JP6694828B2 - 機械加工方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、機械加工方法及びシステムに関し、特に、ロボットを用いて加工対象物に対して機械加工を行うときに適用可能な機械加工方法、及び機械加工システムに関する。

例えば薄肉管等の小型部材に対して切削等の機械加工を施す場合、工作機械に小型部材を保持すると共に、当該工作機械における切削工具等を用いて小型部材に対して機械加工が行われる（例えば特許文献１）。

また、例えば航空機等の大型部材の多数箇所に対して、例えばリベット用穴開け等の機械加工を施す場合、従来から治具等を用いて人手により作業が行われている。しかしながら人手による作業のため、作業効率が悪く、高コストとなり、また作業者の姿勢が不安定になる場所では加工精度が低くなる、あるいは加工自体が困難になるという問題が生じる。また加工対象物が大型部材の場合に、上述の工作機械を用いようとすると、機械加工を行う工作機械自体も大型化し、設備コストが増大するという問題がある。

一方近年では、作業者に代えてロボットを用いて機械加工を行うことも行われて来ている。ロボットを用いた場合、設置場所も比較的小さく、人手に比べて作業性が高く、大型部材に対しても数台のロボット配置で済むことから、比較的低コスト化が容易である。また人手に比べて作業姿勢の自由度が高く、加工精度の安定化を図ることも可能である。

特開２００８−２０７２８１号公報

しかしながらロボットは、フレーム構成の工作機械に比べるとロボットアームを用いることから剛性が小さい。よってロボットにおいて、ロボットアームの先端部分に機械加工装置を取り付けて、例えば切削、穴あけ加工等の荷重をかける作業を行うことは困難な場合が多い。したがって、機械加工を行うロボットは、機械加工時の負荷が小さくて済む樹脂材などの軟質材の加工対象物への加工に限られているのが現状である。

よってロボットによる金属製加工対象物への機械加工は負荷が大きく、加工精度及び加工品質が低下するという問題がある。一般的に、固定された金属製加工対象物に対して例えば穴あけ加工を行う場合、穴が最初に開けられる、いわゆる食いつきの際、及び穴が貫通するときに、特にトルク変動が大きくなり、また、穴あけ加工時にはドリルの進行方向にスラスト力が生じる。よってこのような加工時において、加工装置における剛性が不十分な場合には、加工位置のずれ等が発生し、加工精度及び加工品質の低下を引き起こしてしまうという問題がある。ロボットを用いて、金属製加工対象物に対して機械加工、例えば穴あけ加工を行う場合、十分に満足な加工精度及び品質が得られる穴径は、現状、高々φ１０ｍｍ程度である。一方、例えば航空機の場合には、φ２０ｍｍ程度の穴をあける場合もある。

また、ロボットにおける低剛性を補うため、治具を用いることも考えられる。しかしながら、治具の設置作業が必要となり、また加工場所の変更とともに新しい治具の作製も必要となる。よって、生産効率の低下及びコスト増を招いてしまう。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、加工機構を用いて加工対象物への機械加工を可能にする、機械加工方法及び機械加工システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における機械加工方法は、加工機構における複数箇所に設置した各機械加工装置を用いて金属製の加工対象物に対して機械加工を行う機械加工方法であって、
それぞれの機械加工装置が上記加工対象物に機械加工を行うときのスラスト力及びトルクの少なくとも一方を各機械加工装置について求め、
それぞれの上記機械加工装置が上記加工対象物に対して同時に機械加工を行うときの上記スラスト力及びトルクの少なくとも一方による加工反力を相殺するように制御装置によってそれぞれの上記機械加工装置の駆動を制御する、
ことを特徴とする。

また、本発明の第２態様における機械加工システムは、加工機構における複数箇所に設置される複数の機械加工装置を有し、これらの機械加工装置を用いて金属製の加工対象物に対して機械加工を行う機械加工システムであって、
それぞれの機械加工装置が上記加工対象物に対して同時に機械加工を行うときのスラスト力及びトルクの少なくとも一方による加工反力をそれぞれの機械加工装置間で相殺するようにそれぞれの上記機械加工装置の駆動を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

上述の機械加工方法及び機械加工システムによれば、制御装置によって、機械加工装置のスラスト力及びトルクの少なくとも一方による加工反力を相殺するようにそれぞれの機械加工装置の駆動が制御される。よって加工機構を用いて金属製の加工対象物に機械加工を行うときであっても、加工機構に作用する加工反力を従来に比べて低減することができ、加工精度及び加工品質の低下を防ぐことができる。

本発明の第１態様における機械加工方法、及び第２態様における機械加工システムによれば、加工機構を用いて金属製加工対象物への機械加工が可能になる。

実施の形態１における機械加工システムの概略構成を示す図である。 実施の形態２における機械加工システムの概略構成を示す図である。 図１に示すＡ部の詳細を示す図である。 図１に示す機械加工装置の変形例を示す図である。 図２に示すＢ部の詳細を示す図である。 図２に示す機械加工装置の変形例を示す図である。 図１及び図２に示す機械加工システムの変形例における概略構成を示す平面図である。 図１及び図２に示す機械加工システムの変形例における概略構成を示す平面図である。 図１及び図２に示す機械加工システムを用いて金属製加工対象物に対してドリリング及びバックボーリングの機械加工を行ったときの切削力の低減効果を示すグラフである。 図１及び図２に示す機械加工システムにて実行される機械加工方法の動作を説明するフローチャートである。 加工対象物の一例である航空機胴体の概略を示す斜視図である。 図９Ａに示す胴体の平面図である。 実施の形態５における機械加工システムの概略構成を示す図であり、航空機胴体に対する機械加工システムの適用例の一つを示す図である。 実施の形態５における機械加工システムの変形例を示す図である。 実施の形態５における機械加工システムのさらなる変形例を示す図である。 実施の形態５における機械加工システムのさらなる変形例を示す図である。

