JP2013166202A - 自動研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨残しが少なく、人間による研磨に近い表面の状態にすることができる自動研磨装置を提供することにある。
【解決手段】この自動研磨装置１は、スティック形状をなし、先端部に傾斜面２ａを有する研磨部材２と、研磨部材２を被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕに対して傾斜するように保持する研磨部材ホルダ３と、研磨部材ホルダ３を固定し、研磨部材２が被研磨物Ｓから受ける力を研磨部材ホルダ３を介して計測する力センサ４と、力センサ４を固定し、関節部５０を有するロボットアーム５と、被研磨物Ｓを保持する基台６と、力センサ４の計測に基づいて研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てる力の調整を行い、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てたまま研磨部材２の直線的な移動を行うようにロボットアーム５を制御する制御部７と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型の研磨に好適な自動研磨装置に関する。

金型は、多くの部品製造に用いられており、高精度に研磨された表面が求められる。そのため、金型製造時に、鋼材が放電加工等により所定の金型の形状に加工された後、一般的には、熟練した職人が長い時間をかけて金型の表面を手作業により研磨作業を行っている。この研磨作業は、荒磨きと仕上げ磨きに大別される。荒磨きには、非常に長い時間が必要である。近年、熟練した職人自体が不足しており、また、納期の短縮化要求も有るため、研磨作業における荒磨きが自動化できれば、非常に有効である。

これまでに、研磨作業の一部を自動化した自動研磨装置が種々提案されている。例えば、特許文献１には、ロボットアームにツールヘッドを取り付け、ツールヘッドに研磨部材ホルダを取り付け、研磨部材ホルダで研磨部材を保持したものであって、ツールヘッドに研磨部材を回転させるモータ装置と研磨部材を被研磨面に対して略一定の圧力で加圧する加圧装置とを設け、動作制御装置により被研磨面上の研磨部材を所定のパスに沿って動かす自動研磨装置が記載されている。また、特許文献２には、先端が半球状の研磨部材が垂直軸に沿って上下して垂直軸周りに回転し、被研磨物を保持する台座が動いて被研磨物の姿勢と水平位置を変化させる自動研磨装置が記載されている。垂直軸やその他の研磨に必要な各軸の動きの制御は、正確に同期するように同一のコントローラ上で実行される。

特開平７−１００７５４号公報 特開２００５−８１４７７号公報

しかしながら、これまでの自動研磨装置の多くは、特許文献１、２に記載されているように、研磨部材が回転することによって研磨するものであり、金型の被研磨面の凹んだ角部などに研磨残しが生じてしまうものであった。また、研磨部材の回転速度が大きく研磨部材の移動はゆっくりしたものであるので、人間による研磨とは大きく異なる表面の状態になりやすいものであった。

本発明は係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、研磨残しが少なく、人間による研磨に近い表面の状態にすることができる自動研磨装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の自動研磨装置は、スティック形状をなし、先端部に傾斜面を有する研磨部材と、前記研磨部材を被研磨物の被研磨面に対して傾斜するように保持する研磨部材ホルダと、前記研磨部材ホルダを固定し、前記研磨部材が前記被研磨物から受ける力を前記研磨部材ホルダを介して計測する力センサと、前記力センサを固定し、関節部を有するロボットアームと、前記被研磨物を保持する基台と、前記力センサの計測に基づいて前記研磨部材を被研磨面に押し当てる力の調整を行い、前記研磨部材を被研磨面に押し当てたまま前記研磨部材の直線的な移動を行うように前記ロボットアームを制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。

請求項２に記載の自動研磨装置は、請求項１に記載の自動研磨装置において、前記制御部は、前記研磨部材を被研磨面に押し当てその力の調整を行ってから前記研磨部材を第１の方向に複数回往復移動させる往復研磨動作と、前記研磨部材を被研磨面から離して前記第１の方向に直交する第２の方向に移動する平行移動動作と、を順次繰り返す第１の研磨工程と、前記基台を回転させた後、前記往復研磨動作と前記平行移動動作とを順次繰り返す第２の研磨工程と、前記研磨部材を被研磨面に押し当てその力の調整を行ってから前記研磨部材をジグザグ移動させるジグザグ研磨動作を行う第３の研磨工程と、前記基台を回転させ、前記ジグザグ研磨動作を行う第４の研磨工程と、を実行するように、前記ロボットアーム及び前記基台を制御することを特徴とする。

請求項３に記載の自動研磨装置は、請求項２に記載の自動研磨装置において、前記第１及び第２の研磨工程では、前記第２の方向の移動の距離は順次、ランダムに変わることを特徴とする。

