JP6943862B2 - 機械加工のための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、機械加工のための方法及びシステムに関し、より具体的には、工具及び工具を使用するロボットにより、加工物をバリ取り又は研削するための方法に関する。

工具経路は、工具が対象物上で動作を実行するために移動できる経路である。例えば、工具経路は、バリ取り工具が加工物の縁に沿って動き、バリ取りされる加工物の外形と接触する経路であってよい。工具経路は、一連の点を備えてよい。各点は、工具の基準座標系内の位置に対応してよい。

バリ取りや研削のような多くのロボット用途によれば、機械加工工具は、処理される加工物と直接接触する必要がある。図１中に示すように、通常は、機械加工プロセスの間、工具の単一接触点又は固定接触点の円は、予め定められた工具経路（「通常の工具経路」）を通して動くようにプログラムされている。工具は、常に、１つ又はいくつかの固定接触点によって加工物に接触することから、工具は、すぐに摩耗し、摩損し、工具の寿命も短くなるだろう。

したがって、上記で説明した問題を考慮し、機械加工のための工具の固定接触点又は部分の代わりに、柔軟な接触領域を規定する方法及びシステムを有することが望ましいだろう。

本発明の目的のうちの１つは、工具の寿命を延ばし、処理品質を保証するように、機械加工工具の波形工具経路を生成するための解決法を提案することである。

本発明の１つの態様にしたがうと、機械加工工具によって加工物を機械加工するための方法が提供される。本方法は、加工物に対して機械加工工具を相対的に動かし、その間で機械加工送りを適用することを備えている。加工物における接触点は、機械加工される加工物の領域上に構成され、機械加工工具における接触点は、機械加工工具表面上に曲線を形成する。相対運動は、並進運動及び／又は回転運動を伴う。１つの接触点又は部分に集中するよりもむしろ、工具の表面上に曲線状で構成された一連の接触点を係合することにより、機械加工が達成されることから、摩耗の効果は、複数の接触点の間で分散され、接触点のそれぞれは、より少なく損耗するだろう。したがって、工具のライフサイクルを延ばすことができる。

本発明の１つの実施形態にしたがうと、機械加工送りは、加工物の均一な表面仕上げを与えるように適合されている。

本発明の１つの実施形態にしたがうと、本方法は、機械加工工具をその軸に沿って回転させることをさらに備える。これは、軸を覆う機械加工工具の表面上の接触点を伸長することを可能にし、したがって、接触点を拡大できる。

本発明の１つの実施形態にしたがうと、曲線上の少なくとも２つの接触点は、重なっている。この曲線は、機械加工工具の軸を覆う連続的な曲線であり、交差することができる。

本発明の１つの実施形態にしたがうと、機械加工工具における接触点は、機械加工工具表面上に実質的に均一に分布している。摩耗の効果は、複数の接触点の間で分散されることができ、接触点のそれぞれは、より少なく損耗するだろう。したがって、工具のライフサイクルを延ばすことができる。

本発明の１つの実施形態にしたがうと、曲線は、周期的な波形である。波形の周期により、機械加工工具表面上に均一な接触領域を形成するべく、これは、オフラインプログラミングが、類似した波形の形状を有する交差する波形を、機械加工工具表面上に並列して配置することをより容易にする。

本発明の１つの実施形態にしたがうと、周期的な波形は、正弦形状又は余弦形状である。

本発明の１つの実施形態にしたがうと、機械加工送りは、接触点に関する機械加工工具の径方向オフセットを調節することにより調整される。したがって、加工物は、加工物を切断しすぎたり、又は残すことなく、機械加工されることができる。

本発明の１つの実施形態にしたがうと、機械加工工具の径方向オフセットは、接触点に関する機械加工工具の半径に調節される。

本発明の別の態様にしたがうと、マニピュレータと、機械加工工具と、制御装置とを含む、ロボットシステムが提供される。制御装置は、上記の方法にしたがって、マニピュレータを制御して、機械加工工具を操作するように適合されている。

本開示は、容易な設定、コスト効果、及び高い処理品質を有する波形工具経路生成のための方法及びシステムを提供する点で有利である。

図中に示される好ましい例示的な実施形態を参照して、本発明の主題を、以下に、より詳細に説明する。

図１は、機械加工工具の通常の工具経路の概略ダイヤグラムを図示している。 図２は、本発明の実施形態にしたがう手動プログラミングによって生成した機械加工工具の波形工具経路の概略ダイヤグラムを図示している。 図３は、本発明の実施形態にしたがうオフラインプログラミングによって生成した機械加工工具の波形工具経路の概略ダイヤグラムを図示している。 図４Ａは、本発明の実施形態にしたがう機械加工工具表面の拡大図を図示している。 図４Ｂは、本発明の実施形態にしたがう機械加工工具表面の拡大図を図示している。 図４Ｃは、本発明の実施形態にしたがう機械加工工具表面の拡大図を図示している。 図４Ｄは、本発明の実施形態にしたがう機械加工工具表面の拡大図を図示している。 図５は、本発明の実施形態にしたがう機械加工プロセスを実行するロボットシステムを図示している。

