JP6694643B2 - ワークの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータ制御の工作機械（一軸工作機械、多軸工作機械、マシニングセンタ、放電加工機、レーザ加工機等）、組立機械（ロボットアーム含む）等（以下、これらを総称して「加工装置」という。）でワークを加工する際に用いるワーク加工方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１が知られており、固定治具を、基準面を有する受け部材と、この基準面で姿勢を矯正される専用の保持ブロックとで構成し、保持ブロックの交換のみでサイズの異なるコアピンを固定することが記載されている。
また、特許文献２には、多種類の受けゴマを選択して、形状が異なるワークを位置決めすることが記載されている。

特許第４４７０５１４号公報 特開２０００−１９０１５７号公報

近年、消費者ニーズの多様化、インターネットショッピングの広がりにより、多品種少量生産を行う製品分野が大きな広がりを見せている。
例えば、コンピュータにより、各種工具の経路が制御される多軸工作機械などの工作機械、さらには、複数の工程毎に個別の工作機械を使用する生産システムにおいては、ＣＡＤ等の設計データを入力すれば、ワークを切断加工、切削加工、研磨工程に到るまで自動的に加工を行うことができる（ＣＡＤ／ＣＡＭ）。

しかし、こうした工作機械においては、選択したワークの基準位置に基づいて各工具の経路が定められることから、設計データどおりの精度で加工を行うためには、様々な形態のワークを確実に保持し、あるいは、持ち換えを行い、その都度、加工工程に応じた工作機械に対し、正確な基準位置情報を特定させる必要がある。

そのため、こうした工作機械により様々な製品を加工する場合に、その都度ワークに合わせた、高精度の保持具を用意し、保持後に加工物保持誤差を計測し、その誤差に基づいて工作機械補正プログラムを作成し、加工を行う必要があった。
このため、専用保持具を製作するために多額なコストを要するばかりでなく、加工する製品が変更になるたびに、専用工具の交換作業が必要となることから、熟練作業者の専従が必要となり、さらに、専用保持具交換作業に伴って、工作機械の稼働率の低下を招いていた。これが加工工程における自動化のボトルネックの一つの大きな要因ともなっている。

そこで、本発明の目的は、多品種少量生産を行う場合でも、専用形状部のみを自動的に交換できるようにするとともに、保持した際に発生する位置や姿勢の誤差を、ワークホルダに保持されている期間中、加工機械の工具経路に反映できるようにすることで、生産ラインの自動化、コスト低減、作業者負担の低減、工作機械の稼働率上昇を実現することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のワーク加工方法は、加工データベースに基づいて、今回加工を行うワークＷの種類、加工形状、寸法及び加工工程を含む加工データを決定する第１の工程、ワークストッカから加工対象のワークを選択し、そのワーク形状及び加工データに基づいて工具の経路に対し、ワークを最適位置に保持するためのワーク保持位置の立体形状及び保持断面を決定する第２の工程、第２の工程により決定したワークの保持位置の立体形状及び保持断面に合わせた特殊形状部と、フレーム部に係合される共通の係合構造とを有する専用形状部を選定する第３の工程、フレーム部と専用形状部の形状データを関連付け、ワークホルダとしての統合データを作成するとともに、フレーム部を駆動してワークを固定し、ワークホルダと一体化する第４の工程、位置・姿勢計測装置により、フレーム部に装着された姿勢マーカに対するワークの相対位置及び姿勢を計測し、加工物状態格納媒体に格納する第５の工程、今回の工作機械による工具経路を、ワークホルダの位置姿勢と、第５の工程で記録したワークの相対位置及び姿勢により補正する第６の工程とからなる。

本発明によれば、専用形状部を３Ｄプリンタなどで作成することで、種々の形態のワークに対し、任意の保持位置で確実に保持することができ、しかも、姿勢マーカとＩＤマーカを読み取り、保持した際に発生する位置や姿勢の誤差を加工機械の工具経路に反映することにより、保持されたワーク毎に位置決め誤差を解消することができる。
また、専用形状部を種々変更して、工具に対する保持位置を変更することにより、例えば、少数軸工作機械を用いても、多軸工作機械の動作に近い加工を実現することができる。
さらに、加工装置変更に伴う加工装置設置の段取りを、搬送ロボットやロボットアームと組み合わせて使用することにより、生産工程の自動化を最大限に高めることが可能となる。

図１は、本実施例のワーク保持部の全体構成を示す図である。

図１は、本発明によるワークホルダ１の全体図を示す。
ワークホルダ１は、フレーム部２と専用形状部３とからなり、フレーム部２は、例えばステンレスのように、高剛性、高精度の材料で製作される。
そして、例えば、１対のフレーム部２の左右を２本のボールねじ４に螺合させ、これを回転駆動することで、対向面が互いに接近したり、離隔するように組み合わせる。また、両フレーム部２の対向面には凹凸部が形成されている。

