特開 2024-65805 ロボット装置を用いた切削加工システム及び切削工具、切削加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024065805

(43)【公開日】2024-05-15

(54)【発明の名称】ロボット装置を用いた切削加工システム及び切削工具、切削加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23C 3/00 20060101AFI20240508BHJP

   B23C 9/00 20060101ALI20240508BHJP

   B23C 3/12 20060101ALI20240508BHJP

   B23C 5/10 20060101ALI20240508BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20240508BHJP

【ＦＩ】

B23C3/00

B23C9/00 Z

B23C3/12 B

B23C3/12 C

B23C5/10 Z

B23B27/14 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022174845

(22)【出願日】2022-10-31

(71)【出願人】

【識別番号】392035352

【氏名又は名称】株式会社豊電子工業

(71)【出願人】

【識別番号】000103367

【氏名又は名称】オーエスジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100078721

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 喜樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121142

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 恭一

(72)【発明者】

【氏名】松尾 大介

【テーマコード（参考）】

3C022

3C046

【Ｆターム（参考）】

3C022AA08

3C022AA10

3C022DD11

3C022KK04

3C022KK28

3C046AA13

3C046BB02

3C046CC05

(57)【要約】

【課題】多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いた切削加工システム及び切削加工方法において、アルミニウム合金、鉄、鋳鉄などの金属製の硬質ワークを加工する場合であっても、加工精度を保持しつつ、加工送り速度を高速化させ、高効率化を図る。
【解決手段】ロボット装置１は、ロボットアーム２と、筐体３とを有し、ロボットアーム２が、ロボットアーム２に取り付けられている切削工具５を回転させることで加工対象物であるワークＷの切削加工を行う。そして、切削工具５の切刃１１において、マージン幅１４は０．１～０．３ｍｍ、外周二番角１５は５～２０°である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いてワークを切削加工する切削加工システムであって、
前記ロボットアームは、先端に装着した切削工具を回転させて前記ワークの切削加工が可能であり、
前記切削工具は、螺旋状に形成される複数の切刃からなる刃部と、前記刃部に連設されて前記ロボットアームに装着されるシャンク部とを有し、
前記刃部の全体形状は、先端に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている一方、
切削加工時における前記ワークに対する前記切刃の外周接地面積が大きくなるように、各前記切刃のマージン幅が設定されていることを特徴とする切削加工システム。

【請求項2】

各前記切刃のマージン幅は、０．１～０．３ｍｍの範囲で設定されていることを特徴とする請求項１に記載の切削加工システム。

【請求項3】

各前記切刃が鈍角となるように、各前記切刃には、前記マージン幅から連なり各前記切刃の逃げを形成する外周二番角が設定され、
前記外周二番角は、５～２０°の範囲で設定されていることを特徴とする請求項１に記載の切削加工システム。

【請求項4】

前記刃部の軸線に対するテーパ角は、５～１０°であることを特徴とする請求項１に記載の切削加工システム。

【請求項5】

前記切削工具の回転数は、２００００ｒｐｍ～７００００ｒｐｍであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の切削加工システム。

【請求項6】

多関節構造のロボットアームを有してワークの切削加工に使用されるロボット装置の前記ロボットアームに装着される切削工具であって、
螺旋状に形成される複数の切刃からなる刃部と、前記刃部に連設されて前記ロボットアームに装着されるシャンク部とを有し、
前記刃部の全体形状は、先端に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている一方、
切削加工時における前記ワークに対する前記切刃の外周接地面積が大きくなるように、各前記切刃のマージン幅が設定されていることを特徴とする切削工具。

【請求項7】

各前記切刃のマージン幅は、０．１～０．３ｍｍの範囲で設定されていることを特徴とする請求項６に記載の切削工具。

【請求項8】

各前記切刃が鈍角となるように、各前記切刃には、前記マージン幅から連なり各前記切刃の逃げを形成する外周二番角が設定され、
前記外周二番角は、５～２０°の範囲で設定されていることを特徴とする請求項６に記載の切削工具。

【請求項9】

前記刃部の軸線に対するテーパ角は、５～１０°であることを特徴とする請求項６に記載の切削工具。

【請求項10】

多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いてワークを切削加工する切削加工方法であって、
前記ロボットアームに、請求項６乃至９に記載の切削工具を装着し、前記切削工具を回転させて前記ワークを切削加工することを特徴とする切削加工方法。

