JPS60262214A - 加工中心経路の補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、立体空間上の自由曲面上の線に沿って加工を
するだめの教示・再生方式の産業用ロボットに関し、特
にその加工中心経路の補正方法に係る。

従来技術 従来の産業用ロボットの動作制御方式のうちＰＴＰ制御
方式と称された自由曲面上の切断線を不連続な複数の点
として教示し、それらの区間をロボットコントローラ内
の補間機能によって滑らかな曲線で結び、その曲線に沿
ってトーチなどの工具を移動させて加工をする産業用ロ
ボットにおいて、加工時に発生ずる切断幅を考慮し、教
示経路に対して、トーチ進行方向に直角な右または左側
の方向で経路を補正する場合、次の問題がある。

まず、各教示点ごとに、その点での平面上のデータを教
示する必要があるため、その作業が煩雑となる。・−ま
た補正方向のデータが三次元であるため、このデータの
作成に際し、教示点の位置と補正方向を示すデータが必
要となり、また平面を示す３点のデータをも必要としそ
の作成が複雑となる。

一方、補正平面をｘｙ、ｙｚ、ｚｘ平面に限定する方法
があるが、複雑な自由曲面では要求される方向での補正
移動量に対して誤差が大きく現れるため、必要な精度を
確保することが困難となる。

発明の目的およびその達成手段 したがって本発明の目的は、加工時のトーチの教示動作
時に、教示点における平面のデータの作成を意識するこ
となく、経路補正を簡単に行えるようにすることである
。

そこで本発明は、トーチを三次元空間内で教示するに際
し、そのトーチの姿勢からその教示点での平面上の位置
をコントローラ内で計算し、その平面上でトーチの方向
により簡単に経路補正をできるようにしている。

発明の構成 以下、本発明の構成を図に示す実施例に基づいて具体的
に説明する。

まず、第１図および第２図は、制御対象の産業用ロボッ
ト１を示している。ワーク２を固定している可動テーブ
ル３は、Ｘ軸方向に運動をし、また動作点と、してのト
ーチ４をＸ軸方向に摺動自在に載置するヘッド６は、さ
らにコラム５に支持されたクロスビーム５０によりＹ軸
方向の運動をする。そして上記トーチ４は、Ｙ軸と同一
軸線上のα軸、およびトーチ４の先端を通るβ軸を中心
として、回動自在に支持されている。したがって、ワー
ク２とトーチ４の相対的な運動は、５軸によって制御さ
れる関係にある。

そしてこのトーチ４と同じ支持形態で、同一の５軸運動
が可能な教示ヘッド５１には、ワーク２の形状寸法を検
出するためのセンサー７が取付けられている。

次に第３図は、上記の産業用ロポッ）１の制御値Ｗ８を
示している。共通のデータバス９に対しデータレコーダ
１０およびＣＲＴコンソール１１がＩ１０インターフェ
イス１２、中央処理ユニットのＣＰＵＩ　３および算術
論理ユニットのＡＬＵ１４を介して接続されており、ま
たテープリーダ１５、機械入出力器１６およびキーボー
ド１７がＩ１０インターフェイス１８を介して接続され
ている。また上記データバス９にＲＯＭ１９、ＲＡＭ２
０、バブルメモリ２１およびティーチングボックス２１
がそのインターフェイス２３を介し接続されている。さ
らに上記データバス９にＹ軸、Ｙ軸、Ｙ軸、α軸および
β軸の位置決め装置２４．２５．２６．２７．２８が相
互にデータ交換可能な状態で接続されている。

次に第４図は、上記位置決め装置２４．２５．２６．２
７．２８の具体的な回路構成を示している。データバス
９に対し第１バツフア２９、第２バツフア３０、パルス
発生同期回路３１、正逆切換回路３２、位置偏差カウン
タ３３、Ｄ／Ａ変換器３４およびサーボ増幅器３５が順
次接続されており、これらによって各軸に対応するモー
タ３６．３７．３８．３８．３９．４０が制御される。

