JPH07237022A - 切削ロボットを用いた切削方法 - Google Patents

切削ロボットを用いた切削方法

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JPH07237022A
JPH07237022A JP2858894A JP2858894A JPH07237022A JP H07237022 A JPH07237022 A JP H07237022A JP 2858894 A JP2858894 A JP 2858894A JP 2858894 A JP2858894 A JP 2858894A JP H07237022 A JPH07237022 A JP H07237022A
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JP
Japan
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cutting
groove
tool
robot
force
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JP2858894A
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Inventor
Shin Kadomasa
正 伸 角
Seiichi Marumoto
元 清 一 丸
Ryohei Takada
田 亮 平 高
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 過大な切削反力の発生を防止するとともに、
溝深さが深くなり過ぎることを防止する。 【構成】 所要の押付力で工作物を切削して溝加工を行
う切削ロボットの制御方法において、回転式切削工具を
溝長手方向には一定速度で移動,溝幅方向には揺動さ
せ、溝深さ方向には力制御を行う。溝深さが設定値より
浅い場合には溝深さ方向に力制御を行い、設定値より深
い場合には位置制御を行うように制御を切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はロボットによる溝加工に
関し、特に、これに限定する意図ではないが、溶接欠陥
部の除去など高い精度を要求されない溝加工に関する。
【0002】
【従来の技術】ロボットを利用して機械加工を行う場
合、工具の切り込み深さの維持,工具および工作物の破
損の防止のため、適切な押付力で加工を行う必要があ
る。この押付力制御には、力覚センサを用いたセンサフ
ィードバック(特開平3-251359号公報),工具支持部材
への弾性付与(特開平1-97558号公報),工具消費電力
の制御等がある。
【0003】しかし、上記の各方法は研削や研磨に関し
ては広く行われているが、切削作業では、大きな切削反
力が発生しその切削反力に耐える剛性が現状の産業用ロ
ボットにはなく、振動の発生や位置決め精度が確保でき
ないためロボットの切削加工への応用はほとんど行われ
ていない。
【0004】切削反力を小さくする対策として、回転式
切削工具の刃物には刃数の多い物を使用しかつ回転数を
高速にすることが考えられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以下に
述べる2つの課題がある: (1) 溝加工を行う場合に関しては、切削工具先端に
おいて発生する微小振動が何らかのきっかけにより大き
くなり、溝の左右の壁の間で衝突を繰り返して瞬間的に
過大な力が発生し、工具が破損に至ることがある; (2) 一定の押付力に保持し一定速度で工具を動かし
て溝加工を行うと、溝深さにより工具と工作物の接触面
積が異なるので、加工を続けるに従い溝は溝長手方向に
沿って徐々に深くなっていき、希望する深さの溝を得る
ことができない。 本発明はロボットを用いて安定した切削加工を行なうこ
とを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】位置と力のハイブリッド
制御を行うロボットでエンドエフェクタを回転式切削工
具とし所要の工具押付力で工作物に溝加工を行うにおい
て、上記(1)を回避するために、工具先端を溝長手方
向に移動させながらかつ溝幅方向に揺動させて切削す
