JP7048281B2 - ロボットハンド - Google Patents

Description

本発明は、ロボットハンド、特に、高温のワークに接触した状態で、そのワークを搬送するロボットハンドに関する。

例えば、自動車産業におけるホットプレス工程では、加熱炉で加熱された高温のワークを取り出してプレス機に搬送する。この加熱炉－プレス機間の搬送装置には、種々のものがあるが、ワークが高温であるため、レール式搬送装置を用いることも多い。しかしながら、レール式搬送装置は、周知のように、設置場所が大きく、搬送経路の変更が困難であるという問題がある。そこで、さほど設置場所をとらず、搬送経路の変更も比較的容易なロボットを用いた搬送装置（搬送システム）が考えられる。なお、ロボットは、所謂産業用ロボットを意味する。

ロボットを用いたワークの搬送には、一般にワークを把持したり搭載したりするロボットハンドが用いられる。高温のワークに接触するロボットハンドは、多くの場合、金属製であり、こうした金属製のロボットハンドが高温に晒されると、主として熱膨張による熱変形が生じる。このようなロボットハンドの熱変形に対してワークの搬送精度を確保する技術として、例えば、下記特許文献１に記載される搬送装置がある。この搬送装置では、ロボットハンドの熱変形量を測定し、その熱変形量に基づくロボットハンドの姿勢補正量を算出し、その姿勢補正量で姿勢が補正されたロボットハンドでワークを搬送することで、ロボットハンドの熱変形によるワークの姿勢変化を補正してワーク搬送精度を確保しようとするものである。

特開２０１７－４７４９０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載される搬送装置では、ロボットハンド自体の熱変形が抑制されるわけではないので、ロボットハンド自体の熱変形に伴う種々の問題、例えば、ロボットハンドと加熱炉内のワークや加熱炉構成部材との干渉などは解決されない。また、高温のワークに接触した状態で、そのワークを搬送するロボットハンドでは、ロボットハンド自体が熱変形することによる弊害も考えられる。特に、次工程までの間に加熱されたワークの温度ができるだけ下がらないことが要求される場合には、上記ロボットハンド自体の熱変形の問題解決は困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットハンド自体の熱変形を抑制することができると共に、高温のワークの温度低下も抑制可能なロボットハンドを提供することにある。

上記目的を達成するためのロボットハンドは、
高温のワークに接触した状態で該ワークを搬送するロボットハンドにおいて、冷媒を流通させる冷媒流路が内部に形成され、少なくとも前記ワークに接触する表面部分が断熱材で被覆されたことを特徴とする。

この構成によれば、ロボットハンドの内部に形成された冷媒流路に冷媒を流通させることでロボットハンドの温度を内部から低減することができ、ロボットハンド自体の熱変形を抑制することができる。更に、少なくともワークが接触する表面部分が断熱材で被覆されているので、高温のワークからの直接の熱伝達も抑制されると共に、ワークの温度低下も抑制することが可能となる。

また、前記冷媒流路は、前記内部を区画する板部材によって区画形成され、前記板部材は、前記ワークの荷重に対して補強構造となるように配置されたことを特徴とする。

この構成によれば、ロボットハンドの内部を板部材によって区画するだけで冷媒流路が簡易に形成されると共に、その板部材の配置構造を利用してワークの荷重に対する補強構造を構成することにより、ロボットハンドの強度の向上も図ることができる。

また、前記補強構造は、ハンド伸長方向と略直交する断面形状がトラス構造を形成するように構成されたことを特徴とする。

この構成によれば、冷媒流路を形成する板部材によって、ハンド伸長方向と略直交する方向にトラス構造が構成されるので、ワークの荷重に対する良好な補強が達成される。

また、ハンド伸長方向と略直交する断面形状が方形形状の中空構造とされ、前記板部材は、前記方形形状の上部の両角隅部から該方形形状の下辺の中央部に架け渡すように配設されたことを特徴とする。

この構成によれば、冷媒流路を、適格なトラス構造とするだけでなく、ワークが接触する上面部側とワークが非接触な下面部側とに区分することができるので、ワークが接触する上面部側からワークが非接触な下面部側に冷媒を流通することにより、ロボットハンドを効率よく且つ満遍なく冷却することが可能となる。

