加工ツール付ロボット及び加工方法
【課題】 パイプ端面の切断，鞍形切断、パイプ側面への穴開け加工、さらには、単一平面ではないワーク等の３次元形状のワーク加工面に対する加工を精度よく、簡単にできる加工ツール付ロボット及び加工方法を提供する。
【解決手段】 ロボット可動アームの最終軸１に加工ツール１１を取り付ける。該加工ツール１１は、垂直に伸縮する第１の付加可動軸と、水平方向に伸縮する第２の付加可動軸を備える。最終軸１の回転によって、加工ツール先端の切断ツール（レーザの加工ノズル）を回動してパイプ状ワークＷを切断加工する。最終軸１の回転と同期し、第１，第２の付加可動軸を駆動することによって、鞍形切断、穴明け加工を行なう。ロボットの可動アームは最終軸の回転のみであるから、加工精度が向上する。また、簡単にパイプ状ワークを切断、鞍形切断、穴明け加工ができる。
【解決手段】 ロボット可動アームの最終軸１に加工ツール１１を取り付ける。該加工ツール１１は、垂直に伸縮する第１の付加可動軸と、水平方向に伸縮する第２の付加可動軸を備える。最終軸１の回転によって、加工ツール先端の切断ツール（レーザの加工ノズル）を回動してパイプ状ワークＷを切断加工する。最終軸１の回転と同期し、第１，第２の付加可動軸を駆動することによって、鞍形切断、穴明け加工を行なう。ロボットの可動アームは最終軸の回転のみであるから、加工精度が向上する。また、簡単にパイプ状ワークを切断、鞍形切断、穴明け加工ができる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボット可動アーム先端に取り付けられた加工ツールによってワークに加工を行なう加工ツール付ロボット及び加工方法に関する。特に、パイプ端面の鞍形切断、パイプ部品の側面への穴開け加工等に適した加工ツール付ロボット及び該ロボットによる加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、自動車の足回り部品にパイプを使用する場合が多くなっている。この自動車足回り部品のパイプ化に伴い、図１１に示すようにパイプ間を接続するために、パイプ（Ｗ）の端面を鞍形切断する加工や、パイプ部品のパイプ側面に穴開けを行なう加工が増加している。これら鞍形切断やパイプ側面への穴開け加工は、加工ツールを３次元空間で精度よく動作させる必要があり、ロボットでこの加工を行なう場合にも、通常のレベルより、高い軌跡制御能力が求められる。
【０００３】パイプ状のワーク、断面が楕円のワーク、角柱、角錐等の単一平面ではないワークに対してこれらの加工をロボットでおこなう場合、従来は、ロボット可動アーム先端部に任意の角度で切断ツールを取り付け、図１３に示すように、ロボット可動アームの複数の軸を全体的に動作させて加工を行なっている。図１３の場合、パイプ状のワークＷに対して、ロボット可動アーム１先端に取り付けたレーザノズル等の切断ツール２を対向させ、ロボットの複数の可動アームを駆動してロボット可動アームの最終軸１をワークＷに対して矢印Ａにのように旋回させてワークＷを切断、穴開け加工を行なっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このように、ロボット可動アームの複数の可動アームを全体的に動作させて加工を行なうため、ロボットの振動等によって加工面の精度が悪くなっていた。また、従来のロボットによるパイブ状のワークに対する加工では、図１２（ａ）に示すようにパイプであるワークＷの切断面（イ）はワークＷの側面に対して垂直にしか切断できなく、ワークＷの切断面（ロ）に角度をつけて図１２（ｂ）に示すように加工することができない。図１１に示すような突き合わせ接合して溶接するような場合、図１２（ａ）に示すように切断面（イ）がパイプの周面と垂直の場合では、強固な溶接が難しく、従来のロボットによるパイプ鞍形切断加工は適していなかった。
【０００５】そこで、本発明の目的は、パイプ端面の鞍形切断や、パイプ側面への穴開け加工、さらには、単一平面ではないワーク等の３次元形状のワーク加工面に対する加工を精度よく、簡単にできる加工ツール付ロボット及び該ロボットを使用した加工方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、関節で結合された複数のリンクからなる可動アームを有し、該可動アームはソフトウエア処理能力を有するロボット制御装置によって制御されるロボットであり、該ロボットの前記可動アームの先端部に加工ツールが装着され、該加工ツールの加工部先端にはロボット可動アームの最終軸の回転中心軸に対し偏位し、かつ加工ツールの先端が前記最終軸の回転中心軸に向いて配置されている。さらには、この加工ツールは該加工ツールの先端を直動又は／及び回動させる可動軸を備えている。
【０００７】このロボットを用いてパイプ状のワークを加工する際には、該パイプ状のワークの中心軸をロボット可動アームの最終軸の回転中心軸と同軸上に配置して、ロボット可動アームの最終軸を回転させることによって加工ツールによりワークを加工するようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態として加工ツールの先端部に設ける加工部としての切断ツールにレーザノズルを用いレーザによってワークを切断又は穴明け加工するレーザ加工ロボットの例で以下説明する。
【０００９】図１は本発明を実施するロボット制御装置のハードウェア構成の要部をブロック図で示したものであり、従来のロボット制御装置と同一の構成である。符号１０７で示されるバスに、メインＣＰＵ（以下、単にＣＰＵと言う。）１０１、ＲＡＭ、ＲＯＭ、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭなど）からなるメモリ１０２、教示操作盤用インターフェイス１０３、外部装置用の入出力インターフェイス１０６及びサーボ制御部１０５が接続されている。
【００１０】教示操作盤用インターフェイス１０３に接続される教示操作盤１０４は通常のＬＣＤ等のディスプレイ機能付のもので、オペレータは、この教示操作盤１０４のマニュアル操作を通して、ロボットの動作プログラムの教示、修正、登録、あるいは各種パラメータの設定の他、教示された動作プログラムの再生運転、ジョグ送り等を実行する。また、ディスプレイはオペレータへの指示、入力データの表示やシミュレーション結果の表示に使用される。
【００１１】ロボット及びロボット制御装置の基本機能を支えるシステムプログラムは、メモリ１０２のＲＯＭに格納される。また、アプリケーションに応じて教示されるロボットの動作プログラム並びに関連設定データは、メモリ１０２の不揮発性メモリに格納される。そして、メモリ１０２のＲＡＭは、ＣＰＵ１０１が行なう各種演算処理におけるデータの一時記憶の記憶領域に使用される。
【００１２】サーボ制御部１０５はサーボ制御器＃１〜＃ｎ（ｎ：ロボットの総軸数に加工ツールの可動軸数を加算した数）を備えており、ロボット制御のための演算処理（軌道計画作成とそれに基づく補間、逆変換など）を経て作成された移動指令を受け、ロボット各軸機構部のアクチュエータを構成するサーボモータを各サーボアンプを介して制御する。
【００１３】また、入出力インターフェイス１０６の外部入出力回路には、ロボットに設けられたセンサや周辺機器のアクチュエータやセンサが接続され、本発明に関係して、特に、レーザ発振器１０８が接続されている。ロボット可動アーム先端部にはレーザノズルを備えた加工ツールがと取り付けられており、レーザ発振器１０８から出力されたレーザビームを加工ノズルからワークに照射しワークを切断加工するようにしている。
【００１４】上述したロボット制御装置の構成は、従来のロボット制御装置と何等変わりはなく、本発明においては、ロボット可動アームの先端部に加工ツールが取り付けられている点と、該加工ツールが可動部を有している場合には、このロボット制御装置によってサーボ制御部の付加軸でこの加工ツールの可動部もサーボ制御部１０５で制御する点において相違するのみである。
【００１５】図２は本発明の第１の実施形態における要部説明図である。
【００１６】ロボット可動アームの最終軸１の先端のロボット手首１ａには、加工ツール１０の回転中心とロボット手首の回転中心が一致するように加工ツール１０が取りつれられている。加工ツール１０はロボット手首１ａに該加工ツール１０を取り付ける取り付け部１０ａと、該取り付け部１０ａからロボット可動アームの最終軸１の回転中心軸に対して垂直に伸び、その先端で屈曲してロボット可動アームの最終軸１の回転中心軸と平行でロボット可動アームの最終軸１とは逆方向に伸びた「Ｌ」字型のリンク１０ｂと、該リンク１０ｂの先端に取り付けられ、レーザ照射方向がロボット可動アームの最終軸１の中心軸に対して垂直になるように取り付けられた加工ノズル２で構成されている。
【００１７】この様な加工ツール１０を備えたロボットにより、パイプ状ワークＷの端面を切断する加工を行なう場合には、パイプ状ワークＷの中心軸とロボット可動アームの最終軸１の中心軸（ロボット手首１ａの回転中心）を一致させ、ワークＷの切断位置に加工ノズル３対応させた位置にロボットを位置決めし、ロボット可動アームの最終軸１を回転させながら、加工ノズル２よりレーザビームをワークＷに照射することによってワークＷを切断する。
