JPH0615967B2 - 相対位置計測修正方法と装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明ははめ合い関係にある部材間の相対位置を計測
し、はめ合いの有無を認識すると共に、はめ合い可能の
位置に両者を位置決めすべくする相対位置計測修正装置
に関する。

〔発明の背景〕

近年、エレクトロニクス技術の高度化に伴ない組立製品
の高密度化高精度化が進められつつある。それにつれ製
品のクリーン化が必要となつてき、その防塵対策が避け
られない問題となつてきている。こうした背景のもとに
表面を傷つける事なく発塵の心配もない非接触計測及び
非接触はめ合い技術が要求されてきた。

従来技術において非接触にて形状あるいは位置を検出す
ることは可能であつてもその装置構成は非常に複雑にな
るという欠点があつた。例えば、特公昭51-43391号に記
載のようにレーザーの反射光を検出し、その強度変化よ
り測定物の位置及び形状を非接触にて測定するものがあ
るが、焦点合わせ機構が複雑になることや反射光を検出
するため光照射表面粗さがかなり良くなければならない
等の問題があつた。

又、特公昭52-19971号や特開昭57-107807号に記載のよ
うに走査された光を物体に照射し物体エツジを測定する
ものもあるが走査機構が高性能を要する事、複雑な事、
高価な事等の欠点があつた。

さらに、これら従来技術は事前に非接触にて形状あるい
は位置を検出することは可能であるものの、穴と軸との
非接触でのはめ合い過程においてリアルタイムで非接触
状態を検出することは不可能であつた。このためはめ合
い過程で接触していない事を認識することができなかつ
た。

〔発明の目的〕

本発明は前記欠点等を解決するもので、その目的は、は
め合い関係にある任意形状の部材間の間隙部を自動的に
計測すると共に、はめ合いの有無およびはめ合い位置に
前記部材を高精度自動位置決めして、微少間隙の部材の
高精度はめ合いを可能とする相対位置計測修正方法と装
置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は上記目的を達成するため、はめ合い過程で一方
向から光を照射してこれが両者のすき間から漏れる所を
反対側で受像し、その像が両者が非接触位置関係にある
場合は両者の隙間の明るい部分がリング状になる事か
ら、その有無を検出することにより両者の相対位置関係
を認識すると共に、認識した像の穴重心及び軸重心をは
め合い中心とした時のそれぞれの中心位置から両者の相
対位置及びそのずれ量を計測し、位置修正することにし
た相対位置計測修正方法と装置とを特徴としたものであ
るが、実施例を説明する前に本発明の原理的説明を第16
ないし第22図により説明する。

第16図において吸着ハンド５によつて位置を保たれてい
るはめ合い部材たる磁気デイスク円板２をデイスク装置
ベース６に取り付けられたはめ合い部材のデイスク装置
スピンドル３に非接触にて挿入するのに次の様な原理を
用いる。中に光源もしくは光の伝達要素の納められた投
光装置４から第16図に示す様に光窓１７を通してデイス
ク装置スピンドル３に光を照射してやるとデイスク装置
スピンドル３あるいは磁気デイスク円板２及びデイスク
装置スピンドル３に遮ぎられた箇所及びそうでない箇所
とで上部に備わつたＴＶカメラ１に第17図に示す日食の
様な像として現われる符号７は磁気デイスク円板２によ
る影の像，符号８はデイスク装置スピンドル３による影
の像を示し、第17図はそれぞれの中心がかなりずれてい
るため右上部から漏れ出る光が極端に多く左下部では磁
気デイスク円板２が光を遮断してしまつている状態を示
している。そこで第17図において軸の非接触挿入を可能
とするためには、図中矢印で示す方向にデイスク装置ス
ピンドル３あるいは磁気デイスク円板２の位置調整を行
う必要がある。第18図はわずかに位置調整を行つた非接
触挿入可能となつた場合の映像図である。なお本図は便
宜的に視野を穴周辺部に丸くとつている。この図から光
の漏れる空間が軸周囲全体にあることから非接触挿入可
能なことがわかる。この様に明るい像の部分がリング状
であれば軸と穴とは非接触ではめ合い可能であり、リン
グ状になつていないならば非接触はめ合いが不可能であ
ることが判定できる。