実施の形態である機械加工システム、及びこの機械加工システムにて実行される機械加工方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

また、以下の各実施の形態では、機械加工の例としてドリリング及びバックボーリング（ボーリング）を採るが、これらに限定するものではなく、その他の例えばフライス、エンドミル、リーマー、等の機械加工についても適用可能である。また、以下の各実施の形態は、これらの機械加工のいずれか一つのみを実行する場合についても適用可能である。

また、以下の各実施の形態では、機械加工を行う加工対象物は、金属製の加工対象物を例に採るが、金属製に限定するものではない。即ち、既に説明したように、従来、ロボットを用いて機械加工を行う加工対象物は、機械加工時の負荷が小さくて済む樹脂材などの軟質材に限定されている。以下の各実施の形態では、このような軟質材よりも硬度が大きいつまり硬い加工素材が加工対象物に相当する。また、加工対象物としては、例えば板材、円筒形状部材、円柱形状部材、等、その形状に特に限定はない。

実施の形態１．
実施の形態１における機械加工システムの構成について、まず図１、図３Ａ及び図５を参照して以下に説明する。
図１は、一例としての機械加工システム１５１の概略構成を示している。この機械加工システム１５１は、基本的構成部分として、加工機構の一例に相当するロボット１１０と、第１機械加工装置１２０と、第２機械加工装置１３０と、制御装置１４０とを有し、金属製の加工対象物１０に対して例えば穴あけ（ドリリングと記す場合もある）、下穴があいている場合の穴の中ぐり（ボーリングと記す場合もある）あるいはバックボーリング等の機械加工動作の少なくとも一つを複数箇所に同時に実行可能な装置である。
以下には、機械加工システム１５１における上述の各構成部分について、順次説明を行う。

ロボット１１０は、基本的に軸の構造で定義される機構であり、例えば、関節を多数配置したアーム型、あるいは並列にリンク機構を制御するパラレルリンク型のような多軸機械の加工機構が相当する。尚、２軸もしくは３軸の直交するスライド軸により構成される、いわゆる直交ロボットと呼ばれるものは含まない。また、ロボット以外の加工機構の例としては、例えば剛性の弱い小型の工作機械、あるいはリニアガイドで構成された電動アクチュエータを有する機械、等がある。

第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０は、本実施の形態では図３Ａに示すように、ロボット１１０における先端のアーム部分１１１において、加工対象物１０に対して同側に並列して設置されている。このように、ロボット１１０は、アーム部分１１１に複数の機械加工装置を有する。また、図１に示すように、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０はそれぞれ、制御装置１４０に電気的に接続され、後述するように制御装置１４０によって駆動制御され、加工対象物１０に対して複数の機械加工を同時に行う。ここで「同時」とは、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０による機械加工動作が同時に開始され、同時に進行し、同時に終了することを意味する。

第１機械加工装置１２０は、本実施の形態では、加工対象物１０に対して、詳しくは加工対象物１０の長手方向に沿った側面に対して直角方向に穴あけつまりドリリングを行う装置であり、図３Ａに示すように、駆動部１２１と加工工具１２２とを有する。駆動部１２１は、加工工具１２２の回転運動、及び加工対象物１０の厚み方向１０ａと同方向に加工工具１２２を進退させる直線運動の両方の駆動を行う。駆動部１２１によって駆動される加工工具１２２の一例としての、本実施の形態ではドリルを例に採る。このような構成を有する第１機械加工装置１２０は、図３Ａに示すように、駆動部１２１にて加工工具１２２（ドリル１２２と記す場合もある）を、例えば時計回り方向１２０ａに回転させながら、加工対象物１０の厚み方向１０ａと同方向に沿って穴をあける第１方向１２０ｂへドリル１２２を移動させる。

第２機械加工装置１３０は、本実施の形態では、加工対象物１０の長手方向に沿った側面に直角方向に予めあけられた下穴に対してバックボーリングを行う装置であり、図３Ａに示すように、駆動部１３１と加工工具１３２とを有する。駆動部１３１は、加工工具１３２の回転運動、及び加工対象物１０の厚み方向１０ａと同方向に加工工具１３２を進退させる直線運動の両方の駆動を行う。駆動部１３１によって駆動される加工工具１３２の一例として、本実施の形態ではバックボーリング工具を例に採る。このような構成を有する第２機械加工装置１３０は、図３Ａに示すように、駆動部１３１にて加工工具１３２（バックボーリング工具１３２と記す場合もある）を、例えば反時計回り方向１３０ａに回転させながら、厚み方向１０ａと同方向に沿って、上述の第１方向１２０ｂとは逆向きの第２方向１３０ｂへバックボーリング工具１３２を移動させる。

