JP6333661B2 - ねじ締め装置 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ締め対象物のねじ穴部にボルトを螺合するねじ締め装置に関する。

従来、ロボットの先端部に設けられたねじ締めユニットにより、ねじ締め作業を行うようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の装置は、外周に複数のねじ保持溝が形成された円板状のマガジンと、マガジンに対して相対移動するナットランナーとを備える。マガジンの各保持溝にはボルトを着脱可能に弾性支持し、ボルトの頭部にナットランナーのソケットを嵌合させた後、マガジンを旋回動作させることで、マガジンからボルトを取り外し、ナットランナーによりボルトの締め付けを行う。

特開平６−２１８６３７号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、マガジンからボルトを取り外すためにマガジンを旋回動作させる必要があり、装置構成が複雑となる。また、ボルトをマガジンから完全に取り外した後に、ナットランナーによりボルトの締め付けを行うため、ボルト締め作業全体のサイクルタイムが長くなる。

本発明の一態様は、ねじ締め対象物のねじ穴部にボルトを螺合するねじ締め装置であって、第１面およびその反対側の第２面と、第１面から第２面にかけて第１方向に形成された貫通孔と、ボルトの頭部が貫通孔を塞いで貫通孔と同軸上にボルトが設置されるように、貫通孔の第１面側の開口端部に形成されたボルト設置部とを有するマガジンプレートと、先端部がマガジンプレートの第２面に対向するように第１方向に平行に延設された回転ロッドであって、先端部を回転させる回転駆動部を有する回転ロッドと、第１方向に対し垂直な第２方向に、回転ロッドに対しマガジンプレートを相対移動する第１移動部と、回転ロッドを第１方向に移動する第２移動部と、貫通孔と同軸上に回転ロッドの先端部が位置するように第１移動部を制御するとともに、貫通孔と同軸上に回転ロッドの先端部が位置している状態で、回転ロッドの先端部が貫通孔を貫通してボルトの頭部に当接するように第２移動部を制御するねじ締め制御部とを備える。

本発明によれば、回転ロッドの第１方向への移動によりマガジンプレートからボルトを取り外すことができるとともに、取り外したボルトをそのままねじ締め対象物のねじ穴部に螺合することができる。したがって、装置構成が簡素化され、安価に構成できるとともに、ねじ締め作業のサイクルタイムを短縮することができる。

本発明の実施形態に係るねじ締め装置の構成を示す図。 図１のねじ締め装置を構成するねじ締めユニットの拡大斜視図。 図２のマガジンプレートの要部断面図。 本発明の実施形態に係るねじ締め装置の制御構成を示すブロック図。 図４のロボット制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係るねじ締め装置の動作を説明する第１の図。 本発明の実施形態に係るねじ締め装置の動作を説明する第２の図。 本発明の実施形態に係るねじ締め装置の動作を説明する第３の図。 図１の変形例を示す図。 図７のねじ締め装置を構成するねじ締めユニットの拡大斜視図。

以下、図１〜図８を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るねじ締め装置１００の構成を示す図である。ねじ締め装置１００は、対象物１に設けられたねじ穴にボルト２を螺合するための装置であり、ねじ締めユニット１０１と、ねじ締めユニット１０１に向けて対象物１を搬送するロボット１０２とを有する。

ロボット１０２は、垂直多関節ロボットであり、基部１０と、基部１０上に旋回可能に搭載されたベース部１１と、ベース部１１に回動可能に支持された第１アーム１２と、第１アーム１２の先端部に回動可能に支持された関節部１３と、関節部１３に回動可能に支持された第２アーム１４と、第２アーム１４に回動可能に支持された関節部１５と、関節部１５に旋回可能に支持されたフランジ１６と、フランジ１６に取り付けられ、対象物１を把持するハンド１７とを有する。ロボット１０２の各関節部には、サーボモータ１８（図４）が設けられ、ロボット１０２はサーボモータ１８により駆動される。ロボット１０２の駆動により対象物１の位置および姿勢が変更できる。

図２は、ねじ締めユニット１０１の要部構成を示す拡大斜視図である。なお、以下では、便宜上、図示のように前後方向、左右方向および上下方向を定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。ねじ締めユニット１０１は、予め複数のボルト２が設置されたマガジンプレート２０と、これらボルト２の頭部に係合し、対象物１のねじ穴にボルト２を螺合する回転ロッド３０とを有する。マガジンプレート２０と回転ロッド３０は、それぞれフレーム４に取り付けられている。

