基于机器人的自动组装系统的制作方法

文档序号:12757293阅读:227来源:国知局
基于机器人的自动组装系统的制作方法与工艺

本发明涉及一种基于机器人的自动组装系统,即通过组装用机器人将构成设备的各种部件进行组合而自动组装设备。



背景技术:

在设备的组装中,在各种领域采用无人化的、通过组装用机器人自动组合各种部件而组装设备的自动组装系统。

例如,开发了一种自动组装系统,即在用于电子设备的印刷电路板上安装各种部件的作业也被无人化,通过组装用机器人进行组装操作。但是,在该组装作业中,如果对印刷电路板施加一定以上的应力(stress),则印刷电路板会产生畸变,而且在部件安装部的焊接部分可能有裂缝,电容器等半导体部件自身可能有损坏。另外,在产生电容器的裂纹之后对电子设备的动作没有影响,因此有时在产品出厂检查时不能够检测出不良,而是在出厂到现场后才发觉为不良。因此,从可靠性的观点要求在电子设备的组装阶段预先防止施加应力来进行组装的方法。

在日本特开2002-134853号公报中公开一种方法,即在印刷电路板的电路板上设置应变仪,通过测定该应变仪的电阻器的电阻值来测定印刷电路板的畸变量,如果其测定值(畸变量)超过预定值则作为不合格产品进行排除。在该专利文献中还公开了以下方法,即在印刷电路板的安装部件安装位置周围的表面设置应力检测用模式的导电路径作为应力检测用部件,在将安装部件装配在印刷电路板上之前,测定应力检测用模式的导电路径的电阻值,进而在将安装部件安装在印刷电路板上之后还再次测定该应力检测用模式的导电路径的电阻值,当其结果是安装部件安装前后的测定值的差在预定值以上时,视为在印刷电路板上施加了应力,作为不合格产品进行排除。即,如果对印刷电路板施加了应力,则应力检测用模式的导电路径的一部分会产生断线或变形。一旦发生断线或变形,则导电路径不会恢复到原来,所以根据向印刷电路板安装部件前和安装部件后的导电路径的电阻值的变化,判别在部件的安装组装时对印刷电路板施加一定以上的应力的履历,因此能够检测出安装了部件的印刷电路板的不良。

在上述的日本特开2002-134853号公报中公开的现有技术检测安装了部件的印刷电路板是否畸变。该现有技术通过在印刷电路板装配安装部件前后的应力检测用模式的导电路径的电阻值的变化来判别是否对印刷电路板施加了一定以上的应力。在对该印刷电路板装配安装部件的过程中施加强应力,在该印刷电路板产生强度弯曲,产生不能恢复到通常形状水平的变形(所谓的塑性变形),通过对其进行检测来检测应力检测用模式的导电路径的电阻值发生了变化的印刷电路板。因此,对于即使对印刷电路板施加强应力也不会产生塑性变形的印刷电路板无法检测出印刷电路板的不良。

但是,一般印刷电路板具有弹性,在实际的制造现场产生的变形大多属于能够返回原来形状的弹性区域。即使弹性畸变也有可能对印刷电路板上的部件产生损坏等影响。在上述日本特开2002-134853号公报中记载的现有技术,是测定印刷电路板塑性变形后的畸变、应力检测用模式的导电路径的电阻值的技术,所以不能够预先防止印刷电路板的塑性变形,也不能够检测出引起部件损坏、焊接质量下降等的印刷电路板的畸变或弹性变形。

有时即使在上述印刷电路板装配安装部件的电子设备以外的设备的自动组装系统中,在该自动组装作业中,在组装部件具有畸变、应力的状态下进行组装,在该时间点不能够检测出故障,而在长期使用该组装后的设备的阶段该故障变得明显。



技术实现要素:

因此,本发明的目的在于提供一种基于机器人的自动组装系统,在使用自动组装用机器人将构成设备的部件进行组合来组装设备的自动组装系统中,防止在该组装作业时对构成设备的部件施加过大的应力,防止所安装的部件的损坏、部件的质量下降。

