JP2004122255A - 研磨装置及び研磨方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明では、被研磨対象物9の被研磨面10の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具5を変位移動可能なアームの先端に取付け、同アームを研磨工具5の姿勢を保持したまま変位させることによって研磨工具5の研磨面を被研磨対象物9の被研磨面に点接触状態にて押圧しながら被研磨対象物9の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具5の研磨面と被研磨対象物9の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具5の研磨面と被研磨対象物9の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるようにアームの変位量を制御すべく構成した。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨装置及び研磨方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、金型の製造に際しては、NC加工装置などを用いた自動化が進められてきている。
【0003】
しかしながら、金型製造の仕上げ工程である研磨工程にあっては、金型表面を高精度に研磨する研磨装置が存在しないことから、熟練者による研磨工具を用いた手作業で行われていた。
【0004】
そのため、近年では、研磨工程を自動的に行う研磨装置がいくつか提案されてきている。
【0005】
たとえば、特許文献1に開示されている研磨装置では、多関節ロボットのアームの先端に回転駆動機構を取付け、同回転駆動機構に研磨工具としての砥石を取付けており、回転駆動機構で砥石を回転させながら被研磨対象物の被研磨面に沿って砥石を移動させることによって研磨を行うように構成している。
【0006】
また、特許文献2に開示されている研磨装置では、マシニングセンタに回転駆動機構を取付け、同回転駆動機構に研磨工具としての砥石を取付けており、回転駆動機構で砥石を回転させながら被研磨対象物の被研磨面に沿って砥石を移動させることによって研磨を行うように構成している。
【0007】
また、特許文献3に開示されている研磨装置では、超音波振動子に研磨工具としての振動板を取付けており、被研磨対象物の被研磨面に振動板を当接し、超音波振動子で振動板を振動させることによって研磨を行うように構成している。
【0008】
【特許文献1】
特開平7−100754号公報
【0009】
【特許文献2】
特開平10−166267号公報
【0010】
【特許文献3】
特開平11−347894号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の研磨装置にあっても被研磨対象物の被研磨面を高精度に研磨することができなかった。
【0012】
すなわち、上記従来の研磨装置にあっては、回転駆動機構や超音波振動子を用いて研磨工具を回転又は振動させることによって研磨を行っていたため、回転や振動の発生時に駆動ノイズも同時に発生してしまい、かかる駆動ノイズの影響で研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間の押圧力を精度よく検出することができず、これにより、研磨工具の位置や姿勢を高精度に制御することができなかった。
【0013】
また、回転や振動による研削力が強く作用してしまい、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を微調整することが困難であった。
【0014】
また、多関節ロボットやマシニングセンタによって研磨工具だけでなく回転駆動機構や超音波振動子などの重量物をも持ち上げなければならず、これによっても、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を微調整することが困難であった。
【0015】
このように、従来の研磨装置では、金型などの表面を大雑把に研磨することはできたが、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を微調整することができなかったため、複雑な曲面を有する金型の仕上げ加工などには実用的ではなかった。
【0016】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項1に係る本発明では、被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を変位移動可能なアームの先端に取付け、同アームを研磨工具の姿勢を保持したまま変位させることによって研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧しながら被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるようにアームの変位量を制御すべく構成した。
【0017】
また、請求項2に係る本発明では、前記請求項1に係る本発明において、被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更することにした。
【0018】
また、請求項3に係る本発明では、被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧するとともに、研磨工具の姿勢を保持したまま研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具先端部と被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるべく制御することにした。
【0019】
また、請求項4に係る本発明では、前記請求項3に係る本発明において、被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更することにした。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明に係る研磨装置は、多関節ロボットのアームの先端に取付けた研磨工具としての砥石で被研磨対象物の被研磨面を研磨するものである。
【0021】
そして、被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を変位移動可能なアームの先端に取付け、同アームを研磨工具の姿勢を保持したまま変位させることによって研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧しながら被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるようにアームの変位量を制御すべく構成したものである。
【0022】
このように、本発明に係る研磨装置では、研磨工具の姿勢を保持したまま変位させており、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力を研磨力として被研磨面に作用させている。
