JP4053812B2

JP4053812B2 - 圧入装置

Info

Publication number: JP4053812B2
Application number: JP2002120788A
Authority: JP
Inventors: 敏佐藤
Original assignee: 敏佐藤
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: JP2003311553A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は部品同士の精密な挿入、圧入の組み込みを正確、かつ、確実に行えるようにした圧入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、部材に他の部材を圧入する手段としては、油圧あるいは空圧シリンダを利用して部材同士を圧入するものであるが、該圧入時には片方の部材あるいは双方の部材を温めたり冷やしたりして、相互寸法を緩やかな嵌め合い交差程度に緩和して行っていた。
【０００３】
しかし、この圧入方法にあっては、部品を温めたり冷やしたりする必要があるため、最近の設備製造コストの低減と運動エネルギーの効率化から不適当な方法となった。そこで、近年においては、常温での圧入に切り換えられつつあるが、その場合には、部品の厳しい公差での圧入となり、所定位置や穴底まで圧入できないものや被圧入物壁面のカジリ、その金属等が底面ワーク間に狭まり片浮き状態を生じる等の新たな不都合が生じた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、確実な圧入作業を確保するために圧入力を高めることが考えられるが、該圧入力が高過ぎると、ワーク相互に永久歪みが発生してクラックや破損を生じると共に設備製造コストの上昇を招き、また、底付きの部品の場合には確認手段が無く中途半端な圧入状態で出荷される恐れがあり、市場での稼働中に所定機能を発生できなくなって市場クレームが発生するといった問題があった。
【０００５】
本発明は前記した問題点を解決せんとするもので、その目的とするところは、ワークを所定の位置に挿入する圧入装置において、先端治具の挿入力や位置をワークの形状に応じて最適に設定し、ワーク歪みのない低圧力転動圧入により、ワークの組み立て精度を向上させ、かつ、異物混入等の異常を検知して警告することができる圧入装置を提供せんとするにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧入装置は前記した目的を達成せんとするもので、その請求項１の手段は、電動あるいは油空圧を駆動源としてワーク圧入方向に移動あるいは戻し動作させる圧入シリンダ等の移動手段と、前記ワークへの圧入力を検出する荷重センサと、前記移動手段の移動位置を検出するリニアセンサ等の位置検出手段と、前記移動手段の下端に取付けられた慣性ウエイトと、該慣性ウエイトの下端に取付けられた圧電アクチュエータと、前記ワーク形状に応じて設定された圧入力設定値および圧入位置設定値を記憶し、前記圧入力設定値と前記荷重センサで検出された圧入力信号とを比較し、その偏差である圧入力偏差を求め、前記圧入位置設定値と前記位置検出手段で検出された移動位置信号とを比較し、その偏差である圧入位置偏差を求め、前記圧入力偏差および前記圧入位置偏差に応じて前記移動装置を駆動し、前記ワークが穴に圧入されることで一体化されるヘッドにおける前記穴に底付きが確認できた段階で、一旦、前記圧電アクチュエータを縮み端まで戻し、かつ、前記慣性ウエイトを圧入方向に移動させ予め設定した圧入力に達した時点で慣性ウエイトの位置を保持し、その後、圧電アクチュエータを直流モードで伸長させ、その間における荷重変化を荷重センサで計測し、圧電アクチュエータに加える電圧から換算した伸長距離とそれに伴う荷重変化から荷重偏差／位置偏差を演算処理し、該演算結果と予め設定してある正常値との偏差でワークと底面との間における異物の有無を判定する制御手段とを具備したものである。
【０００７】
