JP6514768B2 - 製造作業機 - Google Patents

Description

本発明は、剛性の確保が可能な形状のビーム部材を備えた製造作業機に関する。

製造作業機には電気回路の組立作業を行う組立作業機などがあり、下記特許文献１にはその一例が開示されている。この製造作業機は、部品の組み付けを実行する作業ヘッドがＸＹ平面上を移動できるようにしたＸＹ駆動装置が搭載されている。そのＹ軸駆動装置は、平行に配置されたＹ軸方向の２本のレールに対し、Ｘ軸方向に配置されたビーム部材が架け渡され、そのビーム部材が、一方の駆動側端部に設けられたリニアモータによってレールに沿って移動可能に構成されている。また、Ｘ軸駆動装置は、ビーム部材にスライダが摺動可能に取り付けられ、サーボモータの回転出力をボールネジ機構によって直線運動に変換し、スライダがＸ軸方向に配置されたビーム部材に沿って移動可能に構成されている。そして、そのスライダには吸着ノズルを備えた作業ヘッドが搭載されている。

特開２０１１−２５３８６９号公報 特許第４２１０６５６号公報

前述した従来の製造作業機では、ＸＹ平面上を移動する作業ヘッドによって部品供給装置から部品が取り出され、更にその部品が搬送装置によって搬送された基板に対して組み付けられる。従って、作業ヘッドの移動範囲が広くなればそれだけ作業領域が拡張し、製造作業機の性能向上につながる。そのためには、作業ヘッドのＸ軸方向の移動範囲を広げることが必要になり、従来のビーム部材よりも寸法の長いビーム部材が求められる。

しかし、従来のビーム部材の構造では、寸法を長くした場合に十分な剛性を得ることができなくなってしまう。一方で、長さ寸法の拡張に伴いビーム部材の幅寸法も大きくして剛性を確保しようとしたのでは、予め設定されているビーム部材の移動範囲内での移動距離が短くなってしまい、その分だけ作業ヘッドによる作業範囲が狭くなってしまう。また、ビーム部材の剛性を高めるために補強などによって重量を増加させてしまうことや、ビーム部材に使用する材料によってコストがアップしてしまうことなども回避すべき課題である。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、剛性の確保が可能な形状のビーム部材を備えた製造作業機を提供することを目的とする。

本発明の一態様における製造作業機は、ＸＹ平面上のＸ軸方向に配置され、両端部がＹ軸方向に移動可能に支持されたビーム部材と、前記ビーム部材の一方の駆動側端部に設けられ、前記ビーム部材をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動装置と、前記ビーム部材に取り付けられた作業ヘッドをＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動装置とを有するものであり、前記ビーム部材は、Ｘ軸方向に連通する内部空間を有する筒型形状のビーム本体部が設けられ、前記ビーム本体部は、前記駆動側端部と他方の端部とに各々設けられた固定部の間では、Ｙ軸方向のビーム幅が一定で、前記駆動側端部から他方の端部側に向けてＺ軸方向の寸法が小さくなるように形成されたものである。

本発明によれば、Ｘ軸方向に連通する内部空間を有する筒型形状のビーム部材について、Ｙ軸方向のビーム幅が一定で、駆動側端部から他方の端部側に向けて高さ方向の寸法が小さくなるように構成されているため、幅が制限されたなかでも駆動側端部の高さによって剛性を確保することができる。よって、幅方向の寸法を抑えつつビーム部材の長さ寸法を長くすることができ、ビーム部材のＹ軸方向の移動範囲及びビーム部材を移動する作業ヘッドの移動範囲が広くなり、その結果、作業ヘッドによる作業領域の拡張が可能になる。

製造作業機の一実施形態を示した外観斜視図である。 製造作業機の一実施形態について、外装パネルを取り外したフレーム構造を示す斜視図である。 製造作業機のビーム部材を示した斜視図である。 ＸＹ平面で切断した状態のビーム部材を示した断面斜視図である。 ＺＸ平面で切断した状態のビーム部材の断面斜視図である。 図３のＡ−Ａ矢視で示したビーム部材の一部断面斜視図である。

