JP2007229853A

JP2007229853A - ねじ締めドライバユニット

Info

Publication number: JP2007229853A
Application number: JP2006053574A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Umehara; 幸浩梅原; Masayuki Saito; 正幸斎藤; Yoshikuni Otsuka; 芳邦大塚
Original assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Current assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】回転駆動手段の駆動軸とねじ締め工具との間に介在する弾性ねじれ部材の反動により、ねじに緩め方向のトルクが作用するのを防止するねじ締めドライバユニットの提供。
【解決手段】本発明は、ＡＣサーボモータ２０と、モータ２０の駆動軸２０ａにねじりコイルばね２２を介して連結され、かつねじの頭部に係合可能な形状を成すねじ締め工具２５とを有する。
ねじ締めにともなって増大する締付トルクにより、駆動軸２０ａとねじ締め工具２５とに回転角度差が生じるとコイルばね２２がねじれる。この回転角度差からねじの締付トルクを検出し、これが所定の目標トルクに達するとモータ２０の発揮する出力トルクが漸減するようモータ２０を駆動制御する。この結果、ねじれたコイルばね２２の反動で駆動軸２０ａが減衰的に正逆転させられるのを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被締結部材にねじ等の部品を締結するねじ締めドライバユニットに関する。

従来、被締結部材にねじを締結するため、特許文献１に開示されたねじ締め装置が使用されている。このねじ締め装置は、モータの駆動軸と、この駆動軸の同軸線上に回転自在に設けられた出力軸とをコイルばねで連結し、駆動軸と出力軸との双方の回転を検出するためのロータリエンコーダ（以下、単にエンコーダという）をそれぞれ設け、さらに出力軸には一体に回転するドライバビットを連結して成るものである。このねじ締め装置を用いて被締結部材にねじを締め付ける場合には、ドライバビットをねじ頭部に係合させ、これをモータの駆動により回転させてねじに回転を付与する。この時、ねじの締め込みに伴ってドライバビットには相応の締付トルクが作用するため、これがドライバビットの回転負荷となってコイルばねがねじれる。この結果、前記２つのエンコーダによって検出されるドライバビットの回転角度とモータ駆動軸の回転角度とに差が生じることとなるため、この回転角度差から締付トルクを割り出すことができる。

特開平２００３−１６６８８７号公報

上記従来のねじ締め装置においては、ねじの締付トルクが所定の値に達すると、モータの駆動が停止される。通常は、制御手段からモータに対して、出力トルクを０（零）にするよう指令が与えられる。従って、モータの駆動が停止することによりモータの駆動軸は回転自在となる。この時、ねじが締め付けられることによってモータの駆動軸とドライバビットの回転角度には相応の角度差が生じ、これによってコイルばねはねじれている。この状態でモータの駆動が停止すると、ねじれたコイルばねが瞬時に解放され、その力でモータの駆動軸を減衰的に正逆転させる現象が生じる。ねじを締め付ける時の駆動軸の回転を正転と見た場合、コイルばねの反動によって駆動軸が逆転すると、ねじには緩める方向のトルクが作用することになる。よって、締付トルクの信頼性が低下するという問題が発生していた。

本発明は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、回転駆動手段の駆動軸とねじ締め工具との間に介在する弾性ねじれ部材の反動により、ねじに緩め方向のトルクが作用するのを防止するねじ締めドライバユニットの提供を目的とする。この目的を達成するために本発明は、回転駆動手段と、この回転駆動手段の駆動軸に弾性ねじれ部材を介して連結されかつねじの頭部に係合可能な形状を成すねじ締め工具とを有し、回転駆動手段の駆動によりねじ締め工具を回転駆動し、これに係合したねじに回転伝達を行ってねじを被締結部材に締め付けるねじ締めドライバユニットであって、ねじの締付トルクを検出し、これが所定の目標トルクに達すると回転駆動手段の出力トルクが漸減するよう回転駆動手段を駆動制御する制御手段を備えていることを特徴とする。

なお、前記制御手段は、ねじの締付トルクが高まることでねじれた弾性ねじれ部材の反発力により駆動軸が回転させられない出力トルクを保って、当該出力トルクを漸減させることが望ましい。また、前記駆動軸の回転角度を検出する第一回転角検出手段と、ねじ締め工具の回転角度を検出する第二回転角検出手段とを有し、前記制御手段は、これら回転角検出手段によって検出される回転角度の差からねじの締付トルクを割り出すものであることが望ましい。

