(57)【要約】【課題】ネジ締め機構の位置補正を素早く正確に行うことができるネジ締め装置を提供する。【解決手段】自動ネジ締め装置１は、ネジを保持するネジ締めユニット４０と、ネジ締めユニット４０に働く力を測定する複数の力センサ３１、３２、３３と、ネジ締めユニット４０に働く力の大きさおよび方向を算出する力制御部と、力制御部の出力に基づいてネジ締めユニット４０を補正移動する微動用ロボット２０とを備えている。力センサ３１、３２は、回転軸Ａ４０に垂直な平面におけるｙ軸方向の力を測定する。力センサ３３は回転軸Ａ４０に垂直な平面においてｙ軸と直交するｘ軸方向の力を測定する。したがって、自動ネジ締め装置１は、ネジ締めユニット４０に働く反力ＦｒｙとトルクＴとを分離して算出することを、簡易的に行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネジ締め手段と、
上記ネジ締め手段のネジ締めの回転軸に直交する直線上に当該回転軸を挟んで配置され、かつ、上記回転軸に垂直な平面内の上記直線に直交する方向において上記ネジ締め手段に働く力を測定する２つの力センサと、
上記２つの力センサの出力に基づいて上記ネジ締め手段に働く力の大きさおよび方向を算出する算出手段と、
上記算出手段の出力に基づいて、上記ネジ締め手段を上記回転軸に垂直な方向に移動する位置補正手段とを備えていることを特徴とする自動ネジ締め装置。
【請求項２】
上記２つの力センサは、上記回転軸から等距離の位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の自動ネジ締め装置。
【請求項３】
上記回転軸に垂直な平面内の方向であり、かつ上記２つの力センサの測定する方向とは異なる方向において上記ネジ締め手段に働く力を測定する他の１つの力センサを、さらに備えており、
上記算出手段は、上記２つの力センサの出力に加え、上記他の１つのセンサの出力に基づいて上記ネジ締め手段に働く力の大きさおよび方向を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の自動ネジ締め装置。
【請求項４】
上記他の１つの力センサの測定する方向は、上記回転軸に垂直な平面内の上記直線に平行な方向であることを特徴とする請求項３に記載の自動ネジ締め装置。
【請求項５】
上記２つの力センサおよび他の１つの力センサは、上記回転軸を中心とした同一の円周上に配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の自動ネジ締め装置。
【請求項６】
上記２つの力センサは、さらに、上記回転軸に垂直な平面内の上記直線に平行な方向において上記ネジ締め手段に働く力を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の自動ネジ締め装置。
【請求項７】
上記２つの力センサは、さらに、上記回転軸に平行な方向において、上記ネジ締め手段に働く力を測定することを特徴とする請求項６に記載の自動ネジ締め装置。
【請求項８】
上記算出手段による上記ネジ締め手段に働く力の大きさおよび方向の算出と、上記位置補正手段による上記ネジ締め手段の移動とを、ネジとネジ穴との中心軸が一致するまで繰り返えすことを特徴とする請求項６に記載の自動ネジ締め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力センサを備えたロボットによる自動ネジ締め装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な組立工程において作業の自動化が行われており、ネジ締め作業もその一つである。従来、ネジ締め作業を自動化する場合には、ネジ締めが必要なワークを搬送するコンベアの周囲に配置された多関節ロボットあるいは３軸直交ロボットなどの移動機構と、当該移動機構の先端に取付けられたネジ締め機構とが使用されている。ネジ締め機構は、モータなどによって回転駆動するビットを備えており、ビットの先端部をネジ頭の溝に勘合させて、所定の方向に回転することによってネジ締めを行う。
【０００３】
ネジ締め前の位置決めのためには、まず、ワークを特定の位置に載せたパレットがコンベアに搬送され、ネジ締め位置で停止して、ワークがパレットごとに機械的に位置決めされる。次に、移動機構が、予め教示された位置へネジ締め機構を移動させる。
【０００４】
しかしながら、このような位置決めを行ったとしても、パレット上のワークの位置や、ワークにおけるネジ穴の位置などには多少のバラつきが存在し、移動機構には繰返し誤差が存在する。このため、実際にネジ締めを行う時には、ネジとネジ穴とのの中心軸にはズレが生じることがある。このズレが大きい場合、ネジが傾いたり、ネジ山がかみ合ったりなどして、ネジ締めが失敗する可能性が高くなるという問題が存在する。
【０００５】
この問題を解決する従来の方法として、ネジ締め前にカメラによってワークを撮像し、画像処理によってネジ穴の位置を算出してワークやネジ穴の位置を補正する方法、ワークにおけるネジ穴の位置公差を小さくする方法、および、移動機構の動作精度を向上する方法などが挙げられる。
【０００６】
しかしながら、カメラを使用する補正方法では、ネジ穴の位置を高精度で検出するために、高解像度のカメラを使う必要がある。また、ワークが大きくなると１台のカメラでは全てのネジ穴を撮像できなくなるため、複数台のカメラを使用するか、または１台のカメラを移動させて、複数枚の撮像を行う必要がある。このため装置のコスト増加や、タクトタイムの増加につながる。ワークにおけるネジ穴の位置公差を小さくする方法では、個々のワークの加工を高精度で行う必要があるため、この方法はワークの単価上昇につながる。また、移動機構の動作精度を向上する方法では、移動機構のアクチュエータに使用する歯車のバックラッシュ低減や、エンコーダの高精度化が必要となる。また、移動機構の動作精度を向上する方法では、移動機構を目標位置で正確に停止させるために、目標位置に近づいたら動作を低速にして、制御に対する遅れを小さくする必要がある。このような移動機構は高価であり、かつ、その動作時間が長いため、装置全体におけるコスト増加やタクトタイムの増加につながる。
