JPH11333654A - 工具交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】加工装置の可動範囲を制限することなく、位置
決め精度の低い加工装置の工具の消耗品を遠隔操作によ
り交換する工具交換装置を提供する。 【解決手段】工具交換装置は、パーツ把持機構で交換部
品を把持するときにパーツ把持機構の位置決め、把持を
容易にするためのガイドを行うガイドシリンダと、ガイ
ドシリンダをあらかじめトーチに固定するヘッド把持機
構と、ガイドシリンダを工具にヘッド把持機構で取り付
けるときやパーツ把持機構でトーチの部品を把持すると
きに姿勢を受動的に合わせる姿勢なじみ機構と、姿勢修
正時の並進誤差を吸収する並進なじみ機構とを備えた構
成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接用トーチ，プ
ラズマトーチ，塗装ノズル，ウォータージェットノズル
等の加工装置の部品の内、使用に伴って消耗する部品を
遠隔操作で交換する工具交換装置に関するものであり、
特に工具交換部品の交換領域が加工装置の可動範囲内で
あっても加工装置の動作範囲に影響を与えず交換可能な
工具交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶接用トーチ，プラズマトーチ，
塗装ノズル等の交換作業は人間が工具を用いて人手で消
耗した部品を取り替えるのが一般的であった。

【０００３】また、自動で交換する方式としては特開平
9−150274 号公報に示すような交換パレットのようなも
のに予めトーチの交換部品を積載して、その交換パレッ
トを加工装置の可動範囲内の所定の位置に設置し、その
パレット上に各種トーチを位置決めして交換する方法が
用いられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術で述べ
た交換作業では以下に示すような問題があった。

【０００５】すなわち、人手の作業の場合は （１）交換作業の時に人間が加工装置近傍に入る必要が
あるため、交換時には人間の安全のため装置を停止させ
る必要があり効率が悪かった。

【０００６】（２）溶接トーチ，プラズマトーチの場合
は、使用後時間が経過していない場合はトーチが加熱し
ており交換作業に危険が伴う。冷却時間をとると効率が
悪い。塗装ノズルの場合はノズル周辺が塗装雰囲気のた
め、交換時に換気を実施しないと人間に害があるなどの
問題があった。

【０００７】人間を介さず交換する方式の場合は、 （１）交換部品を予め平面に並べる方式であり、交換部
品数を多くすると交換装置の占有面積が大きくなるた
め、これらの交換装置が加工装置の可動範囲内に設置さ
れると加工装置の動作の妨げになる。

【０００８】（２）交換部品を加工装置に取り付けた工
具に対し精密に位置決めするため、加工装置に高い機構
剛性が必要であり、特に加工装置の動作範囲が広い場合
には、機構が大型化し剛性確保が難しく、工具交換の自
動化，遠隔制御化が難しい問題があった。

【０００９】本発明の目的は、上記問題点に鑑み為され
たもので、人間が危険な領域に侵入せず、さらに加工装
置の工具の位置決め精度が精密でない場合でも、遠隔操
縦により交換部品を交換することが可能な工具交換装置
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明の工具交換装置は、パーツ把持機構を介して工
具からの交換部品の取り外し及び工具への交換部品の取
り付けを行うエンドエフェクタと、前記エンドエフェク
タを所定の取り替え位置に位置決めする位置決めロボッ
トと、位置決めロボットの動作範囲内で複数の交換部品
を保持する部品パレットと、取り扱う交換部品の種類に
応じたパーツ把持機構を設置しておくツールパレット
と、取り外した消耗部品を廃棄する廃棄物入れと、ロボ
ット，エンドエフェクタを制御する制御装置を具備する
構成とした。

【００１１】このとき、消耗品自動交換装置を加工装置
の動作範囲の外に設置し、位置決めロボットの動作範囲
を加工装置の動作範囲と一部オーバーラップさせるよう
にした。これにより、加工装置は所定の位置に停止する
だけで、動作領域外から位置決めロボットが工具に対し
て作業を行うことが可能となり、加工装置の動作範囲を
制限することがなくなる。

