JP2017001125A - 自動ネジ締め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動ネジ締め装置におけるサイクルタイムを短縮し、かつ駆動エネルギーを削減するとともに、ロボットアームへの負荷を軽減する。
【解決手段】自動ネジ締め装置１のロボットアーム２にリボルバー１１を装着する。リボルバー１１は、周方向に間隔を置いて複数のネジ保持部１２ａを有している。ロボットアーム２によって、ネジ供給部４とワーク５との間でリボルバー１１を行き来させる。ロボットアーム２に設けたネジ締めツール２１によって、リボルバー１１に保持されたネジ８をワーク９の被螺合部９ｃに順次螺合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビスやナット等のネジを自動でワークに螺合させる自動ネジ締め装置に関する。

この種の自動ネジ締め装置は、ロボットアームと、ネジフィーダー（ネジ供給部）を備えている。ネジフィーダーは、ネジを１個ずつ送り出す。ロボットアームには、ドライバービット等のネジ締めツールが設けられている。このロボットアームが、ネジフィーダーとワークとの間を行き来しながら、ネジフィーダーにおいて１個のネジをピックアップし、このネジをネジ締めツールによってワークの被螺合部にねじ込む（特許文献１等参照）。

特開２０１０−２６４５１４号公報

前記従来の自動ネジ締め装置においては、１個のネジをねじ込む度に、ロボットアームがネジフィーダーとワークとの間を一往復する。このため、サイクルタイムが長くかかり、かつ、大きな駆動エネルギーを要していた。ロボットアームへの負荷も大きかった。
本発明は、前記事情に鑑み、サイクルタイムを短縮し、かつ駆動エネルギーを削減するとともに、ロボットアームへの負荷を軽減することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明は、複数の被螺合部を有するワークをネジ締めする自動ネジ締め装置であって、
ネジ供給部と前記ワークとの間を行き来するロボットアームと、
前記ネジ供給部からのネジを保持するネジ保持部を周方向に間隔を置いて複数有して、前記ロボットアームに装着されるリボルバーと、
前記ロボットアームに搭載され、前記リボルバーの前記複数のネジ保持部のネジを、順次、被螺合部に螺合させるネジ締めツールと、
を備えたことを特徴とする。

ロボットアームによって、リボルバーをネジ供給部とワークとの間で行き来させながら、ネジ供給部においてリボルバーに複数のネジを保持させることで、複数のネジを一度にワークへ搬送できる。ワークにおいては、リボルバーの前記複数のネジをネジ締めツールによって、順次、被螺合部に螺合する。リボルバーの前記複数のネジを螺合し終えたら、リボルバーをネジ供給部へ送ってネジを補充する。この動作を繰り返す。したがって、ロボットアームがネジ供給部とワークとの間で１回往復する毎に、リボルバーのネジ保持部と同数のネジを螺合できる。１つのネジを螺合する都度、ネジ供給部へ行ってネジをピックアップする必要がない。これによって、サイクルタイムを短縮でき、かつ駆動エネルギーを削減でき、ロボットアームへの負荷を軽減できる。

前記ロボットアームには、前記リボルバーを当該リボルバーの軸線まわりに角度調節するリボルバー回転駆動部と、前記ネジ締めツールを前記軸線と平行に移動させるツール移動駆動部とが設けられ、
前記リボルバーの軸線と前記ネジ締めツールの軸線どうしの距離が、前記リボルバーの軸線から前記ネジ保持部までの距離と等しく、
前記リボルバーにおける隣接するネジ保持部どうしの間には、前記ネジ締めツールを挿通可能な逃げ凹部が形成されていることが好ましい。
ネジ締めツールによってリボルバーの１つのネジ保持部からネジを取った後、リボルバーをリボルバー回転駆動部によってネジ保持部の配置角度間隔の例えば２分の１だけ回転させると、ネジ締めツールの軸線上に逃げ凹部が位置する。したがって、ネジ締めツールを、リボルバーと干渉することなく、前記逃げ凹部を通して、ワークへ向けて移動させて被螺合部にネジを螺合することができる。

