JP4490408B2 - 測定もしくは加工を行う３次元機械の位置を固定座標系において識別するシステム - Google Patents

測定もしくは加工を行う３次元機械の位置を固定座標系において識別するシステム Download PDF

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Description

本発明は、固定座標系(fixed frame of reference)において測定もしくは加工を行う３次元機械の位置を識別するシステムに関する。
当該３次元機械はまた、特に枢動アームを利用する測定機械、あるいは、特に多軸フライス盤などの加工機械ともされ得る。
特定分野の自動車においては、一般的には“スラブ”と称される基準構造に組み合わされた３次元測定デバイスにより自動車の車体の所定箇所を識別することで該車体の形状を確認するために、事故に遭遇した又は組立ての過程にある自動車の車体の種々の箇所を識別する必要があり得る。同様に加工ロボットに関しては、フライス加工または穿孔などの特別な加工を必要とする自動車の車体の箇所を容易に識別できれば好適である。
この点に関しては、本出願人の名義による特許文献FR-A-2 750 546およびFR-A-2 764 992が参照され得る。
また、特許文献WO-A-95/35479に記述された如く、スタンド上に取付けられた光放射源であって相互に平行ではない２つの別個の軸心の回りで枢動し得る光放射源を担持するエミッターモジュールであって、上記スタンドに対する上記光放射源の回転移動を検知する２つの角度位置センサが組み合わされたエミッターモジュールを用いると共に、該エミッターモジュールの回りにおいて固定座標系に対して定義された複数の箇所に複数の目標体が配設されるという位置識別システムに対する提案も為されている。また、支持壁に一体化された相互作用ブッシュを用いる位置識別システムを記述する本出願人の名義による特許文献US-A-6 611 346 (US 2001/0024283 A1) に対しても参照が為され得る。
上記システムは精度に関しては完全に満足できるが、特に自動車の車体などの測定されるべき物品に対して加工もしくは測定機械が頻繁に移動される必要があるときに上記システムは非常に制約がある。
移動される毎に、被加工材の座標系において機械は何処に配置されているのか、あるいは、機械の座標系において被加工材は何処に配置されているのかを認識するために、位置識別プロセスを再開する必要がある。
技術的背景を完全とするために、２次元(2D)における位置を識別するシステムであって、第1システムは自己完結式なだけでなく支持用回転盤に対して恒久的に組み合わされると共に、第2システムはロッド・シリンダ型の摺動アセンブリを用いるという識別システムを示す特許文献US-A-4 961 267およびEP-A-0 398 073に対して言及が為され得る。同様に、少なくとも一つの軸心の回りで枢動すべく取付けられたレール上を摺動するキャリッジを有する別のシステムを開示するという本出願人の名義による特許文献FR-A-2 776 373に対しても言及が為され得る。
本発明の目的は、上述の各システムの欠点を呈さない位置識別システムであって、特に、問題となる被加工材に対して加工もしくは測定機械が上述の制約を受けることなく頻繁に移動されるのを可能とすべく配置されるという位置識別システムを案出することに在る。
本発明に依れば、上記で特定された技術的問題は、測定もしくは加工を行う３次元測定機械であって機械スタンドに関係付けられた本質的に平面的な支持壁上に着座するという３次元機械の位置を固定座標系において識別するシステムであって、
該システムは、
上記機械スタンドに関係付けられた上記支持壁の識別箇所に着座する第1基部であって、該第1基部はその頂部にて、該第1基部が所定位置に在るときに上記支持壁に対して直交する中央軸心の回りで角度的割出しを提供する担持プラットフォームを備えるという第1基部と、
上記第1基部と同一的な第2基部であって、上記固定座標系に関係付けられた支持表面上の識別箇所に着座する第2基部と、
相互に結合された２つの枢動アームを有する多軸アセンブリであって、該多軸アセンブリは、上記各アームに結合された２つの端部片であって上記第1および第2基部の夫々の担持プラットフォームに対して角度的識別位置にて直接的に担持され得る底面を有する２つの端部片を有し、各端部片は該端部片が所定位置に在るときに対応基部の中央軸心に一致する主要軸心を有し、上記多軸アセンブリは、その軸心の各々の回りにおける夫々の回転角度を測定する一体的角度エンコーダも備えるという多軸アセンブリと、
を備えるというシステムにより解決される。
故に、たとえば床部の表面に沿い進行することで機械のスタンドが移動されたとしても、２つの枢動アームを備えた多軸アセンブリは自然に変形してスタンドの変位に追随する共に、変位の全ては多軸アセンブリに一体化された角度エンコーダを用いて自動的に計算される。故に、良好な融通性を達成する従動システムが提供される。
