JP6153545B2 - センサプローブを配向するための配向装置 - Google Patents

Description

本発明は、面法線（面に対する法線）を機械的に計測するための工具の技術分野に関するものである。本発明は、例えば、面の法線を追従することで工具をその面に対して案内する工具に関する。

面法線を追従する工具は、金属板の溶接に用いる溶接トーチを案内して、例えば、密閉タンクの壁部を製造するために使用され得る。

そのような密閉タンクは、共通する断面(profile)を有する金属部品を互いに溶接することで得られる。仏国特許出願公開第２７０１４１５号明細書には、このようなタンク壁部の製造を目的として、金属部品に共通する断面を追従して、溶接部を製造可能な自動機械装置が記載されている。

この機械装置には、組み立て部品に対して固定した支持部を設けている。台車がこの固定支持部に取り付けられており、前進軌道に沿って移動する。この台車は、スポット溶接部や溶接ビードを製造可能な溶接トーチを運搬する。このトーチは、ロボットに対して、回転移動および並進移動可能とされている。トーチの回転可動度および並進可動度は、制御装置によって制御される。制御装置は、面に対するトーチの位置を計測する台車に載置した検出手段に接続されている。制御装置は、検出手段が送信する位置に従って、各アクチュエータへ制御信号を送信する。この制御信号に基づき、各アクチュエータは、金属部品に対してトーチの方向と位置を決める。

上記検出手段としては、例えば、レーザ距離計や、誘導性検出器や、容量性検出器が挙げられる。しかし、この種の自動機械装置には、断面に対する接線を判定し、この接線に従って溶接トーチを配向するために、計算手段を設ける必要がある。さらに、上記のような検出手段は高価格であるばかりか、電磁妨害に対する感度が高いことがある。

独国実用新案第２５１４４１５（Ｕ）号明細書には、固定ロッドと、この固定ロッド上を枢動するよう取り付けたプローブ(probe)と、プローブの自由端に設けた橋台とを備えた、フライス盤用再生プローブが記載されている。

仏国特許出願公開第２７０１４１５号明細書 独国実用新案第２５１４４１５（Ｕ）号明細書

一実施形態において、本発明は、ワーク表面の局所法線ベクトルに対して、センサプローブ（sensor probe、センサ探知具）を配向するための配向装置を提供する。この配向装置は、
フレームと、
上記フレームに連結され、フレームに対して所定方向に摺動可能な移動支持部と、
この支持部の関節点に対して上記所定方向に非平行な回転軸を中心として枢動可能なセンサプローブと、
移動支持部に対して上記所定方向に力を発生し、センサプローブをワーク表面に対して押圧可能とされた、可動圧力手段とを備え、
センサプローブは、ワーク表面と接触して配置可能な１つの凸状検出外面を有し、この検出面には１つの平衡接触点があり、この平衡接触点は、上記関節点に最も近接した検出面上の点である。

各実施形態では、上記構成の配向装置は、以下に述べる１つ以上の特長を備える。

一実施形態では、センサプローブの許容動作は、回転軸を中心とした枢動のみとされる。

一実施形態では、検出面は、回転軸に平行な公転軸周りの公転動作を有しており、公転軸は回転軸から離間している。

一実施形態では、センサプローブは、
支持部の関節点に枢動可能に連結され、回転軸を画定する第１部分と、その第１部分に平行かつ第１部分からオフセットされ、公転軸を画定する第２部分とを有するハンドルと、
検出面を有し、ハンドルの第２部分に対して枢動可能とされ、ワーク表面上を転動するローラとを、備える。

一実施形態では、センサプローブは、支持部の関節点に対して上記所定方向に非平行であり、第１回転軸に対して垂直である第２回転軸を中心として枢動可能である。

一実施形態では、センサプローブと支持部との間の関節部は、ボールジョイントである。

一実施形態では、検出面は、その中心が上記関節点から離間した略球状キャップの形状を有する。

一実施形態では、この装置は、更に、各基準位置に対するセンサプローブの第１および第２回転軸周りの角変位をそれぞれ計測可能である、第１角度計測部と第２角度計測部とを備え、
センサプローブは、関節点を中心とする第２の球状キャップの形状を有する計測面を備え、上記２つの角度計測部は、各々、計測面と接触する円筒形状の公転面を有する計測ロッドを備え、各計測ロッドは、センサプローブの回転に伴って、回転軸の一方を中心として枢動可能である。

一実施形態では、上記移動支持部が摺動する所定方向は、ワーク表面に対して略垂直である。

一実施形態では、本装置は、更に、ワーク表面に沿って配置することを目的とした案内レールを備え、フレームは、この案内レール上を移動可能に取り付けられている。

一実施形態では、本装置は、更に、センサプローブに連結した従動部材を備え、フレームは、ワーク表面の２つの部位を分離するセットバック面に対して、この従動部材を好適に押圧する押圧手段を備える。この従動部材は、センサプローブの枢動に伴って枢動し、センサプローブをセットバック面から所定距離に保つように、センサプローブに固定的に取り付けられる。