そして、これらの回転がそれぞれ位置検出器４１．４２
．４３．４４．４５によって検出され、パルス同期回路
４６を経て、位置偏差カウンタ３３に送り込まれる。ま
たパルス発生同期回路３１の出力は、第２バ・ノファ３
０および他軸との同期信号Ａとして用いられる。そして
、この第２バツフア３０にバッファ転送信号Ｂが入力さ
れ、またこの第２バツフア３０の出力端は、正逆切換回
路３２にも接続されている。そしてこの位置偏差カウン
タ３３は、直接データバス９にも双方向的に接続されて
いる。

発明の原理 ここで本発明の補正方法の原理を第５図を参照しながら
説明する。

この第５図は、自由曲線経路に対して長さｈｌの補正を
施す手段を説明している。ここで、与えられた教示点２
２群を通過する自由曲線の方程式％式％） まず、教示点Ｐｉにおける経路の接線方向ベクトルｄ・
　は、 声 ・・・・　（１） としてめることができる。

また、トーチ４の方向ベクトルＵλは、トーチ４の姿勢
は一般に経度と緯度を示す回転２軸すなわちα軸および
β軸の値で決定でき、このα、βの値によりＵλをめる
ことができる。

としてめられる。

また各教示点における補正方向ベクトルｎλはこれらの
接線方向ベクトルｄヌおよびトーチ方向ペルトルＵ、Ｌ
を外積をとることにより、次のように決定できる。

・・・・　（３） 自由曲面上の教示点Ｐスにおける補正方向ベクトルｎλ
　＜Ｌ＝ｔ−ｎ）は、三次元的に決定される。

そこで本発明の補正方法はミ教示点間のトーチ４の姿勢
を円滑に連続的に変化させる方法を採用している。この
結果、補正方向ベクトルｎ２も経路内で連続的に変化す
ることになる。ここで、教示点間の補正方向ベクトルｎ
ｔを、本発明では下記の式によりめている。

（４）式よりトーチの補正は、各教示点で与えら、（、
、れる補正方向ベクトルｎよ　、ツヤ、により、教示点
Ｐｊ　→−１への移動時間ｔに比例して徐々に三次元的
に補正されることとなる。これから、補正後としてめる
ことができる。ここでｈは、補正量を示すスカラー量の
データである。

制御動作 次に上記自由曲線Ｓ＾　（４）にキュービックスプライ
ン関数を用いて補間した場合の制御例を第７図ないし第
１１図に基づいて具体的に説明する。

まず、与えられた三次元空間上の点位置データ群を滑ら
かに結ぶ曲線の方程式をめる。

この実施例では、与えられた三次元空間状の点位置デー
タ群を滑らかに結ぶ曲線の方程式としてスプライン（Ｓ
ｐｌｉｎｓ）関数が用いられる。スプライン関数は、区
間（０〜ＮＴ）の間で与えられる点位置データ群を結ぶ
関数の集合（ｆ（ｔ））の中で、 とする関数Ｓ　（ｔ）　（Ｓ　＜ｔ”）６（ｆ　（ｔ）
　））で定義される。ここでｔは、時間変数である。

このスプライン関数は、（６）式より曲率総和を最小に
するという意味で最も滑らかな補間関数として知られて
いる。

この実施例では工学的にも広く利用されているキュービ
ックスプライン（Ｃｕｂｉｃ　５ｐｌｉｎｅ）関数を用
いている。この関数形は一般的に区間別多項式％式％（
７） ける２階微分係数であり、またｈλは、各教示点間の時
間間隔である。

え−Ｉ、２、・・・、ｎ−１ 上記（７）式の変数の説明は、第７図に示す通りである
。上記位置座標Ｐλは、教示後に、ＲＡＭ２０から読み
込まれる。

この（７）式を用いて自由曲線経路を実現するためには
、各教示区間ごとの距離と指定速度により決定される時
間間隔ｈ　の演算、および教示点大な演算回数が必要と
なり、現実のロボット制御への通用という面では、相当
の困難がともなう。

そこで発明者は、複雑な自由曲面からなるワーク２の形
状を教示する場合は、教示ポイントをより多くとり、一
方、平坦な平面を教示する場合には、教示ポイントを荒
くとったとしても、はとんど補間を必要としない点を考
慮し、この実施例では、ｈλ−１（全区間で一定）、０
≦ｔ≦１として関数形の簡略化をはかり、キュービック
スプライン関数を（８）式に示すような表現式で用いて
三次元自由曲線を実現した。

