JP5606145B2 - ワーク搬送システム - Google Patents

Description

本発明は、事務機器など複数部品で構成される製品を、複数の作業装置による作業工程を順次経て製造していくためのワーク搬送システムに関するものである。

事務機器などを生産する従来の生産ラインにおいては、作業装置列に沿って一定の間隔で複数設置された保持台にワークを順次搬送し、各保持台でワークを所定の作業位置に位置決め保持し、作業ロボット等により、組立作業もしくは加工処理を順に行っている。

図１０は、一従来例によるワーク搬送システムを示す。この搬送システムは、レール軌道１１４と、その上の基台１１５に距離Ｐの間隔で配置した複数の治具１２０ａ〜１２０ｃと、作業装置１１８ａ〜１１８ｃに対応するようにそれぞれ固定配置した保持台１２１ａ〜１２１ｃにより構成される。各保持台１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃに保持されたワーク１１２に対して、各作業装置１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃにより作業が行われる。作業終了後、ワーク１１２は各治具１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃに配置され、レール軌道１１４に沿って距離Ｐだけ矢印方向に搬送され、次工程の保持台により保持され、次の作業を開始する。この動作を間欠前進移動することでワーク１１２を搬送するもので、シャトル搬送方式と呼ばれている。

また、特許文献１には、異なるピッチにスライドする手段を有するシャトル搬送装置が開示されている。このシャトル搬送装置は、一定距離のストロークで往復運動するシャトルメンバと、同距離毎に配置された複数の基台部によって構成される。シャトルメンバの上昇、前進、下降、後退のサイクルに応じて基台部上の運搬台を隣接する基台部上に順送りし、さらに、基台部をスライドさせることで異なるピッチで配置された基台部への搬送も可能としている。

特開平６−１５６６６７号公報

しかしながら、複数の作業装置で構成される生産ラインにおいては、組立もしくは加工処理を個別に実施する各作業装置は、各々作業時間が異なっていることが一般的である。また、同一の作業装置であっても、ワークの種類によって作業方法が異なり、作業時間が長くなったり、短くなったりする場合がある。さらに、同一の作業装置で同一のワーク種類であっても、ワークの個体差あるいは組付ける部品の個体差やワークに塗布する塗料の状態によっては作業時間が各々異なることが一般的である。例えば、ワークに取付けられたシャフトに対してギアをある所定の角度になるよう角度を補正し嵌合させて取付ける場合、作業ロボットが把持するギアの角度が都度異なるため、シャフトに対するギアの角度を補正する時間が毎回異なる。このために作業時間に差異が発生し、複数の作業装置において、最も作業時間が長くなるケースが多かった。このような場合、ワークを一斉搬送している従来のシャトル搬送方式では、ギアを組付ける工程の作業が終了するのを待ってから搬送している。

一般に、シャトル搬送方式のようなワークの一斉搬送を行う従来の方式では、１サイクルの中で、最も作業時間が長い作業装置の作業が終了するのを待って、ワークの一斉搬送を行う必要がある。このため、最も長い作業時間と搬送時間の合計が１サイクルの時間となり、生産性向上のためにはいづれかもしくは両方の時間を高速化（短縮）する必要があった。

特許文献１に開示された搬送システムでも、ワークを一斉搬送するため、作業時間と搬送時間の合計が１サイクル時間となる。このため、複数の作業装置で、作業時間の差異が発生する場合、１サイクル時間を短縮するためには、搬送装置の搬送速度を高速化するか、長時間作業となる全ての作業装置の作業時間を短縮する必要があるため、生産性の向上が困難であった。さらに、各作業装置の作業位置にワークを位置決めする基台部を、搬送部分とは別に固定して設置する構成であるため、システムの全体構成が複雑となり、省スペース化に対して不利であった。