一実施形態では、本装置は、センサプローブを摺動方向と前進方向と押圧方向とに移動させる手段を備える。前進方向と押圧方向はそれぞれ摺動方向に対して垂直であり、押圧部材は、押圧方向と、押圧方向に対して垂直である前進方向に、従動部材を押圧可能である。

一実施形態では、フレームには、更に、フレームとワーク表面の間の距離を好適に計測する位置センサを設けている。

一実施形態では、本装置は、更に、基準位置に対するセンサプローブの回転軸周りの角変位を好適に計測する、角度計測部を備える。

一実施形態では、上記角度計測部は、電気式電位計(electrical potentiometer)、光学式距離計、機械式距離計、インクリメンタルコーダ(incremental coder)、誘導性センサ、コンパレータ(comparator)、光学式三角センサ、の中から選択される。

一実施形態では、角度計測部はシャフトを備え、このシャフトは、たわみ結合、直接結合、歯車結合、ノッチ付ベルト結合、ロッカー・アーム・システム結合から成る群から選択される結合を介して、センサプローブが回転軸周りに回転することにより回転駆動される。

一実施形態では、角度計測部には、ローラの上面の位置を検出できるように、移動支持部の基準フレームに検出面に相対して配置された距離計が設けられる。

一実施形態では、角度計測部は、センサプローブに連結され、回転軸を中心としてセンサプローブと確実に連動して枢動するカムと、カムの表面の位置を検出できるように、移動支持部の基準フレームに配置した距離計とを備える。

一実施形態では、本装置は、更に、センサプローブの枢動に応じて回転軸周りに枢動可能な、ワーク表面を処理する工具を備える。

一実施形態では、センサプローブの許容動作は回転軸を中心とした枢動のみとされ、検出面は回転軸に平行な公転軸周りの公転動作を有し、公転軸は回転軸から離間し、センサプローブは、支持部の関節点に枢動可能に連結され、回転軸を画定する第１部分と、第１部分に平行かつ第１部分からオフセットされ、公転軸を画定する第２部分とを有するハンドルを備え、ハンドルの第１部分は支持部を有しており、処理工具は支持部に固定連結されることでハンドルと共に枢動する。

一実施形態では、本装置は、更に、ワーク表面までの距離を好適に計測する距離センサを備え、このセンサは、前進方向において、ワーク表面と検出外面との接触点の上流に位置する当該装置の１点（一箇所）に配置される。

本発明の根拠となる概念の１つとして、関節部を有する凸状検出面を計測面へ押圧することで、この計測面の１点で直接計測した面法線を決定することであり、凸状面は、凸状面の湾曲の中心から偏心した１点で関節部を有している。

本発明の態様のいくつかは、円筒の軸心周りに転動して計測面に沿って移動可能な円筒形状の検出面であって、円筒の軸心から偏心した軸を中心として枢動可能な検出面を設けることで、軌道に沿って面法線を継続して計測し、計測面の法線を判定する、という発想を出発点としている。

本発明の態様のいくつかは、３段階の（異なる）自由度に従った検出面の回転を許容することで、３方向における面法線を判定する、という発想を出発点としている。

本発明の態様のいくつかは、工具の有効領域付近の１点で計測した計測面の法線に従って工具を配向する、という発想を出発点としている。

本発明の態様のいくつかは、凸状面に力を加えることで、凸状面との接触点において、計測面に対して計測面の法線方向に押圧力を加える、という発想を出発点としている。

本発明の態様のいくつかは、計測面の法線を、簡単かつ経済的に、リアルタイムで確実に計測することを可能にする、面法線計測装置を実現する、という発想を出発点としている。

本発明と、その他の目的、詳細、特長および利点は、添付図面を参照して以下に説明する本発明の各実施形態により、さらに明らかになるであろう。後述の各実施形態は単なる例示であり、本発明を何ら限定するものではない。

案内レール上を移動するセンサ台車の２つの位置を示す、概略図である。 図１のセンサ台車上に実装可能なフラットローラを示す、分解斜視図である。 図２のローラを備えた図１のセンサ台車のセンサを示す、部分斜視図である。 図４〜図６は、図１のセンサ台車上に実装可能なセンサの３つの変形例を示す、部分斜視図である。 図４〜図６は、図１のセンサ台車上に実装可能なセンサの３つの変形例を示す、部分斜視図である。 図４〜図６は、図１のセンサ台車上に実装可能なセンサの３つの変形例を示す、部分斜視図である。 図５に示すセンサを溶接工具と共に示す、部分斜視図である。 側方案内ローラを備えたセンサを示す、部分斜視図である。 ３次元センサの側面図である。 図９の３次元センサの断面図である。 センサ台車の他の実施形態を示す図である。 図１２〜図１４は、変換装置を設けたセンサの他の実施形態を示す、図３に対応する図である。 図１２〜図１４は、変換装置を設けたセンサの他の実施形態を示す、図３に対応する図である。 図１２〜図１４は、変換装置を設けたセンサの他の実施形態を示す、図３に対応する図である。

