JP2019162680A - 加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の表面加工を円滑に行える加工装置を提供する。【解決手段】スピンドル４に加工具２を取り付け、この加工具２をワークＷの表面に沿って移動させてワークＷの表面加工を行う加工装置１であって、加工具２の周囲に配置され加工具２の加工領域に接するように設けられワークＷの表面の凹凸に応じて加工具２を案内するガイド部材７と、スピンドル４の基端側に設けられスピンドル４に加わる外力に応じスピンドル４の変位を許容してスピンドル４を支持する支持部材６とを備えて構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物の加工を行う加工装置に関する。

従来、被加工物（ワーク）の加工を行う加工装置として、例えば、特許第５４８１９１９号公報に記載されるように、加工具をワークの表面に沿って移動させ、加工具の周囲に設けられた倣い冶具により加工具を案内してワークの表面を加工する装置が知られている。この加工装置は、倣い冶具によりワークの外面を倣わせることにより加工具による加工精度を高めようとするものである。

特許第５４８１９１９号公報

しかしながら、上述した加工装置にあっては、加工具の移動方向に対しワーク表面に段差などの不連続点が存在する場合、表面加工が円滑に行えないおそれがある。例えば、加工具をワーク表面に対し一定の力で押し付けて加工する場合、ワーク表面に段差があると、加工具が段差に引っ掛かり、ワーク表面を滑らかに加工することが困難となる。

そこで、被加工物の表面加工を円滑に行える加工装置の開発が望まれている。

本開示の一態様に係る加工装置は、スピンドルに加工具を取り付け、この加工具を被加工物の表面に沿って移動させて被加工物の表面加工を行う加工装置であって、加工具の周囲に配置され、加工具の加工領域に接するように設けられ、被加工物の表面の凹凸に応じて加工具を案内するガイド部材と、スピンドルの基端側に設けられ、スピンドルに加わる外力に応じスピンドルの変位を許容してスピンドルを支持する支持部材とを備えて構成される。この加工装置によれば、ガイド部材が加工具の加工領域に接するように設けられるため、ガイド部材によって被加工物の表面の凹凸に応じて加工具を確実に案内することができる。また、支持部材がスピンドルに加わる外力に応じスピンドルの変位を許容しているため、被加工物の凹凸に応じてスピンドル及び加工具を傾けることができ、被加工物の加工が円滑に行える。

また、本開示の一態様に係る加工装置において、ガイド部材は、加工領域に接するように配置され回転可能に設けられるローラを有していてもよい。この場合、被加工物の表面に凸部がある場合、ローラの外周面が凸部に当接しローラが凸部に乗り上がることにより、加工具を被加工物の表面形状に沿って案内することができる。

また、本開示の一態様に係る加工装置において、支持部材は、弾性変形可能な弾性部材により構成されていてもよい。この場合、加工時において、スピンドルに加わる外力に応じて支持部材が弾性変形することにより、スピンドルの変位を許容する。従って、被加工物の表面の凹凸に応じて加工具の向き又は姿勢を変えて加工具を円滑に案内することができる。

本開示によれば、被加工物の表面加工を円滑に行うことができる。

本発明の実施形態に係る加工装置の構成を示す概略図である。 図１の加工装置におけるガイド部材の側面図である。 図２のガイド部材におけるIII-IIIの水平断面図である。 図１の加工装置の動作を示す図である。 図１の加工装置の動作を示す図である。 図１の加工装置における加工経路を示す図である。 図１の加工装置における加工経路を示す図である。 図１の加工装置の変形例を示す図である。 図１の加工装置の変形例を示す図である。 図１の加工装置の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る加工装置１の構成の概要図である。図１に示されるように、加工装置１は、スピンドル４に取り付けられた加工具２をワークＷの表面に沿って移動させてワークＷの表面加工を行う装置である。ワークＷは、加工装置１により加工される被加工物であり、ワーク保持台９１に固定して保持される。ワークＷとしては、あらゆる部品を適用することができる。ワークＷの例としては、金型、エンジン構成部品などが挙げられる。本実施形態では、表面加工として、ワークＷの表面の凹凸を平滑化する加工を行う場合について説明する。

