レーザ加工ロボットの教示方法及び教示装置
【課題】レーザ加工ロボットの教示作業を容易且つ正確に行えるようにする。
【解決手段】測定レーザと加工レーザとを出力するレーザスキャナを有し、加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示方法が、ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき測定レーザをワーク上に照射する際に、測定レーザの照射位置を制御する制御手順Ｓ４と、レーザスキャナから照射された測定レーザが、ワークにおいて反射された反射光を測定する測定手順Ｓ５と、反射光と基準図形を比較し、基準照射位置におけるワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出手順Ｓ６と、傾斜算出部が算出した傾斜から前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成手順Ｓ７と、を有する。
【解決手段】測定レーザと加工レーザとを出力するレーザスキャナを有し、加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示方法が、ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき測定レーザをワーク上に照射する際に、測定レーザの照射位置を制御する制御手順Ｓ４と、レーザスキャナから照射された測定レーザが、ワークにおいて反射された反射光を測定する測定手順Ｓ５と、反射光と基準図形を比較し、基準照射位置におけるワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出手順Ｓ６と、傾斜算出部が算出した傾斜から前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成手順Ｓ７と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークにレーザ光を照射して溶接、切断及び穿孔等の加工を行うレーザ加工ロボットの教示方法及び教示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ発振器の高効率化を受けて、ワークにレーザ光を離れた位置から照射してリモート溶接を行うレーザ溶接ロボットが提案されている。レーザ溶接ロボットは、ロボットのアーム先端に照射方向を可変にしてレーザ光を照射するスキャナヘッドを取り付けて成る。レーザ溶接ロボットの各軸は、他の産業用ロボットと同様、予め制御装置に記憶された教示データに従って駆動される。このため、作業現場では、実機とワークを使って教示データを作成する教示作業が行われる（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
特許文献１には、教示作業を行うときに、スキャナヘッドから、レーザ光の照射可能範囲を表す可視光の枠をワーク表面に投影することが開示されている。この場合、教示作業者は、投影された枠を目視して、ワーク上のレーザ光が照射されるべき溶接点が枠内に収まるようにロボットを操作しながら、ロボットの動作経路に関する教示データを作成することができる。また、教示作業者は、ワークに投影される枠の形状が正方形となるようにロボットを操作しながら、ロボット及びスキャナヘッドの姿勢に関する教示データを作成することができる。このように特許文献１においては、ロボットの教示位置と溶接点とが一対一で対応しないリモート溶接ロボットにおいて、教示作業者による最適動作経路の教示作業を支援することが図られている。
【０００４】
特許文献２には、教示作業を行うときに、レーザ光の光束の外周を通過するような複数の可視光パイロットレーザをワークに照射し、スキャナヘッド内の焦点位置調整手段を動作させてワークに投影されるパイロットレーザが一つとなるように焦点距離を調整することが開示されている。この場合、教示作業者は、ワークに投影されるパイロットレーザの点状の像を目視して、パイロットレーザが一つに重なるように焦点距離を調整することができる。このように特許文献２においては、長い焦点距離のレーザ光が使われがちでレーザスキャナとワークとの間に大きな距離が確保されるリモート溶接ロボットにおいて、教示作業者による焦点距離の調整作業を支援することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４６７４０号公報
【特許文献２】特開２００７−２５３２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１及び２の何れにおいても、教示作業が、教示作業者の目視と、教示作業者による実機操作とに頼るものとなっているので、教示作業者に高い熟練が要求されることに変わりはない。熟練が足りなければ、ロボット及びスキャナヘッドの姿勢を適切に教示したり、レーザ光の焦点距離を適切に調整したりすることができない。また、適切な教示作業を行うには長時間を要するおそれがあるので、教示作業者の負担が大きくなるだけでなく、実機とワークが作業現場に搬入されてから実際に溶接作業を行えるまでに長時間を要することになる。これは、ワークにレーザ光を離れた位置から照射して切断及び穿孔等の加工を行うロボットにおいても同様にして生じる問題である。
【０００７】
そこで本発明は、ワークにレーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工ロボットにおいて、容易且つ正確に教示作業を行えるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成すべくなされたものであり、本発明に係るレーザ加工ロボットの教示方法は、測定レーザと加工レーザとを出力するレーザスキャナを有し、前記加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示方法であって、前記ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置を制御する制御手順と、前記レーザスキャナから照射された前記測定レーザが、前記ワークにおいて反射された反射光を測定する測定手順と、前記反射光と前記基準図形を比較し、前記基準照射位置における前記ワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出手順と、前記傾斜算出手順において算出された傾斜から前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成手順とを有することを特徴としている。
【０００９】
前記方法によれば、レーザが照射されたワーク上の反射光と基準図形とを比較して、ワーク表面の傾斜が自動的に算出される。そして、算出された傾斜に基づいて教示データが自動的に作成される。このため、ワークとレーザスキャナとが離れた位置にあっても、ロボットに対するワークの姿勢を容易且つ正確に把握することができ、そのように把握された教示データに従って溶接作業を良好に行うことができる。
【００１０】
前記制御手順において、前記ワーク上の前記基準照射位置を基準として予め定められた前記基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置の変更を連続して行い、前記測定手順において、前記ワーク上における前記反射光の軌跡が測定されてもよい。この場合、レーザスキャナ内に、教示作業時にのみ用いられる基準形状の像を作成するための光学部品を設けなくてもよく、測定レーザの軌跡を代替とすることができるので、レーザスキャナの構成を簡素にすることができる。
【００１１】
前記基準図形は、前記加工レーザの光軸と直交する平面において、前記基準照射位置を中心とする円であってもよい。
【００１２】
前記レーザスキャナは、前記加工レーザと基準照射位置が同一の第１案内レーザと、前記第１案内レーザから離間した箇所から前記第１案内レーザの光軸と交差する光軸を有する第２案内レーザとを出力し、前記測定手順において、前記第１案内レーザおよび第２案内レーザの反射光を測定し、前記レーザスキャナを前記第１案内レーザの光軸方向に移動させて、前記第２案内レーザの照射位置を前記第１案内レーザの照射位置へ移動させてもよい。前記方法によれば、第１案内レーザ及び加工レーザの光軸方向において、レーザスキャナと基準照射位置との間の距離が交差位置に応じた所望の距離に調整される。このため、加工レーザを照射して溶接作業を行うときには、当該所望の距離と加工レーザの焦点距離を、当該調整された所望の距離に基づいて調整することが可能となり、加工レーザをワークに良好に作用させて適切な溶接作業を行うことができる。
【００１３】
本発明に係るレーザ加工ロボットの教示装置は、加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示装置であって、測定レーザと前記加工レーザとを出力するレーザスキャナと、前記ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置を制御する制御部と、前記レーザスキャナから照射された前記測定レーザが、前記ワークにおいて反射された反射光を測定する測定部と、前記反射光と前記基準図形を比較し、前記基準照射位置における前記ワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出部と、前記傾斜部が算出した傾斜から、前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成部と、を備えていることを特徴としている。
【００１４】
本装置を用いることで、前述した教示方法と同様に、容易且つ正確に教示作業を行うことができるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、ワークにレーザ光を照射するレーザ加工ロボットにおいて、容易且つ正確に教示作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工ロボットの全体構成を示す概念図である。
【図２】図１に示すレーザ加工ロボットの制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す制御装置により実行される教示方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図３のステップＳ１〜Ｓ３の説明図である。図４（ａ）は、ステップＳ１を終えた時点におけるレーザスキャナとワークとの配置の関係を示す図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す状態からレーザスキャナを移動させた状態を示す図、図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示す状態からレーザスキャナを更に移動させたことによって第１案内レーザと第２案内レーザとが基準照射位置で交差している状態を示す図である。
【図５】図３のステップＳ４，Ｓ５の説明図である。図５（ａ）は、測定レーザをワークに照射した状態を図４と同じ要領で模式的に示した図、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示された状態を幾何学的に示す図であり、レーザスキャナが投影しようとしている基準形状と、カメラで撮像される像の形状と、基準照射位置におけるワーク表面の法線方向との関係を幾何学的に示す図である。
