JPH07260422A - ねじ孔の位置計測方法及び部品組付方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ワークに設けられたねじ孔の位置を光学的に
正確に計測できるようにする。 【構成】 ワークＡに設けられたねじ孔Ａ２に頭付部材
Ｃを装着した状態で撮像手段１０によりワークを撮像す
る。そして、撮像手段の画面に現われる頭付部材Ｃの頭
部の像の中心ｍの座標からねじ孔Ａ２の中心Ｍの位置を
計測する。このようにして計測された、ねじ孔の位置デ
ータを部品組付工程に転送し、該工程に配置した自動機
の位置補正を行なう。頭付部材Ｃとして部品締結用のボ
ルトを用い、ボルトをねじ孔に装着したままワークを部
品組付工程に搬送して、自動機にボルトを受取らせるよ
うにしても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ワークに設けられたね
じ孔の位置を光学的に計測するねじ孔の位置計測方法及
びこの方法で計測されたねじ孔の位置データを利用して
ワークに部品を組付ける部品組付方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ワークに位置決め基準孔として形
成する円形孔の位置を光学的に計測する方法として、ワ
ークにスポット光を照射した状態でＣＣＤカメラ等から
成る撮像手段によりワークを撮像し、撮像手段の画面に
現われる円形孔の像の画面上の中心座標から円形孔の中
心位置を計測する方法は知られている。

【０００３】ここで、円形孔の像の中心座標の計測に際
しては、一般に、撮像手段の画面上を水平ｘ軸方向に走
査して円形孔の像の周縁に合致するｘ軸方向２箇所の周
縁点の座標を求めることを垂直ｙ軸方向に位置をずらし
ながら繰返し、ｘ軸方向２箇所の周縁点の中点のｘ座標
を平均化して円形孔の中心のｘ座標を求め、同様に、画
面上をｙ軸方向に走査してｙ軸方向２箇所の周縁点の座
標を求めることをｘ軸方向に位置をずらしながら繰返
し、ｙ軸方向２箇所の周縁点の中点のｙ座標を平均化し
て円形孔の像の中心のｙ座標を求めるようにしている
（特開昭５６−１５５８０４号公報参照）。

【０００４】また、本願出願人が先に特願平５−６７９
７７号で提案したように、円形孔の像の周縁上の複数の
点をピックアップし、これらの点の座標から円形孔の像
を表わす回帰楕円を求め、この回帰楕円の中心座標を円
形孔の像の中心座標とする方法もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、自動車車体
等のワークにはドアやボンネット等の部品を取付けるナ
ットが固着されており、部品の自動組付けを行う場合、
部品締結用のボルトを自動機でナットのねじ孔に締め込
むようにしているが、ナットの固着位置がずれていると
ねじ孔にボルトを締め込めなくなり、そのためねじ孔の
位置を計測して自動機をねじ孔に合致するように位置補
正する必要がある。この場合、上記した円形孔の位置計
測と同様に撮像手段でワークを撮像し、撮像手段の画面
に現われるねじ孔の像に基いてねじ孔の位置を計測する
ことが考えられるが、ねじ孔の像はねじ孔の内面からの
反射光で輪郭が不鮮明になるため、この像からねじ孔の
位置を正確に計測することは困難である。本発明は、以
上の点に鑑み、ねじ孔の位置を光学的に正確に計測し得
るようにした計測方法及びこの計測方法を利用した部品
組付方法を提供することをその目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は、ワークに設けられたねじ孔の位置を光学的に
計測する方法において、ねじ孔に頭付部材を装着し、こ
の状態で撮像手段によりワークを撮像し、撮像手段の画
面に現われる頭付部材の頭部の像に基いてねじ孔の位置
を計測することを特徴とし、また、ワークに設けられた
ねじ孔を利用してワークに部品を組付ける部品組付工程
よりも前の工程でねじ孔の位置を上記の方法で計測し、
計測されたねじ孔の位置データを部品組付工程に転送し
て、部品組付工程に配置した自動機の位置補正を行うこ
とを特徴とし、更には、部品組付工程の前に設けられる
ワークの塗装工程より前の工程でねじ孔の位置を計測
し、ねじ孔の位置を計測し、ねじ孔に頭付部材を装着し
たままワークを塗装工程に搬送することを特徴とする。
この場合、前記頭付部材としてワークに部品を組付ける
際に用いる部品締結用のボルトを用い、更には、ボルト
をねじ孔に装着したままワークを部品組付工程に搬送
し、前記自動機に該ボルトを受取らせて部品の組付作業
を行うことが好ましい。

