JP5254316B2 - 位置決め手段およびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置決め手段およびその使用方法に関する。

以下の記載では、主として、ロボット式溶接トーチを溶接線またはワークピースに対して使用するための位置決め手段について参照するが、当業者であれば、本発明の位置決め手段が、ミグ、マグ、ティグ、および／またはプラズマ切断、および／またはその他同種類のものなどを使用して、任意の物体、部品、または表面を、さらなる物体、部品、または表面に対して位置決めするために使用されうることを認識するであろう。

少なくとも２つの物体、部品、または表面を正確に自動溶接するために、数多くのさまざまな業界でロボット式溶接トーチが使用されている。典型的なロボット式溶接トーチは、ロボットユニットの端部に取り付ける第１の端部と、第２の自由端部とを有するアーム部材を含む。アーム部材にはチャネルが伸び、チャネルには細長い電極ワイヤが設置される。電極ワイヤの端部が、アーム部材の第２の自由端部から短い距離だけ突出し、溶接プロセス中にワイヤが消費される際、ワイヤ供給システムがアーム部材を通してワイヤを供給する。使用中、電源が電極ワイヤに電流を供給する。溶接装置を冷却するために、トーチに空気または液体冷却手段が設けられうる。溶接池が溶融状態にあるとき、溶接部位の汚染防止用に溶接部位の周りにシールドとして作用するように第２の自由端部に隣接させて、さらなる不活性ガスが投入されうる。溶接場所に確実に焦点を合わせてガスを向けることができるように、ガス投入ノズルに隣接する第２の自由端部の周囲に、取り外し可能なシュラウドが設置されうる。溶接トーチは、全自動または半自動の溶接システムの一部として使用されうる。

溶接部品をつなぎ合わせるためには、溶接プロセス中、個々の部品を正確に位置合わせし、適所にしっかりと保持しなければならない。加えて、溶接部の精度が高くなるように、ロボット式溶接トーチと、溶接されている部品との正確な位置合わせが必要となる。従来、溶接プロセスを引き受けるオペレータがロボット式溶接トーチをプログラミングする際、オペレータは、好ましい溶接経路に沿ってロボットトーチを遠隔から動かす。溶接トーチは、プログラミングが完了すると、オペレータが設定した溶接経路をたどる。オペレータが設定した溶接経路が不正確であれば、溶接ビード、溶接のど、溶接溶け込み、溶接位置、および／またはその他同種類のものに関連する問題が生じ、溶接材料の分離を生じかねない。したがって、オペレータが溶接経路上に溶接トーチを正確に位置決め可能であることが必須である。

しかしながら、溶接に関連する問題として、光条件の悪さ、障害物、および／またはその他同種類の条件が原因となって、オペレータが溶接トーチの自由端部を目視することが困難な場合が多いため、好ましい溶接経路に対して溶接トーチの位置がずれ、溶接品質が落ちてしまう。オペレータは、正確な溶接経路上に溶接トーチを高精度に位置付けるための訓練を受け、高い技能レベルを身に付ける必要がある。このように、ワークピースに対するトーチの距離および角度の点から溶接トーチを位置決めすると、人為的なミスが生じやすく、オペレータが受ける訓練の費用が高くなってしまう。加えて、溶接経路上に溶接トーチをプログラミングしている間、アーム部材の自由端部から突出する電極ワイヤは曲がっていることが多い。このような場合、オペレータは、正確な突出長さを得るために、電極ワイヤを切り落とす必要がある。これは、オペレータの時間浪費と溶接プロセスのコスト増の両方を招く。加えて、オペレータは、ワイヤが曲がっていることに気が付かない場合があり、そのままでは、溶接中に第２の自由端部を通って供給されるワイヤが真っ直ぐなものではなく、曲がっているワイヤに対して溶接経路をプログラミングしてしまうこともあり、結果的に、溶接経路のプログラミングが不正確になり、溶接品質が落ちてしまう。

以上のことから、本発明の目的は、位置決め手段に関連する装置を正確に位置決めするためにオペレータに要求される技能レベルを下げ、より簡潔化した位置決め手段を提供することである。また、本発明の目的は、溶接品質を向上させることである。

本発明のさらなる目的は、ロボット式溶接トーチ上で使用するための位置決め手段を提供することである。

本発明のさらなる目的は、位置決め手段の使用方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、使用時に、第１の対象物、表面、または部品を、少なくとも第２の対象物、表面、または部品に対して位置決めするための位置決め手段が提供され、位置決め手段は、使用時に、少なくとも第１および第２の光ビームまたは光投影を発生可能な照明手段を含み、照明手段は、光ビームまたは光投影が、位置決め手段から離れて収束方向に向けられ、上記光ビームまたは光投影は、上記位置決め手段から所定の距離の位置で互いに交差し、または実質的に重なり合うように配設される。

本明細書において、「照明手段」という用語を使用しているが、この用語は、所定の波長の電磁放射を放出可能であり、スペクトルの可視部または光学部にある波長（すなわち、およそ３８０〜７５０ｎｍの波長）を有する放射など、人間の目で直接的または間接的に視覚化可能である１つまたは複数のエネルギー源の使用も含まれる。例えば、レーザビームは、多くの場合、エネルギー源から放出されるものと見なされ、投影光は、使用時にビームが投影される表面上で、点や小さな形状の投影として見られる。

光ビームが交差する所定の距離は、典型的に、第１および／または第２の対象物、表面、または部品から位置決め手段の正確な位置または有効な位置に相当する。ロボット式溶接トーチで位置決め手段が使用されると、光ビームが交差する点にある正確な位置または有効な位置は、典型的に、第１および第２の溶接部の間の溶接線に相当する。

光ビームまたは光投影を収束方向に方向付けおよび／または集束させるために、レンズ手段または他の集束手段が使用されうる。集束手段のレンズ手段は、位置決め手段に設けられ、または位置決め手段に関連付けされうる。しかしながら、好ましい実施形態において、単一の光源から実質的に平行な光ビームを生成するために、実質的に明確に規定された狭い波長の光を放出または投影する、例えば、レーザビームなどの照明手段が使用される。この実施形態において、レンズ手段および／または他の集束手段が不要な場合もある。これは、典型的に、発散光ビームを与えるために、より広い波長スペクトルで光を放出する白熱光源とは対照的であり、要求された方向に光を収束するためには、レンズおよび／または他の集束手段が必要となる。

