JPH0811378B2 - 作業工具位置決め装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、多種少量生産における部品の挿入、取出
し、組立て等に使用する汎用性に富んだ産業用ロボット
の先端部等に取付けられる作業工具の昇降方向あるいは
水平移動方向の位置決めをする作業工具位置決め装置に
関する。

［従来技術］ 従来、部品の組立て作業の省力化にともない、平面上
の２方向に移動する２台のテーブルを有する直交座標型
ロボット、あるいは水平方向に旋回自在な複数のアーム
を有する水平多関節型のロボットが数多く利用されてい
る。この種のロボットでは、その先端が平面上を移動す
るに過ぎないため、作業工具を所定位置まで下降させる
作業工具昇降装置が付設されている。この作業工具昇降
装置１は、第６図に示すようにロボット（図示せず）の
支持部に取付けられるハウジング21を有し、このハウジ
ング21にスクリュウシャフト22と下端に作業工具７が取
付けられたスプラインシャフト23とが直立する方向に並
列に配置されている。前記スクリュウシャフト22にはボ
ールねじ軸受３が螺合しており、またこのボールねじ軸
受３は軸受台24を介してスプラインシャフト23と一体に
昇降するように構成されている。また、前記スクリュウ
シャフト22は駆動モータ25の回転を受けて回転するよう
に構成されており、スクリュウシャフト22の回転により
ボールねじ軸受３およびスプラインシャフト23が昇降し
てスプラインシヤフト23の下端の作業工具７が昇降する
ように構成されている。また、前記スプラインシャフト
23はロボットの支持部の上、下部に回転自在に保持され
たスプライン軸受5,5により摺動自在に案内され、この
スプライン軸受５の一方には一体に回転するプーリ26が
取付けられている。前記プーリ26にはベルト伝達機構
（図示せず）を介して別のモータ（図示せず）の回転が
伝達されるように構成されており、スプラインシャフト
23をその位置で回転させて作業工具７を任意の姿勢に保
持するように構成されている。

［発明が解決しようとする課題］ この作業工具位置決め装置では、ロボットの位置決め
が完了すると、駆動モータ25を回転させてスクリュウシ
ャフト22を回転させ、ボールねじ軸受３を所定量下降さ
せてこれとともにスプラインシャフト23を下降させる
が、スプラインシャフト23の移動速度はスクリュウシャ
フト22の回転速度により決まり、これを高速で下降させ
ようとすると、駆動モータ25を高速で回転させねばなら
ず、駆動モータ停止時の慣性の影響で正確な高さ位置に
位置決めすることのできない等の欠点が生じている。ま
た、作業工具７を一定速度で下降させる場合には、駆動
モータ25を短時間で所定高速度まで加速しなければなら
ず、駆動モータ25自体にかなり大きな慣性がある関係
で、駆動モータ25はスクリュウシャフト22の加速に必要
なトルクに加えて駆動モータ25自体を加速するためのト
ルクを発生しなければならず、大きな駆動モータ25が必
要となってその重量が重くなり、ロボット駆動に必要な
トルクが大きくなってロボット駆動用モータ（図示せ
ず）のトルク不足を招く等の欠点が生じている。この欠
点を除去する装置として、螺旋溝およびスプライン溝を
有するボールスプラインシャフトを配置し、その一端に
これと一体に回転する作業工具を連結するとともに、前
記ボールスプラインシャフトにボールねじ軸受、スプラ
イン軸受を嵌合させ、 前記ボールねじ軸受、スプライン軸受をそれぞれ回転
させるボールねじ軸受用モータおよびスプライン軸受用
モータを設けて、前記各モータにボールねじ軸受用モー
タを駆動する時、スプライン軸受用モータを同時に駆動
する装置がある。この装置によれば、ボールねじ軸受用
モータ回転させて、スプラインシャフトを上下方向に移
動させる際に、スプライン軸受用モータをボールねじ軸
受用モータの回転方向と逆方向に回転させることによ
り、スプラインシャフトの移動速度をただちに加速する
ことができる。

