JP6803312B2 - 粘性材料吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、シール剤や接着剤のような粘性材料を吐出する装置に関する。

乗り物や産業機械の製造現場では、２部品の合わせ部に粘性材料を塗布する作業の自動化が進められている。例えば、特許文献１は、カートリッジに充填されたシール剤をプッシャで押圧してノズルより吐出する吐出装置を開示している。

特開２０１７−２３９１６号公報

特許文献１では、シール剤の塗布前の第１期間と塗布中の第２期間とで、プッシャの移動速度を変えている。第１期間における移動速度は、温度、湿度およびシール剤の材質に基づき推定された粘度に応じて設定される。

しかし、カートリッジ内の温度分布およびその他の条件により、カートリッジに充填されているシール剤の粘度は、広く分布を持った状態となっている。そのため、シール剤の粘度を正確に推定することは難しい。推定された粘度に応じて移動速度を設定しても、想定どおりにシール剤の吐出量をコントロールすることは難しい。推定精度を上げるには、多数のセンサを要し、吐出装置が複雑化する。

そこで本発明は、粘性材料の吐出量のコントロール精度を向上可能な粘性材料吐出装置を提供することを目的としている。

本発明の一形態に係る粘性材料吐出装置は、粘性材料を吐出し、吐出された粘性材料をワークにビード状に塗布する装置であって、粘性材料を貯留する貯留部と、前記貯留部内の粘性材料をプランジャにより押し出す押出し機構と、前記プランジャによって前記貯留部から押し出された粘性材料を吐出するノズルと、前記ノズルを保持する保持部材と、前記保持部材およびこれに保持されている前記ノズルを移動させるノズル移動機構と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、粘性材料をワークに塗布する前に、前記プランジャを計測用速度で動作させて前記ノズルより粘性材料を吐出させ、前記プランジャが前記計測用速度で動作を開始してから粘性材料の吐出量が所定値に達するまでの時間を時間遅れ量として計測し、計測された時間遅れ量に応じて、ワークに粘性材料を塗布する際における前記プランジャの動作速度および／または前記ノズルの移動速度を決定するように構成されている。

上記構成によれば、概略的に言って、粘度が高いほど時間遅れ量は大きくなる。貯留部内で広く分布を持った粘度、あるいはこれに影響を及ぼす温度等のパラメータではなく、粘度に応じて定まるパラメータに従って速度を決めるので、ビード延在方向単位長さ当たりの粘性材料の塗布量、あるいは、塗布された粘性材料のビード幅のコントロール精度が向上する。

本発明によれば、粘性材料の吐出量のコントロール精度を向上可能な粘性材料吐出装置を提供できる。

実施形態に係る粘性材料吐出装置の構成を示す概念図である。 粘性材料吐出装置を示すブロック図である。 制御装置により実行される処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。全図を通じて同一のまたは対応する要素には同一の符号を付して説明の重複を省略する。

図１は、粘性材料吐出装置１（以下、吐出装置１という）の構成を示す概念図である。図１に示すように、吐出装置１は、貯留部３、押出し機構４およびノズル５を保持する保持部材２を備えている。保持部材２は、長尺の板状に形成されたベース２ａを有し、押出し機構４、貯留部３およびノズル５が、ベース２ａの長手方向にこの順番で並ぶように配置されている。粘性材料９５はノズル５の先端部から吐出される。

吐出装置１は、保持部材２およびこれに保持されているノズル５を移動させるノズル移動機構６を備えている。本実施形態では、ノズル移動機構６が、産業用垂直多関節ロボットで構成されており、複数の関節を有するロボットアーム７と、複数の関節それぞれを駆動する複数（関節と同数）の移動アクチュエータ８（図２を参照）とを備えている。ノズル５を保持した保持部材２がロボットアーム７の先端に取外し可能に装着される。ロボットアーム７が動作すると、保持部材２およびこれに保持されているノズル５が、貯留部３および押出し機構４と共に移動する。ノズル５から粘性材料９５を吐出しながらノズル５を移動させることで、吐出された粘性材料９５がワーク９０にビード状に塗布される。

この吐出装置１は、乗り物（例えば、航空機や自動車）あるいは産業機械の製造現場に適用される。粘性材料は、シール剤あるいは接着剤のような粘性を有した材料である。航空機の製造現場のシール剤の塗布作業においては、ワーク９０は、円筒状の機体を構成するセグメントであってもよい。また、高粘弾性（例えば、１０００〜２０００Pa・sの粘度）を有するシール剤が用いられ、ビード幅の公差は極めて小さい。

