JP2013154454A - 工具位置検出方法、締結作業管理方法、及び、締結作業管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単なデータ処理により、安価な部品を用いて、大きな空間を必要とすることなく締結工具の位置を特定する。
【解決手段】ワークＷの組付面Ｗ１と略並行な測定平面Ｐを設定し、２個の距離センサ２，３を用いて測定平面Ｐ上における各距離センサ２，３とトルクレンチ１との距離β，γを測定する距離測定工程と、距離β，γに基づいて測定平面Ｐ上におけるトルクレンチ１の位置（座標）を算出する工具位置算出工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具位置検出方法、締結作業管理方法、及び、締結作業管理システムに関する。

作業者が締結工具を用いて手作業により部品の組み付けを行う場合、ボルト等の締結部材の締め忘れや締め付け不足等の不具合が生じることがある。このような不具合を目視で確認することは、作業者の負担となる上、確認ミスが生じる恐れがある。特に、複数のボルトを仮締めした後、これらを増し締めして締結を完了する場合、増し締めを忘れていても、目視で判別することはできない。このため、ボルト等が正しく組み付けられているか否かを管理する何らかの対策が必要となる。

例えば、締結工具のトルクを検知し、トルクが所定以上となったら締結が正常に完了したと判定することが考えられる。この場合、複数の組付箇所にボルトを組み付けた後、組付箇所の数と締結完了と判定した回数とが一致すれば、全ての組付箇所にボルトが正しく組み付けられたとみなすことができる。しかし、既にボルトが締結された組付箇所に対して、誤って再び締結を行った場合でも、締結工具のトルクは所定以上となって「締結完了」としてカウントしてしまう。この場合、締結完了と判定した回数が組付箇所の数と一致しても、ボルトが締結されていない組付箇所が生じることになる。このように、締結完了と判定した回数を数えるだけでは、全ての組付箇所の締結状態を管理することができない恐れがある。

そこで、締結工具の位置を検出しながらトルクを検知し、締結工具の位置及びトルクの双方を監視すれば、上記のような不具合を防止することができる。

締結工具の位置を検出する方法としては、例えば、ワークに対してボルトを組み付けている様子をカメラで撮影し、この撮影画像を処理して締結工具の位置を特定する方法が考えられる。しかし、カメラの撮影画像は外乱に影響されやすいため、締結工具の位置を正確に特定することができない恐れがある。また、カメラと締結工具との間には遮蔽されていない空間が必要であるが、かかる空間を組立作業スペースに確保することは難しいことが多い。

一方、特許文献１には、締結工具に超音波発信機を設けると共に、この超音波発信機から発信された超音波を受信する３つの受信アンテナを設けることで、締結工具の位置を検出する方法が示されている。具体的には、超音波発信機から発信された超音波を各受信アンテナで受信することで締結工具と各受信アンテナとの距離を測定し、この距離に基づいて三角測距により締結工具の３次元座標を算出するものである。

特開２００５−１２１１３２号公報

しかし、上記特許文献１の方法では、３つの受信アンテナで測定した距離データを処理して３次元座標を算出する必要があるため、データ処理が複雑となって算出に時間がかかる。また、各受信アンテナは、全方位からの信号（超音波）を受信可能である必要があるため、高価となる。さらに、締結工具の３次元座標を得るためには、３つの受信アンテナをワークの組付面に対して３次元的に配置する必要があるため、少なくとも１つの受信アンテナを組付面から略垂直方向（同文献図１のＺ軸方向）に離反させた位置に配置する必要がある。受信アンテナと締結工具との間には遮蔽されていない空間が必要であるが、受信アンテナを組付面から略垂直方向に離反させることで大きな空間が必要となるため、上記のカメラによる方法と同様に、組付作業スペースへの適用が困難となる。

以上のような事情から、本発明の解決すべき課題は、簡単なデータ処理により、安価な部品を用いて、大きな空間を必要とすることなく締結工具の位置を特定し、これにより締結部材が正しい位置に組み付けられているか否かを管理することにある。

