JP2013031900A - ねじ締め装置およびねじ締め方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 可搬重量の小さいロボットによるねじ締め装置およびねじ締め方法を提供する。
【解決手段】
６軸を有する垂直多関節ロボット１と、垂直多関節ロボット１の先端回転軸となるロボット第６軸先端に取り付けるフランジ２と、ビットホルダ３を介してこのフランジ２に取り付けられるビット４と、を備え、ゲイン制御を行いながら先端回転軸を回転させることにより、ねじ締めを行なうようにした。
ねじ締め始め時においては、ビット押し付け力が大きいと、ねじがかじる不具合があるため、ねじ締め始め時はねじが進行していく程度の小さな押し付け力になるようにＺ軸ゲインＧ１を調整する。一方、トルクアップ時においては、ビットの押し付け力が小さいと、ビットがねじ溝から外れてねじをなめてしまうため、ねじ締め始め時よりも大きな押し付け力になるようにＺ軸ゲインＧ２を調整する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ねじ締め装置およびねじ締め方法に関し、特に産業用ロボットの先端回転軸を利用したねじ締め装置およびねじ締め方法に関するものである。

産業用ロボットは、工場の現場において、運搬、溶接、塗装、機械部品の組み立てなど各種の作業に使用されている。また、組み立て作業においては、一方の部品の指定位置に他の部品を設置する作業の他に、ねじの締結によって機械部品を他の装置に固定するねじ締め作業に産業用ロボットを利用したものがある。
産業用ロボットを使用したねじ締め作業は、特許文献１に記載のように、一般に電動ドライバあるいはエアードライバ等のドライバをロボットやその他の駆動機構に取り付けたねじ締め装置で行われている（例えば、段落０００１参照）。

また、特許文献２には、ねじ締付モータと、トルクセンサーと、ボールスプラインと、ビット（ドライバ）と、ねじを保持し得るジョーと、ねじ圧送手段と、押付けシリンダとからなる、ねじ締め操作をする機構を位置的に制御する手段として多関節ロボットに取り付けたねじ締め装置の記載がある（例えば、図３参照）。

また、特許文献３には、自動組立に用いるロボットに装着されるＲＣＣ（Ｒｅｍｏｔｅ Ｃｅｎｔｅｒ Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ；リモート・センター・コンプライアンス）機構部内部にねじ締め用駆動モータ部を配置したロボットハンド装置の記載がある（例えば、段落００１７参照）。

特開平４−２６１７２３公報 特開平８−３３６７３２号公報 特開平８−０５２６８２号公報

特許文献１、特許文献２は、ねじ締付け装置のねじ締付け操作の位置制御する手段としてロボットを使用したもので、ねじ締め専用機構が大きく、省スペース化を図ることは困難であるという問題点があった。また、ねじ締め機構の重量が重いため、可搬重量の小さいロボットには適用できないという問題点もあった。

また、特許文献３では、自動組立に用いるロボットに装着されるＲＣＣ機構部内部にねじ締め用駆動モータ部を配置しているので、ＲＣＣ機構部外部にねじ締め用駆動モータ部を配置して各々を連結する場合よりも、ロボットハンド部の全長を短くすることができるという効果がある。しかしながら、特許文献３においては、ばねを用いたクッション機構によってビットの押し付け力を発生させているので、ビットの押し付け力の調整が困難であるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、ねじ締め専用機構を取り付けることなく、ロボットの先端回転軸を使用してビットを回転させ、ねじ締めするようにしたことにより、可搬重量の小さいロボットによるねじ締め装置およびねじ締め方法を提供することを目的とする。

この発明に係るねじ締め装置は、先端回転軸を有するロボットと、この先端回転軸に取り付けるフランジと、ビットホルダを介してこのフランジに取り付けられるビットと、を備え、ゲイン制御を行いながら前記先端回転軸を回転させることにより、ねじ締めを行うようにしたものである。

この発明によれば、ロボットの先端回転軸を使用してビットを回転させ、ねじ締めするようにしたことにより、可搬重量の小さいロボットによるねじ締めが可能となるという効果を有する。

実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットの構成を示す図である。 実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットの直交座標系を示す図である。 実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットにおけるＺ軸ゲインとビット押し付け力の関係を示す図である。 実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットを使用して、ねじ締め作業を実行するときの動作フローチャートである。 実施の形態２に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットの構成を示す図である。

以下に、この発明に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットを使用した、ねじ締め作業の好適な実施の形態を説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットの構成を示す図である。図において、１は６軸を有する垂直多関節ロボット、２は垂直多関節ロボット１の先端回転軸となるロボット第６軸先端に取り付けるフランジ、３はビットホルダである。また、４はビットホルダ３を介してフランジ２に取り付けられるビットで、図では吸着機構がなくとも、ねじの取出しが可能となる磁化ビットの例を示した。

