JP2010064183A - ボルト締付装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的に対策することなく、ナットランナによってボルトをパルス締付により締め付ける際に、ナットランナが取り付けられたロボットの振動を低減することができるボルト締付装置を提供すること。
【解決手段】ロボット３０に取り付けたナットランナ２０によってボルトをパルス締付により締め付けるボルト締付装置１０において、ロボット３０の動作を制御するロボットコントローラ３５と、ナットランナ２０の動作を制御するナットランナコントローラ２１と、を有し、ナットランナコントローラ２１は、ナットランナ２０によるボルトの締付制御情報をロボットコントローラ３５へ送信し、ロボットコントローラ３５は、ボルトのパルス締付の際に発生するロボット３０の振動を低減するように、ロボット３０の動作を制御するための制御信号を締付制御情報に基づいて生成し、その制御信号をロボット３０に送信する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ナットランナを用いてボルトを締め付けるボルト締付装置に関する。より詳細には、ナットランナ（ナットランナを支持するロボット）の振動を低減することできるボルト締付装置に関するものである。

ボルトを締め付ける装置として、多関節ロボットのアーム先端部にナットランナを取り付けたものが知られている。ここで、ナットランナには、駆動モータと、その駆動軸に設けられたビット部とが備わっている。そして、ビット部にボルトを取り付けた状態で駆動モータを回転させることによりボルトを締め付けるようになっている。

このような締付装置では、ナットランナが取り付けられたロボットは、ナットランナを介してボルトの締め付けに対する反力（締付反力）を受けるが、この締付反力を小さくするために、パルス締付が実施されている。パルス締付では、通常の締付のように線形に時間とともに締付トルクを上昇させるのではなく、図７に示すように締付トルクをパルス状に変化させるため、締付反力（時間と締付トルクとの積）を小さくすることができる。

ところが、ロボットは締付反力によって動くと元の位置に戻ろうとする。ロボットは締付姿勢を維持するように制御されているからである。そして、パルス締付では、微少時間中にトルク変動が生じるため、ナットランナからの反力と元の位置に戻ろうとする原点復帰力とが交互に働いてしまう。その結果、ロボットの振動が大きくなっていた。ロボットの振動が大きいと、締付装置の締付トルクのバラツキを一定範囲内に抑えることができなくなったり（締付工程能力の低下）、ロボットの耐久性を低下させてしまう。このように、ナットランナからの締付反力がロボットに悪影響を及ぼしていた。

このため、ナットランナからの締付反力によるロボットの振動を低減するために、締付装置では機械的に対策がなされている。そのような対策が施された装置の１つとして、ナットランナを変位自在に支持する支持機構を設けた締付装置がある。この締付装置では、締付反力を支持機構において支持することにより、ロボットが締付反力の影響を受けにくくして、ロボットの振動を低減するようになっている（特許文献１）。

また、別の締付装置としては、旋回可能なジョイント部を挟んで両側に一対のナットランナを取り付けたものがある。この締付装置では、ボルト締付けに際して、最終締付け前においては、ソケットとボルトとの間にガタがあるために最終締付け開始時に締付けトルクの反力がロボットに伝わろうとするが、ジョイント部によりナットランナのボルト締付部が旋回方向へ自由に動くようにされているのでその反力がロボットに伝達されないようになっている。さらに、この最終締付けにおいて、各ナットランナに大きなトルクが発生するが、ボルト締付部が一対のナットランナを有する構造とされているので、これら一対のナットランナ同士で締付け反力を受けその反力がロボットに伝わることがないようになっている。この締付装置では、このようにしてロボットの振動を低減するようになっている（特許文献２）。

