JP4645191B2

JP4645191B2 - レーザー式三次元測定機

Info

Publication number: JP4645191B2
Application number: JP2004375821A
Authority: JP
Inventors: 敏雄藤井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006184058A

Description

本発明は、溶接ガンの固定側ガン先端の三次元位置を測定するレーザー式三次元測定機に関する。

従来、車体の溶接を行う溶接ロボットは、図４に示す溶接ロボット１０１のように溶接現場のフロアＦに設置されたロボット本体１０２とロボット本体１０２に回転可能に取り付けられた溶接ガン１０３とを備えている。

また溶接ガン１０３は、ロボット本体１０２に回転可能に取り付けられたコ字状のアーム１０４と、アーム１０４の一端側に設けられて位置が固定された固定側ガン１０５と、アーム１０４の他端側に固定側ガン１０５と対向して設けられて固定側ガン１０５に対して進退する可動側ガン１０６とを備えている。

そして、両ガン１０５、１０６は、図５に示すように（固定側ガン１０５のみ図示）アーム１０４に取り付けられたガン本体１０７と、ガン本体１０７の先端部に装着されたガンチップ１０８とから構成されており、ガンチップ１０８の先端１１１が両ガン１０５、１０６の先端を構成している。

ガン本体１０７の内部には、ガン本体１０７に沿って冷却水戻り水路１０９が先端部まで形成されており、この冷却水戻り水路１０９内には冷却水戻り水路１０９に沿って冷却水供給管が１１０が配置されている。

一方、溶接ロボット１０１のティーチングデータを作成する際には、通常固定側ガン１０５のガンチップ１０８（以下固定側ガンチップ１０８とする）の先端１１１の三次元位置データが必要であり、この先端１１１の三次元位置はレーザ式三次元測定機により測定している。このレーザ式三次元測定機としては、図４に示すようなレーザ式三次元測定機２０１が知られている。

このレーザ式三次元測定機２０１は、レーザー測定機本体２０２と、レーザー測定機本体２０２にケーブルを介して接続された制御装置２０３とから構成されている。

固定側ガンチップ１０８の先端１１１の位置を測定するには、制御装置２０３でレーザー測定機本体２０２を制御して、レーザー測定機本体２０２からガンチップ１０８の先端１１１にレーザーを照射するとともに先端１１１から反射されたレーザーを再びレーザー測定機本体２０２で検出し、その検出信号を制御装置２０３へ出力する。

この検出信号に基づいて制御装置２０３はレーザーの照射から検出までの時間を測定してレーザー測定機本体２０２から固定側ガンチップ１０８の先端１１１までの距離を算出するとともに先端１１１への照射角度を測定し、この距離と角度とから三角関数によりガンチップ先端１１１の位置を測定している。

しかしながら、このようなレーザー式三次元測定機２０１においては、溶接ガン１０３が傾斜している場合には固定側ガン１０５も傾斜しているため、ガンチップ１０８の先端１１１にレーザ−を正確に当てることが難しく、先端１１１の位置を容易に測定することができなかった。

この問題を解決するために、ガンチップ１０８に換えてレーザーを反射させるリフレクターを備えたアタッチメントを固定側ガン本体１０７に取り付け、リフレクターの中心にレーザーを照射することによりガンチップ１０８の先端１１１の三次元位置を測定することも考えられる。

しかしながらこの場合には、アタッチメントとガンチップ１０８の双方が着脱可能なように冷却水戻り水路１０９や冷却水供給管１１０も含めて固定側ガン１０５を大幅に改造しなければならない。したがって、アタッチメントの製造コストに加えて固定側ガン１０５の改造コストもかかるため、固定側ガン先端１１１の位置の測定にかかるコストが大幅に増加してしまう問題があった。

