JP2015147265A - 組み立て装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用性に富み種々の作業工程に適用し得る組み立て装置を提供する。【解決手段】組み立て装置１は、搬送装置３０上の作業対象となる部品４０、４１、４２の上下方向に設定されるＺ軸方向、並びにＺ軸と直交する平面内で互いに直交する方向に設定されるＸ軸方向及びＹ軸方向のいずれにも移動可能で、作業内容に応じてハンドを交換可能なロボット５、６、２１を備え、ロボット５、６、２１が部品４０、４１、４２に対して作業を行なう。さらに、組み立て装置１は撮影した画像に基づいて部品４２の状態を判定する品質確認用画像認識装置２０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ワークに部品を自動的に組み付ける組み立て装置に関する。

生産ラインで用いる組み立て装置として、特許文献１に、ワークに対して鉛直方向（Ｚ軸方向）に昇降可能な複数のＺ軸ユニットと、Ｚ軸ユニットに装着された組み付け作業等を行なうハンドと、を備える構成の装置が開示されている。この組み立て装置によれば、一つの作業ステーションで複数の部品を組み付けることが可能となり、生産ラインの長大化を防止できる。また、Ｚ軸ユニットに装着するハンドの変更や、複数のＺ軸ユニットのレイアウト変更によって、生産工程の変更、追加や、生産する製品の変更に対応することができる。

特開平５−０８４６７６号公報

しかしながら、上記文献の組み立て装置は検査システムを備えていない。このため、例えば上記文献の組み立て装置を、インバータの生産ラインにおける、基板をパワーモジュールにハンダ付けする工程に用いると、基板にひび割れがあっても発見できずにハンダ付けを行なうこととなる。基板のひび割れは下流側に検査工程を設ければ発見できるものの、ハンダ付け後のパワーモジュールは再利用できず廃棄することとなるので、生産コストの悪化を招く。したがって、上記文献の組み立て装置は、適用し得る工程が限られる。

そこで、より広範な作業工程に適用し得る組み立て装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、搬送装置上の作業対象となる部品の上下方向に設定されるＺ軸方向、並びにＺ軸と直交する平面内で互いに直交する方向に設定されるＸ軸方向及びＹ軸方向のいずれにも移動可能で、作業内容に応じてハンドを交換可能なロボットを備え、ロボットが部品に対して作業を行なう組み立て装置が提供される。組み立て装置は、撮影した画像に基づいて部品の状態を判定する品質確認用画像認識装置を備える。

上記態様によれば、組み立て装置は、品質確認用画像認識装置を備えることにより、組み立て装置内での品質保証が可能となっているので、汎用性が高く、種々の作業工程に適用することができる。

図１は、組み立て装置の斜視図である。 図２は、パワーモジュールに基板を取り付ける作業のフローチャートの一部である。 図３は、パワーモジュールに基板を取り付ける作業のフローチャートの他の一部である。 図４は、画像認識装置の撮影画像の一例を示す図である。 図５は、画像認識装置の撮影画像の他の例を示す図である。 図６は、画像認識装置の撮影画像のさらに他の例を示す図である。 図７は、（Ａ）が基本生産ライン、（Ｂ）が生産工程の一部の順序を入れ替えた場合、（Ｃ）が新たな工程を追加した場合、を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る組み立て装置１を示す斜視図である。以下の説明において、搬送装置３０の上下方向をＺ軸、搬送装置３０により部品等が搬送される方向をＸ軸、Ｚ軸と直交する平面内でＸ軸と直交する軸をＹ軸とする。

組み立て装置１は、ベース８と、ベース８に支柱９を介して固定された互いに平行な一対のレール１０と、を含んで構成される。

組み立て装置１は、レール１０がＸ軸方向と一致し、Ｙ軸方向で搬送装置３０が一対のレール１０に挟まれ、かつ、Ｚ軸方向で搬送装置３０がベース８と一対のレール１０に挟まれるように設置される。

一対のレール１０には、Ｙ軸と平行にＸ軸スライダ２が掛け渡されている。なお、図１には２本のＸ軸スライダ２が示されているが、少なくとも１本以上であればよい。以下の説明において、２本のＸ軸スライダ２を区別する必要がある場合は、搬送方向前側をＸ軸スライダ２Ａ、搬送方向後側をＸ軸スライダ２Ｂとする。

