JP2011189417A - 加工ロボットとその重力補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具をワークに押付けながらワークを加工することができ、かつ加工中に工具の姿勢を変えても、力センサの直線性誤差、他軸感度誤差、及び回転工具の回転によるコリオリ力の影響を低減して高精度な加工制御ができる重力補償方法を提供する。
【解決手段】外力を計測する力センサを有しワークを加工する工具と、工具を３次元空間内で位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、加工データを記憶しロボットアームを制御するロボット制御装置とを備える。ワークの加工前に、工具とワークとを接触させずに、工具を加工軌道に沿って加工時の送り速度及び姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶する。次いで、ワークの加工時に、加工軌道上の同一の送り速度及び姿勢におけるオフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、この加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ワークを加工する加工ロボットとその重力補償方法に関する。

回転砥石等の工具を使用し、ワークのバリ取り、Ｃ面取り、ラウンドエッジ加工等の切削加工や研削加工をする加工ロボットにおいて、力センサで計測したデータから、工具に加わる重力成分を除去して、工具に加わる反力のみを抽出する重力補償が広く行われている（例えば特許文献１，２）。

特許文献１の較正方法は、予め工具の重心を計測しておき、加工中の各時刻におけるロボット姿勢データと重心データとから重力成分を算出して加工中の力センサデータから差し引くものである。
特許文献２の制御装置は、工具の姿勢を加工中に一定に保つ加工において、加工中の力センサの計測値から、特定の姿勢での計測値を力センサのオフセット値として、加工中の力センサの計測値からこのオフセット値を差し引くものである。

特公平６−３９０７０号公報、「ロボット装置の力センサ較正方法」 特開２０００−１８８７２２号公報、「ロボット制御装置」

図１は、力センサの直線性誤差の説明図である。この図において、（Ａ）は力センサの真下に工具の重心が位置する場合、（Ｂ）は（Ａ）の位置から重心位置が反時計回りにこの例で６０度回転した場合を示している。
力センサにおけるｘ軸、ｚ軸を図１の（ａ）のように定め、工具の重量が例えば１００Ｎであるとする。
図１（Ａ）の姿勢でキャリブレーションを実施したとすると、キャリブレーション点（Ｃ点）は、図１（Ａ）の（ｂ）（ｃ）に示す位置であり、理想的な特性（破線）に対し、実際の特性は実線で示すようになる。
図１（Ａ）の姿勢でキャリブレーションを実施した後、図１（Ｂ）の姿勢に変更したとすると、力センサで計測される計測値と真値との間に、図１（Ｂ）の（ｂ）（ｃ）に２本の平行線で示す間隔の誤差Δが発生する。この誤差が、「力センサの直線性誤差」である。

力センサの負荷容量（最大負荷）は、工具全体の重量、重量と重心位置とから算出される最大トルク、加工中の加工反力等から適切な安全率で設計もしくは選定され、例えば１５０Ｎであるとする。力センサの誤差（計測値と真値の差）は負荷容量の例えば１〜２％であり、例えば１．５〜３Ｎである。これに対し、加工反力は、例えば２〜３Ｎであり、力センサの誤差の影響が大きく、正確な加工反力が計測できない問題点があった。

また、「他軸感度誤差」とは、力センサのある方向の計測値が、別の方向に加わる力に影響を受けることによる誤差をいう。
さらに、回転工具の回転により生じるコリオリ力によっても計測誤差が発生する。

特許文献１の較正方法は、上述した力センサの直線性誤差、他軸感度誤差、及び回転工具によるコリオリ力の影響を受けるため、３次元的な軌道に対する高精度な加工制御は困難であった。

また、特許文献２の制御装置は、加工中に工具の姿勢を変えるような３次元的な加工に対応することができなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、工具をワークに押付けながらワークを加工することができ、かつ加工中に工具の姿勢を変えても、力センサの直線性誤差、他軸感度誤差、及び回転工具の回転によるコリオリ力の影響を低減して３次元的な軌道に対する高精度な加工制御ができる加工ロボットとその重力補償方法を提供することにある。

