JP2002263968A

JP2002263968A - ボルト締結機の制御装置

Info

Publication number: JP2002263968A
Application number: JP2001065980A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Baba; 比路志馬場; Hajime Yasui; 一安井; Hiroaki Yamaguchi; 裕明山口
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toshiba Tungaloy Co Ltd; Koatec KK
Current assignee: Tungaloy Corp; Toyota Motor Corp; Koatec KK
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2002-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波によるボルト軸力の測定方法を利用した
ボルト締結の自動機にあって、所定の時間で目標締付ト
ルクが得られるような制御装置を提供する。【解決手段】ナットランナ１４を回転させたときに生じ
る締付トルクが定常増加状態となる初期の任意区間を締
付動作２とし、この区間におけるナットランナ１４の回
転の実測角度ΔＡと実測軸力ΔＳとを測定し、測定結果
より求められる軸力の増加勾配からその延長線上に仮想
軸力Ｓを予測し、仮想軸力Ｓまでの仮想角度Ａの分だけ
ナットランナ１４を回転させてボルト締めを行うことに
より、オーバーランすることなく目標トルクＴ_tを得る
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を利用し
たボルト軸力の計測機能を有するボルト締結機を制御す
るための制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波によるボルト軸力の計測は、ボル
トが締め付けられて弾性変形を起こし、その伸びに対応
して音速が変化するという性質を利用するものである。
すなわち、ボルトの頭に超音波プローブを載置して適当
な力で押圧し、ボルトの先端に向けて送信した超音波が
エコーとして受信されるまでの伝播時間の差を測定する
ことによって軸力を算出するもので、精度の高い軸力計
測が可能となることで優れている。

【０００３】ところで、超音波プローブをボルト締め用
のソケットに内蔵させたものが特願２０００−４８４２
４号に出願されている。超音波プローブの押圧力は、ば
ねによるもの以外に２つの磁石の反発力を利用したもの
が記載され、これにより、操作性や測定精度の向上，測
定の安定性が得られるようしている。このようなソケッ
トの最も簡単な利用方法としては、ハンドルの先端にソ
ケットを装填し、逐次表示される軸力を見ながら手作業
でもってハンドル旋回させ、目標軸力に達したところで
締付作業を完了させるというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記のよ
うな手作業に代わり、ナットランナを利用することによ
ってボルト締結作業の自動化を実現させるものである。
自動化ラインにおけるボルト締結機は、締付け作業に割
くことのできる時間が極めて短く、ナットランナを高速
で回転駆動する必要がある。したがって、手作業の場合
と異なり、オーバーランという問題が起きる。また、本
ボルト締結機のように超音波を送受信して軸力を算出し
ながらの方法は、得られる軸力値にタイムラグが生じる
ので、オーバーランの問題は殊に重大となる。

【０００５】ナットランナのオーバーランを解決課題と
した従来技術として、たとえば特開２０００−３２６２
５０号公報に開示されたものがある。これは、ボルト締
付け初期の回転数についての単位時間当たりのトルクの
上昇率から、目標トルクまでに要する締付時間を計算
し、この締付時間に応じた回転数制御を行うことによっ
て締付けすることを特徴としたものである。この方法に
よれば、所定の時間で目標締付トルクに達するように締
付けを完了することができるようになる。

【０００６】しかしながら、トルク測定に基づく前記の
如きナットランナの制御装置は、所定のトルクが得られ
たとしても、相応の軸力が得られているかどうかは分か
らず、締付不良を見逃す恐れがある。具体的には、たと
えば、ねじの嵌合が不完全な場合には、いくらトルクを
かけても軸力は上がらないままである。この発明は、こ
のような不具合の解消を狙ったものである。また、この
発明は、超音波プローブの被測定物への押圧力の調節が
できるようにもしている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記のよう
な課題を解決するためになされたもので、前記ナットラ
ンナの回転に伴って生じる締付トルクが定常増加を示し
始める初期段階において一定区間を設定してこの区間に
おける軸力の増加量を測定し、このときのナットランナ
の回転角度に対する軸力の増加勾配の延長線上に軸力を
仮想し、この仮想した軸力までの回転角度を逆算し、求
まった回転角度分だけ前記ナットランナを回転させてボ
ルト締めを行うことを特徴とする。

