(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
塗装ロボットのアーム先端の手首部に設けられた噴霧ノズルにより塗装を行う塗装パスの中間部両側の始終端部において、手首部を塗装方向に沿って揺動させるとともに、この揺動速度を、中間部での塗装速度より速くさせて「ぼかし塗り」を行う際の塗装面における噴霧中心点の軌道を求める方法であって、まず始終端部における膜厚変化を噴霧中心点の位置関数として与え、膜厚と塗装速度とが反比例するという条件を使用して、噴霧中心点の移動速度をその位置に対する関数として求め、この速度関数に基づき、速度が位置の微分であることを使用して、噴霧中心点の軌道を時間に対する関数として求めることを特徴とする塗装ロボットにおけるロボット軌道生成方法。
【請求項２】
塗装ロボットのアーム先端の手首部に設けられた噴霧ノズルにより塗装を行う塗装パスの中間部両側の始終端部において、手首部を塗装方向に沿って揺動させるとともに、この揺動速度を、中間部での塗装速度より速くさせて「ぼかし塗り」を行う際の噴霧ノズル先端の軌道を求める方法であって、まず始終端部における膜厚変化を噴霧中心点の位置関数として与え、膜厚と塗装速度とが反比例するという条件を使用して、噴霧中心点の移動速度をその位置に対する関数として求め、この速度関数に基づき、速度が位置の微分であることを使用して、噴霧中心点の位置を時間に対する関数として求め、次にこの噴霧中心点の位置に基づき、噴霧ノズル先端の軌道を求めることを特徴とする塗装ロボットにおけるロボット軌道生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塗装ロボットにおけるロボット軌道生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の量産品の製造工程においてロボットが広く実用化されているが、船舶、橋梁などの大型構造物においても、ロボットの実用化が図られている。
【０００３】
例えば、溶接作業の多くは、溶接ロボットにより行われているが、溶接に比べて、経済効果が充分に発揮されない塗装作業においても、熟練を要する作業者の確保等の問題から、やはりロボット化が望まれている。
【０００４】
従来、塗装ロボットにより塗装を行わせる場合、ロボットアーム先端の手先部すなわち噴霧ノズルが所定の軌跡を描くように、ロボットの運転データが与えられて制御が行われており、通常、噴霧ノズルの塗装速度すなわち移動速度が一定となるように制御されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、塗装作業においては、一定の塗装品質、すなわち塗料の垂れ落ち、塗りむらの無い均一な塗装が要求される。特に、塗装面がコーナ部であったり、また塗装面が重なるような作業域同士の境界部を塗装する場合には、「ぼかし塗り」を必要とするが、このような「ぼかし塗り」については、適正な制御が行われておらず、実際には、手作業により行われており、自動化が望まれている。
【０００６】
そこで、本発明は、「ぼかし塗り」の作業についても、ロボットにより塗装させ得るようにした塗装ロボットにおけるロボット軌道生成方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の塗装ロボットにおけるロボット軌道生成方法は、塗装ロボットのアーム先端の手首部に設けられた噴霧ノズルにより塗装を行う塗装パスの中間部両側の始終端部において、手首部を塗装方向に沿って揺動させるとともに、この揺動速度を、中間部での塗装速度より速くさせて「ぼかし塗り」を行う際の塗装面における噴霧中心点の軌道を求める方法であって、まず始終端部における膜厚変化を噴霧中心点の位置関数として与え、膜厚と塗装速度とが反比例するという条件を使用して、噴霧中心点の移動速度をその位置に対する関数として求め、この速度関数に基づき、速度が位置の微分であることを使用して、噴霧中心点の軌道を時間に対する関数として求める方法である。
【０００８】
さらに、本発明の他の塗装ロボットにおけるロボット軌道生成方法は、塗装ロボットのアーム先端の手首部に設けられた噴霧ノズルにより塗装を行う塗装パスの中間部両側の始終端部において、手首部を塗装方向に沿って揺動させるとともに、この揺動速度を、中間部での塗装速度より速くさせて「ぼかし塗り」を行う際の噴霧ノズル先端の軌道を求める方法であって、まず始終端部における膜厚変化を噴霧中心点の位置関数として与え、膜厚と塗装速度とが反比例するという条件を使用して、噴霧中心点の移動速度をその位置に対する関数として求め、この速度関数に基づき、速度が位置の微分であることを使用して、噴霧中心点の位置を時間に対する関数として求め、次にこの噴霧中心点の位置に基づき、噴霧ノズル先端の軌道を求める方法である。
