JP2019005825A - 自動研磨システム - Google Patents

Abstract

【課題】研磨対象面に対する研磨処理の処理能率や研磨処理の仕上がり品質を効果的に高める。
【解決手段】研磨対象面の三次元形状を計測する三次元形状計測器３を設けるとともに、この三次元形状計測器３により得られた三次元形状データＤに基づいて、研磨具４を保持する研磨ロボット２を制御、又は、研磨ロボット２及びそれが保持する研磨具４を制御することで、研磨対象面の各部分に対して研磨具４を研磨作用させる研磨制御器６を設ける。また、研磨制御器６は、計測ロボット１及びそれが保持する三次元形状計測器３を制御することで、三次元形状計測器３を研磨対象面に対する所定の計測位置に移動させて三次元形状計測器３に研磨対象面の三次元形状を計測させる構成にする。
【選択図】図１

Description

本発明は自動研磨システムに関し、詳しくは、研磨具を保持する研磨ロボットの動作により前記研磨具を処理対象物における研磨対象面の各部分に移動させながら、前記研磨具により前記研磨対象面を研磨処理する自動研磨システムに関する。

従来一般的に採用されているロボット制御技術を考えた場合、研磨具を保持させた研磨ロボットを用いて処理対象物における研磨対象面を研磨処理するには、先ず、研磨ロボットに対するティーチング処理として、処理対象物における研磨対象面の各部分に対して研磨具を所要の移動経路で移動させるのに要するロボット動作を予め制御器に覚え込ませておき、その上で、この覚え込ませたロボット動作を研磨ロボットに実行させて研磨具を所要の移動経路に沿って移動させながら、研磨具を研磨対象面の各部分に対して研磨作用させることになる。

適当な先行技術文献が見当たらない。

しかし、研磨ロボットに対するティーチング処理には人手と手間を要するため、上記の処理形態では、研磨を自動化するにしても作業者負担が大きくなる問題があり、また、このティーチング処理に時間を要することで、ティーチング処理を含めた研磨処理全体の処理能率が低く制限されてしまう問題がある。

そしてまた、研磨ロボットに対するティーチング処理では、研磨対象面に存在する各凸状部分の位置、拡がり形状、面積、高さなどが種々異なることに対して、きめ細かく対応することが難しいため、研磨対象面の各部分に対して研磨具を一様に研磨作用させるだけに近い処理形態しか採ることができず、そのことで研磨処理の仕上がり品質が低く制限されてしまう問題もある。

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、これらの問題を効果的に解消することができる自動研磨システムを提供する点にある。

本発明の第１特徴構成は、自動研磨システムに係り、その特徴は、
研磨具を保持する研磨ロボットの動作により前記研磨具を処理対象物における研磨対象面の各部分に移動させながら、前記研磨具により前記研磨対象面を研磨処理する自動研磨システムであって、
前記研磨対象面の三次元形状を計測する三次元形状計測器を設けるとともに、
この三次元形状計測器による形状計測で得られた前記研磨対象面の三次元形状データに基づいて前記研磨ロボットを制御又は前記研磨ロボット及び前記研磨具を制御することで、前記研磨対象面の各部分に対して前記研磨具を研磨作用させる研磨制御器を設けてある点にある。

この構成によれば、三次元形状計測器による形状計測で得られる研磨対象面の三次元形状データ（換言すれば、研磨対象面における各部分の凹凸状態を示すデータ）に基づく研磨ロボットの制御又は研磨ロボット及び研磨具に対する制御により、研磨対象面の各部分に対して研磨具を研磨作用させるから、研磨ロボットのロボット動作を予め制御器に覚え込ませるティーチング処理が不要であり、これにより、作業者負担を大幅に軽減することができ、また、研磨ロボットに対するティーチング処理が不要な分、研磨処理の処理能率を高めることができる。

また、研摩対象面に存在する各凸状部分の位置、拡がり形状、面積、高さなどが種々異なることに対しても、上記三次元形状データに基づいてきめ細かに対応した状態で研磨対象面の各部分に対して研磨具を研磨作用させることができ、これにより、研磨処理の仕上がり品質も効果的に高めることができる。

