JP6714732B2 - 機械加工用ロボット及び機械加工方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、機械加工用ロボット、機械加工方法、ロボットの制御システム、ロボットの制御方法及びロボットの制御プログラムに関する。

従来、複合材や金属で構成される機械加工物（ワーク）の外形トリム加工を行う方法として、ワーク側に治具として倣い型を設置する一方、フライス盤やルータ加工装置等の工作機械にエンドミルやルータビットと呼ばれる切削工具とともに倣い型と接触させるためのガイドを取付けて倣い加工を行う方法が知られている。

一方、ロボットのアームで工具を保持して面取り、バリ取り、研磨或いは研削等の加工を行う手法が提案されている（例えば特許文献１乃至５参照）。特に、多関節ロボットのアームに力センサを設けてワークからの反力を検出し、ワークに対して一定力を加えながら、面取り、バリ取り、研磨或いは研削等の加工を行う手法も提案されている。

特開２００２−３７０１１６号公報 特開２０１２−１３９７８９号公報 特開２０１４−４０００１号公報 特開２０１１−２１６０５０号公報 特開２０１０−２５３６１３号公報

しかしながら、ロボットによる位置決め精度は、０．０１ｍｍから０．００１ｍｍのピッチで工具の位置決めを行うことが可能な工作機械の位置決め精度と比べると、桁違いに低い。これは、マシニングセンタやフライス盤等の工作機械の主軸に比べてロボットのアームの剛性が低いことに起因している。

このため、ロボットによる加工は、面取り、バリ取り、研磨或いは研削等の加工精度が緩やかな加工又はワークからの反力が比較的小さい加工に限られ、公差が±０．１ｍｍから±１．０ｍｍ程度の加工精度が要求されるエンドミルを用いたワークの外形トリム加工やポケット加工等の切削加工を行う場合には、ロボットに比べて大規模で高価な工作機械に依存せざるを得ない状況となっている。

また、ワークの外形をトリムするために、マシニングセンタやフライス盤等の大規模な工作機械を導入できない場合には、倣いガイド付きのハンドルータを用いた作業者の手作業による倣い加工が行われている。具体的には、ワークに倣い型が取付けられ、ルータビットを保持したハンドルータの倣いガイドを押し当てながら作業者の手作業によってワークの切断加工が行われる。

作業者の手作業による場合、ワークの板厚変化、ワークの形状及び工具の摩耗状態等の加工条件に応じてルータビットの移動速度を加減することが必要となる。このため、加工品質を確保するためには、技能を習得した熟練作業者でなければ、ワークの倣い加工を行うことができないという問題がある。

そこで、本発明は、ロボットを用いてワークの外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、ポケット加工或いは穿孔等のワークからの反力が大きな切削機械加工を高精度に行えるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係るロボットの制御システムは、工具を回転させながら保持し、前記工具を少なくとも２次元方向に移動させることが可能な、前記工具の回転機構を取付けたアームを備えたロボットの制御システムであって、負荷取得部及び制御信号生成部を有する。負荷取得部は、前記アームに取付けられた倣いガイドと機械加工物側に設置される倣い型とを接触させながら前記アームを移動させることによる前記工具を用いた前記機械加工物の外形倣い加工中において少なくとも前記工具から前記アームに負荷される力を測定する力センサにより測定された前記力を取得する。制御信号生成部は、前記負荷取得部により取得された前記力と、前記外形倣い加工用の前記アームの制御情報とに基づいて、前記外形倣い加工用の前記アームの制御信号を生成し、生成した前記制御信号を前記アームに出力することによって前記外形倣い加工が実施されるように前記アームを自動制御する。また、前記制御信号生成部は、前記工具としてエンドミルを用いた、±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差が要求される前記機械加工物の切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工及びフランジ内面の仕上げ加工の少なくとも１つの切削加工であって面取り、バリ取り、研磨及び研削のいずれでもない前記切削加工が前記外形倣い加工の少なくとも１つとして実施されるように前記アームを自動制御する。

また、本発明の実施形態に係る機械加工用ロボットは、前記ロボットの制御システム、前記アーム及び前記力センサを備えるものである。

また、本発明の実施形態に係るロボットの制御方法は、工具を回転させながら保持し、前記工具を少なくとも２次元方向に移動させることが可能な、前記工具の回転機構を取付けたアームを備えたロボットの制御方法であって、前記アームの移動による前記工具を用いた機械加工物の外形倣い加工中において少なくとも前記工具から前記アームに負荷される力を測定する力センサにより測定された前記力を取得するステップと、取得された前記力と、前記外形倣い加工用の前記アームの制御情報とに基づいて、前記外形倣い加工用の前記アームの制御信号を生成し、生成した前記制御信号を前記アームに出力することによって前記外形倣い加工が実施されるように前記アームを自動制御するステップとを有し、前記工具としてエンドミルを用いた、±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差が要求される前記機械加工物の切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工及びフランジ内面の仕上げ加工の少なくとも１つの切削加工であって面取り、バリ取り、研磨及び研削のいずれでもない前記切削加工が前記外形倣い加工の少なくとも１つとして実施されるように前記アームを自動制御するものである。

また、本発明の実施形態に係るロボットの制御プログラムは、工具を回転させながら保持し、前記工具を少なくとも２次元方向に移動させることが可能な、前記工具の回転機構を取付けたアームを備えたロボットの制御プログラムであって、前記ロボットの制御システムに、前記アームの移動による前記工具を用いた機械加工物の外形倣い加工中において少なくとも前記工具から前記アームに負荷される力を測定する力センサにより測定された前記力を取得するステップと、取得された前記力と、前記外形倣い加工用の前記アームの制御情報とに基づいて、前記外形倣い加工用の前記アームの制御信号を生成し、生成した前記制御信号を前記アームに出力することによって前記外形倣い加工が実施されるように前記アームを自動制御するステップであって、前記工具としてエンドミルを用いた、±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差が要求される前記機械加工物の切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工及びフランジ内面の仕上げ加工の少なくとも１つの切削加工であって面取り、バリ取り、研磨及び研削のいずれでもない前記切削加工が前記外形倣い加工の少なくとも１つとして実施されるように前記アームを自動制御するステップとを実行させるものである。

また、本発明の実施形態に係る機械加工方法は、少なくとも２次元方向に移動させることが可能なアームを備えたロボットの前記アームに工具、前記工具を回転させる回転機構及び機械加工物側に設置される倣い型と接触させるための倣いガイドを取付けて、前記倣いガイドと前記倣い型とを接触させながら前記アームを移動させることによって前記工具を用いた前記機械加工物の外形倣い加工を行い、前記外形倣い加工によって製品又は半製品を製造するステップと、前記外形倣い加工中において少なくとも前記工具から前記アームに負荷される力を力センサで測定するステップと、前記力センサで測定された前記力に基づいて前記アームの移動速度を自動調整するステップとを有し、前記工具としてエンドミルを用いた、±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差が要求される前記機械加工物の切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工及びフランジ内面の仕上げ加工の少なくとも１つの切削加工であって面取り、バリ取り、研磨及び研削のいずれでもない前記切削加工を前記外形倣い加工の少なくとも１つとして実施するものである。

本発明の実施形態に係る機械加工用ロボットの構成図。 図１に示す機械加工用ロボットに工具を取り付けて機械加工物の外形倣い加工を行う機械加工方法を説明する図。 図１に示す機械加工用ロボットに備えられる制御システムの機能ブロック図。 図２に示す機械加工用ロボットを用いた外形倣い加工中において工具の進行方向が変化する場合に工具の進行方向の反力及び工具径方向の反力を求める方法を説明する図。 図２に示す機械加工用ロボットを用いた外形倣い加工中において工具の進行方向が変化しない場合であっても、力センサの向きが変化する場合の例を示す図。 図１に示す機械加工用ロボットにおけるアームの制御方法を説明するグラフ。

