JP5499922B2

JP5499922B2 - ツール収納機構及びツール収納方法

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Publication number: JP5499922B2
Application number: JP2010134206A
Authority: JP
Inventors: 勉本間
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: JP2011255481A

Description

一実施形態はツール収納機構及びツール収納方法に関する。

近年、パーソナルコンピュータや携帯電話機等の製造に代表される電子機器の製造分野では、多種多様なユーザのニーズに応えるべく、多種変量生産が主流になってきている。多種変量生産を行なうために考案された組立てのセル生産では、作業者一人が他品種の組立てを行なわなくてはならない。他品種の組立てを自動組立機で行なう場合は、ロボットなどの汎用自動化設備に他品種の組立てを行なうことができる機能を組み込まなければならない。

例えば、品種の異なる製品を組み立てるためには、その製品専用の工具や治具（ツール）を用いるため、マルチツールユニットやツールチェンジユニットをロボットに装着することが一般的である。すなわち、ロボットのアームの先端に取り付けたツールを、これから組立てを行なう製品専用のツールに交換する。

ツールチェンジユニットは、一般的に、ツールの装着・離脱を行なう機構と、その機構を駆動するためのアクチュエータ（モータ、エアシリンダ等）を有している。ロボットにこのような機構を搭載する場合、ロボットアームに対する許容負荷や大きさによる制約条件から、ツールチェンジユニットを小型化・軽量化しなければならない。ツールチェンジユニットを小型化・軽量化するために、アクチュエータを使用しないツールチェンジャが提案されている。

アクチュエータを使用しないツールチェンジユニットの一例として、ペンプロッタ（ＸＹプロッタ）に使用されているペン交換機構が知られている。ペンプロッタにおいては、ツールの装着・離脱を行なうための機構を駆動するアクチュエータを、ツールの移動・位置決めを行なうＸＹ移動機構が兼ねている。ただし、ペンプロッタにおけるツールはペンであり、ペンは描く線の色や太さが異なるだけで、外形形状や重量は同じである。すなわち、異なるツールに交換はするものの、外形形状や重量が同じツールに限られる。

一方、各種製品の自動組立作業では、ツール・ロボットの機能性能に関係無くツール交換ができなければならない。また、ツールチェンジユニット自体の重量・大きさ・形状の共通化も要求されている。上述のペンプロッタと同様に、ロボット自身をツールチェンジユニットのアクチュエータとして用いる場合、ツール重量やロボットの許容負荷能力に合わせて把持力（装着力）・リリース力（離脱力）を可変できる機構が必要となる。

一般的に、ツールチェンジユニットでは、ツールが装着される側（例えば、ロボットアームの先端）の係合部をツール側に設けられた係合部に係合させることによりツールを把持する。ツールが装着される側の係合部は例えば円筒状の凸部であり、ツール側の係合部は例えば当該円筒状の凸部が挿入されて嵌合する円筒状の凹部である場合が多い。すなわち、ツール装着側の円筒状の凸部をツールの円筒状の凹部に嵌め込んでツールを把持する機構である。

ツールチェンジユニットでツール交換をするには、複数のツールをツールホルダに収容しておき、使用していたツール（ロボットアームの先端に装着していたツール）を先ずツールホルダに戻してから別のツールをロボットアームの先端に装着する。そこで、ツールをツールホルダに収納する際に、ツールを収納部に対して位置決めする必要がある。この位置決めはツールに取り付けられたツールチェンジャとツールホルダとに設けられた位置決め機構で行なうことができる。

このような位置決め機構として、ツール側に設けられた板を、ツールホルダ側に設けられたスリットに挿入してツールを位置決めして保持することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、ツールに設けられた鍔部を、ツールホルダに設けられた係止凹所に挿入して鍔部を係止することでツールをツールホルダに収納することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平６−２０６１３４号公報特公平６−４３０１５号公報

ツールチェンジユニットを用いてツール交換を行なうには、まず、複数のツールをツールホルダに収納しておく必要がある。ツール交換時には、ロボットアームによりツールをツールホルダの収容部に収容するが、ツールチェンジャが取り付けられた複数のツールを予めツールホルダに収納しておく必要がある。

ツールを最初にツールホルダに収納する際には、作業者が人手によりツールを一つずつツールホルダに収納することが一般的である。このとき、作業者が目視によりツールをツールホルダの収納部に配置し、最終的にはツールホルダの位置決め機構によりツールが所定の収納位置に位置決めされる。すなわち、ツールに取り付けられるツールチェンジャとツールホルダの収納部には、位置決め機構が備えられており、位置決め機構が正常に機能する位置までツール（ツールチェンジャ）をうまく持って行ければ、あとは自動的に位置決めが行なわれる。ところが、作業者の目視による収納作業では、例えば、ツールの微妙な傾きを修正することができず、ツールが傾いたままツールホルダに収納してしまうことがある。このように、ツールが傾いてツールチェンジャが精確な位置に配置されていない状態で、ロボットアームが当該ツールを取りに来た場合、ロボットアーム側のツールチェンジャがうまくツール側のツールチャンジャに係合できず、ツール交換作業が中断してしまうおそれがある。

そこで、ツールホルダの収納位置までツール及びツールチェンジャを確実に案内することのできるツール収納機構の開発が望まれている。

一実施形態によれば、ツールが取り付けられたツールチェンジャと、前記ツールチェンジャに設けられ、左右２つの位置決め孔を有する支持板と、前記ツールチェンジャに設けられ、前記支持板が設けられた側とは反対側に配置された左右２つのガイド部と、前記ツールチェンジャを収納可能なツールホルダと、前記ツールホルダに設けられ、前記位置決め孔にそれぞれ嵌合する２本の位置決めピンを有し、前記ツールチェンジャの前記支持板を支持するツール支持部材と、前記ツールホルダに設けられ、水平方向のうち前記位置決めピンを結ぶ線に垂直な方向である第１の方向において、前記ツールチェンジャの前記ガイド部を挟むように配置され、前記ツールチェンジャの移動を案内する一対のガイド受けとを備え、前記ツールチェンジャの前記ガイド部と前記ツールホルダの前記一対のガイド受けとで形成される第２の位置決め機構の位置決め精度は、前記ツールチェンジャの前記位置決め孔と前記ツールホルダの前記位置決めピンとで形成される第１の位置決め機構の位置決め精度より低く設定されているツール収納機構が提供される。

