KR920006486B1

KR920006486B1 - 정밀자동조립장치 및 이를 이용한 조립방법

Info

Publication number: KR920006486B1
Application number: KR1019870004974A
Authority: KR
Inventors: 히구찌 도시로
Original assignee: 신기쥬 쓰가이 하쓰 지교오단; 아까바네 노부히사
Priority date: 1987-02-20
Filing date: 1987-05-19
Publication date: 1992-08-07
Also published as: EP0283547A3; US4884329A; US4882837A; EP0283547B1; DE3787092T2; KR880009740A; US4882836A; DE3787092D1; EP0283547A2

Abstract

내용 없음.

Description

정밀자동조립장치 및 이를 이용한 조립방법

제1도는 종래예에 다른 RCC 기구의 구성도.

제2도는 제1도의 RCC 기구의 동작 설명도.

제3도는 본 발명의 제1실시예를 나타낸 정밀 자동조립장치의 개략 블록도.

제4도는 제3도에 도시한 정밀자동조립장치의 조립핸드의 단면도.

제5도는 조립핸드에 내장되어 있는 가동체의 위치검출장치로서의 갭센서의 배치를 나타낸 사시도.

제6도는 가동체에 작용하는 힘과 좌표축의 설명도.

제7도는 핀의 삽입작업 공정도.

제8도는 핀 삽입작업에 있어서의 구멍탐색 공정의 설명도.

제9도는 정밀자동 조립작업의 흐름도.

제10도는 핀을 둥글린 구멍에 삽입하는 작업설명도.

제11도는 자기 베어링의 약도.

제12도는 핀에 작용하는 외력과 핀의 접촉점을 추정하는 기법의 설명도.

제13도는 둥글리지 않은 구멍에 관하여 핀이 대략적으로 위치결정된 태양의 설명도.

제14도는 둥글린 구멍에 대해 핀이 대략적으로 위치결경된 태양의 설명도.

제15도는 본 발명의 제2실시예를 나타낸 정밀자동조립장치의 개략 블록도.

제16도는 제15도에 도시된 정밀자동조립장치의 조립핸드를 설명하는 단면도.

제17도는 제16도의 조랩핸드에 내장된 리니어 직류 액추에이터의 단면도.

제18도는 리니어 직류 액추에이터의 고정자극의 단면도.

제19도는 제18도의 화살표 방향(a-a)으로 본 고정자극의 도면.

제20도는 고정자극에 원통형으로 감긴 공심코일의 단면도.

제21도는 공심코일 만의 만면도.

제22도는 본 발명의 제2실시에를 나타낸 리니어 직류 엑추에이터의 단면도.

제23도는 제22도의 화살표 방향(b-b)으로 본 액추에이터의 도면.

제24도는 본 발명의 제3실시에를 나타낸 리니어 직류 에이터의 단면도.

제25도는 제24도의 화살표 방향(c-c)으로 본 액추에이터의 도면.

제26도는 본 발명의 제4실시예를 나타낸 리니어 직류 에이터의 고정자극의 사시도.

제27도는 제26도의 액추에이터에 사용된 코일의 사시도.

제28도는 액추에이터의 단면도.

제29도는 제28도의 화살표 방향(d-d)으로 본 액추에이터의 도면.

제30도는 액추에이터를 갖는 조립핸드의 단면도.

제31도는 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 자동조립핸드의 단면도.

제32도는 제31도의 화살표 방향(e-e)으로 본 액추에이터의 도면.

제33도∼제35도는 본 발명에 따른 전자형 RCC 기구의 설명도.

제36도는 전자형 RCC 기구의 결합된 회로의 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 핸드와의 결합부 2 : 횡방향 콤플라이언스 링크

3 : 회전 콤플라이언스 링크 4 : 콤플라이언스 센터

5 : 병진부 6 : 회전부

7 : 테이블 8,44,63,73,77,104 : 구멍

20,80,140,161 : 외틀 21∼29, 91∼97,166∼170, 186,187 : 갬세서

31∼39, 66,67 : 전자석 40,100,134,182 : 가동체,

41,101,135,173,183 : 척 42,61,69,71,102,136,180 : 핀

43,62,72,76,103 : 부재 44,63,73,77,104 : 구멍

50,110 : 제어장치 51,111 : CPU

52,112 : 메모리 53,113 : 입출력인터페이스

54,114 : 입출력장치 55,115 : 전원

56,116 : 파워제어부 60,118 : 로보트 본체 제어장치

64,78 : 둥글린부분 65,68,172 : 피지지 가동체

81 : 자극 82∼85,120,124,128,141,162∼165 : 고정자극

86∼90,123,127,131 : 공심코일 105 : 굽전선

122 : 원통체 125,129 : 4각 기둥

126 : 4각형 통상부재 130 : -형의 부재

132,142,143 : 한쌍의 고정자극 133,146,147,148 : 구형코일

171 : 스프링 174 : 구형의 삽입부품

175 : 凹부를 갖는 부품 176 : 공기 베어링

177 : 기대 184,185,188,189 : 전자장치

191,192 : 선형연산회로 193,194 : 연산증폭기

본 발명은 핀직립등의 기본적인 작업을 자동적으로 또한 정확하게 행하는 정밀자동조립장치 및 이를 이용한 조립방법에 관한 것이다.

부품에 있는 구멍에 핀을 삽입할 경우에 핀이 대응하는 구멍에 대해 수직이 되도록, 그리고 핀의 중심이 구멍의 중심과 일치되도록 위치 결정이된 상태에서 삽입작업을 행할 수 있는 데에는 문제가 없다. 그러나, 실제작업의 자동화는 로보트 또는 자동 조립기를 이용함으로써 이루어지지만 고정도의 위치 결정과 경사제어를 행하기는 어렵다. 핀과 구멍사이의 간격이 작을 수록 더 어려워진다. 즉 그 문제점은 다음과 같다: (1)핀과 구멍의 중심을 맞추기가 어렵다. (2) 핀을 파지하는 기구가 필요하며 핀의 경사오차를 영으로 하기에 곤란하다. (3) 핀을 구멍의 중심축을 따라서 대응하는 구멍속으로 강하시키는 것이 필요하지만 핀을 정확하게 수직으로 강하시키는 것이 어렵다. 이런 문제점들이 핀직립 작업의 오차의 요인이 된다.

상기 문제점들이 해결되지 않으면, 핀이 구멍에 삽입될 수 없으며 구멍의 도중에서 꽉 달라붙게 되기도 한다.

그래서, 핀과 구멍과의 상대적인 위치를 맞추고 핀의 자세(기울기)의 오차를 수정하기 위하여 핸드가 개발되어 있다.

그런 기술의 일에는 핸드에 유연성을 부여해서 핀디 자동(수동)적으로 구멍에 삽입될 수 있게 하는 것이다. 그런 장치의 대표적인 예는 RCC(remote center compliance)시스템이며, 이것은 핀을 삽입하는 공정중에 핀과 구멍과의 위치 편차와 기울기의 오차를 자동적으로 감소시키는 방향으로 쉽사리 이동하도록 기구와 스프링을 특별히 설계함으로써 구성한 것이다.

이런 종류의 RCC 핸드의 구성은 제1 및 제2도를 참조하여 이후 설명한다.

제1도 및 제2도에 도시된 바와 같이, RCC 핸드 기구는 핸드와의 결합부(1), 횡방향 콤플라이언스 링크 (2), 회전 콤플라이언스 링크(3), 콤플라이언스 센터(4), 병진부(5), 회전부(6), 테이블(7), 및 그 테이블(7)에 설치된 구멍(8)을 포함한다.

