JP7268174B2 - ワーク搬送ロボット - Google Patents

Description

本発明は、油圧チャックを備えたワーク搬送ロボットに関する。

ワーク搬送ロボットは、各分野で使用され様々な構造のものが存在する。例えば下記特許文献１には、オートローダを構成するワーク搬送ロボットが開示されている。そのワーク搬送ロボットは、加工機械ラインを構成する各種作業機の間を行き来できるように、走行台の上に搭載された多関節ロボットアームであり、移動した先の相手側作業機とワークの受渡しを行うものである。同文献の多関節ロボットアームは、前腕部材と上腕部材とが関節機構を介して連結され、先端部にはロボットハンドが組み付けられている。前腕部材と上腕部材との屈伸によってロボットハンドの位置を調整することができ、そのロボットハンドは油圧チャックによってワークの把持および解放が可能になっている。

こうしたワーク搬送ロボットは、ロボットハンドによるワークの掴み損ねや、掴んだワークを落下させてしまうことなどがある。そのような事態が生じた場合には、ワーク搬送ロボットの駆動を停止させ、作業者がワークの取り除きなどの作業を行わなければならない。そこで、ワーク搬送ロボットには、ワーククランプやアンクランプが適切に行われているか、ロボットハンドにおける把持状態の検出が求められる。下記特許文献２には、近接スイッチがハンド部に設けられ、ワークがクランプ又はアンクランプされたか否かを検出するための構成が開示されている。また、同文献には、クランプ機構を作動させるための油圧を検出する油圧センサが開示されている。

国際公開ＷＯ２０１５／１４５５７６号公報 特開２０１４－２２６７５６号公報

ワーク搬送ロボットは、旋盤など工作機械の加工室内部に入り込んでワークの受渡しを行う。そのため、ロボットハンドに取り付けた近接スイッチは、ワークの加工によって発生した切屑や、加工時に噴射されたクーラントなどの影響を受け、誤検出を引き起こしてしまう可能性がある。従って、ロボットハンドに近接スイッチを取り付けるような構成は、チャックの正確な判定ができなくなることが懸念され、実際の使用は困難であった。こうしたことは近接スイッチに限らず、光電スイッチなど他の検出手段についても同じように起こり得る問題である。一方、油圧チャックを作動させる作動油の流量を測定した検出は、ロボットハンドの軸受部から油漏れが生じるため、正確なストローク確認ができないという問題があった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、油圧チャックにおけるワーク把持の判定を行うワーク搬送ロボットを提供することを目的とする。

本発明の一態様におけるワーク搬送ロボットは、把持したワークを移動させる駆動機構を備えた搬送ロボット本体と、前記搬送ロボット本体に組み付けられ、油圧チャックによってワークを把持および解放するロボットハンドと、前記油圧チャックに対する作動油の供給および排出を行う油圧機構と、前記油圧機構の流路に設けられた油圧センサと、前記搬送ロボット本体、前記ロボットハンドおよび前記油圧機構などの各駆動部を制御するものであり、前記油圧センサによって検出された前記作動油の油圧変化時間を基に前記油圧チャックの作動状態を判定するチャック判定部を備えた制御装置と、を有し、前記チャック判定部は、前記油圧チャックの作動時に変化する油圧が任意に設定された第１設定値から第２設定値に達するまでの時間を前記油圧変化時間として測定するものである。

前記構成によれば、チャック判定部が、油圧センサによって検出された作動油の油圧変化時間を基に油圧チャックの作動状態を判定するようにしたため、油圧チャックにおけるワーク把持の判定が可能なワーク搬送ロボットを、油圧センサを追加した改良によってコストを抑えて提供することができる。

ワーク搬送ロボットを示した斜視図である。 ロボットハンドを備えた前腕部材を示した図である。 ワーク搬送ロボットの制御システムを表すブロック図である。 第１および第２油圧チャックの油圧回路を示した回路図である。 ワークを把持する低温時の圧力変化を示したグラフである。 ワークを把持する高温時の圧力変化を示したグラフである。 チャック判定プログラムの流れを示したフローチャート図である。 ワークの搬送時に実行されるチャック判定プログラムの流れを示したフローチャート図である。

