JP6025171B2 - 産業用ロボット利用のワイヤソーシステム - Google Patents

Description

本発明は、２台の産業用ロボットを利用し、それらのロボットアームによりワイヤソーのワイヤを保持し、ワイヤの走行によりワーク、主としてカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を切断加工するワイヤソーシステムに関する。

ＣＦＲＰは、鉄やステンレスなどと同様に加工できるが、加工精度の確保は、材料の性質上かなり難しいものとなる。一方、ワイヤソーは、一種のラッピッグ加工または研削加工であり、セラミックスや半導体インゴットの切断に利用されており、ＣＦＲＰの加工にも利用できる。

ワイヤソーでの加工時に、ＣＦＲＰなどのワークは、通常、ワイヤソーの加工送り装置によって走行中のワイヤに対し加工送りされるようになっている。ワークの加工送り方向は、一対の溝付きローラによるワイヤの支持方向、すなわち溝付きローラに対するワイヤの外接位置において溝付きローラの半径方向であり、言わば１軸方向のみとなっている。このため、ワークの加工方向が１軸方向のみでないときに、作業者は、糸鋸による加工時のようにワークを加工方向に旋回移動させながら加工送りしなければならない。このような加工送りは、加工の自動化を困難なものとしている。

一方、特許文献１は、ワークの加工方向の変化時に、一対の溝付きローラによるワイヤの支持方向を自動的に変更することによって、ワークの加工方向の変化に対応している。しかし、ワークの加工送り方向は、やはりワイヤの支持方向に制約を受けているため、加工の自由度は、高いものとは言えず、また大きなワークの加工には不向きなものとなっている。

ＷＯ２００８／００１８１６号公報

前記のように、従来の技術によると、ワイヤの支持方向が溝付きローラによって制約を受けていることから、ワークの加工時に、ワイヤの加工送り方向を自由に変えるという発想はない。したがって、本発明の課題は、ワークに対してワイヤの加工送り方向を自由に変えられるようにして、大きなワークや、ワークの多様な加工態様に柔軟に対応できるようにすることである。

上記課題のもとに、本発明は、２台の産業用ロボットのロボットアーム先端でワイヤソーのワイヤを保持し、２台の産業用ロボットの間のワークをロボットアームの運動により多様な加工に柔軟に対応できるようにしている。

すなわち、本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステムは、ロボットアームの運動によって前記ロボットアーム先端のワイヤ案内ヘッドの移動経路を制御可能な２台の産業用ロボットと、前記両ワイヤ案内ヘッドの間に走行可能な状態で張架されている加工用のワイヤと、前記産業用ロボットの運動を制御するロボット制御装置とを含み、加工対象のワークの加工時に、前記２台の産業用ロボットの間で前記各ワイヤ案内ヘッドの動作範囲内に前記ワークを取り付け、前記ワイヤに所定の張力を掛けながら前記ワイヤを走行させ、前記両ワイヤ案内ヘッドを前記ワークの加工経路に沿って移動させることによって、ワークの加工を行う（請求項１）。

前記各ワイヤ案内ヘッドは、前記ワイヤの周囲で前記ワイヤに外接する複数の案内ローラを有し、前記ワイヤを全方向から支持している（請求項２）。

前記複数の案内ローラは、平行な一対の円柱状ローラであり、２組以上の前記一対の円柱状ローラは、前記ワイヤを取り囲むように前記ワイヤを中心として位相をずらして回転自在に配置される（請求項３）。また、前記複数の案内ローラは、円盤状溝付きローラであり、３個以上の円盤状溝付きローラは、前記ワイヤを中心として等しい中心角の位置に回転自在に配置される（請求項４）。

前記ワイヤは、前記ロボットアームの内部に通されており、前記ロボットアームの関節位置で、関節軸上で回転自在の関節ガイドローラにより支持される（請求項５）。

本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステムによると、２台の産業用ロボットの運動によって、ワークに対するワイヤ案内ヘッド間のワイヤの位置決め制御や、ワイヤ案内ヘッドの姿勢制御が容易となり、ワイヤによるワークの加工時にも、各産業用ロボットの運動機能によって、ワイヤ案内ヘッド間のワイヤの移動経路が自由に設定できるから、各種のワーク、特に大きなワークの多様な加工に柔軟に対応できる（請求項１）。

産業用ロボット利用のワイヤソーシステムにおいて、ワイヤ案内ヘッドの位置で、ワイヤが外接する複数の案内ローラによって全方向に支持されるから、ワイヤ案内ヘッドの移動方向すなわちワイヤの加工送り方向が案内ローラに対するワイヤの巻き掛け方向を考慮することなく自由に設定できる（請求項２）。

