JP2015196231A - ねじ締付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじの作業の確認は第三者による目視チェックが主であり、所定のすべての箇所にねじが締付けられたかは作業中に逐一確認するか、作業終了後の確認する必要がある。また、作業後の確認では規定のトルクがかかっているかが判別できず、万全を期すためには第三者による増し締めが必要である。締付け順は作業者の自己申告によるものか、作業中に第三者が逐次確認するしかない。しかしながら、第三者が確認しながら作業を行うと作業能率の低下やコスト増を招く。【解決手段】締付けが完了した際に完了信号を出力する電動ドライバと、締付け位置を算出するためのビジョンカメラ、ねじ締付け位置の教示と締付位置と教示位置の合致を判断し作業のトレーサビリティを管理する計算機を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、製品の部品等をねじ締めで固定するねじ締付け装置に関するものである。特に、規定に従いねじ締め作業が適切に行われたか否かを自動で管理することができるねじ締付け装置に関するものである。

部品の結合・固定方法の一形態としてねじ締付けがある。ねじ締付けについては、１箇所でも締付けを忘れていたり、締付けトルクが規定のトルクと比較して過大であったり過小であると、将来的に製品の変形や分解の原因となる。
このため、ねじ締付けの作業においては（１）所定の順番で、（２）すべてのねじ締付け箇所に、（３）規定のトルクで締付を行う必要があり、品質保証として規定通りにねじ締付けが行われたか否かを確認する必要がある。

従来、ねじの締付け位置の自動取得方法としては、超音波発信部を有するねじ締付け工具と作業空間に設置した３つ以上の超音波受信機より、超音波受信機間とのそれぞれの距離を求め、ねじ締付け位置を取得する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来は、ねじの締付け位置とねじ締め時のねじ締付け工具の締付トルク記録を紐付し記録することにより、ねじ締付け作業のトレーサビリティが管理されていた。

特開２００２−２６７７４０号公報

ねじ締付け作業の品質保証のためには、締付け工具のトルク管理を行い、指定された締付け順に従い、すべての箇所にねじ締付けを実施し、すべてのねじが規定のトルクで確実に締付けられたこと確認することが必要である。
一般に、ねじ締付け作業の確認は第三者による目視チェックが主であり、所定のすべての箇所にねじが締付けられたか否かは、作業者の作業中に第三者が逐一確認するか、あるいは、作業者による作業終了後に第三者がまとめて確認することが行われる。

しかしながら、作業者の作業中に第三者が逐一確認する場合、作業者の作業能率の低下を招き、製造コストが増加するという課題がある。
また、作業者による作業終了後にまとめて確認する場合、一見するとねじ締付けができているようで実際には規定のトルクがかかっていないような場合もある。そのため、万全を期す場合には、第三者による増し締めが必要である。
さらに、ねじ締付けの順番については、作業者の自己申告か、あるいは、作業中に第三者が逐次確認するしかない。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、ねじ締付け作業が規定通りに行われたか否かを自動で確認することができるねじ締付け装置を提供することを目的とする。

この発明に係るねじ締付け装置は、ねじの締付けを行う電動ドライバと、前記ねじの締付けの対象である部材を載せるテーブルと、前記テーブルに対して垂直に保持した状態で前記電動ドライバを移動可能とするアームと、前記電動ドライバの位置を認識するビジョンカメラと、ねじの締付け順番、締付けトルク、締付け位置からなる作業リストを備え、前記作業リストに従い、ねじの締付け順番に、所定の締付トルクで、所定の締付け位置にねじの締付け作業が実施されたか否かを判定するプログラムを実行する計算機からなる。

