JP3483713B2

JP3483713B2 - 隅肉多層盛り溶接ロボットシステムにおける制御方法

Info

Publication number: JP3483713B2
Application number: JP25527496A
Authority: JP
Inventors: 彰弘寺田; 満廣奥田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2004-01-06
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: JPH1080768A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、手先部にレーザセ
ンサとアーク溶接用のトーチを搭載したロボット（以
下、溶接ロボットあるいは単にロボットと言う。）とロ
ボット制御装置を備えたシステムを用いて隅肉溶接部の
多層盛り溶接を行なうための技術に関し、更に詳しく言
えば、レーザセンサを用いて多層盛時の継ぎ手の変形を
考慮に入れたトラッキング動作を溶接ロボットに行わせ
るための前記技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】アーク溶接用のトーチとともにレーザセ
ンサをロボットに搭載し、溶接線を先行的にセンシング
して得られるデータを利用してロボットに溶接線のトラ
ッキングを行なわせる技術は、溶接ロボットのリアルタ
イムトラッキングとして広く知られている。また、リア
ルタイムトラッキング制御を多層盛り溶接を行なうロボ
ットに対して適用することも試みられている。

【０００３】図１に模式的に例示したように、継ぎ手を
構成するワークＷ１，Ｗ２の隅肉部に対する多層盛り溶
接は、１回目、２回目、３回目・・・Ｎ回目（Ｎ；総ビ
ード層数）のロボット移動時に１層目、２層目、３層目
・・・Ｎ層目のビードＡ１，Ａ２，Ａ３・・・（３層目
まで描示）を順次重ねて形成するという順序で行なわれ
る。一般に、各ビード層形成時の狙い位置の軌跡は同じ
ではない。ここで、「狙い位置」とは、適正な溶接を行
なうために要求される溶接トーチ先端位置（通常は溶接
ロボットのツール先端点の位置と一致）のことである。

【０００４】隅部に多層盛りを行なう場合、１層目の狙
い位置の軌跡Ｂ１〜Ｂ１’は隅肉線の位置にほぼ一致さ
せることが通例であるが、２層目以降については例えば
符号Ｂ２〜Ｂ２’，Ｂ３〜Ｂ３’で示したように、隅肉
線の位置から各ワークＷ１，Ｗ２の表面に沿ってほぼビ
ード厚さ相当分だけ離れた位置などが選ばれる。

【０００５】１層目の狙い位置の軌跡Ｂ１〜Ｂ１’は、
レーザセンサを用いたリアルタイムトラッキングを溶接
ロボットの第１回目の移動サイクルについて適用するこ
とで比較的容易に実現出来る。これは１層目の溶接時に
は、レーザセンサは溶接ビード未形成の隅部をセンシン
グして隅部線位置（隅部の位置を代表する線。以下同
じ。）を検出すれば良いからである。これに対して、２
層目以降の溶接時には、隅部が先行形成された溶接ビー
ドで覆われているので、レーザセンサで隅部線位置を直
接検出することは不可能になる。

【０００６】そのため、隅部線位置をレーザセンサで直
接検出し、それに予め直交座標系上のシフト量として設
定されたシフト量Δ（一般には、Δx ，Δy の２成分を
持つベクトル量）を上乗せした位置をリアルタイムに決
定していくことで２層目以降の狙い位置の軌跡Ｂ２〜Ｂ
２’，Ｂ３〜Ｂ３’を実現するという方式は採用が困難
となっていた。

【０００７】１層目のトラッキング時に隅部線位置のデ
ータを蓄積しておき、これを２層目以降の溶接時に利用
する手法もあるが、隅部線位置を正確に再現するには大
量のデータを記憶する必要があり、簡便なやり方とは言
えない。

【０００８】このような問題を解決し得る技術として、
レーザセンサを用いた隅部線位置を間接的に行なうこと
が提案されている（特開平８−１６２２１号公報参
照）。この提案を上記の例に適用するとすれば、隅部線
位置を隅部を提供する両ワークＷ１，Ｗ２の面Ｇ１，Ｇ
２の交線位置として求め、それに予め直交座標系上のシ
フト量として設定されたシフト量Δ（Δx ，Δy ）を上
乗せすることで狙い位置（ツール先端点の目標経路）が
決定されることになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記改良技術は、２層
目以降の溶接時にもレーザセンサを用いたリアルタイム
トラッキングの適用を容易にし、また、大量のデータを
記憶する必要もないという点で優れている。しかし、実
際にこれを図１に示したような隅部の多層盛り溶接に適
用すると、実際の溶接時の狙い位置に微妙なずれが生
じ、期待した溶接精度が得られないことが珍しくない。

