JP6438510B2 - 治具設計支援装置及びロボットシミュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、治具設計支援装置及びロボットシミュレーション装置に関する。

工作機械等における機械加工では、加工対象物（ワーク）を所定位置に固定するための治具が使用される場合があるが、近年のＣＡＤ・ＣＡＭ技術の発達により、該治具の設計をＣＡＤで行うケースが増えている。例えば特許文献１には、「以上説明したように本発明は、ワークに作業するときに使用される治具の自動設計装置であって、作業対象ワークの作業部位に関連するデータを出発点にして、該治具を構成する部品の構造モデルを順次生成する手段と、該治具を構成する個々の部品に対応する標準部品のデータベースを記憶する手段と、上記部品の構造モデルに基づいて、上記データベース内を検索して、各部品に対応する標準部品を決定する手段とを具備したことを特徴とする」と記載されている。

またＣＡＤにおいて治具をワークに干渉しないように再配置する技術や、標準クランプ治具の形状データをもとに、クランプ治具を自動的に設計する技術も知られている（例えば特許文献２、３参照）。

特許２７７９１８０号公報 特開平０８−０５０６０１号公報 特開昭６３−１１９９８７号公報

工作機械等においてワークを固定する治具を設計するためには、治具を構成する位置決めブロックやクランパのサイズや配置位置の決定に関し、ＣＡＤ等の操作に熟練した設計者のノウハウが必要であった。そこで、簡単な操作で大まかな治具の仮想モデルを作成でき、設計者を支援する技術が望まれている。

本開示の一態様は、位置決めブロック及びクランパを有し、ワークを固定する治具の設計を支援する治具設計支援装置であって、仮想の３次元空間を画面表示する表示部と、前記ワーク、前記位置決めブロック、前記クランパ、及び前記ワークが取り付け可能な取り付けプレートの３次元モデルを記憶する記憶部と、前記治具によって固定されるワークの種類を指定するワーク指定部と、前記ワーク指定部によって指定されたワークの３次元モデルを前記記憶部から読み出すとともに、前記指定されたワークが取り付け可能な取り付けプレートの３次元モデルを前記記憶部から読み出して、読み出した取り付けプレートに前記指定されたワークを取り付けた状態で前記３次元空間内に自動的に配置するワーク配置部と、前記位置決めブロックの種類及び配置方法を選択する位置決めブロック選択部と、前記クランパの種類を選択するクランパ選択部と、前記指定されたワークの３次元モデルにおける、前記位置決めブロック又は前記クランパが当接するモデル部位を指定するモデル部位指定部と、前記指定されたモデル部位、及び前記位置決めブロック選択部又は前記クランパ選択部の選択内容に基づいて、前記位置決めブロック又は前記クランパの３次元モデルを前記記憶部から読み出して前記３次元空間内に配置する治具配置部と、前記治具配置部により配置された位置決めブロック又はクランパの３次元モデルの寸法又は形状を、前記指定されたワークの寸法又は形状に応じて自動的に調整する調整部と、を備え、前記治具配置部は、予め定めた複数の位置決めブロック又はクランパの、個数及び配置間隔に関する配置ルールに基づき、前記位置決めブロック又は前記クランパが当接するモデル部位の１箇所が指定されたときに、前記配置ルールに基づいて、指定された１箇所を含む複数の部位にピンブロック又はクランパを自動配置するように構成されている、治具設計支援装置である。

本開示の他の態様は、上記治具設計支援装置で設計又は作成した治具の３次元モデルを、ロボットの仮想３次元モデルが配置された仮想空間内に配置し、前記ロボットの動作シミュレーションを行うように構成されたロボットシミュレーション装置である。