本発明のいくつかの実施形態への参照が詳細にされ、これらの例は、添付の図面中に図示される。使用可能な類似の又は同様の参照番号は、図面においてどこでも使用されてよく、類似した又は同様の機能性を示してよいことに留意されたい。図面は、例証の目的だけのために、本発明の実施形態について描いている。当業者は、ここで説明する本発明の原理から逸脱することなく、ここに記載される構造及び方法の代替の実施形態を用いることができることを、以下の説明から容易に認識するであろう。

機械加工プロセスの間、機械加工工具は、加工物に対して相対的に動き、その間で機械加工送りを適用する。すなわち、加工物が静止している間に加工工具が併進及び／又は回転して動き、あるいは、加工工具が静止している間に加工物が並進及び／又は回転して動き、あるいは、その両方で、機械加工工具及び加工物は、同時に併進及び／又は回転して動く。例えば、工具は円錐台のような形である。工具をその軸の周りで回転させることによって最初の運動が提供され、工具を回転させることは、加工物における接触点から材料を取り除き、加工物の研磨された表面又は縁のような所望の形状を生成する。送り運動は、波形の方向への工具と加工物の相対運動によって達成され、これは、工具の円錐台の表面上に磨耗を残す。代替として、工具は、平面の端面を有してよく、機械加工される加工物の表面又は端に沿ったステップのシーケンスで動くことができ、その平面の端面の異なる部分は、加工物の研削領域に送られる。したがって、工具上の摩耗の接触点も曲線に見える。加工工具が機械加工される加工物に直接接触するとき、加工物における接触点は、機械加工される加工物の領域上に構成される。１つの接触点又は部分に集中するよりもむしろ、工具の表面上に曲線形態で構成される一連の接触点を係合することにより機械加工が達成されることから、複数の接触点の間で摩耗の効果を分散させることができ、接触点のそれぞれは、損耗を少なくするだろう。これにより、工具のライフサイクルを長くすることができる。

図２は、機械加工工具の運動追跡の概略ダイヤグラムを図示している。工具は円形の円錐台の形状である。加工工具における接触点１０、２０、３０、４０、５０は、単一の接触点又は固定された接触点の円に限定されず、これらは、機械加工のための工具に対し、より大きな接触領域を形成し、これは、ロボット機械加工プロセスにおいて、工具上のより多くの部品が関係するのを可能にする。工具の表面上の接触点は、工具の軸に垂直な方向に沿って変動し、したがって、機械加工のプロセスは、工具の部分円上の点又は工具の単一点に適用されるだけでなく、工具の表面上の点を超えた接触点にも適用される。工具の使用範囲のより広い接触領域は、より多くの接触点間で機械加工作業負荷を分散させることができ、したがって、その平均摩耗効果を低減させる。さらに、機械加工工具における接触点１０、２０、３０、４０、５０は、機械加工工具表面上に実質的に均一に分布され、工具を均一に損耗できる。

図２中に示すように、加工工具における接触点１０、２０、３０、４０、５０は、機械加工工具表面上に波形も形成し、これは、工具経路を、もはや直線ではなく波形に類似した曲線（「波形工具経路」）にする。機械加工工具表面の摩耗上の波形は、実質的に周期的な波形、例えば、正弦形状又は余弦形状であることができ、これは、工具が均一に損耗されることを確実にする。

人間の操作者は、手動プログラミングによって工具の接触領域を規定してよい。しかしながら、手動プログラミングでは、所望されるものよりも、矛盾する処理品質につながる、はるかに時間がかかり、労働集約的であることがわかってきた。さらに、不正確な手動プログラミングは不適切な工具経路を生成するかもしれない。したがって、より良い処理品質で同じ効果を達成することができるオフラインプログラミング方法及びシステムが必要とされる。

図３は、オフラインプログラミングによって生成された機械加工工具の波形工具経路の概略ダイヤグラムを図示している。機械加工工具は、（ａ）中に示すように、機械加工線に沿って左から右へ相対的に動く。機械加工工具の経路は、（ｂ）中に示すように、正弦形状の周期的波形工具経路を形成する。波形工具経路解決法が適用されるとき、工具の接触領域が可能な限り広くロボット機械加工プロセスに伴われることを確実にするために、工具は、波形工具経路中を動く。同時に、工具の領域のどの部分が、その時点での機械加工のために使用されたとしても、工具は、加工物と接触し続け、機械加工送りを適用する。