이 장치는 틈새가 작은 둥글린 구멍으로 핀을 삽입하는 삽입 작업에 적합하며, 평행사변형 링크로 구성된 병진부(5)와 사다리꼴의 링크로 구성된 회전부와의 조합으로써 이루어진다. 그 링크를 직렬로 등가적으로 나타내면 제2도와 같이 된다. 구멍에 삽입되어질 핀은 조합된 링크의 하단에 부착된다. 따라서, 핀에 수직방향으로 힘이 작용하면, 평행사변형 링크의 작동에 의해서 핀은 그 자세를 유지한 채로 인가된 힘의 방향으로 이동한다. 회전력이 가해질때, 콤플라이언스 선택(4)를 중심으로 하여 사다리꼴의 링크가 작동하므로써 핀이 회전 운동을 하게 된다.

따라서, 구멍(8)이 둥글려져 있고 핀의 하단이 그 둥글린 부분에 접촉하면, 핀은 삽입과 동시에 횡방향으로 힘을 받아서 구멍의 중심방향으로 이동한다. 핀이 경사지게 삽입되면, 콤플라이언스 센터(4)를 중심으로 회전이 일어나고 핀이 구멍의 중심선과 핀의 중심선을 일치시키는 방향으로 이동한다.

상기 RCC 기구로써는 미국특허 제 4,098,001호 명세서, 미국특허 4,439,926호 명세서 및 미국특허 제4,477,975호 명세서(U.S.Cl. 33)등을 예로 들 수가 있다.

상기의 종래 기술에 의하면, RCC 핸드의 센터의 중심 위치가 핀의 선단부와 일치하도록 기구의 치수와 스프링 정수의 배분이 결정된다. 그러므로, 삽입되어질 핀의 길이가 변화하는 경우에는, RCC 핸드는 더이상 효과가 없어진다. 요컨대, 개개의 작업에 대하여 설계된 RCC 핸드를 사용함이 필요하며 그 핸드는 범용성이 부족하다. 게다가, 사용된 스프링이 상당히 유연하기 때문에 핀이 움직여서 구멍에 접근할때 진동이 발생한다. 그 결과 전체조립 작업에 따른 속도가 떨어지며 작업 능률이 떨어진다.

본 발명의 목적은 상기의 문제점을 제거하여 자동적으로 정밀하게 조립 작업을 수행할 수 있는 정밀자동조립장치 및 이를 이용한 조립방법을 제공함에 있다.

본 발명에 따라서, 삽입부재가 장착된 가동체를 지지함과 동시에 그 삽입부재를 복수개의 축을 따라 제어할 수 있는 복수개의 전자장치가 배설된 전자형 손목 기구를 내장한 핸드를 정밀자동조립장치에 구비함으로써 상기의 목적이 달성된다. 부재에 형성된 구멍에 삽입부재를 삽입하는 과정에서 삽입부품에 작용하는 외력과 삽입부품이 부재에 접촉하는 삽입부품의 위치는 적어도 핸드에 내장된 전자장치의 여자코일에 흐르는 전류치에 의거하여 추정된다. 따라서, 삽입부품의 자세와 위치는, 삽입부품을 원활하게 삽입하기 위하여 전자형 손목기구에 의해서 피동적으로 조절되어도 된다. 또한 상기의 목적은 이 장치를 이용한 방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 다른 특징들과 장점들은 첨부한 도면과 함께 설명된 이후의 상세한 설명으로부터 명백하게 알수 있다. 첨부도면에 있어서, 동일한 참조부호는 동일한 혹은 유사한 부품들을 나타낸다.

본 발명의 양호한 실시예들은 첨부한 도면과 함께 이후 상세히 설명된다.

제3∼5도에 보인 바와 같이, 참고부호 20은 5축 제어자기 베어링형 손목 기구를 내장한 핸드의 외틀을 나타낸다. 가동체의 Z축 방향의 위치를 검출하는 위치검출장치로써의 제1갭센서(21), 가동체의 윗축에 대향하는 동일 평면의 고정 측에 제공된 2개의 센서쌍을 형성하는 제2∼제5갭센서(22∼25) 및 가동체의 아랫쪽에 대향하는 동일평면의 고정측에 제공된 2개의 센서쌍을 형성하는 제6∼제9갭센서(26∼29)들은 외틀의 내부에 있다. 전자석(31)은 가동체의 Z축 방향의 위치를 제어하며, 4쌍을 이루는 8개의 전자석은 가동체의 반경방향의 위치와 회전축의 기울기를 제어한다. 참고부호 40으로 나타낸 가동체는 이들 전자석(31∼39)들에 의해 지지된다. 핀(42)이 장착된 척(41)은 가동체(40)의 하단에 제공된다. 참고부호 43은 핀(42)이 삽입되어질 구멍(44)을 갖는 그리고 테이블에 세트된 부재를 나타낸다. 5축 제어자기 베어링형 손목 기구는 제어장치(50)에 의해서 제어된다. 제어장치(50)는 CPU(51), 메모리(52), 입출력 인터페이스(53), 디스플레이를 갖는 입출력장치(54), 전원(55) 및 전원(55)과 입출력 인터페이스(53)에 접속된 파워제어부(56)를 포함한다. 파워제어부(56)의 출력측은 각각 여자 코일을 갖는 전자석(31∼39)에 접속된다. 이들 여자 코일의 여자전류(i₁∼i₉)는 제어장치(50)로 읽혀들여진다. 참고부호 60은 핸드를 제어하는 로보트 보어 제어장치를 나타낸다. 따라서, 5축 제어자기 베어링형 손목 기구는, 갭센서(21-29)에 의해서 가동체(40)의 자세로 검출하고, 가동체(40)의 중심축의 회전운동을 제외하고 5 자유도를 전부 피동적으로 제어할 수가 있다.

가동체(40)에 작용하는 힘 및 좌표계에 대해서 설명하고자 한다.

제6도에 보인 바와 같이, 자기부상장치에 의해서 지지된 가동체(40)는 그 중심(S)에 대해서 축대칭인강체이다. 가동체가 평형상태일때의 가동체(40)의 중심위치를 원점으로 해서, 공간에 고정된 좌표계 O_-xyz는 가동체의 회전축이 Z축과 일치하도록 정해진다. 가동체(40)에 작용하는 각 전자석의 흡인력을 F_k(k=1,···10)로 나타내며, 여기서 F₁은 가동체(40)의 부상력이며 가동체의 Z축 방향의 위치를 제어하는 전자석에 의해 발생된다. F₂∼F₉는 가동체(40)의 회전축을 따라서 중심으로부터 소정의 거리만큼 떨어진 점에 작용한다. 힘 F₂,F₄,F₆및 F₈은 X축을 따라서 작용하며 각각 전자석(32,34,36 및 38)에 의해서 발생된다. 힘F₃,F₅,F₇및 F₉은 Y축을 따라서 작용하며 전자석(33,35,37 및 39)에 의해서 각각 발생된다.

물체에 작용하는 전자석의 흡인력이 다음의 식으로 표현됨은 주지되어 있다.

여기서, B :자속밀도

A :자극면적

μ₀:진공투자율

N :권수

I :전류

X :갬(전자석과 물체와의 거리)

K_F:(μ₀AN²)/8

이하, 이 정밀자동 조립장치의 동작예가 제3 및 7도를 참조하여 X-Z 평면을 써서 설명된다. 실제로는 Z-Y 평면과의 벡터합으로써 현상을 파악할 수 있다.

우선, 핀(42)을 삽입하는 작업에 앞서, 구멍을 갖는 부재(43)가 부착된 테이블(도시되지 않았음)은 이동기구에 의해서 X 및 Y방향으로 대략적으로 위치가 결정되어서 핀(42)과 구멍(44)의 중심위치를 어떤 오차범위 내로 맞춘다.

본 발명의 5축 제어자기 베어링형 손목 기구를 갖는 핸드는, 제7도(a)에 보인바와 같이, 하강되어 핀(42)을 부재(43)와 맞닿게 한다. 이것에 의해서 핀(42)은 대략적으로 위치 결정된다. 핀(42)의 부재(43)와의 접촉으로 인해서 가동체(40)에 작용하는 항력(F_z)에 의한 Z축 방향의 거리의 변화를 검출하는 제1갭센서(21)로 부터의 출력신호(S₁)에 의하여 검출된다.

