JPH01234128A - 嵌合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は例えば２つの物体の嵌合作業に２いて、特に
それらの隙間（クリアランス）が数μ２ｎ程度のぼ少な
嵌合、あるいは負の隙間の嵌合に係り、特に互いに嵌合
する２つの物体のこじれの防止と嵌合に要する挿入力の
低減を狙った嵌合方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、２つの物体の嵌合方法を示すものとして、特開昭
６２−２２４７１１号公報に示すものがあった。第５図
はこの従来の嵌合方法を行なうための嵌合装置を示す構
成肉であり、（１）は振動子で、この振動子（１）に締
結し振動伝達に必要な振幅を得るように設計されたステ
ップ形ホーン（２）トによって超音波微動装置（４１）
が構成嘔れる。（８）は嵌合部ノ一方でるるビン形状を
有する挿入ビン（以下、ビンと呼ぶ）で、上記ステップ
形ホーン（２）の先端と接触している。（４）は円形リ
ングで、この円形リング（４）により上記ステップ形ホ
ーン（２）とほぼ同軸となるように姿勢が保たれている
。でらにまたこの円形リング（４）は、サンプ〃支持台
（５）上にるり、水平面上で数ｆｌａｉ１！度動くこと
が可能である。一方、ビン（８）の嵌合の相手部品であ
る花形状を有する部品（６）（以下、孔部品と呼ぶ）は
、自由度水平多関節型ロボットのロボットアーム（８）
に装着場れたハンド部（７）に支持てれ、ビン（３）と
ほぼ同軸となるようにその姿勢と位置が制御される。

上記のように構成された嵌合装置においては、０＋％ッ
トアーム（８）の下降により孔部品（６）がビン（８）
に挿入が開始され、ビン（８）と孔部品（６）との間に
摩擦力が生じその接触反力によりビン（３）が超音波振
動装置（４１）のステップ形ホーン（２）の先端部に押
し付けられる。そしてビン（３）に超音波撮動が伝達さ
れ同時に挿入が進行することとなる０超音波振動装置（
４１）より加圧あるいは衝撃により振動を伝達された嵌
合部品の一方、上記実施例ではビン（３）は、超音波振
！Ｅ！ｌ陣の共振層ｆ数と仮加振停の固有振動数との合
成重れた周波数で振動する。振動状態にあるビン（３）
は、先端部に２いて振幅が鮫大であるために相手部品と
の接触面において、摩擦力は著しく減少し、接触面は滑
らかな伏ＩＭｔ−形成している。一方、ビン（３）には
径方向に脹らみと、へこみを繰り返す振動も発生してお
り、嵌合状態において一時的なりリアランスの拡大作用
によって小さな挿入力で容易に嵌合が行われる。これら
の作用および動作の模様に−ｆ−デルとして第６図に示
す。

第６図は概念図で、（９）は挿入ビン、（１０）は挿入
孔である。挿入ビン（９）は超ｆ波振ｗＪをしているた
め、第６図（ａ）で示すように軸方向および径方向に点
線で示すような変形ｔ−ｈり返している。図中Ａ点は、
挿入ビン（９）の先端部と挿入孔α０）の接触する部分
であるが、挿入ビン（９）の先端は軸方向に微動してい
るため摩擦力が著しく低下し滑らかな状態となっている
。

一方、図中Ｂ点は挿入孔（１０）の縁の一点であるが、
第６図（ｂ）で示すように挿入ビン（９）の先端が伸び
径がへこんだ状態でようやく挿入孔αＯ）に納１つてい
る。しかし次の瞬間、挿入ビン（９）が軸方向に輪み径
方向に脹らむと挿入ビン（９）の側面が挿入孔（１０）
の縁に当接し、七〇反力によって挿入ビン（９）の傾き
が修正される。セしてまた欠の瞬間には挿入ビン（９）
の径がへこみ、クリアランスが一時的に拡大（接触面積
が減少）シ、小さな挿入力でも嵌合が進行する。

そして以上の動作が非常に扁い頻度で繰り返され第６図
（Ｃ）に示すごとく挿入ビン（９）が挿入孔（１０）に
押入され、精密嵌合が比較的小さな力で実現できる。

以上のような振動による効果を上述の実施例の構成（第
５図）に対して、ロボットハンド部（７）に荷重センサ
を装着し、これを介して孔形状を有する孔部品（６）ヲ
取り付けることにより挿入時の挿入力とねじりメーメン
トを検出した。以下にその時の実験装置の構成および実
験結果について述べる。

