(57)【要約】【課題】ウィービング動作に特徴がある溶接ロボット及び溶接方法に関し、ウィービング動作に伴うトーチと被溶接部材との干渉によって予定した軌跡でのウィービング動作が行われないことによる溶接品質の低下やトーチ先端の損傷を避ける技術手段を得る。【解決手段】ウィービング動作に基づくトーチ先端と被溶接部材との干渉を避けるための補正角θｂを溶接ロボットの制御器に設定する。溶接ロボットの制御器は、ウイービング座標上でのＹｗ軸回りの補正角θ＝θｂsinωｔを算出し、Ｙｗ軸回りにθだけトーチを揺動させて次の微小時間後のトーチ姿勢とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウィービング動作を伴う溶接において、溶接トーチと被溶接部材との機械的干渉が生じるときに当該干渉を避ける方向にトーチ先端を傾斜させることを特徴とする、溶接におけるウィービング動作の制御方法。
【請求項２】
指定されたウィービング動作を行ったときにトーチ装着部に装着した溶接トーチと被溶接部材との機械的干渉が生じるときに当該干渉を避けるための補正角θｂを設定する補正角設定手段と、ウイービング動作の振幅最大時に前記トーチ装着部を当該干渉を避ける方向に前記補正角傾斜するように当該ウィービングの振幅方向の移動量に応じてトーチ装着部を傾斜させる干渉防止手段とを備えている、溶接ロボット。
【請求項３】
振幅Ｗｂ及び周波数ｆないし角速度ωを設定し、溶接開始からの経過時間をｔとしてＷｂsinωｔでウィービング動作を行う溶接ロボットにおいて、
前記干渉防止手段がトーチ装着部をθｂsinωｔで演算される角度で傾斜させる、請求項２記載の溶接ロボット。
【請求項４】
設定された微小時間間隔でトーチ先端の次の移動先位置とトーチ姿勢とを演算してトーチ装着部の位置及び姿勢を制御する制御器を備えた溶接ロボットにおいて、
前記次の移動先位置とトーチ姿勢とが演算されたときに、
前記干渉防止手段が、トーチ先端の進行方向をＹｗ、ウィービングの振幅方向をＸｗとするウイービング座標上で前記Ｙｗ軸回りの角度θ＝θｂsinωｔを演算し、前記トーチ姿勢をウィービング座標系に変換して、Ｙｗ軸回りに前記角度θだけトーチ装着部を傾斜させ、当該傾斜後のトーチ姿勢を次の微小時間後のトーチ姿勢としてトーチ装着部の次の微小時間後の位置及び姿勢を制御することを特徴とする、請求項３記載の溶接ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ウィービング動作に特徴がある溶接ロボット及び溶接方法に関するもので、深い開先を設けた被溶接物（ワーク）の溶接を行う際のウィービング動作に特徴がある溶接ロボット及び溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大型構造物の溶接は、通常、仮溶接されたワークを保持してワーク姿勢を適時変換するポジショナーと溶接ロボットとを用いて行われる。一般的な溶接ロボットは、図３に示すような多関節型のロボットで、ベース４７とそのアームの先端に装着されたトーチ１との間に６箇所の関節部（旋回又は揺動可能に連結された部分）を備えており、三次元空間内におけるトーチ１の先端（正確にはワイヤの先端）の位置と、当該位置におけるトーチの姿勢（三次元方向の角度）とをティーチングやＣＡＤデータに基づいて制御して、指定された溶接線に沿ってトーチ１を走行させる。
【０００３】
溶接ロボットは、ロボット自体の三次元座標（ベース座標ＸＹＺ）上での溶接ワイヤの先端の位置ｘｙｚと、ベース座標における溶接ワイヤの先端の向き（以下「トーチ姿勢」という。）ｎｏａでトーチの動きを制御している。ここでトーチ姿勢を示すｎ、ｏ及びａは、単位長さの溶接ワイヤの軸心のベース座標上におけるＸ、Ｙ及びＺ軸方向の長さ（ＹＺ平面、ＺＸ平面及びＸＹ平面への投影長さ）である。