加工装置１は、加工具２の位置及び姿勢の調整を行うロボットアーム３を備えている。ロボットアーム３は、加工具２の位置及び姿勢の調整を行う作動部として機能する。ロボットアーム３は、複数のリンク部３１〜３４及び複数の関節部３５〜３７を有し、加工具２の位置及び姿勢を変更可能に構成されている。リンク部３１〜３４は、軸方向に延びる棒状の部材である。リンク部３１は鉛直方向に向けられ、その基端側がベース部材３８の上面に取り付けられている。リンク部３１は、このリンク部３１の軸線を中心に回転可能に構成されている。リンク部３１の先端側には、関節部３５を介してリンク部３２が取り付けられている。関節部３５は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部３５の回転動作により、リンク部３２が関節部３５の回転軸を中心に回転する。

リンク部３２の先端側には、関節部３６を介してリンク部３３が取り付けられている。関節部３６は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部３６の回転動作により、リンク部３３が関節部３６の回転軸を中心に回転する。リンク部３３は、このリンク部３３の軸線を中心に回転可能に構成されている。リンク部３３の先端側には、関節部３７を介してリンク部３４が取り付けられている。関節部３７は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部３７の回転動作により、リンク部３４が関節部３７の回転軸を中心に回転する。リンク部３４は、このリンク部３４の軸線を中心に回転可能に構成されている。

リンク部３４の先端側には、支持部材６、力覚センサ５及びスピンドル４が取り付けられている。図１では、リンク部３４の先端側から支持部材６、力覚センサ５、スピンドル４の順に取り付けられているが、支持部材６と力覚センサ５の順番を逆に取り付ける場合もある。スピンドル４は、加工具２を回転させる回転作動部として機能する。例えば、スピンドル４は、モータを内蔵したスピンドルモータが用いられる。なお、加工装置１の回転作動部としては、加工具２を回転させることができれば、スピンドル４以外のものを用いてもよく、例えばスピンドルとモータが別体に構成されていてもよい。

スピンドル４の先端側には、加工具２が取り付けられている。加工具２は、回転した状態でワークＷに当接されることで、ワークＷを加工する部材である。この加工具２としては、例えば砥石が用いられる。具体的には、加工具２は、シャフト２１の先端に円柱型の砥石部２２を取り付けて構成される。加工具２は、シャフト２１の基端側をスピンドル４に取り付けられて用いられる。スピンドル４の回転に応じてシャフト２１及び砥石部２２が回転し、砥石部２２がワークＷに当接され、ワークＷの加工が行われる。なお、加工具２としては、砥石以外の加工具であってもよく、例えばロータリーバー、エンドミルなどであってもよい。

力覚センサ５は、加工具２に作用する外力を検出するセンサである。力覚センサ５は、当該力覚センサ５よりも先端側の部分に作用する外力を検出する。この外力としては、例えば加工具２をワークＷに押し付けた場合の反力が該当する。力覚センサ５は、例えば直交三軸方向の力と各軸周りのトルクを計測可能な六軸センサが用いられる。このため、力覚センサ５は、加工具２に作用する六自由度の外力と三軸周りのトルクを検出することができる。また、力覚センサ５に所定の外力が検出されるように、加工具２をワークＷに押し付けて加工を行うことにより、力制御によるワークＷの加工が行える。なお、外力を検出する力センサは、加工具２に作用する外力が検出できるものであれば、力覚センサ５以外のセンサを用いてもよい。

支持部材６は、スピンドル４の基端側に設けられ、スピンドル４を支持する部材である。この支持部材６は、スピンドル４に加わる外力に応じスピンドル４の変位を許容してスピンドル４を支持する。本実施形態では、支持部材６は、力覚センサ５を介してスピンドル４を支持している。支持部材６としては、例えば弾性部材が用いられる。具体的には、支持部材６として、ゴム部材が用いられる。この場合、支持部材６は、円板状のゴム部材として構成される。支持部材６は、リンク部３４に対しビス止め、接着などによって固定される。この支持部材６は、ワークＷの表面の凸部を加工具２が加工する場合などスピンドル４に外力が加わる場合、その外力に応じ変形してスピンドル４の変位を許容する。すなわち、スピンドル４に押付方向と交差する方向の外力が加わると、支持部材６が変形して、スピンドル４が支持部材６を中心に振れ動くことが許容される（図４参照）。これにより、加工具２は、ワークＷの凹凸に応じて傾いて振れ動くことができ、円滑に加工を行うことができる。また、支持部材６として弾性部材を用いる場合には、スピンドル４に外力が加わった際に支持部材６が弾性変形するため、その外力が解除されたときに振れ動いたスピンドル４を元の位置へ復帰させることができる。

