JP2004537432A - 間欠作動するねじ締め工具の制御方法 - Google Patents

Abstract

間欠作動によるねじ締め工程の制御方法において、まずトルクを継続的に測定するトルクモード（ＤＭＭ）を用いる。予トルク（Ｍ_F ）に到達したとき、回転角を測定する回転角モード（ＤＷＭ）が実行される。（予トルク（Ｍ_F ）に対応する）回転角α＝０から始まって、回転角（α）は各ストロークの間、積算される。これに関連し、ストロークの終点において到達したトルク（Ｍ_HE）が記憶される。次のストロークにおいて、角度（α）の積算は、前のストロークの終点時におけるトルク（Ｍ_HE）に再び到達したときにのみ継続される。目標角度（α_Z ）に達したとき、ねじ締め工程は終了する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、間欠的に回転ストロークを実行するねじ締め工具であって、トルクセンサ及び回転角センサを備えたねじ締め工具の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ねじを締めるため液体圧動力レンチが広く使用されており、該動力レンチは、ラチェットレバーを往復動させるピストン−シリンダ部を備えている。ラチェットレバーは環状部材を駆動し、該環状部材がソケットレンチを介して回そうとするねじに接続される。ラチェットレバーの或る一方向への回転ストロークによってねじが締められる一方、ラチェットレバーの戻りストロークは空回りのストロークとなる。
【０００３】
動力レンチによって締められるねじの場合、接続するボルトを確実に、一方では決められたとおり引っ張り、他方ではボルトを引っ張りすぎないよう、正確に求められたバイアス張力を得なければならない。規定の張力を達成するためには、液体圧動力レンチの液体圧を測定し、液体圧が限界値に達したときにねじ締め工程を停止させるだけでは不充分である。ねじを締めるとき、例えばねじ山の不良や錆などにより、ねじが噛んだり傾いたりするなど、予期せぬ障害に遭遇することもありうる。ねじ締めの際の抵抗は、規定のねじ締めの状態を実現するための適切な基準である。
【特許文献１】
欧州特許出願公開第０３４０９９９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ねじ締め工具の制御方法であって、正確性及び再現性の高いねじ締め工程を実現でき、本方法を用いることによりねじを適切に締めることを約束する制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の特徴によって達成される。すなわち、ねじの接続は、
- トルクモードにて、トルクを測定しながら回転ストロークを実行するステップと、
- 所定の予トルクが得られたとき、現ストロークが終点に到るまでの回転角を積算し、ストロークの終点において得られる回転角及びトルク値を記憶することにより、回転角モードを実行するステップと、
- 引き続く各ストロークにおいて、トルクが前のストロークの終点におけるトルクに相当する値に達したときに回転角の積算を継続し、ストロークの終点で得られる回転角及びトルク値を記憶するステップと、
- 積算した回転角が目標とする角度に到達したとき、ねじ締め工程を終了するステップと
によって得られる。
【０００６】
本発明に係る方法では、最初に、予トルクに達するまでねじを締め込むトルクモードが実行される。所定の予トルクは、接続される部品がある程度固定され、予トルクに達したときねじ接続が基本的にすでに確保されているよう計算されている。予トルクに達するとき、所定の回転角、いわゆる目標角度へと到る回転角モードが実行される。回転角への到達は、回転角センサにより供給される回転角度の増分を合計することにより実行される。
【０００７】
目標角度が得られるまでに、ねじ締め工具は複数回のストロークが必要である。各ストロークの間、トルク及び回転角は増加し、引き続く戻りストロークの間、トルクはゼロに戻る。引き続くストロークにおいて、トルクは急激に増加する。本発明によれば、回転角の計測は、引き続くストロークにおいて前のストロークが終了したときのトルクと同じトルクに達したときにのみ継続される。ストロークの終点において達したこのトルク及びこの時点までに集計された回転角が、メモリに記憶される。
【０００８】
本発明に係る方法によれば、ねじ締め工程を確実に制御することができる。回転角モードにおいて、予トルクには再現性があり、高い精度で測定できるものと考えられる。予トルクが得られたとき、目標角度に達するまで角度を測定する回転角モードが実行される。すなわち、ねじ締め工程は、予トルク到達後に到った回転角によってのみ終了される。
【０００９】