また、ツールチェンジャが取り付けられたツールを、前記ツールチェンジャの支持板が上になるように、ツールホルダの収納部の垂直上方に移動し、前記ツールを下方に移動して、前記ツールチェンジャの側部に設けられたガイド部を、前記ツールホルダに設けられた一対のガイド受けの間に挿入し、さらに前記ツールを下方に移動して、前記ツールチェンジャの支持板に設けられた２つの位置決め孔に、前記ツールホルダのツール支持部材に設けられた２本の位置決めピンをそれぞれ挿入して嵌合し、さらに前記ツールを下方に移動して、前記ツールチェンジャの支持板を前記ツールホルダの前記ツール支持部材上に載置することで、前記ツールを前記ツールホルダの収納部に配置するツール収納方法が提供される。

実施形態によれば、ツールホルダの収納位置までツール及びツールチェンジャを確実に案内することのできるツール収納機構及びツール収納方法が提供される。

一実施形態によるツール交換機構であるツールチェンジユニットの断面図である。図１に示すツールチェンジユニットの断面図である。アーム側ツールチェンジャを図１の矢印ＩＩＩ方向から見た平面図である。アーム側ツールチェンジャを図１の矢印ＩＶ方向から見た側面図である。ツール側ツールチェンジャを図１の矢印Ｖ方向から見た平面図である。ツール側ツールチェンジャを図１の矢印ＶＩ方向から見た側面図である。アーム側ツールチェンジャの係合凸部が、ツール側ツールチェンジャの係合凹部に挿入された状態を示す平面図である。ボールプランジャのボールがＶ溝に係合した状態を示す拡大断面図である。アーム側ツールチェンジャをツール側ツールチェンジャ２Ｂに係合させる前の状態を示す側面図である。ツールホルダを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。ツール側ツールチェンジャが取り付けられたツールが収納されたツールホルダを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。アーム側ツールチェンジャの係合凸部をツール側ツールチェンジャの係合凹部に挿入し係合させた状態を示す側面図である。ツール側ツールチェンジャと共にツールを上方に移動した状態を示す側面図である。ツールをツールホルダから完全に外した状態を示す側面図である。ツールをツールホルダのツール支持部材の切欠き部に入れる前の状態を示す側面図である。アーム側ツールチェンジャの支持板のブッシュの垂直下方にツールホルダの位置決めピンが位置するようにツールを移動した状態の側面図である。ツール側ツールチェンジャが取り付けられたツールをツールホルダに収納した状態を示す側面図である。アーム側ツールチェンジャがツール側ツールチェンジャから離脱した状態を示す側面図である。ツールをツールホルダに収納する際の第１の位置決め機構の側面図である。ツールをツールホルダに収納する際の第２の位置決め機構の側面図である。ツールをツールホルダの収納位置の真上に移動した状態を示す側面図である。ツールが傾いた状態でツールホルダの収納位置の真上に移動した状態を示す側面図である。ツールが傾いた状態でツールホルダの収納位置の真上に移動した状態を示す側面図である。位置決め孔が位置決めピンに嵌合する前に、ガイドの傾斜面がガイド受けのＲ部に当接した状態を示す側面図である。ツールの傾きが小さくなって支持板が回動して上方に移動した状態を示す側面図である。ツールの傾きが修正されて垂直になった状態を示す側面図である。ツールを下方に移動する途中の状態を示す側面図である。ブッシュの位置決め孔の入り口に位置決めピンの円柱部が係合した状態を示す側面図である。ツール側ツールチェンジャの支持板がツールホルダのツール支持部材上に載置された状態を示す側面図である。ツールのツールホルダへの収納が完了した状態を示す側面図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１及び図２は一実施形態によるツール交換機構であるツールチェンジユニット２の断面図である。ツールチェンジユニット２は、アーム側ツールチェンジャ２Ａとツール側ツールチェンジャ２Ｂを含む。図１にはツール側ツールチェンジャ２Ｂがアーム側ツールチェンジャ２Ａから離脱した状態が示されている。ツール側ツールチェンジャ２Ｂは、図２に示すようにアーム側ツールチェンジャ２Ａに装着可能である。

アーム側ツールチェンジャ２Ａは、ダンパ機構４を介してロボットアーム６の先端に取り付けられる。ロボットアーム６を動かすことでアーム側ツールチェンジャ２Ａを移動することができる。ダンパ機構４はロボットアーム６に対してアーム側ツールチェンジャ２Ａを図２における上方向に弾性的に移動可能するために設けられるものである。本実施形態において、ロボットは、作業を行なう位置までツールを移動するための装置の一例であり、ツール移動装置に相当する。

ツール側ツールチェンジャ２Ｂは、ツール８に固定されてツール８と一体となる。本実施形態ではツール８として吸着ヘッドが用いられおり、ツール８には吸引通路８ａが設けられている。ツール側ツールチェンジャ２Ｂがツール８に取り付けられると、ツール８の吸引通路８ａはツール側ツールチェンジャ２Ｂの吸引プラグ４１に接続された状態となる。ツール側ツールチェンジャ２Ｂがアーム側ツールチェンジャ２Ａに装着されると、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの吸引プラグ４１はアーム側ツールチェンジャ２Ａに設けられたソケット穴２１ａに挿入された状態となり、ツール８の吸引通路８ａはツールチェンジャ２Ａの吸引通路２１ｂに接続される。これにより、ツール側ツールチェンジャ２Ａの吸引通路２１ｂに負圧を導入することで、吸着ヘッドであるツール８に負圧を導入して吸着動作を行なわせることができる。