この様に像が接触非接触かを判定するリング状画像の有
無は次の様なアルゴリズムによつて求まる。第19図は取
り込んだ画像をＴＶカメラ１の画素によりメツシユ分割
してその各水平走査線の明暗点の集合パターンを認識判
別し、その画像のリング状の有無を調べるための集合パ
ターン分類図である。第19図の様にＴＶカメラ１より取
り込まれた画像を各画素によりメツシユ状に分解し個々
のメツシユの明暗を検出する。そのメツシユを上下に走
査判別し任意の明点を始点としてそれに隣接するメツシ
ユの明点を捜し続け、各水平走査線について明暗点の集
合として取り込む。

今、集合パターンは次の３つに分類できる。

集合Ａ＝｛暗…………………暗｝ ………(1式) 集合Ｂ＝｛暗…暗,明…明,暗…暗｝ ………(2式) 集合Ｃ＝｛暗…暗,明…明,X…X,明…明,暗…暗｝… ………(3式) （但しＸ…Ｘは、明暗混合並びでも良い） 尚集合Ｂは集合Ｃの特殊な場合に他ならない。ここで、
各水平走査線の明暗点集合パターンを上記の様に分類、
上部から下部へと並べると、その集合並びは第４図の様
な非接触状態である時 ｛A…A,B…B,C…C,B…B,A…A｝……(A式) の形を取る。

円に限らず一般のはめ合いにおいて非接触にて挿入可能
な場合の集合並びは上の形をとる。

そしてそれ以外の出力並びの場合、はめ合いを行うこと
はできない。この方式は円以外の他の多角形や穴のあい
た形状の軸と穴のはめ合いに関しても適用することがで
き広い応用性を持つ。

第20図はその一例を示す。図の(a)及び(c)は集合並びが
上記並びを満たすためはめ合い可能であり、(b)及び(d)
は満たすことがないためはめ合い不可能である。

さらにその相対位置及びはめ合いを行う場合の位置補正
量と補正方向は次の様にして求める事ができる。今、Ｔ
Ｖカメラ１より取り込まれた画像が第17図の様であつた
場合明部と暗部の境界は２本の円弧で示される。２本の
円弧を元にそれぞれの中心（はめ合い中心）を０，０′
とおけば両者の相対位置を求めることができる。また補
正の方向は０′から０の方向であり、位置の補正量は
０，０′間の距離として求められる。はめ合い可能とす
るには上記の値をもとに移動すればよい。もし再度観測
した後リング状画像を得ることがなければ再度同様の操
作を繰り返することによりはめ合い可能状態に位置修正
できる。又、他の形状を示す軸及び穴でもはめ合い中心
さえ求めることができれば上記方法によりはめ合い可能
にすることができる。

以上の原理を用いた装置の相対位置計測およびその位置
修正のアルゴリズムを第21図により説明する。

カメラレンズ系，光電変換器，スキヤン機構等により画
像取込が行われ、この画像を黒白の明暗を表示する１又
は０の二値化し、メモリ機能に画像データを展開する。
該データから前記の集合分離手段，および集合並び判別
手段により相対位置検出およびはめ合い状態の認識を行
う。はめ合い可能（ＹＥＳ）ならば漏れ光の幅を検出し
てその幅を減じる様に移動方向，量等を求め、はめ合い
部材を支持するＸＹテーブルを微動せしめ、はめ合い可
能になるまで位置修正を行う。なお、更に高精度はめ合
いを要する場合には、はめ合い中心を算出し、その中心
位置に両者を合致すべく移動量、方向を求め、前記ＸＹ
テーブルを微動せしめ、微動修正を行う。またはめ合い
不可能（ＮＯ）の場合には光幅を平均化すべくその移動
量，方向を求めて前記ＸＹテーブルを移動修正するが、
不可の場合ははめ合い不可情報を表示する（図示せ
ず）。

