JP5964472B1

JP5964472B1 - ロボットと工作機械の動作制限機能を有する加工システム

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Publication number: JP5964472B1
Application number: JP2015019380A
Authority: JP
Inventors: 高弘遠藤
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2035-02-03
Also published as: JP2016143273A; US10048674B2; CN105834822B; DE102016101385A1; US20160224013A1; CN105834822A; DE102016101385B4

Abstract

【課題】工作機械に新たにセンサ及び配線を追加することなく、効率的に作業者の安全を確保することができる加工システムを提供すること。【解決手段】本発明の加工システムは、数値制御装置により制御される工作機械と、ロボット制御装置により制御され、作業を行うロボットと、加工システム内の作業者に危険が及ぶ領域に作業者が存在するかどうかを検出する作業者検出装置を備え、ロボット制御装置は、作業者検出装置の検出結果から工作機械の動作制限を決定する動作決定手段と、動作決定手段が決定した動作制限を数値制御装置に通知する通知手段とを有し、数値制御装置は、通知された動作制限に従って工作機械の動作を制限する、ことを特徴とする。工作機械の動作制限レベルの決定をロボット側で行うことで、工作機械に新たにセンサ及び配線を追加することなく、効率的に作業者の安全を確保することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、加工システムに関し、特に、工作機械とロボットを含む要素から構成される加工システムにおいて、効率的に作業者の安全を確保することができる加工システムに関する。

ロボットと工作機械が構成要素として含まれる加工システムにおいて、従来、生産性の高い加工システムを確立するため、作業者がシステム内に立ち入らないことを前提に、ロボットの動作速度、工作機械の扉開閉速度や軸送り速度などを速くしてきた。しかしながら近年、ロボットを停止することなく、作業者がパレットの交換やワークの補充等の作業を行うことが可能となる「安全柵を必要としないロボット」の開発が進んでいる。

これらのロボットはセンサを使用し、作業者とロボットの距離に応じて動作が制限される。これらのロボットをロボットシステムに適用した場合、同じ加工システム内の工作機械にも作業者がアクセス可能となるため、工作機械の動作制限用のセンサ（例えば特許文献１、特許文献２）を新たに追加する必要がある。

また、特許文献３では、センサと安全コントローラを用い、ロボットの稼動範囲と作業者の侵入禁止領域を随時変更することが出来、ロボットと作業者が近接する環境でも安全で効率的な作業を可能にしている。更に、特許文献４では、ロボットに受信機、作業者に発信機をそれぞれ取り付け、その情報からロボットに対する作業者の位置を検出し、作業者の動作領域を設定することで、ロボットの動作範囲を制限している。

特開２００３−１０７１７０号公報特許第４３０６１０４号公報特開２００７−２８３４５０号公報特開２００６−０４３８６２号公報

しかしながら、特許文献１〜４に開示される技術を導入するためには、作業者の安全を確保するために、ロボットや工作機械ごとに、動作制限用のセンサのためのセンサを設置しなければならず、コスト面における問題があった。一方で、コスト面を重視して、センサを設置せずに、従来同様、効率を重視して工作機械の動作速度を向上した場合、作業者がパレットの交換やワークの補充等の作業を行なう際や工作機械の付近に誤って進入した際に、ドアの開閉や、テーブルやコラムや主軸が高速で動作した場合に、切粉や十分に固定されていないワーク等が機外に投げ出される等、作業者に危険が及ぶ可能性がある。逆に、作業者の安全を確保するため工作機械の動作に制限をかけた場合、作業者がいない場合でも動作に制限がかかり、非効率となる。

そこで本発明の目的は、工作機械とロボットを含む要素から構成される加工システムにおいて、工作機械に新たにセンサ及び配線を追加することなく、効率的に作業者の安全を確保することができる加工システムを提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、数値制御装置により制御される工作機械と、ロボット制御装置により制御され、作業を行うロボットとを有する加工システムにおいて、前記加工システム内の作業者に危険が及ぶ領域に作業者が存在するかどうかを検出する作業者検出装置を備え、前記ロボット制御装置は、前記作業者検出装置の検出結果から前記工作機械の動作制限を決定する動作決定手段と、前記動作決定手段が決定した動作制限を前記数値制御装置に通知する通知手段と、を有し、前記数値制御装置は、前記通知された動作制限に従って前記工作機械の動作を制限する、ことを特徴とする加工システムである。

本願の請求項２に係る発明は、前記動作決定手段は、前記作業者検出装置の検出結果から、前記工作機械と前記作業者との距離を算出する作業者位置算出手段を有し、前記作業者位置算出手段の作業者位置算出結果から前記工作機械の動作制限を決定する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工システムである。

