JP5548161B2 - センサ角度の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワーク上の加工ラインに沿った各教示点における幾何学量の計測を行うためのセンサについて、各教示点におけるワークに対する角度を測定するセンサ角度の測定方法に関する。

従来、ワークの加工ラインに沿った各点における幾何学量を計測するためのセンサとして、溶接ロボットが保持する溶接トーチに取り付けられたレーザセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザセンサは、アルミニウム等の部材の溶接に際し、溶接継手の形状を検出するために用いられる。この検出結果に応じて溶接電流のＥＮ比率が調整され、被溶接物への入熱量が制御される。

また、溶接ロボットにより二輪車のアルミフレームの溶接を行う場合には、溶接ビードの外観の美しさが求められるので、修正のない確実な溶接を行う必要がある。このため、各教示点（ティーチングポイント）において、溶接継手におけるワーク間のギャップを、溶接トーチに固定されたレーザセンサで計測し、この計測結果に応じて溶接狙い位置や溶接条件を最適化するようにしている。

このギャップの計測に際しては、正確な計測を行うために、ワーク面に対してレーザセンサの計測方向が垂直となるようにする必要がある。したがって、ギャップ計測のために溶接トーチとともにレーザセンサが教示点に移動したとき、ギャップ計測に先立ち、レーザセンサの姿勢が補正され、レーザセンサの測定方向がワーク面に対して垂直となるように制御される。

特開２００１−２５９８３８号公報

しかし、溶接ロボットの姿勢の変化等により、ワークに対するレーザセンサの姿勢が、教示されたときの姿勢から変化している場合もあり得る。そこで、この変化を考慮してレーザセンサの姿勢を制御するために、定期的に、各教示点において、ワークに対するレーザセンサの角度を測定し、この測定結果を考慮して、レーザセンサの姿勢を制御することが考えられる。

この場合、溶接方向がツール座標系のｘ軸の正方向となるように設定され、レーザセンサが変位センサであるとすれば、溶接方向に垂直なｙ軸の周りのワーク面に対するレーザセンサの角度Ｒｙは、次のようにして測定することができる。

すなわち、まず、対象とする教示点にレーザセンサを位置させてワークまでの距離ｚ１をレーザセンサで計測する。次に、ｘ軸方向に所定距離ｘ１だけレーザセンサを移動させ、ワークまでの距離ｚ２をレーザセンサで計測する。そして、角度Ｒｙを、Ｒｙ＝Ａｔａｎ（（ｚ２−ｚ１）／ｘ１）により算出する。

しかしながら、このレーザセンサの角度の測定方法によれば、溶接線がワーク上の曲折部を横切っている場合、曲折部へ移行する直前の溶接線部分について教示点を設定することができない。レーザセンサを、その教示点から所定距離ｘ１だけ前方に移動させて距離を計測すると、曲折部までの距離を測定することになるので、その教示点での角度を測定できないからである。

この場合、ワーク上の曲折部に移行する直前の溶接線部分についてギャップ計測が行われない。このため、曲折部における溶接を円弧補間等によって行う場合に、曲折部における溶接狙い位置や溶接条件の設定を正確に行うことができないので、加工品位を向上させることができない。レーザセンサとして３次元センサを使用し、上述の距離ｚ２の計測を不要とすることも考えられるが、そうすると、装置のコストを増大させることになる。

本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、簡便な構成により曲折部における加工品位を向上させることができるセンサ角度の測定方法を提供することにある。

本発明のセンサ角度測定方法は、ワーク上の加工ラインに沿って設定された各教示点及び該教示点に対応する追加点に、該ワークの加工に必要な該加工ラインの各教示点における所定の幾何学量を計測するためのセンサを順次位置させながら、該センサにより該ワークまでの距離を計測する計測工程と、前記計測工程での計測結果に基づき、各教示点における前記センサの前記ワークに対する角度を算出する算出工程とを備え、前記ワークは、曲折部を介して連続する第１ワーク部分及び第２ワーク部分を有し、前記加工ラインは、加工順に前記第１ワーク部分上の第１加工ライン、前記曲折部上の曲折部加工ライン、及び前記第２ワーク部分上の第２加工ラインを有し、各教示点に対応する追加点は、該教示点が、前記第１加工ラインについての最後のものでない場合は、該教示点の前方に位置し、最後のものである場合には、該教示点の後方に位置することを特徴とする。

