JP2017102825A - 工作機械及びロボットを備えた複合システム - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械とロボットの位置ずれの検出と位置修正を速やかに行う機能を有する複合システムの提供。【解決手段】複合システムは、テーブル２２と一体的に移動可能なワーク固定治具５を有する工作機械２と、工作機械２とは独立して設置され、ワーク固定治具５に対してワーク６の供給及び取出しを行うロボット３２を有するロボットシステム３と、工作機械２とロボットシステム３との間で情報伝達を行うネットワーク４と、ワーク固定治具５にワーク６を供給し又は取出す際にロボット３２の各軸の外乱値から干渉を判定する干渉判定部４１と、干渉があると判定されたときに、ロボット３２の動作を停止するとともに、ロボット３２の各軸の外乱値に基づき、テーブル２２を少なくとも１つの軸方向へ移動して干渉を回避する干渉回避部４２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械及びロボットを含む複合システムに関する。

マシニングセンタや旋盤などの工作機械を含む生産ラインにおいて、ワークやツーリングの交換作業等を行うロボットを導入する事例が増えている。工作機械とロボットの設置環境は様々であり、それぞれを床面に別個に設置する場合や、床面に設置した工作機械の上にロボットを搭載する場合がある。

工作機械やロボットの台座を床面に固定する際には、アンカーボルト等でしっかり固定することが望ましいが、床面への固定が不可能又は不十分である場合には、工作機械やロボットの動作に伴う振動等により、床面に対する設置位置のずれが生じ、その結果、工作機械とロボットの相対位置にずれが生じる可能性がある。

通常、ロボットは、工作機械とロボットとの相対位置関係に基づいて予め教示された座標位置に沿って移動し、ワークの交換作業等を行う。このため、工作機械とロボットの相対位置にずれが生じると、ワーク交換時に工作機械上の治具とワークに干渉が生じ、ロボットの各軸の負荷の増大やワークの取付け姿勢の変化等、様々な不具合を生じる場合があり、その結果、ワーク交換を正しく行うことができなくなる可能性がある。

そのような場合は、ロボットの教示操作を再度行う必要がある。特に、１台のロボットが複数台の工作機械に対してワークの脱着作業を行うようなシステムにおいては、ロボットが床面に対して位置ずれを起こした場合、それぞれの工作機械に対してロボットの教示操作が必要になる。

ロボットの教示操作を自動的かつ短時間で行う技術として、例えば、特許文献１には、ロボットのマニピュレータに６軸の力センサを設け、該マニピュレータのインピーダンス制御を行うロボットシステムにおいて、該マニピュレータの手首軸に装着したツール（棒）を治具の穴に挿入することにより定点観測を行い、キャリブレーション作業を行う方法が記載されている。

特許文献２には、予め設定した指令値に基づいて作業ツールを交換するツールチェンジ動作を実行し、ツールチェンジ動作中にロボットと作業ツールとが干渉して発生する荷重の大きさ及び向きに基づいて、荷重が低下する方向へ指令値を補正する位置合わせ方法が記載されている。

また特許文献３には、第１の作業テーブルの位置の所定位置に対する位置ずれ量をカメラで検出し、その検出結果に基づいて搬送ロボットの動作の基準となる教示データを補正する技術が記載されている。

さらに特許文献４には、外乱推定オブサーバで検出された、機械可動部が動きだす直前における推定外乱トルクを記憶し、機械可動部が移動中に該外乱推定オブザーバで検出される推定外乱トルクから、記憶した推定外乱トルクを差し引いた値が設定値以上になったときに、これを負荷異常として検出する異常負荷検出方法が記載されている。

特開平０５−１１１８８６号公報 特開２０１３−００６２４４号公報 特開２００９−２０８２０９号公報 特開平０５―１１６０９４号公報

特許文献１〜３に記載の技術は、専用の検出装置を用いて位置ずれに関する情報を取得するものであり、また該検出装置をマニピュレータに装着する場合は、該検出装置の重量分だけ、ロボットがハンドリングするワークの重量が制限される等の問題点がある。

