JP2006035409A - ロボットに搭載する新規な機能を有するグラインダー - Google Patents

Abstract

【課題】溶接ビード周辺部や金型仕上げにおいて、塾錬作業者の領域まで、自動化ロボットでの仕上げ技術を確立することは、永年の課題であり、夢であった。
【解決手段】自動化ロボットによる仕上げに関して、グラインダーのフローティング機構部或いは被研削側に変位センサーを設け、研削中或いは研削前後の変位センサーの変位量を読み取る方法により単位時間研削量を測定する機能を持たせて解決した。また、研削前と研削後のセンサーが反応したロボット座標軸を読み取る方法によって砥石の単位時間研削量を機能を付与して、目標とする仕上げ表面を達成した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、単位時間当たりの研削量の計測機能を取り入れた仕上げ用グラインダーに関する。

砥石ベルトの単位時間研削量は、砥石押付け力、砥石周速度、砥粒材質、砥石寿命等の各種要因によって異なる。しかし、利用する砥石ベルトを決めれば、砥石押付け力と砥石周速度を管理することにより、単位時間研削量を、大略把握することが可能である。すでに、砥石押付け力を制御する技術は報告されている（非特許文献１及び２）。砥石ベルトの周速度については、高周波モーターによって任意周速度を設定することが可能である事も公知である。しかし、これらは条件管理であって、砥石ベルトの消耗からくる研削量の時間的変化は、取り入れられていない。すなわち、砥石ベルトの単位時間研削量を実測により定量化し、その数値を仕上げロボットの動作軌道計算に利用したグラインダーはない。

先行特許から見た背景技術は、次の通りである。ティーチングした基本的なロボット経路に、スリット光を用いて検出した溶接ビードの幅情報を加えてロボット経路を自動生成する技術が知られている（特許文献１）。また、事前に得たロボット経路に溶接ビードの幅情報を加えて補正しながらロボットを動かす方法も公知である（特許文献２）。さらに、一歩進んだ溶接ビード仕上げ法として、単なる溶接ビードの幅だけでなく、薄板突き合わせで生ずる段差をも考慮して、溶接ビード周辺を研削して、滑らかな自由曲面を形成する技術が公開されている。これでは、推定完成曲面を目標として、研削量からロボット経路を生成させている（特許文献３）。しかし、特許庁の電子図書館のフロントページ検索によりグラインダーロボット及び研削量計測で、過去１５年間の先行特許を調べたが、仕上げロボットに、単位時間研削量のデータを利用したグラインダーは見当たらない。

日本精密工学会誌 ６８巻 Ｎｏ７ ９５３ページ ２００２年 日本ロボット学会誌 １７巻 Ｎｏ１ １４７ページ １９９９年 特開平０５−３４５２５５号 特開平０５−３３７７８５号 特開２００２−２８３０９９

本発明で解決しようとしている課題は、単に溶接ビードの除去ではなく、溶接ビード周辺に、滑らかな自由曲面を形成させることを目標としている。そのためには、砥石ベルトの押付け圧力や砥石周速度のような間接的条件管理だけではなく、管理できない砥粒の変化や砥石寿命をも包含した単位時間研削量を、定期的に測定し、単位時間研削量が直線的に減少して、その変化が少ない領域で研削して、ドアサッシュの薄板突き合わせのような段差の生じ易い曲面溶接ビードの研削にも役立つ特許文献３よりもさらに精度高いグラインダー仕上げ技術の開発が課題である。

まず、使用する砥石寿命を計測する。粒度１００メッシュのジルコニア砥粒の砥石ベルトを使用し、砥石押付け力と周速度を一定にして、サンプルの研削を繰り返し行った。総研削体積に対する単位時間研削量の変化を求めると、図１に模式的に示すような結果となる。研削体積１５００から５０００立方ミリメートルまでは、ほぼ直線であり変化が小さい。５０００から６０００立方ミリメートルでは、研削量が減少し砥石の寿命となる。この図から変化の少ない所で、定期的に単位時間研削量を測定し、ロボット動作軌道計算に利用することでグラインダーに新機能を付与して解決した。

さらに、単位時間研削量の測定は、研削中の試験片の高さ変化を変位センサーで測定して求める。図２の模式図に示すように、砥石がタッチして砥石押付け圧力で、瞬間的に変化が見られるが、１秒から２．５秒のあたりで変化に振れがなくなり、この時間に対する変位の傾きから単位時間研削量を求める方法を確立し、ロボット動作軌道に必要なデータを得る仕組みを完成し、新機能を有するグラインダーの本発明に至った。

薄い鉄板を突き合わせて溶接する場合に生じる溶接ビードは、熟練作業者の手作業によりあたかも溶接されていないように仕上げられている。しかし、手作業並みのロボット仕上げシステムは開発されていなかった。その要因は、曲面溶接では接合部段差が、わずかに発生する。また、溶接歪により溶接ビード周辺部が変形する。これらの接合部段差と歪は、ワーク毎に異なるため産業用ロボット制御では、自動仕上げを実現できない。さらに溶接ビード部のみの研削とは異なり、溶接ビード周辺部を滑らかな自由曲面にするには、ワーク毎に異なる三次元形状への対応が困難であった。本発明は、これらの問題点を解決し、算出した目標形状に対して、ロボットが正確に仕上げることが実現できた効果は大きい。溶接ビード部の仕上げのみでなく、金型仕上げにも応用できる。