この方法において、各教示点でのワークに対するセンサの角度は、その教示点及びこれに対応する前方の追加点でのワークまでの距離の計測結果に基づいて算出される。ただし、第１加工ラインについての最後の教示点での角度は、該教示点及びその後方に位置する追加点での計測値に基づいて算出される。

したがって、センサとしてコストのかからない変位センサを用い、該最後の教示点が、曲折部に至る直前の第１加工ラインの部分についてのものであっても、支障なく、該最後の教示点におけるセンサの角度を測定することができる。

これによれば、第１加工ラインについての最後の教示点の位置を、第１加工ラインが曲折部に至る直前の位置とし、第２加工ラインについての最初の教示点の位置を、加工ラインが曲折部を通過した直後の位置とすることにより、曲折部加工ラインの直前直後におけるセンサの角度を測定することができる。

したがって、ワークに対するセンサの角度は、各教示点の設定時における該角度から変動するおそれがあるが、変動した場合でも、曲折部加工ラインの直前直後のセンサ角度の測定結果を考慮して、曲折部加工ラインの直前直後における加工ラインの幾何学量の計測を正確に行うことができる。この計測結果に基づき、曲折部加工ラインに沿った加工を円弧補間等により行う場合でも、加工狙い位置や加工条件の設定を正確に行い、加工品位を向上させることができる。

本発明においては、前記曲折部は、前記第１ワーク部分及び第２ワーク部分に滑らかに連続する湾曲部分を有し、前記曲折部加工ラインは前記湾曲部分に存在し、前記最後の教示点は、前記曲折部加工ラインへ移行する直前の前記第１加工ラインの部分についてのものであり、前記第２加工ラインについての最初の前記教示点は、前記曲折部加工ラインから移行した直後の該第２加工ラインの部分についてのものであってもよい。

これによれば、曲折部加工ラインの直前直後の教示点におけるセンサ角度の測定結果を考慮することにより、該教示点における加工ラインの幾何学量の計測を正確に行うことができる。さらに、この計測結果に基づき、曲折部加工ラインについての円弧補間等を利用した加工を正確に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る溶接ロボットシステムの構成を示すブロック図である。 図１のシステムにより溶接されるワークの継手部分の断面図である。 図１のシステムにおける処理の一部を示すフローチャートである。 図３の処理フロー中のレーザセンサの角度を測定する処理における測定の様子を示す図である。 図３の処理フローにおける開先形状をセンシングする処理において計測される事項を示す図である。 図３の処理フローにおけるレーザセンサの角度を測定する処理において行われる角度測定方法を示す図である。 図１のシステムにより溶接されるワーク上の各教示点及び対応する追加点の配置例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る溶接ロボットシステムの構成を示すブロック図である。

同図に示すように、このシステムは、システムの各部を制御する制御部１と、制御部１とのインタフェースとして機能する操作部２と、ワーク３の開先についての計測を行うためのレーザセンサ４と、アーク溶接によりワーク３の溶接を行うための溶接トーチ５と、溶接トーチ５に溶接電流を供給する溶接電源６と、溶接トーチ５に溶接用ワイヤを供給するワイヤ供給部７と、溶接トーチ５にシールドガスを供給するガス供給部８と、ワーク３や、レーザセンサ４、溶接トーチ５を保持して動かすマニピュレータ９とを備える。

マニピュレータ９は２台のロボット本体により構成される。一方のロボット本体によりレーザセンサ４及び溶接トーチ５が操作される。他方のロボット本体によりワーク３が操作される。すなわち、制御部１は、２台のロボット本体を協調させて溶接作業を行う。

図２は、溶接線に垂直な面で切断したワーク３の継手部分の断面図である。図２に示すように、ワーク３は、溶接される端部の近傍に段差部３１ａが設けられたワーク３１と、段差のないワーク３２とからなる。溶接は、段差部３１ａによって表面よりレベルが下がったワーク３１の端部３１ｃにワーク３２の端部を重ね、ワーク３１及び３２の表面がほぼ同一面上に位置するようにして行われる。すなわち、溶接継手はせぎり継手となっている。

