(57)【要約】【課題】溶接ロボットへの溶接トーチの装着構造及び溶接方法に関するもので、溶接部位に応じてトーチ先端の角度を変換可能にし、１本のトーチであたかもトーチを交換したと同様な汎用性を付与する。【解決手段】トーチホルダに対するトーチ先端の角度を変換する傾動装置を介装する。基端の支持部２４ａを溶接ロボットで支持された細長い支持杆１８と、当該支持杆の先端にその長手直角方向の軸１９回りに回動自在に装着された溶接トーチ１３と、当該溶接トーチを前記軸回りに傾動する傾動装置２６とを備えている。支持杆１８の長手方向を従来の溶接トーチの長手方向と同方向にして装着する。トーチ先端の回動軸の方向は、軸方向が溶接トーチの移動方向となる方向である。【選択図】      図１
2005205484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端の支持部(24a)を溶接ロボットで支持された細長い支持杆(18)と、当該支持杆の先端にその長手直角方向の軸(19)回りに回動自在に装着された溶接トーチ(13)と、当該溶接トーチを前記軸回りに傾動する傾動装置(26)とを備えた、溶接トーチの装着構造。
【請求項２】
基端の支持部(24a)を長手直角方向の軸(55a)回りに傾動自在に溶接ロボットで支持された細長い支持杆(18)と、当該支持杆の先端に前記軸と平行な軸(19)回りに回動自在に装着された溶接トーチ(13)と、前記支持部に対する当該溶接トーチのトーチ先端(13b)の位置関係を保持して前記溶接トーチと支持部とを同期傾動させる傾動装置(55,26)とを備えた、溶接トーチの装着構造。
【請求項３】
前記支持杆の支持部(24a)が、当該支持杆の長手方向の伸縮装置(23)を備えたトーチホルダ(24)を介して、溶接ロボットの手首フランジ(14)に装着されている、請求項１又は２記載の溶接トーチの装着構造。
【請求項４】
ＮＣ装置(12)で手首フランジ(14)の位置及び方向を制御する溶接ロボットの前記手首フランジに、当該手首フランジに対してトーチ先端(13b)を近接離隔させる伸縮装置(23)を備えたトーチホルダ(24)と、溶接トーチ(13)の角度を変換する傾動装置(26)を備えた首振りブラケット(29)とを介して、溶接トーチ(13)を装着し、当該伸縮装置及び傾動装置の動作を前記ＮＣ装置で制御すると共に、各動作位置に対応するツールデータを前記ＮＣ装置に登録し、ＮＣ装置が前記伸縮装置及び／又は傾動装置を動作させたときに、その動作後の位置及び姿勢に対応して登録されたツールデータを用いてロボットを制御することを特徴とする、自動溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、溶接ロボットへの溶接トーチの装着構造及び当該構造で溶接トーチを装着したロボットを制御して自動溶接を行う方法に関するもので、溶接部位に応じてトーチ先端の角度を変換可能にした上記手段に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工場内における溶接作業は、溶接ロボットを用いた自動溶接により行われるのが一般的である。即ち、溶接ロボットのアーム先端にショックセンサを備えたトーチホルダを介して溶接トーチを装着し、一方、仮溶接したワークをポジショナーに搭載してロボット及びポジショナーをＮＣ装置のプログラムで制御して、ロボットによる溶接トーチの移動とポジショナーによるワークの反転動作で所定の溶接線に沿って溶接を行っている。
【０００３】
一般的な溶接ロボットは、図５に示すように、ベース１の垂直軸回りの旋回Ａ、第１アーム２の上下方向の揺動Ｂ、第２アーム３の上下方向の揺動Ｃ、第２アームの先端４のアーム軸回りの回動Ｄ、手首５の傾動Ｅ及び当該手首の回動Ｆの６制御軸を持っており、これらの制御軸はＮＣ装置１２によって制御されている。溶接トーチ１３は、手首フランジ（溶接トーチを取付ける部分）１４の取付板１５にショックセンサ１６を備えたトーチホルダ１７を介して固定されている。ショックセンサ１６は、溶接トーチがワークに衝突したときなどに、その衝撃を吸収すると共に、ＮＣ装置に非常信号を出力してロボットやポジショナーを緊急停止させるものである。