一方、特許文献４に記載される外乱推定トルクのような外乱値は、ロボットとワークとの干渉の有無によって変化するので、干渉の有無を各軸の外乱値から判別することは可能と解される。しかし、一般的にロボットの各軸が運動すると、ワークとの干渉によらず各軸自身の外乱値に動的な変化が生じ、特に移動速度が速いほどその変化量は大きくなると考えられる。従って、外乱値から干渉を判別する方法では、外乱値の動的な変化に起因する誤検出を防止するため、干渉回避のためのロボットの動作速度（探査速度）を十分下げる必要があり、結果として干渉回避（位置ずれ補正）のための動作を速やかに行うことが難しい。

そこで本発明は、工作機械とロボットの位置ずれの検出と位置修正を速やかに行う機能を有する複合システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、数値制御装置、該数値制御装置の制御によって移動可能なテーブル、及び該テーブル上に設けられ、テーブルと一体となって移動可能なワーク固定治具を有する工作機械と、前記工作機械とは独立して設置され、ワークを把持可能なロボットハンドを備え、前記ワーク固定治具に対してワークの供給及び取出しを行うロボット、及び該ロボットの制御を行うロボットコントローラを有するロボットシステムと、少なくとも前記数値制御装置と前記ロボットコントローラとの間で情報伝達を行うネットワークと、前記ワーク固定治具にワークを供給し又は取出す際に前記ロボットの各軸の外乱値から前記ワーク固定治具と前記ワークの干渉を判定する干渉判定部と、前記干渉判定部により干渉があると判定されたときに、前記ロボットの動作を停止するとともに、前記ロボットの各軸の外乱値に基づき、前記テーブルを少なくとも１つの軸方向へ移動して干渉を回避する干渉回避部と、を備えた、複合システムを提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記干渉回避部は、少なくとも２軸を用いた前記テーブルの移動に伴う前記ロボットの各軸の外乱値の変化に基づいて、干渉を回避するための前記テーブルの移動方向の探査を行う、複合システムを提供する。

本発明によれば、工作機械とロボットの微小な相対位置のずれに伴う干渉を、ロボットの各軸における外乱値の変化から検出することができるので、従来必要だった専用の検出器等が不要となる。また、干渉を検出後、干渉状態を回避する動作を工作機械のテーブルが行うことにより、ロボット自身の動作が外乱値に与える影響が小さくなり、外乱に起因する誤検出が少なくなる。

本発明の好適な実施形態に係る複合システムの概略構成を示す図である。 図１の複合システムに含まれる工作機械の構成例を示す図である。 第１の複合システムに含まれるロボットの構成例を示す図である。 第１の複合システムに含まれるワーク固定治具近傍の拡大図であり、ロボットハンドがワークを把持している状態を示す。 第１の複合システムに含まれるワーク固定治具近傍の拡大図であり、ワークがワーク固定治具に保持されている状態を示す。 ロボットによるワーク供給動作の一例を示す図であり、ワークを把持したロボットがワーク供給開始位置に移動した状態を示す。 ロボットによるワーク供給動作の一例を示す図であり、ロボットがワーク固定位置に移動した状態を示す。 ロボットによるワーク供給動作の一例を示す図であり、クランプ機構によってワークを把持した状態を示す。 ロボットによるワーク供給動作の一例を示す図であり、ロボットが退避した状態を示す。 図１の複合システムにおけるワーク供給動作の流れを示すフローチャートである。 図６のフローチャートにおける干渉検知の割り込み処理の詳細を示すフローチャートである。 図７のフローチャートにおける干渉回避動作の詳細を示すフローチャートである。 干渉が発生していない状態のロボット及びワークを示す図である。 干渉発生時のロボット及びワークを示す図である。 干渉回避時の位置補正の例を説明する図であり、干渉発生時のテーブル位置を説明する図である。 干渉回避時の位置補正の例を説明する図であり、テーブルが周上の位相０°に移動した場合を示す。 干渉回避時の位置補正の例を説明する図であり、テーブルが周上の位相９０°に移動した場合を示す。 干渉回避時の位置補正の例を説明する図であり、テーブルが周上の位相１８０°に移動した場合を示す。 干渉回避時の位置補正の例を説明する図であり、テーブルが周上の位相２７０°に移動した場合を示す。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る複合システムの構成例を示す。複合システムは、水平な床面（設置面）１上に設置された工作機械２及びロボットシステム３を有し、図２及び図３はそれぞれ、工作機械２及びロボットシステム３の構成例を示す。

