JP7248148B2 - 疵研削システム、疵研削方法、およびこれを用いた鋼製品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼製品などの対象材の表面の疵や欠陥を研削して除去する疵研削システム、疵研削方法、およびこれを用いた鋼製品の製造方法に関するものである。

鋼管、棒鋼、形鋼、鋼塊などの鋼製品（以下、対象材という）には、製造過程における種々の要因により、表面に疵や欠陥（以下、疵という）が発生することがある。これらの対象材の表面の疵は、グラインダーなどを用いて疵をその周辺と均すように研削する手入れ作業を行って、除去する必要がある。この手入れ作業では、作業者がグラインダーの回転体を手作業で対象材に当てて研削する作業の危険性や、研削に伴って発生する振動や粉じんなどに作業者が晒される労働環境の問題がある。また手入れ作業を行う労働者を確保する必要も生じるため、手入れ作業の自動化が望まれている。

しかし、対象材となる鋼製品の種類は非常に多彩であり、その立体形状は様々であって、また、対象材の表面に発生する疵や欠陥の位置も、鋼製品の種類によって異なることが多い。よって、対象材に手入れ作業を行う位置や姿勢も、様々である。

対象材の手入れ作業の自動化に関連して、例えば特許文献１には、対象材の表面の疵の位置に、疵の性質についての情報を含むマーキングを付し、このマーキングを検出して情報処理を行い、自動疵手入れ装置の動作指令とする自動疵手入れ方法および装置が開示されている。

また、特許文献２には、グラインダ砥石の金属材表面への接触度を検出し、これを用いてグラインダ砥石による金属材表面疵部に対する切込量を制御する金属材の表面疵自動研削装置が開示されている。

さらに、特許文献３には、鋼管、形鋼などの成品にマーキングや手入れを行うロボットの動作を教示するに際し、生産管理用計算機から成品の製造仕様を出力し、これを受けて制御用計算機により製造仕様に対応する位置データと作業種別を示す動作情報を求め、さらにこれを受けてロボット制御装置によりロボットの動作を教示する、ロボット動作教示方法が開示されている。

特開平７－９３２０号公報 特公平５－４１３８８ 特開平１－１６６１０５号公報

しかし、特許文献１および特許文献２に開示される技術は、鋼板など平板状の対象材を対象としており、その研削面は平坦である。よって、鋼管など、表面が湾曲する立体形状を有する対象材に、特許文献１および特許文献２に開示される技術を適用すると、研削面が湾曲していることにより、対象材の表面に対する砥石の角度や押付け研削反力の方向が変化することとなる。そして、砥石と対象材とが干渉することによる研削装置の動作不良や、過研削や研削不足などの研削不良が発生する恐れがある。

また、特許文献３に開示される技術では、外部の計算機から対象材の型番や寸法の製造仕様を取得して、ロボットの動作を教示している。しかし、実際の対象材の手入れ作業では、対象材自体の寸法誤差や、対象材の置き位置や姿勢などのばらつきが存在する。このため、ロボットアームまたは砥石と対象材とが干渉することによる研削装置の動作不良や、対象材の表面に対する砥石の軌跡が、目標通りにならないことによる研削不良が発生する問題がある。

作業者が手作業により手入れ作業を行う場合には、上述のような誤差やばらつきに対して、対象材現物を目視で観察し、対象材の表面の疵の位置に適切な圧力でグラインダーを押し当て、疵をその周辺と均すようにグラインダーを動かしている。そして、適当なタイミングでグラインダーの押し当てを中止し、疵が残っているか否かを目視で判定し、再研削を行う必要があるか手入れ作業を終了して良いか判断している。この手作業による手入れ作業を分析すると、以下の手順となる。（１）視覚情報に基づく対象材現物の形状および姿勢の測定、（２）グラインダー砥石の押し当て、（３）研削反力・負荷の感知およびこれに基づく砥石の押付け力の調整、（４）視覚情報に基づく疵の研削後の対象材の表面の検査。

そこで、本願発明者らは、三次元形状を有する対象材の表面の疵を研削する手入れ作業を行うに際し、以下の手順を自動的に行うことによって過研削や研削不足などの研削不良の発生を抑制することについて検討し、本発明に思い至った。（１）カメラや形状センサを用いた対象材現物の形状および姿勢の測定、（２）対象材における疵の位置の検出、（３）疵の位置へのグラインダー砥石の押し当て動作の生成、（４）グラインダーの研削反力・負荷の測定およびその制御、（５）疵の研削後の対象材の表面の検査および再研削の要否の判断。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、三次元形状を有する対象材の表面の疵を研削する作業を自動化しつつ、過研削や研削不足などの研削不良の発生を抑制できる、疵研削システム、疵研削方法、およびこれを用いた鋼製品の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
［１］ 対象材の表面の疵を研削する研削具を備える研削装置と、前記対象材の三次元形状および姿勢を測定する形状測定装置と、前記対象材における前記疵の位置を検出する疵検出装置と、前記形状測定装置によって測定された前記対象材の三次元形状および姿勢、ならびに前記疵検出装置によって検出された前記疵の位置に基づいて、前記疵を研削するための前記研削具の軌跡を生成し、該軌跡に沿って前記研削具が移動するように前記研削装置を制御する研削具制御装置とを有する疵研削システム。