請求項４に記載の自動研磨装置は、請求項２又は３に記載の自動研磨装置において、前記第３及び第４の研磨工程では、前記ジグザグ移動の折れ曲がり角度は折れ曲がり毎に、或いは、前記第３の研磨工程と前記第４の研磨工程を繰り返す場合は前記第３及び第４の研磨工程毎に、ランダムに変わることを特徴とする。

本発明の自動研磨装置によれば、ロボットアームを制御してスティック形状の研磨部材の直線的な移動によって研磨を行うようにしたので、研磨残しが少なく、また、人間による研磨に近い表面の状態が可能になる。

本発明の実施形態に係る自動研磨装置を示す概略側面図である。 同上の自動研磨装置の研磨部材を示すものであって、（ａ）が拡大側面図、（ｂ）が拡大低面図である。 同上の自動研磨装置の研磨部材の表面近傍の微細構造を示す模式図である。 同上の自動研磨装置が実行する研磨工程を示す説明図であって、（ａ）が第１の研磨工程、（ｂ）が第２の研磨工程である。 同上の自動研磨装置が実行する研磨工程を示す説明図であって、（ａ）及び（ｂ）が第３の研磨工程、（ｃ）及び（ｄ）が第４の研磨工程である。

本発明の実施形態を、以下説明する。本発明の実施形態に係る自動研磨装置１は、図１に示すように、研磨部材２と、研磨部材２を保持する研磨部材ホルダ３と、研磨部材ホルダ３を固定する力センサ４と、力センサ４を固定するロボットアーム５と、被研磨物Ｓを保持する基台６と、ロボットアーム５の動作を制御する制御部７と、を備えている。自動研磨装置１は、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕにおける不要な凹凸を取り除くように自動的に研磨する装置である。また、この実施形態における被研磨物Ｓは、金型である。

研磨部材２は、図２に示すように、スティック形状をなしている。詳細には、研磨部材２は、薄厚長板状であり、大きさは限定されるものではないが、例えば、厚さ約２ｍｍ、幅約５ｍｍ、長さ約８０ｃｍのものを用いることができる。また、研磨部材２は、先端部に傾斜面２ａを有している。この傾斜面２ａの角度は、後述する研磨部材ホルダ３によって保持される研磨部材２の長手方向の角度θに応じて、傾斜面２ａ全体が被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕに適正に接触するような角度である。

研磨部材２の少なくとも傾斜面２ａを含む先端部の表面近傍は、図３に示すように、硬くて粗い粒径の無数の砥粒２０が分散し、砥粒２０が結合材２１により固定されている。砥粒２０は、例えば、アルミナを主体とするものや炭化ケイ素を主体とするものなどである。研磨動作を繰り返すと、砥粒２０が削られて行き、やがて砥粒２０が剥がれて新しい尖った砥粒２０が表面に表れることとなる。

研磨部材ホルダ３は、図１に示すように、研磨部材２を被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕに対して傾斜するように保持する。この傾斜の角度θは、例えば、被研磨面Ｓｕに対して約３０度にすることができる。研磨部材２を傾斜させることにより、被研磨面Ｓｕの取り除く凹凸に対して研磨部材２がしなり、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに適切な力で押し当てながら移動させることができる。

力センサ４は、研磨部材２が被研磨物Ｓから受ける力を研磨部材ホルダ３を介して計測する。力センサ４は、公知の多軸力センサ（例えば、６軸力センサ又は３軸力センサなど）を用いることができる。

ロボットアーム５は、複数の関節部５０、５０、・・・を有し、基部５１が作業台ＷＴ等に位置固定されながら、力センサ４が固定される先端部５２の多方向の動作が可能になっている。ロボットアーム５は、公知の多軸マニピュレータ（例えば、６軸マニピュレータなど）を用いることができる。

基台６は、保持する被研磨物Ｓを回動させることができるよう回動動作が可能である。

制御部７は、力センサ４の計測に基づいて研磨部材２を被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕに押し当てる力の調整を行い、研磨部材２が押し当てられたまま研磨部材２の直線的な移動を行うようにロボットアーム５を制御する。これにより研磨が行われる。また、制御部７は、被研磨物Ｓの回転移動を行うように基台６を制御する。なお、ここで、直線的な移動とは、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕが平面の場合に、直線に沿って移動することをいう。また、図１においては、力センサ４から制御部７に至る力センサ４の計測信号の図示は省略している。