【０００４】
なお、溶接ワイヤのトーチ先端からの突出長さなどは、予め制御器に登録してあり、制御器は、その突出長さとトーチ姿勢からトーチ先端と溶接ワイヤ先端との位置関係が分り、トーチ姿勢とトーチ本体の向きとの関係も分かるから、これらの値を補正して、トーチ先端の位置やトーチ本体の姿勢を設定することにより、ワイヤ先端の位置と方向を設定している。
【０００５】
アーク溶接においては、ワークの溶接線に沿うトーチの１回の走行（パス）で溶着できる厚さには限りがあるため、大型構造物の板厚の厚い部材相互を溶接する場合など、溶接部分に開先を設けて複数回のパスで溶接を行う。この場合、開先を設けた部分には、互いに溶着される部材相互の間にある程度の幅の開口が形成されるので、溶接ビードでこの開口を埋める必要があり、幅広い肉盛を行うためにワイヤ先端を溶接線の方向（トーチの進行方向）と直交する開先の幅方向に往復動させるウィービング動作が行われる。
【０００６】
ウィービング動作は、図４に示すように、溶接開始位置にベース座標ＸＹＺの原点を合わせ、溶接線ＬのＸＹ平面への投影線がＹ方向となるようにＺ軸回りに座標軸を回転させ、次に当該回転後のＸ軸（Ｘｗ軸）回りに座標軸を回転させて当該回転後のＹ軸（Ｙｗ軸）を溶接線Ｌの溶接進行方向と一致させて得られるウィービング座標ＸｗＹｗＺｗ上でワイヤ先端をＸｗＹｗ平面（以下、「ウィービング面」と言う。）上で蛇行（一般的にはサインカーブ）させながらＹｗ方向に移動させる動作である。
【０００７】
良好な溶接を行うには下向き溶接が望ましいため、ワークを保持しているポジショナーは、下向き溶接が実現されるように、ワークの向きを設定する。従って、トーチ下向きかつ溶接線が水平な場合には、ウィービング面とベース座標のＸＹ平面とは平行である。ウイービング面がＸＹ平面に対して傾斜しているときは、ウィービング面のＹｗ軸回りの傾斜角を指定することにより、ウィービングの幅方向（Ｘｗ方向）を設定する。
【０００８】
ウィービング動作は、その振幅Ｗｂと角速度ωなどによって与えられる周期を数値入力することにより、溶接ロボットの制御器に設定される。溶接ロボットの制御器は、ウィービングを含む次の微小時間後のワイヤ先端の位置をウィービング座標系からベース座標系に変換して、ワイヤ先端の移動目標値とすることにより、溶接ロボットにウィービングを含む溶接動作を行わせる。すなわち、
（１）溶接線に沿うトーチの移動方向及び速度（移動ベクトル）から、ベース座標上での次の微小時間後のワイヤ先端の移動目標位置ｘｙｚｎｏａを算出する。
（２）ウィービング動作指令から、サイン波のウィービング相対量（ウィービング動作を行わせるための成分）Ｗｘ、Ｗｙ、Ｗｚを算出し、それらを前記ｘｙｚ値に加える。
という手順で、微小時間後のトーチの移動先を演算している。
【０００９】
ウィービングは、図５に示すように、トーチ姿勢を変更することなく、すなわちトーチ１の角度を変更することなくトーチをウィービング座標系におけるＸｗ方向に平行移動させる動作で行われるが、例えば図６に示すように、ワイヤ２を例えばトーチ本体の先端を中心としてウィービング座標系のＹｗ軸回りに直線揺動（ワイヤ先端が直線上を往復動する揺動を言う。以下同じ。）させて行わせることもできるが、一般的ではない。
【００１０】
下記特許文献１には、溶接ロボットの関節部の動きを最小限にするようにウィービング動作させる技術が提案されており、この場合には、図５に示す平行ウィービングと、図６に示す直線揺動ウィービングとが合成された態様でウィービング動作が行われると考えられる。溶接トーチ１のＸｗ軸回りの角度は、アークの安定性の点からＹｗに直角の方向とされるのが普通であるが、溶接開始位置や溶接終了位置においては、例えば特許文献２に示されているように、トーチ先端とタブとの衝突を避けるために、トーチをＸｗ軸回りに傾斜させて溶接を行うこともある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５‐２１９７１号公報
