JP6942212B2 - 自動研磨システム - Google Patents

Description

本発明は、研磨対象領域を研磨する研磨材と前記研磨材を駆動させる電動機とを有する研磨具と、前記研磨具を前記研磨対象領域に対して移動させる研磨ロボットと、前記研磨具及び前記研磨ロボットを制御する研磨制御器とを備えた自動研磨システムに関する。

鉄道車両、自動車、航空機、船舶などのボディを塗装した後には、塗装面の塗膜を均一にするために研磨処理が行われる。その際、研磨工程の省力化を図るため、研磨対象領域を研磨する研磨材と当該研磨材を駆動させる電動機とを有する電動サンダーと呼ばれる研磨具を装備する研磨ロボットによる自動研磨処理が実施されている。

当該研磨ロボットはさらに、力覚センサーや押付圧制御装置等を備えており、ほぼ一定の押付力で研磨材を研磨対象領域に押し付けながら、電動機の回転数及び研磨具の移動速度を一定にしたまま、研磨対象領域を研磨するように構成されている。

尚、このような自動研磨処理については、広く一般に知られているものであるため、先行技術文献を開示しない。

ところで、図１に示すように、研磨処理において、研磨材は使用により摩耗する。したがって、従来の自動研磨処理においては、研磨材は研磨対象領域に対して一定の押付力で押し付けられているため、研磨材が摩耗すればするほど、単位時間当たりの研磨量（以下、「研磨力」と記す。）が低下することとなり、研磨膜厚を一定にすることが難しくなる。研磨対象領域の塗膜硬度が研磨材と比べて硬いものほど、研磨材が摩耗し易くなることから、より研磨膜厚を一定にすることが難しくなる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、研磨処理の間、常に研磨膜厚を一定にすることができる自動研磨システムを提供することにある。

本発明に係る自動研磨システムの特徴は、
研磨対象領域を研磨する研磨材と前記研磨材を駆動させる電動機とを有する研磨具と、前記研磨具を前記研磨対象領域に対して移動させる研磨ロボットと、前記研磨具及び前記研磨ロボットを制御する研磨制御器とを備えた自動研磨システムであって、
前記電動機の消費電流値を計測する電流計測器と、
前記研磨材の前記研磨対象領域に対する押付力を調整する押付力調整機構と、を備え、
前記研磨制御器は、研磨処理の間、前記電流計測器によって計測される前記消費電流値に基づいて、前記消費電流値が予め設定された上限値と下限値との間にあるように、前記押付力調整機構を介して前記研磨材の前記押付力を調整するように構成され、
前記研磨制御器は、前記消費電流値が前記下限値となるごとに、前記研磨材の前記押付力を所定値だけ増加させて維持するように構成されている点にある。

研磨具、例えば電動サンダーにおいては、研磨材を回転駆動や往復駆動などさせる電動機の回転トルクの大きさが、研磨力とほぼ比例関係にあり、さらに回転トルクと、当該電動機の消費電流値もほぼ比例関係にあることが実験結果として判明している。尚、消費電流値とは、当該電動機に供給される電流値をいう。そのため、図２及び図３に示すように、研磨材の研磨力の指標として消費電流値を使用し、研磨材の摩耗による研磨力の低下を、消費電流値によって把握することができる。図２や図３における消費電流値は、瞬間的な電流値ではなく経時的に計測された消費電流値から算出された移動平均値である。つまり、本発明において、消費電流値に基づく、とは、消費電流値の瞬時値に基づくことだけでなく、消費電流値の移動平均値に基づくことも含む。これにより、押付力調整機構による押付力の調整が容易となる。

本構成によれば、研磨制御器は、研磨処理の間、電動機の消費電流値が一定となるように、押付力調整機構を介して研磨材の研磨対象領域に対する押付力を調整するように構成されている。そのため、研磨材が当初よりも摩耗したとしても、当初よりも大きな押付力で研磨材を研磨対象領域に押し付けることによって、一定の研磨力で研磨処理を行うことが可能となり、結果として、研磨対象領域において研磨膜厚を一定にすることができる。

