JP7035467B2 - 加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工装置に関する。

一般的に、加工製品の製造においては、切削や研削等の加工工程の後に仕上げ工程が行われる。この仕上げ工程は、切削や研削が行われた製品の形状や表面粗さを調整し、最終的に求められる品質を満足させる工程であり、例えばバリ取り、面取り、Ｒ付け、磨き等が行われる。従来、このような仕上げ工程は、人手によって行われることが殆どであったが、近年では、労働人口の減少による作業者不足等を背景として、加工装置による自動化が促進されている。

仕上げ工程においては、被加工物（以下、「ワーク」と称する）の位置及び姿勢が正確に把握されている必要がある。一般的に、自動仕上げ加工装置においては、３Ｄ ＣＡＤ（Three-Dimensional Computer-Aided Design）モデルに基づき、加工開始位置や加工終了位置、加工中の工具姿勢や加工軌道等が事前に設定される。

しかしながら、例えば寸法公差等の影響によって、３Ｄ ＣＡＤモデルに基づくワークの位置や姿勢と、実際のワークの位置や姿勢とは乖離することが多い。そのため従来技術では、例えばワークの表面（上面や側面）の少なくとも６つの計測点の位置（例えば、３つの計測点のＺ座標、２つの計測点のＸ座標、及び１つの計測点のＹ座標）をそれぞれ計測することによって、実際のワークの位置及び姿勢を精度高く測定する。例えば、特許文献１に記載の技術では、ワーク表面のそれぞれの計測点に対し、計測用のピン等を接触させることで、計測点の位置を計測する。これにより、計測された実際のワークの位置及び姿勢と、３Ｄ ＣＡＤモデルに基づくワークの位置や姿勢との乖離量が特定される。そして、特定された乖離量に基づいて、加工開始位置や加工終了位置、加工中の工具姿勢や加工軌道等が補正される。

特許第６０１１０８９号公報

ところで、特許文献１に記載の技術では、ピン等の接触によってワークの損傷が発生しないようにする必要があり、計測動作（接触検知動作）の速度を速くすることが難しいため、計測時間が長くなるという問題がある。また、計測時間を短縮するために計測点の数を減らした場合、少なくとも６つの計測点の位置を計測する場合と比べて、計測精度が低下することがあるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、計測精度を低下させることなく計測時間を短縮することが可能な加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の加工装置は、加工ヘッドと、前記加工ヘッドを移動させる移動装置と、ワークの位置及び姿勢を非接触で検出するセンサと、前記センサの検出結果に基づいて、前記加工ヘッドの姿勢及び加工軌跡を補正して、前記ワークの加工のための制御を行う制御装置とを備える。
また、本発明の加工装置は、前記センサが、前記加工ヘッドに取り付けられている。
また、本発明の加工装置は、前記センサが、前記ワークの互いに直交した状態で隣接する３つの面をそれぞれ計測可能な位置に３つ取り付けられている。
また、本発明の加工装置は、前記センサが、前記ワークの互いに直交した状態で隣接する３つの面をそれぞれ計測可能に、前記センサを駆動する駆動機構を備える。
また、本発明の加工装置は、前記センサが、前記ワークの少なくとも３か所のエッジの位置をそれぞれ検出することにより、前記ワークの前記位置及び前記姿勢を検出する。
また、本発明の加工装置は、前記エッジの位置が、前記ワークの少なくとも２か所のエッジのＸ座標とＺ座標を示す位置、及び、前記ワークの少なくとも１か所のエッジのＹ座標とＺ座標を示す位置である。

本発明によれば、計測精度を低下させることなく計測時間を短縮することができるという効果がある。

本発明の一実施形態による加工装置の概要構成を示す図である。 本発明の一実施形態による加工装置によるワークの位置及び姿勢の計測について説明するための図である。 本発明の一実施形態による加工装置の概要構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による加工装置について詳細に説明する。

〈加工装置の構成〉
図１は、本発明の一実施形態による加工装置の概要構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態による加工装置１は、ロボット１０及び制御装置２０を備えており、ワークＷに対する仕上げ加工を行う。この加工装置１は、仕上げ加工として、例えば、ワークＷの表面の切削加工や磨き加工を行う。

ロボット１０は、ロボットアーム１１（移動装置）、加工ヘッド１２、工具１３、力センサ１４、ロボットコントローラ１５、及び位置計測センサ１６を備える。ロボットアーム１１は、複数のアームが複数の関節によって直列的に接続された多関節機構を有する。ロボットアーム１１の各関節には、各関節を駆動するモータが設けられている。ロボットアーム１１は、制御装置２０の制御の下で、ロボットコントローラ１５によりモータが駆動されることで、例えば、三次元空間を６軸方向に移動することができる。また、各関節には、モータの回転角度を検知するエンコーダが設けられている。