ここで、上記疵は、対象材の表面の形状変化を生じさせない表面欠陥を含むものとする。
［２］ 前記研削具が前記対象材から受ける研削反力を測定する研削反力測定装置をさらに有し、前記研削具制御装置は、前記研削反力測定装置により測定された前記研削反力に基づいて前記軌跡を補正し、補正された前記軌跡に沿って前記研削具が移動するように前記研削装置を制御する、［１］に記載の疵研削システム。
［３］ 前記研削装置により前記疵が研削された後に、前記疵の位置における前記対象材の表面を検査する検査装置をさらに備える、［１］または［２］に記載の疵研削システム。
［４］ 対象材の三次元形状および姿勢を測定する形状測定工程と、前記対象材の表面の疵の位置を検出する疵検出工程と、前記形状測定工程で測定された前記対象材の三次元形状および姿勢、ならびに前記疵検出工程で検出された前記疵の位置に基づいて、前記疵を研削する研削具の軌跡を生成し、該軌跡に沿って前記研削具を移動させて前記疵を研削する研削工程とを有する疵研削方法。
［５］ 前記研削工程では、前記研削具が前記対象材から受ける研削反力を測定し、該研削反力に基づいて前記軌跡を補正し、補正された前記軌跡に沿って前記研削具を移動させて前記疵を研削する、［４］に記載の疵研削方法。
［６］ 前記研削工程後に、前記疵の位置における前記対象材の表面を検査する検査工程をさらに備える、［４］または［５］に記載の疵研削方法。
［７］ ［４］～［６］のいずれかに記載の疵研削方法により、前記対象材である鋼製品の表面の疵を研削する、鋼製品の製造方法。

本発明の疵研削システム、疵研削方法、およびこれを用いた鋼製品の製造方法によれば、三次元形状を有する対象材の表面の疵を研削する作業を自動化しつつ、過研削や研削不足などの研削不良の発生を抑制できる。

図１は、本発明の疵研削システムの全体構成を示す図である。 図２は、本発明の疵研削システムによる疵の研削状況の一例を示す図である。 図３は、本発明の疵研削システムによる疵の研削状況の他の一例を示す図である。 図４は、本発明の疵研削システムの疵検出装置による疵の検出の一例を説明する模式図である。 図５は、本発明の疵研削システムの疵検出装置による疵の検出の他の一例を説明する模式図である。 図６（ａ）～図６（ｃ）は、本発明の疵研削システムの形状測定装置による対象材の三次元形状の測定の手順を説明する図である。 図７は、本発明の疵研削システムによる、研削具の軌跡の生成の手順を説明する図である。 図８は、本発明の疵研削システムによる、研削具の軌跡の生成の手順を説明する図である。 図９は、本発明の疵研削システムによる、研削具の軌跡の生成の手順を説明する図である。 図１０は、本発明の疵研削システムによる、研削具の軌跡の生成の手順を説明する図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、本発明の疵研削システムによる、研削具の軌跡の補正の状況を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の疵研削システム、疵研削方法、およびこれを用いた鋼製品の製造方法の実施形態について、詳細に説明する。

なお、本実施形態において、「疵」とは、異物付着等による凸状の疵や、表面欠損等による凹状の疵の他、対象材の表面の形状変化を生じさせない表面欠陥等を含む。また、「疵を研削する」とは、疵を除去して対象材の表面を均すことを意味し、例えば凸状の疵の場合には疵を研削して対象材の表面を均し、凹状の疵の場合には疵の周辺を研削して対象材の表面を均すことを意味する。

図１に、本実施形態の疵研削システム１の全体構成を示す。図１に示すように、本実施形態の疵研削システム１は、対象材Ｗの表面の疵Ｗｆを研削する砥石（研削具の一例）１１を備えるグラインダー（研削装置の一例）１０と、グラインダー１０を動作させる研削ロボット２１と、を備えている。また、疵研削システム１は、対象材Ｗの形状を測定するレーザー距離計（形状測定装置、疵検出装置の一例）３１と、対象材Ｗの表面を撮影するカメラ（疵検出装置、検査装置の一例）３２とを備えている。グラインダー１０を支持する研削ロボット２１のアーム部には、グラインダー１０が対象材Ｗから受ける研削反力を測定する反力計（研削反力測定装置の一例）１３が取り付けられている。

図１に示すように、レーザー距離計３１は、対象材Ｗの断面形状を測定する二次元レーザー距離計であり、後述する単軸アクチュエータ３３によって動作可能に設置されている。そして、対象材Ｗを単軸アクチュエータ３３に沿うように配置して、単軸アクチュエータ３３により動かされるレーザー距離計３１で対象材Ｗをスキャンすることで、対象材Ｗの三次元形状および姿勢を測定する形状測定工程が行われる。また、これと同様の動作により、レーザー距離計３１は、対象材Ｗにおける疵Ｗｆの位置を検出する疵検出工程と、グラインダー１０により疵Ｗｆが研削された後に、疵Ｗｆの位置における対象材Ｗの表面を検査する検査工程とを行うようになっている。対象材Ｗの姿勢とは、単軸アクチュエータ３３を基準とする対象材Ｗの位置および向きである。