好適には、上記第1基部は上記機械スタンドに対して固定され、且つ、上記第2基部は床部表面に対して自身が固定された水平バーに対して固定される。特に、上記水平バーは複数の第2基部を、詳細には該水平バーの端部の各々の近傍にて第2基部を受容すべく配置される。故に、自動車の車体から成る被加工材によれば、該車体の幅を越えて上記バーの各端部が突出することで上記多軸アセンブリが上記車体の一側もしくは他側に非常に迅速に載置されるのを可能とする様に斯かるバーを上記車体の下側に固定することが可能である。
別の好適実施形態に依れば、上記多軸アセンブリは、７つの軸心を有すると共に、関係付けられた７つの一体的角度エンコーダを備える。
斯かる状況下で、上記多軸アセンブリは、一方のアームを上記第1端部片に接続する枢動端部フォークと、他方のアームを上記第2端部片に接続する枢動端部フォークと、上記２つのアームを相互接続する中央枢動フォークとを有することが好適である。
その場合、各アームは、２つのアーム・セグメント間に介設された中空管により構成される中央セグメントを備え、上記アーム・セグメントの一方は該アームの長手軸心の回りにおける回転角度を測定する角度エンコーダを受容するという措置が為され得る。その場合に各中央セグメントは好適には、異なる長さの一群の中空管から選択される。
また、各中央セグメントと協働アーム・セグメントとの間の接続は迅速離脱継手を介するものとされ、且つ、各端部フォークと協働端部片との間の接続は迅速離脱式のネジ接続とされるという措置を行うことも好適である。
最後に、好適には、各端部片は自己完結式の制御および／または動力供給ユニットを備える。
本発明の他の特徴および利点は、特定実施形態に関する以下の記述および添付図面に鑑みれば更に明らかとなろう。
図１は、枢動アームを有する３次元機械M、特に自動車の車体Cに作用するフライス加工ロボットを示している。
フライス盤Mは、本質的に鉛直である軸心30の回りで旋回し得るタレット2であって本質的に水平である軸心31の回りで枢動すべく取付けられたアーム3を備えたタレット2が載置されたベースプレート1を備える。一方、アーム3は、軸心32の回りで枢動すべく取付けられた機能的アセンブリ4であって長手軸心6を備えるアーム5を呈する機能的アセンブリ4を備え、該アーム5は軸心6の回り且つ横方向軸心33の回りで旋回すべく取付けられたフォーク7により終端している。端部フォーク7は最終的に、軸心34の回りで回転すべく取付けられた例えば回転カッタなどの加工ツール9を備える。
機械Mのベースプレート1は、この場合にはローラ要素14により終端する端部脚部13を有する十字形アセンブリの形態で実施された機械スタンド12が組み合わされた本質的に平面的な支持壁11上に着座し、十字形スタンド12は、機械Mのベースプレート1を安定な様式で当該各プレートに対して固定すべく使用される頂部および底部プレート15間に挟持される。
自動車の車体Cの下側には、固定座標系に関係付けられた頂部支持表面21を呈する水平バー20が認識され得ると共に、水平バー20自体は床部SPの表面に固定されている。
以下においては、100と参照番号が付された本発明に係る位置識別システムであって機械Mのスタンド12が動かされた場合においても固定座標系における該機械Mの位置を識別する役割を果たすという位置識別システムが相当に詳細に記述される。図１において理解され得る如く、機械スタンド12に組み合わされた支持壁11の識別箇所上に着座すべく第1基部101が配備され、該基部はその頂部に、該第1基部が支持壁上で所定位置に在るときに該支持壁に対して直交する中央軸心の回りで角度的割出しを提供する担持プラットフォームを備えている。詳細にはこの第1基部101は、特にボルトにより、十字形スタンド12の一つの分岐部上に固定される。その場合に上述の中央軸心は、この例においては鉛直である軸心X1と一致する。
上記固定座標系に関係付けられた支持表面21上の識別箇所に着座するために、第1基部101と同一の第2基部102も配備される。この第2基部102の中央軸心は、これもまたこの例では鉛直である軸心X7と一致する。
以下において図４に関して説明される如く、位置識別システムは相互に平行でない平面に対して基部101および102を担持して使用可能であり、その場合に上述の軸心X1およびX7は平行でない。
位置識別システム100は、基部101および102に加え、相互に結合された２つの枢動アーム113および115を有する多軸アセンブリ110であって上記アームに結合された２つの端部片111および117を有する多軸アセンブリ110を更に有する。詳細には、多軸アセンブリ110は７つの軸心を有すると共に、アーム113を第1端部片111に対して接続する枢動端部フォーク112と、他方のアーム115を第2端部片117に対して接続する枢動端部フォーク116と、２つのアーム113および115を相互接続する中央枢動フォーク114とを備える。