図１は、計測面（被計測面）７の上で、案内レール５上を移動するセンサ台車１６を示す。図１では、位置１と位置２に位置するセンサ台車１６を示す。位置１と位置２は、センサ台車１６が、案内レール５の配向(orientation)によって画定する前進方向１５に、案内レール５上を移動して到達する２つの連続した位置である。

センサ台車１６は、内部でアクチュエータによりピニオンが可動となるフレーム４を有する。ピニオンは、レール５に固定して取付けたラックと係合する。このラックは、レール５の方向に延在している。このように、アクチュエータがピニオンを回転駆動すると、後者（ピニオン）はラックと協働して、センサ台車１６を前進方向１５に移動させる。この駆動はまた、ノッチ付ベルト、ケーブル、押圧転動、シリンダ、または、リニアモータを用いても可能である。

支持アーム６は、前進方向１５に対して垂直な（直角をなす）摺動軸１３に沿って、センサ台車１６のフレーム４に対して摺動するように取り付けられている。フレーム４と支持アーム６の間で圧縮されたばね３が、支持アーム６の端部に連結したローラ８を、計測面７に押圧する。ローラ８の面７への押圧は、摺動方向１３に対して平行な支持方向１４になされる。

ローラ８は、その中心が転動軸１２に一致する円形外面を有し、ピボット９を介して支持アーム６に連結される。これにより、ピボット９は、ローラ８の中心を支持アーム６に対して枢動軸１７周りに回転可能にする。ピボット９の枢動軸１７は、ローラ８の円形面の中心から偏心している。支持アーム６が、ばね３の応力を受けてローラ８に圧力をかけると、ローラ８の円形外面の接触点１１で計測面７による反力が生じるため、ローラ８の中心は枢動軸１７周りに枢動する。この枢動は、接触点１１が平衡点と一致するまで続く。その後、ローラ８の中心は、ローラ８と計測面７の接触点１１において、計測面７の局所法線に一致する軸１７に対して配向１０の向きとなる。枢動軸１７に対するローラ８の配向１０は、枢動軸１７に対して垂直な平面において、枢動軸１７とローラ８の中心が形成する半直線と一致する。

より詳しくは、アーム６がローラ８を計測面７に押し付けると、接触点１１が平衡位置にはない場合、ピボット９における応力と、計測面がローラ８の接触点１１でその表面に及ぼす反応（反力）により、ローラをピボット９周りに回転させるモーメントが発生させる。

このように、当初の位置１では、ローラ８は計測面７の法線に沿って配向される。上記面７には前進方向１５に対して上向き傾斜部があるため、当初の位置１におけるローラ８の配向１０には、前進方向１５とは反対方向の成分が含まれている。センサ台車１６が最終位置２に進むとき、ローラ８は、ばね３により、計測面７に押し付けられたままになる。ローラ８は、計測面７に対して転動または摺動して最終位置２へ向かい、ローラ８の配向は徐々に変わり、最終位置２に示すローラ８の配向１０に達する。計測面７の傾斜が前進方向１５に対して下向きであるため、最終配向１０には、前進方向１５の向きの成分が含まれている。第１位置１と第２位置２の間では、フレーム４に対する計測面７の高さが上昇したことで、支持アーム６が上方へ摺動し、その結果、ばね３が圧縮される。計測面７の高さが下がると、支持アーム６が下方へ摺動するため、ばね３が第２位置２に対して弛緩される。

センサ台車１６の移動中、図示省略の電子回路が、ローラ８のピボット９周りの枢動を計測し、制御信号を図示省略の工具へ送信可能とされ、これにより、この工具を計測面７に対して配向する。この工具は、例えば、溶接工具である。さらに、フレーム４には、フレーム４と計測面７の間の距離を計測する位置センサが設けられており、上記制御信号は、上記以外に、この位置計測の機能の１つとして生成される。

図１１の実施形態では、台車１６はトランスデューサ９５を搬送する。このトランスデューサ９５は、自身と計測面７の間の距離を計測する。トランスデューサ９５は、ローラ８のピボット９の前方において、溶接工具の溶接領域上流、数ミリメートル離れた位置に設置される。このようにして、トランスデューサ９５は、前進方向１５の溶接上流における傾斜の変化を検出することができる。傾斜の変化を事前に検出することで、工具の動作速度が変化する領域を、台車が画定することができる。実際には、台車１６の移動中に計測距離が小さくなった場合、台車１６と関連工具が上向き傾斜９６に達したことを意味する。台車１６はその速度を落とし、従って、溶接速度も下がる。台車１６が上向き傾斜９６に位置する時に計測距離が大きくなった場合、工具が傾斜の頂点に達し、溶接速度がこれに応じて変わることを意味する。