本願の請求項３に係る発明は、数値制御装置により制御される工作機械と、ロボット制御装置により制御され、作業を行うロボットとを有する加工システムにおいて、前記加工システム内の作業者に危険が及ぶ領域に作業者が存在するかどうかを検出する作業者検出装置を備え、前記数値制御装置は、前記作業者検出装置の検出結果から前記ロボットの動作制限を決定する動作決定手段と、前記動作決定手段が決定した動作制限を前記ロボット制御装置に通知する通知手段と、を有し、前記ロボット制御装置は、前記通知された動作制限に従って前記ロボットの動作を制限する、ことを特徴とする加工システムである。

本願の請求項４に係る発明は、前記動作決定手段は、前記作業者検出装置の検出結果から、前記ロボットと前記作業者との距離を算出する作業者位置算出装置を有し、前記作業者位置算出装置の作業者位置算出結果から前記ロボットの動作制限を決定する、ことを特徴とする請求項３に記載の加工システムである。

本願の請求項５に係る発明は、前記動作決定手段は、少なくとも二つの動作制限レベルを有し、前記動作制限レベルに対応する動作制限の内容および設定を記憶するメモリを有し、前記動作制限レベルを選択することで、前記メモリに記憶した動作制限を設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の加工システムである。

本発明により、工作機械に新たにセンサ及び配線を追加することなく、効率的に作業者の安全を確保することが可能となる。

本発明の一実施形態における加工システムの要部ブロック図である。本発明の一実施形態における加工システム上で実行される処理のフローチャートである。複数のセンサを用いて作業者を検出する場合の加工システムの構成例である。作業者を検出したセンサによって動作制限レベルを決定する処理のフローチャートである。作業者の工作機械からの距離を検出する場合の加工システムの構成例である。作業者の工作機械からの距離により動作制限レベルを決定する処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
本発明では、工作機械とロボットを含む要素から構成される加工システムにおいて、工作機械に新たにセンサ及び配線を追加することなく、工作機械と作業者の距離が近いときには、工作機械のドアの開閉速度やドア開時のテーブル送り速度や主軸回転速度に制限をかけ作業者の安全を確保し、工作機械と作業者の距離が十分に離れている際には、ドア開時のテーブル送り速度や主軸回転速度の制限を無効にし、テーブル送りや主軸回転の加減速と扉の開閉をオーバラップさせる等の方法で、工作機械の動作を速める。

より具体的には、ロボットに対する安全対策用のセンサの検出結果から作業者と工作機械の距離をロボットが計算し、計算した作業者の位置に応じてドア開閉速度や各軸送り速度や主軸回転速度を決定する。そして、決定した設定内容に基づいて工作機械の動作速度を設定する。

元々ロボットに対する安全対策用のセンサを使用するため、工作機械に対するセンサ及び配線を追加する必要がなく、作業者の位置を監視しながらロボットと共に工作機械の動作速度を変更することで、作業者の安全を確保できかつ作業者効率的な加工システムを実現できる。

図１は、本発明の一実施形態における加工システムの概略ブロック図である。
図１に示すように、本実施形態における加工システム１は、ロボット１０と工作機械２０からなり、それぞれ制御装置（ロボットコントローラ３０、数値制御装置４０）を持ち、それぞれ制御装置を介して接続されている。作業者検出装置５０は、ロボット１０に対する安全対策用に作業者の位置を測定するセンサを備えており、該センサが出力する測定結果に基づいて作業領域内の作業者の位置を検出し、検出結果をロボットコントローラ３０へ出力する。そして、ロボットコントローラ３０は、作業者検出装置５０から出力された検出結果を使用して、ロボットの動作制限を行っている。

図２に本実施形態における加工システム１の動作の全体の流れを示す。本実施形態では、工作機械２０に対して、少なくとも２つの動作制限レベルＬを設定し、それぞれの動作制限レベルに対応する動作制限（ドア開閉時最大速度制限やドア開時の最大テーブル送り速度制限、最大主軸回転速度制限、警告音や警告ランプによる報知等）を工作機械２０に登録する。本実施形態の場合、各レベルをＬ₁、Ｌ₂と表現し、添え字の数字が大きいほど制限が強くなることとする。また、動作制限レベルを弱める際に使用するカウンタＮと、動作制限を弱める判断に使用する閾値Ｘを用意する。また、Ｌ’は工作機械２０に現在設定されている動作制限レベルを記憶しておくロボットコントローラ３０内の内部変数である。なお、図２の処理は、一定時間毎に周期的に実行される。

●［ステップＳＡ０１］作業者検出装置５０が、ロボット１０に対する安全対策用のセンサの測定結果に基づいて作業者の位置を検出し、該検出結果をロボットコントローラ３０へ出力する。
●［ステップＳＡ０２］ロボットコントローラ３０は、一定のアルゴリズム（後述）に則り、動作制限レベルＬを決定する。
●［ステップＳＡ０３］ロボットコントローラ３０は、工作機械２０に現在設定されている動作制限レベルＬ’と、ステップＳＡ０２で決定した動作レベルＬとが一致するか否かを判定する。動作制限レベルＬ’と動作レベルＬが一致しない場合にはステップＳＡ０４へ進み、一致する場合にはステップＳＡ０７へ進む。

