JP2023150043A - 処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エアシリンダで構成される制御機構の動作を応答性良く制御することができる処理装置を提供する。【解決手段】対象物２へ所定の処理を行う処理部３０と、処理部３０を変位させるエアシリンダ５４と、エアシリンダ５４へ供給するエアの流量を制御する制御バルブ５４ｅと、制御バルブ５４ｅへ圧空を供給する圧空源５４ｆと、を備える処理装置１０であり、エアシリンダ５４から制御バルブ５４ｅまでのエア配管８１の配管長は、制御バルブ５４ｅから圧空源５４ｆまでのエア配管８２の配管長よりも短い。【選択図】図２

Description

本発明はテープ貼付装置、及びテープ貼付方法に関し、より詳細には、テープを被貼付面に貼り付けることにより、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）成形品などを製造する際に用いられるテープ貼付装置に関する。

予め樹脂が含浸された炭素繊維等の繊維束をテープ状に成形したもの（プリプレグテープ、ＵＤテープなどとも呼ぶ）を被貼付面に貼付ける処理を行うことで、所望の形状をした繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）成形品を製造する方法が知られている。

これらの製法は、ＡＴＬ（Ａｕｔｏ Ｔａｐｅ Ｌａｙｕｐ）、ＡＴＷ（Ａｕｔｏ Ｔａｐｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ）、ＡＦＰ（Ａｕｔｏ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）など種々の称呼があるが、これらは厳密に区別されているものでない。本明細書に於いては、テープを押圧しながら被貼付面に貼付けていく製法を総称してＡＴＬと呼び、その装置テープ貼付装置をＡＴＬ貼付装置とも呼ぶ。

従来のテープ貼付装置の一例が下記の特許文献１に開示されている。

特許文献１記載のテープ貼付装置は、多関節ロボットのアーム先端にＡＴＬヘッドが取り付けられている。前記ＡＴＬヘッドは、テープを保持搬送するフィーダー、テープ及び／又はワークの被貼付面を加熱するヒータ、及びテープを被貼付面に貼り付ける押圧ローラを含んで構成されている。

前記ワークは、例えば、熱可塑性樹脂の射出成型品であって、様々な形状（３次元形状）を有しており、設計上の形状、寸法に対して形状誤差を有していることが多い。

そのため、特許文献１に開示されたような前記多関節ロボットによる前記ＡＴＬヘッドの姿勢制御では、前記押圧ローラによる前記ワークの被貼付面への押圧が不十分な箇所が生じたりして、押圧状態にばらつきが生じることがあり、前記被貼付面に対する押圧ローラの押圧状態を一定に保つことが難しいという課題があった。

係る課題を解決するために本出願人らは、下記の特許文献２に開示されたテープ貼付装置を提案した。特許文献２記載のテープ貼付装置は、ＡＴＬヘッドが、押圧部と、パラレルリンク機構とを備えた構成となっている。

特許文献２記載のテープ貼付装置によれば、前記パラレルリンク機構の動作制御により、ワークの被貼付面にテープを押し付ける前記押圧部の押圧位置及び／又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように動作させることが可能となり、前記ワークが幾らかの形状誤差を有している場合であっても、前記被貼付面に対する前記押圧部の押圧状態を一定に保つことが可能となり、前記テープの貼付処理の性能を高めることが可能となった。

特開２０１８－１４９７３０号公報 特開２０２０－１４７０３５号公報

上記特許文献２のパラレルリンク機構を備えたテープ貼付装置では、パラレルリンクとしてエアシリンダを使用している。このエアシリンダの制御はサーボバルブによって行うが、サーボバルブとエアシリンダの間の配管長が長い場合、配管内での圧力損失などに起因してエアシリンダの応答性が低下し、その結果、パラレルリンク機構の応答速度が遅くなってしまうという問題があった。