請求項２の手段は、請求項１の圧入装置において、圧入ロッド先端にワーク保持しヘッド穴に案内する先端ジグと、該先端ジグを保持するホルダーと、前記先端ジグとホルダーを保持し振動させる圧電アクチュエータと、前記先端ジグとホルダーおよび圧電アクチュエータを保持しそれらの質量より大きな質量を有する慣性ウエイトとを具備し、前記先端ジグおよびホルダーが任意の振幅、任意の周波数伸縮振動を可能としたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４の手段は、請求項２における圧入ロッドに取付けられる先端ジグ、ホルダーおよび圧電アクチュエータの質量を軽量化して共振周波数を高めたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５の手段は、請求項２における圧入ロットに取付けられる先端ジグ、ホルダーおよび圧電アクチュエータの３点の合計質量より前記慣性ウエイトの質量を十分大きな質量とし、圧入時の先端部振動反力を前記慣性ウエイトの慣性エネルギーで吸収するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項６の手段は、請求項２における圧電アクチュエータの振動周波数を低域から高域に自動的に変化させ、その間の共振周波数を入力電力から検出し、共振周波数を維持するようにしたことを特徴とし、請求項７の手段は、請求項２における圧電アクチュエータの共振周波数が圧入荷重変化に伴って変化するのを検知し最適周波数に自動修正し維持するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項８の手段は、請求項２における圧電アクチュエータを常に共振周波数で駆動することにより最小エネルギーで圧入に伴う静摩擦を軽減し、かつ、前記ワークが歪まない小さな圧力で圧入するようにしたことを特徴とし、請求項９の手段は、請求項２において、被圧入ワークが底付きした際に、圧電アクチュエータの共振周波数が大きく変化することを利用して底付き作業完了と判断できるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項１０の手段は、請求項２における先端ジグに、中心内部を前後動する押圧杆を設け、該押圧杆の前進によって外側に広がる引掛体を押圧杆の外周に少なくとも２個回動自在に設け、該引掛体が外側に広がることにより引掛体に形成された爪がリング状のワークに引っ掛かるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧入装置の実施の携帯を図面と共に説明する。
図１は本発明の圧入装置の全体を示す構成図にして、１は電動あるいは油圧あるいは空圧によってピストンが伸縮するシリンダ、２は該シリンダ１のピストンの伸縮によって上下動する圧入ロッド、３は該圧入ロッド２の下端に取付けられた質量の大きな慣性ウエイト、４は該慣性ウエイト３の下端に取付けられ後述する制御手段１１よりの出力によって振動する圧電アクチュエータ、５は該圧電アクチュエータ４の下端に取付けられ後述する被ワーク８における穴８ａの周辺との干渉を避けるためのホルダー、６は該ホルダー５の下端に取付けられ後述するワーク７を前記ヘッド８の穴８ａに圧入するための先端ジグ、７はリング状あるいは有底リング状のワーク、８は該ワーク７が穴８ａに圧入されることによって一体化されるヘッドである。
【００１５】
９は前記シリンダ１の上端に取付けられ、該シリンダ１の荷重を測定する荷重センサ、１０は前記圧入ロッド２の移動距離を測定するリニアセンサ、１１は前記荷重センサ９よりの出力と予め設定した荷重との比較を行い荷重偏差を求める荷重比較手段と、リニアセンサ１０よりの出力と予め設定した圧入位置との比較を行い位置偏差を求める圧入位置比較手段を有し、これらの偏差から前記シリンダ１の動きや圧電アクチュエータ４の制御を行う制御手段、１２は該制御手段１１よりの出力を増幅して前記圧電アクチュエータ４を制御するための出力を送出するパワーアンプ、１３は前記制御手段１１による異常判定や動作状況を表示する表示器である。
【００１６】
なお、前記した荷重センサ９は圧入ロッド２内に設け、あるいは、シリンダ１内に設けてもよく、圧入ロッド２が受ける荷重を検出できればよい。また、リニアセンサ１０としては、シリンダ１の作用ロッド先端に一端を固定したアウトリガー形状でもよいし、シリンダ１が電動ネジ式のものであれば、電動モータの回転を検出する回転エンコーダであってもよい。
【００１７】
