JPH0623631A

JPH0623631A - ねじ締め装置

Info

Publication number: JPH0623631A
Application number: JP3005317A
Authority: JP
Inventors: Hirokuni Tsuboi; 弘国坪井; Satoshi Inami; 聡伊波; Hiroshi Kawaguchi; 浩川口
Original assignee: Amada Sonoike Co Ltd
Current assignee: Amada Machinics Co Ltd
Priority date: 1991-01-21
Filing date: 1991-01-21
Publication date: 1994-02-01

Abstract

(57)【要約】【目的】ねじ締付け状態を検査しつつ、確実なねじ締
め作業を行うことができる簡易構成のねじ締め装置を提
供する。【構成】本発明のねじ締め装置は、ねじ部材を備えた
ワークを前記ねじの締付け方向に抗して吸着するバキュ
ームパッドと、前記ナットランナに対する前記ねじ部材
または該ねじ部材を備えたワークのねじ締め開始位置及
びねじ締め終了位置を検出する位置検出器と、前記ナッ
トランナの駆動トルクを検出するトルク検出器と、前記
ナットランナの駆動時間と検出する時計と、前記ナット
ランナによるねじ締付け完了状態を、一定トルク以上の
トルクで締付けたこと、前記ナットランナを一定時間以
内で駆動終了したこと、並びに前記ねじ締め終了位置が
確認されたことで判別する締付け状態検査装置とを備え
て構成される

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、組立て作業においてボ
ルト、ナット等のねじ部材を自動的にねじ締めするねじ
締め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種組立て作業において使用されるねじ
締め装置は、装置構成が簡易であることに加えてねじ締
めを確実に行えることが肝要である。

【０００３】ところが、ボルトとナットの締め付け作業
を想定すれば明らかなように、ねじ締め作業は高度の位
置決めが必要である上に、締め付けトルクや締め付けス
トロークを適切としなければならず、その検査装置と併
せてシステム構成する場合には、どうしても装置が大が
かりになるという問題点があった。

【０００４】また、大がかりなシステムを構成しても、
それでもなお取付け不良を確実に防止することができな
いという問題があった。ここで、ボルト１本またはナッ
ト１本の不良発生で済めばまだ良いが、この不良箇所を
見落して、または組付け失敗に起因して、組立製品全体
を不良としてしまうこともあった。これら問題点は、ね
じ締め箇所が大の量産ラインにおいて由々しき問題であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く、従来より
のねじ締め装置は、装置が大がかりとなり、ねじ締め結
果に確実性が無く、ねじ締め不良部分を残してラインに
流してしまう等の問題点があった。

【０００６】そこで、本発明は、ねじ締付け状態を検査
しつつ、確実なねじ締め作業を行うことができる簡易構
成のねじ締め装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、特許請求の範囲に記載の通りのねじ締め装置
を構成した。

【０００８】

【作用】本発明のねじ締め装置は、上記構成であるの
で、装置構成が簡単である。また、バキュームパッドで
吸着したねじ部材をナットランナの駆動にて一定トルク
でねじ締めすることができ、時計とリミットスイッチ等
による位置検出とで一定時間内に締付け終了したこと、
及び所定のストロークを得たことを検出し、締付け状態
を確実に判別することができる。

【０００９】ここに、ねじ締付けを一定トルクが出るま
で行うと、一定ストロークが得られたことでねじ部がね
じ込まれたことを知ることができ、また、一定時間内に
ねじ込まれたことを条件化することでねじ部材自体に異
常がなかったことや不測の事故が生じていないこと等を
総括的に判別できるものである。

【００１０】因みに、ねじ締め失敗の生ずる要因を想定
すると、ねじが合わないねじに異物が付いている位置合わせ不良その他不測の要因等が考えられるが、の要因はトルクが出ないまたはス
トロークが出ないことで判別できる。の要因は一定ト
ルクを与えてもストロークが出ないことで判別できる。
の要因はと同様にトルクやストロークが出ないこと
で判別できる。の要因も一定トルクを与えてのちの一
定時間内であること及び一定ストロークが得られるとい
う条件から外れることで略確実に判別できるものであ
る。