本願発明は、上記問題点を鑑み、エアシリンダで構成される制御機構の動作を応答性良く制御することができる処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の処理装置は、対象物へ所定の処理を行う処理部と、前記処理部を変位させるエアシリンダと、前記エアシリンダへ供給するエアの流量を制御する制御バルブと、前記制御バルブへ圧空を供給する圧空源と、を備える処理装置であり、前記エアシリンダから前記制御バルブまでのエア配管長は、前記制御バルブから前記圧空源までのエア配管長よりも短いことを特徴としている。

本発明の処理装置により、エアシリンダから制御バルブまでのエア配管長が比較的短いことにより、エアシリンダの応答性は高くなる。

また、各々異なる軸方向に前記処理部および前記エアシリンダを移動させる複数の駆動機構をさらに有し、前記制御バルブは複数の前記駆動機構が有する可動子のうちいずれかの前記可動子に搭載されていると良い。

こうすることにより、エアシリンダは制御バルブに近い位置に配置されるため、エアシリンダから制御バルブまでのエア配管長を短くすることができる。

また、前記制御バルブは、前記エアシリンダが取り付けられている前記可動子に搭載されていると良い。

こうすることにより、エアシリンダから制御バルブまでのエア配管長をほぼ最短にすることができる。

また、複数の前記駆動機構はガントリ構造を有していると良い。

また、前記処理部は、テープを被貼付面に貼り付けるために前記被貼付面に前記テープを押し付け、前記被貼付面とで前記テープを挟持する押圧部であると良い。

このような押圧部を備えるテープ貼付装置において、本発明が好適に利用することが可能である。

本発明の処理装置により、エアシリンダで構成される制御機構の動作を応答性良く制御することができる。

本発明の処理装置の一実施形態であるテープ貼付装置の一部を説明する図である。 図１に示す実施形態のテープ貼付装置の全体を説明する図である。 本発明の他の実施形態におけるテープ貼付装置を説明する図である。

本発明の処理装置の一実施形態であるテープ貼付装置について、図１、２を参照して説明する。図１（ａ）はテープ貼付装置の一部であるパラレルリンク機構および押圧部の正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡＡ矢視図である。また、図２はテープ貼付装置の全体を示す図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢＢ矢視図である。

なお、以下の説明では、テープ１の貼付方向をＹ軸方向、これと水平面で直交する方向をＸ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸方向の双方に直交する方向をＺ軸方向として説明する。

テープ貼付装置１０は、ワーク２の被貼付面２ａ上にテープ１を所定の貼付方向（Ｙ軸方向）に貼り付けることにより、テープ１で補強された成型品を製造するための装置であり、ＡＴＬヘッド２０およびフィーダー７０を含んで構成されている。

テープ１は、例えば、繊維束の少なくとも一部に予め樹脂を含浸させてテープ状にしたものであり、熱可塑性の樹脂が含浸されたもの（ＵＤテープとも呼ばれる）や、熱硬化性の樹脂が含浸されたもの（プリプレグテープとも呼ばれる）などが適用され得る。テープ１は、炭素繊維を含むものでもよいし、樹脂テープに多数の短い繊維が混ぜ込まれたものでもよい。テープ１は、ワーク２の材質などに応じて、その種類が適宜選択され得る。また、テープ１は、複数のテープが並列に配置された形態のものであってもよい。

ワーク２は、例えば、３次元形状を有する成型品であり、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの樹脂製の成型品であってもよいし、金属製の成型品などであってもよい。

ＡＴＬヘッド２０は、ハンドリングロボットの一実施形態であるガントリ構造体７１（詳細は後述）に取り付けられており、このガントリ構造体７１によってＡＴＬヘッド２０全体をワーク２に離接させる。このハンドリングロボットは、ガントリ構造体７１のほかに、少なくとも１軸方向に対象物を移動させる汎用産業用ロボット、例えば、多関節ロボット（シリアル多関節機構ともいう）で構成してもよい。ガントリ構造体７１は、ＡＴＬヘッド２０をＸＹＺ軸方向に並進運動可能な機構（３自由度）を備えている。ガントリ構造体７１の動作制御は、ロボット制御部７１ａにより実行される。

