JP2019076978A - 加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】追従遅れによる押付力の精度の低下を防止することで、加工精度を向上させることが可能な加工装置及び加工方法を提供する。【解決手段】加工装置は、工具と、前記工具に作用する外力を検出する力センサと、前記工具を移動させる移動装置と、ワークの加工開始前に、前記工具を前記ワークに接触させながら加工時よりも低速で移動させつつ前記工具の軌道を示す軌道情報を取得し、前記軌道情報に基づいて前記ワークの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル、及び送り速度を示す制御情報の少なくとも１つの制御情報の編集を行い、前記ワークの加工時に、編集後の制御情報を用いて前記移動装置の制御を行う制御装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、加工装置及び加工方法に関する。

一般的に、加工製品の製造においては、切削や研削等の加工工程の後に仕上げ工程が行われる。この仕上げ工程は、切削や研削が行われた製品の形状や表面粗さを調整し、最終的に求められる品質を満足させる工程であり、例えばバリ取り、面取り、Ｒ付け、磨き等が行われる。従来、このような仕上げ工程は、人手によって行われることが殆どであったが、近年では、労働人口の減少による作業者不足等を背景として、加工装置による自動化が促進されている。

上述の加工装置の一種に、加工工具を予め教示した経路に沿って移動させながら力制御と位置制御とのハイブリッド制御により自動でワークを加工する装置が実現されている。この加工装置は、工具に作用する外力を検出する力センサを備えており、力センサの検出結果に基づいてロボットアームのリアルタイム制御を行い、ワーク表面の法線方向の押付力が一定になり、且つワーク表面の接線方向の送り速度が一定となるように工具を送るようにする。

以下の特許文献１，２及び非特許文献１には、このような従来の加工装置が開示されている。例えば、以下の特許文献１には、工具に加わる重力成分を除去して工具に加わる反力のみを抽出する重力補償を行うことで、高精度の加工制御が可能な加工装置が開示されている。具体的に、この加工装置は、ワークの加工前に、工具をワークに接触させずに加工軌道に沿って加工時の送り速度及び姿勢で移動させつつ力センサの検出結果をオフセット値として記憶し、ワークの加工時に、記憶したオフセット値を力センサの検出結果から差し引くことで重力補償を行っている。

特開２０１１−１８９４１７号公報 特開２０１４−１５５９８６号公報

三上知三，「精密仕上げロボットシステムを用いた実用化例と今後の展開」，日本ロボット学会誌，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１０，ｐ．６７６−６７９

ところで、上述した加工装置では、制御ソフトが組み込まれた産業用ＰＣ（パーソナルコンピュータ）が、予め規定された制御周期でロボットアームを制御することによって、上記のリアルタイム制御が実現されている。このため、工具の送り速度がある速度以上に速い場合、又は倣い動作中の変位がある変位以上に大きい場合には、制御周期に起因する追従遅れが生じ、押付力の精度が低下してしまうという問題がある。

ここで、上述した特許文献１に開示された加工装置において、ワークの加工前に、工具を加工軌道に沿って移動させつつ追従遅れを測定し、その測定結果に基づいて追従遅れを補償することが可能であるとも考えられる。しかしながら、上述した特許文献１に開示された加工装置では、ワークの加工前は、工具をワークに接触させておらず、倣い動作中の追従遅れを測定することができないため、追従遅れを補償することはできない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、追従遅れによる押付力の精度の低下を防止することで、加工精度を向上させることが可能な加工装置及び加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の加工装置は、工具（１３）と、前記工具に作用する外力を検出する力センサ（１４）と、前記工具を移動させる移動装置（１１）と、ワーク（Ｗ）の加工開始前に、前記工具を前記ワークに接触させながら加工時よりも低速で移動させつつ前記工具の軌道を示す軌道情報を取得し、前記軌道情報に基づいて前記ワークの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル、及び送り速度を示す制御情報の少なくとも１つの制御情報の編集を行い、前記ワークの加工時に、編集後の制御情報を用いて前記移動装置の制御を行う制御装置（２０）と、を備える。
また、本発明の加工装置は、前記制御装置が、ワークの加工開始前に、前記軌道情報に加えて前記力センサで検出される前記ワークに対する前記工具の押付力を示す押付力情報を取得し、前記軌道情報及び前記押付力情報に基づいて前記編集を行う。
また、本発明の加工装置は、前記制御装置が、前記ワークの加工時における、前記ワークに対する前記工具の押付力が一定となるように前記編集を行う。
また、本発明の加工装置は、前記制御装置が、前記軌道情報を微分して前記ワークの変曲点を求め、該変曲点における前記押付力が一定となるように前記編集を行う。
本発明の加工方法は、ワーク（Ｗ）の加工開始前に、工具（１３）をワークに接触させながら加工時よりも低速で移動させつつ前記工具の軌道を示す軌道情報を取得する第１ステップ（Ｓ１１）と、前記軌道情報に基づいて前記ワークの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル、及び送り速度を示す制御情報の少なくとも１つの制御情報の編集を行う第２ステップ（Ｓ１２）と、前記ワークの加工時に、編集後の制御情報を用いて前記工具の移動制御を行う第３ステップ（Ｓ１３）と、を有する。