【０００９】
上記各ロボット軌道の生成方法によると、塗装膜厚変化を与えることにより、噴霧中心点における軌道を求め、この軌道からノズル先端でのロボット軌道を求めることができるため、塗装膜厚を自由に制御することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の塗装ロボットにおけるロボット軌道生成方法を、図１〜図９に基づき説明する。
【００１１】
本実施の形態における塗装ロボットとしては、多関節型のものが使用されるとともに、その塗装対象物は船殻ブロックであり、水平方向および鉛直方向の部材により組み立てられたもので、箱型形状にされている。
【００１２】
例えば、図１に示すように、この船殻ブロック（ワークともいう）１は、船体外板２の内面に補剛部材として、ビーム材３が取り付けられるとともに、船体外板２に直交するように隔壁材４などが取り付けられたものであり、この船殻ブロック１の表面を、特に異なる塗装域同士の境界部を、塗装ロボット（以下、ロボットという）により塗装する場合について説明する。
【００１３】
まず、手首部に噴霧ノズルを有する塗装ガンが取り付けられたロボットの軌道すなわち運転データが運転データ生成システム（コンピュータシステム）にて求められることになるが、図２の矢印Ｄにて示すように、塗装面の境界部分すなわち塗装パスにおける始終端部での塗装膜厚が徐々に薄くなるような「ぼかし塗り」の運転データが生成される。この「ぼかし塗り」は、塗膜と塗膜とを、段差が生じないように繋ぐときに必要とされる施工方法である。
【００１４】
一般に、この「ぼかし塗り」を行う場合、作業者は、手首の動的な振りなどを利用して行っている。この「ぼかし塗り」を、ロボットに行わせる場合、塗装膜厚と塗装速度とが反比例するため、塗装速度を動的に変化させればよい。しかし、ロボットアームにこのような速度変化を行わせようとすると、ロボットアームの慣性によって大きな衝撃力が発生する。
【００１５】
そこで、慣性の小さい手首部の振り動作（揺動動作）だけによって、塗装面における噴霧中心点［以下、ＳＣＰ（スプレーセンターポイント）という］での速度変化を得るのがよいと考える。
【００１６】
すなわち、ロボットにより「ぼかし塗り」を行わせるために、図３に示すような塗装パスにおける始端部および終端部での手首振り軌道を、定常移動により塗装が行われる直線部（中間部）における直線軌道の前後に付加すれば良い。
【００１７】
以下、塗装パスの始終端部にて、「ぼかし塗り」を行わせるための制御方法および手首振り軌道（ロボット軌道）の生成方法について説明する。まず、手首振り動作によって始終端部での膜厚変化を行わせようとすると、ノズル位置を示すツール先端位置［以下、ＴＣＰ（ツールセンターポイント）という］軌道での速度変化を指定する必要がある。
【００１８】
このための方法としては、手首振り部でのＴＣＰ軌道速度を一次式の形で変化させることが考えられる。すなわち、始終端部におけるスタート・エンド手首振り動作を、ＴＣＰ加速度ａと手首振り角θｍおよび定常塗装が行われる直線部塗装速度ｖｓにより指定し、手首振り部でのＴＣＰ速度を下記（１）式のように設定する。なお、（１）式中、ｖｇは手首先端の外端位置での速度、ｖｈは手首先端の直線部に移る境界位置での速度（直線部塗装速度に一致する）を示し、これらの値は、ＳＣＰ速度Ｖ（ｔ）の連続条件より、動作パラメータである加速度ａ、振り角θｍおよびｖｓから下記（２）式のように求められる。以下、式中でのｔはそれぞれの手首振り区間での時間を示し、添え字１および２は、始端部（スタート）および終端部（エンド）における場合を示す。また、ｒｗは手首の長さを示し、ｌｓは塗装距離を示し、Ｌｓは手首中心からＳＣＰ軌道までの距離を示す。
【００１９】
【数１】
0003827439.tif 000002
上記（１）式を膜厚制御に関する基礎式とし、図３に示すような幾何的関係からＳＣＰの位置Ｘ（ｔ）および速度Ｖ（ｔ）が求められる。すなわち、始終端部における速度Ｖ（ｔ）は下記（３）式で表わされる。
【００２０】
【数２】
0003827439.tif 000003
次に、塗装膜厚は塗装速度に反比例するため、標準施工条件（標準的なスプレー姿勢すなわち垂直スプレー姿勢、ノズルチップに応じた標準的なスプレー距離および標準的な塗装速度）に相当する膜厚Ｕ０（スプレーパターン幅中央での膜厚）を基にして、下記（４）式（詳細は、後で説明する）に示す膜厚基準式から下記（５）式が得られる。
【００２１】
【数３】
0003827439.tif 000004
Ｕ＝Ｕ０／ｋｖ（ｔ）    （５）
