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JP2009083019A - ウィービング動作制御方法 - Google Patents

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JP2009083019A JP2007254034A JP2007254034A JP2009083019A JP 2009083019 A JP2009083019 A JP 2009083019A JP 2007254034 A JP2007254034 A JP 2007254034A JP 2007254034 A JP2007254034 A JP 2007254034A JP 2009083019 A JP2009083019 A JP 2009083019A
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Abstract

【課題】 従来のウィービング動作制御方法は、「あまり」を生じないようにするためピッチを調整しており、同じウィービング条件のつもりでプログラムを作成しても、実際の動作では異なるウィービングを行う場合があり、ビード外観に相違が生じるという課題を有していた。
【解決手段】 1ウィービング周期の始まり毎に、1ウィービング周期の始まりにおける補間点と位置ベクトルとで得られる制御点(TCP)の位置と実際の位置との初期の位置差ベクトルを算出する。そして、当該ウィービングサイクルの間に、時々刻々移動する補間点位置ベクトルに、ウィービングベクトル計算方法で求めたウィービングベクトルを加え、さらに、補間ごとに漸減した位置差ベクトルを加算することで徐々に相殺する。これにより、教示点を境に溶接線が屈曲する場合や異なるウィービング動作に切り替わる場合の動作が滑らかになる。
【選択図】 図3

Description

本発明は、与えられた動作プログラムに従って溶接作業を行う溶接ロボットを始めとする自動溶接装置のウィービング動作制御に関し、特に、動作プログラムに溶接狙い位置として登録された複数の教示点のうちの2点の一方を補間開始点とし、他方を補間終了点として直線補間や円弧補間といった所定の補間方式で結ぶ補間線上で、補間開始点から補間終了点に向かって複数の補間点を求め、かつ、その各補間点について所定のウィービングパターンで変化するウィービングベクトルにより補間点からの制御対象点の位置を求めることでウィービング動作を行う制御方法に関するものである。
溶接ロボットを用いた溶接において、マニピュレータに取り付けられた溶接トーチから送給される溶接電極の先端の位置を制御対象とすることにより、溶接トーチの動作を制御している。この溶接ロボットの制御対象点のことを、一般的に「TCP(Tool Center Point)」と称している。溶接ロボットは、実際のワーク上の「溶接線」に沿ってTCPの移動軌跡を制御することで溶接作業を行う。
溶接ロボットの動作プログラム内には、溶接部位では「溶接線」上の位置、すなわち狙い位置を教示点として複数登録している。指定された順序に応じてこれらの教示点のうちの2点を選び、その一方を補間開始点とし、他方を補間終了点として生成した補間線上に複数の補間点を算出し、これに基づいてTCPの位置を制御することでマニピュレータの動作軌跡が制御される。その際、教示点間をどのように補間するかは、同じく動作プログラム内で指定された「補間タイプ」に応じて行う。なお、「補間タイプ」としては、「直線補間」や「円弧補間」等を用いることが一般的である。
溶接継手に対する溶接トーチの動かし方には、「溶接線」に対する相対位置を保ちながら溶接線方向に進む動作を行うストリンガ溶接と、「溶接線」の方向に進みながら併せて溶接トーチを「溶接線」の方向とは異なる方向に振るウィービング溶接がある。そして、各々の溶接トーチの動かし方は、その「溶接線」を成す継手に求められる溶接性能に応じて使い分けられる。
ストリンガ溶接の場合、TCPは上記のように構成した「溶接線」上を移動する点として次々に算出される補間点を再現すべく動作制御される。一方、ウィービング溶接の際のウィービング動作では、補間点が「溶接線」上を移動するのに合わせて、補間点からの実際のTCP位置への方向と距離、すなわち、ベクトルが所定パターンで繰り返し変化させるよう制御される。