る。これが本発明の第1の特徴である。
【0007】工具先端の溝長手方向への移動は一定速度
で行い、かつ溝幅方向の揺動は周期運動とするのが好ま
しい。周期運動は、長手方向の定速移動に伴って加工面
上で工具先端が正弦波を描く往復動あるいは三角波を描
く往復動が代表的なものである。また、工具回転軸を工
作物法線方向より溝長手方向に傾けるのが好ましく、こ
のようにすると工具の移動がより滑らかになる。
【0008】上記(2)を回避するために、あらかじめ
希望する溝深さを設定しておき、切削を開始した工具先
端位置を常に比較し、溝深さが前記設定溝深さより浅い
場合は加工物法線方向に力制御を行い、溝深さが前記設
定溝深さより深い場合は加工物法線方向には設定溝深さ
を目標とする位置制御を行う。これが本発明の第2の特
徴である。
【0009】
【作用】本発明の第1の特徴によれば、切削工具先端を
溝幅方向に揺動させるので溝の幅は工具の太さより大き
くなる。したがって、切削工具先端の振動が大きくなっ
ても溝の壁の間で衝突を繰り返すことがなくなり、過大
な反力が生じず溝加工作業が円滑になる。そして、過大
な反力が発生しないので、ロボット,力覚センサ,工具
等の破損がなくなる。図2のように、工具回転軸を工作
物法線方向より溝長手方向に傾けて切削することによ
り、工具回転軸を工作物法線方向に一致させて切削する
場合よりも工具と工作物の間の接触面積が大きくなり、
工具の安定度が増しかつ切削能率が向上する。
【0010】本発明の第2の特徴によれば、切削深さが
浅いときには力制御により強い押し付け力を工具に加え
るが設定深さに達すると位置制御で設定深さに制御する
ので、不必要に強い押付け力が工具に加わることがなく
なくなる。切削深さが深いときの位置制御は工具を引き
上げる方向でこれは工具の押し付け力を弱める方向であ
るのでこの位置制御は容易である。かくして過切削で希
望する深さより深くなることが防止される。
【0011】
【実施例】上述の第1の特徴を含む第1実施例と、第1
の特徴および第2の特徴を含む第2実施例を以下に説明
する。
【0012】−第1実施例− 図3は切削ロボットを示している。ロボットアーム1の
先端に、切削反力を測定するために力覚センサ4を取り
付け、その先に切削工具としてスピンドルモータ2を取
り付け、スピンドルモータ2に回転式切削工具3を取り
付けている。ロボットアーム1の各関節にサーボモータ
(図示していない)が配置されており,各サーボモータ
に内臓されているエンコーダを位置センサとして使用し
ている。ロボットアーム1は、切削作業に必要な関節数
(3〜6個)を持つ多関節型ロボットアームならどのよ
うな構造でもよく、図3に示すものに限らない。
【0013】図4は、第1実施例の切削ロボット制御シ
ステムを示している。制御コンピュータ8では、ある制
御周期でディジタル制御を行っており、本実施例では制
御周期は5msecで行っている。制御コンピュータ8の軌
動生成部7には、切削工具3の所望の軌動パターンが入
力され、軌動生成部7は、制御周期ごとの工具手先(3
の先端)の位置と姿勢(3の姿勢)の目標値を出力す
る。軌動生成部7は、ロボットに実行させる作業によっ
て変更されるものであり、具体的な機能については後述
する。
【0014】この位置と姿勢の目標値は6個の要素を持
つベクトルである。この位置と姿勢の目標値を表す座標
系は任意のもので構わないので、本実施例では図6に示
したように工作物5の表面にX,Y平面をとり、X軸を
溝長手方向に、Y軸を溝幅方向に一致させ、また工作物
5の法線方向にZ軸をとる座標系(以下,座標系Σ
記述する)を使用している。位置センサ6でロボット1
の現在の位置と姿勢を検出し、位置座標変換部9で座標
系Σに変換して位置と姿勢の現在値とする。前記の位
置と姿勢の目標値と現在値の差分をとり位置と姿勢の偏
差とし、この位置と姿勢の偏差を位置制御方向抽出部1
3に入力する。位置制御方向抽出部13は、入力された
位置と姿勢の偏差の6成分のうち、位置制御を行う方向
の成分を残し、他の方向(力を制御する方向)の成分を
0にする機能を持つ。本実施例の場合、工作物5の法線
方向であるZ軸成分を0にする。位置制御方向抽出部1
3の出力を位置制御演算部11に入力し、位置制御演算
