JP6788507B2 - 先頭車両の研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は新幹線（登録商標）に代表されるような、複雑な３次元形状の先頭形状を有する鉄道車両の先頭車両の主としてノーズ部分の研磨装置に係るものである。

新幹線などの鉄道車両においては、一定期間毎に車両表面の再塗装を行う必要がある。洗浄しただけでは、取れない付着物があるからである。この再塗装の際には、表面のキズや付着物を剥離させ、さらに塗料の接着性を向上させるために「足付け（アラシ）」と呼ばれる研磨工程がおこなわれている。ところで、現在最新型の新幹線は高速運転のために先頭車両に、複雑な３次元形状を有する。

このような特殊な３次元形状を有する面の均一なアラシは、従来機械ではできず、作業員による手作業に頼って行われていた。しかし、仮にノーズ部分だけを研磨するとしても、相当な面積の研磨になり、大変な時間がかかっていた。したがって、この研磨を行える（機械）装置の要望があった。

このような技術分野においては、例えば、特許文献１がある。これは鋳型の内面に付着した付着物を除去する装置である。ロボットアームの先端にワイヤーブラシ等の掻き取り治具を配置させ、ロボットアームのアーム伸縮手段にトルクセンサ等を配置することで、治具の押圧力を適正範囲に維持しながら、付着物の除去を行う。

特開２０１０−２０１４６８号公報

特許文献１は、鋳型面内の付着物を掻き取る装置であり、新幹線（登録商標）の先頭車両の研磨にも応用できそうに見える。しかし、特許文献１では、掻き取り治具は、鋳型より硬くないことが前提となっている。一方、先頭車両の研磨の場合は、研磨を行うブラシの方が被研磨物よりも固い。したがって、常に押圧力を一定にして研磨しなければ表面にムラができる。

さらに、鋳型に比較して鉄道車両の先頭車両の面積は広く、また、ノーズ部分の形状は３次元的に複雑な形状をしている。したがって、３次元的に複雑な形状を有するノーズ部分を常に均一な圧力で研磨する装置が従来なかったという課題があった。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、複雑な３次元曲面を有する新幹線（登録商標）のノーズ部分であっても、常に均一な押圧で研磨できる装置を提供するものである。

具体的に本発明に係る鉄道車両の研磨装置は、
フレームと、駆動モータと、前記駆動モータに接続され前記フレームの側面に配置されたプーリと、前記プーリを介したベルト駆動で回転させられる回転ブラシを有する研磨ブラシと、
前記研磨ブラシを先端に配置し、前記研磨ブラシの姿勢を変化させ、移動させることができる６軸多関節ロボット（トレース装置）と、
前記研磨ブラシと前記トレース装置の間に配置された圧力センサと、
前記圧力センサの信号に基づいて前記トレース装置に、前記研磨ブラシを３次元曲面を有する鉄道車両の先頭車両の被研磨面に一定の押圧で押し当て、かつ一定の方向に移動させるように制御しながら、前記プーリをカバーするプーリカバーを前記先頭車両の先頭側に向け前記被研磨面を研磨させる制御装置を有することを特徴とする。

本発明に係る鉄道車両の先頭車両の研磨装置は、３次元曲面をトレースできるロボットの先端に圧力センサを介してモータ内蔵の研磨ブラシを装着したので、一定の押圧で研磨ブラシを３次元曲面に沿ってトレースさせることができる。

したがって、本発明に係る鉄道車両の先頭車両の研磨装置を用いれば、従来作業員による手作業で行っていた、特異なノーズ形状を持った新幹線（登録商標）の先頭車両の再塗装前の再研磨を、自動で行うことができ、タクトタイムの大幅な短縮につながる。

本発明に係る研磨装置の構成図である。 （ａ）研磨ブラシの斜視図である。（ｂ）図２（ａ）の正面図である。 研磨装置を組み込んだ研磨ラインを示す図である。 被研磨面を研磨している様子を示す図である。 先頭車両を研磨する様子を示す平面図である。

