JP6245995B2

JP6245995B2 - ツールの先端位置検出方法及び検出装置

Info

Publication number: JP6245995B2
Application number: JP2014003905A
Authority: JP
Inventors: 田中　雅宏; 雅宏田中; 浩昭岩井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: JP2014169992A

Description

本発明は、加工用のツールの先端位置を検出する方法及び装置に関し、特に、自動で組み立てや塗装等の加工を行う自動加工システムに用いるツールの先端位置の検出方法及び検出装置に関する。

自動で組み立て等を行う自動加工システムは、一般的には様々な工具であるツールを備えた産業ロボットが用いられており、ツールによる加工の精度を向上させるための位置調整のためにツールの先端位置の検出が行われる。先端位置の検出を行うツールとしては、例えば塗布用のノズル、ドリル、スクリュードライバー等のように、棒状又はピン状の形態をなすものが挙げられる。

ところで、ロボットを用いた自動加工システムのツールにおいて、部品交換の際の取付け誤差やツール寸法公差等の理由により、ツールの先端位置にずれを生じることがある。また、これらのツールをマイクロメーター単位の位置決め精度が必要とされる精密部品等の組み立てに利用する場合、高精度の位置決めが求められている。位置ずれによる加工精度の低下を防止するため、ツールの先端位置を検出し、位置ずれ量を求めてロボットへの教示位置を補正している。

従来、ツールの平面位置を検出する方法として、互いに直交する平面上のＸ，Ｙ方向に移動可能なツールを、出光部と入光部間の光軸の遮光を感知する遮光式センサの光軸と交差させることで検出する方法が知られている（特許文献１参照）。ツールの位置は、ツールと遮光式センサの光軸と交差に対応して、駆動モータに設けられたエンコーダ等の位置検出装置の信号を読み取ることで検知される。そして、あらかじめ同様の動作を行った基準となる対象物との位置の差を演算し、演算した差を位置ずれ量として、ツールを移動させるアクチュエータの教示位置を補正することができる。

特開２０００−３５４８１６号公報

しかしながら、従来技術の構成の場合、遮光式センサとツールの移動軸が２軸以上必要となると同時に、ツールのＸ，Ｙ方向の位置を検出するために２対の遮光式センサが必要である。このため、コスト高になり、設置スペースをとるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、遮光式センサとツールの移動軸を減らすと共に、１対の遮光式センサでツールの先端位置を検出できるようにし、もって、位置検出に要するコスト及びスペースを削減できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１は、移動可能なツールの先端位置検出方法において、
ツールを回転軸周りに回転移動可能とし、前記と同じ回転軸周りに回転移動可能な基準部材を設けると共に、出光部と入光部間の光軸の遮光を感知する遮光式センサを、前記基準部材と前記ツールとを前記回転軸周りに回転移動させたときにそれぞれ前記光軸と２箇所で交差する位置に設け、
前記基準部材を所定の回転開始点から前記回転軸周りに回転移動させた時の回転半径Ｒと、前記回転開始点から前記遮光式センサの光軸との２箇所の交点までの各回転角θ１及びθ２とを既知としておき、
前記ツールを、前記と同じ回転開始点から前記回転軸周りに回転移動させて、前記遮光式センサの光軸と２箇所で交差させ、前記回転開始点から前記遮光式センサの光軸との２箇所の交点までの各回転角θ１’及びθ２’を測定し、該回転角θ１’及びθ２’と、前記回転半径Ｒと、前記回転角θ１及びθ２とから、前記基準部材の先端である基準点と、前記ツールの先端である検出点との位置ずれ量を算出する工程を有することを特徴とするツールの先端位置検出方法を提供するものである。

また、本発明の第２は、移動可能なツールの先端位置検出装置において、
前記ツールが回転軸周りに回転移動可能で、前記と同じ回転軸周りに回転移動可能な基準部材が設けられていると共に、出光部と入光部間の光軸の遮光を感知する遮光式センサが、前記基準部材と前記ツールとを前記回転軸周りに回転移動させたときにそれぞれ前記光軸と２箇所で交差する位置に設けられている一方、
前記基準部材を所定の回転開始点から前記回転軸周りに回転移動させた時の回転半径Ｒと、前記回転開始点から前記遮光式センサの光軸との２箇所の交点までの各回転角θ１及びθ２を記憶した制御部を備えており、
前記ツールを、前記と同じ回転開始点から前記回転軸周りに回転移動させて、前記遮光式センサの光軸と２箇所で交差させることで、前記回転開始点から前記遮光式センサの光軸との２箇所の交点までの各回転角θ１’及びθ２’が測定可能で、しかも該回転角θ１’及びθ２’と、前記回転半径Ｒと、前記回転角θ１及びθ２とから、前記基準部材の先端である基準点と、前記ツールの先端である検出点との位置ずれ量を算出可能であることを特徴とするツールの先端位置検出装置を提供するものである。

