(57)【要約】【課題】教示データ作成時間を短縮しつつ、品質のよい溶接を行うことのできる溶接動作制御方法を提供する。【解決手段】  溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接トーチの姿勢情報を、ワークに対するオンライン教示により取得するステップと、姿勢情報に基づいて、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接トーチの姿勢を基準としたときのポジショナの理想的な基準姿勢を取得するステップと、位置のそれぞれにおけるポジショナの複数の候補姿勢を生成し、候補姿勢の基準姿勢との差を算出するステップと、候補姿勢の基準姿勢との差の累積が最小となるポジショナの最適動作情報を生成するステップと、最適動作情報に基づいて、ポジショナの動作を制御しながらワークを溶接するステップと、を備えることを特徴とする溶接動作制御方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接対象物を保持するとともに、前記溶接対象物の姿勢を変化させるポジショナに保持した状態で溶接線に沿って溶接を行う溶接動作制御方法であって、
前記溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける前記溶接トーチの姿勢情報を、前記溶接対象物に対するオンライン教示により取得するステップと、
前記姿勢情報に基づいて、前記溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける前記溶接トーチの姿勢を基準としたときの前記ポジショナの理想的な基準姿勢を取得するステップと、
前記位置のそれぞれにおける前記ポジショナの複数の候補姿勢を生成し、前記候補姿勢の前記基準姿勢との差を算出するステップと、
前記候補姿勢の前記基準姿勢との差の累積が最小となる前記ポジショナの最適動作情報を生成するステップと、
前記最適動作情報に基づいて、前記ポジショナの動作を制御しながら前記溶接対象物を溶接するステップと、
を備えることを特徴とする溶接動作制御方法。
【請求項２】
前記ポジショナの設計データに基づいて、前記ポジショナの設計姿勢を取得するステップと、
前記基準姿勢が前記設計姿勢から所定の範囲から外れている場合に、警告を発するステップと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の溶接動作制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機インペラ等の溶接対象物（以下、ワークという）を溶接線に沿って溶接する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットアームに装着された溶接用トーチの溶接線に沿った動きを、ワークのＣＡＤデータに基づいて自動的に生成する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
ところが実情としては、周囲に干渉物等のない、単純な形状のものを溶接対象とし、溶接トーチの姿勢を変化させずに平行移動させて、直線状の溶接線に沿って溶接を行うようなケースを対象としているのが現状である。
例えば、プラント用の圧縮機のインペラ等、複雑な形状の部品等を溶接する場合、溶接線に沿って溶接を行うために溶接トーチを移動させようとすると、圧縮機インペラ自体をはじめ、周囲に様々な干渉物がある。したがって、溶接を行いながら、干渉物を避けるために溶接トーチの姿勢を変化させなければならないことも多い。このようにワークが複雑な形状の場合に上記従来の技術を単純に適用することは容易でない。
【０００３】
このため、複雑な形状の部品等を溶接する場合には、実寸大の圧縮機（タービン）の模型を製作して溶接トーチとの干渉を確認しているのが現状である。そして、ベテラン作業員によるノウハウを駆使し、溶接トーチが届きにくい箇所を溶接できるよう、溶接トーチの形状を異なるものに変更したり、溶接トーチ自体を手で曲げて変形させる等して、試行錯誤が行われている。
さらに、確実な溶接を行うには、単に、溶接ができる、というだけでなく、溶接品質確保の観点から、溶接トーチのワークに対する角度や、溶接トーチの動き等、より理想的な溶接条件に近い状態で溶接が行えるようにするのが好ましい。
【０００４】
