JP7445020B2 - ねじ締めシステム - Google Patents
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Description
本発明は、ねじ締めシステムに関する。
ロボットのアーム先端部にねじ締め機(ナットランナ)を搭載し、ねじ締め作業を行うようにしたねじ締めシステムが知られている(例えば、特許文献1参照)。なお、特許文献2は、ねじ締め機の構成例を記載する。
ねじ締めシステムにおいてねじ締め時に生じる反力が大きい場合、ねじ締め機を大きな反力に耐え得る高剛性装置や高剛性ロボットに保持させる必要がある。高剛性装置や高剛性ロボットは大型化しやすく、重量も重くなりやすいため、設備コストが増加する、設置場所が限られる等の問題を招来する。
本開示の一態様は、電動モータと、前記電動モータを保持する保持装置と、前記電動モータの駆動軸に取り付けられた支持部材と、前記支持部材によって支持されるねじ締め機であってパルス締付制御のねじ締め動作を実行可能なねじ締め機と、前記ねじ締め機による前記パルス締付制御のねじ締め動作により生じる、前記保持装置に対する締め付けトルク反力を低減するように前記電動モータを制御するモータ制御部と、を備えるねじ締めシステムである。
上記構成によれば、高剛性の保持装置を用いることなく高トルクのねじ締めを実行することが可能となり、設備コストの低減や、設置場所の制限を解消できること等のメリットが得られる。
添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。
次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。
図1は一実施形態に係るねじ締めシステム100の機器構成を表す図である。図1に示すように、ねじ締めシステム100は、産業機械としてのロボット10と、ロボット10の可動部である手首フランジ11に取り付けられた保持部材40と、保持部材40に保持される電動モータ41と、電動モータ41の駆動軸41aに取り付けられた支持部材30と、支持部材30により支持されるねじ締め機20と、ねじ締めシステム100におけるねじ締め動作の制御を司るロボット制御装置50とを具備する。図1では、ロボット10として垂直多関節ロボットが用いられる例を記載しているが、他のタイプのロボット、或いは他のタイプの産業機械が用いられても良い。
ロボット制御装置50は、ロボット10を制御すると共に、電動モータ41とねじ締め機20にも接続され、電動モータ41及びねじ締め機20の制御を司る。
保持部材40は、電動モータ41をその内部空間に収容し保持する枠状の保持フレーム42を有する。電動モータ41は、駆動軸41a側(図1において下側)の端面が保持フレーム42の前壁に固定され、駆動軸41aは当該前壁の中心部に形成された貫通孔を貫通している。また、保持フレーム42の後壁はロボット10の手首フランジ11の先端面に固定されている。このような構成により、ロボット10は電動モータ41(すなわち、保持部材40)を保持する保持装置として機能し、電動モータ41(すなわち、保持部材40)は、ねじ締め機20(支持部材30)を回転可能に支持する。
ねじ締め機20は、一例として、アングルタイプのねじ締め機(ナットランナ)であり、ねじ締め工具を保持するヘッド部21が連結されたねじ締め動作駆動源を有するボディ部22の軸線に対して、ヘッド部21の工具23の軸線が直角になる形状となっている。
ねじ締め機20を支持する支持部材30は、一例として、図1に示すように側面視でコの字型枠状の形状を有する。支持部材30として他の形状のものが用いられても良い。支持部材30は、ねじ締め機20のヘッド部21を固定支持する底壁部31と、電動モータ41の駆動軸41aに固定される上壁部32と、底壁部31と上壁部32とを連結する側壁部33とを有する。ねじ締め機20のヘッド部21は、支持部材30の内部空間に収容されるように、工具側が鉛直下方を向いた状態で底壁部31に固定されている。支持部材30の上壁部32の上面の中心部が、電動モータ41の駆動軸41aに固定されている。この構成において、電動モータ41(回転軸)が回転すると、ねじ締め機20は支持部材30と共に回転する。
