JP2005537939A - 加工品に接続領域を作る方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、加工品（１）の基準領域（８）に対して正確に位置決めすべき接続領域（４）を、加工品（１）に、特に車体に作る方法に関する。このため、ロボットに案内される加工工具（９）が使用され、これは、センサシステム（１３）に固定して接続され、これと共に、工具／センサの組合せ（１６）を形成する。位置決め段階（ＩＩ）の間に、工具／センサの組合せ（１６）は、第１のステップで、ロボット（１１）の作業領域（２３）内の加工品（１）の位置とは関係のない近接位置（２４）から、工具／センサの組合せ（１６）が加工品（１）の基準領域（８）に対して位置的に正確に配置される予備位置（１８）に移動される。予備位置（１８）に近づくために、反復制御プロセスが実行され、この中で、センサシステム（１３）の（実）測定値が、まず生成され、設定段階の間に生成された（設定）測定値と比較される。工具／センサの組合せ（１６）の移動ベクトルが、設定段階の間に計算されたヤコビ行列を用いて、（実）測定値と（設定）測定値との差に基づいて計算され、工具／センサの組合せ（１６）は、この移動ベクトルだけ移動される。この位置決め作業を行うために、工具／センサの組合せ（１６）のメートル法校正を省くことができる。

Description

本発明は、請求項１の前文に従って、加工品の基準領域に対して正確に位置決めされた接続領域を加工品に作る方法に関する。本発明はまた、本方法を行うための装置に関する。

車両の組立て中に追加部品が装着される接続要素が、ホワイトボデー及び／又は組立て段階中の、車体の異なる車体領域に設けられる。車体の外観を高品質なものにするには、しばしば、車体の基準領域に対して又は他のモジュールに対して、これらの追加部品を極めて正確に方向付け、位置決めすることが必要となる。車体への追加部品の極めて正確な方向付けを保証できるようにするためには、接続要素が、車体の基準領域に対して正確に位置決めされなければならない。

たとえば、車体の尾灯は、留め具のない鏡面、及び車体の後側部領域の均一な隙間寸法及び接合部を生じさせるために、ライトに隣接する車体面に対して極めて正確に方向付けされなければならない。これらの尾灯のそれぞれが、複数（たとえば４つ）のねじを用いて車体に装着される。したがって、尾灯を車体のその容器内に極めて正確に位置決めするためには、（尾灯に隣接する）これらの基準領域に対して尾灯の極めて正確な方向付けが保証されるように、これに対応する接続領域が車体に設けられなければならない。

大量連続生産においては、通常出っ張りから構成される接続領域が、一般に、車体に設けられるが、この接続領域は、ロボットに案内される打ち抜き及び穴あけ工具を用いて、止め面として車体部品に打ち抜きされ、付属ねじを通過させるために、この出っ張りに穴があけられる。車体は、コンベアベルトで工具に送られるが、このため、ロボットに案内される工具に対する車体の位置にばらつきが出る。さらに、車体は、生産に関係する寸法公差により、たとえばコンピュータ内部の（ＣＡＤ）モデルによって予め定められた、設定形状からの偏差を有する。したがって、車体の基準領域に対する尾灯の極めて正確な方向付けを保証できるようにするためには、ロボットの作業領域内の各車体の形状及び空間的な位置とは関係なく、この車体の関連する基準領域に対して、極めて正確にロボットに案内される工具を方向付けし、位置決めするための方法が必要であり、この方法により、これらの基準領域によって定められた空間位置に、制御された処理により、接続領域を設けることができる。

特許文献１では、ロボットに案内される打ち抜き及び穴あけ工具を用いて、車体構成要素に接続領域を正確に位置決めして形成する方法が開示されている。この方法においては、車体構成要素の複数の測定値が、まず、（たとえば光学的）センサシステムを用いて記録され、これらの測定値に基づいて、送られてきた車体構成要素の絶対位置が、ロボットの作業空間内で決定される。さらに、測定値は、処理すべき領域の、ロボットの開ループ制御システムに記憶されている「理想モデル」と比較され、この「理想モデル」は、「理想モデル」の輪郭と測定設備によって判断された（実）輪郭との間に最大の重なりが出来るまで、コンピュータ内を移動する。次いで、ロボットに案内される打ち抜き及び穴あけ工具が、ロボットの制御により、プログラミングされた経路に沿って車体に対して移動し、この間に、接続部が車体に設けられる。

特許文献１に記載されている方法は、ロボットの作業空間内の車体の絶対位置の測定に基づく。このため、この方法をうまく適用するためには、いくつかの周辺条件が満たされなければならない：
− まず、センサシステムは、その内部の基準座標系に対して、個々の測定値を計量的に決定することが可能でなければならない（「センサシステムの内部なメートル法校正」）。
− ロボットの作業空間内のセンサシステムの位置も、認識されていなければならない（「センサシステムの外部なメートル法校正」）。
− 最後に、センサシステムは、ロボットの作業空間に対する加工品の正確な位置が、制御された処理により首尾一貫して計算できるように、車体に関する複数の個々の測定値を組合せ、簡潔にできなければならない。

これらの周辺条件を満たすための、センサ及びシステム全体の設定及び校正作業は、非常に高度なものであることが、経験的に分かっており、この作業は専門家だけが行うことができるものである。さらに、ここで要求される測定値の精度及び再現性は、高品質の（したがって高価な）センサによってのみ達成され得る。

