JP6497086B2 - 切削装置 - Google Patents

Description

本発明は、切削装置に関し、さらに詳しくは、被加工物に形成された溶接ビード等の突起物を切削するための切削装置に関する。

溶接を経て金属製品を製造する場合、溶接部には溶接ビードが形成される。生じた溶接ビードは、他の部材との干渉を避ける等の目的で、切削、研磨等によって除去されることが多い。

例えば、トラックをはじめとする大型車両の後車軸等を収容するのに用いられるアクスルハウジングを製造する際、特許文献１，２に記載されるように、２つに分割して成形した本体部を溶接によって接合するとともに、三角板と称される別部材を溶接によって取り付ける（図２（ａ）参照）。その後、本体部の接合部および三角板の取り付け部の溶接箇所において、切削や研磨によって、溶接ビードを除去する。

特開平７−３２８７６５号公報 特開２０１０−２４７７６５号公報

上記のように、金属製品において、溶接ビードのような突起物を切削するに際し、ＮＣ旋盤やマシニングセンタ等の工作機械を用いて切削を行うことが多い。このような工作機械を用いる場合に、工具の回転速度や切込み深さ、送り速度等のパラメータを設定する必要がある。一般には、これらのパラメータは、作業者が被加工物を目視で観察することで見積もった切削すべき突起物の突出量や、金属製品を構成する金属材料の種類等を勘案して、作業者が決定する。

しかし、このように、切削時のパラメータを作業者が決定する場合には、切削作業に要する労力が大きくなる。また、適切にパラメータを決定するためには、作業者の熟練を要するため、特に作業者の経験が浅い場合等に、過不足なく突起物の切削を行うことができるパラメータを適切に選択できるとは限らない。また、同種の製品を多数製造する場合に、突起物の突出量や面積が製品個体ごとに一定であるとは限らず、製品の全体形状にもばらつきが存在するため、個体間で同じパラメータを適用して切削を行っても、同じ仕上がりが得られるとは限らない。個体ごとの突起物の形状に応じて、パラメータを適切に設定し、適用することが望まれる。

本発明が解決しようとする課題は、溶接ビードのような突起物を切削する切削装置において、突起物の形状に応じた切削条件を適用することができる切削装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にかかる切削装置は、切削工具を備え、被加工物の表面に形成された突起物を切削する加工部と、前記突起物の突出量および面積を含む形状を光学測定によって計測する計測部と、前記計測部によって計測された前記突起物の形状をもとに、前記加工部における切削条件を設定する制御部と、を有することを要旨とする。

また、前記加工部は、ロボットアームを備え、前記ロボットアームには、前記切削工具と、前記切削工具を駆動する工具駆動源とが取り付けられ、前記制御部は、前記計測部の計測結果に基づいて、前記工具駆動源の駆動条件と前記ロボットアームの運動条件を設定することが好ましい。この場合、前記計測部は、前記ロボットアームに取り付けられているとよい。さらに、前記切削装置は、前記ロボットアームを複数備え、該複数のロボットアームのそれぞれに、前記切削工具と前記工具駆動源とが取り付けられ、該複数のロボットアームの１つに前記計測部が取り付けられ、前記制御部は、該１つの計測部の計測結果に基づいて、全工具駆動源の駆動条件と全ロボットアームの運動条件を設定するものであるとよい。また、前記制御部は、前記切削工具による切削中に、前記工具駆動源の負荷と、前記ロボットアームの運動を駆動するロボット駆動源の負荷との少なくとも一方より選択される被監視負荷を監視し、前記被監視負荷が閾値に達すると、前記工具駆動源および前記ロボット駆動源の少なくとも一方の駆動条件を変更し、前記被監視負荷が前記閾値を超えないように制御することが好ましい。

また、前記計測部は、光切断法によって計測を行うことが好ましい。そして、前記計測部は、前記加工部によって前記突起物の切削を行った後にも、前記被加工物の表面の計測を行い、前記制御部は、該計測の結果に基づいて、前記被加工物の表面が所定の平滑度に達しているかどうかを判定することが好ましい。この場合に、前記被加工物の表面が、前記所定の平滑度に達していない場合には、再度切削を行うものであるとよい。そして、前記加工部は、前記切削工具を含む複数種の工具を交換可能に備え、前記制御部は、前記被加工物の材質、前記突起物の形状、前記被加工物の表面の平滑度、目標とされる平滑度から選択される少なくとも１つのパラメータに応じて、前記複数種の工具のうちの少なくとも１つを選択して加工を行うことが好ましい。

上記発明にかかる切削装置においては、計測部によって突起物の形状を実際に測定したうえで、その計測結果に基づいて、制御部が切削装置の切削条件を設定する。これにより、突起物の実際の形状に応じて、切削条件を自動的に選択することができる。作業者が切削条件を逐一設定する必要もない。また、突起物の形状に応じて、適切な切削条件を設定することで、加工部の振動や切削工具の損傷等の不具合を回避しながら、高速回転等の種々の条件で切削工具を使用し、多様な切削の形態を提供することができる。

さらに、計測部が、被加工物全体の表面形状を計測し、突起物の形状に加え、被加工物全体における突起物の位置を計測する場合には、作業者が、被加工物全体において切削を行う位置を指定しなくても、高精度に突起物を切削することができる。

また、加工部が、ロボットアームを備え、ロボットアームに、切削工具と、切削工具を駆動する工具駆動源とが取り付けられ、制御部が、計測部の計測結果に基づいて、工具駆動源の駆動条件とロボットアームの運動条件を設定する場合には、加工部を簡素な構成としながら、大型の被加工物であっても、突起物の切削を行うことが可能となる。

この場合、計測部が、ロボットアームに取り付けられていれば、少なくともロボットアームの可動範囲において、計測部が被加工物の表面形状の測定を行うことができるので、被加工物が大型であっても、その表面の広い領域にわたり、突起物の形状を計測し、それに応じた切削条件の設定を行うことができる。

