JP2008284681A - ねじ回し装置を制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじ回し作業を行うべき構造素子の材料特性に関わらず、安定したねじ連結を形成できる方法を得る。
【解決手段】当接領域２４を有する固定素子１８を構造素子２０にねじ込む、ねじ込みプロセスＥＶ中に、ねじ回し用ビット１６を最大回転値Ｄｍａｘに達する回転数で回転させ、ねじ回し用ビット１６と固定素子１８との間に回転モーメントＭＡを発生させ、所定の作動ねじ込み深度ｓ０に達したことを検出した後、緊締プロセスＡＶ中に回転数Ｄを最大回転値Ｄｍａｘから減少し、回転モーメントＭＡが所定の最終値に達したときねじ回し動作を終了させる方法において、所定の作動ねじ込み深度ｓ０に達した後、回転モーメントＭＡの基準点Ｒまでの推移に基づいて、回転モーメントＭＡの最大緊締値ＭＡｍａｘＡを算出し、この最大緊締値ＭＡｍａｘＡに達するとねじ回しプロセスを終了する。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１記載の、電源ケーブルまたは蓄電池パックによって駆動する、とくに手持ち式のねじ回し装置の駆動装置によって行うねじ回しプロセスを制御する方法および、この方法を実行する制御装置を有する手持ち式ねじ回し装置に関する。この方法によれば、ねじ込みプロセスにおいて、ねじ回し用ビットを固定した工具ホルダに駆動装置によって応力を加えることにより、当接領域を有する固定素子を構造素子にねじ込む。この際、ねじ回し用ビットを暫時に回転数の最大回転値で回転し、ねじ回し用ビットと固定素子との間に回転モーメントを発生させる。当接領域が構造素子に接触する手前の、所定の作動ねじ込み深度に達したことを検出すると、緊締プロセスにおいて回転数を最大回転値から減少させる。回転モーメントが所定の最終値達したことを検出すると、ねじ回しプロセスを終了する。

この種の回転モーメントに基づいて駆動装置を制御するねじ回し装置では、使用者が行うプリセットがより少ないため、機械的に操作を停止するねじ回し装置と比較して、固定素子の取り付けが著しく簡単である。同時に、取り付けの欠陥または取り付けの失敗が起こる危険性が著しく減少し、かつ作動速度が上昇し、ねじ回し装置の大きさと重量を小さくできる。

特許文献１（独国特許第３６２０１３７号）には、ねじおよびナットをねじ込んで固定するための、純粋な制御方法を有する据付けねじ回し機械が記載されている。このねじ回し機械によって行うねじ回しプロセスは、２個の、休止時間によって分断された段階、すなわち接触段階と緊締段階とを有する。これらの段階はいずれも、所定の作動停止ねじ回転モーメントに達すると自動的に終了する。この際、誘導的深度センサによって制御しながらねじ回転数を、ねじまたはナットが基礎に接触する接触状態に接近する際に最終値まで減少させる。
独国特許第３６２０１３７号明細書

この既知の方法によれば、ねじ連結において特定の最大緊締モーメントが順守されることを保証でき、これによって該当する固定素子と構造素子との間で冷間溶接することを回避できる。

上述の既知の方法は、特に深度センサを設けたことと、所定の作動停止ねじ回しモーメントが必須であることから、同一の用途にしか適さないという欠点を有する。さらに、この方法は、複数の直接連続するねじ回しプロセスを、作動軸線と該当する構造素子の表面との間の角を互いに変化させて行う場合や、該当する建造素子の材料特性が様々である場合に用いることには適さない。従って、上述の既知の方法は手持ち式ねじ回し装置において用いることに適さない。特にタッピングを行う場合は、固定素子を事前に形成した凹所にねじ込むのではなく、固定素子を該当する構造素子にねじ込む際に切削または圧入することで凹所を形成するため、この方法を用いることは適さない。

本発明の課題は、電動ねじ回し装置の駆動装置を制御するためのこの種の方法であって、前述の欠点を回避し、かつ、手持ち式で、とくにタッピングを行うねじ回しプロセス（工程）において、ねじ回し作業を行うべき構造素子の材料特性に関わらず、安定したねじ連結の形成を保証する方法を得ることにある。

この課題は、本発明特許請求の範囲における請求項１に記載の特徴を有する制御方法によって解決する。本発明によれば、所定の作動ねじ込み深度に達した後に、基準点に達するまでの回転モーメントの推移に応じて回転モーメントの最大緊締値を算出し、この最大緊締値に達するとねじ回しプロセスを終了させる。

