JPH0375271B2

JPH0375271B2 -

Info

Publication number: JPH0375271B2
Application number: JP57072260A
Authority: JP
Priority date: 1982-04-28
Filing date: 1982-04-28
Publication date: 1991-11-29
Also published as: JPS58188566A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、複数の軸を備え、各軸を旋回させ
るようにした関節形の溶接ロボツトのトーチ制御
方法に関する。

第１図にこの種の代表的な溶接ロボツトを示
す。旋回台１の中には旋回用モータ（図示せず）
があり、これによりθ₁方向に回転する。モータに
は減速機と速度検出器（タコジエネレータ）、位
置検出器（エンコーダ又はレゾルバ）が取り付け
られて速度及び位置制御を行なう。これらの位置
決め指令、速度指令の他に最近ではサーボも含め
てマイクロコンピユータのソフトウエアで行なう
のが普通である。アーム・手首駆動部２では前述
の旋回用モータと同一構成のモータが４組内蔵さ
れている。それぞれ第１アーム４のθ₂の旋回、第
２アーム５のθ₃の旋回、手首機構部のθ₄及びθ₅の
旋回に使用される。第１アーム４へは第１アーム
用リンク１０ａ，１０ｂと、第１アーム４と一体
のレバー４ａとにより平行リンクを形成し、旋回
動作を伝達する。第２アーム５へは同様に１１，
１２ａ，１２ｂ，３の第２アーム用平行リンクに
より旋回動作を伝達する。手首機構部へは第１ア
ームに２組、第２アームに２組のチエーンを用い
た平行リンクにより旋回動作を伝達している。な
お溶接トーチの角度は手首機構部６とトーチブラ
ケツト７の旋回により制御される。

上記のような溶接ロボツトにおいて、溶接線の
教示は、いわゆるPTP方式と呼ばれる方式によ
り行なわれるものであつて、教示された複数点の
間を次式のような補間を行なうものである。

第１教示点X₁，Y₁，Z₁，θ₄₁，θ₅₁（Ｘ，Ｙ，Ｚは
トーチ先端座標、その添字１は第１教示点に関
し、θの第１添字は上記手首機構部の旋回角
θ₄，θ₅に対応し、第２添字は第１教示点に関す
ることを示している）第２教示点X₂，Y₂，Z₂，θ₄₂，θ₅₂（Ｘ，Ｙ，Ｚの
添字は第２教示点に関し、θの第２添字は第２
教示点に関することを示し、その他は上記同
様）Ｌ＝｛(X₂-X₁)²＋(Y₂-Y₁)²＋(Z₂-Z₁)²｝^1/2 分割数Ｎ、第１教示点と第２教示点との間の長
さをＬ、分割ピツチΔLとするとＮ＝Ｌ／ΔL となる。

第１教示点と第２教示点の間のトーチ先端座標
及び第１アーム４、第２アーム５の旋回角θ₄、θ₅
は X_n，Y_n，Z_n，θ_4n，θ_5n（添字ｍは、ｍ番目の
分割部におけるトーチ先端座標等であることを示
している）とすると、 X_n＝X₁＋X₂−X₁／Ｎ・m0＜ｍ＜Ｎ， Y_n＝Y₁＋Y₂−Y₁／Ｎ・ｍ， Z_n＝Z₁＋Z₂−Z₁／Ｎ・ｍ， θ_4n＝θ₄₁＋θ₄₂−θ₄₁／Ｎ・ｍ， θ_5n＝θ₅₁＋θ₅₂−θ₅₁／Ｎ・ｍ，となる。

第２図は従来のロボツトの制御回路であり、教
示ボツクス２４から教示点の座標等の教示に必要
なデータが演算装置２２に入力されるとともに、
入力されたデータは記憶装置２５に記憶される。

そして運転時において、各アーム等の検出器２
０から印加される各アームの傾斜角θ₁〜θ₅を読み
取り、変換器２１で適当な信号に変換されて演算
装置２２に入力される。演算処理方法については
前述の通りである。再生時（プレイバツク時）は
演算処理されたデータを変換器２３を介して各ア
ーム４，５等を駆動するモータM₁〜M₅に出力し
ている。

