JPH1026204A - サーボモータ駆動式エンドエフェクタの挾圧機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 強い挾圧力と迅速な動作速度を同時に達成す
ることのできるサーボモータ駆動式エンドエフェクタの
挾圧機構を提供すること。 【解決手段】 サーボモータＭの回転運動を直線運動に
変換するための変換手段２をクランク機構によって構成
し、ノードＡがクランク機構の下死点近傍にあるときに
可動側電極１０１と固定側電極１０８とによって溶接対
象が挾圧されるように各部の寸法を決める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーボモータ駆動
式エンドエフェクタの挾圧機構の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンドエフェクタの挾圧機構を作
動させる駆動源としてはエアシリンダを用いるのが一般
的であったが、最近では、動作精度や静粛性等に関する
要求水準も高くなり、その要求を満たすためにサーボモ
ータを利用した挾圧機構も提案されている。

【０００３】サーボモータの回転運動を直線運動に変換
して物品を挾圧するエンドエフェクタとしては、スポッ
ト溶接ガンのロッド押し出し機構や物品取り回し用のロ
ボットハンド等が公知である。

【０００４】図６はその一例として従来のスポット溶接
ガンのロッド押し出し機構の概略を示す概念図である。

【０００５】このスポット溶接ガン１００は、ロボット
アームの先端に装着して用いるエンドエフェクタの一種
であり、その内部には、可動側電極１０１を取り付けた
ロッド１０２を軸方向に突出および縮退させるためのサ
ーボモータＭ′と、該サーボモータＭ′の回転運動を直
線運動に変換するための変換手段１０３とが設けられて
いる。

【０００６】変換手段１０３の主要部は、スポット溶接
ガン１００の本体に対し軸方向移動自在かつ回転不能に
取り付けられたロッド１０２の基部に刻設されたボール
ネジ１０２ａと、該ボールネジ１０２ａに螺合してスポ
ット溶接ガン１００の本体に対し軸方向移動不能かつ回
転自在に取り付けられたボールナット１０４とにより構
成される。符号１０９はスポット溶接ガン１００の本体
にボールナット１０４を軸支するためのベアリング、ま
た、符号１１０はロッド１０２の直線動作をガイドする
と共に、その回り止めを兼ねるリニアブッシュである。

【０００７】ボールナット１０４の外周部には、サーボ
モータＭ′側の駆動用スパーギァ１０５に噛合する従動
側スパーギァ１０６が一体的に設けられ、サーボモータ
Ｍ′により駆動されるボールナット１０４の回転をボー
ルナット＆スクリュー機構で直線運動に変換してロッド
１０２を軸方向に突出させ、スポット溶接ガン１００の
クランプアーム１０７の先端に位置する固定側電極１０
８と可動側電極１０１との間で溶接対象を挾圧して溶接
作業を行うようになっている。

【０００８】このような構成によれば、ロッド１０２の
突出量や移動速度を正確に制御でき、また、挾圧力の制
御も容易に行えるようになるといったメリットがある。

【０００９】しかし、挾圧力を大きくするためには、サ
ーボモータＭ′を大出力のものに換装するか、または、
ボールナット＆スクリュー機構の減速比を大きなものに
しなければならない。サーボモータＭ′を大出力のもの
にすれば、当然、製造コストが増大し、また、装置の重
量も大きくなるし、一方、ボールナット＆スクリュー機
構の減速比を大きなものにすれば、ロッド１０２の突出
速度や縮退速度が低速化するといった問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の欠点を解消し、強い挾圧力と迅速な動作速度
と装置全体の軽量化とを同時に達成することのできるサ
ーボモータ駆動式エンドエフェクタの挾圧機構を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転運動を直
線運動に変換するための手段をクランク機構により構成
したことを特徴とする構成により前記目的を達成した。

【００１２】また、クランク機構が下死点近傍に回転し
たときに挾圧動作が開始されるように調整してあるの
で、クランク機構の増幅率が最も大きな部分で挾圧動作
を行うことができ、低出力のサーボモータでも大きな挾
圧力を得ることができる。しかも、アプローチや退避動
作では挾圧機構を高速で作動させることができるので、
挾圧機構の開閉所要時間を全体として短縮することがで
きる。

