JP2005329626A

JP2005329626A - 多関節型ロボットを用いたプレカット木材の製造装置及び方法

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Publication number: JP2005329626A
Application number: JP2004150171A
Authority: JP
Inventors: Masao Suzuki; 正雄鈴木; Hiroteru Suzuki; 裕輝鈴木; Minoru Nakajima; 稔中島
Original assignee: JAPAN PROCESS DEV CO Ltd; JAPAN PROCESS DEVELOPMENT CO Ltd; Sumitomo Forestry Co Ltd; Nakajima KK
Current assignee: JAPAN PROCESS DEV CO Ltd; JAPAN PROCESS DEVELOPMENT CO Ltd; Sumitomo Forestry Co Ltd; Nakajima KK
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】多関節型ロボットを用いて多種の木材に対して多種の形状を効率良く加工する際に、木材の反り等の変形を加味して、加工量を設定することができるプレカット木材の製造装置及び方法を提供する。
【解決手段】多関節型ロボット１を使用したプレカット木材の製造装置であって、木材位置計測基準点Rと木材Wの実際の加工位置Pとの距離を測定するセンサ16を有し、前記センサ16により測定された距離L₄とプログラム上の距離L₅の設定値との差Dに応じて加工工具14の移動距離を修正しながら前記木材Wに加工を施すことを特徴とする装置。
【選択図】図９

Description

本発明は多関節型ロボットを用いて木材を種々の形状にプレカットする装置及び方法に関し、特に木造建築用の種々のサイズ及び形状の木材に対して種々の加工を自在にかつ効率的に行うことができる装置及び方法に関する。

図１及び図２に示すように、特に日本建築の木造住宅用プレカット木材には非常に多くのサイズ及び形状があり、そのため一棟分のプレカット木材の中で同一サイズ及び形状のものの数は比較的少ない。このように非常に多くのサイズ及び形状を有するプレカット木材に対して、多関節型ロボットは動作の融通性があるので好適である。しかしながら多種多様のプレカット木材を作製するにはロボットアームの動作が複雑になりすぎ、制御が困難であるという問題があった。そのためプレカット木材の作製にも、加工形状ごとに専用の加工装置を使用しているのが実情であった。

ところが、最近の人手不足、建築コスト削減及び工期短縮の要請から、注文建築のように１棟ごとに異なる木造建築に使用するプレカット木材を製造する場合でも、工程を自動化してプレカット木材の製造を能率良くしたいという要求が益々高まってきた。このような事情において、複数の加工工具及び木材把持部材を交換自在に支持する多関節型アーム式ロボットを用いたプレカット木材の製造装置が提案された（特開平6-285808号、特許文献１）。

また多関節型ロボットを使用したプレカット木材の製造装置として、特許第3167953号（特許文献２）は、木材の加工作業領域を挟んで左右に延在する一対のコンベヤ台と、各コンベヤ台の内端から前記加工作業領域に延在するとともに上下動可能な左右一対の可動式加工台と、各コンベヤ台の内端付近に位置する木材固定手段と、前記木材固定手段により固定された木材を加工する少なくとも１つの加工工具を交換自在に支持するアームを有するロボットと、各木材の加工データに基づいて前記ロボット及び前記可動式加工台に指令を出す制御装置とを有し、前記コンベヤ台には複数の突出自在な木材位置決め用ストッパが配置されており、前記加工データに基づいて所定のストッパを突出させることにより木材を停止させるとともに前記木材固定手段により固定し、前記可動式加工台を前記加工工具の作業範囲外に退避させるとともに、前記ロボットアームを補足的な距離だけ移動させた後で、木材の加工を行うことを特徴とするプレカット木材の製造装置を開示している。

特開平6-285808号公報特許第3167953号公報

特許文献１及び２に開示のプレカット木材の製造装置を使用すれば、一台の多関節型ロボットで一棟分のプレカット木材を全て加工することができるので、日本建築用の多種のプレカット木材の製造を連続的に低コストで効率よく行うことができる。例えば図３に示すように、先の木材W₁の後端部に丸鋸114で加工１を施した後、ロボットアームを左右対称の位置に反転させて後の木材W₂の先端部に丸鋸114で加工２を施すことができる。この際、加工１及び２の条件（丸鋸114の位置及び角度）は加工基準線５に対して定められる。また図４に示すように、丸鋸114を反転させて加工する木材W₃の二辺カットの場合、まず丸鋸114を角度α₁だけ傾斜させて一辺101をカットする加工１を行い、次に丸鋸114を角度−α₁に反転させて他辺102をカットする加工２を行う。この場合にも、加工１及び２の条件（丸鋸114の位置及び角度）は加工基準線５に対して定められる。