【０００４】
溶接トーチ１３には、長さの異なるものや途中でくの字形に折れ曲がってトーチ先端の角度が異なるものなどの複数種類のものがあり、これらを溶接部位によって使い分けている。例えば、溝状の部分や狭隘部を溶接するときに、溝の縁や隣接部材にトーチが干渉して溶接できない場合などに、先端がく字形に折れ曲がったトーチに交換して干渉を避けるようにする。溝の向きによっては、反対向きに折り曲がったトーチと交換しなければならない場合もある。トーチの長さについても同様で、深い溝部分の底部を溶接するときは、長さの長いトーチを用いねばならない。そこで、トーチの長さやトーチ先端の角度を変えたいときに、トーチの先端部を首部１３ａで取外して交換する装置やツール（ホルダを含むトーチユニット全体）を交換する装置が提供されている。
【０００５】
また、溶接ケーブルやエアー配管等とワークや治具との干渉を少なくすることを目的として、左右又は前後に屈曲する機構を備えたフレキシブル装置を設ける構造や、トーチ本体を屈曲可能なワイヤ巻線で形成したトーチが、特許文献２、３に開示されている。
【特許文献１】特開平７‐２８４９２７号公報
【特許文献２】特開平５‐３０９５８６号公報
【特許文献３】特許第２７０１３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、トーチ先端部を交換する方法は、着脱する首部１３ａに電気接点が存在し、シール材が設けられているが、交換時に塵などが接点に付着すると、通電抵抗により発火し、シール材の損傷も頻繁に生ずるなど、保守管理が面倒であるという欠点がある。一方、ホルダを含むユニット全体を交換する方法は、ツールマガジンに装着された複数のツールにそれぞれ電気ケーブルが接続されているので、電気接点の接触不良等の問題は生じないが、複数のツールのケーブルがツール交換により絡まったり、ケーブルが引っ張られてトーチの移動範囲が制限されるなどの欠点があり、また価格も高価である。
【０００７】
更に、トーチやツールを交換する従来方法では、溶接中におけるトーチやツールの交換が頻繁に行われるために溶接能率が低下し、交換時のトラブルも発生しやすくなるという問題がある。
【０００８】
そこでこの発明は、１本のトーチであたかもトーチを交換したと同様な汎用性を付与する技術手段を得ることにより、１本の溶接トーチでは従来不可能であった広範な種類の溶接箇所を、トーチやツールを交換することなく、連続的に自動溶接可能にす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】
【０００９】
溶接トーチは、溶接ロボットのアーム先端に設けられている手首フランジと呼ばれる取付部に、一般的にはショックセンサを備えたトーチホルダを介して、取付けられている。この発明は、トーチホルダと溶接トーチとの間に、トーチホルダに対するトーチ先端の角度を変換する傾動装置を介装することにより、上記課題を解決している。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決した本願請求項１の発明に係る溶接トーチの装着構造は、基端の支持部２４ａを溶接ロボットで支持された細長い支持杆１８と、当該支持杆の先端にその長手直角方向の軸１９回りに回動自在に装着された溶接トーチ１３と、当該溶接トーチを前記軸回りに傾動する傾動装置２６とを備えているものである。
【００１１】
支持杆１８は、その長手方向を従来の溶接トーチの長手方向と同方向にしてトーチホルダ２４に装着される。トーチ先端の回動軸の方向は、軸方向が溶接トーチの移動方向となる方向である。傾動装置２６を動作させることにより、支持杆１８の先端に装着したトーチ先端１３ｂを溶接トーチの移動方向の軸１９回りに所定角傾斜させることができる。この傾斜角は、傾動装置２６に設定する動作量やその動作量を規定するストッパによって設定される。
【００１２】
