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JP7290521B2 - ロボット用溶接ツールおよびロボット - Google Patents

ロボット用溶接ツールおよびロボット Download PDF

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Description

本発明は、ロボット用溶接ツールおよびロボットに関するものである。
従来、鉄等から成る第１部材とアルミニウム等から成る第２部材との異材溶接を行う際に、第２部材に貫通孔を設け、貫通孔に鉄製の溶接エレメントを挿入すると共に、溶接エレメントを溶解させ、これにより第１部材と第２部材とを溶接する技術が知られている。例えば、特許文献１および２が以下に示されている。
特開２０１８－３４１６６号公報 特開２０１８－１０３２４０号公報
前述の異材溶接は、ロボットのアームの先端に取付けられた溶接トーチを用いて行われる場合がある。この時に、第１部材と第２部材との間に隙間があいていると溶接精度が安定しないが、前記文献にはロボットを用いた当該溶接を行う際に前記隙間をコントロールするための技術は開示されていない。また、第１部材と第２部材とが重なる方向が鉛直方向ではなく、鉛直方向と交差する方向又は水平方向である場合もある。これらの場合は前記隙間のコントロールがより重要になる。
前述の事情に鑑み、ロボットのアームに取付けられた溶接トーチを用いて異材溶接を行う際の溶接精度の向上が望まれる。
本開示の第１態様は、第１の金属から成る第１部材と第２の金属から成る第２部材とを、前記第２部材に設けられた貫通孔内に配置される金属製の溶接エレメントを用いて溶接するロボット用溶接ツールであって、ロボットのアームに取付けられる溶接トーチと、前記アームの先端部に取付けられ、前記溶接エレメントを保持可能であり、保持した前記溶接エレメントを前記溶接トーチと前記貫通孔との間に配置すると共に前記溶接エレメントの少なくとも一部を前記貫通孔内に配置するエレメントプッシャと、前記アームの前記先端部に取付けられ、前記溶接トーチの先端部の軸方向に移動可能である部材プッシャと、前記部材プッシャを前記第２部材に押付けることによって、前記第２部材を前記第１部材側に押す駆動装置と、を備え、前記エレメントプッシャは前記部材プッシャに対して前記軸方向に移動可能である。
本開示の第２態様は、第１の金属から成る第１部材と第２の金属から成る第２部材とを、前記第２部材に設けられた貫通孔内に配置される金属製の溶接エレメントを用いて溶接するロボットであって、アームと、前記アームの動作を制御するための制御装置と、前記アームに取付けられる溶接トーチと、前記アームの先端部に取付けられ、前記溶接エレメントを保持可能であり、保持した前記溶接エレメントを前記溶接トーチと前記貫通孔との間に配置すると共に前記溶接エレメントの少なくとも一部を前記貫通孔内に配置するエレメントプッシャと、前記アームの前記先端部に取付けられ、前記溶接トーチの先端部の軸方向に移動可能である部材プッシャと、前記部材プッシャを前記第２部材に押付けることによって前記第２部材を前記第１部材側に押す駆動装置と、を備え、前記エレメントプッシャは前記部材プッシャに対して前記軸方向に移動可能である。
一実施形態に係るロボットの正面図である。 本実施形態のロボットの制御装置のブロック図である。 本実施形態のロボットの先端部およびツールの正面図である。 本実施形態のツールの部分の斜視図である。 本実施形態の異材溶接に用いる溶接エレメントの断面図である。 本実施形態のロボットの制御装置の処理の例を示すフローチャートである。 本実施形態のロボットおよびツールの動作を説明するための図である。 本実施形態のロボットおよびツールの動作を説明するための図である。 本実施形態のロボットおよびツールの動作を説明するための図である。 本実施形態のロボットおよびツールの動作を説明するための図である。
