CN102834229B

CN102834229B - 定位装置、加工系统和热加工装置

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Publication number: CN102834229B
Application number: CN201180017044.XA
Authority: CN
Inventors: 冈久学; 木下佑辅; 巢山崇; 富泽淳; 桑山真二郎; 原三了
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; Nippon Steel Corp; Sumitomo Pipe and Tube Co Ltd
Current assignee: Yaskawa Electric Corp; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Pipe Co Ltd
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: WO2011111765A1; CA2792536C; EA024239B1; JP5499156B2; EP2546031A4; CN102834229A; EA201290842A1; AU2011225217B2; BR112012022919A2; JPWO2011111765A1; CA2792536A1; AU2011225217A1; KR101478420B1; KR20120135418A; US20130239639A1; US9409269B2; EP2546031A1; ZA201206765B; MX2012010435A; EP2546031B1

Abstract

本发明提供一种定位装置、加工系统和热加工装置。定位装置和加工系统即使在工件的重量较大的情况下也能够以更低成本、进一步实现省空间化且精度更佳地对工件进行定位。该定位装置具有：三个机器人手臂（1）～（3），其分别具有臂和驱动臂的驱动器；载置台（5），其由三个机器人手臂（1）～（3）的各自的顶端部支承；固定治具（6），其用于将载置在载置台（5）上的工件（W）固定在载置台（5）上；以及控制器（9），其对各驱动器的各动作进行控制。

Description

定位装置、加工系统和热加工装置

技术领域

本发明涉及一种以更低的费用且以更狭小的设置范围构成的定位装置、加工系统和热加工装置。

背景技术

在使用机器人等进行组装、焊接等加工作业的时，有时使用定位装置，该定位装置用于通过保持被加工工件（以下，仅称作“工件”）而使工件相对于对加工作业用的机器人的位置、姿势最优化。

该定位装置使如下情况成为可能，即，能够使用加工作业用的机器人在更小的作业空间内对工件的不同的位置进行加工作业。

作为该定位装置的一例实际使用了主/从型的机器人系统，该主/从型的机器人系统在机器人的顶端保持工件，一边相对于加工作业用的机器人对工件进行定位一边进行作业。

但是，在工件的重量较大的情况下，需要在定位装置上设置大型且高功率的驱动器，而使定位装置的尺寸变大。

因此，在专利文献1中提出了如下技术，即，利用多个机器人保持重量较大的工件，通过协调控制多个机器人对工件进行定位。由于多个机器人共同保持一个工件，因此能够减少要求各机器人输出的功率。因此，与单个使用高搬运能力的机器人的情况相比，定位装置实现了低成本和省空间化。

在先专利文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-160437号公报

发明内容

发明要解决的问题

若像由专利文献1公开的那样利用多个机器人支承工件，则会由各机器人的结构特性的差异等各种主要原因导致产生机器人各自的顶端位置相对于所期待的位置的误差。并且，难以完全消除上述误差。

此外，若各机器人的顶端位置产生误差，则计划之外的应力会作用于用各机器人所保持的工件，而成为产生不良品的一个原因。

本发明的目的在于提供一种在工件的重量较大的情况下，也能够比以往低成本、省空间且高精度地对工件进行定位的定位装置、加工系统和使用了该定位装置的热加工装置。

用于解决问题的技术手段

本发明的定位装置的特征在于，具有：三个机器人手臂，其分别具有臂和驱动臂的驱动器；载置台，其由三个机器人手臂的各自的顶端部支承；固定治具（securing jig），其用于将载置在载置台上的工件固定在载置台上；以及控制器，其对驱动器的各动作进行控制。

优选三个机器人手臂分别具有：第1结构件，其经由第1驱动器以能够相对于基座旋转的方式与基座相连结；第2结构件，其经由第2驱动器以能够相对于第1结构件转动的方式与第1结构件相连结；第3结构件，其经由第3驱动器以能够相对于第2结构件转动的方式与第2结构件相连结；以及连结构件，其至少经由一个旋转轴承（rotational bearing）与第3结构件相连结而固定在载置台。