Ｘ軸スライダ２は、レール１０の上面に設けられたガイドに沿って移動することができる。すなわち、Ｘ軸スライダ２はＹ軸方向と一致した状態のまま、Ｘ軸方向に移動することができる。Ｘ軸スライダ２の移動には、リニアモータ１１を用いる。ただし、リニアモータ１１のようにＸ軸スライダ２を高速移動させることができるものであれば、他の駆動源を用いてもよい。

Ｘ軸スライダ２には、Ｘ軸スライダ２に設けたガイドに沿って移動可能にＹ軸スライダ３が支持されている。図１では、各Ｘ軸スライダ２にＹ軸スライダ３が２個ずつ支持されているが、これに限られるわけではない。Ｙ軸スライダ３の移動には、Ｘ軸スライダ２と同様にリニアモータを用いる。以下の説明において、Ｙ軸スライダ３を区別する必要がある場合は、Ｘ軸スライダ２Ａに支持されるものをＹ軸スライダ３Ａ、３Ｂ、Ｘ軸スライダ２Ｂに支持されるものをＹ軸スライダ３Ｃ、３Ｄとする。

Ｙ軸スライダ３には、Ｙ軸スライダ３に設けたＺ軸方向に延びるガイドに沿って移動可能にＺ軸スライダ４が支持されている。Ｚ軸スライダ４の移動にも、Ｘ軸スライダ２と同様にリニアモータを用いる。以下の説明においてＺ軸スライダ４を区別する必要がある場合は、Ｙ軸スライダ３Ａ−３Ｄに支持されるものを、それぞれＺ軸スライダ４Ａ−４Ｄとする。

上記構成により、Ｚ軸スライダ４はＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の３軸方向のいずれにも移動可能となっている。

本実施形態では、組み立て装置１をインバータ生産ラインに適用し、パワーモジュール４０に基板４２を取付ける工程に使用する。

Ｚ軸スライダ４Ａにはハンダ付け装置２１が取り付けられ、Ｚ軸スライダ４Ｂには品質確認用画像認識装置２０が取り付けられ、Ｚ軸スライダ４Ｃには組み付けハンド５が取り付けられ、Ｚ軸スライダ４Ｄにはナットランナ６が取り付けられている。ハンダ付け装置２１、組み付けハンド５、及びナットランナ６は、いずれもＺ軸スライダ４に取り付けられたロボットのハンドである。つまり、ロボットのハンドとは、組み付けハンド５のように物を掴む機能を有するものに限られず、ロボットに取り付けられる作業用ツールを指す。

ナットランナ６は、ボルト、ビス等のネジ状部材を締め付けるためのツールである。なお、組み立て装置１が備えるマガジン７には、ソケットサイズの異なる複数のナットランナ６が保持されており、Ｚ軸スライダ４Ｄに取り付けたロボットは、ツールチェンジ機能によりナットランナ６を自動交換することができる。

また、Ｚ軸スライダ４Ｄには、ナットランナ６の他に、ネジ状部材の頭部の位相を確認する為のワーク側位相確認用画像認識装置２２が取り付けられている。そして、組み立て装置１のベース８の上には、ナットランナ６のソケットの位相を確認するためのナットランナ位相確認用画像認識装置２３が設置されている。

なお、搬送装置３０は、パワーモジュール４０を載せるワーク用パレット３１と、パワーモジュール４０に組み付ける部品を載せる部品供給パレット３２とが一緒に搬送される構成となっている。

次に、上述した構成の組み立て装置１が実行する作業について説明する。

ワーク用パレット３１にはパワーモジュール４０が載せられ、部品供給パレット３２には蓋４１と基板４２とが載せられている。なお、基板４２はパワーモジュール４０にボルト留めされるものであり、ボルト孔にボルトが挿入された状態で部品供給パレット３２に載せられている。これは、部品組み立て工程においてボルト孔へのボルト供給に要する時間を省略するためである。

図２、図３は、一方の部品に他方の部品を組み付けて、ボルト留めする作業のフローチャートである。ここでは、パワーモジュール４０に基板４２を取付ける場合を例に説明する。

ワーク用パレット３１が予め設定した定位置まで搬送されたら（Ｓ１０）、ワーク用パレット３１を停止させ、固定する。すなわち、パワーモジュール４０を固定する（Ｓ２０）。

そして、まずナットランナ６の交換の要否を判定する（Ｓ３０）。つまり、現在のナットランナ６が基板取り付け用のボルトに適したものであるか否かを判定する。

交換が必要な場合には、マガジン７に保持されているものから適切なものを選択して自動交換する（Ｓ４０）。ナットランナ６を自動交換したら、ナットランナ位相確認用画像認識装置２３により、交換後のソケットの位相を認識する（Ｓ５０）。