【００１２】さらに、エンドエフェクタは、円筒多重構
造の工具に同心に組み込まれた交換部品を把持し引抜
き、また工具に対し挿入するパーツ把持機構と、工具の
外径面を把持し内壁面にパーツ把持機構を滑走させるこ
とで、パーツ把持機構により把持した交換部品を工具の
中心軸に概略平行に誘導するガイドシリンダと、パーツ
把持機構もしくはガイドシリンダを把持し工具に対し位
置決めするツール把持機構とから構成し、さらに、位置
決めロボットの手先に対しパーツ把持機構もしくはガイ
ドシリンダを所定の剛性をもって位置決めするためのな
じみ機構をツール把持機構に備える構成とした。

【００１３】（１）ツール把持機構は、複数の爪をモー
ターを駆動することにより開閉可能とし、取り扱う部品
によってパーツ把持機構，ガイドシリンダを交換して保
持する構成とした。また、ツール把持機構本体を旋回可
能な構成としツール把持機構でパーツ把持機構を把持
し、パーツ把持機構でねじにより固定された部品を把持
したときに、ツール把持機構本体を旋回させ取り外せる
構成とした。

【００１４】（２）パーツ把持機構は、複数の爪をモー
ターを駆動することにより開閉可能とし、工具の消耗し
た部品を交換するために部品を把持する構成とした。ま
た、ツール把持機構との間にねじ締め倣い機構を具備
し、ねじにより固定されているパーツをパーツ把持機構
で把持し、ツール把持機構ごと回転させて取り外す時に
ねじの軸方向の位置誤差を吸収する構成とした。

【００１５】（３）ガイドシリンダは、あらかじめ交換
を実行する工具本体にヘッド把持機構により取り付けら
れ、ガイドシリンダ取り付け後に実行されるパーツ把持
機構による交換パーツの把持や取り外しのときにツール
把持機構の中心軸と工具中心軸を一致させるためのガイ
ドを行う。

【００１６】（４）なじみ機構は、ガイドシリンダの取
り付け時にガイドシリンダの姿勢を工具の姿勢と同じに
なるように受動的に修正する。また、パーツ把持機構に
よる部品把持のときには工具に取り付けられたガイドシ
リンダの姿勢に合わせてパーツ把持機構の姿勢を受動的
に修正する様構成した。

【００１７】本発明による消耗品自動交換装置の各部が
上記のように動作することで前記課題は解決される。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例である工具交換
装置の構成を図１から図３を用いて説明する。図１は本
発明の一実施例である工具交換装置の制御系を除いた装
置の構成を示す側面図、図２は本発明の一実施例である
工具交換装置の制御系を除いた装置の位置関係を示す平
面図、図３は本発明の一実施例である工具交換装置のエ
ンドエフェクタの構成を示す断面図である。

【００１９】本発明の一実施例である工具交換装置１
は、加工装置２の走行レール３の近傍で加工装置の動作
範囲外に設置され、複数の自由度を持った位置決めロボ
ット４，位置決めロボット４の手先に具備されたエンド
エフェクタ５，複数の交換部品を保持するための部品パ
レット６と、取り外す部品の種類に応じたツールを用意
しておくツールパレット７と、取り外した消耗部品を廃
棄する廃棄物入れ８と、消耗部品の状態を確認するため
のＴＶカメラ９（図示せず）と、ＴＶカメラ９の映像を
表示するモニタ１０（図示せず）と、位置決めロボット
４，エンドエフェクタ５を制御する制御装置１１（図示
せず）により構成される。

【００２０】エンドエフェクタ５は、位置決めロボット
４の手先に具備され、部品交換時のトーチ１２と位置決
めロボット４の手先の位置，姿勢の誤差を吸収するため
の姿勢なじみ機構１３，並進なじみ機構１４、及び各種
のツールを把持するためのツール把持機構１５から構成
される。姿勢なじみ機構１３は、ジンバル構造のシャフ
ト１６に取り付けられたステージ１７を支えバネ１８で
支える構造になっている。並進なじみ機構１４は、スラ
イダ１９と保持バネ２０から構成されており、これらの
なじみ動作で位置決めロボット４の手先とトーチ１２の
位置，姿勢に誤差がある場合になじむ構造となってい
る。

