JP2008055580A - インパクト式のネジ締め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反力の少なさ、構造のシンプルさ、エネルギー効率などの点において従来よりも有利な遊星歯車装置を提供する。
【解決手段】電動式のモータを回転駆動源とし、ハンマーをアンビルに衝突させることによりインパクトを発生させて負荷に回転力を与えるインパクト式のネジ締め装置であって、ハンマーがアンビルから離れた位置である初期位置にあるときに、時間Ｔ１においてモータに電流ｉを流してハンマーを正方向に回転させて加速し、ハンマーをアンビルに衝突させてインパクトを発生させ、ハンマーがアンビルに衝突した後は、時間Ｔ２においてモータに流す電流ｉを零にしてモータを自由回転が可能な状態とするか、または時間Ｔ３においてモータに逆方向に電流を流して逆転させることによって、ハンマーを初期位置に戻し、これを繰り返すことによって負荷に連続的にインパクトを与える。
【選択図】 図９

Description

本発明は、インパクト式のネジ締め装置に関し、特に、エネルギー効率を向上させたインパクト式のネジ締め装置に関する。

従来より、ボルトやネジを所定のトルクで締付けるために、動力式のネジ締め装置が用いられている。ネジ締め装置においては、軸を連続的に回転させてネジを締付けるとともに、トルクがある値になれば動力を切るかまたはクラッチをすべらせる制御が一般的に行われている。

ところで、各種の組み立てラインにおいて、コンベア上のワークに対し、作業者がネジ締め装置を手で持ってネジの締付け作業を行うことがしばしばある。

その場合に、携帯性と作業性の点から、ネジ締め装置を片手持ちで操作できることが望まれるので、ピストル形状のものが多く使用されている。しかし、ピストル形状のものでは、出力軸とハンドルとの間の距離を大きくとれないので、大きなトルクの反力を受けることができない。また、ネジ締めの反動を片手で受けなければならないので、締付トルクの増大にしたがってその反動が作業者の負担として問題となってくる。この問題への対処のために、インパクト機構やオイルパルス機構を用いたネジ締め装置が用いられている。

インパクト機構のものは、モータでロータを回転させ、ロータが１回転する間にそれに取り付けたハンマーが出力シャフトを１回または２回叩くことによって、モータロータのイナーシャによる衝撃をトルクに変換し、そのトルクを出力シャフトに発生させる。

また、オイルパルス機構のものは、モータでロータを回転させ、出力シャフトに取り付けたブレードにそれが１回転する間に１回または２回にわたって油圧が急圧縮する部分を設け、そのときの流体抵抗によって、ロータイナーシャをパルス状トルクに変換し、そのパルス状トルクを出力シャフトに発生させる。

また、本出願人は、従来の種々の欠点を改良したインパクト式のネジ締め装置を提案している（特許文献１、２）。
特開２００２−１６７６ 特開２００４−３２２２６２

ところで、従来のインパクト式のネジ締め装置には次のような問題がある。
（１） シャフトを回転ハンマーで打撃する機構のものは、非常に大きな音を連続的に発生するので、長時間の作業では耳栓の着用が必要となるなど、騒音問題がある。
（２） シャフトを回転ハンマーで打撃する機構のものは、打撃ごとに出力トルクが変動し、トルク精度が非常に悪い。また、衝撃を受けるハンマーおよび出力シャフトの磨耗が激しいため、寿命が短く、こまめなメンテナンスが必要である。
（３） オイルパルス機構のものは、その構造上、油の圧縮非圧縮を繰り返すため、衝撃発生機構そのものが発熱するので、エアモータの排気などで冷却を行わないと熱くて使用できない問題がある。また、油温によって発生トルクが変化するため、使用開始から使用終了までトルクを安定的に発生できない問題がある。また、ブレード、パッキン、および油は、高温、高圧にさらされるので、それらの劣化が激しく、そのため寿命が短く、こまめなメンテナンスが必要である。
（４） また、特許文献１、２のネジ締め装置についても、モ−タの制御や衝撃発生機構を改良してさらにエネルギー効率を高めるなど改良の余地がある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、反力の少なさ、構造のシンプルさ、エネルギー効率などの点において従来よりも有利なインパクト式のネジ締め装置を提供することを目的とする。

本発明に係るネジ締め装置は、電動式のモータを回転駆動源とし、ハンマーをアンビルに衝突させることによりインパクトを発生させて負荷に回転力を与えるインパクト式のネジ締め装置であって、前記ハンマーが前記アンビルから離れた位置である初期位置にあるときに、前記モータに電流を流してハンマーを正方向に回転させて加速し、前記ハンマーを前記アンビルに衝突させてインパクトを発生させ、前記ハンマーがアンビルに衝突した後は、前記モータに流す電流を零にして前記モータを自由回転が可能な状態とするか、または前記モータに逆方向に電流を流して前記モータを逆転させることによって、前記ハンマーを前記アンビルとの衝突位置から前記初期位置に戻し、これを繰り返すことによって前記負荷に連続的にインパクトを与えるように構成される。

好ましくは、前記ハンマーがアンビルに衝突した後において、前記モータに流す電流を零にして前記モータを自由回転が可能な状態とし、前記ハンマーのアンビルへの衝突による跳ね返りによって前記ハンマーを前記初期位置に戻す。

