JP2001511073A - ねじ結合部の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、所定のねじ結合部の形成方法に関し、その際、調整可能なねじ留め装置によって回転されるねじを用いて、２つの構成部品が所定の予負荷力で相互に押し付けられており、その際、ねじは、音響放射を送出し、以下の方法ステップを特徴とする：実際のねじ留め過程中ねじ内に発生する音響放射を検出するステップ、実際のねじ留め過程中発生して検出された音響放射を、記憶された所定のデータと比較するステップ、その際、所定の基準に応じて、ねじ留め過程が機能通りに経過しているかどうか検出される。この方法は、有利には、工業製品の組立過程で使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 ねじ結合部の形成方法 本発明は、ねじ結合部の形成方法に関しており、有利には、組立プロセスで、 産業上の製品に使用することができる。 従来技術から、産業上の製品に電子制御ねじシステムを使用することは益々頻 繁に行われていることが公知である。このシステムは、駆動ユニットとねじ工具 を有する工具スピンドルを有しており、このねじ工具は、所定のねじ留めトルク でねじを締め付けて、一緒に結合すべき部品を所定予負荷力で相互に押し付け合 うようにされる。この力は、予負荷力（Ｖｏｒｓｐａｎｎｋｒａｆｔ）と呼ばれ 、ねじ軸部の長さの変化（ じる。多数の用途で、予負荷力をできる限り正確に所定値に調整する必要がある 。そのために、予負荷力を特定する必要がある。従来技術では、予負荷力が直接 、ねじ留め中、ねじ留めトルクを測定して特定される。ねじ留めトルクの測定の ために、主として、ねじ留めシステムに統合されたトルク乃至回転角測定システ ムが使用される。ねじ回転時に予め調整されたトルクに達した場合、トルク乃至 回転角測定システムから出力された信号が、駆動ユニットのスイッチオフのため に使用されるか、又は、ねじが更に所定の回転角度だけ回転される。 トルク測定を介して予負荷力を間接的に特定する際、以下の問題点が生じる： ねじ留めの際、印加トルク ）のために、即ち、予負荷力の発生のために印加されていない。トルクの大部分 は、ねじの螺旋状の溝及びねじ頭での摩擦によって吸収されてしまう。摩擦条件 が変化すると、この変化によって、予負荷力に強い作用が加わる。従って、前述 の装置を以てしては、予負荷力の狭い許容偏差を維持することはできなくなって しまう。 この難点を克服するために、予負荷力を直接測定する必要がある。そのために 、種々の方法及び装置が提案されている。つまり、ねじ頭の下部にワッシャーの 形状の測定リングを配設することが公知である。この測定リングは、センサであ り、このセンサにより、力作用時に電気信号が送信される。ねじが締められると 、ねじ頭が測定リング上に押し付けられ、その際、予負荷力を直接測定すること ができる。この方法は、非常にコストが掛かる。と言うのは、この測定リングは 、ねじ結合部の取り付け後ねじ頭の下側に取り残されてしまうからである。従っ て、この方法は、特に、例えば、宇宙飛行又は核エネルギ技術のような用途だけ に限定されている。 予負荷力を特定するための別の手段は、ドイツ連邦共和国特許公開第４４１０ ７２２号公報に記載されている。少なくとも１つの、交流通電コイルを用いて、 構成部品内のねじの予負荷力を特定するための装置が開示されており、その際、 ねじは、少なくとも部分的に、単数又は複数のコイル側の表面が導電材料から形 成されており、ねじの予負荷力に比例して変化する、少なくとも１つのコイルと の間隔が、このコイルによって測定信号として測定され、その際、ねじの頭は、 構成部品側に突出した領域を有している。 