【００１０】このような狙い位置のずれが生じる原因
は、アーク放電に伴って発生する熱の影響により、継ぎ
手を構成するワークＷ１，Ｗ２が変形を起すためである
と考えられる。図２は、図１に示した例についてこれを
説明する模式図である。同図に描かれているように、溶
接開始前に破線の位置にあったワークＷ１の面Ｇ１は、
多層盛り溶接の進行とともに内側に熱変形して傾斜する
性質がある（Ｇ１→Ｈ１で表示）。なお、図示は省略し
たが、ワークＷ２の水平面Ｇ２にも熱変形は生じ得る。
一般に、いずれのワーク面に変形が起るかはワークＷ
１，Ｗ２の厚さ、材質、加熱具合い等に左右され、ケー
ズ・バイ・ケースである。

【００１１】今、例として図１に例示した２層目の溶接
時の狙い位置Ｂ２について考察して見ると、従来の技術
（上記改良技術を含む）では、この狙い位置Ｂ２は溶接
開始前の位置Ｇ１を前提に、隅部線位置Ｂ１（レーザセ
ンサで検出）を基準とした位置シフト量Δ2 で設定して
いる。例えばＧ１とＧ２の方向を各々Ｙ軸、Ｘ軸とする
座標系が設定されている場合、狙い位置Ｂ２を指定する
位置シフト量Δ2 はベクトル量Δ2 （０，ｄ）で指定さ
れる。ここで、ｄは隅部線位置Ｂ１と狙い位置Ｂ２の間
の距離である。

【００１２】なお、同様の指定方式で、Ｎ層の多層盛り
溶接についてｉ層目（ｉ＝１，２，３・・・Ｎ）の狙い
位置Ｂｉを定めた場合、下記（１）式で表わされる位置
シフト量Δi の各成分Δix，Δiyが予め設定される。図
２の例では、当然Δ2x＝０，Δiy＝ｄである。

【００１３】 Δi ＝（Δix，Δiy）・・・（１）さて、図示したような熱変形が生じた場合、本来実現さ
れるべき狙い位置（トーチ先端位置）は、Ｂ２ではなく
符号Ｃ２で示したような位置に移動する。ところが、上
記のような狙い位置の定め方では熱変形があっても狙い
位置はＢ２のままであり、位置Ｃ２をトーチ先端が通る
ようなロボット経路を実現することが出来ない。即ち、
従来技術には熱変形に応じて狙い位置を適切に変化させ
る技術手段が備わっていないため、熱変形が大きいケー
スや、狙い位置の狂いが溶接の品質に大きく影響するケ
ースにおいて、解決困難な問題となっていた。

【００１４】そこで、本発明の目的は、２層目以降の隅
肉多層盛り溶接時にもレーザセンサを用いたリアルタイ
ムトラッキングの適用を可能にする一方で、継ぎ手を構
成するワークの熱変形に応じて狙い位置を変化させなが
らロボットの移動経路を定めていくための制御方法を提
供することにある。また、そのことを通して、隅肉多層
盛り溶接の品質を向上させようとするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、アーク溶接ト
ーチとレーザセンサを搭載したロボットをロボット制御
装置で制御するようにしたシステムの制御方法におい
て、ロボットの溶接実行時の経路移動について、トラッ
キング動作とワーク乃至ワーク面の熱変形を考慮した移
動経路のシフト調整を並行的に実行することによって、
上記技術課題を解決したものである。

【００１６】トラッキング動作は隅部線の位置を基準に
して行なわれるが、そのための隅部線の位置検出は、隅
部を提供する２つのワーク面の位置をレーザセンサを用
いて検出し、それに基づいて隅部線の位置を求めること
によって達成される。

【００１７】その一方、２つのワーク面の位置の検出結
果は移動経路のシフト量をワーク面の熱変形に応じて制
御するために利用される。好ましい実施形態において
は、熱変形の無いワーク面に対する移動経路のシフト量
が基準シフト量として予めシステムに設定される。設定
された基準シフト調整量は、２つのワーク面の位置の検
出結果に基づいて新たなシフト調整量に変換され、ワー
ク面の熱変形に応じて移動経路のシフト量が制御され
る。