【図６】カメラで撮像された測定レーザの像の基準軸方向に対する傾斜の算出手法の説明図である。
【図７】ワーク表面の楕円長軸方向における光軸直交平面に対する傾斜角の算出手法の説明図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、ステップＳ５を終えた時点でロボット制御部にとって既知の値を用いてワーク表面の傾斜角を算出可能である旨説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、全ての図を通じて同一の又は対応する要素には同一の符号を付して重複する詳細な説明を省略する。
【００１８】
（レーザ溶接ロボット）
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ溶接ロボット１の全体構成を示す概念図である。図１に示すレーザ溶接ロボット１は、自動車の車体を製造する設備など、金属製のワーク１０を溶接する作業を行う設備で好適に利用されるものであり、ロボット２、レーザスキャナ３、レーザ発振器４及び制御装置５を備える。ロボット２は、複数のモータ２１ａ〜２１ｆ（図２参照）を有する多軸ロボットである。複数のモータ２１ａ〜２１ｆが動作すると、ロボット２の姿勢が変化してロボット２のアーム先端が様々な方向に移動する。レーザ発振器４は、レーザ光を発生するレーザ光源である。レーザ発振器４によって発生されたレーザ光は、光ファイバケーブル８を介してレーザスキャナ３へと導かれる。
【００１９】
レーザスキャナ３は、略直方体状の筐体を有している。レーザスキャナ３の筐体はロボット２のアーム先端に固定されるので、ロボット２のアーム先端の位置及び姿勢が決まれば、レーザスキャナ３の位置及び姿勢が決まる。レーザスキャナ３は、レーザ光を筐体外に照射する第１及び第２射出部３１，３２（図４参照）を有している。第１射出部３１は、溶接作業時に使用する溶接レーザを照射するために利用される。本実施形態に係る第１射出部３１は、教示作業時に使用する測定レーザ及び第１案内レーザを照射するためにも利用される。第２射出部３２は、教示作業時に使用される第２案内レーザを照射するために利用される。
【００２０】
少なくとも第１射出部３１から照射されるレーザ光については、その光軸方向（すなわち、照射方向）及び焦点距離が可変である。そのため、レーザスキャナ３は、その筐体内に、第１射出部３１へと導かれるレーザ光の光軸方向を変更するための方向変更機構（図示せず）及び第１射出部３１へと導かれるレーザ光の焦点距離を変更する焦点調整機構（図示せず）を有している。
【００２１】
制御装置５は、通信ケーブル９ａ，９ｂ，９ｃを介してロボット２、レーザスキャナ３及びレーザ発振器４とそれぞれ接続されている。制御装置５は、レーザ発振器４の動作を制御し、また、予め記憶している教示データに従ってロボット２及びレーザスキャナ３の動作を制御し、それにより、ワーク１０に、所謂オンザフライ方式によるリモートレーザ溶接作業が行われる。つまり、ロボット２のアーム先端を適宜姿勢で適宜経路に沿って移動させながら、レーザ発振器４により発生される所要波長及び所要エネルギー密度を有する溶接レーザが、ワーク１０から離れた位置にあるレーザスキャナ３より適宜タイミングで適宜方向に照射される。溶接レーザが照射された位置においては、ワーク１０がレーザ光の作用で変質してワーク１０を溶接することができる。なお、溶接レーザは、溶接すべき位置に点状に照射されてもよいし、当該位置の周囲に線状又は周状の図形を描くように照射されてもよい。
【００２２】
なお、教示データは、ロボット２の動作経路に関するデータ、ロボット２の動作経路上におけるアーム先端の姿勢に関するデータ、ロボット２の動作経路上の移動速度に関するデータ、レーザスキャナ３より照射される溶接レーザの光軸方向に関するデータ（すなわち、前述の方向変更機構の動作に関するデータ）、レーザスキャナ３より照射される溶接レーザの焦点距離に関するデータ（すなわち、前述の焦点調整機構の動作に関するデータ）、溶接レーザがワーク表面１０ａ上で照射されるべき位置である基準照射位置（更に言えば、照射された溶接レーザが合焦すべき位置）に関するデータ、溶接レーザの出力強度に関するデータ、溶接レーザが基準照射位置に照射される時間に関するデータ、溶接レーザの照射位置の移動速度に関するデータなどを含み得る。
【００２３】
教示データは、レーザ溶接ロボット１を設備内に設置した後に、実際のワーク１０を用いて作成される。なお、レーザ溶接ロボット１を設置する前に、オフラインティーチングで作成された教示データを制御装置５に予め記憶させておくことも可能である。この場合にも、当該作成された教示データは、実際のワークを用いて修正される必要がある。本書中実施形態の説明においては、特に断らない限り、「教示作業」が、現場で教示データを作成する作業と、オフラインティーチングで作成した教示データを現場で修正する作業とを含むものとする。
【００２４】
以下、この教示作業の自動化に資する本実施形態に係る教示装置及び教示方法について説明する。
【００２５】
（教示装置）
図２は、図１に示すレーザ溶接ロボット１の制御系の構成を示す概念図である。図２に示すように、制御装置５は、ロボット制御部５１、レーザスキャナ制御部５２及びレーザ発振器制御部５３を有している。ロボット制御部５１は、教示データを記憶しており、ロボット２のモータ２１ａ〜２１ｆの動作を教示データに従って制御する。ロボット制御部５１は、後述する教示方法の処理手順を指示する制御プログラムを記憶しており、当該制御プログラムに従ってロボット２のモータ２１ａ〜２１ｆの動作を制御する。ロボット制御部５１は、教示作業者によって操作されるティーチペンダント７と通信可能に接続され、ティーチペンダント７において教示作業者によって入力された指令に従ってロボット２のモータ２１ａ〜２１ｆの動作を制御する。また、ロボット制御部５１は、上記制御プログラムを実行可能であることにより、傾斜算出部５６及びデータ作成部５７をその機能部として有している。
【００２６】
レーザスキャナ制御部５２は、ロボット制御部５１に記憶されている教示データ若しくは制御プログラム、又はティーチペンダント７で入力された指令に従って、レーザスキャナ３の動作を制御する。レーザ発振器制御部５３は、レーザ発振器４の動作を制御する。レーザ発振器制御部５３は、溶接作業時には、溶接するために十分に大きいエネルギー密度を有する溶接レーザを発生するようにレーザ発振器４を制御する。教示作業時には、レーザ光の作用でワーク１０を変質させないために十分に小さいエネルギー密度を有する測定レーザ又は案内レーザを発生するようにレーザ発振器４を制御する。
【００２７】
レーザ溶接ロボット１には、少なくとも教示作業を行うときに、カメラ６が設けられる。カメラ６は、ＣＣＤ等の光電変換素子を撮像素子として有しており、当該撮像素子に結像された画像に係る電子的なデータ（以下、「画像データ」と称す）をロボット制御部５１に供給する。ロボット制御部５１は、カメラ６からの画像データを処理する画像処理機能を有している。なお、画像データには、撮像素子を成す各画素の位置を特定する情報、各画素における輝度を表す情報、各画素における色を表す情報などが含まれ得る。
【００２８】
カメラ６は、少なくとも教示作業を行うときに、レーザスキャナ３の筐体外面にアタッチメントを介して取外し可能に固定される。このため、カメラ６の視野は、レーザスキャナ３を基準にすると固定されたものとなり、設備の床面に据え付けられたロボット２の基部を基準にするとロボット２のアーム先端の位置及び姿勢に応じて移動するものとなる。カメラ６は、教示作業を終えて溶接作業を行う段階では、レーザスキャナ３から取り外されていてもよい。これにより、カメラ６が溶接時に発生するスパッタやヒュームで汚損するのを防止することができる。後述する教示方法によれば、カメラ６の撮像結果にレーザ溶接ロボット１の絶対位置との関係性を持たせなくてもよい。したがって、教示作業を行う事前に、絶対位置を測定する等してカメラ６を校正する手間を省くことができる。
【００２９】
このように、レーザ溶接ロボット１の教示装置は、溶接作業を行う装置としてのレーザ溶接ロボット１の構成要素（すなわち、ロボット２、レーザスキャナ３、レーザ発振器４及び制御装置５）と、カメラ６と、ティーチペンダント７とを備えている。逆に、溶接作業を行う装置としてのレーザ溶接ロボット１は、カメラ６及びティーチペンダント７を必ずしも備えていない。
【００３０】
（レーザスキャナの配置）
図３は、制御装置５により実行される教示方法の処理手順を示すフローチャートである。図４〜図８は、図３に示す処理をそれぞれ説明するための概念図である。図３に示すように、教示方法の最初には、ロボット制御部５１が、レーザスキャナ３がワーク１０の表面上の基準照射位置と距離をおいて対向して配置されるように、ロボット２のモータを制御する（ステップＳ１）。ここで、ワーク１０の基準照射位置は、リモート溶接を行うにあたって溶接レーザを照射するときの基準となる位置である。溶接レーザを点状に照射して溶接を行う場合には、溶接レーザが照射されるべき位置が正にこの基準照射位置であってもよい。溶接レーザを周状の図形を描くように照射して溶接を行う場合には、当該図形の中心位置が基準照射位置であってもよいし、当該図形上の任意の点が基準照射位置であってもよい。また、溶接レーザを線状の図形を描くように照射して溶接を行う場合には、当該図形の始点、中間点又は終点が基準照射位置であってもよい。
【００３１】
ステップＳ１では、第１射出部３１からレーザ光が照射されたならばそのレーザ光の光軸上に基準照射位置が位置するように、ロボット２のアーム先端の位置及び姿勢（すなわち、レーザスキャナ３の位置及び姿勢）と、レーザ光の光軸方向とが調整される。この調整は、ロボット制御部５１によるロボット２のモータの位置制御及びスキャナ制御部５２によるレーザスキャナ３の動作制御を通じて実行される。
【００３２】
基準照射位置に対するレーザ光の光軸の位置合わせを行うにあたって、少なくとも教示作業時には、ワーク１０の基準照射位置に、教示作業者によって目視可能な及び／又はカメラ６によって測定可能なマークが付される。そこで、レーザ発振器制御部５３は、可視光域の波長を有する案内レーザを発生するようにレーザ発振器４を制御し、当該案内レーザがレーザスキャナ３の第１射出部３１より照射される。この場合、教示作業者は、ワーク１０に投影された案内レーザの反射光（又は像）を目視し、当該反射光がマーク上に位置するようにティーチペンダント７でロボット２及び／又はレーザスキャナ３を操作することにより、上記位置合わせを行うことができる。また、カメラ６で、ワーク１０に投影された案内レーザの像と、基準照射位置に付されたマークの像とを撮像しながら、ロボット制御部５１がカメラ６からの画像データに基づいて２つの像が重なるようにモータ２１ａ〜２１ｆの動作を制御するようにしてもよい。これにより、上記位置合わせを自動化することができる。なお、オフラインティーチングで作成された教示データを制御装置５が記憶している場合には、当該教示データに従ってロボット２のアーム先端を基準照射位置と対向する位置で停止させたうえで、上記位置合わせを行うべくロボット２のアーム先端の位置及び／又は案内レーザの光軸方向が微調整される。