この方法では、導電材製のねじにしか使用できないという欠点がある。塑性変 形により生じる長手方向の変形は、検出することができない。測定すべき長さが 極めて小さくて、この方法を、粗い生産条件下では殆ど使用できないか、又は、 かなり技術的なコストを掛けてでないと使用できない程である。 ドイツ連邦共和国特許公開第４０１７７２６号公報には、少なくとも部分的に ねじが設けられた軸と、ねじ頭、ピン付加部（Ｓｔｉｆｔａｎｓａｔｚ）等が設 けられた操作端とを有する取り付け用ねじが記載されており、その際、取り付け ねじの操作端には、第１の端面が設けられており、軸の自由端には、第２の端面 が設けられており、両端面には、超音波測定用の測定面が設けられており、この 測定面は、両端面の一部分に亘ってしか延在しておらず、端面に向かって増大及 び／又は低減するように軸方向にずらして設けられている。 この装置により、超音波を用いて、ねじの長さの変化が測定される。ねじの材 料特徴値と幾何学的寸法から、当業者にとって公知の方法を用いて、予負荷力が 直接求められる。ドイツ連邦共和国特許公開第１９５０７３９１号公報及びドイ ツ連邦共和国特許公開第４０２５４３０号公報記載の対象は、同じ方式に基づい ている。 しかし、超音波を用いて、ねじの長さの変化を特定することは、欠点も有して いる。長さの変化を正確に検出するために、超音波が所定のようにねじ内に導入 されなければならない。その際、解決すべき技術的な問題がかなりある。つまり 、音波導入面及び反射面を特別に形成する必要がある。更に、これらの面を高い 精度で形成し、狭い許容偏差であるようにする必要がある。規格ねじは、この要 件を充足し得ない。と言うのは、ねじは、高い効率の方法で量産部品として形成 されるからである。超音波導入面を持ったねじの製造のために利用できる、比肩 し得る方法はない。従って、この特殊ねじ用の製造コストは高い。別の欠点は、 超音波方法では、音波導入及び応動信号の取り出しを直接ねじで行う必要があり 、即ち、超音波発信器及び受信器がねじスピンドル内に統合されており、そうす ることによって、構成上かなり大きく変えざるを得な い。構成上の状況が極めて狭い個所では、そのような、構成上の寸法が大きな、 ねじスピンドルは、使用することができない。 本発明の課題は、上述の諸問題点を克服した、ねじ結合部の予負荷力を直接特 定するための方法を提供することにある。 この課題は、本発明請求の範囲１記載の方法によって解決され、その際、調整 可能なねじ留め装置によって回転されるねじを用いて、２つの構成部品が所定の ｎｇｕｎｇ）によって、ねじ材料から音響放射が送出される。この方法は、以下 の方法ステップによって特徴付けられる。即ち： −実際のねじ留め過程中ねじで発生する音響放射を検出するステップ、 −前記実際のねじ留め過程中検出された前記音響放射を、記憶された所定のデー タと比較し、その際、所定の基準に応じて、前記ねじ留め過程が機能通りに経過 しているかどうか検出するステップ によって特徴付けられる。 音響放射の信号の評価は、従来技術から公知の音波放射解析方法により行われ る。 この方法の利点は、予負荷力と狭い相関関係にある信号が得られ、この信号は 、ねじ乃至ねじ頭での摩擦とは無関係であり、選択的にねじ留め過程の制御乃至 調整のために使用することができるという点にある。 この、音響放射の信号を、従来技術から公知の従来の測定信号に、測定量、トル ク、回転角、ねじ長さ、降伏点、ねじ込み深さを組み合わせることができる。こ の組み合わせは、そのようなねじ結合部で使用され、その際、所定の品質の特徴 を特に狭い許容偏差で保持することができる。必要に応じて、２つ以上の測定量 を組み合わせることもできる。