JP5689504B2

JP5689504B2 - サーボ自動開閉扉を備えた加工システム

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Publication number: JP5689504B2
Application number: JP2013122346A
Authority: JP
Inventors: 小田　勝; 小田　　勝
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: US20140286734A1; DE102014103730B4; JP2014205231A; CN104057354A; DE102014103730A1; CN104057354B; US9290334B2

Description

本発明は、サーボ自動開閉扉を備えた加工システムに関する。

従来より、工作機械等の加工機には、加工中に閉じられ、非加工時（例えばワーク交換時等）に開放される扉が設けられる。この種の扉を、エアシリンダの駆動により開閉動作するようにした装置が知られている（例えば特許文献１，２参照）。

実開平５−７４７４４号公報特開２００８−２０７２７０号公報

上記特許文献１，２記載の装置では、エアシリンダの駆動により扉を開閉する。このため、扉の開閉速度を制御することができず、扉の開閉時の衝撃を低減するためには、開閉速度を遅くせざるを得なかった。

本発明による加工システムは、加工時に閉じられ、非加工時に開放される扉を有する加工機と、加工機を制御する加工機制御装置と、扉を介して加工機の内部に進退可能に設けられ、加工対象物およびまたはツールの交換を行う多関節ロボットと、多関節ロボットを制御するロボット制御装置と、扉を開閉するアクチュエータとを備える。そして、アクチュエータが、扉開閉専用のサーボモータであり、加工機制御装置およびロボット制御装置は、互いに別々に設けられるとともに、それぞれ別々のＣＰＵを含む演算処理装置を別々に有し、ロボット制御装置の演算処理装置に含まれるＣＰＵは、扉開閉専用サーボモータと多関節ロボットに設けられるロボット用サーボモータとの同期制御を司り、この同期制御を司るＣＰＵを有するロボット制御装置は、扉の開閉位置と多関節ロボットの位置およびまたは姿勢とを把握し、把握された扉の開閉位置に応じてロボット用サーボモータを制御しつつ、把握された多関節ロボットの位置およびまたは姿勢に応じて扉開閉専用サーボモータを制御することを特徴とする。ここで、同期制御とは、扉を開閉動作させながら多関節ロボットを動作させる場合をいい、このような同期制御を行うことで、扉が開放位置に到達する前に多関節ロボットの加工機への進入動作を開始、あるいは多関節ロボットの退避動作が完了する前に扉の閉鎖動作を開始させることができ、効率的な加工を実現できる。

本発明によれば、加工機に設けられる扉をサーボモータの駆動によって開閉するようにしたので、扉の開閉速度を制御することができ、開閉動作を短時間で完了することができる。

本発明の実施形態に係る加工システムの構成を示す図。（ａ）は、図１の扉の開閉機構を示す正面図であり、（ｂ）は図２Ａの矢視IIB図。本発明の第１の実施形態に係る加工システムの制御構成を示すブロック図。図３の変形例を示すブロック図。図４のロボット制御装置における処理の一例を示すフローチャート。本発明の第１の参考例に係る加工システムの制御構成を示すブロック図。図６の加工システムにおける処理の一例を示すフローチャート。本発明の第２の参考例に係る加工システムの制御構成を示すブロック図。図８の加工システムにおける処理の一例を示すフローチャート。図２の変形例を示す図。

−第１の実施形態−
以下、図１〜図５を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る加工システム１００の構成を示す図である。この加工システム１００は、加工機１０と、加工機１０に隣接して配置された産業用ロボット２０とを備える。

加工機１０は、例えばワークを加工する工作機械であり、加工中に切削液等が外部に飛散しないように全体がカバー１１により包囲されている。ロボット２０に面したカバー１１の一の面（開閉面１１ａ）には、略矩形状の開口部１２が設けられるとともに、この開口部１２を塞ぐように開閉面１１ａに沿って摺動可能に略矩形状の扉１３が取り付けられている。扉１３は、サーボモータ１５の駆動により、開閉機構１４を介して開閉される。以下では、サーボモータ１５を、扉開閉用モータと称することがある。サーボモータ１５は、例えば開口部１２の外側のカバー１１の端部（上端角部）に固定されている。