本发明的基于机器人的自动组装系统是通过机器人在由相对于外力容易变形的材料制成的部件上安装其他部件来组装设备的系统,具备:机器人控制装置,其控制上述机器人;畸变检测单元,其被设置在由上述容易变形的材料制成的部件上,用于检测该部件的畸变;以及畸变判别单元,其接收通过上述畸变检测单元检测出的畸变信号,在该畸变信号的大小超过预先设定的阈值时输出异常信号。另外,上述机器人控制装置构成为,在从上述畸变判别单元输出异常信号时停止基于上述机器人的自动组装动作。

上述畸变检测单元能够设置在由上述容易变形的材料制成的部件上的多个场所。

上述机器人控制装置也可以构成为,具备调整自动组装动作中将部件和部件进行结合的机器人动作的调整单元,在从上述畸变判别单元输出异常信号,停止组装动作后,通过上述调整单元调整并执行机器人动作,如果没有从上述畸变判别单元输出异常信号而将部件和部件进行结合的机器人动作结束,则继续进行后续的自动组装动作控制。

上述机器人控制装置的调整单元也可以构成为,存储改变机器人机械手的位置、姿势并将部件和部件结合的机器人动作的多个调整程序,在从畸变判别单元输出异常信号时,依次执行这些存储的调整程序。

在上述调整程序中也可以包括将安装在由容易变形的材料制成的部件上的部件更换为其他部件,且将部件和部件进行结合的机器人动作程序。

由上述容易变形的材料制成的部件也可以是印刷电路板。

将上述部件和部件进行结合的机器人动作也可以是将另外的部件插入到设置在印刷电路板上的连接器的动作。

本发明当在由容易变形的材料制成的部件上安装其他部件而组装设备时,在结合这些部件的作业中,检测出在由容易变形的材料而制成的部件中产生的畸变达到了预定值以上时,停止该设备的组装操作,所以能够防止使安装部件损坏或安装部件质量下降这样的过大应力施加到部件上。另外,当检测出部件中产生了预定值以上的畸变时,停止机器人的组装作业动作,自动调整机器人的动作,而在对部件的应力没有达到预定值以上的状态下进行组装动作。因此,能够对由容易变形的材料制成的部件不施加过大的应力而防止损坏部件或使质量下降的塑性变性或弹性变形,能够得到安装部件后的高质量的设备。

附图说明

通过参照附图说明以下的实施例,能够更加明确本发明的上述以及其他目的、特征。在这些附图中:

图1是本发明第一实施方式的通过机器人进行的由印刷电路板构成的电子设备的自动组装系统的概要图。

图2是表示构成图1的自动组装系统的机器人控制装置作为调整机器人动作的调整单元而执行的机器人动作调整模式处理流程的流程图。

图3是图1的自动组装系统改变部件的插入位置并进行插入动作的基于调整程序进行的动作的概要说明图。

图4是图1的自动组装系统改变部件的插入角度并进行插入动作的基于调整程序进行的动作的概要说明图。

图5是说明在电子设备中配置畸变检测单元的应变仪以及测定垫的位置的例子的图。

具体实施方式

本发明适用于控制机床的数值控制装置、电子设备等各种设备的自动组装系统。在自动组装动作中,在对构成设备的部件施加力而产生应力、畸变的动作中包括结合设备的部件的动作。关于机器人进行的自动组装作业,是通过机器人运送部件,进行该部件相对于其他部件的定位,将相对定位后的部件彼此进行结合固定。对部件施加力而产生应力、畸变是在该结合动作时。在该部件结合动作时对部件特别是对容易变形的部件施加力,如果产生变形、畸变则停止组装作业(结合动作作业),不制造具有部件的变形、畸变的状态的设备。

首先,使用图1~图4说明本发明第一实施方式的基于机器人的自动组装系统。在该自动组装系统中,通过机器人将部件经由连接器与印刷电路板结合,从而组装电子设备。

图1是本发明第一实施方式的通过机器人进行的由印刷电路板构成的电子设备的自动组装系统的概要图。

自动组装用机器人1由机器人控制装置2控制,通过该机器人1的机械手1a来把持部件5,将该部件5插入设置在印刷电路板4上的连接器8中,并将该部件5与印刷电路板4结合,从而组装电子设备。在这一点上,该自动组装系统与现有的基于机器人的自动组装系统相同,但是在本发明中,印刷电路板4是在设备部件中容易变形的部件,所以在该印刷电路板4上设置畸变检测单元,并且设置通过该畸变检测单元的输出来判别印刷电路板畸变的畸变判别单元3。设置在印刷电路板4上的畸变检测单元由应变仪6和与该应变仪6电连接的测定垫7构成。