【００２１】ツール把持機構１５は、ツール把持モータ
２１を駆動することで複数のツールチャック２２が動作
し、パーツ把持機構２３などのツールを把持可能な構成
となっている。さらに、ツール把持機構１５は、チャッ
ク旋回モータ２４を駆動することで、ツールチャック２
２で把持したパーツ把持機構２３ごとツール把持機構１
５を旋回可能な構成とした。

【００２２】これにより、ねじでトーチ１２に固定され
ている部品をパーツ把持機構２３で把持し、パーツ把持
機構２３ごとツールチャック２２を旋回させて部品を取
り外すことができる。

【００２３】ツール把持機構１５により位置決めロボッ
ト４の手先に保持されるパーツ把持機構２３は、ベース
２５，ねじ締め倣い機構２６およびパーツチャック２７
から構成される。ねじ締め倣い機構２６は、トーチ１２
にねじで固定された部品を外すとき、ねじを回転させる
ことによる軸方向の移動を吸収する。パーツチャック２
７は、パーツ把持爪２８，パーツチャックモータ２９か
ら構成され、パーツチャックモータ２９を駆動し、パー
ツ把持爪２８でトーチ１２から取り外す部品，取り付け
る部品の把持を行う。

【００２４】ガイドシリンダ３０は、ヘッド把持機構３
１を具備しており、ヘッド把持モータ３２を駆動するこ
とでヘッドパッド３３を動作させトーチ１２の先端を把
持する構成とした。このガイドシリンダ３０をツール把
持機構１５で把持し、あらかじめトーチ１２の先端に取
り付け、このガイドシリンダ３０をガイドとしてパーツ
把持機構２３の位置決め，把持，部品の取り外し等の作
業を行う。

【００２５】次に本実施例で説明した消耗品自動交換装
置の交換作業の流れをトーチ１２の消耗品交換を例とし
て図４（ａ)，(ｂ）から図６（ａ)，(ｂ）を用いて説明
する。

【００２６】まず、加工装置２を所定の消耗品交換位置
まで移動させて停止させ、位置決めロボット４の手先の
エンドエフェクタ５のツール把持機構１５でツールパレ
ット７に設置されているガイドシリンダ３０を把持し
て、所定のガイドシリンダ挿入位置に位置決めする。次
に、図４（ａ)，(ｂ）に示すように、位置決めロボット
４を動作させガイドシリンダ３０を徐々に上昇させてト
ーチ１２をガイドシリンダ３０内に挿入する。続いて、
ガイドシリンダ３０に具備されたヘッド把持機構３１に
よりトーチ１２を把持する。最後に、ツール把持機構１
５を解放してガイドシリンダ３０のトーチ１２への設置
を終わる。

【００２７】この後、図５（ａ)，(ｂ）に示すように、
位置決めロボット４の手先のエンドエフェクタ５のツー
ル把持機構１５でツールパレット７に設置されているパ
ーツ把持機構２３を把持して、所定の挿入位置に移動
し、パーツ把持機構２３を徐々に上昇させてガイドシリ
ンダ３０内に挿入し、パーツ把持機構２３でトーチ１２
先端の交換部品３４を把持する。

【００２８】次に、図６（ａ)，(ｂ）に示すように、チ
ャック旋回モータ２４を駆動して交換部品３４を把持し
たパーツ把持機構２３を旋回させ、ねじにより取り付け
られた交換部品３４を取り外し、廃棄物入れ８に入れ
る。この操作を繰り返し、多段の交換部品を逐次取り外
して行く。この時交換部品の把持部位の形状に応じて、
逐次パーツ把持機構２３を交換して作業を進める。続い
て、組立の工程は分解の逆の工程にて実施する。すなわ
ち、部品パレット６より、パーツ把持機構２３により新
規の交換部品を取り込み、ガイドシリンダ３０内に挿入
し、トーチ１２に組み付ける。