専用形状部３の反対向面には、フレーム部２の凹凸部に係合するよう、ピッチが反対となった凹凸部が形成されている。なお、すべての専用形状部３に関し、反対向面の形状は、フレーム部２の対向面に形成した凹凸に係合するよう共通している。
一方、専用形状部３の対向面は、加工時にワークＷの保持位置が変動しないよう、ワークＷとの接触面の形状に合わせた専用設計とする。
専用形状部３の両側面には、それぞれガイド５が水平方向に延出するように形成され、各裏面に形成された凹部が両ボールねじ４の上面にそれぞれ摺動可能に支持されるようになっている。
なお、専用形状部３は、後述するように、３Ｄプリンタによりワーク保持位置の立体形状に合わせて製造するもので、必ずしも高い精度は要求されないが、３Ｄプリンタに使用可能な造形素材のうち、強度、剛性の高いものが好ましい。

ワークＷを保持する際は、フレーム部２の対向面間が拡がるよう、ボールねじ４を駆動し、加工するワークＷの形態に合わせて選定した専用形状部３の両ガイド５をそれぞれボールねじ４の上面に載置し、フレーム部２の対向面に形成した凹凸部と、専用形状部３の反対向面側に形成した凹凸部とを係合させる。
そして、ワークＷを、一方の専用形状部３から他方の専用形状部３の対向面に向けて延びる支持部６に載置し、対向面間に支持させる。

この状態で、ボールねじ４を駆動し、専用形状部３の対向面を互いに接近させることで、ワークＷは、専用形状部３の対向面間で位置決めされる。なお、ワークＷを持ち替えて保持位置を変更する際は、その都度、ロボットアームなどにより、変更された接触面に合わせた専用形状部３に自動交換することで、少数軸工作機械を用いても、加工軸に対するワークＷの姿勢を種々変更することで多軸工作機械の動作に近い加工が可能となる。

両フレーム部２には、その３次元位置を特定するためのＡＲマーカ等の姿勢マーカ７と、ＱＲコード（登録商標）など、ワーク毎に設定されたＩＤマーカ８が装着されている。
なお、姿勢マーカ７、ＩＤマーカ８は、専用の読み取り機、あるいは、後述するワークＷの姿勢、位置を計測するカメラによって、読み取られる。
このＩＤ毎に、ワークＷの向き、表裏、加工の進行度等の加工物状態データを記録媒体に記録する。なお、ＩＤマーカ８は、一対のフレーム部毎にユニークなものであり、その保持位置での加工がすべて終了した際にリセットされる。
なお、記録媒体は、工作機械を制御する制御装置に接続されたものでもよいし、制御装置にネットワーク上で接続された別個の記録媒体でもよい。
さらに、ＩＤマーカ８自体をデータの書き換えが可能なＲＦＩＤ素子としてもよい。
加工物状態データを格納する記録媒体には、ワークＷのフレーム部２に対する位置、姿勢に加え、材質、形状、加工工程、工具経路、最終加工形状など加工に必要な情報が格納され、各工程が終了した段階で、データ更新が行われる。

フレーム部２と専用形状部３により、ワークホルダ１にワークＷを固定し、一体とした後には、位置、姿勢などの保持誤差を計測する。すなわち、カメラ、接触式あるいは非接触式のプローブ等の３次元測定用センサを搭載した位置、姿勢計測装置により、姿勢マーカ７などで定義されたフレーム部２の基準面に対する、保持後のワークの相対姿勢、位置を計測する。その計測結果のデータを、ＩＤマーカ８から読み取ったフレーム部２のＩＤと関連づけて、加工物状態データ格納媒体に格納する。
このデータと各工作機械による加工データ（工具経路）を用いて、新たに補正された工具経路を算出し加工することで、専用形状部３によるワーク保持誤差を補正する。これにより、専用形状部３の精度、剛性に起因する保持誤差が解消される。

位置、姿勢の計測に関しては、例えば、ワークホルダ１と一体となったワークＷに対し、必要に応じて複数に設置され、あるいは、移動機構を持つカメラにより撮影を行う。
フレーム部２に設置されているＡＲマーカ等の姿勢マーカ７やエッジなどの特徴点を画像処理することにより、位置や姿勢を測定する。
一方、ワークＷはカメラによる計測結果、及び、必要に応じて加工物状態格納媒体から読み出したワークＷの形状等の設計データと比較することで、ワークＷの位置姿勢を算出する。両位置姿勢の差を導出し、位置、姿勢の位置決め誤差を加工物状態格納媒体に格納する。

こうして位置、姿勢が計測された、ワークホルダ１と一体となったワークＷは、任意の工作機械に搬送される。工作機械上で、ワークホルダ１を精度良く保持できる保持具またはカメラなどの計測機器などによって、ワークホルダ１の位置姿勢を把握する。
そして、加工物状態格納媒体から得た位置決め誤差から、工作機械で想定されている座標系に対する加工物の位置姿勢を導出し、導出した位置姿勢と加工物状態格納媒体から得た工具経路を用いて、保持誤差を解消した工具経路を導出し、加工を実行する。