しかしながら、この装置ではモータを大きくすること
なく、ボールスプラインシャフトの上下方向の移動速度
をただちに加速できるものの、ボールスプラインシャフ
トが目標位置に達するとボールねじ軸受用モータとスプ
ライン軸受用モータとを停止させるに過ぎず、ボールス
プラインシャフトがその慣性の影響で目標位置で停止で
きないばかりか、スプライン軸受用モータが回転角を制
御させることなく駆動されるため、作業工具の姿勢を制
御することができず、これらも併せて制御することがで
きる作業工具位置決め装置が要望されている。

本発明は上記要望に沿って発明されたものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、螺旋溝およびスプライン溝を有するボール
スプラインシャフトを配置し、その一端にこれと一体に
回転する作業工具を連結するとともに、前記ボールスプ
ラインシャフトにボールねじ軸受、スプライン軸受を嵌
合させている。

一方、前記ボールねじ軸受、スプライン軸受をそれぞ
れ回転させるボールねじ軸受用モータおよびスプライン
軸受用モータが設けられており、前記各モータにボール
ねじ軸受用モータを駆動する時、スプライン軸受用モー
タを駆動する制御装置が接続されている。

前記制御装置は、ボールスプラインシャフトが停止前
無回転下降距離残した位置に達するまでスプライン軸用
モータをボールねじ軸用モータの回転方向と逆方向にか
つスプライン軸受が（ｎ回転＋目標回転角）となるよう
に駆動して、ボールスプラインシャフトの移動速度を加
速するとともに作業工具の姿勢を制御する一方、停止前
無回転下降距離残した位置に達して後はボールねじ軸用
モータのみを駆動するように構成されている。

［作用］ 上記作業工具位置決め装置では、作業工具をその上下
方向に移動させる時には、ボールねじ軸受用モータと同
時にスプライン軸受用モータをボールねじ軸受用モータ
の回転方向と逆方向に回転させれば、モータを大きな容
量のものに代えことなくボールスプラインシャフトの移
動速度をただちに加速することができる。この時、ボー
ルスプラインシャフトがあらかじめ設定された停止前無
回転下降距離を残した位置に達すると、スプライン軸受
用モータの回転をｎ回転させるとともに、さらにこのｎ
回転から得られる回転角に目標回転角を加えた回転角だ
けスプライン軸受用モータを回転させて停止させること
ができる。そのため、作業工具位置決め装置はボールス
プラインシャフトを目標位置の直前まで高速で移動させ
ると同時に、その加速を支援するスプライン軸受用モー
タの回転角を制御してボールスプラインシャフトと一体
の作業工具を目標の姿勢に制御し、その後はボールねじ
軸受用モータのみによってゆっくりと作業位置の高さ位
置を位置決めすることができる。

［実施例］ 以下、実施例を多関節型ロボットに付設される作業工
具位置決め装置の一例の作業工具昇降装置について説明
する。第１図において、１はモータ（図示せず）の回転
を受けて水平面上で旋回する多関節型ロボット（図示せ
ず）のアーム２の先端に固定される作業工具昇降装置で
ある。前記アーム２の先端部は、作業工具昇降装置１の
支持部をなすとともに、これと交叉する方向で同心上に
位置して２個のモータ収納部2a,2bが設けられている。
このモータ収納部2a,2bそれぞれには後記するボールね
じ軸受３に回転を伝達するボールねじ軸受用ダイレクト
ドライブモータ４（以下、ボールねじ軸受用モータとい
う）、後記するスプライン軸受５に回転を伝達するスプ
ライン軸受用ダイレクトドライブモータ６（以下、スプ
ライン軸受用モータという）が固定されている。前記ボ
ールねじ軸受用モータ４、スプライン軸受用モータ６は
同一構造をしており、前記モータ収納部2a,2bに嵌合す
るように取付けられた環状のステータ4a,6aと中央部に
中空穴を有するロータ4b,6bとからなっている。これら
２個のロータ4b,6bの中空部を貫通するように下端に作
業工具７が取付けられたボールスプラインシャフト８が
配置されている。また、このボールスプラインシャフト
８には所定リード角を有うる螺旋溝8aと外周を等間隔に
３等分する位置でその軸線に沿って延びるスプライン溝
8bとが削設されており、これら螺旋溝8a、スプライン溝
8bそれぞれにボールねじ軸受３、スプライン軸受５内の
ボール3a,5aが嵌合するように構成されている。

