JP5500714B2 - 可動軸の位置管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、可動軸の位置管理装置に関する。

例えば、自動車の車体溶接ラインにおいて、互いに溶接されるアンダーボデー及びサイドメンバーの溶接中には、アンダーボデーに対するサイドメンバーの位置決めを行う必要があり、従来は、専用治具を用いることによってサイドメンバーの位置決めを行っていた。しかしながら、このようにすると、多種多様なニーズに応えるべく多品種生産が進展している昨今においては種々の問題がある。具体的には、多数の専用治具を準備する必要があるために初期投資や保管スペースが嵩むという問題、品種毎に専用治具を交換する必要があるために生産効率が上がらないという問題等が挙げられる。そこで、近年では、いわゆる多関節ロボット等のロボットを生産ラインに導入し、ロボットによってワークの位置決めを行う場合がある。

例えば多関節ロボットのロボットアーム（マニピュレータとも称される）を構成する可動軸の姿勢・位置は、可動軸に組み込まれたエンコーダから与えられる数値情報によって制御される。しかしながら、エンコーダのみで可動軸の姿勢・位置を高精度に制御するのは困難である。すなわち、ロボットアームの駆動源であるサーボモータには軸すべりやギヤのバックラッシュ等の不具合が生じる場合があり、かかる不具合に起因した可動軸の停止位置のズレはエンコーダで検出することができない。そこで、ロボット（生産ライン）には、可動軸の姿勢・位置を管理する別途の管理装置を設置するのが通例となっている。このような管理装置として、例えば特許文献１に記載されているような視覚センサを挙げることができる。

特開２００３−３１１６７０号公報

視覚センサは、可動軸の姿勢・位置を高精度に管理・制御し得る点において有用なものであるが、一般に高価な装置であるために設備投資が嵩むという問題がある。また、視覚センサは、それ自体の管理・制御が複雑な装置であることから、各種設定作業やメンテナンスに多大な手間と労力を要するという問題もある。

管理装置として、視覚センサ以外にも、対向配置される投光手段及び受光手段を主要な構成とした位置センサを使用することが考えられる。この場合、例えば、ロボットが設置される架台等の静止体に投光手段としてのレーザ発振器を取付け、ロボットアーム（可動軸）に受光手段としてのレーザ受光部を取付けることによって可動軸の位置管理を行うことができる。しかし、このような位置センサは安価であるものの、出射されたレーザをレーザ受光部で受光している限り異常が生じていると判定されないため、レーザ受光部にレーザが当たらないような大きな位置ズレ（例えば、数ｍｍ程度）を検出することができるに過ぎない。そのため、微小な位置ズレを検出することは基本的に不可能であり、近時の要求品質に対応するための管理装置としては機能的に不十分である。微小な位置ズレを検出することができる高感度の位置センサも市販されているが、このような位置センサは視覚センサと同様に高価であり、設備投資を考慮すると採用できないのが実状である。

本発明は以上の実状に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、比較的安価かつ簡単な構成でありながら、数値情報に基づいて動作制御される可動軸の姿勢・位置を精度良く管理することができる位置管理装置を提供し、もって設備投資を極力抑制しつつも高品質の製品を安定的に生産し得る生産ラインの構築を可能とすることにある。

上記の課題を解決するため、本発明では、可動軸の位置管理を行うための位置管理装置であって、可動軸又は静止体の何れか一方に取付けられ、他方に対して光束を照射する投光手段と、他方に取付けられ、投光手段から照射された光束を拡散反射させる凸曲面状の反射面を有する反射手段と、他方に取付けられ、反射光を受光してその光量を出力する受光手段と、受光手段からの出力値に基づいて、基準位置からの可動軸のズレ量を検出する検出手段と、を備える可動軸の位置管理装置を提供する。なお、ここで言う「静止体」とは、架台、フレーム、床面等、それ自体が動かないものをいい、「反射光」とは、反射手段の反射面に当たって拡散反射した光（光束）をいう。また、「基準位置」とは、可動軸のズレ量を検出（位置ズレの有無を判定）する際の基準となる位置をいい、可動軸の原点に限定されるものではない。