本発明は、より簡易な構成で効率的にワークを搬送し、生産性の高い生産ラインを構築できるワーク搬送システムを提供することを目的とするものである。

本発明のワーク搬送システムは、生産ラインを構成する複数の作業装置の作業位置に順次ワークを搬送するワーク搬送システムにおいて、前記複数の作業装置に沿って配置されたレール軌道と、前記レール軌道上に互いに隣接して配置され、前記レール軌道上をそれぞれ独立して移動することで、互いに隣接する前記複数の作業装置の作業位置にそれぞれワークを搬送する複数の搬送ロボットと、を備え、前記各搬送ロボットは、隣接する搬送ロボットとの間でワークを受渡しする受渡し機構を有し、前記隣接して配置された２つの搬送ロボットは、各搬送ロボットがワークを搬送する各作業位置の距離および各作業位置における作業時間に応じて、各作業位置の間の前記レール軌道上で、ワークを直接受渡すことを特徴とする。

複数の作業装置から構成される生産ラインにおいて、作業時間が長くなる作業装置に対して、隣接する搬送ロボットとのワークの受渡し位置を変更することで、１サイクルの時間を短縮できる。また、ワークの受渡しを搬送ロボット同士で行うことにより、基台部などのワークを作業位置に固定するための専用装置が不要となり、省スペース化が可能となる。さらに、隣接する搬送ロボット間のワークの受渡しを、２つの搬送ロボットの移動中に行い、前進動作とワークの受渡し動作を並列処理することで、より一層１サイクルの時間を短縮できる。

搬送ロボットにより位置決め保持されたワークに対して、作業装置が直接作業を実施して、隣接する搬送ロボットとの間でワークの受渡しを行うことで、簡易な構成で、生産能力の高い生産ラインを構築できる。

一実施形態によるワーク搬送システムを示す斜視図である。 図１のワーク搬送システムの動作サイクルを説明する図である。 図１のワーク搬送システムの別の動作サイクルを説明する図である。 搬送ロボットを示す斜視図である。 搬送ロボットの動作を説明する図である。 ワークの受渡し動作を説明する工程図である。 ワークの受渡し機構を説明する上面図である。 電子カムによる制御ブロック図である。 従来例によるワーク搬送システムの動作サイクルを説明する図である。 従来例によるワーク搬送システムを示す斜視図である。

図１は一実施形態によるワーク搬送システムを示すもので、搬送装置１０、１１により、ワーク１２を図面右手方向を上流側として、左手方向に搬送する。搬送装置１０、１１は、上流方向から搬入装置１３により搬入されたワーク１２を、搬送装置１０、１１のレール軌道１４、１５に配置された搬送ロボット１６ａ〜１６ｄにより、作業装置１８ａ〜１８ｄの作業位置に搬送し、組立作業や加工処理を行う。これは、事務機器などを製造する自動生産装置（生産ライン）を構成するものであり、互いに隣接して配置された複数の作業装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃに沿うように搬送装置１０を配置する。同様に、隣接配置された作業装置１８ｄ及び図示しない他の作業装置に沿って搬送装置１１を配置する。

互いに隣接して配置された搬送ロボット１６ａ〜１６ｄは、それぞれワーク１２を保持する保持手段であるハンド１７ａ〜１７ｄを有する。搬送装置１０、１１は、搬送ロボット１６ａ〜１６ｄをレール軌道上でそれぞれ独立して往復移動させるための手段を備える。各搬送ロボット１６ａ〜１６ｄは、それぞれ独立して矢印方向（搬送方向）の下流側に前進し、矢印と逆方向の上流側に後退する。その移動によって互いに隣接する２つの搬送ロボットを接近させ、互いに隣接する作業装置の間のレール軌道上で、順次ワーク１２を受渡す。例えば、搬送ロボット１６ａは搬送ロボット１６ｂと、搬送ロボット１６ｂは搬送ロボット１６ａ及びロボット１６ｃと受渡し動作を行う。