実施形態

本発明の実施形態に係る機械加工用ロボット、機械加工方法、ロボットの制御システム、ロボットの制御方法及びロボットの制御プログラムについて添付図面を参照して説明する。

（機械加工用ロボット及びロボットの制御システムの構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る機械加工用ロボットの構成図であり、図２は図１に示す機械加工用ロボットに工具を取り付けて機械加工物の外形倣い加工を行う機械加工方法を説明する図である。

機械加工用ロボット１は、ロボット２及びロボット２の制御システム３で構成される。ロボット２は、複数のジョイントでリンクを連結した片持ち構造のアーム４を有する。アーム４の先端には取付治具５が設けられる。取付治具５には、送り機構６、回転機構７、倣いガイド８及び工具Ｔが取付けられる。

アーム４は、取付治具５に取付けられた送り機構６、回転機構７、倣いガイド８及び工具Ｔを、少なくとも２次元方向に移動させることが可能な構造を有する。例えば、３つのリンクを回転軸が平行な２つのジョイントで連結して平面上に配置すれば、取付治具５に取付けられた送り機構６、回転機構７、倣いガイド８及び工具Ｔを３つのリンクが配置された平面上において２次元方向に移動させることが可能なアーム４を構成することができる。

但し、典型的なロボット２は、図１に例示されるように取付治具５に取付けられた送り機構６、回転機構７、倣いガイド８及び工具Ｔを３次元方向に移動させることが可能なアーム４を備えている。図１に示す例では、アーム４が、複数のリンクを複数の回転機構で連結した構造を有している。このため、取付治具５に取付けられた送り機構６、回転機構７、倣いガイド８及び工具Ｔを、３次元方向に平行移動させることができるのみならず、回転移動によって所望の方向に傾斜させることができる。

送り機構６は、工具Ｔに工具軸ＡＸ方向における送りを付与する装置である。回転機構７は、工具Ｔを保持して回転させる装置である。従って、送り機構６は、工具Ｔを保持して回転させる回転機構７に工具軸ＡＸ方向における送りを付与することによって、工具Ｔに間接的に工具軸ＡＸ方向における送り動作を付与するように構成される。送り機構６及び回転機構７としては、いずれも汎用の空気圧式、油圧式又は電気式等の装置を用いることができる。図１に示す例では、送り機構６及び回転機構７の双方が空気圧式の装置となっている。このため、回転機構７を内蔵した送り機構６が、圧縮空気供給タンクと接続されている。もちろん、送り機構６及び回転機構７の一方又は双方を電気式の装置とすることもできる。その場合には、送り機構６及び回転機構７の一方又は双方に備えられるモータが電源と接続される。

このように、ロボット２は、工具Ｔを回転機構７で回転させながら保持し、回転機構７で間接的に保持された工具Ｔを２次元方向又は３次元方向に移動させることが可能なアーム４を備えている。従って、アーム４の２次元的な駆動又は３次元的な駆動によって工具Ｔを用いたワーク（機械加工物）Ｗの機械加工を行うことができる。

回転機構７で保持される工具Ｔとしては、面取りカッターやバリ取り工具のみならず、エンドミル、ドリル及びリーマ等の様々な回転式の機械加工工具が挙げられる。従って、回転式の工具Ｔを取付けた機械加工用ロボット１によって、ワークＷの所望の切削加工を行うことができる。具体例として、板状又はブロック状のワークＷの切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工、フランジ内面の仕上げ加工、穿孔、面取り加工及びバリ取り加工など、多種多様な切削加工を行うことができる。

また、ワークＷの材質としては、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ： Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材や金属の他、切削加工の対象となる材質であれば、任意の材質を切削加工の対象とすることができる。

倣いガイド８は、ワークＷ側に設置される倣い型Ｊ１と接触するためにアーム４側に取付けられるアーム４側における倣い加工用の治具である。倣いガイド８には、倣い型Ｊ１と工具径方向Ｄに接触することによって工具径方向Ｄにおける工具Ｔの位置決めを行うためのガイドのみならず、倣い型Ｊ１と工具軸ＡＸ方向に接触することによって工具軸ＡＸ方向における工具Ｔの位置決めを行うためのガイドを設けることができる。

図１及び図２に示す例では、工具Ｔを通すための貫通孔を設けた円板状の部材８Ａの一方の面に同軸状に円筒状の部分８Ｂを形成した倣いガイド８が、回転機構７を内蔵した送り機構６のケーシング６Ａに固定されている。円板状の部材８Ａは、倣い型Ｊ１と工具軸ＡＸ方向に接触することによって工具軸ＡＸ方向における工具Ｔの位置決めを行うためのガイドとして機能する。一方、円筒状の部分８Ｂは、倣い型Ｊ１と工具径方向Ｄに接触することによって工具径方向Ｄにおける工具Ｔの位置決めを行うためのガイドとして機能する。そして、倣いガイド８の中心軸上に形成される貫通孔からワークＷ側に工具Ｔを突出させることができるように構成されている。

尚、倣いガイド８をベアリング等の回転機構を介して回転自在にアーム４側に取付けるようにしてもよい。但し、ワークＷがＣＦＲＰである場合には、カーボンの粉塵がベアリングの隙間に詰まる恐れがある。そこで、倣いガイド８をベアリング等の回転機構を介さずにアーム４側に固定することによって、倣いガイド８の構成を簡易にしつつ、回転機構への複合材の粉塵の混入を防止することができる。或いは、内部への粉塵の混入を防止する構造を有するシールドベアリングで倣いガイド８を回転自在にアーム４側に取付けるようにしてもよい。

また、倣いガイド８の形状及びアーム４への取付け位置は、ワークＷ自体の形状及び位置並びにワークＷ側に設置される倣い型Ｊ１の形状及び位置に応じて自由に決定することができる。

倣い型Ｊ１は、ワークＷ側に設置される倣い加工用の治具である。具体的には、倣い型Ｊ１は、倣いガイド８と工具径方向Ｄに接触する面と、工具軸ＡＸ方向に接触する面を有する。このため、倣い型Ｊ１を倣いガイド８と２つの接触面で接触させることによって、工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向の双方における工具Ｔの位置決めを行うことができる。そして、アーム４側の倣いガイド８と、ワークＷ側に設置される倣い型Ｊ１とを接触させながらアーム４を移動させることにより、工具Ｔを用いたワークＷの外形倣い加工を行うことができる。

図２に示す例では、航空機部品の１つであるＩ型ストリンガ（縦通材）がワークＷとなっている。Ｉ型ストリンガは横断面がＩ字型のストリンガである。すなわち、Ｉ型ストリンガは、ウェブの両側に２枚のフランジを形成した構造を有している。そして、図２は、横断面がＩ字型である素材のフランジ部分を切断することによってＩ型ストリンガを製造する例を示している。

このため、工作テーブルＪ２上に固定された板状の治具Ｊ３にワークＷの下方となる一方のフランジが載置されている。更に、ワークＷの上方となる他方のフランジの上に、板状の倣い型Ｊ１が載置されている。倣い型Ｊ１の形状は、機械加工後におけるワークＷの形状に対して、倣いガイド８の倣い型Ｊ１との接触面と、工具Ｔの切削面との間の距離分だけオフセットさせた形状となっている。すなわち、機械加工後におけるフランジの端面の位置に対して倣いガイド８の構造に応じた一定の距離だけオフセットさせた端面が、倣い型Ｊ１に形成されている。