第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０において、加工工具１２２及び加工工具１３２は、交換可能であり、サイズ及び種類を変更することができる。これにより穴径の変更等にも対応可能となる。この交換は、作業者によって行ってもよいし、図６を参照して後述するように工具交換装置１６３によって自動交換してもよい。
さらに、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の配置ピッチ１１２を変更することもできる。これにより、加工穴におけるピッチの変更にも対応可能となる。この配置ピッチ１１２の変更は、例えばアーム部分１１１において、予め複数の設置可能箇所を設けておいて作業者によって設置場所を変更してもよいし、図３Ｂを参照して後述するようにピッチ変更装置１６２によって自動的に行ってもよい。

制御装置１４０は、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の駆動を制御する装置である。また、制御装置１４０がロボット１１０の動作制御をも併せて行ってもよい。制御装置１４０について、以下に詳しく説明する。
制御装置１４０は、本実施の形態では上述の、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０が加工対象物１０に対して同時に機械加工を行うときの切削負荷としてのスラスト力及びトルクの少なくとも一方、本実施形態では両方、の絶対値の合計を同一又は略同一にして、スラスト力及びトルクの少なくとも一方、本実施形態では両方、による加工反力を第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０間で相殺するように、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０のそれぞれの駆動を制御する装置である。

本実施の形態では、加工対象物１０に対して、制御装置１４０は、上述のように第１機械加工装置１２０に対しては、ドリル１２２を時計回り方向１２０ａに回転させるとともに第１方向１２０ｂへ移動させ、また、第２機械加工装置１３０に対しては、バックボーリング工具１３２を反時計回り方向１３０ａに回転させるとともに、第１方向１２０ｂとは逆向きの第２方向１３０ｂへ移動させている。このような制御動作により、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の各機械加工動作によってロボット１１０のロボットアームに作用する各反力は、互いに相殺可能になる。

このような制御装置１４０は、例えば図１に示すように機能的には、条件設定部１４１と記憶部１４２とを有する。記憶部１４２は、例えばドリリング及びバックボーリング等の機械加工の種類に対応して設定されたスラスト力及びトルクの値を格納する。このようなスラスト力及びトルクの設定は、後述するような計算式、及び機械加工の種類に対応して行う検出試験の少なくとも一方により求める。条件設定部１４１は、スラスト力及びトルクを計算式を用いて求める場合も含めて、格納したスラスト力及びトルクに応じて加工反力を相殺可能とする、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の駆動条件を設定する。

このような制御装置１４０は、実際にはコンピュータを用いて実現され、条件設定部１４１は上述の機能に対応するソフトウェア、及びこれを実行するためのＣＰＵ（中央演算処理装置）等のハードウェアから構成される。

このような制御装置１４０において実行する、上述の各機械加工装置１２０，１３０に対する駆動条件の設定に関して、以下に詳しく説明する。
まず、駆動条件設定に必要となる上述のスラスト力及びトルクについて説明する。
第１機械加工装置１２０にて実行するドリル加工における反力について、ドリル加工では、主にスラスト力及びトルクが反力として作用する。ドリルの径方向（Ｘ、Ｙ方向）においても力は発生するが、スラスト力及びトルクに比べると極小さく、無視可能である。
第２機械加工装置１３０にて実行するようなバックボーリング及びボーリング加工における反力についても、ドリリング加工と同様に、主にスラスト力及びトルクが反力として作用する。したがって、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０における機械加工にて考慮すべき切削負荷としては、スラスト力及びトルクとなる。

但し、バックボーリング及びボーリング加工では、加工工具１３２の１回転あたりの送り距離、及び単位時間あたりの切削体積がドリル加工と同じであっても、ドリル加工の場合よりもスラスト力は低くなる。これは、ドリル加工では加工工具１２２の中心部分が最もスラスト力を発生させるが、バックボーリング工具１３２などにおける外周部分ではスラスト力が低いためである。

次に、第１機械加工装置１２０におけるドリル加工の切削条件と加工反力との関係について説明する。
ドリル加工の経験則として、一例として以下のような計算式が存在する。但し、実際にはドリルの形状（シンニング及び先端角）、回転軸の振れ、加工素材の状態（材質、硬度等）などによって変化するため、目安程度として扱える。また、計算式自体も文献によって種々なものが存在する。

M.C.Show & C.J.Oxford の式

また、第２機械加工装置１３０におけるバックボーリング（ボーリング）加工の切削条件と加工反力との関係について説明する。
ボーリング加工及びバックボーリング加工に関しては、相対的に見ると旋削の内径旋削と同じ切削形態であるため、一例として以下の計算式が成り立つものと考える。尚、比切削抵抗Ｋｓ（ＭＰａ）は、加工素材と１回転あたりの送りｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）によって変化する定数であり、文献には推定値が記載されている。尚、正確な数値は、切削試験によって実際に反力を計測するのが好ましい。切削抵抗Ｆ（Ｎ）は、主分力Ｆｔ（Ｎ）、背分力Ｆｎ（Ｎ）、送り分力Ｆｆ（Ｎ）の合力であり、スラスト力は旋削の送り分力Ｆｆに相当する。主分力Ｆｔ（Ｎ）、背分力Ｆｎ（Ｎ）、送り分力Ｆｆ（Ｎ）の比率は、工具及び刃先の形状などによって変化することから、予め切削試験による計測が好ましい。