このウィービング動作を行う場合の制御方法について、図5を用いて説明する。
補間位置ベクトル算出部51では、1つの補間区間の補間開始点から補間終了点までの間に設定した複数の補間点において、順次各補間点の位置を表す補間位置ベクトル61を算出する。その一方で、ウィービングベクトル算出部52では、その時点での補間点の位置からTCPの位置へのベクトルをウィービングベクトル63として算出する。このとき、補間位置ベクトル算出部51で算出を行っている補間点との対応をとるため、ウィービングベクトル算出部52は、補間開始点からの補間回数62、例えば具体的には、「補間開始点から3個目の補間点である」等の情報を利用する。なお、補間位置ベクトル算出部51においても同様に補間回数62を用いて補間位置ベクトルを算出する。そして、補間回数62は、例えば動作プログラムから特定することができる。そして、加算部53において、補間位置ベクトル61とウィービングベクトル63とを結合することにより、溶接線に沿ってウィービングを繰り返しながら移動するために溶接ロボットを制御するための動作指令位置64を算出する。
ウィービングの1周期の間に、補間点が溶接線上を進む距離がウィービングの1ピッチに相当する。ピッチの大きさ情報を含むウィービングのパターンを決めるパラメータは、予め何らかの方法で指定されている。ウィービングのピッチは、動作プログラムから参照する溶接条件内に直接的に指定される場合もあれば、溶接条件内に指定された溶接速度と周波数から結果的に決まる場合もある。ピッチがどのように決まるにしても、ピッチは溶接線とは無関係に決まるため、ある2点間の補間の補間開始点と補間終了点間の距離をピッチで割ったとき割り切れるとは限らず、「あまり」が生じる場合がほとんどである。すなわち、実際の動作ではウィービングしながら溶接線上を動作して補間終了点に到達したときに、ウィービングもちょうどピッチの区切りとなるとは限らない。
その補間終了点を次の補間開始点として続く溶接線においてもウィービング動作が継続して行われる場合、その「あまり」を如何に処理して動作を円滑につなげていくかが問題となる。すなわち、「あまり」が生じ、1つの溶接線を溶接するウィービング動作の補間終了点と、次に溶接線を溶接するウィービング動作の補間開始点との位置が異なっており、この異なった状態で1つの溶接線を溶接するウィービング動作の補間終了点から次に溶接線を溶接するウィービング動作の補間開始点に急激にTCPの位置を移動させると、この間の溶接に悪影響が生じてしまう。
なお、複数の教示点で構成され複数の教示点を順に通る溶接線は、ある教示点で溶接方向に屈曲を生じることが一般的である。従って、上述した「あまり」の処理の仕方次第では、その屈曲部分で溶接ビード形状に「くびれ」あるいは「膨らみ」といった不良を生じ、溶け込み不足といった溶接性能への悪影響を生じる。
また、溶接条件は、その継手に対して要求される溶接性能(脚長、のど厚、溶け込み深さ等)を実現するものを指定することになる。多数の教示点で構成される溶接線上で使用される溶接条件は、例えそこで要求されている脚長が同じであっても、継手の状態によっては異なる溶接条件が必要となる。例えば継手に隙間があり、その隙間に埋め溶接が施されている場合には、異なる溶接条件が必要となる。あるいは、同じ円弧であっても、その内側と外側では異なる条件による溶接が必要となる。その他にもいろいろな要因により異なる溶接条件が必要になる場合がある。そのとき、溶接電流、溶接電圧だけでなく、必要に応じてウィービングも異なる場合がある。このとき、上述したつなぎの問題は、異なるウィービングをつなぐという問題も含むことになる。
そこで、従来のウィービング動作制御では、上記した「あまり」を生じさせないように教示点ごとにウィービング動作を完結させることを基本としていた。例えば、ウィービング動作制御方法として、教示点到着時に余剰ウィービング周期、すなわち、「あまり」が出ないように、ピッチを調整しているものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平6−87076号公報
しかしながら、従来のウィービング動作制御方法は、ピッチを調整するため、同じウィービング条件のつもりで動作プログラムを作成しても、溶接対象により実際の動作では異なるウィービングを行うことになってしまい、ビード外観に相違が生じるという課題を有していた。
