(57)【要約】【課題】  スキャナ動作の教示を簡単にし、ロボットの溶接作業時間の短縮を可能にするレーザ溶接教示装置及び方法を提供する。【解決手段】  レーザ溶接教示装置１０は、ワークＷに対し溶接作業を行う溶接ロボット１２を制御するロボット制御装置１４に接続されて、ロボット制御装置１４に対し種々の指示を送る。溶接ロボット１２の作業ツール１６には、レーザ発振器１８が接続されるとともにレーザスキャナ２０が設けられる。高速移動可能なレーザスキャナ２０を用いることにより、エアカット動作時のロボット１２の動作が大幅に削減され、システム全体としてのサイクルタイムも大幅に短縮される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームの照射方向を制御するレーザスキャナと、該レーザスキャナを搭載しかつ該レーザスキャナの位置及び姿勢を変更可能なロボットとを含むレーザ溶接システムにおいて前記レーザスキャナ及び前記ロボットの動作プログラムを生成するレーザ溶接教示装置であって、
溶接すべきワーク及び前記レーザスキャナのモデルを表示する表示手段と、
前記ワークのモデルに複数の溶接線を指定する手段と、
前記複数の溶接線を、前記レーザスキャナの走査可能領域に基づいて複数のグループにグループ分けする手段と、
前記複数のグループの各々について、前記ロボットが該各々のグループに対応する位置にある間に、前記レーザスキャナが該各々のグループに含まれる溶接線の全てを走査するように、前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムを作成する手段と、
を有するレーザ溶接教示装置。
【請求項２】
前記複数のグループの各々について、前記レーザスキャナが該各々のグループに含まれる溶接線を走査する間は前記ロボットは停止するように前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムが作成される、請求項１に記載のレーザ溶接教示装置。
【請求項３】
前記レーザスキャナが前記溶接線を走査する間は前記ロボットは等速移動するように前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムが作成される、請求項１に記載のレーザ溶接教示装置。
【請求項４】
前記複数の溶接線は、前記溶接線の各々の間の距離に基づいてグループ分けされる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ溶接教示装置。
【請求項５】
前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムに基づくシミュレーションを、実際の溶接作業前にオフラインで行う手段をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ溶接教示装置。
【請求項６】
レーザビームの照射方向を制御するレーザスキャナと、該レーザスキャナを搭載しかつ該レーザスキャナの位置及び姿勢を変更可能なロボットとを含むレーザ溶接システムにおいて前記レーザスキャナ及び前記ロボットの動作プログラムを生成するレーザ溶接教示方法であって、
溶接すべきワーク及び前記レーザスキャナのモデルを表示することと、
前記ワークのモデルに複数の溶接線を指定することと、
前記複数の溶接線を、前記レーザスキャナの走査可能領域に基づいて複数のグループにグループ分けすることと、
前記複数のグループの各々について、前記ロボットが該各々のグループに対応する位置にある間に、前記レーザスキャナが該各々のグループに含まれる溶接線の全てを走査するように、前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムを作成することと、
を有するレーザ溶接教示方法。
【請求項７】
前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムに基づくシミュレーションを、実際の溶接作業前にオフラインで行うことをさらに含む、請求項６に記載のレーザ溶接教示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットを用いた溶接作業の教示を行うレーザ溶接教示装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットを用いる溶接は、一般にロボットを移動させながら行う。ここで溶接箇所が複数ある場合は、その溶接箇所間でのロボット移動も必要となる。ロボットを用いた溶接では、この溶接箇所間でのロボット移動すなわちエアカットをできるだけ短くして全体の作業時間を短縮することが望まれる。