本開示によれば、治具の詳細設計を行う前に、簡単な操作で治具を構成する部品を仮想空間内に配置し、必要に応じて治具の形状や寸法を自動的に調整することができる。

一実施形態に係る治具設計支援装置の一構成例を示す図である。 図１の治具設計支援装置における処理の一例を示すフローチャートである。 ワークの種類を指定する際の画面表示例を示す図である。 ワークと該ワークを取り付けるプレートを仮想空間内に自動配置した例を示す図である。 位置決めブロックの種類を選択する際の画面表示例を示す図である。 位置決めブロックの配置方法を選択する際の画面表示例を示す図である。 位置決めブロックの配置場所を指定する際の画面表示例を示す図である。 位置決めブロックを指定の場所に配置した状態の画面表示例を示す図である。 位置決めブロックを複数配置した状態の画面表示例を示す図である。 ワークの側面に配置した位置決めブロックの高さを自動調整する例を示す図である。 ワークの下面に配置した位置決めブロックの高さを自動調整する例を示す図である。 円柱形状のワークの側面に配置したＶ字ブロックの高さを自動調整する例を示す図である。 直方体形状のワークの側面に配置したＬ字ブロックの高さを自動調整する例を示す図である。 円柱形状のワークの穴内にピンブロックを配置した状態の画面表示例を示す図である。 クランパの種類を選択する際の画面表示例を示す図である。 クランパの配置場所を選択する際の画面表示例を示す図である。 クランパを指定の場所に配置した状態の画面表示例を示す図である。 クランパの可動部の移動に関する定義・設定を行う際の画面表示例を示す図である。 図１の治具設計支援装置によって設計・作成された治具をロボットシミュレータに適用した場合の画面表示例であり、クランパが閉じている状態を示す図である。 図１４ａの状態から、クランパが開いた状態を示す図である。

図１は、本開示の好適な実施形態に係る治具設計支援装置（以降、単に支援装置とも称する）の一構成例を示す図である。支援装置は、工作機械等（図示せず）で加工されるワークを所定位置に固定するための治具の詳細設計を行う前に、大まかな治具の３次元モデルを作成し、設計者の詳細設計を支援するための装置であり、より具体的には、治具を構成する部品（後述する位置決めブロックやクランパ等）間の干渉や、ワークの把持等の作業を行うロボットハンドと治具との干渉等を検討するために、大まかな治具モデルを作成する。

支援装置１０は、例えばパーソナルコンピュータ等の、演算処理装置（プロセッサ）及び記憶装置（メモリ）を有する装置として提供可能であり、後述する３次元画像（仮想３次元空間）を表示するディスプレイ１２と、設計者（作業者）の入力操作を受け付ける入力部１４とを有する。なお入力部１４としては例えば、パーソナルコンピュータのマウス１６、キーボード１８又はタッチパネル（図示せず）等が使用可能であるが、ディスプレイ１２が設計者のタッチ入力を受け付けるタッチパネルの機能を具備してもよい。

支援装置１０は、ディスプレイ１２に仮想の３次元空間を表示させる処理を行う表示（処理）部１９と、ワーク、位置決めブロック、クランパ、及びワークが取り付け可能な取り付けプレートの３次元モデルを記憶する記憶部２０と、治具によって固定されるワークの種類を指定するための入力を受け付けるワーク指定部２２と、ワーク指定部２２によって指定されたワークのＣＡＤモデルを記憶部２０から読み出すとともに、指定されたワークが取り付け可能な取り付けプレートの３次元モデルを記憶部２０から読み出して、読み出した取り付けプレートに指定されたワークを取り付けた状態で３次元空間内に自動的に配置するワーク配置部２４と、位置決めブロックの種類及び配置方法を選択するための入力を受け付ける位置決めブロック選択部２６と、クランパの種類を選択するための入力を受け付けるクランパ選択部２８と、指定されたワークの３次元モデルにおける、位置決めブロック又はクランパが当接するモデル部位（モデル表面）を指定するための入力を受け付けるモデル部位指定部３０と、指定されたモデル部位、及び位置決めブロック選択部２６又はクランパ選択部２８の選択内容に基づいて、位置決めブロックの３次元モデル又はクランパの３次元モデルを記憶部２０から読み出して３次元空間内に配置する治具配置部３２と、治具配置部３２により配置された位置決めブロックの３次元モデル又はクランパの３次元モデルの寸法又は形状を、指定されたワークの寸法又は形状に応じて自動的に調整する調整部３４とを備える。