図２（ａ）は、扉１３の開閉機構１４を示す正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢視IIB図である。図２（ａ），図２（ｂ）に示すように、開閉機構１４は、水平方向（扉１３の開閉方向）に延在し、カバー１１に回転可能に支持されたボールねじ１４２を有する。ボールねじ１４２は、カップリング１４１を介して扉開閉用モータ１５の出力軸に連結されている。ボールねじ１４２にはナット１４３が螺合し、ナット１４３にはブラケット１４４を介して扉１３が一体に固定されている。カバー１１には、扉１３の移動方向を規制するガイド部１４５が設けられている。扉開閉用モータ１５の回転によりボールねじ１４２が回転すると、ナット１４３がボールねじ１４２に沿って移動し、扉１３の一部である可動部１３１は、ガイド部１４５に沿って水平方向に摺動する。その結果、扉１３は、扉開閉用モータ１５の回転に応じた速度で、図１に示す開口部１２を開閉する。

ロボット２０は、例えば垂直多関節型ロボットであり、床に固定されたベース２１と、ベース２１に回動可能に連結されたロボットアーム２２と、ロボットアーム２２の先端部に設けられたハンド２３とを有する。ロボット２０のハンド２３は、ワークまたは工具を把持し、開口部１２を介して加工機１０内に進退する。これにより、加工対象物であるワークや加工機１０に装着する工具等を自動交換することができる。すなわち、ロボット２０は、ワークや工具を入れ替える自動交換装置として機能する。

扉１３は、ロボット２０（ハンド２３）が加工機１０内に進入する際に開放し、ロボット２０が加工機１０から退避した後、ワークを加工する際に閉鎖される。このため、扉１３の開閉動作とロボット２０の進退動作とを連携して行う必要がある。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る加工システム１００の制御構成を示すブロック図である。図３に示すように、加工システム１００は、加工機１０に設けられた扉開閉用モータ１５を除く各種アクチュエータ１０ａに制御信号を出力して加工機１０を制御する加工機制御装置３１と、ロボット２０に設けられた各種アクチュエータ２０ａに制御信号を出力してロボット２０を制御するロボット制御装置３２とを有する。アクチュエータ１０ａは例えばサーボモータ（加工機用モータ）であり、アクチュエータ２０ａも例えばサーボモータ（ロボット用モータ）である。

加工機制御装置３１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置と、サーボアンプを含んで構成される。ロボット制御装置３２も、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置と、サーボアンプを含んで構成される。ロボット制御装置３２は、さらに扉開閉用モータ１５を制御するモータ制御部３３（扉開閉用サーボアンプ）を有する。

モータ制御部３３は扉開閉用モータ１５に扉開放信号または扉閉鎖信号を出力する。これにより扉開閉用モータ１５が駆動し、開閉機構１４を介して扉１３が開放または閉鎖する。この場合、扉１３をサーボモータ１５の駆動で開閉するため、扉１５の移動速度を容易に調整することができる。例えば、扉１３を高速で開閉し、扉１３が開放位置および閉鎖位置に近づいた際に、扉１３の移動速度を減速する。これにより扉１３の移動停止時のショックを低減しつつ、短時間で扉１３の開閉動作を行うことができる。

ロボット制御装置３２は、扉開閉用モータ１５に内蔵された回転検出器からの信号により扉１３の開閉位置を把握することができる。なお、他の検出器により扉１３の開閉位置を検出し、この検出器からの信号をロボット制御装置３２が読み込んで、扉１３の開閉位置を把握するようにしてもよい。ロボット制御装置３２は、扉１３の開閉位置に応じてロボット用アクチュエータ（ロボット用モータ）２０ａに制御信号を出力し、ロボット２０の動作を制御する。例えば、扉１３が開放位置に到達した直後にロボット２０を加工機１０内に進入させる。

