ll載ヨンど訊黙鵬灘講

マルチロボット溶接システム
日本鋼管（掬エンジニァリング研究所勘定

義弘

1．はじめに溶接ロボットの適用分野が、多品種少量生産の分野に大幅に拡大された背景には、コンピュータシステムの著しい進歩があった言える．設計において形状を定義するツールとして発達してきたCADは、2次元から3次元への移行期にあり、従来の製図ツールから脱して、最終製品がイメージできるソリッドモデルが・般的となりつつある。さらに進んで、単なる形状情報定義のみでなく製品の加工・組立に関する情報、とりわけ溶接設計情報、溶接施工情報をも同時に定義しようとする研究1が進められている。

一方、形状定義された最終製品をなんらかの装置（ロボットを含めNCデータにより制御される装置）により作り出すための装置の動作定義に関するツールとして発達してきたのがCAM」1である。溶接ロボットにおいては、オフラインティーチングツール31がCAMの代表であり、コンピュータ上でのティーチングが可能であるというレベルから始まり、現在では、ネットワークを利用して、CADとダイレクトに情報リンクがとられたCAD／CAMシステムとして利用されるレベルに達している。とりわけ、多品種少量の分野では、自動プログラミング手法の開発4

さらに、CI51が、溶接ロボットの適用範囲の拡大に貢献した。

Mという概念のもと、工場全体の統合化、あるいは設計と生産の統合化をコンピュータネットワークにより実現しようとする取組みb−Dが着実に進められており、データベースを核として、CAD／CAM、生産管理システムなどが統合化されている。
生産の中核設備であるロボット、とりわけ溶接ロボットに関しては、比較的小型のワークを対象に、1台のロボットができる範囲を実施してきた独立型の利用形態から、複数台ロボットを利用する協調型8ドヘと発展してきた。特に、重工業においては、外部協調軸を備えることで動作範囲を大幅に拡大したロボッドー即が開発されている．
本稿では、橋梁、造船において利用されているマルチロボット溶接システムを取り上げ、CAD／CAMシステムにおける処理概要、マルチロボット機構など、溶接のシステム化技術に関して紹介する。

2．対象ワーク
橋梁箱桁における典型的な対象ワーク形状をFig．1に示す。パネルは、比較的単純形状と思われるものの取付部材の交差角度が90Gでなかったり、長さが一定でなかったり複雑な部分が存在する。

一方、造船小組立トランスパネルの形状は、Fig，2に示すように橋梁パネルより複雑であり直線の溶接線のほかに、円弧溶接線、立向溶接線が存在する．また、取付部材に倒れ角度があるなど、3次元的要素が強くなっている。このような造船小67

簾3韻sセ赫閏組、1疋対象ワークの形状的特性とシステム化の課題をTa国elにまとめた，ワーク形状が複雑となることにより、ワーク配置、ワーク位置決め、溶接線位置検出、卜渉回避など、ロボットシステム全体が複雑なものとなる。

ヤ＼．「・博・覧奪＼、＼Fig．1

橋梁

箱桁パネル形状Tabl

eFig，2l

造船

トランスバネル形状

造船トランスパネル形状特性

ロボットシステムとしての課題

ワーク特性
全体形状

大型、多品種少量、複雑狭隆、精度保持困難。

ロボットシステム全体が複雑となる。

ベース部材

四角、三角、円弧、様々な外形形状である。

ワーク配置・位置決めが困難。

外形に沿って、切り欠きが存在する。

ワーク配置・位置決めが困難。
ワイヤタッチセンシングが困難。

取付部材

切り抜き部分が存在する。

ワイヤタッチセンシングが困難。

四角、三角、円弧、様々な形状である。

干渉回避処理が困難。

傾いて取り付けられる場合がある。

干渉回避処理が困難。

円弧部材が存在する。

円弧補間が必要となりシステムが複雑化。

部材端部に切り欠きなど、様々な端部形状。

ワイヤタッチセンシングが困難。

取付部材どおしが交差し、交差部分は立向溶接。

溶接ブロセス選定が困難。溶接条件データベースが複雑化。

3．CAD／CAMシステム
前述したように対象ワークが・品一様の形状部材であることより、ロボットによる溶接自動化のためにはティーチング作業の自動化が不可欠な開発項目であった。

Fig．3は、造船小組立ロボット溶接システムに適用されているCAD／CAMシステム構成を示したものである。複数台ロボットの動作プロゲラムをバッチ処理により自動生成していることが特徴である。以下、各サブシステムの処理概要を説明する。

