JP2011218452A - Machining robot, and machining control method thereof - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a machining robot for machining a workpiece and a machining control method thereof.
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、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工し、砥石の磨耗に応じてロボットの軌道を補正することが広く行われている（例えば特許文献１〜４）。 In a processing robot that uses tools such as a rotating grindstone to perform cutting and grinding work such as deburring, C-chamfering, and round edge machining of workpieces, machining is performed following the workpiece while controlling the pressing force of the tool. It is widely performed to correct the robot trajectory according to wear (for example, Patent Documents 1 to 4).
特許文献１は、加工前後等に、基準面に砥石を押し付けて、磨耗前と磨耗後との砥石の接触位置の比較から砥石の磨耗量を算出し、工具のＴＣＰ（Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）の設定値を更新する方法である。
特許文献２は、グラインダの砥石に同心円上に複数の目印マークが描かれており、磨耗が進んで目印マークが消えると、作業者がロボットコントローラに入力し、グラインダの移動経路をシフトする制御をするものである。
特許文献３は、一定量の研削を行う毎にグラインダの姿勢を変更してツールセンタに対する磨耗量を補正し、教示プログラムが研削軌道を示す際に、グラインダ姿勢を磨耗量補正時の姿勢に自動的に変更して研削を行うものである。
特許文献４は、ワークの研削作業の途中で研削作業を中断し、カメラで砥石を撮影し、画像処理により砥石の磨耗量を検知し、工具作用点の位置ずれ補正を行うものである。
In Patent Document 1, a grinding wheel is pressed against a reference surface before and after processing, and the wear amount of the grinding wheel is calculated from a comparison of the contact position of the grinding stone before and after the wear, and the setting of the tool TCP (Tool Center Point) is performed. It is a method of updating the value.
In Patent Document 2, a plurality of mark marks are drawn concentrically on the grinder's grindstone. When wear marks progress and the mark marks disappear, the operator inputs to the robot controller and controls to shift the movement path of the grinder. To do.
Patent Document 3 automatically corrects the amount of wear with respect to the tool center by changing the posture of the grinder every time a certain amount of grinding is performed. When the teaching program indicates the grinding trajectory, the grinder posture is automatically set to the posture at the time of wear amount correction. The grinding is performed by changing the operation.
In Patent Document 4, the grinding operation is interrupted in the middle of the workpiece grinding operation, the grindstone is photographed with a camera, the wear amount of the grindstone is detected by image processing, and the displacement of the tool action point is corrected.
図１は、従来方法の問題点を示す模式図である。
特許文献１〜４に記載された従来の方法は、磨耗が砥石の加工面全体に一様に進展すること、例えば、円板状砥石で、半径が小さくなっていくことを前提としている。
しかし、例えば円柱型の回転砥石を図１のように使って、ワークにＣ面取り加工する場合は、磨耗は一様でないため単純には適用できない。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a problem of the conventional method.
The conventional methods described in Patent Documents 1 to 4 are based on the premise that the wear progresses uniformly over the entire processing surface of the grindstone, for example, the radius decreases with a disc-shaped grindstone.
However, for example, when a C-shaped chamfering process is performed on a workpiece using a cylindrical rotary grindstone as shown in FIG. 1, the wear is not uniform and cannot be simply applied.
図２は、従来方法の問題点を示す別の模式図である。
図１の問題点を解決するために、円柱型の回転砥石を砥石の回転軸方向に一定量ずつシフトさせる方法が考えられる。しかし、図２（Ａ）に示すように、未使用部分を使うようにシフトさせるために砥石の加工面の使用効率が悪い。
また、円柱型の回転砥石を磨耗量に応じて工具のＴＣＰをシフトさせる方法も考えられる。しかし、図２（Ｂ）に示すように、やはり砥石の使用効率が悪いという問題があった。
FIG. 2 is another schematic diagram showing the problems of the conventional method.
