(57)【要約】【課題】レーザ加工ヘッドの３次元空間位置における正確なキャリブレーション方法を提供する。【解決手段】レーザ加工ヘッドに固定し、設定された制御点位置をロボット座標系の位置ｒｅｆ１として記憶して、制御点より複数の教示点ｒｅｆ．２〜ｒｅｆ．７を順次外部軸を回転させて設定して記憶し、制御点を基準とする複数の教示点のベース座標系に変換した位置ベクトルｃ１１〜ｃ３２を求めて、レーザ加工光の回転軸に平行で加工器に向かう単位ベクトルとしてのＺ軸方向単位ベクトルｅＬｆ１２を、複数の方向ベクトル７、８、９の平均化により求めるものである。【選択図】        図４
2004351450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
狙い位置へレーザ焦点を倣わせるための回転機構とレーザ焦点の回転範囲を狙い位置に移動させるためにレーザ加工ヘッド自体を移動する機構とを有する装置に用いられ、異なる座標系のキャリブレーションを行いレーザ焦点を狙い位置に倣わせる回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション装置において、
キャリブレーションプレート上のマーク点を前記レーザ加工ヘッドに予め固定された制御点ＴＯＯＬ０として指し、ロボット座標系の位置ｒｅｆ．１として記憶する制御点登録手段と、
前記制御点より前記レーザ加工ヘッドを所定パルス分だけ回転軸上を回転させてレーザ焦点が前記キャリブレーションプレート上のマーク点を指した後所定量上昇又は下降させて複数の教示点を設定し、前記複数の教示点のロボット座標系の各位置ｒｅｆ．２〜ｒｅｆ．７を記憶する教示点登録手段と、
前記位置ｒｅｆ１〜ｒｅｆ７のロボット座標系上の位置を用いて前記ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとしてｃ１１〜ｃ３２を求めてツール座標系への座標変換を行う教示点位置ベクトル演算手段と、
同様にレーザセンサ座標系による位置のロボット座標系上の位置を用いて前記ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとしてＳｃ、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３を求めてツール座標系への座標変換を行いレーザセンサ座標系を前記制御点からの相対位置として把握するセンサ位置ベクトル演算手段と、
前記レーザ加工ヘッドの回転軸に平行で加工ヘッドに向かう方向の単位ベクトルとして、前記位置ベクトルより複数の方向ベクトルを求めて合成した合成ベクトルを平均してツール座標系で表すＺ軸方向の単位ベクトルｅＬｆを求めるＺ軸方向単位ベクトル演算手段と、
前記加工レーザ回転基準面と複数のレーザ交点を求めるレーザ回転基準面交点演算手段と、
前記複数のレーザ回転基準面交点よりレーザ回転軸原点Ｌ０を求めるレーザー回転軸原点演算手段と、
前記センサの視野中心Ｓｃからレーザ回転基準面へ垂直に下ろした垂下点と、前記レーザ回転軸原点Ｌ０より前記垂下点へ向かう方向単位ベクトルを前記Ｚ軸方向単位ベクトルｅＬｆを基準にＸ軸方向への正面単位ベクトルｅｆｒとして求めるＸ軸方向単位ベクトル演算手段と、
前記Ｚ軸方向単位ベクトルとＸ軸方向単位ベクトルを乗算してＹ軸方向単位ベクトルｅＬｆ×ｅｆｒを求めるＹ軸方向単位ベクトル演算手段と、
を有していることを特徴とする回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション装置。
【請求項２】
狙い位置へレーザ焦点を倣わせるための回転機構とレーザ焦点の回転範囲を狙い位置に移動させるためにレーザ加工ヘッド自体を移動する機構とを有する装置に用いられ、異なる座標系のキャリブレーションを行いレーザ焦点を狙い位置に倣わせる回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法において、
キャリブレーションプレート上のマーク点を前記レーザ加工ヘッドに予め固定された制御点ＴＯＯＬ０として指し、ロボット座標系の位置ｒｅｆ．１として記憶し、
