JPS63251182A - 加工線始端の開先位置検出方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、加工線始端の開先位置検出方法に係り、特に
、例えば溶接ロボットの位置制御に際して、加工すべき
開先位置の加工線始端の位置ずれを検出するのに好適な
加工線始端の開先位置検出方法に関するものである。

［従来の技術］ 物体面上の溶接線を溶接する従来の技術としては、特開
昭５８−２０９４８１号公報記載の倣い制御方法が知ら
れている。

当該技術は、加工線方向に対して直交する方向に線状光
束すなわちスリット光を照射し、スリット光源と一体に
楕成されている撮像装近により得た光切断画像から開先
部の三次元座標位置を検出していた。そして、この検出
位置と、教示位置との偏差ベクトル方向に加工線の始終
端を平行移動し、この加工線上を倣うように溶接トーチ
を移動していた。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来技術になる視覚センサでは、スリット光が照射
された面内における開先位置しか検出できず、検出を行
う際の姿勢、あるいは被加工部材の高さ方向の位置ずれ
によりスリット光の照射位置が加工線方向の前後に移動
するという点について配慮がされぞおらず、加工を行う
べき始端の位置が加工線方向にずれるという問題があっ
た。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになさ
れたもので、加工線方向に検出位置をずらすことなく、
加工線始端の開先位置ずれを検出しつる加工線始端の開
先位置検出方法の提供を、その目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る加工線始端の
開先位置検出方法は、教示・再生機能をもつロボットお
よびロボット制御装置と、前記ロボットの支持軸に固定
され加工線始端部における開先の位置偏差ベクトルを検
出すべき視覚センサと、前記ロボットの支持軸の軸心に
対して傾斜して固定した加工手段とを備え、上記ロボッ
ト制御装置の演算制御機能を用いて、加工線始端の教示
位置から加工手段の軸心方向に一定距離だけ退避した退
避点を演算により創成し、この退避点に対する、退避前
の点を基準点とする加工線始端部における開先部の位置
偏差ベクトルを上記視覚センサにより検出し、この位置
偏差ベクトルのうち、ロボットの支持軸の回転中心軸と
前記加工手段の軸心とが成す平面内の位置偏差ベクトル
成分を用い、この位置偏差ベクトルの方向にロボットの
支持軸を移動する一連の動作を、当該位置偏差ベクトル
が零になるまで繰返して行い、検出を開始した時点での
ロボットの支持軸の位置と、最終的に位置偏差ベクトル
が零となった時点でのロボットの支持軸の位置との差ベ
クトルを開先位置のずれ量にするようにしている。

［作用］ 上記の方法によれば、視覚センサは、検出した加工線始
端の開先の三次元位置偏差ベクトルのうち、ロボットの
支持軸の回転中心軸と加工手段の軸心とが成す平面内の
位置偏差ベクトル成分のみをロボット制御装置に送るよ
うにしているので、ロボットの支持軸は、前記平面内で
のみ移動し。

したがって、位置偏差ベクトルが零になった時点で視覚
センサの基準点は、前記平面と一致する。

これによって、本視覚センサでは、前記平面内における
開先位置の検出が行えるようになるので、加工線の開始
点が加工線の前後方向にずれることがない。

［実施例］ 以下、本発明のゴ実施例を、溶接加工を行う場合を例に
とり、第１図ないし第１１図を参照して説明する。

まず、溶接ロボットの位置制御装置の構成を第１図ない
し第４図を参照して説明する。

第１図は１本発明の一実施例に係る溶接ロボットの、視
覚センサを取付けたロボット支持部の側面図、第２図は
、第１図の正面図、第３図は、視覚センサを備えた溶接
ロボットシステムの機器構成図、第４図は、その制御系
のハードウェア構成を示す模式図である。

第１，２図において、１は、溶接線始端部における開先
位置を検出する視覚センサ、２は、加工手段に係る溶接
トーチ、３は、溶接トーチ２の位置制御手段であるロボ
ットの支持軸、４は、溶接トーチ２をロボットの支持軸
３に固定するための取付治具である。

