JP7035369B2 - 加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物の加工を行う加工方法に関する。

従来、被加工物（ワーク）の加工を行う加工方法として、例えば、特開２０１５－１３９８３１号公報に記載されるように、加工具をワークの表面に沿って移動させ、ワークの表面を研磨する加工方法が知られている。この加工方法は、ロボットアームを備えた研磨ロボットを用い、加工具を回転させながら予め設定された軌道に沿って加工具を移動させ、ワークの表面を研磨する。

特開２０１５－１３９８３１号公報

しかしながら、上述した加工方法においては、適切な加工が行えない場合がある。例えば、加工により加工具が摩耗する場合、加工具の長さが変わることとなる。このため、加工具の摩耗が大きくなると、加工状態が変化し、所望の加工を行うことが難しくなる。

そこで、加工により加工具が摩耗しても適切な加工が行える加工方法の開発が望まれている。

本発明の一態様に係る加工方法は、加工装置のロボットアームを用いて加工具を移動させて被加工物を加工する加工方法であって、加工具として加工部の中間位置を拘束部により拘束し拘束部を加工部に対し移動可能とし拘束部の移動により加工部の拘束位置を変更可能としたものを用い、拘束部と加工部を相対的に移動させ、拘束部の拘束位置から突出する加工部の突出長を調整する調整工程と、加工部の突出長を調整した加工具を用いて被加工物を加工する加工工程とを含み、ロボットアームは、複数のリンク及び複数の関節部を有し、加工具に作用する外力を検出するセンサを有し、加工装置はロボットアームを作動させて加工具の位置制御及び姿勢制御を行う制御部を備え、調整工程において、センサの外力検知及び関節部の角度に基づき制御部によって加工部の先端位置及び外部物の当接位置を認識しておき、拘束部を外部物に当接させた状態で加工具を当接させた方向へ移動させることにより拘束部と加工部を相対的に移動させ、加工部の突出長を所望の長さに調整する。この加工方法によれば、拘束部の移動により加工部の拘束位置を変更可能とした加工具を用いて被加工物を加工するにあたり、被加工物の加工による加工部の摩耗量に応じて加工具の拘束部を移動させ、拘束部の拘束位置から突出する加工部の突出長を調整する。このため、拘束部を移動させることにより加工部の突出長の調整が行える。従って、加工に適した加工部の突出長にて被加工物の加工が行え、加工によって加工具が摩耗しても適切な加工が行える。また、この加工方法によれば、調整工程にて、拘束部を外部物に当接させた状態で加工具を当接させた方向へ移動させることにより、拘束部を加工部に対し移動させる。このため、加工装置による拘束部の移動が容易に行える。

また、本発明の一態様に係る加工方法において、加工具の加工部が複数の線材を束ねて構成されるブラシであってもよい。

本発明によれば、加工により加工具が摩耗しても適切な加工を行うことができる。

本発明の実施形態に係る加工方法に用いられる加工装置の構成概要図である。 図１の加工装置における加工具の斜視図である。 図１の加工装置における加工具を示す図である。 実施形態に係る加工方法の一例を示すフローチャートである。 実施形態に係る加工方法における加工具の端面生成の説明図である。 実施形態に係る加工方法における加工具の面取りの説明図である。 実施形態に係る加工方法における加工具の位置設定の説明図である。 実施形態に係る加工方法における加工具の突出長の調整の説明図である。 実施形態に係る加工方法におけるワークの加工の説明図である。 実施形態に係る加工方法における加工具の位置設定の説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る加工方法に用いられる加工装置１の構成概要図である。図１に示されるように、加工装置１は、加工具２を回転させてワークＷの加工を行う自動加工機である。ワークＷは、加工装置１により加工される被加工物であり、保持台９１に固定されて保持される。ワークＷとしてはあらゆる部品を適用することができる。ワークＷの例としては、金型、エンジン構成部品など挙げられる。加工装置１は、ワークＷの角部の面取り加工やバリ切削加工に適している。また、保持台９１には、成形砥石９２が取り付けられている。成形砥石９２は、加工具２のブラシ２２の成形に用いられる。この成形の詳細については、後述する。

加工装置１は、加工具２の位置及び姿勢の調整を行うロボットアーム３を備えている。ロボットアーム３は、加工具２を用いて加工を実行する加工実行部として機能する。ロボットアーム３は、複数のリンク部３１～３４及び複数の関節部３５～３７を有し、加工具２の位置及び姿勢を変更可能に構成されている。リンク部３１～３４は、軸方向に延びる棒状の部材である。リンク部３１は鉛直方向に向けられ、その基端側がベース部材３８の上面に取り付けられている。リンク部３１は、このリンク部３１の軸線を中心に回転可能に構成されている。リンク部３１の先端側には、関節部３５を介してリンク部３２が取り付けられている。関節部３５は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部３５の回転動作により、リンク部３２が関節部３５の回転軸を中心に回転する。