本発明は、ウィービングを行うある溶接線の補間終了点としてのある教示点に到達後、この教示点から次の教示点に向かう際にもウィービングを続ける場合、滑らかに動作をつなぐことができ、特に、教示点を境に溶接線が屈曲する、すなわち溶接方向が切り替わる場合や、教示点を境に異なるウィービング動作に切り替わる場合の動作を滑らかにし、溶接結果へ悪影響を出さないウィービング動作制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のウィービング動作制御方法は、溶接を行うための溶接狙い位置として教示された複数の教示点のうち隣り合う2点を補間開始点と補間終了点とした補間線に沿って、所定のウィービングパターンで溶接ロボットの制御対象点を動作させるウィービング動作制御方法であって、前記補間線上に所定の間隔で、繰り返し算出される補間点の位置を表す補間点位置ベクトルと、補間開始点から何点目の補間点であるかを示す補間点情報とを順次求めるステップと、前記所定のウィービングパターンと前記補間点情報とに基づいて、前記補間点の位置からウィービング位置にいたるウィービングパターンベクトルを算出するステップと、前記補間点位置ベクトルと前記ウィービングパターンベクトルとを結合して制御対象点が移動すべき位置を表すウィービング位置ベクトルを算出するステップと、溶接ロボットを動作させるための動作プログラムと前記補間点情報とに基づいて前記補間点が1周期のウィービングの開始に対応する補間点である場合には、前記ウィービング位置ベクトルの表す位置と実際の制御対象点のある位置との差である位置差ベクトルを算出するステップと、前記位置差ベクトルを算出した時点の補間点以降の補間点では、前記位置差ベクトルをウィービング1周期の補間回数のうちにゼロにするために、前記補間点情報に基づいて前記位置差ベクトルを漸減するステップと、前記ウィービング位置ベクトルと前記位置差ベクトルとを結合して溶接ロボットを動作させる動作指令位置を算出するステップと、を繰り返し行うものである。
そして、教示点を境に溶接線が屈曲する場合や異なるウィービング動作に切り替わる場合の動作が滑らかになり、溶接結果への好結果をもたらすこととなる。
以上のように、本発明のウィービング動作制御方法によれば、教示点を境に溶接線が屈曲する場合や異なるウィービング動作に切り替わる場合の動作が滑らかになり、溶接結果に好結果をもたらすこととなる。すなわち、溶接結果へ悪影響を与えないウィービングの継続を実現することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図1から図4を用いて説明する。
(実施の形態1)
本実施の形態では、溶接トーチを取り付けたマニピュレータと、このマニピュレータを制御するコントローラを備えた溶接ロボットが、溶接トーチをウィービング動作させながら移動し、1つの教示点を越えても、次の教示点に向けてウィービング動作を継続する場合の制御方法を例として説明する。
なお、本実施の形態の溶接ロボットは、溶接を行うための溶接狙い位置として複数の教示点が教示され、複数の教示点のうちある連続した2つの教示点を補間開始点と補間終了点として結ぶ補間線に沿って溶接トーチが移動されるように制御されるものである。
ある補間における補間開始点から補間終了点までの間には、直線補間あるいは円弧補間といった指定された補間方式にしたがって複数の補間点が求められる。図1は本実施の形態における制御方法を行う際の補間点1つ毎に対する処理ブロック図である。この処理ブロック図はコントローラ内の一部分を示している。
図1において、補間位置ベクトル算出部21により、処理Aとして、直線補間あるいは円弧補間といった指定された補間方式にしたがって補間開始点から順次1つの補間点を求め、その補間点位置を表す補間位置ベクトル31、および、補間開始点から何点目の補間点であるかを示す情報である補間回数32を算出して出力する。この補間位置ベクトル31に対して次に示す処理ブロックが働く。