本発明によれば、追従遅れによる押付力の精度の低下を防止することで、加工精度を向上させることが可能であるという効果がある。

本発明の一実施形態による加工装置の概要構成を示す図である。 本発明の一実施形態による加工装置の基本動作例の概要を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態で用いられるワークの一例を示す斜視図である。 図３に示すワークの表面形状と追従遅れが生ずる場合の押付力の変化とを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による加工装置及び加工方法について詳細に説明する。

〈加工装置の構成〉
図１は、本発明の一実施形態による加工装置の概要構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態による加工装置１は、ロボット１０及び制御装置２０を備えており、ワークＷに対する仕上げ加工を行う。この加工装置１は、仕上げ加工として、例えば、ワークＷの表面の切削加工や磨き加工を行う。

ロボット１０は、ロボットアーム１１（移動装置）、ハンド部１２、工具１３、力センサ１４、及びロボットコントローラ１５を備える。ロボットアーム１１は、複数のアームが複数の関節によって直列的に接続された多関節機構を有する。ロボットアーム１１の各関節には、各関節を駆動するモータが設けられている。ロボットアーム１１は、制御装置２０の制御の下で、ロボットコントローラ１５によりモータが駆動されることで、例えば、三次元空間を６軸方向に移動することができる。また、各関節には、モータの回転角度を検知するエンコーダが設けられている。

ハンド部１２は、工具１３をロボットアーム１１に対して着脱可能に接続する。工具１３は、ハンド部１２によりロボットアーム１１の先端に取り付けられる。ロボットアーム１１を駆動することで、三次元空間内における工具１３の位置及び姿勢を変更することができる。工具１３は、仕上げ加工に用いられる工具であり、仕上げ加工の種類に応じたものが複数用意されている。例えば、切削加工用の工具、磨き加工用の工具といった具合である。尚、本明細書では、便宜上、ワークＷの実際の表面形状を計測するためにワークＷに接触した状態で用いられる計測ピン（倣い工具）も工具１３に含まれるとする。

力センサ１４は、工具１３に作用する外力を検出し、検出した外力を制御装置２０に出力する。例えば、力センサ１４は、三次元的に移動可能なロボットアーム１１と工具１３との間に取り付けられる。この力センサ１４は、例えば、直交３軸方向の力と各軸周りのトルクを検出する。但し、力センサ１４は、これに限定されず、ワークＷに対する押し付け力が検出できる限り、その他の力センサであってもよい。

ロボットコントローラ１５は、制御装置２０の制御の下で、ロボットアーム１１の動作を制御する。具体的に、ロボットコントローラ１５は、ロボットアーム１１の各関節に設けられたモータを駆動することによって、ロボットアーム１１の動作を制御する。このロボットコントローラ１５は、制御装置２０との間でリアルタイム通信を行う。これにより、加工装置１では、予め規定された制御周期でロボットアーム１１のリアルタイム制御が実現される。

制御装置２０は、ロボット制御部２１及び記憶部２２を備える。ロボット制御部２１は、力センサ１４によって検出された外力（工具１３に作用する外力）を取得する。そして、ロボット制御部２１は、取得した外力が一定値になるようにロボット１０を制御することで、工具１３をワークＷの表面に押し付けながら移動させる。つまり、ロボット制御部２１は、ワークＷの表面に対する工具１３の押付け力を制御しながら、工具１３をワークＷの表面形状に倣せる。

工具１３をワークＷの表面に押し付ける方向（押付け方向）は、例えば、ワークＷの表面の法線方向である。但し、押付け方向はワークＷの表面の法線方向に限定されず、ワークＷと工具１３との干渉を避けるために、法線方向からずらした方向であってもよい。また、工具１３をワークＷの表面形状に倣せる方向（移動方向）とは、例えば、ワークＷの表面の接線方向である。