さらに、特許文献１の評価方法においては、車体の位置を決定するのに、各車体領域についての形状モデルの知識（前述の「理想モデル」、たとえば車体のＣＡＤモデル）に頼っている。このような場合の系統的な誤差を回避するためには、測定機能とモデルの知識との間で一義的に定義される割当てが確実でなければならない。これは、一般に、それぞれの適用について、アルゴリズムの高度な追加作業と結びついている。

特許文献１に記載されている方法のさらなる欠点は、機能の測定が処理ステップ毎に１回のみ行われることである。位置決め又は加工準備中に車体がわずかに移動しただけでも、大きな誤差が生じ、したがって、このことを避ける必要がある。

独国実用新案第２９９１８４８６Ｕ１号明細書

したがって、本発明は、接続領域を、加工品に、特に車体に正確に位置決めして作る方法を提案するという目的に基づくものであり、本方法により、校正作業が著しく軽減され、著しくより費用効率の高いセンサを使用することが可能となる。その上、従来の方法と比較して、精度が向上する。本発明はまた、本方法を行うのに適切な装置を提案するという目的に基づくものである。

上記目的は、本発明により、請求項１及び８の特徴によって達成される。

前記請求項によれば、工具に永久的に接続されており、かつこれと共にロボットに案内される工具／センサの組合せを形成するセンサシステムを用いて、車体に対して加工工具が位置決めされる。この工具／センサの組合せは、まず、ロボットの制御により、車体に対する（永久的にプログラミングされており、かつ車体の現在位置とは関係のない）近接位置に移動され、次いで、閉ループ制御プロセス中に、（正確に位置決めして車体の基準領域に対して方向付けされる）予備位置に移動される。近接位置から予備位置に工具／センサの組合せを移動させる閉ループ制御プロセスにおいて、基準領域の（実）測定値が、センサシステムにより車体に関し生成され、これらの（実）測定値は、先の設定段階で生成された（設定）測定値と比較され、次いで、工具／センサの組合せは、（実）測定値と（設定）測定値との差から、いわゆる「ヤコビ行列」（又は「感度行列」）を用いて計算された（線形移動及び／又は回転を含む）移動ベクトルに等しい量だけ移動される。（設定）測定値及びヤコビ行列の両方は、処理すべき車体領域と共に各工具／センサの組合せに対して、実際の位置決め及び加工操作に先立つ設定段階の間に決まる。この設定段階は、工具、センサシステム、車体の種類、及び加工上の課題からなる新しい組合せを設定している間に、一度実行される。

閉ループ制御プロセスが終了し、したがって工具／センサの組合せが、車体に対する所望の予備位置にくると、車体の実際の加工が行われる。この場合、ロボットの制御により、接続領域を形成するために予め定められた処理プログラムが実行され、位置決め中に見つかった予備位置は、前記プログラムのための基準位置として使用される。

工具が（ロボットの制御によって移動される）近接位置から（工具に対して正確に位置決めして方向付けされる）予備位置に移動される閉ループ制御プロセスは、基本的に、特許文献１に記載されている位置決めプロセスとは異なる。特許文献１に記載されている方法においては、工具のさらなる方向付けのための基準を形成する、ロボットの作業空間内の工具の絶対位置が、実際に位置決めプロセス中に決定されるが、本発明による方法は、相対測定に基づくものであり、この間に、閉ループ制御プロセスに関係する情報が復元され、前記情報は設定段階の間に記憶され、センサシステムの１組の（設定）測定値に対応する。

このことにより、先行技術と比べて、次の２つの大きな簡略化が生じる：
− まず、使用されるセンサは、もはや「測定する」のではなく、単に、そのセンサ信号の単調な変化でロボットの単調な増分移動に反応するだけであるので、センサの内部的なメートル法校正がもはや不要なものとなる。つまり、たとえば、ＣＣＤカメラをセンサとして使用した場合には、カメラの内部レンズの歪みを補償する必要はなく、三角測量センサを使用した場合には、距離値の正確なメートル法計算も省かれる。
− さらに、センサの外部的なメートル法校正がもはや不要となり、先行技術とは異なり、適切な補正移動を計算できるようにするために、ロボットの作業空間又はロボットの手の座標系に対して、センサの位置をもはや判断する必要がない。センサは、単に、それらの検出範囲内で、車体の基準領域の適切な測定データをとにかく感知できるように、工具に装着するだけで良い。

したがって、本発明による方法を使用した場合には、大変な困難を伴ってのみ決定されるメートル法測定機能を完全に省くことができる。このため、校正されたセンサより、極めて簡単な、したがって安価でもある計量的に校正されていないセンサを使用することもできる。したがって、本発明による方法を使用した場合には、計測器の設計とシステム全体の設置及び操作の両方が、非常により費用効率の高い方法で実施できるようになる。特に数箇所で測定する三角測量センサを使用した場合には、センサデータを評価するための手段は、非常に簡単かつ効果的なものとなる。さらに、本発明による方法を使用した場合には、工具の初期設置及び保守が大いに簡単なものとなり、また、訓練された人員が行うこともできる。

目標位置への移動中に起こり得るロボットの誤差も補正されるので、工具の位置決めの結果はまた、使用されるロボットの絶対位置決め精度とも無関係である。この結果生じる短い誤差連鎖により、必要な場合には、位置決め結果の非常に高い反復精度を達成することができる。