【００３３】
（レーザスキャナとワークとの間の距離の調整）
このようにレーザスキャナ３がワーク１０の表面から距離をおいて配置された後には、図４（ａ）に示すように、第１射出部３１より第１案内レーザＬ１を照射すると共に第２射出部３２より第２案内レーザＬ２を照射し、ワーク１０に投影された第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像ＩＬ１，ＩＬ２をカメラ６で撮像する。また、ロボット制御部５１が、カメラ６からの画像データに基づき、第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像ＩＬ１，ＩＬ２が基準照射位置ｐで交差しているか否かを判断する（ステップＳ２）。なお、第１案内レーザＬ１は、溶接作業時に使用される溶接レーザと、光軸方向が同一である。なお、第１射出部３１から交差点ｆまでの距離Ｚｆについては、第１案内レーザと溶接レーザとで同一であっても異なっていてもよい。ここでは、説明の簡略化のため、同一であるものとして説明する。第２案内レーザＬ２は、第１案内レーザＬ１の光軸に対して傾いた光軸を有し、且つ第１案内レーザＬ１と交差するように光学設計されている。
【００３４】
ステップＳ２の処理をより詳細に説明する。このステップＳ２に先立つステップＳ１において、アーム先端の位置及び姿勢と第１射出部３１より照射されるレーザ光の光軸方向が調整されているので、ステップＳ２においても、第１射出部３１から照射される第１案内レーザＬ１は、基準照射位置ｐに投影される。ただし、ステップＳ１では、交差点ｆの位置をも調整してはいないので（ステップＳ２で自動調整を行うためその必要性がない）、第１案内レーザＬ１の交差点ｆが基準照射位置ｐに位置している蓋然性は極めて低い。また、オフラインティーチングで教示データが作成されていた場合においても、ワーク１０の据付け誤差等に起因して、交差点ｆが基準照射位置ｐに位置していない可能性がある。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、交差点ｆが基準照射位置ｐに位置していなければ、第２案内レーザＬ２は、ワーク１０の表面上において基準照射位置ｐから離れた位置に投影される。他方、カメラ６は、その視野内に基準照射位置ｐの周辺を収めることができるような配置及び光学設計がなされているので、カメラ６は、基準照射位置ｐに投影された第１案内レーザＬ１の点状像と、基準照射位置ｐから離れた位置に投影された第２案内レーザＬ２の点状像との２つの像を撮像する。なお、図４（ａ）は、交差点ｆが基準照射位置ｐから見てレーザスキャナ３と遠ざかる側に位置する場合（Ｚ０＜Ｚｆ）を例示しているが、これと逆の場合には、照射された第２案内レーザＬ２がワーク１０の表面に到達する前に基準照射位置ｐよりも紙面右側に進行するので、第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２は、ワーク表面１０ａ上の離れた２つの位置にそれぞれ投影される。
【００３６】
カメラ６の撮像素子を成す画素のうち、レーザ光の像ＩＬ１，ＩＬ２が結像した画素における輝度は、結像されなかった画素と比べて格段に高い。そこで、ロボット制御部５１は、カメラ６からの画像データに含まれる輝度の情報を参照して、レーザ光の像ＩＬ１，ＩＬ２が結像した箇所を特定し、これら２つの像ＩＬ１，ＩＬ２の間の距離ｄを算出する。ここで算出される距離ｄは、ワーク１０の表面上の２つの像ＩＬ１，ＩＬ２の間の実際の距離である必要はなく、カメラ６の視野内での距離であればよい。
【００３７】
ロボット制御部５１は、カメラ６からの画像データに含まれる輝度及び色の情報を参照して、２つの点状像が所定の許容範囲を超えて離れているか否かを判断する。これにより、第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像が基準照射位置ｐで交差しているか否かが判断されることとなる。
【００３８】
なお、交差点ｆが基準照射位置ｐに位置していれば、図４（ｃ）に示すように、第２案内レーザＬ２も基準照射位置ｐに投影されるので、カメラ６は、基準照射位置ｐに重なって投影された１つの点状像を撮像することとなる。そこで、第１案内レーザＬ１が第１色（例えば赤）の可視光レーザ、第２案内レーザＬ２が第１色とは異なる第２色（例えば緑）の可視光レーザ、これらが交差するとその交差位置にて第１色及び第２色の何れとも異なる第３色（例えば橙）となるように、第１案内レーザＬ１及び第２案内レーザＬ２の波長を決めることが好ましい。すると、ロボット制御部５１は、ステップＳ１を終えた直後のステップＳ２の処理において、カメラ６からの画像データを参照してもレーザ光の像と推定される像が１つしか存在しないと判断した場合に、その像の色に係る情報に基づいて２つのレーザ光が重なった像であるのか否かを良好に認識することができる。
【００３９】
交差していないと判断した場合（Ｓ２：ＮＯ）、ロボット制御部５１は、アーム先端及びレーザスキャナ３を第１案内レーザＬ１の光軸方向に移動させる（ステップＳ３）。そして、交差しているか否かを再び判断し（ステップＳ２）、交差していない間は（Ｓ２：ＮＯ）、レーザスキャナ３を移動させ続ける（ステップＳ３）。
【００４０】
図４（ｂ）は、ステップＳ３の処理を行う前のアーム先端及びレーザスキャナ３の位置及び姿勢（二点鎖線参照）と、ステップＳ３の処理を行った後のアーム先端及びレーザスキャナ３の位置及び姿勢（実線参照）とを示している。図４（ｂ）に示すように、ステップＳ３では、ロボット制御部５１が、アーム先端及びレーザスキャナ３の姿勢を維持させつつレーザスキャナ３を第１案内レーザＬ１の光軸方向に移動させるようにロボット２のモータの動作を制御し、それにより第１案内レーザＬ１のワーク１０に対する光軸方向を変更させないようにしている。これにより、第１案内レーザＬ１の光軸上に基準照射位置ｐが位置する状態を維持することができる。
【００４１】
レーザスキャナ３がこのように移動すると、移動方向に応じて第２案内レーザＬ２がワーク１０の表面に投影される位置が基準照射位置ｐに近づき又は遠ざかる。図４（ｂ）は、交差点ｆが基準照射位置ｐに近付くようにしてレーザスキャナ３が移動した場合を例示しており、この場合、第２案内レーザＬ２が投影される位置は基準照射位置ｐに近付いていく。レーザスキャナ３を微小な距離だけ移動させるたびに、ロボット制御部５１が判断処理を行うという繰返し処理が実行されることにより、最終的には図４（ｃ）に示すように、第２案内レーザＬ２を基準照射位置ｐに投影させることができる。このとき、ロボット制御部５１は、第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像ＩＬ１,ＩＬ２が交差したものと判断し、このように判断すると（Ｓ２：ＹＥＳ）、図示略するがレーザスキャナ３の移動が止まる。
【００４２】
ここで、図４（ｂ）に示すように、基準照射位置ｐの周辺が平面である又は平面と近似可能であることが事前に把握されている場合、前述の繰返し処理を簡略化可能である。つまり、このような場合には、レーザスキャナ３の移動量は、カメラ６の視野内における第２案内レーザＬ２の像ＩＬ２の移動量と比例する。このことに着眼すれば、ステップＳ１を終えた後にレーザスキャナ３を僅かに移動させた後、その後交差点ｆを基準照射位置ｐに位置させるために必要となるレーザスキャナ３の移動量Ｚは、次式（１）より求められる。
【００４３】
【数１】
【００４４】
ここで、Δｚは、ステップＳ１終えた後に僅かに移動したレーザスキャナ３の移動量、Δｄは、レーザスキャナ３が移動量Δｚだけ移動したときにおける第２案内レーザＬ２の像ＩＬ２の第１案内レーザＬ１の像ＩＬ１に対する相対移動量、ｄは、前述したステップＳ１を終えた時点における２つの像ＩＬ１，ＩＬ２の間の距離である。なお、相対移動量Δｄは、距離ｄから、レーザスキャナ３が移動量Δｚだけ移動した後における２つの像ＩＬ１，ＩＬ２の間の距離を減算することによって測定することができる。
【００４５】
すると、ステップＳ１を終えた後に、僅かな移動量Δｄだけレーザスキャナ３を移動し、上記式（１）に従って移動量Ｚを算出し、算出された移動量Ｚだけレーザスキャナ３を移動させると、第２案内レーザＬ２の像ＩＬ２を基準照射位置ｐに位置させる、すなわち交差点ｆを基準照射位置ｐに位置させることができる。レーザスキャナ３を移動量Ｚだけ移動させている間は、画像処理を省略可能になり、それによりレーザスキャナ３の移動速度を高くすることも可能となるので、交差点ｆを基準照射位置ｐに位置させるために要する時間が短縮される。
【００４６】
（傾斜算出）
ロボット制御部５１が第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像ＩＬ１，ＩＬ２が基準照射位置ｐで交差していると判断してレーザスキャナ３の移動が止まると（Ｓ２：ＹＥＳ）、スキャナ制御部５２が、第１射出部３１より測定レーザＬを照射してワーク１０の表面上に投影し、当該測定レーザＬでワーク１０の表面上に、予め定められた基準形状の基準図形が描画されるように、レーザスキャナ３の動作を制御し（ステップＳ４）、カメラ６で実際にワーク表面１０ａ上に投影されている測定レーザＬの図形像を撮像する（ステップＳ５）。
【００４７】
ここで、基準形状とは、ワーク１０の表面１０ａのうち基準照射位置ｐの周辺が、前述した第１案内レーザの光軸Ａ１と直交する平面（以下、単に「光軸直交平面」と称す）を成していれば、この基準照射位置ｐの周辺に投影されるべき形状であり、好ましくは、閉ループ形状（例えば円状又は多角形状）である。基準照射位置ｐの周辺が前記光軸直交平面に対して傾いていれば、基準形状の基準図形を描画すべく測定レーザＬを照射しても、ワーク１０の表面上には、基準形状を歪ませた形状の図形が投影される。ステップＳ４以降の処理においては、これに着眼して、ワーク１０の表面のうち基準照射位置ｐ周辺の光軸直交平面に対する傾斜角、言い換えれば、基準照射位置ｐにおけるワーク１０の表面の法線方向が算出される。
【００４８】
ステップＳ４において、測定レーザＬでワーク１０の表面に図形を投影するためには、前記光軸直交平面上に投影されるべき形状をなぞるように、測定レーザＬの照射位置（すなわち、光軸方向）を高速で連続して変更させればよい。言い換えれば、第１射出部３１からワーク１０に向けて進行する測定レーザＬによって、前記光軸直交平面上の基準形状の図形を底面とし第１射出部３１を頂点とする錐の側面が描かれるように、測定レーザＬの光軸方向を高速で連続して変更させればよい。この高速とは、ステップＳ５において、ワーク１０の表面に投影された測定レーザＬをカメラ６で撮像するにあたって、カメラ６の撮像素子に基準形状に対応する図形の軌跡が測定レーザＬの残像となって結像するために十分に高い速度である。
【００４９】
図５（ｂ）では、制御上ワーク１０の表面１０ａに投影するはずだった基準形状ＲＦの基準図形が点線で示され、実際にワーク１０の表面１０ａに投影されてカメラ６で撮像される測定形状ＭＦの図形が実線で示されている。本実施形態に係る基準形状ＲＦは、前記光軸直交平面内において基準照射位置ｐを中心とした半径ｒを有する真円である。このため、ステップＳ４では、第１射出部３１から照射された測定レーザＬで円錐の側面が描かれるように、測定レーザＬの光軸方向を高速で連続して変更させることとなる（図５（ｂ）には、測定レーザＬで描かれるべき当該円錐の母線が示されている）。基準形状ＲＦが真円である場合、ワーク１０の表面１０ａが傾いていれば、測定形状ＭＦは、真円を歪ませた楕円となる。
