JP6630073B2 - 機械加工装置及び機械加工方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、機械加工装置及び機械加工方法に関する。

航空機部品等の強度と軽量化が求められる部品の材料として、従来、複合材やハニカム構造体が用いられている。複合材やハニカム構造体を素材として所定形状の部品を製造する方法の１つとして、エンドミル等の切削工具を用いた機械加工が挙げられる。

例えば、複合材で構成されるパネル（外板）等の航空機部品を製造する場合には、フライス盤やマシニングセンタ等の門型の工作機械にエンドミルを取付けて外形加工等の機械加工が行われる（例えば特許文献１参照）。一方、ハニカム構造体で構成される航空機部品を製造する場合には、予め市販のバンドソーやメタルソー等のソー（鋸）で所定のサイズのハニカムコア材が切出され、外形や表面等の仕上げ加工がハンドツールを用いた手作業又は門型の工作機械を用いた機械加工によって行われる（例えば特許文献２参照）。

特開２０１３−２４４５５６号公報 特開２００２−１８６２９号公報

本発明は、より低コストで複合材やハニカム構造体等の部品を機械加工できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る機械加工装置は、ロボットと、加工対象品を切断するための電動式のソーと、前記ソーをロボットのアームに取付けるための取付機構と、前記加工対象品をセットするための治具に接触させることによって前記治具の形状に沿った倣い加工を行うためのガイドと、前記治具から前記ガイドに負荷される力を測定するためのセンサと、前記センサによる測定結果に基づいて前記治具から前記ガイドに負荷される力が一定となるように前記ロボットをフィードバック制御する制御装置とを備えるものである。
また、本発明の実施形態に係る機械加工方法は、ロボットのアームに取付けたガイドを、複合材又はハニカム構造体で構成される加工対象品をセットするための治具に接触させながら、前記アームに取付けた切削工具で前記加工対象品を前記治具の形状に沿って加工することにより機械加工品を製造する機械加工方法であって、センサで前記治具から前記ガイドに負荷される力を測定し、前記治具から前記ガイドに負荷される力が一定となるように前記ロボットをフィードバック制御するものである。

本発明の実施形態に係る機械加工装置の構成を示す斜視図。 図１に示すロボットのアームの先端、取付機構及び電動式のソーを別の方向から見た斜視図。 図１に示すバンドソーの正面図。 ハニカムコアのチャンファー加工をソーを用いた切断加工によって行う場合の例を説明する図。 機械加工装置に加工精度を確保するためのガイドを設けた例を示す図。 図５に示す治具のブロック及びバンドソー側の突起の形状の第１の変形例を示す下面図。 図５に示す治具のブロック及びバンドソー側の突起の形状の第２の変形例を示す下面図。 図１に示す機械加工装置による加工対象となる複合材パネルの一例を示す上面図。 図８に示す複合材パネルの側面図。

本発明の実施形態に係る機械加工装置及び機械加工方法について添付図面を参照して説明する。

（構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る機械加工装置の構成を示す斜視図、図２は図１に示すロボットのアームの先端、取付機構及び電動式のソーを別の方向から見た斜視図、図３は図１に示すバンドソーの正面図である。

機械加工装置１は、加工対象品Ｗを切断するための電動式のソー２を取付機構３でロボット４に取付けて構成される。図示された例では、電動式のソー２としてバンドソー５が用いられているが、ワイヤソー、ジグソー又はチェーンソー等の他の電動式のソー２を用いてもよい。

電動式のバンドソー５は、刃を設けた帯状のブレード５Ａをリング状に繋げて２つ以上のプーリ５Ｂで内側から引張りながら回転させることによってブレード５Ａを駆動させる動力工具である。このため、プーリ５Ｂを回転させるための動力源としてモータ５Ｃがバンドソー５に設けられる。図示された例では、バンドソー５のケーシング５Ｄ内に２つのプーリ５Ｂが収納され、ブレード５Ａの一部がケーシング５Ｄ外を通って回転するようにバンドソー５が構成されている。このため、ケーシング５Ｄ外を通るブレード５Ａの直線的な部分で加工対象品Ｗが切断されることになる。

電動式のワイヤソーは、ダイヤモンド粒子等を固着させた切断ワイヤをリング状に繋げて２つ以上のプーリで内側から引張りながら回転させることによって切断ワイヤを駆動させる動力工具である。ワイヤソーは切断方向が自由であり、切断中に切断方向を容易に変えることができるという利点がある。ジグソーは、刃を設けたブレードを往復運動させることによって加工対象品Ｗを切断する動力工具である。チェーンソーは、多数の刃を設けたチェーンをプレートの外側に這わせて動力によりチェーンを回転させることによって加工対象品Ｗを切断する動力工具である。

