JP6323744B2

JP6323744B2 - 研磨ロボットとその制御方法

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Publication number: JP6323744B2
Application number: JP2014012397A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎林
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-01-27
Also published as: JP2015139831A

Description

本発明は、ワークを磨き加工する研磨ロボットとその制御方法に関する。

ロボットアームの手先に工具を取り付け、加工経路に沿って動作させてワークを加工する加工ロボットにおいて、ワークに対して力制御を行いながら加工を行う技術として、例えば特許文献１、２が既に提案されている。

特許文献１の「研磨方法」は、工具の押付力を一定にするように制御しながら加工することで、目標軌道とワークとのずれを補償するものである。
特許文献２の「ワーク加工装置とその制御方法」は、衝撃的な加工反力が発生しても加工精度を維持しかつ工具の破損を防止するものである。

特許第２８５２８２８号公報特開２０１０−２５３６１３号公報

ここで、上述した従来の方法では、例えば１８０度未満の内角で接続する第１面と第２面を含んでいるワークを加工する場合であっても、一方の面の法線方向へのみ力制御を行って加工を行うものである。しかし、加工中にもう一方の面に工具が衝突することを回避するために、その加工範囲は、第１面と第２面の境界線から十分にクリアランスを確保した位置に設定する必要があった。

そのため、例えばワークの研磨を行う場合においては、ワークの境界線近傍についての研磨が困難であるため、研磨を行うことができない範囲が広くなるという問題点を有していた。
特に、形状にばらつきのあるワークの研磨を行う場合においては、境界線からのクリアランスをさらに確保する必要があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、１８０度未満の内角で接続する第１面と第２面を含んでいるワークを加工する場合において、ワークの形状のばらつきによらず、ワークと加工工具の衝突を回避しながらワークの境界線近傍の研磨を行うことができる研磨ロボットとその制御方法を提供することにある。

本発明によれば、ワークが１８０度未満の内角で接続する第１面と第２面を含んでおり、前記第１面と前記第２面の境界線が曲線であり、先端部で加工する加工工具で前記第１面又は前記第２面を研磨する研磨ロボットであって、
前記加工工具に作用する外力を計測する力センサと、
前記加工工具を３次元空間内で移動するロボットアームと、
軌跡データを記憶し前記ロボットアームを制御するロボット制御装置と、を備え、
前記ロボット制御装置は、
前記加工工具を前記第１面と前記第２面の両方に直交する２方向、又は合力が前記境界線に向かう２方向に力制御して、前記境界線に沿って前記先端部を倣わせ、前記先端部の軌跡データを記憶する軌跡取得部と、
前記加工工具を前記第１面又は前記第２面に直交する１方向に力制御し、かつ前記軌跡データに基づき前記先端部を前記境界線から離した位置でワークを研磨させる磨き制御部と、を含む、ことを特徴とする研磨ロボットが提供される。

前記軌跡取得部は、教示作業もしくは設計図面の形状データに基づいて作成した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御によりワークを計測する。

前記磨き制御部は、前記軌跡データを前記境界線から離れる方向に変位した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御によりワークを研磨する。

また、本発明によれば、ワークが１８０度未満の内角で接続する第１面と第２面を含んでおり、前記第１面と前記第２面の境界線が曲線であり、先端部で加工する加工工具で前記第１面又は前記第２面を研磨する研磨ロボットの制御方法であって、
前記加工工具に作用する外力を計測する力センサと、
前記加工工具を３次元空間内で移動するロボットアームと、
軌跡データを記憶し前記ロボットアームを制御するロボット制御装置と、を準備し、
前記ロボット制御装置により、
（Ａ）前記加工工具を前記第１面と前記第２面の両方に直交する２方向、又は合力が前記境界線に向かう２方向に力制御して、前記境界線に沿って前記先端部を倣わせ、前記先端部の軌跡データを記憶し、
（Ｂ）前記加工工具を前記第１面又は前記第２面に直交する１方向に力制御し、かつ前記軌跡データに基づき前記先端部を前記境界線から離した位置でワークを研磨させる、ことを特徴とする研磨ロボットの制御方法が提供される。

