JPH01164552A - 曲面自動倣い研摩装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金型の型面のような複雑な曲面を研摩するの
に適した研摩装置に関するもので、特に、ワーク自身の
曲面形状に自動的に倣いながら研摩する、曲面自動倣い
研摩装置に関するものである。

（従来の技術） プレス成形用金型、プラスチック射出成形用金型、ダイ
カスト用金型等は、その型面の平滑度が製品の品質に大
きく影響するので、機械加工や放電加工によって形成さ
れた金型の表面を研摩して、鏡面に近く仕上げる必要が
ある。このような金型の研摩作業は、金型が単品製造さ
れるものであることやその型面が複雑な三次元曲面であ
ること等から自動化が困難であるために、従来はほとん
ど手みがき作業に頼っていた。しかしながら、この手み
がき作業は、金型の全製造工程の２割から３割もの割合
を占める熟練と根気を要する作業であるので、その自動
化が切望されている。

そこで、ロボットを用いてこのような複雑な曲面の研摩
作業を自動化する研究が進められている。ロボットは大
きな自由度を有しているので、複雑な三次元立体曲面に
も倣わせることができる。また、簡単に工具軌跡をティ
ーチングすることができるので、作業性がよい。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、ロボットは、一般に工作機械に比べて剛
性が小さく、位置決め精度も低い。

そのために、単にロボットのアームの先端に砥石を取り
付けただけでは、研摩作業に必要な加圧力が常に砥石に
加えられるようにすることば難しい。また、砥石は加工
曲面に倣って一定圧で法線方向に押圧されるようにしな
ければならないが、そのようにロボットを制御すること
も極めて困難である。

このようなことから、砥石を、ボールスプライン及びユ
ニバーサルジヨイントを介してロボットのアームにフレ
キシブルに支持させ、磁石の吸引力によって金型の型面
に押圧させるようにした磁力研摩装置が考えられている
。このような磁力研摩装置によれば、砥石から法線方向
の反力が加えられることがなくなるので、剛性の小さい
ロボットによっても研摩することができるようになる。

また、砥石は磁力によって加工面に密着するので、精度
の悪いロボットであっても、簡単な制御によって曲面を
研摩させることが可能となる。

しかしながら、そのよな磁力研摩装置は、ワークが強磁
性体でなければ採用することができないという問題を有
している。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、剛性が小さく精度も低いロボット等に
よっても、任意の材料からなるワークの自由曲面を、高
精度で研摩することができるようにすることである。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明では、モータを位置
及び傾き制御自在に支持する制御アームに、ボールスプ
ライン等の伸縮許容手段及びユニバーサルジヨイントを
介して砥石をフレキシブルに支持させるとともに、その
砥石をコイルスプリングによってワークの加工面に押圧
させるようにしている。そのコイルスプリングは、モー
タの回転を砥石に伝える工具軸を取り巻くようにして設
けられている。

そして、コイルスプリングの一端側を支持する支持部に
、そのコイルスプリングから加えられる荷重の円周方向
の分布を検出し得る荷重分布検出装置を取り付け、その
検出装置によって検出された荷重分布に基づいて、演算
器により工具軸の傾きと砥石の加圧力とを算出するよう
にしている。制御アームは、その算出値に基づいて制御
され、モータの位置及び傾きを制御するようになってい
る。

（作用） このように構成することにより、砥石の加工面に対する
加圧力は、コイルスプリングによって加えられるように
なる。したがって、ワークの材料が非磁性体であっても
研摩が可能となる。そして、砥石はフレキシブルに支持
されているので、容易に加工面の曲面に倣って変位する
。

その場合、砥石が工具軸に対して傾斜すると、コイルス
プリングが変形し、そのコイルスプリングによって砥石
に加えられる加圧力に不均衡が生ずる。そこで、そのコ
イルスプリングからその支持部に反力として加えられる
荷重が検出され、その荷重分布に基づいて、工具軸の傾
きと砥石の加圧力とが求められる。すなわち、コイルス
プリングは、砥石を押圧する機能と加工面の曲面形状を
測定するセンサとしての機能とを果たすことになる。

そして、求められた工具軸の傾きと砥石の加圧力とに基
づいて制御アームを制御することにより、砥石は常に一
定の加圧力で加工面に対して法線方向に押圧されるよう
になり、複雑な曲面の精度の高い研摩が可能となる。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

図中、第１図は本発明による曲面自動倣い研摩装置の一
実施例を示す縦断側面図であり、第２図はその研摩装置
に取り付けられている砥石の斜視図、第３図はロードセ
ルの配置図である。