カメラ３２も、レーザー距離計３１とともに、単軸アクチュエータ３３によって動作可能に設置されている。カメラは、対象材Ｗの表面を撮影することにより、レーザー距離計３１とともにまたはレーザー距離計３１に代わり、対象材Ｗにおける疵Ｗｆの位置を検出する疵検出工程と、グラインダー１０により疵Ｗｆが研削された後に、疵Ｗｆの位置における対象材Ｗの表面を検査する検査工程とを行う。なお、検査工程を行わない場合や、レーザー距離計３１によって疵検出工程を行う場合には、疵研削システム１はカメラ３２を備えていなくてもよい。

グラインダー１０および研削ロボット２１の動作は、コンピュータからなる研削具制御ＰＣ（研削具制御装置の一例）２０により制御される。また、レーザー距離計３１、カメラ３２および単軸アクチュエータ３３の動作は、汎用パーソナルコンピュータからなる形状測定・疵検出ＰＣ（形状測定装置、疵検出装置の一例）４０により制御される。

図２に、本実施形態の疵研削システム１による疵の研削状況を示す。研削具制御ＰＣ２０は、対象材Ｗの表面の疵Ｗｆを研削する研削工程を行う。具体的には、図１に示すレーザー距離計３１によって測定された対象材Ｗの三次元形状および姿勢、ならびにレーザー距離計３１またはカメラ３２によって検出された疵Ｗｆ（図１参照）の位置に基づいて、疵Ｗｆを研削するためのグラインダー１０の砥石１１の軌跡Ｔ０（図２参照）を生成する。また、この軌跡Ｔ０に沿って砥石１１が移動するように、研削ロボット２１の動作を制御する。

ここで、上述のとおり、グラインダー１０による疵Ｗｆの研削中には、反力計１３により、グラインダー１０が対象材Ｗから受ける研削反力が測定される。図２に示すように、研削具制御ＰＣ２０は、研削ロボット２１のフィードバック制御を行う。すなわち、反力計１３によって測定された研削反力に基づいて砥石１１の軌跡Ｔ０を補正し、補正された軌跡Ｔ１に沿って砥石１１が移動するように研削ロボット２１を動作させる。砥石１１の軌跡Ｔ０の補正は、研削ロボット２１によってグラインダー１０の位置を調整し、砥石１１の対象材Ｗの表面からの高さを変更することによって行われる。

具体的には、図１、図２に示すように、研削具制御ＰＣ２０によって研削ロボット２１を動作させ、レーザー距離計３１またはカメラ３２によって検出された疵Ｗｆの位置にグラインダー１０の砥石１１を押し付け、砥石１１を軌跡Ｔ０に沿って移動させて、疵Ｗｆの研削を開始する。そして、研削具制御ＰＣ２０は、疵Ｗｆの研削中に反力計１３によって測定された研削反力を所定の目標値に近づける逆運動学計算を行って、砥石１１の軌跡Ｔ０を補正する。そして、研削具制御ＰＣ２０は、補正された軌跡Ｔ１に沿って砥石１１が移動するように、すなわち砥石１１を疵Ｗｆにさらに押し付けるように、または砥石１１を疵Ｗｆから逃がすように、研削ロボット２１を動作させる。

または、図３に示すように、グラインダー１０を支持する研削ロボット２１のアーム部に、反力計１３に加えて、伸縮動作するアクチュエータ（研削具制御装置の一例）１２を追加してもよい。この場合には、反力計１３で測定された研削反力に基づいて砥石１１の軌跡Ｔ０を補正したときの、砥石１１の対象材Ｗの表面からの高さの変更を、アクチュエータ１２を動作させることによって行い、同様のフィードバック制御を実現できる。

図３に示すように、砥石１１の高さを調整するアクチュエータ１２を研削ロボット２１のアーム部に別途設けることで、砥石１１の高さ方向の軌跡Ｔ０と、高さ方向と異なる方向の軌跡Ｔ０とを各々補正することができる。このため、図２に示すような研削ロボット２１の動作のみで砥石１１の軌跡Ｔ０を補正する構成と比べて、研削具制御ＰＣ２０による演算処理が分散され、研削具制御ＰＣ２０に大きな演算の負荷がかかることを回避でき、高速で軌跡Ｔ０を補正することが可能となる。

図４に、本実施形態の疵研削システム１による、対象材Ｗの表面の疵Ｗｆの検出方法を示す。形状測定・疵検出ＰＣ４０は、レーザー距離計３１によって測定された対象材Ｗの三次元形状に基づいて、疵Ｗｆを検出する。例えば、図４に示すように、形状測定・疵検出ＰＣ４０は、パターンマッチングを行う。すなわち、形状測定・疵検出ＰＣ４０は、レーザー距離計３１によって測定された形状データ３１Ｄを、形状測定・疵検出ＰＣ４０に予め格納されている疵形状データ３１Ａ～３１Ｃと比較する。そして、形状データ３１Ｄと、疵形状データ３１Ａ～３１Ｃのいずれかとの類似性が所定の基準値以上であるとき、形状測定・疵検出ＰＣ４０は形状データ３１Ｄの範囲内に疵Ｗｆを検出する。