3．1

CADシステム

CAMとリンクしたCADシステムにおいては、形状モデリングにより得られる対象ワークの幾何形状情報のほかに、溶接線情報として、溶接線位置（継手位置）の情報と、脚長、開先形状などの溶接設計情報とが必要とされる。造船や橋梁の場合、部材の取付位置を示す取付線情報を利用して溶接線位置情報としている場合もある。このように．部材形

68

11雛コジどユー蜘熔鎌
状を構成する特定の線分あるいは、補助的な意味を持つ特定の線分を溶接線として定義でき、さらに溶接設計情報をその1，薦性情報として定義できるCADであることが望ましい。

Fig．3に示すシステムにおいては、CAD側にてこのような溶接線情報定義を行っているが、CAD側に機能がない場合には、ワーク形状情報のみをCADより出力し、CAM側にて、溶接線情報を定義する処理方法も考えられる。

3，2

CAMシステム

CAMシステムは、ロボットに必要な動作プログラムを生成する部分であり、専用のアルゴリズムを開発することで、・般のオフラインティーチングシステムにおけるコンピュータ上での教示作業を自動化している。

システムは、ロボット動作データ自動生成システム、ロボットプログラム生成システム、ロボットシミュレータ、データ変換／伝送システムからなる。CAMシステムにおける一連のロボットプログラム自動生成処理フローをFig．4に示す。

七ADシステム

1ドト」

鐸一CADデータ読込み

への

一一タベー

ワークモデル生成

査う芒・プ妻 乱、i溶接モデル生成
干渉回避

ワーク配置

領域分割

溶接順序決定データ変損一伝送

ノステム

溶接施工パターン展開
PC

ロボットシミュレーション

ロ照グドシステム

聾ゼ

Flg．3

ザ騨
ド

CAMデータ伝送

ギ

CAD／CAMシステム例

Fig，4

CAMシステム処理フロー

1）CADデータ読込み処理
幾何形状データと、溶接線情報を読込む。

2）ワークモデル生成処理

読み込まれたCADデータをもとに3次元一クモデルをCAM上で再構築する。
3）溶接モデル生成処理
ワークモデルに対して溶接線情報を付加することで溶接モデルとして構築する。処理内

容は、CADから出力される部材単位の溶接線情報をもとに、溶接線の分割・接続処理を69

第3鰍母鷺磁凶行い、実施工可能な溶接線として再定義する。

例えば、Fig．5に示すように部材が交差する部分においては、溶接線を分割することが明らかであるので、予め溶接線を分割する．反対に、部材に板継部分などがある場合など、本來1本の溶接線であるにも関わらず、CAD側にて複数の溶接線として定義されている場合には、溶接線を接続する。さらに、溶接線が円弧である場合には、溶接線の端部点以外に中間点

1

〆＿〆

一ノ」！

〆五−

N［亘］

、曳・回㎏

画を生成する。このようにしてできた溶接線を基本溶接線と呼んでいる。また、溶接線によって▽、、接続される自部材名、相手部材名、溶接線と交Fig。5溶接モデル例

差あるいは近接関係にある干渉候補部材名、 部材交差位置など、基本溶接線をとりまく部材構成を認識する。加えて、後述する溶接施工パターン選択に必要な情報も生成する。このようにして生成された溶接線情報とそれにリンクがとれたワーク形状情報から構成されるデータを溶接モデルと定義している。

4）干渉回避処理

溶接線と交差する干渉候補部材に対する溶接卜一チを含めたロボットとワークとの干渉を、Fig．

6に示すような2次元（断面）的なチェックにより実施し、トーチ姿勢、ロボット姿勢の変化により回避する。干渉回避できない場合には、溶接線を分割する。さらに、このような分割箇所を含めて溶接線端部が部材交差部分にある場合には、平面的なチェックにより干渉回避する。干渉が回避できない場合には、溶接線を短縮する．いずれも簡易的な干渉回避処理であるので、詳細な干渉チ

Flg．6トーチ・ワーク干渉チェック

ェックは、ロボットシミュレーションにより行う。

5）ワーク配置／領域分割処理

Fig．7に示すように、コンピュータ上のロボット溶接定盤上に複数のワークを配置する。本処理により、ロボットモデルと溶接モデルとの位置的な関係付けが決定される。

次に、マルチロボットに特有の処理として、溶接定盤上に配置された複数のワークの溶接線をどのロボットに溶接させるかを決定する。隣接するロボット動作範囲のオーバーラップ領域内で、極力溶接線が分割されないで、かつ、作業量が均70

