JP2020173700A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】熟練職人の技を機械に覚えさせ、ワークの加工の際の仕上がりのムラや形状のばらつきがなくなると共に、熟練職人が繰り返し作業するよりも効率良く、素早く、同じ品質で加工することができる工作機械を提供する。【解決手段】工具又はワークを保持する複数の機構部と、各機構部を移動させるアクチュエータとを備え、アクチュエーターにより機構部を所望の位置に移動させることで工具をワークに対して接触させて加工をおこなう工作機械において、アクチュエータからの機構部の時系列での位置を示す信号を記録する状態記録手段と、アクチュエータを制御する状態制御手段とを備え、状態記録手段によって記録された機構部の時系列での位置情報における時間的パラメータを適宜削除、短縮、または追加する編集を行ってから状態制御手段を制御する工作機械。【選択図】図３

Description

この発明は、フィードバック機能付き工作機械に関し、更に詳しくは、熟練作業者の操作を記録し、その操作の動作を編集して最適化してから再現させる工作機械に関する。

ワークに刃物などの工具を当てて研削、研磨、又は切断などによる加工を行う工作機械には、その加工手順や加工方法の違いにより用途別に各種のものがある。

工作機械の一例としての旋盤機械は、加工物（以下、ワークという）を回転させながら、工具（刃物）を押し当ててワークを研削するものであり、その手法で工具の動きやワークの回転を人手によって行う汎用旋盤方式と、工具の動きを予めプログラミング等で入力しておき、そのプログラムにより制御して動かすＮＣ旋盤方式がある。

ところで、前者の汎用旋盤方式は、加工しながら手の感触、応力、音などから加工の具合を調整できるため、多品種少ロット加工の場合、単位個数あたりの段取り時間が短く適用性が高いことにより、多品種小ロットの生産に適している。また、作業者のスキルに左右される反面、熟練した職人の技（正確性）とスピードが活かせたり、設備投資額が抑えられるという利点がある。

しかし反面、汎用旋盤は、その短所として、送り操作や工具交換などが手動で行うため、作業者によって仕上がりのムラや形状のばらつきが発生しやすく、また、加工する度に同じ作業を繰り返さなければならないため、労力が掛かり、大ロットの生産に向かないと共に、熟練作業者がつきっきりで人手による作業が主となるため、生産性が低く、加工コストが高いという問題があった。

一方、後者のＮＣ旋盤方式は、長所としては、送り操作や工具交換などを自動で行うため、仕上がりのムラや形状のばらつきがなく、同じものを同じ品質で加工することができ、また、複雑な形状の製品を繰り返し加工するのに適しているため少品種大量生産に向くと共に、作業者が機械操作に手間取られることが少ないので、生産性が高く、加工コストを抑えることができる利点がある。

反面、ＮＣ旋盤の短所としては、段取り作業が多く、最初の１つ目のワークを加工するための時間と労力（プログラミング等）が掛かるため、多品種の小ロットの生産に向かず、また、簡単な部品でも、加工時間が比較的長くなると共に、設備投資額が高くなるという欠点もある。

そこで、熟練作業者の作業技能をデータベース化し、これを活用することによりロボットに熟練作業者の作業技能を教示することができるロボットの技能教示方法及び装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１の装置の内容は、作業者が作業工具を把持して実作業を行う工程と並行して、作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測・演算する装置を用いて、作業中の作業工具の位置・姿勢の時系列データを入力し記憶させ、この時系列データから作業者の動作パターンを抽出し、別途入力した工具パラメータと合わせて、作業仕様をキーとして動作パターン及び工具パラメータが検索できるデータベースを構築し、意図する作業仕様を入力して得られたデータに基づきロボットの教示を行うように構成されている。

特開２００１−５１７１２号公報

上記特許文献１の方法は、作業者の操作データをパターン化してデータベースとして利用するものであるが、作業者のクセもそのまま記録しており、最初に教示した作業者の操作に不備があると、そのままデータベースとして蓄積されてしまう。

そのため、教示する作業者が時間的な非効率な作業をしていた場合、参照して行う作業全てが非効率になり、大量加工を行う際に全体として加工時間が長くなったり、また、作業者が加工ミスを行った場合、この情報に基づいて加工したワーク全てに不具合が生じる等の問題点がある。

そこで、この発明は、熟練した職人の技（正確性）とスピードを機械に覚えさせることで、ワークの加工の際の仕上がりのムラや形状のばらつきがなくなると共に、熟練作業者が繰り返し作業するよりも効率良く、素早く、同じ品質で加工することができる工作機械を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、工具又はワークを保持する複数の機構部と、各機構部を移動させるアクチュエータとを備え、アクチュエーターにより機構部を所望の位置に移動させることによって、工具をワークに対して接触させながら加工をおこなう工作機械において、
前記アクチュエータからの機構部の時系列での位置を示す信号を記録する状態記録手段と、アクチュエータを制御する状態制御手段とを備え、前記状態記録手段によって記録された機構部の時系列での位置を示す信号に基づいて状態制御手段を制御することで、機構部の移動を再現させる構成を採用したものである。