リンク部３２の先端側には、関節部３６を介してリンク部３３が取り付けられている。関節部３６は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部３６の回転動作により、リンク部３３が関節部３６の回転軸を中心に回転する。リンク部３３は、このリンク部３３の軸線を中心に回転可能に構成されている。リンク部３３の先端側には、関節部３７を介してリンク部３４が取り付けられている。関節部３７は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部３７の回転動作により、リンク部３４が関節部３７の回転軸を中心に回転する。リンク部３４は、このリンク部３４の軸線を中心に回転可能に構成されている。

リンク部３４の先端側には、スピンドルモータ４が取り付けられている。スピンドルモータ４は、加工具２を回転させる回転部として機能する。なお、加工装置１の回転部としては、加工具２を回転させることができれば、スピンドルモータ４以外のものを用いてもよく、例えばスピンドルとモータが別体に構成されたものを用いることができる。

スピンドルモータ４の先端側には、加工具２が取り付けられている。加工具２は、ワークＷに当接されて回転して、ワークＷを加工する部材である。この加工具２の詳細については、後述する。

スピンドルモータ４の基端側には、力覚センサ５が取り付けられている。力覚センサ５は、加工具２に作用する外力を検出するセンサである。力覚センサ５は、当該力覚センサ５よりも先端側の部分に作用する外力を検出する。力覚センサ５としては、例えば直交三軸方向の力と各軸回りのトルクを計測可能な六軸センサが用いられる。このため、力覚センサ５は、加工具２に作用する六自由度の外力と三軸回りのトルクを検出することができる。なお、外力を検出する力センサは、加工具２に作用する外力が検出できるものであれば、力覚センサ５以外のセンサを用いてもよい。

加工装置１は、制御部６を備えている。制御部６は、加工装置１の加工制御を行う制御ユニットである。制御部６は、例えば、一つのコンピュータ又は電子制御ユニットにより構成されていてもよいし、パーソナルコンピュータ及びコントローラにより構成してもよい。制御部６において、加工具２の目標加工データが入力されることにより、ワークＷの加工における加工具２の移動の目標軌道が設定される。制御部６は、スピンドルモータ４に制御信号を出力して、スピンドルモータ４を回転させ加工具２を回転させる。この状態で、制御部６は、ロボットアーム３を作動させて目標軌道に従って加工具２を移動させ、ワークＷの加工を行わせる。

制御部６は、加工具２における端面成形（図５参照）、加工具２の面取り（図６参照）、調整後の加工具２の位置認識（図７参照）、加工具２のブラシ２２の突出長の調整（図８参照）などにおける加工具２の移動制御及び姿勢制御、並びに、加工具２の回転制御について、ロボットアーム３を作動させて制御する。

図１に示すように、制御部６は、ロボットアーム３と電気的に接続され、関節部３５～３７及びリンク部３１、３３、３４に対し制御信号を出力して関節部３５～３７及びリンク部３１、３３、３４の回転動作を調整する。また、制御部６は、関節部３５～３７及びリンク部３１、３３、３４の回転情報を入力し、関節部３５～３７及びリンク部３１、３３、３４の回転状態を認識する。制御部６は、力覚センサ５と電気的に接続され、力覚センサ５の検知信号を入力し、加工具２の押付力を認識する。

加工装置１は、例えば、加工具２の力制御及び位置制御により、ワークＷの加工を行う。制御部６は、設定された押付力で加工具２がワークＷを押し付けるようにロボットアーム３を作動させて力制御を行う。上述したように制御部６には力覚センサ５の検知信号により加工具２の実際の押付力が入力されるため、押付力のフィードバック制御が可能である。また、制御部６は、加工具２の進行方向に対して位置制御を行う。例えば、ワークＷの角部の面取り加工する場合、制御部６にはワークＷの角部に沿って目標軌道が設定される。これにより、制御部６は、ワークＷの角部に沿って加工具２が移動するようにロボットアーム３を作動させて、加工具２の位置制御を行う。