ここで、ロボット制御部２１は、ワークＷの加工開始前に、工具１３（計測ピン）をワークＷに接触させながら加工時よりも低速で移動させつつ、工具１３の軌道を示す軌道データ（軌道情報）と工具１３の押付力を示す押付力データ（押付力情報）とを取得する。また、ロボット制御部２１は、取得した軌道データに基づいて、ワークＷの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル（押付け方向ベクトル）、及び送り速度を示す制御情報の少なくとも１つの制御情報の編集を行う。そして、ロボット制御部２１は、ワークＷの加工時に、編集後の制御情報を用いてロボット１０の制御を行う。

具体的に、ロボット制御部２１は、ワークＷの加工時における、ワークＷに対する工具１３の押付力が一定となるように、上記の編集を行う。例えば、ロボット制御部２１は、取得した軌道データを微分してワークの変曲点を求め、求めた変曲点における押付力が一定となるように、上記の編集を行う。このような編集を行った上でワークＷの加工を行うのは、制御周期に起因する追従遅れによる押付力の精度の低下を防止することで、加工精度を向上させるためである。

記憶部２２には、加工データが予め記憶されている。この加工データは、加工軌道データテーブル及び加工条件データを含む。加工軌道データテーブルは、工具１３を移動させる軌道（目標軌道）を示すデータであり、一定距離間隔における空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と押付ベクトルとからなる。この加工軌道データテーブルは、例えば、ワークＷの３ＤＣＡＤモデルから自動的に生成する。加工条件データは、工具１３のワークＷに対する押付力、工具１３の移動方向、並びに往復動作の振幅及び周期等のデータである。また、記憶部２２には、ロボット制御部２１で取得された軌道データ及び押付力データ、並びにロボット制御部２１で編集された制御情報も記憶される。

〈加工装置の基本動作例〉
図２は、本発明の一実施形態による加工装置の基本動作例の概要を示すフローチャートである。尚、以下では、加工装置１によってワークＷの表面の磨き加工が行われる場合を例に挙げて説明する。図２に示す通り、本実施形態の加工装置１では、低速倣い動作（ステップＳ１１：第１ステップ）、制御情報の編集（ステップＳ１２：第２ステップ）、及び高速倣い動作（ステップＳ１３：第３ステップ）が順に行われる。

低速倣い動作（ステップＳ１１）は、ワークＷの加工開始前に行われる動作であり、制御周期に起因する追従遅れが生じない状態で、工具１３をワークＷの表面に倣わせる動作である。この低速倣い動作では、倣い工具である計測ピンが工具１３としてハンド部１２に取り付けられる。そして、工具１３をワークＷに接触させながら加工時よりも低速で移動させつつ、工具１３の軌道を示す軌道データと工具１３の押付力を示す押付力データとを取得する動作がロボット制御部２１の制御によって行われる。尚、取得された軌道データ及び押付力データは、記憶部２２に記憶される。

ここで、低速倣い動作における工具１３の移動速度は、制御周期に起因する追従遅れが生じない任意の速度に設定可能である。但し、低速倣い動作における工具１３の移動速度が余りにも低速であると、ワークＷの加工に要する時間が長くなって製品の製造効率が悪化する虞が考えられるため、低速倣い動作における工具１３の移動速度は、製品の製造効率と制御周期に起因する追従遅れとを考慮して設定される。

制御情報の編集（ステップＳ１２）は、低速倣い動作によって取得された軌道データ（記憶部２２に記憶された軌道データ）に基づいて、ワークＷの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル、及び送り速度を示す制御情報の少なくとも１つの制御情報を編集するものである。この編集は、ワークＷの加工開始前に、ロボット制御部２１によって行われる。

例えば、低速倣い動作で取得された軌道データを微分することによってワークＷの変曲点を求め、その変曲点における押付力が一定となるように、ワークＷの加工時における軌道を示す制御情報が編集される。つまり、速倣い動作にて押付力が高くなっている部分については、押付力が小さくなるように軌道を示す制御情報が編集され、速倣い動作にて押付力が弱くなっている部分については、押付力が大きくなるように軌道を示す制御情報が編集される。

尚、ここでは、軌道を示す制御情報が編集される例について説明したが、押付力を示す制御情報、押付ベクトルを示す制御情報、送り速度を示す制御情報についても同様の手法で編集することができる。また、ワークＷの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル、及び送り速度を示す制御情報の編集は、記憶部２２に記憶された軌道データ及び押付力データに基づいて行っても良く、また、ワークＷの設計データであるＣＡＤ（Computer Aided Design）データを用いて行っても良い。

