(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークと溶接トーチとの相対位置および姿勢を空間３軸で制御して溶接を行なう自動溶接機で、溶接トーチにレーザ変位計を付設して開先位置を検出する開先検出方法であって、ワークの溶接開始位置側で、ワークを構成する母材の表面もしくは開先交線を前記空間３軸のうちの１軸に略直交させるように配置し、レーザ変位計を前記ワークを構成する一方の母材に向け、レーザ変位計による検出を行ないながら母材が検出されるまで移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、レーザ変位計を所定の角度回転させて母材に対するレーザ変位計の姿勢を確認し、空間３軸におけるその位置の座標を記憶し、レーザ変位計を他方の母材に向け、レーザ変位計による検出を行ないながら母材が検出されるまで移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、母材に対するレーザ変位計の姿勢を確認し、空間３軸におけるその位置の座標を記憶するとともに、レーザ変位計と前記他方の母材との距離を維持した状態で、レーザ変位計をワークの溶接終了位置側へ所定の距離移動させた後、レーザ変位計を前記一方の母材に向けて所定の角度回転させるとともに、レーザ変位計を前記他方の母材に沿って移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位置の座標を記憶して、記憶された各座標位置から溶接線の３次元位置を算出することを特徴とする自動溶接機における開先検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接ロボットを用い、予め定められた作業内容を再生動作するようにした自動溶接機における開先検出方法にかかり、特に、溶接線の３次元位置を検出し、予め教示された溶接線を補正するの好適な開先検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
予め定められた作業内容を再生動作するようにした自動溶接機における溶接作業において、良好な溶接結果を得るためには、溶接トーチをワークの開先位置に正確に位置決めして溶接を行うことが必要である。しかし、溶接するワークの寸法のバラツキ、あるいは自動溶接機に対するワークの取付け位置のバラツキなどにより、開先位置は必ずしも一定にはならない。
【０００３】
そこで、特開平２−９２４５８号公報に開示された開先位置検出方法が提案されている。この開先検出方法においては、比較的大きな間隔でステッキセンシングを行って開先位置を検出した後、開先内で比較的小さな間隔でステッキセンシングを行い開先線の交点を検出するようにしている。
【０００４】
このような開先検出方法においては、多種類の継ぎ手形式の開先の検出を行うことができ、しかも、ワークの取付け状態にかかわらず開先内外の判断を行うことができるので、開先の交点を正確に検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ステッキセンシングでは溶接トーチを、比較的粗い間隔で、突き合わされた母材と平行な方向への移動と、垂直な方向への移動を行い開先の位置を検出した後、開先内を比較的細かい間隔で母材と平行な方向への移動と、垂直な方向への移動を行い溶接開始位置を検出するように、検出操作を繰返し行うため時間がかかり、作業能率を低下させることがある。
【０００６】
上記の事情に鑑み、本発明の目的は、より短時間で開先の３次元位置の検出が行えるようにした自動溶接機における開先検出方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、ワークと溶接トーチとの相対位置および姿勢を空間３軸で制御して溶接を行なう自動溶接機で、溶接トーチにレーザ変位計を付設して開先位置を検出する開先検出方法であって、ワークの溶接開始位置側で、ワークを構成する母材の表面もしくは開先交線を前記空間３軸のうちの１軸に略直交させるように配置し、レーザ変位計を前記ワークを構成する一方の母材に向け、レーザ変位計による検出を行ないながら母材が検出されるまで移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、レーザ変位計を所定の角度回転させて母材に対するレーザ変位計の姿勢を確認し、空間３軸におけるその位置の座標を記憶し、レーザ変位計を他方の母材に向け、レーザ変