本発明に係るワーク搬送ロボットの一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、ワーク搬送ロボットを示した斜視図である。本実施形態のワーク搬送ロボットは、図示するワーク自動搬送機１を構成する多関節ロボットアーム２である。このワーク自動搬送機１は、加工機械ラインに組み込まれ、複数台ある工作機械など作業機の間を多関節ロボットアーム２が移動し、ワークの受渡しを行うものである。ワーク自動搬送機１は、その多関節ロボットアーム２が複数の相手側装置の間を行き来するための走行装置３に搭載されている。

走行装置３は、不図示の工作機械を搭載したベース４の前面部に組み付けられている。ベース４の前面部に支持板１１が固定され、その支持板１１にラック１２や２本のレール１３が固定されている。走行台１４にはレール１３を掴んで摺動する走行スライドが固定され、ラック１２に噛合したピニオン１６を回転させる走行用モータ１７が設けられている。そして、走行台１４には旋回用モータ１９が固定され、旋回テーブル１８が水平面上を１８０°旋回するよう構成されている。

多関節ロボットアーム２は、支持台２１が旋回テーブル１８上に固定され、その支持台２１に対して上腕部２２および前腕部２３がサーボモータを備えた関節機構を介して連結されている。こうした多関節ロボットアーム２は、関節機構の駆動によって上腕部２２と前腕部２３とが折りたたまれて起立した走行状態と、図示するように上腕部２２と前腕部２３とが広がって伸びる作業状態とに形態が変化する。そして、前腕部２３の先端にはロボットハンド２５が設けられ、チャック爪の開閉動作によってワークの把持及び解放が可能になっている。

図２は、ロボットハンド２５を備えた前腕部２３を示した図である。前腕部２３は、左右一対の平行な前腕プレート３１が横梁部材３２，３３によって平行に連結されたものであり、その前腕プレート３１の間にロボットハンド２５が組み付けられている。ロボットハンド２５は、左右の回転支持部３５によって前腕プレート３１に回転自在に取り付けられ、一方の回転軸に設けられたプーリと、ハンド用モータ３６に固定されたプーリとの間にベルト３７が掛け渡されている。従って、ハンド用モータ３６の駆動制御により、ロボットハンド２５が回転して角度調整が行われる。

ロボットハンド２５は、図示する第１油圧チャック２５１と、その裏側に同じ構造の第２油圧チャック２５２（図１参照）が設けられている。第１および第２油圧チャック２５１，２５２は、ワークを掴むための３本のチャック爪４１が等間隔で放射状に配置され、径方向にスライドするように装置本体４２に組み付けられている。装置本体４２の内部には、クランプ用ギヤにラックピストンを噛合させたチャック爪４１の開閉機構が構成されている。そのため、供給および排出される作動油の油圧によってラックピストンが加圧方向に変位し、それに伴ってクランプ用ギヤが所定量回転することにより、３本のチャック爪４１に対して同期した径方向の直線運動が与えられる。第１および第２油圧チャック２５１，２５２は、そうした３本のチャック爪４１の開閉動作によってワークの把持および解放が行われる。

図３は、ワーク自動搬送機１の制御システムを表すブロック図である。制御装置５は、ＣＰＵ５１のほかにＲＯＭ５２やＲＡＭ５３、不揮発性メモリ５４といった記憶装置などを備えたコンピュータを主体とするものであり、Ｉ／０５５を介して多関節ロボットアーム２や走行装置３、後述する油圧回路を構成する油圧機器６０などの各駆動部に接続されている。また、制御装置５には作業者によるデータ入力および、操作画面や検出データなどの表示が可能なタッチパネル式の操作表示装置７が接続されている。

制御装置５は、各種加工に関する加工プログラムやワークの種類、工具や治具に関するワーク加工情報などが記憶部に格納されている。特に、本実施形態は、第１および第２油圧チャック２５１，２５２に関する判定を行うチャック判定プログラム５４１が不揮発性メモリ５４に格納されている。チャック判定プログラム５４１は、ロボットハンド２５におけるワークの把持や解放の確認を行うためのものである。