なお本実施形態では、記憶部２０の機能は上記記憶装置（メモリ）が担い、ワーク指定部２２、位置決めブロック選択部２６、クランパ選択部２８及びモデル部位指定部３０の機能は上記入力部（マウス１６、キーボード１８、タッチパネル等）が担い、表示部１９、ワーク配置部２４、治具配置部３２及び調整部３４の機能は上記演算処理装置（プロセッサ）が担うものとするが、これは一例である。また記憶装置（記憶部２０）は、支援装置１０を構成するパーソナルコンピュータ等とは外観上、別の装置とすることもできるが、そのような形態も本開示に含まれるものとする。

以下、支援装置１０の作用について、図２のフローチャート等を参照しつつ説明する。先ず、図３に例示するような、メニュー画面（ナビゲータ）３６がディスプレイ１２に表示され、設計者（作業者）がマウス１６等を操作して、ワークの種類を指定する（ステップＳ１）。ここでは一例として、ワークは図４に示すようなコンロッド（コネクティングロッド）３８とする。

次に、指定されたワーク３８の３次元モデル（ＣＡＤモデルデータ）が記憶部２０から読み出され（ステップＳ２）、さらに、ワーク３８の大きさや形状に適した取り付けプレート４０の３次元モデル（データ）が自動的に記憶部２０から読み出され、図４に示すように、ワーク３８が取り付けプレート４０に取り付けられた状態で、仮想３次元空間（ディスプレイ１２上）に配置・表示される（ステップＳ３）。なお取り付けプレート４０の種類は、指定されたワーク３８の種類に基づいて記憶部２０から自動的に抽出可能であるが、図３に例示したメニュー画面３６から作業者が選択・指定できるようにしてもよい。

次にステップＳ４において、作業者は図４に例示するようなメニュー画面３６から、配置された取り付けプレート４０の位置及び寸法が適当か否かを判断する。適当でないと判断される場合、作業者はマウス１６やキーボード１８を操作して、取り付けプレート４０の位置、形状及び寸法の少なくとも１つを適宜修正することができる（ステップＳ５）。

次のステップＳ６では、図５に例示するようなブロック選択メニュー４２がディスプレイ１２に表示され、作業者がマウス１６等を操作して、位置決めブロックの種類を選択する。なお各ブロックは、円柱形状、又はＶ字、Ｌ字若しくはＴ字形状等の周知のものでよいが、これらに限られない。

次のステップＳ７では、図６に例示するようなブロック配置メニュー４４がディスプレイ１２に表示され、作業者がマウス１６等を操作して、位置決めブロックの配置方法を選択する。ここで、ステップＳ６で選択した位置決めブロックの種類に適用できない配置方法は選択できないように設定してもよい。

次のステップＳ８では、作業者がマウス１６等を操作して、位置決めブロックの配置位置を指定する。例えば図７ａの矢印で示すように、作業者がワーク（コンロッド）３８の大径部分４６の外側面上の一箇所を指定することにより、図７ｂに示すように、ステップＳ６において位置決めブロックとして選択されたピンブロック４８の３次元モデルデータが記憶部２０から読み出され、大径部分４６の指定された箇所に当接するように配置・表示される（ステップＳ９）。

位置決めブロックが複数ある場合は、例えば図７ｃに示すように、作業者がワーク（コンロッド）３８の大径部分４６の外側面上の複数箇所（ここでは４箇所）を指定することにより、４つのピンブロック４８を大径部分４６の指定された複数箇所にそれぞれ当接するように配置・表示することができる。同様に、作業者がワーク３８の小径部分５０の内側面を指定することにより、ワーク３８の小径部分５０に嵌合するピンブロック５２が配置・表示される。さらに、作業者がワーク３８の下面の複数箇所を指定することにより、ワーク３８を支持する複数のＴ字ブロック５４を配置することができる。