位計による検出を行ないながら母材が検出されるまで移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、母材に対するレーザ変位計の姿勢を確認し、空間３軸におけるその位置の座標を記憶するとともに、レーザ変位計と前記他方の母材との距離を維持した状態で、レーザ変位計をワークの溶接終了位置側へ所定の距離移動させた後、レーザ変位計を前記一方の母材に向けて所定の角度回転させるとともに、レーザ変位計を前記他方の母材に沿って移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位置の座標を記憶して、記憶された各座標位置から、溶接線の３次元位置を算出するようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２は、本発明における開先検出方法を示すフローチャート。図３は、アーク溶接ロボットを用いた自動溶接機の構成図。図４は、図３における溶接トーチ部の拡大図。図５、図６は、開先検出のためのレーザ変位計の移動状態を示す図。図７は、レーザ変位計の出力特性図。図８は、ワークに対するレーザ変位計の傾きを示す図である。
【０００９】
図３において、４は多関節型のアーク溶接ロボットで、その手首部５には、溶接ワイヤ３が供給される溶接トーチ６が取り付けられている。７はロボット制御盤で、アーク溶接ロボット４を制御し、溶接トーチ６の位置と姿勢を空間３軸で制御する。
【００１０】
８はティーチングボックスで、予め定められた作業内容をアーク溶接ロボット４に教示する際に、溶接トーチ６の移動経路、姿勢などを指示したり、あるいは手動で移動される溶接トーチ６の移動経路、姿勢を検出してロボット制御盤７の記憶装置に登録する。
【００１１】
１０はコントローラで、溶接トーチ６の付設された検出装置への電源供給や、検出装置からの検出信号の増幅を行なう。１１はコントロールユニットで、検出装置の検出信号に基づいて、検出装置の位置、角度などの設定、修正を行なう。
【００１２】
１３はポジショナで、アーク溶接ロボット４と対向するように配置され、ワーク１２を、その表面もしくは開先交線が空間３軸の内の１軸と略直交するように支持し固定する。
【００１３】
図４において、１４は取付治具で、溶接トーチ６に固定されている。１５は駆動装置で、取付治具１４に固定されている。１６は駆動軸で、駆動装置１５から突出している。９は検出装置としてのレーザ変位計で、その測定軸が溶接トーチ６の溶接方向と平行になるように駆動軸１６に固定されている。１７はシャッタで、レーザ変位計９の前面を覆い、溶接作業時にレーザ変位計９をスパッタから保護するように、前記駆動装置１５に回動可能に支持されている。
【００１４】
上記の構成において、ワーク１２の開先を検出する手順を、図１、図２および図４ないし図８に基づいて説明する。
まず、ポジショナ１３にワーク１２を所定の姿勢で固定し、溶接開始位置から終了位置まで、溶接線に沿って通常の教示をおこなう。
【００１５】
ついで、開先検出のために必要な諸データを教示する。
【００１６】
（ａ）図５に示すように、溶接開始位置Ｐｆにおいて、ワーク１２の予測されるずれを考慮して、レーザ変位計９を、開先検出のための待機位置Ｐ０、検出開始位置Ｐ１に移動させ、各位置の空間３軸における座標ｘ、ｙ、ｚを設定する。
【００１７】
（ｂ）検出開始位置Ｐ１から検出動作を行う方向を設定する（ワーク１２を構成する一方の母材Ａに近接する方向と、他方の母材Ｂに近接する方向）。
【００１８】
（ｃ）検出する継手の形状を設定する（レ字形継手、Ｖ字形継手の場合には、その幅および深さも設定する）。
【００１９】
（ｄ）検出のためのトーチの移動距離ｌを設定する。
【００２０】
なお、前記座標ｘ、ｙ、ｘは、図５に示すように、たとえば、ｘ軸は直交する一方の母材Ｂと平行な方向、ｙ軸は他方の母材Ａと平行な方向、ｚ軸は開先線と平行な方向として設定している。
【００２１】
ポジショナ１３にワーク１２を取り付けた後、検出開始指令を与える。すると、アーク溶接ロボット４が作動して、図５に示すように、レーザ変位計を待機位置Ｐ０へ位置決めする（ステップＳ１）。ついで、レーザ変位計を、検出開始位置Ｐ１へ移動させた後、検出開始位置Ｐ１から所定の速度で母材Ａに向けて移動させる（ステップ２）。レーザ変位計の移動開始とともに、レーザ変位計の検出動作を開始させる（ステップＳ３）。
【００２２】
