JP7398982B2 - テープ貼付装置、及びテープ貼付方法 - Google Patents

テープ貼付装置、及びテープ貼付方法 Download PDF

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Description

本発明はテープ貼付装置、及びテープ貼付方法に関し、より詳細には、テープを被貼付面に貼り付けることにより、繊維強化プラスチック(FRP)成形品などを製造する際に用いられるテープ貼付装置、該装置を用いたテープ貼付方法に関する。
予め樹脂が含浸された炭素繊維等の繊維束をテープ状に成形したもの(プリプレグテープ、UDテープなどとも呼ぶ)を被貼付面に貼付けてゆくことで、所望の形状をした繊維強化プラスチック(FRP:Fiber Reinforced Plastics)成形品を製造する方法が知られている。
これらの製法は、ATL(Auto Tape Layup)、ATW(Auto Tape Welding)、AFP(Auto Fiber Placement)など種々の称呼があるが、これらは厳密に区別されているものでない。本明細書に於いては、テープを押圧しながら被貼付面に貼付けていく製法を総称してATLと呼び、その装置(テープ貼付装置)をATL装置と呼ぶこととする。
図7は、下記の特許文献1に開示されたATL装置の一例を示す斜視図である。
ATL装置101は、多関節ロボット102、多関節ロボット102のアーム先端に取り付けられたATLヘッド103、ATLヘッド103に予め切断されたテープ1を供給するテープ供給手段104、被貼付面2aを有するワーク2が載置されるワーク台105を含んで構成されている。
ATLヘッド103は、テープ1を保持搬送するフィーダー106、テープ1及び/又は被貼付面2aを加熱する加熱手段107、及びテープ1をワーク2の被貼付面2aとの間に挟持して押圧しながらテープ1を被貼付面2aに貼り付ける押圧ローラ108を含んで構成されている。
ワーク2は、例えば、熱可塑性樹脂の射出成型品であり、ワーク2の表面に、例えば、同じ熱可塑性樹脂が含浸されたテープ1が貼り付けられて、ワーク2が補強されることとなる。
[発明が解決しようとする課題]
テープ1が貼り付けられるワーク2は、様々な形状(3次元形状)を有している。そのため、ATL装置101では、テープ1に対する押圧ローラ108の押圧状態を一定に保つため、押圧ローラ108がワーク2の被貼付面2aに対して直交する方向(法線方向)からテープ1を介して被貼付面2aを押圧するように、ATLヘッド103の姿勢(傾き)を制御することが望まれる。
例えば、ワーク2に対するATLヘッド103の姿勢制御は、ワーク2の3次元設計データに基づく座標データなどを用いて制御されるようになっている。しかしながら、3次元形状の成型品であるワーク2は、設計上の形状・寸法に対して形状誤差を有していることが多い。
また、多関節ロボット102の動作軌跡は、終点を指定して、ある点から他の点へ移動させる点間移動の軌跡であるため、多関節ロボット102のアーム先端に設けられたATLヘッド103の押圧ローラ108の動作軌跡と、ワーク2の被貼付面2aの形状との間に誤差が生じる場合もある。
このようにワーク2が形状誤差を有している場合などにおいて、従来のATLヘッド103の姿勢制御では、押圧ローラ108による被貼付面2aへの押圧が不十分な箇所が生じたりして、押圧状態にばらつきが生じることがあり、被貼付面2aに対する押圧ローラ108の押圧状態を一定に保つことが難しいという課題があった。
特開2018-149730号公報
課題を解決するための手段及びその効果
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、ワークが形状誤差を有している場合などであっても、被貼付面に対する押圧部の押圧状態を一定に保つことができ、被貼付面に対するテープの貼付性能を高めることができるテープ貼付装置、及びテープ貼付方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために本発明に係るテープ貼付装置(1)は、
テープを押圧しながら被貼付面に貼り付ける貼付ヘッドを備えたテープ貼付装置であって、
前記貼付ヘッドが、
前記被貼付面に前記テープを押し付ける押圧部と、
該押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように動作するパラレルリンク機構とを備えていることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(1)によれば、前記貼付ヘッドが、前記パラレルリンク機構を備えているので、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように動作させることが可能となる。したがって、貼付対象物であるワークが形状誤差を有している場合であっても、前記被貼付面に対する前記押圧部の押圧状態を一定に保つことが可能となり、前記被貼付面に対するテープの貼付性能を高めることができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(2)は、上記テープ貼付装置(1)において、
前記パラレルリンク機構が、
ベース部と、
前記押圧部が取り付けられるエンド部と、
前記ベース部と前記エンド部との間に並列に設けられる複数のリンク部とを備え、
これら各リンク部が、
両端に自在継手と、
これら自在継手の間に設けられるアクチュエータとを備え、
前記複数のリンク部の各々の長さを前記アクチュエータでそれぞれ制御することにより、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように動作するものであることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(2)によれば、前記パラレルリンク機構を構成する前記複数のリンク部の各々の長さを前記アクチュエータでそれぞれ独立に制御することにより、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように精度良く動作させることが可能となる。また、前記アクチュエータが、その長さを調整する、いわゆる直動式のものであるので、前記パラレルリンク機構の省スペース化も図ることができ、嵩張らずに自由度の高い貼付ヘッドを実現することができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(3)は、上記テープ貼付装置(2)において、
前記押圧部が、
前記テープを押圧する押圧ローラと、
該押圧ローラを支持した状態で前記エンド部に取り付けられるローラ支持部とを備え、
前記貼付ヘッドが、
前記テープを搬送する搬送手段と、前記テープ及び/又は前記被貼付面を加熱する加熱手段とのうちの少なくともいずれかをさらに備え、
前記ローラ支持部に、
前記搬送手段と前記加熱手段とのうちの少なくともいずれかが、一体的に取り付けられていることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(3)によれば、前記パラレルリンク機構の前記エンド部に前記ローラ支持部を介して前記押圧ローラが取り付けられ、また、前記ローラ支持部に、前記搬送手段と前記加熱手段とのうちの少なくともいずれかが一体的に取り付けられている。これにより、前記押圧ローラと、前記搬送手段及び前記加熱手段のうちの少なくともいずれかとを一体化させた状態で、前記被貼付面の形状に倣うように移動させることができ、前記押圧部による押圧動作とともに、前記搬送手段による前記テープの搬送動作、前記加熱手段による前記テープ及び/又は前記被貼付面の加熱動作を一定の状態で行うことができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(4)は、上記テープ貼付装置(1)において、
前記貼付ヘッドが、
前記押圧部に回動可能に取り付けられて、前記被貼付面に対する前記テープの送り込み角度を調整可能にする回動部材と、
前記パラレルリンク機構に取り付けられて、前記回動部材を回動動作可能に吊持する回動動作手段とをさらに備えていることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(4)によれば、前記回動動作手段が前記回動部材を吊持した状態で前記回動部材を回動させることにより、前記被貼付面に対して前記テープを一定の角度で送り込めるように調整することができる。そのため、前記パラレルリンク機構の動作によって前記テープの送り込み角度を調整するための制御処理を省く又は減らすことができ、前記パラレルリンク機構の制御処理を簡略化できる。また、前記回動部材が、例えば、前記テープが送り込まれてくる方向に大きく張り出した部材であっても、前記回動部材が前記回動動作手段により吊持されているので、前記貼付ヘッドの重量の片寄りを軽減でき、重量バランスの向上を図ることができる。さらに、前記回動部材を回動させる際に発生するモーメントを前記回動動作部が負担する構成となり、前記パラレルリンク機構が負担するモーメントを大幅に減らすことができる。これにより、前記パラレルリンク機構により前記押圧部を前記被貼付面の形状に倣うように動作させる制御の応答性を高めることができ、前記被貼付面に対するテープの貼付性能をさらに高めることができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(5)は、上記テープ貼付装置(4)において、
