WO2022249323A1 - 作動完了判定方法および作業ロボット - Google Patents

Abstract

作動油の温度に応じて作動時間が変化する油圧アクチュエータの作動完了を判定する作動完了判定方法および、同方法を用いた駆動制御を行う作業ロボットを提供するものであり、油圧アクチュエータを備えた油圧装置の作動完了を、指令信号が送信されてから予め設定された作動時間が経過するまでのタイマ値を基に判定するものであって、前記油圧アクチュエータを作動させる作動油の温度と、その作動油温度で前記油圧アクチュエータが所定距離作動する際の作動時間との関係を示す作動時間データを有し、作動油の実際の温度である現作動油温度を基に前記作動時間データから該当する作動時間を特定し、前記油圧アクチュエータにおける実際の作動距離に従って算出した作動時間を前記タイマ値として設定調整することにより作動完了を判定する。

Description

作動完了判定方法および作業ロボット

　本発明は、作動油の温度に応じて作動時間が変化する油圧アクチュエータの作動完了を判定する作動完了判定方法および、同方法を用いた駆動制御を行う作業ロボットに関する。

　複数の工作機械が並べられた加工機械ラインにはオートローダが設けられ、主軸チャックなどとの間でワークの受渡しが行われる。そのため工作機械およびオートローダには、ワークを把持および解放できるように油圧アクチュエータを駆動手段とするチャック装置が設けられている。下記特許文献１は、工作機械などのチャック装置に関し、油圧シリンダの作動速度制御に関する発明が開示されている。作動油の温度に伴った粘性変化が制御精度の向上に影響を与えることを課題としたものであり、油圧シリンダの作動速度を高い精度をもって多段階または無段階に可変制御するようにした油圧装置に関する。その油圧装置は、油圧シリンダへ作動油を供給する油圧ポンプと、油圧ポンプを回転駆動する駆動モータと、駆動モータの回転速度を可変に制御する駆動モータ制御手段とを備えたものである。そして、駆動モータの制御によって供給する作動油の流量を可変させることにより、油圧シリンダの作動速度を制御するものである。

特開平６－３２３３０３号公報

　油圧アクチュエータを備えた前記従来例は、油圧シリンダの作動速度を調整するものであり、作動油の流量を可変させるため、油圧ポンプには可変容量型のポンプが用いられている。また、インバータ等からなる駆動モータが使用され、電気的な可変制御によって油圧シリンダの作動速度を多段階さらには無段階に変化させる制御が行われる。こうした従来技術では、油圧アクチュエータへ供給される作動油の流量補正により、作動油の粘性変化にかかわらず油圧アクチュエータの作動速度を一定にすることができる。しかし、油圧アクチュエータに対する作動速度を一定にする制御は、そのための構成が複雑になりコストアップの原因になるなどの課題を有している。

　そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、作動油の温度に応じて作動時間が変化する油圧アクチュエータの作動完了を判定する作動完了判定方法および、同方法を用いた駆動制御を行う作業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作動完了判定方法は、油圧アクチュエータを備えた油圧装置の作動完了を、指令信号が送信されてから予め設定された作動時間が経過するまでのタイマ値を基に判定するものであって、前記油圧アクチュエータを作動させる作動油の温度と、その作動油温度で前記油圧アクチュエータが所定距離作動する際の作動時間との関係を示す作動時間データを有し、作動油の実際の温度である現作動油温度を基に前記作動時間データから該当する作動時間を特定し、前記油圧アクチュエータにおける実際の作動距離に従って算出した作動時間を前記タイマ値として設定調整することにより作動完了を判定する。

　本発明の他の態様における作業ロボットは、作動油によって作動する油圧アクチュエータを備えた油圧装置と、前記油圧装置を備え前記油圧アクチュエータの作動によって所定の作業を実行する作業機本体と、前記油圧装置に対する指令信号が送信されてから、作動油の温度に応じた作動時間が経過するまでのタイマ値を基に記油圧アクチュエータの作動完了を判定し、前記作業機本体に対する次の指令を送信する制御装置とを有する。