本発明の第２特徴構成は、第１特徴構成の実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記三次元形状計測器を保持する計測ロボットを設け、
前記研磨制御器は、前記計測ロボット及び前記三次元形状計測器を制御することで、前記計測ロボットの動作により前記三次元形状計測器を前記研磨対象面に対する所定の計測位置に移動させて、前記三次元形状計測器により前記研磨対象面の三次元形状を計測する構成にしてある点にある。

この構成によれば、三次元形状計測器による研磨対象面の三次元形状計測を自動化することでき、これにより、作業者が三次元形状計測器を操作するのに比べ、作業者負担を一層軽減することができ、また、その分、研磨処理の処理能率も一層高めることができる。

本発明の第３特徴構成は、第１又は第２特徴構成の実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記研磨制御器は、前記三次元形状データに基づいて前記研磨ロボットを制御することで、前記研磨具を、前記研磨対象面における研磨不要部分には位置させずに、前記研磨対象面における研磨必要部分に対してのみ位置させる移動形態で、前記研磨具を移動させる構成にしてある点にある。

この構成によれば、研磨対象面における研磨不要部分には研磨具を位置させないから、研磨対象面を同程度に研磨処理するにしても、研磨具の移動経路長を短尺化することができ、その分、研磨処理の処理能率をさらに高めることができる。

本発明の第４特徴構成は、第１〜第３特徴構成のいずれかの実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記研磨制御器は、前記三次元形状データに基づいて、前記研磨対象面における研磨必要部分ごとに、前記研磨具の研磨出力又は前記研磨具による研磨回数を調整する構成にしてある点にある。

この構成によれば、研磨対象面に存在する各凸状部分の高さに応じ研摩具の研磨出力や研磨具による研磨回数を調整した状態で各凸状部分を研磨して、各凸状部分を均等な平滑状態にすることができ、これにより、研磨処理の仕上がり品質を効果的に高めることができる。
本発明の第５特徴構成は、第１〜第４特徴構成のいずれかの実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記研磨制御器は、前記三次元形状データに基づいて、前記研磨対象面における研磨必要部分ごとに、前記研磨ロボットの動作速度を調整して前記研磨具の移動速度を調整する構成にしてある点にある。
この構成によれば、研磨対象面に存在する各凸状部分の高さに応じ研摩具の移動速度を調整した状態で各凸状部分を研磨して、各凸状部分を均等な平滑状態にすることができ、これにより、研磨処理の仕上がり品質を効果的に高めることができる。

本発明の第６特徴構成は、第１〜第５特徴構成のいずれかの実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記研磨制御器は、前記研磨対象面の凹凸状態を等高線を用いて又は色濃度の変化を用いて表す画像を、前記三次元形状データに基づき作成して表示器の画面上に表示する構成にしてある点にある。

この構成によれば、作業管理者が研磨対象面の凹凸状態を上記表示器による画像表示により容易かつ正確に把握することができ、これにより、作業管理者は研磨対象面に対する研磨処理を一層容易にまた一層的確に管理することができる。
本発明の第７特徴構成は、第１〜第６特徴構成のいずれかの実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記研磨制御器は、前記研磨ロボットの動作により前記研磨具を移動させて前記研磨対象面を研磨処理した後、その研磨処理後の前記研磨対象面の三次元形状を前記三次元形状計測器により再計測する点にある。
この構成によれば、上記の再計測で得た研磨対象面の三次元形状を、研磨処理が適切に実施されたことを証明するデータとして残すようにしたり、あるいは、再研磨処理の要否を判断するデータとして使用したりするなどのことができる。

自動研磨システムのシステム構成を示す概要図 研磨対象面の区分け形態を示す図 投影パターンを模式的に示す図 塗膜の断面を模式的に示す図 凹凸状態を示す画像の模式図

図１は鉄道車両用の自動研磨システムを示し、この自動研磨システムでは、仕上げ塗装の下地処理として鉄道車両Ｗの外面に施したパテ塗装の塗膜表面を研磨処理することで、そのパテ塗膜表面を仕上げ塗装に適した平滑面にする。