前記パラレルリンク機構が、
ベース部と、
前記押圧部が取り付けられるエンド部と、
前記ベース部と前記エンド部との間に並列に設けられる複数のリンク部とを備え、
これら各リンク部が、
両端に自在継手と、
これら自在継手の間に設けられるアクチュエータとを備え、
前記エンド部上に前記回動動作手段が配設され、
前記複数のリンク部の各々の長さを前記アクチュエータでそれぞれ制御することにより、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように動作するものであることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(5)によれば、前記パラレルリンク機構を構成する前記複数のリンク部の各々の長さを前記アクチュエータでそれぞれ独立に制御することにより、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように精度良く動作させることが可能となる。また、前記アクチュエータが、その長さを調整する、いわゆる直動式のものであるので、前記パラレルリンク機構の省スペース化も図ることができ、嵩張らずに自由度の高い貼付ヘッドを実現することができる。また、前記エンド部上に前記回動動作手段が配設されているので、前記パラレルリンク機構の重量バランスが損なわれないようにすることができ、前記パラレルリンク機構の高い動作精度を維持することができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(6)は、上記テープ貼付装置(5)において、
前記回動動作手段が、
前記エンド部上に前記ベース部に向けて設けられる直動手段と、
該直動手段により直動される直動部材と前記回動部材との間に、両端が回動可能に取り付けられるリンクアームとを備え、
前記直動手段による前記直動部材の直線動作が前記リンクアームを介して前記回動部材の回動動作に変換されるように構成されていることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(6)によれば、前記回動動作手段が、前記直動手段と前記リンクアームとで構成されているので、前記パラレルリンク機構の動作の邪魔にならずに、前記回動動作手段を前記エンド部上の限られたスペースに配設することができ、前記回動動作手段を嵩張らないコンパクトな構成にすることができる。また、前記直動手段による前記直動部材の直線動作が前記リンクアームを介して前記回動部材の回動動作に変換されるので、前記直動部材の直線動作に応じて前記回動部材を応答性良く回動動作させることができ、前記被貼付面の形状に応じた前記テープの送り込み角度の調整を精度良く行うことができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(7)は、上記テープ貼付装置(5)又は(6)において、
前記押圧部が、
前記テープを押圧する押圧ローラと、
該押圧ローラを支持した状態で前記エンド部に取り付けられるローラ支持部とを備え、
前記貼付ヘッドが、
前記テープを搬送する搬送手段と、前記テープ及び/又は前記被貼付面を加熱する加熱手段とのうちの少なくともいずれかをさらに備え、
前記回動部材に、前記搬送手段及び前記加熱手段のうちの少なくともいずれかが取り付けられ、
前記押圧ローラ及び前記回動部材が、前記押圧ローラの回転中心と前記回動部材の回動中心とが一致するように配設されていることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(7)によれば、前記回動部材に前記搬送手段及び前記加熱手段のうちの少なくともいずれかが取り付けられた状態であっても、前記回動部材が前記回動動作手段により吊持されているので、前記貼付ヘッドの重量の片寄りを軽減でき、重量バランスの向上を図ることができ、前記パラレルリンク機構により前記押圧部を前記被貼付面の形状に倣うように動作させる制御の応答性を高めることができる。
また、前記押圧ローラ及び前記回動部材が、前記押圧ローラの回転中心と前記回動部材の回動中心とが一致するように配設されているので、前記被貼付面の形状に追従させて前記テープの送り込み角度を所定の角度に調整する動作精度を高めることができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(8)は、上記テープ貼付装置(2)、(3)、(5)~(7)のいずれかにおいて、前記アクチュエータが、空気圧で駆動されるエアシリンダであることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(8)によれば、前記アクチュエータがエアシリンダであるので、他のシリンダ形式(例えば、油圧シリンダや電動シリンダなど)と比較して、前記押圧部を前記被貼付面に押し付けるときの力が吸収又は緩和されやすい構成、いわゆるコンプライアンス特性(受動的な滑らかさ、柔らかさを有する押圧動作)を奏する構成になっている。したがって、前記被貼付面に形状誤差を有している場合であっても、その形状誤差を吸収する効果を高めることができ、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣う動作をより滑らかに行うことが可能となる。
また本発明に係るテープ貼付装置(9)は、上記テープ貼付装置(8)において、
前記エアシリンダが、
空気が供給されるシリンダ部と、
該シリンダ部内の圧力に応じて進退するロッド部と、
前記シリンダ部内の圧力を検出する圧力検出部と、
前記ロッド部の変位を検出する変位検出部とを備え、
前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢が前記被貼付面の形状に倣うように、前記圧力検出部により検出される前記シリンダ部内の圧力、及び/又は前記変位検出部により検出される前記ロッド部の変位が制御されるものであることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(9)によれば、前記複数のリンク部の各々の長さ制御の応答性を高めることが可能となり、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣わせる動作の応答性を高めることができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(10)は、上記テープ貼付装置(2)、(3)、(5)~(9)のいずれかにおいて、前記パラレルリンク機構の前記ベース部が、ガントリ構造体に取り付けられていることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(10)によれば、前記パラレルリンク機構の前記ベース部が、ガントリ構造体に取り付けられているので、前記ガントリ構造体によって、前記貼付ヘッドの直線運動の制御(例えば、XYZ軸方向への運動制御)が安定して行え、この直線運動の安定制御と前記パラレルリンク機構の制御とを組み合わせることによって、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように正確に制御する動作を容易に実現することができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(11)は、上記テープ貼付装置(10)において、
前記ガントリ構造体が、
前記被貼付面を有するワークをX軸方向へ移動させるためのX軸直動機構と、
該X軸直動機構の上方にY軸方向に架け渡されたY軸直動機構と、
該Y軸直動機構に支持され、Z軸方向に移動可能な貼付ヘッド取付部を備えたZ軸直動機構とを備え、
前記X軸直動機構に、前記ワークをヨー(θz)方向に回動可能に支持するXθz軸ステージが搭載され、
前記貼付ヘッド取付部に前記貼付ヘッドが取り付けられ、
前記パラレルリンク機構が、
前記押圧部を少なくともロール(θy)方向、及びピッチ(θx)方向に回動可能に構成されたものであることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(11)によれば、前記ガントリ構造体が、XYZ軸方向の各直動機構を備え、前記X軸直動機構に、ヨー(θz)方向に回動する前記Xθz軸ステージが搭載され、前記パラレルリンク機構が、前記押圧部を少なくともロール(θy)方向、及びピッチ(θx)方向に回動可能に構成されているので、前記パラレルリンク機構の構成を簡素化することができる。
また本発明に係るテープ貼付装置(12)は、上記テープ貼付装置(2)、(3)、(5)~(9)のいずれかにおいて、前記パラレルリンク機構の前記ベース部が、多関節ロボットに取り付けられていることを特徴としている。