●［ステップＳＡ０４］ロボットコントローラ３０は、工作機械２０に現在設定されている動作制限レベルＬ’と、ステップＳＡ０２で決定した動作レベルＬの強さを比較する。Ｌ’がＬより小さい場合にはステップＳＡ０８へ進み、Ｌ’がＬ以上であればステップＳＡ０５へ進む。
●［ステップＳＡ０５］ロボットコントローラ３０は、工作機械２０に現在設定されている動作制限レベルＬ’よりもステップＳＡ０２で決定した動作レベルＬの制限が弱い場合、危険方向への変更となるため即座に動作制限レベルを送信せずに、カウンタＮをインクリメントする。
●［ステップＳＡ０６］ロボットコントローラ３０は、カウンタＮと、あらかじめ設定されている確認周期の閾値Ｘとを比較する。カウンタＮが閾値Ｘよりも大きい場合にはステップＳＡ０８へ進み、それ以外は今周期の本処理を終了する。

●［ステップＳＡ０７］ロボットコントローラ３０は、カウンタＮをクリアして、今周期の本処理を終了する。
●［ステップＳＡ０８］ロボットコントローラ３０は、カウンタＮをクリアする。
●［ステップＳＡ０９］ロボットコントローラ３０は、工作機械２０に設定する動作制限レベルＬ’をＬで更新する。

●［ステップＳＡ１０］ロボットコントローラ３０は、ステップＳＡ０９で更新した動作制限レベルＬ’を工作機械２０へ送信する。
●［ステップＳＡ１１］工作機械２０は、更新された動作制限レベルＬ’を受信する。
●［ステップＳＡ１２］工作機械２０は、受信した動作制限レベルに応じて、予め割り付けられた動作制限の設定を、加工動作や、周辺機器などの動作に反映させる。

なお、上述した処理フローでは、動作制限として、あらかじめ工作機械２０に動作制限レベルを設定し、それぞれの動作制限レベルに工作機械２０の動作制限を割り当て、ロボットコントローラ３０が決定した動作制限レベルを受信した際に、受信した動作制限レベルに割り当てられた動作制限の設定を反映する方法を説明したが、動作制限レベルを設定せずに、ロボット側が工作機械２０の動作制限を直接決定し、送信する方法でもかまわない。

図３は、作業者検出装置５０として、ロボットに２つのエリアセンサ等の作業者の有無を検出するセンサを設け、それぞれのセンサによる作業者の検出状況に応じて動作制限レベルを変更する場合の例を示している。図３において、ロボット１０は、センサ５１、センサ５２を備えており、センサ５１側の領域に作業者が立ち入った場合には動作制限レベルをＬ₁に、センサ５２側の領域に作業者が立ち入った場合には動作宣言レベルをＬ₂に、いずれのセンサでも検知されていない場合には動作制限レベルをＬ₃に、それぞれ決定するようにあらかじめ設定されている。

図４は、図３のように構成された加工システムにおいて、センサ５１、センサ５２による測定結果に基づいて、ロボットコントローラ３０が動作制限レベルを決定するアルゴリズム（図２のステップＳＡ０２における処理）を示すフローチャートである。
●［ステップＳＢ０１］センサ５１が作業者を検出しているか否かを判定する。センサ５１が作業者を検出している場合にはステップＳＢ０２へ進み、検出していない場合にはステップＳＢ０３へ進む。
●［ステップＳＢ０２］動作制限レベルＬをＬ₁に決定する。

●［ステップＳＢ０３］センサ５２が作業者を検出しているか否かを判定する。センサ５２が作業者を検出している場合にはステップＳＢ０４へ進み、検出していない場合にはステップＳＢ０５へ進む。
●［ステップＳＢ０４］動作制限レベルＬをＬ₂に決定する。
●［ステップＳＢ０５］動作制限レベルＬをＬ₃に決定する。

なお、図３，４の例では２つのセンサを用いているが、１つ以上であればセンサの数は問わない。また、複数の異なる種類の検出方法をセンサを設け、これらセンサの組み合わせにより動作制限レベルを決定するようにしてもよい。

図５は、作業者検出装置５０として、ロボット１０に、ロボット１０から見た作業者の位置を出力するセンサ（図示せず）を設け、該センサにより検出された作業者の位置に応じて工作機械２０の動作制限レベルを変更する場合の例を示している。本実施例において、ロボットコントローラ３０（図示せず）は、作業者検出装置５０から出力された検出結果を使用してロボット１０と作業者との距離を算出して、該算出した距離に基づいてロボット３０の動作制限を行う。

