JP6541587B2 - 部品挿入装置、部品挿入システム及び部品挿入方法 - Google Patents

Description

本発明は、部品挿入装置、部品挿入システム及び部品挿入方法に関するものである。

人工衛星の構造体には、軽量かつ高剛性であることから、サンドイッチパネルが多用されている。サンドイッチパネルは、ハニカムコアの両面に表皮材を接着剤で結合した構造になっている。サンドイッチパネルには、他の構造部材或いは搭載機器を締結するための金属部品が埋め込まれている。金属部品とハニカムコアとの隙間には、充填剤が充填されている。

１枚のサンドイッチパネルに埋め込まれる金属部品は、最大で約３，５００個ある。これらの全てが人手で埋め込まれており、作業に膨大な時間と工数がかかっている。この作業が人手で行われている最大の要因は、金属部品とサンドイッチパネルとの平行度が保たれ、かつ、充填剤が表皮材に開けられた孔と金属部品との隙間から漏れ出さないように、孔と金属部品との寸法公差として、クリアランスが０ミリメートルになるような寸法公差が決められているところにある。

特許文献１には、力覚センサが手先部に取り付けられた垂直多関節ロボットを用いて、力覚センサが出力する力測定値によるフィードバック制御を行うことで、部品と孔との嵌め合いを行う技術が開示されている。

特開平５−３８６３７号公報

特許文献１のような技術を用いて、クリアランス０ミリメートルの精密嵌め合いを自動で行うためには、高性能の力覚センサ及び高精度のフィードバック制御機構が必要である。

また、特許文献１のような技術では、ロボットの動作範囲が限られる。特許文献１のような技術を、最大で５メートル×４メートルの面積を持つような人工衛星のサンドイッチパネルへの金属部品埋め込み作業に適用するには、垂直多関節ロボットをＸ−Ｙ軸の直交ステージで搬送する必要があるが、垂直多関節ロボットを搬送可能な直交ステージを用意すると導入コストが高額となる。

本発明は、簡易な構成で精密嵌め合いを自動化することを目的とする。

本発明の一態様に係る部品挿入装置は、
部品を前記部品の軸方向である第１方向に沿って孔に挿入する部品挿入装置であり、
前記部品を保持する保持機構と、
前記部品が前記保持機構により保持されている状態で前記部品に対して前記第１方向と直交する第２方向に荷重を加えるサーチ動作を行うアラインメントステージと、
前記アラインメントステージのサーチ動作中、前記部品と前記孔とが嵌り合った時点以降に前記部品に対して前記第２方向に加わる荷重を吸収するフローティングユニットとを備える。

本発明によれば、第１方向に沿って孔に挿入される部品に対して第２方向に荷重を加えるアラインメントステージと、アラインメントステージの動作中、部品と孔とが嵌り合った時点以降に部品に対して第２方向に加わる荷重を吸収するフローティングユニットとからなる簡易な構成で精密嵌め合いを自動化することができる。

実施の形態１に係るパネルの断面図。 実施の形態１に係る部品挿入システムの構成を示す図。 実施の形態１に係る部品挿入システムの構成を示す図。 実施の形態１に係る部品挿入システムの動作を示すフローチャート。 実施の形態１に係る部品挿入装置による嵌め合い状態確認方式を示す模式図。 実施の形態１に係る部品挿入装置によるサーチ動作を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一又は相当する部分については、その説明を適宜省略又は簡略化する。

実施の形態１．
図１を参照して、部品３０が埋め込まれたパネル２０の構成を説明する。図１は、パネル２０の部品３０が埋め込まれた箇所を切断した、パネル２０の縦断面を示している。

パネル２０は、具体的には、人工衛星の構造体に用いられるサンドイッチパネルである。部品３０は、具体的には、パネル２０に他の構造部材或いは搭載機器を締結するための金属部品である。部品３０は、後述するように、本実施の形態に係るシステムによってパネル２０に埋め込まれる。

本実施の形態において、パネル２０は、ハニカムコア２２の両面に表皮材２１を接着剤２３で結合した構造になっている。部品３０は、表皮材２１とハニカムコア２２に予め開けられた孔２５に埋め込まれる。部品３０は、部品３０とハニカムコア２２との隙間に充填剤２４が充填されることで、パネル２０に固定される。