部11では位置制御演算を行つた後、ロボットの各関節
への指令に変換する。同時に力制御を以下のように行
う。
【0015】力覚センサ4でロボット1が工作物5に及
ぼしている力を検出し、力座標変換部10で座標系ΣT
に変換して力の現在値とする。あらかじめ設定された力
の目標値と前記力の現在値の偏差を算出し、この力の偏
差を力制御方向抽出部14に入力する。力制御方向抽出
部14は、力制御を行う方向の成分を残し、他の方向
(位置を制御する方向)の成分を0にする機能を持つ。
本実施例の場合、工作物5の法線方向であるZ軸成分以
外を0とする。力制御方向抽出部14の出力を力制御演
算部12に入力し、力制御演算部12では力制御演算を
行った後、ロボットの各関節への指令に変換する。前記
の位置制御演算部11と力制御演算部12の出力を足し
合わせて、ロボット1の各関節のサーボモーターへの指
令とする。これにより、位置と力のハイブリッド制御が
実現する。
【0016】上記のように構成したロボットにより、図
2に示すように切削工具3を押し当てて工作物5の法線
方向の力を一定に制御しながら溝加工を行う。溝加工を
行う場合に軌道生成部7に与える軌道パターンとして
は、揺動種類(三角波,正弦波),揺動の周波数f,揺
動の振幅AY,溝の長さL,X方向の速度VX,切削工具
の傾き角度θを与える。軌道生成部7は、揺動種類が三
角波の場合には、nを整数(0,1,2,・・・)とし
て、 X=VXt ・・・(1)
【0017】
【数2】
【0018】で表される軌道を生成する(図1の(a)
参照)。また揺動種類が正弦波の場合には、 X=VXt ・・・(3) Y=AYsin(2πft) ・・・(4) で表される軌道を生成する(図1の(b)参照)。
【0019】第1実施例の実施では、工作物にSS40
0の平板を、切削工具に超鋼バー(φ9.5×19)を
使用し、切削工具回転数を40,000rpmとした。
また、周波数fを1Hz、振幅AYを5mm、溝長さL
を50mm、X方向の速度VXを1mm/s、工具傾き
角度θを30°、Z方向押付力目標値FZを1kgfと
した。上記条件で溝加工を行ったところ、揺動種類が三
角波の場合および正弦波の場合の双方で過大な切削反力
が生じることはなかった。
【0020】−第2実施例− 図5に、第2実施例の研削ロボットのシステムを示す。
第2実施例は第1実施例に、溝深さが設定深さより深く
ならないように制御を切り替える溝深さ監視部18を付
加してある。また軌道生成部7への入力には、第1実施
例の場合の入力に加えて設定溝深さも与える。第1実施
例の場合にはZ方向には力制御を行い位置制御を行わな
いのでZ方向の位置指令は特に考慮しないで任意の値で
かまわなかったが、第2実施例の場合には、Z方向指令
は切削開始位置のZ成分から設定溝深さを引いた値とす
る。
【0021】溝深さ監視部18では、現在位置と切削開
始位置の差を計算して、溝深さ方向(Z軸方向)の成分
を抽出して現在の溝深さとし、その溝深さと設定溝深さ
を比較して、溝深さが設定深さより深いか,浅いかを判
定する。
【0022】現在の溝深さが設定深さより深い場合に
は、制御切替スイッチ19を閉に、制御切替スイッチ2
0を開にする。位置偏差を力制御方向抽出部15に入力
するので、その出力は制御方向(Z方向)の位置誤差と
なる。制御切替スイッチ19を閉にすることにより、位
置制御演算部11には全方向の位置誤差が入力される。
また制御切替スイッチ20を開にすることにより、力制
御演算部には何も入力されない。以上より、全方向に関
して位置制御を行うので過切削により溝深さが深くなり
過ぎることが防止される。
【0023】現在の溝深さが設定より浅い場合には、制
御切替スイッチ19を開、制御切替スイッチ20を閉に
する。この場合は第1実施例の制御方法と同じであるの
で位置制御方向に位置制御を、力制御方向に力制御を行
うので、溝深さは徐々に深くなる。
【0024】以上のように、溝深さが設定深さより浅け
れば徐々に深くしていき、溝深さが設定深さより深くな
ければ深さ一定で切削していく。溝深さを10mmと
し、他の条件を第1実施例と同じにして溝加工を行った
結果、過大な切削反力が発生することなく、また設定深
さより深くなることなく溝加工が行えた。
【0025】
【発明の効果】溝幅方向に切削工具を揺動させることに