【０００７】
上記問題に対して、特許文献１および２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を用いるネジ締め装置が開示されている。特許文献１に記載のネジ締め装置には、多関節ロボットのアームの先端に６軸力センサを介してネジ締め機構が取付けられている。この６軸力センサは、ネジ締めの際にネジがネジ穴から受ける反力を検出し、当該反力の方向とビットの方向が一致するように多関節ロボットが制御される。これによって、ネジ締め機構がネジ穴に合せて傾き、確実なネジ締めを行う。
【０００８】
特許文献２に記載のネジ締め装置には、特許文献１に記載のネジ締め装置と同様に、多関節ロボットのアームの先端に６軸力センサを介してネジ締め機構が取付けられている。この６軸力センサは、ネジがネジ穴に接触した時の反力を検出し、ネジとネジ穴の位置が合うように多関節ロボットが制御される。これによって、ネジ締め機構がネジ穴に合せて移動し、確実なネジ締めを行う。ネジ締め中、６軸力センサはネジ締め方向の力のみを検出するように切替えられ、当該６軸力センサが規定のネジ締めトルクを検出するまでネジ締めが行われる。
【特許文献１】特開平７−２１４４３５号公報（１９９５年８月１５日公開）
【特許文献２】特開２００２−３３１４２８号公報（２００２年１１月１９日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１および２に記載のネジ締め装置のように、６軸力センサを用いたネジ締め装置では、ネジ締め動作中に６軸力センサが測定する力から、ネジとネジ穴の中心軸とがずれたことにより生じる反力とネジ締めトルクとを分離して検出することが難しく、そのための計算は煩雑となる。例えば、特許文献１に記載のネジ締め装置では、ネジ締め機構をネジ穴に合せて傾ける際、力の検出からネジ締め機構の制御までに時間がかかってしまう。
【００１０】
なお、特許文献２に記載のネジ締め装置では、６軸力センサの力検出方向を切り替えて、反力とトルクとを別々に算出する構成を採用しているため、ネジ締め動作と同時にネジ締め機構の位置補正を行うことはできない。
【００１１】
したがって、６軸力センサを用いたネジ締め装置は、ネジとネジ穴とのズレに対して素早く柔軟に対応することが困難である。
【００１２】
また、特許文献１に記載のネジ締め装置では、ネジ締めの回転軸と６軸力センサの１軸とを一致させるために、力センサが、ネジを保持するビットに対し、ネジ締め機構を挟んだ反対側に配置されている。このような配置では、ネジ締め機構の自重が力センサにかかるため、ネジ締め機構の傾きに応じて力センサの出力を常に補償しなくてはならない。これは、力センサにおいて検出される力の精度低下を引き起こし、力センサによるフィードバック制御の周期に対して悪影響を及ぼす。したがって、特許文献１に記載のネジ締め装置は、少々の影響を問題としない大径のボルトやネジのネジ締めには適用可能であっても、小径のネジのネジ締めには不適である。
【００１３】
また、特許文献２に記載のネジ締め装置では、力センサがネジ締め機構のビットの回転軸から離れた位置に配置されているため、ビットを回転させた際に生じるトルクがモーメントとして力センサのＦｘ、Ｆｙの値に加わってしまう。このため、ネジ締め中にネジとネジ穴との位置関係を正確に検出することはできない。
【００１４】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ネジとネジ穴とのズレに対して、ネジ締め機構の位置補正を素早く正確に行うことができるネジ締め装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明にかかる自動ネジ締め装置は、上記課題を解決するために、ネジ締め手段と、上記ネジ締め手段のネジ締めの回転軸に直交する直線上に当該回転軸を挟んで配置され、かつ、上記回転軸に垂直な平面内の上記直線に直交する方向において上記ネジ締め手段に働く力を測定する２つの力センサと、上記２つの力センサの出力に基づいて上記ネジ締め手段に働く力の大きさおよび方向を算出する算出手段と、上記算出手段の出力に基づいて、上記ネジ締め手段を上記回転軸に垂直な方向に移動する位置補正手段とを備えていることを特徴としている。
【００１６】
上記構成では、上記２つの力センサの各々がネジ締め手段に働く力を測定し、算出手段が上記２つの力センサの出力を基にしてネジ穴からネジが受ける反力Ｆｒとネジ締めに要するトルクＴとを算出する。
【００１７】
上記２つの力センサは、ネジ締め手段の回転軸に直交する直線上に当該回転軸を挟んで配置されているため、当該２つの力センサにはトルクＴがそれぞれ反対方向に働く。また、上記２つの力センサは、上記回転軸を中心とする円の接線方向の力を測定するため、上記２つの力センサの各々がトルクＴから受ける力Ｆｔは、回転軸から上記２つのセンサの各々までの距離による。
【００１８】
また、上記２つの力センサの測定する方向を、ネジから受ける反力Ｆｒのｙ軸方向とするとき、上記２つの力センサは、反力Ｆｒのｙ軸方向成分Ｆｒｙを測定する。
【００１９】
このとき、上記２つの力センサの各々が測定する力Ｆ１、Ｆ２は、以下の式（１）によって表される。
【００２０】
Ｆ１＝（Ｔ／ｒ１＋Ｆｒｙ）／２
Ｆ２＝（−Ｔ／ｒ２＋Ｆｒｙ）／２          ・・・式（１）
式（１）によれば、ｒ１およびｒ２は回転軸から２つの力センサとの既知の距離であり、Ｆ１およびＦ２からＴが求まり、Ｆｒｙが算出される。よって算出手段は、ネジ締め手段に働く反力ＦｒｙとトルクＴとを分離して算出することを簡易的に行うことができる。
【００２１】