本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、溶接ガンが傾斜した状態でもコストの大幅な増加を抑えて固定側ガン先端の位置を容易に測定することができるレーザ式三次元測定機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明の請求項１のレーザ式三次元測定機においては、測定機本体と、溶接ガンの固定側ガンチップに外嵌して取り付けられるアタッチメントとを備え、前記アタッチメントは、前記固定側ガンチップに外嵌する外嵌部と、この外嵌部から前記固定側ガンチップの延出方向に沿って先方へ延出して設けられたリフレクター取付部と、このリフレクター取付部で前記固定側ガンチップの先方に位置するとともに前記固定側ガンチップの前記延出方向に沿って離間して取り付けられ、レーザーを反射させる一対のリフレクターとを備え、
両リフレクターは、前記外嵌部が前記固定側ガンチップに外嵌した状態で、中心が前記固定側ガンチップの先端から前記固定側ガンチップの前記延出方向に沿って先方へ延長した延長線上を通るとともに、前記固定側ガンチップの先端から前記固定側ガンチップに近い方のリフレクターの中心までの距離と両リフレクターの中心間の距離とが同じ距離になるように前記リフレクター取付部への取付位置が設定されている一方、前記測定機本体は、前記両リフレクターの中心にそれぞれレーザーを照射するとともに前記両リフレクターの中心からそれぞれ反射された前記レーザーを検出して前記両リフレクターの中心の三次元位置（Ｒａｘ、Ｒｂｙ、Ｒｃｚ）、（Ｒｄｘ、Ｒｄｙ、Ｒｆｘ）を測定する測定手段と、前記固定側ガンチップから遠い方のリフレクターの中心の三次元位置（Ｒａｘ、Ｒｂｙ、Ｒｃｚ）から前記固定側ガンチップに近い方のリフレクターの中心の三次元位置（Ｒｄｘ、Ｒｅｙ、Ｒｆｚ）を減じて前記両リフレクターの中心の三次元位置の差（Ｒａｘ−Ｒｄｘ、Ｒｂｙ−Ｒｅｙ、Ｒｃｚ−Ｒｆｚ）を算出する第１の算出手段と、前記固定側ガンチップに近い方のリフレクターの中心の前記三次元位置（Ｒｄｘ、Ｒｅｙ、Ｒｆｚ）から前記第１の算出手段によって算出した前記両リフレクターの中心の三次元位置の差（Ｒａｘ−Ｒｄｘ、Ｒｂｙ−Ｒｅｙ、Ｒｃｚ−Ｒｆｚ）を減じて前記固定側ガンチップに近い方のリフレクターの中心の前記三次元位置と前記第１の算出手段によって算出した前記両リフレクターの中心の三次元位置の差（Ｒｄｘ−（Ｒａｘ−Ｒｄｘ）、Ｒｅｙ−（Ｒｂｙ−Ｒｅｙ）、Ｒｆｚ−（Ｒｃｚ−Ｒｆｚ））を算出する第２の算出手段とを備え、該差（Ｒｄｘ−（Ｒａｘ−Ｒｄｘ）、Ｒｅｙ−（Ｒｂｙ−Ｒｅｙ）、Ｒｆｚ−（Ｒｃｚ−Ｒｆｚ））の値が前記固定側ガンチップの三次元位置となることを特徴とする。

かかる構成においては、固定側ガンチップの先端から近い方のリフレクターの中心までの距離と両リフレクターの中心間の距離とが同じ距離であることから、両リフレクターの中心の三次元位置の差と、固定側ガンチップ先端と近い方のリフレクター中心との三次元位置の差は同じとなっている。このため、第２の算出手段で算出された三次元位置の差は固定側ガンチップ先端の三次元位置となる。

したがって、固定側ガンチップから離れた両リフレクターの位置を測定することで固定側ガンチップ先端の位置を算出するので、溶接ガンの姿勢状態に関係なく固定側ガンチップ先端の位置を容易に測定することができる。

また、アタッチメントは、固定側ガンチップに外嵌して取り付けられることからアタッチメントを取り付けるために固定側ガンを改造する必要がないため、固定側ガン先端の位置を測定する際のコストをアタッチメントの製造コストのみにすることができる。

以上説明したように本発明の請求項１記載のレーザ式三次元測定機においては、固定側ガンチップから離れた両リフレクターの位置を測定することで固定側ガンチップ先端の位置を算出するので、溶接ガンの姿勢状態に関係なく固定側ガンチップ先端の位置を容易に測定することができる。

よって、溶接ガンが傾斜した状態でもコストの大幅な増加を抑えて固定側ガン先端の位置を容易に測定することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図にしたがって説明する。

図１は本発明の一実施の形態を示す溶接現場の要部斜視図である。この溶接現場のフロアＦには、ワークを位置決め支持する治具１０と、治具１０の左右の一方側に配置された溶接ロボット１０１、および他方側に配置されたレーザ式三次元測定機１がそれぞれ設置されている。

溶接ロボット１０１は、フロアＦに設置されたロボット本体１０２と、ロボット本体１０２に回転可能に取り付けられた溶接ガン１０３とを備えている。

そして、両ガン１０５、１０６は、図２に示すように（固定側ガン１０５のみ図示）アーム１０４に取り付けられたガン本体１０７と、ガン本体１０７の先端部に装着されたガンチップ１０８とから構成されており、ガンチップ１０８の先端１１１が両ガン１０５、１０６の先端を構成している。