上記テープ貼付装置(12)によれば、前記パラレルリンク機構の前記ベース部が、多関節ロボットに取り付けられているので、前記貼付ヘッドの前記パラレルリンク機構により、前記多関節ロボットの位置決め精度を補完することができ、前記被貼付面に対する前記テープの貼付性能を高めることができる。
また本発明に係るテープ貼付方法(1)は、上記テープ貼付装置(1)~(12)のいずれかを用いて、前記被貼付面に前記テープを貼り付けるテープ貼付方法であって、
前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢が前記被貼付面の形状に倣うように前記パラレルリンク機構を制御しながら前記テープを前記被貼付面に貼り付けることを特徴としている。
上記テープ貼付方法(1)によれば、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢が前記被貼付面の形状に倣うように前記パラレルリンク機構を制御しながら、前記テープを前記被貼付面に貼り付けることができる。したがって、貼付対象物であるワークが形状誤差を有している場合であっても、前記被貼付面に対する前記押圧部の押圧状態を一定に保つことができ、前記被貼付面に対するテープの貼付性能を高めることができる。
また本発明に係るテープ貼付方法(2)は、上記テープ貼付装置(4)~(7)のいずれかを用いて、前記被貼付面に前記テープを貼り付けるテープ貼付方法であって、
前記被貼付面に対する前記テープの送り込み角度が所定の角度になるように前記回動動作手段により前記回動部材を回動させつつ、
前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢が前記被貼付面の形状に倣うように前記パラレルリンク機構を制御しながら前記テープを前記被貼付面に貼り付けることを特徴としている。
上記テープ貼付方法(2)によれば、前記回動動作手段により前記回動部材を回動させることにより、前記被貼付面に対して前記テープを所定の角度で送り込むことができる。また、前記パラレルリンク機構の制御によって、貼付対象物であるワークが形状誤差を有している場合であっても、前記被貼付面に対する前記押圧部の押圧状態を一定に保つことができる。そして、前記回動動作手段と前記パラレルリンク機構とを連携させて制御することにより、前記押圧部を前記被貼付面の形状に倣うように動作させる制御の応答性を高めることができ、前記被貼付面に対するテープの貼付性能をさらに高めることができる。
本発明の実施の形態(1)に係るATL装置におけるATLヘッドの構成例を示す模式図である。 実施の形態(1)に係るATL装置の具体構成例を示す全体斜視図である。 実施の形態(1)に係るATL装置のATLヘッド周辺の拡大斜視図である。 実施の形態(1)に係るATL装置のロボット制御部とATLヘッド制御部とが行う貼付処理動作の一例を示すフローチャートである。 実施の形態(2)に係るATL装置におけるATLヘッドの構成例を示す模式図である。 実施の形態(2)に係るATL装置のロボット制御部とATLヘッド制御部とが行う貼付処理動作の一例を示すフローチャートである。 従来のATL装置の一例を示す斜視図である。
以下、本発明に係るテープ貼付装置、及びテープ貼付方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、実施の形態(1)に係るATL装置におけるATLヘッドの構成例を示す模式図である。ATL装置は、本発明に係るテープ貼付装置の一例であり、ATLヘッドは、貼付ヘッドの一例である。
ATL装置10は、テープ1をワーク2に貼り付けることにより、テープ1で補強された成型品を製造するための装置であり、テープ1を押圧しながらワーク2の被貼付面2aに貼り付けるためのATLヘッド20を備えている。
ATLヘッド20は、ハンドリングロボット70に取り付けられている。ハンドリングロボット70は、汎用産業用ロボット、例えば、ガントリ構造体(直交座標形機構ともいう)で構成してもよいし、多関節ロボット(シリアル多関節機構ともいう)で構成してもよい。ハンドリングロボット70は、ATLヘッド20を少なくともXYZ軸方向に並進運動可能な機構(3自由度)を備えているものが好ましい。ハンドリングロボット70の動作制御は、ロボット制御部70aにより実行される。ロボット制御部70aには、ワーク2の被貼付面2aの3次元座標データ、これら3次元座標データなどに基づいて各部の動作を制御するプログラムなどが記憶され、これらは、ATLヘッド20の位置及び姿勢の制御に利用される。ロボット制御部70aは、汎用のコンピューター装置を用いて構成してもよい。
ワーク2は、例えば、3次元形状を有する成型品であり、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの樹脂製の成型品であってもよいし、金属製の成型品などであってもよい。
テープ1は、例えば、繊維束の少なくとも一部に予め樹脂を含浸させてテープ状にしたものであり、熱可塑性の樹脂が含浸されたもの(UDテープとも呼ばれる)や、熱硬化性の樹脂が含浸されたもの(プリプレグテープとも呼ばれる)などが適用され得る。また、テープ1は、炭素繊維を含むものでもよいし、樹脂テープに多数の短い繊維が混ぜ込まれたものでもよい。テープ1は、ワーク2の材質などに応じて、その種類が適宜選択され得る。また、テープ1は、複数のテープが並列に配置された形態のものであってもよい。
ATLヘッド20は、ワーク2の被貼付面2aにテープ1を押し付ける押圧部30と、押圧部30の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣うように動作するパラレルリンク機構40とを備えている。
押圧部30は、テープ1を押圧する押圧ローラ31と、押圧ローラ31を回転可能に支持した状態でパラレルリンク機構40のエンド部42に取り付けられるローラ支持部32とを備えている。押圧ローラ31は、テープ1の特性、又はワーク2の材質などに応じて、樹脂製ローラ、弾性ローラ、又は金属性ローラなどで構成され得る。押圧ローラ31のサイズ(直径、幅)は、使用するテープ1の種類やサイズ、ワーク2の種類や形状に応じて適宜選択され得る。なお、別の構成例では、押圧ローラ31に代えて、押圧シュー等の押圧部材を用いてもよい。
パラレルリンク機構40は、ハンドリングロボット70に取り付けられるベース部41と、押圧部30が取り付けられるエンド部42と、ベース部41とエンド部42との間に並列に設けられる複数のリンク部43とを備えている。
これら各リンク部43は、両端にユニバーサルジョイント、又は球面ジョイントなどの自在継手44、45と、これら自在継手44、45の間に設けられるアクチュエータとしてのエアシリンダ46とを備えている。パラレルリンク機構40は、複数のリンク部43の各々の長さをエアシリンダ46でそれぞれ制御することにより、エンド部42の位置(並進)や姿勢(回転)を変化させて、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣うように動作できるように構成されている。
パラレルリンク機構40は、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣うように動作可能であれば、リンク部43の本数は特に限定されないが、一般的に3本~6本のリンク部43で構成され得る。リンク部43の本数を少なくすれば、パラレルリンク機構40の構成を簡素化することができる。一方、リンク部43の本数を多くすれば、エンド部42に取り付けられる部品の支持力が高まり、パラレルリンク機構40の動作に伴うモーメントの影響を受けにくい構成とすることができる。
また、ハンドリングロボット70の動作機能(自由度)を考慮して、パラレルリンク機構40の自由度を設定する構成としてもよく、この場合、押圧ローラ31を少なくともロール方向、及びピッチ方向に回動可能なパラレルリンク機構40を採用することが好ましい。また、ハンドリングロボット70の動作機能に関わらずに、パラレルリンク機構40に、6自由度機構、すなわち、6方向(並進3方向、回転3方向)に運動させる機構が適用されてもよい。
エアシリンダ46は、空気が供給されるシリンダ部46aと、シリンダ部46a内の圧力に応じて進退するロッド部46bと、シリンダ部46a内の圧力を検出する圧力センサ(圧力検出部)46cと、ロッド部46bの変位を検出する変位センサ(変位検出部)46dとを備えている。エアシリンダ46は、複動型シリンダで構成することが好ましいが、これに限定されるものではない。
シリンダ部46aは、圧力センサ46cを介してサーボバルブ46eに接続されている。サーボバルブ46eは、シリンダ部46a内への空気の流入量や排気量を調整し、シリンダ部46aの両室の差圧を制御する。サーボバルブ46eは、コンプレッサなどの圧縮した空気を出力する空気圧供給部46fに接続されている。
変位センサ46dは、ロッド部46bの変位量を測定できるものであればよく、例えば、磁気の変位量からロッド部46bの変位量を検出する磁気式のリニアエンコーダでもよいし、光学式のリニアエンコーダなどであってもよいし、ポテンショメーターなどであってもよい。