【０００８】また、延長線上に仮想する前記軸力を、必
要とする最終軸力に設定し、この軸力までの回転角度分
だけ前記ナットランナを回転させて、ひといきに最終軸
力に達するようにすることを特徴とする。あるいは、仮
想した前記軸力までの回転角度分だけ前記ナットランナ
を回転させると同時にこの間の軸力を測定するというサ
イクルを繰り返すことにより、段階的に最終軸力に達す
るようにすることを特徴とする。

【０００９】仮想した前記軸力までの回転角度分だけ前
記ナットランナを回転させると同時にこの間の軸力を測
定するというサイクルを繰り返すことにより、段階的に
最終軸力に達するようにすることを特徴とする。また、
前記ナットランナの回転により得られる軸力が、最終軸
力の許容範囲にあるか否かを判定し、範囲外にある場合
には、ボルトを緩めた状態に戻してから再度ボルト締め
を繰り返すことを特徴とする。

【００１０】さらに、ボルト締結用の前記ソケットに組
み込まれる超音波プローブは、２つの磁石の反発力によ
ってボルトの頭に押圧されるとともに、２つの磁石の少
なくとも一方は電磁石にて形成され、電流値によって押
圧力を調節できるようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１１】ボルトの締付トルクとナットランナの回転
角度との関係は、回転の初めは各部位間の接触箇所や嵌
合箇所における遊びや馴染みの問題があることから、非
定常な関係を示すが、その後は定常的な増加関係を示す
ようになる。この発明は、この定常増加の状態となる初
期の段階をとらえて先を予測し、ナットランナを制御し
ようとするものであり、素早く目標値に近づけることが
できるばかりでなく、オーバーランの問題も解消され
る。このときの目標値はあくまでも締め付けられたボル
トの軸力を基本とするものであるから締付は確実であ
り、前記トルク管理のような問題は生じない。

【００１２】仮想軸力の設定は、ひといきに目標値に設
定する方法と、段階的に設ける方法とに分けている。前
者は、より短時間で目標軸力が得られるものであるが、
誤差が大きくなる可能性を有している。後者は、その都
度の仮想値との若干の誤差を修正しながら目標値に近づ
いていくので、より精度の高い軸力値が得られるという
特長がある。それぞれに特長があり、使い分けできるよ
うになっている。

【００１３】軸力が目標値の許容範囲内に入らなかった
ときには、リトライプログラムによって、最初から繰り
返される。これは、測定の各部位において、ねじの嵌合
や馴染みの問題から万一不具合が生じたときの対応策と
なるもので、２回目には目標値が得られる可能性が高く
なるからである。また、目標軸力に対応するトルクの判
定は、ナットランナやソケットの許容強度を超えること
のないようチェックするためのものであり、故障や損傷
を予防する。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、この発明の実施の一形態に
ついて、図を参照しながら説明する。図１は、この発明
に関わるソケット１の一例を示す断面図で、ソケット本
体２は、円筒状部品と蓋状部品とが皿ビス３により一体
化されたものである。ソケット本体２の上部の穴は、正
方形、六角形などの多角形穴からなるドライブ４であ
り、後述するナットランナ先端部のスリップリングホル
ダと嵌合して回転駆動する。そして、ドライブ４の下端
には穴付き円板状の磁石５が組み込まれている。

【００１５】超音波プローブ６は、先端面に超音波振動
子７、外周面に磁石８を有して一体化され、センサ駒９
を形成している。センサ駒９は、その外周面の一部が上
開きの円錐面に形成される。一方、ソケット本体２に
は、センサ駒９の円錐面に係合する皿状の円錐面を有し
た保持リング１０が装着されて、センサ駒９が上下動自
在であって求心性を保ちながら抜け落ちないようになっ
ている。超音波振動子７からはケーブル１１がソケット
本体２の外に延びて、軸力解析機器と結ばれている。

【００１６】前記のように構成されたソケット１におい
て、磁石５と磁石８とは同じ極性を対向させて組み込ま
れ、それによって発生する反発力によってセンサ駒９が
被測定物であるボルトの頭１２に向かう力を受ける。ソ
ケット本体２の先端穴とボルトの頭１２とは同大の多角
形をなしており、両者を嵌合させてボルト締めを行う。
図２は嵌合前の状態を示したものであるが、嵌合状態に
おいては、センサ駒９は磁石５，８の反発による押圧力
を働かせながらボルトの頭１２によって押し上げられた
状態となる。その結果、ソケット本体２とは非接触状態
となるから、振動などの外乱に影響されることなく安定
した測定ができるのである。そして、本発明は、磁石５
または磁石８の少なくとも一方を電磁石としているの
で、電流値を変えることによって適正な押圧力に調節す
ることができることを特長の一つとしたものである。