端部片111および117の底面は、第1基部101および第2基部102の夫々の担持プラットフォーム上に識別角度にて直接的に担持され得ると共に、各端部片111および117は、該端部片が対応基部101、102上で所定位置に在るときに該基部の中央軸心と一致するという主要軸心X1、X7を有する。更に、以下において相当に詳細に説明される如く多軸アセンブリ110は、各々の軸心の回りにおける夫々の回転角度を測定すべく一体化された角度エンコーダ、すなわち詳細には７つの軸心の夫々に組み合わされるべく一体化された７つの角度エンコーダも備える。
各端部片が基部101または102により担持される様式をより良く理解するために、図７および図８を参照する。
基部101または102は、中央軸心XCを有する円筒体120であって、担持底板121と、関係付けられた担持表面、詳細には水平バー20の上記頂部表面21または機械Mのスタンド12に関係付けられた担持表面11に対するボルト締めのためのボルト締め手段129とを呈する円筒体120を備える。円筒体120に対しては、120°間隔で配設された３つのフィンガ123であって各々が当該担持プラットフォーム122の頂面の平面から突出する表面を有するというフィンガ123を備えた頂面を有する担持プラットフォーム122が載置される。基部101または102はまた、中央軸心XCの回りで旋回すべく取付けられた中央シャフト124であって上方に突出する雄ネジ端部127を呈する中央シャフト124も有する。シャフト124はその軸心XCの回りにおいて、ウィンドウ128を介してアクセス可能な駆動部材125により旋回され得ると共に、該駆動部材は適切な工具が挿入されるのを可能とする径方向穴126を介して動かされ得る。
図７および図８は、実際に対応する端部片111または117の底部構成要素であるプレート130も示している。プレート130は、シャフト124のネジ部127に対して螺着され得る雌ネジ132を備えた中央ハブ131を有する。プレート130の底面135は、上述の３つのフィンガ123と協働する３つのＶ形状ノッチ133を呈する。図８に示された如く担持位置においてプレート130は自身のＶ形状ノッチ133を介し、対向する環状面同士の間における一切の接触なしで、３つのフィンガ123上に着座する。正確な相対的位置決めを保証する締着であって、その位置が担持表面に対して正確に識別されることを確実にするという締着が達成されるまでネジ部127を螺着することで、係留が行われる。故に、面101、102上の識別位置において２つの端部片111、117が一旦締着されたなら、機械Mのスタンド12が動かされるときは常に変形される枢動システムが提供される。多軸アセンブリ110に一体化された角度エンコーダは夫々の対応軸心の回りにおける回転角度を自動的に測定することから、上記機械のスタンドが変位される毎に位置識別プロセスを再初期化する必要はない。
図２は、相互に結合されると共に今や鈍角を形成するアーム113および115を多軸アセンブリ110が有するという新たな配置を示している。
更なる便宜のために、図３に示された如く、水平バー20の他端の近傍において該水平バー20は第2基部102を支持するという措置が為される。故に、フライス盤が他側で作用することが所望されたときには、端部片117を基部102から結合解除し、機械のスタンドに組み合わされたアセンブリを動かし、且つ、最終的には端部片117を、水平バー20の他端にて既に所定位置に在る他方の基部102上に再係合させるだけで十分である。
図４および図５は、殆どが既に上述された位置調節システム100の各構成要素を更に明確に示している。
第1基部101から始まり、当該端部片111の底面は角度的識別位置において該基部101の担持プラットフォーム上に直接的に担持されるという端部片111が認識され得ると共に、担持平面はP1で表されている。端部片111は、該端部片の軸心X1の回りにおける該端部片の端部111.1の回転を測定する一体的エンコーダC1を有する。枢動端部フォーク112は軸心X2の回りで枢動可能であり、回転角度は一体的エンコーダC2により測定される。次に、当該アーム113の軸心X3の回りで旋回し得るフォーク114に対して他端が接続されたアーム113が在り、回転角度は一体的センサC3により測定される。他方のアーム115は、軸心X4の回りで旋回し得るフォーク114に対して枢着され、回転角度は枢動中央フォーク114に組み合わされた一体的エンコーダC4により測定される。アーム115の他端は、該アームの軸心X5の回りで旋回し得る枢動端部フォーク116に対して接続され、その回転角度は一体的エンコーダC5により測定される。端部フォーク116は端部片117の頂部117.1上で軸心X6の回りで旋回可能であり、回転角度は一体的エンコーダC6により測定される。最後に、端部片117の頂部117.1は軸心X7の回りで該端部片に対して旋回可能であり、回転角度は一体的エンコーダC7により測定される。端部片117の底面は角度的識別位置において第2基部102の担持プラットフォーム上に直接的に担持され、担持平面は、図４および図５において平面P1に対して平行ではない平面P7により表される。