【００１８】このパイプ状のワークＷの切断加工においては、加工中はロボット可動アームの最終軸１のみが駆動され回転するのみであるから、加工精度がよく、また簡単に切断加工をすることができる。
【００１９】ワークＷの軸方向における（図２において左右方向）切断位置は、ロボット手首１ａの位置を図２において左右方向に移動させてある程度選択できる。しかし、この加工ツール１０を用いてロボット可動アームの最終軸１の回転のみでワークを切断できるワークＷの径は制限される。加工ツール１０の回転中心軸（ロボット可動アームの最終軸の回転中心軸）と加工ノズル３の先端間の距離、すなわち加工ノズルの偏位量より大きな半径のパイプに対しては、上述したロボット可動アームの最終軸１の回転のみでワークを切断はできない。この場合には、ロボットの複数軸を全体的に駆動して加工を行なわねばならない。
【００２０】また、円筒形状ではない単一平面の集まりで構成された角柱、楕円状のパイプ等のワークＷに対しても、また、円筒形状のパイプに対する鞍形切断も、この加工ツール１０を備えるロボットでは、ロボット可動アームの最終軸１の回転のみでは、ワークを切断することはできない。この様な加工は、ロボットの可動軸を複数駆動しなければならない。
【００２１】そこで、加工ツールに１軸以上の可動軸を設けることによって、様々な形状のワークに対しても加工ができ、かつ鞍形切断、パイプ状ワークの表面に対する穴開け加工をも可能にする加工ツールを備えた第２の実施形態について図３と共に説明する。
【００２２】図３においては、加工ツール１１を簡略的に記載しているが、この加工ツール１１は、ロボット可動アームの最終軸１の先端のロボット手首１ａに該加工ツールを取りつける取り付け部１１ａと該取り付け部１０ａからロボット可動アームの最終軸１の中心軸に対して垂直に伸縮移動する第１の付加可動軸１０ｂと該付加可動軸１０ｂの先端に直角に接続され、ロボット可動アームの最終軸１の中心軸の方向に進出する第２の付加可動軸１０ｃと、該第２の付加可動軸１１ｃの先端に取り付けられ、レーザ照射方向がロボット可動アームの最終軸１の中心軸に対して垂直になるように取り付けられた加工ノズル２で構成されている。
【００２３】上述した第１、第２の付加可動軸は、モータとボールネジ等を用いた直線機構や、モータの回転運動をレバー部材等で直線運動に変換する、回転運動／直線運動変換機構等で構成される。また、エアシリンダや、リニアガイド等をサーボモータ等で駆動する機構を使用してもよい。
【００２４】上述した第１、第２の付加可動軸１１ｂ，１１ｃを駆動するモータは、ロボット制御装置のサーボ制御部１０５の付加軸制御用のサーボ制御器によってそれぞれサーボ制御されるものである。
【００２５】この第２の実施形態では、第１の付加可動軸１１ｂが設けられることによって、種々の径のワークＷを切断することが可能となる。すなわち、第１の付加可動軸を駆動することによって、加工ノズル２の先端と、該加工ツール１１の回転中心軸でありロボット可動アームの最終軸１の中心軸間の距離（偏位距離）を切断加工しようとするパイプ状のワークＷの半径に合わせるように調整すればよく、切断加工する際には、上述した第１の実施形態と同様に、ワークＷの中心軸とロボット手首の中心（ロボット可動アームの最終軸１の中心軸でありかつ加工ツール１１の回転中心軸）を一致させるように、かつ、第２の付加可動軸１１ｃを駆動して加工ノズルの先端が切断しようとするワークＷの位置（図３における左右方向位置）に位置決めして、ロボット可動アームの最終軸１を回転させながら加工ノズル２よりレーザビームをワークＷに照射すれば、ワークＷを切断することができる。
【００２６】さらに、ロボット可動アームの最終軸１の回転と、第２の付加可動軸１１ｃの駆動を同期して行なえば、図３に破線で示すような鞍形切断や、ワークＷの表面に穴開け加工を行なうことができる。すなわち、ロボット可動アームの最終軸１が１回転する間に、同期して第２の付加可動軸１１ｃが所定ストロークを２往復するようにすれば、鞍形切断ができる。また、ロボット可動アームの最終軸１が所定角度１方向に回転する間に第２の付加可動軸１１ｃが所定ストロークだけ往復し、ロボット可動アームの最終軸１が逆方向に所定角度移動する間に第２の付加可動軸１１ｃが逆方向に所定ストロークだけ往復すれば、パイプ状ワークＷの表面に穴を加工することができる。
【００２７】また、ロボット可動アームの最終軸１の回転と、第１の付加可動軸の移動を同期させて駆動させることによって、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、断面楕円菅状のパイプのワークＷや断面方形菅状のパイプのワークＷを切断加工をすることができる。
【００２８】すなわち、加工ツール１１に第１の付加可動軸１１ｂを設けることによって、ロボットはロボット可動アームの最終軸１の回転だけで、径の異なるの円筒パイプ状のワークＷの切断加工、断面楕円菅状や方形菅状のパイプの切断加工ができる。また、加工ツール１１に第２の付加可動軸１１ｃを設けることによって、ロボットはロボット可動アームの最終軸１の回転だけで、加工ツール１１の付加可動軸１１ｃの駆動によってパイプ表面への穴開け加工、パイプ端面の鞍形切断加工ができる。さらに、加工ツール１１に第１，第２のの付加可動軸１１ｂ，１１ｃを設けることによって、ロボットはロボット可動アームの最終軸１の回転だけで、径の異なるの円筒パイプ状のワークＷの切断加工、鞍形切断加工、断面楕円や方形のパイプの切断加工、パイプ表面への穴開け加工が可能となる。
【００２９】この第２の実施形態の加工ツール１１を備えたロボットを用いて、図５に示すように、ロボット可動アームの最終軸１の中心軸（加工ツール１１の回転軸）とパイプ状ワークＷの中心軸を所定角度に保持して、ロボット可動アームの最終軸１を回転させながら、この回転に同期して第１，第２の付加可動軸１１ｂ，１１ｃを駆動制御してパイプ状ワークＷを切断加工すれば、図６（ａ）に正面図、図６（ｂ）に斜視図に示すような、端部切断したワークＷを接続する他のパイプＰに対して斜めに組み付けることができる。すなわち、図６に示すようなパイプＰに対してワークＷを組み付けるときには、図５に示す加工を行ないワークＷの端部を切断加工する。
【００３０】図７は、本発明の第３の実施形態の要部を示す図である。この第３の実施形態は、複数の小パイプ加工や、ユニット化されている部品の一部を切断する場合に使用するものである。この第３の実施形態における加工ツール１２は、ロボット手首１ａに該加工ツール１２を取り付ける取り付け部１２ａ、該取り付け部１２ａからロボット手首１ａの取り付け面と平行（ロボット可動アームの最終軸１の中心軸に対して垂直）に伸びかつ先端で直角に屈曲したＬ字型の軸１２ｂ、該軸１２ｂの先端に回動可能に取り付けられた付加回転軸１２ｃ、該付加回転軸１２ｃに連結されロボット手首１ａの取り付け面と平行の方向に伸縮する第１の付加可動軸１２ｄ、該第１の付加可動軸１２ｄの先端に連結され、該第１の付加可動軸１２ｄに対して直角方向に伸縮する第２の付加可動軸１２ｅ、該第２の付加可動軸１２ｅの先端に取り付けられレーザビームの照射方向が付加回転軸１２ｃの回転中心軸（ロボット可動アームの最終軸１の中心軸）に対して直交する方向に向けられた加工ノズル２で構成されている。
【００３１】小パイプ等のワークＷの端部を切断する際には、切断しようとするワークＷの中心軸と付加回転軸１２ｃの回転中心軸を一致させると共に、切断しようとするワークＷの端面と付加回転軸１２ｃの端面を対向させるようにロボットを位置決めする。そして、第１，第２の付加可動軸１２ｄ、１２ｅを駆動して、加工ノズル２をワークＷの切断しようとする位置に位置決めし、その後、加工ノズル２からレーザビームを照射しながら付加回転軸１２ｃを回転させれば、ワークＷの端面は切断されることになる。
【００３２】なお、鞍形切断やワークＷの周面に穴開け加工を行なう場合には、付加回転軸１２ｃの回転と同期して、第２の付加可動軸１２ｅを第２の実施形態で説明したように駆動すればよい。さらに、この小パイプ等のワークＷが、断面楕円菅形状や、方形菅形状等である場合には、付加回転軸１２ｃの回転と第１の付加可動軸１２ｄの駆動を同期して行ない切断することは、第２の実施形態と同様である。
【００３３】この第３の実施形態においては、ワークＷを切断加工する際には、ロボットの可動軸は駆動されることなくロボット自体は停止状態であり、所定の位置、姿勢を保持している。ロボットの可動軸が駆動されないので、加工精度は向上する。