本実施の形態において、部品３０は、円柱状の本体部３１と、本体部３１の上端につながり、本体部３１よりも太い円柱状の上側フランジ部３２と、本体部３１の下端につながり、上側フランジ部３２とほぼ同じ太さである円柱状の下側フランジ部３３とからなる。部品３０には、部品３０の中心軸を通るように、部品３０の軸方向である第１方向Ｄ１に沿って部品３０の全体を貫通するねじ穴３４が設けられている。ねじ穴３４は、部品３０に構造部材或いは搭載機器を締結するための穴である。上側フランジ部３２の本体部３１よりも太くなっている部分、すなわち、上側フランジ部３２の外周部に近い部分には、第１方向Ｄ１に沿って上側フランジ部３２を貫通する注入穴３５が、上側フランジ部３２の中心部を挟むように、第１方向Ｄ１と直交する第２方向Ｄ２に沿って離れた２つの位置に設けられている。注入穴３５は、部品３０が孔２５に埋め込まれた後、部品３０とハニカムコア２２との隙間に充填剤２４を注入するための穴である。なお、注入穴３５の数は、２つに限らず、１つのみ、又は、３つ以上でもよい。２つ以上の注入穴３５が設けられる場合、それらの注入穴３５は、上側フランジ部３２の外周に沿って等間隔に配置されることが望ましい。

本実施の形態において、第１方向Ｄ１は、鉛直方向であり、第２方向Ｄ２は、水平方向である。

以下では、本実施の形態に係るシステムの構成、本実施の形態に係るシステムの動作、本実施の形態の効果を順番に説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図２及び図３を参照して、本実施の形態に係るシステムである部品挿入システム４０の構成を説明する。図２及び図３は、部品挿入システム４０の構成要素であるコントローラ４１を１つの機能ブロックとして示している。また、図２は、部品挿入システム４０の別の構成要素である部品挿入装置１０の正面と、部品挿入装置１０によって部品３０が埋め込まれるパネル２０の断面とを示している。図３は、部品挿入装置１０の側面と、パネル２０の別の断面とを示している。

部品挿入システム４０は、部品３０を第１方向Ｄ１に沿って孔２５に挿入する部品挿入装置１０と、部品挿入装置１０を制御するコントローラ４１とを備える。部品挿入装置１０とコントローラ４１は、互いに有線又は無線で通信を行うことで、部品挿入装置１０の制御のための信号を送受信する。

部品挿入装置１０は、具体的には、ロボットハンドである。コントローラ４１は、具体的には、このロボットハンドの移動を制御するとともに、このロボットハンドの各部の動作を制御するモーションコントローラである。

本実施の形態において、部品挿入装置１０は、アラインメントステージ１１と、フローティングユニット１２と、バッファ機構１３と、保持機構１４と、センサ１５，１６と、ビジョンセンサ１７とを備える。

保持機構１４は、部品３０を保持する。保持機構１４は、具体的には、部品３０を把持する把持機構である。

アラインメントステージ１１は、パネル２０と部品３０との平行度を確保するために、部品３０を保持している保持機構１４の角度を調節する。また、アラインメントステージ１１は、部品３０が保持機構１４により保持されている状態で部品３０に対して第２方向Ｄ２に荷重を加えるサーチ動作を行う。すなわち、アラインメントステージ１１は、部品３０とパネル２０に設けられた孔２５との軸合わせを行うために、部品３０を保持している保持機構１４の水平位置を調節する。アラインメントステージ１１は、具体的には、Ｘ−Ｙ軸のステージである。なお、アラインメントステージ１１は、保持機構１４の角度と水平位置とを調節可能なステージであれば、任意の構成のステージでよい。