或いは、作業者が大径部分４６等のワークの１箇所を指定しただけで、図７ｃに示すように大径部分４６等の複数箇所に当接する位置決めブロックを自動的に配置することもできる。この場合、ワークの各部（例えば大径部分４６）にいくつの位置決めブロック（ここではピンブロック４８）をどのような間隔（ここでは９０度の等角度間隔）で配置するかというような、複数の位置決めブロックの配置ルールを予め定めておくことにより、作業者が大径部分４６の１箇所を指定すれば、該配置ルールに基づいて該指定箇所を含む複数の部位にピンブロックが自動配置される。同様に、後述するクランパについても、複数のクランパの配置ルールを予め定めておくことにより、作業者がクランパで把持すべきワークの１箇所を指定すれば、該指定箇所を含む複数の部位にクランパを自動配置することができる。

図８ａ及び図８ｂは、ステップＳ９における、位置決めブロックの形状又は寸法を、指定したワーク表面の位置に応じて自動で調整する処理について説明する図である。例えば図８ａに示すように、ピンブロック４８を配置するために作業者がワーク３８の外側面を指定する（ステップＳ８）前に、ピンブロック４８の配置方法として「（ワークの）高さに合わせる」を選択しておく（ステップＳ７）と、ピンブロック４８の高さは、自動的にワーク３８の大径部分４６と同じ高さに調整される。

同様に、例えば図８ｂに示すように、Ｔ字ブロック５４を配置するために作業者がワーク３８の下面を指定する（ステップＳ８）前に、Ｔ字ブロック５４の配置方法として「（ワークの）面に合わせる」（図６参照）を選択しておく（ステップＳ７）と、Ｔ字ブロック５４の上面がワーク３８の下面に当接するように、自動的にＴ字ブロック５４の高さが調整される。このようにして、作業者が具体的な数値等を入力せずとも、位置決めブロックの形状及び寸法の少なくとも一方を、作業者の意図したものに自動的に調整することができる。

図９ａ及び図９ｂは、ステップＳ９における、位置決めブロックの配置位置を、指定したワークの面又はエッジの位置及び形状に応じて自動で調整する処理について説明する図である。例えば図９ａに示すように、Ｖ字ブロック５６を配置するために作業者が円盤状又は円柱状のワーク５８の外側面（矢印６０で示す）を指定する（ステップＳ８）前に、Ｖ字ブロック５６の配置方法として「曲面支持」を選択しておく（ステップＳ７）と、Ｖ字ブロック５６の配置位置は、自動的にワーク５８の曲面（外周面）に当接するように調整される。

同様に、例えば図９ｂに示すように、Ｌ字ブロック６２を配置するために作業者が略直方体形状のワーク６４の側面を指定する（ステップＳ８）前に、Ｌ字ブロック６２の配置方法として「（ワークの）面に合わせる」（図６参照）を選択しておく（ステップＳ７）と、Ｌ字ブロック６２がワーク６４の角部（矢印６６で示す）に当接するように、自動的にＬ字ブロック６４の位置が調整される。このようにして、作業者が位置決めブロックの位置を手動で変更せずとも、位置決めブロックの配置位置を、作業者の意図したものに自動的に調整することができる。

なお図９ａ又は図９ｂの例において、位置決めブロックの形状及び寸法の少なくとも一方を、ワークの形状や寸法に応じて自動で調整するようにしてもよい。例えば、図８ａの例と同様に、Ｖ字ブロック５６又はＬ字ブロック６４の高さを、ワークの高さと同一となるように自動的に調整することができる。

図１０は、ステップＳ９における、円形形状（ここでは円形の穴）の面又はエッジを指定し、指定された位置及び形状に応じて位置決めブロックの配置位置を自動で調整する例について説明する図である。ワーク６８が少なくとも１つの穴７０を有する場合、穴７０内にピンブロック７２を挿入してワーク６８を位置決めすることができるが、この場合において、作業者が穴７０を指定する（ステップＳ８）前に、ピンブロック７２の配置方法として「穴に合わせる」（図６参照）を選択しておく（ステップＳ７）と、ピンブロック７２は、自動的に穴７０内に挿入された状態で配置される。またステップＳ７において、「径も合わせる」を選択すると、ピンブロック７２の外径が穴７０の内径に等しくなるように自動的に調整（拡径又は縮径）された上で、穴７０内に配置される。