【００３４】上述した各実施形態では、図５で示す加工方法を実施したとき以外は、加工ノズル２のレーザビーム照射方向は、ワークＷの周面に対して垂直方向であり、切断面はワークＷの周面に対して垂直である。パイプ状ワークＷの中心軸線に対して垂直の断面しか得られない。図１１に示すように、パイプを鞍形切断し、この鞍形切断した切断面を他方のパイプの周面に当接して鞍形溶接を行なうような場合、パイプ周面に対して垂直な切断面しか得られない場合には、図１２（ａ）に示すような接合状態となり、溶接が困難で強固な強度を有する溶接が得られない。しかし、切断面がパイプ表面に対して任意の角度を有するように切断できれば、図１２（ｂ）に示すように、切断面と他方のパイプの周面が密着し、この接合位置の溶接も容易で強固なものとなる。
【００３５】そこで、切断面がパイプ周面と任意の角度を有するように切断できる第４の実施形態を図８と共に説明する。
【００３６】加工ツール１３はロボット手首１ａに該加工ツール１３を取り付ける取り付け部１３ａと、該取り付け部１３ａからロボット可動アームの最終軸１に対して垂直に伸びる軸１３ｂと該軸１３ｂに対して第１の付加可動軸１３ｄを回動させる付加回動軸１３ｃを備え、前記第１の付加可動軸１３ｄは、モータ，ボールネジ等の回転運動を直線運動に変換する機構を介してその先端を直線移動できる構造になっている。
【００３７】さらに、第１の付加可動軸１３ｄの先端に直角に接続され、第１の付加可動軸１３ｄと同様に回転運動を直線運動に変換する機構によってその先端を直線移動させる第２の付加可動軸１３ｅと、該第２の付加可動軸１３ｅの先端に取り付けられた加工ノズル２を備えている。
【００３８】パイプ状のワークＷに対して鞍形切断等の加工を行なう場合には、パイプ状のワークＷの中心軸線とロボット可動アームの最終軸１の回転軸とを一致させると共に、ロボット手首１ａとワークＷの端面が対向するようにロボットを位置決めし、切断開始時の切断面の角度が得られるような回転角に回転軸１３ｃを位置決めし、かつ、第１，第２の可動軸１３ｄ，１３ｅを駆動して切断開始位置に加工ノズル２を位置決めする。そして、教示プログラムに従って、ロボット可動アームの最終軸１を回転させながら、この回転に同期して、回転軸１３ｃ、第１，第２の付加可動軸１３ｄ，１３ｅを駆動制御することによって、ワークＷを鞍形切断等の任意の切断形状を得る切断加工、または穴開け加工を行なう。なお、この第４の実施形態でも、断面円筒状のパイプや断面楕円菅状のパイプ、断面方形菅状のパイプ等の単一平面ではないワークの切断加工ができるものである。
【００３９】上述した第４の実施形態では、加工しようとするワークＷの大きさ（径）に制限を受ける、この制限を緩和したものが、図９に示す第５の実施形態である。この第５の実施形態において用いられるは加工ツール１４は、第４の実施形態における軸１３ｂを可動軸としたものである。この第５の実施形態は、ロボット手首１ａに該加工ツール１４を取り付ける取り付け部１４ａと、該取り付け部１４ａからロボット可動アームの最終軸１に対して垂直に伸び、先端が直線移動する第１の付加可動軸１４ｂと該第１の付加可動軸１４ｂに対して第２の付加可動軸１４ｄを回動させる回動軸１４ｃを備え、さらに、第２の付加可動軸１４ｄの先端に直角に接続され、その先端を直線移動させる第３の付加可動軸１４ｅと、該第３の付加可動軸１４ｅの先端に取り付けられた加工ノズル２を備えている。上述した第１、第２、第３の付加可動軸１４ｂ、１４ｄ，１４ｅはモータ，ボールネジ等の回転運動を直線運動に変換する機構を介してその先端を直線移動できる構造になっている。
【００４０】この第５の実施形態と、第４の実施形態を比較し相違する点は、上述したようにロボット手首１ａへの取り付け部１４ａ（１３ａ）からロボット可動アームの最終軸１に対して垂直に伸びる軸１４ｂ（１３ｂ）が直線移動するか否かの差異である。図８と図９を比較しても明らかのように、ワーク径の変化に対しても、また切断面の傾きに対しても、ワーク端面から切断する位置までの距離の自由度からも、可動軸を１つ増加した第５の実施形態の方が加工に対する対応が容易になっている。
【００４１】図１０は、本発明の第６の実施形態である。この第６の実施形態は、加工ツールに対して（ロボット手首に対して）加工対象のパイプを位置決め保持が容易な加工ツールを提供するものである。この第６の実施形態では、該加工ツール１５をロボット手首１ａへの取り付け部１５ａに、該加工ツール１５の回転中心軸（結局、ロボット可動アームの最終軸１の回転中心軸）と一致する中心軸をもった円錐台状のボス１５ｚを取り付け部１５ａとは逆向き取り付け、パイプ等のワークＷに対向するように設ける。しかも、このボス１５ｚは加工ツール１５の本体に対して回転自在に設けられている。ワークＷのパイプの中心軸とロボット可動アームの最終軸１の回転軸（ロボット手首１ａの中心軸、加工ツール１５の回転中心軸）と一致するようにロボットを位置決めして、この軸に沿ってロボット手首を平行移動させて上記ボス１５ｚをワークのパイプＷに押付け嵌合させ、パイプＷの中心軸と加工ツール１５の回転軸にずれが生じないようにする。そして、ロボット可動アームの最終軸１ａを回転させ加工ツール１５を回転させながら加工ノズル２でワークを切断、穴開け加工等を行なう。加工ツール１５は回転しても、ボス１５ｚは加工ツール本体に対しては相対回転するがワークＷのパイプに対しては回転しないから、加工ツール本体１５の回転の障害とはならず、加工ツール１５の回転中心軸がパイプの回転中心軸と一致するように保持しながらパイプＷの切断、穴開け加工が行われるから、精度の高い加工を行なうことができる。
【００４２】この図１０に示した実施形態の例では、図３R>３に示す第２の実施形態にボス１５ｚを付設した例を示したが、このボス１５ｚは上述した第１〜第５の実施形態の加工ツールに対しても適用できるものである。
【００４３】次に上述したような加工ツールが装着されたロボットによるワークへの加工について説明する。
【００４４】まず、予めロボット制御装置のメモリ１０２の不揮発性メモリ部にワーク種類とその加工形状に対する加工ツール先端経路の計算式を格納しておく。例えば、一例としてワークＷが円菅状のパイプであり、該ワークＷを図１１に示すように他のパイプＰに突き合わせ接続するために鞍形切断を行なうような場合、加工ツール先端経路の計算式は以下のようにして求められる。
【００４５】図１６、図１７はパイプＰにワーク（パイプ）Ｗを突き合わせて接続するためにワークＷを鞍形切断するときの加工ツール先端経路の計算式の求め方の説明図である。図１６，図１７に示すように、パイプ（突き合わせの相手側）Ｐの中心軸をＸ軸、ワークＷの中心軸をＹ軸、該Ｘ軸，Ｙ軸と直交する軸をＺ軸とする。そして、この直交座標系の原点をパイプＰとワークＷの当接する最上部位置とし、Ｙ軸の＋向きは、切断面から遠ざかる方向、Ｚ軸の＋向きは下方向とする。
【００４６】図１６に示すように、パイプＰの外径の半径をＲ、ワークＷの外径の半径をｒとし、パイプＰにワークＷが当接する最上部位置（原点位置）とパイプＰの中心軸間の距離（Ｙ軸方向距離）をＡ、パイプＰの最上端位置と原点位置間の距離（Ｚ軸方向の距離）をＢとする。
【００４７】ワークＷの切断面における任意の位置のＹ軸、Ｚ軸の位置（ｙ，ｚ）とし、この位置パイプＰの最上部位置からの回転量を図１６に示すようにθとすると、ｙ＝Ｒｓｉｎθ−Ａｚ＝Ｒ−Ｂ−Ｒｃｏｓθ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）−Ｂよって、ｓｉｎθ＝（ｙ＋Ａ）／Ｒｃｏｓθ＝１−｛（ｚ＋Ｂ）／Ｒ｝
また、ｓｉｎ2 θ＋ｃｏｓ2 θ＝１であるから、［（ｙ＋Ａ）／Ｒ］2 ＋［１−｛（ｚ＋Ｂ）／Ｒ｝］2 ＝１よって、 Ｒ2 ＝（ｙ＋Ａ）2 ＋｛Ｒ−（ｚ＋Ｂ）｝2 …（１）
また、図１７に示すように、ワークＷにおいて上記任意の点（ｙ，ｚ）の原点からの回転角をαとすると、 ｚ＝ｒ−ｒｃｏｓα＝ｒ（１−ｃｏｓα） …（２）
上記１式に上記２式を代入して回転角αとＹ軸の値ｙの関係を求めると、 ｙ＝［Ｒ2 −［Ｒ−｛ｒ（１−ｃｏｓα）＋Ｂ｝］2 ］1/2 −Ａ ＝±[[2R−{r（１−ｃｏｓα）＋Ｂ}]［r(１−ｃｏｓα）＋Ｂ]]1/2 −Ａよって ｙ＝｜[[2R−{r（１−ｃｏｓα）＋Ｂ}]［r(１−ｃｏｓα）＋Ｂ]]1/2 −Ａ｜ …（３）
上記３式において、回転角αは加工ツールの回転角であり、ロボット可動アームの最終軸１ａの回転角を意味し、この回転速度は設定された所定速度に制御されるものである。また、Ｙ軸の値ｙはワークＷの軸線方向の加工ツールの移動位置を意味しており、第２の実施形態、第３の実施形態における第２の付加可動軸（ロボット可動アームの最終軸１ａの中心軸と平行に移動する軸）の移動量を意味しており、上記３式は、加工ツールの回転（ロボット可動アームの最終軸１ａの回転）に伴う加工ツール先端経路の計算式を示している。
【００４８】そして、この３式によって加工ツール先端経路の計算式が確定するには、パイプの半径Ｒ、ワークの半径ｒ、パイプＰにワークＷが当接する最上部位置とパイプＰの中心軸間の距離Ａ、パイプＰの最上部位置とワークＷの最上部位置間の距離Ｂわかればよい。そこで、これらのデータをＲ，ｒ，Ａ，Ｂをこの鞍形加工におけるパラメータの一部として設定するようにする。