より過大な切削反力を発生せず溝加工が行うことができ
る。溝深さを常に監視して溝深さ方向(Z方向)の制御
を位置制御と力制御の合いだで切り替えることにより、
溝深さが深くなり過ぎることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の切削方法で用いる切削工具の軌跡を
示す平面図であり、(a)は三角波に従う揺動パターン
を、(b)は正弦波に従う揺動パターンを示す。
【図2】 本発明の実施例での、切削工具と工作物の接
触の関係を表す、工作物の断面図である。
【図3】 本発明の実施例で用いる切削ロボットを示す
側面図である。
【図4】 本発明の第1実施例の、切削ロボットの制御
システムを示すブロック図である。
【図5】 本発明の第2実施例の、切削ロボットの制御
システムを示すブロック図である。
【図6】 本発明の実施例における、加工物に設定した
座標系を示す斜視図である。
【符号の説明】
1:ロボット 2:スピンドルモ
ータ 3:切削工具 4:力覚センサ 5:工作物 6:位置センサ 7:軌道生成部 9:位置座標変換
部 10:力座標変換部 11:位置制御演
算部 12:力制御演算部 13:位置制御方
向抽出部 14:力制御方向抽出部 15:力制御方向
抽出部 18:溝深さ監視部 19:制御切替ス
イッチ 20:制御切替スイッチ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 位置と力のハイブリッド制御を行うロボ
    ットのエンドエフェクタを回転式切削工具とした切削ロ
    ボットを用いて、所要の押付力で工作物に溝加工を施す
    切削方法において、 工具先端を溝長手方向に移動させながら、かつ溝幅方向
    に揺動させて切削することを特徴とする、切削ロボット
    を用いた切削方法。
  2. 【請求項2】 溝長手方向への移動は一定速度で行い、
    かつ溝幅方向の揺動は周期運動であることを特徴とする
    請求項1記載の、切削ロボットを用いた切削方法。
  3. 【請求項3】 溝幅方向の周期運動が正弦波に従うこと
    を特徴とする請求項2記載の、切削ロボットを用いた切
    削方法。
  4. 【請求項4】 溝幅方向の周期運動が三角波に従うこと
    を特徴とする請求項2記載の、切削ロボットを用いた切
    削方法。
  5. 【請求項5】 工具回転軸を工作物法線方向より溝長手
    方向に傾けることを特徴とする、請求項1,請求項2,
    請求項3又は請求項4記載の、切削ロボットの制御方
    法。
  6. 【請求項6】 あらかじめ希望する溝深さを設定してお
    き、切削を開始した工具先端位置を記憶して、切削加工
    中に工具先端位置と前記切削開始した工具先端位置を常
    に比較し、溝深さが前記設定溝深さより浅い場合は工作
    物法線方向に力制御を行い、溝深さが前記設定溝深さよ
    り深い場合は工作物法線方向に前記切削開始した工具先
    端位置より前記設定溝深さだけ深い位置を目標位置とす
    る位置制御を行う、請求項1,請求項2,請求項3,請
    求項4又は請求項5記載の、切削ロボットを用いた切削
    方法。
JP2858894A 1994-02-25 1994-02-25 切削ロボットを用いた切削方法 Withdrawn JPH07237022A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013214231A (ja) * 2012-04-03 2013-10-17 Yaskawa Electric Corp モータ制御装置、モータ制御システム、及び切削加工装置
CN106964823A (zh) * 2017-03-09 2017-07-21 大连理工大学 一种大型薄壁构件镜像加工支撑侧的支撑方法
CN110756872A (zh) * 2019-11-13 2020-02-07 中国航发动力股份有限公司 一种渐变截面的节流槽的加工方法
CN112108696A (zh) * 2020-08-29 2020-12-22 苏州派恩精密机械有限公司 阀门斜槽加工工艺

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