WO2018131187A1 - ハンドツール - Google Patents

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WO2018131187A1
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polishing
brush
motor
axis
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俊一 植田
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • B24B27/00—Other grinding machines or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B27/00—Other grinding machines or devices
    • B24B27/033—Other grinding machines or devices for grinding a surface for cleaning purposes, e.g. for descaling or for grinding off flaws in the surface
    • B24B27/04—Grinding machines or devices in which the grinding tool is supported on a swinging arm
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    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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    • B24B49/16—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation taking regard of the load
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B24D13/00—Wheels having flexibly-acting working parts, e.g. buffing wheels; Mountings therefor
    • B24D13/02—Wheels having flexibly-acting working parts, e.g. buffing wheels; Mountings therefor acting by their periphery
    • B24D13/10—Wheels having flexibly-acting working parts, e.g. buffing wheels; Mountings therefor acting by their periphery comprising assemblies of brushes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/06—Programme-controlled manipulators characterised by multi-articulated arms

Definitions

  • the present invention relates to a hand tool that is attached to the tip of a three-dimensional tracing apparatus having an arm typified by an articulated robot or the like and polishes or cleans a curved surface.
  • the leading vehicle of a high-speed rail car not only reduces air resistance, but also has a pointed shape composed of a curved surface at the nose portion in order to ensure stability during high-speed traveling.
  • high-speed railway vehicles have deposits that cannot be removed only by washing, and therefore it is necessary to repaint the surface of the vehicle at regular intervals.
  • Patent Document 1 This is a device that removes deposits adhering to the inner surface of the mold.
  • a scraping jig such as a wire brush is placed at the tip of the robot arm, and a torque sensor is placed on the arm expansion / contraction means of the robot arm, so that the adhering material can be removed while maintaining the pressing force of the jig within the appropriate range. I do.
  • Patent Document 1 is a device that scrapes off deposits on the mold surface, and seems to be applicable to polishing and cleaning of curved surfaces.
  • the scraping jig is not harder than the mold.
  • the brush for polishing is harder than the object to be polished. Therefore, if the surface is not polished with the pressing force kept constant, the surface can be uneven.
  • the present invention has been conceived in view of the above problems.
  • the present invention provides a hand tool capable of polishing a surface while pressing a polishing brush with a constant pressure against a curved surface to be polished.
  • an armed robot such as a 6-axis articulated robot can be used for tracing along the curved surface.
  • the present invention relates to a hand tool attached to the tip of the robot. That is, by attaching to the tip of an articulated robot, a hand tool can be provided that can always polish even a complicated three-dimensional curved surface with uniform pressing.
  • the hand tool is: Frame, A pressure sensor disposed at the top of the frame; A pair of arms arranged at the bottom of the frame; A rotating brush having a rotating shaft pivotally supported by the pair of arms; A motor disposed in the frame; A driving pulley connected to the rotating shaft of the motor; A driven pulley directly connected to the rotating shaft of the rotating brush; A drive belt connecting the drive pulley and the driven pulley; The driving pulley, the driven pulley and the driving belt are outside the frame; The motor is arranged inside the frame on the opposite side to the side on which the driving pulley, the driven pulley, and the driving belt are arranged via a center line of the frame.
  • the motor and the pulley are disposed in a positional relationship facing each other with respect to the center line of the frame, the right and left weight balance with respect to the center line can be obtained.
  • the pressure sensor was provided in the upper part of the flame
  • the hand tool according to the present invention is attached to the tip of the arm of the robot, the curved surface polishing, which has conventionally been performed manually, can be automatically performed, leading to a significant reduction in tact time.
  • the hand tool according to the present invention will be described with reference to the drawings. Further, in the following description, a case where the hand tool according to the present invention is attached as a polishing brush to a polishing apparatus that polishes the nose of the leading vehicle of a high-speed railway vehicle will be described as an example. However, the following description explains one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following description. Unless it deviates from the meaning of this invention, the following embodiment, a use purpose, and a use object can be changed or changed.
  • FIG. 1 shows the configuration of the polishing apparatus 1 of the leading vehicle.
  • the polishing apparatus 1 includes a trace device 10, a pressure sensor 20, a control unit 60, and a polishing brush (hand tool) 30 (see FIG. 2) according to the present invention.
  • a 6-axis articulated robot 11 (hereinafter also referred to as "robot 11") fixed to the tip using the polishing brush 30 as a hand tool is preferably used.
  • the robot 11 has a base part 12, a lower arm part 14, an upper arm part 16, and a wrist part 18. Between the base portion 12 and the lower arm portion 14, there is an S-axis motor 13 ⁇ / b> S having a turning center in the vertical direction and turning above the base portion 12, and a turning center in the horizontal direction. And an L-axis motor 13L that tilts the lower arm portion 14 back and forth. Note that the trace device 10 is not limited to the six-axis articulated robot 11.
  • the wrist 18 at the tip can trace the surface of any three-dimensional curved surface.
  • the three-dimensional curved surface refers to a surface that is not composed of only a flat surface.
  • the rotation shafts of the motors are referred to as S-axis 13Sa, L-axis 13La, U-axis 15Ua, R-axis 15Ra, B-axis 17Ba, and T-axis 17Ta, respectively.
  • a polishing brush 30 is installed on the wrist 18 as a hand tool via a pressure sensor 20.
  • the polishing brush 30 has a rotary brush 32 having a rotary shaft 32a perpendicular to the T-axis 17Ta on a surface opposite to where the pressure sensor 20 is installed and a frame 36 that houses a motor or the like.