此外，优选驱动器具有基于来自控制器的位置指令进行驱动的伺服马达，控制器具有下述旋转容许功能。

旋转容许功能：是指在对三个机器人手臂中的至少一台驱动器施加预先指示的负载量以上的负载时，无论位置指令如何，容许伺服马达的旋转，从而防止驱动器过载的功能。

优选三个机器人手臂以三个机器人手臂中的一个机器人手臂相对于其他机器人手臂成镜像关系的方式构成。在此，“成镜像关系”是指，三个机器人手臂中的一个机器人手臂的第1结构件和第2结构件的形状是使其他两个机器人手臂的第1结构件和第2结构件的形状左右反转后而成的形状，即，一个机器人手臂的第1结构件和第2结构件的形状与其他两个机器人手臂的第1结构件和第2结构件的形状呈“右手”和“左手”的形状的关系。再换句话说，三个机器人手臂中的一个机器人手臂的形状形成为将其他两个机器人手臂映在镜子中而成的形状。

例如，在后述的图1中，只有在左下的第3机器人手臂3中，在第1结构件11的右侧连结有第2结构件12，相对于此，在第1机器人手臂1和第2机器人手臂2中，均在第1结构件11的左侧连结有第2结构件12。如此，第1机器人手臂1～第3机器人手臂3中的第3机器人手臂3的第1结构件11和第2结构件12的形状为使第1机器人手臂1和第2机器人手臂2的第1结构件11和第2结构件12的形状左右反转后而成的形状，由此，能够将第3机器人手臂3不与第1机器人手臂1和第2机器人手臂2相接触的范围确保得较大，从而能够将载置台5的动作范围确保得较大。

此外，本发明的加工系统的特征在于，其具有上述的本发明的定位装置和对由定位装置定位好的工件进行加工作业的加工机。

并且，本发明的热加工装置的特征在于，包括：高温部形成机构，其用于局部地形成向长尺寸的坯料的轴向进行移动的高温部；可动辊模，其以该高温部为界一边支承坯料的一端部侧一边进行移动；以及上述的本发明的定位装置，其以使可动辊模向二维或三维的方向移动自如的方式支承该可动辊模。

发明的效果

采用本发明，由于用三个机器人手臂分担且稳定地支承工件，因此即使在要进行定位的工件的重量较大的情况下，也能够使用更小型的驱动器作为各机器人手臂的驱动器，从而能够使装置进一步低成本化和省空间化，并且，由于三个机器人手臂经由载置台对工件进行定位，因此即使在各机器人手臂的位置产生了误差的情况下，载置台会吸收由各机器人手臂的位置误差导致的应力而防止对工件施加过大的应力，从而能够以更高的精度对工件进行定位。

因此，采用本发明的热加工装置，能够利用尽可能简便且廉价的定位装置以较高的定位精度且以较大的动作范围对可动辊模进行定位。因此，采用本发明，能够以较高的尺寸精度、廉价且较小的设置空间可靠地制造弯曲加工构件或剪切加工构件。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的一实施方式的加工系统的整体结构的俯视图。

图2是示意性地表示本发明的一实施方式的定位装置的侧视图。

图3是以省略了本发明的一实施方式的定位装置的一部分，并使该定位装置局部透视的方式示意性地表示该定位装置的侧视图。

图4是用于说明本发明的一实施方式的控制器的功能结构的框图。

图5是简便地表示由国际公开第2006/093006号小册子公开的热加工装置的说明图。

附图标记说明

1、第1机器人手臂；2、第2机器人手臂；3、第3机器人手臂；4、基座；5、载置台；6、固定治具；7、8、加工用机械手（manipulator）（加工机）；9、控制器；11、第1结构件；12、第2结构件；13、第3结构件；14、第4结构件；14A、第1旋转轴承（旋转轴承）；15、第5结构件；15A、第2旋转轴承（旋转轴承）；16、连结构件；16A、第3旋转轴承（旋转轴承）；21～23、驱动器；31、伺服控制部；32、旋转容许控制部（旋转容许功能）；33、指示动作存储部；40、热加工装置；41、钢管；41a、高温部；42、支承装置；43、进给装置；44、可动辊模；45、加热装置（感应加热线圈）；46、水冷装置；47、高温部形成机构；48、弯曲加工构件或剪切加工构件；100、加工系统。