図２は加工具２の斜視図であり、図３は加工具２の側方から見た断面図である。図２に示すように、加工具２は、スピンドルモータ４の先端に取り付けられ、スピンドルモータ４の回転に応じて回転する。加工具２は、研磨ブラシ又は砥石ブラシなどと称される加工具であり、ワークＷのバリ取り、面取り、研磨などの加工に用いられる。加工具２は、スリーブ２１、ブラシ２２及び保持部２３を備えている。ブラシ２２は、ワークＷに当接されて加工を行う加工部である。ブラシ２２は、複数の線材を束ねて構成されている。線材としては、例えばセラミックスの線状体が用いられる。なお、線材として、他の材料の線状体を用いられてもよい。保持部２３は、棒状の部材であり、ブラシ２２の基端を保持している。例えば、保持部２３の基端側はスピンドルモータ４に取り付けられ、保持部２３の先端側はブラシ２２を取り付けて保持している。スリーブ２１は、ブラシ２２の中間位置を拘束する拘束部として機能する部位である。例えば、スリーブ２１は、ブラシ２２及び保持部２３を挿通させて設けられる筒体であり、ブラシ２２及び保持部２３に対し相対的に移動可能に設けられている。

図３に示すように、スリーブ２１の内周には、周方向へ延びる複数の溝２１ｂが形成されている。溝２１ｂは、軸方向へ複数並設されている。保持部２３には、外周面から突出する突起２３ａが設けられている。突起２３ａは、スリーブ２１の溝２１ｂ内に入り込み、保持部２３に対しスリーブ２１が容易に移動しないように掛止する。突起２３ａは、保持部２３の径方向に形成される孔２３ｃに挿通され、バネ２３ｂにより保持部２３の外側へ付勢されている。このため、突起２３ａは、溝２１ｂに掛け止められた状態でスリーブ２１が軸方向へ移動する力が加えられると、バネ２３ｂの付勢に抗して孔２３ｃの内側へ押し込まれ、スリーブ２１の移動を許容する。突起２３ａが異なる溝２１ｂに入り込むことにより、スリーブ２１は異なる位置で保持される。つまり、スリーブ２１は、保持部２３及びブラシ２２に対し軸方向へ移動し、移動した位置において保持される。このように、突起２３ａ及び溝２１ｂが形成されることにより、スリーブ２１の保持部２３及びブラシ２２に対する移動が可能となり、スリーブ２１が容易に移動しないように保持することが可能となっている。なお、スリーブ２１の取付構造は、上述した構造に限られるものでなく、スリーブ２１がブラシ２２に対し相対的に移動可能であり移動した位置で保持される構造であれば、他の取付構造を用いてもよい。

スリーブ２１の端部には、開口２１ａが形成されている。開口２１ａは、ブラシ２２を拘束するための孔である。開口２１ａは、スリーブ２１の端面に形成され、例えば円形の形状とされる。保持部２３に取り付けられたブラシ２２は、開口２１ａに挿通されてスリーブ２１から突出して設けられている。開口２１ａは、ブラシ２２の中間位置に位置している。このため、スリーブ２１は、ブラシ２２の中間位置を拘束している。スリーブ２１がブラシ２２を拘束することにより、複数の線材により構成されるブラシ２２の広がりが抑制され、ワークＷの加工を安定させることができる。言い換えれば、このワークＷの安定した加工を行うためには、スリーブ２１に対するブラシ２２の突出長Ｌ（図２参照）を一定に維持することが望ましい。ブラシ２２は、ワークＷの加工を行うことにより摩耗する工具である。すなわち、ブラシ２２の先端はワークＷの加工により摩耗し、ブラシ２２の突出長Ｌは徐々に短くなる。このため、ブラシ２２が摩耗したら、スリーブ２１をブラシ２２に対し移動させて拘束位置を変えることにより、ブラシ２２を交換することなく、ブラシ２２の突出長Ｌを加工前の長さに戻すことができる。これにより、安定した加工が行えることとなる。

次に、本実施形態に係る加工方法について詳細に説明する。

図４は、本実施形態に係る加工方法の一例を示すフローチャートである。この加工方法は、上述した加工装置１により加工具２を用いてワークＷを加工する方法であり、ワークＷの加工工程のほか、加工具２の調整などの工程を含んでいる。加工方法の各工程は、例えば加工装置１により実行される。