この方法の更に別の主要な利点は、音響放射を、 ねじの近傍周囲領域でも検出することができる点にある。従って、最初に、ねじ の予負荷力の直接測定用の方法がねじ結合部で使用され、その際、測定量の取り 出しを、直接ねじ自体で行う必要はない。 本発明の方法の有利な実施例は、従属請求項記載の対象であり、その際、請求 項２記載によると、実際のねじ留め過程の際のねじの伸びの間発生する前記音響 放射の実際のパターンが検出される。それと並行して、実際のパターンが、記憶 されている特徴的なパターンと比較され、その際、所定の判定基準を用いて、ね じ留め過程が許容可能な許容偏差内にあるかどうか検出される。 請求項３記載によると、ねじの幾何学的形状、ねじの大きさ及び組込状況、即 ち、ねじの周囲環境に依存して、ねじの個所で、音響放射が良好に検出されるよ うな適切な周囲環境が選定されるのである。適切な個 所は、有利には、ねじ頭の端面又は側面又はねじ終端の端面である。具体的な組 込状況に依存して、他の個所を選定してもよく、音響放射の検出用のセンサとね じとを直接接触させてもよい。 請求項４記載によると、ねじの幾何学的形状、ねじの大きさ及びねじの直接的 な周囲環境内での組込状況に依存して、音響放射を良好に検出できる適切な個所 が選択される。適切な個所の選択の際、音波伝送の状況を考慮することができる 。最適な個所は、僅かな試行によって求められる。 請求項５記載によると、音響放射の信号を、直接ねじから取り出しても、ねじ の直接的な周囲環境内の適切な個所で検出してもよい。この方法によると、特別 な要件の場合、及び特殊な状況下で、音響放射の評価時の高い質の評価を行うこ とができる。 請求項６記載によると、音響放射を用いた制御乃至調整の他に、ねじ結合部を 、付加的に、回転角を介して、又は、降伏点を介して、又は、ねじの長さを介し て監視し、その際、３つの有利な変形方法がある： 変形方法１： ねじ結合部の形成中、連続的に、ねじのねじ込み深さが深さセンサを用いて特 定される。ねじ頭が載置（Ａｕｆｌａｇｅ）された場合、深さセンサの信号が所 定限界値Ｔを超過して、音響放射の検出が開始される。所定限界値Ｅ１に達した 後、回転角測定が開始され る。音響放射が別の所定値Ｅ２に達した場合、ねじを回転するねじスピンドルが スイッチオフされる。続いて、回転角が所定範囲内にあるかどうか検査される。 回転角が所定範囲内にある場合、ねじ結合部は、良好であると判断され、回転角 が所定範囲外にある場合、このねじ結合部には、欠陥があると判断される。 変形方法２： ねじ結合の形成の間、連続的にねじのトルクがトルクセンサを用いて測定され る。ねじ頭が当接（Ａｎｌａｇｅ）された場合、トルクセンサの信号が所定限界 値Ｍを超過して、音響放射の検出が開始される。所定限界値Ｅ１に達した後、回 転角測定が開始される。検出されたトルク及び回転角から、両量の比が算出され る。音響放射が別の所定限界値Ｅ２に達すると、ねじスピンドルがスイッチオフ され、トルク／回転角の比及び／又は回転角及び／又はトルクが所定範囲内にあ るかどうか検査される。 変形方法３： ねじの回転の前に、ねじの長さＬ１が測定される。続いて、ねじ込み深さが深 さセンサを用いて測定されると同時にトルクが測定される際、ねじ頭の載置迄ね じが回転される。ねじ頭の載置の際、深さ測定器の測定信号は、所定限界値Ｔに 達し、その後、音響放射の検出が開始される。音響放射が所定値Ｅ１に達すると 、回転角測定が開始される。音響放射が別の所定値Ｅ ２に達すると、ねじスピンドルがスイッチオフされ、ねじの長さＬ２が測定され る。長さの差Ｌ２−Ｌ１から、公知の幾何学的寸法及びねじの強度特性値を介し て予負荷力が算出される。 