貯留部３は、粘性材料９５を貯留している。本実施形態では、貯留部３は、保持部材２に取外し可能に装着されるカートリッジであり、粘性材料９５の補充はカートリッジの交換によって実現される。

貯留部３は、筒状に形成されており、貯留部３の軸方向がベース２ａの長手方向に平行となるようにして貯留部３は保持部材２に保持されている。貯留部３の基端側の壁は、軸方向に移動可能な可動壁３ａを構成し、貯留部３の先端側の壁には、粘性材料９５を流出させる流出口３ｂが設けられている。ノズル５は、両端が開放された先細りの錐状に形成されており、比較的に大径の基端部が貯留部３の流出口３ｂと連通している。

押出し機構４は、貯留部３内の粘性材料９５を押し出す。押出し機構４は、貯留部３内の粘性材料９５を押し出すプランジャ９、および、プランジャ９を作動させる押出しアクチュエータ１０を備える。プランジャ９は、貯留部３の軸方向あるいはベース２ａの長手方向に直動可能に配置されている。押出しアクチュエータ１０は、一例として電動モータである。その場合、押出し機構４は、押出しアクチュエータ１０により発生される回転動力を直線的な推力に変換してプランジャ９に伝達する運動変換機構１１を備える。運動変換機構１１は、一例として、ボールねじ機構を含む。押出しアクチュエータ１０はピストンのようなリニアアクチュエータでもよく、その場合、運動変換機構１１は省略可能である。

押出しアクチュエータ１０が作動すると、プランジャ９が直動し、それにより可動壁３ａがプランジャ９によって押される。可動壁３ａはプランジャ９の推力で軸方向先端側へ移動し、貯留部３の内容積が小さくなる。粘性材料９５が、縮小された容積分だけ流出口３ｂを介してノズル５に押し出される。貯留部３から押し出された粘性材料９５は、ノズル５の先端部より吐出される。

粘性材料９５の単位時間当たり吐出量とノズル５の移動速度とによって、ノズル５が単位距離移動する間にノズル５から吐出される粘性材料の量（体積または重さ）がコントロールされ、それにより、ワーク９０に塗布される粘性材料９５のビード幅がコントロールされる。ノズル５の移動速度精度は、粘性材料９５の吐出量精度に比べて高い。このため、ビード幅のコントロール精度の向上には、粘性材料９５の単位時間当たり吐出量のコントロール精度の向上が肝要となる。

押出しアクチュエータ１０において発生される回転力、プランジャ９の推力、ひいてはプランジャ９の移動速度が同じでも、単位時間当たり吐出量は、時間の経過に伴って、変動する。時間の経過によって、貯留部３内の粘度が変わるためであり、また、貯留部３内の粘性材料９５の残量が少なくなると、プランジャ９の推力に基づきノズル３先端に伝播される圧力が下がるためである。

粘性材料９５が２液を混合して調製される場合がある。この場合、２液の化学反応の結果として、粘性材料９５に硬度やシール性といった所要の性能を発揮させることになる。時間の経過に伴って、貯留部３内における化学反応の進行具合が変動し、それにより粘度が大きく変動する。粘性材料が２液混合で調製される場合、化学反応進行を防ぐため、未使用の貯留部３（カートリッジ）を冷凍保存する場合がある。この場合、交換直後は貯留部３（新品のカートリッジ）内の粘性材料の温度は０℃未満であり、作業現場の気温（例えば、１０〜３０℃）に比して低温である。このため、時間の経過に伴う粘性材料の温度変動幅が大きく、これにより粘度も大きく変化する。

そして、貯留部３の内部温度は一様に上昇するわけではなく、また、貯留部３内における化学反応は一様に進行するわけではない。そのため、貯留部３内において粘度は広く分布を持った状態となる。

以上の事情に照らし、本実施形態に係る吐出装置１の制御装置２０（図２を参照）は、粘度の推定または測定に頼らずに押出し機構４の動作を制御し、それにより単位時間当たり吐出量のコントロール精度の向上を図る。

図２は、本実施形態に係る吐出装置１のブロック図である。図２に示すように、ノズル移動機構６の移動アクチュエータ８および押出し機構４の押出しアクチュエータ１０は、制御装置２０によって制御される。制御装置２０は、例えば、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵを有するコンピュータであり、ＲＯＭに記憶されたプログラムがＣＰＵにより実行される。制御装置２０は、単一の機器であってもよいし、複数の機器に分割されていてもよい。