例えば特許文献１には、作業区間識別手段及び作業区間自動停止手段を備えることによってロボット移動の効率化が図られた教示再生方式のロボット制御装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２２２３０９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のエアカット動作では、ロボットのＴＣＰ（Tool Center Point）を移動させる方法が使用されることが多い。しかしこの方法は、特に溶接すべき部位が比較的離れた複数個所に点在しているような場合は、ＴＣＰの移動に時間がかかり、結果として溶接作業全体としてもかなり時間のかかるものとなっていた。
【０００５】
そこで本発明は、スキャナ動作の教示を簡単にし、ロボットの溶接作業時間の短縮を可能にする教示装置及び教示方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザビームの照射方向を制御するレーザスキャナと、該レーザスキャナを搭載しかつ該レーザスキャナの位置及び姿勢を変更可能なロボットとを含むレーザ溶接システムにおいて前記レーザスキャナ及び前記ロボットの動作プログラムを生成するレーザ溶接教示装置であって、溶接すべきワーク及び前記レーザスキャナのモデルを表示する表示手段と、前記ワークのモデルに複数の溶接線を指定する手段と、前記複数の溶接線を、前記レーザスキャナの走査可能領域に基づいて複数のグループにグループ分けする手段と、前記複数のグループの各々について、前記ロボットが該各々のグループに対応する位置にある間に、前記レーザスキャナが該各々のグループに含まれる溶接線の全てを走査するように、前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムを作成する手段と、を有するレーザ溶接教示装置を提供する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ溶接教示装置において、前記複数のグループの各々について、前記レーザスキャナが該各々のグループに含まれる溶接線を走査する間は前記ロボットは停止するように前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムが作成される、レーザ溶接装置を提供する。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ溶接教示装置において、前記レーザスキャナが前記溶接線を走査する間は前記ロボットは等速移動するように前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムが作成される、レーザ溶接教示装置を提供する。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ溶接教示装置において、前記複数の溶接線は、前記溶接線の各々の間の距離に基づいてグループ分けされる、レーザ溶接教示装置を提供する。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ溶接教示装置において、前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムに基づくシミュレーションを、実際の溶接作業前にオフラインで行う手段をさらに含む、レーザ溶接教示装置を提供する。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、レーザビームの照射方向を制御するレーザスキャナと、該レーザスキャナを搭載しかつ該レーザスキャナの位置及び姿勢を変更可能なロボットとを含むレーザ溶接システムにおいて前記レーザスキャナ及び前記ロボットの動作プログラムを生成するレーザ溶接教示方法であって、溶接すべきワーク及び前記レーザスキャナのモデルを表示することと、前記ワークのモデルに複数の溶接線を指定することと、前記複数の溶接線を、前記レーザスキャナの走査可能領域に基づいて複数のグループにグループ分けすることと、前記複数のグループの各々について、前記ロボットが該各々のグループに対応する位置にある間に、前記レーザスキャナが該各々のグループに含まれる溶接線の全てを走査するように、前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムを作成することと、を有するレーザ溶接教示方法を提供する。