また、前記ハンマーがアンビルに衝突した後において、前記モータに逆方向に電流を流して前記モータを逆転させることによって前記ハンマーを前記初期位置に戻す。

また、前記ハンマーがアンビルに衝突した後において、前記モータに流す電流を一旦零にし、その後に逆方向に電流を流して前記モータを強制的に逆転させ、これによって前記ハンマーを前記初期位置に戻す。

また、前記ハンマーがアンビルに衝突したことが検出されてから予め設定された第１の時間が経過したときに、前記ハンマーが前記初期位置に戻ったとして前記モータに電流を流してハンマーを正方向に回転させる。

また、前記ハンマーがアンビルに衝突したことが検出されてから予め設定された第１の時間が経過するまでの間において、予め設定された第２の時間だけ前記モータに逆方向に電流を流す。

また、前記負荷に与える回転トルクを検出するトルクセンサを設けておき、
前記トルクセンサの検出信号が予め設定された設定トルクに達したときに、前記ハンマーがアンビルに衝突したことを検出する。

本発明によると、反力の少なさ、構造のシンプルさ、エネルギー効率などの点において従来よりも有利である。

図１は本発明に係るネジ締め装置１に用いられるネジ締め装置本体３の正面断面図、図２はネジ締め装置本体３の要部の拡大断面図、図３は歯車機構の外観を示す正面図、図４は図１における歯車機構のＡ−Ａ線断面矢視図、図５は歯車機構による衝撃の発生を説明するための図である。

図１および図２において、ネジ締め装置本体３は、作業者が片手で握るためのハンドルグリップ部を有したピストル形状のハンディタイプのものである。ネジ締め装置本体３は、本体ケーシング１０に、モータ１１、衝撃発生装置である遊星歯車機構１２、トルク検出装置１３、エンコーダ１４、および出力軸１５などが設けられて構成されている。図示しないスイッチを操作することによって、電源のオンオフが制御される。

モータ１１として、例えば３相のＡＣサーボモータが用いられる。しかし、正逆の回転が可能であって、停止時にフリーの状態となり、かつ回転速度の制御が可能なものであれば、単相のＡＣサーボモータ、誘導モータ、ＤＣモータなど、他の種々のモータを採用することができる。

遊星歯車機構１２は、モータ１１の回転を減速する減速機として動作するとともに、モータ１１などの回転力を間歇的な衝撃力に変換する衝突エネルギ発生機構として動作する。

遊星歯車機構１２は、第１の遊星歯車機構６１と第２の遊星歯車機構７１とを連結して構成されている。第１の遊星歯車機構６１と第２の遊星歯車機構７１とは、それぞれのアウターギヤ６２，７２が互いに同軸上にあって、所定の相対角度範囲αにおいてのみ互いに相対回転が可能であり、相対角度範囲α外では互いに周方向に係合して相対回転が不能なように配置されている。また、第２の遊星歯車機構７１のサンギヤ７３は、第１の遊星歯車機構６１のキャリヤ６５の回転出力を入力として同軸上で回転するように連結されている。

第１の遊星歯車機構６１は、そのアウターギヤ６２が本体ケーシング１０に固定され、かつ、そのサンギヤ６３がモータ１１によって回転駆動されるように、モータ１１の出力軸１１ａ、キー１１ｂ、およびサンギヤ６３と一体になっが入力軸６３ａを介して連結されている。サンギヤ６３の回転によって、３つのプラネットギヤ６４が自転し、かつサンギヤ６３の回りを公転する。プラネットギヤ６４の公転によってキャリヤ６５が回転し、それと一体のサンギヤ７３が回転する。

ところで、第１の遊星歯車機構６１のアウターギヤ６２は、トルク検出装置１３を介して、本体ケーシング１０に対して回転不能に固定されている。

すなわち、図２において、部材８１，８３が本体ケーシング１０にピン８２，８４などによって位置決めされ固定されている。部材８３の内周面には歯車（内歯車）が設けられている。トルク検出装置１３には、フランジ形のセンサ本体１３１の両端のフランジ部の外周面に歯車（外歯車）がそれぞれ設けられており、その外歯車の一方が部材８３の内歯車と噛み合っており、他方がアウターギヤ６２の内歯車と噛み合っている。したがって、アウターギヤ６２は、トルク検出装置１３を介して部材８３によって回転しないように固定されているとともに、アウターギヤ６２に加わるトルクはセンサ本体１３１を歪ませ、これが歪みゲージ１３２によって検出されることとなる。

なお、遊星歯車機構１２の全体を覆ってそれを保持するギヤケース８５が、部材８１の外周面の雄ネジと螺合する雌ネジを有する固定リング８６によって固定されている。アウターギヤ６２およびアウターギヤ７２は、そのギヤケース８５の内周面に嵌まり込んでおり、アウターギヤ７２はギヤケース８５の内周面に対して回転可能である。出力軸１５は、ベアリング７６によって回転自在に保持されている。

なお、アウターギヤ６２の外周面に設けられた周溝にＯリング６７が装着され、Ｏリング６７がそのギヤケース８５の内周面との間で適当に圧縮され、アウターギヤ６２がガタツキのないように保持されている。また、アウターギヤ７２についても、その外周面に周溝が設けられており、図示はしていないが周溝にＯリングが装着され、ガタツキのないように保持され、且つ周方向の回転に対して適度な抵抗が与えられている。但し、アウターギヤ７２の周囲の部材との嵌合の程度および摩擦の程度によっては、Ｏリングはなくてもよい。