位置決め段階において、本発明による方法を用いて補償できる位置決めの自由度の数は、自由に選択でき、センサシステムの構成にのみ依存する。同様に、使用されるセンサの数も、自由に選択できる。利用できる（スカラー）センサ情報項目の数は、単に制御される自由度の数以上でなければならない。特に、比較的多数のセンサが設けられることがあり、たとえば、考慮している車体領域の形状誤差を感知し、又は位置決めプロセスの精度を向上できるようにするために、余剰のセンサ情報が使用できる。最後に、異なる情報源（たとえば、ＣＣＤカメラと距離センサとの組合せ、又は距離センサと力／トルクセンサとの組合せ）からのセンサ情報が使用できる。

本発明による方法は、制御システムの中心部ではなく、センサデータの取得及び調整手段のみを適合させれば良いので、新しい課題にも非常に容易に適合することができる。また、加工すべき車体領域についてのモデルの知識を使用せずに済むが、このモデルの知識は、特許文献１に記載されている方法においては、絶対位置の計算に重要な役割を果たしている。

特許文献１に記載されている方法と比べて、本発明による方法においては、搬送設備による工具に対する車体の位置誤差により、及び／又は（部品の寸法公差による）車体自体の基準領域の形状誤差により、車体に対する工具の位置決め中に起こる可能性のある、未解決の不確実性を、極めて速く補償できる。加工品に対する工具の位置を高速に制御することにより、位置決め及び加工操作中に、加工品を固定して締める必要がなく、ロボットに対して動かすことができる（たとえば組立てライン又は他の適切な搬送設備上において）。このことにより、本発明による方法が極めて順応性のあるものとなり、したがって、固定された加工品及び移動する加工品を処理及び／又は測定するという、非常に異なる適用状況の両方の場合に適用することができる。

予備位置への制御された移動は、１回の制御ループ内で行うことができるが、ここでは、反復的な方法が用いられることが好ましく、前記方法においては、閾値が中止の判断基準として予め定められており、（設定）測定値と（実）測定値との差が予め定められた閾値より低い場合に、反復プロセスは中止される。さらに、（設定）測定値と（実）測定値との差の、連続する反復ステップ中に達成できる減少が、別に予め定められた閾値より低い場合にも、反復プロセスは中止される。

工具／センサの組合せの位置決め及び工具による車体の処理は、連続して順次に又は並行して行われ得る。この結果、本発明による方法が使用された場合には、処理前又は処理中の車体の位置誤差及び形状誤差が、容易に補償され得る。

したがって、移動している車体を処理する場合にも、本方法が使用できる。しかし、この場合、有効な（実）測定値を記録できるよう、加工段階中にセンサシステムが車体の基準領域に対して方向付けされるように、センサシステムが、工具／センサの組合せ内で工具に対して配置されなければならない。

本発明のさらに好ましい実施の形態が、従属請求項に見出され得る。以下、図面に示されている２つの例示的な実施の形態を参照しながら、本発明についてより詳細に説明する。

図１は、尾灯（図１に図示せず）が取り付けられる尾灯領域３を有するホワイトボデーの車体１の後部部分２を示す図である。正確に位置決めして尾灯を取り付けるために、尾灯がねじ接続によって装着される（図１に破線で示されている）４つの接続領域４が、尾灯領域３内に設けられる。それぞれの接続領域４は、設置された状態で尾灯が載る、打ち抜きされた止め面５と、付属ねじを通過させるためのポンチ穴６とを含む。４つの止め面５の及び４つの穴６の相対位置は、設置される尾灯の形状寸法によって定められ、したがって、（予め定められた車体の種類について）一定である。

車体１の、高品質な視覚的印象を確実にするために、尾灯は、車体１の尾灯領域３に隣接する側壁領域７に対して、（位置及び角度姿勢について）正確に位置決めして方向付けされなければならない。つまり、（それぞれが止め面５とポンチ穴６とから構成された）４つの接続領域４は、この側壁領域７及び尾灯領域３に対して、高い精度で位置決めされなければならない。したがって、側壁領域７及び尾灯領域３は共に、車体１に対して工具９を方向付けるための、いわゆる基準領域８を形成する。

接続領域４を作るために、打ち抜き／穴あけペンチ９’を有する（図２に概略的に例示されている）ロボットに案内される打ち抜き／穴あけ工具９が使用される。この打ち抜き／穴あけ工具９により、１回の方法ステップで接続領域４（即ち止め面６）が生成できる。このような打ち抜き／穴あけ工具９の設計及び操作方法に関係する詳細が、たとえば特許文献１に記載されている。この打ち抜き／穴あけ工具９は、ロボットの手１０の位置を制御するための、及び打ち抜き／穴あけ工具９の移動を制御するための、開ループ制御装置１２が設けられた産業用ロボット１１の手１０に装着される。尾灯領域３の及び隣接する側壁領域７の位置及び方向付けを測定するために、ロボットの手１０はまた、リンク機構１５を介して、打ち抜き／穴あけ工具９に堅く接続された、複数（図２の概略的な図では２つ）のセンサ１４を有するセンサシステム１３が取り付けられており、したがって、工具９と共に、工具／センサの組合せ１６と呼ぶ、１つの構造的なユニットが形成される。このセンサシステム１３は、以下に記述するように、反復閉ループ制御プロセスにおいて、基準領域８としての側壁領域７及び尾灯領域３に対して、打ち抜き／穴あけ工具９を方向付けさせるために使用される。