なお、図1では、ねじ締め機20により生じる締め付けトルク反力の方向を矢印R1で示し、締め付けられる部材(ねじ部材)の移動方向(ねじ送り方向)を矢印Mで示し、締め付けトルク反力を受けて電動モータ41の駆動軸41aが回転する方向を矢印R2で示した。図1の例では、ねじ送り方向Mは鉛直方向に向けられている。このようにねじ締め機20をロボット10の手首フランジ11に取り付ける構成とすることで、ねじ締めを所望の位置及び向きで行うことができる。
以下で詳細に説明するように、ロボット制御装置50は、ねじ締め機20によるパルス締付制御(後述)のねじ締め動作時に生じる締め付けトルク反力、すなわち、ロボット10に作用する締め付けトルク反力を低減するように電動モータ41を制御する。
図2は、ロボット制御装置50のハードウェア概略構成を表す図である。図2に示すように、ロボット制御装置50は、各種制御を司るプロセッサ51に対して、メモリ(ROM,RAM、不揮発性メモリ等)52、入出力インタフェース53、各種スイッチ類を含む操作部54等がバスを介して接続された、一般的なコンピュータとしての構成を有していても良い。
図3は、ねじ締めシステム100におけるロボット制御装置50の機能を主に表す機能ブロック図である。図3に示すように、ロボット制御装置50は、動作プログラム等に基づいてロボット10の動作を制御する動作制御部501と、電動モータ41を制御するモータ制御部502と、電動モータ41のトルクリミットを設定するためのトルクリミット設定部503とを有する。動作制御部501は、更に、ねじ締め機20のねじ締め動作の制御も司るように構成されている。
なお、図3の機能ブロック図は、モータ制御部502が電動モータ41のサーボ制御機能を含むような構成例となっているが、いわゆるサーボアンプ等と称されるモータ制御機能を備えた外付けのモータ制御装置を介して電動モータ41を駆動する構成も有り得る。この場合、ロボット制御装置50内のモータ制御部502は、外付けのモータ制御装置に対し指令(位置指令等)を送出するホストデバイスとして機能する。ねじ締め機20は、動作制御部501からの指令(目標トルク、動作モード、締め付け開始等)を受けてそれを実行する制御部(プロセッサ)201と、制御部201からの制御の下で回転動作するモータ202とを有する。
トルクリミット設定部503は、電動モータ41のトルクリミットを設定する。ここで、トルクリミットとは電動モータ41の最大電流を制限することであり、トルクリミットを設定することで、電動モータ41はトルクリミット以上のトルクを生じることが制限される。ねじ締め作業においては、ロボット10によりねじ締め機20(すなわち、電動モータ41)を所定の回転位置に配置すると共に、電動モータ41の回転位置を所定の回転位置に位置決め制御することで、ねじ締め機20を所定の回転位置に位置決めして保持する。そして、ねじ締め機20を作動させてねじ締めを実行する。このようなねじ締め動作において、トルクリミット設定部503により、電動モータ41のトルクリミットを設定することで、ねじ締め機20によるねじ締め動作時に生じる締め付けトルク反力がトルクリミットを超えた場合に、電動モータ41の駆動軸41a(すなわち、ねじ締め機20)は締め付けトルク反力を受けた方向に回転する。これにより、ねじ締め動作時にロボット10に対して大きな反力が作用することを回避することができる。
動作制御部501は、例えば動作プログラムにしたがってロボットの軌道計画を行い、計画された軌道に沿ってロボット10の例えば手首フランジ11が動作するように、ロボット各関節軸のサーボモータを制御する。このような機能により、ロボット制御装置50(動作制御部501)は、ねじ締め機20(ねじ送り方向M)を所望の位置・姿勢に位置付けることができる。例示として、図9Aには、動作制御部501による制御により、ねじ送り方向Mが水平方向(横向き)となるように手首フランジ11の姿勢が制御された状態を示す。また、図9Bには、動作制御部501による制御により、ねじ送り方向Mが斜め下方となるように手首フランジ11の姿勢が制御された状態を示す。また、図9Cには、動作制御部501の制御により、手首フランジ11のX軸方向(水平方向)の位置が位置P10から位置P11に移動された状態を示す。なお、図9A-図9Cでは、説明の便宜のため、ロボット制御装置50を省略している。
