JP2019067102A - 加工システム及び加工機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの動作に起因する加工機の加工精度の低下を、稼働率を低下させずに防止できる加工システム及び制御方法を提供する。【解決手段】加工機制御装置１６は、テーブル２０及び加工工具２２の少なくとも一方を動作させ、テーブル２０及び工具駆動部３０にそれぞれ設けられた振動センサ４６及び４８の少なくとも一方が測定した、テーブル２０と加工工具２２との相対位置の変化を減少させるための動作補正量を求める振動抑制制御部５０と、振動抑制制御部５０が求めた動作補正量を記憶する記憶部５２と、ロボット１４が所定の動作を行っている間、記憶部５２が記憶した動作補正量に基づく振動抑制動作を行いつつ、加工プログラムを実行するプログラム実行部５４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、加工機を含む加工システム、及び該加工機の制御方法に関する。

工作機械に対してワークの着脱作業等を行うため、工作機械の内部又は工作機械に隣接して配置されたロボットを有するロボットシステムが知られている（例えば特許文献１参照）。また、加工機に隣接配置したロボットを用いて、加工機で生じた切粉を除去・回収する技術も知られている（例えば特許文献２参照）。

一方、慣性センサを用いてロボットの把持部と対象物との間の相対位置のずれを求め、ずれが相殺されるように該相対位置を調整するようにしたロボットシステムも知られている（例えば特許文献３参照）。また、学習制御機能を有するロボットが知られている（例えば特許文献４、５参照）。

特開２０１０−０３６２８５号公報 特開２０１６−１６８６６１号公報 特開２０１４−１２１７８８号公報 特開２０１１−１６７８１７号公報 特開２０１１−１９２２６７号公報

工作機械等の加工機及びロボットを含む加工システムでは、加工機がワークの加工を行っている間、ロボットが他の（加工済の）ワークのバリ取りや洗浄等の作業を行うことがある。このような場合、ロボットを動作させることによって発生する振動が加工機に伝わり、該加工機での加工精度が低下する場合がある。このような場合、加工精度の低下を防止するために、加工中はロボットの動作を停止したり、ロボットを低速で動作させたりする措置が考えられるが、このような措置はシステム全体の稼働率の低下（サイクルタイムの延長）につながる。

本開示の一態様は、相対移動可能なワーク保持部及び加工工具を備え、所定の加工プログラムに基づいて、前記ワーク保持部に保持されたワークに対して前記加工工具を用いて加工を行う加工機と、前記加工機に関連した所定の動作を行うように構成されたロボットと、前記ワーク保持部と前記加工工具との間の相対位置の変化を測定する振動センサと、前記ロボットが前記所定の動作を行っている間、前記ワーク保持部及び前記加工工具の少なくとも一方を動作させ、前記振動センサが測定した前記相対位置の変化を減少させるための動作補正量を求める振動抑制制御部と、前記振動抑制制御部が求めた動作補正量を記憶する記憶部と、前記ロボットが前記所定の動作を行っている間、前記記憶部が記憶した前記動作補正量に基づく振動抑制動作を行いつつ、前記加工プログラムを実行するプログラム実行部と、を有する加工システムである。

本開示の他の態様は、相対移動可能なワーク保持部及び加工工具を備え、所定の加工プログラムに基づいて、前記ワーク保持部に保持されたワークに対して前記加工工具を用いて加工を行う加工機の制御方法であって、ロボットが前記加工機に関連した所定の動作を行っている間、前記ワーク保持部と前記加工工具との間の相対位置の変化を測定することと、前記ワーク保持部及び前記加工工具の少なくとも一方を動作させ、測定された前記相対位置の変化を減少させるための動作補正量を求めることと、求められた動作補正量を記憶することと、前記ロボットが前記所定の動作を行っている間、記憶された前記動作補正量に基づく振動抑制動作を行いつつ、前記加工プログラムを実行することと、を含む制御方法である。

本開示によれば、ロボットの動作に起因する加工機の加工精度の低下を、加工システムの稼働率を低下させずに防止することができる。

実施形態に係る加工システムの構造例を示す図である。 図１の加工システムにおける処理の一例を示すフローチャートである。 テーブルと加工工具との間の相対位置の時間変化の一例を示すグラフである。

図１は、好適な実施形態に係る加工システム１０の一構成例を示す図である。加工システム１０は、工作機械等の加工機１２と、加工機１２の内部に又は加工機１２に隣接して配置されたロボット１４とを有し、加工機１２は加工機１２に接続された加工機制御装置１６によって制御され、ロボット１４はロボット１４に接続されたロボット制御装置１７によって制御される。なお加工機制御装置１６とロボット制御装置１７は、実質一体の装置として構成してもよい。