ワーク１２を連続的に生産ラインへ投入する搬入装置１３から、搬送装置１０の搬送ロボット１６ａがワーク１２を保持して取り出し、ｚ軸周りに９０°旋回して下流方向へ前進し、作業装置１８ａに対応する作業位置まで移動し、位置決め停止する。作業装置１８ａは、例えば、部品の組付けなどの製造作業を搬送ロボット１６ａが保持するワーク１２に対して実施し、その間に、搬送ロボット１６ｂが搬送ロボット１６ａに対面するようにｚ軸周りに１８０°旋回し、待機する。作業装置１８ａの製造作業が終了すると、搬送ロボット１６ａは前進して、隣接する搬送ロボット１６ｂとの受渡し位置までワーク１２を搬送する。搬送ロボット１６ｂは、搬送ロボット１６ａの保持するワーク１２を受取って保持し、ｚ軸周りに１８０°旋回し、作業装置１８ｂの作業位置まで移動し、位置決め停止する。作業装置１８ｂは、例えば、ワーク１２の塗布作業などの製造作業を搬送ロボット１６ｂが保持するワーク１２に対して実施し、その間に搬送ロボット１６ｃが搬送ロボット１６ｂに対面するようにｚ軸周りに１８０°旋回し、待機する。作業装置１８ｂの製造作業が終了すると、搬送ロボット１６ｂは前進し、搬送ロボット１６ｃとの受渡し位置までワーク１２を搬送する。搬送ロボット１６ｃは、搬送ロボット１６ｂの保持するワーク１２を受取って保持し、ｚ軸周りに１８０°旋回し、作業装置１８ｃの作業位置まで移動し位置決め停止する。作業装置１８ｃは、グリスの塗布作業などの製造作業を搬送ロボット１６ｃが保持するワーク１２に対して実施し、その間に、搬送ロボット１６ｄが搬送ロボット１６ｃに対面するようにｚ軸周りに１８０°旋回し、待機する。作業装置１８ｃの製造作業が終了すると、搬送ロボット１６ｃは前進し、搬送ロボット１６ｄとの受渡し位置までワーク１２を搬送する。搬送ロボット１６ｄは、搬送ロボット１６ｃの保持するワーク１２を受取って保持し、作業装置１８ｄによる作業を実施し、搬送ロボット１６ｄは下流方向に位置する別の搬送ロボットへワーク１２を受渡す。この動作を順次繰り返して生産を実施する。作業装置毎もしくはワークの種類によって作業装置の作業時間が長くなる場合は、以下のようにワークの受渡し位置を変更することにより、１サイクルの時間を短縮する。

図２（ａ）に示すように、作業装置１８ａ〜１８ｃで、作業位置間の距離Ｐが同じであって作業時間に差異がない場合は、搬送ロボット１６ａが位置ｅで搬送ロボット１６ｂへ、搬送ロボット１６ｂは位置ｆで搬送ロボット１６ｃへそれぞれワークの受渡しを行う。図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、作業装置１８ａの作業時間が長い場合は、搬送ロボット１６ｂが位置ｅ１へ移動して、搬送ロボット１６ａよりワークの受取りを行う。すなわち、作業装置１８ａが搬送ロボット１６ａの保持するワークに対して作業を行っている間に、搬送ロボット１６ｂが位置ｅ１の位置まで後退して待機する。作業装置１８ａの作業が終了すると、搬送ロボット１６ａは搬送ロボット１６ｂへワークを受渡し、搬送ロボット１６ｂは距離Ｐだけワークを前進搬送し、作業装置１８ｂの作業位置において作業が行われる。作業装置１８ｂの作業が終了すると、搬送ロボット１６ｂは距離Ｐだけ前進搬送し、位置ｆで搬送ロボット１６ｃへワークを受渡す。このように、作業装置１８ａの作業時間が長い場合、搬送ロボット１６ｂが搬送ロボット１６ａのワークの搬送距離を肩代わりし、搬送ロボット１６ａとの間のワークの受渡し位置を変更することで、従来の搬送システムより１サイクル時間を短縮できる。

比較のために、従来の搬送システムにおいて、作業装置１１８ａの作業時間が長い場合の動作サイクルを図９に示す。従来の搬送システムでは、作業装置１１８ａの作業が終了すると、保持台１２１ａが下降し、ワークを開放して治具１２０ａへ受渡し、基台１１５により距離Ｐだけ搬送する。保持台１２１ｂは、ワークを保持して上昇することで、ワークを治具１２１ａより受取り、作業装置１１８ｂの作業位置まで移動する。基台１１５は、作業装置１１８ｂが作業を行っている間に後退する。上記の動作を繰り返すことで、順次ワークを搬送するが、連続してワークが流れ、複数の作業装置が作業を行う場合は、ワークを次の作業装置へ搬送するタイミングは、全ての作業装置の作業が終了した時点になる。作業装置１１８ａの作業が長い場合は、作業装置１１８ｂの作業が終了していてもワークを搬送することはできず、作業装置１１８ａの作業が終了するまで待機する必要があるため、その分だけ１サイクルの時間が長くなる。