次にステップＳ１０において、作業者は図７ａ−図１０に例示したような表示画面から、配置された位置決めブロックの位置及びサイズが適当か否かを判断する。適当でないと判断される場合、作業者はマウス１６やキーボード１８を操作して、位置決めブロックの位置やサイズを変更する（ステップＳ１１）。なおステップＳ６−Ｓ１１の処理は、位置決めブロックが複数ある場合、その個数と同じ回数だけ反復することができる（ステップＳ１２）。

次のステップＳ１３では、図１１に例示するようなクランパ選択メニュー７４がディスプレイ１２に表示され、作業者がマウス１６等を操作して、クランパの種類を選択する。なおクランパの種類としては、フック式クランパ（クランパ１）、ガイド付きシリンダ（クランパ２）、スイング式クランパ（クランパ３）、シリンダ（クランパ４）、等が挙げられるが、これらに限られない。

次のステップＳ１４では、作業者がマウス１６等を操作して、選択したクランパの配置位置を指定する。例えば図１２ａに示すように、作業者がワーク３８の被把持部位（ロッド部）７６を指定することにより、図１２ｂに示すように、記憶部２０から読み出されたクランパ（ここではスイングクランパ）７８の３次元モデルが、ロッド部７６を把持するように自動的に配置・表示される（ステップＳ１５）。

ステップＳ１４において、クランパの可動部の移動に関する定義（設定）を作業者が入力部１４等から行えるようにしてもよい。例えば、図１２ｂに示すスイングクランパ７８は、図１３に示すように、本体８０と、本体８０に対して直進及び回転可能なシャフト８２と、シャフト８２の先端に取り付けられた可動部（爪）８４とを有し、この場合作業者は、入力部１４（マウス１６やキーボード１８等）を操作して、シャフト８２の回転軸及び回転角度、並びに直進移動量、さらにワーク３８（のロッド部７６）に対する爪８４の当接位置（図示例では爪８４の下面）８６等を定義・設定することができる。このようにすれば、図１２ｂに示すように、ロッド部７６と爪８４の当接位置８６とが合致するように、クランパ７８の寸法や形状を自動的に調整（例えば爪８４の長さを変更）することができる。

次にステップＳ１６において、作業者は図１２ｂに例示したような表示画面から、配置されたクランパの位置及びサイズが適当か否かを判断する。適当でないと判断される場合、作業者はマウス１６やキーボード１８を操作して、位置決めブロックの位置やサイズを変更する（ステップＳ１７）。なおステップＳ１３−Ｓ１７の処理は、クランパが複数ある場合、その個数と同じ回数だけ反復することができる（ステップＳ１８）。

本実施形態に係る支援装置によれば、治具の配置位置に加え、治具の寸法及び形状の一方又は双方が、指定されたワークの形状や治具の配置方法に基づいて自動的に調整されるので、比較的不慣れな作業者であっても、どのようなサイズの治具（位置決めブロック及びクランパ）をどの位置に配置するのかを適切に把握することができる。従って該支援装置は、大まかではあるが治具の全体構造の把握には十分な治具モデルを作成できるので、治具の詳細設計の前に利用することが特に有用である。

図１４ａ及び図１４ｂは、支援装置１０によって設計又は作成した治具の３次元モデルを、ロボットの仮想３次元モデルが配置された仮想空間内に配置し、該ロボットの動作シミュレーションを行うロボットシミュレーション装置（ロボットシミュレータ）８８（図１に概略図示）に適用した例を示す図である。この例では、クランパの開閉動作とロボットによるワークのハンドリング動作とを連動させるシミュレーションを行っており、より具体的には、図１３に示したスイングクランパ７８を２つ用いて図９ｂに示したような直方体形状のワーク６４を把持する操作、すなわち「クランパ閉」の状態（図１４ａ）と、図１４ａの状態から、クランパ７８の爪８４を旋回させる操作、すなわち「クランパ開」の状態（図１４ｂ）と、図１４ｂの状態から、仮想表示されたロボット９０のロボットハンド９２によってワーク６４を把持して取り出す操作（図示せず）とをシミュレートすることができる。