前記リボルバーが、着脱機構を介して前記ロボットアームに着脱可能に連結されていることが好ましい。
１つのロボットアームに対して２以上のリボルバーを用意する。これら２以上のリボルバーのうち１つをロボットアームに装着してワークにネジ締めをしている期間中、ネジ供給部において残りのリボルバーにネジを補充できる。前記１つ（第１）のリボルバーの複数のネジをワークに螺合し終えたら、ロボットアームをネジ供給部へ移動させて、前記第１のリボルバーをロボットアームから切り離し、ネジを補充した別（第２）のリボルバーをロボットアームに装着する。そして、ロボットアームをワークへ移動させて、第２のリボルバーのネジをワークに螺合する。これによって、サイクルタイムを一層短縮できる。

本発明によれば、自動ネジ締め作業のサイクルタイムを短縮でき、かつ駆動エネルギーを削減することができ、ロボットアームへの負荷を軽減できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る自動ネジ締め装置の概略構成を示し、図２のＩ−Ｉ線に沿う側面図である。 図２は、前記自動ネジ締め装置の概略構成を示す平面図である。 図３は、前記自動ネジ締め装置のリボルバーの平面図である。 図４は、前記リボルバーの着脱機構を示す断面図であり、同図（ａ）は、前記自動ネジ締め装置のロボットアームのネジ締めアタッチメントとリボルバーとが分離された状態を示し、同図（ｂ）は、前記リボルバーを前記ネジ締めアタッチメントに連結する途中の状態を示し、同図（ｃ）は、前記リボルバーを前記ネジ締めアタッチメントに連結した状態を示す。 図５は、前記自動ネジ締め装置によってビスをねじ込むための操作を段階的に示したものであり、同図（ａ）は、１つの選択したビスをリボルバーから少し吸引浮上させた状態を示す断面図である。同図（ｂ）は、前記選択したビスをリボルバーより上方に位置させた状態を示す断面図である。同図（ｃ）は、リボルバーを所定角度回転させて、前記選択したビスをリボルバーの逃げ凹部上に位置させた状態を示す断面図である。同図（ｄ）は、同図（ｃ）におけるリボルバーの一部分を示す平面図である。 図６は、前記自動ネジ締め装置によってビスをねじ込む操作を段階的に示す断面図であり、同図（ａ）は、前記選択したビスを、前記逃げ凹部を通して、ワークに到達させた状態を示し、同図（ｂ）は、前記選択したビスを、ワークの雌ネジ孔にねじ込んだ状態を示す。

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、ワーク９は、ビス８（ネジ）によって締結されるべき複数の部材９ａ，９ｂ…を含む。これら部材９ａ，９ｂ…には、複数のネジ孔９ｃ，９ｃ…（被螺合部）が設けられている。ワーク９は、例えば自動車のドアトリムアッセンブリであるが、本発明はこれに限られるものではなく、インストルメントアッセンブリ等であってもよい。

図２に示すように、自動ネジ締め装置１は、ロボットアーム２と、ネジ供給部４と、ワーク配置部５と、１又は複数（ここでは２つ）のリボルバー１１（回転体）を備えている。
ワーク配置部５には、ワーク９が配置されている。

ネジ供給部４は、ワーク配置部５から離れた場所に設置されている。ネジ供給部４は、ビスフィーダー４ａと、２つのリボルバー置き場４ｂ，４ｂを含む。ビスフィーダー４ａは、２つのネジ供給レール４ｃ，４ｃを有している。各ネジ供給レール４ｃが、対応するリボルバー置き場４ｂへ延びている。ビスフィーダー４ａのビス８が１個ずつネジ供給レール４ｃの先端側へ案内され、リボルバー置き場４ｂ上のリボルバー１１の後記ネジ保持部１１ａに供給される。また、ネジ供給レール４ｃの先端部に対して、リボルバー置き場４ｂ上のリボルバー１１が相対移動（回転等）することで、複数のビス８が、リボルバー１１の複数の後記ネジ保持部１１ａに順次自動供給される。

ロボットアーム２は、ネジ供給部４とワーク配置部５との間を行き来する。ロボットアーム２は、６軸ロボットにて構成されているが、本発明はこれに限られるものではなく、ワーク９の形状やネジ孔９ｃの配置等によっては、直交３軸ロボットや４軸ロボット等であってもよい。

