JP5946854B2

JP5946854B2 - 工作機械の加工完了時刻を予測する機能を有するロボット制御装置

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Publication number: JP5946854B2
Application number: JP2014060613A
Authority: JP
Inventors: 浩次西
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: CN104950794B; DE102015003436B4; JP2015182173A; DE102015003436A1; US20150268659A1; CN104950794A; US9715227B2

Description

本発明は、工作機械の加工完了時刻を予測する機能を有するロボット制御装置に関する。

一般に、ロボットを用いて工作機械にワークを搬送する場合、ワークの加工完了後に工作機械からロボット制御装置に対しワーク交換要求信号を出力し、ロボットは、このワーク交換要求信号を受けてからワークの交換準備動作を開始する。しかしながら、ワーク交換要求信号を受けてからワークの交換準備動作を開始したのでは、ワークの交換準備動作中、工作機械は加工を行わずに待機した状態となり、工作機械の稼働率が低下する。これに対し、ワークの加工開始前にロボットによるワークの交換準備動作を開始し、交換準備動作の完了後、ワークの加工が完了して交換要求信号が出力されるまで、ロボットを待機させるようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−１４９２１６号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置のように、交換要求信号が出力されるまでロボットを待機させたのでは、ロボットの稼働率が低下する。

本発明の一態様は、工作機械を制御する工作機械制御装置と、ロボットを制御するロボット制御装置とを備えた加工システムであって、工作機械制御装置は、ワークの加工開始時に加工開始信号を出力する信号出力部を有し、ロボット制御装置は、初期位置から工作機械に隣接した第１位置までワークを搬送する第１動作と、第１位置まで搬送されたワークを工作機械の加工領域内の第２位置まで搬送する第２動作とを行うように、ロボットの動作指令を出力する動作指令部と、信号出力部から出力された加工開始信号に基づき、工作機械におけるワークの加工完了時刻を予測する時刻予測部と、ロボットの第１動作に要する時間を予測する時間予測部と、時刻予測部により予測された加工完了時刻と時間予測部により予測された時間とに基づき、加工完了時刻に第１動作が完了するような第１動作の開始時刻を決定する時刻決定部とを有し、信号出力部は、さらにワークの加工完了時に加工完了信号を出力し、ロボット制御装置は、信号出力部から出力された加工開始信号と加工完了信号とにそれぞれ対応した加工開始時刻と加工完了時刻とを記憶する加工時刻記憶部をさらに有し、加工時刻記憶部は、工作機械ごとに加工開始時刻と加工完了時刻を記憶し、時刻予測部は、加工時刻記憶部に工作機械ごとに記憶された、既に加工が完了した同一種類のワークの加工についての加工開始時刻と加工完了時刻とに基づき、加工中のワークの加工完了時刻を予測し、ロボット制御装置は、第１動作が完了する度に、該第１動作に要した第１動作時間を記憶する搬送時間記憶部をさらに有し、時間予測部は、搬送時間記憶部に記憶された過去の第１動作時間に基づき、今回の第１動作に要する時間を予測することを特徴とする。

本発明によれば、工作機械が加工を完了する時刻にロボットの第１動作が完了するようにしたので、加工完了後、即座にロボットが第２動作を開始することができ、ロボットの稼働効率を高めることができる。

本発明の実施形態に係る加工システムの構成を概略的に示す図。本発明の実施形態に係る加工システムの制御構成を示すブロック図。図２の記憶部に記憶される加工データの一例を示す図。図２の工作機械制御装置およびロボット制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャート。

以下、図１〜図４を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る加工システム１００の構成を概略的に示す図である。加工システム１００は、ワークＷを加工する工作機械１と、工作機械１にワークＷを搬送するロボット２と、工作機械１を制御する工作機械制御装置３と、ロボット２を制御するロボット制御装置４とを有する。加工システム１００は、ロボット２を用いて工作機械１にワークＷを自動搬送し、工作機械１でワークＷの加工を行う。なお、図示は省略するが、加工システム１００は、複数（例えば２台）の工作機械１（第１工作機械Ｘ、第２工作機械Ｙ）を含み、複数の工作機械１で互いに同一または別々の加工を行う。