パテ塗装を施した車両Ｗの傍らには、計測ロボット１及び研磨ロボット２を車両Ｗの長手方向に並べて設置してあり、計測ロボット１のアーム１ａにはパターン投影方式の三次元形状計測器３（以下、形状計測器３と略称する）を保持させてある。

また、研磨ロボット２のアーム２ａには研磨具として、研磨ロータ４ａをモータ４ｂにより回転させる駆動ロータ型の研磨装置４を保持させてあり、これら計測ロボット１及び研磨ロボット２は、いずれも、車両Ｗに沿わせて敷設した共通レール５上を走行移動させるように設置してある。

研磨処理にあたっては、処理対象物である車両Ｗの外面を、例えば図２に示すように複数の研磨対象面Ａに区分し、その上で、計測ロボット１の走行移動及びアーム動作により、形状計測器３を第１の研磨対象面Ａに対する形状計測に適した所定の計測位置に移動させ、この状態で、形状計測器３により第１の研磨対象面Ａの三次元形状を計測する。

この計測が完了すると、続いて、同じく計測ロボット１の走行移動及びアーム動作により、形状計測器３を次の第２の研磨対象面Ａに対する形状計測に適した所定の計測位置に移動させ、又、研磨ロボット２の走行移動及びアーム動作により、研磨装置４を計測済みの第１の研磨対象面Ａに対する研磨処理に適した位置に移動させる。

そして、この状態で、形状計測器３による先の第１の研磨対象面Ａに対する形状計測で得られた第１の研磨対象面Ａの三次元形状データＤに基づき、研磨ロボット２のアーム動作（必要であれば研磨ロボット２の走行移動を伴うアーム動作）により研磨装置４を第１の研磨対象面Ａの各部分へ移動させながら、研磨装置４を第１の研磨対象面Ａの各部分に対して研磨作用させ、また、この第１の研磨対象面Ａに対する研磨処理の間に、形状計測器３により第２の研磨対象面Ａの三次元形状を計測する。

その後は同様に、計測ロボット１及び研磨ロボット２夫々の走行移動やアーム動作により形状計測器３及び研磨装置４の夫々を各研磨対象面Ａに対する形状計測及び研磨処理に適した位置に順次移動させる形態で、形状計測器３により各研磨対象面Ａの三次元形状を計測するとともに、その計測に続き、形状計測器３による形状計測で得られた各研磨対象面Ａの三次元形状データＤに基づき、研磨装置４を各研磨対象面Ａの各部分へ移動させながら、研磨装置４を各研磨対象面Ａの各部分に対して研磨作用させる。

パターン投影方式の三次元形状計測器３では、形状計測器３に装備されたプロジェクタ３ａにより、多数の点像ｏが碁盤目状に配置された図３に示す如き点群パターンＰｔを研磨対象面Ａ上に投影し、この点群パターンＰｔを投影した状態にある研磨対象面Ａを、形状計測器３に装備されたカメラ３ｂにより撮影する。

この撮影で得られた写像データＧｐは、計測ロボット１及び研磨ロボット２を制御するとともに形状計測器３及び研磨装置４を制御する研磨制御器６の解析部６ａに送られ、この解析部６ａでは、この写像データＧｐに基づき、研磨対象面Ａに投影された点群パターンＰｔにおける点像ｏどうしの位置関係（即ち、研磨対象面Ａの凹凸による影響を受けて変位した点像ｏどうしの位置関係）を解析することで、研磨対象面Ａの三次元形状データＤとして研磨対象面Ａ上における各点ｑの三次元座標（α，β，γ）を演算する。

なお、図４に示すように、解析部６ａにおいて演算される各点ｑの三次元座標（α，β，γ）は、予め設定された基準面ｓ上における対応点ｑ′の位置座標（α，β）と、基準面ｓに対する垂直方向での各点ｑの高さ座標（γ）とから成る。