まず、ステップＳ１０に示すように、加工具２の端面成形が行われる。この端面成形は、加工具２のブラシ２２の先端の端面を平坦に成形する工程であり、ワークＷの加工前の準備工程である。図５に示すように、制御部６の制御信号に従ってロボットアーム３が作動し、加工具２が成形砥石９２の上方に移動される。そして、加工具２は、ブラシ２２の先端が成形砥石９２の表面に向くように移動される。この状態で加工具２は回転させられ、ブラシ２２の先端が一定の押付力で成形砥石９２に押し付けられる。これにより、ブラシ２２の先端面が研磨されて平坦となり、ワークＷの加工に適した状態となる。また、ワークＷの加工に応じて、図６に示すように、ブラシ２２の角部の面取りを行ってもよい。例えば、制御部６の制御信号に従ってロボットアーム３が作動し、加工具２が成形砥石９２の上方に移動される。そして、成形砥石９２の上面に対し加工具２が斜めとなるようにロボットアーム３が作動され、その状態で加工具２のブラシ２２が成形砥石９２に当接される。このようにブラシ２２の面取りを行うことにより、窪みのあるワークＷの表面や凹凸のあるワークＷの表面を円滑な形状に研磨又は切削することが可能となる。なお、ワークＷの加工前にすでに加工具２の端面成形が行われている場合には、このステップＳ１０の端面成形の工程を省略する場合もある。

そして、図４のステップＳ１２に示すように、加工具２の工具中心位置ＴＣＰ（Tool Center Point）の設定が行われる。この工具中心位置ＴＣＰの設定は、先に行われたワークＷの加工によりブラシ２２の先端が摩耗した場合、工具中心位置ＴＣＰの校正として行われる。工具中心位置ＴＣＰの設定は、例えば、図７に示すように、加工具２のブラシ２２の先端を基準面９５に突き当てた状態とし、制御部６により工具中心位置ＴＣＰのＸＹＺ座標値を設定し、ブラシ２２の先端位置のＸＹＺ座標値を認識しておく。このように工具中心位置ＴＣＰのＸＹＺ座標値を設定し、ブラシ２２の先端位置のＸＹＺ座標値を認識することにより、加工具２の突出長の調整するための加工具２の移動の軌道の設定が円滑に行える。

次に、図４のステップＳ１４に示すように、加工具２の突出長の調整が行われる。この調整工程は、加工具２のブラシ２２の突出長Ｌを調整する工程であり、ワークＷの加工前の準備工程である。図８に示すように、ブラシ２２は、スリーブ２１から突出して設けられている。ブラシ２２の突出長Ｌは、加工具２による加工状態に影響を与えるため、加工内容に応じて適した長さに調整される。例えば、制御部６の制御信号に従ってロボットアーム３が作動し、加工具２がワークＷの近傍位置に移動される。そして、ワークＷの隅部の上面にスリーブ２１が掛止された状態で加工具２が下方へ押し下げられる。すなわち、ワークＷの隅部の上面にスリーブ２１が掛止され、その状態でスリーブ２１以外の加工具２の部分、つまりブラシ２２及び保持部２３が下方へ移動される。これにより、加工具２において、ブラシ２２に対しスリーブ２１が基端側へ相対的に移動する。従って、ブラシ２２の突出長Ｌを長くすることができる。このとき、制御部６は、ブラシ２２の先端位置及びワークＷの上面位置を認識することにより、ブラシ２２の突出長Ｌを所望の長さに調整することが可能である。なお、ここでは、ワークＷの隅部にスリーブ２１を掛止させてブラシ２２の突出長Ｌを調整する場合について説明したが、スリーブ２１を掛止させる物は、加工装置１の外部物であればワークＷ以外の物であってもよく、例えば治具などであってもよい。なお、ワークＷの加工前にすでに加工具２の突出長の調整が行われている場合には、このステップＳ１４の調整工程を省略する場合もある。

そして、図４のステップＳ１６に示すように、ワークＷの加工が行われる。この加工工程は、加工具２を用いてワークＷを加工する工程である。例えば、制御部６の制御信号に従ってロボットアーム３が作動し、加工具２が回転しながら予め設定された目標軌道に従って移動する。図９に示すように、加工具２のブラシ２２がワークＷの表面に突き当たられた状態で回転する。これにより、ワークＷの表面のバリが削除され、ワークＷの角部の面取りが行われ、又はワークＷの表面が研磨される。