ウィービングベクトル算出部22により、処理Bとして、その時点での補間点位置からウィービング位置にいたるベクトルをウィービングベクトル33として算出する。なお、ウィービングベクトル算出部22は、予め決められたウィービング動作を示すウィービング速度やピッチや周期等からなるウィービングパターンと、複数の補間点のうち何点目の補間点であるかといった情報である補間回数32に基づいて、ウィービングベクトル33を算出するものである。これにより、処理Bにおいて、処理Aにおける補間点と同じ補間点についてウィービングベクトル33の算出を行うことが可能である。そして、加算部23により、処理Cとして、補間位置ベクトル31とウィービングベクトル33とを結合することで、ウィービング位置35を算出する。
また、その時の補間点がウィービング周期の始めの位置である場合についてのみ、初期位置差ベクトル算出部24により、処理Dとして、初期のウィービング位置35と、現在位置出力部27から出力されるTCPの現在位置38との差である初期位置差ベクトル36を求める。なお、処理Dでは、1ウィービング周期の始めであることを知るために、補間の補間開始点から補間終了点までの補間回数32の情報を利用する。また、現在位置出力部27は、図示しない溶接ロボットの位置制御機構からの情報に基づいてTCPの現在位置38を出力するものである。
位置差ベクトル漸減計算部25により、処理Eとして、所定の補間回数の間に初期位置差ベクトル36の影響をなくすために、補間の補間開始点から補間終了点までの補間回数32、すなわち、補間回数32に応じて順次漸減された位置差ベクトル37を計算する。なお、この漸減された位置差ベクトル37は、例えば下の式を用いて計算する。下の式は、ウィービング1辺の補間回数で位置差ベクトルをゼロにするものである。
今回の位置差ベクトル=前回の位置差ベクトル−初期位置差ベクトル/ウィービング1辺の補間回数
そして、加算部26により、処理Fとして、各補間点に対するウィービング位置35に各補間点に対する位置差ベクトル37を結合して、溶接ロボットを動作させるための各補間点に対応した動作指令位置34を算出する。
この様子について、図1のブロック図で示した構成が、1補間点毎にどのような流れで処理されるかを、図2に示すフローチャートを用いてさらに説明する。
まず、処理Aでその時の補間点の補間位置ベクトルが算出される。処理Bが指定されている溶接条件のウィービングパラメータを基にウィービングベクトル33を算出し、処理Cが、補間位置ベクトル31とウィービングベクトル33を結合することで、ウィービング位置35を求める。処理100で補間軌跡上の最初のウィービング周期の始まりか否かを判断する。この判断がYESとなった場合は、処理Dにより現在位置38とウィービング位置35の差から初期位置差ベクトル36を求める。以降は、処理100の判断がNOとなった場合、すなわち、補間軌跡上の最初のウィービング周期の始まりで無い場合も行われる処理となる。処理Eでは、補間回数32に応じて、初期位置差ベクトル36を漸減した位置差ベクトル37を求める。処理Fでは、ウィービング位置35に位置差ベクトル37を結合することで、動作指令位置34を求める。そして、これらの処理が1補間点ごとに繰り返し行われる。
図3は、ある教示点を補間開始点とし教示点Pを補間終了点とする溶接線Mと、教示点Pを補間開始点とし他の教示点を補間終了点とする溶接線Nとがあり、連続した溶接線Mと溶接線Nに沿ってウィービング動作が行われる例を示している。なお、溶接線Mのウィービング動作はウィービング動作最終位置We点まで継続して行われ、この点から次の新たなウィービング周期、すなわち、溶接線Nのウィービング動作が行われる。
図3の溶接線Mのウィービング動作の最終位置はウィービング動作最終位置Weであり、新たなウィービング周期に入った時点において、図1の現在位置出力部27から出力されるTCPの現在位置38は、ウィービング動作最終位置Weとなる。補間位置ベクトル算出部21により、処理Aとして、補間位置ベクトル31を算出し、溶接線N上の補間点xを特定する。そして、これに対するウィービングベクトル33を処理Bにより算出し、処理Cにより両者を結合して溶接線Nのウィービング動作の初期位置であるウィービング初期位置Ws(ウィービング位置35)を算出する。なお、このとき、溶接線Mにおける最終ウィービングの最終位置、すなわち、実際に現在いる位置はウィービング動作最終位置Weである。一方、溶接線Nにおけるあるべき初期位置はウィービング初期位置Wsであり、これらの位置の間には差が生じている。そこで、初期位置差ベクトル算出部24により処理Dとして、現在いる位置すなわちウィービング最終位置Weとウィービング初期位置Wsの間のベクトル差である初期位置差ベクトル36(d0)を算出する。