前記（Ａ）において、教示作業もしくは設計図面の形状データに基づいて作成した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御により先端部の軌跡データを計測する。

前記（Ｂ）において、前記軌跡データを前記境界線から離れる方向に変位した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御によりワークを研磨する。

上記本発明によれば、加工工具を第１面と第２面の両方に直交する２方向、又は合力が前記第１面と前記第２面の境界線に向かう２方向に力制御して、前記境界線に沿って先端部を倣わせることによって、ワークの形状のばらつきによらず、ワークの境界線の軌跡データを取得することが可能になる。また、先端部の軌跡データを記憶し、加工工具を第１面又は第２面に直交する１方向に力制御し、かつ軌跡データに基づき先端部を境界線から離した位置でワークを研磨することによって、研磨中にもう一方の面と加工工具とが衝突することを回避することができる。
従って、１８０度未満の内角で接続する第１面と第２面を含んでいるワークを加工する場合において、ワークの形状のばらつきによらず、ワークと加工工具の衝突を回避しながらワークの境界線近傍の研磨を行うことができる。

本発明の研磨ロボットの構成図である。本発明の研磨ロボットで研磨するワークの説明図である。本発明の制御方法の全体フロー図である。本発明の制御方法によるステップＳ２の説明図である。本発明の制御方法によるステップＳ３の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の研磨ロボット１０の構成図である。
この図において、１はワーク（被加工部材）、２はワーク保持装置、３は加工工具、１０は研磨ロボット、２０はロボット制御装置である。

ワーク１は、加工工具３により、バリ取り、Ｃ面取り、又はラウンドエッジ加工される被加工部材であり、例えば鋳鉄等の硬い材質からなる。なお、本発明においてはワーク１を加工工具３によって研磨する場合を想定している。

本発明の研磨ロボット１０で研磨するワーク１は、具体的には図２に示すように、１８０度未満の内角θで接続する第１面１ａと第２面１ｂを含むものを対象としている。なお、この内角θは、平面又は曲面で構成される６０°〜１２０°程度であるものが好ましく、９０°であるものがさらに好ましい。
また、ワーク１は、この例ではワーク保持装置２により所定位置に正確に固定される。所定位置は、研磨ロボット１０の作動範囲内において予め設定された位置である。

研磨ロボット１０は、ロボットアーム１２の先端に加工工具３を取り付け、軌道（加工経路）に沿って動作させてワーク１を加工する。
なお研磨ロボット１０は、この例では、多関節ロボットであるが、本発明はこれに限定されず、その他のロボットであってもよい。

加工工具３は、ロボットアーム１２の先端に取り付けられ、ワーク１を加工する。
この例において、加工工具３は、ワーク１を加工する先端部３ａとこれを回転駆動する駆動装置３ｂ（この例では電動スピンドルモータ）とからなる。
先端部３ａは、ブラシ、クッションサンダ（砥粒入りの樹脂のスポンジ）、砥石、超硬カッター、等である。
また、駆動装置３ｂは、縦、横、円等の様々な動きをする駆動装置でも代替可能であり、電動スピンドルモータはエアモータでも代替可能である。

図１において、ロボットアーム１２の先端に力センサ１４が取り付けられ、力センサ１４に加工工具３が取り付けられている。
力センサ１４は、例えばロードセルであり、３次元空間内で移動可能なロボットアーム１２の先端に取り付けられ、これに作用する外力を検出するようになっている。
この力センサ１４で検出される外力は、好ましくは６自由度の外力（３方向の力と、３軸まわりのトルク）であるが、本発明はこれに限定されず、ワーク１に対する押付力が検出できる限りで、その他の力センサであってもよい。

研磨ロボット１０は、ロボットコントローラ１６を備える。ロボットコントローラ１６は、例えば数値制御装置であり、指令信号によりロボットアーム１２の先端を６自由度（３次元位置と３軸まわりの回転）に制御する。