次に、本発明に係る製造作業機の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の製造作業機を示した外観斜視図である。また、図２は、本実施形態の製造作業機について、外装パネルを取り外したフレーム構造を示す斜視図である。この製造作業機１は、前記従来例と同様に、製造作業として部品の組立作業を行う組立作業機であり、例えば搬送される基板に対して、用意された複数の供給部品から所定の部品を選択して組み付けるものである。そのため、製造作業機１は、基板を搬送するための搬送装置や部品を供給するための部品供給装置、更に部品を直接取り扱う作業ヘッドや駆動装置などによって構成されている。

製造作業機１は、上部カバー２と側面カバー３とからなる外装パネルによって覆われている。上部カバー２には、機体前後にモニタ５や操作パネル６がそれぞれ設けられ、シグナルランプ７も前後に配置されている。側面カバー３には左右両側に基板搬送開口部３０１が開設され、隣り合う作業機との間で基板の受渡しが行われるようになっている。また、前後方向にも部品供給開口部３０２が開設され、そこに複数の供給部品を搭載した部品供給装置が設置されるようになっている。なお、本実施形態では、製造作業機１の前後方向がＹ軸方向であり、基板が搬送される左右の幅方向がＸ軸方向であり、そして高さ方向がＺ軸方向である。

製造作業機１では、図２に示すように、一点鎖線で示す基板８０が機体中央に位置し、そこで部品の組み付け作業が行われる。その基板８０を搬送する搬送装置は、詳しく図示しないが、基板８０の端部を支える一対のコンベアベルトが搬送モータによって周回するよう構成されている。従って、搬送装置によって基板８０が左右の幅方向に移動し、左右の基板搬送開口部３０１を通って搬入および搬出が行われ、機体内部では図示するように作業位置に停止して位置決めされる。一方、部品供給装置は、例えばキャスタ付きの移動可能なトレイユニットであり、図２に示す製造作業機１の装置設置部３０３に対して配置される。そして、組み付け作業にあたって複数の部品トレイのうちの１つが装置内から送り出され、作業ヘッド１１によって部品の取り出しが可能な状態になる。

作業ヘッド１１は、部品供給装置から供給された部品を搬送装置上の基板８０へ組み付けるためのものである。その作業ヘッド１１は、下方に突き出すようにした部品吸着ノズルが設けられ、エアの負圧と正圧とにより部品を吸着保持及び解放することが可能な構成を有している。そして、製造作業機１には、こうした作業ヘッド１１をＸＹ平面上で移動させるための駆動装置が設けられている。なお、Ｚ軸方向の移動は、作業ヘッド１１自体に部品吸着ノズルを上下させるＺ軸駆動機構が設けられている。

駆動装置は、フレーム１０の上部に組み付けられ、作業ヘッド１１を機体前後方向（Ｙ軸方向）に直線的に移動させるＹ軸駆動装置と、左右の幅方向（Ｘ軸方向）に直線的に移動させるＸ軸駆動装置とが構成されている。よって、両駆動装置を制御することにより、ＸＹ平面上の任意の位置に作業ヘッド１１を移動させることが可能になっている。製造作業機１は、本体を構成するフレーム１０の上部に、Ｙ軸方向に延びる一対のＹ軸レール１２が敷設されている。そして、一対のＹ軸レール１２には、フレーム１０の上部を跨ぐようにＸ軸方向に延びるビーム部材３０が架け渡されている。

ビーム部材３０は、両端部にＹ軸スライダ１３，１４が固定され、そのＹ軸スライダ１３，１４を介し一対のＹ軸レール１２上に対して摺動可能に搭載されている。つまり、ビーム部材３０は、Ｘ軸方向に沿って配置された姿勢のままＹ軸方向に移動可能な状態で組み付けられている。そして、２本あるＹ軸レール１２の一方の外側にはリニアガイド１３が平行に配置されている。リニアガイド１５は、上方に開口するようにして配置された溝型形状の部材であり、その内側には固定子となる磁石が設けられている。また、リニアガイド１５に対しては、可動子としての電磁コイルが搭載されたリニアスライダ１６が設けられている。Ｙ軸駆動装置は、こうしたリニアガイド１５とリニアスライダ１６とによって構成されたリニアモータであり、ビーム部材３０は、その一端部がＹ軸スライダ１３を介してリニアスライダ１５に連結されている。