そこで本発明者は、複雑な形状の部品等を溶接する場合においても、溶接トーチの溶接線に沿った動作をシミュレートすることができ、より理想的な条件に近い状態で溶接を行うことが可能となる溶接トーチの動作を見出すことのできる溶接トーチの動作シミュレーション方法を特許文献２にて提案した。このシミュレーション方法は、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接トーチの理想的な基準姿勢に対し、位置のそれぞれにおける溶接トーチの複数の姿勢情報を生成し、基準姿勢との差を算出する。そして、溶接線上で互いに前後する位置間において、溶接トーチの姿勢変化量を算出する。これら溶接トーチの複数の姿勢情報の基準姿勢に対する差と、姿勢変化量に基づき、基準姿勢に対する差が小さく、かつ姿勢変化量が小さくなるような溶接トーチの最適動作情報を生成する、というものである。
【０００５】
【特許文献１】特許第３３２７８５４号公報
【特許文献２】特開２００７−２１９９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２で提案した方法は、オフライン教示データを作成する時間を短縮する上でも有効な技術である。ところが、このオフライン教示データを使用して実際に溶接する際には、ワークの作製誤差、溶接設備に設置されたワークの設置誤差、溶接時にワークを回転させる回転テーブルの位置誤差を補正する必要がある。
補正には、カメラ撮影、各種センサによる位置補正、タッチセンシングによる位置補正が考えられる。しかし、圧縮機のインペラのように複雑な形状の部品の場合であって、狭隘部に溶接線が存在する場合には、カメラ撮影が困難であり、または、センサが狭隘部に挿入できない、といった問題がある。また、タッチセンシングの場合には、タッチセンサがワークと干渉することがある。このように、特許文献２においても、溶接品質を確保する上で問題がある。
また、ワークが量産品の場合には、教示データ作成に時間を費やしてもよいが、少量生産品の場合には、教示データ作成時間を減らすことが生産コスト低減の観点から求められる。
【０００７】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、教示データ作成時間を短縮しつつ、品質のよい溶接を行うことのできる溶接動作制御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】
【０００８】
かかる目的のもと、本発明は、ワークを保持するとともに、ワークの姿勢を変化させるポジショナに保持した状態で溶接線に沿って溶接を行う溶接動作制御方法であって、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接トーチの姿勢情報を、ワークに対するオンライン教示により取得するステップと、姿勢情報に基づいて、溶接線に沿った複数の位置のそれぞれにおける溶接トーチの姿勢を基準としたときのポジショナの理想的な基準姿勢を取得するステップと、前記位置のそれぞれにおけるポジショナの複数の候補姿勢を生成し、候補姿勢の基準姿勢との差を算出するステップと、候補姿勢の基準姿勢との差の累積が最小となるポジショナの最適動作情報を生成するステップと、最適動作情報に基づいて、ポジショナの動作を制御しながらワークを溶接するステップと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の溶接動作制御方法において、ポジショナの設計データに基づいて、ポジショナの設計姿勢を取得するステップと、基準姿勢が設計姿勢から所定の範囲から外れている場合に、警告を発するステップと、を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
特許文献２においてオフラインによりトーチの最適動作情報を生成するのに比べて、本発明のようにオンライン教示、つまり作業者の教示作業によるトーチの姿勢情報を取得するのは短時間で終了する。しかも、本発明は、実際のワークについてオンライン教示するため、ワークの作製誤差等に対する補正が不要となる。したがって本発明によれば、教示データ作成時間を短縮しつつ、品質のよい溶接を行うことのできる溶接動作制御方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜第１実施形態＞
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における溶接動作制御システム１０の構成を説明するための図である。
【００１２】