ロボット４は、モータ等の動力源６で駆動するアーム７を有する多関節ロボット等の駆動装置である。図示された例では、リンク機構によって多数の関節を回転駆動させることが可能な多関節ロボットが用いられている。もちろん、駆動軸が１つである単純なロボットを用いても良いし、複数の駆動軸を有するロボットを用いてもよい。

例えば、日本国特開２０１１−４１９９２号公報に開示されているような市販の多関節ロボットを機械加工装置１のロボット４として用いることができる。尚、様々なロボットに電動式のソー２を取付けて使用することができるように、ロボット４自体を構成要素とせずに、電動式のソー２と取付機構３によって汎用性のある機械加工装置１を構成してもよい。その場合には、機械加工装置１は、所望のロボットに取付機構３によって取付可能な動力工具となる。

ロボット４は、制御装置８によって制御される。制御装置８は、ロボット４の制御プログラムを実行するプロセッサ等の処理回路によって構成することができる。また、必要に応じて、制御装置８には、入力装置８Ａ及び表示装置８Ｂが接続される。

取付機構３は、ソー２をロボット４のアーム７に取付けるためのアタッチメントである。このため、多関節ロボット等にソー２を取付けて加工対象品Ｗを切断することが可能となる。図示された例では、ソー２を取付けるための取付け具３Ａを両端に設けたロッド３Ｂにアーム７に取付けるための取付け具３Ｃを設けた構造を有する取付機構３がアタッチメントとして用いられている。

但し、加工対象品Ｗの加工内容が切断以外の切削を含む場合もあり得る。そこで、取付機構３を、ロボット４のアーム７に着脱可能な構造とすることができる。これにより、ロボット４のアーム７に様々な電動工具を取付けることによって多彩な加工を行うことが可能となる。

実用的な例として、エンドミルやドリル等の工具軸を中心に回転させて切削加工行うための工具をロボット４のアーム７に取付けるための取付機構を準備すれば、ソー２で加工対象品Ｗを切断した後にエンドミルで外形仕上げ加工や表面仕上げ加工を行ったり、逆にエンドミルでフライス加工を行った後に、ソー２で加工対象品Ｗを切断することも可能となる。つまり、ソー２をロボット４のアーム７に取付けるための着脱治具と、エンドミル等の他の工具をロボット４のアーム７に取付けるための着脱治具とを交換加工に準備しておくことができる。

少なくともソー２をロボット４のアーム７に取付けると、金属の板材やブロック材の加工はもちろん、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ： Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材の加工や複合材又は金属で構成されるハニカム構造体の加工を機械加工装置１で安価に行うことが可能となる。

例えば、門型の工作機械を用いて機械加工を行う場合には、大規模な工作機械の設置や工作機械を設置するための広さを有する建屋の建設が必要となる。これに対して、ロボット４のアーム７にソー２等の電動工具を取付けた機械加工装置１であれば、工作機械を設置する場合に比べて、機械加工装置１の規模、コスト及び占有面積を大幅に低減させることが可能となる。

加えて、機械加工によって除去される削り代の部分が大きく、かつ加工後の面が平面又は２次元の曲面である場合には、エンドミルを用いたフライス加工ではなくソー２を用いた切断加工とすることによって加工時間を短縮することができる。具体例として、Ｃ面取り（チャンファー）を形成する面取り加工や外形加工では、加工後の面が平面又は２次元の曲面となる。このため、削り代が大きい場合には、ソー２を用いた切断加工によって効率的な機械加工を行うことが可能となる。

図４は、ハニカムコアのチャンファー加工をソー２を用いた切断加工によって行う場合の例を説明する図である。

図４に示すようにハニカムコアＷ１にチャンファーを形成する場合には、チャンファーの角度に合わせてバンドソー５のブレード５Ａを平行移動させれば最小の加工量でハニカムコアＷ１にチャンファーを形成することができる。すなわち、エンドミルを用いてハニカムコアＷ１の削り込みを行う場合に比べて、劇的に切削量を低減させることが可能となる。その結果、チャンファー加工に要する加工時間を短縮することができる。もちろん、ハニカムコアＷ１のチャンファー加工に限らず、複合材や金属のブロック材や板材のチャンファー加工を行う場合においても同様である。