具体例として、直径が１０ｍｍの工具Ｔで外形加工を行う場合であれば、倣いガイド８の円筒状の部分８Ｂの直径を１４ｍｍから１５ｍｍとすることができる。その場合には、倣いガイド８の円筒状の部分８Ｂの側面と、工具Ｔの切削面との間の距離は２ｍｍから２．５ｍｍとなる。このため、倣い型Ｊ１の端面と、機械加工後におけるワークＷの形状との間におけるオフセット量は、２ｍｍから２．５ｍｍとなる。

また、フランジの板厚方向に力が作用するとフランジの先端が歪む恐れがある。そこで、図２に例示されるように、下方のフランジと上方のフランジとの間にジャッキＪ４を配置して補強することが望ましい。

そして、アーム４側に取付けられた段付き円筒状の倣いガイド８と、ワークＷ側に設置される板状の倣い型Ｊ１とを接触させながらアーム４を移動させることにより、エンドミルやルータビット等の工具ＴでワークＷの板状の部分を切断する外形トリム倣い加工を行うことができる。

すなわち、倣いガイド８の円筒状の部分８Ｂの曲面を板状の倣い型Ｊ１の端面に接触させながらアーム４を移動させることによって、工具Ｔの進行方向Ｆ及び工具軸ＡＸの双方に垂直な工具径方向Ｄにおける工具Ｔの正確な位置決めを行いながら、ワークＷの倣い加工を行うことができる。他方、倣いガイド８の円板状の部材８Ａの平面を板状の倣い型Ｊ１の上面に接触させながらアーム４を移動させることによって、工具軸ＡＸ方向における工具Ｔの正確な位置決めを行いながら、ワークＷの倣い加工を行うことができる。換言すれば、倣いガイド８の構造を、段付き円筒状とすることによって、外形倣い加工用の倣い型Ｊ１の構造を、単純な板状構造とすることができる。

もちろん、図２に示す例に限らず、所望の構造を有する部品に対する倣い加工が可能である。例えば、航空機部品であれば、Ｉ型、Ｔ型或いはハット型等の様々な横断面形状を有するストリンガの他、スパー（桁）、リブ（小骨）、パネル（外板）或いはこれらの組立品を倣い加工の対象となるワークＷとすることができる。例えば、パネルの外形トリム加工、フランジの端面のトリム加工、フランジの内面加工、フランジの外面加工等の外形倣い加工を行うことができる。また、航空機部品に限らず、自動車部品や鉄道車両部品など、所望の製品又は半製品を製造するために、機械加工用ロボット１による外形倣い加工を行うことができる。

このため、倣い型Ｊ１の形状及び位置についてもワークＷの形状及び位置並びにアーム４側に取付けられる倣いガイド８の形状及び位置に応じて自由に決定することができる。

また、アーム４には、アーム４に負荷される力を検出するための力センサ９が設けられる。力センサ９は、少なくとも工具Ｔからアーム４に負荷される力を検出するためのセンサである。すなわち、工具Ｔの側面に形成される切れ刃でワークＷの外形加工を行う場合であれば、ワークＷからは工具Ｔの進行方向Ｆ及び工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄを主成分とする反力が工具Ｔに作用する。また、溝加工のように工具Ｔの底刃でも切削加工を行う場合や、面取りカッターや逆面取りカッターによる加工のように、切削面が工具軸ＡＸ方向に平行でない場合には、工具Ｔの進行方向Ｆ及び工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄのみならず、工具軸ＡＸ方向の成分も有する加工反力がワークＷから工具Ｔに作用する。

加えて、倣い型Ｊ１から倣いガイド８には、工具軸ＡＸ方向及び工具径方向Ｄを主成分とする反力が作用する。その結果、アーム４には、ワークＷ及び倣い型Ｊ１からの反力として、工具Ｔの進行方向Ｆ、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向を成分とする３次元的な反力が、工具Ｔ、回転機構７及び送り機構６を通じて間接的に負荷されることになる。

そこで、互いに直交する３軸方向の力を検出することが可能な力センサ９を、アーム４の先端における取付治具５に取付けることができる。図１に示す例では、段付円盤状の力センサ９を介してアーム４に取付治具５が取付けられている。これにより、倣いガイド８とワークＷ側に設置される倣い型Ｊ１とを接触させながらアーム４を移動させることによる工具Ｔを用いたワークＷの外形倣い加工中において、工具Ｔからアーム４に負荷される力を力センサ９で検出することが可能となる。加えて、ワークＷの外形倣い加工中において、倣い型Ｊ１からアーム４に負荷される力についても力センサ９で検出することが可能となる。

尚、図１に示す例では、力センサ９の接続面に工具軸ＡＸが垂直となるように、工具Ｔを回転させる回転機構７を内蔵した送り機構６のケーシング６Ａが取り付けられているが、図２に示す例では、力センサ９の接続面に工具軸ＡＸが平行となるように、工具Ｔを回転させる回転機構７を内蔵した送り機構６のケーシング６Ａが取付治具５に取り付けられている。このように、工具Ｔ、回転機構７及び送り機構６をアーム４に取付ける向きは、ワークＷ、倣いガイド８及び倣い型Ｊ１の各構造に応じて自由に決定することができる。

力センサ９により力を検出することが可能な３軸方向と、工具Ｔの進行方向Ｆ、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向を一致させるか、或いは関連付けると、工具Ｔの進行方向Ｆ、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向における反力の各成分を力センサ９で検出することが可能となる。具体例として、図２に示すように力センサ９により互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向における力を検出することができる場合であれば、工具Ｔの進行方向ＦがＸ軸方向に、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向ＤがＹ軸方向に、工具軸ＡＸ方向がＺ軸方向に、それぞれ平行となるように工具Ｔをアーム４に取付けることができる。

力センサ９により検出された力は、制御システム３に出力される。そして、制御システム３は、力センサ９により検出された力に基づいて、アーム４を制御できるように構成されている。

図３は図１に示す機械加工用ロボット１に備えられる制御システム３の機能ブロック図である。

制御システム３は、入力装置１０及び表示装置１１を接続したコンピュータ１２を用いて構成することができる。コンピュータ１２のＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）等の演算装置は、ロボット２の制御プログラムを読込んで実行することにより、負荷取得部１３、制御信号生成部１４、制御情報保存部１５及び警告情報生成部１６として機能する。

制御システム３は、更に、アーム制御部１７及び工具制御部１８を有する。アーム制御部１７は、コンピュータ１２の機能としてもよい。すなわち、アーム制御部１７を構成するための制御プログラムを読み込ませる処理回路類と、負荷取得部１３、制御信号生成部１４、制御情報保存部１５及び警告情報生成部１６として機能する処理回路類を共通にしてもよい。

負荷取得部１３は、力センサ９で検出された力を取得して制御信号生成部１４及び警告情報生成部１６に通知する機能を有する。具体的には、工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力を成分として含む力が負荷取得部１３において力センサ９から取得され、取得された３方向の成分を有する力が制御信号生成部１４及び警告情報生成部１６に通知される。

制御信号生成部１４は、制御情報保存部１５に制御情報として保存された機械加工制御プログラムに基づいて、アーム４、送り機構６及び回転機構７を制御する機能を有する。

回転式の工具Ｔを保持させた機械加工用ロボット１でワークＷの切削加工を行うためには、アーム４の制御の他、送り機構６及び回転機構７の制御を行うことが必要である。そこで、アーム４の制御プログラム、送り機構６の制御プログラム及び回転機構７の制御プログラムで構成される機械加工制御プログラムを作成し、作成した機械加工制御プログラムを制御情報保存部１５に機械加工用ロボット１の制御情報として保存することができる。