また、前記冷媒が空気であり、前記板部材の配置は、前記冷媒流路における前記空気の流れが、最初に前記空気が前記ワークの接触部側に接触して流れ、前記空気の送給方向先方で方向変換してから前記ワークの非接触部側に接触して流れるように行われたことを特徴とする。

この構成によれば、冷媒に空気を用いることにより実施化が容易であり、その空気は、送給方向先方で方向変換して、ワークの接触部側からワークの非接触部側の順に流れることで、ロボットハンドを効率よく且つ満遍なく冷却することができると共に、空気の給排構造が簡易化される。

以上説明したように、本発明によれば、内部に形成された冷媒流路に冷媒を流通させることでロボットハンドの温度を内部から低減して自身の熱変形を抑制することができると共に、少なくともワークが接触する表面部分が断熱材で被覆されているので、高温のワークからの直接的な熱伝達を抑制し、しかもワークの温度低下も抑制することが可能となる。これにより、ロボットハンドそのものの熱変形に伴う諸問題を回避することができると共に、ワークの加熱温度抑制などによってコストの低廉化や処理時間の短縮化も可能となる。

本発明のロボットハンドの一実施の形態を示す外形斜視図である。 図１のロボットハンドが適用されたホットプレス工程のレイアウトである。 図１のロボットハンドの詳細説明図である。 図３のロボットハンドの内部構造の説明図である。 図３、図４のロボットハンドの作用の説明図である。 図２の加熱炉の概略説明図である。

以下に、本発明のロボットハンドの一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、この実施の形態のロボットハンドの外形斜視図、図２は、図１のロボットハンドが適用されたホットプレス工程のレイアウトである。このホットプレス工程では、既存のホットプレス工程と同様に、素材置き場ＳＹに置かれたワークＷを加熱炉ＨＦ内に装入し、加熱された高温のワークＷを加熱炉ＨＦから取り出してからプレス機ＨＰに装入し、熱間プレスされたワークＷをプレス機ＨＰから取り出して搬出する。このホットプレス工程では、主としてワークＷの搬送のために、計５台のロボットＲ１～Ｒ５を配設している。このうち、図１のロボットハンド１０が取付けられたロボットは、加熱炉の図示右側のロボットＲ３である。

この種のロボット（産業用ロボット）は、マニプレータとも呼ばれ、人間の上肢に類した構造、即ち複数の関節とそれらの関節間を連結するリンクからなる可動部を有する。そして、それら可動部の先端にロボットハンドが取付けられる。この実施の形態のように、ワークを搬送するロボットでは、ワークを把持したり搭載したりするロボットハンドが用いられる。この実施の形態では、図１に示すように、ワークＷを上面部に搭載するフォーク状のロボットハンド１０を採用した。なお、図２の円は、各ロボットＲ１～Ｒ５の可動範囲を概略的に示している。周知のように、この種の産業用ロボットでは、例えば平面視で現れる可動範囲内でリンクを三次元的に自在に伸縮・移動することができるので、この可動範囲内であれば次工程設備や後段のロボットとワークＷの受け渡しを行うことができる。また、図に示すワークＷの形状は、あくまでもワークの一例であり、これに限定されるものではない。

この実施の形態では、ロボットＲ３の可動部先端部のリンクＬに梁状の連結部材８が取付けられ、この連結部材８の幅方向両端部から２本のロボットハンド１０が同方向にフォーク状に突設されている。これらのロボットハンド１０は、共に同形であり、その本体部は、方形断面形状の外殻を有する金属製中空部材、例えばステンレス鋼製角パイプをハンド突設方向（伸長方向）に長手に向けて構成され、その突出先端部は、例えば同じ素材の先細りの金属製中空角錘台部材で閉塞されている。つまり、このロボットハンド１０は、内部全体が中空構造であり、結果として、軽量化されている。以下、このロボットハンド１０の方形断面形状の中空部を本体部１２、中空角錐台部をキャップ部１４と示す。本体部１２の方形断面形状は長方形であり、その一方の長辺が上面部側になるように配設されている。また、本体部１２の突出先端部上面には、ワークＷを位置決めするための凸部１６が突設されている。