フレーム４は、ベースプレート４１と、ベースプレート４１上に立設された前後一対の支柱４２と、支柱４２の上端部に固設された、前後方向に延在する上部プレート４３と、支柱４２の左側面に固設された側面プレート４４とを有する。上部プレート４３には、前後方向に延在するボールねじ（不図示）が回転可能に支持されている。ボールねじにはナット（不図示）が螺合され、ナットにスライド部材４５が一体に設けられている。ボールねじの端部にはサーボモータ４６が連結されている。サーボモータ４６の駆動によりボールねじが回転すると、上部プレート４３に沿ってスライド部材４５が前後方向に移動する。

マガジンプレート２０は、左右方向一定幅で前後方向に細長に形成された略矩形上の板部材であり、スライド部材４５の上端部に固定されている。したがって、マガジンプレート２０は、サーボモータ４６の駆動によりスライド部材４５と一体に前後方向（矢印Ａ方向）に移動する。マガジンプレート２０の上面２１には前後方向等間隔に複数のボルト設置部２３が形成され、各ボルト設置部２３上にそれぞれボルト２が設置されている。

図３は、マガジンプレート２０の要部断面図であり、主にボルト設置部２３の構成を示している。図３に示すように、マガジンプレート２０には、スライド部材４５よりも右方において、上面２１からから下面２２にかけて、上下方向の軸線Ｌ１を中心に貫通穴２４が開口されている。さらに、貫通穴２４の上端部には、貫通穴２４と同軸の溝部２５が設けられている。溝部２５には、貫通穴２４と同径の貫通穴を有するリング状の磁石２６が嵌合され、磁石２６によりボルト設置部２３が構成されている。

ボルト２は、その中心軸線Ｌ２が貫通穴２４の軸線Ｌ１と一致するように上下方向に向けて配置されている。ボルト２の頭部２ａの径は貫通穴２４の径よりも大きい。このため、ボルト頭部２ａの端面がボルト設置部２３に当接している。この状態では、ボルト頭部２ａが貫通穴２４を塞ぎ、ボルト２のねじ部２ｂは上方を向いている。ボルト２には、ねじ部２ｂ側からワッシャー２ｃが挿入されている。ボルト頭部２ａの端面には、回転ロッド３０の先端部が挿入する工具挿入溝２ｄが設けられている。

ボルト２は鉄等の磁性材からなる。本実施形態では、ボルト設置部２３を磁石２６により構成しているので、ボルト２を磁力によってボルト設置部２３に位置決めした状態で安定して保持することができる。マガジンプレート２０の貫通穴２４の径は、回転ロッド３０の外径よりも大きい。このため、回転ロッド３０をマガジンプレート２０と接触させずに貫通穴２４に挿入することができ、貫通穴２４を介して回転ロッド３０の先端部をボルト頭部２ａの工具挿入溝２ｄに挿入することができる。

図２に示すように、回転ロッド３０は、基部３１と、軸線Ｌ３（図３）を中心に回転可能な回転部３２とを有する。回転部３２は、ボルト頭部２ａの工具挿入溝２ｄに挿入される工具部３４を先端部に有する。基部３１には、回転部３２を回転駆動するための電動モータ３３が内蔵されている。

側面プレート４４の右面には、高圧エアによって上下方向に進退可能なロッド３４を有するシリンダ装置３５が取り付けられている。ロッド３４の上端部には、ブラケット３６が取り付けられている。ブラケット３６は右方に延在しており、回転ロッド３０の基部３１は、回転ロッド３０の先端部を上方に向けた状態で、ブラケット３６に固定されている。これにより回転ロッド３０は、シリンダ装置３５の駆動により、中心軸線Ｌ３の位置を一定に保ったまま、マガジンプレート２０の下方において上下方向（矢印Ｂ方向）に昇降する。回転ロッド３０の左右方向の位置は、マガジンプレート２０の前後方向への移動により回転ロッド３０の軸線Ｌ３の位置と貫通穴２４の軸線Ｌ１の位置とが一致できるように設定されている。

図４は、本発明の実施形態に係るねじ締め装置１００の制御構成を示すブロック図である。図４において、ロボット制御装置５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成される。ロボット制御装置５０には、各種指令を入力する入力部５１と、回転ロッド３０の回転駆動時のトルクを検出するトルクセンサ５２からの信号が入力される。ロボット制御装置５０は、入力部５１とトルクセンサ５２からの信号に基づいて後述する処理を実行し、ロボット駆動用のサーボモータ１８と、マガジンプレート２０を前後方向に移動するサーボモータ４６と、回転ロッド３０を昇降するシリンダ装置３５と、回転ロッド３０を回転駆動する電動モータ３３とにそれぞれ制御信号を出力する。