加工装置１には、ガイド部材７が設けられている。ガイド部材７は、ワークＷの表面の凹凸に応じて加工具２を案内する部材である。このガイド部材７は、加工具２の周囲に配置され、加工具２の加工領域に接するように設けられている。

図２はガイド部材７の側面図であり、図３は図２のIII-IIIにおけるガイド部材７の水平断面図である。ガイド部材７は、加工具２の周囲に配置される複数のローラ７１を備えている。ローラ７１は、回転可能に設けられる回転体であり、例えば球体として構成される。図３では、加工具２の周囲に四つのローラ７１が配置されている。なお、ローラ７１は、三つ以上であれば四つ以外の数で配置されていてもよい。ローラ７１は、加工時の加工具２の進行方向において加工具２より先行する位置に配置される。つまり、複数のローラ７１のうち少なくとも一つは、加工時において加工具２より先行して移動する位置に配置される。ローラ７１は、スピンドル４に取り付けられる支柱部７２の下部に取り付けられている。支柱部７２は、棒状の部材であって、スピンドル４のハウジングの下部に取り付けられ、下方に向けて延びている。支柱部７２は、加工具２の周囲に配置され、互いに平行に設けられる。

ローラ７１は、支柱部７２に内蔵される複数のサポートボール７３により回転可能に支持されている。ローラ７１の下部は、支柱部７２の下端から突出しており、ワークＷの表面の凸部を乗り上げやすくなっている。例えば、ワークＷの表面に凸部があった場合に、ローラ７１の外周面が凸部に当接することにより、その表面の凹凸に応じて加工具２を適切に案内することができる。ローラ７１の下端の位置は、加工具２の下端と同じ高さの位置とされる。なお、ワークＷの形状によっては、ローラ７１の下端の位置を加工具２の下端の位置と異ならせてもよい。つまり、ローラ７１の下端の位置を加工具２の下端より高い位置としてもよいし、加工具２の下端より低い位置としてもよい。例えば、ワークＷの表面が湾曲している場合、ローラ７１の下端の位置を加工具２の下端の位置と異ならせることにより、ガイド部材７のガイド機能を有効に発揮させることが可能となる。

図３において、加工領域Ｗ１は、ワークＷの表面の領域であって、加工具２が表面加工を行う領域である。ガイド部材７は、加工領域Ｗ１に接するように設けられている。例えば、ローラ７１が加工領域Ｗ１に接するように設けられている。なお、ガイド部材７は、加工中において常に加工領域Ｗ１に接している必要はなく、加工領域Ｗ１に凹凸がある場合に凸部のみに接するように設けられていてもよい。

図１において、加工装置１は、制御部８を備えている。制御部８は、加工装置１の加工制御を行う制御ユニットである。制御部８は、例えば、一つのコンピュータ又は電子制御ユニットにより構成されていてもよいし、パーソナルコンピュータ及びコントローラにより構成してもよい。制御部８は、加工具２の目標加工データの入力に応じて、加工具２を回転させつつロボットアーム３を作動させて加工具２を移動させ、ワークＷの表面加工を行わせる。例えば、制御部８は、ワークＷの加工形状に基づいて加工具２の移動の経路が設定され、加工具２をワークＷに押し付ける押圧力が設定される。制御部８は、設定された経路及び押付力に基づいてロボットアーム３に制御信号を出力し、加工具２を回転させるべくスピンドル４に制御信号を出力して、加工制御を行う。

図１に示すように、制御部８は、ロボットアーム３と電気的に接続され、関節部３５〜３７及びリンク部３１、３３、３４に対し制御信号を出力して関節部３５〜３７及びリンク部３１、３３、３４の回転動作を調整する。また、制御部８は、関節部３５〜３７及びリンク部３１、３３、３４の回転情報を入力し、関節部３５〜３７及びリンク部３１、３３、３４の回転状態を認識する。制御部８は、力覚センサ５と電気的に接続され、力覚センサ５の検知信号を入力し、加工具２の押付力を認識する。