圧力センサ46cで検出された圧力信号と変位センサ46dで検出された変位信号は、それぞれATLヘッド制御部46gに出力される。ATLヘッド制御部46gには、ワーク2の被貼付面2aの3次元座標データの他、これら3次元座標データ、圧力信号、変位信号などに基づいてATLヘッド20各部の動作を制御するプログラムなどが記憶されている。
ATLヘッド制御部46gは、例えば、各エアシリンダ46の圧力センサ46cや変位センサ46dから取り込んだ検出信号を制御パラメータとして用いて、各エアシリンダ46のサーボバルブ46eの動作を制御し、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢が被貼付面2aの形状に倣うように、各エアシリンダ46のシリンダ部46a内の圧力、及び/又はロッド部46bの変位を制御する処理を実行する。
例えば、ATLヘッド制御部46gは、各エアシリンダ46の圧力センサ46cや変位センサ46dから取り込んだ検出信号に基づいて、ワーク2の形状誤差に相当する指標(圧力の過不足分、又は変位の過不足分)を計算し、計算された指標に基づいて、各エアシリンダ46のサーボバルブ46eの動作(加圧動作又は減圧動作)を制御する構成としてもよい。
また、ATLヘッド制御部46gは、目標とするエンド部42の位置及び姿勢(すなわち、ワーク2の3次元座標データに基づく動作軌跡に対し、直交する方向(法線方向)から押圧ローラ31で被貼付面2aを押圧するためのエンド部42の位置及び姿勢)を実現するための各エアシリンダ46のロッド部46bの長さ(変位)を計算する。そして、ATLヘッド制御部46gは、これら計算値を各エアシリンダ46のロッド部46bの長さの目標値として記憶し、これら記憶された目標値と、貼付動作時における各エアシリンダ46の変位センサ46dの出力値とを比較して、目標値になるようにフィードバック制御を行ってもよい。目標値には、ワーク2の形状誤差を加味した、各エアシリンダ46のロッド部46bの長さが設定されてもよい。
また、ATLヘッド制御部46gは、ワーク2の形状誤差を加味した3次元座標データに基づいて指定された動作軌跡に沿って、法線方向から被貼付面2aを押圧するように押圧ローラ31を移動させるように、各エアシリンダ46の制御を行ってもよい。
上記したようなATLヘッド制御部46gが実行するパラレルリンク機構40の制御によって、押圧ローラ31とテープ1との間に隙間が形成されることなく、押圧ローラ31が、ワーク2の被貼付面2aに対して直交する方向(法線方向)(図1に示すA方向)からテープ1を介して被貼付面2aを押圧する動作が実現されるようになっている。なお、ATLヘッド制御部46gは、汎用のコンピューターを用いて構成してもよい。
なお本構成例では、アクチュエータが、空気圧で駆動するエアシリンダ46で構成されているが、本発明に適用できるアクチュエータは、エアシリンダ46に限定されるものではない。例えば、油圧シリンダ、又は電動シリンダなどの直動式アクチュエータで構成することも可能である。
また、ATLヘッド20は、テープ1を搬送するフィーダー(搬送手段)50と、フィーダー50から押圧ローラ31に送り出されるテープ1及び被貼付面2aの少なくともいずれかを加熱する加熱手段60とをさらに備えている。フィーダー50と加熱手段60とは、ローラ支持部32に固定された取付ガイド61に取り付けられている。なお、加熱手段60は必須要素ではなく、テープ1などへの加熱処理が不要である場合は、ATLヘッド20に加熱手段60を設けない構成としてもよい。また、取付ガイド61に加熱手段60の着脱部(図示せず)を設けて、加熱手段60が取付ガイド61に着脱可能な構成としてもよい。フィーダー50及び加熱手段60の動作は、ATLヘッド制御部46gで制御される。
加熱手段60は、テープ1や被貼付面2aを非接触で加熱可能なものが好ましく、例えば、赤外線ランプ、レーザー、IRランプなどの輻射光源で構成してもよいし、熱風ノズルなどの熱風源で構成してもよいし、又はこれらを組み合わせて構成してもよい。
フィーダー50は、例えば、1組の搬送ベルト対51を有し、図示しないモータの動力により搬送ベルト対51を回転駆動させて、テープ1を搬送するように構成されている。なお、フィーダー50内に、ヒータを設け、搬送ベルト対51が所定温度に予熱される構成としてもよい。これにより、テープ1が貼付ポイント(図1に示すB点)に到達する前に、テープ1を予備加熱することが可能となる。
また、フィーダー50は、ボビンからテープ1を巻き出す巻出機構(図示せず)が搭載されたものでもよいし、予め所定の長さに裁断されたテープ1を供給するものでもよい。また、ATLヘッド20とは別に設置された巻出機構(図示せず)からテープ1を巻き出し、搬送経路に沿ってフィーダー50までテープ1を供給する構成としてもよい。
図2は、実施の形態(1)に係るATL装置の具体構成例を示す全体斜視図である。また、図3は、図2に示したATL装置のATLヘッド周辺の拡大斜視図である。なお、図1に示したATL装置10の各構成部品と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、その説明を省略することとする。
図2、3に示すATL装置10では、ATLヘッド20が取り付けられるハンドリングロボット70がガントリ構造体(直交座標形機構)71で構成されている。
図2、3に示すATLヘッド20の基本的構成は、図1に示したATLヘッド20と略同様であるが、図2、3に示すATLヘッド20では、パラレルリンク機構40が4本のリンク部43で構成されている。なお、以下の説明では、ワーク2を移動させる方向をX軸方向、これと水平面で直交する方向をY軸方向、X軸及びY軸方向の双方に直交する方向をZ軸方向として説明する。
ガントリ構造体71は、ワーク2をX軸方向へ移動可能、且つヨー(θz)方向(Z軸回り)に回動可能に支持するXθz軸ステージ73を備えたX軸直動機構72と、X軸直動機構72の上方にY軸方向に架け渡されたY軸直動機構74と、Y軸直動機構74に支持され、Z軸方向に移動可能なZ軸直動機構75とを備えている。
X軸直動機構72は、X軸ガイド部72aと、X軸ガイド部72aに摺動可能に取り付けられたX軸スライドテーブル72bと、X軸スライドテーブル72b上にヨー(θz)方向に回動可能に設けられたXθz軸ステージ73とを含んで構成されている。Xθz軸ステージ73上にワーク2が載置されるようになっている。
Y軸直動機構74は、門型のY軸ガイド部74aと、Y軸ガイド部74aに摺動可能に取り付けられたY軸スライダ74bとを含んで構成されている。
Z軸直動機構75は、Y軸スライダ74bに取り付けられたZ軸ガイド部75aと、Z軸ガイド部75aに摺動可能に取り付けられたZ軸スライダ75bと、Z軸スライダ75bに取り付けられたZ軸ブラケット75cとを含んで構成されている。Z軸ブラケット75cの下端部にATLヘッド取付部76が取り付けられ、ATLヘッド取付部76にATLヘッド20が取り付けられている。
次に、ATL装置10がワーク2にテープ1を貼り付ける動作について説明する。
ATL装置10を用いたテープ1の貼付動作に関し、X軸直動機構72により、ワーク2のX軸方向並進運動が実現され、Xθz軸ステージ73によりワーク2のZ軸(ヨー(θz)方向)回転運動が実現される。また、Y軸直動機構74により、ATLヘッド20のY軸方向並進運動が実現され、Z軸直動機構75により、ATLヘッド20のZ軸方向並進運動が実現される。そして、ATLヘッド20のパラレルリンク機構40により、押圧ローラ31の少なくともY軸(ロール(θy)方向)回転運動、及びX軸(ピッチ(θx)方向)回転運動が実現される。
図4は、実施の形態(1)に係るATL装置10におけるロボット制御部70aとATLヘッド制御部46gとが行う貼付処理動作の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップS1では、ロボット制御部70aが、ガントリ構造体71のX軸直動機構72を動作させて、ワーク2が載置されたXθz軸ステージ73をX軸方向に移動させて、Y軸直動機構74のY軸ガイド部74a直下にワーク2を位置させる制御を行い、ステップS2に処理を進める。
次に、ステップS2では、ロボット制御部70aが、ガントリ構造体71のY軸直動機構74及びZ軸直動機構75を動作させて、テープ1の貼付開始位置上方にATLヘッド20を移動させる制御を行い、ステップS3に処理を進める。
ステップS3では、ATLヘッド制御部46gが、パラレルリンク機構40を動作させて、押圧ローラ31を貼付開始位置の被貼付面2aに対して直交する方向(法線方向)に向けた状態に配置する制御を行い、ステップS4に処理を進める。
次に、ステップS4では、ATLヘッド制御部46gが、ATLヘッド20の各部を動作させて、テープ1の貼付制御を開始する処理を行う。すなわち、ATLヘッド制御部46gは、フィーダー50を動作させて、テープ1を押圧ローラ31と被貼付面2aとの間に搬送する。また、ATLヘッド制御部46gは、パラレルリンク機構40を動作させて(必要であれば、ロボット制御部70aによりガントリ構造体71も動作させてもよい)、押圧ローラ31を被貼付面2aに対して直交する方向からテープ1を押圧する制御を開始する。さらに、ATLヘッド制御部46gは、加熱手段60による加熱処理を開始し、テープ1及び/又は被貼付面2aの加熱を開始し、その後、ステップS5に処理を進める。