または、これに代えて、図５に示すように、カメラ３２によって撮影された対象材Ｗの表面の画像データ３２Ｄに基づいて、疵Ｗｆを検出してもよい。対象材Ｗの表面の疵Ｗｆの形状が複雑であったり、レーザー距離計３１の測定精度以下の凹凸であったりする場合には、この方法が有効に利用できる。図５に示すように、カメラ３２によって対象材Ｗの表面を撮影して画像データ３２Ｄを取得し、この画像データ３２Ｄを画像解析処理することによって、形状測定・疵検出ＰＣ４０は画像データ３２Ｄの範囲内の疵Ｗｆを検出することができる。

対象材Ｗの疵Ｗｆを検出するためのさらに他の方法としては、研削ロボット２１のアームの先端に渦電流探傷器や超音波探傷器などの探傷器を取り付ける方法が挙げられる。この場合、レーザー距離計３１で測定された対象材Ｗの三次元形状および姿勢に基づいて、探傷器を対象材Ｗの表面に沿って移動させることにより、疵Ｗｆを検出することができる。

あるいは、形状測定・疵検出ＰＣ４０による疵Ｗｆの検出に、作業者による判定を組み合わせてもよい。例えば、カメラ３２によって撮影された対象材Ｗの表面の画像を形状測定・疵検出ＰＣ４０の画面に表示させ、これを作業者が目視する。そして、疵Ｗｆが確認された場合には、形状測定・疵検出ＰＣ４０を操作して疵Ｗｆの位置を画像上に指定することにより、疵Ｗｆの検出を行ってもよい。

上述のように、個別の対象材Ｗ毎にレーザー距離計３１で対象材Ｗの三次元形状および姿勢を測定することで、対象物Ｗの現物の情報に基づきリアルタイムで加工軌跡を生成することができる。これにより、事前に対象材Ｗの３Ｄデータを準備する必要がなく、３Ｄデータから加工軌跡を生成する構成と比較して、対象材Ｗの現物の様々なバラつきを自動で加工軌跡に反映することが可能となる。

また、疵Ｗｆの検出についても、対象物Ｗの現物に存在する疵Ｗｆを直接測定することで、対象材Ｗにおける疵Ｗｆの位置だけでなく、疵Ｗｆの大きさ、角度、深さ等の情報、さらには疵Ｗｆの周囲における対象材Ｗの表面の情報をも検出することが可能である。

研削具制御ＰＣ２０によりグラインダー１０および研削ロボット２１の動作を制御して、所定時間または所定の研削量だけ疵Ｗｆの研削を行った後、検査工程を行う。具体的には、レーザー距離計３１またはカメラ３２によって、疵Ｗｆを研削した後の対象材Ｗの表面を検査して、疵Ｗｆが残っていないか確認する。この検査工程は、上述の疵検出工程と同様に、レーザー距離計３１によって測定された対象材Ｗの形状データ３１Ｄや、カメラ３２によって撮影された対象材Ｗの表面の画像データ３２Ｄを解析する遠隔的な方法により行ってもよい。また、検査工程は、研削ロボット２１のアームの先端に取り付けた渦電流探傷器や超音波探傷器などにより直接的に行ってもよい。

疵Ｗｆを研削した後の対象材Ｗの表面の検査は、疵Ｗｆを研削する前の疵Ｗｆの検出と同じ装置（すなわちレーザー距離計３１、カメラ３２）を用いて行ってもよく、異なる装置を用いて行ってもよい。同じ装置を用いれば、疵研削システム１を構成する部品点数を削減できる。また、疵Ｗｆを研削した後の対象材Ｗに残存する疵Ｗｆは、研削する前の疵Ｗｆよりも検出しにくい。しかし、異なる装置を用いれば、例えば、疵Ｗｆを研削する前の疵Ｗｆの検出よりも高精度の装置を用いれば、疵Ｗｆを研削した後の対象材Ｗの表面に疵Ｗｆが残存しているか否かを、より高精度に検査することができる。

そして、疵Ｗｆが残存している場合には、再度研削を行い、疵Ｗｆが残存していない場合は、研削を終了する。

さらに、本実施形態の鋼製品の製造方法は、上述の疵研削方法によって、対象材として鋼製品の表面の疵を研削する工程を有して構成されるものである。

以下に、本発明の疵研削システム、疵研削方法、およびこれを用いた鋼製品の製造方法の具体的な実施例について説明する。本実施例では、φ５０～６００の鋼管を対象材Ｗとして、その表面の疵Ｗｆを研削して除去している。

図６（ａ）～図６（ｃ）に、本実施例の疵研削システム１による、対象材Ｗの三次元形状の測定の手順を示す。

図６（ａ）に示すように、対象材Ｗの上方に、対象材Ｗの長さ方向に沿うように単軸アクチュエータ３３を配置し、さらにレーザー距離計３１を単軸アクチュエータ３３と連動して動くように設置する。レーザー距離計３１による対象材Ｗの断面形状の測定面は、単軸アクチュエータ３３の動作方向と直交するように設定する。以下では、単軸アクチュエータ３３の動作方向をｘ軸とし、レーザー距離計３１による対象材Ｗの断面形状の測定面の幅方向（水平方向）および高さ方向（鉛直方向）をそれぞれｙ軸、ｚ軸とする。