第１図から明らかなように、この曲面自動倣い研摩装置
は、ロボット１とそのアーム１ａに支持される工具２と
によって構成されている。

そのアームｌａの先端には、工具２を駆動する直流モー
タ３が取り付けられている。ロボットｌは、垂直多関節
型で５自由度を有するものとされている。したがって、
モータ３は、そのロボット１のアーム１ａにより、互い
に垂直な３軸方向の位置と互いに垂直な２平面に対する
傾斜角とが制御されるようになっている。。

モータ３の出力軸には、ボールスプライン４を介して工
具軸５が連結されている。したがって、その工具軸５は
、モータ３の回転は伝えられるが、軸線方向には摺動自
在、すなわち伸縮自在となっている。その伸縮は、例え
ば２５ｍｍの範囲で制限されるようになっている。

工具軸５の先端には、ユニバーサルジヨイント６を介し
て、有底円筒状の砥石ホルダ７が取り付けられている。

そのユニバーサルジヨイント６は、砥石ホルダ７をいず
れの方向にも傾動自在に支持するとともに、工具軸５の
回転を砥石ホルダ７に伝え得るものとされている。した
がって、砥石ホルダ７は、工具軸５に対してどのように
傾斜しているときにも、ユニバーサルジヨイント６を介
してモータ３により回転駆動されるようになっている。

砥石ホルダ７の下面には、円筒状の砥石８が固着されて
いる。第２図に示されているように、その砥石８の先端
面には、円周方向に離れた３位置に、下方に突出する山
部８ａ、８ａ。

８ａが形成されている。したがって、砥石８は、常にそ
の山部８ａの頂部である３個の研摩部９．９．９におい
て、ワーク１０の加工面Ｓ（第１図）と接触するように
されている。その研摩部９には、半径方向にもわずかに
曲率が付与されている。

モータ３には、ボールスプライン４のナツト４ａを回転
自在に支持する円筒状のハウジング１１が設けられてい
る。そして、そのハウジング１１の先端に、荷重分布検
出装置１２の支持部であるフランジ１３が固着されてい
る。したがって、そのフランジ１３は、ロボット１のア
ーム１ａに対して固定されている。

荷重分布検出装置１２は、第３図に示されているように
、工具軸５を中心として円周方向に１２０°の等間隔を
置いて放射状に配置された３個のロードセル１４，１４
．１４によって構成されている。各ロードセル１４の基
端部は、フランジ１３にビス止めされている。また、各
ロードセル１４の先端部には、ボールベアリング１５の
インナレース１５ａが固着されている。

このボールベアリング１５のアウタレース１５ｂには、
リング状のホルダ１６が取り付けられている。そして、
そのホルダ１６と砥石ホルダ７との間に、コイルスプリ
ング１７が圧縮状態で装着されている。このコイルスプ
リング１７は、通常状態では工具軸５がその中心部に位
置するように配置されている。

第４図に示されているように、各ロードセル１４の出力
は、ブリッジボックス１８を介してひずみ増幅器１９に
送られ、その増幅器１９からＡＤ変換器２０を通して演
算器２１に入力されるようになっている。そして、その
演算器２１の算出値に応じて、制御装置２２により、ロ
ボット１の各関節を駆動する関節モータ２３．２３．・
・・の回転角が制御されるようになっている。

次に、このように構成された研摩装置の作用について説
明する。

モータ３が十分上方に位置し、砥石８がワーク１０の加
工面Ｓから離れた状態にあるときには、工具軸５は最も
伸長しており、その軸線上に砥石８の軸線が位置してい
て、コイルスプリング１７は円筒状を保っている。この
状態でモータ３を作動させると、その出力軸の回転はボ
ールスプライン４、工具軸５、及びユニバーサルジヨイ
ント６を介して砥石ホルダ７に伝えられ、砥石８がその
軸線のまわりに回転する。

このとき、砥石ホルダ７の回転に伴ってコイルスプリン
グ１７も回転するが、その回転はボールベアリング１５
によって吸収されるので、固定されているロードセル１
４に伝えられることはない。そして、このときには、コ
イルスプリング１７に作用している力は円周上のいずれ
の点においても均一である。

この状態から、ロボット１を作動させてモータ３を下降
させる。すると、砥石８がワーク１０の加工面Ｓに接触
する。そして、砥石ホルダ７がユニバーサルジヨイント
６を中心として傾動する。このとき、砥石８には３個の
突出した研摩部９，９．９が設けられており、砥石８は
その研摩部９によって常に３点で加工面Ｓに接触するの
で、砥石ホルダ７は必ず加工面Ｓに倣って傾くことにな
る。しかも、そのときには、加工面Ｓから砥石８に加え
られる反力によって工具軸５が収縮し、コイルスプリン
グ１７が圧縮される。