　前記構成によれば、作動油温度と作動時間との関係を示す作動時間データを有し、作動油の実際の温度である現作動油温度を基に作動時間データから該当する作動時間を特定し、油圧アクチュエータにおける実際の作動距離に従って算出した作動時間をタイマ値として設定調整することにより作動完了を判定するため、例えば油圧装置における作動完了後に、その油圧装置を備えた作業機本体に対して時間のロスをなくした制御を行うことができる。

ワーク搬送ロボットを示した斜視図である。 ロボットハンド備えた前腕部を示した図である。 オートローダの制御システムを示すブロック図である。 第１および第２油圧チャックを作動させる油圧回路の一例を示した図である。 低温時と高温時の作動時間の測定結果を示した図である。 作動油の温度変化と作動時間の変化をグラフに示した図である。

　本発明に係る作動完了判定方法および作業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。本実施形態では、油圧アクチュエータを備えた油圧装置としてロボットハンドを、そして油圧装置を備えた作業ロボットとしてワーク搬送ロボットを例に挙げて説明する。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、図示するオートローダ１を構成する多関節ロボットアーム２である。このオートローダ１は、加工機械ラインに組み込まれ、複数の工作機械などとワークの受渡しを行うものである。多関節ロボットアーム２は、複数の工作機械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。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。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、任意の角度調整が可能になっている。

　油圧装置であるロボットハンド２５は、図示する第１油圧チャック４１と、その裏側に同じ構造の第２油圧チャック４２（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４１，４２は、ワークを掴むための３本のチャック爪４５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４６に組み付けられている。装置本体４６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４５の開閉機構が構成されている。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４５に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４１，４２は、そうした３本のチャック爪４５の開閉によってワークの把持および解放が行われる。

　図３は、オートローダ１の制御システムを示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といった記憶部などを備えるコンピュータを主体としたものであり、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４１，４２に関するタイマ値設定プログラム５８が不揮発性メモリ５４に格納されている。タイマ値設定プログラム５８は、作動油温度に従って変化する油圧アクチュエータの作動時間に応じてタイマ値を設定調整するものである。タイマ値は、油圧アクチュエータを用いた油圧装置が、制御装置５による指令信号の送信があってから、当該指令に基づく所定の作動が完了するまでの時間をいう。

　次に、図４は、第１および第２油圧チャック４１，４２を作動させる油圧回路６０の一例を示した図である。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６３，６５とアンクランプ側流路６４，６６とが接続されている。クランプ側流路６３，６５とアンクランプ側流路６４，６６には、それぞれパイロットチェック弁６９が接続されている。また、クランプ側流路６３とアンクランプ側流路６４には方向制御弁６７が接続され、クランプ側流路６５とアンクランプ側流路６６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６３，６５またはアンクランプ側流路６４，６６との接続を切り換えるものである。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。そして、本実施形態にはタンク７１内に温度センサ７７が入れられ、作動油の温度情報が制御装置５へと常に送られるようになっている。

　オートローダ１は、制御装置５から送信される指令信号に基づき各駆動部の駆動制御が行われる。例えば、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の位置や角度が調整され、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４２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４１が主軸チャックへと新たなワークを受け渡しする。

　こ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４１は、方向制御弁６７の切り換えによって作動油が供給および排出が行われ、把持および解放が行われる。図示するように供給流路７３がアンクランプ側流路６４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６３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４５によってワークが把持される。第２油圧チャック４２に関しても同様にしてワークの把持および解放が行われる。

　ところで、第１油圧チャック４１および第２油圧チャック４２は、作動油の温度が変化すると粘度が変化し、開閉するチャック爪４５の作動速度が変化する。従って、第１油圧チャック４１などで行うワークの把持および解放の完了を判定するにはチャック爪４５の位置をスイッチで検出することが確実であるが、回転するロボットハンド２５に信号線を繋いだスイッチを設けることは困難である。そこで、ワークの把持および解放の完了を直接確認することはせず、予め設定したタイマ値をカウントすることで作動完了を判定し、次の指令信号を送信するようにした制御を行う。