そして、制御信号生成部１４には、制御情報保存部１５に保存された機械加工制御プログラムを参照し、参照した機械加工制御プログラムに従って、アーム４、送り機構６及び回転機構７の各制御信号を生成する機能と、生成したアーム４の制御信号をアーム制御部１７を通じてアーム４の駆動部に出力する一方、生成した送り機構６及び回転機構７の制御信号を工具制御部１８を通じて送り機構６及び回転機構７にそれぞれ出力する機能が備えられる。

特に、制御信号生成部１４は、負荷取得部１３から通知された力と、外形倣い加工用のアーム４の制御プログラムとに基づいて、外形倣い加工用のアーム４の制御信号を生成し、生成した制御信号をアーム４に出力することによって外形倣い加工が実施されるようにアーム４を自動制御する機能を有している。

外形倣い加工用のアーム４の制御プログラムは、倣いガイド８が倣い型Ｊ１に接触しながら移動するようにアーム４の軌道及び移動速度を教示するプログラムである。すなわち、外形倣い加工用の制御プログラムは、教示位置及び教示速度を指定することによって、アーム４の移動方向及び移動速度を教示するためのプログラムである。従って、外形倣い加工用の制御プログラムは、倣い型Ｊ１の形状情報に基づいて作成される。

例えば、倣い型Ｊ１によって直線的な機械加工を行う場合であれば、倣い型Ｊ１の倣いガイド８との接触面の空間位置に基づいてアーム４の空間位置及び移動方向を教示する外形倣い加工用の制御プログラムを作成することができる。また、倣い型Ｊ１によって曲線的又は工具軸ＡＸ方向の変化を伴う加工を行う場合であれば、倣い型Ｊ１の倣いガイド８との接触面の２次元的又は３次元的な形状情報に基づいて、アーム４の空間位置及び移動方向を教示する外形倣い加工用の制御プログラムを作成することができる。

作成された外形倣い加工用のアーム４の制御プログラムは、制御情報保存部１５に保存して、ワークＷの外形倣い加工を行う際に制御信号生成部１４が参照できるようにすることができる。但し、上述したように、制御信号生成部１４は、ワークＷの外形倣い加工を行う場合には、外形倣い加工用のアーム４の制御プログラムのみならず、力センサ９から負荷取得部１３を通じて取得した力にも基づいて、アーム４の制御信号を生成するように構成されている。

制御信号生成部１４では、工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力を成分として含む力を、力センサ９から負荷取得部１３を通じて取得することができる。図２に例示されるように、工具Ｔの進行方向Ｆ、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向が、力センサ９により力を検出することが可能なＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向と一致している場合には、力センサ９から負荷取得部１３を通じて取得された直交３成分を含む力に基づいて直接、工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力を求めることができる。

また、工具Ｔの進行方向Ｆ、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向と、力センサ９により力を検出することが可能なＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向が、既知の角度で変化せずに傾斜又は回転しているような場合には、座標変換処理によって工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力を求めることができる。

更に、工具Ｔの進行方向Ｆ、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向と、力センサ９により力を測定することが可能なＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向との幾何学的な位置関係が、倣い加工中において変化する場合であっても、倣い型Ｊ１及び加工後におけるワークＷの少なくとも一方の形状情報に基づいて、工具Ｔの進行方向Ｆ、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向を特定することができる。このため、座標変換処理によって工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力を求めることができる。

図４は、図２に示す機械加工用ロボット１を用いた外形倣い加工中において工具Ｔの進行方向Ｆが変化する場合に工具Ｔの進行方向Ｆの反力及び工具径方向Ｄの反力を求める方法を説明する図である。

図４に示すようにＲ面取りが施されたコーナーを有する外形のトリム加工を倣い型Ｊ１を用いた倣い加工によって行う場合には、工具Ｔの進行方向Ｆが加工後におけるワークＷの外形及び倣い型Ｊ１の接線方向に変化することになる。この場合、倣いガイド８に工具径方向Ｄに作用する反力の向きは、ワークＷの切削面、すなわち加工後におけるワークＷの表面及び倣い型Ｊ１の表面に垂直な法線方向となる。

従って、力センサ９の向きを変化させず工具軸ＡＸ方向をＺ軸方向として外形トリム加工を行うと、力センサ９により力を検出することが可能なＸ軸方向及びＹ軸方向と、工具Ｔの進行方向Ｆ及び倣いガイド８が反力を受ける工具径方向Ｄとの相対的な関係が変化することになる。

このような場合には、倣い型Ｊ１又は加工後におけるワークＷの２次元形状に基づいて、加工後におけるワークＷの表面又は倣い型Ｊ１の表面に垂直な方向を、工具Ｔ及び倣いガイド８がワークＷ及び倣い型Ｊ１からそれぞれ反力を受ける工具径方向Ｄとして特定することができる。或いは、アーム４の制御プログラムから特定される工具Ｔの教示位置に基づいてワークＷの表面及び倣い型Ｊ１の表面に垂直な方向を、工具Ｔ及び倣いガイド８がワークＷ及び倣い型Ｊ１からそれぞれ反力を受ける工具径方向Ｄとして特定するようにしてもよい。そして、特定した工具径方向Ｄにおける反力を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における力の各検出値に基づいてベクトル計算として算出することができる。

図５は、図２に示す機械加工用ロボット１を用いた外形倣い加工中において工具Ｔの進行方向Ｆが変化しない場合であっても、力センサ９の向きが変化する場合の例を示す図である。

外形倣い加工中において工具Ｔの進行方向Ｆが変化しない場合であっても、アーム４の駆動軸の位置によっては図５に示すように力センサ９の向きが変化する。すなわち、アーム４の駆動軸の制約から力センサ９を工具Ｔの進行方向Ｆに平行移動できない場合には、工具Ｔの進行方向Ｆが直線的で変化しない場合であっても、力センサ９の向きが変化することになる。このような場合においても、倣い型Ｊ１の形状、加工後におけるワークＷの形状或いは工具Ｔの教示位置に基づいてワークＷの表面及び倣い型Ｊ１の表面に垂直な方向を、工具Ｔ及び倣いガイド８がワークＷ及び倣い型Ｊ１からそれぞれ反力を受ける工具径方向Ｄとして特定することができる。そうすると、特定した工具径方向Ｄにおける反力を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における力の各検出値に基づいてベクトル計算として算出することができる。

尚、力センサ９によりベクトルの３成分として検出された力の時間変化に基づいて、工具Ｔの進行方向Ｆ、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向を検出するようにしてもよい。その場合には、倣い型Ｊ１及びワークＷの形状情報を用いずに、工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力を求めることができる。

制御信号生成部１４には、上述したような方法で、力センサ９により検出された力に基づいて、工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力を求める機能が備えられる。そして、制御信号生成部１４では、アーム４に負荷される力の方向に応じたアーム４の制御を行うことができる。

例えば、ワークＷの切削加工中において工具Ｔの進行方向Ｆへの送り速度が速くなる程、切削抵抗が増加し、ワークＷから工具Ｔへの反力が増大する。また、工具Ｔの進行方向Ｆへの送り速度が一定であっても、板状のワークＷの厚さが変化したり、ワークＷの削り代が大きくなれば、ワークＷから工具Ｔへの反力が増大する。更に、工具Ｔが摩耗し、切れ味が劣化した場合においても、ワークＷから工具Ｔへの反力が増大する。

