JP2006289502A - ファスナ締結工具のための監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】ファスナ締結監視システムを備えた、遠隔の油圧式電源を有するファスナ締結システムと、該ファスナ締結システムを作動させる方法を提供すること。
【解決手段】モータ駆動式油圧ポンプを有するリベット締結工具が開示される。このリベット締結工具は、組み立てられた特定のファスナが許容可能なものかどうかを判断するために、ポンプ駆動モータ電流の変化を監視するように構成されたファスナ締結検証システムを組み込む。
【選択図】図１

Description

本発明の一分野は、一般的に、締結機械に関し、より具体的には、ファスナ締結監視システムを備えた、遠隔の油圧動力供給源を有するファスナ締結システムと、該ファスナ締結システムを作動させる方法に関する。
（関連出願に対する相互参照）
本出願は、２００５年４月１３日に出願された米国特許仮出願第６０／６７１，０３２号の優先権を主張するものである。上記出願の開示は、引用によりここに組み入れられる。

機械の組み立てにおいて、１つ又はそれ以上の部品を恒久的構成で互いに固定するために、ファスナ、一般的にはブラインド・リベットを用いることが多い。ブラインド・リベットは、操作者が加工物のブラインド側を見ることができない場合、例えば、二次部品を中空の箱型断面に固定するためにリベットが用いられる場合に好ましいものである。ブラインド・リベットはまた、ねじ切りされた接合部又はボルト式接合部と比べて組み立て速度及び生産性が増大する利点をもたらすので、大容量の組立体が生産される場合にも好ましいものである。

中空の箱形断面にブラインド・リベットを締結する場合の不利な点の１つは、正確に完成された接合部を確認するために、リベットのブラインド側締結端部を視覚的に点検することができない点である。このことは、多数のブラインド・リベットが用いられ、これらの直径も長さも様々な異なるサイズからなる場合、特に該当する。さらに、組み立て操作者が経験不足であるか、又はリベットの構成が複雑である場合もあり得る。さらに、リベットが誤って締結され、又は、ことによると全く締結されないこともあり得る。完成後に組立体を点検することは、費用がかかるだけでなく、場合によっては非生産的であり、特定の穴に正しいリベットが用いられたかどうかを確認するのは、事実上不可能である。さらなる問題点は、現代の組み立てプラントが、ますます多数の自動リベット配置及び締結工具を用いており、そこに、操作者が不在であることである。

締結工程中のリベットに対する現在の監視は、２つのクラスの方法を使用することに制限されてきた。第１の方法は、工具内の作動流体圧力を測定する油圧式トランスデューサの使用を採用する。この現行方法は、流体圧力だけを検知する際の使用に制限されている。第２の方法は、工具のハウジングに直線的に締結された「ロードセル」を用いるものである。この選択肢は、かなり大きい装置を使用し、結果として、限られた現場能力を有するものである。一般に、この第２の方法は、種々の可動部品の並進を測定するためのＬＶＤＴを追加として使用する。

本発明によると、締結工程、締結されるリベットの数、及び締結の正確さを連続的に監視し、僅かであっても許容できないリベット本体の長さ又は適用厚さのばらつきがあるかどうかを識別するためのシステムが提供される。さらに、組み立て速度が増していることから、リベット締結曲線を分析するという複雑な手法を用いる場合の相対的に長い遅れの代わりに、ほとんど即座に不正確な締結を識別することも利点である。ブラインド・リベット・ナット（ＰＯＰ（（登録商標）ナット）、自動穿孔タッピンねじのような他のファスナ、或いはＰＯＰ（登録商標）ボルトのような特殊ファスナさえも監視可能であるが、本説明の目的のために、ブラインド・リベットが、この監視システムと共に用いられる典型的なファスナとして説明される。

引張り型又はかしめ型ファスナを締結するために用いられる、手動式及び動力式の両方の多種多様な型の工具がある。産業的な生産のためには、マンドレル・ステムを引き込むために空気／油圧式又は油圧／油圧動力の援助を利用することができる動力工具を用いることが望ましい。このことにより、リベット締結作業が容易になる。