図１に示すように、ロボットアーム２の先端部には、ネジ締めアタッチメント３が搭載されている。ネジ締めアタッチメント３は、リボルバー機構部１０と、ネジ締め機構部２０を備えている。ネジ締め機構部２０は、ドライバービット２１（ネジ締めツール）と、ドライバー回転モータ２２と、ドライバー移動シリンダー２３（ツール移動駆動部）を含む。ドライバービット２１は、軸線Ｌ_２１に沿って直線状に延びている。ドライバー回転モータ２２の出力軸には、伝達機構（図示省略）を介して、ドライバービット２１の基端部（図１において上端部）が連結されている。ドライバー回転モータ２２は、ドライバービット２１を軸線Ｌ_２１まわりに回転させる。ドライバー移動シリンダー２３は、ドライバー回転モータ２２ひいてはドライバービット２１を軸線Ｌ_２１に沿って移動させる。図６に示すように、ドライバービット２１の軸線Ｌ_２１に沿う可動距離は、ビス８の長さよりも十分に大きい。

図１に示すように、ドライバービット２１は、ガイド筒２４の内部に挿通されている。ガイド筒２４の基端部（図１において上端部）が、ドライバー回転モータ２２のハウジングに軸線Ｌ_２１に沿って可動支持されている（図６（ｂ）参照）。かつ、ガイド筒２４は、バネ（図示省略）によって先端側（図１において下方）へ押されている。図５（ａ）に示すように、ガイド筒２４には、吸引機構２５が接続されている。

図１に示すように、リボルバー機構部１０は、リボルバー回転駆動部１２と、リボルバー移動駆動部１３と、リボルバー着脱部１４を含む。図４に示すように、リボルバー着脱部１４にリボルバー１１が着脱可能に連結されている。

図３に示すように、リボルバー１１は、概略円盤形状になっている。図１に示すように、好ましくは、リボルバー１１の厚みは、ビス８の首下部の長さより少し大きいか、ほぼ等しい。図３に示すように、リボルバー１１の外周部には、複数（ここでは８つ）のネジ保持部１１ａが径方向外側へ突出するように設けられている。ネジ保持部１１ａは、リボルバー１１の周方向に離れて、好ましくは等間隔置きに配置されている。各ネジ保持部１１ａには、ビス収容孔１１ｄが形成されている。ビス収容孔１１ｄは、円形孔状に形成され、リボルバー１１を厚み方向に貫通している。ビス収容孔１１ｄの直径は、ビス８の頭部の直径より小さく、かつビス８の首下部の直径より大きい。また、ビス収容孔１１ｄの直径は、ガイド筒２４の内直径よりも小さい。

隣接するネジ保持部１１ａどうしの間には、逃げ凹部１１ｂが形成されている。逃げ凹部１１ｂは、ガイド筒２４を挿通可能な大きさの概略円弧形状になっており、かつリボルバー１１の外周面に開口されている。

図１に示すように、リボルバー機構部１０におけるリボルバー１１の軸線Ｌ_１１は、ドライバービット２１の軸線Ｌ_２１と直交する方向へ離れ、かつ軸線Ｌ_２１と平行に向けられている。軸線Ｌ_１１，Ｌ_２１どうしの軸間距離ｄは、リボルバー１１における軸線Ｌ_１１から各ビス収容孔１１ｄの中心までの距離と等しく、かつ軸線Ｌ_１１から逃げ凹部１１ｂの円弧部の中心までの距離と略等しい。

リボルバー回転駆動部１２は、リボルバー回転モータ１２ａと、回転盤１２ｂを含む。リボルバー回転モータ１２ａは、例えばサーボインデックスモータにて構成されている。詳細な図示は省略するが、リボルバー回転モータ１２ａの出力軸にギア等のトルク伝達機構を介して回転盤１２ｂが連結されている。リボルバー回転モータ１２ａによって、回転盤１２ｂひいてはリボルバー１１が軸線Ｌ_１１まわりに角度調節される。

リボルバー移動駆動部１３は、エアシリンダ等の流体圧シリンダーにて構成されている。リボルバー移動駆動部１３によって、リボルバー回転駆動部１２ひいてはリボルバー１１が、軸線Ｌ_１１に沿って位置調節される。リボルバー移動駆動部１３によるリボルバー１１の可動距離は、リボルバー１１の厚み程度で十分であるが、それ以上であってもよい。