この制御部７によって制御される自動研磨装置１の研磨部材２は、スティック形状であって直線的に移動することによって研磨するので、回転することによって研磨するものと違って、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕの凹んだ角部などに対して研磨残しを極力少なくすることができる。

また、研磨作業後には、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕに研磨した研磨筋（研磨痕）が僅かに残る。この研磨筋は、避けられないものであるが、研磨部材２の直線的な移動による研磨は、研磨筋を揃えて目立たないようにし易い。これは、人間による研磨に近い表面の状態であり、研磨部材が回転することによって研磨するものよりも、研磨作業後の被研磨面Ｓｕの状態を良くする。

また、研磨部材２を被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕに押し当てその力の調整を行ってから、研磨部材２の直線的な移動による研磨を行うので、研磨回数が多くなって研磨部材２が研磨により自身が削られていても、研磨力が変化せずに研磨できる。それにより、研磨筋の残りを少なくするとともに、研磨される被研磨面Ｓｕに生じ易い波状のうねりも抑制することができるため、より人間による研磨に近い表面の状態になる。うねりにより、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕをある角度から見た際に縞模様の模様が見えるようになり、目立ったうねりは、被研磨物Ｓを金型として製造された製品に転写され，製品としての価値がほとんどなくなってしまう場合も生じる。

以下、自動研磨装置１が実行する動作について、好ましい実施例を説明する。この実施例では、制御部７は、以下に示す第１の研磨工程と第２の研磨工程と第３の研磨工程と第４の研磨工程とを実行するように、ロボットアーム５及び基台６を制御する。これら４個の研磨工程によって、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕが平面の場合の荒磨きが自動的に行われる。この被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕが平面の場合の荒磨きは、自動研磨装置１が実行すべき最も基本になる作業である。

第１の研磨工程では、研磨部材２を被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕに押し当てその力の調整を行ってから研磨部材２を第１の方向に複数回往復移動させる往復研磨動作と、研磨部材２を被研磨面Ｓｕから離して第１の方向に直交する第２の方向に移動する平行移動動作と、を順次繰り返す。第１の方向は、ロボットアーム５の基部５１から離れたり近づいたりする方向である。

第１の研磨工程のより詳細な具体例を図４（ａ）に基づいて説明する。被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕの角部Ｓ１に研磨部材２を押し当て、その押し当てる力を、例えば１５Ｎ（ニュートン）程度に調整する。その後、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てながら第１の方向の正方向に研磨すべき指定距離ＳＤだけ（角部Ｓ２まで）移動し、それから第１の方向の負方向に開始位置である角部Ｓ１まで移動する。この往復移動が指定回数行われる。これが往復研磨動作である。往復研磨動作後、平行移動動作によって距離ＤＡだけ第２の方向の負方向に移動し、次の位置で同様に往復研磨動作を行う。これらの往復研磨動作と平行移動動作を繰り返す。そして、終了位置である角部Ｓ３と角部Ｓ４との間においても往復研磨動作を行う。

第２の研磨工程では、基台６を９０度回転させた後、第１の研磨工程と同様に往復研磨動作と平行移動動作とを順次繰り返す。

第２の研磨工程のより詳細な具体例を図４（ｂ）に基づいて説明する。基台６を９０度回転させた後、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕの角部Ｓ２に研磨部材２を押し当て、その押し当てる力を、例えば１５Ｎ（ニュートン）程度に調整する。その後、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てながら第１の方向の正方向に研磨すべき指定距離ＳＤ’だけ（角部Ｓ４まで）移動し、それから第１の方向の負方向に開始位置である角部Ｓ２まで移動する。この往復移動が指定回数行われる。これが往復研磨動作である。往復研磨動作後、平行移動動作によって距離ＤＡ’だけ第２の方向の負方向に移動し、次の位置で同様に往復研磨動作を行う。これらの往復研磨動作と平行移動動作を繰り返す。そして、終了位置である角部Ｓ１と角部Ｓ３との間においても往復研磨動作を行う。

第１の研磨工程と第２の研磨工程は、必要に応じて順次繰り返すようにもできる。

この第１の研磨工程と第２の研磨工程では、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕの角部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、凹んでいても研磨部材２が適切に当接するので、研磨残しは少ないものとなる。この角部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、回転することによって研磨するもので研磨すると必ず研磨残しが発生する部分である。

第１の研磨工程と第２の研磨工程後には、被研磨面Ｓｕに研磨筋が僅かに残るが、往復研磨は一定方向の研磨なので、研磨筋が揃っている。従って、荒磨き後、ひいては仕上げ磨き後（研磨作業後）の被研磨面Ｓｕの状態が良いものとなる。