【００１１】

【実施例】以下、添附図面を参照して本発明の実施例を
説明する。

【００１２】図３は本発明の一実施例に係る組立てロボ
ットの組立システムを示す説明図である。

【００１３】図示のように、組立ロボットＲ／Ｂのロボ
ット本体１には多関節アーム２を介してハンド３が設け
られ、このハンド３には、組立工具としてのねじ締め装
置４とＣＣＤカメラ５及び照明器具６から成る撮像装置
が固定されている。

【００１４】前記ロボットＲ／Ｂ及び前記ねじ締め装置
４を制御するロボットコントローラ７は接続部材の作動
タイミングを制御する管理コンピュータ８と接続されて
いる。該管理コンピュータ８は、撮像装置と接続される
画像処理装置９と接続されている。ロボットコントロー
ラ７及び画像処理装置９の詳細については後述する。

【００１５】図１及び図２は、ねじ締め装置４及び撮像
装置（５，６）を持たせたハンド部３の詳細を示す正面
図及び側面図である。但し、図１の正面図では撮像装置
を取り除いた状態で示している。

【００１６】図１において、ハンド３には、組立工具と
しての一対のねじ締め装置４が設けられている。

【００１７】本例での組立作業は、図１の下方に示すよ
うに、テーブルＷ１の裏面からフリーベアリングＷ２を
組付けるものであるとする。このフリーベアリングＷ２
は、中央部にベアリングボールを収納した楕円状の板に
一対の貫通孔を有し、この貫通孔にそれぞれボルトを挿
通して組立用に供されるものである。このボルトを前記
テーブルＷ１の対応するねじ穴（ナット穴）Ｈ１, Ｈ２
に螺入するのが前記ねじ締め装置４の役目である。

【００１８】ねじ締め装置４は、ナットランナ本体１０
と、ハンド３に対して上下動するナットランナソケット
１１と、前記ナットランナ本体１０に対しこのソケット
１１を常時下方向に付勢するばね１３と、前記ソケット
１１の回転に伴って回転するレンチ１４とを備えて成
る。

【００１９】前記ナットランナ本体１０に対し固定的に
設けられるブラケット１５には、センサ取付板１６が設
けられ、このセンサ取付板１６には、前記ナットランナ
ソケット１１の上端位置を締付け開始位置及び締付け終
了位置の２位置で検出するストローク検出用近接スイッ
チ１７が設けられている。

【００２０】また、両ナットランナソケット１１の中間
部にはその下面をレンチ１４の下面に略一致させてバキ
ュームパッド１８が設けられ、ハンド３の上部に設けた
真空発生器１９でその下面に位置するフリーベアリング
Ｗ２を吸着できるようになっている。各ナットランナ本
体１０には一定トルク以上でオン作動するトルク検出用
のリミットスイッチ２０が設けられている。

【００２１】したがって、本例のハンド部によれば、レ
ベルＬ１の高さに位置するフリーベアリングＷ２に対し
ハンド３を移動させ、次いでばね１３に抗してハンド３
を下降させ、フリーベアリングＷ２をバキュームパッド
１８で吸着することにより、図３の右側に示す状態にて
フリーベアリングＷ２をハンド３の先端部に固定するこ
とができる。

【００２２】また、その後、ハンド３を移動させ、フリ
ーベアリングＷ２をテーブルＷ１の被作業位置に移動さ
せ、適宜下降させてフリーベアリングＷ２のボルト２１
をねじ穴Ｈ１に螺入すべくレンチ１４を回転させること
ができる。レンチ１４を回転させると、ボルト２１がね
じ穴Ｈ１, Ｈ２に螺入され、ナットランナ本体１０に対
しナットランナソケット１１が下降する。ボルト２１の
締付後は、図１の左半分に示す状態からハンド３を次の
作業に対して移動させれば良い。