実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットは、６軸を有する垂直多関節ロボット１と、垂直多関節ロボット１の先端回転軸となるロボット第６軸先端に取り付けるフランジ２と、ビットホルダ３を介してこのフランジ２に取り付けられるビット４と、を備え、ゲイン制御を行いながら先端回転軸を回転させることにより、ねじ締めを行なうようにしたものである。

実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットは、ロボット先端にねじ締め用の回転軸を追加することなく、ロボット本体の構成要素である先端回転軸を用いて、磁化ビット４を取り付けた第６軸ロボット先端のフランジ２を回転させることにより、ねじ締めを行なうようにしたものである。
また、実施の形態１においては、第６軸ロボット先端フランジ２と磁化ビット４の間には電気配線およびエアー配管がない構成としたので、第６軸ロボット先端フランジ２は３６０度以上自由に回転可能となる。

実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットは、ねじ締め専用機構を取り付けることなく、ロボットの先端回転軸を使用してビットを回転させ、ねじ締めするようにしたことにより、可搬重量の小さいロボットによるねじ締め装置が可能となる。

なお、実施の形態１においては、垂直多関節ロボットを用いた例を説明したが、先端に回転軸を有するロボットであれば、垂直多関節ロボットでなくとも良い。

図２は、実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットの直交座標系を示す図である。図において、２、３、４は、図１と同様であり、その説明を省略する。図では、ねじ回転軸方向であるロボット先端のフランジ鉛直下向きをＺ軸方向とする。

図３は、実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットにおけるＺ軸ゲインとビット押し付け力の関係を示す図である。
図において、Ｇ１はねじ締め始め時のＺ軸ゲイン、Ｇ２はトルクアップ時のＺ軸ゲインである。ねじ締め始め時においては、ビット押し付け力が大きいと、ねじがかじる不具合があるため、ねじ締め始め時はねじが進行していく程度の小さな押し付け力になるようにＺ軸ゲインＧ１を調整する。一方、トルクアップ時においては、ビットの押し付け力が小さいと、ビットがねじ溝から外れてねじをなめてしまうため、ねじ締め始め時よりも大きな押し付け力になるようにＺ軸ゲインＧ２を調整する。
Ｚ軸ゲインＧ１およびＺ軸ゲインＧ２の値は、対象のねじの種類と長さ対応で予めオフライン作業によって実験的に最適値を求め、設定しておく。

また、ｔ１はタイマー設定値で、トルクアップ時のＺ軸ゲインへの切り替えタイミングをねじ締め始めからの経過時間によって決定するものである。ねじの着座前にＺ軸ゲインを切り替えるように、タイマーｔ１の値は、対象のねじの種類と長さ対応で予めオフライン作業によって実験的に最適値を求め、設定しておく。

また、Ｔ１は先端回転軸となるロボット第６軸のトルク制限値である。ねじ締めトルクは先端回転軸の出力トルクで与えられるため、対象のねじ締めにおける規定ねじ締めトルクとなるように、対象のねじの種類と長さ対応で予めオフライン作業によって実験的に最適値を求め、設定しておく。

図４は、実施の形態１に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットを使用して、ねじ締め作業を実行するときの動作フローチャートである。

この発明に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットを使用した、ねじ締め作業について、図１〜図４により説明する。なお、後述の位置制御モードおよびゲイン制御モードなどの制御は、ロボットコントローラ（図示せず）によって行う。

（１）位置制御モードにより、ねじを保持した磁化ビット４を、ねじ穴上空まで移動する。（ステップＳＴ１）
（２）位置制御モードからゲイン制御モードに移行する。（ステップＳＴ２）
（３）Ｚ軸ゲインをねじ締め始め時のＺ軸ゲインＧ１に設定する。（ステップＳＴ３）
実施の形態１に係るねじ締め方法においては、ゲイン制御モードによりＺ軸ゲインを制御し、Ｚ軸方向にバネ性を持たせてビットの押し付け力を制御する。

（４）磁化ビット４をねじ穴まで移動する。（ステップＳＴ４）
（５）先端回転軸となるロボット第６軸のトルク制限値をＴ１に設定する。（ステップＳＴ５）
（６）先端回転軸となるロボット第６軸を回転する。（ステップＳＴ６）

（７）先端回転軸となるロボット第６軸の回転開始後、タイマーのカウントを開始し（ステップＳＴ７）、タイマーのカウントがタイマー設定値ｔ１になるまでカウントする。（ステップＳＴ８）
（８）タイマーのカウントがタイマー設定値ｔ１に達した時点で、ビットの押し付け力を切り替えるために、Ｚ軸ゲインをねじ締め始め時のＺ軸ゲインＧ１からトルクアップ時のＺ軸ゲインＧ２に切り替える。（ステップＳＴ９）
（９）先端回転軸となるロボット第６軸のトルクをチェックし（ステップＳＴ１０）、トルク制限値Ｔ１に達するまでねじ締めを継続する。（ステップＳＴ１１）
（１０）先端回転軸となるロボット第６軸のトルクがトルク制限値Ｔ１に達した時点でねじ締めを終了する。（ステップＳＴ１２）
（１１）位置制御モードにより、磁化ビット４を、退避位置へ移動し（ステップＳＴ１３）、ねじ締め作業を終了する。