さらに、切削装置が、ロボットアームを複数備え、該複数のロボットアームのそれぞれに、切削工具と工具駆動源とが取り付けられ、該複数のロボットアームの１つに計測部が取り付けられ、制御部が、その１つの計測部の計測結果に基づいて、全工具駆動源の駆動条件と全ロボットアームの運動条件を設定するものである構成によれば、複数のロボットアームを用いることで、切削を短時間で行うことや、１台のロボットアームでは切削を行うことが困難な大型の被加工物の切削を行うことが、可能となる。この際、計測部は１つのみとし、その計測結果に基づいて全ロボットアームおよび工具駆動源を制御することで、切削装置全体の構成を簡素なものとすることができる。

また、制御部が、切削工具による切削中に、工具駆動源の負荷と、ロボットアームの運動を駆動するロボット駆動源の負荷との少なくとも一方より選択される被監視負荷を監視し、被監視負荷が閾値に達すると、工具駆動源およびロボット駆動源の少なくとも一方の駆動条件を変更し、被監視負荷が閾値を超えないように制御する場合には、過剰な負荷による工具駆動源やロボット駆動源への影響を回避しながら、安定して突起物の切削を行うことができる。

また、計測部が、光切断法によって計測を行う場合には、突起物を有する被加工物の表面の形状を、簡便に、精度よく計測することができる。

そして、計測部が、加工部によって突起物の切削を行った後にも、被加工物の表面の計測を行い、制御部が、該計測の結果に基づいて、被加工物の表面が所定の平滑度に達しているかどうかを判定する場合には、切削を行う前の突起物の形状の認識と、切削後の被加工物の表面の状態の検査の両方を、同一の計測部を用いて行うことができる。

この場合に、被加工物の表面が、所定の平滑度に達していない場合に、再度切削を行うものであれば、平滑度を確認するために行った計測の結果を利用して、残存する突起物の形状を認識したうえで、再度の切削を行うことができる。この工程を繰り返すことで、所望の平滑度が得られるまで、突起物の切削を繰り返すことができる。

そして、加工部が、切削工具を含む複数種の切削工具を交換可能に備え、制御部が、被加工物の材質、突起物の形状、被加工物の表面の平滑度、目標とされる平滑度から選択される少なくとも１つのパラメータに応じて、複数種の工具のうちの少なくとも１つを選択して加工を行う場合には、多様な被加工物、突起物に対して、同一の切削装置を用いて、切削を含む機械加工を行うことができる。

本発明の一実施形態にかかる切削装置の概略を示す斜視図である。 （ａ）溶接ビードを有するアクスルハウジングを示す斜視図と、（ｂ）溶接ビードの断面を示す模式図である。 上記切削装置の制御様式を示すフロー図である。 アクスルハウジングにおける計測点を示す斜視図である。 表面形状の計測方法を示す説明図であり、（ａ）センシング軌跡の設定、（ｂ）基準点の設定、（ｃ）高さの計測、（ｄ）高さのずれの算出の各工程を示している。 切削工具の回転数および１刃あたり送り速度と切削の可否との関係についての評価結果を示す図である。 フィードバック制御の方法を示す説明図であり、（ａ）は切削工具の送り速度、（ｂ）は回転数、（ｃ）は切込み深さを変更する制御を示している。図中実線はサーボモータおよびスピンドルモータの電流値（左軸）を示し、破線は送り速度、回転数、切込み深さ（右軸）を示している。

以下、本発明の一実施形態にかかる切削装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［切削装置の構造］
図１に、本発明の一実施形態にかかる切削装置１の概略を示す。本切削装置１は、固定台３に据え付けられた被加工物７の表面の切削を行うものである。

切削装置１は、２台のロボットアーム１０ａ，１０ｂを有している。ロボットアーム１０ａ，１０ｂはそれぞれ、６軸を有し、それぞれの軸が、ロボット駆動源としてのサーボモータ（１１等）によって駆動される。ロボットアーム１０ａ，１０ｂは、ティーチングによって運動（位置および姿勢の変化）に関する指令を記憶し、その指令を順次呼び出すことで、所定の運動を順次行うことができる。

２台のロボットアーム１０ａ，１０ｂの先端には、それぞれ、工具駆動源としてのスピンドルモータ１２が取り付けられ、それぞれのスピンドルモータ１２の出力軸に、例えばフェースミルカッター等の切削工具１３が結合されている。２台のロボットアーム１０ａ，１０ｂは、第一のロボットアーム１０ａが被加工物７の右半分の領域を切削し、第二のロボットアーム１０ｂが被加工物７の左半分の領域を切削するというように、それぞれの可動範囲に応じて、被加工物７の異なる領域を切削し、協働して被加工物７の全領域を切削することができる。また、各ロボットアーム１０ａ，１０ｂは、複数種の切削工具１３を備えていてもよく、さらにグラインダや研磨ディスクをはじめとする研磨工具等、別の種類の工具を備えていてもよい。その場合には、自動工具交換装置（ＡＴＣ）を備え、それらの間で１つを選択して使用するようにすればよい。

さらに、２台のロボットアーム１０ａ，１０ｂのうち、第一のロボットアーム１０ａには、先端部に、スピンドルモータ１２と隣接させて、形状計測装置１４が取り付けられている。形状計測装置１４は、光学測定によって、表面の各部位の高さをマッピングすることで、金属表面の形状を計測する装置である。形状計測装置１４としては、例えば、被加工物７の表面にライン状のレーザー光を出射し、光切断方式によって２次元面上で距離測定を行う計測装置を例示することができる。

切削装置１には、さらに、コンピュータ等よりなる制御部（不図示）が設けられている。制御部は、形状計測装置１４を制御して、被加工物７の表面の形状を計測させるとともに、計測データを処理し、その計測データに基づいて、２台のロボットアーム１０ａ，１０ｂの各サーボモータ１１、および各スピンドルモータ１２の駆動を制御する。これにより、制御部は、計測された被加工物７の表面形状に基づいて、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの運動と、切削工具１３の回転を制御する。