図２に示すように、工作機械２は、コラム２５に対してＺ方向（鉛直方向）に可動に構成された主軸頭２４と、ワーク固定治具５を上面に備えたテーブル２２と、工作機械２の動作を制御する数値制御装置２１とを有し、テーブル２２はサドル２３との組み合わせによってＸＹ方向（平面内）に移動可能に構成されている。テーブル２２は、数値制御装置２１の指令により移動可能に構成されており、テーブル２２の上面に配置されたワーク固定治具５もテーブル２２と一体的にＸＹ方向に移動可能である。なお数値制御装置２１は、第１のメモリ２１１及び第１のＣＰＵ２１２を有するが、これらの機能については後述する。

図３に示すように、ロボットシステム３は、工作機械２とは独立して床面１に設置されたロボット台座３１と、ロボット台座３１上に配置されたロボット筐体３２と、ロボット筐体３２の動作を制御するロボットコントローラ３４とを有する。ロボット筐体３２は、例えば６軸（Ｊ１〜Ｊ６）の多関節ロボットであり、ロボット筐体３２の先端部（Ｊ６軸）に設けられたロボットハンド３３が任意の姿勢になるのに十分な軸数の回転軸を備えるものとする。なおロボットコントローラ３４は、第２のメモリ３４１及び第２のＣＰＵ３４２を有するが、これらの機能については後述する。

図４ａは、工作機械２のテーブル２２上に配置されたワーク固定治具５と、複合システムにおけるハンドリング対象であるワーク６と、ワーク６を把持しているロボットハンド３３とを示す部分拡大図である。ワーク固定治具５は、Ｚ軸方向に平行なピン穴５１と、ピン穴の上端に形成されたキー溝５２と、ピン穴５１の径方向内側に突出可能に構成されたクランプ機構５３とを有し、一方、ワーク６は、ピン穴５１の内径より小さい外径を有するピン６１と、キー溝５２に係合可能なキー６２と、クランプ機構５３が把持可能なクランプ座面６３と、ロボットハンド３３が把持可能な被把持部６４（図４ｂ参照）とを有する。図示例では、ワーク６はワーク固定治具５に対し、ピン６１とピン穴５１が同軸であって、キー６２とキー溝５２が嵌合し、クランプ機構５３がクランプ座面６３を押さえることで固定されるものとする。また、当該固定状態において、ピン６１とピン穴５１は干渉しないものとする。

また図１に示すように、本実施形態に係る複合システムは、工作機械２及びロボットシステム３から伝達される情報を格納するメモリ部と、メモリ部の情報に基づいて各種演算を行う演算処理部とを含み、少なくとも数値制御装置２１とロボットコントローラ３４との間で情報伝達を行うように構成されているネットワーク４を備え、数値制御装置２１及びロボットコントローラ３４は、ネットワーク４の構成要素として含まれるものとする。本実施形態では、上述のメモリ部の機能は、数値制御装置２が有する（内蔵する）第１のメモリ２１１及びロボットコントローラ３４が有する（内蔵する）第２のメモリ３４１が担い、演算処理部の機能は、数値制御装置２が有する（内蔵する）第１のＣＰＵ２１２及びロボットコントローラ３４が有する（内蔵する）第２のＣＰＵ３４２が担うものとする。