具体实施方式

实施方式1

以下，参照附图说明实施方式。

如图1所示，本实施方式的加工系统100具有第1机器人手臂1、第2机器人手臂2及第3机器人手臂3这三个机器人手臂、基座4、载置台5、固定治具6、两台加工用操纵装置7、8（加工机）和控制器9。

两台加工用操纵装置7、8均是垂直多关节机器人。加工用操纵装置7、8通过使用设置在其顶端部的末端执行器（省略图示）彼此合作地对固定在载置台5上的工件W进行加工作业（焊接、紧固螺栓或组装等）。

基座4形成为在俯视状态下呈大致三角形（或梯形）的形状，固定在底板等的设置面。第1机器人手臂1、第2机器人手臂2及第3机器人手臂3分别安装在呈大致三角形状的基座4的三个顶点附近。

载置台5由金属板形成。如后述那样，载置台5被第1～3机器人手臂1～3的顶端构件、即连结构件16从下方支承。

工件W由设置在载置台5的上表面上的固定治具6固定在载置台5上。固定治具6只要是能够将工件W固定在载置台5上的治具即可，并不限定于特定的固定治具。

如图2所示，第1机器人手臂1、第2机器人手臂2及第3机器人手臂3均具有第1结构件（臂）11、第2结构件（臂）12、第3结构件（臂）13、第4结构件14、第5结构件15、连结构件16、第1旋转轴承14A、第2旋转轴承15A和第3旋转轴承16A。

如图3所示，第1机器人手臂1、第2机器人手臂2及第3机器人手臂3均内置有三个驱动器21～23。各驱动器21～23由减速机一体型伺服马达构成，该减速机一体型伺服马达在中央部具有电缆能够贯穿的空心部。各驱动器21～23分别经由电缆（省略图示）与控制器9相连接。

第4结构件14、第5结构件15并不是需要必须设置的构件，第3结构件13可以与连结构件16直接连接。

另外，在图3中，虽然仅在第1机器人手臂1中表示了驱动器21～23，在第2机器人手臂2和第3机器人手臂3中省略了驱动器21～23，但第2机器人手臂2和第3机器人手臂3均与第1机器人手臂1相同地内置有驱动器21～23。

对于第1机器人手臂1、第2机器人手臂2及第3机器人手臂3而言，除了如后述那样第3机器人手臂3以与第1机器人手臂1和第2机器人手臂2成镜像关系的方式构成之外，第1机器人手臂1、第2机器人手臂2及第3机器人手臂3相同地构成。以下，详细地说明第1机器人手臂1的结构。另外，将各机器人手臂1～3的基座4这一侧称作“基端侧”，将各机器人手臂1～3的载置台5这一侧称作“顶端侧”。

第1结构件11经由驱动器21向上方延伸地设置在基座4的上表面上。第1结构件11的在延伸方向上的轴通过驱动器21的驱动而相对于基座4旋转（是所谓的旋转轴）。第1结构件11的顶端侧经由驱动器22与第2结构件12相连结。驱动器22是所谓的支枢，通过驱动器22的驱动，第2结构件12相对于第1结构件11转动。

第2结构件12的顶端侧经由驱动器23与第3结构件13相连结。驱动器23也是支枢，通过驱动器23的驱动，第3结构件13相对于第2结构件12转动。

第3结构件的顶端侧经由第1旋转轴承14A与第4结构件14相连结。第1旋转轴承14A是所谓的容许旋转轴方向的旋转的构件，通过第1旋转轴承14A的旋转，第4结构件14相对于第3结构件13以大致沿着第3结构件13的延长方向这样的轴为中心旋转。

第4结构件14的顶端侧分支为两股，分别在两端经由第2旋转轴承15A以使第5结构件15旋转自如的方式支承该第5结构件15。而且，第5结构件15经由第3旋转轴承16A与连结构件16相连结。另外，第2旋转轴承15A的旋转轴与第3旋转轴承16A的旋转轴彼此正交，第2旋转轴承15A作为支枢容许旋转，第3旋转轴承16A作为旋转轴容许旋转。连结构件16由螺栓等固定在载置台5的下表面上。