次に、ビーム部材３０には、Ｘ軸駆動装置によって作業ヘッド１１がＸ軸方向に摺動可能に搭載されている。ビーム部材３０の一側面には上下両端部にレール固定部３４１が形成され（図６参照）、Ｘ軸に沿って配置された一対のＸ軸レール１８が固定されている。そして、Ｘ軸レール１８には、作業ヘッド１１を搭載したＸ軸スライダ１９が摺動可能に取り付けられている。更に、ビーム部材３０にはサーボモータが搭載され、そのサーボモータに連結されたネジ軸２１が上下一対のＸ軸レール１８の間に設けられている。そのネジ軸２１は、Ｘ軸レール１８と平行に配置され、ビーム部材３０の長手方向端部に軸受を介して回転可能に支持されている。そして、ネジ軸２１は、Ｙ軸スライダ１９に固定されたナットを貫いて螺合している。このようにＸ軸駆動装置は、サーボモータの回転を直進運動に変換するボールネジ機構によって構成されている。

製造作業機１では、以上のような駆動装置により基板８０に対する部品の組み付け作業が行われる。すなわち、作業ヘッド１１がＸ軸方向への直線移動とＹ軸方向の直線移動とによってＸＹ平面上の任意の位置に位置決めされる。Ｘ方向の移動は、ビーム部材３０に設けられたサーボモータの駆動によりネジ軸２１が回転し、そのネジ軸２１に螺合したナットを介して作業ヘッド１１がＸ軸レール１８に沿ってＸ軸方向に移動する。一方、Ｙ軸方向の移動では、駆動電流の供給により電磁コイルに移動磁界が発生し、磁石の界磁磁束との相互作用によって軸方向の移動推力が発生する。そのため、可動子が固定子の軸線に平行な方向に移動し、リニアスライダ１６がリニアガイド１５に案内されて移動する。そして、リニアスライダ１６と一体になって作業ヘッド１１を保持したビーム部材３０がＹ軸方向に移動する

ところで、ビーム部材３０は、作業ヘッド１１のＸ軸方向移動を案内するガイド部材であり、搭載した作業ヘッド１１をＹ軸方向に移動させる移動台でもある。そして、そのビーム部材３０は、一端部がリニアスライダ１６に連結されて拘束された固定端になっているが、他端部側はＹ軸方向に関して自由端になっている。そのため、ビーム部材３０は、Ｙ軸方向の移動に関して片持ち支持の状態にあり、移動と停止の際に自重による慣性力が働き、リニアスライダ１５側の駆動側端部を起点として振動（ヨーイングモード）が発生する。製造作業機１の性能は、作業ヘッド１１を搭載するビーム部材３０の振動特性によって決められるため、性能向上のためにも可能な限り振動を抑える必要がある。

特に、本実施形態の製造作業機１は、作業ヘッド１１による作業領域を拡張させるため、ビーム部材３０の長さ寸法が従来のビーム部材よりも５０パーセント長く設計されている。従って、ビーム部材３０が長い分、片持ち支持の固定側端部から自由端までの距離が長くなり、固定側端部での曲げモーメントが大きくなる。その結果、ビーム部材３０の剛性が低ければ、Ｙ軸方向の移動に伴う振動が大きくなってしまう。よって、ビーム部材５０の寸法を長くするには、曲げに対する剛性を高くする必要があった。また、ビーム部材３０には片側を作業ヘッド１１が摺動するため捻じれも作用する。従って、ビーム部材３０は、捻じれに対する剛性を強化する必要もある。

従来のビーム部材は、板金からなるビーム本体に強度を増すための補強リブが溶接された板金組み付け構造であった。補強リブによって剛性を高める構造に関しては、上記特許文献２にも開示がある。しかし、補強リブを追加したビーム部材は重量が増加してしまい、Ｙ軸駆動装置を大型化させたり、移動及び停止の際の慣性力が大きくなって振動にも悪影響を及ぼしてしまう。そこで、本実施形態で採用する新たなビーム部材３０では、重量を抑えつつ曲げや捻じれに対する剛性を強化させるため、従来の板金組み付け構造から変更が加えられた。具体的には、断面が略矩形の筒型形状であって、鋳造によって形成されたものとした。