レーザ変位計が移動している間、レーザ変位計が母材Ａを検出可能な位置に到達したか否かを判定する（ステップＳ４）。レーザ変位計が母材Ａの検出可能な距離ｌ１に到達し、レーザ変位計の出力が図７のＶ１からＶ２に変化したら、レーザ変位計を停止させる。この時、レーザ変位計が比較的早い速度（Ｓｈ）で作動している場合、ロボット制御盤内の信号処理の遅れ、アーク溶接ロボットの慣性などにより、図５に示すように、レーザ変位計が出力Ｖ２を検出した位置Ｐ２より母材Ａ側に行き過ぎて停止する。
【００２３】
この行き過ぎ量を、母材Ａが検出可能で、母材Ａから最も離れた位置Ｐ２での出力（Ｖ２）と、レーザ変位計が停止したときの出力とを比較することにより算出し（ステップＳ５）、算出された距離だけレーザ変位計を母材Ａから離れる側に戻す（ステップＳ６）。
【００２４】
レーザ変位計の検出動作している状態で、レーザ変位計をワークを構成する母材Ａと母材Ｂに直交する面内で所定角度（たとえば、現在の位置を中心として±９０度）回動させる（ステップＳ７）。そして、レーザ変位計の回動角度とともに、レーザ変位計の出力の変化を検出し、位置Ｐ２でレーザ変位計の出力がＶ２になる点が２点あるか否かを判定する（ステップＳ８）。
【００２５】
もし、位置Ｐ２でレーザ変位計を回動させたとき、図８に示すように、レーザ変位計の出力がＶ２になる点ｐ２が２点あれば、母材Ａの表面に対してレーザ変位計が傾斜した状態で検出していることを示すことになる。
【００２６】
レーザ変位計の出力がＶ２になる点ｐ２が２点ある場合には、アーク溶接ロボットにより、レーザ変位計の角度を調整する（ステップＳ９）。そして、レーザ変位計をスタートポイントに戻し前記ステップＳ２から検出をやりなおす。
【００２７】
レーザ変位計の出力がＶ２になる点ｐ２が１点のみの場合、図６に破線で示すように、駆動装置によって、レーザ変位計９をトーチの軸心周りに９０度に回転させる（ステップＳ１０）。レーザ変位計９を検出状態にしたまま左右方向に±９０度旋回させる。（ステップＳ１１）。そして、レーザ変位計９の回動角度とともに、レーザ変位計９の出力の変化を検出し、位置Ｐ２でレーザ変位計の出力がＶ２になる点が２点あるか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００２８】
出力がＶ２になる点ｐ２が２点ある場合には、アーク溶接ロボットにより、レーザ変位計の角度を調整する（ステップＳ１３）。レーザ変位計の出力Ｖ２が一点になったとき、その位置Ｐ２（母材Ａからの距離ｌ１）の座標ｘ、ｙ、ｚを検出、記憶する（ステップＳ１４）。
【００２９】
レーザ変位計９を母材Ｂ側に向けて回動させる（ステップＳ１５）。このとき、たとえば、母材Ａと母材Ｂの突合せ角が１８０度以下の場合、（１８０−母材Ａ、Ｂの突合せ角）だけ回動させる。そして、母材Ａとの間隔と一定に保ちながら、母材Ｂに向けて移動させる（ステップＳ１６）。レーザ変位計が移動している間、レーザ変位計が母材Ｂを検出可能な位置に到達したか否かを判定する（ステップＳ１７）。
【００３０】
レーザ変位計が母材Ｂの検出可能な距離に到達し、レーザ変位計の出力が、図７のＶ１からＶ２に変化したら、レーザ変位計を停止させる。この時、レーザ変位計が比較的早い速度で作動していた場合、ロボット制御盤内の信号処理の遅れ、アーク溶接ロボットの慣性などにより、レーザ変位計が出力Ｖ２を検出した位置Ｐ３より母材Ｂ側に行き過ぎて停止する。
【００３１】
この行き過ぎ量を、母材Ｂが検出可能で、母材Ｂから最も離れた位置での出力（Ｖ２）と、レーザ変位計が停止したときの出力とを比較することにより算出する（ステップ１８）。算出された距離だけ、レーザ変位計を戻す（ステップＳ１９）。
【００３２】
前記ステップ７と同様に、レーザ変位計の検出動作している状態で、レーザ変位計をワークを構成する母材Ａと母材Ｂに直交する面内で所定角度（たとえば、現在の位置を中心として±９０度）回動させる（ステップＳ２０）。そして、前記ステップ８と同様に、レーザ変位計の回動角度とともに、レーザ変位計の出力の変化を検出し、位置Ｐ３でレーザ変位計の出力がＶ２になる点が２点あるか否かを判定する（ステップＳ２１）。
【００３３】
レーザ変位計の出力がＶ２になる点ｐ３が２点ある場合には、アーク溶接ロボットにより、レーザ変位計の位置を調整する（ステップＳ２２）。レーザ変位計の出力Ｖ２が一点になったとき、その位置Ｐ３（母材Ａからの距離ｌ２）の座標ｘ、ｙ、ｚを検出、記憶する（ステップＳ２３）。レーザ変位計を初期状態に戻す（ステップ２４）。
【００３４】