図１において、本発明のロボット制御装置２０は、軌跡データＤを記憶しロボットアーム１２を制御するものであり、この例においては、制御ＰＣ２５を備える。

制御ＰＣ２５は、この例においては、記憶装置２１、軌跡取得部２２、磨き制御部２３を含んでいるものであり、ロボットコントローラ１６を介してロボットアーム１２を制御するものである。
なお、制御ＰＣ２５は、この例ではロボットコントローラ１６と別個に設けられているが、ロボットコントローラ１６と制御ＰＣ２５を同一の制御ＰＣで構成してもよい。

記憶装置２１は、加工工具３の位置、姿勢、及び押付け方向を含む軌跡データＤを記憶する。
軌跡データＤは、例えば、ワーク座標系における加工工具３の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）と姿勢（ａ，ｂ，ｃ）で表され、姿勢パラメータａ，ｂ，ｃは、例えばオイラー角などである。また、加工工具３の押付け方向は、ワーク座標系における単位ベクトル（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）で表される。
なお、本発明は、加工工具３の位置、姿勢、及び押付け方向を設定できる限りで、これらの座標系と姿勢パラメータの定義（一般に、姿勢表現には多種の定義のパラメータが使用されている）に限定されない。

軌跡取得部２２は、加工工具３を第１面１ａと第２面１ｂの両方にそれぞれ直交する２方向に力制御して、境界線１ｃに沿って先端部３ａを倣わせ、この先端部３ａの軌跡データＤを記憶装置２１に記憶するものである。
ここで、力制御の方向は「直交する２方向」に限定されず、合力が第１面１ａと第２面１ｂの境界線１ｃに向かう２方向でもよい。また、「境界線１ｃに向かう」とは、厳密に境界線１ｃに向かう必要はなく、境界線１ｃに近づく方向であればよい。
なお、既に記憶装置２１に軌跡データＤが記憶されている場合にはこれを修正したものを記憶する。

特に、この軌跡取得部２２は、教示作業もしくは設計図面の形状データ等に基づいて作成した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御により先端部３ａの軌跡データを計測するのが好ましい。
なお、「ハイブリッド制御」とは、力制御と位置制御を同時に行う制御のことであり、軌跡取得部２２においては、第１面１ａと第２面１ｂの法線方向に力制御し、空間上のその他の方向に位置制御する。ただし、第１面１ａと第２面１ｂが曲面の場合、法線方向は一定ではないため、動作と同期して、力制御をする方向を変化させる必要がある。

磨き制御部２３は、第１面１ａ又は第２面１ｂに直交する１方向に力制御し、かつ軌跡データＤに基づき先端部３ａを境界線１ｃから離した位置でワーク１を研磨させるものである。
特に、この磨き制御部２３は、軌跡データＤを境界線１ｃから離れる方向に変位（シフト）した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御によりワーク１を研磨するものが好ましい。

磨き制御部２３においては、第１面１ａ又は第２面１ｂの法線方向に力制御し、空間上のその他の方向に位置制御する。ただし、第１面１ａ又は第２面１ｂが曲面の場合、法線方向は一定ではないため、動作と同期して、力制御をする方向を変化させる必要がある。
「動作と同期する」とは、法線が曲面などの場合、その法線方向によって力のかけ方が違うので、その法線方向に連動して力のかけ方を調節することを意味する。

図３は、本発明の制御方法の全体フロー図である。
上述した装置を準備し、本発明の制御方法は、Ｓ１〜Ｓ３の各ステップ（工程）を実施する。
ステップＳ１（軌跡データ生成ステップ）では、例えばワーク１のＣＡＤモデルや教示等によって軌跡データＤを生成して記憶装置２１に記憶する。

ステップＳ２（倣いステップ）では、加工工具３を第１面１ａと第２面１ｂの両方にそれぞれ直交又は合力が第１面１ａと第２面１ｂの境界線１ｃに向かう２方向に力制御して、境界線１ｃに沿って先端部３ａを倣わせ、先端部３ａの軌跡データＤを記憶（修正）する。