ステップS5では、ATLヘッド制御部46gが、ATLヘッド20のパラレルリンク機構40による押圧ローラ31の押圧位置及び押圧姿勢の動作制御を行う。また、ロボット制御部70aが、ガントリ構造体71の動作(Y軸直動機構74、Z軸直動機構75、又はXθz軸ステージ73の回転)の制御を行う。ATLヘッド制御部46gとロボット制御部70aとにより、ワーク2上におけるテープ1の貼付経路に沿ってテープ1を被貼付面2aに貼り付けていく制御(倣い貼付制御)が行われる。この時、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢がワーク2の被貼付面2aの形状に倣うように(すなわち、法線方向に押圧するように)パラレルリンク機構40の動作が制御される。また、ATLヘッド制御部46gは、テープ1を搬送するためにフィーダー50の動作も制御するようになっている。
次のステップS6では、ATLヘッド制御部46gが、ATLヘッド20の押圧ローラ31が、テープ1の貼付終了位置に到達したか否かを判断し、貼付終了位置に到達していないと判断すれば、ステップS5の処理を継続する一方、貼付終了位置に到達したと判断すれば、ステップS7に処理を進める。
ステップS7では、ATLヘッド制御部46gが、テープ1の貼付終了処理を行う。すなわち、ATLヘッド制御部46gが、フィーダー50に設けられた切断部でテープ1をカットする制御、加熱手段60による加熱動作の停止制御、及び押圧ローラ31による押圧動作の解除制御を行い、1本(1ライン分)のテープ1の貼付を完了する。
次のステップS8では、ワーク2の被貼付面2aへのテープ1の貼付が全て完了したか否かを判断し、全て完了していないと判断すれば、ステップS1に戻り、ワーク2の被貼付面2aにテープ1が順次並べて貼り付けられていく制御が行われる一方、全て完了したと判断すれば、その後処理を終える。
なお、上記の動作例では、テープ1がワーク2の被貼付面2aに順次並べて貼り付けられるようにATLヘッド20の動作が制御されているが、被貼付面2aへのテープ1の貼付形態は、これに限定されない。例えば、他の動作例では、成型品の品質規格などに応じて、隣り合うテープ1の一部を重ねた状態に貼り付けるようにしてもよいし、隣り合うテープ1同士が重ならない状態(所定の隙間を設けた状態)に貼り付けてもよい。
上記のようにテープ同士の重なり又はすき間などの貼付状態が成型品の品質上規定される場合がある。例えば、押圧ローラ31が被貼付面2aの法線方向に押圧できずに、押圧ローラ31の貼付け軌道がずれたりした場合、テープ1同士の重なり又はすき間が安定せず、成型品の品質を損なう虞がある。
しかしながら、本実施の形態(1)に係るATL装置10によれば、ATLヘッド20のパラレルリンク機構40により実現される、被貼付面2aへの倣い貼付動作により、押圧ローラ31を被貼付面2aの法線方向に確実に押圧することが可能となる。そのため、隣り合うテープ1の一部を重ねた状態で貼り付ける場合であっても、また、隣り合うテープ1同士が重ならないように、すなわち、一定の隙間を設けた状態となるように貼り付ける場合であっても、テープ1同士の重なり度合や隙間が一定の安定した貼り付けを行うことができ、テープ1が貼り付けられた成型品の品質を向上させることが可能となる。
また、テープ1は、例えば、炭素繊維などの繊維の集合体である為、テープ1の断面形状が崩れると、成型品の品質に悪影響を与える虞がある。例えば、押圧ローラ31を法線方向に押圧できない場合、押圧ローラ31の軸方向の力が発生し、テープ1の押圧ローラ接触面近傍の繊維がずれ、テープ1の断面形状を崩す虞がある。
しかしながら、ATL装置10によれば、ATLヘッド20のパラレルリンク機構40による、被貼付面2aへの倣い貼付制御により、押圧ローラ31を被貼付面2aの法線方向に確実に押圧することが可能となるため、押圧ローラ31によってテープ1の断面形状が崩れる虞がなく、成型品の品質を向上させることが可能となる。
上記のとおり実施の形態(1)に係るATL装置10によれば、ATLヘッド20がパラレルリンク機構40を備えているので、貼付動作時において、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣うように動作させる、換言すれば、被貼付面2aの法線方向から押圧動作させることが可能となる。したがって、ワーク2に形状誤差を有している場合であっても、被貼付面2aに対する押圧ローラ31の押圧状態を一定に保つことが可能となり、被貼付面2aに対するテープ1の貼付性能を高めることができる。なお、押圧ローラ31による押圧方向は、被貼付面2aの法線方向に限定されない。
また、ATL装置10によれば、パラレルリンク機構40を構成する複数のリンク部43の各々の長さをエアシリンダ46でそれぞれ独立に制御することにより、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣うように精度良く動作させることが可能となる。また、長さを調整するアクチュエータにエアシリンダ46を用いているので、パラレルリンク機構40の省スペース化も図ることができ、嵩張らずに自由度の高いATLヘッド20を実現することができる。
また、ATL装置10によれば、アクチュエータにエアシリンダ46を用いているので、他のシリンダ形式(例えば、油圧シリンダや電動シリンダなど)と比較して、押圧部30を被貼付面2aに押し付けるときの力が吸収又は緩和されやすい構成、いわゆるコンプライアンス特性(受動的な滑らかさ、柔らかさを有する押圧動作)を奏する構成になっている。したがって、被貼付面2aに形状誤差を有している場合であっても、その形状誤差を吸収する効果を高めることができ、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣う動作をより滑らかに行うことが可能となる。
また、ATL装置10によれば、ATLヘッド制御部46gにより、複数のリンク部43を構成するエアシリンダ46の各々の長さ制御の応答性を高めることが可能となり、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣わせる動作の応答性を高めることができる。
また、ATL装置10によれば、パラレルリンク機構40のエンド部42にローラ支持部32を介して押圧ローラ31が取り付けられ、また、ローラ支持部32に取付ガイド61を介してフィーダー50と加熱手段60とが取り付けられている。この構成によって、押圧ローラ31、フィーダー50、及び加熱手段60を一体化させた状態で、被貼付面2aの形状に倣うように移動させることができ、押圧ローラ31による押圧動作とともに、フィーダー50によるテープ1の搬送動作、加熱手段60によるテープ1及び/又は被貼付面2aの加熱動作を一定の状態で行うことができる。
また、ATL装置10によれば、パラレルリンク機構40のベース部41が、ガントリ構造体71に取り付けられているので、ガントリ構造体71によって、ATLヘッド20のXYZ軸方向への運動制御が安定して行える。そして、これら直線運動の安定制御とパラレルリンク機構40の制御とを組み合わせることによって、ATLヘッド20の押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣うように正確に制御する動作を容易に実現することができる。また、ガントリ構造体71と組み合わせることにより、ATLヘッド20のワークスペースを広げることができる。
また、ATLヘッド20がガントリ構造体71に取り付けられた場合は、多関節ロボットに取り付けられた場合と比較して、次の利点が得られる。すなわち、ATLヘッド20の剛性を高めることができ、ATLヘッド20による押圧力を高めることができ、さらに、ATL装置10のフットプリント(換言すると、装置全体の動作範囲を含めた占有体積)を小さくできるという利点が得られる。
また、ATL装置10によれば、ガントリ構造体71が、XYZ軸方向の各直動機構と、ヨー(θz)方向に回動するXθz軸ステージ73とを備え、パラレルリンク機構40が、4本のリンク部43で構成されているので、パラレルリンク機構40の構成を簡素化することができる。
図5は、実施の形態(2)に係るATL装置におけるATLヘッドの構成例を示す模式図である。但し、図1~図3に示す実施の形態(1)に係るATL装置10と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、その説明をここでは省略する。
実施の形態(2)に係るATL装置10Aは、ATLヘッド20Aを備え、ATLヘッド20Aは、ハンドリングロボット70に取り付けられている。
ATLヘッド20Aは、ワーク2の被貼付面2aにテープ1を押し付ける押圧部30と、押圧部30の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣うように動作するパラレルリンク機構40Aとを備えている。
ATLヘッド20Aは、さらに、押圧部30に回動可能に取り付けられて、被貼付面2aに対するテープ1の送り込み角度を調整可能にする回動部材62と、パラレルリンク機構40Aに取り付けられて、回動部材62を回動動作可能に吊持する回動動作部80とを備えている。回動動作部80が回動動作手段の一例である。