そして演算装置２２では、記憶装置２５から読
み出される二つの第１，第２教示点P₁，P₂から
直線あるいは円弧による補間によつて、溶接線が
決定され、溶接トーチ８が上記溶接線に沿つて移
動するようにサーボ制御される。

一方、溶接の良否を決定するフアクタとして
は、溶接電流および電圧、溶接速度の他に、溶接
トーチ狙い角がある。なお、本明細書ではトーチ
狙い角とは第３図に示すように、溶接線３０に対
して直角な面３１内での溶接トーチ８の投影軸の
角度βを言う。さらに、図示するように溶接線３
０に対する溶接トーチ８の角度αを傾斜角とい
う。

しかるに、従来は溶接電流、溶接電圧、溶接速
度の記憶装置は教示情報として入力されるが、上
述のトーチ狙い角は従来入力されておらず、した
がつて、溶接作業時にオペレータが遠隔操作によ
つて、溶接トーチの角度αとβとを手動で設定し
ていた。

したがつて、従来の溶接ロボツトにおいては、
正確なトーチ狙い角が設定し難く、溶接品質向上
の妨げとなつていた。

この発明は上述の欠点を除くためになされたも
のであつて、トーチ狙い角を入力することによ
り、自動的にトーチ狙い角を制御するようにした
溶接ロボツトを提供することを目的とする。

以下にこの発明の一実施例を図面とともに説明
する。

第２図において、教示ボツクス２４にはトーチ
狙い角βを入力するテンキーが設けられ、溶接時
における各教示点に対応して、その教示点毎にト
ーチ狙い角βを入力すると、このトーチ狙い角β
は記憶装置２５に記憶される。

第４図はトーチ狙い角βを設定する制御プログ
ラムを示しており、ステツプS1でロボツトを駆
動して、第１，第２の２点を教示する。そしてス
テツプS2で各教示点のアクチユエータ角度を記
憶装置２５に記憶する。

次にステツプS3で、第１，第２教示点でのト
ーチ先端座標（X₁，Y₁，Z₁）（X₂，Y₂，Z₂）を
演算する。

第１図のロボツトにおけるベース１、アーム
４，５、溶接トーチ８等のアクチユエータの図示
する傾斜角θ₁ないしθ₅の第１、第２教示点P₁，P₂
における各値を、それぞれ第２添字１，２で区別
して示し、（θ₁₁，θ₂₁，θ₃₁，θ₄₁，θ₅₁）、（θ₂₁，θ₂₂，
θ₃₂，
θ₄₂，θ₅₂）とすると、 X₁＝（r₁cosθ₂₁＋r₂cosθ₃₁）cosθ₁₁ ＋｛r₃cosθ₁₁・cosθ₄₁−r₄（cosθ₁₁ ・sinθ₄₁・sinθ₅₁＋sinθ₁₁・cosθ₅₁）｝で表わされる。r₁ないしr₄は第１図に示した。
X₂，Y₁，Y₂，Z₁，Z₂についても上記と同様にし
て演算される。

次いでステツプS₄で、第１，第２教示点P₁，
P₂におけるトーチ方向ベクトルＶ_TT1――→，Ｖ_TT2――
→を
演算する。

ただし、Ｖ_TT1――→＝（v₁，v₂，v₃）とすると、 v₁＝−（cosθ₁₁・sinθ₄₁・sinθ₅₁ ＋sinθ₁₁・cosθ₅₁） v₂＝−（sinθ₁₁・sinθ₄₁・sinθ₅₁ −cosθ₁₁・cosθ₅₁） v₃＝cosθ₄₁・sinθ₅₁ と表わすことができる。