請求項２の発明は、上記請求項１に記載の工作機械において、前記アクチュエータで記録される機構部の時系列での位置情報は、機構部の移動距離に応じて出力される電気的パラメータと時間的パラメータとで構成される波形とした構成を採用したものである。

請求項３の発明は、上記請求項２に記載の工作機械において、状態記録手段によって記録された機構部の時系列での位置情報における時間的パラメータを適宜削除、短縮、または追加する編集を行ってから状態制御手段を制御する構成を採用したものである。

請求項４の発明は、上記請求項１乃至３のいずれか１項に記載の工作機械において、前記機構部には、人が直接操作をおこなう機構操作手段を設ける構成を採用したものである。

請求項５の発明は、上記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の工作機械において、時間的パラメーターの編集前と編集後における機構部の移動を視覚的に表示するモニターを設けたことを特徴とする。

以上のように、この発明は加工（熟練作業者の操作）を記録し、それを機械にて再現するもので、更に、再現段階で最適化を行うことにより作業効率を向上させることで、全体の作業時間の短縮、作業の正確性を向上させることができるものである。

なお、この発明において、最適化とは、記録したデータを用途目的に応じて事後的に編集することであり、特に、時間パラメータにおいて、一度目で慎重に作業したり、ワークの加工表面を確認していたなどの機構部の動作しておらず動作パルスの無い時間を削除、短縮したり、動作パルスの間隔を詰めて機構部の移動速度を速めたりすることである。

また、作業者の熟練度が高くて動作の速度が速すぎるため機械による再現の際に不都合が生じるおそれがあると判断した場合、無動作の時間を挿入したり、動作パルスの間隔を拡げて機構部の移動速度を遅くしたりすることもある。

以上のように、この発明の工作機械によれば、一度、熟練者の作業を記録しておいて、あとは通常のオペレータが操作を行っても、熟練者と同一の加工が同様の精度で可能となる。

また、熟練者であっても手動操作による加工は繰り返し精度にムラが出やすいが、本機能付き工作機械の場合、記録した操作を再現できることから、繰り返し精度の向上が望める。

更に、加工速度や加工タイミングの調整による加工精度向上や不要な待ち時間の削除による加工時間の短縮などが可能になり、全体的に作業者が作業した時間よりも短縮して再現でき全体として作業速度を高めることができる。

また、ＮＣ旋盤方式のように、事前に行うプログラミングの手間や時間を省略でき、少量ロットの加工にも適すると共に、少量ロットであってもワークに同一の加工精度が保障される利点もある。

更に、記録した波形を解析したり、疑似的に熟練者の操作を再現することで、熟練作業者と通常のオペレータ操作を比較し、その差異を把握することで、後進の教育、育成を図ることもできる。特に、モニターにて時間的パラメーターの編集前と編集後における機構部の移動を視覚的に表示するようにすれば、適切な機械操作を直感的に把握できるようになる。

モータの正逆回転に伴うエンコーダのＡ相、Ｂ相のパルス出力を示す記録図である。 アクチュエーターのエンコーダから送られた情報信号を示す記録図である。 情報信号を加工した前後の記録図である。

以下、この発明の実施の形態を、この発明を採用した工作機械として、旋盤機を例として説明する。

旋盤機は、主軸台にモータにより回転する軸にワークをチャックにより把持できるようになっており、この軸に平行に比較的長い距離を移動する往復台の上に、微調整のため短距離を移動可能な送り装置を設け、この送り装置の上に切削工具を設けた刃物台を載置した構成であり、ワークを回転させながら、オペレータが送り装置又は／及び往復台を縦横に移動操作させることで、ワークに対し切削工具を当接させてワークを切削加工するものである。

この時のオペレータの操作による送り装置及び往復台の移動距離、移動速度が、加工の内容である加工寸法、精度等を決定する重要な要素である。

送り装置及び往復台の移動は、縦方向、横方向それぞれを可逆駆動する２つのパルスモータにより制御されている。また、縦方向、横方向それぞれ各方向の軸毎にＡ相、Ｂ相があり、エンコーダからＡ相、Ｂ相のパルスが発信される。

その構造は既知のもので、例えば、パルスモータに直結したボールネジに刃物台に設置した雌ネジを組み込んで、縦方向、横方向それぞれの移動を担当するパルスモータを可逆駆動して送り装置及び往復台を移動させるようにしてあるが、この構造に限定されず既知の色々な方式により制御され、要するにモータ等のアクチュエーターにより機構部を移動制御できるものであれば良い。