上記のように、投光手段から照射された光束を拡散反射させ、反射光の受光量に基づいて基準位置からの可動軸のズレ量を検出するようにすれば、一般的な位置センサでは検出することが難しい基準位置からの微小な位置ズレをも検出することが可能となる。これは、拡散反射した光束（反射光）の受光量に基づいてズレ量を検出していることによる。すなわち、反射光の受光量をズレ量の判断指標として用いれば、可動軸が基準位置から僅かに位置ズレした場合であっても、受光手段で受ける光の量が大きく変化するからである。また、本発明の位置管理装置は、一般的な位置センサの構成に、反射手段を付加しただけの簡単な構成であり、しかも投光手段として用いることが考えられるレーザ発振器は、反射手段に当たった後に拡散するようなレーザ、つまりビーム強度が弱いレーザを照射可能な安価なもので足りる。従って、本発明に係る位置管理装置は、視覚センサ等に比べて安価かつ簡単な構成でありながら、可動軸の位置精度を高精度に管理することができるものである。

また、上記構成の位置管理装置であれば、投光手段から光束を照射するだけで基準位置からの可動軸のズレ量を検出することができるので、１サイクル毎の異常判定も容易かつ高精度に行うことができる。例えば、検出手段に予め閾値を設定しておき、規準位置からのズレ量が上記閾値を超えた場合に可動軸を即座に停止するように構成することができる。さらに、１サイクル毎のズレ量を記録しておけば、可動軸の位置ズレ発生傾向を把握することが可能となるので、予防保全を効率的に行うことが可能となる。

なお、上記の位置管理装置の各構成手段の具体的な取付け態様として、（１）投光手段及び受光手段を可動軸又は静止体の何れか一方に取付け、他方に反射手段を取付ける、あるいは、（２）投光手段を可動軸又は静止体の何れか一方に取付け、他方に反射手段及び受光手段を取付けることが考えられる。上記（１）の構成では、各手段同士の接続（配線）を至極簡略化することができるというメリットがあるものの、受光手段が反射光を受光してその光量を出力するものであるという本発明の構成上、投光及び受光手段と反射手段との間の離間距離を大きくとることが難しくなる可能性がある。一方、上記（２）の構成では、各手段同士の接続が上記（１）の構成に比べて複雑化し易いものの、投光手段と反射手段の離間距離を大きくとることができるというメリットがある。従って、上記（１）又は（２）の何れの構成を採用するかは、種々の要因を考慮して選択すればよい。

上記の構成において、反射手段は、被取付け部材に対して着脱可能に構成することができる。このようにすれば、当該管理装置の感度を、要求品質レベルに応じた適切なものに設定することが可能となる。例えば、感度を上げる、すなわち一層微小なズレ量の検出を可能とするためには、曲率が大きい曲面を有する反射手段に変更すれば良い。

以上に示すように、本発明によれば、安価かつ簡単な構成でありながら、可動軸の位置精度を高精度に管理することができる位置管理装置を提供することができる。これにより、設備投資を極力抑制しつつも高品質の製品を安定的に生産し得る生産ラインを構築することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る位置管理装置を設けた自動車の車体溶接ラインの部分概略斜視図である。 図１に示す位置管理装置の全体構造を模式的に示すブロック図である。 図１に示す位置管理装置の要部拡大図であり、ロボットアームが基準位置にある場合の拡大図である。 図１に示す位置管理装置の要部拡大図であり、ロボットアームが基準位置から位置ズレした場合を概念的に示す拡大図である。 反射光の受光量と基準位置からのズレ量との相関関係の一例を示す図である。 反射光の受光量と基準位置からのズレ量との相関関係の他例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る位置管理装置の全体構造を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下では、複数の可動軸を連結して構成される多関節ロボットのロボットアーム、より厳密には、ロボットアーム先端に装着されたツールの位置管理を行うために、本発明に係る位置管理装置を用いた場合を例にとって説明を進める。