前記制御点より前記レーザ加工ヘッドを所定パルス分だけ回転軸上を回転させてレーザ焦点が前記キャリブレーションプレート上のマーク点を指した後所定量上昇又は下降させて複数の教示点を設定し、前記複数の教示点のロボット座標系の各位置ｒｅｆ．２〜ｒｅｆ．７を記憶し、
前記位置ｒｅｆ１〜ｒｅｆ７のロボット座標系上の位置を用いて前記ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとしてｃ１１〜ｃ３２を求めてツール座標系への座標変換をし、  同様にレーザセンサ座標系による位置のロボット座標系上の位置を用いて前記ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとしてＳｃ、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３を求めてツール座標系への座標変換を行いレーザセンサ座標系を前記制御点からの相対位置として把握し、
前記レーザ加工ヘッドの回転軸に平行で加工ヘッドに向かう方向の単位ベクトルとして、前記位置ベクトルより複数の方向ベクトルを求めて合成した合成ベクトルを平均してツール座標系で表すＺ軸方向の単位ベクトルｅＬｆを求め、
前記加工レーザ回転基準面と複数のレーザ交点を求め、
前記複数のレーザ回転基準面交点よりレーザ回転軸原点Ｌ０を求め、
前記センサの視野中心Ｓｃからレーザ回転基準面へ垂直に下ろした垂下点と、前記レーザ回転軸原点Ｌ０より前記垂下点へ向かう方向単位ベクトルを前記Ｚ軸方向単位ベクトルｅＬｆを基準にＸ軸方向への正面単位ベクトルｅｆｒとして求め、
前記求めたＺ軸方向単位ベクトルとＸ軸方向単位ベクトルを乗算してＹ軸方向単位ベクトルｅＬｆ×ｅｆｒを求め、
前記レーザ回転軸原点Ｌ０と、Ｘ軸姿勢成分ｅｆｒ、Ｚ軸姿勢成分ｅＬｆおよびＹ軸姿勢成分ｅＬｆ×ｅｆｒによりレーザ加工ヘッドの３次元位置への駆動指令を出力して、レーザ焦点を狙い位置に倣わせることを特徴とする回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法。
【請求項３】
前記ツール座標系の各教示点の位置ベクトルＣ１１〜Ｃ３２は、少なくとも３本の教示ラインを含む６点の位置ベクトルとして、
【数１】
2004351450.tif 000019
により求めることを特徴とする請求項２記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法。
【請求項４】
前記ツール座標系の各センサ位置ベクトルＳｃ、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３は、少なくとも４点の位置ベクトルとして、
【数２】
2004351450.tif 000020
により求めることを特徴とする請求項２又は３記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法。
【請求項５】
前記レーザ回転軸のＺ軸方向単位ベクトルを表すｅＬｆは、
【数３】
2004351450.tif 000021
により求めることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法。
【請求項６】
前記レーザ回転軸のＸ軸方向単位ベクトルを表すｅｆｒは、
【数４】
2004351450.tif 000022
により求めることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法。
【請求項７】
前記レーザ回転軸のＹ軸方向単位ベクトルは、
【数５】
2004351450.tif 000023
で表されることを特徴とする請求項５又は６記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法。
【請求項８】
前記レーザ加工ヘッドの駆動指令を出力するレーザ回転軸フレームは、
【数６】
2004351450.tif 000024