次に、図４は、第１および第２油圧チャック２５１，２５２の油圧回路を示した回路図である。ロボットハンド２５は、工作機械に対してワークを供給する第１油圧チャック２５１と、その工作機械から加工後のワークを取り出す第２油圧チャック２５２とを有し、油圧シリンダ６１，６２に対する油圧回路が設けられている。油圧シリンダ６１，６２は、ラックピストンを挟んだ一対の加圧室に対し、作動油を供給および排出するクランプ側流路６３１，６４１とアンクランプ側流路６３２，６４２とが接続されている。クランプ側流路６３１，６４１とアンクランプ側流路６３２，６４２には、それぞれパイロットチェック弁６５が接続されている。

クランプ側流路６３１とアンクランプ側流路６３２には方向制御弁６７が接続され、クランプ側流路６４１とアンクランプ側流路６４２には方向制御弁６８が接続されている。方向制御弁６７，６８は、２ポジションの４ポート電磁弁であり、タンク７１に接続された供給流路７３や排出流路７４と、クランプ側流路６３１，６４１またはアンクランプ側流路６３２，６４２との接続を切り換えるものである。そして、供給流路７３にはタンク７１内の作動油を送り出す油圧ポンプ７２が接続され、その二次側には供給流路７３と排出流路７４を接続する戻り流路にリリーフ弁７５が接続されている。また、クランプ側流路６３１，６４１に油圧センサ７７，７８が接続され、各流路内を流れる作動油の設定圧に従った検出信号が制御装置５へと送信されるようになっている。

続いて、ワーク自動搬送機１は、走行用モータ１７の駆動により走行台１４がレール１３に沿って移動し、対象となる工作機械前に多関節ロボットアーム２が位置決めされる。その多関節ロボットアーム２は、上腕部２２および前腕部２３が折りたたまれた状態で走行し、停止位置では図１に示すように形態を変化させ、先端部のロボットハンド２５の位置や角度を調整し、工作機械の主軸チャックとの間でワークの受け渡しが行われる。具体的には、工作機械内に進入したロボットハンド２５は、アンローダーチャックである第２油圧チャック２５２が主軸チャックから加工済みワークを受け取り、次にローダチャックである第１油圧チャック２５１が主軸チャックへと新たなワークを受け渡しする。

そのときのロボットハンド２５は、油圧ポンプ７２の駆動によってタンク７１内の作動油が供給流路７３へと送られる。第１油圧チャック２５１（以下、第２油圧チャック２５２側も同じ）は、方向制御弁６７の切り換えによって作動し、図示するように供給流路７３がアンクランプ側流路６３２に接続された状態ではワークの解放が行われる。一方、方向制御弁６７のポジションが切り換えられると、供給流路７３がクランプ側流路６３１に接続され、油圧シリンダ６１内のラックピストンが油圧を受けて変位し、３本のチャック爪４１によってワークが把持される。

第１油圧チャック２５１がワークを把持および解放する場合、チャック爪４１の変位に伴って油圧シリンダ６１に対する作動油の圧力が変化する。図５および図６は、ワークを把持する場合の圧力変化を示したグラフであり、図５には低温時の変化が、図６には高温時の変化がそれぞれ示されている。第１油圧チャック２５１は、チャック爪４１の最大ストローク（空クランプ時の移動量）が１２．５ｍｍであり、図５に示すグラフＣ１が空クランプ時の圧力変化である。そして、グラフＡ１が１ｍｍストローク時の圧力変化であり、グラフＢ１が７ｍｍストローク時の圧力変化である。

図から分かるように、作動油の圧力に関する油圧変化時間は、チャック爪４１が作動開始から停止するまでのストロークの違いに対応している。本実施形態では、その油圧変化時間を基にワークの把持あるいは解放を判定するための構成が採られている。そして、方向制御弁６７の切り換え動作に影響受けることなく油圧変化時間を正確に得るため、本実施形態では最小圧力と最大圧力との間に第１設定値Ｐ１と第２設定値Ｐ２とが任意に設定される。こうした第１設定値Ｐ１と第２設定値Ｐ２とは油圧センサ７７によって検出され、その検出信号を受信する制御装置５では、例えば図５に示す各々の油圧変化時間ｔ１ａ，ｔ１ｂ，ｔ１ｃが計測される。