【００１８】典型的な実施形態において、基準シフト調
整量は２次元基準シフト調整量として設定され、２つの
ワーク面の位置の検出結果に基づいて新たな２次元シフ
ト量に変換される。これにより、ワーク面の熱変形に応
じて移動経路のシフト量を制御することが出来る。

【００１９】１つの好ましい変換方式においては、２つ
のワーク面の位置を表わす２本の直線を座標軸として構
成される斜交座標系上で表現された値として読み換える
ことにより、新たな２次元シフト量への変換が行なわれ
る。また、読み換え後、更に検出された隅部線位置から
の距離調整を含む形で修正を行なっても良い。

【００２０】本発明の上記構成により、２層目以降の隅
肉多層盛り溶接時にもレーザセンサを用いたリアルタイ
ムトラッキングを適用しつつ、継ぎ手を構成するワーク
の熱変形に応じて狙い位置を変化させながらロボットの
移動経路を定めていくことが出来る。従って、隅部多層
盛り溶接の進行に伴って熱変形が生じても、狙い位置の
狂いが回避される。

【００２１】

【発明の実施の形態】図３は、本発明を実施する際に使
用可能なロボット制御装置を含むシステムの全体構成を
説明する要部ブロックである。同図に示されているよう
に、システム全体を制御するロボット制御装置３０は、
中央演算処理装置（以下、ＣＰＵ）３１を有し、該ＣＰ
Ｕ３１には、ＲＯＭからなるメモリ３２、ＲＡＭからな
るメモリ３３、不揮発性メモリ３４、ロボット軸制御器
３５、ＬＣＤ３７を備えた教示操作盤３８及び外部装置
との接続のための汎用インターフェイス３９がバス結合
されている。

【００２２】ＲＯＭ３２にはロボット制御装置３０自身
を含むシステム全体を制御するプログラムが格納され
る。これには、後述する態様で本発明を実施するための
諸データを画面入力するために必要なプログラムが含ま
れている。ＲＡＭ３３の一部はＣＰＵ３１が行なう処理
のためのデータの一時記憶に使用される。また、本発明
を実施するために、ＲＡＭ３３には、後述するセンシン
グデータ、経路補正データなどを記憶するためのいくつ
かのバッファレジスタが設定される。不揮発性メモリ３
４内には、位置データや多層盛り時の経路シフト量を定
めるためのパラメータを格納するためのレジスタが設定
されている。

【００２３】また、ロボット軸制御器３５には、サーボ
回路３６を介してロボット４０の各軸機構部に設けられ
た各サーボモータが接続されている。そして、汎用イン
ターフェイス３９に接続される外部装置には、ロボット
４０の手先部に装着されたアーク溶接トーチ２のための
電源装置５０と、リアルタイムトラッキングを行なうた
めのレーザセンサ３が含まれている。

【００２４】レーザセンサの構造、機能、測定原理など
は周知であるが、図４、図５を参照して概略を説明して
おく。図４は本実施形態で使用されるレーザセンサの要
部構成を例示したもので、レーザセンサ３の本体部は、
投射部１０と光検出部１３からなる。投射部１０は、レ
ーザ発振器１１とビーム走査用の揺動ミラー（ガルバノ
メータ）１２を備え、光検出部１３は、結像用の光学系
１４と受光素子１５を備えている。

【００２５】一方、レーザセンサ制御部２０は、揺動ミ
ラー１２を揺動させるミラー駆動部２１、レーザ発振器
１１を駆動しレーザビームを発生させるレーザ駆動部２
２、受光素子１５における受光位置に基づいて対象物へ
のレーザビーム５の入射位置（反射点）Ｓを検出する信
号検出部２３が接続されている。これらは回線２４を介
してロボット制御装置３０の汎用インターフェイス３９
（図３参照）に接続されている。

【００２６】レーザセンサ３が、回線２４を介してロボ
ット制御装置３０から動作指令を受けると、レーザ駆動
部２２はレーザ発振器１１を駆動し、レーザビーム５を
発生させる。これと並行して、ミラー駆動部２１により
揺動ミラー１２の揺動が開始される。これにより、レー
ザ発振器１１から発生するレーザビームが対象物面Ｇ上
で走査される。

【００２７】対象物面Ｇ上の反射点Ｓで拡散反射された
レーザビームは、光学系１４により反射点Ｓの位置に応
じて受光素子１５上に像を作る。受光素子１５には、分
割型素子と受光素子である一次元ＣＣＤアレイ、あるい
は非分割型・積分型素子である位置検出検出器（ＰＳ
Ｄ；Position Sensitive Detector ）、あるいは二次元
ＣＣＤアレイを持つＣＣＤカメラなどが使用される。