この発明に係るねじ締付け装置によれば、ねじ締付け作業が規定通りに行われたか否かを自動で確認できるので、ねじ締付けの順番を間違える、ねじ締付けを一部忘れている、締付けトルクが規定のトルクと比較して過大あるいは過小であった、ということがなく、人手をかけることなく低コストに、ねじ締付け作業の品質を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係るねじ締付け装置の構成を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るねじ締付け装置によるねじ締付け作業と、ねじ締付け後の確認作業を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係るねじ締付け装置のねじ締付け作業リストの一例である。 この発明の実施の形態１に係るねじ締付け装置において、次のねじの締付け位置を指示する画面の一例である。 この発明の実施の形態１に係るねじ締付け装置のねじ締付け作業中のねじ位置を検出する検出用マーカの一例である。 この発明の実施の形態１に係るねじ締付け装置の座標軸を示した模式図である。 この発明の実施の形態１に係るねじ締付け装置において、ねじ締付け完了位置と次のねじの締付け位置を指示する画面の一例である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るねじ締付け装置１００の構成を示した図である。
ねじ締付け装置１００は、ねじの締付けを行う電動ドライバ１０と、ねじ締付けの対象である母材８０を載せるテーブル９５と、テーブル９５に対して垂直に保持した状態で電動ドライバを移動可能とするアーム２０と、電動ドライバの位置を認識して、電動ドライバ１０のねじ締付け位置を算出するためのビジョンカメラ３０と、電動ドライバ１０の上面部分に設けられ、ねじ締付け位置の位置検出精度を向上させるための検出マーカ４０と、計算機に格納されてねじ締付け位置の教示と、教示したねじ締付け位置と実際のねじ締付け位置の一致/不一致を判断し、作業のトレーサビリティを管理する管理プログラム５０と、管理プログラム５０を保存し実行処理する計算機５５と、ねじ締付け位置の教示や作業状況を表示するディスプレイ６０を備える。

母材８０は、ねじ締付け装置１００のテーブル９５上に、予め設けられた位置決め治具９０に角位置を合わせて載置することで、所定の位置に位置決めされる。
ビジョンカメラ３０は例えばＣＣＤカメラであり、２次元配列された撮像素子を備える。各撮像素子は、ビジョンカメラ３０の所定の座標軸ｘｙで位置を特定できる。また、テーブル９５上の位置は、位置決め治具９０を基準とした座標軸ＸＹで位置を特定される。後述のように、ビジョンカメラ３０で撮像された画像上の位置と、テーブル９５上に載置された母材８０のねじ締付け位置とは予め相対関係が計算されており、テーブル９５の座標軸上の位置とビジョンカメラ３０で撮像した画像の座標軸上の位置は、相互に変換可能となっている。

電動ドライバ１０は、ねじ締めの際の締付トルクが設定可能である。
電動ドライバ１０は、予め設定された締付トルク値の範囲内でねじの締付けが完了したとき、”合格”を表す完了信号１０Ｇを計算機５５に出力する。また、何らかの原因により、予め設定された締付トルク値の範囲内でねじの締付けができなかったとき、電動ドライバ１０は”不合格”を表す未完了信号１０Ｎを計算機５５に出力する。
電動ドライバ１０の締付トルクの設定は、例えば電動ドライバ１０に設けられたダイヤル設定（図示せず）でもできるし、電動ドライバ１０に接続された計算機５５において設定できるようにしてもよい。

電動ドライバの上面にあって、回転するドライバの回転軸上には検出マーカ４０が付されている。検出マーカ４０については後述する。

次に、図２のフローチャートと図１、図３〜７を参照しながら、実施の形態１に係るねじ締付け装置１００の動作を説明する。

図２において、作業者は、まず、位置決め治具９０により母材８０の位置出しを行う（ステップＳ０１）。
図１の例では、位置決め治具９０の角位置に母材８０を当てることで、母材８０の位置出しを行う。

次に作業者は、ねじ締付け作業の開始にあたって、母材８０のねじ締付けの位置、ねじ締付けの順番、ねじ締付けの設定トルク等の作業指示を行う（Ｓ０２）。
作業指示は、作業者がディスプレイ６０に表示されるメニュー画面から作業を選択することにより行う。

