CN115533891A - 加工系统、加工机器人控制装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种加工系统、加工机器人控制装置及加工方法，无须另行使用检测加工工具的转速的传感器即可改善使用加工工具的机器人表现出的加工品质及可靠性。具备：加工工具；机械臂，其能将加工工具按压至加工对象；力传感器，其能检测包含因加工工具的旋转运动而产生的振动的、施加至机械臂的外力；外力数据获取部，其获取表示力传感器检测到的外力的数据；按压力运算部，其根据外力数据获取部获取到的数据算出按压力；工具转速运算部，其根据外力数据获取部获取到的数据算出加工工具的转速；按压力指令值运算部，其根据转速算出按压力的指令值；力控制部，其根据按压力运算部算出的按压力以及按压力指令值运算部算出的按压力的指令值进行按压力的控制。

Description

加工系统、加工机器人控制装置及加工方法

技术领域

本发明涉及对安装有加工工具的机械臂进行控制的加工系统、加工机器人控制装置以及加工方法。

背景技术

以往，在让机器人实施加工作业的情况下，通过在机器人所具有的机械臂的指尖安装气动式加工工具来进行加工作业。

另一方面，该气动式加工工具有过负荷会导致加工工具的转速下降这一特性。由此，使用加工工具的机器人存在加工作业未完成或者结束得不彻底以及在加工品质方面及可靠性上不足等问题。

对此，提出有使用光电传感器来检测加工工具的转速、根据该转速来调整及控制对工件的按压力的加工系统(例如参考专利文献1)。通过该加工系统，能够改善使用加工工具的机器人表现出的加工品质及可靠性。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利特开2000-24974号公报

发明内容

【发明要解决的问题】

然而，在专利文献1中揭示那样的加工系统的情况下，分别需要对加工工具的转速进行检测的传感器和用于控制根据转速进行了调整的按压力的传感器两者。因此，该加工系统会耗费与上述两种传感器相应的成本。

此外，在专利文献1中揭示那样的加工系统的情况下，须将上述两种传感器给出的检测结果反馈至机器人侧。因此，该加工系统中线路增多、系统整体变得复杂。此外，在该加工系统中，须以软件形式部署用于获取两种传感器的输出结果的接口。

再者，上述两种传感器当中，就用于控制机械臂所产生的按压力的传感器而言，只要是能进行力的控制的机器人，有时也是标配及支持的。然而，就检测加工工具的转速的传感器而言，由于与机器人平常的控制无关，所以须由用户自己进行布线等。

本发明是为了解决上述那样的问题而成，其目的在于提供一种无须另行使用检测加工工具的转速的传感器即可改善使用加工工具的机器人表现出的加工品质及可靠性的加工系统。

【解决问题的技术手段】

本发明的加工系统的特征在于，具备：加工工具，其通过旋转运动对加工对象进行加工作业；机械臂，其能将加工工具按压至加工对象；力传感器，其能检测包含因加工工具的旋转运动而产生的振动的、施加至机械臂的外力；外力数据获取部，其获取表示由力传感器检测到的外力的数据；按压力运算部，其根据由外力数据获取部获取到的数据来算出机械臂所产生的按压力；工具转速运算部，其根据由外力数据获取部获取到的数据来算出加工工具的转速；按压力指令值运算部，其根据由工具转速运算部算出的转速来算出对机械臂的按压力的指令值；以及力控制部，其根据由按压力运算部算出的按压力以及由按压力指令值运算部算出的按压力的指令值来进行对机械臂的按压力的控制。

【发明的效果】

根据本发明，由于像上述那样构成，所以无须另行使用检测加工工具的转速的传感器即可改善使用加工工具的机器人表现出的加工品质及可靠性。

附图说明

图1为表示实施方式1的加工系统的构成例的图。

图2为表示实施方式1的加工系统的构成例的图。

图3为表示实施方式1的加工系统的另一构成例的图。

图4为表示实施方式1的加工机器人控制装置的动作例的流程图。

图5为表示实施方式1中的外力数据获取部得到的接收结果的一例的图。

图6为表示实施方式1中的工具转速运算部给出的谱解析结果的一例的图。

图7为表示实施方式2中的工具转速运算部的构成例的图。

具体实施方式

下面，一边参考附图，一边对本发明的实施方式进行详细说明。

实施方式1.