打ち抜き／穴あけ工具９が新しい加工作業、たとえば新しい型式の車両又は車体１の新しい領域の加工のために設定される場合は、いわゆる設定段階がまず実施されなければならず、この段階中に、適切なセンサシステム１３が選択され、工具９と共に構成されて、工具／センサの組合せ１６を形成する。この後、このセンサシステム１３の基準領域８の（設定）測定値が、記録される。設定段階が終了した後、このようにして構成され校正された工具／センサの組合せ１６は、連続生産で使用される準備が整ったこととなり、連続生産において、ロボット１１の作業空間２３に送られるそれぞれの車体１に対していわゆる加工段階が実行される。これらの２つの異なる段階を以下に表す：
設定段階：
新しく設定された加工作業を行うために、まず、加工作業に適合されたセンサシステム１３が、第１のステップで選択される。このセンサシステム１３は、工具／センサの組合せの（自由に選択された）予備位置１８でロボットの手１０に装着され、センサ１４が各加工作業に適合された車体１’の適切な基準領域８’に方向付けされるよう、ロボット１１の作業空間２３内の（「主」）車体１’に対して方向付けされる。

工具／センサの組合せ１６は、図２では、車体１’に対する予備位置１８に示されている。２つのセンサ１４は、ここでは、工具９を用いて加工すべき領域の位置及び方向付けについて特に重要であるよう選択された、車体１’の基準領域８’の部分１７に方向付けされる。尾灯領域３の加工というこの具体的な例示的な実施の形態（図１）においては、８つの（三角測量）光学センサ１４’の集まりが、センサシステム１３として使用され、前記光学センサ１４’は、後部側壁７の及び尾灯領域３の異なる部分１７’に方向付けされる。センサ１４、１４’は、基準領域８の、各個々のセンサ１４、１４’とセンサ１４、１４’の反対側にある周囲１７、１７’との間の距離値に対応する測定値を供給する。個々のセンサ１４、１４’、及び個々のセンサ１４、１４’が方向付けされる周囲１７、１７’の数は、各適用状況に応じて基準領域８’の（この場合は、後部側壁７及び尾灯領域３の）、可能な最良の特性化が可能となるよう選択される。

次いで、工具９に堅く接続されたセンサシステム１３は、ロボット１１を用いて、この予備位置１８で、車体１’の基準領域８’に対して「訓練される」。この場合、予備位置１８の（設定）センサ測定値が、まず、記録される。次いで、予備位置１８から開始して、車体１に対する工具／センサの組合せ１６の位置が、ロボット１１を用いて、図２の矢印２６に示されているように、既知の移動経路に沿って系統的に変更される。これらは、一般に、その自由度において、ロボット１１の増分移動である。センサ１４の測定値へのプロセス中に起こる変化は、（完全に又は部分的に）記録される。ロボット１１の増分移動とセンサ測定値へのプロセス中に起こる変化との間の関係を示す、いわゆるヤコビ行列（感度行列）が、このセンサ情報から既知の方法で計算される。ヤコビ行列を決定する方法は、たとえば、Ｓ．ハッチンソン（Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ）、Ｇ．ヘーガ（Ｈａｇｅｒ）、及びＰ．コーク（Ｃｏｒｋｅ）による「視覚的サーボ制御に関する指導（Ａ ｔｕｔｏｒｉａｌ ｏｎ ｖｉｓｕａｌ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ）」、電気電子技術者協会 ロボット工学及び自動化学会誌（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）１２（５）、１９９６年１０月、６５１〜６７０頁に記述されている。有効なヤコビ行列を得るために満たされるべき移動経路又は測定環境からなる要件（不変性、単調さ…）についても、この論文に記述されている。
− 工具９が、この設定プロセス中に、工具９と車体１との間で衝突が起こり得ないような形で、ロボットの手１０に固定される。

設定段階で生成された設定値、及びヤコビ行列は、センサシステム１３の評価ユニット２０に記憶され、位置決め段階での後の閉ループ制御プロセスのための基準を形成する。

さらに、設定段階では、後の加工段階で後に制御されて実施される、ロボットの手１０の（したがって工具／センサの組合せ１６の）移動経路２１が生成される。この移動経路２１は、図３に概略的に例示されている。移動経路２１の始点は、車体１と工具９又はセンサシステム１３との間で衝突が起こり得ず、新しい車体１をロボット１１の作業空間２３内に導入できるよう選択された、いわゆる「戻り移動位置」２２によって形成される。この戻り移動位置２２から開始して、移動経路２１は、次の４つの別個の区間を含む：
Ｉ 工具／センサの組合せ１６が、開ループ制御で実行されるべき経路Ｉ上を、戻り移動位置２２から、センサシステム１３のすべての個々のセンサ１４が基準領域８の部分１７の有効な測定値を感知できるよう選択された、いわゆる「近接位置」２４に移動される。
ＩＩ 工具／センサの組合せ１６が、閉ループ制御で実行されるべき経路ＩＩ上を、近接位置２４から、工具／センサの組合せ１６が、車体１の基準領域８に対して、正確に位置決めされかつ角度付けされて方向付けされる（上述したように「訓練された」）予備位置１８に移動される。
ＩＩＩ 工具／センサの組合せ１６が、開ループ制御で実行されるべき経路ＩＩＩ上を、予備位置１８から、接続部４が生成される加工領域（たとえば、尾灯領域３の場所４）に案内される。それぞれの接続部４で、打ち抜き／穴あけペンチ９’が、この位置に止め面５を打ち抜きし、穴６を開けるために作動される。移動経路のこの部分ＩＩＩは、たとえば、教示的な方法により、主部品に関し訓練され得る。
ＩＶ 工具／センサの組合せ１６が、経路ＩＶ上を開ループ制御で、戻り移動位置２２に移動して戻される。