で表されることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、狙い位置へレーザ焦点を倣わせるための回転機構と、レーザ焦点の回転範囲を狙い位置に移動させるために加工ヘッドそのものを移動させる機構を持つロボット・アーム等の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法に関するものである。（なお、数式以外の文章中では方向ベクトルを表す矢印記号は全て省略する）。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザスリット光を対象ワークに照射して対象ワークの位置を求めて、検出した対象ワークの位置により産業用ロボットの軌跡を修正するような場合、カメラで検出したレーザスリット光の位置を産業用ロボットの座標上の位置に変換するキャリブレーション作業が必要である。
【０００３】
図１１は特許文献１に開示の「レーザ加工ロボットのワーク倣い装置」の断面図であり、６軸多関節のＹＡＧレーザ溶接ロボット・アームＲａの先端に、レーザビームノズルＨａを備えたレーザ加工ヘッドＨが設置されている。ワークＷは３辺の両肩部ｗを溶接するようなチャンネル形状である。キャリヤ部材２０１には各固定ネジ１０４によりレーザビームノズルＨａがＺ方向下向き姿勢に固定され、更に、キャリヤ部材２０１にはサイドローラ２０２及び上下ローラ２０３がＺ方向軸心及びＸ方向軸心回りに自由回転可能に配設されている。
一対のサイドローラ２０２は圧縮コイルばね２０５によって常に所定圧力でワークＷの外側周辺壁面Ｗａに押圧され、一対のワークローラ２０３は自重を含む圧力でワークＷを頂表面Ｗｂに対して押圧されて、それぞれキャリヤ２０１の両表面Ｗａ、Ｗｂにすき間なく倣って追随できるように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２４８６８３号公報（第２〜３頁、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術において特許文献１の場合は、機械的な倣い装置であり、特に大型サイズのワークに対して効果があるとされているものであるが、小形ワーク等については精度が悪く、また、少量多品種の生産ラインでは位置決めピン等のワークのセッティング用工具以外に、いちいち高価な機械式の倣い装置を製作して１生産ライン毎に使い捨てるのは無駄が多いという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、キャリブレーションプレートを用いて制御点・教示点をセッティングし、位置・方向ベクトル演算を用いてベース座標系への座標変換を行って、高さ方向（Ｚ軸方向）の単位方向ベクトルを求め、これを基準にＸ軸及びＹ軸成分の単位方向ベクトルを求める高精度な３次元キャリブレーションによって、低コストな構成で、狙い位置にレーザ焦点を正確に迅速に照射できる倣い制御を実施できる回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載のキャリブレーション装置の発明は、狙い位置へレーザ焦点を倣わせるための回転機構とレーザ焦点の回転範囲を狙い位置に移動させるためにレーザ加工ヘッド自体を移動する機構とを有する装置に用いられ、異なる座標系のキャリブレーションを行いレーザ焦点を狙い位置に倣わせる回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション装置において、
キャリブレーションプレート上のマーク点を前記レーザ加工ヘッドに予め固定された制御点ＴＯＯＬ０として指し、ロボット座標系の位置ｒｅｆ．１として記憶する制御点登録手段と、前記制御点より前記レーザ加工ヘッドを所定パルス分だけ回転軸上を回転させてレーザ焦点が前記キャリブレーションプレート上のマーク点を指した後所定量上昇又は下降させて複数の教示点を設定し、前記複数の教示点のロボット座標系の各位置ｒｅｆ．２〜ｒｅｆ．７を記憶する教示点登録手段と、前記位置ｒｅｆ１〜ｒｅｆ７のロボット座標系上の位置を用いて前記ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとしてｃ１１〜ｃ３２を求めてツール座標系への座標変換を行う教示点位置ベクトル演算手段と、同様にレーザセンサ座標系による位置のロボット座標系上の位置を用いて前記ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとしてＳｃ、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３を求めてツール座標系への座標変換を行いレーザセンサ座標系を前記制御点からの相対位置として把握するセンサ位置ベクトル演算手段と、前記レーザ加工ヘッドの回転軸に平行で加工ヘッドに向かう方向の単位ベクトルとして、前記位置ベクトルより複数の方向ベクトルを求めて合成した合成ベクトルを平均してツール座標系で表すＺ軸方向の単位ベクトルｅＬｆを求めるＺ軸方向単位ベクトル演算手段と、前記加工レーザ回転基準面と複数のレーザ交点を求めるレーザ回転基準面交点演算手段と、