計測面が、波形状を形作る重ね合わせた２つの板から構成される場合、同様の作用が生じることがある。同様に、台車１６が波形状の頂点に達すると、トランスデューサ９５は距離の増加を検出する。工具が波形状の底部に達すると、トランスデューサ９５は距離の減少を検出する。

こうして距離を計測することで、電子回路が傾斜変化を予想することができ、電子回路は、適宜制御信号を溶接工具に送ることで、溶接工具の配向の変化を予想することができる。このように、トランスデューサ９５を設けた場合、例えば、大きな傾斜変化が起こる前に進行速度を落とすことで、溶接工具の動作速度や位置を変更しやすくなる。

図２および図３は、ローラ８と、センサ台車１６上に設置可能なローラ８を含むセンサ２８をより詳細に示す。

図２は、ローラ８の分解図である。ローラ８は、平坦な踏面(tread)２０を有し、ボールベアリング１９を踏面２０に対して同軸状に取り付けたホイール１８を有している。２つのハンドル２１の各々が、ボールベアリング１９の内輪２２の一方側に取り付けられている。この２つのハンドル２１によって、ホイール１８とハンドル２１により構成されるアッセンブリが、枢動軸１７周りに回転可能になる。この部分について、ボールベアリング１９により、枢動軸１７から偏心した転動軸１２周りに、ホイール１８がハンドル２１に対して回転可能になる。図１に戻って、センサ台車１６の移動中、ホイールは、このようにしてローラ８の枢動とは無関係に計測面７上を転動可能となる。

これを目的として、ハンドル２１の各々は、ピボットシャフト２３と、ピボットシャフト２３に対して偏心状態にしたクランクピン２４を備えている。クランクピン２４は、転動軸１２を中心として、この転動軸１２に沿って延在し、ピボットシャフト２３は枢動軸１７と同軸とされている。

クランクピン２４は、ボールベアリング１９の内輪２２のボアに緊密に嵌装されている。２つのハンドル２１は、接合ねじ２５によって互いに堅固に連結され、この接合ねじ２５により、２つのハンドル２１の各々がボールベアリング１９の内輪２２の一方に圧締めされ、位置合わせピン２６が、２つのハンドル２１の各ドリルホール２７に、各ドリルホール２７を跨ぐように圧締めされる。このドリルホール２７は、転動軸１２に平行な方向に配向され、２つのハンドル２１の回転動作を一体化する。ハンドルをボールベアリング１９のボアに緊密に嵌装することにより、接合ねじ２５に作用する応力を小さくすることができる。

図３を参照して、ローラ８を備えたセンサ２８を以下に説明する。センサ２８は、台車１６の前進方向に対して垂直な（直角をなす）平面上に配置した、Ｕ形状の支持部２９を備えている。

このＵ形状の支持部２９は、Ｕ形状の分岐部の各端部に、前進方向１５と計測面７に対して横断方向に２つのハンドル２１の一方のピボットシャフト２３を支持する、ベアリング３０を有している。このようにして、ローラ８は、ハンドル２１によって、Ｕ形状の分岐部の間で、枢動軸１７周りに枢動することができる。

支持部２９は、図示省略のベアリングシャフト６に固定されている。ベアリングシャフト６は、図示省略のばね３の応力を受けて、支持部２９に対して支持方向１４に力を加える。こうして、ローラは、計測面７に押し付けられる。さらに、台車１６は、アーム６を介して、支持部２９を前進方向１５へ駆動する。

図３は、計測面７の平坦部３４に押圧されたローラ８を示す。このように後者（ローラ）は、支持部２９のＵにおける各分岐部に平行な方向、すなわち、支持方向１４に平行な方向に配向される。この位置で、接触点は枢動軸１７の下に位置する。

ローラが計測面７に沿って移動すると、ホイールは、転動軸１２周りの回転３１により、計測面７上を転動する。

計測面７は上向き傾斜３２を有する。ローラ８が上向き傾斜３２に達すると、後者（ローラ）は自動的にこの傾斜の法線に沿って配向される。より詳しくは、計測面７のローラ８上での反応（反力）を受けて、ハンドル２１は、ベアリング３０における枢動軸１７周りに枢動することで配向される。この場合の枢動は、枢動軸１７と、計測面７と踏面２０の接触点１１の離間距離が最少になり、平衡位置に達するように行われる。

電位計３３が、各ピボットシャフト２３の端部に固定されており、これにより、ハンドル２１の枢動を計測可能にしている。

より詳しくは、電位計３３は、固定アーム３６により支持部２９に固定されるハウジング３５を備えている。さらに、電位計は計測シャフト３７を備える。この計測シャフト３７により、ハウジング３５に対して、枢動方向１７に非平行な回転軸４１周りに、好適に回転できる。２つの剛性ブッシュ４０に固定して取付けたたわみ部３９から構成されるたわみ結合が、計測シャフト３７の端部とピボットシャフト２３の一方の間に固定されている。こうして、ピボットシャフト２３の回転が、計測シャフト３７へと伝達される。