ロボット４のアーム７に必要な駆動軸を設ければ、切削中にブレード５Ａの角度を変化させることもできる。また、ソー２としてワイヤソーを用いれば、切削中に切削方向を変化させることができる。このため、機械加工装置１を用いれば、平面加工に限らず曲面加工を行うこともできる。実用的な例として、金属、複合材又はハニカムコアで構成されるパネルの外形加工を行うことができる。

しかしながら、多関節ロボットのアームは片持ち構造であるため、多関節ロボットのアームの位置決め精度は、工作機械の主軸の位置決め精度に比べて桁違いに低い。例えば、工作機械であれば、０．０１ｍｍから０．００１ｍｍのピッチで工具の位置決めを行うことができる。これに対して、多関節ロボットの位置決め精度にはばらつきがあり、工作機械のような位置決め精度を容易に得ることができない。

一般に桁（スパー）、小骨（リブ）、パネル及び縦通材（ストリンガー）等の航空機部品に要求される精度は、公差が±０．１ｍｍから±１．０ｍｍである。このため、多関節ロボットの自動制御で機械加工を行うと、加工精度のばらつきによって要求される公差から外れる場合がある。すなわち、単に多関節ロボットの自動制御で機械加工を行うと、航空機部品の設計要求を安定的に満足することが困難となる。これが従来、航空機部品等の精度が要求される部品の機械加工には工作機械が用いられてきた理由である。

実際、複合材の外形加工、ハニカム構造体の外形加工、複合材のチャンファー加工又はハニカム構造体のチャンファー加工等を行う場合において工作機械が使用できない場合には、従来は、作業者がバンドソーやメタルソー等のハンドツールで粗加工を行った後、手作業で仕上げ加工を行うことが必要であった。

そこで、機械加工装置１には、加工精度を確保するためのガイドを設けることができる。

図５は機械加工装置１に加工精度を確保するためのガイドを設けた例を示す図である。

図５に例示されるように加工対象品Ｗは治具Ｊにセットされる場合が多い。そこで、加工対象品Ｗをセットするための治具Ｊに接触させることによって治具Ｊの形状に沿った倣い加工を行うためのガイド９を、ロボット４のアーム７に直接又は間接的に取付けることができる。例えば、アーム７の駆動によって移動するソー２又は取付機構３にガイド９を設けることができる。この場合、ガイド９を接触させることによって加工対象品Ｗの倣い加工が可能となるように、治具Ｊの形状及び構造もガイド９の形状及び構造に合わせて設計されることになる。

図５に示す例では、加工対象品ＷとしてハニカムコアＷ１がチャンファー加工用の治具Ｊにセットされている。一方、バンドソー５のブレード５Ａをチャンファーの角度に合わせて傾斜させた場合において治具Ｊに接近するバンドソー５のケーシング５Ｄの部分にガイド９として突起９Ａが設けられている。また、治具Ｊにもバンドソー５側の突起９Ａと接触させるためのガイドとして横断面が矩形の棒状のブロックＪ１が設けられている。従って、バンドソー５側の突起９Ａを治具ＪのブロックＪ１に接触させながらアーム７を移動させれば、十分な位置決め精度でバンドソー５のブレード５Ａをチャンファーの形状に合わせて移動させることができる。

つまり、バンドソー５側の突起９Ａをガイドするレールとして治具ＪにブロックＪ１が設けられている。このため、レールとして機能するブロックＪ１に沿ってバンドソー５を移動させることができる。尚、バンドソー５側の突起９Ａが嵌り込む溝を治具Ｊに形成しても、同様な倣い加工が可能である。

また、ハニカムコアＷ１のチャンファーの傾斜角度が変化する場合もある。そのような場合には、バンドソー５の向きについてもハニカムコアＷ１のチャンファーの傾斜角度に合わせて変化させることが効率的な切削加工に繋がる。そこで、ハニカムコアＷ１のチャンファーの傾斜角度が一定でない場合には、バンドソー５の向きがハニカムコアＷ１のチャンファーの傾斜角度に合わせて変化するようにブロックＪ１の形状を決定することができる。つまり、バンドソー５側の突起９Ａの形状と、治具ＪのブロックＪ１の形状とを適切に設計することによって、バンドソー５の傾斜角度の変化を伴う倣い加工を行うことができる。