以下に本発明に係る鉄道車両の先頭車両の研磨装置について説明する。以下の説明は本発明の一実施形態を説明するものであり、本発明は以下の説明に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の実施形態は改変することができる。

図１に本発明に係る鉄道車両の先頭車両の研磨装置１の構成を示す。研磨装置１は、トレース装置１０と、圧力センサ２０と、研磨ブラシ３０（図２参照）と、制御部６０を有する。

トレース装置１０は、研磨ブラシ３０をハンドツールとして先端に固定される６軸多関節ロボット１１（以後「ロボット１１」とも呼ぶ。）が好適に利用される。ロボット１１は、ベース部１２、下腕部１４、上腕部１６、手首部１８を有する。ベース部１２と下腕部１４の間には、旋回中心を垂直方向に有し、ベース部１２より上方を旋回させるＳ軸モータ１３Ｓと、旋回中心を水平方向に有し、ベース部１２に対して下腕部１４を前後に傾斜させるＬ軸モータ１３Ｌを有する。なお、トレース装置１０は、６軸多関節ロボット１１に限定されるものではない。

下腕部１４と上腕部１６の間には、旋回中心を水平方向に有し、下腕部１４に対して上腕部１６を旋回させるＵ軸モータ１５Ｕと、Ｕ軸モータ１５Ｕに対して垂直方向に回転軸を有し、上腕部１６を下腕部１４に対して回転させるＲ軸モータ１５Ｒが設けられている。

また、上腕部１６と手首部１８の間には、上腕部１６に対して垂直方向に旋回中心を有するＢ軸モータ１７Ｂと、手首部１８に対して平行な回転軸であるＴ軸モータ１７Ｔが配されている。ロボット１１は、これら６つの回転軸モータを有するので、先端の手首部１８は、如何なる３次元曲面の表面をもトレースすることができる。なお、ここで３次元曲面とは、平坦な面だけで構成されていない面をいう。以後各モータの回転軸をそれぞれＳ軸１３Ｓａ、Ｌ軸１３Ｌａ、Ｕ軸１５Ｕａ、Ｒ軸１５Ｒａ、Ｂ軸１７Ｂａ、Ｔ軸１７Ｔａとよぶ。

手首部１８には圧力センサ２０を介して研磨ブラシ３０が設置されている。研磨ブラシ３０は、モータ等を収納するフレーム３６と、圧力センサ２０が設置されているのと反対の面に、Ｔ軸１７Ｔａに対して垂直方向の回転軸３２ａを有する回転ブラシ３２を有する。回転ブラシ３２は、回転軸３２ａの周囲に回転軸３２ａの半径方向に研磨繊維を植毛したもので、回転軸３２ａを中心に回転すると研磨繊維の先端は略円筒形３４を形成する。この略円筒形３４の側面が研磨面３４ｓとなる。つまり、ロボット１１の先端に研磨面３４ｓを形成することができる。

図２に研磨ブラシ３０だけを拡大して示す。図２（ａ）は研磨ブラシ３０の斜視図を表し、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印Ａから見た正面図である。研磨ブラシ３０は、フレーム３６と、モータ３８と、トルクカプラ４０と、駆動側プーリ４２と、従動側プーリ４４と、駆動ベルト４６と、回転ブラシ３２等で構成されている。

フレーム３６は、直方体で構成されている。手首部１８（図１参照）と接続される側には、接続フランジを兼ねた圧力センサ２０が配置されている。また、圧力センサ２０が取り付けられている面と対向する側には、回転ブラシ３２が配置されている。以後フレーム３６については、圧力センサ２０が設置されている面を「上面３６ｕ」とし、回転ブラシ３２が設置されている面を「下面３６ｄ」とする。

フレーム３６の側壁の一部は開口していてもよい。内部に対して操作調整が行えるためと、全体の重量軽減のためである。下面３６ｄには、回転ブラシ３２を枢支する一対のアーム４８が配置されている。この一対のアーム４８ａ、アーム４８ｂが回転ブラシ３２の回転軸３２ａを両側から回転可能に挟持する。この状態は回転ブラシ３２を枢支していると言ってよい。