他の手段として、および／または、追加して、照明手段は、収束ビームを作り出すために、１つ以上の所定の間隔を空けた距離だけ離して、および／または、互いに対して１つ以上の所定の角度で設けられうる。例えば、レーザビームまたはレーザ投影が使用されれば、光ビームまたは光投影が互いに向かって収束して、所定の距離でビームまたは投影が交差するように、所定の角度で光源を設定しうる。

光ビームが、対象物、部品、および／またはその他同種類のものの表面に当たる前の距離で交差すれば、光ビームは、互いから発散して離れ、間隔を空けた距離離れて、上記対象物、部品、および／または、その他同種類のものに投影される。このように、ワークピース、表面、対象物、および／または部品に２つのビームが投影されるとき、ビーム間の間隔を空けた距離は、位置決め手段とワークピースとが近すぎることでビームが交差できず、交差する点は、ワークピース、表面、対象物、および／または部品の後方の距離になってしまうか、または、位置決め手段がワークピースから遠くに離れ過ぎていることで、ワークピースの前方に位置する間隔を空けた距離でビームが交差し、交差後、発散してしまう。

交差する点で、光ビームが実質的に重なり合うことで、ユーザが容易に視認できるか、または他の適切な手段によって検出される単一の光ビームを形成することによって、第１および／または第２の対象物、表面、または他の部品からの照明手段の所定の分離距離（すなわち、位置）が達成されていることをユーザまたは他の適切な手段に知らせる。他の形態として、異なる色の光ビームが使用されれば、異なる色の光ビームが混ざり合った結果として、交差する点にさらなる色が達成される。

照明手段は、少なくとも第１および第２の光ビームを発生するために、少なくとも２つの別の、または異なる光源を含むことが好ましい。光源は、位置決め手段のハウジングまたはフレームに対して同じ角度または異なる角度に設置されうる。例えば、２対の光ビームを発生するために、２対の光源が設けられうる。一方の光ビーム対の光源の分離角度および／または距離を、他方の光ビーム対のものと異なるものにすることで、光ビームが交差する点を異なるものにすることができる。

一実施形態において、特定の平面において正確な位置または有効な位置を設けるために、光ビームの一部が使用される。このように、２対の光ビームにより、Ｘ平面、Ｙ平面、Ｚ平面の少なくとも２つにおいて、位置決め手段を配向することができる。また、２つの光ビーム対により、位置決め手段はＸＹ方向の水平方向およびＺ方向の垂直方向の両方に配向可能になる。

１つの例において、４つの光ビームを発生させてもよい。さらなる例において、必要であれば、６、８、またはそれ以上の光ビームを発生させてもよい。光ビームが対で配設されれば、異なる光ビーム対の間で切り換えを行うための処理手段が使用されてもよい。異なる所定の有効距離が得られるように、異なる光ビーム対は、互いに対して位置決め手段の異なる角度または高さで設定されてもよい。

このようにして、少なくとも第１および第２の可視光ビームを供給する照明手段の所定の角度および／または距離は、典型的に、対象物、部品の表面からの位置決め手段または照明手段の所定の分離距離または有効な分離距離に相当することで、位置決め手段は、使用時に要求表面に対して位置決め手段に関連付けられた装置を正確かつ再現可能に位置決めできるようになる。

各光対内の光ビームは、位置決め手段のさらなる光対に対して、実質的に９０度の角度で投影されることが好ましい。

使用時に投影光ビームの重なり合いを生じさせるために位置決め手段を移動させる方法が迅速かつ容易になることで、位置決め手段および位置決め手段に関連する装置の使用に際してユーザに要求される技能レベルが下がり、装置、対象物、部品、および／または表面が不正確に位置決めされてしまうことに関する損失が軽減される。加えて、これにより溶接品質の向上も見込める。

位置決め手段は、さらなる対象物、部品、および／または表面に対して正確な位置決めが必要な装置、対象物、部品、表面、および／またはその他同種類のものに一体形成され、取り付けられ、または着脱可能に取り付け可能なハウジングまたはフレームを含むことが好ましい。

例えば、位置決め手段がロボット式溶接トーチに取り付けられれば、ハウジングまたはフレームの寸法は、ロボット式溶接トーチの従来のシュラウドと実質的に同じものであってもよいため、ハウジングまたはフレームを従来のロボット式溶接トーチに後付けすることができる。

位置決め手段を取り付けたり、着脱可能に取り付けたりするためのアタッチメント手段は、ねじ込み継手、差し込み継手、摩擦継手、１つ以上のねじ、ボルト、留め具、クリップ、相互係合部材、および／またはその他同種類のものを含みうる。

位置決め手段が溶接トーチ上に一体形成されて使用されるのであれば、位置決め手段は、典型的に、耐熱性のものである必要があり、位置決め手段に溶接ワイヤを貫通させることができるように形成されることが必要な場合もある。

一実施形態において、位置決め手段は、ロボット式溶接トーチなどの溶接トーチで使用するためのものであり、ハウジングまたはフレームは、電極ワイヤに隣接した溶接トーチの自由端部に一体化され、取り付けられ、または、着脱可能に取り付けられる。ハウジングまたはフレームは、溶接トーチの自由端部に隣接して取り付けるためのアタッチメント手段を有する第１の端部と、光ビームの投影が入出する電極ワイヤに隣接した第２の端部とを有しうる。

照明手段に電力を供給するための電源が設けられることが好ましい。電源は、位置決め手段のハウジングまたはフレーム内、またはハウジングまたはフレーム上に設けられうる。一実施形態において、電源は、ハウジングまたはフレームから遠隔位置にあってもよく、および／または、位置決め手段が使用される装置または溶接トーチの電源を介して電力供給されうる。

好ましい実施形態において、電源は、少なくとも１つのバッテリの形態のものであり、好ましくは、少なくとも１つの充電式バッテリの形態のものである。位置決め手段および／または位置決め手段の一部をドッキングステーションと合体させて、電源を充電できるように、ハウジングまたはフレームにドッキングステーションが関連付けられうる。