高速倣い動作（ステップＳ１３）は、ワークＷの加工時において、ワークＷの加工のために行われる動作である。この高速倣い動作では、ワークＷの加工に用いる工具（磨き加工用の工具）が工具１３としてハンド部１２に取り付けられる。そして、編集後の制御情報を用いて工具１３を高速で（ワークＷの加工時の送り速度で）移動させる動作がロボット制御部２１の制御によって行われる。尚、高速倣い動作において、工具１３が倣う軌道は、例えば、低速倣い動作のときに工具１３としての計測ピンが倣った軌道と同じ軌道である。

〈加工装置の他の動作例〉
本動作例は、図２に示す高速倣い動作（ステップＳ１３）において、制御情報の編集を行いながら（ステップＳ１２の編集を行いながら）ワークＷの加工を行うものである。図３は、本発明の一実施形態で用いられるワークの一例を示す斜視図である。尚、図３においては、説明の便宜上、ＸＹ平面が水平面に設定され、Ｚ方向が鉛直上方向に設定されたＸＹＺ直交座標系を図示している。

図３に例示するワークＷは、略直方体形状の部材であり、その上面（＋Ｚ側の面）の中央部には窪みＨが形成されている。本動作例において、図２中の高速倣い動作（ステップＳ１３）では、工具１３が図３中の軌道Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に沿って順に移動されるものとする。つまり、ワークＷの上面は、工具１３がＸ方向に折り返されつつ、工具１３のＹ方向の位置が順次変えられることによって加工されるものとする。

本動作例においても、前述した基本動作例と同様に、図２に示す低速倣い動作（ステップＳ１１）、制御情報の編集（ステップＳ１２）、及び高速倣い動作（ステップＳ１３）が順に行われる。低速倣い動作では、倣い工具である計測ピンが工具１３としてハンド部１２に取り付けられ、工具１３をワークＷに接触させながら、図３中の軌道Ｐ１に沿って加工時よりも低速で移動させつつ、工具１３の軌道を示す軌道データと工具１３の押付力を示す押付力データとを取得する動作がロボット制御部２１の制御によって行われる。尚、取得された軌道データ及び押付力データは、記憶部２２に記憶される。

図４は、図３に示すワークの表面形状と追従遅れが生ずる場合の押付力の変化とを示す図である。図４において、紙面奥側に示すグラフは、軌道Ｐ１に沿うワークＷの表面形状を示すグラフである。このグラフでは、横軸にＸ位置をとり、縦軸にＺ位置をとってある。また、図４において、紙面手前側に示すグラフは、ワークＷを軌道Ｐ１に沿って高速で移動させた場合に生ずる押付力の変化を示す図である。このグラフでは、横軸にＸ位置をとり、縦軸に押付力Ｆをとってある。

図４に示す通り、追従遅れが生ずる場合には、ワークＷの表面形状の変曲点（符号Ｑ１〜Ｑ３で指し示される点）において押付力Ｆの変化が現れることが分かる。このため、制御情報の編集では、低速倣い動作で取得された軌道データを微分することによってワークＷの変曲点を求め、その変曲点における押付力が一定となるように、例えばワークＷの加工時における軌道を示す制御情報が編集される。

ワークＷの加工に用いる工具（磨き加工用の工具）が工具１３としてハンド部１２に取り付けられた後に高速倣い動作が開始される。高速倣い動作では、まず編集後の制御情報を用いて、工具１３を図３に示す軌道Ｐ１に沿って高速に移動させる動作がロボット制御部２１の制御によって行われる。かかる制御が行われている最中に、工具１３の実際の軌道を示す軌道データがロボット制御部２１によって取得され、取得された軌道データが記憶部２２に記憶される。尚、この軌道データをＬ^１（ｘ）とする。

図３に示す軌道Ｐ１の次の軌道Ｐ２が軌道Ｐ１の近傍に位置する場合には、軌道Ｐ２は、軌道Ｐ１とほぼ同じ軌道であると見なすことができる。このため、工具１３を軌道Ｐ２に沿って移動させる場合に必要となる制御情報（軌道を示す制御情報）は、軌道データＬ^１（ｘ）を編集することによって求めることができる。

例えば、工具１３を軌道Ｐ２に沿って移動させる場合に必要となる制御情報をＣ^２（ｘ）すると、制御情報Ｃ^２（ｘ）は、以下の式に示される通り、軌道データＬ^１（ｘ）を編集することによって求められる。
Ｃ^２＝Ｌ^１（ｘ）＋α・Ｌ^１（ｘ）
尚、上記式中の変数αは、例えば軌道データＬ^１（ｘ）の変曲点で値（絶対値）が大きくなる係数である。

