JP4764555B2 - ロボット式レーザポインタ及びその使用方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概してロボット式工作機械に関するものであり、更に具体的にはその較正に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボット式工作機械は、種々の機械部品を生産する種々の製造作業を実行するために、種々の形で存在している。典型的な工作機械は、３次元工作物の輪郭上のプログラムされた経路を辿るように、多軸機械に支持されている。工作物は、その表面の輪郭を特定の形に精密加工することを必要とすることがあるし、或いは輪郭上の特定の場所で溶接を必要とすることがあるし、或いはその表面の被覆を必要とすることもある。
【０００３】
ある例示的な方式では、プラズマトーチ又はガンを、並進又は回転又はその両方のような幾つかの運動の自由度をもつロボットアームの遠位端に取付ける。機械は、プラズマガンを工作物の表面に照準を合わせて、工作物を適当な材料を用いて自動的にプラズマ溶射するためのプログラムされた経路を辿るようにプログラムすることができる。
【０００４】
例えば、工作物は、プラズマ溶射による遮熱皮膜の堆積が必要とされる複雑な３−Ｄ輪郭を有するガスタービンエンジンの静翼であってよい。工作物の全面の上に一様な皮膜をプラズマ溶射するには、工作物の表面からの適当なオフセットつまりスタンドオフ距離を保ちながら、プラズマガンは精密な溶射経路を辿らなければならない。
【０００５】
この経路プログラムは、経路内の各々の所望の点に於けるガンの対応する位置座標を記録しながら、工作物の表面の周りに点から点へとプラズマ溶射ガンを手作業で位置を変えることにより、機械が学習することができる。この経路は、典型的には多くの離散点からなる矩形格子であり、プログラムされた順序の間、この点にプラズマ溶射ガンの照準を合わせることができる。別法として、プラズマ溶射ガンに対するプログラムされた経路は、その中に支持されている工作物に対する機械の運動能力を用いて、解析的に決定することができる。
【０００６】
何れの場合でも、個別の工作物に対するプログラムされた経路の正確さを確実にするためには、機械を適当に較正しなければならない。公称上同一の工作物でも、製造時の許容公差があり、その影響でその最終的な寸法が変わる。従って、適用される製造プロセスの正確さを最大にするため、取り扱う各々の部品について機械を較正するのが望まれるのが通例である。
【０００７】
ロボット式機械の較正は、ポインタが、工作物に損傷を与えずに工作物に接触し得るように、アームが所望経路を辿れるようにするロボットアームに取付けられるように特別に構成したゴム又はばねの接触ポインタを使うことによって行われるのが典型的である。ポインタが工作物に接近し且つそれから引っ込められるとき、ロボットアームを注意深く移動させ、工作物の隣接部分に接触して、それによって損傷を受けることを避けることがポインタには必要である。この過程は熟慮を要すると共にゆっくりしており、ポインタがその所期の接触点で圧縮されるとき、不正確さを招く。ポインタと工作物の間の接触は、工作物を汚染することがある。
【０００８】
例えば、プラズマ溶射はきれいな工作物を必要とするが、工作物はポインタとの接触によって汚染されることがある。接触ポインタを用いたプログラムされた経路の較正は、必然的に較正の後、そしてプラズマ溶射の前に、工作物をきれいにする余分の処理工程を必要とする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
接触ポインタは、ロボットのプログラム経路を作成することができる速度を制限する。それは、プログラムされた経路の間の工作機械の位置の精度をも制限する。それは、接触時に工作物を汚染する惧れもあり、移動中に誤って工作物と接触したとき、工作物自体又はロボット機械に損傷を与える惧れがある。
【００１０】
従って、較正及び製造過程を改善するために、多軸工作機械に対する非接触形較正ポインタを提供することが望ましい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