以下、本実施例に基づくワークホルダ１を用いて、特定の形状に加工を行う際のフローを説明する。
（ステップ１）
発注された加工製品の種類、数量、生産タイミングなどの加工発注データベースに基づいて、加工データベースから、今回加工を行うワークＷの種類、加工形状・寸法（ＣＡＤデータ）、加工工程などの加工データを決定する。

（ステップ２）
ロボットアームなどにより、ワークストッカから加工対象のワークを選択し、ワーク形状と加工データに基づいて、工具の経路に対し、ワークを最適位置に保持するためのワーク保持位置の立体形状、保持断面を決定する。

（ステップ３）
ステップ２で決定した、ワーク保持位置の立体形状、保持断面に合わせて、例えば、ＣＡＤデータから３次元プリンタで専用形状部３を製作する。
ただし、既に作成済みの専用形状部３については、専用形状部３に付与されたＩＤ等により、ロボットアームなどにより、専用形状部ストッカから対応する専用形状部３を抽出する。

（ステップ４）
フレーム部２と専用形状部３の形状データを関連付け、ワークホルダ１としての統合データを作成した上で、フレーム部２を駆動してワークを固定し、ワークホルダ１と一体化する。
なお、ステップ２で決定した保持部での加工がすべて終了し、ワークＷの持ち替えを行うまで、ワークＷは、ワークホルダ１と一体化した状態のまま、同一保持部での加工がすべて終了するまで、順次、次の工作機械に搬送される。

（ステップ５）
専用形状部３に対する位置決め誤差を姿勢計測装置により測定し、フレーム部基準面（姿勢マーカ）に対するワークＷの相対位置を測定し、記録する。

（ステップ６）
今回の工作機械による加工データ（工具経路）を、記録したワークＷの相対位置により補正した上で、加工を行う。
ステップ５で計測したワークＷの相対位置は、ワークＷの持ち替えを行うまで、各加工機で共通して使用することができる。
なお、ひとつの工作機械での加工が終了したら、加工物状態データ格納媒体８のデータを更新し、次の工作機械に引き渡される。

ワークホルダ１を持ち替えて、次工程の加工を行う場合には、ステップ（２）からの工程を繰り返すが、ワークを最適位置に保持するためワークの保持部を決定する際には、前工程までの加工による形状変化を反映させる。
ただし、持ち替え前後のワーク保持部、保持位置の関係が予め分かっている場合には、（２）の工程を省略できる。

以上、切削、切断、研磨等を行う工作機械に適用した実施例について説明したが、本発明のワークの加工方法は、放電加工機、レーザ加工機、組立機械等、加工機に対しワークを正確な位置決めを必要とする加工装置全般に適用することができる。
なお、ひとつの工作機械での加工が終了したら、加工物状態データ格納媒体８のデータを更新し、次の工作機械に引き渡される。

以上説明したように、本発明によれば、低コストで、しかも、稼働率を低下させることなく、種々の形態のワークに対し、任意の保持位置で確実に保持することができ、しかも、姿勢マーカとＩＤマーカを読み取ることで、保持されたワーク毎に位置決め誤差を解消することができるので、自動化された多品種少量生産システムに広く採用されることが期待できる。

１：ワークホルダ
２：フレーム部
３：専用形状部
４：ボールねじ
５：ガイド
６：支持部
７：姿勢マーカ
８：ＩＤマーカ

Claims (3)

1. 加工データベースに基づいて、今回加工を行うワークＷの種類、加工形状、寸法及び加工工程を含む加工データを決定する第１の工程、
   ワークストッカから加工対象のワークを選択し、そのワーク形状及び前記加工データに基づいて工具の経路に対し、ワークを最適位置に保持するためのワーク保持位置の立体形状及び保持断面を決定する第２の工程、
   前記第２の工程により決定したワークの保持位置の立体形状及び保持断面に合わせた特殊形状部と、フレーム部に係合される共通の係合構造とを有する専用形状部を選定する第３の工程、
   前記フレーム部と前記専用形状部の形状データを関連付け、ワークホルダとしての統合データを作成するとともに、前記フレーム部を駆動してワークを固定し、前記ワークホルダと一体化する第４の工程、
   位置・姿勢計測装置により、前記フレーム部に装着された姿勢マーカに対するワークの相対位置及び姿勢を計測し、加工物状態格納媒体に格納する第５の工程、
   今回の工作機械による工具経路を、前記ワークホルダの位置姿勢と、第５の工程で記録したワークの相対位置及び姿勢により補正する第６の工程とからなるワークの加工方法。
2. 前記加工物状態格納媒体にワークの材質、形状、加工工程及び工具経路が記録されていることを特徴とする請求項１に記載されたワークの加工方法。
3. 前記第５の工程において、前記フレーム部の基準面に対するワークの相対位置及び姿勢を、前記フレーム部に装着されるとともに、ワーク毎に設定されたＩＤマーカから読み取ったＩＤに関連付けて、前記加工物状態格納媒体に格納することを特徴とする請求項１または２に記載されたワークの加工方法。

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