图1～3为表示实施方式1的加工系统的构成例的图。

如图1～3所示，加工系统具备加工工具1、机器人2以及加工机器人控制装置(控制器)3。

加工工具1安装在机器人2所具有的机械臂201上的顶端(指尖部分)，通过旋转运动对加工对象进行加工作业。作为加工工具1所进行的加工作业，可列举使安装于加工工具1的顶端的刀具或砥石旋转来进行的加工作业等。

如图1～3所示，机器人2具备机械臂201及力传感器202。

机械臂201构成为能将安装于顶端的加工工具1按压至加工对象。

力传感器202是能够检测包含因加工工具1的旋转运动而产生的振动(微小振动)的、施加至机械臂201的外力的传感器。作为该力传感器202所检测的外力，可列举力或转矩。

并且，力传感器202将表示外力的数据发送至加工机器人控制装置3。此时，力传感器202可发送原始数据(表示检测到的外力本身的数据)，也可将检测到的外力在力传感器202内转换为力或转矩、之后再发送该转换后的表示外力的数据。

力传感器202的具体例示于图2。

图2中展示了使用安装于机械臂201上的顶端的指尖力传感器202a作为力传感器202的情况。该指尖力传感器202a能够检测施加至机械臂201上的顶端的力。

力传感器202的另一具体例示于图3。

图3中展示了使用安装于机械臂201的每一关节的转矩传感器202b作为力传感器202的情况。这各个转矩传感器202b能够检测施加至机械臂201的各关节的转矩。

再者，作为力传感器202，须能检测对机械臂201所产生的按压力进行控制所需的力。

此处，在力传感器202为指尖力传感器202a的情况下，指尖力传感器202a须能检测按压方向的平移力。

此外，在力传感器202为多个转矩传感器202b的情况下，各转矩传感器202b较理想为安装于机械臂201的所有关节，但只要是能够控制按压力的范围，则也可减少传感器数。

此外，作为力传感器202，须能检测因加工工具1的旋转运动而产生的振动。

因加工工具1的旋转运动而产生的振动的振幅小，所以力传感器202需要能够检测该振幅的程度的分辨率。

此外，力传感器202需要能够捕捉因加工工具1的旋转运动而产生的振动的频率的程度的频带。此处，若将转速设为r[rpm]，则对应的频率为r/60[Hz]，所以力传感器202需要比该频率宽的频带。

再者，在力传感器202为多个转矩传感器202b的情况下，各转矩传感器202b无须在机械臂201的所有关节上都满足上述性能，例如可为仅离加工工具1最近的关节满足上述性能。

加工机器人控制装置3根据由力传感器202发送的数据来进行对机械臂201的按压力的控制。如图1所示，该加工机器人控制装置3具备外力数据获取部301、按压力运算部302、工具转速运算部303、按压力指令值运算部304以及力控制部305。

再者，加工机器人控制装置3由系统LSI(Large Scale Integration)等处理电路或者执行存储器等当中存储的程序的CPU(Central Processing Unit)等来实现。

此外，图1～3中展示的是加工机器人控制装置3所具有的构成全部设置在进行机器人2的控制的控制器内的情况。

外力数据获取部301通过接收由力传感器202发送的表示外力的数据来获取该数据。继而，外力数据获取部301将获取到的表示外力的数据发送至按压力运算部302及工具转速运算部303。

