JPH0665462B2 - 曲面自動倣い研摩装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金型の型面のような複雑な曲面を研摩するの
に適した研摩装置に関するもので、特に、ワーク自身の
曲面形状に自動的に倣いながら研摩する、曲面自動倣い
研摩装置に関するものである。

（従来の技術） プレス成形用金型、プラスチック射出成形用金型、ダイ
カスト用金型等は、その型面の平滑度が製品の品質に大
きく影響するので、機械加工や放電加工によって形成さ
れた金型の表面を研摩して、鏡面に近く仕上げる必要が
ある。このような金型の研摩作業は、金型が単品製造さ
れるものであることやその型面が複雑な三次元曲面であ
ること等から自動化が困難であるために、従来はほとん
ど手みがき作業に頼っていた。しかしながら、この手み
がき作業は、金型の全製造工程の２割から３割もの割合
を占める熟練と根気を要する作業であるので、その自動
化が切望されている。

そこで、ロボットを用いてこのような複雑な曲面の研摩
作業を自動化する研究が進められている。ロボットは大
きな自由度を有しているので、複雑な三次元立体曲面に
も倣わせることができる。また、簡単に工具軌跡をティ
ーチングすることができるので、作業性がよい。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、ロボットは、一般に工作機械に比べて剛
性が小さく、位置決め精度も低い。そのために、単にロ
ボットのアームの先端に砥石を取り付けただけでは、研
摩作業に必要な加圧力が常に砥石に加えられるようにす
ることは難しい。また、砥石は加工曲面に倣って一定圧
で法線方向に押圧されるようにしなければならないが、
そのようにロボットを制御することも極めて困難であ
る。

このようなことから、砥石を、ボールスプライン及びユ
ニバーサルジョイントを介してロボットのアームにフレ
キシブルに支持させ、磁石の吸引力によって金型の型面
に押圧させるようにした磁力研摩装置が考えられてい
る。このような磁力研摩装置によれば、砥石から法線方
向の反力が加えられることがなくなるので、剛性の小さ
いロボットによっても研摩することができるようにな
る。また、砥石は磁力によって加工面に密着するので、
精度の悪いロボットであっても、簡単な制御によって曲
面を研摩させることが可能となる。

しかしながら、そのような磁力研摩装置は、ワークが強
磁性体でなければ採用することができないという問題を
有している。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、剛性が小さく精度も低いロボット等に
よっても、任意の材料からなるワークの自由曲面を、高
精度で研摩することができるようにすることである。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明では、モータを位置
及び傾き制御自在に支持する制御アームに、ボールスプ
ライン等の伸縮許容手段及びユニバーサルジョイントを
介して砥石をフレキシブルに支持させるとともに、その
砥石をコイルスプリングによってワークの加工面に押圧
させるようにしている。そのコイルスプリングは、モー
タの回転を砥石に伝える工具軸を取り巻くようにして設
けられている。

そして、コイルスプリングの一端側を支持する支持部
に、そのコイルスプリングから加えられる荷重の円周方
向の分布を検出し得る荷重分布検出装置を取り付け、そ
の検出装置によって検出された荷重分布に基づいて、演
算器により工具軸の傾きと砥石の加圧力とを算出するよ
うにしている。制御アームはその算出値に基づいて制御
され、砥石の加圧力が所定の大きさとなり、かつ工具軸
が加工面の法線方向に向くように、モータの位置及び傾
きを変更する。

（作用） このように構成することにより、砥石の加工面に対する
加圧力は、コイルスプリングによって加えられるように
なる。したがって、ワークの材料が非磁性体であっても
研摩が可能となる。そして、砥石はフレキシブルに支持
されているので、容易に加工面の曲面に倣って変位す
る。

その場合、砥石が工具軸に対して傾斜すると、コイルス
プリングが変形し、そのコイルスプリングによって砥石
に加えられる加圧力に不均衡が生ずる。そこで、そのコ
イルスプリングからその支持部に反力として加えらえる
荷重が検出され、その荷重分布に基づいて、工具軸の傾
きと砥石の加圧力とが求められる。すなわち、コイルス
プリングは、砥石を押圧する機能と加工面の曲面形状を
測定するセンサとしての機能とを果たすことになる。

そして、求められた工具軸の傾きと砥石の加圧力とに基
づいて制御アームを制御することにより、砥石は常に一
定の加圧力で加工面に対して法線方向に押圧されるよう
になり、複雑な曲面の精度の高い研摩が可能となる。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