加工機１２は、加工対象物（ワーク）１８を載置又は保持可能なワーク保持部（ここではテーブル）２０と、テーブル２０上に載置されたワーク１８に対して切断、切削、穴開け等の所定の加工を行う加工工具２２とを有し、テーブル２０と加工工具２２とは相対移動可能に構成されている。図示例では、テーブル２０はサーボモータ等の２つのモータ２４及び２６によって、水平面内を（Ｘ方向及びＹ方向に）移動可能に構成される。一方、加工工具２２は、サーボモータ等のモータ２８によって駆動する工具駆動部３０に保持されて回転可能に構成されるとともに、サーボモータ等のモータ３２によって鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能に構成されている。

ロボット１４としては、ロボットアーム等の可動部を有する種々のものが使用可能であるが、図示例のロボット１４は垂直多関節ロボットであり、基部３４と、基部３４に回転可能に設けられた上腕３６と、上腕３６の先端に回転可能に設けられた前腕３８と、前腕３８の先端に設けられたロボットハンド等のエンドエフェクタ４０とを有し、加工機１２による加工前又は加工後のワーク１８に対して所定の作業を行うように構成されている。図示例では、ロボット１４は、加工機１２の加工室４２内に配置されており、テーブル２０上の加工済ワークをハンド４０で把持して、加工室４２内に設けられたグラインダ等のバリ取りツール４４に対して、把持したワークを押し当てることができるように構成されている。

ここで、ロボット１４は加工機１２の加工室４２内に配置されているので、ロボット１４の動作に伴う振動が加工機１２（特に工具駆動部３０）に伝播し、加工機１２の加工精度（ワーク１８に対する工具２２の位置決め精度）が低下することがある。なお、ロボット１４が加工室４２内ではなく加工機１２の外部に配置されている場合でも、ロボット１４が加工機１２に隣接又は近接して配置されている場合は、ロボット１４の振動が設置面を介して加工機１２に伝わり、同様の問題が生じ得る。

そこで本実施形態では、テーブル２０及び工具駆動部３０に振動センサ（加速度ピックアップ）４６及び４８をそれぞれ設け、ロボット１４の動作による振動をこれらの加速度センサで検出し、ロボット１４からの振動によるテーブル２０と加工工具２２との間の相対位置の差分（ずれ）を低減（好ましくは最小化）するように、テーブル２０及び加工工具２２の少なくとも一方を動作させる。以下、その詳細について説明する。

テーブル２０又はその近傍に設けられた第１振動センサ（ここでは加速度センサ）４６は、ロボット１４等から伝わる振動によるテーブル２０の振動・変位量を測定するように構成され、また工具駆動部３０又はその近傍に設けられた第２振動センサ（ここでは加速度センサ）４８は、ロボット１４等から伝わる振動による加工工具２２の振動・変位量を測定するように構成される。なお加速度センサ４６及び４８としては例えば、静電容量式、ピエゾ抵抗（圧電）式、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）式のセンサが挙げられるが、これらに限られるものではない。また、加速度センサの代わりにジャイロセンサ等を振動センサとして使用してもよい。

一方、加工機制御装置１６は、テーブル２０及び加工工具２２の少なくとも一方を動作させ、加速度センサ４６及び４８の少なくとも一方が測定した、テーブル２０と加工工具２２との相対位置の変化を減少させるための動作補正量を求める振動抑制制御部５０と、振動抑制制御部５０が求めた動作補正量を記憶するメモリ等の記憶部５２と、ロボット１４が所定の動作を行っている間、記憶部５２が記憶した動作補正量に基づく振動抑制動作を行いつつ、加工プログラムを実行するプログラム実行部５４とを有する。なお振動抑制制御部５０及びプログラム実行部５４は例えば、加工機制御装置１６に内蔵されたプロセッサである。

図２は、本実施形態に係る加工システムにおける処理の流れの一例を示すフローチャートである。先ずステップＳ１において、工作機械１２を停止させた（ワーク１８を加工していない）状態で、工作機械１２に関連した所定の動作をロボット１４に行わせる。ここでの所定の動作としては例えば、工作機械１２によって加工済のワークをハンド４０で把持し、把持したワークを一定時間バリ取りツール４４に押し当ててバリ取り加工を行い、バリ取り加工されたワークを所定の搬送先に搬送する、という一連の動作が挙げられる。