［被加工物］
本実施形態にかかる切削装置１を用いて切削加工を施される被加工物７は、溶接ビード、バリ、材料の歪み等、除去されるべき突起物７４を表面に有する主に金属製の部材であれば、どのようなものであってもかまわない。

ここでは、被加工物７の例として、アクスルハウジング５を扱う。アクスルハウジング５は、トラック等の大型車両の後車軸部等に用いられ、車軸およびディファレンシャルギア等を収容する。図２に示すように、アクスルハウジング５は、胴部５１と筒状部５２を本体部としてなっており、胴部５１は、鋼板が半筒形（断面略Ｕ字形又は断面略コの字形）に曲げられ、略円環状に膨出形成されたものであり、ディファレンシャルギアを収容する。そして、胴部５１の両端部に、車軸が挿通される中空の筒状部５２が形成されている。胴部５１と筒状部５２の間に形成されている空隙部には、略三角形の三角板５３が取り付けられている。アクスルハウジング５の本体部は、２つの分割部材から製造される。つまり、胴部５１の円環形状および筒状部５２の筒形状を半分に分割した分割部材を２つ製造し、それらの端縁を突き合せて溶接することで、本体部が形成される。その後、胴部５１と筒状部５２の間の部位に、三角板５３が配置され、本体部と三角板５３の間の部位が溶接される。

このように形成されたアクスルハウジング５には、２つの分割部材の接合部および本体部と三角板５３の間の部位に、溶接ビード５４が略Ｙ字状に形成されている。これらの溶接ビード５４は、後の工程で本体部に取り付けられる部材との干渉を防止する等の観点から、できる限り平坦に除去することが望まれる。そこで、上記実施形態にかかる切削装置１を用いて、これらの溶接ビード５４を切削する。

切削装置１において切削を行うに際し、被加工物７は、切削工具１３の運動に伴って振動しないように、保持具によって、固定台３の上に保持される。被加工物７がアクスルハウジング５である場合について、図１に示した例では、保持具は、２つの端部保持具３１ａ，３１ａと、４つの中途保持具（３１ｂ，３１ｂおよび胴部５１の中心に対しそれらと対称に配置された図１では表示されない２か所）によって、固定台３に保持されている。端部保持具３１ａがアクスルハウジング５を上方に押し上げる一方、中途保持具３１ｂがアクスルハウジング５を下方に向かって固定台３に押し付けており、アクスルハウジング５は、上下に撓ませられた状態で保持されている。撓みによって印加される外力と反力が釣り合うことで、アクスルハウジング５が強固に固定台３上で保持され、振動を受けにくくなっている。

［切削装置の運転］
上記のような構成を有する切削装置１は、以下で説明するように運転され、アクスルハウジング５等の被加工物７において、溶接ビード５４等、表面の突起物７４の形状の計測と切削を行う。

（１）各工程の概要
図３に、本切削装置１における制御様式を表したフロー図を示す。まず、ステップＳ０〜Ｓ３において、切削加工の準備を行う。つまり、ステップＳ０の工番設定工程において、作業者が制御部に被加工物７の種類、材質等、被加工物７に関する情報（品種等）の入力を行う。そして、ステップＳ１において、被加工物７（ワーク）を固定台３に据え付ける。また、切削工具１３等に適切な工具を取り付ける。この際、切削加工だけではなく、研磨加工を行う可能性がある場合には、自動工具交換装置を利用して、研磨工具に取り替えられるようにする。それとともに、ステップＳ２において、制御部が、切削加工のタイプを設定する。つまり、ステップＳ０の工番設定で品種を設定した被加工物７の形状によって、切削タイプ別のプログラムを判断し、ベースプログラムとして設定する。そして、ステップＳ３において、切削プログラムの自動計算を行う。つまり、ステップＳ２で設定したベースプログラムを用いて、ステップＳ０で工番設定した品種の形状データベースから得られる各部位の寸法（数値）から、実際にロボットアーム１０ａ，１０ｂが移動する座標を自動計算させる。これによって、切削プログラムおよび計測プログラムを自動的に作成する。

次に、ステップＳ４において、突起物７４の形状の計測を行う。つまり、制御部が形状計測装置１４とロボットアーム１０ａ，１０ｂのサーボモータ１１を制御し、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの運動を利用して被加工物７の表面全体にレーザー光をスキャンしながら、被加工物７の表面形状を計測させる。これにより、突起物７４の形状と位置が検知される。計測方法の詳細については、後述する。

そして、ステップＳ５において、制御部は、計測された突起物７４の位置と形状に応じて、切削条件、つまり、ロボットアーム１０ａ，１０ｂのサーボモータ１１およびスピンドルモータ１２を駆動制御するためのパラメータを、自動的に計算する。具体的には、被加工物７の表面上において、検出された突起物７４が存在する位置に切削工具１３が配置されるように、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの位置を指定するとともに、それぞれの位置において突起物７４を削るのにふさわしい切削工具１３の回転速度、送り速度（切削方向へ切削工具１３を移動させる速度）、切込み深さ（切削工具１３を被加工物７に接触させる深さ）の各切削条件を、ステップＳ３で呼び出したテーブルまたは関係式に基づいて算出する。さらに、それらの切削条件を実現するために必要なサーボモータ１１、スピンドルモータ１２の駆動条件を算出する。つまり、設定された切削工具１３の回転速度そのものが、スピンドルモータ１２の回転速度とされ、設定された送り速度および切込み深さを与えるように、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの位置、運動速度、そして運動方向が定められる。なお、ここで、突起物７４を切削する位置は、±３ｍｍ以内の誤差範囲に収まるように定められる。また、スピンドルモータ１２の出力は、定格の１００％以内となる範囲内で定められる。さらに、各種切削条件は、後述するように、事前の試験によって定めておいた、切削工具１３の損傷や被加工物７およびロボットアーム１０ａ，１０ｂの振動（びびり振動）を回避しながら切削加工を行うことができる範囲内で規定される。