【0023】
したがって、本発明に係る研磨装置では、従来の研磨装置とは異なり、回転駆動機構や超音波振動子を用いて研磨工具を回転又は振動させることをしていないため、研磨作業時に駆動ノイズが発生するのを防止することができ、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間の押圧力を精度よく検出することができ、これにより、研磨工具の位置や姿勢を高精度に制御することができる。
【0024】
しかも、研磨工具を回転や振動させないことから、研磨力を必要最小限に抑制することができ、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができる。
【0025】
また、多関節ロボットのアームで軸付き砥石などの比較的軽量な研磨工具だけを持ち上げればよくなり、これによっても、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができる。
【0026】
特に、被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更させた場合には、研磨工具の先端部を全体にわたって研磨面として有効に活用することができ、これにより、研磨工具の長寿命化を図ることができる。
【0027】
このように、本発明に係る研磨装置では、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができるので、複雑な曲面を有する金型の仕上げ加工などに実用的に適用することができる。
【0028】
なお、本発明は、上記研磨装置の構造に特徴を有するとともに、その制御方法である研磨方法にも特徴を有するものである。
【0029】
以下に、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0030】
本発明に係る研磨装置1は、図1及び図2に示すように、多関節ロボット2のアーム3の先端部に力覚センサ4の上面を取付け、同力覚センサ4の下面に研磨工具5をアタッチメント6を介して着脱自在に取付けている。図中、12は多関節ロボット2のアーム3の位置や姿勢を変更させるための制御装置である。
【0031】
多関節ロボット2は、アーム3の位置や姿勢を変更制御することによってアーム3の先端に設けた研磨工具5を変位移動させることができるものであればよく、本実施例では、オープンアーキテクチャ型の産業用ロボットを用いている。
【0032】
力覚センサ4は、右手座標系におけるX、Y、Z方向の力覚値を独立して検出することができる3自由度のものを用いている。
【0033】
研磨工具5は、図2に示すように、アタッチメント6に取付ける支持体7の先端部に略筒状の砥石8を連設している。
【0034】
しかも、研磨工具5(砥石8)の先端部は、図2及び図3に示すように、被研磨対象物9の被研磨面10の曲率半径rよりも小さな曲率半径Rの半球面状の研磨面11としている。
【0035】
これは、被研磨対象物9の被研磨面10の全面にわたって研磨工具5の研磨面11で研磨できるようにするためである。なお、被研磨対象物9の被研磨面10が3次元自由曲面であって凹凸がある場合には、その凹凸部分での曲率半径rを考慮して研磨工具5の研磨面11の曲率半径Rを決定する。
【0036】
研磨装置1は、以上のように構成しており、制御装置12で多関節ロボット2を次に説明するように制御することによって研磨工具5の研磨面11で被研磨対象物9の被研磨面10を研磨する。
【0037】
まず、制御装置12は、多関節ロボット2のアーム3を研磨工具5の姿勢を保持したまま変位させることによって、研磨工具5の研磨面11を被研磨対象物9の被研磨面10に点接触状態にて押圧させる(図3中、符号(a)で示す。)。なお、本実施例では、研磨工具5の姿勢を鉛直下向き(−Z方向)の姿勢としている。研磨工具5の姿勢は、特に鉛直下向き姿勢に限定されるものではなく、いかなる姿勢であってもよく、その姿勢を保持したままアーム3によって研磨工具5を変位移動させることができればよい。
【0038】
次に、制御装置12は、多関節ロボット2のアーム3を研磨工具5の姿勢を保持したまま変位させることによって、研磨工具5の研磨面11を被研磨対象物9の被研磨面10に沿って移動させる(図3中、符号(b),(c),(d),(e)で示す。)。
【0039】
ここで、制御装置12は、多関節ロボット2のアーム3で研磨工具5を変位移動させる際に、研磨工具5の研磨面11を被研磨対象物9の被研磨面10に点接触させた状態を保持しながら変位移動させるようにしている。
【0040】
しかも、制御装置12は、研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面11との押圧力fと研磨工具5の先端部(研磨面11)の移動によって研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面10との間で発生する運動摩擦力f dと粘性摩擦力fsとの合力Fが所定の研磨力Fdとなるようにアーム3の変位量を制御するようにしている。
【0041】
ここで、研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面11との押圧力fは、右手座標系におけるX,Y,Z各方向の押圧力成分をそれぞれfx,fy,fzとすると、押圧力f(fx,fy,fz)と表記され、研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面10との接触点における研磨工具5の法線方向速度Vn(Vnx,Vny,Vnz)により与えられる。
【0042】
また、研磨工具5の先端部(研磨面11)の移動によって発生する運動摩擦力fdは、運動摩擦係数をμとし、研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面10との接触点における研磨工具5の接線方向速度をVt(Vtx,Vty,Vtz)とすると、fd=−μ・|f|・(Vt/|Vt|)と表され、運動摩擦係数μと研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面10との接触点における研磨工具5の接線方向速度Vt(Vtx,Vty,Vtz)とにより与えられる。
【0043】
また、研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面10との間で発生する粘性摩擦力fsは、粘性摩擦係数をηとすると、fs=−η・Vtと表され、粘性摩擦係数ηと研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面10との接触点における研磨工具5の接線方向速度Vt(Vtx,Vty,Vtz)とにより与えられる。
【0044】
したがって、制御装置12は、押圧力fと運動摩擦力fdと粘性摩擦力fsとの合力F(F=f+fd+fs=f−μ・|f|・(Vt/|Vt|)−η・Vt)が予め設定しておいた所定の研磨力と等しくなるように、研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面10との接触点における研磨工具5の法線方向速度Vnと接線方向速度Vtとをフィードバック制御により決定し、かかる法線方向速度Vnと接線方向速度Vtとからアーム3の変位量を決定するようにしている。