図５ａ〜図５ｄは、ワーク固定治具５に対するワーク６の供給動作の一例を示す図であり、図６は該供給動作の流れを示すフローチャートである。なおワーク固定治具５からワーク６を取出す動作については、基本的に供給動作と逆の手順で行えばよいので、以降は供給動作についてのみ説明し、取出し動作については詳細な説明を省略する。

先ずステップＳ１０１において、ワーク固定治具５の上にワークがあるか否かを判別し、ワークが既にある場合はそのワークの取出し動作を行う。一方、ワークが治具５上にない場合は、数値制御装置２１は、固定治具５をアンクランプ状態（クランプ機構５３を開状態）とし、図５ａに示すように、固定治具５を予め設定されたワーク交換位置Ｐ１に移動させる（ステップＳ１０２〜Ｓ１０３）。またこれと並行して、ロボットシステム３では、ロボットハンド３３がワークストッカに移動し、工作機械２で加工すべきワークを把持してその取出しを行う（ステップＳ１０４〜Ｓ１０６）。

続いて、ロボットコントローラ３４は、ロボットハンド３３に把持された状態のワーク６を、ワーク交換位置Ｐ１に対して予め設定されたワーク供給開始位置Ｐ２へ移動させる（ステップＳ１０７）。ここで、ワーク供給開始位置Ｐ２は、ワーク交換位置Ｐ１におけるワーク固定治具５に対する相対的な位置情報として定義されるものとする。本実施形態では、ワーク供給開始位置Ｐ２は、図５ｂにおけるワーク固定位置Ｐ３に対して、ワーク６がピン穴５１の中心軸に沿って上方に所定距離だけ平行移動した位置とする。

次のステップＳ１０８では、ロボットハンド３３と固定治具５との干渉の検知及び回避のための処理を有効化するが、これについては後述する。

次のステップＳ１０９では、図５ｂに示すように、ロボットコントローラ３４はワーク供給開始位置Ｐ２からワーク固定位置Ｐ３まで、ワーク供給経路Ｒ１に沿ってワーク６を平行移動させる。次に、図５ｃに示すように、ワーク６がワーク固定位置Ｐ３に移動したら、数値制御装置２１はクランプ機構５３を駆動させ、クランプ座面６３（図４ａ参照）を把持することでワーク６の固定を完了する（ステップＳ１１０）。

最後に、図５ｄに示すように、ワーク６の固定完了した後、ロボットコントローラ３４はロボットハンド３３にワーク６の把持を解除させ（ステップＳ１１１）、ステップＳ１０８で有効化した干渉の検知及び回避の処理を無効化し（ステップＳ１１２）、予め設定された退避経路Ｒ２に沿ってロボットハンド３３をワーク６から退避させ（ステップＳ１１３）、供給動作が完了する。

なお、ステップＳ１０３で呼び出されるワーク交換位置Ｐ１の情報は、位置情報や動作プログラム等の形式で第１のメモリ２１１に記憶させることができる。またワーク供給開始位置Ｐ２、ワーク固定位置Ｐ３、ワーク供給経路Ｒ１及び退避経路Ｒ２の情報は、位置情報や動作プログラム等の形式で第２のメモリ３４１に記憶させることができる。

次に、ワーク６の供給動作中にワーク固定治具５と干渉した場合における、干渉の判定及び回避の処理の一例を、それぞれ図７及び図８のフローチャートを参照しつつ説明する。

干渉の判定及び回避は、ネットワーク４内に設けられた干渉判定部４１及び干渉回避部４２によってそれぞれ行われる。本実施形態では、図７に示すように、干渉判定部４１は、ロボット筐体３２、第２のメモリ３４１及び第２のＣＰＵ３４２から構成され、干渉回避部４２は、第１のメモリ２１１、第１のＣＰＵ２１２、ロボット筐体３２、第２のメモリ３４１及び第２のＣＰＵ３４２から構成されている。