另外，如图1～图3所示，第3机器人手臂3的第1结构件11和第2结构件12的形状以相对于第1机器人手臂1和第2机器人手臂2各自的第1结构件11和第2结构件12的形状成为左右对称形状的方式形成。若将第1机器人手臂1和第2机器人手臂2设为例如“左手系”，则以第3机器人手臂3成为“右手系”的方式构成镜像关系。

控制器9由具有存储装置、电子计算器及输入装置（均省略图示）的计算装置构成。控制器9由电缆与设置在第1～第3机器人手臂1～3及两台加工用操纵装置7、8的驱动器相连接。控制器9能够相对于各驱动器进行数据通信。

如图4所示，控制器9作为功能结构具有伺服控制部31、旋转容许控制部（旋转容许功能）32及指示动作存储部33。

在指示动作存储部33中输入有由省略图示的输入装置预先输入的指示数据（表示第1～第3机器人手臂1～3和两台加工用操纵装置7、8各自的动作路径的位置数据的集合）。

伺服控制部31基于存储在指示动作存储部33的指示数据和从各驱动器的伺服马达输入的位置信号及电流信号，进行具有位置反馈回路、速度反馈回路和电流反馈回路（转矩环路）的反馈控制，每次运算周期向各驱动器的伺服马达输出位置指令。

旋转容许控制部32具有如下的旋转容许功能，基于第1～第3机器人手臂1～3的姿势信息（各自的驱动器的位置信息）选择第1～第3机器人手臂1～3中的一个机器人手臂，在从所选择的第1～第3机器人手臂1～3的各驱动器的伺服马达输入的电流信号（转矩信息即负载量）比预先设定的值大的情况下，无论来自伺服控制部31的输出值如何，限制向各驱动器的伺服马达的指令电流值，而容许伺服马达的旋转，由此，防止所选择的第1～第3机器人手臂1～3的各驱动器过载。

加工系统100如上构成，因此，即使在进行定位的工件3的重量较大的情况下，通过由第1～第3机器人手臂1～3分担支承，即使使用更小型且低功率的驱动器作为各机器人手臂的驱动器，也足以对工件W进行定位。

由此，能够以更低的成本使第1～第3机器人手臂1～3小型化。而且，并没有利用第1～第3机器人手臂1～3直接保持工件W，而是经由载置台5和固定治具6对工件W进行定位，因此，即使在各机器人手臂1～3的连结构件16的位置等产生了误差（或公差）的情况下，只要是小规模的误差，就能够通过载置台5自身的变形、容许第1旋转轴承14A、第2旋转轴承15A和第3旋转轴承16A的各机器人手臂1～3的顶端侧的各三个自由度的旋转方向而一定程度地吸收相对于任何方向的位置的误差量，因此，能够大幅度地抑制对工件W施加由位置误差导致的应力的情况。

此外，即使在各机器人手臂1～3的连结构件16的位置的误差比较大的情况下，由于旋转容许控制部32在对与各机器人手臂1～3各自的姿势相对应地选择的机器人手臂1～3的各驱动器施加了预先指示的负载量以上的负载时，无论位置指令如何，容许伺服马达的旋转，因此，也能够防止对载置台5、各机器人手臂1～3施加过大的负载，而能够抑制载置台5的过度的变形、由载置台5的过度的变形导致的对工件W施加的应力负载等，从而能够精度更佳地对工件W进行定位。而且，由于能够防止对各个机器人手臂1～3施加过大的负载，因此，能够避免对各机器人手臂1～3施加意外的负担。

由于利用三个机器人手臂1～3支承载置台5和工件W，因此，即使在由旋转容许控制部32限制了一个机器人手臂的功率的情况下，也能够利用剩余的两个机器人手臂充分地支承工件W。

此外，第1～第3机器人手臂1～3均具有三个自由度，因此，例如若与直线运动式的平行连杆机构等相比，则能够将载置台5的可动范围确保得较大。

并且，各机器人手臂1～3的第1结构件11设置在呈三角形状的基座4的三个顶点附近，并且，各机器人手臂1～3以机器人手臂1、2和机器人手臂3成镜像关系的方式形成，因此，在通过折叠各机器人手臂1～3而使载置台5下降至基座4的附近时，第1结构件11和第2结构件12会位于沿着基座4的呈三角形状的边的位置，从而能够避免各机器人手臂1～3之间的干涉，并且，能够减少各机器人手臂1～3向外侧的占位面积（footprint）。