一実施形態に係る垂直多関節型のロボット１およびロボット用溶接ツールであるツール２が、図面を参照しながら以下説明されている。
ロボット１のアーム１０は、複数のアーム部材および複数の関節を備えると共に、前記複数の関節において対応するアーム部材をそれぞれ駆動する複数のサーボモータ１１を備えている（図２参照）。各サーボモータ１１として、回転モータ、直動モータ等の各種のサーボモータを用いることが可能である。各サーボモータ１１はその作動位置を検出するエンコーダ等の作動位置検出装置を内蔵しており、作動位置検出装置の検出値が後述の制御装置６０に送信される。
図１に示されるように、ロボット１のアーム１０の先端部にはツール２が取付けられ、ツール２によって第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との溶接が行われる。本実施形態では、ロボット１は、ツール２によって、第２部材Ｗ２に設けられた貫通孔Ｈに溶接エレメントＥを挿入し、アーク放電によって溶接エレメントＥを溶かし、これにより、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２とを溶接エレメントＥを介して溶接する。
本実施形態では、第１部材Ｗ１および溶接エレメントＥは第１の金属である鉄から成り、第２部材Ｗ２は第２の金属であるアルミニウム合金、マグネシウム合金等の非鉄金属から成るが、この組合せに限定されない。
ツール２は、ロボット１のアーム１０の先端部の例えばフランジ部材１０ａに固定されたベース部材Ｂを有し、ベース部材Ｂに支持されたエレメント供給部２０、溶接トーチ３０、アクチュエータ部４０、および視覚センサ５０をさらに有する。
溶接トーチ３０として、アーク溶接用の公知の溶接トーチを用いることができる。本実施形態の溶接トーチ３０は、トーチ本体３１と、トーチ本体３１から延びる管部３２とを有する。管部３２の先端にはガスノズル３２ａが設けられ、ガスノズル３２ａ内にタグステン等から成る電極３２ｂ（図４）が配置されている。トーチ本体３１はベース部材Ｂに固定され、これによりトーチ本体３１はアーム１０の先端部に取付けられている。なお、アーム１０の先端から２番目のアーム部材がトーチ本体３１の支持に寄与していてもよい。
図１および図３に示されるように、エレメント供給部２０は、一端側がベース部材Ｂに固定され、他端側がベース部材Ｂから離れる方向に延び第１支持部材２１を有する。また、エレメント供給部２０は、第１支持部材２１に固定されたリニア駆動部であるエアシリンダ２２と、エアシリンダ２２のロッド２２ａの一端に固定されたエレメント支持部２３とを有する。エアシリンダ２２の代わりにリニアガイド等の電動シリンダ、油圧シリンダ、又は周知の直動機構を用いることも可能である。
エアシリンダ２２は、ロッド２２ａの他端が内部に配置されたシリンダ２２ｂを有し、シリンダ２２ｂには図示しない空気供給装置から空気が供給される。例えば、シリンダ２２ｂの先端側室および基端側室に空気供給装置から空気が任意に供給され、これによりロッド２２ａが最も突出した状態又は縮んだ状態となる。
図３に示されるように、エレメント支持部２３は、ロッド２２ａの先端に固定された支持ベース２３ａと、支持ベース２３ａに一端が固定された支持部材２３ｂとを有する。支持部材２３ｂの一端は、支持ベース２３ａにボルトＢを用いて取付けられている。ボルトＢを一度緩めることによって、支持ベース２３ａに対する支持部材２３ｂの姿勢を調整することができる。支持部材２３ｂには磁石２３ｃが固定されており、磁石２３ｃによって溶接エレメントＥが支持部材２３ｂに支持される。
図３に示されるように、アクチュエータ部４０は、一端側がベース部材Ｂに固定され、他端側がベース部材Ｂから離れる方向に延びる第２支持部材４１を有する。また、アクチュエータ部４０は、第２支持部材４１に固定されたアクチュエータ４２を有する。アクチュエータ４２は、エアシリンダ２２の軸方向と交差する方向に延びるレール４２ａと、レール４２ａに沿って移動するスライダ４２ｂを有する。また、アクチュエータ４２は、スライダ４２ｂをレール４２ａに沿って駆動するサーボモータ等の駆動装置４２ｃを有する。また、アクチュエータ４２は、スライダ４２ｂの一部に螺合しており、駆動装置４２ｃによって回転されるネジ部材４２ｄを備えたボールネジ機構４２ｅを有する。アクチュエータ４２として、公知のリニアガイドを用いることが可能である。なお、アクチュエータ４２としてその他の直動機構を用いることも可能である。