本発明に係る自動研磨システムにおいては、さらに、前記研磨対象領域の温度、又は、研磨処理が行われる空間の気温の少なくともいずれかを計測する温度計測器を備え、前記研磨制御器は、研磨処理の間、前記温度計測器によって計測された前記温度又は前記気温の少なくともいずれかに基づいて、前記押付力調整機構を介して調整される前記研磨材の押付力を補正するように構成されていると好適である。

塗膜の硬度には温度依存性があることも実験結果から判明している。例えば、研磨処理が行われる空間の気温が冬期のように０℃前後であるような場合と、夏期のように４０℃前後であるような場合とでは、塗膜の硬度が異なる。冬期のような塗膜の硬度が高いときの研磨条件のまま、夏期に研磨処理を行うと塗膜を研磨しすぎることとなる。そこで、研磨制御器は、研磨対象領域の温度、又は、研磨処理が行われる空間の気温の少なくともいずれかに基づいて、押付力調整機構を介して調整された研磨材の押付力を補正することによって、研磨対象領域の温度が一定ではないときであっても、一定の研磨力で研磨処理を行うことが可能となり、結果として、研磨対象領域において研磨膜厚を一定にすることができる。

本発明に係る自動研磨システムにおいては、さらに、前記研磨材の有効研磨面積率に応じて、前記研磨ロボットによる前記研磨具の移動速度を調整する移動速度調整機構を備えていると好適である。

有効研磨面積率は、検査対象領域に対する研磨材の実接触面積を、当該研磨材の有効接触面積で除することによって算出されるものであって、研磨対象領域の表面形状に応じて予め決定される。

例えば、研磨対象領域が凸面であるような場合は、平面である場合に比べて、研磨材の実接触面積が減少することとなる。すなわち有効研磨面積率が低くなる。このとき、研磨力が相対的に低下することになるため回転トルクは小さくなり、消費電流値は小さくなる。

このように、研磨材の摩耗による研磨力の低下ではない場合であっても、消費電流値は小さくなるのであるが、当該研磨制御器は、このときも消費電流値が一定となるように、押付力調整機構を介して研磨具の押付力を調整してしまう。その結果、研磨対象領域は過剰に研磨されることとなってしまい、研磨対象領域全体として研磨膜厚を一定にすることができない。そこで、移動速度調整機構によって、研磨材の有効研磨面積率に応じて、研磨ロボットによる研磨具の移動速度を調整することで、上記のような研磨過剰が回避され、研磨対象領域において研磨膜厚を一定にすることができる。

本発明に係る自動研磨システムにおいては、前記研磨制御器は、前記消費電流値が設定範囲内であるときに前記押付力が設定範囲の最大値となった場合、前記押付力が設定範囲の最大値であるときに前記消費電流値が設定範囲の最小値を下回った場合、前記押付力を設定範囲内において増加させても前記消費電流値の増加がみられない場合、少なくとも前記押付力から演算される指標数値が予め定められた限界値以下となった場合、の少なくともいずれかの場合に、少なくとも前記研磨材の交換時期と判断するように構成されていると好適である。

本構成によれば、研磨材の交換時期を適切に判断することができる。尚、研磨具は、研磨材のみが交換可能な構成であれば、当該研磨材のみが新たな研磨材と交換され、研磨材のみの交換が不可であれば、研磨具ごと交換されることによって、新たな研磨材と交換されることとなる。

研磨材の摩耗に伴う研磨量の変化を示す図である。 研磨材の摩耗に伴う消費電流値の変化を示す図である。 新たな研磨材による研磨具の消費電流値と摩耗した研磨材による研磨具の消費電流値とを比較する図である。 本発明の自動研磨システムの第１実施形態の概略構成図である。 本発明の自動研磨システムによる制御方法のタイミングチャートである。 本発明の自動研磨システムの第２実施形態の概略構成図である。 従来の自動研磨システムにおける研磨材の寿命と、本発明の自動研磨システムにおける研磨材の寿命とを比較した説明図である。