第22は第21図のアルゴリズムを詳説したフローチヤート
である。

カメラレンズの画像をスキヤン，光電変化して画像取入
し、前記の如く１又は０の２値化をする。２値化ＹＥＳ
の場合は高精度はめ合いのためのエッジ部分のエツジデ
ータを求める。

ＮＯの場合は更に戻る。エツジデータＹＥＳの場合には
更に穴データを求めメモリ記憶する（Ａメモリ）。穴デ
ータが求められない場合（ＮＯ）の場合にはその状態で
メモリを記憶させる（Ｂメモリ）。次に走査を行ない前
記の如く集合分離，集合並びに判別し、はめ合いの可能
性をチエツクする。ＹＥＳの場合は更に高精度化に進
む。ＮＯの場合は任意穴データと軸データとの距離（間
隙）を計算し、最短距離を求め、これを光幅とした時の
光幅の最大箇所を記憶し、これを各エツジで行つた後、
前記光幅に基づき光幅ベクトルを作つて記憶し図のに
進む。は光幅ベクトルから合成ベクトルを形成し、移
動量，方向を算出し、Ｘ成分、Ｙ成分を求め、ＸＹテー
ブル微動信号を発生せしめてこれを微動せしめて完了す
る。は高精度化の場合にのみ用いられるフローチヤー
トで、まずはめ合い可能を判定し、ＹＥＳならばエツジ
データ読出し、穴および軸の断面一次モーメントを求め
て重心を出し、移動量、方向を算出して、ＸＹ軸を微動
せしめて微動終了する。

以上の原理により２部品の相対位置を計測・修正し、は
め合いを行うことができる。

ただし、以上の原理においてＴＶカメラで広い視野の穴
及び軸の相対位置及びはめ合いを知る場合、ＴＶカメラ
の画素数が限られていると全体を見た時画素の関係上画
像の分解能が粗くなり、漏れ光幅が非常に狭かつた場合
その光はＴＶカメラ内センサでとらえる事ができず検出
できないことが起る。特に磁気デイスク装置の円板と軸
とのはめ合いの様に広い視野を必要とし穴の軸のはめ合
い公差の小さなものに対してのはめ合い状態を知る場
合、特に漏れ光の有無を正確にとらえる必要があるため
上記の点を考慮する必要がある。このため本発明の装置
は完全体を見ることをせず、穴の周辺のみを調べて光の
漏れ具合を検出する方式を採用している。このため第15
図に示す如き複数のＴＶカメラ１ａを用いる手段もある
が、高価となると共に、大きなスペースを必要とするた
め本発明では採用していない。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図および第２図において、はめ合い部材のデイスク
装置スピンドル３と磁気デイスク円板２とが相対位置に
配置される。本実施例ではデイスク装置スピンドル３は
固定側に保持され、磁気デイスク円板２は吸着ハンドル
５の一端側に吸着される。また吸着ハンドル５はＸＹ方
向（磁気デイスク円板２の平面座標）に移動可能なＸＹ
テーブル（又はＸＹスタンド）16に固定される。

投光手段としてはデイスク装置スピンドル３のまわりに
配置され、中心に向つて光を照射する複数個投光装置４
から形成される。

認識手段はＴＶカメラ１、これに固定される中空円筒枠
体たるアーム15、ハーフミラー13およびミラー14で構成
される光学系、該光学系をＴＶカメラ１の中心軸を中心
に回転させるモータ11、ギヤ12、レンズ９、アーム15に
固定されランプを内蔵する光透過型スケール10等とから
構成される。ここでＴＶカメラ１は投光装置４によりデ
イスク装置スピンドル３と磁気デイスク円板２の間隙か
ら洩れてる光を検出するものであり、光学系はデイスク
装置３と磁気デイスク円板２の周辺のみ間隙部を拡大し
て検出するためのもので、ＴＶカメラ１の中心軸まわり
に回転して検出されるべく形成される。レンズ９はＴＶ
カメラ１の焦点が磁気デイスク円板２とデイスク装置ス
ピンドル３とのはめ合い部にのみ絞るべく設けられるも
のである。また光透過型スケール10は一種のポインタの
役割をもたすもので、回転する前記光学系の回転誤差が
生じた場合にも、画像位置を認識できるようにするため
のものであり、スケール画像もはめ合い状況の画像と共
にＴＶカメラ１に取り込られる。第３図はＴＶカメラ１
に取り込まれた画像（本実施例では円周上の６点の画像
が示されている）を示すものでデイスク装置スピンドル
３と磁気デイスク円板２との間隙像30と光透過型スケー
ル10（以下スケール10という）が映される。

