JP2005267138A - 作業機械及びその位置補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業工具や作業対象物の取付けに誤差があっても、作業機械の制御パラメータ等を補正する必要もなく、また、通常の実装動作を行なう前に、準備動作を実行して補正量を求めたりする必要がなく、位置決め動作（移動）中に位置の補正が可能な、作業機械及びその位置補正方法を提供する。
【解決手段】作業ヘッド１７に作業対象物２０を撮像する撮像装置２１を搭載し、作業対象物２０と作業ヘッド１７の相対的な位置を補正する補正演算部２３を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定のプログラムにしたがって加工用工具を位置決めして自動加工を行う工作機械や産業用ロボット、電子部品をプリント基板に実装する表面実装機の位置決め技術に関し、特に、プログラムされた位置と作業する位置とに誤差を生じた場合に位置補正する技術に関する。

従来技術として、所定のプログラムにしたがって作業用工具を位置決めして作業を行う作業機械は図７のように構成されている。図７において、１１は位置決め目標位置設定部、１２は位置指令発生器、１３は横軸用位置制御部、１４は縦軸用位置制御部、１５は横軸、１６は縦軸、１７は作業ヘッド、１８はテーブル、１９は作業工具、２０は作業対象物である。この作業機械を具体的な工作機械に当てはめると、作業ヘッド１７は工具ホルダであり、作業工具１９は加工工具、作業対象物２０は被加工物である。
また、この作業機械を部品実装機に当てはめると、作業ヘッド１７はヘッドユニットであり、作業工具１９は実装ノズル、作業対象物２０はプリント基板である。
次に、この作業機械の作用を説明する。所定のプログラムから位置決め目標位置設定部１１に目標位置が設定されると、その目標位置に至るための位置指令が位置指令発生器１２で作成され、横軸用位置制御部１３および縦軸用位置制御部１４に払い出され、横軸用位置制御部１３および縦軸用位置制御部１４は横軸１５および縦軸１６を駆動する。縦軸１６の先端には作業ヘッド１７があり、作業ヘッド１７には作業工具１９が装備されている。また、テーブル１８には作業対象物２０が固定して取付けられている。このようにして、作業対象物２０に対して作業工具１９によって作業する。
このような、作業機械は機械装置の精度や作業対象物の取付け精度によって位置決め精度が悪くなるという問題があった。そこで、ＣＣＤカメラ等の撮像装置を作業機械の作業用工具の取付部に固定して取付け、前記撮像装置で得られた画像情報によって、作業用工具の位置を補正することが行われていた。例えば、特許文献１には、被加工物の画像を出来上がり形状と比較して放電加工機の加工パラメータの変更を行う加工装置が開示されている。
また、特許文献２には、加工用工具の刃先形状の画像に基づいて工具補正量を求める方法が提案されている。
また、特許文献３には、複数のマークを記したダミー基板を作業用位置に位置決めした状態でヘッドユニットを移動させ、該ヘッドユニットに塔載した基板認識カメラにより各マークを撮像する準備動作を実行して、撮像されたマーク位置とそのマークの理論上の位置とのずれ（誤差）を求め、その誤差に基づいて補正量を求めて記憶手段に記憶し、通常の実装動作時には、記憶手段に記憶された補正量に基づいてヘッドユニットの駆動を制御して高い精度で部品を実装できる表面実装機が提案されている。
特開平６−７９５８６号公報 特開平１０−１３８１００号公報 特開２００１−２４４６９６号公報

