JPH07214435A

JPH07214435A - 自動ネジ締め装置

Info

Publication number: JPH07214435A
Application number: JP1155094A
Authority: JP
Inventors: Kazue Sumiya; 和重角谷
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1995-08-15

Abstract

(57)【要約】【目的】多関節ロボット１のアーム先端部にネジ締め
機構２を具えた自動ネジ締め装置において、相手部材の
姿勢やネジ孔のずれに拘わらず、確実なネジ締め動作を
実現する。【構成】ネジ締め機構２の基端部には、ネジ締め機構
がネジ締めの際に受ける力を検出する力センサー71が取
り付けられ、該力センサーの出力端はロボット制御回路
15へ連繋される。該ロボット制御回路15は、ネジ締めの
際に、前記力ベクトルと同一線上にネジ締め機構２のビ
ット23の目標姿勢を設定して、ロボットアームの姿勢を
フィードバック制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多関節ロボットのアー
ム先端部にネジ締め機構を具えて、板金部材等の相手ワ
ークに対してネジを自動的に締め付ける自動ネジ締め装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、板金部材をネジによって装置本体
に締結したり、板金部材どうしをネジによって互いに締
結する組立作業を伴う生産ラインにおいては、自動ネジ
締め装置を設置して、作業の自動化が図られている。斯
種自動ネジ締め装置としては、多関節ロボットのアーム
先端部にネジ締め機構を取り付けたものが知られている
(特開昭60-180779号〔B25B23/10〕、実開平2-78230号
〔B23P19/06〕等)。ネジ締め機構は、その先端部に、モ
ータによって回転駆動されるビットを具え、該ビットの
先端部を相手のネジに係合させることによって、ネジの
締め付けが行なわれる。

【０００３】従来の自動ネジ締め装置においては、多関
節ロボットが、予め設定された教示データに従って動作
し、ネジ締め機構を作業位置まで自動的に移動させる。
そして、ビットが相手ネジの頭部に係合した状態で、ビ
ットが回転駆動される。この際、ビットに作用するトル
クをトルクセンサにより検出して、ネジ締めトルク等が
制御される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
自動ネジ締め装置においては、ビットがネジに係合した
後は、ビットの姿勢は一定に保持され、ビットのネジに
対する押込み駆動と、ビットの回転駆動のみが行なわれ
るから、次の様な問題があった。例えば図４(ｂ)に示す
如く、板金部材(21)がビット(23)の押込み方向Ｘに対し
て垂直ではなく、僅かに傾斜していた場合、ネジ(22)に
作用する反力Ｆは押込み力の方向Ｘと同一線上にて対向
せず、ネジ(22)には反力Ｆに基づくモーメントが作用す
ることになる。これによってネジ(22)が押込み方向Ｘか
らずれて傾斜すると、ビット(23)によるネジ込みが正常
に行なわれず、ネジ(22)が板金部材(21)に噛み込んだ状
態で、ビット(23)の回転が途中で停止することがある。

【０００５】又、図５(ｂ)の如く２枚の板金部材(21ａ)
(21ｂ)を互いに締結する作業において、ネジ孔(24ａ)(2
4ｂ)の中心がずれている場合も同様に、従来の自動ネジ
締め装置では、ネジ(22)が押込み方向Ｘに対して傾斜す
ると、ビット(23)によるネジ込みが正常に行なわれず、
ビット(23)の回転が途中で停止する問題がある。

【０００６】本発明の目的は、相手部材の姿勢やネジ孔
のずれに拘わらず、確実なネジ締めが可能な自動ネジ締
め装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る自動ネジ締め
装置は、ネジ締め機構(２)の基端部に、ネジ締め機構が
ネジ締めの際に受ける力を検出する力センサー(71)を具
えている。該力センサー(71)の出力端はロボット制御回
路(15)へ連繋され、該ロボット制御回路(15)は、ネジ締
めの際に、力センサー(71)によって検出された力の作用
方向と同一線上にネジ締め機構(２)の主軸の目標姿勢を
設定して、ロボットアームの姿勢をフィードバック制御
する。