図３は、複数の母材８０の種類毎に、予めねじ締付けの順番、ねじ締付け位置、ねじ締付けトルクを規定した作業リスト５５の一例である。
図３の例では、母材８０として３種類の母材（母材の番号：Ａ１、Ａ２、Ｂ１）が用意され、その各々について、ねじの締付け順、締付位置、締付けトルクが規定されている。母材番号が「Ａ１」の例では、母材８０にはねじ締付け箇所が全４か所あり、位置決め治具９０により位置決めされる母材８０の位置を基準として、各々（X1_a1、Y1_a1）、（X2_a1、Y2_a1）、（X3_a1、Y3_a1）、（X4_a1、Y4_a1）の順番で、規定のトルク範囲（Ｐ１≦Ｎ≦Ｐ２）でねじ締付けを行うことが規定されている。
作業者はディスプレイ６０の表示を参照し、ねじ締付け作業リスト６５の中から作業を行う母材８０の番号（Ａ１、Ａ２、Ｂ１）を選択し決定することで、ねじ締付けの作業指示を行うことができる。

図４は、ステップＳ０２で母材番号を選択した後のディスプレイ６０の表示画面の一例である。
表示画面には、母材８０のねじ位置と締付け順を示す母材イメージ１５１と、作業者がねじの締付けを実施すべき位置を示す教示マーカ１５２と、作業者を入力・記録するための作業者タブ１５４と、母材８０のシリアルナンバを入力・記録するシリアルナンバタブ１５５と、ねじ締付けの実行状況を示すログ１５６を備える。
教示マーカ１５２の中の数字（１、２、・・、９）は、ねじの締付け順を表している。
実行状況を示すログ１５６には、作業者がねじ締付けの作業を実際に行った締付け順（１、２、・・・、９）、電動ドライバ１０によるねじ締付け時のトルクが規定範囲内か否か（例えば合格（○）/不合格（×））、締付け位置、締付け作業の締付日時、次のねじ締付けに移って良いか否かの作業判定の結果等が表示される。

このようにディスプレイ６０には、作業者が次にねじ締めをするねじ位置や、実行状況を表すログ１５６が表示される（Ｓ０３）。作業者はディスプレイ６０の画面表示に従い作業を行うことができる。

次に、作業者はディスプレイ６０の表示に従いアーム２０を動かし、電動ドライバ１０を次のねじ締付けの位置の上方に移動させる（Ｓ０４）。

作業者は、指示されたねじ締付けの位置の上方まで電動ドライバー１０を移動させると、次に電動ドライバ１０を下方に下げ、ねじ７０の頭部形状に合わせてドライバ先端を位置合わせした後、電動ドライバ先端部を回転させてねじの締付けを行う（Ｓ０５）。
電動ドライバの回転動作は、電動ドライバ１０の筒側面に設けられたＯＮ/ＯＦＦスイッチ（図示せず）をＯＮにすることで行ってもよいし、後述の管理ソフトウェア５０で制御するようにしてもよい。また、ねじ７０は電動ドライバ１０で締付ける前に母材８０のねじ穴（図示せず）に予めセットしておく。

計算機５５上の管理ソフトウェア５０は、電動ドライバ１０から完了信号１０Ｇ、または未完了信号１０Ｎを入力する。
管理ソフトウェア５０は、作業結果リスト６４で指示された締付順で、１番から開始する番号をログ１５６の締付け順に表示した後、電動ドライバ１０からの信号を待つ。先述のように、電動ドライバは規定のトルクでねじ締付が完了したか否かにより、完了信号１０Ｇや未完了信号１０Ｎを出力する。
管理ソフトウェア５０は、電動ドライバ１０から完了信号１０Ｇを入力すると、ログ１５６の締付トルクの欄に「○」を表示する（Ｓ０６）。
一方、電動ドライバ１０から未完了信号１０Ｎを入力すると、ログ１５６の締付トルクの欄に「×」を表示する（Ｓ０６）。
未完了信号１０Ｎを入力した場合、管理ソフトウェア５０はアラームを発して作業者に注意を促す。アラームを受けた作業者は、直前に締付けをしたねじを一旦緩めた後、再度電動ドライバ１０によりねじ締付け作業を行う等によって、所定の締付けトルクでねじ締付け作業を行う。