フレーム３６内にはモータ３８が固定されている。モータ３８の駆動軸３８ａは、回転ブラシ３２の回転軸３２ａと平行に配置される。モータ３８には、トルクカプラ４０を介して駆動側プーリ４２が接続されている。トルクカプラ４０は、モータ３８の負荷が一定以上になると、トルクの伝達を切るものである。駆動側プーリ４２は、フレーム３６の外側に配置されている。

駆動側プーリ４２が配置されている側のアーム４８ａには、回転ブラシ３２の回転軸３２ａに直結された従動側プーリ４４が配置されている。駆動側プーリ４２と従動側プーリ４４には、駆動ベルト４６が掛止されている。なお、駆動側プーリ４２と従動側プーリ４４には、駆動ベルト４６のテンション調整のためのテンションプーリ４３が設けられていてもよい。フレーム３６の外側に配置された各プーリはプーリカバー４７で覆われている。

研磨ブラシ３０は、モータ３８から遠い位置に駆動側プーリ４２および従動側プーリ４４を配置することで、Ｔ軸１７Ｔａに対して左右の重量バランスをとっている。研磨ブラシ３０は、上面３６ｕ側に設けた圧力センサ２０で手首部１８に連結している。したがって、Ｔ軸１７Ｔａに対する左右の重量バランスが異なると、研磨ブラシ３０の姿勢によって、圧力センサ２０が検出する値が異なっていたり、安定に保持できないといった問題が生じるからである。

回転ブラシ３２とフレーム３６の間には、スカート５０が配置される。スカート５０は、樹脂製の板材である。スカート５０には、回転ブラシ３２に対して研磨液や水（以後「研磨液等」と呼ぶ。）を供給するノズル５２ａ、ノズル５２ｂ（まとめて呼ぶ場合は「ノズル５２」という。）が設けられている。これらのノズル５２には、図示しない配管を介してポンプが接続されており、研磨液タンク若しくは水タンクから研磨液や水がノズル５２に供給される。

図１に戻って、制御部６０は、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｏｒ Ｕｎｉｔ）とメモリからなるコンピューターで構成される。制御部６０は、ロボット１１の各軸モータの駆動部に接続されている。また、圧力センサ２０、研磨ブラシ３０、ポンプといった機器にも接続されており、これらの駆動を制御する。

図３には、研磨装置１が配置された研磨ライン１００の平面図を示す。研磨ライン１００は、被研磨物である鉄道車両の先頭車両７００を搬送する搬送ライン１０２の両脇にステージ１０４が設けられている。ステージ１０４は、研磨装置１のロボット１１（図１参照）が腕を伸ばせば鉄道車両の先頭車両７００の屋根に先端の研磨ブラシ３０が十分に届く程度の高さに設定されている。

ステージ１０４の縁には、研磨装置１のロボット１１が移動するための移動レール１０４ａが設けられている。研磨装置１は、１つのステージ１０４に複数配置してよい。

研磨ライン１００には、研磨ライン制御装置１１０が備えられている。研磨ライン制御装置１１０は、鉄道車両の先頭車両７００の外装面の３次元曲面データを有している。また、搬送ライン１０２の付近に位置センサ１０６が備えられており、研磨ライン制御装置１１０は、位置センサ１０６および各研磨装置１の制御部６０と接続されている。

以上の要素から構成される鉄道車両の先頭車両７００の研磨装置１の動作について説明する。被研磨物である鉄道車両の先頭車両７００は、搬送ライン１０２で移動され、所定の位置に設置される。研磨ライン制御装置１１０は、位置センサ１０６によって、鉄道車両の先頭車両７００が所定の位置についたことを検知する。

