JP2001105137A - 溶接用オフライン教示装置および同装置を用いた大型構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】オペレータの負担が小さく、かつロボット動作
を的確に行うことができる溶接用オフライン教示装置、
およびこの装置を用いて安定した溶接作業を行うことが
できる大型構造物の製造方法を提供する。 【解決手段】コンピュータ１３の記憶装置または外部記
憶装置に、溶接用ロボット、その周辺装置、ロボットに
取り付けられる溶接トーチおよびロボットにより溶接施
工されるワークに関する情報をそれぞれ３次元モデルと
して格納する。格納した情報を表示装置に表示させてロ
ボットおよび周辺装置について動作の教示ならびにシミ
ュレーションを可能とする。コンピュータ１３は、ロボ
ットにより行うべき多層盛溶接のパスを生成する手段と
して、各パスに設定された溶接条件に基づいて溶接部位
に積層される溶着金属部の断面形状を算出する断面形状
算出手段と、この断面形状算出手段によって得られた結
果を基に次のパスの位置を生成する次パス位置生成手段
とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットを用いて
大型構造物の溶接組立を行う場合に適用される溶接用オ
フライン教示装置および同装置を用いた大型構造物の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、コンピュータの記憶装置または外
部記憶装置に、溶接用ロボット、その周辺装置、上記ロ
ボットに取り付けられる溶接トーチおよび上記ロボット
により溶接施工されるワークに関する情報をそれぞれ３
次元モデルとして格納し、それらを表示装置に表示させ
て上記ロボットおよび周辺装置について動作の教示なら
びにシミュレーションを行う技術が知られている。

【０００３】このようなロボットの教示方法は大別し
て、ロボットを用いて直接教示する方法と、オフライン
で教示する方法との２種類がある。

【０００４】前者の直接教示する方法は、オペレータが
ロボットコントローラを操作することにより、実際にロ
ボットを動作させ、ワークにロボットアーム先端に設け
た溶接トーチなどのツールの位置合わせを行い、その位
置をコントローラに記憶させるものである。この方法で
は、オペレータの技量に依存するために、オペレータの
負担が大きい。

【０００５】後者のオフラインで教示する方法は、上記
教示方法をコンピュータの３次元モデル表示上で行うも
のである。この方法では、オペレータは、コンピュータ
上のロボットモデルを操作し、教示点を作成する。教示
点の多い多層盛溶接では、オペレータの負担は大きい。
また、ワークのモデル作成には、設計時のデータが用い
られる。この場合、ワークの溶接中の変形を考慮しない
ために、実際にロボットによりオフライン教示データを
再生した場合、オペレータの意図に沿わない動作となる
ことがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ロボットによる多層盛
溶接の教示では、教示位置が多いためにオペレータの負
担が大きい。また、従来のオフライン教示装置では、溶
接変形を考慮していないため、オフライン教示データを
ロボットで再生したときに教示位置とロボットの動作位
置とに誤差が生じる。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、オペレータの負担が小さく、かつ
ロボット動作を的確に行うことができる溶接用オフライ
ン教示装置を提供することにある。

【０００８】また、本発明の他の目的は、上記の装置を
用いて安定した溶接作業を行うことができる大型構造物
の製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、コンピュータの記憶装置ま
たは外部記憶装置に、溶接用ロボット、その周辺装置、
上記ロボットに取り付けられる溶接トーチおよび上記ロ
ボットにより溶接施工されるワークに関する情報をそれ
ぞれ３次元モデルとして格納し、それらを表示装置に表
示させて上記ロボットおよび周辺装置について動作の教
示ならびにシミュレーションを可能とした溶接用ロボッ
トのオフライン教示装置において、上記コンピュータ
は、上記ロボットにより行うべき多層盛溶接のパスを生
成する手段として、各パスに設定された溶接条件に基づ
いて溶接部位に積層される溶着金属部の断面形状を算出
する断面形状算出手段と、この断面形状算出手段によっ
て得られた結果を基に次のパスの位置を生成する次パス
位置生成手段とを備えたことを特徴とする溶接用オフラ
イン教示装置を提供する。