図３に示されるように、アクチュエータ部４０はスライダ４２ｂに固定された部材プッシャ４３を有し、部材プッシャ４３はレール４２ａに沿った方向に延びている。部材プッシャ４３はスライダ４２ｂと共にレール４２ａに沿って溶接トーチ３０に対して移動する。部材プッシャ４３の移動方向は、溶接トーチ３０の先端部であるガスノズル３２ａ又は電極３２ｂの軸方向に沿った方向である。
本実施形態の部材プッシャ４３の断面はＵ字形状、Ｃ字形状等であるが、当該断面形状は他の形状であってもよい。部材プッシャ４３の一端側の内部に溶接トーチ３０のガスノズル３２ａが配置され、部材プッシャ４３の他端側がスライダ４２ｂに固定されている。
図３に示されるように、アクチュエータ部４０はレール４２ａに沿った方向に長手を有するエレメントプッシャ４４を有し、エレメントプッシャ４４は第２支持部材４１、アクチュエータ４２、又は部材プッシャ４３に支持されている。溶接トーチ３０、アクチュエータ４２のレール４２ａ、および部材プッシャ４３に対し、エレメントプッシャ４４はレール４２ａに沿った方向に移動可能である。エレメントプッシャ４４の移動方向は、溶接トーチ３０の先端部であるガスノズル３２ａは電極３２ｂの軸方向に沿った方向である。
エレメントプッシャ４４の一端には溶接エレメントＥを保持するためのエレメント保持部４５が設けられている。エレメント保持部４５は電気伝導性の低い材料（絶縁材料）から成る。エレメント保持部４５は例えばプラスチックから成る。エレメント保持部４５は、第１把持爪４５ａと、第１把持爪４５ａと対向している第２把持爪４５ｂとを有する。図４に示されるように、エレメント保持部４５は第１把持爪４５ａと第２把持爪４５ｂとによって溶接エレメントＥの外周部を保持する。
一例では、溶接エレメントＥは、図５に示されるように大径部Ｅ１と小径部Ｅ２とを有し、大径部Ｅ１がエレメント保持部４５によって保持される。
本実施形態では、エレメントプッシャ４４の長手方向の中間部には取付用部材４６が固定され、取付用部材４６はレール４２ａに沿った方向に延びるシャフト部材４６ａを有する。シャフト部材４６ａの一端側は固定部材４６ｂを介してエレメントプッシャ４４の前記中間部に固定されている。また、シャフト部材４６ａの他端側は部材プッシャ４３の長手方向の中間部に固定された支持部４７に移動可能に支持され、シャフト部材４６ａは部材プッシャ４３に対してレール４２ａに沿った方向に移動可能である。
固定部材４６ｂと支持部４７との間にはコイルスプリング等の付勢部材４８が設けられ、付勢部材４８は、部材プッシャ４３に対して、エレメントプッシャ４４をその一端側に向かって付勢している。シャフト部材４６ａの他端側には当接部４６ｃが設けられ、当接部４６ｃが支持部４７に当接することによって、部材プッシャ４３に対するエレメントプッシャ４４のその一端側への移動が規制される。
視覚センサ５０として、公知の二次元カメラ、三次元カメラ、三次元距離センサ等を用いることが可能である。
ロボット１の制御装置６０は、図２に示されるように、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ等を有するプロセッサ６１と、表示装置６２と、不揮発性ストレージ、ＲＯＭ等を有する記憶装置６３と、ロボット１のサーボモータ１１にそれぞれ対応するように設けられた複数のサーボ制御器６４と、制御装置６０に接続されると共に操作者が持ち運び可能な教示操作盤６５とを備えている。教示操作盤６５は制御装置６０と無線通信するように構成されていてもよい。