トルクリミット設定部503は、電動モータ41のトルクリミットを設定する。トルクリミット設定部503によるトルクリミット設定は、例えば、
(A1)予め保有したトルクリミットを自動的に適用する構成、
(A2)ユーザ操作によるトルクリミットの数値入力を受け付ける構成、
(A3)締め付けトルクの制御値に応じたトルクリミットの推奨値のテーブルを予め保有し、当該テーブルからユーザ操作によるトルクリミットの選択を受け付ける構成、
などが有り得る。なお、上記(A2)、(A3)のようにユーザ操作を介してトルクリミットを設定する場合、ユーザ操作を受け付けるための操作装置(例えば、教示操作盤)をロボット制御装置50に接続する構成としても良い。
(A1)予め保有したトルクリミットを自動的に適用する構成、
(A2)ユーザ操作によるトルクリミットの数値入力を受け付ける構成、
(A3)締め付けトルクの制御値に応じたトルクリミットの推奨値のテーブルを予め保有し、当該テーブルからユーザ操作によるトルクリミットの選択を受け付ける構成、
などが有り得る。なお、上記(A2)、(A3)のようにユーザ操作を介してトルクリミットを設定する場合、ユーザ操作を受け付けるための操作装置(例えば、教示操作盤)をロボット制御装置50に接続する構成としても良い。
図4は、トルクリミットを設定することによりロボットに作用する締め付けトルク反力が低減される効果を説明するためのグラフである。図4において縦軸は、ロボットに作用する締め付けトルク反力を表し、横軸は時間を表す。ねじ締め機20の締め付けトルクの設定(目標トルク)は50Nmであるものとする。ねじ締め機20は、ねじ締め時のトルク制御の動作モードとして、例えばトルクを連続的にかける通常締付制御と、トルクをパルス状にかけるパルス締付制御とを有するものとする。パルス締付制御は、ねじ締め機内のモータに対してパルス状であって且つ漸次増大する電流を供給することで、ねじ締め機内のモータに漸次増大するパルス状のトルクを発生させることができ、トルクを連続的にかける通常締付制御と比較して締め付けトルク反力を低減できるというメリットがある。特にねじ締め動作の最終段階において締め付けトルク反力が大きくなるため、パルス締付制御による締め付けトルク反力の低減の効果が大きくなる。通常締付制御の代表的な動作例は、動作開始から締め付けトルクを次第に増加させて目標トルクに到達させるような制御である。パルス締付制御は、動作開始から断続的に(例えば周期的に)パルス状にトルクを発生させ、各パルスのピーク値を動作開始から次第に増加させて目標トルクに到達させるような制御である。なお、本明細書において、パルス締付制御というときには、トルクをパルス状或いは瞬間的(1パルス)に発生させることで、通常締付制御と比較して締め付けトルク反力を低減可能なあらゆる制御手法を含むものとする。
図4において、破線のグラフ63は、電動モータ41を使用することなくロボット10にねじ締め機20を直接取り付けた構成において、ねじ締め機20に通常締付制御を行わせた場合にロボット10にかかる締め付けトルク反力を表す。この場合、大きさ55Nmの締め付けトルク反力が生じている。図4において一点鎖線のグラフ62は、電動モータ41を使用することなくロボット10にねじ締め機20を直接取り付けた構成において、ねじ締め機20にパルス締付制御を行わせた場合にロボットにかかる締め付けトルク反力を表す。この場合、締め付けトルク反力の大きさは43Nmである。
図4において実線のグラフ61は、本実施形態の構成(すなわち、電動モータ41を用いた構成)において、ねじ締め機にパルス締付制御を行わせた場合にロボットにかかる締め付けトルク反力を表す。この場合、電動モータ41のトルクリミットを適宜の値に設定することにより、ロボットにかかる締め付けトルク反力の大きさは8Nmとなっている。なお、図4のグラフは締め付けトルク反力の極性をマイナスで表している。本実施形態では電動モータ41にトルクリミットをかけることで、ロボット10にかかる締め付けトルク反力(グラフ61)を、グラフ62、グラフ63の場合と比較して大きく低減することが可能であることが理解できる。