前記複数のレーザ回転基準面交点よりレーザ回転軸原点Ｌ０を求めるレーザー回転軸原点演算手段と、前記センサの視野中心Ｓｃからレーザ回転基準面へ垂直に下ろした垂下点と、前記レーザ回転軸原点Ｌ０より前記垂下点へ向かう方向単位ベクトルを前記Ｚ軸方向単位ベクトルｅＬｆを基準にＸ軸方向への正面単位ベクトルｅｆｒとして求めるＸ軸方向単位ベクトル演算手段と、前記Ｚ軸方向単位ベクトルとＸ軸方向単位ベクトルを乗算してＹ軸方向単位ベクトルｅＬｆ×ｅｆｒを求めるＹ軸方向単位ベクトル演算手段と、を有していることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明のキャリブレーション方法は、狙い位置へレーザ焦点を倣わせるための回転機構とレーザ焦点の回転範囲を狙い位置に移動させるためにレーザ加工ヘッド自体を移動する機構とを有する装置に用いられ、異なる座標系のキャリブレーションを行いレーザ焦点を狙い位置に倣わせる回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法において、キャリブレーションプレート上のマーク点を前記レーザ加工ヘッドに予め固定された制御点ＴＯＯＬ０として指し、ロボット座標系の位置ｒｅｆ．１として記憶し、前記制御点より前記レーザ加工ヘッドを所定パルス分だけ回転軸上を回転させてレーザ焦点が前記キャリブレーションプレート上のマーク点を指した後所定量上昇又は下降させて複数の教示点を設定し、前記複数の教示点のロボット座標系の各位置ｒｅｆ．２〜ｒｅｆ．７を記憶し、前記位置ｒｅｆ１〜ｒｅｆ７のロボット座標系上の位置を用いて前記ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとしてｃ１１〜ｃ３２を求めてツール座標系への座標変換をし、同様にレーザセンサ座標系による位置のロボット座標系上の位置を用いて前記ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとしてＳｃ、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３を求めてツール座標系への座標変換を行いレーザセンサ座標系を前記制御点からの相対位置として把握し、前記レーザ加工ヘッドの回転軸に平行で加工ヘッドに向かう方向の単位ベクトルとして、前記位置ベクトルより複数の方向ベクトルを求めて合成した合成ベクトルを平均してツール座標系で表すＺ軸方向の単位ベクトルｅＬｆを求め、前記加工レーザ回転基準面と複数のレーザ交点を求め、前記複数のレーザ回転基準面交点よりレーザ回転軸原点Ｌ０を求め、前記センサの視野中心Ｓｃからレーザ回転基準面へ垂直に下ろした垂下点と、前記レーザ回転軸原点Ｌ０より前記垂下点へ向かう方向単位ベクトルを前記Ｚ軸方向単位ベクトルｅＬｆを基準にＸ軸方向への正面単位ベクトルｅｆｒとして求め、前記求めたＺ軸方向単位ベクトルとＸ軸方向単位ベクトルを乗算してＹ軸方向単位ベクトルｅＬｆ×ｅｆｒを求め、前記レーザ回転軸原点Ｌ０と、Ｘ軸姿勢成分ｅｆｒ、Ｚ軸姿勢成分ｅＬｆおよびＹ軸姿勢成分ｅＬｆ×ｅｆｒによりレーザ加工ヘッドの３次元位置への駆動指令を出力して、レーザ焦点を狙い位置に倣わせることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法において、前記ツール座標系の各教示点の位置ベクトルＣ１１〜Ｃ３２が、少なくとも３本の教示ラインを含む６点の位置ベクトルとして、
【数７】
2004351450.tif 000003