【００２８】ここでは、受光素子１５として１次元ＣＣ
Ｄアレイが使用されているものとする。受光素子１５の
受光面に当たった光（反射光の像）は電荷に変換され、
そのセルに蓄えられる。セルに蓄積された電荷は、信号
検出部２３からのＣＣＤ走査信号に従って所定周期毎１
番端から順に出力され、信号検出部２３、回線２４を介
してロボット制御装置３０へ送られる。

【００２９】ＣＣＤの走査周期は、搖動ミラー１２の走
査周期よりも十分短く設定（例えば、数１００分の１）
されており、搖動ミラー１２の搖動角度の推移とＣＣＤ
素子出力状態の推移は、随時把握可能となっている。Ｃ
ＣＤ素子出力状態は、出力最大のセル位置（セル番号）
で把握され、反射光の当たったセル位置が検出される。
この位置から、反射点Ｓのセンサ座標系上の位置が求め
られる。

【００３０】図５は、受光素子１５における検出位置ｓ
により、反射点Ｓのセンサ座標系上の位置（Ｘs ，Ｙs
）を求める方法を説明する図である。光学系１４の中
心と受光素子１５の中央点とを結ぶ線上にセンサ座標系
の原点（０，０）があるとし、この線をＹ軸、このＹ軸
に直交する軸をＸ軸とする。

【００３１】そして、センサ座標系の原点から光学系の
中心までの距離をＬ1 、光学系の中心から受光素子１５
の中央点までの距離をＬ2 、センサ原点からＸ軸方向へ
の揺動ミラー１２の揺動中心までの距離をＤ、センサ原
点から揺動ミラー１２の揺動中心までのＹ軸距離をＬ0
、揺動ミラー１２によるレーザビームの反射光のＹ軸
方向に対する角度をθ、受光素子１５の受光面上の受光
位置をｓとする。

【００３２】すると、レーザビーム５の反射点Ｓの座標
位置（Ｘs ，Ｙs ）は、次の各式（２），（３）の演算
で求められる。Ｘs ＝ｓ・［（Ｌ1 −Ｌ0 ）・tan θ＋Ｄ］／（ｘａ＋Ｌ2 ・tan θ）・・・（２）Ｙs ＝［Ｌ1 ・ｓ＋Ｌ2 ・（Ｌ0 ・tan θ−Ｄ）］／（ｓ＋Ｌ2 ・tan θ）・・・（３）センサ座標系で求められた反射点Ｓの位置（Ｘs ，Ｙs
）は、ロボットの姿勢データ並びにキャリブレーショ
ンデータ（センサ座標系とロボット座標系の関係を表わ
すデータ）を用いて、ロボットが認識している座標系
（ここでは、後述する図６に示したワーク座標系Σw Ｏ
−ＸＹＺ）上の３次元データに変換される。レーザビー
ム５の走査サイクル毎に得られる一連のデータ群は、ロ
ボット制御装置３０内のソフトウェア処理によって解析
され、例えば面Ｇ上にレーザビーム走査軌跡の位置（複
数の反射点Ｓの位置から計算）が求められる。

【００３３】次に、図６は本発明を図１に示した事例に
適用する際の全体配置の概略を表わす見取り図である。
同図に示したように、符号１で指示されたロボットの手
先部に、溶接トーチ２とレーザセンサ３が搭載されてい
る。符号５は、溶接トーチ２から繰り出される溶接ワイ
ヤ４の先端位置（トーチ先端）に設定されたロボットの
ツール先端点を表わしている。

【００３４】本図には２層目の溶接の進行中の状態が示
されており、２層目のビードＡ２が途中まで形成されて
いる。レーザセンサ３から投射されたレーザビームＬＢ
は、トーチ先端５よりも先行した領域をセンシングする
ために、隅部を提供する一方のワークＷ１の面Ｈ１（Ｇ
１）、隅部線７に沿って既に形成された１層目のビード
Ａ１、隅部を提供する他方のワークＷ２の面Ｈ２（Ｇ
２）の三者を繰り返し通過するような光点軌跡６ａ，６
ｂ，６ｃを作る。なお、Ｈ１（Ｇ１）及びＨ２（Ｇ２）
の表記は、溶接開始前の面Ｇ１，Ｇ２が溶接開始後には
熱変形で各々移動している可能性があることを表わして
いる（以下、同様とする）。