ここで、アーム側ツールチェンジャ２Ａの構造について詳細に説明する。図３はアーム側ツールチェンジャ２Ａを図１の矢印ＩＩＩ方向から見た平面図である。図４はアーム側ツールチェンジャ２Ａを図１の矢印ＩＶ方向から見た側面図である。

アーム側ツールチェンジャ２Ａは、平板状の本体２０と、本体２０の外周の一部から垂直方向に延在するソケット形成部２１と、本体２０の中央部分から突出した係合凸部２２とを有する。本体２０はアルミ合金等の比較的軽い金属材料で形成される。係合凸部２２の周囲において、２本の位置決めピン２３が本体２０から突出して設けられている。位置決めピン２３は、ステンレス鋼のように比較的硬度の高い金属材料により形成される。

ツール側ツールチェンジャ２Ｂがアーム側ツールチェンジャ２Ａに装着される際、係合凸部２２は、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの係合凹部に挿入されて嵌合する。これによりツール側ツールチェンジャ２Ｂは、アーム側ツールチェンジャ２Ａに離脱可能に装着される。係合凸部２２が係合凹部に挿入される前に、２本の位置決めピン２３がツール側ツールチェンジャ２Ｂの位置決め孔に挿入されて嵌合することで、アーム側ツールチェンジャ２Ａはツール側ツールチェンジャ２Ｂに対して位置決めされる。

アーム側ツールチェンジャ２Ａのソケット形成部２１には空気吸引用継ぎ手１０が取り付けられ、吸引通路２１ｂに接続される。したがって、空気吸引用継ぎ手１０から空気を吸引することで、吸引通路２１ｂ及び吸引プラグ４１を介してツール８の吸引通路８ａに負圧を導入することができる。

アーム側ツールチェンジャ２Ａの本体２０の側面からはロッド２４が延出している。ダンパ機構４のロッド４ａに一端が取り付けられたバネ１１の他端がロッド２４に取り付けられている。アーム側ツールチェンジャ２Ａはダンパ機構４により図４の矢印方向にスライド可能に支持されており、バネ１１はアーム側ツールチェンジャ２Ａのスライド方向と反対方向に付勢している。

本体２０から突出している係合凹部２２は円柱形状であり、その直径方向に貫通して延在する３本の調整孔２２ａが形成されている。調整孔２２ａの内面には、全長さにわたってネジが形成れており、外周にネジが形成されたボールプランジャ２５が各調整孔２２ａ内にねじ込まれて配置されている。後述のように、ボールプランジャ２５のボールがツール側ツールチェンジャの係合凹部の内面に押し付けられることで、ツール側ツールチェンジャ２Ｂがアーム側ツールチェンジャ２Ａに装着され固定される。

次に、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの構造について詳細に説明する。図５はツール側ツールチェンジャ２Ｂを図１の矢印Ｖ方向から見た平面図である。図６はツール側ツールチェンジャ２Ｂを図１の矢印ＶＩ方向から見た側面図である。

上述のように、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの本体４０には、吸引プラグ４１が取り付けられ、アーム側ツールチェンジャ２Ａの吸引ソケット穴２１ａに嵌合するようになっている。アルミ合金のように比較的軽い金属材料で形成された本体４０には、アーム側ツールチェンジャ２Ａの位置決めピン２３が挿入される位置決め孔４２が形成されている。位置決め孔４２には、ステンレス鋼のように比較的硬度の高い金属材料で形成されたブッシュ４２ａが嵌め込まれている。ブッシュ４２の内径は位置決めピン２３の外径より僅かに大きい程度であり、２箇所のブッシュ４２に位置決めピン２３が嵌合することで、アーム側ツールチェンジャ２Ａをツール側ツールチェンジャ２Ｂに対して精度よく位置決めすることができる。

ツール側ツールチェンジャ２Ｂの本体４０には、アーム側ツールチェンジャ２Ａの係合凸部２２が挿入される係合凹部４３が形成されている。係合凹部４３の内面に、円環状のＶ溝４４ａを有するテーパリング４４が嵌め込まれている。テーパリング４４は、ステンレス鋼のように比較的硬度の高い金属材料で形成されている。アーム側ツールチェンジャ２Ａの係合凸部２２がツール側ツールチェンジャ２Ｂの係合凹部４３に挿入されると、係合凸部２２の外周面から突出した３個のボールプランジャ２５の先端のボールが、テーパリング４４のＶ溝４４ａに係合するようになっている。ボールプランジャ２５のボールがテーパリング４４のＶ溝４４ａに係合することで、係合凸部２２が係合凹部４３に固定される。ボールプランジャ２５による固定動作については後述する。

本体４０の一端（上側の端部）には、本体の左右方向に延在する支持板４５が固定されている。支持板４５は後述のようにツール側ツールチェンジャ２Ｂに取り付けられたツール８をホルダに収納するときにツール側ツールチェンジャ２Ｂの上部を支持するために設けられる。支持板４５の左右両側には、ホルダに設けられた位置決めピンに係合する位置決め孔を有するブッシュ４５ａが設けられている。本体４０の下部の両側面には、先端がテーパ状に形成されたガイド４６が取り付けられている。ガイド４６は、後述のように、ツール側ツールチェンジャ２Ｂに取り付けられたツール８をツールホルダに収納する際にツール側ツールチェンジャ２Ｂが垂直になるようにガイドする機能を果たす。

ここで、アーム側ツールチェンジャ２Ａの３個のボールプランジャ２５によるツール側ツールチェンジャ２Ｂの固定動作について説明する。図７はアーム側ツールチェンジャ２Ａの係合凸部２２が、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの係合凹部４３に挿入された状態を示す平面図である。図８はボールプランジャ２５のボールがＶ溝４４ａに係合した状態を示す拡大断面図である。