フローティングユニット１２は、アラインメントステージ１１のサーチ動作中、部品３０と孔２５とが嵌り合った時点以降に部品３０に対して第２方向Ｄ２に加わる荷重を吸収する。すなわち、フローティングユニット１２は、部品３０と孔２５との軸が合い、両者の嵌め合い完了してからもアラインメントステージ１１が軸合わせの動作を継続することで生じる、部品３０への水平方向の過負荷をキャンセルする。フローティングユニット１２は、本実施の形態では、アラインメントステージ１１側の第１ユニット１８と、保持機構１４側の第２ユニット１９とで構成されている。フローティングユニット１２は、第１ユニット１８と第２ユニット１９とのロック機能を有している。このロック機能がオフのときは、水平方向の荷重を逃がすよう第２ユニット１９が第１ユニット１８に対して自由に動き、荷重が取り除かれれば第２ユニット１９が原点に復帰する。一方、信号の入力でロック機能がオンになると、第１ユニット１８と第２ユニット１９との位置関係が固定される。

バッファ機構１３は、部品３０の第１方向Ｄ１における端面の少なくとも一部が孔２５の周縁部に押し当てられている状態で部品３０に対して第１方向Ｄ１に加わる荷重を吸収する。すなわち、バッファ機構１３は、アラインメントステージ１１が軸合わせの動作を開始してから、部品３０と孔２５との軸が合い、両者の嵌め合いが完了するまで生じる、部品３０への垂直方向の過負荷をキャンセルする。バッファ機構１３は、任意の構成でよいが、本実施の形態ではスプリングとリニアガイドとで構成されている。

センサ１５は、部品３０と孔２５とが嵌り合っているかどうかを判定するために用いられる。センサ１５は、保持機構１４の第１方向Ｄ１における位置を計測する。センサ１５は、具体的には、レーザ変位センサである。

センサ１６は、パネル２０と部品３０との平行度を確保するために用いられる。センサ１６は、パネル２０の傾斜度を計測する。センサ１６は、具体的には、レーザ変位センサである。

ビジョンセンサ１７は、部品３０と孔２５との水平位置のずれを大まかに補正するために用いられる。ビジョンセンサ１７は、孔２５の位置を検出する。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
図４を参照して、部品挿入システム４０の動作を説明する。部品挿入システム４０の動作は、本実施の形態に係る部品挿入方法に相当する。

ステップＳ１において、コントローラ４１は、センサ１６によりパネル２０の傾斜度を計測する。ステップＳ２において、コントローラ４１は、ステップＳ１で計測された傾斜度に合わせて、アラインメントステージ１１により保持機構１４の角度を調節する。これにより、パネル２０と、後のステップで保持機構１４により把持される部品３０との平行度が確保されることになる。

ステップＳ３において、コントローラ４１は、保持機構１４により部品３０を把持し、部品挿入装置１０を移動させることで部品３０を孔２５の位置、すなわち、埋め込み位置まで搬送する。ステップＳ４において、コントローラ４１は、ビジョンセンサ１７により埋め込み位置を検出する。ステップＳ５において、コントローラ４１は、ステップＳ４で検出された埋め込み位置に合わせて、アラインメントステージ１１により部品挿入装置１０の位置を微調整することで部品３０の位置を補正する。ステップＳ６において、コントローラ４１は、部品挿入装置１０ごと部品３０を降下させる。このとき、コントローラ４１は、仮に部品３０と孔２５との軸が合っていた場合に部品３０の下側フランジ部３３と上側の表皮材２１とが同じ高さで並ぶ位置まで部品３０を降下させてから、降下を一旦停止する。ステップＳ５における位置の補正が高精度ではないため、この時点で部品３０と孔２５との軸が合っている可能性は高くない。よって、ステップＳ６で部品３０を降下させただけで部品３０と孔２５との嵌め合いが完了することは稀である。部品３０と孔２５とが嵌り合っていない状態では、パネル２０に部品３０が押し付けられて垂直下向きの過負荷が発生するが、この過負荷はバッファ機構１３により吸収されるため、パネル２０が破損することはない。