ロボット制御装置３２は、例えばロボット用モータ２０ａに内蔵された回転検出器からの信号により、ロボット２０の位置および姿勢を把握することができる。なお、他の検出器によりロボット２０の位置および姿勢を検出し、この検出器からの信号をロボット制御装置３２が読み込んで、ロボット２０の位置および姿勢を把握するようにしてもよい。ロボット制御装置３２（モータ制御部３３）は、このロボット２０の位置および姿勢に応じて扉開閉用モータ１５に制御信号を出力する。例えばロボット２０が加工機１０の外側に退避した直後に、扉１３を開放位置から閉鎖位置へ移動させる。

このようにロボット制御装置３２で扉１３の開閉制御を行うことで、ロボット２０の位置および姿勢と扉１３の位置とに応じてロボット用モータ２０ａと扉開閉用モータ１５とを同期制御することができる。これにより、ロボット２０を動作させながら扉１３を開閉動作することができる。例えば扉１３が開放位置に到達する前にロボット２０の加工機１０への進入動作を開始、あるいはロボット２０の退避動作が完了する前に扉１３の閉鎖動作を開始させることができ、効率的な加工を実現できる。

また、本実施形態では、自動交換装置として汎用のロボット２０を用いるため、ワークや工具の着脱等の動作を、安価な構成により実現することができる。

図４は、図３の変形例を示すブロック図である。図４が図３と異なるのは、ロボット制御装置３２が、モータ制御部３３に加え判定部３６を有する点である。判定部３６は、扉１３の開動作が必要か否か、および、ロボット２０を加工機１０内へ進入させることが可能か否かを判定する。

図５は、図４のロボット制御装置３２で実行される処理の一例、とくに加工機１０内のワークを入れ替えるワーク入れ替え処理の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１では、判定部３６が扉１３の開動作が必要か否かを判定する。例えば、加工機制御装置３１は、加工機１０におけるワークの加工を終了するとロボット制御装置３２に加工終了信号を出力するようになっており、ステップ１では、この加工終了信号が入力されると、開動作が必要と判定する。ステップＳ１が肯定されるとステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、モータ制御部３３が扉開閉用モータ１５に扉開放信号を出力する。これにより扉開閉用モータ１５が駆動し、扉１３が閉鎖位置から開放位置に向けて開動作を開始する。ステップＳ３では、判定部３６が、扉開閉用モータ１５（サーボモータ）からの位置情報、すなわちサーボモータの回転量を検出する検出器からの情報に基づいて、扉１３が予め定めた所定位置まで開放したか否かを判定する。ここで、所定位置とは、ロボット２０のハンド２３が扉１３を介して加工機１０内に進入することが可能となる位置（ロボット進入可能位置）であり、例えば扉１３の全開位置である。なお、扉１３が全開位置に対し所定割合だけ開いた位置を、所定位置としてもよい。ステップＳ３が肯定されるとステップＳ４に進み、否定されるとステップＳ２に戻る。ステップＳ４では、ロボット用モータ２０ａに制御信号を出力し、ロボット２０のハンド２３を扉１３を介して加工機１０内へ進入させる。

このように扉１３がロボット進入可能位置まで開放したと判定されてからロボット２０のハンド２３を加工機１０内へ進入させるので、扉１３の開閉位置に応じてロボット２０をタイミングよく動作させることができ、ロボット２０と扉１３とが干渉することなく、ワークや工具の入れ替え作業を効率よく行うことができる。

−第１の参考例−
図６、図７を参照して本発明の第１の参考例について説明する。なお、図１〜図５と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第１の実施形態との相違点を主に説明する。第１の実施形態では、ロボット制御装置３２で扉開閉用モータ１５を制御するようにしたが、第１の参考例では、加工機制御装置３１でこれを行う。図６は、本発明の第１の参考例に係る加工システム１００の制御構成の一例を示すブロック図である。図６に示すように、加工機制御装置３１は、扉開閉用モータ１５を制御するモータ制御部３４と、ロボット２０を加工機１０内へ進入させることが可能か否かを判定する判定部３７とを有する。なお、判定部３７をロボット制御装置３２に設けることもでき、判定部３７を省略することもできる。