図１は、一対のサイドメンバー５，５や図示しないルーフパネルをアンダーボデー４に溶接するための車体溶接ライン１の部分概略斜視図である。アンダーボデー４は、搬送パレット３に載置された状態で搬送コンベヤ２上を下流側に向かって搬送され、搬送されるアンダーボデー４には、搬送コンベヤ２に沿って設けられる複数の工程で一対のサイドメンバー５，５や図示しないルーフパネルが順次溶接される。なお、図１は、搬送コンベヤ２に沿って設けられる複数の工程のうち、サイドメンバー５，５の仮組み工程を抜き取って示すものである。搬送コンベヤ２の幅方向両側には静止体としての架台６が設けられ、この架台６上にロボット１０が設置されている。但し図１においては、搬送コンベヤ２の幅方向片側に設けられたロボットの図示を省略している。

図示例のロボット１０は、図示しないストックユニット上に段取りされたサイドメンバー５を所定位置（サイドメンバー４との固定位置）まで移送すると共に、仮組み中にサイドメンバー５を所定位置で位置決め保持する役割を担う。図示例のロボット１０は、複数の可動軸を連結してなるいわゆる多関節ロボットであり、旋回動、伸縮動、傾動等が可能な関節構造を有するロボットアーム１１と、ロボットアーム１１の先端に三次元移動可能に取付けられ、サイドメンバー５を把持するツール１２とを主要な構成として備える。ロボット１０にはサーボモータ（図示せず）が組み込まれており、ロボットアーム１１を構成する各可動軸及びツール１２はサーボモータの動作指令を受けて各種動作を行う。図示は省略するが、ロボットアーム１１（各可動軸）にはエンコーダが組み込まれており、ロボットアーム１１の各可動軸は、エンコーダから与えられる数値情報に基づいて動作制御される。

搬送コンベヤ２に沿って設置された上記のロボット１０には、本発明に係る位置管理装置２０が設けられる。位置管理装置２０は、ロボットアーム１１に組み込んだエンコーダでは検出することが難しい異常、例えばサーボモータの軸すべりやギヤのバックラッシュ等に起因して生じるロボットアーム１１の姿勢・位置異常（ツール１２の位置異常）を検出し、この検出結果に基づいて停止指令等を発信する機能を具備するものである。さらに言うと、ロボットアーム１１及びツール１２は、例えば、原点で停止した状態からプログラムに基づいて一連の動作を行った後、原点復帰して停止するという動作を１サイクルとし、この動作サイクルを繰り返し行うわけであるが、繰り返しの動作に伴ってサーボモータに軸すべり等が生じ、所定位置（基準位置）における位置精度が低下すると、以降のサイクルにおいて、ロボットアーム１１の各可動軸及びツール１２の動作品質、ひいては製品品質に悪影響が及ぶ。位置管理装置２０は、このような不具合を未然に防止するために用いられるものである。以下、詳細を説明する。

本発明の位置管理装置２０は、図２にも模式的に示すように、静止体としての架台６に取付けられた投光手段２１と、被取付け部材としての取付けベース２４（詳細は図３参照）を介してツール１２に取付けられ、投光手段２１から照射された光束ＢＬを拡散反射させる反射手段２２、及び反射手段２２に当たって拡散反射した光束ＢＬ（反射光ＢＬ’）を受光してその光量を出力する受光手段２３と、受光手段２３に接続された検出手段としてのセンサアンプ２７とを主要部とし、センサアンプ２７には、さらに表示装置２８および制御装置２９が接続される。

投光手段２１は、反射手段２２に向けて光束ＢＬを照射する光源を主要部とする。光源としては、反射手段２２に到達するまでは極力減衰しないような指向性を有し、かつ、反射手段２２に当たった際には拡散するような低エネルギーの光束ＢＬ、例えばＪＩＳ Ｃ６８０２で定義される「クラス１」のレーザを照射（出射）可能なレーザ発振器が使用される。