ドッキングステーションキャブにより、位置決め手段のハウジングまたはフレーム上に設けられた相補的な電気コンタクトと係合状態にされるドッキングステーション上に設けられた電気コンタクトを介して充電が可能となる。好ましい実施形態において、ドッキングステーションにより、例えば、ドッキングステーションに設けられた誘導コイルを用いて誘導により充電を行うこともでき、ドッキングステーションには、同様に少なくとも１つの誘導コイルを有する位置決め手段のハウジングまたはフレームが設置される。誘導による充電を使用すると、ハウジングまたはフレームを実質的に密封したユニットとしてより堅牢に作ることでき、損傷、汚染、水や汚れの進入、および／またはその他同種類のものの危険性を低減するため好ましい。

照明手段は、レーザビーム、光ファイバ、ＬＥＤ、および／またはその他同種類のものなどの複数の光源の形態のものが好ましい。典型的に、各光源は、ハウジング内またはハウジング上において隣接する光源から間隔を空けた距離に設けられることで、光源から投影される光ビームの所定の距離または角度を設定できる。２つ以上の光ビームが、ハウジングまたはフレームの一端または一部からまたは隣接して放出されるとすると、光源は、ハウジングまたはフレーム上に設置され、内部に設置され、埋め込まれ、または任意の他の方法で設置されうる。

一実施形態において、照明手段または光源の角度および／または距離を調節できるように、調節手段が設けられうる。この調節により、位置決め手段のハウジングに対して、隣接する光源および／またはワークピースおよび／またはその他同種類のものに対して、照明手段の位置、距離、または角度を変更できることにより、光ビームが交差し、または重なり合う位置に所定の距離または有効な距離を調節することができる。調節手段により、ユーザが選択した任意の位置を調節したり、２つ以上の所定の位置の間で調節したりすることができる。

例えば、ロボット式溶接トーチなどの装置で位置決め手段を使用する場合、調節手段は、ハウジングおよび／または装置の一方にピンまたは突出アームを含んでもよく、このピンまたは突出アームは、使用時にハウジングまたは装置の他方にある湾曲または弧状のスロットを移動可能である。さらなる例において、装置に対する位置決め手段の分離距離を変更するために、複数の取り外し可能なスペース要素が使用されうる。さらなる例において、コレットまたは可動ジョータイプの仕組みが使用されうる。可動ジョーは、開位置と閉位置との間で移動可能な位置決め手段のハウジングまたはフレームの第２の端部に隣接して設置された複数のジョー部材を含んでもよい。照明手段は、ジョー部材に設けられうることで、ジョー部材を移動させると、溶接トーチの自由端部から照明手段の距離が調節される。

好ましい実施形態において、調節手段により、位置決め手段のハウジングまたはフレームを位置決めすることができ、したがって、ロボット式溶接トーチの自由端部に対して、照明手段の位置を変更することができる。このようにして、調節手段により、光ビームが重なり合い、または交差する点で、ワークピースからのトーチの距離を変更することができる。

調節手段は、必要に応じて、手動、半自動、全自動で作動されうる。処理手段は、照明手段が異なる設定、位置の切り換え、および／または異なる光ビーム対の間のスイッチの切り換えができるように、照明手段に関連付けられうる。

可視光ビームは、任意の色または任意の色の組み合わせでありうる。例えば、光ビームは同じ色でもよく、または異なる色が使用されてもよいため、光ビームが重なり合うと、さらなる色をなす。１つの例において、Ｘ軸、Ｙ軸、および／またはＺ軸などの異なる軸または平面に関連する光ビームの位置決めを示すために、異なる色の光ビームが使用されてもよい。

１つの実施形態において、位置決め手段の使用場所が見やすくなるように、さらなる照明光源が与えられる。さらなる照明光源の色が、典型的に、位置決め手段の照明手段とは異なることで、オペレータは、光ビームをより容易に視覚化することができる。さらなる照明光源は、収束光源であることが好ましく、位置決め手段または溶接トーチの第２の自由端部から外向きに突出するように設置されることが好ましい。

光ビームのサイズ、形状、焦点、および／またはその他同種類のものを調節できるようにする手段が設けられてもよい。一実施形態において、光ビームのサイズ、形状、および／または焦点を調節できるように、倍率の違うレンズが光ビームに関連付けられうる。

異なるサイズおよび／または形状の位置決め手段が、異なるサイズおよび／または形状の装置および／またはロボット式溶接トーチとともに使用されてもよい。他の形態として、多数の異なるサイズおよび／または形状の装置および／またはロボット式溶接トーチとともに位置決め手段を使用できるように、アダプタ手段が設けられてもよい。アダプタ手段は、装置または溶接トーチを装着するのに適した寸法の第１の端部と、位置決め手段を装着するのに適した寸法の第２の端部とを有する中間アタッチメント部材を含んでもよい。

光ビームの交差や重なり合いが起こるとき、または起こらなかったときの信号を出すために、位置決め手段、および／または対象物、部品、または表面に、検知手段が関連付けられてもよい。検知手段は、任意の適切な視覚、聴覚、および／または運動覚手段を含んでもよい。検知手段は、オペレータに通知するために使用されてもよく、または位置決め手段の自動補正を行うための処理手段とともに使用されてもよい。

一実施形態において、フィードバックシステムが設けられることで、光ビームが交差していないことが検出されると、処理手段は、光ビームが交差するまで、位置決め手段に関連付けられた装置を移動させるように自動的に命令する。

位置決め手段に関連付けられた電源および／または照明手段を制御できるように、制御手段が設けられることが好ましい。制御手段は、オンおよび／またはオフ条件間で電源および／または照明手段を移動でき、および／または、連続点灯位置および／または１つ以上の点滅光位置の間で照明手段を移動しうる。制御手段は、手動または自動で作動されうる。１つの例において、制御手段は、オペレータによる操作が可能なスイッチの形態のものである。さらなる例において、制御手段は、１つ以上の他の電気コンタクトと接触状態にあるとき、照明手段および／または電源をオン状態に自動的に切り換える１つ以上の電気コンタクトを含む。このようにして、１つの例において、位置決め手段のハウジングが、ロボット式溶接トーチの端部に装着されると、照明手段は、「オフ」状態から「オン」状態に自動的に切り換えられる。