６は、スリット状の光線５を照射する、例えば半導体レ
ーザなどのスリット光源、１０は、レンズ７、ミラー８
、および固体撮像素子９を備えてなる観測用光学系であ
り、この観測用光学系１０は、スリット光源６照射時に
被測定物である被加工部材１１上形成される光切断像を
ｗｔ測するものである。前記スリット光源６および観測
用光学系１０によって前記視覚センサ１が構成されてい
る。

スリット光線５の中心軸と観測用光学系１０の中心軸で
形成される平面は、加工手段の軸心、すなわち溶接トー
チ２の中心軸と所定の角度を成すように構成され、さら
にスリット光線５の中心軸と観測用光学系１０の中心軸
とが成す角度を等分する線と、溶接トーチ２の軸心およ
びロボット手首に相当する支持軸３の回転中心軸は一致
し、溶接トーチ２に組込まれた溶接ワイヤーの先端位置
○からの退避量（例えばｌｏｍｎ＋）分だけ溶接トーチ
２の軸心方向に延長した点に観測用光学系１゜の基準点
Ｏ′を置き、スリット光線５もこの基準点○′を通るよ
うに調整している。

第３図に示す溶接ロボットシステムにおいて、１２はロ
ボット、１３はロボット制御装置、１４は教示操作盤、
１８は画像処理装置、１９は、コンソール形式のティー
チングボックス、２３は溶接機である。

ロボット１２、ロボット制御装置１３、および教示操作
盤１４はケーブルで接続されている。ロボットの支持軸
３には、視覚センサ１と溶接トーチ２とが固定され、視
覚センサ１は信号ケーブル１５により画像処理装置１８
に接続され、この画像処理装置１８はティーチングボッ
クス１９と接続されている。

ン容接用のワイヤは、ワイヤリール２０からコンジット
ケーブル２２を介して溶接トーチ２に供給されている。

また、ワイヤは同時にコンジットケーブル２２を介して
溶接機２３にもつながっており、ガスボンベ２５から溶
接機２３へ、ケーブル２４を介してシールドガスが供給
され、シールドガスはコンジットケーブル２２を経て溶
接トーチ２へ導かれる。

ロボット１２は、回転関節による５自由度を有する垂直
多関節形であり、基部に近い関節から水平旋回、上腕回
転、前腕回転、手首曲げ、手首ひねりの各動作を行う。

各関節には、図示しないがモータの動力が減速機を介し
て伝達されるものである。視覚センサ１で得られた光切
断像は、画像処理装置１８に送られ、画像処理装置１８
は、前記光切断像から溶接線の画面内での位置とこれに
基づく手首座標系での位置を求めるようになっている。

このような溶接ロボットシステムの制御系のハードウェ
ア構成を第４図を参照して説明する。

第４図の図中、第３図と同一符号のものは同一機器、部
品を示す。

第４図に示すロボット制御装置１３は、メカインタフェ
ース２６によりロボット１２と、また溶接機インタフェ
ース２７により溶接機２３と接続されている。ロボット
制御装置１３の中のコンピュータ間通話ボート２８と画
像処理装置１８とはシリアル信号線により接続されてい
る。視覚センサ１内のスリット光源６および固体撮像素
子９は信号ケーブル１５によりそれぞれセンサインタフ
ニー久２９を介して画像処理装置１８に接続され″。

ている。

次に、このような視覚センサを備えた溶接ロボットによ
り、溶接開始点における開先位置の位置偏差ベクトルを
検出する方法について、第１ないし第４図にあわせて、
第５図ないし第１１図を参照して説明する。

第５図は、溶接径路の教示方法を示す説明斜視図、第６
図は、再生動作を示す説明斜視図、第７図は、退避動作
の説明図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は、ワイヤ先端部
の拡大図、第８図は、光切断像検出画面を示す説明図、
第９図は、溶接開始点の開先検出位置と溶接トーチの移
動位置の説明斜視図、第１０図は、検出点でのロボット
動作のフローチャート図、第１１図は、検出点での検出
経過、ｉ８接トーチの移動経路を示す説明斜視図である
。