次に、電動ドライバ１０から完了信号１０Ｇを入力した管理ソフトウェア５０は、ビジョンカメラ３０に対し、撮像開始の命令を出力する。
撮像開始の命令を受けたビジョンカメラ３０は撮像を開始し、電動ドライバ１０の上面を含む画像を取得する（Ｓ０７）。

ビジョンカメラ３０は取得した画像からあらかじめ登録された検出マーカ４０をパターンマッチングにより画像検出する。
そして、検出マーカの位置座標を管理ソフトウェア５０へ出力する（Ｓ０８）。

ここで、電動ドライバ１０の上面に付された検出マーカ４０について説明する。
図５は検出マーカ４０の形状を表した図の一例である。検出マーカ４０は、ビジョンカメラ３０から撮像可能な電動ドライバ１０の上面に付されており、検出マーカ４０は電動ドライバ１０の移動と共に移動し、ビジョンカメラ３０の撮像画像内を移動する。すなわち、検出マーカ４０の位置を検出することで、電動ドライバ１０がねじ締付けを行った締付け位置を認識することができる。また、検出マーカ４０は、電動ドライバの軸回転と共に回転する。
ここで、ビジョンカメラ３０の撮像画像内を移動する電動ドライバ１０の位置によって、検出マーカ４０の見え方が異なると、ねじ締付け位置の認識誤差が発生する。例えば、ねじ締付けの作業場所の照度が変化して影が生じ、また、作業机からの光の反射等があると誤認識の原因となる。
試行錯誤の結果、検出マーカ４０の形状としては、図５に示すように正方形からなる誤検出防止パターン１４１と、検出防止パターン１４１の正方形の一辺の一部分が切断された角度検出用パターン１４２を備えるようにした。
検出マーカ４０としては、正方形からなる誤検出防止パターン１４１の形状がよく、しかしマーカ形状が正方形である場合、電動ドライバが回転して検出マーカも回転した際に９０°と１８０°と２７０°の区別ができない。そこで、本実施の形態では、正方形からなる誤検出防止パターン１４１の正方形の一辺の一部分を切断した角度検出用パターン１４２を設け、電動ドライバが９０°以上回転し、検出マーカ４０も９０°以上回転した場合であっても角度検出用パターン１４２により角度検出が可能とした。これにより、検出マーカの誤認識を低減することができた。

なお、一般的にビジョンカメラ１０によるパターンマッチングを行う際、パターンを張り付けた面が傾斜した状態で撮像された場合、傾斜が大きくなるにつれて画像検出の精度は悪くなる。
本発明では認識マーカ４０を上面に付した電動ドライバ１０をアーム２０で垂直に保持することで、常に登録時と同じパターン張り付け面をビジョンカメラ３０に向け、画像検出の精度を保っている。

次に、管理ソフトウェア５０は、認識した検出マーカ４０の位置すなわちねじ締付けを行った位置とそのねじ締付けを行った順番と、予めねじ締付け作業リスト６５に登録していた締付位置（Ｘ、Ｙ）と締付け順との比較を行う（Ｓ０９）。
管理ソフトウェア５０は、ビジョンカメラ３０から出力された位置座標とあらかじめねじ締付け作業リスト６５に登録されたねじ位置の基準座標を比較し、教示した位置が締付けられたかどうかを判断する。

