JP4525605B2

JP4525605B2 - 仕上げ加工装置及び仕上げ加工方法

Info

Publication number: JP4525605B2
Application number: JP2006024868A
Authority: JP
Inventors: 宗広 ▲高▼山
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: JP2007203407A

Description

本発明は、ロボットで溶接部位を自動的に研削、研磨等で仕上げする仕上げ加工装置及び仕上げ加工方法に関する。

現在、ドアフレームのコーナー部などの複数部材を突き合わせて溶接された部位（ビード部位）を研削、研磨等で仕上げる作業は人の手に依っている。特に、ビード部位の仕上げ作業はただ単に研磨するだけではなく、製品形状としてまた意匠として面を作り上げなければならないため、人の手作業に頼らざるを得ないのが現状である。しかし、仕上げの作業までを含めた研削及び研磨作業を自動化することができれば、常に安定した品質で滑らかな意匠面を持つ製品を効率よく作成することができる。

従来より、研削ツール（研磨も行える）を装着したロボットによるビード部位の除去を目的としたロボットの経路情報を自動的に作成する発明は行われている。特許文献１では、あらかじめロボットに基本的な研削のための経路情報を教示しており、溶接部位のビードの幅を視覚センサで測定後、測定した幅を考慮した経路情報を新たに生成する。また特許文献２では、研磨部位に三角パッチを割り当てて分割面を作成し、各分割面の傾斜角からティーチング用タッチセンサにより各分割面の法線方向を測定する。そして、測定された法線方向からロボットの姿勢を計算し、経路情報を作成する。それから特許文献３では、ビード部位とその周辺を含めた起伏を測定して三次元データを取得し、このデータを用いてビード部位の完成曲面を計算する。そして、三次元データと完成曲面との差分からロボットの研削量と研削経路とを生成する。
特開平５−３４５２５５号公報特開平６−２８５７６２号公報特開２００２−２８３０９９号公報

研削から仕上げまでを自動で進めるためには、ロボット経路を自動生成することが望ましいが、ティーチングを必要とする上記した特許文献１では、仕上げまでを自動ですることができず、ビード部位の形状等がティーチングしたモデルと異なる場合はティーチングしなおす必要がある。また、上記の特許文献２は、分割面ごとにロボットの姿勢制御を行いロボットの研削経路を生成する、つまり分割面同士が連続した面として計算されないため、滑らかな表面に仕上げることができない。そして、上記の特許文献３は、ビード部位とその周辺を含めた起伏を測定して三次元データを取得し、このデータを用いてビード部位の完成曲面を計算している。そのため、完成曲面の計算にビード部位を含めているため、ビードの大きさ、形状及び溶接歪みなどにより、滑らかな仕上げ面を作成することが難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、複数部材を突き合わせて溶接した部位を除去し、滑らかな仕上げ表面を自動で作成するための仕上げ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の仕上げ加工装置は、ワークの所定部分を除去して仕上げる加工ツールを有するロボットと、該ワークの除去すべき該所定部分を含む三次元形状を測定し加工前形状データを得る計測手段と、該加工前形状データから除去する該所定部分を含む除去形状データを取り除いた残存形状データから、目標仕上げ面である自由曲面データを得る自由曲面生成手段と、該除去形状データと該自由曲面データとの差分である除去する除去データを作成する除去データ作成手段と、該除去データに基づいて該ロボットを駆動し該ワークの該所定部分を除去するロボット制御手段と、をもつことを特徴とする。

本発明の仕上げ加工装置では、ワークの加工前形状データから除去する所定部分の除去形状データを取り除き、残存形状データとする。その残存形状データを用いて、最終目標仕上げ面である自由曲面データを計算する。そして、除去形状データと自由曲面データとの差分の除去データを用いてロボットの制御を行う。

本発明の仕上げ加工装置で用いられる自由曲面生成手段は、残存形状データから所定部分の第１自由曲面データを得る第１自由曲面生成手段と、残存形状データが第１自由曲面データに連結する結合点データと第１自由曲面データとから前記自由曲面データである第２自由曲面データを得る第２自由曲面生成手段とからなることが好ましい。