しかしながら前述の特許文献１や特許文献２の技術は、作業前に、画像によってそれぞれ加工対象物あるいは加工用工具の誤差を検出し、工作機械の制御パラメータ等を補正するものであって、作業中に誤差を検出して補正することはできなかった。
また、特許文献３の例では、複数のマークを記したダミー基板を準備して、通常の実装動作を行なう前に、ヘッドユニットに塔載した基板認識カメラにより各マークを撮像する準備動作を実行して補正量を求める必要があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、作業工具や作業対象物の取付けに誤差があっても、作業機械の制御パラメータ等を補正する必要もなく、また、通常の実装動作を行なう前に、準備動作を実行して補正量を求めたりする必要がなく、位置決め動作（移動）中に位置の補正が可能な、作業機械及びその位置補正方法を提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、作業位置に予め位置決めされた作業対象物に対して作業ヘッドを相対的に位置決めをして作業を行なう作業機械において、
前記作業ヘッドに前記作業対象物を撮像する撮像装置を搭載し、前記作業対象物と前記作業ヘッドの相対的な位置を補正する補正演算部を備えることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、前記補正演算部は、前記作業ヘッドを目標位置に位置決めする際に、前記作業ヘッドの指令位置と前記目標位置との差が予め設定された閾値以下になると、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて前記作業ヘッドの位置を前記作業対象物に対して補正することを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、前記補正演算部は、前記作業ヘッドを目標位置に位置決めする際に、前記作業ヘッドの現在位置と前記目標位置との差が予め設定された閾値以下になると、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて前記作業ヘッドの位置を前記作業対象物に対して補正することを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、作業位置に予め位置決めされた作業対象物に対して作業ヘッドを相対的に位置決めをして作業を行なう作業機械の位置補正方法において、
前記作業ヘッドに前記作業対象物を撮像する撮像装置を搭載し、前記作業ヘッドを目標位置に位置決めする際に、前記作業ヘッドの指令位置と前記目標位置との差が予め設定された閾値以下になると、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて前記作業ヘッドの位置を前記作業対象物に対して補正することを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、作業位置に予め位置決めされた作業対象物に対して作業ヘッドを相対的に位置決めをして作業を行なう作業機械の位置補正方法において、
前記作業ヘッドに前記作業対象物を撮像する撮像装置を搭載し、前記作業ヘッドを目標位置に位置決めする際に、前記作業ヘッドの現在位置と前記目標位置との差が予め設定された閾値以下になると、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて前記作業ヘッドの位置を前記作業対象物に対して補正することを特徴とするものである。

また、請求項６に記載の発明は、前記補正演算部は、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて算出した前記作業ヘッドと作業位置との距離から、前記作業ヘッドの指令位置から前記作業ヘッドの現在位置を差引いた追従遅れ量を差引き、その値から、前記目標位置から前記作業ヘッドの指令位置を差引いた値を差引いて、補正量を算出することを特徴とするものである。

また、請求項７に記載の発明は、前記補正演算部は、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて算出した前記作業ヘッドと作業位置との距離から、前記目標位置から前記作業ヘッドの現在位置を差引いた値を差引いて、補正量を算出することを特徴とするものである。

本発明によれば、移動中に、撮像装置および画像処理装置により、作業工具と作業対象物との相対位置を検出して位置補正量を算出しているので、作業工具や作業対象物の取付けに誤差があっても、作業機械の制御パラメータ等を補正する必要もなく、また、通常の実装動作を行なう前に、準備動作を実行して補正量を求めたりする必要がなく、位置決め動作（移動）中に位置の補正が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