溶接トーチ３０、エアシリンダ２２、および駆動装置４２ｃは制御装置６０に接続され、溶接トーチ３０、エアシリンダ２２の電磁弁、および駆動装置４２ｃは制御装置６０によって制御される。
記憶装置６３にはシステムプログラム６３ａが格納されており、システムプログラム６３ａが制御装置６０の基本機能を担っている。また、記憶装置６３には、動作プログラム６３ｂが格納されていると共に、第２部材Ｗ２に設けられた貫通孔Ｈの位置を検出するための位置検出プログラム６３ｃが格納されている。
制御装置６０は、動作プログラム６３ｂに基づき、ロボット１によって、溶接作業を行うための位置にツール２を配置し、ロボット１およびツール２を第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との溶接のために制御する。また、制御装置６０は、溶接作業を行うための位置にツール２を配置するために、位置検出プログラム６３ｃに基づき、貫通孔Ｈの位置検出を行う。動作プログラム６３ｂおよび位置検出プログラム６３ｃに基づく制御装置６０の処理を図６のフローチャートを参照しながら説明する。
先ず、制御装置６０は、視覚センサ５０の検出画像に二値化処理、エッジ処理等の周知の画像処理を行い、処理後画像を用いて第２部材Ｗ２の貫通孔Ｈの位置を検出する（ステップＳ１）。続いて、エレメント支持部２３の支持部材２３ｂに溶接エレメントＥが支持された状態で、図３に示されるように、制御装置６０は、各サーボモータ１１を制御することによってアーム１０を動かし、貫通孔Ｈの検出位置に対応した溶接準備位置にツール２を配置する（ステップＳ２）。
なお、ツール２を配置する位置が予め決定されている場合等は、ステップＳ１を省くことができる。また、専用の機械を用いて支持部材２３ｂへの溶接エレメントＥの供給を行うことが可能であり、ロボット１によってツール２を溶接エレメントＥの供給部側に移動することによって支持部材２３ｂへの溶接エレメントＥの供給を行うことも可能である。
続いて、図７に示されるように、制御装置６０は、エアシリンダ２２のロッド２２ａを所定の突出位置に移動させる（ステップＳ３）。例えば、制御装置６０は、エアシリンダ２２のロッド２２ａを最も突出した状態とする。これにより、支持部材２３ｂに支持された溶接エレメントＥが溶接トーチ３０のガスノズル３２ａと第２部材Ｗ２の貫通孔Ｈとの間に配置される。この時、部材プッシャ４３は駆動装置４２ｃによって後退位置Ｐ０に配置されている。また、当接部４６ｃが部材プッシャ４３の支持部４７に当接していることによって、エレメントプッシャ４４のエレメント保持部４５も溶接トーチ３０に近い位置に配置されている。なお、ステップＳ２とステップＳ３は順序が逆でもよい。
続いて、図８に示されるように、制御装置６０は、駆動装置４２ｃによって部材プッシャ４３を第１前進位置Ｐ１に配置する（ステップＳ４）。第１前進位置Ｐ１は後退位置Ｐ０よりも第２部材Ｗ２に近い。これにより、支持部材２３ｂに支持されていた溶接エレメントＥがエレメントプッシャ４４のエレメント保持部４５によって保持される。
なお、エレメント支持部２３の支持ベース２３ａに対する支持部材２３ｂの姿勢はボルトＢを緩めることによって調整可能である。当該構成は、支持部材２３ｂからエレメント保持部４５への溶接エレメントＥのスムーズな移動を実現するために有利である。
続いて、図９に示されるように、制御装置６０は、エアシリンダ２２を縮んだ状態とし（ステップＳ５）、駆動装置４２ｃによって部材プッシャ４３を第２前進位置Ｐ２に移動させる（ステップＳ６）。第２前進位置Ｐ２は、部材プッシャ４３が駆動装置４２ｃによって第２部材Ｗ２に押付けられる位置であり、当然に第２前進位置Ｐ２は第１前進位置Ｐ２よりも第２部材Ｗ２に近い。
部材プッシャ４３が第１前進位置Ｐ１から第２前進位置Ｐ２まで移動する間に、エレメントプッシャ４４のエレメント保持部４５が第２部材Ｗ２に押付けられる。この時、エレメント保持部４５に保持された溶接エレメントＥの小径部Ｅ２が貫通孔Ｈ内に配置される。なお、溶接エレメントＥの全体が貫通孔Ｈ内に配置されてもよい。この状態で部材プッシャ４３が第２前進位置Ｐ２まで移動すると、付勢部材４８に抗してエレメントプッシャ４４が部材プッシャ４３に対して移動する。