溶接に際しては、ティーチングによりワーク３の加工ラインとしての溶接線に沿って設定された各教示点におけるギャップＧ１及びギャップＧ２が計測される。ギャップＧ１は、段差部３１ａ表面のワーク３２側端部３１ｂとワーク３２の端部３２ａとの間の、ワーク３１及び３２の表面に沿った方向の距離である。ギャップＧ２は、ワーク３２とワーク３１の端部３１ｃとの間の、ワーク３１及び３２の表面に垂直な方向の距離である。

ギャップＧ１及びＧ２の計測は、ワーク３上の溶接線に沿った各教示点に溶接トーチ５を順次移動させながら、レーザセンサ４により行われる。この計測は、レーザセンサ４をワーク３上の各教示点における表面に対し垂直となるようにして、正確に行う必要がある。この測定結果に基づいて、溶接線が補正されるとともに、各種溶接条件が設定されるからである。

ただし、ツール座標系やワーク座標系はマニピュレータ９の姿勢の変動等により変化するおそれがある。したがって、この変化を考慮しないと、レーザセンサ４をワーク３上の計測対象面に垂直となるように制御できず、ギャップＧ１及びＧ２の測定を正確に行うことができない。

そこで、定期的に、ワーク３に対するレーザセンサ４の角度を各教示点において測定し、その測定結果を、ギャップＧ１及びＧ２の計測時におけるレーザセンサ４の姿勢制御に反映するようにしている。なお、この測定結果は、溶接時におけるレーザセンサ４の姿勢制御にも反映される。

図３は、図１のシステムにおける処理の一部を示すフローチャートである。上述のレーザセンサ４のワーク３に対する角度の測定から溶接条件の設定までの処理が示されている。この処理は制御部１により行われる。

処理を開始すると、制御部１は、まず、ステップＳ１において、ワーク３に対するレーザセンサ４の角度の測定を実行するか否かを判定する。この角度の測定は、例えば、ワーク３のロットが変わるときや、溶接ロボットシステムの日毎の稼動開始時等の定期的なタイミングで行われる。このタイミングに合致するときは、ステップＳ２へ進み、レーザセンサ４の角度の測定を実行する。合致しないときは、ステップＳ３へ進む。

図４は、ステップＳ２においてレーザセンサ４の角度を測定する様子を示す。図４に示すように、レーザセンサ４の角度の測定は、ワーク３上の溶接線に沿った各教示点Ｐｉ（ｉ＝１、・・・、ｎ−１、ｎ、ｎ＋１、・・・）に、溶接トーチ５に固定されたレーザセンサ４を順次移動させながら、各教示点Ｐｉにおいて行う。

測定するレーザセンサ４のワーク３に対する角度は、溶接方向をＸ軸の正方向とし、これに直交する方向をＹ軸、ワーク３面に垂直な方向をＺ軸とする右手系を考えると、Ｘ軸周りの角度Ｒｘ及びＹ軸周りの角度Ｒｙである。

角度Ｒｘは、Ｙ軸方向に沿ったワーク３の外形をレーザセンサ４によって計測することにより測定することができる。角度Ｒｙの測定については後述する。このレーザセンサ４の角度の測定を完了すると、ステップＳ３へ進む。

ステップ３では、各教示点Ｐｉにおける開先の断面をレーザセンサ４によりセンシングし、上述のギャップＧ１及びＧ２の計測を行う。この計測は、レーザセンサ４を各教示点Ｐｉに順次移動させながら、各教示点Ｐｉにおいて行う。

すなわち、各教示点Ｐｉにおいては、まず、ステップＳ２で測定した該教示点Ｐｉにおけるレーザセンサ４のＸ軸周りの角度Ｒｘ及びＹ軸周りの角度Ｒｙを参照し、レーザセンサ４がワーク３に垂直となるように、レーザセンサ４のＸ軸周り及びＹ軸周りの角度を補正する。次に、レーザセンサ４により、該教示点Ｐｉにおける開先の形状をＹ軸方向に走査してセンシングする。

図５はこのセンシングにより計測される事項を示す。図５に示すように、レーザセンサ４で開先形状をセンシングすることにより計測される事項は、上述の図２で示したギャップＧ１及びＧ２である。また併せて、溶接トーチ５の先端と、段差部３１ａ表面のワーク３２側端部３１ｂとのＹ軸方向及びＺ軸方向の距離ΔＹ及びΔＺが計測される。

次に、ステップＳ４において、溶接線の位置を補正する。すなわち、ステップＳ３で得られた各教示点ＰｉにおけるギャップＧ１及びＧ２並びに距離ΔＹ及びΔＺの計測値に基づいて、各教示点Ｐｉにおいて溶接トーチ５の先端を位置づけるべき最適な溶接狙い位置を決定する。