按压力运算部302根据由外力数据获取部301获取到的数据来算出机械臂201所产生的按压力。此时，首先，按压力运算部302根据由外力数据获取部301获取到的数据来算出机械臂201的指尖力。继而，按压力运算部302从算出的指尖力减去重力所引起的分量，由此推断出外力所引起的按压力。

继而，按压力运算部302将表示机械臂201所产生的按压力的数据发送至力控制部305。

再者，在力传感器202为多个转矩传感器202b的情况下，按压力运算部302推断外力所引起的转矩，根据该转矩来算出机械臂201所产生的按压力。

再者，在力传感器202能够检测因加工工具1的旋转运动而产生的振动的情况下，由按压力运算部302推断出的指尖力中包含该振动带来的分量。因此，在上述振动带来的分量对于按压力控制而言成为干扰的情况下，按压力运算部302可通过低通滤波器等来清除该振动带来的分量，之后进行向力控制部305的数据发送。

工具转速运算部303根据由外力数据获取部301发送的数据来算出加工工具1的转速。此时，工具转速运算部303例如可以通过进行高速傅里叶变换或谱解析来算出加工工具1的转速。

继而，工具转速运算部303将表示加工工具1的转速的数据发送至按压力指令值运算部304。

再者，图1中展示的是工具转速运算部303使用由外力数据获取部301获取到的表示外力的数据来算出加工工具1的转速的情况。但并不限于此，工具转速运算部303也可使用由按压力运算部302算出的表示按压力的数据来算出加工工具1的转速。

其中，在由按压力运算部302算出的按压力中，有时通过低通滤波器等来去除了因加工工具1的旋转运动而产生的振动。在该情况下，工具转速运算部303无法利用由按压力运算部302算出的表示按压力的数据来算出加工工具1的转速。因此，工具转速运算部303所使用的表示按压力的数据须为未去除上述振动的数据。

按压力指令值运算部304根据由工具转速运算部303算出的转速来算出对机械臂201的按压力的指令值。此时，例如在正在进行加工作业的过程中加工工具1的转速变成规定阈值以下的情况下，按压力指令值运算部304判断正在对加工工具1侧施加过负荷，从而减小按压力的指令值。由此，能够抑制加工工具1的转速降低而导致加工品质或可靠性降低。再者，按压力指令值运算部304可使用用于算出与加工工具1的转速相应的按压力的指令值的函数。

继而，按压力指令值运算部304将表示按压力指令值的数据发送至力控制部305。

力控制部305根据由按压力运算部302算出的按压力以及由按压力指令值运算部304算出的按压力的指令值来进行对机械臂201的按压力的控制。此时，力控制部305例如通过算出当前的按压力与按压力的指令值一致这样的指令值来进行对机械臂201的按压力的控制。再者，力控制部305所算出的指令值为位置、速度或者电流等用于驱动机械臂201的指令值即可。

继而，力控制部305将表示指令值的数据发送至机器人2。其后，机器人2根据由力控制部305算出的指令值来驱动机械臂201。

接着，一边参考图4，一边对图1～3所示的实施方式1的加工机器人控制装置3的动作例进行说明。再者，力传感器202检测施加至机械臂201的外力，并将表示该外力的数据发送至加工机器人控制装置3。

在图1～3所示的实施方式1的加工机器人控制装置3的动作例中，如图4所示，首先，外力数据获取部301通过接收由力传感器202发送的表示外力的数据来获取该数据(步骤ST401)。

继而，外力数据获取部301将获取到的表示外力的数据发送至按压力运算部302及工具转速运算部303。

然后，按压力运算部302根据由外力数据获取部301获取到的数据来算出机械臂201所产生的按压力(步骤ST402)。

此外，工具转速运算部303根据由外力数据获取部301发送的数据来算出加工工具1的转速(步骤ST403)。此时，工具转速运算部303例如可以通过进行高速傅里叶变换或谱解析来算出加工工具1的转速。