加工ヘッド１２は、工具１３及び位置計測センサ１６をロボットアーム１１に対して着脱可能に接続する。工具１３及び位置計測センサ１６は、加工ヘッド１２によりロボットアーム１１の先端に取り付けられる。ロボットアーム１１を駆動することで、三次元空間内における工具１３及び位置計測センサ１６の位置及び姿勢を変更することができる。

工具１３は、仕上げ加工に用いられる工具であり、仕上げ加工の種類に応じたものが複数用意されている。例えば、切削加工用の工具、磨き加工用の工具といった具合である。

力センサ１４は、工具１３に作用する外力を検出し、検出した外力を制御装置２０に出力する。例えば、力センサ１４は、三次元的に移動可能なロボットアーム１１と工具１３との間に取り付けられる。この力センサ１４は、例えば、直交３軸方向の力と各軸周りのトルクを検出する。但し、力センサ１４は、これに限定されず、ワークＷに対する押し付け力が検出できる限り、その他の力センサであってもよい。

ロボットコントローラ１５は、制御装置２０の制御の下で、ロボットアーム１１の動作を制御する。具体的に、ロボットコントローラ１５は、ロボットアーム１１の各関節に設けられたモータを駆動することによって、ロボットアーム１１の動作を制御する。このロボットコントローラ１５は、制御装置２０との間でリアルタイム通信を行う。これにより、加工装置１では、予め規定された制御周期でロボットアーム１１のリアルタイム制御が実現される。

位置計測センサ１６は、ワークＷまでの距離をレーザ等によって非接触で計測するセンサである。具体的には、位置計測センサ１６は、ワークＷの互いに直交した状態で隣接する３つの面をそれぞれ計測可能な位置に取り付けられた３つの位置計測センサ（後述する、位置計測センサ１６ｘ、位置計測センサ１６ｙ、及び位置計測センサ１６ｚ）によって構成される。

制御装置２０は、ロボット制御部２１及び記憶部２２を備える。ロボット制御部２１は、力センサ１４によって検出された外力（工具１３に作用する外力）を取得する。そして、ロボット制御部２１は、取得した外力が一定値になるようにロボット１０を制御することで、工具１３をワークＷの表面に押し付けながら移動させる。つまり、ロボット制御部２１は、ワークＷの表面に対する工具１３の押付け力を制御しながら、工具１３をワークＷの表面形状に倣せる。

工具１３をワークＷの表面に押し付ける方向（押付け方向）は、例えば、ワークＷの表面の法線方向である。但し、押付け方向はワークＷの表面の法線方向に限定されず、ワークＷと工具１３との干渉を避けるために、法線方向からずらした方向であってもよい。また、工具１３をワークＷの表面形状に倣せる方向（移動方向）とは、例えば、ワークＷの表面の接線方向である。

記憶部２２には、加工データが予め記憶されている。この加工データは、加工軌道データテーブル及び加工条件データを含む。加工軌道データテーブルは、工具１３を移動させる軌道（目標軌道）を示すデータであり、一定距離間隔における空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と押付ベクトルとからなる。この加工軌道データテーブルは、例えば、ワークＷの３ＤＣＡＤモデルから自動的に生成する。加工条件データは、工具１３のワークＷに対する押付力、工具１３の移動方向、並びに往復動作の振幅及び周期等のデータである。また、記憶部２２には、ロボット制御部２１で取得された軌道データ及び押付力データ、並びにロボット制御部２１で編集された制御情報も記憶される。

〈加工装置による計測〉
以下、加工装置１によるワークＷの位置及び姿勢の計測について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による加工装置によるワークの位置及び姿勢の計測について説明するための図である。

加工装置１は、加工前に、ワークＷの加工エッジを交差するように、加工ヘッド１２に取り付けられた位置計測センサ１６の位置を動かしながら、逐次ワークＷまでの距離を計測する。そして、加工装置１は、最もワークＷまでの距離が短い位置を角部エッジとして、その距離とその計測がなされた時の位置計測センサ１６の位置とから、角部エッジの２方向の位置を求める。この動作を３回繰り返すことで、ワークＷの位置及び姿勢が特定される。これにより、加工装置１は、特定した実際のワークＷの位置及び姿勢に基づいて、加工ヘッド１２の姿勢や加工軌道を補正する。

