JPH063204B2

JPH063204B2 - 嵌合方法

Info

Publication number: JPH063204B2
Application number: JP61066388A
Authority: JP
Inventors: 長男斎藤; 尚武毛利
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-03-25
Filing date: 1986-03-25
Publication date: 1994-01-12
Anticipated expiration: 2009-01-12
Also published as: JPS62224711A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は例えば２つの物体の嵌合作業において、特に
それらの隙間（クリアランス）が数μｍ程度の精密な嵌
合に係り、特に互いに嵌合する２つの物体のこじれの防
止と嵌合に要する挿入力の低減を狙った嵌合方法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来、数10μｍから数μｍ程度の隙間を有する部品同志
の嵌合においては、大きく分類すると人の手による挿入
と、組立機械などを用いた機械的挿入とが用いられてい
る。人の手による挿入方法は、目で実際に物の干渉状態
を見ながら姿勢を制御する機能と、手の感触で接触の偏
りをとらえ、その力が最小となるように姿勢を制御して
ゆく２つの機能により嵌合が実現される。しかし最適な
状態は挿入動作の繰り返し、つまり試行錯誤の結果得ら
れるものであるから組立作業の能率は低い。

一方、組立機械による機械的挿入については、第９図に
示す案内面方式と、第１０図に示す弾性支持構造を用い
たフィードバック制御の方式とが用いられている。ま
ず、第９図に示す案内面方式について説明すれば第９図
(a)，(b)において(31)は挿入ピン、(32)は挿入孔、(33)
はその挿入孔(32)の上端に設けられた案内面、第９図
(b)で(34)は面取り部であり、上記挿入ピン(31)の姿勢
を徐々に整えながら挿入孔(32)の下方へ導いていく機能
を有する。

また第１０図に示すフィードバック制御の方式について
説明すれば、第１０図において、(35)は挿入ピン、(36)
は挿入孔を有する部品である。挿入ピン(35)は、把持機
構(37)で支持され、さらにこれらは支柱(38)と、その軸
に直交して支柱(38)間に固定した十字板ばね(39)を通し
て直交３軸搬送機構（例えばスカラ型ロボット）に結合
されている。そしてこの十字ばね(39)には、把持機構(3
7)と支柱(38)を通して、挿入ピン(35)に加わり、挿入方
向に直交する２軸まわりに生じるモーメントを検出する
歪検出素子(40)を貼付している。

次にこの第１０図に示すフィードバック制御の方式の機
構における動作について説明する。搬送機構には、予め
挿入の初期状態の設定が行なわれているため、搬送指令
により挿入ピン(35)は挿入孔の上端まで位置合せが行わ
れる。挿入ピン(35)は挿入孔に挿入し始めると部品間の
滑り面で接触が生じる。中心軸の若干のずれは、弾性機
構を構成する十字板ばね(39)の変形で吸収されるが、一
方でこの接触反力より、挿入ピン(35)に加わるモーメン
トの方向と大きさを十字板ばね(39)に貼付した歪検出素
子(40)で検出し、この接触の偏りが零となるように搬送
機構を動かすことで姿勢を修正している。この間、挿入
方向への送りは常に行われているため、この姿勢の修正
は逐次搬送機構にフィードバックされ最小の挿入力で挿
入が行なわれるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の案内面方式においては、挿入ピン(35)と挿入孔を
もった部品の孔に対する相対位置や姿勢の修正が容易で
あるが、案内面(33)、面取り部(34)の加工や新たに案内
面を多くとらなければならなく、また挿入の初期におい
て噛込みが生じ易いなどの問題点がある。

