(57)【要約】【課題】            ドリルスラストによる反力が大きい材質のワークを用いた穿孔作業において、高い精度の穿孔、皿取り作業を行えるようにした穿孔装置を提供すること。【解決手段】        基台と、ドリルを回転軸線まわりに回転駆動するドリル回転駆動手段と、前記ドリル回転駆動手段を前記基台に対して回転軸線と共通な軸線に沿う前進方向および後退方向に移動させるドリル送り手段と、前記基台側に設けられたドリルブッシュをワーク側に移動させたときにワーク側に設けられた位置決めブッシュと嵌合して前記ドリルブッシュと前記位置決めブッシュとを結合させ前記ドリル回転駆動手段の回転軸線の方向を固定する嵌合手段と、前記基台と多関節ロボットのアームとを繋ぐＸＹ方向とねじれ（α）方向とこじれ（θ）方向の４方向に変位自在でＺ軸方向にフローティング状態に移動可能なフローティング手段と、を備える穿孔装置を提供する。【選択図】          図１
2008110438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、
ドリルを回転軸線まわりに回転駆動するドリル回転駆動手段と、
前記ドリル回転駆動手段を前記基台に対して回転軸線と共通な軸線に沿う前進方向および後退方向に移動させるドリル送り手段と、
前記基台側に設けられたドリルブッシュをワーク側に移動させたときにワーク側に設けられた位置決めブッシュと嵌合して前記ドリルブッシュと前記位置決めブッシュとを結合させ前記ドリル回転駆動手段の回転軸線の方向を固定する嵌合手段と、
前記基台と多関節ロボットのアームとを繋ぐＸＹ方向とねじれ（α）方向とこじれ（θ）方向の４方向に変位自在でＺ軸方向にフローティング状態なフローティング手段と、を備えることを特徴とする穿孔装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機および高速車両などの構造体、自動車の車体などに用いられるワークに、高精度で穴開け加工することができる穿孔装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機等の組立ラインでは、構造部材や外板に、アルミニウム合金や炭素繊維強化プラスチック（略称ＣＦＲＰ）の素材が使用されるようになっている。これらの部材は、ＣＦＲＰから成る板状の外板に使用されたり、アルミニウム合金からなるフレームやストリンガ（縦通材）などに使用されている。そして、フレームやストリンガなどの長手の骨組み部材に、異種材料の外板が組み合わせられた構造パネルが形成されている。この組み合わせ構造パネルは、外板と骨組み部材とが多数のファスナによって互いに結合されている。使用されるファスナには丸頭リベットや皿頭リベット等があるが、これらのリベット孔の穿孔作業や皿取り作業には高い精度が要求されている。
【０００３】
特許文献１には、ロボットアームの先端に取り付けられた穿孔装置が開示されている。この穿孔装置は、ロボットアームの先端に基台を取り付け、基台に穿孔具であるドリルと、ドリル回転用モータと、ドリルの送り手段と、で構成されている。そして、ドリル回転用モータのドリルの送り量を送り量検出器で検出し、ワークとドリル回転用モータのたわみを変位検出器で検出し、ドリルのワークに対する相対的位置関係を計算しながらドリルの送り量を制御する穿孔装置となっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような穿孔装置を用いてワークに穿孔作業をする場合、ドリルスラストによる反力が大きい材質のワークの加工においては、精度よく穿孔作業ができないという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、ドリルスラストによる反力が大きい材質のワークを用いた穿孔作業において、高い精度の穿孔、皿取り作業を行えるようにした穿孔装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、基台と、
ドリルを回転軸線まわりに回転駆動するドリル回転駆動手段と、
前記ドリル回転駆動手段を前記基台に対して回転軸線と共通な軸線に沿う前進方向および後退方向に移動させるドリル送り手段と、
