JPH08243910A - ロボットの力制御による加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 形状誤差のある曲面のバリを取る力制御ロボ
ットで、加工終了位置が形状誤差の影響を受けない力制
御方向の位置の補正方法を求めること。 【構成】 ワークに接触する工具、この工具を掴む工具
ホルダー、この工具ホルダーに固定した力センサ、この
力センサを固定したロボットハンド、これらを駆動する
ためのサーボモータ、パルスエンコーダを有するロボッ
ト本体、および制御装置で構成される教示再生型のロボ
ットにおいて、教示段階では工具のワークに対する通過
点およびこの通過点の力制御方向を教示したあと、加工
段階ではワークに対して工具の送り方向には位置制御
し、工具のワークへの力制御方向には力制御で再生し
て、仕上げ加工を行うロボットの力制御による加工方法
であって、力制御方向の位置補正量は前回制御周期の力
制御方向の位置補正量全体の大きさに、今回の制御周期
の力制御方向位置補正増分量を加算して求めるロボット
の力制御による加工方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は教示再生型ロボット装置
による鋳物のバリ取り、または面取り等の加工に関し、
特に力制御による加工方法の力制御方向の位置補正方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】位置と力のハイブリッド制御方式を用い
た力制御ロボットの加工方法を、既に出願人らは特願平
０６−０５６２１７号で出願している。これは力制御周
期毎に位置制御方向の位置増分量と力制御方向の位置増
分量を別々に求め、前回制御周期の目標位置にベクトル
合成加算して、現制御周期の目標位置とすることにより
力制御をする。すなわち、力制御方向は、その制御周期
における力制御方向の位置増分量にのみ反映し、それま
での力制御方向に積算されてきた値には影響しない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この位置と力のハイブ
リッド制御方式に、前述の力制御方向の位置増分の求め
方を用いた教示再生型ロボットで、特に形状に誤差があ
る対象の閉曲面のバリ取りあるいは面取りを、位置のみ
でなく力制御方向も教示点の間を連続的に補間変化させ
て加工を行う方法では、次のような問題がある。 １）加工ワーク形状に誤差があり、教示した基準モデル
より大きい閉曲面のワークを加工する場合は、加工終了
位置が手前になり、未仕上げ領域が生ずる。また、逆に
小さい閉曲面のワークを加工する場合には、加工開始位
置から２度仕上げされる領域が生ずる。 ２）前記問題は、切れ味の悪い工具を用いることができ
る場合では、加工終了位置を加工開始位置にオーバーラ
ップするように教示することにより、未仕上げ部分の発
生を回避できる。しかし、比較的切れ味の良い工具を使
用しなければならな場合には加工過剰となるため、均一
仕上げ幅の要求される加工には適用できない。 本発明の目的は、特に形状に誤差のある閉曲面のバリ取
りあるいは面取りをする場合であっても、仕上げ長さが
過不足なく仕上げられる方法を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は力制御バリ取り
ロボットの力制御方向の位置補正量の指定方法であっ
て、ワークに直接に接触する工具、この工具を掴む工具
ホルダー、この工具ホルダーに固定した力センサ、この
力センサに固定したロボットハンド、これらを駆動する
ためのサーボモータ、パルスエンコーダを有するロボッ
ト本体、および制御装置で構成される教示再生型のロボ
ットにおいて、教示段階では前記工具の前記ワークに対
する通過点および前記通過点の力制御方向を教示したあ
と、ワークに対して前記工具の送り方向には位置制御
し、前記工具の前記ワークへの力制御方向には力制御で
再生して、仕上げ加工を行うロボットの力制御による加
工方法であって、力制御方向の位置補正量は前回制御周
期の力制御方向位置補正ベクトルの大きさに、今回の制
御周期の力制御方向位置補正増分量を加算して求めるこ
とを特徴とするロボットの力制御による加工方法であ
る。

【０００５】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
この実施例では鋳造で製造されるアルミホイールの意匠
窓を力制御仕上げするバリ取りロボットを対象とした。
図２は本実施例を説明するための、アルミホイールのバ
リ取りロボット装置の全体構成図である。図３はアルミ
ホイールの意匠窓部（以後窓部と略す）の１箇所を示す
平面図である。