本発明のねじ締めドライバユニットは、ねじの締付けトルクを検出し、これが所定の目標トルクに達するとモータ等の回転駆動手段の出力トルクが漸減するよう回転駆動手段に駆動指令を与える。このため、回転駆動手段とねじ締め工具との間に介在するコイルばね等の弾性ねじれ部材の反動がなくなり、締め付けたねじに緩め方向のトルクが作用するのを防止することができる。また、駆動軸等の減衰的な正逆回転がなくなることで、駆動軸、弾性ねじれ部材およびねじ締め工具等を速やかに常態に戻して次のねじ締め作業に移行することができ、ねじ締め作業の効率を上げることができる等の利点もある。さらに、本発明のねじ締めドライバユニットを手で持ってねじ締めを行う場合にも、弾性ねじれ部材の反動による作業者の手首や腕への負担がなくなる。

以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１において、１は部品締結ドライバユニットであり、ツールユニット２と、このツールユニット２を制御する制御ユニット３とを有する。

前記ツールユニット２は、回転駆動手段の一例としてＡＣサーボモータ２０（以下、単にモータ２０という）を有する。このモータ２０には、第一回転角検出手段の一例であるレゾルバ２１が組み付けられている。また、モータ２０の駆動軸２０ａには、弾性ねじれ部材の一例として、ねじって使用することを目的としたねじりコイルばね２２（以下、単にコイルばね２２という）の一端が連結してある。このコイルばね２２の他端には軸受により回転自在に支持された伝達軸２３が連結されており、この伝達軸２３は、第二回転角検出手段の一例であるレゾルバ２４に連結されている。さらに、このレゾルバ２４には、ねじの十字状駆動穴に係合可能な先端形状を成すねじ締め工具２５が、前記伝達軸２３と一体に回転するよう連結されている。

前記コイルばね２２は、図２（ａ）および同図（ｂ）に示すように、螺旋状のコイル２２ａ両端にフック形状の支持端２２ｂ，２２ｂを形成して成るものであり、コイル２２ａの内径は、前記駆動軸２０ａおよび伝達軸２３の各軸端部の直径以下の寸法に構成してある。そして、このコイル２２ａの端部を駆動軸２０ａおよび伝達軸２３の各軸端部に接して嵌合させるとともに、支持端２２ｂ，２２ｂを各軸端部に削設された溝２０ｂ，２３ａに嵌合させることで、駆動軸２０ａおよび伝達軸２３と連結されている。このような連結構造を採用することで、駆動軸２０ａおよび伝達軸２３とコイルばね２２とを遊びなく、かつ回転力を確実に伝達可能に連結することができ、よって、モータ２０の駆動軸２０ａないしねじ締め工具２５は精度よく一体に回転できる。そして、ねじ締め工具２５に回転負荷トルクが作用した場合には、これに伴ってコイルばね２２が遅れを生じることなくねじれ、駆動軸２０ａとねじ締め工具２５との正確な回転角度差が得られる。

また、前記レゾルバ２１，２４は同様の構造であり、公知の構造のものである。図面で断面を示しているレゾルバ２４を例に説明すると、このレゾルバ２４は、励磁コイルと位置検出コイルとを備えるステータ２４ａ内に、回転トランス部を有するロータ２４ｂを回転自在に配置して成るものであり、励磁コイルから回転トランス部に励磁電圧を与えると、位置検出コイルには、この励磁電圧波形に対してロータ２４ｂの回転位相に対応する位相の電圧波形の出力電圧が出力される。この励磁電圧と出力電圧との位相差から、固定配置されたステータ２４ａに対して回転するロータ２４ｂの絶対回転角度を知ることができる。レゾルバ２１のロータ（図示せず）には駆動軸２０ａが、またレゾルバ２４のロータ２４ｂには伝達軸２３およびねじ締め工具２５がそれぞれ一体に連結してある。よって、レゾルバ２１は駆動軸２０ａの絶対回転角度を示す出力電圧を、またレゾルバ２４はねじ締め工具２５の絶対回転角度を示す出力電圧をそれぞれ出力する。

前記制御ユニット３は、制御部３０と、この制御部３０からの指令を受けて前記モータ２０を駆動制御するモータ駆動部３１と、レゾルバ２１，２４にそれぞれ励磁電圧を印加するとともに、それぞれの出力電圧から回転角度を割り出すレゾルバ駆動部３２，３３と、レゾルバ駆動部３２，３３によって割り出された回転角度の差に応じた締付トルク、目標締付トルクなどの各種データおよびツールユニット２の駆動制御に必要な各種プログラム・パラメータ等を記憶した記憶部３４と、各種情報・信号入力を行う操作部３５と、各種情報を表示する表示部３６と、本ドライバユニット１が搭載されるロボット等（図示せず）との信号送受信を制御する入出力部３７とを備えて成る。