ロボット機械が、工作物上のプログラム可能な経路を辿るように、マウントに着脱自在に支持された工作器具を有している。較正ポインタが、マウントに支持されるように工具と同じ形をしているハウジングを含んでいて、ハウジングには、工作物に対してレーザビームを放出するレーザが固定される。操作方法では、工作物からあるオフセットのところで、レーザからレーザビームを工作物にある集束スポットに投射する。スポットは、工作物に接触せずに、機械を正確にプログラミングすることができるようにする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
好ましい実施例による本発明並びにその他の目的及び利点は、以下図面について説明するところで更に具体的に述べる。
【００１３】
図１には、プログラム可能な制御装置１４によってその位置が作動的に制御される多軸関節連結アーム１２を含むロボット機械１０が略図で示されている。機械１０は、例えば加工、溶接及びプラズマ溶射を含めて希望する種々の加工作業を実施するための任意の普通の形を有していてよい。こういう機械は、普通計算機数値制御（ＣＮＣ）又はディジタル数値制御（ＤＮＣ）機械と呼ばれており、種々の加工作業はソフトウエアとしてプログラムしておいて、自動的に動作するように、制御装置内の適当なメモリに記憶しておくことができる。
【００１４】
図１に示す実施例では、ロボットアーム１２が幾つかの継手で関節連結されていて、アームの遠位端に配置されたマウント１６の６軸の移動ができるようになっている。対応する６つの運動の自由度は、図１に６つの両矢印によって示す通り、全部回転である。
【００１５】
プラズマ溶射ガンの形をした例で示す工作器具１８がマウント１６に着脱自在に支持されている。プラズマ溶射ガンが適当に水冷される本体をもち、これが図２に更に詳しく示す通り、プラズマ溶射ノズル２０を着脱自在に取付けている。
【００１６】
プラズマ溶射ノズル２０は、円筒形であって、プラズマ溶射ガンの対応する胴の中に挿入されるようになっており、ノズルをガンの胴にねじで固定するために抑えナット２２が使われている。ノズルは、胴と流体封じになって、プラズマ溶射ガンを冷却するために動作中に循環する冷却水を密封するための適当なＯリングを有している。
【００１７】
図１に戻って説明すると、機械１０は、取付けテーブル２４をもち、この上に工作物２６を適当に取付けることができる。実施例では、取付けテーブルは、テーブルの回転及びその傾きを含めて追加の２つの運動の自由度を導入し、これをロボットアーム１２の６つの運動の自由度と組合わせると、アームとテーブルの間で合計８つの運動の自由度がある。こうして、プラズマ溶射ガン１８、特にそのプラズマ溶射ノズル２０は、テーブル２４に取付けられた工作物２６の露出面上の任意の場所に差し向けることができる。
【００１８】
上に述べた多軸ロボット機械１０及び工作物２６は任意の普通の形であってよい。例えば、工作物２６は一例として、ガスタービンエンジンのタービン翼の形をしており、これがエーロフォイルの輪郭をもち、翼の前縁及び後縁の間を、縦方向に根元から先端まで伸びる全体的に凹の圧力側及び全体的に凸の向かい合った吸込み側を含む。
【００１９】
翼がガスタービンエンジンの運転中、高温の燃焼ガスに曝されるので、翼をセラミックの遮熱皮膜で被覆することが望まれる。この被覆は、普通は、プラズマ溶射ガン１８によって行われるプラズマ溶射堆積を使って適用される。翼２６は、機械１０を使ってプラズマ溶射被覆することができる１個のガスタービンエンジン内で必要なかなりの数の翼の内の単なる１つである。
【００２０】
しかし、翼のプラズマ溶射被覆は、翼の表面に対するプラズマ溶射ノズル２０の精密な向きを定めることを必要とし、ノズルは、溶射被覆を完了するために、翼の全面の上を精密に移動させなければならない。
【００２１】
工作物の上での所望のノズル経路に対して、制御装置１４を更に精密にプログラムするために、本発明では、他の点では従来通りであるロボット機械１０と共に使う較正レーザポインタ２８を設ける。
【００２２】
図２及び図３に示す通り、レーザポインタ２８が、プラズマ溶射ノズル２０と同じ形をした円筒形ハウジング３０を含み、最初はそれと同一であることが好ましい。こうすると、ポインタハウジング３０は、それがプラズマ溶射ノズルとして使われるように構成されていないことを別とすれば、プラズマ溶射ガンの胴内にあるプラズマ溶射ノズル２０と同一の交換品として直接的に交換することができる。この代わりに、図４に更に詳しく示す通り、レーザ３２が工作物２６に対してレーザビーム３４を放出するために、ポインタハウジング内に固定される。