アーム側ツールチェンジャ２Ａの係合凸部２２は、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの係合凹部４３に嵌め込まれたテーパリング４４の内側に挿入される。このとき、係合凸部２２の外周面から突出したボールプランジャ２５のボール２５ａは、テーパリング４４の上端の縁により押されて内側に移動し、テーパリング４４の内側を摺動しながらＶ溝４４ａまで移動する。そして、ボールプランジャ２５のボール２５ａは、図８に示すようにＶ溝４４ａに入り込み、ボールプランジャ２５内に設けられているスプリング２５ｂの弾性力によりＶ溝４４ａの内面に押し付けられる。

３個のボールプランジャ２５が等角度（１２０度）で配置されているため、３点でＶ溝４４ａに係合して押圧する。このようにボールプランジャ２５のボール２５ａがＶ溝４４ａの内面に係合することで、ツール側ツールチェンジャ２Ｂをアーム側ツールチェンジャ２Ａで保持（把持）することができる。アーム側ツールチェンジャ２Ａがツール側ツールチェンジャ２Ｂを把持する把持力は、ボールプランジャ２５のボール２５ａでＶ溝４４ａの内面を押圧する押圧力により決まる。

ここで、ツール８が重い場合には大きな把持力が必要であり、ツール８が軽い場合には小さな把持力でよい。したがって、ツール８の重量に基づいて把持力を調整する必要がある。把持力はボールプランジャ２５のボール２５ａをスプリング２５ｂで押す力に相当する。したがって、把持力を大きくするにはボールプランジャ２５を外側に出して、係合凸部２２の外周面からボール２５ａが大きく突出するようにすればよい。反対に、把持力を小さくするにはボールプランジャ２５を内側に入れて、係合凸部２２の外周面からのボール２５ａの突出量小さくすればよい。

ただし、把持力を大きくしようとしてボールプランジャ２５を外側に出して係合凸部２２の外周面からボール２５ａが大きく突出させると、係合凸部２２を係合凹部４３に挿入する際に必要な押圧力も大きくなる。係合凸部２２を係合凹部４３に挿入するには、係合凸部２２の外周面から突出したボール２５ａをテーパリング４４の内周面に突き当てて内側に移動させながら、テーパリング４４の内周面を摺動させて、Ｖ溝４４ａまで移動させる。ボール２５ａをテーパリング４４の内周面に突き当てて内側に移動させる力は、係合凹部２２を挿入方向に押圧する力を、ボール２５ａで方向変換した力に相当する。すなわち、ボール２５ａをスプリング２５ｂの押圧力に逆らって内側に押し込むだけの力が出るように係合凹部２２を挿入方向に押圧する必要がある。

このように、ボール２５ａの突出量を大きくすると、それだけボール２５ａを内側に押し込む距離が大きくなり、スプリング２５ｂの押圧力に抗してボール２５ａを内側に押し込むための力を大きくしなければならない。換言すれば、把持力を大きくするためにボール２５ａの突出量を大きくすると、それだけ係合凸部２２を挿入方向に押圧する力も大きくしなければならない。

本実施形態のようにロボットアーム６の駆動力によりアーム側ツールチェンジャ２Ａをツール側ツールチェンジャ２Ｂに押し付けて係合凸部２２を係合凹部４３に挿入する構成の場合、使用するロボットで出すことのできる押圧力はロボットの性能により上限（ロボットの許容負荷能力）がある。小型のロボットなどでは、ボール２５ａの突出量を大きくすると、係合凸部２２を係合凹部４３に挿入できるだけの押圧力を出せないおそれがある。

そこで、本実施形態では、必要な把持力や、ロボットの性能（アーム側ツールチェンジャ２Ａを押圧できる最大力）を考慮して、ボール２５ａの突出量を調整する機構を設けている。ボール２５ａの突出量の調整は、ボールプランジャ２５の位置を外側又は内側にずらすことで行なう。ボールプランジャ２５の外周にはねじが形成されており、ボールプランジャ２５は調整孔２２ａ（ネジ孔）にねじ込まれて組み込まれている。調整孔２２ａは係合凸部２２を貫通して延在しており、ボールプランジャ２５は調整孔２２ａの一端側に位置している。ボールプランジャ２５の後端には、ドライバビットやレンチを係合させることのできる係合穴２５ｃが設けられている。したがって、調整孔２２ａの反対側からドライバビット又はレンチを差し込んで、ボールプランジャ２５の後端の係合穴２５ｃに係合させることができる。そして、ボールプランジャ２５を回転させてボールプランジャ２５の位置を移動させることで、ボール２５ａの突出量を調整することができる。この調整は組立て作業員がドライバやレンチを用いて容易に行なうことができる。

ここで、図７に示すように、本実施形態では、３本の調整孔２２ａが等角度（１２０度間隔）で配列され、その各々にボールプランジャ２５が組み込まれている。３本の調整孔２２ａの中心軸は同一平面内に延在し、係合凸部２２の中央で互いに交差している。このように構成することにより、各調整孔２２ａのボールプランジャ２５の反対側が係合凸部２２の外周面に開口している状態となり、ドライバビットやレンチを調整孔２２ａに挿入することができる。また、一つの調整孔２２ａに配置されたボールプランジャ２５は、調整孔２２ａが交差する部分を塞がないような長さである。

調整孔２２ａの本数は３本に限ることなく、係合凸部２２の大きさで制約されないなら、５本、７本というように奇数本の調整孔２２ａを設けることとしてもよい。奇数本の調整孔２２ａを等角度で配置することで、調整孔２２ａのボールプランジャ２５ａの反対側を係合凸部２２の外周面で開口させておくことができ、ドライバビットやレンチ等の工具を調整孔２２ａに挿入することができる。