また、解析部６ａで演算された各点ｑの三次元座標（α，β，γ）からなる三次元形状データＤは、研磨制御器６における変換部６ｂに送られ、この変換部６ｂでは、解析部６ａで演算された各点ｑの三次元座標（α，β，γ）を、研磨ロボット２の動作制御で使用する三次元座標系を基準とする三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）に変換することで、研磨対象面Ａの計測三次元形状を研磨ロボット用の座標系を用いて表す研磨処理用の変換三次元形状データＤ′を作成する。

そして、この変換三次元形状データＤ′は、研磨制御器６における可視化部６ｃに送られるとともに、研磨制御器６におけるプログラム作成部６ｄに送られる。

研磨制御器６の可視化部６ｃでは、変換部６ｂから送られる研磨対象面Ａの変換三次元形状データＤ′に基づき、研磨対象面Ａの凹凸状態を等高線や色濃度の変化を用いて表す図５に示す如き地形図状画像Ｇの画像データＧｓを作成し、この画像データＧｓを管理用の表示器７に送ることで可視化して表示器７の画面上に地形図状画像Ｇを表示する。

一方、研磨制御器６のプログラム作成部６ｄでは、変換部６ｂから送られる研磨対象面Ａの変換三次元形状データＤ′〔＝各点ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）〕に基づき、研磨対象面Ａに存在する凸状部分のうち、その高さが閾値より大きい凸状部分ｔ（図５参照）を研磨による平滑化が必要な研磨対象凸状部分として、互いに近接した状態で所定方向に並ぶ状態にある複数の研磨対象凸状部分ｔごとに、それら近接状態で並ぶ複数の研磨対象凸状部分ｔを結ぶ仮想線分ｋを設定する。

なお、近接する研磨対象凸状部分ｔが存在しない独立的な研磨対象凸状部分ｔについては、その独立的な研磨対象凸状部分ｔのみを通過する上記所定方向の仮想線分ｋを設定する。

また、１つの仮想線分ｔにおける一方の端部を研磨始点ｋａとし他方の端部を研磨終点ｋｂとするのに対して、隣りの仮想線分ｔでは逆に一方の端部を研磨終点ｋｂとし他方の端部を研磨始点ｋａとする交互形態で、各仮想線分ｋの端部に研磨始点ｋａと研磨終点ｋｂとを設定する。

更に、これらの設定に続いて、プログラム作成部６ｄでは、研磨ロボット２及び研磨装置４の動作プログラムとして、次のａ〜ｃの内容の動作プログラムＰｒを作成する。

ａ．各仮想線分ｋについて、研磨装置４の研磨ロータ４ａを研磨対象面Ａに圧接させた状態で回転させる研磨作用状態にして、研磨装置４を研磨始点ｋａから研磨終点ｋｂまで仮想線分ｋに沿って移動させる。

ｂ．研磨装置４が各研磨対象凸状部分ｔを通過する際には、各研磨対象凸状部分ｔの高さが大きいほど研磨ロータ４ａの回転速度を大きくして研磨装置４の研磨出力を増大させる。

ｃ．研磨作用状態で研磨終点ｋｂに至った研磨装置４は、研磨ロータ４ａを研磨対象面Ａから浮かせた非作用状態にして、隣りの仮想線分ｋの研磨始点ｋａへ短絡的に移動させる。

そして、この動作プログラムＰｒの作成に対して、研磨制御器６は、形状計測器３による計測後の研磨対象面Ａを研磨処理するのに適した位置に研磨装置４を研磨ロボット２の走行移動やアーム動作により移動させた後、この動作プログラムＰｒに従って研磨ロボット２及び研磨装置４の夫々を制御することで、研磨装置４を研磨ロボット２の動作により研磨対象面Ａ上で順次に各仮想線分ｋに沿わせて移動させながら、研磨装置４を研磨対象凸状部分ｔの夫々に対して順次に研磨作用させ、これにより、研磨対象面Ａにおける研磨必要部分である研磨対象凸状部分ｔの夫々を均等な平滑状態にして、研磨対象面Ａであるパテ塗膜の表面を仕上げ塗装の下地として適した状態に平滑化する。