【特許文献２】特開平６‐２３４０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した従来のウィービング動作では、平行ウィービング、直線揺動ウィービング及び特許文献１で提案されているようなウィービング動作を含めて、ウィービングを行わせることによるトーチ先端とワークとの干渉は、何ら考慮されていない。溶接される部材３１、３２の肉厚が厚くなると、開先３３の深さも深くなり、開先の底の方の溶接を行うときに、トーチ先端１１が開先内に入り込むということが起り、ウィービングをさせたときに、トーチ先端と被溶接部材３１、３２とが干渉することがある。
【００１３】
このような干渉が起った場合、溶接動作が停止することは殆どなく、トーチ先端の動きが被溶接部材により規制されて、所望のウィービング動作が行われないまま溶接が行われるのが普通である。このようなトーチ先端１１と被溶接部材３１、３２との干渉は、図５に示す平行ウィービングの場合のみでなく、図６に示す直線揺動ウィービングや特許文献１で提案されているウィービングの場合にも起りうるものである。
【００１４】
このようなトーチ先端と被溶接部材との干渉は、通常はサインカーブを描くように設定されるウィービング動作のサインカーブの山の頂部分で生ずるので、干渉が軽微であれば、溶接品質に殆ど問題は生じない。しかし、干渉量が大きいと、ワイヤ先端の軌跡が正規の軌跡からずれてくるため、溶接品質に問題が生ずる。このような干渉は、平行ウィービングであれば、トーチ先端からのワイヤの突き出し長さを長くすれば避けることができるが、アークが不安定となり、溶接品質の低下を招くおそれがあるため、望ましくない。
【００１５】
更に近時においては、アークセンサでアークの状態を見ながらアークが適切な方向に飛ぶようにトーチ先端をウィービング座標系におけるＸｗ方向に位置修正して溶接を行う技術も実用されており、そのような技術を採用した場合、オペレータが予定した振れ幅以上にトーチ先端がＸｗ方向に振れるということが起り、トーチ先端と被溶接部材との干渉が起る可能性が高くなる。
【００１６】
この発明は、ウィービング動作に伴うトーチと被溶接部材との干渉によって予定した軌跡でのウィービング動作が行われないことによる溶接品質の低下やトーチ先端の損傷を避ける技術手段を得ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明は、溶接途中におけるウィービング動作に基づくトーチ先端と被溶接部材との干渉を避けるための補正角θｂを溶接ロボットの制御器に設定することにより、トーチ先端と被溶接部材との干渉による溶接品質の低下を防止したものである。
【００１８】
補正角θｂは、ウィービング動作の振幅最大位置におけるトーチ進行方向の軸回りのトーチ角度の補正値で、元のウィービング動作が平行ウィービングであれば、ウィービングの最大振幅位置におけるトーチの上部を開先の幅方向内側に倒すように直線揺動させる角度であり、元のウィービング動作が直線揺動ウィービングであれば、ウィービングの振幅最大位置におけるトーチ進行方向の軸回りのトーチ角度を減少させる方向にトーチを直線揺動させる角度である。ウィービング動作の振幅途中における補正角θは、θｂsinωｔとする。また、θｂを０に設定すれば、元のウィービング動作である従来のウィービング動作で溶接が行われることとなる。
【００１９】