下面，对工具转速运算部303使用高速傅里叶变换或谱解析的加工工具1的转速的算出方法进行说明。

例如，假设工具转速运算部303在正在通过加工工具1进行加工作业的过程中从外力数据获取部301得到了图5所示那样的数据。在该情况下，首先，工具转速运算部303取出上述数据中的规定时间前起到当前为止的数据。此时，须考虑数据长度也就是取出到过去何处为止的数据。工具转速运算部303在数据取出后进行高速傅里叶变换或谱解析，但若是没有一定程度的长度的数据，则频率分辨率降低、所求的转速的分辨率也降低。另一方面，若数据长度变长，则在转速发生了变化时，到检测到转速为止的时间变长。因此，须取得这2个的平衡来决定恰当的数据长度。

继而，工具转速运算部303对取出的数据进行高速傅里叶变换或谱解析，求出数据的每一频率的功率或振幅。例如，当工具转速运算部303对取出的数据实施谱解析时，可以获得图6所示那样的结果。图6中，横轴表示频率，纵轴表示每一频率的功率(功率谱)。

继而，工具转速运算部303根据高速傅里叶变换或谱解析的结果将功率或振幅最大的频率推断为与加工工具1的旋转相对应的频率，根据该频率来算出加工工具1的转速。例如图6中，功率最大的频率为20Hz，所以工具转速运算部303推断20×60＝1200rpm为加工工具1的转速。此时，工具转速运算部303宜忽略处于与加工工具1的旋转无关的频率上的功率或振幅的波峰(在该例中来说，是处于远离20Hz的频率上的波峰)。

再者，要注意该运算中不是通过求借助高速傅里叶变换或谱解析得到的每一频率的功率或振幅的值本身而是通过求功率或振幅达到最大的频率来推断转速。

继而，工具转速运算部303将表示加工工具1的转速的数据发送至按压力指令值运算部304。

然后，按压力指令值运算部304根据由工具转速运算部303算出的转速来算出对机械臂201的按压力的指令值(步骤ST404)。

继而，按压力指令值运算部304将表示按压力指令值的数据发送至力控制部305。

然后，力控制部305根据由按压力运算部302算出的按压力以及由按压力指令值运算部304算出的按压力的指令值来进行对机械臂201的按压力的控制(步骤ST405)。

继而，力控制部305将表示指令值的数据发送至机器人2。其后，机器人2根据由力控制部305算出的指令值来驱动机械臂201。

接着，对图1～3所示的实施方式1的加工机器人控制装置3所产生的效果进行说明。

此处，在搭载有按压力控制用传感器(力传感器202)的机器人2的指尖安装加工工具1来进行加工作业的情况下，加工工具1的旋转运动所产生的力还传递至按压力控制用传感器。因此，只要按压力控制用传感器的性能高，就能检测加工工具1的旋转运动所产生的力。加工工具1的旋转运动所产生的力通常具有与转速相对应的频率的振动分量，所以，通过分析按压力控制用传感器的测量值，能够提取加工工具1的转速。

因此，在实施方式1的加工机器人控制装置3中，通过利用因加工工具1的旋转运动而产生的振动还会传递至按压力控制用传感器(力传感器202)这一事实和只要按压力控制用传感器的性能高便能检测与加工工具1的转速相对应的频率的振动分量这一事实，即便加工工具1上没有检测转速的传感器也能检测加工工具1的转速。

由此，实施方式1的加工机器人控制装置3仅靠来自按压力控制用传感器的数据便能根据加工工具1的转速来调整按压力，从而能低成本化且简易地实现加工品质及可靠性高的加工作业。此外，只要是具有力控制功能的机器人2，便标配有某种力传感器202，所以能在没有追加传感器的情况下实现上述效果。

再者，图1中展示的是外力数据获取部301、按压力运算部302以及工具转速运算部303设置在机器人2的控制器内的情况。但并不限于此，外力数据获取部301、按压力运算部302以及工具转速运算部303例如也可设置在与力传感器202相同的场所内。