実際の作業機械には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。
図１は本発明を適用する作業機械の構成図である。図１において、１１は位置決め目標位置設定部、１２は位置指令発生器、１３は横軸用位置制御部、１４は縦軸用位置制御部、１５は横軸、１６は縦軸、１７は作業ヘッド、１８はテーブル、１９は作業工具、２０は作業対象物、２１は撮像装置、２２は画像処理装置、２３は補正演算部である。
位置決め目標位置設定部１１は位置決め目標位置Ｘｏを位置指令発生器１２および補正演算部２３へ、また位置決め目標位置Ｚｏを位置指令発生器１２へ出力する。位置指令発生器１２は前記位置決め目標位置ＸｏおよびＺｏ、並びに位置補正量Ｌｃを入力し、位置指令Ｘｉを横軸用位置制御部１３および補正演算部２３へ、また位置指令Ｚｏを縦軸用位置制御部１４へ出力する。横軸用位置制御部１３は前記位置指令Ｘｉを入力し、横軸１５を駆動し、横軸現在位置Ｘｐを補正演算部２３へ出力する。縦軸用位置制御部１４は前記位置指令Ｚｉを入力し、縦軸１６を駆動する。縦軸１６の先端には作業ヘッド１７が装着されている。作業ヘッド１７には、作業工具１９および撮像装置２１が塔載されている。テーブル１８には、作業対象物２０が装着されている。撮像装置２１は作業工具１９が作業位置に近づいたとき、作業工具１９と作業対象物２０とを同時に撮像することが可能で、撮像した画像信号を画像処理装置２２へ出力する。画像処理装置２２は前記画像信号を入力し、作業工具と作業位置との距離Ｌを補正演算部２３へ出力する。補正演算部２３は前記位置決め目標位置Ｘｏと前記位置指令Ｘｉと前記横軸現在位置Ｘｐと前記作業工具と作業位置との距離Ｌとを入力し、前記位置補正量Ｌｃを位置指令発生器１２へ出力する。

位置決め目標位置設定部１１は位置決め目標位置を得る。その位置決め目標位置は、プログラムなどで予め設定されたものであってもよいし、上位のコントローラからや手動インプットによって設定されたものであってもよい。位置指令発生器１２は前記位置決め目標位置ＸｏおよびＺｏ、並びに前記位置補正量Ｌｃに基づいて、前記位置指令ＸｉおよびＺｉを算出する。横軸用位置制御部１３は前記横軸現在位置Ｘｐが前記位置指令Ｘｉに一致するように横軸１５の位置制御を行う。また、縦軸用位置制御部１４は縦軸現在位置Ｚｐが前記位置指令Ｚｉに一致するように縦軸１６の位置制御を行う。画像処理装置２２は前記画像信号に基づいて、従来から公知である方法で、前記作業工具と作業位置との距離Ｌを算出する。補正演算部２３は、前記位置決め目標位置Ｘｏと前記位置指令Ｘｉと前記横軸現在位置Ｘｐと前記作業工具と作業位置との距離Ｌとに基づいて、前記位置補正量Ｌｃを算出する。

本発明の作業機械の構成は、図１に示すような縦軸と横軸との２軸のみで構成されるものに限定されるものではなく、縦軸および横軸の両方の軸に直交するもう１つの軸など複数の軸を備えていても本発明を適用できることはいうまでもない。本実施例では理解をし易くするため、このように縦軸と横軸のみの構成としている。
また、本発明は、１軸のみに対して位置補正を行うことに限定するものではなく、複数の軸に対しても実施可能とするものであるが、実施例では、動作を理解し易くするため、１軸の動作を説明している。複数軸に対して位置補正を行う場合には、本実施例に基づいて、必要な軸数分、同様の処理を行えばよい。

つぎに、補正演算部２３の動作を説明する。図２は本発明の位置補正量算出方法を説明するフローチャートである。図２において、ステップＳ１１では現在までに指令された位置指令Ｘｉから位置決め目標位置Ｘｏまでの未指令量Ｘｒを算出する。
Ｘｒ＝Ｘｏ−Ｘｉ
ステップＳ１２では前記未指令量Ｘｒと予め設定された閾値Ｘｓとを比較する。Ｘｒ≦ＸｓであればステップＳ１３へ進み、Ｘｒ≦ＸｓでなければステップＳ１１へ戻る。ステップＳ１３では画像処理装置２２により、機械の現在位置Ｘｐから作業位置までの距離Ｌを検出する。ステップＳ１４では位置指令に対する機械の追従遅れ量ΔＬを算出する。
ΔＬ＝Ｘｉ−Ｘｐ
ステップＳ１５では現在までに指令された位置から作業位置までの距離Ｌｒを算出する。
Ｌｒ＝Ｌ−ΔＬ
ステップＳ１６では位置補正量Ｌｃを算出して終る。
Ｌｃ＝Ｌｒ−Ｘｒ