図中、第１図は本発明による曲面自動倣い研摩装置の一
実施例を示す縦断側面図であり、第２図はその研摩装置
に取り付けられている砥石の斜視図、第３図はロードセ
ルの配置図である。

第１図から明らかなように、この曲面自動倣い研摩装置
は、ロボット１とそのアーム1aに支持される工具２とに
よって構成されている。そのアーム1a、すなわち制御ア
ームの先端部には、工具２を駆動する直流モータ３が取
り付けられている。ロボット１は、垂直多関節型で５自
由度を有するものとされている。したがって、モータ３
は、そのロボット１のアーム1aにより、互いに垂直な３
軸方向の位置と互いに垂直な２平面に対する傾斜角とが
制御されるようになっている。

モータ２の出力軸には、ボールスプライン４を介して工
具軸５が連結されている。したがって、その工具軸５
は、モータ３の回転は伝えられるが、軸線方向には摺動
自在、すなわち伸縮自在となっている。その伸縮は、例
えば25mmの範囲で制限されるようになっている。

工具軸５の先端には、ユニバーサルジョイント６を介し
て、有底円筒状の砥石ホルダ７が取り付けられている。
そのユニバーサルジョイント６は、砥石ホルダ７をいず
れの方向にも傾動自在に支持するとともに、工具軸５の
回転を砥石ホルダ７に伝え得るものとされている。した
がって、砥石ホルダ７は、工具軸５に対してどのように
傾斜しているときにも、ユニバーサルジョイント６を介
してモータ３により回転駆動されるようになっている。

砥石ホルダ７の下面には、円筒状の砥石８が固着されて
いる。第２図に示されているように、その砥石８の先端
面には、円周方向に離れた３位置に、下方に突出する山
部8a,8a,8aが形成されている。したがって、砥石８は、
常にその山部8aの頂部である３個の研摩部9,9,9におい
て、ワーク10の加工面Ｓ（第１図）と接触するようにさ
れている。その研摩部９には、半径方向にもわずかに曲
率が付与されている。

モータ３には、ボールスプライン４のナット4aを回転自
在に支持する円筒状のハウジング11が設けられている。
そして、そのハウジング11の先端に、荷重分布検出装置
12の支持部であるフランジ13が固着されている。したが
って、そのフランジ13は、ロボット１のアーム1aに対し
て固定されている。

荷重分布検出装置12は、第３図に示されているように、
工具軸５を中心として円周方向に120゜の等間隔を置い
て放射状に配置された３個のロードセル14,14,14によっ
て構成されている。各ロードセル14の基端部は、フラン
ジ13にビス止めされている。また、各ロードセル14の先
端部には、ボールベアリング15のインナレース15aが固
着されている。

このボールベアリング15のアウタレース15bには、リン
グ状のホルダ16が取り付けられている。そして、そのホ
ルダ16と砥石ホルダ７との間に、コイルスプリング17が
圧縮状態で装着されている。このコイルスプリング17
は、通常状態では工具軸５がその中心部に位置するよう
に配置されている。

第４図に示されているように、各ロードセル14の出力
は、ブリッジボックス18を介してひずみ増幅器19に送ら
れ、その増幅器19からAD変換器20を通して演算器21に入
力されるようになっている。そして、その演算器21の算
出値に応じて、制御装置22により、ロボット１の各関節
を駆動する関節モータ23,23,…の回転角が制御されるよ
うになっている。

次に、このように構成された研摩装置の作用について説
明する。

モータ３が十分上方に位置し、砥石８がワーク10の加工
面Ｓから離れた状態にあるときには、工具軸５は最も伸
長しており、その軸線上に砥石８の軸線が位置してい
て、コイルスプリング17は円筒状を保っている。この状
態でモータ３を作動させると、その出力軸の回転はボー
ルスプライン４、工具軸５、及びユニバーサルジョイン
ト６を介して砥石ホルダ７に伝えられ、砥石８がその軸
線のまわりに回転する。このとき、砥石ホルダ７の回転
に伴ってコイルスプリング17も回転するが、その回転は
ボールベアリング15によって吸収されるので、固定され
ているロードセル14に伝えられることはない。そして、
このときには、コイルスプリング17に作用している力は
円周上のいずれの点においても均一である。