形状測定・疵検出ＰＣ４０（図１参照）により、単軸アクチュエータ３３を動作させて、レーザー距離計３１をｘ方向に速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）で動作させながら、所定のサンプリング周波数ｆ_ｓ（Ｈｚ）で対象材Ｗの三次元形状および姿勢を測定する。この結果、図６（ｂ）に示すように、レーザー距離計３１が各位置で対象材Ｗの断面形状を測定することによって得られる測定点ｐ_ｍの集合である二次元の形状データ点群が、ｘ方向に所定の測定ピッチΔｘ（ｍｍ）で並んだ、三次元の形状データ点群が得られる。このとき、ｘ方向の測定ピッチΔｘは、式（１）のとおりとなる。

Δｘ＝Ｖ／ｆ_ｓ …（１）
ここで、測定ピッチΔｘが０．１ｍｍ～５．０ｍｍの範囲内となるように、レーザー距離計３１の速度Ｖおよびサンプリング周波数ｆ_ｓを設定する。レーザー距離計３１の速度Ｖは、レーザー距離計３１および単軸アクチュエータ３３の特性に応じて、１０ｍｍ／ｓ～１０００ｍｍ／ｓの範囲内で適宜選択する。レーザー距離計３１の速度Ｖが大きすぎると、レーザー距離計３１が動作中に振動して測定精度が低下する問題が生じ、速度Ｖが小さすぎると測定時間が長くなる問題が生じるためである。レーザー距離計３１のサンプリング周波数ｆ_ｓは、１０Ｈｚ～１０ｋＨｚの範囲となるように、レーザー距離計３１の速度Ｖとｘ方向の測定ピッチΔｘとの関係に基づいて設定する。また、ｙ方向の測定ピッチΔｙが０．１ｍｍ～５．０ｍｍの範囲内となるように、レーザー距離計３１の動作を設定する。

この形状データ点群から、図４に示した上述の方法によって、疵Ｗｆの位置を検出する。そして、この疵Ｗｆを含むように、砥石１１で対象材Ｗの表面を研削する範囲（以下、研削範囲という）Ｗａを設定し、この研削範囲Ｗａ内に存在する測定点ｐ_ｍを抽出する。研削範囲Ｗａのｘ方向およびｙ方向の長さＬ_ｘ（ｍｍ）、Ｌ_ｙ（ｍｍ）は、疵Ｗｆの寸法よりも大きくなるように設定する。

図７～図１０に、本実施例の疵研削システム１の研削具制御ＰＣによる、研削具（砥石）１１の軌跡Ｔ０の生成の手順を示す。

図７に、研削範囲Ｗａ内の測定点ｐ_ｍをｘ－ｙ平面に投影した図を示す。ここで、研削範囲Ｗａ内に存在する測定点ｐ_ｍは、ｘ方向に間隔Δｘで、ｙ方向に間隔Δｙで並んでいる。

まず、砥石１１を対象材Ｗに押し付けながら移動させて、対象材Ｗの表面の疵Ｗｆを研削ときに、砥石１１の軌跡Ｔ０（Ｔ１）が通過する複数の研削目標点ｐ_ｇを、研削範囲Ｗａ内に存在する測定点ｐ_ｍの集合である形状データ点群に基づいて設定する。研削加工の条件の一つである、疵Ｗｆの研削中に砥石１１を移動させる方向（以下、研削方向という）は、ｘ方向、ｙ方向のいずれかを選択できるが、本実施例ではｙ方向に移動させる。

そして、図７に示すように、研削範囲Ｗａ内において、砥石１１を対象材Ｗに押し付けながら研削方向の軌跡Ｔ０（Ｔ１）に沿って移動させる研削を、研削方向と直交する方向に所定の間隔を空けて繰り返すことにより、研削範囲Ｗａ全体の研削を行う。

研削範囲Ｗａ内に存在する複数の測定点ｐ_ｍのうち、ｘ方向およびｙ方向の座標値が最も小さい点を、測定原点ｐ_０とする。そして、測定原点ｐ_０を基準として、そして、砥石１１による研削を開始する研削加工原点ｐ_ｇ０のｘ方向およびｙ方向の位置Ｌ_ｘｉ（ｍｍ）、Ｌ_ｙｉ（ｍｍ）を設定する。研削加工原点ｐ_ｇ０のｘ方向およびｙ方向の位置Ｌ_ｘｉ、Ｌ_ｙｉは、研削範囲Ｗａのｘ方向およびｙ方向の長さＬ_ｘ、Ｌ_ｙの約１／１０よりも小さくなるように設定する。

さらに、研削目標点ｐ_ｇ間のｘ方向およびｙ方向の間隔ΔＬ_ｘ（ｍｍ）、ΔＬ_ｙ（ｍｍ）を設定する。研削方向における研削目標点ｐ_ｇ間の間隔（本実施例ではΔＬ_ｙ）は、研削方向における対象材Ｗの曲率半径などに応じて設定するが、０．５ｍｍ～２０ｍｍの範囲内に設定すると好ましい。また、複数の軌跡Ｔ０（Ｔ１）間の間隔（本実施例ではΔＬ_ｘ）を、砥石１１による研削幅よりも小さく設定することで、疵Ｗｆの削り残しを防止できる。ここで、ｘ方向およびｙ方向の研削目標点ｐ_ｇの数Ｎ、Ｍはそれぞれ、式（２）、（３）のとおり求められる。