また、図３（ａ）は、作業装置１８ａと作業装置１８ｂの作業位置間の距離Ｐ１が、作業装置１８ｂと作業装置１８ｃの作業位置間の距離Ｐ２より短い場合を示す。従来は、図３（ｂ）に示すように、作業装置１８ａの作業と搬送ロボット１６ｂの後退動作の終了を待ってから、搬送ロボット１６ａと搬送ロボット１６ｂが停止した状態からワークの受渡し動作を行うため、１サイクルにおける搬送時間が長くなる。これに対して本実施形態では、図３（ｃ）に示すように、作業装置１８ａの作業と、搬送ロボット１６ｂの後退動作の終了した時点で、搬送ロボット１６ａと搬送ロボット１６ｂを同期させて移動速度を同等にし、移動中にワークの受渡しを行う。すなわち、搬送ロボット１６ｂの前進動作と、互いに隣接する２つの搬送ロボット１６ａ、１６ｂの間のワークの受渡し動作を並列に処理することで、１サイクルにおける搬送時間を大幅に短縮できる。

図４は、各搬送ロボット１６（１６ａ〜１６ｄ）の構成を示す。搬送ロボット１６は、Ｏ１軸周りに１８０°以上回転可能なテーブル３０に搭載され、テーブル３０の上でＯ２軸周りに１８０°以上回転可能なアーム３１と、その先端においてＯ３軸周りに１８０°以上回転可能なヘッド３２と、を有する。ヘッド３２は、その先端に、ワークを保持する保持手段であるハンド１７（１７ａ〜１７ｄ）を備える。搬送ロボット１６は、ワークの受渡し機構を構成するアーム３１とヘッド３２を制御部からの指令により駆動し、ハンド１７を所望の位置へ移動させる。ここで示した搬送ロボット１６の構成は一例であり、ハンド１７を所望の位置へ移動できれば、アームや関節の数などは限定されない。また、アーム３１とヘッド３２を回転駆動する手段は、サーボモーターを使ってもよいし、ステッピングモーターを使ってもよい。

ハンド１７は、吸着パッドによってワークを吸着する構成でもよいが、ヘッド３２の前面に固定爪３４と可動爪３５を接続する形態が望ましい。固定爪３４の上面に置かれたワークを可動爪３５が水平方向に動作し、ワークを把持することで、ワークの保持及び高精度な位置決めを行うことが可能となる。より望ましくは、固定爪３４によりワークの保持が可能であるとよい。なお、固定爪３４と可動爪３５の機能が入れ替ってもよいし、２つの爪の両方を可動爪としてもよい。

可動爪３５の駆動手段としては、エアーシリンダーなどの空圧機器でもよいし、ボールねじなどを使った電動モーターでもよい。ハンド１７が保持するワークの存在検知の方法として、モーターを使った電流制御による検知をしてもよい。あらかじめワークの大きさに合わせ、可動爪３５がワークの存在を検知する位置を点ではなく範囲として最大動作距離と最小動作距離を設定し、ワークの検知範囲とする。制御部の指令により可動爪３５が動作し、前記検知範囲内においてワークに接触すると、所定の指令時間に対して可動爪３５の移動量が変化しない時間を計測し、一定時間経過した時点でワークを保持したと認識する。

次に、搬送ロボット１６が、ｚ方向に直線駆動する軸を持たずに、ヘッド３２をｚ軸方向に直線的に上下移動する方法について、図５を用いて説明する。図５（ａ）において、アーム３１の回転中心を点Ａ、ヘッド３２の回転中心を点Ｂとする。点Ａと点Ｂを直線Ｒで結ぶ。点Ａからレール軌道面に対して垂直線Ｍを引く。点Ｂから前記同様に垂直線Ｌを引く。垂直線Ｍと直線Ｒの交点Ａの角度をθａとし、アーム３１の回転角度とする。同様に、直線Ｌと直線Ｒの交点Ｂの角度をθｂとし、ヘッド３２の回転角度とする。ヘッド３２の姿勢を水平に維持したままで上下動を行うために、アーム３１の回転角度θａとヘッド３２の回転角度θｂを以下のように制御する。
θａ＝θｂ・・・（１）