また弾性支持体の変形を利用した姿勢制御の方式では、
外部に設けられているフィードバック制御の装置、およ
び方式が複雑となる。

ただ案内面方式、弾性支持体の姿勢制御の方式のいずれ
の機構においても、隙間が数μｍ程度と非常に小さくな
ると、姿勢や位置をうまく制御したとしても部品間の接
触による接触面の摩擦力によって接触反力は増加し、押
し付ける側の荷重容量や押し付ける機構の剛性が問題と
なってくる。特に組立ロボットにより挿入を行おうとす
る場合には、接触反力のロボットアームにおよぼす影響
を考慮しなくてはならないなどの問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、比較的簡単な機構を用いて部品間の接触反力の偏
りによる姿勢の傾きを修正するとともに、接触面の摩擦
力の低減効果により嵌合に要する押し込み力を低減でき
る嵌合方法を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる嵌合方法は、挿入部品を被挿入部品の
挿入孔に挿入嵌合させるに際し、上記挿入部品の挿入先
端部が上記挿入孔に対向するように上記挿入部品を上記
挿入孔近傍に搬送し、さらに上記挿入先端部を上記挿入
孔側へ移動させる段階と、上記挿入先端部が上記挿入孔
の開口部周辺に接触したときもしくは接触以前において
超音波発生手段により振幅拡大手段を介して上記挿入部
品及び上記被挿入部品の少なくともいずれかに上記超音
波発生手段が発生する超音波振動の振幅よりも拡大され
た振幅の超音波振動を与える段階と、上記挿入部品及び
上記被挿入部品の少なくともいずれかに上記超音波振動
を与えつつ上記挿入部品を上記被挿入部品の挿入孔内へ
所望の挿入深さまで押圧する段階とからなるものであ
る。

〔作用〕

この発明においては、挿入部品はその挿入先端部が挿入
孔に対向するように挿入孔近傍に搬送され、さらに挿入
先端部が挿入孔側へ移動させられ、挿入先端部が挿入孔
の開口部周辺に接触したときもしくは接触以前におい
て、超音波発生手段により振幅拡大手段を介して挿入部
品及び被挿入部品の少なくともいずれかに超音波発生手
段が発生する超音波振動の振幅よりも拡大された振幅の
超音波振動を与えられ、超音波振動が与えられた状態に
て挿入部品を挿入孔内へ所望の挿入深さまで押圧する。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す嵌合装置を示す構成
図であり、(1)は超音波発生手段としての振動子，(2)は
振動拡大手段としてのステップ形ホーンであり、振動子
(1)に締結され，振動子(1)が発生する超音波振動の振幅
を拡大して後述する嵌合部に伝達する。ステップ形ホー
ン(2)の振幅拡大率は振動子(1)に締結された側と嵌合部
に接する側との径の比の自乗（断面積比）にほぼ逆比例
する。なお，超音波振動装置(4)の手段要部は上記振動
子(1)及びステップ形ホーン(2)により構成される。(3)
は嵌合部の一方であるピストン形状を有する挿入ピン
（以下、ピンと呼ぶ）で、上記ステップ形ホーン(2)の
先端と接触している。(4)は円形リングで、この円形リ
ング(4)により上記ステップ形ホーン(2)とほぼ同軸とな
るように姿勢が保たれている。さらにまたこの円形リン
グ(4)は、サンプル支持台(5)上にあり、水平面上で数mm
程度動くことが可能である。一方、ピン(3)の嵌合の相
手部品である孔形状を有する部品(6)（以下、孔部品と
呼ぶ）は、自由度水平多関節型ロボットのロボットアー
ム(8)に装着されたハンド部(7)に支持され、ピン(3)と
ほぼ同軸となるようにその姿勢と位置が制御される。