トルクリミットは、電動モータ41の最大電流を制限した値で設定する。締め付けトルク反力を測定する場合には、ロボット10とねじ締め反力低減装置(保持部材40、電動モータ41、支持部材30、及びねじ締め機20)との間に力センサを配置することで測定することができる。
ロボット制御装置50(モータ制御部502)は、メモリ(不揮発性メモリ)52内にトルクリミットと締め付けトルク反力(測定値)とを対応付けた数値テーブルを保有していても良い。そして、このような数値テーブルを表示装置(例えば、ロボット制御装置50の表示パネル、ロボット制御装置50に接続された教示操作盤の表示部)に表示して、トルクリミットのユーザ選択を受け付けるように構成されていても良い。この場合、ロボット制御装置50は、トルクリミットの推奨値をハイライト表示し、推奨値からの選択を促すようにしても良い。なお、トルクリミットの推奨値は、例えば、締め付けトルク反力が保持装置許容トルクを十分に下回る値を選択するようにする。
図5及び図6は、保持部材40及び電動モータ41に関する変形例を表す図である。図5及び図6に示すように、電動モータ41にはギア機構が付加されていても良い。図5に示す構成では、電動モータ41を保持する保持部材40Aは保持フレーム42Aを有する。保持フレーム42Aの内部空間に平歯車141及び142からなるギア機構が配置されている。保持フレーム42Aは、図5に示す側面視で矩形枠状の形状を有し、その内部空間に平歯車141及び142を収容する。図5では、説明の便宜のため、ロボット10側の機構については手首フランジ11のみを図示した。図5の機構においては、ギア機構を構成する平歯車141、142のうち出力側の平歯車142の軸線が、ロボット10の手首フランジ11の中心線C1と一致するようにギア機構を配置する。電動モータ41は、保持フレーム42Aの上壁部の上面に、駆動軸41aが下側を向く状態で且つその中心軸線C2が中心線C1と平行となる状態で取り付けられている。図5の構成の場合、電動モータ41を保持フレーム42Aの外側に配置し、保持フレーム42Aを薄型化することができる。
図6に示す構成では、電動モータ41を保持する保持部材40Bは保持フレーム42Bを有する。保持フレーム42Bの内部空間にかさ歯車241及び242からなるギア機構が配置されている。保持フレーム42Bは、図6に示す側面視で矩形枠状の形状を有し、その内部空間にかさ歯車241及び242を収容する。図6では、説明の便宜のため、ロボット10側の機構については手首フランジ11のみを図示した。図6の機構においては、ギア機構を構成するかさ歯車241、242のうち出力側のかさ歯車242の軸線が、ロボット10の手首フランジ11の中心線C1と一致するようにギア機構を配置する。電動モータ41は、保持フレーム42Bの側壁部の外側面に、駆動軸41aの中心軸線C2が中心線C1に対して直角となる状態で取り付けられている。
図5や図6の構成により、電動モータ41に返って来る締め付けトルク反力の実効的な値(外力)をギア比に応じて調整することができる。
上述したようにねじ締め動作により生じた締め付けトルク反力が電動モータ41のトルクリミットを超えると電動モータ41(ねじ締め機20)は、ねじ締め動作中或いはねじ締め動作の完了時に締め付けトルク反力を受けた方向に回転する。図7の上段には、ねじ締め動作に伴う締め付けトルク反力によりねじ締め機20が、初期位置P0から、締め付けトルク反力を受けた方向に角度θだけ回転して位置P1に移動した状態を表している。なお、図7上段及び下段の図はロボット10を上方から見た場合の図である。
図3に示すように、ロボット制御装置50は、回転位置復帰部504を更に備えていても良い。回転位置復帰部504は、ねじ締め動作に伴い支持部材30と共に回転したねじ締め機20の回転位置を電動モータ41のエンコーダ出力から取得し、ねじ締め機20(支持部材30)を初期位置又は予め設定された位置に戻すように電動モータ41を回転させる。図7の下段には、回転位置復帰部504が角度θだけ回転したねじ締め機20の位置を初期位置P0に戻した状態を示した。