ヘッド３２の動作軌跡は円弧を描くため、ヘッド３２はｚ方向への移動と同時に、ｘ方向へも移動している。ヘッド３２を搬送システムのレール軌道面に対して垂直に移動させるために、ヘッド３２のｘ方向への移動距離と同じ距離を搬送ロボット１６がヘッド３２とは逆のｘ方向へ移動することで、ヘッド３２がｘ方向へ移動しないようにする。

詳しく説明すると、図５（ｂ）において、点Ａと点Ｂ（Ｂ１〜Ｂ３）を結ぶ直線Ｒ（Ｒ１〜Ｒ３）を引く。点Ａと直線Ｒからなる角度をθｎとする。アーム３１を垂直にした点Ｂ１の時の角度を９０°、アーム３１を水平にした点Ｂ３の時の角度を０°とし、アーム３１とヘッド３２が式（１）を満たす動作をすることに伴うヘッド３２のｘ方向の移動量をＮとする。直線Ｒの角度θｎの値が０°＜θｎ＜９０°となる時、点Ｂからレール軌道面に対して垂直に下ろした直線と、水平方向の直線Ｒ３の交点を点Ｃとする。点Ｂは、点Ａを中心として直線Ｒが回転することによってできる円の円周上を点Ｂ１〜点Ｂ３まで移動する。ヘッド３２をｘ方向へ移動しないようにするための、搬送ロボット１６のｘ方向への移動量Ｎは、点Ａを中心とした半径Ｒの円に点Ｂで接する、点Ａ、点Ｂ、点Ｃを頂点とする直角三角形の底辺の長さに等しい。すなわち、Ｎは以下の式（２）で表される。
Ｎ＝Ｒ・ｃｏｓθｎ・・・（２）

式（１）、（２）を満たすように、レール軌道上の搬送ロボット１６の移動量Ｎとアーム３１及びヘッド３２の回転を制御することで、ヘッド３２の姿勢をレール軌道面に対して水平に維持したままでヘッド３２を垂直に移動させることができる。

図６は、隣接する２つの搬送ロボット間のワークの受渡し方法を説明する。上流側に位置する搬送ロボット１６ａが、ワーク１２の受渡し位置まで到達すると、下流側に位置する搬送ロボット１６ｂは、図６（ａ）に示すように、ワーク１２の下へ潜り込むような姿勢をとる。次に、図６（ｂ）に示すように、搬送ロボット１６ｂがハンド１７ｂを上昇させ、図６（ｃ）に示すように、搬送ロボット１６ｂがワーク１２をすくい上げるように動作して、搬送ロボット１６ａよりワーク１２を受取る。このようにワークの受渡しを行うことで、ワークの移動を最小限にし、より安定した受渡しを行うことが可能となる。

あるいは、搬送ロボット１６ａと搬送ロボット１６ｂが、ワーク１２の受渡し位置にいるときに、搬送ロボット１６ａがワーク１２を下降させ、搬送ロボット１６ｂへ受渡してもよい。また、搬送ロボット１６ａと搬送ロボット１６ｂを同時に動作させて、ワークの受渡しを行ってもよい。

図７は、搬送ロボット１６ａと搬送ロボット１６ｂがワーク１２の受渡し位置にあるときを示す。ワーク１２を受渡す側の搬送ロボット１６ａのハンド１７ａがワーク１２の外側を保持し、ワーク１２を受取る側の搬送ロボット１６ｂのハンド１７ｂがワーク１２の内側を保持する形状とすることで、ハンド同士の干渉がなく、ワークを受渡すことが可能となる。また、ワークを受渡す側の搬送ロボットのハンドが、ワークの内側を保持する形状で、ワークを受取る側の搬送ロボットのハンドがワークの外側を保持する形状の組合せでもよい。あるいは、ワークを受渡す側の搬送ロボットの一方の爪がワークの外側を保持し、他方の爪がワークの内側を保持する形態で、ワークを受取る側の搬送ロボットの２つの爪がワークを受渡す側の搬送ロボットと逆の形態とした組合せでもよい。