干渉判定部４１は、ワーク供給動作中においてワーク６が供給開始位置Ｐ２へ移動したときに、ロボット筐体３２の各軸の外乱値（Ｄｉ：ｉは軸番号）の監視を開始する。干渉判定部４１は、外乱値Ｄｉと、ワーク６とワーク固定治具５が干渉することなく動作する場合に基づいて予め定めた外乱値の標準値Ｂｉとを適当な時間間隔で比較し、外乱値Ｄｉと標準値Ｂｉとの差が予め設定された許容範囲Ｅを超えた場合に、干渉が発生したと判定する（ステップＳ２０１）。なお各軸の外乱値（外乱トルク）は、周知の外乱推定オブザーバや各軸に設けたトルクセンサ等により推定又は測定することができる。

各軸の外乱値Ｄｉと標準値Ｂｉの比較の方法については、厳密には各軸の外乱値Ｄｉの変化から総合的に判定すべきであるが、例えば、干渉発生時に特定の軸の外乱値のみが著しく変動することが経験的にわかっている場合等は、その軸の外乱値にのみ着目することで干渉の判断を行うこともできる。

本実施形態では、工作機械２が床面１に対し、何らかの理由で微小な距離だけ移動した場合を考える。ここで、図９ａは、ワーク供給動作において、ワーク固定治具５がワーク交換位置Ｐ１に移動し、ワーク６がワーク供給開始位置Ｐ２に移動したとき（図５ａ参照）のワーク固定治具５とワーク６（ロボットハンド３３）との位置関係を示しており、また図９ｂは、ワーク６がワーク固定位置Ｐ３に移動する過程で、ピン穴５１とピン６１との間に干渉が発生した状態を示している。図９ｂの例では、ワーク６の位置は、ワーク固定治具５から反力Ｆ１を受けて弾性的に変位しているものとし、つまり、ワーク固定治具５からの反力Ｆ１が解消されれば変位はなくなる。

図９ｂの状態では、ロボット筐体３２の各軸において、ワーク固定治具５から受ける反力Ｆ１に伴う外乱が発生する。理想的なモデルとして、図９ｂのように、干渉発生時にロボット筐体３２の第２軸の外乱値Ｄ２が反力Ｆ１の大きさに対して線型的に変化するようなロボットシステムを考える。ワーク６の供給動作中において、第２軸の外乱値Ｄ２が基準値Ｂ２に対し、予め設定された許容値Ｅを超えて変動する場合、すなわち以下の式（１）が成立する場合、干渉判定部４１は干渉発生と判断し、ロボットの動作（ここではワーク６の供給動作）を中断する（図７のステップＳ２０２、Ｓ２０３）。

｜Ｄ２−Ｂ２｜＞Ｅ ・・・（１）

干渉判定部４１が干渉の発生を検出した場合、干渉回避部４２は、ロボットの動作の中断をロボットコントローラ３４に指令し、動作の停止後、少なくとも１つの軸方向についてのテーブル２２の動作を伴う位置補正（干渉回避動作）を実行する（ステップＳ２０４）。干渉回避部４２による位置補正後、干渉判定部４１は再び式（１）により干渉判定を行い、許容範囲以内に収束するまでこれを繰り返す。

干渉回避部４２による位置補正の例を、図８及び図１０ａ〜１０ｅを参照しつつ説明する。まず、図１０ａに示すように、干渉発生時のテーブル２２（ワーク固定治具５）の位置（例えば図１０ａに示す十字線の交点）を基準位置として記憶し（ステップＳ３０１）、次に、任意の方向に微小距離ｄだけテーブル２２（ワーク固定治具５）を移動させる（ステップＳ３０２）。ここでは例えば、図１０ｂに示すように、探査方向θが０°となる方向に微超距離ｄだけテーブル２２を移動させたものとする。

次に、現在位置（図１０ｂの状態）を起点として、上記基準位置を中心とする円周上を１周するように（つまり３６０°）テーブル２２を移動させる。この移動の間、各軸の外乱値Ｄｉは、テーブル位置の位相θと対比可能なデータとして適当な角度の刻み幅で第２のメモリ３４１に記憶される（ステップＳ３０３〜Ｓ３０５）。図１０ｂ〜図１０ｅはそれぞれ、位相θが０°、９０°、１８０°及び２７０°である場合を例示しており、各図における矢印Ｆ１の方向及び長さは、各位相での反力Ｆ１の方向及び大きさをそれぞれ示している。１周移動した後、テーブル２２を再び基準位置へ移動させる。