また上記構成では、移動手段が、ネジ締め手段を上記平面に対して平行な方向に移動させる。移動手段が、算出手段の算出した結果に基づいてネジ締め手段を移動させれば、ネジとネジ穴との中心軸が一致するようにネジ締め手段の位置補正を行うことができる。このとき、算出手段による算出は簡易的に行われるため、上記２つの力センサが力を測定してから移動手段がネジ締め手段を移動するまでの、ネジ締め手段の位置補正にかかる時間を短くすることができる。
【００２２】
したがって、本発明に係る自動ネジ締め装置は、ネジとネジ穴とのズレに対して素早く対応して、ネジ締めを確実に行うことができる。また、本発明に係る自動ネジ締め装置は、ネジ締め動作中にネジ締め手段の位置補正を素早く行うことができるため、例えばコンベア上を流れるワークに対しても、ネジ締めを好適に行うことができる。
【００２３】
さらに、本発明にかかる自動ネジ締め装置において、上記２つの力センサは、上記回転軸から等距離の位置に配置されていることが好ましい。
【００２４】
上記構成では、上記２つの力センサがトルクＴから受ける力Ｆｔの大きさは等しい。このため、上記２つの力センサの各々が測定する力Ｆ１、Ｆ２は、以下の式（２）によって表される。
【００２５】
Ｆ１＝（Ｆｔ＋Ｆｒｙ）／ｋ
Ｆ２＝（−Ｆｔ＋Ｆｒｙ）／ｋ  ・・・式（２）
なお、ｋは複数の力センサの個数である。
【００２６】
式（２）によれば、Ｆ１とＦ２との差分からＦｔが求まる。よって、算出手段は、ネジ締め手段に働く反力ＦｒｙとトルクＴとを、より簡易的に算出することができる。
【００２７】
また、本発明にかかる自動ネジ締め装置は、上記回転軸に垂直な平面内の方向であり、かつ上記２つの力センサの測定する方向とは異なる方向において、上記ネジ締め手段に働く力を測定する他の１つの力センサを、さらに備えており、上記算出手段は、上記２つの力センサの出力に加え、上記他の１つのセンサの出力に基づいて上記ネジ締め手段に働く力の大きさおよび方向を算出することが好ましい。
【００２８】
上記構成において、上記２つの力センサの測定する方向を反力Ｆｒのｙ軸方向とし、上記回転軸に垂直な平面をｘｙ平面とするとき、上記他の１つの力センサはｘｙ平面内のｙ軸とは異なる方向の力を測定する。上記他の１つの力センサと回転軸とを結ぶ線とｘ軸とがなす角が判明していれば、算出手段は、ネジ締め手段に働く反力Ｆｒの合力とトルクＴとを算出することができる。したがって、本発明に係る自動ネジ締め装置は、ネジとネジ穴との中心軸が一致するように、ネジ締め手段をより正確に位置補正することができる。
【００２９】
さらに、本発明にかかる自動ネジ締め装置は、上記他の１つの力センサの測定する方向は、上記回転軸に垂直な平面内の上記直線に平行な方向であることが好ましい。
【００３０】
上記構成において、上記２つの力センサの測定する方向を反力Ｆｒのｙ軸方向とするとき、上記他の１つの力センサは反力Ｆｒのｘ軸方向成分Ｆｒｘを測定する。また、このため、上記他の１つの力センサが測定する力Ｆ３は、以下の式（３）によって表される。
【００３１】
Ｆ３＝（Ｔ／ｒ３＋Ｆｒｘ）／３  ・・・式（３）
式（３）によれば、ｒ３は回転軸から他の１つの力センサとの既知の距離であり、式（１）または（２）から求まるＴによって、Ｆｒｘが算出される。すなわち、算出手段は、ネジ締め手段に働く反力Ｆｒのｘ軸方向成分Ｆｒｘおよびｙ軸方向成分Ｆｒｙの合力を、精度良く、容易に算出することができる。したがって、本発明に係る自動ネジ締め装置は、ネジとネジ穴との中心軸が一致するようにネジ締め手段をより素早く位置補正することができる。
【００３２】
さらに、本発明にかかる自動ネジ締め装置において、上記２つの力センサおよび上記他の１つの力センサは、上記回転軸を中心とした同一の円周上に配置されていることが好ましい。
【００３３】
上記構成によれば、複数の力センサがトルクＴから受ける力Ｆｔの大きさは全て等しい。このため、上記２つの力センサの各々が測定する力Ｆ１、Ｆ２、および上記他の１つの力センサが測定する力Ｆ３は、以下の式（４）によって表される。
【００３４】
Ｆ１＝（Ｆｔ＋Ｆｒｙ）／ｋ
Ｆ２＝（−Ｆｔ＋Ｆｒｙ）／ｋ
Ｆ３＝（Ｆｔ＋Ｆｒｘ）／ｋ    ・・・式（４）
なお、ｋは複数の力センサの個数である。
【００３５】
式（４）によれば、Ｆ１とＦ２との差分からＦｔが求まり、ＦｒｙおよびＦｒｘが算出される。また、回転軸から力センサまでの距離によって、トルクＴが算出される。よって、算出手段はネジ締め手段に働く反力ＦｒとトルクＴとを、より簡易的に算出することができる。したがって、本発明に係る自動ネジ締め装置は、ネジとネジ穴との中心軸が一致するように、ネジ締め手段をより素早くかつ正確に位置補正することができる。
【００３６】
また、本発明にかかる自動ネジ締め装置において、上記２つの力センサは、さらに、上記回転軸に垂直な平面内の上記直線に平行な方向において上記ネジ締め手段に働く力を測定してもよい。
【００３７】
上記構成によれば、上記他の１つの力センサを用いずとも、上記２つの力センサを用いることによって、ネジとネジ穴との中心軸が一致するようにネジ締め手段を正確に位置補正することができる。また、上記２つの力センサとして３軸力センサを用いることができる。
【００３８】
また、本発明にかかる自動ネジ締め装置において、上記２つの力センサは、さらに、上記回転軸に平行な方向において、上記ネジ締め手段に働く力を測定してもよい。
【００３９】
上記構成によれば、上記回転軸に平行な方向の力に基づいて、ネジ締め手段の押し付け力を調節することができる。また、上記２つの力センサとして３軸力センサを用いることができる。
【００４０】
本発明にかかる自動ネジ締め装置は、上記算出手段による上記ネジ締め手段に働く力の大きさおよび方向の算出と、上記位置補正手段による上記ネジ締め手段の移動とを、ネジとネジ穴との中心軸が一致するまで繰り返えすことが好ましい。
【００４１】
上記構成によれば、移動手段は、ネジとネジ穴とのズレに対応してネジ締め手段の位置を素早く正確に補正することができる。このため、本発明に係る自動ネジ締め装置は、ネジ締めを確実に行うことができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明に係る自動ネジ締め装置によれば、ネジ締め手段の回転軸を挟んで配置され、かつ、上記回転軸を中心とする円の接線方向において上記ネジ締め手段に対して働く力を測定する力センサを備えているので、ネジとネジ穴との中心軸が一致するようにネジ締め手段を素早く正確に位置補正することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