この状態から、ロボット１を作動させてモータ３を下降
させる。すると、砥石８がワーク10の加工面Ｓに接触す
る。そして、砥石ホルダ７がユニバーサルジョイント６
を中心として傾動する。このとき、砥石８には３個の突
出した研摩部9,9,9が設けられており、砥石８はその研
摩部９によって常に３点で加工面Ｓに接触するので、砥
石ホルダ７は必ず加工面Ｓに倣って傾くことになる。し
かも、そのときには、加工面Ｓから砥石８に加えられる
反力によって工具軸５が収縮し、コイルスプリング17が
圧縮される。

そして、このように砥石ホルダ７が傾くと、コイルスプ
リング17が変形し、そのコイルスプリング17に作用する
力が円周方向に不均一となる。したがって、コイルスプ
リング17からホルダ16及びボールベアリング15を介して
３個のロードセル14,14,14に加えられる荷重分布が変化
する。その荷重は、各ロードセル14によって検出され
る。

第５図は、このように砥石８が工具軸５に対して傾斜し
た状態を模式的に示すものである。なお、この図におい
ては、便宜上、コイルスプリング17の上面側に砥石８が
位置し、下面側にロードセル14が位置するものとしてい
る。

第５図に示されているように、工具座標系X,Y,Zを、Ｙ
軸が工具軸５の軸線と一致し、XZ平面上にコイルスプリ
ング17のロードセル14側の端面が位置するように定め
る。そして、120゜の間隔を置いて配置された３個のロ
ードセルをそれぞれW,R,Bと呼ぶこととし、そのうちの
ロードセルＷがＸ軸の負の側に位置するものとする。

第５図は、砥石８がＺ軸から角度βの方向に角度γだけ
傾斜した状態を示している。すなわち、砥石８は、ユニ
バーサルジョイント６の中心を通りXY平面に対して角度
βをなすＡ′軸のまわりに角度γだけ傾いている。この
砥石８の傾きは加工面Ｓに倣ったものであるから、この
ときには、工具軸５が加工面Ｓの法線に対して角度γだ
け傾いていることになる。

このように砥石８が傾いたとき、コイルスプリング17の
砥石８側の端面には、Ａ′軸まわりに角度γに対応した
曲げモーメントMA′がかかる。そして、コイルスプリン
グ17の他端面には、Ａ′軸に平行で座標の原点を通るＡ
軸まわりに、曲げモーメントMA′に対応した曲げモーメ
ントMAが生じる。したがって、各ロードセルW,R,Bに
は、この曲げモーメントMAによる荷重とＹ軸方向の加圧
力Ｐとが加わることになる。

そこで、各ロードセルW,R,Bにかかる荷重をそれぞれNW,
NR,NBと表し、力の釣り合いを求めると、 NW＋NR＋NB＝Ｐ …（１） −NW・ａ・sinβ−NB・ａ・cos（π／６＋β） ＋NR・ａ・cos（π／６−β）＝MA …（２） −NW・ａ・cosβ−NB・ａ・sin（π／６＋β） ＋NR・ａ・sin（π／６−β）＝Ｏ …（３） となる。ここで、ａは、ロードセルに荷重がかかる点の
原点からの距離、すなわちボールベアリング15のインナ
レース15aの半径である。

これらの式において、（１）式はＹ軸方向の力の釣り合
いを示すものであり、（２）式はＡ軸まわりのモーメン
トの釣り合いを、また、（３）式はＡ軸に直交する軸ま
わりのモーメンと釣り合いをそれぞれ示すものである。

が得られる。そして、このβと各ロードセルによって検
出された荷重NW,NR,NBとを（２）式に代入すると、曲げ
モーメトMAが算出される。

コイルスプリング17の一端面の傾斜角γと、それによっ
て他端面に生ずる曲げモーメントMAとは、一定の関係に
ある。その関係は、理論式あるいは実験式によって表さ
れる。したがって、曲げモーメントMAが求められれば、
傾斜角γも求めることができる。

そして、これら２つの角度β，γにより、加工面Ｓの法
線方向を検出することができる。また、砥石８に加えら
れている加圧力Ｐは、（１）式により求めることができ
る。

このようにして、コイルスプリング17から３個のロード
セル14,14,14に加えられる荷重を検出することにより、
そのときの加工面Ｓの法線に対する工具軸５の傾き及び
砥石８の加圧力が求められる。すなわち、コイルスプリ
ング17は、砥石８を押圧する働きと工具軸５の傾きを検
出する働きとをなすことになる。