上述の内容を前提として、加工反力の相殺方法について説明する。
制御装置１４０は、上述の式を参考にして、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０におけるスラスト力とトルクの少なくとも一方、本実施形態では両方、の絶対値の合計が同一又は略同一になる条件を設定し、この条件に従い第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０を駆動することで、加工反力を相殺する。尚、上述したように、上述の式は目安値を求めるものであることから、確認のため、あるいはさらに精度向上のため、実際に実施する機械加工による検出試験を行い得られた測定値を用いてもよい。これらの式及び測定値は、制御装置１４０の記憶部１４２に格納することができる。

加工反力の相殺方法について詳しく説明する。上述の式の通り、スラスト力に影響する因子は、１回転あたりの送りｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）と工具の削り代（ドリルであれば工具直径ｄ（ｍｍ）、ボーリング及びバックボーリングであれば切込深さｔ（ｍｍ））である。
よって、スラスト力が同一で、かつ加工時間を同一にするためには、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の両者における主軸の送り（ｍｍ／ｍｉｎ）を同じにし、かつ、以下の手順を実施する。これらの手順の内、「方法Ａ」の動作は、機能的に制御装置１４０における条件設定部１４１にて実行される。

１．スラスト力が異なる場合
・方法Ａ
第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の内、スラスト力が高い方の回転数（ｒｐｍ）を上げ、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０における主軸の送り（ｍｍ／ｍｉｎ）を同じにした状態で、１回転あたりの送りｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）を下げる。
もしくは、スラスト力が低い方の回転数（ｒｐｍ）を下げ、主軸の送り（ｍｍ／ｍｉｎ）を同じにした状態で、１回転あたりの送りｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）を上げる。
・方法Ｂ
第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の内、スラスト力が高い方の削り代（ｍｍ）を小さくし、スラスト力が低い方の削り代（ｍｍ）を大きくする。
・方法Ｃ
加工工具１２２，１３２の形状などを変更する。例えば、（ア）ドリル１２２の先端角を小さくあるいは大きくして、スラスト力を下げるあるいは上げる、（イ）加工工具１２２，１３２のすくい角を大きくあるいは小さくして、切削抵抗を下げるあるいは上げる。

２．トルクが異なる場合
・方法Ａ
第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の内、トルクが高い方の回転数（ｒｐｍ）を上げ、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０における主軸の送り（ｍｍ／ｍｉｎ）を同じにした状態で、１回転あたりの送りｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）を下げる。
もしくは、トルクが低い方の回転数（ｒｐｍ）を下げ、主軸の送り（ｍｍ／ｍｉｎ）を同じにした状態で、１回転あたりの送りｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）を上げる。
・方法Ｂ
第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の内、トルクが高い方の削り代（ｍｍ）を小さくし、低い方の削り代（ｍｍ）を大きくする。
・方法Ｃ
加工工具１２２，１３２の形状などを変更する。

以上説明したように機能する制御装置１４０の制御動作を第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０に対して行った場合における、ロボットアーム先端のアーム部分１１１でのスラスト力の測定結果の一例を図７に示す。図７において、「１２５」は第１機械加工装置１２０によるドリリング加工によるスラスト力の測定値を示し、「１３５」は第２機械加工装置１３０によるバックボーリング加工によるスラスト力の測定値を示す。よって、各スラスト力１２５，１３５の合力１４５は、ほぼゼロになっている。

以上説明した構成による機械加工システム１５１が実行する機械加工動作について説明する。
ここでは、制御装置１４０の記憶部１４２は、予め、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０に関する情報を格納している。この情報としては、例えば上述の各式に含まれるそれぞれのファクターのデータ、あるいは、例えば、加工対象物１０の材質毎に、加工工具１２２、１３２の各サイズにおけるスラスト力及びトルクの値、等のデータである。
また、機械加工される加工対象物１０は、ロボット１１０とは別に固定されている。

図８におけるステップＳ１において、まず、制御装置１４０は、ロボットアーム先端のアーム部分１１１に装着されている第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０に関するスラスト力及びトルクを記憶部１４２から抽出する。あるいはまた、試験結果等によって得られた加工条件（回転数（rpm）、送り速度（mm/min）、又は移動量（mm））を作業者が制御装置１４０に入力することもできる。
次に、ステップＳ２にて、抽出あるいは入力によって得られたスラスト力及びトルクによる加工反力を相殺するように、制御装置１４０は、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の駆動条件を設定して、駆動制御を行う。
第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０は、この駆動制御に従い加工対象物１０に対して機械加工を同時に実行していく。

また、機械加工作業では、図５に示すように、例えば作業方向に沿って延在する移動路１６５に複数台の機械加工システム１５１を可動に設置し、各機械加工システム１５１を移動路１６５に沿って移動させながら行うこともできる。ここで機械加工システム１５１の移動は、自走式でも移動装置１６６によるものでもよい。

