JP4244705B2

JP4244705B2 - Calibration apparatus and method for laser processing head with rotating mechanism

Info

Publication number: JP4244705B2
Application number: JP2003150942A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎福島
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP2004351450A

Description

【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】

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】

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】

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】

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】

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】

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】

【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】

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】

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】

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】

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】

【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】

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】

と計算すると（なお、上式の右辺、第２項は図７におけるＳｃ−Ｓ_c _⊥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】

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】

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Ｓ_c _⊥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
１２Ｚ軸方向単位ベクトルｅＬｆ
１３レーザ回転軸原点Ｌ０
１４Ｓ_c _⊥
１５Ｘ軸方向単位ベクトルｅｆｒ
１６Ｙ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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser with a rotation mechanism such as a robot arm having a rotation mechanism for causing the laser focus to follow the target position, and a mechanism for moving the machining head itself to move the rotation range of the laser focus to the target position. The present invention relates to a processing head calibration method. (Note that all arrow symbols representing direction vectors are omitted in sentences other than mathematical expressions).
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when the position of the target workpiece is obtained by irradiating the target workpiece with laser slit light, and the locus of the industrial robot is corrected based on the detected position of the target workpiece, the position of the laser slit light detected by the camera is determined. Calibration work to convert to the position on the coordinates of the industrial robot is necessary.
[0003]
FIG. 11 is a cross-sectional view of a “laser machining robot workpiece copying apparatus” disclosed in Patent Document 1, and a laser machining head provided with a laser beam nozzle Ha at the tip of a 6-axis articulated YAG laser welding robot arm Ra. H is installed. The workpiece W has a channel shape that welds both shoulders w on three sides. The laser beam nozzle Ha is fixed to the carrier member 201 in the Z-direction downward posture by the fixing screws 104, and the side roller 202 and the upper and lower rollers 203 are free to rotate around the Z-direction axis and the X-direction axis. It is rotatably arranged.
The pair of side rollers 202 is always pressed against the outer peripheral wall surface Wa of the workpiece W by a compression coil spring 205, and the pair of workpiece rollers 203 presses the workpiece W against the top surface Wb with pressure including its own weight. Each is configured to follow the both surfaces Wa and Wb of the carrier 201 without any gaps.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-248683 (pages 2 and 3, FIG. 2)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional technique, the case of Patent Document 1 is a mechanical copying apparatus, which is particularly effective for a large-sized workpiece. However, the accuracy of a small workpiece is poor. In addition, in the production line of small quantities and various types, it is wasteful to manufacture expensive mechanical copying devices and dispose them one by one in addition to tools for setting workpieces such as positioning pins. It was.
[0006]
Therefore, the present invention sets a control point / teach point using a calibration plate, performs coordinate conversion to the base coordinate system using a position / direction vector calculation, and performs a unit in the height direction (Z-axis direction). Scan control that can accurately and quickly irradiate the laser focus to the target position with a low-cost configuration through high-accuracy three-dimensional calibration that obtains the direction vector and obtains the unit direction vector of the X-axis and Y-axis components based on this. It is an object of the present invention to provide a calibration method for a laser processing head with a rotation mechanism that can implement the above.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of the calibration device according to claim 1 includes a rotation mechanism for causing the laser focus to follow the target position and a laser processing head for moving the rotation range of the laser focus to the target position. In a calibration apparatus for a laser processing head with a rotation mechanism that is used in an apparatus having a mechanism that moves itself, calibrates a different coordinate system, and follows a laser focus to a target position,