ＴＶカメラ１による画像は後に説明するアルゴリズムに
基づき制御手段60により処理され、はめ合いの有無認識
および上部間隙を平均化してはめ合いを可能にするため
の磁気デイスク円板２の移動量，方向等を求めＸＹステ
ージ16に移動指令を与へるべくしている。

次に円周上６点で映像した間隙像30による処理方法につ
いて説明する。

なお円周上６点の画像は不連続でエツジ全体の情報を得
ることができないが、円形部材間のはめ合いの場合の如
く、形状推定が可能な場合や、複数個の計測データでは
め合い状態が知られる場合にはこれで十分であり、短時
間で処理できる利点がある。しかし６点による画像デー
タは前記の原理説明に基づく集合並び分類による判別方
法が使用できず、以下の如きアルゴリズムに基づき処理
されることになる。しかしＴＶカメラ１が取り込んだ画
像をさらに大きなメモリ空間に取り込むならば、そのメ
モリ空間を一つの視界と考えることができ、前記の集
合，分類が適用される。

第６図においてカメラレンズ系・光電変換器・スキヤン
機構により構成され、画像手段より像の検出を行ない、
二値化してメモリにそのデータを展開する。これをｎ点
計測して同様の処理を行つた後、穴及び軸のデータから
光幅を検出し最光幅の広い箇所をそれぞれの点において
調べ、そのデータを基に移動すべき量及び方向を算出し
ＸＹテーブルではめ合い可能となるまで微動させる。は
め合い可能となつた後、高精度はめ合いを行う場合には
はめ合い中心を穴及び軸のエツジデータより算出し、両
者のはめ合い中心を一致させる様に微動位置決めする。

第７図は第６図のアルゴリズムを詳述したフローチヤー
トである。この概要を説明すると次の如くなる。

画像取込光電変換を走査毎に行いその信号を二値化して
穴データ軸データの抽出しながらメモリ上へ各データを
記憶させてゆく。この操作をｎ点検出した後、任意の穴
データ軸データの距離を計算しながら最短距離を求めそ
れを光幅とした時の光幅の最大箇所を記憶しその量及び
方向をもつ光幅ベクトルを各計測点において算出しそれ
ぞれのベクトルから位置修正のための仮想光幅ベクトル
を合成し、その量及び方向からＸ成分Ｙ成分を求めＸＹ
テーブルで微動を行う。

さらに、はめ合いを高精度で行う場合にはエツジデータ
より穴及び軸の断面一次モーメント及び重心点を算出し
て両者のはめ合い中心より求めた移動量と方向とから移
動すべきＸ成分Ｙ成分を求めＸＹテーブルが微動させて
やることにする。

次に前記アルゴリズムおよびフローチヤートをより解り
易くするための補助説明を記載する。

６箇所で取り込まれた画素データはそれぞれの視野別に
２値化処理されメモリマップへ記憶される。その時スケ
ールの値も同時に読み取るため各画素データの座標も同
時に認識可能である。本方法は前述した様に物体エツジ
すべてを像として取り込むわけではない為位置検出に十
分なデータ量を取れない場合あくまで推定してやらなけ
ればならない。例えばはめ合い中心がそれぞれの各エツ
ジデータで作られた図形の重心点と等しいと仮定した時
その重心点を算出位置を求める。磁気デイスク円板とス
ピンドルの様にほとんど真円に近い形状の穴及び軸にお
いてはこの方法を用い多点エツジデータを利用して重心
点を算出する事によりそれぞれのはめ合い中心を高精度
に求めてやる事ができる。