従来技術の不利な点を克服するために、工具部品内のモータ電流、トルク、又はＲＰＭを測定するセンサを有するファスナ締結監視システムが提供される。この点で、システムは、センサを用い、油圧ポンプを駆動するのに用いられるサーボモータ内の電流又はトルクのばらつきを監視する。これらの測定された電流又はトルクは、許容可能なファスナ締結に適合するデータを示すデータ・アレイ又は関数と比較される。許容帯域に対して測定されたデータを分析し、特定のリベット締結が許容可能なものであるかどうかを判断するための種々の技術が提供される。

一実施形態において、作動時にファスナを係合し、締結するための油圧駆動式引張りヘッドを有するファスナ締結工具が提供される。リベット締結工具は、リベット締結ヘッドに連結された油圧源と、該油圧源に作動的に連結された増強装置とを有する。流体圧力を適用し、ファスナを締結するように構成された油圧源を形成するために、サーボモータがポンプに連結される。

別の実施形態において、ファスナ係合部材に連結された油圧源を備える引張りヘッドを有するファスナ締結工具が提供される。油圧源は、サーボモータによって駆動されるポンプにより形成される。ファスナ締結イベントにわたってサーボモータ内の電流又はトルクを測定するために、センサが用いられる。これらの測定されたトルク又は電流値は、時間範囲又は変位範囲において、メジアン電流又はトルク対時間又は変位データについて形成された許容帯域と比較される。許容帯域に対して測定されるデータを分析し、特定のリベット締結が許容可能なものであるかどうかを判断するための種々の技術が提供される。

本発明の適用性のさらなる領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。本発明の好ましい実施形態を示す詳細な説明及び特定の例は、例証のためだけであり、本発明の範囲を制限するように意図されないことを理解すべきである。

本発明は、詳細な説明及び添付図面から、より完全に理解されるようになるであろう。
好ましい実施形態の以下の説明は、本質的に例示的なものにすぎず、決して、本発明、その用途又は使用を制限することを意図するものではない。図１を参照すると、本技術による締結システム１０が示される。電子コントローラ１４、油圧コントローラ１６、及び油圧流体供給１８に作動的に連結されたリベット締結工具１２が示されている。

リベット締結工具１２は、機械加工されたアルミニウム製ハウジング４８内に油圧ピストン４６を有する引張りヘッド４４を含む。油圧ピストン４６は、継手を介してジョー・ケース５０に接続されるので、作動中、すなわち油圧ホース５２によって該油圧ピストン４６の表面上に油圧が与えられ、ジョー５１がノーズピースを通り、リベット・マンドレルに係合する。連続的に移動することにより、平均的なリベットを締結するのに十分な力及び行程が与えられる。引張りヘッド４４は、油圧ピストン４６の反対側に油圧チューブ５４を介して空気圧又は油圧を用い、油圧が取り除かれると該油圧ピストン４６を完全な前方位置に戻す。

油圧供給ホース５２は、油圧流体供給１８に接続される。油圧流体供給１８は、サーボモータ２１によって駆動されるポンプ１９に連結されたオイル・リザーバ２０を有する。サーボモータ２１は、ポンプ１９によって与えられる負荷によって変動する電流量を通すＡ／Ｃサーボモータ又はＤ／Ｃサーボモータのいずれかである。随意的に、ポンプ１９は、定流量ポンプである。サーボモータ２１は、コントローラ１４内に組み込まれた油圧制御１６に連結されたサーボモータ駆動装置３０によって駆動される。「データ」を測定するセンサ２３が設けられ、この「データ」は、随意的に、ファスナ締結イベント中にサーボモータ電流又はサーボモータによって適用されるトルクのいずれかとすることができる。代替的に、センサ２３は、サーボモータ２１のｒｐｍを示す信号を提供する。

コントローラ１４は、リベット締結イベントの開始時にサーボモータ駆動装置３０に信号を提供するように構成される。次に、サーボモータ駆動装置３０が、サーボモータ２１を駆動し、油圧ポンプ１８を駆動してピストン４６を駆動し、ファスナを締結する。さらに、コントローラは、ＬＶＤＴ５６又は変位を示す特性を測定するように作動可能な他の装置を用いて、ピストンの変位値を測定することができる。

