JP6692111B2 - 素材加工方法、素材加工プログラム及び素材加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、素材加工方法、素材加工プログラム及び素材加工装置に関する。

既存の木質系材料のプレカット機械は、製材加工などにより規格品として整えられた材料を切断するためのものであり、日本における木質系住宅の殆どはこれを用いる。

林業においては、森林の生長を管理するために間伐を行うが、比較的小径の材が大半であって、これらを製材し、さらに加工しようとしても建築の構造に用いるに十分な部材を得ることはきわめて困難である。そのため、間伐材の活用分野は限られており、市場ニーズもなく価値が低い。間伐材の価値の低さは森林の管理コストに負の影響を与えている。

また、既存のプレカット技術は、製材により規格化された素材によって運用可能であり、素材形状が事前に整えられている必要がある。間伐材を製材した素材からでは十分な大きさの部材を取り出せないため現状のプレカットシステムでは対応をすることができない。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、規格化されていない素材に対しても、素材の無駄を最小限に抑えて最適な素材加工を行うことのできる素材加工方法、素材加工プログラム及び素材加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一の観点に係る素材加工方法は、三次元素材データを取得し、加工形状データベースと三次元素材データとを比較し、三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成することを特徴とする。

また本観点において、複数の刃物データを備えており、複数の刃物データに基づき加工手順データを作成することが好ましい。

また、本発明の他の一観点に係る素材加工プログラムは、コンピュータに、三次元素材データを取得し、加工形状データベースと三次元素材データとを比較し、三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成するためのものである。

また、本観点において、複数の刃物データを備えており、複数の刃物データに基づき加工手順データを作成することが好ましい。

また本発明の他の一観点に係る素材加工装置は、素材を保持しながら移動させる素材アクチュエータと、素材アクチュエータの周囲に配置され、三次元素材データを取得する三次元素材データ取得装置と、複数の軸を備えた腕ロボット加工機と、素材アクチュエータ、三次元素材データ取得装置及び腕ロボット加工機を制御する制御装置と、を備えているものである。

また本観点において、制御装置は、三次元素材データ取得装置から出力される三次元素材データを記録する三次元素材データ取得部、加工形状データベースと三次元素材データとを比較する比較部、三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成する三次元加工用データ作成部、三次元加工用データ作成部が作成した三次元加工用データに基づき腕ロボット加工機を制御する腕ロボット制御部と、を備えていることが好ましい。

以上、本発明によって、規格化されていない素材に対しても、素材の無駄を最小限に抑えて最適な素材加工を行うことのできる素材加工方法、素材加工プログラム及び素材加工装置を提供することができる。

実施形態に係る素材加工装置のイメージを示す図である。 実施形態に係る素材加工装置の制御装置の機能ブロックを示す図である。 実施形態にかかる素材加工方法のフローを示す図である。 実施形態にかかる素材加工装置の他の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す具体的な実施形態、実施例の記載にのみ制限されるわけではない。

図１は、実施形態に係る素材加工装置（以下「本装置」という。）１のイメージを示す図である。本図で示すように、本装置１は、素材を保持しながら移動させる素材アクチュエータ２と、素材アクチュエータ２の周囲に配置され、素材の三次元素材データを取得する三次元素材データ取得装置３と、複数の軸４１を備えた腕ロボット加工機４と、素材アクチュエータ２、三次元素材データ取得装置３及び腕ロボット加工機４を制御する制御装置５と、を備えているものである。

本装置１において、素材アクチュエータ２は、上記のとおり素材を保持しながら移動させることのできるものである。なお本実施形態において素材とは加工対象となるものであって、木材を典型例とするが、加工が可能である限りにおいて限定されず、例えば石材であっても適用可能である。

素材アクチュエータ２の構造としては、上記の機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、本図で示されるように、例えばレール２１と、このレール２１上に配置され、レール２１に沿って移動する移動機構２２と、この移動機構２２に設けられ素材を保持する保持機構２３と、を備えていることが好ましい。使用者は、保持機構２３に加工対象となる素材を設置し、制御装置５を制御することにより移動機構２２を制御し、アクチュエータ２を移動させて所望の動作を行わせることができる。

レール２１は、移動機構２２の移動方向を規定するための部材である。本装置１では、腕ロボット加工機４も備えておりそのまま三次元素材データ取得装置３と同じ場所に配置することは装置の大きさ上難しい場合が多い。そのため、腕ロボット加工機４と三次元素材データ取得装置３をある程度は離れた状態に置き、これらの間にレール２１を配置し、レール２１上に移動機構２２を設け、レール２１上を素材が移動するよう構成することで、装置の大きさなどによる動作の制限を緩和させることができるようになる。