本発明の位置検出方法では、ツールの先端である検出点を、基準部材の回転軸と同じ回転軸周りに回転移動させて一対の遮光式センサの光軸上の異なる２箇所で遮光させる。そして、遮光した際の各回転角θ１’及びθ２’を検出し、予め既知としいている基準部材の先端である基準点の各回転角θ１及びθ２と半径Ｒにより、検出点と基準点の位置ずれ量を算出することができる。そのため、本発明では、１つの回転軸だけで位置を検出できると共に、一対の遮光式センサだけでＸ方向及びＹ方向の位置情報を正確に得ることが可能となる。その結果、低コスト及び狭いスペースで位置検出を行うことが可能となる。

本発明の位置検出装置を備える自動加工システムの全体図である。ツールの一つである塗布用のノズルの先端位置を検出する際の説明図で、（ａ）は回転テーブル周りの平面図、（ｂ）は遮光式センサ、シリンジ及びノズルの側面図である。図１に示す回転テーブルの下部を下方から見た模式図である。本発明の位置検出方法の角度定義を示す説明図である。本発明の位置検出方法の制御概念図を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明するが、本発明は下記実施形態に限定されない。なお、本明細書で特に図示又は記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。また、以下に参照する図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。

まず、図１〜図３を用いて本発明の先端位置検出方法及び先端位置検出装置について説明する。なお、この実施形態の自動加工システム１１は塗布システムである。この自動加工システム１１では、下部にノズル１が接続されたシリンジ５が回転テーブル６に複数保持されている。本実施形態においては、複数配置されているノズル１のうち、１つが基準部材で、その先端である基準点１２（図２、図４参照）の位置が、他のノズル１の先端である検出点１３（図４参照）の位置を特定するための基準となる。この実施形態では基準部材として、位置検出をする対象のノズル１と同様のノズル１を使用しているが、例えばピンのような別部材を基準部材とし、その先端を基準点１２としても良い。

回転テーブル６は、垂直方向に伸びた回転軸周りに回転可能となっている。従って、この回転テーブル６に保持されたシリンジ５及び各シリンジ５の下部に接続されたノズル１も上記回転軸周りに回転するものとなっている。つまり、基準部材としているノズル１と、他のノズル１とは、同じ回転軸周りに回転移動可能となっている。各ノズル１は、その先端を上記回転軸方向に向けて下向きに設けられている。また、回転テーブル６を回転させるモータ１７（図５参照）にはエンコーダ１５（図５参照）が設けられており、回転テーブル６の回転角度を測定可能となっている。なお、本実施形態では総てのノズル１の回転軸でもある回転テーブル６の回転軸は垂直であるが、これを傾斜させておくこともできる。なお、以下の説明において「回転軸」とは回転テーブル６の回転軸を意味する。

遮光式センサ２は、出光部と入光部間の光軸３の遮光を感知するもので、図１及び図３に示すように、シリンジ５の下部に突出したノズル１の位置を検出できるように、回転テーブル６の下部に設置されている。この実施形態では、先端位置の検出対象をノズル１としているが、本発明の位置検出はノズル１以外のツールに適用することもできる。特に、棒状又はピン状のドリル、スクリュードライバー等のツールに好適に適用することができる。ツールの先端位置を検出することにより、ツールが加工対象に対して加工作業を行う位置を正しく特定することが可能となる。

遮光式センサ２は、図２及び図４に示すように、先端が基準点１２となった基準部材であるノズル１と、先端が検出点１３となった検出対象であるノズル１とを回転軸周りに回転移動させたときにそれぞれが光軸３と２箇所で交差する位置に設けられている。また、遮光式センサ２は、回転軸に対して光軸３が直交するように設けられており、しかも回転軸方向に移動可能となるよう、昇降可能な設置台７上に設けられている。設置第７を昇降させるモータ１８（図５参照）にはエンコーダ１６（図５参照）が設置されており、設置台７の昇降位置を検知して測定可能となっている。

図５に示すように、回転テーブル６を回転させるためのモータ１７に設けられたエンコーダ１５と、設置台７を昇降させるためのモータ１８に設けられたエンコーダ１６はそれぞれ制御部１４に接続されている。エンコーダ１５は回転角情報を制御部１４へ送り、エンコーダ１６は昇降位置情報を制御部１４へ送るものとなっている。遮光式センサ２も制御部１４に接続されており、ノズル１と光軸３の交差を感知した時にその旨の信号を制御部１４へ送るものとなっている。制御部１４は、モータ１７，１８及びロボット８に接続されており、予め記憶されている情報、エンコーダ１５，１６及び遮光式センサ２からの情報に基づいて、モータ１７，１８及びロボット８の作動を制御するものとなっている。また、制御部１４は、後述する位置誤差を算出可能となっている。