【請求項11】

前記切削工具の回転数は、２００００ｒｐｍ～７００００ｒｐｍであることを特徴とする請求項１０に記載の切削加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いて、加工対象のワークにミーリング加工、バリ取り加工、トリミング加工、面取り加工、横引き旋削加工などの切削加工を行う切削加工システム及び切削工具、切削加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、切削加工を行う際に、マシニングセンタなどの工作機械を用いた手法が広く知られている。しかし、工作機械による切削加工は、加工対象のワークにアプローチできる範囲が限定的であるため、加工の動作自由度向上が求められている。また、工作機械の設置には、広大なスペースが必要であるため省スペース化が求められている。
そこで、動作自由度の向上及び省スペース化を課題とする多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いた切削加工システムが考案されている。例えば、特許文献１に記載の多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いた切削加工システムは、工具からロボットのアームに負荷される力に基づいてアームを制御する力制御と、アームに取付けられた倣いガイドと機械加工物側に設置される倣い型とを接触させながらアームを移動させる外形倣い加工の併用によって、ロボットアームによる外形トリム加工等の重切削機械加工を行うことができるようにしたものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開番号ＷＯ２０１８／１２３２５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記従来の多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いた切削加工システムにおいて、樹脂及びガラスなどの非金属物をワークとする場合、切削加工を高速化してもワークが軟質あるいは脆質であり、ワークからの反力が小さくその影響を受けにくい。そのため、比較的スムーズに切削加工を行うことが可能である。
一方、アルミニウム合金、鉄などの金属ワークとなる場合、ワークからの反力が大きくなりその影響を受けやすい。多関節構造のロボットアームはその特性上、工作機械に比べて剛性が低いため、ワークからの反力に耐えられなくなると、びびり振動が発生して加工精度に影響を及ぼしたり、途中停止したりして安定した加工ができなくなってしまう。よって、切削加工を高速化することは容易ではなかった。
近年では、多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いた切削加工分野においては、動作自由度の向上及び省スペース化以外にも、更に、切削加工の高能率化が強く望まれているのが現状である。
加えて、工作機械であれば、高速高送り加工のためには、エンドミル等の切削工具の加工熱や摩擦熱による発熱を減らすために、加工時におけるワークに対する外周接地面積を減らす工具形状、すなわち、刃先先端を鋭利にして切削力を高めた工具形状とすることが一般的である。それに対して、多関節構造のロボットアームを用いたロボットシステムにおいて、切削加工を高速化するために、刃先先端を鋭利にして切削力を高めた工具を用いても、ロボットアームの剛性不足により鋭利さによる切削力を活かしきれず、びびり振動の発生やワークに刃先が食い込むことによる途中停止の原因となる。

【0005】

そこで、本発明は、このような問題に鑑み、ロボット装置を用いた切削加工システム及び切削加工方法は、螺旋状に形成される四枚の切刃からなる刃部を有し、マージン幅が０．１～０．３ｍｍの範囲で設定されて、外周二番角が５～２０°の範囲で設定される切削工具を用いることで、切刃のワークへの外周接地面積が増加する。そのため、切れ刃の加工物への食い込みが生じなくなり、再生びびり振動の減衰作用も伴うようになる。したがって、アルミニウム合金、鉄、鋳鉄などの金属製の硬質ワークを加工する場合であっても、ロボットアームにかかるワークからの反力の影響を強めることなく切削加工時の回転数を高くすることが可能である。よって、加工精度を保持しつつ、加工送り速度を高速化させることができ、切削加工システム及び切削加工方法の高能率化を図ることができる。また、回転数を高くすることで、切削速度が増加して、切りくず生成時のせん断角が大きくなり、切りくずは薄くなるので、せん断変形に要する切削力の反作用である反力を抑制するという付随効果も生じる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る切削加工システムは、多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いてワークを切削加工する切削加工システムであって、ロボットアームは、先端に装着した切削工具を回転させてワークの切削加工が可能であり、切削工具は、螺旋状に形成される複数の切刃からなる刃部と、刃部に連設されてロボットアームに装着されるシャンク部とを有し、刃部の全体形状は、先端に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている一方、切削加工時におけるワークに対する切刃の外周接地面積が大きくなるように、各切刃のマージン幅が設定されていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、各切刃のマージン幅は、０．１～０．３ｍｍの範囲で設定されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、各切刃が鈍角となるように、各切刃には、マージン幅から連なり各切刃の逃げを形成する外周二番角が設定され、外周二番角は、５～２０°の範囲で設定されていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、刃部の軸線に対するテーパ角は、５～１０°であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４に記載の発明において、切削工具の回転数は、２００００ｒｐｍ～７００００ｒｐｍであることを特徴とする。

