JP2010052067A - 自動仕上げ装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】現場でのロボットへの教示時間の短縮化および脱技能化が可能で、正確かつ安定した自動仕上げ加工が可能な自動仕上げ装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】工具１４を用いるロボット１１でワークＷに仕上げ加工を施す自動仕上げ装置を、モデル取込、データ取得、算出、誤差導出、補正、加工の各工程で制御する。モデル取込工程で仕上げ前のワーク形状（三次元モデル）のデータを取り込み、データ取得工程で仕上げ前のワークＷに工具を接触させて計測データを取得し、算出工程で計測データから比較対象点Ｓの実位置データを算出する。誤差導出工程で算出された実位置データと三次元モデルの比較対象点Ｓの位置データとのデータ差を求め、補正工程で前記データ差から三次元モデルの形状データに対応した工具の位置を示す教示データを補正する。加工工程では、補正された教示データによりロボット１１を制御し仕上げ加工を実行させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、工具を用いるロボットによりワークの仕上げ加工を行う自動仕上げ装置、およびその制御方法に関する。

製品の製造工程において、旋削・転削などの加工工程は工作機械の発達に伴い高速化が進んでいるが、これに比べて仕上げ工程は機械化が進んでおらず、人手に頼る部分が多い。現在行なわれている仕上げ工程の自動化の一例として、航空機用部品の仕上げ工程の一部で産業用ロボットを採用した自動仕上げ装置を用いるものがある。この場合の自動仕上げ装置は、工具を用いるロボットによってワークに仕上げ加工を施すものである。
なお、仕上げ加工に関する技術として、仕上げ加工装置に関するもの（特許文献１）やバリ取り仕上げ方法に関するもの（特許文献２）が提案されており、ロボットを用いた加工技術として、ロボットの力制御による加工方法に関するもの（特許文献３）やロボットによる自由曲面のティーチング方法に関するもの（特許文献４）等が提案されている。
特開２００６−０５８９６１号公報 特開２００４−３２２２４２号公報 特開平８−２４３９１０号公報 特開平６−２８５７６２号公報

しかし、上記した自動仕上げ装置を用いて仕上げ加工を行う技術では、ロボットに実行すべき作業を教える教示方法が従来のマニュアル教示方法であると、その教示作業に相当な熟練が要求される。また、マニュアル教示の場合、作業員がマニュアル操作で試行錯誤して行なわなければならず多くの時間を要するため、生産ラインの長期停止が必要になり製品の生産に悪影響を及ぼす。そのため、このような自動仕上げ装置を用いた仕上げ加工は、ワークの加工部位へ工具を容易にアクセス可能で、かつ単純な加工部位にしか適用できていないのが現状である。また、マニュアル教示は目視で制御可能な範囲での教示であるため、厳しい寸法精度を安定して満足させることができない。

例えばＮＣ旋盤では、オフィス等でＮＣテープを作成し、現場では動作確認のみを行うだけで自動加工を可能としている。そこで、これに倣って、ロボットを用いた自動仕上げ装置でも、オフライン教示システムの適用技術を開発し、事前にパーソナル・コンピュータ（以下ＰＣと略称する）上で、工具の位置を示す理論的かつ最適な教示データを作成することで、教示作業の脱技能化を図るとともに、現場での教示時間の短縮と自動化適用範囲の拡大を図ることが試みられている。

しかし、上記オフライン教示システムによる正確な三次元教示データがあっても、実環境上ではオフライン教示システム上の理想環境に対して少なからず位置ずれが生じているので、この位置ずれを補正できなければ厳密な仕上げ加工はできない。