다음에, 제7도(b)에 보인 바와 같이, 핀(42)을 부재(43)의 구멍(44)속으로 떨어뜨린다. 환언하며, 구멍(44)의 탐색을 행한다. 이 탐색방법은 제3도의 5축 제어 자기 베어링형 손목 기구의 전자석(32,36) 및 전자석(33,37)의 여자전류를 강화시킴으로써, 가동체(40)(제1도 참조)를 통해서 핀(42)을 전자석들의 중간방향에 미소거리 이동하고, 한편, 제3도에 보인 전자석(35 및 39)의 여자전류를 강하게 하여 제8도에 도시된 바와 같이 핀을 Y방향으로 진동시켜서 핀(42)을 미소증분거리(△x)조정하는 것이다. 구멍(44)을 발견할때까지 반복적으로 핀(42)을 미소증분거리(△x)로 이동시킨다. 핀(42)이 구멍(44)에 빠져들어 감으로써 핀(42)에 접속된 가동체(40)에 작용하는 항력(Fz)이 없어졌음을 감지하여 구멍(44)이 발견되었음을 검출한다. 항력(Fz)의 소멸은 Z축 방향의 위치를 검출하는 제1감센서(2l)로부터의 출력신호(S1)로써 검출된다.

이와 같이 하여, 구멍(44)이 탐색되어졌을때 핸드를 -Z방향으로 이동시켜서 핀(42)이 구멍(44)의 벽에 접착하는 지의 여부를 관찰하면서 핀(42)을 삽입한다.

제7도(c)에 보인 바와 같이, 핀(42)이 구멍(44)의 벽에 접착하면 부재(43)와의 접촉에 의한 항력(Fz)이 가동체(40)에 작용한다. 이 상태는 Z축 방향의 위치를 검출하는 제1갭센서(21)로부터의 출력신호(S₁)에 의해서 검출된다. 핀(42)의 경사도(θ)는 구멍(44)이 탐색된 시점으로부터 핀(42)의 구멍(44)에 접착한 시점까지의 Z축 방향의 거리(ι)와 핀(42)과 구멍(44)간의 간격(△W)에 의거하여 검출되며, 제7도(d)에 보인 바와 같이 수정된다.

다음에, 제7도(e)에 보인 바와 같이 핀(42)이 수정된 후에 구멍(44)의 바닥에 닿으면, z축 방향의 위치를 검출하는 제1갭센서(21)로부터 출력신호로써 이를 검출한다.

이에 의하여, 핀 삽입 작업이 자동적으로, 그리고 정확하게 수행될 수 있다.

이후, 본 발명의 정밀자동 조립장치를 사용한 핀조립방법은 제9도에 있는 흐름도에 따라 더욱 상세히 설명된다.

제3도에 보인 5축 제어자기 베어링형 손목 기구의 제어장치(50)에 내장된 메모리(52)의 ROM에는 핀과 구멍간의 간격치(△W), Z축 방향의 한계치(Fs), 전자석(32∼39)에 분배된 전류치와 핀경사도(θ_k)간의 대응테이블을 미리 기억시켜둔다.

(1) 흐름도의 제1단계에서, 핀은 핸드에 부착된다.

(2) 핸드를 로보트 본체 제어장치(60)에, 예를들면 수치제어(NC)장치에 의하여 XYZ의 기본좌표계에서 이동시켜서 핸드에 장착된 핀을 구멍에 대하여 대략적으로 위치결정한다. 구멍을 구비한 부재에 핀이 접촉하면 항력 (Fz)이 가동체(40)에 작용한다. 이 항력(Fz)의 크기는 Z축 방향의 위치를 검출하는 제1갭센서(21)에 의해서 주로 검출되며 전자석(31)의 여자 코일을 통해서 흐르는 전류의 값에 의거하여 검출된다. 항력(Fz)이 어떤 한계치(Fs)에 달할때까지 핀은 계속적으로 구멍에 근접된다. Z축 방향으로의 핸드의 이동은(Fz＞Fs)로 되는 시점에서 신속히 정지된다.

(3) 핀이 구멍과 합치되었는지의 여부를 판단한다. 이 판단은 항력 Fz에 의거하여 행해진다. 만약 합치되었으면, 프로그램은 단계(6)으로 진행된다.

(4) 핀이 구멍과 합치되지 않으면 구멍의 탐색을 행한다. 이 탐색은 예를들면 제8도에 보인 바와 같이 핀을 △X만큼씩 증가시켜 이동시킴으로써 행해진다.

(5) 구멍이 탐색되었는지의 여부 즉 항력(Fz)이 한계치(Fs)보다 작은지의 여부(Fz＜Fs)를 판단한다.

(6) 구멍이 탐색되었음을 나타내는, 다시말해서, Fz

Fs인 상태에서 Fz＜Fs인 상태로 변화하면, 이 시점의 Z축 방향의 위치 Z_l을 독입하고 메모리(52)에 기억시키고 핸드를 하강시킨다.

(7) 핸드의 하강중에, 핀이 구멍의 벽에 접착하고 있는지의 여부를 판단한다. 즉, Fz＜Fs의 상태에서 Fz

Fs인 상태로 변화하는지의 여부를 판단한다.

(8) Fz

Fs 상태로 변화되면, 이 시점의 Z축 방향의 위치(Z8)_v독입하고, 상기 위치 Z₁과 Z₂와의 산술적인 차를 CPU(51)가 계산하여 Z축 방향의 이동거리 Z_D를 구한다. 이 시점의 핀 경사도(θ₁)는 이동거리Z_D와, 메모리(52)에 기억되어 있는 핀과 구멍과의 간격치 △W에 의거하여 구해진다.

(9) 손목 기구에 의하여 핀을 조정함에 따라, 전자석의 여자 코일에 인가된 전류는 핀 경사도(

₁)를 감소시키는 방향으로 분배되며, 이것에 의하여 핀 경사도(θ₁)를 수정한다. 경사도(θ₁)는 미리 기억된 핀 경사도(θ₁)와 전자석(32∼39)에 분배된 전류치와의 테입르을 사용하여 즉시 수정된다. 또한 제1접촉의 시작으로부터 제2접촉이 일어나기까지의 핸드의 이동거리(Z_D)의 간격치(△W)로부터 경사도의 크기 및 방향이 추정된다. 다음에, 2개의 접촉저 중심을 고정점으로 취하여, 이 점을 중심으로 하여 경사도를 감소시키는 방향으로 핀의 경사도를 수정한다.

(10) 핀의 경사도 θ₁이 수정되었을때 핸드는 상술한 바와 같이 다시금 하강된다.

(11) 핀의 선단이 구멍의 바닥에 접촉되어 있는지의 여부, 즉, Fz＜Fs의 상태로 부터 Fz

Fs인 상태로 변화하는 가의 여부를 판단한다.

(12) Fz

Fs인 상태로 변화하면, 핸드의 하강을 중지시킨다.

(13) 핀을 핸드로부터 분리한다.

상기 실시예에 있어서, 부재에 원주형의 구멍이 형성되고 그 구멍에 핀을 삽입하는 경우에 대해서 설명했지만, 다음에 둥글림이 실시된 구멍에 핀을 삽입하는 경우에 대해서 상세히 설명한다.

제10도는 둥글린 구멍에 핀을 삽입하기 위한 작업에 대하여 설명한다. 여기서, 제10도 (a)∼(d)는 삽입공정의 단면도이며, 제10도(i)는 제10도(a)의 평면도이고, 제10도 (ii)는 제10도(b)의 평면도이다.