【００２３】
図２及び３に示す通り、レーザ３２はハウジング３０内に固着することが好ましく、適当な電力線又はケーブル３８を介してレーザに作動的に結合される遠隔の電源３６を含む。こうすると、普通のミニレーザを普通のプラズマ溶射ノズル２０に利用し得る空間内に取付け、その電力は電源３６という離れた場所から供給することができ、この電源は、希望するときにレーザを付勢するための手動のオン及びオフスイッチを用いて電池で作動させることができる。レーザは、可視の赤色レーザビームを放出する赤色ダイオードレーザのような任意の普通の形式であってよい。
【００２４】
図３に示す好ましい実施例では、レーザ３２が調節自在の焦点距離を有する一体の集束レンズを含んでいて、図４に示す通り、工作物１６の表面上に見える集束スポット３４ａにレーザビーム３４を焦点合わせする。調節自在の焦点距離は、工作物の表面とポインタハウジング３０の末端との間で測った予定のオフセット又は離隔距離Ａのところに焦点スポットを発生することができるようにする。図３は焦点スポット３４ａに対する公称オフセットＡを示しており、若干長いオフセットＡ＋をそれに対応する焦点スポットの位置と共に示している。
【００２５】
従って、図３に示すレーザ３２は、集束スポット３４ａを目に見えるようにするため、可視レーザビーム３４を放出するように構成することが好ましい。レーザ３２をポインタハウジング３０の中孔の中に取付けることにより、レーザビーム３４は、ポインタハウジングを作るために使われた修正されていないプラズマ溶射ノズルから本来放出される筈のプラズマ溶射の向きを正確に再現する。
【００２６】
ポインタハウジング３０を定める第２のプラズマ溶射ノズルは、図２及び３に示す通り、円周方向の１箇所で軸方向に分割してあって、ハウジングの中孔が、レーザ３２を適当なきつさの締まりばめで受容れるのに必要なように、適当に加工されていることが好ましい。分割ハウジングが、レーザ自体を損傷せずに、レーザをぴったりとハウジングの中孔の中に受容れる弾力性を持ち込む。ポインタハウジング３０の入口の端並びに軸方向の分割部分は、シリコーンのような適当な封着剤４０で埋めて、レーザをハウジング３０内に密封して取付けることが好ましい。
【００２７】
前に述べたように、ポインタハウジング３０に、ノズル２０と似た第２のプラズマ溶射ノズルを使う利点は、プラズマ溶射ガンの胴の中に取付けるのにそれがほとんどノズル２０と同一の形であって、そのため、動作中、冷却水を収容するために胴の中にそれを適当に封着することができることである。元のプラズマ溶射ノズル２０と同じく、ポインタハウジング３０は、図２に示す通り、取付けナット２２によって抑えられたとき、ハウジングの周囲をガンの胴に密封する適当なＯリング封じを有している。
【００２８】
図４には、レーザポインタ２８が、それが代わりになっている図１に示したプラズマ溶射ノズル２０と同一の形で、プラズマ溶射ガン１８内に取付けられることが示されている。レーザポインタ２８とロボット機械の組合わせが、図４に略図で示した制御装置１４を較正する精度を実質的に改善し、較正速度を実質的に改善する。動作中、レーザポインタ２８のどの部分も工作物２６と接触しないから、接触によるその汚染がなくなる。工作物２６に対してプラズマ溶射ガンを位置ぎめするために、可視レーザビーム３４しか使わないので、誤ったその間の接触によって工作物自体又はロボット機械に損傷が起こることもなくなる。
【００２９】
図４は、レーザポインタ２８を使ってロボット機械を較正する好ましい方法をフローチャートの形で図式的に示している。最初、レーザポインタ２８を、それが一時的に代わる図１に示したプラズマ溶射ノズル２０と同様に、機械のプラズマ溶射ガン１８に取付ける。次に機械を普通のように動作させて、制御装置１４内の適当なソフトウエアにプログラムすることができる任意の希望の経路に沿って、ロボットアームに取付けられたポインタ２８を移動させ又は位置ぎめすることができる。
【００３０】
