JP2019098445A - 加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークのエッジ及びその近傍を所望の通りに仕上げ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の近傍に配置された治具に押付け、前記工具の動作速度及び押付力を制御しながら前記工具を前記治具から前記ワークに向かって移動させて前記ワークの加工を開始する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には、このような従来の加工装置が開示されている。具体的に、以下の特許文献１には、ワークの加工開始時に、工具の送りを停止して、所定の押付力及び動作速度で工具をワークに押付けて工具がワークに所定の深さまで切り込むまでの加工速度を計測し、その加工速度が予め設定した限界加工速度に達したら、ワークの加工後に工具を交換する加工装置が開示されている。

特開２０１１−２１６０５０号公報

ところで、上述した特許文献１に開示された加工装置では、所定の深さまで工具をワークに切り込ませて加工速度の計測を終えてから、工具の送りを開始してワークの加工を行うようにしている。このため、ワークの加工が開始された直後は、工具に作用する反力や、工具の送り速度の不安定性等の要因によって加工精度が悪化し、ワークのエッジ及びその近傍を所望の通りに仕上げることができないという問題がある。

また、上述した特許文献１に開示された加工装置では、前述の通り、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している。このため、ワークの加工終了時に、ワークの端部において工具の押付力がワークのエッジに集中してしまい、ダレが生じてしまうという問題がある。このように、従来の加工装置では、ワークの加工開始時及び加工終了時において、ワークのエッジ及びその近傍を所望の通りに仕上げることができないという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ワークのエッジ及びその近傍を所望の通りに仕上げ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の近傍に配置された治具（Ｊ）に押付け、前記工具の動作速度及び押付力を制御しながら前記工具を前記治具から前記ワークに向かって移動させて前記ワークの加工を開始する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、前記ワークの加工が開始される時点で、前記工具の移動速度が一定になっているように前記移動装置を制御する。
また、本発明の加工装置は、前記制御装置が、前記ワークの加工が終了した後に、前記工具で前記治具が加工されるよう前記移動装置を制御する。
本発明の加工方法は、ワーク（Ｗ）の加工開始前に、工具（１３）を前記ワークの近傍に配置された治具（Ｊ）に押付ける工程（Ｓ１１）と、前記工具の動作速度及び押付力を制御しながら前記工具を前記治具から前記ワークに向かって移動させて前記ワークの加工を開始する工程（Ｓ１４）と、を有する。
また、本発明の加工方法は、前記ワークの加工が終了した後に、前記工具で前記治具が加工されるように前記工具を前記治具に向かって移動させる工程（Ｓ１６）を更に有する。

本発明によれば、ワークのエッジ及びその近傍を所望の通りに仕上げ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動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態においてワーク及び治具が切削加工される様子を説明するための図である。 本発明の一実施形態においてワーク及び治具が磨き加工される様子を説明するための図である。

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。

加工装置１によって仕上げ加工が行われるワークＷは、例えば略直方体形状の部材であり、テーブル上に配置されている。このワークＷの近傍には、治具Ｊが配置されている。図１に示す例では、紙面左右方向にワークＷを挟むように、一対の治具Ｊがテーブル上に配置されている。この治具Ｊは、ワークＷのエッジ及びその近傍を所望の通りに仕上げるために用いられるものである。治具Ｊは、例えば略直方体形状であり、その上面がワークＷの上面と面一となり、且つワークＷとの間の隙間が生じないように、ワークＷに密着して配置される。治具Ｊは、ワークＷと同じ材質であることが好ましいが、ワークＷと異なる材質であっても良い。

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、図１に示す例では、切削加工用の工具が工具１３としてロボットアーム１１の先端に取り付けられている。

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又は治具Ｊ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又は治具Ｊの表面に対する工具１３の押付力を制御しながら、工具１３をワークＷ又は治具Ｊ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又は治具Ｊの表面の法線方向である。但し、押付け方向はワークＷ又は治具Ｊの表面の法線方向に限定されず、ワークＷ又は治具Ｊ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又は治具Ｊの表面形状に倣せる方向（移動方向）とは、例えば、ワークＷ又は治具Ｊ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を治具Ｊに押付け、工具１３の送り速度（移動速度）及び押付力を制御しながら、工具１３を治具ＪからワークＷに向かって移動させてワークＷの加工を開始する制御を行う。また、ロボット制御部２１は、ワークＷの加工が開始される時点で、工具１３の送り速度が一定になっているようにロボットアーム１１を制御する。また、ロボット制御部２１は、ワークＷの加工が終了した後に、工具１３で治具Ｊが加工されるようにロボットアーム１１を制御する。このような制御を行うのは、ワークＷのエッジ及びその近傍を所望の通りに仕上げるためである。

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も記憶される。

〈加工装置の動作〉
図２は、本発明の一実施形態による加工装置の動作を示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態においてワーク及び治具が切削加工される様子を説明するための図である。尚、図３は、ワーク及び治具を側面方向から見た断面の模式図である。加工装置１の動作が開始されると、ワークＷの近傍に配置された一方の治具Ｊに工具１３を押付ける動作がロボット制御部２１の制御によって行われる（ステップＳ１１）。具体的には、図３（ａ）に示す通り、符号Ｄ１が付された方向に工具１３を移動させて、工具１３を一方の治具Ｊに押付ける動作が行われる。