ワークＷから工具Ｔに負荷される反力が過剰となると、工具Ｔにびびり振動等の振動が発生する。工具Ｔに振動が生じると、倣いガイド８及び倣い型Ｊ１を用いた外形倣い加工を行ったとしても、加工面の表面粗さが粗くなり、加工後のワークＷとして得られる製品又は半製品の品質劣化に繋がる。従って、製品又は半製品の要求品質を確保するためには、工具Ｔに過剰な反力が負荷されないようにすることが重要である。工具Ｔに負荷される反力を減少させるためには、工具Ｔの進行方向Ｆにおける送り速度を減少させればよい。

しかしながら、工具Ｔの進行方向Ｆにおける送り速度を減少させ過ぎると、ワークＷの加工時間の増加、すなわち加工能率の低下に繋がる。従って、ワークＷの加工能率を向上させる観点からは、工具Ｔに負荷される反力が過剰とならない範囲で、工具Ｔの進行方向Ｆにおける送り速度を増加させることが好ましい。

つまり、ワークＷの加工品質の確保及び加工能率の向上を両立させようとする場合、ワークＷの加工条件によって工具Ｔの進行方向Ｆにおける理想的な送り速度が変化することになる。これに対して、アーム４の制御プログラムにおいて加工条件に応じて教示速度を変えようとすると、加工条件を定義するための多数のパラメータの設定を伴う非常に複雑で非現実的な処理が必要となる。

そこで、制御信号生成部１４では、力センサ９により直接測定された、或いは力センサ９を用いて座標変換等の処理を伴って間接的に取得された工具Ｔの進行方向Ｆにおける力に基づいて、工具Ｔの進行速度が所定の制御値となるように外形倣い加工用のアーム４の制御信号を生成するようにすることができる。つまり、外形倣い加工において工具Ｔの進行方向Ｆにおける反力が過剰とならないように、工具Ｔの進行速度を自動調整することができる。

工具Ｔの進行速度を自動調整する方法の具体例としては、工具Ｔの進行方向Ｆにおける反力が所定の範囲内となるように工具Ｔの進行速度を自動制御する方法が挙げられる。その場合には、制御信号生成部１４が、力センサ９を用いて取得される工具Ｔの進行方向Ｆにおける力が一定又は所定の範囲内となるように工具Ｔの進行速度の制御値を決定し、工具Ｔの進行速度が、決定した工具Ｔの進行速度の制御値となるように外形倣い加工用のアーム４の制御信号を生成するようにすればよい。つまり、工具Ｔの進行方向Ｆにおける力を一定又は所定の範囲内とする工具Ｔの進行速度のフィードバック制御を行うようにすればよい。

尚、実際に工具Ｔとしてダイヤモンド工具又は超硬工具を用いてＣＦＲＰで構成されるワークＷの外形トリム加工試験を行った。その結果、工具Ｔとしてダイヤモンド工具を使用する場合にはダイヤモンド工具への反力が３ｋｇｆ以上１０ｋｇｆ以下となるようにアーム４の移動速度を自動調整する一方、工具Ｔとして超硬工具を使用する場合には超硬工具への反力が３ｋｇｆ以上５ｋｇｆ以下となるようにアーム４の移動速度を自動調整すれば、工具Ｔに極端な振動が発生することなく、良好な切削面が得られることが確認された。従って、ＣＦＲＰで構成されるワークＷの外形トリム倣い加工を行う場合には、上述した条件でワークＷの外形トリム加工を行うことによって複合材の製品又は半製品を製造することが好ましい。

尚、超硬合金は、炭化タングステン粉末に炭化チタンや炭化タンタル等の添加物質を添加し、コバルトで焼結した材料である。一方、ダイヤモンド工具は、ダイヤモンドの単結晶を成型した工具又はダイヤモンド微粉にコバルト等の添加物質を添加して焼結した多結晶焼結体で構成される工具である。

工具Ｔの進行速度を自動調整する方法の別の具体例としては、工具Ｔの進行速度を、工具Ｔの進行方向Ｆにおける力に応じて予め決定した速度に変化させる方法が挙げられる。

図６は、図１に示す機械加工用ロボット１におけるアーム４の制御方法を説明するグラフである。

図６において横軸は工具Ｔの進行方向Ｆに負荷される力（ｋｇｆ）の検出値を示し、縦軸は工具Ｔの進行速度の制御値を示す。図６に示すように、アーム４に工具Ｔの進行方向Ｆから負荷される力と、工具Ｔの進行速度の制御値とを関連付けたテーブル又は関数を準備しておくことができる。作成したテーブル又は関数は、制御情報保存部１５に保存しておくことができる。

図６に示す例では、工具Ｔの進行方向Ｆにおける力が３．５ｋｇｆ以下である場合には、ワークＷからの反力が小さいため、工具Ｔの進行速度が、ユーザから制御プログラム内のパラメータとして与えられた教示速度となるように決定されている。一方、工具Ｔの進行方向Ｆにおける力が５．５ｋｇｆ以上である場合には、ワークＷからの反力が大きいため、工具Ｔの振動を抑制する観点から工具Ｔの進行速度が教示速度の５０％となるように決定されている。また、工具Ｔの進行方向Ｆにおける力が３．５ｋｇｆ以上５．５ｋｇｆ以下である場合には、工具Ｔの進行速度が教示速度の１００％から５０％まで線形に変化するように決定されている。つまり、図６に示す例では、工具Ｔの進行方向Ｆにおける力が閾値を超えた場合には、工具Ｔの進行速度が自動的に教示速度の５０％まで徐々に減速するように工具Ｔの進行速度制御プログラムが作成されている。

もちろん、図６に示す例に限らず、切削試験等の結果に応じてアーム４に工具Ｔの進行方向Ｆから負荷される力と、工具Ｔの進行速度の制御値とを任意の関数等で関連付けることができる。例えば、工具Ｔの進行方向Ｆから負荷される力が増加するにつれて、ステップ状に工具Ｔの進行速度の制御値を減少させたり、或いは、工具Ｔの進行速度の制御値を曲線的に減少させることもできる。また、工具Ｔの進行方向Ｆから負荷される力と、工具Ｔの進行速度の制御値の数値同士を関連付けたテーブルを準備してもよい。

このように、アーム４に工具Ｔの進行方向Ｆから負荷される力と工具Ｔの進行速度の制御値とを関連付けたテーブル又は関数を準備して制御情報保存部１５に保存すると、制御信号生成部１４では、制御情報保存部１５に保存されたテーブル又は関数に基づいて、倣い加工中において力センサ９を用いて実際に取得された工具Ｔの進行方向Ｆにおける力に対応する工具Ｔの進行速度の制御値を決定することが可能となる。そして、制御信号生成部１４では、工具Ｔの進行速度が、決定した工具Ｔの進行速度の制御値となるように外形倣い加工用のアーム４の制御信号を生成することができる。

尚、アーム４に工具Ｔの進行方向Ｆから負荷される力が極端に大きい場合には、工具Ｔの進行速度を減速しても工具Ｔの振動が十分に抑制できない可能性がある。そこで、制御信号生成部１４に、負荷取得部１３により取得された工具Ｔの進行方向Ｆにおける力が閾値以上又は閾値を超えた場合には、アーム４の移動を停止させることによって外形倣い加工を中断させる機能を設けることができる。すなわち、負荷取得部１３により取得された工具Ｔの進行方向Ｆにおける力が閾値以上又は閾値を超えた場合には、アーム４の移動を停止させる制御信号を生成してアーム制御部１７に出力する機能を制御信号生成部１４に設けることができる。