【０００７】

【作用】頭付部材の頭部をワークと明暗差が付くよう
に、例えばワークが白い場合は黒、ワークが黒い場合は
白くしておけば、撮像手段の画面にワークを背景にして
頭付部材の頭部の像が鮮明に現われる。そしてねじ孔と
これに装着した頭付部材の頭部とは同心になるから、頭
部の像に基いてねじ孔の位置を正確に計測できる。

【０００８】部品組付工程において部品締結用のボルト
を自動機によりねじ孔に締め込む場合、部品組付工程で
ねじ孔の位置を計測して自動機の位置補正を行っても良
いが、部品組付工程は自動機及びその付帯設備が配置さ
れて込入っているため、部品組付工程にねじ孔の計測設
備を配置できないこともあり、更に、部品組付工程のサ
イクルタイムがねじ孔の位置計測に要する時間だけ長く
なり、生産性が低下する。

【０００９】これに対し、部品組付工程の前工程で上記
の如くねじ孔の位置を計測し、この位置データを部品組
付工程に転送して自動機の位置補正を行うようにすれ
ば、部品組付工程にねじ孔の計測設備を配置する必要が
なく、且つ、部品組付工程のサイクルタイムが長引くこ
ともなく、有利である。

【００１０】更に、ワークを塗装してから部品を組付け
るような場合、ねじ孔に塗料が詰まらないようにねじ孔
をマスキングすることがあるが、塗装工程の前に上記し
た頭付部材をねじ穴に装着してねじ孔の位置を計測し、
その後でワークをそのまま塗装すれば、頭付部材をねじ
孔のマスキンダに兼用でき、有利である。

【００１１】また、頭付部材として部品締結用のボルト
を用いれば、ねじ孔の位置計測のための専用部品が不要
になるためのコストが安くなり、更に、ボルトをねじ孔
に装着したままワークと共に部品組付工程に搬送して自
動機に受取らせるようにすれば、部品組付工程にボルト
供給装置を配置せずに済み、有利である。

【００１２】

【実施例】図１は自動車の製造ラインを示し、１は自動
車車体を組立てる車体組立工程、２は車体の組立精度を
計測する計測工程、３は車体の塗装工程、４は車体に部
品を組付ける部品組付工程である。

【００１３】図２（ａ）は部品組付工程内のドア組付ス
テーションを示しており、ワークたる車体Ａに対し部品
たるドアＢをドア用治具５ａを搭載したセットロボット
５に保持させて位置決めし、ナットランナ６ａを搭載し
た締付ロボット６によりドアＢのヒンジブラケットＢ１
を車体Ａに締結するようにしている。車体Ａには、図２
（ｂ）に示す如く、これに固着したナットＡ１で形成さ
れるねじ孔Ａ２が設けられており、ナットランナ６ａに
よりボルトＣをヒンジブラケットＢ１に形成した取付孔
Ｂ２を通してねじ孔Ａ２に締め込み、ヒンジブラケット
Ｂ１を車体Ａに締結する。ところで、ドアＢを車体Ａの
所定位置に位置決めしても、ナットＡ１の固着位置がず
れていると取付孔Ｂ２に対しねじ孔Ａ２が芯ずれするた
め、取付孔Ｂ２をボルトＣの径より大径に形成して芯ず
れを吸収し得るようにしている。この場合、ねじ孔Ａ２
の位置を計測して、ねじ孔Ａ２と同心になるようにナッ
トランナ６ａの位置を補正する必要がある。