另外,畸变判别单元3具备与测定垫7接触并取出通过应变仪6检测出的畸变信号的测定探针9,将通过这些测定探针9检测出的畸变信号的大小与以正常组装时产生的畸变信号的值为基准而设定的阈值进行比较,其结果为,当检测出的畸变信号的大小超过了阈值时,将中断信号作为异常信号发送给机器人控制装置2。

机器人控制装置2执行自动组装程序并控制机器人1动作。机器人1通过机器人机械手1a把持并运送部件5(例如与印刷电路板4不同的另外的印刷电路板),并插入到印刷电路板4上的连接器8中而结合,执行组装电子设备的组装动作。

在执行该自动组装程序中,畸变判别单元3经由测定探针9检测来自通过应变仪6和与该应变仪6连接的测定垫7构成的畸变检测单元的畸变信号,将该检测出的畸变信号与预先设定的阈值进行比较。印刷电路板4产生畸变是在将部件5插入连接器8中并结合的结合动作时,通过畸变检测单元检测出在该结合动作时产生的畸变,并在该检测畸变信号的大小比阈值大时,畸变判别单元3将中断信号作为异常信号发送给机器人控制装置2。

机器人控制装置2如果从畸变判别单元3接收到异常信号,则暂时停止在该时间点实施的自动组装程序中的动作程序、即结合动作程序(插入程序),在预先设定的基准位置(将部件5开始插入连接器8的位置)使机器人的机械手1a移动并停止。

另一方面,如果从畸变判别单元3没有发生异常信号,则机器人控制装置2继续进行机器人的自动组装作业动作。

当从畸变判别单元3产生异常信号,部件5的插入动作停止时,调查部件5的插入动作造成的畸变产生原因,消除该产生原因并重新开始部件插入动作。其结果为,当进行使印刷电路板产生畸变的组装动作时,检测伴随该组装动作而产生的畸变,如果防止了预定值以上的畸变的产生,则能够防止使质量下降这样的部件变形(弹性变形、塑性变形)。

如果畸变判别单元3没有产生异常信号而将部件5插入印刷电路板4的连接器8中并结合,电子部件的组装作业结束时,不会产生成为问题的大的畸变而结束组装作业动作,所以不会在部件安装部的焊接部分产生裂缝,或不产生在印刷电路板上安装的电容器等半导体部件损坏那样的印刷电路板的畸变或塑性变形,另外,也不生产部件中具有畸变或塑性变形的状态的设备,而能够组装质量高的电子设备。

进而,在本实施方式中,具备机器人动作调整单元,当从畸变判别单元3产生异常信号,并且基于机器人的自动组装作业动作停止后,自动搜索在印刷电路板4不产生过大的畸变而能够插入部件5并进行安装的机器人机械手的动作(位置、姿势)。通过该机器人动作调整单元来调整机器人动作(位置、姿势),不从畸变判别单元3产生异常信号地插入部件5,直到最后自动结束组装作业。

图2是表示构成图1的自动组装系统的机器人控制装置2作为调整机器人动作的调整单元而执行的机器人动作调整模式处理流程的流程图。

机器人控制装置2中预先存储图2的流程图所示的机器人动作调整模式处理的程序。另外,针对由机器人控制装置2执行的自动组装动作程序的一部分即有可能对部件(印刷电路板)施加应力而产生畸变并产生异常信号的通常结合动作程序(插入动作程序),将与通常不同的结合动作程序(插入动作程序)作为调整程序而在机器人控制装置2中存储多个。在与该通常的结合动作程序不同的结合动作程序(插入动作程序)中包括变更机器人机械手1a的插入位置、插入方向的角度的参数、通过与通常不同的位置和姿势进行插入动作的动作程序、和将通过机器人机械手1a把持的部件5变更为另外的部件而进行插入动作的动作程序。

图3以及图4是说明改变插入位置和插入角度而进行的基于调整程序的动作的概要的图。

图3中,机器人机械手的通常的插入轨迹由开始点Ps、经过点Pn、Pn+1、……、终点PE构成,调整后的插入轨迹由开始点Ps’、经过点Pn’、Pn+1’、……、终点PE’构成。