図６は図５に示す治具ＪのブロックＪ１及びバンドソー５側の突起９Ａの形状の第１の変形例を示す下面図である。

例えば、図６に示すように、治具ＪのブロックＪ１の形状を、先端が下面側から見て円形となった突起を含む形状とすることができる。更に、ブロックＪ１の形状に合わせてバンドソー５側の突起９Ａに、ブロックＪ１の円形の突起と曲率が同等な凹面を形成することができる。そうすると、ブロックＪ１の円形の突起に沿ってバンドソー５側の突起９Ａを回転させながら曲線的に移動させることが可能となる。これにより、治具ＪのブロックＪ１に沿った、バンドソー５の傾斜角度の変化を伴う倣い加工を行うことができる。

図７は図５に示す治具ＪのブロックＪ１及びバンドソー５側の突起９Ａの形状の第２の変形例を示す下面図である。

例えば、図７に示すように、治具ＪのブロックＪ１の形状を、先端に円形の凹面を設けた突起を含む形状とすることができる。更に、ブロックＪ１の形状に合わせてバンドソー５側の突起９Ａに、ブロックＪ１の円形の凹面と曲率が同等な円形の先端を形成することができる。そうすると、ブロックＪ１の円形の凹面に沿ってバンドソー５側の突起９Ａを回転移動させることが可能となる。これにより、治具ＪのブロックＪ１に沿った、バンドソー５の傾斜角度の変化を伴う倣い加工を行うことができる。

もちろん、図６及び図７に例示される形状に限らず、治具ＪのブロックＪ１の形状及びバンドソー５側の突起９Ａの形状をレールとガイドとの関係が保たれるように様々な形状に設計することができる。

また、図５に示すハニカムコアＷ１の加工例に限らずパネル等の外形加工においても、パネルの外形に合わせた治具Ｊを製作することによって外形の倣い加工を行うことができる。更に、治具Ｊ及びガイド９を利用した倣い加工は、ロボット４のアーム７にソー２以外のエンドミル等の切削工具を取付けた場合においても同様に実行することができる。

つまり、ロボット４のアーム７に直接又は間接的に取付けたガイド９を、金属、複合材又はハニカム構造体等で構成される加工対象品Ｗをセットするための治具Ｊに接触させながら、アーム７に取付けた切削工具で加工対象品Ｗを治具Ｊの形状に沿って加工することができる。

このような治具Ｊ及びガイド９を利用した倣い加工によって、公差が±０．１ｍｍから±１．０ｍｍである機械加工品であっても公差内の精度で機械加工品を製造することが可能となる。これにより、加工対象品Ｗの粗加工のみならず仕上げ加工についても、機械加工装置１により自動で行うことができる。

治具Ｊ及びガイド９を利用した倣い加工を行う場合には、ロボット４に圧力センサ１０を設けることが効果的である。圧力センサ１０は、ロボット４のアーム７にかかる力を測定するためのセンサである。従って、圧力センサ１０は、アーム７に設けることができる。アーム７に複数の駆動軸が設けられる場合には、複数方向への圧力を個別に測定できるように、複数のセンサを組合わせて圧力センサ１０を構成することが実用的である。

ロボット４に圧力センサ１０を設けると、治具Ｊからガイド９に負荷される力をアーム７にかかる力として間接的に測定することができる。このため、圧力センサ１０で治具Ｊからガイド９に負荷される力を測定し、治具Ｊからガイド９に負荷される力が一定となるようにロボット４をフィードバック制御することが可能となる。

すなわち、圧力センサ１０による測定結果に基づいて治具Ｊからガイド９に負荷される力が一定となるようにロボット４をフィードバック制御する機能を制御装置８に設けることができる。制御装置８には、通常、アーム７のある位置から次の位置までの移動量をインクリメント値として相対的に指示する制御プログラムによってアーム７を制御する機能が備えられている。このため、例えば、圧力センサ１０による圧力の測定値に基づいてアーム７に負荷される荷重が一定となるように、制御プログラムに基づくアーム７の制御位置を補正する機能を制御装置８に設けることができる。この場合、アーム７及びソー２等の電動工具の実際の移動経路は、制御プログラムによる制御位置の、フィードバック制御による補正位置となる。

このように、加工対象品Ｗの幾何学形状を表すデータに基づく自動制御ではなく、圧力センサ１０を用いて、加工対象品Ｗの加工形状に応じた形状を有する治具Ｊにバンドソー５のブレード５Ａやエンドミル等の工具を一定の力で押付けながら外形加工等の倣い加工を実施することができる。これにより、治具Ｊ及びガイド９を利用した倣い加工を安定的に行うことが可能となる。