ここで、例えば、偶数本として４本の調整孔２２ａを等角度で配置しようとすると、２本の調整孔２２ａを十字状に配列することとなり、各調整孔２２ａの両端側にボールプランジャ２５を配置しなければならない。調整孔２２ａの両端側にボールプランジャ２５が配置されると、調整孔２２ａは２つのボールプランジャ２５で両端が塞がれてしまい、ドライバビットやレンチを調整孔２２ａに挿入することができなくなってしまう。したがって、本実施形態では、奇数本の調整孔２２ａを等角度で配列することとした。

以上のように、組立て作業員は、ツール８の重量やロボットの許容負荷能力に合わせて、適切な把持力が出るように、ボールプランジャ２５のボール２５ａの突出量を予め調整しておくことができる。したがって、本実施形態のツールチェンジユニット２を用いることで、同じロボットに、重量や形状が異なる複数のツールの各々を、ロボットの動作のみで簡単に装着することができる。

次に、上述のツール交換機構であるツールチェンジユニット２を用いて行なうツール交換動作について説明する。

まず、ツール８をロボットアーム６に装着する動作について説明する。図９に示すように、ツール８に取り付けられたツール側ツールチェンジャ２Ｂはツールホルダ５０に収納されているものとする。ツールホルダ５０は、垂直方向に延在するベース板５１と、ベース板５１から水平方向に延在するツール支持部材５２と、ツール支持部材５２の下方で水平方向に延在するガイド取付け部材５３と、ガイド取り付け部材に設けられた一対のガイド受け５４ａ、５４ｂとを有する。

図１０はツールホルダ５０を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。ツールホルダ５０は、複数のツールを収納するように構成されている。図１０に示す例では２個のツールを収納できるように、収納部が２つ形成されている。すなわち、ツール支持部材５２には切欠き部５６が２箇所設けられ、切欠き部５６の各々に上方からツール８を差し込むことでツール８をツールホルダ５０に収納することができる。

なお、ベース板５１から水平方向に延在するツール支持部材５２を補強するために、ベース板５１とツール支持部材５２とに当接する補強板５５Ａが取り付けられている。同様に、ベース板５１から水平方向に延在するガイド取り付け部材５３を補強するために、ベース板５１とガイド取り付け部材５３とに当接する補強板５５Ｂが取り付けられている。

図１１はツール側ツールチェンジャ２Ｂが取り付けられたツール８が収納されたツールホルダ５０を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。ツール側ツールチェンジャ２Ｂの支持板４５の左右部分に設けられたブッシュ４５ａに、ツールホルダ５０のツール支持部材５２に設けられた位置決めピン５２ａが嵌合し、支持板４５の左右部分がツール支持部材５２に載せられて支持される。ツールホルダ５０に収納された状態では、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの左右側面に取り付けられたガイド４６は、ツールホルダ５０のガイド取り付け部材５３に設けられた一対のガイド受け５４ａ、５４ｂの間に挿入されている。このように、ツール８がツールホルダ５０に収納された状態で、ツール側ツールチェンジャ２Ｂはツール支持部材５２により支持され、水平方向の移動は、位置決めピン５２ａと、ガイド受け５４ａ、５４ｂとにより規制される。

以上のように、ツール８は、ツール８に取り付けられたツール側ツールチェンジャ２Ｂの支持板４５の両側がツール支持部材５２により支持された状態でツールホルダ５０に収納される。この状態で、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの側部に取り付けられたガイド４６は、ツールホルダ５０の一対のガイド受け５４ａ、５４ｂの間に収納されている。

ツール８がツールホルダ５０に収納された状態で、図１２に示すように、ロボットアーム６を移動してアーム側ツールチェンジャ２Ａの係合凸部２２をツール側ツールチェンジャ２Ｂの係合凹部４３に挿入し係合させる。このとき、アーム側ツールチェンジャ２Ａの２本の位置決めピン２３がツール側ツールチェンジャ２Ｂの位置決め孔４２に嵌合し、ツール側ツールチェンジャ２Ｂに対してアーム側ツールチェンジャ２Ａが位置決めされる。アーム側ツールチェンジャ２Ａの係合凸部２２をツール側ツールチェンジャ２Ｂの係合凹部４３に挿入するときに、ボールプランジャ２５のボール２５ａがテーパリング４４に当接してツール側ツールチェンジャ２Ｂが押されることとなる。しかし、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの上部は、ツールホルダ５０の位置決めピン５２ａにより係止され、下部はガイド受け５４ｂにより係止されているので、ツール側ツールチェンジャ２Ｂは押された方向に移動できず、ロボットアーム６により押圧しながら係合凸部２２を係合凹部４３に挿入することができる。

また、ボールプランジャ２５のボール２５ａを内側に移動させるためには、ロボットアーム６によりアーム側ツールチェンジャ２Ａを押圧する力が必要である。この押圧力は、上述のように、調整孔２２ａを用いてボールプランジャ２５の位置を調整しておくことで、ロボットアーム６が出せる力の範囲内（ロボットの許容負荷能力内）に収められているため、アーム側ツールチェンジャ２Ａの係合凸部２２をツール側ツールチェンジャ２Ｂの係合凹部４３に挿入することができる。

係合凸部２２が係合凹部４３に挿入されると、係合凸部２２のボールプランジャ２５のボール２５ａが係合凹部４３のテーパリング４４のＶ溝４４ａに係合し、ツール側ツールチェンジャ２Ｂはアーム側ツールチェンジャ２Ａにより把持される。そして、図１３に示すように、ロボットアーム６を上方に移動してツール側ツールチェンジャ２Ｂと共にツール８を上方に移動する。この上方への移動により、ツール側ツールチェンジャ２Ｂは位置決めピン５２ａから外れ、且つ、ガイド４６はガイド受け５４ａ、５４ｂの間から外れる。

