JP2005279865A - 衝撃式締付工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 ネジ部材の回転角度及び締付トルクを一つのセンサで管理することにより、ネジ部材の異常締付が低コストで且つ正確に検出できる衝撃式締付工具を提供すること。
【解決手段】 工具を構成する回転部と一体回転すべく設けたロータリーエンコーダ２０からの出力信号により当該回転部の回転角度を検出し、最初の衝撃力発生時をネジ部材のトルク発生開始点とすると共に、前記トルク発生開始点とその後の衝撃力発生時におけるネジ部材の回転角度差をロータリーエンコーダ２０からの出力信号から読み取るようにし、これと同時に前記ロータリーエンコーダ２０からの出力信号から得た回転角度を二度微分して角加速度を演算し、前記角加速度をトルク比例信号として出力するようにしてある。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ボルトやナット（ネジ部材）の締付トルクが所定の締付トルク（設定締付トルク）に達したときにモータを自動停止させる形式の衝撃式締付工具に関するものである。

この種の衝撃式締付工具としては、既に、下記に記述するものが特許公報において開示されている（特許文献１）。

この衝撃式締付工具では、動力伝達軸の外周面に歪ゲージを貼着してあり、ネジ部材を締め付けたときに生じる動力伝達軸の捩じれ量（歪み量）を歪ゲージを介して電圧変換し、この電圧が適正締付トルクと対応する設定値に達したときにエアーモータへの空気の供給を停止するようにしている。

したがって、この衝撃式締め付け工具を使用した場合、ネジ部材を必要以上の締付トルクで締め付けるようなことはなくなり、都合がよい。

しかしながら、上記衝撃式締付工具では、たとえ適正締付トルクに達していても、ネジ部材の締め付けが正常ではない状態〔ネジ部材の斜め入り、焼き付け、二度締め（一度締め付けたものを再び締め付けること）〕等の異常締め付けの状態を正確に検出できないという問題があった。
特許第３３９４９９４号公報

そこで、この発明は、ネジ部材の回転角度及び締付トルクを一つのセンサで管理することにより、ネジ部材の異常締付が低コストで且つ正確に検出できる衝撃式締付工具を提供することを課題とする。

（請求項１記載の発明）
この衝撃式締付工具はモータの回転力を衝撃発生機構によって間欠的な衝撃に変換し、前記衝撃力によって付与されるメインシャフトの回転力によりネジ部材を締め付ける形式の衝撃式締付工具であって、工具を構成する回転部と一体回転すべく設けたロータリーエンコーダからの出力信号により当該回転部の回転角度を検出し、最初の衝撃力発生時をネジ部材のトルク発生開始点とすると共に、前記トルク発生開始点とその後の衝撃力発生時におけるネジ部材の回転角度差をロータリーエンコーダからの出力信号から読み取るようにし、これと同時に前記ロータリーエンコーダからの出力信号から得た回転角度を二度微分して角加速度を演算し、前記角加速度をトルク比例信号として出力するようにしている。
（請求項２記載の発明）
この衝撃式締付工具はモータの回転力を衝撃発生機構によって間欠的な衝撃に変換し、前記衝撃力によって付与されるメインシャフトの回転力によりネジ部材を締め付ける形式の衝撃式締付工具であって、工具を構成する回転部と一体回転すべく設けたロータリーエンコーダからの出力信号により当該回転部の回転角度を検出し、最初の衝撃力発生時をネジ部材のトルク発生開始点とすると共に、前記トルク発生開始点とその後の衝撃力発生時におけるネジ部材の回転角度差をロータリーエンコーダからの出力信号から読み取るようにし、これと同時に前記ロータリーエンコーダからの出力信号から得た回転角度を二度微分して角加速度を演算し、前記角加速度に慣性モーメントや補正値を含んだ係数を掛けたものをトルク値として出力するようにしている。

この発明の衝撃式締付工具は以上に述べたように構成されているので、ネジ部材の回転角度及び締付トルクを一つのセンサで管理することにより、ネジ部材の異常締付が低コストで且つ正確に検出できる。