ＡＴＬヘッド２０は、押圧部３０と、エンド部４０と、パラレルリンク機構５０と、ベース部６０とを含んで構成されている。

押圧部３０は、フィーダー３５によって搬送されたテープ１をワーク２の被貼付面２ａとの間に挟持、押圧しつつテープ１を被貼付面２ａに貼り付けるものである。

エンド部４０は、押圧部３０を保持する平板であり、エンド部４０のパラレルリンク機構５０が取り付けられた面とは反対側の面に押圧部３０が取り付けられている。

パラレルリンク機構５０は、エンド部４０を変位させ、押圧部３０の押圧位置及び／又は押圧姿勢を被貼付面２ａに倣うように動作するものである。

ベース部６０は、パラレルリンク機構５０のエンド部４０側とは反対側を保持するものであり、ベース部６０に後述のハンドリングロボットが取り付けられている。

押圧部３０は、テープ１を押圧するローラ３１を有し、さらにローラ３１を回転軸３１ａ周りに回転可能に支持するローラ支持部３２を備えている。ローラ支持部３２は、ローラ３１の長手（回転軸３１ａ）方向両側に配設されている。

ローラ３１は、テープ１の特性、又はワーク２の材質などに応じて、樹脂製ローラ、弾性ローラ、又は金属性ローラなどで構成され得る。ローラ３１のサイズ（直径、幅）は、使用するテープ１の種類やサイズ、ワーク２の種類や形状に応じて適宜選択され得る。なお、別の構成例では、ローラ３１に代えて、押圧シュー等の押圧部材が用いられてもよい。

パラレルリンク機構５０は、ベース部６０とエンド部４０との間に並列に設けられる複数のリンク部５１を備えている。これら各リンク部５１は、両端に自在継手５２、５３と、これら自在継手５２、５３の間に設けられるアクチュエータとしてのエアシリンダ５４とを含んで構成されている。リンク部５１の本数は特に限定されない。例えば、リンク部５１は４本で構成されてもよいし、３本～６本で構成されてもよい。

エアシリンダ５４は、例えば、シリンダ部５４ａと、シリンダ部５４ａ内の圧力に応じて進退するロッド部５４ｂと、シリンダ部５４ａ内の圧力を検出する圧力センサ５４ｃと、ロッド部５４ｂの変位を検出する変位センサ５４ｄとを備えている。

シリンダ部５４ａは、配管経路の途中に圧力センサ５４ｃが設けられたエア配管８１により、本発明における制御バルブにあたるサーボバルブ５４ｅに接続されている。サーボバルブ５４ｅは、シリンダ部５４ａ内への空気の流量（流入量や排気量）を調整し、シリンダ部５４ａの両室の差圧を制御する。サーボバルブ５４ｅは、本発明における圧空源にあたる、コンプレッサなどの圧縮した空気を出力する空気圧供給部５４ｆにエア配管８２によって接続されている。圧力センサ５４ｃで検出された圧力信号と、変位センサ５４ｄで検出された変位信号とは、それぞれＡＴＬヘッド制御部５４ｇに出力される。

ＡＴＬヘッド制御部５４ｇには、ワーク２の被貼付面２ａの３次元座標データの他、これら３次元座標データ、圧力信号、変位信号などに基づいてＡＴＬヘッド２０各部の動作を制御するプログラムなどが記憶されている。ＡＴＬヘッド制御部５４ｇは、汎用のコンピューター装置で構成されてもよい。また、ＡＴＬヘッド制御部５４ｇとロボット制御部７１ａとが１つの制御部で構成されてもよい。

パラレルリンク機構５０は、複数のリンク部５１の各々の長さをエアシリンダ５４でそれぞれ制御することにより、エンド部４０の位置（並進）及び／又は姿勢（回転）を変化させて、ローラ３１の押圧位置及び／又は押圧姿勢を被貼付面２ａの形状に倣うように動作させる機能を備えている。