ロボット２は、例えば垂直多関節型の産業用ロボットである。ロボット２は、基部２ａと、基部２ａに回動可能に支持されたアーム２ｂと、アーム２ｂの先端部に設けられた把持装置２ｃとを有し、把持装置２ｃによりワークＷが把持されている。ロボット２は、サーボモータ２０（図２）により駆動され、ワークＷを移動できる。

工作機械１は、例えばマシニングセンタ等の数値制御工作機械であり、ロボット２の側方に配置されている。工作機械１の内部の加工領域１ａには、開閉可能なドア１ｂを介してロボット２の先端部が進退可能である。工作機械１は、工作機械制御装置３からの指令により、加工領域１ａ内に供給されたワークＷを工作機械１の加工テーブル上に保持し、ワークＷを加工（例えば切削加工）する。なお、加工テーブルを介さずにワークＷを加工することもできる。

ロボット２の側方のワーク載置ステーションには、ワーク載置台５が設けられ、ワーク載置台５上に、加工前のワークＷが載置されている。なお、ワーク載置台５上に載置されたワークＷの位置を、初期位置Ｐ０と呼ぶ。ロボット２は、ロボット制御装置４からの指令により、ワーク載置台５上のワークＷを把持し、初期位置Ｐ０から工作機械１に隣接した第１位置Ｐ１までワークＷを搬送する。この初期位置Ｐ０から第１位置Ｐ１までのワークＷの搬送動作を準備動作と呼ぶ。

さらに、ロボット２は、第１位置Ｐ１から工作機械１の加工領域１ａ内の第２位置Ｐ２までワークＷを搬送し、工作機械１と連動してワークＷを交換する。すなわち、加工前のワークＷを工作機械１に受け渡し、加工済みのワークＷを工作機械１から受け取る。この第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２までのワークＷの搬送動作をワーク交換動作と呼ぶ。

以上のように構成された加工システム１００において、工作機械１のドア１ｂは、工作機械制御部３からの指令により、ワーク加工時には閉じられ、ワークＷの加工完了後に開放される。したがって、ロボット２によるドア１ｂを介したワーク交換動作は、ワークＷの加工完了後に可能となる。この場合、ワークＷの加工完了後にロボット２が準備動作を開始したのでは、工作機械１が加工を行わずに待機する時間が長くなり、工作機械１の稼働率が低下する。

一方、ワークＷの加工開始と同時にロボット２が準備動作を開始したのでは、準備動作の完了後、交換動作を行うまでの待機時間が長くなり、ロボット２の稼働率が低下する。すなわち、ロボット２は、準備動作とワーク交換動作だけでなく、他の作業に係る動作（その他の作業動作）も行う。他の作業とは、例えば、加工後のワークＷの寸法測定、バリ取り、洗浄、あるいは加工後のワークＷが載置されるワーク載置ステーションへの搬送等である。したがって、効率よい加工システム１００を構築するためには、待機時間を短くしてロボット２に他の作業を行わせることが好ましい。そこで、本実施形態では、以下のように加工システム１００を構成する。

図２は、本発明の実施形態に係る加工システム１００の制御構成を示すブロック図である。図２に示すように、第１工作機械１および第２工作機械１の工作機械制御装置３は、各々の工作機械１のアクチュエータに動作指令を出力する動作指令部１１と、信号出力部１２とを有する。信号出力部１２は、ワークＷの加工開始時に加工開始信号を出力するとともに、ワークＷの加工完了時に加工完了信号を出力する。さらに、ワークＷの種類（品種）に応じたワーク識別信号も出力する。動作指令部１１は、加工完了信号を出力するときに、ドア駆動用アクチュエータに開放信号を出力し、ドア１ｂを開放する。これによりロボット２によるワーク交換動作が可能となる。