ステップＳ６の後、コントローラ４１は、センサ１５により部品３０と孔２５との嵌め合いが完了しているかどうか判定する。具体的には、コントローラ４１は、センサ１５により保持機構１４の第１方向Ｄ１における位置、すなわち、保持機構１４の降下位置を計測する。コントローラ４１は、計測された位置から、部品３０と孔２５とが嵌り合っているかどうかを判定する。より具体的には、コントローラ４１は、図５に示すように、センサ１５により保持機構１４の上端面までの垂直距離を計測する。コントローラ４１は、計測された垂直距離が、バッファ機構１３のスプリングが伸びきったときの値、すなわち、最大値Ｄｍａｘであれば、部品３０と孔２５とが嵌り合っていると判定する。一方、コントローラ４１は、計測された垂直距離が最大値Ｄｍａｘでなければ、部品３０と孔２５とが嵌り合っていないと判定する。

部品３０と孔２５とが嵌り合っていると判定された場合、ステップＳ７において、コントローラ４１は、部品挿入装置１０ごと部品３０をさらに降下させ、部品３０を孔２５に埋め込む。このとき、コントローラ４１は、フローティングユニット１２のロック機能をオンにして、部品３０をパネル２０に埋め込む。すなわち、コントローラ４１は、保持機構１４の第２方向Ｄ２における移動を制限しながら保持機構１４を第１方向Ｄ１に沿って移動させることで、部品３０を孔２５に埋め込む。コントローラ４１は、全ての孔２５への部品３０の埋め込みが完了するまで、ステップＳ３以降の動作を繰り返す。

一方、部品３０と孔２５とが嵌り合っていないと判定された場合、ステップＳ８において、コントローラ４１は、フローティングユニット１２のロック機能をオフにしたまま、アラインメントステージ１１のサーチ動作を行う。サーチ動作は、図６に示すように、位相を４５°ずらしながら繰り返し行われ、３６０°分の動作が完了するまで継続される。サーチ動作中は、バッファ機構１３のスプリングによって常に垂直下向きの力が部品３０に加わっているため、部品３０と孔２５との軸が一致した所で部品３０が下降し、孔２５に自然に挿入される。これにより、部品３０と孔２５との嵌め合いが完了するが、その後もサーチ動作は継続され、その最中に部品３０に加わる水平方向の過負荷はフローティングユニット１２によって吸収される。

ステップＳ８のサーチ動作の完了後、コントローラ４１は、ステップＳ６の後と同じように、センサ１５により部品３０と孔２５との嵌め合いが完了しているかどうか再び判定する。部品３０と孔２５とが嵌り合っていると判定された場合、コントローラ４１は、ステップＳ７の動作を行う。一方、部品３０と孔２５とが嵌り合っていないと判定された場合、ステップＳ９において、コントローラ４１は、部品３０を別のものに交換し、保持機構１４により交換後の部品３０を把持し、部品挿入装置１０を移動させることで部品３０を埋め込み位置まで搬送する。その後、コントローラ４１は、ステップＳ４以降の動作を行う。ただし、部品３０の交換の回数が規定回数を超えている場合、コントローラ４１は、ステップ９の動作を行う代わりに、エラーを通知して停止する。即ち、複数の部品３０でパネル２０への埋め込みを試しても成功しない場合、コントローラ４１は、エラーが発生したと判断して停止する。

＊＊＊実施の形態の効果の説明＊＊＊
本実施の形態では、アラインメントステージ１１が、第１方向Ｄ１に沿って孔２５に挿入される部品３０に対して第２方向Ｄ２に荷重を加える。フローティングユニット１２が、アラインメントステージ１１の動作中、部品３０と孔２５とが嵌り合った時点以降に部品３０に対して第２方向Ｄ２に加わる荷重を吸収する。本実施の形態によれば、このようなアラインメントステージ１１とフローティングユニット１２とからなる簡易な構成で精密嵌め合いを自動化することができる。

また、本実施の形態によれば、垂直方向に適度な荷重を加えるバッファ機構１３とアラインメントステージ１１とを組み合わせることでアラインメントステージ１１の機械的な軸合わせ動作により、部品３０と孔２５との軸が合ったところで部品３０と孔２５とが自動的に嵌り合う方式を提供できる。さらに、フローティングユニット１２により部品３０と孔２５とが嵌り合った後の軸合わせ動作中の過負荷によるパネル２０の破損を回避することができる。