３、’＋１　Ｌ　＋Ｌ　Ｐ、ｔ、４１　、　Ｓ、ｃ−４
−ｌノ　ｔ・　・　・　・　（８） Ａ＝１〜ｎ−１，０≦ｔ≦１ この（８）式で表されるキュービックスプライン関数は
、教示点の位置座標Ｐλと教示点における２階数分係数
Ｓオを与えることによってめることができる。この２１
１１微分係数は、教示点を通過するという条件、つまり Ｓ・　（１）　−３・　（０）　・・・・・・　（９）
Ａ−Ｉ　Ａ と、教示点において１階数分係数（速度）が等しく又−
２〜ｎ−１） よりまる次の連立方程式 ％式％） （１１） を解くことによってめることができる。

なお、上記の（１１）式を解く場合、２点の教示点にお
ける２階数分係数を与えるか、あるいは何らかの条件式
を追加する必要がある。一般にこの２階数分係数を解く
ための条件によって、スプライン関数は、各種の呼び名
が付けられている。

本実施例では、ｓ、＝ｓ、−０として（１１）式を解く
こととした。これは両端固定あるいは自然スプラインと
呼ばれている。

第９図は、必要なデータを読み込んで、以上の演算によ
り、諸量をめる過程を示している。これらの計算は、Ａ
ＬＵＩ　２で予め演算され、その演算結果のデータを制
御装置８のＲＡＭ２０に記憶される。

次に請求めた方程式に基づいて予め教示されている指令
速度に応じて一定の時間間隔ごとの指令値をめる過程つ
まり径補正を伴った補間過程を第１０図とともに説明す
る。

前述した手段によりめたキュービックスプライン関数（
８）式を用いて制御対象つまりトーチ４を立体空間上の
自由曲線に沿って、補正された経路をしかも一定速度で
制御するために、次の操作が行われる。

今、トーチ４が指定速度■で円滑に移動し得る必要な一
定間隔の時間τごとに進むべき距離は、■／τとして与
えられる。なお、時間τは、予め各軸の運動に適した最
小の時間間隔として設定されている。時間でごとに距離
Ｖ／τだけ進んだ次の目標位置座標をめるためには、（
５）式の時間ｔの増分Δｔを決定する必要がある。

ある時間ｔλにおける自由曲線経路上の接線ベクトルＬ
４は補正を考慮して →　ｄ　−一浄 Ｌ゛＝　−□　Ｓ　（ｔえ） 　ｄｔ としてめることができる。そして、この接線ベクトルＬ
λを用いて増分Δｔと指定速度Ｖの関係を次式のように
近似することができる。

ｖ’＝＝ΔｔｌＬ、ｉｔ（Δｔ＜＜１）−−（１３）し
たがって、指令速度Ｖを満足する（８）式における増分
Δｔは、 Δｔ＝Ｖ／ＩＬ・　１　・・・・・・・　（１４）声 としてめることができる。

しかし、第８図に示すように、経路が急変している部分
では、接線ベクトルも急変する。したがって（１４）式
の計算方法では指令値通りの速度■を満足できなくなる
場合がある。

そこで、前回求めた増分Δｔを用いて、つぎのｔ２＋、
＝　ｔλ＋Δｔにおける接線ベクトル秒＋１をめ、ＩＬ
λ　Ｉとｌ　Ｌｊ＋ｌ　ｌの平均値をとり増分Δｔをめ
ることにより、上記速度誤差を減少させる。

以上の方式でめた増分Δｔを用いて、時間τの経過後の
目標座標値は、時間ｔを１＝１＋Δｔとして、このめた
時間ｔを（５）式に代入することによってめることがで
きる。