上記のように構成された嵌合装置においては、ロボット
アーム(8)の下降により孔部品(6)がピン(3)に挿入が開
始され、ピン(3)と孔部品(6)との間に摩擦力が生じその
接触反力によりピン(3)が超音波振動装置(41)のステッ
プ形ホーン(2)の先端部に押し付けられる。そしてピン
(3)に超音波振動が伝達され同時に挿入が進行すること
となる。超音波振動装置(41)より加圧あるいは衝撃によ
り振動を伝達された嵌合部品の一方（上記実施例ではピ
ン(3)は、超音波振動体の共振周波数と被加振体の固有
振動数との合成された周波数で振動する。振動状態にあ
るピン(3)は、先端部において振幅が最大であるために
相手部品との接触面において、摩擦力は著しく減少し、
接触面は滑らかな状態を形成している。一方、ピン(3)
には径方向に脹らみと、へこみを繰り返す振動も発生し
ており、嵌合状態において一時的なクリアランスの拡大
作用によって小さな挿入力で容易に嵌合が行われる。こ
れらの作用および動作の模様をモデルとして第２図に示
す。

第２図は概念図で、(9)は挿入ピン、(10)は挿入孔であ
る。挿入ヒン(9)は超音波振動をしているため、第２図
(a)で示すように軸方向および径方向に点線で示すよう
な変形を繰り返している。図中Ａ点は、挿入ピン(9)の
先端部と挿入孔(10)の接触する部分であるが、挿入ピン
(9)の先端は軸方向に振動しているため摩擦力が著しく
低下し滑らかな状態となっている。

一方、図中Ｂ点は挿入孔(10)の縁の一点であるが、第２
図(b)で示すように挿入ピン(9)の先端が伸び径がへこん
だ状態でようやく挿入孔(10)に納まっている。しかし次
の瞬間、挿入ピン(9)が軸方向に縮み径方向に脹らむと
挿入ピン(9)の側面が挿入孔(10)の縁に当接し、その反
力によって挿入ピン(9)の傾きが修正される。そしてま
た次の瞬間には挿入ピン(9)の径がへこみ、クリアラン
スが一時的に拡大し（接触面積が減少）し、小さな挿入
力でも嵌合が進行する。

そして以上の動作が非常に高い頻度で繰り返され第２図
(c)に示すごとく挿入ピン(9)が挿入孔(10)に挿入され、
精密嵌合が比較的小さな力で実現できる。上記の如く，
精密嵌合が比較的小さな力で実現できるのは、振動拡大
手段としてのステップ形ホーン(2)の効果によるもので
ある。即ち、振動子(1)においては振動周波数が高い
分，振幅は小さく，振幅が小さければ嵌合部における効
果も小さいが，ステップ形ホーン(2)により振幅が拡大
され（第１図において，ステップ形ホーン(2)の振動子
(1)に締結された側と嵌合部に接する側との径の比は例
えば３対１であり振幅拡大率は８〜９倍），嵌合部にお
ける被嵌合物としての挿入ピン(35)が嵌合穴としての挿
入孔(32)に吸収される吸引作用と摩擦力の減少との相乗
効果が拡大される。

以上のような振動による効果を上述の実施例の構成（第
１図）に対して、ロボットハンド部(7)に荷重センサを
装着し、これを介して孔形状を有する孔部品(6)を取り
付けることにより挿入時の挿入力とねじりモーメントを
検出した。以下にその時の実験装置の構成および実験結
果について述べる。

第３図は実験装置の構成図、第４図，第５図は第３図の
実験装置による振動付加による効果を示す実験結果のグ
ラフ図である。

第３図において(11)は振動子、(12)は振動子(11)に締結
し振動を拡大する機能を有するステップ状ホーンであ
る。(13)は挿入ピンで、サンプル支持台(15)上を数mm程
度動くことができる円形リング(14)により支持されてい
る。(16)は挿入ピン(13)の嵌合相手である孔部品、(17)
は荷重センサで今回新たに取り付けられたものである。
この荷重センサ(17)の内部構造を第３図(b)に示してい
る。第３図(b)において、(19)はロードセルで、このロ
ードセル(19)によって挿入力を計測する。(20)は孔部品
(16)を固定している支柱(21)の中間に、その軸の直交面
に固定された十字板ばねで、この十字板ばね(20)の４辺
には、挿入方向に直交し、かつ互いに直交する２軸まわ
りのモーメントを検出するために歪ゲージ(22)を貼付し
ている。(18)は荷重センサ(17)を含む孔部品(16)を挿入
ピン(13)に押し込んでゆくためのロボットアームであ
る。上記実験装置によって行なった振動付加による効果
を立証する実験状況，実験結果について第４図，第５図
に基づいて説明する。