また、ロボットコントローラ３０のメモリには、ロボット１０と工作機械２０の距離や配置があらかじめ登録されており、該登録された距離や配置に基づいて工作機械２０と作業者との距離を算出する。
ロボットコントローラ３０のメモリには、作業者が工作機械のｌ₁範囲内にいる場合には動作制限レベルをＬ₁に、作業者が工作機械２０のｌ₂範囲内にいる場合には動作制限レベルをＬ₂に、それ以上離れている場合には動作制限レベルをＬ₃に、それぞれ決定するようにあらかじめ設定されており、算出した工作機械２０と作業者との距離と比較することで、工作機械２０の動作制限レベルが決定される。

図６は、図５のように構成された加工システムにおいて、センサによる測定結果に基づいて、ロボットコントローラ３０が工作機械の動作制限レベルを決定するアルゴリズム（図２のステップＳＡ０２における処理）を示すフローチャートである。
●［ステップＳＣ０１］ロボット１０が備えるセンサにより作業者の位置を検出し、該検出した作業者の位置と、メモリに記憶されている工作機械２０の位置とから、作業者と工作機械２０との距離を算出する。

●［ステップＳＣ０２］ステップＳＣ０１で算出した距離がｌ₁より小さいか否かを判定する。ｌ₁より小さい場合にはステップＳＣ０３へ進み、そうでない場合にはステップＳＣ０４へ進む。
●［ステップＳＣ０３］動作制限レベルＬをＬ₁に決定する。

●［ステップＳＣ０４］ステップＳＣ０１で算出した距離がｌ₂より小さいか否かを判定する。ｌ₂より小さい場合にはステップＳＣ０５へ進み、そうでない場合にはステップＳＣ０６へ進む。
●［ステップＳＣ０５］動作制限レベルＬをＬ₂に決定する。
●［ステップＳＣ０６］動作制限レベルＬをＬ₃に決定する。

なお、図５，６の例では動作制限レベルを３つとしているが、２つ以上であれば動作制限レベルの数は問わない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例に限定されることなく、適宜の変更を加えることにより、様々な態様で実施することができる。
例えば、上述した実施形態では、ロボット１０に対する安全対策用センサの検出結果を使用して、ロボットコントローラ３０が工作機械２０の動作レベルを決定するように構成しているが、逆に、工作機械２０に対する安全対策用のセンサの検出結果を使用して、数値制御装置４０がロボット１０の動作制限レベルを決定するように構成してもよく、その場合は、上述の説明に於けるロボット１０側と工作機械２０側の役割を入れ替えればよい。

１０ロボット
２０工作機械
３０ロボットコントローラ
４０数値制御装置
５０作業者検出装置
５１，５２センサ

Claims

数値制御装置により制御される工作機械と、ロボット制御装置により制御され、作業を行うロボットとを有する加工システムにおいて、
前記加工システム内の作業者に危険が及ぶ領域に作業者が存在するかどうかを検出する作業者検出装置を備え、
前記ロボット制御装置は、
前記作業者検出装置の検出結果から前記工作機械の動作制限を決定する動作決定手段と、
前記動作決定手段が決定した動作制限を前記数値制御装置に通知する通知手段と、を有し、
前記数値制御装置は、
前記通知された動作制限に従って前記工作機械の動作を制限する、
ことを特徴とする加工システム。
前記動作決定手段は、
前記作業者検出装置の検出結果から、前記工作機械と前記作業者との距離を算出する作業者位置算出手段を有し、
前記作業者位置算出手段の作業者位置算出結果から前記工作機械の動作制限を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の加工システム。
数値制御装置により制御される工作機械と、ロボット制御装置により制御され、作業を行うロボットとを有する加工システムにおいて、
前記加工システム内の作業者に危険が及ぶ領域に作業者が存在するかどうかを検出する作業者検出装置を備え、
前記数値制御装置は、
前記作業者検出装置の検出結果から前記ロボットの動作制限を決定する動作決定手段と、
前記動作決定手段が決定した動作制限を前記ロボット制御装置に通知する通知手段と、を有し、
前記ロボット制御装置は、
前記通知された動作制限に従って前記ロボットの動作を制限する、
ことを特徴とする加工システム。
前記動作決定手段は、
前記作業者検出装置の検出結果から、前記ロボットと前記作業者との距離を算出する作業者位置算出装置を有し、
前記作業者位置算出装置の作業者位置算出結果から前記ロボットの動作制限を決定する、
ことを特徴とする請求項３に記載の加工システム。
前記動作決定手段は、
少なくとも二つの動作制限レベルを有し、
前記動作制限レベルに対応する動作制限の内容および設定を記憶するメモリを有し、
前記動作制限レベルを選択することで、前記メモリに記憶した動作制限を設定する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の加工システム。