우선, 제10도(a) 및 (i)에 보인 바와 같이, 부재(62)의 구멍(63)에 둥글린 부분(64)이 헝성된다. 핀(61)은 대략적으로 위치가 결정되므로 그 하단의 원주의 일점이 둥글린 부분(64)에 접촉된다. 만약 핀(64)이 둥글린 부분에 접촉하지 않고 그 외측에 대략적으로 배치되면, 구멍 탐색 공정(상술한 단계(4))을 실행하여서 둥글린 부분(64)을 찾기 위하여 핀을 조종한다. 그리고 이 경우에 구멍탐색 공정을 실제로 둥글린 부분을 탐색하는 것을 뜻한다. 그러나, 최근에는 위치결정의 정밀도를 향상시키기 위하여 시각 센서를 로보트에 장치할 수 있으므로, 그런 로보트가 여기서 사용되면 통례적으로 대략적인 위치결정 단계에서 핀(61)을 둥글린 부분(64)과 접촉시킬 수 있다.

이 경우에, 둥글린 부분(64)의 원추형의 면에 핀(61)의 하단의 원주의 일점이 놓이게 되고, 그 결과로써 Z축 방향(스러스트 방향(thrust direetion))의 항력(Fz)과 구멍(63)의 중심으로 향하는 라디얼 방향(radial direction)의 항력(f_b)이 핀(61)에 작용한다. 이 항력들은 스러스트 및 라디얼 전자석들의 코일의 여자 전류치 및 센서로부터의 갭치를 사용하여 인터페이스(53)를 경유하여 제어장치(50)로 읽어들여, 이들을 써서 상기한 식(a)에 의거하여 CPU(51)에 의해서 연산하여 구한다. 이하 이를 상세히 설명한다.

제11도에 보인 바와 같이, 질량 m을 갖는 피지지 가동체(65)가 전자장치를 구성하는 한쌍의 전자석(66,67)에 의해 지지되는 경우에, 이 가동체(65)에 작용하는 1개의 전자석에 대해서 보면, 상기 식(a)에 나타낸 바와 같이 전자석의 흡인력(F)은 일반적으로,

F= f(i, d)

로 표시되며, 여기서,

i : 전자석에 흐르는 전류

d : 전자석과 가동체간의 갭.

함수 f는 전자석과 가동체의 형상, 치수 및 재질등에 따라서 결정되며, 상기식은 보통 다음과 같이 근사될 수 있다:

가동체(65)가 평행상태일 경우에 전류를 i₀로 갭을 d₀로 나타내면, 식(1)을

로 선형화시킬 수 있으며, 식(2)에서

i=i_o+△₁, d=d_o+△_d그리고 △_f, △_d는 미소변동량이다. 또한

제11도로 돌아가서, 질량 m의 가동체가 1쌍의 전자석(66,67)에 의해 지지되는 경우, X방향만을 본다면,

여기서 △i_l-△i₂=e로 하고, x=0가 위치 관계에 의거하여 평형상태를 나타내는 것으로 하면,

△d_l-△d₂= -2x

다시말해서, X가 증가하면 △d₁은 감소하고 △d₂는 증가한다. 따라서, 식(3)은

로 된다.

변위 X가 검출되고, 그 결과로서, e가

의 관계를 만족시키도록 하면, 식(5)는

로 된다.

(K_lA-2K_d)＞0이 되도록 이득 A를 조정함으로써, 가동체는 안정하게 지지될 수 있다. 또한, 이득 A를 정함으로써 강성의 특성을 임의로 설정할 수가 있다. 이득 B를 조정함으로써, 댐핑(damping) 특성을 제어할 수가 있다.

다음에, 전자 작용력의 추정에 관하여 설명한다.

피지지 가동체에 작용하는 전자 흡인력(F)은 상술한 바와 같이, F=f(i,d)로 표현된다. 그러므로, 가동체(65)에 작용하는 흡인력(F)은 i 및 d를 측정함으로써 구해진다. 더우기, f(i,d)는 실험적으로 결정되며, 상기식(1)에서 K,p,σ는 실험적으로 결정되며, F는 이 근사식에 의하여 i,d로부터 구할 수 있다.

혹은 i,d의 대표점에서의 F를 기입한 ROM을 준비하고, 이 데이타로부터 보간법에 의하여 F를 구하는 방법을 적용시킬 수 있다.

다음에, 피지지 가동체에 작용하는 힘의 크기와 작용점을 추정하는 방법에 관하여 제12도를 참조하여 설명한다.

한개의 평면 즉, X-Z평면내에서 설명한다. 또한, 피지지 가동체(68)의 한단에 핀(6)이 장착되고 중심(G)의 위치를 좌표 원점으로 하여 설명한다.

전자장치를 구성하는 전자석에 의하여 피지지 가동체(68)가 기계적인 접촉이 없는 상태에서 지지되는 때를 평형상태로 한다.

핀(69)의 선단이 접촉할때, 이를 검출하고 Z축 방향의 이송을 정지시킨다. 핀(69)을 이 상태로 유지시켜서, 갭 센서로부터의 갭 검출치와 전자석의 코일의 전류치에 의거하여 상방의 전자석에 의한 라디얼 방향의 지지력의 평형상태로부터의 변화 f₁, 하방의 전자석에 의한 라디얼 방향의 지지력의 평형 상태로부터의 변화 f₂, 그리고 스러스트 방향의 전자석에 의한 지지력의 평형상태로부터의 변화 f₃를 구할 수가 있다.

중심 G로부터 f₁의 작용점까지의 거리를 l₁, 중심 G로부터 f₂의 작용점까지의 거리를 l₂로 나타낸다. l₁,l₂는 구조적으로 결정될 수 있음은 공지이며, 가동체와 전자석과의 상대적 위치의 변화가 미소하기 때문에 l₁,l₂는 변화가 없는 것으로 간주되어도 된다. +Z방향을 정으로 하고 -Z방향을 부로 한다. 그 다음에, F_z, F_b및 Xc를 구한다,

힘의 균형으로부터,

이 성립한다. 이로부터

로 구할 수가 있다.

상기 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, (l₃-l₁),(l₃-l₂)를 알기에는 충분하며, 결과적으로 가동체(68)의 중심의 위치를 알 필요는 없다. 이는 핀(69)의 질량 및 길이의 변화가 있다면, 핀(69)의 길이를 알므로써 대처할 수가 있음을 뜻한다.

따라서, F_z,F_b의 크기 및 접촉점의 위치를 각 요소의 지지력의 평형식으로부터 추정할 수가 있다. 다시말해서, 전자석에 의해서 완전한 비접촉상태로 지지된 가동체가 가동체상에서 일점만으로 기계적 접촉이 되어 있도록 하는 조건하에서 처음으로 상기의 추정이 가능하게 된다.

다음에, 제10도로 되돌아가서, 핀(6l)은 상기한 구멍 탐색공정(단계 (4))에 의하여 둥글린 부분(64)의 내측에서 구멍내부로 조정된다. 제10도(b)에 보인 바와 같이, 핀(61)이 동글린 부분의 내측에서 구멍내부에 도달할때, F_z≥F_s인 상태에서 F_z＜F_s인 상태로 변화된다. 이 조건을 검출하여 핸드를 하강시킨다[상기 단계 (6)].

다음에, 제10도(b)에 보인 바와 같이, 핀의 선단이 구멍의 벽에 접촉하는 지의 여부를 보면서 핀(61)을 구멍(63)에 삽입한다.

이하, 제10도(c) 및 (d)에, 보인 바와 같이, 상기 단계(7)∼(13)에 따라 핀삽입 작업을 수행한다.

핀이 대략적으로 위치결정되는 양상은 이후 설명된다. 이 경우에, 핀는 구멍에 대하여 가극적으로 좌측에 위치하도록 대강의 위치결정을 설정하는 것으로 한다.

[I]둥글리지 않은 구명을 갖는 부재의 경우.

(1) 제13도(a)에서 보인 바와 같이, 핀(71)이 직립 상태이지만 핀의 일부가 부재(72)의 표면에 놓여있는경우, 이 경우에, 상기 단계(4)에 따라, 구멍(73)을 탐색하는 것이 필요하다.