Ｎ＝（Ｌ_ｘ－Ｌ_ｘｉ）／ΔＬ_ｘ …（２）
Ｍ＝（Ｌ_ｙ－Ｌ_ｙｉ）／ΔＬ_ｙ …（３）
研削目標点ｐ_ｇの数は、疵Ｗｆの大きさや、研削方向における対象材Ｗの曲率半径などに応じて設定するが、１０点～１００点の範囲内に設定する。なぜなら、研削目標点ｐ_ｇの数が多すぎると、研削具制御ＰＣの計算負荷が増大してサイクルタイムが増加する問題が生じるからである。また、研削目標点ｐ_ｇの数が少なすぎると、研削目標点ｐ_ｇ間でグラインダー１０が対象材Ｗから受ける研削反力の大きさが想定以上となり、研削反力の制御が不安定になる問題が生じるためである。このようにして、各研削目標点ｐ_ｇのｘ方向およびｙ方向の位置ｘ_ｇ（ｍｍ）、ｙ_ｇ（ｍｍ）を決定する。

図８を参照して、研削目標点ｐ_ｇのｚ方向の位置を決定するための手順を説明する。ある研削目標点ｐ_ｇ（ｘ_ｇ，ｙ_ｇ，ｚ_ｇ）のｘ方向およびｙ方向の位置（ｘ_ｇ，ｙ_ｇ）が既知であるときに、そのｚ方向の位置ｚ_ｇ（ｍｍ）は、この研削目標点ｐ_ｇに最も近接する４つの測定点ｐ_ｍ１（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、ｐ_ｍ２（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）、ｐ_ｍ３（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）、ｐ_ｍ４（ｘ_４，ｙ_４，ｚ_４）と、研削目標点ｐ_ｇのｘ方向およびｙ方向の位置（ｘ_ｇ，ｙ_ｇ）とから、式（４）のとおり求められる。

図９を参照して、軌跡Ｔ０（Ｔ１）上における砥石１１の姿勢制御の基準となる法線ベクトルｎを求める手順を説明する。図８と同様に、ある研削目標点ｐ_ｇに最も近接する４つの測定点ｐ_ｍ１、ｐ_ｍ２、ｐ_ｍ３、ｐ_ｍ４の各々について、研削目標点ｐ_ｇとの距離Ｌ_１～Ｌ_４を式（５）のとおり求める。そして、４つの測定点ｐ_ｍ１、ｐ_ｍ２、ｐ_ｍ３、ｐ_ｍ４から、研削目標点ｐ_ｇとの距離Ｌ_１～Ｌ_４が小さい順に、３点を選択する。

このように選択された３点を、ｐ_ｐ１（ｘ_ｐ１，ｙ_ｐ１，ｚ_ｐ１）、ｐ_ｐ２（ｘ_ｐ２，ｙ_ｐ２，ｚ_ｐ２）、ｐ_ｐ３（ｘ_ｐ３，ｙ_ｐ３，ｚ_ｐ３）とすると、この３点が存在する仮想平面Ａの法線ベクトルｎのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の各成分ｐ（ｍｍ）、ｑ（ｍｍ）、ｒ（ｍｍ）は、式（６）～（８）のとおり求められる。

ｐ＝（ｙ_ｐ２－ｙ_ｐ１）（ｚ_ｐ３－ｚ_ｐ１）－（ｙ_ｐ３－ｙ_ｐ１）（ｚ_ｐ３－ｚ_ｐ１） …（６）
ｑ＝（ｚ_ｐ２－ｚ_ｐ１）（ｘ_ｐ３－ｘ_ｐ１）－（ｚ_ｐ３－ｚ_ｐ１）（ｘ_ｐ３－ｘ_ｐ１） …（７）
ｒ＝（ｘ_ｐ２－ｘ_ｐ１）（ｙ_ｐ３－ｙ_ｐ１）－（ｘ_ｐ３－ｘ_ｐ１）（ｙ_ｐ３－ｙ_ｐ１） …（８）
次に、研削目標点ｐ_ｇ間の方向ベクトルである研削目標点間ベクトルｆ（ａ_ｆ，ｂ_ｆ，ｃ_ｆ）を求める。研削目標点ｐ_ｇから、その次の研削目標点ｐ_ｇ＋１（ｘ_ｇ＋１，ｙ_ｇ＋１，ｚ_ｇ＋１）に向かう、研削目標点間ベクトルｆのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の各成分ａ_ｆ（ｍｍ）、ｂ_ｆ（ｍｍ）、ｃ_ｆ（ｍｍ）は、式（９）～（１１）のとおり求められる。

ａ_ｆ＝ｘ_ｇ＋１－ｘ_ｇ …（９）
ｂ_ｆ＝ｙ_ｇ＋１－ｙ_ｇ …（１０）
ｃ_ｆ＝ｚ_ｇ＋１－ｚ_ｇ …（１１）
そして、仮想平面Ａの法線ベクトルｎと、研削目標点間ベクトルｆとを無次元化して、無次元化法線ベクトルＮと、無次元化研削目標点間ベクトルＦとする。無次元化法線ベクトルＮのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の各成分Ｐ、Ｑ、Ｒと、無次元化研削目標点間ベクトルＦのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の各成分Ａ_ｆ、Ｂ_ｆ、Ｃ_ｆは、式（１２）～（１７）のとおり求められる。