Fig．7

複数ワーク配置例

ll鞭ヨシ擢ユー鵬灘蒲等になるようなタスク分割処理を実施する。

6）溶接順序決定処理

マルチロボットを高密度に配廻3

εフS〔こ4孕1）

合、Flg。8に示すように隣接す二一るロボット相互の干渉が問題と罰、

卜一一織

…ζ

ットが一時停止することとなF…iiR9☆4なる。ロボット相互干渉が発生した場合には、いずれかのロボ2フε

舛ε

㌻︑謄曙

置して溶接作業を実施する場

IRSh……1、一鮭r、驚……

る。この干渉回避制御は、マル

P……羅： 濾れており・Fig・8の例では・ロ
図 図 囲
チロボット制御装置にて実施さ

ボットR5が溶接を実施しよう

Fig．8

として、溶接終了点までの作業匹

ロボットの相互干渉エリアを確保すべく、隣接ロボットとの作業エリアのオーバーラッフの有無をチェックした時点で、ロボットR6がすでに溶接中であり、作業エリアのオーバーラップが認識され、ロボットR5は、ロボットR6が作業を終了するまで一時停止するというシーケンスである。

このようなロボット相互干渉を極力回避するためには、CAMシステムにおいて、各溶接線に対する溶接方向、溶接順序の最適化が必要となる。溶接順序の最適化に関しては、

GA（遺伝アルゴリズム）を用いた最適化手法が開発されており、溶接順序を示す初期個体に対して、遺伝子列の交叉処理を行うことで、世代が更新されるにつれてロボット相互干渉に起因する ・時停止時問が徐々に減少していくことが確認されている。ただし、溶接品質や溶接変形を考慮した溶接順序の最適化は、多品種少量部材が対象の場合には、パターン化が困難であり、今後の課題である。

7）溶接施工パターン展開処理

基本的にロボットプログラムは、教示点情報である溶接トーチ先端の位置・姿勢情報と溶接条件を含めた動作内容を規定するシーケンス命令から構成される。本システムでは、溶接条件データベースと対になった溶接施工パターンデータベースの中から溶接箇所に合った適切なトーチ運棒パターンを選択することでロボットプログラムを生成する。

溶接施工パターンとは、まわし溶接に代表されるような熟練溶接技能者の溶接施工ノウハウであるトーチ運棒動作をデータベース化したものであり、技能伝承のひとつの形態であると言える．そのほか、干渉回避を目的とした動作パターン類も含まれている。

本処理では、溶接の開始、終了点あるいは、干渉回避のための中問点に対して、その箇所の形状的特性から適切な施工パターンを選択する。次に、選択された施工パターンの各教示点に対して、部材形状データと干渉回避結果のデータを用いたパラメトリック処理による教示点位置補正とトーチ角度補正を実施する。さらに、溶接線ごとの溶接設計データをもとに適切な溶接条件を、溶接条件データベースより選択し、シーケンス命令を変更す71

・幽醸1赫一
る。

このようにして、ロボットブログラム形式のデーダが生成される．
8）ロボットシミュレーション

ロボットシミュレータをCAMに「組み込むことで、と記バッチ処理に急癒流∵証㌧』

・へ

煽1翔■！甲『印疇

より自動生成されたプロゲラムを事前に干渉シミュレーションでき、現場ロボットを利用した動作確認作業が不要となった。複雑形状の多品種部材が対象であるCAMシステムおいては、不可欠な機能である。

ロボットとワークとの干渉は、ロボットシミュレータの自動干渉チエ

Fig．9

ロボットシミュレーション例

ック機能を用いて詳細にチェックされる。干渉チェックは完全自動処理のため、オペレータが監視する必要もなく効率的である。全プログラムのチェックが完了した時点で、干渉発生箇所がエラー出力されるので、Fig．9に示すようなグラフィック画面を通して、オペレータによりトーチ位置やロボット姿勢が修正される。

9）データ変換／伝送処理

ロボットシミュレータによりチェックされた動作プログラムは、NCコードにデータ変換された後、それぞれのロボットコントローラに伝送される。

4．

ロボット溶接システム

4．1

橋梁パネルラインロボット

CAD／CAM一貫システムにより制御される組立ラインの例として、橋梁パネルラインを紹介する。

Fig．10に示すようにパネルラインは、ウエブ、フランジの2つのラインから構成され、Fig．1に示したパネルを対象に、各ラインでは、取付、ロボット溶接、歪取り、孔明、仕上げの順に作業が進められる．溶接工程においては、同一パネルの溶Fig．10橋梁パネルラインシステム構成