チャック判定プログラム５４１は、第１油圧チャック２５１に対して供給される作動油の油圧変化時間ｔｎ（ｎは任意）を基に、ワーククランプと空クランプとを判定するものである。例えば、空クランプである１２．５ｍｍのストロークの際に第１設定値Ｐ１から第２設定値Ｐ２に達する時間と、ワークを把持する３～５ｍｍ程度のストロークの際に第１設定値Ｐ１から第２設定値Ｐ２に達する時間は、１００～２００ｍｓｅｃ程度の差が生じる。この時間差を基に、両ストロークを区別するための閾値が求められる。

ところで、第１および第２油圧チャック２５１，２５２の作動油は、工場内温度や機内温度によって粘度が変化し、それが油圧変化時間ｔｎに影響する。室温８℃の図５に対し、図６に示す室温３３℃の場合には、同様のストロークの圧力変化がグラフＡ２，Ｂ２，Ｃ２となり、第１設定値Ｐ１から第２設定値Ｐ２までの油圧変化時間がｔ２ａ，ｔ２ｂ，ｔ２ｃと短くなっている。油圧変化時間ｔｎは、粘度が高い高温時に比べ、粘度が低くなる低温時の方が長くなってしまうことが分かる。そこで、作動油が季節や天候、稼働継続時間などによる温度変化に影響を受けるため、ワーククランプと空クランプとを判断する油圧変化時間の閾値は、油温の変化に対応させた適切な値を求めることが必要である。

この点、本実施形態のチャック判定プログラム５４１では、ワークを把持する前に一旦ワークの無い状態で第１油圧チャック２５１に空クランプを行わせ、その時の油圧変化時間を基準時間ｔｓとして閾値を算出するようにしている。具体的には、空クランプとワーククランプとを区別する閾値を、基準時間ｔｓに対するパーセンテージを閾値決定パラメータとして算出するように構成されている。そして、その閾値決定パラメータの決定は、実験によってバラツキを含めた油温とストロークとの関係確認を基に行われる。

例えば、本実施形態の閾値決定パラメータは７５％である。そして、図５および図６の場合は、油圧変化時間ｔ１ｃ，ｔ２ｃが基準時間ｔｓに相当する。そのため、閾値は（ｔｓ×０．７５）によって算出され、作動油の圧力が第１設定値Ｐ１に達してから（ｔｓ×０．７５）時間までに第２設定値Ｐ２に達しない場合は、ワーククランプに失敗した空クランプと判断されるようになっている。

ストロークの違いによる油圧変化時間の差は、把持したワークを解放するアンクランプでも同じように生じる。図７は、ワークを解放する場合の圧力変化を示したグラフであり、低温時（Ａ）と高温時（Ｂ）とが表されている。ワーク解放のアンクランプでは、アンクランプ側流路６３２から油圧シリンダ６１へ作動油が供給され、クランプ側流路６３１からは排出される。そのため、油圧センサ７７によって検出される圧力は図示するように低下する。圧力の下降変化は、圧力上昇時と同様に、ストロークの違いが油圧変化時間に反映され、且つ、油圧変化時間は作動油の温度に影響を受けている。

そこで、把持判定プログラム５４１では、ワークを把持および解放する際の油圧変化時間を基に、第１油圧チャック２５１におけるワークの把持および解放状況が判定される。図８は、ワーク搬送時に実行されるチャック判定プログラム５４１の流れを示したフローチャート図である。先ず、第１油圧チャック２５１がワークを工作機械へと搬送する場合、ストッカに用意されたワークを把持する直前で空クランプ時間の測定が行われる（Ｓ１０１）。例えば、空クランプ時間が図５に示す油圧変化時間ｔ１ｃであるとしたならば、この値を基準時間ｔｓとして閾値決定パラメータを乗算した値（ｔｓ×０．７５）が、当該ワークを把持する際の閾値として一時記憶される（Ｓ１０２）。

