JPS6355395B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はリモートテイーチング形溶接用ロボツ
トのトーチ方向教示装置に係り、特にオペレータ
の感覚に合致した方向にトーチの旋回指令を与え
ることのできるトーチ方向教示装置に関するもの
である。

第１図に従来の一般的溶接ロボツトを示す。

かかるロボツトの場合、旋回台１は、垂直軸芯
２の回りに図示せぬ旋回用モータによつて矢印θ₁
で示す如く旋回可能である。

該旋回台１上には、支点３を中心に垂直面内に
おいて揺動可能の垂直アーム４が取り付けられて
おり、矢印θ₂で示す揺動運動を行う。

上記垂直アーム４の先端には、支点５を中心に
矢印θ₃の方向、即ち前記垂直アーム４の揺動面と
同一の垂直面内において揺動可能の水平アーム６
が設けられており、この水平アーム６の先端に
は、水平アーム６の軸芯７に沿つた第１軸芯８の
回りに、矢印θ₅で示す方向に旋回可能の手首部９
が取り付けられている。（第１図では、第１軸芯
８が軸芯７と一致した場合を示している。） 上記手首部９は、前記第１軸芯８に直角の第２
軸芯１０のまわりにも矢印θ₄で示すように揺動可
能とされ、この手首部９の先端には溶接トーチ１
１が取り付けられている。この溶接トーチ１１の
溶接点をＰで表す。

上記θ₁〜θ₅の旋回、乃至揺動運動は、全て第２
図に示すM₁〜M₅のモータによつて達成され、各
モータには減速機、速度検出器（タコジエネレー
タ）、位置検出器（エンコーダ、レゾルバ等）が
取り付けられ、各アームや手首部の速度及び位置
制御が行われる。

今仮にθ₁〜θ₅の角度を検出する位置検出器を２
０ａ〜２０ｅで表し、それぞれの自由度を駆動す
るモータをM₁〜M₅で表すと、第１図に示したよ
うな溶接用ロボツトの一般的な制御回路のブロツ
ク図は、第２図のように示され、教示時には、一
般的にオペレータはリモートテイーチング用の教
示盤１２を操作することにより溶接点Ｐのロボツ
トを中心とした直行座標における位置座標X_P，
Y_P，Z_Pと、溶接トーチの方向θ₄，θ₅の値を指定す
ることによりロボツトＲを駆動し、溶接点Ｐを任
意の位置に誘導してその状態における位置データ
X_P，Y_P，Z_P，θ₄，θ₅を記憶する。

こうして予めロボツに作業軌跡を断続的に教示
し、一連の教示データとして記憶装置１３に記憶
させた後、再生作業を行う。

再生時には、上記のようにして記憶した記憶装
置１３内の教示データX_P，Y_P，Z_P，θ₄，θ₅を順
番に読み出し、この教示データに逆変換を施して
各関節の関節角度θ₁，θ₂，θ₃を演算し、これらと
θ₄，θ₅の値を目標値としてモータM₁〜M₅を駆動
し、教示された軌跡に従つてロボツトを駆動す
る。

上記のような教示を行うに際し、従来の溶接用
ロボツトでは、溶接点Ｐの位置はロボツトに固定
された直行座標系上でのＸ，Ｙ，Ｚ座標の値で指
令し、溶接トーチ１１の方向はθ₄，θ₅で与えられ
る回転角度で指令される方式が一般に用いられて
いる。

即ちロボツトＲに溶接動作を行わせるには、溶
接点ＰのロボツトＲに固定した直行座標系での位
置座標X_P，Y_P，Z_Pと溶接トーチ１１の姿勢を決
定する角度θ₄，θ₅を与える必要があり、X_P，Y_P，
Z_P，θ₄，θ₅は教示盤１２のキーボードから直接入
力されるとともに、上記X_P，Y_P，Z_P，θ₄及びθ₅
を指定することにより、後記する逆座標変換によ
つてθ₁〜θ₃が演算され、こうして得られたθ₁〜θ₅
の値を目標値としてロボツト各軸のサーボ制御を
行うことにより、ロボツトを任意の位置姿勢に誘
導制御（再生）するものである。