上述のアセンブリによれば、特に第2基部102に関係付けられた座標系である静的なX、Y、Z座標系に対し、上記機械に関係付けられた、すなわち第1基部101に関係付けられたX、Y、Z座標系における位置が識別され得る。
図４および図５においては、端部片111および117のそれぞれの制御および／または独立的な動力供給に対応するユニット111.2および117.2も認識され得る。好適には、接続ケーブルの制約的な存在を回避するために(たとえばWIFIなどの)無線送信手段が使用される。
図６の分解図は個々の構成要素を更に明確に示すと共に、特に、この実施形態における２つのアーム113および115のモジュール式配置構成の理解を更に容易としている。
各アーム113、115は、２つのアーム・セグメント113.1、113.3および115.1、115.3の間に介設された中空管113.2、115.2により構成された中央セグメントを備え、上記セグメントの一方(113.1、115.1)は、上記アームの長手軸心X3、X5の回りにおける回転角度を測定する一体的角度エンコーダC3、C5を受容する。
斯かるモジュール性を最大限に利用するために、各中央セグメント113.2、115.2は異なる長さを有する一群の中空管から選択されるという措置が為され得る。これにより、任意の特定の状況に対して極めて柔軟に適応し得る。
また、各中央セグメント113.2、115.2と、協働アーム・セグメント113.1、113.3および115.1、115.3との間の接続を、迅速離脱継手を介するという措置を取ることも好適である。これによれば、迅速に且つ上記システムを再初期化する必要なしで、多軸アセンブリは容易にケース内に保管され得るか、または、一つの中空管を、異なる長さの別の管と交換することが可能とされる。
上記に説明された如く、各端部フォーク112、116と協働端部片111、117との間の接続は迅速離脱式のネジ接続である。
故に、非常に高度な融通性を提供すると共に、機械スタンドが動かされる毎の再開始用測定を回避するという位置識別システムが提供された。被加工材、特に自動車の車体に対する測定センサ(または機械に関係付けられた加工ツール)の正しい位置決めを一切懸念する必要なく機械スタンドを自由に動かすことが可能である。
２つの基部は、相互に平行でない又は異なるレベルに在る平面により担持可能であり、多軸アセンブリは機械スタンドの変位に追随するために３次元において容易に変形することは理解される。
本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、上記で特定された本質的特徴を再現する均等な手段を用いる一切の変形物を包含する。
特に、本明細書では示されないが、中央フォークの重量の影響下で該中央フォークの近傍における垂下なしで各アームを実質的に水平な所定位置に保持するのを更に容易とすべく付加的な支持手段が配備可能であり、これは各アームが長寸であるときに概して好適である。一形態として、これらの手段は、本出願人の特許文献US-A-5 189 797に示された如く、中央フォークの下側に且つ／又は２つのアームの少なくとも一方に対して配置された全方向性ローラと、アームに平行なバーを有する側方支持システムと、支援アクチュエータもしくはスプリングとを備え得る。
概略的に表された自動車の車体に関して作用する３次元加工用機械に組み合わされた本発明に係る位置識別システムを示す斜視図である。 機械のスタンドが自動車の車体に対して移動された後であって、相互に結合された２つの枢動アームを備えた多軸アセンブリはスタンドの変位に追随して変形されているという同一システムを示す図である。 位置識別システムと加工機械の作業機器とが自動車の車体の一側もしくは他側に載置されるのを可能とすべく２つの基部を支持する水平バーを示す同様の図である。 位置識別システムの各アームが鋭角を形成しているという該位置識別システムを単独で示す斜視図である。 各アームが鈍角を形成しているという二重アーム式多軸アセンブリに対する別の配置を示す先の図と同様の図である。 図４と類似するが、特に多軸アセンブリの二つのアームのモジュール式構造を示すための主要構成要素の分解図である。 本発明の位置識別システムの基部であって該位置識別システムの端部片の一部を形成する底部担持プレートが載置されているという基部の斜視図である。 関連する基部上で所定位置に在る担持プレートを示す図７と同様の図である。
符号の説明
１２ 機械スタンド
１００ 位置識別システム
１０１ 第1基部
１０２ 第2基部
１１０ 多軸アセンブリ

Claims (11)