実施の形態(2)に係るATL装置10Aが、実施の形態(1)に係るATL装置10と相違する主な構成は、ATLヘッド20Aに設けられた回動部材62と回動動作部80である。
パラレルリンク機構40Aは、ベース部41と、押圧部30が取り付けられるエンド部42と、ベース部41とエンド部42との間に並列に設けられる複数のリンク部43とを備えている。これら各リンク部43は、両端に自在継手44、45と、これら自在継手44、45の間に設けられるエアシリンダ46とを備え、パラレルリンク機構40Aのエンド部42上に回動動作部80が配設されている。
押圧部30は、テープ1を押圧する押圧ローラ31と、押圧ローラ31を支持した状態でエンド部42に取り付けられるローラ支持部32とを備えている。
パラレルリンク機構40Aは、複数のリンク部43の各々の長さをエアシリンダ46でそれぞれ制御することにより、エンド部42の位置(並進)や姿勢(回転)を変化させて、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢を被貼付面2aの形状に倣うように動作できるように構成されている。パラレルリンク機構40Aは、例えば、4本のリンク部43を含んで構成され得るが、リンク部43の本数はこれに限定されない。
回動部材62は、押圧ローラ31の回転中心と回動部材62の回動中心Cとが一致するように配設されている。回動部材62は、押圧ローラ31の回転軸部31aに回動可能に取り付けられてもよいし、ローラ支持部32に回動可能に取り付けられてもよい。
また、回動部材62には、回動動作部80と連結するための回動継手63が設けられているとともに、フィーダー50と加熱手段60とが取り付けられている。なお、加熱手段60は必須要素ではなく、テープ1などへの加熱処理が不要である場合は、ATLヘッド20Aに加熱手段60を設けない構成としてもよい。フィーダー50及び加熱手段60の動作は、ATLヘッド制御部46hにより制御される。なお、他の構成例では、押圧ローラ31の回転中心と回動部材62の回動中心Cとが一致していなくてもよい。
回動動作部80は、エンド部42上にベース部41に向けて立設されるエアシリンダ81と、エアシリンダ81により上下方向に直動される直動部材82と、直動部材82と回動部材62との間に、両端が回動継手83、63を介して回動可能に取り付けられるリンクアーム84とを備えている。回動動作部80は、エアシリンダ81による直動部材82の直線動作がリンクアーム84を介して回動部材62のピッチ(θx)方向の回動動作に変換されるように構成されている。
エアシリンダ81は、空気が供給されるシリンダ部81aと、シリンダ部81a内の圧力に応じて進退するロッド部81bと、シリンダ部81a内の圧力を検出する圧力センサ81cと、ロッド部81bの変位を検出する変位センサ81dとを備えている。エアシリンダ81は、エンド部42の中央部付近から、テープ1が送り込まれてくる側とは反対側の斜め上方に向けて配設されている。
シリンダ部81aは、圧力センサ81cを介してサーボバルブ81eに接続されている。サーボバルブ81eは、シリンダ部81a内への空気の流入量や排気量を調整し、シリンダ部81aの両室の差圧を制御する。サーボバルブ81eは、コンプレッサなどの圧縮した空気を出力する空気圧供給部81fに接続されている。
変位センサ81dは、ロッド部81bの変位量を測定できるものであればよく、例えば、磁気式又は光学式のリニアエンコーダでもよいし、ポテンショメーターなどでもよい。圧力センサ81cで検出された圧力信号と変位センサ81dで検出された変位信号は、それぞれATLヘッド制御部46hに出力される。
ATLヘッド制御部46hは、パラレルリンク機構40Aの各エアシリンダ46の駆動制御を行うとともに、回動動作部80のエアシリンダ81の駆動制御などを行う。
ATLヘッド制御部46hには、ワーク2の被貼付面2aの3次元座標データの他、これら3次元座標データ、各エアシリンダ46の圧力信号と変位信号、エアシリンダ81の圧力信号と変位信号などに基づいて、ATLヘッド20Aの各部(パラレルリンク機構40A、回動動作部80、フィーダー50、加熱手段60など)の動作を制御するプログラムなどが記憶されている。
ATLヘッド制御部46hは、例えば、パラレルリンク機構40Aの各エアシリンダ46の圧力センサ46cや変位センサ46dから取り込んだ検出信号を制御パラメータとして用いて、各エアシリンダ46のサーボバルブ46eの動作を制御し、各エアシリンダ46のシリンダ部46a内の圧力、及び/又はロッド部46bの変位を制御する処理を実行する。係る制御処理により、エンド部42の位置(並進)や姿勢(回転)を変化させて、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢が被貼付面2aの形状に倣うように駆動制御される。
また、ATLヘッド制御部46hは、パラレルリンク機構40Aの各エアシリンダ46の圧力センサ46cや変位センサ46dから取り込んだ検出信号に基づいて、ワーク2の形状誤差に相当する指標(圧力の過不足分、又は変位の過不足分)を計算し、計算された指標に基づいて、各エアシリンダ46のサーボバルブ46eの動作(加圧動作又は減圧動作)を制御する構成としてもよい。
また、ATLヘッド制御部46hは、目標とするエンド部42の位置及び姿勢(すなわち、ワーク2の3次元座標データに基づく動作軌跡に対し、直交する方向(法線方向)から押圧ローラ31で被貼付面2aを押圧するためのエンド部42の位置及び姿勢)を実現するための各エアシリンダ46のロッド部46bの長さ(変位)を計算する。そして、ATLヘッド制御部46hは、これら計算値を各エアシリンダ46のロッド部46bの長さの目標値として記憶し、これら記憶された目標値と、貼付動作時における各エアシリンダ46の変位センサ46dの出力値とを比較して、目標値になるようにフィードバック制御を行ってもよい。目標値には、ワーク2の形状誤差を加味した、各エアシリンダ46のロッド部46bの長さが設定されてもよい。
また、ATLヘッド制御部46hは、ワーク2の形状誤差を加味した3次元座標データに基づいて指定された動作軌跡に沿って、法線方向から被貼付面2aを押圧するように押圧ローラ31を移動させるように、各エアシリンダ46の制御を行ってもよい。
また、ATLヘッド制御部46hは、パラレルリンク機構40Aの動作制御に連動させて、回動動作部80及び回動部材62の動作制御を行う。
例えば、ATLヘッド制御部46hは、回動動作部80のエアシリンダ81の圧力センサ81cや変位センサ81dから取り込んだ検出信号を制御パラメータとして用いて、エアシリンダ81のサーボバルブ81eの動作を制御し、エアシリンダ81のシリンダ部81a内の圧力、及び/又はロッド部81bの変位を制御する処理を実行する。
係る制御処理により、エアシリンダ81のロッド部81bに取り付けられた直動部材82が上下方向に直線移動するとともに、リンクアーム84を介して回動部材62がピッチ(θx)方向に回動し、貼付ポイントBの被貼付面2aに対するテープ1の送り込み角度が所定の角度になる位置に回動部材62が移動することとなる。
また、ATLヘッド制御部46hは、パラレルリンク機構40Aのエンド部42の姿勢をピッチ方向に回動させる(傾ける)際に、回動動作部80のエアシリンダ81を駆動させて、リンクアーム84を介して吊持した状態で、回動部材62をエンド部42と同じピッチ方向に回動させる制御を行う。
係る制御により、フィーダー50と加熱手段60とが取り付けられた回動部材62をピッチ方向に回動させる際に発生するモーメントを回動動作部80が負担することとなり、パラレルリンク機構40Aのエンド部42が負担するモーメントを大幅に減らすことができ、パラレルリンク機構40Aの動作の応答性を高めることが可能となる。
上記したようなATLヘッド制御部46hが実行するパラレルリンク機構40Aと回動動作部80との制御によって、押圧ローラ31とテープ1との間に隙間が形成されることなく、また、被貼付面2aに対するテープ1の送り込み角度が一定に維持された状態で、押圧ローラ31が、ワーク2の被貼付面2aに対して直交する方向(法線方向)(図5に示すA方向)からテープ1を介して被貼付面2aを押圧する動作が実現されるようになっている。なお、ATLヘッド制御部46hは、汎用のコンピューターを用いて構成してもよい。また、押圧ローラ31による押圧方向は、被貼付面2aの法線方向に限定されない。
なお本構成例では、回動動作部80を構成する直動手段が、空気圧で駆動するエアシリンダ81で構成されているが、本発明に適用できる直動手段は、エアシリンダ81に限定されるものではない。例えば、油圧シリンダ、又は電動シリンダなどの直動手段で構成することも可能である。
また、実施の形態(2)に係るATL装置10Aでは、ATLヘッド20Aが取り付けられるハンドリングロボット70が、図2に示すガントリ構造体(直交座標形機構)71で構成されている。ガントリ構造体71は、上記のとおりX軸直動機構72と、Y軸直動機構74と、Z軸直動機構75とを備えている。
次にATL装置10Aがワーク2にテープ1を貼り付ける動作について説明する。