により求めることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法において、前記ツール座標系の各センサ位置ベクトルＳｃ、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３が、少なくとも４点の位置ベクトルとして、
【数８】
2004351450.tif 000004
により求めることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、請求項２〜４のいずれか１項記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法において、前記レーザ回転軸のＺ軸方向単位ベクトルを表すｅＬｆが、
【数９】
2004351450.tif 000005
で求めることを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項２〜５のいずれか１項記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法において、前記レーザ回転軸のＸ軸方向単位ベクトルを表すｅｆｒが、
【数１０】
2004351450.tif 000006
により求めることを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法において、前記レーザ回転軸のＹ軸方向単位ベクトルが、
【数１１】
2004351450.tif 000007
で表されることを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、請求項２〜７のいずれか１項記載の回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法において、前記レーザ加工ヘッドの駆動指令を出力するレーザ回転軸フレームが、
【数１２】
2004351450.tif 000008
で表されることを特徴としている。
【００１１】
この回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法によれば、
先ず、キャリブレーションプレート上のマーク点を指し、この点を予めレーザ加工ノズルに対して相対位置が変化しない固定された制御点のロボット（あるいはツール）座標系上の位置ｒｅｆ．１として記憶・登録し、これを基準に加工ノズルの回転軸に沿って複数の教示点ｒｅｆ・２〜ｒｅｆ．７をロボット座標系として設定し、これら教示点を制御点ＴＯＯＬ０を基準として位置・方向ベクトルで表すベース座標系に変換する位置ベクトルｃ１１〜ｃ３２を演算して、３本の教示ラインによる方向ベクトルｅｃ１〜ｅｃ３より、同一方向の合成ベクトルをベクトル計算によって求めて、合成ベクトルの大きさ（絶対値）で除算し平均化することにより、先ず、Ｚ軸方向単位ベクトルｅＬｆを演算する。
これによって、正面方向の単位ベクトルｅｆｒの計算については、レーザ回転基準面１１とのレーザ交点ｄ１〜ｄ３を求め、同一円上のｄ１〜ｄ３よりレーザ回転軸原点Ｌ０を求めて、レーザセンサの視野中心Ｓｃのレーザ回転基準面１１との垂直垂下点と、レーザ回転軸原点Ｌ０とのキャリブレーションによる比較値と、先に求めたＺ軸方向の単位ベクトルｅＬｆを用いて、レーザ回転軸原点Ｌ０とセンサ視点Ｓｃの垂下位置へ向かうＸ軸方向の単位ベクトルｅｆｒを演算し、Ｙ軸方向の単位ベクトルを、ｅＬｆ×ｅｆｒ、により求めて、ツール座標軸系のベクトル演算によるレーザ回転軸のフレーム出力が得られる。最後に、このフレーム出力を実際の制御パルスｕ０に変換して出力することによって正確な倣い制御が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法の制御点および教示点を示す図である。
図２は図１に示す教示点の取込方法を示す図である。
図３はレーザ回転軸の方向ベクトル平均化の説明図である。
図４はレーザの回転基準面の３つのレーザ交点を示す図である。
図５は図４に示すレーザ交点の演算説明図である。
図６はレーザの回転軸原点を示す図である。
図７はレーザの正面方向ベクトルを示す図である。
図８は図７に示すレーザ焦点回転軸のフレーム表現を示す図である。
図９は図１に示す回転機構付きレーザ加工ヘッドのカリブレーション方法で使用されるレーザ加工ヘッドの構造を示す図である。
【００１３】