図４は、本発明の制御方法によるステップＳ２の説明図である。
図４（Ａ）は、ステップＳ２におけるワーク１と加工工具３を示す説明図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ面断面図である。
この例において、加工工具３は、図４（Ｂ）に示すように、第１面１ａの法線方向に対して押付け力Ｆ１によって力制御をし、かつ、第２面１ｂの法線方向に対して押付け力Ｆ２によって力制御をしている。さらに、第１面１ａと第２面１ｂの境界線１ｃについての軌跡データＤに沿って（図４（Ａ）の破線矢印方向）に位置制御を行う。

このステップＳ２における制御では、加工工具３の押付け方向の力が目標値となるように力制御しながら、押付け方向に直交又は合力が第１面１ａと第２面１ｂの境界線１ｃに向かう方向は、軌跡データＤに追従するように位置制御するものである。

なお、ステップＳ２では、加工工具３の代わりに、加工工具３と同一形状の倣い治具（図示しない）を、ロボットアーム１２の手先側フランジ面に取り付けて行うのがよい。なお、ワーク１を加工しない限りで、加工工具３をそのまま倣い治具として用いてもよい。

ステップＳ３（研磨ステップ）では、ステップＳ２の終了後、加工工具３を第１面１ａ又は第２面１ｂに直交する１方向に力制御し、かつ軌跡データＤに基づき先端部３ａを境界線１ｃから離した位置でワーク１を研磨する。

図５は、本発明の制御方法によるステップＳ３の説明図である。
図５（Ａ）は、ステップＳ２に従って軌跡データＤを取得する際の説明図である。上述したように、第１面１ａと第２面１ｂに力制御することで、結果的に境界線１ｃに沿って加工工具３の先端部３ａが倣って動作した軌跡データＤを取得する。
また、図５（Ｂ）は、ステップＳ３の第１実施形態の説明図であり、図５（Ｃ）は、ステップＳ３の第２実施形態の説明図である。
なお、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）、第１面１ａに対して力制御を行いながら境界線１ｃから離れた位置で第２面１ｂを研磨する場合について示している。

図５（Ｂ）に示す第１実施形態では、第１面１ａに対して力制御を行いながら、（１）軌跡データＤを境界線１ｃから離れる方向に変位した軌道を新たな目標軌道とし、（２）その変位した位置において新たな目標軌道に沿って磨き加工を行い、さらにこの（１）及び（２）を交互に繰り返すことによって、磨き加工を行うというものである。
なお、この軌跡データＤから作成した目標軌道に沿って行う磨き加工は、図５（Ｂ）に示すように、磨き加工を行う方向を毎回逆転させる方法であってもよく、毎回同じ方向に磨き加工を行う方法であってもよい。

また、磨き加工の目標軌道を作成する処理は軌跡データＤの変位に限定されず、図５（Ｃ）に示すように、軌跡データＤを加工する領域の境界線としてもよい（第２実施形態）。

なお、ステップＳ３における研磨は、工具基準点（ＴＣＰ：ＴｏｏｌＣｅｎｔｅｒＰｏｉｎｔ）や基準座標系を変位させることによって行うものであってもよい。
また、ワーク１の形状のばらつきが小さい場合は、ワーク１を正確に位置決めすることを条件に、全てのワーク１について軌跡データＤを計測せずに研磨するものであってもよい。
さらに、第１面１ａ及び第２面１ｂのうち、研磨を行っていない方の面に影響がなければ（加工工具３と接触するおそれがなければ）、軌跡データＤを取得しながら研磨を行うものであってもよい。

上述した本発明によれば、加工工具３を第１面１ａと第２面１ｂの両方に直交する２方向、又は合力が第１面１ａと第２面１ｂの境界線に向かう２方向に力制御して、境界線１ｃに沿って先端部３ａを倣わせることによって、ワーク１の形状のばらつきによらず、ワーク１の境界線１ｃの軌跡データＤを取得することが可能になる。また、先端部３ａの軌跡データＤを記憶し、加工工具３を第１面１ａ又は第２面１ｂに直交する１方向に力制御し、かつ軌跡データＤに基づき先端部３ａを境界線１ｃから離した位置でワーク１を研磨することによって、研磨中にもう一方の面と加工工具３とが衝突することを回避することができる。
従って、ワーク１の形状のばらつきによらず、ワーク１と加工工具３の衝突を回避しながらワーク１の境界線１ｃ近傍の研磨を行うことができる。

