JP2005288589A - 自動ねじ締め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバツールの汎用性を高めた自動ねじ締め装置の提供。
【解決手段】本発明は、モータ２の駆動を受けて回転するビット３を備えたドライバツール４と、前記モータ２の駆動制御を行う制御手段５とを有する。前記ドライバツール４にはねじ締め作業時に必要であってドライバツール４に固有の固有特性データを記憶する第一記憶部７が設けられている。また前記制御手段５は、ねじ締め作業時に必要な汎用ねじ締めデータを記憶する第二記憶部１０と、前記第一記憶部７および第二記憶部１０から必要に応じて固有特性データまたは汎用ねじ締めデータをそれぞれ取得し、これら各データに基づいてねじ締め制御を行う制御部８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークにねじを締付ける作業を行う自動ねじ締め装置に関し、詳しくはドライバツール側に記憶部を設けてドライバツールの固有特性データを記憶するように成した自動ねじ締め装置に関するものである。

従来の自動ねじ締め装置としては、特許文献１に示される自動ねじ締め装置が知られる。この自動ねじ締め装置は、モータの駆動を受けて回転するビットを備えたドライバユニットと、このドライバユニットを駆動制御する制御ユニットとから構成されているものである。この自動ねじ締め装置によれば、制御ユニットはねじの締付け角度（回転角度）、トルク情報、ねじ種等のデータに基づいてモータの最適回転数を設定し、この最適回転数でモータを駆動制御してワークにねじを締め付けるものである。ねじがワークにねじ込まれて着座すると負荷トルク（ねじの締付けトルク）が増大し、これに比例してモータへの負荷電流値が増加する。これは最適回転数でモータを回転駆動させようとする結果であり、このモータへの負荷電流値を検出してモータの駆動を制御することにより、所定の締付けトルクでねじを締付けることができる。
特許第２８０７０３６号公報

一般にモータは、モータへの負荷電流値に対してモータの出力トルクが当該モータの駆動軸の回転角に応じてばらつく、所謂トルクリップルを固有している。このトルクリップルは、モータを構成する部品の加工・組立精度等に起因するものである。このトルクリップルがあるため、上記従来の自動ねじ締め装置のように、モータの負荷電流値からねじの締付けトルクを判断するタイプの自動ねじ締め装置において、正確な締付けトルクでねじを締め付けようとすれば、トルクリップルに対応した負荷電流値の補正が必要となる。そのための補正データは、従来の自動ねじ締め装置では制御ユニットに設けられる記憶部（特許文献１においては制御部）に記憶されていた。このため、ドライバツールを別の制御ユニットに接続して使用する場合、制御ユニットの補正データを逐一設定し直さなければならず、複数の制御ユニットで一台のドライバツールを使い回す場合や、組立ラインで大量のドライバツールを使用している場合のライン構成変更時等に設定作業が極めて煩雑になる等の問題が発生していた。また、ドライバツールを誤認して違うドライバツールの情報を設定してしまう等の問題が発生していた。

上記課題の解決を目的として本発明は、回転駆動源の駆動を受けて回転するビットを備えたドライバツールと、このドライバツールの回転駆動源を駆動制御する制御手段とを備えた自動ねじ締め装置であって、前記ドライバツールにはねじ締め作業時に必要であってドライバツールに固有の固有特性データを記憶する第一記憶部を設け、また前記制御手段はねじ締め作業時に必要な汎用ねじ締めデータを記憶する第二記憶部と、前記第一記憶部および第二記憶部から必要に応じて固有特性データまたは汎用ねじ締めデータをそれぞれ取得し、これら各データに基づいてねじ締め制御を行う制御部とを備えて構成されている。

なお、前記回転駆動源はモータであり、前記第１記憶部には固有特性データとして、前記モータの駆動軸の回転角度に応じたトルクリップルに対応する補正データが記憶されている。また、前記制御部は、第一記憶部に記憶された補正データによりモータの負荷電流値を補正し、この補正した負荷電流値を第二記憶部に汎用ねじ締めデータとして記憶された目標ねじ締めトルクに対応する目標電流値と比較するように構成されている。