【００３５】溶接ロボットには、矢印で示したように、
溶接トーチ２を点火した状態で隅部線７に沿って隅部始
端Ｐから隅部終端Ｐ’まで移動する移動経路が教示され
ているものとする。再生運転によって、ロボットはＰ
Ｐ’を教示経路とする移動動作を総層数に等しいＮ回繰
り返すが、実際に実現される毎回の移動経路は、前述し
たように狙い位置の相違によって異なったものとされ
る。ここで重要な事は、狙い位置の相違によって経路を
変える（隅部線７からシフトさせる方向と距離を変え
る）際に、熱変形の影響が考慮されることである。

【００３６】本実施形態では、次のような方式で本発明
を実施する。（１）不揮発性メモリ３４内に、予測される最大総数Ｎ
max に見合った数のレジスタＲＧ１，ＲＧ２・・・ＲＧ
Ｎmax と、レジスタ番号を指定するアドレス指定カウン
タを設定しておく。（２）ｉ番目のレジスタＲＧｉには、ｉ層目の溶接を行
なう際の基準シフト量Δi を予め格納しておく。ここ
で、基準シフト量Δi という呼称は、「熱変形が生じな
い場合に最適と考えられる狙い位置Ｂ１〜Ｂ４」（以
下、「基準狙い位置」と言う。）を隅部線７（レーザセ
ンサ３で検出）の位置を基準とする２次元のシフト量で
表現したものである。（３）基準シフト量Δi は、ロボットに設定済みの直交
座標系Σw （ワーク座標系Ｏ−ＸＹＺ）上で、隅部線７
（教示経路）の位置を基準としたＸ軸方向のシフト量Δ
x と、Ｙ軸方向のシフト量Δy を表わす値を例えばｍｍ
単位で教示操作盤３８の操作によって予め設定する。こ
こで、溶接前のワーク面Ｇ１，Ｇ２の法線方向は各々座
標系Σw のＹ軸、Ｘ軸と平行であるものとする。

【００３７】（４）一例として層総数Ｎ＝４とし、ま
た、基準狙い位置Ｂ１〜Ｂ４を表わす基準シフト量Δ1
〜Δ4 を図７のように設定するものとする。各アドレス
指定カウンタ値１，２，３，４で指定されるレジスタＲ
Ｇ１〜ＲＧ４に記憶されるデータは次のようになる。ＲＧ１；（０，０）ＲＧ２；（０，ｄ）ＲＧ３；（ｄ，０）ＲＧ４；（ｄ，ｄ）（５）１層目〜４層目のいずれにおいても、レーザセン
サ３を用いて隅部線７の位置を検出し、それに基づく位
置補正を伴ったリアルタイムトラッキングを実行する。
このトラッキング補正は、教示経路（隅部線予定位置）
と実際にレーザセンサ３で検出される隅部線７の位置の
ずれを補償するためのものであり、狙い位置を各層溶接
毎に変えるための位置シフトとは別趣旨のものである。
両者はトーチ先端位置の決定に際して加算される関係に
ある。

【００３８】即ち、本実施形態では、「トーチ先端位
置」＝「教示経路上の位置」＋「トラッキング補正量」
＋「狙い位置を定めるためのシフト量」、の関係を以て
ロボット移動時のトーチ先端位置を決定する。そして、
右辺第３項目の「狙い位置を定めるためのシフト量」に
ついては、本発明の技術思想を適用し、ワークの熱変形
を考慮する。

【００３９】（６）上記（５）に記した隅部線７の位置
は、面Ｈ１（Ｇ１），Ｈ２（Ｇ２）の交線の位置を、レ
ーザビーム走査によって面Ｈ１（Ｇ１），Ｈ２（Ｇ２）
に形成される光点軌跡６ａ及び６ｂ（図６参照）が表わ
す２本の直線の交点位置として求める。このような手法
を採用する理由は２つある。一つは２層目以降の溶接時
に隅部線７がビードで隠されいても隅部線位置を推定出
来るようにするためであり、もう一つは面Ｈ１（Ｇ
１），Ｈ２（Ｇ２）の熱変形を知るためである。後者の
検出結果は、リアルタイムで上記（５）の「狙い位置を
定めるためのシフト量」に反映される。

【００４０】（７）光点軌跡６ａ及び６ｂが表わす２本
の直線の交点位置として面Ｈ１（Ｇ１），Ｈ２（Ｇ２）
の交線位置を求めるために、図８に示したように、面Ｈ
１（Ｇ１）及びＨ２（Ｇ２）上で隅部線７の位置から適
当な距離離れた（ビードＡ１等で覆われる可能性が無
い）範囲Ｌ１，Ｌ２を指定し得るパラメータを予め設定
しておく。