【００４９】なお、図１６に示すように、パイプＰの中心軸とワークＷの中心軸が交わるように、パイプＰに対してワークＷを突き合わせ接続する場合（パイプＰの中央点にワークＷの中心線が来るように突き合わせる場合）、Ｂ＝Ｒ−ｒであり、Ａ＝（Ｒ2 −ｒ2 ）1/2 であるから、この場合には、上述した式３は、次の４式となる。
【００５０】
ｙ＝｜[(Ｒ＋ｒｃｏｓα)(Ｒ−ｒｃｏｓα)]1/2 −（Ｒ2 −ｒ2 ）1/2 ｜ …（４）
この場合には、パラメータＡ，Ｂを設定せずに半径Ｒ，ｒのみを設定し、上記４式を用いて加工ツール先端経路の計算式を用いればよい。
【００５１】また、加工予定の複数のワークに対してワーク番号を与え、各ワーク番号毎に、ワークＷの種類（断面円のパイプ、断面楕円のパイプ、断面方形のパイプ、等）とその形状を特定するデータをメモリ１０２の不揮発性メモリ部に格納しておくと共に、ワーク番号と加工形状（平面切断加工、鞍形加工、穴明け加工等）に応じて、上述したような加工ツール先端経路の計算式を求めてロボット制御装置のメモリ１０２の不揮発性メモリ部に格納ておく。さらには、ワークＷの種類に対応する番号、切断加工、鞍形加工、穴明け加工等加工形状名、及びワーク番号（ワークの種類）に対するそのワークを加工できる（もしくはできない）加工形状をメモリ１０２の不揮発性メモリ部に記憶しておく。
【００５２】そこで、加工を教示するときには、教示操作盤１０４よりロボット制御装置に加工教示指令を入力すると、ロボット制御装置のＣＰＵ１０１は、図１４に示す教示処理を開始する。まず、教示操作盤１０４のディスプレイ表示画面にワークの種類とそれに対応する番号を表示し、これに応じてオペレータが番号を入力することによってワークの種類を選択すると（ステップＳ１）、ＣＰＵ１０１は加工形状の種類を表示し選択を促す（ステップＳ２）。オペレータが加工形状を選択すると、入力されているワーク番号に対応するワーク形状に対してこの選択形状が加工できるか、設定記憶内容に基づいて判断し（ステップＳ３）、加工できない場合にはアラーム警告を出力し（ステップＳ７）、再度加工形状の選択を促す。
【００５３】また、選択加工形状が妥当であれば、その加工形状を加工するのに必要なパラメータ名を表示して各パラメータの入力を待つ（ステップＳ４）。上述した鞍形切断の場合では、切断ワークＷのが突き合わせられる相手側のパイプ等の円柱体の半径Ｒ、切断ワークの半径ｒ、パラメータＡ，Ｂ及びレーザ出力を決めるためにワークＷの肉厚を設定入力することになる。選択加工形状に関する全てのパラメータ及びワークＷの肉厚を設定し、設定完了信号が入力されると、ＣＰＵ１０１は、入力されたワーク番号、加工形状及びパラメータをメモリ１０２の不揮発性メモリ部に加工データとして記憶し、加工動作の教示は終了する。
【００５４】一方、実際に加工を行なう場合には、教示プログラム等により、ロボット手首に取り付けられた加工ツールをワークに対して位置決めされた後、すなわち、上述したワークＷの中心軸とロボット可動アームの最終軸の回転中心軸が一致し、加工ツールの加工ノズル２をワークＷの加工開始位置に位置決めされた後、教示プログラムからワーク番号と加工指令が読込まれると、図１５の加工処理をＣＰＵは開始する。
【００５５】まず、読込まれたワーク番号に対応する加工データ（加工形状及びパラメータ）をメモリ１０２の不揮発性メモリ部からＲＡＭに読込み（ステップＴ１）、ワーク番号と選択加工形状から加工ツール先端経路の計算式を選択し、設定されたパラメータの値を用いて通常の移動指令と同様の経路計画を行ない加工ツール先端の経路及び速度を算出する。また、設定されてるワークＷの肉厚よりレーザ出力を求めレーザ発振器１０８へ出力する（ステップＴ２）。
【００５６】次に、算出された経路がロボットの動作範囲内か判断し、範囲外であるとアラーム警報を出力し（ステップＴ６）、この加工処理は終了する。一方範囲内であると、ステップＴ２の経路計画によって求められた経路及び速度に基づいて補間周期毎の各軸移動量を算出して出力し各軸サーボモータを駆動する（ステップＴ４）。すなわち、上述した鞍形切断の場合には、ロボット可動アームの最終軸１ａが設定所定速度で回転し、かつ加工ノズル２をこの最終軸１ａの回転中心軸と平行に移動する付加可動軸（第２の実施形態における第２の付加可動軸１１ｃ、第３の実施形態における第２の付加可動軸１２ｅ等）に対して補間周期毎の移動指令量を算出し出力する。そして、目標位置に達したか判断し（ステップＴ５）達するまでこの補間処理を行ない目標位置に達するとこの加工処理を終了する。
【００５７】
【発明の効果】本発明は、ロボット可動アームの最終軸の回転駆動のみで他のロボット可動アームを駆動せずにパイプ状ワークの切断加工が可能となったので、加工制度の高い加工ができる。また、加工ツールに直動軸や回動軸を設けることによって、パイプ状ワークの穴明け加工や鞍形切断加工、さらには、パイプ状のワークの切断面をパイプ表面に対して任意の傾斜をもって加工することをも可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロボツト制御装置の一実施形態の要部ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における断面楕円菅，方形菅の切断加工説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における傾斜切断加工の説明図である。
【図６】傾斜切断加工によって切断されたワークとパイプとの突き合わせ接合の説明ずである。
【図７】本発明の第３の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図８】本発明の第４の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図９】本発明の第５の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図１１】パイプの付き合わせ接合の説明図である。
【図１２】パイプ状ワークの切断面とパイプとの接合との関係を説明する説明図である。
【図１３】ロボットを用いてパイプ状ワークを切断するときの従来の加工方法の説明図である。
【図１４】本発明による加工教示処理のフローチャートである。
【図１５】本発明による加工動作処理のフローチャートである。
【図１６】鞍形加工における加工ツール先端経路の計算式の求め方の説明図である。
【図１７】同加工ツール先端経路の計算式の求め方の説明図である。
【符号の説明】
１０１ メインＣＰＵ
１０２ メモリ
１０４ 教示操作盤
１０５ サーボ制御部
１０８ レーザ発振器
Ｗ ワーク
Ｐ パイプ
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボット可動アーム先端に取り付けられた加工ツールによってワークに加工を行なう加工ツール付ロボット及び加工方法に関する。特に、パイプ端面の鞍形切断、パイプ部品の側面への穴開け加工等に適した加工ツール付ロボット及び該ロボットによる加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、自動車の足回り部品にパイプを使用する場合が多くなっている。この自動車足回り部品のパイプ化に伴い、図１１に示すようにパイプ間を接続するために、パイプ（Ｗ）の端面を鞍形切断する加工や、パイプ部品のパイプ側面に穴開けを行なう加工が増加している。これら鞍形切断やパイプ側面への穴開け加工は、加工ツールを３次元空間で精度よく動作させる必要があり、ロボットでこの加工を行なう場合にも、通常のレベルより、高い軌跡制御能力が求められる。
【０００３】パイプ状のワーク、断面が楕円のワーク、角柱、角錐等の単一平面ではないワークに対してこれらの加工をロボットでおこなう場合、従来は、ロボット可動アーム先端部に任意の角度で切断ツールを取り付け、図１３に示すように、ロボット可動アームの複数の軸を全体的に動作させて加工を行なっている。図１３の場合、パイプ状のワークＷに対して、ロボット可動アーム１先端に取り付けたレーザノズル等の切断ツール２を対向させ、ロボットの複数の可動アームを駆動してロボット可動アームの最終軸１をワークＷに対して矢印Ａにのように旋回させてワークＷを切断、穴開け加工を行なっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このように、ロボット可動アームの複数の可動アームを全体的に動作させて加工を行なうため、ロボットの振動等によって加工面の精度が悪くなっていた。また、従来のロボットによるパイブ状のワークに対する加工では、図１２（ａ）に示すようにパイプであるワークＷの切断面（イ）はワークＷの側面に対して垂直にしか切断できなく、ワークＷの切断面（ロ）に角度をつけて図１２（ｂ）に示すように加工することができない。図１１に示すような突き合わせ接合して溶接するような場合、図１２（ａ）に示すように切断面（イ）がパイプの周面と垂直の場合では、強固な溶接が難しく、従来のロボットによるパイプ鞍形切断加工は適していなかった。