したがって、設定段階の間に生成された移動経路２１は、開ループ制御で実行されるべき３つの区間Ｉ、ＩＩＩ、及びＩＶと、閉ループ制御で実行されるべき区間ＩＩとから構成される。

加工段階
加工段階では、車体１が、ロボット１１の作業空間２３に順次に送られ、それぞれの車体１に対して、設定段階で生成された移動経路２１が実行される。

移動経路区間Ｉ：
新しい車体１が送られてくる間、工具／センサの組合せ１６は、戻り移動位置２２に位置する（図４ａ参照）。新しい車体１が作業空間２３に移動されるとすぐに、ロボットの手１０上の工具／センサの組合せ１６が、開ループ制御で近接位置２４に移動される（図４ｂ参照）。

移動経路区間ＩＩ（位置決め段階）：
近接位置２４から開始して、位置決め段階（図３の経路区間ＩＩ）が実行され、この間に、工具／センサの組合せ１６が、車体１に対する（訓練段階中に訓練された）予備位置１８に移動され、このプロセス中に、車体１の基準領域８に対して正確に位置決めして方向付けされる。このため、基準領域８の測定値が、センサシステム１３のセンサ１４によって記録される。現在の（実）センサ測定値と（設定）センサ測定値との差を減少させる移動増分（移動ベクトル）が、これらの測定値及び設定段階より認識されたヤコビ行列を用いて計算される。次いで、工具／センサの組合せ１６が、ロボット１１を用いて、この移動増分だけ移動及び／又は回転され、新しい（実）センサ測定値が、移動が進行している間に記録される。

現在の（実）センサ測定値と目標とする（設定）センサ測定値との差が、予め定められた誤りの大きさより下に下がるまで、又はこの差が、もはや前もって指定された閾値を超えて変化しなくなるまで、この反復測定及び移動プロセスが、制御ループで繰り返される。こうして、工具／センサの組合せ１６は、（誤りの大きさ又は閾値によって予め定められた精度の範囲内で）車体１の基準領域８に対する（図４ｃに示された）予備位置１８に位置する。

ロボット１１の作業空間２３内での位置及び方向付けについての車体１の誤差と、車体１に（又は基準領域８に）恐らく存在する形状誤差との両方が、位置決め段階で実行される反復最小化により、同時に補償される。形状誤差を別々に検出し、評価するために、形状誤差を感知するためにその測定値が専用に又は部分的に使用される、追加のセンサ１４を設けることができる。さらに、初期センサ１４の測定値に、車体１の基準領域８に対する工具／センサの組合せ１６の位置を重み付けして最適化するために、異なる重み係数が設けられることもある。

位置決め段階の閉ループ制御プロセスの間に行われた（近接位置２４と予備位置１８との間の移動に対応する）工具／センサの組合せ１６の位置及び角度の移動は、いわゆる原点修正の形態で、ロボット１１の制御システム１２に伝えられることがある。したがって、ロボット１１の制御システム１２は、（予備位置１８に対応する）開始位置を認識する。この開始位置から、加工段階が始まる。この位置決め段階の重要な特性は、ロボットの精度からの独立性である。何故なら、位置決めプロセスが、（実）測定値と（設定）測定値との間の反復比較に基づくので、ロボット１１のどのような位置決め誤差も、反復閉ループ制御プロセスにより直ちに補償される。

（注記：ロボット１１の作業空間２３内に位置する車体１の基準領域８が、位置及び形状の点で、（「主」）車体１’の基準領域８’に対応している場合、これを基準にして、システムが設定段階で訓練されて、近接位置２４は予備位置１８に対応するようになり、したがって、工具／センサの組合せ１６の原点修正は不要となる。）

移動経路区間ＩＩＩ（加工段階）：
続く実際の加工段階では、工具／センサの組合せ１６が、予備位置１８から開始して、予めプログラミングされた加工経路（図３の経路区間ＩＩＩ）に沿って、開ループ制御で移動される。この例示的な実施の形態においては、工具／センサの組合せ１６は、まず、打ち抜き／穴あけペンチ９’が尾灯領域３の第１の加工部２５に載るような位置に移動される（図４ｄ参照）。次いで、打ち抜き／穴あけペンチ９’が、開ループ制御で作動されて、止め面５が形成され、穴６が開けられる。次いで、尾灯領域３の、３つのさらなる加工部２５’が連続して移動され、これに、止め面５及びポンチ穴６が設けられる。

移動経路区間ＩＶ：
加工段階ＩＩＩが終了した後、工具／センサの組合せ１６が、開ループ制御で、戻り移動位置２２に移動され戻される。したがって、加工された車体１を、ロボット１１の作業空間２３から取り外すことができ、新しい車体１を加工のために搬入することができる。