一方溶接用ロボツトでは、溶接トーチ１１の姿
勢、即ち溶接線に対する溶接トーチの方向が溶接
結果に重要な影響を及ぼすが、従来の溶接用ロボ
ツトでは上記のように溶接トーチの姿勢が関節角
度θ₄とθ₅によつて決定される。そして、このよう
な角度θ₄及びθ₅は第１図に示すように第１軸芯８
及び第２軸芯１０のまわりの旋回角度を示し、こ
のような旋回方向は、ロボツト側に固有の座標に
基づくものでオペレータの方向感覚とは無縁のも
のであり、かかる旋回方向を指定することにより
溶接トーチ１１の姿勢を正確に決定するには、か
なりな熟練を要するものである。

即ち実際の溶接作業にあたつては、通常第３図
に示す如くワークを旋回テーブル１４上にセツト
し、これに対してワークから離れた位置にいるオ
ペレータが教示盤１２を操作してロボツトＲのア
ーム先端に取り付けた溶接トーチ１１をワークに
沿つて誘導しつつ教示作業を行うものである。例
えば隅肉溶接の場合、第５図に示すようにワーク
１５の溶接線１８上の点１６に向かつて溶接トー
チ１１を指向させ、ワークの表面１７に対してβ
の角度分傾け、且つ溶接線１８に対してある一定
角度αの分だけ傾斜した状態で、溶接線１８に平
行に移動させつつ溶接を行うものであるが、この
ような溶接トーチの角度αは第５図に示す如くＺ
方向で表される地面に垂直な垂直軸の回りの溶接
トーチ１１の旋回角度であり、又角度βは旋回テ
ーブル１４が水平面であるため一般に水平軸（第
５図の場合溶接線１８と一致する）の回りの旋回
運動で表されるのに対し、θ₄及びθ₅はこれらの水
平軸及び垂直軸とは、直接関係のないロボツトＲ
自身の姿勢により決定される第１軸芯８及びこれ
に直角の第２軸芯１０の回りの旋回運動として表
され、そのためオペレータにとつて実際に溶接ト
ーチを回転させたい方向の角度α及びβを、これ
と直接関係のないθ₄及びθ₅の方向の旋回運動によ
つて求めていく必要があり、オペレータにとつて
は、これらの角度の指定を任意の方向に向いてい
るワーク１５に対応して設定するのは熟練を要し
かなり骨の折れる作業で疲労を感ずるものとなつ
ている。

又、上記したような溶接トーチ１１の姿勢を決
定する角度αは、ワーク１５自身の置かれている
方向や隅肉溶接、突き合わせ溶接等の溶接の種類
によつても変化し、又βについては第４図に示す
如く例えば隅肉溶接の場合、第４図ａ乃至ｃに示
す如く第１回目から第３回目の各パスごとに変化
させる必要があり、これらの溶接条件やワーク１
５の置かれた方向に合わせてその都度決定するも
のである。そのためこれらの煩雑な作業を角度α
やβと直接関係のないθ₄及びθ₅の方向のみを指定
しつつ教示を行う作業は、極めて能率の悪いもの
とならざるを得ない。

従つて本発明は、上記したような従来の溶接用
ロボツトが溶接トーチの姿勢の教示を行うのにロ
ボツト側の駆動に便宜なように、θ₄及びθ₅を指定
することにより行つていたことによる教示作業の
困難さを排除し得るトーチ方向教示装置を提供す
るものであり、その要旨とする処が、水平アーム
の軸芯に沿つた第１軸芯を中心とする第１旋回運
動と、上記第１軸芯に直角の第２軸芯を中心とす
る第２旋回運動の少なくとも２個の自由度を有す
る手首部を水平アームの先端に取り付け、該手首
部に熔接トーチを取り付けたリモートテイーチン
グ形溶接用ロボツトのトーチ方向教示装置におい
て、リモートテイーチング用の教示盤と、該教示
盤に設けられ、溶接トーチの垂直軸まわりの旋回
を指令する水平方向旋回指令スイツチと、上記教
示盤に設けられ、溶接トーチの水平軸まわりの旋
回を指令する垂直方向旋回指令スイツチと、上記
水平方向旋回指令スイツチ及び、垂直方向旋回指
令スイツチからの旋回指令信号に応じて変化する
溶接トーチの姿勢を示す方向余弦を演算する方向
余弦演算手段と、上記溶接トーチの方向余弦と教
示された溶接点の位置座標とから手首部の第１及
び第２旋回運動を生じさせる第１軸芯及び第２軸
芯まわりの旋回角度及び各関節の旋回角度を演算
する旋回角度演算手段と、上記第１及び第２軸芯
まわりの旋回角度に応じて各関節を旋回駆動する
駆動装置とを有してなる点であるトーチ方向教示
装置を提供するものである。

続いて添付した図面を参照しつつ、本発明を具
体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供
する。