以上説明したように、本実施の形態の機械加工システム１５１によれば、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０による各機械加工では、加工対象物１０に対する加工工具１２２、１３２の回転方向が互いに逆向きであり、かつ加工工具１２２、１３２の移動方向も互いに逆向きであり、さらに、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の駆動制御が行われる。このような制御動作によれば、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の各機械加工動作によりロボット１１０のロボットアームに作用する各反力は、互いに相殺可能になる。

したがって、例えば金属製の加工対象物１０に対しても、剛性の小さいロボット１１０を用いて機械加工を行うことが可能となり、さらにこの機械加工を高い位置精度及び高い機械加工品質にて実行可能となる。よって、ロボットにおける低剛性を補うための治具は不要であり、生産効率の向上及びコスト低減を図ることも可能になる。また、例えば金属製の加工対象物１０に対して従来では不可能であったサイズでの機械加工、例えばφ１０ｍｍを超えるサイズの穴あけ加工、も可能となる。また、ロボット１１０によって機械加工が可能になることから、機械加工姿勢の自由度が高く設置面積も小さい。その結果、例えば航空機等の大型の加工対象物１０に対して低コストで加工が可能である。本機械加工システム１５１では、ロボットアームへの反力を相殺させるため、加工対象物１０に対して複数の機械加工を同時に行う必要がある。よって、例えば、同径の穴を多数個あける等の機械加工を要する加工対象物、例えば航空機、に対して、本機械加工システム１５１は、特に有効である。

本実施の形態では上述のように、ロボットアームには２台の機械加工装置１２０、１３０を装着した場合を例に採ったが、機械加工装置の台数は複数であればよく、台数に限定はない。上述の説明から明らかなように、機械加工装置によるスラスト力及びトルクによる加工反力が相殺されれば複数台数に限定はない。また本実施の形態では、一つのドリル１２２と一つのバックボーリング工具１３２とによる機械加工であるが、加工反力が相殺されるならば、加工種類における加工工具の数は異なってもよい。

また、本実施の形態では上述のように、機械加工装置１２０、１３０のそれぞれがスラスト力及びトルクを発生する場合を例に採り、制御装置１４０は、スラスト力及びトルクの両方を相殺するように、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０に対して制御動作を行った。しかしながら、例えば、加工においてトルクが影響を及ぼさない程に小さい場合には、相殺対象としてスラスト力のみを考慮すればよい。よって、スラスト力のみ、あるいはトルクのみを相殺するようにしてもよい。したがって制御装置１４０は、スラスト力及びトルクの少なくとも一方を相殺するように、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０に対して制御動作を行えばよい。また、一方がスラスト力で他方がトルクであるような、スラスト力とトルクとの組み合わせを相殺するように、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０に対して制御動作を行ってもよい。尚、これらの点は、以下の各実施形態に対しても適用される。

実施の形態２．
上述の実施の形態１では、第２機械加工装置１３０としてバックボーリング工具１３２を設けた装置を例に採り、加工対象物１０の片側に第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０を配置した構成を例に採った。
これに対して、本実施の形態２では、図２及び図４Ａに示すように、機械加工システム１５２は、加工対象物１０を間に挟み、加工対象物１０の片側に第１機械加工装置１２０を、対向側に第２機械加工装置１３０を配置し、両機械加工装置１２０，１３０共にドリリングを行う場合の構成である。本実施の形態２の機械加工システム１５２におけるその他の構成は、上述の実施の形態１における機械加工システム１５１に同じである。

このように構成される実施の形態２の機械加工システム１５２においても、実施の形態１の機械加工システム１５１と同じ効果を得ることができる。即ち、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の各機械加工では、加工対象物１０に対する加工工具１２２の回転方向が互いに逆向きであり、かつ加工工具１２２の移動方向も互いに逆向きであり、さらに、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の駆動制御が制御装置１４０により行われる。よって、各機械加工動作によるロボットアームに作用する各反力は、互いに相殺されることになる。したがって、例えば、金属製の加工対象物１０に対しても、ロボット１１０を用いて機械加工を行うことが可能となる。また、例えば金属製の加工対象物１０に対して従来では不可能であったサイズでの機械加工も可能となる。

また、実施の形態１において説明した変形例についても、実施の形態２の機械加工システム１５２に適用可能である。例えば、本実施の形態２では、加工対象物１０を間に挟み、その両側に一対の第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０を配置しているが、この配置に限定されるものではない。即ち、機械加工装置によるスラスト力及びトルクによる加工反力が相殺されるように、例えば、加工対象物１０の片側に１台、対向側に２台のように１：１以外の構成にて機械加工装置を配置してもよい。

実施の形態３．
上述の実施の形態１及び実施の形態２では、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０におけるスラスト力及びトルクは、機械加工の種類に対応して設定した計算式、及び機械加工の種類に対応して行う検出試験の少なくとも一方により求めた。
これに対して本実施の形態３では、図３Ｂ及び図４Ｂに示す機械加工システム１５３及び機械加工システム１５４のように、スラスト力及びトルクを検出する検出装置１６１を第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０のそれぞれに設置した構成を採る。尚、図３Ｂに示す機械加工システム１５３は、図１に示す機械加工システム１５１の構成に対応した構成を有し、図４Ｂに示す機械加工システム１５４は、図２に示す機械加工システム１５２の構成に対応した構成を有する。ここで検出装置１６１は、スラスト力及びトルクの両方を検出可能な形態であってもよいし、それぞれ別々に検出する形態でもよい。あるいはまた、スラスト力及びトルクのいずれか一方のみを検出するように構成してもよい。
このような検出装置１６１は、制御装置１４０に電気的に接続される。