溶接動作制御システム１０は、作業者がワーク１６に対して実際に溶接を行う姿勢で溶接トーチ２０を操作（オンライン教示）させることにより、オンライン教示データを取得する。溶接動作制御システム１０は、このオンライン教示データに基づいて、ワーク１６を保持し、実際の溶接時にワークの姿勢を変化させるポジショナ１５の最適動作情報を生成する。溶接動作制御システム１０は、この情報に基づいて、ワーク１６に対して溶接を施す。
溶接動作制御システム１０は、図１に示すように、マウス、キーボード等からなる入力手段１１と、予めインストールされたコンピュータプログラムに基づいて所定の処理を行う処理手段１２と、処理手段１２での処理結果等を出力（表示）する表示手段１３と、各種データを格納するデータ格納部１４と、ポジショナ１５と、ワーク１６と、溶接トーチ２０とを備える。
なお、本実施の形態において、溶接動作制御システム１０では、図２に示すように、溶接トーチ２０を用い、圧縮機インペラ（ワーク）３０のブレード３１をカバー３２やディスク３３に溶接する場合における、溶接トーチ２０による溶接を行うためのものである。
【００１３】
処理手段１２においては、予めインストールされたコンピュータプログラムに基づき、所定の処理を実行する。以下、その具体的な処理について説明する。
処理手段１２においては、溶接部位に対する溶接トーチ２０の挿入可能な範囲内において溶接を行うときの溶接トーチ２０の姿勢に基づいて、圧縮機インペラ３０を保持し、溶接トーチ２０に対する圧縮機インペラ３０の姿勢を変化させるポジショナ１５の、溶接時における最適な動作を求める。
この後、求めた最適な動作を、溶接トーチ２０を保持するロボットアーム（図示せず）、ポジショナ１５に実行させる。
【００１４】
図３に示すように、処理手段１２では、まず、溶接対象である圧縮機インペラ３０について、オンライン教示データを取得する（ステップＳ１０１）。これは、溶接前の圧縮機インペラ３０を溶接装置のポジショナ１５に載せた状態で、作業者が行う。この作業者は、溶接作業に精通していることが必要である。より具体的には、この作業者は、溶接線上の特定の溶接位置において、適切な後退角α（図５（ａ）参照）が得られるように、溶接トーチ２０をワーク１６に対して操作、移動できることを前提とする。また、この作業者は、溶接線上の特定の溶接位置において、溶接面の中間位置（図５（ｂ）参照）に溶接トーチ２０をワーク１６に対して操作、移動できることを前提とする。熟練した溶接作業者であれば、この前提を満足することができる。
作業者は、溶接トーチ２０を持ち、図４に示すように、ポジショナ１５に保持された圧縮機インペラ３０の、溶接線１００上の複数の位置Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎについて、実際に溶接する際に最適な姿勢となるように溶接トーチ２０を溶接線１００上に当てる。作業者は、圧縮機インペラ３０との干渉を避けつつ、溶接線１００に沿って溶接トーチ２０を移動させる。図２に示すように、溶接トーチ２０は、筒状のトーチ本体２１と、トーチ本体２１の先端部に装着されるノズル２２とから構成される。
なお、オンライン教示データ取得の際には、作業者がオンライン教示作業をしやすいように、ワーク１６を保持するポジショナ１５の姿勢を、実際の溶接時とは異なる姿勢にすることができる。
【００１５】
作業者によるオンライン教示によって、溶接線１００上の、個々の位置Ｐ１、Ｐ２、…における、溶接トーチ２０の姿勢情報を取得する。ここで、前述したように、作業者は、適切な後退角αが得られるように、溶接トーチ２０をワーク１６に対して操作、移動できる。したがって、溶接トーチ２０の姿勢（角度）がオンライン教示により特定されることにより、図５（ａ）に示される垂線が決定される。この垂線は、圧縮機インペラ（ワーク）３０の溶接位置における垂線である。本実施の形態では、作業者がオンライン教示を行うことにより、垂線を迅速に決定できるところに特徴がある。つまり、溶接トーチ２０の先端姿勢、具体的には、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、溶接部における溶接トーチ（ワイヤ）２０の向いている方向をｘ軸と、溶接面の中間位置にありｘ軸と９０度の関係にあるｙ軸と、ｘ軸及びｙ軸から求まるｚ軸とからなる溶接トーチ（ツール）座標系において、ｚ軸まわりにｘ軸を後退角αだけ回転させることにより、垂線を求めることができる。なお、後退角αは、位置Ｐ１、Ｐ２、…ごとに特定され、データ格納部１４に格納されている。また、図５（ａ）、（ｂ）には、真直ぐな溶接トーチ２０の例を示しているが、湾曲した溶接トーチ２０の場合には、溶接位置における溶接トーチ２０の接線方向を溶接トーチ２０の方向とすればよい。