以上説明したように本実施形態によれば、高剛性の保持装置を用いることなく高トルクのねじ締めを実行することが可能となり、設備コストの低減や、設置場所の制限を解消できること等のメリットが得られる。
以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。
上述の実施形態では電動モータを保持する保持装置として産業用ロボットを用いる場合の例を記載したが、電動モータを保持する保持装置としては可動部を有する様々な産業機械を用いることができる。図8は、保持部材40(電動モータ41を保持)を搭載した主軸ヘッド部を昇降移動させる昇降機構111及び水平移動させる水平移動機構121を備える保持装置110を含むねじ締めシステム100Aの構成例を表している。なお、図8において図1の構成と同等の構成部品には同一の符号を付し説明を省略する。
図8に示す保持装置110は、昇降機構111において主軸ヘッド部がレール112に沿って鉛直方向(矢印A1方向)に移動可能になっており、また、水平移動機構121において昇降機構111がレール122に沿って水平方向(矢印A2方向)に移動可能となっている。制御装置150は、図2及び図3に示したロボット制御装置50の機能構成と同様の機能構成を有し、保持装置110の動作、電動モータ41の動作、及びねじ締め機20の動作の制御を司る。この場合、制御装置150は、例えばPLC(Programmable Logic Controller)から構成することもできる。
上述した実施形態における支持部材30の形状は一例であり、ねじ締め機20を支持するための支持部材は他の形状を有していても良い。図10にねじ締め機20を支持する支持部材として支持部材30Bを用いる場合のねじ締めシステム100Bの構成を示した。なお、図10において図1に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。支持部材30Bは、一方の端部側において電動モータ41の駆動軸に固定され図10の状態で水平方向に伸びるように配置される主支持板31Bと、主支持板31Bの中央部及び他方の端部にそれぞれ連結される固定枠32B、33Bを有する。固定枠32B、33Bはねじ締め機20を固定支持する。このような構成においても、図1に示した実施形態と同一の機能が達成される。
上述の実施形態では、ねじ締め機としてアングルタイプのねじ締め機20を用いる場合の構成例を記載したが、ねじ締め機としてストレートタイプのねじ締め機を用いても良い。図11は、ストレートタイプのねじ締め機20Cを用いる場合のねじ締めシステム100Cの構成例を示す。なお、図11において図1に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。ねじ締め機20Cは、工具23を保持するヘッド部21Cが連結された動作駆動源を有するボディ部22Cの軸線と、ヘッド部21Cの工具23の軸線とが一致する。ねじ締め機20Cは、支持部材30Cに支持されている。支持部材30Cは、図11に示した側方視(断面視)において矩形枠状の形状を有し、その内部空間にねじ締め機20Cを保持する。詳細には、ねじ締め機20Cは、ヘッド部21Cの先端突出部が支持部材30Cの下側壁32Cに形成された貫通孔33Cに嵌まる状態で固定されている。支持部材30Cの上側壁31Cは、電動モータ41の駆動軸に固定されている。なお、ねじ締め機20Cは、ねじ締め機20と同様の機能(パルス締付制御等)を有するものとする。上記構成により、ねじ締め機20を用いる場合と同じ機能(すなわち、パルス締付制御によるねじ締め動作時にロボット10に対して大きな反力が作用することを回避する機能)が達成される。なお、ストレートタイプのねじ締め機20Cを用いる場合には、ねじ締め機20Cの回転を考慮する必要はなくなるため、上述の実施形態における回転位置復帰部504の機能を省略することができる。