本発明の一望ましい側面にあっては、回転角モードは、運動中に予トルクに達した場合にのみ開始される。例えば、回転が完全にあるいはほぼ完全に停止するストロークの終点にて予トルクに達した場合、ねじ接続は所定の摩擦状態にない。ねじの一時的な噛み込みや閉塞によってトルクが予トルクの値を超えて増加し、トルクモードの開始時点において、なんらかの状況があったと考えられる場合もありうる。これを防止するため、ねじ締め工程が線形部分において実行されており、かつストロークの終点からある程度の距離にあるときのみ、予トルクが得られたものとする。
【００１０】
本発明に係る方法の一望ましい変形例においては、或るストロークの間に予トルクに到達したものの、その積算値が所定の限界値を下回る場合、この予トルク到達を採用せず、次のストロークに採用を持ち越す。この状況は、ストロークの終点で予トルクに達した場合に相当する。この場合にはトルクモードが維持され、引き続く戻りストロークののち、トルクモードで次の新たなストロークが実行され、この新たなストロークにおいて再び予トルクに到達する。この２度目の予トルク到達を、角度計測のゼロ点を作るために評価する。
【００１１】
本発明による方法では、さらに、トルクと回転角との依存関係の微分係数を求め、評価することもできる。
【００１２】
本方法の或る特別な実施の形態では、予トルクに達する前にこの微分係数を求め、記憶される。夫々の測定トルクと記憶した微分係数とに基づき、ストロークの終点で予トルクに達するか否かを予測する。トルクが現在の状態を示しており、さらに微分係数によって推測が可能であるから、ストロークの終点で予トルクに達するかどうかを、予測することが可能である。該当する場合には、ストロークの終点よりも前でストロークを止め、予トルクへの到達を次のストロークに持ち越すようにする。
【００１３】
トルクと回転角との依存関係の微分係数を回転角モードの制御に用いることもでき、回転角の積算の際に、記憶した値から許容値を超えて逸脱したと判断したとき、ねじ締め工程を取り止めることができる。このやり方で、例えばねじの閉塞や過剰なねじ締め抵抗などの異常を検知することができる。このような状態は、ねじ締め工具ですでに締め込んであるねじを締めようとした場合に生じる。さらに、予トルク到達後、あまりにも簡単に回ってしまうねじを検知し、選び出すこともできる。
【００１４】
目標角度に達する前の角度範囲においては、更に狭い特別の許容範囲を規定するのが適切である。これにより、記憶した所定の微分係数に近い微分係数だけで、目標角度に確実に到達する。これにより、あまりに突然に目標角度に到達することを防止できる。微分係数が、この特別の許容範囲の外にある場合、ねじ締め工程を取り止める。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、個々のストロークの継続時間を測定し、該継続時間が長すぎるとき、ねじ締め工程を取り止めることができる。このようにして、異常を示すねじ接続を排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１及び２は、液体圧動力レンチを示す。該動力レンチは、駆動部１０及び機能部１１からなる。駆動部は、可動なピストン１２を導く液体圧シリンダを備えている。ピストン１２は、前進方向（図１の左向き）及び戻り方向（右向き）へと液体圧駆動される。回転可能な接続機構１３は、液体圧接続部及び戻り液体圧接続部を備えている。
【００１８】
機能部１１は、ハウジング１４を備えており、該ハウジング１４内をラチェットレバー１５が運動する。ラチェットレバー１５は、ピストン棒１６を介してピストン１２に接続されている。ハウジング１４を横切る穴の中に、軸１７が回転可能に支持されている。軸１７の周囲かつハウジング１４内に歯１８が設けられ、該歯１８は、ラチェットレバー１５の歯（図示せず）と噛合している。ピストン１２の各ストロークの間、軸１７は自軸回りを或る角度回転する。その後、ラチェットレバー１５が戻りストロークするが、その間は軸１７が一緒に動くことはない。
【００１９】
軸１７の一端は、六角形断面の挿入凹部２１の形をした保持機構を備えている。軸１７の空洞２２には、ストレーンゲージ形式の捩れセンサ２３が配置され、周囲の壁に接着されている。軸１７の捩れセンサ２３を保持している部分が、測定部２５を形成している。
【００２０】
軸１７の後端には、データ伝達器２８が設けられている。捩れセンサ２３からデータ伝達器２８まで、ケーブル通路２９が延びている。データ伝達器２８は、軸１７と一緒に回転するように取り付けられている捩れセンサ２３に外部ケーブル３０を接続する例えば摺動集電リング組立品である。代案として無線による伝達も可能である。ケーブル３０は、ハウジング１４に設けられたケーブル接続部３１（図１）まで延びており、該ケーブル接続部３１に制御装置を接続することができる。
【００２１】
液体圧動力レンチは、さらに回転角測定機構３３を備えている。該測定機構３３は、軸１７に固定されたデジタルコードディスク３４、及び該コードディスク３４の筋に反応し回転角パルスを生成する角度センサ３５を備えている。角度センサ３５は、枝分かれ電光障壁として設計され、軸１７から放射状に突出するコードディスクが前記障壁まで延びている。角度センサ２５からケーブル接続部３１まで、ケーブル３８が延びており、ケーブル接続部３１において、捩れセンサ２３及び角度センサ３５の両方に、電気的に接続できるようになしてある。