図４（ａ）に示すように、リボルバー着脱部１４は、一対のカプラー１４ａ，１４ｂを含む。雌カプラー１４ａは、回転盤１２ｂの中央部に固定されている。雄カプラー１４ｂは、リボルバー１１の表側面（同図において上面）の中央部から突出している。図４（ｂ）〜同図（ｃ）に示すように、リボルバー１１のロボットアーム２への装着状態では、雄カプラー１４ｂが、雌カプラー１４ａに嵌め込まれている。雄カプラー１４ｂには、球形係止体１４ｃが設けられている。この球形係止体１４ｃが、雌カプラー１４ａの係止部１４ｅに係止されることで、カプラー１４ａ，１４ｂどうしが連結され、ひいては、リボルバー１１がネジ締めアタッチメント３に連結されている。

図４（ｃ）に示すように、雄カプラー１４ｂの軸線上にプランジャー１４ｄが設けられている。プランジャー１４ｄは、バネ１４ｆのバネ力によって雌カプラー１４ａ側とは反対側へ付勢されている。これによって、プランジャー１４ｄの先端部（同図において下端部）が、リボルバー１１の裏面（同図において下面）から突出されている。図４（ｂ）に示すように、プランジャー１４ｄを前記バネ力に抗して押し上げると、球形係止体１４ｃがプランジャー１４ｄの溝１４ｇ内に引っ込む。これによって、図４（ａ）に示すように、カプラー１４ａ，１４ｂどうしの連結が解除され、リボルバー１１がネジ締めアタッチメント３から解放可能となる。
リボルバー着脱部１４は、カプラー１４ａ，１４ｂに限られず、レバー式クランプ等であってもよい。

図１に示すように、リボルバー１１の表側面（図１において上面）には、位置決めピン１５が設けられている。位置決めピン１５は、リボルバー１１の軸線Ｌ_１１からずれて配置されるとともに、軸線Ｌ_１１に沿って回転盤１２ｂへ向かって突出されている。
図４（ａ）に示すように、回転盤１２ｂにはピン受け１５ｄが設けられている。図４（ｃ）に示すように、リボルバー１１をネジ締めアタッチメント３に装着した状態で、位置決めピン１５がピン受け１５ｄに嵌め込まれている。

＜自動ネジ締め装置１によるネジ締め方法＞
自動ネジ締め装置１は、次のように動作する。
図２の二点鎖線にて示すように、今、ネジ供給部４の１つ（第１）のリボルバー置き場４ｂには、１つ（第１）のリボルバー１１が載置され、このリボルバー１１の８つ（複数）のビス収容孔１１ｄにそれぞれビス８が装填されているものとする。
このリボルバー１１をロボットアーム２のネジ締めアタッチメント３に装着する。図４に示すように、リボルバー着脱部１４の雌カプラー１４ａと雄カプラー１４ｂを連結することで、リボルバー１１をネジ締めアタッチメント３に簡単に装着できる。また、位置決めピン１５をピン受け１５ｄと嵌合することで、リボルバー１１のネジ締めアタッチメント３に対する軸線Ｌ_１１まわりの角度を正確に設定できる。

図２の実線にて示すように、その後、ロボットアーム２のネジ締めアタッチメント３をワーク９へ向けて移動させる。これによって、複数（８個）のビス８を一度にワーク９へ搬送できる。

ワーク９上においては、リボルバー１１の複数のビス８を順次ドライバービット２１によってネジ孔９ｃに螺合する。
詳しくは、図１に示すように、ドライバー回転モータ２２によってリボルバー１１の回転角度を調節することで、複数のネジ保持部１１ａのうち選択された１つを、ドライバービット２１の軸線Ｌ_２１上に位置させる。また、ワーク９における選択された１つのネジ孔９ｃの軸線と、ドライバービット２１の軸線Ｌ_２１とが一致するように、ロボットアーム２のネジ締めアタッチメント３の位置及び姿勢を制御する。ネジ孔９ｃの位置を予め自動ネジ締め装置１のコントローラに設定入力しておき、ロボットアーム２が自動的にその設定位置に位置決めされるようにしてもよい。更に、ネジ孔９ｃの検知センサを設けて、ロボットアーム２の位置を制御してもよい。
ここでは、前記選択されたネジ孔９ｃの軸線が鉛直であり、その真上にドライバービット２１を位置決めするものとする。