本実施の形態では、垂直方向の荷重を掛けながら軸合わせを行うことで、軸が合った際に自動的に部品３０と孔２５とが嵌り合い、それ以降の水平方向の過負荷はフローティングユニット１２によって吸収できるため、高性能の力覚センサ或いは高精度のフィードバック制御機構は不要である。

本実施の形態に係る部品挿入装置１０を用いることにより、簡易な構成でクリアランス０ミリメートルの精密嵌め合いが可能な自動機を提供することができる。

＊＊＊他の構成＊＊＊
本実施の形態では、部品３０が、人工衛星のパネル２０に設けられた孔２５に埋め込まれる金属部品であるが、部品３０は、他の構造体に設けられた孔２５に埋め込まれる金属又はその他の材料で形成された部品であってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この実施の形態を部分的に実施しても構わない。具体的には、この実施の形態に係る部品挿入装置１０の構成要素のうち、一部の構成要素のみを採用してもよい。なお、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

１０ 部品挿入装置、１１ アラインメントステージ、１２ フローティングユニット、１３ バッファ機構、１４ 保持機構、１５ センサ、１６ センサ、１７ ビジョンセンサ、１８ 第１ユニット、１９ 第２ユニット、２０ パネル、２１ 表皮材、２２ ハニカムコア、２３ 接着剤、２４ 充填剤、２５ 孔、３０ 部品、３１ 本体部、３２ 上側フランジ部、３３ 下側フランジ部、３４ ねじ穴、３５ 注入穴、４０ 部品挿入システム、４１ コントローラ。

Claims (7)

1. 部品を前記部品の軸方向である第１方向に沿って孔に挿入する部品挿入装置において、
   前記部品を保持する保持機構と、
   前記部品が前記保持機構により保持されている状態で前記部品に対して前記第１方向と直交する第２方向に荷重を加えて前記保持機構の水平位置を調節するサーチ動作を行うアラインメントステージと、
   前記アラインメントステージのサーチ動作中、前記部品と前記孔とが嵌り合った時点以降に前記部品に対して前記第２方向に加わる荷重を吸収するとともに、前記部品と前記孔とが嵌り合っている状態で前記部品を前記孔に挿入する場合、ロック機能をオンにして前記保持機構の前記第２方向における移動を制限するフローティングユニットと
   を備える部品挿入装置。
2. 前記部品の前記第１方向における端面の少なくとも一部が前記孔の周縁部に押し当てられている状態で前記部品に対して前記第１方向に加わる荷重を吸収するバッファ機構
   をさらに備える請求項１に記載の部品挿入装置。
3. 請求項１又は２に記載の部品挿入装置と、
   前記部品挿入装置を制御するコントローラと
   を備える部品挿入システム。
4. 前記部品挿入装置は、前記保持機構の前記第１方向における位置を計測するセンサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記センサにより計測された位置から、前記部品と前記孔とが嵌り合っているかどうかを判定する請求項３に記載の部品挿入システム。
5. 前記コントローラは、前記部品と前記孔とが嵌り合っていると判定した場合、前記保持機構の前記第２方向における移動を制限しながら前記保持機構を前記第１方向に沿って移動させることで、前記部品を前記孔に埋め込む請求項４に記載の部品挿入システム。
6. 前記部品は、前記孔として、人工衛星のパネルに設けられた孔に埋め込まれる金属部品である請求項３から５のいずれか１項に記載の部品挿入システム。
7. 部品を前記部品の軸方向である第１方向に沿って孔に挿入する部品挿入方法において、
   前記部品を保持機構により保持している状態で、アラインメントステージを用いて、前記部品に対して前記第１方向と直交する第２方向に荷重を加えて前記保持機構の水平位置を調節するサーチ動作を行い、
   サーチ動作中、フローティングユニットを用いて、前記部品と前記孔とが嵌り合った時点以降に前記部品に対して前記第２方向に加わる荷重を吸収するとともに、前記部品と前記孔とが嵌り合っている状態で前記部品を前記孔に挿入する場合、前記フローティングユニットのロック機能をオンにして前記保持機構の前記第２方向における移動を制限する部品挿入方法。

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