また、制御手段１１は油・空圧シリンダ制御用の電磁弁やサーボ弁もしくはモータサーボアンプ等も含まれている。さらに、パワーアンプ１２は駆動用アンプ回路と制御回路とから構成されており、該パワーアンプ１２は図３に示す波形、周期、ピークの各設定値を使って波形を任意に生成出力できる機能があり、これにより、各種ワーク形状や圧入条件などに合わせた最適振動を設定できるように構成されている。
【００１８】
例えば、図３の左端の波形では急峻な前進ストロークと緩やかな縮みを示すが、部材間接触面の粘性が高い場合には、この波形により素早く圧入前進させ粘性を断ち切り、質量の大きい圧入ロッド２、慣性ウエイト３の前進速度に合わせてゆっくりと縮むことで、先端ジグ６とワーク７との間に隙間が生じないように動作可能となるものである。
【００１９】
次に、前記した構成に基づいて動作を図２に示す特性図と共に説明するに、先ず、ワーク７を先端ジグ６に装着した状態において、制御手段１１に記憶されたワーク７の種別や形状等に応じて設定された圧入設定値や圧入位置に基づきパワーアンプ１２を介してシリンダ１に駆動信号を入力し、圧入ロッド２を伸長して慣性ウエイト３、圧電アクチュエータ４、ホルダー５を介して先端ジグ６を下降させて、ワーク７をヘッド８の穴８ａに接近させる。
【００２０】
この時、制御手段１１は荷重センサ９よりの出力と制御手段１１の荷重比較手段と、リニアセンサ１０よりの出力と制御手段１１の圧入位置比較手段によって荷重偏差および位置偏差を求める。その結果に基づきながらワーク７がヘッド８の穴８ａに接触し、荷重が予め設定されている閾値に上昇した前記荷重比較手段から出力されると、圧電アクチュエータ４が予め設定されている指定周波数、若しくは、低域から高域に周波数を変化させながら図３に示す共振点を求めて振動を開始し、振動圧入に移行する。
【００２１】
前記圧電アクチュエータ４を駆動するためのパワーアンプ１２は前記周波数設定機能とは別に共振検知機能があり、予め圧入時の共振周波数が不明な場合にテストランなどで使用する。すなわち、圧入開始と同時に動作を始めるが、同タイミングで荷重センサ９も動作を始めていて制御手段１１に予め設定してある荷重まで圧入荷重が上昇すると、その荷重を維持しつつパワーアンプ１２が圧電アクチュエータ４を低周波数から高周波にスイープ駆動する。
【００２２】
当然、圧入が進みワーク７は移動前進し、その前進に伴い荷重も変化するが荷重を一定値に維持するように制御手段１１が圧入シリンダ１を前進させ圧入荷重を一定値を保持する。そして、パワーアンプ１２はスイープ駆動時の入力電力をモニターし、電力ボトムピークの周波数を定荷重での共振周波数と見なし、その周波数を維持するように発振を制御することとなる。
【００２３】
そして、前記振動による圧入が継続して行われ圧入荷重を維持するように前進し、圧電アクチュエータ４を駆動するパワーアンプ１２は共振周波数を維持しながら最適効率での振動を継続する。また、圧電アクチュエータ４による振動圧入の反力振動が駆動装置側方向に生じるが、この反力は高い振動周波数と極めて小さな振幅で構成されている。
【００２４】
一方、受ける側は慣性ウエイトと圧入ロッドを合わせた大きな質量であり、この部分のイナーシャに振動反力の大部分を吸収させ、結果的に平均化された極めて低い周波数の継続した反力となる。この反力を移動装置のシリンダ推力で対向させ、連続圧入していく。この結果、振動は慣性ウエイトから先端部分のみで維持され、見かけ上、先端部の微小圧入前進に伴う圧入アクチュエータ４の伸び縮みストロークの中点が連続移動前進して圧入することとなる。
【００２５】
そして、圧入最終段階で、ワーク７がヘッド８における穴８ａの底に接触すると、振動周波数が急激に変化するので、圧入が終わったことを判別できる。また、作業開始からこの急激な変化までの移動量を監視することにより圧入作業正常終了を正確に定量的にも判断することができる。
【００２６】
さらに、底付き確認した段階で圧電アクチュエータ４を最短点まで短縮させつつ移動装置の圧入ロッド２を微速前進させ、閾値荷重まで上昇させた時点でその位置を保持する。その後、圧電アクチュエータ４を低速で連続的に伸長させ、ワーク７を穴８ａの底面に規定圧力まで加圧していく。この時、印加電圧から換算した位置と対応する荷重から荷重／位置偏差を演算し、指定区間のグラフパターンを生成する。これを図４および図５に示す正常設定パターン域と比較することにより、ワーク７と穴８ａの底面との間の図６に示すような異物混入や底部全周にわたっての接触度合いの合否判定をすることができる。