ATL装置10Aを用いたテープ1の貼付動作に関し、X軸直動機構72により、ワーク2のX軸方向並進運動が実現され、Xθz軸ステージ73によりワーク2のZ軸(ヨー(θz)方向)回転運動が実現される。また、Y軸直動機構74により、ATLヘッド20AのY軸方向並進運動が実現され、Z軸直動機構75により、ATLヘッド20AのZ軸方向並進運動が実現される。
そして、ATLヘッド20Aのパラレルリンク機構40Aにより、押圧ローラ31の少なくともY軸(ロール(θy)方向)回転運動、及びX軸(ピッチ(θx)方向)回転運動が実現される。また、ATLヘッド20Aの回動動作部80により、回動部材62のX軸(ピッチ(θx)方向)回転運動が実現される。
図6は、実施の形態(2)に係るATL装置10Aのロボット制御部70aとATLヘッド制御部46hとが行う貼付処理動作の一例を示すフローチャートである。なお、図4に示すフローチャートと同一内容の処理ステップには同一ステップ番号を付すこととする。
まず、ステップS1では、ロボット制御部70aが、ガントリ構造体71のX軸直動機構72を動作させて、ワーク2が載置されたXθz軸ステージ73をX軸方向に移動させて、Y軸直動機構74のY軸ガイド部74a直下にワーク2を位置させる制御を行い、ステップS2に処理を進める。
次に、ステップS2では、ロボット制御部70aが、ガントリ構造体71のY軸直動機構74及びZ軸直動機構75を動作させて、テープ1の貼付開始位置上方にATLヘッド20Aを移動させる制御を行い、ステップS13に処理を進める。
ステップS13では、ATLヘッド制御部46hが、パラレルリンク機構40Aを動作させて、押圧ローラ31を貼付開始位置の被貼付面2aに対して所定の押圧状態に配置する制御を行い、ステップS14に処理を進める。前記所定の押圧状態は、例えば、被貼付面2aに対して直交する方向(法線方向)から押圧する状態である。
ステップS14では、ATLヘッド制御部46hが、回動動作部80(エアシリンダ81、直動部材82、及びリンクアーム84)を動作させて、被貼付面2aに対するテープ1の送り込み角度が所定の角度になるように回動部材62をピッチ方向に回動させる位置制御を行い、ステップS15に処理を進める。なお、ステップS13とステップS14の処理は、同時並行で実行されてもよい。
次に、ステップS15では、ATLヘッド制御部46hが、ATLヘッド20Aの各部(パラレルリンク機構40、エアシリンダ81、フィーダー50、及び加熱手段60など)を連携動作させて、テープ1の貼付制御を開始する処理を行う。
すなわち、ATLヘッド制御部46hは、フィーダー50を動作させて、テープ1を押圧ローラ31と被貼付面2aとの間に搬送するとともに、加熱手段60による加熱処理を開始し、テープ1及び/又は被貼付面2aの加熱を開始する。
また、ATLヘッド制御部46hは、パラレルリンク機構40を動作させて(必要であれば、ロボット制御部70aによりガントリ構造体71も動作させてもよい)、押圧ローラ31を被貼付面2aに対して所定の方向(例えば、直交する方向)からテープ1を押圧する制御を開始する。
さらに、ATLヘッド制御部46hは、エアシリンダ81を駆動させて、フィーダー50から被貼付面2aに向けて送り出されるテープ1の角度が貼付ポイントBの被貼付面2aに対して所定の角度になるように、回動部材62をピッチ(θx)方向に回動させる制御を開始し、その後ステップS16に処理を進める。ATLヘッド制御部46hによるパラレルリンク機構40、エアシリンダ81、フィーダー50、及び加熱手段60などの制御は、同時並行で実行されるようになっている。
ステップS16では、ATLヘッド制御部46hが、ATLヘッド20Aのパラレルリンク機構40Aによる押圧ローラ31の押圧位置及び押圧姿勢の動作制御と、エアシリンダ81による回動部材62のピッチ(θx)方向への回動動作制御とを連携させて行う。また、ロボット制御部70aが、ガントリ構造体71の動作(Y軸直動機構74、Z軸直動機構75、又はXθz軸ステージ73の回転)の制御を行い、ワーク2上におけるテープ1の貼付経路に沿ってテープ1を被貼付面2aに貼り付けていく制御(倣い貼付制御)を行う。この時、押圧ローラ31の押圧位置及び/又は押圧姿勢がワーク2の被貼付面2aの形状に倣うように(例えば、法線方向に押圧するように)パラレルリンク機構40Aが動作される。また、テープ1の送り込み角度が貼付ポイントBの被貼付面2aに対して所定の角度になるように、回動動作部80により回動部材62がピッチ(θx)方向に回動される。
次のステップS6では、ATLヘッド制御部46hが、ATLヘッド20Aの押圧ローラ31が、テープ1の貼付終了位置に到達したか否かを判断し、貼付終了位置に到達していないと判断すれば、ステップS16の倣い貼付制御処理を継続する一方、貼付終了位置に到達したと判断すれば、ステップS7に処理を進める。
ステップS7では、ATLヘッド制御部46hが、テープ1の貼付終了処理を行う。すなわち、ATLヘッド制御部46hが、フィーダー50に設けられた切断部でテープ1をカットする制御、加熱手段60による加熱動作の停止制御、及び押圧ローラ31による押圧動作の解除制御を行い、1本(1ライン分)のテープ1の貼付を完了する。
次のステップS8では、ワーク2の被貼付面2aへのテープ1の貼付が全て完了したか否かを判断し、全て完了していないと判断すれば、ステップS1に戻り、ワーク2の被貼付面2aにテープ1が順次並べて貼り付けられていく制御が行われる一方、全て完了したと判断すれば、その後処理を終える。
なお、上記の動作例では、テープ1がワーク2の被貼付面2aに順次並べて貼り付けられるようにATLヘッド20Aの動作が制御されているが、被貼付面2aへのテープ1の貼付形態は、これに限定されない。他の動作例では、成型品の品質規格などに応じて、隣り合うテープ1の一部を重ねた状態に貼り付けるようにしてもよいし、隣り合うテープ1同士が重ならない状態(所定の隙間を設けた状態)に貼り付けてもよい。
実施の形態(2)に係るATL装置10Aによれば、ATLヘッド20Aがパラレルリンク機構40Aを備えているので、実施の形態(1)に係るATL装置10と同様の効果を得ることができるとともに、回動動作部80が回動部材62を吊持した状態で回動部材62を回動させることにより、被貼付面2aに対してテープ1を一定の角度で送り込めるように調整することができる。そのため、パラレルリンク機構40Aの動作によってテープ1の送り込み角度を調整するための制御処理を省く又は減らすことができ、パラレルリンク機構40Aの制御処理を簡略化できる。
また、回動部材62にフィーダー50及び加熱手段60が取り付けられて、重量物が横方向に大きく張り出した状態であっても、回動部材62が回動動作部80により吊持されているので、ATLヘッド20Aの重量の片寄りを軽減でき、重量バランスの向上を図ることができる。さらに、回動部材62をピッチ方向に回動させる際に発生するモーメントを回動動作部80が負担する構成となり、パラレルリンク機構40Aの各リンク部43が負担するモーメントを大幅に減らすことができる。これにより、パラレルリンク機構40Aにより押圧部30を被貼付面2aの形状に倣うように動作させる制御の応答性を高めることができ、被貼付面2aに対するテープ1の貼付性能をさらに高めることができる。
また、ATL装置10Aによれば、エンド部42上に回動動作部80が配設されているので、パラレルリンク機構40Aの重量バランスが損なわれないようにすることができ、パラレルリンク機構40Aの高い動作精度を維持することができる。
また、ATL装置10Aによれば、回動動作部80が、エアシリンダ81とリンクアーム84とを含んで構成されているので、パラレルリンク機構40Aの動作の邪魔にならずに、回動動作部80をエンド部42上の限られたスペースに配設することができ、回動動作部80を嵩張らないコンパクトな構成にすることができる。また、エアシリンダ81による直動部材82の直線動作がリンクアーム84を介して回動部材62の回動動作に変換されるので、直動部材82の直線動作に応じて回動部材62を応答性良く回動動作させることができ、被貼付面2aの形状に応じたテープ1の送り込み角度の調整を精度良く行うことができる。
また、ATL装置10Aによれば、押圧ローラ31及び回動部材62が、押圧ローラ31の回転中心と回動部材62の回動中心Cとが一致するように配設されているので、被貼付面2aの形状に追従させてテープ1の送り込み角度を所定の角度に調整する動作精度を高めることができる。
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明したが、上記説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく、種々の改良、変更、又は構成の組み合わせが可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施の形態(1)、(2)では、ATLヘッド20、20Aがガントリ構造体71のZ軸直動機構75に取り付けられていたが、別の実施の形態では、ATLヘッド20、20Aが多関節ロボットのアーム先端部に取り付けられてもよい。多関節ロボットでは、各関節部(ジョイント部)の運動誤差が蓄積しやすいが、パラレルリンク機構40、40Aは、各ジョイント部の運動誤差が蓄積しにくいため、多関節ロボットの位置決め精度を補完することができ、被貼付面2aに対するテープ1の貼付性能を高めることができる。また、多関節ロボットと組み合わせることにより、ATLヘッド20、20Aのワークスペースを広げることができる。