もちろん、ワークＷや倣い型Ｊ１のセットミスによる工具Ｔ及び倣いガイド８との干渉等を回避する観点から、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力が閾値以上又は閾値を超えた場合においても、アーム４の移動を停止させる制御を行うことができる。

上述したように、制御信号生成部１４では、工具Ｔの進行方向Ｆにおける反力のみならず、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの反力及び工具軸ＡＸ方向の反力も求めることができる。このため、制御信号生成部１４では、工具Ｔの進行方向Ｆにおける反力に基づくアーム４のフィードバック制御のみならず、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの反力に基づくアーム４のフィードバック制御及び工具軸ＡＸ方向の反力に基づくアーム４のフィードバック制御を行うことができる。

片持ち構造を有するアーム４の剛性は、工作機械の主軸の剛性と比べると極端に小さい。このため、制御プログラムのみに従ってアーム４を制御すると、加工反力や自重等によるアーム４の撓みによって、工具Ｔの実際の位置と、制御プログラムで指示された工具Ｔの教示位置との間には誤差が生じる。このようなアーム４の位置決め精度に由来する誤差は、公差が±０．１ｍｍから±１．０ｍｍ程度の加工精度が要求されるワークＷの加工においては無視できない誤差となる。特に外形倣い加工を行う場合において、制御プログラムのみに従ってアーム４を制御すると、倣いガイド８が倣い型Ｊ１に確実に接触しない恐れがある。

そこで、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの反力に基づくアーム４の力制御及び工具軸ＡＸ方向の反力に基づくアーム４の力制御を行うことによって、倣い加工中において倣いガイド８を適切な力で倣い型Ｊ１に確実に押し付けることができる。

具体的には、制御信号生成部１４において、力センサ９を用いて取得される工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄにおける力が一定又は所定の範囲内となるように工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄにおける位置の制御値を決定することができる。すなわち、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄにおける反力が一定又は所定の範囲内となるように、制御プログラムによる工具Ｔの教示位置を工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄにオフセットさせる補正を行い、補正後の位置を、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄにおける位置の制御値として設定することができる。そして、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄにおける位置が、決定した工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄにおける位置の制御値となるように外形倣い加工用のアーム４の制御信号を生成してアーム制御部１７に出力することができる。

つまり、倣い型Ｊ１及びワークＷから倣いガイド８及び工具Ｔに負荷される工具径方向Ｄにおける反力が一定又は所定の範囲内となるようにアーム４をフィードバック制御することができる。これにより、倣い加工中において倣いガイド８を一定又は所定の範囲内となる適切な力で倣い型Ｊ１に工具径方向Ｄに確実に押し付けることができる。

同様に、制御信号生成部１４において、力センサ９を用いて取得される工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における力が一定又は所定の範囲内となるように工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における位置の制御値を決定することができる。すなわち、工具軸ＡＸ方向における反力が一定又は所定の範囲内となるように、制御プログラムによる工具Ｔの教示位置を工具軸ＡＸ方向にオフセットさせる補正を行い、補正後の位置を、工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における位置の制御値として設定することができる。そして、工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における位置が、決定した工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における位置の制御値となるように外形倣い加工用のアーム４の制御信号を生成してアーム制御部１７に出力することができる。

つまり、倣い型Ｊ１から倣いガイド８に負荷される工具軸ＡＸ方向における反力が一定又は所定の範囲内となるようにアーム４をフィードバック制御することができる。これにより、倣い加工中において倣いガイド８を一定又は所定の範囲内となる適切な力で倣い型Ｊ１に工具軸ＡＸ方向に確実に押し付けることができる。
尚、工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向の少なくとも一方について倣いガイド８を一定又は所定の範囲内となる適切な力で倣い型Ｊ１に押し付ける力制御を行う場合には、倣い型Ｊ１及びワークＷに、付与される力によって変形しない程度の強度が必要である。また、倣い型Ｊ１及びワークＷは、力制御によって力が付与されても、位置ずれが生じないように固定することが必要である。従って、力制御によって付与される力を、倣い型Ｊ１及びワークＷの変形及び位置ずれが生じないような力に決定することが必要である。

ところで、工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における位置決めは、アーム４の移動に限らず、送り機構６の動作によっても行うことができる。そこで、制御信号生成部１４では、力センサ９を用いて取得される工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における反力に基づいて送り機構６を自動制御することができる。

送り機構６の動作によって工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における位置決めが行われる典型的な例としては、穿孔が挙げられる。これは、穿孔を行う場合には、送り機構６の直線的な動作によって工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における位置決めを行う方が、補間処理を伴うアーム４の直線移動によって工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における位置決めを行う場合に比べて遥かに精度が良いためである。

そこで、制御信号生成部１４では、工具ＴでワークＷの穿孔を行う場合には、力センサ９を用いて取得される工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における力が一定又は所定の範囲内となるように送り機構６の送り速度の制御値を決定し、決定した送り速度の制御値となるように穿孔用の送り機構６の制御信号を生成して送り機構６に出力することができる。これにより、工具ＴでワークＷの穿孔を行う場合において、工具Ｔの工具軸ＡＸ方向における反力をできるだけ一定にして穿孔を行うことが可能となる。

制御システム３のアーム制御部１７は、制御信号生成部１４で生成されたアーム４の制御信号を、アーム４の駆動部に出力することによってアーム４を制御する機能を有する。一方、工具制御部１８は、制御信号生成部１４で生成された送り機構６及び回転機構７の制御信号を、それぞれ送り機構６及び回転機構７に出力することによって送り機構６及び回転機構７を制御する機能を有する。図１に例示されるように、送り機構６及び回転機構７の双方が空気圧式であれば、工具制御部１８には、制御信号生成部１４で生成された制御信号を、電気信号からエア信号に変換して送り機構６及び回転機構７にそれぞれ出力する機能が備えられる。

警告情報生成部１６は、負荷取得部１３により取得された力に基づいて工具Ｔの進行方向Ｆにおける力を取得し、工具Ｔの進行方向Ｆにおける力が閾値以上又は閾値を超えた場合には、表示装置１１に警告メッセージとして警告情報を出力させる機能を有する。尚、表示装置１１の代わりに、或いは表示装置１１に加えてランプやスピーカ等の出力装置に光、警告音又は音声によるメッセージとして警告情報を出力するようにしてもよい。

すなわち、上述したようにアーム４に工具Ｔの進行方向Ｆから負荷される力が過剰な場合、工具Ｔが振動して加工品質が劣化する恐れがある。そこで、アーム４の停止に先だって、警告情報を出力させることができる。もちろん、ワークＷや倣い型Ｊ１のセットミスによる工具Ｔ及び倣いガイド８との干渉等を回避する観点から、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力が閾値以上又は閾値を超えた場合においても、アーム４の停止に先だって、警告情報を出力させることができる。

警告情報生成部１６において警告情報を出力させるべきか否かを判定するための閾値は、制御信号生成部１４においてアーム４を停止させるべきか否かを判定する閾値よりも低く設定することが適切である。すなわち、負荷取得部１３により取得された力が第１の閾値以上又は第１の閾値を超えた場合には、警告情報生成部１６が警告情報を出力し、負荷取得部１３により取得された力が第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上又は第２の閾値を超えた場合には、制御信号生成部１４がアーム４の移動を停止させる制御を行うようにすることができる。

尚、工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力のそれぞれについて閾値処理を行う場合には、第１の閾値及び第２の閾値が工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力のそれぞれについて設定されることになる。

