JPH0277635A

JPH0277635A - 計測ロボット

Info

Publication number: JPH0277635A
Application number: JP22835488A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shiraishi; 白石　満; Hideo Kato; 秀雄加藤; Kazuo Tamamushi; 一雄玉虫
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-09-14
Filing date: 1988-09-14
Publication date: 1990-03-16

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】〔概　要〕プラスチック構造体に代表される柔構造体の機械的特性
を自動計測する計測ロボットに関し、力を加えたときの
変位分布及び歪分布を自動的に求められるようにするこ
とを目的とし、被測定物に対し、荷重をかける方向、位
置及び荷重を変えることができる荷重手段と、被測定物
に荷重をかける前の形状と後の形状を測定することがで
きる測定手段と、被測定物に荷重をかける前の形状と後
の形状との差を求めて変位分布を求める手段と、測定さ
れた変位分布からｘｙ方向に少なくとも限定された範囲
内で２階の偏微分まで連続である関数を求め、この関数
から求めた２階の偏微分値から歪分布を求める手段を有
するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、プラスチック構造体に代表される柔構造体の
機械的特性を自動計測する計測ロボットに関する。

製品の高機能化と軽量化の要請のもと構造設計の分野で
は、プラスチックのモールド技術を用いて、材料の薄肉
化を図り必要にして最小現の強度を付与する極限的な設
計が試みられている。このような構造体の多くは変形し
易い柔構造体となり、弾性変形のみならず塑性変形やク
リープ変形をも伴う。

高機能かつ軽量な製品を開発していくためには、柔構造
体の機械的な特性を測定・評価し、この結果を以下に示
すように設計にフィードバックして。

いく必要がある。

■　設計使用を満足する製品かどうか性能を検証する。

また、構造解析結果と照合し、解析手法の良否を判定す
る。

■　構造材としての材料特性のデータ収集。

プラスチックは材料のみならず、成形条件や形状により
材料特性が変わるので、構造体としての材料特性のデー
タを収集していく必要がある。

■　構造解析モデル作成のためのデータ、解析ノウハウ
の蓄積構造設計の分野では有限要素法をベースとした構造解析
が行われるようになり、成果をあげている。有限要素法
の場合、境界条件により解析結果が異なるので、境界条
件を慎重に与える必要がある。しかし、柔構造体の場合
は境界条件を一義的に決められないことが多く、解析を
困難にしている。境界条件による特性の変化を試作品等
を用いて調査し、それらのデータを蓄積することで、解
析のモデル化技術を作ることが重要である。

〔従来の技術〕

従来は材料レベルでの測定評価が主に行われている。材
料の特性評価方法についてはＪＩＳで試験片の形状、試
験項目、試験方法等が定められている。構造体でのレベ
ルでは、ごく限られた範囲（形状）で特性評価が行われ
ているに過ぎない。

従来例を第４図に示す。同図（ａ）は正面から見た図で
、同図（ａ）をＢＢ矢印方向から見た図を第４図（ｂ）
に示す。同図において１は引っ張り試験機であり、２は
ベース、３．４は支柱であり、５は可動部である。可動
部５は支柱３．４内に設置されている直進案内機構（図
示せず）により上下方向に移動可能となるように支持さ
れていて、モータ（ベース２の中に設置されている。図
示せず。）により駆動されるようになっている。６はロ
ードセルであり、可動部と一体で移動する。７はロッド
である。８は被測定物で以下では試験板と呼ぶ。９は試
験板を固定するためのジグである。

可動部５を降下させ、ロッド７の先端で試験板８を押す
。このときにロッド７が試験板８に加えている力はロー
ドセル６で検知する。可動部の位置はモータの回転位置
を読み取るエンコーダ（図示せず）の値から求まる。こ
のようにして、試験板に力を加えたときの力と変位の関
係を求めることができる。また、力を加えたときの応力
は一般に直接測定できる量ではないので、歪み量を測定
し、歪み量を応力値に代用したり、歪み量から応力値を
算出する方法がとられる。第４図の場合、試験板で最大
応力（最大歪み）が発生すると思われる部位に歪ゲージ
１０を貼り付けて歪量を検出する方法がとられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の特性評価方法では次のような問題がある。

■　変位分布が求まらない。

力と変位の関係が求まるのは、力を加えている場所のみ
である。一般には、ある点に力を加えたときに、面全体
での変位即ち変位分布を知ることが望ましい。

■　歪みゲージの取り扱いが煩雑である。

歪みゲージを用いて歪み量を測定するためには、細心の
注意が必要である。一般に歪みゲージは温度の影響を受
けやすいので、温度ドリフトの影響を極力小さくするた
めにゲージを被測定物の裏表に各１枚乃至２枚貼る等の
工夫が必要である。また、接着剤と被測定物の熱膨張係
数にも意を払う必要がある。金属の場合は、比較的よく
使用される鉄やアルミ材の場合は専用の接着材が用いら
れる。しかし、プラスチックの場合は材料の種類が多岐
にわたるので、プラスチック材料の特性に合わせて接着
材を選定するのは困難である。更に歪みゲージを貼るの
は煩雑な作業であり、被測定物の形状によっては、歪み
ゲージを貼れない場合がある。また、仮に歪みゲージを
貼ったとしても、歪みゲージの出力を校正する必要があ
る。