ここで、加熱炉ＨＦ内におけるワークＷの貯留状態について説明する。図６は、図２に示す加熱炉ＨＦの概略構成図であり、主としてワークＷの貯留状態を表す正面図である。この実施の形態では、スペース効率を含めたワークＷの加熱効率を向上するために、加熱炉ＨＦ内にワークＷを多段に貯留する。例えば図６の紙面垂直方向が略水平方向であり、この紙面垂直方向にワークＷを出し入れする場合、加熱炉ＨＦ内には、水平方向に平行で且つ紙面垂直方向に突出する複数の棒材Ｓがワーク棚として多段に配設され、その水平方向に並んだ棒材Ｓからなるワーク棚の上にワークＷが搭載される。水平方向に並んだ棒材Ｓからなるワーク棚は加熱炉ＨＦ内に多段に配設されているので、ワークＷも加熱炉ＨＦ内に多段に貯留される。

フォーク状のロボットハンド１０は、フォークの突出方向を図６の紙面垂直方向に向けて同紙面垂直方向に挿抜され、例えばワークＷをワーク棚に搭載する場合には水平方向に並んだ棒材Ｓからなるワーク棚の上方から下方に移動してロボットハンド１０の上面に搭載されたワークＷをワーク棚上に移載する。逆に、ワークＷをワーク棚から取り出す場合には、水平方向に並んだ棒材Ｓからなるワーク棚の下方から上方に移動してワーク棚上のワークＷをロボットハンド１０の上面に移載する。スペース効率を含めたワークＷの加熱効率を高めるためには、ワーク棚（棒材Ｓ）を高さ方向に密に配設するのが望ましく、従ってフォーク状のロボットハンド１０を加熱炉ＨＦ内に挿抜する際、ロボットハンド１０の熱変形が大きいと、ロボットハンド１０が下段のワークＷや上段のワーク棚（棒材Ｓ）に干渉するおそれがある。そのため、この実施の形態では、ロボットハンド１０自体の熱変形を可及的に抑制する。

この目的のために、この実施の形態のロボットハンド１０は、冷媒を流通させるための冷媒流路１８ａ、１８ｂがハンド内部に形成されると共に、ロボットハンド１０の外表面部分全体（キャップ部１４を含む）が断熱材２０で被覆されている。図３は、図１のロボットハンド１０の詳細説明のための斜視図、図４は、図３のロボットハンド１０の内部構造の説明図である（位置決め用の凸部は図示を省略している）。この実施の形態のロボットハンド１０は、前述のように、方形断面形状の中空部材からなる本体部１２の突出方向（ハンド伸長方向）先端部が、同じく中空のキャップ部１４によって閉塞されている。

この実施の形態では、この方形断面形状の中空本体部１２の内部を板部材２２で区画して冷媒流路１２ａ、１２ｂを形成した。具体的には、本体部１２の方形断面形状の上側両角隅部の夫々と、その方形断面形状の下辺の中央部とに２枚の板部材２２を夫々架け渡すようにして気密に固着し、これにより、本体部１２の内部の上面部側、即ちワークＷの接触部側と、下面部側、即ちワークＷの非接触部側の双方に夫々冷媒流路１８ａ、１８ｂを形成した。ちなみに、本体部１２の内部の上面部側には１つの冷媒流路１８ａ、下面部側には２つの冷媒流路１８ｂが形成されるが、後述するように、上面部側冷媒流路１８ａには外部空気を送給し、キャップ部１４で折り返した空気を下面部側冷媒流路１８ｂから排気するので、両者の流路断面積は同等となる。

ロボットハンド１０の外表面部分を被覆する断熱材２０には、例えば耐熱温度の高いシリカクロスが用いられる。この実施の形態では、例えば帯状のシリカクロスを包帯の斜め巻き状態に巻き付けて、ロボットハンド１０の外表面部分全体を被覆した。この実施の形態のロボットハンド１０では、上面部にワークＷが搭載されるので、ワークＷが接触する上面部側に断熱材２０を被覆するだけでも、ワークＷからの伝熱（熱伝達）を相応に低減することができる。しかしながら、このロボットハンド１０は、前述した加熱炉ＨＦ内に差し込まれ、その際、ロボットハンド１０の下面部を含むその他の面部も、加熱炉ＨＦ内の雰囲気温度や下段のワークＷからの輻射熱などによって加熱される。そのため、この実施の形態では、ロボットハンド１０の外表面部分全体を断熱材２０で被覆した。