この方法により、例えば該当する構造素子の材料を切削または変形するねじ込みプロセスにおける回転モーメントの推移を、その材料特性を評価するために用いることができる。このように評価することにより、それぞれの構造素子に特に適すると考えられる回転モーメントの最大緊締値を決定でき、この最大緊締値に達するとねじ回しプロセスを自動的に終了する。

とくに好適な方法では、最大緊締値を回転モーメントの最大回転値に基づいて算出する。これにより、それぞれの構造素子の材料特性を確実かつ簡単に評価することができる。

好適には基準点を、作動ねじ込み深度に達した時点に所定の時間間隔を加えた時点によって定義する。これにより作動ねじ込み深度を、実際に当接領域が接触する深度から十分に差をつけて設けると同時に、基準点を実際の接触直後の範囲に設定することができ、これによって、基準点を算出する際に時間が遅れることにより、基準点が実際に当接領域によって接触した時点よりも大きくずれることを回避できる。

好適には、回転数の減少を基準点に達した後に生ずるようにし、この減少は連続的に減少するものとする。これにより、緊締プロセス（工程）の開始によって直接、回転数を連続的に減少させることによって、緊締プロセスを回転モーメントの最大緊締値に関してとくに正確に終了することができる。

好適には、作動ねじ込み深度の達を接触センサによって検出することにより、比較的頑丈で、汚れ、湿気、とくに建築現場において生じうる振動に対して強いセンサ装置を用いることができる。

さらに、緊締プロセスの際に、好適には回転数を所定の中間値まで減少させる。この場合、中間値を、緊締プロセスが十分に速く行われるように、ただし同時に回転モーメントの最大緊締値に達すると迅速かつ正確に終了することが保証されるように決定できる。

好適には、駆動装置のスイッチを切ることにより駆動装置の作動を停止させ、スイッチを切る時点は、モータの停止をもって必要とする最大緊締値ＭＡｍａｘＡに達するように選択する。この方法により、ねじ回しプロセスを、とくに緊締プロセス中における回転モーメントの推移が一定かつ急激過ぎないようにして、とくに正確かつエネルギー効率よく、最大緊締値に達したときに終了できる。

好適には、駆動装置を、制動を加えることにより停止する構成とする。このように駆動装置に能動的に制動を加えることは、例えばモータ回転方向の転向により可能であり、特に電気的に整流するモータでは、制御エレクトロニクスを設けることにより特に簡単に行える。これにより、最終値と最大緊締値との間の時間的および量的な差異を著しく縮小できるため、ねじ回しプロセスを、とくに緊締プロセスの際に回転モーメントの推移が急激または一定でない場合に、特に正確に最大緊締値に達した時点で終了できる。この際、能動的な制動を受動的な制動の代替として、または付加的に加えることができる。付加的に加える場合は、緊締プロセスにおける回転モーメントの推移に基づいて、駆動装置を受動的に制動するか、能動的に制動するかを決定する。

本発明の課題はさらに、手持ち式ねじ回し装置であって、上述した方法のうちいずれかの実施形態を実行する制御装置を設けたねじ回し装置によって解決する。

このねじ回し装置の接触センサに、工具ホルダを包囲する接触スリーブを設け、この接触スリーブを開始位置においてねじ込み方向に関して当接領域から突出させると有利である。これにより、固定素子の加工すべき構造素子に対する角度が僅かしかとれない場合でも、作動ねじ込み深度を確実に検出できることを保証し、作動ねじ込み深度をこのように検出する場合、固定素子のそれぞれの長さには依存しないものとすることができる。

好適には、駆動モーメントを算出するためにセンサ装置を備え、このセンサ装置により、駆動軸の磁気領域によって生ずる磁場のねじれに依存する変化を検出し、これらの変化を信号化して制御装置に伝送する。これにより、駆動モーメントを特に正確に算出できる。センサ装置は比較的コンパクトに構成し、これによりねじ回し装置内において必要な構造上の空間を比較的小さくできる。

他の実施形態では、制御装置に接続したセンサ手段によって駆動装置において生ずるモータ電流、モータ回転数およびモータ回転数変化を算出する。これにより回転モーメントを、測定した駆動電流に応じて決定する駆動モーメント、測定した回転数に応じて決定する抵抗モーメントおよび、算出した回転数変化に応じて決定する慣性モーメントによって計算できる。この方法により、回転モーメントの決定に必要なすべてのセンサを駆動装置に備えることができ、これによって構造を特にコンパクトにできる。

