JP2011216050A - 加工ロボットとその加工制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 工具をワークに押付けながら加工する場合において、工具の切れ味が変化してもワークの加工寸法への影響が小さく、かつ工具の交換頻度を下げることができる加工ロボットとその加工制御方法を提供する。
【解決手段】 外力を計測する力センサ１５と、工具１２と、工具を３次元空間内で移動可能なロボットアーム１６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２０とを備える。ワークの加工開始時（Ｂ）に、工具１２の送りを停止して、所定の押付け力及び工具の動作速度で工具１２をワーク１に押付け、工具１２がワーク１に所定の深さまで切り込むまでの加工速度を計測する。次いで、ワークの加工時（Ｃ）に、前記加工速度から工具の送り速度、押付け力、又は工具の動作速度を補正してワーク１を加工する。また、工具が劣化し、加工速度が予め設定した限界加工速度に達したら、加工後に工具を交換する。
【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加工制御方法に関する。

ロボットアームの手先に、グラインダやリュータ等の回転工具を取り付け、工具を目標の力で押付けながら目標軌道に沿って動作することで、ワークに倣いながらＣ面取り等の加工をすることが広く行われている（例えば特許文献１）。

特許文献１は、力センサで工具に加わる反力を計測し、工具をワークに対して目標力で押付けながら、目標軌道に沿って加工する方法を開示している。

特許昭６３−４７０５８号公報、「ロボットの制御装置」

上述した従来の方法では、工具が磨耗して切れ味が劣化するにつれて、同じ押付力では除去加工できる体積が小さくなるため、例えばＣ面取りの加工寸法が小さくなるという問題点があった。
そのため、工具のばらつきを考慮して加工回数を低めに（安全サイドに）設定して、一定の加工回数毎に交換する必要があり、工具の交換頻度が高い問題点があった。

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加工する場合において、工具の切れ味が変化してもワークの加工寸法への影響が小さく、かつ工具の交換頻度を下げることができる加工ロボットとその加工制御方法を提供することにある。

本発明によれば、工具と、
該工具に作用する外力を計測する力センサと、
該工具を３次元空間内で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、
ワークの加工開始時に、工具の送りを停止して、所定の押付け力及び動作速度で工具をワークに押付け、工具がワークに所定の深さまで切り込むまでの加工速度を計測し、
ワークの加工時に、前記加工速度から工具の送り速度、押付け力、又は工具の動作速度を補正してワークを加工する、
もしくは、前記加工速度によって工具交換のタイミングを判定する、
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、一定距離間隔における空間座標、押付け方向ベクトル、工具の動作速度、押付け力、送り速度、工具形状、加工開始時の切込み深さ、加工時間、加工速度、限界加工速度又は補正係数である。

また、加工中に工具をワークに押し付ける力を制御して、ワークに倣って加工する。

また、本発明によれば、工具をワークに押付けながらワークを加工する加工ロボットの加工制御方法であって、
ワークの加工開始時に、工具の送りを停止して、所定の押付け力及び工具の動作速度で工具をワークに押付け、工具がワークに所定の深さまで切り込むまでの加工速度を計測し、
ワークの加工時に、前記加工速度から工具の送り速度、押付け力、又は工具の動作速度を補正してワークを加工する、
もしくは、前記加工速度によって工具交換のタイミングを判定する、
ことを特徴とする加工ロボットの加工制御方法が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記ワークの加工開始前に、工具の送りを停止して、工具を所定の動作速度又は動作を停止してワークに押付け、工具がワークに接触した位置を記憶する。

また、加工中に工具をワークに押し付ける力を制御して、ワークに倣って加工する。

上記本発明の装置及び方法によれば、ワークの加工開始時に、工具の送りを停止して、所定の押付け力及び動作速度で工具をワークに押付け、工具が前記接触時のＴＣＰ位置からの移動量によってワークに所定の深さまで切り込むまでの加工速度をワーク毎に毎回計測するので、工具の劣化の度合い、すなわち工具の切れ味の変化をワークの加工前に検出することができる。
ただし、加工速度を計算する方法はこれに限定されず、距離センサ等でワークとの相対距離を計測する、もしくは工具の移動量を外部から計測する、等の方法で、加工速度を計算してもよい。