前記基台側に設けられたドリルブッシュをワーク側に移動させたときにワーク側に設けられた位置決めブッシュと嵌合して前記ドリルブッシュと前記位置決めブッシュとを結合させ前記ドリル回転駆動手段の回転軸線の方向を固定する嵌合手段と、
前記基台と多関節ロボットのアームとを繋ぐＸＹ方向とねじれ（α）方向とこじれ（θ）方向の４方向に変位自在でＺ軸方向にフローティング状態に移動可能なフローティング手段と、を備えることを特徴とする穿孔装置である。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、基台には、ドリルが基台に対して前進方向および後退方向に移動自在に設けられる。このドリルは、ドリル回転駆動手段によって回転軸線まわりに回転駆動されるとともに、送り手段によって前記回転軸線と共通な一直線を成す軸線に沿って前進方向および後退方向に移動される。基台に取り付けられたドリルブッシュとワークに取り付けられた位置決めブッシュが嵌合される。多関節ロボットのアームと基台はＸＹ方向およびねじれ（α）方向、こじれ（θ）方向に変位自在で、Ｚ軸方向にフローティング状態に移動可能なので、多関節ロボットの位置決め誤差範囲が大きく、ドリルブッシュの軸線と位置決めブッシュの軸線が多少ずれていても、ドリルブッシュを正しく位置決めブッシュに挿入することができる。穿孔時に生じる位置決め誤差を穿孔具とワークの両方で、吸収補正し、所定の精度で穿孔作業ができる。
【０００９】
そして、位置決めブッシュとドリルブッシュが嵌合しているので、穿孔時にドリルの先端に生じる反力によりドリルがワークから逃げてしまう問題を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明に係る穿孔装置２１のエンドエフェクタ５９の構成を示す側面図である。本実施の形態の穿孔装置２１は、航空機の機体の外壁として用いられるワークＷ１に、皿取り面を有するファスナ孔を所定の間隔で穿孔するために用いられる。ワークＷ１は、２次曲面状または３次曲面状に湾曲した形状を有し、炭素繊維強化プラスチック（略称ＣＦＲＰ）から成る外板２２と、この外板２２の裏側に仮止めファスナなどによって仮付けされ、複数のフレームおよびストリンガ（縦通材）などの長尺のアルミニウム合金製の骨組み材２３とによって構成される異種材料の組み合わせパネルである。
【００１２】
穿孔装置２１のエンドエフェクタ５９は、大きく分けて、基台２４と、穿孔具であるドリル回転駆動手段２７と、穿孔具をワークＷ１側に送るドリル送り手段２８と、ドリル回転駆動手段を確実にワークＷ１に穿孔される嵌合手段３０と、エンドエフェクタ５９と多関節ロボット６１のアーム６０を繋ぐフローティング手段３４とから構成されている。
【００１３】
なお、以下の説明では、ドリル送り手段２８の進行方法をＸ軸方向、これと水平面上で直交する軸をＹ軸方法、Ｘ軸およびＹ軸方向の双方に直交する方向をＺ軸方向として説明を進める。
【００１４】
ドリル回転駆動手段２７は、ドリル２６と、ドリル２６を回転軸線２５まわりに回転駆動するドリル回転用モータ３８と、ドリル回転用モータ３８の出力軸の回転をドリル２６に伝達する回転軸３９から構成されている。ドリル２６は、回転軸線２５まわりに回転駆動され、かつ基台２４に回転軸線２５と共通な一直線を成す軸線に沿って前進方向Ａ１および後退方向Ａ２に移動自在に設けられている。ドリル２６は回転軸３９に把持され、先端部に穿孔用切刃３６を有する。
【００１５】
基台２４は固定基板６５と、固定基板６５の側部に複数のボルトによって固定される端板６９，７０とを有する。固定基板６５の下部には、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θおよびα方向にフローティング状態を形成できるフローティング手段３４が多関節ロボット６１のアーム６０との間に取り付けられている。固定基板６５の上部には、送り量制御手段３３を除くドリル送り手段２８が搭載されている。
【００１６】