前記ボールねじ軸受用モータ４のロータ4bの上部には
ボールねじ軸受３が一体に回転するように連結されてお
り、しかもこのボールねじ軸受３は前記ボールスプライ
ンシャフト８の螺旋溝8aに螺合するように構成されてい
る。また、前記ボールねじ軸受３はアーム２の支持部に
固定されたケーシング9aに案内されて、その位置で回転
可能に構成されている。さらに、前記ボールねじ軸受用
モータ４のロータ4bの下部には第１プーリ10が一体に回
転するように連結されており、この第１プーリ10の回転
が第１ベルト機構（図示せず）を介してアーム２内に取
付けられた第１エンコーダ（図示せず）により取出さ
れ、ボールねじ軸受用モータ４の回転が制御されるよう
に構成されている。

一方、前記アーム２の他方のモータ収納部2bに位置す
るスプライン軸受用モータ６のロータ6bにはその下部に
位置してスプライン軸受５が一体に回転するように連結
されており、このスプライン軸受５は前記ボールスプラ
インシャフト８のスプライン溝8bに嵌合するように構成
されている。また、前記スプライン軸受５はアーム２の
支持部に取付けられたケーシング9b内で回転自在に保持
されており、スプライン軸受用モータ６の回転により一
体に回転するように構成されている。

さらに、前記スプライン軸受用モータ６のロータ6bの
上部には第２プーリ12が一体に回転するように連結され
ており、その回転が第２ベルト機構（図示せず）を介し
てアーム２内に取付けられた第２エンコーダ（図示せ
ず）により取出され、スプライン軸受用モータ６の回転
が制御されるように構成されている。

前記アーム２の仕切り壁2cには第１プーリ10と第２プ
ーリ12との間に位置してこれらの回転に制動を加えるブ
レーキ手段14が固定されており、ロボットの電源が遮断
されて後作業工具７の自重によるボールスプラインシャ
フト８の落下を防止するように構成されている。

一方、前記ボールねじ軸受用モータ４およびスプライ
ン軸受用モータ６は第２図に示すように制御装置15に接
続されている。この制御装置15は、あらかじめ記憶され
た作業位置を順次呼出してアーム２の位置決めをすると
ともにアーム２の位置決め完了後に作業工具７の目標高
さ位置、初期無回転下降距離、停止前無回転下降距離、
回転角および最高速度を後記する位置指令発生部16に送
る主制御部17と、各作業位置に対応した作業工具７の高
さ位置その他必要情報を記憶する記憶部18と、主制御部
17からの指令値を受けて前記ボールねじ軸受用モータ
４、スプライン軸受用モータ６それぞれに対応して設け
られた後記するモータ駆動部19a,19bに所定制御サイク
ルごとに目標位置、目標回転角を指令する位置指令発生
部16と、各制御サイクルごとの目標位置、目標回転角に
応じた電流指令値を後記するパワー供給部20a,20bに供
給するモータ駆動部19a,19bと、電流指令値に応じた電
流を各モータ4,6に供給するパワー供給部20a,20bと、パ
ルスエンコーダでなる第１回転検出部11と、第２回転検
出部13とから構成されている。

前記位置指令発生部16は、第１回転検出部11と第２回
転検出部13とから作業工具の高さ位置の位置決め完了を
検出する一方、第３図に示すように、 １）作業工具の目標移動距離、初期無回転下降距離、停
止前無回転下降距離および回転角により、各モータ4,6
の目標移動速度パターンに応じた制御サイクルごとの位
置指令値を算出し、これを制御サイクルごとに記憶す
る。この時、作業工具７が初期無回転下降距離移動する
まではボールねじ軸受用モータ４のみを、その後停止前
無回転下降距離を残す位置に達するまではボールねじ軸
受用モータ４、スプライン軸受用モータ６を相対向する
方向にかつスプライン軸受５が（ｎ回転＋目標回転角）
となるように、さらにその後はボールねじ軸受用モータ
４のみを駆動するように位置指令値が選択される。また
作業工具７の移動速度は最高速度を超えないように位置
指令値が選択される。