更には、図５（ａ）に示すように、ドライバー移動シリンダー２３によって、ドライバービット２１及びガイド筒２４を軸線Ｌ_２１に沿って位置調節することで、ガイド筒２４の先端部を、前記選択されたネジ保持部１１ａの直近かつ直上に位置させる。
続いて、吸引機構２５によって、ガイド筒２４内の空気を吸引することで、前記選択されたネジ保持部１１ａのビス８を僅かに浮上させてガイド筒２４の先端に吸着する。

次に、図５（ｂ）に示すように、リボルバー移動駆動部１３によってリボルバー１１を所定距離だけ下降させる。下降距離は、ビス８の首下長さから前記ビス８の浮上距離を差し引いた大きさ以上である。これによって、前記選択されたビス８の先端（下端）がリボルバー１１よりも上方に位置される。

次に、図５（ｃ）に示すように、リボルバー回転駆動部１２によってリボルバー１１を所定角度だけ回転させる。このとき、前記選択されたビス８が、リボルバー１１と干渉することはない。回転角度は、リボルバー１１におけるネジ保持部１１ａ，１１ａ…の配置角度間隔の２分の１である。これによって、図５（ｄ）に示すように、ドライバービット２１ひいては前記選択されたビス８が、前記選択された（同図において下側の）ネジ保持部１１ａの隣の逃げ凹部１１ｂ上に位置する。

次に、図６（ａ）に示すように、ドライバー移動シリンダー２３によって、ドライバービット２１及びガイド筒２４を、ドライバー回転モータ２２と共に下降させる。ドライバービット２１及びガイド筒２４は、リボルバー１１と干渉することなく、前記隣の逃げ凹部１１ｂを通って、リボルバー１１よりも下方へ突出する。これによって、前記選択されたビス８の先端が、ワーク９の前記選択されたネジ孔９ｃに達する。
次に、図６（ｂ）に示すように、ドライバー回転モータ２２によってドライバービット２１を回転させることで、ビス８をネジ孔９ｃにねじ込む。

ねじ込み後、吸引機構２５によるビス８の吸着を解除する。
次に、ドライバー移動シリンダー２３によって、ドライバービット２１及びガイド筒２４を、ドライバー回転モータ２２と共に上昇させて、ドライバービット２１及びガイド筒２４の先端部（下端部）をリボルバー１１より上方に位置させる。

続いて、リボルバー回転駆動部１２によってリボルバー１１を所定角度だけ回転させることで、別のネジ保持部１１ａを選択してドライバービット２１の軸線Ｌ_２１上に位置させる。かつ、別のネジ孔９ｃを選択して、該ネジ孔９ｃの軸線とドライバービット２１の軸線Ｌ_２１とが一致するように、ネジ締めアタッチメント３の位置及び姿勢を制御する。
そして、先程と同様の手順で、前記別のネジ保持部１１ａのビス８を、前記別のネジ孔９ｃにねじ込む。

この操作をリボルバー１１のネジ保持部１１ａの数と同じ回数（つまり８回）だけ繰り返す。これによって、ネジ供給部４からの１回の移動によって、ネジ保持部１１ａと同じ数（つまり８個）のビス８を連続して自動螺合することができる。１個のビス８をねじ込むごとに、ネジ供給部４へ行ってビス８をピックアップする必要はない。したがって、サイクルタイムを短縮できる。
なお、図２に示すように、ロボットアーム２によって前記１つ（第１）のリボルバー１１のビス８，８…をワーク９に螺合している期間中、併行して、ネジ供給部４においては、同図において下側の第２のリボルバー置き場４ｂに載せられたもう１つ（第２）のリボルバー１１へのビス８の装填作業を行う。