また、上記課題の解決を目的として本発明は、モータの駆動を受けて回転するビットを備えたドライバツールと、このドライバツールを駆動制御する制御手段とを備えた自動ねじ締め装置であって、前記ドライバツールには、ねじ締め作業時に必要であってドライバツールに固有の固有特性データを記憶した記憶部を設け、また前記制御手段は、前記回転駆動源を駆動制御する駆動部と、前記記憶部から固有特性データを取得し、これに基づいて前記駆動部に与える駆動指令値を変更する制御部とを備えて構成されるものでもある。

本発明によれば、ドライバツールをそれまでとは違う制御手段に接続し直して使用する場合にも、トルクリップルの補正データ等のドライバツールに固有の固有特性データを制御手段において設定し直す必要がない。よって、ドライバツールの汎用性を高め、複数の制御手段で一台のドライバツールを使う場合や、一つの制御ユニットで複数のドライバツールを制御する所謂多軸制御においてドライバツールを増設する場合等、設定変更作業が容易になる等の利点がある。また、ドライバツールを誤認して違うドライバツールの固有特性データを設定してしまうような不具合の発生も防ぐことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１において１は自動ねじ締め装置である。この自動ねじ締め装置１は、回転駆動源の一例であるＡＣサーボモータ２（以下、単にモータ２という）の駆動を受けて回転するビット３を備えたドライバツール４と、このドライバツール４のモータ２を駆動制御するための制御手段５とを備えて成るものである。

前記ドライバツール４のモータ２は、駆動軸２ａの回転を検出してパルス信号を発するロータリエンコーダ６（以下、単にエンコーダ６という）と、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリを備えた第一記憶部７とを有する。このモータ２の駆動軸２ａに前記ビット３は連結されており、ビット３先端は、ねじの頭部に成形される駆動穴に合致嵌合できるように構成されている。なお、モータ２は、ねじの最終締付けトルクよりも十分に大きい出力トルクを発揮できる機種が選定されており、このモータ２の第一記憶部７には、固有特性データとしてモータ２固有のトルクリップルに対応する補正データと、ドライバツール４を個別に識別するための識別コードとが予め記憶してある。

図２は、駆動軸２ａに負荷がかかっていない状態でモータ２に一定の電流を負荷した時の、駆動軸２ａの回転角度に対するモータ２の出力トルクの一例を表したものである。この図４に示すように、モータ２の出力トルクの変動（トルクリップル）は、駆動軸２ａの一回転周期で繰り返されることがわかる。本自動ねじ締め装置１においては、このトルクリップルの周期性を利用し、前記補正データが定められている。具体的には、予めモータ２の駆動試験を行って駆動軸２ａの回転角度（０°〜３６０°）に応じた発生トルクの変動率（理想トルクＴ_０に対する変動率）が求められ、これが補正データとして第一記憶部７に記憶されている。

前記制御手段５は、制御部８と、ねじの頭部がワーク表面に着座した後に発生する仮締めトルク値、ねじの最終的な締付けトルク値（以下、本締めトルク値という）等の汎用ねじ締めデータの手動入力が可能な操作部９と、この操作部９によって入力された前記汎用ねじ締めデータ、既定の固有パラメータ及びこれらを利用して所定のねじ締め動作を実現するためのねじ締め制御プログラム等を記憶した第二記憶部１０と、各種情報を作業者が視認可能なように表示出力する表示部１１と、前記ドライバツール４を昇降させるための昇降手段（図示せず）等の外部機器との間で信号を入出力するための入出力部１２と、モータ２の負荷電流値を検出可能な電流検出部１３と、モータ２の駆動制御を行うモータ駆動部１４と、エンコーダ６の発するパルス信号からモータ２の駆動軸２ａの実回転角度を検出する角度検出部１５とを備えている。この制御手段５と前記ドライバツール４とは、インタフェイス１６を介して接続されており、制御部８は前記第一記憶部７に記憶された固有特性データを参照できるように構成されている。

前記操作部９から入力された仮締めトルク値及び本締めトルク値は、各トルク値に対応する電流値（以下、仮締め電流値、本締め電流値という）として第二記憶部１０に記憶される。これらのトルク値と負荷電流値との関係は、事前にねじ締め試験によってねじの締付けテストを行い、このテスト結果に基づいて決定される。また、第二記憶部１０には、前記第一記憶部７に記憶された固有特性データを書き込む領域が確保されている。