具体例について、図２を参照しながら説明する。
図示するように、位置計測センサ１６は、Ｘ軸方向の位置を計測する位置計測センサ１６ｘと、Ｙ軸方向の位置を計測する位置計測センサ１６ｙと、Ｚ軸方向の位置を計測する位置計測センサ１６ｚを有する。

加工装置１は、位置計測センサ１６ｘと位置計測センサ１６ｚとを用いて、線Ｌ１に沿って計測することにより、加工エッジｅ１に含まれる角部エッジｐ１を検出し、そのＸ座標とＺ座標とを計測する。
また、加工装置１は、位置計測センサ１６ｘと位置計測センサ１６ｚとを用いて、線Ｌ２に沿って計測することにより、角部エッジｐ１と同様に加工エッジｅ１に含まれる角部エッジｐ２を検出し、そのＸ座標とＺ座標とを計測する。

また、加工装置１は、位置計測センサ１６ｙと位置計測センサ１６ｚとを用いて、線Ｌ３に沿って計測することにより、加工エッジｅ２に含まれる角部エッジｐ３を検出し、そのＹ座標とＺ座標とを計測する。
加工装置１は、上記計測された、角部エッジｐ１のＸ座標及びＺ座標と、角部エッジｐ２のＸ座標及びＺ座標と、角部エッジｐ３のＹ座標及びＺ座標から実際のワークＷの位置及び姿勢を特定する。

尚、例えばラインセンサ等の、加工エッジに交差する線Ｌ１～線Ｌ３に沿ったワークＷの形状をそれぞれ１回の計測で計測することができるような位置計測センサを用いることによって、位置計測センサ１６の位置を動かす操作を省略することが可能である。

〈実施形態の変形例〉
図３は、本発明の一実施形態による加工装置の概要構成を示す図である。図示するように、本実施形態の変形例による加工装置の位置計測センサ１６ｂは、センサの計測方向を変えることができる駆動機構を有している。これにより、位置計測センサ１６ｂは、１つの位置計測センサによって、ワークＷの３平面それぞれの位置の計測を行うことが可能である。

以上説明したように、本発明の一実施形態による加工装置は、ワークＷまでの距離をレーザ等によって非接触で計測するセンサによってワークＷの角部エッジの位置を計測することにより、ワークＷの位置及び姿勢を計測する。
このように、本発明の一実施形態による加工装置によれば、位置を計測するためのワークＷへの接触が不要になるため、計測時間を短縮することができる。
また、本発明の一実施形態による加工装置によれば、計測点の数を少なくすることができる（３点の角部エッジの位置を計測するだけでよい）ため、計測精度を低下させることなく計測時間を短縮することができる。
また、本発明の一実施形態による加工装置によれば、工具が取り付けられた加工ヘッドに位置計測センサが直接取り付けられるため、加工ヘッドの姿勢及び加工軌跡を、位置計測センサによって計測された計測結果に沿って精確に制御することができる。

以上、本発明の一実施形態による加工装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。

また、上記実施形態では、ロボット１０が、工具１３を移動させる移動装置としてロボットアーム１１を備える例について説明した。しかしながら、ロボット１０は、必ずしもロボットアーム１１を備えている必要は無く、アーム型ではない移動装置（例えば、直動軸等を有する移動装置）を備えるものであっても良い。

１…加工装置、１０…ロボット、１１…ロボットアーム、１２…加工ヘッド、１３…工具、１４…力センサ、１５…ロボットコントローラ、１６…位置計測センサ、２０…制御装置、２１…ロボット制御部、２２…記憶部、Ｗ…ワーク

Claims (3)

1. 加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドを移動させる移動装置と、
   ワークの位置及び姿勢を非接触で検出するセンサと、
   前記センサの検出結果に基づいて、前記加工ヘッドの姿勢及び加工軌跡を補正して、前記ワークの加工のための制御を行う制御装置と、を備え、
   前記センサは、前記加工ヘッドに取り付けられ、前記ワークの互いに直交した状態で隣接する３つの面をそれぞれ直線状に計測する３つのラインセンサから構成されている加工装置。
2. 前記センサは、前記ワークの少なくとも３か所のエッジの位置をそれぞれ検出することにより、前記ワークの前記位置及び前記姿勢を検出する、
   請求項１記載の加工装置。
3. 前記エッジの位置は、前記ワークの少なくとも２か所のエッジのＸ座標とＺ座標を示す位置、及び、前記ワークの少なくとも１か所のエッジのＹ座標とＺ座標を示す位置である、
   請求項２記載の加工装置。

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