さらに、ワークの加工時に、計測した加工速度（例えば、切込み時間）から工具の送り速度、押付け力、又は工具の動作速度を補正してワークを加工するので、工具のばらつきを考慮して加工回数を低めに定める必要がなく、かつ工具の切れ味が次第に劣化しても限界加工速度に達するまで使用できるため、工具の交換頻度を下げることができる。

本発明による加工ロボットの全体構成図である。 図１の工具の拡大図である。 工具による切込み深さの時間変化を示す図である。 本発明による加工制御方法の説明図である。

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１は、本発明による加工ロボットの全体構成図であり、図２は、図１の工具の拡大図である。
図１において、本発明の加工ロボット１０は、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２において、工具１２は、回転砥石１３、スピンドルモータ１４、からなり、該工具に作用する外力は力センサ１５によって計測される。

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の形状は円筒形であるが、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、その他の加工工具（例えばカッター）であってもよい。
また、工具１２は、回転工具に限定されず、往復運動するものでもよい。

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、工具１２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はロードセルであり、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、これに作用する外力を検出するようになっている。
この力センサ１５で検出される外力は、好ましくは６自由度の外力（３方向の力と、３軸まわりのトルク）であるが、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１において、ロボットアーム１６は、手先に工具１２を取り付け、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、加工条件データ及び加工開始条件データからなる。
加工軌道データテーブルは、一定距離間隔における空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、押付け方向ベクトルからなる。これらはワークの３ＤＣＡＤモデルから自動的に生成する。
加工条件データは、工具の動作速度、押付力、送り速度、工具形状からなる。
加工開始条件データは、加工開始時の切込み深さ、加工時間、加工速度、限界加工速度又は補正係数からなる。

図３は、工具による切込み深さの時間変化を示す図である。
この図において、横軸は時間、縦軸は切込み深さ、図中の実線は工具の新品時に所定の深さまで切り込むまでの切込み深さの時間変化、破線は中間段階の同様の時間変化である。なお、この例は、工具の送りを停止し、工具の動作速度、押付力を一定に保持した場合である。
また、図中の要交換時間とは、所定の深さまで切り込むまでの時間が長く、工具を交換する必要がある時間である。

上述した加工速度は、工具がワークに所定の深さまで切り込むまでの切込み時間から計算する。なお、この切込み時間を加工速度の代わりに用いてもよい。
上述した限界加工速度は、工具が劣化し要交換と判断される要交換時間に対応する。なお、要交換時間を限界加工速度の代わりに用いてもよい。
補正係数は、ワークの加工時に、ワークの加工開始時に計測した加工速度から回転工具の送り速度、押付け力、又は工具の動作速度を補正するための補正係数である。この補正係数は、送り速度、押付け力、又は動作速度に対応してそれぞれ予め設定した補正式において適用する。

例えば、ワークの加工寸法を維持する場合に、送り速度が加工速度に反比例し、押付け力と動作速度が加工速度と比例するとすると、上記補正係数は比例又は反比例における比例係数である。

図４は、本発明による加工制御方法の説明図である。
本発明の方法は、軸心を中心に回転する工具１２をワーク１に押付けながらワーク１を加工する加工ロボットの加工制御方法である。
図４において、（Ａ）はワークの加工開始前、（Ｂ）はワークの加工開始時、（Ｃ）はワークの加工時を模式的に示している。

本発明の方法では、図４（Ａ）に示すように、ワーク１の加工開始前に、工具１２の送りと工具の動作を停止して、工具１２をワーク１に押付け（Ａ→Ｂ）、工具１２がワーク１に接触した時のＴＣＰの位置Ｂを記憶する。
一般的にロボットアームのＴＣＰ位置は、ロボットコントローラの内部データから取得することができる。
すなわち、工具１２がワーク１に接触しない状態（加工開始地点の上空：Ａ点）から、送り速度と工具の動作速度を０として、工具１２をワーク１に向けて移動し、工具１２とワークとが接触し、所定の反力が得られたら、その位置（Ｂ点）を記憶する。次いで、工具がワークに接触しない状態（Ｃ点）に戻す。