前記課題を解決するためになされた本発明は、ワークの組付面に対して複数の締結部材を組み付けるにあたり、締結工具の位置を検出するための方法であって、組付面と略並行な測定平面を設定し、２個の距離センサを用いて測定平面上における各距離センサと締結工具との距離を測定する距離測定工程と、２個の距離センサで測定した距離に基づいて測定平面上における締結工具の位置を算出する工具位置算出工程とを有するものである。

締結工具の位置を検出するに際し、理想的には、上記特許文献１に示されているように３次元的な位置を検出することが望ましい。しかし、ワークの組付面上における締結工具の位置を検出する場合には、ワークの組付面と略垂直な方向における締結工具の位置はそれほど重要ではない。本発明は、この点に着目してなされたものであり、測定平面をワークの組付面と略並行に設け、２個の距離センサを用いて測定平面上における締結工具の位置を特定するものである。これにより、３個の距離センサの測定データを処理する場合と比べてデータ処理が簡単になる。また、各距離センサは、全方位において距離測定可能である必要はなく、測定平面上における締結工具との距離を測定可能であれば足りるため、センサのコストを低減できる。さらに、組付面と略並行な測定平面上に２個の距離センサを配置することで、距離センサを組付面から離隔した位置に配置する必要がないため、距離センサを設けるスペースを縮小できる。

上記の工具位置検出方法を、ワークの組付面に対して複数の締結部材を締結する締結作業を管理するための方法に適用すれば、ワークの組付面と略並行な測定平面を設定し、２個の距離センサを用いて測定平面上における各距離センサと締結工具との距離を測定する距離測定工程と、２個の距離センサで測定した距離に基づいて測定平面上における締結工具の位置を算出する工具位置算出工程と、工具位置算出工程で算出した締結工具の位置と予め記憶した組付位置とを比較することにより、締結工具の位置の良否を判別する比較判別工程とを有する締結作業管理方法を得ることができる。

このように、締結部材を組み付けるべき組付位置を予め記憶し、算出した締結工具の位置（実際の位置）と予め記憶した組付位置（あるべき位置）とを比較することにより、締結が正しく行われているか否かを判別することができる。

上記の締結作業管理方法は、例えば、測定平面上に距離センサを３個以上配置し、その中から２個の距離センサを選択して距離測定工程を行うことができる。これにより、３個以上の距離センサの中から、条件の良い距離センサ、例えば締結工具との間に遮蔽物のない距離センサを選択して使用することができる。

上記の締結作業管理方法において、締結工具を組付位置に配置した後、締結を開始する前に、距離測定工程、工具位置算出工程、及び、比較判別工程を行い、締結工具が所定の位置であることを確認すれば、締結開始の可否を判断できる。

また、上記の締結作業管理方法において、締結工具によるトルクが所定値に達したときに、距離測定工程、工具位置算出工程、及び、比較判別工程を行うようにすれば、その組付位置の良否を判別できる。この場合、例えば、比較判別工程により締結位置が正しいと判別された回数が、締結部材の組付位置の数と等しくなったら、全ての組付位置に締結部材が正常に取り付けられたと判別することができる。

また、上記の工具位置検出方法を、ワークの組付面に対して複数の締結部材を締結する締結作業を管理するためのシステムに適用すれば、組付面と略並行な測定平面上における締結工具との距離を測定する複数の距離センサと、複数の距離センサのうちの２個の距離センサで測定した距離に基づいて、測定平面上における締結工具の位置を算出する工具位置算出部と、組付面に対する締結部材の組付位置を予め記憶している記憶部と、工具位置算出部で算出した締結工具の位置と記憶部に記憶された組付位置とを比較し、締結工具の位置の良否を判別する比較判別部とを備えた締結作業管理システムを得ることができる。

以上のように、本発明によれば、簡単なデータ処理により、安価な部品を用い、大きな空間を必要とすることなく、締結工具の位置を特定し、これにより締結部材が正しい位置に組み付けられているか否かを管理することができる。

本発明の一実施形態に係る締結作業管理システムの平面図である。 上記締結作業管理システムの側面図である。 上記締結作業管理システムのブロック図である。 上記締結作業管理システムによる締結作業管理方法のフロー図である。 距離センサ及びソケットの平面図である。 他の実施形態に係る締結作業管理方法のフロー図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係る締結作業管理システムは、図１に示すように、ワークＷの組付面Ｗ１に対して締結部材としてのボルト（図示省略）を締結工具としてのトルクレンチ１で組み付けるにあたり、ボルトが全ての組付位置（ボルト穴Ａ₁〜Ａ₆）に正しく組み付けられていることを管理するものである。具体的には、複数の距離センサ、図示例では２個の距離センサ２，３と、距離センサ２，３及びトルクレンチ１と接続されたデータ処理部５（図３参照）とを備える。

