(57)【要約】【課題】直線移動する移動ヘッドに、各アーム長を短めにし回転軸を関節としたことで剛性を確保したロボットアームを組み合わせることにより、自由度の高い姿勢制御と、高精度な位置制御を可能とする。【解決手段】工作機械を模範とするＸＹＺの直交する直線移動軸に、関節が３個の回転軸からなるロボットアームを組み付け、ロボットアームの隣り合う回転軸はそれぞれ直交するように設定することによりアーム先端部で柔軟な姿勢制御を可能とし、関節に接合された各アームを必要十分な長さに抑制することで剛性と位置精度を確保し、ロボットアーム先端に半導体溶接ユニットＤＬ、補助工具Ｔ、各種センサーＳを取り付けることにより高機能化した。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次元方向に直線移動するよう制御された移動体の移動ヘッドに、一方向に姿勢制御する１つの回転軸を持つ姿勢制御ヘッドを装備し、この姿勢制御ヘッドに溶接ヘッドを備えてなる溶接装置。
【請求項２】
少なくとも２次元方向に直交移動するよう制御された移動体の移動ヘッドに、少なくとも二方向に姿勢制御する２つの回転軸を持つ姿勢制御ヘッドを装備し、この姿勢制御ヘッドに溶接ヘッドを備えてなる溶接装置。
【請求項３】
３次元方向に直交移動するよう制御された移動体の移動ヘッドに、３次元方向に姿勢制御する３つの回転軸を持つ姿勢制御ヘッドを装備し、この姿勢制御ヘッドに溶接ヘッドを備えてなる溶接装置。
【請求項４】
上記姿勢制御する１つの回転軸は、ロボットアーム関節で構成されていることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
【請求項５】
上記姿勢制御する２つの回転軸は、ロボットアーム関節で構成されていることを特徴とする請求項２記載の溶接装置。
【請求項６】
上記姿勢制御する３つの回転軸は、ロボットアーム関節で構成されていることを特徴とする請求項３記載の溶接装置。
【請求項７】
上記溶接ヘッドに、加工用レーザ光を射出可能なレーザ光出力ユニットを備えていることを特徴する請求項１から６のいずれか１つの溶接装置。
【請求項８】
上記溶接ヘッドの近傍に、溶接による溶融池及び溶接ビードを計測するためのＣＣＤ、もしくはＣＭＯＳによるイメージセンサを備えていることを特徴する請求項１から６のいずれか１つの溶接装置。
【請求項９】
上記溶接ヘッドの近傍に、溶接ビードを計測するための３次元レーザスキャナを備えていることを特徴する請求項１から６のいずれか１つの溶接装置。
【請求項１０】
上記溶接ヘッドの近傍に、鋼板の端面等を加工するための切削工具を備えていることを特徴する請求項１から６のいずれか１つの溶接装置。
【請求項１１】
上記ロボットアームを構成する各アームの長さを短く設定したことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つの溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剛性に優れ高精度かつ高速に位置決めすることが可能な機械構成とした溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来使用されている溶接装置は、機械構成や機能等の観点において、大きく２種類に分類して考えることができると思われる。
その第１の構成は、図１６のように、リーチを比較的長くとったロボットアームと、このロボットアームを搬送するための直線移動軸による搬送レールの組み合わせからなる構成であり、この構成においては、加工時に稼動するのは主にロボットアームであり、加工中はロボット搬送レールは定位置で停止させておくことが精度上望ましい。
仮にロボットアームの動作と同時に搬送レールを高速に同期させれば、ロボットアーム先端が振られて加工精度は著しく低下するし、搬送レールに関してもロボットアームを決まった位置へ移動させることに特化していることが多く、一般に中間位置での位置決め精度が良いとはいえない。
このような構成においては、一般にロボットアームの関節部は回転軸で構成され、加工がロボットアーム単独で行なわれ、ロボットアーム先端の可動範囲を広く確保するために、ロボットアームを構成している各アームを長くせざるを得ない。
また、各アームを連結する複数の関節は回転軸で構成されるため、座標計算のための演算負荷が大きいうえ、長いアーム長と相まって誤差の蓄積が著しくなり、アーム先端の位置精度の向上は困難である。
仮に、誤差を補正しようとしても、補正できる限界が低いことは容易に想像できるし、アームが長く関節が多い機械構成は剛性に乏しく、誤差や撓み、捻り等により、常時安定した精度が出せるものではない。特に、精密溶接において、溶接線の制御を連続的かつ高精度に維持しようにも、機械構成上の限界にすぐ突き当たるであろうことは容易に想像できる。（例えば、特許文献１参照。）