傾動装置２６を傾動方向又は復帰方向に動作させることにより、トーチ先端１３ｂが支持杆１８に対してくの字状に屈曲した方向やストレート方向に変換されるので、トーチホルダ２４に対するトーチ先端１３ｂの位置が変位する。そのため、傾動装置の動作に伴ってトーチ先端１３ｂが所定の溶接線からずれるのを修正することが必要である。本願請求項４に係る自動溶接方法は、上記ずれをＮＣ装置側で修正して自動溶接を行う方法である。
【００１３】
すなわち、本願請求項４の発明に係る自動溶接方法は、ＮＣ装置１２で手首フランジ１４の位置及び方向を制御する溶接ロボットの前記手首フランジに、当該手首フランジに対してトーチ先端１３ｂを近接離隔させる伸縮装置２３を備えたトーチホルダ２４と、溶接トーチ１３の角度を変換する傾動装置２６を備えた首振りブラケット２９とを介して、溶接トーチ１３を装着し、当該伸縮装置及び傾動装置の動作を前記ＮＣ装置で制御すると共に、各動作位置に対応するツールデータを前記ＮＣ装置に登録し、ＮＣ装置が前記伸縮装置及び／又は傾動装置を動作させたときに、その動作後の位置及び姿勢に対応して登録されたツールデータを用いてロボットを制御することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本願請求項２の発明に係る溶接トーチの装着構造は、上記トーチ先端の変位を溶接トーチ側でハード的に修正する構造で、基端の支持部２４ａを長手直角方向の軸５５ａ回りに傾動自在に溶接ロボットで支持された細長い支持杆１８と、当該支持杆の先端に前記軸と平行な軸１９回りに回動自在に装着された溶接トーチ１３と、前記支持部に対する当該溶接トーチのトーチ先端１３ｂの位置関係を保持して前記溶接トーチと支持部とを同期傾動させる傾動装置５５、２６とを備えているというものである。
【００１５】
請求項２のにおける支持杆１８の先端と基端との２箇所の傾動部分の傾動角は、傾動の前後において、トーチホルダ２４に対するトーチ先端１３ｂの相対位置関係が変化しない角度である。
【００１６】
本願請求項３の発明は、前記請求項１又は２の溶接トーチの装着構造において、前記支持杆の支持部２４ａが、当該支持杆の長手方向の伸縮装置２３を備えたトーチホルダ２４を介して、溶接ロボットの手首フランジ１４に装着されているというものである。
【発明の効果】
【００１７】
傾動装置２６を動作させることにより、支持杆１８の先端に装着された溶接トーチ１３がトーチの移動方向の軸１９回りに所定角回動する。従って、溶接トーチを交換しなくても、ストレートトーチからくの字状に曲がったトーチへと、またはその逆へとトーチを付け替えたと同じ作用が得られ、溝状の部分や狭隘部の溶接において、トーチを交換することなく、溶接中のワークや治具と溶接トーチとの干渉を避けることができる。
【００１８】
また、本願請求項３の装着構造によれば、伸縮装置２３の伸長により、トーチを長いトーチに交換したと同じ作用が得られ、トーチを交換することなく、深い溝状部分の底部の溶接を行うことができる。
【００１９】
従って、溶接部位に応じて伸縮装置２３や傾動装置２６を適宜動作させることにより、１種類のトーチで溶接ロボットの手首に近い手前の箇所や奥深い箇所、あるいは狭くてかつトーチ先端を深く傾斜させなければならない箇所などの広範な溶接部位の溶接を、トーチを交換することなく行うことが可能になる。
【００２０】
また、請求項２の発明によれば、トーチ先端１３ｂを傾動させたとき、トーチ先端の溶接線からのずれを補正するように支持杆１８がその基端回りに傾動するので、トーチ先端を傾動しても、トーチ先端が溶接線からずれることがなく、従ってＮＣ装置側のツールデータを変更することも不要になる。
【００２１】
傾動装置２６は、２段階ないし数段階に傾動位置を変更できるようにしておけば十分である。２段階に変更するときや３ポジションシリンダなどを用いて３段階に変更するときは、オンオフ制御でよいが、３段階ないしそれ以上に変更するときは、サーボ制御によるのが便利である。サーボ制御による場合でも、動作位置の変換は段階的とし、その各段階に対するツールデータを登録しておけば、請求項４の溶接方法が可能である。