ここでｋｖは標準施工条件に対する塗装速度の比であり、手首振り動作内では刻々と変化する。また、上記（４）式において、手首振りに伴ってｋｌ（後で説明する）は変化するが塗着量は変わらないため、幅方向の重ね塗りにおいては、膜厚に影響しないものと考えられる。したがって、上記（５）式では、速度の影響だけを考慮している。
【００２２】
ここで、上記（４）式について説明すると、この式は、二次関数で表わされた基準膜厚分布式に、スプレー距離および塗装速度の影響を組み込んだものである。
【００２３】
すなわち、スプレー距離はノズルによって標準的な推奨値があるが、鋼構造塗装ではワークとの干渉回避などのために、スプレー距離をある程度変化させる必要がある。このため、スプレー距離によるパターン幅と膜厚分布への影響を基準膜厚分布式に組み込む必要がある。
【００２４】
組込みの基本原理は、図４に示すように、スプレー距離ｌｓとパターン幅ｗｓとが比例し、粒子がパターン幅に比例して分散すること、および塗布量が変化しないことに基づく。すなわち、膜厚はスプレー距離に反比例するが、パターン幅はスプレー距離に比例することになる。
【００２５】
ところで、塗装速度が大きい場合には、塗布面への塗着効率が落ちると考えられるが、膜厚は塗布量に比例する、すなわち塗装速度に反比例すると考えてよい。
【００２６】
以上の原理に基づき、下記（６）式に示す基準膜厚分布式に、スプレー距離と塗装速度との影響を組み込むと、（４）式に示すような膜厚基準式が得られる。なお、（４）式中、ｋｌおよびｋｖは、標準スプレー距離に対するスプレー距離の比である距離係数、および標準速度に対する塗装速度の比である速度係数をそれぞれ示す。
【００２７】
【数４】
0003827439.tif 000005
以上がＴＣＰ速度の指定による始終端部での膜厚制御の原理と基本式の説明である。ここで、上記方法による始終端部での膜厚制御実験を、鋼構造用に開発した塗装ロボットを用いて行った結果について説明する。
【００２８】
実験方法は、施工パラメータを変化させて、図５に示すようにテストピースに塗布し、パターン幅中央での膜厚を離散的に測定した。この時の塗装条件・施工条件は、下記［表１］および［表２］に示す通りである。また、手首振り半径は、ロボットの手首設計値より３００ｍｍとする。なお、手首振り部ではスプレー距離が変化するので始終端部でのスプレーパターンは広がるが、幅方向の重ね塗りにより、膜厚への影響は相殺される。
【００２９】
【表１】
0003827439.tif 000006
【００３０】
【表２】
0003827439.tif 000007
図６にＴＣＰおよびＳＣＰの各速度変化を、図７（ａ）〜（ｃ）に膜厚変化のシミュレーション結果（実線にて示す）と実測値（丸、三角、菱形の各点にて示す）との対比を示す。
【００３１】
図６に示すように、手首振り動作からアーム動作への移り変わり点におけるＴＣＰ速度の不連続にも拘わらず、ＳＣＰ速度は連続となり、また図７に示す実測結果から、始終端部での膜厚制御が可能であることが分かる。また、ＴＣＰ加速度をパラメータとして見た場合でも、実測値とシミュレーションとはよく一致しており、膜厚制御シミュレーションが有用であることが分かる。
【００３２】
ところで、上述したＴＣＰ加減速による制御は、結果的に膜厚変化を得る方法であり、一次式による加減速の制御では、図７に示すように、富士山型の膜厚勾配曲線を描くことになる。
【００３３】
そこで、さらに一般化して、始終端部での膜厚変化を直接的に指示し、それを実現するＴＣＰ軌道を求める手順を以下に示す。
（イ）始終端部での膜厚変化の指定
まず、膜厚変化とそのパラメータを指定する。膜厚変化としては、例えば直線変化（一次式）などが考えられる。これに対するパラメータとして、図８に示すように、直線部の塗装速度Ｖｓ，膜厚比ν（Ｕｇ／Ｕｈ），スタート・エンドでのパターン距離Ｘｍ，およびスプレータイミングＴｓを指定する。ここでＵｈは塗装速度Ｖｓに相当する膜厚で、パターン幅中央の膜厚で代表される。一次式の膜厚変化は下記（７）式に示す位置関数として表わされる。なお、（７）式中、Ｋは、（Ｕｈ−Ｕｇ）／Ｘｍを示す。
【００３４】
【数５】
0003827439.tif 000008
（ロ）ＳＣＰ軌道について
上記（７）式で示した膜厚Ｕ（Ｘ）は、塗装速度Ｖ（Ｘ）に反比例するため、始終端部でのＳＣＰ速度は、下記（８）式に示す位置関数にて表わされる。
【００３５】
【数６】
0003827439.tif 000009
ここで、ＳＣＰの位置と速度とには、時間に対して、下記（９）式に示すような関係がある。
ｄＸ／ｄｔ＝Ｖ（Ｘ）      （９）
したがって、ＳＣＰ位置は、この微分方程式を解くことによって時間関数として得られる。例えば、一次式の膜厚変化では、下記（１０）式に示すように、ＳＣＰの位置が時間の関数として求められる。具体的には、（８）式を（９）式に代入してＸに関する方程式を求め、この方程式をＸについて解くことにより、下記（１０）式が得られる。
