JPH11165282A - 力制御ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工負荷の変動に応じて工具の送り速度等を
制御する機能を備えた力制御ロボットによる加工を中断
することなく、加工負荷の変動に対処しながら効率良く
加工遂行する。 【解決手段】 加工対象物から工具に作用する加工負荷
の大きさを監視する手段２８と、あらかじめロボットに
教示した初期加工経路に沿って加工する過程で、加工負
荷が増大しかつ送り速度があらかじめ設定した最低送り
速度以下に低下したことから加工経路の変更が必要な状
況を判断する手段２９と、加工経路の変更が必要な場合
に、前記最低送り速度以下に送り速度が低下しないよう
に暫定的に加工経路を変更する手段３０と、変更した加
工経路に沿って加工を終了した後、工具の移動経路を前
記初期加工経路に復帰させる手段３３を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、力制御ロボットに
係り、例えば、グラインダをエンドエフェクタとして溶
接ビードの切削作業などを遂行する力制御ロボットに関
する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械や産業用ロボットにより機械加
工を行う場合、工具の送り速度は、一定速度に設定する
場合がほとんどである。しかし、工具の送り速度は一定
でも、加工対象物の凹凸などにより、加工負荷は工具の
送りに伴って増減する。

【０００３】この加工負荷があまり増加しすぎると、工
具の破損や、送り用アクチュエータの能力以上の過負荷
による異常停止に至ることがある。このため、従来から
過大な加工負荷の発生を防止するために、次のような加
工負荷に応じた送り速度の制御が実行されている。

【０００４】その一つは、加工負荷の増減を工具を駆動
モータの電流値や送り用アクチュエータの電流値を検出
しながら監視して、電流の設定値と比較しながら、送り
速度を増減したり、異常に高くなれば工具の送りを停止
するものである。

【０００５】また、増加する加工負荷をロードセルなど
で検出して、加工負荷が大きければ、加工負荷を減じる
方向、つまり切り込みの減少方向に工具を移動させる方
法も行われている。

【０００６】ところで、近年、鋼板を溶接により接合し
た後に溶接ビードを削り取るビード仕上げ作業や、溶断
後の工作物の面取り作業では、人手によるグラインダ作
業に代わって産業用ロボットの導入による自動化が進展
している。この種の作業を遂行する産業用ロボットは、
工具の位置だけではなく、加工対象物に工具を押し付け
る力など工具の加工作用を制御できる力制御機能を有し
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この種の力制御ロボッ
トが、溶接ビードの切除などの加工作業を遂行する場
合、当然、加工過程の間、加工負荷は変動する。

【０００８】しかしながら、力制御ロボットによる加工
作業では、加工負荷の変動に応じて工具の送り速度の制
御を行うだけでは、負荷変動に有効ではない場合があ
る。

【０００９】力制御機能を有する産業用ロボットをグラ
インダ作業に適用する事例は、ほとんどが乾式研削であ
る。乾式研削では、増大した加工負荷を低減するため、
送り速度を下げると、加工対象物上の特定箇所における
研削時間が増加するため、加工対象物の温度が上昇し、
これに伴って砥石の温度も上昇する。この温度が上昇し
た後は、砥石の研削能力が極端に低下して加工を継続す
ることができなくなる場合がある。このような事態に至
ると、一時、加工を中断して目つぶれのした砥石の整
形、目立てなどをして砥石の研削能力を回復させなけれ
ばならない。

【００１０】他方、送り速度の低下を防止するために目
標押し付け力を大きく設定して加工を行うと、グライン
ダの砥石の回転が停止して加工が不可能になったり、工
具が破損したりするという問題がある。

【００１１】このようにロボット導入による溶接ビード
の除去作業では、削り取る溶接ビードの大きさ、形状、
その高さがまちまちで、溶接ビードによって、加工負荷
に大きくばらつきがあるという特質があり、このこと
が、加工効率の向上の障害となっている。