通常的插入轨迹和调整后的插入轨迹之间的位置关系被编程为满足以下的公式(1)。调整插入时的机器人机械手的位置是从通常插入时的位置(Xn、Yn、Zn)偏离了变化量(ΔXn、ΔYn、ΔZn)的位置。另外,如图4所示,通常插入轨迹、调整插入轨迹的各个位置的机器人机械手的姿势被编程为满足以下的公式(2)。另外,在图4中,A轴、B轴、C轴表示相互正交的旋转轴。将插入角度变化量(ΔθAn、ΔθBn、ΔθCn)与通常插入角度(θAn、θBn、θCn)相加后计算出调整插入时的机器人机械手的姿势。根据插入的部件5和连接器8的种类,可以通过设定各个位置的变化量(ΔXn、ΔYn、ΔZn)和插入角度变化量(ΔθAn、ΔθBn、ΔθCn),任意地调整机器人机械手的插入轨迹和轨迹上的各个位置的机器人机械手的姿势。

通常插入轨迹:

Ps=(Xs、Ys、Zs)

Pn=(Xn、Yn、Zn)

Pn+1=(Xn+1、Yn+1、Zn+1)

……

……

PE=(XE、YE、ZE)

调整插入轨迹:

Ps’=Ps+(ΔXs、ΔYs、ΔZs)

Pn’=Pn+(ΔXn、ΔYn、ΔZn)

Pn+1’=Pn+1+(ΔXn+1、ΔYn+1、ΔZn+1)

……

……

PE’=PE+(ΔXE、ΔYE、ΔZE)

……(1)

通常插入轨迹的任意点的机器人机械手的姿势:

θs=(θAS、θBS、θCS)

θn=(θAn、θBn、θCn)

θn+1=(θA(n+1)、θB(n+1)、θC(n+1))

……

……

θE=(θAE、θBE、θCE)

调整插入轨迹的任意点的机器人机械手的姿势:

θs’=(θAS、θBS、θCS)+(ΔθAS、ΔθBS、ΔθCS)

θn’=(θAn、θBn、θCn)+(ΔθAn、ΔθBn、ΔθCn)

θn+1’=(θA(n+1)、θB(n+1)、θC(n+1))

+(ΔθA(n+1)、ΔθB(n+1)、ΔθC(n+1))

……

……

θE’=(θAE、θBE、θCE)+(ΔθAE、ΔθBE、ΔθCE)

……(2)

另外,将通过机器人机械手1a把持的部件5变更为其他部件而进行插入动作的调整程序是机器人机械手从基准位置Ps移动,进行所把持的部件5的夹持改变,返回基准位置Ps,进行结合动作(插入动作)的程序。

在机器人控制装置2设定图2的流程图所示的机器人动作调整模式处理的程序以及各种调整程序,机器人控制装置2执行通常的自动组合动作程序,使机器人1开始自动组装动作。机器人控制装置2如果在执行自动组装动作程序中从畸变判别单元3接收到异常信号,则暂时停止执行中的自动组装程序的结合程序(插入程序),返回所设定的基准位置(此时执行中的动作(插入动作))的动作开始位置并停止,开始图2的流程图所示的机器人动作调整模式处理。

首先,执行最初设定的调整程序(步骤S1)。例如如果再处理调整程序是从图3的调整位置P1进行插入动作的程序,则使机器人从停止位置的基准位置Ps移动到调整位置P1并执行将部件5插入到连接器8中的插入动作。另外,机器人控制装置2判别是否从畸变判别单元3发送了异常信号(步骤S2),如果没有从畸变判别单元3接收到异常信号(步骤S2的判别结果为“是”)而结束了插入动作,则恢复到通常模式的自动组装动作程序。

另一方面,在将部件5插入到连接器8的插入动作中,如果机器人控制装置2从畸变判别单元3再次接收到异常信号(步骤S2的判别结果为“否”),则判别在恢复到基准位置Ps后是否有未执行的调整程序(步骤S3),如果有未执行的调整程序(如果没有执行到预先设定的调整程序的最后的调整程序,即步骤S3的判别结果为“是”),则返回步骤S1,执行下一个调整程序。以下,没有从畸变判别单元3产生异常信号而重复执行步骤S1~步骤S3(图3所示的例子中,执行从调整位置P2的插入动作、从调整位置P3的插入动作、从调整位置P4的插入动作、……)直到插入动作结束为止,在该过程中如果不产生异常信号而结束插入动作,则恢复到通常的自动组装动作程序,继续进行通常的组装动作。