さて、第１の遊星歯車機構６１のアウターギヤ６２と第２の遊星歯車機構７１のアウターギヤ７２とは、それぞれの一方の端面から軸方向に突出する突出係合部６２１，６２２、７２１，７２２がそれぞれ設けられており、第１の遊星歯車機構６１の突出係合部６２１，６２２と、第２の遊星歯車機構７１の突出係合部７２１，７２２とが周方向に係合することによって、相対角度範囲α外では相対回転が不能なように構成されている。

つまり、アウターギヤ６２は本体ケーシング１０に対して固定的に設けられているため回転しないが、アウターギヤ７２は相対角度範囲α内においてのみ回転可能である。

突出係合部６２１，６２２および突出係合部７２１，７２２は、それぞれのアウターギヤ６２，７２において周方向に等間隔に設けられている。

例えば図５（Ｃ）に示すように、アウターギヤ７２がアウターギヤ６２と係合していない位置（初期位置、加速位置）にあるときに、モータ１１に電流を流して正方向（Ｍ１方向）に回転させ、これによってアウターギヤ７２を逆方向（Ｍ２方向）に回転させて加速し、図５（Ｂ）に示すようにアウターギヤ７２をアウターギヤ６２に衝突させてインパクトを発生させる。

第２の遊星歯車機構７１のアウターギヤ７２が第１の遊星歯車機構６１のアウターギヤ６２に衝突した後は、モータ１１に流す電流を零にするかまたは逆方向に電流を流すことによってモータ１１を逆方向（Ｍ２方向）に回転させ、第２の遊星歯車機構７１のアウターギヤ７２を正方向（Ｍ１方向）に回転させて第１の遊星歯車機構６１のアウターギヤ６２との係合位置から離す。その結果、アウターギヤ７２は図５（Ｃ）に示す位置（初期位置）に戻る。

つまり、高速側である第１の遊星歯車機構６１のサンギヤ６３が何回転かする間に、低速側である第２の遊星歯車機構７１のアウターギヤ７２が相対角度範囲αの中で回転し、アウターギヤ７２の突出係合部７２１，７２２がアウターギヤ６２の突出係合部６２１，６２２に実際に当たったときに衝撃を発生する。

以下において、モータ１１の回転力を衝撃力に変換するメカニズムについてさらに詳しく説明する。

すなわち、上のようにアウターギヤ７２が相対角度範囲αの中で回転している間において、出力軸１５は、負荷であるネジによって回転できない状態にある。したがって、キャリヤ７５も回転できない状態にある。そこで、サンギヤ７３が回転すると、プラネットギヤ７４は自転するが、キャリヤ７５が回転できないので、プラネットギヤ７４は公転することなく、アウターギヤ７２を回転させる。アウターギヤ７２が回転し、その突出係合部７２１，７２２がアウターギヤ６２の突出係合部６２１，６２２に衝突すると、アウターギヤ７２はそれ以上回転することができないので停止することとなるが、その時点においてモータ１１、入力軸６３ａ、サンギヤ６３、キャリヤ６５などに蓄えられた回転による慣性エネルギー（イナーシャ）は、突出係合部７２１，７２２が突出係合部６２１，６２２に衝突した瞬間に、プラネットギヤ７４およびキャリヤ７５を介して出力軸１５に回転衝撃力として伝達される。その結果、負荷にであるネジに対して、回転衝撃力による締付トルクＴＱが発生する。負荷は、締付トルクＴＱによって回転する。その回転角度は衝撃力の大きさによる。

このように、アウターギヤ７２が初期位置ＳＴで停止した状態から、モータ１１の回転によって回転駆動され、高速回転となったところでアウターギヤ６２に衝突し、衝突によってその時点の慣性エネルギーが衝撃力に変換され、これによる大きなトルクが出力軸１５から締付トルクＴＱとして得られる。

したがって、相対角度範囲αは、モータ１１が立ち上がって最大回転速度または適度な回転速度に達することが可能なように設定されている必要がある。相対角度範囲αは、いわば遊星歯車機構１２における遊び角度ともいうべきものであり、この遊び角度の存在によって慣性エネルギーが蓄えられるのである。本実施形態において、相対角度範囲αは６０度に設定されている。

つまり、図５において、アウターギヤ６２の突出係合部６２１，６２２は、それぞれ中心角が６０度であり、またアウターギヤ７２の突出係合部７２１，７２２もそれぞれ中心角が６０度であるので、アウターギヤ７２が回転可能な空間の中心角は６０度である。

相対角度範囲αが６０度であるので、これに対応するモータ１１の回転角度は、アウターギヤ７２の内径、サンギヤ７３の外径、第１の遊星歯車機構６１の減速比などに基づく倍率を乗じたものとなる。

例えば、第１の遊星歯車機構６１の減速比が「３．８」、アウターギヤ７２の歯数が「４２」、サンギヤ７３の歯数が「１２」である場合には、
６０度×３．５×３．８＝７９８度
なり、約２．２回転となる。したがって、モータ１１は２．２回転するまでに所定の必要な回転速度まで立ち上がっていればよいことになる。

このように、本実施形態の遊星歯車機構１２は、モータ１１の回転を減速する減速機であり、かつ、その回転力を衝撃力に変換する衝突エネルギ発生機構でもある。相対角度範囲αを６０度と大きくとることができるので、遊星歯車機構１２の減速比などとの相乗作用によってモータ１１などが慣性エネルギーを蓄えるに十分な回転角度を得ることができ、大きな衝撃力つまり締付トルクＴＱを発生することができる。