プログラムされた経路の一例の形が、矩形格子状経路４２で表されており、この経路は垂直及び水平線が対応する格子点で交わっている。格子点を使って、プラズマ溶射を必要とする翼２６の露出面全体を写像することができ、レーザポインタ２８に対するプログラムされた経路は、その後のプラズマ溶射過程を行うための対応するプラズマ溶射ノズル２０の所望の経路を表す。制御装置にプログラムされる経路は、翼２６の表面の周りを点から点へとプラズマ溶射ガンを移動させる任意の適当な形を有していてよい。
【００３１】
本発明に従ってレーザポインタ２８を使うことは、プログラムされる経路を改善する点で多くの利点をもたらす。最初、機械を作動して、ポインタ２８を工作物上の所望の経路に沿って移動させ、ポインタを付勢して、レーザビームを工作物の集束スポット３４ａに投射する。従来の接触ポインタに比較すると、レーザポインタ２８は、ポインタと工作物との間の物理的な接触なしに、工作物の表面上の何処にレーザスポット３４ａが現れるかを見ることができるようにする。レーザスポット３４自体を可視的に観察することにより、プラズマ溶射ガンを翼２６と正確に整合することができる。
【００３２】
更に、集束レーザを使うから、レーザスポット３４ａが工作物の表面上で焦点が合っているかどうかを観察することにより、図４に示した所望のオフセットＡの正確な決定が、可視的にも観察される。レーザポインタ２８は、スポットが工作物上で精密で明るい境界をもって合焦状態にあることが認められたとき、スポット３４ａから所望のオフセット距離Ａのところにある。希望によっては、工作物とポインタ２８の末端との間の距離を手作業で測定することにより、所望のオフセットＡを確認することができる。
【００３３】
機械を作動して、プラズマ溶射ガン及びその中に支持されたレーザポインタ２８を点から点へと所望の格子状経路４２全体に互って位置を決め直し、集束スポット３４ａを対応するオフセット距離Ａのまま、逐次的にそこに位置を決め直すことができる。
【００３４】
こうすると、ロボットアーム及びそれに取付けられたレーザポインタ２８は、工作物２６上に所望の格子状経路４２を実現するように、逐次的に位置を決め直すことができる。こうして、焦点スポット３４ａが、所望の経路によって表される複数個の離散的な格子点に互って順次位置が決め直される。
【００３５】
工作物２６の特定の形、及びプログラムされた経路の間に、プラズマ溶射ガンと工作物の間に接触が起こる可能性があるかどうかによって、レーザポインタは工作物の表面に対して、単に横方向に又は近づいたり離れたりするように移動させることができる。例えば、図４は、レーザポインタ２８を工作物２６から遠ざけるように外向きに引っ込め、その後ポインタ２８を次の格子点に向かって横方向に移動させ、次いでポインタ２８を内向きに工作物に向かって移動させ又は伸出させて、次の所望の格子点でレーザビームを投射することにより、ロボットアームの位置を決め直すことができることを例示している。こうして、工作物及びロボットアームが点から点へと全部で８つの運動の自由度をもつ範囲内で移動するとき、プラズマ溶射ガンが工作物の近くから若干引っ込められる。
【００３６】
図４に示すレーザポインタ２８は、基準となるレーザビーム３４によって得られる利点をもって、機械制御装置２４を任意の適当な形でプログラムすることができるようにする。例えば、そこに対応するマークを施すことにより、工作物の表面上に最初に所望の格子状経路４２を任意の適当な形で定めることにより、プログラミング経路を手作業で実現することができる。次に、ロボットアームを作動してレーザポインタ２８の照準を手作業で順次格子点に合わせて、そこに対応する集束スポット３４ａを実現することができる。
【００３７】
集束スポットが所望の格子点にあり、そのスポットが合焦状態にあるとき、工作物に対するプラズマ溶射ガンの空間内の向きは一定であり、適当なオフセットＡをもつ。そのとき、制御装置１４を普通のように動作させて、各々の所望の格子点に於ける、工作物に対するレーザポインタ２８の空間内での位置を定める、ロボットアームの６つの座標及び取付けテーブルの２つの座標を記録する。
【００３８】
図４にフローチャートの形で示してあるように、制御装置の手動のプログラミングは、レーザスポットの位置を決め直し、対応するその８個の座標を記録することによって、点毎に行われる。全部の格子点が焦点スポット３４ａによって照射され、ロボットアーム及び取付けテーブルの対応する８つの座標が制御装置に記録されたとき、プログラムされた経路が完成し、その中に記憶される。