【００５０】
このようにカメラ６で測定形状の図形が撮像されると、ロボット制御部５１が、基準形状と測定形状とを比較して、基準照射位置ｐにおけるワーク表面１０ａの傾斜、より詳細にはワーク表面１０ａの法線方向を算出する（ステップＳ６）。
【００５１】
図５（ｂ）及び図６を参照して、法線方向の算出にあたっては、まず、測定形状ＭＦである楕円の長軸方向の基準軸方向に対する傾斜角θ１を算出する。ここで、基準軸方向とは、レーザ溶接ロボット１の教示装置内に設定された座標系を成す或る軸と平行の方向である。当該或る軸は、ロボット座標系、レーザスキャナ座標系を成す軸であってもよいし、カメラ６が計測する二次元直交座標系を構成するＸ軸及びＹ軸のいずれか一方であってもよい。当該Ｘ軸及びＹ軸のいずれか一方と平行の方向を基準軸方向とした場合、基準照射位置ｐを中心にして基準軸方向に対する楕円長軸方向の傾斜角がθ１となる。Ｘ軸と平行な方向が基準軸方向であるとした場合の傾斜角θ１は、次式（２）に従って求めることができる。
【００５２】
【数２】
【００５３】
ここで、ｘは、基準照射位置ｐと測定形状ＭＦと楕円長軸との交点Ａとの間の距離のうち、カメラ６の視野内における基準軸方向成分の長さ、ｙは、当該距離のうち、カメラ６の視野内における基準軸方向に直交する方向の成分の長さである。傾斜角θ１を算出するうえでは、ｘ及びｙの正確な値（すなわち、ワーク表面１０ａ上における実際値）を求める必要はなく、ｘのｙに対する割合を求めることができれば十分である。
【００５４】
ロボット制御部５１はカメラ座標系とロボット座標系との位置関係を把握可能であるので、このようにして傾斜角θ１に基づいて基準照射位置ｐのロボット座標系での座標を求めることができる。
【００５５】
なお、Ｘ軸と直交するＹ軸と平行な方向が基準軸方向であるとした場合、算出される傾斜角は、９０−θ１[deg]となる。そこで、ロボット制御部５１は、Ｘ軸及びＹ軸のうち傾斜角が小さくなる側の軸、すなわち傾斜角が４５度以下となる側の軸を、基準軸方向に適用する。このようにすれば、補正量が高々４５度になり、姿勢の変動を極力抑えることができる。
【００５６】
このようにして傾斜角θ１を考慮した座標補正を行うと、図７に示すように、ワーク表面１０ａが楕円長軸方向に沿って線で表わされる二次元平面内で傾斜角θ２を幾何学的に算出することができる。この算出手法の説明の便宜上、特徴点にＡ〜Ｈの符号を付すこととする。「点Ａ」は第１射出部３１の位置、「点Ｅ」は基準照射位置、「点Ｆ」は測定レーザＬが描く円錐の母線とワーク表面１０ａとの交点のうち線分ＡＥ方向において点Ａに近い側の交点、「点Ｇ」は点Ｆとは逆に線分ＡＥ方向において遠い側の交点、「点Ｄ」は点Ｅを通過して線分ＡＥと直交する直線と線分ＡＧとの交点（すなわち、前記光軸直交平面と測定レーザＬとの交点）、「点Ｂ」は点Ｆを通過して線分ＥＤと平行な直線と線分ＡＧとの交点、「点Ｃ」は線分ＦＢと線分ＡＥとの交点、「点Ｈ」は半直線ＤＥと点Ｆを通過して半直線ＤＥと直交する直線との交点である。
【００５７】
ここで、ステップＳ５を終えた時点において、ロボット制御部５１は、次式（３）〜（５）で表わされる関係を既知として取り扱うことができる。
【００５８】
【数３】
【００５９】
上記式（３）に関し、線分ＡＥは、ステップＳ１において調整された値である。上記式（４）に関し、線分ＤＥは、当該教示方法の処理手順を指示する制御プログラムにおいて予め定められた値である。上記式（５）に関し、線分ＧＥの線分ＥＦに対する比は、ステップＳ５においてカメラ６で撮像された画像に係るデータから測定可能である。傾斜角θ２は、ロボット制御部５１にとって既知の値Ｚｆ，ｒ，Ｋのみを用いて算出され得る。以下、この点について図８を参照して説明する。
【００６０】
図８（ａ）に示すように、三角形ＦＢＧは、二角相等により三角形ＥＤＧと相似関係にある。よって、線分ＢＣの長さｒ′は、ｒ及びＫを用いて、次式（６）に従って算出される。
【００６１】
【数４】
【００６２】
図８（ｂ）に示すように、三角形ＡＢＣは、二角相等により三角形ＡＤＥと相似関係にある。よって、線分ＡＣの長さＺ１は、Ｚｆ及びＫを用いて次式（７）に従って算出される。それにより、線分ＦＨの長さＺ２は、Ｚｆ及びＫを用いて次式（８）に従って算出される。
【００６３】
【数５】
【００６４】
図８（ｃ）に示すように、直角三角形ＦＥＨに着目すると、辺ＥＨの長さがｒ′であり、辺ＨＦの長さがＺ２であるので、傾斜角θ２は、Ｚｆ，ｒ及びＫを用いて次式（９）に従って算出される。
【００６５】
【数６】
【００６６】
このように、傾斜角θ２は、ロボット制御部５１にとって既知の値Ｚｆ，ｒ，Ｋを用いて算出することができる。しかも、これら値は、カメラ６がレーザ溶接ロボット１の絶対位置を測定しておかなくてもロボット制御部５１が把握可能な値である。このため、傾斜角θ２を算出するためにカメラ６を校正する必要はない。
【００６７】
（教示データの決定）
このように、第１射出部３１から基準照射位置ｐまでの距離Ｚｆ、基準軸方向に対する測定形状の楕円長軸方向の傾斜角θ１、及び基準照射位置ｐにおけるワーク表面１０の光軸直交平面に対する傾斜角θ２（すなわち、基準照射位置ｐにおけるワーク表面の法線方向）が算出されると、これら算出値Ｚｆ，θ１，θ２に基づき、ステップＳ２，Ｓ３において調整されたロボット２のアーム先端及びレーザスキャナ３の位置及び姿勢のデータや基準照射位置ｐのデータが補正され、当該補正後のデータが教示データとして決定される（ステップＳ７）。
【００６８】
これにより、溶接作業を行うときに、溶接レーザの光軸を、基準照射位置ｐに向けて基準照射位置ｐにおけるワーク表面の法線方向に対して所要の角度だけ傾けることができる。なお、当該角度は０度を含み、光軸と法線とが一致する概念を含む。また、溶接レーザを基準照射位置ｐにおいて合焦させることができる。したがって、溶接レーザをワーク１０に最適に作用させることができ、溶接作業を良好に行うことができる。しかも、このような溶接作業を実現するための教示データが、カメラ６を利用して自動化される。このため、教示作業を容易且つ正確に行うことができる。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の装置の構成及び方法の手順は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
【００７０】
例えば、ステップＳ２，Ｓ３において、３本以上の案内レーザを照射してもよい。ステップＳ４において、基準形状は真円に限らず、正方形枠など、その他の形状であってもよい。この場合、ステップＳ５の傾斜角の算定式は適宜変更される。また、本発明の教示装置及び教示方法は、リモート溶接を行うロボットに限定されず、ワークの切断や穿孔等のその他のレーザ加工を行うロボットにも好適に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、教示作業を容易且つ正確に行うことができるという作用効果を奏し、リモート溶接作業を行うレーザ溶接ロボットに適用すると有益である。
【符号の説明】
【００７２】
１ レーザ溶接ロボット
２ ロボット
３ レーザスキャナ
４ レーザ発振器
５ 制御装置
６ カメラ
１０ ワーク
３１ 第１射出部
３２ 第２射出部
Ｌ１ 第１案内レーザ
Ｌ２ 第２案内レーザ
Ｌ 測定レーザ
Ａ１ （溶接レーザ及び第１案内レーザの）光軸
ｐ 基準照射位置
ｆ （溶接レーザ及び第１案内レーザの）交差点
Ｚｆ （第１射出部から焦点までの光軸方向における）距離
θ１ 第１傾斜角
θ２ 第２傾斜角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークにレーザ光を照射して溶接、切断及び穿孔等の加工を行うレーザ加工ロボットの教示方法及び教示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ発振器の高効率化を受けて、ワークにレーザ光を離れた位置から照射してリモート溶接を行うレーザ溶接ロボットが提案されている。レーザ溶接ロボットは、ロボットのアーム先端に照射方向を可変にしてレーザ光を照射するスキャナヘッドを取り付けて成る。レーザ溶接ロボットの各軸は、他の産業用ロボットと同様、予め制御装置に記憶された教示データに従って駆動される。このため、作業現場では、実機とワークを使って教示データを作成する教示作業が行われる（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
特許文献１には、教示作業を行うときに、スキャナヘッドから、レーザ光の照射可能範囲を表す可視光の枠をワーク表面に投影することが開示されている。この場合、教示作業者は、投影された枠を目視して、ワーク上のレーザ光が照射されるべき溶接点が枠内に収まるようにロボットを操作しながら、ロボットの動作経路に関する教示データを作成することができる。また、教示作業者は、ワークに投影される枠の形状が正方形となるようにロボットを操作しながら、ロボット及びスキャナヘッドの姿勢に関する教示データを作成することができる。このように特許文献１においては、ロボットの教示位置と溶接点とが一対一で対応しないリモート溶接ロボットにおいて、教示作業者による最適動作経路の教示作業を支援することが図られている。
【０００４】
特許文献２には、教示作業を行うときに、レーザ光の光束の外周を通過するような複数の可視光パイロットレーザをワークに照射し、スキャナヘッド内の焦点位置調整手段を動作させてワークに投影されるパイロットレーザが一つとなるように焦点距離を調整することが開示されている。この場合、教示作業者は、ワークに投影されるパイロットレーザの点状の像を目視して、パイロットレーザが一つに重なるように焦点距離を調整することができる。このように特許文献２においては、長い焦点距離のレーザ光が使われがちでレーザスキャナとワークとの間に大きな距離が確保されるリモート溶接ロボットにおいて、教示作業者による焦点距離の調整作業を支援することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４６７４０号公報
【特許文献２】特開２００７−２５３２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１及び２の何れにおいても、教示作業が、教示作業者の目視と、教示作業者による実機操作とに頼るものとなっているので、教示作業者に高い熟練が要求されることに変わりはない。熟練が足りなければ、ロボット及びスキャナヘッドの姿勢を適切に教示したり、レーザ光の焦点距離を適切に調整したりすることができない。また、適切な教示作業を行うには長時間を要するおそれがあるので、教示作業者の負担が大きくなるだけでなく、実機とワークが作業現場に搬入されてから実際に溶接作業を行えるまでに長時間を要することになる。これは、ワークにレーザ光を離れた位置から照射して切断及び穿孔等の加工を行うロボットにおいても同様にして生じる問題である。
【０００７】