【００２３】図２に示すように、前記ハンド３の前方
（図において右側）には、その下方にレンズ部２２を備
えたＣＣＤカメラ５が設けられている。ＣＣＤカメラ５
の両側面には、一対の照明器具６が設けられている。こ
の照明器具６の取付間隔は、被作業位置としての前記テ
ーブルＷ１のねじ穴Ｈ１, Ｈ２の間隔と略一致される。

【００２４】カメラ５は、図２のハンド部により、フリ
ーベアリングＷ２がバキュームパッド１８で吸着された
後、テーブルＷ１の被作業位置に移動されたとき作動さ
れる。ハンド３は、テーブルＷ１の被作業位置の上位置
にカメラ５を移動させ、この位置でねじ穴Ｈ１, Ｈ２を
照明してねじ穴Ｈ１, Ｈ２を含めてテーブルＷ１を撮像
し、後で詳述するように、画像処理装置９で撮像位置を
予定の位置と比較し、ハンド３に対するテーブルＷ１の
被作業位置のずれを演算し、補正量を算出し、ロボット
コントローラ７に対して出力する。

【００２５】図４は、図３に示すシステム構成につき、
特に画像処理装置９の詳細を示したブロック図である。

【００２６】図示のように、画像処理装置９は、前記管
理コンピュータ８と接続されるデータ通信部２３と、カ
メラ５及び照明装置６から成る撮像装置５，６と接続さ
れる撮像指令信号出力部２４及び撮像信号入力部２５
と、これらに接続される中央処理部２６及び画像処理部
２７を有して成る。画像処理部２７には、２値化レベル
調整部２８とロボット補正量算出部２９が接続されてい
る。

【００２７】画像処理部２７は、フレームメモリに取込
んだ被作業位置の前記ねじ穴Ｈ１,Ｈ２を含めた画像を
処理し、数値解析するものである。２値化レベル調整部
２８は、画像処理部２７の形状認識に際し２値化レベル
を適正化するものである。ロボット補正量算出部２９
は、画像処理部２７の数値解析結果に応じ、ロボットＲ
／Ｂの補正量を得るものである。

【００２８】図５は、ロボットコントローラ７の構成を
示すブロック図である。

【００２９】図において、ロボットコントローラ７は、
前記管理コンピュータ８とデータ通信するデータ通信部
３０と、この通信部３０と接続される中央処理部３１と
を備えている。この中央処理部３１は、ロボットＲ／Ｂ
を数値制御するためのいわゆるＮＣ装置の中核をなすも
のである。

【００３０】前記中央処理部３１と接続されるシステム
バス３２には、ロボットＲ／Ｂの各種サーボモータＭ_i
を駆動するモータ駆動部３３と、その他のアクチュエー
タ、例えば前記ねじ締め装置４が内蔵するナットランナ
や真空発生器１９を駆動するアクチュエータ駆動部３４
と、各種センサ信号、例えば前記ストローク検出用近接
スイッチ１７やトルク検出用のリミットスイッチ２０の
検出信号を入力するセンサ信号入力部３５と、検査部３
６及び時計３７が接続されている。検査部３６はねじ締
め終了後にねじ締付け状態を検査するためのものであ
る。

【００３１】上記構成のロボットコントローラ７におい
て、中央処理部３１は、モータ駆動部３３を介しロボッ
トＲ／Ｂを予め定めた目標位置に移動させ、ねじ締め装
置４のナットランナを駆動してのち、検査部３６でねじ
締付け状態を検査させ、順次のねじ締め、組立作業を遂
行する。

【００３２】図６は、組立作業の全体の流れを示すフロ
ーチャートである。

【００３３】ステップ６０１で作業内容の条件設定を
し、ステップ６０２でバキュームパッド１８でフリーベ
アリングＷ２を吸着した上で被作業位置までロボットＲ
／Ｂを移動させ、ステップ６０３で被作業位置としての
テーブルＷ１のねじ穴Ｈ１，Ｈ２を撮像する。ステップ
６０４ではロボットに補正動作をさせ、ステップ６０５
でねじ締めし、ステップ６０６で検査する。