ナットランナ６の交換不要な場合、及びＳ５０でソケットの位相を認識した後は、組み付け前検査の要否を判定する（Ｓ６０）。組み付け前検査とは、本工程での作業前の部品について、画像認識装置を用いて不良部位の有無を確認する検査である。作業対象となる部品が基板４２の場合には、組み付け前検査により、回路の切れ、基板４２の亀裂等といった不良部位の有無を確認することとなる。不良部位を有する基板４２を作業前に発見できれば、ただちに正常な基板４２に取り換えることにより、組み付け工程のやり直し等を回避できる。特に、基板４２のように組み付け後にハンダ付けを行なう部品の場合には、不良部位の発覚がハンダ付けの後になると、分解してから再組み付けすることはできず、廃棄するほかないので、組み付け前検査を行なう意義がある。なお、再組み付けが容易に可能な部品であれば、組み付け前検査をしなくてもよい。

組み付け前検査を実施する場合には、品質確認用画像認識装置２０を基板４２の上方に移動させ（Ｓ７０）、基板４２を撮影した画像に基づいて不良部位の有無を確認する（Ｓ８０、Ｓ９０）。

図４は、品質確認用画像認識装置２０により撮影した基板４２の画像である。なお、円で囲まれた範囲が品質確認用画像認識装置２０の撮影範囲である。

図４に示すように、基板４２のヒビや回路の切れがある場合には、不良部位があるものとして警告を発する（Ｓ１００）。警告が発せられたら部品（基板４２）を交換し（Ｓ１１０）、再び組み付け前検査を実行する。

部品の交換作業は、例えば、警告が発せられた場合には組み立て装置１が作業停止するようにしておき、組み立て作業が停止した状態で作業者が行なう。

組み付け前検査で不良部位が発覚しなかった場合は、部品組み付け作業を実行する（Ｓ１２０）。すなわち、組み付けハンド５により基板４２をパワーモジュール４０に取り付ける。

そして、基板４２のボルト孔に挿入してあるボルトの位相を撮影できるようにワーク側位相確認用画像認識装置２２の位置決めを行ない（Ｓ１３０）、撮影した画像に基づいてボルトの位相を検出する（Ｓ１４０）。ボルトの位相を検出したら、ナットランナ６をボルト位置まで移動させながら（Ｓ１５０）、検出したボルトの位相とナットランナ６の位相が合うようにナットランナ６の回転軸を回転させる（Ｓ１６０）。

ナットランナ６の位相がボルトの位相と一致したら、ナットランナ６を下降させ（Ｓ１７０）て、ナットランナ６のソケットとボルトの頭部とを噛み合わせる（Ｓ１８０）。

そして、ナットランナ６によりボルトを規定トルクまで締め付け（Ｓ１９０、Ｓ２００）、その後、規定角度まで締め付ける（Ｓ２１０、Ｓ２２０）。規定トルク及び規定角度は、予めナットランナ６に記憶させておく。

なお、角度締めの不要なボルト等を締め付ける場合には、Ｓ２１０、Ｓ２２０の作業は省略可能となる。

規定角度までボルトを締め付けたら、ナットランナ６の回転を停止させ（Ｓ２３０）、そのときのナットランナ６の位相を記憶する（Ｓ２４０）。これにより、再びナットランナ位相確認用画像認識装置２３によってナットランナ６の位相を確認する作業を省略することができる。

ナットランナ６の位相を記憶したら、他にボルト締め箇所が無いか否かを判定する（Ｓ２５０）。他にボルト締め箇所が無い場合にはワーク用パレット３１の固定を解除する。他にボルト締め箇所が有る場合には、Ｓ１４０に戻り、他のボルトについてＳ１５０−Ｓ２４０の作業を繰り返す。

上記のように、パワーモジュール４０に取り付ける前に、組み付け前検査により基板４２の割れ等の有無を判定するので、割れ等の不具合がある基板４２にハンダ付け作業を施すことを防止できる。

ところで、本実施形態の組み立て装置１は、取り付けた基板４２のハンダ付け作業にも適用できる。この場合、ハンダ付けする前に、基板４２の取り付け状態を品質確認用画像認識装置２０により確認し、パワーモジュール４０のピンが基板４２のピン用孔に正しく収まっているか否かを判定する。収まっていない場合は分解して再度取り付け作業を行なってからハンダ付け作業を行なう。収まっている場合はそのままハンダ付け作業を行なう。