本発明の目的は、現場でのロボットへの教示時間の短縮化および脱技能化が可能で、正確かつ安定した自動仕上げ加工を行うことができる自動仕上げ装置、およびその制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る自動仕上げ装置の制御方法は、工具を用いるロボットによってワークに仕上げ加工を施す自動仕上げ装置の制御方法であって、
仕上げ前の前記ワークの形状を表す三次元モデルの形状データ、またはこれに対応した工具の位置を示す教示データを取り込むモデル取込工程と、
仕上げ前の前記ワークの所定部分に前記工具を接触させてその接触位置を示す計測データを取得するデータ取得工程と、
前記計測データに基づき比較対象点の位置を示す実位置データを算出する算出工程と、 前記算出された比較対象点の実位置データと前記三次元モデルの比較対象点の位置を示すモデル位置データとのデータ差を求める誤差導出工程と、
前記データ差に基づき、前記三次元モデルの形状データに対応した工具の位置を示す教示データを補正する補正工程と、
前記補正された教示データに基づき前記ロボットを制御して仕上げ加工を実行させる加工工程とを備えている。

この構成によれば、モデル取込工程で、理想環境下における仕上げ前の三次元モデルの形状データまたは教示データを、予め、例えばＰＣからロボットのコントローラのメモリに取り込んでおき、このオフライン教示システム上の理想環境と実環境との位置ずれをオフセット補正してワークの仕上げ加工を自動的に行なうので、現場でのロボットへの教示時間の短縮化、および脱技能化が可能で、正確かつ安定した自動仕上げ加工を行うことができる。

本発明において、前記データ取得工程における前記ワークの所定部分は交差する３つの面を含むのが好ましい。このように、交差する３つの面を含む位置を、工具を接触させる所定部分として選ぶことにより、例えば、それらの３つの面の交差点を、三次元モデルとの比較対象点として正確に計測できる。

本発明において、前記データ取得工程で前記工具の姿勢とワークの先端位置とからワークの表面における工具の接触点を求めて、これを前記計測データとするのが好ましい。このようにして、ワークの表面における工具の接触点を求めることにより、正確な計測データを取得できる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る自動仕上げ装置は、工具を用いるロボットによってワークに仕上げ加工を施す自動仕上げ装置であって、
仕上げ前の前記ワークの形状を表す三次元モデルの形状データ、またはこれに対応した工具の位置を示す教示データを記憶するメモリと、
仕上げ前の前記ワークの所定部分に前記工具を接触させてその接触位置を示す計測データを取得させるデータ取得手段と、
前記計測データに基づき比較対象点の位置を示す実位置データを算出する算出手段と、 前記算出された比較対象点の実位置データと前記三次元モデルの比較対象点の位置を示すモデル位置データとのデータ差を求める誤差導出手段と、
前記データ差に基づき、前記三次元モデルの形状データに対応した工具の位置を示す教示データを補正する補正手段と、
前記補正された教示データに基づき前記ロボットを制御して仕上げ加工を実行させる加工制御手段とを備えている。

この構成によれば、上述の制御方法の場合と同様に、現場でのロボットへの教示時間の短縮化、および脱技能化が可能で、正確かつ安定した自動仕上げ加工を行うことができる。

本発明の自動仕上げ加工装置の制御方法または自動仕上げ加工装置によれば、モデル取込工程で、理想環境下における仕上げ前の三次元モデルの形状データまたは教示データを、予め、例えばＰＣからロボットのコントローラのメモリに取り込んでおき、このオフライン教示システム上の理想環境と実環境との位置ずれをオフセット補正してワークの仕上げ加工を自動的に行なうので、現場でのロボットへの教示時間の短縮化、および脱技能化が可能で、正確かつ安定した自動仕上げ加工を行うことができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る自動仕上げ装置による仕上げ加工が適用されるワークＷの斜視図を示す。仕上げ加工が適用されるワークＷは、ジェットエンジンの圧縮機を構成するディスクであり、その外周面に、ブレード２（図２（Ｂ））を装着させる複数の取付溝１が、全周にわたり、周方向に等間隔に形成されている。ここでの自動仕上げ装置による仕上げ加工は、ディスクであるワークＷを機械加工した後の取付溝１等に面取りを施すものである。図２（Ａ）に概略形状を拡大した斜視図で示す前記ワークＷの取付溝１には、加工の後に、図２（Ｂ）のようにブレード２が装着される。