【００１３】この挾圧機構はスポット溶接ガンのロッド
押し出し機構の他、物品取り回し用のロボットハンド等
に適用することが可能である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。図１はスポット溶接ガンのロッド押
し出し機構に本発明の挾圧機構を適用した場合の一例を
示す概念図である。スポット溶接ガンの本体構造に関し
ては図６に示した従来例と同様であるのでここでは記載
を省略し、図１では、挾圧機構１の主要部、特に、サー
ボモータＭの回転運動を直線運動に変換するための変換
手段２について構成の概略を示している。

【００１５】３はサーボモータＭにより回転駆動される
減速機を内蔵したクランク板で、その中心Ｏから半径ｒ
の位置に、全長Ｌを有するアーム４の一端を枢着したノ
ードＡが設けられている。また、アーム４の他端にはノ
ードＢが設けられ、該ノードＢには、可動側電極１０１
を備えたロッド１０２′の基部が枢着されている。ロッ
ド１０２′の全長は可動側電極１０１の部分を含めてｘ
0 であり、その移動方向は、図６に示した従来例と同
様、スポット溶接ガンの本体に固設されたリニアブッシ
ュ１１０によって規制されている。この実施形態におい
ては、ロッド１０２′の延長線上にクランク板３の回転
中心Ｏが位置するようにリニアブッシュ１１０とクラン
ク板３との位置関係が定められている。

【００１６】図２は挾圧機構１の構成をより簡略化して
作用原理図として示した平面図である。

【００１７】次に、クランク板３の回転角θと可動側電
極１０１の先端位置ｘ、および、可動側電極１０１の先
端に作用する押し付け力Ｆとの関係について説明する。
なお、回転角θはアーム４とロッド１０２′とが一直線
上に並んでロッド１０２′が最も突出したときの状態、
つまり、クランク機構が下死点にある状態から反時計方
向に向けて計った回転角の値であり、また、可動側電極
１０１の先端位置ｘはクランク板３の回転中心Ｏからの
距離である。

【００１８】まず、クランク板３の回転中心Ｏから可動
側電極１０１の先端までの距離ｘは、図２から明らかな
ように、

【００１９】

【数１】 である。このうちｘ0 の値は定数で、回転角θに対応し
て変化するのはｘ′の項のみである。

【００２０】また、ｘ′の項は回転角θの関数として、

【００２１】

【数２】 で示される。要するに、図２における線分ＯＣと線分Ｃ
Ｂとの和である。

【００２２】従って、可動側電極１０１の先端位置ｘは
回転角θの関数として、

【００２３】

【数３】 によって示されることになる。

【００２４】また、クランク板３の回転により可動側電
極１０１の先端に作用する押し付け力Ｆは、クランク板
３自体に作用する回転トルクをＴ、また、その状態でロ
ッド１０２′の延長線とアーム４とが成す角を仮にφと
すれば、

【００２５】

【数４】 で示すことができる。

【００２６】なお、数４の式は、ノードＡにおいてクラ
ンク板３の接線方向に作用する力〔Ｔ／ｒ〕に〔sin
（θ＋φ）〕の逆数を乗じた力がアーム４の軸線に沿っ
て作用し、更に、アーム４の軸線方向に作用する力に
〔cos φ〕を乗じるとロッド１０２′の軸線方向に作用
する力、要するに、押し付け力Ｆが求まるという意味合
いである。数４の式の第１行から第２行への変換は、正
弦の加法定理による。

【００２７】この段階ではφの値は未知であるから、次
に、数４の式からφの項を消去し、回転角θのみの関数
で数４の式を記述することを考える。

【００２８】ここで、図２の仮想線ａに着目すると、

【００２９】

【数５】 の関係式を得ることができる。従って、

【００３０】

【数６】 である。

【００３１】更に、図２におけるｘ′と線分ＯＣ（＝ｒ
cos θ）、および、Ｌとφとの関係から、

【００３２】

【数７】 が得られる。

【００３３】そこで、数６の式および数７の式で得られ
たsin φとcos φの値を数４の式に代入し、ｘ′の項を
数１の式によって置き換えると、最終的に、可動側電極
１０１の先端に作用する押し付け力Ｆを回転角θのみで
現した関数式、