なお、パラレルリンク機構５０には、エンド部４０を変位させることにより、ローラ３１を少なくともロール（θｙ）方向、及びピッチ（θｘ）方向に回動可能な自由度を有するものを採用することが好ましい。また、パラレルリンク機構５０の自由度は、ハンドリングロボットの動作機能（自由度）を考慮して設定してもよい。また、ハンドリングロボットの動作機能に関わらずに、パラレルリンク機構５０が、６自由度機構、すなわち、６方向（並進３方向、回転３方向）に運動させる機構を備えてもよい。

ＡＴＬヘッド制御部５４ｇは、各エアシリンダ５４の圧力センサ５４ｃや変位センサ５４ｄから取り込んだ検出信号を用いて、各エアシリンダ５４のサーボバルブ５４ｅの動作（加圧動作又は減圧動作）を制御する。そして、ＡＴＬヘッド制御部５４ｇは、サーボバルブ５４ｅの動作制御により、各エアシリンダ５４のシリンダ部５４ａ内の圧力及び／又はロッド部５４ｂの変位を制御して、ローラ３１の押圧位置及び／又は押圧姿勢が被貼付面２ａの形状に倣うようにエンド部４０の変位を制御する処理を実行する。

ＡＴＬヘッド制御部５４ｇは、エンド部４０の変位制御において、望ましいコンプライアンス特性を得る観点からインピーダンス制御を行うように構成されていることが好ましい。前記インピーダンス制御では、エンド部４０に慣性、粘性、剛性からなる機械的インピーダンスを仮想的に実現させるようアクチュエータ推力が制御される。例えば、前記インピーダンス制御では、目標インピーダンスである慣性、粘性、剛性のパラメータが設定される。そして、エンド部４０の位置及び姿勢の目標値に対するエンド部４０の変位を計測し、エンド部４０の変位とエンド部４０が外部へ与える力との関係が所定の関係（インピーダンス制御則）を満たすようにパラレルリンク機構５０の動作を制御する。

また、ＡＴＬヘッド制御部５４ｇは、エンド部４０の変位を制御する際に、目標とするエンド部４０の位置及び姿勢を実現するための各エアシリンダ５４のロッド部５４ｂの長さ（変位）を計算する。そして、これら計算値が各エアシリンダ５４のロッド部５４ｂの長さの目標値として記憶される。ＡＴＬヘッド制御部５４ｇは、これら記憶された目標値と、貼付動作時における各エアシリンダ５４の変位センサ５４ｄの出力値とを比較して、目標値になるようにフィードバック制御を行ってもよい。なお、前記目標値には、ワーク２の形状誤差が加味された、各エアシリンダ５４のロッド部５４ｂの長さが設定されてもよい。また、目標とするエンド部４０の位置及び姿勢は、ワーク２の３次元座標データに基づく動作軌跡に対し、直交する方向（法線方向）からローラ３１で被貼付面２ａを押圧するためのエンド部４０の位置及び姿勢である。

ガントリ構造体７１は、ワーク２をＸ軸方向へ移動可能、且つθｚ軸方向に回動可能に支持するＸθｚ軸ステージ７３を備えたＸ軸直動機構７２と、Ｘ軸直動機構７２の上方にＹ軸方向に架け渡されたＹ軸直動機構７４と、Ｙ軸直動機構７４に支持され、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸直動機構７５とを備えている。

Ｘ軸直動機構７２は、Ｘ軸ガイド部７２ａと、Ｘ軸ガイド部７２ａに摺動可能に取り付けられたＸ軸スライドテーブル７２ｂと、Ｘ軸スライドテーブル７２ｂ上にθｚ軸方向に回動可能に設けられたＸθｚ軸ステージ７３とを含んで構成されている。Ｘθｚ軸ステージ７３上にワーク２が載置されるようになっている。

Ｙ軸直動機構７４は、門型のＹ軸ガイド部７４ａと、Ｙ軸ガイド部７４ａに摺動可能に取り付けられた、Ｙ軸直動機構７４における可動子であるＹ軸スライダ７４ｂとを含んで構成されている。