本実施形態では、ＲＯＭに記憶されたプログラムに、ロボットアーム７の先端の移動軌跡および移動速度を教示するプログラムが含まれ、当該プログラムの実行（すなわち、プレイバック）により、保持部材２およびこれに保持されたノズル５を予め教示されたとおりに移動させることができる。ＲＯＭに記憶されたプログラムには、押出しアクチュエータ１０の回転速度の指令値を導出するプログラムが含まれ、当該プログラムの実行により、プランジャ９の移動速度が制御される。

制御装置２０は、カートリッジである貯留部３が保持部材２に着座しているか否かを検出する着座センサ２１、吐出量を計測する吐出量センサ２２、ビード幅を計測するビード幅センサ２３、および、貯留部３内の粘性材料９５の残量を検出する残量センサ２４と接続されている。本実施形態では、ノズル５の先端に、ノズル５より吐出された粘性材料９５を溜める液溜め部５ａ（図１を参照）が設けられている。吐出量センサ２２は、液溜め部５ａに粘性材料９５が充填されたか否かを検出する光学センサによって実現されてもよく、その場合、吐出量センサ２２は保持部材２に取り付けられる。ビード幅センサ２３は、吐出された粘性材料９５のビード幅を検出する光学センサによって実現されてもよく、その場合、ビード幅センサ２３は保持部材２に取り付けられる。上述のとおり、本実施形態では、プランジャ９の移動量は、貯留部３からノズル５に押し出された粘性材料９５の総量、あるいは逆に、貯留部３内の粘性材料９５の残量と線形に相関する。そこで、残量センサ２４は、プランジャ９の移動量を検出するリニアエンコーダによって実現されてもよい。

図３は、制御装置２０によって実行される処理を示すフローチャートである。着座センサ２１の検出信号に基づき、貯留部３が保持部材２に着座したことが検出されていれば（Ｓ１：ＹＥＳ）、残量センサ２４で粘性材料９５の残量を検出する（Ｓ２）。初回はプランジャが初期位置にあり、貯留部３は満充填状態である。

次に、押出しアクチュエータ１０を作動させてプランジャ９を所定の計測用速度で動作させる（Ｓ３）。これにより、ノズル５より粘性材料９５が吐出される。本実施形態では、ノズル５から吐出された粘性材料９５は、液溜め部５ａに溜まっていく。制御装置２０の内部タイマで、プランジャ９の動作開始からの経過時間（時間遅れ量）のカウントを開始する（Ｓ４）。時間遅れ量とは、プランジャ９が計測用速度で動作を開始してから粘性材料９５の吐出量が所定値に達するまでの時間である。本実施形態では、「所定値に達するまでの時間」は、吐出量センサ２２によって粘性材料９５が液溜め部５ａに充填されたと検出されるまでの時間である。粘性材料９５の吐出量が所定値に達すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、経過時間のカウントを終了し、ここまでの経過時間が時間遅れ量として計測される（Ｓ６）。

次に、計測された時間遅れ量、およびその他の速度決定パラメータに応じてプランジャ９の動作速度を決定する。時間遅れ量が大きい場合は、粘性材料９５の粘度が比較的に高く、単位時間当たり吐出量が小さいことから、プランジャ９の動作速度を高くする。時間遅れ量が小さいときにはその逆である。速度決定パラメータについては後述する。

次に、決定された速度を用いて塗布作業を開始する（Ｓ８）。塗布作業では、先ず、ノズル移動機構６を作動させてノズル５を粘性材料９５の塗布開始位置まで移動させる。その後、プランジャ９が決定された動作速度で動作するように押出しアクチュエータ１０を作動させると共に、所定の移動速度でノズル５を移動させるように移動アクチュエータ８を作動させる。これにより、ワーク９０にビード状に粘性材料９５が塗布される。この塗布作業中において、ビード幅センサ２３でビード幅が計測される（Ｓ９）。ノズル５が所定の塗布終了位置まで移動すると、塗布作業を終了する（Ｓ１０）。この終了処理では、一例として、プランジャ９を逆方向に若干移動させるように押出しアクチュエータ１０を差動させ、それによりノズル５からの粘性材料９５の吐出を停止させる。フローは一旦終了して、次回の塗布作業を行うべく、フローがステップＳ１から再開される。

上記同様、次回に行われる塗布作業の事前に、当該次回の塗布作業におけるプランジャ９の動作速度が決定される。すなわち、貯留部３内の粘性材料９５の残量が計測され（Ｓ２）、プランジャ９を計測用速度で動作させて時間遅れ量が計測される（Ｓ３〜Ｓ６）。計測用速度は、各回で同じ速度に設定されてもよいし、２回目以降においては、前回の塗布作業で設定されたプランジャ９の動作速度が用いられてもよい。時間遅れ量の計測後の速度設定（Ｓ７）では、計測された時間遅れ量および速度決定パラメータに応じてプランジャの動作速度が再設定される。