また移動機構２２は、レール２１の上を移動することができるものであり、具体的にはこの機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、このレール２１に配置される車輪と、この車輪を動かすモーター等の動力機構と、車輪上に設けられる台座部と、を備えているものであることが好ましい。

また保持機構２３は、上記のとおり、この移動機構２２に設けられ素材を保持することができるものである。保持機構２３は、この機能を有するものである限りにおいて限定されるわけではないが、素材支持部を備えた一対の支柱部材２３１が移動機構２２上に備えられている。このようにすることで、素材を保持するとともに、移動機構２２の移動に伴い素材も移動させることが可能となる。

また、本装置１において、三次元素材データ取得装置３は、上記のとおり素材アクチュエータ２の周囲に配置され、素材の三次元素材データを取得することのできるものである。

三次元素材データ取得装置３は、素材の三次元データを取得することができるものである限り限定されるわけではないが、上記保持機構２３に設置される素材の周囲を取り囲むように配置される支持部材３１と、この支持部材３１に設置される複数のセンサ３２と、を備えていることが好ましい。これにより素材の表裏をくまなく計測することが可能となる。特に、本装置１の例では、レール２１を備えており、レール２１上を移動機構２２によって動かすことで、二次元分（レール２１の延伸方向に対して垂直な面）の形状データ（二次元素材データ）を取得する一方、レール２１上を移動機構２２により移動させることで、二次元データを積層させて三次元素材データとすることが可能となる。すなわち、一次元分（レール２１の延伸方向）のデータを取得するだけ素材の立体的形状測定の次元を減らすことが可能となる。

上記の記載からも明らかなように、本装置１において三次元素材データとは、素材の三次元的な電子的なデータである。このデータにより、後述のいわゆる情報処理装置によって処理することが可能となる。より具体的に三次元素材データは、三次元の座標データを備えていることが好ましい。

なお、本装置１において、加工対象となる素材としては、プレカットされた建材であってもよいが、上記のとおり、いわゆる間伐材であることが本装置１の効果を最大限に発揮することができる。すなわち、本装置１では、後述の記載から明らかなように、規格化されていない大きさの間伐材であっても、三次元素材データとして把握することで、最適な形状への可能が可能になるためである。

また、本装置１において、腕ロボット加工機４は、素材アクチュエータにより所定の位置に運ばれてきた素材に対し、加工を施すことのできる装置であり、複数の軸４１を備えており、素材に対し様々な方向から加工することが可能となっている。

本装置１における腕ロボット加工機４の構造としては、特に限定されるわけではないが、素材が木材の場合、６軸の可動部を備える汎用の産業用腕形ロボットの先端部に木質材料加工に必要な刃物４２を設置することで実現できる。

また本装置１において刃物４２の数に関しては特に制限されるわけではないが、少なくとも２種類の刃物、好ましくは４種類以上を備えていることが好ましい。なお刃物としては、使用者が加工段階に応じて手動で設置しなおすこととしてもよいし、あらかじめ複数設置しておき、加工の段階に応じて必要な刃物を駆動、使用することとしても良い。

ここで用いる刃物としては、特に限定されるわけではないが、例えば切断加工と切削加工を行う刃物を用いることが好ましい。切断加工としては、鋸であることが好ましく、より好ましくは円盤の周囲に刃が形成された丸ノコを用いることが好ましい。また、切削加工としてはいわゆるノミを用いることが好ましく、ノミの場合さらには正方形断面の穴あけを得意とする角ノミ、曲面加工や仕上げを得意とするルータ、入隅の鋭角部分加工を得意とする振動ノミを用いることが好ましい。これらを用いることで、伝統的な木材建築による素材加工も実現可能となる。

以上、本装置１では、素材を保持しながら移動させる素材アクチュエータ２２と、素材アクチュエータの周囲に配置され、三次元素材データを取得する三次元素材データ取得装置と、複数の軸を備えた腕ロボット加工機と、を備えることで、素材の形状把握、素材の加工を一連の流れで行うことが可能となる。

ところで、上記においては、各装置を制御するための装置が必要となる。そのための装置が制御装置５である。図２は、実施形態に係る素材加工装置の制御装置（以下「本制御装置」ともいう。）５の機能ブロックを示す図である。