また、上記実施の形態(1)、(2)では、パラレルリンク機構40、40Aのリンク部43として、エアシリンダ46などの直動式(伸縮形)のアクチュエータが用いられている場合について説明したが、別の実施の形態では、リンク部43に回転形のアクチュエータが用いられたパラレルリンク機構で構成することも可能である。
本発明は、テープを被貼付面に貼り付けて3次元形状を有する成型品を製造する場合など、被貼付面に対するテープの貼付性能を高めることが要求されるあらゆる分野に適用可能である。
1 テープ
2 ワーク
2a 被貼付面
10、10A ATL装置(テープ貼付装置)
20、20A ATLヘッド(貼付ヘッド)
30 押圧部
31 押圧ローラ
31a 回転軸部
32 ローラ支持部
40、40A パラレルリンク機構
41 ベース部
42 エンド部
43 リンク部
44、45 自在継手
46 エアシリンダ(アクチュエータ)
46a シリンダ部
46b ロッド部
46c 圧力センサ(圧力検出部)
46d 変位センサ(変位検出部)
46e サーボバルブ
46f 空気供給部
46g、46h ATLヘッド制御部
50 フィーダー(搬送手段)
60 加熱手段
61 取付ガイド
62 回動部材
63 回動継手
70 ハンドリングロボット
70a ロボット制御部
71 ガントリ構造体
72 X軸直動機構
72a X軸ガイド部
72b X軸スライドテーブル
73 Xθz軸ステージ
74 Y軸直動機構
74a Y軸ガイド部
74b Y軸スライダ
75 Z軸直動機構
75a Z軸ガイド部
75b Z軸スライダ
75c Z軸ブラケット
76 ATLヘッド取付部(貼付ヘッド取付部)
80 回動動作部(回動動作手段)
81 エアシリンダ(直動手段)
81a シリンダ部
81b ロッド部
81c 圧力センサ
81d 変位センサ
81e サーボバルブ
81f 空気供給部
82 直動部材
83 回転継手
84 リンクアーム
A 法線方向
B 貼付ポイント
C 回動中心

Claims (14)

  1. テープを押圧しながら被貼付面に貼り付ける貼付ヘッドを備えたテープ貼付装置であって、
    前記貼付ヘッドが、
    前記被貼付面に前記テープを押し付ける押圧部と、
    該押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように動作するパラレルリンク機構とを備えていることを特徴とするテープ貼付装置。
  2. 前記パラレルリンク機構が、
    ベース部と、
    前記押圧部が取り付けられるエンド部と、
    前記ベース部と前記エンド部との間に並列に設けられる複数のリンク部とを備え、
    これら各リンク部が、
    両端に自在継手と、
    これら自在継手の間に設けられるアクチュエータとを備え、
    前記複数のリンク部の各々の長さを前記アクチュエータでそれぞれ制御することにより、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように動作するものであることを特徴とする請求項1記載のテープ貼付装置。
  3. 前記押圧部が、
    前記テープを押圧する押圧ローラと、
    該押圧ローラを支持した状態で前記エンド部に取り付けられるローラ支持部とを備え、
    前記貼付ヘッドが、
    前記テープを搬送する搬送手段と、前記テープ及び/又は前記被貼付面を加熱する加熱手段とのうちの少なくともいずれかをさらに備え、
    前記ローラ支持部に、
    前記搬送手段と前記加熱手段とのうちの少なくともいずれかが、一体的に取り付けられていることを特徴とする請求項2記載のテープ貼付装置。
  4. 前記貼付ヘッドが、
    前記押圧部に回動可能に取り付けられて、前記被貼付面に対する前記テープの送り込み角度を調整可能にする回動部材と、
    前記パラレルリンク機構に取り付けられて、前記回動部材を回動動作可能に吊持する回動動作手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項1記載のテープ貼付装置。
  5. 前記パラレルリンク機構が、
    ベース部と、
    前記押圧部が取り付けられるエンド部と、
    前記ベース部と前記エンド部との間に並列に設けられる複数のリンク部とを備え、
    これら各リンク部が、
    両端に自在継手と、
    これら自在継手の間に設けられるアクチュエータとを備え、
    前記エンド部上に前記回動動作手段が配設され、
    前記複数のリンク部の各々の長さを前記アクチュエータでそれぞれ制御することにより、前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢を前記被貼付面の形状に倣うように動作するものであることを特徴とする請求項4記載のテープ貼付装置。
  6. 前記回動動作手段が、
    前記エンド部上に前記ベース部に向けて設けられる直動手段と、
    該直動手段により直動される直動部材と前記回動部材との間に、両端が回動可能に取り付けられるリンクアームとを備え、
    前記直動手段による前記直動部材の直線動作が前記リンクアームを介して前記回動部材の回動動作に変換されるように構成されていることを特徴とする請求項5記載のテープ貼付装置。
  7. 前記押圧部が、
    前記テープを押圧する押圧ローラと、
    該押圧ローラを支持した状態で前記エンド部に取り付けられるローラ支持部とを備え、
    前記貼付ヘッドが、
    前記テープを搬送する搬送手段と、前記テープ及び/又は前記被貼付面を加熱する加熱手段とのうちの少なくともいずれかをさらに備え、
    前記回動部材に、前記搬送手段及び前記加熱手段のうちの少なくともいずれかが取り付けられ、
    前記押圧ローラ及び前記回動部材が、前記押圧ローラの回転中心と前記回動部材の回動中心とが一致するように配設されていることを特徴とする請求項5又は請求項6記載のテープ貼付装置。
  8. 前記アクチュエータが、空気圧で駆動されるエアシリンダであることを特徴とする請求項2、3、5~7のいずれかの項に記載のテープ貼付装置。
  9. 前記エアシリンダが、
    空気が供給されるシリンダ部と、
    該シリンダ部内の圧力に応じて進退するロッド部と、
    前記シリンダ部内の圧力を検出する圧力検出部と、
    前記ロッド部の変位を検出する変位検出部とを備え、
    前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢が前記被貼付面の形状に倣うように、前記圧力検出部により検出される前記シリンダ部内の圧力、及び/又は前記変位検出部により検出される前記ロッド部の変位が制御されるものであることを特徴とする請求項8記載のテープ貼付装置。
  10. 前記パラレルリンク機構の前記ベース部が、ガントリ構造体に取り付けられていることを特徴とする請求項2、3、5~9のいずれかの項に記載のテープ貼付装置。
  11. 前記ガントリ構造体が、
    前記被貼付面を有するワークをX軸方向へ移動させるためのX軸直動機構と、
    該X軸直動機構の上方にY軸方向に架け渡されたY軸直動機構と、
    該Y軸直動機構に支持され、Z軸方向に移動可能な貼付ヘッド取付部を備えたZ軸直動機構とを備え、
    前記X軸直動機構に、前記ワークをヨー(θz)方向に回動可能に支持するXθz軸ステージが搭載され、
    前記貼付ヘッド取付部に前記貼付ヘッドが取り付けられ、
    前記パラレルリンク機構が、
    前記押圧部を少なくともロール(θy)方向、及びピッチ(θx)方向に回動可能に構成されたものであることを特徴とする請求項10記載のテープ貼付装置。
  12. 前記パラレルリンク機構の前記ベース部が、多関節ロボットに取り付けられていることを特徴とする請求項2、3、5~9のいずれかの項に記載のテープ貼付装置。
  13. 請求項1~12のいずれかの項に記載のテープ貼付装置を用いて、前記被貼付面に前記テープを貼り付けるテープ貼付方法であって、
    前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢が前記被貼付面の形状に倣うように前記パラレルリンク機構を制御しながら前記テープを前記被貼付面に貼り付けることを特徴とするテープ貼付方法。
  14. 請求項4~7のいずれかの項に記載のテープ貼付装置を用いて、前記被貼付面に前記テープを貼り付けるテープ貼付方法であって、
    前記被貼付面に対する前記テープの送り込み角度が所定の角度になるように前記回動動作手段により前記回動部材を回動させつつ、
    前記押圧部の押圧位置及び/又は押圧姿勢が前記被貼付面の形状に倣うように前記パラレルリンク機構を制御しながら前記テープを前記被貼付面に貼り付けることを特徴とするテープ貼付方法。
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