一般に、このような機械構成では、加工プログラムに関しても、直接プログラムを組むよりティーチングによることが多い。
従って、シビアに設定された溶接線に対し、常時、高精度に追従するような用途は考えにくいものであり、高精度な位置精度を要する精密な溶接に用いられることは無く、それ自身の精度の低さからおのずと運用範囲が限定されてきた。
また、このようなアーム長の長いロボットの構成では、アーム先端を軽くすることが望ましく、アーム先端に溶接ユニットや各種センサー等の付加物を搭載することは一般的ではなかった。
【０００３】
従来例の第２の構成は、工作機械を思わせるような、高精度に直線移動するベース部分に、複合した回転軸を付加軸として取り付けたものであり、図１７にその一例を示す。
この場合、各回転軸は近接した状態で組み合わされ、移動時は各回転軸が同時に制御されるものとなっている。（例えば特許文献２から５参照。）
この方式では、高精度かつ高速に位置決め可能な直線移動軸が主体となることと、各回転軸が近接して配置されることにより誤差を比較的小さな値に抑制できるメリットを持つ。
しかし、回転軸のみにより可動できる範囲は非常に狭く、回転軸のみの移動で加工が成立することは少なく、ほとんどの移動においてベース部分の移動を同時に伴うこととなる
また、ベース部に取り付けられた回転軸ユニットは周辺のスペースを占有するため、ワークと干渉しやすくなり、複雑形状のワークに対応しづらいものとなっていた。
また、上記回転軸のユニットには、各種センサーや補助加工器具を取り付けるための設計上の自由度が乏しい。例えば、回転軸の内部にレーザを通過させ、回転軸のところに設置した反射ミラーにてレーザ光を導く方法も考えられるが、この方法では、常にレーザ光の光軸のずれや反射ミラーの破損などのトラブルを意識せざるを得ない。
別に、光ファイバーによりレーザ光を伝達し先端まで持ってくる方法も考えられるが、光ファイバ内を通過していく際のエネルギー損失や、ファイバーの損傷に対し常に注意を払わなければならない。
【０００４】
近年、溶接機に対する精度と加工速度の向上が求められてきているが、それのみにとどまらず各種加工用ワークへフレキシブルに対応可能な柔軟性も合わせて求められてきている。
しかしながら、上記のように、従来のロボットアーム主体の方式や、直線移動軸主体の方式では一長一短があり、ユーザーは否応無くどちらかの方式を選択し、その方式に由来するデメリットを甘受するしかなかった。
【特許文献１】特開平０６−３０１４１１
【特許文献２】特開平１０−１７５０８５
【特許文献３】特開平１１−２２１６９２
【特許文献４】特開平０５−１３８３９０
【特許文献５】特開平０６−１９０５８１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来の溶接加工において使用されてきた、ロボットアーム主体の加工では高度な位置決め精度を確保できない点と、また、回転軸が付加的に付き、位置決めが直線移動軸主体のものは常に複数軸の同時制御が求められ、複雑なワーク形状に対し干渉しやすく、結果的に加工対象が限定されてしまっている点を改良した新規な溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の構成は、工作機械を模範とする高精度で剛性も高くかつ高速な直線移動軸をベースとし、これに各アーム長を短く設定し剛性を確保したロボットアームを組み合わせたものである。これにより、アーム先端の位置決め精度の劣化を最小限に抑制しつつ、ロボットアームによる動きの柔軟さを確保し、アーム先端部に対する付加物の荷重にも対応できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の溶接装置は、速度、精度、剛性等を損なうことなく、ロボットアームによる接近性の良さと動きの自由度を得られるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は工作機械を模範とした直線移動軸をベースにし、これにアーム長を短く設定したロボットアームを組み合わせ、剛性や精度等を損なうことなくロボットアームによる柔軟な加工を可能としつつ、ロボットアーム先端にセンサや工具等の付加装置を搭載してもその重量に耐える構成を実現した。以下、その具体的な実施の形態で説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１から図３は、本発明の第１実施例であり、１個の回転軸Ｒ１と、これを移動させるための１軸の直線移動軸Ｇ１の組み合わせ例である。
アームＡは、直線軸により移動する移動体Ｚの取付面Ｂに取り付けられる。