第７図は実験装置の構成図、第８図、第９図は第７図の
実験装置による振動付加による効果を示す実験結果のグ
ラフ図でおる。

ｉｇ７図において（１υは振動子、（１２）は振動子α
υにｍ結し振＠を拡大する機能を有するステップ状不一
ンである。（１８）は挿入ビンで、サンプル支持台（１
５）上ｔ−数鰭程度動くことができる円形リング（１４
）により支持されている。（１のは挿入ビン（１８）の
嵌合相手でるる孔部品、（１７）は何重センサで今凹新
たに駅り付けられたものである。この荷重センサ（１７
）の内部慣造ｔｌ−第７図（ｂ）に示している。第７図
（ｂ）に−いて、（１９）はロードセルで、このロード
セ／Ｉ／（１９）によって挿入力を計測する。（２０）
は孔部品（１６）　’ｔ−固定している支柱（２υの中
間に、その軸の直交面に固定された十字板ばねで、この
十字板はね（２０）の４辺には、挿入方向に直交し、か
つ互いに直交する２１１ｆｌ−！わ９のモーメントを検
出するために正ゲージ（２のを貼付している。（１８）
は狗狙センサ（１７）を含む孔部品（１６）を挿入ビン
（１３）に押し込んでゆくためのロボットアームである
。上記実験装置によって行なった振動付史による効果を
立証する夫験状況、夾験結果について第８図。

第９図に基づいて説明する。

実験は直径２０ＭＭのビンと孔部品で、クリアランスつ
１ｖビンとの直径差が２μｍの嵌合部品を用いた。１ｇ
ｓ図、第９図において、図中（Ａ）（Ｂ）の波形はとじ
れの程度を示す挿入方向に直向する２つの直交軸まわり
のモーメントＭｘｔ　”　ｙｔ　図中（Ｃ）＋７）波形
は挿入力Ｆｚ、；ｆ：Ｌ、て図中（Ｄ）の波形は神入獄
を示している。横軸は時間の経過を示している。

第８図のグラフ図は、振動を掛けないで押し込んでいっ
た場合を示し、下降開始点ＡよりＭＸ。

Ｍｙが直ちに立ち上り遍心による力の嘱りを示している
。セしてしばらくするとＦ’ｚ、Ｍｘ、Ｍｙにスティッ
クスリップを示す階段状の波形が現れ始めた。、この状
態で下降を続けるとこじれを生じ嵌合は不可能となる。

そこで１の点において振動を掛けたところ各波形は初期
値に戻り、こじれは解決した◎この点ではｉｗＪｔ”停
止したが再びこしれが発生し始めた。そこで８の点で振
ｔＪＪＪを与えるとこれを解決することができた。

第９図は振動を掛けながら押し込んでいった場合のグラ
フ図で、挿入開始時には偏心による力の偏りはほとんど
見られない。ここでは１　、８　、５゜７．９の点で振
動を停止、２，４，６，８，１０の点で振１＄１／ｌを
与えている。特に７の点では停止後、直ちにこじれが生
じＦ’ｚが急激に立ち上り始めている。８の点で儀！Ｌ
！ｌを掛けるとこれは解消した。

上述した以上の２つの実験からも明らかなように、従来
の技術では数μｍ桂皮の梢貿嵌合に２いて、挿入時のこ
じれ、および摩擦力の増大により挿入が不可能となり、
挿入動作を停止せざるを得なかった。しかし本方式では
こじれを防ぐと同時に部品間の摩擦を低減し、わずかな
挿入力でも嵌合が行なえるようになった。さらに、上記
第８図。

第９図において、超音波振動ｔ−序止すると、挿入力、
モーメント共に急激に上昇することを述べた。

これは、振動を停止するとともに嵌合する２つの物１本
間の摩擦力が急激に１１１大し、嵌合が全く行なわれて
いないことを示すものである。この現象を利用すれば、
挿入と同時に挿入採石を計測し所望の深芒に到達した時
、振動を停止することによりロボットの動作を停止する
よりも迅速に挿入金止めることが可能で、高ｆｆ１Ｊ度
で挿入深さｔ’　ｆｌｉｌｊ（財）することができる。