【００１４】そのため、本実施例では、計測工程２にお
いて車体の組立精度に加えてねじ孔Ａ２の位置を計測
し、この位置データを部品組付工程４に転送し、各車体
ＡにドアＢを組付ける際に各車体Ａのねじ孔Ａ２の位置
データに基いて締付ロボット６を制御し、ナットランナ
６ａの位置を補正するようにした。

【００１５】図３はねじ孔Ａ２の位置を計測する装置の
概要を示しており、該装置は、撮像手段たるＣＣＤカメ
ラ１０と、スポット光を照射するスポット光源１１と、
スリット光を照射するスリット光源１２と、カメラ１０
からの画像信号を入力する画像処理回路１３とで構成さ
れている。カメラ１０とスポット光源１１とスリット光
源１２とはロボット等の移動機構の動作端に取付けられ
る図示しない測定ヘッドに搭載され、該測定ヘッドを移
動機構の作動により車体Ａのナット固着部に対向する所
定の測定位置に移動してねじ孔Ａ２の位置計測を行う。

【００１６】ここで、カメラ１０とスリット光源１２と
は、カメラ１０の光軸にスリット光の光面ＳＰ（以下ス
リット光面と記す）が斜交するように所要の位置関係で
前記測定ヘッドに搭載されており、また、前記測定位置
においてカメラ１０の光軸が車体Ａの法線方向を向くよ
うになっている。

【００１７】また、ねじ孔Ａ２には、図４に明示する如
く、上記した部品締結用のボルトＣが予め装着されてい
る。このボルトＣはフランジＣ１付きの頭部Ｃ２を有す
るフランジボルトであり、頭部Ｃ２が黒く着色されてい
る。

【００１８】ねじ孔Ａ２の位置計測に際しては、測定ヘ
ッドを測定位置に移動したところで先ずスポット光源１
１により車体Ａにスポット光を照射し、この状態でカメ
ラ１０により車体Ａを撮像してその画像データを画像処
理回路１３に送信記憶させ、次にスリット光源１２によ
り車体Ａにスリット光を照射し、この状態で同じくカメ
ラ１０により車体Ａを撮像してその画像データを画像処
理回路１３に送信記憶させる。

【００１９】スポット光の照射時にはカメラ１０の画面
に図５（ａ）に示す如くボルト頭部Ｃ２の像ｃがフラン
ジＣ１に対応する形状の暗部となって現われ、また、ス
リット光の照射時には車体Ａがスリット光により図３に
Ｓで示す如く線状に照らされて、カメラ１０の画面に図
５（ｂ）に示す如く線状のスリット光像ｓが、明部とな
って現れる。尚、スリット光がボルト頭部Ｃ２を跨ぐよ
うに照射されると、スリット光像Ｓは、ボルト頭部Ｃ２
に対応する部分ｃ′で分断される。

【００２０】ところで、カメラ１０の光軸とスリット光
面ＳＰとの交点を原点０、カメラ１０の光軸をＺ軸、Ｚ
軸に直交するスリット光面ＳＰに平行な座標軸をＹ軸、
Ｙ軸及びＺ軸に直交する座標軸をＸ軸とする空間座標系
を考え、空間座標系のＸ−Ｙ座標面への投影像がカメラ
１０で撮像されるとすると、カメラ１０の画面上に原点
０に対応する中心点を原点としてＸ軸に対応する水平の
ｘ軸とＹ軸に対応する垂直のｙ軸をとった場合、画面の
ｘ軸座標値とｙ軸座標値は空間座標系のＸ−Ｙ座標面上
での原点０からの水平距離と垂直距離を表わすことにな
る。そして、図４に示す如く、ボルト頭部Ｃ２の像ｃの
中心ｍの画面上のｘ，ｙ座標ｍｘ，ｍｙとボルト頭部Ｃ
２の中心Ｍの空間座標系におけるＸ，Ｙ座標ＭＸ，ＭＹ
との比はカメラ１０からＸ−Ｙ座標面までの距離Ｌとカ
メラ１０から車体Ａまでの距離との比に等しくなり、従
って、車体ＡのＺ軸方向変位量をｄＺとして、 ＭＸ＝ｍｘ・（Ｌ−ｄＺ）／Ｌ …(1) ＭＹ＝ｍｙ・（Ｌ−ｄＺ）／Ｌ …(2) となり、ボルト頭部Ｃ２の中心Ｍの空間座標系における
Ｚ座標ＭＺは、 ＭＺ＝ｄＺ …(3) になる。