クランパの開閉動作とロボットのハンドリング動作とを連動して行う場合、ロボットハンドの形状、ハンドによるワークの把持位置、ハンドの開閉動作、さらにはクランパの開閉動作等を考慮して、ロボットと干渉しない治具を設計する必要があり、これには熟練した作業者でも多くの手間がかかっていた。しかし上述のようなシミュレータを使用することにより、干渉チェックを容易に行うことができ、治具の設計を容易に行うことができるようになる。

なおロボットシミュレータ８８は、支援装置１０と同様に、例えばパーソナルコンピュータ等の、演算処理装置（プロセッサ）及び記憶装置（メモリ）を有する装置として提供可能であり、図１４ａ及び図１４ｂに例示したような仮想３次元空間を画面表示することができる。またロボットシミュレータ８８は、支援装置１０と通信可能に構成されており、支援装置１０で作成された治具の形状や動作に関するデータを信号等の形態で取り込んで、上述のようなロボットの動作シミュレーションに利用することができる。或いは支援装置１０の機能（プロセッサやメモリ等）を、ロボットシミュレータ内に組み込むことも可能である。

１０ 治具設計支援装置
１２ ディスプレイ
１４ 入力部
１６ マウス
１８ キーボード
１９ 表示部
２０ 記憶部
２４ ワーク配置部
３２ 治具配置部
３４ 調整部
３８、５８、６４、６８ ワーク
４０ 取り付けプレート
４８、５２、５４、５６、６２、７２ 位置決めブロック
７８ クランパ
８４ 爪
８８ ロボットシミュレータ
９０ ロボット
９２ ロボットハンド

Claims (3)

1. 位置決めブロック及びクランパを有し、ワークを固定する治具の設計を支援する治具設計支援装置であって、
   仮想の３次元空間を画面表示する表示部と、
   前記ワーク、前記位置決めブロック、前記クランパ、及び前記ワークが取り付け可能な取り付けプレートの３次元モデルを記憶する記憶部と、
   前記治具によって固定されるワークの種類を指定するワーク指定部と、
   前記ワーク指定部によって指定されたワークの３次元モデルを前記記憶部から読み出すとともに、前記指定されたワークが取り付け可能な取り付けプレートの３次元モデルを前記記憶部から読み出して、読み出した取り付けプレートに前記指定されたワークを取り付けた状態で前記３次元空間内に自動的に配置するワーク配置部と、
   前記位置決めブロックの種類及び配置方法を選択する位置決めブロック選択部と、
   前記クランパの種類を選択するクランパ選択部と、
   前記指定されたワークの３次元モデルにおける、前記位置決めブロック又は前記クランパが当接するモデル部位を指定するモデル部位指定部と、
   前記指定されたモデル部位、及び前記位置決めブロック選択部又は前記クランパ選択部の選択内容に基づいて、前記位置決めブロック又は前記クランパの３次元モデルを前記記憶部から読み出して前記３次元空間内に配置する治具配置部と、
   前記治具配置部により配置された位置決めブロック又はクランパの３次元モデルの寸法又は形状を、前記指定されたワークの寸法又は形状に応じて自動的に調整する調整部と、
   を備え、
   前記治具配置部は、予め定めた複数の位置決めブロック又はクランパの、個数及び配置間隔に関する配置ルールに基づき、前記位置決めブロック又は前記クランパが当接するモデル部位の１箇所が指定されたときに、前記配置ルールに基づいて、指定された１箇所を含む複数の部位にピンブロック又はクランパを自動配置するように構成されている、治具設計支援装置。
2. 前記クランパの可動部の移動に関する設定と、前記ワークに当接する前記可動部の当接位置とを入力可能な入力部を備え、前記調整部は、前記指定されたワークの寸法又は形状と、入力された前記当接位置とに基づいて前記可動部の寸法を自動的に調整する、請求項１に記載の治具設計支援装置。
3. 請求項１又は２に記載の治具設計支援装置で設計又は作成した治具の３次元モデルを、ロボットの仮想３次元モデルが配置された仮想空間内に配置し、前記ロボットの動作シミュレーションを行うように構成されたロボットシミュレーション装置。

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