コントローラ１４は、ポンプ駆動モータの電流、トルク、及び／又は、ＲＰＭの形態の「データ」を監視し、ファスナ締結イベントがいつ終了したか及び特定の締結が許容可能な品質のものであるかどうかを判断するように構成される。この点で、コントローラ１４は、ファスナの締結状態を示す、電流の大きな低下を検知するように構成される。マンドレルが破断された時点すなわちファスナが締結された時点において、コントローラ１４、１６は、ポンプのサーボモータ２１の作動を停止し、遠隔弁（図示せず）の作動を開始し、油圧ピストン４６の上に調整された流体供給を与える。リベット締結工具１２内に配置された引張りヘッド４４の引張りヘッド・ピストン４６の背後の流体が、該引張りヘッド４４及びジョー・ケース５０を後退位置に迅速に戻す。随意的に、ポンプ１９を用いて、ピストン４６の両側の流体に圧力又は吸引力を適用し、該ピストンを適切な位置に戻す。油圧ピストン４６の上に供給される流体は、リベット締結システム・コントローラ１４によって制御され、約１秒後に止められる。

コントローラ１４は、締結工具内で締結されたファスナの品質を判断するための幾つかの方法を用いるように構成される。この方法は、アレイ形態の１組の例示的な「データ」時間／変位データを求める第１のステップを含む。評価されるリベット締結工程についての「データ」が感知され、記録される。感知された「データ」は、時間又は変位値によって、一連の例示的な「データ」時間／変位データと整合される。測定された「データ」の最高値の発生を用いて、測定された「データ」時間／変位データのマンドレル破断点を識別する。この測定された破断点の現在値が、例示的なアレイにおける所定の所望破断点の「データ」値と比較される。次に、測定された「データ」時間／変位信号が、例示的な「データ」時間／変位信号と比較される。

例示的な「データ」情報と測定された「データ」情報の両方の場合において、時間範囲又は変位範囲におけるこれらの連続に基づいてグラフ又は波形を形成する。データを整合させるために用いられる所定の特性を求めるために、これらの波形を走査することができる。前述のように、これは、検知される最高の「データ」、所定の「データ」とすることができ、或いは、所定の「データ」値より上の、或いは、所定の時間又は変位より後の、第１の局所的最大値又は最小値のような別の形状であってもよい。

例えば、ファスナの締結を監視するとき、ファスナ締結工程中に、ファスナ締結工具のポンプ・サーボモータ２１内の電流が監視され、これに関連した一連の電流信号を生成する。これらの信号の各々が、適切な時間値に割り当てられ、信号／時間データのアレイを生成する。代替的に、信号は、任意のＬＶＤＴ５６からの適切な変位値に割り当てられる。工程の終了と同様に、ファスナ締結工程の開始は、トリガ又はデータの変化のいずれかによって定められる。随意的に、ファスナ締結工程の開始は、ピーク電流、又はファスナの締結に関連するトルクによって定めることもできる。ファスナ締結イベントの部材の総時間／変位が求められ、所定の所望値と比較される。さらに、システムがサーボモータ・トルクを用い、その値が、ファスナが締結されたことを示す所定のトルク値の前後の所定の許容帯域内に含まれるかどうかを判断する。

例示的な電流又はトルクの時間／変位データを形成するために、統計的にかなりの数の練習用測定信号を受信し、組み合わせて、データの代表的なアレイを形成する。所定レベルの接合部の品質を示す代表的なアレイに対して、許容帯域が定められる。コントローラは、測定されたデータをこれらの許容帯域と比較し、リベット締結状態の品質を表示する。随意的に、特定のリベット締結状態を評価するために用い得る多項関数として、許容帯域及び／又は代表曲線を説明することができる。この点で、整合後、測定されたデータを関数と比較し、該データが許容帯域曲線より上であるか又は下であるかを判断する。

さらに、システムは、ファスナ締結状態の品質を判断するために、ファスナ締結検証システム６０を組み込むことができると考えられる。締結工具１２は、一般に、ブリード／充填ねじに隣接して、又は本体４８上に配置された小型圧力又は応力センサ６２を含むことができ、このセンサは、工具内の油圧又は応力の変化を測定するように構成される。