(2) 제13도(b)에 보인 바와 같이, 핀(71)이 직립 상태이지만, 핀(71)의 원주부의 1점이 구멍(73)의 모서리에 접촉하는 경우, 이 경우에, 구멍(73)의 탐색(상기 단계(4))을 행할 필요는 없고 핸드를 하강시킨다(상기 단계(6)).

(3) 제13도(c)에 보인 바와 같이, 핀(71)이 직립 상태이고, 핀(71)과 구멍(73)의 중심축이 일치하는 경우, 이 경우에는, 단순히 핸드를 하강[상기 단계(6)]시켜서 핀(71)을 삽입시킬 수 있다.

(4) 제13도(d)에 보인 바와 같이, 핀(71)이 좌측으로 기울어있고, 핀(71)의 일부가 부재(72)의 표면에 놓여 있는 경우, 이 경우에는, 상술한 바와 같이, 구멍(73)을 탐색[단계(4)]할 필요가 있다.

(5) 제13도 (e)에 보인 바와 같이, 핀(71)이 좌측으로 기울어 있고, 핀의 원주부의 일점이 구멍(73)의 모서리에 접촉하는 경우, 이 경우에는, 구멍(73)을 탐색[단계 (4)]할 필요없이 핸드를 하강[단계(6)]시킨다.

(6) 제13도(f)에 보인 바와 같이, 핀(71)이 좌측으로 기울어 있지만 구멍(73)에 적합한 상태인 경우, 이 경우에는, 핸드를 하강시킬 수 있다[단계(6)].

(7) 제13도(g)에 보인 바와 같이, 핀(71)이 우측으로 기울어 있고, 핀(71)의 일부가 구멍(73)의 모서리에 놓여 있는 경우, 이 경우에는, 구멍(73)의 탐색[단계(4)]을 행할 필요가 있다.

(8) 제13도(h)에 보인 바와 같이, 핀(71)이 우측으로 기울어 있고, 핀의 원주부의 일점이 구멍(73)의 모서리에 접촉하는 경우, 이 경우에는 구멍(73)의 탐색(단계(4))을 행할 필요없이 핸드를 하강시킨다[단계(6)] .

(9) 제13도(i)에 보인 바와 같이, 핀(71)이 우측으로 기울어 있지만 구멍(73)에 적합한 상태인 경우, 이경우에는 핸드를 하강시킨다[단계(6)].

[II]둥글린 구멍을 갖는 부재의 경우.

(1) 제14도(a)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 직립상태이고, 핀(75)의 원주부의 일점이 둥글린(78) 부분에 접촉하는 경우, 이 경우에는, 상술한 구멍(77)의 탐색[단계(4)]를 행할 필요가 있다.

(2) 제14도(b)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 직립상태이고, 핀의 원주부의 일점이 구멍(77)의 모서리에 접촉하는 경우, 이 경우에는, 구멍(77)의 탐색[상기 단계(4)]을 행할 필요 없이 핸드를 하강시킨다[상기 단계 (6)] .

(3) 제14도(c)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 조립상태이고, 핀(75)과 구멍(77)의 중심축이 일치하는 경우, 이 경우에는, 단순히 핸드를 하강[상기 단계(6)]시킴으로서 된(75)을 삽입시킬 수 있다.

(4) 제14도(d)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 좌측으로 기울어 있고 핀(75)의 원주부의 일점이 둥글린 부분(78)에 접촉하는 경우, 이 경우에는, 구멍(77)의 탐색[단계(4)]을 행할 필요가 있다.

(5) 제14도(e)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 좌측으로 기울어 있고 핀(75)의 원주부의 일점이 구멍(77)의 모서리에 접촉하는 경우, 이 경우에는 구멍(77)의 탐색 단계(4)을 행할 필요없이 핸드를 하강시킨다[단계(6)] .

(6) 제l4도(f)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 좌측으로 기울어 있고 구멍(77)에 적합한 상태인 경우, 이 경우에는, 핸드를 하강시킨다[단계(6)].

(7) 제14도(g)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 우측으로 기울어 있고 핀(75)의 원주부의 일점이 둥글린 부분(78)에 접하는 경우, 이 경우에는 구멍(77)의 탐색[단계(4)]을 행할 필요가 있다.

(8) 제14도(h)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 우측으로 기울어 있고 핀(75)의 원주부의 일점이 구멍(77)의 모서리에 접하는 경우, 이 경우에는 구멍(77)의 탐색[단계(4)]을 행할 필요 없이, 핸드를 하강시킨다[단계(6)] .

(9) 제14도(i)에 보인 바와 같이, 핀(75)이 우측으로 기울어 있고 구멍(77)에 적합한 상태인 경우, 이 경우에는, 핸드를 하강시킨다[단계(6)].

항력 F_z, F_b및 핸드의 Z축 방향으로의 이동거리 Z_k를 제어장치에 의하여 감시하므로써 현재 조건이 어떤 형태로 있는가를 판정할 수가 있다.

제14도의 (a),(d) 및 (g)에 보인 경우에는, 상기 단계(4)에 의하여 구멍이 탐색되는 것을 설명하였으나, 후술하는 전자형 RCC 기구를 사용함으로써, 단계(4)에 의존하지 않고서도 구멍을 탐색하여, 핀(75)을 구멍(77)에 끼워맞출 수가 있다.

또한, 삽입될 핀의 길이의 변화에 대하여, 단지 제어장치의 입출력장치(54)로부터의 수치의 입출력장치(54)로부터의 변경만을 행하여서, 기구적 변경을 동반하지 않고, 즉각적으로 대응시킬 수가 있다(제3도).

이하, 제15도 및 제16도를 참조하여 본 발명의 제2의 실시예를 설명한다.

제15도 및 제16도에 있어서, 참고부호 80은 핸드의 외틀을 나타내며, 참고부호 81은 외틀에 부착된 고정자극(자기회로)을 나타낸다. 자극(81) 및 가동체(100)에 부착된 공심코일(86)은 가동체(100)를 Z축 방향을 따라 제어하는 리니어 직류 액추에이터를 구성한다. 외부틀(80)에 부착된 고정자극(82,84)과 가동체(100)에 부착된 공심코일(87,89)은 공히 가동체(100)의 상부를 X축 방향으로 제어하는 리니어 직류 액추에이터를 구성한다. 한편, 고정자극(83,85)과 가동체(100)에 부착된 공심코일(88,90)은 가동체(100)의 하부를 X축방향으로 제어하는 리니어 직류 액추에이터를 구성한다. 가동체(100)의 하부에는 척(101)이 설치되어 있으며, 이 척(101)에는 구멍에 끼워넣을 핀(102)이 장착된다. Z축 방향의 변위를 검출하는 갭 센서(91), X축방향의 가동체의 상부의 변위를 검출하는 갭 센서(92,94)와, X축 방향의 가동체의 하부의 변위를 검출하는 갭 센서(93,95)는 핸드의 외틀(80)내에 설치된다. 또한, 도시하지는 않았지만, Y축 방향의 제어를 행하는 리니어 직류 액추에이터가 전후에 배치되어 있다. 또한 Z축 방향의 갭 센서는, 중앙에 설치된 갭 센서(91)대신, 그 좌,우의 위치에 갭 센서(96,97)를 배치하고, 이들 센서로부터의 검출치의 평균치를 취하여도 좋다. 공심코일에 대한 급전선(feeder line)(105)은 가동체(100)의 이동을 구속하지 않도록 자유도가 있는 배선으로 되어 있다.