本制御装置５は、三次元素材データ取得装置３から出力される三次元素材データを記録する三次元素材データ取得部５１、加工形状データベース５２と三次元素材データとを比較する比較部５３、三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成する三次元加工用データ作成部５４、三次元加工用データ作成部５４が作成した三次元加工用データに基づき腕ロボット加工機４を制御する腕ロボット制御部５５と、を備えている。

本制御装置５は、上記各部を備えた装置であるが、具体的には、いわゆるコンピュータ等の情報処理装置により実現することができる。情報処理装置１としては、本制御装置５の所望の処理を実現することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）、ハードディスクやフラッシュメモリ等の記録装置、ＲＡＭ等の一時的にデータを保存することのできるメモリ等の記憶装置、これら装置を接続するバス、を有する、いわゆるコンピュータを用いて実現することができる。また、このコンピュータには、更に、各種データを使用者に表示させるためのモニタ、各種データを入力するためのキーボードやマウス等の入力装置、を備えていることが好ましい。

また、本制御装置５には、三次元素材データ取得装置３、腕ロボット加工機４に接続するためのインターフェース部を備えていることも好ましい。この接続により、本制御装置５は所定の処理を介して三次元素材データ取得装置３によるデータ取得、腕ロボット加工機４の制御を行うことが可能となる。

本装置１の制御装置５における三次元素材データ取得部５１は、上記のとおり三次元素材データ取得装置３から出力される三次元素材データを記録する部である。ここで、三次元素材データとは、上記のとおり、素材の三次元的なデータであり、所定の三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）とその位置における強度（１又は０）の値を備えたものである。これにより、加工対象となる素材の形状を把握できる。

本制御装置５では、加工形状データベース５２を定める。ここで具体的に加工形状データベース５２は、例えばハードディスクなどの記録装置に格納される加工形状データの集合で実現できる。また加工形状データとは、最終的に加工したい建材の形状の三次元データであり、より具体的には所定の三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）とその位置における強度（１又は０）の値を備えたものである。この加工形状データを備えることで、加工対象となっている素材に対し、どのような加工を行うことができるのか、どのようにすれば加工が可能となるのか等の処理を行うことができるようになり、人間の感覚では簡単に想到することのできない加工処理（建材製造）を容易に実現することができるようになる。

本制御装置５では、加工形状データベース５２と三次元素材データとを比較する比較部５３を備える。上記のとおり、素材はプレカットされていない場合、どのような加工が可能であるのか、また所望の形状に加工したいが可能であるか否かについては明確でない場合が多い。そのため、本比較部５３によって、取得した三次元素材データ取得部５１と、上記加工形状データベース５２における加工形状データとを比較し、測定対象となった素材に対し、所望の加工が可能であるか否か、どのような加工が可能であるかについて比較、判定を行う。なおこの比較については特に制限されるわけではないが、所望の加工形状データよりも取得した三次元素材データが大きいか否かを判断要素の一つとすることができる。具体的には、所望の加工形状データよりも三次元素材データが大きい場合は加工可能であり、小さい場合は加工不可能であるという判断を行うことができる。また、この場合において、切削や切断の位置や向きによって可能不可能の判断が変わる要素もあるため、回転処理及び反転処理等を加えて判断を行わせることも好ましい。さらには、この判断の結果、切削される部分の素材全体の体積に対する比率データを取得しておくことが好ましい。さらには、取得した三次元素材データでは所望の加工形状データに基づく加工が不可能であると判断した場合であっても、加工形状データベースが備える他の加工形状データであれば可能であると判断すれば、その加工形状データを取得し、モニタに表示させる構成としてもよい。このようにすれば、素材に対し、最適な加工効率で素材に対する加工を行うことができる。

また本制御装置５では、三次元加工用データ作成部５４により、三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成する。三次元加工用データとは、三次元素材データと加工形状データの間の形状情報を備えた三次元データをいい、具体的には、三次元素材データからどのような加工手順を経ることで加工形状データに到達することができるのかといった加工手順毎の加工後の形状情報を備えたデータをいう。

ここで、この三次元加工用データ作成部が行う加工のイメージについて図３に示す。本図では、鋸とノミを用いて切削加工するイメージである。当初は略円柱形状である素材に対し、直方体とする加工を行い、その後、鋸によって直方体の切断を行い、さらにノミによって切欠部分について切削を行う。このようにすることで、詳細かつ精巧な加工手順を実現することができる。アルゴリズムについては適宜調整可能であるが例えば鋸による切断判断を行った後、ノミによる切削判断を行うこととすれば、非常に効率的に加工が行うことができる。