設定される補正角θｂは、ウィービング座標系で、振幅最大時にトーチ先端から突出するワイヤの軸心をＺｗＸｗ平面に投影した線とＺｗ軸とが成す角度の補正成分である。溶接ロボットは、元のウィービング動作に前記補正角θによる補正分を加味してベース座標系におけるワイヤ先端の位置座標ｘｙｚ及びトーチ姿勢ｎｏａを演算する。
【００２０】
すなわち、溶接ロボットの制御器は、
（１）溶接線に沿うトーチの移動方向及び速度（移動ベクトル）から、ベース座標上での次の微小時間後のワイヤ先端の移動目標位置［ｘｙｚｎｏａ] を算出する。
（２）ウィービング動作指令から、サイン波のウィービング相対量（ウィービング動作を行わせるための成分）Ｗｘ、Ｗｙ、Ｗｚを算出し、それらを前記ｘｙｚ値に加えて次の微小時間後のワイヤ先端の目標位置とする。
（３）ウイービング座標上でのＹｗ軸回りの補正角θ＝θｂsinωｔを算出する。
（４）（１）で算出したトーチ姿勢ｎｏａをウィービング座標系に変換して、Ｙｗ軸回りにθだけトーチを揺動させる。
（５）（２）で算出したＷｘ、Ｗｙ、Ｗｚを加えた後のｘｙｚ値と揺動後のトーチ姿勢ｎｏａとを次の微小時間後のワイヤ先端の目標位置及びトーチ姿勢とする。
（６）当該目標位置にワイヤ先端を移動させると共にトーチ姿勢を目標姿勢にする。
（１）〜（６）の動作を微小時間間隔で繰り返す。
【発明の効果】
【００２１】
この発明により、従来方法によるウィービング動作の指令や溶接動作のティーチング方法を変更することなく、極めて簡単に溶接中におけるトーチ先端と被溶接物の干渉を回避して、より高品質の自動溶接が可能になるという効果がある。この効果は、補正前のウィービング動作が平行ウィービングであるか、直線揺動ウィービングであるか、あるいはそれらを複合したウィービングであるかに関わりなく、従来の夫々のウィービング動作の指令を適用した上で、トーチと被溶接部材との干渉を避けることができ、従来方法におけるウィービング動作の利点を損なうことなく、また、従来方法におけるウィービング動作の指令方法を変更することなく、トーチと被溶接部材の干渉による溶接品質の低下を防止できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】平行ウィービングにおける補正前（ａ）と補正後（ｂ）のトーチ先端の動作を示す説明図
【図２】直線揺動ウィービングにおける図１と同様な図
【図３】溶接ロボットを用いた溶接作業を模式的に示す図
【図４】ウィービング座標系と当該座標上でのウィービング動作を示す図
【図５】平行ウィービングにおけるトーチ先端と部材の干渉を説明する図
【図６】直線揺動ウィービングにおける図４と同様な図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図３は、溶接ロボットを用いた溶接作業を示した図で、３はワークである。ワーク３は、溶接される構成部材（被溶接部材）３１、３２相互を仮溶接した構造物で、図示しないポジショナーで支持されている。図の溶接ロボット４は、多関節型のロボットで、鉛直軸回りに旋回する本体４１に第１アーム４２が上下方向に揺動自在に接続され、第１アーム４２の先端に第２アーム４３が上下方向に揺動自在かつ軸回りに回動自在に接続され、第２アーム４３の先端に回転及び揺動自在にトーチホルダ４４が装着され、当該トーチホルダ４４にトーチ１が取り付けられている。
【００２４】
制御器４５は、溶接ロボット４の旋回角、揺動角及び回動角を制御して、所定のトーチ姿勢を保持しながら、トーチ先端から突出するワイヤ２の先端を所定の溶接線Ｌに沿って移動させる。溶接線Ｌの位置や方向は、例えばティーチングによる場合には、オペレータが溶接線Ｌの始点と終点の座標及びその間の溶接線の軌跡（直線、円弧など）を制御器に入力することにより行われる。
【００２５】