次にトーチ姿勢α、βを下記の式からめる。

α＝リ　＋Δαス　・ｔ β−β、十Δβｉ−ｔ ここでΔα・　、Δ〜　は、それぞれα軸、β軸メ の増加量を示す。

Δαメーα／・１−％ Δβｉ−β咀１−βｉ 次にこの目標座標値へ各軸を移動させるために、の位置
決め２４．２５．２６．２７．２８へそれぞれ払い出す
。

Ｃ−ｎｅｘＬ＝ｓ・　（ｔ）／Ｗｐ・ＨＨ（１５）’メ
ツ ここで、Ｗｐは、各軸に対応する１パルス当たりの移動
距離である。

今、制御装置８のＣＰＵＩ　３から位置決め装置へ出力
した現時点までの総パルス数を記憶しているカウンタＣ
ｎｏｗと、このＣ＾ｎｅｘｔより位置決め装置２４．２
５．２６．２７．２８へ出力するための相対出力パルス
数ΔＰを次式によりめΔＰ□−Ｃ・ｎｅｘｔ−Ｃ−ｎｏ
ｗ・　・　（１６）ノにノ ＣＰＵ１３は、この相対出力パルス数Δ町　をそれぞれ
の軸に対応する位置決め装置２４．２５．２６．２７．
２８に対して、一定の時間τだけ経過した後に出力する
。第１１図に示すように各位置決め装置は、出力された
各軸の相対出力パルス数へＰノ　分のパルス信号を一定
の時間τ内で終了するように等間隔配分により発生させ
ることにより各軸を一定速度で駆動し、それの合成速度
を一定となる。

そこで、各教示ポイント間Ｐλ→Ｐカ１の過程の途中、
教示ポイント間の補間動作が終了したかどうか、つまり
ｔ＝１のチェックがなされ、未終了（ｔ）１）であれば
、接線ベクトルの大きさＩＬｏ　ｌ　−１１−１１の入
れ換えをして、引続き次の一定時間τの経過後にポイン
トの補間作業に入る。

またｔ＝１となり、次の教示ポイントが全区間の終了に
あたるか否かをチェックし、全区間の補間が未終了、す
なわちノ≠ｎ−１であれば、次の教示データ間の補間作
業が実行される。そしてｊ＝ｎ−１になると、全部の補
間が完了する。

発明の効果 本発明では、三次元自由曲面上の加工経路の加工中心経
路からの補正がトーチなどの工具の姿勢から決定され、
作業者は立体的なデータの作成を意識する必要はなく、
単に補正量を数値で与えるのみで、立体空間上の自由面
における経路補正が行える。またその補正も連続的に円
滑に・行える。またレーザ加工プラズマ加工などに要求
される一定速度制御も三次元的に可能となる効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は産業用ロボットの正面図、第２図はそき側面図
、第３図は制御装置のブロック線図、第４図は位置決め
制御装置のブロック線図、第５図は＋１ｉ正経路の斜面
図、第６図はトーチのベクトル図、第７図はキュービッ
クスプライン関数のグラフ、第８図は接線ベクトルの説
明図、第９図は曲線の方程式から座標位置および２階数
分係数をめる過程のフローチャート図、第１０図は補間
過程のフローチャート図、第１１図はパルス分配の説明
図である。 ■・・産業用ロボット、４・・トーチ、８・・制御装置
、２４．２５．２６．２７．２８・・位置決め装置。 特許出願人　株式会社トヤマキカイ 第　７　図　図面の予７°（内容に変更なし）第２図 第４図　２４．２５，２６．２乙２８ 第５図 第６図 第７図 ｔｉ−ｒ　ｔｉ　ｔｉや、１ 第８図 第１Ｉ図 βＬ−Ｌ」」 手続補正書（自船 昭和ら９年　゛月２５日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示　、（紛 昭和５９年特　許　願第１１６１６５号２、発明の名称 加工中心経路の補正方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出廓人 住　所　富山県東砺波郡福野町１００番地名　称　株式
会社トヤマキカイ 代表者柳本良勉 ４、代理人８１６０ 住　所　東京都新宿区新宿２丁目８番１号新宿セブンビ
ル７０８号 電話０３　（３５０）０２５５ な　し ６、補正の対象　、・・− し）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 各教示点での接線方向ベクトルをめる過程、工具の姿勢
   を決定する回転軸から各教示点での工具の方向ベクトル
   をめる過程、上記接線方向ベクトルおよび工具の方向ベ
   クトルから補正方向ベクトルをめる過程、および上記教
   示点の自由曲線に補正方向ベクトルを加算して加工中心
   経路をめる過程からなることを特徴とする加工中心経路
   の補正方法。