上記の操作を、母材Ａ、Ｂの溶接開始位置Ｐｆ側および終了位置Ｐｅ側で行いそれぞれ位置Ｐ２、Ｐ３の座標を記憶する。そして、このようにして記憶された位置Ｐ２、Ｐ３の座標から、溶接開始位置Ｐｆおよび終了位置Ｐｅにおける開先の座標を算出し、予め教示されている溶接経路を検出結果に基づいて補正して、母材Ａ、Ｂに体する溶接経路を設定する。
【００３５】
溶接トーチとレーザ変位計の位置関係に基づいて、溶接トーチを開先位置Ｐｆへ位置決めする（ステップＳ２４）。
【００３６】
このようにして、溶接トーチ６をワーク１２の開先の溶接開始位置に位置決めしたら、溶接トーチ６の先端から溶接ワイヤ３を所定量突出させるとともに、溶接電源を作動させ、ワーク１２の溶接を開始する。
【００３７】
なお、上記の実施の形態においては、溶接継ぎ手が下向きすみ肉の場合について説明したが、開先形状がＶ型あるいはレ型であっても、同様に開先検出を行なうことができる。
【００３８】
また、上記の実施の形態においては、アーク溶接ロボット４側を動かして開先を検出する場合について説明したが、ポジショナ１３側を動かして開先を検出する場合にも、同様に適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本願の第１の発明によれば、ワークと溶接トーチとの相対位置および姿勢を空間３軸で制御して溶接を行なう自動溶接機で、溶接トーチにレーザ変位計を付設して開先位置を検出する開先検出方法であって、ワークの溶接開始位置側で、ワークを構成する母材の表面もしくは開先交線を前記空間３軸のうちの１軸に略直交させるように配置し、レーザ変位計を前記ワークを構成する一方の母材に向け、レーザ変位計による検出を行ないながら母材が検出されるまで移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位置の座標を記憶するとともに、母材に対するレーザ変位計の姿勢を確認した後、レーザ変位計を所定の角度回転させて他方の母材に向け、レーザ変位計による検出を行ないながら母材が検出されるまで移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位置の座標を記憶するとともに、レーザ変位計と前記他方の母材との距離を維持した状態で、レーザ変位計をワークの溶接終了位置側へ所定の距離移動させた後、レーザ変位計を前記一方の母材に向けて所定の角度回転させるとともに、レーザ変位計を前記他方の母材に沿って移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位置の座標を記憶して、記憶された各座標位置から、予め教示された溶接線の３次元位置を補正するようにしたので、自動溶接機における開先位置のずれによる溶接の不具合を無くすことができる。また、開先検出時間を短縮し、作業能率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による開先検出手順を示すフローチャート。
【図２】本発明による開先検出手順を示すフローチャート。
【図３】本発明を適用するアーク溶接ロボットを用いた自動溶接機の構成図。
【図４】本発明を適用する自動溶接機における溶接トーチとレーザ変位計の関係を示す平面図。
【図５】本発明を適用する自動溶接機における溶接トーチとレーザ変位計の関係を示す正面図。
【図６】本発明における開先検出のためのと母材の相対移動の状態を示す図。
【図７】本発明におけるレーザ変位計による母材の検出状態を示す図。
【図８】本発明におけるレーザ変位計の出力特性図。
【図９】本発明におけるワークに対するレーザ変位計の傾きを示す説明図。
【符号の説明】
４          アーク溶接ロボット
６          溶接トーチ
９          レーザ変位計
１１        制御手段
１２        ワーク
Ａ、Ｂ      母材
１３        ポジショナ
１５        駆動装置
【図１】
0003682637.tif 000002
【図２】
0003682637.tif 000003
【図３】
0003682637.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003682637.tif 000006
【図６】
0003682637.tif 000007
【図７】
0003682637.tif 000008
【図８】
0003682637.tif 000009
【図９】
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