その後、第１油圧チャック２５１がワークの位置まで移動して把持が行われるが（Ｓ１０３）、第１油圧チャック２５１に対するワーククランプ指示に従い、クランプ側流路６３１内の油圧変化と、油圧変化時間の測定が開始される（Ｓ１０４）。そして、所定時間内に作動油の圧力が第１設定値Ｐ１に達したか否かの確認が行われる（Ｓ１０５）。第１設定値Ｐ１に達しない場合は（Ｓ１０５：ＮＯ）、方向制御弁６７に作動不良などが生じているため、ワーク自動搬送機１の駆動を停止し、操作表示装置７に圧力未上昇を表示するなどのクランプ異常警報が実行され（Ｓ１０６）、本処理が終了する。

一方、作動油の圧力が第１設定値Ｐ１に達した場合は（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、次にワーククランプが行われた時間が閾値より短いか否かの確認が行われる（Ｓ１０７）。ワーククランプ時間は第２設定値Ｐ２に達するまでの時間で判断され、その時間が閾値として記憶された時間より長くなってしまった場合は（Ｓ１０７：ＮＯ）、ワーク把持に失敗した空クランプとして、ワーク自動搬送機１の駆動停止および、操作表示装置７にクランプ異常警報の表示などが行われ（Ｓ１０８）、本処理が終了する。一方、ワーククランプ時間が閾値より短い場合は（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、ワークが正確に把持されたと判断され、ワークを把持した多関節ロボットアーム２における搬送が行われる（Ｓ１０９）。

多関節ロボットアーム２は、例えば工作機械の主軸チャックとの間でワークの受け渡しが行われる。そこで、受け渡し位置へとワークが運ばれる間、クランプ側流路６３１内の油圧が第２設定値Ｐ２より大きい値を維持できているか否かについて確認が行われる（Ｓ１１０）。油圧が第２設定値Ｐ２を下回ってしまった場合は（Ｓ１１０：ＮＯ）、把持力低下によって第１油圧チャック２５１からワークが外れていると判断できるからである。その場合は、ワーク自動搬送機１の駆動停止および、操作表示装置７にクランプ異常警報の表示などが行われ（Ｓ１１１）、本処理が終了する。一方、油圧が第２設定値Ｐ２より大きければ（Ｓ１１０）、その値が維持できているか、ワークが受け渡し位置に到達するまで当該油圧確認が繰り返される（Ｓ１１０：ＹＥＳ，Ｓ１１２：ＮＯ）。

次に、ワークが受け渡し位置に到達したところで（Ｓ１１２：ＹＥＳ）、アンクランプ指示により主軸チャックなどとのワーク受け渡しが行われる（Ｓ１１３）。このとき、アンクランプ指示に従い、クランプ側流路６３１内の油圧が所定時間内に、第２設定値Ｐ２を下回ったか否かの確認が行われる（Ｓ１１４）。油圧が下がらない場合は（Ｓ１１４：ＮＯ）、方向制御弁６７に作動不良などが生じているため、ワーク自動搬送機１の駆動停止および、操作表示装置７にアンクランプ異常警報の表示などが行われ（Ｓ１１５）、本処理が終了する。一方、油圧が下がった場合は（Ｓ１１４：ＹＥＳ）、そのまま本処理が終了する。以上のようなワークの把持判定は、把持判定プログラム５４１に従い、第２油圧チャック２５２が主軸チャックから加工済みワークを受け取り、次の工程へ受け渡す場合にも、油圧センサ７７の検出によって同じようにして実行される。

よって、本実施形態では、油圧変化時間の閾値に基づいたワーク把持判定などを実行するようにしたため、油圧センサ７７，７８を追加した改良によってコストを抑えることができる。チャック判定プログラム５４１は、第１油圧チャック２５１，２５２の作動油について、その油圧変化時間に閾値を設定するようにしたため、ワーククランプと空クランプとの判定を正確に行うことができる。また、ロボットハンド２５に近接スイッチを取り付けるような構成とは異なり、切屑やクーラントなどの影響を受けることなく、ロボットハンド２５が同一方向に常に回転する駆動の妨げにもならない。