本実施形態において、反射手段２２及び受光手段２３は、図３にも示すように、ツール１２に取付けられる被取付け部材としての取付けベース２４に固定されてユニット化されている。反射手段２２は、先端に設けた半球状の部分で投光手段２１から照射された光束ＢＬを拡散反射させる（光束ＢＬを拡散反射させる凸曲面状の反射面を有する）反射部２２ａと、取付けベース２４の孔部２４ａに挿通されるねじ部２２ｂとが一体的に設けられたピン状の部材であり、孔部２４ａに挿通したねじ部２２ｂに対してナット２５を螺着することによって取付けベース２４に固定される。すなわち、反射手段２２は、取付けベース２４に対して着脱可能に構成されている。本実施形態において、反射手段２２は、その軸線Ｏｐが投光手段２１から照射される光束ＢＬの軸線Ｏｂと平行となるようにして取付けベース２４に固定される。但し、反射手段２２の軸線Ｏｐは光束ＢＬの軸線Ｏｂ上にはなく、反射手段２２は、その軸線Ｏｐが光束ＢＬの軸線Ｏｂから半径方向に所定量シフトした位置で取付けベース２４に固定される。

受光手段２３は、先端に受光部（受光面）２３ａを有し、受光部２３ａで受けた光の量をセンサアンプ２７に出力するものである。この受光手段２３は、反射手段２２の反射部２２ａに当たって拡散反射された光束ＢＬ（反射光ＢＬ’）を受光するために、受光部２３ａが投光手段２１から照射される光束ＢＬの軸線Ｏｂに対して角度をなすようにして取付けベース２４に固定されている。さらに詳しく述べると、受光手段２３は、ツール１２のズレ量を検出・判定するための基準となる位置にツール１２がある状態（図３に示す状態）において、投光手段２１から光束ＢＬを照射したときに、受光部２３ａで受光する反射光ＢＬ’の光量が最大となるような位置及び姿勢（ここでは、反射光ＢＬ’の中心と受光部２３ａの中心とが一致する位置及び姿勢）で取付けベース２４に固定される。

センサアンプ２７は、受光手段２３（受光部２３ａ）からの出力値に基づいて、基準位置からのツール１２のズレ量を１サイクル毎に検出・判定する役割を担う。これを可能とするために、センサアンプ２７には、受光部２３ａで受光した反射光ＢＬ’の光量と基準位置からのツール１２のズレ量との相関関係を示すデータが記録された記録素子が組み込まれている。センサアンプ２７に接続された表示装置２８には、受光部２３ａで受光した反射光ＢＬ’の光量に対応する数値データがモニタリング表示されるようになっている。

記録素子に記録される上記の相関関係データの一例を図５に示す。図５からも明らかなように、ツール１２のズレ量が増大するにつれて反射光ＢＬ’の受光量が減少する相関関係が成立している。センサアンプ２７には２つの閾値Ａ，Ｂを設定している。第１の閾値Ａは、異常警告を発信するための臨界値である。すなわち、センサアンプ２７に入力された反射光ＢＬ’の受光量が第１の閾値Ａを下回り、基準位置からのツール１２のズレ量が所定値、ここでは０．２ｍｍよりも大きくなったと判定されると、異常警告が表示装置２８にモニタリング表示される。第２の閾値Ｂは、ロボットアーム１１及びツール１２の駆動源であるサーボモータを停止するための信号を出力するための臨界値である。すなわち、センサアンプ２７に入力された反射光ＢＬ’の受光量が第２の閾値Ｂを下回り、基準位置からのツール１２のズレ量が所定値、ここでは０．３ｍｍよりも大きくなったと判定されると、ロボットアーム１１及びツール１２の駆動源であるサーボモータを停止するための信号が制御装置２９に出力される。

そして、ロボット１０の運転中には、ロボットアーム１１及びツール１２が所定位置に戻ってくる毎に投光手段２１から反射手段２２に向かって光束ＢＬが照射され、受光手段２３（受光部２３ａ）で受光した反射光ＢＬ’の光量がセンサアンプ２７に出力される。このとき、図４に示すように、ツール１２が基準位置から位置ズレしていると、反射光ＢＬ’を最大限受光部２３ａで受けることができないため（反射光ＢＬ’の中心が受光部２３ａの中心からずれるため）に、受光部２３ａで受光する反射光ＢＬ’の光量は図３に示す場合よりも減少する。そして、受光量が第１の閾値Ａを下回り、基準位置からのツール１２のズレ量が０．２ｍｍよりも大きくなったと判定された場合には、異常警告が表示装置２８にモニタリング表示される。また、受光量が第２の閾値Ｂを下回り、基準位置からのツール１２のズレ量が０．３ｍｍよりも大きくなったと判定された場合には、制御装置２９に入力された停止信号によってロボットアーム１１及びツール１２の駆動が停止される。