種々の部品の圧縮により、ハウジング４８内に応力が生じ、この応力は、工具を通して伝えられる。マンドレル締結機構の後退が、ジョー・ハウジング４８を押し、鋳造本体５４内の油圧流体を圧縮する。この伝達が油圧流体の圧縮をもたらし、この油圧流体の圧縮を分析して、ファスナの締結状態が許容可能なものかどうかを判断することができる。説明されるシステム３２は、組み立てられたリベットの品質を示すために、一般的な任意の応力及び圧力信号を分析するための種々の方法を用いる。さらに、コントローラ１４を用いて、提供されるデータについての多くの種々の分析技術を行うことができる。さらに、コントローラは、システムの種々の部品に付加された応力センサのような種々のセンサからの入力を用いることができる。これらの技術及びセンサは、引用によりここに組み入れられる、同一出願人に譲渡され、２００５年３月２２日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００９４６１号に記載される。

図２は、メジアン又は例示的な電流上に配置された許容曲線又は帯域を示す。このシステムにおいて、随意的に、メジアン曲線の部分が、その周りに定められた特定の固定サイズの許容帯域を有する。随意的に、許容帯域が、各曲線の部分によって変わることがある。例えば、リベット締結イベント中に、リベット本体の最初のシート巻取り及び変形が、曲線の第１の部分に示され、第１の値について許容帯域が設定されるが、最終的な穴の充填及び接合部の固化が行われている間に、許容帯域が調整される。次に、システムは、締結された個々のファスナの電流又はトルク対時間／変位を追跡し、それが、許容帯域幅を超えているかどうかを判断する。リベットが特定の許容帯域を超えている場合、警報又は警告が操作者に与えられる。

さらに、本発明の種々の態様を他の形式の機械に適用できると考えられ、例えば、本発明の種々の利点を実現することはできないものの、このシステムを、自動穿孔リベット又はピン、及びカラー・ファスナ又は他の変形可能で破壊可能なファスナと共に用いることができる。さらに、例えば、多部品ファスナ、中実のファスナ、クリンチ・ファスナ又はスタッドなど、種々の形式のファスナを締結するために、このシステムを用いることができる。本発明の説明は、本質的に例示的なものにすぎず、よって、本発明の要旨から逸脱しない変形は、本発明の範囲内にあるように意図される。こうした変形は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものとみなされるべきではない。

本発明の教示によるファスナ締結システムのシステム概要を示す。 典型的なリベット締結についての電流対時間又は変位曲線を示す。

符号の説明

１０：締結システム
１２：リベット締結工具
１４、１６：コントローラ
１８：油圧流体供給
１９：ポンプ
２１：サーボモータ
４４：引張りヘッド
４６：油圧ピストン
４８：ハウジング
５６：ＬＶＤＴ

Claims (19)