この断熱材２０は、高温のワークＷからロボットハンド１０への伝熱を抑制するだけでなく、ロボットハンド１０によるワークＷからの抜熱も抑制する。加熱されたワークＷは、高温のまま、プレス機ＨＰに装入されるのが望ましく、従って加熱炉ＨＦからプレス機ＨＰまでの搬送過程における温度低下を可及的に抑制するのが望まれる。ロボットハンド１０の表面部分を被覆する断熱材２０は、ワークＷからの抜熱を低減するので、ワークＷの温度低下を抑制することができる。そして、ワークＷの温度低下を抑制することができれば、例えば加熱炉ＨＦにおけるワークＷの加熱温度（到達温度）を抑制（低減）することが可能となり、これにより加熱に伴うコストを低廉化したり、その所要時間を短縮化したりすることも可能となる。

図５は、図３のロボットハンド１０内の空気の流れを模式的に示した作用の説明図である。この実施の形態では、図３に示すように、ロボットハンド１０の本体部１２の突出方向基端部を閉塞し、上面部側の冷媒流路１２ａには外部空気の送給配管２４を、下面部側の冷媒流路１２ｂには内部空気の排気配管２６を夫々接続した。送給配管２４には、図示しない加圧ポンプが接続されており、排気配管２６には、図示しない排気ポンプが接続されている。そのため、送給配管２４から送給された外部からの空気は、図５に示すように、最初に、ワークＷの接触部側である本体部１２の上面部側冷媒流路１８ａを通り、送給先端部であるキャップ部１４内で折り返し（方向変換し）、ワークＷの非接触部側である本体部１２の下面部側冷媒流路１８ｂを通って排気配管２６から排気される。そのため、高温のワークＷが接触する本体部１２の上面部が効率的（積極的）に冷却され、炉内雰囲気や下段ワーク輻射熱で加熱される本体部１２の下面部や両側面部も効果的（付帯的）に冷却され、全体として、ロボットハンド１０全体が満遍なく冷却される。なお、外部空気は、ロボットＲ３の稼働中、常時、送給し続ける。

更に、この実施の形態では、断面方形の本体部１２の上部角隅部と下辺中央部とに板部材２２を架け渡して冷媒流路１８ａ、１８ｂを区画形成したために、それらの板部材２２は、本体部１２の外殻部材である断面方形中空部材を含め、ハンド伸長方向と略直交する方向に、即ち冷媒の流れ方向から見て、トラス構造（補強構造）を形成する。トラス構造は、周知のように、構造体の強度を向上する有効な構成であり、ロボットハンド１０の本体部１２の内部に冷媒流路１８ａ、１８ｂと共にトラス構造が形成されることにより、ワークＷの荷重に対し、ロボットハンド１０の強度を極めて効率的に向上することができ、これによってもロボットハンド１０の変形がより一層抑制される。なお、冷媒流路１８ａ、１８ｂの形成構造は、この実施の形態に限定されるものではないが、この実施の形態では、冷媒流路１８ａ、１８ｂにおける空気（冷媒）の流動抵抗を可及的に小さくしながら、ロボットハンド１０の強度を効率的に向上することができた。

この実施の形態におけるロボットハンド１０の熱変形は、主に下方への垂れと突出方向への伸びである。ロボットハンド１０の下方への垂れは、加熱炉ＨＦ内における下段ワークＷや加熱炉構成部材との干渉となる。また、ロボットハンド１０の突出方向への伸びは、位置決め用の凸部１６の変位となるため、ワークＷを正確に位置決めできない。この実施の形態の場合、ワークＷの加熱温度は約９５０℃であり、例えばロボットハンド１０と下段ワークＷや加熱炉構成部材との隙間が約２０ｍｍである場合に、ロボットハンド１０の上下方向への熱変形量の最大許容値は１０ｍｍ未満となるが、上記対策を講じた結果、ロボットハンド１０の上下方向への熱変形量は僅か数ｍｍとなり、ロボットハンド１０と下段ワークＷや加熱炉構成部材との干渉を完全に回避することができるようになった。そして、その結果、ロボットハンド１０の温度を例えば放冷によって低下させるための待機時間が必要なくなった。ホットプレス工程の作業効率を確保するためには、こうした待機時間の削減が最も重要であり、従って工程効率の最大のメリットは、ロボットハンド１０の冷却のための待機時間がなくなったことである。