また、第１の研磨工程と第２の研磨工程は、研磨部材２を被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕに押し当てその力の調整を行ってから往復研磨しているので、研磨筋の残りが少なく、また、研磨される被研磨面Ｓｕの波状のうねりも抑制され全体の平坦度が高いものとなる。

第１の研磨工程と第２の研磨工程において、往復研磨動作後の平行移動の距離は、順次、ランダムに変わるのが好ましい。これは、研磨筋をより目立たなくするためである。例えば、研磨部材２の幅が約５ｍｍの場合、平行移動の距離ＤＡが０．５ｍｍから１．５ｍｍの範囲でランダムに変わるように、制御部７によってロボットアーム５を制御する。

次に、第１の研磨工程と第２の研磨工程の完了後に実行される第３の研磨工程と第４の研磨工程を説明する。

第３の研磨工程では、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てその力の調整を行ってから研磨部材２をジグザグ移動させるジグザグ研磨動作を行う。

第３の研磨工程のより詳細な具体例を図５（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。図５（ａ）は、第２の方向の負方向に徐々に向かいながらジグザグ移動させる研磨動作を示し、図５（ｂ）は、第２の方向の正方向に徐々に向かいながらジグザグ移動させる研磨動作を示している。これらの研磨動作を一連のジグザグ研磨動作とする。

先ず、図５（ａ）に示すように、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕの角部Ｓ１に研磨部材２を押し当て、その押し当てる力を、例えば５Ｎ（ニュートン）程度に調整する。その後、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てながら第１の方向の正方向に研磨すべき指定距離ＳＤだけ（角部Ｓ２まで）移動し、それから折れ曲がり、第１の方向の負方向に対して鋭角の折れ曲がり角度φで、角部Ｓ１から第２の方向の負方向に距離ＤＢだけ隔てた次の位置まで移動する。そして、次の位置で同様の研磨動作を行う。これを繰り返し、角部Ｓ３を経て角部Ｓ４まで到達する。

それから、研磨部材２を被研磨面Ｓｕから一旦離して角部Ｓ３まで移動する。そして、図５（ｂ）に示すように、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕの角部Ｓ３に研磨部材２を押し当て、その押し当てる力を、例えば５Ｎ（ニュートン）程度に調整する。その後、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てながら第１の方向の正方向に研磨すべき指定距離ＳＤだけ（角部Ｓ４まで）移動し、それから折れ曲がり、第１の方向の負方向に対して鋭角の折れ曲がり角度φで、角部Ｓ３から第２の方向の正方向に距離ＤＢだけ隔てた次の位置まで移動する。そして、次の位置で同様の研磨動作を行う。これを繰り返し、角部Ｓ１を経て角部Ｓ２まで到達する。

第４の研磨工程では、基台６を９０度回転させた後、第３の研磨工程と同様のジグザグ研磨動作を行う。

第４の研磨工程のより詳細な具体例を図５（ｃ）、（ｄ）に基づいて説明する。図５（ｃ）は、第２の方向の負方向に徐々に向かいながらジグザグ移動させる研磨動作を示し、図５（ｄ）は、第２の方向の正方向に徐々に向かいながらジグザグ移動させる研磨動作を示している。これらの研磨動作を一連のジグザグ研磨動作とする。

先ず、図５（ｃ）に示すように、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕの角部Ｓ２に研磨部材２を押し当て、その押し当てる力を、例えば５Ｎ（ニュートン）程度に調整する。その後、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てながら第１の方向の正方向に研磨すべき指定距離ＳＤ’だけ（角部Ｓ４まで）移動し、それから折れ曲がり、第１の方向の負方向に対して鋭角の折れ曲がり角度φ’で、角部Ｓ２から第２の方向の負方向に距離ＤＢ’だけ隔てた次の位置まで移動する。そして、次の位置で同様の研磨動作を行う。これを繰り返し、角部Ｓ１を経て角部Ｓ３まで到達する。

それから、研磨部材２を被研磨面Ｓｕから一旦離して角部Ｓ１まで移動する。そして、図５（ｄ）に示すように、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕの角部Ｓ１に研磨部材２を押し当て、その押し当てる力を、例えば５Ｎ（ニュートン）程度に調整する。その後、研磨部材２を被研磨面Ｓｕに押し当てながら第１の方向の正方向に研磨すべき指定距離ＳＤ’だけ（角部Ｓ３まで）移動し、それから折れ曲がり、第１の方向の負方向に対して鋭角の折れ曲がり角度φ’で、角部Ｓ１から第２の方向の正方向に距離ＤＢ’だけ隔てた次の位置まで移動する。そして、次の位置で同様の研磨動作を行う。これを繰り返し、角部Ｓ２を経て角部Ｓ４まで到達する。