特に、平行な一対の円柱状の案内ローラが位相をずらして回転自在に複数組み配置されると、簡単な構造でワイヤの全方向支持が可能となり（請求項３）、また複数の円盤状溝付きの案内ローラがワイヤを取り囲んで等しい中心角の位置に回転自在に配置されると、案内ローラによるワイヤの全方向支持が案内ローラに対するワイヤの共通の接線位置となり、その１つの接線位置で何れの方向にも一層確実に支持されるため、ワイヤの滑らかな走行、送り出し、引き込みが可能となる（請求項４）。

産業用ロボット利用のワイヤソーシステムにおいて、ワイヤがロボットアームの関節位置で、関節軸上で回転自在のガイドローラにより支持されていると、ロボットアームの屈伸運動がワイヤ経路に制限されず、ワイヤの走行がロボットアームの屈伸運動のときにも支障なく行え、さらにワイヤとロボットアームとの干渉もなくなる（請求項５）。

本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステムの全体的な側面図である。 本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステムにおいて、ワイヤ案内ヘッドの要部の断面図である。 本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステムにおいて、ワイヤ案内ヘッド内の案内ローラの正面図である。 本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステムにおいて、ワイヤ案内ヘッド内の他の案内ローラの断面図である。 本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステムにおいて、関節位置のガイドローラの平面図である。 本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステムにおいて、ワークの加工経路の側面図である。

図１ないし図３は、本発明に係る産業用ロボット利用のワイヤソーシステム１の具体的な構成例を示している。図１において、産業用ロボット利用のワイヤソーシステム１は、運動経路の制御可能な２台の産業用ロボット２と、加工用のワイヤ３と、ロボット制御装置４とを含み、これらを有機的に機能させて、加工対象のＣＦＲＰなどのワーク５に切断加工を行う。

各産業用ロボット２は、一例として同じ構成の多関節型産業用ロボットであり、設置位置のベース６の上で連結状態のロボットアーム７、８、９の先端でワイヤ案内ヘッド１０を有し、これらのロボットアーム７、８、９の運動によって、ワイヤ案内ヘッド１０の移動経路および姿勢を制御し、２つのワイヤ案内ヘッド１０により支持されているワイヤ３を位置決めし、その移動経路を制御する。

ロボットアーム７、８、９は、一例として互いに平行な関節軸１２、１３を有し、またロボットアーム７、９は、必要に応じてそれぞれの中間位置で回転機構１４、１５を備えている。これらの関節軸１２、１３および回転機構１４、１５は、それぞれ駆動モータ１６、１７、１８、１９によって駆動されるようになっている。

ワイヤ３は、好ましくは固定砥粒付きワイヤ、例えばダイヤモンドワイヤであり、２つのワイヤ案内ヘッド１０の間でワーク５を切断するために、両ワイヤ案内ヘッド１０の間において、往復走行または一方向の連続走行可能な状態で所定の張力のもとに張架されている。

図１のほか、図２および図３は、ワイヤ３の経路の一例を示している。ワイヤ３は、ワイヤ送り出し装置２０から送り出され、一方の産業用ロボット２のワイヤ案内ヘッド１０の内部に入り、一対のガイドローラ２２を経て、複数の案内ローラ１１により案内され、一方のワイヤ案内ヘッド１０の内部から出て他方の産業用ロボット２のワイヤ案内ヘッド１０の内部に入り、複数の案内ローラ１１により案内され、一方のワイヤ案内ヘッド１０と同様に、一対のガイドローラ２２を経て、他方のワイヤ案内ヘッド１０の内部から出てワイヤ巻き取り装置２１によって巻き取られる。

ワイヤ送り出し装置２０およびワイヤ巻き取り装置２１は、ワイヤ３の張力を切断加工に適切な値に制御しながら、ワイヤ３のたるみを吸収する機能を有しており、ワイヤ３の走行にともなって、それぞれワイヤ３の送り出し、巻き取りを行う。ワイヤ送り出し装置２０とワイヤ案内ヘッド１０との間のワイヤ３の経路、ワイヤ案内ヘッド１０とワイヤ巻き取り装置２１との間のワイヤ３の経路は、各産業用ロボット２の運動のときに、ロボットアーム７、８、９の動きに干渉しないように配置される。

ワイヤ案内ヘッド１０の内部において、複数例えば４つの案内ローラ１１は、図２および図３のように、平行な一対の円柱状ローラを１組として構成され、２組以上例えば２組の一対の円柱状ローラは、ワイヤ３を取り囲むように、すなわちワイヤ３に対する垂直面でワイヤ３を中心とし、例えば９０度位相をずらし、井桁状として回転自在に配置されており、ワイヤ４は、それらの案内ローラ１１の間を通過する。なお、案内ローラ１１は、図示しないが、それぞれローラ軸によってワイヤ案内ヘッド１０に回転可能な状態で支持されており、案内ローラ１１の設置組み数は、２組以上、例えば３組であってもよい。