図６は本発明の位置補正量算出方法の概念図である。図６において、５０は位置決め目標位置設定部１１で設定された目標位置Ｘｏ、５１は現在の機械位置Ｘｐ、５２は作業位置、５３は現時点までに指令された位置Ｘｉである。図中、一点差線の内側が撮像装置２１の視野である。
撮像装置２１の視野には、機械位置５１および作業位置５２が同時に存在するものとする。機械位置５１は撮像装置２１に写し出された作業工具１９である。機械位置５１および作業位置５２は、撮像装置２１で得られた画像信号に基づいて画像処理装置２２により検出され、機械位置５１および作業位置５２間の相対的な距離Ｌが求められる（従来技術）。プログラムされた目標位置５０および現時点までに指令された位置５３は撮像装置２１では見えない仮想位置である。
機械位置５１即ちＸｐは、横軸用位置制御部１３の（図には表していない横軸駆動用モータに塔載している）位置検出器よって求めてもよい。また、横軸に位置検出器が装着されていれば、その位置検出器によって求めてもよい。

図３は本発明の実施例１の補正演算部の構成を説明するブロック図である。図３において、４１は減算器、４２は減算器、４３は減算器、４４は減算器である。
補正演算部２３は、減算器４１と減算器４２と減算器４３と減算器４４とで構成されている。
減算器４１は、目標位置Ｘｏおよび位置指令Ｘｉを入力し、前記目標位置Ｘｏから前記位置指令Ｘｉを差引いた値である未指令量Ｘｒを減算器４４へ出力する。
減算器４２は、前記位置指令Ｘｉおよび機械の現在位置Ｘｐを入力し、前記位置指令Ｘｉから前記機械の現在位置Ｘｐを差引いた値である位置指令に対する機械の追従遅れ量ΔＬを減算器４３へ出力する。減算器４３は、画像処理装置２２によって検出された機械の現在位置Ｘｐから作業位置までの距離Ｌおよび前記機械の追従遅れ量ΔＬを入力し、前記作業位置までの距離Ｌから前記機械の追従遅れ量ΔＬを差引いた値である現在までに指令された位置から作業位置までの距離Ｌｒを減算器４４へ出力する。減算器４４は、前記未指令量Ｘｒおよび前記作業位置までの距離Ｌｒを入力し、前記作業位置までの距離Ｌｒから前記未指令量Ｘｒを差引いた値である位置補正量Ｌｃを位置指令発生器１２へ出力する。
補正演算部２３は、このようにして、位置補正量Ｌｃを算出する。

実施例２が実施例１と異なる点は、補正演算部２３の構成と位置補正量Ｌｃの算出方法のみである。
まず、実施例２における補正演算部２３の動作を説明する。図４は本発明の位置補正量算出方法を説明するフローチャートである。図４において、ステップＳ２１では機械の現在位置Ｘｐから位置決め目標位置Ｘｏまでの未移動量Ｘｖを算出する。
Ｘｖ＝Ｘｏ−Ｘｐ
ステップＳ２２では前記未移動量量Ｘｖと予め設定された閾値Ｘｓとを比較する。Ｘｖ≦ＸｓであればステップＳ２３へ進み、Ｘｖ≦ＸｓでなければステップＳ２１へ戻る。
ステップＳ２３では画像処理装置２２により、機械の現在位置Ｘｐから作業位置までの距離Ｌを検出する。
ステップＳ２４では位置補正量Ｌｃを算出して終る。
Ｌｃ＝Ｌ−Ｘｖ

図６に、機械の現在位置５１から位置決め目標位置５０までの未移動量Ｘｖを図示している。

つぎに、実施例２における補正演算部２３の構成を説明する。図５は本発明の実施例２の補正演算部の構成を説明するブロック図である。図５において、補正演算部２３は、減算器４１と減算器４４とで構成されている。
減算器４１は、目標位置Ｘｏおよび機械の現在位置Ｘｐを入力し、前記目標位置Ｘｏから前記機械の現在位置Ｘｐを差引いた値である未移動量Ｘｖを減算器４４へ出力する。減算器４４は、画像処理装置２２によって検出された機械の現在位置Ｘｐから作業位置までの距離Ｌおよび前記未移動量Ｘｖを入力し、前記作業位置までの距離Ｌから前記未移動量Ｘｖを差引いた値である位置補正量Ｌｃを位置指令発生器１２へ出力する。
補正演算部２３は、このようにして、位置補正量Ｌｃを算出する。