各搬送装置１０、１１は、例えば、一つのレール軌道に対して複数のキャリアを備え、各キャリアが独立して移動する手段を備える直線的もしくは湾曲している構造のリニアモーターである。

図８は、搬送ロボットのヘッドがレール軌道面に対して垂直に移動するための電子カムを利用した制御方法を示す。搬送ロボットのｘ方向への移動軸を主軸とし、搬送ロボットが備えるアーム及びヘッドの回転軸を主軸に追従する従属軸とする。搬送ロボットが、ｚ方向に直線軸を持たずに、ヘッドをｚ軸方向に直線的に上下動させるために、式（１）及び式（２）より、搬送ロボットのｘ方向への移動量に対するアーム及びヘッドの回転移動量を算出する。算出された主軸の移動量に対するアームの移動量とヘッドの移動量をカム曲線で生成し、これをカムテーブル５０に記憶する。搬送ロボットのｘ方向へ直線移動の現在位置情報を入力し、カムテーブル５０により搬送ロボットが備えるアームとヘッドのサーボモーター５３ａ、５３ｂに対して位置指令を生成する。刻々と移動する搬送ロボットの位置に応じ、サーボモーター５３ａ、５３ｂへの位置指令を生成する。速度制御系５１ａ、５１ｂにより、位置指令を微分して速度指令を生成し、それと同時にサーボモーター５３ａ、５３ｂに接続されたパルス発信器５４ａ、５４ｂによりフィードバックされた位置情報の差分を使って補正量を生成する。この補正量を加えた速度指令によりサーボモーター５３ａ、５３ｂを速度制御することで電子カム制御を行っている。

１０、１１ 搬送装置
１２ ワーク
１４、１５ レール軌道
１６、１６ａ〜１６ｄ 搬送ロボット
１７、１７ａ〜１７ｄ ハンド
１８ａ〜１８ｄ 作業装置
３１ アーム
３２ ヘッド

Claims (4)

1. 生産ラインを構成する複数の作業装置の作業位置に順次ワークを搬送するワーク搬送システムにおいて、
   前記複数の作業装置に沿って配置されたレール軌道と、
   前記レール軌道上に互いに隣接して配置され、前記レール軌道上をそれぞれ独立して移動することで、互いに隣接する前記複数の作業装置の作業位置にそれぞれワークを搬送する複数の搬送ロボットと、を備え、
   前記各搬送ロボットは、隣接する搬送ロボットとの間でワークを受渡しする受渡し機構を有し、
   前記隣接して配置された２つの搬送ロボットは、各搬送ロボットがワークを搬送する各作業位置の距離および各作業位置における作業時間に応じて、各作業位置の間の前記レール軌道上で、ワークを直接受渡すことを特徴とするワーク搬送システム。
2. 前記隣接して配置された２つの搬送ロボットにより、ワークを直接受渡す前記レール軌道上の位置は、各搬送ロボットがワークを搬送する各作業位置の距離および各作業位置における作業時間に応じて、任意に定めることができることを特徴とする請求項１に記載のワーク搬送システム。
3. 生産ラインを構成する複数の作業装置の作業位置に順次ワークを搬送するワーク搬送システムにおいて、
   前記複数の作業装置に沿って配置されたレール軌道と、
   前記レール軌道上に互いに隣接して配置され、前記レール軌道上をそれぞれ独立して移動することで、互いに隣接する前記複数の作業装置の作業位置にそれぞれワークを搬送する複数の搬送ロボットと、を備え、
   前記各搬送ロボットは、隣接する搬送ロボットとの間でワークを受渡しする受渡し機構を有し、
   前記互いに隣接する２つの搬送ロボットによるワークの受渡しを、前記２つの搬送ロボットが前記レール軌道上を移動中に行うことを特徴とするワーク搬送システム。
4. 前記受渡し機構は、
   各搬送ロボットに搭載された、回転可能なアームと、
   ワークを保持する保持手段を有し、前記アームの先端で回転可能なヘッドと、を備え、
   前記レール軌道上の前記搬送ロボットの移動と前記アーム及び前記ヘッドの回転を同期させて、前記ヘッドの姿勢を水平に維持したままで垂直に前記ヘッドを移動させることでワークの受渡しを行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のワーク搬送システム。

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