前記制御部３０は、電源が投入されると図３に示すように、
Ｓ０１：レゾルバ駆動部３２，３３に励磁指令信号を付与。
Ｓ０２：レゾルバ駆動部３２，３３から回転角度を読み込む。
Ｓ０３：回転角度の差（以下、これを固有回転角度差という）を算出。
Ｓ０４：固有回転角度差が閾値を超えていないか確認する。閾値を超えていない場合は、Ｓ０６にジャンプ。
Ｓ０５：表示部３６に部品交換表示指令信号を付与。
Ｓ０６：レゾルバ駆動部３２，３３に励磁停止指令信号を付与。
Ｓ０７：エンド。
となる起動チェック処理を行う。

また、制御部３０は図４に示すように、
Ｓ１１：スタート指令信号の入力待ち。
Ｓ１２：モータ駆動部３１に駆動指令信号を付与。
Ｓ１３：レゾルバ駆動部３２，３３に励磁指令信号を付与。
Ｓ１４：レゾルバ駆動部３２，３３から回転角度を読み込む。
Ｓ１５：回転角度差を算出。
Ｓ１６：回転角度差に対応する締付トルクを記憶部３４から読み込む。
Ｓ１７：締付トルクを目標締付トルクと比較し、目標締付トルクに達していない場合は、Ｓ１４にジャンプ。
Ｓ１８：モータ駆動部３１にトルク漸減指令信号を付与。
Ｓ１９：モータ駆動部３１のモータ負荷電流値が０（零）（モータ２０の出力トルクが０（零））になったかチェックする。
Ｓ２０：表示部３６にねじ締め完了表示指令信号を付与。
Ｓ２１：入出力部３７にロボット復帰指令信号を付与。
Ｓ２２：ロボットの待機位置復帰信号を待つ。
Ｓ２３：レゾルバ駆動部３２，３３から回転角度を読み込む。
Ｓ２４：固有回転角度差を算出。
Ｓ２５：固有回転角度差が閾値を超えていないか確認。閾値を超えていない場合は、Ｓ２７にジャンプ。
Ｓ２６：表示部３６に部品交換表示指令信号を付与。
Ｓ２７：レゾルバ駆動部３２，３３に励磁停止指令信号を送信。
Ｓ２８：エンド
となるねじ締め処理を実行する。

前記コイルばね２２の駆動軸２０ａおよび伝達軸２３と嵌合していないコイル２２ａ部分（以下、この部分を自由部分という）の巻き数と線材の直径とは、数１に示すように、コイルばね２２のねじれ角に影響を及ぼす。

本ドライバユニット１は、レゾルバ２１，２４の信号に基づく回転角度差から締付トルクを検出するものであり、目標締付トルクに対応する回転角度差を得られるようにしておかなければならない。このことから、コイルばね２２の前記自由部分は、目標締付トルクに対応する回転角度差に到達するねじれ角が得られるよう、数１によって最適な巻き数、線材径、平均コイル径等が定められている。

次に本発明に係るねじ締めドライバユニット１の作用を述べる。なお、ここでは本ドライバユニット１がロボット（図示せず）に搭載されている状態にあり、ねじ締め工具２５の移動路上には、ねじを保持するチャックユニット（図示せず）が設けられている構造での作用を述べる。

まず、電源が投入された時、本ドライバユニット１においては、上記起動チェック処理が行われる。この処理では、モータ２０が駆動していない状態でレゾルバ２１，２４に励磁電圧を印加し、それぞれの出力電圧から回転角度が求められ、その回転角度差（固有回転角度差）が求められる。ドライバユニット１製造過程では、レゾルバ２１，２４は双方の絶対原点が一致するように調整してツールユニット２に組み付けられる。しかし、コイルばねの経年変化（ヘタリ）や軸受の消耗等が生じると、この絶対原点にずれが生じる。例えば、コイルばね２２であれば経年変化により原形復帰できなくなる幅が徐々に大きくなるし、軸受が消耗すると摩擦抵抗が増す。こうしたことから、ねじ締め工具２５や駆動軸２０ａが本来の原位置まで回転復帰できなくなる。このようにして、駆動軸２０ａとねじ締め工具２５との間に固有回転角度差が生じるのであるが、その大きさを電源投入時の起動チェック処理により把握する。