In order to solve the problem shown in FIG. 1, a method of shifting a cylindrical rotary grindstone by a certain amount in the direction of the rotation axis of the grindstone can be considered. However, as shown in FIG. 2 (A), the use efficiency of the processing surface of the grindstone is poor because shifting is performed so that unused portions are used.
A method of shifting the TCP of the tool according to the wear amount of the cylindrical rotary grindstone is also conceivable. However, as shown in FIG. 2B, there is still a problem that the use efficiency of the grindstone is poor.
また上述した問題点は砥石の表面付近に薄い砥粒の層がある電着砥石（例えばダイヤモンド電着砥石）においても同様である。電着砥石では、磨耗による形状の変化は小さいが、砥粒は磨耗して切れなくなる。例えば、図１の加工をした場合、最も砥粒への負担の大きい一部分の砥粒のみが磨耗することになり、従来の方法を適用すると、砥石の使用効率が悪い。 The above-mentioned problems are also the same in an electrodeposition grindstone (for example, a diamond electrodeposition grindstone) in which a thin abrasive layer is present near the surface of the grindstone. In an electrodeposition grindstone, the change in shape due to wear is small, but the abrasive grains wear out and cannot be cut. For example, when the processing shown in FIG. 1 is performed, only a part of the abrasive grains having the greatest burden on the abrasive grains is worn, and the use efficiency of the grindstone is poor when the conventional method is applied.
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、かつ砥石の使用効率を大幅に高め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。 The present invention has been developed to solve the above-described problems. That is, an object of the present invention is to provide a machining robot that can machine a workpiece while pressing a tool against the workpiece, and can greatly increase the use efficiency of a grindstone, and a machining control method thereof.
本発明によれば、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、
前記加工データに基づく加工軌道に沿って工具を移動し、該工具をワークに押付けながらワークを加工し、かつ該加工中に、空間６自由度のうち、工具の押付け方向の並進を除いた５自由度の空間上で、ワークと工具との接触面に沿って工具を往復動させる、ことを特徴とする加工ロボットが提供される。
According to the present invention, a tool;
A robot arm capable of moving the position and posture of the tool in a three-dimensional space;
A robot control device for storing machining data and controlling the robot arm;
The tool is moved along the machining path based on the machining data, and the workpiece is machined while pressing the tool against the workpiece. During the machining, the translation of the tool pushing direction is excluded from the 6 degrees of freedom of the space. There is provided a machining robot characterized in that a tool is reciprocated along a contact surface between a workpiece and a tool in a space of freedom.
本発明の実施形態によれば、前記工具は、軸心を中心とする外周面に加工面を有する回転砥石と、
該回転砥石をその軸心を中心に回転駆動するスピンドルモータとからなる。
According to an embodiment of the present invention, the tool includes a rotating grindstone having a processing surface on an outer peripheral surface centering on an axis,
It comprises a spindle motor that rotationally drives the rotary grindstone about its axis.
また、工具のワークへの押付け力を制御しながら、ワークに倣って加工する。 In addition, the workpiece is processed following the workpiece while controlling the pressing force of the tool to the workpiece.
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、
ワークの加工中に、空間６自由度のうち、工具の押付け方向の並進を除いた５自由度の空間上で、ワークと工具との接触面に沿って工具を往復動させる、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。
Further, according to the present invention, there is provided a machining control method for a machining robot for machining a workpiece while pressing a tool against the workpiece,
During machining of the workpiece, the tool is reciprocated along the contact surface between the workpiece and the tool in a space of 5 degrees of freedom excluding translation in the pressing direction of the tool among the six degrees of freedom of the space. A machining control method for a machining robot is provided.
本発明の実施形態によれば、前記工具の送り方向と押付け方向との外積によって工具の往復動方向を算出する。 According to the embodiment of the present invention, the reciprocating direction of the tool is calculated from the outer product of the feeding direction and the pressing direction of the tool.
また、工具のワークへの押付け力を制御しながら、ワークに倣って加工する。 In addition, the workpiece is processed following the workpiece while controlling the pressing force of the tool to the workpiece.