〔実施形態１〕
本発明の第１の実施形態について図１から図１６に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本実施形態では、自動ネジ締め装置１が液晶テレビの製造工程に用いられるとし、ネジ締めが必要なワークが液晶モジュール８であるとして説明するが、本発明はこれに限られず、ネジ締めを行う他の様々なワークに対して利用することができる。
【００４４】
まず、液晶テレビの製造工程における液晶モジュール８の組立て工程の概略について、図２を参照して説明する。図２は、液晶テレビの製造工程における液晶モジュール８の組立て工程を示す斜視図である。
【００４５】
図２に示すように、液晶モジュール８の組立て工程には、自動ネジ締め装置１と、液晶モジュール（ワーク）８を前工程から搬送する組立てコンベア６とが用いられる。組立てコンベア６は、ワークを常に一定速度で搬送するだけのベルトコンベア６１と、ベルトコンベア６１上を前工程から液晶モジュール８が搬送されてきたことを検知する光電センサ６２と、液晶モジュール８の姿勢を撮像する姿勢検出カメラ６３とを備えている。ベルトコンベア６１はコンベア上のワークの位置決めなどの機構を持たない簡易な構成でよい。ベルトコンベア６１の駆動方向をＸ軸とし、コンベア面に対して鉛直上方向をＺ軸とし、Ｘ軸、Ｚ軸の両者に直交する軸をＹ軸とする。
【００４６】
液晶テレビの表示部である液晶モジュール８は、図３に示すように、液晶パネル８２の周囲が、箱状のバックライトユニット８１と、断面が略Ｌ字形の額縁状のベゼル８３とによって囲まれるように固定された構造である。図３は液晶モジュール８を示す分解斜視図である。ベゼル８３は複数本のネジ（本実施形態では６本）のネジによって、バックライトユニット８１に固定されている。
【００４７】
ベルトコンベア６１の横側には、光電センサ６２から一定の距離をとった下流において、自動ネジ締め装置１が設置されている。
【００４８】
次に、図１および図４に基づいて、本実施形態における自動ネジ締め装置１の概略構成について説明する。図１は、自動ネジ締め装置１の力センサユニット３０周辺を示す斜視図であり、図４は、自動ネジ締め装置１を示す斜視図である。図４に示すように、自動ネジ締め装置１は、粗動用ロボット１０と、粗動用ロボット１０の先端に取付けられた微動用ロボット２０と、微動用ロボット２０の先端に力センサユニット３０を介して取付けられたネジ締めユニット４０と、これらを制御する制御部（図示しない）とを備えている。また、粗動用ロボット１０の可動範囲内には、ネジ締めユニット４０にネジを供給するためのネジ供給ユニット５０が設けられている。
【００４９】
本実施形態では、ネジ締め手段としてネジ締めユニット４０を用いており、ワーク（液晶モジュール８）の平面内の位置おけるネジ締めユニット４０の移動手段として粗動用ロボット１０を、位置補正手段として微動用ロボット２０を用いている。また、後述にて説明するが、ネジ締めユニット４０に働く力を算出する算出手段として、制御部の備える力制御部を用いている。
【００５０】
図４に示すように、粗動用ロボット１０は、４軸に構成されたスカラー型のロボットであり、粗動用ベース１１と、第１アーム１２と、第２アーム１３と、粗動用スライド機構１４とを備えている。第１アーム１２は、Ｚ軸と平行な軸線Ａ１１まわりに第１アーム１２を旋回駆動させる駆動機構を介して、粗動用ベース１１に取付けられている。第２アーム１３は、Ｚ軸と平行な軸線Ａ１２まわりに第２アーム１３を旋回駆動させる駆動機構を介して、第１アーム１２に取付けられている。粗動用スライド機構１４は、Ｚ軸と平行な軸線Ａ１３まわりに粗動用スライド機構１４を旋回駆動させる駆動機構を介して、第２アーム１３に取付けられている。また、粗動用スライド機構１４は、Ｚ軸と平行な軸線Ａ１４に沿って駆動可能な粗動用スライドブロック１５を備えており、粗動用スライドブロック１５には、微動用ロボット２０が取付けられている。
【００５１】
微動用ロボット２０は、ネジ締めユニット４０を、ワーク（液晶モジュール８）の平面に対して平行に移動可能にするものであればよい。本実施形態では、図１に示すように、微動用ロボット２０は、粗動用スライドブロック１５に取付けられる微動用ベース２１と、互いに直交して微動用ベース２１に取付けられた２つの微動用スライド機構２２、２３とから、直交２軸に構成されている。微動用スライド機構２２、２３は、軸線Ａ２２、Ａ２３に沿って駆動可能な微動用スライドブロック２４、２５を備えている。微動用スライドブロック２４、２５の稼動範囲の中心を原点とする。微動用スライド機構２２は、軸線Ａ２２がＺ軸に対して直交するように微動用ベース２１に取付けられ、微動用スライド機構２３は、軸線Ａ２３が軸線Ａ２２とＺ軸の両方に直交するように微動用スライドブロック２４に取付けられている。微動用スライドブロック２５には、力センサユニット３０が取付けられている。
【００５２】
力センサユニット３０は、１軸方向の力を検出する３個の力センサ３１、３２、３３と、力センサ３１、３２、３３が取付けられるセンサ取付け部３５と、微動用スライドブロック２５に取付けられた力センサユニットベース３４とを備えている。力センサ３１、３２、３３が取付けられるセンサ取付け部３５の平面は、回転軸Ａ４０に対して直交する平面である。力センサユニット３０は、さらに、力センサユニットベース３４とセンサ取付け部３５との間に配置され、センサ取付け部３５をＺ軸方向に移動自在に保持するリニアガイド３６と、センサ取付け部３５を支持する弾性体３７とを備えている。リニアガイド３６および弾性体３７は、ビット４３の先端とネジ頭の溝との勘合がネジ締め中に粗動用ロボット１０の動作誤差などによって緩むことのないように、ビット４３の先端をネジ頭に一定の力で押付けるための構造である。