本発明によれば、外力を計測する力センサを有しワークを加工する工具と、
該工具を３次元空間内で位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、
加工データを記憶し前記ロボットアームを制御するロボット制御装置とを備え、
ワークの加工前に、工具とワークとを接触させずに、工具を加工軌道に沿って加工時の送り速度及び姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、
ワークの加工時に、前記加工軌道上の同一の送り速度及び姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、
前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工する、ことを特徴とする加工ロボットが提供される。

本発明の実施形態によれば、前記工具は回転工具であり、
ワークの加工前に、前記回転工具を加工時の回転速度で動作させて力センサの計測値をオフセット値として記憶し、
ワークの加工時に、前記オフセット値を加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出する。

前記力センサは、直交３軸方向の力と該各軸まわりのトルクを計測可能な６軸センサであり、
前記加工データは、工具のＴＣＰの目標位置、押付け方向ベクトル、送り速度、回転工具の回転速度、押付け力、又は、力センサのオフセット値の時系列データ又は距離ベースデータである。

また、本発明によれば、外力を計測する力センサを備えた工具を用い、加工中に工具に作用する加工反力を計測しながらワークを加工する加工ロボットの重力補償方法であって、
ワークの加工前に、工具とワークとを接触させずに、工具を加工軌道に沿って加工時の送り速度及び姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、
ワークの加工時に、前記加工軌道上の同一の送り速度及び姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、
前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工することを特徴とする加工ロボットの重力補償方法が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記工具として回転工具を使用し、ワークの加工前に加工時の回転速度で動作させて力センサのオフセット値を計測する。

上記本発明の装置及び方法によれば、（Ａ）ワークの加工前に、工具とワークとを接触させずに、工具を加工軌道に沿って加工時の送り速度及び姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶するので、工具による重力成分、及び力センサの直線性誤差と他軸感度誤差の影響をすべて加味したオフセット値を得ることができる。

次いで、（Ｂ）ワークの加工時に、前記加工軌道上の同一の送り速度及び姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出するので、ワークの加工時に、力センサの計測値から、工具による重力成分、及び力センサの直線性誤差と他軸感度誤差の影響分がすべて差し引かれ、加工反力のみを高精度に計測することができる。

特に前記工具が回転工具であり、ワークの加工前に加工時の回転速度で動作させて力センサのオフセット値を計測することにより、回転工具の回転によるコリオリ力の影響を加味したオフセット値を得ることができる。
またワークの加工時に、前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出するので、回転工具によるコリオリ力の影響分が差し引かれ、加工反力のみを高精度に計測することができる。

従って、前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工することにより、３次元的な軌道に対する高精度な加工制御ができる。

力センサの直線性誤差の説明図である。 本発明による加工ロボットの全体構成図である。 図２の回転工具の拡大図である。 本発明による重力補償方法のフロー図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明による加工ロボットの全体構成図であり、図３は、図２の回転工具の拡大図である。
図２において、本発明の加工ロボット１０は、回転工具１２、ロボットアーム１６、及びロボット制御装置２０を備える。なお１はワーク（被加工部材）、２はテーブルである。

ワーク１は、加工ロボット１０により、バリ取り、Ｃ面取り、又はラウンドエッジ加工される被加工部材であり、例えば鋳鉄等の硬い材質からなる。
ワーク１は、この例ではテーブル２の上面の所定位置に正確に固定されている。

図３において、工具１２は、回転砥石１３、スピンドルモータ１４からなる。工具１２は、力センサ１５を介してロボットアーム１６に設置される。

回転砥石１３は、軸心を中心とする外周面１３ａに加工面を有する砥石である。
この例において、回転砥石１３の形状は円柱形であるが、本発明はこれに限定されず、円錐形、接頭円錐形、球形、その他の形状であってもよい。また、回転砥石１３は砥石に限定されず、その他の工具（カッターやブラシ）であってもよい。
また、工具は、回転工具に限定されず、往復運動する工具や、工具自体は動作しない棒やすり等の工具であってもよい。