　図５は、作動油が低温の場合と高温の場合との圧力変化を示した図である。この圧力変化はワークを把持する方向に油圧シリンダ６１が作動した場合のものであり、クランプ側流路６３に接続した圧力センサにおける測定値である。グラフＣ１は、作動油が低温の場合の圧力変化であり、グラフＣ２は、作動油が高温の場合の圧力変化である。なお、今回の測定では、油圧シリンダ６１がチャック爪４５の最大ストローク（１２．５ｍｍ）で伸長作動する場合に、圧力がＰ１からＰ２に変化する間の作動時間が測定されている。

　測定結果によると、作動油の温度差によって作動時間に大きな差（ｔ１とｔ２）が生じることが分かる。従って、作動時間が長くなる低温時の作動時間に応じてタイマ値を設定することで、確実に作動完了を判定することができる。しかし、例えば第１油圧チャック４１におけるワーク把持のタイマ値として、低温であるｔ２側に合わせてタイマ値を設定すると、それよりも短い時間でワークの把持や解放が完了しても、制御装置５から次の指令を送信することができず、多関節ロボットアーム２が動き出すことはない。そのため、作動油温度が高くなる時間帯や季節においては、ワークの受渡しなど一つ一つの作業に無駄な待ち時間が生じてしまい、その積み重ねによる損失が大きい。

　この点、本実施形態ではタイマ値設定プログラム５８によって、作動油温度に応じてタイマ値が設定調整され、時間のロスを生じさせることなく次の指令が行われるようになっている。図６は、作動油温度と作動時間の関係（作動時間データ）をグラフに示した図であり、特に第１油圧チャック４１（第２油圧チャック４２も同じ）のワーク把持作動時における関係を示したものである。

　今回、作動時間データを求めるに当たって、まず作動油の温度を段階的に変化させた。そして、各々の温度でワーク把持作動時間が測定され、グラフにはその実測値が直線で結ばれている。油圧を変えて行った２パターンにおいて同様な関係が得られた。そして、実測値に重ねて表示した近似曲線の式に値（作動油温度）を代入して解（ワーク把持作動時間）を求め、点線で示すグラフの作動時間データが作成された。この作動時間データは制御装置５の記憶部に格納されている。

　タイマ値設定プログラム５８では、作動時間データから導かれる作動油温度に対応した作動時間Ｓｎに、指令信号が送信されてからチャック爪４５が動き出すまでの作動開始時間Ｍと、余裕時間Ｎを加算した値がタイマ値Ｔｎ（＝Ｓｎ＋Ｍ＋Ｎ）として算出される。そこで、オートローダ１を駆動制御する制御装置５では、温度センサ７７から送信される実際の温度である現作動油温度が１℃変化するごとに、当該温度に対する作動時間Ｓｎが作動時間データから特定され、前述した計算に基づいて得られたタイマ値Ｔｎが設定調整される。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場合には、第２油圧チャック４２が加工済みワークを把持するタイマ値Ｔｎが算出され、次のように多関節ロボットアーム２の駆動制御が行われる。

　先ず、工作機械での加工が終了した後、多関節ロボットアーム２が図１に示すように形態を変化させて加工室内に侵入し、ロボットハンド２５の第２油圧チャック４２が主軸チャックのワークに対して位置決めされる。その後、ワーク把持の指令信号に従って油圧ポンプ７２の駆動と方向制御弁６８の切り換えが行われ、油圧シリンダ６２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４５によってワークが把持される。このとき作動油温度に応じて設定調整されたタイマ値Ｔｎに基づいたカウントが行われる。