モータ駆動部１４は、制御部８からの所定速度の駆動指令信号に従ってモータ２を定速駆動制御する。定速駆動制御は、モータ２の回転速度を所定の速度に維持しようとするものである。このため、モータ２に働く回転負荷トルク（本例では、ねじの締付けによって発生する締付けトルク）に比例して、モータ駆動部１４からモータ２に負荷される電流値（出力トルク）は増減される。従って、電流検出部１３で検出されるモータ２の負荷電流値を見れば、ねじの締付けトルクを知ることができる。

前記制御部８は、装置の電源投入時（起動時）、図３に示すように、
（Ｓ００１）第一記憶部７から識別コードを読み込む。
（Ｓ００２）（Ｓ００１）で読み込んだ識別コードを第二記憶部１０に記憶した識別コードと比較し、同じ場合は（Ｓ００４）にジャンプする。
（Ｓ００３）第一記憶部７から固有特性データ（識別コード、補正データ）を読み込み、これらを第二記憶部１０に書き込む。
（Ｓ００４）エンド。
となる起動設定制御を行う。

また前記制御部８は、ワークへのねじの締め付けに際し、図４及び図５に示すように、
（Ｓ１０１）ねじ締め開始指令信号を待つ。
（Ｓ１０２）フラグを倒す。
（Ｓ１０３）入出力部１２に下降指令信号を出力する。
（Ｓ１０４）モータ駆動部１４に高速駆動指令信号を出力する。
（Ｓ１０５）タイマ（図示せず）のカウント時間と締付け制限時間とを比較し、カウント時間が制限時間に達している時は、（Ｓ１１９）にジャンプする。
（Ｓ１０６）角度検出部１５から駆動軸２ａの実回転角度を取得する。
（Ｓ１０７）実回転角度を０°〜３６０°の範囲の角度に置き換える（以下、この角度を換算回転角度という）。
（Ｓ１０８）電流検出部１３からモータ２の負荷電流値を取得する。
（Ｓ１０９）第二記憶部１０から換算回転角度に対応する変動率を読み込む。
（Ｓ１１０）変動率を使って負荷電流値を補正する（以下、この電流値を補正電流値という）。
（Ｓ１１１）フラグが立っている場合は（Ｓ１１７）にジャンプする。
（Ｓ１１２）第二記憶部１０から仮締め電流値を読み込む。
（Ｓ１１３）補正電流値が仮締め電流値に達しているかどうかを比較する。達していない場合は、（Ｓ１０５）に戻る。
（Ｓ１１４）フラグを立てる。
（Ｓ１１５）モータ駆動部１４に低速駆動信号を出力する。
（Ｓ１１６）第二記憶部１０から目標電流値を読み込む。
（Ｓ１１７）補正電流値が目標電流値に達しているかどうかを比較する。達していない場合は、（Ｓ１０５）に戻る。
（Ｓ１１８）表示部１１に完了表示指令信号を出力し、（Ｓ１２０）にジャンプする。
（Ｓ１１９）表示部１１に異常表示指令信号を出力する。
（Ｓ１２０）モータ駆動部１４に停止指令信号を出力する。
（Ｓ１２１）入出力部１２に上昇指令信号を出力する。
（Ｓ１２２）エンド。
となるねじ締め制御を行うよう構成されている。

上記自動ねじ締め装置１においては、電源が投入されると制御部８により第一記憶部７に記憶された識別コードが読み込まれ、これが第二記憶部１０に記憶された識別コードと比較される。第二記憶部１０における識別コードが第一記憶部７から読み込んだ識別コードと異なる場合またはＮＵＬＬ値である場合、制御部８は第一記憶部７に記憶された固有特性データ（識別コード、補正データ）を全て第二記憶部１０にコピーする。また、第一記憶部７から読み込んだ識別コードと、第二記憶部１０に記憶されている識別コードとが一致した場合には、何もせずにねじ締め制御の実行待機状態となる。