加工機制御装置３１は、扉開閉用モータ１５の位置情報に基づいて扉１３の位置を把握するとともに、ロボット制御装置３２からの信号に基づきロボット２０の位置および姿勢を把握する。一方、ロボット制御装置３２は、加工機制御装置３１からの信号に基づき扉１３の位置を把握する。なお、ロボット２０の位置および姿勢を検出する検出器からの信号を、ロボット制御装置３２を介さずに加工機制御装置３１が読み込むようにしてもよく、扉１３の開閉位置を検出する検出器からの信号を、加工機制御装置３１を介さずにロボット制御装置３２が読み込むようにしてもよい。

加工機制御装置３１は、ロボット２０の位置および姿勢に応じて扉開閉用モータ１５に制御信号を出力する。これにより、扉１３の開閉動作を最適に制御することができる。また、ロボット制御装置３２は、扉１３の開閉位置に応じてロボット用アクチュエータ２０ａに制御信号を出力する。これにより、ロボット２０の進退動作を最適に制御することができる。

図７は、図６の加工システムにおける処理の一例、とくにワーク入れ替え処理の一例を示すフローチャートである。なお、図には、加工機制御装置３１での処理（加工機用処理）と、ロボット制御装置３２での処理（ロボット用処理）とが分けて示されている。まず、加工機用処理として、ステップＳ１１では、判定部３７が扉１３の開動作が必要か否かを判定する。例えば、加工機１０におけるワークの加工が終了すると、開動作が必要と判定し、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、モータ制御部３４が扉開閉用モータ１５に開放信号を出力し、扉１３の開動作を開始する。ステップＳ１３では、判定部３７が、扉開閉用モータ１５からの位置情報に基づいて扉１３がロボット進入可能位置まで開放したか否かを判定する。ステップＳ１３が肯定されるとステップＳ１４に進み、否定されるとステップＳ１２に戻る。ステップＳ１４では、ロボット制御装置３２に対し加工機１０内へのロボット２０の進入を許可する指令（進入許可指令）を出力する。

次に、ロボット用処理として、ステップＳ１５では、加工機制御装置３１から進入許可指令が出力されたか否かを判定する。ステップＳ１５が肯定されるとステップＳ１６に進み、ロボット用モータ２０ａに制御信号を出力し、ロボット２０のハンド２３を扉１３を介して加工機１０内へ進入させる。

このように第１の参考例では、加工機制御装置３１により扉開閉用モータ１５を制御するので、加工状況に応じて扉１３を開閉動作させることができ、扉１３の開閉タイミングを精度よくコントロールすることができる。また、加工機制御装置３１（判定部３７）で扉１３がロボット進入可能位置まで開放したと判定されてからロボット制御装置３２によりロボット２０のハンド２３を加工機１０内へ進入させるので、ロボット２０と扉１３とが干渉することなく、ワークや工具の入れ替え作業を効率よく行うことができる。

−第２の参考例−
図８，９を参照して本発明の第２の参考例について説明する。なお、図１〜５と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第１の実施形態との相違点を主に説明する。第２の参考例では、扉開閉用モータ１５を制御する制御装置を、加工機制御装置３１およびロボット制御装置３２とは別に設ける。図８は、本発明の第２の参考例に係る加工システム１００の制御構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、加工システム１００は、加工機制御装置３１と、ロボット制御装置３２と、扉開閉制御装置３５とを有する。扉開閉制御装置３５は、ロボット２０を加工機１０内へ進入させることが可能か否かを判定する判定部３８を有する。なお、判定部３８を加工機制御装置３１またはロボット制御装置３２に設けることもでき、判定部３８を省略することもできる。