この自由曲面生成手段は、第１自由曲面生成手段により除去する所定部材の目標仕上げ面の自由曲面を一度計算する。そして、第２自由曲面生成手段により第１自由曲面から最終的な目標仕上げ面の自由曲面を計算する。第２自由曲面生成手段では、第１自由曲面の第１自由曲面データだけでなく、第１自由曲面と突き合わさる先の残存形状データを計算に含める。

本発明の仕上げ加工装置で用いられるロボット制御手段は、除去データから加工ツールの制御データとロボットの移動経路とを作成する制御データ作成手段と、制御データに基づいて加工ツールを制御する加工ツール制御手段と、移動経路に従ってロボットを駆動する経路制御手段とを有することが好ましい。

本発明の仕上げ加工装置で用いられるロボットは、除去したい溶接部分を移動経路に従って移動し、制御データに従って加工ツールを駆動するロボット制御手段により制御される。移動経路及び制御データは、除去データを基に決定される。

本発明の仕上げ加工装置は更に、ワークを固定する固定手段を持つ作業台を有することが好ましい。

本発明の仕上げ加工方法は、ワークの除去すべき該所定部分を含む三次元形状を測定し加工前形状データを得るステップと、該加工前形状データから除去する該所定部分を含む除去形状データを取り除いた残存形状データから、目標仕上げ面である自由曲面データを得るステップと、該除去形状データと該自由曲面データとの差分である除去する除去データを作成するステップと、該除去データに基づいて加工ツールを有するロボットを駆動し該ワークの該所定部分を除去するステップと、をもつことを特徴とする。

本発明の仕上げ加工方法では、ワークの加工前形状データから除去する所定部分の除去形状データを取り除き、残存形状データとする。その残存形状データを用いて、最終目標仕上げ面である自由曲面データを計算する。そして、除去形状データと自由曲面データとの差分の除去データを用いてロボットの制御を行う。

本発明の仕上げ加工方法で用いられる自由曲面データを得るステップは、残存形状データから所定部分の第１自由曲面データを得るステップと、残存形状データが第１自由曲面データに連結する結合点データと第１自由曲面データとから前記自由曲面データである第２自由曲面データを得るステップとからなることが好ましい。

この自由曲面データを得るステップは、除去する所定部材の目標仕上げ面の自由曲面（第１自由曲面）の第１自由曲面データを一度計算する。そして、第１自由曲面データから最終的な目標仕上げ面の自由曲面（第２自由曲面）の第２自由曲面データを計算する。第２自由曲面データを得るステップでは、第１自由曲面データだけでなく、第１自由曲面と突き合わさる先の残存形状データを計算に含める。

本発明の仕上げ加工方法で用いられるワークの所定部分を除去するステップは、除去データから加工ツールの制御データとロボットの移動経路とを作成するステップと、制御データに基づいて加工ツールを制御するステップと、移動経路に従ってロボットを移動制御するステップとからなることが好ましい。

本発明の仕上げ加工装置及び仕上げ加工方法によれば、ワークの所定部分を除去するために、ワーク全体の三次元形状を測定し、除去に必要な除去データを算出し、除去データに基づいてロボットを駆動する一連の研削、研磨等の仕上げをする仕上げ加工作業を自動化することができる。仕上げ面の自由曲面データは、除去する所定部分のデータを用いず、加工前の全体のデータから取り除いて作成されるため、除去する所定部分の形状、起伏の大きさそして溶接歪みに影響されない滑らかな自由曲面となる。よって、本発明の仕上げ加工装置は、ロボットが自由曲面データと除去形状データ（加工前形状データの一部である。）との差分に基づいて駆動されるため、非常に滑らかな表面に仕上げられる安定した品質を保つ製品を製造することができる。

本発明の仕上げ加工装置及び仕上げ加工方法で用いられる自由曲面生成手段によれば、まず除去する所定部分の形状、起伏の大きさそして溶接歪みに影響されない自由曲面である第１自由曲面データが得られる。次に、残存形状データのうち第１自由曲面に連結される各結合点の座標データと第１自由曲面データとを用いて最終的な仕上げ目標面である第２自由曲面データを計算するため、除去する所定部分だけが滑らかな表面に仕上げ加工されるだけでなく、除去する所定部分と残存する形状部分との境界部分も段差がない滑らかな表面に仕上げ加工することができる。