ねじ締め作業を行う場合は、ねじをビット３の先端に吸着保持し、これらをワークのねじ締付け位置上方に位置決めした後に、操作部９のスタートスイッチ（図示せず）の入力操作等によりねじ締め開始指令信号を入力する。これを受け、制御部８は、まず、ドライバツール４の第一記憶部７に記憶された補正データ（固有特性データ）を全て第二記憶部に書き込む。続いて制御部８は、入出力部１２に昇降手段（図示せず）の下降指令信号を出力するとともに、モータ駆動部１４に高速駆動指令信号を出力する。これにより昇降手段によりドライバツール４が下降操作されるとともに、モータ２が高速で回転駆動し、ワークのねじ締付け位置にねじが螺入される。

ねじがねじ込まれる間、制御部８はエンコーダ６の信号から得られる実回転角度とモータ２の負荷電流値とを取得し、実回転角度を０°〜３６０°の範囲内の角度に換算（以下、この換算された角度を換算回転角度という）する。そして、この換算回転角度に対応する変動率を第二記憶部１０から読み込み、これを負荷電流値に乗じて補正電流値を求める。ちなみに、換算回転角度は、実回転角度を３６０で除した時の余りの値から求めることができる。例えば、実回転角度が１２００°ならば、換算回転角度は１２０°となる。

続いて、制御部８は、補正電流値と第二記憶部１０から読み込んだ仮締め電流値とを比較し、補正電流値が仮締め電流値に達しているか否かを判断する。この時、補正電流値が仮締め電流値に達していない場合、前述の処理が繰り返されて新たな補正電流値が求められ、仮締め電流値との比較が繰り返される。なお、ねじ締め開始指令信号の入力から所定時間（ねじ締め制限時間）が経過しても補正電流値が仮締め電流値に達しない場合は、モータ２の駆動が停止されるとともに、表示部１１によって異常表示がなされる。この場合には、ビット３先端にねじが保持されていない異常、着座の衝撃でワークのめねじが破壊されてねじが空転している異常等が考えられる。着座の衝撃でめねじが破壊されるのを防止するためには、仮締め電流値をできる限り低く設定するか、あるいは予めねじが着座する直前の段階を回転角度・経過時間等から検知し、モータ２の回転速度を落とす制御を行うかするとよい。

補正電流値が仮締め電流値に達した場合は、制御部８からモータ駆動部１４へ低速駆動指令信号が送られ、これにより、モータ２の駆動が高速から低速に切り換えられる。続いて制御部８は、補正電流値と第二記憶部１０から読み込んだ目標電流値とを比較し、補正電流値が目標電流値に達しているか否かを判断する。この結果、補正電流値が目標電流値に達していない場合は、前述の処理が繰り返されて新たな補正電流値が取得され、目標電流値との比較が繰り返される。この時、ねじ締め開始指令入力から所定時間（ねじ締め制限時間）が経過しても補正電流値が目標電流値に達しない場合には、モータ２の駆動が停止するとともに、表示部１１によって異常表示がなされる。

補正負荷電流値が目標電流値に達した場合は、制御部８からモータ駆動部１４へ停止指令信号が出力されるとともに、表示部１１には完了表示指令信号が出力される。これを受けてモータ２が停止するとともに、表示部１１には締付け完了を示すＬＥＤ表示あるいは液晶表示がなされる。この後、制御部８から入出力部１２へ上昇指令信号が与えられ、これを受けて昇降手段が上昇し、ドライバツール４を原位置に上昇復帰させる。