ドリル送り手段２８は、ドリル送り用モータ４０と、送り量検出器３２と、送り量制御手段３３と、ボールネジ４１と、可動基板６６とから構成されている。可動基板６６にはドリル回転用モータ３８が搭載されている。可動基板６６の下面にはナット４２が固定されており、ナット４２はボールネジ４１に螺合されている。ボールネジ４１はカップリング４３を介してドリル送り用モータ４０と接続されている。ボールネジ４１は、固定基板６５の上面中央部に取り付けられたサポートユニット４４ａと端板６９に取り付けられたサポートユニット４４ｂによって基台２４に支持されている。ドリル送り用モータ４０の出力軸の回転は、ボールネジ４１に伝達して、可動基板６６を前進方向Ａ１および後退方向Ａ２に変位させることができる。
【００１７】
フローティング手段３４は図２に示すように、センタリングデバイス４５と、Ｚ軸フローティングシリンダ４６と、ストッパ４７と、ストッパシリンダ４８と、センタリングデバイス固定基板４９から構成されている。センタリングデバイス４５は、多関節ロボット６１のアーム６０側の取り付け面とセンタリングデバイス固定基板８６側の取り付け面を、ＸＹ方向およびねじれ（α）方向、こじれ（θ）方向に移動できる機構になっている。また、エアの供給によりそれぞれの取り付け面同士を平行状態に保持（ロック）できるようになっている。センタリングデバイス固定基板４９と固定基板６５の間には、ストッパ４７が挿入できるようになっている。ストッパ４７はストッパシリンダ４８によってＡ１，Ａ２方向に進退可能に駆動されている。センタリングデバイス固定基板４９はＺ軸フローティングシリンダ４６の伸縮により固定基板６５との間隔を可変できるようになっている。また、Ｚ軸フローティングシリンダ４６の駆動用の圧空を高圧エア５３とバランス圧エア５４に切替器５２で切り替えることにより中間位置で浮動状態（Ｚ軸でフローティング状態）にすることができるようになっている。ストッパ４７は、Ｚ軸フローティングシリンダ４６の伸縮によりセンタリングデバイス固定基板４９が移動した際、固定基板６５との間に挿入できるようになっている。
【００１８】
嵌合手段３０は、基台２４側のドリルブッシュ２９と、クランプツール５０と、ワークＷ１側の位置決めブッシュ３５とから構成されている。
【００１９】
位置決めブッシュ３５の外観図を図３に示す。図３の（ａ）は、位置決めブッシュ３５をワークＷに取り付け、ワークＷ表面を見た場合の平面図を示す。図３の（ｂ）は、位置決めブッシュ３５の断面図を示す。位置決めブッシュ３５は、図３の（ａ）に示すように板７５に複数の所定の間隔で備えられている。板７５は、穿孔を施す穿孔対象物であるワークＷの表面に沿った形状に形成されている。具体的には、板７５としては、穿孔対象物の表面が航空機のような曲面である場合、当該曲面に沿った形状に形成されたものが用いられる。板７５に複数の孔７７が形成されており、それぞれの孔７７に位置決めブッシュ３５が取り付けられている。位置決めブッシュ３５は、図３の（ｂ）に示すように穿孔対象物表面に対して固定されたときに、複数の穿孔位置に対応するようにそれぞれ貫通孔７８が形成されている。位置決めブッシュ３５は、円筒部７９と板状部８０を備えている。円筒部７９にはボール溝８１が形成されている。
【００２０】
嵌合手段３０の断面図を図４に示す。ドリルブッシュ２９は、図４に示すように端板７０の貫通孔８２に、取り付けられている。ドリルブッシュ２９の内径は、位置決めブッシュ３５の円筒部７９の外形と同じ径で形成されている。ドリルブッシュ２９の円筒部にはボール８３が配設されている。ドリルブッシュ２９の外側には、外周を覆うようにクランプツール５０が取り付けられている。クランプツール５０はクランプシリンダ５１によりＡ１，Ａ２方向にスライドできるようになっている。クランプツール５０の内面にはテーパ部８４が形成されている。ドリルブッシュ２９が、位置決めブッシュ３５の円筒部７９と嵌合すると、クランプシリンダ５１が作動しクランプツール５０をＡ２方向にスライドしテーパ部８４にボール８３を押し当てて、ボール８３を位置決めブッシュ３５側のボール溝８１に押し込むようになっている。そして、ドリルブッシュ２９の円筒端面が位置決めブッシュ３５の板状部８０に加圧された状態となる。これにより、穿孔用のエンドエフェクタ５９が位置決めブッシュ３５を介してワークＷ１に固定可能となっている。