【００１０】請求項２の発明では、コンピュータの記憶
装置または外部記憶装置に、溶接用ロボット、その周辺
装置、上記ロボットに取り付けられる溶接トーチおよび
上記ロボットにより溶接施工されるワークに関する情報
をそれぞれ３次元モデルとして格納し、それらを表示装
置に表示させて上記ロボットおよび周辺装置について動
作の教示ならびにシミュレーションを可能とした溶接用
ロボットのオフライン教示装置において、上記コンピュ
ータは、上記ロボットにより行うべき多層盛バタリング
溶接のパスを生成する手段として、溶接パスの間隔が任
意の距離になるようにワーク表面に教示転を生成する教
示点生成手段と、教示転でのワーク表面が任意の角度に
なるように上記ワークを搭載したポジショナーの各動作
軸位置を算出する動作軸位置算出手段とを備えたことを
特徴とする溶接用オフライン教示装置を提供する。

【００１１】請求項３の発明では、コンピュータの記憶
装置または外部記憶装置に、溶接用ロボット、その周辺
装置、上記ロボットに取り付けられる溶接トーチおよび
上記ロボットにより溶接施工されるワークに関する情報
をそれぞれ３次元モデルとして格納し、それらを表示装
置に表示させて上記ロボットおよび周辺装置について動
作の教示ならびにシミュレーションを可能とした溶接用
ロボットのオフライン教示装置において、上記コンピュ
ータは、教示された溶接パスに設定された溶接条件に基
づき、上記ワークの溶接変形量を算出する溶接変形量算
出手段と、この溶接変形量算出手段により得られた変形
量を基に上記ワークの３次元モデルの形状を変更する形
状変更手段とを備えたことを特徴とする溶接用オフライ
ン教示装置を提供する。

【００１２】請求項４の発明では、請求項３に記載の溶
接用オフライン教示装置において、多層盛溶接のパスを
生成する手段は、各パスの溶接による変形量に基づいて
次のパスの位置を生成する次パス位置生成手段を備えた
ことを特徴とする溶接用オフライン教示装置を提供す
る。

【００１３】請求項５の発明では、３次元曲面で構成さ
れる複数の部材を溶接により組立てて大型構造物を製造
する方法において、上記部材の少なくとも１つに、開先
を機械加工するための基準面となる平面を有する複数の
突起を設ける一方、上記各部材の溶接施工するために、
請求項１から４までのいずれかに記載の溶接用オフライ
ン教示装置で作られたロボット用教示データに、上記突
起を検出する動作命令を付加しておき、上記教示データ
をロボットで再生する際に、上記突起の３平面をセンサ
によって検出して教示データを修正し、この修正した教
示データに基づいて溶接施工を行うことを特徴とする大
型構造物の製造方法を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１５】図１は、オフライン教示装置の基本構成を
示している。このオフライン教示装置は、キーボード１
１、マウス１２、コンピュータ１３、ディスプレイ１
４、外部記憶装置１５を備えている。このオフライン教
示装置では、キーボード１１またはマウス１２を用いて
入力を行い、入力されたロボットや周辺装置、あるいは
ロボットに取り付けられた溶接トーチ、さらにロボット
により溶接施工されるワーク等を、ディスプレイ１４に
形状モデルとして表示する。

【００１６】次に、オペレータがディスプレイ１４に表
示されたロボットまたはロボットのエンドエフェクタの
モデルの位置および姿勢を教示することにより、コンピ
ュータ１３でロボット座標軸の教示データを作成し、外
部記憶装置１５に出力する。

【００１７】コンピュータ１３は、ロボットにより行う
べき多層盛溶接のパスを生成する手段として、各パスに
設定された溶接条件に基づいて溶接部位に積層される溶
着金属部の断面形状を算出する断面形状算出手段と、こ
の断面形状算出手段によって得られた結果を基に次のパ
スの位置を生成する次パス位置生成手段とを備える。