ここに第６図は本発明の一実施例に係るトーチ
方向教示装置の機能を示す機能ブロツク図、第７
図は同実施例に用いることのできる教示盤の一例
を示す平面図、第８図は同実施例の操作手順を示
すフローチヤート、第９図は同実施例に用いるこ
とのできる制御回路の一例を示すブロツク図であ
る。

第９図において教示盤１２は、第７図に詳しく
示す通りＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びα方向、β
方向の旋回指令を与えるための旋回指令スイツチ
１２_x，１２_y，１２_z，１２α，１２βを有し、
各旋回指令スイツチは具体的にはプラス方向とマ
イナス方向のそれぞれ２種類のものよりなつてお
り、各旋回指令スイツチはＡ／Ｄ変換器１８ａを
介してマイクロコンピユータ１９を構成する入力
インターフエース回路I₁に接続されている。

マイクロコンピユータ１９は周知のものを使用
することができ、制御プログラムを書き込むため
のROM、該ROMに書き込まれたプログラムに
従つて入力インターフエース回路I₁から外部デー
タを取り込んだり或いは、一時記憶装置RAMと
の間でデータの授受を行つたりしながらデータの
演算処理を行い、必要に応じて処理したデータを
出力インターフエース回路I₂を経て、モータ等の
外部装置へ出力する中央処理装置CPUを含み、
一時記憶装置RAMには各教示位置において取り
込まれた溶接点Ｐの位置座標X_P，Y_P，Z_P及びト
ーチの方向余弦ｌ，ｍ，ｎが記憶される。但し、
RAMには方向余弦ｌ，ｍ，ｎに換えて後記する
逆変換により求めたθ₄，θ₅を記憶してもよい。

出力インターフエース回路I₂には、前記５個の
関節を駆動するモータM₁〜M₅に対応する制御回
路が接続されており、これら５個の制御回路は全
て同様の構成により成り立つているので、自由度
θ₁を駆動するためのモータM₁の制御回路につい
て代表的に説明する。

出力インターフエース回路I₂にはモータM₁に
送出するためのアナログ信号を発生するための
Ｄ／Ａ変換器２０_xが接続され、出力インターフ
エース回路I₂から送出されるθ₁等の旋回指令信号
は、このＤ／Ａ変換器２０_xによつてアナログ化
され、比較器２１_xを経て増幅器２２_xで増幅さ
れ、モータM₁を駆動する。

モータM₁には旋回台１が図示せぬ減速機を介
して取り付けられ、旋回指令信号θ₁の値に応じて
モータM₁が旋回し、その回転速度がタコジエネ
レータTG₁によつて検出されると共に、タコジエ
ネレータTG₁の出力は比較器２１_xへ帰還され、
速度フイードバツクが行われる。またモータM₁
の回転位置は、これに接続されたパルスエンコー
ダPE₁によつて検出され、このパルスエンコーダ
PE₁に接続されたカウンタC₁の出力が入力インタ
ーフエース回路I₁へ帰還され、目標値θ₁との差
Δθ₁が０になるまでモータM₁が駆動される。

次に、上記制御回路及びマイクロコンピユータ
１９の演算機能を用いて行う教示、再生作業につ
いて第８図に示したフローチヤートを参照しつつ
説明する。

本発明にかかるリモートテイーチング形溶接用
ロボツトにおいては、教示作業は全てオペレータ
が教示盤１２に設けた旋回指令スイツチ１２_x〜
１２βを操作することにより、ロボツトＲを任意
の位置に誘導して行う。

ロボツトＲの手首部９を所定の位置に誘導する
ためにオペレータは、１２_x，１２_y，１２_z，１
２α，１２βの旋回指令スイツチを操作して溶接
点Ｐを第５図に示した溶接線１８まで誘導しその
位置で教示スイツチを押すことにより、旋回指令
スイツチ１２_x〜１２βからの出力X_P，Y_P，Z_P，
α，βを取り込み（ステツプａ）、後記する変換
処理を施して一時記憶装置RAMにX_P，Y_P，Z_P，
ｌ，ｍ，ｎを記憶する。

この溶接トーチ１１の誘導にあたつては、オペ
レータは溶接トーチを垂直軸のまわりに、即ち水
平面内において旋回させる水平方向旋回指令スイ
ツチ１２αと、水平軸まわりの垂直面内における
旋回を指令する垂直方向旋回指令スイツチ１２β
とを操作して、角度信号α及びβを入力すること
により行う。