図５は、ロボット制御装置５０で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、マガジンプレート２０のボルト設置部２３にボルト２を設置した後、例えば入力部５１の操作により、ねじ締め作業開始が指令されると開始される。ねじ締め作業の開始時には、回転ロッド３０の先端部３４はマガジンプレート２０の下面２２よりも下方に位置し、回転ロッド３０は初期位置にある。

ステップＳ１では、貫通穴２４の軸線Ｌ１の位置と回転ロッド３０の軸線Ｌ３の位置とが一致するように、サーボモータ４６に制御信号を出力し、マガジンプレート２０を前後方向に移動する。ステップＳ２では、ロボット１０２のハンド１７に把持された対象物１のねじ穴１ａ（図６Ｂ）がマガジンプレート上のボルト２の先端部に対向し、かつ、ねじ穴１ａの中心軸線Ｌ４がボルト２の軸線Ｌ２上に位置するように、サーボモータ１８に制御信号を出力してロボット１０２を駆動し、対象物１を移動する。

ステップＳ３では、シリンダ装置３５に制御信号を出力し、回転ロッド３０を所定位置まで上昇させる。例えば、回転ロッド３０の先端部３４がボルト頭部２ａに当接し、さらにボルト２ａの先端部が対象物１のねじ穴１ａの下端部に当接する位置まで上昇させる。ステップＳ４では、電動モータ３３に制御信号を出力し、回転ロッド３０を回転させるとともに、シリンダ装置３５に制御信号を出力し、回転ロッド３０を上昇させる。すなわち、回転ロッド３０を回転させながら上昇させる。これによりボルト２がねじ穴２ａに螺合する。

ステップＳ５では、トルクセン５２サからの信号に基づき、ねじ締めトルクが所定値以上になったか否かを判定する。すなわち、ボルト２が対象物１のねじ穴１ａに最後まで螺合したか否かを判定する。ステップＳ５が肯定されるとステップＳ６に進み、否定されるとステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、電動モータ３３に制御信号を出力して回転ロッド３３の回転を停止させる。さらにステップＳ９で、シリンダ装置３５に制御信号を出力して回転ロッド３１を下降させ、回転ロッド３１を元の位置（初期位置）に戻し、ステップＳ１に戻る。すなわち、この場合には、ボルト２に対する対象物１のねじ穴の相対位置がずれているため、トルクが所定値以上にならなかったと判断し、回転ロッド３０を元の位置に戻してマガジンプレート２０の移動および対象物１の移動を再度実行する。

一方、ステップＳ６では、ボルト２の螺合が完了したと判断し、電動モータ３３に制御信号を出力して回転ロッド３０の回転を停止させる。ステップＳ７では、シリンダ装置３５に制御信号を出力して回転ロッド３１を下降させ、回転ロッド３１を元の位置（初期位置）に戻す。次いで、ステップＳ１０で、対象物１のねじ穴１ａへのボルト２の締め付けが完了したか否かを判定する。例えば、対象物１の複数のねじ穴１ａにボルト２を螺合する場合、複数のねじ穴１ａの全てにボルト２が螺合されたか否かを判定する。ステップＳ１０が否定されるとステップＳ１に戻る。この場合、マガジンプレート２０を１ピッチ分だけ前後方向に移動して同様の処理を繰り返す。ステップＳ１０が肯定されると処理を終了する。

本実施形態に係るねじ締め装置１００の動作をまとめると次のようになる。ねじ締め作業を行うにあたっては、予め準備作業として、図６Ａに示すように、マガジンプレート２０の上面２１のボルト設置部２３に、例えばユーザが手動でボルト２の頭部２ａを設置する。なお、ボルト２の設置を、ロボットにより自動的に行うこともできる。この状態で、ねじ締め装置１００によるねじ締め作業を開始する。

この場合、まず、回転ロッド３０の先端部３４とマガジンプレート２０の貫通穴２４とが同軸上に位置するように、マガジンプレート２０を前後方向に移動する（ステップＳ１）。さらに、図６Ｂに示すように、対象物１のねじ穴１ａがボルト２の先端部（ねじ部２ｂの先端）に対向し、かつ、ボルト２と同軸上に位置するように対象物１を移動する（ステップＳ２）。なお、図６Ｂには、上下一対の部品を対象物１として、ボルト２で締結する例を示している。