また、本発明においては、磨き制御部２３によって取得した軌跡データＤに基づいて研磨することが可能であるため、加工工具３とワーク１の接触位置について正確な計算を行うことなく研磨を行うことができる。

なお、境界線１ｃ近傍（例えば境界線１ｃから５〜１０ｍｍ程度の範囲）については本発明による研磨ロボット１０で研磨を行い、その他の範囲については従来の手段で研磨を行うものであってもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ワーク（被加工部材）、１ａ第１面、１ｂ第２面、１ｃ境界線、
２ワーク保持装置、３加工工具、３ａ先端部、３ｂ駆動装置、
１０研磨ロボット、１２ロボットアーム、１４力センサ、
１６ロボットコントローラ、２０ロボット制御装置、
２１記憶装置、２２軌跡取得部、２３磨き制御部、２５制御ＰＣ

Claims

ワークが１８０度未満の内角で接続する第１面と第２面を含んでおり、前記第１面と前記第２面の境界線が曲線であり、先端部で加工する加工工具で前記第１面又は前記第２面を研磨する研磨ロボットであって、
前記加工工具に作用する外力を計測する力センサと、
前記加工工具を３次元空間内で移動するロボットアームと、
軌跡データを記憶し前記ロボットアームを制御するロボット制御装置と、を備え、
前記ロボット制御装置は、
前記加工工具を前記第１面と前記第２面の両方に直交する２方向、又は合力が前記境界線に向かう２方向に力制御して、前記境界線に沿って前記先端部を倣わせ、前記先端部の軌跡データを記憶する軌跡取得部と、
前記加工工具を前記第１面又は前記第２面に直交する１方向に力制御し、かつ前記軌跡データに基づき前記先端部を前記境界線から離した位置でワークを研磨させる磨き制御部と、を含む、ことを特徴とする研磨ロボット。
前記軌跡取得部は、教示作業もしくは設計図面の形状データに基づいて作成した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御によりワークを計測する、ことを特徴とする請求項１に記載の研磨ロボット。
前記磨き制御部は、前記軌跡データを前記境界線から離れる方向に変位した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御によりワークを研磨する、ことを特徴とする請求項１に記載の研磨ロボット。
ワークが１８０度未満の内角で接続する第１面と第２面を含んでおり、前記第１面と前記第２面の境界線が曲線であり、先端部で加工する加工工具で前記第１面又は前記第２面を研磨する研磨ロボットの制御方法であって、
前記加工工具に作用する外力を計測する力センサと、
前記加工工具を３次元空間内で移動するロボットアームと、
軌跡データを記憶し前記ロボットアームを制御するロボット制御装置と、を準備し、
前記ロボット制御装置により、
（Ａ）前記加工工具を前記第１面と前記第２面の両方に直交する２方向、又は合力が前記境界線に向かう２方向に力制御して、前記境界線に沿って前記先端部を倣わせ、前記先端部の軌跡データを記憶し、
（Ｂ）前記加工工具を前記第１面又は前記第２面に直交する１方向に力制御し、かつ前記軌跡データに基づき前記先端部を前記境界線から離した位置でワークを研磨させる、ことを特徴とする研磨ロボットの制御方法。
前記（Ａ）において、教示作業もしくは設計図面の形状データに基づいて作成した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御により先端部の軌跡データを計測する、ことを特徴とする請求項４に記載の研磨ロボットの制御方法。
前記（Ｂ）において、前記軌跡データを前記境界線から離れる方向に変位した軌道を目標軌道とするハイブリッド制御によりワークを研磨する、ことを特徴とする請求項４に記載の研磨ロボットの制御方法。