【００３４】図７に、撮像時のカメラ５とテーブルＷ１
の対応関係を示す。図中、部品取付穴Ｈ３は、ねじ穴Ｈ
１, Ｈ２の中央部に設けられたフリーベアリングＷ２の
ボール部が配置される穴である。通常ロボットＲ／Ｂ
は、この穴Ｈ３の中心位置Ｐ３（図示せず）に対して移
動され、穴Ｈ１, Ｈ２の中心位置Ｐ１, Ｐ２（図示せ
ず）を通る直線でフリーベアリングＷ２の取付方向を定
める。

【００３５】図８は、画像処理部２７のフレームメモリ
ＦＭの平面座標（ＸＹ）上に撮像された画像を示す説明
図である。図示のように、ある２値化レベルで白黒画素
を判定し形状認識すると、ねじ穴Ｈ１, Ｈ２及び取付穴
Ｈ３に対応して円Ｈ１´Ｈ２´Ｈ３´が現われる。各形
状の中心位置をＰ１´，Ｐ２´，Ｐ３´とする。

【００３６】ここに、図８に示す形状Ｈ１´，Ｈ２´，
Ｈ３´は、照明により、またはねじ穴Ｈ１，Ｈ２のねじ
の性状、取付穴の破断面の状態等により、それぞれゆが
められて認識されている恐れがある。したがって、ある
２値化レベルで認識された形状Ｈ１´，Ｈ２´，Ｈ３´
により各穴Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３位置をそのまま認識する
と、認識誤りを生じ、後で計算される補正値に大きな誤
差を発生し、取付失敗し、不良品を発生してしまう恐れ
がある。

【００３７】そこで、本例では、図９に示す手順によ
り、２値化レベルを調整し形状Ｈ１´，Ｈ２´，Ｈ３´
を適正に認識した上でロボットＲ／Ｂに対して出力すべ
き補正量を演算する。

【００３８】まず、ステップ９０１で撮像による画像を
得ると、ステップ９０２で、各ねじ穴形状Ｈ１´，Ｈ２
´について、実測面積Ｓｉ（ｉ＝１，２）と基準の面積
Ｓioの差△Ｓｉを求める。

【００３９】△Ｓｉ＝Ｓｉ−Ｓio 次いで、ステップ９０３、９０４で、この差△Siが許容
値△Ｓio以下であるか否か、また許容値以上である場合
はその方向（正，負）を判別する。

【００４０】差△Ｓｉが許容値内であればステップ９０
５以下の処理へ移行するが、差△Ｓｉが許容値外の場合
には、その正負に応じ、ステップ９０６またはステップ
９０７へ移行し、図１０に示すように２値化レベル（明
るさ）を△Ｌだけ減少（−△Ｌ）または増加（＋△ｉ）
させ、ステップ９０２へ返る。

【００４１】したがって、本例では、各形状Ｈ１´，Ｈ
２´の面積がＳｉ基準値Ｓioとなるよう、２値化レベル
が調整されるので、図１１に示すように図１０に示すレ
ベル変化に応じて得られる２値化画像から正規の形状Ｈ
１´，Ｈ２´が得られる。

【００４２】そこで、本例では、ステップ９０５でねじ
穴Ｈ１，Ｈ２の中心座標Ｐ１´（Ｘ１，Ｙ１），Ｐ２´
（Ｘ２，Ｙ２）を算出し、その中心座標Ｐ３´（Ｘ３，
Ｙ３）Ｘ３＝（Ｘ１＋Ｘ２）／２Ｙ３＝（Ｙ１＋Ｙ２）／２を取付穴Ｈ３の中心座標として求め、ねじ穴中心座標Ｐ
１´，Ｐ２´を結ぶ直線ｍを求め、ステップ９０６で補
正量を算出する。

【００４３】補正量は、取付穴Ｈ３の中心座標Ｐ３´と
正規の値との差△Ｐ３と、直線ｍの正規の直線に対する
ずれ角△Ａとで算出される。かくして算出された補正量
は管理コンピュータ８を介してロボットコントローラ７
に出力され、ロボットＲ／Ｂは補正量を加味して移動位
置及び回転角度を求め、図６及び図１に示した関係でレ
ンチ１４を回転させ、ねじ締め作業を行う。