　具体的には、現作動油温度が３０℃とした場合の作動時間Ｓｎは、図６に示す作動時間データから２１４ｍｓｅｃが特定される。また、ワークを把持する際のクランプ代（作動距離）が６．５ｍｍであり、図６が最大ストローク１２．５ｍｍの作動時間データであることから、２１４×（６．５／１２．５）＝１１１ｍｓｅｃ（小数点以下省略）が算出される。さらに作動開始時間Ｍの１６０ｍｓｅｃと、余裕時間Ｎの３０ｍｓｅｃとが加算され、タイマ値Ｔｎは３０１ｍｓｅｃとなる。そこで、ワーク把持指令信号が送信とともにタイマ値Ｔｎのカウントが開始され、その終了によって第２油圧チャック４２におけるワークの把持が完了したと判定される。そして、ワークを取り出しのための多関節ロボットアーム２に対する指令信号が送信され、ワーク把持後の駆動が実行される。

　従って、本実施形態によれば、作動油温度と作動時間の関係を示す作動時間データを有し、それに基づいてタイマ値を設定調整するようにしたため、作動油温度が変化しても第１油圧チャック４１で行うワークの把持および解放など作動完了を適切に判定することができる。また、作動油温度に応じてタイマ値を設定調整することで、次の制御に移行する際に無駄になる時間のロスをなくすことができ、ワーク搬送などにおける作業時間の短縮になる。タンク７１に入れた温度センサ７７によって実際の作動油温度に従ってタイマ値が設定調整されるため、作動完了を適切に判定することができる。

　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、前記実施形態では油圧装置としてロボットハンドを、作業ロボットとしてワーク搬送ロボットを例に挙げて説明したが、油圧アクチュエータを備えたものであれ他の油圧装置などであってもよい。

１…オートローダ　２…多関節ロボットアーム　３…走行装置　５…制御装置　２２…上腕部　２３…前腕部　２５…ロボットハンド　４１…第１油圧チャック　４２…第２油圧チャック　４５…チャック爪　５８…タイマ値設定プログラム　６０…油圧回路　６１，６２…油圧シリンダ　７１…タンク　７７…温度センサ
 
 

Claims (5)

1. 　油圧アクチュエータを備えた油圧装置の作動完了を、指令信号が送信されてから予め設定された作動時間が経過するまでのタイマ値を基に判定する作動完了判定方法であって、
   　前記油圧アクチュエータを作動させる作動油の温度と、その作動油温度で前記油圧アクチュエータが所定距離作動する際の作動時間との関係を示す作動時間データを有し、
   　作動油の実際の温度である現作動油温度を基に前記作動時間データから該当する作動時間を特定し、前記油圧アクチュエータにおける実際の作動距離に従って算出した作動時間を前記タイマ値として設定調整することにより作動完了を判定する作動完了判定方法。
2. 　前記タイマ値は、作動油温度の変化に従って算出される前記作動時間に、指令信号が送信されてから前記油圧アクチュエータが動き出すまでの作動開始時間と、余裕時間を加算した値である請求項１に記載の作動完了判定方法。
3. 　前記タイマ値の設定調整は、前記現作動油温度が所定の値変化するごとに行われる請求項１または請求項２に記載の作動完了判定方法。
4. 　作動油によって作動する油圧アクチュエータを備えた油圧装置と、
   　前記油圧装置を備え前記油圧アクチュエータの作動によって所定の作業を実行する作業機本体と、
   　前記油圧装置に対する指令信号が送信されてから、作動油の温度に応じた作動時間が経過するまでのタイマ値を基に記油圧アクチュエータの作動完了を判定し、前記作業機本体に対する次の指令を送信する制御装置と、
   を有する作業ロボット。
5. 　前記制御装置は、前記油圧アクチュエータを作動させる作動油の温度と、その作動油温度で前記油圧アクチュエータが所定距離作動する際の作動時間との関係を示す作動時間データを有し、作動油の実際の温度である現作動油温度を基に前記作動時間データから該当する作動時間を特定し、前記油圧アクチュエータにおける実際の作動距離に従って算出した作動時間を前記タイマ値として設定調整することにより作動完了を判定するタイマ値設定部を有する請求項４に記載の作業ロボット。
    
    

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