第３の研磨工程の一連のジグザグ研磨動作と第４の研磨工程の一連のジグザグ研磨動作は、必要に応じて順次繰り返すようにもできる。

このような第３の研磨工程と第４の研磨工程は、第１の研磨工程と第２の研磨工程後に被研磨面Ｓｕに残った研磨筋を削って、研磨筋をより目立たなくするのに寄与することができる。

第３の研磨工程と第４の研磨工程において、折れ曲がり角度φ、φ’は、ジグザグ研磨動作による研磨筋を更に目立たなくするため、折り曲がり毎に、或いは、第３の研磨工程と第４の研磨工程を繰り返す場合はそれらの研磨工程毎に、ランダムに変わるのが好ましい。

この自動研磨装置１による荒磨き後には、人間による仕上げ磨き（例えば、サンドペーパー、ペーストなどを用いたもの）が行われる。非常に多くの時間を要する荒磨きを自動化することによって、職人の負担が軽減される。そして、荒磨き後の被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕを良い状態にすることで、仕上げ磨き時の職人の負担も軽減される。

また、自動研磨装置１による荒磨きは、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕが曲面の場合でも可能である。この場合、制御部７は、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕのどの位置でも研磨部材２の傾斜の角度θを保つようにして、研磨部材２の直線的な移動を行うようにロボットアーム５を制御することになる。ここでの直線的な移動は、被研磨面Ｓｕを正面から見て直線に沿って移動することである。

このように、自動研磨装置１により、被研磨物Ｓの被研磨面Ｓｕは、研磨残しが少なく、人間による研磨に近い状態にすることが可能になる。

以上、本発明の実施形態に係る自動研磨装置について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。

１ 自動研磨装置
２ 研磨部材
２ａ 研磨部材の傾斜面
３ 研磨部材ホルダ
４ 力センサ
５ ロボットアーム
５０ ロボットアームの関節部
６ 基台
７ 制御部
Ｓ 被研磨物
Ｓｕ 被研磨物の被研磨面
ＷＴ 作業台

Claims (4)

1. スティック形状をなし、先端部に傾斜面を有する研磨部材と、
   前記研磨部材を被研磨物の被研磨面に対して傾斜するように保持する研磨部材ホルダと、
   前記研磨部材ホルダを固定し、前記研磨部材が前記被研磨物から受ける力を前記研磨部材ホルダを介して計測する力センサと、
   前記力センサを固定し、関節部を有するロボットアームと、
   前記被研磨物を保持する基台と、
   前記力センサの計測に基づいて前記研磨部材を被研磨面に押し当てる力の調整を行い、前記研磨部材を被研磨面に押し当てたまま前記研磨部材の直線的な移動を行うように前記ロボットアームを制御する制御部と、
   を備えていることを特徴とする自動研磨装置。
2. 請求項１に記載の自動研磨装置において、
   前記制御部は、
   前記研磨部材を被研磨面に押し当てその力の調整を行ってから前記研磨部材を第１の方向に複数回往復移動させる往復研磨動作と、前記研磨部材を被研磨面から離して前記第１の方向に直交する第２の方向に移動する平行移動動作と、を順次繰り返す第１の研磨工程と、
   前記基台を回転させた後、前記往復研磨動作と前記平行移動動作とを順次繰り返す第２の研磨工程と、
   前記研磨部材を被研磨面に押し当てその力の調整を行ってから前記研磨部材をジグザグ移動させるジグザグ研磨動作を行う第３の研磨工程と、
   前記基台を回転させ、前記ジグザグ研磨動作を行う第４の研磨工程と、
   を実行するように、前記ロボットアーム及び前記基台を制御することを特徴とする自動研磨装置。
3. 請求項２に記載の自動研磨装置において、
   前記第１及び第２の研磨工程では、前記第２の方向の移動の距離は順次、ランダムに変わることを特徴とする自動研磨装置。
4. 請求項２又は３に記載の自動研磨装置において、
   前記第３及び第４の研磨工程では、前記ジグザグ移動の折れ曲がり角度は折れ曲がり毎に、或いは、前記第３の研磨工程と前記第４の研磨工程を繰り返す場合は前記第３及び第４の研磨工程毎に、ランダムに変わることを特徴とする自動研磨装置。

Images