另外,即使执行所有的调整程序,如果没有不产生异常信号就结束插入动作的情况,则停止机器人动作,发送异常信号并将警报通知给操作者。

以上,在基于机器人的自动组装动作中,在部件5插入连接器8中时,在印刷电路板4产生畸变,且通过畸变检测单元(应变仪6、测定垫7)检测出该发生的畸变。畸变判别单元3经由测定探针9接收该检测畸变信号,并判别该检测畸变信号是否大于阈值,当比阈值大时将中断信号作为异常信号发送给机器人控制装置2。

如果机器人控制装置2接收到异常信号,则停止机器人的动作(插入动作),分别实施改变插入位置、插入角度以及通过机器人机械手保持的部件来进行插入动作的调整程序,其结果为,如果没有产生异常信号(没有产生比阈值大的畸变信号)而结束部件5的插入动作,则恢复到通常的自动组装动作程序,并继续进行通常的组装动作。另外,即使执行所有已设定的调整程序,如果也没有不产生异常信号而部件5的插入动作结束的情况,则发出警报并停止机器人动作。

关于配置构成畸变检测单元的应变仪6的位置,作为容易产生畸变的场所、应该不接收应力的部件的附近,而设置任意的个数。另外,应变仪6可以组入到印刷电路板等电路板4自身中,或者也可以将应变仪6作为部件安装到印刷电路板上。进而,在应变仪6和设置在印刷电路板的边缘侧的测定垫7之间通过印刷电路板的图形布线进行连接。

这里,使用图5说明在电子设备上配置畸变检测单元的应变仪6以及测定垫7的位置的例子。

该电子设备由印刷板尺寸比较大的主板10和印刷板尺寸小的从属板11、12、13构成。从属板11、12、13经由配置在主板10上的连接器8a、8b、8c分别结合而成为一个单元。

设置在组装线上的机器人通过将3张从属板11、12、13分别插入到主板10的连接器8a、8b、8c而结合,从而组装该电子设备。在将从属板11、12、13插入到该主板10的连接器8a、8b、8c中时,因从属板11、12、13的插入位置的位置偏离、异物的干扰等,主板10中容易产生畸变。当由于从属板11、12、13的插入而在主板10中产生畸变,且检测畸变量超过设定阈值时,主板10的印刷电路板有畸变,因此也对安装在产生了畸变的部分中的部件(从属板11、12、13)施加畸变造成的应力,有可能对部件施加破坏导致部件损坏。因此,如图5所示,在连接器8a、8b、8c的附近配置应变仪6a、6b、6c,将应变仪6a、6b、6c和测定垫7a、7b、7c电连接而构成畸变检测单元。

另外,在图5所示的电子设备的自动组装的情况下,与被设置多个的畸变检测单元的各个测定垫7a、7b、7c接触并取出畸变信号的测定探针针对各个测定垫7a、7b、7c而设置。并且,畸变判别单元将从各个畸变检测单元输出的畸变信号和阈值进行比较,当任何一个畸变信号超过阈值时,将异常信号输出给机器人控制装置,暂时停止机器人控制装置的自动组装动作程序的执行。

另外,该图5所示的例子表示在印刷电路板上组装印刷基版的例子,但是不限于印刷基版,也能够适用于将一般部件与印刷基版组装的情况。

接着,说明本发明第二实施方式的基于机器人的自动组装系统。

本发明也适用于由印刷电路板构成的电子设备的自动组装以外的设备,所以即使在通过机器人组装由相对于外力容易变形畸变的材料组成的部件和其他部件来自动组装设备的情况下,由于该组装动作有时由容易畸变的材料组成的部件也会变形畸变。对于在部件变形畸变的状态下组装的设备在组装的时间点有时无法检测出该畸变、变形等故障,但是在长期使用该组装后的设备的阶段,有时该故障会明显化,不能说该设备是优良产品。