以下、この発明の衝撃式締付工具を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の実施例１の衝撃式締付工具の概念図、図２は前記衝撃式締付工具のトルク・回転角度センサの信号処理プロセスをブロック図として表した説明図、図３は前記衝撃式締付工具の締付工具本体１の断面図、図４は前記衝撃式締付工具を構成するトルク・回転角度センサ２から出力された回転角度、角速度、角加速度をグラフ化した図を示している。
（この衝撃式締付工具の基本的構成について）
この実施例１の衝撃式締付工具は、図１や図２に示すように、連続回転駆動するモータ１０と、当該モータ１０による連続した回転力を断続的なパルス出力に変換するパルス発生部１１と、ネジ部材に係合されパルス発生部１１の断続的なパルス出力によりネジ部材を締付けるシャフト部１２とを有する締付工具本体１に、パルス発生部１１の断続的なパルス出力によるネジ部材への締付けトルク比例信号を出力するトルク・回転角度センサ２を具備させ、さらに、前記トルク比例信号に係数を掛けた波形における回転角３６０°毎の最大値（ピーク値）が、予め設定された目標締付トルク値に達したときに、モータ停止信号を発する締付けトルク管理用コントローラ３を具備させてある。
（締付工具本体１について）
締付工具本体１は、上述した如く図３に示すように、モータ１０と、パルス発生部１１と、シャフト部１２と、スロトッルレバー１３とを具備する公知のものを使用しており、前記スロットルレバー１３の押し込み操作によりモータ１０が回転せしめられ、その回転がパルス発生部１１を介してシャフト部１２に伝達されるようになっている。
（トルク・回転角度センサ２について）
トルク・回転角度センサ２は、図１に示すように、工具を構成する回転部であるモータ１０と一体回転すべく設けたロータリーエンコーダ２０により当該モータ１０の回転角度を検出し、最初の衝撃力発生時（正常締付の場合の最初のトルク発生時点、その他ネジ部材の斜め入り、焼き付けが発生し始めた時点、一度締め付けたものを再び締め付けた時点）をネジ部材のトルク発生開始点とすると共に、前記トルク発生開始点とその後の衝撃力発生時におけるネジ部材の回転角度差をロータリーエンコーダからの出力信号から読み取ってネジ部材の回転角度として出力し、これと同時に前記回転角度を二度微分して角加速度を演算し、前記角加速度に慣性モーメントや補正値を含んだ係数を掛けたものをトルク値として出力するようにしている。これを、具体的に信号処理プロセスをブロック毎に示すと、図２に示すように、ロータリーエンコーダ２０と、増幅・波形成形器２１と、デコーダ（回転方向弁別）２２と、プリセット型Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ２３と、Ｄ／Ａコンバータ２４と、Ｆ／Ｖコンバータ２５と、ハイパスフィルタ２６とから構成されており、前記ロータリーエンコーダ２０からの出力を増幅・波形成形器２１を通し、デコーダ２２とプリセット型Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ２３とＤ／Ａコンバータ２４により回転角度として、デコーダ２２とＦ／Ｖコンバータ２５により角速度として、デコーダ２２とＦ／Ｖコンバータ２５とハイパスフィルタ２６により角加速度として、それぞれ検出するようにしている。

ロータリーエンコーダ２０は、図２や図３に示すように、モータ１０の後端部にネジ止めされ且つモータ１０の回転軸芯と同軸上で一体回転するマグネットロータ２０ａと、前記マグネットロータ２０ａの外周面に臨ませたＭＲセンサ２０ｂとからなり、モータ１０と一体回転するマグネットロータ２０ａの回転角に応じた波形を出力するものである。なお、ロータリーエンコーダ２０は例えば１８０〜３６０パルス／回転の性能を有するものが一般的であるが、３６０パルス／回転以上の性質のものが好ましい。但し、１８０パルス／回転の性質のものを、電気的に倍精度にすることもできる。