【００５３】
ネジ締めユニット４０は、力センサ３１、３２、３３に取付けられたネジ締めベース４１と、ネジ締めベース４１に固定されたモータ４２と、モータ４２により回転駆動するビット４３、ビット４３をモータ４２に取付けるためのドリルチャック４４を備えている。ビット４３は、使用するネジの種類に応じて、十文字穴用、六角穴用などに付け替えることができる。また、ビット４３の先端を磁性体とすることによって、ネジ供給ユニット５０にて取得したネジを落とさずにネジ締め位置まで移動することができる。
【００５４】
ネジ供給ユニット５０は、使用するネジを入れておくネジ溜め部５１から、ネジ頭が上に向いた状態にネジを整列させながらネジ供給部５２に送る装置である。ビット４３は、ネジ供給部５２の先端からネジを１本ずつ取出すことができる。
【００５５】
次に、力センサ３１、３２、３３について図５に基づいて説明する。図５は、力センサ３１、３２、３３を示す上面図である。図５に示すように、力センサ３１、３２、３３は、ネジ締めユニット４０の回転軸Ａ４０に対して直交する平面内の少なくとも１軸方向の力を検出する力センサであればよい。２つの力センサ３１、３２については、回転軸Ａ４０を通る直線上において当該回転軸Ａ４０を挟んで配置されている。また、３つの力センサ３１、３２、３３は、回転軸Ａ４０を中心とする同一の円上に配置されている。力センサ３１の位置を０度とするとき、１８０度の位置に力センサ３２が配置され、９０度の位置に力センサ３３が配置されている。ここで、回転軸Ａ４０から力センサ３１に向かう方向をｘ軸とし、回転軸Ａ４０から力センサ３３に向かう方向をｙ軸とする。
【００５６】
３個の力センサ３１、３２、３３の力の測定方向については、各力センサ３１、３２、３３が、回転軸Ａ４０を中心とする円周との接線方向の力を測定するよう配置されている。すなわち、力センサ３１、３２はｙ軸方向の力を測定し、力センサ３３はｘ軸方向の力を測定するよう配置されている。
【００５７】
次に、制御部７について図６を参照して説明する。図４は、制御部７を示すブロック図である。図６に示すように、制御部７は、ワーク認識部７１と、ロボット制御部７２と、力制御部７３と、ネジ締め制御部７４とから構成されている。ワーク認識部７１は、姿勢検出カメラ６３によって撮像された液晶モジュール８の画像を処理して液晶モジュール８の姿勢を検出し、ネジ穴の位置の補正データを算出する機能を有する。ロボット制御部７２は、粗動用ロボット１０の各軸の動作を制御して、所定の位置へネジ締めユニット４０を移動させる機能を有する。力制御部７３は、力センサ３１、３２、３３からの出力を基にネジにかかる反力を算出して、微動用スライド機構２２、２３の動作を制御し、ネジとネジ穴の位置を合せる機能を有する。ネジ締め制御部７４は、ネジ締めユニット４０のモータ４２の回転を制御する機能を有する。
【００５８】
自動ネジ締め装置１によるネジ締め動作について、図７および図８に示すフローチャートを参照して以下に説明する。図７は自動ネジ締め装置１によるネジ締め動作を示すフローチャートであり、図８は力制御部による位置補正動作を示すフローチャートである。
【００５９】
まず、図７に示すように、ステップＳ１において、液晶モジュール８が前工程から搬送されてきたこと知らせる光電センサ６２の入力を待つ。光電センサ６２の入力があると、ワーク認識部７１は、液晶モジュール８が通過した時刻を記録する（ステップＳ２）。
【００６０】
続いて、ワーク認識部７１は、通過する液晶モジュール８を姿勢検出カメラ６３によって撮像する（ステップＳ３）。次いで、ワーク認識部７１は、撮像した液晶モジュール８の画像から、ベルトコンベア６１上の液晶モジュール８の位置および傾きを算出する。また、液晶モジュール８内にあらかじめ登録してあるネジ穴位置のデータを基にして、通過中の液晶モジュール８におけるネジ穴の位置を算出する。さらに、液晶モジュール８がベルトコンベア６１により搬送される間に、ネジ穴の通過軌道（図９）と、ネジ締めの順番とを算出する（ステップＳ４）。図９は、ベルトコンベア６１上における液晶モジュール８のネジ穴の軌道を示す上面図である。
【００６１】
また、ステップＳ２が終了した時点で、ワーク認識部７１がロボット制御部７２に対してワーク到着の信号を送ることによって、ステップＳ５が実行される。
【００６２】
ステップＳ５において、ロボット制御部７２は、粗動用ロボット１０の各軸の動作を制御して、粗動用ロボット１０の制御点をネジ供給ユニット５０のネジ供給部５２へ移動させ、ネジ供給部５２からビット４３にネジを取付ける。ここで、粗動用ロボット１０の制御点とは、微動用ロボット２０の微動用スライド機構２２、２３が共に原点に有るときのビット４３の先端を意味する。
【００６３】
次にステップＳ６において、ロボット制御部７２は、ワーク認識部７１がステップＳ２で記録した液晶モジュール８の通過時刻と、ステップＳ４で算出した１番目のネジ穴の初期位置および通過軌道と、予め登録されているベルトコンベア６１の動作速度とから、粗動用ロボット１０の移動目標位置を算出する。続いて、ロボット制御部７２は、粗動用ロボット１０の各軸の動作を制御して、算出した目標位置に粗動用ロボット１０の制御点を移動させる。
【００６４】
次にステップＳ７において、ロボット制御部７２は、粗動用ロボット１０の制御点を、Ｘ−Ｙ平面において１番目のネジ穴の通過軌道と一致させたまま、ベルトコンベア６１の動作速度と同じ速度で移動させさせるように、粗動用ロボット１０の軸Ａ１２およびＡ１３の動作を制御する。これと同時に、ロボット制御部７２は、粗動用ロボット１０の制御点を、使用するネジの種類によって予め登録された速度でＺ軸方向に移動させるように、粗動用ロボット１０の軸Ａ１４の動作を制御する。
【００６５】
また、ステップＳ６が完了した時点で、ロボット制御部７２が、力制御部７３およびネジ締め制御部７４に対してネジ締め開始準備完了の信号を送ることによって、ステップＳ８が実行される。