【００３４】

【数８】 が得られる。

【００３５】クランク板３の回転角がθであるときの可
動側電極１０１の移動速度Ｖを知りたければ、数３の距
離ｘを回転角θについて微分すればよい。

【００３６】

【数９】 回転角θに対応する可動側電極１０１の位置ｘ、押し付
け力Ｆ（但し、回転トルクＴに対する増幅率）、移動速
度Ｖの関係の一例を図３ないし図５に示す。

【００３７】但し、数３の式で示される可動側電極１０
１の先端位置ｘの値も数８の式で示される押し付け力Ｆ
の値も、クランク板３の回転角θやクランク板３自体に
作用する回転トルクＴをベースとする関数式であるか
ら、実際に、サーボモータＭに対する位置，トルクの制
御で先端位置ｘや押し付け力Ｆを調整するためには、θ
やＴの値をサーボモータＭの回転角や駆動トルクの関数
によって置き換える必要がある。

【００３８】ここで、サーボモータＭとクランク板３と
の間の減速比をＧ、サーボモータＭの回転角をθm 、サ
ーボモータＭの駆動トルクをＴm とすると、数１０およ
び数１１の関係式が導かれる。

【００３９】

【数１０】

【００４０】

【数１１】 そこで、これらの値θおよびＴを数３および数８の式に
代入すると、各々数１２および数１３の式に変形され、
サーボモータＭに対する位置，トルクの制御で、直接的
に、可動側電極１０１の先端位置ｘおよび可動側電極１
０１の押し付け力Ｆを調整することができるようにな
る。

【００４１】

【数１２】

【００４２】

【数１３】 次に、スポット溶接ガンの挾圧機構１において可動側電
極１０１の先端位置ｘおよび押し付け力Ｆを最適化する
ための構成について説明する。

【００４３】その最も簡単な方法は、可動側電極１０１
の先端に作用する押し付け力Ｆがクランク板３の下死点
付近で急激に増大し、また、クランク板３の回転角θが
９０度の近傍では可動側電極１０１の移動速度Ｖが相対
的に大きく、下死点（θ＝０）の近傍では非常に小さく
なるといった構造上の特性それ自体を利用した設計方法
であり、必ずしも、サーボモータＭに対する位置，トル
クの厳密な制御を必要としない。

【００４４】図２に示す通り、可動側電極１０１の先端
位置ｘの最大値はクランク板３の中心ＯからノードＡま
での離間距離ｒとアーム４の全長Ｌおよびロッド１０
２′の全長ｘ0 との和である。しかしながら、クランク
板３が下死点に達して最大の押し付け力Ｆが発揮される
ときに溶接対象が挾圧されるようにするために、溶接対
象の厚みをΔｔ１として、クランク板３の中心Ｏから固
定側電極１０８の先端までの離間距離Ｓが〔ｒ＋Ｌ＋ｘ
0 ＋Δｔ１〕となるようにクランプアーム１０７を設計
するのは誤りである。このような設計では、可動側電極
１０１および溶接対象と固定側電極１０８とが隙間なく
接触するだけであり、実際には、これらの間に全く押し
付け力は作用しない。固定側電極１０８によって支えら
れた溶接対象の表面に可動側電極１０１が接触した時点
でロッド１０２′の突出動作が停止するからである。

【００４５】つまり、図４に示す通り、可動側電極１０
１はクランク板３が下死点に達したときに最大の押し付
け力Ｆ（理論上無限大）を発揮するが、それは、飽くま
で押し付け力Ｆに対抗する反力が押し付け力Ｆに比例し
て発生する場合のことで、前述したように、溶接対象の
表面に可動側電極１０１が接触した時点でロッド１０
２′の突出が限界に達して停止してしまったのでは、反
力は全く発生せず、押し付け力Ｆも結果的に零となるの
である。

【００４６】従って、アーム４とロッド１０２′が完全
に一直線上に並んで伸び切る前の段階で溶接対象の表面
に可動側電極１０１を接触させ、ロッド１０２′の突出
動作によって溶接対象およびクランプアーム１０７を弾
性変形させるか、または、クランプアーム１０７の剛性
によってロッド１０２′の突出動作を強制的に停止させ
るかして、クランプアーム１０７の側から押し付け力Ｆ
に比例する反力を発生させる必要がある。

【００４７】アーム４とロッド１０２′が伸び切る前に
溶接対象の表面に可動側電極１０１が接触するというこ
とは接触段階でクランク板３が下死点に位置しないこと
を意味するが、実際問題として、クランク板３が下死点
から僅かに外れた位置にあっても、可動側電極１０１の
押し付け力Ｆは相当に強大である。従って、溶接対象の
表面に可動側電極１０１が接触してからもロッド１０
２′の突出動作は続き、更に、クランク板３が下死点に
接近するに連れてその押し付け力Ｆも増大するが、クラ
ンプアーム１０７に十分に剛性の大きな素材を適用して
おけば、いずれは押し付け力Ｆとクランプアーム１０７
の弾性変形による反力とが釣り合い、クランプアーム１
０７が弾性変形したままロッド１０２′の突出動作が強
制停止することになる。