A mark point on the calibration plate is indicated as a control point TOOL0 fixed in advance to the laser processing head, and the position ref. A control point registering means for storing as 1, and the laser processing head is rotated on the rotation axis by a predetermined pulse from the control point, and the laser focus points to the mark point on the calibration plate and then rises or falls by a predetermined amount A plurality of teaching points, and each position ref. Of the robot coordinate system of the plurality of teaching points is set. 2-ref. 7 and teaching point position for performing coordinate conversion to the tool coordinate system by obtaining c11 to c32 as position vectors on the TOOL0 using the positions of the positions ref1 to ref7 on the robot coordinate system. Similarly to the vector calculation means, Sc, S1, S2 and S3 are obtained as position vectors on the TOOL0 using the positions on the robot coordinate system of the positions based on the laser sensor coordinate system, and the coordinates are converted to the tool coordinate system to perform laser conversion. Sensor position vector calculation means for grasping a sensor coordinate system as a relative position from the control point, and a plurality of direction vectors from the position vector as unit vectors in a direction parallel to the rotation axis of the laser processing head and toward the processing head A unit vector eLf in the Z-axis direction expressed in the tool coordinate system is obtained by averaging the obtained synthesized vectors. And Z-axis unit vector calculating means that, laser rotational reference plane intersection calculation means for calculating the working laser rotating reference plane and a plurality of laser intersection,
Laser rotation axis origin calculation means for obtaining a laser rotation axis origin L0 from the plurality of laser rotation reference plane intersections, a drooping point perpendicular to the laser rotation reference plane from the visual field center Sc of the sensor, and the laser rotation axis origin L0 X-axis direction unit vector calculating means for obtaining a direction unit vector toward the drooping point as a front unit vector efr in the X-axis direction with reference to the Z-axis direction unit vector eLf, and the Z-axis direction unit vector and the X-axis direction Y-axis direction unit vector calculating means for multiplying a unit vector to obtain a Y-axis direction unit vector eLf × efr.
[0008]
The calibration method according to the second aspect of the present invention includes a rotation mechanism for causing the laser focus to follow the target position, and a mechanism for moving the laser processing head itself to move the rotation range of the laser focus to the target position. In a method of calibrating a laser processing head with a rotation mechanism that is used in an apparatus and calibrates a different coordinate system and follows a laser focus to a target position, a mark point on a calibration plate is fixed to the laser processing head in advance. As a control point TOOL0, the position ref. 1 is stored, and the laser processing head is rotated on the rotation axis by a predetermined number of pulses from the control point, and the laser focus is pointed to a mark point on the calibration plate and then raised or lowered by a predetermined amount to give a plurality of teachings. A point is set, and each position ref. 2-ref. 7 is stored, c11 to c32 are obtained as position vectors on the TOOL0 using the positions of the positions ref1 to ref7 on the robot coordinate system, and the coordinates are converted to the tool coordinate system. Similarly, according to the laser sensor coordinate system Sc, S1, S2, and S3 are obtained as position vectors on the TOOL0 using the position of the position on the robot coordinate system, coordinate conversion to the tool coordinate system is performed, and the laser sensor coordinate system is set as a relative position from the control point. A Z-axis direction represented by a tool coordinate system by grasping and averaging a synthesized vector obtained by combining a plurality of direction vectors from the position vector as a unit vector in a direction toward the machining head parallel to the rotation axis of the laser machining head The unit vector eLf is obtained, the machining laser rotation reference plane and a plurality of laser intersection points are obtained, and the plurality of laser rotation references are obtained. A laser rotation axis origin L0 is obtained from the intersection, and a drooping point perpendicular to the laser rotation reference plane from the field-of-view center Sc of the sensor and a direction unit vector from the laser rotation axis origin L0 to the drooping point are expressed in the Z-axis direction. The front unit vector efr in the X-axis direction is obtained with reference to the unit vector eLf, and the Y-axis direction unit vector eLf × efr is obtained by multiplying the obtained Z-axis direction unit vector and the X-axis direction unit vector, and the laser rotation A drive command to the three-dimensional position of the laser machining head is output by the axis origin L0, the X-axis attitude component efr, the Z-axis attitude component eLf, and the Y-axis attitude component eLf × efr, and the laser focus is made to follow the target position. It is characterized by that.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the method of calibrating a laser processing head with a rotating mechanism according to the second aspect, the position vectors C11 to C32 of each teaching point in the tool coordinate system include at least three teaching lines. As a position vector of 6 points including,
[Expression 7]

It is characterized by obtaining by.
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for calibrating a laser processing head with a rotating mechanism according to the second or third aspect, each of the sensor position vectors Sc, S1, S2 and S3 of the tool coordinate system has at least four points. As the position vector of
[Equation 8]