次に、力センサ１４の検出結果に基づいて、工具１３を治具Ｊに押付けることによって生ずる反力が予め規定された反力になったか否か（規定の反力が得られたか否か）を判断する処理がロボット制御部２１によって行われる（ステップＳ１２）。予め規定された反力が得られていない場合（判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ１１の制御が継続される。

これに対し、予め規定された反力が得られた場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、ロボット制御部２１の制御によって工具１３の送りが開始される（ステップＳ１３）。具体的には、図３（ａ）に示す通り、符号Ｄ２が付された方向に工具１３を一定の送り速度で移動開始させる制御が行われる。そして、工具１３の送り速度及び押付力を制御しながら、工具１３を治具ＪからワークＷに向かって移動させる動作が行われる（ステップＳ１４）。

ここで、工具１３の送りが開始された直後は、工具１３に作用する反力や、工具１３の送り速度の不安定性等の要因によって加工精度が悪化する。このため、図３（ｂ）に示す通り、治具Ｊの切削量は一定にはならず、治具Ｊの加工面には凹凸が生じてしまう。工具１３の送りが継続されるにつれ、工具１３の送り速度が徐々に安定するため治具Ｊの切削量は徐々に一定になる。尚、図３中に示す破線は、切削が行われる前の治具Ｊ及びワークＷの形状を示す線である。

工具１３がワークＷの位置に達するとワークＷの加工が開始される（ステップＳ１５）。ワークＷの加工が開始される時点で、工具１３の送り速度が一定になっているようにロボット制御部２１により制御される。尚、ワークＷの加工中は、工具１３の送り速度及び押付力を制御しながら、工具１３を移動させる動作が継続される。このため、図３（ｃ）に示す通り、ワークＷは一定の切削量で加工され、ワークＷの加工面は平坦になる。

ワークＷの加工が終了すると、工具１３の送り速度及び押付力を制御しながら、工具１３をワークＷから他方の治具Ｊに向かって移動させる動作が行われる（ステップＳ１６）。これにより、図３（ｃ）に示す通り、他方の治具Ｊの加工が開始される。他方の治具Ｊの加工が継続されて、工具１３が他方の治具Ｊの端部（紙面右方向における端部）に達すると、工具１３の押付力が他方の治具Ｊの端部のエッジに集中してしまう。このため、図３（ｄ）に示す通り、他方の治具Ｊの端部にダレが生ずる。工具１３が他方の治具Ｊの端部を通過すると、一連の動作が終了する。

図４は、本発明の一実施形態においてワーク及び治具が磨き加工される様子を説明するための図である。尚、図４も、図３と同様に、ワーク及び治具を側面方向から見た断面の模式図である。図４（ａ）に示す通り、ワークＷが磨き加工される場合にも、ワークＷの近傍には治具Ｊが配置される。図４に示す例では、図１に示す例と同様に、紙面左右方向にワークＷを挟むように、一対の治具Ｊが配置される。治具Ｊは、その上面がワークＷの上面と面一となり、且つワークＷとの間の隙間が生じないように、ワークＷに密着して配置される。この治具Ｊとしては、セラミックス材等の高い硬度を有し、且つ砥粒を損なわないものを用いることが望ましい。尚、ワークＷが磨き加工される場合の動作は、ワークＷが切削加工される場合の動作と同様であるため説明を省略する。

ワークＷが磨き加工される場合には、図４（ｂ）に示す通り、ワークＷと治具Ｊとの加工面の高さ位置を変えても良い。例えば、治具Ｊの加工面の高さ位置を、ワークＷの加工面の高さ位置からΔＺだけ低くしても良い。また、図４（ｃ）に示す通り、ワークＷと治具Ｊとの間の間隔を変えても良い。例えば、ワークＷに対して治具ＪをΔＸだけ離間させて配置してもよい。このように、ワークＷと治具Ｊとの相対位置を変えることで、ワークＷのエッジの加工強弱をつけることが可能である。

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を一方の治具Ｊに押付け、工具１３の送り速度及び押付力を制御しながら、工具１３を一方の治具ＪからワークＷに向かって移動させてワークＷの加工を開始するようにしている。また、ワークＷの加工が終了した後に、工具１３で他方の治具Ｊが加工されるようにロボットアーム１１を制御するようにしている。このため、治具Ｊには加工面の凹凸や端部のダレが生ずるものの、ワークＷのエッジ及びその近傍を所望の通りに仕上げることができる。

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の切削加工及び磨き加工を行う場合を例に挙げて説明したが、ワークＷの切削加工及び磨き加工以外の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、Ｊ…治具、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の近傍に配置された治具に押付け、前記工具の動作速度及び押付力を制御しながら前記工具を前記治具から前記ワークに向かって移動させて前記ワークの加工を開始する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、前記ワークの加工が開始される時点で、前記工具の移動速度が一定になっているように前記移動装置を制御する、請求項１記載の加工装置。
3. 前記制御装置は、前記ワークの加工が終了した後に、前記工具で前記治具が加工されるよう前記移動装置を制御する、請求項１又は請求項２記載の加工装置。
4. ワークの加工開始前に、工具を前記ワークの近傍に配置された治具に押付ける工程と、
   前記工具の動作速度及び押付力を制御しながら前記工具を前記治具から前記ワークに向かって移動させて前記ワークの加工を開始する工程と、
   を有する加工方法。
5. 前記ワークの加工が終了した後に、前記工具で前記治具が加工されるように前記工具を前記治具に向かって移動させる工程を更に有する請求項４記載の加工方法。

Images