まず、ロボット１２の手首に相当する溶接トーチ２が作
動すべき加工線すなわち溶接径路をテイチングボックス
１９を用いて教示する。すなわち、第５図（、）に示す
アプローチ点を教示したのち、第５図（ｂ）の溶接開始
点では、視覚センサ１による検出のためのセンサＯＮ、
開先形状、溶接トーチのシフトなどの教示を行う。すな
わち、溶接継手の種類、開先部の位置ずれの検出、検出
に基づく溶接径路の補正などの各条件をロボット制御装
置１３内の記憶部（バブルメモリ）に、予め記憶されて
いるティーチデータ（例えば溶接位置。

姿勢、溶接速度、溶接電流など）に加えて記憶させる。

第５図（ｃ）に示す溶接終了点では、同様にシフトの教
示を加え、溶接開始点で得た検出データに基づき、溶接
終了点に到る径路の位置補正を行うことを記憶させる。

このような教示操作を行ったのち、再生動作を行うこと
になる。

ロボット１２は、視覚センサ１による検出すなわちセン
サ○Ｎが設定された溶接開始点に到るまで、予め教示さ
れた径路に従って移動する。

センサ○Ｎの点では、センサＯＮを教示した位置データ
を基に、第６図（ａ）に示す退避点を創成し、この点に
溶接トーチ２のワイヤ先端を位置決めする（第１０図ス
テップ■）。

この退避点を決める方法を第７図を参照して説明する。

第７図（ｂ）において、○′は観測系の基準点となる教
示点、０は、教示点Ｏ′から溶接トーチ２の軸心方向に
ワイヤ先端を退避させた退避点である。

図示したように、退避後の溶接トーチ２のワイヤ先端の
位置、すなわち退避点Ｏを原点として。

この原点を通るロボットの支持軸３の回転中心軸方向を
Ｚ′軸とし、このＺ′軸と溶接トーチ２の軸心とを含む
平面内で２′軸に直交する方向にＸ′軸を設定した溶接
トーチ２（ロボット１２の手首）の座標系ｏ−ｘ’ｙ’
ｚ’を考える。

前記座標系に対する溶接トーチ２の取付角が４５’であ
るとすると、教示点Ｏ′から退避点○への退避ベクトル
ρ′、は、退避量をＬとして、（４，＝　（−Ｌ／２．
Ｏ，Ｌ／２） で与えられる。

この退避ベクトルａ′、は、このときのロボットの各関
節角情報をもとに次式により、ロボット座標系　ｏ−ｘ
ｙｚ　　における退避ベクトル乙、に変換できる。

ここで、座標変換行列Ｔは、ティーチ時における各関節
角情報から以下のように与えられる。

ｎ、＝Ｃ１Ｃ２，４Ｃｓ　　ｓ、ｓ。

ｎｙ　＝　Ｓ　１Ｃ２Ｊ４　Ｃ５＋　Ｃｘ　Ｓ　５ｎｚ
＝−８２，４Ｃ３ θ−”　　Ｃｘ　Ｃ２３４Ｓ　ｓ　　Ｓ　ｚ　Ｃ５Ｂｙ
＝　　５ｌｃ２３４ｓｓ＋ｃｌｃｓＯｚ＝ｓ２３４ｓｓ ｄ、＝Ｃｌ５２，４ ｄ３＝ＳｉＳ２３４ ｄ２＝６２，４ ｐ、＝Ｃ２＜　ｄｓ　・Ｓ　２３４＋４３　・Ｃ２３＋
　’？２　・ｃｚ）ｐ　　＝ｓ工（ｄ、・Ｓ２，４十〇
、・Ｃ２，−Ｚａ、・ｃ　ｚ　）ｐｚ＝ｄｓ”　Ｃ２３
４−ａ３’　Ｓｚａ　　（２２Ｓｚここに、 Ｃｉ　＝　ｃ　ｏ　ｓ　Ｄ　ｉ　　（ｉ　＝　１　、−
　、５　）Ｓ　ｉ　＝ｓｉ　ｎθｉ　（ｉ＝１．・・・
、５）Ｃｉｊｋ＝　ｃ　ｏ　ｓ　　（θｉ＋θｊ＋θｋ
）Ｓｉｊｋ＝ｓｉ　ｎ　　（θｉ　＋　Ｏｊ＋θｋ）θ
１：旋回関節回転角 ０□：上腕関節回転角 θ、：前腕関節回転角 ０４２手首曲げ関節回転角 θ５：手首ひねり関節回転角 Ｃ２：上腕長さ ｑ、：前腕長さ Ｃ５：手先部長さ である。