以上編集によって制御情報Ｃ^２（ｘ）が求められると、制御情報Ｃ^２（ｘ）を用いて工具１３を図３に示す軌道Ｐ２に沿って高速に移動させる動作がロボット制御部２１の制御によって行われる。かかる制御が行われている最中に、工具１３の実際の軌道を示す軌道データがロボット制御部２１によって取得され、取得された軌道データが記憶部２２に記憶される。尚、この軌道データをＬ^２（ｘ）とする。

以下同様に、図３に示すＰ３，Ｐ４についても同様に、制御情報Ｃ^３（ｘ），Ｃ^４（ｘ）がそれぞれ求められ、これら制御情報Ｃ^３（ｘ），Ｃ^４（ｘ）を用いて工具１３を図３に示す軌道Ｐ３，Ｐ４に沿って高速に移動させる動作がロボット制御部２１の制御によって行われる。このようにして、図３に示すワークＷの上面の加工（磨き加工）が行われる。

一般的に、ｎを２以上の整数とすると、工具１３を軌道Ｐｎに沿って移動させる場合に必要となる制御情報Ｃ^ｎ（ｘ）は、以下の（１）式に示される通り、軌道データＬ^ｎ−１（ｘ）を編集することによって求められる。
Ｃ^ｎ＝Ｌ^ｎ−１（ｘ）＋α・Ｌ^ｎ−１（ｘ） …（１）
尚、上記（１）式中の変数αは、例えば軌道データＬ^ｎ−１（ｘ）の変曲点で値（絶対値）が大きくなる係数である。

以上の通り、本実施形態では、ワークＷの加工開始前に、工具１３をワークＷに接触させながら加工時よりも低速で移動させつつ工具１３の軌道を示す軌道データを取得し、軌道データに基づいてワークＷの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル、及び送り速度を示す制御情報の少なくとも１つの制御情報の編集を行い、ワークＷの加工時に、編集後の制御情報を用いてロボットアーム１１の制御を行うようにしている。これにより、追従遅れによる押付力の精度の低下を防止することができ、加工精度を向上させることが可能である。

以上、本発明の一実施形態による加工装置及び加工方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、加工装置１によってワークＷの表面の磨き加工が行われる場合を例に挙げて説明したが、ワークＷの磨き加工以外の加工（例えば、ワークＷの切削加工）を行う場合にも適用することができる。

また、上記実施形態では、ロボット１０が、工具１３を移動させる移動装置としてロボットアーム１１を備える例について説明した。しかしながら、ロボット１０は、必ずしもロボットアーム１１を備えている必要は無く、アーム型ではない移動装置（例えば、直動軸等を有する移動装置）を備えるものであっても良い。

１…加工装置、１１…ロボットアーム、１３…工具、１４…力センサ、２０…制御装置、Ｗ…ワーク

Claims (5)

1. 工具と、
   前記工具に作用する外力を検出する力センサと、
   前記工具を移動させる移動装置と、
   ワークの加工開始前に、前記工具を前記ワークに接触させながら加工時よりも低速で移動させつつ前記工具の軌道を示す軌道情報を取得し、前記軌道情報に基づいて前記ワークの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル、及び送り速度を示す制御情報の少なくとも１つの制御情報の編集を行い、前記ワークの加工時に、編集後の制御情報を用いて前記移動装置の制御を行う制御装置と、
   を備える加工装置。
2. 前記制御装置は、ワークの加工開始前に、前記軌道情報に加えて前記力センサで検出される前記ワークに対する前記工具の押付力を示す押付力情報を取得し、前記軌道情報及び前記押付力情報に基づいて前記編集を行う、請求項１記載の加工装置。
3. 前記制御装置は、前記ワークの加工時における、前記ワークに対する前記工具の押付力が一定となるように前記編集を行う、請求項１又は請求項２記載の加工装置。
4. 前記制御装置は、前記軌道情報を微分して前記ワークの変曲点を求め、該変曲点における前記押付力が一定となるように前記編集を行う、請求項３記載の加工装置。
5. ワークの加工開始前に、工具をワークに接触させながら加工時よりも低速で移動させつつ前記工具の軌道を示す軌道情報を取得する第１ステップと、
   前記軌道情報に基づいて前記ワークの加工時における軌道、押付力、押付ベクトル、及び送り速度を示す制御情報の少なくとも１つの制御情報の編集を行う第２ステップと、
   前記ワークの加工時に、編集後の制御情報を用いて前記工具の移動制御を行う第３ステップと、
   を有する加工方法。

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