JP2023090137A

JP2023090137A - 加工システムおよび加工方法

Info

Publication number: JP2023090137A
Application number: JP2021204936A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎林; Koichiro Hayashi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-29

Abstract

【課題】使用される工具の硬さに応じて制御パラメータを調整すること。【解決手段】加工システム１００は、工具Ｔを支持する主軸１１と、主軸１１の動作を制御する制御装置５０と、を備える。制御装置５０は、工具Ｔをワーク９０に押し付けることと、工具Ｔとワーク９０との間の弾性係数を算出することと、算出された弾性係数に基づいて、ワーク９０への工具Ｔの押付けを制御するための力制御の制御パラメータを決定することと、制御パラメータを用いて、ワーク９０を加工することと、を実行するように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、加工システムおよび加工方法に関する。

加工システムでは、工具の制御に力制御が使用される場合がある。例えば、特許文献１のロボットシステムは、エンドエフェクタの制御に位置制御および力制御の双方を使用する。特許文献１のロボットシステムでは、エンドエフェクタを目標の軌道に沿って移動させるように位置制御が使用される。また、エンドエフェクタが目標力で対象物に接触するように力制御が使用される。力制御における仮想粘性係数は、位置制御における速度係数に応じて設定される。

また、特許文献２のロボット制御装置は、ロボットアームの制御に、力制御としてインピーダンス制御を使用する。特許文献２のロボット制御装置では、ロボットアームの手先の速度が第１速度である場合には、インピーダンス制御の粘性パラメータが第１粘性値に調整される。ロボットアームの手先の速度が第１速度よりも遅い第２速度である場合には、粘性パラメータが第１粘性値よりも高い第２粘性値に調整される。

特開２０１８－０８９７４７号公報特開２０１９－２１４１０５号公報

加工システムは、様々な硬さを有する様々な工具を使用する場合がある。この場合、力制御に使用される制御パラメータは、工具の硬さに応じて変わり得る。しかしながら、特許文献１，２のシステムでは、使用される工具の硬さに応じて制御パラメータが調整されない。

本開示は、使用される工具の硬さに応じて制御パラメータを調整することができる、加工システムおよび加工方法を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る加工システムは、工具を支持する主軸と、主軸の動作を制御する制御装置であって、当該制御装置は、工具をワークに押し付けることと、工具とワークとの間の弾性係数を算出することと、算出された弾性係数に基づいて、ワークへの工具の押付けを制御するための力制御の制御パラメータを決定することと、制御パラメータを用いて、ワークを加工することと、を実行するように構成される、制御装置と、を備える。

工具をワークに押し付けることは、工具を回転させることを含んでもよい。

弾性係数を算出することは、工具をワークの表面に沿って移動させながら、ワークを加工する間に実施されてもよい。

弾性係数を算出することは、工具をワークの表面に沿って移動させる前に実施されてもよい。

本開示の他の態様は、加工方法であって、工具をワークに押し付けることと、工具とワークとの間の弾性係数を算出することと、算出された弾性係数に基づいて、ワークへの工具の押付けを制御するための力制御の制御パラメータを決定することと、制御パラメータを用いて、ワークを加工することと、を含む。

本開示によれば、使用される工具の硬さに応じて制御パラメータを調整することができる。

図１は、実施形態に係る加工システムを示す概略図である。図２は、図１の加工システムを示すブロック図である。図３は、実施形態に係る加工システムの動作を示すフローチャートである。図４は、他の実施形態における工具とワークとの間の弾性係数の算出の例を示す。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、実施形態に係る加工システム１００を示す概略図である。本開示において、加工システム１００は、単にシステムとも称され得る。本実施形態では、システム１００は、ワーク９０の表面仕上げに使用される。他の実施形態では、例えば、システム１００は、他の機械加工または除去加工に使用されてもよい。本実施形態では、システム１００は、加工装置１０と、制御装置５０と、を備える。システム１００は、他の構成要素をさらに備えてもよい。