次いで、回転ロッド３０を初期位置から上昇させ、回転ロッド３０の先端部３４を、貫通穴２４を介してボルト頭部２ａの工具挿入溝２ｄに当接させる。この状態からさらに回転ロッド３０を上昇させ、先端部３４を工具挿入溝２ｄに係合したまま、回転ロッド３０とともにボルト２を上昇させ、ボルト２の先端部を対象物１のねじ穴１ａに当接させる（ステップＳ３）。次いで、回転ロッド３０を回転させながら上昇させる（ステップＳ４）。これにより図６Ｃに示すように、ボルト２が対象物１のねじ穴１ａに螺合する。

ボルト２が最後まで螺合すると、ねじ締めトルクが所定値以上となる。これにより回転ロッド３０の回転を停止し、回転ロッド３０を下降して初期位置に戻す（ステップＳ６、ステップＳ７）。以上で、単一のボルト２の締め付けが完了する。その後、マガジンプレート２０の位置を１ピッチ分だけ前後方向にずらし、次のボルト２を同様に対象物１のねじ穴１ａに螺合する。全てのボルト２の締め付けが完了すると、ねじ締め作業を終了する。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）ねじ締め装置１００は、ねじ締めユニット１０１とロボット１０２とを有する。ねじ締めユニット１０１は、上下方向に貫通穴２４が開口されるとともに、ボルト頭部２ａが貫通孔２４を塞いだ状態で貫通孔２４と同軸上にボルト２が設置されるように貫通孔２４の開口端部にボルト設置部２３が形成されたマガジンプレート２０と、先端部３４を回転させる電動モータ３３を有し、上下方向に延設された回転ロッド３０と、前後方向にマガジンプレート２０を移動するサーボモータ４６と、回転ロッド３０を上下方向に移動するシリンダ装置３５と、貫通孔２４と同軸上に回転ロッド３０の先端部３４が位置するようにサーボモータ４６を制御するとともに、貫通孔２４と同軸上に回転ロッド３０の先端部３４が位置している状態で、回転ロッド３０の先端部３４が貫通孔２４を貫通してボルト頭部２ａに当接するようにシリンダ装置３５を制御するロボット制御装置５０とを有する。これにより、マガジンプレート２０からボルト２を取り外す方向と、ボルト２を締め付ける方向とが互いに同一となるので、単一のアクチュエータ（シリンダ装置３５）によりボルト２の取り外しとボルト２の締め付け方向への移動を実現できる。したがって、装置構成が簡素化され、安価に構成できる。また、ボルト２の取り外しと締め付けを共通の動作（回転ロッド３０の上昇）で行うことができるため、ボルト締め作業のサイクルタイムを短縮することができる。

（２）対象物１のねじ穴１ａがボルト設置部２３に設置されたボルト２の先端部に対向し、かつ、ボルト２と同軸上に位置するように、ロボット１０２により対象物１を移動するので、対象物１の位置および姿勢を容易に調整することができる。したがって、ねじ締めトルクが所定値以上にならずにボルト２の締め付けが失敗した場合に、対象物１の位置および姿勢を再度調整してボルト締め作業を行うことができる。

（３）ロボット駆動用のサーボモータ１５を制御するロボット制御装置５０により、マガジンプレート駆動用のサーボモータ４６を制御するので、対象物１とマガジンプレート２０との互いの位置関係を把握しながら、対象物１のねじ穴１ａに対しボルト２を精度よく位置合わせすることができる。

（４）ボルト設置部２３に磁石２６を設けるようにしたので、ボルト２をボルト設置部２３に安定して設置することができる。したがって、ボルト２の位置ずれや落下を防止し、安定したねじ締め作業を行うことができる。

以上のねじ締め装置１００は、種々の変形が可能である。図７は、図１の変形例である。図７が図１と異なるのは、ねじ締めユニット１０１の構成である。図８は、図６のねじ締めユニット１０１の拡大図である。図８では、マガジンプレート２０が円盤状に構成されている。マガジンプレート２０は、サーボモータ４６の駆動により回転し、マガジンプレート上に載置されたボルト２が回転ロッド３０と同軸上に位置するように、ロボット制御装置５０により位置が割り出される。

なお、上記実施形態（図２）および変形例（図８）では、マガジンプレート２０の上面２１（第１面）から下面２２（第２面）にかけて上下方向に貫通穴２４を形成するとともに、回転ロッド３０を上下方向に移動させるようにしたが、貫通穴２４が設けられる方向と回転ロッド３０の移動方向とが互いに同一であれば、第１方向は上下方向以外（例えば左右方向）であってもよい。したがって、マガジンプレート２０が前後方向以外の第２方向に移動するようにしてもよい。上記実施形態（図３）では、ボルト設置部２３に磁石２６を設けたが、ボルト設置部２３の構成はこれに限らない。例えば、マガジンプレート２０の上面２１に、ボルト頭部２ａが嵌合する溝部を設け、溝部によりボルト設置部２３を構成してもよい。