なお、制御装置６０は、ステップＳ６において、部材プッシャ４３を所定の力で第２部材Ｗ２に押付けるために、駆動装置４２ｃの駆動電流値に基づいて力制御を行う。これにより、第２部材Ｗ２が所定の力で第１部材Ｗ１に押付けられる。
続いて、制御装置６０は、図１０に示されるように、各サーボモータ１１を制御することによってアーム１０を動かす。このアーム１０の動作は、溶接トーチ３０を第２部材Ｗ２に近付けると共に、溶接トーチ３０のガスノズル３２ａおよび電極３２ｂを溶接エレメントＥに近付ける（ステップＳ７）。ステップＳ７を行う際、制御装置６０は、駆動装置４２ｃを制御することによって、溶接トーチ３０の移動量に応じて部材プッシャ４３を後退位置Ｐ０に向かって移動させる。また、ステップＳ７を行う際、制御装置６０は、前記力制御によって部材プッシャ４３を第２部材Ｗ２に押付ける力を維持する。これにより、部材プッシャ４３によって第２部材Ｗ２が第１部材Ｗ１に押付けられている状態で、溶接トーチ３０が第２部材Ｗ２および溶接エレメントＥに近付けられる。
続いて、制御装置６０は、溶接トーチ３０を制御することによって溶接エレメントＥの溶解を行い、これにより第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との溶接エレメントＥを用いた溶接が行われる（ステップＳ８）。
次に、制御装置６０は、各サーボモータ１１を制御することによってアーム１０を動かし、これによりツール２を所定の待機位置に配置する（ステップＳ９）。
本実施形態では、部材プッシャ４３は、駆動装置４２ｃによって、溶接トーチ３０に対して溶接トーチ３０の先端部の軸方向に移動可能である。このため、駆動装置４２ｃによって部材プッシャ４３を第２部材Ｗ２に押付け、これによって第２部材Ｗ２を第１部材Ｗ１に押付けることができる。当該構成によって、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との間の隙間を適切にコントロールすることができ、これは溶接の精度向上のために有利である。
また、本実施形態では、エレメントプッシャ４４は、保持した溶接エレメントＥの少なくとも一部を第２部材Ｗ２の貫通孔Ｈ内に配置し、部材プッシャ４３に対して溶接トーチ３０の先端部の軸方向に移動可能である。このため、エレメントプッシャ４４によって溶接エレメントＥの少なくとも一部を貫通孔Ｈ内に配置した状態で、部材プッシャ４３を第２部材Ｗ２側に移動することができる。当該構成は、溶接エレメントＥの確実な配置および第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との間の隙間のコントロールの両立を図るために有利である。
また、本実施形態では、視覚センサ５０を用いて貫通孔Ｈの位置が検出される。このため、ツール２が貫通孔Ｈに対応した適切な位置に配置され、これは溶接の精度向上のために有利である。
また、本実施形態では、駆動装置４２ｃはサーボモータであり、駆動装置４２ｃは所定の力で前記部材プッシャを前記第２部材に押付ける。当該構成は、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との間の隙間のより正確なコントロールを実現するために有利である。
また、本実施形態では、駆動装置４２ｃを制御することによって部材プッシャ４３が第２部材Ｗ２に押付けられている状態で、制御装置６０は、アーム１０を制御することによって、溶接トーチ３０を第２部材Ｗ２に近づける。当該構成は、溶接時の第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との間の隙間のコントロールを正確に行うために有利である。