【００４８】この状態で各部材間に作用している内力が
実質的な挾圧力である。このときクランプアーム１０７
に生じている撓み量をΔｔ２とすれば、クランク板３の
中心Ｏから固定側電極１０８の先端までの離間距離Ｓと
して最も望ましい値は、〔ｒ＋Ｌ＋ｘ0 ＋Δｔ１−Δｔ
２〕ということになる。無論、撓み量Δｔ２によって代
表される押し付け力Ｆの値はサーボモータＭの駆動トル
クＴm やクランク板３の回転角θおよびクランプアーム
１０７の材質や形状によって異なるので、実際のΔｔ２
の値は計算または実験により設計段階で求めておく必要
がある。

【００４９】また、実際には可動側電極１０１には溶接
や挾圧動作の繰り返しによって磨耗が生じ、いずれは交
換が必要な時期がくるし、また、如何なる場合でも、溶
接対象の表面に可動側電極１０１が接触する前にアーム
４とロッド１０２′とが伸び切ってしまうといったこと
は避けねばならないから、可動側電極１０１を交換する
までに生じる可能性のある最大の磨耗量をΔｔ３とすれ
ば、結果的に、クランク板３の中心Ｏから固定側電極１
０８の先端までの離間距離Ｓとして最も望ましい値は、
〔ｒ＋Ｌ＋ｘ0 ＋Δｔ１−Δｔ２−Δｔ３〕ということ
になる。

【００５０】このうち、磨耗量は変動する値であり、こ
こでは、その最大値Δｔ３を設計上の値として利用して
いるが、実際の挾圧動作に適した可動側電極１０１の移
動位置ｘの許容範囲も、例えば、図３の例に示すように
５〜７mm程度と比較的広いので、可動側電極１０１の磨
耗によって挾圧力に著しいばらつきが生じるといった問
題はない。

【００５１】なお、図４に示す通り、この実施形態では
力の増幅率が３倍ないし４倍となる範囲を実用範囲と定
めているが、実際には、図４に示す通り、理論上無限大
の力の増幅が可能である。実用範囲を増幅率が３倍ない
し４倍となる区間に定めているのは、それよりも増幅率
の大きな区間では、可動側電極１０１の移動位置のず
れ、または、溶接対象の厚みのばらつきや可動側電極１
０１の磨耗の度合い等の各種誤差によって挾圧力が著し
く変動したり、更には、挾圧力が過剰となって機構部に
損傷が生じる危険があるからであり、また、それよりも
増幅率の小さな区間としないのは、挾圧力の増強といっ
た所期の目的を達成するためである。

【００５２】このような設計方針に従えば、機構部の構
成それ自体によって最適の挾圧力を得ることができるの
で、サーボモータＭに対する位置，トルクの厳密な制御
は必ずしも必要ない。最も簡単な制御方法は、サーボモ
ータＭに過負荷が生じない程度に駆動トルクを制限した
状態で、挾圧時にはクランク板３の回転角θが零となる
位置までの移動指令をサーボモータＭに出力し、また、
挾圧動作の解除時にはクランク板３の回転角θを可動側
電極１０１の退避位置に相当する位置、例えば、９０°
まで回転させるための移動指令をサーボモータＭに出力
するというものである。

【００５３】また、可動側電極１０１の押し付け力Ｆに
比べてクランプアーム１０７の剛性が十分に大きい場
合、つまり、可動側電極１０１を突出したときにクラン
プアーム１０７が容易に撓まないような状況下において
は、可動側電極１０１が溶接対象に当接した瞬間から押
し付け力Ｆに比例した反力が発生することになるので、
実質的な可動側電極１０１の押し付け力Ｆは、数１３の
式に示す通り、サーボモータＭの駆動トルクＴm とその
回転角θm にのみ依存して変化することになる。

【００５４】つまり、可動側電極１０１が溶接対象に当
接したときのサーボモータＭの回転角θm を検出できれ
ば、サーボモータＭの駆動トルクＴm を調整することに
よって、所望する押し付け力Ｆを得ることができる。