如上所述，根据该实施方式1，加工系统具备：加工工具1，其通过旋转运动对加工对象进行加工作业；机械臂201，其能将加工工具1按压至加工对象；力传感器202，其能检测包含因加工工具1的旋转运动而产生的振动的、施加至机械臂201的外力；外力数据获取部301，其获取表示由力传感器202检测到的外力的数据；按压力运算部302，其根据由外力数据获取部301获取到的数据来算出机械臂201所产生的按压力；工具转速运算部303，其根据由外力数据获取部301获取到的数据来算出加工工具1的转速；按压力指令值运算部304，其根据由工具转速运算部303算出的转速来算出对机械臂201的按压力的指令值；以及力控制部305，其根据由按压力运算部302算出的按压力以及由按压力指令值运算部304算出的按压力的指令值来进行对机械臂201的按压力的控制。由此，实施方式1的加工系统无须另行使用检测加工工具1的转速的传感器即可改善使用加工工具1的机器人2表现出的加工品质及可靠性。

实施方式2.

实施方式1中展示了工具转速运算部303使用高速傅里叶变换或谱解析来算出加工工具1的转速的情况。然而，工具转速运算部303所使用的算出方法并不限于此，也可使用别的算出方法。在实施方式2中，对工具转速运算部303根据因加工工具1的旋转运动而产生的振动的上下运动次数来算出与加工工具1的转速相对应的频率的情况进行说明。

再者，实施方式2的加工机器人控制装置3的构成例在工具转速运算部303的构成上不一样，除此以外与图1所示的实施方式1的加工机器人控制装置3的构成例相同，所以仅对工具转速运算部303的详情进行说明。

图7为表示实施方式2中的工具转速运算部303的构成例的图。如图7所示，实施方式2中的工具转速运算部303具有频带限制部3031及上下运动计数部3032。

频带限制部3031将由外力数据获取部301获取到的数据导入带通滤波器，由此进行对该数据的频带限制。该带通滤波器设计成仅使与加工工具1的转速相对应的频率的附近通过。例如，在加工工具1的规定转速为1200rpm的情况下，仅使与其相对应的20Hz的附近也就是例如20±10％Hz或20±20％Hz的分量通过。由此，频带限制部3031仅提取与加工工具1的转速相对应的频率分量。此外，通过由频带限制部3031使通过的频率具有宽度，即便加工工具1的转速略微变化，也能在后级的上下运动计数部3032中进行检测。

继而，频带限制部3031将频带限制后的数据发送至上下运动计数部3032。

上下运动计数部3032根据频带限制部3031给出的频带限制后的数据(时间序列数据)对上下运动相关的数据进行计数，由此，根据该次数来算出加工工具1的转速。

此处，由频带限制部3031发送的数据被去除了直流分量。因此，上下运动计数部3032可以通过对上述数据所表示的外力穿过零值的次数进行计数来算出加工工具1的转速。例如在1秒钟内40次穿过零值的情况下，频率为20Hz，可以推断相当于1200rpm(正弦波在1周期内2次穿过零值)。再者，在如此求出的频率有偏差的情况下，上下运动计数部3032可通过进行移动平均处理等来抑制该偏差。

或者，上下运动计数部3032也可以通过对上述数据所表示的外力穿过零值的时间间隔进行计数来算出加工工具1的转速。例如，在每隔25毫秒穿过零值的情况下，时间间隔的倒数即40Hz是与转速相对应的频率的2倍，可以推断转速为1200rpm。

实施方式2中的工具转速运算部303不需要实施方式1中的工具转速运算部303中的高速傅里叶变换或谱解析等复杂的运算，是通过对上下运动进行计数来算出转速，所以有计算成本小、适合实时处理等优点。