特開２００３−３１１５５５号公報 特開平９−６６４２５号公報

しかしながら、上記した締付装置では、ロボットが締付反力を受けないように機械的に対策されているため、支持機構やジョイント部などの新たな部品を取り付ける必要がある。そのため、装置構成が複雑になるとともにコストアップを招くという問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、機械的に対策することなく、ナットランナによってボルトをパルス締付により締め付ける際に、ナットランナが取り付けられたロボットの振動を低減することができるボルト締付装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係るボルト締付装置は、ロボットに取り付けたナットランナによってボルトをパルス締付により締め付けるボルト締付装置において、前記ロボットの動作を制御するロボットコントローラと、前記ナットランナの動作を制御するナットランナコントローラと、を有し、前記ナットランナコントローラは、前記ナットランナによるボルトの締付制御情報を前記ロボットコントローラへ送信し、前記ロボットコントローラは、ボルトのパルス締付の際に発生する前記ロボットの振動を低減するように、前記ロボットの動作を制御するための制御信号を前記締付制御情報に基づいて生成すし、前記制御信号を前記ロボットに送信することを特徴とする。

このボルト締付装置では、ロボットコントローラによりロボットの動作が制御されるとともに、ナットランナコントローラによりナットランナの動作が制御されて、所定箇所に対してボルトがパルス締付により締め付けられる。ここで、ナットランナコントローラからロボットコントローラに対し、ナットランナによるボルトの締付制御情報が送信される。この締付情報には、締付トルク、締付方向、締付速度などが含まれている。

そして、ロボットコントローラは、ナットランナコントローラから受信した締付情報にも基づき、ボルトのパルス締付の際に発生するロボットの振動を低減するように、ロボットの動作を制御するための制御信号を生成し、その制御信号をロボットに送信する。これにより、その制御信号に基づきロボットが制御されるため、ロボットの振動を低減することができる。

本発明に係るボルト締付装置においては、前記制御信号は、ボルトの締付反力に対して前記ロボットを元の位置に復帰させるための復帰変位量よりも小さい修正復帰変位量だけ前記ロボットを元に戻すための信号とすればよい。

ロボットコントローラがこのような制御信号を生成することにより、ボルトの締付反力によって動いたロボットの復帰位置がずらされる、つまり復帰位置が元の位置よりも手前側とされる。言い換えると、ロボットの復帰力が小さくされる。これにより、復帰動作時にロボットが元の位置を超えることを確実に防止することができる。従って、ロボットの振動を確実に低減することができる。

ここで、前記修正復帰変位量は、前記ロボットの位置情報から算出した前記復帰変位量に対して、前記締付制御情報から決定される係数α（０＜α＜１）を乗じて算出すればよい。

このようにすることにより、締付トルク（締付反力）の大きさに応じて適切な修正復帰変位量を算出することができるので、復帰動作時にロボットが元の位置を超えないようにしながら、ロボットをできる限り元の位置に近いところに復帰させることができる。

本発明に係るボルト締付装置においては、前記制御信号は、ボルトの締付反力の発生に同期して締付反力と逆方向への駆動力を前記ロボットに付与するための信号としてもよい。

ロボットコントローラがこのような制御信号を生成することにより、ロボットに作用する締付反力を相殺することができるため、ボルトの締付反力によってロボットが動く量（距離）を小さくすることができる。すなわち、ボルトの締付反力がロボットに作用してもロボットがほとんど動かないようにすることができる。これにより、ロボットの振動を確実に低減することができる。

本発明に係るボルト締付装置によれば、上記した通り、機械的な対策を施さなくても、パルス締付によりボルトを締め付ける際に、ナットランナが取り付けられたロボットの振動を低減することができる。