ビーム部材３０を製造するための材料には、軽量であって剛性に優れた特性を有するものが求められる。そこで先ず、金属とセラミックスとの複合材であるＭＭＣ（金属基複合材料）が選定された。しかしながら、金属基複合材料は、それ自体が高価であるだけではなく、機械加工に使用する切削工具にも高価なものが必要である。金属基複合材料の鋳造品は表面に硬質の粒子や強化繊維が分散しているため、中ぐり、研削およびホーニング等の加工性が非常に悪いことから、これらの機械加工に使用する切削工具が特殊なものとなってしまうからである。また、単一の材料ではないため切削速度の選択などが難しく、工具の寿命が短いなどの問題もある。これでは、ビーム部材３０が高価なものになり製造作業機１の製造コストが上がってしまう。

そこで、本実施形態では価格が安く加工性にも優れた鋳造用アルミニウム合金を使用することとした。鋳造用アルミニウム合金は、ＪＩＳ規格に登録されているものを使用することができ、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金及びＡｌ−Ｍｇ系合金を採用することができる。本実施形態のビーム部材３０では、日軽エムシーアルミ株式会社製ＤＸ８０（Al-16Si-5Ni-4Cu-Fe-Mn-Cr-Ti）が使用される。また、こうした鋳造用アルミニウム合金の使用により金型鋳造が可能になり、砂型鋳物に比べて欠陥や不良が少なく形成精度もよく、肉厚を薄くすることが可能になる。

ところで、鋳造用アルミニウム合金は、前述したように低価格であって加工性にも優れている。しかし、合金の種類にもよるが、金属基複合材料に比べてヤング率が低い材料でもある。よって、ビーム部材３０の振動特性を低下させないためには曲げや捻じれに対する剛性の確保が課題となる。この点、本実施形態では、筒型形状のビーム部材３０について形状的に剛性を高める工夫が施されている。図３は、本実施形態のビーム部材３０を示した斜視図である。また、図４は、ＸＹ平面で切断したビーム部材３０の断面斜視図であり、図５は、ＺＸ平面で切断したビーム部材３０の断面斜視図である。更に、図６は、図３のＡ−Ａ矢視で示したビーム部材の一部断面斜視図である。

ビーム部材３０は、Ｘ軸方向である長手方向の両端部に固定部３１，３２が形成されている。固定部３１，３２は、一対のＹ軸レール１２を摺動するＹ軸スライダ１３，１４に固定されるものであって、固定部３２が固定側端部であり、固定部３２は自由側端部になっている。すなわち、固定部３１が固定されたＹ軸スライダ１３が隣接するＹ軸駆動装置のリニアスライダ１６に一体的に連結され、ビーム部材３０には、固定部３１に対して図３に白抜き矢印で示すようにＹ軸駆動装置からの駆動力が伝えられる。一方、固定部３２側は、前述したようにＹ軸方向には自由端であるため、移動や停止によって自重による慣性力Ｆがビーム部材３０に働くことになる。そこで、その慣性力Ｆが小さくなるように固定部３２が小さく、曲げモーメントの値が大きくなる固定部３１の面積が大きく形成されている。

ビーム部材３０は、固定部３１，３２の間に筒型形状のビーム本体部３３と、作業ヘッド１１が摺動可能に取り付けられる側壁部３４と、その側壁部３４に直交するリブ部３５が構成されている。こうしたビーム本体部３３、側壁部３４及びリブ部３５によるビーム部材３０の幅寸法が一定で形成されている。特に、作業ヘッド１１の取付位置とは反対側のビーム本体部３３であっても幅寸法は一定である。ただ、本来であれば、Ｙ軸方向の動きに関して片持ちのビーム部材３０は、作用する曲げモーメントに対して固定側端部である固定部３１側の幅を大きくすることが好ましい。