図示省略の電子回路が、電位計３３の端子３８に接続され、計測シャフト３７がそのハウジング３５に対して回転することによる、端子３８での電位計３３の特性変化を計測する。

他の実施形態では、電位計とピボットシャフトは同軸であってもよい。このように、電位計３３は、ピボットシャフトに直接しっかりと結合することができる。図４〜図６は、電位計３３とピボットシャフト２３の間を結合する場合の他の選択肢を示す。

図４は、計測シャフト３７の回転軸４１が、ハンドル２１の枢動軸１７に平行であることを示す。ピボットシャフト２３に固定したノッチ付部材４３は、ハンドル２１の回転を、電位計３３の計測シャフト３７に固定したピニオン４２へ伝達する。計測シャフト３７は、ベアリングによって支持部２９に回転するように保持される。ノッチ付部材４３は、その基本直径がピニオン４２よりも大きく、これにより、ピニオン４２でのハンドル２１の回転をシフトダウンすることを可能にしている。このようにして、電位計３３とこれに接続した電子回路により、ローラ８の配向をより正確に計測することができる。

図５は、ピボットシャフト２３と計測シャフト３７の間の結合の他の選択肢を示す。図４を参照して説明した実施形態と同様に、回転軸４１と枢動軸１７は平行であり、計測シャフト３７はベアリングによって支持されている。この図では、ピボットシャフト２３と計測シャフト３７は各々、枢動軸に対して垂直の同一平面に配置した、同一の基本直径のピニオン４４を備える。ノッチ付ベルト４５により、ピボットシャフト２３のピニオン４４の回転を、計測シャフト３７のピニオン４４へ伝達可能とされている。

図４および図５はローラ８の位置を示しており、後者（ローラ）が計測面７の上向き傾斜３２にある時の位置である。図３に反して、この時点で、後者（ローラ）の配向は支持部２９の分岐部の方向ではなくなっている。実際には、ローラ８は自動的に、アーム６の押圧応力を受けて、計測面７上のローラ８の接触点において、計測面７の法線に平行な配向１０の向きになる。上向き傾斜３２は、計測面の平坦部３４に対して、４５oの傾斜を有している。このように、ローラは自動的に、支持部２９と平坦部３４に対して、４５oの角度を有する配向１０の向きになる。さらに、接触点１１は、前進方向１５の支持部２９の前方に位置している。

図６は、図３〜図５と同様の装置を示し、ここではロッカー・アーム・システムを用いて結合を実現している。このために、２つのロッカーアーム４７をそれぞれ、ハンドル２１のピボットシャフト２３と計測シャフト３７に固定している。ロッカーアーム４７は、計測シャフト３７またはピボットシャフト２３のどちらかが通過するボアを設けた本体部から構成される。２つの翼部が各々、ボアに対して垂直（直角）の方向に、本体部の相対する両側に延在している。この２つの翼部の各々には、ボアの方向に対して垂直（直角）の平面上で翼部に延在しているスロット４５を設けている。各スロットには、ロッカーアームの翼部に枢動可能に固定した連結ロッド４６が設けられている。このように、ロッカー・アーム・システムは、その端部が各ロッカーアーム４７の翼部に固定されるところの、２つの連結ロッド４６を備えている。

これにより、その枢動動作において、ピボットシャフト２３は、関連するロッカーアーム４７の回転を枢動方向周りに駆動する。この回転は、連結ロッド４６を介して、計測シャフト３７と関連動作をするロッカーアーム４７に伝達される。

図４〜図６を参照して提案した各結合の態様は、計測面７での電位計３３の嵩を小さくすることができる。

ローラ８またはハンドル２１の配向を電気計測信号に変換するには、電位計３３以外にも可能な選択肢がある。図１２〜図１４を参照して、変換装置の他の３通りの実施形態を以下に説明する。図３と同一または同様の各部には図３と同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１２では、機械式センサ６４は本体部６６を備える。該本体部６６は、後者（支持分岐部２９）と、（ホイール１８と弾性接触状態の）移動プローブ６５との間において支持分岐部２９の上端に堅固に固定されている。また、移動プローブ６５は、ホイール１８の配向の変化に応じて、本体部６６に対して、支持分岐部２９に平行かつ軸方向に移動可能とされている。本体部６６は、プローブ６５の即時の位置を電気計測信号に変換する位置計測部材を備えており、この電気計測信号は、例えば、伝送ケーブル６７または無線伝送システム（図示省略）によって、送信される。このように、機械式センサ６４が生成した計測信号は、固定本体部６６と、プローブ６５の移動軸とホイール１８の上面との交差点との間の距離を表している。この距離は、所定の幾何学的関係を用いて、符号(sign)以外は、計測面７の傾斜角度に関連付けられる。傾斜の符号を決定するために、さらに装置を設けてもよい。