以下、本発明のボルト締付装置を具体化した最も好適な実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
そこでまず、第１の実施の形態に係るボルト締付装置について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、第１の実施の形態に係るボルト締付装置の概略構成を示す側面図である。図２は、ボルト締付装置におけるナットランナ取付部付近を示す図であり、（ａ）はナットランナ取付部付近の上面図、（ｂ）は締付トルクと締付反力との関係を示す図である。図３は、ボルト締付装置の制御ブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るボルト締付装置１０には、ボルトの締付を行うナットランナ２０と、ナットランナ２０を所定位置に移動させるロボット３０とが備わっている。そして、図２（ａ）に示すように、ナットランナ２０が板状の取付フレーム１１を介してロボット３０のアーム先端に取り付けられている。取付フレーム１１には、図２（ｂ）に示すように、ナットランナ２０の一部（先端部）を貫通させるための貫通長穴１２が形成されている。そして、貫通長穴１２の周りには、ナットランナ２０を取付プレートに１１に固定するためのネジ孔１３が複数設けられている。これにより、取付フレーム１１においてナットランナ２０の取付位置を調整することができるようになっている。

ナットランナ２０の先端は、ボルトを把持するとともに締付方向へ回転可能となっている。ナットランナ２０には、ナットランナコントローラ２１（図３参照）が設けられている。そして、図３に示すように、ナットランナコントローラ２１によってナットランナ２０の動作が制御される。すなわち、ナットランナコントローラ２１は、外部から入力されるボルトの締付情報（締付トルク、締付方向、締付速度などが含まれている）に基づく動作命令によって、ナットランナ２０の締付動作を制御するようになっている。

このようなナットランナ２０を所定位置に移動させるロボット３０は、図１に示すように、複数のアーム３１，３２，３３を有する垂直多関節型のロボットであり、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸方向へ移動可能となっている。そして、図２（ａ）に示すように、アーム３３の先端に取付フレーム１１が取り付けられており、取付フレーム１１に固定されたナットランナ２０がロボット３０の動作に連動して移動するようになっている。ロボット３０にはロボットコントローラ３５（図３参照）が設けられている。

そして、図３に示すように、ロボットコントローラ３５によってロボット３０の動作が制御される。すなわち、ロボットコントローラ３５は、外部から入力される制御指令に基づきロボット３０に対する制御信号を生成して、その制御信号をロボット３０に送信し、ナットランナ２０が所定位置に位置決めされるようにロボット３０の動作を制御するようになっている。一方、ロボット３０は、ロボットコントローラ３５に対して現在位置に関する情報を送信するようになっている。

また、ボルト締付装置１０では、ナットランナコントローラ２１とロボットコントローラ３５とが接続されている。そして、ナットランナコントローラ２１は、外部から入力されたボルトの締付情報をロボットコントローラ３５に送信するようになっている。ロボットコントローラ３５は、この締付情報をも考慮してロボット３０に対する動作命令を出すようになっている。

ここで、ボルト締付装置１０でパルス締付を行うと、図２（ｂ）に示すように、ボルトの締付方向が時計回りであれば、その反力がロボット３０に対して図中下向きに作用する。この反力により、ロボット３０が下方へ動いてしまい、ロボット３０の位置がすれてしまうため、ロボット３０は元の位置に戻ろうとする。そして、ボルト締付装置１０において後述する振動抑制対策を講じていないと、パルス締付では、ロボット３０の原点復帰力とロボット３０に作用する締付反力とが交互に働くため、従来の締付装置のようにロボット３０が大きく振動してしまう。

ところが、ボルト締付装置１０では、上記のようなロボット３０の振動を低減するように、ロボット３０を制御している。つまり、ボルト締付装置１０では、従来のように機械的な対策を講じるのではなく、制御によりロボットの振動を抑えるのである。そこで、ボルト締付装置１０におけるボルトの締付制御について、図４を参照しながら説明する。図４は、ボルトの締付制御の内容を示すフローチャートである。

ボルト締付装置１０では、まず、ロボットコントローラ３５が、ロボット３０からの情報に基づきロボット３０の現在位置を把握する（ステップ（以下「Ｓ」とも記す）１）。そうすると、ナットランナコントローラ２１が締付情報に基づいてナットランナ２０の動作を制御してボルトの締付（パルス締付）を開始する（ステップ２）。そして再び、ロボットコントローラ３５が、ロボット３０からの情報に基づきロボット３０の現在位置を把握する（ステップ３）。このステップ３で把握されるロボット３０の現在位置は、ボルトの締付反力によってロボット３０が位置ズレしたときの位置である。