除了上述以外，工具转速运算部303例如还可以通过专利文献2记载的方法来推断与因加工工具1的旋转运动而产生的振动的上下运动次数相对应的频率。

【专利文献2】日本专利特开2010-127893号公报

再者，本申请发明可以在本发明的范围内进行各实施方式的自由组合或者各实施方式的任意构成要素的变形、或者在各实施方式中省略任意构成要素。

符号说明

1…加工工具

2…机器人

3…加工机器人控制装置

201…机械臂

202…力传感器

202a…指尖力传感器

202b…转矩传感器

301…外力数据获取部

302…按压力运算部

303…工具转速运算部

304…按压力指令值运算部

305…力控制部

3031…频带限制部

3032…上下运动计数部。

Claims (7)

1.一种加工系统，其特征在于，具备：

加工工具，其通过旋转运动对加工对象进行加工作业；

机械臂，其能将所述加工工具按压至加工对象；

力传感器，其能检测包含因所述加工工具的旋转运动而产生的振动的、施加至所述机械臂的外力；

外力数据获取部，其获取表示由所述力传感器检测到的外力的数据；

按压力运算部，其根据由所述外力数据获取部获取到的数据来算出所述机械臂所产生的按压力；

工具转速运算部，其根据由所述外力数据获取部获取到的数据来算出所述加工工具的转速；

按压力指令值运算部，其根据由所述工具转速运算部算出的转速来算出对所述机械臂的按压力的指令值；以及

力控制部，其根据由所述按压力运算部算出的按压力以及由所述按压力指令值运算部算出的按压力的指令值来进行对所述机械臂的按压力的控制。

2.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于，

所述工具转速运算部通过进行高速傅里叶变换或谱解析来算出所述加工工具的转速。

3.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于，

所述工具转速运算部具有：

频带限制部，其对由所述外力数据获取部获取到的数据进行频带限制；以及

上下运动计数部，其根据所述频带限制部给出的限制后的数据对上下运动相关的数据进行计数，由此算出所述加工工具的转速。

4.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于，

所述上下运动计数部通过对所述频带限制部给出的限制后的数据所表示的外力穿过零值的次数进行计数来算出所述加工工具的转速。

5.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于，

所述上下运动计数部通过对所述频带限制部给出的限制后的数据所表示的外力穿过零值的时间间隔进行计数来算出所述加工工具的转速。

6.一种加工机器人控制装置，其特征在于，具备：

外力数据获取部，其获取表示由能够检测外力的力传感器检测到的外力的数据，所述外力是施加至能将通过旋转运动对加工对象进行加工作业的加工工具按压至加工对象的机械臂的外力，而且是包含因该加工工具的旋转运动而产生的振动的外力；

按压力运算部，其根据由所述外力数据获取部获取到的数据来算出所述机械臂所产生的按压力；

工具转速运算部，其根据由所述外力数据获取部获取到的数据来算出所述加工工具的转速；

按压力指令值运算部，其根据由所述工具转速运算部算出的转速来算出对所述机械臂的按压力的指令值；以及

力控制部，其根据由所述按压力运算部算出的按压力以及由所述按压力指令值运算部算出的按压力的指令值来进行对所述机械臂的按压力的控制。

7.一种加工方法，它是加工系统所使用的加工方法，所述加工系统具备：加工工具，其通过旋转运动对加工对象进行加工作业；机械臂，其能将所述加工工具按压至加工对象；以及力传感器，其能检测包含因所述加工工具的旋转运动而产生的振动的、施加至所述机械臂的外力，该加工方法的特征在于，具有以下步骤：

由外力数据获取部获取表示由所述力传感器检测到的外力的数据；

由按压力运算部根据由所述外力数据获取部获取到的数据来算出所述机械臂所产生的按压力；

由工具转速运算部根据由所述外力数据获取部获取到的数据来算出所述加工工具的转速；

由按压力指令值运算部根据由所述工具转速运算部算出的转速来算出对所述机械臂的按压力的指令值；以及

由力控制部根据由所述按压力运算部算出的按压力以及由所述按压力指令值运算部算出的按压力的指令值来进行对所述机械臂的按压力的控制。

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