増幅・波形成形器２１は、ロータリーエンコーダ２０の出力波形を、デジタル波形に変換できるレベルまで増幅し、アナログ波形をデジタル波形に変換するものである。

デコーダ２２は、パルス列で出力される信号をＣＷ（Ｕｐ）、ＣＣＷ（Ｄｏｗｎ）信号に変換するものである。

プリセット型Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ２３は、ＣＷ／ＣＣＷ方向の回転信号に追随して、回転角度を検出するカウンタである。

Ｄ／Ａコンバータ２４は、デジタル信号を汎用レコーダでモニタするためアナログ信号に変換するものである。

Ｆ／Ｖコンバータ２５は、ロータリーエンコーダ１の出力を周波数変換（微分処理）し、汎用レコーダ用にアナログ電圧出力するものである。

ハイパスフィルタ２６は、アナログ出力された角速度信号を微分処理し、角加速度信号を出力するものである。

上記のようなトルク・回転角度センサ２により検出された回転角度、角速度、角加速度をグラフ化したものを図４に示す。

なお、物理公式では角加速度とトルクとの関係は以下のようになっている。

トルク＝慣性モーメント×角加速度
すなわち、前記の演算で得られた角加速度に、レンチ機種毎に一定の慣性モーメントを掛けることによってトルクが求められる。

しかしながら衝撃工具の場合、現実には慣性モーメントだけではなく、締付ワークの特性に関わる補正値も含めて係数としたものを掛けることによりトルク値が求められることになる。
（締付けトルク・ 回転角度管理用コントローラ３について）
締付けトルク・ 回転角度管理用コントローラ３は、測定されたトルク値が、予め設定された目標締付トルク値に達し且回転角度が目標値に達したときに、電磁弁にモータ停止信号を発するものとしてある。つまり、このモータ停止信号により、圧縮空気供給源からモータ１０への空気の供給が電磁弁により遮断され、工具は停止する。
（この衝撃式締付工具の優れた点について）
この衝撃式締付工具では、上述した如く、トルク・回転角度センサ２は、図１に示すように、工具を構成する回転部であるモータ１０と一体回転すべく設けたロータリーエンコーダ２０により当該モータ１０の回転角度を検出し、最初の衝撃力発生時（正常締付の場合の最初のトルク発生時点、その他ネジ部材の斜め入り、焼き付けが発生し始めた時点、一度締め付けたものを再び締め付けた時点）をネジ部材のトルク発生開始点とすると共に、前記トルク発生開始点とその後の衝撃力発生時におけるネジ部材の回転角度差をロータリーエンコーダからの出力信号から読み取ってネジ部材の回転角度として出力し、これと同時に前記回転角度を二度微分して角加速度を演算し、前記角加速度に慣性モーメントや補正値を含んだ係数を掛けたものをトルク値として出力するようにしている。したがって、ネジ部材の締め付けにおいて、ネジ部材に作用しているトルク値の管理だけでなく、ネジ部材の回転角度の管理もできるので、ネジ部材の斜め入り、焼き付けが発生した状態や、一度締め付けたものを再び締め付けた状態をも検出でき、異常締め付けを正確に回避できる。

また、この実施形態の衝撃式締付工具では、基本的にはトルク・ 回転角度センサ２はマグネットロータ２０ａとＭＲセンサ２０ｂ等のみや電子機器等から構成された小さなものであるから、大型・重量化しない。

さらに、従来からロータリーエンコーダを使用してトルク管理を行った衝撃式締付工具もあるが、当該工具では打撃時の跳ね返り角度（図４の回転角度−時間のグラフに示す）を抽出する形式を採っているので、特にインパルスレンチにおいては一定以下のトルク範囲では跳ね返りが発生しないため（図４の回転角度部分 最初から９打撃分）、ロータリーエンコーダでのトルク管理は不可能であった。これに対して、回転角度を２度微分することにより、跳ね返り角度が発生しない場合でも角加速度では確実に波形は発生するので、その角加速度による信号をトルク比例信号とし、その信号に係数を掛けることにより、トルクを抽出でき、トルク管理を行うことができる。