切削条件の計算が済むと、ステップＳ６において、切削の可否を判断する。これは、制御部が、異物の侵入があるかどうかや、被加工物７の据え付けが正しく行われているかどうか等、異常の有無を判断する工程である。異常が発見されず、切削の開始が可能であると判断すると（ステップＳ６でＯＫ）、制御部は、ステップＳ１０において、ステップＳ５で既に算出されている各切削条件に従ってサーボモータ１１やスピンドルモータ１２が実際に動作できるように、切削装置１の構成部材に対して各種設定を行う。これには例えば、ロボットアーム１０ａ，１０ｂへのティーチングが含まれる。

一方、ステップＳ６で異常を発見し、切削を開始することが不可であると判断すると（ステップＳ６でＮＧ）、制御部は、ステップＳ７において、切削装置１の各設備を一時停止し、警告表示等で作業者に異常の確認を促す。これにより、ステップＳ８で作業者が目視等で異常の有無を確認する。この際、被加工物７を入れ替えなければならないほどの異常が発見されれば（ステップＳ８でＮＧ）、ステップＳ９で、作業者が被加工物７の入れ替えを行い、ステップＳ１に回帰する。ステップＳ８で、作業者が異常がないと判断した場合や、軽微な異常を発見してその異常を修復した場合には（ステップＳ８でＯＫ）、作業者は制御部を操作し、ステップＳ１０の切削条件の自動設定を開始させる。

ステップＳ１０で切削条件が設定されると、ステップＳ１１で、その切削条件に従って切削が開始される。すなわち、ロボットアーム１０ａ，１０ｂによって、被加工物７の表面において突起物７４が存在している位置に切削工具１３が配置され、その位置における突起物７４の形状に応じた回転速度と送り速度、切込み深さを与えるように、スピンドルモータ１２が回転し、ロボットアーム１０ａ，１０ｂが運動する。

このようにして切削が進行している間、ステップＳ１２において、切削状況の監視が行われる。つまり、制御部は、スピンドルモータ１２と各サーボモータ１１の負荷として、これらに流れる電流値を測定し、それぞれ、過負荷状態となる臨界値としてあらかじめ定めておいた閾値を超えないかどうかを監視する。もし、これらの負荷が閾値を超えることがなければ（ステップＳ１２でＯＫ）、そのまま切削が継続され、ステップＳ５で設定された全領域の切削が終了すると、ステップＳ１３で切削が完了される。

一方、ステップＳ１２で、監視しているスピンドルモータ１２および各サーボモータ１１のいずれか少なくとも一方の負荷が、閾値を超えると（ステップＳ１２でＮＧ）、ステップＳ１９で、フィードバック制御が行われる。このフィードバック制御の詳細については後述するが、スピンドルモータ１２および各サーボモータ１１の負荷が閾値以下の値となるように、切削工具１３の回転数、送り速度、切込み速度の少なくとも１つを変更する制御を行う。もしこのようなフィードバック制御を行っても、過負荷状態を解消できなければ（ステップＳ１９でＮＧ）、ステップＳ７に回帰し、切削装置１の各部の運転を一時的に停止したうえで、被加工物７や切削工具１３の状態が適当であったかを作業者が確認し、適宜交換等を行う。

一方、ステップＳ１９でフィードバック制御を正常に行うことができ、スピンドルモータ１２とサーボモータ１１の過負荷状態を解消することができる場合には（ステップＳ１９でＯＫ）、フィードバック制御を行いながら、切削が進行される。そして、ステップＳ１３で切削が完了される。

以上のように、フィードバック制御を経て、あるいはフィードバック制御を経ずに、ステップＳ１３で切削が完了されると、ステップＳ１４で、切削モードから検査モードへ移行され、切削を経た被加工物７の検査が行われる。すなわち、制御部は、形状計測装置１４を制御し、ステップＳ４における切削前の形状計測と同様に、被加工物７の表面全体にレーザー光をスキャンし、被加工物７の表面の形状を計測させる。そして、切削工程において切削した突起物７４、あるいは突起物７４が存在していた部位について、被加工物７本体の表面からの突出量が基準値Ｃｒ（例えば０．５ｍｍ）以上となっていれば（ステップＳ１５で、≧Ｃｒ）、突起物７４の切削が不十分であると判断し、ステップＳ１１に戻って、再度切削が行われる。このようにして、突起物７４の突出量が基準値Ｃｒ未満となるまで、ステップＳ１１の切削工程と、ステップＳ１５の検査工程とを含むサイクルが繰り返される。ステップＳ１５の検査工程において、突起物７４の突出量が基準値Ｃｒ未満となっていれば（ステップＳ１５で、＜Ｃｒ）、切削が十分であると判断され、ステップＳ１６に移る。

ステップＳ１６においては、研磨加工を行うかどうかを選択する。例えば、被加工物７がアクスルハウジング５である場合、筒状部５２に対して研磨加工が行われる場合がある。ステップＳ１６では、作業者が制御部を操作して研磨加工を行うかどうかを選択してもよいし、ステップＳ０およびＳ２で設定した被加工物７および加工のタイプに基づいて、制御部が自動的に判断を行ってもよい。研磨加工を行わない場合には（ステップＳ１６でＮｏ）、ステップＳ２０で被加工物７の加工を完了する。一方、研磨加工を行う場合には（ステップＳ１６でＹｅｓ）、ステップＳ１７で、自動工具交換装置を用いて、使用する工具を切削工具１３から研磨工具に交換する。そして、ステップＳ１８で研磨を行い、ステップＳ２０で被加工物７の加工を完了する。