さらにまた、図３Ｂに示す機械加工システム１５３及び図４Ｂに示す機械加工システム１５４では、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の配置ピッチ１１２を機械的に変更するためのピッチ変更装置１６２を設けることもできる。このようなピッチ変更装置１６２は、制御装置１４０に電気的に接続される。
図３Ｂ及び図４Ｂでは、検出装置１６１及びピッチ変更装置１６２の両方を有する構成を示しているが、いずれか一方のみを設けた構成を採ってもよい。
尚、本実施の形態３の機械加工システム１５３及び機械加工システム１５４における検出装置１６１及びピッチ変更装置１６２以外の構成は、実施の形態１の機械加工システム１５１及び実施の形態２の機械加工システム１５２における構成にそれぞれ同じである。

このように構成される実施の形態３の機械加工システム１５３，１５４においても、実施の形態１、２の機械加工システム１５１、１５２と同じ効果を得ることができ、さらに機械加工システム１５３，１５４は、実施の形態１、２の機械加工システム１５１、１５２に比べて下記の利点を有する。即ち、本実施の形態３による構成によれば、制御装置１４０は、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０のそれぞれにおけるスラスト力及びトルクを予め格納しなくてもよく、検出装置１６１の測定値から直接に、あるいは上述した計算式を参照して、スラスト力及びトルクを求めることができる。そして求めたスラスト力及びトルクに応じて第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の駆動制御を行うことができる。

また、実施の形態１、２において説明した変形例は、実施の形態３の機械加工システム１５３，１５４にも適用可能である。

実施の形態４．
上述の実施の形態１から実施の形態３では、ロボットアーム先端のアーム部分１１１に設けた第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の少なくとも一方における加工工具の交換は、作業者が行う。
これに対して、図６に示す実施の形態４における機械加工システム１５５では、複数の機械加工装置を有し機械的に機械加工装置を交換する、つまり加工工具を交換する、工具交換装置１６３をアーム部分１１１に２台設けている。図６は、図１に示す機械加工システム１５１に対応した構成を示すが、図２に示す機械加工システム１５２に対応した構成を採ることも可能である。
本実施の形態４の機械加工システム１５５における工具交換装置１６３以外の構成は、実施の形態１の機械加工システム１５１及び実施の形態２の機械加工システム１５２における構成にそれぞれ同じである。よって工具交換装置１６３に設けられた機械加工装置１２０，１３０は、制御装置１４０と電気的に接続され、制御装置１４０によって上述した駆動制御がなされる。

本実施の形態４における工具交換装置１６３は、回転体１６３ａの周囲に機械加工装置を配置し、回転体１６３ａを矢印方向に回転させることで、加工対象物１０に対する機械加工装置つまり加工工具の交換を行う。

図６では、１台の工具交換装置１６３には、２つの機械加工装置つまり第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０を設けた構成を示すが、３台以上の機械加工装置を設けてもよく、また、各機械加工装置における加工工具の種類が同じでも異なってもよい。尚、加工工具が同種である場合にはサイズが異なる。また、各工具交換装置１６３における機械加工装置の設置台数が異なってもよい。

このように構成される実施の形態４の機械加工システム１５５は、実施の形態１、２の機械加工システム１５１、１５２と同じ効果を得ることができ、さらに、実施の形態１、２の機械加工システム１５１、１５２に比べて、工具交換装置１６３によって人手によらず自動的に工具交換が可能であり、作業効率の向上及び製造コストの低減という効果を得ることができる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、上述の実施の形態１〜４を実施する加工対象物１０が航空機の胴体である場合を例に採り、幾つかの実施例について説明を行う。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、航空機の胴体２０は、概略、フレーム２１、縦通材２２、及び外皮２３の部材から構成される。フレーム２１は、胴体２０の周方向に延在する部材であり、縦通材２２は、胴体２０の長手方向に沿って延在し各フレーム２１を連接する部材であり、外皮２３は、胴体２０の外表面を形成する部材でありフレーム２１及び縦通材２２にリベットによって固定される。よって、フレーム２１、縦通材２２、及び外皮２３が上述の加工対象物１０の一例に相当し、実施の形態１〜４において説明した各種の機械加工システム１５１〜１５５を利用することができる。

胴体２０を形成するために、フレーム２１、縦通材２２及び外皮２３には、リベット用の貫通穴を形成する必要があり、この貫通穴は、縦、横に同列で連続して規定間隔で配置される。また、貫通穴であることから、胴体２０の表側、裏側のいずれからも加工を行うことができる。よって、胴体２０は、上述の機械加工システム１５１〜１５５の利用に非常に適した加工対象物１０である。

図１０は、実施の形態５における、胴体２０に対する機械加工システムの適用例の一つを示している。具体的には、実施の形態１で説明した機械加工システム１５１を２台用いて、実施の形態２で説明したように、胴体２０を表裏側から挟むように各ロボット１１０が配置されている。ここでは、第１機械加工装置１２０がドリリングを、第２機械加工装置１３０がバックボーリングを行う。尚、図１０では２台のロボット１１０を示すが、３台以上であってもよい。また、機械加工システム１５１に限らず、機械加工システム１５２〜１５５を使用してもよい。