又、万一はめ合い可能状態にする過程においてはめ合い
中心が求まつている場合は移動量及び移動方向がわかる
ので問題ないが、前記中心が求まらない場合は次の操作
を行う。

第５図(a)に示す如く光幅をベクトルで求め、，，
，とする。これを第５図(b)の如くまとめベクトル
図を作る。次に、第５図(c)に示す如く、第５図(b)のベ
クトルを合成し を求める。すなわち光幅をベクトル化する。合成ベクト
ルの大きさと方向に位置修正することにより、間隙が
平均化される。この時点でなお補正が必要であれば再度
同様の操作を繰り返せば良い。また重心点算出法による
はめ合い中心計測法を並用することにより、より高精度
の位置修正が可能となる。

第４図は前記の操作終了後、はめ合い可能となつた映像
図を示す。

本実施例において６点計測したが、計測点数(n)は多け
れば多い程多くの情報を取り込むことができ、高精度の
位置修正が可能となる。

また本実施例で確認手段にＴＶカメラ１を用いたが、こ
れに限らず同様の効果が得られるラインセンサでも構わ
ない。

また本実施例では投光手段と認識手段が被検出物を挾ん
で配設されたが、同一側に設けられても構わない。この
場合その判別処理は前記処理の光の明暗に関する負論理
形をとることになる。

第８図は本発明の他の実施例を示すもので、第２図同一
符号のものは同一物又は同一機能の物を示す。

光学系のバフミラー13およびミラー14にリニアアクチユ
エータ18が連結され、被検出物の形状に対応して光学系
の位置を変え視野を拡大するようにしている。リニアア
クチユエータ18の付設により、レンズ９および光透過型
スケール10にはリニアアクチユエータ19が連結される。
勿論リニアアクチユエータ18,19をサーボ制御すること
により自動化が可能となる。第９図ないし第14図は本実
施例の応用例である。

第９図は本実施例の位置修正装置100を位置精度の高く
ないスカラ型ロボツト70の先端に取付け、精密なはめ合
い組立を行うようにしたものである。符号22はめ合い部
材たる軸部品、符号23ははめ合い部材たる穴部品を表示
する。スカラ型ロボツト70により、粗位置決めをした
後、本実施例100により精密位置決めをし、粗ロボツト
を精密ロボツトとして機能せしめることができる。

第10図は上下駆動ユニツト29を有する組立装置に本実施
例の認識手段の一部の位置検出部20を連結せしめ、組立
ステーシヨン21側にＸＹスタンド16を設けたものであ
る。デイスク装置スピンドル３はＸＹスタンド16に載置
され、位置検出部20と対峙する位置に搬送される。位置
検出部20には磁気デイスク円板２が保持される。

第11図は組立ステーシヨン21上に本実施例100を載置し
穴部品23を保持した状態で位置に搬送し、吸着ハンド45
に保持される軸部品22とはめ合うように形成されたもの
である。

第10図および第11図に示すものは、いづれも組立ステー
シヨン21側にＸＹステンド16が設けられており、重量物
の場合に高精度のはめ合い修正が可能となる。

第12図は直交型組立装置に本実施例100を付設したもの
である。組立ハンド50には本実施例100が取付けられ、
穴部品23を吸着保持する。一方、組立装置の直交型ロボ
ツト53の構成部品として組立ハンド50および51が動作制
御され、組立ハンド51には姿勢制御機構52が連結され、
軸部品22を把持する。直交型ロボツト53により２本の組
立ハンド50,51を同時に移動せしめ、軸部品22と穴部品2
3のはめ合いを行う。組立ハンドが２本（50,51）あるた
め時間短縮が計れると共に、姿勢制御機構52により予め
姿勢修正するため、高精度、かつ迅速なはめ合い位置修
正が可能となる。

第13図は本実施例100をロボツトに付設した組立装置し
たもので、穴部品25,26の同心位置決め組立を行うため
のものである。穴部品26を光窓24に移送し、本実施例10
0に把持された穴部品25を軸部品26上に中心位置決めし
て載置するものである。

