(57)【要約】　　　（修正有）【課題】研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができ、これにより、被研磨対象物の被研磨面を精度よく研磨することができる研磨装置及び研磨方法を提供すること。【解決手段】本発明では、被研磨対象物９の被研磨面１０の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具５を変位移動可能なアームの先端に取付け、同アームを研磨工具５の姿勢を保持したまま変位させることによって研磨工具５の研磨面を被研磨対象物９の被研磨面に点接触状態にて押圧しながら被研磨対象物９の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具５の研磨面と被研磨対象物９の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具５の研磨面と被研磨対象物９の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるようにアームの変位量を制御すべく構成した。【選択図】　　　　　図３
2004122255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を変位移動可能なアームの先端に取付け、同アームを研磨工具の姿勢を保持したまま変位させることによって研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧しながら被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるようにアームの変位量を制御すべく構成したことを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更することを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】
被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧するとともに、研磨工具の姿勢を保持したまま研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具先端部と被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるべく制御することを特徴とする研磨方法。
【請求項４】
被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更することを特徴とする請求項３記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨装置及び研磨方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金型の製造に際しては、ＮＣ加工装置などを用いた自動化が進められてきている。
【０００３】
しかしながら、金型製造の仕上げ工程である研磨工程にあっては、金型表面を高精度に研磨する研磨装置が存在しないことから、熟練者による研磨工具を用いた手作業で行われていた。
【０００４】
そのため、近年では、研磨工程を自動的に行う研磨装置がいくつか提案されてきている。
【０００５】
たとえば、特許文献１に開示されている研磨装置では、多関節ロボットのアームの先端に回転駆動機構を取付け、同回転駆動機構に研磨工具としての砥石を取付けており、回転駆動機構で砥石を回転させながら被研磨対象物の被研磨面に沿って砥石を移動させることによって研磨を行うように構成している。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている研磨装置では、マシニングセンタに回転駆動機構を取付け、同回転駆動機構に研磨工具としての砥石を取付けており、回転駆動機構で砥石を回転させながら被研磨対象物の被研磨面に沿って砥石を移動させることによって研磨を行うように構成している。
【０００７】
また、特許文献３に開示されている研磨装置では、超音波振動子に研磨工具としての振動板を取付けており、被研磨対象物の被研磨面に振動板を当接し、超音波振動子で振動板を振動させることによって研磨を行うように構成している。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−１００７５４号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平１０−１６６２６７号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開平１１−３４７８９４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の研磨装置にあっても被研磨対象物の被研磨面を高精度に研磨することができなかった。
【００１２】
すなわち、上記従来の研磨装置にあっては、回転駆動機構や超音波振動子を用いて研磨工具を回転又は振動させることによって研磨を行っていたため、回転や振動の発生時に駆動ノイズも同時に発生してしまい、かかる駆動ノイズの影響で研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間の押圧力を精度よく検出することができず、これにより、研磨工具の位置や姿勢を高精度に制御することができなかった。
【００１３】