図３（Ａ）はこの実施形態の自動仕上げ装置の斜視図を示し、図３（Ｂ）は図３（Ａ）における IIIＢ部の拡大図を示す。この自動仕上げ装置は、多関節型のロボット１１と、このロボット１１を制御するコントローラ１２と、ワークＷが同心位置に載置される円形のテーブル１３とを備え、ロボット１１が用いる工具１４によって、前記ワークＷの取付溝１に仕上げ加工を施す。この工具１４は、ワークＷの取付溝１のエッジまたは稜線を面取り加工する円錐台状の刃具である。取付溝１はワークＷの全周にわたって設けられているが、図３（Ａ），（Ｂ）では、一部のみを図示してある。ロボット１１が用いる工具１４は、ワークＷの取付溝１のエッジまたは稜線を面取り加工する円錐台状の刃具である。

図４は、前記自動仕上げ装置の概略構成をブロック図で示したものである。コントローラ１２は、メモリ１５、データ取得手段１６、算出手段１７、誤差導出手段１８、補正手段１９、および加工制御手段２０を備える。

メモリ１５は、仕上げ前のワークＷの形状を表す三次元モデルの形状データを記憶する。データ取得手段１６は、仕上げ前のワークＷの所定部分に工具１４を接触させてその接触位置を示す計測データを取得させる。算出手段１７は、前記データ取得手段１６に取得された計測データに基づき比較対象点の位置を示す実位置データを算出する。比較対象点は、ワークＷ上の予め設定された部位であり、例えば角部である。誤差導出手段１８は、前記算出手段１７で算出された比較対象点の実位置データと前記三次元モデルの比較対象点の位置を示すモデル位置データとのデータ差を求める。補正手段１９は、前記誤差導出手段１８で求めたデータ差に基づき前記三次元モデルの形状データに対応した工具の位置を示す教示データを補正する。この工具１４の位置は、例えば、面取り加工する際に設定すべき工具の先端の位置である。加工制御手段２０は、前記補正された教示データに基づきロボット１１を制御して仕上げ加工を実行させる。

図５は、前記自動仕上げ装置によりワークＷの取付溝１の仕上げ加工を行う場合の自動仕上げ装置の制御を示すフローチャートである。同図を参照して、前記自動仕上げ装置によるワークＷの取付溝１の仕上げ加工の動作を以下に説明する。
この仕上げ加工に先立ち、仕上げ前のワークＷの形状を表す三次元モデルの形状が事前にＰＣ上で作成される。この三次元モデルの形状データは、設計仕様と計算とによってＰＣの画面上で構築される。

仕上げ加工の開始にあたって、自動仕上げ装置では、モデル取込工程として、図４のコントローラ１２におけるメモリ１５に、上記した仕上げ前のワークＷの形状を表す三次元モデルの形状データをＰＣから取り込む（図５のステップＳ１）。
次に、コントローラ１２におけるプログラムカウンタが初期値にセットされてから（ステップＳ２）、データ取得工程として、仕上げ前のワークＷの所定部分に前記工具１４を接触させ、その接触位置を示す計測データをデータ取得手段１６で取得する（ステップＳ３）。

図４のように、工具１４を把持するロボット１１の工具把持部１１ａとワークＷとは、センサ２１を介して電気的に接続されている。そこで、前記データ取得工程では、工具１４がワークＷに接触することで、センサ２１→工具把持部１１ａ→工具１４→ワークＷ→センサ２１の間が導通する。センサ２１は、その導通を工具１４のワークＷへの接触として検出し、その検出結果がコントローラ１２に取り込まれる。これにより、その検出時点での工具１４の接触位置（直交座標位置）を示す計測データがデータ取得手段１６に取得される。ここで重要なことは、加工用の工具１４をそのまま使って計測データを取得する点である。これにより、計測専用のプローブ針が不要になるうえに、プローブ針と工具との交換作業も不要になり、仕上げ加工の効率が向上する。また、プローブ針と加工用の工具１４との位置の誤差がなくなるので、高精度な加工が可能となる。