そして、このように砥石ホルダ７が傾くと、コイルスプ
リング１７が変形し、そのコイルスプリング１７に作用
する力が円周方向に不均一となる。したがって、コイル
スプリング１７からホルダ１６及びボールベアリング１
５を介して３個のロードセル１４，１４．１４に加えら
れる荷重分布が変化する。その荷重は、各ロードセル１
４によって検出される。

第５図は、このように砥石８が工具軸５に対して傾斜し
た状態を模式的に示すものである。

なお、この図においては、便宜上、コイルスプリング１
７の上面側に砥石８が位置し、下面側にロードセル１４
が位置するものとしている。

第５図に示されているように、工具座標系Ｘ、Ｙ、Ｚを
、Ｙ軸が工具軸５の軸線と一致し、ｘｚ平面上にコイル
スプリング１７のロードセル１４側の端面が位置するよ
うに定める。

そして、１２０°の間隔を置いて配置された３個のロー
ドセルをそれぞれＷ、Ｒ，Ｂと呼ぶこととし、そのうち
のロードセルＷがＸ軸の負の側に位置するものとする。

第５図は、砥石８が２軸から角度βの方向に角度γだけ
傾斜した状態を示している。すなわち、砥石８は、ユニ
バーサルジヨイント６の中心を通りＸＹ平面に対して角
度βをなすＡ′軸のまわりに角度γだけ傾いている。こ
の砥石８の傾きは加工面Ｓに倣ったものであるから、こ
のときには、工具軸５が加工面Ｓの法線に対して角度γ
だけ傾いていることになる。

このように砥石８が傾いたとき、コイルスプリング１７
の砥石８側の端面には、Ａ′軸まわりに角度γに対応し
た曲げモーメントＭＡ’がかかる。そして、コイルスプ
リング１７の他端面には、Ａ′軸に平行で座標の原点を
通るＡ軸まわりに、曲げモーメントＭＡ’に対応した曲
げモーメントＭＡが生じる。したがって、各ロードセル
Ｗ、Ｒ，Ｂには、この曲げモーメントＭＡによる荷重と
Ｙ軸方向の加圧力Ｐとが加わることになる。

そこで、各ロードセルＷ、Ｒ，Ｂにかかる荷重をそれぞ
れＮＷ、ＮＲ，ＮＢと表し、力の釣り合いを求めると、 ＮＷ十ＮＲ＋ＮＢ＝Ｐ　　　　　　　　　　　　　・・
・　（１）−ＮＷ−ａ−ｓｉｎβ−ＮＢ−ａ　−ｃｏｓ
　（ｉ　／６＋β）＋　ＮＲ−ａ−ＣＯ３（７Ｃ／６−
β）　＝ＭＡ　　・（２）−ＮＷ−ａ−ｃｏｓβ＋ＮＢ
−ａ−ｓｉｎ　（π／６＋β）＋ＮＲ−ａ−ｓｉｎ（ｘ
／６−β）　＝０　　・（３）となる。ここで、ａは、
ロードセルに荷重がかかる点の原点からの距離、すなわ
ちボールベアリング１５のインナレース１５ａの半径で
ある。

これらの式において、（１）式はＹ軸方向の力の釣り合
いを示すものであり、（２）式はＡ軸まわりのモーメン
トの釣り合いを、また、（３）式はＡ軸に直交する軸ま
わりのモーメントの釣り合いをそれぞれ示すものである
。

（３）式を解くと、 β＝　ｔａｎ−’　［（２−ＮＷ−ＮＢ−ＮＲ）／Ｌｌ
”　３・（ＮＢ−ＮＲ）　）］が得られる。そして、こ
のβと各ロードセルによって検出された荷重ＮＷ、ＮＲ
，ＮＢとを（２）式に代入すると、曲げモーメントＭＡ
が算出される。

コイルスプリング１７の一端面の傾斜角γと、それによ
って他端面に生ずる曲げモーメントＭＡとは、一定の関
係にある。その関係は、理論式あるいは実験式によって
表される。したがって、曲げモーメントＭＡが求められ
れば、傾斜角γも求めることができる。

そして、これら２つの角度β、γにより、加工面Ｓの法
線方向を検出することができる。また、砥石８に加えら
れている加圧力Ｐは、（１）式により求めることができ
る。

このようにして、コイルスプリング１７から３個のロー
ドセル１４，１４．１４に加えられる荷重を検出するこ
とにより、そのときの加工面Ｓの法線に対する工具軸５
の傾き及び砥石８の加圧力が求められる。すなわち、コ
イルスプリング１７は、砥石８を押圧する働きと工具軸
５の傾きを検出する働きとをなすことになる。