研磨ライン制御装置１１０は、鉄道車両の先頭車両７００の表面の研磨の手順を決め、それぞれの研磨装置１に対して、研磨予定領域の指示を行う。ここで研磨予定領域とは、１台の研磨装置１が担当する領域をいう。各研磨装置１は、研磨ライン制御装置１１０から研磨予定領域の指示を受ける際に、研磨予定領域の３次元曲面データを受け取る。結果、各研磨装置１は、自分が研磨する被研磨面７００ｓの曲面データを保持することとなる。言い換えると、各研磨装置１の制御部６０は自分を中心とした空間において、被研磨面７００ｓがどの位置にあるかを知ることができる。

次に、制御部６０は、決められた被研磨面７００ｓの研磨予定領域に研磨ブラシ３０を移動させる。この時、研磨ブラシ３０が研磨予定領域に届く位置まで、移動レール１０４ａ上を移動してもよい。

図４（ａ）を参照する。次に研磨ブラシ３０を被研磨面７００ｓの法線方向７００ａから研磨方向に対して０度以上２０度以下の角度に設定させ、研磨ブラシ３０を回転させる。圧力センサ２０は研磨ブラシ３０と手首部１８の間に配置されている（図１参照）。したがって、圧力センサ２０は、手首部１８のＴ軸１７Ｔａ方向の力を検出することとなる。

被研磨面７００ｓに対してできるだけＴ軸１７Ｔａ方向に沿って押し当てることで、正確な押圧力を検出することができる。被研磨面７００ｓの法線方向７００ａと研磨方向に向かったＴ軸１７Ｔａとの角度を当接角θと呼ぶ。当接角θが決まると、被研磨面７００ｓに対する押圧量は、圧力センサ２０からの値をＦとすると、Ｆ＊ｃｏｓθで正確に求めることができる（「＊」は乗算を表す）。

そして、研磨ブラシ３０を被研磨面７００ｓに当接させる前に、圧力センサ２０のゼロ設定を行う。ゼロ設定とは、現在の圧力センサ２０の出力値をゼロと見なす工程である。圧力センサ２０は、圧力を面で受けているので、研磨ブラシ３０の姿勢によって、若干ゼロ点が異なる。したがって、研磨する都度圧力センサ２０のゼロ設定を行う。

図４（ｂ）を参照する。次に被研磨面７００ｓに研磨ブラシ３０を押圧が所定の値になるまで当接させ、一定速度で被研磨面７００ｓをトレースする。この際のトレースは、研磨予定領域の３次元曲面データに沿って行われる。

また、研磨予定領域をトレースする際には、研磨ブラシ３０の押圧が一定になるように、被研磨面７００ｓに対する垂直方向の位置を調整する。すなわち、圧力センサ２０の値が所定値以下になれば、被研磨面７００ｓとの間の距離を縮め、圧力センサ２０の値が所定値以上になれば、被研磨面７００ｓとの間の距離を離す。

研磨のためのトレースは、回転ブラシ３２の回転軸３２ａ（図２参照）の進行方向に平行な方向に直線的に行われる。図５（ａ）には、研磨装置１が鉄道車両の先頭車両７００のノーズ部に研磨ブラシ３０の部分を伸ばし、所定の当接角θで表面に押し付けたのち、車両側方向に直線的な軌跡で研磨を行った様子を示す。図５（ｂ）は、研磨された領域を示す。これを研磨済み領域と呼ぶ。

また、研磨予定領域をトレースする際には、研磨装置１は、研磨ブラシ３０のプーリカバー４７のある側面を、鉄道車両の先頭車両７００の先頭方向に向ける。プーリカバー４７のある側面は、フレーム３６からプーリカバー４７が飛び出ている（図２（ｂ）参照）ので、万一この部分が鉄道車両の先頭車両７００の表面に接触しないようにするためである。

また、研磨装置１による研磨では、研磨ブラシ３０は被研磨面７００ｓに対して、常に一定の当接角θに設定された。この当接角θは、トレースを行っている最中も一定に保持される。図４（ｃ）には、この様子を示す。