【０００５】そこで、本発明の目的は、パイプ端面の鞍形切断や、パイプ側面への穴開け加工、さらには、単一平面ではないワーク等の３次元形状のワーク加工面に対する加工を精度よく、簡単にできる加工ツール付ロボット及び該ロボットを使用した加工方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、関節で結合された複数のリンクからなる可動アームを有し、該可動アームはソフトウエア処理能力を有するロボット制御装置によって制御されるロボットであり、該ロボットの前記可動アームの先端部に加工ツールが装着され、該加工ツールの加工部先端にはロボット可動アームの最終軸の回転中心軸に対し偏位し、かつ加工ツールの先端が前記最終軸の回転中心軸に向いて配置されている。さらには、この加工ツールは該加工ツールの先端を直動又は／及び回動させる可動軸を備えている。
【０００７】このロボットを用いてパイプ状のワークを加工する際には、該パイプ状のワークの中心軸をロボット可動アームの最終軸の回転中心軸と同軸上に配置して、ロボット可動アームの最終軸を回転させることによって加工ツールによりワークを加工するようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態として加工ツールの先端部に設ける加工部としての切断ツールにレーザノズルを用いレーザによってワークを切断又は穴明け加工するレーザ加工ロボットの例で以下説明する。
【０００９】図１は本発明を実施するロボット制御装置のハードウェア構成の要部をブロック図で示したものであり、従来のロボット制御装置と同一の構成である。符号１０７で示されるバスに、メインＣＰＵ（以下、単にＣＰＵと言う。）１０１、ＲＡＭ、ＲＯＭ、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭなど）からなるメモリ１０２、教示操作盤用インターフェイス１０３、外部装置用の入出力インターフェイス１０６及びサーボ制御部１０５が接続されている。
【００１０】教示操作盤用インターフェイス１０３に接続される教示操作盤１０４は通常のＬＣＤ等のディスプレイ機能付のもので、オペレータは、この教示操作盤１０４のマニュアル操作を通して、ロボットの動作プログラムの教示、修正、登録、あるいは各種パラメータの設定の他、教示された動作プログラムの再生運転、ジョグ送り等を実行する。また、ディスプレイはオペレータへの指示、入力データの表示やシミュレーション結果の表示に使用される。
【００１１】ロボット及びロボット制御装置の基本機能を支えるシステムプログラムは、メモリ１０２のＲＯＭに格納される。また、アプリケーションに応じて教示されるロボットの動作プログラム並びに関連設定データは、メモリ１０２の不揮発性メモリに格納される。そして、メモリ１０２のＲＡＭは、ＣＰＵ１０１が行なう各種演算処理におけるデータの一時記憶の記憶領域に使用される。
【００１２】サーボ制御部１０５はサーボ制御器＃１〜＃ｎ（ｎ：ロボットの総軸数に加工ツールの可動軸数を加算した数）を備えており、ロボット制御のための演算処理（軌道計画作成とそれに基づく補間、逆変換など）を経て作成された移動指令を受け、ロボット各軸機構部のアクチュエータを構成するサーボモータを各サーボアンプを介して制御する。
【００１３】また、入出力インターフェイス１０６の外部入出力回路には、ロボットに設けられたセンサや周辺機器のアクチュエータやセンサが接続され、本発明に関係して、特に、レーザ発振器１０８が接続されている。ロボット可動アーム先端部にはレーザノズルを備えた加工ツールがと取り付けられており、レーザ発振器１０８から出力されたレーザビームを加工ノズルからワークに照射しワークを切断加工するようにしている。
【００１４】上述したロボット制御装置の構成は、従来のロボット制御装置と何等変わりはなく、本発明においては、ロボット可動アームの先端部に加工ツールが取り付けられている点と、該加工ツールが可動部を有している場合には、このロボット制御装置によってサーボ制御部の付加軸でこの加工ツールの可動部もサーボ制御部１０５で制御する点において相違するのみである。
【００１５】図２は本発明の第１の実施形態における要部説明図である。
【００１６】ロボット可動アームの最終軸１の先端のロボット手首１ａには、加工ツール１０の回転中心とロボット手首の回転中心が一致するように加工ツール１０が取りつれられている。加工ツール１０はロボット手首１ａに該加工ツール１０を取り付ける取り付け部１０ａと、該取り付け部１０ａからロボット可動アームの最終軸１の回転中心軸に対して垂直に伸び、その先端で屈曲してロボット可動アームの最終軸１の回転中心軸と平行でロボット可動アームの最終軸１とは逆方向に伸びた「Ｌ」字型のリンク１０ｂと、該リンク１０ｂの先端に取り付けられ、レーザ照射方向がロボット可動アームの最終軸１の中心軸に対して垂直になるように取り付けられた加工ノズル２で構成されている。
【００１７】この様な加工ツール１０を備えたロボットにより、パイプ状ワークＷの端面を切断する加工を行なう場合には、パイプ状ワークＷの中心軸とロボット可動アームの最終軸１の中心軸（ロボット手首１ａの回転中心）を一致させ、ワークＷの切断位置に加工ノズル３対応させた位置にロボットを位置決めし、ロボット可動アームの最終軸１を回転させながら、加工ノズル２よりレーザビームをワークＷに照射することによってワークＷを切断する。
【００１８】このパイプ状のワークＷの切断加工においては、加工中はロボット可動アームの最終軸１のみが駆動され回転するのみであるから、加工精度がよく、また簡単に切断加工をすることができる。
【００１９】ワークＷの軸方向における（図２において左右方向）切断位置は、ロボット手首１ａの位置を図２において左右方向に移動させてある程度選択できる。しかし、この加工ツール１０を用いてロボット可動アームの最終軸１の回転のみでワークを切断できるワークＷの径は制限される。加工ツール１０の回転中心軸（ロボット可動アームの最終軸の回転中心軸）と加工ノズル３の先端間の距離、すなわち加工ノズルの偏位量より大きな半径のパイプに対しては、上述したロボット可動アームの最終軸１の回転のみでワークを切断はできない。この場合には、ロボットの複数軸を全体的に駆動して加工を行なわねばならない。
【００２０】また、円筒形状ではない単一平面の集まりで構成された角柱、楕円状のパイプ等のワークＷに対しても、また、円筒形状のパイプに対する鞍形切断も、この加工ツール１０を備えるロボットでは、ロボット可動アームの最終軸１の回転のみでは、ワークを切断することはできない。この様な加工は、ロボットの可動軸を複数駆動しなければならない。
【００２１】そこで、加工ツールに１軸以上の可動軸を設けることによって、様々な形状のワークに対しても加工ができ、かつ鞍形切断、パイプ状ワークの表面に対する穴開け加工をも可能にする加工ツールを備えた第２の実施形態について図３と共に説明する。
【００２２】図３においては、加工ツール１１を簡略的に記載しているが、この加工ツール１１は、ロボット可動アームの最終軸１の先端のロボット手首１ａに該加工ツールを取りつける取り付け部１１ａと該取り付け部１０ａからロボット可動アームの最終軸１の中心軸に対して垂直に伸縮移動する第１の付加可動軸１０ｂと該付加可動軸１０ｂの先端に直角に接続され、ロボット可動アームの最終軸１の中心軸の方向に進出する第２の付加可動軸１０ｃと、該第２の付加可動軸１１ｃの先端に取り付けられ、レーザ照射方向がロボット可動アームの最終軸１の中心軸に対して垂直になるように取り付けられた加工ノズル２で構成されている。
【００２３】上述した第１、第２の付加可動軸は、モータとボールネジ等を用いた直線機構や、モータの回転運動をレバー部材等で直線運動に変換する、回転運動／直線運動変換機構等で構成される。また、エアシリンダや、リニアガイド等をサーボモータ等で駆動する機構を使用してもよい。
【００２４】上述した第１、第２の付加可動軸１１ｂ，１１ｃを駆動するモータは、ロボット制御装置のサーボ制御部１０５の付加軸制御用のサーボ制御器によってそれぞれサーボ制御されるものである。
【００２５】この第２の実施形態では、第１の付加可動軸１１ｂが設けられることによって、種々の径のワークＷを切断することが可能となる。すなわち、第１の付加可動軸を駆動することによって、加工ノズル２の先端と、該加工ツール１１の回転中心軸でありロボット可動アームの最終軸１の中心軸間の距離（偏位距離）を切断加工しようとするパイプ状のワークＷの半径に合わせるように調整すればよく、切断加工する際には、上述した第１の実施形態と同様に、ワークＷの中心軸とロボット手首の中心（ロボット可動アームの最終軸１の中心軸でありかつ加工ツール１１の回転中心軸）を一致させるように、かつ、第２の付加可動軸１１ｃを駆動して加工ノズルの先端が切断しようとするワークＷの位置（図３における左右方向位置）に位置決めして、ロボット可動アームの最終軸１を回転させながら加工ノズル２よりレーザビームをワークＷに照射すれば、ワークＷを切断することができる。