本発明の仕上げ加工装置及び仕上げ加工方法で用いられるロボット制御手段によれば、除去データからロボットの加工ツールの制御データと移動経路とを制御データ作成手段により作成され、ロボットは制御データに従って加工ツールを駆動し移動経路に従ってロボットを移動するため、一切人の手による手間が掛かることなく所定部分の除去作業を仕上げまで行うことができる。

本発明の仕上げ加工装置は、ワークが固定されるため、安定して仕上げ加工が行える。

以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。

（実施例）
本実施例の仕上げ加工装置１の構成斜視図を図１に示し、側面図を図２に示す。

図１及び図２において、仕上げ加工装置１は、ワーク２の仕上げ加工を行うロボット３と計測手段４と作業台５とが床６に固定されており、図示していない計算機とを含んでいる。

ワーク２は、二つの部材を溶接により突き合わせた溶接部分（ビード）２０を含む。

ロボット３は、ビード２０を仕上げ加工を行うために使用する加工ツール３０と加工ツール３０を目的の位置に移動させる腕３１とを有している。ロボット３は、計算機によって得られる制御データと移動経路とに従って駆動される。

計測手段４は、ワーク２の三次元形状を測定するための三次元測定装置であり、投光器４０と受光器４１とを有している。投光器４０はワーク２にレーザを照射し、受光器４１は照射されたレーザの跳ね返ったレーザを受光する。そして、計測手段４は三角測量の原理によりワーク２の三次元形状を測定する。

作業台５は、ワーク２を図示していない固定手段で上部５０に固定する。

図３は、本実施例の仕上げ加工方法による仕上げ加工過程をまとめた仕上げ加工フローを示し、図４はワーク２のポリゴンと仕上げ目標形状とを示す。図３及び図４を用いて、本実施例の加工仕上げ装置１を用いて本実施例の仕上げ加工方法によりワーク２の所定部分（ビード２０）を除去し仕上げる流れを計算機の構成を含めて説明する。

本実施例の仕上げ加工装置１は仕上げ加工方法によって、作業台５にセットされたワーク２の所定部分を除去し仕上げる。

まず、Ｓ１では計測手段４がワーク２の三次元形状を測定し、加工前形状データを作成する。

次に、得られた加工前形状データを計算機にて処理を行う。計算機は、各ステップで使用されるポリゴン作成手段と第１自由曲面生成手段と第２自由曲面生成手段と除去データ作成手段と制御データ作成手段とロボット制御手段とを有する。

Ｓ２は、ポリゴン作成手段を用いて加工前形状データからビード２０の除去形状データを取り除いた残存形状データでポリゴン２１を作成する。除去形状データは、ビード２０にビード２０近傍の所定幅のデータを含めたものである。除去形状データは、図４において、除去形状部分２２に相当する。

Ｓ３は、第１自由曲面生成手段を用いてポリゴン２１からNURBS、スプライン、ベジェなどを用いて、除去形状部分２２の目標仕上げ面である第１自由曲面データを計算する。つまり、第１自由曲面データは、ポリゴン２１のデータのみから計算する。

Ｓ４は、第２自由曲面生成手段を用いて目標仕上げ面の第１自由曲面データに接続される残存形状データと第１自由曲面データとで最終的な目標仕上げ面である第２自由曲面データを計算する。

Ｓ５は、除去データ作成手段を用いて除去形状データと第２自由曲面データとの差から研削量（除去データ）を計算する。

Ｓ６は研削量が負であるかどうかを判定し、負である場合はＳ７で第２自由曲面生成手段で用いられるパラメータを変更し、Ｓ４の第２自由曲面生成手段を用いて再度第２自由曲面データを計算する。そして、Ｓ５の除去データ作成手段で研削量を計算する。再び、Ｓ６で研削量が負であるかどうかの判定を行う。Ｓ６で研削量が負でなくなるまで、Ｓ７でパラメータを設定し直しＳ４及びＳ５の計算を行う。研削量が負でないならば、Ｓ８へ進む。

Ｓ８は、制御データ作成手段を用いて研削量から加工ツール３０の制御データとロボットの腕３１の移動経路とを作成する。

Ｓ９は、ロボット制御手段を用いて制御データに基づき加工ツール３０を動かし、移動経路に従ってロボットの腕３１を移動させ、ワーク２のビード２０を除去し仕上げ加工を行い滑らかな表面に仕上げる。