なお、図４（Ａ）において、工具１２を動作させたままワーク１に押し付け、工具の接触による反力（反トルク）を計測し、反力が閾値を超えた位置を記憶してもよい。

次に、図４（Ｂ）に示すように、ワークの加工開始時に、工具１２の送りを停止して、所定の押付け力及び動作速度で工具１２をワーク１に押付け、工具１２がワーク１に所定の深さΔＬまで切り込むまでの加工速度を計測する。
すなわち、工具１２を所定の動作速度で動作させ、再度、工具１２をワーク１に向けて押し付けていき、記憶した位置（Ｂ点）から所定の距離ΔＬ（Ｄ点）になるまでの時間を「切込み時間」として計測する。この切込み時間から、上述した加工速度を計算することができる。
ただし、加工速度を計算する方法はこれに限定されず、距離センサ等でワークとの相対距離を計測する、もしくは工具の移動量を外部から計測する、等の方法で、加工速度を計算してもよい。

次に、図４（Ｃ）に示すように、ワークの加工時に、上記加工速度から工具１２の送り速度、押付け力、又は工具の動作速度を補正してワーク１を加工する。
例えば、予め設定された時間（例えば、工具が新品のときの切込み時間）と比較して、切込み時間が長くなったら送り速度を下げるように、送り速度を補正して、送りすなわち加工を開始する。

なお、図４（Ｂ）において、計測した切込み時間が、予め設定した切込み時間の閾値（上述した要交換時間）より長い場合、すなわち算出した加工速度が上述した限界加工速度より遅い場合は、図４（Ｃ）のワークの加工終了後、工具を交換するのがよい。

上述した本発明の装置及び方法によれば、ワークの加工開始時に、工具１２の送りを停止して、所定の押付け力及び動作速度で工具１２をワーク１に押付け、工具１２がワーク１に所定の深さまで切り込むまでの加工速度をワーク毎に毎回計測するので、工具の劣化の度合い、すなわち工具の切れ味の変化をワークの加工前に検出することができる。

さらに、ワークの加工時に、計測した加工速度（例えば、切込み時間）から工具１２の送り速度、押付け力、又は動作速度を補正してワーク１を加工するので、工具のばらつきを考慮して加工回数を低めに定める必要がなく、かつ工具の切れ味が次第に劣化しても限界加工速度に達するまで使用できるため、工具の交換頻度を下げることができる。

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 (6)

1. 工具と、
   該工具に作用する外力を計測する力センサと、
   該工具を３次元空間内で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、
   ワークの加工開始時に、工具の送りを停止して、所定の押付け力及び動作速度で工具をワークに押付け、工具がワークに所定の深さまで切り込むまでの加工速度を計測し、
   ワークの加工時に、前記加工速度から工具の送り速度、押付け力、又は工具の動作速度を補正してワークを加工する、
   もしくは、前記加工速度によって工具交換のタイミングを判定する、
   ことを特徴とする加工ロボット。
2. 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、一定距離間隔における空間座標、押付け方向ベクトル、工具の動作速度、押付け力、送り速度、工具形状、加工開始時の切込み深さ、加工時間、加工速度、限界加工速度又は補正係数である、ことを特徴とする請求項１に記載の加工ロボット。
3. 加工中に工具をワークに押し付ける力を制御して、ワークに倣って加工することを特徴とする、請求項１に記載の加工ロボット。
4. 工具をワークに押付けながらワークを加工する加工ロボットの加工制御方法であって、
   ワークの加工開始時に、工具の送りを停止して、所定の押付け力及び工具の動作速度で工具をワークに押付け、工具がワークに所定の深さまで切り込むまでの加工速度を計測し、
   ワークの加工時に、前記加工速度から工具の送り速度、押付け力、又は工具の動作速度を補正してワークを加工する、
   もしくは、前記加工速度によって工具交換のタイミングを判定する、
   ことを特徴とする加工ロボットの加工制御方法。
5. 前記ワークの加工開始前に、工具の送りを停止して、工具を所定の動作速度又は動作を停止してワークに押付け、工具がワークに接触した位置を記憶する、ことを特徴とする請求項４に記載の加工制御方法。
6. 加工中に工具をワークに押し付ける力を制御して、ワークに倣って加工することを特徴とする、請求項４に記載の加工制御方法。