図１において、図１（ａ）に示す、１は多関節ロボットのアーム先端に装着されるレーザ加工ヘッドからワークに加工用のレーザ光を照射するＹＡＧレーザ等の加工ノズルであり、例えば、図９に示すような、レーザ加工ヘッド２０からＹＡＧレーザ光線６を照射して加工を行い、レーザ光線回転用モータ２２により加工ヘッド２０から照射されるＹＡＧレーザの光軸を回転させ、教示点等に測定用のレーザスリット光１０を照射してセンサ・カメラ２３により撮像するような構造のものである。２は予め設定された制御点ＴＯＯＬ０で、ロボット座標系（又は、ツール座標系）（ｘ、ｙ、ｚ）３で表される。４はキャリブレーションプレートで、測定用のレーザスリット光を照射して受光するカメラ２３等のセンサ座標系とツール座標系などのキャリブレーションに用いるプレートである。５はキャリブレーションプレート４上にマークされたマーク点である。
【００１４】
つぎに動作について説明する。
先ず、図１（ａ）に示すように、ＹＡＧレーザ加工ノズル１に対し固定されている制御点ＴＯＯＬ０により、キャリブレーションプレート４のマーク５を指すように位置をロボット制御装置（図示していない）により移動制御する。この加工ノズル１の位置をロボット座標系の位置ｒｅｆ．１として記憶させる。
次に、加工ヘッドの外部軸をエンコーダの任意のパルスｕ１分だけ回転させ、図１（ｂ）に示すように、レーザ照射光６の焦点がマーク点を指すように移動させて、ロボット座標系の位置としてｒｅｆ．２を記憶させる。続いて、回転位置はそのままで、レーザ加工ヘッドを上昇させ、レーザ焦点がマーク位置を指す位置をロボット座標系のｒｅｆ．３として記憶させる。
【００１５】
次に、外部軸を任意パルスｕ２分、回転させ、図１（ｃ）に示すように、ｒｅｆ．２と同じ高さまでヘッドを下降させて、レーザ焦点がマーク点を指す位置をロボット座標系によりｒｅｆ．４として記憶させる。回転軸の位置はそのまま、レーザ加工ヘッドを上昇させて、レーザ焦点がマーク点を指す位置をｒｅｆ．５として記憶させる。
同様にして、外部軸を任意バルスｕ３分、回転させて、ｒｅｆ．４と同じ高さにレーザ加工ヘッドを下降させ、その位置をｒｅｆ．６として記憶させる。外部回転軸の位置はそのままに、ｒｅｆ．５と同じ高さまでレーザ加工ヘッドを上昇させ、ｒｅｆ．７として記憶させる。（なお、以上のティーチングポイント（教示点）の設定は任意である）。
【００１６】
次に、以上により形成した教示点ｒｅｆ．２〜ｒｅｆ．７を、図２に示すように、位置ベクトルｃ１１〜ｃ３２としてシステムへ取込み、ロボット座標系の制御点ＴＯＯＬ０を基準とするツール座標系への変換を行う。
先ず、位置ベクトルｃ１１〜ｃ３２の演算は、ｒｅｆ．１〜ｒｅｆ．７のロボット座標系上の位置、（ｒｅｆ．１）ＲＦ〜（ｒｅｆ．７）ＲＦを用い、ＴＯＯＬ０上の位置ベクトルとして（ｒｅｆ．１）ＲＦを基準に次式のように求める。
【数１３】
2004351450.tif 000009
【００１７】
また、図２の１０はセンサ系のレーザスリット光であり、例えば、センサ座標系とロボット座標系のキャリブレーション用にＳｃ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の４点を求めている。
この場合のＳｃ〜Ｓ３は、対応するｒｅｆ．２´〜ｒｅｆ．５´のロボット座標系の位置（ｒｅｆ．２´）ＲＦ〜（ｒｅｆ．５´）ＲＦを用いて、制御点ｒｅｆ．１より、次式のように求め、
【数１４】
2004351450.tif 000010
このセンシングに用いるレーザセンサ座標系を、カリブレーションによる制御点ｒｅｆ．１からの相対位置として把握する。
【００１８】
次に、レーザ回転軸の方向ベクトルを求める。図２に示すように、ｒｅｆ．２〜ｒｅｆ．３相当のｃ１１〜ｃ１２の教示ライン７は、ＹＡＧレーザ光軸のパルスｕ１分の回転の場合の教示ラインであり、ｒｅｆ．４〜ｒｅｆ．５によるｃ２１〜ｃ２２の教示ライン８はパルスｕ２の場合の、ｒｅｆ．６〜ｒｅｆ．７相当のｃ３１〜ｃ３２の教示ライン９はパルスｕ３の場合の教示ラインである。（なお、教示ラインの設定はこれに限定されない）。
【００１９】
図３に示すように、教示ラインｃ１１〜ｃ１２、ｃ２１〜ｃ２２、ｃ３１〜ｃ３２による方向ベクトルｅｃ１：７、ｅｃ２：８，ｅｃ３：９を、次式で、
【数１５】
2004351450.tif 000011