  • the rotating brush 32 is obtained by implanting abrasive fibers around the rotating shaft 32a in the radial direction of the rotating shaft 32a.
  • the tip of the polishing fiber forms a substantially cylindrical shape 34.
  • a side surface of the substantially cylindrical shape 34 becomes a polishing surface 34s. That is, the polishing surface 34 s can be formed at the tip of the robot 11.
  • the center of the side surface of the rotating brush 32 is referred to as a side surface center axis 34c.
  • the side surface central axis 34c is an axis that is perpendicular to the side surface of the cylindrical shape 34 and passes through the center in the length direction of the rotation axis 32a. There are an infinite number of side center shafts 34 c with respect to the rotating brush 32.
  • FIG. 2 shows only the polishing brush 30 (hand tool) in an enlarged manner.
  • 3A is a front view seen from the direction of arrow A in FIG. 2
  • FIG. 3B is a side view seen from the direction of arrow B in FIG.
  • the polishing brush 30 includes a pressure sensor 20, a frame 36, a motor 38, a torque coupler 40, a driving pulley 42, a driven pulley 44 (see FIG. 3), a driving belt 46, a rotating brush 32, and the like. It is configured.
  • the pressure sensor 20 has a cylindrical shape, and a sensor element is arranged at a portion that hits the bottom surface.
  • the central axis of the pressure sensor 20 is defined as a sensor central axis 20c.
  • the sensor central axis 20c is arranged so as to coincide with the T axis 17Ta of the wrist 18 (see FIG. 1).
  • the frame 36 is a rectangular parallelepiped.
  • a pressure sensor 20 that also serves as a connection flange is disposed on the side connected to the wrist 18 (see FIG. 1).
  • a rotating brush 32 is disposed on the side facing the surface to which the pressure sensor 20 is attached.
  • the surface on which the pressure sensor 20 is installed is referred to as an “upper surface 36u”
  • the surface on which the rotary brush 32 is installed is referred to as a “lower surface 36d”.
  • the upper surface 36u and the lower surface 36d are parallel surfaces.
  • an axis perpendicular to the lower surface 36d is set as a main side surface central axis 34ca of the rotating brush 32 (see FIG. 3B).
  • a part of the side wall of the frame 36 may be opened. This is because the operation can be adjusted with respect to the inside and the overall weight can be reduced.
  • a pair of arms 48 (see FIG. 3) that pivotally support the rotating brush 32 are disposed on the lower surface 36d. The pair of arms 48a and 48b sandwich the rotating shaft 32a of the rotating brush 32 so as to be rotatable from both sides. In this state, it can be said that the rotating brush 32 is pivotally supported.
  • a motor 38 is fixed in the frame 36.
  • the drive shaft 38 a of the motor 38 is disposed in parallel with the rotation shaft 32 a of the rotary brush 32.
  • a driving pulley 42 is connected to the motor 38 via a torque coupler 40.
  • the torque coupler 40 cuts off torque transmission when the load of the motor 38 exceeds a certain level.
  • the driving pulley 42 is disposed outside the frame 36. Since there is no reduction gear between the motor 38 and the driving pulley 42, it can be said that they are directly connected.
  • a driven pulley 44 directly connected to the rotating shaft 32a of the rotating brush 32 is disposed on the arm 48a on the side where the driving pulley 42 is disposed.
  • a driving belt 46 is hooked on the driving pulley 42 and the driven pulley 44.
  • the drive pulley 42 and the driven pulley 44 may be provided with a tension pulley 43 for adjusting the tension of the drive belt 46.
  • Each pulley disposed outside the frame 36 is covered with a pulley cover 47. In FIG. 3B, the pulley cover 47 is omitted.
  • the polishing brush 30 has a left-right weight balance with respect to the T-axis 17Ta by disposing a driving pulley 42 and a driven pulley 44 at a position far from the motor 38.
  • the polishing brush 30 is connected to the wrist 18 by a pressure sensor 20 provided on the upper surface 36u side. Therefore, if the left and right weight balance with respect to the T-axis 17Ta is different, the value detected by the pressure sensor 20 differs depending on the posture of the polishing brush 30, or the problem that it cannot be held stably arises.
  • the sensor central axis 20c of the pressure sensor 20 and the main side central axis 34ca of the rotary brush 32 are configured to coincide with each other. That is, the main side surface central axis 34 ca of the rotating brush 32, the central axis 20 c of the pressure sensor 20, and the T axis 17 Ta of the wrist portion 18 of the robot 11 coincide with each other. With this configuration, uniform pressing can be measured when the rotating brush 32 is pressed against the surface to be polished.
  • the T-axis 17Ta (the main side surface center axis 34ca of the rotating brush 32 or the sensor center axis 20c of the pressure sensor 20) when the side surface of the rotating brush 32 is viewed from the front side.
  • the same is referred to as a center line 36 c of the frame 36.
  • a motor 38 is disposed on one side of the center line 36c of the frame 36, and on the other side, a driving pulley 42, a driven pulley 44, and a driving belt 46 (hereinafter referred to as "pulleys"). Is arranged.
  • the motor 38 is disposed inside the frame 36, the pulleys and the like are disposed outside the frame 36. This is because the motor 38 is heavier than a pulley or the like. Accordingly, the torque coupler 40 does not transmit torque in the direction opposite to the rotation of the motor 38 to the drive shaft 38a of the motor 38, and has a pulley or the like at a position far from the center line 36c of the frame 36 in order to balance left and right. There is also the purpose of arranging.