【００４１】パラメータとしては、例えば図示したよう
に、レーザビームの全走査角度範囲φfullの両端に一定
の角度範囲を措定するφs が採用出来る。走査角度範囲
両端到達時点から測った時間を指定することも可能せ
る。なお、図８では面Ｇ１のみがＨ１に熱変形した状態
を示したが、面Ｇ２が熱変形していてもこのようなやり
方で範囲Ｌ１，Ｌ２を指定する上で特に問題は生じな
い。

【００４２】（８）面Ｈ１（Ｇ１），Ｈ２（Ｇ２）の熱
変形に応じて狙い位置をどのように変更するかについて
は種々考えられるが、要は熱変形の前後で狙い位置の等
価性がほぼ保たれるような位置を適当な方式で変更して
やれば良い。変更の方式には、種々のものが採用可能で
あるが、ここでは図９を参照して斜交座標系を利用する
方式について説明する。

【００４３】この方式は、面Ｈ１（Ｇ１），Ｈ２（Ｇ
２）について検出された直線（６ａ，６ｂに対応）を熱
変形を表わす２次元斜交座標系の座標軸とみなして基準
ソフト量の設定値Δi を解釈し直すことで、狙い位置を
定める方式で、次のような幾何学的な計算によって狙い
位置を求める。１．図９に示したように、基準ソフト量の任意の設定値
Δi （Δx ，Δy ）を表わす基準狙い位置をＱとした
時、ＱＶを点Ｑから面Ｇ１に降ろした垂線、ＱＵを点Ｑ
から面Ｇ２に降ろした垂線とする。面Ｇ１，Ｇ２をＹ
軸、Ｘ軸に対応させた座標系ｏ−ｘｙを考えれば、Ｖの
ｙ座標値はΔy 、Ｕのｘ座標値はΔx となる。

【００４４】２．図示（誇張描示）したように、面Ｇ
１，Ｇ２が熱変形を起して面Ｈ１，Ｈ２となった時、ｙ
軸、ｘ軸を面Ｈ１，Ｈ２に対応させ斜交座標系Ｏob−ｘ
obｙobを求める。ｘob軸、ｙob軸の位置・方向はレーザ
センサ３で検出され、更にこれからＯobの位置が求めら
れる。なお、熱変形による隅部位置Ｏobの変位は無視出
来るほど小さい（但し、多少の変位があっても本発明の
適用は可能である）。

【００４５】３．ｏobＵob＝ｏＵ（＝Δx ）となるｘob
軸上の点Ｕobを求める。４．ｏobＶob＝ｏＶ（＝Δy ）となるｙob軸上の点Ｖob
を求める。５．３点ｏob，Ｖob，Ｕobを頂点に持つ平行四辺形の残
りの頂点Ｑobを求め、この点を狙い位置とする。前述の
ワーク座標系Ｏ−ＸＹＺ上で表わした斜交座標系の原点
（レーザセンサで検出された隅部線位置）ｏob及び上記
求めた点ＱobのＸ，Ｙ座標値を各々（ｐxob ，ｐyob
），（ｑxob ，ｑyob ）とすれば、熱変形を考慮した
シフト量δi （δix，δiy）は次式（４），（５）で与
えられる。 δix＝ｑxob −ｐxob ・・・（４） δiy＝ｑyob −ｐyob ・・・（５）６．なお、平行四辺形ｏobＵobＱobＶobの対角線ｏobＱ
ob上にｏobＱob（γ）＝γｏobＱobとなる点Ｑob（γ）
を定め、これを狙い位置としても良い。ここでγは隅部
線位置ｏobから測った狙い位置までの距離を調整するた
めの係数で、一般に１に近いが設定される。また、対角
線ｏobＱob上にｏobＱob’＝｜Δi ｜となる点Ｑob’を
定め、これを狙い位置としても良い。

【００４６】以下、これまでに述べた前提の下で、図１
０のフローチャートを参照して多層盛り溶接実行時の処
理内容の概略を説明する。なお、処理はレーザセンサに
よる検出動作とロボットの経路移動に関連したもののみ
を説明し、溶接トーチ等の制御に関連した処理について
は省略する。