【００２１】ここで、車体ＡがＺ軸方向に変位すると、
スリット光面ＳＰがＹ軸に平行で且つＺ軸に斜交するた
め、スリット光像ｓが画面上でｘ軸方向に変位する。そ
して、スリット光像ｓのｘ座標ｓｘと車体Ａ上のスリッ
ト光の照射部ＳのＸ座標ＳＸとの関係は、上記と同様
に、 ＳＸ＝ｓｘ・（Ｌ−ｄＺ）／Ｌ …(4) となり、また、Ｚ軸に対するスリット光面ＳＰの傾斜角
をθとして、 ＳＸ＝ｄＺ・ｔａｎθ …(5) となり、(4)式と(5)式から、 ｓｘ・（Ｌ−ｄＺ）／Ｌ＝ｄＺ・ｔａｎθ …(6) となり、(6)式をｄＺについてまとめると、 ｄＺ＝ｓｘ・ Ｌ／（Ｌｔａｎθ＋ｓｘ） …(7） になる。このように、スリット光像ｓのｘ座標ｓｘから
(7）式によって車体ＡのＺ軸変位量ｄＺを算定でき、か
くて頭部像ｃの画面上の中心座標ｍｘ，ｍｙとスリット
光像ｓの画面上のｘ座標ｓｘとを計測すれば、ボルト頭
部Ｃ２の中心Ｍの空間座標ＭＸ，ＭＹ，ＭＺを求められ
る。そして、この頭部中心Ｍはねじ孔Ａ２と同心になる
から、頭部Ｃ２の中心座標ＭＸ，ＭＹ，ＭＺを孔中心と
してねじ孔Ａ２の位置を正確に計測できる。

【００２２】頭部像ｃの中心座標ｍｘ、ｍｙは、頭部像
ｃの周縁に合致する周方向複数箇所の周縁点の座標から
算定される。本実施例では、先ず頭部像ｃの画像重心ｇ
を求め、図６（ａ）に示す如く画像重心ｇに関してｙ軸
方向に対称な２本のｘ軸走査線と交差する４箇所の周縁
点〜と、画像重心ｇに関してｘ軸方向に対称な２本
のｙ軸走査線と交差する４箇所の周縁点〜との計８
箇所の周縁点をピックアップしてその座標を検出する。
ところで、頭部像ｃの周縁にはノイズ等による凹凸が現
われることがあり、ピックアップした周縁点にこのよう
な異常な像の部分に位置する点が含まれることを考慮し
て、以下の手順で中心座標ｍｘ、ｍｙを計測する。

【００２３】先ず、画面上に、頭部像ｃが正常であれば
その周縁がエリア内に入るように、上記した画像重心ｇ
を中心にして図６（ａ）に仮想線で示すような所定の環
状エリアを設定し、上記の如くピックアップした周縁点
のうち環状エリア外に存する周縁点は異常な像の部分に
位置する点であるとして削除する。図６の例ではの周
縁点が削除される。