次に、図面につき本発明の好適な実施例を説明する。

図１には、手持ち式乾式施工用ねじ回しとして構成した電動ねじ回し装置を示す。このねじ回し装置は、モータ６を備えた駆動装置４および伝動装置１０を有し、このモータ６を例えばブラシレスモータとして構成し、図示のように電源ケーブル８または、代案として蓄電池パックによって給電する。

駆動装置４によって駆動軸１２を駆動し、この駆動軸１２をビットホルダとして構成した工具ホルダ１４に連結する。この工具ホルダ１４にはねじ回し用ビット１６を挿入し、このねじ回し用ビット１６によって、例えばタッピンねじなどの固定素子１８をねじ込み方向Ｒに沿って構造素子２０にねじ込むことができる。この構造素子２０は、単一部分または、図示するように例えば支持素子に固定すべき金属板などの複数個の部分からなるものとする。

固定素子１８は当接領域２４を有し、この当接領域２４を図示の例では、弾性リング３０のねじ込み方向側の側面によって構成する。この弾性リング３０は、ねじヘッド２６に配置したワッシャ２８に設ける。代案として、当接領域２４をワッシャ２８またはねじヘッド２６自体によって構成することもできる。ワッシャ２８を使用する場合は、ワッシャ２８をねじと一体的または別個に構成することができる。

工具ホルダ１４の周方向にスリーブ状の接触センサ３２を設け、この接触センサ３２をばね手段３４によって、とくに図２Ａに示すように、ねじ込み方向Ｒに関して「ｕ」の距離だけ当接領域２４から突出させる。この方法により、接触センサ３２によって作動ねじ込み深度ｓ０を確定し、この作動ねじ込み深度ｓ０に達すると適切な信号を接触センサ接続ラインＫＳによって制御装置３６に伝送する。この信号により、駆動装置４をねじ込みプロセスＥＶ中に制御する。

図２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび図３には例として、この方法で制御するねじ込みプロセスＥＶの推移を示す。

この例では、図２Ａに示すようにまず固定素子１８の先端３８を構造素子２０に接触させ、操作素子３９(図１参照)を押圧することにより駆動装置４を作動させる。これによってねじ込みプロセスＥＶが開始し、工具ホルダ１４によって、ねじ回し用ビット１６および固定素子１８が回転数Ｄで回転駆動される。

図３には、回転数Ｄが最大回転値Ｄｍａｘに達した時点以降のねじ込みプロセスＥＶを示す。ここでは、回転数Ｄの最大回転値Ｄｍａｘにおいて固定素子１８を構造素子２０にねじ込む。この際に、ねじ回し装置２によって、変動する回転モーメントＭＡを固定素子１８に伝達し、この回転モーメントＭＡは、通常はねじ込みプロセスＥＶの中間の時点で最大回転値ＭＡｍａｘＥをとり、この最大回転値ＭＡｍａｘＥに達した後はねじ込みプロセスＥＶが終了するまで、回転モーメントＭＡは再び減少する。

作動ねじ込み深度ｓ０が接触時点ｔＫに達すると、図２Ｂに示すように、接触センサ３２が第１構造素子２０に接触して適切な信号を接触センサ接続ラインＫＳによって制御装置３６に送る。この接触時点ｔＫ以降、接触センサ３２は続行するねじ込みプロセスにおいて、図３にｓＫＳによって示すように、ねじ回し装置２のその他の部分に対して相対的に摺動する。

このように検出した作動ねじ込み深度ｓ０によって基準点Ｒを確定し、この基準点Ｒは、例えば、接触時点ｔＫ自体または、図３に示すように、接触センサ３２の所定の摺動経路ｄｓによって決定する基準深度ｓＲまたは、接触時点ｔＫに所定の時間間隔ｄｔを加えることにより決定する基準時点ｔＲによって定義することができる。

いずれの場合にも、基準点Ｒを可能な限り、実際に当接領域２４が構造素子２０に接触する時点と一致するように選択し、この基準点Ｒ以降はねじ込みプロセスＥＶを終了し、緊締プロセスＡＶを開始する。緊締プロセスＡＶの際は、回転モーメントＭＡは再び著しく上昇する。