２）制御回数レジスタに０をセットする。

３）制御回数に応じた各モータ4,6の目標位置を呼出し
てこれを各目標位置レジスタに格納する。

４）制御回数レジスタに＋１を加算する。

５）制御回数レジスタの値が総制御回数に達したかを判
断し、これを達していない時、２）に戻る。

６）最終目標位置を各目標位置レジスタに格納して、
１）に戻る。

ように構成されている。

また、前記モータ駆動部19a,19bは、第４図に示すよ
うに、 １）目標位置レジスタ内の目標位置を読出し、これと現
在位置との位置偏差を求める。

２）あらかじめ決められた位置偏差と速度との関係式か
ら位置偏差に応じた目標速度を算出する。

３）目標速度と現在速度との差から速度偏差を算出す
る。

４）速度偏差に応じた電流指令値をパワー供給部20a,20
bに送り、１）に戻る。

ように構成されている。

なお、前記指令位置発生部16の制御周期はモータ駆動
部19a,19bの制御周期の整数倍にしておくことが望まし
い。

上記作業工具昇降装置では、ロボットのアーム２が所
定作業位置に位置決めされると、主制御部17からその作
業位置に応じた作業工具７の目標高さ位置、初期無回転
下降距離、停止前無回転下降距離および最高速度が指令
される。位置指令発生部16はこれらの値から各制御回数
ごとの目標位置を算出し、これを記憶する。さらに、位
置指令発生部16は順次制御回数ごとの目標位置を呼出し
てこれを各モータ4,6それぞれに対応した目標位置レジ
スタに記憶する。一方、この目標位置レジスタに記憶さ
れた目標位置はモータ駆動部19a,19bに読込まれ、目標
位置と現在位置との差から得られる位置偏差が算出さ
れ、さらにこの位置偏差に応じた目標速度が算出され
る。この目標速度と現在速度とから速度偏差が算出さ
れ、この速度偏差に応じた電流指令値がパワー供給部20
a,20bに送られ、パワー供給部20a,20bから各モータ4,6
にパワーが供給される。この時、作業工具７が初期無回
転下降距離だけ下降するまでは、ボールねじ軸受３のみ
が回転し、スプライン軸受５は回転しないように位置指
令値が与えられ、その後は作業工具が停止前無回転下降
距離を残す位置に達するまでボールねじ軸受３、スプラ
イン軸受５が相対向方向にかつスプライン軸受５が（ｎ
回転＋目標回転角）となるように位置指令値が与えら
れ、その後ボールねじ軸受３にのみ位置指令値が与えら
れる。（第５図Ａおよび第５図Ｂ参照） パワー供給部20a,20bが前記ボールねじ軸受用モータ
４およびスプライン軸受用モータ６に同時にそれぞれの
電流指令値に応じてパワーを出力する場合、ボールねじ
軸受用モータ４が所定移動量回転すると、その回転を受
けてボールねじ軸受３が一体に回転し、ボールスプライ
ンシャフト８が所定量下降するが、同時にスプライン軸
受用モータ６にボールねじ軸受用モータ４の回転方向と
相対向する方向に回転するようにパワーが供給され、ス
プライン軸受５の回転にともなってボールスプラインシ
ャフト８が一体に回転する。この時、ボールスプライン
シャフト８の回転が前記ボールねじ軸受３の回転方向と
相対向しているため、ボールねじ軸受３とボールスプラ
インシャフト８とは相対的に回転し、ボールねじ軸受３
はボールスプラインシャフト８の回転速度だけ加速され
ることになり、ボールスプラインシャフト８はボールね
じ軸受用モータ４とスプライン軸受用モータ６との回転
を受けて下降することができる。

また、前記モータ制御が繰返されて前記作業工具の現
在位置が停止前無回転下降距離を残した位置に達する
時、スプライン軸受用モータ６の現在位置が呼出されて
これが主制御部17から与えられた目標回転角に一致する
ように位置指令値が与えられるので、作業工具７が所望
の姿勢を保持するように前記モータ制御が繰返される。