また、回転や振動による研削力が強く作用してしまい、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を微調整することが困難であった。
【００１４】
また、多関節ロボットやマシニングセンタによって研磨工具だけでなく回転駆動機構や超音波振動子などの重量物をも持ち上げなければならず、これによっても、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を微調整することが困難であった。
【００１５】
このように、従来の研磨装置では、金型などの表面を大雑把に研磨することはできたが、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を微調整することができなかったため、複雑な曲面を有する金型の仕上げ加工などには実用的ではなかった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１に係る本発明では、被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を変位移動可能なアームの先端に取付け、同アームを研磨工具の姿勢を保持したまま変位させることによって研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧しながら被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるようにアームの変位量を制御すべく構成した。
【００１７】
また、請求項２に係る本発明では、前記請求項１に係る本発明において、被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更することにした。
【００１８】
また、請求項３に係る本発明では、被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧するとともに、研磨工具の姿勢を保持したまま研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具先端部と被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるべく制御することにした。
【００１９】
また、請求項４に係る本発明では、前記請求項３に係る本発明において、被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更することにした。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る研磨装置は、多関節ロボットのアームの先端に取付けた研磨工具としての砥石で被研磨対象物の被研磨面を研磨するものである。
【００２１】
そして、被研磨対象物の被研磨面の曲率半径よりも小さな曲率半径の球面状の研磨面を有する研磨工具を変位移動可能なアームの先端に取付け、同アームを研磨工具の姿勢を保持したまま変位させることによって研磨工具の研磨面を被研磨対象物の被研磨面に点接触状態にて押圧しながら被研磨対象物の被研磨面に沿って移動させ、しかも、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力が所定の研磨力となるようにアームの変位量を制御すべく構成したものである。
【００２２】
このように、本発明に係る研磨装置では、研磨工具の姿勢を保持したまま変位させており、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力を研磨力として被研磨面に作用させている。
【００２３】
したがって、本発明に係る研磨装置では、従来の研磨装置とは異なり、回転駆動機構や超音波振動子を用いて研磨工具を回転又は振動させることをしていないため、研磨作業時に駆動ノイズが発生するのを防止することができ、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間の押圧力を精度よく検出することができ、これにより、研磨工具の位置や姿勢を高精度に制御することができる。
【００２４】
しかも、研磨工具を回転や振動させないことから、研磨力を必要最小限に抑制することができ、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができる。
【００２５】
また、多関節ロボットのアームで軸付き砥石などの比較的軽量な研磨工具だけを持ち上げればよくなり、これによっても、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができる。
【００２６】
特に、被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更させた場合には、研磨工具の先端部を全体にわたって研磨面として有効に活用することができ、これにより、研磨工具の長寿命化を図ることができる。
【００２７】
このように、本発明に係る研磨装置では、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができるので、複雑な曲面を有する金型の仕上げ加工などに実用的に適用することができる。
【００２８】
なお、本発明は、上記研磨装置の構造に特徴を有するとともに、その制御方法である研磨方法にも特徴を有するものである。
【００２９】
以下に、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３０】
