JP4603604B2

JP4603604B2 - ロボットにより工作機械へワークの着脱を行うロボットシステム

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Publication number: JP4603604B2
Application number: JP2008200170A
Authority: JP
Inventors: 亮二瓶; 聡木下
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: CN101637875A; DE102009035637B4; CN101637875B; DE102009035637A1; US20100028117A1; JP2010036285A; US8308419B2

Description

本発明は、ロボットにより工作機械へワークの着脱を行うロボットシステムに関する。

成型機やマシニングセンタなどの工作機械に対して、その所定の装着部位にワークを取り付けたり、処理が完了したワークを装着部位から取り出したりするのに、ロボットを用いたロボットシステムが公知である。このようなロボットシステムによって、工作機械による多数のワークへの処理の自動化が可能となる。

工作機械へのワークの着脱のためのロボットには、直線移動軸や旋回アームを組み合わせた機構が用いられている。特に、成型品の取出機としては、現在、直線移動軸を組み合わせた直交座標型のロボットが一般的である。このロボットには、旋回アームを用いる場合に比べて、制御時に複雑な座標変換が不要である、動作が判りやすいといったメリットがある反面、嵩張りやすく、特に全高が高くなりがちであり、成型機とは別途に輸送する必要が生じやすいといった面がある。

一方、図６は、旋回アームを組み合わせたロボット５０を用いた従来例のロボットシステムを模式的に示している。工作機械６０には、ワーク７０を出し入れするための扉６１が設けられている。ロボット５０は、床面に固定されたベース部材５１が扉６１の正面に位置するように配置されている。それによって、簡素でコンパクトな構成のロボット５０によって、工作機械６０内で有効に着脱操作を行うことが可能となっている。すなわち、ベース部材５１を、扉６１の正面からずれた位置に配置した場合には、ベース部材５１から、扉６１内までの距離が長くなって、アームをより長くするなどの必要が生じがちである。また、アームが扉６１に斜めに進入することになるので、構造的に、扉６１内で、アームの先端を届かせることができない部位が生じやすくなり、必要な部位にワーク７０を位置させるために、追加の機構部などが必要となりがちである。例えば、図６の扉６１より左側にロボット５０を配置した場合、図示の構成ではアームの先端は、扉６１内の空間の左側奥部には届かない。

また、工作機械へワークの着脱のために、旋回アームを組み合わせたロボットを用いた他の従来例のロボットシステムが、特許文献１に開示されている。この従来例では、ロボットは、工作機械上に取り付けられている。この場合にも、ロボットは、ワークの装着部位の近くの適切な位置に配置することができ、簡素でコンパクトな構成で、適切な着脱操作を可能な構成にすることができる。

また、特許文献２，３には、複数の工作機械の間を延びるレールに沿ってロボットを移動可能に構成し、複数の工作機械に対するワークの着脱を１つのロボットで行うようにしたロボットシステムが開示されている。この場合には、ロボットが、工作機械に対して、適当な位置に移動することによって、適切な着脱操作が可能となっている。

特開平１０−９５０２８号公報特開平６−１０６４４６号公報特許第３８６５７０３号公報

図６に示すロボットシステムでは、ワーク７０の変更時やメンテナンス時などには、作業員が、工作機械６０の所で作業を行う場合がある。このような作業では、ワーク７０の装着部や保持機構などの調整・検査が必要となる場合が多く、そのため、このような作業は、通常、工作機械６０の扉６１の正面で行われる。そのために、工作機械６０には、その操作パネル６２が、扉６１が設けられた側面に設けられている。このような作業時には、ロボット５０が扉６１の正面にあると、作業スペースが狭くなり、作業しにくい。

一方、特許文献１に開示された構成では、工作機械へのワークの着脱のためのロボットが、工作機械上に配置されているので、メンテナンスなどの作業時に、ロボットのために作業スペースが狭くなることはない。しかし、工作機械上に配置できるロボットの重量や大きさは限られているため、大きなワークを扱う場合には、このような構成を用いるのは困難である。また、ロボットを比較的小型にする必要があるため、ロボットの処理可能範囲も狭くなりがちであり、そのために、ワークの供給・搬出装置の配置にも制約が生じがちである。

また、特許文献２，３のように、ロボットをレールで移動可能に構成すれば、メンテナンスなどの作業時に、ロボットを移動させて、工作機械の、ワークの着脱のための扉の正面に作業スペースを確保することができる。しかし、１つの工作機械に対して１つのロボットを用いる構成では、レールを用いてロボットを移動可能な構成とするには、かなりのコストがかかり、かならずしも好ましくない。

本発明の目的は、ロボットにより工作機械へワークの着脱を行うロボットシステムにおいて、工作機械の、ワークの着脱用の扉の正面に、工作機械のメンテナンスなどの作業スペースを確保することができる新規な構成のロボットシステムを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明のロボットシステムは、ロボットにより工作機械へワークの着脱を行うロボットシステムであって、工作機械は、ワークを着脱のために出し入れする扉を有するロボットシステムにおいて、ロボットは、扉が形成された工作機械の側面に垂直な方向に見て、ロボットのいずれの部分も扉に重ならないようにすることができるように扉から水平方向にずれた位置に設置されたベース部材と、ベース部材に、第１の軸回りに回転可能に結合された回転部材と、回転部材に、第１の軸に垂直な第２の軸回りに旋回可能に結合された第１のアーム部材と、第１のアーム部材に、第２の軸に平行な第３の軸回りに旋回可能に結合された第２のアーム部材と、を有しており、第１の軸は、扉が形成された工作機械の側面に垂直な方向に見たときに、鉛直方向に対して、上方に向かうにつれて扉側に向かうように傾斜して延びている、ことを特徴とする。

この構成によれば、ベース部材が、扉からずれた位置に設置されているので、第１、第２のアーム部材を折り畳むように引っ込めれば、扉の正面からロボットを退避させることができる。また、第１の軸が、扉側に向かうように傾斜しているので、第２のアーム部材の先端を、工作機械の扉内の広範囲の位置に無理なく届かせることができる。

本発明のロボットシステムでは、第２のアーム部材は、第３の軸回りに回転可能に第１のアーム部材に結合された基部と、該基部に、第３の軸に垂直な第４の軸回りに回転可能に結合されたシャフト部とを有し、ロボットは、ワークを保持する保持機構をさらに有し、保持機構は、第２のアーム部材のシャフト部に、第４の軸に垂直な第５の軸回りに旋回可能に結合された基部と、該基部に、第５の軸に垂直な第６の軸回りに回転可能に取り付けられ、ワークの保持部を備える末端部と、を有するのが好ましい。それによって、ワークの姿勢を、工作機械への着脱時などに適切に調節することができる。

本発明のロボットシステムによれば、工作機械の、ワークの着脱用の扉の正面から、ロボットを退避させることができ、それによって、工作機械のメンテナンスなどの作業スペースを確保することができる。なおかつ、簡素な構成のロボットによって、そのアーム部材の先端を、工作機械の扉内の所望の位置に届かせて、ワークの着脱を適切に実行することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態のロボットシステムの全体構成を模式的に示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のロボットシステムは、１つの工作機械１０に対して１つのロボット２０を用いた構成である。

工作機械１０は、成型機やマシニングセンタなどの、成型部品であるワークの作製、供給されるワークに対する成型部品の結合や機械加工などの所定の処理を行う公知のどのような種類のものであってもよい。工作機械１０の詳細は、本発明には直接関係しないので、説明を省略する。いずれにしても、工作機械１０は、不図示のワークを出し入れするための扉１１を有している。また、工作機械１０の、扉１１が設けられた側面の、扉１１の近傍には、操作パネル１２が配置されている。詳細には示さないが、扉１１内には、処理時にワークを保持するための処理テーブルや治具が備えられた保持部が設けられている。

ロボット２０は、工作機械１０に対してワークを着脱する働きをする。すなわち、ロボット２０は、コンベア１５によって搬送されてきたワークを捕捉し、扉１１を介して工作機械１０内に挿入して工作機械１０の保持部に装着し、および／または、工作機械１０で処理されたワークを捕捉して工作機械１０の保持部から外し、扉１１を介して工作機械１０の外に出してコンベア１５に載せる。

ロボット２０は、工作機械１０が設置された床面上に設置された台４０上に固定されている。台４０は、工作機械１０の、扉１１が形成された側面に面し、この側面に垂直な方向に見て扉１１から（図１に示す例では左側に）ずれた位置に配置されている。台４０の、ロボット２０が固定された面は、扉１１が形成された側面に垂直な方向に見たときに、床面に対して、扉１１に向かう方向、図１に示す例では右側に面するように傾斜した傾斜面４１となっている。

図２は、図１のロボット２０の構成の詳細を示している。同図に示すように、ロボット２０は、台４０の傾斜面４１上に固定される概ね直方体形状のベース部材２１を有している。ベース部材２１には、その底面に垂直な第１の軸３１回りに回転可能に回転部材２３が結合されている。回転部材２３には、第１のアーム部材２５が、その一端で、第１の軸３１に垂直な第２の軸３２回りに旋回可能に結合されている。第１のアーム部材２５の他端には、第２のアーム部材２７が、その一端で、第２の軸３２と平行な第３の軸３３回りに旋回可能に結合されている。

このように、ロボット２０は、回転機構がシリアルに連結されたいわゆるシリアルリンク機構を有している。これにより、第１〜３の各軸３１〜３３回りの角度位置を調節することによって、第２のアーム部材２７の先端を任意の位置に配置できるようになっている。

第２のアーム部材２７は、第３の軸３３回りに回転可能に連結された基部２７ａと、この基部２７ａに、第３の軸３３に垂直な第４の軸３４回りに回転可能に結合され、この第４の軸３４に沿って延びるシャフト部２７ｂとを有している。シャフト部２７ｂの先端には、ワークを保持する保持機構２９が結合されている。保持機構２９は、シャフト部２７ｂの先端に、第４の軸３４に垂直な第５の軸３５回りに旋回可能に結合された基部２９ａと、基部２９ａに、第５の軸３５に垂直な第６の軸３６回りに回転可能に結合された末端部２９ｂを有している。末端部２９ｂの、第６の軸３６の方向に面する末端面には図示しないハンド機構が取り付けられ、ハンド機構によってワークを保持する。

このように、第４〜６の軸３４〜３６回りの回転機構も、もう１つのシリアルリンク機構を構成している。これにより、第４〜６の各軸３４〜３６回りの角度位置を調節することによって、末端部２９ｂの、ワークの保持面の向きを、したがって、ワークの姿勢を任意の姿勢に調節できるようになっている。

以上のような構成のロボット２０は、そのベース部材２１が、前述のように、台４０の傾斜面４１上に固定されて設定されている。その結果、第１の軸３１が、傾斜面４１に垂直に延び、扉１１の形成面に垂直な方向に見たときに、鉛直方向に対して、上方に向かうにつれて工作機械１０の扉１１側に向かうように、すなわち図の右側に傾斜している。

次に、図３〜４を参照して、本実施形態のロボット２０の動作について説明する。

図３は、ロボット２０の待機姿勢を示している。この待機姿勢では、第１のアーム部材２５は、第２の軸３２回りに、ベース部材２１の底面とほぼ平行な角度位置に旋回させられている。第１の軸３１回りの角度位置は、第１のアーム部材２５が、回転部材２３から、工作機械１０の扉１１側とは異なる方向に延びるようになっていればよい。図３に示す例では、第１の軸３１回りの角度位置は、第１のアーム部材２５が、扉１１側とは反対側の、図３の左側に延びる位置になっている。第２のアーム部材２７は、第３の軸３３回りに、第１のアーム部材２５に平行に近い角度位置に旋回させられて、第１のアーム部材２５に対して、第３の軸３３の所で折り返すように延びている。その結果、第２のアーム部材２７は、その先端が、ほぼ第１の軸３１の延長線上に位置するようになっており、扉１１側には、ほとんど突出していない。

このように、ロボット２０を、図３に示す待機姿勢とすることによって、ロボット２０の全体を、工作機械１０の扉１１の正面から退避させることができる。すなわち、工作機械１０の、扉１１が形成された側面に垂直な方向に、ロボット２０のいずれの部分も扉１１に重ならないようにすることができる。したがって、図３に示す状態では、作業員が、工作機械１０内に扉１１を介してアクセスしながら工作機械１０のメンテナンスなどの作業を行う際、ロボット２０が邪魔になるのを抑制することができる。

また、ロボット２０は、扉１１に対して、操作パネル１２とは反対側に位置しているので、作業員が、操作パネル１２を操作する際にも、ロボット２０が邪魔になることはない。ただし、操作パネル１２の前には、それほど広いスペースが必要ないことも多いので、必ずしも、ロボット２０と操作パネル１２とは逆側になくてもよい。また、ロボット２０の姿勢を低くして、操作パネル１２の前にスペースをあけるといった構成としてもよい。

次に、図４は、工作機械１０に対して、ロボット２０によってワークの着脱を行っている状態を示している。この時、第１の軸３１回りの角度位置は、第２の軸３２に垂直な線が、工作機械１０の扉１１側に向く位置となっている。第１の軸３１回りの角度位置がこの位置の状態で、第１のアーム部材２５を第２の軸３２回りに旋回させることによって、第１のアーム部材２５を、扉１１側に向かって延びる状態とすることができる。また、第２のアーム部材２７も、第１のアーム部材２５との間の角度を広くするように第３の軸３３回りに旋回させることによって、扉１１側に向かって延びる状態とすることができる。これらのことによって、第２のアーム部材２７の先端の保持機構２９を工作機械１０の扉１１内に届かせることができるようになっている。

この際、第１の軸３１が、扉１１側に傾斜して延びているため、扉１１の形成面に平行な面内で見て、第１および第２のアーム部材２５，２７は、両者の結合部で折れ曲がることなく、扉１１側に向かって真っ直ぐに延びる状態となるようにすることができる。このため、ロボット２０を、第１の軸３１が鉛直に延びるように配置した場合に比べて、第１および第２のアーム部材２５，２７をあまり長くしなくても、第２のアーム部材２７の先端を扉１１内の所望の位置に届かせることができる。したがって、ロボット２０を比較的コンパクトに構成することが可能となっている。

また、台４０の位置、傾斜面４１の角度、および第１のアーム部材２５の長さなどを適切に設定することによって、扉１１の形成面に垂直な方向に、第１のアーム部材２５と第２のアーム部材２７の結合部が、扉１１に重なるように（図に示す例では、扉１１の、ロボット２０が配置された側である左側の縁より右側に）位置させることができる。この時、第３の軸３３は、鉛直方向に対して傾斜して延びているので、第２のアーム部材２７を第３の軸３３回りに旋回させることによって、第２のアーム部材２７の先端を、水平方向に、第１のアーム部材２５と第２のアーム部材２７の結合部よりロボット２０側に（図に示す例では左側に）位置させることができる。その結果、第２のアーム部材２７の先端の保持機構２９を、扉１１の形成面に垂直な方向に見て、工作機械１０内の、扉１１の、ロボット２０側（図に示す例では左側）の縁よりロボット２０側の位置にまで届かせることができる。これは、ロボット２０を、第１の軸３１が鉛直に延びるように配置した場合には、不可能である。このように、第１の軸３１を、扉１１の形成面に垂直な方向に見たときに、扉１１側に傾斜して延びるように構成することによって、ロボット２０によってアクセス可能な工作機械１０内の領域を広く確保することができる。

次に、図５は、ロボット２０によって、ワークをコンベヤ１５から受け取り、あるいは、工作機械１０での処理が完了したワークをコンベヤ１５に載せている状態を示している。図に示す例では、コンベヤ１５は、ロボット２０に対して工作機械１０の反対側に配置されており、ロボット２０は、図４に示す状態に比べて、第１の軸３１回りにほぼ１８０度回転した状態で、コンベヤ１５上にアクセスしている。コンベヤ１５の配置は、図に示す配置に限られることはなく、コンベヤ１５を工作機械１０の左右のいずれかの側に配置してもよく、理解されるように、そのような配置でも、ロボット２０は、支障なく、コンベヤ１５上にアクセスできる。このように、本実施形態の構成では、コンベヤ１５の配置には、特別な制約は生じない。

以上説明したように、本実施形態によれば、ロボット２０により工作機械１０へワークの着脱を行うロボットシステムにおいて、ロボット２０の待機時には、ロボット２０を扉１１の正面から退避させることができる。それによって、作業員が、工作機械１０内に扉１１を介してアクセスしながら工作機械１０のメンテナンスなどの作業を行う際、ロボット２０が邪魔になるのを抑制することができる。

この際、ロボット２０は、工作機械１０とは別に床面上に設置されるので、工作機械１０上に配置する場合のように重量や大きさに制約が生じることはない。そのため、大きく重量のあるワークでも取り扱うことが可能である。また、ワークの供給・搬出装置の配置に制約が生じることもない。

また、ロボット２０は、第１〜第３の軸３１〜３３回りの回転機構をシリアルに連結した簡素な機構で、第１の軸３１を、工作機械１０の扉１１側に向かって傾斜させた構成とすることによって、特殊な機構を用いたり、大型化したりすることなく、工作機械１０内に無理なくアクセス可能とすることができる。特に、ロボット２０は、工作機械１０内の広範囲の位置にアクセス可能なものとすることができる。

なお、上記の実施形態は、本発明を例示するものであり、特許請求の範囲に規定する本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記の実施形態では、第４〜第６の軸３４〜３６回りの回転機構を有するロボット２０を示した。この構成によれば、工作機械１０に対するワークの着脱時やコンベア１５に対するワークの受け取り、受け渡し時に、ワークの姿勢を適切な姿勢に調節することができ、好ましい。しかし、ワークの姿勢があまり問題にならない場合には、第４〜第６の軸３４〜３６回りの回転機構を省略してもよい。また、第２のアーム部材２７を、工作機械１０に対するワークの着脱位置や、コンベア１５に対する授受位置に位置させた時に、ワークが適切な姿勢になるように、ワークの保持機構を第２のアーム部材２７に対して、所定の位置および姿勢で固定しておいてもよい。

また、回転機構に加えて、伸縮機構を組み合わせた構成としてもよい。それによって、ロボットの動作可能範囲をより広くすることができる。

また、上記の実施形態では、ロボット２０を、傾斜面４１を備える台４０上に設置する構成を示した。この構成によれば、傾斜面４１の傾斜角度などの異なる種々の台４０を用いることによって、共通のロボット２０を用いて、種々のシステムに適した構成を実現できるという利点が得られる。しかし、ベース部材２１をその上面が傾斜した構成とし、第１の軸３１を、ベース部材２１の傾斜した上面に垂直な構成としてもよい。あるいは、ベース部材２１の水平な上面から、第１の軸３１が斜めに突出した構成としてもよい。

また、第１の軸３１の傾斜方向は扉が形成された面に対して厳密に平行である必要はなく、コンベアなどの周辺機器の配置などを勘案し、ある程度は平行面に対して角度を持たせることは、本願の目的を達成する上で何ら支障はない。

本発明の一実施形態のロボットシステムを模式的に示す斜視図である。図１のロボットシステムにおけるロボットをより詳細に示す斜視図である。図１のロボットシステムにおいて、ロボットが待機姿勢にある状態を示す斜視図である。図１のロボットシステムにおいて、ロボットが工作機械へのワークの着脱位置にある状態を示す斜視図である。図１のロボットシステムにおいて、ロボットがコンベアへのワークの授受位置にある状態を示す斜視図である。従来例のロボットシステムを模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１０工作機械
１１扉
２０ロボット
２１ベース部材
２３回転部材
２５第１のアーム部材
２７第２のアーム部材

Claims

ロボットにより工作機械へワークの着脱を行うロボットシステムであって、前記工作機械は、ワークを着脱のために出し入れする扉を有するロボットシステムにおいて、
前記ロボットは、前記扉が形成された前記工作機械の側面に垂直な方向に見て、前記ロボットのいずれの部分も前記扉に重ならないようにすることができるように前記扉から水平方向にずれた位置に設置されたベース部材と、該ベース部材に、第１の軸回りに回転可能に結合された回転部材と、該回転部材に、前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに旋回可能に結合された第１のアーム部材と、該第１のアーム部材に、前記第２の軸に平行な第３の軸回りに旋回可能に結合された第２のアーム部材と、を有しており、
前記第１の軸は、前記扉が形成された前記工作機械の側面に垂直な方向に見たときに、鉛直方向に対して、上方に向かうにつれて前記扉側に向かうように傾斜して延びている、
ことを特徴とするロボットシステム。
前記第２のアーム部材は、前記第３の軸回りに回転可能に前記第１のアーム部材に結合された基部と、該基部に、前記第３の軸に垂直な第４の軸回りに回転可能に結合されたシャフト部とを有し、
前記ロボットは、前記ワークを保持する保持機構をさらに有し、該保持機構は、前記第２のアーム部材の前記シャフト部に、前記第４の軸に垂直な第５の軸回りに旋回可能に結合された基部と、該基部に、前記第５の軸に垂直な第６の軸回りに回転可能に取り付けられ、前記ワークの保持部を備える末端部と、を有する、請求項１に記載のロボットシステム。