ロボット制御装置４は、入力部２１と、記憶部２２と、加工完了時刻予測部２３と、準備動作時間予測部２４と、準備開始時刻決定部２５と、動作指令部２６とを有する。入力部２１には、信号出力部１２から出力された加工開始信号、加工完了信号およびワーク識別信号が入力される。加工開始信号が入力された時刻および加工完了信号が入力された時刻は、それぞれ加工開始時刻および加工完了時刻に相当する。

記憶部２２は、入力部２１を介して入力された信号に基づき、ワークＷの種類毎に、加工開始時刻と加工完了時刻とを記憶する。さらに、記憶部２２は、ロボット１０が準備動作を開始した時刻（準備開始時刻）と準備動作を完了した時刻（準備完了時刻）とを記憶する。

図３は、記憶部２２に記憶される加工データ、すなわちワーク加工によって得られたデータの一例を示す図である。図３に示すように、記憶部２２には、加工済の複数のワークＷに対応して複数組（図では７組）の加工データＤ１〜Ｄ７が記憶されている。各組の加工データＤ１〜Ｄ７は、加工開始時刻と加工完了時刻と準備開始時刻と準備完了時刻とを含み、これら加工データは、ワークＷの品種（Ａ，Ｂ）とワークＷを加工した工作機械１の種別（第１工作機械Ｘ，第２工作機械Ｙ）とともに記憶されている。

信号出力部１２から入力部２１に加工開始信号が入力されると、加工完了時刻予測部２３は、加工開始信号に基づき、加工中のワークＷの品種とワークＷを加工している工作機械１とを特定する。そして、記憶部２２に記憶されたデータの中から、同一の工作機械１により得られた同一品種のワークＷの加工データの組を検索し、その加工データの組に含まれる加工終了時刻と加工開始時刻との差である加工時間を算出する。

図３の例では、ワークＷの品種がＡで工作機械１がＸであるとき、複数組の加工データＤ１，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ７が検索され、複数組の加工データＤ１，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ７からそれぞれ加工時間（Ｔ１２−Ｔ１１，Ｔ３２−Ｔ３１，Ｔ５２−Ｔ５１，Ｔ７１−Ｔ７２）が算出される。この場合には、加工完了時刻予測部２３は、４つの加工時間の平均値を加工時間として算出する。そして、加工開始時刻が入力された現在の時刻にこの加工時間（平均値）を加算し、これが加工完了時刻であると予測する。

準備動作時間予測部２４は、記憶部２２に記憶された加工データの中から、同一品種のワークＷを同一種類の工作機械１に搬送した場合の加工データの組を検索し、その加工データの組に含まれる準備開始時刻と準備完了時刻との差である準備動作時間を算出する。複数組の加工データが検索されて、複数の準備動作時間が算出された場合には、準備動作時間予測部２４は、それらの平均値が準備動作時間であると予測する。なお、例えば工作機械１で加工中のワークＷの品種がＡで、その工作機械１に搬送されるワークＷの品種がＢであるとき、準備動作時間予測部２４は、加工完了時刻予測部２３とは異なる加工データの組から準備動作時間を予測する。

準備開始時刻決定部２５は、加工完了時刻予測部２３で予測された加工完了時刻から、準備動作時間予測部２４で予測された準備動作時間を減算することにより、準備動作の開始時刻を算出する。そして、この準備動作開始時刻と現在時刻とを比較部２５０で比較し、現在時刻が準備動作開始時刻に到達すると、準備開始時刻決定部２５は動作指令部２６に準備動作開始指令を出力する。

動作指令部２６は、ワーク交換動作の指令を出力するワーク交換動作部２６１と、準備動作の指令を出力する準備動作部２６２と、その他の作業動作の指令を出力する作業動作部２６３とを有する。準備動作部２６２は、準備動作開始時刻決定部２５から準備動作開始指令が出力されると、サーボモータ２０に制御信号を出力してロボット２を駆動し、ワークＷを初期位置Ｐ０から第１位置Ｐ１に搬送する。すなわち、ロボット２に準備動作を行わせる。このとき、準備動作を開始した時刻および準備動作が完了した時刻を、それぞれ準備開始時刻および準備完了時刻として記憶部２２に記憶する（図３参照）。