【００１８】図２は、このような装置を使用して、教示
点の自動生成を行う場合の手順を示すフローチャートで
ある。

【００１９】まず、前述したキーボード１１やマウス１
２を用いて、ワーク形状および多層盛溶接の各パスの溶
接条件を入力する（Ｓ１０１）。これにより、入力した
情報に基づいて、多層盛の第１層目の溶接パスが生成さ
れる（Ｓ１０２）。生成されたパス数は、判断手段によ
って設定パス数に達しているか否か判定され、達してい
ない場合（ＮＯ）には、次のステップへ進み、溶接パス
の溶接条件から溶接部の溶着金属量が計算される（Ｓ１
０４）。次いで、溶接部に溶着した金属の形状が算出さ
れ（Ｓ１０５）、これに基づき次層の溶接パスが生成さ
れる（Ｓ１０６）。このようにして、多層盛溶接のパス
数の回数だけ、ステップ（Ｓ１０３）からステップ（Ｓ
１０６）が繰り返され、所定パス数に達したら（Ｓ１０
３：ＹＥＳ）、終了となる。

【００２０】ステップ（Ｓ１０４）における溶着金属量
の算出方法について説明する。ＧＴＡＷの場合、溶接ト
ーチから供給されるワイヤは溶接中に消滅することがな
いものと仮定する。このとき、単位時間内に供給される
ワイヤ量Ｖｗは、ワイヤ径ｄ、溶接速度Ｖｔ、ワイヤ供
給速度Ｖｆ、を用いて、

【数１】Ｖｗ＝π×（ｄ／２）^２×Ｖｆ×Ｖｔ となる。

【００２１】次に、ステップ（Ｓ１０５）の溶着金属の
形状の算出方法について説明する。

【００２２】時刻ｔ（０≦ｔ≦Ｔ）における溶着金属の
断面積Ｓ（ｔ）とする溶着金属量は、

【数２】Ｖｗ＝∫Ｓ（ｔ）ｄｔ であり、Ｓ（ｔ）が一定値Ｓであるとすると、上式から
Ｓが求まる。

【００２３】

【数３】

【００２４】図３（Ａ），（Ｂ）は、図２に示した溶接
パスの生成方法における溶着金属の形成の算出に関する
説明図である。

【００２５】この図３（Ａ）に示すように、時刻ｔにお
ける開先角度θ（ｔ）、トーチ姿勢θ_１（ｔ）およびθ
_２（ｔ）＝θ（ｔ）−θ_１（ｔ）とし、ビード表面はト
ーチ方向に対して垂直になるものとすると、ビード高さ
Ｈは、

【数４】 より

【数５】 となる。

【００２６】また、図３（Ｂ）に示すように、ｎ層目
（ｎ≧２）のビ−ド高さＨ_ｎは、ｎ層目の溶接時のトー
チ姿勢をθ_１（ｔ）、θ_２（ｔ）、（ｎ−１）層目のビ
−ド高さＨ_ｎ−１、トーチ姿勢をθ_１′（ｔ）、θ_２′
（ｔ）を用いて表すと、単位時間当たりの断面積Ｓは次
式で表される。

【００２７】

【数６】 これから、ビード高さＨｎは、

【数７】 となる。

【００２８】図４は、図３に示した溶接パスの生成方法
における教示位置の算出方法の説明図である。

【００２９】この図４に示すように、ｎ層目の溶接パス
を算出する場合には、トーチ姿勢θ、トーチ姿勢方向の
ビード高さＨ、（ｎ−１）層目のビード高さＨ′、トー
チ姿勢θ′、チップ−母材間距離ｈとすると、

【数８】 となる。

【００３０】以上のように、本実施形態によれば、多層
盛溶接の各パスの教示点をコンピュータにより算出する
ことができ、オペレータの負担を解消するとともに、教
示データの作成時間を短縮することができる。

【００３１】図５は、本発明の他の実施形態として、多
層盛バタリング溶接のための教示点の自動生成の方法に
ついて示している。

【００３２】この例では、多層盛バタリング溶接のパス
を生成する場合に、溶接パスの間隔が任意の距離になる
ように、ワーク表面に教示点を生成する教示点生成手段
と、教示点でのワーク表面が任意の角度になるように上
記ワークを搭載したポジショナーの各動作軸位置を算出
する動作軸位置算出手段とを備える。