第２教示点P₂点におけるトーチ方向ベクトル
Ｖ_TT2――→についても同様に求められる。

次いでステツプS5で経路方向ベクトルＶ_１→を
演算する。

ただし、Ｖ_１→＝｛(X₂-X₁)，(Y₂-Y₁)，(Z₂-Z₁)｝である。

次に、ステツプS6で、第１教示点P₁での教示
された傾斜角α₁を演算する。

ただし、 α₁＝cos^-1V₁・V_TT2／｜V₁｜×｜V_TT2｜である。

第２教示点P₂での傾斜角α₂についても同様で
ある。

次に、ステツプS7にて、トーチ狙い角βを記
憶装置から読み取り、ステツプS8に進み、α₁と
βとから第１教示点P₁での再生方向ベクトル
Ｖ_TP1――→を求める。

ベクトルＶ_１→と同方向の単位ベクトルｖ_１→は v₁＝［X₂−X₁／（X₂−X₁）²＋（Y
₂−Y₁）²＋（Z₂−Z₁）²｝^1/2， Y₂−Y₁／｛（X₂−X₁）²＋（Y₂−Y
₁）²＋（Z₂−Z₁）²｝^1/2， Z₂−X₁／｛（X₂−X₁）²＋（Y₂−Y
₁）²＋（Z₂−Z₁）²｝^1/2］と表わすことができる。

これをｖ_１→（v_x2，v_y2，v_z2）とする。

また、アーク点から鉛直方向の単位ベクトル
は、ｖ_３→（０，０，１）である。

さらに、アーク点から水平に、かつ再生方向単
位ベクトルｖ_１→に対して直角な単位ベクトルｖ_２→
はｖ_３→，ｖ_１→の外積として求まるが、これをｖ_２→（v_x3，v_y3，０）とする。

まず、傾斜角α＝90°でトーチ狙い角βのトー
チ方向ベクトルＶ_TP1――→′を求めると、次のように
な
る。

Ｖ_TP1――→′＝−sinβ・ｖ_３→−cosβ・ｖ_２
→ 次に、傾斜角α_A、トーチ狙い角βのトーチ方
向ベクトルＶ_TP1――→（単位ベクトル）を求めると次
のようになる。

Ｖ_TP1――→＝sinα₁・Ｖ_TP1――→′＋cosα₁・ｖ
_１→ また、第２教示点P₂におけるα₂とβとから再
生トーチ方向ベクトルＶ_TP2――→を同様に求める。

そして、ステツプS9で上記ベクトルＶ_TP1――→及
び、第１教示点P₁におけるトーチ先端座標（X₁，
Y₁，Z₁）が得られるように角θ₁₁′〜θ₅₁′を求め、
制御する。

以下に具体的な演算方法を述べる（第７図参
照）。

トーチ方向ベクトルＶ_TP1――→（v_p1，v_p2，v_p3）
（Ｖ_TP1――→は単位ベクトルとする。）Ａ点を（X₁，Y₁，Z₁），Ｂ点を（X₁₁，Y₁₁，Z₁₁）（第１添字が第１教
示点に関し、第２添字がＢ点に関することを示し
ている）とすると、 X₁₁＝X₁−r₄・v_p1 Y₁₁＝Y₁−r₄・v_p2 Z₁₁＝Z₁−r₄・v_p3 Ｖ_u1――→（v_x1，x_y1，v_z1）となる。

ただし、ベクトルＶ_u1――→は、Ｏ点とＢ点とを結
ぶベクトルを水平面に投影してできる単位ベクト
ルであり、 v_X1＝X₁−r₄v_p1／｛（X₁−r₄v_p1）²＋（Y₁−r₄v_p2）²｝^1/2， v_y1＝Y₁−r₄v_p2／｛（X₁−r₄v_p1）²＋（Y₁−r₄v_p2）²｝^1/2， v_Z1＝０である。

次に、Ｂ点とＣ点を結ぶベクトルBCは、 r₃cosθ₄₁′（−v_x1，−v_y1，−tanθ₄₁′） ……(1) と表わせる。

BC→⊥Ｖ_TP1――→である故、 BC→・Ｖ_TP1――→＝０即ち、 −v_p1・v_X1−v_p2 ・v_Y1−v_p3・tanθ₄₁′＝０となり、 θ₄₁′＝tan^-1（−v_p1・V_X1−V_p2・v_Y1／v_P3）となる。