しかしながら、プレカット木材に加工する木材は天然素材であるので、幾分反り等の変形がある。プレカット用に集成材を使用したとしても、約0.3 mm超の反りがあることがある。このような反りを無視して加工すると、例えば図５に示すような問題が生じる。すなわち、プレカット加工機の加工基準線５に対してL₁だけ反っている木材W₄の先端を斜線C₁に示すように斜めに切断する場合、従来では反りのない木材としてその先端部から加工するようにプログラムされているため、そりによってずれた分加工後の材長がL₂だけ短くなる。

ところが、プレカット木材は建設現場でスムーズに組み立てられなければならないので、例えば約0.3 mm以下（好ましくは約0.1 mm）と非常に高い加工精度が要求されるだけでなく、その加工精度の要求は最近益々厳しくなってきている。

従って本発明の目的は、多関節型ロボットを用いて多種の木材に対して多種の形状を効率良く加工する際に、木材の反り等の変形を加味して、加工量を設定することができるプレカット木材の製造装置及び方法を提供することである。

上記課題を解決するために鋭意研究の結果、本発明者は、多関節型ロボットを使用して木材を多数の形状に加工する場合、前記木材の加工領域に面するようにセンサを配置し、木材位置計測基準点と木材の実際の加工位置との距離を前記センサにより測定し、得られた距離の測定値とプログラム上の距離の設定値との差に応じて前記加工工具の移動距離を修正しながら前記木材に加工を施すと、反り等の変形を有する木材でも、組立て時に誤差が生じない加工をすることができることを発見し、本発明を完成した。

すなわち、多関節型ロボットを使用した本発明のプレカット木材の製造装置は、木材位置計測基準点と木材の実際の加工位置との距離を測定するセンサを有し、前記センサにより測定された距離とプログラム上の距離の設定値との差に応じて前記加工工具の移動距離を修正しながら前記木材に加工を施すことを特徴とする。

多関節型ロボットを使用してプレカット木材を製造する本発明の方法は、木材位置計測基準点と木材の実際の加工位置との距離をセンサにより測定し、前記距離の測定値とプログラム上の距離の設定値との差に応じて前記加工工具の移動距離を修正しながら前記木材に加工を施すことを特徴とする。

本発明の好ましい実施態様として、以下のものが挙げられる。
(1) 前記センサがレーザセンサであることを特徴とするプレカット木材の製造装置。
(2) 前記ロボットは、多関節型アームと、前記アームの先端部に取り付けられたモータ装置と、前記モータ装置に取り付けられた把持装置とを具備し、前記把持装置には加工工具が着脱自在に取り付けられており、かつ前記センサが前記モータ装置又は前記プレカット木材製造装置の可動式加工台附近に取り付けられていることを特徴とするプレカット木材の製造装置。
(3) 前記ロボットは、多関節型アームと、前記アームの先端部に取り付けられたモータ装置と、前記モータ装置に取り付けられた把持装置とを具備し、前記把持装置に加工工具を着脱自在に取り付け、かつ前記センサを前記モータ装置又は前記プレカット木材製造装置の可動式加工台附近に取り付けることを特徴とするプレカット木材の製造方法。

上記構成を有する本発明のプレカット木材の製造装置及び方法では、センサにより測定した木材位置計測基準点と木材の加工位置との距離に応じて加工工具の加工位置を修正しながら加工を施すので、反り等の変形を有する木材でも組立て時に誤差が生じない加工をすることができる。

[1] ロボット
図６は本発明の装置に使用するロボットの一例を示す。ロボット１は、加工作業領域内で三次元的に自在に動くことができる多関節型アーム11と、アーム11の先端部に取り付けられたモータ装置12と、モータ装置12に取り付けられた把持装置13に着脱自在に取り付けられる加工工具14と、モータ装置12に取り付けられたレーザセンサ16とを有する。レーザセンサ16自体は公知のものを使用できるが、例えばレーザ式変位センサを使用するのが好ましい。なおこの例では、レーザセンサ16はモータ装置12に取り付けられているが、後述するようにレーザセンサを可動式加工台の付近（下方又は左右）に配置しても良く、またモータ装置12への取り付けと、可動式加工台の付近への設置の両方を行っても良い。