以上、本実施形態にかかる切削装置１を用いた制御と加工の順序について説明した。以下に、それらの中で主要な工程の詳細について、説明を行う。

（２）突起物の形状計測
図３のステップＳ４およびＳ１５において、形状計測装置１４を用いて、被加工物７の表面の形状計測を行い、突起物７４の形状を検出する。既述のように、形状計測装置１４は、光学測定によって、被加工物７の表面の形状を検出するものであり、例えば、光切断法を原理として用いる。この場合、形状計測装置１４から、被加工物７の表面に略垂直に、ライン状のレーザー光を照射する。そして、被加工物７の表面で反射されたレーザー光を、形状計測装置１４に設けた撮像装置で検出し、公知の光切断法における画像処理法を適用することで、レーザー光が照射されたライン上の各点について、形状計測装置１４からの距離を検出することができる。第一のロボットアーム１０ａをレーザー光のラインと直交する方向にスキャンしながら測定を行うことで、被加工物７の表面全体の凹凸形状をマッピングすることができる。これにより、溶接ビード５４等、被加工物７の表面に形成された突起物７４の形状を知ることができる。さらに、被加工物７の端縁（アクスルハウジング５の場合は、筒状部５２の端面５２ａ）等の位置を検出し、その位置を基準とすることで、被加工物７全体において突起物７４が形成されている位置を明らかにすることもできる。被加工物７がアクスルハウジング５である場合に、２つの分割部材が突き合わされて溶接された筒状部５２上の溶接ビード５４に略直交するように、レーザー光のラインが照射され、筒状部５２の軸に沿ってスキャンされる。

このように、光学計測を用いて、突起物７４の三次元的形状を知ることができる。例えば突起物７４が溶接ビード５４である場合、切削条件の決定に際して大きな影響を与えるパラメータとして、以下の各パラメータに特に注目して、溶接ビード５４の形状を認識すればよい。

図２（ｂ）に、溶接ビード５４が形成されたアクスルハウジング５の筒状部５２について、レーザー光のラインに沿った断面を模式的に示す。まず、溶接ビード５４の突出量を見積もる基準面として、溶接ビード５４が形成されていない筒状部５２（または胴部５１）の表面の高さ、つまり形状計測装置１４からの距離を求める。具体的には、溶接ビード５４の両脇の部位において筒状部５２の高さＬ１，Ｌ３を求め、高い（形状計測装置１４までの距離が短い）方の値を、母材の高さとして抽出する。なお、実際には、レーザー光をスキャンすることで、三次元的に距離の計測を行っているので、溶接ビード５４を囲むよう測定した複数の点の高さのうち、最も高いものを母材の高さとして抽出する。次に、溶接ビード５４の頂部５４ａの高さＬ２を求める。さらに、例えば筒状部５２の一方の端面５２ａ等、基準点の位置を定めたうえで、その基準点に対する溶接ビード５４の頂部５４ａの位置Ｘ１を求める。加えて、溶接面積Ｓ、つまり溶接ビード５４の面積Ｓを見積もる。これは、筒状部５２の表面から突出している溶接ビード５４の領域が、筒状部５２の表面に占める面積として見積もる。これらのパラメータを求めることで、この断面の位置においては、位置Ｘ１を中心として、面積Ｓの範囲にわたり、高さＬ２の点から、突出量Ｈ（＝Ｌ１−Ｌ２またはＬ３−Ｌ２）だけ、溶接ビード５４を切削すればよいことになる。

１か所の断面における突起物７４の形状の測定と、切削量の見積もりは、上記のようにして行うことができるが、溶接ビード５４をはじめとする突起物７４の形状は、溶接条件等、突起物７４が形成される際の条件のばらつきや、被加工物７の母材をプレス成形等によって加工する際のスプリングバック等、材料応力に起因する母材自体の歪みによって、位置ごとに異なる。そこで、形状計測装置１４によるレーザー光の照射位置を被加工物７の表面でスキャンすることで、照射位置ごとに上記Ｌ１〜Ｌ３、Ｘ１、Ｓのような突起物７４の形状および位置を特定するためのパラメータを求め、切削すべき位置と量を見積もる。

具体例として、図４のようなアクスルハウジング５の溶接ビード５４の形状を計測する場合を示す。まず、図４のＰ１〜Ｐ６のように、形状計測を行うべき計測点を設定する。そして、図５（ａ）のように、歪みのない理想的な平面を有する母材と、ばらつきのない溶接条件で一定の高さに形成された溶接ビード５４を有する設計値を想定し、その表面から所定の基準高さ（例えば１００ｍｍ）の高さにある仮想線をセンシング軌跡として設定する。さらに、そのセンシング軌跡を、第一のロボット１０ａにティーチングにより記憶させる。

次に、図５（ｂ）に示すように、形状計測装置１４を用いて、例えば計測点Ｐ２と計測点Ｐ３の中点のように、基準点Ｐｓを設定、検出する。そして、この基準点Ｐｓの高さが基準高さ（１００ｍｍ）となるように、第一のロボットアーム１０ａにより、形状計測装置１４を配置する。

そして、上記で記憶させたセンシング軌跡に沿って、第一のロボットアーム１０ａを運動させ、レーザー光をスキャンしながら、各計測点Ｐ１〜Ｐ６の高さを実際に計測する。図５（ｃ）に、計測結果の一例を示す（図４のＡ−Ａ断面）。計測点Ｐ１で９９．４ｍｍ、計測点Ｐ２で９９．８ｍｍ、計測点Ｐ３で１００．８ｍｍ、…というように、各点における計測結果は、設計どおりにアクスルハウジング５の製造、溶接が行われている場合の値である１００ｍｍからずれている。

さらに、図５（ｄ）のように、各計測点Ｐ１〜Ｐ６について、基準点Ｐｓに対する高さのずれを算出する。上記の例では、計測点Ｐ１で−０．６ｍｍ、計測点Ｐ２で−０．２ｍｍ、計測点Ｐ３で＋０．８ｍｍ、…となる。そして、基準点Ｐｓにおいて溶接ビード５４を切削する量を設定したうえで、各点Ｐ１〜Ｐ６において、図５（ｄ）に示した高さのずれの分だけ、切削工具１３の刃先の高さを変更しながら、切削を行えばよいことになる。つまり、計測点Ｐ１、Ｐ２，Ｐ３の位置を切削する際には、基準点Ｐｓを切削する時に比べ、切削工具１３の刃を、それぞれ、０．６ｍｍ上方、０．２ｍｍ上方、０．８ｍｍ下方に移動させて切削を行えばよいことになる。なお、計測点と計測点の間の領域においては、線形補間等を用い、高さのずれを適宜算出すればよい。