유의할점은 점선으로 표시한 부분 즉, 좌측의 리니어 직류 액추에이터를 생략하더라도 우측 및 상부의 리니어 직류 액추에이터에 의해서 충분히 그 기능을 수행할 수 있다는 것이다. 그러나, 매우 정밀한 조립방법을 수행해야 될때는, 예시된 바와 같이, 축대칭 위치에 리니어 직류 액추에이터와 갭 센서를 배치하고 가동체의 양측에 배치된 한쌍의 리니어 직류 액추에이터 및 갭 센서로써 차동적으로 제어 및 갭 검출을 이행하는 것이 좋다. 또한, 상기 실시예에서는, 자극을 고정축에 배치하고 공심코일을 가동측에 설치한다. 그러나, 역으로 공심코일을 고정축에 자극을 가동축에 배치하여도 같은 작용과 같은 효과를 낼 수가 있다. 이와같이 구성하면, 공심코일의 급전선의 배선이 용이하다. 또한 고정자극(82,85) 또는 고정자극(83,84)은 대향되도록 배치, 즉, 서로 다른 높이로 배열되어도 좋다.

참고부호 102는 척(101)에 장착된 핀을 나타낸다. 부재(103)는 테이블에 세트되고 핀(102)이 삽입될 구멍(104)이 형성되어 있다. 이 리니어 직류 액추에이터형 손목 기구는 제어장치(110)에 의해 제어된다. 제어장치(110)은 CPU(중앙처리장치)(111), 메모리(112), 입출력 인터페이스(113), 디스플레이를 갖는 입출력장치(114), 전원(115)과 입출력 인터페이스(113)에 접속된 파워 제어부(116)를 포함한다. 파워 제어부의 출력측은 리니어 직류 액추에이터의 각각에 접속된다. 참고부호 118은 핸드를 제어하는 로보트 본체 제어장치를 나타낸다.

본 발명의 리니어 직류 액추에이터형 손목 기구는 상술한 리니어 직류 액추에이터의 공심코일(86∼90)에 의해서 가동체의 자세를 검출하고, 또한 가동체의 중심축의 회전운동을 제외한 5 자유도를 전부 능동적으로 제어할 수가 있다. 이하, 이를 순차적으로 표시한다.

제17도 내지 제21도를 참조하여 리니어 직류 액추에이터(보이스 코일형 액추에이터(voice coi1-typeactuator))를 상세히 설명한다.

제18도 및 제19도에 보인 바와 같이, 중앙에 원기둥(121)이 형성된 원통체(122)로 이루어진 고정자극(120)이 설치된다. 이 도면들에 보인 바와 같은 자기회로는 방사형의 균등한 자계(H)를 발생한다. 제17도에 보인 바와 같이, 자계중에, 원통형으로 감긴 공심코일(123)이 배치되면 코일(123)에 흐르는 전류 i에 비례하는 전자력(F)이 발생된다. 균등자계의 자속밀도를 B로, 코일과 권수를 n으로 그리고 전류를 i로 나타내면,

F=kㆍnㆍBㆍi

로 표현되며, 여기서 k는 코일의 치수로써 결정된 정수이다. 제20도에 보인 방향으로 코일(123)을 통해 직류전류가 흐르면, 플레밍의 왼속법칙에 따라 화살표 방향의 전자력(F_l)이 발생된다. 직류전류의 방향이 반전되면, 전자력도 반전된다.

이런 종류의 리니어 직류 액추에이터는 가동체와 핀의 무게가 비교적 가벼운 경우에 적합하다. 따라서, Z축 방향의 제어에 관해서는, 자계와 전류의 상호 작용에 의해 중량이 큰 가동체를 용이하게 지지할 수 없는 경우라면, Z축 제어를 위해서 종래의 자기형 스러스트 베어링을 사용하여도 좋다. 검출감도가 크게 요구되지 않는 경우에는, Z축에 대해서 보조적으로 기계적인 스프링에 의해서 가동체가 지지되도록 하여도좋다. 가동체(100)의 회전축(ψ)은 영구자석을 사용하여 비접촉 상태로 유지되거나 또는 회전축(ψ)의 동작만을 지지하는 스프링을 설치하도록 하여도 좋다.

예시된 실시예의 상기 장치를 적용함으로써 많은 장점을 얻을 수 있다.

(1) 힘의 추정을 전류치의 측정만으로 정확하게 행할 수가 있다.

(2) 자계가 일정한 영역에서는 공심코일의 위치에 의하지 않고 상기의 관계를 얻을 수 있다.

(3) 제어계의 선형화를 위한 바이어스 전류가 불필요하다.

(4) 1자유도의 위치의 제어는 1개의 리니어 직류 액추에이터로써도 행할 수가 있다. 즉, 이 리니어 직류액추에이터에 흐르는 전류의 방향이 변하면, 힘의 방향도 변하고, 이것에 의해서 1개의 리니어 직류 액추에이터로써 제어할 수가 있다.

(5) 수 mm∼수 cm의 이동거리를 용이하게 실현할 수가 있다. 따라서, 이 기구가 조립용 핸드로써 이용된 경우에는, 위치 및 자세의 수정범위는 통상의 자기 베어링에 비해 확대된다.

이하, 본 발명의 리니어 직류 액추에이터의 변형예를 제22도 내지 제29도를 참조하여 설명한다.

먼저, 제22도 및 제23도의 실시예는 중앙에 4가 기둥(125)이 형성된 4각형 통상부재(126)로 구성된 고정자극(124)과, 상기 원형 공심코일 대신 4각형 공심코일(127)을 갖는다.

제24도 및 제25도의 실시예는 중심에 4각기둥(129)이 형성된 -형의 부재(130)로된 고정자극(128)과 각 기둥(129)에 감긴 4각형 공심코일(131)을 갖는다.

제26도 내지 제29도의 실시예에서는, 제26도에 도시된 바와 같이 한쌍의 고정자극(132)을 마주대하여 배치하고, 그 균등자장내에 제27도에 도시된 바와 같은 구형코일(133)을 배설한다. 제28도에 보인 바와 같은 구형코일(l33)을 통해서 직류 전류가 흐를때, 플레밍의 왼손법칙에 따라서 화살표 방향으로 전자력 F₂가 발생된다. 직류 전류의 방향이 역으로 되면, 전자력 F₂의 방향도 또한 역으로 된다.

이들 리니어 직류 액추에이터를 복수개 조합하여 제30도에 도시된 자동 조립 핸드를 구성할 수가 있다. 제30도에서, 참고부호 140은 핸드의 외틀, 참고부호 141은 그 외틀(140)에 고정된 한쌍의 고정자극(제28도의 고정자극(132)에 대응)을 나타낸다. 고정자극(141)과 구형코일(146)(제28도의 구형코일(132)에 대응)은 Z축 방향의 제어를 행하는 리니어 직류 액추에이터를 구성한다. 마찬가지로, 한쌍의 고정자극(142)과 구형코일(147)은 핸드의 상부에서의 X축 방향의 제어를 행하는 리니어 직류 액추에이터를 구성하며, 한쌍의 고정자극(143)과 구형코일(148)은 핸드의 하부에서의 X축 방향의 제어를 행하는 리니어 직류 액추에이터를 구성한다.

역시, 점선으로 표시된 한쌍의 리니어 직류 액추에이터가 생략되더라도, 상기 기구는 조립핸드의 기능을 달성할 수가 있다. 각 코일에는 급전선(149)을 동해서 전류가 공급된다.

이와 같이 구성하므로써, 가동체의 자세를 제어할 수가 있다. 예를들면, 제15도에 도시된 바와 같이, 가동체(100)가 평형 상태일때의 리니어 직류 액추에이터의 공심 코일에 공급된 전류치를 기준치로서 미리 제어장치(110)에 기억시킨다. 가동체(100)가 평형상태로부터 변화되었을때의 리니어 직류 액추에이터의 공심코일의 전류의 변화치를 검출하여, 이 검출치에 의거하여 리니어 직류 액추에이터의 공심코일의 전류분배를행하며, 이것에 의해서 가동체(100)의 자세를 제어할 수가 있다. 이 경우에, 공심코일의 전류 변화치와 이에 따른 가동체(100)의 자세를 제어하기 위해 공심코일에 분배되는 전류치를 테이블화하여 미리 메모리(112)에 기억시켜 둠으로서 순시에 가동체(100)의 자세를 제어할 수 있다.