上記本発明の装置及び方法によれば、ワークの加工中に、空間６自由度（並進３自由度＋回転３自由度）のうち、工具の押付け方向の並進を除いた５自由度の空間上で、ワークと工具との接触面に沿って工具を往復動させるので、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、かつ砥石のほぼ全面を均一に使用することができるので砥石の使用効率を大幅に高めることができる。
According to the above-described apparatus and method of the present invention, during machining of a workpiece, out of a space with 5 degrees of freedom excluding translation in the pressing direction of the tool among 6 degrees of freedom (3 degrees of freedom of translation + 3 degrees of freedom of rotation). Because the tool is reciprocated along the contact surface between the workpiece and the tool, the workpiece can be processed while pressing the tool against the workpiece, and the entire surface of the grindstone can be used uniformly, so the use of a grindstone Efficiency can be greatly increased.
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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図３は、本発明による加工ロボットの全体構成図であり、図４は、図３の工具の拡大図である。
図３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。
FIG. 3 is an overall configuration diagram of the machining robot according to the present invention, and FIG. 4 is an enlarged view of the tool of FIG.
In FIG. 3, the processing robot 10 of the present invention includes a tool 12, a robot arm 16, and a robot control device 20. In addition, 1 is a workpiece | work (member to be processed), 2 is a table.
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固定されている。
The workpiece 1 is a workpiece to be deburred, chamfered, or rounded by the machining robot 10 and is made of a hard material such as cast iron.
In this example, the work 1 is fixed at a predetermined position on the upper surface of the table 2.
図４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、力センサ１５を介して設置される。
本発明の工具１２はこれに限定されず、往復運動するものや、工具自体を駆動しないもの（棒やすり等）であってもよい。
In FIG. 4, the tool 12 includes a rotating grindstone 13 and a spindle motor 14 and is installed via a force sensor 15.
The tool 12 of the present invention is not limited to this, and may be one that reciprocates or one that does not drive the tool itself (such as a bar file).
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。
The rotating grindstone 13 is a grindstone having a processed surface on the outer peripheral surface 13a centering on the axis.
In this example, the shape of the rotating grindstone 13 is a cylindrical shape, but the present invention is not limited to this, and may be a conical shape, a prefix conical shape, a spherical shape, or other shapes. Moreover, the rotary grindstone 13 is not limited to a grindstone, and may be another tool (cutter or brush).
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。 The spindle motor 14 is an electric motor that rotationally drives the rotary grindstone 13 around its axis. The rotational speed of the spindle motor 14 is variably controlled within a predetermined range by the robot controller 20. The spindle motor 14 is not limited to an electric motor, and may be an air motor.
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。
The force sensor 15 is a sensor that detects an external force acting on the rotating grindstone 13.
In this example, the force sensor 15 is a load cell, is attached to a robot arm 16 that can be moved three-dimensionally, and detects an external force acting on the robot arm 16.
The external force detected by the force sensor 15 is preferably an external force having six degrees of freedom (a force in three directions and a torque around three axes), but the present invention is not limited to this, and a pressing force against a workpiece is detected. Other force sensors may be used as much as possible.
図３において、ロボットアーム１６は、手先に工具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。
In FIG. 3, the robot arm 16 is configured so that a tool 12 is attached to the hand and the position and posture of the tool 12 can be moved in a three-dimensional space.
In this example, the robot arm 16 is a robot arm of an articulated robot, but the present invention is not limited to this and may be another robot.
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。
The robot control device 20 stores the machining data in the storage device 21 and controls the robot arm 16.
The robot control device 20 is, for example, a numerical control device, and controls the robot arm 16 to six degrees of freedom (three-dimensional position and rotation about three axes) by a command signal.
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、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、砥石の回転速度、押付力、送り速度、工具形状、往復動作の振幅と周期である。
The machining data stored in the storage device 21 includes a machining trajectory data table and machining condition data.