上述のような演算は、演算器２１によって行われる。そ
して、算出された加圧力Ｐとあらかじめ設定された設定
加圧力とが比較され、その差に応じて制御装置２２に指
令信号が送られる。制御装置２２は、その指令値に応じ
てロボット１の関節モータ２３を作動させ、アーム１ａ
を昇降させる。アーム１ａが昇降すると、モータ３と加
工面Ｓとの間の距離が変化し、コイルスプリング１７の
圧縮量が変化する。それによって、砥石８の加圧力が制
御される。

また、演算器２１においては、工具軸５の軸線と加工面
Ｓの法線との偏角が算出され、その算出値に応じて制御
装置２２に指令信号が送られる。制御装置２２は、その
指令値に応じてロボット１の関節モータ２３を作動させ
、アーム１ａの向きを変える。それによって、モータ３
の軸線の方向が変化し、工具軸５が加工面Ｓの法線方向
に向けられる。

このようにして、工具軸５の軸線を加工面Ｓの法線と一
致させ、砥石８に所定の加圧力を均一に加えた状態で、
加工面Ｓが研摩されるようになる。したがって、加工面
Ｓが偏って研摩されることもなくなり、曲面に倣った良
好な仕上げ面が得られるようになる。

この間において、砥石８を押圧するコイルスプリング１
７の反力は、モータ３のハウジング１１を介してロボッ
ト１のアーム１ａに伝えられる。しかしながら、そのア
ーム１ａにはモータ３等の重力が加わっているので、そ
の重力によってコイルスプリング１７の反力が相殺され
る。したがって、ロボット１に剛性が求められることは
ない。また、砥石８が自動的に加工面Ｓの曲面に倣うの
で、ロボット１は所定の軌跡に沿って工具２を移動させ
ていきさえすればよく、ロボット１に高い位置決め精度
が求められることもない。

演算器２１及び制御装置２２は、コンピュータによって
構成される。その場合、ロボット１の制御は、第６図に
示されたフローチャートに従って行われる。

すなわち、制御がスタートすると、まず、フラグ■がゼ
ロにセットされる。そして、ロボット１により工具２が
降下される。

砥石８が加工面Ｓに接触すると、ロードセル１４の出力
が変化する。その出力はコンピュータにサンプルされる
。そして、砥石８に加えられている加圧力が算出され、
その加圧力とあらかじめ制御プログラム中に入力されて
いる設定加圧力との誤差が計算される。その誤差が許容
範囲内にないときには、ロボット１により工具２が更に
降下あるいは上昇され、加圧力が修正される。その後、
再びロードセル１４の出力がサンプルされて、同様の計
算が行われる。こうして、誤差が許容範囲内に収束する
まで、加圧力の修正が行われる。

加圧力の修正が終わると、次いで、工具軸５の傾斜角が
算出される。そして、加工面Ｓの法線からの偏角が計算
され、その偏角が許容範囲内に収束するまで、ロボット
１により工具軸５の傾斜角が修正される。

工具軸５の傾斜角の修正が終了すると、加圧力が再修正
される。最終的に加圧力及び工具軸傾斜角の両者が設定
許容範囲内となると、その点での測定を終え、次の点へ
と移動する。

このような制御プログラムを実行することにより、工具
軸を常に加工面Ｓの法線方向に向け、一定の加圧力で自
由曲面の研摩を行うことが可能となる。

しかしながら、この制御プログラムでは、研摩する各点
ごとに加圧力と工具軸傾斜角との検出及び修正を行わな
ければならないので、許容範囲内に収束させるまでに時
間がかかり、砥石８が各点に長時間滞在することになる
。そのために、加工面Ｓにうねりが生じる等の問題が発
生することがある。

そのような問題に対処するためには、各点におけるデー
タをディスクにファイルしていき、そのデータに基づい
てロボット１を動作させるようにすればよい。そのよう
にすれば、研摩作業の高速化も可能となる。

なお、上記実施例においては、荷重分布検出装置１２と
して、円周方向に等間隔を置いて配置された３個のロー
ドセル１４を用いるものとしているが、その間隔はそれ
ぞれ異なっていてもよく、ロードセル１４をより多数配
置したものとしてもよい。しかしながら、少数のロード
セルで、計算も簡単に行うことができるようにするため
には、上記実施例のような配置が望ましい。