本発明の自動ねじ締め装置においては、第二記憶部１０に記憶された制御プログラムの変更によって、上述の電源投入時における起動設定制御を行わず、次のようなねじ締め制御（先に述べたねじ締め制御と区別するため、このねじ締め制御を以下「第二ねじ締め制御」という）を行うこともできる。すなわち制御部８は、ワークへのねじの締め付けに際し、図６及び図７に示すように、
（Ｓ２０１）ねじ締め開始指令信号を待つ。
（Ｓ２０２）フラグを倒す。
（Ｓ２０３）入出力部１２に下降指令信号を出力する。
（Ｓ２０４）モータ駆動部１４に高速駆動指令信号を出力する。
（Ｓ２０５）タイマ（図示せず）のカウント時間と締付け制限時間とを比較し、カウント時間が制限時間に達している時は、（Ｓ２１９）にジャンプする。
（Ｓ２０６）角度検出部１５から駆動軸２ａの実回転角度を取得する。
（Ｓ２０７）実回転角度を０°〜３６０°の範囲の角度に置き換える（以下、この角度を換算回転角度という）。
（Ｓ２０８）電流検出部１３からモータ２の負荷電流値を取得する。
（Ｓ２０９）第一記憶部７から換算回転角度に対応する変動率を読み込む。
（Ｓ２１０）変動率を使って負荷電流値を補正する（以下、この電流値を補正電流値という）。
（Ｓ２１１）フラグが立っている場合は（Ｓ２１７）にジャンプする。
（Ｓ２１２）第二記憶部１０から仮締め電流値を読み込む。
（Ｓ２１３）補正電流値が仮締め電流値に達しているかどうかを比較する。達していない場合は、（Ｓ２０５）に戻る。
（Ｓ２１４）フラグを立てる。
（Ｓ２１５）モータ駆動部１４に低速駆動信号を出力する。
（Ｓ２１６）第二記憶部１０から目標電流値を読み込む。
（Ｓ２１７）補正電流値が目標電流値に達しているかどうかを比較する。達していない場合は、（Ｓ２０５）に戻る。
（Ｓ２１８）表示部１１に完了表示指令信号を出力し、（Ｓ２２０）にジャンプする。
（Ｓ２１９）表示部１１に異常表示指令信号を出力する。
（Ｓ２２０）モータ駆動部１４に停止指令信号を出力する。
（Ｓ２２１）入出力部１２に上昇指令信号を出力する。
（Ｓ２２２）エンド。
となる第二ねじ締め制御を行うよう構成される。

前記第二ねじ締め制御に基づくねじの締付け作業では、制御部８は補正データを都度第一記憶部７から読み込み、これに基づいて電流検出部１３から読み込んだ負荷電流値を補正し、この補正電流値を仮締め電流値あるいは目標電流値を比較してねじ締めを行う。

さらに、本発明の自動ねじ締め装置においては、第二記憶部１０に記憶された制御プログラムの変更によって、上述の電源投入時における起動設定制御を行わず、次のようなねじ締め制御（先に述べた２つのねじ締め制御と区別するため、このねじ締め制御を以下「第三ねじ締め制御」という）を行うことも可能である。すなわち制御部８は、ワークへのねじの締め付けに際し、図８及び図９に示すように、
（Ｓ３０１）ねじ締め開始指令信号を待つ。
（Ｓ３０２）フラグを倒す。
（Ｓ３０３）入出力部１２に下降指令信号を出力する。
（Ｓ３０４）モータ駆動部１４に高速駆動指令信号を出力する。
（Ｓ３０５）タイマのカウント時間と締付け制限時間とを比較し、カウント時間が制限時間に達している時は、（Ｓ３２１）にジャンプする。
（Ｓ３０６）角度検出部１５から実回転角度を取得する。
（Ｓ３０７）実回転角度を０°〜３６０°の範囲の角度に置き換える（以下、この角度を換算回転角度という）。
（Ｓ３０８）電流検出部１３からモータ２の負荷電流値を取得する。
（Ｓ３０９）第一記憶部７から換算回転角度に対応する変動率を読み込む。
（Ｓ３１０）変動率を使って補正駆動指令を求める。
（Ｓ３１１）補正駆動指令信号をモータ駆動部１４に与える。
（Ｓ３１２）電流検出部１３からモータ２の負荷電流値を取得する。
（Ｓ３１３）フラグが立っている場合は（Ｓ３１９）にジャンプする。
（Ｓ３１４）第二記憶部１０から仮締め電流値を読み込む。
（Ｓ３１５）負荷電流値が仮締め電流値に達しているかどうかを比較する。達していない場合は、（Ｓ３０５）に戻る。
（Ｓ３１６）フラグを立てる。
（Ｓ３１７）モータ駆動部１４に低速駆動信号を出力する。
（Ｓ３１８）第二記憶部１０から目標電流値を読み込む。
（Ｓ３１９）負荷電流値が目標電流値に達しているかどうかを比較する。達していない場合は、（Ｓ３０５）に戻る。
（Ｓ３２０）表示部１１に完了表示指令信号を出力し、（Ｓ３２２）にジャンプする。
（Ｓ３２１）表示部１１に異常表示指令信号を出力する。
（Ｓ３２２）モータ駆動部１４に停止指令信号を出力する。
（Ｓ３２３）入出力部１２に上昇指令信号を出力する。
（Ｓ３２４）エンド。
となる第三ねじ締め制御を行うよう構成される。