しかも、モータ１１の回転速度を制御することによって、衝撃力（トルク）を正確に調整することができ、ネジ締めにおける締付トルクＴＱを高精度で調整し管理することができる。また、温度変化などによる衝撃力の変動もなく、温度によって締付トルクＴＱが変動することがない。

さらに、衝撃力は突出係合部７２１，７２２が突出係合部６２１，６２２に衝突することによって発生し、そのときの突出係合部７２１，７２２の速度はそれほど大きくなく、かつ衝突によって停止するから、衝撃音が小さく、大きな騒音にならない。また、大きく摩耗する部分がなく、各部の耐久性が向上し、通常の歯車と同様に寿命が長く、メンテナンスが容易である。また、構造が簡単であり、小型にコンパクトに構成することができる。

また、アウターギヤ７２が突出係合部６２１，６２２に衝突した時点において、モータ１１の電流を零としてモータ１１をフリーの状態とする。このようにすることで、衝突の反動による跳ね返りによってアウターギヤ７２が反対方向である正方向（Ｍ１方向）にある程度回転するので、跳ね返りの途中でモータ１１に逆方向の電流を流して逆方向に回転させ、初期位置（加速位置）ＳＴに迅速に戻す。その後、モータ１１に正方向の電流を流して正方向の回転を加速する。

衝突の後でアウターギヤ７２を初期位置に戻すためにモータ１１を逆方向に回転させることによって、より短時間で初期位置に戻すことが可能となり、サイクルタイムが短縮されて一定時間に衝撃力を発生する回数を多くすることができる。

なお、アウターギヤ７２が初期位置に戻ったか否かを確認するために、種々の方法を用いることが可能である。例えば、アウターギヤ７２がアウターギヤ６２に衝突した時点から第１の時間ＴＦが経過したときとする。または、アウターギヤ７２の回転角度位置を検出するセンサを設けておく。または、モータ１１の回転角度をエンコーダ１４により検出してアウターギヤ６２の回転角度を演算する。なお、このような第１の時間ＴＦは、タイマーなどを用いて設定可能としておき、ユーザによって調整可能としておけばよい。

このように、モータ１１に流す電流を制御することで、アウターギヤ７２をアウターギヤ６２に衝突させ、初期位置に戻し、次の衝突のために加速する、という動作を容易に実現することができる。衝突時のアウターギヤ７２の速度を制御して、衝撃力の大きさおよび衝撃力を発生させる間隔を容易に制御することができる。

しかも、衝突のたびごとの初期位置が安定し、同一の位置から加速を開始するので衝撃力の安定性および再現性が良好である。

また、アウターギヤ７２がアウターギヤ６２に係合した状態では、遊星歯車機構１２は二段の通常の遊星歯車機構として動作するから、モータ１１の連続回転によって所定の減速比で減速して出力軸１５を連続的に回転させ、ネジを高速回転させて締めつけることができる。例えば高速回転によってネジを着座させることができる。また、逆方向に高速回転させてネジを緩めることができる。このように、通常のナットランナまたはドリルとしても使用することができる。

そして、モータ１１の制御のモード（速度制御モード、インパクトモード）を切り換えるだけでり、出力軸１５からの出力を通常の高速回転と衝撃力による高トルクとに容易に切り換えることができる。

また、アウターギヤ６２に加わるトルクがトルク検出装置１３により検出されるので、通常の高速回転時における出力トルク、インクトレンチとしての出力トルクを容易に演算で瞬時に求めることができ、モータ１１の制御によって出力トルク（締付トルク）を高精度に維持することができる。また、必要なトルクを瞬時に発生することが可能である。

そして、本実施形態によるときは、衝撃力による反力が小さく、消費されるエネルギーも低減されてエネルギー効率が高められている。次に、これらの点について説明する。

すなわち、ネジ締め装置１では、インパクトモードにおいて、アウターギヤ７２がアウターギヤ６２に衝突した時点でモータ１１の電流を零にする。つまり、衝撃力が発生した直後においてモータ１１の電流を零にしてエネルギーの供給を停止する。そうすると、それまで回転していた部分の慣性エネルギーによる衝撃力のみに基づいて、負荷であるネジを回転させて締め付けることとなり、つまり締付トルクＴＱが得られることとなり、本体ケーシング１０にはその締付トルクＴＱによる反力が全く現れない。その結果、ネジ締め装置本体３を手で持って操作している作業者には衝撃による反力が作用せず、片手持ちで操作しても作業者の負担とならない。

しかも、衝撃力は慣性エネルギーによって発生させ、衝撃力が発生した時点でモータ１１の電流を零にするので、無駄な電流が消費されることなく、エネルギー効率が高い。

因みに、従来においては、衝撃力を発生させた後もモータ１１を回転駆動しており、これが電流の無駄な消費となり発熱の原因となっていた。

つまり従来の装置では、連続的に回転するモータの回転力に基づいて間欠的に衝撃トルクを発生させる機構であることから、衝撃トルクの発生時に発生する反作用に対して機構の都合上押し切り動作を必要とし、その押し切り動作の間において、モータは最大トルクを発生し続けている。ところが、その間のモータの回転出力は、衝撃トルクを発生しまたは増大するために用いられるのではなく、衝撃トルクが発生したときの巨大な反力を単に受けているだけであり、これが構造上のエネルギー損失となってエネルギー効率が非常に悪くなり、かつ作業者への反力が大きい状態となっていたのである。