ワーク交換動作部２６１は、準備動作が完了し、かつ、工作機械１の信号出力部１１から加工完了信号が出力されると、サーボモータ２０に制御信号を出力してロボット２を駆動し、ワークＷを第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に搬送する。すなわち、ロボット２にワーク交換動作を行わせる。ワーク交換動作が完了すると、ワーク交換動作部２６１は、工作機械制御装置３に交換完了信号を出力する。これにより工作機械１はドア１ｂを閉鎖し、ワークＷの加工を開始する。作業動作部２６３は、準備動作の開始前に、サーボモータ２０に制御信号を出力してロボット２を駆動し、その他の作業を実行させる。

図４は、工作機械制御装置３で実行される処理（工作機械制御処理）およびロボット制御装置４で実行される処理（ロボット制御処理）の一例を示すフローチャートである。まず、工作機械制御処理について説明する。

ステップＳ１では、信号出力部１２での処理により、ロボット制御装置４の入力部２１に対し加工開始信号を送信する。このとき、ドア１ｂは閉鎖されている。ステップＳ２では、動作指令部１１での処理により、予め定められた加工プログラムに従い工作機械１を制御してワークＷの加工を実行する。ワークＷの加工が完了すると、ステップＳ３で、信号出力部１２での処理により、入力部２１に対し加工完了信号を送信するとともに、動作指令部１１での処理により、ドア駆動用のアクチュエータに開放信号を出力し、ドア１ｂを開放する。その後、ロボット制御装置２の動作指令部２６からワークＷの交換完了信号が送信されるまで、工作機械１は動作を行わずに待機する。ワーク交換作業中のロボット２が工作機械１に不所望に干渉することを防止できる。

ステップＳ４で、交換完了信号を受信すると、動作指令部１１での処理によりドア駆動用のアクチュエータに閉鎖信号を出力し、ドア１ｂを閉鎖する。次いで、ステップＳ１に戻り、同様の処理を繰り返す。繰り返しの処理では、工作機械１は、ロボット２により搬送された新たなワークＷを加工する。

次に、ロボット制御処理について説明する。ステップＳ１１で、入力部２１が工作機械１から送信された加工開始信号を受信すると、現在時刻を加工開始時刻として記憶部２２に記憶した後、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、加工完了時刻予測部２３での処理により、ワークＷの品種および工作機械１の種別に対応した加工時間の平均値を、記憶部２２に記憶された加工開始時刻と加工完了時刻との差から算出し、この加工時間を現在時刻（加工開始時刻）に加算することにより加工完了時刻を予測する。次いで、ステップＳ１３で、準備動作時間予測部２４での処理により、ワークＷの品種および工作機械１の種別に対応した準備動作時間の平均値を、記憶部２２に記憶された準備開始時刻と準備完了時刻との差から算出し、準備動作時間を予測する。

ステップＳ１４では、準備動作開始時刻決定部２５での処理により、加工完了時刻から準備動作時間を減算して準備動作開始時刻を決定する。次いで、ステップＳ１５で、比較部２５０での処理により、現在時刻が準備動作開始時刻に到達したか否かを判定する。ステップＳ１５が否定されるとステップＳ１６に進み、作業動作部２６３での処理により、ロボット２に他の作業を行わせる。ステップＳ１５が肯定されるとステップＳ１７に進み、準備開始時刻決定部２５が準備動作開始指令を出力して、準備動作部２６２での処理により準備動作を開始させるとともに、現在時刻を準備動作開始時刻として記憶部２２に記憶する。これによりワークＷが初期位置Ｐ０から第１位置Ｐ１に搬送される。準備動作が完了すると、その時刻を準備動作完了時刻として記憶部２２に記憶する。

準備動作の完了後に、ステップＳ１８で、入力部２１が加工完了信号を受信すると、ステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、ワーク交換動作部２６１での処理により、ロボット２にワーク交換動作を行わせる。これによりワークＷが第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に搬送される。ワーク交換動作が完了すると、ステップＳ２０に進み、ワーク交換動作部２６１は、工作機械制御装置１に対し交換完了信号を送信する。次いで、ステップＳ１１に戻り、同様な処理を繰り返す。