加工装置１は、例えば、加工具２の力制御及び位置制御により、ワークＷの表面加工を行う。制御部８は、設定された押付力で加工具２がワークＷを押し付けるようにロボットアーム３を作動させて力制御を行う。上述したように制御部８には力覚センサ５の検知信号により加工具２の実際の押付力の反力が入力されるため、押付力のフィードバック制御が可能である。また、制御部８は、加工具２の進行方向に対して位置制御を行う。すなわち、制御部８は、ワークＷの加工範囲に設定された目標経路に沿って加工具２が移動するようにロボットアーム３を作動させて、加工具２の位置制御を行う。このような力制御及び位置制御により、ワークＷの表面が曲面であっても、加工具２を設定された押付力で押し付けながらワークＷの表面に沿って移動させることができる。

次に、本実施形態に係る加工装置１の動作について説明する。

まず、図１に示すように、ワークＷがワーク保持台９１に固定され、制御部８にワークＷの加工範囲及び加工具２の加工経路が設定される。そして、制御部８からスピンドル４に制御信号が出力され、加工具２が回転する。そして、制御部８からロボットアーム３に制御信号が出力され、加工具２が加工経路に従って移動するようにロボットアーム３が作動する。これにより、加工具２が回転しながらワークＷを押し付けつつ加工が行われる。

このとき、図４に示すように、ワークＷの表面の加工経路上に凸部Ｗ２がある場合、凸部Ｗ２にローラ７１が乗り上げて加工具２が凸部Ｗ２の形状に応じて案内される。このため、加工具２が凸部Ｗ２に引っ掛かることなく、進行方向に移動することができる。ローラ７１は、加工具２が加工する領域、すなわち加工領域に接するように設けられているため、加工経路の凹凸に沿って加工具２が確実に案内されるのである。

また、ローラ７１が凸部Ｗ２に乗り上げた場合、支持部材６が変形し、スピンドル４の変位を許容する。図４では、支持部材６の先行側（図４では支持部材６の右側）が縦方向に収縮し、支持部材６の後行側（図４では支持部材６の左側）が縦方向に伸張している。このため、ロボットアーム３のリンク部３４の軸方向に対しスピンドル４及び加工具２の軸方向が進行方向の先側へ振れ動くことができる。従って、加工具２をワークＷの表面形状に応じて加工具２を傾けて加工が行える。

そして、図５に示すように、ローラ７１が凸部Ｗ２に乗り上げた状態においても、加工具２がワークＷに対し所定の押付力により押し付けられて加工が行われる。このため、凸部Ｗ２が加工具２の加工により削られ、ワークＷの表面が平滑化される。

図６、７は、加工具２の加工経路の説明図であって、ワークＷの上から見た図である。例えば、図６に示すように、加工具２の加工経路としてはワークＷの表面を一経路ずつずらして往復させてもよいし、図７に示すように、一つの経路を往復させてから一つ経路をずらしてさらに往復させてもよい。図７のように同じ経路で加工具２を往復させる場合、経路上の凹凸をより円滑化させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る加工装置１によれば、加工具２の加工領域に接するようにガイド部材７が設けられている。このため、ガイド部材７によりワークＷの表面の凹凸に応じて加工具２を確実に案内することができる。また、スピンドル４に加わる外力に応じスピンドル４の変位を許容してスピンドル４を支持する支持部材６を備えている。このため、ワークＷの凹凸箇所を加工具２が加工する際にスピンドル４及び加工具２を傾けることができ、ワークＷの加工が円滑に行える。

また、本実施形態に係る加工装置１によれば、ワークＷの表面に段差などの不連続な接続点がある場合でも、予めワークＷの表面形状を計測することなく、ワークＷの表面加工が円滑に行える。例えば、ワークＷの表面加工を行う前に予めワークＷの表面全体の形状を計測し、ワークＷの表面の凹部及び凸部を検出し、その検出結果に応じて加工制御を行うことも考えられる。この場合、表面形状を計測するためのレーザ計測器や表面形状を検出するための演算器などが必要となる。これに対し、本実施形態に係る加工装置１は、このような表面形状の計測器や形状データがなくても、ワークＷの表面に段差などの不連続な接続点の凹凸に応じて、加工具２の向き又は姿勢を変えて案内することできるのである。

また、本実施形態に係る加工装置１によれば、ガイド部材７が、加工領域に接するように配置され回転可能に設けられるローラ７１を備えている。このため、ワークＷの表面に凸部がある場合、ローラ７１の外周面が凸部に当接し、ローラ７１が凸部に乗り上がることにより、加工具２をワークＷの表面形状に沿って案内することができる。