【００３３】この場合は、溶接条件として、多層盛バタ
リング溶接のビード間隔ｄを入力し、開先の頂点（中心
点）Ｏから半径ｄの円を描く。このとき、溶接面との交
点に教示点Ｐ１を生成する。次いでＰ１を中心とする半
径ｄの円を描き、溶接面との交点に教示点Ｐ２を生成す
る。同様に生成した教示点を中心とする半径ｄの円を描
き、溶接面との交点に教示点を生成する。

【００３４】本実施形態によれば、多層盛バタリング溶
接に適用する場合の各パスの教示点をコンピュータを用
いて算出することにより、オペレータの負担を解消する
とともに教示データの作成時間を短縮することができ
る。

【００３５】なお、本発明では別の実施形態として、溶
接変形を考慮したオフライン教示データの生成が可能で
ある。

【００３６】即ち、コンピュータは、教示された溶接パ
スに設定された溶接条件に基づき、上記ワークの溶接変
形量を算出する溶接変形量算出手段と、この溶接変形量
算出手段により得られた変形量を基に上記ワークの３次
元モデルの形状を変更する形状変更手段とを備えるもの
とする。

【００３７】この場合には、まず与えられた溶接条件か
ら、溶接による入熱量を算出する。この熱量に基づい
て、溶接されるワークの温度分布を算出する。次いで、
ワークの温度分布に基づいて熱弾塑性応力解析すること
によりワーク形状の変形をシミュレートし、ワークの３
次元モデルを変更する。この後は、上記実施形態と同様
の手段によってオフライン教示する。

【００３８】このような手段によっても、溶接変形を計
算によって予測することにより、溶接変形を考慮した教
示データを作成することができる。

【００３９】図６は、本発明のさらに別の実施形態とし
て、オフライン教示データを用いた大型構造物の製造方
法について示している。

【００４０】この第６図において、大型構造物である溶
接水車ランナのベーン６１に、開先部分６２を機械加工
するための基準面となる３平面を有する突起６３を取り
付ける。開先部分６２の加工に用いられるＮＣ加工機の
性能により、ベーン６１の開先部分６２と突起６３の３
平面の位置関係は定量的に保証される。

【００４１】オフライン教示装置においては、突起６３
を有するワークの３次元モデルを用いてオフライン教示
データを作成する際に、この突起６３にセンシングする
動作命令を付加する。そして、作成したオフライン教示
データをロボットで再生する場合に、突起６３の３平面
をセンサによって検出し、検出された誤差量を基に、オ
フライン教示データを修正して施工する。

【００４２】以上の製造方法によれば、従来のオフライ
ン教示データによる施工よりも、ロボットアーム先端に
取り付けられた溶接トーチなどのツールの位置が正確で
あり、安定した溶接作業が可能となる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、与えら
れた溶接対象の形状および溶接条件から、ロボットによ
る多層盛溶接の教示データを自動生成することができ
る。また、与えられた溶接条件から溶接による対象の変
形量を予測し、教示データを修正することにより、位置
精度の高い教示データが作成できる。さらに、作成した
データをロボットで再生する場合には、溶接箇所の開先
加工の基準面を有する突起に対してセンサにより誤差量
を検出することにより、正確なロボットの動作を実現で
きると共に、安定した溶接作業が行える。

【００４４】また、本発明によれば、オフライン教示デ
ータと実機の間に存在する誤差量を正確に検出し、オフ
ライン教示データを修正することにより、ロボットの動
作位置の精度の向上と共に、安定した溶接施工を実現で
き、大型構造物の製造が好適に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すもので、ロボットの
オフライン教示装置の構成図。