【００４７】処理はレジスタＲＧｉを指定するアドレス
指定カウンタ値ｉの初期値を１として開始される。先
ず、レーザセンサ３を起動し（ステップＭ１）、動作プ
ログラムの動作命令文を読み込み、教示点位置Ｐへ向け
てロボットを移動をさせるための処理を開始する（ステ
ップＭ２）。レーザセンサ３により、ワークＷ１，Ｗ２
が検出されたならば（ステップＭ３でイエス出力）、直
ちに前述した走査角度範囲φs で得たレーザセンサ３の
検出データを使って、範囲Ｌ１，Ｌ２（図８参照）に含
まれる適宜点数（少なくとも２個づつ）の位置を求め、
Ｌ１，Ｌ２が表わす直線の位置（方向情報を含む）を求
めてバッファメモリに記憶する（ステップＭ４）。

【００４８】ステップＭ４で求めた直線は、図９に示し
たｙob軸及びｘob軸に対応するものである。なお、レー
ザセンサ３で得られたセンサデータをロボットに設定さ
れた座標系に変換する処理手順（ロボットの現在位置デ
ータと座標系変換データが利用される。）や複数点の位
置のデータからそれらの点で代表される直線を求める処
理手順等は周知なので、詳しい説明は省略する。

【００４９】次に、隅部線７の位置ｏobをステップＭ４
で求めた２本の直線（ｙob軸及びｘob軸）の交点の位置
として求める（ステップＭ５）。そして、求められた隅
部線７の位置ｏobのデータから、教示経路からのずれ量
を補償するためのトラッキング補正量を求めバッファメ
モリに記憶する（ステップＭ６）。

【００５０】次いで、アドレス指定カウンタ値ｉで指定
されるレジスタＲＧｉに格納されている基準位置シフト
量Δi のデータを読み出す（ステップＭ７）。そして、
この読み出された基準位置シフト量Δi のデータ、ステ
ップＭ４，Ｍ５で求められたｘob軸、ｙobの位置／方向
を表わすデータと隅部位置ｏobのデータを用いて、狙い
位置を定めるための位置シフト量δi を計算する（ステ
ップＭ８）。位置シフト量δi の計算内容は前述した通
りである。

【００５１】位置シフト量δi が求められたならば、教
示経路位置＋トラッキング補正量＋位置シフト量δi に
よってロボットの移動目標位置を計算する。計算結果に
基づいて作成された移動指令はサーボ系へ出力される
（ステップＭ９）。

【００５２】ロボットが教示点Ｐ’に到達させるための
処理が完了していない場合には（ステップＭ１０でノー
出力）、ステップＭ４へ戻り、ステップＭ４〜Ｍ１０を
繰り返す。また、ロボットが教示点Ｐ’に到達させるた
めの処理が完了している場合には（ステップＭ１０でイ
エス出力）、ステップＭ１１へ進んでアドレス指定カウ
ンタ値ｉを１アップする。

【００５３】次いで、多層盛り溶接の層総数（ここでは
４層）分の多層盛り溶接が完了したか否かをチェックし
（テップＭ１２）、ノー出力（多層盛り溶接未完了）で
あれば、ステップＭ２に戻って、上記説明した処理サイ
クルを繰り返す。４層分の多層盛り溶接が完了すると、
ステップＭ１２でイエス出力が出されるので、レーザセ
ンサ３やロボットを停止させる処理を経て処理を終了す
る。

【００５４】以上の処理を通して、１層目〜４層目の溶
接時のロボット移動に関し、ロボットのリアルタイムト
ラッキングと並行した形でワークの熱変形を考慮した狙
い位置をリアルタイムに決定しながらロボット経路を定
めていくことが出来る。

【００５５】

【発明の効果】本発明により、２層目以降の隅肉多層盛
り溶接時にもレーザセンサを用いたリアルタイムトラッ
キングを適用しつつ、継ぎ手を構成するワークの熱変形
に応じて狙い位置を変化させながらロボットの移動経路
を定めていくことが出来るようになった。また、そのこ
とを通して熱変形を起し易い条件で行なわれる隅肉多層
盛り溶接の志度を向上さることが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】隅肉部に対する多層盛り溶接について説明する
図である。