本実施形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）加工システム１００は、工作機械１を制御する工作機械制御装置３と、ロボット２を制御するロボット制御装置４とを備える。工作機械制御装置３は、ワークＷの加工開始時に加工開始信号を出力する信号出力部１２を有する。一方、ロボット制御装置４は、初期位置Ｐ０から第１位置Ｐ１までワークＷを搬送する準備動作と、第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２までワークＷを搬送するワーク交換動作とを行うようにロボット２の動作指令を出力する動作指令部２６と、信号出力部１２から出力された加工開始信号に基づき、工作機械１におけるワークＷの加工完了時刻を予測する加工完了時刻予測部２３と、ロボット２の準備動作に要する時間を予測する準備動作時間予測部２４と、予測された加工完了時刻と予測された準備動作時間とに基づき、加工完了時刻に準備動作が完了するような準備動作の開始時刻を決定する準備開始時刻決定部２５とを有する。これによりロボット２は、準備動作を完了した直後にワーク交換動作を行うようになるため、準備動作の完了後のロボット２の待機時間をなくすことができ、ロボット２の稼働効率が向上する。

（２）ロボット制御装置４は、信号出力部１２から出力された加工開始信号と加工完了信号とにそれぞれ対応した加工開始時刻と加工完了時刻とを記憶する記憶部２２を有し、加工完了時刻予測部２３は、記憶部２２に記憶された、既に加工が完了したワークＷについての加工開始時刻と加工完了時刻とに基づき、加工中のワークＷの加工完了時刻を予測するようにしたので、加工完了時刻を容易に予測できる。

（３）記憶部２２は、信号出力部１２から出力されたワーク識別信号に基づき、ワーク種類毎に加工開始時刻と加工完了時刻とを記憶し、加工完了時刻予測部２３は、記憶部２２に記憶され、かつ、既に加工が完了した、加工中のワークＷと同一種類のワークＷについての加工開始時刻と加工完了時刻とに基づき、加工中のワークＷの加工完了時刻を予測するようにしたので、加工完了時刻を精度よく予測できる。

（４）記憶部２２は、準備動作を行う度にその開始時刻と完了時刻とを記憶し、準備動作時間予測部２４は、記憶部２２に記憶された過去の準備開始時刻と準備完了時刻とに基づき、今回の準備動作時間を予測するようにしたので、準備動作時間を容易に予測できる。

（５）ロボット２は、工作機械１から加工完了信号を受信した後にワーク交換動作を行うようにしたので（ステップＳ１８，ステップＳ１９）、加工完了時刻や準備動作時間の予測値が実際の加工完了時刻や準備動作時間と異なる場合であっても、ロボット２は、工作機械１が加工を完了する前にワーク交換動作を開始することがなく、安全性に優れる。

（６）現在時刻が準備動作開始時刻に到達するまで、ロボット２は他の作業を行うようにしたので（ステップＳ１５，ステップＳ１６）、準備動作開始前の待機時間を短縮することができ、この点でもロボット２の稼働効率が向上する。

なお、上記実施形態では、複数の工作機械１に信号出力部１２を設けてワークＷの加工開始時に加工開始信号を出力するようにしたが、工作機械１は１台でもよい。上記実施形態では、準備動作（第１動作）により、工作機械１のドア１ｂに面した第１位置Ｐ１までワークＷを搬送するようにしたが、工作機械１にドア１ｂを設けなくてもよく、工作機械１の加工領域１ａの近傍であれば、第１位置Ｐ１は上述したものに限らない。したがって、ワーク交換動作（第２動作）により、ワークＷを第１位置Ｐ１から加工領域１ａの第２位置Ｐ２まで搬送する場合、ロボット２は工作機械１のドア１ｂを介して第２動作を行わなくてもよい。すなわち、動作指令部としての準備動作部２６２とワーク交換動作部２６１の構成は上述したものに限らない。