求め（式中、分母は絶対値）、図３に示すように、３個の方向ベクトルを合成し、平均化することによって、次式のように、
【数１６】
2004351450.tif 000012
３つの方向ベクトルを平均した高さ方向の単位方向ベクトル（Ｚ軸方向）を求める（式中の分母は絶対値）。
【００２０】
続いて、図４に示すように、レーザ回転基準面上の３つのレーザ交点、ｄ１〜ｄ３を求める。
先ず、単位方向ベクトルｅＬｆに垂直な面で制御点ＴＯＯＬ０と交わる平面をレーザ回転基準面１１とし、レーザ回転基準面と位置ベクトルｃ１１、ｃ１２を通る直線の交点をベクトルｄ１とする。同じくレーザ回転基準面１１とベクトルｃ２１、ｃ２２を通る直線の交点をベクトルｄ２とし、また、ベクトルｃ３１、ｃ３２を通る直線の交点をベクトルｄ３として、次式により、
【数１７】
2004351450.tif 000013
求める。
【００２１】
なお、ここでｌ１、ｌ２、ｌ３は図５に示すように＜解法１＞により、ｌ１は以下のように求める。（ｌ２、ｌ３も同様である）。
【数１８】
2004351450.tif 000014
【００２２】
次に、レーザ回転軸原点Ｌ０を求める。
図６に示すように、３点ｄ１〜ｄ３の座標が分かれば、＜解法２＞により求める。
＜解法２＞により、Ｌ０は以下のように、
【数１９】
2004351450.tif 000015
求められる。
【００２３】
次に、レーザ回転軸の正面方向ベクトルｅｆｒを求める。
図７に示すように、カメラ座標系で示すレーザセンサの視野中心位置ベクトルＳｃから、レーザ回転基準面１１へ垂直に下ろした足を、
【数２０】
2004351450.tif 000016
と計算すると（なお、上式の右辺、第２項は図７におけるＳｃ−Ｓｃ⊥の長さを表す、また、Ｌ０−Ｓｃはツール座標系とセンサ座標系の座標差を表す）、レーザ回転軸原点Ｌ０１３からＳｃの足へ向かう単位ベクトルｅｆｒを次式で、Ｚ軸方向単位ベクトルを用いて、
【数２１】
2004351450.tif 000017
と求める。
【００２４】
以上より、レーザ回転軸のＺ軸方向単位ベクトルｅＬｆ、Ｘ軸方向単位ベクトルｅｆｒが得られると、Ｙ軸成分の単位ベクトルはｅＬｆ×ｅｆｒとして求めることができるので、図８に示すように、レーザ回転軸の倣い制御は、原点位置：Ｌ０１３、姿勢成分（ｘ軸）：ｅｆｒ１５、姿勢成分（ｚ軸）：ｅＬｆ１２、姿勢成分（ｙ軸）：ｅｌｆ×ｅｆｒ１６より、レーザ焦点回転軸のフレーム表現として次の行列式、
【数２２】
2004351450.tif 000018
によって教示点のプレイバック方式による倣い制御出力が可能になる。
【００２５】
次に、最初に設定した教示点ｃ１１〜ｃ３２をティーチング・ポイントとしてプレイバックの例を、図１０のフローチャートを用いて説明する。
記録してある教示点ｒｅｆ．１〜ｒｅｆ．７を読出し（Ｓ１００）、位置ベクトル演算手段により、（１）式のような制御点ＴＯＯＬ０を基準としたツール座標系に変換した位置ベクトルｃ１１〜ｃ３２を演算し、３次元キャリブレーションを行う（Ｓ１０１）。
【００２６】
求めた位置ベクトルｃ１１〜ｃ３２より演算したレーザ回転軸（Ｚ軸方向）の単位ベクトルｅＬｆを基準に、高さ方向（Ｚ軸）の方向単位ベクトルを算出し、ツール座標系による高さ方向のＺ軸の正確な制御が実施できる（Ｓ１０２）。
次に、レーザ光軸が回転基準面１１と交わるｄ１、ｄ２、ｄ３を、（２）式によって計算して（Ｓ１０３）、
（３）式より回転軸原点Ｌ０を求め（Ｓ１０４）。
正面方向（Ｘ軸方向）ベクトルｅｆｒを、Ｚ軸方向の単位ベクトルｅＬｆを基準スケールとして求め（Ｓ１０５）、空間的・３次元的なレーザ回転軸フレームを（４）式により算出して（Ｓ１０６）、ツール座標系に戻してレーザ加工ヘッドの移動・回転量指令パルス値Ｕ０を算出して、レーザ加工光を狙い位置へ正確に駆動する倣い制御を行う（１０７）。
以上のように、正確な３次元キャリブレーションを実施するためにツール座標系を設定して行うベクトル演算は、フレーム出力Ｌｆの計算まで行われ、最終的にはレーザ加工ヘッドの駆動指令として、（４）式のフレーム出力ＬｆをパルスＵ０として変換出力すればよいので、演算スピードが向上する。