本発明は、所定のプログラムにしたがって加工用工具を位置決めして自動加工を行う工作機械や産業用ロボット、電子部品をプリント基板に実装する表面実装機に利用できる。

本発明の作業機械の構成図 本発明の実施例１の位置補正量算出方法を説明するフローチャート 本発明の実施例１の補正演算部の構成を説明するブロック図 本発明の実施例２の位置補正量算出方法を説明するフローチャート 本発明の実施例２の補正演算部の構成を説明するブロック図 本発明の位置補正量算出方法の概念図 従来の作業機械の構成図

符号の説明

１１ 位置決め目標位置設定部
１２ 位置指令発生器
１３ 横軸用位置制御部
１４ 縦軸用位置制御部
１５ 横軸
１６ 縦軸
１７ 作業ヘッド
１８ テーブル
１９ 作業工具
２０ 作業対象物
２１ 撮像装置
２２ 画像処理装置
２３ 補正演算部
４１、４２、４３、４４、４５ 減算器
５０ 設定目標位置
５１ 現在位置
５２ 作業位置
５３ 指令済み位置

Claims (7)

1. 作業位置に予め位置決めされた作業対象物に対して作業ヘッドを相対的に位置決めをして作業を行なう作業機械において、
   前記作業ヘッドに前記作業対象物を撮像する撮像装置を搭載し、前記作業対象物と前記作業ヘッドの相対的な位置を補正する補正演算部を備えることを特徴とする作業機械。
2. 前記補正演算部は、前記作業ヘッドを目標位置に位置決めする際に、前記作業ヘッドの指令位置と前記目標位置との差が予め設定された閾値以下になると、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて前記作業ヘッドの位置を前記作業対象物に対して補正することを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
3. 前記補正演算部は、前記作業ヘッドを目標位置に位置決めする際に、前記作業ヘッドの現在位置と前記目標位置との差が予め設定された閾値以下になると、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて前記作業ヘッドの位置を前記作業対象物に対して補正することを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
4. 作業位置に予め位置決めされた作業対象物に対して作業ヘッドを相対的に位置決めをして作業を行なう作業機械の位置補正方法において、
   前記作業ヘッドに前記作業対象物を撮像する撮像装置を搭載し、前記作業ヘッドを目標位置に位置決めする際に、前記作業ヘッドの指令位置と前記目標位置との差が予め設定された閾値以下になると、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて前記作業ヘッドの位置を前記作業対象物に対して補正することを特徴とする作業機械の位置補正方法。
5. 作業位置に予め位置決めされた作業対象物に対して作業ヘッドを相対的に位置決めをして作業を行なう作業機械の位置補正方法において、
   前記作業ヘッドに前記作業対象物を撮像する撮像装置を搭載し、前記作業ヘッドを目標位置に位置決めする際に、前記作業ヘッドの現在位置と前記目標位置との差が予め設定された閾値以下になると、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて前記作業ヘッドの位置を前記作業対象物に対して補正することを特徴とする作業機械の位置補正方法。
6. 前記補正演算部は、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて算出した前記作業ヘッドと作業位置との距離から、前記作業ヘッドの指令位置から前記作業ヘッドの現在位置を差引いた追従遅れ量を差引き、その値から、前記目標位置から前記作業ヘッドの指令位置を差引いた値を差引いて、補正量を算出することを特徴とする請求項２に記載の作業機械。
7. 前記補正演算部は、前記撮像装置で撮像したデータに基づいて算出した前記作業ヘッドと作業位置との距離から、前記目標位置から前記作業ヘッドの現在位置を差引いた値を差引いて、補正量を算出することを特徴とする請求項３に記載の作業機械。

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