通常、コイルばね２２をねじった後、これが完全に原形復帰することは考えられない。また、駆動軸２０ａ等の回転部品には軸受が消耗していなくても、何らかの摩擦抵抗が作用している。よって、固有回転角度差はツールユニット２の各部品が正常な状態の時でも生じてしまう。こういった正常状態での固有回転角度差が現れる領域は、図５に示すように、不感領域といって締付トルクと回転角度差との関係が都度一定にならない領域であり、実際の締付トルク制御には利用しない。よって、正常な状態での固有回転角度差は問題ではない。通常は、回転角度差と締付トルクとの関係が安定する使用領域（図５参照）での利用が想定されているため、その下限値よりも低い領域内の回転角度差を固有回転角度差の閾値として設定して起動チェック処理を行う。これにより検出された固有回転角度差が閾値を超えている場合は、表示部３６に部品交換を報知するＬＥＤ点灯や、ディジタル表示器による表示を行う。

起動チェック処理が終わり、次に操作部３５のスタートスイッチ（図示せず）が押されると、外部機器コントローラ（図示せず）からねじ供給装置およびロボットに外部スタート指令信号が与えられ、これにより、チャックユニットにはねじ供給装置からねじが供給されるとともに、またロボットの動作によりドライバユニット１が被締結部材のめねじ直上に移動、位置決めされる。このドライバユニット１の位置決めが完了すると、外部機器コントローラから入出力部３７を通じて制御部３０にスタート指令信号が入力される（図４のＳ１１）。これを受け、制御ユニット３によりドライバユニット１のモータ２０が駆動され（Ｓ１２）、ねじ締め工具２５が回転を始める。また、レゾルバ２１，２４には励磁電圧が印加され（Ｓ１３）、それぞれの出力電圧から回転角度の検出が開始される。続いてロボットの動作により、ツールユニット２が被締結部材側へ移動すると、ねじ締め工具２５はチャックユニットに保持されたねじの駆動穴に係合し、かつ、このねじをチャックユニットから押し出して被締結部材のめねじにねじ込む。この過程で、ねじ締め工具２５にはねじをねじ込んで締め付ける時の締付トルク（回転負荷）が回転抵抗として作用する。このため、締付トルクに応じてねじ締め工具２５と駆動軸２０ａとの回転角度に差が生じ、コイルばね２２は巻込み方向にねじれる。また、レゾルバ２１，２４の各出力電圧から得られる回転角度に差が生じる。制御ユニット３では、この回転角度差に応じた締付トルクが割り出される（Ｓ１４〜Ｓ１６）とともに、この締付トルクが目標締付トルクに達したか否かが判定される（Ｓ１７）。これが目標締付トルクに達していない場合は、新たな回転角度差に対応する締付トルクが求められ、これと目標締付トルクとの比較が繰り返される。

ねじ頭部座面が被締結部材に着座して締付トルクが目標締付トルクに達した場合には、モータ２０が出力トルクを段階的に減らしながら停止する。これは、モータ２０を駆動制御するモータ駆動部３１に制御部３０からトルク漸減指令信号が与えられる結果である（Ｓ１８）。すなわち、モータ駆動部３１は、制御部３０からトルク漸減指令信号を受けると、その時点からモータ２０の負荷電流値を漸減して０（零）にする。これにより、モータ２０の駆動軸２０ａが発揮する出力トルクは徐々に減少して０（零）になる。この時モータ２０の負荷電流値は、コイルばね２２のねじれに応じた反発力で駆動軸２０ａが回転させられない出力トルクを、モータ２０（駆動軸２０ａ）が常に発揮するように減らされる。こうして、コイルばね２２のねじれが少なくなる過程で変化する反発力によっても、駆動軸２０ａが回転させられるのを防止している。この結果、コイルばね２２のねじれを徐々に減らすことができ、モータ２０の出力トルクをいきなり０（零）にした場合に起こる駆動軸２０ａの減衰的な正逆転が発生しない。

出力トルクを徐々に減らしてモータ２０を停止させることにより、目標締付トルクまで締め付けられたねじに緩める方向のトルクが作用するのを防止することができる。また、ドライバユニット１において、コイルばね２２の反動による機械的な減衰振動が発生するのを防止することもでき、振動によるレゾルバ２１，２４や軸受等の故障、早期劣化を防止することができる。さらに、本ドライバユニット１を手で持って操作する場合には、コイルばね２２の反動から生じる反力を支える必要がなくなるため、作業者の手首や腕への負担を軽減することが可能である。