  • the rotating brush 32 has a side surface cut into a V shape from both ends toward the center, and further, the central portion of the side surface is formed in a protruding shape. Both sides of the protruding shape are called groove shapes 32n of the rotating brush 32.
  • the V-shaped cut and the groove shape 32n are formed by trimming the abrasive fibers. Accordingly, the groove shape 32n is also a portion formed by trimming the abrasive fibers.
  • a skirt 50 is disposed between the rotating brush 32 and the frame 36.
  • the skirt 50 is a resin plate, but may be a metal material such as aluminum.
  • the skirt 50 is provided with a nozzle 52 a and a nozzle 52 b (hereinafter collectively referred to as “nozzle 52”) for supplying a polishing liquid or water (hereinafter referred to as “polishing liquid or the like”) to the rotating brush 32.
  • a pump is connected to these nozzles 52 via a pipe (not shown), and polishing liquid or water is supplied to the nozzles 52 from a polishing liquid tank or a water tank.
  • the nozzles 52 a and 52 b are disposed at positions facing the groove shape 32 n of the rotary brush 32.
  • control unit 60 is composed of a computer composed of an MPU (Micro Processor Unit) and a memory.
  • the control unit 60 is connected to a drive unit of each axis motor of the robot 11. Moreover, it is connected also to apparatuses, such as the pressure sensor 20, the polishing brush 30, and a pump, and these drive are controlled.
  • apparatuses such as the pressure sensor 20, the polishing brush 30, and a pump, and these drive are controlled.
  • spatial data of the surface to be polished of the object to be polished is stored in the memory.
  • FIG. 4 shows a plan view of the polishing line 100 in which the polishing apparatus 1 is arranged.
  • the polishing line 100 is provided with stages 104 on both sides of a transfer line 102 for transferring the leading vehicle 300 that is the object to be polished.
  • the stage 104 is set to such a height that the polishing brush 30 at the tip can reach the roof of the leading vehicle 300 sufficiently when the robot 11 (see FIG. 1) of the polishing apparatus 1 extends its arm.
  • a plurality of polishing apparatuses 1 are arranged on the stage 104. Each polishing apparatus 1 polishes the curved surface of the nose portion of the leading vehicle 300 that is the object to be polished, according to an instruction from the control unit 60.
  • FIG. 5 shows a state in which the rotating brush 32 is pressed against the surface to be polished as viewed from the side surface of the rotating brush 32.
  • FIG. 5A shows a state before pressing
  • FIG. 5B shows a state after pressing. Since the pressure sensor 20 is attached in a relationship that coincides with the main side surface central axis 34ca of the rotating brush 32, the pressure of the rotating brush 32 can be directly measured.
  • the control unit 60 determines the surface to be polished based on the pressing value from the pressure sensor 20. By adjusting the distance of the rotating brush 32 in the T-axis 17Ta direction, it is possible to always perform polishing with a constant pressure.
  • Rotating brush 32 spreads when pressed against the surface to be polished. At this time, since the side surface of the rotary brush 32 is cut into a V shape, the surface to be polished can be covered just when it spreads. However, the groove-shaped portion 32n of the rotating brush 32 does not hit the surface to be polished. That is, the unpolished part 32x occurs in the groove shape 32n.
  • the polishing liquid or the like is supplied along the groove shape 32n. Therefore, the polishing liquid or the like is supplied to the portion where the rotary brush 32 and the surface to be polished are in contact from the groove-shaped portion 32n.
  • the rotating brush 32 is normally rotated at a high speed of 100 rpm or more. Further, the abrasive fibers are planted at a density of 1 / mm or more along the rotating shaft 32a of the rotating brush 32.
  • the polishing liquid or the like is supplied from the frame 36 side to the rotating brush 32 planted with high density in this way, the polishing liquid or the like is blown away by centrifugal force, and the surface to be polished and the rotating brush are in direct contact with each other. Is not supplied.
  • the groove shape 32n is formed in the rotary brush 32 in advance, the polishing liquid or the like reaches the polishing surface through the groove shape 32n, and smooth polishing can be realized.
  • the unpolished portion 32x of the groove shape 32n can be eliminated by overlapping the pitches at the time of polishing.
  • the rotary brush 32 is provided with the groove shape 32n that is not intentionally polished as the side surface shape, so that the supply of the polishing liquid or the like to the polishing surface can be sufficiently performed.
  • FIG. 6A shows a state of polishing using a hand tool.
  • the polishing brush 30 is set to an angle of 0 degree or more and 20 degrees or less with respect to the polishing direction from the normal direction 300a of the surface to be polished 300s, and the polishing brush 30 is rotated.
  • the pressure sensor 20 is disposed between the polishing brush 30 and the wrist 18 (see FIG. 1). Therefore, the pressure sensor 20 detects the force of the wrist portion 18 in the T-axis 17Ta direction.
  • An accurate pressing force can be detected by pressing the surface to be polished 300s along the T-axis 17Ta direction as much as possible.
  • the angle between the normal direction 300a of the surface to be polished 300s and the T-axis 17Ta facing the polishing direction is referred to as a contact angle ⁇ .
  • the contact angle ⁇ is determined, the pressing amount against the polished surface 300 s can be accurately obtained by F * cos ⁇ , where F is the value from the pressure sensor 20 (“*” represents multiplication).
  • the pressure sensor 20 is set to zero before bringing the polishing brush 30 into contact with the surface to be polished 300s.
  • Zero setting is a process of regarding the current output value of the pressure sensor 20 as zero. Since the pressure sensor 20 receives pressure on the surface, the zero point is slightly different depending on the posture of the polishing brush 30. Therefore, the pressure sensor 20 is set to zero every time polishing is performed.