ねじ締め始め時のＺ軸ゲインＧ１、トルクアップ時のＺ軸ゲインＧ２、トルクアップ時のＺ軸ゲインへの切り替えタイミングをねじ締め始めからの経過時間によって決定するタイマー設定値ｔ１、規定ねじ締めトルクとしての先端回転軸となるロボット第６軸のトルク制限値Ｔ１などを、対象のねじの種類と長さ対応で予めオフライン作業によって実験的に最適値を求め、設定しておくようにしたので、ねじ締めを正確かつ確実に行うことができる。

上記のように、ねじ締め専用機構を取り付けることなく、ロボットの先端回転軸を使用してビットを回転させ、ねじ締めするようにしたこと、さらに専用のクッション機構を使用せず、ロボットのゲイン制御によりビットの押し付け力を制御するようにしたので、ロボット先端に取り付ける部品点数は少なく、且つ軽量であるため可搬重量の小さい小型ロボットにも適用できる。

また、上記では、対象のねじの種類と長さ対応で予めオフライン作業によって実験的に最適値を求め、設定しておく例を説明したが、締結対象物が替わる場合には、締結対象物対応で最適値を求め、設定しておくようにする。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットの構成を示す図である。図において、１、２、３、４は、図１と同様であり、その説明を省略する。
図において、２１はエアー伝達用のロータリージョイント、２２はエアーチャックである。実施の形態２に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットは、多関節ロボット１の第６軸ロボット先端に取り付けるフランジ２と、ビットホルダ３との間に、ロータリージョイント２１とエアーチャック２２を配置したものである。

実施の形態２においては、ロータリージョイント２１によってエアーチャック２２のエアー配管は自在に回転可能となる。
また、エアーチャック２２にビットホルダ３を把持させてねじ締めを行なうため、磁化ビット４を取り付けたビットホルダ３は着脱自在である。従って、エアーチャックによって他の部品を把持して搬送するなどねじ締め以外の作業をも行なうことができる。

以上のように、本発明に係るねじ締め機能搭載の垂直多関節ロボットは、重量の重いねじ締め専用機構が不要となるため、可搬重量の小さなロボットでもねじ締めが可能となる。

１ ６軸を有する垂直多関節ロボット
２ 多関節ロボット１の第６軸ロボット先端に取り付けるフランジ
３ ビットホルダ
４ 磁化ビット
２１ エアー伝達用のロータリージョイント
２２ エアーチャック
Ｔ１ 先端回転軸となるロボット第６軸のトルク制限値
Ｇ１ ねじ締め始め時のＺ軸ゲイン
Ｇ２ トルクアップ時のＺ軸ゲイン
ｔ１ タイマー設定値

Claims (5)

1. 先端回転軸を有するロボットと、
   この先端回転軸に取り付けるフランジと、
   ビットホルダを介してこのフランジに取り付けられるビットと、を備え、
   ゲイン制御を行いながら前記先端回転軸を回転させることにより、ねじ締めを行なうようにしたことを特徴とするねじ締め装置。
2. 前記フランジと前記ビットホルダとの間に、
   エアー伝達用のロータリージョイントと、エアーチャックと、を備えたことを特徴とする請求項１記載のねじ締め装置。
3. 前記ゲイン制御は、ねじ締め始め時のゲインとトルクアップ時のゲインとを切り替えて制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のねじ締め装置。
4. 先端回転軸を有するロボットと、
   この先端回転軸に取り付けるフランジと、
   ビットホルダを介してこのフランジに取り付けられるビットと、を備え、
   ねじを保持した前記ビットをねじ穴上空まで移動する段階と、
   ゲイン制御モードにより、ねじ締め始め時のゲインに基づきＺ軸ゲインを制御し、Ｚ軸方向にバネ性を持たせて前記ビットの押し付け力を制御する段階と、
   前記ビットをねじ穴まで移動する段階と、
   前記先端回転軸を回転する段階と、
   前記先端回転軸の回転開始後、タイマー設定値に達した時点で、前記Ｚ軸ゲインをトルクアップ時のゲインに切り替える段階と、
   前記先端回転軸のトルクがトルク制限値に達した時点で、ねじ締めを終了する段階と、
   前記ビットを退避位置へ移動する段階と、
   からなることを特徴とするねじ締め方法。
5. 前記ねじの締め始め時のゲイン、前記トルクアップ時のゲイン、前記タイマー設定値、前記先端回転軸のトルク制限値などを、対象のねじの種類と長さ対応で予めオフライン作業によって実験的に最適値を求め、設定しておくようにしたことを特徴とする請求項４記載のねじ締め方法。

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