図１から図３とも１個の回転軸Ｒ１と１個の直線軸という限定された構成であり、回転軸だけの可動範囲は円弧であるが、回転軸と直線軸を合わせたアーム先端の可動範囲は図１、図２の例では円筒形、図３では平面とする動きの自由度を持つ。
これらはいずれもが最もシンプルな構成であるため可動範囲は限られてはいるものの、定型ものであれば十分実用的であり、剛性も確保しやすく位置決め精度に優れる。
また、回転軸に繋がった各アームＡ１、Ａ２の長さを剛性が確保できる程度に限定したアーム型ロボットとした場合、その先端部には、溶接状態を確認するためのイメージセンサーや溶接ビードを計測するための各種センサー類Ｓと、ワークＷのバリ取りや整形のための補助工具Ｔと、半導体レーザユニット等のレーザユニットＬが容易に取り付け可能である。
そして、アームＡを構成する第１アームＡ１、第２アームＡ２の長さを適切とし、剛性確保を考慮されたロボットアームＡはレーザユニットＬの重量に耐え、補助工具Ｔの切削負荷に対しても位置ずれを招くことはない。
従って、図示するようなワークＷに対する溶接作業が、速度、精度、剛性等を損なうことなく実行できる。
【実施例２】
【００１０】
図４から図７は、本発明の第２実施例であり、２個の回転軸Ｒ１、Ｒ２と、これを移動させるための２個の直線移動軸Ｇ１、Ｇ２の組み合わせ例である。
実施例１において可動範囲が円筒形もしくは平面であったことと比べると、実施例２では可動範囲が３次元的な広がりを持つことができる。
回転軸が２個の場合、回転軸の制御のみで可動できる範囲はかなり広くなったとはいえ、効率よく運用するなら、直線移動軸との同時制御は必要となる。
いずれにしろ、２次元方向に移動可能な移動ヘッドに、上記の２個の回転軸の組み合わせにより、より複雑な動きが可能となり、自由形状のワークＷに対する溶接が容易となる。
更に、図示するようなワークＷに対する溶接作業が、速度、精度、剛性等を損なうことなく実行できる。
【実施例３】
【００１１】
図８から図９は、本発明の第３実施例であり、３個の回転軸Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、これを移動させるための３個の直線移動軸Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の組み合わせ例である。
本実施例では３個の直線移動軸のみの動作であっても３次元空間の任意の場所に移動可能で、３個の回転軸がワークＷやその周囲に干渉しなければ、３個の直線軸の位置制御のみで動作可能となり、剛性に富む移動ヘッドにより、非常に高精度な加工が可能となる。
図８（ａ）の構成は、その一例であり、３個の回転軸の隣り合う回転軸がそれぞれ直交するように設定したものである。回転軸の構成としては理想的であり、適切に配置された回転軸により、先端部の自由度が高くなっており、先端に装着されたレーザユニットＬ、補助工具Ｔ、センサーＳを常に適切な方向に向けることが可能で、作業上の死角が発生しにくい構成である。
図８（ｂ）は図８（ａ）の構成において、回転軸Ｒ１、Ｒ２を移動させた場合のものであり、このような回転軸の移動により、先端部に設けられた各種装置を自由に姿勢制御できる。
【００１２】
図９（ａ）の構成は、３個の回転軸Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のうち２個の回転軸Ｒ２、Ｒ３を平行に設定したものである。このように回転軸を設定すると、上記のように隣り合う回転軸を直交配置した場合に比べ、先端に設けた各種装置の姿勢制御が限定されることとなるが、図９（ｂ）に示すように、直線移動軸を固定したままの状態で、２個の回転軸Ｒ２、Ｒ３の制御により、先端に設けた装置の姿勢を保ったまま先端部を直線的に移動させることが可能となる。
上記の構成によれば、ワークと干渉を回避しつつ、回転軸のみの制御で精度の高い直線移動を実現することができる。
更に、図示するようなワークＷに対する溶接作業が、速度、精度、剛性等を損なうことなく実行できる。
【実施例４】
【００１３】
更に、最も汎用性を高くした、実施例３のうち３個の回転軸Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を直交するように設定したものの現実的な形を図１０に示す。３個の直線移動軸Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を直交するＸＹＺ軸とし、これにより直線移動する移動体Ｚに対し、移動体の法線方向に回転可能な回転軸Ｒ１を介してアームＡ１を取り付け、アームＡ１、Ａ２を回転軸Ｒ１に直交する回転軸Ｒ２により結合し、先端部はアームＡ２と回転軸Ｒ２に直交する回転軸Ｒ３により結合する。
各アームを駆動する回転軸は３個とし、各アームの断面積を広くとり、かつ各アーム長を短めに設定したことにより、アーム先端部であっても十分な剛性を確保し、精度は高水準に維持される。