実験は直径２０mmのピンと孔部品で、クリアランスつま
りピンとの直径差が２μｍの嵌合部品を用いた。第４
図，第５図において、図中(A)(B)の波形はこじれの程度
を示す挿入方向に直向する２つの直交軸まわりのモーメ
ントMx,My,図中(C)の波形は挿入力Ｆｚ，そして図中(D)
の波形は挿入量を示している。横軸は時間の経過を示し
ている。

第４図のグラフ図は、振動を掛けないで押し込んでいっ
た場合を示し、下降開始点ＡよりＭｘ，Ｍｙが直ちに立
ち上り偏心による力の偏りを示している。そしてしばら
くするとＦｚ，Ｍｘ，Ｍｙにスティックスリップを示す
階段状の波形が現れ始めた。この状態で下降を続けると
こじれを生じ嵌合は不可能となる。そこで１の点におい
て振動を掛けたところ各波形を初期値に戻り、こじれは
解決した。この点では振動を停止したが再びこじれが発
生し始めた。そこで３の点で振動を与えるとこれを解決
することができた。

第５図は振動を掛けながら押し込んでいった場合のグラ
フ図で、挿入開始時には偏心による力の偏りはほとんど
見られない。ここでは１，３，５，７，９の点で振動を
停止、２，４，６，８，１０の点で振動を与えている。
特に７の点では停止後、直ちにこじれが生じＦｚが急激
に立ち上り始めている。８の点で振動を掛けるとこれは
解消した。

上述した以上の２つの実験からも明らかなように、従来
の技術では数μm程度の精密嵌合において、挿入時のこ
じれ、および摩擦力の増大により挿入が不可能となり、
挿入動作を停止せざるを得なかった。しかし本方式では
れを防ぐと同時に部品間の摩擦を低減し、わずかな挿
入力でも嵌合が行なえるようになった。さらに、上記第
４図，第５図において、超音波振動を停止すると、挿入
力モーメント共に急激に上昇することを述べた。これ
は、振動を停止するとともに嵌合する２つの物体間の摩
擦力が急激に増大し、嵌合が全く行なわれていないこと
を示すものである。この現象を利用すれば、挿入と同時
に挿入深さを計測し所望の深さに到達した時、振動を停
止することによりロボットの動作を停止するよりも迅速
に挿入を止めることが可能で、高精度で挿入深さを制御
することができる。

さて、上述した発明の実施例、すなわち第１図の組立ロ
ボットを用いた超音波振動装置(41)は孔部品(6)がピン
(3)の面取り分の許容位置誤差をもって面合せが行われ
た後、挿入動作が開始される直前から駆動し、所望の挿
入深さになったところで停止する。その操作の流れを第
６図のフローチャートに示す。超音波振動装置は挿入動
作時のみ動作するため、振動子の発熱を最小限に止め、
その結果超音波振動装置の寿命を延ばすことが可能であ
る。

次に本発明の嵌合装置に用いられている嵌合部品への超
音波振動の伝達方式の原理および作用，効果について述
べる。

一般に超音波振動数は、唯一の共振周波数を有し、ピン
(3)を含めてある物体に振動を伝達する方式として機械
的に剛性を持たせて結合する方法を用いると、共振をと
るのが困難であったり、共振をとるがために形状が自ず
と決定されてしまう。よってこのような方式では、任意
形状（固有振動数）のピン(3)に振動を与えながら挿入
することは困難であった。