次のステップＳ２では、ステップＳ１での処理によってロボット１４が所定の動作を行っている間、第１加速度センサ４６及び第２加速度センサ４８を使用して、テーブル２０及び加工工具２２のそれぞれの振動（変位量）を測定し、これに基づいてテーブル２０と加工工具２２との間の相対位置の変化を求める。この処理によって、例えば図３に示すような、ロボット１４の振動がない状態（基準位置５６）に対する相対位置の時間変化（差分）を表すデータ（グラフ５８）が得られる。なお加速度センサとして３軸加速度センサ等を使用すれば、図３のようなデータがＸ、Ｙ及びＺ軸のそれぞれについて得られる。

次のステップＳ３では、ロボット１４の所定の動作を行わせつつ、加工機制御装置１６によって、ステップＳ２で得られた相対位置の差分が打ち消されるように、加工テーブル２０及び工具駆動部３０の動作制御（振動抑制制御）を行う。例えば、テーブル２０と加工工具２２との間の相対位置の変化が、図３においてグラフ５８を基準位置５６について反転させたグラフ６０のような挙動を呈するように、加工テーブル２０及び工具駆動部３０の一方又は双方の動作が制御される。本実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向の差分を相殺するときはテーブル２０を動作させ、Ｚ方向の差分を相殺するときは工具駆動部３０を動作させる。このようにすれば、互いに直交する３軸全ての方向について、ロボット１４の振動による相対変化のずれを解消するような振動抑制制御を行うことができる。

なおステップＳ３においてグラフ６０のような結果を得るための好適な手法として、例えば学習制御を利用することができる。例えば、ロボット１４からの振動が工作機械１２に伝わっている状態で、テーブル２０の送り軸（図示せず）及び工具駆動部３０の動作条件の複数の組み合わせについて、それぞれの動作条件でのテーブル２０及び加工工具２２の振動の情報（加速度センサの出力）を記憶し、それらの動作条件による振動情報の中から、テーブル２０と加工工具２２の相対位置のずれが最小となる組み合わせを学習させることができる。なお本実施形態では、ロボット側でなく工作機械側で学習制御を行うのであるが、加速度センサの出力（測定結果）を利用した学習制御自体については、特許文献４又は特許文献５に記載された技術等、種々の公知技術が適用可能であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

次のステップＳ４では、ステップＳ３の振動抑制制御によって得られた、テーブル２０と加工工具２２との間の相対位置の変化を打ち消すための補正量を、工作機械１２が通常の加工を行うときのテーブル２０及び加工工具２２の少なくとも一方の動作補正量として、例えば加工機制御装置１６の記憶部５２に記憶する。

次のステップＳ５では、記憶された動作補正量を、工作機械の動作プログラム（加工プログラム）に付加する。換言すれば、工作機械の動作プログラムは動作補正量を用いて更新される。

次のステップＳ６では、加工システム１０において、更新された動作プログラムに基づいて工作機械１２によるワークの加工を行いつつ、ロボット１４による所定の動作が行われる。つまり、ロボット１４による動作が行われている間は、加工テーブル２０及び工具駆動部３０は、記憶された動作補正量（更新された加工プログラム）を用いて動作制御されるので、ロボット１４の振動が伝わってもそれに伴う相対位置の変化は動作補正量によって補正（相殺）され、ワークを高い精度で加工することができる。

本実施形態では、相対位置の変化をリアルタイムで補正するのではなく、工作機械が動作していない状態で学習等によって予め得られた動作補正量を用いて、実際の加工での動作補正を行う。従って、リアルタイムでは振動周期と制御周期との大小関係等によって好適な補正が困難となる場合があるが、本実施形態では高精度の補正が可能となる。また、工作機械とロボットが同時に動作している場合でも、ロボットの動作を低速にする必要がないため、加工システム全体のサイクルタイムの増加を防止し、稼働率を向上させることができる。

なお加工システム１０は、ロボット１４の動作状況を監視する機能を備えてもよく、例えば加工機制御装置１６は、ロボット制御装置１７からロボット１４が実行している動作の内容をリアルタイムで受信することができる。そしてロボット１４が何らかの要因によって動作していない場合（例えば安全確保のために停止中）は、ロボットの振動が加工機に伝わることはないので、プログラム実行部５４は振動抑制動作を行わないようにすることができる。これにより、ロボットの振動の影響がないときに工作機械１２において過補正が行われることを防止できる。

また加工システム１０がロボット１４の動作状況を監視する機能を備えている場合、ロボット１４が予め定めた所定の動作以外の動作をしているときは、プログラム実行部５４は加工プログラムを実行せず、工作機械１２を停止させることが好ましい。通常、所定の動作以外の動作については学習（動作補正量の取得・記憶）が行われていないので、ロボット１４がこのような動作を行っている間は工作機械側で適切な動作補正ができず、ワークの加工精度が大きく低下する（不良ワークが発生する）虞があるからである。