図６は、ビジョンカメラ３０によるねじ締付け位置の座標の取得を説明する図である。図６において、平面３０１は検出マーカ４０が付された電動ドライバ１０の上面が移動する面を表す。また、平面９５１はテーブル９５の面を表している。先に述べたように、ねじ締付けの位置座標は電動ドライバ１０上面に付された検出マーカ４０の位置座標と一致する（図６においてｘ１＝ａ１、ｙ１＝ｂ１）。
ビジョンカメラ３０は、検出マーカ４０が移動する平面３０１において撮像される物体の画面上の位置座標と、テーブル９５の平面９５１の座標軸における位置座標との対応関係を表した対応表を予め備えており、この対応表より、ビジョンカメラ３０で画像認識された検出マーカ４０の位置座標に基づき、テーブル９５の座標軸上の位置座標を取得することができる。逆に、テーブル９５の座標軸上の物体の位置座標から、ビジョンカメラ３０の画像上の物体の位置座標を求めることもできる。

一方、管理ソフトウェア５０は、ねじ締付作業リスト６５に記載の母材８０における締付け位置に基づいて、当該母材８０を位置決め治具９０に位置合わせしてテーブル９５に載置したときのねじ締付け位置を算出することを行う。
そして、管理ソフトウェア５０は、ビジョンカメラ３０から入力したねじ締付けの位置座標と、ねじ締付け作業リスト６５から計算される設計のねじ締付けの位置座標とを比較する（Ｓ０９）。

同時に管理ソフトウェア５０は、ビジョンカメラ３０から入力したねじ締付けの順番と、ねじ締付け作業リスト６５に記載の締付け順の順番とを比較する。

管理ソフトウェア５０は、上述の２つの比較において、ねじ締付けの位置座標とねじ締付けの順番とが共に一致した場合に、作業者が所定の順番で、所定の位置にねじ締付けを実施したと判断する。
この場合、管理ソフトウェア５０は、ねじ締付けを実施した母材イメージ１５１の教示マーカ１５２を青色に表示するなどして、規定通りにねじ締付けが完了したことが判るようにディスプレイ６０に表示する。
そして、次の順番で行うねじ締付けの位置をディスプレイ６０に表示する。
作業者は、ディスプレイ６０の表示を確認し、表示の指示に従い次のねじ締付けを実施する。

一方、上述の比較により、位置座標と順番とが共に一致しない場合、管理ソフトウェア５０は、作業者が誤った順番で、または誤った位置にねじ締付けを実施したと判断して、警告を発する。
管理ソフトウェア５０は、ディスプレイ６０上に締付け位置、または、ねじ締付けの順番が間違っている旨の警告表示を表示し、作業者に対してねじの締付け直しを指示する。
管理ソフトウェア５０は、警告を表示すると共に、アラーム音を発するようにしてもよい。管理ソフトウェア５０は、規定のねじ締付け位置を点滅する等して、正しい位置を作業者に知らせるようにしてもよい。

このように管理ソフトウェア５０は、予め定めたねじ締付けの仕様であるねじ締付け作業リスト６５に従い、ディスプレイ６０で教示したねじ７０が所定の順番で、所定のトルクで締付けられたと判断した場合は、締付けた位置と締付けの完了信号を紐付し、記録するとともにディスプレイ６０上に表示する。記録することで、作業のトレーサビリティを残す。
また、作業が間違っている場合は警告を発して、作業者にねじの締付け直しを指示する。

所望のねじ本数がすべて規定の締付け順、締付けトルクで締付けられた場合、管理ソフトウェア５０は、作業者タブとシリアルナンバタブ、ログを紐付けした作業成績書を出力する（Ｓ１０、Ｓ１１）。

図７はディスプレイ６０に表示されるねじ締付け作業中の画面の一例であり、ディスプレイ６０にねじ締付けが完了したねじ位置と、次にねじ締めを行う締付け位置が教示される。
図７では、ねじ締付けが完了したねじとして、ねじ締付けが完了したねじ位置を示す完了マーカ１５３が表示される。先述のように、完了マーカ１５３は青色表示としてもよい。
このように、作業者が教示マーカ１５２のねじを締付けると完了マーカ１５３により締付けたねじがチェックされる。
さらに、ログ１５６に、締付けトルクと締付けたねじの位置、締付けた日時、教示位置と締付け位置の正誤判定が表示される。