【００１２】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、加工を中断することなく、加工
負荷の変動に対処しながら効率良く加工遂行することの
できるようにした力制御ロボットを提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、ロボットの把持する工具に作用する加
工負荷を検出し、加工負荷の変動に応じて工具の送り速
度等を制御する機能を備えた力制御ロボットであって、
加工対象物から工具に作用する加工負荷の大きさを監視
する手段と、あらかじめロボットに教示した初期加工経
路に沿って加工する過程で、加工負荷が増大しかつ送り
速度があらかじめ設定した最低送り速度以下に低下した
ことから加工経路の変更が必要な状況を判断する手段
と、加工経路の変更が必要な場合に、前記最低送り速度
以下に送り速度が低下しないように暫定的に加工経路を
変更する手段と、変更した加工経路に沿って加工を終了
した後、工具の移動経路を前記初期加工経路に復帰させ
る手段と、を具備することを特徴とするものである。

【００１４】この発明によれば、加工負荷を監視するだ
けでなく、加工負荷の増大に起因する送り速度の低下に
基づいて加工経路を変更する。暫定的に変更された加工
経路では、加工負荷は低減し、送り速度も回復する。こ
のように加工負荷の変動を加工負荷と送り速度の両面か
ら監視して、加工負荷の増大に伴う送り速度の低下によ
る加工点での温度上昇と、温度上昇による工具の研削能
力低下が未然に防止されるので、加工は停止することな
く円滑に遂行される。

【００１５】加工経路の変更は、加工負荷を低減させる
ため、工具と加工対象物との接触面積が少なくなるよう
に加工経路の高さを変更することが好ましく、また、こ
の変更後の加工経路では、加工負荷の減少に基づいて、
変更した加工経路に沿った加工の終了が判断される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明による力制御ロボッ
トの一実施の形態について、添付の図面を参照しながら
説明する。図２は、本発明による力制御ロボットを適用
したグラインダ作業ロボットを示す。このグラインダ作
業ロボット１０は、ベース１１、コラム１２、アーム部
１３、手首部１４から構成されている。このグラインダ
作業ロボット１０は、制御軸を６軸有している。すなわ
ち、コラム１２はベース１０上で旋回可能であり、アー
ム部１３はコラム１２にそって上下に移動する。また、
アーム部１３の先端の手首部１４は、アーム部１４の軸
方向に伸縮運動する。

【００１７】手首部１４には、エンドエフェクタとして
のグラインダ１５が取り付けられる。このグラインダ１
５は、エアや電気によって回転駆動されるディスク状の
砥石を有する工具である。この場合、グラインダ１５
は、手首部１４において互いに直交する３軸について回
動することができる。

【００１８】また、手首部１４には、グラインダ１５に
作用する力の大きさをＸ、Ｙ、Ｚ軸およびこれらの軸回
りの回転方向であるＡ、Ｂ、Ｃ軸の６軸について検知で
きる力覚センサ１６が設けられている。このグラインダ
作業ロボット１０は、力覚センサ１６によりグラインダ
１５にかかる加工負荷を検出し、その加工負荷の変動に
応じてグラインダ１５の送り速度、加圧力の大きさを制
御する力制御機能を有している。

【００１９】このグラインダ作業ロボット１０の動作
は、教示された教示データにしたがってコントローラ２
０により制御される。２２は、グラインダ作業ロボット
１０にあらかじめ加工経路や、速度、作業指令などを教
示するための操作ペンダントである。

【００２０】次に、図１は、グラインダ作業ロボット１
０の動作を制御する制御システムのブロック構成図であ
る。

【００２１】２４は、操作ペンダント２２から与えられ
た教示データである。この教示データ２４によって指令
される加工経路に沿ってグラインダ１５を指令した速度
で移動させるために、コントローラ２０にはロボットの
駆動装置２５を制御する加工経路制御ループ２６と、送
り速度制御ループ２７が設けられている。加工経路制御
ループ２６は、グラインダ１５の移動する経路を指令さ
れた加工経路どおりに連続的に制御する。送り速度制御
ループ２７には、送り速度判断部２９を介して駆動装置
２５からグラインダ１５の実際の送り速度がフィードバ
ックされるとともに、力覚センサ１６から加工負荷監視
部２８及び送り速度判断部２９を介して加工負荷がフィ
ードバックされ、指令された送り速度に基づきながら加
工負荷を所定値以下に保つようにグラインダ１５の送り
速度を制御する制御ループが構成されている。