図６（Ａ）は、図２（Ａ）におけるワークＷの取付溝１を示す破断した斜視図であり、同図では取付溝１の詳細な形状を示している。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ部を拡大して示した斜視図である。このように、例えばワークＷの取付溝１の両側縁上部にはこの取付溝１に装着されるブレード２（図２（Ｂ））に係合する内向きのフック部１ａが形成されている。このフック部１ａの表面概形は、ワークＷの外径側へ向く曲面ａと、上側を向く平面ｂと、周方向である取付溝１の内側を向く平面ｃとを含む。そこで、前記データ取得工程では、工具１４を接触させる仕上げ前のワークＷの所定部分として、交差する３つの面ａ，ｂ，ｃが選ばれる。このように、工具１４を接触させる位置として、交差する３つの面ａ，ｂ，ｃを選ぶことにより、算出工程において、これら３つの面ａ，ｂ，ｃの交点Ｓを、三次元モデルとの比較対象点として正確に算出することができる。

また、前記データ取得工程において、図７（Ａ）のように工具１４の先端が円錐形状であれば、工具１４が例えばワークＷの表面に対して傾斜姿勢であっても、その先端がワークＷの表面に直接接触するので、工具１４の先端位置ＰがワークＷの表面における工具１４の接触点となる。しかし、用いられる工具１４は、図７（Ｂ）に示すように先端が例えば円錐台形状である場合が多く、図８のように傾斜姿勢で工具１４をワークＷの表面に接触させると、ワークＷの表面における工具１４の接触点Ｑと工具１４の先端位置Ｐとは異なり、正確な計測データを取得できない。先端位置Ｐの座標はデータ取得手段１６にインプットされている。

そこで、この実施形態では、以下のように、工具１４の姿勢とワークＷの先端位置Ｐ とからワークＷの表面における工具１４の接触点Ｑを求めて、これを仕上げ前のワークＷの所定部分に工具１４を接触させた位置の計測データとしている。

（前提条件）
図９のようにロボット１１を中心として、その上下方向の軸をＺ軸とする直角座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、図８の工具１４がワークＷの表面に接触したときの工具１４の先端位置の座標をＰ（Ｘp ，Ｙp ，Ｚp ）とする。
テーブル１３（図４）の中心軸ＣＡの座標をＣ（Ｘc ，Ｙc ）とする。
ロボット１１の姿勢から決まる工具１４の中心軸に沿った法線ベクトルをＮt （ａ，ｂ，ｃ）とする。 ワークＷの計測平面の法線ベクトルをＮw （ｄ，ｅ，ｆ）とする。
工具１４の先端の平面の半径をｒとする。
なお、ｒ，Ｐ，Ｎt ，Ｎw は既知の値である。

（方針）
（１）図６（Ｂ）に示すワークＷの上面ｂ、（２）外周面ａ、（３）鈍角斜面ｃの各面上の任意点を計測するものとして、各場合における工具１４の先端位置Ｐ（Ｘp ，Ｙp ，Ｚp ）から工具１４とワークＷの接触点Ｑ（Ｘq ，Ｘq ，Ｘq ）を求める。
次に、（１）〜（３）で求められた接触点Ｑにより、各々構成される平面または曲面から、それらの面の交点Ｓ（Ｘs ，Ｙs ，Ｚs ）を求める。

（接触点Ｑの求め方）
（１） 平面である上面ｂおよび斜面ｃ計測時の接触点Ｑの導出
図８の工具１４の法線ベクトルＮt から決まる平面上に接触点Ｑがあることから、
ａ（Ｘｑ−Ｘｐ）＋ｂ（Ｙｑ−Ｙｐ）＋ｃ（Ｚｑ−Ｚｐ）＝０ ………（１）
かつ、工具１４の先端平面の円周上に接触点Ｑがあることから、
（Ｘｑ−Ｘｐ）² ＋（Ｙｑ−Ｙｐ）² ＋（Ｚｑ−Ｚｐ）² ＝ｒ² ………（２）
かつ、法線ベクトルＮw （ｄ，ｅ，ｆ）からなる平面上に接触点Ｑがあることから、
ｄ・Ｘｑ＋ｅ・Ｙｑ＋ｆ・Ｚｑ−ｋ＝０ ………（３）
接触点Ｑは、式（１）〜（３）を満足する解のうち最もｋが小さく（または大きく）なる場合である。