図４（ｃ）は水平部分７００ｆから傾斜部分７００ｇに研磨ブラシ３０が進む様子を示したものである。水平部分７００ｆと傾斜部分７００ｇの間には、Ｒのついた角部７００ｃがある。研磨ブラシ３０は、当接角θを角部でも維持するため、曲面上の法線方向７００ａに対して、研磨ブラシ３０の軸（Ｔ軸１７Ｔａ）を一定の角度に保持しながら研磨が進む。

以上のように、本発明に係る研磨装置１は、鉄道車両の先頭車両７００の３次元曲面で形成された長いノーズを含め、表面の再塗装前の足付け（アラシ）を自動で行うことができ、作業時間の短縮に寄与する。

また、研磨は全被研磨面に対して一定の圧力で研磨ブラシを押し付けて行っているので均一な研磨が可能となる。

本発明は鉄道車両の先頭車両の塗装前のパテ研ぎに好適に利用することができる。

１ 研磨装置
１０ トレース装置
１１ ６軸多関節ロボット
１１ ロボット
１２ ベース部
１４ 下腕部
１６ 上腕部
１８ 手首部
１３Ｓ Ｓ軸モータ
１３Ｌ Ｌ軸モータ
１５Ｕ Ｕ軸モータ
１５Ｒ Ｒ軸モータ
１７Ｂ Ｂ軸モータ
１７Ｔ Ｔ軸モータ
１３Ｓａ Ｓ軸
１３Ｌａ Ｌ軸
１５Ｕａ Ｕ軸
１５Ｒａ Ｒ軸
１７Ｂａ Ｂ軸
１７Ｔａ Ｔ軸
２０ 圧力センサ
３０ 研磨ブラシ
３６ フレーム
３２ａ 回転軸
３２ 回転ブラシ
３４ 円筒形
３４ｓ 研磨面
３８ モータ
３８ａ 駆動軸
４０ トルクカプラ
４２ 駆動側プーリ
４３ テンションプーリ
４４ 従動側プーリ
４６ 駆動ベルト
４７ プーリカバー
３６ｕ 上面
３６ｄ 下面
４８、４８ａ、４８ｂ アーム
５０ スカート
５２ａ ノズル
５２ｂ ノズル
５２ ノズル
６０ 制御部
１００ 研磨ライン
１０２ 搬送ライン
１０４ ステージ
１０４ａ 移動レール
１１０ 研磨ライン制御装置
１０６ 位置センサ
７００ 先頭車両
７００ｓ 被研磨面
７００ａ 法線方向
７００ｆ 水平部分
７００ｇ 傾斜部分
７００ｃ 角部
θ 当接角

Claims (3)

1. フレームと、駆動モータと、前記駆動モータに接続され前記フレームの側面に配置されたプーリと、前記プーリを介したベルト駆動で回転させられる回転ブラシを有する研磨ブラシと、
   前記研磨ブラシを先端に配置し、前記研磨ブラシの姿勢を変化させ、移動させることができる６軸多関節ロボット（トレース装置）と、
   前記研磨ブラシと前記トレース装置の間に配置された圧力センサと、
   前記圧力センサの信号に基づいて前記トレース装置に、前記研磨ブラシを３次元曲面を有する鉄道車両の先頭車両の被研磨面に一定の押圧で押し当て、かつ一定の方向に移動させるように制御しながら、前記プーリをカバーするプーリカバーを前記先頭車両の先頭側に向け前記被研磨面を研磨させる制御装置を有する先頭車両の研磨装置。
2. 前記制御装置は、前記研磨ブラシを前記被研磨面に押し当てる前に、前記圧力センサのゼロ設定を行う請求項１に記載された先頭車両の研磨装置。
3. 前記制御装置は、前記研磨ブラシを前記被研磨面に押し当てて前記被研磨面を研磨する際には、前記研磨ブラシを被研磨面の法線方向と研磨方向とを含む断面において、被研磨面の法線方向から前記研磨方向に対して０度以上２０度以下の角度に維持する請求項１または２の請求項に記載された先頭車両の研磨装置。