第14図は位置決めマーク40の記されている光透過型部品
27,28の相対位置合わせを行うもので、本実施例100は組
立装置の上下駆動ユニツト29に取付けられ、光透過型部
品27を把持し、光窓24上に設置される。光透過型部品28
とマーク合せして位置決めするものである。

〔発明の考案〕

以上の説明によつて明らかな如く、本発明によれば、被
検出物の相対位置を直接認識手段でもつて非接触にて検
出できるためその形状を損うことがなく相対位置を測定
できる。本実施例の様な穴と軸を非接触にてはめ合う場
合においては接触によつて生ずる発塵及び形状変化等を
解消できるので従来この様な要因によつて生じていた製
品への悪影響も除去でき製品性能向上に顕著な効果が得
られる。

又、従来の方式においては形状あるいは位置の情報を得
る事はできるが、はめ合い等の非接触組立が可能か否か
を知ることはできなかつた。しかし本発明によればその
情報をも取り入るれことができる上はめ合い中心が一致
していないならばその補正量を認識した像より算出して
微動調整させることによりはめ合いを可能にすることが
できること、又、その補正量も認識した像の画素数をよ
り多く取り入れることによつて高精度化できることなど
はめ合い性能向上に著しい効果が得られる。

さらに装置の構成が単純でコンパクト可能であり、安価
に製作され、信頼性を向上し得る効果が上げられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の斜視図、第２図は本発明実施
例の正面断面図、第３図は実施例による間隙部の映像を
示す説明図、第４図ははめ合い修正後の第３図と同様の
映像の説明図、第５図(a)ないし(c)は光幅のベクトル解
析を説明する説明図、第６図は本実施例の計測，修正の
アルゴリズム、第７図は第６図のフローチヤート、第８
図は本発明の他の実施例の正面断面図、第９図ないし第
14図は本実施例の応用例を示す斜視図、第15図は複数の
ＴＶカメラを用いた認識手段を説明する斜視図、第16図
は本発明の原理説明のための斜視図、第17図、第18図は
計測時における穴と軸とのはめ合い映像を示す平面図、
第19図は取り込んだ画像の走査線上の明暗点とその集合
分類を示す説明図、第20図(c)ないし(d)ははめ合い部品
の係合状態を示す説明図、第21図は本発明の原理説明の
アルゴリズム、第22図は第21図のフローチヤートであ
る。 １，1a……ＴＶカメラ、２……磁気デイスク円板、３…
…デイスク装置スピンドル、４……投光装置、５，45…
…吸着ハンドル、６……デイスク装置ベース、７……磁
気デイスク円板による影の像、８……デイスク装置スピ
ンドルによる影の像、９……レンズ、10……光透過型ス
ケール、11……サーボモータ、12……ギヤ、13……ハー
フミラ、14……ミラー、15……アーム、16……ＸＹテー
ブル（ＸＹスタンド）、17,24……光窓、18,19……リニ
アアクチユエータ、20……位置検出部、21……組立ステ
ーシヨン、22,26……軸部品、23,25……穴部品、27,28
……光透過型部品、29……上下駆動ユニツト、30……間
隙像、40……位置スーク、50,51……組立ハンド、52…
…姿勢制御機構、53……直交型ロボツト、60……制御手
段、70……スカラ型ロボツト、100……位置修正装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】はめ合い関係にある部材の間隙部又は間隙
   部のｎ箇所に投光し、漏洩する光を認識し、認識データ
   を明暗を表示する二値化変化し、漏洩光で表示される間
   隙値を平均化すべく前記はめ合い部材を相互移動せしめ
   て両者の相対位置修正をする相対位置計測修正方法。
2. 【請求項２】はめ合い関係にある部材に投光する投光手
   段と、前記部材間の間隙部から漏洩する光を認識する認
   識手段と、該認識手段に取り込まれた認識データを基に
   して、前記間隙を平均化する方向、移動量等を演算し、
   前記部材間位置を相対移動せしめる制御手段とを設ける
   ことを特徴とする相対位置計測装置。