その後、図１４に示すように、ロボットアーム６をツールホルダ５０から離れる方向に移動することで、ツール８はツールホルダ５０から完全に外れて、作業位置に移動できるようになる。

使用し終わったツール８をツールホルダ５０に戻すときは、上述の動作と逆の動作を行なえばよい。すなわち、図１５に示すように、ロボットアーム６を移動してツール８をツールホルダ５０のツール支持部材５２の切欠き部５６に入れる。このとき、アーム側ツールチェンジャ２０Ｂの支持板４５が、ツールホルダ５０の位置決めピン５２ａより上になるようにツール８の垂直方向の位置を決める。そして、図１６に示すように、ロボットアーム６を水平に移動し、アーム側ツールチェンジャ２０Ｂの支持板４５のブッシュ４５ａの垂直下方にツールホルダ５０の位置決めピン５２ａが位置するように、ツール８を移動する。

その後、ロボットアーム６を垂直下方に移動することで、ツール側ツールチェンジャ２０Ｂの支持板４５のブッシュ４５ａにツールホルダ５０の位置決めピン５２ａが挿入されると共に、ガイド受け５４ａ、５４ｂの間にガイド４６が挿入される。これにより、図１７に示すようにツール側ツールチェンジャ２０Ｂが取り付けられたツール８をツールホルダ５０に収納した状態となる。

続いて、ロボットアーム６をツールホルダ５０から離れるように水平方向に移動することで、図１８に示すように、アーム側ツールチェンジャ２０Ａがツール側ツールチェンジャ２０Ｂから離脱する。このとき、アーム側ツールチェンジャ２０Ａの把持力に抗してアーム側ツールチェンジャ２０Ａを水平方向に移動させなければならないので、ロボットアーム６に負荷がかかる。しかし、アーム側ツールチェンジャ２０Ａの把持力は、上述のボールプランジャ２５のボール２５ａの突出量を調整して適切な把持力に設定してあるので、ロボットアーム６が出すことのできる力で、アーム側ツールチェンジャ２０Ａをツール側ツールチェンジャ２０Ｂから離脱から離脱させることができる。

以上のような、ツール８のロボットアーム６への装着動作と、ツールホルダ５０への収納動作とにより、ロボットアーム６に装着するツール８を簡単に交換することができる。

次に、ツール８をツールホルダ５０に収納する際のツール８の位置決め機構について説明する。本実施形態では、ツールホルダ５０に対するツール８の位置決め機構は、第１の位置決め機構と第２の位置決め機構を含む。

第１の位置決め機構は、図１９に示すように、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの支持板４５の左右両側に設けられたブッシュ４５ａと、ツールホルダ５０のツール支持部材５２の左右両側に設けられた位置決めピン５２ａとで形成される。支持板４５のブッシュ４５ａの貫通孔は位置決め孔として機能する。ツール側ツールチェンジャ２Ｂの支持板４５の両側をツールホルダ５０のツール支持部材５２ａ上に載置することで、ツール８をツールホルダ５０に保持する。この際、ツールホルダ５０位置決めピン５２ａを、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの支持板４５に設けられたブッシュ４５ａの貫通孔（位置決め孔）に挿入することで、ツールホルダ５０に対するツールチェンジャ２Ｂ（すなわちツール８）の上部の位置決めが行なわれる。

ツールホルダ５０に対するツールチェンジャ２Ｂ（すなわちツール８）の下部の位置決めは、第２の位置決め機構により行なわれる。第２の位置決め機構は、図２０に示すように、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの左右の側部に設けられたガイド４６と、ツールホルダ５０に設けられた２対のガイド受け５４ａ、５４ｂとで形成される。ツール側ツールチェンジャ２Ｂのガイド４６を、ツールホルダ５０のガイド受け５４ａ、５４ｂの間に挿入することで、ツールホルダ５０に対するツールチェンジャ２Ｂ（すなわちツール８）の下部の位置決めが行なわれる。なお、第２の位置決め機構におけるガイド受け５４ａ、５４ｂが所定の間隔をおいて配置される方向は、水平方向において第１の位置決め機構の２本の位置決めピン２６ａを結ぶ線に垂直な方向となる。

第１の位置決め機構の位置決め精度は非常に高く設定されている。ツール側ツールチェンジャ２Ｂのブッシュ４５ａの貫通孔（位置決め孔）の内径Ｄ１が例えば３．００ｍｍであったとすると、ツールホルダ５０の位置決めピン５２ａの外径Ｄ２は例えば２．９９ｍｍに設定され、クリアランスは０．０１ｍｍ程度と非常に小さい。このため、第１の位置決め機構の位置決め精度は非常に高い。

一方、第２の位置決め機構の位置決め精度は比較的低く設定されている。ツール側ツールチェンジャ２Ｂのガイド４６の幅Ｗ１が例えば９．０ｍｍであったとすると、ツールホルダ５０の一対のガイド受け５４ａ、５４ｂの間隔Ｗ２は例えば９．２ｍｍに設定され、クリアランスは０．２ｍｍ程度と比較的大きい。

このように、第２の位置決め機構の位置決め精度が第１の位置決め機構の位置決め精度より低く設定されている理由は、第２の位置決め機構により大まかに位置決めしてから第１の位置決め機構により精度よく位置決めするためである。特に、第２の位置決め機構は、後述のようにツール８の垂直方向に対する傾きを修正することで、第１の位置決め機構による位置決め動作を容易にしている。すなわち、第２の位置決め機構は、ツール８の垂直方向に対する傾きを修正することで、第１の位置決め機構の位置決めピン５２ａに対してブッシュ４５ａの位置決め孔が整列して挿入しやすくする。