なお、図４に、更なる加工工程のモデルについて示しておく。例えば本図中、（１）及び（２）については鋸、（３）乃至（７）についてはノミで行うことができる。三次元加工用データ作成部は、これらモデルを三次元部品データとして備えておくことで、取得した三次元素材データに対しこのモデルを適用し、どの部品モデルが合致するのかを当てはめていくことで、三次元素材データから加工形状データまで効率的に計算処理することが可能となる。

また、上記の加工を施すためには、複数の刃物データを備えており、複数の刃物データに基づき加工手順データを作成することが好ましいことはいうまでもない。刃物データを備えていることで、どの手順が可能であるのかといった判断処理が可能となる。刃物の数が多いほど多様な加工処理が施せる一方、刃物の数が少ない場合であっても、その刃物で加工可能な形状での加工処理を計算処理により求めて最適な形状に近づけることができるようになる。

そして、腕ロボット制御部５５は、上記作成した三次元加工用データに基づき腕ロボット加工機４を制御する。これにより、所望の素材加工（建材製造）を非常に効率的に行うことができる。

以上、本装置によって、規格化されていない素材に対しても、素材の無駄を最小限に抑えて最適な素材加工を行うことのできる素材加工装置となる。より具体的に説明すると、丸太など製剤されていない木材等の素材の精密な加工は難しく、現在のプレカット工場はいうまでもなく、たとえ熟練技術者による手加工であっても、合理的なコストで実行することはできない。この技術により、精密な加工を低コストで実現することができる。また、小径材を基準化して使用しようとすると、切削により除去される部分が相対的に増加し、素材の有効活用の観点から無駄が多い。この技術により除去部分を最小化することができ、結果として建材として残せる体積が増えるため、建築の構造材への利用も可能となり、小径材の市場価値を高めることができる。

なお、上記の記載から明らかなように、本装置を用いることによりまた本装置に限らず本装置の原理を用いて、素材加工方法、素材加工プログラムを提供することができる。具体的には、素材加工方法は、三次元素材データを取得し、加工形状データベースと三次元素材データとを比較し、三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成する方法となり、素材加工プログラムは、コンピュータに、三次元素材データを取得し、加工形状データベースと三次元素材データとを比較し、三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成するためのものとなる。

本発明は、素材加工方法、素材加工プログラム及び素材加工装置として産業上の利用可能性がある。加工された素材は、建材として建築に用いることができる。

Claims (5)

1. 三次元素材データを取得し、
   加工形状データベースと前記三次元素材データとを比較し、
   前記三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成する、素材加工方法において、
   前記三次元素材データに基づき第一の加工形状データの加工が不可能であると判断した場合、前記加工形状データベースが備える加工可能な他の加工形状データを取得し、表示させることを特徴とする素材加工方法。
2. 複数の刃物データを備えており、前記複数の刃物データに基づき加工手順データを作成する請求項１記載の素材加工方法。
3. コンピュータに、
   三次元素材データを取得し、
   加工形状データベースと前記三次元素材データとを比較し、
   前記三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成するための、素材加工プログラムにおいて、
   前記三次元素材データに基づき第一の加工形状データの加工が不可能であると判断した場合、前記加工形状データベースが備える加工可能な他の加工形状データを取得し、表示させることを特徴とする素材加工プログラム。
4. 複数の刃物データを備えており、前記複数の刃物データに基づき加工手順データを作成する請求項３記載の素材加工プログラム。
5. 素材を保持しながら移動させる素材アクチュエータと、
   前記素材アクチュエータの周囲に配置され、三次元素材データを取得する三次元素材データ取得装置と、
   複数の軸を備えた腕ロボット加工機と、
   前記素材アクチュエータ、三次元素材データ取得装置及び前記腕ロボット加工機を制御する制御装置と、を備えた素材加工装置において、
   前記制御装置は、前記三次元素材データ取得装置から出力される三次元素材データを記録する三次元素材データ取得部、加工形状データベースと前記三次元素材データとを比較する比較部、前記三次元素材データに基づき三次元加工用データを作成する三次元加工用データ作成部、前記三次元加工用データ作成部が作成した前記三次元加工用データに基づき前記腕ロボット加工機を制御する腕ロボット制御部とを備え、
   前記三次元素材データに基づき第一の加工形状データの加工が不可能であると判断した場合、前記加工形状データベースが備える加工可能な他の加工形状データを取得し、表示させることを特徴とする素材加工装置。