シリンジ５にはそれぞれ異なる塗布剤が充填されている。塗布を行う際には、必要な塗布剤が収納されたシリンジ５を制御部１４が選択し、回転テーブル６を必要な回転角だけ回転させて、選択したシリンジ５を所定の位置へ回転移動させる。また、制御部１４は、ロボット８を制御し、被塗布物９（図１参照）を所定の塗布位置へ移動させ、選択したシリンジ５のノズル１と被塗布物９を対向させて塗布を行うことになる。

次に、塗布についての一連の動作を説明する。

まず、初めに、被塗布物９に塗布を行うノズル１の数だけ教示を行う。本実施形態においては、所定の１つのノズル１を教示用の基準部材とし、その先端を基準点１２とする。また、基準点１２の回転半径Ｒは予め計測して制御部１４に蓄積しておく。ロボット８によって被塗布物９を移動させる塗布位置は、任意の位置に設定することができるが、ロボット８のアクセスしやすい位置に設定することが好ましい。また、この塗布位置の真上がノズル１の移動位置となり、塗布に使用する各ノズル１をこの位置に移動させることができるように位置情報を制御部１４に記憶、蓄積させる。また、ロボット８においては、塗布位置における被塗布物９の向きや姿勢等の情報を教示する。教示した位置情報は、全て制御部１４に蓄積される。

教示が終了したら教示用の基準部材の先端である基準点１２の先端位置検出を行う。先端位置検出動作については後ほど詳述する。

その後、塗布用のノズル１について同様に先端位置検出を行い、基準点１２との位置誤差ΔＸ、ΔＹ、ΔＺをそれぞれのノズル１について求め、図５の制御部１４にその情報を蓄えておく。ここで、ΔＸは光軸３に直交する方向の位置ずれ量、ΔＹは光軸３に平行な方向の位置ずれ量（図４）、ΔＺは回転軸方向のずれ量である。塗布に際しては、塗布教示位置からΔＸ、ΔＹ、ΔＺの位置差分だけロボット８が補正移動し、正しい位置に保持された被塗布物９に対して塗布を行う。

本発明の位置検出方法を詳細に説明する。

まず、初めに教示を行った教示用の基準部材としたノズル１の先端である基準点１２の検出をする。制御部１４から回転テーブル６に指令を出し、基準部材を所定の回転開始点１０に移動させる。移動が終ると、制御部１４から設置台７に指令を出し、位置検出装置２の光軸３が基準点１２と交差できる高さまで上昇させる。

次に、回転テーブル６を回転させて、基準部材が遮光式センサ２の光軸３を横切るように移動させる。図２で示すように、先端が基準点１２となった基準部材であるノズル１は光軸３と異なる２箇所で交差するが、そのうち最初の１箇所の交点について、時計回りと反時計回りの双方向から往復するように横切らせる。基準部材が光軸３を遮光したときのそれぞれのエンコーダの値を回転角情報として制御部１４に記憶させ、時計回りと反時計回りでそれぞれ検出した測定値（回転角θ１ａ，θ１ｂ）の平均値を回転角θ１（図４参照）として算出する。これは、双方向から横切った時の中心角度を算出することにより、基準部材であるノズル１と光軸３が交差した際の中心の角度を正確に算出するためである。制御部１４は、算出を終えたら、回転テーブル６に指令を出し、算出した回転角θ１の位置にノズル１を移動させる。

次に、その地点で、位置検出装置２が配置される設置台７を一旦降下させて、遮光されている光軸３をノズル１の先端側からノズル１との交差から外し、基準点１２から離す。その後、設置台７を再度上昇させて再び光軸３をノズル１が遮った時のエンコーダ値を、基準点１２の回転軸方向の位置（高さ位置Ｚ）として制御部１４に記憶させる。

次に、回転テーブル６を更に時計回りに回転させ、光軸３とのもう１箇所の交点においても時計回りと反時計回りの双方向から往復するように横切らせ、上記と同様にして回転角θ２ａ，θ２ｂを測定し、回転角θ２（図４参照）を算出する。