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のレーザ溶接教示方法において、前記ロボット及び前記レーザスキャナの動作プログラムに基づくシミュレーションを、実際の溶接作業前にオフラインで行うことをさらに含む、レーザ溶接教示方法を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る教示装置によれば、ＴＣＰの移動に代え、高速移動可能なレーザスキャナを用いることにより、エアカット動作時のロボット動作を大幅に削減することができ、システム全体としてのサイクルタイムを大幅に短縮することができる。また、ロボット及びスキャナの動作プログラムをオフラインで作成することにより、ロボット及びスキャナのプログラムの動作教示を簡略化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るレーザ溶接教示装置１０を含むレーザ加工機３０の概略構成を示す図である。レーザ溶接教示装置１０は、好ましくはリモート式教示装置であり、自動車のボディ等のワークＷに対し溶接作業を行う溶接ロボット１２を制御するロボット制御装置１４に接続されてロボット制御装置１４に対し種々の指示を送る。溶接ロボット１２の作業ツール１６には、レーザ発振器１８が接続されるとともに、レーザ発振器１８からのレーザビームの照射方向を制御するレーザスキャナ２０が設けられる。レーザスキャナ２０の位置及び姿勢はロボット１２により変更可能である。図示するように、教示装置１０は後述する機能を有するソフトウェアを備えたノートパソコンのような処理装置であってよい。
【００１５】
図２は、上述のレーザ加工機３０による溶接作業を行う前にレーザ溶接教示装置１０が行う教示作業すなわち教示方法の概略の流れを示すフロー図である。以降、各作業の詳細を説明する。
【００１６】
図３は、図２のモデリング（Ｓ１）方法の内容を詳細に示すフローチャートである。先ず教示装置１０は、ワークＷのＣＡＤデータやＩＧＥＳデータを図示しないデータベースから読み込む（Ｓ１０１）。なおここでは、図４（ａ）に示すように、ワークＷを自動車のボディとして説明する。次に作業者が、ワークＷ上の複数の（図示例では１０個）溶接すべき部位すなわち溶接線を指定する（Ｓ１０２）。このとき教示装置１０は、例えば図４（ｂ）に示すように、自らのディスプレイ１０ａ又は他の適当な表示手段にワークＷの形状及び溶接線を表示することができる。なおここでは、溶接線は自動車のボディの後部ドア付近のものに限定して説明する。次に、レーザスキャナ２０が走査可能な範囲（すなわち溶接実行時に溶接可能な範囲）を指定する（Ｓ１０３）。この範囲は、後述するロボット１２のＴＣＰがその範囲内にあるときにスキャナ２０によって走査可能な範囲を意味し、例えば２００ｍｍ×２００ｍｍ程度の大きさである。なお溶接可能範囲を予めメモリ等に格納しておき、このステップＳ１０３を省くこともできる。なおこのモデリングは通常、ワークの奥行き又は溶接の深さ方向も考慮した３次元モデルのモデリングを行うが、平面すなわち２次元モデルとすることも可能である。
【００１７】
次に溶接線の溶接順序を決定するが、先ずその順序を手動又は自動のいずれで行うかを選択する（Ｓ１０４）。この選択は、作業者が予め又はインタラクティブに入力した値等に基づいて行われる。自動の場合は、例えば図４（ｂ）に示すように、各溶接線の位置及びそれらの間の距離（詳細には互いに最も近い溶接線端部同士間の距離）を計算し（Ｓ１０５）、全ての溶接線を順次溶接していくときの溶接線間の距離の合計が最短となるような溶接順序（Ｌ１〜Ｌ１０）を求める（Ｓ１０６）。手動で行う場合は、作業者がマウス等により溶接線の溶接順序を指定する（Ｓ１０７）が、自動の場合と同様の考え方に基づいて行うことが好ましい。
【００１８】
次に溶接線をいくつかのグループにグループ分けするが、その順序を手動又は自動のいずれで行うかを選択する（Ｓ１０８）。この選択も、作業者が予め又はインタラクティブに入力した値等に基づいて行われる。自動の場合は、例えば図４（ｃ）に示すように、ステップＳ１０５にて求められた若しくは新たに求めた溶接線間距離、及びＳ１０３で指定された又は予め定めたレーザスキャナ２０の溶接可能範囲（例えば２００ｍｍ×２００ｍｍの正方形内）に基づいて、溶接線Ｌ１〜Ｌ１０がそれぞれ、なるべく少ない個数の溶接可能領域（図示例ではＡ１〜Ａ４の４つ）のいずれかの中に含まれるようにグループ分けを行う（Ｓ１０９）。手動で行う場合は、作業者がマウス等により溶接可能領域及びそこに含まれる溶接線を指定する（Ｓ１１０）が、自動の場合と同様の考え方に基づいて行うことが好ましい。
【００１９】
なお、溶接順序の決定（Ｓ１０４〜Ｓ１０７）を溶接線のグループ分け（Ｓ１０８〜Ｓ１１０）の後に行うことも可能である。最後に、全体のサイクルタイム等を考慮して溶接速度を指定する（Ｓ１１１）。
【００２０】