センサシステム１３の評価ユニット２０とロボット１１の制御ユニット１２との間の通信のために、高いデータ速度を可能にするＴＣＰ／ＩＰインターフェースが使用されることが好ましい。このような高いデータ速度は、ロボット１１の補間サイクル（通常１２ミリ秒）を用いて、８つの個々のセンサ１４’を備えた、６自由度のシステム全体（センサシステム／ロボット）の閉ループ制御を実施できるようにするために必要なものである。それ程複雑ではない閉ループ制御の課題については、即ち、精度に関する要求がそれ程厳しくなく、閉ループ制御時間が比較的長い場合には、従来のシリアルインターフェースにより、閉ループ制御が実施できる。

車体１の異なる領域８に方向付けされた、８つの光学的距離測定センサ（三角測量センサ）１４’が、車両／センサの組合せ１６を位置決めするために使用される、図１の例示的な実施の形態は、位置修正のために許容できる最大値（したがって、開ループ制御で移動される近接位置と閉ループ制御で移動される予備位置との間で最大限許容できる空間の差）が、それぞれ、Ｘ、Ｙ、及びＺの移動方向に５ｍｍ、及び３つの空間角それぞれで１°であるよう構成される。つまり、車体１は、これらの最大偏差より高度な精度で、ロボット１１の作業空間２３内に送り込まれなければならない。移動（Ｘ、Ｙ、Ｚ）偏差については０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ及び回転偏差については０．０３°の閾値が、位置決め段階における閉ループ制御プロセスの適切な中止の判断基準であることが実証されている。

これまでは、車体１の尾灯部分２を加工するという具体的な場合について記述してきた。そこでは、ロボットに案内される工具／センサの組合せ１６が、基準領域８として、隣接する側壁領域７及び尾灯領域３に対して極めて正確に方向付けされる。勿論、他の車体領域（たとえば、トランク、バンパー取付け台などの隣接する部分）も、後部部分２に対して工具／センサの組合せ１６を方向付けるための基準領域として使用できる。さらに、本方法は、基準領域８に対して正確に位置決めして処理すべき、他の任意の車体領域（バンパー、フロントモジュールのための装着領域…）の加工にも応用することができる。勿論、本方法は、車体１の加工に限定されるものではなく、基本的に、ロボットに案内される加工工具９を加工品の基準領域８に対して正しく位置決めする、どのような製造上の課題にも適用できるものである。

さらに、その形状寸法（基準領域８の形状及び位置、接続領域４の数及び位置など）が非常に異なっている可能性のある、異なる種類の車体の尾灯領域３を処理するために、同じロボットに案内される加工工具９を使用することができる。この場合、センサシステム１３は、（第１の種類の車体１に対して、工具／センサの組合せ１６を位置決めするために使用される）センサ１４だけでなく、第２の種類の車体の基準領域に対して、工具／センサの組合せ１６を位置決めするために使用される、さらなるセンサ１４”を具備する。この第２の組のセンサ１４”は、図４ａ〜図４ｄの概略的な図に破線で示されている。第２の種類の車体に対して工具／センサの組合せ１６を位置決めするために使用されるセンサ１４”は、数、空間的な方向付け、測定原理などの点で、センサ１４とは大きく異なることがある。第１の種類の車体１が作業空間２３に送られてくると、工具／センサの組合せ１６は、戻り移動位置２２から、（図４ｂに示されているように）センサ１４が基準領域８に方向付けされる、上述した近接位置２４に移動される。その後の位置決めプロセスは、センサ１４の測定値を使用して、工具／センサの組合せ１６を予備位置１８に移動する（図４ｃ参照）。この後、第１の車体の種類に対応する加工段階が実施される。他方、第２の種類の車体が作業空間２３に送られてくると、工具／センサの組合せ１６は、戻り移動位置２２から、センサ１４”が第２の種類の車体の関連する基準領域に方向付けされる近接位置（図４ｂに図示せず）に移動され、その後の位置決めプロセスにおいて、センサ１４”の測定値が、工具／センサの組合せ１６をこの車体の種類に対応する予備位置に移動するのに使用され、次いで、第２の種類の車体に対応する加工段階が実行される。ここでは、センサ群１４及び１４”は、別個のものである必要はなく、第１の種類の車体に対して及び第２の種類の車体に対して位置決めするために、センサ１４、１４”のいくつかを使用することは、全く可能である。

センサ群１４及び１４”を有する共通の工具／センサの組合せ１６を用いて、異なる種類の車体を処理することに加えて、共通の工具／センサの組合せ１６を用いて、同じ種類の車体の、異なる領域（たとえば、尾灯領域３、及びバンパーの装着領域）を加工することもできる。したがって、センサ１４の群が、尾灯領域３の基準領域８に対して工具／センサの組合せ１６を位置決めするのに使用され、一方、センサ１４”の群が、バンパーの基準領域に対して工具／センサの組合せ１６を位置決めするのに使用され、各加工段階において、異なる領域に関連付けられた加工段階が実施される。