一方、レーザ式三次元測定機１は、図１、図２に示すように溶接現場のフロアＦに設置された測定機本体２と、溶接ガン１０３の固定側ガンチップ１０８に外嵌して取り付けられるアタッチメント３とを備えている。

さらに測定機本体２は、レーザーを照射および検出するレーザー測定機４と、レーザー測定機４にケーブルを介して接続された制御装置５とから構成されている。
また、前記測定機本体２は、レーザーを用いて測定対象物の三次元位置を測定するものであり、例えばＡＰＩ社、ライカ社のレーザートラッカー等が知られている。

レーザー測定機４は、フロアＦに立設して左右に回転するレーザー測定部本体４１と、レーザー測定部本体４１の上部に設けられて上下に回転するヘッド部４２と、ヘッド部４２に設けられてレーザーの照射及び検出を行う照射検出部４３とを備えている。

一方、制御装置５はパーソナルコンピュータから成り、図３に示すようにＣＰＵ５０１を中心にして構成されている。このＣＰＵ５０１には、ＲＯＭ５０２、ＲＡＭ５０３、表示制御部５０５、伝送制御部５０６、駆動制御部５０７、及びインタフェース５０８等が接続されている。

ＲＯＭ５０２には本発明の測定手段および算出手段にかかるプログラム等が記憶されており、ＲＡＭ５０３には処理中のデータが記憶される。

表示制御部５０５にはＣＲＴ５０４が接続されており、ＣＲＴ５０４はこの表示制御部５０５で表示が制御されている。伝送制御部５０６にはケーブルを介してレーザー測定機４が接続されており、レーザー測定機４により検出されたレーザーの検出信号が入力されるようになっている。

また駆動制御部５０７にもケーブルを介してレーザー測定機４が接続されており、駆動制御部５０７はＣＰＵ５０１からの制御信号に基づいてレーザー測定機４の動作を制御するようになっている。またインタフェース５０８にはキーボード５０９とマウス５１０が接続されている。

一方、前記アタッチメント３は、図２に示すように固定側ガンチップ１０８に外嵌する外嵌部３１と、外嵌部３１から固定側ガンチップ１０８より外側で固定側ガンチップ１０８の延出方向Ｘに沿って上方（先方）へ延出して設けられたリフレクター取付部３２と、リフレクター取付部３２で固定側ガンチップ１０８の上方に位置するとともに固定側ガンチップ１０８の延出方向Ｘに沿って上下に離間して取り付けられ、レーザーを反射させる一対のリフレクター３３、３４とから構成されている。

外嵌部３１には固定側ガンチップ１０８に嵌入可能で固定側ガンチップ１０８に被せるように略縦断面コ字状に形成された底を有する丸穴形状をした装着穴３１ｄが設けられている。またリフレクター取付部３２は外嵌部３１の上面３１ａから一体形成されて上方へ延出した上方延出部３２ａが形成されている。

上方延出部３２ａには、図示上で水平（延出方向Ｘに対して直交する方向）に貫通した一対の貫通孔３２ｃ、３２ｃが上下に離間して形成されている。

またリフレクター３３、３４は、リフレクターに当ったレーザーを反射させるレーザー反射面を有するリフレクター本体３３ａ、３４ａと上方延出部３２ａの固定側ガンチップ１０８側に上下に離間して取り付けられた一対のリフレクター座３２ｂ、３２ｂとから構成されており、リフレクター座３２ｂ、３２ｂは断面Ｔ字状に形成されており、上方延出部３２ａの内側面３２ｄに面接した基部３２ｅと、基部３２ｅから突出して上方延出部３２ａの貫通孔３２ｃ、３２ｃに嵌入された嵌入脚部３２ｆ、３２ｆとから構成されている。

一方、両リフレクター本体３３ａ、３４ａはそれぞれリフレクター座３２ｂ、３２ｂの基部３２ｅ、３２ｅに取り付けられており、レーザーを反射させるレーザー反射面を形成する断面Ｌ字状の凹面３５、３５が形成されている。

この凹面３５、３５はリフレクター座３２ｂの基部３２ｄから側方へ向いたＬ型面鏡状に形成されており、凹面３５、３５の中心がそれぞれのリフレクター３３、３４の中心３３ｚ、３４ｚを構成している。