  • the polishing brush 30 is brought into contact with the surface to be polished 300s until the pressure reaches a predetermined value, and the surface to be polished 300s is traced at a constant speed. The tracing at this time is performed along the three-dimensional curved surface data of the surface to be polished.
  • the position in the direction perpendicular to the surface to be polished 300s is adjusted so that the pressure of the polishing brush 30 is constant. That is, if the value of the pressure sensor 20 is equal to or less than a predetermined value, the distance to the surface to be polished 300s is shortened, and if the value of the pressure sensor 20 is equal to or greater than a predetermined value, the distance to the surface to be polished 300s is decreased. Release.
  • FIG. 6C shows how the polishing brush 30 advances from the horizontal portion 300f to the inclined portion 300g. Between the horizontal portion 300f and the inclined portion 300g, there is a corner portion 300c with R. Since the polishing brush 30 maintains the contact angle ⁇ even at the corners, polishing proceeds while holding the axis of the polishing brush 30 (T-axis 17Ta) at a constant angle with respect to the normal direction 300a on the curved surface.
  • the hand tool 30 is arranged so that the main side surface central axis 34 ca of the rotary brush 32 and the sensor central axis 20 c of the pressure sensor 20 coincide with each other, and the motor 38 with respect to the center line 36 c of the frame 36. Since the pulleys and the like are arranged opposite to each other, the surface to be polished can be polished with a constant pressure against the curved surface.
  • the rotating brush 32 is made of abrasive fibers.
  • the hand tool according to the present invention is not limited thereto, and the rotating brush 32 is made of cleaning fibers (from the surface to be treated). You may comprise with a soft material.
  • the groove shape 32n of the rotary brush 32 is effective for spreading the cleaning liquid supplied from the nozzle 52 to the surface to be processed.
  • the present invention can be suitably used not only for polishing the structure of the top portion of the high-speed railway vehicle but also for surface treatment such as polishing and cleaning of structures and buildings formed of curved surfaces such as airplanes and ships. it can.

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Abstract