■　歪み量の分布を測定するのが困難である。

歪み量の分布を知るためには歪みゲージを多数貼る必要
があるが、歪みゲージの取り扱い及び信号処理等を考え
たとき多大の労力と費用を要し、現実的ではない。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、
力を加えたときの変位分布及び歪み分布を自動的に求め
ることができる計測ロボットを提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明の原理を
第１図を用いて説明する。同図は簡単のため座標を次の
ように定める。紙面に垂直に手前に伸びる向きにＸ軸を
定め、紙面内に於いて、図示した向きにｙｚ軸をとるも
のとする。

第１図において、２０は試験板であり、２１は試験板を
固定するジグである。２２はロッドであり、試験板２０
に指定された力を加えることができるようになっている
。２３は変位検出機構であり、試験板の変位を検出する
ものである。

最初に試験板に力をかけない状態で、２３の変位検出機
構を用いて、試験板２０の形状を測定する。このときの
試験板の形状をｘ、ｙの関数としてｚ＋（ｘ、ｙ）とす
る。

次にロッド２２を用いて、試験板２０に力を加え、その
ときの試験板２０の形状を、変位検出機構２３を用いて
測定する。このときの形状をＺｚ（Ｘ、ｙ）とする。

荷重をかけた後の変位分布Ｗは次式で表される。

ｗ　（ｘ　、　ｙ）　＝ｚｚ（ｘ　、　ｙ）　−２１（
Ｘ　、　ｙ）　　■プラスチックの場合、クリープの影
響で荷重をかけた後時間とともに変位が変化する。あら
かじめ、指定された時間間隔（一定の間隔でなくてもよ
い）毎に同様の測定をすることにより変位分布を時間の
関数としても測定することができる。

ところで、一般に薄板の曲げにおいてはＸ軸方向の曲率
半径をｒｗ、ｙ軸方向の曲率半径をｒ。

とすると、ｘ、ｙ方向の直歪みε８　、ε、はっぎのよ
うに表される。

ｔ：板厚捻じり率を１／ｒ、とすると、剪断歪みγ□は、次式で
表される。

を曲率半径’Ｘ＋ｒｌｌ、捻じり率１／ｒ、、は、変位分
布Ｗを偏微分することにより、次式で示すように求める
ことができる。

１　　　　　　ａ”ｗｒ、Ｉ　　　　　ａｘ！　　・１　　　　　　ａ”Ｗｒｙ　　　　　　ａｙ” １　　　　　　８１ｗｒｘｙ　　　　　ａＸａ）’ 板厚はあらかじめ知る事ができるので、変位分布から曲
率半径と捻じり率を求める事により歪分布をもとめるこ
とができる。歪量がわかれば、応力、曲げモーメントに
関する知見を得ることができる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第２図に示す。３０　、４０はＸＹＺ
３軸方向に直線移動可能な直交型ロボットである。ロボ
ット３０の先端にはＺ軸回りの回転を可能とする回転機
構３２がある。その先に６軸の力センサ３１を介して変
位検出機構３３が設置されている。位置検出機構３３の
先端部（プローブ）３４は位置検出機構３３に対し、２
方向にスライド可能であるように直進案内されている。

そして、プローブ３４が位置検出機構３３に対してスラ
イドした距離は位置検出機構内部に設置されたリニアエ
ンコーダにより、測定可能となっている。ロボット４０
の先端には６軸の力センサ４１を介してロッド４２が設
置されている。試料５０は１例としての電子機器の筐体
で箱状をなし固定用ジグ５１に固定されている。

次に変位分布の測定方法について述べる。ロボット４０
を試料５０から遠ざける。この状態で、ロボソ）３０を
用いて試料５０の形状を以下の手順で求める。プローブ
３４を試料５０の上方に移動させる。次にＺ軸を指定さ
れた距離例えば１ｍ程降下させる。もしプローブと歎料
とが接触すればプローブ３４は位置検出機構３３に対し
、上方に移動するので、位置検出機構のプローブ移動信
号より知る事ができる。プローブ３４が試料５０に接触
していない場合は、更にロボットを１酊降下させ、接触
したかどうかをチエツクし、同様の手続きを接触するま
で行う。プローブが接触したことが分かれば、ロボット
３０の２方向の位置とプローブの移動距離から試料５０
のＺ方向の高さを知ることができる。ロボットの２方向
の位置は、ロボットを２方向に駆動するために内蔵され
ている位置検出器を用いればよい。次に、Ｚ軸を上方に
移動させ、プローブ３４を試料５０から離し、ロボット
を水平方向に指定された距離移動させ、再びＺ方向の試
料の高さを求める。同様の手続きを繰り返すことにより
、試料の高さをｘ、ｙの関数として求めることができる
。