レーザセンサ16の取り付け方向は、図６に示すように加工工具14の反対向きであっても、図７に示すように加工工具14と同じ向きであっても良い。図６の取り付け方向の場合、図８に示すように、レーザセンサ16を加工位置Pに向けて加工位置Pとの距離を測定した後で、モータ装置12を180°回転させ、加工工具14を加工位置Pに配置させる。なお加工工具14は丸鋸、カッター、ルーター、ドリル等、いかなるものでも良い。

ロボット１のアーム11間の関節にはアクチュエータ及びエンコーダが設けられており、アーム11は回転自在であるとともに、角度の変更により伸縮自在であり、三次元的に自由に動くことができる。

例えば図９に示すように、プレカット加工機の加工基準線５に対してL₁だけ反っている木材W₄に対して、加工基準線５との正しい距離L₄で斜めに切断するためには、まずレーザセンサ16から木材W₄の加工位置Pにレーザを照射し、その反射光を感知することにより、レーザセンサ16（木材位置計測基準点R）と木材W₄の実際の加工位置Pとの距離を測定する。プログラムが持っている木材位置計測基準点Rからプレカット加工機の加工基準線５までの距離L₅とセンサ16で計測した距離L₄の差が加工位置Pの修正距離Dとなる。木材W₄はL₁だけ反っているため、加工位置Pを修正距離D（＝L₁）だけ移動すると、斜線C₂に沿って木材W₄の先端から加工することになり、加工後も正しい長さとなる。

[3] プレカット木材の製造装置
本発明を適用し得る多関節型ロボット式装置は限定的ではないが、例えば特許文献２に記載の多関節型ロボット式装置が好ましい。この装置は、図10に示すように、多関節型アーム式ロボット１と、直線上に配置された左右１対のコンベヤ台2a、2bと、各コンベヤ台2a、2bの内端付近に位置する一対の可動式加工台3a、3bと、コンベヤ台2aに連結した木材の投入コンベヤ（図示せず）と、コンベヤ台2bに連結したプレカット木材の排出コンベヤ（図示せず）と、ロボットの制御装置６と、各コンベヤ台2a、2b上に複数設けられた木材搬送ローラ21と、少なくとも下流側のコンベヤ台2bに一定間隔に設けられた複数の木材位置決め用ストッパ22と、各コンベヤ台2a、2bの内端付近に位置する木材固定手段23a、23bと、搬送中の木材Wの上面を押圧するローラ装置28と、可動式加工台3a、3bを駆動するエアシリンダー33a、33bと、各可動式加工台3a、3bに設けられた木材搬送用ローラ31と、上流側の可動式加工台3aに設けられた木材位置決め用ストッパ32と、一対の可動式加工台3a、3bの下で直交方向に延在する切れ端排出コンベア７とを具備する。

可動式加工台3a、3bがある加工域に、反りを測定する一対のレーザセンサ16a，16bを設けることができる。レーザセンサ16a，16bを可動式加工台3a、3bの下側に設ける場合、木材Wの上下の反りを測定する。また可動式加工台3a、3bの左右にレーザセンサ（図示せず）を設けて、木材Wの左右の反りを測定することができる。勿論、木材Wの上下左右の反りを測定する場合、レーザセンサを可動式加工台3a、3bの下方及び左右に配置する。また可動式加工台3a、3bの付近にレーザセンサを配置した場合、ロボット１のモータ装置12にレーザセンサを設けても設けなくても良い。

ロボット１のアーム11の移動可能範囲15内に、アーム11に着脱自在に取り付ける複数の加工工具14を配置した加工工具台（図示せず）が設けられている。加工工具14の数は任意に設定できる。

制御装置６は、木材の加工情報（加工形状、加工順序、基本動作、加工パラメータ、ティーチングポイント等）を基に、多関節型アーム式ロボット１のみならず、コンベヤ台2a、2b、可動式加工台3a、3b、木材固定手段23a、23b、ストッパ22、32等の動きを制御する。

[4] 加工方法
この装置でプレカット木材Wの加工を行う場合、まず各木材Wの加工情報データを制御装置６に入力する。次に木材投入コンベヤ（図示せず）に木材Wを投入し、制御装置６の指令に基づいてコンベヤ台2aに搬送する。木材Wが加工作業領域に達したら、ストッパ22、32のいずれか１つを突出させて木材Wの進行方向の位置決めを行う。次いで木材固定手段23a、23bを作動させて木材Wを三方からしっかり把持・固定する。