以降は、溶接方向に並ぶ各々の補間点について、処理Cで算出した初期ウィービング位置35に、初期位置差分配ベクトル計算部25により処理Eとして算出する初期位置差分配ベクトル37(dn)を加え、各々の補間点について動作指令位置34を決める。なお、初期位置差分配ベクトル37(dn)は、初期位置差ベクトルd0からゼロまでの大きさであり、溶接進行方向にある補正点程大きさが小さくなるものである。
図3では、溶接線Nにおける最初のウィービングの1辺の間、すなわち、ウィービング初期位置Wsからウィービング頂点Wmの間に、初期位置差ベクトル36(d0)の影響を順次低減する状態を示しており、溶接線Mのウィービング動作最終位置Weから溶接線Nの最初のウィービング1辺のウィービング頂点Wmに向かって円滑な動作軌跡を実現する例を示している。
以上のように、本実施の形態の制御方法によれば、教示点Pを越えてもウィービング動作を継続して円滑に行うことができる。すなわち、溶接線Mのウィービング動作最終位置Weから溶接線Nのウィービング初期位置Wsに急激に移動することはないので、溶接線Mのウィービング動作から溶接線Nのウィービング動作に変わる場合の溶接の乱れを防ぐことができる。
なお、本実施の形態の制御方法は、溶接線Mと溶接線Nに求められるウィービングが同じであっても、異なっていても有効に働くものである。
また、本実施の形態の溶接ロボットは、上記により決定した動作指令位置34に基づき、コントローラがマニピュレータを制御して動作を行うものである。
なお、本実施の形態は、ウィービングパターンに依存するものではなく、三角波形のウィービングだけでなく円形・螺旋形のウィービングパターンにも適用可能であり、溶接ロボットを始めとする種々の自動溶接装置に適用が可能である。
また、本実施の形態では、三角形状のウィービングにおけるウィービング1辺の間に初期位置差ベクトル37(d0)をゼロにする例を示したが、ウィービング1辺の途中までにゼロにするように初期位置差分配ベクトル37を決定するようにしてもよい。あるいは、ウィービング1周期の終了時点まで、あるいは、ウィービング1周期の途中までにゼロにするようにしてもよい。そして、円形・螺旋形のウィービングにおいても同様に、ウィービングのウィービング1周期の終了時点までの間に初期位置差ベクトル37をゼロにするようにすればよい。
(実施の形態2)
本実施の形態では、ウィービングを行わずに溶接を行っている状態に引き続いて、ウィービング動作を開始してウィービング溶接を行う場合の制御方法について、図1と図4を用いて説明する。図4において、溶接線Mではストリンガ動作を行い、溶接線Nではウィービング動作を行っている例を示している。
実施の形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
実施の形態1と異なる点は、あるウィービング動作から別のウィービング動作に切り替わるのではなく、ストリンガ動作からウィービング動作に切り替わる点である。そして、実施の形態1で示した初期位置差ベクトル算出部24による処理Dの計算に使用する実際の現在位置は、溶接線Mのウィービング動作の最終位置であるウィービング動作最終位置Weであったが、本実施の形態では、溶接線Mでウィービングを行わないため、初期位置差ベクトル算出部24による処理Dの計算に使用する実際の現在位置を教示点Pとする。
そして、実施の形態1で示したものと同様の制御を行うことにより、溶接線Mにおけるストリンガ動作の最終位置Pと、溶接線Nにおけるウィービング初期位置Wsとの間のベクトル差は初期位置差ベクトル36(d0)となる。また、位置差ベクトル37(dn)は、初期位置差ベクトル36(d0)からゼロまでの大きさであり、溶接方向にある補間点程大きさが小さくなるものである。
この図4では、溶接線Nにおける最初のウィービングの1辺の間、すなわち、ウィービング初期位置Wsからウィービング頂点Wmの間に、初期位置差ベクトル36(d0)の影響を順次低減する状態を示しており、溶接線Mのストリンガ動作最終位置である教示点Pから溶接線Nの最初のウィービング1辺のウィービング頂点Wmに向かって円滑な軌跡を描いている。