次に試料５０の指定された位置にロッド４２の先端がく
るようにロボット４０を移動させ、ロッド４２を試料５
０に対し、指定された力で押しつける。指定された力を
出すためには力センサ４１の検知した力を基にロボット
４０を制御すれば可能である。このときの試料５０の形
状を上記した方法と同様にして測定する。但し、この場
合はロフト４２が試料５０を押している場所の試料５０
の高さはロボット３０を用いては測定できないので、そ
の場所での高さはロボット４０の２方向の位置より求め
る。このようにして荷重をかける前と後での試料の形状
を求め、両者の差をとることにより、荷重をかけたとき
の変位分布を求めることができる。

測定された離散的な数値情報から曲率半径等を求めるた
めには、２階の偏微分まで連続である５ｐｌｉｎｅ関数
を数値解析により求めれば算出可能である。曲率等が求
まれば、与えられた試料の板厚をもとに歪み分布を求め
ることができる。

試料の形状は平面に限定するものではなく、柔構造体一
般に適用できるものであり、より複雑な形状をしたもの
でも同様にして測定が可能である。

本発明の場合、試料の形状を測定するのが目的でなく、
変位を測定するのが目的であるため、ロボット３０は位
置繰り返し精度が高ければよく、必ずしも位置絶対精度
が高い必要はない、一般に位置絶対精度に比べ、位置繰
り返し精度は容易に高くすることができるので、ロボッ
ト３０は安価に製作が可能である。また、ロボットは直
交型ロボットに限定されるものではなく、関節型ロボッ
トを含め、その他の形状のロボットを用いてもよい。

プローブ３４が試料５０に接触しているときに接触圧が
生じるが、この値は僅かなので殆ど無視できる。測定の
速度をあげるためには、プローブを複数設置して１回の
動作で複数点の高さが測定できるようにしてもよい。非
接触の変位検出機構を用いても本発明の趣旨に反するも
のではない。

試料５０に力をかける箇所も１か所に限定するものでは
なく、２か所以上にかけても本発明の趣旨に反するもの
ではない。

なお、ロボット３０に設置しである力センサ３１は本発
明に必ずしも必須のものではなく、ロボット３０の先端
を持って直接教示することにより、ロボット３０に対す
る教示作業を容易にするためのものである。

試料に加える力は必ずしも一定である必要はなく、時間
とともに値をかえてもよい。試料５０にかける力を時間
とともに変動させない場合の試料に荷重をかける例を第
３図に示す。

シャフト６０　、７０は各々回動可能であるように軸受
６１　、６２　、７１　、７２に支持されている。シャ
フト６０゜７０には互いに噛み合っている歯車６３．．
７３及び板６４゜７４が固定されている。板６４の先端
にはシャフト６５が取りつけてあり、板７４の先端には
試料５０を押しつけるためのロッド７５が取りつけであ
る。シャフト６５には中空のおもり６６をとりつけるこ
とができる。シャフト７０の回転位置を知るためにシャ
フト７０には回転式のエンコーダ７６がとりつけである
。おもり６６をシャフト６５に設置するとシャフト６０
に回転モーメントが加わる。この曲げモーメントは歯車
６３　、７３を介してシャフト７０に逆向きに伝動され
、ロッド７５を介して試料５０に力を加えることができ
る。

おもりの重さをＰ、シャフト６０からシャフト６５まで
の距離を１１％シャフト７０からロッド７５までの距離
をＩｔとすると、試料に加わる力は □　Ｐとなる。したがって、おもりＰを種々交換することによ
り、試料に種々の力を加えることができる。

試料に力が加わっている場所での高さはエンコーダ７６
の出力より知ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば、柔構造体の機械的
特性の評価が可能となり、それを実現するための計測ロ
ボットを安価に製作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の実施例を示す図、第３図は本発明の実施例の荷重を与える他の例を示す図
、第４図は従来の材料特性評価装置を示す図である。図において、２０は試験板、２１は試験板を固定するジグ、２２はロッド、２３は変位検出機構を示す。本発明の原理説明図第１図２３・・・変位検出機構（Ｑ）上面図（ｂ）正面図本発明の実施例を示す図（（１）正面図（ｂ）ａ図のｂ−ｂＭｌ：？３＋７る断面図本発明の実
施例の荷重を与える他の例を示す図（。）工面図　　　
　　　　　　　（ｂ）０図を矢印８Ｂ方向より見た図従来の材料特性評価装置を示す図笛　／、　　Ｔマ

Claims

【特許請求の範囲】

１、被測定物に対し、荷重をかける方向、位置及び荷重
を変えることができる荷重手段と、被測定物に荷重をか
ける前の形状と後の形状を測定することができる測定手
段と、被測定物に荷重をかける前の形状と後の形状との
差を求めて変位分布を求める手段と、測定された変位分
布からｘｙ方向に少なくとも限定された範囲内で２階の
偏微分まで連続である関数を求め、この関数から求めた
２階の偏微分値から歪分布を求める手段を有することを
特徴とした計測ロボット。