本実施形態では、加工装置１０は、ロボットである。例えば、加工装置１０は、多自由度多関節型ロボットであってもよい。他の実施形態では、加工装置１０は、他のロボットであってもよい。さらに他の実施形態では、加工装置１０は、例えば、主軸１１を直線３軸方向に移動させる工作機械であってもよい。加工装置１０は、主軸１１と、アーム１２と、を含む。加工装置１０は、他の構成要素をさらに備えてもよい。

主軸１１は、工具Ｔを支持する。主軸１１は、工具Ｔを中心軸線Ａ周りに回転させる。例えば、工具Ｔは、ブラシまたは砥石等、異なる硬さを有する様々な工具であることができる。上記のように、本実施形態では、システム１００はワーク９０の表面仕上げに使用されることから、工具Ｔは、柔らかい工具であり得る。工具Ｔがワーク９０に押し付けられると、工具Ｔは、弾性変形する。したがって、工具Ｔとワーク９０との間の接触モデルは、弾性係数Ｋを有するバネと見なすことができる。

主軸１１は、力センサ１４を含む。力センサ１４は、少なくとも中心軸線Ａと平行な方向において、工具Ｔからワーク９０に作用する荷重を測定する。本開示において、中心軸線Ａと平行な方向において工具Ｔからワーク９０に作用する荷重は、「押付け力」とも称される。力センサ１４は、他の方向における荷重をさらに測定してもよい。例えば、力センサ１４は、複数の方向の荷重を測定可能なセンサであってもよく、または、単一の方向の荷重を測定可能なセンサであってもよい。他の実施形態では、例えば、力センサ１４は、工具Ｔを支持する不図示のテーブルに設けられてもよい。力センサ１４は、制御装置５０と有線または無線で通信可能に接続されており、測定データを制御装置５０に送信する。

アーム１２は、例えば、主軸１１を多自由度で移動させる。例えば、アーム１２は、中心軸線Ａと平行な方向と、中心軸線Ａに垂直な１または複数の方向と、に主軸１１を移動させる。工具Ｔは、中心軸線Ａと平行な方向にワーク９０に押し付けられる。したがって、本開示において、中心軸線Ａと平行な方向は、押付け方向Ａとも称される。工具Ｔは、中心軸線Ａと垂直な方向Ｂに送られる。本開示において、この方向Ｂは、送り方向Ｂとも称される。

加工装置１０は、アーム１２を動かすための複数のモータＭを含む。例えば、モータＭは、サーボモータであってもよく、エンコーダを含んでもよい。モータＭは、制御装置５０と有線または無線で通信可能に接続される。例えば、制御装置５０は、エンコーダからの信号に基づいて、工具Ｔの位置および姿勢を得ることができる。したがって、本実施形態では、モータＭが、工具Ｔの位置を測定するための「位置センサ」として機能する。他の実施形態では、例えば、主軸１１とワーク９０との間の距離を測定する接触式または非接触式の変位センサが、「位置センサ」として使用されてもよい。制御装置５０は、モータＭに指令信号を送信し、押付け方向Ａおよび送り方向Ｂにおける工具Ｔの移動を制御する。

制御装置５０は、エンコーダからの信号に基づいて、ワーク９０への工具Ｔの押付け変位量を得ることができる。押付け変位量は、力センサ１４によって工具Ｔとワーク９０との間の接触が検出された第１の位置から、工具Ｔがワーク９０に向かってさらに移動した第２の位置までの変位量を測定することによって得ることができる。なお、本実施形態では、システム１００はワーク９０の表面仕上げに使用され、工具Ｔは柔らかい工具であり得ることから、押付け変位量の算出の際に、ワーク９０の除去深さはほぼ無視することができる。

ワーク９０の表面９１は、粗さおよびうねり等の表面性状を含み得る。したがって、例えば設計図面に基づくワーク９０の理想的な表面Ｌと、実際の表面９１との間には、位置の誤差が存在し得る。工具Ｔがワーク９０に押し付けられる際に、この位置の誤差に起因して、加工装置１０には力の誤差が入力される。詳しくは後述するように、システム１００では、この力の誤差を考慮して位置指令を設定することによって、追従性が向上される。