（３）切削条件の選択
上記のように、被加工物７上の各点において切削すべき突起物７４の量を見積もった後、図３のステップＳ５において、そのような切削を適切に実現できるように、切削工具１３の種類（材質、カッタ刃径、カッタ刃数等）に加え、切削工具１３の回転速度、送り速度、切込み深さ等の切削条件を定める必要がある。これは、例えば、切削を想定している突起物７４と同種の材料を用いて、種々の突出量Ｈおよび溶接面積Ｓを有するモデル突起物を形成し、様々な切削条件で切削を行い、適切に切削を行うことができる切削条件を探索することによって行えばよい。そして突起物７４の突出量Ｈおよび溶接面積Ｓと、得られた適切な切削条件との関係をテーブルまたは関係式として、制御部に記憶させておけばよい。ここで、適切に切削を行うことができるとは、切削工具１３の損傷や切削中のロボットアーム１０ａ，１０ｂの振動等、切削の進行を妨げる現象を避けながら、突起物７４を所望の平滑度が得られるまで問題なく切削することができる状態を指す。

ある突出量Ｈと溶接面積Ｓを有する突起物７４を問題なく切削することができる切削条件にはある程度の幅があると考えられるが、その限界は、主に切削工具１３の損傷とロボットアーム１０ａ，１０ｂの振動によって規定される。例えば、切削工具１３の損傷は、切削時の切削抵抗Ｒが大きいほど起こりやすい。切削抵抗Ｒは、切削する物質に固有の比切削抵抗をＫｓ、切削断面積（単位時間あたりに切削される面積）をＡとして、
Ｒ＝Ｋｓ×Ａ （式１）
と表される。ここで、切削工具１３の刃数、切込み深さ、送り速度を一定とすると、切削工具１３の１刃あたりの送り速度は、切削工具１３の回転数に反比例し、その結果、切削断面積Ａも切削工具１３の回転数に反比例する。よって、１刃あたりの送り速度に対する比切削抵抗Ｋｓの若干の依存性はあるものの、切削工具１３の回転数を上げるほど、切削抵抗Ｒが小さくなるという傾向が見られる。

図６に、フェースミルカッターの回転速度および送り速度を変化させながら、高張力鋼（５５ｋｇｆ／ｍｍ^２ハイテン鋼）をガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ（ＪＩＳ ＹＧＷ１１）で溶接して形成した溶接ビード５４を切削した際の、切削の可否についての評価結果を示す。ここでは、横軸をカッターの回転速度とし、縦軸を１刃あたりの送り速度（＝送り速度／（回転速度×刃数））として、良好に切削を行うことができた場合を○、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの振動が大きくて切削が行えなかった場合を▲、工具の摩耗によりコーティングの剥がれが見られた場合をハッチング入りの○で示している。なお、刃径および刃数が異なる複数のメーカーのカッターを用いて評価を行ったが、全ての結果を同じグラフに表示している。

図６を見ると、回転速度が５０００ｒｐｍ未満ではロボットアーム１０ａ，１０ｂの振動が大きく、切削が行えなかったのに対し、回転速度が５０００ｒｐｍ以上では、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの振動が小さく、切削を良好に行うことができた。また、１刃あたりの送り量を０．０５ｍｍ／ｓ未満とした場合には、工具の摩耗により、コーティングが剥がれ始め、工具が使用できなくなったのに対し、０．０５ｍｍ／ｓ以上とすれば、カッターの刃の摩耗が小さく抑えられ、切削を良好に行うことができた。以上より、この試験で用いたのと同じ材料に対して、同じロボットアーム１０ａ，１０ｂを用いて切削を行う場合に、カッターの刃径および刃数によらず、回転速度が５０００ｒｐｍ以上、１刃あたりの送り速度が０．０５ｍｍ／ｓ以上の範囲で切削条件を選択すれば、刃の摩耗およびロボットアーム１０ａ，１０ｂの振動を避けて、良好な切削を行うことができる。

（４）フィードバック制御
切削を行っている間に、図３のステップＳ１２で切削状況の監視を行い、もし切削工具１３の回転を駆動するスピンドルモータ１２およびロボットアーム１０ａ，１０ｂの運動を駆動する各サーボモータ１１の少なくとも１つの負荷（被監視負荷）が、閾値を超えると、ステップＳ１９でフィードバック制御が行われ、過負荷状態が解消される。このフィードバック制御の一例をここで説明する。

図７（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、あるサーボモータ１１に流れる電流が閾値Ｔｈ１に達したのが検出されると、制御部は、一旦ロボットアーム１０ａ，１０ｂによる切削工具１３の送り運動を停止し、切削を中断する。そして、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの運動速度を変更することで、切削工具１３の送り速度を、もとよりも小さい（遅い）値に変更する。そのうえで、送り運動を開始し、切削を再開する。送り速度を小さくすると、切削断面積Ａが小さくなり、切削抵抗Ｒが下がる（式１参照）。よって、サーボモータ１１の負荷が低減される。

一方、図７（ｂ）のように、時刻ｔ２において、スピンドルモータ１２に流れる電流が閾値Ｔｈ２に達したのが検出されると、制御部は、スピンドルモータ１２の回転速度を上げる（速くする）。この際、切削工具１３の送り速度はもとのまま維持され、切削は継続される。切削工具１３の回転速度を上げると、工具１刃あたりの送り速度が下がり、切削断面積Ａが小さくなるので、切削抵抗Ｒが下がる（式１参照）。これにより、スピンドルモータ１２の負荷が低減される。

スピンドルモータ１２に流れる電流が閾値Ｔｈ２に達した際、図７（ｂ）のようにスピンドルモータ１２の回転数を上げる代わりに、あるいは、スピンドルモータ１２の回転数を上げてもスピンドルモータ１２の負荷が閾値を下回らない場合に、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの位置および／または運動速度を変更することで、図７（ｃ）のように、切削工具１３の切込み深さを浅くすればよい。この際、切削工具１３の送り速度はもとのまま維持され、切削は継続される。切込み深さを浅くすると、切削断面積Ａが小さくなるので、切削抵抗Ｒが下がる（式１参照）。これにより、スピンドルモータ１２の負荷が低減される。