ここで、図１９に示すように、ブッシュ４５ａの位置決め孔に位置決めピン５２ａが入り易くするために、位置決めピン５２ａの先端部は円錐状でありテーパ面が形成されている。すなわち、位置決めピン５２ａは外径がＤ２の円柱部（直線部）と、その先端のテーパ部を有する。テーパの角度は例えば３０度である。ブッシュ４５の位置決め孔の入り口Ｐ１から位置決めピン５２ａの直線部の先端Ｐ２までの垂直方向の距離Ｌ１を、位置決め孔から位置決めピン５２ａまでの距離として定義する。

また、図２０に示すように、ガイド４６の先端には傾斜面（テーパ面）４６ａが形成されており、ガイド受け５４ａ、５４ｂの先端にはＲ部５４ｒが形成されており、ガイド４６をガイド受け５４ａ、５４ｂの間に挿入し易くなっている。ガイド４６の幅Ｗ１を有する直線部からテーパ面５６ａに移る点をＧから、ガイド受け５４ａ、５４ｂの幅Ｗ２を形成する面からＲ部５４ｒに移る点Ｏまでの垂直方向の距離Ｌ２を、ガイド４６からガイド受け５４ａ、５４ｂまでの距離として定義する。

次に、ツールの収納動作における第１及び第２の位置決め機構の動作について説明する。

図２１はツール側ツールチェンジャ２Ｂが取り付けられたツール８をツールホルダ５０の収納位置の真上に移動した状態を示す側面図である。第１及び第２の位置決め機構によりツール８の位置決めを行なうには、図２１に示すようにツール８をツールホルダ５０の収納部の真上に移動してから、ツール８を下方に移動することが好ましい。図２１に示す様態において、距離Ｌ２のほうが距離Ｌ１より僅かに小さくなっており、ツール８を垂直下方に移動すると、まず第２の位置決め機構によりツール８の下部がおおまかに位置決めされ、その後、第１の位置決め機構によりツール８の上部が精度よく位置決めされる。この位置決め動作によりツール８を確実に収納位置に導くことができる。

ところが、ロボットアーム６の制御がうまくいかずに傾斜してしまった場合や、ツール８を作業員が人手でツールホルダ５０に収納するような場合、図２２、図２３に示すように、ツール８が傾いた状態でツールホルダ５０の収納位置に移動させてしまうおそれがある。

図２２は、ツール８、すなわち、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの上部が手前になるように角度−θだけ傾斜した状態を示す。図２２に示す状態では、距離Ｌ２のほうが距離Ｌ１より僅かに小さくなっており、ツールをそのまま垂直下方に移動すると、ガイド４６のほうが先にガイド受け５４ａに当接する。これにより、ツール８の傾き、すなわちツール側ツールチェンジャ２２Ｂの傾きが小さくなるように修正され、第１の位置決め機構の距離Ｌ１がゼロとなる前にブッシュ４５ａの位置決め孔が位置決めピン５２ａの真上付近に位置するようになる。したがって、第１の位置決め機構も作動し、ツール８は収納位置まで確実に導かれる。

図２３は、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの下部が手前になるように角度θだけ傾斜した状態を示す。図２３に示す状態では、図２２に示す状態とは異なり、距離Ｌ１のほうが距離Ｌ２より小さくなっている。これは、ブッシュ４５ａの位置決め孔の中心軸が、図２１に示すように、ガイド４６の中心軸から距離Ｓだけずれた位置にあるためである。

図２３に示す状態からツール８を垂直下方に移動すると、図２４に示すように、距離Ｌ１がゼロになる前に、すなわち、ブッシュ４５ａの位置決め孔が位置決めピン５２ａに嵌合する前に、ガイド４６の傾斜面４６ａがガイド受け５４ｂのＲ部５４ｒに当接する。そのままツールを垂直下方に移動するとガイド４６がガイド受け５４ｂに案内されてツールの８の傾きが小さくなる。すると、図２５に示すように、距離Ｌ２が小さくなるに連れてツール８の傾きが小さくなり、これに伴って支持板４５が回動して上方に移動し、距離Ｌ１が大きくなっていく。そして最終的に、図２６に示すように、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの傾きは無くなって垂直となり、ブッシュ４５ａが回動して位置決めピン５２ａの真上に位置するようになる。このとき、第１の位置決め機構の距離Ｌ１は第２の位置決め機構の距離Ｌ２より僅かに大きくなる。

図２６に示すようにツール８が垂直になった後、ツール８を下方に移動すると、ガイド４６の傾斜面４６ａがガイド受け５４ｂにより案内されて、ガイド受け５４ａの方向に移動するため、ツール側ツールチェンジャも水平方向に移動する。このとき、図２７に示すように、第１の移動機構の距離Ｌ１と第２の移動機構の距離Ｌ２はともに小さくなっていく。そのままツール８を下方に移動すると、第２の位置決め機構の距離Ｌ２がゼロとなった後（すなわち、ガイド４６の直線部がガイド受け４５ｂの直線部に係合した後）、図２８に示すように、第１の位置決め機構の距離Ｌ１がゼロになる（すなわち、ブッシュ４５ａの位置決め孔の入り口に位置決めピン５２ａの円柱部が係合する）。このように、ツール８（ツール側ツールチェンジャ２Ｂ）は、第２の位置決め機構によりおおまかに収納位置（水平位置）に案内された後に、第１の位置決め機構によりより精度高く収納位置（水平位置）に案内される。

図２８に示す状態は、第１の位置決め機構及び第２の位置決め機構の両方が作動している状態である。そこで、そのままツール８を下方に移動すれば（ツール８の重力で下降させる）、第１の位置決め機構と第２の位置決めにより案内されて、ツール８は収納位置に確実に導かれ、図２９に示す状態となる。図２９に示す状態は、ツール側ツールチェンジャ２Ｂの支持板４５がツールホルダ５０のツール支持部材５２上に載置され、第１の位置決め機構のピン５２ａがブッシュ４５ａの位置決め孔に完全に嵌合し、且つ第２の位置決め機構のガイド４６がガイド受け５４ａ、５４ｂの間に挿入された状態である。