【００１６】
溶接トーチ２０によって圧縮機インペラ３０を溶接する際には、圧縮機インペラ３０を保持するポジショナ１５の姿勢を変化させる。そこで、ポジショナ１５によって保持された圧縮機インペラ３０の最適な姿勢を求めるため、処理手段１２は、以上で求められた垂線を用いてポジショナ１５の最適な姿勢を以下の手順で求める。なお、オンライン教示を行った際の、ワーク１５と溶接トーチ２０の間の位置関係を維持しながら、以下の手順が進められる。
図３に示すように、まず、ポジショナ１５の検討基準姿勢を決定する（ステップＳ１０３）。図５に示すように、この検討基準姿勢は、溶接トーチ２０と重力方向のなす角度が、後退角α＋下り溶接角度βになり（図５（ａ）参照）、かつ、圧縮機インペラ３０を構成するために溶接する二つの部材のなす角度に対し、溶接トーチ２０がその中間位置となるような角度γとなる姿勢である（図５（ｂ）参照）。なお、後退角αは圧縮機インペラ３０の溶接部分に対する垂線と溶接トーチ２０のなす角度、下り溶接角度βは重力方向と前記垂線のなす角度で定義される。上述した前提から明らかなように、後退角α、角度γは、作業者がオンライン教示することにより、特定されるものである。
このとき、溶接トーチ２０側の姿勢は、前記ステップＳ１０１で取得された溶接トーチ２０の位置Ｐ１、Ｐ２、…毎の姿勢とする。このようなポジショナ１５の検討基準姿勢は、溶接トーチ２０を溶接線１００に沿って上方から下方に向けて溶接していくときに、ビードを形成する溶接金属の流れ等を考慮し、溶接トーチ２０に対する圧縮機インペラ３０の理想的な姿勢とするために設定されるものである。
【００１７】
次いで、溶接線１００に沿って溶接トーチ２０を動かしていったときの、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおける、ポジショナ１５の最適な姿勢を求める。
これには、まず、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおいて、ポジショナ１５の動作軸を変化させ、ポジショナ１５の動きにあわせて垂線を座標変換させる。図５（ａ）、図５（ｂ）の視点での、座標変換後の垂線と重力方向ベクトルの逆ベクトルとの差分を（θ１，θ２）として取得する。
これにより、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおいて、姿勢情報（θ１、θ２）が異なるポジショナ１５の候補姿勢が複数取得されることになる（ステップＳ１０５）。
【００１８】
続いて、溶接線１００上の位置Ｐ１、Ｐ２、…と、その位置毎のポジショナ１５の候補姿勢とから、溶接線１００に沿ってポジショナ１５を動かしたときの、位置Ｐ１から位置Ｐ２、位置Ｐ２から位置Ｐ３、…と、互いに前後する位置間におけるポジショナ１５の姿勢の変化量（姿勢変化量）を、それぞれの位置における姿勢情報（θ１、θ２）から、（角度、角速度、角加速度）として算出する（ステップＳ１０７）。
この変化量は、互いに前後する２つの位置（例えば位置Ｐ１と位置Ｐ２）のそれぞれの候補姿勢の数の組み合わせ分だけ算出されることになる。
【００１９】
そして、算出された変化量を用い、溶接線１００に沿ってポジショナ１５を動かしたときの、溶接線１００の姿勢変化の評価を行う（ステップＳ１０９）。
これには、例えば、以下のような評価式Ｆ１を用いることができる。
Ｆ１＝ｗ１×θ１＋ｗ２×θ２
ここで、ｗ１、ｗ２は予め設定した重み付け係数である。
このような評価式Ｆ１を用い、全検索、もしくはダイクストラ法等のグラフ理論により、ポジショナ１５を溶接線１００に沿って動かしたときのポジショナ１５の姿勢変化を評価し、最適な評価値を有するポジショナ１５の動作を求める（ステップＳ１１１）。
【００２０】
このようにして、溶接トーチ２０の動作に対応した、ポジショナ１５の最適な動作を求めることができる。具体的には、最適動作情報として、個々の位置Ｐ１、Ｐ２、…における、ポジショナ１５の最適な姿勢情報（θ１、θ２）を取得することができる。
【００２１】
ポジショナ１５の最適な動作を実現するための情報（位置Ｐ１、Ｐ２、…における、ポジショナ１５の最適な姿勢情報、（θ１、θ２））を用い、溶接動作制御システム１０では、溶接トーチ２０を保持するロボットアーム、およびポジショナ１５の動作を制御しながら溶接を実行する。
【００２２】