It is characterized by obtaining by.
[0010]
The invention according to claim 5 is the method of calibrating a laser processing head with a rotation mechanism according to any one of claims 2 to 4, wherein eLf representing a Z-axis direction unit vector of the laser rotation axis is:
[Equation 9]

It is characterized by demanding.
The invention according to claim 6 is the method of calibrating a laser processing head with a rotation mechanism according to any one of claims 2 to 5, wherein efr representing an X-axis direction unit vector of the laser rotation axis is:
[Expression 10]

It is characterized by obtaining by.
The invention according to claim 7 is the method of calibrating a laser processing head with a rotation mechanism according to

claim

5 or 6, wherein the Y-axis direction unit vector of the laser rotation axis is:
[Expression 11]

It is characterized by being expressed.
The invention according to claim 8 is the method of calibrating a laser processing head with a rotating mechanism according to any one of claims 2 to 7, wherein the laser rotating shaft frame that outputs a drive command for the laser processing head comprises:
[Expression 12]

It is characterized by being expressed.
[0011]
According to the calibration method of this laser processing head with a rotation mechanism,
First, a mark point on the calibration plate is pointed, and this point is set to a position ref. On the robot (or tool) coordinate system of a fixed control point whose relative position does not change with respect to the laser processing nozzle. 1 is stored and registered, and a plurality of teaching points ref · 2 to ref. 7 is set as a robot coordinate system, and position vectors c11 to c32 for converting these teaching points into a base coordinate system represented by position / direction vectors with reference to the control point TOOL0 are calculated, and a direction vector ec1 by three teaching lines is calculated. From ~ ec3, a combined vector in the same direction is obtained by vector calculation, and is divided by the magnitude (absolute value) of the combined vector and averaged, thereby first calculating the Z-axis direction unit vector eLf.
Thus, for the calculation of the unit vector efr in the front direction, the laser intersections d1 to d3 with the laser rotation reference plane 11 are obtained, the laser rotation axis origin L0 is obtained from d1 to d3 on the same circle, and the field of view of the laser sensor Using the comparison value by calibration between the vertical droop point of the center Sc with respect to the laser rotation reference plane 11 and the laser rotation axis origin L0 and the unit vector eLf obtained in the Z-axis direction, the laser rotation axis origin L0 and A unit vector efr in the X-axis direction toward the drooping position of the sensor viewpoint Sc is calculated, and a unit vector in the Y-axis direction is obtained by eLf × efr, and a frame output of the laser rotation axis is obtained by vector calculation in the tool coordinate axis system. It is done. Finally, accurate scanning control can be performed by converting this frame output into an actual control pulse u0 and outputting it.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing control points and teaching points of a calibration method for a laser processing head with a rotating mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a method for fetching teaching points shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram of direction vector averaging of the laser rotation axis.
FIG. 4 is a diagram showing three laser intersections on the rotation reference plane of the laser.
FIG. 5 is a diagram for explaining the calculation of the laser intersection shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing the origin of rotation of the laser.
FIG. 7 is a diagram showing the front direction vector of the laser.
FIG. 8 is a diagram showing a frame representation of the laser focus rotation axis shown in FIG.
FIG. 9 is a view showing the structure of a laser processing head used in the calibration method of the laser processing head with a rotating mechanism shown in FIG.
[0013]
In FIG. 1, reference numeral 1 shown in FIG. 1 (a) denotes a processing nozzle such as a YAG laser that irradiates a workpiece with laser light for processing from a laser processing head mounted on the arm tip of an articulated robot. As shown in FIG. 9, the YAG laser beam 6 is irradiated from the laser processing head 20 for processing, and the optical axis of the YAG laser irradiated from the processing head 20 is rotated by the laser beam rotating motor 22 to set the teaching point or the like. The laser slit light 10 for measurement is irradiated and an image is picked up by the sensor camera 23. 2 is a preset control point TOOL0, which is represented by a robot coordinate system (or tool coordinate system) (x, y, z) 3. Reference numeral 4 denotes a calibration plate, which is a plate used for calibration of a sensor coordinate system such as a camera 23 and a tool coordinate system that receives and receives laser slit light for measurement. Reference numeral 5 denotes a mark point marked on the calibration plate 4.
[0014]
Next, the operation will be described.
First, as shown in FIG. 1 (a), a robot control device (not shown) is positioned so as to point to the mark 5 on the calibration plate 4 by a control point TOOL0 fixed to the YAG laser processing nozzle 1. The movement is controlled by. The position of the machining nozzle 1 is set to the position ref. Store as 1.
Next, the external axis of the machining head is rotated by an arbitrary pulse u1 of the encoder, and as shown in FIG. 1B, the laser irradiation light 6 is moved so that the focal point of the laser beam 6 points to the mark point. As the position of ref. 2 is memorized. Subsequently, the rotational position remains the same, the laser processing head is raised, and the position where the laser focus points to the mark position is set to ref. Store as 3.
[0015]
Next, the external shaft is rotated by an arbitrary pulse u2, and as shown in FIG. The head is lowered to the same height as 2, and the position where the laser focal point points to the mark point is set to ref. 4 is stored. The position of the rotation axis is left as it is, the laser processing head is raised, and the position where the laser focus points to the mark point is set to ref. It is memorized as 5.
Similarly, the external shaft is rotated by an arbitrary pulse u3, and ref. 4 is lowered to the same height as 4 and its position is set to ref. It is memorized as 6. The ref. Raise the laser processing head to the same height as 5, and ref. 7 is stored. (The above teaching points (teaching points) can be set arbitrarily.)
[0016]
Next, the teaching point ref. 2-ref. As shown in FIG. 2, 7 is taken into the system as position vectors c11 to c32, and converted into a tool coordinate system based on the control point TOOL0 of the robot coordinate system.
First, the calculation of the position vectors c11 to c32 is performed by ref. 1-ref. 7 on the robot coordinate system, (ref.1) _RF to (ref.7) _RF, and the position vector on TOOL0 is obtained as follows based on (ref.1) _RF .
[Formula 13]