本発明に係る研磨装置１は、図１及び図２に示すように、多関節ロボット２のアーム３の先端部に力覚センサ４の上面を取付け、同力覚センサ４の下面に研磨工具５をアタッチメント６を介して着脱自在に取付けている。図中、１２は多関節ロボット２のアーム３の位置や姿勢を変更させるための制御装置である。
【００３１】
多関節ロボット２は、アーム３の位置や姿勢を変更制御することによってアーム３の先端に設けた研磨工具５を変位移動させることができるものであればよく、本実施例では、オープンアーキテクチャ型の産業用ロボットを用いている。
【００３２】
力覚センサ４は、右手座標系におけるＸ、Ｙ、Ｚ方向の力覚値を独立して検出することができる３自由度のものを用いている。
【００３３】
研磨工具５は、図２に示すように、アタッチメント６に取付ける支持体７の先端部に略筒状の砥石８を連設している。
【００３４】
しかも、研磨工具５（砥石８）の先端部は、図２及び図３に示すように、被研磨対象物９の被研磨面１０の曲率半径ｒよりも小さな曲率半径Ｒの半球面状の研磨面１１としている。
【００３５】
これは、被研磨対象物９の被研磨面１０の全面にわたって研磨工具５の研磨面１１で研磨できるようにするためである。なお、被研磨対象物９の被研磨面１０が３次元自由曲面であって凹凸がある場合には、その凹凸部分での曲率半径ｒを考慮して研磨工具５の研磨面１１の曲率半径Ｒを決定する。
【００３６】
研磨装置１は、以上のように構成しており、制御装置１２で多関節ロボット２を次に説明するように制御することによって研磨工具５の研磨面１１で被研磨対象物９の被研磨面１０を研磨する。
【００３７】
まず、制御装置１２は、多関節ロボット２のアーム３を研磨工具５の姿勢を保持したまま変位させることによって、研磨工具５の研磨面１１を被研磨対象物９の被研磨面１０に点接触状態にて押圧させる（図３中、符号（ａ）で示す。）。なお、本実施例では、研磨工具５の姿勢を鉛直下向き（−Ｚ方向）の姿勢としている。研磨工具５の姿勢は、特に鉛直下向き姿勢に限定されるものではなく、いかなる姿勢であってもよく、その姿勢を保持したままアーム３によって研磨工具５を変位移動させることができればよい。
【００３８】
次に、制御装置１２は、多関節ロボット２のアーム３を研磨工具５の姿勢を保持したまま変位させることによって、研磨工具５の研磨面１１を被研磨対象物９の被研磨面１０に沿って移動させる（図３中、符号（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）で示す。）。
【００３９】
ここで、制御装置１２は、多関節ロボット２のアーム３で研磨工具５を変位移動させる際に、研磨工具５の研磨面１１を被研磨対象物９の被研磨面１０に点接触させた状態を保持しながら変位移動させるようにしている。
【００４０】
しかも、制御装置１２は、研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１１との押圧力ｆと研磨工具５の先端部（研磨面１１）の移動によって研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１０との間で発生する運動摩擦力ｆ　ｄと粘性摩擦力ｆｓとの合力Ｆが所定の研磨力Ｆｄとなるようにアーム３の変位量を制御するようにしている。
【００４１】
ここで、研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１１との押圧力ｆは、右手座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ各方向の押圧力成分をそれぞれｆｘ，ｆｙ，ｆｚとすると、押圧力ｆ（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ）と表記され、研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１０との接触点における研磨工具５の法線方向速度Ｖｎ（Ｖｎｘ，Ｖｎｙ，Ｖｎｚ）により与えられる。
【００４２】
また、研磨工具５の先端部（研磨面１１）の移動によって発生する運動摩擦力ｆｄは、運動摩擦係数をμとし、研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１０との接触点における研磨工具５の接線方向速度をＶｔ（Ｖｔｘ，Ｖｔｙ，Ｖｔｚ）とすると、ｆｄ＝−μ・｜ｆ｜・（Ｖｔ／｜Ｖｔ｜）と表され、運動摩擦係数μと研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１０との接触点における研磨工具５の接線方向速度Ｖｔ（Ｖｔｘ，Ｖｔｙ，Ｖｔｚ）とにより与えられる。
【００４３】
また、研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１０との間で発生する粘性摩擦力ｆｓは、粘性摩擦係数をηとすると、ｆｓ＝−η・Ｖｔと表され、粘性摩擦係数ηと研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１０との接触点における研磨工具５の接線方向速度Ｖｔ（Ｖｔｘ，Ｖｔｙ，Ｖｔｚ）とにより与えられる。
【００４４】
したがって、制御装置１２は、押圧力ｆと運動摩擦力ｆｄと粘性摩擦力ｆｓとの合力Ｆ（Ｆ＝ｆ＋ｆｄ＋ｆｓ＝ｆ−μ・｜ｆ｜・（Ｖｔ／｜Ｖｔ｜）−η・Ｖｔ）が予め設定しておいた所定の研磨力と等しくなるように、研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１０との接触点における研磨工具５の法線方向速度Ｖｎと接線方向速度Ｖｔとをフィードバック制御により決定し、かかる法線方向速度Ｖｎと接線方向速度Ｖｔとからアーム３の変位量を決定するようにしている。