図１３の実施形態もほぼ同様である。この場合、機械式センサ６４は、支持分岐部２９に平行に保たれることで、支持分岐部２９に対して横方向にオフセットされる。プローブ６５は、ハンドル２１に固定して取り付けたロッド７２に固定したカム７１と接触している。好ましくは、カム７１の上面７３は、傾斜の符号を検出可能とするために非対称に設けられる。この例示では、面７３は、（計測）面が平坦の場合に軸方向寸法Ｚ０をプローブ６５に課すらせん状の部位となる。計測面７の上向き傾斜は、計測寸法Ｚ＞Ｚ０に反映され、計測面７の下向き傾斜は、Ｚ＜Ｚ０の計測寸法に反映され、ここでＺは本体部６６に向かうにつれ大きくなる。

図１２および図１３の機械式センサ６４の代わりに、光学式距離計測装置を用いることができる。対応する実施形態を図１４に示す。この場合、光学式距離計６８を支持分岐部２９に固定し、ホイール１８の上面に光線６９を照射する。前述したように、光学式距離計６８と、光線６９のホイール１８上面との交差点との間の距離を計測することで、計測面７の傾斜を、符号を除いて、計測することができる。同様の配置構成に図１３のカム７１を設けることができる。

上述の実施形態では、面法線を電位計または距離計測装置により計測し、ワーク工具をこの計測の機能の１つとして配向するが、本発明はこれに限定されない。上述したように、ローラ８は傾斜計としてのみ用いてもよいが、ワーク工具を直接しっかりと配向するために用いてもよい。

図７は、図５と同様の構成の装置を示し、そこでは、ワーク工具はローラ８により直接配向されている。

ワーク表面は、その一方側の部位において互いに重ねられた同様の形状を有する第１金属板４９と第２金属板５０から構成され、ローラ８はこのワーク表面上を移動する。この構成により、適正に構成したワーク表面には、第１板４９と第２板５０との間に、セットバック部(setback)５２が設けられている。

この図では、該装置を２つの位置５４と５５で示す。第１位置５４は、ローラ８をワーク表面の水平部５３へ押圧する位置である。第２位置５５は、ローラ８をワーク表面の上昇部５１へ押圧する位置である。

溶接トーチ５７とそのワークヘッド５８を前進方向１５に対して垂直（直角）の平面に斜めに位置づけ、溶接対象のセットバック領域５２を仮着する。台車はセットバック部５２に沿って移動し、面法線がその方向を変えると、ローラ８の枢動が起こる。

ハンドル２１が回転すると、ピボットシャフト２３に堅固に固定した工具ホルダー５６を、ピボットシャフト２３が回転駆動する。そうすると、工具ホルダー５６は、自身に堅固に固定された溶接トーチ５７を回転駆動する。こうして、工具ホルダー５６は、接触点１１でのワーク表面の法線に従って、ワークヘッド５８を配向する。上述のように、第１位置５４において、溶接トーチ５７は、支持部２９の分岐部の方向にほぼ配向される。一方、第２位置において、後者（溶接トーチ）は、傾斜５１に対して垂直（直角）の方向に配向される。このようにして、ワークヘッド５８は、溶接対象領域に対して特定した一定の方向に、自動的に配向される。

同様に、ワーク工具は、レーザーマーカ、機械加工具、レーザーバイト、または、噴流水であってもよい。

さらに、ローラ８に加える押圧力により、２つの金属板を同時に正確に押圧することが可能になり、良好な品質の溶接物を得ることができる。同様に、こうした押圧は、ローラ８が通過する２つの重複部位を接着することにも有利である。

上述した実施形態では、前進方向１５が模式的に表す直線方向において面法線を計測する装置を説明した。しかし、この装置は、非直線的軌跡の面法線を計測することもできる。例えば、図８は、センサ２８に連結され、このセンサを図７に示すセットバック部５２の軌跡に沿って案内する、案内ローラを示す。

実際には、図８に図示の装置は図７の装置と同様であるが、ローラは、ワーク工具の配向を確実にする代わりに、フォロアローラ(follower roller)６０を配向する。

実際には、ローラ支持部５９を、ハンドル２１に堅固に固定する。フォロアローラ６０を、支持方向に対して、ローラ支持部５９を中心として回転斜軸６２周りに枢動するように取付ける。フォロアローラ６０は、その一方側(a side)がハンドルに最も近いフォロアローラ６０の側(the side)に対して略垂直になるように、平頭テーパ形状をしている。このようにして、セットバック部に最も近いフォロアローラ６０の部位のみが、ワーク表面に近接する。