【００２４】次に、残った周縁点の座標から図６（ｂ）
に示す如く頭部像ｃを表わす回帰楕円ｑを求める。この
場合、異常な像の部分であっても異常の程度が軽微であ
ればそこからピックアップされた周縁点は環状エリア内
に入ってしまうが、このような周縁点は回帰楕円に対す
るずれ量が大きくなる。そこで、回帰楕円に対する各周
縁点のずれ量を算出し、これら周縁点のずれ量のうちの
最大ずれ量が所定値以上のときは最大ずれ量の周縁点を
削除した残りの周縁点の座標から再度回帰楕円を求める
ことを最大ずれ量が所定値未満になるまで繰返す。この
ようにして求めた回帰楕円ｑはボルト頭部Ｃ２の正常な
像に合致し、かくて頭部像ｃの中心座標ｍｘ、ｍｙを回
帰楕円ｑの中心座標として正確に求めることができる。
尚、カメラ１にボルト頭部Ｃ２が正対していれば頭部像
ｃは円形になり、ボルト頭部Ｃ２がカメラ１の光軸から
ずれるに従って頭部像ｃは楕円形に変形するが、頭部像
ｃが円形であればその円、楕円形であればその楕円を表
わす回帰楕円が求められ、頭部像ｃの中心座標ｍｘ、ｍ
ｙの計測精度が向上する。

【００２５】以上の如くして中心座標ｍｘ、ｍｙを計測
すると、次にスリット光照射時の画像データを呼び出し
て、スリット光像ｓのｘ座標ｓｘを計測する。この計測
に際しては、予め回帰楕円ｑのｙ軸方向上端点ｑａと下
端点ｑｂのｙ座標を求めておき、スリット光照射時の画
面に、図７に示す如く、上下の端点ｑａ、ｑｂから上下
に等距離だけ離してｘ軸方向に長手の上下１対のウイン
ドウＷａ、Ｗｂを設定し、各ウインドウＷａ、Ｗｂ内の
スリット光像ｓの画像重心ｇａ、ｇｂを検出して、両重
心ｇａ、ｇｂのｘ座標の平均値をスリット光像ｓのｘ座
標ｓｘとして求める。そして、ｍｘ，ｍｙ，ｓｘの計測
値から上記の如くねじ孔Ａ２の位置を算定し、この位置
データを個々の車体の識別符号を付して部品組付工程に
転送する。

【００２６】計測工程２での計測作業が終了すると、ボ
ルトＣをねじ孔Ａ２に装着したまま車体Ａを塗装工程３
を経て部品組付工程４に搬送する。この場合、ボルトＣ
がねじ孔Ａ２への塗料の侵入を阻止するマスキングとし
て機能し、塗料によるねじ孔Ａ２の詰りが防止される。
そして、部品組付工程４に車体Ａが搬入されたとき、こ
の車体Ａに対応するねじ孔Ａ２の位置データに基いて締
付ロボット６を制御してナットランナ６ａをねじ孔Ａ２
と同心になるように位置補正し、この状態でナットラン
ナ６ａを前進させてねじ孔Ａ２に装着されているボルト
Ｃの頭部Ｃ２にナットランナ６ａの先端のソケット６ｂ
を嵌合させ、ナットランナ６ａを逆転させてボルトＣを
ねじ孔Ａ２から抜き取る。その後ナットランナ６ａを一
旦後退させた状態でセットロボット５によりドアＢを車
体Ａの所定位置にセットし、次いでナットランナ６ａを
正転させつつ再度前進させて、ソケット６ｂに嵌合保持
されているボルトＣをヒンジブラケットＢ１の取付孔Ｂ
２を通してねじ孔Ａ２に締め込み、ドアＢの組付作業を
行う。

【００２７】ところで、上記実施例ではボルトＣがフラ
ンジボルトであるため、ボルトＣがカメラ１の光軸から
ずれた位置に存在しても、ボルト頭部Ｃ２の像Ｃはフラ
ンジＣ１に対応した形状になるが、フランジＣ１が付い
ていない場合はボルト頭部の像が頭部頂面と頭部側面と
の合成像となって、ボルト頭部の中心位置を正確に計測
できなくなる。この場合、ボルト頭部の全体を黒くせず
に頭部頂面のみを黒く着色しておけば、ボルト頭部の像
は頭部頂面に対応した形状になり、上記の不具合は生じ
ない。但し、この場合は頭部中心の空間座標系における
Ｘ，Ｙ座標ＭＸ，ＭＹとして頭部頂面上でのＸ，Ｙ座標
を求める必要があり、そのためＭＸ，ＭＹを算定する上
記（1）,（2）式のｄＺを車体のＺ軸方向変位量にボル
ト頭部の高さ寸法を加えた値として、ＭＸ，ＭＹを算定
する。尚、頭部像が角形になるとその中心座標の計測が
面倒になり、そのため頭部頂面の着色部は円形にするこ
とが望ましい。