【００６６】
ステップＳ８では、図８に示すフローチャートに従って位置補正動作が行われる。まずステップＳ８Ａにおいて、ネジ締め制御部７４は、使用するネジの種類によって予め登録された回転数で、ネジ締めユニット４０のモータ４２を回転させる。
【００６７】
また、ステップＳ８Ｂにおいて、力制御部７３は、力センサ３１、３２、３３の出力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３をもとに、ネジ穴からネジが受ける反力Ｆｒとネジ締めに要するトルクＴを算出する。
【００６８】
ここで、図１０を参照して、反力ＦｒおよびトルクＴの算出の方法について説明する。図１０は、自動ネジ締め装置１の力センサ３１、３２、３３に加わる力を示す模式図である。図１０に示すように、力センサ３１、３２、３３は、ビット４３の回転軸Ａ４０を中心とした同一円周上で、その接線方向を測定するように配置されているため、トルクＴにより力センサ３１、３２、３３にかかる力Ｆｔの大きさは、それぞれ等しい。また、力センサ３１、３２は同一直線状にあり、回転軸Ａ４０に対して反対側に配置されているため、トルクＴは反対方向に働く。一方、力センサ３１、３２はネジが受ける反力Ｆｒのｙ軸方向成分Ｆｒｙを測定し、力センサ３３はネジが受ける反力Ｆｒのｘ軸方向成分Ｆｒｘを測定する。したがって、力センサ３１による出力Ｆ１、力センサ３１による出力Ｆ１、力センサ３１による出力Ｆ１は、以下の式（１）により算出される。
【００６９】
Ｆ１＝（Ｆｔ＋Ｆｒｙ）／３
Ｆ２＝（−Ｆｔ＋Ｆｒｙ）／３
Ｆ３＝（Ｆｔ＋Ｆｒｘ）／３    ・・・式（１）
式（１）によれば、Ｆ１とＦ２の差分からＦｔが求まり、これによって、ＦｒｘおよびＦｒｙが算出される。また、Ｆｔをもとにして、回転軸Ａ４０から力センサまでの距離からトルクＴが算出される。
【００７０】
次いで、ステップＳ８Ｃにおいて、力制御部７３は、ステップＳ８Ｂで算出した反力Ｆｒをもとにして、微動用ロボット２０の動作判定を行う。反力Ｆｒの絶対値が予め登録されている規定値以上であれば、ステップＳ８Ｄに移行し、規定値以下であれば、再度ステップＳ８Ｂに戻る。
【００７１】
なお、ここで用いられる規定値としては、ワークやネジなどの種類（ワークの材質、ネジの種類および長さ）によって定めればよく、ネジ締めが問題なく行われる反力Ｆｒの上限とすればよい。
【００７２】
ステップＳ８Ｄにおいて、力制御部７３は、反力Ｆｒのｘ軸方向成分Ｆｒｘ、ｙ軸方向成分Ｆｒｙをもとにして、微動用スライド機構２２、２３の動作量を決定し、ネジ締めユニット４０を移動させる。移動後は、再度ステップＳ８Ｂに戻る。
【００７３】
また、ステップＳ８Ｅにおいて、力制御部７３はステップＳ８Ｂで算出したトルクＴをもとにして、ネジ締めの状態を判定する。トルクＴが、使用するネジの種類によって予め登録された規定値以上であれば、ステップＳ８Ｆへ移行する。一方、トルクＴが規定値以下であれば、再度ステップＳ８Ｂに戻る。
【００７４】
ステップＳ８Ｆにおいて、ネジ締め制御部７４は、ネジ締めユニット４０のモータ４２を停止させ、位置補正動作を終了し、図７に示すステップＳ９へ移行する。
【００７５】
ステップＳ９において、ロボット制御部７２は、粗動用ロボット１０の制御点をＺ軸方向に所定量動作させて、ビット４３をネジ頭から離脱させる。合せて、Ｘ−Ｙ平面内における１番目のネジ穴の通過軌道に沿った動作を停止する。粗動用ロボット１０の動作停止後、ロボット制御部７２は、力制御部７３とネジ締め制御部７４に対して、粗動用ロボット１０の停止信号を送り、ステップＳ１０およびＳ１１へ移行する。
【００７６】
ステップＳ１０において、力制御部７３は、微動用スライド機構２２、２３の微動用スライドブロック２４、２５を原点復帰させる。
【００７７】
また、ステップＳ１１では、ネジ締め制御部７４がネジ締め本数を確認する。ネジ締め制御部７４は、通過する液晶モジュール８に対して予め設定されたネジ締めの規定本数と、ネジ締めを行った本数を比較して、本数が規定値を満たしていなかったら、次のネジ締めを行うべく、ステップＳ５に戻る。一方、規定値に達していれば、通過する液晶モジュール８へのネジ締めは完了となり、一連の動作を完了する。
【００７８】
以上の動作によって、自動ネジ締め装置１は、液晶モジュール８に対するネジ締めを自動で行うことができる。
【００７９】
自動ネジ締め装置１によれば、ネジ締め動作中、ネジとネジ穴の中心軸がずれたことにより生じる反力とネジ締めトルクとを分離して検出することが簡易的に行われるため、力制御部による位置補正動作の制御周期にかかる時間を短縮することができる。よって、自動ネジ締め装置１は、ネジとネジ穴とのズレに対して素早く対応することができる。
【００８０】
また、自動ネジ締め装置１は、ネジ締め動作の間に位置補正動作を行うことができるため、ベルトコンベア６１上を流れている状態の液晶モジュール８をネジ締めすることができる。よって、液晶モジュール８を載せたパレットを入れ替える時間や位置決めに要する時間が不要となるため、ネジ締めのタクトタイムを向上することができる。
【００８１】
さらに、自動ネジ締め装置１は、ネジとネジ穴の中心軸を一致するようにネジ締めユニット４０を制御することによって、ワークに対して必要とされる位置精度を緩和することができる。よって、ワークの位置を補正するためのカメラや、ワークを機械的に位置決めする機構などが不要となり、コストを低減することができる。また、ワークにおけるネジ穴の位置公差を緩和できるため、ワークの単価を抑えることができる。
【００８２】
〔実施形態２〕
上述した実施形態１では、１つの自動ネジ締め装置１を用いてネジ締めを行う場合について説明しているが、本発明はこれに限られず、１つのワークのネジ締めに対して、複数の自動ネジ締め装置１を投入してもよい。
【００８３】