制御装置３６によって、回転モーメントＭＡの基準時点ｔＲまでの推移に応じて回転モーメントＭＡの最大緊締値ＭＡｍａｘＡを計算し、この最大緊締値ＭＡｍａｘＡに達するとねじ回しプロセス全体を終了する。この計算は、例えば基準点Ｒまでの間に生じた最大回転値ＭＡｍａｘＥに基づいて行うことができる。代案として、検出したその他すべての回転モーメントの基準点Ｒまでの曲線特性のうち、構造素子２０の材料特性を評価することに適すると考えられる曲線特性を、必須の最大締結値ＭＡｍａｘＡを決定するために参考にすることもできる。同時に、制御装置３６によって回転数Ｄを最大回転値Ｄｍａｘから中間値Ｄｚｗまで減少し、まず、この中間値Ｄｚｗで緊締プロセスＡＶを続行する。

図１にさらに示すように、図示のねじ回し装置の実施例において、制御装置３６は、接触センサ接続ラインＫＳによって接触センサ３２に接続するほかに、モーメントセンサ接続ラインＭＳによってモーメントセンサ装置４０に接続でき、このモーメントセンサ装置４０によって駆動軸１２において発生する回転モーメントＭＡを直接測定する。測定は例えば、駆動軸１２の磁気領域４２によって形成される磁場の変化を検出することによって行う。

代案として、回転モーメントＭＡを計算モデルによって算出することもできる。このためには、モータ６にセンサ手段４４を設けることにより、モータ６において発生するモータ電流ＣＭ、モータ回転数ＤＭおよびモータ回転数変化ｄＤＭを算出する。センサ手段４４によって算出したデータを駆動センサ接続ラインＡＳ(図１参照)によって再び制御装置３６に伝送する。制御装置３６により、測定したモータ電流ＣＭに基づいて駆動モーメントを、また算出したモータ回転数ＤＭに基づいて摩擦モーメントＭＲを算出する。さらに、算出したモータ回転数変化ｄＤＭおよび制御装置内に保存したモータ慣性モーメントＪＭに基づいて、系の慣性によって生ずるモーメントを算出する。

伝動装置１０における各伝達係数ｇｒの使用下において、制御装置３６により作動中にその時点での回転モーメントＭＡを以下の公式によって計算する：
ＭＡ＝ｇｒ ×[ＭＭ−ＭＲ−ＪＭ×ｄＤＭ]

当接領域２４が図２Ｃに示すように構造素子２０に接触し、最大緊締値ＭＡｍａｘＡを上述の方法を用いて制御装置３６によって算出した後、モータ６を停止することにより、緊締プロセスＡＶおよび、それによりねじ回しプロセス全体を終了する。

ねじ回しプロセスを可能な限り正確に、最大緊締値ＭＡｍａｘＡに達してすぐに終了するために、最大緊締値ＭＡｍａｘＡに達する少し前から、回転数Ｄを中間値Ｄｚｗからさらに連続的に減少させ、駆動装置４のスイッチを切る。スイッチを切る時間はアルゴリズムによって好適には、モータ６が停止するときに必要とする最大緊締値ＭＡｍａｘＡに達するように選択する。

このように受動的に駆動装置４を停止するほかに、代案として、または付加的に、例えばモータの回転方向を転向するなど、能動的に制動を加えることもできる。このような能動的な制動は、例えば緊締プロセスＡＶ中における駆動モーメントＭＡの上昇が急激過ぎる、または不規則である場合に、受動的な制動とともに行い、最大緊締値ＭＡｍａｘＡの到達とねじ回しプロセスの終了を十分に正確に合わせる。

本発明のねじ回し装置の部分縦断面図である。 図１に示すねじ回し装置の、ねじ込みプロセスの開始時における前方端部の部分縦断面図である。 図２Ａに示すねじ回し装置の、所定の作動ねじ込み深度に達した際の前方端部の部分縦断面図である。 図２Ｂに示すねじ回し装置の、緊締プロセスの終了時における前方端部の部分縦断面図である。 図１に示すねじ回し装置のねじ回しプロセス中における、回転数、回転モーメントおよび、接触センサの摺動経路の推移を示す図表である。