そこで本発明は、ワークにレーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工ロボットにおいて、容易且つ正確に教示作業を行えるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成すべくなされたものであり、本発明に係るレーザ加工ロボットの教示方法は、測定レーザと加工レーザとを出力するレーザスキャナを有し、前記加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示方法であって、前記ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置を制御する制御手順と、前記レーザスキャナから照射された前記測定レーザが、前記ワークにおいて反射された反射光を測定する測定手順と、前記反射光と前記基準図形を比較し、前記基準照射位置における前記ワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出手順と、前記傾斜算出手順において算出された傾斜から前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成手順とを有することを特徴としている。
【０００９】
前記方法によれば、レーザが照射されたワーク上の反射光と基準図形とを比較して、ワーク表面の傾斜が自動的に算出される。そして、算出された傾斜に基づいて教示データが自動的に作成される。このため、ワークとレーザスキャナとが離れた位置にあっても、ロボットに対するワークの姿勢を容易且つ正確に把握することができ、そのように把握された教示データに従って溶接作業を良好に行うことができる。
【００１０】
前記制御手順において、前記ワーク上の前記基準照射位置を基準として予め定められた前記基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置の変更を連続して行い、前記測定手順において、前記ワーク上における前記反射光の軌跡が測定されてもよい。この場合、レーザスキャナ内に、教示作業時にのみ用いられる基準形状の像を作成するための光学部品を設けなくてもよく、測定レーザの軌跡を代替とすることができるので、レーザスキャナの構成を簡素にすることができる。
【００１１】
前記基準図形は、前記加工レーザの光軸と直交する平面において、前記基準照射位置を中心とする円であってもよい。
【００１２】
前記レーザスキャナは、前記加工レーザと基準照射位置が同一の第１案内レーザと、前記第１案内レーザから離間した箇所から前記第１案内レーザの光軸と交差する光軸を有する第２案内レーザとを出力し、前記測定手順において、前記第１案内レーザおよび第２案内レーザの反射光を測定し、前記レーザスキャナを前記第１案内レーザの光軸方向に移動させて、前記第２案内レーザの照射位置を前記第１案内レーザの照射位置へ移動させてもよい。前記方法によれば、第１案内レーザ及び加工レーザの光軸方向において、レーザスキャナと基準照射位置との間の距離が交差位置に応じた所望の距離に調整される。このため、加工レーザを照射して溶接作業を行うときには、当該所望の距離と加工レーザの焦点距離を、当該調整された所望の距離に基づいて調整することが可能となり、加工レーザをワークに良好に作用させて適切な溶接作業を行うことができる。
【００１３】
本発明に係るレーザ加工ロボットの教示装置は、加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示装置であって、測定レーザと前記加工レーザとを出力するレーザスキャナと、前記ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置を制御する制御部と、前記レーザスキャナから照射された前記測定レーザが、前記ワークにおいて反射された反射光を測定する測定部と、前記反射光と前記基準図形を比較し、前記基準照射位置における前記ワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出部と、前記傾斜部が算出した傾斜から、前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成部と、を備えていることを特徴としている。
【００１４】
本装置を用いることで、前述した教示方法と同様に、容易且つ正確に教示作業を行うことができるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、ワークにレーザ光を照射するレーザ加工ロボットにおいて、容易且つ正確に教示作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工ロボットの全体構成を示す概念図である。
【図２】図１に示すレーザ加工ロボットの制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す制御装置により実行される教示方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図３のステップＳ１〜Ｓ３の説明図である。図４（ａ）は、ステップＳ１を終えた時点におけるレーザスキャナとワークとの配置の関係を示す図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す状態からレーザスキャナを移動させた状態を示す図、図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示す状態からレーザスキャナを更に移動させたことによって第１案内レーザと第２案内レーザとが基準照射位置で交差している状態を示す図である。
【図５】図３のステップＳ４，Ｓ５の説明図である。図５（ａ）は、測定レーザをワークに照射した状態を図４と同じ要領で模式的に示した図、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示された状態を幾何学的に示す図であり、レーザスキャナが投影しようとしている基準形状と、カメラで撮像される像の形状と、基準照射位置におけるワーク表面の法線方向との関係を幾何学的に示す図である。
【図６】カメラで撮像された測定レーザの像の基準軸方向に対する傾斜の算出手法の説明図である。
【図７】ワーク表面の楕円長軸方向における光軸直交平面に対する傾斜角の算出手法の説明図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、ステップＳ５を終えた時点でロボット制御部にとって既知の値を用いてワーク表面の傾斜角を算出可能である旨説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、全ての図を通じて同一の又は対応する要素には同一の符号を付して重複する詳細な説明を省略する。
【００１８】
（レーザ溶接ロボット）
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ溶接ロボット１の全体構成を示す概念図である。図１に示すレーザ溶接ロボット１は、自動車の車体を製造する設備など、金属製のワーク１０を溶接する作業を行う設備で好適に利用されるものであり、ロボット２、レーザスキャナ３、レーザ発振器４及び制御装置５を備える。ロボット２は、複数のモータ２１ａ〜２１ｆ（図２参照）を有する多軸ロボットである。複数のモータ２１ａ〜２１ｆが動作すると、ロボット２の姿勢が変化してロボット２のアーム先端が様々な方向に移動する。レーザ発振器４は、レーザ光を発生するレーザ光源である。レーザ発振器４によって発生されたレーザ光は、光ファイバケーブル８を介してレーザスキャナ３へと導かれる。
【００１９】
レーザスキャナ３は、略直方体状の筐体を有している。レーザスキャナ３の筐体はロボット２のアーム先端に固定されるので、ロボット２のアーム先端の位置及び姿勢が決まれば、レーザスキャナ３の位置及び姿勢が決まる。レーザスキャナ３は、レーザ光を筐体外に照射する第１及び第２射出部３１，３２（図４参照）を有している。第１射出部３１は、溶接作業時に使用する溶接レーザを照射するために利用される。本実施形態に係る第１射出部３１は、教示作業時に使用する測定レーザ及び第１案内レーザを照射するためにも利用される。第２射出部３２は、教示作業時に使用される第２案内レーザを照射するために利用される。
【００２０】
少なくとも第１射出部３１から照射されるレーザ光については、その光軸方向（すなわち、照射方向）及び焦点距離が可変である。そのため、レーザスキャナ３は、その筐体内に、第１射出部３１へと導かれるレーザ光の光軸方向を変更するための方向変更機構（図示せず）及び第１射出部３１へと導かれるレーザ光の焦点距離を変更する焦点調整機構（図示せず）を有している。
【００２１】
制御装置５は、通信ケーブル９ａ，９ｂ，９ｃを介してロボット２、レーザスキャナ３及びレーザ発振器４とそれぞれ接続されている。制御装置５は、レーザ発振器４の動作を制御し、また、予め記憶している教示データに従ってロボット２及びレーザスキャナ３の動作を制御し、それにより、ワーク１０に、所謂オンザフライ方式によるリモートレーザ溶接作業が行われる。つまり、ロボット２のアーム先端を適宜姿勢で適宜経路に沿って移動させながら、レーザ発振器４により発生される所要波長及び所要エネルギー密度を有する溶接レーザが、ワーク１０から離れた位置にあるレーザスキャナ３より適宜タイミングで適宜方向に照射される。溶接レーザが照射された位置においては、ワーク１０がレーザ光の作用で変質してワーク１０を溶接することができる。なお、溶接レーザは、溶接すべき位置に点状に照射されてもよいし、当該位置の周囲に線状又は周状の図形を描くように照射されてもよい。
【００２２】
なお、教示データは、ロボット２の動作経路に関するデータ、ロボット２の動作経路上におけるアーム先端の姿勢に関するデータ、ロボット２の動作経路上の移動速度に関するデータ、レーザスキャナ３より照射される溶接レーザの光軸方向に関するデータ（すなわち、前述の方向変更機構の動作に関するデータ）、レーザスキャナ３より照射される溶接レーザの焦点距離に関するデータ（すなわち、前述の焦点調整機構の動作に関するデータ）、溶接レーザがワーク表面１０ａ上で照射されるべき位置である基準照射位置（更に言えば、照射された溶接レーザが合焦すべき位置）に関するデータ、溶接レーザの出力強度に関するデータ、溶接レーザが基準照射位置に照射される時間に関するデータ、溶接レーザの照射位置の移動速度に関するデータなどを含み得る。
【００２３】
教示データは、レーザ溶接ロボット１を設備内に設置した後に、実際のワーク１０を用いて作成される。なお、レーザ溶接ロボット１を設置する前に、オフラインティーチングで作成された教示データを制御装置５に予め記憶させておくことも可能である。この場合にも、当該作成された教示データは、実際のワークを用いて修正される必要がある。本書中実施形態の説明においては、特に断らない限り、「教示作業」が、現場で教示データを作成する作業と、オフラインティーチングで作成した教示データを現場で修正する作業とを含むものとする。
【００２４】
以下、この教示作業の自動化に資する本実施形態に係る教示装置及び教示方法について説明する。
【００２５】
（教示装置）