以上説明したように、第１実施形態は、作業者が実際の溶接対象である圧縮機インペラ３０に対してオンライン教示を行うので、ＣＡＤデータに基づいて演算処理する場合に比べて、教示データを作成する時間が大幅に短縮される。また、第１実施形態では、実際の溶接対象である圧縮機インペラ３０に対してオンライン教示を行うので、ワークの作製誤差等に対する補正が不要となり、溶接品質の向上にも寄与する。
【００２３】
＜第２実施形態＞
第２実施形態は、ＣＡＤデータ（設計データ）を用いて、ポジショナ１５の最適な姿勢に関する情報（設計姿勢情報）を取得しておき、この情報とオンライン教示により得られるポジショナ１５の姿勢に関する情報（実姿勢情報）を比較する。設計姿勢情報に対して実姿勢情報が大きく乖離している場合には、作業者に対して警告を発する。そうすることにより、精度の高い溶接を実現する。
基準姿勢情報は、以下に示す事項を除き、図３で示した実姿勢情報を取得する手順と同様の手順で得ることができる。すなわち、ポジショナ１５の三次元モデル（仮想モデル）をポジショナ１５のＣＡＤデータから構築する。このＣＡＤデータは、格納部１４に格納させておけばよい。そして、位置Ｐ１、Ｐ２、…のそれぞれにおいてポジショナ１５の三次元モデルを、角度β、γ（図５参照）に対して一定角度ずつ回転させ、このときの角度β、γ（図５参照）に対する角度θ３、θ４を設計姿勢情報（θ３、θ４）として取得する。以下の処理手順は、第１実施形態のθ１をθ３と、また、第１実施形態のθ２をθ４と読み替えることにより、第１実施形態と同様にして、個々の位置Ｐ１、Ｐ２、…における、ポジショナ１５の設計姿勢情報（θ３、θ４）を取得することができる。設計姿勢情報は、格納部１４に格納される。
【００２４】
第２実施形態においては、処理手段１２が、オンライン教示（第１実施形態）により得られる実姿勢情報（θ１、θ２）を設計姿勢情報（θ３、θ４）と比較する。例えば、θ３については閾値をθ３±３°、θ４については閾値をθ４±１０°と設定しておく。θ１、θ２がそれぞれ閾値の範囲内の場合には、処理手段１２は、実姿勢情報（θ１、θ２）を当該位置における最適な姿勢情報として格納手段１４に格納する。θ１、θ２がそれぞれ閾値の範囲外の場合には、処理手段１２は表示手段１３に警告の表示をさせる。この表示は、音声により行うこともできる。また、処理手段１２は、実姿勢情報（θ１、θ２）を当該位置における最適な姿勢情報として認めない。作業者は、警告が表示された場合には、溶接トーチ２０を、異なる姿勢で圧縮機インペラ３０の当該位置に当てることにより、オンライン教示する。これにより、新たな実姿勢情報（θ１、θ２）を取得し、以上と同様にして、設計姿勢情報（θ３、θ４）と比較する。
【００２５】
第２実施形態によれば、設計姿勢情報を取得するものの、オンライン教示による実姿勢情報の精度が向上する利点がある。すなわち、第１実施形態では、作業者が、溶接線上の特定の溶接位置において、適切な後退角αが得られるように、溶接トーチ２０をワーク１６に対して操作、移動できること、また、溶接線上の特定の溶接位置において、溶接面の中間位置に溶接トーチ２０をワーク１６に対して操作、移動できることを前提としているが、作業者のオンライン教示が不適切な場合もあり得る。そこで、第２実施形態では、作業者のオンライン教示が適切に行われたことを確認する。この確認は、位置Ｐ１、Ｐ２、…ごとに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施の形態における溶接動作シミュレーションシステムの構成を示す図である。
【図２】溶接対象となる圧縮機インペラを示す図である。
【図３】溶接トーチの動作探索処理及びポジショナの動作探索処理の流れを示す図である。
【図４】溶接線に沿った複数の位置を示すための図である。
【図５】溶接線上に沿った溶接トーチの姿勢を示すための図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…溶接動作制御システム、１１…入力手段、１２…処理手段（基準姿勢算出手段、姿勢変化量算出手段、最適動作情報生成手段）、１３…表示手段、１４…データ格納部、２０…溶接トーチ、２１…トーチ本体、２２…ノズル、３０…圧縮機インペラ（溶接対象物）、１００…溶接線
【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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