【００３９】
プログラミングの後、レーザポインタ２８をガンの胴から取外し、プラズマ溶射ノズル２０に取換える。その後、ロボット機械を普通の形で作動し、レーザポインタ２８を使って作られたプログラムされた経路を辿る実際の溶射ノズル２０を使って、工作物のプラズマ溶射を行う。プログラムされた経路の上でのプラズマ溶射作業の速度は、この速度を最大にすることを希望する通りに、較正速度に比べて大幅に高めることができる。
【００４０】
この代わりに、特定の工作物２６に対する図面の明細及びロボット機械の運動能力を使って、制御装置１４は解析的にプログラムすることができる。図面の寸法によって表される、工作物２６に対するポインタ２８の座標を、各々の所望の格子点で解析的に決定して、そこに所望の対応するオフセットＡを実現することができる。ロボットアームの６つの運動の自由度及び取付けテーブル２４の２つの運動の自由度に対して解析的に決定された座標を制御装置１４に記録し又は記憶することができる。
【００４１】
その後、機械を作動して、解析的に決定された経路を辿らせ、テーブル２４に取付けられた実際の工作物２６上の所望の格子点で、逐次的にレーザビームスポット３４ａを投射することができる。
【００４２】
どんな工作物にも、製造時の許容公差が関係しているから、レーザポインタ２８とテーブル２４に取付けられた実際の工作物２６の間の実際の相対位置はある不正確さを含んでいる。しかし、実際の工作物２６上の所望の格子状経路を移動するときの焦点スポット３４ａを観察することにより、所望の格子状経路との整合外れを容易に観測することができ、スポット３４ａが焦点外れになる不正確なオフセットＡも容易に観測される。
【００４３】
そのとき、機械のオペレータは、ロボットアーム及び取付けテーブルの対応する８つの運動の自由度の内の任意の１つ又は更に多くを調節することにより、任意の１つの格子点に於けるスポットの位置を調節することができる。対応する格子点に於けるスポットの位置を正しく調節したら、制御装置１４に記録されている座標を適当に補正して、こうしてプログラムされた経路を補正することができる。
【００４４】
レーザポインタ２８の特定の利点は、工作物２６上の任意の位置に集束レーザスポット３４ａを精密に位置ぎめすることができることである。隅肉の半径のように、局部的な不連続又は変化が急速な輪郭を有する領域を有する工作物では、レーザポインタは、スポットを妨げなく観察して、プラズマ溶射ガンの精密な位置ぎめができる。プログラムされる経路は、敏速に且つ精密に作成することができ、これは従来の接触ポインタではできないことである。
【００４５】
レーザポインタ２８は、他の点では普通のロボット機械に用いたとき、０．５ ｍｍという小さい集束スポットを有する調節自在の焦点距離をもつレーザビームを使って、複雑な形状の周りに任意の特定のスポット又は所望の移動経路をピンポイントで定めることができる。ロボットの経路に対するこのような精密さは、正確な溶接及びプラズマ溶射で重要であるが、希望する場合、その他の加工作業でも使うことができる。レーザポインタは、どんな形式の着脱自在の工作器具に対しても、それに置き換わり、そのための任意の所望のプログラムされた経路を較正するようにさせることができる。
【００４６】
ロボット機械は、その運動の自由度に対応して座標を記録することにより、座標を測定する能力を本質的に有しているから、レーザポインタをこの座標測定能力と共に利用して、加工以外の別の利点が得られる。例えば、希望に応じて、典型的な工作物の上を点毎に種々の寸法を精密に測定するためにレーザポインタを使って、機械を動作させることができる。
【００４７】
ゴム又はばねの接触ポインタは必然的に工作物との接触を必要とするから、工作物からの工具のオフセットの正確な決定は困難である。レーザポインタは工作物に接触しないから、これはレーザポインタ自身のオフセットを正確に測定するために使うことができ、これに対応して他の点では同一のプラズマ溶射ノズルのオフセットをも正確に測定することができる。
【００４８】