これにより、ワークＷに対する溶接作業が、速度、精度、剛性等を損なうことなく実行できる。
【００１４】
従って、先端部に荷重がかかっても問題がなく、重量の嵩む半導体レーザユニットＬＤの発信器自体を先端に設置可能となる。これにより外部に発信機を設ける場合に比べ、レーザ光の伝送ロスが無くなるとともに、中間経路のレーザ光漏洩による危険もなくなる。
また、近年は溶接の品質チェックが厳しく求められ、溶接加工とこれに関連する各種測定や検査は不可欠な物となっているが、これに対応するためのイメージセンサーＳ１とレーザスキャナＳ２を先端部に設置することができる。
イメージセンサーＳ１においては、溶接部の発光状態を輝度分布として捕らえ溶融状態の監視と、この監視結果をリアルタイムでレーザ光の出力制御等に反映することができる。
またレーザスキャナＳ２においては、溶接した溶接ビードの３次元形状を詳細に捕らえ、溶接欠陥を迅速に検査することが可能となる。
上記のような各種センサー類も、３個の回転軸Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３により自由に姿勢制御されるため、常に高精度な測定が可能となる。
【００１５】
更に、溶接の高品質化と不良品発生防止のために、先端部に補助工具Ｔも設置することができる。図１１に補助工具の一例として、リューターを設定した場合を示す。リューターＴの先端には切削工具Ｃが取り付けられ、これはモーターＣＨにより回転することで切削が可能となる。このリューターは通常はシリンダーＣＨにより後退した状態で格納されているが、必要に応じてシリンダーＣＨにより前進する。
このリューターＴにより、図１２に示すように、ワークＷの端面がＥ１のように不ぞろいであっても、リューターＴにより端面はＥ２のように加工成形できる。
このように溶接前に、ワークＷを成形することにより溶接条件は著しく改善され、溶接品質は高度水準に維持されると共に、ワークのばらつきに由来する溶接不良は激減する。
【００１６】
上記のようにロボットアーム先端に、溶接ユニットのみならず、各種センサー類、補助工具を合わせて搭載することにより、それぞれの付加装置が最大限に機能すると共に、各付加装置を密接に関連付けた運用が可能となり、溶接装置そのもの付加価値を高めることが可能となる。
【００１７】
また、先端部に関しては上記で述べた構成にとどまらない。求められる条件により、各種の組み合わせが可能であり、図１３にその一例を示す。
先端部の溶接ヘッドから照射されるレーザ光は、光ファイバＬＦにて伝達され、溶接用フィラーワイヤーＦの供給が可能なように設定したものであり、各種センサーとしてＳ１、Ｓ１を合わせて設置する。いろいろな形態をとることが可能な中において、溶接状態や加工個所を監視する各種センサーの意味は大きい。
【実施例５】
【００１８】
次に３個の直線移動軸と上記の３個の回転軸を持つロボットアームを組み合わせた実施例を図１４に示す。
図１４は、３個の直交するＸＹＺ軸によりロボットアームは自在に移動可能となっており、Ｘ軸の移動体は幅が広く設定され、ロボットアームに負荷がかかっても捩れによる変形が起こりにくいよう配慮されている。そしてロボットアームの各アーム長は短めに設定し、関節部の半径を大きく確保することにより、十分な剛性と動力を確保し、先端部に設けられた半導体レーザユニットＬＤ、各種センサーＳ、補助工具Ｔの荷重に耐えつつ、これらの自在に姿勢制御可能としている。
【実施例６】
【００１９】
図１５は、上記に対し、ＸＹＺ軸の構成を変更したものである。
直線軸の中でＺ軸を最終の移動軸をしたことにより、ロボットアーム全体のＺ軸方向での接近性が有利になっている。
そして、レーザユニットＬを外部に設置し、これを光ファイバＬＦで伝達し、ロボットアーム先端からレーザ光の射出している。
図１４の例に比べると、最も重量の嵩むレーザ発信機が無いため先端部は軽くなり、これによりロボットアームのアームを若干細くし、回転軸の駆動力もより小さいもので対応可能となっている。また先端部がコンパクトになったことによりワークへの接近性がより高められている。上記のようにロボットアームの先端に設置する装置の形態や種類、個数等により、最適な軸構成を設定できる。
【００２０】
以上、本発明の溶接装置の効果を特記すれば、ワークに対する溶接作業が速度、精度、剛性等を損なうことなく実行できる。更に、精密溶接のためには、溶接対象となるワークの前加工と共に、溶接ビームのスポット径をできるだけ小さくし、高精度に溶接線の制御を行うことが必要であるが、本発明による溶接システムの構成なら可能であり、あらゆる自由形状にも精度を落とすことなく対応できる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