[0017]
Further, reference numeral 10 in FIG. 2 denotes a laser slit light of the sensor system. For example, four points Sc, S1, S2, and S3 are obtained for calibration of the sensor coordinate system and the robot coordinate system.
Sc to S3 in this case are the corresponding ref. 2'-ref. Position of the robot coordinate system 5'(ref.2') using _{_RF} ~ _{(ref.5') RF,} control points ref. From 1, obtain the following equation:
[Expression 14]

The laser sensor coordinate system used for this sensing is represented by a control point ref. As a relative position from 1.
[0018]
Next, the direction vector of the laser rotation axis is obtained. As shown in FIG. 2-ref. 3 corresponding to teaching line 7 corresponding to c11 to c12 is a teaching line in the case of rotation of the YAG laser optical axis by pulse u1, and ref. 4 to ref. 5, the teaching line 8 of c21 to c22 is ref. 6-ref. The teaching line 9 corresponding to c31 to c32 corresponding to 7 is a teaching line in the case of the pulse u3. (The teaching line setting is not limited to this).
[0019]
As shown in FIG. 3, the direction vectors ec1: 7, ec2: 8, ec3: 9 by the teaching lines c11 to c12, c21 to c22, c31 to c32 are expressed by the following equations:
[Expression 15]

Obtaining (where the denominator is an absolute value), as shown in FIG. 3, by synthesizing and averaging three direction vectors,
[Expression 16]

A unit direction vector (Z-axis direction) in the height direction obtained by averaging the three direction vectors is obtained (the denominator in the equation is an absolute value).
[0020]
Subsequently, as shown in FIG. 4, three laser intersections, d1 to d3, on the laser rotation reference plane are obtained.
First, a plane perpendicular to the unit direction vector eLf and intersecting with the control point TOOL0 is defined as a laser rotation reference plane 11, and an intersection of straight lines passing through the laser rotation reference plane and the position vectors c11 and c12 is defined as a vector d1. Similarly, an intersection of straight lines passing through the laser rotation reference plane 11 and the vectors c21 and c22 is set as a vector d2, and an intersection of straight lines passing through the vectors c31 and c32 is set as a vector d3.
[Expression 17]

Ask.
[0021]
Here, l1, l2, and l3 are obtained by <Solution 1> as shown in FIG. 5 and l1 is obtained as follows. (The same applies to l2 and l3).
[Formula 18]