ティーチングによって制御器４５に記憶させる動作は、ウィービングを含まない動作である。ウィービング動作はその振幅Ｗｂや角速度ω又は周波数ｆ（＝１／ω）を制御器から数値入力することによって指定される。制御器４５は、ティーチングにより教示されたトーチの移動方向（図４のＹｗ方向）にトーチを移動させながら図４のＸｗ方向にＷ＝Ｗｂsinωｔで与えられるウィービング動作を行わせる。
【００２６】
オペレータは、上記のようなティーチングとウィービング動作の指令をした後、実際の溶接を開始する前に溶接ロボット４を動作させる。このとき前述したように制御器４５は、
（１）溶接線に沿うトーチの移動方向及び速度（移動ベクトル）から、ベース座標上での次の微小時間後のワイヤ先端の移動目標位置［ｘｙｚｎｏａ] を算出し、
（２）ウィービング動作指令から、サイン波のウィービング相対量（ウィービング動作を行わせるための成分）Ｗｘ、Ｗｙ、Ｗｚを算出し、それらを前記ｘｙｚ値に加えて、
（３）演算した次の微小時間後のトーチの移動先へワイヤ先端を移動させる、
という手順を繰り返すことにより、ウィービングを伴う溶接動作を実現する。オペレータは、このときのトーチ先端の動きを確認して、トーチ先端と被溶接部材３１、３２の干渉が認められたら、その干渉を避けるのに必要と考えられる補正角θｂを制御器４５に入力する。
【００２７】
補正角θｂが入力されると、制御器４５は、補正を含む処理でワイヤ先端の位置とトーチ姿勢を制御する。すなわち、ワイヤ先端がベース座標上で次の微小時間後に移動する目標位置ｘｙｚと当該目標位置でのトーチ姿勢ｎｏａ及びサイン波のウィービング相対量Ｗｘ、Ｗｙ、Ｗｚを上記（１）（２）の従来手段で算出した後、
（３）ウイービング座標上でのＹｗ軸回りの補正角θ＝θｂsinωｔを算出し、
（４）（１）で算出したトーチ姿勢ｎｏａをウィービング座標系に変換して、Ｙｗ軸回りにθだけトーチを揺動させ、
（５）（２）で算出したＷｘ、Ｗｙ、Ｗｚを加えた後のｘｙｚ値と揺動後のトーチ姿勢ｎｏａとを次の微小時間後の目標位置及び姿勢として、
（６）当該目標位置にワイヤ先端を移動させると共にトーチ姿勢を目標姿勢にする、という、（１）〜（６）の動作を微小時間間隔で繰り返す。
【００２８】
この制御により、平行ウィービングの場合は、図１の（ａ）の補正前のトーチ先端の動作が同図（ｂ）に示すように、ウィービングの最大振幅の位置でトーチが補正角θｂだけ内側に、すなわちトーチ上方がウィービング幅の内側（開先の内側）になる方向に傾斜して溶接が行われる。また、直線揺動ウィービングの場合は、図２（ａ）に示す補正前のトーチの姿勢が同図（ｂ）で示すように、補正角θｂだけ立った状態（ウィービング座標系におけるＸｗＹｗ平面に垂直に近い状態）になる。
【００２９】
すなわち、補正角θｂは、平行ウィービングの場合はプラスの値として、揺動ウィービングの場合はマイナスの値として指定される。補正角θｂをプラスの値として入力するかマイナスの値として入力するかは、テスト走行におけるトーチ先端がどこでどの部材と干渉したかによって決定できる。
【００３０】
補正角θｂを入力した後、オペレータは再びトーチ１をテスト走行させ、干渉が回避されていることを確認した上で本来の溶接作業に入る。以上のようにして溶接を行うことにより、溶接ロボットによる自動溶接中に溶接トーチと被溶接部材とが干渉して、溶接品質が低下したりトーチ先端が損傷する事態を避けることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  トーチ
３  ワーク
４  溶接ロボット
３１，３２  被溶接部材
３３  開先
４５  制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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