【００４４】ねじ締め時には、トルク検出が行われ、ま
たストローク検出用近接スイッチ１７によってレンチ１
４のストローク量が検出され、確実にねじ締めされたこ
とを確認してのち、次の動作に移る。もしアラーム発生
した場合にはステップ６０８で発生アラーム内容を記憶
した上で、そのときの作業を中断して次のフリーベアリ
ングＷ２について組立作業を続行する。アラーム発生確
率は例えば数千分の１以下の如く小さな値である。

【００４５】図１２は、アクチュエータ駆動部３４及び
検査部３６が行うねじ締め方式を示すフローチャートで
ある。

【００４６】ステップ１２０１で上側近接スイッチ１７
（ＬＳ１）のオフ作動によりねじ締め開始位置を確認す
ると、ステップ１２０２へ移行し、ねじ締め装置４のナ
ットランナを、ステップ１２０３で駆動トルクＴが所定
値Ｔｏに達したことが確認されるまで駆動する。ただ
し、駆動時間には上限が設けられており、何時までたっ
ても駆動トルクが上昇しないような場合には、その設定
時間経過後に駆動を停止する。本例では、駆動トルクＴ
が一定トルクＴｏ以上になったらリミットスイッチ２０
がオンするよう構成されているので、ステップ１２０３
では、実際にはリミットスイッチ２０のオンの判別によ
る。

【００４７】ステップ１２０４でねじ締め装置４が停止
されると、ステップ１２０５で駆動時間ｔが一定値ｔｏ
以内であったか否かを判別し、またステップ１２０６で
下側近接スイッチ１７（ＬＳ２）のオン作動によりねじ
締め終了位置を判別し、両ステップ１２０５，１２０６
で適（Ｙｅｓ）の場合には、締付け良としてステップ１
２０７へ移行し、良品処理、即ち、これで次のねじ締め
作業へ移行する。

【００４８】一方、ステップ１２０５または１２０６で
否（Ｎｏ）が判別された場合には、ステップ１２０８へ
移行し、不良処理、即ちこの状態を記憶して次のねじ締
め作業へ移行する。ここでの状態記憶は、その場所と、
不良の原因（時間オーバ、またはストローク不足）であ
る。

【００４９】以上により、本例では、バキュームパッド
１８で吸着したねじ部材としてのボルト２１をナットラ
ンナの駆動にて一定トルクでねじ締めすることができ、
時計３７とリミットスイッチ等による位置検出とで一定
時間内に締付け終了したこと及び所定のストロークを得
たことを検出し締付け状態を確実に判別することができ
る。

【００５０】ここに、ねじ締めを一定トルクが出るまで
行うと、一定ストロークが得られたことでねじ部がねじ
込まれたことを知ることができ、また、一定時間内にね
じ込まれたことを条件化することでねじ部材自体に異常
がなかったことや不測の事故が生じていないこと等を総
括的に判別できるものである。

【００５１】因みに、ねじ締め失敗の生ずる要因を想定
すると、ねじが合わないねじに異物が付いている位置合わせ不良その他不測の要因等が考えられるが、の要因はトルクが出ないまたはス
トロークが出ないことで判別できる。の要因は一定ト
ルクを与えてもストロークが出ないことで判別できる。
の要因はと同様にトルクやストロークが出ないこと
で判別できる。の要因も一定トルクを与えてのちの一
定時間内であること及び一定ストロークが得られるとい
う条件から外れることでほとんど１００％判別できるも
のである。

【００５２】また、本例では、めったに生じない不良に
対し、このように不良箇所及び内容を記憶して次の処理
へ移行するので、不良発生によって組立作業に遅延を生
じることがない。不良箇所に対しては、その部分のみを
後で修理すれば良い。

【００５３】以上により、本例の組立システムによれ
ば、テーブルＷ１面へのフリーベアリングＷ２の組立作
業に関し、一対のボルト２１を一対のねじ穴Ｈ１，Ｈ２
に対し同時的に手際よく組付けて行くことができる。