【００２２】なお、加工負荷監視部２８は、力覚センサ
１６から出力される信号から加工負荷を検出するととも
に、加工対象物４０をグラインダ１５で研削する間、予
め設定された最大加工負荷の値以上にしないために、加
工負荷の大きさを監視する。加工負荷の検出データは、
送り速度判断部２９に与えられる。

【００２３】送り速度判断部２９には、駆動装置２５に
設けられた図示されない速度検出部からグラインダ１５
の送り速度が導入される。この送り速度判断部２９は、
この送り速度と、加工負荷監視部２８から与えられた加
工負荷とに基づいて、送り速度があらかじめ設定した最
低送り速度以下に低下したことから加工経路の変更が必
要な状況かどうかを判断する。加工経路変更部３０は、
加工経路の変更が必要であるとの判断を受けて、初期加
工経路を暫定的に加工負荷が減少するような加工経路に
変更する。この変更された暫定的加工経路に関するデー
タは、暫定加工経路制御部３１に与えられるようになっ
ている。この暫定加工経路制御部３１は、教示データ２
４の代わりに、加工完了判断部３２を介して変更された
加工経路についての指令データを加工経路制御ループ２
６に与えるとともに、送り速度指令データを送り速度制
御ループ２７に与える。

【００２４】加工完了判断部３２は、変更された加工経
路をグラインダ１５が移動する間、加工負荷監視部２８
から与えられる加工負荷の減少から変更された加工経路
に沿った加工の終了を判断する。加工終了の判断は、加
工経路制御ループ２６と復帰経路制御部３３に導入され
る。

【００２５】復帰経路制御部３３は、変更された加工経
路に沿った加工が終了した後、移動経路を初期加工経路
上に復帰させるため、グラインダ１５を加工経路変更の
直前の位置に復帰させるように、その移動経路を制御す
ることができる。

【００２６】次に、加工対象物４０の一例として、溶接
ビード余盛除去作業を例として、本実施の形態の作用に
ついて説明する。図３は、グラインダ１５の移動経路を
時系列的な順序で表した図である。図３（ａ）は、母材
４２からグラインダ１５を用いて除去すべき溶接ビード
４４を示す。溶接ビード４４は、母材４２の表面から盛
り上がっており、母材４２の表面と平行に切った溶接ビ
ード４４の断面は、高さが増すほど小さくなるようにな
っている。

【００２７】図３（ｂ）乃至図３（ｄ）において１５ａ
は、グラインダ１５のディスク状の砥石を示す。

【００２８】そこで、図３（ｂ）に示すように、あらか
じめグラインダ作業ロボット１０に教示されている初期
加工経路４６は、母材４２から溶接ビード４４をほとん
ど除去できるように、母材４２の表面にすれすれの高さ
に設定されている。

【００２９】グラインダ１５の砥石１５ａが、図３
（ｂ）において右方向に移動しながら溶接ビード４４を
研削除去していく。この間、加工負荷監視部２８は、加
工負荷の大きさを監視する。また、砥石１５ａの送り速
度は、送り速度判断部２９に送られる。この実施形態の
場合、最低送り速度は、５ｍｍ／ｓに設定されており、
送り速度判断部２９によって、砥石１５ａの検出された
送り速度と、最低送り速度が比較される。

【００３０】この最低送り速度は、加工対象物、使用す
る工具の種類や、送り速度など加工条件に応じて設定さ
れる。この実施形態のように、一般に産業用ロボットに
よって溶接ビード４４をグラインダ１５で乾式研削する
場合には、送り速度が５ｍｍ／ｓは、砥石１５の研削能
力を維持するための限界送り速度であることを見い出し
ている。

【００３１】研削途中の位置Ａで、急に加工負荷が増大
し、砥石１５ａの送り速度が低下したとすると、この加
工負荷が設定した最高加工負荷よりも大きく、かつ、送
り速度が前記の最低送り速度よりも低下した場合には、
加工経路を変更すべきことが判断される。