以上，说明了本发明的实施方式，但本发明的定位装置并不限定于该实施方式，在不脱离本发明的主要内容的范围内能够适当进行变形来应用。

例如，在上述的实施方式中，说明了利用一体的控制器来控制第1～3机器人手臂和加工用操纵装置的装置，但控制器也可以作为适当的独立体而构成。此外，例如还可以以如下方式构成为：以利用独立体的控制器仅对伺服控制进行控制等，利用多个控制器对一个机器人手臂进行控制。

实施方式2

图5是简便地表示由国际公开第2006/093006号小册子公开的热加工装置40的说明图。

在实施方式2中，利用实施方式1的定位装置以能够改变设置位置的方式支承热加工装置40的可动辊模44。因此，首先简单地说明热加工装置40。

热加工装置40利用例如使用滚珠丝杆的进给装置43将由支承装置42支承成向钢管41的轴向移动自如的钢管41从上游侧朝向下游侧地进给。而且，在支承装置42的下游利用加热装置（感应加热线圈）45将钢管41快速地加热至可以局部地进行淬火的温度范围（Ac₃点以上），并且，从配置在加热装置45的下游的水冷装置46向钢管41喷射冷却水而使钢管41骤冷，由此，在钢管41的由感应加热线圈45加热的加热位置与向钢管41喷射冷却水的喷射位置之间形成Ac₃点以上的温度的高温部41a。并且，通过对具有至少一组能够一边进给钢管41一边支承钢管41的辊对44a的可动辊模44的位置进行二维或三维改变，而对钢管41的高温部41a施加弯矩或剪切力矩。这样一来，热加工装置40制造弯曲加工构件或剪切加工构件48。

即，热加工装置40包括：高温部形成机构47，其用于局部地形成向作为长尺寸的坯料的钢管41的轴向移动的高温部41a，由支承装置42、进给装置43、加热装置45及水冷装置46构成；可动辊模44，其以高温部41a为界一边支承钢管41的一端部侧一边移动；以及实施方式1的定位装置，其以使可动辊模44向二维或三维的方向移动自如的方式支承该可动辊模44。例如，将可动辊模44的套管（未图示）搭载在实施方式1的定位装置的载置台5的上表面上，并利用适当的固定治具6将可动辊模44的套管固定设置在规定的位置上即可。

另外，作为以高温部41a为界配置在钢管41的另一端部侧的进给装置43，可以例举出应用例如使用滚珠丝杆的周知惯用的进给装置、工业用机器人。此外，由实施方式1的定位装置支承成向二维或三维的方向移动自如的可动辊模44能够与其移动形态相对应地对钢管41的高温部41a施加弯矩、剪切力矩，由此，能够对钢管41进行弯曲加工、剪切加工。

热加工装置40如上构成，因此，即使在钢管41的重量较大的情况下，通过由第1～第3机器人手臂1～3分担支承，即使使用更小型且低功率的驱动器作为各机器人手臂的驱动器，也足以对钢管41进行定位。

由此，能够以更低的成本使第1～第3机器人手臂1～3小型化。而且，并没有利用第1～第3机器人手臂1～3直接保持可动辊模44，而是经由载置台5和固定治具6对可动辊模44进行定位，因此，即使在各机器人手臂1～3的连结构件16的位置等产生了误差（或公差）的情况下，若是小规模的误差，则能够通过载置台5自身的变形、容许第1旋转轴承14A、第2旋转轴承15A及第3旋转轴承16A的各机器人手臂1～3的顶端侧的各三个自由度的旋转方向而一定程度地吸收相对于任何方向的位置的误差量，因此，能够大幅度地抑制对可动辊模44施加由位置误差导致的应力的情况。

此外，即使在各机器人手臂1～3的连结构件16的位置的误差比较大的情况下，由于旋转容许控制部32在对与各机器人手臂1～3各自的姿势相对应地选择的机器人手臂1～3的各驱动器施加了预先指示的负载量以上的负载时，无论位置指令如何，容许伺服马达的旋转，因此，也能够防止对载置台5、各机器人手臂1～3施加过大的负载，而能够抑制载置台5的过度的变形、由载置台5的过度的变形导致的对可动辊模44施加的应力负载等，从而能够精度更佳地对可动辊模44进行定位。而且，由于能够防止对各个机器人手臂1～3施加过大的负载，因此，能够避免对各机器人手臂1～3施加意外的负担。