【図２】図１に示Ｄたオフライン教示システムによっ
て、多層盛溶接のパスを生成する場合の手順を示すフロ
ーチャート。

【図３】（Ａ），（Ｂ）は、図２に示した溶接パスの生
成方法における溶着金属の形状の算出に関する説明図。

【図４】図３に示した溶接パスの生成方法における教示
位置の算出方法の説明図。

【図５】本発明の他の実施形態を示すもので、多層盛バ
タリング溶接における教示点の算出方法の説明図。

【図６】本発明に係る大型構造物の製造方法の実施形態
を示す図。

【符号の説明】

１１ キーボード １２ マウス １３ コンピュータ １４ ディスプレイ １５ 外部記憶装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンピュータの記憶装置または外部記憶
   装置に、溶接用ロボット、その周辺装置、上記ロボット
   に取り付けられる溶接トーチおよび上記ロボットにより
   溶接施工されるワークに関する情報をそれぞれ３次元モ
   デルとして格納し、それらを表示装置に表示させて上記
   ロボットおよび周辺装置について動作の教示ならびにシ
   ミュレーションを可能とした溶接用ロボットのオフライ
   ン教示装置において、上記コンピュータは、上記ロボッ
   トにより行うべき多層盛溶接のパスを生成する手段とし
   て、各パスに設定された溶接条件に基づいて溶接部位に
   積層される溶着金属部の断面形状を算出する断面形状算
   出手段と、この断面形状算出手段によって得られた結果
   を基に次のパスの位置を生成する次パス位置生成手段と
   を備えたことを特徴とする溶接用オフライン教示装置。
2. 【請求項２】 コンピュータの記憶装置または外部記憶
   装置に、溶接用ロボット、その周辺装置、上記ロボット
   に取り付けられる溶接トーチおよび上記ロボットにより
   溶接施工されるワークに関する情報をそれぞれ３次元モ
   デルとして格納し、それらを表示装置に表示させて上記
   ロボットおよび周辺装置について動作の教示ならびにシ
   ミュレーションを可能とした溶接用ロボットのオフライ
   ン教示装置において、上記コンピュータは、上記ロボッ
   トにより行うべき多層盛バタリング溶接のパスを生成す
   る手段として、溶接パスの間隔が任意の距離になるよう
   にワーク表面に教示転を生成する教示点生成手段と、教
   示転でのワーク表面が任意の角度になるように上記ワー
   クを搭載したポジショナーの各動作軸位置を算出する動
   作軸位置算出手段とを備えたことを特徴とする溶接用オ
   フライン教示装置。
3. 【請求項３】 コンピュータの記憶装置または外部記憶
   装置に、溶接用ロボット、その周辺装置、上記ロボット
   に取り付けられる溶接トーチおよび上記ロボットにより
   溶接施工されるワークに関する情報をそれぞれ３次元モ
   デルとして格納し、それらを表示装置に表示させて上記
   ロボットおよび周辺装置について動作の教示ならびにシ
   ミュレーションを可能とした溶接用ロボットのオフライ
   ン教示装置において、上記コンピュータは、教示された
   溶接パスに設定された溶接条件に基づき、上記ワークの
   溶接変形量を算出する溶接変形量算出手段と、この溶接
   変形量算出手段により得られた変形量を基に上記ワーク
   の３次元モデルの形状を変更する形状変更手段とを備え
   たことを特徴とする溶接用オフライン教示装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の溶接用オフライン教示
   装置において、多層盛溶接のパスを生成する手段は、各
   パスの溶接による変形量に基づいて次のパスの位置を生
   成する次パス位置生成手段を備えたことを特徴とする溶
   接用オフライン教示装置。
5. 【請求項５】 ３次元曲面で構成される複数の部材を溶
   接により組立てて大型構造物を製造する方法において、
   上記部材の少なくとも１つに、開先を機械加工するため
   の基準面となる平面を有する複数の突起を設ける一方、
   上記各部材の溶接施工するために、請求項１から４まで
   のいずれかに記載の溶接用オフライン教示装置で作られ
   たロボット用教示データに、上記突起を検出する動作命
   令を付加しておき、上記教示データをロボットで再生す
   る際に、上記突起の３平面をセンサによって検出して教
   示データを修正し、この修正した教示データに基づいて
   溶接施工を行うことを特徴とする大型構造物の製造方
   法。