上述した制御システム３の機能を実現するための制御プログラムの全部又は一部は、情報記録媒体に記録してプログラムプロダクトとして流通させることができる。例えば、外形倣い加工中において力センサ９により検出された、アーム４に負荷される力を取得するステップと、取得された力と、外形倣い加工用のアーム４の制御情報とに基づいて、外形倣い加工用のアーム４の制御信号を生成し、生成した制御信号をアーム４に出力することによって外形倣い加工が実施されるようにアーム４を自動制御するステップを、制御システム３に実行させる制御プログラムを、プログラムプロダクトとして流通させることができる。そうすると、従来のロボットの制御システムに、ロボット２の制御プログラムを読込ませることによって、従来のロボットに外形倣い加工用の制御機能を付加することができる。このため、従来のロボットに送り機構６、回転機構７、倣いガイド８及び工具Ｔを取付けることによって、機械加工用ロボット１を構成することができる。

（機械加工用ロボットによる機械加工方法及びロボットの制御システムによるロボットの制御方法）

ロボット２を制御してワークＷの外形倣い加工を行う場合には、ワークＷがセットされる他、ワークＷ側の所定の位置に倣い型Ｊ１がセットされる。具体例として、図２に示すように、工作テーブルＪ２上に固定された板状の治具Ｊ３にワークＷが固定され、ワークＷの上に倣い型Ｊ１が固定される。他方、力センサ９を備えたアーム４に取付治具５を介して送り機構６、回転機構７、倣いガイド８及び回転式の工具Ｔが取付けられる。

また、倣いガイド８が倣い型Ｊ１に接触しながら移動するようにアーム４の軌道を教示する制御プログラムがユーザによって作成される。作成されたアーム４の制御プログラムは、送り機構６の制御プログラム及び回転機構７の制御プログラムとともに機械加工制御プログラムとして入力装置１０の操作によって制御情報保存部１５に書込まれる。

そして、制御情報保存部１５に保存されたアーム４の制御プログラムに従って、制御信号生成部１４が、工具Ｔを倣い型Ｊ１の端面から倣いガイド８の厚さ分だけオフセットさせた経路に沿って移動させるためのアーム４の初期の制御信号を生成する。生成されたアーム４の初期の制御信号は、アーム制御部１７を通じてアーム４の駆動部に出力される。

また、制御情報保存部１５に保存された送り機構６の制御プログラム及び回転機構７の制御プログラムに従って、制御信号生成部１４が、工具Ｔの先端が必要な位置まで送り出された状態で回転するように送り機構６及び回転機構７の制御信号を生成する。生成された送り機構６及び回転機構７の制御信号は、工具制御部１８を通じて送り機構６及び回転機構７にそれぞれ出力される。

このため、アーム４が移動し、工具Ｔが初期の教示位置に移動する。また、工具Ｔの先端が必要な位置まで送り出されて回転する。

制御信号生成部１４は、引き続き制御プログラムに従って工具Ｔを教示軌道に沿って移動させるためのアーム４の制御信号を生成する。生成されたアーム４の制御信号は、アーム制御部１７を通じてアーム４の駆動部に出力される。このため、アーム４が移動し、倣いガイド８が倣い型Ｊ１に接触しながら工具Ｔが制御プログラムで教示された方向に進行する。これにより、回転する工具ＴによるワークＷの外形倣い加工が開始される。

工具Ｔが進行してワークＷに接触すると、工具ＴにはワークＷからの加工反力が負荷される。また、倣い型Ｊ１から倣いガイド８にも、押付力に対応する反力が負荷される。工具Ｔ及び倣いガイド８に負荷される反力は、アーム４に伝達される。その結果、工具Ｔ及び倣いガイド８からアーム４に力が負荷される。

外形倣い加工中において工具Ｔからアーム４に負荷される力は、アーム４に取付けられた力センサ９により検出される。力センサ９により検出された力は、ロボット２の制御システム３に出力される。そうすると、負荷取得部１３が力センサ９から出力された力の検出値を取得して制御信号生成部１４に与える。

制御信号生成部１４は、力センサ９から出力された力の検出値を取得すると、取得した力の検出値に基づいて、工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力を、それぞれ検出する。そして、制御信号生成部１４は、工具Ｔの進行方向Ｆの力、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力に基づいて、アーム４を自動制御する。

すなわち、制御信号生成部１４は、外形倣い加工用のアーム４の制御プログラムのみならず、負荷取得部１３から取得した力にも基づいて、外形倣い加工用のアーム４の制御信号を生成する。生成されたアーム４の制御信号は、アーム制御部１７を通じてアーム４の駆動部に出力される。これにより、アーム４の力制御を伴う外形倣い加工が実施される。

具体的には、工具Ｔの進行方向Ｆの力に基づいてアーム４及び工具Ｔの移動速度が自動調整される。例えば、工具Ｔの進行方向Ｆにおける反力が一定又は所定の範囲となるようにアーム４及び工具Ｔの移動速度がフィードバック制御される。或いは、工具Ｔの進行方向Ｆにおける反力が過剰な場合には、アーム４の制御プログラムにおいてパラメータとして指定された工具Ｔの教示速度よりも遅い速度となるように工具Ｔの進行速度が減速される。

これにより、工具Ｔに過剰な反力が負荷されることを回避し、工具Ｔの振動による加工品質の劣化を防止することができる。逆に、工具Ｔの過剰な減速を回避することによって、加工能率を向上させることができる。

更に、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力に基づいてアーム４及び工具Ｔの位置が自動調整される。すなわち、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄの力及び工具軸ＡＸ方向の力が一定又は所定の範囲となるようにアーム４及び工具Ｔの位置が微調整される。これにより、外形倣い加工中において、倣いガイド８から倣い型Ｊ１に常に適切な押付力を負荷することができる。その結果、より正確な寸法を有するワークＷを加工することができる。例えば、公差が±０．１ｍｍから±１．０ｍｍ程度の加工精度でワークＷを加工することができる。

そして、アーム４の力制御を伴う外形倣い加工が完了すると、加工後のワークＷとして製品又は半製品を製造することができる。

（効果）
以上のような機械加工用ロボット１及び機械加工方法は、ワークＷに設置された倣い型Ｊ１と、ロボット２のアーム４側に取付けられた倣いガイド８とを接触させることによってワークＷの外形倣い加工を行うようにし、かつ力センサ９で検出された加工反力に基づいてアーム４の移動を制御するようにしたものである。具体的には、工具Ｔの進行方向Ｆにおける反力が過剰とならないように、工具Ｔ及びアーム４の移動速度を制御する一方、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向における反力が一定又は所定の範囲内となるようにアーム４を制御するようにしたものである。また、ロボット２の制御システム３及び制御方法は、上述した外形倣い加工を行うためのロボット２のアーム４の制御を行うことができるようにしたものである。

このため、機械加工用ロボット１、機械加工方法、ロボット２の制御システム３、ロボット２の制御方法及びロボット２の制御プログラムによれば、ロボット２を用いてワークＷの外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、ポケット加工或いは穿孔等のワークＷからの反力が大きな重切削機械加工を高精度に行うことが可能となる。その結果、大規模な工作機械を設置することなく、ワークＷの機械加工を自動化することができる。

すなわち、ワークＷに設置された倣い型Ｊ１と、ロボット２のアーム４側に取付けられた倣いガイド８とを接触させる倣い加工によって、工作機械に比べて位置決め精度が低いロボット２のアーム４に取付けられた工具Ｔであっても、高精度に位置決めすることができる。このため、公差が±０．１ｍｍから±１．０ｍｍ程度の加工精度が要求されるワークＷであっても、公差内でワークＷの加工を仕上げることができる。特に、ワークＷに倣い型Ｊ１を設置することによって、直線加工のみならず、曲線加工を行うことができる。このため、外形トリム加工等の所望の形状を形成するためのワークＷの切削加工を行うことができる。