（２） 外周面ａ（円筒面）計測時の接触点Ｑの導出
工具１４の法線ベクトルＮt から決まる平面上に接触点Ｑがあることから、
ａ（Ｘｑ−Ｘｐ）＋ｂ（Ｙｑ−Ｙｐ）＋ｃ（Ｚｑ−Ｚｐ）＝０ ………（４）
かつ、工具１４の先端平面の円周上に接触点Ｑがあることから、
（Ｘｑ−Ｘｐ）² ＋（Ｙｑ−Ｙｐ）² ＋（Ｚｑ−Ｚｐ）² ＝ｒ² ………（５）
かつ、ワークＷの中心軸（テーブル１３の中心軸と同一）ＣＡを中心とする円筒面上に接触点Ｑがあることから、
（Ｘｑ−Ｘc ）² ＋（Ｙｑ−Ｙc ）² ＝Ｒ² ………（６）
接触点Ｑは、式（４）〜（６）を満足する解のうち最もＲが小さく（または大きく）なる場合である。
このようにして、ワークＷの表面における工具１４の接触点Ｑを求めることにより、正確な計測データを取得できる。

上記したデータ取得工程に続く算出工程として、データ取得工程で取得された工具接触位置を示す計測データに基づき、図４のコントローラ１２の算出手段１７により、比較対象点である角部Ｓの位置を示す実位置データが算出される（ステップＳ４）。

次に、誤差導出工程および補正工程が実行される（ステップＳ５）。誤差導出工程では、前記算出手段１７により算出された比較対象点Ｓの実位置データと、メモリ１５に取り込まれている三次元モデルの比較対象点Ｓの位置を示すモデル位置データとのデータ差が、コントローラ１２の誤差導出手段１８により求められる。補正工程では、前記誤差導出手段１８により求められたデータ差に基づき、コントローラ１２の補正手段１９により前記三次元モデルの形状データに対応した工具の位置を示す教示データが補正される。このように、予め仕上げ前のワークＷの形状に対応した教示データが、工具１４をワークＷに接触させて求められた比較対象点Ｓの実位置データに基づき補正されるので、三次元モデルを構築した際のオフライン教示システム上の理想環境と、ワークＷが置かれている実環境との位置ずれを解消できる。

次に、コントローラ１２の加工制御手段２０によりロボット１１を制御して、前記補正された教示データに基づき、ワークＷにおける三次元モデルの補正された範囲での仕上げ加工、つまり１つの取付溝１への仕上げ加工が行なわれる（ステップＳ６）。

次に、コントローラ１２におけるプログラムカウンタがインクリメントされ（ステップＳ７）、そのカウント値ｉが設定値ｎに達しないと判定されると（ステップＳ８）、ステップＳ６〜Ｓ８の動作が繰り返される。すなわち、例えば仕上げ加工を終えた取付溝１の隣の仕上げ未加工の取付溝１に対して、テーブル１３が一周を取付溝１の総数で除した角度分だけ回転し、上記したデータ取得工程、算出工程、誤差導出工程、補正工程が実行された教示データに基づき、別の取付溝１への仕上げ加工が行なわれる。このような動作を繰り返すことにより、ワークＷの各取付溝１の仕上げ加工が順次行なわれる。プログラムカウンタのカウント値ｉが、取付溝１の総数に等しい設定値ｎに達すると（ステップＳ８）、ワークＷにおけるすべての取付溝１の仕上げ加工が終了したものとみなされ、自動仕上げ装置による仕上げ加工が終了する。

このように、上記した自動仕上げ装置の制御によると、オフライン教示システム上の理想環境と実環境との位置ずれをオフセット補正してワークＷの仕上げ加工を自動的に行なうので、現場でのロボット１１への教示時間の短縮化および脱技能化が可能で、正確かつ安定した自動仕上げ加工を行うことができ、加工寸法の精度向上も可能となる。また、上記オフセット補正では、ロボット１１の撓み、特に工具１４の撓みによる影響も補正できる。さらに、加工用の工具１４をそのまま使ってワークＷの計測データを取得するから、計測専用のプローブ針が不要になるとともに、作業能率が向上する。また、プローブ針と加工用の工具１４との位置の誤差がなくなるので、高精度な加工が可能となる。