〔第１実施形態〕
本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態では、本発明の自動研磨システム１を、鉄道車両のボディに適用した場合について説明する。尚、当該自動研磨システム１は、鉄道車両に限らず、自動車、航空機、船舶などにも適用することができる。当該自動研磨システム１は、仕上げ塗装の下地処理として鉄道車両のボディに施したパテ塗装の塗膜表面を研磨処理することで、そのパテ塗料表面を仕上げ塗装に適した平滑面にする。

研磨処理にあたっては、前記塗膜表面を、複数の研磨対象領域に区分し、その上で、公知の形状測定器を使用して各研磨対象領域の三次元形状を計測する。

図４に示すように、本実施形態における自動研磨システム１は、研磨対象領域を研磨する研磨具としての電動サンダー２と、電動サンダー２を研磨対象領域に対して移動させる研磨ロボット（図示せず）と、ＰＣ３（研磨制御器の一例）と、電動サンダー２の電動機の消費電流値を計測するサーボアンプ盤５（電流計測器の一例）と、を備える。尚、ＰＣ３は、ＬＡＮ６を介してサーボアンプ盤５と接続されるようにしても良い。当該研磨ロボットは、ロボットアームを有して構成され、その先端に保持した電動サンダー２を、研磨対象領域である塗膜表面に沿って移動可能に構成されている。

電動サンダー２は、研磨対象領域を研磨する研磨材と、当該研磨材を駆動させる電動機とを有している。さらに、電動サンダー２は、研磨対象領域に対する電動サンダー２の研磨材の押付力を調整する押付力調整機構（図示せず）、及び電動サンダー２の電動機の回転数を調整する回転数調整機構（図示せず）が設けられている。尚、本実施形態においては、押付力調整機構は電動サンダー２に設けられたアクチュエータなどから構成され、当該アクチュエータが制御されることによって電動サンダー２の研磨材を研磨対象領域に対して遠ざけたり近づけたりするように構成されている。尚、押付力調整機構は研磨ロボット自体であってもよい。この場合は、研磨ロボットが電動サンダー２を研磨対象領域に対して遠ざけたり近づけたりすることで、研磨対象領域に対する電動サンダー２の研磨材の押付力が調整される。

ＰＣ３は、研磨ロボットにより電動サンダー２を複数の研磨対象領域のうちの一つに配置させ、計測された三次元形状データと予め設定された運転条件に基づいて研磨処理を実施するように研磨ロボットと電動サンダー２とを制御する。そして、この研磨処理が、すべての研磨対象領域について順次実施されてゆく。尚、ＰＣ３による、研磨ロボットの移動条件や、電動サンダー２の電動機の回転数などの運転条件は、研磨材の種類（砥粒種、番手、寸法）、研磨すべき塗膜の種類、研磨対象領域の塗膜硬度、必要とされる膜厚などの研磨条件に応じて予め設定される。

研磨処理の間、ＰＣ３は、サーボアンプ盤５によって計測される電動サンダー２の電動機の消費電流値に基づいて、当該消費電流値がほぼ一定となるように、押付力調整機構を介して電動サンダー２の研磨材の押付力を調整する。尚、押付力の調整は、消費電流値の移動平均値に基づいて行われることが好ましい。これによって押付力調整機構の制御が容易となる。ただし、消費電流値の瞬時的な値に基づいて行われてもよい。

以下、ＰＣ３による電動サンダー２の研磨材の押付力の調整について、より詳細な説明を加える。

先ずＰＣ３は、必要研磨量の範囲内となるように、電動サンダー２の電動機の上限消費電流値と下限消費電流値とを設定する。

そして、図５に示すように、研磨処理を実施する間、ＰＣ３は、サーボアンプ盤５を介して消費電流値をモニターしつつ、消費電流値が設定下限となるごとに、押付力調整機構を介して電動サンダー２の研磨材の押付力を増加させることによって消費電流値が設定範囲内となるように制御を繰り返す。消費電流値がほぼ一定になるとは、消費電流値が常に一定であることのみならず、所定の設定範囲内にあることをも意味する。