スピンドルモータ１４は、回転砥石１３をその軸心を中心に回転駆動する電動モータである。スピンドルモータ１４の回転速度は、ロボット制御装置２０により所定の範囲で可変に制御される。なお、スピンドルモータ１４は電動モータに限定されず、エアモータであってもよい。

力センサ１５は、回転砥石１３に作用する外力を検出するセンサである。
この例において、力センサ１５は直交３軸方向の力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と各軸まわりのトルク（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）を計測可能な６軸センサであり、３次元的に移動可能なロボットアーム１６に取り付けられ、これに作用する６自由度の外力（３方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、３軸まわりのトルクＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）を検出するようになっている。
なお、本発明はこれに限定されず、ワーク１に対する押付け力が検出できる限りで、その他の力センサであってもよい。

図２において、ロボットアーム１６は、手先に回転工具１２を取付け、これを３次元空間内で位置と姿勢を移動可能に構成されている。
ロボットアーム１６は、この例では、多関節ロボットのロボットアーム１６であるが、本発明はこれに限定されず、その他のロボットであってもよい。

ロボット制御装置２０は、記憶装置２１に加工データを記憶しロボットアーム１６を制御する。
ロボット制御装置２０は、例えば数値制御装置であり、指令信号によりロボットアーム１６を６自由度（３次元位置と３軸まわりの回転）に制御するようになっている。

記憶装置２１に記憶された加工データは、加工軌道データテーブルと加工条件データからなる。
加工軌道データテーブルは、工具１２のＴＣＰの目標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、押付け方向ベクトルからなる。これらはワーク１の３ＤＣＡＤモデルから自動的に生成する。
加工条件データは、送り速度、工具１２の回転速度、押付け力である。
さらに、力センサ１５の計測値も、オフセット値として記憶装置２１に記憶される。
これらの加工データは、工具１２のＴＣＰの目標位置、押付け方向ベクトル、送り速度、工具１２の回転速度、押付け力、及び力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）の時系列データ又は距離ベースデータであるのがよい。

図４は、本発明による重力補償方法のフロー図である。
本発明の重力補償方法は、上述した装置を用い、外力を計測する力センサ１５を備えた工具１２を用い、加工中に工具１２に作用する加工反力を計測しながらワーク１を加工する加工ロボット１０の重力補償方法である。

図４において、本発明の方法は、空運転ステップＳ１と加工運転ステップＳ２とからなる。

空運転ステップＳ１では、ワークの加工前に、工具１２とワーク１とを接触させずに、工具１２を加工軌道に沿って加工時の送り速度、回転速度及び姿勢で動作させ、その際の力センサ１５の計測値（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）をオフセット値として時系列又は距離ベースで記憶する。

加工運転ステップＳ２では、ワーク１の加工時に、加工軌道上の同一の送り速度、回転速度及び姿勢におけるオフセット値を、加工中の力センサ１５の計測値から差し引いて、加工反力を算出する。また、このステップＳ２では、同時に算出した加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワーク１に倣って加工する。

上述した加工ロボット１０の動作を以下に説明する。

（１）予め、ワーク１の３ＤＣＡＤモデルから加工軌道データを生成しておく。これに、加工条件データを使って、時系列による加工軌道データテーブルを作成する。
加工軌道データテーブルの構成（構成１）は、例えば、時刻、ロボットＴＣＰの目標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、押付け方向ベクトル、送り速度、回転速度、及び押付力からなる。

（２）次に、加工工具１２をワーク１に接触させないため、目標軌道から押し付け方向に２ｍｍ程度軌道をシフトさせた軌道で、ロボットを加工時の送り速度、回転速度及び姿勢で動作させ、各時刻における力センサ１５の計測値をオフセット値として取得し、加工軌道データテーブルに追加する。
力センサ１５の計測値を追加後の加工軌道データテーブルの構成（構成２）は、例えば、時刻、ロボットＴＣＰの目標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、押付け方向ベクトル、送り速度、回転速度、押付力、及び力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）からなる。