【００２１】
図５は穿孔装置２１の全体の構成を示す側面図である。工場内の作業ステージ５５上には、安全柵５６によって作業空間が確保され、この作業空間内には、送り量制御手段３３を除く穿孔装置２１の一部を構成する穿孔用のエンドエフェクタ５９と、ワークＷ１を保持する治具５７とが設けられている。安全柵５６の外側には、送り量制御手段３３およびエンドエフェクタの制御装置５８と、穿孔用のエンドエフェクタ５９がアーム６０の先端部に連結される多関節ロボット６１の動作を制御するロボットコントローラ６２とが設けられている。
【００２２】
次に、本発明の穿孔装置２１の具体的な動作について説明する。図６は穿孔装置２１の動作を示すフロチャートである。
【００２３】
まず、ロボットコントローラ６２にワークＷ１の穿孔位置の座標データおよび多関節ロボット６１の姿勢データを入力する（ＳＰ１）。座標データは、ドリル２６の回転軸線２５が、穿孔位置となる位置である。姿勢データは、多関節ロボット６１のアーム６０が穿孔時に維持する傾斜角および傾斜方向である。
【００２４】
次に、ワークＷ１の穿孔位置に位置決めブッシュ３５を取り付ける（ＳＰ２）。そして、センタリングデバイス４５をロック状態にし、クランプツール５０をＡ１方向にクランプシリンダ５１で移動させ開放状態にする（ＳＰ３）。次に、Ｚ軸フローティングシリンダ４６を高圧エア５３で動作させ、センタリングデバイス固定基板４９と固定基板６５の間にストッパ４７を噛み込み固定する（ＳＰ４）。これによりエンドエフェクタ５９がアーム６０に固定された状態となる。その後、多関節ロボット６１のアーム６０を制御して、アーム６０の先端に固定されたエンドエフェクタ５９を、読み込まれた座標データの示す位置まで移動する（ＳＰ５）。
【００２５】
まず、エンドエフェクタ５９がワークＷ１に接近し、ワークＷ１側の位置決めブッシュ３５の先端にドリルブッシュ２９が移動する（ＳＰ６）。次に、Ｚ軸フローティングシリンダ４６の圧力を高圧エア５３からバランス圧エア５４に切り替える（ＳＰ７）。そして、センタリングデバイス固定基板４９と固定基板６５の間に噛み込まれていたストッパ４７をストッパシリンダ４８を作動させて引き抜き、センタリングデバイス４５のロックを解除する（ＳＰ８）。これにより、エンドエフェクタ５９がＸＹ方向とねじれ（α）方向とこじれ（θ）方向の４方向に変位が自在となり、かつ、Ｚ軸方向にはバランス圧エア５４で保持された状態である浮動状態（フローティング状態）にすることができる。
【００２６】
次に、ドリルブッシュ２９を位置決めブッシュ３５に挿入する（ＳＰ９）。エンドエフェクタが上記のように４方向に変位自在であり、Ｚ軸方向に浮動状態になっているので、位置決めブッシュ３５が傾斜したり、中心が多少ずれていても、位置決めブッシュ３５の外周に倣わせて安定して挿入することができる。
【００２７】
ドリルブッシュ２９の円筒の端面が位置決めブッシュ３５の板状部８０まで挿入されると、クランプツール５０がクランプシリンダ５１によりＡ２方向にスライドし、クランプツール５０のテーパ部８４をボール８３を用いて、ドリルブッシュ２９と位置決めブッシュ３５の固定が行われ嵌合が完了する（ＳＰ１０）。
【００２８】
次に、ドリル回転駆動手段２７が起動し、ドリル２６が回転軸線２５まわりに回転駆動する（ＳＰ１１）。ドリル送り手段２８のドリル送り用モータ４０が回転駆動し、ボールネジ４１が回転し可動基板６６に搭載されたドリル駆動手段２７を前進方向Ａ１に移動させる（ＳＰ１２）。ドリル駆動手段２７の送り量は、ドリル送り用モータ４０にマウントされた送り量検出器３２により検出される。ドリル２６は、回転軸線２５に沿って前進方向Ａ１に移動し、位置決めブッシュ３５を通り、ワークＷ１に穿孔する（ＳＰ１３）。予め設定されたドリル送り量になると（ＳＰ１４）、送り量制御手段３３はドリル送り用モータ４０の回転方向を逆向きに制御し、ドリル駆動手段２７を後退方向Ａ２に移動させる（ＳＰ１５）。ドリル駆動手段２７が待機位置Ａ３に移動すると（ＳＰ１６）、ドリル送り用モータ４０とドリル回転用モータ３８の駆動が停止し、ドリル２６の回転が停止する（ＳＰ１７）。
【００２９】