上記実施形態では、サーボモータ４６によりマガジンプレート２０を移動するようにしたが、貫通穴２４と垂直な第２方向（図２では前後方向）に、回転ロッド３０に対しマガジンプレート２０が相対移動するのであれば、第１移動部の構成はいかなるものでもよい。例えば、マガジンプレート２０を固定し、回転ロッド３０を第２方向に移動させるようにしてもよい。上記実施形態では、シリンダ装置３５により回転ロッド３０をボルト頭部２ａに向けて第１方向（図２では上下方向）に移動するようにしたが、第２移動部の構成はこれに限らない。上記実施形態では、ねじ締め対象物１をロボット１０２により移動するようにしたが、対象物移動部をロボット以外により構成してもよい。上記実施形態では、電動モータ３３により回転ロッド３０を回転駆動するようにしたが、回転駆動部を電動モータ以外により構成してもよい。

上記実施形態におけるロボット制御装置５０の構成は一例であり、貫通孔２４と同軸上に回転ロッド３０の先端部３４が位置するように第１移動部（サーボモータ４６）を制御するとともに、貫通孔２４と同軸上に回転ロッド３０の先端部３４が位置している状態で、回転ロッド３０の先端部３４が貫通孔２４を貫通してボルト２の頭部２ａに当接するように第２移動部（シリンダ装置３５）を制御するのであれば、ねじ締め制御部としてのロボット制御装置５０の構成はいかなるものでもよい。また、対象物１のねじ穴１ａがボルト設置部２３に設置されたボルト２の先端部に対向し、かつ、ボルト２と同軸上に位置するように対象物移動部（ロボット１００）を制御するのであれば、対象物制御部としてのロボット制御装置の構成もいかなるものでもよい。上記実施形態では、ロボット制御装置５０によりロボット１０２とねじ締めユニット１０１とを制御するようにしたが、ねじ締めユニット１０１をロボット制御装置５０とは別の制御装置により制御してもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１８ サーボモータ
２０ マガジンプレート
２３ ボルト設置部
２４ 貫通穴
３０ 回転ロッド
３３ 電動モータ
３５ シリンダ装置
４６ サーボモータ
５０ ロボット制御装置
１００ ねじ締め装置
１０１ ねじ締めユニット
１０２ ロボット

Claims (5)

1. ねじ締め対象物のねじ穴部にボルトを螺合するねじ締め装置であって、
   第１面およびその反対側の第２面と、前記第１面から前記第２面にかけて第１方向に形成された貫通孔と、ボルトの頭部が前記貫通孔を塞いで前記貫通孔と同軸上にボルトが設置されるように、前記貫通孔の前記第１面側の開口端部に形成されたボルト設置部とを有するマガジンプレートと、
   先端部が前記マガジンプレートの前記第２面に対向するように前記第１方向に平行に延設された回転ロッドであって、前記先端部を回転させる回転駆動部を有する回転ロッドと、
   前記第１方向に垂直な第２方向に、前記回転ロッドに対し前記マガジンプレートを相対移動する第１移動部と、
   前記回転ロッドを前記第１方向に移動する第２移動部と、
   前記貫通孔と同軸上に前記回転ロッドの先端部が位置するように前記第１移動部を制御するとともに、前記貫通孔と同軸上に前記回転ロッドの先端部が位置している状態で、前記回転ロッドの先端部が前記貫通孔を貫通して前記ボルトの頭部に当接するように前記第２移動部を制御するねじ締め制御部とを備えることを特徴とするねじ締め装置。
2. 請求項１に記載のねじ締め装置において、
   前記ねじ締め対象物を移動する対象物移動部と、
   前記ねじ締め対象物の前記ねじ穴部が前記ボルト設置部に設置された前記ボルトの先端部に対向し、かつ、該ボルトと同軸上に位置するように前記対象物移動部を制御する対象物制御部とをさらに備えることを特徴とするねじ締め装置。
3. 請求項２に記載のねじ締め装置において、
   前記対象物移動部は、ロボットにより構成され、
   前記対象物制御部は、前記ロボットを制御するロボット制御装置であることを特徴とするねじ締め装置。
4. 請求項３に記載のねじ締め装置において、
   前記ねじ締め制御部は、前記ロボット制御装置に含まれることを特徴とするねじ締め装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のねじ締め装置において、
   前記ボルト設置部は、磁石により構成されることを特徴とするねじ締め装置。

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