加えて、工具Ｔの進行方向Ｆに垂直な工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向における反力が一定又は所定の範囲内となるようにアーム４を制御することによって、倣いガイド８を常に適切な押付力で工具径方向Ｄ及び工具軸ＡＸ方向の双方に倣い型Ｊ１に接触させることができる。このため、外形トリム加工等の加工反力が大きい重切削加工であっても、工作機械の主軸の剛性に比べて剛性が低いロボット２のアーム４を用いて行うことが可能となる。すなわち、従来は、剛性が低いロボットアームでは困難であると考えられてきた、外形トリム加工等の反力が大きい外形倣い加工をロボット２のアーム４を用いて行うことが可能となる。

しかも、工具Ｔの進行方向Ｆにおける反力が過剰とならないように、工具Ｔ及びアーム４の移動速度が自動調整されるため、工作機械の主軸の剛性に比べて剛性が低いロボット２のアーム４で保持された工具Ｔの振動を抑制することができる。その結果、工作機械と比較して極めて安価なロボット２を用いて工作機械並みの加工品質を得ることができる。

また、ワークＷの板厚が変化する場合や工具Ｔの摩耗等によってワークＷからの反力が一定とならない場合であっても、ワークＷからの反力に追従して工具Ｔ及びアーム４の移動速度を適切に自動調整することができる。このため、工具Ｔの過剰な減速の回避による加工効率の向上と、過剰な速度での工具Ｔの移動に伴う不具合の防止を両立させることができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

例えば、上述した実施形態では、ロボット２のアーム４に回転機構７を介して回転式の工具Ｔを取付けてワークＷの機械加工を行う場合について説明したが、回転式でない工具をロボット２のアーム４に取付けてワークＷの加工を行うこともできる。具体例として、バンドソーやワイヤソー等のソーをロボット２のアーム４に取付けて、ワークＷの切断加工を行うこともできる。その場合においても、ワークＷ側に倣い型を設置する一方、アーム４に倣いガイドを取付ることによって、倣い加工を行うことができる。また、力センサ９で測定されたワークＷ及び倣い型からの反力に基づくアーム４の自動制御を行うこともできる。

Claims (7)

1. 工具を回転させながら保持し、前記工具を少なくとも２次元方向に移動させることが可能な、前記工具の回転機構を取付けたアームを備えたロボットの制御システムであって、
   前記アームに取付けられた倣いガイドと機械加工物側に設置される倣い型とを接触させながら前記アームを移動させることによる前記工具を用いた前記機械加工物の外形倣い加工中において少なくとも前記工具から前記アームに負荷される力を測定する力センサにより測定された前記力を取得する負荷取得部と、
   前記負荷取得部により取得された前記力と、前記外形倣い加工用の前記アームの制御情報とに基づいて、前記外形倣い加工用の前記アームの制御信号を生成し、生成した前記制御信号を前記アームに出力することによって前記外形倣い加工が実施されるように前記アームを自動制御する制御信号生成部と、
   を有し、
   前記制御信号生成部は、前記工具としてエンドミルを用いた、±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差が要求される前記機械加工物の切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工及びフランジ内面の仕上げ加工の少なくとも１つの切削加工であって面取り、バリ取り、研磨及び研削のいずれでもない前記切削加工が前記外形倣い加工の少なくとも１つとして実施されるように前記アームを自動制御するロボットの制御システム。
2. 前記制御信号生成部は、前記工具の進行方向における力に基づいて前記工具の進行速度が所定の制御値となるように前記外形倣い加工用の前記アームの制御信号を生成するように構成される請求項１記載のロボットの制御システム。
3. 前記制御信号生成部は、前記アームに前記工具の進行方向から負荷される力と前記工具の進行速度の制御値とを関連付けたテーブル又は関数に基づいて、前記力センサを用いて取得された前記工具の進行方向における力に対応する前記工具の進行速度の制御値を決定し、前記工具の進行速度が、決定した前記工具の進行速度の制御値となるように前記外形倣い加工用の前記アームの制御信号を生成するように構成される請求項１又は２記載のロボットの制御システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロボットの制御システムと、
   前記アームと、
   前記力センサと、
   を備える機械加工用ロボット。
5. 工具を回転させながら保持し、前記工具を少なくとも２次元方向に移動させることが可能な、前記工具の回転機構を取付けたアームを備えたロボットの制御方法であって、
   前記アームの移動による前記工具を用いた機械加工物の外形倣い加工中において少なくとも前記工具から前記アームに負荷される力を測定する力センサにより測定された前記力を取得するステップと、
   取得された前記力と、前記外形倣い加工用の前記アームの制御情報とに基づいて、前記外形倣い加工用の前記アームの制御信号を生成し、生成した前記制御信号を前記アームに出力することによって前記外形倣い加工が実施されるように前記アームを自動制御するステップと、
   を有し、
   前記工具としてエンドミルを用いた、±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差が要求される前記機械加工物の切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工及びフランジ内面の仕上げ加工の少なくとも１つの切削加工であって面取り、バリ取り、研磨及び研削のいずれでもない前記切削加工が前記外形倣い加工の少なくとも１つとして実施されるように前記アームを自動制御するロボットの制御方法。
6. 工具を回転させながら保持し、前記工具を少なくとも２次元方向に移動させることが可能な、前記工具の回転機構を取付けたアームを備えたロボットの制御プログラムであって、
   前記ロボットの制御システムに、
   前記アームの移動による前記工具を用いた機械加工物の外形倣い加工中において少なくとも前記工具から前記アームに負荷される力を測定する力センサにより測定された前記力を取得するステップと、
   取得された前記力と、前記外形倣い加工用の前記アームの制御情報とに基づいて、前記外形倣い加工用の前記アームの制御信号を生成し、生成した前記制御信号を前記アームに出力することによって前記外形倣い加工が実施されるように前記アームを自動制御するステップであって、前記工具としてエンドミルを用いた、±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差が要求される前記機械加工物の切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工及びフランジ内面の仕上げ加工の少なくとも１つの切削加工であって面取り、バリ取り、研磨及び研削のいずれでもない前記切削加工が前記外形倣い加工の少なくとも１つとして実施されるように前記アームを自動制御するステップと、
   を実行させるロボットの制御プログラム。
7. 少なくとも２次元方向に移動させることが可能なアームを備えたロボットの前記アームに工具、前記工具を回転させる回転機構及び機械加工物側に設置される倣い型と接触させるための倣いガイドを取付けて、前記倣いガイドと前記倣い型とを接触させながら前記アームを移動させることによって前記工具を用いた前記機械加工物の外形倣い加工を行い、前記外形倣い加工によって製品又は半製品を製造するステップと、
   前記外形倣い加工中において少なくとも前記工具から前記アームに負荷される力を力センサで測定するステップと、
   前記力センサで測定された前記力に基づいて前記アームの移動速度を自動調整するステップと、
   を有し、
   前記工具としてエンドミルを用いた、±０．１ｍｍから±１．０ｍｍの公差が要求される前記機械加工物の切断加工、外形トリム加工、外形粗加工、外形仕上げ加工、溝加工、フランジで囲まれた凹部を形成するポケット加工、フランジ内面の粗加工及びフランジ内面の仕上げ加工の少なくとも１つの切削加工であって面取り、バリ取り、研磨及び研削のいずれでもない前記切削加工を前記外形倣い加工の少なくとも１つとして実施する機械加工方法。

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