【００２９】以上説明した流れで加工装置の遠隔部品交
換が実行できる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、溶
接トーチ，塗装ノズル等の加工装置の使用に伴って消耗
する部品の交換が、人手によらず、加工装置側の可動範
囲に制限を加えることなく実行可能になる。さらに、な
じみ機構とガイドシリンダを介した工具に対する交換部
品の位置姿勢決めにより、機構剛性が低くい等の原因で
位置決め精度の悪い加工装置に対しても柔軟かつ確実に
工具交換作業を実施できる。また、交換する部品によっ
てパーツ把持装置を用意することで、さまざまな加工装
置に適用可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である工具交換装置の制御系
を除いた装置の構成を示す側面図である。

【図２】本発明の一実施例である工具交換装置の制御系
を除いた装置の構成を示す平面図である。

【図３】本発明の一実施例である工具交換装置のエンド
エフェクタの構成を示す断面図である。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例である工
具交換装置のガイドシリンダのトーチへの装着状態を示
す断面図である。

【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例である工
具交換装置のパーツ把持機構のガイドシリンダへの挿入
状態を示す断面図である。

【図６】（ａ）及び（ｂ）は部品交換状態を示す断面図
である。

【符号の説明】

１…消耗品自動交換装置、２…加工装置、３…走行レー
ル、４…位置決めロボット、５…エンドエフェクタ、６
…部品パレット、７…ツールパレット、８…廃棄物入
れ、９…ＴＶカメラ、１０…モニタ、１１…制御装置、
１２…トーチ、１３…姿勢なじみ機構、１４…並進なじ
み機構、１５…ツール把持機構、１６…シャフト、１７
…ステージ、１８…支えバネ、１９…スライダ、２０…
保持バネ、２１…ツール把持モータ、２２…ツールチャ
ック、２３…パーツ把持機構、２４…チャック旋回モー
タ、２５…ベース、２６…ねじ締め倣い機構、２７…パ
ーツチャック、２８…パーツ把持爪、２９…パーツチャ
ックモータ、３０…ガイドシリンダ、３１…ヘッド把持
機構、３２…ヘッド把持モータ、３３…ヘッドパッド、
３４…交換部品。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅原 宣彦 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加工装置に設置したトーチ，ノズル等の工
   具の交換部品を遠隔操作で交換する工具交換装置におい
   て、パーツ把持機構を介して工具からの交換部品の取り
   外し及び工具への交換部品の取り付けを行うエンドエフ
   ェクタと、前記エンドエフェクタを所定の取り替え位置
   に位置決めする位置決めロボットと、位置決めロボット
   の動作範囲内で複数の交換部品を保持する部品パレット
   と、取り扱う交換部品の種類に応じたパーツ把持機構を
   設置しておくツールパレットと、取り外した消耗部品を
   廃棄する廃棄物入れと、ロボット，エンドエフェクタを
   制御する制御装置を具備し、位置決めロボットの設置位
   置を加工装置の動作範囲外に設置したことを特徴とする
   工具交換装置。
2. 【請求項２】円筒多重構造の工具に同心に組み込まれた
   交換部品を把持し引抜き、また工具に対し挿入するパー
   ツ把持機構と、工具の外径面を把持し内壁面にパーツ把
   持機構を滑走させることでパーツ把持機構により把持し
   た交換部品を工具の中心軸に概略平行に誘導するガイド
   シリンダと、パーツ把持機構もしくはガイドシリンダを
   把持し工具に対し位置決めするツール把持機構とから前
   記エンドエフェクタを構成し、位置決めロボットの手先
   に対しパーツ把持機構もしくはガイドシリンダを所定の
   剛性をもって位置決めするなじみ機構をツール把持機構
   に備えたことを特徴とする請求項１記載の工具交換装
   置。