JPS62224711A - 嵌合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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番ζおいて、特
Ｃとそれらの隙間（クリアうンスフが数μｍ程度の精密
な嵌合ｔζ係り、特Ｅｌ互いＥζ嵌合する２つの物体の
　れの防止と嵌合誓ζ要する挿入の低減を狙つＴこ嵌合
方法【こ関するものである。

〔従来の技術〕

手１ζよる挿入と、組立機械などを用い１こ機械的挿入
とが用いられている１１人の手ｆζ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
シ′Ｉｌζ姿勢を制御し・でゆく２つの機能ｌζより嵌
合ズい実現される。し力・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。

−万、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
１こフィードパ・・り制御の方式とが用いられている。

まず、第９図に示す楽内面方式について説明すれば第９
図（ａｌ、　（ｂｌにおいてＣ３１）は挿入ビン、（ハ
）は挿入孔、Ｇ３はその挿入孔（至）の上端に設けられ
Ｔコ案内面、第９図（ｂ）で［有］は面取り部であり、
上記挿入ビン６］）の姿勢を徐々に整えながら挿入孔■
の下方・＼導いていく機能を有する。

まＴコ第１０図に示すフィードパ・ツク制御の方式ｆζ
１いて説明すれば、第１０図において、（至）は挿入ビ
ン、（至）は挿入孔を有する部品である。挿入ビ゛ノ（
７）は、把持機構（９）で支持され、さらにこｔｌらは
支柱・洛と、その軸ｆζ直交して支柱□□□聞に固定（
，１こ十字板はねＣ３ｇを通して直交３軸搬送機構（例
λばスカラ型ロボリトノｆζ結合されている。そしてこ
の十字ばね翰には、把持機構面と支柱（至）を通して、
挿入ビン（７）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（イ）を貼
付している。

次にこの第１０図に示すフィードパ・ツク制御の方式の
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
令により挿入ビン（Ｊ４は挿入孔の上端まで位置合せが
行われる。挿入ビン（７）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（至）の変形で吸収され
るが、−万でこの接触反力より、挿入ビン（７）に加わ
るモーメントの方向と大きさを十字板はね（至）に貼付
した歪検出素子（イ）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パ・ツクされ最
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、挿入ビン（至）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Ｃ３３９面取り部例の加工や新たに案
内面を多くとらなければならなく、また挿入の初期にお
いて噛込みか生じ易いなどの問題点かある。

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パ、ツク制御の装置、
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か問題と
なってくる。

特に組立ロボ９トにより挿入を行おうとする場合には、
接触反力のロボ、Ｖ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、比軟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
る嵌合方法を得ろことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る嵌合方法は、互いに嵌合する物体のいず
れか一方、または双方に超音波振動を加え嵌合するもの
である。

〔作用〕

この発明においては、互いに嵌合する２つの物体のいず
れか一方、または双方に超音波振動を加えることによっ
て、物体間に生じる摩擦力を低減し接触反力の偏りによ
る挿入部品の姿勢の傾きを除去する。

〔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）は振動子で、この振動子（１）に締結
し振動伝達に必要な振幅を得るように設計されたステ＋
ｌｌｌブ形ホーン（２）とによって超背波振動装置Ｑυ
が構成される。（３）は嵌合部の一方であるビン形状を
有する挿入ビン（以下、ヒシと呼ぶ）で、上記ステ・・
・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
記ステリプ形ホーン（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（川よ、サ
ンプル支持台（５）上にあり、水平面上で数Ｕ程度動く
ことが可能である。−万、ビン（３）の嵌合の相子部品
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、・、トのロボ、・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Ｉ＞”ｎ　１ｍとなるようにその姿勢と
位置が制御される。