【００２２】
トルクセンサ２３及び回転角センサ３３の信号は、制御装置（図示せず）へと供給され、その結果該制御装置が、配管接続部１３への圧力供給を遮断可能なバルブを制御する。さらに、動力レンチの作動は、該動力レンチの２つの液体圧接続部が、交互に圧力配管及び戻り配管に接続されるように制御され、この切り替えを、ピストン１２が夫々のストッパに突き当たりそれ以上動かなくなったときに切り替えバルブが作動するようにして機械的に実行してもよく、また、自動切り替えにしてもよい。
【００２３】
図３は、或るねじの場合について、トルクＭ_D と回転角αとの依存関係を示した図である。動力レンチの最初のストロークの間、トルクは当初、回転角αに対して非線形な増加５０を示し、そしてねじ接続がしっかりと噛み合ったとき、線形な増加５１が生じ、このときねじボルトは引き伸ばされる。動力レンチが戻りストロークの間、部分５２においてトルクＭ_D はゼロへと減少し、それから２番目のストロークが続く。
【００２４】
所定の予トルクＭ_F に達するまで、ねじ締め工程はトルクモードＤ_M で、すなわちトルクを測定しながら行われる。トルクが予トルクＭ_F の値に達したとき、回転角モードＤＷＭが実行される。予トルクに達した時点で、回転角α＝０であると定められ、引き続く回転角の積算は、この予トルクＭ_F 到達時の夫々の回転角に関連している。
【００２５】
運動中に予トルクＭ_F を通過し、すなわちＤＭＭからＤＷＭへのモードの変化は、ストロークを中断することなく行われる。予トルクに到達したのち、夫々のストロークの終点において、トルクは、ストロークの終点１に対応する値Ｍ_HE1 に達する。次の戻りストロークの間にトルクは０に戻り、そして３番目のストロークにおいて、まずトルクＭ_HE1 に達するまで非線形な増加５３が生じ、それからねじがさらに締め込まれる線形な部分５４が続く。各ストロークの終わりにおいて、ストロークの終点で到達したトルク値Ｍ_HE1 、Ｍ_HE2 及びＭ_HE3 と、関連する回転角α_HE1 、α_HE2 及びα_HE3 が記憶される。続くストロークにおいて、トルクが前のストロークの終点におけるトルクと同じ値に達したとき、回転角αの積算が再開される。２番目のストロークの終点で記憶された角度α_HE1 が、３番目のストロークの線形部分５４において、計測を継続する初期角度α_HA2 を構成する。３番目のストロークの終点において、最終値α_HE2 が記憶され、４番目のストロークにおいて、角度の計測は、α_HE2 に等しい値α_HA3 で継続される。
【００２６】
ねじ締め工程は、例えば（予トルクＭ_F 到達後）９０°と定めた目標角度α_Z に達したときに終了する。そして、動力レンチのスイッチが切られる。このとき、ねじは定められたとおり締められており、所望のねじボルト張力が得られている。
【００２７】
回転角の検出については、回転角の積算が、同時に測定しているトルクが少なくとも予トルクＭ_F と同じ値であるときにのみ行われるという条件がある。これにより、回転角は通常、予トルクを起点としてのみ検出される。
【００２８】
他に、前のストロークにおいて回転角の積算が行われ、関連するトルクが検出されているときにのみ、回転角の積算が実行されるという条件がある。すでに記憶されている回転角への加算は、直前のストロークの終点において例えば５％の許容範囲を差し引いて記憶されたトルクに到達したときのみ行われる。しかしながら、直前のストロークの最終トルクに達したときのみ継続して計測する。これにより、ナットが回転し、停止していないときのみ確実に回転角を加算する。
【００２９】
これは、必要な変更を加えた上で、予トルクＭ_F への到達に適用される。予トルク到達は、締め込み線の線形部分を通り過ぎるとき、すなわち終端間の中央部分でのみ検出されねばならない。線形部分の上端で予トルクに達した場合、予トルクへの到達は改めて判定される。トルクモードＤＭＭから回転角モードＤＷＭへの移行は、回転中に行われなければならず、すなわちストロークの終点では行われない。これは、ゼロ点α＝０を充分な再現性で明確に決定するために必要である。予トルク到達時、例えば２°の限界値を下回る小さい角度範囲しか通過しない場合、予トルクの検出はなかったものとされ、次のストロークへと持ち越される。このような運用方式は、動力レンチを手動で制御する場合及び自動制御する場合のどちらにおいても可能である。
【００３０】
自動制御の場合には、以下の規準を合わせて、あるいは代わりに用いることができる。
【００３１】
予トルク到達前にも、トルクと回転角との依存関係の微分係数、すなわち直線の勾配を求めることができる。夫々のトルク測定結果及び微分係数に基づき、ストロークの終点で予トルクに到達するかどうかを予測する。ストロークの終点で予トルクに到達すると判断された場合、自動装置によってストロークを途中で終了させ、新たなストロークを開始させて、線形部分で予トルクに達するようにする。