ツール側ツールチェンジャ２Ｂの支持板４５がツールホルダ５０のツール支持部材５２上に載置されることにより、ツール８の垂直方向の収納位置が決まる。また、ピン５２ａがブッシュ４５ａの位置決め孔に完全に嵌合することで、ツール８の水平方向の収納位置が決まる。さらに、ガイド４６がガイド受け５４ａ、５４ｂの間に挿入されることにより、ツール８の傾きが防止され垂直となる。このように、図２９に示す状態において、ツール８はツールホルダ５０の収納位置に精度よく配置され収納されている。

作業員がツール８を手で持ちながら収納動作を行っていた場合は、図２９に示す状態となったらツール８又はツール側ツールチェンジャ２Ｂから手を放し、ツール８の収納が完了する。ロボットアーム６により収納動作を行っていた場合は、図３０に示すように、ロボットアーム６を水平に引っ張ることで、アーム側ツールチェンジャ２Ａをツール側ツールチェンジャ２Ｂから取り外し、ツール８の収納が完了する。アーム側ツールチェンジャ２Ａを外すときは、ツール側ツールチェンジャ２Ｂのガイド４６がガイド受け５４ａに当接することでツール側ツールチェンジャ２Ｂが保持される。これにより、アーム側ツールチェンジャ２Ａを水平方向に引っ張るだけで簡単にツール側ツールチェンジャ２Ｂからアーム側ツールチェンジャ２Ａを離脱させることができる。

以上のように、ツール側ツールチェンジャ２Ｂのツールチェンジャのガイド４６とツールホルダ５０の一対のガイド受け５４ａ、５４ｂとで形成される第２の位置決め機構の位置決め精度は、ツール側ツールチェンジャ２Ｂのブッシュ４５ａの位置決め孔とツールホルダ５０の位置決めピン５２ａとで形成される第１の位置決め機構の位置決め精度より低く設定されている。これにより、まず第２の位置決め機構によりツール８をおおまかな水平位置に案内し且つ傾きを無くして垂直方向に修正した後、第１の位置決め機構によりツール８を精度よく水平位置に案内することができる。

２ツールチェンジユニット
２Ａアーム側ツールチェンジユニット
２Ｂツール側ツールチェンジユニット
４ダンパ機構
６ロボットアーム
８ツール
８ａ吸引通路
１０吸引継ぎ手
２０本体
２１ソケット形成部
２１ａソケット
２１ｂ吸引通路
２２ａ調整孔
２３位置決めピン
２５ボールプランジャ
２５ａボール
２５ｂスプリング
２５ｃ係合穴
４０本体
４１吸引プラグ
４２位置決め孔
４２ａブッシュ
４３係合凹部
４４テーパリング
４４ａＶ溝
４５支持板
４５ａブッシュ
４６ガイド
４６ａ傾斜面
５０ツールホルダ
５１ベース板
５２ツール支持部材
５２ａ位置決めピン
５３ガイド取付け部材
５４ａ，５４ｂガイド受け
５４ｒＲ部

Claims

ツールが取り付けられたツールチェンジャと、
前記ツールチェンジャに設けられ、左右２つの位置決め孔を有する支持板と、
前記ツールチェンジャに設けられ、前記支持板が設けられた側とは反対側に配置された左右２つのガイド部と、
前記ツールチェンジャを収納可能なツールホルダと、
前記ツールホルダに設けられ、前記位置決め孔にそれぞれ嵌合する２本の位置決めピンを有し、前記ツールチェンジャの前記支持板を支持するツール支持部材と、
前記ツールホルダに設けられ、水平方向のうち前記位置決めピンを結ぶ線に垂直な方向である第１の方向において、前記ツールチェンジャの前記ガイド部を挟むように配置され、前記ツールチェンジャの移動を案内する一対のガイド受けと
を備え、
前記ツールチェンジャの前記ガイド部と前記ツールホルダの前記一対のガイド受けとで形成される第２の位置決め機構の位置決め精度は、前記ツールチェンジャの前記位置決め孔と前記ツールホルダの前記位置決めピンとで形成される第１の位置決め機構の位置決め精度より低く設定されているツール収納機構。
請求項１記載のツール収納機構であって、
前記ツールを前記ツールホルダに収納する際に、前記第１の位置決め機構の前記位置決めピンが前記位置決め孔に係合する前に、前記第２の位置決め機構の前記ガイドが前記ガイド受けに係合するように、前記支持板と前記ガイドの間の距離が設定されているツール収納機構。
請求項１又は２記載のツール収納機構であって、
前記第１の位置決め機構の前記位置決めピンの先端に円錐状のテーパ面が形成され、
前記第２の位置決め機構の前記ガイドの先端に傾斜面が形成され、前記ガイド受けの先端に丸みが付けられているツール収納機構。
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のツール収納機構であって、
前記ツールが前記ツールホルダに収納された状態において、前記第２の位置決め機構の前記ガイドの直線部が、前記第１の方向において前記ガイド受けの直線部に対向するツール収納機構。
ツールチェンジャが取り付けられたツールを、前記ツールチェンジャの支持板が上になるように、ツールホルダの収納部の垂直上方に移動し、
前記ツールを下方に移動して、前記ツールチェンジャの側部に設けられたガイド部を、前記ツールホルダに設けられた一対のガイド受けの間に挿入し、
さらに前記ツールを下方に移動して、前記ツールチェンジャの支持板に設けられた２つの位置決め孔に、前記ツールホルダのツール支持部材に設けられた２本の位置決めピンをそれぞれ挿入して嵌合し、
さらに前記ツールを下方に移動して、前記ツールチェンジャの支持板を前記ツールホルダの前記ツール支持部材上に載置することで、前記ツールを前記ツールホルダの収納部に配置する
ツール収納方法。