好ましくは、位置決め手段が取り付けられた状態のまま溶接トーチまたは装置が使用されたり、使用されようとしたりする場合、オペレータに対して合図で知らせるためにアラーム手段が設けられうる。これにより、装置の使用前に、オペレータが位置決め手段を装置から取り外し忘れて、位置決め手段および／または装置がダメージを受けてしまう事態を回避する。別の実施形態において、位置決め手段は、通常の使用中、装置または溶接トーチにとどまるようにデザインされる。

本発明の第２の態様によれば、使用時に、第１の対象物、表面、または部品を、少なくとも第２の対象物、表面、または部品に位置決めするための位置決め手段を使用する方法が提供され、この方法は、位置決め手段に関連付けられた照明手段によって発生され、上記対象物、部品、またはワーク表面に投影される少なくとも第１および第２の可視光ビームが、上記対象物、部品、および／またはワーク表面上の有効点で交差し、および／または、実質的に重なり合うまで、使用時に、対象物、部品、またはワーク表面に対して位置決め手段を移動させるステップを含む。

本発明のさらなる独立した態様によれば、ロボット式溶接トーチ用の位置決め手段と、位置決め手段を備えたロボット式溶接トーチが提供される。

一実施形態において、位置決め手段は、位置決め手段に関連付けられた照明手段の位置、ひいては、位置決め手段の位置を検出するために、１つ以上の光検知手段と組み合わせて使用される。このようにして、位置決め手段は、位置決めシステムの一部として使用されうる。好ましくは、光検知手段は、Ｘ平面、Ｙ平面、および／またはＺ平面において異なる位置に設けられ、光ビームがセンサを通ると、センサが作動される。

本発明のさらなる態様によれば、位置決めシステムが提供され、この位置決めシステムは、位置決め手段と、プラットフォームとを含み、位置決め手段は、プラットフォームに対して位置決められるように要求され、使用時に、少なくとも第１および第２の光ビームまたは光投影を発生可能な照明手段を含み、この照明手段は、光ビームまたは光投影が、位置決め手段から離れるように収束方向へと方向付けられ、上記光ビームまたは光投影が、上記位置決め手段から所定の距離で互いに交差し、または実質的に重なり合うように配設され、位置決めシステムは、使用時に、交差または実質的に重なり合う光ビームまたは投影を検出できるように、プラットフォーム上またはプラットフォームに関連付けられた光検知手段をさらに含む。

光検知手段は、１つ以上のセンサを含むことが好ましい。光検知手段は、単一の光ビームではなく、重なり合ったとき、または交差したときにのみ光ビームまたは投影を検出するように設置されることがさらに好ましい。例えば、１つ以上のセンサが、プラットフォームの上面、またはプラットフォーム上に設置されたハウジングから所定の距離下方に嵌め込んで取り付けられうる。

嵌め込まれたセンサの入口を規定する１つ以上の側壁は角度を付けられ、または、自由端部からセンサに向かって狭くなるテーパを有することで、単一の点または重なり合うビームをセンサに集束させることができるようにすることが好ましい。

複数の光検知手段が設けられることがさらに好ましく、典型的に、各検知手段は、プラットフォームの各角または要求された部分に設けられる。

本発明のさらなる態様によれば、位置決め手段および／または位置決め手段に関連付けられた装置を使用するオペレータを訓練するための訓練補助が提供される。

ロボット式溶接トーチに本発明を使用する場合、本発明には、溶接品質および一貫性の向上、オペレータによるロボットトーチのプログラミングの迅速化、オペレータに対する溶接エリアの可視性の向上という利点があり、オペレータ用の訓練補助としての機能も果たしうる。

一実施形態において、本発明の位置決め手段は、溶接プロセスにおいて使用される位置決めピンを正確に位置決めするために使用されうる。溶接される溶接部品には、典型的に、溶接プラットフォームまたは表面に対して溶接部品を正確に位置合わせできるように、使用時に溶接プラットフォームまたは表面上に設けられる位置決めピンにわたって位置する孔が設けられる。しかしながら、位置決めピンが不正確な位置にあれば、ロボット式溶接トーチがたどる溶接経路は、不正確になりやすい。本発明は、正確な位置を確保するために、オペレータは位置決めピンの中心に光ビームを位置合わせ／重ね合わせすることが要求されるため、位置決めピンの位置、ひいては、好ましくは、２対の光ビームを視覚的にチェックするために、オペレータによって使用されうる。

さらなる実施形態において、本発明の位置決め手段は、使用時に溶接ピンおよび／または溶接部品が設置される溶接プラットフォームを正確に位置決めするために使用される。溶接プラットフォームを位置決めするには、典型的に、上述したような光検知手段を使用する必要がある。

さらなる実施形態において、本発明の位置決め手段により、オペレータは、溶接ワイヤ、いわゆる、「キャスト」が直線であり、曲がっていないことをチェックすることができる。オペレータは、電極ワイヤに投影される光ビームが、電極ワイヤを実質的に取り囲んでいるか確認することによって、このチェックを行うことができる（すなわち、電極ワイヤは、重なり合うビームの実質的中心に設置される）。ワイヤが直線であれば、重なり合ったビームは、ワイヤの長手方向の長さを実質的に均等に取り囲む（すなわち、ワイヤの長手方向の長さと同軸に現れる）。ワイヤが曲がっていれば、ワイヤの長手方向の長さは、ビームが重なり合う中心からずれる（すなわち、ビームが重なり合う中心と同軸には現れない）。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について記載する。