【００３２】次いで、図３（ｃ）において、加工経路
は、加工経路変更部３１により当初の初期加工経路４６
に代えて高い位置に平行移動した二次加工経路４８に暫
定的に変更される。この高さの変更になった二次加工経
路４８では、溶接ビード４４がグラインダ１５の砥石１
５ａに接触する面積は小さいので加工負荷は低減し、送
り速度も当初の教示された指令速度に回復する。これに
より、加工負荷の増大に伴う著しい送り速度の低下によ
る加工点での温度上昇と、温度上昇による砥石１５ａの
極端な研削能力低下が未然に防止される。

【００３３】こうして暫定的な二次加工経路４８にそっ
て研削が進行し、加工終点位置Ｂに達し、加工負荷が所
定値以下に減少したことが検出された時点で、加工完了
判断部３２により二次加工経路４８に沿った加工の終了
が判別される。

【００３４】その後、図３（ｄ）に示すように、グライ
ンダ１５は、復帰経路制御部３３により、復帰経路５０
に沿って移動するように制御される。この復帰経路５０
に沿って、当初に負荷の増大により最低送り速度以下に
送り速度が低下した初期加工経路４６上の位置Ａまで後
退する。

【００３５】以後、グラインダ１５は、初期加工経路４
６に沿って移動し、限界を越える負荷の増大および送り
速度の低下がなければ、教示されたとおりに最終加工終
了点Ｃまで移動しながら研削を続け、作業を終了する。

【００３６】以上の加工例では、加工経路の変更は、Ａ
点における一回だけであるが、加工経路の変更中、また
は復帰後の初期加工経路４６での加工中に負荷が増大し
かつ送り速度が最低送り速度以下になって再度加工経路
の変更が必要と判断されれば、加工経路が繰り返して変
更される。このようにして、加工負荷の変動を加工負荷
と送り速度の両面から監視されているので、砥石の研削
能力の低下が未然に回避され、また、グラインダ１５の
送りが止まって加工が中断するということなく作業が効
率良く連続して遂行される。

【００３７】

【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、加工負荷にばらつきがあっても、加工を中断
することなく、加工負荷の変動に対処しながら効率良く
加工を遂行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態によるグラインダ作業ロボッ
トの動作を制御するコントローラのブロック構成図。

【図２】本発明による力制御ロボットを適用したグライ
ンダ作業ロボットを示す外観図。

【図３】溶接ビードの研削に本発明を適用した例でグラ
インダの砥石の移動経路を経時的に示した説明図。

【符号の説明】

１０ グラインダ作業ロボット（力制御ロボット） １１ ベース １２ コラム １３ アーム部 １４ 手首部 １５ グラインダ １５ａ 砥石 １６ 力覚センサ ２０ コントローラ ２２ 操作ペンダント ４２ 母材 ４４ 溶接ビード ４６ 初期加工経路 ４８ 二次加工経路 ５０ 復帰経路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロボットの把持する工具に作用する加工負
   荷を検出し、加工負荷の変動に応じて工具の送り速度等
   を制御する機能を備えた力制御ロボットであって、 加工対象物から工具に作用する加工負荷の大きさを監視
   する手段と、 あらかじめロボットに教示した初期加工経路に沿って加
   工する過程で、加工負荷が増大しかつ送り速度があらか
   じめ設定した最低送り速度以下に低下したことから加工
   経路の変更が必要な状況を判断する手段と、 加工経路の変更が必要な場合に、前記最低送り速度以下
   に送り速度が低下しないように暫定的に加工経路を変更
   する手段と、 変更した加工経路に沿って加工を終了した後、工具の移
   動経路を前記初期加工経路に復帰させる手段と、を具備
   することを特徴とする力制御ロボット。
2. 【請求項２】前記加工負荷が低減するように加工経路の
   高さを変更するようにしたことを特徴とする請求項１に
   記載の力制御ロボット。
3. 【請求項３】加工負荷の減少に基づいて、変更した加工
   経路に沿った加工の終了を判断するようにしたことを特
   徴とする請求項１に記載の力制御ロボット。
4. 【請求項４】前記工具は、乾式の研削砥石を有するグラ
   インダからなり、前記最低送り速度の設定値が５ｍｍ／
   ｓであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの
   項に記載の力制御ロボット。