制御装置５０は、システム１００の全体または一部を制御する。制御装置５０は、例えば、プロセッサ５０ａ、記憶装置５０ｂおよびコネクタ５０ｃ等の構成要素を含み、これらの構成要素はバスを介して互いに接続される。例えば、プロセッサ５０ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含む。例えば、記憶装置５０ｂは、ハードディスク、プログラム等が格納されるＲＯＭ、および、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む。制御装置５０は、コネクタ５０ｃを介して加工システム１００の各構成要素と通信する。例えば、制御装置５０は、液晶ディスプレイまたはタッチパネル等の表示装置、および、キーボード、ボタンまたはタッチパネル等の入力装置等、他の構成要素を更に含んでもよい。例えば、以下に示される制御装置５０の動作は、記憶装置５０ｂに記憶されるプログラムをプロセッサ５０ａに実行することによって、実現されてもよい。

図２は、図１の加工システム１００を示すブロック図である。例えば、システム１００は、図２に示されるような２自由度制御系として設計されてもよい。システム１００は、力制御器５１と、参照モデル５２と、ノミナルモデル５３と、を備える。例えば、力制御器５１、参照モデル５２およびノミナルモデル５３は、記憶装置５０ｂに記憶されるプログラムをプロセッサ５０ａに実行することによって実現されてもよい。図２に示される各記号は、以下の通りである。

ｆ_ｄ：力の目標値
Ｄ_Ｃ：ダンパ係数
Ｋ_Ｃ：弾性係数
ｓ：複素数
ｕ：位置指令
Ｐ：ロボットモデル
Ｐ_Ｈ：ノミナルなロボットモデル（想定のロボットモデル）
Ｋ：工具とワークとの間の弾性係数
Ｋ_Ｈ：工具とワークとの間のノミナルな弾性係数（想定の弾性係数）
Ｑ：参照モデル
ｗ：力の誤差
ｙ：力の出力

力制御器５１は、押付け方向Ａにおいて、力制御によってワーク９０への工具Ｔの押付けを制御する。なお、送り方向Ｂにおいては、工具Ｔは、例えばＰＩＤ制御等に基づく位置制御によって制御されてもよい。

参照モデル５２は、位置指令ｕを整形する。ノミナルモデル５３は、力の出力ｙから位置の誤差を想定する。なお、参照モデルＱは、ノミナルモデル５３がプロパーになるように選定される。参照モデル５２の出力とノミナルモデル５３の出力との間の差を、位置指令ｕから減ずることは、フィードバック制御の位置指令ｕに、現状の力の出力ｙから逆算される誤差を考慮することに相当する。このような構成によって、システム１００の追従性が向上される。

図２に示されるシステム１００では、位置指令ｕおよび出力ｙは、それぞれ以下の式（１），（２）によって表現される。

誤差ｗに対する出力ｙの伝達関数は、以下の式（３）によって表現される。

式（３）からわかるように、弾性係数Kがα倍になった場合、ダンパ係数Ｄ_Ｃ、弾性係数Ｋ_Ｃおよびノミナルな弾性係数Ｋ_Ｈをα倍にすることによって、ｙ／ｗは一定に維持される、すなわち、誤差ｗに対する応答性が一定に維持される。別の表現では、弾性係数Kがα倍になった場合、力制御器５１を１／α倍にすることによって、ｙ／ｗは一定に維持される。この関係は、全周波数領域にあてはまる。何故ならば、式（３）はラプラス変換後の周波数領域で表現されているからである。したがって、システム１００では、周波数領域に応じて制御パラメータを調整する必要は無い。

