとが衝突するようなことが
なく、しかも教示点間の移動が簡単にかつ早く行なえ
る。また、通常は、隣り合う教示点におけるレーザトー
チＴの姿勢が似通っているので、これを運転員が手動に
より調整するのも容易で手間がかからないという利点が
ある。レーザトーチＴの姿勢を所定の姿勢に毎回戻す動
作は存在しないため、レーザトーチＴの無用の回転によ
る危険もない。

E.変形例 以上、この発明の一実施例について説明したが、この
発明は上記実施例に限定されるものではなく、たとえば
次のような変形も可能である。

ハイトセンサHSとしては、静電容量を検出する方式の
ものでなく、磁気や光によるものであってもよい。例え
ばアーム６にレーザトーチＴと隣接して光学的センサヘ
ッドを設け、それによって相対位置検出を行なってもよ
い。このような目的に使用される光学的センサヘッドと
しては、たとえば、特願昭60−153072に示されているも
のを用いることができる。この光学的センサヘッドは、
ワークＷに対す距離を一定値に保つとともに、センサの
姿勢を一定方向に制御するために使用できるものであ
る。従って相対位置検出手段としてこの光学的センサヘ
ッドを用いてこの発明を実施すれば、エンドエフェクタ
の座標位置（X,Y,Z）のみならず、その姿勢（θ，ψ）
もロボットが自動的に調節設定する。従って、運転員に
よる姿勢調整が不要となり、NCデータのみに基づいてロ
ボットRBが教示点を自ら次々に設定していくことも可能
である。

複数の教示点によって動作を教示するPTP制御のロボ
ットのみでなく、連続した作業線によって動作を教示す
るCP制御のロボットにも適用可能である。このときNCデ
ータは例えばXY平面上の連続曲線となる。

予め座標データとして与えられるのは、Ｘ軸とＹ軸の
NCデータである場合に限られず、一般に複数の自由度の
一部の座標データであって、他の自由度のデータについ
てはセンサによりエンドエフェクタとワークとの相互の
位置関係を一定に保つことにより決定する方法であれ
ば、この発明が適用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、予め準備さ
れた一部の座標データを用いるとともに、センサによっ
てエンドエフェクタとワークとの相互の位置関係を自動
的に設定するようにして、エンドエフェクタを動作させ
るので、エンドエフェクタとワークとの衝突などによる
危険もなく、また多量のティーチングデータの作成を効
率良く行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を適用する産業用ロボットの機構的
構成の概略を示す斜視図、 第２図は、第１図のロボットの電気的構成を示す概略ブ
ロック図、 第３図は、レーザトーチの詳細構成を示す部分断面図、 第４図は、ティーチングデータのデータ構成を示す図、 第５図は、実施例の動作を示す説明図、 第６図は、実施例の動作を示すフローチャート、 第７図は、ハイトセンサの働きを示す説明図、 第８図は、従来のティーチング方法を示す説明図であ
る。 RB……レーザ切断ロボット、 ９……制御装置、10……操作盤、 11……外部コンピュータ、 Ｔ……レーザトーチ、Ｗ……ワーク、 HS……ハイトセンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークの表面上におけるロボットのエンド
   エフェクタの動作を教示するに当たって、所定のデータ
   作成手段によって予め作成された一部の自由度のみにつ
   いての教示点座標データを用いて前記ロボットのティー
   チングを行なう方法であって、 （ａ）前記ワークの表面と前記エンドエフェクタの相互
   の位置関係を、前記ロボットが備える相互位置検出手段
   によって検出し、その検出結果に基づいて前記ワークの
   表面と前記エンドエフェクタとの相互の位置関係を所定
   の関係に保ちつつ、移動制御手段を用いて前記教示点座
   標データが指示する場所へ前記エンドエフェクタを移動
   させ、 （ｂ）前記移動後または移動中に前記エンドエフェクタ
   の姿勢を所望の姿勢とした後に、前記エンドエフェクタ
   の位置情報及び姿勢情報を取込み、 （ｃ）以上の（ａ）および（ｂ）の処理を繰返してティ
   ーチングを進めることを特徴とするロボットのティーチ
   ング方法。