図１０に示すように、胴体２０の左側に位置する機械加工システム１５１Ｌの第１及び第２の機械加工装置１２０、１３０は、同方向に工具を回転させ、胴体２０の右側に位置する機械加工システム１５１Ｒの第１及び第２の機械加工装置１２０、１３０も、同方向に工具を回転させている。しかしながら、左側の機械加工システム１５１Ｌと右側の機械加工システム１５１Ｒとでは、互いに回転方向を異ならせている。
このように、左側、右側の各機械加工システム１５１Ｌ、１５１Ｒにて加工位置あるいは加工方法を工夫することで、各実施の形態１〜４で説明したように、胴体２０に作用するモーメントを相殺することができる。

尚、隣接する貫通穴同士のピッチは、１台のロボット１１０のアーム部分１１１に設置された第１機械加工装置１２０と第２機械加工装置１３０との配置ピッチ１１２に一致しない場合もある。このような場合、例えば、規定ピッチにて、左から右へ番号１，２，３，４，５，…の順で貫通穴を開けていくとき、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の配置ピッチ１１２に対応して、まず、１番及び４番の穴を開け、次に、アーム部分１１１を貫通穴の規定ピッチ分、移動させて、２番及び５番の穴を開ける、以下同様、という方法を採ることができる。

また、加工対象物１０が航空機の胴体２０である場合、実施の形態５の変形例として、図１１に示すような形態を採ることもできる。
即ち、胴体２０は、円筒形状であり、直径が例えば６ｍ程度である。一方、このように曲率を有する胴体２０の表面に対して、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の加工工具の主軸を可能な限り垂直に配向する必要がある。
よって、図１１に示すように、ロボット１１０のアーム部分１１１に対して、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０を規定角度に設置可能とする傾斜機構１１５を設けてもよい。

尚、上述程度の直径を有する胴体２０に対して貫通穴同士のピッチは、高々５ｃｍ程度である。第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の配置ピッチ１１２が貫通穴ピッチの数倍になる場合でも、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の傾斜角度は、曲率の無い加工対象物１０に対する場合と殆ど変わりはない。よって、実施の形態１〜４で説明した「加工反力の相殺」動作が適用可能である。

さらにまた、加工対象物１０が航空機の胴体２０である場合、実施の形態５のさらなる変形例として、図１２Ａ及び図１２Ｂ（総称して、図１２と記す場合もある）に示すような形態を採ることもできる。尚、この形態では、ロボット１１０のアーム部分１１１に設置された第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の配置を利用するという観点が主なものであり、加工反力の相殺を利用するという観点は低い。

胴体２０に開けた貫通穴２４に対して外皮２３をリベット止めするとき、テンポラリーファスナー２５を用いる場合もある。テンポラリーファスナー２５は、部材同士の仮止めを行う部品であり、例えば、複数のフレーム２１及び縦通材２２と外皮２３とを仮止めする、あるいはまた複数の外皮２３同士をフレーム２１等に仮止めするために用いる部品である。テンポラリーファスナー２５は、図１２Ａに示すように、貫通穴２４に挿入され、ファスナー用工具の回転によって、テンポラリーファスナー２５の変位部２５ａの拡径及び縮径がなされ、貫通穴２４への固定及び固定解除が可能な部品である。

一方、加工工具の交換を行うため、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０は、図１２に示すように、工具取付部１１７を有している。よって、工具取付部１１７に対して、ファスナー用工具を取り付けることができる。あるいはまた、第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０に代えて、ロボット１１０のアーム部分１１１にファスナー用工具を取り付けてもよい。いずれの構成においても、第１機械加工装置１２０等によって、テンポラリーファスナー２５が回転され、固定されてフレーム２１及び縦通材２２と外皮２３との仮止めが行われる。さらに、仮止め終了後には、テンポラリーファスナー２５が再度回転され、固定が解除され貫通穴２４から除去される。

テンポラリーファスナー２５を用いる形態においては、さらにまた、ロボット１１０のアーム部分１１１に設置された第１機械加工装置１２０及び第２機械加工装置１３０の配置を利用することで、図１２Ｂに示すような形態を採ることも可能になる。
即ち、ロボット１１０のアーム部分１１１に設置された一方の第２機械加工装置１３０にテンポラリーファスナー２５を取り付けて、他方の第１機械加工装置１２０には加工工具１２２としてドリルを取り付ける。まず、第２機械加工装置１３０によって、貫通穴２４にテンポラリーファスナー２５を挿入し、回転させ、外皮２３とフレーム２１等との固定を行う。貫通穴２４に固定されたテンポラリーファスナー２５を第２機械加工装置１３０に連結させた状態のまま、第１機械加工装置１２０にて胴体２０に対してドリリングを行う。

このように、テンポラリーファスナー２５を固定した後、第２機械加工装置１３０にて保持したままとすることで、低剛性のロボットアームにおける第１機械加工装置１２０にて機械加工を行う際に、ロボット１１０の変位を抑制さらには防止することができる。よって、他の機械加工箇所における位置精度、さらに加工精度を向上させることが可能となる。このように第２機械加工装置１３０にて保持されたテンポラリーファスナー２５は、他の機械加工箇所に対する基準箇所とすることができる。