先行技術の従来のロボット式溶接トーチ形成部品の一例を示す。 図１に示すタイプの従来の溶接トーチに接続される場合の一実施形態における本発明の位置決め手段を示す。 図２ａの位置決め手段から放出される光ビームの異なる位置を示す。 図２ａの位置決め手段の端面図を示す。 ワークピースに対する位置決め手段の不正確な位置合わせを示す。 ワークピースに対する位置決め手段の正確な位置合わせを示す。 一実施形態による本発明の位置決め手段とともに使用するための位置決めプラットフォームの断面図を示す。 図５の位置決めプラットフォームで使用する際の本発明の位置決め手段の断面図を示す。 位置決め手段を使用可能な位置決めプラットフォームの平面図を示す。 一実施形態における本発明の位置決め手段とともに使用するための調節手段を示す。 位置決めプラットフォーム上で使用される位置決めピンを位置合わせするための位置決め手段の使用を示す。 位置決めピンを用いた位置決め手段の正確な位置決めの一例を示す。 位置決めピンを用いた位置決め手段の不正確な位置決めの一例を示す。 本発明による位置決め手段のさらなる実施形態の断面図を示す。 本発明による位置決め手段のさらなる実施形態の端面図を示す。 溶接ワイヤが曲がっているかをオペレータがチェック可能である、本発明のさらなる実施形態を示す。 溶接ワイヤが真っ直ぐであるかをオペレータがチェック可能である、本発明のさらなる実施形態を示す。

最初に図１を参照すると、２つ以上の溶接部品を溶接するための先行技術のロボット式溶接トーチが示されている。トーチ２は、ロボットユニットに取り付けるための第１の端部６と、ノズル９が設置される第２の自由端部８とを有するアーム部材４を含む。

アーム部材４のチャネルに設置された電極ワイヤ１０が、自由端部８から所定の距離「Ｌ」だけ外向きに突出する。溶接プロセスを保護するために使用される取り外し可能なシュラウド１２が、溶接箇所を取り囲むエリアにガスを向けることができるように、第２の端部８に隣接してアーム部材４に装着される。

従来から、溶接されるワークピースに対してトーチ２を位置決めする作業は、オペレータによって行われている。しかしながら、この位置合わせ／位置決めプロセスは、人為的なミスが生じやすく、溶接箇所の品質および一貫性に影響を及ぼしてしまう。

この問題を解消するために、図２〜図４ｂに示すように、ワークピース１４からトーチ端部８を正確に位置決めできるように、シュラウド１２の代わりに、トーチ２の第２の端部に装着される位置決め手段１３が設けられる。特に、位置決め手段１３は、従来のシュラウド１２と同様の方法でアーム部材４に装着可能なシュラウド１６の形態のものである。シュラウド１６の第１の端部には、溶接トーチ２の端部８と係合するためのアダプタ手段が設けられる。シュラウド１６には、アーム部材４の自由端部８およびノズル９をチャネル２０内に設置でき、ワイヤが曲がっているか、直線であるかをチェックするために、アーム部材の第２の自由端部から溶接ワイヤを貫通させることができるように、貫通して伸びるチャネル２０がある。本発明によれば、シュラウド１６は、シュラウド１６の自由端部２６に設置または隣接して設置された少なくとも２つのレーザダイオード光源２２、２４の形態の照明手段を有する。レーザ光源２２、２４は、それぞれから２つの光ビーム２８、３０を発生する。さらなる実施形態では、光ビームが３つ以上になってもよく、好ましくは、以下にさらに詳細に記載するように、複数の光ビーム対を形成するように、倍数単位の２つの光ビームで複数の光ビーム対を形成してもよい。レーザダイオード光源２２、２４は、シュラウド１６の自由端部２６の位置または隣接した位置の凹部に設置されうる。

光源２２、２４間の距離および互いに対する光源の角度は、予め決定されていることで、図２ｂおよび図４ｂに示すように、ワークピース１４の上方に位置する光源２２、２４の所定の高さ「Ｌ」で、光源２２、２４から放出される光ビーム２８、３０は、単一の光点３２を形成するように実質的に重なり合う。この単一の光点は、ワークピース１４と、ワークピース１４が溶接されるワークピース１４’との間の溶接線３４と正確に位置合わせされた状態にある必要がある。単一の光点が２つの重なり合うビームによって形成されると、オペレータは、溶接ワークピースに対して溶接トーチが正確に位置決めされたことを知る。光源２２、２４がワークピース１４に対して近すぎれば（すなわち、距離「ａ」の位置）、光源２２、２４は、互いに収束せず、図２ｂに示すように、間隔を空けた距離だけ離れてワークピースに投影される。光源２２、２４がワークピース１４から離れすぎていれば（すなわち、距離「ｂ」の位置）、光源は、図２ｂおよび図４ｂに示すように、ワークピース１４の前方に間隔を空けた距離の位置で互いに交差し、間隔を空けた距離だけ離れてワークピース１４に投影される。

このようにして、光ビームがワークピース上で間隔を空けた距離だけ離れている場合、オペレータは、溶接トーチがワークピースに対して正確に位置決めされていないということを知り、正確な高さまたは重なり合いが達成されるまで、ワークピースから溶接トーチの自由端部８の高さを増減しうる。オペレータは、２つの光ビームが重なり合って、単一の光点を形成すると、溶接トーチとワークピースとの間の正確な高さが達成されることが分かる。

溶接されるワークピースの種類に応じて、正確な溶接を行うために、ワークピースの上方の位置で溶接トーチに必要な所定の高さには多数の異なる高さがあってもよい。溶接線から溶接トーチの自由端部までの距離は、オペレータを介して、および／または処理手段を使用して、手動、半自動、または自動的に調節されうる。

１つの例において、図７に示すように、シュラウド１６に手動調節手段３６が設けられうる。調節手段３６は、アーム部材４上に設けられたピン３８を含みえ、アーム部材４は、アタッチメント端部４２に隣接してシュラウド１６に規定された湾曲スロット４０に滑動可能に取り付けられる。スロット４０の各端部に凹部４４、４６が設けられ、シュラウド１６の自由端部２６の方へ突出する。ピン３８は、スロット４０において滑動可能に移動し、凹部４４、４６のいずれかに設置されうる。凹部４４、４６の位置はそれぞれ、ビーム２８、３０が重なり合って、単一の光点を形成する位置にあるワークピースとは異なる所定の高さにある溶接トーチの自由端部８に相当する。凹部４４、４６からピン３８を動かすために、オペレータは、シュラウド１６をアーム部材４の方に押すことで、ピン３８を湾曲スロット４０内で移動させ、ピンを湾曲スロットで移動させるようにシュラウドを回転させる。