The machining trajectory data table includes spatial coordinates (X, Y, Z) at a constant distance interval and a pressing direction vector. These are automatically generated from the 3D CAD model of the workpiece.
The processing condition data includes the rotation speed of the grindstone, the pressing force, the feed speed, the tool shape, and the amplitude and period of the reciprocating operation.
図５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、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５において、３は工具１２の軌道データ、４は工具１２の動作、５は送り方向、６は押付け方向、７は往復動作方向（工具の往復動方向）である。
本発明の方法によれば、ワーク１の加工中に、空間６自由度（並進３自由度＋回転３自由度）のうち、工具１２の押付け方向６の並進を除いた５自由度の空間上で、ワーク１と工具１２との接触面に沿って工具１２を往復動させる。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a machining control method according to the present invention.
The method of the present invention is a processing control method for a processing robot that processes the workpiece 1 while pressing the tool 12 against the workpiece 1.
In FIG. 5, 3 is the trajectory data of the tool 12, 4 is the operation of the tool 12, 5 is the feeding direction, 6 is the pressing direction, and 7 is the reciprocating direction (the reciprocating direction of the tool).
According to the method of the present invention, during machining of the workpiece 1, among the 6 degrees of freedom in space (3 degrees of freedom of translation + 3 degrees of freedom of rotation), on the space of 5 degrees of freedom excluding translation in the pressing direction 6 of the tool 12. Then, the tool 12 is reciprocated along the contact surface between the workpiece 1 and the tool 12.
すなわち、予め、ワーク１の３ＤＣＡＤモデルや工具形状等から、ロボットのＴＣＰの目標軌道や押し付け方向ベクトルから構成される時系列のデータテーブルを生成しておく。
次いで、ワーク１の加工中に、前述のデータテーブルから制御周期ごと読み出しながら、位置・力ハイブリッド制御によって、軌道データ３に沿って位置と速度を制御しながら、押付け方向６に目標力に押し付けるように動作する。このとき、前述のデータテーブルから読み込んだロボットのＴＣＰの目標位置に、往復動作を重ね合わせる。
往復動作の方向は、データテーブルから送り方向５を算出し、押付け方向６との外積によって算出できる。
往復動作の振幅と周期は設定されたパラメータから読み出し、往復動作の成分を作成し、元の軌道に重ね合わせる。
That is, a time-series data table including a TCP target trajectory and a pressing direction vector of the robot is generated in advance from the 3D CAD model and tool shape of the workpiece 1.
Next, while the workpiece 1 is being processed, the position and force are controlled by the position / force hybrid control while being read from the data table described above for each control cycle, and the target force is pressed in the pressing direction 6 while controlling the position and speed. To work. At this time, the reciprocating motion is superimposed on the target TCP position of the robot read from the data table.
The reciprocating direction can be calculated by calculating the feed direction 5 from the data table and the outer product with the pressing direction 6.
The amplitude and period of the reciprocating motion are read out from the set parameters, a reciprocating motion component is created and superimposed on the original trajectory.
なお、上述の例では、往復動作を軌道データに重ね合わせたが、回転工具１２のＴＣＰ設定値を変動させて往復動作を生成してもよい。 In the above example, the reciprocating motion is superimposed on the track data. However, the reciprocating motion may be generated by changing the TCP setting value of the rotary tool 12.
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。
（１）砥石の磨耗が、均一に進行するため、砥石の全面を効率よく使用でき、工具の交換頻度を下げる効果が得られる。
（２）一定回数ごとに砥石の成形をする（砥石の面の凹凸を除去する）場合、およそ平面状に磨耗するため、成形の負担を軽減できる。
（３）位置・力ハイブリッド制御において、オフラインで作成するロボットの軌道と押し付け方向のデータテーブルに、リアルタイムで（＝制御周期ごとの演算で）往復動作を重ね合わせれば、往復動作のＯＮ／ＯＦＦ切り替えや、往復動作のパラメータ（振幅・周期）変更が容易となる（軌道のデータテーブルを作成しなおす必要がない）。
（４）軌道データテーブルで、送り方向と押付け方向とが垂直になるように生成し、往復動作の方向を砥石面に平行な方向（＝押付け方向と送り方向との双方に垂直な方向）とすれば、力制御する方向と位置制御する方向とが垂直に保たれるために制御系の干渉を防ぐことができる。往復動作の方向は、押し付け方向と送り方向との外積によって容易に算出できる。
The following effects are obtained by the apparatus and method of the present invention described above.
