JP2018034214A - 工作機械用ロボット及び工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットに大型のモータを取り付けることなく細い腕でありながら、必要な際には大きな出力やトルクで作業が可能な工作機械用ロボット及びこれを備える工作機械を提供する。【解決手段】工作機械の機内ロボット２０は、入力軸２０ａと、伝達軸２０ｂと、ベベルギア２０ｃと、エンドエフェクタ２０ｄを備える。入力軸２０ａは工作機械の工具に連結し、工具の駆動力をエンドエフェクタ２０ｄに伝達する。エンドエフェクタ２０ｄはハンド等であり、工具の駆動力を用いてハンドでワーク３を把持したり回転させたりする。入力軸２０ａは複数設けられ、適宜、適当な入力軸２０ａを工具に連結する。【選択図】図４

Description

本発明は、工作機械用ロボット及び工作機械に関する。

従来から、工具によりワークを除去加工する工作機械が知られている。かかる工作機械において、自動化や高性能化に対する要求はますます高まっており、自動化を実現するためにロボットを設けることが一部で提案されている。

特許文献１には、工作機械の外に設置されたロボットを用いて、工作機械へのワークの着脱を行う技術が開示されている。

特許文献２には、工作機械の上部に取り付けられたガントリレール上に走行する多関節ロボットを設け、当該多関節ロボットで複数の工作機械間のワークの搬送等を行う技術が開示されている。しかし、通常、工作機械の本体部は、安全性や環境性などへの対応から、カバーで覆われる。したがって、特許文献１，２のように、工作機械の本体部以外の箇所に設けられたロボットを用いて加工室の内部へアクセスしようとすると、加工室のドアを開く必要がある。そのため、特許文献１，２のロボットでは、ワークを加工していないときにワークの着脱等を行うことはできる。しかし、加工中、すなわち、加工室のドアを閉めた状態においては、ロボットが、ワークや工具にアクセスすることができない。その結果、特許文献１，２の技術では、ロボットの用途が限られていた。そこで、一部では、ロボットを、加工室内に設けることも提案されている。

特許文献３，４には、把持器の開閉動作によりワークの搬送を行う、ワークの搬送具が開示されている。この搬送具は、アーム状であり、本体機能箱に取り付けられている。また、当該本体機能箱は、主軸を支持する主軸頭の右側部に設けられている。搬送具は、主軸の長軸と略直交する軸回りに旋回可能となっている。そして、搬送具は、旋回することでそのアームが略水平となる状態と略垂直となる状態とに変化できるようになっている。

特開２０１０−３６２８５号公報 特開２０１０−６４１５８号公報 特開平５−３０１１４１号公報 特開平５−３０１１４２号公報

ところで、工作機械に用いられるロボットでは、ワークの搬送や加工など比較的大きな出力やトルクが求められることが多い。他方、複雑ワークの測定等を行うためには、ロボットが狭い隙間に入り込む必要がある。そのため、ロボットの腕は細いほうがよく、大型のモータを取り付けることが困難である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットに大型のモータを取り付けることなく細い腕でありながら、必要な際には大きな出力やトルクで作業が可能な工作機械用ロボット及びこれを備える工作機械を提供することにある。

本発明は、工作機械の回転装置に連結することで回転装置の駆動力を入力可能な入力軸と、駆動力で駆動される被駆動部とを備えることを特徴とする工作機械用ロボットである。

本発明の１つの実施形態では、入力軸は複数設けられる。

本発明の他の実施形態では、さらに、内部モータを備え、少なくとも、内部モータで被駆動部を駆動するモードと、回転装置の駆動力で被駆動部を駆動するモードを備える。

本発明のさらに他の実施形態では、被駆動部はエンドエフェクタである。

本発明のさらに他の実施形態では、被駆動部は関節である。

本発明のさらに他の実施形態では、入力軸及び被駆動部はそれぞれ複数設けられ、入力軸と被駆動部は、１対１、１対Ｎ、Ｎ対１（但し、Ｎは２以上の自然数）のいずれかに対応する。

本発明のさらに他の実施形態では、回転装置はワーク主軸装置、工具主軸装置のいずれかである。

本発明のさらに他の実施形態では、工作機械の加工室内に配置される。

また、本発明は、上記の工作機械用ロボットを加工室内に備えることを特徴とする工作機械である。

本発明によれば、ロボットに大型のモータを取り付けることなく、必要な際には大きな出力やトルクで作業が可能な工作機械用ロボット及びこれを備える工作機械を得ることができる。