また、ロードセル１４に限られることはなく、他の荷重
センサを用いることもできる。

更に、上記実施例においては、ロードセル１４とコイル
スプリング１７との間にボールベアリング１５を設ける
ものとしているが、そのポールベアリング１５、あるい
は他のベアリングをコイルスプリング１７と砥石ホルダ
７との間に設けるようにすることもできる。そのように
すれば、砥石ホルダ７の回転に伴ってコイルスプリング
１７が回転することはなくなるので、コイルスプリング
１７をロードセル１４に固着することも可能となる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、工具
を支持する制御アームに対して砥石をフレキシブルに支
持するとともに、それら制御アームと砥石との間にコイ
ルスプリングを設けるようにしているので、砥石は加工
面の曲面に自動的に倣うようになり、また、コイルスプ
リングによって加工面に押圧されるようになる。したが
って、支持剛性や正確な位置決めを要することなく、任
意の材料からなるワークの曲面を研摩することができる
ようになる。

そして、コイルスプリングから加えられる荷重の円周方
向の分布を検出することにより、加工面の法線に対する
工具軸の傾きと砥石に加えられている加圧力とを求める
ことができるので、簡単な制御によって、工具軸を常に
加工面の法線方向に向けた状態で、一定の加圧力を加え
るようにすることが可能となる。したがって、複雑な三
次元曲面の加工面をも高い精度で研摩することができる
ようになる。

また、砥石をボールスプライン等の伸縮許容手段及びユ
ニバーサルジヨイントを介して支持し、コイルスプリン
グによって押圧するようにするだけでよいので、工具は
簡単な構造で小形のものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による曲面自動倣い研摩装置の一実施
例を示す一部縦断側面図、 第２図は、その研摩装置に用いられている砥石の斜視図
、 第３図は、その研摩装置に用いられている荷重分布検出
装置を示すもので、第１図の ■−■線から見た底面図、 第４図は、その研摩装置に用いられている制御系のブロ
ック図、 第５図は、その研摩装置における砥石の加圧力と工具軸
の傾斜角とを算出する方法を説明するための説明図、 第６図は、その研摩装置の制御手順の一例を示すフロー
チャートである。 １・・・ロボット １ａ・・・アーム（制御アーム） ２・・・工具　　　　　　　　　３・・・モータ４・・
・ボールスプライン　　　５・・・工具軸６・・・ユニ
バーサルジヨイント ８・・・砥石　　　　　　　　　９・・・研摩部１０・
・・ワーク　　　１２・・・荷重分布検出装置１３・・
・フランジ（支持部）　１４・・・ロードセル１５・・
・ボールベアリング １７・・・コイルスプリング　　２１・・・演算器２２
・・・制御装置 Ｓ・・・加工面　　　　　　　　Ｐ・・・加圧力β、γ
・・・傾斜角

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）モータを支持し、そのモータの位置及び軸線の方
   向を制御する制御アームと、 前記モータによってその軸線のまわりに回転駆動される
   とともに、軸線方向に摺動自在に支持された工具軸と、 その工具軸の先端にユニバーサルジョイントを介して傾
   動自在に取り付けられ、前記モータの回転によりそれら
   工具軸及びユニバーサルジョイントを介して回転駆動さ
   れる砥石と、その砥石と前記制御アームに対して固定さ
   れた支持部との間に前記工具軸を取り巻くようにして設
   けられ、前記砥石をワークの加工面に押圧するコイルス
   プリングと、 前記支持部に取り付けられ、前記コイルスプリングから
   加えられる荷重の円周方向の分布を検出し得る荷重分布
   検出装置と、 その検出装置によって検出された荷重分布に基づいて、
   前記工具軸の前記加工面に対する傾斜角と前記砥石に加
   えられている加圧力とを算出する演算器と、 その演算器の算出値に基づいて、前記制御 アームを制御する制御装置と、 を備えている、曲面自動倣い研摩装置。
2. （２）前記砥石が、前記ワークの加工面に摺接する３個
   の突出した研摩部を有している、 特許請求の範囲第１項記載の曲面自動倣い研摩装置。
3. （３）前記荷重分布検出装置が、円周方向に等間隔を置
   いて配置された３個のロードセルによって構成されてい
   る、 特許請求の範囲第１項記載の曲面自動倣い研摩装置。
4. （４）前記コイルスプリングが、ボールベアリングを介
   して前記ロードセルに荷重を加えるようにされている、 特許請求の範囲第３項記載の曲面自動倣い研摩装置。
5. （５）前記コイルスプリングが、前記砥石に対して相対
   回転自在に支持されている、 特許請求の範囲第３項記載の曲面自動倣い研摩装置。