上述の実施形態では電動モータ41を保持部材40を介してロボット10の手首フランジ11に固定する構造としているが、電動モータ41を手首フランジ11に固定するための構造としては様々な構造を採用することができる。
上述した実施形態によるねじ締め動作は、例えば、治具に固定されたワークやコンベアを流れてくるワーク、或いは、ロボット(ロボット10とは別のロボット)が把持しているワーク等、様々なワーク及び様々なワーク供給方法に対して実行することができる。
図3に示したロボット制御装置50の機能ブロックは、ロボット制御装置50のプロセッサ51が、記憶装置に格納された各種ソフトウェアを実行することで実現されても良く、或いは、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェアを主体とした構成により実現されても良い。
10 ロボット
20、20C ねじ締め機
30、30B、30C 支持部材
40、40A、40B 保持部材
41 電動モータ
41a 駆動軸
42 保持フレーム
50 ロボット制御装置
51 プロセッサ
52 メモリ
53 入出力インタフェース
54 操作部
100、100A、100B、100C ねじ締めシステム
150 制御装置
201 制御部
202 モータ
501 動作制御部
502 モータ制御部
503 トルクリミット設定部
504 回転位置復帰部
20、20C ねじ締め機
30、30B、30C 支持部材
40、40A、40B 保持部材
41 電動モータ
41a 駆動軸
42 保持フレーム
50 ロボット制御装置
51 プロセッサ
52 メモリ
53 入出力インタフェース
54 操作部
100、100A、100B、100C ねじ締めシステム
150 制御装置
201 制御部
202 モータ
501 動作制御部
502 モータ制御部
503 トルクリミット設定部
504 回転位置復帰部
Claims (7)
- 電動モータと、
前記電動モータを保持する保持装置と、
前記電動モータの駆動軸に取り付けられた支持部材と、
前記支持部材によって支持されるねじ締め機であってパルス締付制御のねじ締め動作を実行可能なねじ締め機と、
前記ねじ締め機による前記パルス締付制御のねじ締め動作により生じる、前記保持装置に対する締め付けトルク反力を低減するように前記電動モータを制御するモータ制御部と、を備えるねじ締めシステム。 - 前記モータ制御部は、前記電動モータのトルクリミットを設定するトルクリミット設定部を備え、
前記締め付けトルク反力による負荷トルクが前記トルクリミット設定部により設定された前記トルクリミットを超えた場合に、前記駆動軸が前記締め付けトルク反力を受ける方向に回転することで、前記保持装置に対する前記締め付けトルク反力が低減される、請求項1に記載のねじ締めシステム。 - 前記トルクリミット設定部は、ユーザ操作による前記トルクリミットの数値入力を受け付ける、請求項2に記載のねじ締めシステム。
- 前記トルクリミット設定部は、前記トルクリミットの推奨値を表す数値テーブルから前記トルクリミットを選択するユーザ操作を受け付ける、請求項2に記載のねじ締めシステム。
- 前記ねじ締め動作に伴い前記支持部材と共に回転した前記ねじ締め機の回転位置を前記電動モータのエンコーダ出力から取得し、前記支持部材及び前記ねじ締め機を初期位置又は予め設定された位置に戻すように前記電動モータを回転させる回転位置復帰部を更に備える、請求項1から4のいずれか一項に記載のねじ締めシステム。
- 前記保持装置は、ロボットであり、
前記ねじ締め機は、前記ロボットの手首部に前記電動モータ及び前記支持部材を介して取り付けられており、
前記ねじ締めシステムは、更に、前記ロボットの前記手首部の位置及び姿勢を制御するロボット制御装置を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載のねじ締めシステム。 - 前記ロボット制御装置は、前記ねじ締め機のねじ送り方向が所望の方向となるように前記手首部の位置及び姿勢を制御する、請求項6に記載のねじ締めシステム。
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