【０００８】

【作用】ネジ締めの際の多関節ロボット(１)のアーム姿
勢はロボット制御回路(15)によって制御され、ネジ締め
機構(２)の主軸は、力センサー(71)によって検出される
力の作用方向と同一線上へ向けて、その向きが修正され
る。従って、相手部材の状態によって、例えば図４(ｂ)
或いは図５(ｂ)の如くネジ(22)に作用する反力Ｆが押込
み方向Ｘと同一線上にて対向しない事態が一時的に生じ
ても、ネジ締め機構の主軸の向きが反力Ｆの方向に修正
される。これに応じて、ネジ(22)の姿勢も図４(ｃ)或い
は図５(ｃ)の如く反力Ｆと同一線上に修正される。この
結果、ネジ(22)には、反力Ｆに基づく大ききなモーメン
トは発生せず、正常なネジ込み動作が実現されることに
なる。

【０００９】

【発明の効果】本発明に係る自動ネジ締め装置によれ
ば、相手部材の姿勢やネジ孔のずれに拘わらず、確実な
ネジ締めが可能である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面に沿っ
て詳述する。図１は本発明に係る自動ネジ締め装置の全
体構成を表わしており、６自由度多関節ロボット(１)の
アーム先端部に、周知の６軸力センサー(71)を介して、
ネジ締め機構(２)が取り付けられている。ネジ締め機構
(２)は、例えば日本電気精器(株)製のドライバー機構
“ＤＬＶ−３１４８ＦＪＮ”の先端部に、例えば日東精
工(株)製のチャック機構を装備して構成される。６軸力
センサー(71)は、ネジ締め機構(２)の主軸、即ちビット
(23)の軸方向をＺ軸として、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸
方向の力成分と、各軸回りのトルク成分の６成分からな
る力ベクトルＦを検出するものである。該検出信号は力
センサーコントローラ(７)へフィードバックされる。

【００１１】多関節ロボット(１)の制御回路(15)は、シ
ステムコントローラ(３)、ロボットアームコントローラ
(４)、サーボコントローラ(５)、サーボドライバ(６)及
び力センサーコントローラ(７)によって構成されてお
り、多関節ロボット(１)の各関節の回転角を検出するエ
ンコーダ(図示省略)からのパルスは、ロボットアームコ
ントローラ(４)及びサーボコントローラ(５)へフィード
バックされる。

【００１２】システムコントローラ(３)には、ロボット
アームに所定の動作を行なわしめるための教示データが
登録されており、該教示データに基づいて、ロボットア
ームコントローラ(４)に対して位置指令値Ｘｄが与えら
れる。

【００１３】ロボットアームコントローラ(４)では、多
関節ロボット(１)から送られてくるエンコーダパルスと
前記位置指令値Ｘｄに基づいて、運動力学的な変換、計
算等を実行して、各関節の回転角θを目標軌道指令値と
して算出し、その結果をサーボコントローラ(５)に供給
する。サーボコントローラ(５)は、前記回転角、エンコ
ーダパルス、及び力センサーコントローラ(７)からの力
フィードバック値に基づいて、各関節軸の移動量を時間
の関数として算出し、その結果をサーボドライバ(６)へ
送出する。これに応じてサーボドライバ(６)は各関節に
対する駆動電流を発生して、多関節ロボット(１)へ供給
するのである。

【００１４】図２は、上記ロボット制御回路が実行する
力制御(インピーダンス制御)のブロック図を示してい
る。ここで、指令値Ｘｄと、前記６軸力センサー(71)に
よって検出された力ベクトルＦと、作業座標系における
アーム先端の位置姿勢Ｘが、後述のインピーダンスモデ
ル(８)に与えられる。これに応じてインピーダンスモデ
ル(８)から得られる加速度は非線形補償(９)を経て、摩
擦等に起因する加速度とトルクの非線形関係が補償され
る。この際、各関節の回転角θと、反力ベクトルＦをヤ
コビ行列(12)で逆変換して得られる負荷トルクτ_fとが
非線形補償(９)に与えられる。非線形補償(９)を経て得
られるトルクτ_aは、ロボットマニピュレータダイナミ
クス(10)を経て、各関節の回転角θに変換される。この
際、ヤコビ行列(12)からの負荷トルクτ_fがロボットマ
ニピュレータダイナミクス(10)に与えられる。これによ
ってロボットマニピュレータダイナミクス(10)から得ら
れる各関節の回転角θは、座標変換行列式(11)を経て、
作業座標系におけるロボットアーム先端の位置姿勢Ｘに
変換される。

