JP6817227B2 - 多関節アームロボットに取り付けられた穴加工工具を使用して、静的に装着された工作物の表面に穿孔を設けるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、多関節アームロボットの端面に取り付けられており、上記ロボットによって空間的に位置決めされることができる穴加工工具を使用して、静的に装着され且つ任意の形状を有する工作物の表面に穿孔を、好ましくは止り穴の形態で非常に精度良く設けるための方法及び装置に関する。

多関節アームロボットは、広く使用される汎用の産業用ロボットであり、その運動機能(kinematics)は、関節式に相互に接続されて、工作物を加工する目的で工具などのエンドエフェクタを案内及び位置決めする複数のアーム部材から構成される。そのような種類のロボットの多くの可能な構成のうち、直列運動機能を備えるものが最大の可動性及び柔軟性を有する、すなわち各アーム部材が別のアーム部材に直列に接続される。

公報WO84/02301は、典型的ないわゆる六軸垂直多関節アームロボットを記載しており、その第一のアーム要素は、垂直軸に対応する第一の軸回りに回転可能に装着されるベースの一側の端部に枢動可能に取り付けられる。第一のアーム要素が枢動可能に装着される枢動軸は第二の軸と称され、第一の軸に直交して、即ち水平に向けられる。第二のアーム要素の一端が、次いで第一のアーム要素のベースと反対側の端部に、この場合第二の軸と平行して向けられる第三の枢動軸回りに、同じく枢動可能に接続される。最後に、三つの軸回りに回転可能に装着されるインラインリストが第二のアーム部材の第三の軸と反対側の端部に取り付けられ、そして例えば工具を保持する役目をする。

公報DE 10 2013 018 857 A1は、垂直な第一の軸回りに回転可能であるベースに緊締され、且つ一種の運動連鎖で前後に配置される二つのアーム部材を有し、その第一のアーム部材が、第一の軸に直交して向けられる第二の軸回りに回転可能であるようにベースに取り付けられ、そして第二のアーム部材が、第二の軸と平行して向けられる第三の軸回りに枢動可能であるように第一のアーム部材に取り付けられる、二つの平行した運動機能を持つ更なる多関節アームロボットを記載している。インラインリストが運動連鎖の端部に取り付けられる。第二の軸回りに第一のアーム部材を枢動させるために、第一のリニアアクチュエータが設けられ、そして第一のリンク機構を介してベースと第一のアーム部材との両方と動作可能に接続している。第三の軸回りに第二のアーム部材を枢動させるために、第二のリニアアクチュエータが設けられ、第二のリンク機構を介してベース、第一のアーム部材及び第二のアーム部材と動作可能に接続している。両リニアアクチュエータはスピンドル駆動装置として設計され、そして各々はモータ駆動スピンドルナットユニットを提供し、これは第二の軸と平行して向けられる枢動軸回りに枢動可能であるように装着されるねじ付き棒の形態のスピンドルと係合している。

相互に直列運動接続し、したがって最大で数メートルまでの作用範囲を提供するアーム部材を有する全ての既知の多関節アームロボットは、工作機械と比較して低システム剛性の問題を抱えており、結果的に、機械加工プロセスによって生じる反力及びモーメントがロボットの運動連鎖全体にわたって振動を引き起こすので、工作物を機械加工する目的でそのような種類の産業用ロボットを使用することは困難である。結果的に、機械加工速度及び機械加工精度の点でも制約が生じる。上記した低剛性に関する不利点の他に、非常に長い運動連鎖も低い絶対精度を有し、これが次いで高精度な穿孔をあけることをより一層困難にする。しかし、ロボットは、工作機械より柔軟に且つ同時により安価に実装されることができるため、上述した問題を改善する方途の必要性に帰着する。

公報DE 10 2010 007 591 A1は、その端部に機械加工工具が取り付けられた作業ロボットが工作物に個々に位置決めされることができる、変位可能なプラットフォーム上にロボットを持つ作業機器を記載している。光学位置決め補助手段が、工作物に対するロボットの、及び工具の正確な向きも確実にするのに役立つ。しかしながら、コンパクトなシャーシ推進ロボットシステムは、各再位置決め動作のために必要とされる時間が不必要に長くなるため、数メートルの寸法を持つ大規模な工作物の高精度で費用効率的な機械加工には適さない。

本発明の根底にある目的は、多関節アームロボットの端部に取り付けられており、上記ロボットによって空間的に位置決めされることができる穴加工工具を使用して、静的に装着された任意の形状の工作物表面に穿孔を、好ましくは止り穴の形態で非常に精度良く設けるための方法及び装置を、機械加工されることになるその工作物表面が主に自由曲面から成る、機械加工されることになる工作物に対する多関節アームロボットによって案内されている穴加工工具の可能な限り高速で精密な位置決めを可能にするように設計することである。他方で、多関節アームロボットに取り付けられる穴加工工具を使用する工作物の機械加工は、品質と寸法精度との両方の点で最も厳しい機械加工要件も充足しなければならず、特に最たるは、空間寸法が多関節アームロボットのそれに等しいか上回りさえする機械加工するための工作物に対してである。