［切削装置の特性］
上記実施形態にかかる切削装置１においては、形状計測装置１４を用いた光学測定によって突起物７４の形状を認識したうえで、その形状を有する突起物７４を切削するのに好適な切削条件を設定し、突起物７４の切削を行う。よって、切削工具１３の損傷や、ロボットアーム１０ａ，１０ｂをはじめとする切削装置１を構成する部材の振動による切削性の低下を防止しながら、突起物７４を適切な切削条件で切削することができる。突起物７４の目視等によって作業者が切削条件を判断する必要がないので、作業者の熟練の程度によらず、同様の仕上がりを得ることができる。

また、従来のように、作業者が切削条件を判断して切削を行う場合には、切削のみで突起物７４を完全に除去できるように切削条件を定めることが難しく、切削によって除去しきれなかった突起物７４を、グラインダ等の研磨工具を用いて、手作業で除去していた。しかし、上記の切削装置１においては、所望の平滑度に達するように、計測された突起物７４の正確な形状に基づいて切削パラメータを設定すれば、このような手作業による仕上げを必要とせず、突起物７４の除去工程を簡素化することができる。加えて、手作業時の粉塵や騒音等による作業環境の悪化を排除することができる。

さらに、上記実施形態にかかる切削装置１においては、被加工物７全体において、突起物７４の形状を測定したうえで、各部位ごとに切削条件を決定して切削を行うので、突起物７４の形状や被加工物７本体の形状にばらつきがあっても、突起物７４を適切な条件で切削することができる。また、突起物７４の形状の測定を、光学測定を用いて非接触で行っているので、計測工程によって、被加工物７の表面に跡が残ったり、切削工程等、別の工程に影響を及ぼしたりすることが起こりにくい。特に、計測に光切断法を用いることで、簡便な構成で、被加工物７の表面の凹凸形状を精度よく計測することができる。

また、突起物７４の形状を計測する際に、特に突出量Ｈと溶接面積Ｓに注目して計測を行うことで、切削すべき材料の量を、簡便に定めることができる。また、突起物７４の形状に加え、端面５２ａ等を基準として、被加工物７全体における突起物７４の位置Ｘ１を計測することで、作業者が切削を行う位置を指定する必要なく、突起物７４が存在する位置を的確に切削することができる。

形状計測装置１４による突起物７４の形状計測を切削加工の前に一度のみ行い、その計測結果に従って切削加工を実行して、加工を終了してもよいが、図３のステップＳ１５のように、切削加工の完了後に、再度形状計測装置１４を用いて被加工物７の表面形状を測定することが好ましい。これにより、行った切削加工によって所望の平滑度が達成できているかを確認することができる。所望の平滑度が達成されていない場合には、その計測結果をもとに、再度切削条件を定め、切削を行うことが好ましい。このように、形状計測と切削加工のサイクルを繰り返して行うことで、同一の形状計測装置１４を用いて切削条件の決定と切削後の被加工物７の表面状態の確認の両方を行いながら、所望の平滑度に達するまで切削を行うことができる。なお、このサイクルによって切削を複数回行う場合に、突起物７４の形状に基づいて切削条件を決定するためのテーブルまたは関係式として、毎回同じものを用いてもよいし、１回目は突起物７４の大部分を削り取れるように高速で切削するが、２回目以降は、表面の平滑度を上げるべく低速で切削するというように、サイクルごとに別のテーブルや関係式を用いてもよい。

上記形状計測装置１４のような計測部を用いて突起物７４の形状を測定し、その計測結果に基づいて制御部で自動的に切削条件を設定する構成は、ロボットアーム１０ａ，１０ｂを有するような加工部に限らず、任意の形態の加工部を有する切削装置に組み込むことができる。そのような切削装置としては、ＮＣ旋盤やマシニングセンタ等が考えられる。しかし、既存のそれらの装置に、被加工物７全体の表面形状を計測できるような計測部を設け、しかもその計測結果に基づいて自動的に切削条件を設定できるようにすることは困難であり、また大きなコストを有する。そもそも、上記アクスルハウジング５のような大型の被加工物７を、これらの装置に収容して切削すること自体も困難である。これに対し、上記のように、ロボットアーム１０ａ，１０ｂを用いて加工部を構成し、計測部もロボットアーム１０ａ，１０ｂに設けるようにすれば、簡便で自由度の高い構成で、計測部および制御部を導入することができる。

上記のように、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの先端に切削工具１３とともに形状計測装置１４を取り付けておけば、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの可動範囲において、切削加工と形状計測の両方を行うことができる。このように、簡素な構成によって、種々の形状、大きさを有する被加工物７について、形状計測に基づく適切な条件で切削加工を行うことができる。特に被加工物７が大型である場合や、短時間で切削を行いたい場合にも、上記のように、ロボットアームを複数設置し、それぞれに切削工具１３を取り付けておくことで、広い範囲で切削加工を行うことや、複数台で並行して短時間で切削加工を完了することが可能となる。

この際、形状計測装置１４は、複数のロボットアームのうち、１台にのみ取り付けておき、その計測結果をもとに、全ロボットアームにおける切削条件を設定すればよい。このようにすることで、形状計測装置１４を１つのみ備える簡素な構成で、少なくとも、そのロボットアームの可動範囲内において、被加工物７の形状を計測することができ、切削条件の設定に利用することができる。また、複数のロボットアームに形状計測装置１４を設ける場合には、複数の形状計測装置１４の間で計測結果を整合させるための処理が必要となるが、形状計測装置１４が１つであれば、そのような処理を行う必要もない。もし１つのロボットアームの可動範囲で、形状計測が必要な全領域がカバーできないような場合には、適宜計測結果を整合させる処理工程を設けたうえで、複数のロボットアームに形状計測装置１４を取り付けてもよい。