続いて、実施形態に係る加工方法について説明する。

図３は、実施形態に係る加工システム１００の動作を示すフローチャートである。例えば、図３に示される動作は、制御装置５０が加工を開始するよう指令を受け付けると、実施されてもよい。図３に示される動作に先立って、ダンパ係数Ｄ_Ｃ、弾性係数Ｋ_Ｃおよび工具Ｔとワーク９０との間の弾性係数Ｋの初期値が、制御装置５０に予め設定される。これらの初期値は、例えば実験等の既知の方法によって設定されることができる。

プロセッサ５０ａは、ワーク９０の上方でかつワーク９０から離れた初期位置まで工具Ｔを移動させる（ステップＳ１００）。

続いて、プロセッサ５０ａは、押付け方向Ａに沿って、工具Ｔをワーク９０に向けて移動させる（ステップＳ１０２）。例えば、工具Ｔは、押付け方向Ａに沿って一定速度で移動されてもよい。ステップＳ１０２の間に、プロセッサ５０ａは、工具Ｔを所定の回転数、例えば、加工で使用される回転数で回転させる。また、ステップＳ１０２の間に、プロセッサ５０ａは、力センサ１４から測定データを取得する。

続いて、プロセッサ５０ａは、工具Ｔとワーク９０との間の接触が検知されたか否かを判断する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４において、接触が検知されない場合（ＮＯ）、プロセッサ５０ａは、ステップＳ１０２を繰り返す。

ステップＳ１０４において、接触が検知される場合（ＹＥＳ）、プロセッサ５０ａは、工具Ｔの真の弾性係数Ｋを算出する（ステップＳ１０６）。例えば、プロセッサ５０ａは、ステップＳ１０４の後に、モータＭのエンコーダからの信号に基づいて所定の押付け変位量が測定されるまで、または、力センサ１４からの信号に基づいて所定の押付け力が測定されるまで、押付け方向Ａに沿って工具Ｔをワーク９０に押し付けてもよい。プロセッサ５０ａは、押付け力を押付け変位量で割ることによって、真の弾性係数Ｋを算出することができる。押付け力は、力センサ１４によって測定される。また、押付け変位量は、力センサ１４によって工具Ｔとワーク９０との間の接触が検出された第１の位置から、工具Ｔがワーク９０に向かってさらに移動した第２の位置までの変位量をエンコーダからの信号に基づいて測定することによって得られる。

続いて、プロセッサ５０ａは、制御パラメータを調整する（ステップＳ１０８）。具体的には、プロセッサ５０ａは、弾性係数Ｋの初期値Ｋ_０に対する、真の弾性係数Ｋの割合αを求める（Ｋ＝αＫ_０）。続いて、プロセッサ５０ａは、ダンパ係数Ｄ_Ｃおよび弾性係数Ｋ_Ｃの初期値に割合αをかけることによって、調整後のダンパ係数Ｄ_Ｃおよび弾性係数Ｋ_Ｃを得る。別の表現では、プロセッサ５０ａは、力制御器５１を割合αで割ることによって、調整後の力制御器５１を得る。また、プロセッサ５０ａは、ノミナルな弾性係数Ｋ_Ｈの初期値に割合αをかけることによって、調整後のノミナルな弾性係数Ｋ_Ｈを得る。

続いて、プロセッサ５０ａは、調整後の制御パラメータを用いて、ワーク９０を加工し（ステップＳ１１０）、一連の動作を終了する。具体的には、プロセッサ５０ａは、押付け方向Ａには、調整後の制御パラメータを用いて、力制御によって工具Ｔをワーク９０に押し付けると共に、送り方向Ｂには、位置制御によって工具Ｔをワーク９０の表面９１に沿って移動させる。