【００５４】組立手順は、フリーベアリングＷ２をバキ
ュームパッド１８で吸着した上で、レンチ１４を回転さ
せ、レンチ１４の回転に行ってナットランナソケット１
１をナットランナ本体１０に対してスライドさせてゆく
だけのものであるので、装置構成が簡単で、かつロボッ
トの制御手順に無理が無い。

【００５５】さらに、本例では、画像処理装置９を設
け、テーブルＷ１のねじ穴Ｈ１，Ｈ２を撮像した上で、
撮像された一対の穴Ｈ１，Ｈ２に対して一対のボルト２
１を螺入するので取付失敗の恐れが少なく、アラーム発
生機会を少なくする。また、２値化レベル調整部２８に
より図８〜図１０に示す方式で面積Ｓｉが正規の面積Ｓ
ioとなるよう２値化レベルの調整が為されるので、ねじ
穴Ｈ１，Ｈ２の画像に多少の乱れがあっても正規の中心
位置を正確に求めることができ、高精度の組立て作業を
行うことができる。

【００５６】上記実施例では、図１及び図２に示すねじ
締め装置をロボット３に取付けた例を示したが、本発明
のねじ締め装置はロボットＲ／Ｂ以外の各種自動機器に
適用できること勿論である。この場合、各種自動機器に
合せて、適宜タイミングを取り、順次のねじ締め作業を
行いつつねじ締め検査を行ってゆけば良い。

【００５７】本発明は、上記実施例に限定されるもので
はなく、適宜の設計的変更を行うことにより、適宜態様
で実施し得るものである。

【００５８】

【発明の効果】以上の通り、本発明は特許請求の範囲に
記載の通りのねじ締め装置であるので、装置構成が簡単
である。また、バキュームパッドで吸着したねじ部材を
ナットランナの駆動にて一定トルクでねじ締めすること
ができ、時計とリミットスイッチ等による位置検出とで
一定時間内に締付け終了したこと及び所定のストローク
を得たことを検出し締付け状態を確実に判別することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例に係るねじ締め装置
をロボットバンドに取付けて示す正面図である。

【図２】図２は、上記ねじ締め装置の側面図である。

【図３】図３は、本発明を実施する組立ロボットの制御
システムの構成を示す説明図である。

【図４】図４は、上記制御システムのうち、特に画像処
理装置の詳細を示すブロック図である。

【図５】図５は、ロボットコントローラの詳細を示すブ
ロック図である。

【図６】図６は、上記ロボットの組立方式を示すフロー
チャートである。

【図７】図７は、撮像位置と被作業位置との配置関係を
示す説明図である。

【図８】図８は、画像の説明図である。

【図９】図９は、画像処理方式を示すフローチャートで
ある。

【図１０】図１０は、Ｘ軸に沿った画像信号（ビデオ信
号）の説明図である。

【図１１】図１１は、図１０のビデオ信号を２値化処理
した信号の説明図である。

【図１２】図１２は、ねじ締め方式を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

３ロボットハンド４ねじ締め装置１７ストローク検出用近接スイッチ２０トルク検出用のリミットスイッチ３６検査部Ｗ１テーブルＷ２フリーベアリングＨ１，Ｈ２ねじ穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ねじ部材を備えたワークを前記ねじの締
付け方向に抗して吸着するバキュームパッドと、前記ねじ部材を前記ねじの締付け方向と直交する面内で
回転駆動するナットランナと、前記ナットランナに対する前記ねじ部材または該ねじ部
材を備えたワークのねじ締め開始位置及びねじ締め終了
位置を検出する位置検出器と、前記ナットランナの駆動トルクを検出するトルク検出器
と、前記ナットランナの駆動時間を検出する時計と、前記ナットランナによるねじ締付け完了状態を、一定ト
ルク以上のトルクで締付けたこと、前記ナットランナを
一定時間以内で駆動終了したこと、並びに前記ねじ締め
終了位置が確認されたことで判別する締付け状態検査装
置と、を備えたことを特徴とするねじ締め装置。