本実施形態では、２つの加速度センサを使用しているが、加工システム１０の構造が、ロボット１４の振動が加工工具２２に伝わらないようになっている場合は、第２加速度センサ４８は不要となり、テーブル２０に設けた第１加速度センサ４６のみによってテーブル２０と加工工具２２との相対位置の変化を測定することができる。同様に、加工システム１０の構造が、ロボット１４の振動がテーブル２０に伝わらないようになっている場合は、第１加速度センサ４６は不要となり、加工工具２２に設けた第２加速度センサ４８のみによってテーブル２０と加工工具２２との相対位置の変化を測定することができる。

また本実施形態では、第１加速度センサ４６はテーブル２０に取付けられているが、テーブル２０の加速度（変位）を測定できれば他の位置に取付けられもよく、例えばワーク１８をテーブル２０に固定する治具（図示せず）や、ワーク１８に取付けることも可能である。また第２加速度センサ４８は工具駆動部３０に取付けられているが、加工工具２２の加速度（変位）を測定できれば他の位置に取付けられもよく、例えば加工工具２２に直接取り付けてもよい。

加速度センサ４６及び４８は、工作機械１２に対して着脱可能に構成されてもよい。本実施形態では、加速度センサは工作機械１２が停止中（加工を行っていない間）でかつロボット１４が所定の動作を行っている間（学習制御中）に使用され、工作機械１２がワーク１８の加工を行っているとき（加工プログラムの実行中）は使用されないので、ワーク加工中に加速度センサを工作機械１２から取り外すことにより、切削油等による加速度センサの汚染を防止したり、取り外した加速度センサを他のシステムで使用したりすることができるようになる。

１０ 加工システム
１２ 工作機械
１４ ロボット
１６ 加工機制御装置
１７ ロボット制御装置
１８ ワーク
２０ テーブル
２２ 加工工具
３０ 工具駆動部
４０ ハンド
４２ 加工室
４４ バリ取りツール
４６ 第１加速度センサ
４８ 第２加速度センサ
５０ 振動抑制制御部
５２ 記憶部
５４ プログラム実行部

Claims (6)

1. 相対移動可能なワーク保持部及び加工工具を備え、所定の加工プログラムに基づいて、前記ワーク保持部に保持されたワークに対して前記加工工具を用いて加工を行う加工機と、
   前記加工機に関連した所定の動作を行うように構成されたロボットと、
   前記ワーク保持部と前記加工工具との間の相対位置の変化を測定する振動センサと、
   前記ロボットが前記所定の動作を行っている間、前記ワーク保持部及び前記加工工具の少なくとも一方を動作させ、前記振動センサが測定した前記相対位置の変化を減少させるための動作補正量を求める振動抑制制御部と、
   前記振動抑制制御部が求めた動作補正量を記憶する記憶部と、
   前記ロボットが前記所定の動作を行っている間、前記記憶部が記憶した前記動作補正量に基づく振動抑制動作を行いつつ、前記加工プログラムを実行するプログラム実行部と、
   を有する加工システム。
2. 前記振動抑制制御部は、前記動作補正量を学習制御によって求める、請求項１に記載の加工システム。
3. 前記振動センサは、前記加工機に対して着脱可能に構成される、請求項１又は２に記載の加工システム。
4. 前記加工機は、前記ロボットの動作状況を確認する機能を有し、前記ロボットが動作していないときは、前記プログラム実行部は前記振動抑制動作を行わない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の加工システム。
5. 前記加工機は、前記ロボットの動作状況を確認する機能を有し、前記ロボットが前記所定の動作以外の動作をしているときは、前記プログラム実行部は前記加工機を停止させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加工システム。
6. 相対移動可能なワーク保持部及び加工工具を備え、所定の加工プログラムに基づいて、前記ワーク保持部に保持されたワークに対して前記加工工具を用いて加工を行う加工機の制御方法であって、
   ロボットが前記加工機に関連した所定の動作を行っている間、前記ワーク保持部と前記加工工具との間の相対位置の変化を測定することと、
   前記ワーク保持部及び前記加工工具の少なくとも一方を動作させ、測定された前記相対位置の変化を減少させるための動作補正量を求めることと、
   求められた動作補正量を記憶することと、
   前記ロボットが前記所定の動作を行っている間、記憶された前記動作補正量に基づく振動抑制動作を行いつつ、前記加工プログラムを実行することと、
   を含む制御方法。

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