建築物や構造物等の３次元曲面の一定圧力での研磨は、従来人手で行っていた。　フレームと、前記フレーム上部に配置された圧力センサと、前記フレーム下部に配置された一対のアームと、前記一対のアームに回転軸が枢支された回転ブラシと、前記フレーム内に配置されたモータと、前記モータの回転軸に連結された駆動側プーリと、前記回転ブラシの回転軸に直結された従動側プーリと、前記駆動側プーリおよび前記従動側プーリを連結する駆動ベルトを有し、前記駆動側プーリと前記従動側プーリと前記駆動ベルとは、前記フレームの外側にあり、前記モータは、前記フレームの中心線を介して、前記駆動側プーリと前記従動側プーリと前記駆動ベルトが配置された側と、反対側の前記フレーム内部に配置されているハンドツールは、多関節ロボット等に搭載することで、３次元曲面に対しての一定押圧での研磨を自動的に行うことができる。

Description

ハンドツール
　本発明は、多関節ロボット等に代表される腕を持った３次元トレース装置の先端に取り付け、曲面を研磨若しくは洗浄するハンドツールに関するものである。
　近年、建築物や構造物は、作製技術の発達により、単なる平面の組み合わせではなく、連続的な曲面から構成される場合が多い。その結果、曲面を均一に研磨若しくは洗浄するという要求が求められている。
　例えば、高速鉄道車両の先頭車両は、空気抵抗を少なくするだけでなく、高速走行時の安定性を確保するために、ノーズ部には曲面から構成される先尖形状を有している。ところで、高速鉄道車両は、洗浄しただけでは、取れない付着物があるため、一定期間毎に車両表面の再塗装を行う必要がある。
　この再塗装の際には、表面のキズや付着物を剥離させ、さらに塗料の接着性を向上させるために「足付け（アラシ）」と呼ばれる研磨工程がおこなわれている。したがって、曲面から構成される先尖形状といった特殊な３次元形状の部分を均一に研磨する必要がある。
　このような特殊な３次元形状を有する面の均一なアラシは、従来機械ではできず、手作業に頼って行われていた。しかし、仮にノーズ部分だけを研磨するとしても、相当な面積の研磨になり、大変な時間がかかっていた。したがって、この研磨を行える機械の要望があった。
　このような技術分野においては、例えば、特許文献１がある。これは鋳型の内面に付着した付着物を除去する装置である。ロボットアームの先端にワイヤーブラシ等の掻き取り治具を配置させ、ロボットアームのアーム伸縮手段にトルクセンサ等を配置することで、治具の押圧力を適正範囲に維持しながら、付着物の除去を行う。
特開２０１０－２０１４６８号公報
　特許文献１は、鋳型面内の付着物を掻き取る装置であり、曲面の研磨や洗浄にも応用できそうに見える。しかし、特許文献１では、掻き取り治具は、鋳型より硬くないことが前提となっている。一方、研磨の場合は、研磨を行うブラシの方が被研磨物よりも固い。したがって、常に押圧力を一定にして研磨しなければ表面にムラができる。
　さらに、特許文献１では、掻き取り治具を鋳型に押し当てるのは、単にロボットの腕のトルクを見ているだけであり、実際に被処理面に対して掻き取り治具がどの程度の圧力で押圧されているのかを測定しているわけではない。
　本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、例えば曲面の被研磨面に対して、一定押圧で研磨ブラシを押し付けながら表面を研磨することができるハンドツールを提供するものである。より詳しくは、曲面形状が分かっている場合には、その曲面に沿ってトレースさせるのは、６軸多関節ロボットといった腕付ロボットが利用できる。本発明は、そのロボットの先端に取り付けるハンドツールに係るものである。すなわち、多関節ロボットの先端に取り付けることで、複雑な３次元曲面であっても、常に均一な押圧で研磨できるハンドツールを提供するものである。
　具体的に本発明に係るハンドツールは、
　フレームと、
　前記フレーム上部に配置された圧力センサと、
　前記フレーム下部に配置された一対のアームと、
　前記一対のアームに回転軸が枢支された回転ブラシと、
　前記フレーム内に配置されたモータと、
　前記モータの回転軸に連結された駆動側プーリと、
　前記回転ブラシの回転軸に直結された従動側プーリと、
　前記駆動側プーリおよび前記従動側プーリを連結する駆動ベルトを有し、
　前記駆動側プーリと前記従動側プーリと前記駆動ベルトは、前記フレームの外側にあり、
　前記モータは、前記フレームの中心線を介して、前記駆動側プーリと前記従動側プーリと前記駆動ベルトが配置された側と、反対側の前記フレーム内部に配置されていることを特徴とする。
　本発明に係るハンドツールは、フレームの中心線に対して、モータとプーリを対向する位置関係に配置したので、中心線に対する左右の重量バランスが取れる。そして、フレームの上部に圧力センサを設けた。したがって、ロボットの腕の先端に本発明に係るハンドツールを取り付けた場合、対象面に対しての押圧を圧力センサで検知することができ、曲面であっても常に一定押圧でハンドツールを作用させることができる。
　したがって、本発明に係るハンドツールをロボットの腕の先端に取り付ければ、従来、人手で行っていた、曲面の研磨を、自動で行うことができ、タクトタイムの大幅な短縮につながる。
本発明に係るハンドツールを搭載した研磨装置の構成図である。 ハンドツール（研磨ブラシ）だけの斜視図である。 ハンドツールの正面図と側面図である。 研磨装置を組み込んだ研磨ラインを示す図である。 ハンドツールを被処理面に押し当てた状態を示す図である。 被研磨面を研磨している様子を示す図である。
　以下に本発明に係るハンドツールを、図面を用いて説明する。また、以下の説明では、高速鉄道車両の先頭車両のノーズを研磨する研磨装置に、本発明に係るハンドツールを研磨ブラシとして装着した場合を例にとって説明する。しかし、以下の説明は本発明の一実施形態を説明するものであり、本発明は以下の説明に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の実施形態および使用目的や使用対象は改変若しくは変更することができる。