また、本実施形態に係る加工装置１によれば、支持部材６が、弾性部材により構成されている。このため、スピンドル４に加わる外力に応じて支持部材６が弾性変形することにより、スピンドル４の変位を許容する。従って、ワークＷの表面の凹凸に応じて加工具２の向き又は姿勢を変えて加工具２を案内することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。

例えば、上述した実施形態ではガイド部材７のローラ７１として球体を用いる場合について説明したが、ローラ７１は、円錐体又は円板体などの形状であってもよい。例えば、図８、９に示すように、ローラ７１として円錐体を用いることができる。具体的には、ローラ７１の円錐体の先端を内側に向けて突き合わされ、前後に二つずつ合計四つのローラ７１が配置される。ローラ７１は、進行方向と直交する方向を軸として回転自在に取り付けられる。このようなローラ７１を備えた加工装置であっても、上述した実施形態に係る加工装置１と同様な作用効果を得ることができる。すなわち、ガイド部材７によりワークＷの表面の凹凸に応じて加工具２を確実に案内することができる。また、ワークＷの凹凸箇所を加工具２が加工する際にスピンドル４及び加工具２を傾けることができ、ワークＷの加工が円滑に行える。

また、図１０に示すように、ローラ７１として円板体のものを用いることができる。具体的には、ローラ７１の円板体を四輪車の車輪のように前後に二つずつ合計四つのローラ７１が配置される。そして、ローラ７１は、進行方向と直交する方向を軸として回転自在に取り付けられる。このようなローラ７１を備えた加工装置であっても、上述した実施形態に係る加工装置１と同様な作用効果を得ることができる。すなわち、ガイド部材７によりワークＷの表面の凹凸に応じて加工具２を確実に案内することができる。また、ワークＷの凹凸箇所を加工具２が加工する際にスピンドル４及び加工具２を傾けることができ、ワークＷの加工が円滑に行える。

また、上述した実施形態では、作動部としてロボットアーム３を用いる場合について説明したが、加工具２の位置及び姿勢の調整を行い、加工具２を用いて加工を実行できるものであれば、ロボットアーム３以外の機構や機器などを用いてもよい。具体的には、上述した実施形態とは関節部及びリンク部の設置数の異なるロボットアーム又はマニピュレータを用いてもよいし、加工具２を回転させながら目標軌道に沿って移動させ力制御可能な工作機械などを用いてもよい。

また、上述した実施形態では、支持部材６として弾性部材の一種であるゴムを用いた場合について説明しているが、支持部材６として弾性部材の一種であるバネを用いてもよい。また、支持部材６として、スピンドル４に加わる外力に応じスピンドル４の変位を許容してスピンドル４を支持できるものであれば、弾性部材以外のものであってもよい。例えば、スピンドル４の基端側で、スピンドル４を一定の範囲で振れ動くことを可能に支持する部材又は機構を用いてもよい。また、ロボットアーム３を支持部材６として機能させてもよい。すなわち、スピンドル４に加わる応力に応じてロボットアーム３を作動させて、ワークＷの表面の凹凸に応じスピンドル４及び加工具２を傾斜させてもよい。

さらに、上述した実施形態では、ワークＷの表面加工として表面の凹凸を平滑化する場合について説明したが、この表面加工としては、ワークＷの研磨などの他の表面加工であってもよい。

１ 加工装置
２ 加工具
３ ロボットアーム
４ スピンドル
５ 力覚センサ
６ 支持部材
７ ガイド部材
７１ ローラ
８ 制御部
Ｗ ワーク（被加工物）
Ｗ１ 加工領域
Ｗ２ 凸部

Claims (3)

1. スピンドルに加工具を取り付け、この加工具を被加工物の表面に沿って移動させて前記被加工物の表面加工を行う加工装置であって、
   前記加工具の周囲に配置され、前記加工具の加工領域に接するように設けられ、前記被加工物の表面の凹凸に応じて前記加工具を案内するガイド部材と、
   前記スピンドルの基端側に設けられ、前記スピンドルに加わる外力に応じ前記スピンドルの変位を許容して前記スピンドルを支持する支持部材と、
   を備える加工装置。
2. 前記ガイド部材は、前記加工領域に接するように配置され、回転可能に設けられるローラを有する、
   請求項１に記載の加工装置。
3. 前記支持部材は、弾性変形可能な弾性部材により構成されている、
   請求項１又は２に記載の加工装置。

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