【００２７】
すなわち、圧入位置上方はシリンダ１のストロークを検出するリニアセンサ１０で計測しているので、先端ジグ６はワーク７の移動速度に比べて高い周波数での振動であるから、その平均位置が計測されていると見なし、この情報と荷重センサ９からの情報とから図５の特性曲線を想定する。この曲線は底付き位置から逆算してカーブを描かせ、その際の瞬時値をプロットしたもので、ワーク７とヘッド８の穴８ａの底面とが接触する際の状況を拡大することで異常判断をより正確に行えるものである。
【００２８】
そして、異物噛み込みの場合の異物はワーク７がヘッド８の穴８ａの底壁面を掻き削った金属屑が多く、これを噛み込むと荷重から見た場合、通常より早く荷重上昇が始まり、その後、金属屑を潰していくため荷重上昇率がなだらかな状態で上昇し、また、図５の電力対周波数の対比でも周波数がなだらかな状態で上昇する。この部分を正常状態と比較すると図４に示すように、正常状態では面と面が接触後直ちに荷重反発が生じるため、壁面摩擦に伴う荷重で推移していた荷重が略垂直的に立ち上がり、また、図５に示すように周波数も大幅に変化する。
【００２９】
そして、この異常判別をする手段として、図４に示す荷重対位置の場合には、底付き確認荷重に達した位置を通る判定仮想直線を仮定し、この直線と各規制曲線とが交わるポイントの判定評価値＝荷重×底付き位置という数値という数値を利用して、この数値の規定値に対する大小で異物の有無を判断し、異常判別することが可能である。また、図５に示す電力対周波数の場合も、前記したように周波数がゆるやかな変化となるので、相対的な差異から判断が可能となるものである。
【００３０】
なお、前記した動作において金属屑等の異物の判定を行うことができるが、より確実に行うためには、前記した異物の判定が行われた後に、底付き確認段階で圧電アクチュエータ４を縮み端まで短縮し、シリンダ１を前進駆動して荷重が予め設定してある値に上昇するまで押し付け、その位置を維持するよう圧入ロッド２を位置制御しながら圧電アクチュエータ４をゆっくり伸長させてワーク７を底面に押し付ける。
【００３１】
この時の荷重上昇と圧電アクチュエータ電圧換算の伸長距離から前記荷重対位置特性曲線を再度描き、前記した方法で異物を再度判定する。これにより、正常値ということは、二度の圧入により金属屑等の異物が充分押し潰され、それ以上ワーク７が沈み込むおそれがないと判断できるし、相変わらず異常判定であれば不良と判断して処分することが可能となる。
【００３２】
なお、前記したワーク７がリング状の場合には、前記先端ジグ６に図７に示すような中心内部を前後動する押圧杆６ａを設け、該押圧杆６ａの前進によって外側に広がる引掛体６ｂを押圧杆６ａの外周に少なくとも２個回動自在に設け、該引掛体６ｂが外側に広がることにより引掛体６ｂに形成された爪６ｂ₁がリング状のワーク７に引っ掛かるようにした。
【００３３】
これにより、作業初期でのワーク７のヘッド８の穴８ａへの挿入においてワーク７の脱落や斜め挿入を防止でき、また、寸法不良による異常荷重等を検知した段階での圧入作業を中断し、引掛体６ｂにより圧入途中のワーク７の引き抜きや手直し修理するか若しくは再生不能の不良に至る手前で作業を中断できることとなる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は前記したように、圧入シリンダ等の移動手段の先端に圧電アクチュエータとその振動反力エネルギーを慣性エネルギーに変換するウエイトを設けて、先端のみが振動し静摩擦を軽減しながら軽い力で圧入可能としたので、ワークがヘッドにおける穴に底付きしたか否かを底付き付近の荷重と位置変化情報から確認できると共に異物の噛み込み、斜め入り等の異常も検出可能である。
【００３５】
また、異常と判定されたワークに対して再度静的加圧に近いゆっくりとした動作で、合否差異確認が一連の動作中にでき、また、ワークのヘッドの穴への挿入においてワークの脱落や斜め挿入を防止でき、さらに、寸法不良による異常荷重等を検知した段階での圧入作業を中断し、圧入途中のワークの引き抜きや手直し修理するか若しくは再生不能の不良に至る手前で作業を中断できる等の効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧入装置の構成を示す概略図である。