本実施形態による遊星歯車機構１２およびモータ１１の制御方法によると、衝撃力を発生させるための慣性エネルギーの蓄積のためにのみモータ１１を回転させて加速し、衝撃力が発生した瞬間にはモータ１１の駆動をやめることにより、作業者に反力が加わらないようにするとともに、無駄なエネルギーを消費しないようにし、これによって従来と比較して半分程度の消費電力で済み、省エネルギー、省コスト、軽量小型化の点で大幅に改善することができたのである。

また、アウターギヤ７２がアウターギヤ６２に衝突したときの反力で反対側に回転するが、この回転力を回生して電源側に回収することによってさらにエネルギー効率を高めることができる。

なお、上の実施形態において、アウターギヤ７２の突出係合部７２１，７２２は本発明の「ハンマー」に相当し、アウターギヤ６２の突出係合部６２１，６２２は本発明の「アンビル」に相当する。しかし、出力軸１５に加わる衝撃力は、上に述べたように、アウターギヤ７２がアウターギヤ６２に衝突することを起因として、それまでに蓄えられていた慣性エネルギーが出力軸１５に加えられることによって得られるものである。つまり、アウターギヤ７２のアウターギヤ６２への衝突を契機として衝撃力が発生するが、衝撃力を実際に発生させるのは、モータ１１および遊星歯車機構１２に蓄えられた慣性エネルギーである。要は、衝撃力が発生したときに、モータ１１を自由回転が可能な状態とし、これによって作業者に反力が加わらないようにすればよい。

また、アウターギヤ７２やハンマーの回転方向について、これらは機構上の配置などによって異なるものであるから、実質的な意味を考慮して決定すればよい。例えば、注目するある特定の機能を生じさせる方向を「正」と考えてもよい。

次に、ネジ締め装置本体３の制御装置を含めたネジ締め装置１の全体について説明する。なお、ここでは主として制御装置について説明する。

図６はネジ締め装置１の全体の構成を示すブロック図である。

図６において、ネジ締め装置１は、ネジ締め装置本体３、および、サーボドライバ７と制御用コントローラ８とを有した制御装置４からなる。

トルク検出装置１３は、モータ１１によるネジの締付トルクＴＱを検出し、検出信号Ｓ３１を出力する。

エンコーダ１４は、モータ１１の回転速度を検出するためのものであり、モータ１１の回転数に比例した個数のパルス信号を出力する。

サーボドライバ７は、電源部２１、インバータ２２、ＡＤ変換器２３、加算器２４、速度誤差アンプ２５、切り替え器２６、リミット回路２７、電流制御演算部２８、ＰＷＭ回路２９、ゲートドライブ３０、エンコーダ信号処理部３１、速度検出部３２、電流検出器３３，３４、およびＡＤ変換器３５，３６などからなる。

制御用コントローラ８は、プリアンプ４１、ＡＤ変換器４２、パラメータ格納部４３、および指令制御部４４などからなる。指令制御部４４には、速度／電流指令演算部５１、運転制御モード切替え部５２、および速度／電流リミット部５３などが設けられる。

電源部２１は、例えばＡＣ１００ボルトの交流電力を整流し、適当な種々の電圧の直流電力に変換する。直流電力は、インバータ２２、およびその他の回路および各部に供給される。

ＡＤ変換器２３は、速度／電流指令演算部５１から出力される速度／電流指令（速度／トルク指令）Ｓ１を入力し、それに応じたデジタル値の指令データＤ１を出力する。指令データＤ１は、運転モードに応じて、速度指令データＤ１Ｓとなったり、電流（トルク）指令データＤ１Ｔとなったりする。

加算器２４は、ＡＤ変換器２３から出力される指令データＤ１から、速度検出部３２から出力される速度データＤ２１を差し引く。

速度誤差アンプ２５は、加算器２４から出力される速度指令データＤ２を差動増幅する。

切り替え器２６は、運転制御モード切替え部５２からの制御切替え指令Ｓ２に応じて、速度誤差アンプ２５の出力する速度指令データＤ３とＡＤ変換器２３の出力する電流指令データＤ１Ｔとを切り替える。つまり、速度制御を行うときには速度誤差アンプ２５の出力する速度指令データＤ３に、電流制御（トルク制御）を行うときにはＡＤ変換器２３の出力する電流指令データＤ１Ｔに、それぞれ接続されるように切り替える。

リミット回路２７は、速度／電流リミット部５３からの速度／電流リミット指令（速度／トルクリミット指令）Ｓ３に基づいて、モータ１１の回転速度または電流の最大値を制限するように制御する。

電流制御演算部２８は、リミット回路２７の出力する指令データＤ４、エンコーダ信号処理部３１の出力するデータＤ５、およびＡＤ変換器３５，３６の出力する電流データＤ６，Ｄ７に基づいて、モータ１１に流す電流値を演算し、電流指令データＤ８として出力する。

