JP6821961B2

JP6821961B2 - ロボット作業教示方法

Info

Publication number: JP6821961B2
Application number: JP2016115411A
Authority: JP
Inventors: 圭貴中村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2036-06-09
Also published as: JP2017217738A

Description

本発明は、被加工物を多軸ロボットで自動加工する際のロボット作業教示方法に関するものである。

金型の仕上工程においては、その表面を砥石により研磨加工しているが、この作業を多軸ロボットに作業教示（ティーチング）させることが提案されている（特許文献１）。

多軸ロボットに作業教示するには、熟練作業者が、リュータ（手動切削工具）などで実際に行った作業を、モーションキャプチャや画像情報を基に計測し、これを三次元座標データとすることで、多軸ロボットを制御することが提案されている（特許文献１、２）。

特許第２６６５８９７号公報特開２０１１−２００９９７号公報特開２０１５−８５４９６号公報特開平０７−２２３１９０号公報特開２００３−３４０６１９号公報特開２０１３−１１７８７７号公報

しかしながら、モーションキャプチャーや画像情報による位置データの精度は悪いため、座標データを多軸ロボットに記憶させても正確な研磨加工を行うことは困難である。

このため特許文献１、３では、多軸ロボットに力覚センサを備え、その力覚センサで砥石の接触圧力を調整することで被加工物に加える力を一定に保ちながら加工することが提案されている。

しかし、力覚センサで砥石等の接触圧を一定に制御すると、記憶していた位置データとの乖離が生じ、これが累積されると位置の誤差が大きくなり、記憶した位置データでの制御は困難となってしまう。

また、力覚センサで接触圧力を一定にしても、砥石自体は使用により摩耗し、その接触圧もその都度変化するため、単に一定の力で押し付けても精度良い研磨は困難である。

本発明者等は、特許文献６で、超音波による位置情報を基に、複数箇所のボルト締め作業が適正に行われたかどうかを監視する作業監視システムを提案した。

超音波による距離計測は、モーションキャプチャーの精度と同程度であるものの、切削工具の動きに追従した変化量も計算できる。このため、多軸ロボットを制御する際のフィードバック量も得られる優位性を見出して本発明に至ったものである。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、超音波距離計を用いて三次元計測したデータを多軸ロボットに教示し、その教示したデータで多軸ロボットを制御する際にその作業状態の位置制御をフィードバック制御できるロボット作業教示方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、多軸ロボットの作業アーム先端に電動切削工具を取り付け、その電動切削工具で被加工物を加工するためのロボット作業教示方法において、作業者が教示用電動切削工具を持って前記被加工物を加工したときの前記教示用電動切削工具の作業動作を超音波距離計を用いて三次元計測すると共に、これを作業教示データとして記録し、その記録した作業教示データを基に前記多軸ロボットの作業アーム先端で再現させると共に、前記多軸ロボットでのロボット側電動切削工具の位置を超音波距離計で計測し、これに基づいて前記ロボット側電動切削工具の位置を補正制御するようにしたことを特徴とするロボット作業教示方法である。

本発明は、教示作業中と多軸ロボットでの加工中の電動切削工具の位置を超音波距離測定することで、教示作業データで多軸ロボットを制御する際に、そのロボット側電動切削工具の実際の距離を基に、位置補正を行うことで正確な位置合わせが行えるという優れた効果を発揮する。

本発明のロボット作業教示方法において、作業者の作業を記録する状態を示す図である。本発明のロボット作業教示方法において、多軸ロボットで作業している状態を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、熟練作業者Ｍが、リュータなどの教示用電動切削工具１０Ｔを持って被加工物１１Ｔを加工し、これを作業教示データとして記憶する状態を示したものである。

教示用電動切削工具１０Ｔは、その先端に砥石１２Ｔを備え、砥石１２Ｔを高速回転することで、被加工物１１Ｔの表面を研磨加工する。

教示用電動切削工具１０Ｔには、被加工物１１Ｔへの砥石１２Ｔの接触圧を検出する力センサ１３が設けられる。

教示用電動切削工具１０Ｔの外表面には２つの超音波発信器１４、１５が設けられ、被加工物１１Ｔの周囲には少なくとも３つの超音波受信器１６Ａ、１６В、１６Ｃが設けられて超音波距離計が構成される。

教示用電動切削工具１０Ｔと記録装置２０とは多芯のケーブル１８を介して接続され、そのケーブル１８からの通電で内部の電動モータが回転されると共に砥石１２Ｔの回転数を任意に調整できるようになっている。また、力センサ１３の検出値はケーブル１８を介して記録装置２０に入力され、超音波発信器１４、１５からの超音波の発信はケーブル１８を介して所定のタイミングでトリガされると共に、超音波受信器１６Ａ、１６В、１６Ｃで検出した超音波受信信号が信号ライン１９ａ、１９ｂ、１９ｃを介して記録装置２０に入力され、その発信と受信の時間差でそれぞれの距離が計測され、その距離データが、記録装置２０に記憶される。

ここで、超音波受信器１６Ａ、１６В、１６Ｃは、被加工物１１Ｔの座標系を規定する点Ａ、Ｂ、Ｃ上に配置されている。

記録装置２０は、教示用電動切削工具１０Ｔの基準原点位置をＲＰ₀、砥石１２Ｔの作業位置をＲＰ₁としたとき、超音波発信器１４、１５と超音波受信器１６Ａ、１６В、１６Ｃ間で検出した各距離データを基に、基準原点位置ＲＰ₀の座標（ｘ₀、ｙ₀、ｚ₀）と、作業位置ＲＰ₁の座標（ｘ₁、ｙ₁、ｚ₁）とを演算で求めると共にこれら座標を記憶し、また同時に、点Ａ、Ｂ、Ｃで規定される座標系に対して、作業位置ＲＰ₁と基準原点位置ＲＰ₀とを結ぶ線の傾斜角（θ_x、θ_y、θ_z）を求め、これを記憶する。さらに、記録装置２０は、基準原点座標（ｘ₀、ｙ₀、ｚ₀）変化と傾斜角変化から、送り速度（Ｆ_xθ、Ｆ_yθ、Ｆ_zθ）を単位時間毎に演算して記憶すると共に、この単位時間に併せて、力センサ１３の検出値Ｐ、砥石１２Ｔの回転数Ｒを記憶する。

被加工物１１Ｔの近くには、砥石１２Ｔで切削研磨中の切削音を検出するマイクロフォン２２が配置され、その検出音が信号ライン２３を介して記録装置２０に入力される。記録装置２０は、砥石１２Ｔの回転数Ｒを基に、信号ライン２３から送られる切削音の高低から、切削研磨中の砥石周速度と力センサ１３の接触圧に対応する音声周波数を記憶する。

記録装置２０には、熟練作業者Ｍが、教示用電動切削工具１０Ｔで被加工物１１Ｔを加工したときの作業開始時から作業完了まで、上述した教示用電動切削工具１０Ｔの作業教示動作等が記憶され、これを作業教示データとする。

図２で示す多軸ロボット３０は、作業教示データ２４を基に被加工物１１Ｒを研磨加工する。

多軸ロボット３０は、多関節ロボットからなり、その先端の作業アーム３１に図１で示した教示用電動切削工具１０Ｔと同型のロボット側電動切削工具１０Ｒが取り付けられ、教示用電動切削工具１０Ｔと同様に、超音波発信器１４、１５、力センサ１３が設けられ、これらが多軸ロボット３０とケーブル３２を介して制御装置４０と接続される。

また、被加工物１１Ｒの周囲には、図１で説明したように被加工物１１Ｒの座標系を規定する点Ａ、Ｂ、Ｃ上に超音波受信器１６Ａ、１６В、１６Ｃが設けられ、これら検出した超音波受信信号が信号ライン１９ａ、１９ｂ、１９ｃを介して制御装置４０に入力され、また、同様に被加工物１１Ｒの近くにマイクロフォン２２が配置され、その検出音が信号ライン２３を介して制御装置４０に入力される。

多軸ロボット３０で被加工物１１Ｒを切削研磨する際には、制御装置４０に、予め加工動作の基本の動きがプログラミングされており、その基本動作に対して、作業教示データ２４で、ロボット側電動切削工具１０Ｒが、熟練作業者Ｍの作業と同様な動きとなるように基本動作に補正を加えて制御する。

この際、教示用電動切削工具１０Ｔの位置データ（作業教示データ２４）は、超音波距離計としての超音波発信器１４、１５と超音波受信器１６Ａ、１６В、１６Ｃで事前に検出しているため、その位置補正が行える。加えて、多軸ロボット３０のロボット側電動切削工具１０Ｒの位置は、力センサ１３の接触圧の検知により、さらに適正位置に補正できる。この位置補正量を、多軸ロボット３０の加工中に検出した距離データに関連させて、作業教示データ２４のキャリブレーションを行う。

多軸ロボット３０で被加工物１１Ｒを切削研磨する際、ロボット側電動切削工具１０Ｒの加工動作の基本は、プログラミングによる動作である程度は可能であるものの、切削研磨中、熟練作業者が行う、砥石の前後方向揺動動作、左右方向揺動動作、或いは基準原点位置ＲＰ₀を基点とした砥石１２Ｔ先端の円周方向揺動動作、またこれら動作の際の砥石１２Ｔの接触圧の変化を再現させることは困難である。

作業教示データ２４では、この前後方向揺動動作、左右方向揺動動作、円周方向揺動動作を、教示用電動切削工具１０Ｔの傾斜角（θ_x、θ_y、θ_z）と送り速度（Ｆ_xθ、Ｆ_yθ、Ｆ_zθ）で記憶し、これに基づいて、これら動作を再現することで、熟練作業者の技を再現することができる。

この前後方向揺動動作、左右方向揺動動作、円周方向揺動動作を再現する際には、切削音が変化しやすく、切削音の変化から適正な動作が行われているかどうかを判定することができる。

また砥石１２Ｒは研磨により摩耗し、その周速度も変化するため、作業教示データ２４で記憶した音声周波数データを基に、その砥石１２Ｒの回転数の調整も行える。

以上説明したように、本実施の形態では、熟練作業者の加工を作業教示データとして記憶し、これを基に多軸ロボットで作業動作を再現することで、熟練作業者並みの加工が行える。

上述の実施の形態では、砥石を用いた研磨加工の例で説明したが、研磨加工以外に種々の加工に適用できることは勿論である。

１０Ｔ教示用電動切削工具
１０Ｒロボット側電動切削工具
１１Ｔ、１１Ｒ被加工物
１４、１５超音波発信器
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ超音波受信器
２４作業教示データ
３０多軸ロボット
３１作業アーム
４０制御装置

Claims

多軸ロボットの作業アーム先端に電動切削工具を取り付け、その電動切削工具で被加工物を加工するためのロボット作業教示方法において、作業者が教示用電動切削工具を持って被加工物を加工したときの前記教示用電動切削工具の作業動作を超音波距離計を用いて三次元計測すると共に、これを作業教示データとして記録し、その記録した作業教示データを基に前記多軸ロボットの作業アーム先端で再現させると共に、前記多軸ロボットでのロボット側電動切削工具の位置を超音波距離計で計測し、これに基づいて前記ロボット側電動切削工具の位置を補正制御し、かつ、教示作業中の電動切削工具での加工中の音を前記作業教示データと共に記録し、前記多軸ロボットで再現中の加工中の音と前記作業教示データの音とを比較して前記ロボット側電動切削工具の砥石の回転速度を調整するようにしたことを特徴とするロボット作業教示方法。
前記超音波距離計は、教示用とロボット側の電動切削工具に設けられた超音波発信器と、前記被加工物の周囲に少なくとも三つ配置された超音波受信器とからなる請求項１記載のロボット作業教示方法。
前記教示用電動切削工具には、被加工物との接触圧を検出する教示側力センサが設けられ、その力センサで検出した力のデータが、前記作業教示データに記憶され、前記ロボット側電動切削工具には被加工物との接触圧を検出するロボット側力センサが設けられ、そのロボット側力センサの検出値が、前記教示側力センサで記憶されたデータとなるように前記多軸ロボットで接触圧を制御する請求項１又は２記載のロボット作業教示方法。