また、両リフレクター３３、３４は、外嵌部３１が固定側ガンチップ１０８に外嵌した状態で、中心３３ｚ、３４ｚが固定側ガンチップ１０８の先端１１１から固定側ガンチップ１０８の延出方向Ｘに沿って上方へ延長した延長線Ｙ上を通るとともに、外嵌部３１に形成された装着穴３１ｄの内面３１ｂで固定側ガンチップ１０８の先端１１１と同じ位置である先端１１１に当接する当接部３１ｃからこの当接部３１ｃに近い方のリフレクターである下側のリフレクター３４の中心３４ｚまでの距離Ｌ１と、両リフレクター３３、３４の中心３３ｚ、３４ｚ間の距離Ｌ２とが同じ距離となるように、リフレクター取付部３２へ取付られている。

かかる構成において、固定側ガンチップ１０８の先端１１１の三次元位置をレーザ式三次元測定機１で測定するには以下の手順で行う。

まず、制御装置５のキーボード５０９とマウス５１０を操作してレーザー測定部本体４１を左右に回転させるとともにヘッド部４２を上下に回転させて、固定側ガンチップ１０８に取り付けられているアタッチメント３において外嵌部３１の当接部３１ｃから遠い方のリフレクターである上側のリフレクター３３の中心３３ｚに照準を合わせる。

そして照射検出部４３からレーザーを上側のリフレクター３３の中心３３ｚに照射し、リフレクター３３の中心３３ｚから反射されたレーザーを再び照射検出部４３で検出する（図１参照）。

照射検出部４３で検出した検出信号は制御装置５へ出力され、制御装置５は、入力された検出信号とＲＯＭ５０２に記憶されているプログラムに基づいて、ＣＰＵ５０１により照射検出部４３からリフレクター３３の中心３３ｚまでの距離と、照射角度であるヘッド部４２の回転角度を算出し、さらにこの距離と角度から上側のリフレクター３３の中心３３ｚの三次元位置（Ｒａｘ、Ｒｂｙ、Ｒｃｚ）を三角関数により算出する。

次に、三次元測定機１は、前述したリフレクター３３の中心３３ｚの三次元位置（Ｒａｘ，Ｒｂｙ，Ｒｃｚ）測定の手順と同様な手順で下側のリフレクター３４の中心３４ｚの三次元位置（Ｒｄｘ、Ｒｅｙ、Ｒｆｚ）を測定する。

次に、制御装置５は、ＲＯＭ５０２に記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵ５０１により、測定された上側のリフレクター３３の中心３３ｚの三次元位置（Ｒａｘ、Ｒｂｙ、Ｒｃｚ）から下側のリフレクター３４の中心３４ｚの三次元位置（Ｒｄｘ、Ｒｅｙ、Ｒｆｚ）を減じて両リフレクター３３、３４の中心３３ｚ、３４ｚの三次元位置の差（Ｒａｘ−Ｒｄｘ、Ｒｂｙ−Ｒｅｙ、Ｒｃｚ−Ｒｆｚ）を算出する。

そして、下側のリフレクター３４の中心３４ｚの三次元位置（Ｒｄｘ、Ｒｅｙ、Ｒｆｚ）から両リフレクター３３、３４の中心３３ｚ、３４ｚの三次元位置の差（Ｒａｘ−Ｒｄｘ、Ｒｂｙ−Ｒｅｙ、Ｒｃｚ−Ｒｆｚ）を減じて両三次元位置の差（Ｒｄｘ−（Ｒａｘ−Ｒｄｘ）、Ｒｅｙ−（Ｒｂｙ−Ｒｅｙ）、Ｒｆｚ−（Ｒｃｚ−Ｒｆｚ））を算出して測定を終了する。

本実施の形態では、外嵌部３１の当接部３１ｃから下側のリフレクター中心３４ｚまでの距離Ｌ１と両リフレクターの中心３３ｚ、３４ｚ間の距離Ｌ２とが同じ距離であることから、両リフレクターの中心３３ｚ、３４ｚの三次元位置の差と、固定側ガンチップ先端１１１と下側のリフレクターの中心３４ｚとの三次元位置の差が同じである。このため算出された両三次元位置の差（Ｒｄｘ−（Ｒａｘ−Ｒｄｘ）、Ｒｅｙ−（Ｒｂｙ−Ｒｅｙ）、Ｒｆｚ−（Ｒｃｚ−Ｒｆｚ））は固定側ガンチップ先端１１１の三次元位置となる。