なお、この自動研磨システムでは、計測ロボット１及び研磨ロボット２の走行移動やアーム動作により形状計測器３や研磨装置４を各研磨対象面Ａに対する形状計測や研磨処理に適した位置に移動させることも、研磨制御器６が所定のプログラムに従って各ロボット１，２を制御することで自動的に実施し、また、形状計測器３により各研磨対象面Ａの三次元形状を計測することも、研磨制御器６が所定のプログラムに従って形状計測器３を制御することで自動的に実施する。

さらに、研磨対象面Ａ上に設定される各仮想線分ｋは、表示器７により表示された地形図状画像Ｇの上に表示され、また、研磨装置４により研磨対象面Ａを研磨処理しているときには、研磨対象面Ａ上における研磨装置Ａの現在位置や移動軌跡も、表示器７により表示された地形図状画像Ｇの上に表示される。

〔別実施形態〕
次に本発明の別実施形態を列記する。

前記した実施形態では、研磨具として駆動ロータ型の研磨装置４を研磨ロボット２に保持させたが、これに限らず、研磨ロボット２に保持させる研磨具は、研磨作用部分を駆動装置により駆動する駆動型の研磨具、あるいは、研磨作用部分が研磨ロボット２の動作によってのみ移動する固定型の研磨具のいずれであってもよく、それら型式における種々の構造の研磨具を研磨ロボット２に保持させることができる。

前記した実施形態では、三次元形状計測器としてパターン投影方式の三次元形状計測器３を計測ロボット１に保持させたが、これに限らず、計測ロボット１に保持させる三次元形状計測器は、光切断方式の三次元形状計測器など、その他の方式の三次元形状計測器であってもよい。
また、三次元形状計測器３を保持する計測ロボット１を設けるのに代えて、三次元形状計測器３を作業者が保持して操作するようにしてもよい。

前記した実施形態では、研磨装置４が各研磨対象凸状部分ｔを通過する際に、各研磨対象凸状部分ｔの高さが大きいほど研磨ロータ４ａの回転速度を大きくして研磨装置４の研磨出力を増大させるようしたが、研磨ロボット２に保持させた駆動型研磨具の研磨出力を研磨対象面Ａにおける研磨必要部分ごとに調整するのに、その調整方式は、回転速度の調整に限らず、研磨具の振動速度を調整するなど、駆動型研磨具の駆動方式に応じて種々の調整方式を採用することができる。

また、駆動型や固定型の研磨具を研磨ロボット２の動作により研磨対象面Ａにおける研磨対象部分に対し往復移動させて繰り返し研磨作用させる形態で、研磨対象面Ａにおける研磨必要部分ごとに研磨具による研磨回数を調整したり、あるいは、研磨ロボット２の動作により移動させる研磨具の移動速度を調整したり、さらにまた、研磨必要部分ごとに研磨ロボット２の動作により研磨具の研磨必要部分に対する圧接力を調整したりするようにしてもよい。

さらにまた、研磨対象面Ａにおける研磨必要部分ごとに、前記の如き研磨出力の調整と上記の如き研磨回数の調整と上記の如き研磨具移動速度の調整と上記の如き圧接力の調整とを適宜に組み合わせて実施するようにしてもよい。
例えば、研磨出力が調整上限値に調整された状態においてさらに高い研磨能力が要求される場合には、研磨出力を調整上限値に固定した状態で研磨具の移動速度を調整することで、要求される研磨能力を得るようにしてもよい。

前記した実施形態では、研磨装置４を、研磨対象面Ａ上に設定した各仮想線分ｋに対し研磨ロボット２の動作により順次に沿わせて移動させるようにしたが、これに限らず、研磨対象面Ａに対する研磨具の移動経路はどのような移動経路であってもよく、例えば、近接する複数の研磨必要部分を結ぶ仮想蛇行線に沿って研磨具を移動させるようにしてもよい。