前述のようにしてモータ２０の駆動が停止すると（Ｓ１９）、表示部３６にねじ締め完了表示（Ｓ２０）がなされた後、制御部３０から入出力部３７を通じて外部機器コントローラにロボットの復帰指令信号が与えられる（Ｓ２１）。これによりロボットが作動し、ドライバユニット１は所定の待機位置に戻される。ロボットの復帰動作が完了すると（Ｓ２２）、起動チェック処理と同様にレゾルバ２１，２４の出力電圧から固有回転角度差が求められ、これが閾値を超えていないか確認される（Ｓ２３〜Ｓ２５）。そして、閾値を超えている場合は、表示部３６に部品交換を報知するＬＥＤ点灯や、ディジタル表示器による表示がなされる（Ｓ２６）。この固有回転角度差の確認処理が完了した後、レゾルバ２１，２４への励磁電圧印加が停止されて（Ｓ２７）ねじ締め処理が完了する（Ｓ２８）。

以上のように、電源投入時と作業完了毎とに固有回転角度差を求めて確認することで、常にコイルばねや回転部品の状態を把握し、これらに異常が生じた時にはすぐに修理・交換することができる。従って、例えばコイルばねの経年変化による回転伝達性能の変化、軸受の劣化・消耗による焼き付き等の不具合に起因する誤った締付トルクの検出を防止し、常に正確な締付トルク検出が可能になり、ねじの締付け精度を高精度に保つことが可能になる。

本ドライバユニット１においては、コイルばね２２の両端部が駆動軸２０ａおよび伝達軸２３の各軸端にしまりばめ的に嵌合し、かつ支持端２２ｂ，２２ｂが溝２０ｂ，２３ａに係合している。このため、前述のねじ締め処理の過程では、コイルばね２２が両軸２０ａ，２３と一体に精度よく回転することができる。また、回転負荷が作用した場合には、コイルばね２２が巻き込み方向、すなわち両軸２０ａ，２３を締める方向にねじれて各軸端部と強固に結合する。よって、回転の伝達性、締付トルクに対するねじれ応答性や追従性を一層向上させることができ、微小なトルクであっても精度よく検出することが可能になる。

なお、本発明の実施の形態では、回転角度差から締付トルクを割り出し、これを目標締付トルクと比較する制御例を紹介したが、回転角度差を直接比較するようにしてもよい。また、ねじ締め作業完了毎に固有回転角度差を求めて確認するようにしたが、ねじ締め処理の開始時点でロボットが動作する前に固有回転角度差を求めて確認するようにしてもよい。

本発明に係るねじ締めドライバユニットのブロック説明図。（ａ）は本発明に係る部品締結ドライバユニットのねじりコイルばね周辺の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線に係る断面図。本発明に係るねじ締めドライバユニットの起動チェック処理のフローチャート。本発明に係るねじ締めドライバユニットのねじ締め処理を示すフローチャート。本発明に係るレゾルバの特性を示すグラフ。

符号の説明

１ねじ締めドライバユニット
２ツールユニット
３制御ユニット
２０ＡＣサーボモータ
２０ａ駆動軸
２１レゾルバ
２２ねじりコイルばね
２３伝達軸
２４レゾルバ
２５ねじ締め工具

Claims

回転駆動手段と、この回転駆動手段の駆動軸に弾性ねじれ部材を介して連結されかつねじの頭部に係合可能な形状を成すねじ締め工具とを有し、回転駆動手段の駆動によりねじ締め工具を回転駆動し、これに係合したねじに回転伝達を行ってねじを被締結部材に締め付けるねじ締めドライバユニットであって、
ねじの締付トルクを検出し、これが所定の目標トルクに達すると回転駆動手段の出力トルクが漸減するよう回転駆動手段を駆動制御する制御手段を備えていることを特徴とするねじ締めドライバユニット。
制御手段は、ねじの締付トルクが高まることでねじれた弾性ねじれ部材の反発力により駆動軸が回転させられない出力トルクを保って、当該出力トルクを漸減させることを特徴とする請求項１に記載のねじ締めドライバユニット。
駆動軸の回転角度を検出する第一回転角検出手段と、ねじ締め工具の回転角度を検出する第二回転角検出手段とを有し、制御手段は、これら回転角検出手段によって検出される回転角度の差からねじの締付トルクを割り出すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のねじ締めドライバユニット。