しかし、ビーム部材３０の幅寸法が大きくなってしまうと、その分だけ製造作業機１内において予め設定されているＹ軸方向の移動範囲が狭くなり、作業ヘッド１１による作業領域を狭めてしまう。すなわち、Ｘ軸方向の移動範囲を広くするためにビーム部材３０を長くしたにも関わらず、ビーム部材３０によるＹ軸方向の移動範囲が狭くなってしまったのでは効果が相殺されてしまう。そこで、本実施形態では、ビーム部材３０の幅寸法を一定にしながらでも剛性を高めるため、ビーム本体部３３及びリブ部３５に対して次のような構成が施されている。

ビーム本体部３３は、Ｚ軸方向の高さ寸法に関して、固定部３１側が高く、固定部３２側が低くなるように形成されている。特に、固定部３１側から中間位置３３１までは高さが徐々に低くなるように傾斜して形成され、その中間位置３３１から固定部３２側は高さが一定になるように形成されている。すなわち、曲げに対して剛性を高めるには断面二次モーメントの値を大きくすることが好ましいが、前述したように幅寸法を大きくできない分、高さ寸法を大きくする構成が採られている。ただし、固定部３１から遠い位置では、慣性力Ｆが小さくなるようビーム部材３０の重量は抑えられなければならない。

そこで、ビーム本体部３３は、必要な個所の剛性を確保しつつ全体の重量、特に固定部３１から遠い固定部３２側の重量が小さくなるように構成されている。具体的には、前述したように中間位置３３１まで傾斜するだけではなく、側壁部３４とは反対の側壁３３２は、図４に示すように、固定部３１側から中間位置３３１にかけて肉厚が徐々に薄くなり、中間位置３３１から固定部３２側までの肉厚は薄肉のまま一定に形成されている。一方で、リブ部３５が直交している側壁部３４の肉厚は薄肉のまま一定である。このようにビーム本体部３３は、全体が薄肉の筒型形状であって内部空間３７が大きく形成されている。

ただし、ビーム本体部３３と連続する固定端部３６では、図４及び図５に示すように、より高い剛性を得るため、内部空間３７を小さくして肉厚に形成されている。よって、固定端部３６からビーム本体部３３にかけて内部空間３７が急激に大きくなり、Ｘ軸方向の断面積変化が大きくなってしまっている。こうして急激に形状が変化する箇所では応力が集中しやすい。そこで応力集中を抑えるため、該当箇所にあたる上下左右の内壁面３７１は傾斜面になっており、Ｘ軸方向に隣り合う内壁面との角度が鈍角になるように形成されている。そして、傾斜した内壁面３７１と、それに隣り合う内壁面とは曲面によってつながっている。また、こうした点は、固定端部３６とビーム本体部３３とが連続する外側面でも同様であり、両者は曲面によってつながっている。

ビーム部材３０は、作業ヘッド１１が取り付けられる側壁部３４側にリブ部３５が形成され、曲げや捻じれに対する剛性が高められている。このリブ部３５は、側壁部３４に直交して水平方向に張り出し、ビーム部材３０の長手方向全体にわたって形成されている。そのため、ビーム部材３０の剛性を高めるにはある程度の肉厚も必要であるが、補強のためのリブ部３５がビーム部材３０の重量を増加させてしまい、他への影響を及ぼしてしまうことになる。そこで、本実施形態では、必要な剛性を確保しつつ軽量化を図るため、リブ部３５に対して肉厚の変化がつけられている。

リブ部３５は、長手方向両側の端部分３５１，３５２が肉厚に形成され、その中間である中央部分３５３は薄肉に形成されている。端部分３５１，３５２は、中央部分３５３に向けて傾斜するように形成され、ここでも応力が集中しない形状になっている。また、曲げモーメントは固定部３１側に大きく作用するため、端部分３５１の範囲が広くとられている。一方で、固定部３２側の端部分３５２は、捻じれと曲げに対応するものであが、作用する曲げモーメントの値は小さいため範囲は狭くなっている。そして、中央部分３５３は、曲げによる影響が小さく、むしろ捻じれに対応する部分であるため、その応力に対応可能な肉厚で形成されている。