本発明の実施形態２では、図１１に示すように、２台の自動ネジ締め装置１ａ、１ｂを、それぞれベルトコンベア６１の反対側に配置している。図１１は、液晶テレビの製造工程における液晶モジュール８の組立て工程を示す斜視図である。上述した実施形態１に対する本実施形態の主な相違点は、２台の自動ネジ締め装置１ａ、１ｂの動作を制御する制御部７’にある。したがって、以下では、図１２を参照して上記相違点を中心に説明する。図１２は、自動ネジ締め装置１ａ、１ｂの制御部７’を示すブロック図である。
【００８４】
図１２に示すように、制御部７’は、自動ネジ締め装置１ａ、１ｂの動作を制御するため、ロボット制御部７２ａ、７２ｂ、力制御部７３ａ、７３ｂ、およびネジ締め制御部７４ａ、７４ｂを備えている。また、制御部７’は、粗動用ロボット１０ａ、１０ｂが動作中に衝突しないようにロボット間の干渉をチェックする干渉チェック部７５を新たに備えている。
【００８５】
片方の粗動用ロボット１０ａを動作させる場合、ロボット制御部７２ａは、干渉チェック部７５から、もう一方の粗動用ロボット１０ｂの動作範囲データを取得し、粗動用ロボット１０ｂと干渉しない動作軌道を作成する。作成された動作軌道は、干渉チェック部７５に送られて、粗動用ロボット１０ｂが動作する際にも使用される。
【００８６】
自動ネジ締め装置１ａ、１ｂによれば、ネジ締めの本数が多い液晶モジュール８の機種に対してネジ締めを行う場合、またはベルトコンベア６１の動作速度が速い場合に対して、好適に対応できる。すなわち、１台の自動ネジ締め装置では液晶モジュール８が粗動用ロボット１０の動作範囲を通過する間に全てのネジ締めを終わらないような条件であっても、首尾よくネジ締めを行うことができる。
【００８７】
〔実施形態３〕
本発明の第３の実施形態について図１３から図１６に基づいて説明すると以下の通りである。
【００８８】
上述した実施形態１に対する本実施形態の主な相違点は、力センサユニット３０の構成である。したがって、以下では、上記相違点を中心に説明する。なお、実施形態１における構成要素と対応する機能を有する構成要素には、同一符号を用いることとする。
【００８９】
図１３に示すように、力センサユニット３０は、互いに直交する３軸方向の力を検出する２個の３軸力センサ３８、３９と、微動用スライドブロック２５に取付けられる力センサユニットベース３４’とを備えている。図１３は、力センサユニット３０周辺を示す斜視図である。力センサユニットベース３４’における回転軸Ａ４０に対して直交する平面には、３軸力センサ３８、３９が取付けられている。３軸力センサ３８、３９には、ネジ締めユニット４０が取付けられている。
【００９０】
３軸力センサ３８、３９は、互いに直交する３軸方向の力を検出する力センサであればよい。３軸力センサ３８、３９は、図１４に示すように、ネジ締めユニット４０の回転軸Ａ４０に対して直交する平面において、回転軸Ａ４０を通る直線上に、回転軸Ａ４０を中心として等距離の位置に配置されている。図１４は、３軸力センサ３８、３９の配置を示す上面図である。ここで、回転軸Ａ４０を中心として、３軸力センサ３８、３９を通る直線をｘ軸とし、Ｚ軸に平行な方向をｚ軸とし、ｘ軸とｚ軸の両者に直交する軸をｙ軸とする。３軸力センサ３８、３９は検出可能な３軸の方向をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に合せて配置される。
【００９１】
次に、３軸力センサ３８、３９を用いたネジ締め動作中の位置補正動作について、図１５を参照して以下に説明する。図１５は、力制御部７３による位置補正動作を示すフローチャートである。なお、本実施形態のネジ締め動作については、上述した実施形態１と同様であるため説明を省略する。
【００９２】
まず、ステップＳ８Ａにおいて、ネジ締め制御部７４が使用するネジの種類によって予め登録された回転数でネジ締めユニット４０のモータ４２を回転させる。
【００９３】
またステップＳ８Ｂにおいて、力制御部７３は、３軸力センサ３８の出力Ｆ８ｘ、Ｆ８ｙ、Ｆ８ｚ、および、３軸力センサ３９の出力Ｆ９ｘ、Ｆ９ｙ、Ｆ９ｚをもとにして、ネジ穴からネジが受ける反力Ｆｒのｘ軸方向成分Ｆｒｘ、ｙ軸方向成分Ｆｒｙ、およびｚ軸方向成分Ｆｒｚと、ネジ締めに要するトルクＴとを算出する。
【００９４】
ここで、図１６を参照して、反力ＦｒおよびトルクＴの算出の方法について説明する。図１６は、３軸力センサ３８、３９に加わる力を表す模式図である。図１６に示すように、３軸力センサ３８、３９は、ｘ軸上に配置されているため、３軸力センサ３８、３９のｘ軸方向の出力Ｆ８ｘ、Ｆ９ｘおよびｚ軸方向の出力Ｆ８ｚ、Ｆ９ｚには、ネジ締めによるトルクＴの影響が無い。しがたって、反力Ｆｒのｘ軸方向成分およびｚ軸方向成分は、以下の式（２）により算出される。
【００９５】
Ｆｒｘ＝Ｆ８ｘ＋Ｆ９ｘ
Ｆｒｚ＝Ｆ８ｚ＋Ｆ９ｚ  ・・・式（２）
一方、３軸力センサ３８、３９のｙ軸方向の出力Ｆ８ｙ、Ｆ９ｙは、ネジ締めによるトルクＴの影響を受ける。ただし、３軸力センサ３８、３９は、回転軸Ａ４０を通る直線上で、回転軸Ａ４０を中心とした等距離に配置されているため、トルクＴにより３軸力センサ３８、３９にかかる力Ｆｔの大きさは、互いに等しく、かつ反対方向に働く。したがって、Ｆ８ｙおよびＦ９ｙは、以下の式（３）により算出される。
【００９６】
Ｆ８ｙ＝（Ｆｔ＋Ｆｒｙ）／２
Ｆ９ｙ＝（−Ｆｔ＋Ｆｒｙ）／２  ・・・式（３）
式（３）によれば、Ｆ８ｙとＦ９ｙの差分からＦｔが求まり、これによってＦｒｙが算出される。また、Ｆｔをもとにして、回転軸Ａ４０から力センサまでの距離からトルクＴが算出される。
【００９７】
次いで、ステップＳ８Ｃにおいて、力制御部７３は、ステップＳ８Ｂで算出した反力Ｆｒのｘ軸方向成分Ｆｒｘと、ｙ軸方向成分Ｆｒｙとの合力Ｆｒｘｙをもとに、微動用ロボット２０の動作判定を行う。合力Ｆｒｘｙの絶対値が、予め登録されている規定値以上であれば、ステップＳ８Ｄに移行し、規定値以下であれば、再度ステップＳ８Ｂに戻る。
【００９８】
ステップＳ８Ｄにおいて、力制御部７３は、反力Ｆｒのｘ軸方向成分Ｆｒｘおよびｙ軸方向成分Ｆｒｙをもとに、微動用スライド機構２２、２３の動作量を決定し、ネジ締めユニット４０を移動させる。移動後は、再度ステップＳ８Ｂに戻る。
【００９９】