ロボットアーム先端に把持装置を取り付ければ、小部品の固定をしながら溶接を行うことや、直接内部の曲げ加工などのへの対応も行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の溶接装置を示し、１個の直線移動軸と１個の回転軸による構成図である。
【図２】本発明の溶接装置を示し、１個の直線移動軸と１個の回転軸による構成図である。
【図３】本発明の溶接装置を示し、１個の直線移動軸と１個の回転軸による構成図である。
【図４】本発明の溶接装置を示し、２個の直線移動軸と２個の回転軸による構成図である。
【図５】本発明の溶接装置を示し、２個の直線移動軸と２個の回転軸による構成図である。
【図６】本発明の溶接装置を示し、２個の直線移動軸と２個の回転軸による構成図である。
【図７】本発明の溶接装置を示し、３個の直線移動軸と３個の回転軸による構成図である。
【図８】本発明の溶接装置を示し、３個の直線移動軸と３個の回転軸による構成図である。
【図９】本発明の溶接装置を示し、３個の直線移動軸と３個の回転軸による構成図である。
【図１０】ロボットアームの具体例である。
【図１１】補助加工装置の構成図である。
【図１２】搭載した補助工具による加工を説明する斜視図である。
【図１３】加工用レーザを光ファイバで伝達した場合の先端部の構成を示す斜視図である。
【図１４】本発明による具体的な実施例を示した斜視図である。
【図１５】本発明による具体的な実施例を示した斜視図である。
【図１６】従来の溶接加工機の構成図である。
【図１７】従来の溶接加工機の構成図である。
【符号の説明】
【００２３】
Ａ                        ロボットアーム
Ａ１                      第１アーム
Ａ２                      第２アーム
Ａ３                      第３アーム
Ｂ                        ロボットアーム取付部
Ｅ１                      素材のエッジ部
Ｅ２                      修正後の素材のエッジ部
Ｃ                        切削工具
ＣＨ                      モーター
ＣＬ                      シリンダー
Ｌ                        レーザユニット
ＤＬ                      半導体レーザユニット
ＬＢ                      レーザ光
ＬＦ                      光ファイバー
Ｆ                        フィラーワイヤー
Ｈ                        溶接用ヘッド
Ｒ１                      第１回転軸
Ｒ２                      第２回転軸
Ｒ３                      第３回転軸
Ｇ１                      第１直線軸
Ｇ２                      第２直線軸
Ｇ３                      第３直線軸
Ｓ                        センサー
Ｓ１                      イメージセンサー
Ｓ２                      レーザスキャナ
Ｔ                        補助工具（リューター）
Ｗ                        ワーク
Ｖ                        溶接ビード
Ｚ                        移動体
【図１】
2005161377.tif 000003
【図２】
2005161377.tif 000004
【図３】
2005161377.tif 000005
【図４】
2005161377.tif 000006
【図５】
2005161377.tif 000007
【図６】
2005161377.tif 000008
【図７】
2005161377.tif 000009
【図８】
2005161377.tif 000010
【図９】
2005161377.tif 000011
【図１０】
2005161377.tif 000012
【図１１】
2005161377.tif 000013
【図１２】
2005161377.tif 000014
【図１３】
2005161377.tif 000015
【図１４】
2005161377.tif 000016
【図１５】
2005161377.tif 000017
【図１６】
2005161377.tif 000018
【図１７】
2005161377.tif 000019