本発明の好ましい実施例と考えられるものを以上説明したが、これまで述べたことから、当業者には本発明のこの他の変更も容易に考えられよう。従って、本発明の範囲内に属するこのような全ての変更が特許請求の範囲によって保護されることを希望する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に従って工作物のプラズマ溶射を行うように構成された多軸工作機械の略図。
【図２】図１に示した工作機械の作業側の端並びに実施例による交換可能な較正ポインタの拡大分解図。
【図３】図２に示した較正ポインタを線３−３で切った軸断面図。
【図４】フローチャートの形で示した一例の方法に従って較正するために、図１のロボット機械に装着された較正ポインタの拡大図。

Claims (10)

1. 工作物（２６）上のプログラム可能な経路（４２）を辿るようにマウント（１６）に着脱自在に支持された工作器具（１８）を有するロボット機械（１０）の較正ポインタであって、
   上記マウント（１６）に支持される工作器具（１８）と同じ形をしたハウジング（３０）と、
   該ハウジング（３０）内に固定されていて、上記工作物（２６）に対してレーザビーム（３４）を放出するレーザ（３２）であって、上記ハウジング（３０）からの異なるオフセットに対応した集束スポット（３４ａ）に上記レーザビームを焦点合わせするため調節自在の焦点距離を有していて、電力ケーブル（３８）によって該レーザに作動的に結合した遠隔電源（３６）を含んでいるレーザ（３２）と
   を有する較正ポインタ。
2. 前記機械（１０）が、プラズマ溶射ガン（１８）の形をした工作器具をその遠位端に支持する多軸アーム（１２）を含み、上記ガンの中にプラズマ溶射ノズル（２０）が装着され、前記ポインタハウジング（３０）が前記レーザをその中に密封して装着した第２のプラズマ溶射ノズルを有する、請求項１記載の較正ポインタ。
3. 前記第２のノズルが、その中に装着された前記レーザ（３２）と締まりばめになるように軸方向に分割されている、請求項２記載の較正ポインタ。
4. 前記集束スポット（３４ａ）が目に見えるように前記レーザ（３２）が可視レーザビーム（３４）を放出するように構成されている、請求項２又は請求項３記載の較正ポインタ。
5. 更に、前記多軸アーム（１２）に作動的に結合されていて、その位置を制御するプログラム可能な制御装置（１４）を有し、該制御装置は、前記アーム上に支持された前記ポインタに対するプログラムされた経路を含んでいて、前記工作物からのオフセットを維持するように構成されている、請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の較正ポインタ。
6. 請求項５記載の較正ポインタを使用する方法であって、
   前記ポインタを前記機械に取付け、
   前記機械を作動して前記ポインタを前記経路に沿って往復動させ、
   前記レーザビームを前記工作物に対して該工作物からのあるオフセット距離の集束スポット（３４ａ）に投射する
   工程を含む方法。
7. 更に、前記アーム及びそれに取付けられたポインタの位置を逐次的に決め直して、前記集束スポットが順次位置ぎめされる複数個の離散点を有する前記工作物（２６）上の格子状経路（４２）を実現する、請求項６記載の方法。
8. 前記アームは、前記ポインタを前記工作物から引っ込め、前記ポインタを横方向に移動し、その後前記ポインタを工作物に向かって伸出させることによって位置を決め直す、請求項７記載の方法。
9. 更に、前記アームを作動して、前記ポインタ（２８）を順次格子点に照準を合わせるようにして、そこに対応する集束スポットを実現し、各々の前記格子点に於ける、前記工作物に対する前記ポインタの座標を制御装置（１４）に記録することにより、前記経路をプログラムする工程を含む、請求項７又は請求項８記載の方法。
10. 更に、各々の前記格子点に於ける、前記工作物に対する前記ポインタ（２８）の座標を解析的に決定してそこに対応するオフセットを実現し、前記解析による座標を前記制御装置（１４）に記録し、前記機械を作動して前記経路を辿らせると共に、前記工作物上の前記格子点で逐次的に前記レーザビーム（３４ａ）を投射し、１つの格子点で前記スポットの位置を調節し、前記調節されたスポットの位置に対して前記制御装置に記録された座標を補正することにより、前記経路をプログラムする工程を含む、請求項９記載の方法。

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