図４は、複数の案内ローラ１１の他の構成例を示している。複数例えば４つの案内ローラ１１は、図４のように、円盤状溝付きローラにより構成され、ワイヤ３を取り囲んで放射状として、言い換えると、ワイヤ３に対する垂直面でワイヤ３を中心として中心角９０度の位置に回転自在に配置されており、ワイヤ３は、それらの案内ローラ１１の間を通過する。なお、案内ローラ１１は、図示しないが、それぞれローラ軸によってワイヤ案内ヘッド１０に回転可能な状態で支持されており、案内ローラ１１の設置数は、３以上であればよく、例えば６つで構成することもできる。

図５は、ワイヤ３をロボットアーム７、８、９、例えばロボットアーム８、９の内部を通すときの構成例を示している。図５のように、ワイヤ３は、筒状のロボットアーム８から入り、一対のガイドローラ２２を経て、ロボットアーム９の内部を通ってワイヤ案内ヘッド１０に導かれるが、途中の関節軸１３の位置で、関節ガイドローラ２６により支持されている。この関節ガイドローラ２６は、関節軸１３と同じ位置で回転自在に支持されている。ロボットアーム８、９が関節軸１３で屈伸したとき、ワイヤ３は、ロボットアーム８、９の屈伸運動を許容する。

図５の構成例によると、ロボットアーム８、９の屈伸運動がワイヤ３の経路に制限されず、ワイヤ３の走行がロボットアーム８、９の屈伸運動のときにも支障なく行え、さらにワイヤ３とロボットアーム８、９との干渉もなくなる。もちろん、ワイヤ３は、ロボットアーム８、９の内部に限らず、ロボットアーム７の内部を通すこともできる。

そして、ロボット制御装置４は、ワーク５に対する目標の切断加工のために、加工プログラムを内蔵しており、ワーク５の加工時に、駆動モータ１６、１７、１８、１９の回転量、回転方向を制御して、２台の産業用ロボット２のロボットアーム７、８、９に必要な運動を行わせ、ワーク５の目標の加工経路にそって２つのワイヤ案内ヘッド１０の間のワイヤ３を位置決めして、移動させ、目標の加工に備える。加工プログラムは、表示器付き入力器２３によって入力される。

ワイヤ案内ヘッド１０の位置決め方式は、加工内容に応じて連続経路制御方式またはポイントツーポイント制御の何れかにより行われ、運動経路（加工経路）のデータは、テーチングプレイバックまたはプログラムインプットにより設定される。このため、産業用ロボット２の制御も加工態様に応じて柔軟に設定できる。

ＣＦＲＰのワーク５に対する加工が例えば矩形の窓のような切り抜き加工のときに、加工前に、ワーク５に図６のような、加工開始用の孔２４が予め形成される。孔２４の加工後に、ワーク５は、図１のように、２台の産業用ロボット２の間において、ワイヤ案内ヘッド１０の動作範囲内に位置決め状態で、図示しないクランプ手段により取り付けられ、固定される。加工に際して、作業者は、２つのワイヤ案内ヘッド１０の間のワイヤ３を切り、一方のワイヤ３の切り端を孔２４に通し、通したワイヤ３の切り端を他方のワイヤ３の切り端に溶接または結びにより接続してから、ワイヤ３に目標の張力を掛けながら、ワイヤ３を走行させる。

ワーク５の加工時に、ロボット制御装置４は、２台の産業用ロボット２のロボットアーム７、８、９の運動によって、各ワイヤ案内ヘッド１０のワイヤ３をワーク５の加工経路２５の開始点から加工経路２５に沿って矢印方向に移動させ、加工経路２５の終点で止まり、ワーク５を切断することによって加工経路２５の内側部分を切り抜く。ワーク５の厚みが部分的に変化していても、この切断は加工経路２５に沿って厚みに関係なく進められる。加工経路２５の輪郭は、矩形に限らず、円、楕円、雲形定規の形状など任意に設定できる。

通常、２台の産業用ロボット２は、ワーク５を挟んで、同じ運動を行うことによって、切り取部分の切り口（切断面）をワーク５の表裏面に対して直角とするが、いずれか一方の運動経路を加工経路２５の内側に相似形の経路として設定すれば、切り取部分の切り口（切断面）は、ワーク５の表裏面に対して傾斜面（テーパ面）とすることもできる。

加工中に、特定の１つの案内ローラ２６の回転軸が常に加工経路２５に対して直交していると、ワイヤ３は、安定に走行し、加工を円滑にする。このため好ましい状態として、回転機構１５は、ワイヤ案内ヘッド１０を回転させて、特定の案内ローラ１１の回転軸を常に加工経路２５に対して直交させている。しかし、ワイヤ３は、ワイヤ案内ヘッド１０の位置で全方向、図示の例では４方向の案内ローラ１１により支持されているから、ワイヤ案内ヘッド１０が加工経路２５に沿って移動する過程で、回転機構１５が作動しないまま、ワイヤ案内ヘッド１０が方向変換したとしても、ワイヤ案内ヘッド１０の内部のワイヤ３は、支持を失って外れることはない。