さて、上述した実施例、すなわち第５図の組立ロボット
を用いた超音波振ｗＪ装置（４１）は孔部品（６）がビ
ン（３）の面取ジ分の許容位置誤差をもって面金ぜが行
われた後、挿入動作が開始される直前から駆動し、所望
の挿入深さになったところで停止する。七の操作の流れ
ｔ−第１０図のフローチャートに示す。超音波振動子ｒ
ｉＩＬは挿入動作時のみ動作するため、伽劾子の発熱ｔ
−最小限に止め、その結果超音波振動装置のか命を延ば
すことが可能でるる。

次に上述の嵌合装置に用いられている嵌合部品への超音
波振動の伝達方式の原理および作用、効果について述べ
る。

一般に超音波振動数は、唯一の共振周波数を有し、ビン
（３）を含めである物体に振動を伝達する方式として機
械的に剛性を持たせて結合する方法を用いると、共振を
とるのが困難であったり、共振をとるがために形状が自
ずと決定されてし１う。

よってこのような方式では、任意形状（固有振動？ｊ＆
）のビン（３）に振動を与えながら挿入することは田無
でろりた。

今回実施した方式は、ビン（３）を共振する超音波振動
子に対し、機械的に結合することなく、ビン（８）に対
し超音波微動している振ＩＩＩ／１体で機械的に叩くこ
とにより超音波振動を伝達嘔せうることを発見したこと
に始まる。

この方式により振動が伝達された挿入ビン（３）の状態
を第１１図に示す。第１１図において、挿入ピン（８）
の長さが異なる５橿頬（長さ１＝５Ｏｎ、７０朋。

１００１１１、１７　Ｑｊｏｗ、　２２Ｑ１ｍ）の”ｔ
　７７’　／に品ノ挿入ビン（８）を１７．８ＫＨｚの
超音波振動子によって叩いた時の振動波形でるる。超音
波倣動体の固有振動数と挿入ピン（８）の固有振動数は
共振関係になくとも、挿入ピン（８）は縦振動を発生し
ていることがわかる。従って、これらの振動が嵌合にお
ける摩擦力の低減作用を生じさぜうる程度の振幅になる
ｌに振動を伝達すればよいことになる。

〔発明が解決しようとするｍ１ｄ） 上記のような従来のロポッｌ−ｅ用いての組立嵌合では
、１０μｍ程度の隙間に関し、上述したごとく姿勢制御
を行なって嵌合挿入することが可能であり、数μｍ程度
の隙間に対しては超音波重畳が有効でめった。上述した
隙間以上に小δくなると嵌合が無しくなり、特に負の隙
間の嵌合には焼きはめ、圧入などといった嵌合方法をと
らざるを得ないと言った課題がめった。また嵌合するの
に大きな荷′ｋを必要とし、さらに嵌合表面を損傷する
などの課題がめった。

この発明は、かかる課題を解消するためにな嘔れたもの
で、微小間隙、あるいは負の間隙に対しても容易に嵌合
することができる嵌合方法を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る嵌合方法は、互いに嵌合する物体のいづ
れか一方、または双方に、める嵌合深ぢに達する１で連
続的な超音波振動を加え、後は断続的な超音波微動を加
えて嵌合するものである。

〔作用〕

この発明においては、互いに嵌合する物体のいづれか一
方、または双方に、ろる嵌合深さに達する１で連続的な
超音波機ｗＪを加え、後は＠続的な超音波機ｖＪを加え
ることによって、物洋間に生じる摩擦力を低減し、接触
反力の偏りによる挿入部品の姿勢の傾きを除去する。

〔兄明の実施例〕 明 第１図はこの尭面の一実施例による特徴とする作用をモ
デルで表わした概念図であり、図において（４っけ挿入
ビン、（４３）は孔部品である。これら挿入ビン（４２
）　、孔部品（４８）の嵌合先端部のコーナ一部にはそ
れぞれ面取り　（４２ａ）　（４８ａ）が施されている
。そして挿入する９１１（この実施例では挿入ビン側）
の面取り（４２ａ）の角度０と、挿入部れる側（この実
施例では孔部品９１１１）の面Ｒ１す（４８＆）の角度
βとの関係は０くβとなるよう構成されている。