ＰＷＭ回路２９は、電流制御演算部２８の出力する電流指令データＤ８に基づいて、ＰＷＭ（パルス幅変調）を行い、パルス幅変調の行われたパルス信号Ｄ１０を出力する。

ゲートドライブ３０は、パルス信号Ｄ１０に基づいて、インバータ２２の各スイッチング素子のゲートをオンオフするためのパルス信号Ｄ１１を生成する。

エンコーダ信号処理部３１は、エンコーダ１４から出力されるパルス信号の信号処理を行う。

速度検出部３２は、エンコーダ信号処理部３１から出力される信号に基づいて、速度を検出し、速度に応じた値を示す速度データＤ２１を出力する。したがって、速度データＤ２１は、モータ１１の実際の回転速度を表すことになる。

電流検出器３３，３４は、モータ１１に流れるｕ相およびｗ相の電流（モータ電流）ｉを検出する。ＡＤ変換器３５，３６は、電流検出器３３，３４により検出されたモータ電流ｉを、それぞれデジタル値の電流データＤ６，Ｄ７に変換する。

プリアンプ４１は、トルク検出装置１３によって検出された検出信号Ｓ３１を増幅する。ＡＤ変換器４２は、プリアンプ４１の出力する信号Ｓ３２をデジタル値のトルクデータＤ３１に変換し、速度／電流指令演算部５１に出力する。トルクデータＤ３１は、上に述べたように、ネジに対する実際の締付トルクＴＱを示すデータである。

パラメータ格納部４３は、速度／電流指令演算部５１などの演算に必要な種々のパラメータを格納する。パラメータとして、例えば、最小の電流値、計測開始トルク、着座トルクＴＳ、目標接近トルクＴＱＮ、目標トルクＴＱＪ、締付トルクＴＱの最大値ＴＱＭ、電流スロープθ、第１スロープθ１、および第２スロープθ２などがある。これらのパラメータは、設定器４５により設定される。設定器４５として、デジタルスイッチ、テンキー、タッチパネル、または切替えスイッチなどが用いられる。

速度／電流指令演算部５１は、ＡＤ変換器４２からのトルクデータＤ３１、パラメータ格納部４３からのパラメータなどに基づいて、速度指令値および指令用の電流値を演算し、速度／電流（トルク）指令Ｓ１として出力する。

なお、速度／電流（トルク）指令Ｓ１のうちの電流指令Ｓ１Ｔは、後述する電流パルスＤＰがオン時間ＴＮの間のみ、指令用の電流値を出力し、オフ時間ＴＦの間は、電流指令Ｓ１Ｔをゼロとする。

運転制御モード切替え部５２は、速度制御モードとインパクトモード（電流制御モード、トルク制御モード）とを切り替える。

速度制御モードでは、モータ１１の回転速度が、速度指令データＤ１Ｓにより設定された速度となるように制御を行う。負荷が変動しても、設定された速度となるように、モータ１１に流れる電流を制御する。速度制御モードでは、電流のリミット値を設けることができる。電流のリミット値により、電流の最大値が制限される。したがって、負荷の状態によっては、設定された速度に達しない場合がある。

インパクトモードでは、モータ１１に流れる電流の方向および大きさを制御し、遊星歯車機構１２において衝撃トルクを発生するように制御する。インパクトモードにおいて、モータ１１には電流指令データＤ１Ｔにより指定される電流が流れる。モータ１１の回転速度は、設定された電流値に応じて変化する。

切り替え器２６によって、速度制御モードでは速度指令データＤ３が選択され、インパクトモードでは電流指令データＤ１Ｔが選択される。

自動運転時の締付け動作において、最初は速度制御モードで運転を行い、出力軸１５を高速回転させる。出力軸１５に発生する締付トルクＴＱが予め設定された着座トルクＴＳに達したときに、負荷であるネジが着座したと判断し、インパクトモードに切り替える。インパクトモードでは、電流指令データＤ１Ｔにより示される電流が流れ、または電流が零となり、モータ１１は正方向と逆方向の回転を繰り返す。

手動運転時では、図示しない切り替えスイッチの操作に応じて、いずれかのモードが設定される。

速度／電流リミット部５３は、速度および電流（トルク）の最大値を設定し、設定した値をリミット回路２７に与える。

制御用コントローラ８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の周辺素子などを用いて構成される。上に述べた速度／電流指令演算部５１、運転制御モード切替え部５２、および速度／電流リミット部５３などは、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵで実行されることによって実現される。それらの一部をハードウエア回路で実現することも可能である。

制御用コントローラ８は、データまたは指令を入力するための入力装置、締付けの良否結果などを表示するための表示装置、他のデータ処理システムまたは制御装置との通信のための通信装置などを備える。

次に、ネジ締め装置１の制御方法について、動作状態を示す図を参照して説明する。

図７はネジ締め装置１によるネジ締め動作の全体の状態を示す図、図８はインパクトモードにおける電流指令データＤ１Ｔおよびモータ１１の回転速度などとの関係を示す図、図９は図８の一部を拡大して示す図である。

図７に示すように、最初は速度制御モードで運転を行い、出力軸１５を高速回転させる。この間において、遊星歯車機構１２は減速機として動作する。出力軸１５に発生する締付トルクＴＱが予め設定された着座トルクＴＳに達したときに、負荷であるネジが着座したと判断し、インパクトモードに切り替える。インパクトモードでは、電流指令データＤ１Ｔにより示される電流が流れ、または電流が零となり、モータ１１は正方向と逆方向の回転を繰り返す。

図８および図９に示すように、インパクトモードにおいて、電流指令データＤ１Ｔは、時間Ｔ１において正の一定の値が続き、次の時間Ｔ２において零となり、次の時間Ｔ３において負の一定の値が続き、次の時間Ｔ４において零となる。これが繰り返される。