ｒ記のよりに構成された嵌合装置においては、ロボ・ト
アーム（８）の下降により孔部品（６）がビン（３）ｔ
ζ挿入が開始され、ビン（３）と孔部品（６）との間に
摩擦力が生じその接触反力ζこよりピン（３）が超音波
振動装置’ｌｌのステ・・・プ形ホーン（２）の先端部
に押し付Ｃ丁られる。そしてピン＜３Ｊｉこ超行波振動
が伝達され同時に挿入が進行する仁ととなる。超せ波振
動装ａＧ１１）より加圧あるいは＃撃により振動を伝達
された嵌合部品の一方（ｒ記実施例ではビン（３）は、
超昔波振動体の共振周ｔｌり政と被ＩＪｒＩ振体の固有
振動数との合成された周波数でＪＪｊ＃ｌする３ｗｃ動
状態にあるビン（３）は、先端部においで振幅が最大で
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。

−万、ビン（３）には径方向に脹らみと、へ・二みを繰
り返す振動も発生しており、嵌合状態において一時的な
り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１、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）は挿入ビン、αＯは挿入孔で
ある。挿入ビン（９）は超音波振動をしているため、第
２図（３）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αＯの接触する部分であるが、
挿入ビン（９）の先端は軸方向に振動しているためｍ振
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αＯの縁の一点であるが、第２
図（ｈ）で示すように挿入ビン（９）の先端か伸び径か
へこんだ状態でようやく挿入孔００に納まっている。し
かし次の瞬間、挿入ビン（９）が軸方向に縮み径方向に
脹らむと挿入ビン（９）の側面が挿入孔ｕＧの縁に当接
し、その反力によって挿入ビン（９ンの傾きか修正され
ろ。そしてまた次の瞬間には挿入ビン（９）の径が・＼
こみ、クリアランスか一時的に拡大（（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）に示すごとく挿入ビン（９）が挿入孔αＯに挿入
され、ＩＲ密嵌合が比較的／１１さな力で芙現できろ。

以上のような振動による効果を上述の実施例の１１１ｍ
（第１図）に対して、ロボ・・・トハンド部（７）に荷
重センサを装着し、こ第１を介して孔形状を有する孔部
品（６）を取り付げることにより挿入時の挿入力と　れ
を検出した。以下にその時の実験装置の構成および実験
だ果について述べる。

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図において回は振動子、（２）は振動子αυに締結
し振動を拡大する轡能を可するステ、・・プ状ホーンで
ある。（至）は挿入ビンで、サンプル支持台頭上を数ｍ
＋震程度動くことができる円形リングα力により支持さ
れている。αＧは挿入ビン（２）の嵌合相手である孔部
品、ａη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αηの内部構造を第３図（ｂ）
に示している。第３図（ｂ）において、α９はロードセ
ルで、このロードセルＱ１によって挿入力を計測する。

（１）は孔部品ＧＯを固定している支柱Ｑυの中間に、
その軸の直交面に固定さｎた十字板ばねで、この十字板
はね（イ）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
ージ翰を貼付している。（７）は荷重センサαηを含む
孔部品αＧを挿入ビン■に押し込んでゆくためのロポリ
トアームである。

ｒ記笑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２０ｆｆ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■（ＢｌのＵ形は　れの程度
を示し挿入方向に直向する２つの直父軸まわりのモーメ
ントＭｘ、Ｍｙ、図中（ご）の波形は挿入力ＦＺ、そし
て図中ＢＤ＋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、−に降開始点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にステイ・・
クスリ・・・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　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は初期
値に戻り、　れは解決した　この点では振動を停止し７
たが再び　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１，８，５゜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、」ちに　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　
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つ１こ。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１′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、嵌合か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ホ・・・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・・・トを用いた超音波振動装置（６）は孔部品（６
）がピン（３）の面取り分の許容位置誤差をもフて圓合
せか行われた後、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。その換作
の流れを第６図のフローテｋ　−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）を含めで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
とるのか困難であったり、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（７、機械的に結合することなく、ピン（３）に
対し超音波振動し、ている折動体で機械げシに叩くこと
により超音波振動を伝達させうろ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、挿入ビン（３）の長
さが異なる５種類（長さｌ　＝　５０１１２．７Ｑｘ＊
。