前記作業工具７の現在位置が目標高さ位置となり、ま
た作業工具７の姿勢が所望の姿勢になると、作業工具７
の位置決めが完了し、位置決め完了信号が出力され、次
回の作業に備える。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は作業工具が取付けられ
たボールスプラインシャフトにボールねじ軸受およびス
プライン軸受を介してそれぞれモータの回転を伝達する
ように構成するとともに、停止前無回転下降距離残した
位置に達するまでスプライン軸用モータをボールねじ軸
用モータの回転方向と逆方向にかつスプライン軸受が
（ｎ回転＋目標回転角）となるように駆動しているた
め、各モータの容量を大きくすることなく、ボールスプ
ラインシャフトの移動速度をただちに加速できる。ま
た、本発明はボールスプラインシャフトの目標位置の直
前までスプライン軸受用モータによりボールスプライン
シャフトを回転させてその上下方向の移動速度を加速
し、その後はボールねじ軸受用モータのみを駆動してボ
ールスプラインシャフトを上下方向に移動させ、これと
一体の作業工具を位置決めするため、ボールスプライン
シャフトを高速で移動させているにも拘わらずその慣性
の影響なく、目標位置に位置決めすることができるばか
りか、ボールスプラインシャフトの加速を支援するスプ
ライン軸受用モータの回転角を制御しているため、目標
の姿勢に作業工具を保持することができる等の利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例の作業工具昇降装置の要部断面
図、第２図は本発明に係る制御装置の構成を示すブロッ
ク図、第３図は本発明に係る位置指令発生部の要部動作
を説明するフローチャート、第４図は本発明に係るモー
タ駆動部の要部の動作を説明するフローチャート、第５
図Ａおよび第５図Ｂは作業工具の移動量および回転角の
関係を示す特性図、第６図は従来の作業工具昇降装置の
要部断面図である。 １……作業工具昇降装置、２……アーム、 2a,2b……モータ収納部、2c……仕切り壁、 ３……ボールねじ軸受、3a……ボール、 ４……ボールねじ軸受用ダイレクトドライブモータ、 4a……ステータ、4b……ロータ、 ５……スプライン軸受、5a……ボール、 ６……スプライン軸受用ダイレクトドライブモータ、 6a……ステータ、6b……ロータ、 ７……作業工具、８……ボールスプラインシャフト、 8a……螺旋溝、8b……スプライン溝、 9a,9b……ケーシング、10……第１プーリ、 11……第１回転検出部、12……第２プーリ、 13……第２回転検出部、14……ブレーキ手段、 15……制御装置、16……位置指令発生部、 17……主制御部、18……記憶部、 19a,19b……モータ駆動部、20a,20b……パワー供給部、 21……ハウジング、22……スクリュウシャフト、 23……スプラインシャフト、24……軸受台、 25……駆動モータ、26……プーリ、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】螺旋溝およびスプライン溝を有するボール
   スプラインシャフトを配置し、その一端にこれと一体に
   回転する作業工具を連結するとともに、前記ボールスプ
   ラインシャフトにボールねじ軸受、スプライン軸受を嵌
   合させて配置する一方、 前記ボールねじ軸受、スプライン軸受をそれぞれ回転さ
   せるボールねじ軸受用モータおよびスプライン軸受用モ
   ータを設け、前記各モータにボールねじ軸受用モータを
   駆動する時、スプライン軸受用モータを駆動する制御装
   置を接続した作業工具位置決め装置において、 制御装置は、ボールスプラインシャフトが停止前無回転
   下降距離残した位置に達するまでスプライン軸用モータ
   をボールねじ軸用モータの回転方向と逆方向にかつスプ
   ライン軸受が（ｎ回転＋目標回転角）となるように駆動
   して、ボールスプラインシャフトの移動を加速するとと
   もに作業工具の姿勢を制御する一方、停止前無回転下降
   距離残した位置に達して後はボールねじ軸用モータのみ
   を駆動するように構成されたことを特徴とする作業工具
   位置決め装置。