そして、ハンダ付け作業が終了したら、品質確認用画像認識装置２０によりハンダ付けした部位に不具合がないか否かを判定する。例えば、ハンダの量が予め設定した規定量から外れている場合等には不具合有りと判定する。そして、不具合が有る場合は当該パワーモジュールを生産ラインから排除する。

このように、作業前の基板４２の状態を品質確認用画像認識装置２０により判定することで、不具合のある基板４２にハンダ付け作業を施すことを回避できる。そして、作業後の基板４２の状態を品質確認用画像認識装置２０により判定することで、正常なハンダ付けがなされなかったパワーモジュール４０が下流側の工程に流れることを防止できる。

また、組み立て装置１は、パワーモジュール４０に基板４２を取り付け、ハンダ付けした後の、パワーモジュール４０に蓋４１を取付ける作業にも適用できる。この場合、基本的には図２、図３と同様の作業フローを実行する。ただし、蓋４１をパワーモジュール４０に取り付ける前に、パワーモジュール４０の筺体の上端縁部分に、いわゆるＦＩＰＧと呼ばれるシール材を塗布する。そして、組み付け前検査として、シール材が正しく塗布されているか否かを品質確認用画像認識装置２０により判定する。

図５は、組み付け前検査として、作業前のパワーモジュール４０の状態を撮影した画像である。図示するようにシール材が塗布されていない部分（シール切れ部分）がある状態で蓋４１をボルト締めすると、パワーモジュール４０のシール性を確保できない。しかも、シール不良の有無を後工程の検査にて判定することとすると、ボルト締めによりシール材は潰されて再使用できなくなっているので、シール材を剥がしてから再塗布する必要があり、再組み付け作業が煩雑になる。これに対し、組み付け前検査によりシール切れ部分の有無を判定すれば、仮にシール切れ部分が有った場合には、その部分にシール材を塗布するだけで済む。また、シール切れ部分だけでなく、シール材がパワーモジュール４０の筺体の上端縁部分から外れているか否かも判定することができる。

なお、上記説明では、組み付け前検査の内容として、基板４２の割れ、ヒビ等の有無や、シール切れ部分の有無等について説明したが、これらの他に、部品供給パレット３２に載せられている部品の形状を判定してもよい。組み付け前検査により部品形状を判定すれば、仮に当該工程で組み付ける部品とは異なる部品が載せられていても、容易に発見することができる。また、部品の欠け等も発見することができる。

図６は、組み付け前検査で部品形状を判定する場合の品質確認用画像認識装置２０の撮影画面の一例である。図示するように当該工程で組み付ける部品の形状（図中の破線）を予め認識しておき、この形状と撮影した部品の形状（図中の実線）とが一致しない場合には部品が異なる、又は部品に欠け等がある、と判定する。これにより、異なる部品や不具合のある部品を組み付けることを回避できる。

次に、品質確認用画像認識装置２０による撮影について説明する。

本実施形態の品質確認用画像認識装置２０は、検査の内容に応じてＺ軸方向の位置を変更する。例えば、基板４２のヒビ等を検出するためには、１０ミクロン単位の傷を認識し得る程度の画像が必要となる。そこで、１０ミクロン単位のヒビ等を確認できる程度に品質確認用画像認識装置２０を撮影対象物対象に近づける。

シール材の塗布状態（シール切れ部分の有無等）を検出する場合には、１００ミクロン単位のシール切れ等を認識し得る程度の画像が必要となる。そこで、１００ミクロン単位のシール切れ部分を認識し得る程度に品質確認用画像認識装置２０を撮影対象物対象に近づける。

部品の形状違い等を検出する場合は、１ミリ単位の形状違いを認識し得る程度に品質確認用画像認識装置２０を撮影対象物対象に近づける。なお、部品供給パレット３２に複数の部品を載せる場合には、一度の撮影で複数の部品についての形状判定を行なってもよい。

その他に、例えば部品供給パレット３２に必要な部品が載っていない状態（欠品状態）を検出する場合には、数ミリ単位の形状認識が可能な程度に品質確認用画像認識装置２０を撮影対象物対象に近づける。

上記いずれの場合も、品質確認用画像認識装置２０を撮影対象物に近づけることによって、撮影対象物が一回の撮影範囲に収まらないときは、品質確認用画像認識装置２０をずらして複数回撮影することによって、撮影対象物の全体を撮影する。

上記のように、品質確認用画像認識装置２０は、検出しようとする項目に応じて撮影対象物との距離を変化させる。これにより、一つの画像認識装置で異なる検出項目に対応することができる。