【００２２】
本願発明は、ロボットの制御軸を増やしたり、ロボットに複数のトーチを装着するのではなく、トーチ装着部分にトーチ先端の角度変換機能を持たせたので、既設のロボット及びトーチホルダをそのまま使用して実施することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【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１及び図２は、本願請求項１、３の実施形態を示した図で、図１は側面図、図２は正面図である。溶接トーチの移動方向（溶接線の方向）は、図１の紙面直角方向である。図中、符号１４で示す溶接ロボットの手首フランジは、チルト部２０の中心軸回りに回動可能に設けた手首５の先端に設けられている。
【００２４】
取付板１５は、図示しないねじなどにより、手首フランジ１４に取り外し可能に固定されている。ショックセンサ１６は、そのボディ１６ｂを取付板１５に固定して装着されており、そのロッド１６ａで伸縮装置となるシリンダ２３の固定ブラケット２１が固定されている。当該シリンダのスライダ２３ａにトーチ１３の支持杆１８を支持するための支持具（トーチホルダ）２４が取り付けられている。長さの短い溶接トーチ１３は、この支持杆の先端にピン１９回りに回動自在に装着されている。２６は溶接トーチ傾動用のシリンダである。
【００２５】
支持杆１８の基端は、正面視でＬ形の部分（支持部）２４ａと、このＬ形部分の図２で奥側に位置する底板２４ｂとで構成された支持具２４の縦外面２４ｃに固定されており、また支持具２４の横面２４ｄにはトーチケーブル２５を案内する貫通孔２７が設けられている。支持杆１８の先端側には、軸方向をトーチの移動方向としたピン１９が軸受２８により回動自在に装着されている。ピン１９の一端には、トーチ固定具２９が一体に形成されており、他端には先端にクランクピン５０を備えたクランク５１が固定されている。支持杆１８の基端側には、ピン１９と平行な装着ピン５２回りに揺動可能に、傾動シリンダとなる３ポジションシリンダ２６が装着されており、そのロッド２６ａの先端のねじがクランクピン５０に先端を連結したクランクロッド５３の基端に螺合され、ロックナット５４で長さ調整可能に固定されている。トーチ固定具２９には、溶接トーチ１３が固定されている。
【００２６】
トーチ先端１３ｂは、図１に想像線で示すように、３ポジションシリンダ２６の伸縮動作により傾動する。その傾動角は、３ポジションシリンダのロッド２６ａとクランクロッド５３との連結部のねじ込み量を調整することにより、調整することができる。傾動装置の駆動源として３ポジションシリンダ２６を用いることにより、トーチ先端１３ｂを、図１に示すように、ストレート方向Ｓと、両側への傾動方向Ｌ、Ｒとの３段階に角度変化させることができる。
【００２７】
なお、支持杆１８は、支持具（トーチホルダ）２４に対して正面視で偏倚した位置にあり、溶接トーチ１３の中心と支持具２４の中心とが一致している。
【００２８】
図３はＮＣ装置の制御ブロック図で、ロボット制御部３０及びポジショナー制御部３１は、従来のＮＣ装置が備えているものと同様なもので、それぞれロボット３２（図参照）及びポジショナー３３を加工プログラム３４からの指令に従って制御している。伸縮部３５及び傾動部３６は、それぞれ伸縮シリンダ２３及び傾動シリンダ２６を制御している。ツールデータ選択部３７は、登録された複数のツールデータの組から伸縮部３５及び傾動部３６のそれぞれの位置信号の組合せに関連して登録されたデータセットを選択して、ロボット制御部３０の出力値をシフトしている。
【００２９】
ツールデータ３８は、図４に示すように、手首フランジ１４とトーチ先端１３ｂとの位置関係を示すデータで、手首フランジ１４の中心に対するトーチ先端１３ｂのＸ、Ｙ及びＺ方向の距離（偏倚量）及び手首フランジ１４の回転中心軸に対するトーチ先端の角度αが一組のデータとして登録されている。この発明のトーチ装着構造では、伸縮シリンダ２３を伸長させたときと縮退させたとき、及び傾動シリンダ２６を例えば３段階に変化させたときの組合せ（６種類の組合せ）のそれぞれについて、Ｘ、Ｙ、Ｚ及びαのデータがセットにして登録される。