【００２８】また、トラスねじやねじ孔Ａ２に軽圧入可
能な頭付棒材といった頭付部材をねじ孔Ａ２に装着し、
ねじ孔Ａ２の位置計測を行うことも可能である。然し、
コストや部品締付工程におけるナットランナ６ａへのボ
ルト供給を考えると、上記実施例の如く部品締結用のボ
ルトＣをねじ孔Ａ２に装着して計測した方が有利であ
る。

【００２９】以上、ワークたる車体Ａに部品たるドアＢ
を組付ける場合を例にして本発明を説明したが、本発明
を適用可能なワークの種類や部品の種類は上記実施例に
限定されるものではない。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ねじ孔の位置をねじ孔の内面からの反射光の
影響を受けずに光学的に精度良く計測でき、更に、この
ようにして計測された位置データに基いて後工程での部
品組付けを自動的にミス無く且つ能率良く行い得られ
る。また、位置計測用の頭付部材をねじ孔のマスキング
に兼用して、塗料によるねじ孔の詰りを防止することも
でき、更に、頭付部材として部品締結用のボルトを用い
ることによりコストアップを抑制でき、而も、部品組付
工程で自動機に特別のボルト供給装置を用いずにボルト
を受取らせることができ、部品組付工程の設備の簡素化
を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用する自動車製造ラインの一例を
示す図

【図２】 （a）ドアの組付ステーションを示す平面
図、（b）車体のドア取付部の断面図

【図３】 ねじ孔の位置を計測する計測装置の概要を示
す斜視図

【図４】 （a）図３のＹ軸方向から見た図、（b）図３
のＸ軸方向から見た図

【図５】 （a）スポット光照射時の画面を示す図、
（b）スリット光照射時の画面を示す図

【図６】 （a）（b）頭部像の中心座標を計測するため
の画像処理を示す図

【図７】 スリット光像の位置を計測するための画像処
理を示す図

【符号の説明】

Ａ 車体（ワーク） Ａ２ ねじ孔 Ｂ ドア（部品） Ｃ ボルト ｃ ボルトの頭部像 ２ 計測工程 ３ 塗装工程 ４ 部品組付工程 ６ 締付ロボット（自動機） １０ カメラ（撮像手
段）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークに設けられたねじ孔の位置を光学
   的に計測する方法において、ねじ孔に頭付部材を装着
   し、この状態で撮像手段によりワークを撮像し、撮像手
   段の画面に現われる頭付部材の頭部の像に基いてねじ孔
   の位置を計測することを特徴とするねじ孔の位置計測方
   法。
2. 【請求項２】 前記頭付部材としてワークに部品を組付
   ける際に用いる部品締結用のボルトを用いることを特徴
   とする請求項１に記載のねじ孔の位置計測方法。
3. 【請求項３】 ワークに設けられたねじ孔を利用してワ
   ークに部品を組付ける部品組付工程よりも前の工程でね
   じ孔の位置を請求項１又は２に記載の方法で計測し、計
   測されたねじ孔の位置データを部品組付工程に転送し
   て、部品組付工程に配置した自動機の位置補正を行うこ
   とを特徴とする部品組付方法。
4. 【請求項４】 部品組付工程の前に設けられるワークの
   塗装工程より前の工程でねじ孔の位置を計測し、ねじ孔
   に頭付部材を装着したままワークを塗装工程に搬送する
   ことを特徴とする請求項３に記載の部品組付方法。
5. 【請求項５】 ねじ孔の計測に用いる頭付部材を部品締
   結用のボルトとし、該ボルトをねじ孔に装着したままワ
   ークを部品組付工程に搬送し、前記自動機に該ボルトを
   受取らせて部品の組付作業を行うことを特徴とする請求
   項３又は４に記載の部品組付方法。