(1) Since the abrasion of the grindstone progresses uniformly, the entire surface of the grindstone can be used efficiently, and the effect of lowering the tool replacement frequency can be obtained.
(2) When forming a grindstone every certain number of times (removing the irregularities on the surface of the grindstone), it wears in a substantially flat shape, so the burden of shaping can be reduced.
(3) In position / force hybrid control, if the reciprocating motion is superimposed in real time (by calculation for each control cycle) on the robot trajectory and pressing direction data table created offline, the reciprocating motion is switched ON / OFF. In addition, it is easy to change the parameters (amplitude / cycle) of the reciprocating motion (it is not necessary to recreate the trajectory data table).
(4) The trajectory data table is generated so that the feed direction and the pressing direction are perpendicular to each other, and the reciprocating direction is parallel to the grindstone surface (= the direction perpendicular to both the pressing direction and the feeding direction). In this case, since the direction for force control and the direction for position control are kept vertical, it is possible to prevent interference of the control system. The reciprocating direction can be easily calculated by the outer product of the pressing direction and the feeding direction.
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。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, is shown by description of a claim, and also includes all the changes within the meaning and range equivalent to description of a claim.
１ ワーク（被加工部材）、２ テーブル、
３ 軌道データ、４ 工具の動作、
５ 送り方向、６ 押付け方向、
７ 往復動作方向（工具の往復動方向）、
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
1 workpiece (workpiece), 2 tables,
3 orbit data, 4 tool movement,
5 Feed direction, 6 Pressing direction,
7 Reciprocating direction (tool reciprocating direction),
10 processing robots, 12 tools,
13 rotating whetstone, 13a outer peripheral surface,
14 spindle motor, 15 force sensor,
16 robot arm,
20 robot controller,
21 Storage device
Claims (6)
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、
前記加工データに基づく加工軌道に沿って工具を移動し、該工具をワークに押付けながらワークを加工し、かつ該加工中に、空間６自由度のうち、工具の押付け方向の並進を除いた５自由度の空間上で、ワークと工具との接触面に沿って工具を往復動させる、ことを特徴とする加工ロボット。 Tools,
A robot arm capable of moving the position and posture of the tool in a three-dimensional space;
A robot control device for storing machining data and controlling the robot arm;
The tool is moved along the machining path based on the machining data, and the workpiece is machined while pressing the tool against the workpiece. During the machining, the translation of the tool pushing direction is excluded from the 6 degrees of freedom in space. A machining robot characterized by reciprocating a tool along a contact surface between a workpiece and a tool in a space of freedom.
該回転砥石をその軸心を中心に回転駆動するスピンドルモータとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の加工ロボット。 The tool is a rotating grindstone having a machining surface on an outer peripheral surface centered on an axis;
The machining robot according to claim 1, comprising a spindle motor that rotationally drives the rotary grindstone about its axis.
ワークの加工中に、空間６自由度のうち、工具の押付け方向の並進を除いた５自由度の空間上で、ワークと工具との接触面に沿って工具を往復動させる、ことを特徴とする加工ロボットの加工制御方法。 A processing control method for a processing robot that processes a workpiece while pressing the tool against the workpiece,
During machining of the workpiece, the tool is reciprocated along the contact surface between the workpiece and the tool in a space of 5 degrees of freedom excluding translation in the pressing direction of the tool among the six degrees of freedom of the space. Machining control method for machining robots.
5. The machining control method according to claim 4, wherein machining is performed in accordance with the workpiece while controlling the pressing force of the tool to the workpiece.
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