ワーク９において、前記第１のリボルバー１１の複数（８個）のビス８をすべて螺合し終えたら、ロボットアーム２によってネジ締めアタッチメント３をネジ供給部４上へ移動させる。このネジ締めアタッチメント３に装着された第１のリボルバー１１を、図２において上側の第１のリボルバー置き場４ｂ上に載せ、かつネジ締めアタッチメント３から第１のリボルバー１１を切り離す。図４（ａ）に示すように、プランジャー１４ｄを押し上げることで、カプラー１４ａ，１４ｂの連結を解除でき、第１のリボルバー１１をネジ締めアタッチメント３から簡単に切り離すことができる。

次いて、ネジ締めアタッチメント３を、第２のリボルバー１１が載っているリボルバー置き場４ｂ上へ移動させ、第２のリボルバー１１をネジ締めアタッチメント３に装着する。そして、ネジ締めアタッチメント３ひいては第２のリボルバー１１をワーク９上へ移動させ、前記第１のリボルバー１１のときと同様にして、複数（８個）のビス８の自動螺合を行う。
これと併行して、ネジ供給部４においては、第１のリボルバー１１に複数（８個）のビス８を補充する。
第２のリボルバー１１の複数（８個）のビス８の自動螺合が終了したら、ネジ締めアタッチメント３をネジ供給部４へ移動させ、第２のリボルバー１１を外して、第１のリボルバー１１に交換する。以上の操作を反復する。

これによって、無駄時間を極力無くすことができ、サイクルタイムを一層短縮できる。
自動ネジ締め装置１によれば、ロボットアーム２の動作を簡素にできるから、ロボットアーム２の駆動に要する電力エネルギーを削減できる。また、ロボットアーム２にかかる負荷を軽減できる。

本発明は、前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変をなすことができる。
例えば、自動ネジ締め装置１は、ドアトリムアッセンブリやインストルメントアッセンブリ等の自動車部品に限られず、ネジ締めを要する種々のワークに適用できる。
ネジは、ビス８又はボルトに限られず、ナットであってもよい。ビス８に代えて、ナットを雄ネジ状の被螺合部に締結するものであってもよい。
リボルバー１１のネジ保持部１１ａの数は、８つに限られず、９つ以上であってもよく、７つ以下であってもよい。
自動ネジ締め装置１のリボルバー１１の数は、２つに限られず、３つ以上であってもよい。或いは、自動ネジ締め装置１のリボルバー１１の数が１つだけであってもよい。

本発明は、例えば自動車部品の組立て作業に適用できる。

１ 自動ネジ締め装置
２ ロボットアーム
４ ネジ供給部
８ ビス（ネジ）
９ ワーク
９ｃ ネジ孔（被螺合部）
１１ リボルバー
１１ａ ネジ保持部
１１ｂ 逃げ凹部
１２ リボルバー回転駆動部
１４ リボルバー着脱部
２１ ドライバービット（ネジ締めツール）
２３ ドライバー移動シリンダー（ツール移動駆動部）
ｄ 軸間距離
Ｌ_１１ 軸線
Ｌ_２１ 軸線

Claims (3)

1. 複数の被螺合部を有するワークをネジ締めする自動ネジ締め装置であって、
   ネジ供給部と前記ワークとの間を行き来するロボットアームと、
   前記ネジ供給部からのネジを保持するネジ保持部を周方向に間隔を置いて複数有して、前記ロボットアームに装着されるリボルバーと、
   前記ロボットアームに搭載され、前記リボルバーの前記複数のネジ保持部のネジを、順次、被螺合部に螺合させるネジ締めツールと、
   を備えたことを特徴とする自動ネジ締め装置。
2. 前記ロボットアームには、前記リボルバーを当該リボルバーの軸線まわりに角度調節するリボルバー回転駆動部と、前記ネジ締めツールを前記軸線と平行に移動させるツール移動駆動部とが設けられ、
   前記リボルバーの軸線と前記ネジ締めツールの軸線どうしの距離が、前記リボルバーの軸線から前記ネジ保持部までの距離と等しく、
   前記リボルバーにおける隣接するネジ保持部どうしの間には、前記ネジ締めツールを挿通可能な逃げ凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の自動ネジ締め装置。
3. 前記リボルバーが、着脱機構を介して前記ロボットアームに着脱可能に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動ネジ締め装置。

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