台車１６は、横方向移動用手段を備える。センサ台車１６が前進方向１５に移動中、台車１６は、セットバック部５２の垂直面に対してフォロアローラ６０を押しつける。

このようにして、ローラ８は、セットバック部５２から所定の距離の位置に常に保たれる。

図７に示す変形例と同じように、フォロアローラ６０は、ローラ８によって自動的に面法線上に配向される。

図３〜図８のローラ８は、原則的に、前進方向１５を横断する方向に平坦面を計測するよう構成されている。このように、面法線が枢動軸１７に対して垂直（直角）の平面外へ移動すると、ローラは、この下向き傾斜の成分は計測しない。しかし、本発明は、このような面法線の計測に限定されない。実際には、変形例による法線計測装置は、面法線を３次元計測可能である。

図９および図１０は、こうした装置の一例を示す。

このような計測装置には、さらに、ローラ８０を押圧する支持アーム６が設けられている。ローラ８０は、検出面８１と上面８２を有している。支持アーム６は、ローラ８０内部に位置するボールジョイント８４により、ローラ８０と連結している。このために、支持アーム６は上面８２と開口９０を通過し、ローラを貫通して空間８９内へと延出している。

検出面８１と上面８２は、縁端部（エッジ）８３で交差・合流する不完全な球状に構成されている。検出面８１は、ボールジョイントの中心に対して偏心している。このように、ローラ８と同じ理由により、ローラ８０が支持アーム６により面に押し付けられると、ローラ８０は、検出面８１と計測面７の接触点において、自動的に面法線の方向に配向される。ローラ８０の配向は、検出面８１が画定する中心とボールジョイント８４の中心により形成される直線に一致する。

方形支持板８７が、支持アーム６に堅固に連結されている。２つの電位計８５がベアリング９１上の剛板に固定され、これらの電位計は、各々、計測シャフト８６を備えている。この２つの計測シャフト８６は、各々、方形支持板８７の一方側に沿って、各共通するベアリング９２と方形支持板８７の隅部へと延出する。計測シャフト８６は上面８２上を転動する。実際には、上面８２はその中心がボールジョイント８４の中心と一致するため、ローラ８０がボールジョイント８４周りを枢動しても、電位計８５の計測シャフト８６と上面８２との接触状態は保たれる。このように、計測シャフト８６により、電位計８５を介して、２つの垂直回転軸８８を中心としたローラ８０の回転を計測することが可能になる。このように、ローラ８０の方向と局所法線の方向を、３次元で計測することができる。

本発明は、円筒状または球状の面を有するローラに限定されない。実際には、検出面は、枢動方向に最も近い検出面の点に一致する単一の平衡接触点を有する限り、どのような凸状面であってもよい。

本発明を数々の実施形態により説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されず、本発明の範囲に含まれる限り、上述の各手段の技術的均等物やそれらの組み合わせは、すべて本発明に含まれることは明らかである。

「備える」(comprise)や「含む」(include)、またこれらの活用形を用いているが、請求項に記載されたもの以外の構成要素や工程を排除するものではない。構成要素や工程に対して、単数を表す不定冠詞を用いているが、特に明記しない限り、これら構成要素や工程を複数で設けることを排除するものではない。

請求項において、括弧書きの符号はいずれも、各請求項に限定を与えると見なすべきではない。

３ ばね（圧力手段）
６ 支持アーム（移動支持部）
７ 計測面（ワーク表面）
８，８０ ローラ（センサプローブ）
２１ ハンドル
２３ ピボットシャフト（ハンドルの第１部分）
２４ クランクピン（ハンドルの第２部分）
５７ 溶接トーチ（処理工具）
６０ フォロアローラ（従動部材）

Claims (20)