工作機械の斜視図である。 機内ロボットの構成図（その１）である。 機内ロボットの構成図（その２）である。 機内ロボットの構成図（その３）である。 機内ロボットの構成図（その４）である。 機内ロボットの動作説明図（その１）である。 機内ロボットの動作説明図（その２）である。 機内ロボットの動作説明図（その３）である。 機内ロボットの動作説明図（その４）である。 機内ロボットの動作説明図（その５）である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜全体構成＞
図１は、工作機械１０の概略構成を示す図である。なお、以下の説明では、主軸装置１４の回転軸方向をＺ軸、刃物台４のＺ軸と直交する移動方向をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に直交する方向をＹ軸と呼ぶ。

工作機械１０は、工具１００でワークを切削加工する機械である。具体的には、工作機械１０は、ワークを回転させながら旋削工具を当ててワークを切削する旋削機能を有した旋盤である。工作機械１０の刃物台４は工具１００を回転させることにより簡単な転削機能を有している。

工作機械１０の周囲は、カバー（図示せず）で覆われている。このカバーで区画される空間が、ワークの加工が行われる加工室となる。カバーを設けることで、切り屑等が外部に飛散することが防止される。カバーには、少なくとも一つの開口部と、当該開口部を開閉するドア（いずれも図示せず）が設けられている。オペレータは、この開口部を介して、工作機械１０の内部やワーク等にアクセスする。加工中、開口部に設けられたドアは、閉鎖される。これは、安全性や環境性等を担保するためである。

工作機械１０は、ワークを自転可能に保持するワーク主軸装置１４と、転削機能により先端部が回転可能な工具１００を保持する刃物台４を備えている。ワーク主軸装置１４は、基台２２に設置された主軸台と、当該主軸台に取り付けられたワーク主軸を備えている。ワーク主軸は、ワークを着脱自在に保持するチャックやコレットを備えており、保持するワークを適宜、交換することができる。また、ワーク主軸は、水平方向（Ｚ軸方向）に延びるワーク回転軸を中心として自転する。

刃物台４は、旋削工具、例えば、バイトと呼ばれる工具を保持する。この刃物台４およびバイトは、駆動機構により、ＸＺ軸方向に直線移動可能となっている。

加工室内の底部には、切削加工の際に飛散した切り屑を、回収して排出する排出機構が設けられている。排出機構としては、種々の形態が考えられるが、例えば、排出機構は、重力により落下した切り屑を、外部に搬送するコンベア等で構成される。

工作機械１０は、各種演算を行う制御装置を備えている。工作機械１０における制御装置は、数値制御装置（ＮＣ）とも呼ばれており、オペレータからの指示に応じて、工作機械１０の各部の駆動を制御する。この制御装置は、例えば、各種演算を行うＣＰＵと、各種制御プログラムや制御パラメータを記憶するメモリと、入出力インタフェースと、入力装置及び出力装置で構成される。入力装置は例えばタッチパネルやキーボードであり、出力装置は液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等である。入力装置と出力装置をともにタッチパネルで構成してもよい。また、制御装置は、通信機能を有しており、他の装置との間で各種データ、例えば、ＮＣプログラムデータ等を授受できる。この制御装置は、例えば、工具１００やワークの位置を随時演算する数値制御装置を含んでもよい。制御装置は、単一の装置でもよいし、複数の演算装置を組み合わせて構成されてもよい。

工作機械１０は、さらに、機内ロボット２０を備えている。機内ロボット２０は、入力軸と、関節と、節と、エンドエフェクタを備えている。入力軸は、工具１００に連結され、刃物台４に備わる転削加工用の駆動力が機内ロボット２０の駆動力として伝達される。

本実施形態では、加工室内の所定位置に配置されたロボットを機内ロボットと称する。所定位置は必ずしも固定位置を意味するものではなく、初期状態ではある位置に配置されていても、ワークの加工中その他において所望の位置まで移動し得るものをその概念に含むものとする。

図２は、機内ロボット２０の構成図を示す。機内ロボット２０は、入力軸２０ａと、伝達軸２０ｂと、ベベルギア（傘歯車）２０ｃと、エンドエフェクタ２０ｄを備える。図では、入力軸２０ａは複数（６個）設けられている。入力軸２０ａの先端は、主軸装置１４と係合するように突起形状となっている。

複数の入力軸２０ａのいずれかが工具１００に連結されると、入力軸２０ａから入力された工具１００の駆動力は、伝達軸２０ｂ、ベベルギア２０ｃを介して機内ロボット２０のエンドエフェクタ２０ｄに伝達される。エンドエフェクタ２０ｄには、図１に示すようなワーク３を把持するハンドを取り付けることができ、あるいは工具、さらには各種センサを取り付けることもできる。ハンドの場合、工具１００の比較的大きなトルクを生かして、大きな力でワーク３を把持したり回転させたりすることが可能である。