ロボット１２は、（１）式で計算した退避点０に、ティ
ーチング時のロボット座標系における姿勢を保ったまま
溶接トーチ２を移動させ、画像処理装置１８に開先形状
に関する情報とともに検出指令を送る。

画像処理装置１８は、スリット光源６からのスリット光
線５の照射により固体撮像素子９から得られた光切断画
像を取り込み、第８図に示すように、開先形状により決
まる認識アルゴリズムに従って、すなわち、画像におけ
る線の勾配が変る位置を溶接線の位置つまり開先位置と
認識して、画面内での開先位置（ｕ、ｖ）を求める。

視覚センサ１は、第７図（ｂ）に示した教示点Ｏ′を観
測系の基準点にしているため、第９図に示すように、ス
リット光線が照射されている点Ｓまでの位置偏差ベクト
ル〜１を求めることができる（第１０図ステップ■）。

ここで、スリット光線５の照射中心軸および光切断像の
撮像系の中心軸が、溶接１・−チ２およびロボットの支
持軸３の回転中心軸が作る面に対して成す角が等しく、
角α（図示せず）で表わされ、照射中心軸と撮像系の中
心軸とが作る面がＺ軸すなわちロボットの支持軸３の回
転中心軸と成す角をＯ（図示せず）とし、撮像系の倍率
をＡとすると位置偏差ベクトルａ′、は次式で与えられ
る。

画像処理装置１８は、このデータのうち、Ｙ’＝Ｏとし
た位置偏差ベクトル成分ａ′をによって演算し、ロボッ
ト制御装置１３に送る（第１０図ステップ■）。

ロボット制御装置１３は、検出時の各関節角情報を基に
（１）式の座標変換を行い、ロボット座標系における溶
接トーチ２のワイヤ先端位置のシフトベクトルａ４を求
め、この位置に前記ワイヤ先端を移動する（第１０図ス
テップ■）。

第１０図は、このときのロボットの動作をフローチャー
トで示したものである。

フローチャートで示したように、ロボッ１−は、視覚セ
ンサ１による検出とロボットの支持軸３の移動とを一連
の動作として、位置偏差ベクトルが零となるまで、すな
わち、４．’＝ｏになるまで、換言すれば、視覚センサ
１の基準点である教示点０′と開先位置とが一致するま
で、この−巡の動作を繰り返す。

そして、θ；＝０となった最終的な溶接トーチ２の現在
位置からセンシング（検出）開始位置までの差ベクトル
Ａを計算し、これを開先位置のずれ量とする（第１ｏ図
ステップ■）。

第１１図は、この繰返し動作により、視覚センサ１の検
出ベクトルである位置偏差ベクトル、　／および溶接ト
ーチ２のワイヤ先端のベクトル４′１が変化し、零に収
束する様子を図示したものである。

ａ：、　ｔａｇ’、　ｏにおける添字１．２’、３・・
・は繰返し動作回数を示し、ベクトルの零に収束する変
化を明らかにしている。

ロボット１２は、この検出動作後、第６図（ｂ）および
（ｃ）に示す溶接開始および終了点からなる溶接径路、
すなわち溶接の始、終端ティチラインを上記差ベクトル
６分のずれ量で修正を加え、その修正ラインに溶接トー
チ２を移動させて溶接を行う（第１０図ステップ■）。