一般的なロボットアームは、可動部を有する等の理由により、ＮＣ旋盤やマシニングセンタよりも剛性において劣ることが多い。よって、切削条件によっては、ロボットアームに大きな振動を生じ、切削工程に影響を与えたり、ロボットアーム自体に損傷が発生したりする可能性がある。しかし、上記実施形態にかかる切削装置１においては、許容される以上の振動がロボットアーム１０ａ，１０ｂに生じない範囲内で、切削工具１３の回転速度等、切削条件が決定されている（図６参照）。よって、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの剛性の低さによる振動の発生を回避しながら、切削加工を行うことができる。図６に示した例では、フェースミルカッターの回転速度を５０００ｒｐｍ以上としているが、従来一般のＮＣ旋盤では、この種のフェースミルカッターが５０００ｒｐｍもの高速で使用されることはない。上記実施形態にかかる切削装置１においては、図６のような試験結果に基づき、突起物７４の形状の測定結果から、高速での切削工具１３の回転を含む切削条件を決定することで、ロボットアーム１０ａ，１０ｂおよび切削工具１３を振動や摩耗から保護しながら、ロボットアーム１０ａ，１０ｂの剛性の低さをカバーして、突起物７４の切削を行うことができる。

さらに、上記実施形態にかかる切削装置１においては、形状計測の結果に基づいて各部の損傷や振動を避けるように切削条件を設定することに加え、設定した切削条件で実際に切削を行う間、スピンドルモータ１２とサーボモータ１１の負荷を監視し続け、過負荷状態を招かないように、フィードバック制御を行っている。これにより、万一、切削条件のばらつきや切削加工の履歴等の要因で切削工具１３やロボットアーム１０ａ，１０ｂに過剰な負荷が印加されそうになっても、実際に過負荷状態となってしまうのを防止し、安定して切削加工を進行させることができる。

最後に、上記切削装置１においては、自動工具交換装置を用いて、複数の切削工具１３や、研磨工具等、別の種類の工具を交換して使用可能としておくことで、多様な被加工物７、突起物７４に対して、要求される平滑度等に応じて、多様な加工を提供することができる。どの工具を使用するかの選択も、切削工具の回転速度等と同様に切削条件の１つとみなすことができ、被加工物７の材質や形状、突起物７４の種類や形状、現状および目標の平滑度等のパラメータに応じて、工具の選択を行えばよい。また、多種類の工具を使用可能としておくことで、ロボットアーム１０ａ，１０ｂは、被加工物７の両面を加工する場合に、被加工物７を持ち上げて裏返す等、突起物７４の除去に限らず、多様な工程に対応することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、本発明が実現されるものであれば、工程の詳細や順序は、上記したものに限られない。

１ 切削装置
１０ａ，１０ｂ ロボットアーム
１１ サーボモータ（ロボット駆動源）
１２ スピンドルモータ（工具駆動源）
１３ 切削工具
１４ 形状計測装置（計測部）
３ 固定台
３１ａ，３１ｂ 保持具
５ アクスルハウジング
５１ 胴部
５２ 筒状部
５３ 三角板
５４ 溶接ビード
７ 被加工物
７４ 突起物

Claims (10)

1. ロボットアームを備え、前記ロボットアームに、切削工具と、回転によって前記切削工具を駆動する工具駆動源とが取り付けられ、前記切削工具で被加工物の表面に形成された突起物を切削する加工部と、
   前記突起物の突出量および面積を含む形状を光学測定によって計測する計測部と、
   制御部と、を有し
   前記制御部は、前記計測部によって計測された前記突起物の形状の計測結果に基づいて、前記工具駆動源の駆動条件と前記ロボットアームの運動条件を設定するとともに、
   前記切削工具による切削中に、前記工具駆動源の負荷と、前記ロボットアームの運動を駆動するロボット駆動源の負荷と、からなる被監視負荷を監視し、
   前記工具駆動源の負荷が第一閾値に達した場合には、前記工具駆動源の回転数を増大させることによって、前記工具駆動源の負荷を前記第一閾値以下に低下させ、
   前記ロボット駆動源の負荷が第二閾値に達した場合には、前記切削工具の切削送り速度を低下させることによって、前記ロボット駆動源の負荷を前記第二閾値以下に低下させて、
   前記被監視負荷が閾値を超えないように制御することを特徴とする切削装置。
2. 前記被加工物の端部を保持し、上方に押し上げる端部保持具と、前記被加工物の中途部を下方に向かって押し付ける中途部保持具と、により、前記被加工物を上下に撓ませた状態で保持する固定台を有することを特徴とする請求項１に記載の切削装置。
3. 前記計測部は、前記被加工物全体の表面形状を計測し、前記突起物の形状に加え、前記被加工物全体における前記突起物の位置を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の切削装置。
4. 前記計測部は、前記ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の切削装置。
5. 前記切削装置は、前記ロボットアームを複数備え、
   該複数のロボットアームのそれぞれに、前記切削工具と前記工具駆動源とが取り付けられ、
   該複数のロボットアームの１つに前記計測部が取り付けられ、
   前記制御部は、該１つの計測部の計測結果に基づいて、全工具駆動源の駆動条件と全ロボットアームの運動条件を設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の切削装置。
6. 前記計測部は、光切断法によって計測を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の切削装置。
7. 前記計測部は、前記加工部によって前記突起物の切削を行った後にも、前記被加工物の表面の計測を行い、
   前記制御部は、該計測の結果に基づいて、前記被加工物の表面が所定の平滑度に達しているかどうかを判定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の切削装置。
8. 前記被加工物の表面が、前記所定の平滑度に達していない場合には、再度切削を行うことを特徴とする請求項７に記載の切削装置。
9. 前記加工部は、前記切削工具を含む複数種の切削工具を交換可能に備え、
   前記制御部は、前記被加工物の材質、前記突起物の形状、前記被加工物の表面の平滑度、目標とされる平滑度から選択される少なくとも１つのパラメータに応じて、前記複数種の工具のうちの少なくとも１つを選択して加工を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の切削装置。
10. 前記第一閾値および前記第二閾値は、それぞれ、前記工具駆動源および前記ロボット駆動源が、過負荷状態となる臨界値として定められることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の切削装置。

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