本実施例の仕上げ加工装置及び仕上げ加工方法によれば、ティーチングにより目標の仕上げ面を求めるのではないため、ワーク２の形状やビード２０の形状が変化しても残存形状データから目標の仕上げ面を計算することができる。そして、仕上げ面を求める計算に除去形状データを含めないため、ビード２０の起伏等の影響がない滑らかな表面を得ることができる。つまり、目標仕上げ面である第１自由曲面データ及び第２自由曲面データは、残存形状データ（ポリゴン２１のデータ）のみから計算される。よって、滑らかな表面のデータを用いて研削量が決定するため、ワークは非常に滑らかな表面に仕上げ加工される。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、ワーク２、二つの部材を溶接したものであるが３つ以上の部材を溶接したもので、そのビードを除去するものでも良いし、一つの部材の凹凸をなくし滑らかな表面を仕上げるものでも良い。また、仕上げ加工を行うロボットは研削、研磨等を行うことができるものであれば、ロボットの大きさ、形状等はどのようなものでも良い。そして、計測手段４は、ワーク２の三次元形状を測定することが目的であるため、投光器４０から縞パターンやユニークなパターンの光を照射し、受光器４１でその跳ね返った光を受光し、フェーズシフト法、空間コード化法などにより加工前形状データを取得できれば良い。

本実施例の仕上げ加工装置１の概略構成図である。本実施例の仕上げ加工装置１の側面図である。本実施例の仕上げ加工方法の仕上げ加工フローである。本実施例のワーク２のポリゴンと目標形状とを示す図である。

符号の説明

１：仕上げ加工装置
２：ワーク
２０：ビード
３：ロボット
３０：加工ツール３１：腕
４：測定手段
４０：投光器４１：受光器
５：作業台
５０：上部
６：床

Claims

ワークの所定部分を除去して仕上げる加工ツールを有するロボットと、
該ワークの除去すべき該所定部分を含む三次元形状を測定し加工前形状データを得る計測手段と、
該加工前形状データから除去する該所定部分を含む除去形状データを取り除いた残存形状データから、目標仕上げ面である自由曲面データを得る自由曲面生成手段と、
該除去形状データと該自由曲面データとの差分である除去する除去データを作成する除去データ作成手段と、
該除去データに基づいて該ロボットを駆動し該ワークの該所定部分を除去するロボット制御手段と、
をもつことを特徴とする仕上げ加工装置。
前記自由曲面生成手段は、前記残存形状データから前記所定部分の第１自由曲面データを得る第１自由曲面生成手段と、該残存形状データが該第１自由曲面データに連結する結合点データと該第１自由曲面データとから前記自由曲面データである第２自由曲面データを得る第２自由曲面生成手段とからなる請求項１に記載の仕上げ加工装置。
前記ロボット制御手段は、前記除去データから前記加工ツールの制御データと該ロボットの移動経路とを作成する制御データ作成手段と、該制御データに基づいて該加工ツールを制御する加工ツール制御手段と、該移動経路に従って該ロボットを移動制御する経路制御手段とを有する請求項１又は２に記載の仕上げ加工装置。
更に、前記仕上げ加工装置は前記ワークを固定する固定手段を持つ作業台を有する請求項１〜３の何れかに記載の仕上げ加工装置。
ワークの除去すべき該所定部分を含む三次元形状を測定し加工前形状データを得るステップと、
該加工前形状データから除去する該所定部分を含む除去形状データを取り除いた残存形状データから、目標仕上げ面である自由曲面データを得るステップと、
該除去形状データと該自由曲面データとの差分である除去する除去データを作成するステップと、
該除去データに基づいて加工ツールを有するロボットを駆動し該ワークの該所定部分を除去するステップと、
をもつことを特徴とする仕上げ加工方法。
前記自由曲面データを得るステップは、前記残存形状データから前記所定部分の第１自由曲面データを得るステップと、該残存形状データが該第１自由曲面データに連結する結合点データと該第１自由曲面データとから前記自由曲面データである第２自由曲面データを得るステップとからなる請求項５に記載の仕上げ加工方法。
前記ワークの前記所定部分を除去するステップは、前記除去データから前記加工ツールの制御データと前記ロボットの移動経路とを作成するステップと、該制御データに基づいて該加工ツールを制御するステップと、該移動経路に従って該ロボットを移動制御するステップとからなる請求項５又は６に記載の仕上げ加工方法。