別の例において、調節手段は、シュラウド１６の第１の端部と、溶接トーチ２の端部８との間で位置決めを行うための１つ以上の取り外し可能なスペース要素を含む。

溶接エリアに照明を与えるために、シュラウド１６の端部２６に隣接させて、ＬＥＤの形態のさらなる照明光源が配置されることで、オペレータが溶接エリアを見る際の可視性が増す。ＬＥＤは、典型的に、２つの光ビームとは異なる色であり、オペレータが、全般照明光源と特殊な位置決め補助用の光ビームとを混同しないように、集束光ビームではなく、全般照明を与える。

図５〜図６ｂを参照すると、上述したものに類似した位置決め手段を使用しうる位置決めシステムが示されている。上述した例において、トーチを特定の平面または軸に移動させることによって、ワークピースまたは溶接線に対してトーチが正確に位置決めされる。しかしながら、高精度に溶接するためには、溶接が行われるプラットフォーム全体を、ロボットアームに対して正確に位置合わせする必要があり、ひいては、Ｘ軸、Ｙ、軸、および／またはＺ軸など、２軸以上にロボットトーチを位置合わせすることが必要とされる場合が多い。これは、特に、ワークピースに対するトーチの角度が重要な場合、曲がった溶接トーチに当てはまる。このように、本発明のさらなる態様によれば、位置決めシステム１００が提供される。位置決めシステム１００は、プラットフォーム１０２を含み、プラットフォーム１０２には、典型的に、Ｘ平面、Ｙ平面、およびＺ平面において、上記プラットフォームの上面１０６の所定の位置または隣接した位置に、多数の光センサが１０４に設置される。溶接プラットフォーム１０２に対して溶接トーチの位置決めの準備を行う場合、トーチは、所望の溶接経路をたどるようにプラットフォームを横切って移動させる。重なり合った光ビームが光センサ１０４に到達すると、上記センサから信号が出され、正確な位置合わせが起こったことをオペレータに通知するために、ロボットアームに関連する処理手段に送信される。

光ビームが重なり合っているときにのみセンサ１０４が作動するようにするために、図６ａに示すように、センサは、上面１０６より下方に所定の距離「ｄ」だけ嵌め込まれる。加えて、凹部またはチャネル１０７への入口を規定するプラットフォームの側壁１０５は、センサ１０４に向かって狭くなるテーパを有する。これにより、センサは、図６ａに示すように、ロボットトーチが静止し、真上にきたとき（センサ１０４の上方の実質的に垂直方向）に作動される。

使用時、溶接される溶接部品は、位置決めピン２００を用いてプラットフォーム上に設置され、図８ａに、そのうちの１つが示されている。位置決めピンは、典型的に、プラットフォーム上の所定の位置に設置され、溶接部品に規定された孔が、使用時に上記位置決めピン上に設置される。本発明の位置決め手段は、位置決めピンが正確な場所にあり、ロボットアームがその場所に正確に位置合わせされるようにするために使用されうる。

ロボットアームは、典型的に、位置決めピンが正確な溶接位置にあるとき、プラットフォーム上にあるように事前にプログラミングされる。事前プログラムは、典型的に、マスタープランプログラムを形成する。次に、ロボットアームは、事前にプログラミングされた位置決めピンの位置まで移動するように作動されうる。位置決めピンが正確な位置から位置ずれして移動すると、ロボットアームが位置決めピンがあるべき場所の点を通過すると、位置決め手段が発生する光ビームが、位置決めピンが正確な位置にあれば重なり合うはずの位置決めピンの中心で重なり合わなくなる。

図８ａ〜図８ｃに示す実施形態では、２セットのレーザビーム対２８、３０および２９、３１がそれぞれ与えられる必要がある。レーザビーム対は、典型的に、互いに対して実質的に９０度の位置にある。図８ｂおよび図８ｃは、上側自由端部２０２が、上記自由端部２０２に向かって狭くなるテーパ２０４を有する位置決めピン２００の平面図を示す。位置決めピンが正確に位置決めされれば、ロボットアームの自由端部上に設置された位置決め手段のシュラウド１６が、マスタープラン位置決めピンの位置の真上にくると、レーザビーム２８、３０、２９、３１は、図８ｂに示すように、位置決めピン２００の中心２０２の周りに実質的に均等に投影される。位置決めピンが不正確に位置決めされれば、レーザビーム２８、３０、２９、３１は、図８ｃに示すように、位置決めピン２００の中心２０２からずれて投影される。オペレータは、位置決めピンに投影された光ビームを視覚的に見ることができ、位置決めピンが、位置決めピンでの光ビーム投影に基づいて正確な場所から動いたかをすぐに決定できる。

このように、上述した実施形態において、位置決めピンを位置合わせするために、ビームが十字に配置されてもよい。十字配置は、上記十字配置の最内端部の間に中心空間を有し、互いに対しておよそ９０度の間隔で４つの間隔を空けた線形の線を含んでもよい。

図８ａ〜図８ｃの実施形態において、２対のレーザビーム（２８、３０；２９、３１）により、位置決め手段（１３）は、ＸＹ方向の水平方向およびＺ方向の垂直方向の両方に配向可能になる。位置決めピン（２００）の中心（２０２）に対してレーザビーム（２８、３０；２９、３１）の投影を視覚的に観察することによって、オペレータは、位置決めデバイスが、Ｘ方向およびＹ方向に正確に配向されているかを決定できる。さらに、位置決めピン（２００）のテーパ状部分（２０４）上でのレーザビーム（２８、３０；２９、３１）の投影の高さを観察することによって、オペレータは、位置決めデバイス（１３）がＺ方向に正確な高さで配向されているかを決定できる。