この発明において、縦方向、横方向のパルスモータには、エンコーダが直結されており、該エンコーダは、パルスモータの回転数、即ち移動距離に比例したパルスを発するＡ相と、パルスモータの回転方向に応じた電気の正負の信号を発するＢ相とを有している。

図１は、機構部の移動用パルスモータの正逆回転に伴うエンコーダのＡ相、Ｂ相のパルス出力を示す記録図である。パルスモータの正転回転時は、Ａ相の立ち上がり時にＢ相が「Ｈｉ」の信号であるので、正転方向への回転であることが判り（図１（１）（２））、パルスモータの逆転回転時は、Ａ相の立ち上がり時にＢ相が「Ｌｏ」であるので、逆転方向への回転であることが判る。

次に、エンコーダの記録について説明する。まず初回の加工時のみ、人手による制御操作による加工作業を始めると同時に、記録開始ステップを開始する。
記録は、人が直接操作をおこなう機構操作手段（ボタン、レバー等）による工具の移動に伴う、各Ａ相、Ｂ相のエンコーダの出力信号を記録する。

［操作記録］
作業者の加工操作を、縦方向パルスモータ（モータ１）、横方向パルスモータ（モータ２）と同期して回転するエンコーダの出力パルスにより記録する。その際、時系列のエンコーダ出力パルス（Ａ相）とモータ反転起動時の信号パルス（Ｂ相）とを記録することにより（図２参照）、以下の情報が得られる。
１）総パルス数：操作距離（回転数又は移動距離）
２）単位時間当たりのパルス数：移動速度
３）Ａ相、Ｂ相のパルス出力の組み合わせ：移動方向

［編集］
記録された時系列エンコーダのパルスデータは、ＰＣ等で事後的に編集（最適化）が可能である。即ち、作業者による事前操作（ティーチング）の際、位置合わせや調整のために無操作の時間が発生しても、事後的にその箇所を短縮や削除することで効率的な加工を実現できる。事後的に可能な内容は以下の通りである。

（ａ）無作業箇所の短縮や削除、または時間挿入による最適化（図３（ａ）参照）
無作業な時間を短縮してから再生することで、繰り返し作業に無駄な時間が無くなり、全体の加工効率が向上する。なお、場合によっては（例えばワークの回転を安定させる時間をかせぐ等）反対に休止時間を挿入することもある。
（ｂ）全作業または一部作業の作業速度の変更による最適化（図３（ｂ）参照）
同じく、オペレータの操作速度（加工速度）が早すぎたり、遅すぎたりした場合でも、事後的に全操作または一部操作の速度を変更できる。

［独自機能］
記録した信号により得られた、Ａ相、Ｂ相による移動方向と移動距離、移動速度、移動方向により、オペレータの操作内容は、ＰＣのモニター上でその動きを視覚的に疑似再現でき、波形や画像（動画）で確認しながら編集したい操作箇所を特定できる。

［操作再生］
記録された時系列エンコーダパルスデータを必要に応じて最適化を行ったデータを元に、加工作業を再現することができる。
最適化された時系列エンコーダパルスデータから、制御パルス生成に必要な制御用パラメータを算出し、これを順に実行することで、編集後の操作を再現する各機構部のパルスモータ制御を実現することができる。

以上、この発明の実施形態を旋盤機により説明したが、この発明の用途は実施形態に限られるものではなく、同機能付き工作機械を使用した加工（熟練作業者の操作）の記録、編集（最適化）、再現、繰り返し作業を行えるものであれば、フライス盤、塗装機等、種々の工作機械に適用することができる。

Claims (5)

1. 工具又はワークを保持する複数の機構部と、各機構部を移動させるアクチュエータとを備え、アクチュエーターにより機構部を所望の位置に移動させることによって、工具をワークに対して接触させながら加工をおこなう工作機械において、
   前記アクチュエータからの機構部の時系列での位置を示す信号を記録する状態記録手段と、アクチュエータを制御する状態制御手段とを備え、前記状態記録手段によって記録された機構部の時系列での位置を示す信号に基づいて状態制御手段を制御することで、機構部の移動を再現させることを特徴とする工作機械。
2. 前記アクチュエータで記録される機構部の時系列での位置情報は、機構部の移動距離に応じて出力される電気的パラメータと時間的パラメータとで構成される波形としたことを特徴とした請求項１に記載の工作機械。
3. 状態記録手段によって記録された機構部の時系列での位置情報における時間的パラメータを適宜削除、短縮、または追加する編集を行ってから状態制御手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の工作機械。
4. 前記機構部には、人が直接操作をおこなう機構操作手段を設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の工作機械。
5. 時間的パラメーターの編集前と編集後における機構部の移動を視覚的に表示するモニターを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の工作機械。

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