市販の多関節ロボットには、アームに物体を掴むためのハンドを取付けた場合に、ハンドによって物体が掴まれているか否かを認識するための圧力センサが標準仕様として設けられている場合が多い。アームに取付けたハンドによる保持力をセンシングするための圧力センサは、通常アームの第一関節に設けられ、３軸方向の圧力をセンシングできるように構成されている。そのような場合には、標準仕様として多関節ロボットに備わっている３軸方向の圧力センサを利用して治具Ｊからガイド９に向かって負荷される力をベクトルとして測定することができる。

治具Ｊからガイド９に向かって負荷される力の制御値は、加工対象品Ｗごとに加工試験やシミュレーションによって経験的又は理論的に適切な値に決定することができる。実際に、ガイド９を治具Ｊに接触させた際の圧力を圧力センサ１０で測定し、アーム７側に５ｋｇ程度の荷重が負荷されるようにフィードバック制御を行いながら治具Ｊの倣い加工を実施した。その結果、十分な精度で加工対象品Ｗを加工できることが確認できた。

圧力センサ１０によって２軸方向又は３軸方向の圧力をセンシングできる場合には、治具Ｊからガイド９に負荷される圧力のみならず、ソー２等の切削工具の進行方向における圧力として切削抵抗を測定することもできる。切削抵抗は、切削工具の消耗に伴って増加する傾向にある。そこで、切削抵抗の測定によって切削工具の消耗の度合い及び交換時期を把握することができる。

その場合には、切削工具の進行方向における圧力の測定値を圧力センサ１０から取得し、取得した圧力の測定値に基づいて切削工具の消耗の度合いを表す指標を求めて提示する機能又は切削工具の交換時期を通知する機能を制御装置８に設けることができる。例えば、切削工具の進行方向における圧力の測定値自体を切削工具の消耗の度合いを表す指標として表示装置８Ｂに表示させることができる。或いは、切削工具の進行方向における圧力の測定値に閾値を設定し、切削工具の進行方向における圧力の測定値が閾値以上となった場合又は閾値を超えた場合に切削工具の交換時期が到来したと判定して表示装置８Ｂに出力するようにしてもよい。

ここまでは、治具Ｊ、ガイド９及び圧力センサ１０を用いた位置決め精度の向上方法について説明したが、他の方法によって位置決め精度を向上させてもよい。具体例として、可視センサ１１を機械加工装置１に設け、可視センサ１１で検出した基準位置に基づいてアーム７の位置を制御する方法が挙げられる。

可視センサ１１は、光学カメラや赤外線カメラ等のイメージセンサである。可視センサ１１は、任意の位置に設けることができる。具体例として、ロボット４のアーム７に第１の可視センサ１１Ａを設け、加工対象品Ｗ、ソー２及びアーム７の相対的な位置関係をセンシングすることが可能な位置に第２の可視センサ１１Ｂを設けることができる。そうすると、第１の可視センサ１１Ａで、アーム７に取付けられたソー２及び加工対象品Ｗをセンシングする一方、第２の可視センサ１１Ｂで加工対象品Ｗ、ソー２及びアーム７の相対的な位置関係をセンシングすることが可能となる。

アーム７の位置をより正確に制御する観点からは、アーム７に取付けられた第１の可視センサ１１Ａ、つまりソー２等の工具と共に移動する第１の可視センサ１１Ａを用いてアーム７の制御を行うことが現実的である。そこで、アーム７に取付けられる第１の可視センサ１１Ａを用いて、アーム７の位置決めを行うことができる。

図８は図１に示す機械加工装置１による加工対象となる複合材パネルの一例を示す上面図であり、図９は図８に示す複合材パネルの側面図である。

図８及び図９に示すように、湾曲した板状の複合材パネルＷ２が加工対象品Ｗである場合には、クランプやバキュームチャックで複合材パネルＷ２を治具Ｊに固定することができる。更に、治具Ｊ及び複合材パネルＷ２の余肉の少なくとも一方に、基準位置として単一又は複数の孔を設けることができる。

そうすると、治具Ｊ及び複合材パネルＷ２の余肉の少なくとも一方に設けられた孔を、アーム７に取付けられた第１の可視センサ１１Ａを用いてそれぞれ検出することができる。また、治具Ｊ及び複合材パネルＷ２の少なくとも一方の輪郭についても第１の可視センサ１１Ａを用いて検出することができる。