今回発明した方式は、ピン(3)を共振する超音波振動数
に対し、機械的に結合することなく、ピン(3)対し超音
波振動している振動体で機械的に叩くことにより超音波
振動を伝達させうることを発見したことに始まる。

この方式により振動が伝達された挿入ピン(3)の状態を
第７図に示す。第７図において、挿入ピン(3)の長さが
異なる５種類（長さｌ＝５０mm，70mm，１００mm，１７
０mm，２２０mm）のサンプル品の挿入ピン(3)を１7.３
ＫHzの超音波振動子によって叩いた時の振動波形であ
る。超音波振動体の固有振動数と挿入ピン(3)の固有振
動数は共振関係になくとも、挿入ピン(3)は縦振動を発
生していることがわかる。従って、これらの振動が嵌合
における摩擦力の低減作用を生じさせうる程度の振幅に
なるように振動を伝達すればよいことになる。

第８図は上述した実施例と同一原理に基づくが、超音波
振動装置を嵌合の上部に配置した点が異なり、振動子に
より挿入ピンを上端より加圧、または衝撃して振動を伝
達する場合の他の実施態様を示すもので、(23)は挿入ピ
ン、(24)はこの挿入ピン(23)を挿入する孔部品、(25)は
挿入ピン(23)に振動を伝達する超音波発生装置と、振幅
拡大用のステップ形ホーン(26)である。

そして上記第８図の構成によって孔部品(24)は搬送装置
(27)により加工場所に送られてくると、別のステーショ
ンから挿入ピン(23)がロボットハンド(28)に把持され、
ロボットアーム(29)で搬送される。挿入ピン(23)はロボ
ットにより孔部品(24)と面取り分の許容位置誤差で位置
合せが行われる。

一方、超音波発生装置(25)は昇降機構(30)により上下に
動くことができ、挿入ピン(23)が孔部品(24)に合せられ
ると下降し挿入ピン(23)の上端を超音波振動で叩きなが
ら押し込む。同時にロボットハンド(28)は把持力を緩
め、挿入ピン(23)の下降に対しガイドとしてのみ働く。
このような機構により挿入ピン(23)は、超音波振動する
状態で孔部品(24)に挿入される。

挿入が終了するとロボットは別の挿入ピン(23)を取りに
加工場所から離れ、組付けられた部品も搬送装置(27)に
より、次の工程へ送られ代りに新しい孔部品(24)が固定
される。以上の一連の動作により、上記第８図に示す機
構は、自動組立機構を実現しうるものである。

なお上記実施例では孔部品に挿入ピンを挿入嵌合する場
合について述べたが、本発明の方式を用いて孔部品に挿
入ピンが一旦挿入され、挿入後に再び抜く場合がある。
また何らかの方法で組合され、固着した２つの物体を抜
かなくてはならない場合も発生する。本発明における方
式は、挿入ピンを孔部品に挿入するという一方向の動作
のみに適用されるものではなく、上記のように固着した
２つの物体をなるべく表面を損傷することなく分離する
際にも有効である。

以上説明したごとく超音波振動を利用した嵌合方法にお
いては、 (1)高い位置決め精度を要しない組立ロボットのティー
チング動作を用いても数μｍ程度の精密嵌合が可能であ
る。

(2)挿入力の低減効果により、ロボットアームにそれ程
高い剛性は必要なく、従って装置全体を小型化できる。

(3)挿入時におけるティッキングモーションが解消され
るため、挿入孔の損傷の少ない状態で挿入される。

(4)挿入時において挿入深さを計測し、所望の深さに到
達した時超音波振動を停止することにより、挿入深さを
精密に制御できる。

(5)任意の形状（固有振動数）をもった物体に、超音波
振動する振動体を加圧、もしくは衝撃することによって
超音波振動を伝達することが可能である。

(6)挿入作業により組み合され、固着している２つの物
体の一方、もしくは双方に超音波振動を加えることによ
り２つの物体の表面を損傷することなく、より小さな力
で引き抜くことが可能である。