【００４５】
なお、多関節ロボット２のアーム３の力制御については、公知の制御方法を用いることができる（たとえば、特願平１０−１７３５０９号公報や特願平１１−２４１７７１号公報参照。）。
【００４６】
そして、制御装置１２は、予め用意しておいた初期軌道Ｔ１（Ｔ１ｘ　（ｊ）　，Ｔ１ｙ　（ｊ）　，Ｔ１ｚ　（ｊ））を適宜修正しながら研磨工具５を移動させる。ここで、ｊ＝１，２，３・・・ｋ（ｋは正整数）であり、初期軌道Ｔ１はｋ行のベクトルから構成されている。
【００４７】
これにより、研磨工具５の研磨面１１が被研磨対象物９の被研磨面１０と点接触しながら移動し、被研磨対象物９の被研磨面１０が研磨工具５の研磨面１１によって研磨される。ここで、初期軌道Ｔ１は、研磨工具５の先端部が半径Ｒの半球面であることを考慮し、研磨工具５の研磨面１１が被研磨対象物９の被研磨面１０と点接触しながら移動できるようにオフセットした研磨工具５の先端中心位置での軌道としている。
【００４８】
すなわち、制御装置１２は、研磨工具５の先端部の軌道を初期軌道Ｔ１に沿ってフィードフォワード制御するとともに、前述したようにして押圧力ｆと運動摩擦力ｆｄと粘性摩擦力ｆｓとの合力Ｆが所定の研磨力Ｆｄとなるように法線方向速度Ｖｎと接線方向速度Ｖｔとをフィードバック制御によって決定するとともに、これらの法線方向速度Ｖｎと接線方向速度Ｖｔとからアーム３の変位量を決定し、これにより初期軌道Ｔ１を適宜修正するようにしている。
【００４９】
その際に、制御装置１２は、初期軌道Ｔ１に修正を加えた軌道、すなわち、研磨工具５の先端部が実際に通過する実軌道をＴｎ（Ｔｎｘ　（ｊ）　，Ｔｎｙ　（ｊ）　，Ｔｎｚ　（ｊ））（ここで、ｎは回数を示す。）として記憶しておき、次回の研磨作業時に前回の実軌道Ｔｎを初期の目標軌道として用いることができるようにしている。
【００５０】
このように、初期の目標軌道を更新していくことで、被研磨対象物９の研磨作業を繰り返し行うことによって目標軌道が最適化され、研磨力Ｆの偏差を可及的に小さくすることができ、被研磨対象物９の被研磨面１０をより一層高精度に研磨することができる。
【００５１】
また、本実施例では、制御装置１２は、研磨工具５の研磨面１１を被研磨対象物９の被研磨面１０に沿って移動させる途中で、研磨工具５の先端部の研磨面１１を変更させるようにしている。
【００５２】
すなわち、制御装置１２は、研磨工具５の研磨面１１と被研磨対象物９の被研磨面１０との間で回転運動による摩擦力が作用しない範囲でアーム３の先端部を回転させながら、研磨工具５の研磨面１１を被研磨対象物９の被研磨面１０に沿って移動させている。なお、研磨工具５の研磨面１１の変更は、研磨工具５を非常に低速度で連続的に回転させてもよく、また、所定箇所において研磨工具５を非常に低速度で断続的に回転させてもよい。
【００５３】
このように、研磨工具５の研磨面１１の変更することによって、研磨工具５の先端部を全体にわたって研磨面１１として有効に活用することができ、これにより、研磨工具５の長寿命化を図ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００５５】
すなわち、本発明では、研磨工具の姿勢を保持したまま変位させており、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との押圧力と研磨工具先端部の移動により研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間で生じる運動摩擦力と粘性摩擦力との合力を研磨力として被研磨面に作用させている。
【００５６】
そのため、従来の研磨装置とは異なり、回転駆動機構や超音波振動子を用いて研磨工具を回転又は振動させることをしていないので、研磨作業時に駆動ノイズが発生するのを防止することができ、研磨工具の研磨面と被研磨対象物の被研磨面との間の研磨力を精度よく検出することができ、これにより、研磨工具の位置や姿勢を高精度に制御することができる。
【００５７】
しかも、研磨工具を回転や振動させないことから、研磨力を必要最小限に抑制することができ、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができる。
【００５８】
また、多関節ロボットのアームで比較的軽量な研磨工具だけを持ち上げればよくなり、これによっても、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができる。
【００５９】
このように、本発明では、研磨時に被研磨面に作用する研磨力を容易に微調整することができ、これにより、被研磨対象物の被研磨面を精度よく研磨することができる。
【００６０】
特に、被研磨対象物の被研磨面に沿って移動する途中で研磨工具先端部の研磨面を変更させた場合には、研磨工具の先端部を全体にわたって研磨面として有効に活用することができ、これにより、研磨工具の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る研磨装置の全体説明図。
【図２】研磨工具の拡大説明図。
【図３】研磨方法を示す説明図。
【符号の説明】
１　研磨装置
２　多関節ロボット
３　アーム
４　力覚センサ
５　研磨工具
６　アタッチメント
７　支持体
８　砥石
９　被研磨対象物
１０　被研磨面
１１　研磨面
１２　制御装置
【図１】
2004122255.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004122255.tif 000005