次に、ステップＳ５において、溶接条件を補正する。すなわち、ステップＳ３で得られた各教示点ＰｉにおけるギャップＧ１及びＧ２の計測値を考慮し、各教示点Ｐｉにおける最適な溶接条件を決定する。溶接条件としては、例えば、溶接電流、ＥＮ比率、ウィービング振幅φ、及びウィービング角が該当する。これにより、図３の処理を終了する。

図３の処理が終了した後、ステップＳ４及びＳ５で補正された溶接狙い位置及び溶接条件に従い、ワーク３の溶接が行われる。この溶接に際しては、ステップＳ２で測定したレーザセンサ４の角度を参照しながら、溶接トーチ５の姿勢が補正される。

図６は、上述のステップＳ２における角度Ｒｙの測定方法を示す。図６に示すように、各教示点Ｐｉにおいて、ワーク３に対するレーザセンサ４のＹ軸周りの角度Ｒｙを測定するに際しては、まず、教示点Ｐｉにレーザセンサ４を位置させ、レーザセンサ４によりワーク３までの距離ｚ１を計測する。

次に、教示点Ｐｉに対応する追加点Ｑｉにレーザセンサ４を位置させ、レーザセンサ４によりワーク３までの距離ｚ２を計測する。追加点Ｑｉは、ツール座標系のｘ軸方向に移動した点であり、ティーチング時に追加的に設定されたものである。そして、計測した距離ｚ１及びｚ２の差をΔｚとし、教示点Ｐｉから追加点Ｑｉまでの距離をｘ１とすれば、角度Ｒｙは、Ｒｙ＝Ａｔａｎ（Δｚ／ｘ１）により得ることができる。

図７は、各教示点Ｐｉ及び対応する追加点Ｑｉの配置を例示する。図７に示すように、ワーク３は、曲折部１０を介して接続している平板状の第１ワーク部分１１及び第２ワーク部分１２を有する。曲折部１０は、第１ワーク部分１１及び第２ワーク部分１２に滑らかに接続する部分円筒状の部分により構成される。

すなわち、曲折部１０は、第１ワーク部分１１及び第２ワーク部分１２に垂直な断面が円弧形状を有し、該円弧の中心と該断面における第１ワーク部分１１及び第２ワーク部分１２の各端部とを結ぶ線が、該円弧の中心角θをなしている。

ワーク３上の溶接線１３は、第１ワーク部分１１から曲折部１０を経て第２ワーク部分１２にわたって存在し、かつ第１ワーク部分１１及び第２ワーク部分１２に垂直な断面上に位置する。すなわち、溶接線１３は、第１ワーク部分１１上に存在する溶接線部分１３ａ（第１加工ライン）、曲折部１０上に存在する溶接線部分１３ｂ（曲折部加工ライン）、及び第２ワーク部分１２に存在する溶接線部分１３ｃ（第２加工ライン）を有する。この溶接線部分１３ａ〜１３ｃの順で溶接が行われる。

教示点Ｐｉが、溶接線部分１３ａについての最後のものでない場合、該教示点Ｐｉに対応する追加点Ｑｉは、該教示点Ｐｉの前方に存在する。教示点Ｐｉが、溶接線部分１３ａにおける最後のｍ番目（ｉ＝ｍ）の教示点Ｐｍである場合には、対応する追加点Ｑｍは、該教示点Ｐｍの後方に存在する。

最後の教示点Ｐｍにおけるレーザセンサ４のワーク３に対するＹ軸周りの角度Ｒｙの測定は、該最後のＰｍにおいてワーク３までの距離ｚ１を測定し、その後、該追加点Ｑｍにレーザセンサ４を移動させて、ワーク３までの距離ｚ２を計測することにより行われる。したがって、最後の教示点Ｐｍを、曲折部１０上の溶接線部分１３ｂに移行する直前の溶接線部分１３ａ上の位置について設定することができる。

この場合、溶接線部分１３ｃについての最初の教示点Ｐｍ＋１の位置を、溶接線部分１３ｂから移行した直後の溶接線部分１３ｃ上の位置について設定することにより、溶接線部分１３ｂの直前直後におけるワーク３に対するレーザセンサ４のＹ軸周りの角度Ｒｙを測定することができる。