既に記載したように、ワイヤ案内ヘッド１０が加工経路２５に沿って移動するとき、ワイヤ送り出し装置２０とワイヤ案内ヘッド１０との間のワイヤ３の経路、ワイヤ案内ヘッド１０とワイヤ巻き取り装置２１との間のワイヤ３の経路は、産業用ロボット２の運動のときに、ロボットアーム７、９、１０などの動きに干渉しないように配置されなければならない。ロボットアーム７、９、１０の運動によって、ワイヤ３の張力が変化すると、ワイヤ送り出し装置２０およびワイヤ巻き取り装置２１は、ワイヤ３の張力を目標の値に戻し、ワイヤ３のゆるみなども吸収し、加工に適切な張力値に維持している。

加工過程で、産業用ロボット２は、直交座標空間で自由に移動可能であり、しかも、回転機構１４、１５の回転軸を中心とする回転によって、高い自由度のもとに位置制御可能であるから、大きな板状のワーク５あるいは厚みの異なるワーク５に対してワイヤ３の移動経路を任意に設定できる。このため、産業用ロボット利用のワイヤソーシステム１は、大きなワーク５、複雑な形状のワーク５、自由な加工経路２５の切断加工に柔軟に対応できる。もちろん、加工態様は、ワーク５の切り抜き加工に限らず、直線や曲線状の切断、一端で開口するスリットの加工などとすることもできる。

図示の例において、２台の産業用ロボット２は、ともに関節型の産業用ロボットであるが、一方または双方の産業用ロボット２は、関節型の産業用ロボットに限らず、ワーク２の形状や加工態様に応じて、極座標型の産業用ロボット、円筒座標型の産業用ロボット、直交座標型の産業用ロボットにより構成することもできる。

本発明は、ワーク５としてＣＦＲＰの加工のために開発されたが、それに限らず、結晶体や金属板、その他の材料の加工にも適用できる。

１ 産業用ロボット利用のワイヤソーシステム
２ 産業用ロボット
３ ワイヤ
４ ロボット制御装置
５ ワーク
６ べース
７、８、９ ロボットアーム
１０ ワイヤ案内ヘッド
１１ 案内ローラ
１２、１３ 関節軸
１４、１５ 回転機構
１６、１７、１８、１９ 駆動モータ
２０ ワイヤ送り出し装置
２１ ワイヤ巻き取り装置
２２ ガイドローラ
２３ 表示器付き入力器
２４ 加工開始用の孔
２５ 加工経路
２６ 関節ガイドローラ

Claims (5)

1. ロボットアームの運動によって前記ロボットアーム先端のワイヤ案内ヘッドの移動経路を制御可能な２台の産業用ロボットと、前記両ワイヤ案内ヘッドの間に走行可能な状態で張架されている加工用のワイヤと、前記産業用ロボットの運動を制御するロボット制御装置とを含み、加工対象のワークの加工時に、前記２台の産業用ロボットの間で前記各ワイヤ案内ヘッドの動作範囲内に前記ワークを取り付け、前記ワイヤに所定の張力を掛けながら前記ワイヤを走行させ、前記両ワイヤ案内ヘッドを前記ワークの加工経路に沿って移動させることによって、ワークの加工を行うことを特徴とする産業用ロボット利用のワイヤソーシステム。
2. 前記ワイヤ案内ヘッドの内部に、前記ワイヤの周囲で前記ワイヤに外接する複数の案内ローラを組み込み、前記ワイヤを全方向から支持することを特徴とする請求項１記載の産業用ロボット利用のワイヤソーシステム。
3. 前記複数の案内ローラを２組以上の平行な一対の円柱状ローラにより構成し、２組以上の平行な一対の円柱状ローラを前記ワイヤの周囲に、前記ワイヤを中心として位相をずらして回転自在に配置する、ことを特徴とする請求項２記載の産業用ロボット利用のワイヤソーシステム。
4. 前記複数の案内ローラを円盤状溝付きローラにより構成し、複数の円盤状溝付きローラを前記ワイヤの周囲に、前記ワイヤを中心として等しい中心角の位置に回転自在に配置する、ことを特徴とする請求項２記載の産業用ロボット利用のワイヤソーシステム。
5. 前記ロボットアームの内部に前記ワイヤを通し、前記ロボットアームの関節位置で、前記ワイヤを関節軸上で回転自在の関節ガイドローラにより支持する、ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４記載の産業用ロボット利用のワイヤソーシステム。

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