さらに、図１０を参照して、砥石１１の姿勢を決定する手順を説明する。図１０には、砥石１１の先端が研削目標点ｐ_ｇに接触している状態を示している。グラインダー１０の砥石１１の姿勢は、その回転軸１１Ｘと平行な単位ベクトルである砥石姿勢ベクトルＳにとして定義できる。砥石姿勢ベクトルＳは、（１）無次元化法線ベクトルＮおよび無次元化研削目標点間ベクトルＦと共面であり、かつ（２）無次元化研削目標点間ベクトルＦと一定の角度θ（°）をなすから、式（１８）～（２０）のとおり求められる。

ｃｏｓθ＝Ａ_ｆ・Ａ_ｓ＋Ｂ_ｆ・Ｂ_ｓ＋Ｃ_ｆ・Ｃ_ｓ …（１９）
ｃｏｓα＝Ａ_ｓ・Ｐ＋Ｂ_ｓ・Ｑ＋Ｃ_ｓ・Ｒ …（２０）
ここで、ｔ、ｓは実数であり、Ａ_ｓ、Ｂ_ｓ、Ｃ_ｓは、砥石姿勢ベクトルＳのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の各成分であり、αは砥石姿勢ベクトルＳと無次元化法線ベクトルＮとがなす角度α（°）である。

砥石姿勢ベクトルＳと無次元化法線ベクトルＮとがなす角度α（°）は、式（２１）のとおり求められる。

式（１８）～（２１）をまとめると、式（２２）の連立方程式となる。この連立方程式（２２）を解くことにより、砥石姿勢ベクトルＳのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の各成分Ａ_ｓ、Ｂ_ｓ、Ｃ_ｓの値が求められる。

上述のようにして求められた各研削目標点ｐ_ｇの位置および砥石姿勢ベクトルＳに基づいて、砥石１１の軌跡Ｔ０を生成する。そして、砥石１１を対象材Ｗに押し付けながら軌跡Ｔ０に沿って移動させることで、疵Ｗｆの研削を行う。

本実施例では、グラインダー１０としてアングルグラインダーを用いている。グラインダー１０の砥石１１の回転数１１Ｒは、１０００ｒｐｍ～１５０００ｒｐｍの範囲内で、砥石１１の性状、対象材Ｗの材質などに応じて、適切な大きさに設定する。また、砥石１１の送り速度１１Ｖは、５０ｍｍ／ｍｉｎ～２０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲内となるように設定すると好ましい。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）に、本実施例の疵研削システムによる、砥石１１の軌跡Ｔ０の補正の状況を示す。

砥石１１を対象材Ｗに押し付けるとき、砥石１１の送り方向と垂直な方向に発生する研削反力Ｆｒの大きさを、反力計１３（図１参照）によって測定する。そして、研削具制御ＰＣ２０により、反力計１３によって測定された研削反力Ｆｒを所定の目標値Ｆｒ_０に近づける逆運動学計算を逐次行って、砥石１１の軌跡Ｔ０を補正し、補正された軌跡Ｔ１に沿って砥石１１を移動させる。具体的には、反力計１３によって測定された研削反力Ｆｒが目標値Ｆｒ_０を上回ったときは、当初の軌跡Ｔ０より深く切り込むように、また、研削反力Ｆｒが目標値Ｆｒ_０を下回ったときは、当初の軌跡Ｔ０より浅く切り込むように、砥石１１の軌跡Ｔ０を補正する。研削反力Ｆｒの目標値は、１０Ｎ～３０００Ｎの範囲内で、砥石１１の性状や対象材Ｗの材質などに応じて設定する。このように、反力計１３により測定された研削反力Ｆｒに基づいて砥石１１の軌跡を補正Ｔ０し、補正された軌跡Ｔ１に沿って砥石１１を移動させることで、疵Ｗｆとその周辺部を手作業のように滑らかに研削して除去することが可能となる。

また、疵Ｗｆの研削時に砥石１１の送り方向と垂直な方向に発生する研削反力Ｆｒの大きさを目標値に近づけるのに代えて、疵Ｗｆの研削時に発生する研削反力Ｆｒの方向や、研削ロボット２１のアームに作用する反モーメントや、グラインダー１０の電流負荷などを目標値に近づけることで、砥石１１の軌跡Ｔ０の補正を行うことも可能である。

上記実施例では、φ５０～６００の鋼管を対象材Ｗとして、その表面の疵Ｗｆを研削して除去する例について説明したが、本発明の疵研削システム、疵研削方法および鋼材料の製造方法の適用対象はこれに限られない。例えば、ウェブ長さ２００ｍｍ～１０００ｍｍのＨ形鋼や、有効幅４００ｍｍ～９００ｍｍの鋼矢板などを対象材Ｗとして、本発明を適用することも可能である。

また、上記実施例では、砥石１１が対象材Ｗから受ける研削反力を測定する反力計（研削反力測定装置）１３を用いている。しかし、本発明の疵研削システム、疵研削方法および鋼材料の製造方法は、研削反力測定装置を備えなくても、三次元形状を有する対象材の表面の疵を研削する作業を自動化しつつ、過研削や研削不足などの研削不良の発生を抑制するという効果を奏する。