도시하지는 않았지만 적어도 가동체의 전과 후에 2단으로 한쌍의 고정자극과 그들의 구형코일을 배설하여 X축방향의 제어와 마찬가지로 Y축 방향의 제어를 행하는 리니어 직류 액추에이터를 설치할 수도 있다. 제30도에서, 참고부호 134는 가동체, 참고부호 135는 척, 참고부호 136은 구멍에 삽입될 핀을 나타낸다.

이 실시예는 작은 핀등을 삽입할때 사용하는 핸드로써의 사용에 적합하다.

또한, 상술한 자동조립 핸드는 제5도 내지 제8도에 도시된 것과 같이 핀을 직립시키는데 사용될 수 있다. 또한, 피지지 가동체에 작용하는 힘의 크기와 작용점의 추정법도 제9도 및 제10도에서 설명한 것과 같게 수행할 수가 있다. 그러나, 상기 방법은 제9도에서 보인 전자석 대신 리니어 직류 액추에이터를 사용함으로씨 효력이 있다. 본 발명의 다른 일 실시예는 제31도 및 제32도에 도시되어 있으며, 참고부호 160은 로보트 혹은 조립기의 위치결정기구, 참고부호 161은 핸드의 의틀, 참고부호 162 내기 165는 리니어 직류 액추에이터이 고정자극, 참고부호 166 내지 170은 갭센서, 참고부호 171은 스프링, 참고 부호 172은 피지지가동체, 참고부호 175는 凹부를 갖는, 부품, 참고부호 176은 공기 베어링, 그리고 참고부호 177은 기대이다.

제31도 및 제32도에 보인 바와 같이, 구멍의 삽입부품(174)이 기대(177)에 놓여 있는 부품(175)의 요부내에 끼워넣을 경우, 리니어 직류 액추에이터에 의한 X-Z면상에 제어가 매우 중요하다. Y방향에 관해서는, 가동체(172)에 작용하는 X-Z면 성분의 힘을 최소로 하는 지지기구, 예를들면 공기베어링을 사용하는 것이좋다. 또한, 볼베어링의 볼에 의해서 가동체를 지지해도 좋다.

Z방향에 관해서는, 가동체를 스프링에 의해서 지지할 수도 있으며, 이 경우의 스프링의 힘은 Z축방향의 최대탄성한계점과 일치하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 이 실시예는 2차원 평면상에서 수행되는 조립 작업에 적합하다. 조립작업에 직접 관여하는 X-Z면 내에서의 지지력의 제어 이외에는 스프링, 볼, 로울러, 공기 베어링등에 의한 지지기구를 사용하는 것도 좋다.

이하, 본 발명의 조립장치(전자형 RCC 기구)를 이용한 조립방법의 일예를 설명한다.

RCC 기구는 스프링을 이용하여 기계적으로 구성되어 있으며, 핀의 선단부에 힘이 작용할때, 이 힘에 응하여 핀의 강성의 중심이 핀의 선단의 중심의 위치가 되도록 고안되어 있다.

이에 관하여 제33도를 참조해서 X-Z 평면에 대해서 설명한다.

(1) X방향의 힘 F_b가 핀(180)의 선단부에 가해질때, 핀(180)이 병진하도륵 변위된다.

(2) Z방향의 힘 F_z에 응하여, 이 힘의 작용에 의해서 생긴 모우멘트에 의해서 RCC 점(181)을 중심으로 핀(180)이 회전 변위한다.

핸드는 상기 조건(1) 및 조건(2)를 만족시키는 탄성계가 구비되어 있다.

제34도에 있어서, 핀(183)이 가동체(182)에 장착된 경우, P₀는 핀(183)의 선단의 중심을 나타내며, x₁은 P₀로부터 거리 I_l1의 점 P₁의 x방향의 변위, x₂는 P₀로부터 거리 I_2l의 점 P₂의 x방향의 변위이다. 상기한 핸드로써 P₁점에 힘 f_1l이 P₂점에 힘 f_2l이 작용하도록 할 수 있다.

지금, 점 P₀로부터 거리 a만큼 떨어진 핀(183)상의 한정이 부재에 있는 구멍의 모서리에 접촉해서 외력f_b, f_z이 핀(183)에 작용하는 경우에, 힘의 평형으로부터

를 만족시키는 것이 필요하다.

이때에, RCC 기구의 기능은 다음식을 만족시켜야 한다.

여기서 X_b1은 F_b에 대한 점 P₁의 변위의 변화를 나타내며, X_b2는 F_b에 대한 점 P₂의 변위의 변화를 나타내고, x_z1은 aㆍF_z에 대한 점 P₁의 변위의 변화를 나타내며 x_z2는 aㆍF_z에 대한 점 P₂의 변위의 변화를 나타내고, k_b는 F_b에 대한 강성 계수이며, k_z는 aㆍF_z의 모우멘트에 대한 강성계수이다.

전자장치에 의한 가동체의 지지기구에 있어서, f_l1, f₂₁은 x₁, x₂에 대해서 다음의 관계로써 구할 수가 있다.

여기서 k_l1, k₁₂, k₂₁, k₂₂는 귀환이득(feedback gain)이다.

x₁, x₂는 최소한 2개의 갭센서로부터의 검출치를 이용하여 선형 연산에 의해서 결정할 수가 있다. 즉,x₁, x₂는 제어장치에 있는 연산 증폭기 또는 컴퓨터에 의해서 연산가능하다.

상기 k_ll, k₁₂, k₂₁, k₂₂의 값은 상기 식 ① 내시 식 ⑥을 만족시키도록 결정될 수 있다. 이하, 이를 상세히 설명한다.

[1] F_z=0인 경우를 생각하자. 즉, 힘 F_b만이 가해졌다면, 상기 식 ① 및 ②로부터

상기 식 5 및 식 6으로부터

상기 식③과 식 ⑪로부터,

상기 식 ④ 및 식 ⑪로부터

상기 식 ⑨에 상기 식 ⑦ 및 식⑧을 대입하면,

그리고, 여기에 상기 식⑬ 및 식⑭를 대입하면,

또한 상기 식 ⑩, ⑦, ⑧과 상기 식 ⑬, ⑭로부터,

[2] 다음에, F_b=0인 경우를 고려하면, 즉, 힘 F_z만이 가해졌을 경우에는,

상기 식 ① 및 식 ②로부터,

상기 식 ③, ④, ⑤ 및 식 ⑥으로부터,

상기 식 ⑦ 및 식 ⑧로부터,

또한, 상기 식 (18), (20), (21) 및 식 (22)로부터

그러므로,

상기 식 (19), (7), (8)로부터

또한, 상기 식 (20) 및 식(21)로부터

힘 F_b및 힘 F_z가 모두 가해졌을 경우에는, 이들을 중첩할 수가 있다. 따라서, k₁₁, k₁₂, k₂₁, k₂₂를 식(i),(ii),(iii) 및 식(iv)로부터 결정할 수가 있다.

특히,

상기 (i)'∼(iv)'의 연립 방정식은 4개의 미지수 k₁₁, k₂₁, k₁₂, k₂₂에 대하여 4개의 독립식이 존재하기 때문에 해를 구할 수가 있다. 상기 연립 방정식을 풀면,

따라서,

그러므로,

이 3원 1차 방정식을 풀면 결국 해는 다음과 같다.

이러한 관계를 만족시키도록 k₁₁, k₂₁, k₁₂, k₂₂가 결정되면 된다.

특히, F_b에 의한 병진 운동에 대한 강성계수 k_b와 F_z에 의한 RCC 점 주위의 회전운동에 대한 강성계수 k_z를 설정한 경우에 대하여 k_l1, k₂₁, k₁₂, k₂₂를 결정할 수 있다.