上記のようなシステム１００は、工具Ｔを支持する主軸１１と、主軸１１の動作を制御する制御装置５０と、を備える。上記のようなシステム１００および加工方法では、制御装置５０は、工具Ｔをワーク９０に押し付けることと、工具Ｔとワーク９０との間の真の弾性係数Ｋを算出することと、算出された真の弾性係数Ｋに基づいて、ワーク９０への工具Ｔの押付けを制御するための力制御の制御パラメータＤ_Ｃ，Ｋ_Ｃを決定することと、制御パラメータＤ_Ｃ，Ｋ_Ｃを用いて、ワーク９０を加工することと、を実行するように構成される。このような構成によれば、工具Ｔの硬さに応じて、真の弾性係数Ｋが算出され、真の弾性係数Ｋに基づいて、力制御の制御パラメータＤ_Ｃ，Ｋ_Ｃが決定される。したがって、使用される工具Ｔの硬さに応じて制御パラメータＤ_Ｃ，Ｋ_Ｃを調整することができる

また、システム１００では、工具Ｔをワーク９０に押し付けることは、工具Ｔを回転させることを含む。工具Ｔとワーク９０との間の弾性係数Ｋは、工具Ｔの硬さに加えて、工具Ｔの回転数に応じても変わり得る。したがって、上記の構成によれば、より適切な弾性係数Ｋおよび制御パラメータＤ_Ｃ，Ｋ_Ｃを決定することができる。

また、システム１００では、真の弾性係数Ｋを算出することは、工具Ｔをワーク９０の表面９１に沿って移動させる前、すなわち加工前に実施される。このような構成によれば、加工の全体を通して、調整後の制御パラメータＤ_Ｃ，Ｋ_Ｃを使用することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、力制御器５１は、図２に示されるものに限定されず、一般的なＰＩＤ制御に基づく制御器であってもよい。

また、例えば、上記の実施形態では、弾性係数Ｋの算出（ステップＳ１００～Ｓ１０６）は、工具Ｔをワーク９０の表面９１に沿って移動させる前、すなわち加工を開始する前に実施される。他の実施形態では、弾性係数Ｋの算出は、工具Ｔをワーク９０の表面９１に沿って移動させながら、ワーク９０を加工する間に実施されてもよい。この構成によれば、加工中に制御パラメータが調整されるので、調整のための追加の時間が必要とされない。また、この構成は、例えば、加工中に工具Ｔの硬さが変更する場合に有益である。図４は、この他の実施形態における工具Ｔとワーク９０との間の弾性係数Ｋの算出の例を示す。この形態では、押付け力は、上記と同様に、力センサ１４によって測定され、弾性係数Ｋは、例えば、図４の最小二乗近似直線ｙ＝ＫΔｘ－ｂで示されるように、一定時間の目標値周辺の力変動と位置偏差（計測位置と目標位置の差）の変動から算出できる。

１１主軸
５０制御装置
９０ワーク
９１ワークの表面
１００加工システム
Ｄ_Ｃダンパ係数（力制御の制御パラメータ）
Ｋ工具とワークとの間の弾性係数
Ｋ_Ｃ弾性係数（力制御の制御パラメータ）
Ｔ工具

Claims

工具を支持する主軸と、
前記主軸の動作を制御する制御装置であって、
当該制御装置は、
前記工具をワークに押し付けることと、
前記工具と前記ワークとの間の弾性係数を算出することと、
算出された弾性係数に基づいて、前記ワークへの前記工具の押付けを制御するための力制御の制御パラメータを決定することと、
前記制御パラメータを用いて、前記ワークを加工することと、
を実行するように構成される、
制御装置と、
を備える、加工システム。
前記工具を前記ワークに押し付けることは、前記工具を回転させることを含む、
請求項１に記載の加工システム。
前記弾性係数を算出することは、前記工具を前記ワークの表面に沿って移動させながら、前記ワークを加工する間に実施される、請求項１または２に記載の加工システム。
前記弾性係数を算出することは、前記工具を前記ワークの表面に沿って移動させる前に実施される、請求項１または２に記載の加工システム。
工具をワークに押し付けることと、
前記工具と前記ワークとの間の弾性係数を算出することと、
算出された弾性係数に基づいて、前記ワークへの前記工具の押付けを制御するための力制御の制御パラメータを決定することと、
前記制御パラメータを用いて、前記ワークを加工することと、
を含む、加工方法。