Ｚ軸直動機構７５は、Ｙ軸スライダ７４ｂに取り付けられたＺ軸ガイド部７５ａと、Ｚ軸ガイド部７５ａに摺動可能に取り付けられたＺ軸スライダ７５ｂと、Ｚ軸スライダ７５ｂに取り付けられたＺ軸ブラケット７５ｃとを含んで構成されており、Ｚ軸ブラケット７５ｃの下端部にＡＴＬヘッド２０が取り付けられている。なお、本説明では、Ｚ軸スライダ７５ｂとそれに固定されたＺ軸ブラケット７５ｃとを、Ｚ軸直動機構７５における可動子と呼ぶ。

ここで、本実施形態では、図２（ａ）、（ｂ）に示す通りサーボバルブ５４ｅは上記の通りパラレルリンク機構５０が取り付けられているＺ軸ブラケット７５ｃに固定されており、そのため、サーボバルブ５４ｅはパラレルリンク機構５０の各エアシリンダ５４の直近に搭載される。この場合、サーボバルブ５４ｅはＹ軸直動機構７４によってＹ軸方向に変位し、また、Ｚ軸直動機構７５によってＺ軸方向に変位し、サーボバルブ５４ｅとパラレルリンク機構５０の相対位置は一定である。

図２（ａ）にパラレルリンク機構５０を構成するエアシリンダ５４のうちの１つとサーボバルブ５４ｅとを接続するエア配管８１を概略的に示しているが、サーボバルブ５４ｅがエアシリンダ５４の直近に配置されていることから、エア配管８１の配管長は、ほぼ最短となっている。

一方、本実施形態では、圧空源である空気圧供給部５４ｆとサーボバルブ５４ｅとを接続するエア配管８２の配管経路は、空気圧供給部５４ｆから出てＹ軸ガイド部７４ａの支柱を上がり、Ｙ軸ガイド部７４ａとＹ軸スライダ７４ｂとをつなぐ図示しないケーブルダクト、Ｚ軸ガイド部７５ａとＺ軸スライダ７５ｂとをつなぐ図示しないケーブルダクトを経て、サーボバルブ５４ｅに至る。このエア配管８２の配管長は、上記のエア配管８１の配管長よりも充分に長くなり、そのため、空気圧供給部５４ｆからエアシリンダ５４への配管系路上においてサーボバルブ５４ｅはかなりエアシリンダ５４側に寄って配置されることとなる。

このように、少なくともエア配管８１の配管長の方がエア配管８２の配管長よりも短い構成である場合、エアシリンダ５４からサーボバルブ５４ｅまでの配管長が比較的短いこととなり、配管内での圧力損失が極小化されてサーボバルブ５４ｅの制御に対するエアシリンダ５４の応答性は高くなる。

また、本実施形態の通りエアシリンダ５４が取り付けられている可動子であるＺ軸ブラケット７５ｃにサーボバルブ５４ｅが搭載されていることにより、エアシリンダ５４からサーボバルブ５４ｅまでの配管長をほぼ最短にすることができるため、エアシリンダ５４の最大限の応答性を得ることができる。

次に、本発明の他の実施形態におけるテープ貼付装置を図３を用いて説明する。

本実施形態のテープ貼付装置１０では、サーボバルブ５４ｅは、上記のＺ軸ブラケット７５ｃとは異なる可動子であってパラレルリンク機構５０を移動させる可動子の一つであるＹ軸スライダ７４ｂに設けられている。

この場合、サーボバルブ５４ｅからエアシリンダ５４までのエア配管８１の配管経路は、サーボバルブ５４ｅを出て、Ｚ軸ガイド部７５ａとＺ軸スライダ７５ｂとをつなぐ図示しないケーブルダクトを経て、エアシリンダ５４に至る。

また、空気圧供給部５４ｆからサーボバルブ５４ｅまでのエア配管８２の配管経路は、空気圧供給部５４ｆを出て、Ｙ軸ガイド部７４ａの支柱を上がり、Ｙ軸ガイド部７４ａとＹ軸スライダ７４ｂとをつなぐ図示しないケーブルダクトを経て、サーボバルブ５４ｅに至る。なお、この場合も、エア配管８１の配管長は、エア配管８２の配管長よりも短くなっている。