【図２】図１に示した例について、熱変形による狙い位
置の狂いを説明する模式図である。

【図３】本発明を実施する際に使用可能なロボット制御
装置を含むシステムの全体構成を説明する要部ブロック
である。

【図４】本実施形態で使用されるレーザセンサの要部構
成を説明する図である。

【図５】レーザセンサの測定原理を説明する図である。

【図６】実施形態における全体配置の概略を表わす見取
り図である。

【図７】実施形態における基準狙い位置Ｂ１〜Ｂ４を表
わす基準シフト量Δ1 〜Δ4 の設定内容について説明す
る図である。

【図８】レーザセンサを用いて面Ｈ１（Ｇ１），Ｈ２
（Ｇ２）の交線位置を求めるためのパラメータ設定につ
いて説明する図である。

【図９】熱変形を考慮したシフト量δi を定める計算手
法について説明する図である。

【図１０】実施形態における多層盛り溶接実行時の処理
内容の概略を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１ロボット手先部２溶接トーチ３レーザセンサ４溶接ワイヤ５トーチ先端位置（ツール先端点）６ａ，６ｂ，６ｃ光点軌跡１０投射部１１レーザ発振器１２揺動ミラー（ガルバノメータ）１３検出部１４結像用の光学系１５受光素子２０レーザセンサ制御部２１ミラー駆動部２２レーザ駆動部２３信号検出部２４回線３０ロボット制御装置３１ＣＰＵ３２ＲＯＭ３３ＲＡＭ３４不揮発性メモリ３５軸制御器３６サーボ回路３７ＬＣＤ３８教示操作盤３９汎用インターフェイス４０ロボット（本体機構部のサーボモータ）５０電源装置Ａ１〜Ａ３溶接ビードＢ１〜Ｂ４（基準）狙い位置Ｃ２（熱変形が考慮された）狙い位置Ｇ１，Ｇ２ワーク面（溶接開始前）Ｈ１，Ｈ２ワーク面（溶接開始後）Ｓ入射位置（反射点）Ｗ１，Ｗ２ワーク

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/127 508 B23K 9/095

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アーク溶接トーチと、レーザセンサと、
前記アーク溶接トーチとレーザセンサを搭載したロボッ
トと、ロボット制御装置を含むシステムを用いて隅肉多
層盛り溶接を行なう隅肉多層盛り溶接ロボットシステム
における制御方法であって、前記ロボットの隅肉多層盛り溶接実行時の経路移動が、
隅部を代表する隅部線の位置検出に基づくトラッキング
動作に並行して、前記隅肉多層盛りの各層の溶接に応じ
た前記アーク溶接トーチの狙い位置が実現されるように
前記ロボットの移動経路をシフト調整して行なわれ、前記隅部線の位置検出が、前記隅部を提供する２つのワ
ーク面の位置を前記レーザセンサを用いて検出し、前記
検出された２つのワーク面の位置に基づいて前記隅部線
の位置を求めることによって行なわれるようにし、更
に、前記移動経路を調整するシフト量が、前記２つのワーク
面の位置の検出結果に基づいて、前記ワーク面の熱変形
に応じて制御されるようにした、前記隅肉多層盛り溶接
ロボットシステムにおける制御方法。
【請求項２】熱変形の無い前記ワーク面に対する前記
移動経路のシフト量が基準シフト量として予め前記シス
テムに設定されており、前記設定された基準シフト調整量を前記２つのワーク面
の位置の検出結果に基づいて新たなシフト調整量に変換
することにより、前記ワーク面の熱変形に応じて前記移
動経路のシフト量が制御されるようにした、請求項１に
記載の隅肉多層盛り溶接ロボットシステムにおける制御
方法。
【請求項３】前記基準シフト量が、前記隅部線位置を
基準とした２次元基準シフト量として予め前記システム
に設定されており、前記設定された２次元基準シフト調整量を前記２つのワ
ーク面の位置の検出結果に基づいて新たな２次元シフト
量に変換することにより、前記ワーク面の熱変形に応じ
て前記移動経路のシフト量が制御されるようにした、請
求項１に記載の隅肉多層盛り溶接ロボットシステムにお
ける制御方法。
【請求項４】前記２次元基準シフト調整量を、前記２
つのワーク面の位置を表わす２本の直線を座標軸として
構成される斜交座標系上で表現された値として読み換え
ることにより、前記新たな２次元シフト量への前記変換
が行なわれるようにした、請求項３に記載の隅肉多層盛
り溶接ロボットシステムにおける制御方法。
【請求項５】前記２次元基準シフト調整量を、前記２
つのワーク面の位置を表わす２本の直線を座標軸として
構成される斜交座標系上で表現された値として読み換
え、更に前記検出された隅部線位置からの距離調整を含
むように修正することにより、前記新たな２次元シフト
量への前記変換が行なわれるようにした、請求項３に記
載の隅肉多層盛り溶接ロボットシステムにおける制御方
法。