一般的な位置センサのように、投光手段から照射された光束を直接受光手段で受光するようなものにおいては、ツールが基準位置から僅かに位置ズレしたとしても、受光手段の受光部の範囲内に光束が照射されている限り異常と判定されないため、ツール１２の微小な位置ズレを検出することは基本的に不可能である。これに対し、本発明のように反射光ＢＬ’の受光量をズレ量の判断指標として用いれば、ツール１２が基準位置から僅かに位置ズレした場合であっても、図５からも明らかなように受光部２３ａで受ける光量が大きく変化する。従って、本発明のように、投光手段２１から照射された光束ＢＬを拡散反射させ、反射光ＢＬ’の受光量に基づいて基準位置からのツール１２のズレ量（換言すると、ロボットアーム１１を構成する可動軸のズレ量）を検出するようにすれば、一般的な位置センサでは検出することが難しい基準位置からの微小な位置ズレも検出することができる。

具体的に述べると、投光手段から照射された光束を直接受光手段で受光する一般的な位置センサでは、基準位置からのツールのズレ量が数ｍｍ以上となったときに初めてツールが位置ズレしたと判定することができるのに対し、本発明の構成であれば、図５からも明らかなように、数十μｍの位置ズレが生じただけで、ツール１２が位置ズレしたと判定することができる。

また、本発明の位置管理装置２０は、一般的な位置センサの構成に、反射手段２２を付加しただけの簡単な構成であり、しかも投光手段２１の主要部を構成する光源は、反射手段２２の反射部２２ａに当たった後拡散するようなビーム強度が弱いレーザ（クラス１のレーザ）を出射可能な安価なレーザ発振器で足りる。以上から、本発明に係る位置管理装置２０は、公知の視覚センサ等に比べて安価かつ簡単な構成でありながら、可動軸の位置精度を高精度に管理することができるものである。これにより、設備投資を極力抑制しつつも高品質の製品（ここではアンダーボデー４とサイドメンバー５のアセンブリ）を安定的に生産することができる生産ラインを構築することが可能となる。

また、本発明の位置管理装置２０では、投光手段２１から光束ＢＬを照射するだけで基準位置からのツール１２（可動軸）の微小なズレ量を検出することができるので、１サイクル毎の異常判定も容易かつ高精度に行うことができる。すなわち、上述のように、検出手段としてのセンサアンプ２７に予め閾値を設定しておけば、反射光ＢＬ’の受光量が閾値（ここでは第２の閾値Ｂ）を下回り、基準位置からのツール１２のズレ量が比較的大きくなった場合にロボットアーム１１を即座に停止するように構成することができる。また、ツール１２の動作サイクル毎のズレ量を記録しておけば（表示装置２８にモニタリング表示するようにしておけば）、ツール１２の位置ズレ発生傾向を把握することが可能となるので、予防保全を効率的に行うことができる。

また、反射手段２２を被取付け部材としての取付けベース２４に対して着脱可能に構成したので、位置管理装置２０の感度をロボットアーム１１の構成や要求品質レベルに応じた適切なものに設定することができる。例えば、先端に、曲率がより大きな凸曲面状の部分が設けられた反射部２２ａを有する反射手段２２に交換すれば、位置管理装置２０の感度を一層向上することが、すなわち、一層微小な基準位置からのズレ量を検出することが可能となる。

なお、ツール１２のズレ量を検出するための基準位置を変更する場合には、反射光ＢＬ’の受光量と基準位置からのツール１２のズレ量との相関関係を示すデータを変更すれば良い。図６は、投光手段２１と反射手段２２の反射部２２ａとの離間距離を、図５に示す場合とは異ならせた場合（具体的には大きくした場合）の相関関係データを示すものであり、上記同様に２つの閾値Ａ’，Ｂ’を設定している。第１の閾値Ａ’は、異常警告を表示装置２８にモニタリング表示するための臨界値であり、第２の閾値Ｂ’は、サーボモータを停止させるための信号を制御装置２９に出力するための臨界値である。