溶接するための溶接部品が位置ずれを起こしてしまうさらなる問題は、ロボットアームの溶接ワイヤ１０が曲がっている場合である。溶接ワイヤ１０の自由端部は、一連の工程の準備中、曲げられた状態になっている場合が多い。ロボット式溶接トーチの溶接経路が、曲がったワイヤに対してプログラミングされれば、溶接ワイヤが、溶接フィーダからロボットアームに真っ直ぐに供給されると、典型的に、ローラに供給されるため、溶接経路が不適切になってしまう。このようにして、本発明の位置決め手段は、溶接ワイヤが曲がっているか、または真っ直ぐかどうかをチェックするために使用されうる。図１０ａにおいて、ワイヤ１０は曲がっており、４つの収束光ビーム（明瞭にするために、そのうちの２つしか図示せず）２８、３０は、ワイヤ１０の中心の点３２で重なり合っていない。オペレータは、重なり合った光ビーム３２がワイヤ１０に投影されていないことを視覚的に決定でき、したがって、オペレータは、ワイヤが曲がっていて、切り落とす必要があることが分かる。図１０ｂにおいて、ワイヤ１０は真っ直ぐであり、したがって、収束光ビーム２８、３０は、ワイヤ１０上の点３２で重なり合うことによって、ワイヤが真っ直ぐであることをオペレータに知らせる。この実施形態において、典型的に、オペレータが少なくとも４つの異なる方向にワイヤの「キャスト」をチェックできるように、少なくとも４つの光ビームが要求される。参照番号１１は、溶接トーチを通って供給されるミグを示す。これは、ワイヤがローラを通って供給され、真っ直ぐに供給されていることを確保するために、光ビームを用いてチェックとして機能しうる。

位置決め手段および／または位置決めシステムの機能の任意のものまたは任意の組み合わせが、必要に応じて全自動化されうることを認識されたい。フィードバックシステムが使用されうることで、表面上の光ビームの位置が検出されえ、ロボット式溶接トーチの移動を制御する処理手段に信号が送られることで、それに応じて、表面に対する溶接トーチの移動や距離を調節することができる。

図９ａ〜図１０ｂを参照すると、溶接部品に対して位置決めデバイスの光源の位置を調節するためのさらなる調節機構が示される。この実施形態において、シュラウド１６は、内側スリーブ３０２に移動可能に取り付けられる外側スリーブ３００を含む。内側スリーブ３０２は、図１０ａおよび図１０ｂに関して上述したようにワイヤの「キャスト」が決定されるようにするために、チャネルに溶接ワイヤを通すことができるように規定されたチャネル３０４を有する。

例示した実施形態において、外側スリーブ３００は、図９ａに矢印３０８で示すように、シュラウド１６の実質的に長手方向の内側スリーブに対して外側スリーブを動かすことができるように、相補的なねじ部３０６を介して内側スリーブ３０２に回転可能に取り付けられる。スライド機構、ピボット機構、および／またはその他同種類のものなどの他の移動機構が使用されてもよい。

内側スリーブ３０２の自由端部には、矢印３１２で示すように、シュラウドの長手軸に対して実質的に交差する内向きおよび／または外向きの方向に移動可能な複数の可動ジョー部材３１０が設けられる。光源は、内側スリーブの自由端部に隣接したジョー部材３１０に設けられる。２対のレーザダイオード光源２２、２４および２３、２５が、ジョー部材３１０の端部に取り付けられる。

外側スリーブ３００がジョー部材３１０に向けて回転するのに伴い、ジョー部材３１０は、互いに内側に移動することで、互いに内側に光源を移動させる。これにより、光源の高さおよび角度が変化することで、光源から発生した光ビームが重なり合う有効な点を調節できる。外側スリーブ３００がジョー部材３１０から離れる方向に回転するにつれ、ジョー部材３１０は、互いに外向きに移動することで、互いに外向きに光源を移動させる。長手方向３０８での外側スリーブの移動を制限するために、制限手段３１４が設けられうる。図にある制限手段は、ピン３１８が滑動可能に設置されるスロット３１６を含む。内側スリーブ３０２に対して外側スリーブ３００を回転させると、ピン３１８はスロット３１６を移動し、ピンの移動は、スロット３１６の端部によって制限される。外側スリーブ３００が内側スリーブ３０２に対して回転するにつれて、ジョー部材３１０を内側または外側に移動させるために、相補的なテーパ状表面３１９が、外側スリーブ３００および内側スリーブ３０２上に設けられうる。

ジョー部材は、ピボットタイプの機構および／またはその他同種類のものを介して、弾性バイアス付与手段によって移動させることができる。

内側スリーブ３０２は、図９ａに示すように、シュラウド１６の端部３２０に設けられた電気コンタクトまたは誘導手段を有することで、使用時にシュラウド１６に関連付けられた電源を充電するための充電ユニットにシュラウドを配置することができる。

加えて、本発明は、溶接機器を高精度に使用するために、および溶接品質を高めるために、溶接オペレータを訓練するための訓練補助としても使用されうることを認識されたい。位置決め手段および／または位置決めシステムは、光ビームの位置および移動を記録しうる処理手段に、光ビームの位置および移動の信号を出すことで、プログラミング移動の記録を与える。これは、溶接オペレータの訓練に役立つため、トレーナによって使用されうる。この訓練は、必要に応じて、手持ち式の溶接トーチまたはロボット式溶接トーチを使用して行われてもよい。位置決め手段からの光ビームがセンサに向けられているかを検出するために、電子テストプレートが使用されてもよい。センサの作動はメモリに格納され、処理手段は、オペレータにグラフィック表現または他の適切なデータフィードバックを発生させて、溶接、溶接経路、プログラミング、および／またはその他同種類のものの精度をオペレータが確認できるように使用されうる。

位置決めシュラウドは、典型的に、金属、金属合金、耐久性のある高温プラスチック、および／またはその他同種類のものなどの耐熱性材料から形成される。

当業者であれば、上述した特徴の任意のものまたは任意の組み合わせが、本発明による位置決め手段および／または位置決めシステムにおいて使用可能であることを認識されるであろう。

Claims (19)