次に、組み立て装置１の作用効果について説明する。

組み立て装置１は、組み付けハンド５、ナットランナ６の他に、品質確認用画像認識装置２０を有するので、組み立て装置１のシステム内で品質保証することが可能である。これにより、生産工程の入れ替えや追加等に柔軟に対応することができる。この点について、図７を参照してさらに詳しく説明する。

図７は、（Ａ）が基本生産ライン、（Ｂ）が生産工程の一部の順序を入れ替えた場合、（Ｃ）が新たな工程を追加した場合をそれぞれ示している。図７（Ａ）に示すように、部品投入から部品搬出までに、第１〜第４の部品組み付け工程をそれぞれ第１〜第４の装置で行なう生産ラインを基本生産ラインとする。実際の生産ラインにおいては、使用する部品の変更等の理由により、図７（Ｂ）に示すように第２部品組み付け工程と第４部品組み付け工程とを入れ替える必要が生じる場合や、図７（Ｃ）に示すように第５、第６の組み付け工程を追加する必要が生じる場合がある。

例えば、第２組み付け工程では組み付け作業後に品質確認が必要であり、第２の装置は品質保証機能を有するが、第４組み付け工程では組み付け作業後の品質確認が不要なので第４の装置には品質保証機能がない場合を考える。この場合、図７（Ｂ）のように工程順序を入れ替えるためには、第２の装置と第４の装置とを入れ替えなければならず、速やかな工程変更は難しい。

これに対し、組み立て装置１は品質確認用画像認識装置２０を備えるので、いずれの工程にも対応可能である。すなわち、各工程に組み立て装置１を適用すれば、工程順序の変更や工程の追加に柔軟に対応することができる。

また、品質確認用画像認識装置２０は、組み付け作業前の部品の状態を認識できるので、不具合を有する部品を組み付けるという事態がなくなり、生産のロスを減らすことができる。特に、ハンダ付けのように再組み立てが難しい工程の前に不具合のある部品を検出することで、生産のロスを大幅に削減できる。

品質確認用画像認識装置２０は、判定項目に応じて対象となる部品との距離を変更し、必要であれば撮影回数も変更するので、一つの装置で種々の項目を判定することができる。すなわち、要求される解像度が異なる種々の判定を一つの装置で実行することができるので、設備コストを抑制することができる。

また、組み立て装置１のロボットは、Ｘ軸スライダ２、Ｙ軸スライダ３、及びＺ軸スライダ４の動きによって３軸方向へ移動可能となっているので、多関節の腕により３軸方向へ移動可能なロボットに比べて高い剛性を確保し易い。このため、基板４２のような軽量部品の組み付けだけでなく、エンジンパーツのような重量部品の組み付けにも適用し得る。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 組み立て装置
２ Ｘ軸スライダ
３ Ｙ軸スライダ
４ Ｚ軸スライダ
５ 組み立てハンド
６ ナットランナ
１０ レール
１１ リニアモータ
２０ 品質確認用画像認識装置
２１ ハンダ付け装置
２２ ワーク側位相確認用画像認識装置
２３ ナットランナ位相確認用画像認識装置
３０ 搬送装置

Claims (4)

1. 搬送装置上の作業対象となる部品の上下方向に設定されるＺ軸方向、並びに前記Ｚ軸と直交する平面内で互いに直交する方向に設定されるＸ軸方向及びＹ軸方向のいずれにも移動可能で、作業内容に応じてハンドを交換可能なロボットを備え、
   前記ロボットが前記部品に対して作業を行なう組み立て装置において、
   撮影した画像に基づいて前記部品の状態を判定する品質確認用画像認識装置を備えることを特徴とする組み立て装置。
2. 請求項１に記載の組み立て装置において、
   前記品質確認用画像認識装置は、作業前の前記部品の状態または作業後の前記部品の状態の少なくとも一方を判定し得ることを特徴とする組み立て装置。
3. 請求項１または２に記載の組み立て装置において、
   前記品質確認用画像認識装置は、画像に基づいて判定する項目に応じて前記部品との距離を変えることを特徴とする組み立て装置。
4. 請求項３に記載の組み立て装置において、
   前記品質確認用画像認識装置は、前記部品が一回の撮影範囲に収まらない場合には、前記Ｘ軸方向または前記Ｙ軸方向の少なくとも一方向に移動し複数回に分けて前記部品全体を撮影することを特徴とする組み立て装置。

Images