図２は、図１に示すレーザ溶接ロボット１の制御系の構成を示す概念図である。図２に示すように、制御装置５は、ロボット制御部５１、レーザスキャナ制御部５２及びレーザ発振器制御部５３を有している。ロボット制御部５１は、教示データを記憶しており、ロボット２のモータ２１ａ〜２１ｆの動作を教示データに従って制御する。ロボット制御部５１は、後述する教示方法の処理手順を指示する制御プログラムを記憶しており、当該制御プログラムに従ってロボット２のモータ２１ａ〜２１ｆの動作を制御する。ロボット制御部５１は、教示作業者によって操作されるティーチペンダント７と通信可能に接続され、ティーチペンダント７において教示作業者によって入力された指令に従ってロボット２のモータ２１ａ〜２１ｆの動作を制御する。また、ロボット制御部５１は、上記制御プログラムを実行可能であることにより、傾斜算出部５６及びデータ作成部５７をその機能部として有している。
【００２６】
レーザスキャナ制御部５２は、ロボット制御部５１に記憶されている教示データ若しくは制御プログラム、又はティーチペンダント７で入力された指令に従って、レーザスキャナ３の動作を制御する。レーザ発振器制御部５３は、レーザ発振器４の動作を制御する。レーザ発振器制御部５３は、溶接作業時には、溶接するために十分に大きいエネルギー密度を有する溶接レーザを発生するようにレーザ発振器４を制御する。教示作業時には、レーザ光の作用でワーク１０を変質させないために十分に小さいエネルギー密度を有する測定レーザ又は案内レーザを発生するようにレーザ発振器４を制御する。
【００２７】
レーザ溶接ロボット１には、少なくとも教示作業を行うときに、カメラ６が設けられる。カメラ６は、ＣＣＤ等の光電変換素子を撮像素子として有しており、当該撮像素子に結像された画像に係る電子的なデータ（以下、「画像データ」と称す）をロボット制御部５１に供給する。ロボット制御部５１は、カメラ６からの画像データを処理する画像処理機能を有している。なお、画像データには、撮像素子を成す各画素の位置を特定する情報、各画素における輝度を表す情報、各画素における色を表す情報などが含まれ得る。
【００２８】
カメラ６は、少なくとも教示作業を行うときに、レーザスキャナ３の筐体外面にアタッチメントを介して取外し可能に固定される。このため、カメラ６の視野は、レーザスキャナ３を基準にすると固定されたものとなり、設備の床面に据え付けられたロボット２の基部を基準にするとロボット２のアーム先端の位置及び姿勢に応じて移動するものとなる。カメラ６は、教示作業を終えて溶接作業を行う段階では、レーザスキャナ３から取り外されていてもよい。これにより、カメラ６が溶接時に発生するスパッタやヒュームで汚損するのを防止することができる。後述する教示方法によれば、カメラ６の撮像結果にレーザ溶接ロボット１の絶対位置との関係性を持たせなくてもよい。したがって、教示作業を行う事前に、絶対位置を測定する等してカメラ６を校正する手間を省くことができる。
【００２９】
このように、レーザ溶接ロボット１の教示装置は、溶接作業を行う装置としてのレーザ溶接ロボット１の構成要素（すなわち、ロボット２、レーザスキャナ３、レーザ発振器４及び制御装置５）と、カメラ６と、ティーチペンダント７とを備えている。逆に、溶接作業を行う装置としてのレーザ溶接ロボット１は、カメラ６及びティーチペンダント７を必ずしも備えていない。
【００３０】
（レーザスキャナの配置）
図３は、制御装置５により実行される教示方法の処理手順を示すフローチャートである。図４〜図８は、図３に示す処理をそれぞれ説明するための概念図である。図３に示すように、教示方法の最初には、ロボット制御部５１が、レーザスキャナ３がワーク１０の表面上の基準照射位置と距離をおいて対向して配置されるように、ロボット２のモータを制御する（ステップＳ１）。ここで、ワーク１０の基準照射位置は、リモート溶接を行うにあたって溶接レーザを照射するときの基準となる位置である。溶接レーザを点状に照射して溶接を行う場合には、溶接レーザが照射されるべき位置が正にこの基準照射位置であってもよい。溶接レーザを周状の図形を描くように照射して溶接を行う場合には、当該図形の中心位置が基準照射位置であってもよいし、当該図形上の任意の点が基準照射位置であってもよい。また、溶接レーザを線状の図形を描くように照射して溶接を行う場合には、当該図形の始点、中間点又は終点が基準照射位置であってもよい。
【００３１】
ステップＳ１では、第１射出部３１からレーザ光が照射されたならばそのレーザ光の光軸上に基準照射位置が位置するように、ロボット２のアーム先端の位置及び姿勢（すなわち、レーザスキャナ３の位置及び姿勢）と、レーザ光の光軸方向とが調整される。この調整は、ロボット制御部５１によるロボット２のモータの位置制御及びスキャナ制御部５２によるレーザスキャナ３の動作制御を通じて実行される。
【００３２】
基準照射位置に対するレーザ光の光軸の位置合わせを行うにあたって、少なくとも教示作業時には、ワーク１０の基準照射位置に、教示作業者によって目視可能な及び／又はカメラ６によって測定可能なマークが付される。そこで、レーザ発振器制御部５３は、可視光域の波長を有する案内レーザを発生するようにレーザ発振器４を制御し、当該案内レーザがレーザスキャナ３の第１射出部３１より照射される。この場合、教示作業者は、ワーク１０に投影された案内レーザの反射光（又は像）を目視し、当該反射光がマーク上に位置するようにティーチペンダント７でロボット２及び／又はレーザスキャナ３を操作することにより、上記位置合わせを行うことができる。また、カメラ６で、ワーク１０に投影された案内レーザの像と、基準照射位置に付されたマークの像とを撮像しながら、ロボット制御部５１がカメラ６からの画像データに基づいて２つの像が重なるようにモータ２１ａ〜２１ｆの動作を制御するようにしてもよい。これにより、上記位置合わせを自動化することができる。なお、オフラインティーチングで作成された教示データを制御装置５が記憶している場合には、当該教示データに従ってロボット２のアーム先端を基準照射位置と対向する位置で停止させたうえで、上記位置合わせを行うべくロボット２のアーム先端の位置及び／又は案内レーザの光軸方向が微調整される。
【００３３】
（レーザスキャナとワークとの間の距離の調整）
このようにレーザスキャナ３がワーク１０の表面から距離をおいて配置された後には、図４（ａ）に示すように、第１射出部３１より第１案内レーザＬ１を照射すると共に第２射出部３２より第２案内レーザＬ２を照射し、ワーク１０に投影された第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像ＩＬ１，ＩＬ２をカメラ６で撮像する。また、ロボット制御部５１が、カメラ６からの画像データに基づき、第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像ＩＬ１，ＩＬ２が基準照射位置ｐで交差しているか否かを判断する（ステップＳ２）。なお、第１案内レーザＬ１は、溶接作業時に使用される溶接レーザと、光軸方向が同一である。なお、第１射出部３１から交差点ｆまでの距離Ｚｆについては、第１案内レーザと溶接レーザとで同一であっても異なっていてもよい。ここでは、説明の簡略化のため、同一であるものとして説明する。第２案内レーザＬ２は、第１案内レーザＬ１の光軸に対して傾いた光軸を有し、且つ第１案内レーザＬ１と交差するように光学設計されている。
【００３４】
ステップＳ２の処理をより詳細に説明する。このステップＳ２に先立つステップＳ１において、アーム先端の位置及び姿勢と第１射出部３１より照射されるレーザ光の光軸方向が調整されているので、ステップＳ２においても、第１射出部３１から照射される第１案内レーザＬ１は、基準照射位置ｐに投影される。ただし、ステップＳ１では、交差点ｆの位置をも調整してはいないので（ステップＳ２で自動調整を行うためその必要性がない）、第１案内レーザＬ１の交差点ｆが基準照射位置ｐに位置している蓋然性は極めて低い。また、オフラインティーチングで教示データが作成されていた場合においても、ワーク１０の据付け誤差等に起因して、交差点ｆが基準照射位置ｐに位置していない可能性がある。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、交差点ｆが基準照射位置ｐに位置していなければ、第２案内レーザＬ２は、ワーク１０の表面上において基準照射位置ｐから離れた位置に投影される。他方、カメラ６は、その視野内に基準照射位置ｐの周辺を収めることができるような配置及び光学設計がなされているので、カメラ６は、基準照射位置ｐに投影された第１案内レーザＬ１の点状像と、基準照射位置ｐから離れた位置に投影された第２案内レーザＬ２の点状像との２つの像を撮像する。なお、図４（ａ）は、交差点ｆが基準照射位置ｐから見てレーザスキャナ３と遠ざかる側に位置する場合（Ｚ０＜Ｚｆ）を例示しているが、これと逆の場合には、照射された第２案内レーザＬ２がワーク１０の表面に到達する前に基準照射位置ｐよりも紙面右側に進行するので、第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２は、ワーク表面１０ａ上の離れた２つの位置にそれぞれ投影される。
【００３６】
カメラ６の撮像素子を成す画素のうち、レーザ光の像ＩＬ１，ＩＬ２が結像した画素における輝度は、結像されなかった画素と比べて格段に高い。そこで、ロボット制御部５１は、カメラ６からの画像データに含まれる輝度の情報を参照して、レーザ光の像ＩＬ１，ＩＬ２が結像した箇所を特定し、これら２つの像ＩＬ１，ＩＬ２の間の距離ｄを算出する。ここで算出される距離ｄは、ワーク１０の表面上の２つの像ＩＬ１，ＩＬ２の間の実際の距離である必要はなく、カメラ６の視野内での距離であればよい。
【００３７】
ロボット制御部５１は、カメラ６からの画像データに含まれる輝度及び色の情報を参照して、２つの点状像が所定の許容範囲を超えて離れているか否かを判断する。これにより、第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像が基準照射位置ｐで交差しているか否かが判断されることとなる。
【００３８】
なお、交差点ｆが基準照射位置ｐに位置していれば、図４（ｃ）に示すように、第２案内レーザＬ２も基準照射位置ｐに投影されるので、カメラ６は、基準照射位置ｐに重なって投影された１つの点状像を撮像することとなる。そこで、第１案内レーザＬ１が第１色（例えば赤）の可視光レーザ、第２案内レーザＬ２が第１色とは異なる第２色（例えば緑）の可視光レーザ、これらが交差するとその交差位置にて第１色及び第２色の何れとも異なる第３色（例えば橙）となるように、第１案内レーザＬ１及び第２案内レーザＬ２の波長を決めることが好ましい。すると、ロボット制御部５１は、ステップＳ１を終えた直後のステップＳ２の処理において、カメラ６からの画像データを参照してもレーザ光の像と推定される像が１つしか存在しないと判断した場合に、その像の色に係る情報に基づいて２つのレーザ光が重なった像であるのか否かを良好に認識することができる。
【００３９】
交差していないと判断した場合（Ｓ２：ＮＯ）、ロボット制御部５１は、アーム先端及びレーザスキャナ３を第１案内レーザＬ１の光軸方向に移動させる（ステップＳ３）。そして、交差しているか否かを再び判断し（ステップＳ２）、交差していない間は（Ｓ２：ＮＯ）、レーザスキャナ３を移動させ続ける（ステップＳ３）。
【００４０】