【００５５】サーボモータの現在位置および速度は、モ
ータのエンコーダより常時監視されている。速度が０と
なった時のモータの現在位置θm を読み込み、数１３の
式をＴm について解いた式のｘの項を数１２の式で置き
換え、所望する押し付け力Ｆの値と前記読み込んだθm
の値とを代入してＴm の値を求めることにより、所望す
る押し付け力Ｆを達成するために必要とされるサーボモ
ータＭの駆動トルクＴm を求めることができ、溶接対象
の厚みΔｔ１や可動側電極１０１の磨耗量Δｔ３のばら
つきや変化に関わりなく、常に、所望する押し付け力Ｆ
で溶接対象を挾圧することが可能となる。サーボモータ
Ｍの駆動トルクＴm に関する制御はサーボモータＭへの
トルク指令を制限するトルクリミット値の設定によって
行い、また、挾圧開始時におけるサーボモータＭに対す
る移動指令の目標値は、クランク板３の回転角θθが零
となる値に設定しておけばよい。

【００５６】即ち、サーボモータＭはクランク板３の回
転角θが零となる位置まで回転しようとするが溶接対象
に当接し、その移動が阻止される。その結果位置変差が
増大し、トルク指令も増大し、可動側電極１０１を移動
させようとするが、溶接対象の変形やクランプアーム１
０７の撓み分しか移動できず、位置変差がさらに増大
し、トルク指令も増大する。そして、このトルク指令の
値が設定されたトルクリミット値を越えると、該トルク
リミット値にトルク指令値が制限されるから、出力トル
クはそれ以上大きくはならず、可動側電極１０１の移動
は停止し、溶接対象にはトルクリミット値に対応した押
し付け力Ｆを発生することになる。

【００５７】

【発明の効果】本発明の挾圧機構は、回転運動を直線運
動に変換するための手段としてクランク機構を採用し、
クランク機構の増幅率が最も大きな部分、つまり、クラ
ンク機構の下死点の近傍で挾圧動作を行わせる一方、ク
ランク機構の死点から離れた位置にあるクランク機構の
高速な動作特性を利用して挾圧開始時のアプローチ動作
や解除時の退避動作を行わせるようにしているので、低
出力のサーボモータでも大きな挾圧力を得ることがで
き、しかも、アプローチや退避動作では挾圧機構を高速
で作動させることができる。

【００５８】従って、挾圧力の増強のために高出力のサ
ーボモータを利用したり減速比を大きくしたりする必要
もなく、挾圧機構における挾圧力の増強と動作速度の高
速化とを同時に達成することができ、また、機構の小型
化および低価格化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の挾圧機構を適用した一実施形態のスポ
ット溶接ガンの構成の概略を示す概念図である。

【図２】同実施形態の挾圧機構の構成を簡略化して作用
原理図として示した平面図である。

【図３】クランク板の回転角θと可動側電極の位置ｘと
の関係を示す線図である。

【図４】クランク板の回転角θと押し付け力Ｆとの関係
を示す線図である。

【図５】クランク板の回転角θと可動側電極の移動速度
Ｖとの関係を示す線図である。

【図６】従来のスポット溶接ガンのロッド押し出し機構
の概略を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 挾圧機構 ２ 変換手段 ３ クランク板 ４ アーム Ａ ノード Ｂ ノード Ｍ サーボモータ １００ スポット溶接ガン １０１ 可動側電極 １０２ ロッド １０２′ ロッド １０２ａ ボールネジ １０３ 変換手段 １０４ ボールナット １０５ 駆動用スパーギァ １０６ 従動側スパーギァ １０７ クランプアーム １０８ 固定側電極 １０９ ベアリング １１０ リニアブッシュ Ｍ′ サーボモータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サーボモータの回転運動を直線運動に変
   換して物品を挾圧するエンドエフェクタの挾圧機構にお
   いて、回転運動を直線運動に変換するための手段をクラ
   ンク機構により構成したことを特徴とするサーボモータ
   駆動式エンドエフェクタの挾圧機構。
2. 【請求項２】 前記クランク機構が下死点近傍に回転し
   たときに挾圧動作が開始されるように調整されているこ
   とを特徴とする請求項１記載のサーボモータ駆動式エン
   ドエフェクタの挾圧機構。
3. 【請求項３】 前記挾圧機構がスポット溶接ガンのロッ
   ド押し出し機構である請求項１または請求項２記載のサ
   ーボモータ駆動式エンドエフェクタの挾圧機構。