【００３０】
信号変換部３９は、加工プログラム３４からトーチ交換指令が出たとき、そのトーチ交換指令を伸縮シリンダ２３の伸長又は縮退信号と傾動シリンダ２６の傾動角に変換して、伸縮部及び傾動部３５、３６に出力するプログラムである。このような機能を備えた信号変換部３９を設けておけば、トーチ交換指令を含む既存の加工プログラムを用いてこの発明の方法で自動溶接を行うことが可能である。
【００３１】
以上の装置において、ＮＣ装置１２にあるワークのための加工プログラムを登録して、当該ワークを自動溶接するとき、当該加工プログラムから溶接トーチの交換が指示されたとき、その指令内容に応じて伸縮部３５及び傾動部３６は、伸縮シリンダ２３を適宜進退させ、また傾動シリンダ２６を３段階に設定したいずれかの角度となるように伸縮する。これにより、トーチ交換を行わなければできなかった溶接部位の溶接が可能となるように、トーチ長さ及びトーチ先端の角度が変換される。
【００３２】
そして、この変換に伴ってツールデータ選択部が当該変換後のツールデータを選択して、ロボット制御部３０の出力をシフトすることにより、伸縮又は傾動した後の溶接トーチ先端が所定の溶接部に適正なトーチギャップ、トーチ位置及び姿勢を持って臨むように、手首フランジ１４の位置がロボット側で制御されることになる。そして、溶接途中に必要に応じて伸縮シリンダ２３及び傾動シリンダ２６を動作させ、あるいは復帰させることにより、種々の制約条件のある溶接部位を連続的に自動溶接してゆく。複数層の肉盛を行うときは、その一層の肉盛毎に必要なトーチ姿勢の変換が行われるから、トーチ姿勢を変換した部位での溶接品質の連続性も良好に維持することが可能である。
【００３３】
図６は、この発明のトーチ装着構造の第２形態を示した側面図で、図中、図１で説明した部材には同一の符号を付してその説明を省略し、図１と異なる部分のみを説明する。
【００３４】
この第２形態の装着構造は、トーチ先端１３ｂを傾動させたときに、支持具２４とトーチ先端１３ｂの位置関係が変化しないように、支持杆１８も基端回りに傾動する構造である。図の例では、支持杆１８の基端に揺動モータ５５が固定され、この揺動モータのシャフト５５ａがＬ形部分２４ａに固定されている。従って、揺動モータ５５の揺動により支持杆１８は支持具２４に対して揺動モータのシャフト５５ａ回りに傾動する。
【００３５】
揺動モータ５５の揺動角を、シリンダ２６を動作させたときのトーチ先端１３ｂの傾動によるトーチ先端１３ｂの変位を打ち消す角度に設定し、トーチ先端１３ｂの傾動動作と同期させて揺動モータ５５を動作させてやれば、トーチ先端１３ｂを傾動させたときにもワークに対するトーチ先端の位置を保持できる。すなわち、この第２実施形態のものでは、溶接部位に応じてトーチ先端を傾動させたりストレート方向に復帰させたりしても、ＮＣ装置のツールデータを変更する必要がないという特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】トーチ装着構造の第１形態を示す側面図
【図２】図１の構造の正面図
【図３】ＮＣ装置の制御ブロック図
【図４】ツールデータの説明図
【図５】一般的な溶接ロボットの制御軸を示す模式的な側面図
【図６】トーチ装着構造の第２形態を示す側面図
【符号の説明】
【００３７】
12  ＮＣ装置
13  溶接トーチ
13b  トーチ先端
14  手首フランジ
15  取付板
18  支持杆
23  伸縮装置
24  支持具
24a  Ｌ形部分
26  傾動シリンダ
29  トーチ固定具
55  揺動モータ
【図１】
2005205484.tif 000003
【図２】
2005205484.tif 000004
【図３】
2005205484.tif 000005
【図４】
2005205484.tif 000006
【図５】
2005205484.tif 000007
【図６】
2005205484.tif 000008