トルクレンチ１は、図２に示すように、ソケット１ａと、ソケット１ａの外周に設けられた反射部１ｂと、トルクスイッチ１ｃとを備える。トルクレンチ１は、作業者が手で持ち運びできるものであり、スイッチ（図示省略）を操作することでソケット１ａが回転駆動される。ソケット１ａのトルクが所定値に達したら、ソケット１ａの回転が停止されると共に、トルクスイッチ１ｃがＯＮとなってその信号がデータ処理部５に伝達される。

距離センサ２，３は、図２に示すように、ワークＷの組付面Ｗ１と略並行な測定平面Ｐ上に配置される。尚、以下の説明では、図１に示す測定平面Ｐ上で距離センサ２，３を通る方向をＸ軸方向、測定平面Ｐ上でＸ軸と直交する方向をＹ軸方向、測定平面Ｐと直交する方向をＺ軸方向（図２の上下方向）とする。また、本実施形態では、測定平面Ｐ上における座標を（Ｘ，Ｙ）で表し、距離センサ２の座標を（０，０）、距離センサ３の座標を（α，０）とする。

本実施形態の距離センサ２，３は、測定対象物に対して測定光を照射する照射部（図示省略）と、測定対称物で反射した光を受光する受光部（図示省略）とを備え、受光部で受光した反射光の強度に基づいて測定対象物までの距離を測定するものである。本実施形態では、図２に示すように、トルクレンチ１のソケット１ａの外周面に反射部１ｂが設けられ、距離センサ２，３から発した測定光を反射部１ｂで反射させる。反射部１ｂは、ソケット１ａを各ボルト穴Ａ₁〜Ａ₆に配置したときに常に測定平面Ｐ上に配されるように、軸方向位置及び軸方向寸法が設定される。尚、図示例では、ワークＷの組付面Ｗ１を平坦面としているが、組付面Ｗ１に凹凸があり、ボルト穴Ａ₁〜Ａ₆の位置によってソケット１ａのＺ軸方向位置が変動する場合でも、反射部１ｂが常に測定平面Ｐ上に配されるように、反射部１ｂの軸方向位置及び軸方向寸法が設定される。

データ処理部５は例えばコンピュータであり、図３に示すように、距離センサ２，３及びトルクレンチ１に接続された工具位置算出部６と、記憶部７と、比較判別部８と、カウンター９とを備える。各部位の具体的な機能については、後述する。

次に、本発明の一実施形態に係る工具位置検出方法を利用した締結作業管理方法を説明する。この締結作業管理方法は、図４に示す各ステップＳ０〜Ｓ５を順に経て行われる。以下、各ステップを順に説明する。

まず、準備工程（ステップＳ０）として、ワークＷの組付面Ｗ１と略並行な測定平面Ｐ上に、距離センサ２，３を設置する（図２参照）。このとき、何れのボルト穴Ａ₁〜Ａ₆に対して組付を行う場合でも、ソケット１ａに設けた反射部１ｂが常に測定平面Ｐ上に配されるように、測定平面Ｐを設定する。そして、データ処理部５の記憶部７に、各ボルト穴Ａ₁〜Ａ₆の座標（Ｘ₁，Ｙ₁）〜（Ｘ₆，Ｙ₆）と、組み付ける順番とを記憶させる。

そして、ワークＷの組付面Ｗ１に設けられた複数のボルト穴Ａ₁〜Ａ₆のうち、最初に組み付けを行うボルト穴Ａ₁にボルトを配置し、トルクレンチ１のソケット１ａをボルトに嵌合させる（ステップＳ１）。そして、ソケット１ａを回転駆動してボルトの締結を開始する（ステップＳ２）。そして、トルクレンチ１のソケット１ａの回転トルクが所定値に達したら、トルクスイッチ１ｃがＯＮとなり、締結が完了する（ステップＳ３）。そして、トルクスイッチ１ｃのＯＮ信号がデータ処理部５の工具位置算出部６（図３参照）に伝達される。