このように本実施の形態に係るねじ締付け装置によれば、ねじ締付け作業が規定通りに行われたか否かを自動で確認できるので、ねじ締付けの順番を間違える、ねじ締付けを一部忘れている、締付けトルクが規定のトルクと比較して過大あるいは過小であった、ということがなく、製造コストを上げることなく、ねじ締付け作業の品質を向上できる。

１０ 電動ドライバ、１０Ｇ 完了信号、１０Ｎ 未完了信号、２０ 保持アーム、３０ ビジョンカメラ、４０ 検出マーカ、５０ 管理ソフトウェア、５５ 計算機、作業リスト、６０ ディスプレイ、６５ ねじ締付け作業リスト、７０ ねじ、７１ ねじ締付け位置、８０ 母材、９０ 位置決め治具、９５ テーブル、１４１ 誤検出防止パターン、１４２ 角度検出用パターン、１５１ 母材イメージ、１５２ 教示マーカ、１５３ 完了マーカ、１５４ 作業者タブ、１５５ シリアルナンバタブ、１５６ ログ、１００ ねじ締付け装置。

Claims (9)

1. ねじ締付けを行う電動ドライバと、
   前記ねじ締付けの対象である部材を載置するテーブルと、
   前記テーブルに対して垂直に保持した状態で前記電動ドライバを移動可能とするアームと、
   前記電動ドライバの位置を認識するビジョンカメラと、
   ねじ締付け順番、締付けトルク、締付け位置からなる作業リストを備え、前記作業リストのねじ締付け順番で、所定の締付トルクで、所定の締付け位置にねじ締付け作業が実施されたか否かを判定するプログラムを実行する計算機と、
   からなることを特徴とするねじ締付け装置。
2. 前記部品の形状を表す図と、前記部品の形状を表す図の中にねじ締付けの位置を表示する表示部を備え、
   前記表示部は、次にねじ締付けをする前記ねじ締付けの位置を、前記部品の形状の中に表示することを特徴とする請求項１記載のねじ締付け装置。
3. 前記表示部は、次にねじ締付けをする前記ねじ締付けの位置を色付けして区別し、前記部品の形状を表す図の中に表示することを特徴とする請求項２記載のねじ締付装置。
4. 前記表示部は、前記プログラムが、前記作業リストのねじ締付け順番で、所定の締付トルクで、所定の締付け位置にねじ締付け作業が実施されていないと判定すると、警告表示をすることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のねじ締付け装置。
5. 前記表示部は、前記ねじ締付け順番でねじ締付けがされていないと判定すると、誤った順番でねじ締付けがされたねじ締付けの位置を区別して警告表示することを特徴とする請求項４記載のねじ締付け装置。
6. 前記電動ドライバの回転軸上には検出マーカが付され、前記ビジョンカメラは前記検出マーカを認識し、前記検出マーカの位置をねじ締付け位置の位置座標として前記計算機に出力することを特徴とする請求項１〜５いずれか記載のねじ締付け装置。
7. 前記検出マーカの形状は、正方形の一辺の一部分が切断された形状であることを特徴とする請求項６記載のねじ締付け装置。
8. 前記プログラムは、前記作業リストに記載された締付け位置と、前記ビジョンカメラから入力する位置座標とが一致すると、所定の締付け位置にねじ締付けが実施されたと判定することを特徴とする６、７いずれか記載のねじ締付け装置。
9. 前記電動ドライバは、所定のトルクでねじ締付けが完了した場合に完了信号を出力し、
   前記計算機は、前記完了信号を入力すると、所定のトルクでねじ締付けが完了したと判定することを特徴とする請求項１〜８いずれか記載のねじ締付け措置。

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