ステップＳ８Ｇにおいて、力制御部７３は、ステップＳ８Ｂで算出した反力Ｆｒのｚ軸方向成分Ｆｒｚをもとにネジ締めの押付け力を判定する。ｚ軸方向成分Ｆｒｚが、使用するネジの種類によって予め登録された規定範囲内であれば、ステップＳ８Ｈへ移行する。一方、ｚ軸方向成分Ｆｒｚが規定範囲外であれば、ステップＳ８Ｉへ移行する。
【０１００】
ステップＳ８Ｈにおいて、力制御部７３は、ロボット制御部７２に対して、Ｚ軸方向の移動速度を、使用するネジの種類によって予め登録された速度にするように指示を送る。ロボット制御部７２は、力制御部７３からの指示に基づいて、粗動用ロボット１０のＺ軸方向の動作速度を変更する。
【０１０１】
ステップＳ８Ｉにおいて、ｚ軸方向成分Ｆｒｚが規定範囲よりも大きい値を示した場合、力制御部７３は、ロボット制御部７２に対して、Ｚ軸方向の移動速度を現状の速度よりも遅い速度で移動するように指示を送る。一方、ｚ軸方向成分Ｆｒｚが規定範囲よりも小さい値を示した場合、ロボット制御部７２に対して、Ｚ軸方向の移動速度を現状の速度よりも速い速度で移動するように指示を送る。
【０１０２】
ステップＳ８Ｅにおいて、力制御部７３は、ステップＳ８Ｂで算出したトルクＴをもとにネジ締めの状態を判定する。トルクＴが、使用するネジの種類によって予め登録された規定値以上であれば、ステップＳ８Ｆへ移行する。一方、トルクＴが規定値以下であれば、再度ステップＳ８Ｂに戻る。
【０１０３】
ステップＳ８Ｆにおいて、ネジ締め制御部７４は、ネジ締めユニット４０のモータ４２を停止させ、位置補正動作を終了し、ステップＳ９へ移行する。
【０１０４】
以上の動作によって、本実施形態に係る自動ネジ締め装置は、液晶モジュール８に対するネジ締めを自動で行うことができる。本実施形態に係る自動ネジ締め装置によれば、３軸の力センサ３８、３９によって、ネジとネジ穴の中心軸がずれたことにより生じる反力とネジ締めトルクとを分離して検出することを簡易的に行うことができる。また、ビット４３の先端とネジ頭の勘合具合を制御することができるため、ビット４３の先端がネジ頭の溝から外れることにより生じるネジ締めの失敗を回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、ワークに対するネジ締めの自動ネジ締め装置として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る自動ネジ締め装置の力センサユニット周辺を示す斜視図である。
【図２】液晶テレビの製造工程における液晶モジュールの組立て工程を示す斜視図である。
【図３】液晶モジュールを示す分解斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る自動ネジ締め装置を示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る自動ネジ締め装置の力センサの配置を示す上面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る自動ネジ締め装置の制御部を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る自動ネジ締め装置によるネジ締め動作を表すフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る自動ネジ締め装置の力制御部による位置補正動作を示すフローチャートである。
【図９】組立てコンベア上における液晶モジュールのネジ穴の軌道を示す上面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る自動ネジ締め装置の力センサに加わる力を示す模式図である。
【図１１】液晶テレビの製造工程における液晶モジュールの組立て工程を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る自動ネジ締め装置の制御部を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る自動ネジ締め装置の力センサユニット周辺を示す斜視図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る自動ネジ締め装置の力センサの配置を示す上面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る自動ネジ締め装置の力制御部による位置補正動作を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る自動ネジ締め装置の力センサに加わる力を表す模式図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１  自動ネジ締め装置
７  制御部
８  液晶モジュール
１０  粗動用ロボット
２０  微動用ロボット
３０  力センサユニット
４０  ネジ締めユニット
７２  ロボット制御部
７３  力制御部
７４  ネジ締め制御部 
【図１】
2010125553.tif 000003
【図２】
2010125553.tif 000004
【図３】
2010125553.tif 000005
【図４】
2010125553.tif 000006
【図５】
2010125553.tif 000007
【図６】
2010125553.tif 000008
【図７】
2010125553.tif 000009
【図８】
2010125553.tif 000010
【図９】
2010125553.tif 000011
【図１０】
2010125553.tif 000012
【図１１】
2010125553.tif 000013
【図１２】
2010125553.tif 000014
【図１３】
2010125553.tif 000015
【図１４】
2010125553.tif 000016
【図１５】
2010125553.tif 000017
【図１６】
2010125553.tif 000018