請求項７記載によると、ねじ結合部の形成が、トルク、又は、回転角、又は、 降伏点を介して制御され、音響放射の評価により監視される。 ３つの有利な変形方法がある： 変形方法１： ねじが、トルクの同時測定の際、ねじ頭の載置迄回転される。ねじ頭の載置の 際、トルクが所定値Ｍ１に達し、その後、音響放射の検出が開始される。トルク が所定値Ｍ２に達すると、ねじスピンドルがスイッチオフされる。その後、音響 放射が所定範囲内にあるかどうか、乃至、所定基準を充足しているかどか検査さ れる。従って、間接的に、ねじの伸びを、ねじ及びねじ頭の摩擦の妨害となる影 響なしに検査することができる。 変形方法２： ねじが、トルクの同時測定時にねじ頭の載置迄回転される。ねじ頭の載置の際 、トルクが所定値Ｍ１に達し、その後、音響放射及び回転角の検出が開始される 。所定回転角Ｄ１に達した後、ねじスピンドルがスイッチオフされる。その後、 音響放射が所定範囲内であるか、乃至、所定基準を充足するかどうか検査される 。この方法により、特に、ねじが塑性変形の範囲内にないか、又は、塑性変形の 範囲からかなり離れているか求めることができる。 変形方法３： ねじが、トルクの同時測定時にねじ頭の載置迄回転される。ねじ頭の載置後、 トルクが強く上昇し、所定値Ｍ１に達する。この時点で、トルク／回転角の比が 測定され、音響放射の測定が開始される。トルク／回転角の所定の比の達成後、 ねじスピンドルがスイッチオフされる。その後、音響放射が所定範囲内であるか 、乃至、所定基準を充足するかどうか検査される。 請求の範囲８によると、ねじ留め過程の冗長監視のための方法が使用される。 従来技術から公知の方法と組み合わせて用いることができる。この組み合わせ手 段については、後で例を用いて説明する。 ねじは、トルクの同時測定時に「作動形式高速（”Ｂｅｔｒｉｅｂｓａｒｔ ｓｃｈｎｅｌｌ”）」で回転される。ねじ頭の載置状態に達したことを信号表示 して、そのことを確証する限界値トルクＭ１に達した際、「作動形式低速”Ｂｅ ｔｒｉｅｂｓａｒｔ ｌａｎｇｓａｍ”」がスイッチオンされて、それと同時に 、トルク監視が付加接続される。技術的に予め設定されたスイッチオフトルクＭ ２に達する迄、ねじが低速で更に回転される。スイッチオフ後、Ｍ１とＭ２との 間の回転角の量から、測定回転角が所定の回転角と一 致していて、従って、ねじが技術的な基準によって留められているかどうか検出 される。本発明の方法によると、回転角制御の冗長的な監視が行われ、その際、 ねじによって送出された、音響放射の特徴的なパターンが、メモリユニット内に 記憶されている比較パターンと一致しているかどうか決められる。この冗長的な 制御により、押し付け力に関するねじ結合部の質を判断する統計的な確実性が向 上する。この方法は、有利には、狭い許容偏差のねじ結合部で使用される。別の 利点は、冗長監視を既存のねじ留め装置に後から装着することができる点にある 。 本発明の、その他の手段及び利点について、後続の図示の実施例を用いて説明 する。その際、本発明は、それらの手段及び利点の全てから取り出すことができ る新たな要件又は要件の組み合わせにある（これが請求の範囲に明示的に開示さ れていない場合でも）。 図１には、本発明の有利な実施例の構成略図が示されている。 ２つの板状の構成部品（その内の一方の構成部品にねじ孔が設けられている） が、ねじＭ１０を用いてねじ留めされる。そのために、以下の作業工程が実行さ れる： ねじが、構成部品に装着されて回転され、その際、それと同時に、ねじ込み深 さが、深さセンサで測定される。ねじ頭が構成部品に載置されると、深さセンサ が、音響放射（ＡＥ）の測定を開始する信号が送出される。