【００１５】図２の制御ブロックは、多関節ロボット
(１)の力制御方式としては一般的な構成であるが、イン
ピーダンスモデル(８)を次の様に構成した点に特徴を有
している。即ち、ネジ締め機構のビットが相手ワークか
ら受ける力Ｆと変位ΔＸ(指令値Ｘｄと実際の移動量Ｘ
との差(Ｘ−Ｘｄ))との関係が、次の数１を満足する様
に、多関節ロボット(１)を動的制御するのである。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、Ｍは質量特性、Ｄは減衰特性、Ｋ
は剛性特性を示し、(Ｍ、Ｄ、Ｋ)の係数の組によってイ
ンピーダンス特性が規定される。数１の関係を満たす様
に多関節ロボット(１)を制御するには、アーム先端部の
移動量Ｘが下記数２で表わされる値となる様に制御を行
なえばよい。

【００１８】

【数２】

【００１９】そこで、図２のインピーダンスモデル(８)
を図３の如く構成することによって、目的の制御が実現
出来る。図３において、Ｓは微分、１／Ｓは積分を表わ
し、Ｇp、Ｇvは、夫々位置、速度のループゲインを表わ
しており、第１の回路部(13)は、指令値Ｘｄに応答する
加速度制御を行なう部分であって、これに上記数２の演
算を行なう第２の回路部(14)を付加している。

【００２０】(Ｍ、Ｄ、Ｋ)の係数は、反力Ｆに対し、ネ
ジを締め付ける方向の力及びモーメントに対しては硬く
動作し、ネジ締め機構の姿勢を決定する方向に対しては
柔らかく動作をする様に、夫々の値を決定する。これに
よって、加速度指令値が変更されることになる。

【００２１】図４(ａ)(ｂ)(ｃ)は、板金部材(21)のネジ
孔(24)にタッピンネジ(22)を捩じ込む際の動作を表わし
ており、図４(ａ)の如くタッピンネジ(22)の頭部にビッ
ト(23)が係合した状態で、ビット(23)を押込みつつ回転
させて、捩じ込みを行なう。これに対し、図４(ｂ)の如
く板金部材(21)が傾斜している場合には、タッピンネジ
(22)が板金部材(21)から受ける反力Ｆは、図示の如くビ
ット(23)の押込み方向Ｘとは同一線上にて対向しないた
め、上述の力制御によって図４(ｃ)の如くビット(23)の
姿勢が修正される。この結果、ビット(23)の押込み方向
Ｘと反力Ｆの方向が同一線上で対向することとなり、正
常な捩じ込み動作が実現される。

【００２２】又、図５(ａ)(ｂ)(ｃ)は、２枚の板金部材
(21ａ)(21ｂ)をタッピンネジ(22)によって互いに締結す
る際の動作を表わしており、図５(ａ)の如くタッピンネ
ジ(22)の頭部にビット(23)が係合した状態で、ビット(2
3)を押込みつつ回転させて、捩じ込みを行なう。これに
対し、図５(ｂ)の如く２枚の板金部材(21ａ)(21ｂ)のネ
ジ孔(24ａ)(24ｂ)がずれている場合には、タッピンネジ
(22)が受ける反力Ｆは、図示の如くビット(23)の押込み
力Ｘとは同一線上にて対向しないため、上述の力制御に
よって図５(ｃ)の如くビット(23)の姿勢が修正される。
この結果、ビット(23)の押込み方向Ｘと反力Ｆの方向が
同一線上で対向することとなり、正常な捩じ込み動作が
実現される。

【００２３】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自動ネジ締め装置の構成を示すブ
ロック図である。

【図２】該装置における制御ブロック図である。

【図３】インピーダンスモデルを示すブロック図であ
る。

【図４】１枚の板金部材に対する捩じ込み動作の説明図
である。

【図５】２枚の板金部材に対する捩じ込み動作の説明図
である。

【符号の説明】

(１) 多関節ロボット (２) ネジ締め機構 (23) ビット (71) ６軸力センサー (８) インピーダンスモデル (15) ロボット制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多関節ロボット(１)のアーム先端部にネ
ジ締め機構(２)を具えた自動ネジ締め装置において、ネ
ジ締め機構(２)の基端部には、ネジ締め機構がネジ締め
の際に受ける力を検出する力センサー(71)が取り付けら
れ、該力センサーの出力端はロボット制御回路(15)へ連
繋され、該ロボット制御回路(15)は、ネジ締めの際に、
力センサー(71)によって検出された力の方向と同一線上
にネジ締め機構(２)の主軸の目標姿勢を設定して、ロボ
ットアームの姿勢をフィードバック制御することを特徴
とする自動ネジ締め装置。