【０００６】本実施例は、図３に示すようなアルミホイ
ール（以下ワークと称する）３０の窓部３３内周部に発
生したバリＡを取除き、かつ窓の内周に沿って一様な仕
上げ幅の面取りをするバリ取りに関するものである。ワ
ーク３０は、タイヤを装着するためのほぼ円筒状のリム
部３１と、この一端の内周側に形成したディスク部３２
とから一体でなり、このディスク部３２には貫通する窓
部３３が例えば６個所（３３Ａ〜３３Ｆ）あいている。
これらの窓部３３は互いに同形状で、ワーク３０の中心
位置より等距離の位置で、かつ等間隔に配置されてい
る。

【０００７】図２に示すように、バリ取りロボット装置
は、手首部１８に力センサ１１を有するロボット本体１
０とこれを教示および再生をするためのロボット制御装
置２０とからなる教示、再生型力制御ロボット装置であ
る。ロボット本体１０は、垂直コラム１６と水平ベース
１７から成り、手首系の３回転軸と上下軸を垂直コラム
１６側に取付け、位置決め治具系の水平直交２軸を水平
ベース１７側に取り付けた６軸分離構造のものである。
ロボット本体１０はロボット制御装置２０と動力線１３
および信号線１４で接続されている。

【０００８】手首部には、ワーク３０に直接に触しバリ
取り加工および教示をするための工具Ｔ１、この工具Ｔ
１を掴む工具ホルダー１２、これら工具Ｔ１を直交３軸
回りに各々回転させるサーボモータＭ１、Ｍ２およびＭ
３、同じく上下降するためのサーボモータＭ４が取り付
けられている。工具ホルダー１２には後で説明する力制
御をするための力センサ１１を取付け、力センサ１１は
ロボット本体１０の先端部のブラケット１５に取付けら
れている。また水平な直交２軸には割出し台６０を前後
進するためのサーボモータＭ５、同じく左右行するため
のサーボモータＭ６を有している。割出し台６０は、割
出しテーブル上に位置決め治具５０を取り付けており、
ＮＣ制御によるモータ（図示せず）で所定角度だけ回転
可能とする。また、各々のサーボモータＭ１〜Ｍ６には
各々減速機（図示していない）、およびその回転位置を
検出する各々のパルスエンコーダＰＥ１〜ＰＥ６（図４
に図示している）が取付られている。

【０００９】ロボット制御装置２０の全体構成図を図４
に示す。主制御ＣＰＵ２１、力センサＣＰＵ２２、およ
び治具ＣＰＵ４１とをマルチバスにて接続したマルチＣ
ＰＵシステムである。主制御ＣＰＵ２１は以後に説明す
る演算処理を行う装置である。サーボカウンター２３は
パルスエンコーダＰＥからのパルス信号をカウントし、
マルチバスに接続されて工具Ｔ１の現在位置を示すため
のものである。

【００１０】Ｄ／Ａ変換器２４はマルチバスに接続さ
れ、主制御ＣＰＵ２１、力センサＣＰＵ２２、メモリ２
６、ティーチングボックス２７などで指令されるサーボ
モータＭ１〜Ｍ６の回転目標位置と現在位置の差分を定
数倍した値をＤ／Ａ変換してサーボアンプ２５に出力す
るものである。サーボアンプ２５はＤ／Ａ変換器２４か
らの信号を増幅してサーボモータＭに速度指令信号とし
て発信する。なお、図４にはサーボモータは一部のもの
しか示していないが、実際には全てのサーボモータが同
様に接続されている。メモリ２６は工具Ｔ１の教示デー
タとしてサーボカウンタ値をそのまま、あるいはこれを
工具Ｔ１の位置と姿勢の成分値に加工したもの、および
力制御方向ベクトルの成分値などを記憶する装置であ
る。

【００１１】ティーチングボックス２７は、工具Ｔ１の
通過点を教示する場合に、ロボット本体１０の工具Ｔ１
およびワーク３０の相対位置をリモート誘導するときに
用いるものである。操作パネル２８は力制御のパラメー
タ設定や、ロボット本体１０の動作モード切り換えを行
うためのもので、スイッチ類およびディスプレイを有し
ている。Ｆ／Ｖ変換器２９はパルスエンコーダＰＥから
のパルス信号を速度制御ループ用の信号に変換してサー
ボアンプ２５に与えるものである。力センサＣＰＵ２２
は力センサ１１の検出値に、工具Ｔ１の重量等の補償を
して、工具Ｔ１の座標系値に変換処理する装置である。