ねじに取り外し可能 に結合されたＡＥセンサにより、ねじ内に形成された高周波ＡＥ信号が検出され 、このＡＥ信号は、本実施例では、１３０〜３００ｋＨｚ内にある。ＡＥ信号は 、準統計信号に処理される。そのために、先ず、帯域通過フィルタリングされて 、有効信号／妨害信号の比が上昇される。帯域通過フィルタは、ねじでの摩擦過 程によって、又は、他の音響源から生じる妨害音響信号を、ねじの伸びによって 発生される有効信号から分離するように回路定数が選定されている。続いて、信 号が二乗されて、平均値が形成される。平均値形成並びに幅及び周波数領域の位 置状態は、ねじ、乃至、ねじタイプに依存し、試行により検出される。予め、所 定ねじタイプ用の経験値が設定されている場合、場合によっては、単に最適化し さえすればよい。測定信号の質を高めるために、別の帯域通過フィルタを使用す ることができる。フィルタリングされた、音響放射の準統計信号が所定限界値Ｅ １を超過した場合、回転角測定が開始される。別の限界値Ｅ２に達すると、ねじ スピンドルがスイッチオフされる。ねじスピンドルのスイッチオフ後、ねじ頭で 測定された回転角が技術的に許容される偏差内にあるかどうか検査される。 強調すべき点は、この実施例は、本発明を限定するものではないということで ある。本発明の説明で開示 した技術思想を知ることによって、当業者にとっては、本発明の請求の範囲から 外れない限りで、本発明の別の使用手段を開発することが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 所定のねじ結合部の形成方法であって、その際、調整可能なねじ留め装置 によって回転されるねじを用いて、２つの構成部品が所定の予負荷力で相互に押 し付けられており、その際、前記ねじは、音響放射を送出する、ねじ結合部の形 成方法において、 −実際のねじ留め過程中ねじ内に発生する音響放射を検出するステップ、 −前記実際のねじ留め過程中発生して検出された前記音響放射を、記憶された 所定のデータと比較するステップ、 −所定の基準に応じて、前記ねじ留め過程が機能通りに経過しているかどうか 検出するステップ とを有していることを特徴とする方法。 ２． 請求項１記載の方法において、 −実際のねじ留め過程の際のねじの伸びの間発生する前記音響放射の実際のパ ターンを検出するステップ、 −前記実際のねじ留め過程中前記音響放射の前記実際のパターンを、記憶され ている特徴的なパターンと比較し、その際、所定の判定基準を用いて、前記ねじ 留め過程が許容可能な許容偏差内にあるかどうか検出するステップ とを有する方法。 ３． 音響放射の信号を、直接ねじから取り出し、その際、音響放射の取り出し の位置を、前記音響放射を評価可能な質で利用できるように選定する請求項１又 は２記載の方法。 ４． 音響放射の信号を、ねじの直接的な環境から取り出し、その際、前記音響 放射の取り出しの位置を、前記音響放射を評価可能な質で利用できるように選定 する請求項１又は２記載の方法。 ５． 音響放射の信号を、直接ねじから取り出し、該取り出しに並行して、前記 音響放射の信号を、前記ねじの直接的な環境から取り出し、その際、前記音響放 射の取り出しの位置を、前記音響放射を評価可能な質で利用できるように選定す る請求項１又は２記載の方法。 ６． 音響放射を用いた制御乃至調整の他に、ねじ結合部を、付加的に、回転角 を介して、又は、降伏点を介して、又は、ねじの長さを介して監視する請求項１ 〜５までのいずれか１記載の方法。 ７． ねじ結合部の形成を、 −音響放射の評価により監視し、 −トルク、又は、回転角、又は、降伏点を介して制御する 請求項１〜５までのいずれか１記載の方法。 ８． ねじ留め処理中生じる音響放射を冗長監視のために利用する請求項１〜７ までのいずれか１記載の 方法。