上述のような演算は、演算器21によって行われる。そし
て、算出された加圧力Ｐとあらかじめ設定された設定加
圧力とが比較され、その差に応じて制御装置22に指令信
号が送られる。制御装置22は、その指令値に応じてロボ
ット１の関節モータ23を作動させ、アーム1aを昇降させ
る。アーム1aが昇降すると、モータと加工面Ｓとの間の
距離が変化し、コイルスプリング17の圧縮量が変化す
る。それによって、砥石８の加圧力が制御される。

また、演算器21においては、工具軸５の軸線と加工面Ｓ
の法線との偏角が算出され、その算出値に応じて制御装
置22に指令信号が送られる。制御装置22は、その指令値
に応じてロボット１の関節モータ23を作動させ、アーム
1aの向きを変える。それによって、モータ３の軸線の方
向が変化し、工具軸５が加工面Ｓの法線方向に向けられ
る。

このようにして、工具軸５の軸線を加工面Ｓの法線と一
致させ、砥石８に所定の加工力を均一に加えた状態で、
加工面Ｓが研摩されるようになる。したがって、加工面
Ｓが偏って研摩されることもなくなり、曲面に倣った良
好な仕上げ面が得られるようになる。

この間において、砥石８を押圧するコイルスプリング17
の反力は、モータ３のハウジング11を介してロボット１
のアーム1aに伝えられる。しかしながら、そのアーム1a
にはモータ３等の重力が加わっているので、その重力に
よってコイルスプリング17の反力が相殺される。したが
って、ロボット１に剛性が求められることはない。ま
た、砥石８が自動的に加工面Ｓの曲面に倣うので、ロボ
ット１は所定の軌跡に沿って工具２を移動させていきさ
えすればよく、ロボット１に高い位置決め精度が求めら
れることもない。

演算器21及び制御装置22は、コンピュータによって構成
される。その場合、ロボット１の制御は、第６図に示さ
れたフローチャートに従って行われる。

すなわち、制御がスタートすると、まず、フラグＩがゼ
ロにセットされる。そして、ロボット１により工具が降
下される。

砥石８が加工面Ｓに接触すると、ロードセル14の出力が
変化する。その出力はコンピュータにサンプルされる。
そして、砥石８に加えられている加圧力が算出され、そ
の加圧力とあらかじめ制御プログラム中に入力されてい
る設定加圧力との誤差が計算される。その誤差が許容範
囲内にないときには、ロボット１により工具２が更に降
下あるいは上昇され、加圧力が修正される。その後、再
びロードセル14の出力がサンプルされて、同様の計算が
行われる。こうして、誤差が許容範囲内に収束するま
で、加圧力の修正が行われる。

加圧力の修正が終わると、次いで、工具軸５の傾斜角が
算出される。そして、加工面Ｓの法線からの偏角が計算
され、その偏角が許容範囲内に収束するまで、ロボット
１により工具軸５の傾斜角が修正される。

工具軸５の傾斜角の修正が終了すると、加圧力が再修正
される。最終的に加圧力及び工具軸傾斜角の両者が設定
許容範囲内となると、その点での設定を終え、次の点へ
と移動する。

このような制御プログラムを実行することにより、工具
軸を常に加工面Ｓの法線方向に向け、一定の加圧力で自
由曲面の研摩を行うことが可能となる。

しかしながら、この制御プログラムでは、研摩する各点
ごとに加圧力と工具軸傾斜角との検出及び修正を行わな
ければならないので、許容範囲内に収束させるまでに時
間がかかり、砥石８が各点に長時間滞在することにな
る。そのために、加工面Ｓにうねりが生じる等の問題が
発生することがある。

そのような問題に対処するためには、各点におけるデー
タをディスクにファイルしていき、そのデータに基づい
てロボット１を動作させるようにすればよい。そのよう
にすれば、研摩作業の高速化も可能となる。

なお、上記実施例においては、荷重分布検出装置12とし
て、円周方向に等間隔を置いて配置された３個のロード
セル14を用いるものとしているが、その間隔はそれぞれ
異なっていてもよく、ロードセル14をより多数配置した
ものとしてもよい。しかしながら、少数のロードセル
で、計算も簡単に行うことができるようにするために
は、上記実施例のような配置が望ましい。