【００１７】図２は、この発明の実施の一形態である制
御装置の構成を示すものである。被測定物であるボルト
の頭１２と同一軸芯上にソケット１，スリップリングホ
ルダ１３，ナットランナ１４などが配列されている。ソ
ケット１に内蔵された超音波プローブ６からはケーブル
１１が軸力解析機１５に延びていて、この軸力解析機１
５によって超音波の送受信から軸力算出までの制御がな
される。

【００１８】ナットランナ１４から延びるケーブル１１
は、ナットランナ１４のトルクおよび回転角度のデータ
をナットランナ制御ユニット１６に送り、このナットラ
ンナ制御ユニット１６はインターフェース１７を通じて
軸力制御ユニット１８に前記締付データを送る。一方、
軸力解析機１５からは軸力データが軸力制御ユニット１
８に送られてきており、締付データと軸力データとから
増締角度指令がナットランナ制御ユニット１６に出され
る。これをもとにナットランナ制御ユニット１６はナッ
トランナ１４に締付補正指令を発する。また、ナットラ
ンナ制御ユニット１５はスイッチボックス１９と繋がっ
ている。

【００１９】図３は、この発明に関わる軸力締付モード
制御を示すもので、縦軸にナットランナ１４の締付トル
クおよびボルトの軸力を、横軸にナットランナ１４の回
転角度をとったものである。ナットランナ１４の締付動
作１の段階では、各部品間に遊びや馴染みの問題がある
ので回転角度とトルクとの間には相関が見られないが、
そののちには定常的なトルクの増加傾向を示す。これに
伴って、軸力も定常的に増加するようになる。

【００２０】その初期段階を捉えて締付動作２となる任
意区間を設定し、この区間における実測角度ΔＡと実測
トルクΔＴとに相対する実測角度ΔＡと実測軸力ΔＳと
の関係から増加勾配（ΔＳ／ΔＡ）が求められる。次
に、この軸力線図の延長線上に目標軸力Ｓ_tを想定し、
増加分の仮想軸力Ｓをもとに目標軸力Ｓ_tとするのに要
する仮想角度Ａを逆算する。すなわち、Ａ＝（ΔＡ／Δ
Ｓ）・Ｓとなる。こうして求められた仮想角度Ａがその
まま増締角度Ａとなり、締付動作３の段階として増締角
度Ａの分だけ増し締め作業が続けられる。このときの最
終トルクを目標トルクＴ_tとする。

【００２１】図４は、１回の実測値から前記のように一
度に目標軸力Ｓ_Tを求める際のフローチャートを示すも
のである。スイッチボックス１９によるスタートから出
発し、定常増加に移行しはじめたときの始点であるスナ
グ締付より任意角度増締を設定する。この間の角度が前
記実測角度ΔＡに相当する。そして任意角度増締時の軸
力を計測してデータ転送し、目標軸力Ｓ_Tに達するのに
要する仮想角度Ａを算出する。算出された仮想角度Ａす
なわち増締角度Ａに従ってナットランナ１４（図には一
部ＮＲと略して表示）を操作して得られる目標軸力Ｓ_T
が目標値の判定ゾーンの中に入ってるかどうかが判定さ
れ、不具合の場合にはスナグ締付にまで戻って繰り返さ
れる。なお、同時に目標トルクＴ_tについても判定ゾー
ンが設定され、ソケット１やナットランナ１４の許容強
度などに問題が生じないかどうかが判定される。

【００２２】図３および図４は、最初に仮想する軸力を
目標とする軸力に一致させて、一度に増し締めを完了さ
せるものである。この方法は迅速性に優れる一方、仮想
する軸力値が実測から遠く離れた値ほど小さな誤差が拡
大されるという問題がある。これに対し、図５の方法
は、仮想軸力を近くに求めて増し締めし、さらにこの間
の軸力の実測をもとに仮想軸力を設定するという方法を
段階的に繰り返しながら目標軸力Ｓ_Tに達するようにす
るためのフローチャートを示すもので、基本的な考え方
は前述と同じである。この方法によれば、修正が加わる
ので誤差要因は小さくなる。