挿入ビン＠２）はクロスヘツド（図示せずンに装着され
ており、クロスヘツドを下降させていくと挿入ビン（４
〕の面取り（４２）と孔部品（４８）の面取只４３ａ）
とによって相対的な位置決めがなされて挿入ビン（４２
）が孔部品（４８）に案内嘔れて挿入が開始逼れるとと
もに面取り　（４２ａ）　（４８ａ＞が施されているの
で容易に挿入される。この挿入ビン（４２）ｔ−下降石
ぜていくときの押し付は力によって挿入嵌合されるが、
ホーン（図示せず）先端の挿入ビン（４２）に趣旨波振
動が伝わり、孔部品（４８）にも振動′ｔ−伝達しなが
ら孔部品（４８）への挿入ビン（４２）の挿入が進行す
る。挿入ビンαのは、起晋波振動陣の共振周波数と被加
振体の固有振動数との構成された周波数で振動する。振
動状態にめる挿入ビン（４唖は、先端部において振幅が
最大でるるために相手部品との接触面において、摩擦力
は著しく減少し接触面は清らかな状態を形成している。

一方、挿入ビン（資）には径方向に脹らみと、へこみを
繰り返す微動も発生して２す、嵌合状態において一時的
なりリアランスの拡大作用によって小さな挿入力で容易
に嵌合が行なわれる。

上記実験によって行なった微動付加による効果を立証す
る実験状況、実験結果についてｙｐ１２図〜第４１図に
基づいて説明する。

実験は、挿入ビン（４つの試験片が直径２００゜長ぜ５
０．ａおよび６５眉の挿入ビン（Ｓｋ３熱処理品ＨＶ５
２０〜７００　）　分ヨ０孔ｆｆｔＳ品（Ｓ４６Ｃ熱５
ｔａ＋理品ＨＶ１５０〜２５０）でめり研削仕上げしで
ある。また直径４〜１１Ｍのサンプμに対しても実験を
行なった０挿入ピン（４つは研削仕上げ８０Ｍ４１５材
（）ｌＶ６５０〜８００）、孔部品（４３）　Ｈリーマ
仕上げされた５４５Ｃ調質材（Ｈｖ２００〜８００）が
用いられている。

ｍｉのパターンとして、２つの方法を用いて実験を行な
った。１つは超音波を連続的に付与する方法、他の１つ
は断続的に付与する方法でるる。

後者はめる荷重に達すると加圧装ｗ１を停止し、超哲ン
反を付与する。荷重減少後、再び挿入を開始する。

次に実験結果について詳述する。上記で述べた直径４ｎ
の試験片を用いて、超ｆ波付与の有無の比較を行なった
。第２図にその結果を示すＯｋＭ蛭ｆｌヲ付与した場合
も、付与しない＊Ｉ会もクリアランスの減少にともなっ
て、神入荷慮は上昇する傾向にある。超首波なしの場合
、クリアランスが２μｉｎで約６０Ａ９ｆに遍する。こ
れに対し、超ｆ波を付与しｆｃ場会、クリアランスが数
μｍ以上であれば、はとんど何ｆｉはゼロとなる。躍μ
＃１以下の場盆であっても正のクリアランスでめる限９
押入何ｍは５０＃ｆ’を超えないことがわかる。

次に、直径２０ｍの負のクリアランスを含んだ丸ｗ＃試
験片による挿入結果を述べる。

第８凶に直径２０＃のサンプルの場合、趙ｉｆ波振ｗＪ
を断続的に加える効果を、各クリアランスに対して荷重
として示している。連続的超音波振動の付与に２いては
、クリアランスがブフス叙μｍからマイナス数μｍに至
るまで２，８０例外はめるが、はぼ直線的に荷重は上昇
している。これに対し、超音波を断続的に与えるならば
、挿入荷恵が減少する。

第４図にクリアランスが、−２μｍ程度の場合の挿入時
における荷重の時間変化を示す。この場合、押入初期の
Ａ点から超音波を付与したが、挿入量２〜８Ｍ：１のＢ
点で荷ｌが急激に上昇の煩向を示し几ため、断続的振動
付与に切り換えた。これにより、挿入量ＩＩＬは１５〜
３８ｋｌｊｆの変動にとどまり、極端な上昇を防ぐこと
が可能である。

上述のごとくクリアランスが数μη１以上の正の値の場
合には、超音波振動を付与することにより、挿入圧力は
ほとんどセロに近くなる。嵌合先端部のコーナ一部の面
がとってあれば、挿入ビン（４）と孔部品（４３）との
相対的位置決め制御０ｔ−かなり大まかに行なっても嵌
合は容易に実現できる。