［発明の効果］以上のように，この発明によれば，挿入部品を被挿入部
品の挿入孔に挿入嵌合させるに際し，上記挿入部品をそ
の挿入先端部が上記挿入孔に対向するように上記挿入孔
近傍に搬送すると共に，上記挿入孔側へ移動させ，上記
挿入孔先端部が上記挿入孔の開口部周辺に接触したとき
もしくは接触以前において，上記挿入部品及び上記被挿
入部品の少なくともいずれかに，超音波発生手段が発生
する超音波振動の振幅よりも拡大された振幅の超音波振
動を与えて上記挿入部品を上記挿入孔内へ押圧するよう
にしたので、接触反力の偏りによる挿入部品の姿勢の傾
きを自動的に修正し，かつ比較的に小さな力で上記挿入
孔への挿入嵌合を可能とする嵌合方法が得られる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による超音波振動を利用し
た嵌合装置を示す構成図、第２図はこの発明の特徴とす
る作用をモデルで表わした概念図、第３図はこの発明の
効果を実験で確かめるために用いた実験装置で第３図
(a)は構成図、第３図(b)は荷重センサ部の詳細図、第４
図，第５図は上記第３図実験装置によって得られた結果
を示すもので、第４図は振動をかけないで押し込んでい
った場合のグラフ図、第５図は振動を掛けながら押し込
んでいった場合のグラフ図、第６図はこの発明による超
音波振動装置の操作を示すフローチャート、第７図は超
音波振動する振動体で挿入ピンを加圧、もしくは衝撃を
与える方式を用いた時に挿入ピンで観察された振動波形
図、第８図はこの発明の他の実施例によるロボットを用
いた自動嵌合機構の構成図、第９図は従来の組立機械に
よる機械的挿入に係る案内面方式を示す断面図、第１０
図は従来の組立機械による機械的挿入に係るフィードバ
ック制御の方式を用いた嵌合装置の斜視図である。図において、(3)(9)は挿入ピン、(6)(16)(24)は孔部
品、(7)はロボットハンド部、(8)(29)はロボットアー
ム、(41)は超音波振動装置である。なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特公昭51−3682（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭51−28778（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】挿入部品を被挿入部品の挿入孔に挿入嵌合
させるに際し、上記挿入部品の挿入先端部が上記挿入孔
に対向するように上記挿入部品を上記挿入孔近傍に搬送
し、さらに上記挿入先端部を上記挿入孔側へ移動させる
段階と、上記挿入先端部が上記挿入孔の開口部周辺に接
触したときもしくは接触以前において超音波発生手段に
より振幅拡大手段を介して上記挿入部品及び上記被挿入
部品の少なくともいずれかに上記超音波発生手段が発生
する超音波振動の振幅よりも拡大された振幅の超音波振
動を与える段階と、上記挿入部品及び上記被挿入部品の
少なくともいずれかに上記超音波振動を与えつつ上記挿
入部品を上記被挿入部品の挿入孔内へ所望の挿入深さま
で押圧する段階とからなることを特徴とする嵌合方法。
【請求項２】超音波振動が挿入部品に与えられる特許請
求の範囲第１項記載の嵌合方法において、上記挿入部品
はその挿入先端部の反対部分において超音波発生手段の
超音波伝達部と接離可能に当接し、上記超音波伝達部を
介して上記挿入先端部方向へ超音波振動を与えられると
共に上記挿入先端部が被挿入部品の挿入孔内へ挿入され
るように上記超音波伝達部により押圧されることを特徴
とする嵌合方法。
【請求項３】超音波発生手段による超音波振動の発生
を、挿入部品の挿入深さを計測しつつ所望の挿入深さに
達したときに停止させることにより行うものであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の
嵌合方法。