また、本実施形態では、溶接トーチ３０を第２部材Ｗ２に近付ける時に、制御装置６０は、駆動装置４２ｃを制御することによって、溶接トーチ３０の第２部材Ｗ２側への移動量に応じて部材プッシャ４３を溶接トーチ３０に対して移動させる。当該構成は、溶接時の第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との間の隙間のコントロールを正確に行うために有利である。
上記技術を用いると、ロボット１のアーム１０に取付けられた溶接トーチ３０を用いて異材溶接を行う際の溶接精度の向上が可能となる。
１ ロボット
２ ツール（ロボット用溶接ツール）
１０ アーム
２０ エレメント供給部
２１ 第１支持部材
２２ エアシリンダ（リニア駆動部）
２３ エレメント支持部
２３ｂ 支持部材
３０ 溶接トーチ
３２ａ ガスノズル
３２ｂ 電極
４０ アクチュエータ部
４１ 第２支持部材
４２ アクチュエータ
４２ａ レール
４２ｂ スライダ
４２ｃ 駆動装置
４３ 部材プッシャ
４４ エレメントプッシャ
４５ エレメント保持部
４６ 取付用部材
４６ａ シャフト部材
４６ｂ 固定部材
４７ 支持部
４８ 付勢部材
５０ 視覚センサ
６０ 制御装置
６３ｂ 動作プログラム
６３ｃ 位置検出プログラム
Ｗ１ 第１部材
Ｗ２ 第２部材
Ｅ 溶接エレメント

Claims (6)

  1. 第１の金属から成る第１部材と第２の金属から成る第２部材とを、前記第２部材に設けられた貫通孔内に配置される金属製の溶接エレメントを用いて溶接するロボット用溶接ツールであって、
    ロボットのアームに取付けられる溶接トーチと、
    前記アームの先端部に取付けられ、前記溶接エレメントを保持可能であり、保持した前記溶接エレメントを前記溶接トーチと前記貫通孔との間に配置すると共に前記溶接エレメントの少なくとも一部を前記貫通孔内に配置するエレメントプッシャと、
    前記アームの前記先端部に取付けられ、前記溶接トーチの先端部の軸方向に移動可能である部材プッシャと、
    前記部材プッシャを前記第２部材に押付けることによって前記第２部材を前記第１部材側に押す駆動装置と、を備え、
    前記エレメントプッシャは前記部材プッシャに対して前記軸方向に移動可能であるロボット用溶接ツール。
  2. 前記貫通孔の位置を検出するため視覚センサをさらに備える、請求項１に記載のロボット用溶接ツール。
  3. 前記駆動装置はサーボモータであり、
    前記駆動装置は所定の力で前記部材プッシャを前記第２部材に押付ける、請求項１又は２に記載のロボット用溶接ツール。
  4. 第１の金属から成る第１部材と第２の金属から成る第２部材とを、前記第２部材に設けられた貫通孔内に配置される金属製の溶接エレメントを用いて溶接するロボットであって、
    アームと、
    前記アームの動作を制御するための制御装置と、
    前記アームに取付けられる溶接トーチと、
    前記アームの先端部に取付けられ、前記溶接エレメントを保持可能であり、保持した前記溶接エレメントを前記溶接トーチと前記貫通孔との間に配置すると共に前記溶接エレメントの少なくとも一部を前記貫通孔内に配置するエレメントプッシャと、
    前記アームの前記先端部に取付けられ、前記溶接トーチの先端部の軸方向に移動可能である部材プッシャと、
    前記部材プッシャを前記第２部材に押付けることによって前記第２部材を前記第１部材側に押す駆動装置と、を備え、
    前記エレメントプッシャは前記部材プッシャに対して前記軸方向に移動可能であるロボット。
  5. 前記制御装置は、前記駆動装置を制御することによって前記部材プッシャを前記第２部材に押付けている状態で、前記アームを制御することによって前記溶接トーチを前記第２部材に近付ける、請求項４に記載のロボット。
  6. 前記制御装置は、前記溶接トーチを前記第２部材に近付ける時に、前記駆動装置を制御することによって、前記溶接トーチの前記第２部材側への移動量に応じて前記部材プッシャを前記溶接トーチに対して移動させる、請求項５に記載のロボット。
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