そして、これによりθ₄₁′が求まる。

このθ₄₁′を(1)のベクトル表示部に代入すること
によつて、ベクトルBC→が求まる。

Ｃ点（X₁₂，Y₁₂，Z₁₂）（第２添字がＣ点に関
することを示し、他は上記同様）の各座標は X₁₂＝X₁−r₄・v_p1−r₃・v_x1 Y₁₂＝Y₁−r₄・v_p2−r₃・v_y1 Z₁₂＝Z₁−r₄・v_p3−r₃・sinθ₄₁′ から求まる。

以下、Ｃ点（X₁₂，Y₁₂，Z₁₂）からθ₂₁′，θ₃₁′，
θ₁₁′を求める（第８図参照）。

Ｒ＝（X₁₂ ²＋Y₁₂ ²＋Z₁₂ ²）^1/2 θ₂₁″＝tan^-1｛Z₁₂／X₁₂ ²＋Y₁₂ ²）^1/2｝ θ₂₁＝cos^-1（R²＋r₁ ²−r₂ ²／２・r₁R） θ₂₁′＝90°−θ₂₁″−θ₂₁ からθ₂₁′が求まる。

また、 θ₃₁′＝sin^-1（Z₁₂−r₁sinθ₂／r₂）からθ₃₁′が求まる。

さらに、θ₁₁′＝tan^-1（Y₁／X₁）からθ₁₁′が求ま
る。

Ｄ点（X₁₃，Y₁₃，Z₁₃）（第２添字がＤ点に関
することを示し、他は上記同様）は、引続いて求
めようとするθ₅₁′が仮に０であるとした場合にお
けるトーチ先端位置であり、Ｂ点（X₁₂，Y₁₂，
Z₁₂）、ベクトルｖ_u1―→（v_x1，v_y1，０）より（第９
図参照）、 X₁₃＝X₁₂−r₄・v_x1・sinθ₄₁′ Y₁₃＝Y₁₂−r₄・v_y1・sinθ₄₁′ Z₁₃＝Z₁₂−r₄cos₄₁′ と表わされ、点Ａ，ＢからベクトルBA→を、点Ｄ，Ｂからベ
クトルBD→を求め、｜BA→×BD→｜＝｜BA→｜・｜BD→｜・sinθ₅₁′ θ₅₁′＝sin^-1｜BA×BD｜／｜BA｜・｜BD｜からθ₅₁′が求まる。

同様にステツプS9で上記ベクトルＶ_TP2――→および
第２教示点P₂におけるトーチ先端座標（X₂，Y₂，
Z₂）が得られるように角θ₁₂′〜θ₅₂′を求める。

なお、傾斜角α₁を計算する代わりに、テンキー
等を用いて入力しても良い。さらにテンキーで入
力する場合には、一般溶接用語で用いられる第１
０図のように移動方向と直角な線からの角度で傾
斜角α′を表す方がわかりやすい。これまでの定義
αとの関係は、 α′＝90°−α なお、α′＜0°は一般に後退角と呼ばれるが、例
えば後退角10°を傾斜角−10°と入力するのがわか
りやすい故、α＞90°の場合には、（90°−α）を
傾斜角として採用しても良い。

なおトーチ狙い角βの例としては、すみ肉溶接
で、かつ多層盛溶接時には、第５図に示すように
１層目ではβ＝45°、２層目ではβ＝50°、３層目
ではβ＝40°程度に少しずつ変えて設定するのが
溶接精度上好ましい。

さらにこれまでは教示点でのトーチ先端座標と
トーチ方向ベクトルから角軸のθ₁〜θ₅を制御する
方法について述べたが、必要に応じて教示点間の
いわゆる補間点においても補間されたトーチ先端
座標およびトーチ角度を教示されたデータとして
同様の演算処理を行うのも良い。