なお、工具１２をワーク１に接触させないために、ワーク１を設置せずにオフセット値を計測してもよい。この場合は、軌道をシフトする必要がない。

（３）次に、工具の押付力を制御しながらワーク１に倣ってワーク１を加工する。例えば、一般的な位置と力のハイブリッド制御による倣い加工を実施する。この場合、押付け方向について工具１２の押付力が目標値になるように力制御し、目標軌道の接線方向には位置制御を行う。これにより、押付け方向の力が目標値になるように押付けながら、目標軌道に沿って倣うことができる。このとき、力センサ１５の計測値から、加工軌道データテーブル中のオフセット値を差し引いて、加工反力を算出する。

なお、加工軌道データテーブルは、時系列でなく、軌道上の位置、ロボットＴＣＰの目標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、押付け方向ベクトル、送り速度、回転速度、押付力、及び力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）からなる距離ベースの構成（構成３）にしてもよい。

また、加工軌道データテーブルを、現在の工具位置を押付け方向に投影して目標軌道上の位置を算出する、ロボットＴＣＰの目標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、押付け方向ベクトル、送り速度、回転速度、押付力、力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）からなる構成（構成４）にしてもよい。

さらに、加工軌道データテーブル中で、加工中に変化させないパラメータは、テーブルとする必要はない。例えば、回転速度や送り速度が一定であれば、時刻、ロボットＴＣＰの目標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、押付け方向ベクトル、押付力、力センサ１５のオフセット値（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）の構成（構成５）であってもよい。

上述した本発明の装置及び方法により、以下の効果が得られる。
工具の押付力を制御してワークに倣って加工する加工ロボット１０では、工具の押付力が目標値と一致するように制御するため、力センサ１５の計測値の誤差は工具の押付力の誤差に直結するため、加工面に凹凸を生じさせるなど、加工の品質に大きな影響を及ぼす。従って、加工反力を高精度に計測することで、加工の品質の向上が期待できる。特に、この方法では計測誤差につながる要因のうち、力センサ１５の直線性誤差と他軸感度誤差、回転工具１２によるコリオリ力、の影響を軽減する効果がある。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ ワーク（被加工部材）、２ テーブル、
１０ 加工ロボット、１２ 工具、
１３ 回転砥石、１３ａ 外周面、
１４ スピンドルモータ、１５ 力センサ、
１６ ロボットアーム、
２０ ロボット制御装置、
２１ 記憶装置

Claims (5)

1. 外力を計測する力センサを有しワークを加工する工具と、
   該工具を３次元空間内で位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、
   加工データを記憶し前記ロボットアームを制御するロボット制御装置とを備え、
   ワークの加工前に、工具とワークとを接触させずに、工具を加工軌道に沿って加工時の送り速度及び姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、
   ワークの加工時に、前記加工軌道上の同一の送り速度及び姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、
   前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工する、ことを特徴とする加工ロボット。
2. 前記工具は回転工具であり、
   ワークの加工前に、前記回転工具を加工時の回転速度で動作させて力センサの計測値をオフセット値として記憶し、
   ワークの加工時に、前記オフセット値を加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工ロボット。
3. 前記力センサは、直交３軸方向の力と該各軸まわりのトルクを計測可能な６軸センサであり、
   前記加工データは、工具のＴＣＰの目標位置、押付け方向ベクトル、送り速度、回転工具の回転速度、押付け力、又は、力センサのオフセット値の時系列データ又は距離ベースデータである、ことを特徴とする請求項２に記載の加工ロボット。
4. 外力を計測する力センサを備えた工具を用い、加工中に工具に作用する加工反力を計測しながらワークを加工する加工ロボットの重力補償方法であって、
   ワークの加工前に、工具とワークとを接触させずに、工具を加工軌道に沿って加工時の送り速度及び姿勢で動作させ、その際の力センサの計測値をオフセット値として記憶し、
   ワークの加工時に、前記加工軌道上の同一の送り速度及び姿勢における前記オフセット値を、加工中の力センサの計測値から差し引いて、加工反力を算出し、
   前記加工反力を用いて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工することを特徴とする加工ロボットの重力補償方法。
5. 前記工具として回転工具を使用し、ワークの加工前に加工時の回転速度で動作させて力センサのオフセット値を計測する、ことを特徴とする請求項４に記載の重力補償方法。