以上のように、本実施の形態の制御方法によれば、ストリンガ動作からウィービング動作へ円滑に移行することができる。すなわち、溶接線Mのストリンガ動作最終位置である教示点Pから溶接線Nのウィービング初期位置Wsに急激に移動することはないので、溶接線Mのストリンガ動作から溶接線Nのウィービング動作に変わる場合の溶接の乱れを防ぐことができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、ウィービング動作中にウィービング条件が変更された場合の制御方法について図1を用いて説明する。
実施の形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
実施の形態1では、溶接線Nの最初のウィービングの間において、図1で示した処理を行う例を示したが、本実施の形態では、補間線上の最初のウィービングの間だけではなく、ウィービング動作中全てにおいて図1で示した処理を行う。
このようにすることで、例えばウィービング動作の途中にウィービングパラメータが変更される場合があったとしても、溶接位置の急峻な移動はなく、滑らかな移行を実現できるので、ウィービング条件が変更される場合であっても、その変更箇所で溶接が乱れることがなく、滑らかなつなぎを実現することができる。
以上のように、本実施の形態の制御方法によれば、ウィービング動作中にウィービング条件を切り替える場合が生じても、ウィービング動作を円滑に切り替えることができる。
本発明のウィービング動作制御方法は、ウィービング動作の開始および異なる条件でのウィービングへの切り替えを円滑に行うことができ、ウィービング動作により溶接を行う際の制御方法として産業上有用である。
本発明の実施の形態1における処理ブロック図 本発明の実施の形態1における処理フローチャート 本発明の実施の形態2における動作概念図 本発明の実施の形態3における動作概念図 従来のウィービング動作制御方法の処理ブロック図
符号の説明
M 溶接線
N 溶接線
P 教示点
x 補間点
We ウィービング最終位置
Ws ウィービング初期位置
d0 初期位置差ベクトル
dn 位置差ベクトル
Wm ウィービング頂点
21 補間位置ベクトル算出部
22 ウィービングベクトル算出部
23 加算部
24 初期位置差ベクトル算出部
25 位置差ベクトル漸減計算部
26 加算部
27 現在位置出力部
31 補間位置ベクトル
32 補間回数
33 ウィービングベクトル
34 動作指令位置
35 ウィービング位置
36 初期位置差ベクトル
37 位置差ベクトル
38 現在位置
51 補間位置ベクトル算出部
52 ウィービングベクトル算出部
53 加算部
61 補間位置ベクトル
62 補間回数
63 ウィービングベクトル
64 動作指令位置

Claims (1)

  1. 溶接を行うための溶接狙い位置として教示された複数の教示点のうち隣り合う2点を補間開始点と補間終了点とした補間線に沿って、所定のウィービングパターンで溶接ロボットの制御対象点を動作させるウィービング動作制御方法であって、
    前記補間線上に所定の間隔で、繰り返し算出される補間点の位置を表す補間点位置ベクトルと、補間開始点から何点目の補間点であるかを示す補間点情報とを順次求めるステップと、
    前記所定のウィービングパターンと前記補間点情報とに基づいて、前記補間点の位置からウィービング位置にいたるウィービングパターンベクトルを算出するステップと、
    前記補間点位置ベクトルと前記ウィービングパターンベクトルとを結合して制御対象点が移動すべき位置を表すウィービング位置ベクトルを算出するステップと、
    溶接ロボットを動作させるための動作プログラムと前記補間点情報とに基づいて前記補間点が1周期のウィービングの開始に対応する補間点である場合には、前記ウィービング位置ベクトルの表す位置と実際の制御対象点のある位置との差である位置差ベクトルを算出するステップと、
    前記位置差ベクトルを算出した時点の補間点以降の補間点では、前記位置差ベクトルをウィービング1周期の補間回数のうちにゼロにするために、前記補間点情報に基づいて前記位置差ベクトルを漸減するステップと、
    前記ウィービング位置ベクトルと前記位置差ベクトルとを結合して溶接ロボットを動作させる動作指令位置を算出するステップと、
    を繰り返し行うウィービング動作制御方法。
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