以上詳述したように、第１発明によれば、溶接
ロボツトにおいて、溶接線方向に対して直角な面
内でのトーチの狙い角を演算制御装置に入力する
ことにより各教示点での溶接トーチ角度を上記狙
い角を加味して制御するようにしたので、溶接品
質に大きな影響を与える狙い角を正確に、かつ自
動的に設定することができ、さらに溶接線毎に狙
い角を変更する方が好ましい場合においては、狙
い角を予め定めた角度に順次変更できる。また、
比較的溶接品質上その影響が少なく、それ以上に
ワークとチークとの干渉回避の目的で教示される
傾斜角については、教示データを生かし、ワーク
との干渉を防ぐことができる。即ち、教示データ
中、意味のある傾斜角を生かし、むしろ教示では
誤差をもつ狙い角については別入力データを生か
す合理的なトーチ角度制御ができ、溶接品質を向
上させることができるという効果を奏する。

また、第２発明によれば、溶接線上の少なくと
も二つの教示点について教示された各軸の角度デ
ータから溶接線方向を演算させた後、この溶接線
方向に対する傾斜角、狙い角を入力するようにし
たので、オープンなスペースでの溶接に適し、さ
らに直接教示よりもオフライン教示に適した方法
となり、直接教示、オフライン教示のいずれの場
合においても、教示はトーチ先端のみのデータを
生かし、トーチ角度は溶接線に関する狙い角、傾
斜角を別途数値入力することにより、正確なトー
チ角度がとれ、溶接品質を一層向上させることが
できる。また、オフライン教示の場合には、
CRT画面からではわかりにくいトーチ角度を数
値入力により容易かつ正確に制御できるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸を旋回させるようにした、複数の軸
を有する関節形の溶接ロボツトの一例を示す正面
図、第２図は第１図の溶接ロボツトの制御装置の
一例を示すブロツク図、第３図はトーチ狙い角を
説明する斜視図、第４図はこの発明の一実施例を
示すフローチヤート、第５図はトーチ狙い角の一
例を示す図、第６図ないし第９図はトーチ角度の
求め方を説明するトーチと座標とを示す図、第１
０図はトーチの移動の一例を示す図である。８……溶接トーチ、３０……溶接線、３１……
溶接線に対して直角な面、β……溶接トーチの狙
い角、α……傾斜角。

Claims

【特許請求の範囲】１複数の軸を備え、各軸を旋回させるようにし
た関節形の溶接ロボツトのトーチ制御方法におい
て、演算制御装置に、溶接線上の少なくとも二つ
の教示点について教示された各軸の角度データか
ら溶接線方向を演算させ、上記教示点についての
各軸の角度データと上記溶接線方向とから溶接線
方向に対する溶接トーチの傾斜角を演算させる一
方、溶接線に直角な面内での溶接トーチの狙い角
を上記演算制御装置に入力し、上記演算制御装置
に上記演算にて求めた溶接線に対する溶接トーチ
に傾斜角と上記入力された狙い角にもとづいて、
溶接トーチ方向を求めさせ、この溶接トーチ方向
と上記教示点あるいは補間点データとから各軸の
角度データを算出させて各軸の角度を制御させる
ことを特徴とする溶接ロボツトのトーチ制御方
法。２複数の軸を備え、各軸を旋回させるようにし
た関節形の溶接ロボツトのトーチ制御方法におい
て、演算制御装置に、溶接線上の少なくとも二つ
の教示点について教示された各軸の角度データか
ら溶接線方向を演算させ、上記溶接線に直角な面
内での溶接トーチの狙い角、および上記溶接線方
向に対する溶接トーチの傾斜角を上記演算制御装
置に入力し、上記演算制御装置に上記演算にて求
めた溶接線方向に対して、上記入力された溶接ト
ーチの狙い角、および傾斜角にもとづいて、溶接
トーチ方向を求めさせ、この溶接トーチ方向と上
記教示点あるいは補間点データとから各軸の角度
データを算出させて各軸の角度を制御させること
を特徴とする溶接ロボツトのトーチ制御方法。