　図１に先頭車両の研磨装置１の構成を示す。研磨装置１は、トレース装置１０と、圧力センサ２０と、制御部６０と、本発明に係る研磨ブラシ（ハンドツール）３０（図２参照）を有する。
　トレース装置１０は、研磨ブラシ３０をハンドツールとして先端に固定される６軸多関節ロボット１１（以後「ロボット１１」とも呼ぶ。）が好適に利用される。ロボット１１は、ベース部１２、下腕部１４、上腕部１６、手首部１８を有する。ベース部１２と下腕部１４の間には、旋回中心を垂直方向に有し、ベース部１２より上方を旋回させるＳ軸モータ１３Ｓと、旋回中心を水平方向に有し、ベース部１２に対して下腕部１４を前後に傾斜させるＬ軸モータ１３Ｌを有する。なお、トレース装置１０は、６軸多関節ロボット１１に限定されるものではない。
　下腕部１４と上腕部１６の間には、旋回中心を水平方向に有し、下腕部１４に対して上腕部１６を旋回させるＵ軸モータ１５Ｕと、Ｕ軸モータ１５Ｕに対して垂直方向に回転軸を有し、上腕部１６を下腕部１４に対して回転させるＲ軸モータ１５Ｒが設けられている。
　また、上腕部１６と手首部１８の間には、上腕部１６に対して垂直方向に旋回中心を有するＢ軸モータ１７Ｂと、手首部１８に対して平行な回転軸であるＴ軸モータ１７Ｔが配置されている。ロボット１１は、これら６つの回転軸モータを有するので、先端の手首部１８は、如何なる３次元曲面の表面をもトレースすることができる。なお、ここで３次元曲面とは、平坦な面だけで構成されていない面をいう。以後各モータの回転軸をそれぞれＳ軸１３Ｓａ、Ｌ軸１３Ｌａ、Ｕ軸１５Ｕａ、Ｒ軸１５Ｒａ、Ｂ軸１７Ｂａ、Ｔ軸１７Ｔａとよぶ。
　手首部１８には圧力センサ２０を介してハンドツールとして研磨ブラシ３０が設置されている。研磨ブラシ３０は、モータ等を収納するフレーム３６と、圧力センサ２０が設置されているのと反対の面に、Ｔ軸１７Ｔａに対して垂直方向の回転軸３２ａを有する回転ブラシ３２を有する。回転ブラシ３２は、回転軸３２ａの周囲に回転軸３２ａの半径方向に研磨繊維を植毛したもので、回転軸３２ａを中心に回転すると研磨繊維の先端は略円柱形３４を形成する。この略円柱形３４の側面が研磨面３４ｓとなる。つまり、ロボット１１の先端に研磨面３４ｓを形成することができる。
　なお、回転ブラシ３２の側面の中心を側面中心軸３４ｃとする。側面中心軸３４ｃとは、円柱形３４の側面に対して垂直で、回転軸３２ａの長さ方向で中心を通過する軸をいう。側面中心軸３４ｃは回転ブラシ３２に対して無数に存在する。
　図２に研磨ブラシ３０（ハンドツール）だけを拡大して示す。また、図３（ａ）は図２の矢印Ａ方向から見た正面図であり、図３（ｂ）は、図２の矢印Ｂ方向から見た側面図である。
　研磨ブラシ３０は、圧力センサ２０と、フレーム３６と、モータ３８と、トルクカプラ４０と、駆動側プーリ４２と、従動側プーリ４４（図３参照）と、駆動ベルト４６と、回転ブラシ３２等で構成されている。
　圧力センサ２０は円柱形であり、底面に当たる部分にセンサ素子が配置されている。圧力センサ２０の中心軸をセンサ中心軸２０ｃとする。ハンドツール（研磨ブラシ３０）をロボット１１に取り付けると、センサ中心軸２０ｃは、手首部１８（図１参照）のＴ軸１７Ｔａと一致するように配置されている。
　フレーム３６は、直方体で構成されている。手首部１８（図１参照）と接続される側には、接続フランジを兼ねた圧力センサ２０が配置されている。また、圧力センサ２０が取り付けられている面と対向する側には、回転ブラシ３２が配置されている。以後フレーム３６については、圧力センサ２０が設置されている面を「上面３６ｕ」とし、回転ブラシ３２が設置されている面を「下面３６ｄ」とする。上面３６ｕと下面３６ｄは平行面である。また、回転ブラシ３２の側面中心軸３４ｃの中で、下面３６ｄに垂直な軸を回転ブラシ３２の主側面中心軸３４ｃａとする（図３（ｂ）参照）。
　フレーム３６の側壁の一部は開口していてもよい。内部に対して操作調整が行えるためと、全体の重量軽減のためである。下面３６ｄには、回転ブラシ３２を枢支する一対のアーム４８（図３参照）が配置されている。この一対のアーム４８ａ、アーム４８ｂが回転ブラシ３２の回転軸３２ａを両側から回転可能に挟持する。この状態は回転ブラシ３２を枢支していると言ってよい。
　フレーム３６内にはモータ３８が固定されている。モータ３８の駆動軸３８ａは、回転ブラシ３２の回転軸３２ａと平行に配置される。モータ３８には、トルクカプラ４０を介して駆動側プーリ４２が接続されている。トルクカプラ４０は、モータ３８の負荷が一定以上になると、トルクの伝達を切るものである。駆動側プーリ４２は、フレーム３６の外側に配置されている。モータ３８と駆動側プーリ４２の間に減連ギアはないので、直結していると言える。
　駆動側プーリ４２が配置されている側のアーム４８ａには、回転ブラシ３２の回転軸３２ａに直結された従動側プーリ４４が配置されている。駆動側プーリ４２と従動側プーリ４４には、駆動ベルト４６が掛止されている。なお、駆動側プーリ４２と従動側プーリ４４には、駆動ベルト４６のテンション調整のためのテンションプーリ４３が設けられていてもよい。フレーム３６の外側に配置された各プーリはプーリカバー４７で覆われている。なお、図３（ｂ）では、プーリカバー４７は省略している。
　研磨ブラシ３０は、モータ３８から遠い位置に駆動側プーリ４２および従動側プーリ４４を配置することで、Ｔ軸１７Ｔａに対して左右の重量バランスをとっている。研磨ブラシ３０は、上面３６ｕ側に設けた圧力センサ２０で手首部１８に連結している。したがって、Ｔ軸１７Ｔａに対する左右の重量バランスが異なると、研磨ブラシ３０の姿勢によって、圧力センサ２０が検出する値が異なっていたり、安定に保持できないといった問題が生じるからである。