【図２】荷重対距離曲線を示す図である。
【図３】パワーアンプの出力曲線を示す図である。
【図４】荷重対位置曲線を示す図である。
【図５】電力対周波数曲線を示す断面図である。
【図６】ワークとヘッドにおける穴との間に異物が介在した状態を示す図である。
【図７】先端ジグの詳細を示す断面図である。
【符号の説明】
１シリンダ
２圧入ロッド
３慣性ウエイト
４圧電アクチュエータ
５ホルダー
６先端ジグ
６ａ押圧杆
６ｂ引掛体
６ｂ₁ 爪
７ワーク
８ヘッド
８ａ穴
９荷重センサ
１０リニアセンサ
１１制御手段
１２パワーアンプ
１３表示器

Claims

電動あるいは油空圧を駆動源としてワーク圧入方向に移動あるいは戻し動作させる圧入シリンダ等の移動手段と、
前記ワークへの圧入力を検出する荷重センサと、前記移動手段の移動位置を検出するリニアセンサ等の位置検出手段と、
前記移動手段の下端に取付けられた慣性ウエイトと、該慣性ウエイトの下端に取付けられた圧電アクチュエータと、
前記ワーク形状に応じて設定された圧入力設定値および圧入位置設定値を記憶し、前記圧入力設定値と前記荷重センサで検出された圧入力信号とを比較し、その偏差である圧入力偏差を求め、前記圧入位置設定値と前記位置検出手段で検出された移動位置信号とを比較し、その偏差である圧入位置偏差を求め、前記圧入力偏差および前記圧入位置偏差に応じて前記移動装置を駆動し、前記ワークが穴に圧入されることで一体化されるヘッドにおける前記穴に底付きが確認できた段階で、一旦、前記圧電アクチュエータを縮み端まで戻し、かつ、前記慣性ウエイトを圧入方向に移動させ予め設定した圧入力に達した時点で慣性ウエイトの位置を保持し、その後、圧電アクチュエータを直流モードで伸長させ、その間における荷重変化を荷重センサで計測し、圧電アクチュエータに加える電圧から換算した伸長距離とそれに伴う荷重変化から荷重偏差／位置偏差を演算処理し、該演算結果と予め設定してある正常値との偏差でワークと底面との間における異物の有無を判定する制御手段と、
を具備したことを特徴とする圧入装置。
請求項１の圧入装置は、圧入ロッド先端にワーク保持しヘッド穴に案内する先端ジグと、該先端ジグを保持するホルダーと、前記先端ジグとホルダーを保持し振動させる圧電アクチュエータと、前記先端ジグとホルダーおよび圧電アクチュエータを保持しそれらの質量より大きな質量を有する慣性ウエイトとを具備し、前記先端ジグおよびホルダーが任意の振幅、任意の周波数伸縮振動を可能としたことを特徴とする圧入装置。
請求項２における圧入ロッドに取付けられる先端ジグ、ホルダーおよび圧電アクチュエータの質量を軽量化して共振周波数を高めたことを特徴とする圧入装置。
請求項２における圧入ロットに取付けられる先端ジグ、ホルダーおよび圧電アクチュエータの３点の合計質量より前記慣性ウエイトの質量を十分大きな質量とし、圧入時の先端部振動反力を前記慣性ウエイトの慣性エネルギーで吸収するようにしたことを特徴とする圧入装置。
請求項２における圧電アクチュエータの振動周波数を低域から高域に自動的に変化させ、その間の共振周波数を入力電力から検出し、共振周波数を維持するようにしたことを特徴とする圧入装置。
請求項２における圧電アクチュエータの共振周波数が圧入荷重変化に伴って変化するのを検知し最適周波数に自動修正し維持するようにしたことを特徴とする圧入装置。
請求項２における圧電アクチュエータを常に共振周波数で駆動することにより最小エネルギーで圧入に伴う静摩擦を軽減し、かつ、前記ワークが歪まない小さな圧力で圧入するようにしたことを特徴とする圧入装置。
請求項２において、被圧入ワークが底付きした際に、圧電アクチュエータの共振周波数が大きく変化することを利用して底付き作業完了と判断できるようにしたことを特徴とする圧入装置。
請求項２における先端ジグに、中心内部を前後動する押圧杆を設け、該押圧杆の前進によって外側に広がる引掛体を押圧杆の外周に少なくとも２個回動自在に設け、該引掛体が外側に広がることにより引掛体に形成された爪がリング状のワークに引っ掛かるようにしたことを特徴とする圧入装置。