クリアランスが０μｍあるいは、それ以下（資）の場合
には挿入結果は、挿入サンプルの寸法測定精度（真円度
、ｉＩｃ直度１平行度）などに強く影響され、且つ、ま
た初期の姿勢の影善も免れない。したがりて、正確で統
一的なデータの採取を困難にしている。

なお上記賽流側では、孔部品（４３）に超音波振動を付
与した挿入ピン（４幻を挿入嵌合する場合について説明
したが、孔部品（４８）に超音波振動を付与してもよく
、また挿入ビン（４つ、孔部品（４８）の双方に起ｆ波
振Ｓｔ−付与してもよい。

また挿入ピン（４）、孔部品（４８）の双方の嵌合先端
部のコーナ一部の面が面取り（４２ａ）　（４８ａ）が
双方に施された場合について説明したが、どちらか一方
にのみ面取りが力翫されたものでおってもよく、また第
１図（ｂ）に示すごとく孔部品０３）のコーナー部がア
ール状（４８ｂ）でろってもよい。この場合、面取り部
は上記実施例にて述べたごとく、挿入するＩｔの面取Ｖ
部は挿入される９１１１の面取り部より角度を小石くし
た方がよい。

嘔らに葦た、挿入時において挿入深さ全計測し、所望の
深さに到達したとき連続的なＦｉｉｔ波振動から＃続的
な超音波振動に切り変える機能ｒ４ｉＡえれば挿入深さ
をＭ＠に制御できる。

さらにまた、上記夾流側では孔部品に挿入ビンヲ挿入嵌
合する場合について述べたが、この弁明の方法を用いて
孔部品に挿入ピンが一旦挿入嘔れ、挿入後に再び抜く場
合がるる。また何らかの方法で組合でれ、固着した２つ
の物体會抜かなくてはならない場合も元止する。この弁
明における方式は、挿入ビンを孔部品に挿入するという
一方向の動作のみに迩用されるものではなく、上記のよ
うに固着した２つの物不全なるべく表面を損傷すること
なく公庫する際にも有効でおる。

〔弁明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、互いに嵌合する物体の
いづれか一方、または双方に、める嵌会深さに達する１
で連続的な旭音波振動金加え、後は断枕的な超音波振動
を加えて嵌合したので、物体間に生じる岸抛力を低減し
、接触反力の＃４９による押入部品の姿勢のｍ＊’を除
去するとともに、岸擦力の低下によりわずかな隙間の精
密な嵌合、あるいは負の隙間の嵌合にあっても比較的小
さな力で実現することができる。さらに固着した２つの
物帰を嵌合表面を損傷することなく、挿入、抜自去るこ
とが容易に行なうことができるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明の一実施例に保９、第１図は
この発明の特徴とする作用をモデルで表わした概念図、
第２図〜＠４図はこの発明の効果を確かめるために用い
た実験装置によって得られた結果を示すもので、第２図
は超音波振動の有無とクリアランスとの関係を示すグラ
フ図、＄３図は超音波摂動を断続的、連続的に付与した
場合のクリアランスと荷重との関係を示すグラフ図、第
４図は挿入時における荷重の時間変化を示すグラフ図、
第５図〜第１１図は従来の嵌合方法に係り、第５図は超
音波倣動を利用した嵌合装置を示す構成図、第６図は作
用をモデルで表わした概念図、第７図は効果を央験で確
かめるために用いた冥竣装誼で、第７図（ａ）は構成図
、第７図（ｂ）は何本センサ部の詳細図、第８図、第９
図は上記５１ａ７図実験装置によって得られた結果を示
すもので、第８図は振動をかけないで押し込んでいった
場合のグラフ図、第９図は損！Ｌ１１をかけながら押し
込んでいつた場合のグラフ図、第１０図は超音波振動装
置の操作を示すフローチャート、第１１図は超音波振動
丁ル振動陣で挿入ビンを加圧、もしくは衝撃を与える方
式を用いた時に挿入ビンで観祭嘔れた倣ｗＪ波形図であ
る。 図に２いて、（４つは挿入ビン、（４３）は孔部品、（
４２ａ）　（４８５Ｌ）は而取り、（４８ｋ））　ｕ　
７　＝　／１／状で、ｂる。 なお、各図中同一符号は筒−または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互いに嵌合する物体のいづれか一方、または双方に、あ
   る嵌合深さに達するまで連続的な超音波振動を加え、後
   は断続的な超音波振動を加えて嵌合することを特徴とす
   る嵌合方法。