そして、第１の可視センサ１１Ａを用いて検出された孔の位置及び輪郭の少なくとも一方を基準として加工前における複合材パネルＷ２の位置を特定することができる。これにより、加工前における複合材パネルＷ２の位置に基づくアーム７の位置補正を行うことができる。

尚、孔に代えて目印となる点やマークを治具Ｊ及び複合材パネルＷ２の余肉の少なくとも一方に刻印したり、目印となる点やマークを治具Ｊ及び複合材パネルＷ２の余肉の少なくとも一方に表示させるようにしても良い。

図示された例では、加工前の複合材パネルＷ２に２つのタブＷ３が設けられており、２つのタブＷ３にそれぞれ孔が設けられている。このため、タブＷ３の孔及び加工前の複合材パネルＷ２の輪郭を基準として用いることができる。例えば、第１の可視センサ１１ＡでタブＷ３の孔を検出し、タブＷ３の孔から一定のオフセット量だけアーム７を移動させた位置から複合材パネルＷ２の輪郭に沿って倣い加工を行うことができる。或いは、加工前に２つの孔の位置を第１の可視センサ１１Ａで予め検出しておき、２つの孔の位置から複合材パネルＷ２の設計情報に基づいて幾何学的にアーム７の移動経路を決定することもできる。

加工対象品Ｗ及び治具Ｊのいずれにも孔等の目印を設けることができない場合には、加工対象品Ｗ又は治具Ｊの直線的な輪郭をアーム７の位置補正の基準として用いることができる。例えば、第１の可視センサ１１Ａを用いて加工対象品Ｗ又は治具Ｊの直線的な輪郭を検出し、検出した直線的な輪郭に対してオフセットした直線の位置をアーム７の制御位置とすることができる。この場合、オフセット量は、加工対象品Ｗの設計情報に基づいて幾何学的に決定することができる。別の方法として、加工対象品Ｗ又は治具Ｊの少なくとも２箇所の直線的な輪郭を検出することによって加工対象品Ｗの位置を特定するようにしてもよい。この場合、加工対象品Ｗの設計情報に基づいて曲線加工等の様々な加工を行うことが可能となる。

第１の可視センサ１１Ａを用いてアーム７の制御を行う場合には、第１の可視センサ１１Ａによって撮影された画像情報に基づいてアーム７の制御位置を決定する機能が制御装置８に設けられる。具体例として、第１の可視センサ１１Ａによって撮影された画像データに対する輪郭抽出処理、閾値処理、画像認識処理等の公知の画像処理によって加工対象品Ｗ又は治具Ｊの輪郭や目印の位置を検出し、予め与えられた加工対象品Ｗの設計情報に基づいてアーム７の移動経路を決定する機能が制御装置８に設けられる。また、第１の可視センサ１１Ａを用いて検出された加工対象品Ｗ又は治具Ｊの輪郭に沿って倣い加工を行う場合には、第１の可視センサ１１Ａによって撮影された画像データに対する画像処理によって加工対象品Ｗ又は治具Ｊの輪郭を検出し、検出された輪郭に沿ってアーム７の位置をフィードバック制御する機能が制御装置８に設けられる。

このように、第１の可視センサ１１Ａで撮影された画像データに基づいてアーム７の制御を行うようにすれば、治具Ｊが用いられない場合や治具Ｊにガイド９を接触することが困難な場合であっても、アーム７の位置決め精度を向上させることが可能となる。

特に、市販の多関節ロボットには、圧力センサに加えて可視センサも標準仕様としてアームに設けらている場合がある。市販の多関節ロボットに設けられる可視センサは、アームにハンドを取付けた場合にハンドによって保持される物体を認識することを目的として設けられている。そのような場合には、多関節ロボットに備えられた可視センサを機械加工における位置決めのために利用することができる。

また、加工対象品Ｗの量産加工前における切削試験時には、加工対象品Ｗが安全に加工されている状況を確認できるようにすることが望まれる。そこで、アーム７を撮影視野内とする第２の可視センサ１１Ｂで加工対象品Ｗ、ソー２等の工具及びアーム７を撮影し、表示装置８Ｂ又は他の表示装置に表示させることができる。これにより、切削試験時等に加工対象品Ｗ、ソー２等の工具及びアーム７の相対的な位置関係を画像で確認しながら加工することが可能となる。