【００２３】

【発明の効果】この発明によれば、超音波センサを利用
したボルト締結機において、ボルト締付の初期の段階に
おける軸力の実測値から先の軸力を予測し、必要とされ
る回転角度の逆算結果に基づいてナットランナが回転制
御されるから、迅速かつ正確に目標軸力に近づけること
ができるようになり、ナットランナのオーバーランとい
った問題も解消されたボルト締結機の制御装置が提供で
きるようになる。ボルトの締結状態は軸力によって監視
されているので、トルク管理のときにみられる空締めと
いった問題も排除される。

【００２４】目標軸力を得る方法としては、ひといきに
目標軸力とするより迅速性の高い方法と、段階的に目標
軸力に近づけていくより精度の高い２通りの方法が提供
されて、適宜選択できるようになっている。また、目標
軸力が得られたか否かは判定され、不具合の際にはフィ
ードバックされるので、信頼性が高い。同時に最終的な
トルクも判定されるので、ナットランナなどの強度がチ
ェックされて故障の予防が図られる。さらにこの発明
は、センサ部自体も、電磁石の利用によって、超音波プ
ローブの押圧力を適正な値に調節することができるの
で、形状や材質の異なる各種のボルトの軸力測定に対応
できるようになっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に関わるソケットの一実施形態を示す
正面断面図である。

【図２】この発明に関わる制御装置の一実施形態を示す
全体の構成図である。

【図３】この発明におけるトルク・軸力−回転角度の関
係を示し、ひといきに目標軸力を得るための軸力締付モ
ード制御図である。

【図４】図３のフローチャート図である。

【図５】この発明の段階的に目標軸力を得るためのフロ
ーチャート図である。

【符号の説明】

１ソケット５，８磁石６超音波プローブ１２ボルトの頭１４ナットランナ１５軸力解析機１６ナットランナ制御ユニット１８軸力制御ユニット ΔＡ実測角度 ΔＳ実測軸力 ΔＴ実測トルクＡ仮想角度（増締角度）Ｓ仮想軸力Ｔ増締トルクＳｔ目標軸力Ｔｔ目標トルク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安井一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者山口裕明岡山県総社市赤浜500 コアテック株式会社内Ｆターム(参考） 2F051 AA00 AB04 BA00 2G047 AC07 BC02 EA10 GA05 GG27 3C038 AA01 BC02 CA01 CB06 CC06 EA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ナットランナ先端にはボルト締結用のソ
ケットが装着され、しかもこのソケットには超音波プロ
ーブが内蔵されて、超音波プローブにより送受される超
音波でもってボルト軸力を計測するように構成されたボ
ルト締結機を制御するための制御装置において、前記ナ
ットランナの回転に伴って生じる締付トルクが定常増加
を示し始める初期段階において一定区間を設定してこの
区間における軸力の増加量を測定し、このときのナット
ランナの回転角度に対する軸力の増加勾配の延長線上に
軸力を仮想し、この仮想した軸力までの回転角度を逆算
し、求まった回転角度分だけ前記ナットランナを回転さ
せてボルト締めを行うことを特徴とするボルト締結機の
制御装置。
【請求項２】延長線上に仮想する前記軸力を、必要と
する最終軸力に設定し、この軸力までの回転角度分だけ
前記ナットランナを回転させて、ひといきに最終軸力に
達するようにすることを特徴とする請求項１に記載のボ
ルト締結機の制御装置。
【請求項３】仮想した前記軸力までの回転角度分だけ
前記ナットランナを回転させると同時にこの間の軸力を
測定するというサイクルを繰り返すことにより、段階的
に最終軸力に達するようにすることを特徴とする請求項
１に記載のボルト締結機の制御装置。
【請求項４】前記ナットランナの回転により得られる
軸力が、最終軸力の許容範囲にあるか否かを判定し、範
囲外にある場合には、ボルトを緩めた状態に戻してから
再度ボルト締めを繰り返すことを特徴とする請求項２ま
たは請求項３に記載のボルト締結機の制御装置。
【請求項５】前記ナットランナの回転により得られる
最終軸力に対応するトルクが、その許容範囲にあるか否
かを判定する機能を有していることを特徴とする請求項
２〜請求項４のいずれかに記載のボルト締結機の制御装
置。
【請求項６】ボルト締結用の前記ソケットに組み込ま
れる超音波プローブは、２つの磁石の反発力によってボ
ルトの頭に押圧されるとともに、２つの磁石の少なくと
も一方は電磁石にて形成され、電流値によって押圧力を
調節できるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求
項５のいずれかに記載のボルト締結機の制御装置。