【００１２】鋳造で製造されるワークには一般に形状誤
差がある。したがって１つの窓について教示し、割出し
台を順次回転位置決めさせてそのまま再生する方法で全
窓の仕上げをすることは、特に窓形状に正確に倣っての
一様な面取りが要求される場合は対応が困難である。本
実施例では、かかる仕上げを実現するために力制御を利
用する。

【００１３】次に以上説明したバリ取りロボット装置に
より、本発明の力制御方向の位置補正方法を用いた力制
御でアルミホイール３０の窓部３３のバリ取りを行う操
作、手順について説明する。バリ取り作業は教示と、こ
の教示データに基づいて工具Ｔ１を再生する加工作業と
に別けることができる。

【００１４】教示は工具を停止させた状態で、図３に示
すワーク３０の窓部３３にバリＡのないもの、すなわち
仕上がった形状のワーク３０（モデルワーク）の窓部３
３（モデル窓部）について行う。教示ではワーク位置決
めの後、まず図３に示すように教示点Ｐ０〜Ｐ６をモデ
ル窓部の形状を直線補間あるいは円弧補間で近似できる
位置に決める。ここで教示点とは、ティーチングボック
ス２７等を用いて手動操作にてロボット各軸を誘導して
教示した点のことである。そして、これらの点における
サーボモータＭ１〜Ｍ６のサーボモータのサーボカウン
タ２３からの値を教示点Ｐ０〜Ｐ６としてロボット制御
装置のメモリ２６に入力し記憶させる。

【００１５】また、力制御を利用した仕上げ動作にて教
示点Ｐ１〜Ｐ６の各々の間を移動中の工具Ｔ１が、ワー
ク３０の窓部３３の内周面に押し付ける力制御方向を表
す単位ベクトルＦ１〜Ｆ６（以後下線付きの文字はベル
トルを表わす）の成分を次のようにメモリ２６に入力
し、記憶させる。まず、教示点Ｐ１での力制御方向は、
教示点Ｐ１位置に工具Ｔ１を持って来て、直接モデル窓
部の内周面に押付ける。このとき、力センサ１１で検出
される反力から、反力とは逆向き単位ベクトルの方向余
弦を演算し、この値を力制御方向単位ベクトルＦ１の成
分としてメモリ２６に記憶させる。

【００１６】この後、教示点Ｐ２についても、教示点Ｐ
１間と同様にして、力制御方向単位ベクトルＦ２の成分
を演算し、メモリ２６に記憶させる。この後も同様にし
て教示点Ｐ６までについて行い、力制御方向単位ベクト
ルＦ３〜Ｆ６の成分を演算し、メモリ２６に記憶させ
る。本実施例の場合は、教示点Ｐ１〜Ｐ６及び力制御方
向単位ベクトルＦ１〜Ｆ６は図３に示すようになる。ま
た工具Ｔ１の送り速度Ｖｔも操作パネル２８に入力し、
メモリ２６に記憶させる。以上で教示は終了する。

【００１７】次に教示したモデルワークへの教示データ
に基づいて自動再生を行ってワーク３０の加工作業を行
い、バリＡのあるワーク３０の窓部３３を仕上げる。加
工作業は工具Ｔ１の送り方向（教示点を結ぶ方向）には
位置制御を行い、工具Ｔ１の窓部３３への力制御方向に
はスティフネス力制御を含んだ力制御を行う。

【００１８】スティフネス力制御とは工具Ｔ１がバネで
支持されているように制御することである。スティフネ
ス力制御を含んだ力制御は、力制御方向に工具Ｔ１が移
動する制御速度Ｖｓとして与えられ、この制御速度Ｖｓ
は数１で表される。