工具位置算出部６がトルクスイッチ１ｃのＯＮ信号を受信したら、距離センサ２，３によりトルクレンチ１との距離を測定する（ステップＳ４）。具体的には、各距離センサ２，３の照射部から測定光を照射すると共に、ソケット１ａの反射部１ｂで反射した反射光を受光部で受光し、この反射光の強度に基づいて距離を測定する。このとき、図５に示すように、各距離センサ２，３で測定されるのは反射部１ｂまでの距離β’，γ’であるため、これに反射部１ｂの厚さＴとソケット１ａの半径Ｒを加えることで、各距離センサ２，３とソケット１ａの軸心との正確な距離β及びγが求められる（β＝β’＋Ｔ＋Ｒ、γ＝γ’＋Ｔ＋Ｒ）。

そして、工具位置算出部６で、距離センサ２，３で測定された距離に基づいてトルクレンチ１の座標を算出する。具体的には、図１に示すように、距離センサ２（０，０）、距離センサ３の座標（α，０）、及び、各距離センサ２，３とソケット１ａとの距離β，γから、三平方の定理によりトルクレンチ１の位置、すなわちソケット１ａの軸心の座標（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ５）。

その後、比較判別部８で、工具位置算出部６で算出されたトルクレンチ１のソケット１ａの軸心の座標（ｘ，ｙ）と、記憶部７に予め記憶されているボルト穴Ａ₁の軸心の座標（Ｘ₁，Ｙ₁）とを比較し、トルクレンチ１の位置が正しいか否かを判別する（ステップ６）。具体的には、トルクレンチ１の座標（ｘ，ｙ）とボルト穴Ａ₁の座標（Ｘ₁，Ｙ₁）とが一致したら「締結完了」と判別し、その信号がカウンター９に伝達されて締結完了回数としてカウントする。

一方、トルクレンチ１の座標（ｘ，ｙ）とボルト穴Ａ₁の座標（Ｘ₁，Ｙ₁）が一致しなければ、「締結完了」と判別せず、カウンター９ではカウントされない。従って、既に組み付けが完了したボルト穴に対して再び組み付けを行ったり、順序を間違えて組み付けを行ったりした場合には、「締結完了」のカウントは増えない。尚、ボルトを締め付けるトルクが不足して所定値に達しない場合は、トルクスイッチ１ｃがＯＦＦのままとなり、工具位置算出部６にＯＮ信号が伝達されないため、距離測定工程（ステップＳ４）自体が行われない。従って、位置算出工程（ステップＳ５）及び比較判別工程（ステップＳ６）も行われないため、もちろんカウンター９ではカウントされない。以上のように、ボルトの組み付けが正常に行われない場合は、「締結完了」のカウントは増えない。

その後、ボルト穴Ａ₂〜Ａ₆に対して上記のステップＳ１〜Ｓ６と同様の手順でボルトを組み付ける。そして、全てのボルト穴Ａ₁〜Ａ₆に対する組付作業が終了したときに、カウンター９でカウントされた締結完了回数がボルト穴の数（図示例では６個）と同じであれば、全てのボルト穴にボルトが正常に締結されたとみなされ、ワークＷが次工程に搬送される。一方、カウンター９でカウントされた締結完了回数がボルト穴の数に達していない場合は、次工程に搬送できないようにすることで、締結不良のワークが次工程に流れてしまう事態を防止することができる。

以上のように、組付作業中のトルクレンチ１の座標及びトルクを監視することにより、締結状態の良否判別の信頼性を高めることができる。また、トルクレンチ１の位置を３次元的に検出するのではなく、測定平面Ｐ上において２次元的に検出することで、データ処理が簡略化されると共に、各距離センサ２，３のコストを低減することができる。また、トルクレンチ１のＺ軸方向の位置を検出しないことで、距離センサ２，３を組付面Ｗ１からＺ軸方向に離反させる必要がないため、距離センサ２，３を配置するために要する空間を縮小することができる。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、測定平面Ｐ上に２個の距離センサ２，３を設けた場合を示したが、測定平面Ｐ上に３個以上の距離センサを配置し、そのうちの２個の距離センサを選択して距離測定工程（ステップＳ４）を行うようにしてもよい。この場合、何れかの距離センサとトルクレンチ１の反射部１ｂとの間に遮蔽物がある場合でも、その他の距離センサを選択して距離を測定することができる。