よって、以上のような製造作業機１によれば、幅方向の寸法を抑えつつビーム部材３０の長さ方向の寸法を長くしたため、ビーム部材３０のＹ軸方向の移動範囲及びビーム部材３０を移動する作業ヘッド１１の移動範囲が広くなり、その結果、作業ヘッド１１による作業領域の拡張が可能になる。特に、本実施形態によれば、金属基複合材料に比べて安価な鋳造用アルミニウム合金を使用することによりコストを抑えて上記効果を達成することが可能になる。

一方で、金属基複合材料に比べてヤング率が低下する鋳造用アルミニウム合金は、幅寸法に制限を受けるビーム部材３０において振動が課題になる。この点、本実施形態のビーム部材３０では、幅方向に寸法制限を受けるが、ビーム本体部３３を筒型形状にし、ビーム本体部３３の固定部５１側端部および固定端部３６の高さ寸法を高くしたことにより振動を抑える剛性が確保できている。また、ビーム部材３０は、筒型形状のビーム本体部３３と、起立した側壁部３４や水平方向に突き出したリブ部３５を有するため、曲げや捻じれに対する剛性が得られる。更に、ビーム部材３０は、曲げモーメントの値が大きくなる固定部３１側において、固定端部３６は内部空間３７を小さくした肉厚なブロック体であり、ビーム本体部３３も側壁３３２が肉厚に形成され剛性が高められている。

ビーム部材３０に対する振動は、Ｙ軸方向の移動に伴う自重によって作用する慣性力が原因である。そのため、本実施形態では、剛性を高める必要のある個所を見極め、各部の肉厚を変化させることによりビーム部材３０の重量が抑えられている。具体的には、側壁３３２は、固定部３１側部分の肉厚が固定部３２側にかけて薄くなるように形成され、リブ部３５は、端部分３５１，３５２と中央部分３５３とで肉厚が変化するように形成されている。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、ビーム部材３０の細部における具体的な形状は前記実施形態以外のものであってもよい。
また、ビーム部材３０に使用する材料は、日軽エムシーアルミ株式会社製ＤＸ８０以外の鋳造用アルミニウム合金であってもよい。

１…製造作業機 １１…作業ヘッド １２…Ｙ軸レール １３，１４…Ｙ軸スライダ １５…リニアガイド １６…リニアスライダ １８…Ｘ軸レール ２１…ネジ軸 ３０…ビーム部材 ３１，３２…固定部 ３３…ビーム本体部 ３４…側壁部 ３５…リブ部 ３６…固定端部 ３７…内部空間

Claims (5)

1. ＸＹ平面上のＸ軸方向に配置され、両端部がＹ軸方向に移動可能に支持されたビーム部材と、前記ビーム部材の一方の駆動側端部に設けられ、前記ビーム部材をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動装置と、前記ビーム部材に取り付けられた作業ヘッドをＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動装置とを有する製造作業機であり、
   前記ビーム部材は、Ｘ軸方向に連通する内部空間を有する筒型形状のビーム本体部が設けられ、前記ビーム本体部は、前記駆動側端部と他方の端部とに各々設けられた固定部の間では、Ｙ軸方向のビーム幅が一定で、前記駆動側端部から他方の端部側に向けてＺ軸方向の寸法が小さくなるように形成されたものであることを特徴とする製造作業機。
2. 前記ビーム本体部は、前記駆動側端部からＸ軸方向の中間部まで高さ方向の寸法が小さくなるように連続的に変化し、前記中間部から前記他端部までの高さ方向の寸法は一定に形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の製造作業機。
3. 前記ビーム本体部は、前記内部空間を構成する一対の側壁の一方側にはＸ軸方向に沿ってリブが形成され、一対の側壁の他方側の側壁は、前記一方側の側壁より肉厚が厚く形成されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の製造作業機。
4. 前記ビーム本体部は、前記他方側の側壁の肉厚がＸ軸方向に、一方の前記固定部側から中間位置にかけて徐々に薄くなり、前記中間位置から他方の固定部側まで一定に形成されたものであることを特徴とする請求項３に記載の製造作業機。
5. 前記ビーム部材は、鋳造用アルミニウム合金によって形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の製造作業機。
   

Images