【００３６】
【数７】
0003827439.tif 000010
なお、代数的あるいは数値解法により、ＳＣＰの位置は任意の膜厚変化に対して求めることが可能である。
【００３７】
（ハ）ＴＣＰ軌道について
最後にロボットの軌道制御対象であるＴＣＰ軌道（ノズル先端位置のロボット軌道）を求め、このＴＣＰ軌道によりＳＣＰ軌道（噴霧中心点の軌道）が生成されて、膜厚プロフィールが得られる。すなわち、膜厚を指定した場合の始終端部におけるＴＣＰ軌道は、図８および図３を参照することにより、下記（１１）式にて表わされる。具体的には、ＳＣＰ位置ＸよりもＴＣＰ位置ｘの方が、Ｌｓよりもｌｓ分だけ手首中心に近いため、手首振り角度θｍが（ｒｗ／Ｌｓ）の割合で小さくなる。この関係を用いてＴＣＰ位置ｘを求めると、下記（１１）式が得られる。
【００３８】
【数８】
0003827439.tif 000011
なお、（イ）項で指定したスプレータイミングは、図８に示すように塗膜の範囲を限定する働きを持つ。
【００３９】
上記ＴＣＰ軌道を求める手順をまとめると、以下のようになる。
まず始終端部における膜厚変化をＳＣＰ（噴霧中心点）の位置関数として与え、次に膜厚と塗装速度とが反比例するという条件を使用して、ＳＣＰにおける塗装速度（移動速度）をその位置に対する関数として求め、この速度関数に基づき、速度が位置の微分であることを使用して、ＳＣＰの位置を時間に対する関数として求め、次にこのＳＣＰの位置に基づき、ＴＣＰ（噴霧ノズル先端）の軌道を求める。
【００４０】
ここで、膜厚形状指定による膜厚制御のシミュレーションを行った結果について説明する。条件はＴＣＰ加減速制御による膜厚制御実験と同様である。シミュレーションは、（１０）式および（１１）式で与られるＴＣＰ軌道を出発点とし、（１）〜（６）式を説明した箇所にて展開した手順により行った。始終端区間距離Ｘｍをパラメータとしてシミュレーションの結果得られた膜厚形状を図９に示す。この図９から、良好なシミュレーション結果が得られているのがよく分かる。
【００４１】
上述したＴＣＰ加減速制御における実測値とシミュレーションとの一致、および図９のシミュレーション結果が示すように、パラメータによって膜厚形状を自由に制御することができる。
【００４２】
上記した塗装膜厚の制御方法によると、ロボットの手首部だけを、塗装パスの始終端部で揺動させるようにしたので、ロボットアームを揺動させようとする場合に比べて、衝撃力が殆ど発生しないため、支障なく、「ぼかし塗り」をロボットにより行わせることができる。
【００４３】
また、上述したロボット軌道の生成方法によると、塗装膜厚変化を与えることにより、ＳＣＰの軌道を求め、この軌道からＴＣＰでのロボット軌道を求めることができるため、塗装膜厚を自由に制御し得る。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明のロボット軌道生成方法によると、塗装膜厚変化を与えることにより、噴霧中心点における軌道を求め、この軌道からノズル先端でのロボット軌道を求めることができ、したがって塗装膜厚を自由に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態における塗装対象物の要部鳥瞰図である。
【図２】  同実施の形態における塗装域の重なり状態を示す断面図である。
【図３】  同実施の形態における塗装パラメータの関係を示す図である。
【図４】  同実施の形態におけるスプレー距離とスプレー幅との関係を説明する平面図である。
【図５】  同実施の形態における膜厚制御実験を説明する図である。
【図６】  同実施の形態におけるＴＣＰおよびＳＣＰでの速度変化を示すグラフである。
【図７】  同実施の形態における膜厚変化を示すグラフである。
【図８】  同実施の形態の軌道生成方法による膜厚プロフィールを示すグラフである。
【図９】  同実施の形態における膜厚制御方法による膜厚のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１      船殻ブロック
２      船体外板
３      ビーム材
４      隔壁材
【図１】
0003827439.tif 000012
【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】
0003827439.tif 000018
【図８】
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【図９】
0003827439.tif 000020