このような水平面内におけるα方向の旋回は、
オペレータを中心とした地面に垂直な垂直軸まわ
りの旋回であり、又β方向の旋回はこれもオペレ
ータを中心とした水平軸まわりの旋回であるか
ら、その旋回方向がオペレータにとつて把握しや
すく、操作に熟練を要しない。

こうしてオペレータが水平方向旋回指令スイツ
チ１２αと、垂直方向旋回指令スイツチ１２βと
を操作してα方向、及び、β方向に所望の角度分
（これは各スイツチを押している時間によつて指
定され、その旋回方向はプラス側のスイツチ又は
マイナス側のスイツチを押すことにより任意に選
択される）各スイツチを作動させると、その信号
はＡ／Ｄ変換器１８を経て（第９図）入力インタ
ーフエース回路I₁に至り、CPUに伝達される。

CPUは、水平方向旋回指令信号（以下便宜上
α信号と記す）及び垂直方向旋回指令信号（以下
便宜上β信号と記す）を受け入れると、 ｌ＝−cosβ・cosα ｍ＝−cosβ・sinα ｎ＝−sinβ …(1) (1)式で示すように、溶接トーチ１１の姿勢を表す
方向余弦ｌ，ｍ，ｎを演算する（ステツプｂ）。

そして、ロボツトを指定された位置、方向に位
置決めするためにX_P，Y_P，Z_P，ｌ，ｍ，ｎに逆
変換を施して各関節の角度θ₁〜θ₅を演算し（ステ
ツプｃ）、こうして得られた関節角度θ₁〜θ₅を目
標値としてモータM₁〜M₅をその回転位置が各目
標値に合致するまで駆動する（ステツプｄ）。

位置決めが完了すると位置座標X_P，Y_P，Z_Pと
方向余弦（姿勢データ）（ｌ，ｍ，ｎ）が記憶装
置に教示データとして記憶される。但し前記した
ように記憶するデータとしては方向余弦（ｌ，
ｍ，ｎ）に換えて溶接トーチの方向を決定する角
度θ₄，θ₅を記憶してもよい。上記教示作業は断続
的な各教示位置毎に行われる。

上記逆変換は方向余弦ｌ，ｍ，ｎ、位置座標
X_P，Y_P，Z_Pを(2)式に代入することによりθ₁，θ₅
を演算し、 続いてθ₁，θ₅，ｌを(3)式に代入してθ₄を算出
し、 θ₄＝sin^-1−（ｌ＋cosθ₅・sinθ₁）／sinθ₅・cosθ₁
…(3) 更に(4)からθ₂，θ₃を得るものである。

ここにZ_qは第１図に示した溶接トーチ１１の回
転中心ＱのＺ方向の位置座標で、既知のX_P，Y_P，
Z_P，ｌ，ｍ，ｎ，θ₁，θ₄より(5)式によつて演算さ
れ、更にr₁乃至r₄は、第１図に示す如く各旋回部
分の回転半径であり、r₁は垂直アーム４の回転半
径、r₂は水平アーム６の回転半径、r₃は手首部９
の回転半径、r₄は第１軸８から溶接点Ｐまでの距
離である。

こうしてθ₁〜θ₅が得られると、CPUが出力イン
ターフエース回路I₂を経て、各モータ側へこれら
の信号を出力する（ステツプｄ）。

上記の教示駆動手順を例えばθ₄について説明す
ると、出力インターフエース回路I₂から出力され
た指令信号θ₄は、Ｄ／Ａ変換器２０αによつてア
ナログ信号に変換された後、比較器２１αを経て
増幅器２２αで増幅され、モータM₄を駆動する。

モータM₄は、手首部９を第１図に示すθ₄の方
向に旋回させると共に、その回転速度はタコジエ
ネレータTG₄によつて検出され、速度フイードバ
ツク制御が行われる。またモータM₄の回転位置
はこれに接続されたパルスエンコーダPE₄によつ
て検出され、このパルスエンコーダPE₄に接続さ
れたカウンタC₄の出力が入力インターフエース
回路I₁へ帰還され、目標値θ₄との差Δθ₄が０にな
るまでモータM₄が駆動される。

全ての教示作業が終了すると再生作業を開始す
る。再生開始ボタンが押されると記憶装置から教
示データが順次取り出され、公知の直線補間、円
弧補間法等によつて、教示点間の補間点の位置座
標X_Pi，Y_Pi，Z_Piと方向余弦li，mi，niが計算さ
れ、前記したテイーチング時と同じ方法によつて
θ₁i〜θ₅iが計算されロボツトはその点に位置決め
される。