上記実施形態では、図４のメモリ１５に、仕上げ前の前記ワークの形状を表す三次元モデルの形状データを取り込んだが、これとは異なり、この三次元モデルの形状データに対応した工具１４の位置、例えば、面取り加工する際に設定すべき工具１４の先端位置を示す教示データを、オフライン教示システムを利用して取り込んでもよい。また、本発明は、上記した面取り加工のほか、図２に示す取付溝１の表面の研磨仕上げ等、他の仕上げ加工にも適用できる。

さらに、上記実施形態では、ジェットエンジンの圧縮機を構成するディスクの取付溝１の仕上げ加工に適用した場合について説明したが、他の種々の製品の仕上げ加工にも容易に適用できて同様の効果を上げることができる。

本発明の一実施形態に係る自動仕上げ装置による仕上げ加工が適用されるワークの斜視図である。 （Ａ）は同ワークにおける溝部の斜視図、（Ｂ）は同溝にブレードを装着した状態を示す斜視図である。 （Ａ）は本発明の一実施形態に係る自動仕上げ装置を示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）におけるIIIＢ部の拡大図である。 同自動仕上げ装置の概略構成を示すブロック図である。 同自動仕上げ装置の制御方法を示すフローチャートである。 （Ａ）は図２（Ａ）におけるワークの溝を示す破断した斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）のVIＢ部を拡大して示す斜視図である。 （Ａ）は自動仕上げ装置のロボットが用いる工具の一例の斜視図、（Ｂ）は同工具の他の例の斜視図である。 ワーク表面への工具の接触点と工具先端位置との関係を示す模式図である。 自動仕上げ装置のロボットと直角座標との関係を示す概略図である。

符号の説明

１１…ロボット
１４…工具
１５…メモリ
１６…データ取得手段
１７…算出手段
１８…誤差導出手段
１９…補正手段
２０…加工制御手段
Ｗ…ワーク

Claims (4)

1. 工具を用いるロボットによってワークに仕上げ加工を施す自動仕上げ装置の制御方法であって、
   仕上げ前の前記ワークの形状を表す三次元モデルの形状データ、またはこれに対応した工具の位置を示す教示データを取り込むモデル取込工程と、
   仕上げ前の前記ワークの所定部分に前記工具を接触させてその接触位置を示す計測データを取得するデータ取得工程と、
   前記計測データに基づき比較対象点の位置を示す実位置データを算出する算出工程と、 前記算出された比較対象点の実位置データと前記三次元モデルの比較対象点の位置を示すモデル位置データとのデータ差を求める誤差導出工程と、
   前記データ差に基づき、前記三次元モデルの形状データに対応した工具の位置を示す教示データを補正する補正工程と、
   前記補正された教示データに基づき前記ロボットを制御して仕上げ加工を実行させる加工工程と、
   を備えた自動仕上げ装置の制御方法。
2. 請求項１において、前記データ取得工程における前記ワークの所定部分は交差する３つの面を含む自動仕上げ装置の制御方法。
3. 請求項１または２において、前記データ取得工程で前記工具の姿勢とワーク の先端位置とからワークの表面における工具の接触点を求めて、これを前記計測データとする自動仕上げ装置の制御方法。
4. 工具を用いるロボットによってワークに仕上げ加工を施す自動仕上げ装置であって、
   仕上げ前の前記ワークの形状を表す三次元モデルの形状データ、またはこれに対応した工具の位置を示す教示データを記憶するメモリと、
   仕上げ前の前記ワークの所定部分に前記工具を接触させてその接触位置を示す計測データを取得させるデータ取得手段と、
   前記計測データに基づき比較対象点の位置を示す実位置データを算出する算出手段と、 前記算出された比較対象点の実位置データと前記三次元モデルの比較対象点の位置を示すモデル位置データとのデータ差を求める誤差導出手段と、
   前記データ差に基づき、前記三次元モデルの形状データに対応した工具の位置を示す教示データを補正する補正手段と、
   前記補正された教示データに基づき前記ロボットを制御して仕上げ加工を実行させる加工制御手段と、
   を備えた自動仕上げ装置。
   

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