因此,以下作为第二实施方式说明将本发明适用于自动组装数值控制装置等机械、设备所使用的显示器单元的自动组装系统。

在该实施方式中,显示器单元的前面安装有从外侧覆盖液晶面板的前盖。前盖由覆盖液晶面板的显示画面的透明树脂板和覆盖其他外形的树脂生成的框(以下称为饰框(escutcheon)而构成,是通过粘接剂或双面胶带接合该2个部件的结构。通过螺丝紧固在液晶面板上组装该前盖。

在通过机器人自动组装该显示器单元时,机器人使用专用的夹具来保持液晶面板,在前盖进行定位后组装,通过另外的机器人进行螺丝紧固,将前盖自动安装在液晶面板上进行结合组装。在作业中,由于某种理由在前盖和液晶面板之间产生位置偏离,或夹有某种异物时,由于结合操作的螺丝紧固作业,前盖有时会产生变形。

由于该变形,通过粘接剂等而结合的透明树脂与饰框(escutcheon)的接合部的一部分剥落,有可能产生微小的间隙或裂缝等不良,另外由于该不良的原因而有可能失去该显示器单元对于防水性的密封度。

因此,在该实施方式中,与上述的第一实施方式相同,在容易产生盾的畸变的地方通过粘贴电连接的应变仪和测定垫而配置畸变检测单元,并且具备构成该检测单元的与该测定垫连接的测定探针,设置根据经由该测定探针检测出的畸变信号判别畸变的大小的畸变判别单元,一边监视前盖的畸变一边进行自动组装作业,如果通过畸变检测单元检测出的畸变信号的大小超过阈值并且从畸变判别单元产生异常信号,则机器人控制装置输出警报并且停止机器人的组装动作。在从外侧覆盖液晶面板的前盖中产生畸变是指在将该前盖与该液晶面板螺丝紧固地结合的结合作业中产生的,所以停止进行螺丝紧固的机器人的动作。

当产生警报并且停止机器人的组装动作时,停止机器人的组装动作,调查该机器人的组装动作的停止原因并去除,重新开始组装动作。这样能够防止产生在部件变形畸变的状态下自动组装的设备。

进一步,即使在该实施方式中也与第一实施方式相同,与由上述印刷电路板构成的电子设备的自动组装系统相同地设置调整自动组装的机器人动作的调整单元,并调整机器人动作使得不会产生畸变或变形,自动组装没有变形畸变的显示器单元等设备。

在该显示器单元的自动组装的情况下,随着液晶面板相对于前盖的的位置偏离,在通过螺丝紧固将液晶面板安装在前盖中的作业中前盖变形,并产生畸变。因此,在通过螺丝紧固用的机器人进行螺丝紧固中,畸变检测单元检测出变形、畸变,并且如果根据该检测畸变从畸变判别单元产生异常信号,则螺丝紧固用的机器人的机器人控制装置进行已安装螺丝的拆卸作业,在松开螺旋夹后,停止螺丝的拆卸操作,之后,液晶面板运输用机器人的机器人控制装置调整液晶面板相对于前盖的位置姿势。

该液晶面板相对于前盖的位置调整包括将液晶面板向与该液晶面板平面平行的方向移动、围绕与该面板平面垂直的轴的旋转等,与第一实施方式相同,对设定了预先设定的移动方向、移动量、旋转方向、旋转量的多个调整程序进行预先设定,执行与图2所示的处理同样的调整模式处理。

实施一个调整程序,使液晶面板移动预定量或旋转预定量后,通过螺丝紧固用机器人实施螺丝紧固作业,在实施该螺丝紧固作业的过程中,如果从畸变判别单元再次产生异常信号,则通过螺丝紧固用的机器人来进行已安装的螺丝的拆卸作业,在松开螺旋夹后,停止螺丝拆卸作业,之后实施下一个调整程序。以下依次实施已设定的调整程序,在前盖不产生变形和畸变而不产生异常信号地结束了螺丝紧固作业时,恢复到通常的自动组装程序。另一方面,在即使实施所有的调整程序也产生异常信号的情况下,停止机器人动作并且输出警报通知作业者。

在上述的实施方式中,作为由相对于外力而容易变形的材料制成的部件,列举了印刷电路板和显示器单元的前盖的例子,但是相对于该外力而容易变形的材料包括在自动组装设备时,接受部件结合动作时所需以上的力而变形的部件。

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