由于利用三个机器人手臂1～3支承载置台5和可动辊模44，因此，即使在由旋转容许控制部32限制了一个机器人手臂的功率的情况下，也能够利用剩余的两个机器人手臂充分地支承可动辊模44。

并且，各机器人手臂1～3的第1结构件11设置在呈三角形状的基座4的三个顶点附近，并且，各机器人手臂1～3以机器人手臂1、2和机器人手臂3成镜像关系的方式形成，因此，在通过折叠各机器人手臂1～3而使载置台5下降至基座4的附近时，第1结构件11和第2结构件12会位于沿着基座4的呈三角形状的边的位置，从而能够避免各机器人手臂1～3之间的干涉，并且，能够减少向各机器人手臂1～3向外侧的占位面积。

这样一来，采用热加工装置40，能够利用尽可能简便且廉价的定位装置以较高的定位精度且以较大的动作范围对可动辊模44进行定位，因此，能够以较高的尺寸精度、廉价且较小的设置空间可靠地制造弯曲加工构件或剪切加工构件48。

另外，在钢管41中的、脱离了可动辊模44的部分（以下，称作“顶端侧部分”）的重量伴随着加工的进行而增加，这会导致弯矩作用于钢管41的高温部41a上而使热加工后的钢管41发生变形，从而使弯曲加工构件或剪切加工构件48的尺寸精度下降，为了防止弯曲加工构件或剪切加工构件48的尺寸精度由如上原因而下降，优选通过利用适当的构件（以下，称作“变形抑制构件”）支承顶端侧部分来防止弯矩作用于高温部41a。这种变形抑制构件并不限定于特定的构件，只要是能够抑制钢管41的变形的构件即可，可以使用任何构件，例如可以使用适当的支承台、支承构件，但特别优选使用通用的工业用多关节机器人，该通用的工业用多关节机器人以在规定的空间内移动自如的方式设置，用于支承钢管41的顶端侧部分。

Claims

1.一种定位装置，其特征在于，具有：

三个机器人手臂，其分别具有臂和驱动上述臂的驱动器；

载置台，其由上述三个机器人手臂的各自的顶端部支承；

固定治具，其用于将载置在上述载置台上的工件固定在上述载置台上；以及

控制器，其对上述驱动器的各动作进行控制，

上述三个机器人手臂分别具有：

第1结构件，其经由第1驱动器以能够相对于基座旋转的方式与该基座相连结；

第2结构件，其经由第2驱动器以能够相对于上述第1结构件转动的方式与上述第1结构件相连结；

第3结构件，其经由第3驱动器以能够相对于上述第2结构件转动的方式与上述第2结构件相连结；以及

连结构件，其至少经由一个旋转轴承与上述第3结构件相连结而固定在上述载置台，

上述三个机器人手臂构成为这样的镜像关系：三个机器人手臂中的一个机器人手臂的第1结构件和第2结构件的形状是使其他两个机器人手臂的第1结构件和第2结构件左右反转后而成的形状。

2.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，

上述驱动器具有基于来自上述控制器的位置指令进行驱动的伺服马达，

上述控制器具有如下的旋转容许功能：在对上述三个机器人手臂中的至少一台上述驱动器施加预先指示的负载量以上的负载时，无论上述位置指令如何，容许上述伺服马达的旋转，从而防止上述驱动器过载。

3.一种加工系统，其特征在于，

该加工系统具有权利要求1或2所述的定位装置和对由上述定位装置定位好的工件进行加工作业的加工机。

4.一种热加工装置，其特征在于，包括：

高温部形成机构，其用于局部地形成向长尺寸的坯料的轴向进行移动的高温部；可动辊模，其以上述高温部为界一边支承上述坯料的一端部侧一边进行移动；以及权利要求1或2所述的定位装置，其以使上述可动辊模向二维或三维的方向移动自如的方式支承上述可动辊模。