【数１】Ｖｓ＝Ｋｆ［Ｋｓ・△Ｘｆ＋Ｆｄ−Ｆａ］ ここで Ｖｓ＝力制御方向の制御速度 Ｋｆ＝力制御ゲイン係数 Ｋｓ＝スティフネス係数 △Ｘｆ＝力制御方向の基準経路からの変位成分 Ｆｄ＝設定されたワークへの押付け力 Ｆａ＝力センサに検出される値 数１にてＫｓ・△Ｘｆがスティフネス力制御の項であ
り、基準経路からの変位成分△Ｘｆに比例した力を発生
する。本実施例では図１に示すように教示点Ｐｉ（ｉ＝
１〜６）を結ぶ経路が基準経路４０となる。つまり、Ｋ
ｓとＦｄを適当に選ぶことにより、ソフトウェアでバネ
力と押し付け力を同時に与えることが可能になる。

【００１９】そして、工具がワークを加工するプロセス
を、ワークに対する工具の運動と、工具からワークへ与
える外力と、これらの運動と外力の結果としてワークに
生ずる加工状態の関係を予め構築しておけば、実際の加
工時の前記運動と前記外力を検出することで加工状態を
定量的に予測できる。つまり、ＫｓとＦｄの与え方によ
り、一定範囲内の形状誤差を吸収して、バリ取りおよび
設定幅の面取り加工ができる。

【００２０】また、本実施例では教示点と教示点を結ぶ
経路に沿って力制御をしながら移動するときに、教示さ
れた力制御方向単位ベクトルＦｉ（ｉ＝１〜６）をもと
に、教示点間の力制御方向の単位ベクトイルｆｎ（ｎ＝
０，１，２，３・・・・）を補間演算する。

【００２１】次に、教示データを用いて工具Ｔ１の送り
方向には位置制御を行い、力制御方向単位ベクトルｆｎ
の方向にはスティフネス力制御を含んだ力制御を適用し
て、ワーク３０の窓部３３のバリＡを取る加工作業につ
いて、図３のワーク窓部平面図および図５のフローチャ
ートを用いて説明する。まず開始にあたり、決定した工
具送り速度、形状誤差の大きさに合わせて、工具、材
質、および仕上量の関係について予め計測し、同定して
おいたスティフネス係数Ｋｓ、目標押し付け力Ｆｄおよ
び力制御ゲイン係数Ｋｆを設定し入力、記憶させる。

【００２２】自動再生をスタートさせると、工具が駆動
（回転又は振動等）される（ステップ１００）ととも
に、ロボット１０は工具Ｔ１の窓外の退避点（図示せ
ず）から教示点Ｐ０まで再生移動する（ステップ１０
１）。次いで教示点Ｐ１のデータをメモリ２６から読み
出し、工具Ｔ１を教示点Ｐ０から教示点Ｐ１に移動させ
て、窓部の内周面に近接させる。移動が完了すると、最
初の力制御方向単位ベクトルＦ１を読みだす（ステップ
１０２）。そして、次の教示点Ｐ２、および教示点Ｐ２
における力制御方向単位ベクトルＦ２のデータをメモリ
２６から読み出し（ステップ１０３）、力制御仕上に入
る。つまり、教示点Ｐ２の方向には位置制御を、力制御
方向のｆｎ方向にはスティフネス力制御を含んだ力制御
を行う。

【００２３】力制御加工のための補間点を作成するサン
プリング周期Ｔｓは、例えばＴｓ＝１０ｍｓｅｃなどと
し、ロボット制御装置２０のサンプリング周期に同期さ
せる。さらに図１の力制御動作の模式図および図６のフ
ローチャートを参照して、ステップ１０４の教示点Ｐ
１、Ｐ２間（図５ではｉ＝１に相当する）の力制御移動
の補間点の作成について説明する。図１では加工ワーク
が曲面をなしている箇所を示しており、教示点Ｐ１とＰ
２の間の基準経路４０は、円弧補間動作するようにして
いる。また、加工ワークの曲面４１の半径のほうが、基
準経路である教示モデルワークの曲面半径よりも大きい
場合を示している。