1. ハウジング内に配置され、引張りヘッドの作動時にファスナに係合するように作動可能なジョーに連結された油圧ピストンを含み、前記油圧ピストンの連続的な移動により前記ファスナを効果的に締結するための力が適用されるようになった引張りヘッドと、
   駆動モータを有し、油圧通路によって前記ハウジングに接続された油圧源と、
   ファスナ締結イベント中に、前記モータの電流、トルク、又はＲＰＭの少なくとも１つの変化を測定するように構成されたセンサと、
   を備えることを特徴とするファスナ締結工具。
2. 前記油圧源が油圧ポンプを含むことを特徴とする請求項１に記載のファスナ締結工具。
3. 前記モータがサーボモータであることを特徴とする請求項２に記載のファスナ締結工具。
4. 前記サーボモータがＡ／Ｃサーボモータであることを特徴とする請求項３に記載のファスナ締結工具。
5. 前記ジョーが前記引張りヘッド内に摺動可能に配置されたことを特徴とする請求項４に記載のファスナ締結工具。
6. （ａ）所定のトルク対時間データを格納し、（ｂ）前記トルク対時間データについての許容帯域を定め、（ｃ）１組の測定されたトルク・データを前記許容帯域と比較し、ファスナの締結状態が許容可能なものであるかどうかを判断するように構成された回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のファスナ締結工具。
7. （ａ）所定の電流対時間データを格納し、（ｂ）前記電流対時間データについての許容帯域を定め、（ｃ）１組の測定された電流データを前記許容帯域と比較し、ファスナの締結状態が許容可能なものであるかどうかを判断するように構成された回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のファスナ締結工具。
8. （ａ）所定のｒｐｍ対時間データを格納し、（ｂ）前記ｒｐｍ対時間データについての許容帯域を定め、（ｃ）１組の測定されたｒｐｍデータを前記許容帯域と比較し、ファスナの締結状態が許容可能なものであるかどうかを判断するように構成された回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のファスナ締結工具。
9. ファスナに係合し、前記ファスナを締結するように作動可能な流体作動可能部材である締結部材と、
   サーボモータによって駆動されるポンプを有し、前記締結部材に力を伝えるように作動可能な流体源と、
   ファスナ締結イベント中に前記サーボモータ内の電流の変化を測定するように構成された第１のセンサと、
   を備えることを特徴とするファスナ締結工具。
10. 前記サーボモータがＡ／Ｃサーボモータであることを特徴とする請求項９に記載のファスナ締結工具。
11. 前記締結部材に流体圧力を加えるための手段が、該締結部材に流体連結されたポンプを含み、前記モータが前記ポンプに連結されたサーボモータであることを特徴とする請求項９に記載のファスナ締結工具。
12. 流体圧力の変化を測定するように構成された第２のセンサをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のファスナ締結工具。
13. 前記サーボモータがＤ／Ｃサーボモータであることを特徴とする請求項９に記載のファスナ締結工具。
14. 前記ポンプが定流量ポンプであることを特徴とする請求項１３に記載のファスナ締結工具。
15. ハウジング内に配置され、引張りヘッドの作動時にリベット・マンドレルに係合するように作動可能なジョーに連結された油圧ピストンを含み、前記油圧ピストンの連続的な移動により前記リベットを効果的に締結するための力が与えられるようになった引張りヘッドと、
    リベット締結イベント中に、サーボモータ電流の変化を示す信号を出力するように構成されたセンサと、
    を備え、電流が、
    （ａ）リベット締結工程中にサーボモータ電流の前記変化を監視し、これに関連した一連の信号を生成し、
    （ｂ）前記リベット締結工程中に前記ピストンの時間又は変位の１つを監視し、これに関連した一連の指標信号を生成し、
    （ｃ）前記リベット締結工程中にピーク電流の発生を識別し、
    （ｄ）前記リベット締結工程の開始の発生を識別し、
    （ｅ）前記ピーク電流の前記発生を用いて、前記ファスナが締結された時点を識別し、
    （ｆ）前記マンドレルが破断された時点における前記ファスナ締結イベントの総時間又は総変位の１つを求め、
    （ｇ）前記総時間又は総変位の１つを所定の所望値と比較する、
    ことにより生成される、
    ことを特徴とするリベット締結工具。
16. 前記サーボモータがＡ／Ｃサーボモータであることを特徴とする請求項１５に記載のファスナ締結工具。
17. モータ駆動式油圧供給と、ファスナに係合するためのファスナ係合組立体と、ピストン組立体に加圧された油圧流体を適用することに応答して、前記ファスナを駆動するための前記係合組立体に作動的に連結された軸方向に移動可能なピストン組立体とを有する締結工具を用いてファスナを締結する方法であって、
    （ａ）ファスナ締結工程中にサーボモータの電流、トルク又はＲＰＭの少なくとも１つを監視し、これに関連した一連の信号を生成し、
    （ｂ）前記ファスナ締結工程の時間を監視し、これに関連した一連の指標信号を生成し、
    （ｃ）前記ファスナ締結工程中に計測されたピーク電流の発生を識別し、
    （ｄ）前記ファスナ締結工程の開始の発生を識別し、
    （ｅ）前記測定されたピーク信号の前記発生を用いて、前記ファスナの一部が破断された時点を識別し、
    （ｆ）前記ファスナが締結された時点における前記ファスナ締結イベントの総時間を求め、
    （ｇ）前記総時間を所定の所望値と比較する、
    ステップを含むことを特徴とする方法。
18. 前記ファスナ締結工程にわたって生成された前記一連の測定された信号及び前記一連の時間信号に基づいて、測定された値対時間データのアレイを生成し、
    前記アレイを走査し、該アレイ内の測定された値の位置を識別し、
    前記測定された値のピークの位置を用いて、前記ファスナ締結イベントの総時間を識別する、
    ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記アレイを例示的なアレイと比較し、前記リベット締結が許容可能なものであるかどうかを判断する、
    付加的なステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載のブラインド・リベット締結方法。

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