以上のようにして、基準部材としたノズル１の先端である基準点１２についての回転角θ１及びθ２、高さ位置Ｚを得ることができ、それぞれ制御部１４で記憶し、蓄積する。

次に、塗布用のノズル１について、上記と同様の検出及び測定を行い、図４に示される回転角θ１’及びθ２’と、高さ位置Ｚ’を取得する。塗布用のノズル１が複数ある場合、総てのノズル１について同様のデータを取得する。これらのデータの取得は、いずれかのノズル１を基準部材に付け替えて測定し、基準部材のデータを得た後、基準部材を塗布用のノズル１に付け替えて測定することで塗布用のノズル１についてのデータを得るようにすることもできる。得られた回転角θ１’及びθ２’と、高さ位置情報Ｚ’は、いずれも制御部１４で記憶し、蓄積する。そして、既に測定済みの回転半径Ｒと、先に求めた回転角θ１及びθ２、高さ位置Ｚと、回転角θ１’及びθ２’、高さ位置Ｚ’とから、基準点１２に対する検出点１３の位置ずれ量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺを求めることができる。

次に、位置ずれ量ΔＸ、ΔＹの計算方法について説明する。前述した位置検出の一連の動作により取得した値を用いて、回転テーブル６の平面中心、つまり回転軸の中心を原点とし、光軸３と直交する軸をＸ軸、光軸３と平行な軸をＹ軸とする。また、図４に示すように、基準点１２と光軸３との交点と原点を結ぶ直線と、Ｘ軸とがなす角度をＡ、検出点１３と光軸３との交点と原点を結ぶ直線と、Ｘ軸とがなす角度をＢとすると、
Ａ＝（θ２−θ１）／２
Ｂ＝（θ２’−θ１’）／２
と表せる。

一方、図４に示すように、基準点１２と検出点１３の回転角の誤差をφ、Ｘ軸と、回転開始点１０と原点を結ぶ直線とがなす角をθ₀とすると、
φ＝θ₀−θ１’−Ａ
と表せる。

基準点１２の回転半径をＲ、検出点１３の回転半径をＲ’とすると、
ＲｃｏｓＡ＝Ｒ’ｃｏｓＢ
と表すことができるので、これを変形して
Ｒ’＝ＲｃｏｓＡ／ｃｏｓＢ
とすることができる。そして、予め教示した際に先端が基準点１２となったノズル１の回転半径Ｒの値が既知であることにより、検出点１３である塗布用のノズル１の回転半径Ｒ’を求めることができる。

また、Ｘ軸と、回転開始点１０と原点を結ぶ直線とがなす角θ₀は、
θ₀＝（θ１＋θ２）／２
と表せる。

従って、点Ｐが塗布位置だとすると、点Ｐ’は塗布用のノズル１の先端である検出点１３の誤差位置であり、予め設定して記憶されている塗布位置の角度をθとすると、図４より、求めるべき検出点１３と基準点１２の位置ずれ量ΔＸ、ΔＹは、
ΔＸ＝Ｒ’ｃｏｓ（θ−θ₀＋φ）−Ｒｃｏｓ（θ−θ₀）
ΔＹ＝Ｒ’ｓｉｎ（θ−θ₀＋φ）−Ｒｓｉｎ（θ−θ₀）
となる。

以上の計算方法により、ノズル１を付け替えた際のノズル１の先端の基準点１２と検出点１３の位置ずれ量ΔＸ、ΔＹを求めることができる。また、高さの位置ずれ量ΔＺについては、単純に高さの差異を求めれば良い。回転テーブル６に配置されている他のシリンジ５においても、基準点１２を基に、各シリンジ５に接続されているノズル３の先端である検出点１３の位置検出を行い、上記計算方法で誤差を求めることにより位置ずれ量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺをそれぞれ求めることができる。

求めたそれぞれの位置ずれ量であるΔＸ、ΔＹ、ΔＺは、それぞれを制御部１４に記憶・蓄積する。そして、実際に塗布を行う際には、教示用の基準部材であるノズルの先端の基準点１２により教示した塗布位置から、検出点１３である先端の位置ずれ量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ分を制御部１４がロボット８の教示点を補正して、補正した塗装位置に被塗布物９を移動させる。これにより、ノズル１交換時等に起こるノズル１の先端方向の基準位置からの位置ずれを解消し、被塗布物９に精度良く塗布を行うことが可能となる。

なお、上記実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施形態では、シリンジ５に接続されているノズル１を基準として稼働用の塗布ノズルに付け替えた際のノズルの先端の位置ずれ量を算出している。しかし、基準となる基準部材が光軸３を２箇所遮るように位置検出装置２を配置したシステムであれば、例えばドライバ等のネジ締めシステム等に適用することができる。