ＰＣ３による電動サンダー２の研磨材の押付力の変更制御については、図５に示すような段階的に押付力を調整する方法ではなく、連続的に押付力を調整していく方法でも良い。

ＰＣ３は、消費電流値、押付力、回転数、移動速度などのパラメータの演算によって得られる指標により、研磨材の摩耗程度を判定し、当該指標が所定の値に達した場合を当該研磨材の寿命と判定するように構成しても良い。

例えば、ＰＣ３は、消費電流値が設定範囲内であるときに押付力が設定範囲の最大値となった場合、押付力が設定範囲の最大値であるときに消費電流値が設定範囲の最小値を下回った場合、押付力を設定範囲内において増加させても消費電流値の増加がみられない場合、押付力、回転数、移動速度から演算される指標数値が予め定められた限界値以下となった場合、の少なくともいずれかの場合に、少なくとも研磨材の交換時期と判断することができる。尚、上記指標については、研磨材の種類（砥粒種、番手、寸法）、研磨すべき塗膜の種類、及びこれらの組み合わせについても考慮して設定して良い。

〔第２実施形態〕
本発明の自動研磨システム１に係る第２実施形態について説明するが、上記第１実施形態と同様の構成・効果については説明を省略し、主として異なる構成について説明する。

図６に示すように、本実施形態における自動研磨システム１は、研磨対象領域を研磨する研磨具としての電動サンダー２と、電動サンダー２を研磨対象領域に対して移動させる研磨ロボット（図示せず）と、ＰＣ３（研磨制御器の一例）と、ＰＬＣ４（研磨制御器の一例）と、電動サンダー２の電動機の消費電流値を計測するサーボアンプ盤５（電流計測器の一例）と、研磨ロボットを制御するロボット制御盤７と、を備える。尚、ＰＣ３とＰＬＣ４は、ＬＡＮ６を介してサーボアンプ盤５と接続されるようにしても良く、ロボット制御盤７も、ＬＡＮ６を介してサーボアンプ盤５、ＰＣ３、ＰＬＣ４と接続されるようにして良い。

ロボット制御盤７には、研磨ロボットによる電動サンダー２の移動速度を調整する移動速度整機構が設けられている。

本実施形態では、研磨処理を実施する間、ＰＣ３とＰＬＣ４は、サーボアンプ盤５を介して消費電流値をモニターしつつ、消費電流値が設定下限となるごとに、押付力調整機構を介して電動サンダー２の研磨材の押付力を増加させることによって消費電流値が設定範囲内となるように制御を繰り返す。消費電流値がほぼ一定になるとは、消費電流値が常に一定であることのみならず、所定の設定範囲内にあることをも意味する。

ところで、研磨対象領域が均一な平面であれば、電動サンダー２の研磨材の有効研磨面積率は一定である。しかし、検査対象領域が曲面、例えば凸平面であると、電動サンダー２の研磨材の研磨対象領域に対する接触面積が減少するため、有効研磨面積率は低下することとなる。

上述のとおり当該自動研磨システム１においては、電動サンダー２の電動機の消費電流値が一定に制御されることから、電動サンダー２の研磨材に対する負荷が減少すると、電動サンダー２の研磨材の押付力を増加するような制御がなされる。したがって、電動サンダー２の移動速度が一定のままであると、研磨対象領域は過剰に研磨されることとなってしまい、研磨対象領域全体として研磨膜厚を一定にすることができない。そこで、移動速度調整機構によって、研磨ロボットによる電動サンダー２の移動速度を増加させることで、研磨過剰が回避され、研磨対象領域において研磨膜厚を一定にすることができる。

上述の通り、消費電流値を研磨負荷として検出してこれをフィードバックし、研磨材の押付力、移動速度などを、研磨負荷に応じて制御することによって、図７に示すように、必要な研磨量の均一化だけでなく、研磨材の長寿命化を図ることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態において、研磨制御器は、研磨処理の間、電流計測器によって計測される電動サンダー２の電動機の消費電流値に基づいて、消費電流値がほぼ一定となるように、押付力調整機構を介して電動サンダー２の研磨材の押付力を調整する構成を説明した。ところで、塗膜の硬度には温度依存性があることも実験結果から判明している。例えば、研磨処理が行われる空間の気温が冬期のように０℃前後であるような場合と、夏期のように４０℃前後であるような場合とでは、塗膜の硬度が異なる。冬期のように塗膜の硬度が高いときの研磨条件のまま、夏期に研磨処理を行うと塗膜を研磨しすぎることとなる。

そこで、当該自動研磨システムにおいては、さらに、前記研磨対象領域の温度、又は、研磨処理が行われる空間の気温の少なくともいずれかを計測する温度計測器、例えばサーモグラフ、を備え、前記研磨制御器は、研磨処理の間、前記温度計測器によって計測された前記温度又は前記気温の少なくともいずれかに基づいて、前記押付力調整機構を介して調整される前記研磨材の押付力を補正するように構成されていると好適である。これにより、研磨対象領域の温度が一定ではないときであっても、一定の研磨力で研磨処理を行うことが可能となり、結果として、研磨対象領域において研磨膜厚を一定にすることができる。

上述のように図面を参照しつつ本発明を説明したが、本発明は当該図面の構成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において様々な態様で実施することができることは言うまでもない。

本発明の自動研磨システムは、例えば自動車、鉄道車両、航空機、船舶などにおけるボディ全体又はこれを構成する種々のパーツについて研磨処理を行う技術分野において特に好適に利用することができる。

１ 自動研磨システム
２ 電動サンダー（研磨具の一例）
３ ＰＣ（研磨制御器の一例）
４ ＰＬＣ（研磨制御器の一例）
５ サーボアンプ盤（電流計測器の一例）
６ ＬＡＮ
７ ロボット制御盤

Claims (4)

1. 研磨対象領域を研磨する研磨材と前記研磨材を駆動させる電動機とを有する研磨具と、前記研磨具を前記研磨対象領域に対して移動させる研磨ロボットと、前記研磨具及び前記研磨ロボットを制御する研磨制御器とを備えた自動研磨システムであって、
   前記電動機の消費電流値を計測する電流計測器と、
   前記研磨材の前記研磨対象領域に対する押付力を調整する押付力調整機構と、を備え、
   前記研磨制御器は、研磨処理の間、前記電流計測器によって計測される前記消費電流値に基づいて、前記消費電流値が予め設定された上限値と下限値との間にあるように、前記押付力調整機構を介して前記研磨材の前記押付力を調整するように構成され、
   前記研磨制御器は、前記消費電流値が前記下限値となるごとに、前記研磨材の前記押付力を所定値だけ増加させて維持するように構成されていることを特徴とする自動研磨システム。
2. さらに、前記研磨対象領域の温度、又は、研磨処理が行われる空間の気温の少なくともいずれかを計測する温度計測器を備え、
   前記研磨制御器は、研磨処理の間、前記温度計測器によって計測された前記温度又は前記気温の少なくともいずれかに基づいて、前記押付力調整機構を介して調整される前記研磨材の押付力を補正するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の自動研磨システム。
3. さらに、前記研磨材の有効研磨面積率に応じて、前記研磨ロボットによる前記研磨具の移動速度を調整する移動速度調整機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動研磨システム。
4. 前記研磨制御器は、
   前記消費電流値が設定範囲内であるときに前記押付力が設定範囲の最大値となった場合、前記押付力が設定範囲の最大値であるときに前記消費電流値が設定範囲の最小値を下回った場合、前記押付力を設定範囲内において増加させても前記消費電流値の増加がみられない場合、少なくとも前記押付力から演算される指標数値が予め定められた限界値以下となった場合、の少なくともいずれかの場合に、少なくとも前記研磨材の交換時期と判断するように構成されてい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自動研磨システム。

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