1. ロボットツール（２）をワークピース（１４）に対して位置決めするために光信号（３２）を生成する位置決めデバイス（１３）であって、
   互いに反対向きの第１の端部および第２の端部、ならびにチャネル（２０）を有するフレーム（１６）であり、前記第１の端部が前記ロボットツール（２）の端部に取り付け可能である、フレーム（１６）と、
   前記フレーム（１６）の前記第２の端部から投影する少なくとも２対の光ビーム（２８、３０；２９、３１）を生成する照明手段（２２、２４）と
   を備え、
   前記照明手段（２２、２４）が、少なくとも２対の光源を備え、前記少なくとも２対の光源がそこからの前記光ビーム（２８、３０；２９、３１）を収束方向に向けるよう配設されて、前記光ビーム（２８、３０；２９、３１）が互いに交差し、前記フレーム（１６）の前記第２の端部から所定の距離にある位置で光信号（３２）を供給するようになっており、
   前記２対の光源が、少なくとも２対の交差する光ビーム（２８、３０；２９、３１）を発生し、
   前記２対の交差する光ビーム（２８、３０；２９、３１）が実質的に同じ点で交差し、前記光源が前記チャネル（２０）の周りに配置されると共に、前記フレーム（１６）の前記第２の端部に取り付けられ、または隣接して取り付けられていることを特徴とする、位置決めデバイス。
2. 前記光ビーム（２８、３０；２９、３１）が交差する点を調節するために、前記光源（２２、２４）の角度または距離を調節するための手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の位置決めデバイス。
3. 前記フレームが、シュラウド（１２）の形態のものであり、前記ロボットツールが、ノズル（９）を有するロボット式溶接トーチ（２）の形態のものであり、前記シュラウド（１２）の前記第１の端部が、前記溶接トーチ（２）に取り付けられ、前記シュラウド（１２）の前記第２の端部が、前記ノズル（９）を受け入れることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
4. 前記２対の光源が、２対のレーザダイオード光源であることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
5. 前記ロボットツールの端部から光ビーム（２８、３０；２９、３１）が交差する点までの距離を調節するために、前記ロボットツールの端部に対して、前記フレーム（１６）および／または前記フレーム（１６）に取り付けられた光源の長手方向の位置を調節するための調節手段が設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
6. 前記フレーム（１６）が、前記ロボットツールの端部に回転可能に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の位置決めデバイス。
7. 前記ロボットツールに対する前記フレーム（１６）および／または前記フレーム（１６）に取り付けられた光源の長手方向の移動を制限するための制限手段が設けられることを特徴とする、請求項５に記載の位置決めデバイス。
8. 前記フレーム（１６）を前記溶接トーチ（２）に取り付けたり、または着脱可能に取り付けたりするためのアタッチメント手段が設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
9. 前記アタッチメント手段が、ねじ込み継手、差し込み継手、摩擦継手、１つ以上のねじ、ボルト、留め具、クリップ、相互係合部材などからなることを特徴とする、請求項８に記載の位置決めデバイス。
10. 前記光源が、前記フレーム（１６）の第２の端部に形成された凹部に設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
11. 前記光源から生成された光ビーム（２８、３０；２９、３１）のサイズおよび／または収束角度を調節するために、レンズまたは拡大手段が前記光源に関連付けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
12. 各光ビーム対が、さらなる光ビーム対に対して実質的に９０度の角度で投影されることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
13. 前記フレーム（１６）が、少なくとも１つの充電式バッテリの形態の電源を有し、前記フレーム（１６）が、前記バッテリを充電できるようにするために、ドッキングステーションに設けられた相補的な電気コンタクトとの係合を可能にする電気コンタクト手段を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
14. 前記調節手段が、前記フレーム（１６）の第１の端部と前記ロボットツールとの間で位置決めを行うための１つ以上の取り外し可能なスペース要素を含むことを特徴とする、請求項５に記載の位置決めデバイス。
15. 前記光ビーム（２８、３０；２９、３１）が重なり合うとき、さらに異なる色の光信号が生成されるように、各光ビーム（２８、３０；２９、３１）または光ビーム対が異なる色であることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
16. 前記フレーム（１６）の第１の端部と前記ロボットツールの端部との間を係合するためのアダプタ手段が設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の位置決めデバイス。
17. ロボットツール（２）をワークピース（１４）に対して位置決めするために、光信号（３２）を生成するための位置決めデバイスを使用する方法であって、
    前記位置決めデバイスが、
    互いに反対向きの第１の端部および第２の端部、ならびにチャネル（２０）を有するフレーム（１６）であり、前記第１の端部が前記ロボットツール（２）の端部に取り付け可能である、フレーム（１６）と、
    前記フレーム（１６）の前記第２の端部から投影する少なくとも２対の光ビーム（２８、３０；２９、３１）を生成する照明手段（２２、２４）であり、少なくとも２対の光ビーム（２８、３０；２９、３１）を供給する少なくとも２対の光源を備える、照明手段（２２、２４）と
    を備え、
    前記方法が、
    ２対の交差する光ビーム（２８、３０；２９、３１）を収束方向に向けて、前記光ビーム（２８、３０；２９、３１）が互いに交差し、前記フレーム（１６）の前記第２の端部から所定の距離にある位置で光信号（３２）を供給するようにするステップを具備し、
    前記２対の交差する光ビーム（２８、３０；２９、３１）が実質的に同じ点で交差し、前記光源が前記チャネル（２０）の周りに配置されると共に、前記フレーム（１６）の前記第２の端部に取り付けられ、または隣接して取り付けられていることを特徴とする、方法。
18. 請求項１に記載の位置決めデバイス（１３）を使用することによって、プラットフォーム（１００）に対してロボットツール（２）を位置決めし、１つ以上の位置決めピン（２００）が前記プラットフォーム（１００）上に正確に位置決められているかを決定するための方法であって、
    前記位置決めピン（２００）に関して事前にプログラミングされた位置に前記ロボットツール（２）を移動するステップと、
    前記位置決めデバイス（１３）から前記位置決めピン（２００）に前記２対の光ビーム（２８、３０；２９、３１）を投影するステップと、
    前記光ビーム（２８、３０；２９、３１）が、前記位置決めピン（２００）の中心（２０２）の周囲に実質的に均等に投影されて正確な位置にあるか、または、前記光ビーム（２８、３０；２９、３１）が、前記位置決めピン（２００）の中心（２０２）からずれて投影されて不正確な位置にあるかを決定するステップと
    を備えることを特徴とする方法。
19. 前記２対の光ビーム（２８、３０；２９、３１）が、互いに対して実質的に９０度の角度で配置されることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。

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