また、この実施形態で説明した動作の順序は一例であり、順序は適宜変更することができる。さらに、高さ方向の誤差を検出しなくてよい場合は省略することもできる。

１：ノズル、２：先端位置検出装置、３：光軸、５：シリンジ、６：回転テーブル、７：設置台、８：ロボット、９：被塗布物、１０：回転開始点、１１：自動加工システム、１２：基準点、１３：検出点、１４：制御部、１５，１６：エンコーダ、１７，１８：モータ

Claims

移動可能なツールの先端位置検出方法において、
ツールを回転軸周りに回転移動可能とし、前記と同じ回転軸周りに回転移動可能な基準部材を設けると共に、出光部と入光部間の光軸の遮光を感知する遮光式センサを、前記基準部材と前記ツールとを前記回転軸周りに回転移動させたときにそれぞれ前記光軸と２箇所で交差する位置に設け、
前記基準部材を所定の回転開始点から前記回転軸周りに回転移動させた時の回転半径Ｒと、前記回転開始点から前記遮光式センサの光軸との２箇所の交点までの各回転角θ１及びθ２を既知としておき、
前記ツールを、前記と同じ回転開始点から前記回転軸周りに回転移動させて、前記遮光式センサの光軸と２箇所で交差させ、前記回転開始点から前記遮光式センサの光軸との２箇所の交点までの各回転角θ１’及びθ２’を測定し、該回転角θ１’及びθ２’と、前記回転半径Ｒと、前記回転角θ１及びθ２とから、前記基準部材の先端である基準点と、前記ツールの先端である検出点との位置ずれ量を算出する工程を有することを特徴とするツールの先端位置検出方法。
前記ツールを、その先端を前記回転軸方向に向けて取り付け、前記遮光式センサを前記回転軸方向に移動可能とすると共に、前記基準点の回転軸方向の位置を既知としておき、前記ツールを遮光式センサの光軸と交差する位置へ回転移動させた後、前記遮光式センサを、前記光軸と前記ツールの交差が前記ツールの先端側に外れるまで移動させ、更にその後、前記遮光式センサを、前記ツールの先端側へ移動させて、前記光軸を前記ツールの先端と交差させることで、前記検出点の前記回転軸方向の位置を検出して前記基準点の回転軸方向の位置とのずれ量を算出する工程を有することを特徴とする請求項１に記載のツールの先端位置検出方法。
前記θ１及びθ２が、前記基準部材を時計回りに移動させたときの測定値と反時計回りに回転移動させたときの測定値の平均値で、前記θ１’及びθ２’が、前記ツールを時計回りに移動させたときの測定値と反時計回りに回転移動させたときの測定値の平均値であることを特徴とする請求項１または２に記載のツールの先端位置検出方法。
移動可能なツールの先端位置検出装置において、
前記ツールが回転軸周りに回転移動可能で、前記と同じ回転軸周りに回転移動可能な基準部材が設けられていると共に、出光部と入光部間の光軸の遮光を感知する遮光式センサが、前記基準部材と前記ツールとを前記回転軸周りに回転移動させたときにそれぞれ前記光軸と２箇所で交差する位置に設けられている一方、
前記基準部材を所定の回転開始点から前記回転軸周りに回転移動させた時の回転半径Ｒと、前記回転開始点から前記遮光式センサの光軸との２箇所の交点までの各回転角θ１及びθ２を記憶した制御部を備えており、
前記ツールを、前記と同じ回転開始点から前記回転軸周りに回転移動させて、前記遮光式センサの光軸と２箇所で交差させることで、前記回転開始点から前記遮光式センサの光軸との２箇所の交点までの各回転角θ１’及びθ２’が測定可能で、しかも該回転角θ１’及びθ２’と、前記回転半径Ｒと、前記回転角θ１及びθ２とから、前記基準部材の先端である基準点と、前記ツールの先端である検出点との位置ずれ量を算出可能であることを特徴とするツールの先端位置検出装置。
前記ツールが、その先端を前記回転軸方向に向けて取り付けられており、前記遮光式センサが前記回転軸方向に移動可能に設けられていると共に、前記基準点の回転軸方向の位置が前記制御部に記憶されており、前記光軸と前記ツールの先端とを交差させることで検出される、前記検出点の前記回転軸方向の位置と、前記基準点の回転軸方向の位置とのずれ量を算出可能であることを特徴とする請求項４に記載のツールの先端位置検出装置。
請求項１乃至３いずれか一項に記載のツールの先端位置検出方法を用いて算出されたずれ量に基づいて被加工物の位置を補正し部品の加工を行なうことを特徴とする部品の製造方法。
請求項４または５に記載のツールの先端位置検出装置を有することを特徴とする加工システム。