【0007】

請求項６に記載の発明は、多関節構造のロボットアームを有してワークの切削加工に使用されるロボット装置のロボットアームに装着される切削工具であって、螺旋状に形成される複数の切刃からなる刃部と、刃部に連設されてロボットアームに装着されるシャンク部とを有し、刃部の全体形状は、先端に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている一方、切削加工時におけるワークに対する切刃の外周接地面積が大きくなるように、各切刃のマージン幅が設定されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、各切刃のマージン幅は、０．１～０．３ｍｍの範囲で設定されていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、各切刃が鈍角となるように、各切刃には、マージン幅から連なり各切刃の逃げを形成する外周二番角が設定され、外周二番角は、５～２０°の範囲で設定されていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、刃部の軸線に対するテーパ角は、５～１０°であることを特徴とする。

【0008】

請求項１０に記載の発明は、多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いてワークを切削加工する切削加工方法であって、ロボットアームに、請求項６乃至９に記載の切削工具を装着し、切削工具を回転させてワークを切削加工することを特徴とする切削加工方法。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、切削工具の回転数は、２００００ｒｐｍ～７００００ｒｐｍであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、アルミニウム合金、鉄、鋳鉄などの金属製の硬質ワークを加工する場合であっても、ワークに対する外周接地面積が敢えて増加する設定の切削工具をロボットシステムに組み込んでいる。そのため、ロボットアームにかかるワークからの反力の影響を強めることなく切削加工時の回転数を高くすることが可能である。よって、加工精度を保持しつつ、加工送り速度を高速化させることができ、切削加工システムの高能率化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係るロボット装置の斜視図である。

【図2】実施形態における切削工具の側面図である。

【図3】実施形態における切削工具の刃先を正面視した拡大図である。

【図4】図３におけるＡ部分拡大図である。

【図5】実施形態における切削工具の回転数が２００００ｒｐｍである際の負荷電流を表したグラフである。

【図6】実施形態における切削工具の回転数が４００００ｒｐｍである際の負荷電流を表したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を具体化した実施形態（以下、本実施例）を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に関するロボット装置１の一例を示した説明図である。
ロボット装置１は、ロボットアーム２と、筐体３とを有し、加工対象物であるワークＷを切削加工する。ここでは、切削加工として、ミーリング加工、バリ取り加工、トリミング加工、面取り加工、横引き旋削加工などがあげられる。

【0012】

ロボットアーム２は、多関節構造になっており、可動域において自在に操作可能である。また、ロボットアーム２は、フローティング機構を有するスピンドル４と、スピンドル４に取り付けられ、ワークＷを切削加工するための切削工具５とを有する。そして、ロボットアーム２は、切削工具５を回転させてワークＷを切削加工する。スピンドル４が有しているフローティング機構は、傾動型であって、スピンドル４に取り付けられた切削工具５がワークＷに合わせて傾いて、切削加工動作を安定させる。切削工具５の構造は追って記述する。

【0013】

筐体３は、ロボットアーム２が接続されているとともに、ワークＷを配置するための作業台６と、ロボットアーム２の動作を所定の加工プログラムに基づいて制御する制御部７とを有する。
ワークＷの材質としては、アルミニウム合金、鉄、鋳鉄、ダクタイル鋳鉄等の金属の他、切削加工の対象となる材質であれば、任意の材質、例えば非金属物質である樹脂等を切削加工の対象とすることができる。

【0014】

図２及び図３は、切削工具５の構造を示す説明図であって、図２は側面図、図３は刃先を正面視した図である。図４は、図３におけるＡ部分拡大図である。
切削工具５は螺旋状に形成される四枚の切刃１１からなる刃部１２と、刃部１２に連設されて、ロボットアーム２に装着されるシャンク部１３とを有するエンドミルである。刃部１２は、先端に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている。

【0015】

そして、アルミニウム合金等の金属であるワークＷを高い回転数で切削加工する際に、ワークＷからロボットアーム２へ生じる反力を低減するために、切削工具５のマージン幅１４が広く取られている。マージン幅１４は、図４に示すように切刃１１に連なり逃げが付いていない部分の幅である。マージン幅１４は、０．１～０．３ｍｍであることが好ましく、０．１～０．２５ｍｍであることがより好ましい。マージン幅１４が広く取られることで、十分な外周接地面積が得られ、切削加工時における剛性の向上に繋がり、びびり振動を抑制できるため、高速加工が可能となる。

【0016】

また、外周二番角１５は、切刃１１が鈍角になるように角度がつけられている。外周二番角１５は、マージン幅１４に連なり、切刃１１の逃げ角である。外周二番角１５は、５～２０°であることが好ましく、１０～１５°であることがより好ましい。外周二番角１５が上記の寸法であって、切刃１１が鈍角になることで、必要な切削力を確保したうえで、刃の厚みが増し、切削加工時における切削工具５の剛性が向上して、びびり振動を抑制できるため、高速加工が可能となる。