例えば、先端加工をする場合、可動式加工台3aの先端のストッパ32を突出させる。また木材Wの末端を加工する場合、木材Wを前進させてコンベヤ台2b上の適当なストッパ22に当接させて停止させ、木材固定手段23bで固定すれば良い。また可動式加工台3bの先端に設けたストッパ22に当接させることにより木材Wを停止・固定しても、同様に精確な位置決めができる。さらに木材Wの中間位置を加工する場合、加工部位がロボット１の加工作業領域内にあるように、コンベヤ台2bの最適なストッパ22を突出させて木材Wを停止させ、固定装置23a及び／又は23bで木材Wをしっかり固定する。なお木材Wの末端を加工する場合の位置決め方法は上記以外に、(1) 可動式加工台3bにストッパを設けて木材Wを後退させる方法、(2) 木材Wの一部を把持する移動式位置決め装置を利用する方法等が考えられる。木材Wを固定した後、必要に応じて図11に示すように可動式加工台3a，3bを下降させて、木材Wの加工を行う。

固定した木材Wの反り等の変形をレーザセンサ16a，16bにより測定し、得られた木材位置計測基準点Rと木材Wの実際の加工位置Pとの距離の測定データに基づき、プログラムされた加工工具14の移動距離を修正し、加工を行う。

以上本発明を添付図面を参照にして説明したが、本発明はこれらに限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更をすることができる。

本発明の対象となるプレカット木材の各種の加工形状を示す斜視図である。本発明の対象となる別のプレカット木材の各種の加工形状を示す斜視図である。先の木材及び後の木材に対して加工を施す場合の工具（丸鋸）の方向及び動きを示す概略図である。木材の端部に複数の加工工程を施す例を示す概略図である。従来の方法により反りを有する木材を斜め切断する例を示す断面図である。本発明のプレカット木材の製造装置に用いるロボットの一例を示す概略図である。本発明のプレカット木材の製造装置に用いるロボットの別の例を示す部分概略図である。図６に示すロボットの使用例を示す部分概略図である。反りを有する木材を斜め切断する場合に、本発明により反りの分だけ加工位置を修正する例を示す断面図である。本発明のプレカット木材の製造装置の具体例を示す概略図である。図10のプレカット木材の製造装置において両可動式加工台が下降した状態を示す概略図である。

符号の説明

１・・・多関節型アーム式ロボット
2a、2b・・・コンベヤ台
3a、3b・・・可動式加工台
５・・・加工基準線
６・・・制御装置
11・・・ロボットのアーム
12・・・モータ装置
13・・・把持装置
14・・・加工工具
16，16a，16b・・・（レーザ）センサ
21、31・・・木材搬送ローラ
22、32・・・位置決めストッパ
23a、23b・・・木材固定装置
W・・・木材

Claims

多関節型ロボットを使用したプレカット木材の製造装置であって、木材位置計測基準点と木材の実際の加工位置との距離を測定するセンサを有し、前記センサにより測定された距離とプログラム上の距離の設定値との差に応じて前記加工工具の移動距離を修正しながら前記木材に加工を施すことを特徴とする装置。
請求項１に記載のプレカット木材の製造装置において、前記センサがレーザセンサであることを特徴とする装置。
請求項１又は２に記載のプレカット木材の製造装置において、前記ロボットは、多関節型アームと、前記アームの先端部に取り付けられたモータ装置と、前記モータ装置に取り付けられた把持装置とを具備し、前記把持装置には加工工具が着脱自在に取り付けられており、かつ前記センサが前記モータ装置又は前記プレカット木材製造装置の可動式加工台附近に取り付けられていることを特徴とする装置。
多関節型ロボットを使用してプレカット木材を製造する方法であって、木材位置計測基準点と木材の実際の加工位置との距離をセンサにより測定し、前記距離の測定値とプログラム上の距離の設定値との差に応じて前記加工工具の移動距離を修正しながら前記木材に加工を施すことを特徴とする方法。
請求項４に記載のプレカット木材の製造方法において、前記センサとしてレーザセンサを使用することを特徴とする方法。
請求項４又は５に記載のプレカット木材の製造方法において、前記ロボットは、多関節型アームと、前記アームの先端部に取り付けられたモータ装置と、前記モータ装置に取り付けられた把持装置とを具備し、前記把持装置に加工工具を着脱自在に取り付け、かつ前記センサを前記モータ装置又は前記プレカット木材製造装置の可動式加工台附近に取り付けることを特徴とする方法。