このように、実施の形態１〜４におけるロボット１１０を利用して、テンポラリーファスナー２５を使用することも可能となる。

以上説明した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、２０１４年１２月２６日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２０１４−２６５６９８号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。

本発明は、加工対象物に対して機械加工を行うときに適用可能な機械加工方法、及び機械加工システムに適用可能である。

１０…加工対象物、
１１０…ロボット、１２０…第１機械加工装置、１２２…加工工具、
１３０…第２機械加工装置、１３２…加工工具、１４０…制御装置、
１４１…条件設定部、１５１〜１５５…機械加工システム、
１６１…検出装置、１６２…ピッチ変更装置、１６３…工具交換装置。

Claims (12)

1. 加工機構における複数箇所に設置した各機械加工装置を用いて金属製の加工対象物に対して機械加工を行う機械加工方法であって、
   それぞれの機械加工装置が上記加工対象物に機械加工を行うときのスラスト力及びトルクの少なくとも一方を各機械加工装置について求め、
   それぞれの上記機械加工装置が上記加工対象物に対して同時に機械加工を行うときの上記スラスト力及びトルクの少なくとも一方による加工反力を相殺するように制御装置によってそれぞれの上記機械加工装置の駆動を制御する、
   ことを特徴とする機械加工方法。
2. 上記加工機構はロボットであり、上記各機械加工装置はロボットアームにおける複数箇所に設置される、請求項１に記載の機械加工方法。
3. 上記スラスト力及びトルクは、機械加工の種類に対応して設定した計算式、及び機械加工の種類に対応して行う検出試験の少なくとも一方により求め、上記制御装置による駆動制御は、各機械加工装置間でのスラスト力及びトルクの少なくとも一方が同等になる各機械加工装置の駆動条件を設定して行う、請求項１又は２に記載の機械加工方法。
4. 上記スラスト力及びトルクは、それぞれの機械加工装置に接続した検出装置の測定値から求め、上記制御装置による駆動制御は、各機械加工装置間でのスラスト力及びトルクの少なくとも一方が同等になる各機械加工装置の駆動条件を設定して行う、請求項１又は２に記載の機械加工方法。
5. 加工反力の相殺対象となる各機械加工装置に対する駆動制御は、上記機械加工装置間でスラスト力又はトルクが異なるときには、加工工具における単位時間当たりの進行距離を上記機械加工装置間で同じに設定して、加工工具における一回転当たりの送り距離を増す又は減じることで行う、請求項１から４のいずれかに記載の機械加工方法。
6. 加工反力を相殺する上記機械加工装置の駆動制御は、機械加工装置間において上記加工対象物に対するスラスト力及びトルクの少なくとも一方の作用方向を逆向きにして行う、請求項１から５のいずれかに記載の機械加工方法。
7. 上記機械加工は、ドリリング、バックボーリング、あるいはボーリングである、請求項１から６のいずれかに記載の機械加工方法。
8. 加工機構における複数箇所に設置される複数の機械加工装置を有し、これらの機械加工装置を用いて金属製の加工対象物に対して機械加工を行う機械加工システムであって、
   それぞれの機械加工装置が上記加工対象物に対して同時に機械加工を行うときのスラスト力及びトルクの少なくとも一方による加工反力をそれぞれの機械加工装置間で相殺するようにそれぞれの上記機械加工装置の駆動を制御する制御装置を備え、
   上記制御装置は、機械加工の種類に対応して設定した計算式、及び機械加工の種類に対応して行う検出試験の少なくとも一方により求めたスラスト力及びトルクの少なくとも一方に応じて加工反力を相殺する駆動条件を設定する条件設定部を有する、
   ことを特徴とする機械加工システム。
9. 加工機構における複数箇所に設置される複数の機械加工装置を有し、これらの機械加工装置を用いて金属製の加工対象物に対して機械加工を行う機械加工システムであって、
   それぞれの機械加工装置が上記加工対象物に対して同時に機械加工を行うときのスラスト力及びトルクの少なくとも一方による加工反力をそれぞれの機械加工装置間で相殺するようにそれぞれの上記機械加工装置の駆動を制御する制御装置と、
   それぞれの機械加工装置に接続され、機械加工動作におけるスラスト力及びトルクを検出する検出装置と、を備え、
   上記制御装置は、上記検出装置から得られたスラスト力及びトルクの少なくとも一方に応じて加工反力を相殺する駆動条件を設定する条件設定部を有する、
   ことを特徴とする機械加工システム。
10. 上記加工機構はロボットであり、上記各機械加工装置はロボットアームにおける複数箇所に設置される、請求項８又は９に記載の機械加工システム。
11. 上記機械加工は、ドリリング、バックボーリング、あるいはボーリングである、請求項８から１０のいずれかに記載の機械加工システム。
12. 上記機械加工装置は、上記機械加工を行う工具を取り付ける工具取付部を有し、この工具取付部は、上記加工対象物の仮止めを行うテンポラリーファスナーを装着する、請求項８から１１のいずれかに記載の機械加工システム。

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