そうすると、電流指令データＤ１Ｔに対して応答遅れを持った電流ｉが流れる。

時間Ｔ１において、モータ１１は正の回転方向に加速され、時刻ｔ２においてアウターギヤ７２がアウターギヤ６２に衝突し、衝撃力が発生する。衝撃力が発生したことは、トルク検出装置１３によって締付トルクＴＱが一定値以上となったことによって検出される。この衝撃力によってネジが回転し、衝撃力の元である慣性エネルギーの大きさに応じたネジの締め付けが行われる。

そして、時刻ｔ２において、モータ１１の電流指令データＤ１Ｔが零となる。モータ１１の電流指令データＤ１Ｔが零となった直後は実際の電流ｉはまだ流れているため、モータ１１の回転速度ｎは若干増大し、その後に回転速度ｎは減少し、時刻ｔ３において回転速度ｎが零となる。時刻ｔ２から時刻ｔ３の間が時間Ｔ２とほぼ一致する。時間Ｔ２においてモータ１１はトルクを発生していないから、締付トルクＴＱの反力は作業者に伝わらない。

モータ１１の回転速度ｎが零になったころに、負の電流指令データＤ１Ｔを送ってモータ１１に逆方向の電流ｉを流して逆方向に回転させる。モータ１１は時間Ｔ３において逆方向に回転加速し、その後の時間Ｔ４において、慣性のために一定の回転速度ｎで回転する。この間において、アウターギヤ７２は反対方向に回転し、初期位置に戻る。

時間Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の合計が、上に述べた第１の時間ＴＦに相当する。したがって、これらの時間Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を調整することによて、第１の時間ＴＦを調整することができる。

なお、時間Ｔ１は例えば１０〜２０ｍｓ程度、時間Ｔ２は例えば４〜１０ｍｓ程度、時間Ｔ３は例えば３〜１０ｍｓ程度、時間Ｔ４は例えば８〜２０ｍｓ程度である。時間Ｔ１〜４の合計つまり１サイクルは例えば３０〜５０ｍｓ程度である。時間Ｔ２〜４の合計の時間が、アウターギヤ７２が衝突してから初期位置に戻るまでの時間である。

また、時間Ｔ１における電流指令データＤ１Ｔの高さ（振幅）に応じた大きさの電流ｉが流れ、これに応じてモータ１１の回転が加速される。電流指令データＤ１Ｔは、通常、最大値とする。しかし、インパクトモードにおける締付トルクＴＱの大きさを調整するために、電流指令データＤ１Ｔの大きさ（振幅）を調整し、また時間Ｔ１を調整してよい。

また、時間Ｔ３における電流指令データＤ１Ｔの大きさを調整することによって、アウターギヤ７２が初期位置に戻るまでの時間が調整される。

なお、アウターギヤ７２が衝突後の反力のみで初期位置に戻るようにしてもよい。その場合にはモータ１１を逆転させるための電流を流す必要がない。また、アウターギヤ７２がアウターギヤ６２に衝突した後において、直ぐにモータ１１に逆方向に電流を流して逆転させてアウターギヤ７２を初期位置に戻してもよい。

次に、ネジ締め装置１におけるネジ締め動作の流れをフローチャートによって説明する。

図１０はネジ締め装置１におけるネジ締め動作の流れを示すフローチャート、図１１はインパクトモードにおける動作を示すフローチャートである。

図１０において、まず、速度制御モードによる速度制御が行われる（＃１１）。速度制御では、速度指令データＤ１Ｓによってモータ１１の回転速度が設定される。速度指令値が徐々に増大され、モータ１１の回転速度も増大する。所定の回転速度になると、一定値に維持される。

つまり、ネジが着座する前に、モータ１１に電流を流してハンマーであるアウターギヤ７２を回転させ、アウターギヤ７２がアンビルであるアウターギヤ６２に当接した状態で出力軸１５を回転させてネジを連続的に回転させる。

これによって、モータ１１が高速回転し、ネジの着座までの仮締めが行われる。

締付トルクＴＱが着座トルクＴＳに達すると（＃１２でイエス）、ネジが着座したと判断し、インパクトモードに切り換える（＃１３，１４）。なお、インパクトモードに切り換える前に、モータ１１に流す電流を一旦零としてもよい。

インパクトモードでは、締付トルクＴＱが目標トルクＴＱＪに達するまでの間（＃１５でノー）、電流制御を行う。

締付トルクＴＱが目標トルクＴＱＪに達すると（＃１５でイエス）、モータ１１を停止させる（＃１６）。モータ１１を停止させるために、電流パルスＤＰの供給を停止し、モータ１１に流れる電流を零にする。

そして、最終の締付トルクＴＱおよびそれまでに現れた最大値ＴＱＭについて、設定された上下限値の範囲内に入っているか否かを判定し、判定結果を表示装置の表示面に表示する（＃１７）。

図１１において、インパクトモードでは、モータ１１に電流を流して正方向（Ｍ１方向）に回転させる（＃２１）。これによって、サンギヤ６３、７３は正方向に回転し、アウターギヤ７２は逆方向（Ｍ２方向）に回転する（＃２２）。アウターギヤ７２がアウターギヤ６２に衝突すると（＃２３でイエス）、モータ１１の電流を停止する（＃２４）。衝撃力による締付トルクＴＱが発生し、これによってネジを締めつける（＃２５）。アウターギヤ７２は、衝突の反動で反対方向つまり正方向（Ｍ１方向）に回転する（＃２６）。モータ１１に逆方向の電流を流して逆転させ（＃２７）、アウターギヤ７２を初期位置にまで戻す（＃２８）。