上記ねじ締め制御および第二ねじ締め制御の二例は、何れも電流検出部１３で検出されたモータ２の負荷電流値を補正し、これを仮締め電流値または目標電流値と比較するものであったが、前記第三ねじ締め制御によるねじの締付け作業においては、第一記憶部７に記憶した補正データ（上述同様の駆動軸２ａの回転角度に対応して定められる変動率）を用いてモータ２に実際に与えられる負荷電流値を補正することができる。

本発明の自動ねじ締め装置のブロック図である。 モータの駆動軸の回転角度と出力トルクとの関係を示すグラフである。 本発明の自動ねじ締め装置における起動設定制御のフローチャートである。 本発明の自動ねじ締め装置におけるねじ締め制御のフロー前段を示すフローチャートである。 本発明の自動ねじ締め装置におけるねじ締め制御のフロー後段を示すフローチャートである。 本発明の自動ねじ締め装置における第二ねじ締め制御のフロー前段を示すフローチャートである。 本発明の自動ねじ締め装置における第二ねじ締め制御のフロー後段を示すフローチャートである。 本発明の自動ねじ締め装置における第三ねじ締め制御のフロー前段を示すフローチャートである。 本発明の自動ねじ締め装置における第三ねじ締め制御のフロー後段を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 自動ねじ締め装置
２ ＡＣサーボモータ
２ａ 駆動軸
３ ビット
４ ドライバツール
５ 制御手段
６ ロータリエンコーダ
７ 第一記憶部
８ 制御部
９ 操作部
１０ 第二記憶部
１１ 表示部
１２ 入出力部
１３ 電流検出部
１４ モータ駆動部
１５ 角度検出部
１６ インタフェイス

Claims (4)

1. 回転駆動源の駆動を受けて回転するビットを備えたドライバツールと、このドライバツールの回転駆動源を駆動制御する制御手段とを備えた自動ねじ締め装置であって、
   前記ドライバツールにはねじ締め作業時に必要であってドライバツールに固有の固有特性データを記憶する第一記憶部を設け、
   また前記制御手段はねじ締め作業時に必要な汎用ねじ締めデータを記憶する第二記憶部と、前記第一記憶部および第二記憶部から必要に応じて固有特性データまたは汎用ねじ締めデータをそれぞれ取得し、これら各データに基づいてねじ締め制御を行う制御部とを備えていることを特徴とする自動ねじ締め装置。
2. 前記回転駆動源はモータであり、前記第１記憶部には固有特性データとして、前記モータの駆動軸の回転角度に応じたトルクリップルに対応する補正データが記憶されていることを特徴とする請求項１に記載の自動ねじ締め装置。
3. 制御部は、第一記憶部に記憶された補正データによりモータの負荷電流値を補正し、この補正した負荷電流値を第二記憶部に汎用ねじ締めデータとして記憶された目標ねじ締めトルクに対応する目標電流値と比較することを特徴とする請求項２に記載の自動ねじ締め装置。
4. モータの駆動を受けて回転するビットを備えたドライバツールと、このドライバツールを駆動制御する制御手段とを備えた自動ねじ締め装置であって、
   前記ドライバツールには、ねじ締め作業時に必要であってドライバツールに固有の固有特性データを記憶した記憶部を設け、
   また前記制御手段は、前記回転駆動源を駆動制御する駆動部と、前記記憶部から固有特性データを取得し、これに基づいて前記駆動部に与える駆動指令値を変更する制御部とを備えていることを特徴とする自動ねじ締め装置。

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