前述の動作により、溶接線始端の開先部がＸ′。

Ｚ′力方向それぞれずれ、しかもＹ′軸と溶接線とが一
致していない状態であっても、ロボットの手首である支
持軸３の回転中心軸と溶接トーチ２の軸心とが成す面内
における開先位置を示す差ベクトル６を検出することが
可能となる。

このように本実施例によれば、溶接開始点で、溶接トー
チ２の軸心とロボットの支持軸３の回転中心軸とが成す
面内における開先位置を検出できるので、視覚センサ１
の検出を行う際の姿勢、あるいは被加工部材１１の高さ
方向のずれがあっても、検出位置が溶接線方向の前後に
移動することがないという効果がある。

また、検出を、データが収束する方向に繰返し行うため
、検出誤差の評価が可能となり、高精度で検出を行うこ
とができるという効果もある。

さらに、退避した点で上記動作を行うため、溶接トーチ
２のワイヤ先端と被加工部材１１とが衝突することなく
検出を行うことができるという効果もある。

なお、前述の実施例は、溶接加工を行う場合の溶接ロボ
ットシステムの溶接線始端部における開先位置検出方法
について説明したが、本発明は、溶接加工のみに限らず
、例えば自動車のシールなどシーリング加工等にも適用
可能であり、教示・再生機能をもち、視覚センサを備え
たロボットによる加工ラインの加工開先部位置検出に汎
用的に適用できる方法である。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、加工線方向に検出
位置をずらすことなく、加工線始端の開先位置ずれを検
出しうる加工線始端の開先位置検出方法を提出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る溶接ロボットの、視
覚センサを取付けたロボット支持部の側面図、第２図は
、第１図の正面図、第３図は、視覚センサを備えた溶接
ロボットシステムの機器構成図、第４図は、その制御系
のハードウェア構成を示す模式図、第５図は、溶接径路
の教示方法を示す説明斜視図、第６図は、再生動作を示
す説明斜視図、第７図は、退避動作の説明図で、（ａ）
は斜視図、（ｂ）は、ワイヤ先端部の拡大図、第８図は
、光切断伝検出画面を示す説明図、第９図は、溶接ＤＦ
Ｊ始点の開先位置と溶接トーチの移動位置の説明斜視図
、第１０図は、検出点でのロボット動作のフローチャー
ト図、第１１図は、検出点での検出経過、溶接トーチの
移動経過を示す説明斜視図である。 １・・・視覚センサ、２・・・溶接トーチ、３・・・ロ
ボットの支持軸、６・・・スリット光源、１ｏ・・・観
測用光学系、１１・・・被加工部材、１２・・・ロボッ
ト、１３・・・ロボット制御装置、１４・・・教示操作
盤、１８・・・画像処理装置、１９・・・ティーチング
ボックス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、教示・再生機能をもつロボットおよびロボット制御
   装置と、前記ロボットの支持軸に固定され加工線始端部
   における開先の位置偏差ベクトルを検出すべき視覚セン
   サと、前記ロボットの支持軸の軸心に対して傾斜して固
   定した加工手段とを備え、上記ロボット制御装置の演算
   制御機能を用いて、加工線始端の教示位置から加工手段
   の軸心方向に一定距離だけ退避した退避点を演算により
   創成し、この退避点に対する、退避前の点を基準点とす
   る加工線始端部における開先部の位置偏差ベクトルを上
   記視覚センサにより検出し、この位置偏差ベクトルのう
   ち、ロボットの支持軸の回転中心軸と前記加工手段の軸
   心とが成す平面内の位置偏差ベクトル成分を用い、この
   位置偏差ベクトルの方向にロボットの支持軸を移動する
   一連の動作を、当該位置偏差ベクトルが零になるまで繰
   返して行い、検出を開始した時点でのロボットの支持軸
   の位置と、最終的に位置偏差ベクトルが零となった時点
   でのロボットの支持軸との差ベクトルを開先位置のずれ
   量にするようにしたことを特徴とする加工線始端の開先
   位置検出方法。