[0022]
Next, the laser rotation axis origin L0 is obtained.
As shown in FIG. 6, if the coordinates of the three points d1 to d3 are known, they are obtained by <Solution 2>.
According to <Solution 2>, L0 is as follows:
[Equation 19]

Desired.
[0023]
Next, a front direction vector efr of the laser rotation axis is obtained.
As shown in FIG. 7, a foot vertically lowered from the visual field center position vector Sc of the laser sensor shown in the camera coordinate system to the laser rotation reference plane 11 is
[Expression 20]

(Note that the right side of the above equation, the second term represents the length of Sc-S _c _におけ_る in FIG. 7, and L0-Sc represents the coordinate difference between the tool coordinate system and the sensor coordinate system). A unit vector efr from the rotation axis origin L013 to the foot of Sc is expressed by the following equation, using the Z-axis direction unit vector:
[Expression 21]

I ask.
[0024]
From the above, when the Z-axis direction unit vector eLf and the X-axis direction unit vector efr of the laser rotation axis are obtained, the unit vector of the Y-axis component can be obtained as eLf × efr. Therefore, as shown in FIG. The rotation axis scanning control is performed as a frame representation of the laser focus rotation axis from the origin position: L013, attitude component (x axis): efr15, attitude component (z axis): eLf12, attitude component (y axis): elf × efr16. The determinant
[Expression 22]

Thus, the copying control output by the teaching point playback method becomes possible.
[0025]
Next, an example of playback using the teaching points c11 to c32 set first as teaching points will be described with reference to the flowchart of FIG.
The recorded teaching point ref. 1-ref. 7 is read (S100), and the position vector calculation means calculates the position vectors c11 to c32 converted into the tool coordinate system based on the control point TOOL0 as shown in the equation (1), and performs three-dimensional calibration (S101). ).
[0026]
Based on the unit vector eLf of the laser rotation axis (Z-axis direction) calculated from the obtained position vectors c11 to c32, a direction unit vector in the height direction (Z-axis) is calculated, and Z in the height direction by the tool coordinate system is calculated. Accurate control of the axis can be performed (S102).
Next, d1, d2, and d3 at which the laser optical axis intersects the rotation reference plane 11 are calculated by the equation (2) (S103),
The rotation axis origin L0 is obtained from the equation (3) (S104).
A front direction (X-axis direction) vector efr is obtained using a unit vector eLf in the Z-axis direction as a reference scale (S105), and a spatial and three-dimensional laser rotation axis frame is calculated by equation (4) (S106). Returning to the tool coordinate system, the laser processing head movement / rotation amount command pulse value U0 is calculated, and scanning control is performed to accurately drive the laser processing light to the target position (107).
As described above, the vector calculation performed by setting the tool coordinate system in order to perform accurate three-dimensional calibration is performed until the calculation of the frame output Lf. Finally, as a drive command for the laser processing head, ( Since the frame output Lf in the equation 4) may be converted and output as the pulse U0, the calculation speed is improved.
As described above, the playback of the teaching points C11 to c32 has been described as an example of playback. However, after performing the three-dimensional calibration including the teaching points c11 to c32, the work points on the work target workpiece are again displayed. What is necessary is just to teach a robot and to perform an actual work.
[0027]
As described above, according to the present embodiment, the mark point on the two-dimensional calibration plate is used to perform conversion / setting to the tool coordinate system by setting the control point TOOL0 and the teaching points c11 to c32, and the laser. A unit vector in the Z-axis direction is generated by creating three teaching lines ec1, ec2, and ec3 on the rotation axis of the machining head, and determining and averaging the combined vectors of the three teaching lines, Using the unit vector in the height direction as a reference scale, a unit vector in the X-axis direction and a unit vector on the Y-axis are generated, and the scanning control position of the laser processing head is controlled as a three-dimensional direction vector on the sensor coordinate system. As a result, it is possible to quickly and accurately control the spatial and three-dimensional work point in the height direction.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the rotation mechanism for causing the laser focus to follow the target position is provided, the calibration to the tool coordinate system is performed, the position ref1 of the control point and the plurality of teaching points The position vectors c11 to c32 on the tool coordinate system by vector calculation of the positions ref2 to ref7 are obtained, and the position vectors Sc, S1, S2 and S3 of the tool coordinate system are also obtained for the positions of the laser sensor coordinate system, and the laser processing light The direction vector eLf of the laser rotation axis as a unit vector parallel to the rotation axis and heading toward the processing unit is obtained as a unit vector in the Z-axis direction expressed in the tool coordinate system as an average of the combined vectors obtained by combining the direction vectors of the plurality of teaching lines. , toward the feet S _c _⊥ drawn down vertically from the field center Sc of the sensor to the laser rotary reference plane, or the laser rotary axis origin L0 Is calculated as a unit vector efr in the X-axis direction, and the drive position of the laser machining head is defined by the rotation axis origin L0, the X-axis attitude component efr, the Z-axis attitude component eLf, and the Y-axis attitude component eLf × efr. The tool coordinate system based on the teaching point position / direction vector is set with a simple configuration that does not lead to an increase in cost. By obtaining the unit direction vector of the height direction and the X-axis and Y-axis components and performing high-accuracy three-dimensional calibration, it is possible to perform scanning control that can irradiate the laser focus accurately and quickly at the target position. There is an effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing control points and teaching points of a calibration method for a laser processing head with a rotation mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a method for taking in teaching points shown in FIG. 1;
FIG. 3 is an explanatory diagram of direction vector averaging of a laser rotation axis.
FIG. 4 is a diagram showing three laser intersections on a laser rotation reference plane;
5 is a diagram for explaining the calculation of the laser intersection shown in FIG. 4. FIG.
FIG. 6 is a diagram showing the origin of rotation of the laser.
FIG. 7 is a diagram showing a front direction vector of a laser.
8 is a diagram showing a frame representation of the laser focus rotation axis shown in FIG.
9 is a diagram showing a structure of a laser processing head used in the calibration method of the laser processing head with a rotation mechanism shown in FIG. 1. FIG.
10 is a flowchart of the laser processing head calibration method shown in FIG. 1;
FIG. 11 is a diagram showing a structure of a workpiece copying apparatus of a conventional laser processing robot.
[Explanation of symbols]
1 Processing nozzle 2 Control point TOOL0
3 Tool coordinate system 4 Calibration plate 5 Mark 6 Laser irradiation light 7, 8, 9 Teaching line 10 Laser slit light 11 Laser rotation reference plane 12 Z-axis direction unit vector eLf
13 Laser rotation axis origin L0
14 _Sc _c
15 X-axis direction unit vector efr
16 Y-axis direction unit vector efr x eLf
20 Laser processing head 22 Laser beam rotating motor 23 Laser sensor camera