これまで、車体１が、適切な搬送設備を用いて（たとえば、ローラコンベア上の搬送台車で）、ロボット１１の作業空間２３に送られてくるが、次いで、搬送設備から取り外され、したがって、工具の位置決め及び加工中は、作業空間２３に対して固定された位置にある適用状況について考察してきた。しかし、車体１を作業空間２３に対してこのように固定して支持する必要はない。上述した工具の位置の高速閉ループ制御を、センサ１４が車体１の位置の変化をオンラインで補償し、工具／センサの組合せが車体１に追従するように修正することができる。この場合、打ち抜き／穴あけ工具９の打ち抜き／穴あけペンチ９’は、開ループ制御でセンサシステム１３に対して移動及び／又は回転できるよう、ロボットの手１０に対して、可動及び／又は回転可能に支持される。打ち抜き／穴あけペンチ９’の、このような可動支持により、加工操作の進捗とは関係なく、センサシステム１３が車体１の基準領域８に方向付けされるような工具／センサの組合せ１６の位置で、加工段階（区間ＩＩＩ）を行うことが可能となる。センサシステム１３が、加工段階全体を通じて、車体１の基準領域８に方向付けされるので、車体１の位置及び方向付けの変化を、プロセスに伴う方法で検出することができ、次いで、工具／センサの組合せの位置及び方向付けを、予備位置１８において、前述の閉ループ制御プロセスをプロセスに伴う方法で適用することにより、工具／センサの組合せが車体１の移動に追従するよう、（移動する）車体１に対して維持することができる。この結果、位置決め及び加工操作中、車体１は固定して締められる必要がなく、たとえば、（恐らく同時に移動される）ロボット１１に対して、組立てライン上でさらに搬送されることによって、移動できる。このための唯一の要件は、車体１とロボット１１との間の相対位置の変化が、車体１に対する工具／センサの組合せの位置の測定及び閉ループ制御より遅いことである。

具体的に上述した三角測量（レーザ）センサ１４’に加えて、他の光学センサも、基準領域８に対する工具９の実際の位置を感知するためのセンサ１４として使用できる。たとえば、領域全体を測定するＣＣＤカメラがセンサとして使用されることがあり、（適切な画像評価アルゴリズムと合わせて）これらのセンサにより、縁、穴などの空間位置を測定変数として生成することができる。理論上、どのような所望の触知及び／又は非接触の測定システムをも使用できる。適切なセンサの選択は、それぞれの使用法によって様々である。

本発明は、適用例に記述したロボットに案内される打ち抜き／穴あけ工具と、案内される広い範囲の加工工具の両方に適用できる。「ロボットに案内される」工具とは、本出願においては、極めて一般的に、多軸マニピュレータ、特に６軸の産業用ロボット１１に取り付けられた工具であると理解される。

さらなる例示的な実施の形態が、図５ａ、図５ｂ、及び図６に示されており、図５ａは、車両の組立て中に、コックピットモジュール３３が取り付けられる、車体１の前端の壁２７を示す平面図である（図５ｂ参照）。車体１の内部領域の高品質な外観を得るために、コックピットモジュール３３は、ここでは、コックピットモジュール３３とドアの内側３４の隣接する領域３５との間の隙間寸法及び接合部寸法が最適化されるよう、運転席ドア３１の内側３４に対して方向付けされなければならない。コックピットモジュール３３を正確に位置決めして取り付けるために、ボルト２８が、最終組立て中にコックピットの位置を決める調整要素として端部の壁２７の側部領域３０に設けられる。これらのボルト２８は、ドア３１が既に設置され、車両の外板の隣接する領域３２に対して方向付けされる時に、車体１に導入される（図６参照）。ボルト２８は、ボルト溶接を用いて、端部の壁２７に装着される。

ボルト２８を正確に位置決めして方向付け及び装着するために、産業用ロボット１１１の手１１０に装着された（図６に概略的に示された）工具／センサの組合せ１１６が使用される。工具／センサの組合せ１１６は、２つのボルト溶接装置１０９、及び２つの光学センサ１１４を有するセンサシステム１１３が装着されたリンク機構１１５を具備する。センサ１１４は、工具／センサの組合せ１１６が、図６に示されているように、車体１の内部の端部の壁２７の方に移動された場合に、端部の壁２７の側部領域３０の及びドア３１の隣接する領域３５の測定値を記録できるように、リンク機構の方に方向付けされる。

この加工作業を「訓練する」ために、まず、（上述の方法と類似の方法で）設定段階が実行される。工具／センサの組合せ１１６は、ここでは、（「主」）車体１’の端部の壁２７に対する（図６に示されている）予備位置で方向付けされ、センサ１１４の測定値が、工具／センサの組合せ１１６のこの位置で記録される。次いで、工具／センサの組合せ１１６が既知の経路に沿って系統的に変化するための、さらなる測定が行われる。次いで、工具／センサの組合せ１１６のヤコビ行列が、測定されたデータから計算され、センサシステム１１３の評価ユニットに記憶される。次いで、開ループ制御で実行されるべき工具／センサの組合せ１１６の移動経路の区間が、（対話形式で又はオフラインで）訓練される。

加工段階では、車体１がロボット１１１に送られ、それぞれの車体１に対して、設定段階で生成された移動経路が実施される。このプロセスにおいて、工具／センサの組合せは、まず、工具／センサの組合せ１１６が、閉ループ制御プロセスにより、端部の壁２７に対する予備位置に位置決めされ、この予備位置で、工具／センサの組合せ１１６は、端部の壁２７に隣接するドアの内側３４の領域３５に対して最適な形で方向付けされるこの閉ループ制御プロセスは、上述した位置決め段階（移動経路区間ＩＩ）に類似した方法で進行する。次いで、この予備位置から開始して、加工段階（移動経路区間ＩＩＩ）が実行され、この間に、工具／センサの組合せ１１６は、ボルト溶接装置１０９を用いてボルト２８が側部領域３０のそれらに向かい合った位置に置かれることができるよう、端部の壁２７に対して移動される。したがって、「接続領域を作ること」は、この場合、側部領域３０内にボルト２８を正確に位置決めして設定することに対応する。したがって、ボルト２８の位置は、運転席ドア３１の隣接する内部領域３５に対して「最適な」形で方向付けされる。このことは、最終組立ての間にボルト２８に差し込まれるコックピットモジュール３３が、ドアの内壁３５に対して、所望の隙間寸法及び接合部寸法を有することを保証する。