【００２６】さらに、ロボット可動アームの最終軸１の回転と、第２の付加可動軸１１ｃの駆動を同期して行なえば、図３に破線で示すような鞍形切断や、ワークＷの表面に穴開け加工を行なうことができる。すなわち、ロボット可動アームの最終軸１が１回転する間に、同期して第２の付加可動軸１１ｃが所定ストロークを２往復するようにすれば、鞍形切断ができる。また、ロボット可動アームの最終軸１が所定角度１方向に回転する間に第２の付加可動軸１１ｃが所定ストロークだけ往復し、ロボット可動アームの最終軸１が逆方向に所定角度移動する間に第２の付加可動軸１１ｃが逆方向に所定ストロークだけ往復すれば、パイプ状ワークＷの表面に穴を加工することができる。
【００２７】また、ロボット可動アームの最終軸１の回転と、第１の付加可動軸の移動を同期させて駆動させることによって、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、断面楕円菅状のパイプのワークＷや断面方形菅状のパイプのワークＷを切断加工をすることができる。
【００２８】すなわち、加工ツール１１に第１の付加可動軸１１ｂを設けることによって、ロボットはロボット可動アームの最終軸１の回転だけで、径の異なるの円筒パイプ状のワークＷの切断加工、断面楕円菅状や方形菅状のパイプの切断加工ができる。また、加工ツール１１に第２の付加可動軸１１ｃを設けることによって、ロボットはロボット可動アームの最終軸１の回転だけで、加工ツール１１の付加可動軸１１ｃの駆動によってパイプ表面への穴開け加工、パイプ端面の鞍形切断加工ができる。さらに、加工ツール１１に第１，第２のの付加可動軸１１ｂ，１１ｃを設けることによって、ロボットはロボット可動アームの最終軸１の回転だけで、径の異なるの円筒パイプ状のワークＷの切断加工、鞍形切断加工、断面楕円や方形のパイプの切断加工、パイプ表面への穴開け加工が可能となる。
【００２９】この第２の実施形態の加工ツール１１を備えたロボットを用いて、図５に示すように、ロボット可動アームの最終軸１の中心軸（加工ツール１１の回転軸）とパイプ状ワークＷの中心軸を所定角度に保持して、ロボット可動アームの最終軸１を回転させながら、この回転に同期して第１，第２の付加可動軸１１ｂ，１１ｃを駆動制御してパイプ状ワークＷを切断加工すれば、図６（ａ）に正面図、図６（ｂ）に斜視図に示すような、端部切断したワークＷを接続する他のパイプＰに対して斜めに組み付けることができる。すなわち、図６に示すようなパイプＰに対してワークＷを組み付けるときには、図５に示す加工を行ないワークＷの端部を切断加工する。
【００３０】図７は、本発明の第３の実施形態の要部を示す図である。この第３の実施形態は、複数の小パイプ加工や、ユニット化されている部品の一部を切断する場合に使用するものである。この第３の実施形態における加工ツール１２は、ロボット手首１ａに該加工ツール１２を取り付ける取り付け部１２ａ、該取り付け部１２ａからロボット手首１ａの取り付け面と平行（ロボット可動アームの最終軸１の中心軸に対して垂直）に伸びかつ先端で直角に屈曲したＬ字型の軸１２ｂ、該軸１２ｂの先端に回動可能に取り付けられた付加回転軸１２ｃ、該付加回転軸１２ｃに連結されロボット手首１ａの取り付け面と平行の方向に伸縮する第１の付加可動軸１２ｄ、該第１の付加可動軸１２ｄの先端に連結され、該第１の付加可動軸１２ｄに対して直角方向に伸縮する第２の付加可動軸１２ｅ、該第２の付加可動軸１２ｅの先端に取り付けられレーザビームの照射方向が付加回転軸１２ｃの回転中心軸（ロボット可動アームの最終軸１の中心軸）に対して直交する方向に向けられた加工ノズル２で構成されている。
【００３１】小パイプ等のワークＷの端部を切断する際には、切断しようとするワークＷの中心軸と付加回転軸１２ｃの回転中心軸を一致させると共に、切断しようとするワークＷの端面と付加回転軸１２ｃの端面を対向させるようにロボットを位置決めする。そして、第１，第２の付加可動軸１２ｄ、１２ｅを駆動して、加工ノズル２をワークＷの切断しようとする位置に位置決めし、その後、加工ノズル２からレーザビームを照射しながら付加回転軸１２ｃを回転させれば、ワークＷの端面は切断されることになる。
【００３２】なお、鞍形切断やワークＷの周面に穴開け加工を行なう場合には、付加回転軸１２ｃの回転と同期して、第２の付加可動軸１２ｅを第２の実施形態で説明したように駆動すればよい。さらに、この小パイプ等のワークＷが、断面楕円菅形状や、方形菅形状等である場合には、付加回転軸１２ｃの回転と第１の付加可動軸１２ｄの駆動を同期して行ない切断することは、第２の実施形態と同様である。
【００３３】この第３の実施形態においては、ワークＷを切断加工する際には、ロボットの可動軸は駆動されることなくロボット自体は停止状態であり、所定の位置、姿勢を保持している。ロボットの可動軸が駆動されないので、加工精度は向上する。
【００３４】上述した各実施形態では、図５で示す加工方法を実施したとき以外は、加工ノズル２のレーザビーム照射方向は、ワークＷの周面に対して垂直方向であり、切断面はワークＷの周面に対して垂直である。パイプ状ワークＷの中心軸線に対して垂直の断面しか得られない。図１１に示すように、パイプを鞍形切断し、この鞍形切断した切断面を他方のパイプの周面に当接して鞍形溶接を行なうような場合、パイプ周面に対して垂直な切断面しか得られない場合には、図１２（ａ）に示すような接合状態となり、溶接が困難で強固な強度を有する溶接が得られない。しかし、切断面がパイプ表面に対して任意の角度を有するように切断できれば、図１２（ｂ）に示すように、切断面と他方のパイプの周面が密着し、この接合位置の溶接も容易で強固なものとなる。
【００３５】そこで、切断面がパイプ周面と任意の角度を有するように切断できる第４の実施形態を図８と共に説明する。
【００３６】加工ツール１３はロボット手首１ａに該加工ツール１３を取り付ける取り付け部１３ａと、該取り付け部１３ａからロボット可動アームの最終軸１に対して垂直に伸びる軸１３ｂと該軸１３ｂに対して第１の付加可動軸１３ｄを回動させる付加回動軸１３ｃを備え、前記第１の付加可動軸１３ｄは、モータ，ボールネジ等の回転運動を直線運動に変換する機構を介してその先端を直線移動できる構造になっている。
【００３７】さらに、第１の付加可動軸１３ｄの先端に直角に接続され、第１の付加可動軸１３ｄと同様に回転運動を直線運動に変換する機構によってその先端を直線移動させる第２の付加可動軸１３ｅと、該第２の付加可動軸１３ｅの先端に取り付けられた加工ノズル２を備えている。
【００３８】パイプ状のワークＷに対して鞍形切断等の加工を行なう場合には、パイプ状のワークＷの中心軸線とロボット可動アームの最終軸１の回転軸とを一致させると共に、ロボット手首１ａとワークＷの端面が対向するようにロボットを位置決めし、切断開始時の切断面の角度が得られるような回転角に回転軸１３ｃを位置決めし、かつ、第１，第２の可動軸１３ｄ，１３ｅを駆動して切断開始位置に加工ノズル２を位置決めする。そして、教示プログラムに従って、ロボット可動アームの最終軸１を回転させながら、この回転に同期して、回転軸１３ｃ、第１，第２の付加可動軸１３ｄ，１３ｅを駆動制御することによって、ワークＷを鞍形切断等の任意の切断形状を得る切断加工、または穴開け加工を行なう。なお、この第４の実施形態でも、断面円筒状のパイプや断面楕円菅状のパイプ、断面方形菅状のパイプ等の単一平面ではないワークの切断加工ができるものである。
【００３９】上述した第４の実施形態では、加工しようとするワークＷの大きさ（径）に制限を受ける、この制限を緩和したものが、図９に示す第５の実施形態である。この第５の実施形態において用いられるは加工ツール１４は、第４の実施形態における軸１３ｂを可動軸としたものである。この第５の実施形態は、ロボット手首１ａに該加工ツール１４を取り付ける取り付け部１４ａと、該取り付け部１４ａからロボット可動アームの最終軸１に対して垂直に伸び、先端が直線移動する第１の付加可動軸１４ｂと該第１の付加可動軸１４ｂに対して第２の付加可動軸１４ｄを回動させる回動軸１４ｃを備え、さらに、第２の付加可動軸１４ｄの先端に直角に接続され、その先端を直線移動させる第３の付加可動軸１４ｅと、該第３の付加可動軸１４ｅの先端に取り付けられた加工ノズル２を備えている。上述した第１、第２、第３の付加可動軸１４ｂ、１４ｄ，１４ｅはモータ，ボールネジ等の回転運動を直線運動に変換する機構を介してその先端を直線移動できる構造になっている。
【００４０】この第５の実施形態と、第４の実施形態を比較し相違する点は、上述したようにロボット手首１ａへの取り付け部１４ａ（１３ａ）からロボット可動アームの最終軸１に対して垂直に伸びる軸１４ｂ（１３ｂ）が直線移動するか否かの差異である。図８と図９を比較しても明らかのように、ワーク径の変化に対しても、また切断面の傾きに対しても、ワーク端面から切断する位置までの距離の自由度からも、可動軸を１つ増加した第５の実施形態の方が加工に対する対応が容易になっている。