そして、動力伝達軸に歪ゲージを貼り付ける形式の衝撃式締付工具では、組立作業に熟練を要するため、コスト高になる。これに対して、この実施形態の衝撃式締付工具では、ロータリーエンコーダ２０の設置は、マグネットロータ２０ａをモータ１０の後端部にネジ止めし、ＭＲセンサ２０ｂをマグネットロータ２０ａの外周面付近に配置させるだけであるから、熟練を要する組立作業が不要である。また、マグネットロータ２０ａの回転角度をＭＲセンサ２０ｂを非接触で検出するものであるから、歪ゲージ式に比べて部品点数が少なく低コストになる。

上記実施例１の構成にかえて、図２において破線で囲まれた、デコーダ（回転方向弁別）２２と、プリセット型Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ２３と、Ｄ／Ａコンバータ２４と、Ｆ／Ｖコンバータ２５と、ハイパスフィルタ２６によるプロセスを、図５に示すように、信号処理をＣＰＵでデジタル処理するようにしてもよい。この構成を採用した場合、ハードウエアの構成が小型でシンプルになり、ソフトウエア的にも合理化できる。

この実施例１の衝撃式締付工具に加えて、ネジ部材の締め付け作業時における手振れの影響を受けないようにするためにジャイロを例えば、ハンドル内部等の非回転部分に搭載しているものとすることができる。なお、ジャイロには様々な方式のものがあり、機械式、振動式、光学式などいずれのものも採用できる。

この発明の実施形態の衝撃式締付工具の概念図。 前記衝撃式締付工具のトルク・回転角度センサの信号処理プロセスをブロック図として表した説明図。 前記衝撃式締付工具の締付工具本体１の断面図。 前記衝撃式締付工具を構成するトルク信号検出部により検出された回転角度、角速度、角加速度をグラフ化した図。 前記衝撃式締付工具において、信号処理をＣＰＵでデジタル処理した場合の概念図。

符号の説明

１ 締付工具本体
２ トルク・ 回転角度センサ
１０ モータ
１１ パルス発生部
１２ シャフト部
２０ ロータリーエンコーダ
２１ 増幅・波形成形器
２２ デコーダ
２３ プリセット型Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ
２４ Ｄ／Ａコンバータ
２５ Ｆ／Ｖコンバータ
２６ ハイパスフィルタ

Claims (2)

1. モータの回転力を衝撃発生機構によって間欠的な衝撃に変換し、前記衝撃力によって付与されるメインシャフトの回転力によりネジ部材を締め付ける形式の衝撃式締付工具であって、工具を構成する回転部と一体回転すべく設けたロータリーエンコーダからの出力信号により当該回転部の回転角度を検出し、最初の衝撃力発生時をネジ部材のトルク発生開始点とすると共に、前記トルク発生開始点とその後の衝撃力発生時におけるネジ部材の回転角度差をロータリーエンコーダからの出力信号から読み取るようにし、これと同時に前記ロータリーエンコーダからの出力信号から得た回転角度を二度微分して角加速度を演算し、前記角加速度をトルク比例信号として出力するようにしたことを特徴とする衝撃式締付工具。
2. モータの回転力を衝撃発生機構によって間欠的な衝撃に変換し、前記衝撃力によって付与されるメインシャフトの回転力によりネジ部材を締め付ける形式の衝撃式締付工具であって、工具を構成する回転部と一体回転すべく設けたロータリーエンコーダからの出力信号により当該回転部の回転角度を検出し、最初の衝撃力発生時をネジ部材のトルク発生開始点とすると共に、前記トルク発生開始点とその後の衝撃力発生時におけるネジ部材の回転角度差をロータリーエンコーダからの出力信号から読み取るようにし、これと同時に前記ロータリーエンコーダからの出力信号から得た回転角度を二度微分して角加速度を演算し、前記角加速度に慣性モーメントや補正値を含んだ係数を掛けたものをトルク値として出力するようにしたことを特徴とする衝撃式締付工具。

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