　より詳しく説明する。図３（ａ）の正面図および図３（ｂ）の側面図において、圧力センサ２０のセンサ中心軸２０ｃと、回転ブラシ３２の主側面中心軸３４ｃａは、一致させるように構成されている。すなわち、回転ブラシ３２の主側面中心軸３４ｃａと、圧力センサ２０の中心軸２０ｃと、ロボット１１の手首部１８のＴ軸１７Ｔａは一致している。この構成によって回転ブラシ３２を被研磨面に押し当てた際に、均一な押圧を測定できる。
　なお、図３（ａ）のように、回転ブラシ３２の側面を正面に見たときのＴ軸１７Ｔａ（回転ブラシ３２の主側面中心軸３４ｃａ若しくは、圧力センサ２０のセンサ中心軸２０ｃと言っても同じ）をフレーム３６の中心線３６ｃと呼ぶ。このフレーム３６の中心線３６ｃに対して一方の側にはモータ３８が配置され、他方の側には、駆動側プーリ４２、従動側プーリ４４および駆動ベルト４６（以後「プーリ等」と呼ぶ。）が配置されている。
　また、モータ３８はフレーム３６の内部に配置されているのに対して、プーリ等は、フレーム３６の外側に配置されている。これはモータ３８の重量がプーリ等と比較して重いからである。したがって、トルクカプラ４０は、モータ３８の回転に逆方向のトルクをモータ３８の駆動軸３８ａに伝えないという役割と共に、左右のバランスをとるために、フレーム３６の中心線３６ｃから遠い位置にプーリ等を配置させるという目的もある。
　回転ブラシ３２は、側面が両端から中央に向かってＶ字に切り込まれており、さらに側面中央部分が突形状に形成されている。この突形状の両脇を回転ブラシ３２の溝形状３２ｎと呼ぶ。ここで、回転ブラシ３２は、回転軸３２ａの周囲に研磨繊維を植毛したものであるので、Ｖ字状の切込みや溝形状３２ｎは、研磨繊維を刈り込むことで形成される。したがって、溝形状３２ｎも研磨繊維の刈り込みで形成された部分である。
　回転ブラシ３２とフレーム３６の間には、スカート５０が配置される。スカート５０は、樹脂製の板材であるが、アルミなどの金属材料であってもよい。スカート５０には、回転ブラシ３２に対して研磨液や水（以後「研磨液等」と呼ぶ。）を供給するノズル５２ａ、ノズル５２ｂ（まとめて呼ぶ場合は「ノズル５２」という。）が設けられている。これらのノズル５２には、図示しない配管を介してポンプが接続されており、研磨液タンク若しくは水タンクから研磨液や水がノズル５２に供給される。またノズル５２ａ、ノズル５２ｂは、回転ブラシ３２の溝形状３２ｎに対向する位置に配置される。
　図１に戻って、制御部６０は、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ　Ｐｒｏｃｅｓｏｒ　Ｕｎｉｔ）とメモリからなるコンピューターで構成される。制御部６０は、ロボット１１の各軸モータの駆動部に接続されている。また、圧力センサ２０、研磨ブラシ３０、ポンプといった機器にも接続されており、これらの駆動を制御する。また、メモリには、被研磨物の研磨予定面の空間データが蓄積される。
　図４には、研磨装置１が配置された研磨ライン１００の平面図を示す。研磨ライン１００は、被研磨物である先頭車両３００を搬送する搬送ライン１０２の両脇にステージ１０４が設けられている。ステージ１０４は、研磨装置１のロボット１１（図１参照）が腕を伸ばせば先頭車両３００の屋根に先端の研磨ブラシ３０が十分に届く程度の高さに設定されている。
　ステージ１０４には、複数の研磨装置１が配置されている。各研磨装置１は、制御部６０の指示によって、被研磨物である先頭車両３００のノーズ部分の曲面を研磨する。
　図５には、回転ブラシ３２が被研磨面に押し当てられた状態を、回転ブラシ３２の側面から見た図を示す。図５（ａ）は押し当て前の状態であり、図５（ｂ）は押し当て後の状態である。圧力センサ２０は、回転ブラシ３２の主側面中心軸３４ｃａと一致した関係に取り付けられているので、回転ブラシ３２の押圧を直接測定することができる。
　つまり、回転ブラシ３２の回転軸３２ａに対して直角方向に研磨ブラシ３０を移動させれば、どのような面であっても、回転ブラシ３２の被研磨面に対する押圧を正確に測定することができる。しかも、回転ブラシ３２の主側面中心軸３４ｃａは、ロボット１１の手首部１８のＴ軸１７Ｔａとも一致しているので、制御部６０は、圧力センサ２０からの押圧値に基づいて、被研磨面と回転ブラシ３２のＴ軸１７Ｔａ方向の距離を調整することで、常に一定の押圧での研磨が可能となる。
　回転ブラシ３２は、被研磨面に押圧されることで、広がる。この時に回転ブラシ３２の側面はＶ字に切り込まれているので、広がった時にちょうど被研磨面を覆うことができる。ただし、回転ブラシ３２の溝形状３２ｎの部分は、被研磨面に当たらない。つまり、溝形状３２ｎの部分では未研磨部３２ｘが発生する。
　一方、研磨液等は、溝形状３２ｎに沿って供給される。したがって、回転ブラシ３２と被研磨面が接触している部分には、溝形状３２ｎの部分から研磨液等が供給される。
　回転ブラシ３２は通常１００ｒｐｍ以上で高速回転させられている。また、研磨繊維は、回転ブラシ３２の回転軸３２ａに沿って、１本／ｍｍ以上の密度で植毛されている。このように高密度で植毛されている回転ブラシ３２にフレーム３６側から研磨液等を供給した場合、遠心力で研磨液等は飛ばされてしまい、被研磨面と回転ブラシが直接接している部分には、供給されない。
　しかし、回転ブラシ３２には、予め溝形状３２ｎが形成されているので、その溝形状３２ｎを伝って研磨液等は研磨面に到達し、スムースな研磨を実現することができる。溝形状３２ｎの部分の未研磨部３２ｘは、研磨する際のピッチをオーバーラップさせることで、解消することができる。