【００４１】図１０は、本発明の第６の実施形態である。この第６の実施形態は、加工ツールに対して（ロボット手首に対して）加工対象のパイプを位置決め保持が容易な加工ツールを提供するものである。この第６の実施形態では、該加工ツール１５をロボット手首１ａへの取り付け部１５ａに、該加工ツール１５の回転中心軸（結局、ロボット可動アームの最終軸１の回転中心軸）と一致する中心軸をもった円錐台状のボス１５ｚを取り付け部１５ａとは逆向き取り付け、パイプ等のワークＷに対向するように設ける。しかも、このボス１５ｚは加工ツール１５の本体に対して回転自在に設けられている。ワークＷのパイプの中心軸とロボット可動アームの最終軸１の回転軸（ロボット手首１ａの中心軸、加工ツール１５の回転中心軸）と一致するようにロボットを位置決めして、この軸に沿ってロボット手首を平行移動させて上記ボス１５ｚをワークのパイプＷに押付け嵌合させ、パイプＷの中心軸と加工ツール１５の回転軸にずれが生じないようにする。そして、ロボット可動アームの最終軸１ａを回転させ加工ツール１５を回転させながら加工ノズル２でワークを切断、穴開け加工等を行なう。加工ツール１５は回転しても、ボス１５ｚは加工ツール本体に対しては相対回転するがワークＷのパイプに対しては回転しないから、加工ツール本体１５の回転の障害とはならず、加工ツール１５の回転中心軸がパイプの回転中心軸と一致するように保持しながらパイプＷの切断、穴開け加工が行われるから、精度の高い加工を行なうことができる。
【００４２】この図１０に示した実施形態の例では、図３R>３に示す第２の実施形態にボス１５ｚを付設した例を示したが、このボス１５ｚは上述した第１〜第５の実施形態の加工ツールに対しても適用できるものである。
【００４３】次に上述したような加工ツールが装着されたロボットによるワークへの加工について説明する。
【００４４】まず、予めロボット制御装置のメモリ１０２の不揮発性メモリ部にワーク種類とその加工形状に対する加工ツール先端経路の計算式を格納しておく。例えば、一例としてワークＷが円菅状のパイプであり、該ワークＷを図１１に示すように他のパイプＰに突き合わせ接続するために鞍形切断を行なうような場合、加工ツール先端経路の計算式は以下のようにして求められる。
【００４５】図１６、図１７はパイプＰにワーク（パイプ）Ｗを突き合わせて接続するためにワークＷを鞍形切断するときの加工ツール先端経路の計算式の求め方の説明図である。図１６，図１７に示すように、パイプ（突き合わせの相手側）Ｐの中心軸をＸ軸、ワークＷの中心軸をＹ軸、該Ｘ軸，Ｙ軸と直交する軸をＺ軸とする。そして、この直交座標系の原点をパイプＰとワークＷの当接する最上部位置とし、Ｙ軸の＋向きは、切断面から遠ざかる方向、Ｚ軸の＋向きは下方向とする。
【００４６】図１６に示すように、パイプＰの外径の半径をＲ、ワークＷの外径の半径をｒとし、パイプＰにワークＷが当接する最上部位置（原点位置）とパイプＰの中心軸間の距離（Ｙ軸方向距離）をＡ、パイプＰの最上端位置と原点位置間の距離（Ｚ軸方向の距離）をＢとする。
【００４７】ワークＷの切断面における任意の位置のＹ軸、Ｚ軸の位置（ｙ，ｚ）とし、この位置パイプＰの最上部位置からの回転量を図１６に示すようにθとすると、ｙ＝Ｒｓｉｎθ−Ａｚ＝Ｒ−Ｂ−Ｒｃｏｓθ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）−Ｂよって、ｓｉｎθ＝（ｙ＋Ａ）／Ｒｃｏｓθ＝１−｛（ｚ＋Ｂ）／Ｒ｝
また、ｓｉｎ2 θ＋ｃｏｓ2 θ＝１であるから、［（ｙ＋Ａ）／Ｒ］2 ＋［１−｛（ｚ＋Ｂ）／Ｒ｝］2 ＝１よって、 Ｒ2 ＝（ｙ＋Ａ）2 ＋｛Ｒ−（ｚ＋Ｂ）｝2 …（１）
また、図１７に示すように、ワークＷにおいて上記任意の点（ｙ，ｚ）の原点からの回転角をαとすると、 ｚ＝ｒ−ｒｃｏｓα＝ｒ（１−ｃｏｓα） …（２）
上記１式に上記２式を代入して回転角αとＹ軸の値ｙの関係を求めると、 ｙ＝［Ｒ2 −［Ｒ−｛ｒ（１−ｃｏｓα）＋Ｂ｝］2 ］1/2 −Ａ ＝±[[2R−{r（１−ｃｏｓα）＋Ｂ}]［r(１−ｃｏｓα）＋Ｂ]]1/2 −Ａよって ｙ＝｜[[2R−{r（１−ｃｏｓα）＋Ｂ}]［r(１−ｃｏｓα）＋Ｂ]]1/2 −Ａ｜ …（３）
上記３式において、回転角αは加工ツールの回転角であり、ロボット可動アームの最終軸１ａの回転角を意味し、この回転速度は設定された所定速度に制御されるものである。また、Ｙ軸の値ｙはワークＷの軸線方向の加工ツールの移動位置を意味しており、第２の実施形態、第３の実施形態における第２の付加可動軸（ロボット可動アームの最終軸１ａの中心軸と平行に移動する軸）の移動量を意味しており、上記３式は、加工ツールの回転（ロボット可動アームの最終軸１ａの回転）に伴う加工ツール先端経路の計算式を示している。
【００４８】そして、この３式によって加工ツール先端経路の計算式が確定するには、パイプの半径Ｒ、ワークの半径ｒ、パイプＰにワークＷが当接する最上部位置とパイプＰの中心軸間の距離Ａ、パイプＰの最上部位置とワークＷの最上部位置間の距離Ｂわかればよい。そこで、これらのデータをＲ，ｒ，Ａ，Ｂをこの鞍形加工におけるパラメータの一部として設定するようにする。
【００４９】なお、図１６に示すように、パイプＰの中心軸とワークＷの中心軸が交わるように、パイプＰに対してワークＷを突き合わせ接続する場合（パイプＰの中央点にワークＷの中心線が来るように突き合わせる場合）、Ｂ＝Ｒ−ｒであり、Ａ＝（Ｒ2 −ｒ2 ）1/2 であるから、この場合には、上述した式３は、次の４式となる。
【００５０】
ｙ＝｜[(Ｒ＋ｒｃｏｓα)(Ｒ−ｒｃｏｓα)]1/2 −（Ｒ2 −ｒ2 ）1/2 ｜ …（４）
この場合には、パラメータＡ，Ｂを設定せずに半径Ｒ，ｒのみを設定し、上記４式を用いて加工ツール先端経路の計算式を用いればよい。
【００５１】また、加工予定の複数のワークに対してワーク番号を与え、各ワーク番号毎に、ワークＷの種類（断面円のパイプ、断面楕円のパイプ、断面方形のパイプ、等）とその形状を特定するデータをメモリ１０２の不揮発性メモリ部に格納しておくと共に、ワーク番号と加工形状（平面切断加工、鞍形加工、穴明け加工等）に応じて、上述したような加工ツール先端経路の計算式を求めてロボット制御装置のメモリ１０２の不揮発性メモリ部に格納ておく。さらには、ワークＷの種類に対応する番号、切断加工、鞍形加工、穴明け加工等加工形状名、及びワーク番号（ワークの種類）に対するそのワークを加工できる（もしくはできない）加工形状をメモリ１０２の不揮発性メモリ部に記憶しておく。
【００５２】そこで、加工を教示するときには、教示操作盤１０４よりロボット制御装置に加工教示指令を入力すると、ロボット制御装置のＣＰＵ１０１は、図１４に示す教示処理を開始する。まず、教示操作盤１０４のディスプレイ表示画面にワークの種類とそれに対応する番号を表示し、これに応じてオペレータが番号を入力することによってワークの種類を選択すると（ステップＳ１）、ＣＰＵ１０１は加工形状の種類を表示し選択を促す（ステップＳ２）。オペレータが加工形状を選択すると、入力されているワーク番号に対応するワーク形状に対してこの選択形状が加工できるか、設定記憶内容に基づいて判断し（ステップＳ３）、加工できない場合にはアラーム警告を出力し（ステップＳ７）、再度加工形状の選択を促す。
【００５３】また、選択加工形状が妥当であれば、その加工形状を加工するのに必要なパラメータ名を表示して各パラメータの入力を待つ（ステップＳ４）。上述した鞍形切断の場合では、切断ワークＷのが突き合わせられる相手側のパイプ等の円柱体の半径Ｒ、切断ワークの半径ｒ、パラメータＡ，Ｂ及びレーザ出力を決めるためにワークＷの肉厚を設定入力することになる。選択加工形状に関する全てのパラメータ及びワークＷの肉厚を設定し、設定完了信号が入力されると、ＣＰＵ１０１は、入力されたワーク番号、加工形状及びパラメータをメモリ１０２の不揮発性メモリ部に加工データとして記憶し、加工動作の教示は終了する。
【００５４】一方、実際に加工を行なう場合には、教示プログラム等により、ロボット手首に取り付けられた加工ツールをワークに対して位置決めされた後、すなわち、上述したワークＷの中心軸とロボット可動アームの最終軸の回転中心軸が一致し、加工ツールの加工ノズル２をワークＷの加工開始位置に位置決めされた後、教示プログラムからワーク番号と加工指令が読込まれると、図１５の加工処理をＣＰＵは開始する。
【００５５】まず、読込まれたワーク番号に対応する加工データ（加工形状及びパラメータ）をメモリ１０２の不揮発性メモリ部からＲＡＭに読込み（ステップＴ１）、ワーク番号と選択加工形状から加工ツール先端経路の計算式を選択し、設定されたパラメータの値を用いて通常の移動指令と同様の経路計画を行ない加工ツール先端の経路及び速度を算出する。また、設定されてるワークＷの肉厚よりレーザ出力を求めレーザ発振器１０８へ出力する（ステップＴ２）。