上記実施例では、鋼管の表面の疵を研削するために、本発明の疵研削システム、疵研削方法を適用することにより、本発明を適用しなかった時に疵の手入れ作業に必要となっていた作業者の約５０％を他の作業に振り分けることができた。これにより、グラインダーの回転体を手作業で対象材に当てて研削する作業の危険性や、研削に伴って発生する振動や粉じんなどに作業者が晒される労働環境の問題から、作業者を解放することができた。

１ 疵研削システム
１０ グラインダー（研削装置）
１１ 砥石（研削具）
１１Ｘ 回転軸
１１Ｒ 回転数
１２ アクチュエータ（研削具制御装置）
１３ 反力計（研削反力測定装置）
２０ 研削具制御ＰＣ（研削具制御装置）
２１ 研削ロボット（研削具制御装置）
３１ レーザー距離計（形状測定装置、疵検出装置）
３１Ａ～３１Ｃ 疵形状データ
３１Ｄ 形状データ
３２ カメラ（疵検出装置、検査装置）
３２Ｄ 画像データ
３３ 単軸アクチュエータ（形状測定装置、疵検出装置、検査装置）
４０ 形状測定・疵検出制御ＰＣ（形状測定装置、検査装置）
Ｗ 対象材
Ｗｆ 疵
Ｗａ 研削範囲
Ｆｒ 研削反力
Ｔ０ 軌跡
Ｔ１ 補正された軌跡
Ｌ_ｘ 研削範囲のｘ方向の長さ
Ｌ_ｙ 研削範囲のｙ方向の長さ
ΔＬ_ｘ 研削目標点間のｘ方向の間隔
ΔＬ_ｘ 研削目標点間のｙ方向の間隔
ｐ_ｍ 測定点
ｐ_０ 測定原点
ｐ_ｇ 研削目標点
ｐ_ｇ０ 研削加工原点
Ｌ_ｘｉ 研削加工原点のｘ方向の位置
Ｌ_ｙｉ 研削加工原点のｙ方向の位置
Ａ 仮想平面
ｎ 仮想平面の法線ベクトル
ｆ 研削目標点間ベクトル
Ｎ 仮想平面の無次元化法線ベクトル
Ｆ 無次元化研削目標点間ベクトル
Ｓ 砥石姿勢ベクトル

Claims (9)

1. 対象材の表面の疵を研削する研削具を備える研削装置と、
   前記対象材の三次元形状および姿勢を測定する形状測定装置と、
   前記対象材における前記疵の位置を検出する疵検出装置と、
   前記形状測定装置によって測定された前記対象材の三次元形状および姿勢、ならびに前記疵検出装置によって検出された前記疵の位置に基づいて、前記疵を研削するための前記研削具の軌跡を生成し、該軌跡に沿って前記研削具が移動するように前記研削装置を制御する研削具制御装置と
   を有する疵研削システム。
2. 前記研削具が前記対象材から受ける研削反力を測定する研削反力測定装置をさらに有し、
   前記研削具制御装置は、前記研削反力測定装置により測定された前記研削反力に基づいて前記軌跡を補正し、補正された前記軌跡に沿って前記研削具が移動するように前記研削装置を制御する、請求項１に記載の疵研削システム。
3. 前記研削装置により前記疵が研削された後に、前記疵の位置における前記対象材の表面を検査する検査装置をさらに備える、請求項１または２に記載の疵研削システム。
4. 前記形状測定装置は、前記対象材の三次元形状および姿勢を測定することにより三次元の形状データ点群を取得し、
   前記研削具制御装置は、前記形状測定装置によって取得された前記形状データ点群、および前記疵検出装置によって検出された前記疵の位置に基づいて、前記疵を研削するための前記研削具が通過する研削目標点および各研削目標点における前記研削具の姿勢ベクトルを設定し、該研削目標点の位置および姿勢ベクトルに基づいて前記研削具の軌跡を生成する、請求項１～３のいずれかに記載の疵研削システム。
5. 対象材の三次元形状および姿勢を測定する形状測定工程と、
   前記対象材の表面の疵の位置を検出する疵検出工程と、
   前記形状測定工程で測定された前記対象材の三次元形状および姿勢、ならびに前記疵検出工程で検出された前記疵の位置に基づいて、前記疵を研削する研削具の軌跡を生成し、該軌跡に沿って前記研削具を移動させて前記疵を研削する研削工程と
   を有する疵研削方法。
6. 前記研削工程では、前記研削具が前記対象材から受ける研削反力を測定し、該研削反力に基づいて前記軌跡を補正し、補正された前記軌跡に沿って前記研削具を移動させて前記疵を研削する、請求項５に記載の疵研削方法。
7. 前記研削工程後に、前記疵の位置における前記対象材の表面を検査する検査工程をさらに備える、請求項５または６に記載の疵研削方法。
8. 前記形状測定工程では、前記対象材の三次元形状および姿勢を測定することにより三次元の形状データ点群を取得し、
   前記研削工程では、前記形状測定工程で取得された前記形状データ点群、および前記疵検出工程で検出された前記疵の位置に基づいて、前記疵を研削するための前記研削具が通過する研削目標点および各研削目標点における前記研削具の姿勢ベクトルを設定し、該研削目標点の位置および姿勢ベクトルに基づいて前記研削具の軌跡を生成する、請求項５～７のいずれかに記載の疵研削方法。
9. 請求項５～８のいずれかに記載の疵研削方法により、前記対象材である鋼製品の表面の疵を研削する、鋼製品の製造方法。

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