１００ｆｆ、１７０ｆｉ、２２０ｆｌうのサンプル品の
挿入ビン（３）をｌ　７．３　ｆＬＲｚ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
有振動数と挿入ビン（３）の固有振動数は共振関係にな
と くとも、挿入ビン（３）は縦振動を発生しているこかわ
かる。従って、これらの振動が嵌合におけろ摩擦力の低
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
より挿入ビンを上端より加圧、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、＠は挿入ビン
、に）はこの挿入ビン＠を挿入する孔部品、（イ）は挿
入ビンのに振動を伝達する超音波発生装置と、振幅拡大
用のステ・ブ形ホーン（イ）である。

そして上記第８図の構成によって孔部品な４は般送装置
（２）により加工場所に送られてくると、別のステーシ
ョンから挿入ビンのかロホ・・トノ１ンド（ハ）に把持
され、ロボ１．．トアーム翰で搬送される。挿入ビン＠
はロボ・・・トにより孔部品（ハ）と面取り分の許容位
ｆａｔ誤差で位置合せが行われる。

−万、超音波発生装！ｔ□□□は昇降機構■により上下
に動くことができ、挿入ビン（至）が孔部品（至）に合
せられろと下降し挿入ビン＠の上端を超音波振動で叩き
ながら押し込む。同時にロポ・＝　１−ハンドに）は把
持力を緩め、挿入ピン四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ビン（ハ）は、超音波
振動する状態で孔部品（財）に挿入されろ。

挿入が終了するとロホ・・・トは別の挿入とン＠を取り
に加工場所から離・３．組付けられた部品も搬送装Ｈ＠
により、次の工程へ送られ代りに新しい孔部品（ハ）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ろものである。

なお上記実施例では孔部品に挿入ビ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
入ビンが一旦挿入され、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。本発明におけろ方
式は、挿入ビ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。

以上詳述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・・・トの
テイーチンク動作を用いても数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、ロポー・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）　　挿入時におけるスライーキングモーシロンが
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、もシ、＜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か可能である 〔発明の効果〕 この発明は以上説明したとおり、互いに嵌合する物体の
いずれか一方、または双方に超音波振動を加え嵌合した
ので、物体間に生じる摩擦力を低減し、接触反力の偏り
による挿入部品の姿勢の傾きを除去するとともに、摩擦
力の低下により狭い隙間での嵌合を比較的小さな力で実
現することができる効果がある。

【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部で第３図（
ａ）は構成図、第３図（ｂ）は荷重センサ部の詳ａ図、
第４図、第５図は上記第８図実験装置によって得られた
結果を示すもので、第４図は振動セかＣブないで押し込
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ーート、第７
図は超音波振動する振動体で挿入ビンを加圧。 実施例によるロボーノトを用いた自ｍ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
面方式を示す断直図、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パ、・・り制御の方式を用い
た嵌合装置の斜視図である。 図において、（３）（９）は挿入ビン、（６）ＱＧ（至
）は孔部品、（７）はロボ・・・トハン１！部、（８１
ｍはロボ・リドアーム、（４υは超音波振動装置である
。 なお、各図中向−符号は同一または相当部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに嵌合する物体のいづれか一方、または双方
   に超音波振動を加え嵌合することを特徴とする嵌合方法
   。
2. （２）超音波振動は接触もしくは加圧された状態におい
   て、超音波振動が加えられることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の嵌合方法。
3. （３）嵌合時において挿入の始まる直前に超音波振動を
   与え、挿入終了とともに超音波振動を停止することを特
   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。
4. （４）挿入動作中に挿入深さを計測し所望の挿入深さに
   到達したところで超音波振動を停止することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載
   の嵌合方法。