（動作及び作用）
次に機械加工装置１を用いて機械加工品を製造する機械加工方法について説明する。

まず、ロボット４のアーム７に所望の切削工具が取付けられる。ここでは、バンドソー５、ワイヤソー又はチェーンソー等の電動式のソー２が取付機構３でロボット４のアーム７に取付けられる場合を例に説明する。一方、加工対象品Ｗが所定の位置にセットされる。加工対象品Ｗは、必要に応じて治具Ｊにセットされた状態で設置される。

更に、加工対象品Ｗの形状に応じたアーム７の制御プログラムが制御装置８に入力される。これにより、加工対象品Ｗの機械加工を開始することが可能となる。

バンドソー５等のソー２で加工対象品Ｗの切断加工を行う場合には、切削抵抗を軽減させるために切削方向に向かってブレード５Ａ等の刃を所定の角度だけ傾けることが好適な加工条件となる。但し、ソー２の刃の傾斜角度が大き過ぎると、加工対象品Ｗに当たる刃の長さが長くなる。例えば、ソー２の刃の傾斜角度を４５度にすると、ソー２の刃の傾斜角度がゼロ度である場合に比べて加工対象品Ｗに当たる刃の長さが１．４倍程度に増加する。その結果、切削長さの上限がより長い、剛性の高い刃を使用することが必要になる。

従って、切削抵抗を抑制しつつ加工対象品Ｗに当たる刃のエリアの長さが過大とならないようにすることが重要である。そこで、切断対象となる加工対象品Ｗの厚さや材質に応じて１度から３０度の範囲で決定された適切な角度でソー２の刃を傾斜させることが望ましい。

尚、ブレード５Ａ等の刃の移動方向は、加工対象品Ｗを安定的に固定する観点から下向きとすることが望ましい。すなわち、ソー２の刃を下方に向かって移動させると、ソー２の刃によって加工対象品Ｗが治具Ｊ又は床に押し付けられる。このため、加工対象品Ｗを安定化させることができる。

ソー２の刃を傾斜させる場合には、所定の角度でソー２の刃が加工対象品Ｗに接触するようにアーム７の制御位置がプログラムされる。そして、アーム７の制御プログラムに従って制御装置８がアーム７を制御する。これにより、アーム７とともにソー２が移動する。この結果、ソー２の刃で加工対象品Ｗを切断することができる。すなわち、電動式のバンドソー５、ワイヤソー又はチェーンソー等のソー２を進行方向に１度から３０度傾けて金属、複合材又はハニカム構造体で構成される加工対象品Ｗを切断することができる。

但し、制御プログラムによるアーム７の自動制御のみでは、十分な位置決め精度が得られない恐れがある。そこで、ロボット４のアーム７に直接又は間接的に取付けたガイド９を金属、複合材又はハニカム構造体等で構成される加工対象品Ｗをセットするための治具Ｊに接触させながら、アーム７に切削工具として取付けたソー２で加工対象品Ｗを治具Ｊの形状に沿って加工することができる。この場合、ロボット４のアーム７の第一関節等に設けられた圧力センサ１０で治具Ｊからガイド９に負荷される力を測定することができる。そして、治具Ｊからガイド９に負荷される力が一定となるように制御装置８でロボット４のアーム７をフィードバック制御することができる。

或いは、ロボット４のアーム７に取付けられた第１の可視センサ１１Ａで撮影された画像に基づいて基準位置を検出し、検出した基準位置に基づいてアーム７の位置を補正する制御を行うこともできる。

このような位置決め精度の向上技術によって公差が±０．１ｍｍから±１．０ｍｍである機械加工品であっても製造することが可能となる。このため、設計要求が厳しい航空機部品であっても機械加工装置１による機械加工によって製造することができる。

ソー２による加工対象品Ｗの切断加工が完了すると、必要に応じてエンドミル、面取り工具或いはバリ取り工具等の別の工具を用いた機械加工を行うこともできる。もちろん、ソー２による加工対象品Ｗの切断加工に先だって他の工具を用いた機械加工を行うこともできる。また、他のソー２による加工対象品Ｗの切断加工を別工程として行うこともできる。

ソー２を含む複数の工具を用いて加工対象品Ｗの機械加工を行う場合には、複数のロボット４のアーム７或いは単一のロボット４の複数のアーム７に複数の工具を取付けて連続して加工対象品Ｗの加工を行うことができる。或いは、自動工具交換装置（ＡＴＣ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｏｏｌ ｃｈａｎｇｅｒ）をロボット４に設けて、アーム７に取付けられる工具を自動的に交換できるようにしても良い。また、工具の交換頻度が低い場合であれば、上述したように、複数の工具をアーム７に取付けるための取付機構をそれぞれ準備することによって、アーム７に取付けられる工具を作業者がマニュアルで交換できるようにしても良い。