熟練作業者の巧みな手作業なみに、ロボットが仕上げるための最良の形態について述べる。ロボットの動作軌道生成と制御を以下の手順で行う。仕上げ目標形状が決まると、三次元測定結果と目標形状との差分から研削目標体積を求める。研削目標体積は、溶接歪や接合部段差の影響により場所により２倍以上異なる場合が多い。この研削目標体積を忠実に研削するロボットの動きを実現すればよい。そこで次に重要なことは、砥石ベルトの単位時間研削量の定量化であり、これが実現すれば、ロボット動作軌道に必要となる単位時間研削量が算出できる。

単位時間研削量の定量化について図によって述べる。図１は、ジルコニア砥石を使用した時の砥石寿命を測定した結果の模式図である。縦軸Ｙは研削比で、横軸Ｘの総研削体積に対する単位時間研削量の変化を示している。１の研削体積の少ない時は、研削比は徐々に減少し、その後単位時間研削量の変化が少なくなる期間２がある。その後、３のように砥石寿命によって研削量が急速に落ちてゼロになる。図２は、砥石押付け力をエアフローティング機構により設定し、変位センサーの変位量の縦軸Ｙと研削時間の横軸Ｘの関係を示す模式図である。単位時間研削量の測定は、研削中に試験片の高さ変化を変位センサーで測定して求める。通常、砥石が被研削物に当たって、変化の大きい４と５を避けて、１秒後から２．５秒までのデータ７から計算するのが最適である。このようにして、単位時間研削量の定量化をして、仕上げロボットに搭載するグラインダーとなった。

研削中の変位センサーの変化については、変位センサーをグラインダーのフローティング機構部或いは被研削側に設け、研削中の変位センサーの変化を読み取る方式とする。しかし、この読み取りは、研削前と研削後の変位センサーの変化であっても、研削前と研削後のセンサーが反応したロボット座標軸を読み取る方法であっても差し支えない。

図３は、ロボットの動作軌道である。８は、薄板の突き合わせ溶接材料であり、９がグラインダーである。シャドーの懸かっている１０が、研削領域である。１１はグラインダーの軌跡であり、矢印のように移動して、ビードの高さと段差の大小により１〜３回の作業をする。仕上げ経路上の研削目標体積と砥石の単位時間研削量からグラインダー送り速度を設定し、ロボットの動作軌道を決定するのが、最良の形態である。

砥石ベルトの単位時間研削量の定量化の実施例を述べる。粒度１００メッシュのジルコニアの砥粒グラインダーを使用し、その砥石押付け力は、エアロフローティング機構で１６Ｎ、周速度１４．５ｍ／秒の条件下で繰り返し研削し、総研削体積に対する単位時間研削量の変化を求めた。図１の模式図の結果を得た。１０００立方ミリメートルから５０００立方ミリメートルの研削体積のとき、単位時間研削量の変化が小さい結果を得た。

図２は、時間と変位センサーの変位量であるが、センサーをグラインダーフローティング機構部に設ける方法で行った。この方法で研削中の溶接ビードの高さ変化を変位センサーで測定した。砥石が被研削対象に接触してから１．０秒から２．５秒までのデータ７を収集し、時間に対する変位の傾きを最小二乗法で求めて、単位時間研削量を算出した。実験では、１．５秒間で、０．２ｍｍの変位があることから単位時間研削量が８．５立方ミリメートルであった。このようにして、定期的に単位時間研削量を測定し、ロボット動作軌道計算に利用した。ついで、図３のようなロボット動作軌道に必要とされる単位時間研削量を取り入れて、精度の高い溶接ビードの周辺部の滑らかな仕上げができた。

薄板を突き合わせて溶接し、ドアサッシュを製作する場合の他、自動車ボディー部品で、あたかも溶接されていないように仕上げる必要のある場合や鉄板プレス用金型、プラスチック成形用の金型の仕上げにも利用できる。

総研削体積に対する単位時間研削量変化の模式図 Ｘは横軸で、総研削体積である。 Ｙは縦軸で、単位時間研削量である。 鉄の研削時における変位センサーの変化の模式図 Ｘは横軸で、研削時間である。 Ｙは縦軸で、変位センサーの変位量である。 グラインダーの動作軌道

符号の説明

１単位時間研削量の変化の大きい初期
２単位時間研削量の変化の少ないロボットの動作軌道計算に利用する中期
３砥石寿命が近づいた単位時間研削量がゼロに近づく後期
４砥石ベルトを被研削物に当て、変位センサーの変化の大きい初期
５研削が安定する前の変位センサーが変化する変動期
６研削開始１秒後の変化の安定した測定データを収集する領域
７単位時間研削量を求めるデータ採取期間
８被研削材料
９グラインダー
１０研削領域
１１グラインダーの軌道

Claims (4)

1. 自動仕上げをする装置において、試験片を研削することにより、仕上げロボットの動作軌道を計算するのに必要となる砥石の単位時間研削量を収集する機能を有するグラインダー
2. 自動仕上げをする装置において、グラインダーのフローティング機構部或いは被研削側に変位センサーを設け、研削中の変位センサーの変位量を読み取る方法によって、砥石の単位時間研削量を測定する機能を有するグラインダー
3. 自動仕上げをする装置において、グラインダーのフローティング機構部或いは被研削側に変位センサーを設け、研削前と研削後の変位センサーの変位量を読み取る方法によって、砥石の単位時間研削量を測定する機能を有するグラインダー
4. 自動仕上げをする装置において、グラインダーのフローティング機構部或いは被研削側或いはロボットに変位センサーを設け、研削前と研削後のセンサーが反応したロボット座標軸を読み取る方法によって、砥石の単位時間研削量を測定する機能を有するグラインダー

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