エンドエフェクタ２０ｄを駆動するための駆動力は、工具１００から伝達されるので、大出力で加工やその他の作業をすることが可能である。

また、入力軸２０ａは複数箇所に設けられているので、機内ロボット２０の姿勢が変化した場合でも、工具１００と連結するのに都合がよい入力軸２０ａを選択して加工やその他の作業を実施できる。

また、複数の入力軸２０ａを機能毎に分けることもできる。例えば、エンドエフェクタ２０ｄとしてワーク３を把持するハンドを取り付けた場合において、ハンドでワーク３を把持する駆動力を入力するための入力軸、ハンドでワーク３を回転させる駆動力を入力するための入力軸等である。

本実施形態において、入力軸２０ａとエンドエフェクタ２０ｄの組み合わせを複数用意することで、アクチュエータを増やすことなしに、エンドエフェクタ２０ｄを使い分けることも容易化される。例えば、エンドエフェクタ２０ｄとして、複数のエンドエフェクタ２０ｄを設け、複数の入力軸２０ａと複数のエンドエフェクタ２０ｄを１対１に対応させる等である。勿論、これ以外にも、ある入力軸２０ａを複数のエンドエフェクタ２０ｄに対応させる（１対Ｎ）、あるいは複数の入力軸２０ａをあるエンドエフェクタ２０ｄに対応させる（Ｎ対１）ことも可能である。ここで、Ｎは２以上の自然数である。

図５は、入力軸２０ａから入力された駆動力を関節トルクに利用する場合を示す。機内ロボット２０には関節駆動用の内部モータ２０ｅが設けられ、この内部モータ２０ｅの軸は入力軸２０ａと兼用されている。なお、符号２０ｆは機内ロボット２０の節である。

このように入力軸２０ａと内部モータ２０ｅの軸を共通化することにより、内部モータ２０ｅだけでは出力やトルクが不足する場合に、工具１００の回転駆動力を利用してサポートすることが可能となり、大きな力を発生させることができる。これにより、負荷の高い加工や重量物の搬送が可能となる。機内ロボット２０は、
（１）内部モータ２０ｅのみの駆動力で駆動するモード
（２）工具１００の駆動力のみで駆動するモード
（３）内部モータ２０ｅの駆動力と工具１００の駆動力で駆動するモード
の３つのモードを備えるといえる。

本実施形態では、機内ロボット２０に大きなモータやアクチュエータを設ける必要がないため、機内ロボット２０の腕を細くして種々の箇所にアクセスすることが可能である。また、必要な場合には工具１００の駆動力を利用することで大きな出力やトルクを出すことができるが、工具１００はもともと工作機械に必須の構成であるため、コストを低減することもできる。

以下、本実施形態における機内ロボット２０の動作について、エンドエフェクタ２０ｄとしてハンドを用いた場合を例にとり説明する（以下では、ハンド２０ｄとする）。

図６は、ワーク３の把持位置に機内ロボット２０を移動させた状態を示す。機内ロボット２０の初期位置を図１に示す位置とすると、図６の位置までは機内ロボット２０の内部に設けられた内部モータ２０ｅの駆動力のみで移動する。図１に示す初期位置、及び図６に示す状態では、機内ロボット２０の入力軸２０ａは、工具１００と連結している必要はない。このことは、エンドエフェクタ２０ｄとしてのハンド２０ｄを使用しない場合、機内ロボット２０の入力軸２０ａは工具１００と分離しており、機内ロボット２０を自由に移動させ得ることを意味する。

図７は、図６の状態からハンド２０ｄを開閉動作させてワーク３を把持する状態である。この場合、図３に示すように、機内ロボット２０の複数の入力軸２０ａの中でハンド開閉用の入力軸２０ａを工具１００に連結し、工具１００の駆動力を入力軸２０ａ、伝達軸２０ｂ、ベベルギア２０ｃを介してハンド２０ｄに伝達し、工具１００の駆動力を用いてハンド２０ｄを開閉動作させてワーク３を把持する。

なお、ハンド２０ｄを閉動作させてワーク３を把持した後は、ハンド２０ｄの内部に設けられたブレーキ機構を作動させて閉状態を維持する。これにより、工具１００と入力軸２０ａとの連結状態を解除しても、ワーク３を把持した状態がそのまま維持される。