このとき、ブラシ２２の先端は、加工により徐々に摩耗していく。このため、ブラシ２２の先端位置と工具中心位置ＴＣＰが所定以上にずれを生じた場合、上述したＳ１０～１４の処理を加工工程の途中に順次行ってもよい。また、加工工程の途中にＳ１４の突出長の調整を行った後、Ｓ１２の工具中心位置ＴＣＰの調整を行ってもよい。この場合、工具中心位置ＴＣＰの調整は、以下の通りに行えばよい。例えば、図１０に示すように、まず、加工具２のブラシ２２の先端を基準面９５に突き当てた状態とする。具体的には、加工具２を基準面９５に低速で接近させ、加工具２の先端が基準面９５に接触したことを力覚センサ５で検知して停止させる。この時のロボットアーム３の各関節部３５～３７の角度と加工前においてブラシ２２の先端を基準面９５に突き当てた時のロボットアーム３の各関節部３５～３７の角度との差に基づいて、ブラシ２２の先端位置のＸＹＺ座標値の変動量を算出する。そして、ブラシ２２の先端位置のＸＹＺ座標値が加工前のＸＹＺ座標値と所定値以上に異なっている場合には、工具中心位置ＴＣＰのＸＹＺ座標値の再設定が行われる。つまり、図１０のように加工具２のブラシ２２の先端が基準面９５に突き当てられた状態において、加工前にはブラシ２２の先端位置のＸＹＺ座標値が（０、０、０）であったのに対し、加工後においてはブラシ２２の先端位置のＸＹＺ座標値が（０、０、－３）であった場合、加工によりブラシ２２が３ｍｍ摩耗したため、ブラシ２２の先端位置のＸＹＺ座標値にずれを生じている。このため、ブラシ２２の先端位置のＸＹＺ座標値を（０、０、０）として再設定することにより、制御部６においてブラシ２２の先端位置を正しく認識することができる。なお、工具中心位置ＴＣＰの校正（再設定）は、上述した方法に限定されるものでなく、接触センサにより加工具２の接触を検出する方法などを用いてもよい。そして、図４のＳ１６の加工工程を終えたら、ワークＷの加工を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る加工方法によれば、ワークＷの加工によりブラシ２２が摩耗する加工具２を用いて加工するにあたり、ワークＷの加工によるブラシ２２の摩耗量に応じて加工具２のスリーブ２１を移動させ、スリーブ２１の拘束位置から突出するブラシ２２の突出長Ｌを調整する。このため、スリーブ２１を移動させることによりブラシ２２の突出長Ｌの調整が行える。従って、加工に適したブラシ２２の突出長ＬにてワークＷの加工が行え、加工によって加工具２が摩耗しても適切な加工が行える。

また、本実施形態に係る加工方法によれば、加工によりブラシ２２が摩耗した場合であっても加工具２を交換することなくブラシ２２の突出長Ｌを延ばすことができる。このため、効率良く加工が行える。

また、本実施形態に係る加工方法によれば、スリーブ２１を外部物に当接させた状態で加工具２を当接させた方向へ移動させることでスリーブ２１を移動させることができる。このため、自動で加工を行う加工装置１を用いてスリーブ２１の移動が容易に行える。

なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。

例えば、上述の実施形態では、加工実行部としてロボットアーム３を用いる場合について説明したが、加工具２の位置及び姿勢の調整を行い、加工具２を用いて加工を実行できるものであれば、ロボットアーム３以外の機構や機器などを用いてもよい。具体的には、関節部及びリンク部の設置数の異なるロボットアーム又はマニピュレータを用いてもよいし、加工具２を回転させながら目標軌道に沿って移動させ力制御可能な工作機械などを用いてもよい。

また、本実施形態では、加工具２としてブラシを用いる場合について説明したが、加工により摩耗する加工具であれば、ゴム砥石など他の加工具を用いてもよい。

１ 加工装置
２ 加工具
３ ロボットアーム
４ スピンドルモータ
５ 力覚センサ
６ 制御部
２１ スリーブ（拘束部）
２２ ブラシ（加工部）
Ｗ ワーク（被加工物）

Claims (2)

1. 加工装置のロボットアームを用いて加工具を移動させて被加工物を加工する加工方法であって、
   前記加工具として、加工部の中間位置を拘束部により拘束し前記拘束部を前記加工部に対し移動可能とし前記拘束部の移動により前記加工部の拘束位置を変更可能としたものを用い、前記拘束部と前記加工部を相対的に移動させ、前記拘束部の拘束位置から突出する前記加工部の突出長を調整する調整工程と、
   前記加工部の突出長を調整した前記加工具を用いて前記被加工物を加工する加工工程と、を含み、
   前記ロボットアームは、複数のリンク及び複数の関節部を有し、前記加工具に作用する外力を検出するセンサを有し、
   前記加工装置は、前記ロボットアームを作動させて前記加工具の位置制御及び姿勢制御を行う制御部を備え、
   前記調整工程において、前記センサの外力検知及び前記関節部の角度に基づき前記制御部によって前記加工部の先端位置及び外部物の当接位置を認識しておき、前記拘束部を前記外部物に当接させた状態で前記加工具を当接させた方向へ移動させることにより前記拘束部と前記加工部を相対的に移動させ、前記加工部の突出長を所望の長さに調整する、
   加工方法。
2. 前記加工具の前記加工部が複数の線材を束ねて構成されるブラシである、
   請求項１に記載の加工方法。

Images