また、本実施形態では、第１および第２油圧チャック２５１，２５２の作動状態を判定する場合、作動油の温度変化に影響を受けるので、ワークを把持する前に一旦空クランプを行わせている。そのため、油圧変化時間について基準時間ｔｓを得ることができ、その値に基づいて適切な閾値を算出することができ、ワーククランプと空クランプとの正しい判断を行うことができる。

前記実施形態では、ワーク解放時の判定が圧力低下の有無（図８に示すステップ（Ｓ１１４））だけであるが、圧力上昇時と同様に閾値を設定してワークを解放したことの判定を行うことも可能である。そのためには図８に示すステップ（Ｓ１０１）で第１油圧チャック２５１（第２油圧チャック２５２の場合も同じ）が空クランプする際、クランプ時だけではなく、反対方向のアンクランプ時でも第２設定値Ｐ２から第１設定値Ｐ１までの油圧変化時間（基準時間）を測定し、所定の閾値決定パラメータを乗算して閾値を算出する。そして、ワークを解放する際は、この閾値と実際の油圧変化時間とから、ワークを解放したアンクランプとワークを把持したままのホールド状態との判定が行われるようにする。

ワーク解放時の判定は、アンクランプ側流路６３２，６４２にそれぞれ取り付けた油圧センサからの信号に基づいて行うようにしてもよい。また、ワークを解放する場合でも所定圧にまで下降する油圧変化時間を測定することにより、ワークを正しく解放しているか否かの判定を行うようにすることも可能である。そのほか、ワークを把持する場合には、例えば第２設定値Ｐ２までの油圧変化時間を更に区切って判定することにより、ワークを正しく把持しているか否かの確認も可能である。つまり、異物を噛んでしまっている場合、ワークを傾けて把持しているような場合は、チャック爪４１の本来のストロークと異なるため、それぞれの油圧変化時間に応じた閾値を決定する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、ワーク自動搬送機１におけるワーク搬送ロボットを挙げて説明したが、ガントリーローダを構成するワーク搬送ロボットであってもよい。

１…ワーク自動搬送機 ２…多関節ロボットアーム ３…走行装置 ５…制御装置 ２５…ロボットハンド ７７，７８…油圧センサ ２５１…第１油圧チャック ２５２…第２油圧チャック ５４１…チャック判定プログラム

Claims (4)

1. 把持したワークを移動させる駆動機構を備えた搬送ロボット本体と、
   前記搬送ロボット本体に組み付けられ、油圧チャックによってワークを把持および解放するロボットハンドと、
   前記油圧チャックに対する作動油の供給および排出を行う油圧機構と、
   前記油圧機構の流路に設けられた油圧センサと、
   前記搬送ロボット本体、前記ロボットハンドおよび前記油圧機構などの各駆動部を制御するものであり、前記油圧センサによって検出された前記作動油の油圧変化時間を基に前記油圧チャックの作動状態を判定するチャック判定部を備えた制御装置と、
   を有し、
   前記チャック判定部は、前記油圧チャックの作動時に変化する油圧が任意に設定された第１設定値から第２設定値に達するまでの時間を前記油圧変化時間として測定するものであるワーク搬送ロボット。
2. 前記チャック判定部は、前記油圧チャックがワークのない空クランプの作動時に、前記第１設定値から前記第２設定値に達するまでの前記油圧変化時間を基準時間として測定し、その基準時間を基にワークの把持判断を行うための閾値を算出する請求項１に記載のワーク搬送ロボット。
3. 前記チャック判定部は、前記基準時間の測定および前記閾値の算出をワークの把持毎に行う請求項２に記載のワーク搬送ロボット。
4. 前記ロボットハンドは、ワークを表裏両面で把持する第１油圧チャックと第２油圧チャックとを備え、前記第１油圧チャックと前記第２油圧チャックとが対称的な位置となる回転軸を介して前記搬送ロボット本体に軸支された請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のワーク搬送ロボット。

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