次いで、ロボットコントローラ３５は、ステップ１及びステップ３で取得したロボットの位置情報から、ボルトの締付反力によってロボット３０が動いた変化量（変位）「Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）」を算出する（ステップ４）。そして、ロボットコントローラ３５は、ロボット３０を「Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）×α」だけ元に戻すように制御する。

ここで、αは、ボルトの締付情報によって決定される０＜α＜１の係数である。なお、αの値は、最終トルク（予め決められている締付トルク）に達するまでにロボット３０が動く距離（ロボット３０の位置ズレ量）が最小となるように決定されている。このような係数αを乗じた変位量「Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）×α」分だけロボット３０を元に戻すことにより、ボルトの締付反力によって動いたロボット３０の復帰力が小さくなる。このようにボルト締付装置１０では、ロボットコントローラ３５によってロボット３０の復帰力が小さくなるようにロボット３０の動作が制御される。ここで、ボルトの締付反力によってロボット３０が動いた後、元の位置に戻ろうと復帰動作を行ったときに、ロボット３０が元の位置を超えてしまうことによりロボット３０に振動が生じてしまう。このため、ロボット３０の復帰力が小さくなることにより、復帰動作時にロボット３０が元の位置を超えることを確実に防止することができる結果、ロボット３０の振動を確実に低減することができる。

さらに、締付トルク（締付反力）の大きさに応じてαの値が決定されている（変わる）ため、ロボット３０の復帰変位量（修正復帰変位量）を適切に算出することができる。その結果、復帰動作時にロボット３０が元の位置を超えないようにしながら、ロボット３０をできる限り元の位置に近いところに復帰させることができる。

その後、ボルトの締付トルクが目標トルク以上になっているか否かが判断される（ステップ６）。このとき、締付トルクが目標トルク以上になっていれば（Ｓ６：ＹＥＳ）、そのボルトに対する締付が終了する。一方、締付トルクが目標トルク未満であれば（Ｓ６：ＮＯ）、ステップ１の処理に戻り、上記したＳ１〜Ｓ６の処理が繰り返し行われる。

以上、詳細に説明したように第１の実施の形態に係るボルト締付装置１０によれば、ボルトの締付によってロボット３０が動いた後、元の位置に復帰しようとする原点復帰力が小さくなるように、締付反力によって動いた変位量「Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）」よりも小さい変位量「Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）×α」だけロボット３０が元に戻る。これにより、復帰動作時にロボット３０が元の位置を超えることがなくなるため、ロボット３０の振動が確実に低減される。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係るボルト締付装置は、その装置構成を第１の実施の形態と同じくするが、ボルトの締付制御が異なる。そのため、以下ではこの点について、図５を参照しながら説明する。図５は、第２の実施の形態におけるボルトの締付制御の内容を示すフローチャートである。

第２の実施の形態に係るボルト締付装置では、まず、ナットランナコントローラ２１が締付情報に基づいてナットランナ２０の動作を制御してボルトの締付（パルス締付）を開始する（ステップ１０）。次に、ロボットコントローラ３５が、ボルトの締付情報を取得する（ステップ１１）。この締付情報の取得は、ナットランナコントローラ２１からロボットコントローラ３５に対して送信された締付情報をロボットコントローラ３５が受信することにより行われる。