【0045】
なお、多関節ロボット2のアーム3の力制御については、公知の制御方法を用いることができる(たとえば、特願平10−173509号公報や特願平11−241771号公報参照。)。
【0046】
そして、制御装置12は、予め用意しておいた初期軌道T1(T1x (j) ,T1y (j) ,T1z (j))を適宜修正しながら研磨工具5を移動させる。ここで、j=1,2,3・・・k(kは正整数)であり、初期軌道T1はk行のベクトルから構成されている。
【0047】
これにより、研磨工具5の研磨面11が被研磨対象物9の被研磨面10と点接触しながら移動し、被研磨対象物9の被研磨面10が研磨工具5の研磨面11によって研磨される。ここで、初期軌道T1は、研磨工具5の先端部が半径Rの半球面であることを考慮し、研磨工具5の研磨面11が被研磨対象物9の被研磨面10と点接触しながら移動できるようにオフセットした研磨工具5の先端中心位置での軌道としている。
【0048】
すなわち、制御装置12は、研磨工具5の先端部の軌道を初期軌道T1に沿ってフィードフォワード制御するとともに、前述したようにして押圧力fと運動摩擦力fdと粘性摩擦力fsとの合力Fが所定の研磨力Fdとなるように法線方向速度Vnと接線方向速度Vtとをフィードバック制御によって決定するとともに、これらの法線方向速度Vnと接線方向速度Vtとからアーム3の変位量を決定し、これにより初期軌道T1を適宜修正するようにしている。
【0049】
その際に、制御装置12は、初期軌道T1に修正を加えた軌道、すなわち、研磨工具5の先端部が実際に通過する実軌道をTn(Tnx (j) ,Tny (j) ,Tnz (j))(ここで、nは回数を示す。)として記憶しておき、次回の研磨作業時に前回の実軌道Tnを初期の目標軌道として用いることができるようにしている。
【0050】
このように、初期の目標軌道を更新していくことで、被研磨対象物9の研磨作業を繰り返し行うことによって目標軌道が最適化され、研磨力Fの偏差を可及的に小さくすることができ、被研磨対象物9の被研磨面10をより一層高精度に研磨することができる。
【0051】
また、本実施例では、制御装置12は、研磨工具5の研磨面11を被研磨対象物9の被研磨面10に沿って移動させる途中で、研磨工具5の先端部の研磨面11を変更させるようにしている。
【0052】
すなわち、制御装置12は、研磨工具5の研磨面11と被研磨対象物9の被研磨面10との間で回転運動による摩擦力が作用しない範囲でアーム3の先端部を回転させながら、研磨工具5の研磨面11を被研磨対象物9の被研磨面10に沿って移動させている。なお、研磨工具5の研磨面11の変更は、研磨工具5を非常に低速度で連続的に回転させてもよく、また、所定箇所において研磨工具5を非常に低速度で断続的に回転させてもよい。
【0053】
このように、研磨工具5の研磨面11の変更することによって、研磨工具5の先端部を全体にわたって研磨面11として有効に活用することができ、これにより、研磨工具5の長寿命化を図ることができる。
【0054】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【0055】
すなわち、本発明では、研磨工具の姿勢を保持したまま変位させており、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力を研磨力として被研磨面に作用させている。
【0056】
そのため、従来の研磨装置とは異なり、回転駆動機構や超音波振動子を用いて研磨工具を回転又は振動させることをしていないので、研磨作業時に駆動ノイズが発生するのを防止することができ、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間の研磨力を精度よく検出することができ、これにより、研磨工具の位置や姿勢を高精度に制御することができる。
【0057】
しかも、研磨工具を回転や振動させないことから、研磨力を必要最小限に抑制することができ、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができる。
【0058】
また、多関節ロボットのアームで比較的軽量な研磨工具だけを持ち上げればよくなり、これによっても、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができる。
【0059】
このように、本発明では、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができ、これにより、被研磨対象物の被研磨面を精度よく研磨することができる。
【0060】
特に、被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更させた場合には、研磨工具の先端部を全体にわたって研磨面として有効に活用することができ、これにより、研磨工具の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る研磨装置の全体説明図。
【図2】研磨工具の拡大説明図。
【図3】研磨方法を示す説明図。
【符号の説明】
1 研磨装置
2 多関節ロボット
3 アーム
4 力覚センサ
5 研磨工具
6 アタッチメント
7 支持体
8 砥石
9 被研磨対象物
10 被研磨面
11 研磨面
12 制御装置
Claims (4)
- 被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を変位移動可能なアームの先端に取付け、同アームを研磨工具の姿勢を保持したまま変位させることによって研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧しながら被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるようにアームの変位量を制御すべく構成したことを特徴とする研磨装置。
- 被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更することを特徴とする請求項1記載の研磨装置。
- 被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧するとともに、研磨工具の姿勢を保持したまま研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具先端部と被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるべく制御することを特徴とする研磨方法。
- 被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更することを特徴とする請求項3記載の研磨方法。
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