ステップ＃２１〜２７が、目標トルクＴＱＪに達するまで繰り返される（＃１４、１５）。

本実施形態によると、ネジ締め装置１は、遊星歯車機構１２が減速機と衝突エネルギ発生機構とを兼用しており、シンプルな構成で軽量かつコンパクトにすることができる。モータ１１の制御によって、速度制御モードのようなダイレクト動作（連続動作）とインパクトモードによるインパクト動作とを簡単に切り換えることができるので、ネジ締めにおいて高速かつ高精度でネジ締め動作を行えるのみでなく、穴あけ動作とネジ締め動作とを１つのネジ締め装置１で簡単に行うことができる。

上に述べた実施形態において、アウターギヤ６２，７２の突出係合部６２１，６２２，７２１，７２２をそれぞれ２つずつ設けたが、３つずつまたはそれ以上を等間隔に設けてもよい。１つずつの場合は衝撃によって半径方向の力が発生するので、これの対策を行っておけば可能である。また、相対角度範囲αを６０度としたが、これ以上であってもこれ以下であってもよい。２つのアウターギヤ６２，７２の突出係合部の大きさを同じにしたが、互いに異なっていてもよい。

上の実施形態において、遊星歯車機構１２、ネジ締め装置本体３、制御装置４、ネジ締め装置１の全体または各部の構造、形状、個数、処理の内容または順序などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

上に述べた実施形態では、衝撃発生装置として遊星歯車機構１２を用いた例について説明したが、遊星歯車機構１２以外の構造の衝撃発生装置についても本発明を適用することができる。

本発明に係るネジ締め装置本体の正面断面図である。 ネジ締め装置本体の要部の拡大断面図である。 歯車機構の外観を示す正面図である。 図１における歯車機構のＡ−Ａ線断面矢視図である。 歯車機構による衝撃の発生を説明するための図である。 ネジ締め装置の全体の構成を示すブロック図である。 ネジ締め装置によるネジ締め動作の全体の状態を示す図である。 インパクトモードにおける各部の動作状態を示す図である。 図８の一部を拡大して示す図である。 ネジ締め装置におけるネジ締め動作の流れを示すフローチャートである。 インパクトモードにおける動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ネジ締め装置
３ ネジ締め装置本体
１０ 本体ケーシング
１１ モータ
１２ 遊星歯車機構
１３ トルク検出装置
１５ 出力軸
６１ 第１の遊星歯車機構
６２ アウターギヤ（アンビル）
７１ 第２の遊星歯車機構
７２ アウターギヤ（ハンマー）
６２１，６２２ 突出係合部
７２１，７２２ 突出係合部
ＳＴ 初期位置

Claims (7)

1. 電動式のモータを回転駆動源とし、ハンマーをアンビルに衝突させることによりインパクトを発生させて負荷に回転力を与えるインパクト式のネジ締め装置であって、
   前記ハンマーが前記アンビルから離れた位置である初期位置にあるときに、前記モータに電流を流してハンマーを正方向に回転させて加速し、前記ハンマーを前記アンビルに衝突させてインパクトを発生させ、
   前記ハンマーがアンビルに衝突した後は、前記モータに流す電流を零にして前記モータを自由回転が可能な状態とするか、または前記モータに逆方向に電流を流して前記モータを逆転させることによって、前記ハンマーを前記アンビルとの衝突位置から前記初期位置に戻し、
   これを繰り返すことによって前記負荷に連続的にインパクトを与えるように構成された、
   ことを特徴とするインパクト式のネジ締め装置。
2. 前記ハンマーがアンビルに衝突した後において、前記モータに流す電流を零にして前記モータを自由回転が可能な状態とし、前記ハンマーのアンビルへの衝突による跳ね返りによって前記ハンマーを前記初期位置に戻す、
   請求項１記載のインパクト式のネジ締め装置。
3. 前記ハンマーがアンビルに衝突した後において、前記モータに逆方向に電流を流して前記モータを逆転させることによって前記ハンマーを前記初期位置に戻す、
   請求項１記載のインパクト式のネジ締め装置。
4. 前記ハンマーがアンビルに衝突した後において、前記モータに流す電流を一旦零にし、その後に逆方向に電流を流して前記モータを強制的に逆転させ、これによって前記ハンマーを前記初期位置に戻す、
   請求項１記載のインパクト式のネジ締め装置。
5. 前記ハンマーがアンビルに衝突したことが検出されてから予め設定された第１の時間が経過したときに、前記ハンマーが前記初期位置に戻ったとして前記モータに電流を流してハンマーを正方向に回転させる、
   請求項４記載のインパクト式のネジ締め装置。
6. 前記ハンマーがアンビルに衝突したことが検出されてから予め設定された第１の時間が経過するまでの間において、予め設定された第２の時間だけ前記モータに逆方向に電流を流す、
   請求項５記載のインパクト式のネジ締め装置。
7. 前記負荷に与える回転トルクを検出するトルクセンサを設けておき、
   前記トルクセンサの検出信号が予め設定された設定トルクに達したときに、前記ハンマーがアンビルに衝突したことを検出する、
   請求項１ないし６のいずれかに記載のインパクト式のネジ締め装置。