【0017】

また、刃部１２のねじれの向きは、切刃１１の向きと逆になっていることが好ましい。すなわち、右刃左ねじれ、又は左刃右ねじれとなっていることが好ましい。この場合、切削加工時に切削工具５をスピンドル４側に押し返す力が発生するため、切削工具５の離脱を防止できると共に主軸剛性が向上する。また、切りくずが切削工具５の先端側に排出されるため、切りくずの回収が容易となる。
また、切削工具５において、軸径１６がφ１～３ｍｍ、シャンク径１７がφ８～１２ｍｍ、テーパ角１８が５～１０°、ねじれ角１９が２０～５０°であることがより好ましい。

【0018】

以下、ワークＷがアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）である場合において、本実施例のロボット装置１が実際にワークＷを切削加工（バリ取り加工）する際の実測結果に基づいて説明する。
尚、以下の実測結果を計測した際の切削工具５は、螺旋状に形成される４枚の切刃１１からなり、切刃１１の向きが右刃であって、刃部１２のねじれの向きが左であるエンドミルである。また、実測結果を計測した際の切削工具５の寸法は、各切刃１１のマージン幅１４が０．１２ｍｍ、各切刃１１の外周二番角１５が１５°、軸径１６がφ１．５ｍｍ、テーパ角１８が８．５°、ねじれ角１９が４５°である。

【0019】

まず、ロボット装置１の切削加工時において、切削工具５がワークＷから受ける抵抗によって生じる負荷電流を表すグラフを図５及び図６に示す。図５は、切削工具５の回転数が２００００ｒｐｍである場合、図６は、切削工具５の回転数が４００００ｒｐｍである場合を示す。また、図５及び図６において、０～１０００ｍｓの範囲における電流値は、スピンドル開始時において発生する負荷によるものである。したがって、切削加工の影響による負荷電流ではないため、以下の説明において考慮しない。

【0020】

図５及び図６から、ロボット装置１による切削加工は、切削工具５の回転数が２００００ｒｐｍ及び４００００ｒｐｍである場合において、電流過負荷によって止まらずに、ワークＷに切削工具５が安定して接地しており、最後まで加工ができていることがわかる。
具体的な加工送り速度は、切削工具５の回転数が２００００ｒｐｍの場合、直線部では４５０ｍｍ／ｓ、堰部では７５ｍｍ／ｓ、曲線部では２２５ｍｍ／ｓである。また、加工送り速度は、切削工具５の回転数が４００００ｒｐｍの場合、直線部では６００ｍｍ／ｓ、堰部では１００ｍｍ／ｓ、曲線部では３００ｍｍ／ｓである。
尚、上述した実測結果を計測した際に切削除去をしたワークＷのバリは、直線部及び曲線部において、厚みが０．１～０．５ｍｍであった。また、上述した実測結果を計測した際に切削除去をしたワークＷのバリは、堰部において、厚みが１．０～３．０ｍｍであった。

【0021】

上述したような、実施形態におけるロボット装置１を用いた切削加工システム及び切削加工方法は、螺旋状に形成される四枚の切刃１１からなる刃部１２を有し、マージン幅１４が０．１～０．３ｍｍの範囲で設定されて、外周二番角１５が５～２０°の範囲で設定される切削工具５を用いることで、切刃１１のワークＷへの外周接地面積が増加する。そのため、アルミニウム合金、鉄、鋳鉄などの金属製の硬質ワークＷを加工する場合であっても、ロボットアーム２にかかるワークＷからの反力の影響を強めることなく切削加工時の回転数を高くすることが可能である。よって、加工精度を保持しつつ、加工送り速度を高速化させることができ、切削加工システム及び切削加工方法の高能率化を図ることができる。

【0022】

なお、本発明に係る多関節構造のロボットアームを有するロボット装置を用いた切削加工システムは、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、切削加工システムの全体的な構成は勿論、切削工具に係る構成等についても必要に応じて適宜変更することができる。

【0023】

例えば、ロボットアームに取り付けられる切削工具は、本実施例において螺旋状に形成される４枚の切刃を有しているが、２枚又は３枚の切刃であっても良い。
また、制御部は、ロボット装置と別体である構造であっても良い。例えばコンピュータ等の外部装置を制御部とすることがあげられる。
また、実施形態において回転数が２００００～４００００ｒｐｍの範囲で切削加工しているが、回転数が７００００ｒｐｍまでの範囲であれば、任意の回転数で切削加工を行うことができる。

【符号の説明】

【0024】

１・・ロボット装置、２・・ロボットアーム、３・・筐体、４・・スピンドル、５・・切削工具、６・・作業台、７・・制御部、１１・・切刃、１２・・刃部、１３・・シャンク部、１４・・マージン幅、１５・・外周二番角、１６・・軸径、１７・・シャンク径、１８・・テーパ角、１９・・ねじれ角、Ｗ・・ワーク。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】