また、前記した実施形態では、研磨作用状態で仮想線分ｋの研磨終点ｋｂに至った研磨装置４は、研磨ロータ４ａを研磨対象面Ａから浮かせた非作用状態にして、隣りの仮想線分ｋの研磨始点ｋａへ短絡的に移動させるようにしたが、これに代え、研磨具を研磨対象面Ａにおける全ての部分に対して研磨作用させながら順次に移動させるようにして、その移動途中に存在する特定の研磨必要部分を研磨具が移動する際に、研磨具の研磨出力を増大させたり、研磨具による研磨回数を多くしたり、あるいは、研磨具の移動速度を低下させたり、研磨具の圧接力を増大させたりするようにしてもよい。
さらにまた、研磨ロボット２の動作により研磨具を移動させて研磨対象面Ａを研磨処理した後には、その研磨処理後の研磨対象面Ａの三次元形状を三次元形状計測器３により再計測して、この再計測で得られた研磨対象面Ａの三次元形状を、研磨処理が適切に実施されたことを証明するデータとして残すようにしたり、あるいは、再研磨処理の要否を判断するデータとして使用したりするなどしてもよい。

本発明の自動研磨システムにより研磨処理する処理対象物は、パテ塗装を施した鉄道車両Ｗに限られるものではなく、自動車ボディや建築材料あるいは各種部品など、塗装の有無にかかわらず、どのような物品であってもよい。

本発明による自動研磨システムは、各種分野において種々の処理対象物を研磨処理するのに利用することができる。

４ 研磨装置（研磨具）
２ 研磨ロボット
Ｗ 鉄道車両（処理対象物）
Ａ 研磨対象面
３ 三次元形状計測器
Ｄ 三次元形状データ
６ 研磨制御器
１ 計測ロボット
ｔ 研磨対象凸状部分（研磨必要部分）
Ｇ 画像
７ 表示器

Claims (7)

1. 研磨具を保持する研磨ロボットの動作により前記研磨具を処理対象物における研磨対象面の各部分に移動させながら、前記研磨具により前記研磨対象面を研磨処理する自動研磨システムであって、
   前記研磨対象面の三次元形状を計測する三次元形状計測器を設けるとともに、
   この三次元形状計測器による形状計測で得られた前記研磨対象面の三次元形状データに基づいて前記研磨ロボットを制御又は前記研磨ロボット及び前記研磨具を制御することで、前記研磨対象面の各部分に対して前記研磨具を研磨作用させる研磨制御器を設けてある自動研磨システム。
2. 前記三次元形状計測器を保持する計測ロボットを設け、
   前記研磨制御器は、前記計測ロボット及び前記三次元形状計測器を制御することで、前記計測ロボットの動作により前記三次元形状計測器を前記研磨対象面に対する所定の計測位置に移動させて、前記三次元形状計測器により前記研磨対象面の三次元形状を計測する構成にしてある請求項１記載の自動研磨システム。
3. 前記研磨制御器は、前記三次元形状データに基づいて前記研磨ロボットを制御することで、前記研磨具を、前記研磨対象面における研磨不要部分には位置させずに、前記研磨対象面における研磨必要部分に対してのみ位置させる移動形態で、前記研磨具を移動させる構成にしてある請求項１又は２記載の自動研磨システム。
4. 前記研磨制御器は、前記三次元形状データに基づいて、前記研磨対象面における研磨必要部分ごとに、前記研磨具の研磨出力又は前記研磨具による研磨回数を調整する構成にしてある請求項１〜３のいずれか１項に記載の自動研磨システム。
5. 前記研磨制御器は、前記三次元形状データに基づいて、前記研磨対象面における研磨必要部分ごとに、前記研磨ロボットの動作速度を調整して前記研磨具の移動速度を調整する構成にしてある請求項１〜４のいずれか１項に記載の自動研磨システム。
6. 前記研磨制御器は、前記研磨対象面の凹凸状態を等高線を用いて又は色濃度の変化を用いて表す画像を、前記三次元形状データに基づき作成して表示器の画面上に表示する構成にしてある請求項１〜５のいずれか１項に記載の自動研磨システム。
7. 前記研磨制御器は、前記研磨ロボットの動作により前記研磨具を移動させて前記研磨対象面を研磨処理した後、その研磨処理後の前記研磨対象面の三次元形状を前記三次元形状計測器により再計測する請求項１〜６のいずれか１項に記載の自動研磨システム。
   
   

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