上記実施形態では、既に加工されたワークＷの加工開始信号と加工完了信号とを加工時刻記憶部としての記憶部２２に記憶し、記憶部２２に記憶されたこれら加工開始信号と加工完了信号とに基づき、加工中のワークＷの加工完了時刻を予測するようにしたが、信号出力部１２から出力された加工開始信号に基づき、工作機械１におけるワークＷの加工完了時刻を予測するのであれば、時刻予測部としての加工完了時刻予測部２３の構成はいかなるものでもよい。上記実施形態では、搬送時間記憶部としての記憶部２２に記憶された準備動作に要した時間、すなわち準備開始時刻と準備完了時刻との差である過去の第１動作時間に基づき、今回の準備動作に要する第１動作時間を予測するようにしたが、時間予測部としての準備動作時間予測部２４の構成はこれに限らない。

上記実施形態では、加工完了時刻予測部２３で予測された加工完了時刻と、準備動作時間予測部２４で予測された準備動作時間とに基づき、加工完了時刻に準備動作が完了するような準備動作開始時刻を決定するようにしたが、時刻決定部としての準備開始時刻決定部２５の構成は上述したものに限らない。工作機械１にワークＷを搬送するロボット２の構成および工作機械１の構成は、上述したものに限らず、本発明は、種々の工作機械制御装置とロボット制御装置とを備えた加工システムに適用できる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１工作機械
２ロボット
３工作機械制御装置
４ロボット制御装置
１２信号出力部
２３加工完了時刻予測部
２４準備動作時間予測部
２５準備開始時刻決定部
２６動作指令部
２６１ワーク交換動作部
２６２準備動作部

Claims

工作機械を制御する工作機械制御装置と、ロボットを制御するロボット制御装置とを備えた加工システムであって、
前記工作機械制御装置は、ワークの加工開始時に加工開始信号を出力する信号出力部を有し、
前記ロボット制御装置は、
初期位置から前記工作機械に隣接した第１位置までワークを搬送する第１動作と、前記第１位置まで搬送された前記ワークを前記工作機械の加工領域内の第２位置まで搬送する第２動作とを行うように、前記ロボットの動作指令を出力する動作指令部と、
前記信号出力部から出力された前記加工開始信号に基づき、前記工作機械におけるワークの加工完了時刻を予測する時刻予測部と、
前記ロボットの前記第１動作に要する時間を予測する時間予測部と、
前記時刻予測部により予測された前記加工完了時刻と前記時間予測部により予測された前記時間とに基づき、前記加工完了時刻に前記第１動作が完了するような前記第１動作の開始時刻を決定する時刻決定部とを有し、
前記信号出力部は、さらにワークの加工完了時に加工完了信号を出力し、
前記ロボット制御装置は、前記信号出力部から出力された前記加工開始信号と前記加工完了信号とにそれぞれ対応した加工開始時刻と加工完了時刻とを記憶する加工時刻記憶部をさらに有し、
前記加工時刻記憶部は、工作機械ごとに前記加工開始時刻と前記加工完了時刻を記憶し、
前記時刻予測部は、前記加工時刻記憶部に工作機械ごとに記憶された、既に加工が完了した同一種類のワークの加工についての加工開始時刻と加工完了時刻とに基づき、加工中のワークの加工完了時刻を予測し、
前記ロボット制御装置は、前記第１動作が完了する度に、該第１動作に要した第１動作時間を記憶する搬送時間記憶部をさらに有し、
前記時間予測部は、前記搬送時間記憶部に記憶された過去の第１動作時間に基づき、今回の前記第１動作に要する時間を予測することを特徴とする加工システム。
請求項１に記載の加工システムにおいて、
前記信号出力部は、前記加工開始信号と前記加工完了信号とに加え、ワーク種類に応じたワーク識別信号を出力し、
前記加工時刻記憶部は、前記信号出力部から出力された前記ワーク識別信号に基づき、ワーク種類毎に前記加工開始時刻と前記加工完了時刻とを記憶し、
前記時刻予測部は、前記加工時刻記憶部に記憶され、かつ、既に加工が完了した、加工中のワークと同一種類のワークについての加工開始時刻と加工完了時刻とに基づき、加工中のワークの加工完了時刻を予測することを特徴とする加工システム。