そして、ロボットコントローラ３５は、ボルトの締付反力と逆方向へロボット３０が駆動するように、取得した締付情報に基づきロボット３０の動作を制御する。これにより、図６に示すように、ボルトの締付反力の発生に同期して締付反力とは逆方向にロボット３０の駆動力が発生する。なお、本実施の形態では、ロボット３０の耐久性を考慮して、締付反力の７０％前後の駆動力をロボット３０に発生させるようにしている。なお、締付反力と逆方向に発生させるロボット３０の駆動力は、締付反力の約６０％〜約８０％の範囲内となるようにすればよい。そして、このロボット３０の駆動力により、ロボット３０に作用するボルトの締付反力が相殺されるため、ロボット３０が動く量（距離）を小さくすることができ、ロボット３０がほとんど動かなくなる。これにより、ロボット３０の振動を確実に低減することができる。

その後、ボルトの締付トルクが目標トルク以上になっているか否かが判断される（ステップ１３）。このとき、締付トルクが目標トルク以上になっていれば（Ｓ１３：ＹＥＳ）、そのボルトに対する締付が終了する。一方、締付トルクが目標トルク未満であれば（Ｓ１３：ＮＯ）、ステップ１の処理に戻り、上記したＳ１０〜Ｓ１３の処理が繰り返し行われる。

以上、詳細に説明したように第２の実施の形態に係るボルト締付装置によれば、ボルトの締付反力がロボット３０に作用する際、その締付反力に同期して締付反力を相殺すべく締付反力とは逆方向に駆動力が生じるように、ナットランナコントローラ２１から取得した締付情報に基づき、ロボットコントローラ３５によってロボット３０の動作が制御される。これにより、ボルトの締付反力によってロボット３０が動く量（距離）を小さくすることができるため、締付反力がロボット３０に作用してもロボット３０はほとんど動かなくなる結果、ロボット３０の振動が確実に低減される。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

第１の実施の形態に係るボルト締付装置の概略構成を示す側面図である。 ボルト締付装置におけるナットランナ取付部付近を示す図であり、（ａ）はナットランナ取付部付近の上面図、（ｂ）は締付トルクと締付反力との関係を示す図である。 ボルト締付装置の制御ブロック図である。 ボルトの締付制御の内容を示すフローチャートである。 第２の実施の形態におけるボルトの締付制御の内容を示すフローチャートである。 ロボットに作用する締付反力とロボットの駆動力の関係を示す図である。 パルス締付における時間とトルクの関係を示す図である。

符号の説明

１０ ボルト締付装置
１１ 取付フレーム
２０ ナットランナ
２１ ナットランナコントローラ
３０ ロボット
３５ ロボットコントローラ

Claims (4)

1. ロボットに取り付けたナットランナによってボルトをパルス締付により締め付けるボルト締付装置において、
   前記ロボットの動作を制御するロボットコントローラと、
   前記ナットランナの動作を制御するナットランナコントローラと、
   を有し、
   前記ナットランナコントローラは、前記ナットランナによるボルトの締付制御情報を前記ロボットコントローラへ送信し、
   前記ロボットコントローラは、ボルトのパルス締付の際に発生する前記ロボットの振動を低減するように、前記ロボットの動作を制御するための制御信号を前記締付制御情報に基づいて生成し、前記制御信号を前記ロボットに送信する
   ことを特徴とするボルト締付装置。
2. 請求項１に記載するボルト締付装置において、
   前記制御信号は、ボルトの締付反力に対して前記ロボットを元の位置に復帰させるための復帰変位量よりも小さい修正復帰変位量だけ前記ロボットを元に戻すための信号である
   ことを特徴とするボルト締付装置。
3. 請求項２に記載するボルト締付装置において、
   前記修正復帰変位量は、前記ロボットの位置情報から算出した前記復帰変位量に対して、前記締付制御情報から決定される係数α（０＜α＜１）を乗じて算出されるものである
   ことを特徴とするボルト締付装置。
4. 請求項１に記載するボルト締付装置において、
   前記制御信号は、ボルトの締付反力の発生に同期して締付反力と逆方向への駆動力を前記ロボットに付与するための信号である
   ことを特徴とするボルト締付装置。

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