モデリング（Ｓ１）が終了したら、教示装置１０は操作画面上でのレイアウト（Ｓ２）作業を開始する。ここでは、図５に示すように、ロボット１２、作業ツール１６及びその他の周辺機器等の画像をライブラリ２４から読み出してディスプレイ上の適所すなわちワークＷの周辺に配置する。
【００２１】
次に教示装置１０は、動作プログラムの作成を行う（Ｓ３）。ここでは、モデリング（Ｓ１）で求められ又は入力された溶接線、溶接順序（Ｌ１〜Ｌ１０）及び溶接速度等に基づいて、ロボット１２及びスキャナ２０の動作プログラムを作成する。以下、プログラム作成の詳細を図６を参照しながら説明する。
【００２２】
先ずロボット１２の参照点すなわちＴＣＰの移動速度Ｖを初期値Ｖ0に設定する（Ｓ３０１）。なおここでのＴＣＰとは、図７に示すように、スキャナ２０が有するミラー２２を、溶接可能領域Ａ１〜Ａ４をそれぞれ代表する作業面Ｆ１〜Ｆ４に対し面直となるように配置したときに、ミラー２２上の所定点（例えば中心）から作業面Ｆ１〜Ｆ４へ延びる垂線が作業面Ｆ１〜Ｆ４とそれぞれ交わる点であるが、他の参照点を適宜定めてもよい。作業面は、対応する溶接可能領域に含まれる溶接線の近傍の面（一般には曲面）を１つの平面に近似したものとして求められる（Ｓ３０２）。例えば、作業面Ｆ１は、溶接可能領域Ａ１に含まれる溶接線Ｌ１〜Ｌ３の近傍すなわちドアフレーム部を、１つの平面に近似したものとして求められる。
【００２３】
次に図８に示すように、溶接領域Ａ１〜Ａ４の各々に含まれる溶接線の中心位置Ｃ１〜Ｃ４をそれぞれ求める（Ｓ３０３）。例えば中心位置Ｃ１は、中心位置Ｃ１と各溶接線Ｌ１〜Ｌ３のいずれか一方の端との距離の合計が最短となるように定められる。
【００２４】
次にロボットの位置及び姿勢を規定する動作プログラムを作成する（Ｓ３０４）。このプログラムは、ロボット１２のＴＣＰがＴＣＰ軌跡Ｔに沿って移動するように、すなわちステップＳ３０３で求められた中心位置Ｃ１〜Ｃ４を順次等速で通過して各溶接領域Ａ１〜Ａ４を通過していくように作成される（図８参照）。続いて、ロボットの動作プログラムに基づいて、スキャナ２０の走査線がモデリング（Ｓ１）で定められた溶接順序に従って全ての溶接線を上述の溶接速度で通るように、スキャナの位置及び姿勢を規定する動作プログラムを作成する（Ｓ３０５）。例えば、ロボット１２が溶接領域Ａ１に対応する位置にある間（すなわちＴＣＰがＡ１内にある間）にレーザスキャナ２０が溶接線Ｌ１〜Ｌ３の全てのスキャンを完了できるように、レーザスキャナの位置及び姿勢が規定される。ここでＴＣＰは等速で移動しているので、スキャナ２０の動作は、図９に示すように、ＴＣＰの移動ベクトルＶVの反対方向のベクトル−ＶVと、溶接線の延びる方向すなわち溶接開始点ＬSから溶接終了点ＬEに向かうベクトルＶWとの合成ベクトルＶSとして与えられる。
【００２５】
次に、ステップＳ３０４及びＳ３０５でそれぞれ作成されたロボット及びスキャナの動作プログラムに基づいた場合に、各作業面内の全ての溶接線を溶接できるか（換言すればＴＣＰ移動速度Ｖが早過ぎないか）を判断する（Ｓ３０６）。いすれかの作業面において全ての溶接線が溶接できない場合は、ステップＳ３０７に進んでＴＣＰ移動速度Ｖを適当な刻み量Ｖα1だけ小さくし、更新すなわち低減したＶに基づいて再度ロボットプログラムを作成する（Ｓ３０４）。全ての作業面において溶接線の溶接が可能である場合はステップＳ３０８に進む。
【００２６】
ステップＳ３０８では、全ての溶接線の溶接が所定のサイクルタイム以内に完了するか（すなわちＴＣＰ移動速度が遅過ぎないか）否かを判定する。所定時間内に完了するのであればプログラム作成（Ｓ３）は終了する。完了しない場合は、ステップＳ３０９に進み、ＴＣＰの移動速度Ｖを刻み量Ｖα2だけ増加させる。この刻み量Ｖα2は、プログラム作成フローの収束性を高めるために、上述の刻み量Ｖα1より小さく設定されることが好ましい。ここでＶ＋Ｖα2がロボット又はスキャナの仕様等から別途定められる限界速度ＶLを超えていれば（Ｓ３１０）、解なしとしてアラーム発信等の処置がなされ（Ｓ３１１）、図２に示す全体のフローが強制終了される。この場合は、上述の溶接線のグループ分けのやり直し等の措置が必要となる。一方、Ｖ＋Ｖα2が上記限界速度を超えていなければ、更新されすなわち増加したＶに基づいて再度ロボットプログラムを作成する（Ｓ３０４）。
【００２７】
ロボット及びスキャナ双方の動作プログラム作成が完了したら、教示装置１０はそのプログラムに基づくシミュレーションを行う（Ｓ４）。ここではロボット等の動作確認が行われる。
【００２８】
次に、プログラムのダウンロードが行われる（Ｓ５）。すなわち、ロボット及びスキャナの動作プログラムが教示装置１０から制御装置１４に出力される。
【００２９】