速度決定パラメータには、粘性材料９５の残量、および、前回の塗布作業中に計測されたビード幅が含まれる。粘性材料９５の残量が少なくなるにつれて、同じ吐出動作であっても単位時間当たり吐出量は小さくなっていく。粘性材料９５の残量が少なくなると、動作速度は大きくなるように修正される。ビード幅が求められるものよりも小さければ、単位時間当たり吐出量が大きくなるように、動作速度は大きくなるように修正される。制御装置２０は、次回の塗布作業で、このようにして決定された動作速度でプランジャ９を動作させるように押出しアクチュエータを作動させる（Ｓ９）。なお、この塗布作業中にもビード幅は計測される（Ｓ１０）。このようにして塗布作業が繰り返され、複数本のビード状の粘性材料９５がワーク９０に塗布されていく。

上記構成によれば、貯留部３内で広く分布を持った粘度、あるいは、これに影響を及ぼす温度等のパラメータではなく、粘度に応じて定まるパラメータである時間遅れ量に従ってプランジャ９の動作速度を決めている。そのため、ビード延在方向単位長さ当たりの粘性材料の塗布量、あるいは、塗布された粘性材料９５のビード幅のコントロール精度が向上する。特に、装填直前まで冷凍保存されているために貯留部３が空になるまでの間の温度変化幅が大きかったり、粘性材料９５が化学反応を生じる２液を混合して調製されるものであったり、また、時間の経過に伴って硬化していく特性を有するものであったりすると、粘度は時間経過に伴って複雑に変化する。本実施形態では、その変化の結果として現れる時間遅れ量に基づいて動作速度を決定しているため、吐出量のコントロール精度を高く維持できる。

時間遅れ量だけでなく、貯留部３内の粘性材料の残量に応じてもプランジャ９の動作速度を決めている。残量の減少に伴う吐出量の減少に対応することができ、貯留部３内の粘性材料９５が満充填の状態から空になるまでの間、吐出量のコントロール精度を高く維持できる。

本実施形態では、更にビード幅を測定したフィードバック制御も取り入れているので、ビード幅の公差が小さく厳しいものであっても、ビード幅を求められる範囲内に収め続けることができる。

なお、制御装置２０は、そのメモリに、時間遅れ量および速度決定パラメータと、プランジャ９の動作速度との対応関係を記憶している。制御装置２０は、計測値に基づき、この対応関係を参照して動作速度を決定する。この「対応関係」とは、マップやルックアップテーブルでもよいし、演算式でもよい。対応関係の形態は特に限定されないが、対応関係の導出は、実験を通じて制御装置２０のメモリへの実装前に行われる。

これまで実施形態について説明したが、上記構成は一例に過ぎず、適宜変更、追加および／または削除可能である。

上記実施形態では、ビード幅のコントロールのため、時間遅れ量に基づいてプランジャの動作速度を可変的に設定したが、プランジャの動作速度に加えてまたは代えてノズル５の移動速度を可変的に設定してもよい。

１ 吐出装置
２ 保持部材
３ 貯留部
４ 押出し機構
５ ノズル
６ ノズル移動機構
９ プランジャ
２０ 制御装置
９０ ワーク
９５ 粘性材料

Claims (3)

1. 粘性材料を吐出し、吐出された粘性材料をワークにビード状に塗布する装置であって、
   粘性材料を貯留する貯留部と、
   前記貯留部内の粘性材料をプランジャにより押し出す押出し機構と、
   前記プランジャによって前記貯留部から押し出された粘性材料を吐出するノズルと、
   前記ノズルを保持する保持部材と、
   前記保持部材およびこれに保持されている前記ノズルを移動させるノズル移動機構と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   粘性材料をワークに塗布する前に、前記プランジャを計測用速度で動作させて前記ノズルより粘性材料を吐出させ、
   前記プランジャが前記計測用速度で動作を開始してから粘性材料の吐出量が所定値に達するまでの時間を時間遅れ量として計測し、
   計測された時間遅れ量に応じて、ワークに粘性材料を塗布する塗布作業の開始から終了までの前記プランジャの動作速度および／または前記ノズルの移動速度を決定するように構成されている、粘性材料吐出装置。
2. 制御装置は、前記時間遅れ量と共に、他の速度決定パラメータに応じて前記プランジャの動作速度および／または前記ノズルの移動速度を決定する、請求項１に記載の粘性材料吐出装置。
3. 前記他の速度決定パラメータに、ワークに粘性材料を塗布している間に計測される粘性材料のビード幅が含まれる、請求項２に記載の粘性材料吐出装置。

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