このように本実施の形態の三次元測定機１においては、固定側ガンチップ１０８から離れた両リフレクター３３、３４の位置を測定することで固定側ガンチップ先端１１１の位置を算出するので、溶接ガン１０３の姿勢状態に関係なく固定側ガンチップ先端１１１の位置を容易に測定することができる。

さらに、アタッチメント３は固定側ガンチップ１０８に外嵌して取り付けられることからアタッチメント３を取り付けるために固定側ガン１０５を改造する必要がない。このため、固定側ガン先端１１１の位置を測定する際のコストをアタッチメント３の製造コストのみにすることができる。

よって、溶接ガン１０３が傾斜した状態でもコストの大幅な増加を抑えて固定側ガン先端１１１の位置を容易に測定することができる。

本発明の一実施の形態を示す溶接現場の要部斜視図である。レーザー式三次元測定機のアタッチメントが取り付けられた溶接ガンの固定側ガンを示す一部断面図である。レーザー式三次元測定機の制御装置の構成を示すブロック図である。従来のレーザー式三次元測定機が配置された溶接現場の要部斜視図である。溶接ガンの固定側ガンを示す一部断面図である。

符号の説明

１レーザー式三次元測定機
２測定機本体
３アタッチメント
３１外嵌部
３２リフレクター取付部
３３リフレクター
３３ｚ中心
３４リフレクター
３４ｚ中心
１０３溶接ガン
１０５固定側ガン
１０８ガンチップ
１１１先端
Ｘガンチップの延出方向
Ｙ延長線

Claims

測定機本体と、溶接ガンの固定側ガンチップに外嵌して取り付けられるアタッチメントとを備え、
前記アタッチメントは、
前記固定側ガンチップに外嵌する外嵌部と、
この外嵌部から前記固定側ガンチップの延出方向に沿って先方へ延出して設けられたリフレクター取付部と、
このリフレクター取付部で前記固定側ガンチップの先方に位置するとともに前記固定側ガンチップの前記延出方向に沿って離間して取り付けられ、レーザーを反射させる一対のリフレクターとを備え、
両リフレクターは、前記外嵌部が前記固定側ガンチップに外嵌した状態で、中心が前記固定側ガンチップの先端から前記固定側ガンチップの前記延出方向に沿って先方へ延長した延長線上を通るとともに、前記固定側ガンチップの先端から前記固定側ガンチップに近い方のリフレクターの中心までの距離と両リフレクターの中心間の距離とが同じ距離になるように前記リフレクター取付部への取付位置が設定されている一方、
前記測定機本体は、
前記両リフレクターの中心にそれぞれレーザーを照射するとともに前記両リフレクターの中心からそれぞれ反射された前記レーザーを検出して前記両リフレクターの中心の三次元位置（Ｒａｘ、Ｒｂｙ、Ｒｃｚ）、（Ｒｄｘ、Ｒｅｙ、Ｒｆｚ）を測定する測定手段と、
前記固定側ガンチップから遠い方のリフレクターの中心の三次元位置（Ｒａｘ、Ｒｂｙ、Ｒｃｚ）から前記固定側ガンチップに近い方のリフレクターの中心の三次元位置（Ｒｄｘ、Ｒｅｙ、Ｒｆｘ）を減じて前記両リフレクターの中心の三次元位置の差（Ｒａｘ−Ｒｄｘ、Ｒｂｙ−Ｒｅｙ、Ｒｃｚ−Ｒｆｚ）を算出する第１の算出手段と、
前記固定側ガンチップに近い方のリフレクターの中心の前記三次元位置（Ｒｄｘ、Ｒｅｙ、Ｒｆｚ）から前記第１の算出手段によって算出した前記両リフレクターの中心の三次元位置の差（Ｒａｘ−Ｒｄｘ、Ｒｂｙ−Ｒｅｙ、Ｒｃｚ−Ｒｆｚ）を減じて前記固定側ガンチップに近い方のリフレクターの中心の前記三次元位置と前記第１の算出手段によって算出した前記両リフレクターの中心の三次元位置の差（Ｒｄｘ−（Ｒａｘ−Ｒｄｘ）、Ｒｅｙ−（Ｒｂｙ−Ｒｅｙ）、Ｒｆｚ−（Ｒｃｚ−Ｒｆｚ））を算出する第２の算出手段とを備え、
該差（Ｒｄｘ−（Ｒａｘ−Ｒｄｘ）、Ｒｅｙ−（Ｒｂｙ−Ｒｅｙ）、Ｒｆｚ−（Ｒｃｚ−Ｒｆｚ））の値が前記固定側ガンチップの三次元位置となることを特徴とするレーザー式三次元測定機。