따라서, 제35도에 도시된 바와 같이, 전자 장치(184,185)와 갭센서(186,187)는 구멍에 삽입되어질 핀(183)이 부착된 가동체(182)에 대향하여 설치되며, 가동체(182)는 제36도에 보인 회로 구성으로써 제어된다. 갭신호(g₁, g₂)는 각각의 갭센서(186,187)로부터 얻어서 선형연산회로(191)에 입력되며, x₁, x₂는 선형연산회로(191)에 의해 출력된다. 이 신호들은 선형연산회로(192)에 입력되며, 이 선형연산회로(192)는 이신호들을 이용하여 전자력 f_l1, f_2l의 지령치 f_c1, f_c2를 각각 발생시킨다. 이 지령치 f_c1, f_c2는 연산증폭기(193,194)에 가해져서, 여기서 현재의 전자장치(184,185)로부터의 여자 전류와 비교되며, 전자력 f₁₁, f₁₂가 발생된다. 제35도에서, 참고부호 188,189는 전자 장치를 나타낸다. 제36도에서, a_l1, a₁₂, a₂₁, a₂₂는 갭센서의 위치에 의해서 정해진 계수이다.

일반적으로, 갭센서 출력 신호는 제어장치에 독입되어서, 제어장치 내에서 상기한 연산처리들이 실행되어서 전자력 f₁₁, f₂₁을 발생시킨다.

핀이 비접촉 상태로 지지된 경우와 핀의 선단이 구멍을 갖는 부재에 접촉한 경우에 안전성을 증가시키기위하여 댑핑(damping)을 가할 필요가 있다. 이 경우에 있어서,

로 되도록, x₁, x₂에 대해서 f₁₁, f₂₁을 발생하도록 제어계를 구성함으로써 임의의 댐핑 특성을 설정할 수가 있다.

여기서, x_l, x₂는 x₁, x₂의 시간 미분을 나타내며, 일반적으로,

의 관계로부터 구해진다.

이 경우에는, Z축 방향에 관하여 비접촉 지지가 특별히 요구되지 않으므로, 이 축방향의 지지를 스프링등으로 행하여도 좋다. 이렇게 구성하면, f₁₁은 x₁으로부터 뿐만 아니라 x₁과 x₂로부터 정해질 수 있으며 f₂₁은 x₂로부터 뿐만 아니라 x₁과 x₂로부터 정해진다.

따라서, RCC 핸드에 의해 행해진 것과 등가이며 더 한층 기능이 부가된 정밀자동 조립을 행할 수가 있다.

지지요소로서의 전자 장치의 이득을 조정하므로써 임의의 위치에 콤플라이언스 센터를 설정할 수가 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 이룰 수가 있다.

(1) 구멍에 삽입되어질 핀의 길이에 변화가 있는 경우에, 어떤 기계적인 변경을 수반하지 않고서도 즉시처리될 수 있다. 그러므로 본 발명은 탄력적으로 사용될 수 있다.

(2) 손목기구에 연결된 핸드의 이동시에, 손목기구의 강성을 높여서 진동을 억제시킬 수 있다. 이는 작업능률을 향상시킨다.

(3) 핀이 전자 손목기구에 의해 지지되므로, 핀이 구멍을 갖는 부재의 표면에 충돌할때 받는 충격은 핀이 강체에 의해 지지된 종래의 장치에 비해 적다.

본 발명의 정신과 그 범위를 벗어나지 않고서, 명백하고도 광범위하게 많은 다른 실시예들을 만들 수 있으므로, 본 발명은 첨부한 특허청구의 범위에 명기된 일정한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.

Claims

부재에 형성된 구멍에 삽입부품을 끼어넣기 위한 정밀자동 조립장치에 있어서, a) 이동 가능한 핸드와, b) 상기 핸드에 조립된 가동체와, c) 상기 가동체를 지지함과 동시에 복수개의 축 방향으로 상기 가동체를 제어하기 위하여 복수개의 전자 장치를 구비하는 전자형 손목 기구와, d) 상기 가동체의 위치를 검출하기 위한 위치검출 장치와, e) 상기 가동체의 선단부에 장착된 상기 삽입부품과, f) 상기 삽입부품을 상기구멍에 삽입할때에, 상기 뼉뚤부품에 작용하는 외력과 상기 삽입부품이 상기 부재에 접촉하는 위치를 상기위치 검출장치로부터의 출력신호와 상기 전자장치의 여자코일의 전류치에 의거하여 추정하는 수단과, g)상기 수단 (f)로부터의 출력신호에 의거하여 상기 삽입 부품의 상태를 조정하는 장치를 포함하는 정밀자동조립장치.
제1항에 있어서, 각각의 상기 전자 장치는 전자석을 포함함을 특징으로 하는 정밀자동 조립장치.
제1항에 있어서, 각각의 상기 전자 장치는 공심 코일과, 거기에 대응하는 자극을 구비한 리니어 직류 액추에이터를 포함함을 특징으로 하는 정밀자동 조립장치.
제1항에 있어서, 상기 가동체의 선단부에는 상기 삽입부품이 장착되도록 한 척이 구비되어 있음을 특징으로 하는 정밀자동 조립장치.
부재에 형성된 구멍에 삽입부품을 끼워넣기 위한 정밀 자동 조립장치에 있어서, a) 이동 가능한 핸드와, b) 상기 핸드에 조립된 가동체와, c) 상기 가동체를 지지함과 동시에 상기 가동체를 복수개의 축 방향으로 제어하기 위한 공심 코일과 거기에 대응하는 자극을 구비한 리니어 직류 액추에이터와, d) 상기 가동체의 선단부에 장착된 상기 삽입부품과, e) 상기 삽입부품을 상기 구멍에 삽입시킬때, 상기 삽입부품에 작용하는 외력과 상기 삽입부품이 상기 부재에 접촉하는 위치를 상기 리니어 직류 액추에이터의 공심코일의 전류치에 의거하여 추정하는 수단과, f) 상기 수단(e)로부터의 출력신호에 의거하여 상기 삽입부품의 상태를 조정하는 장치를 구비하도록 한 것을 특징으로 하는 정밀자동 조립장치.
제5항에 있어서, 상기 가동체를 Z축 방향으로 지지하기 위한 스프링을 구비하도록 한 것을 특징으로 하는 정밀자동 조립장치.
제5항에 있어서, 상기 삽입부품이 원기둥형의 핀임을 특징으로 하는 정밀자동 조립장치.
제5항에 있어서, 상기 삽입부품이 각 주형의 핀임을 특징으로 하는 정밀자동 조립장치.
부재에 형성된 구멍에 삽입부품을 끼워넣기 위한 정밀자동 조립방법에 있어서, a) 삽입부품이 장착된 가동체를 지지함과 동시에 복수의 축 방향으로 상기 가동체를 제어하기 위한 복수의 전자장치를 구비하는 전자형 손목기구를 갖는 핸드를 이동 가능하게 배치하는 단계와, b) 상기 핸드에 의해서 상기 삽입부품을 상기 부재의 구멍에 대해 대략적으로 위치 결정하고, 그때에 상기 삽입부품에 작용하는 외력과 상기 삽입 부품이 상기 구멍에 접촉하는 점의 위치를 검출하는 단계와, c) 상기 삽입부품의 선단부에 수평방향의 힘이 가해진 경우에 상기 전자 장치에 의해서 상기 삽입 부품을 병진시키고, 상기 삽입부품의 선단부에 상기 삽입부품을 회전시키는 힘이 가해진 경우에, 상기 전자 장치에 의해서 상기 삽입부품을 그것의 콤플라이언스 센터를 중심으로 회전시키는 단계와, d) 상기 삽입 부품의 상태를 조정하면서 상기 삽입 부품을 상기 구멍에 삽입하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 정밀자동 조립방법.
제9항에 있어서, 상기 (d)에 의한 삽입부품의 상태의 조정은 상기 삽입부품의 상기 구멍에의 삽입이동거리와, 상기 삽입부품과 상기 구멍간의 틈새의 양에 의거하여 행하도록 한 것을 특징으로 하는 정밀자동 조립방법.