また、ロードセル14に限られることはなく、他の荷重セ
ンサを用いることもできる。

更に、上記実施例においては、ロードセル14とコイルス
プリング17との間にボールベアリング15を設けるものと
しているが、そのボールベアリング15、あるいは他のベ
アリングをコイルスプリング17と砥石ホルダ７との間に
設けるようにすることもできる。そのようにすれば、砥
石ホルダ７の回転に伴ってコイルスプリング17が回転す
ることはなくなるので、コイルスプリング17をロードセ
ル14に固着することも可能となる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、工具
を支持する制御アームに対して砥石をフレキシブルに支
持するとともに、それら制御アームと砥石との間にコイ
ルスプリングを設けるようにしているので、砥石は加工
面の曲面に自動的に倣うようになり、また、コイルスプ
リングによって加工面に押圧されるようになる。したが
って、支持剛性や正確な位置決めを要することなく、任
意の材料からなるワークの曲面を研摩することができる
ようになる。

そして、コイルスプリングから加えられる荷重の円周方
向の分布を検出することにより、加工面の法線に対する
工具軸の傾きと砥石に加えられている加圧力とを求める
ことができるので、簡単な制御によって、工具軸を常に
加工面の法線方向に向けた状態で、一定の加圧力を加え
るようにすることが可能となる。したがって、複雑な三
次元曲面の加工面をも高い精度で研摩することができる
ようになる。

また、砥石をボールスプライン等の伸縮許容手段及びユ
ニバーサルジョイントを介して支持し、コイルスプリン
グによって押圧するようにするだけでよいので、工具は
簡単な構造で小形のものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による曲面自動倣い研摩装置の一実施
例を示す一部縦断側面図、 第２図は、その研摩装置に用いられている砥石の斜視
図、 第３図は、その研摩装置に用いられている荷重分布検出
装置を示すもので、第１図のIII−III線から見た底面
図、 第４図は、その研摩装置に用いられている制御系のブロ
ック図、 第５図は、その研摩装置における砥石の加圧力と工具軸
の傾斜角とを算出する方法を説明するための説明図、 第６図は、その研摩装置の制御手順の一例を示すフロー
チャートである。 １……ロボット 1a……アーム（制御アーム） ２……工具、３……モータ ４……ボールスプライン、５……工具軸 ６……ユニバーサルジョイント ８……砥石、９……研摩部 10……ワーク、12……荷重分布検出装置 13……フランジ（支持部）、14……ロードセル 15……ボールベアリング 17……コイルスプリング、21……演算器 22……制御装置 Ｓ……加工面、Ｐ……加圧力 β，γ……傾斜角

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端部でモータを支持し、そのモータの位
   置及び軸線の方向を制御する制御アームと、 前記モータによってその軸線のまわりに回転駆動される
   とともに、軸線方向に摺動自在に支持された工具軸と、 その工具軸の先端にユニバーサルジョイントを介して傾
   動自在に取り付けられ、前記モータの回転によりそれら
   工具軸及びユニバーサルジョイントを介して回転駆動さ
   れる砥石と、 その砥石と前記制御アームの先端部に対して固定された
   支持部との間に前記工具軸を取り巻くようにして設けら
   れ、前記砥石をワークの加工面に押圧するコイルスプリ
   ングと、 前記支持部に取り付けられ、前記コイルスプリングから
   加えられる荷重の円周方向の分布を検出し得る荷重分布
   検出装置と、 その検出装置によって検出された荷重分布に基づいて、
   前記工具軸の前記加工面に対する傾斜角と前記砥石に加
   えられている加圧力とを算出する演算器と、 その演算器の算出値に基づいて、前記加圧力が所定の大
   きさとなり、かつ前記工具軸が前記加工面の法線方向に
   向くように、前記制御アームを制御する制御装置と、 を備えている、曲面自動倣い研摩装置。
2. 【請求項２】前記砥石が、前記ワークの加工面に摺接す
   る３個の突出した研摩部を有している、 特許請求の範囲第１項記載の曲面自動倣い研摩装置。
3. 【請求項３】前記荷重分布検出装置が、円周方向に等間
   隔を置いて配置された３個のロードセルによって構成さ
   れている、 特許請求の範囲第１項記載の曲面自動倣い研摩装置。
4. 【請求項４】前記コイルスプリングが、ボールベアリン
   グを介して前記ロードセルに荷重を加えるようにされて
   いる、 特許請求の範囲第３項記載の曲面自動倣い研摩装置。
5. 【請求項５】前記コイルスプリングが、前記砥石に対し
   て相対回転自在に支持されている、 特許請求の範囲第３項記載の曲面自動倣い研摩装置。