また、上記の実施形態では、締め付けトルクが所定値に達して締結が完了した後、距離測定工程（ステップＳ４）、工具位置算出工程（ステップＳ５）、及び、比較判別工程（ステップＳ６）を行う場合を示したが、これに限られない。例えば、図６に示すように、トルクレンチ１を組付位置に配置した（ステップＳ１）後、ソケット１ａを回転駆動してボルトの締結を開始する（ステップＳ２）前に、距離測定工程Ｓ４、工具位置算出工程Ｓ５、及び、比較判別工程Ｓ６を行ってもよい。これにより、当該組付位置での締結作業の開始の可否を判断することができる。具体的には、例えば、比較判別工程Ｓ６で「工具位置正常」と判別されたらボルト締結を開始し、比較判別工程Ｓ６で「工具位置異常」と判別されたら、トルクレンチ１をロックしてボルト締結を開始できないようにすることにより、誤った位置で組み付けが開始されることを未然に防止することができる。

また、距離センサ２，３が、各距離センサ２，３とトルクレンチ１との距離だけでなく、各距離センサ２，３とトルクレンチ１とを結ぶ直線の基準方向（例えばＸ軸方向）に対する角度η，θ（図１参照）を測定可能なものとすれば、トルクレンチ１の座標（ｘ，ｙ）の信頼性を高めることができる。例えば、（ａ）距離β，γから算出したトルクレンチ１の座標、（ｂ）距離βと角度ηとから算出したトルクレンチ１の座標、（ｃ）距離γと角度θとから算出したトルクレンチ１の座標を求め、（ａ）の座標が（ｂ）及び（ｃ）の座標と一致するか否かを確認することで、信頼性の高いトルクレンチ１の座標が得られる。

１ トルクレンチ
１ａ ソケット
１ｂ 反射部
１ｃ トルクスイッチ
２，３ 距離センサ
５ データ処理部
６ 工具位置算出部
７ 記憶部
８ 比較判別部
９ カウンター
Ａ₁〜Ａ₆ ボルト穴
Ｐ 測定平面
Ｗ ワーク
Ｗ１ 組付面

Claims (4)

1. ワークの組付面に対して複数の締結部材を組み付けるにあたり、締結工具の位置を検出するための方法であって、
   前記組付面と略平行な測定平面を設定し、２個の距離センサを用いて、前記測定平面上における各距離センサと前記締結工具との距離を測定する距離測定工程と、前記２個の距離センサで測定した距離に基づいて前記測定平面上における前記締結工具の位置を算出する工具位置算出工程とを有する工具位置検出方法。
2. ワークの組付面に対して複数の締結部材を締結する締結作業を管理するための方法であって、
   前記組付面と略並行な測定平面を設定し、２個の距離センサを用いて、前記測定平面上における各距離センサと締結工具との距離を測定する距離測定工程と、前記２個の距離センサで測定した距離に基づいて前記測定平面上における前記締結工具の位置を算出する工具位置算出工程と、算出した前記締結工具の位置と予め記憶した組付位置とを比較することにより、前記締結工具の位置の良否を判別する比較判別工程とを有する締結作業管理方法。
3. 前記距離センサを３個以上配置し、その中から前記２個の距離センサを選択して前記距離測定工程を行う請求項２記載の締結作業管理方法。
4. ワークの組付面に対して複数の締結部材を締結する締結作業を管理するためのシステムであって、
   前記組付面と略並行な測定平面上における前記締結工具との距離を測定する複数の距離センサと、前記複数の距離センサのうちの２個の距離センサで測定した距離に基づいて、前記測定平面上における前記締結工具の位置を算出する工具位置算出部と、前記組付面に対する前記締結部材の組付位置を予め記憶している記憶部と、前記工具位置算出部で算出した前記締結工具の位置と前記記憶部に記憶された組付位置とを比較し、前記締結工具の位置の良否を判別する比較判別部とを備えた締結作業管理システム。

Images