これによれば、曲折部１０上の溶接線部分１３ｂの直前直後で測定されたレーザセンサ４の角度Ｒｙに基づき、上述のステップＳ３において、溶接線部分１３ｂの直前直後で、レーザセンサ４の姿勢をワーク３に垂直となるように制御し、ギャップＧ１等の幾何学量の計測を正確に行うことができる。

なお、曲折部１０の溶接線部分１３ｂ上には教示点は設定されず、ギャップＧ１及びＧ２の計測は行われない。溶接線部分１３ｂにおける溶接狙い位置や溶接条件は、溶接線部分１３ｂの直前直後の教示点Ｐｍ及びＰｍ＋１におけるセンシング結果に基づき、円弧補間等により決定される。

以上のように、本実施形態によれば、教示点Ｐｉに対応する追加点Ｑｉは、教示点Ｐｉが、第１ワーク部分１１上に存在する溶接線部分１３ａについての最後の教示点Ｐｍでない場合は、教示点Ｐｉの前方に存在し、最後の教示点Ｐｍである場合には、該教示点Ｐｍの後方に存在するので、溶接線部分１３ａについての最後の教示点Ｐｍが、曲折部１０に至る直前の溶接線１３部分に位置する場合でも、支障なく、該最後の教示点Ｐｍおけるレーザセンサ４の角度Ｒｙを測定することができる。

したがって、曲折部１０の直前直後の溶接線１３部分についての教示点Ｐｍ及びＰｍ＋１におけるレーザセンサ４の角度Ｒｙの測定結果に基づき、教示点Ｐｍ及びＰｍ＋１において、レーザセンサ４のワーク３に対する角度を垂直となるように正確に制御し、ギャップＧ１等の計測を正確に行うことができる。

したがって、第１ワーク部分１１から曲折部１０を経て第２ワーク部分１２にかけて存在する溶接線１３に沿って連続的な溶接を行うとき、曲折部１０上の溶接線１３に沿った部分についても、溶接狙い位置や溶接条件を正確に設定し、高品位な溶接を行うことができる。

なお、本発明は上述実施形態に限定されない。例えば、上述においては、ワークを溶接する場合の溶接線についてのセンシングを行うセンサの角度の測定に本発明を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限定されず、ワークを研削したり、塗装したりする場合の加工ラインについてのセンシングを行うセンサの角度を測定する場合についても適用することができる。

３…ワーク、１３…溶接線（加工ライン）、Ｐｉ…教示点、Ｑｉ…追加点、４…レーザセンサ、１０…曲折部、１１…第１ワーク部分、１２…第２ワーク部分、１３ａ…溶接線部分（第１加工ライン）、１３ｂ…溶接線部分（曲折部加工ライン）、１３ｃ…溶接線部分（第２加工ライン）、Ｐｍ…最後の教示点、Ｐｍ＋１…最初の教示点。

Claims (2)

1. ワーク上の加工ラインに沿って設定された各教示点及び該教示点に対応する追加点に、該ワークの加工に必要な該加工ラインの各教示点における所定の幾何学量を計測するためのセンサを順次位置させながら、該センサにより該ワークまでの距離を計測する計測工程と、
   前記計測工程での計測結果に基づき、各教示点における前記センサの前記ワークに対する角度を算出する算出工程とを備え、
   前記ワークは、曲折部を介して連続する第１ワーク部分及び第２ワーク部分を有し、
   前記加工ラインは、加工順に前記第１ワーク部分上の第１加工ライン、前記曲折部上の曲折部加工ライン、及び前記第２ワーク部分上の第２加工ラインを有し、
   各教示点に対応する追加点は、該教示点が、前記第１加工ラインについての最後のものでない場合は、該教示点の前方に位置し、最後のものである場合には、該教示点の後方に位置することを特徴とするセンサ角度の測定方法。
2. 前記曲折部は、前記第１ワーク部分及び第２ワーク部分に滑らかに連続する湾曲部分を有し、
   前記曲折部加工ラインは前記湾曲部分に存在し、
   前記最後の教示点は、前記曲折部加工ラインへ移行する直前の前記第１加工ラインの部分についてのものであり、
   前記第２加工ラインについての最初の前記教示点は、前記曲折部加工ラインから移行した直後の該第２加工ラインの部分についてのものであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ角度の測定方法。
   

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