車体の後部部分を示す斜視図。 車体に対する予備位置における車両／センサの組合せを示す概略的な側面図。 加工作業が実行されている時の、ロボットの手の移動経路の概略を示す図。 図３の方法順序が実行されている時の、工具／センサの組合せの、選択された位置の概略を示す図。 図４ａ：戻り移動位置を示す図。 図４ｂ：近接位置を示す図。 図４ｃ：予備位置を示す図。 図４ｄ：加工位置を示す図。 車体の前端の壁を示す平面図。 図５ａ：コックピットモジュールの設置前を示す図。 図５ｂ：設置されたコックピットモジュールを示す図。 図５ａの車体領域が加工されている時の、ロボットに案内される工具／センサの組合せの概略を示す図。

Claims (12)

1. 加工品（１）に、特に車体の板に接続領域（４）を作る方法であり、該接続領域（４）が、前記加工品（１）の基準領域（８）に対して正確に位置決めされ、
   − 該方法においては、ロボットに案内される加工工具（９、１０９）が、前記接続領域（４）を形づくるために使用され、該加工工具（９、１０９）が、少なくとも１つのセンサ（１４、１４’、１４”、１１４）を具備し、かつ前記工具（９、１０９）に永久的に接続されたセンサシステム（１３、１１３）と共に、工具／センサの組合せ（１６、１１６）を形成し、
   − 前記工具／センサの組合せ（１６、１１６）が、まず、位置決め段階（ＩＩ）の間に、ロボット（１１）の作業空間（２３）内の前記加工品（１）の位置とは関係のない近接位置（２４）から、前記工具／センサの組合せ（１６、１１６）が前記工具（１）の基準領域（８）に対して正確に位置決めして方向付けされる予備位置（１８）に移動され、
   − 前記工具／センサの組合せ（１６、１１６）が、次いで、加工段階（ＩＩＩ）において、ロボットの制御により、該予備位置（１８）から加工経路に沿って案内され、該加工経路中に、前記接続領域（４）が、前記加工品（１）に形成される方法であって、
   前記予備位置（１８）に移動するために、反復閉ループ制御プロセスが実行され、この間に、
   − 前記少なくとも１つのセンサ（１４、１４’、１４”、１１４）の（実）測定値が生成され、
   − 該（実）測定値が、設定段階の間に生成された（設定）測定値と比較され、
   − 前記工具／センサの組合せ（１６、１１６）の移動ベクトルが、前記設定段階の間に計算されたヤコビ行列を用いて、前記（実）測定値と（設定）測定値との差から計算され、
   − 前記工具／センサの組合せ（１６、１１６）が、該移動ベクトルだけ動かされることを特徴とする方法。
2. − 前記（設定）測定値と（実）測定値との差が、予め定められた閾値より下にある場合に、又は、
   − 連続する反復ステップ中に生じる該差の減少が、予め定められた閾値より下にある場合に、
   前記反復閉ループ制御プロセスが中止されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記位置決め段階（ＩＩ）及び前記加工段階（ＩＩＩ）が、互いに並行して行われることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. ＴＣＰ／ＩＰインターフェースが、前記ロボット（１１）の開ループ制御装置（１２）と前記センサシステム（１３）の評価ユニット（２０）との間の通信のために使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記センサシステム（１３、１１３）の個々の異なるセンサ（１４、１４”、１１４）の測定値が、異なる種類の車体に対して、又は同じ種類の車体の異なる基準領域（８）に対して、前記工具／センサの組合せ（１６、１１６）を位置決めするための位置制御のために使用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記方法が、車体（１）の尾灯領域（３）内に接続領域（４）を作るために使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法の使用方法。
7. 前記方法が、調節要素（２８）の正確に位置決めされた溶接のため、コックピット（３３）を車体（１）の前端の壁（２７）に方向付けるために使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法の使用方法。
8. 加工品（１）、特に車体部品に接続領域（４）を作るための装置であり、
   − ロボット（１１、１１１）を用いて案内される加工工具（９、１０９）を有し、
   − 前記加工工具（９、１０９）に永久的に接続され、かつ少なくとも１つのセンサ（１４、１４’、１４”、１１４）を具備するセンサシステム（１３、１１３）を有し、
   − 前記ロボット（１１）及び前記加工工具（９、１０９）を制御するための制御装置を有し、
   − 前記センサシステム（１３、１１３）の測定値を評価するための評価ユニット（２０）を有する装置であって、
   前記センサ（１４、１４’、１４”、１１４）の少なくとも１つが、計量的に校正されていないセンサであることを特徴とする装置。
9. 打ち抜き／穴あけ工具が、前記加工工具（９）として使用されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. ボルト溶接装置が、前記加工工具（１０９）として使用されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つのセンサ（１４、１４’、１４”）が、数箇所で測定する三角測量センサであることを特徴とする請求項８あるいは９に記載の装置。
12. 前記少なくとも１つのセンサ（１４、１４’、１４”、１１４）が、領域全体に渡って測定する光学センサであることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の装置。

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