符号の説明

２ ねじ回し装置
４ 駆動装置
６ モータ
８ 電源ケーブル
１０ 伝動装置
１２ 駆動軸
１４ 工具ホルダ
１６ ねじ回し用ビット
１８ 固定素子
２０ 構造素子
２４ 当接領域
２６ ねじヘッド
２８ ワッシャ
３０ 弾性リング
３２ 接触センサ
３４ ばね手段
３６ 制御装置
３８ 先端
３９ 操作素子
４０ モーメントセンサ装置
４２ 磁気領域
ＡＶ 緊締プロセス
ＡＳ 駆動センサ接続ライン
ＣＭ モータ電流
Ｄ 回転数
ＤＭ モータ回転数
ｄＤＭ モータ回転数変化
Ｄｍａｘ 最大回転値
ｄｔ 期間
Ｄｚｗ 中間値
ＥＶ ねじ込みプロセス
ＫＳ 接触センサ接続ライン
ＭＡ 回転モーメント
ＭＡｍａｘＡ 最大緊締値
ＭＡｍａｘＥ 一時的な最大回転値
ＭＳ モーメントセンサ接続ライン
Ｒ 基準点
Ｒ ねじ込み方向
ｓ０ 作動ねじ込み深度
ｓＲ 基準深度
ｔＫ 接触時点
ｔＲ 基準時点
ｕ 突出量

Claims (12)

1. 電動ねじ回し装置（２）の駆動装置（４）をねじ回しプロセス中に制御するため、
   ねじ込みプロセス（ＥＶ）中、ねじ回し用ビット（１６）を固定した工具ホルダ（１４）に、当接領域（２４）を有する固定素子（１８）を構造素子（２０）にねじ込むために駆動装置（４）によって応力を加え、この際、ねじ回し用ビット（１６）を最大回転値（Ｄｍａｘ）に達する回転数で回転させ、ねじ回し用ビット（１６）と固定素子（１８）との間に回転モーメント（ＭＡ）を生ずるようにし、
   所定の作動ねじ込み深度（ｓ０）に達したことを検出した後、緊締プロセス（ＡＶ）中に回転数（Ｄ）を最大回転値（Ｄｍａｘ）から減少し、
   回転モーメント（ＭＡ）が所定の最終値に達したことを検出するとねじ回しプロセスを終了する方法において、
   所定の作動ねじ込み深度（ｓ０）に達した後、回転モーメント（ＭＡ）の基準点（Ｒ）までの推移に基づいて、回転モーメント（ＭＡ）の最大緊締値（ＭＡｍａｘＡ）を算出し、この最大緊締値（ＭＡｍａｘＡ）に達するとねじ回しプロセスを終了させる
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、最大緊締値（ＭＡｍａｘＡ）を回転モーメント（ＭＡ）の最大回転値（ＭＡｍａｘＥ）に応じて算出する方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、基準点（Ｒ）を、作動ねじ込み深度（ｓ０）に達した時点に所定の時間間隔（ｄｔ）を加えた時点によって定義する方法。
4. 請求項３記載の方法において、基準点（Ｒ）に達した後、回転数（Ｄ）を減少させ、この減少は連続的に減少するものとした方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法において、作動ねじ込み深度（ｓ０）に達したことを接触センサ（３２）によって検出する方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法において、緊締プロセス（ＡＶ）中に、回転数（Ｄ）を所定の中間値（Ｄｚｗ）まで減少させる方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法において、駆動装置（４）を、スイッチを切ることにより作動を停止できる方法。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法において、駆動装置（４）に制動を加えることにより作動を停止できる方法。
9. 手持ち式ねじ回し装置（２）であって、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法を実行するための制御装置（３６）を備えたねじ回し装置（２）。
10. 請求項９記載のねじ回し装置において、接触センサ（３２）に工具ホルダ（１４）を包囲する接触スリーブを設け、この接触スリーブを開始位置においてねじ込み方向（Ｒ）に関して当接領域から突出させたねじ回し装置。
11. 請求項９または１０記載のねじ回し装置において、回転モーメント（ＭＡ）を算出するためにセンサ装置（４０）を備え、このセンサ装置（４０）により駆動軸（１２）の磁気領域（４２）によって生ずる磁場のトーションに応じた変化を検出し、かつこれらの変化を信号化するために前記センサ装置（４０）を制御装置（３６）に接続したねじ回し装置（２）。
12. 請求項９または１０記載のねじ回し装置において、制御装置（３６）に接続したセンサ手段（４４）によって駆動装置（４）において生ずるモータ電流（ＣＭ）、モータ回転数（ＤＭ）およびモータ回転数変化（ｄＤＭ）を算出するねじ回し装置（２）。

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