そして、バンドソー５、ワイヤソー又はチェーンソー等のソー２を含む単一又は複数の工具を用いることによって、金属、複合材又はハニカム構造体の切断を含む機械加工を行うことができる。これにより、所望の機械加工品を製造することができる。

つまり以上のような機械加工装置１は、多関節ロボット等のロボット４のアーム７にバンドソー５、ワイヤソー又はチェーンソー等の電動式のソー２を取付機構３で取付けたものである。また、上述した機械加工方法は、多関節ロボット等のロボット４のアーム７に取付けた切削工具で金属、複合材又はハニカム構造体を加工することにより機械加工品を製造するものである。

（効果）
このため、機械加工装置１及び機械加工方法によれば、大規模で高価な門型の工作機械を用いることなく加工対象品Ｗの機械加工を行うことができる。また、高価な工作機械を用いることができない結果、作業者が手作業で行っていた加工対象品Ｗの外形トリム加工、チャンファー加工及び外形仕上げ加工等を自動化することができる。つまり、大規模で高価な門型の工作機械を用いることなく加工対象品Ｗの機械加工を自動化することができる。このため、機械加工品の製造コストを劇的に低減することができる。

しかも、治具Ｊを利用した倣い加工や可視センサ１１を利用したアーム７の位置補正によって、従来は工作機械を使用しなければ困難であると考えられてきた高精度な機械加工を、多関節ロボット等のロボット４を用いて行うことができる。このため、製造コストの低減が望まれる航空機部品として代表的な大型の複合材パネルやハニカムコアの加工を、設計要求を満足しつつ安価に実施することが可能となる。例えば、治具Ｊと接触するガイド９及び圧力センサ１０を利用したフォードバック制御を伴う倣い加工によって±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差を有する機械加工品を製造することができる。

以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１...機械加工装置、２...ソー、３...取付機構、３Ａ...取付け具、３Ｂ...ロッド、３Ｃ...取付け具、４...ロボット、５...バンドソー、５Ａ...ブレード、５Ｂ...プーリ、５Ｃ...モータ、５Ｄ...ケーシング、６...動力源、７...アーム、８...制御装置、８Ａ...入力装置、８Ｂ...表示装置、９...ガイド、９Ａ...突起、１０...圧力センサ、１１...可視センサ、１１Ａ...第１の可視センサ、１１Ｂ...第２の可視センサ、Ｗ...加工対象品、Ｗ１...ハニカムコア、Ｗ２...複合材パネル、Ｗ３...タブ、Ｊ...治具、Ｊ１...ブロック

Claims (6)

1. ロボットと、
   加工対象品を切断するための電動式のソーと、
   前記ソーをロボットのアームに取付けるための取付機構と、
   前記加工対象品をセットするための治具に接触させることによって前記治具の形状に沿った倣い加工を行うためのガイドと、
   前記治具から前記ガイドに負荷される力を測定するためのセンサと、
   前記センサによる測定結果に基づいて前記治具から前記ガイドに負荷される力が一定となるように前記ロボットをフィードバック制御する制御装置と、
   を備える機械加工装置。
2. ロボットのアームに取付けたガイドを、複合材又はハニカム構造体で構成される加工対象品をセットするための治具に接触させながら、前記アームに取付けた切削工具で前記加工対象品を前記治具の形状に沿って加工することにより機械加工品を製造する機械加工方法であって、
   センサで前記治具から前記ガイドに負荷される力を測定し、前記治具から前記ガイドに負荷される力が一定となるように前記ロボットをフィードバック制御する機械加工方法。
3. 公差が±０．１ｍｍから±１．０ｍｍである機械加工品を製造する請求項２記載の機械加工方法。
4. 電動式のバンドソー、ワイヤソー、ジグソー又はチェーンソーで前記複合材又は前記ハニカム構造体の切断を含む機械加工を行う請求項２又は３記載の機械加工方法。
5. 前記バンドソー、ワイヤソー、ジグソー又はチェーンソーを進行方向に１度から３０度傾けて前記複合材又は前記ハニカム構造体を切断する請求項４記載の機械加工方法。
6. 可視センサで検出した基準位置に基づいて前記アームの位置を制御する請求項２乃至５のいずれか１項に記載の機械加工方法。

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