本発明の根底にある目的の解決策が方法請求項1に記載される。請求項17の目的は、多関節アームロボットに取り付けられた穴加工工具を使用して、静的に装着された工作物の表面に穿孔を設けるための装置である。発明の思想を有利に発展させる特徴が従属の請求項の目的を構成し、且つ特に例証的な実施形態を参照しつつ以下の記載に記載される。

本発明は、少なくとも穴加工工具が工作物と係合する途中である間、多関節アームロボットの大きさ及び構成に応じて数メートルのロボットアーム又は運動連鎖動作範囲を有してもよい、即ちそれが典型的に2から約10mへ延長してもよい、好ましくは垂直多関節アームロボットの運動連鎖に工作物自体への追加の機械的支持を与え、したがって多関節アームロボットを安定させるという着想に基づく。機械的支持は、穴加工工具が取り付けられる多関節アームロボットの端部と工作物との間の機械的接続によって保証される。機械的接続は、工作物に対する所定のロボットの位置及び穴加工工具の向きが達された後に確立される。工作物に対する多関節アームロボットによって案内される穴加工工具の正しい位置決め及び配向は、穴加工工具が最高精度で位置決めされるまで、レーザ追跡システムを用いて検出及び任意選択で再修正される。工作物の表面が機械加工されている間の工具による係合に加えて端面での運動連鎖に対する支持のため、機械加工によって生成される力及びモーメントは、多関節アームロボットの全体にわたって振動を誘発することが殆どできず、したがって穴あけ動作が実行されることができる品質及び速度へも有意な改善を可能にする。振動の減少は、多関節アームロボットと工作物との間の機械的接続の適切に選択された弾性又は弾力設計に伴って有利に強化されてもよい。

工作物自体上での多関節アームロボットの運動連鎖の端部で機械的支持されて、多関節アームロボットは二つの側で剛性である機械システムを形成し、即ち一側で多関節アームロボットがロボットベースに堅固に締め付けられ、他側でそれが解決策に係る着脱可能な剛性の機械的接続を介して工作物に固定される。工作物との機械的接続の接触は、ロボットの力によって生み出される単純で緩い表面又は摩擦接続から、空気で又は磁気的に生成される保持力が工作物への機械的接続の着脱可能な剛性接続を生み出すのを支援する、能動的に接着性の表面結合まで及んでもよい。

表面が機械加工されている間に多関節アームロボットの運動連鎖の可能な限り安定した無振動装着を達成するために、工作物が静止して安定的に装着されることを確実にすることが賢明である。機械加工されることになる工作物の大きさ、重量及び構造に応じて、工作物を安定的に装着するための適切な措置を実装し、その結果、表面が機械加工されている間に多関節アームロボットによって生じる工作物に作用する力及び負荷モーメントがそれによって完全に吸収されることができることが重要である。目的は、適切な保持及び/若しくは固定措置を採用して工作物を安定的に装着することか、又は表面が機械加工されている間さえ重量力が本質的に安定して静止した装着を保証するように、工作物が充分な慣性質量を有することを確実にすることである。

解決策に係る方法及び関連する装置は、非常に大型で非常に重い工作物、例えば航空機建造又は造船で遭遇されるような工作物を機械加工することに理想的に適している。例えば、飛行機胴体シェルに、又は大型船、例えばコンテナ船を駆動するための船のスクリュー若しくはプロペラに対応する表面機械加工作業を行うことが必要である。そのような種類の船のプロペラは、数メートル、典型的に4mと12mとの間のプロペラ直径、及び多関節アームロボットによって案内される穴加工工具を使用して表面を機械加工する目的で静止して安定した装着に関して前に説明した要件を満たすのに疑いもなく十分であろう自重を有する。

船のプロペラを持ち上げる又は回すことなく、その表面の少なくとも一部が自由曲面から成る大型の工作物に精密に規定される機械加工場所に規定の穿孔深さで穿孔を設けることが必要である場合、工具を案内するための多関節アームロボットがそれに応じて大寸法で建造されることができるので、垂直多関節アームロボットは、そのような工作物機械加工タスクを実行することに特に十分に適すると考えられてもよい。枢動関節接合によって相互に接続される二つのアーム部材を備え、且つその各アーム部材が5メートルまでのアーム長さを有してもよい好適な多関節アームロボットが、DE 10 2013 018 857 A1に記載されている。この既知の垂直多関節アームロボットは、解決策に係る方法を実装して行うように特別に設計されており、その結果、工具を案内及び空間的に位置決めするロボットシステムの設計に関する質疑の目的で、上述した文書の開示の内容全体を参照する。

例えば、多関節アームロボットの端面に取り付けられており、それによって空間的に位置決めされることができる穴加工工具を使用して、前記した船のプロペラの静止して装着された工作物に解決策に係る穴あけ動作を実行するために、以下の方法ステップが行われなければならない。まず、多関節アームロボットによって案内される穴加工工具が、工作物表面上の所定の機械加工場所に対向し且つそこから規定可能な距離をおいた工作物に対する空間位置に位置決めされる。この目的で、多関節アームロボットと共に機械加工されることになる工作物は、多関節アームロボットによって案内される穴加工工具が工作物表面上のそれぞれ指定の機械加工場所に達することができることを保証するように、相互に対して装着されなければならない。

解決策に係る、以下説明することになるプロセス監視と共に実行される、多関節アームロボットによって案内される穴加工工具の対応する位置決め後に、工作物表面と多関節アームロボットとの間に着脱可能な剛性の機械的接続が生み出され、これは工作物に対する多関節アームロボットの端面の一側の剛性締付けに帰着する。

後続のプロセスでは、多関節アームロボットの端面が工作物に接続されたまま、機械加工場所に向けて穴加工工具を移動させ、続いて機械加工場所での工作物との穴加工工具の係合によって、表面機械加工が実行される。

穴加工が完了した後に、機械的接続が解放され、そして多関節アームロボットによって案内される穴加工工具が機械加工場所から離れて移動され、任意選択で工作物に対向する新たな位置に移動される。

解決策に係る方法を実行するために、多関節アームロボットには、多関節アームロボットに取り付けられる穴加工工具の空間位置決め及び配向のための制御ユニットが備えられ、その結果、機械加工場所に対向し且つそこから距離をおいた空間位置への多関節アームロボットによって案内される穴加工工具の迅速な移動は、多関節アームロボットの内蔵ロボット運動機能を採用してのみ可能である。

高速な位置決め及び接近動作は、好ましくは機械加工されることになる工作物の空間的形状、工作物表面上の所定の機械加工場所、及び穴加工工具に割り当てられる工具中心点を記述するバイナリデータセットを認識して実行され、ここでは多関節アームロボットによって案内される穴加工工具の、及び工作物表面上の所定の機械加工場所の相対空間位置が測定手段によって検出及び監視される。工作物及び多関節アームロボットによって案内される穴加工工具の相対空間位置を測定するために、非接触追跡システム、例えばレーザ追跡システムが使用され、その追跡システムは、工作物の空間場所を記述する少なくとも一つの工作物座標系(WKS)及びロボットの空間場所を記述する一つのロボット座標系(RKS)を極度な精度で生成し、ここでは両座標系は相互と空間的に相関される。

加えて、好ましくは接触なしで機能する距離センサシステムが多関節アームロボットの運動連鎖の端領域に設置され、そして多関節アームロボットによって案内される穴加工工具と工作物上の機械加工場所との間の距離を検出する。正確な距離を検出する他に、距離センサシステムは、好ましくは機械加工場所の領域で工作物表面に対する穴加工工具の空間位置を検出することもでき、したがって多関節アームロボットの端部に取り付けられており、それによって、検査及び必要に応じて修正されることになる空間向きに案内される穴加工工具の工作物表面に対する空間位置を可能にし、その結果、穴加工工具は空間位置で規定可能な目標の向きを自律的にとることができる。空間位置に位置決めされる穴加工工具の配向検査は実行されても、又はレーザ追跡システムで収集される空間及び配向情報に基づいて少なくとも追加的若しくは代替的にサポートされてもよい。その上、表面が機械加工されている間に機械加工プロセスによって誘発される目標の向きからの偏差が現存のセンサシステムで検出され、そして向きを再調整する及び/又は穴あけプロセスを評価する目的で使用されてもよい。したがって、例えばロボット案内ドリルの穿孔深さがセンサ信号から推論されてもよい。

好ましくは三つの別々に取り付けられるレーザ追跡器の形態の非接触距離センサシステムの他に、好ましくは少なくとも一つのリニアアクチュエータの形態の機械式コネクタユニットがロボットアームの端部に取り付けられて、工作物の一側で多関節アームロボットをサポートする着脱可能な剛性の機械的接続を形成する。少なくとも一つのリニアアクチュエータは、好ましくは伸縮作用が構成されており、工作物に面するように配置される係止手段を有する。係止手段は、それが工作物表面に対して可能な限り広範囲に向かうように設計される。第一の実施形態において、係止手段は、専ら多関節アームロボットを用いて生成されることができる押圧力によってもたらされる力負荷でのみ工作物表面と接触して、純粋に機械的摩擦係止接続を生み出す。好適な更なる実施形態において、追加の接着力が、工作物表面に少なくとも一つのリニアアクチュエータの係止手段を固定することができる。制御可能な磁気又は空気力ユニットが追加の接着力を生成することに適する。具体的で例証的な実施形態を参照しつつ後続の注に示すことになるように、相互と独立して作動及び偏向されることができ、したがって工作物に対する向きの点でロボットアームの端面の安定した配置を可能にし、特に工作物表面に対するロボット運動機能の横変位又は滑りを確実に防止する三つの別々のリニアアクチュエータを使用して、多関節アームロボットと工作物との間に機械的接続を生み出すことが特に有利である。

特に、船のプロペラ、航空機部品などといった大規模な工作物を機械加工するとき、ロボットアームの端部に取り付けられる機械式コネクタからの押圧力の負荷下での工作物装着による反動のために、工作物が変形及び/又は向きずれの傾向があることがあり、これが、工作物上の穿孔の意図される位置に対する穴加工工具の不適当な位置決めに最終的に帰着することがあることが見出されている。そのような不良な偏差を防止するために、好適な方法変形は、工作物のそのような力誘発位置決め誤差が生じるかどうか及びどの程度か決定する目的で、穴あけ手順が工作物に実行される前に、多関節アームロボット上のコネクタユニットが力負荷下で工作物の代表的な表面領域に又は穴加工位置近くに置かれると規定する。工作物の正確な空間測定が次いでレーザ追跡システムを使用して実行され、ここではレーザ追跡システムによって検出されることができる工作物の異なる表面範囲に取り付けられる好ましくは三つの測定標を採用して、正確な空間座標が計算される。多関節アームロボットが負荷力下で工作物に向かう間の工作物の正確な向きの走査に基づいて、工作物上の穿孔位置とロボットに取り付けられる穴加工工具との間で起こり得る逸脱がレーザ追跡システムを用いて検出されてもよい。修正目的で、コネクタユニットがその端部に取り付けられる多関節アームロボットは、計算された向き修正を考慮して工作物に対して再位置決めされ、その結果、穴あけプロセスが開始することができる。

この動作方法は、このように実際の穴加工プロセス前に工作物の方の向きずれを取り込むことが可能であるだけでなく、ロボット側の変形を検出するために使用されることもできるので、この点で特に有利だと考えられる。原則として、起こり得る位置決め誤差を取り込むために、実際の穴加工に進む前に任意の穴加工位置で工作物に対する多関節アームロボットの押圧動作だけを実行することが可能である。しかしながら、これは、全体の穿孔穴あけタスクを実行するときに時間の追加的な消費を伴う。異なる穴加工場所で完了されることになり且つ全て工作物の表面で相互に近接して設置される一定数の穴あけプロセスを実行する前に、多関節アームロボットのコネクタユニットが負荷力下で一度だけ穿孔の領域に向かうようにすることによって、起こり得る位置決め誤差を検出することも可能である。次いで、事前に一度決定された位置決め誤差及びそこから導出される向き修正を考慮して、上記の数の穴あけプロセスが間断なく実行されてもよい。穴加工の目的で、着脱可能な機械的接続が工作物表面に確立された後に、穴加工工具がプロセス監視下で作動及び工作物に向けて移動される。概して、穴あけ、フライス削り、切断、研削又は他の砥粒加工動作も工作物表面に実行されてもよい。以下の本文では、高精度穴加工の遂行が説明されることになり、ドリルが使用され、そして多関節アームロボットの端部に取り付けられるNC送りユニットを用いて工作物の方へ移動される。プロセス監視穴あけ手順は、所定の穿孔深さが達されるとすぐに停止される。

以下では、本発明が、実施形態を使用し且つ図面を参照しつつ一般的な発明の思想を限定することなく、例証的に記載されることになる。

船のプロペラに穿孔を設けるための装置を図示する。 工作物との機械的接続を生み出す役目をするコネクタユニットと共に、多関節アームロボットの運動連鎖の端部に取り付けられる穴あけ主軸装置の様々な位置からの図を示す。 工作物との機械的接続を生み出す役目をするコネクタユニットと共に、多関節アームロボットの運動連鎖の端部に取り付けられる穴あけ主軸装置の様々な位置からの図を示す。 工作物との機械的接続を生み出す役目をするコネクタユニットと共に、多関節アームロボットの運動連鎖の端部に取り付けられる穴あけ主軸装置の様々な位置からの図を示す。 力の影響を受ける船のプロペラである。 機械加工中の無負荷下の船のプロペラである。 機械加工中の無負荷下の船のプロペラである。 工作物表面に位置決めされる穴加工装置である。 工作物表面への穴加工工具の接近手順である。 工作物表面への穴加工工具の接近手順である。 工作物表面への穴加工工具の接近手順である。

本発明の実装方法、商用的有用性
図1は、ある所定の機械加工場所に穿孔が設けられることになる、機械加工されることになる船のプロペラの形態の工作物Wを図示する。主に自由曲面から成る工作物Wのその大きさ及び表面のため、工作物を後機械加工することに適する唯一の機器は、穴加工装置Bがその運動連鎖の端面に取り付けられる大規模な垂直多関節アームロボットKRであり、これは二つのアーム部材2、3から成る。多関節アームロボットKRは、文書DE 10 2013 018 857 A1に完全に詳細に記載されており、垂直軸回りに回転可能であるベース1に緊締されるロボットアームを備える。ロボットアームは、運動連鎖のようにして前後に配置される二つのアーム部材2、3を有し、その第一のアーム部材2は、垂直軸に直交して整列される第二の軸回りに枢動可能であるようにベース1に装着される。第二のアーム部材3は、第二の軸と平行して整列される第三の軸回りに枢動可能であるように第一のアーム部材1に取り付けられる。インラインリスト4が運動連鎖の一端に、すなわち第二のアーム部材3の末端に取り付けられ、そしてこれに穴加工装置Bが、以下の本文に更に詳細に記載することになる支持フレームを介して取り付けられる。多関節アームロボットKRの他の構成部品を説明する目的で、前に引用した文書の開示内容を参照する。穴加工装置Bの代わりに更なるアーム部材-図示せず-をインラインリスト4に取り付けることも等しく可能である。更なるアーム部材には、好ましくは伸縮延長機構が備えられ、したがって必要とされるアーム長さに延長されることができる。穴加工装置Bは、この追加の伸縮アーム部材の端部に設置されてもよい。

垂直多関節アームロボットKRのアーム部材2、3は各々、2.5と3.5メートルとの間のアーム長さを有してもよい。これは、多関節アームロボットKRが達することができる十分な作業範囲を例示し、その結果、数メートルの構造高さを持つ工作物Wは、工作物W自体を移動させる必要なく、多関節アームロボットKRの端部に取り付けられた工具を採用して表面機械加工動作を受けることができる。

表面機械加工を実行するために、まず、機械加工されることになる工作物Wの、及び多関節アームロボットKR、特にこの例では穴加工装置Bである、多関節アームロボットKRの端部に取り付けられた工具の空間的配置を取り込むことが必要である。この目的で、接触なしで機能する空間分解物体検出システムが、例えばレーザ追跡器LTの形態で提供される。工作物Wに適切に取り付けられ且つ形成される標識M1を採用して、レーザ追跡器LTは、工作物Wの空間配向を定義する工作物座標系WKSを編集することができる。同様に、レーザ追跡器LTは、多関節アームロボットKRに永久に適用される標識M2を採用して、多関節アームロボットに割り当てられることができるロボット座標系RKSを生成することができ、この系は、多関節アームロボットKRに締結される穴加工装置Bの空間配向を決定するために使用されることもできる。

レーザ追跡器LTによって編集された工作物座標系及びロボット座標系は制御ユニットSに転送され、そこで二つの座標系は相互と相関される。

穿孔が作られることになる工作物Wの工作物表面上の機械加工場所を定義する空間座標を指定することによって、多関節アームロボットKRは、それに取り付けられた穴加工装置Bを、工作物表面上の所定の機械加工場所に対向し且つそこから所定の距離をおいた空間位置に位置決めする。位置決め作用動作は、多関節アームロボット運動機能を採用して非常に急速に起こる。位置決めが完了すると、穴加工装置Bの現在の空間位置、特に穴加工工具の重心の空間位置が、レーザ追跡器LTを採用して検出及び検査される。所定の目標位置からの偏差が検出される場合には、多関節アームロボットKRはそれに応じて後調整を実行する。正確な空間位置が達されるまで、後調整動作は複数回繰り返されてもよい。

穴加工装置Bが工作物表面上の機械加工場所に対向する正しい空間位置にあると、穴加工装置Bと工作物表面との間の距離と、穴加工装置Bに対する機械加工場所での工作物表面の向き及び空間整列との両方の測定走査がなされる。

この目的で、好ましくは三つの別々のレーザ距離センサが、穴加工装置Bの周りに及び/又はその上に取り付けられる。レーザ距離センサで検出された距離値に基づいて、ドリルの縦軸を機械加工場所で工作物表面に正確に直交して整列させることが可能である。

多関節アームロボットKRのインラインリスト4に取り付けられたZ穴加工装置Bを例示するために、以下の本文は、様々な観点から穴加工装置Bを図示する図2a〜cを参照することになる。図2a及びbは穴加工装置Bを二つの異なる側面図で図示し、図2cは穴加工装置Bを軸方向にドリルの縦軸を下から表す。以下の注は、全ての三つの図2a〜2cに等しく当てはまる。

支持フレーム5が、第二のアーム部材3の端部に設けられたインラインリスト4上に永久的に配置され、これに穴あけ動作のために必要な複数の構成部品が取り付けられる。とりわけ、三つのレーザ距離センサ6が支持フレーム5に間接的であるが永久的に接続され、そしてこれらは、支持フレーム5の空間配向及び工作物表面からのその距離を検出することができる。

穴加工装置Bがプロセス監視によりその空間位置でWに対向する正しい向きをとった後に、支持フレーム5に取り付けられたコネクタユニットが作動されて支持フレーム5と工作物Wとの間の機械的接続を生み出す。

図2a〜cに例示した実施形態において、コネクタユニットは三つのリニアアクチュエータ7を含み、それらは支持フレーム5に取り付けられ、且つその全てには伸縮、即ち可変長機構が備えられており、これは電動、水又は空気力によって駆動されることができる。図2a〜cに図示した実施形態の場合、各個々のリニアアクチュエータ7は空気圧押上シリンダユニットから成り、その各々の空気圧シリンダ7.1は、弁制御空気圧ユニット7.2を用いて長さが変更されることができる(図2a、bに例示した双頭矢印を参照されたい)。

係止手段8が、支持フレーム5から最も遠い空気圧シリンダ7.1の端部に取り付けられ、そして全ては、負圧を用いて真空吸引グリッパとして空気で動作されるように設計される。真空吸引グリッパは、好ましくは玉継手で空気圧シリンダ7.1の端部に接続され、その結果、それらが表面に接触するとき、それらは、したがって自動的に正しい接触向きをとることができる。三つのリニアアクチュエータ7はまた、リニアアクチュエータ7を通って広がる正三角形の面重心に穴加工工具10があるというように、中心に設けられる穴加工工具10の周りに配列されており、図2cの一点鎖線を参照されたい。

運動学的ロボットKRの第二のアーム部材3と工作物Wとの間の機械的接続を生み出すために、空気圧シリンダ7.1は、真空吸引グリッパの形態の係止手段8が工作物表面に接触するまで、個々に且つ相互に独立して、非常に小さいきざみ幅で延ばされる。これを行うため、空気圧シリンダ7.1は、真空グリッパ-既に吸引している-が工作物表面に接触し、そしてそれら自体を表面に締結するまで、空気圧ユニット7.2に設けられる低過圧を持つ比例弁を使用して延ばされる。これは、穴加工装置Bが多関節アームロボットKRのシステムに存在する異なる剛性のために移動するのを防止する。

次いで、係止手段8が工作物表面にそれによって付着する機械的接触圧力が上昇される。このために、空気圧ユニット7.2に設けられる比例弁Pを介して、より高圧力が設定され、その結果、支持フレーム5及びそれに堅固に接続される全て構成部品は、工作物と多関節アームロボットKRの運動連鎖との間に締め付けられる。

次のステップでは、空気圧シリンダ7.1は、それらが付勢ばねとしてのみ機能することができるように遮断される。この点で、多関節アームロボットKRの運動連鎖全体及びそれと共に、一側に締結される全ての構成部品を含む支持フレーム5も、一側の締付けが弾性的に弾力的な装着を構成する堅固な付着性接続で工作物表面に対して支えられ、その結果、運動連鎖に伝達され得る、機械加工プロセスによって引き起こされる振動及び揺動は減衰される。

更なるステップでは、レーザ距離センサ6と工作物表面との間の近似距離が測定される。

支持フレーム5に堅固に接続される穴加工装置Bは、ドリルビット10を駆動するスピンドルドリル9を備える。ドリルビット10は、NC送りユニット11を採用して、可能な限り迅速に且つ工作物表面に可能限り近く、工作物表面にわたって移動される。ここで、ドリルビット10と機械加工場所での工作物表面との間で表面接触が確立されるまで、ドリル送りは続く。ドリルビット10は、事前に指定の穿孔深さが達されるまで、それに応じて所定の回転速度及び送り速度でプロセス監視により工作物内へ駆動される。プロセス監視は、例えばNC送りユニット11の及び/又はスピンドルドリル9のモータでの有効動力を検出することによって、又は適切に取り付けられた加速度センサ若しくは力センサを採用して、センサにより保証される。支持フレーム5に堅固に取り付けられる距離センサ6は、穴あけ動作中に支持フレーム5と工作物表面との間の距離も、それを一定に保つために検出する。ドリルの送りにより支持フレーム5が反動する場合、これはレーザ距離センサ6で取り込まれ、そして直接補償されることができる。

上述の監視パラメータでドリルビットの破損を検出することも可能であり、その結果、穴あけプロセスは即座に停止されることができる。

所望の穿孔深さが達されると、ドリルビット10はNC送りユニット11を採用して引き戻され、そして真空吸着カップ8は工作物表面から解放される。多関節アームロボットKRは、工作物表面上の別の機械加工場所に対向して設置される新たな空間位置に穴加工装置Bを直ちに移動させる。

図3は、モータ駆動回転台12に装着されて、垂直軸Z回りの制御回転、及び結果的に可能な、横に配置された多関節アームロボットKR(図3に図示せず)に対する船のプロペラの整列を可能にする、船のプロペラの形状を有する図1に表した工作物Wの側面図を例示する。例えば、上から垂直にアクセス可能である船のプロペラの表面に穿孔を設けることが必要である場合、穴加工装置Bは穿孔位置より上に位置決めされ、そして空気圧シリンダ7.1はプロペラ羽根の表面に直交して延びて、それに真空吸着カップ8で接触しており、図2a、2bを参照されたい。このプロセスでは、プロペラ表面に直交して及ぼされる押圧力P_Aが生成され、船のプロペラに作用する垂直力P_V及び水平力P_Hから成る。プロペラ羽根の傾斜位置のため、特に水平力P_Hが垂直軸Z回りのトルクDを生じさせ、これは船のプロペラを回転台12に起こり得る軸受隙間のために回動させてもよい。回転の方向及びトルクの大きさも、多関節アームロボットによって適用されなければならない押圧力P_Aによってだけでなく、場所及びプロペラ羽根の傾斜によっても決定される。

穴加工位置の座標は一般に既知であり、且つ前に説明した工作物座標系WKSにおける点座標集合として存在し、ここでは工作物座標系WKSは、無負荷下の工作物Wでレーザ追跡器LTによって記録されている。工作物が機械加工中にいかなる向きの変化も受けない限り、多関節アームロボットを作動させる制御ユニットは、穴加工位置に対する穴加工工具の極めて正確な位置決めを可能にする。

船のプロペラの向きが機械加工作業の結果として、又は前記したようにそれが垂直軸Z回りに回動するために変化すれば、工作物座標系WKS'は変化し、その結果、穴加工位置の既知の座標はもはや、変化した向きを反映する工作物座標系WKS'と合致しない。これを図4a、bに表す。図4aでは、工作物座標系WKSにおける目標及び実際の穿孔座標B_soll、B_istは同一である。図4bでは、当初の工作物座標系WKSが多関節アームロボットの押圧力下で新たな工作物座標系WKS'に変形され、船のプロペラが回動したので、目標及び実際の穿孔座標B_soll、B_istはもはや同一でない。

この不良の位置決めを修正するため、工作物座標系は、多関節アームロボットが船のプロペラの表面に対して押圧している状態で測定及び定義される。既知の穿孔座標は、例えばCADシステムから得られ、現在受信した工作物座標系に基づいて使用されてもよい。

工作物座標系を較正するプロセスは、各場合それぞれの現在の穴加工位置に対して穴加工装置を押圧することによって、一度又はあらゆる単一の穴あけ動作の前に実行されてもよい。このように、向きの変化による誤差は完全に排除される。

前記した位置決め動作が完了するとき、特に平坦でない工作物表面に関して達成可能な意図される穿孔深さ、目標穿孔深さの点で、望ましくない不正確が穴あけプロセス中に依然として発生することがあることが見出されている。平坦でない工作物表面で穴あけする場合のこの不正確は、図5〜8を参照しつつ説明することになる好適な穴加工戦略により改善されてもよい。

図5は、工作物表面WOに正確に位置決めされる穴加工装置Bを表す。穴加工工具10を回転させるスピンドルドリル9が作動され、そしてNC送りユニット11が工作物表面WO上の約10mmまで迅速に(200mm/s)前進する。工作物表面WOの正確な性質が完全には既知でないので、ここで不確実性が存在する。例えば、工作物表面WOが局所隆起Eを有することが大いに考えられる。これが例えば10mmより大きい場合、穴加工工具10がそのような高速で工作物表面WOと衝突すれば、穴加工工具10は破損するかもしれない。

この問題に対処するため、工作物表面WOからの距離が穴加工装置B上の三つのレーザ距離センサ6で測定されており、図6を参照されたい。表面の曲率も既知ではないので、推定値、例えば10mmがオフセットとして使用される。全ての三つのセンサがレーザビームLで工作物表面WOからの距離を測定する。次いで、妥当性検査が実行され、これが完了成功すれば、三つの測定距離値から平均値が形成される。平均距離値GAからオフセットが差し引かれて起こり得る表面曲率を考慮し、その結果、第一の行程セグメント13が得られ、それに沿って穴加工工具10が、例えば200mm/sの行程速度で迅速に移動される。穴加工工具10が、第二の行程セグメントに対応するオフセットの領域に接近するにつれて、穴加工工具10は、約6mm/sの通常のドリル送り速度でのみ前進される。穴加工工具10が低減された穴あけ送り速度(約6mm/sのみ)で長く進行するほどプロセスが全体として長くかかるので、平均距離を二つのセグメントに分割する戦略は、可能な限り短い穴あけプロセスを達成するために、産業安全及び事業理由の両方で有意である。例えば、穴加工工具10が6mm/sの速度だけで第一のセグメント全体、例えば24mmにわたって進行するとすれば、各穿孔は前に説明した場合よりも生み出すのに4秒長くがかかるであろう。千個の穿孔となれば、この時間差は既に一時間を超える。

オフセット領域内では、穴加工工具10が工作物表面WOと接触するまで、穴加工工具10はドリル送り速度で前進する。この初期接触は、スピンドルドリル9の有効電力を介して監視される。有効動力が特性閾値を越えて上昇すれば、その区間は認識されたと考えられる。この場合、デジタル信号がコントローラに転送される。この信号は、全ての三つのレーザ距離センサ6を「ゼロ化」設定する効果を有し、その結果、以後工作物Wへの穴加工工具10による貫入のみが測定されており、図7を参照されたい。前進をゼロに減速させるために必要とされる行程経路Xを除いて所望の孔深さSBTが達されると、前進はまず完全停止まで減速され、次いで引出し方向に加速される。

静的に装着される工作物の表面を機械加工するための解決策に係る方法及び解決策に係る関連する装置により、任意の湾曲する工作物表面上に非常に高精度で穿孔をあけること、しかも多関節アームロボットシステムの剛性及び絶対精度とほぼ完全に独立してそれをすることが可能である。上記した解決策に係る工作物への穿孔の設置の他に、多関節アームロボットには、フライス削り、研削又は切削工具も装備されてもよい。更には、ねじ締め、リベット締め、溶接又は結合動作などの接合動作が、以上本文に記載した作業方法を使用して工作物に高精度で実行されてもよい。

1 ロボットベース
2 第一のアーム部材
3 第二のアーム部材
4 インラインリスト
5 支持フレーム
6 レーザ距離センサ
7 コネクタユニット、リニアアクチュエータ
7.1 空気圧シリンダ
7.2 空気圧ユニット
8 係止手段
9 スピンドルドリル
10 ドリルビット
11 NC送りユニット
12 回転台
13 第一の間隔
D トルク
Z 垂直軸
A2 第二の軸
B 穴加工装置
KR 多関節アームロボット
GA 平均間隔値
M1 標識
M2 標識
S 制御ユニット
W 工作物
WO 工作物表面
LT レーザ追跡器
L レーザビーム
P 比例弁
P_A 押圧力
P_H 水平力
P_V 垂直力
SBT 基準穿孔深さ
WKS、WKS' 工作物座標系
X 減速経路

Claims (9)

1. 多関節アームロボットの端面に取り付けられており、それによって空間的に位置決めされることができる穴加工工具を使用して、静的に装着された工作物の表面、若しくは自由曲面である表面に穿孔を設けるための方法であって、
   前記工作物表面上の指定の機械加工場所に、そこから指定の距離をおいて対向する空間位置に前記多関節アームロボットが案内する穴加工工具を位置決めするステップと、
   前記工作物上で前記多関節アームロボットの端面を支持し且つ前記工作物表面から着脱されることができる機械的接続をもたらすステップであって、前記工作物表面上の着脱可能な機械的接続が、所定のきざみ幅で作動可能であり、そして前記多関節アームロボットが無負荷下にあるときに、前記工作物表面に間接的及び/又は直接的に接触する、前記多関節アームロボットの端面に取り付けられた少なくとも三つのリニアアクチュエータを用いて、前記多関節アームロボットが一側で前記工作物表面に支持され且つ前記多関節アームロボットに沿って力及びモーメントを吸収する締付けの形態であるステップと、
   前記多関節アームロボットの端面が前記工作物に接続されたまま、前記多関節アームロボットの端部に取り付けられたNC送りユニットを用いて、前記機械加工場所に向けて前記穴加工工具を移動させ、続いて前記工作物表面上の前記機械加工場所で前記工作物と前記穴加工工具を係合させるステップとを含み、
   前記工作物表面に対する前記穴加工工具の位置を検出し且つ前記多関節アームロボットの端面に取り付けられたセンサシステムを使用して得られる情報に基づいて、穴加工プロセスが監視され、指定の穴加工深さに達したとき、前記穴加工プロセスが終了される方法において、
   機械加工されることになる前記工作物の空間的形状、前記工作物表面上の所定の機械加工場所、及び工具に割り当てられる工具中心点を記述するバイナリデータセットに基づいて、前記多関節アームロボットが案内する穴加工工具の前記位置決めが実行され、前記多関節アームロボットによって案内される前記穴加工工具の相対的な空間位置が、測定手段によって検出及び監視され、
   前記工作物の空間場所を記述する少なくとも一つの工作物座標系(WKS)及び前記多関節アームロボットの空間場所を記述する一つのロボット座標系(RKS)を生成する非接触追跡システムを用いて、測定データの検出が行われ、
   前記工作物座標系及び前記ロボット座標系が、相互に空間的に相関され、
   前記多関節アームロボットが前記工作物と動作可能に接続して負荷力を印加している状態で、前記工作物座標系及び/又は前記ロボット座標系の生成が行われ、
   前記多関節アームロボットの端面に取り付けられ且つそれによって前記空間位置に位置決めされる前記穴加工工具の空間配向の検査及び必要に応じた修正が、前記工作物表面上の前記機械加工場所に対して実行され、その結果、前記穴加工工具が、前記空間位置で目標の向きをとることを特徴とする方法。
2. 前記工作物表面上の所定の機械加工場所に対向し且つそこから所定の距離をおいた前記空間位置における前記多関節アームロボットが案内する穴加工工具の前記位置決めが、前記多関節アームロボットに内在するロボット運動機能を採用して実行されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
3. 磁気若しくは空気圧作動機構又は摩擦力に基づく作動機構に基づいて、締付けが生み出されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
4. 前記多関節アームロボットが前記場所で又は前記機械加工場所の領域で前記工作物と動作可能に接続して負荷力を印加している状態で、前記工作物座標系及び/又は前記ロボット座標系の生成が行われることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記多関節アームロボット上の端面に取り付けられたセンサシステムに基づいて、正確な穿孔深さが決定される、且つ/又は前記機械加工場所の領域における前記工作物表面に対する前記穴加工工具の空間配向が決定されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記多関節アームロボットの端面を支持し且つ前記工作物から着脱可能である機械的接続の生成後に、前記多関節アームロボットの端面に取り付けられたセンサシステムを用いて、前記工作物表面からの距離が測定され、前記測定された距離が、少なくとも二つの区間、前記多関節アームロボットに近い第一の区間及び前記工作物表面に近い第二の区間に分割され、
   前記多関節アームロボット上の端面に取り付けられたNC送りユニットを用いて、前記穴加工工具が、前記第二の区間に沿ってと比較してより大きな送り速度で前記第一の区間に沿って前記工作物に向けて移動されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記多関節アームロボット上の端面に取り付けられた前記NC送りユニットを用いて、前記穴加工工具が前記第一及び前記第二の区間に沿って移動され、
   前記穴加工工具が少なくとも前記第二の区間に沿って進行している間、前記穴加工工具がスピンドルドリルを介して電動手段によって回転するように駆動され、
   アクセス可能な有効電力が前記スピンドルドリルで測定され、穴加工工具と工作物表面との間の第一の接触を検出するために使用されることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
8. 前記第一の接触が検出されると、距離測定をリセットする信号が生成され、
   前記多関節アームロボットの端面に取り付けられた前記センサシステムが、前記工作物への前記穴加工工具の送り中に現在の穿孔深さを検出し、
   目標穿孔深さが達される前に最小距離で、送り動作が停止され、前記最小距離が、前記送り動作が完全に停止するために必要とされる行程経路に対応することを特徴とする、請求項7に記載の方法。
9. 前記送り動作が一定の送り速度で実行されることを特徴とする、請求項8に記載の方法。

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