接作業を複数台のロボットが分担して実施するマルチロボット方式を採用しており、従来方式に比較してパネル当たりの処理時問が大幅に短縮されている。

Fig．11に示すウエブパネル溶接ロボットシステムでは、長手方向に8台の多関節溶接

ll縦雪鞍ユー欄羅齢ロボットが2m間隔で天吊り姿勢にて配置されており、幅4m長さ16mの動作エリアを有する。一方、Fig．12に示すフランジパネル溶接ロボットでは、6台の多関節溶接ロボットが自走式ガントリーに天吊り配置されており、曲率のある長尺リブ材の溶接を行っている。ロボットの動作範囲は、幅5m長さ16mである。

Fig．ll4．2

ウェブパネル溶接ロボット

Fig．12フランジパネル溶接ロボット

造船パネルラインロボット

Fig．2に示したように造船トランスパネルは、橋梁パネルに比較して、大きさが大きく、高さもある。そのため、溶接ロボットは、Fig，13に示すようにXYZの3軸の協調外部軸に吊り下げられる形式を採用している。溶接システムは、10台のロボットから構成され、全体として幅8m長さ16mの定盤エリアを保有している。溶接プロセスとして、水平隅肉と立向隅肉の溶接が可能となっている点が特徴である。そのため、アークセンサ自体も高速回転アークセンサ、ウィービング方式アークセンサの2種類を切り替えて制御する高度なシステムとなっている。Fig．14に本システムの適用状況を示す。

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Fig．13

Fig．14マルチロボット機構

造船小組立溶接ロボット

このような大型システムにおいては、複数の形状の異なるワークをコンベアにより搬入する方式としていることから、溶接定盤上でのワーク位置を何らかのセンサにより検出し、CAMデータとの位置ずれ補正を行う必要がある。そのため、各ロボットにはCCDカメラセンサが取り付けられており、自動検出したワーク位置情報を用いてヒ位CAMシステ

73

T欝3趨灘蕪
ムにて座標変換処理を行い、位置補正されたロボットプログラムが各ロボットにダウンロードされるようになっている。

5．生産ラインシミュレーション
溶接を中心とする組立工程においてはライン化が図られており、設備の効率的運用が課題となっている。生産ラインシミュレータは、設備の生産能力などを事前にシミュレーションするツールであり、ラインの工程設備の稼働率、工程間ストック量などの時間的推移を定量的に把握できる。特に、Flg．15に示すようなグラフィカルなFig．15 生産ラインシミュレーション例
画面によりシミュレーション経過が確認できるので、ボトルネック工程などの可視的な判断が可能であることが特徴である。従来、生産技術者が机上で検討していた設備化計画を強力に支援してくれるばかりでなく、既存設備の処理能力や設備配置の問題点を明確化することにも利用できる。

6．生産管理システム

CAD情報をベースに生産に関連する様々な情報を付加することで設計／生産データベースをネットワーク上に構築し、資 ハリらほをロ
ロドゆ
材調達、日程計画、物流計画、L
ハヨロコ

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進捗管理などを行う統合的な生ロむロコハヒ

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「ム化は今後、ますます加速されることが予測される。
日程計画においてもスケジュ

喜Da切αmVB薗on・ざ一□識瑞esy5網巳π1一において比較的容易に生産計画生産効率を高めることにつながロi←諮及するに伴い、コンピュータ上Lと進捗管理を実施できる環境が

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産システムが開発実用化されている。このような生産のシステ

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こ㎞岬『Fig．1674

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ネットワーク生産システム構成例『

騒懸コ羅磁鰯灘撒ることから、日程計画における負荷平準化は重要な課題となっている。

Fig．16は、前述の造船11・組立ラインを対象としたCAD、CAM、生産管理システムをネットワークで統合した生産システム構成を示したものである。

7．まとめ
造船、橋梁に代表される重工製造業向けに開発適用されているマルチロボット溶接シス

テムに関してCAD／CAMシステムとその適用事例を紹介した。多品種少量生産におけるロボットシステムには、自動プログラミング技術が不可欠であり、その処理内容を説明した。近年のコンピュータ処埋能力の向上は、CAD／CAM技術を飛躍的に進歩させており、パソコンで動作するロボットシミュレータの普及により、様々なオフラインプログラミングシステムが開発されるようになった。それに伴い、ロボットの適用可能領域も大幅に拡大したと思われる。

しかし、CAD／CAMがより汎用性の高い柔軟なシステムとなるには、知能化が進められることが必要と考える。その一例として、マルチロボットにおける溶接経路の最適化の問題を紹介したが、溶接技能者の高度な技能と判断力を兼ね備えたロボットとなるべく、センサ技術、溶接条件適応制御技術、ロボット制御技術の高度化が求められている。
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