機械加工工具の波形工具経路は、以下の３つの運き：通常工具経路、軸方向オフセット、及び、径方向オフセットを生成し、同期させることにより、オフラインプログラミングによって生成される。

通常の工具経路（以下、「第１の動き」という）は、機械加工される加工物の領域を規定する。機械加工のための工具の、単一の接触点又は固定された接触点の円として使用される先端からデフォルト接触点への高さである接触高さによって、通常の工具経路は決定される。

軸方向オフセット（以下、「第２の動き」という）は、工具軸方向に沿った接触高さからのオフセットである。軸方向オフセットは、デフォルトの接触点を中心とする工具の絶対使用可能範囲である、波形深さによって決定される。言い換えると、波形深さは、工具の接触の範囲、すなわち、工具の摩耗の範囲を規定する。

径方向オフセット（以下、「第３の動き」という）は、加工物を工具が切断し過ぎたり、又は残すことなく、機械加工される加工物に常に接触することを確実にする、工具の軸方向に垂直なオフセットの動きである。径方向オフセットは、接触点に関して機械加工工具の半径に調整される。

図３中に示すように、接触点１１、３１、５１が、機械加工される加工物に接触するとき、接触高さは、工具先端からデフォルト接触点への高さであり、軸方向オフセットはゼロである。接触点２１、４１が使用されるとき、接触高さは、その最大値及び最小値にそれぞれ到達し、軸方向オフセットは、波形深さ内の正又は負のいずれかの方向においてその最大絶対値に達する。第１の動きと第２の動きは同期され、これは、工具の寿命を伸長するために、第１の動きが機械加工される加工物の形状によって決定される特定の経路長に達するたびに、第２の動きが波形深さ内の工具軸方向に沿った往復運動を終了することを意味する。第２の動きがまさに１つの往復運動を終了するとき、第１の動きは、経路長に沿った１つのサイクル長に到達し、機械加工工具は、１つのサイクルの波形工具経路を生成し、機械加工工具における接触点は、機械加工工具表面上で周期的な波形を形成する。

図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、及び、４Ｄは、それぞれ、機械加工工具表面の拡大図を図示している。図４Ａ中に示すように、サイクル長内で、工具はその軸に沿って４８０度回転し、工具における接触点は、工具の軸を覆う正弦形状の周期的波形摩耗を形成する。特に、工具が（１４４０ｎ−１０８０）度（ｎ＝１、２、３．．．．．．）回転するとき、工具における接触点は、｛３（ｎ−１）＋３／４｝正弦波を形成し；工具が（１４４０ｎ−７２０）度（ｎ＝１、２、３．．．．．．）回転するとき、工具における接触点は、｛３（ｎ−１）＋３／２｝正弦波を形成し；工具が（１４４０ｎ−３６０）度（ｎ＝１、２、３．．．．．．）回転するとき、工具における接触点は、｛３（ｎ−１）＋９／４｝正弦波を形成し；工具が１４４０ｎ度（ｎ＝１、２、３．．．．．．）回転するとき、工具における接触点は、｛３（ｎ−１）＋３｝正弦波を形成する。図４Ｂ、４Ｃ、及び、４Ｄは、それぞれ、さまざまなシナリオ下の工具の磨耗、サイクル長内のその軸に沿ったそれぞれ１４４０度、２８８０度及び５７６０度の工具回転、及び、少なくとも２つの接触点を示しており、曲線が重なっている。このような方法で、工具における接触点は、工具表面上に実質的に均一に分布して、工具を均一に損耗できる。しかしながら、工具は３６０度未満回転してよく、例えば、工具は、サイクル長内で２４０度だけ回転することに留意されたい。

機械加工プロセスの間、特に、工具の先端が円柱ではないとき、工具が機械加工される加工物と接触して、加工物を切断しすぎる又は残すことなく、加工物から適切な量の材料を取り除くことができるように、加工オフセットを規定することが必要である。

これを解決するために、波形工具経路解決法は、第１の運き及び第２の運きと共に作用する第３の運きをさらに備えている。第３の動きは、加工物の均一な表面仕上げを与えるように適合された機械加工送りを適用してよい。接触点に関する機械加工工具の径方向オフセットを調整することにより、機械加工送りが調整される。第３の動きを伴うことにより、ロボットシステムは、自己適応波形工具経路を生成し、処理品質を保証することができる。