Claims

It is used in an apparatus that has a rotation mechanism for copying the laser focus to the target position and a mechanism for moving the laser processing head itself to move the rotation range of the laser focus to the target position. In a laser processing head calibration device with a rotation mechanism that performs the laser focus to the target position,
A mark point on the calibration plate is indicated as a control point TOOL0 fixed in advance to the laser processing head, and the position ref. Control point registration means for storing as 1,
The laser processing head is rotated on the rotation axis by a predetermined pulse from the control point, the laser focus points to the mark point on the calibration plate, and then a predetermined amount is raised or lowered to set a plurality of teaching points, Each position ref. Of the plurality of teaching points in the robot coordinate system. 2-ref. Teaching point registration means for storing 7;
Teaching point position vector computing means for obtaining c11 to c32 as position vectors on the TOOL0 using the positions of the positions ref1 to ref7 on the robot coordinate system and performing coordinate transformation to the tool coordinate system;
Similarly, Sc, S1, S2 and S3 are obtained as position vectors on the TOOL0 by using the position on the robot coordinate system of the position based on the laser sensor coordinate system, and the coordinate conversion to the tool coordinate system is performed to convert the laser sensor coordinate system to the above-described position vector. Sensor position vector calculation means for grasping as a relative position from the control point;
A unit vector in the Z-axis direction expressed by a tool coordinate system by averaging a combined vector obtained by combining a plurality of direction vectors from the position vector as a unit vector parallel to the rotation axis of the laser processing head and directed toward the processing head Z-axis direction unit vector calculating means for obtaining eLf;
Laser rotation reference plane intersection calculating means for obtaining a plurality of laser intersections with the processing laser rotation reference plane;
Laser rotation axis origin calculation means for obtaining a laser rotation axis origin L0 from the plurality of laser rotation reference plane intersection points;
A drooping point perpendicular to the laser rotation reference plane from the field-of-view center Sc of the sensor and a direction unit vector from the laser rotation axis origin L0 toward the drooping point in the X-axis direction based on the Z-axis direction unit vector eLf. X-axis direction unit vector calculating means for obtaining the front unit vector efr of
Y-axis direction unit vector calculating means for multiplying the Z-axis direction unit vector and the X-axis direction unit vector to obtain a Y-axis direction unit vector eLf × efr;
A calibration apparatus for a laser processing head with a rotation mechanism, characterized by comprising:

It is used in an apparatus that has a rotation mechanism for copying the laser focus to the target position and a mechanism for moving the laser processing head itself to move the rotation range of the laser focus to the target position. In the calibration method of the laser processing head with a rotation mechanism that performs the laser focus to the target position,
A mark point on the calibration plate is indicated as a control point TOOL0 fixed in advance to the laser processing head, and the position ref. Remember as 1,
The laser processing head is rotated on the rotation axis by a predetermined pulse from the control point, the laser focus points to the mark point on the calibration plate, and then a predetermined amount is raised or lowered to set a plurality of teaching points, Each position ref. Of the plurality of teaching points in the robot coordinate system. 2-ref. Remember 7
Using the positions of the positions ref1 to ref7 on the robot coordinate system, c11 to c32 are obtained as position vectors on the TOOL0 and coordinate conversion to the tool coordinate system is performed. Similarly, the robot coordinate system of the position by the laser sensor coordinate system Sc, S1, S2 and S3 are obtained as position vectors on the TOOL0 using the above position, coordinate conversion to the tool coordinate system is performed, and the laser sensor coordinate system is grasped as a relative position from the control point,
A unit vector in the Z-axis direction expressed by a tool coordinate system by averaging a combined vector obtained by combining a plurality of direction vectors from the position vector as a unit vector parallel to the rotation axis of the laser processing head and directed toward the processing head find eLf,
Obtaining a plurality of laser intersections with the processing laser rotation reference plane;
A laser rotation axis origin L0 is obtained from the plurality of laser rotation reference plane intersection points,
A drooping point perpendicular to the laser rotation reference plane from the field-of-view center Sc of the sensor and a direction unit vector from the laser rotation axis origin L0 toward the drooping point in the X-axis direction based on the Z-axis direction unit vector eLf. As a front unit vector efr of
Multiplying the obtained Z-axis direction unit vector and the X-axis direction unit vector to obtain a Y-axis direction unit vector eLf × efr;
The laser rotation axis origin L0, the X-axis attitude component efr, the Z-axis attitude component eLf, and the Y-axis attitude component eLf × efr are used to output a drive command to the three-dimensional position of the laser processing head to bring the laser focus to the target position A method for calibrating a laser processing head with a rotation mechanism, characterized in that copying is performed.

The position vectors C11 to C32 of each teaching point in the tool coordinate system are 6-point position vectors including at least three teaching lines.

The method for calibrating a laser processing head with a rotating mechanism according to claim 2, wherein the calibration is performed by:

Each sensor position vector Sc, S1, S2 and S3 of the tool coordinate system is a position vector of at least four points,

4. The method for calibrating a laser processing head with a rotating mechanism according to claim 2, wherein the calibration is performed by the following method.

ELf representing the Z-axis direction unit vector of the laser rotation axis is

5. The method of calibrating a laser processing head with a rotating mechanism according to claim 2, wherein the calibration is performed by:

The efr representing the unit vector in the X-axis direction of the laser rotation axis is

6. The method for calibrating a laser processing head with a rotation mechanism according to claim 2, wherein the calibration is performed by:

The Y-axis direction unit vector of the laser rotation axis is

The method for calibrating a laser processing head with a rotating mechanism according to claim 5 or 6, wherein

The laser rotating shaft frame that outputs a drive command for the laser processing head is:

The method for calibrating a laser processing head with a rotating mechanism according to claim 2, wherein: