JP5549330B2 - 加工ロボットとその加工制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを加工する加工ロボットとその加工制御方法に関する。

回転砥石等の工具を使用し、ワークのバリ取り、Ｃ面取り、ラウンドエッジ加工等の切削加工や研削加工をする加工ロボットにおいて、工具の押付力を制御しながらワークに倣って加工し、砥石の磨耗に応じてロボットの軌道を補正することが広く行われている（例えば特許文献１〜４）。

特許文献１は、加工前後等に、基準面に砥石を押し付けて、磨耗前と磨耗後との砥石の接触位置の比較から砥石の磨耗量を算出し、工具のＴＣＰ（Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）の設定値を更新する方法である。
特許文献２は、グラインダの砥石に同心円上に複数の目印マークが描かれており、磨耗が進んで目印マークが消えると、作業者がロボットコントローラに入力し、グラインダの移動経路をシフトする制御をするものである。
特許文献３は、一定量の研削を行う毎にグラインダの姿勢を変更してツールセンタに対する磨耗量を補正し、教示プログラムが研削軌道を示す際に、グラインダ姿勢を磨耗量補正時の姿勢に自動的に変更して研削を行うものである。
特許文献４は、ワークの研削作業の途中で研削作業を中断し、カメラで砥石を撮影し、画像処理により砥石の磨耗量を検知し、工具作用点の位置ずれ補正を行うものである。

特許平７−２０５０２２号公報、「力制御ロボットの砥石摩耗補正方法」 特開平１１−２８６６３号公報、「砥石摩耗補正装置」 特開平６−１７９１６３号公報、「ロボット制御方式」 特開２０００−２０２７７１号公報、「自動研削装置」

図１は、従来方法の問題点を示す模式図である。
特許文献１〜４に記載された従来の方法は、磨耗が砥石の加工面全体に一様に進展すること、例えば、円板状砥石で、半径が小さくなっていくことを前提としている。
しかし、例えば円柱型の回転砥石を図１のように使って、ワークにＣ面取り加工する場合は、磨耗は一様でないため単純には適用できない。

図２は、従来方法の問題点を示す別の模式図である。
図１の問題点を解決するために、円柱型の回転砥石を砥石の回転軸方向に一定量ずつシフトさせる方法が考えられる。しかし、図２（Ａ）に示すように、未使用部分を使うようにシフトさせるために砥石の加工面の使用効率が悪い。
また、円柱型の回転砥石を磨耗量に応じて工具のＴＣＰをシフトさせる方法も考えられる。しかし、図２（Ｂ）に示すように、やはり砥石の使用効率が悪いという問題があった。

また上述した問題点は砥石の表面付近に薄い砥粒の層がある電着砥石（例えばダイヤモンド電着砥石）においても同様である。電着砥石では、磨耗による形状の変化は小さいが、砥粒は磨耗して切れなくなる。例えば、図１の加工をした場合、最も砥粒への負担の大きい一部分の砥粒のみが磨耗することになり、従来の方法を適用すると、砥石の使用効率が悪い。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、工具をワークに押付けながらワークを加工することができ、かつ砥石の使用効率を大幅に高めることができる加工ロボットとその加工制御方法を提供することにある。

本発明によれば、軸心を中心とする外周面に加工面を有し、該加工面の形状が円錐形、切頭円錐形、又は球形である工具と、
該工具を３次元空間内で位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、
加工データを記憶し前記ロボットアームを制御するロボット制御装置とを備え、
前記加工データに基づく加工軌道に沿って工具を移動し、該工具をワークに押付けながらワークを加工し、かつ加工中に、前記工具の送り方向と押付け方向との外積によって工具の往復動方向を算出し、ワークと工具との接触面に沿って前記往復動方向に工具を往復動させる、ことを特徴とする加工ロボットが提供される。

本発明の実施形態によれば、前記工具は、軸心を中心とする外周面に加工面を有する回転砥石と、
該回転砥石をその軸心を中心に回転駆動するスピンドルモータとからなる。

また、工具のワークへの押付け力を制御しながら、ワークに倣って加工する。

また、本発明によれば、軸心を中心とする外周面に加工面を有し、該加工面の形状が円錐形、切頭円錐形、又は球形である工具をワークに押付けながらワークを加工する加工ロボットの加工制御方法であって、
ワークの加工中に、前記工具の送り方向と押付け方向との外積によって工具の往復動方向を算出し、ワークと工具との接触面に沿って前記往復動方向に工具を往復動させる、ことを特徴とする加工ロボットの加工制御方法が提供される。

また、工具のワークへの押付け力を制御しながら、ワークに倣って加工する。

上記本発明の装置及び方法によれば、ワークの加工中に、空間６自由度（並進３自由度＋回転３自由度）のうち、工具の押付け方向の並進を除いた５自由度の空間上で、ワークと工具との接触面に沿って工具を往復動させるので、工具をワークに押付けながらワークを加工することができ、かつ砥石のほぼ全面を均一に使用することができるので砥石の使用効率を大幅に高めることができる。

従来方法の問題点を示す模式図である。 従来方法の問題点を示す別の模式図である。 本発明による加工ロボットの全体構成図である。 図３の回転砥石の拡大図である。 本発明による加工制御方法の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図３は、本発明による加工ロボットの全体構成図であり、図４は、図３の工具の拡大図である。
図３において、本発明の加工ロボット１０は、工具１２、ロボットアーム１６、及びロボット制御装置２０を備える。なお１はワーク（被加工部材）、２はテーブルである。

ワーク１は、加工ロボット１０により、バリ取り、Ｃ面取り、又はラウンドエッジ加工される被加工部材であり、例えば鋳鉄等の硬い材質からなる。
ワーク１は、この例ではテーブル２の上面の所定位置に固定されている。

図４において、工具１２は、回転砥石１３、スピンドルモータ１４からなり、力センサ１５を介して設置される。
本発明の工具１２はこれに限定されず、往復運動するものや、工具自体を駆動しないもの（棒やすり等）であってもよい。

回転砥石１３は、軸心を中心とする外周面１３ａに加工面を有する砥石である。
この例において、回転砥石１３の形状は円柱形であるが、本発明はこれに限定されず、円錐形、切頭円錐形、球形、その他の形状であってもよい。また、回転砥石１３は砥石に限定されず、その他の工具（カッターやブラシ）であってもよい。

スピンドルモータ１４は、回転砥石１３をその軸心を中心に回転駆動する電動モータである。スピンドルモータ１４の回転速度は、ロボット制御装置２０により所定の範囲で可変に制御される。なお、スピンドルモータ１４は電動モータに限定されず、エアモータであってもよい。

力センサ１５は、回転砥石１３に作用する外力を検出するセンサである。
この例において、力センサ１５はロードセルであり、３次元的に移動可能なロボットアーム１６に取り付けられ、これに作用する外力を検出するようになっている。
この力センサ１５で検出される外力は、好ましくは６自由度の外力（３方向の力と、３軸まわりのトルク）であるが、本発明はこれに限定されず、ワークに対する押付け力が検出できる限りで、その他の力センサであってもよい。

図３において、ロボットアーム１６は、手先に工具１２を取付け、これを３次元空間内で位置と姿勢を移動可能に構成されている。
ロボットアーム１６は、この例では、多関節ロボットのロボットアームであるが、本発明はこれに限定されず、その他のロボットであってもよい。

ロボット制御装置２０は、記憶装置２１に加工データを記憶しロボットアーム１６を制御する。
ロボット制御装置２０は、例えば数値制御装置であり、指令信号によりロボットアーム１６を６自由度（３次元位置と３軸まわりの回転）に制御するようになっている。

記憶装置２１に記憶された加工データは、加工軌道データテーブルと加工条件データからなる。
加工軌道データテーブルは、一定距離間隔における空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、押付け方向ベクトルからなる。これらはワークの３ＤＣＡＤモデルから自動的に生成する。
加工条件データは、砥石の回転速度、押付力、送り速度、工具形状、往復動作の振幅と周期である。

図５は、本発明による加工制御方法の説明図である。
本発明の方法は、工具１２をワーク１に押付けながらワーク１を加工する加工ロボットの加工制御方法である。
図５において、３は工具１２の軌道データ、４は工具１２の動作、５は送り方向、６は押付け方向、７は往復動作方向（工具の往復動方向）である。
本発明の方法によれば、ワーク１の加工中に、空間６自由度（並進３自由度＋回転３自由度）のうち、工具１２の押付け方向６の並進を除いた５自由度の空間上で、ワーク１と工具１２との接触面に沿って工具１２を往復動させる。

すなわち、予め、ワーク１の３ＤＣＡＤモデルや工具形状等から、ロボットのＴＣＰの目標軌道や押し付け方向ベクトルから構成される時系列のデータテーブルを生成しておく。
次いで、ワーク１の加工中に、前述のデータテーブルから制御周期ごと読み出しながら、位置・力ハイブリッド制御によって、軌道データ３に沿って位置と速度を制御しながら、押付け方向６に目標力に押し付けるように動作する。このとき、前述のデータテーブルから読み込んだロボットのＴＣＰの目標位置に、往復動作を重ね合わせる。
往復動作の方向は、データテーブルから送り方向５を算出し、押付け方向６との外積によって算出できる。
往復動作の振幅と周期は設定されたパラメータから読み出し、往復動作の成分を作成し、元の軌道に重ね合わせる。

なお、上述の例では、往復動作を軌道データに重ね合わせたが、回転工具１２のＴＣＰ設定値を変動させて往復動作を生成してもよい。

上述した本発明の装置及び方法により、以下の効果が得られる。
（１）砥石の磨耗が、均一に進行するため、砥石の全面を効率よく使用でき、工具の交換頻度を下げる効果が得られる。
（２）一定回数ごとに砥石の成形をする（砥石の面の凹凸を除去する）場合、およそ平面状に磨耗するため、成形の負担を軽減できる。
（３）位置・力ハイブリッド制御において、オフラインで作成するロボットの軌道と押し付け方向のデータテーブルに、リアルタイムで（＝制御周期ごとの演算で）往復動作を重ね合わせれば、往復動作のＯＮ／ＯＦＦ切り替えや、往復動作のパラメータ（振幅・周期）変更が容易となる（軌道のデータテーブルを作成しなおす必要がない）。
（４）軌道データテーブルで、送り方向と押付け方向とが垂直になるように生成し、往復動作の方向を砥石面に平行な方向（＝押付け方向と送り方向との双方に垂直な方向）とすれば、力制御する方向と位置制御する方向とが垂直に保たれるために制御系の干渉を防ぐことができる。往復動作の方向は、押し付け方向と送り方向との外積によって容易に算出できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ ワーク（被加工部材）、２ テーブル、
３ 軌道データ、４ 工具の動作、
５ 送り方向、６ 押付け方向、
７ 往復動作方向（工具の往復動方向）、
１０ 加工ロボット、１２ 工具、
１３ 回転砥石、１３ａ 外周面、
１４ スピンドルモータ、１５ 力センサ、
１６ ロボットアーム、
２０ ロボット制御装置、
２１ 記憶装置

Claims (5)

1. 軸心を中心とする外周面に加工面を有し、該加工面の形状が円錐形、切頭円錐形、又は球形である工具と、
   該工具を３次元空間内で位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、
   加工データを記憶し前記ロボットアームを制御するロボット制御装置とを備え、
   前記加工データに基づく加工軌道に沿って工具を移動し、該工具をワークに押付けながらワークを加工し、かつ加工中に、前記工具の送り方向と押付け方向との外積によって工具の往復動方向を算出し、ワークと工具との接触面に沿って前記往復動方向に工具を往復動させる、ことを特徴とする加工ロボット。
2. 前記工具は、軸心を中心とする外周面に加工面を有する回転砥石と、
   該回転砥石をその軸心を中心に回転駆動するスピンドルモータとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の加工ロボット。
3. 工具のワークへの押付け力を制御しながら、ワークに倣って加工する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工ロボット。
4. 軸心を中心とする外周面に加工面を有し、該加工面の形状が円錐形、切頭円錐形、又は球形である工具をワークに押付けながらワークを加工する加工ロボットの加工制御方法であって、
   ワークの加工中に、前記工具の送り方向と押付け方向との外積によって工具の往復動方向を算出し、ワークと工具との接触面に沿って前記往復動方向に工具を往復動させる、ことを特徴とする加工ロボットの加工制御方法。
5. 工具のワークへの押付け力を制御しながら、ワークに倣って加工する、ことを特徴とする請求項４に記載の加工ロボットの加工制御方法。