波形工具経路は、さまざまなパラメータに基づくコンピュータプログラムによって生成される。これらのパラメータは、選択された工具の形状、接触高さ、波形深さ、サイクル長、及び／又は、プログラマが迅速かつ正確にロボットシステムをセットアップするのを助ける他のタイプの要因を含んでよい。

図５は、本発明の実施形態にしたがう機械加工プロセスを実行するロボットシステムを図示している。図５中に示すように、ロボットシステム５は、マニピュレータ５００と、機械加工工具５０１と、制御装置５０２を備えている。マニピュレータ５００は、機械加工工具５０１を保持するように構成されている。

制御装置５０２は、上記で説明した方法にしたがって、マニピュレータ５００を制御して、機械加工工具５０１を操作するようにオフラインでプログラムすることができる。本発明を、いくつかの好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、当業者は、これらの実施形態が本発明の範囲を決して限定するものではないことを理解すべきである。本発明の精神及び概念から逸脱することなく、実施形態への任意のバリエーション及び修正は、技術的な通常の知識を有する者の理解の範囲内にあるべきであり、したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 機械加工工具によって加工物を機械加工するための方法であって、
前記加工物に対して前記機械加工工具を相対的に動かし、それら間に機械加工送りを適用すること、を備え、
前記加工物における接触点は、機械加工される前記加工物の領域上に配置され、
前記機械加工工具における前記接触点は、前記機械加工工具の表面上に曲線を形成する、方法。
［２］ 前記機械加工送りは、前記加工物に均一な表面仕上げを与えるように適合されている、［１］に記載の方法。
［３］ 前記機械加工工具をその軸に沿って回転させることをさらに備える、［１］又は［２］に記載の方法。
［４］ 前記曲線上の少なくとも２つの接触点は、重なっている、［３］に記載の方法。
［５］ 前記機械加工工具における前記接触点は、前記機械加工工具の表面上に実質的に均一に分布している、［４］に記載の方法。
［６］ 前記曲線は、周期的な波形である、［３］から［５］のうちのいずれか一項に記載の方法。
［７］ 前記周期的な波形は、正弦形状又は余弦形状である、［６］に記載の方法。
［８］ 前記機械加工送りは、前記接触点に関する前記機械加工工具の径方向のオフセットを調節することにより調整される、［１］から［７］のうちのいずれか一項記載の方法。
［９］ 前記機械加工工具の径方向のオフセットは、前記接触点に関する前記機械加工工具の半径に調節される、［８］に記載の方法。
［１０］ 加工物を機械加工するためのロボットシステムであって、
マニピュレータと、
機械加工工具と、
制御装置とを含み、
前記制御装置は、［１］から［９］のうちのいずれか一項に記載の方法にしたがって、前記マニピュレータを制御して、前記機械加工工具を操作するように適合されている、ロボットシステム。

Claims (5)

1. 機械加工工具によって加工物を機械加工するための方法であって、前記方法は、前記機械加工工具をその軸周りに回転させることと、
   前記加工物に対して、前記機械加工工具を、その軸周りに回転する前記機械加工工具の周面が前記加工物の領域を規定する通常の工具経路をたどるように、前記通常の工具経路に沿って相対的に動かす（第１の動き）とともに、前記機械加工工具の軸方向に相対的に動かし（第２の動き）、それらの間に機械加工送りを適用することと、を備え、
   前記加工物における接触点は、機械加工される前記加工物の領域上に配置され、
   前記機械加工工具における前記接触点は、前記機械加工工具の表面上に前記機械加工工具の前記軸を覆う、交差する連続した曲線を形成し、前記曲線は周期的な波形であり、
   前記第１の動きと前記第２の動きは同期され、すなわち、前記機械加工工具の寿命を伸長するために前記第１の動きが前記加工物の形状によって決定される特定の経路長に達するたびに、前記第２の動きが波形深さ内の前記軸方向に沿った往復運動を終了して、
   前記機械加工工具における前記接触点が、前記機械加工工具の表面上に実質的に均一に分布するようになっており、
   前記機械加工工具は円錐台の形状であり、
   前記機械加工送りは、前記接触点に関する前記機械加工工具の径方向のオフセットを調節することにより調整される、方法。
2. 前記機械加工送りは、前記加工物に均一な表面仕上げを与えるように適合されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記周期的な波形は、正弦形状又は余弦形状である、請求項１に記載の方法。
4. 前記機械加工工具の径方向のオフセットは、前記接触点に関する前記機械加工工具の半径に調節される、請求項１に記載の方法。
5. 加工物を機械加工するためのロボットシステムであって、
   マニピュレータと、
   機械加工工具と、
   制御装置とを含み、
   前記制御装置は、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の方法にしたがって、前記マニピュレータを制御して、前記機械加工工具を操作するように適合されている、ロボットシステム。

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