　このように、回転ブラシ３２は、側面形状として意図的に研磨しない溝形状３２ｎを設け、研磨液等の研磨面への供給を十分に行えるようにしている。
　図６（ａ）には、ハンドツールを用いた研磨の様子を示す。研磨ブラシ３０を被研磨面３００ｓの法線方向３００ａから研磨方向に対して０度以上２０度以下の角度に設定させ、研磨ブラシ３０を回転させる。圧力センサ２０は研磨ブラシ３０と手首部１８の間に配置されている（図１参照）。したがって、圧力センサ２０は、手首部１８のＴ軸１７Ｔａ方向の力を検出することとなる。
　被研磨面３００ｓに対してできるだけＴ軸１７Ｔａ方向に沿って押し当てることで、正確な押圧力を検出することができる。被研磨面３００ｓの法線方向３００ａと研磨方向に向かったＴ軸１７Ｔａとの角度を当接角θと呼ぶ。当接角θが決まると、被研磨面３００ｓに対する押圧量は、圧力センサ２０からの値をＦとすると、Ｆ＊ｃｏｓθで正確に求めることができる（「＊」は乗算を表す）。
　そして、研磨ブラシ３０を被研磨面３００ｓに当接させる前に、圧力センサ２０のゼロ設定を行う。ゼロ設定とは、現在の圧力センサ２０の出力値をゼロと見なす工程である。圧力センサ２０は、圧力を面で受けているので、研磨ブラシ３０の姿勢によって、若干ゼロ点が異なる。したがって、研磨する都度圧力センサ２０のゼロ設定を行う。
　図６（ｂ）を参照する。次に被研磨面３００ｓに研磨ブラシ３０を押圧が所定の値になるまで当接させ、一定速度で被研磨面３００ｓをトレースする。この際のトレースは、研磨予定面の３次元曲面データに沿って行われる。
　また、研磨予定面をトレースする際には、研磨ブラシ３０の押圧が一定になるように、被研磨面３００ｓに対する垂直方向の位置を調整する。すなわち、圧力センサ２０の値が所定値以下になれば、被研磨面３００ｓとの間の距離を縮め、圧力センサ２０の値が所定値以上になれば、被研磨面３００ｓとの間の距離を離す。
　図６（ｃ）は水平部分３００ｆから傾斜部分３００ｇに研磨ブラシ３０が進む様子を示したものである。水平部分３００ｆと傾斜部分３００ｇの間には、Ｒのついた角部３００ｃがある。研磨ブラシ３０は、当接角θを角部でも維持するため、曲面上の法線方向３００ａに対して、研磨ブラシ３０の軸（Ｔ軸１７Ｔａ）を一定の角度に保持しながら研磨が進む。
　以上のように、本発明に係るハンドツール３０は、回転ブラシ３２の主側面中心軸３４ｃａと圧力センサ２０のセンサ中心軸２０ｃを一致させるように配置し、フレーム３６の中心線３６ｃに対しモータ３８とプーリ等を対局させて配置したので、曲面に対して常に一定の押圧で被研磨面を研磨することができる。
　また、上記の実施形態では回転ブラシ３２を研磨繊維で構成されたものとしたが、本発明に係るハンドツールはそれだけに限定されるものではなく、回転ブラシ３２を洗浄用の繊維（被処理面より柔らかい材質）で構成してもよい。その際にも、回転ブラシ３２の溝形状３２ｎは、ノズル５２から供給される洗浄液を被処理面に行き渡らせるために有効である。
　本発明は、上記の高速鉄道車両の先頭部分の構造体の研磨だけでなく、飛行機、船舶といった曲面で形成されている構造体や建築物の研磨や洗浄といった表面処理に好適に利用することができる。
１　研磨装置
１０　トレース装置
１１　６軸多関節ロボット
１１　ロボット
１２　ベース部
１４　下腕部
１６　上腕部
１８　手首部
１３Ｓ　Ｓ軸モータ
１３Ｌ　Ｌ軸モータ
１５Ｕ　Ｕ軸モータ
１５Ｒ　Ｒ軸モータ
１７Ｂ　Ｂ軸モータ
１７Ｔ　Ｔ軸モータ
１３Ｓａ　Ｓ軸
１３Ｌａ　Ｌ軸
１５Ｕａ　Ｕ軸
１５Ｒａ　Ｒ軸
１７Ｂａ　Ｂ軸
１７Ｔａ　Ｔ軸
２０　圧力センサ
３０　研磨ブラシ（ハンドツール）
２０ｃ　センサ中心軸
３６　フレーム
３６ｃ　中心線
３６ｕ　上面
３６ｄ　下面
３２ａ　回転軸
３２　回転ブラシ
３２ｎ　溝形状
３２ｘ　未研磨部
３４　円柱形
３４ｓ　研磨面
３４ｃ　側面中心軸
３４ｃａ　主側面中心軸
３８　モータ
３８ａ　駆動軸
４０　トルクカプラ
４２　駆動側プーリ
４３　テンションプーリ
４４　従動側プーリ
４６　駆動ベルト
４７　プーリカバー
４８、４８ａ、４８ｂ　アーム
５０　スカート
５２ａ　ノズル
５２ｂ　ノズル
５２　ノズル
６０　制御部
１００　研磨ライン
１０２　搬送ライン
１０４　ステージ
３００　先頭車両
３００ｓ　被研磨面
３００ａ　法線方向
３００ｆ　水平部分
３００ｇ　傾斜部分
３００ｃ　角部
θ　当接角

 

Claims (3)

  1. 　フレームと、
    　前記フレーム上部に配置された圧力センサと、
    　前記フレーム下部に配置された一対のアームと、
    　前記一対のアームに回転軸が枢支された回転ブラシと、
    　前記フレーム内に配置されたモータと、
    　前記モータの回転軸に連結された駆動側プーリと、
    　前記回転ブラシの回転軸に直結された従動側プーリと、
    　前記駆動側プーリおよび前記従動側プーリを連結する駆動ベルトを有し、
    　前記駆動側プーリと前記従動側プーリと前記駆動ベルトは、前記フレームの外側にあり、
    　前記モータは、前記フレームの中心線を介して、前記駆動側プーリと前記従動側プーリと前記駆動ベルトが配置された側と、反対側の前記フレーム内部に配置されているハンドツール。
  2. 　前記圧力センサのセンサ中心軸と前記回転ブラシの主側面中心軸同士が一致している請求項１に記載されたハンドツール。
  3. 　前記回転ブラシは、側面に溝形状が形成されており、
    　前記溝形状に対向する位置から液体を前記回転ブラシに向かって供給するノズルをさらに有している請求項１または２の請求項に記載されたハンドツール。

     
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