【００５６】次に、算出された経路がロボットの動作範囲内か判断し、範囲外であるとアラーム警報を出力し（ステップＴ６）、この加工処理は終了する。一方範囲内であると、ステップＴ２の経路計画によって求められた経路及び速度に基づいて補間周期毎の各軸移動量を算出して出力し各軸サーボモータを駆動する（ステップＴ４）。すなわち、上述した鞍形切断の場合には、ロボット可動アームの最終軸１ａが設定所定速度で回転し、かつ加工ノズル２をこの最終軸１ａの回転中心軸と平行に移動する付加可動軸（第２の実施形態における第２の付加可動軸１１ｃ、第３の実施形態における第２の付加可動軸１２ｅ等）に対して補間周期毎の移動指令量を算出し出力する。そして、目標位置に達したか判断し（ステップＴ５）達するまでこの補間処理を行ない目標位置に達するとこの加工処理を終了する。
【００５７】
【発明の効果】本発明は、ロボット可動アームの最終軸の回転駆動のみで他のロボット可動アームを駆動せずにパイプ状ワークの切断加工が可能となったので、加工制度の高い加工ができる。また、加工ツールに直動軸や回動軸を設けることによって、パイプ状ワークの穴明け加工や鞍形切断加工、さらには、パイプ状のワークの切断面をパイプ表面に対して任意の傾斜をもって加工することをも可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロボツト制御装置の一実施形態の要部ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における断面楕円菅，方形菅の切断加工説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における傾斜切断加工の説明図である。
【図６】傾斜切断加工によって切断されたワークとパイプとの突き合わせ接合の説明ずである。
【図７】本発明の第３の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図８】本発明の第４の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図９】本発明の第５の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態における加工ツールの説明図である。
【図１１】パイプの付き合わせ接合の説明図である。
【図１２】パイプ状ワークの切断面とパイプとの接合との関係を説明する説明図である。
【図１３】ロボットを用いてパイプ状ワークを切断するときの従来の加工方法の説明図である。
【図１４】本発明による加工教示処理のフローチャートである。
【図１５】本発明による加工動作処理のフローチャートである。
【図１６】鞍形加工における加工ツール先端経路の計算式の求め方の説明図である。
【図１７】同加工ツール先端経路の計算式の求め方の説明図である。
【符号の説明】
１０１ メインＣＰＵ
１０２ メモリ
１０４ 教示操作盤
１０５ サーボ制御部
１０８ レーザ発振器
Ｗ ワーク
Ｐ パイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 関節で結合された複数のリンクからなる可動アームを有し、該可動アームはソフトウエア処理能力を有するロボット制御装置によって制御され、前記可動アームの先端部に加工ツールが装着され、該加工ツールの加工部先端はロボット可動アームの最終軸の回転中心軸に対し偏位し、かつ前記最終軸の回転中心軸に向いて配置されている加工ツール付ロボット。
【請求項２】 関節で結合された複数のリンクからなる可動アームを有し、該可動アームはソフトウエア処理能力を有するロボット制御装置によって制御され、前記可動アームの先端部に加工ツールが装着され、該加工ツールには該加工ツールの加工部先端をロボット可動アームの最終軸の回転中心軸に対し位置若しくは方向を可変にする可動軸を備えている加工ツール付ロボット。
【請求項３】 上記可動軸は直動軸である請求項２記載の加工ツール付ロボット。
【請求項４】 上記可動軸は回動軸である請求項２記載の加工ツール付ロボット。
【請求項５】 上記直動軸は、ロボット可動アームの最終軸の回転中心軸に対して垂直方向若しくは平行方向に移動する直動軸であり、少なくともどちらか１方を備える請求項３記載の加工ツール付ロボット。
【請求項６】 上記可動軸として、直動軸と回動軸を備える請求項２記載の加工ツール付ロボット。
【請求項７】 関節で結合された複数のリンクからなる可動アームを有し、該可動アームはソフトウエア処理能力を有するロボット制御装置によって制御され、前記可動アームの先端部に加工ツールが装着され、該加工ツールはロボット可動アームの最終軸の回転中心軸とは異なる回転軸回りに回転する回動軸を備え、該回動軸に対して加工ツールの加工部先端は偏位し、かつ前記回動軸の回転中心軸に向いて配置されている加工ツール付ロボット。
【請求項８】 請求項１乃至６の内１項記載の加工ツール付ロボットを用い、パイプ状のワークの中心軸を前記可動アームの最終軸の回転中心軸と同軸上に配置し上記最終軸を回転させることによって、上記ワークに対して加工を行なうことを特徴とする加工ツール付ロボットによる加工方法。
【請求項９】 請求項３記載の加工ツール付ロボットを用い、パイプ状のワークの中心軸を前記可動アームの最終軸の回転中心軸と同軸上に配置し上記最終軸を回転させると共に、該最終軸の回転と同期して上記直動軸を駆動して、ワークを鞍形切断又は穴明け加工をすることを特徴とする加工ツール付ロボットによる加工方法。
【請求項１】 関節で結合された複数のリンクからなる可動アームを有し、該可動アームはソフトウエア処理能力を有するロボット制御装置によって制御され、前記可動アームの先端部に加工ツールが装着され、該加工ツールの加工部先端はロボット可動アームの最終軸の回転中心軸に対し偏位し、かつ前記最終軸の回転中心軸に向いて配置されている加工ツール付ロボット。
【請求項２】 関節で結合された複数のリンクからなる可動アームを有し、該可動アームはソフトウエア処理能力を有するロボット制御装置によって制御され、前記可動アームの先端部に加工ツールが装着され、該加工ツールには該加工ツールの加工部先端をロボット可動アームの最終軸の回転中心軸に対し位置若しくは方向を可変にする可動軸を備えている加工ツール付ロボット。
【請求項３】 上記可動軸は直動軸である請求項２記載の加工ツール付ロボット。
【請求項４】 上記可動軸は回動軸である請求項２記載の加工ツール付ロボット。
【請求項５】 上記直動軸は、ロボット可動アームの最終軸の回転中心軸に対して垂直方向若しくは平行方向に移動する直動軸であり、少なくともどちらか１方を備える請求項３記載の加工ツール付ロボット。
【請求項６】 上記可動軸として、直動軸と回動軸を備える請求項２記載の加工ツール付ロボット。
【請求項７】 関節で結合された複数のリンクからなる可動アームを有し、該可動アームはソフトウエア処理能力を有するロボット制御装置によって制御され、前記可動アームの先端部に加工ツールが装着され、該加工ツールはロボット可動アームの最終軸の回転中心軸とは異なる回転軸回りに回転する回動軸を備え、該回動軸に対して加工ツールの加工部先端は偏位し、かつ前記回動軸の回転中心軸に向いて配置されている加工ツール付ロボット。
【請求項８】 請求項１乃至６の内１項記載の加工ツール付ロボットを用い、パイプ状のワークの中心軸を前記可動アームの最終軸の回転中心軸と同軸上に配置し上記最終軸を回転させることによって、上記ワークに対して加工を行なうことを特徴とする加工ツール付ロボットによる加工方法。
【請求項９】 請求項３記載の加工ツール付ロボットを用い、パイプ状のワークの中心軸を前記可動アームの最終軸の回転中心軸と同軸上に配置し上記最終軸を回転させると共に、該最終軸の回転と同期して上記直動軸を駆動して、ワークを鞍形切断又は穴明け加工をすることを特徴とする加工ツール付ロボットによる加工方法。
【図２】
【図３】
【図６】
【図１１】
【図１２】
【図１】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１５】
【図３】
【図６】
【図１１】
【図１２】
【図１】
【図４】
【図５】
【図７】
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【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
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【公開番号】特開平１１−２５４１７３
【公開日】平成１１年（１９９９）９月２１日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−７８２７７
【出願日】平成１０年（１９９８）３月１０日
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【公開日】平成１１年（１９９９）９月２１日
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年（１９９８）３月１０日
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
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