次に、クランプツール５０をＡ１方向にクランプシリンダ５１でスライドして、ボール８３の押し込みによる嵌合を開放する（ＳＰ１８）。そして、ドリルブッシュ２９を位置決めブッシュ３５の先端まで引き抜き（ＳＰ１９）、センタリングデバイス４５のロックを行う（ＳＰ２０）。ストッパ４７をセンタリング固定基板４９と固定基板６５の間に挿入するため、Ｚ軸フローティングシリンダ４６の圧力を高圧エア５３に切り替え、間隔を広げた後にストッパ４７を挿入し噛み込む（ＳＰ２１）。
【００３０】
次に、多関節ロボット６１のアーム６０が、次の穿孔位置の座標データおよびアーム６０の姿勢データに基づいて移動する（ＳＰ２２）。次の穿孔位置に移動した多関節ロボット６１のアーム６０は同様にエンドエフェクタ５９を用いて穿孔動作を繰り返す。次の穿孔位置データが無い場合は、穿孔作業を終了する。
【００３１】
以上のように構成される穿孔装置２１のドリル２６によるワークＷ１への穿孔時において、ドリル２６の基台２４に対する軸線方向の位置は、ドリルブッシュ２９と位置決めブッシュ３５の嵌合によって、ワークＷ１の穿孔時に自動的に倣わせることができるので、ドリル２６の回転軸線２５と位置決めブッシュ３５の軸線が多少ずれていても正しく嵌合することができる。
【００３２】
また、穿孔時にドリル２６の先端に生じる反力により、ワークＷ１から穿孔装置２１が逃げてしまうことがない。
【００３３】
また、多関節ロボット６１の位置決め誤差が大きくても、穿孔位置を吸収補正することが可能となり穿孔精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の一形態の穿孔装置のエンドエフェクタの構成を示す側面図である。
【図２】フローティング手段の構成を説明する図である。
【図３】位置決めブッシュの正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図４】ドリルブッシュと位置決めブッシュの嵌合の様子を説明する図である。
【図５】穿孔装置の構成を示す側面図である。
【図６】穿孔装置の動作を示すフロチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
２１    穿孔装置
２２    外板
２３    骨組み材
２４    基台
２５    回転軸線
２６    ドリル
２７    ドリル回転駆動手段
２８    ドリル送り手段
２９    ドリルブッシュ
３０    嵌合手段
３２    送り量検出器
３３    送り量制御手段
３４    フローティング手段
３５    位置決めブッシュ
３６    穿孔用切刃
３８    ドリル回転用モータ
３９    回転軸
４０    ドリル送り用モータ
４１    ボールネジ
４２    ナット
４３    カップリング
４４ａ，４４ｂ    サポートユニット
４５    センタリングデバイス
４６    Ｚ軸フローティングシリンダ
４７    ストッパ
４８    ストッパシリンダ
４９    センタリングデバイス固定基板
５０    クランプツール
５１    クランプシリンダ
５２    切替器
５３    高圧エア
５４    バランス圧エア
５５    作業ステージ
５６    安全柵
５７    治具
５８    制御装置
５９    エンドエフェクタ
６０    アーム
６１    多関節ロボット
６２    ロボットコントローラ
６５    固定基板
６６    可動基板
６９    端板
７０    端板
７５    板
７６    ブッシュ
７７    孔
７８    貫通孔
７９    円筒部
８０    板状部
８１    ボール溝
８２    貫通孔
８３    ボール
８４    テーパ部
Ａ１    前進方向
Ａ２    後退方向
Ｗ１    ワーク
【図１】
2008110438.tif 000003
【図２】
2008110438.tif 000004
【図３】
2008110438.tif 000005
【図４】
2008110438.tif 000006
【図５】
2008110438.tif 000007
【図６】
2008110438.tif 000008