また、以上、プレイバック例として教示点Ｃ１１〜ｃ３２のプレイバックを説明したが、この教示点ｃ１１〜ｃ３２を含む３次元のキャリブレーションを実施した後に、改めて、作業対象のワーク上の作業点をロボットに教示して実際の作業を行うようにすればよい。
【００２７】
このように、本実施の形態によれば、２次元のキャリブレーションプレート上のマーク点を用いて、制御点ＴＯＯＬ０と教示点ｃ１１〜ｃ３２の設定によるツール座標系への変換・設定を行い、レーザ加工ヘッドの回転軸上に３本の教示ラインｅｃ１、ｅｃ２、ｅｃ３を作成して、この３本の教示ラインの合成ベクトルを求めて平均化することによって、Ｚ軸方向の単位ベクトルを生成し、この高さ方向の単位ベクトルを基準スケールに、Ｘ軸方向の単位ベクトルとＹ軸上の単位ベクトルを生成して、レーザ加工ヘッドの倣い制御位置を、センサ座標系上で３次元方向ベクトルとして制御できるので、迅速で高さ方向も正確な空間的・３次元的な作業点の倣い制御が可能になる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、狙い位置へレーザ焦点を倣わせるための回転機構を有して、ツール座標系へのキャリブレーションを行い、制御点の位置ｒｅｆ１と複数の教示点位置ｒｅｆ２〜ｒｅｆ７のベクトル演算によるツール座標系上の位置ベクトルｃ１１〜ｃ３２を求め、レーザセンサ座標系の位置についてもツール座標系の位置ベクトルＳｃ、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３を求めて、レーザ加工光の回転軸に平行で加工器に向かう単位ベクトルとしてのレーザ回転軸の方向ベクトルｅＬｆを、複数の教示ラインによる方向ベクトルを合成した合成ベクトルの平均としてツール座標系で表すＺ軸方向の単位ベクトルとして求め、センサの視野中心Ｓｃからレーザ回転基準面へ垂直に下ろした足Ｓｃ⊥に向う、レーザ回転軸原点Ｌ０からの方向単位ベクトルをＸ軸方向の単位ベクトルｅｆｒとして計算し、回転軸原点Ｌ０と、Ｘ軸姿勢成分ｅｆｒ、Ｚ軸姿勢成分ｅＬｆ、Ｙ軸姿勢成分ｅＬｆ×ｅｆｒによりレーザ加工ヘッドの駆動位置を空間的、３次元的に指令し、レーザ焦点を迅速に狙い位置に倣わせるように構成したので、コストアップに繋がらない簡単な構成で、教示点の位置・方向ベクトルによるツール座標系を設定し、高さ方向およびＸ軸、Ｙ軸成分の単位方向ベクトルを求めて高精度な３次元キャリブレーションを実施することで、狙い位置にレーザ焦点を正確に迅速に照射できる倣い制御を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法の制御点および教示点を示す図である。
【図２】図１に示す教示点の取込方法を示す図である。
【図３】レーザ回転軸の方向ベクトル平均化の説明図である。
【図４】レーザの回転基準面上の３つのレーザ交点を示す図である。
【図５】図４に示すレーザ交点の演算説明図である。
【図６】レーザの回転軸原点を示す図である。
【図７】レーザの正面方向ベクトルを示す図である。
【図８】図７に示すレーザ焦点回転軸のフレーム表現を示す図である。
【図９】図１に示す回転機構付きレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法で使用されるレーザ加工ヘッドの構造を示す図である。
【図１０】図１に示すレーザ加工ヘッドのキャリブレーション方法のフローチャートである。
【図１１】従来のレーザ加工ロボットのワーク倣い装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
１  加工ノズル
２  制御点ＴＯＯＬ０
３  ツール座標系
４  キャリブレーションプレート
５  マーク
６  レーザ照射光
７、８、９  教示ライン
１０  レーザスリット光
１１  レーザ回転基準面
１２  Ｚ軸方向単位ベクトルｅＬｆ
１３  レーザ回転軸原点Ｌ０
１４  Ｓｃ⊥
１５  Ｘ軸方向単位ベクトルｅｆｒ
１６  Ｙ軸方向単位ベクトルｅｆｒ×ｅＬｆ
２０  レーザ加工ヘッド
２２  レーザ光線回転用モータ
２３  レーザセンサカメラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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