図４（ｂ）は、ステップＳ３の処理を行う前のアーム先端及びレーザスキャナ３の位置及び姿勢（二点鎖線参照）と、ステップＳ３の処理を行った後のアーム先端及びレーザスキャナ３の位置及び姿勢（実線参照）とを示している。図４（ｂ）に示すように、ステップＳ３では、ロボット制御部５１が、アーム先端及びレーザスキャナ３の姿勢を維持させつつレーザスキャナ３を第１案内レーザＬ１の光軸方向に移動させるようにロボット２のモータの動作を制御し、それにより第１案内レーザＬ１のワーク１０に対する光軸方向を変更させないようにしている。これにより、第１案内レーザＬ１の光軸上に基準照射位置ｐが位置する状態を維持することができる。
【００４１】
レーザスキャナ３がこのように移動すると、移動方向に応じて第２案内レーザＬ２がワーク１０の表面に投影される位置が基準照射位置ｐに近づき又は遠ざかる。図４（ｂ）は、交差点ｆが基準照射位置ｐに近付くようにしてレーザスキャナ３が移動した場合を例示しており、この場合、第２案内レーザＬ２が投影される位置は基準照射位置ｐに近付いていく。レーザスキャナ３を微小な距離だけ移動させるたびに、ロボット制御部５１が判断処理を行うという繰返し処理が実行されることにより、最終的には図４（ｃ）に示すように、第２案内レーザＬ２を基準照射位置ｐに投影させることができる。このとき、ロボット制御部５１は、第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像ＩＬ１,ＩＬ２が交差したものと判断し、このように判断すると（Ｓ２：ＹＥＳ）、図示略するがレーザスキャナ３の移動が止まる。
【００４２】
ここで、図４（ｂ）に示すように、基準照射位置ｐの周辺が平面である又は平面と近似可能であることが事前に把握されている場合、前述の繰返し処理を簡略化可能である。つまり、このような場合には、レーザスキャナ３の移動量は、カメラ６の視野内における第２案内レーザＬ２の像ＩＬ２の移動量と比例する。このことに着眼すれば、ステップＳ１を終えた後にレーザスキャナ３を僅かに移動させた後、その後交差点ｆを基準照射位置ｐに位置させるために必要となるレーザスキャナ３の移動量Ｚは、次式（１）より求められる。
【００４３】
【数１】
【００４４】
ここで、Δｚは、ステップＳ１終えた後に僅かに移動したレーザスキャナ３の移動量、Δｄは、レーザスキャナ３が移動量Δｚだけ移動したときにおける第２案内レーザＬ２の像ＩＬ２の第１案内レーザＬ１の像ＩＬ１に対する相対移動量、ｄは、前述したステップＳ１を終えた時点における２つの像ＩＬ１，ＩＬ２の間の距離である。なお、相対移動量Δｄは、距離ｄから、レーザスキャナ３が移動量Δｚだけ移動した後における２つの像ＩＬ１，ＩＬ２の間の距離を減算することによって測定することができる。
【００４５】
すると、ステップＳ１を終えた後に、僅かな移動量Δｄだけレーザスキャナ３を移動し、上記式（１）に従って移動量Ｚを算出し、算出された移動量Ｚだけレーザスキャナ３を移動させると、第２案内レーザＬ２の像ＩＬ２を基準照射位置ｐに位置させる、すなわち交差点ｆを基準照射位置ｐに位置させることができる。レーザスキャナ３を移動量Ｚだけ移動させている間は、画像処理を省略可能になり、それによりレーザスキャナ３の移動速度を高くすることも可能となるので、交差点ｆを基準照射位置ｐに位置させるために要する時間が短縮される。
【００４６】
（傾斜算出）
ロボット制御部５１が第１及び第２案内レーザＬ１，Ｌ２の像ＩＬ１，ＩＬ２が基準照射位置ｐで交差していると判断してレーザスキャナ３の移動が止まると（Ｓ２：ＹＥＳ）、スキャナ制御部５２が、第１射出部３１より測定レーザＬを照射してワーク１０の表面上に投影し、当該測定レーザＬでワーク１０の表面上に、予め定められた基準形状の基準図形が描画されるように、レーザスキャナ３の動作を制御し（ステップＳ４）、カメラ６で実際にワーク表面１０ａ上に投影されている測定レーザＬの図形像を撮像する（ステップＳ５）。
【００４７】
ここで、基準形状とは、ワーク１０の表面１０ａのうち基準照射位置ｐの周辺が、前述した第１案内レーザの光軸Ａ１と直交する平面（以下、単に「光軸直交平面」と称す）を成していれば、この基準照射位置ｐの周辺に投影されるべき形状であり、好ましくは、閉ループ形状（例えば円状又は多角形状）である。基準照射位置ｐの周辺が前記光軸直交平面に対して傾いていれば、基準形状の基準図形を描画すべく測定レーザＬを照射しても、ワーク１０の表面上には、基準形状を歪ませた形状の図形が投影される。ステップＳ４以降の処理においては、これに着眼して、ワーク１０の表面のうち基準照射位置ｐ周辺の光軸直交平面に対する傾斜角、言い換えれば、基準照射位置ｐにおけるワーク１０の表面の法線方向が算出される。
【００４８】
ステップＳ４において、測定レーザＬでワーク１０の表面に図形を投影するためには、前記光軸直交平面上に投影されるべき形状をなぞるように、測定レーザＬの照射位置（すなわち、光軸方向）を高速で連続して変更させればよい。言い換えれば、第１射出部３１からワーク１０に向けて進行する測定レーザＬによって、前記光軸直交平面上の基準形状の図形を底面とし第１射出部３１を頂点とする錐の側面が描かれるように、測定レーザＬの光軸方向を高速で連続して変更させればよい。この高速とは、ステップＳ５において、ワーク１０の表面に投影された測定レーザＬをカメラ６で撮像するにあたって、カメラ６の撮像素子に基準形状に対応する図形の軌跡が測定レーザＬの残像となって結像するために十分に高い速度である。
【００４９】
図５（ｂ）では、制御上ワーク１０の表面１０ａに投影するはずだった基準形状ＲＦの基準図形が点線で示され、実際にワーク１０の表面１０ａに投影されてカメラ６で撮像される測定形状ＭＦの図形が実線で示されている。本実施形態に係る基準形状ＲＦは、前記光軸直交平面内において基準照射位置ｐを中心とした半径ｒを有する真円である。このため、ステップＳ４では、第１射出部３１から照射された測定レーザＬで円錐の側面が描かれるように、測定レーザＬの光軸方向を高速で連続して変更させることとなる（図５（ｂ）には、測定レーザＬで描かれるべき当該円錐の母線が示されている）。基準形状ＲＦが真円である場合、ワーク１０の表面１０ａが傾いていれば、測定形状ＭＦは、真円を歪ませた楕円となる。
【００５０】
このようにカメラ６で測定形状の図形が撮像されると、ロボット制御部５１が、基準形状と測定形状とを比較して、基準照射位置ｐにおけるワーク表面１０ａの傾斜、より詳細にはワーク表面１０ａの法線方向を算出する（ステップＳ６）。
【００５１】
図５（ｂ）及び図６を参照して、法線方向の算出にあたっては、まず、測定形状ＭＦである楕円の長軸方向の基準軸方向に対する傾斜角θ１を算出する。ここで、基準軸方向とは、レーザ溶接ロボット１の教示装置内に設定された座標系を成す或る軸と平行の方向である。当該或る軸は、ロボット座標系、レーザスキャナ座標系を成す軸であってもよいし、カメラ６が計測する二次元直交座標系を構成するＸ軸及びＹ軸のいずれか一方であってもよい。当該Ｘ軸及びＹ軸のいずれか一方と平行の方向を基準軸方向とした場合、基準照射位置ｐを中心にして基準軸方向に対する楕円長軸方向の傾斜角がθ１となる。Ｘ軸と平行な方向が基準軸方向であるとした場合の傾斜角θ１は、次式（２）に従って求めることができる。
【００５２】
【数２】
【００５３】
ここで、ｘは、基準照射位置ｐと測定形状ＭＦと楕円長軸との交点Ａとの間の距離のうち、カメラ６の視野内における基準軸方向成分の長さ、ｙは、当該距離のうち、カメラ６の視野内における基準軸方向に直交する方向の成分の長さである。傾斜角θ１を算出するうえでは、ｘ及びｙの正確な値（すなわち、ワーク表面１０ａ上における実際値）を求める必要はなく、ｘのｙに対する割合を求めることができれば十分である。
【００５４】
ロボット制御部５１はカメラ座標系とロボット座標系との位置関係を把握可能であるので、このようにして傾斜角θ１に基づいて基準照射位置ｐのロボット座標系での座標を求めることができる。
【００５５】
なお、Ｘ軸と直交するＹ軸と平行な方向が基準軸方向であるとした場合、算出される傾斜角は、９０−θ１[deg]となる。そこで、ロボット制御部５１は、Ｘ軸及びＹ軸のうち傾斜角が小さくなる側の軸、すなわち傾斜角が４５度以下となる側の軸を、基準軸方向に適用する。このようにすれば、補正量が高々４５度になり、姿勢の変動を極力抑えることができる。
【００５６】
このようにして傾斜角θ１を考慮した座標補正を行うと、図７に示すように、ワーク表面１０ａが楕円長軸方向に沿って線で表わされる二次元平面内で傾斜角θ２を幾何学的に算出することができる。この算出手法の説明の便宜上、特徴点にＡ〜Ｈの符号を付すこととする。「点Ａ」は第１射出部３１の位置、「点Ｅ」は基準照射位置、「点Ｆ」は測定レーザＬが描く円錐の母線とワーク表面１０ａとの交点のうち線分ＡＥ方向において点Ａに近い側の交点、「点Ｇ」は点Ｆとは逆に線分ＡＥ方向において遠い側の交点、「点Ｄ」は点Ｅを通過して線分ＡＥと直交する直線と線分ＡＧとの交点（すなわち、前記光軸直交平面と測定レーザＬとの交点）、「点Ｂ」は点Ｆを通過して線分ＥＤと平行な直線と線分ＡＧとの交点、「点Ｃ」は線分ＦＢと線分ＡＥとの交点、「点Ｈ」は半直線ＤＥと点Ｆを通過して半直線ＤＥと直交する直線との交点である。
【００５７】
ここで、ステップＳ５を終えた時点において、ロボット制御部５１は、次式（３）〜（５）で表わされる関係を既知として取り扱うことができる。
【００５８】
【数３】
【００５９】
上記式（３）に関し、線分ＡＥは、ステップＳ１において調整された値である。上記式（４）に関し、線分ＤＥは、当該教示方法の処理手順を指示する制御プログラムにおいて予め定められた値である。上記式（５）に関し、線分ＧＥの線分ＥＦに対する比は、ステップＳ５においてカメラ６で撮像された画像に係るデータから測定可能である。傾斜角θ２は、ロボット制御部５１にとって既知の値Ｚｆ，ｒ，Ｋのみを用いて算出され得る。以下、この点について図８を参照して説明する。
【００６０】
図８（ａ）に示すように、三角形ＦＢＧは、二角相等により三角形ＥＤＧと相似関係にある。よって、線分ＢＣの長さｒ′は、ｒ及びＫを用いて、次式（６）に従って算出される。
【００６１】
【数４】
【００６２】
図８（ｂ）に示すように、三角形ＡＢＣは、二角相等により三角形ＡＤＥと相似関係にある。よって、線分ＡＣの長さＺ１は、Ｚｆ及びＫを用いて次式（７）に従って算出される。それにより、線分ＦＨの長さＺ２は、Ｚｆ及びＫを用いて次式（８）に従って算出される。
【００６３】
【数５】
【００６４】
図８（ｃ）に示すように、直角三角形ＦＥＨに着目すると、辺ＥＨの長さがｒ′であり、辺ＨＦの長さがＺ２であるので、傾斜角θ２は、Ｚｆ，ｒ及びＫを用いて次式（９）に従って算出される。
【００６５】
【数６】
【００６６】
このように、傾斜角θ２は、ロボット制御部５１にとって既知の値Ｚｆ，ｒ，Ｋを用いて算出することができる。しかも、これら値は、カメラ６がレーザ溶接ロボット１の絶対位置を測定しておかなくてもロボット制御部５１が把握可能な値である。このため、傾斜角θ２を算出するためにカメラ６を校正する必要はない。
【００６７】
（教示データの決定）
このように、第１射出部３１から基準照射位置ｐまでの距離Ｚｆ、基準軸方向に対する測定形状の楕円長軸方向の傾斜角θ１、及び基準照射位置ｐにおけるワーク表面１０の光軸直交平面に対する傾斜角θ２（すなわち、基準照射位置ｐにおけるワーク表面の法線方向）が算出されると、これら算出値Ｚｆ，θ１，θ２に基づき、ステップＳ２，Ｓ３において調整されたロボット２のアーム先端及びレーザスキャナ３の位置及び姿勢のデータや基準照射位置ｐのデータが補正され、当該補正後のデータが教示データとして決定される（ステップＳ７）。