こうして溶接線にそつて順次再生動作が行わ
れ、連続的に位置決め再生が続行される。

本発明は、以上述べた如く水平アームの軸芯に
沿つた第１軸芯を中心とする第１旋回運動と、上
記第１軸芯に直角の第２軸芯を中心とする第２旋
回運動の少なくとも２個の自由度を有する手首部
を水平アームの先端に取り付け、該手首部に溶接
トーチを取り付けたリモートテイーチング形溶接
用ロボツトのトーチ方向教示装置において、リモ
ートテイーチング用の教示盤と、該教示盤に設け
られ、溶接トーチの垂直軸まわりの旋回を指令す
る水平方向旋回指令スイツチと、上記教示盤に設
けられ、溶接トーチの水平軸まわりの旋回を指令
する垂直方向旋回指令スイツチと、上記水平方向
旋回指令スイツチ及び、垂直方向旋回指令スイツ
チからの旋回指令信号に応じて変化する溶接トー
チの姿勢を示す方向余弦を演算する方向余弦演算
手段と、上記溶接トーチの方向余弦と教示された
溶接点の位置座標とから手首部の第１及び第２旋
回運動を生じさせる第１軸芯及び第２軸芯まわり
の旋回角度及び各関節の旋回角度を演算する旋回
角度演算手段と、上記第１及び第２軸芯まわりの
旋回角度に応じて各関節を旋回駆動する駆動装置
とを有してなることを特徴とするトーチ方向教示
装置であるから、教示作業を行う際にオペレータ
が自分にとつて理解しやすい方向に溶接トーチを
旋回させる指令を発することができ、教示作業の
能率が著しく向上すると共に、オペレータが教示
において疲労を感ずるようなことがなく、正確な
教示作業を迅速に行い得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の一般的溶接用ロボツトの側面
図、第２図は同従来の溶接用ロボツトの制御回路
図、第３図は同じく従来の溶接用ロボツトのスイ
ツチ状態を示す斜視図、第４図は溶接工程を説明
するための溶接トーチとワークの側面図、第５図
はワークに対する溶接トーチの操作角度を説明す
るための斜視図、第６図は本発明の一実施例に係
るトーチ方向教示装置の機能を示す機能ブロツク
図、第７図は同実施例に使用することのできる教
示盤の正面図、第８図は同実施例の作業手順を示
すフローチヤート、第９図は同実施例の制御回路
を示すブロツク図である。 （符号の説明） １…旋回台、２…垂直軸芯、
４…垂直アーム、６…水平アーム、８…第１軸
芯、１０…第２軸芯、１１…溶接トーチ、１２…
教示盤、１３…記憶装置、１９…マイクロコンピ
ユータ、θ₁〜θ₅…関節角度、Ｐ…溶接点、M₁〜
M₅…モータ、Ｒ…ロボツト、I₁，I₂…入出力イン
ターフエース回路、TG…タコジエネレータ、PE
…パルスエンコーダ、Ｃ…カウンタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水平アームの軸芯に沿つた第１軸芯を中心と
   する第１旋回運動と、上記第１軸芯に直角の第２
   軸芯を中心とする第２旋回運動の少なくとも２個
   の自由度を有する手首部を水平アームの先端に取
   り付け、該手首部に溶接トーチを取り付けたリモ
   ートテイーチング形溶接用ロボツトのトーチ方向
   教示装置において、 (1) リモートテイーチング用の教示盤と、 (2) 該教示盤に設けられ、溶接トーチの垂直軸ま
   わりの旋回を指令する水平方向旋回指令スイツ
   チと、 (3) 上記教示盤に設けられ、溶接トーチの水平軸
   まわりの旋回を指令する垂直方向旋回指令スイ
   ツチと、 (4) 上記水平方向旋回指令スイツチ及び、垂直方
   向旋回指令スイツチからの旋回指令信号に応じ
   て変化する溶接トーチの姿勢を示す方向余弦を
   演算する方向余弦演算手段と、 (5) 上記溶接トーチの方向余弦と教示された溶接
   点の位置座標とから手首部の第１及び第２旋回
   運動を生じさせる第１軸芯及び第２軸芯まわり
   の旋回角度及び各関節の旋回角度を演算する旋
   回角度演算手段と、 (6) 上記第１及び第２軸芯まわりの旋回角度に応
   じて各関節を旋回駆動する駆動装置と、 を有してなることを特徴とするトーチ方向教示装
   置。