1. ワーク表面（７）の局所法線ベクトルに対して、センサプローブ（８、８０）を配向するための配向装置であって、
   フレーム（４）と、
   前記フレームに連結され、前記フレームに対して所定方向（１３、１４）に摺動可能な移動支持部（６）と、
   前記移動支持部の関節点（９、８４）に対して前記所定方向に非平行な回転軸（１７）を中心として枢動可能なセンサプローブと、
   可動な圧力手段（３）であって、前記センサプローブを前記ワーク表面に対して押圧すべく前記移動支持部に対して前記所定方向に力を発生可能な圧力手段（３）と、を備え、
   前記センサプローブは、前記ワーク表面と接触して配置可能な１つの凸状の検出外面（２０、８１）を有し、前記検出外面には１つの平衡接触点があり、前記平衡接触点は、前記関節点に最も近接した前記検出外面の上の点であり、前記関節点は、前記平衡接触点での前記検出外面の湾曲中心に対して偏心している、装置。
2. 前記検出外面は、前記回転軸（１７）に平行な公転軸（１２）周りの公転動作（２０）を有し、前記公転軸は前記回転軸から離間している、請求項１に記載の装置。
3. 前記センサプローブは、
   前記移動支持部の関節点に枢動可能に連結されると共に前記回転軸を画定する第１部分（２３）と、前記第１部分に平行かつ前記第１部分からオフセットされて前記公転軸を画定する第２部分（２４）とを有するハンドル（２１）と、
   前記検出外面を有し、前記ハンドルの第２部分に対して枢動可能とされて前記ワーク表面上を転動するローラと、を備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記回転軸は、第１回転軸であり、
   前記センサプローブは、前記移動支持部の関節点（８４）に対して前記所定方向に非平行なる第２回転軸を中心として枢動可能であり、
   前記第２回転軸は前記第１回転軸に対して直角をなす、請求項１に記載の装置。
5. 前記センサプローブと前記移動支持部との間の関節部は、ボールジョイント（８４）である、請求項４に記載の装置。
6. 前記検出外面（８１）は、中心が前記関節点（８４）から離間した球状キャップの形状をほぼ成している、請求項４または５に記載の装置。
7. 各基準位置に対する前記センサプローブの第１および第２回転軸周りの角変位をそれぞれ計測可能である、第１角度計測部（８５）と第２角度計測部（８５）を更に備え、
   前記センサプローブは、前記関節点を中心とする第２の球状キャップの形状を有する計測面（８２）を備え、
   前記２つの角度計測部の各々が、前記計測面と接触する円筒状公転面を有する計測ロッド（８６）を備え、前記各計測ロッドは、前記センサプローブの回転に伴って、前記回転軸の一方を中心として枢動可能である、請求項４〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記移動支持部が摺動する前記所定方向（１３、１４）は、前記ワーク表面に対して略垂直である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記ワーク表面に沿って配置することを目的とした案内レール（５）を更に備え、前記フレーム（４）は、前記案内レール上を移動可能に取り付けられている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記センサプローブに連結された従動部材（６０）を更に備え、
    前記フレームは、前記ワーク表面の２つの部位を分離するセットバック面（５２）に対して、前記従動部材を押圧するのに好適な押圧手段を備え、
    前記従動部材は、前記センサプローブ（８）の枢動に伴って枢動すると共に前記センサプローブを前記セットバック面から所定距離に保つように、前記センサプローブに固定的に取り付けられている、請求項９記載の装置。
11. 前記センサプローブを前記摺動方向（１３、１４）、前進方向（１５）及び押圧方向（７０）に移動させる手段を備え、
    前記前進方向及び前記押圧方向の各々は、前記摺動方向に対して直角をなしており、
    前記押圧手段は、前記押圧方向に前記従動部材を押圧するのに適したものであり、
    前記前進方向は、前記押圧方向に対して直角をなす、請求項１０記載の装置。
12. 前記フレームは、前記フレームと前記ワーク表面の間の距離を計測するのに適した位置センサを更に備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記ワーク表面までの距離を計測するのに適した距離センサ（９５）を更に備え、
    前記距離センサ（９５）は、前進方向（１５）において、前記ワーク表面と前記検出外面との接触点の上流に位置する当該装置の一箇所に配置されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 基準位置に対する前記センサプローブの回転軸周りの角変位を計測するのに好適な角度計測部（８５、３３）を更に備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記角度計測部（３３、８５）は、電位計（ポンショメータ）、インクリメンタルコーダ、誘導性センサ、比較器および光学式三角センサ、の中から選択される、請求項７又は１４に記載の装置。
16. 前記角度計測部はシャフトを備え、そのシャフトは、たわみ結合（３９、４０）、直接結合、歯車結合（４２、４３）、ノッチ付ベルト結合（４４、４５）、及び、ロッカー・アーム・システム結合（４５、４６、４７）から成る群から選択される結合を介して、前記センサプローブが回転軸周りで回転することにより回転駆動されるものである、請求項１４又は１５に記載の装置。
17. 前記角度計測部は、前記センサプローブ（８）の上面の位置を検出できるように、前記移動支持部（６、２９）の基準フレームに、前記検出外面に相対して配置された距離計（６４、６８）を備える、請求項１４に記載の装置。
18. 前記角度計測部は、
    前記センサプローブに連結されると共に前記回転軸（１７）を中心として前記センサプローブと確実に連動して枢動するカム（７１）と、
    前記カムの表面（７３）の位置を検出できるように、前記移動支持部（６、２９）の基準フレームに配置された距離計（６４、６８）と、を備える、請求項１４に記載の装置。
19. 前記センサプローブの枢動に応じて前記回転軸周りに枢動可能なワーク表面処理工具（５７）を更に備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
20. 前記センサプローブ（８）の許容動作は前記回転軸（１７）を中心とした枢動のみとされ、前記検出外面（２０）は前記回転軸（１７）に平行な公転軸（１２）周りの公転動作を有し、前記公転軸は前記回転軸から離間しており、
    前記センサプローブは、
    前記移動支持部の関節点に枢動可能に連結されると共に前記回転軸を画定する第１部分（２３）と、前記第１部分に平行で且つ前記第１部分からオフセットされると共に前記公転軸を画定する第２部分（２４）とを有するハンドル（２１）を備えており、
    前記ハンドルの第１部分は工具支持部（５６）を有しており、処理工具（５７）は前記工具支持部（５６）に固定的に連結されることで前記ハンドルと共に枢動する、請求項１７に記載の装置。

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