上述のＳ１〜Ｓ５の作業によりロボット溶接の準備が整う。ロボット制御装置１４は教示装置１０からダウンロードしたロボット及びスキャナの動作プログラムを実行し（Ｓ６）、それによりリモート溶接が実現される。
【００３０】
本発明に係る溶接教示装置によれば、ロボットのＴＣＰが定速移動している間にスキャナの高速移動によって各溶接線を溶接していくことができるので、従来のような溶接箇所間でのエアカットは実質的に排除される。従って従来の溶接作業に比べ全体のサイクルタイムを大幅に短縮することができる。しかしレーザスキャナを使用する方法では、時間短縮のためにロボット移動とスキャナ移動とを同時に行うため、両者の合成動作を考慮した制御が必要になる。この制御は実際には非常に困難な場合が多く、故に実際に溶接を行いながらの教示作業は試行錯誤を要する時間のかかるものとなる虞がある。それに対し本発明は、事前にオフラインでロボット及びスキャナの動作プログラムを作成しかつシミュレーションでその動作性を確認するので、実際の溶接作業においては試行錯誤を行う必要がない。この点でもサイクルタイムの短縮を図ることができるとともに、信頼性の高い作業を行うことができる。
【００３１】
上述の実施形態においては、ＴＣＰが溶接作業時全体にわたって速度Ｖで等速移動する間に各溶接線をスキャンする。しかしＴＣＰがある作業面の略中心に停止した状態でその作業面内（溶接可能範囲内）の各溶接線をスキャンし、その作業面内の全ての溶接線のスキャンが完了したら次の作業面の略中心にＴＣＰを移動させるという操作を順次繰り返す方法も可能である。この場合であっても、ロボット移動とミラーの回転によるスキャナの高速移動との組み合わせによってエアカットを素早く行うことができるので、サイクルタイムのある程度の短縮効果は得られる。またロボット動作とスキャナ動作とを組み合わせた合成ベクトルを考慮する必要がないことから、上述の実施形態より高精度の作業を要する場合に適している。
【００３２】
図１０は、本発明に係るレーザ溶接教示装置（本実施形態ではパーソナルコンピュータ）１０の好適なソフトウェア構成例を示す図である。パーソナルコンピュータ１０は、リモート溶接教示機能として、ＣＡＤデータ読込み（Ｓ１０１）機能、溶接順序の算出（Ｓ１０５、Ｓ１０６）機能、溶接線のグループ化（Ｓ１０９）機能、ロボット及びスキャナの動作プログラム作成（Ｓ３０４、Ｓ３０５）機能、及びシミュレーション（Ｓ４）機能等を含むことができる。作成されたロボット及びスキャナの動作プログラムＰは、プログラム作成機能によって同時に作成されるロボット及びスキャナの同期位置データＤとともに、ロボット制御装置１４に送られる。ロボット制御装置１４は、動作プログラムＰを読込むプログラム読込みモジュール１４ａと、同期位置データを読込むとともにその同期位置を監視する同期位置監視モジュール１４ｂとを有する。さらにロボット制御装置１４は、スキャナの位置（各溶接線の始点及び終点）及びスキャナ速度のデータを、スキャナ動作モジュール２１ａを備えたスキャナコントローラ２１に送り、それにより適正なスキャナ動作が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るレーザ溶接教示装置を含むレーザ加工機の概略構成を示す図である。
【図２】レーザ溶接教示装置による教示方法の概略の流れを示す図である。
【図３】図２のモデリング方法の詳細を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）ワークとしての自動車ボディが画面表示された状態を示す図であり、（ｂ）（ａ）の部分拡大図であって、所定の溶接線が表示された状態を示す図であり、（ｃ）（ｂ）の溶接線がグループ分けされた状態を示す図である。
【図５】ロボット等をワークの周辺に配置した画像を示す図である。
【図６】図２のプログラム作成方法の詳細を示すフローチャートである。
【図７】スキャナとワークとの位置関係を示す図である。
【図８】各作業面の中心位置を示す図である。
【図９】ＴＣＰ移動時のスキャナ動作方向を求めるためのベクトル図である。
【図１０】本発明に係る教示装置のソフトウェア構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０    教示装置
１２    ロボット
１４    制御装置
１６    作業ツール
１８    レーザ発振器
２０    スキャナ
２２    ミラー
３０    レーザ加工機
Ｗ    ワーク
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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