このように、この実施の形態のロボットハンド１０では、内部に形成された冷媒流路１８ａ、１８ｂに冷媒を流通させることでロボットハンド１０の温度を内部から低減して自身の熱変形を抑制することができると共に、少なくともワークＷが接触する表面部分が断熱材２０で被覆されているために、高温のワークＷからの伝熱を抑制し、且つワークＷの温度低下も抑制することが可能となる。そして、その結果、ロボットハンド１０そのものの熱変形に伴う諸問題を回避することができると共に、ワークＷの加熱温度抑制などによってコストの低廉化や処理時間の短縮化も可能となる。

また、板部材２２によってハンド内部を区画することで冷媒流路１８ａ、１８ｂを形成すると共に、それらの板部材２２の配置によって、ハンド伸長方向と略直交する方向にトラス構造をハンド内部に構成する。これにより、ハンド内部に冷媒流路１８ａ、１８ｂが簡易に形成されると共に、その板部材２２で構成されるトラス構造によってロボットハンド１０の強度を向上することができる。

また、上面部にワークＷが搭載される方形断面形状の中空部材で本体部１２を構成し、その方形形状の上部の両角隅部から下辺の中央部に架け渡すように板部材２２を配設して冷媒流路１８ａ、１８ｂを形成する。これにより、ハンド内部にトラス構造を構成しながら、冷媒流路１８ａ、１８ｂをワークＷが接触する上面部側とワークＷが非接触な下面部側とに区分することができ、ワークＷが接触する上面部側冷媒流路１２ａからワークＷが非接触な下面部側冷媒流路１２ｂに冷媒を流通することで、ロボットハンド１０を効率よく且つ満遍なく冷却することが可能となる。

また、空気を冷媒とし、送給方向先方で方向変換される空気がワークＷの接触部側からワークＷの非接触部側の順に流れるように冷媒流路１８ａ、１８ｂを構成する。これにより、実施化が容易となると共に、ロボットハンド１０を効率よく且つ満遍なく冷却することができ、しかも空気の給排構造が簡易化される。

なお、ロボットハンドの内部に形成される冷媒流路の形態は上記に限定されるものではない。また、冷媒流路を区画形成する板部材によって形成されるトラスの形態も上記に限定されるものではない。

また、冷媒には、空気以外の気体、例えば不活性ガスや、沸点の高い液体、例えばオイルを用いることも可能である。

本発明が上記していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当とされる特許請求の範囲に記載された発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０ ロボットハンド
１２ 本体部
１８ａ、１８ｂ 冷媒流路
２０ 断熱材
２２ 板部材
２４ 送給配管
２６ 排気配管
Ｗ ワーク
ＨＦ 加熱炉
ＨＰ プレス機

Claims (3)

1. 高温のワークに接触した状態で該ワークを搬送するロボットハンドにおいて、
   冷媒を流通させる冷媒流路が内部に形成され、
   少なくとも前記ワークに接触する表面部分が断熱材で被覆され、
   前記冷媒流路は、
   前記内部を区画する板部材によって区画形成され、
   前記板部材は、
   ハンド伸長方向と略直交する断面形状がトラス構造を形成するように配置されたことを特徴とするロボットハンド。
2. ハンド伸長方向と略直交する断面形状が方形形状の中空構造とされ、
   前記板部材は、前記方形形状の上部の両角隅部から該方形形状の下辺の中央部に架け渡すように配設されたことを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記冷媒が空気であり、
   前記板部材の配置は、前記冷媒流路における前記空気の流れが、最初に前記空気が前記ワークの接触部側に接触して流れ、前記空気の送給方向先方で方向変換してから前記ワークの非接触部側に接触して流れるように行われたことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットハンド。

Images