扉開閉制御装置３５は、ロボット制御装置３２からの信号に基づきロボット２０の位置および姿勢を把握し、ロボット制御装置３２は、扉開閉制御装置３５からの信号に基づき扉１３の開閉位置を把握する。扉開閉制御装置３５は、ロボット２０の位置および姿勢に応じて扉開閉用モータ１５に制御信号を出力する。これにより、扉１３の開閉動作を最適に制御することができる。また、ロボット制御装置３２は、扉１３の開閉位置に応じてロボット用アクチュエータ２０ａに制御信号を出力する。これにより、ロボット２０の進退動作を最適に制御することができる。

図９は、図８の加工システムにおける処理の一例、とくにワーク入れ替え処理の一例を示すフローチャートである。なお、図には、加工機制御装置３１での処理（加工機用処理）と、ロボット制御装置３２での処理（ロボット用処理）と、扉開閉制御装置３５での処理（扉開閉用処理）とが分けて示されている。まず、加工機用処理として、ステップＳ２１では、扉１３の開動作が必要か否かを判定する。例えば、加工機１０におけるワークの加工が終了すると、開動作が必要と判定し、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、扉開閉制御装置３５に対し扉１３の開放指令を出力する。

次に、扉開閉用処理として、ステップＳ２３では、加工機制御装置３１から開放指令が出力されたか否かを判定する。ステップＳ２３が肯定されるとステップＳ２４に進み、扉開閉用モータ１５に開放信号を出力し、扉１３の開動作を開始する。ステップＳ２５では、判定部３８が、扉開閉用モータ１５からの位置情報に基づいて扉１３がロボット進入可能位置まで開放したか否かを判定する。ステップＳ２５が肯定されるとステップＳ２６に進み、否定されるとステップＳ２４に戻る。ステップＳ２６では、ロボット制御装置３２に対し進入許可指令を出力する。

次に、ロボット用処理として、ステップＳ２７では、扉開閉制御装置３５から進入許可指令が出力されたか否かを判定する。ステップＳ２７が肯定されるとステップＳ２８に進み、ロボット用モータ２０ａに制御信号を出力し、ロボット２０のハンド２３を扉１３を介して加工機１０内へ進入させる。

このように第２の参考例では、加工機制御装置３１およびロボット制御装置３２とは別の専用の制御装置３５により扉１３の開閉を制御するので、既存の加工システムに対し容易に適用することができる。また、扉開閉制御装置３５（判定部３８）で扉１３がロボット進入可能位置まで開放したと判定されてからロボット制御装置３２によりロボット２０のハンド２３を加工機１０内へ進入させるので、ロボット２０と扉１３とが干渉することなく、ワークや工具の入れ替え作業を効率よく行うことができる。

−変形例−
上記実施形態では、ボールねじ１４２とナット１４３等により開閉機構１４を構成したが、開閉機構１４の構成はこれに限らない。図１０は、ラックとピニオンにより開閉機構１４を構成した場合の一例を示す図である。図１０において、扉開閉用のサーボモータ１５は、固定部１５１を介してカバー１１の端部（上端部）に固定され、扉開閉用モータ１５の出力軸にピニオン１５２（ピニオンギア）が連結されている。扉１３の上端部には、水平方向（扉１３の開閉方向）にラック１５３（ラックギア）が延在し、ラック１５３にピニオン１５２が噛合している。カバー１１には、扉１３の移動方向を規制するガイド部１５４が設けられている。これにより扉開閉用モータ１５の回転によりピニオン１５２が回転すると、ラック１５３が水平方向に移動する。その結果、扉１３は、ガイド部１５４に案内されながら水平方向に移動し、扉開閉用モータ１５の回転に応じた速度で開口部１２を開閉することができる。