そして、本実施形態では、サーボバルブ５４ｅはＹ軸直動機構７４によってＹ軸方向に変位するが、Ｚ軸直動機構７５によってＺ軸方向に変位することはない。

ここで、図２に示した実施形態の場合、エア配管８１の配管長はほぼ最短にできる一方、パラレルリンク機構５０などに加えサーボバルブ５４ｅの重量もＺ軸直動機構７５が支持する必要があるため、大型、高出力のＺ軸直動機構７５が必要となる可能性があり、テープ貼付装置１０全体が大型化する可能性がある。

これに対し、本実施形態の通りエアシリンダ５４が取り付けられている可動子であるＺ軸ブラケット７５ｃよりもエアシリンダ５４から遠い可動子であるＹ軸スライダ７４ｂにサーボバルブ５４ｅが搭載されていることにより、Ｚ軸直動機構７５を比較的小型にすることができ、それによってテープ貼付装置１０全体を比較的小型にすることができる。

以上の処理装置により、エアシリンダで構成される制御機構の動作を応答性良く制御することが可能である。

ここで、本発明の処理装置は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、本発明の処理装置は、テープ貼付装置に限らず、エアシリンダの制御をともなうあらゆる装置に適用できる。

また、上記の説明ではテープ貼付装置にはエアシリンダが複数用いられたパラレルリンク機構が備えられていたが、１つのエアシリンダが用いられる処理装置に本発明を適用しても良い。

また、上記の説明では圧空源としてコンプレッサが用いられているが、それに限らず、たとえば工場圧空であっても構わない。

１ テープ
２ ワーク
２ａ 被貼付面
１０ テープ貼付装置
２０ ＡＴＬヘッド
３０ 押圧部
３１ ローラ
３１ａ 回転軸
３２ ローラ支持部
３５ フィーダー
４０ エンド部
５０ パラレルリンク機構
５１ リンク部
５２ 自在継手
５３ 自在継手
５４ エアシリンダ
５４ａ シリンダ部
５４ｂ ロッド部
５４ｃ 圧力センサ
５４ｄ 変位センサ
５４ｅ サーボバルブ
５４ｆ 空気圧供給部
５４ｇ ＡＴＬヘッド制御部
６０ ベース部
７１ ガントリ構造体
７２ Ｘ軸直動機構
７２ａ Ｘ軸ガイド部
７２ｂ Ｘ軸スライドテーブル
７３ Ｘθｚステージ
７４ Ｙ軸直動機構
７４ａ Ｙ軸ガイド部
７４ｂ Ｙ軸スライダ
７５ Ｚ軸直動機構
７５ａ Ｚ軸ガイド部
７５ｂ Ｚ軸スライダ
７５ｃ Ｚ軸ブラケット

Claims (5)

1. 対象物へ所定の処理を行う処理部と、
   前記処理部を変位させるエアシリンダと、
   前記エアシリンダへ供給するエアの流量を制御する制御バルブと、
   前記制御バルブへ圧空を供給する圧空源と、
   を備える処理装置であり、
   前記エアシリンダから前記制御バルブまでのエア配管長は、前記制御バルブから前記圧空源までのエア配管長よりも短いことを特徴とする、処理装置。
2. 各々異なる軸方向に前記処理部および前記エアシリンダを移動させる複数の駆動機構をさらに有し、前記制御バルブは複数の前記駆動機構が有する可動子のうちいずれかの前記可動子に搭載されていることを特徴とする、請求項１に記載の処理装置。
3. 前記制御バルブは、前記エアシリンダが取り付けられている前記可動子に搭載されていることを特徴とする、請求項２に記載の処理装置。
4. 複数の前記駆動機構はガントリ構造を有していることを特徴とする、請求項２もしくは３に記載の処理装置。
5. 前記処理部は、テープを被貼付面に貼り付けるために前記被貼付面に前記テープを押し付け、前記被貼付面とで前記テープを挟持する押圧部であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の処理装置。

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