  1. 測定もしくは加工を行う３次元機械であって機械スタンドに関係付けられた本質的に平面的な支持壁上に着座するという３次元機械の位置を固定座標系において識別するシステムにおいて、
    前記機械スタンド(12)に関係付けられた前記支持壁(11)の識別箇所に着座する第1基部(101)であって、該第1基部はその頂部にて、該第1基部が所定位置に在るときに前記支持壁に対して直交する中央軸心(XC)の回りで角度的割出しを提供する担持プラットフォーム(122)を備えるという第1基部(101)と、
    前記第1基部(101)と同一的な第2基部(102)であって、前記固定座標系に関係付けられた支持表面(21)上の識別箇所に着座する第2基部(102)と、
    相互に結合された２つの枢動アーム(113、115)を有する多軸アセンブリ(110)であって、該多軸アセンブリ(110)は、前記各アームに結合された２つの端部片(111、117)であって前記第1基部(101)および前記第2基部(102)の夫々の担持プラットフォーム(122)に対して角度的識別位置にて直接的に担持され得る底面(135)を有する２つの端部片(111、117)を有し、該各端部片(111、117)は該端部片が所定位置に在るときに対応基部(101；102)の中央軸心(XC)に一致する主要軸心(X1；X7)を有し、前記多軸アセンブリ(110)は、その軸心(X1〜X7)の各々の回りにおける夫々の回転角度を測定する一体的角度エンコーダ(C1〜C7)も備えるという多軸アセンブリ(110)と、
    を具備することを特徴とするシステム。
  2. 前記第1基部(101)は前記機械スタンド(12)に対して固定され、且つ、前記第2基部(102)は床部表面(SP)に対して自身が固定された水平バー(20)に対して固定される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 前記水平バー(20)は、複数の前記第2基部(102)を受容すべく配置される、ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
  4. 前記水平バー(20)は、その端部の各々の近傍にて第2基部(102)を支持することを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記多軸アセンブリ(110)は、７つの軸心(X1〜X7)を有すると共に、関係付けられた７つの一体的角度エンコーダ(C1〜C7)を有する、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つの請求項に記載のシステム。
  6. 前記多軸アセンブリ(110)は、一方のアーム(113)を前記第1端部片(111)に接続する枢動端部フォーク(112)と、他方のアーム(115)を前記第2端部片(117)に接続する枢動端部フォーク(116)と、２つの前記アーム(113、115)を相互接続する中央枢動フォーク(114)とを有する、ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  7. 前記各アーム(113；115)は、２つのアーム・セグメント(113.1、113.3；115.1、115.3)間に介設された中空管(113.2；115.2)により構成される中央セグメントを具備し、前記アーム・セグメント(113.1；115.1)の一方は該アームの長手軸心(X3；X5)の回りにおける回転角度を測定する角度エンコーダ(C3；C5)を受容する、ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
  8. 前記各中央セグメント(113.2、115.2)は異なる長さの一群の中空管から選択される、ことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
  9. 前記各中央セグメント(113.2、115.2)と前記協働アーム・セグメント(113.1、113.3；115.1、115.3)との間の接続は迅速離脱継手を介する、ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のシステム。
  10. 前記各端部フォーク(112；116)と前記協働端部片(111；117)との間の接続は迅速離脱式のネジ接続である、ことを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一つの請求項に記載のシステム。
  11. 前記各端部片(111；117)は、自己完結式の制御および／または動力供給ユニット(112.2；117.2)を備える、ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一つの請求項に記載のシステム。
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