第１のＣＰＵ２１２は、第２のメモリ３４１に記憶された各軸の外乱値のデータに基づき、式（１）において左辺の値が最も小さくなる位相ψ（ここでは図１０ｂ、すなわちψ＝θ＝０°）を補正方向として決定し（ステップＳ３０６）、ψ方向にテーブル２２を微小距離ｄだけ移動させる（ステップＳ３０７）。

再び図７を参照し、上述のような移動方向の探査を含む位置補正処理を数回実行した結果、外乱値Ｄｉと標準値Ｂｉの比較結果（差）が許容値Ｅ以下に収束した時点で、干渉判定部４１は干渉回避が完了したものと判断し、干渉回避が完了した時点でのテーブル２２の位置（現在位置）を、新たなワーク交換位置Ｐ１として再設定し（ステップＳ２０５）、第１のメモリ２１１の情報を更新する（ステップＳ２０６）。干渉回避が完了した時点で、ロボットコントローラ３４はワーク６の供給動作を再開し、動作を完了させる。

なお位置補正処理の繰返し回数には制限を設けてもよく、その回数内に外乱値と標準値との差が許容値以下に収束しない場合は、干渉回避不能と判定することもできる。

上述のように本実施形態では、干渉回避のための位置補正処理ではロボットは基本的に移動せず、ワーク固定治具を備えたテーブルが移動するので、ロボットの各軸の外乱値は動的に変化せず、誤検出の可能性は大幅に低減される。また本実施形態では、少なくとも２軸（Ｘ軸及びＹ軸）を用いたテーブルの移動（回転移動）に伴う各軸の外乱値の変化に基づいて干渉回避のためのテーブルの移動方向の探査が行われ、探査によって決定された少なくとも１つの軸方向にテーブルを移動させることによって干渉回避が実現できるが、各軸に作用する外乱の値及び方向等に基づいて移動方向を算出することも可能であり、その場合は上述のような探査は不要となる。

１ 床面
２ 工作機械
３ ロボットシステム
４ ネットワーク
５ ワーク固定治具
６ ワーク
２１ 数値制御装置
２２ テーブル
３２ ロボット筐体
３３ ロボットハンド
３４ ロボットコントローラ
４１ 干渉判定部
４２ 干渉回避部
２１１ 第１のメモリ
２１２ 第１のＣＰＵ
３４１ 第２のメモリ
３４２ 第２のＣＰＵ

Claims (2)

1. 数値制御装置、該数値制御装置の制御によって移動可能なテーブル、及び該テーブル上に設けられ、テーブルと一体となって移動可能なワーク固定治具を有する工作機械と、
   前記工作機械とは独立して設置され、ワークを把持可能なロボットハンドを備え、前記ワーク固定治具に対してワークの供給及び取出しを行うロボット、及び該ロボットの制御を行うロボットコントローラを有するロボットシステムと、
   少なくとも前記数値制御装置と前記ロボットコントローラとの間で情報伝達を行うネットワークと、
   前記ワーク固定治具にワークを供給し又は取出す際に前記ロボットの各軸の外乱値から前記ワーク固定治具と前記ワークの干渉を判定する干渉判定部と、
   前記干渉判定部により干渉があると判定されたときに、前記ロボットの動作を停止するとともに、前記ロボットの各軸の外乱値に基づき、前記テーブルを少なくとも１つの軸方向へ移動して干渉を回避する干渉回避部と、
   を備えた、複合システム。
2. 前記干渉回避部は、少なくとも２軸を用いた前記テーブルの移動に伴う前記ロボットの各軸の外乱値の変化に基づいて、干渉を回避するための前記テーブルの移動方向の探査を行う、請求項１に記載の複合システム。

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