【００２４】まず、当該サンプリング周期での基準経路
上の補間位置Ｃｎ（ｎ＝０，１，２，・・・）に対する
ロボット全軸のサーボカウンタ２３の値を読み取り、正
座標正変換演算して、力制御で接触している工具Ｔ１の
現在位置ベクトルＸｎ（以降アンダーラインを付した位
置は基準座標系（図１に示している）原点からのベクト
ルであることを示す）を求める（ステップ２０１）。そ
して、次の位置制御方向の位置、すなわち位置制御方向
のサンプリング周期Ｔｓ後の基準経路上の補間位置Ｃｎ
＋１までの増分ベクトル△Ｃｐｎを求める（ステップ２
０２）。△Ｃｐｎの大きさは工具Ｔ１の送り速度Ｖｔに
Ｔｓを乗算したものである。

【００２５】次に力制御方向単位ベクトルＦ１、Ｆ２の
成分値と、教示点Ｐ１、Ｐ２間の基準経路の全長に対す
る教示点Ｐ１から基準経路上の補間位置Ｃｎ＋１までの
距離の比を元に、力制御方向を比例分割してＣｎ＋１に
おける力制御方向の単位ベクトルｆｎ＋１を求める（ス
テップ２０３）。次いで力センサ１１の検出値を読みだ
して、力制御方向単位ベクトルｆｎ＋１の方向に作用し
ている力成分Ｆａを演算し、ｆｎ＋１の方向の増分ベク
トル△Ｃｆｎ＋１を求める（ステップ２０４）。この力
制御方向の増分ベクトル△Ｃｆｎ＋１の大きさは、力制
御の制御速度ＶｓをもとにＶｓ×Ｔｓとして与えられ
る。ここで、制御速度Ｖｓは数１で演算する。

【００２６】そして、このとき力制御方向全体の修正ベ
クトルＣｆｎ＋１は、前の力制御修正ベクトルＣｆｎの
大きさに△Ｃｆｎ＋１を加えたもので求める。すなわち
数２で求める（ステップ２０５）。

【数２】Ｃｆｎ＋１＝（｜Ｃｆｎ｜＋｜△Ｃｆｎ＋１
｜）ｆｎ＋１ そして、現在の基準経路上の補間位置ベクトルＣｎに対
し、前記のようにして得られた位置制御方向増分ベクト
ル△Ｃｐｎと力制御方向修正ベクトルＣｆｎ＋１とを用
い、ベクトル合成演算して、次のサンプリング周期Ｔｓ
後の位置ベクトルＸｎ＋１を数３で算出する（ステップ
２０６）。

【数３】Ｘｎ＋１＝Ｃｎ＋△Ｃｐｎ＋Ｃｆｎ＋１ 次に数３で求められた位置ベクトルＸｎ＋１の位置、姿
勢成分について逆座標変換の演算を行い、各サーボモー
タＭ１〜Ｍ６軸の各パルスエンコーダＰＥ１〜ＰＥ６の
回転目標位置θｉ（ｉ＝１〜６）を求める（ステップ２
０７）。

【００２７】そして、各サーボモータＭ１〜Ｍ６軸をθ
ｉ（ｉ＝１〜６）へ位置制御することにより、工具Ｔ１
を次の位置Ｘｎ＋１に移動させる（ステップ２０８）。
以上説明した処理をサンプリング周期Ｔｓ毎に行い、工
具Ｔ１の基準経路の補間位置が教示点Ｐ２に来るまで行
う（ステップ２０９）。

【００２８】以上のように工具Ｔ１を位置制御すること
により、基準経路の曲面半径より加工ワークの曲面半径
のほうが大きい場合には、各サンプリング周期毎に数１
で演算される力制御方向の増分は、前のサンプリング周
期における力制御方向の修正ベクトルの大きさを、今回
の力制御方向に回転移動したものに加算されて位置制御
されることになる。そのため、基準経路上の補間点がＰ
２に達したときの工具Ｔ１の制御位置は、正確にＰ２か
ら力制御方向単位ベクトルＦ２の延長線上に一致する。
逆に、基準経路の曲面半径より加工ワークの曲面半径の
ほうが小さい場合には、力制御方向単位ベクトルＦ２と
は反対の向きに縮小された状態で位置制御される。すな
わち、意匠窓に形状誤差があっても、教示点Ｐ２を通る
力制御方向の延長線上に工具Ｔ１を位置制御できる。