【００６８】
これにより、溶接作業を行うときに、溶接レーザの光軸を、基準照射位置ｐに向けて基準照射位置ｐにおけるワーク表面の法線方向に対して所要の角度だけ傾けることができる。なお、当該角度は０度を含み、光軸と法線とが一致する概念を含む。また、溶接レーザを基準照射位置ｐにおいて合焦させることができる。したがって、溶接レーザをワーク１０に最適に作用させることができ、溶接作業を良好に行うことができる。しかも、このような溶接作業を実現するための教示データが、カメラ６を利用して自動化される。このため、教示作業を容易且つ正確に行うことができる。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の装置の構成及び方法の手順は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
【００７０】
例えば、ステップＳ２，Ｓ３において、３本以上の案内レーザを照射してもよい。ステップＳ４において、基準形状は真円に限らず、正方形枠など、その他の形状であってもよい。この場合、ステップＳ５の傾斜角の算定式は適宜変更される。また、本発明の教示装置及び教示方法は、リモート溶接を行うロボットに限定されず、ワークの切断や穿孔等のその他のレーザ加工を行うロボットにも好適に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、教示作業を容易且つ正確に行うことができるという作用効果を奏し、リモート溶接作業を行うレーザ溶接ロボットに適用すると有益である。
【符号の説明】
【００７２】
１ レーザ溶接ロボット
２ ロボット
３ レーザスキャナ
４ レーザ発振器
５ 制御装置
６ カメラ
１０ ワーク
３１ 第１射出部
３２ 第２射出部
Ｌ１ 第１案内レーザ
Ｌ２ 第２案内レーザ
Ｌ 測定レーザ
Ａ１ （溶接レーザ及び第１案内レーザの）光軸
ｐ 基準照射位置
ｆ （溶接レーザ及び第１案内レーザの）交差点
Ｚｆ （第１射出部から焦点までの光軸方向における）距離
θ１ 第１傾斜角
θ２ 第２傾斜角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定レーザと加工レーザとを出力するレーザスキャナを有し、前記加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示方法であって、
前記ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置を制御する制御手順と、
前記レーザスキャナから照射された前記測定レーザが、前記ワークにおいて反射された反射光を測定する測定手順と、
前記反射光と前記基準図形を比較し、前記基準照射位置における前記ワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出手順と、
前記傾斜算出手順において算出された傾斜から前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成手順と、を有することを特徴とするレーザ加工ロボットの教示方法。
【請求項２】
前記制御手順において、前記ワーク上の前記基準照射位置を基準として予め定められた前記基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置の変更を連続して行い、
前記測定手順において、前記ワーク上における前記反射光の軌跡が測定される、請求項１に記載のレーザ加工ロボットの教示方法。
【請求項３】
前記基準図形は、前記加工レーザの光軸と直交する平面において、前記基準照射位置を中心とする円である、請求項１又は２に記載のレーザ加工ロボットの教示方法。
【請求項４】
前記レーザスキャナは、前記加工レーザと基準照射位置が同一の第１案内レーザと、前記第１案内レーザから離間した箇所から前記第１案内レーザの光軸と交差する光軸を有する第２案内レーザとを出力し、
前記測定手順において、前記第１案内レーザおよび第２案内レーザの反射光を測定し、前記レーザスキャナを前記第１案内レーザの光軸方向に移動させて、前記第２案内レーザの照射位置を前記第１案内レーザの照射位置へ移動させる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工ロボットの教示方法。
【請求項５】
加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示装置であって、
測定レーザと前記加工レーザとを出力するレーザスキャナと、
前記ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置を制御する制御部と、
前記レーザスキャナから照射された前記測定レーザが、前記ワークにおいて反射された反射光を測定する測定部と、を備え、
前記反射光と前記基準図形を比較し、前記基準照射位置における前記ワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出部と、
前記傾斜部が算出した傾斜から、前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成部と、を有していることを特徴とするレーザ加工ロボットの教示装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記ワーク上の前記基準照射位置を基準として予め定められた前記基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置の変更を連続して行い、前記測定部は、前記ワーク上における前記反射光の軌跡を測定する、請求項５に記載のレーザ加工ロボットの教示装置。
【請求項７】
前記基準図形は、前記加工レーザの光軸と直交する平面において、前記基準照射位置を中心とする円である、請求項５又は６に記載のレーザ加工ロボットの教示装置。
【請求項８】
前記レーザスキャナは、前記加工レーザと基準照射位置が同一の第１案内レーザと、前記第１案内レーザから離間した箇所から前記第１案内レーザの光軸と交差する光軸を有する第２案内レーザとを出力し、
前記測定部は、前記第１案内レーザおよび第２案内レーザの反射光を測定し、
前記制御部は、前記レーザスキャナを前記第１案内レーザの光軸方向に移動させて、前記第２案内レーザの照射位置を前記第１案内レーザの照射位置へ移動させる、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のレーザ加工ロボットの教示装置。
【請求項１】
測定レーザと加工レーザとを出力するレーザスキャナを有し、前記加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示方法であって、
前記ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置を制御する制御手順と、
前記レーザスキャナから照射された前記測定レーザが、前記ワークにおいて反射された反射光を測定する測定手順と、
前記反射光と前記基準図形を比較し、前記基準照射位置における前記ワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出手順と、
前記傾斜算出手順において算出された傾斜から前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成手順と、を有することを特徴とするレーザ加工ロボットの教示方法。
【請求項２】
前記制御手順において、前記ワーク上の前記基準照射位置を基準として予め定められた前記基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置の変更を連続して行い、
前記測定手順において、前記ワーク上における前記反射光の軌跡が測定される、請求項１に記載のレーザ加工ロボットの教示方法。
【請求項３】
前記基準図形は、前記加工レーザの光軸と直交する平面において、前記基準照射位置を中心とする円である、請求項１又は２に記載のレーザ加工ロボットの教示方法。
【請求項４】
前記レーザスキャナは、前記加工レーザと基準照射位置が同一の第１案内レーザと、前記第１案内レーザから離間した箇所から前記第１案内レーザの光軸と交差する光軸を有する第２案内レーザとを出力し、
前記測定手順において、前記第１案内レーザおよび第２案内レーザの反射光を測定し、前記レーザスキャナを前記第１案内レーザの光軸方向に移動させて、前記第２案内レーザの照射位置を前記第１案内レーザの照射位置へ移動させる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工ロボットの教示方法。
【請求項５】
加工レーザをワークに照射してレーザ加工を行うレーザ加工ロボットの教示装置であって、
測定レーザと前記加工レーザとを出力するレーザスキャナと、
前記ワーク上の基準照射位置を基準として予め定められた基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置を制御する制御部と、
前記レーザスキャナから照射された前記測定レーザが、前記ワークにおいて反射された反射光を測定する測定部と、を備え、
前記反射光と前記基準図形を比較し、前記基準照射位置における前記ワークの表面の傾斜を算出する傾斜算出部と、
前記傾斜部が算出した傾斜から、前記ロボットの姿勢に関する教示データを作成するデータ作成部と、を有していることを特徴とするレーザ加工ロボットの教示装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記ワーク上の前記基準照射位置を基準として予め定められた前記基準図形に基づき前記測定レーザを前記ワーク上に照射する際に、前記測定レーザの照射位置の変更を連続して行い、前記測定部は、前記ワーク上における前記反射光の軌跡を測定する、請求項５に記載のレーザ加工ロボットの教示装置。
【請求項７】
前記基準図形は、前記加工レーザの光軸と直交する平面において、前記基準照射位置を中心とする円である、請求項５又は６に記載のレーザ加工ロボットの教示装置。
【請求項８】
前記レーザスキャナは、前記加工レーザと基準照射位置が同一の第１案内レーザと、前記第１案内レーザから離間した箇所から前記第１案内レーザの光軸と交差する光軸を有する第２案内レーザとを出力し、
前記測定部は、前記第１案内レーザおよび第２案内レーザの反射光を測定し、
前記制御部は、前記レーザスキャナを前記第１案内レーザの光軸方向に移動させて、前記第２案内レーザの照射位置を前記第１案内レーザの照射位置へ移動させる、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のレーザ加工ロボットの教示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３５７８１（Ｐ２０１２−１３５７８１Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８８５５８（Ｐ２０１０−２８８５５８）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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