以上、本発明の一実施形態に係る可動軸の位置管理装置２０について説明を行ったが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施すことができる。

例えば、上述した位置管理装置２０においては、先端が凸曲面状に形成された反射部２２ａを具備する反射手段２２を用いることによって投光手段２１から照射された光束ＢＬを拡散反射させているが、反射部２２ａは、その先端に多数の平面が連設されたプリズム状の部分を有するもの（反射面が平面で構成されたもの）とすることもできる。また、上述した位置管理装置２０では２つの閾値Ａ，Ｂ（Ａ’，Ｂ’）を設定したが、閾値を１又は３以上設定することももちろん可能である。

また、以上で説明した位置管理装置２０は、静止体としての架台６に投光手段２１を取付け、ツール１２に反射手段２２及び受光手段２３を取付けたものであるが、これとは逆に、ツール１２に投光手段２１を取付け、架台６に反射手段２２及び受光手段２３を取付けたものとすることもできる。

また、以上では、投光手段２１と受光手段２３とを別個に取付けた場合について説明を行ったが、例えば図７に示すように、架台６に投光手段２１及び受光手段２３を取付け、ツール１２に反射手段２２を取付けるようにしても良い。このようにすれば、各手段同士の接続を、以上で説明した実施形態に比べて簡略化することができるというメリットがある。但し、この場合には、受光手段２３が反射光ＢＬ’を受光してその光量を出力するものであるという本発明の構成上、受光手段２３（及び投光手段２１）と反射手段２２の離間距離を、上述した実施形態に比べて大きくとることが難しくなる可能性がある。従って、図２に示すような構成を採用するか、図７に示すような構成を採用するかは、種々の要因を考慮して選択すれば良い。なお、図７に示すような装置構成を採用する場合であっても、架台６に反射手段２２を取付け、ツール１２に投光手段２１及び受光手段２３を取付けるようにしても良い。

以上では、複数の可動軸を連結してなるロボットアーム１１（ロボットアーム１１の先端部に装着されるツール１２）の位置管理を行うために本発明に係る位置管理装置２０を用いた場合について説明を行ったが、本発明に係る位置管理装置２０は、例えば、一軸方向に動作する可動軸、三軸方向（ＸＹＺ方向）に動作する可動軸、回転運動する可動軸等の位置管理装置としても好適である。すなわち、本発明に係る位置管理装置２０は、多関節ロボットのロボットアームのみならず、直交座標型ロボットや円筒座標型ロボット等のロボットアームの位置管理を行うためのもの、さらには工作機械の可動軸の位置管理を行うためのもの等としても好ましく用いることができる。

１ 車体溶接ライン
４ アンダーボデー
５ サイドメンバー
６ 架台（静止体）
１０ ロボット
１１ ロボットアーム（可動軸）
１２ ツール
２０ 位置管理装置
２１ 投光手段
２２ 反射手段
２２ａ 反射部
２３ 受光手段
２３ａ 受光部
２４ 取付けベース（被取付け部材）
２７ センサアンプ（検出手段）
２８ 表示装置
２９ 制御装置
ＢＬ 光束
ＢＬ’ 反射光

Claims (2)

1. 可動軸の位置管理を行うための位置管理装置であって、
   可動軸又は静止体の何れか一方に取付けられ、他方に対して光束を照射する投光手段と、
   前記他方に取付けられ、前記投光手段から照射された光束を拡散反射させる凸曲面状の反射面を有する反射手段と、
   前記他方に取付けられ、反射光を受光してその光量を出力する受光手段と、
   該受光手段からの出力値に基づいて、基準位置からの可動軸のズレ量を検出する検出手段と、を備える可動軸の位置管理装置。
2. 前記反射手段が、被取付け部材に対して着脱可能に構成された請求項１に記載の可動軸の位置管理装置。

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