図８は、ワーク把持後、図４に示すように、機内ロボット２０の複数の入力軸２０ａの中でワーク３の反転用の入力軸２０ａを工具１００に連結した状態を示す。

図９は、図８の状態からワーク３を反転中の状態を示す。工具１００の駆動力は入力軸２０ａ、伝達軸２０ｂ、ベベルギア２０ｃを介してハンド２０ｄに伝達され、ワーク３を把持しつつワーク３を反転させる。

図１０は、ワーク３を反転した後、ハンド２０ｄを開動作させてワーク３を解放している状態を示す。主軸装置１４のチャックでワーク３を保持し、機内ロボット２０の複数の入力軸２０ａの中でハンド開閉用の入力軸２０ａを工具１００に連結し、工具１００の駆動力を入力軸２０ａ、伝達軸２０ｂ、ベベルギア２０ｃを介してハンド２０ｄに伝達し、工具１００の駆動力を用いてハンド２０ｄを開動作させてワーク３を解放する。ワーク３はチャックで保持された状態となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。以下に、変形例について説明する。

＜変形例１＞
実施形態では、伝達軸２０ｂ、ベベルギア２０ｃを介して工具１００からの駆動力をエンドエフェクタ２０ｄあるいは関節に伝達しているが、工具１００からエンドエフェクタ２０ｄあるいは関節に至るまでの経路のいずれかにさらに減速機を設けることで、より大きな力を容易に得ることもできる。また、リンク機構を用いるなど回転以外の方法で駆動力を伝達してもよい。

＜変形例２＞
実施形態では、機内ロボット２０の入力軸２０ａを工具１００に連結したが、入力軸２０ａの連結先は必ずしも工具１００である必要はなく、刃物台４に連結して刃物台４の旋回トルクを利用してもよい。要するに、機内ロボット２０は、工作機械の回転装置に連結して回転装置の駆動力をエンドエフェクタ２０ｄ又は関節に伝達すればよく、種々の回転装置を用いることができる。

＜変形例３＞
実施形態では、機内ロボット２０の入力軸２０ａと工具１００の連結は、入力軸２０ａの先端の突起部と工具１００との係合により行っているが、フレキシブルシャフトやユニバーサルジョイント、カップリング等を介して連結してもよい。

＜変形例４＞
実施形態では、工作機械の加工室内に設けられる機内ロボット２０を例示したが、必ずしも加工室内に限定されるものではなく、加工室外に設けられる工作機械用ロボットに適用してもよい。当該ロボットも入力軸２０ａ及び内部モータ２０ｅを備え、内部モータ２０ｅのみで動作するモードと、入力軸２０ａを工具１００等の回転装置に連結させて回転装置の駆動力を利用して動作するモード、さらには内部モータと回転装置の駆動力とを併用するモードの３つのモードを有するものとし得る。

３ ワーク、４ 刃物台、１４ 主軸装置、２０ 機内ロボット、２０ａ 入力軸、２０ｂ 伝達軸、２０ｃ ベベルギア、２０ｄ エンドエフェクタ（ハンド）、２０ｅ 内部モータ、１００ 工具。

Claims (9)

1. 工作機械の回転装置に連結することで回転装置の駆動力を入力可能な入力軸と、
   駆動力で駆動される被駆動部と、
   を備えることを特徴とする工作機械用ロボット。
2. 請求項１に記載の工作機械用ロボットにおいて、
   入力軸は複数設けられる
   ことを特徴とする工作機械用ロボット。
3. 請求項１，２のいずれかに記載の工作機械用ロボットにおいて、さらに、
   内部モータ
   を備え、少なくとも、内部モータで被駆動部を駆動するモードと、回転装置の駆動力で被駆動部を駆動するモードを備えることを特徴とする工作機械用ロボット。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の工作機械用ロボットにおいて、
   被駆動部はエンドエフェクタである
   ことを特徴とする工作機械用ロボット。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の工作機械用ロボットにおいて、
   被駆動部は関節である
   ことを特徴とする工作機械用ロボット。
6. 請求項１に記載の工作機械用ロボットにおいて、
   入力軸及び被駆動部はそれぞれ複数設けられ、
   入力軸と被駆動部は、１対１、１対Ｎ、Ｎ対１（但し、Ｎは２以上の自然数）のいずれかに対応する
   ことを特徴とする工作機械用ロボット。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の工作機械用ロボットにおいて、
   回転装置はワーク主軸装置、工具主軸装置のいずれかである
   ことを特徴とする工作機械用ロボット。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の工作機械用ロボットにおいて、
   工作機械の加工室内に配置される
   ことを特徴とする工作機械用ロボット。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の工作機械用ロボットを加工室内に備えることを特徴とする工作機械。