【００３２】
図４は、α対曲線Ｍ_D について直線部分の微分係数Ｑの算出を示す。微分係数すなわち勾配は、以下のように計算される。
【００３３】
【数１】

【００３４】
ここで、Ｍ_D1は、予トルク到達後、或る回転角度α₁ において測定されたトルクであり、トルクＭ_D2は、より大きい回転角α₂ において測定されたトルクである。
【００３５】
微分係数Ｑは、他の検査目的に用いることもでき、例えばねじがすでに締められているか否かを調べるために用いることができる。この場合、動力レンチは、それ以上ねじを回すことなくきわめて高いトルクで作動する。従って、微分係数が許容範囲外になり、ねじ締め工程は中止される。
【００３６】
微分係数を、目標値到達の直前に算出することもできる。この目的のため、微分係数に特別の許容範囲を設定し、この特別の許容範囲内の微分係数が前もって検出されたときにのみ、目標値に達したと考える。このようにして、あまりにも突然に目標値に到達することがないようにできる。
【００３７】
このほか、個々のストロークの継続時間を測定し、継続時間が長すぎるとき、ねじ締め工程を取り止めることも考えられる。例えば、或るねじの場合について、いくつかのねじ締め工程における個々のストロークの継続時間をいくつか測定し、そこから平均のストローク継続時間を求めて記憶することもできる。微分係数Ｑについても同様に、前もって測定した多数の値の平均を代表値とすることができ、あるいは他の方法で求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、トルクセンサ及び回転角センサを備えた液体圧動力レンチの概略を示した図である。
【図２】図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った概略断面図である。
【図３】図３は、ねじ締め工程における回転角に対するトルクの概略を示した図である。
【図４】図４は、ストロークの線形部分について微分係数の算出を示した図である。

Claims (7)

1. トルクセンサ（２３）及び回転角センサ（３３）を備え、回転ストロークを間欠的に実行するねじ締め工具の制御方法において、
   - トルクモード（ＤＭＭ）で、トルク（Ｍ_D ）を測定しながらストロークを実行するステップと、
   - 所定の予トルク（Ｍ_F ）に到達したとき、現ストロークの終点まで回転角（α）を積算する回転角モード（ＤＷＭ）に移行し、前記ストロークの終点において達成された回転角（α_HE1 ）及びトルク（Ｍ_HE1 ）値を記憶するステップと、
   - 引き続く各ストロークにおいて、トルク（Ｍ_D ）が前のストロークの終点におけるトルク（Ｍ_HE）に相当する値に達したときに、回転角（α）の積算を継続し、ストロークの終点において達成された回転角（α_HE）及びトルク（Ｍ_HE）値を記憶するステップと、
   - 積算された回転角が目標角度（α_Z ）に達したときに、ねじ締め工程を終了させるステップと
   を備える方法。
2. 前記回転角モード（ＤＷＭ）は、運動中に予トルク（Ｍ_F ）に到達した場合にのみ開始されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ストロークにおいて予トルク（Ｍ_F ）に到達後、積算値が所定の限界値よりも小さい場合、予トルク（Ｍ_F ）への到達を採用せず、採用を次のストロークに持ち越すことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 予トルク（Ｍ_F ）への到達前に、トルク（Ｍ_D ）と回転角（α）との依存関係の微分係数（Ｑ）を求めて記憶し、夫々の測定したトルク及び微分係数（Ｑ）に基づいて、ストロークの終了時に予トルク（Ｍ_F ）に到達するか否かを予測することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. トルク（Ｍ_D ）と回転角（α）との依存関係の微分係数（Ｑ）を求めて記憶し、回転角（α）の積算時に、微分係数（Ｑ）が記憶した値から許容範囲を超えて逸脱したことを検出した場合に、ねじ締め工程を取り止めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 目標角度（α_Z ）到達前の角度範囲に、より狭い特別の許容範囲を設定し、該許容範囲を超えたとき、ねじ締め工程を取り止めることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 個々のストロークの継続時間を測定し、該継続時間が長すぎるとき、ねじ締め工程を取り止めることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。

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