【００２９】次に、工具Ｔ１の基準経路上の補間位置Ｃ
ｎが教示点Ｐ２からは、教示点Ｐ２、Ｐ３および力制御
方向単位ベクトルデータＦ２、Ｆ３を用い、教示点Ｐ２
までと同様のやり方で、基準経路上の補間位置が教示点
Ｐ３に達するまで行う。このやり方を繰り返し、工具Ｔ
１の基準経路上の補間位置が加工部分の最初の教示位置
であるＰ１に達するまで行う（ステップ１０４、１０
５）。以上の結果、最終的に工具Ｔ１の加工開始点と終
了点を一致させることができる。

【００３０】以上で１つの意匠窓仕上げが終了する。そ
して工具Ｔ１を窓外の退避点に再生移動する（ステップ
１０６）。次いで、再生した窓数を判断し（ステップ１
０８）、全窓の再生が終わっていなければ割出し台６０
を窓数に応じて、例えば３６０°／６＝６０°回転して
（ステップ１０７）次ぎの窓を工具の下に位置決めし、
最初の窓に対する仕上げ動作を先頭から繰り返す。一方
全窓の再生が終わったと判断したら工具の駆動を停止し
（ステップ１０９）、ワーク３０をとり外す位置に左右
軸と前後軸を位置決め移動する（ステップ１１０）。次
いで割出し台を３００°逆回転して初期位置まで戻し
（ステップ１１１）、自動再生を終了する。

【００３１】なお、実施例では力制御方向を始点方向と
終点方向から演算により求める方法を示したが、代わり
に教示点の間を代表する一定の力制御方向を教示し、こ
れら教示データを元にモデルワークについて一旦力制御
動作させ、その移動中に検出される反力の逆向きを、各
補間位置に対応する真の力制御方向として記憶し、該記
憶した力制御方向データを利用して加工再生する方法を
用いても良い。

【００３２】以上、アルミホイール３０の窓部３３の内
周部に発生したバリあるいは返りを取るロボットの力制
御方法について教示と加工を説明した。アルミホイール
の窓部、すなわち意匠窓の特徴として美観が重要であ
る。このような意匠窓の内周部に発生したバリおよび面
取り加工をするには、以上述べた力制御を用いたロボッ
ト装置で仕上げる方法で良い結果が得られた。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、特に形状の誤差のある
ワークの閉曲面内のバリを力制御で仕上る場合であって
も、曲率の大きいワークの場合は加工経路が拡大され、
逆の小さい場合には縮小されて加工経路が位置決め制御
されるので、閉曲面の形状誤差の有無に拘らず仕上げ開
始位置と終了位置とを一致させる。すなわち、加工過剰
あるいは未加工部分を発生させることなく、ワーク形状
に倣って一様な仕上げ幅でバリ取りあるいはび面取り加
工ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の力制御方向の位置補正方法を説明する
ための模式図

【図２】ワークバリ取りロボット装置の全体構成図

【図３】ワークの窓部平面図

【図４】ロボット制御装置のブロック図

【図５】バリ取りの概略を示すフローチャート

【図６】本実施例の力制御を示すフローチャート

【符号の説明】

１０ ロボット本体 １１ 力センサ Ｔ１ 工具 Ｍ サーボモータ ＰＥ パルスエンコーダ ２０ ロボット制御装置 ３０ アルミホイール ３３ 窓部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークに直接に接触する工具、この工具
   を掴む工具ホルダー、この工具ホルダーに固定した力セ
   ンサ、この力センサに固定したロボットハンド、これら
   を駆動するためのサーボモータ、パルスエンコーダを有
   するロボット本体、および制御装置で構成される教示再
   生型のロボットにおいて、教示段階では前記工具の前記
   ワークに対する通過点および前記通過点の力制御方向を
   教示したあと、ワークに対して前記工具の送り方向には
   位置制御し、前記工具の前記ワークへの力制御方向には
   力制御で再生して、仕上げ加工を行うロボットの力制御
   による加工方法であって、力制御方向の位置補正量は前
   回制御周期の力制御方向位置補正ベクトルの大きさに、
   今回の制御周期の力制御方向位置補正増分量を加算して
   求めることを特徴とするロボットの力制御による加工方
   法。