なお、上記実施形態（図２）では、サーボモータ１５とボールねじ１４２とガイド部１４５をカバー１１に固定し、上記実施形態（図１０）では、サーボモータ１５とガイド部１５４を、カバー１１に固定するようにしたが、加工機１０の本体に固定されるのであれば、これらをカバー１１以外に固定することもできる。サーボモータ１５の回転運動を直進運動に変換するのであれば、開閉機構１４の構成を、図２、図１０以外のものとしてもよい。

上記実施形態では、工作機械を加工機１０として用いたが、加工時に閉じられ、非加工時に開放される扉１３を有する他の加工機にも本発明を同様に適用することができる。工作機械のカバー１１に摺動可能に扉１３を取り付けるようにしたが、扉の構成はこれに限らない。自動交換装置としてロボット２０を用いたが、扉１３を介して加工機１０の内部に進退可能に設けられ、加工対象物およびまたはツールの交換を行うのであれば、自動交換装置をロボット以外により構成してもよい。したがって、自動交換装置を制御する自動交換制御装置を、ロボット制御装置３２以外により構成してもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１０加工機
１３扉
１４開閉機構
１５サーボモータ（扉開閉用モータ）
２０ロボット
３１加工機制御装置
３２ロボット制御装置
３３，３４モータ制御部
３５扉開閉制御装置
３６，３７，３８判定部
１００加工システム

Claims

加工時に閉じられ、非加工時に開放される扉を有する加工機と、
前記加工機を制御する加工機制御装置と、
前記扉を介して加工機の内部に進退可能に設けられ、加工対象物およびまたはツールの交換を行う多関節ロボットと、
前記多関節ロボットを制御するロボット制御装置と、
前記扉を開閉するアクチュエータとを備える加工システムであって、
前記アクチュエータが、扉開閉専用のサーボモータであり、
前記加工機制御装置および前記ロボット制御装置は、互いに別々に設けられるとともに、それぞれ別々のＣＰＵを含む演算処理装置を別々に有し、
前記ロボット制御装置の前記演算処理装置に含まれる前記ＣＰＵは、前記扉開閉専用サーボモータと前記多関節ロボットに設けられるロボット用サーボモータとの同期制御を司り、
この同期制御を司る前記ＣＰＵを有する前記ロボット制御装置は、前記扉の開閉位置と前記多関節ロボットの位置およびまたは姿勢とを把握し、把握された前記扉の開閉位置に応じて前記ロボット用サーボモータを制御しつつ、把握された前記多関節ロボットの位置およびまたは姿勢に応じて前記扉開閉専用サーボモータを制御することを特徴とする加工システム。
請求項１に記載の加工システムにおいて、
前記扉の開閉位置を検出する検出部をさらに備え、
前記ロボット制御装置は、前記検出部により検出された前記扉の開閉位置に応じて前記ロボット用サーボモータを制御することを特徴とする加工システム。
請求項２に記載の加工システムにおいて、
前記ロボット制御装置は、前記検出部により検出された前記扉開閉専用サーボモータの位置情報に基づいて前記多関節ロボットが前記加工機内へ進入可能であるか否かを判定する判定部を有し、該判定部により前記多関節ロボットが前記加工機内へ進入可能と判定されると、前記多関節ロボットを前記加工機内へ進入させることを特徴とする加工システム。
請求項３に記載の加工システムにおいて、
前記加工機制御装置は、前記加工機によるワークの加工を終了すると前記自動交換制御装置に加工終了信号を出力し、
前記判定部は、さらに前記加工終了信号に基づいて前記扉の開動作が必要であるか否かを判定し、
前記ロボット制御装置は、前記加工終了信号が入力されることにより前記判定部により前記扉の開動作が必要であると判定されると、前記扉の開動作を開始するように前記扉開閉専用サーボモータを制御することを特徴とする加工システム。
請求項１に記載の加工システムにおいて、
前記多関節ロボットの位置および姿勢を検出する検出部をさらに備え、
前記ロボット制御装置は、前記検出部により検出された前記多関節ロボットの位置と姿勢とに応じて前記扉開閉専用サーボモータを制御することを特徴とする加工システム。