JP2012110999A - プロテクター締め付け装置及びプロテクター締め付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プロテクターの締め付けのトルクの制御を精度良く行うことができるプロテクター締め付け装置を提供する。
【解決手段】プロテクター締め付け装置１は、ねじ付管２を保持する保持部３と、ねじ付管２のねじ部２１に螺着されるプロテクター４１を把持して回転させる締め付け本体部４とを備えている。締め付け本体部４は、プロテクター４１を把持するプロテクターチャック４２と、プロテクターチャック４２を回転させるサーボモータ４３と、制御部４４とを有している。制御部４４は、トルクが予め定められたトルク制限値に達するとトルクをトルク制限値に保持するトルク制御を開始し、トルク制御の開始から予め定められた所定時間経過した後にサーボモータ４３の回転速度の設定値を零に減少させる回転停止制御を開始し、サーボモータ４３の回転速度の設定値が零になるとトルク制御を停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、管端に設けられたねじ部にプロテクターを螺着させて締め付けるプロテクター締め付け装置及びプロテクター締め付け方法に関する。特に、プロテクターの締め付けのトルクの制御を精度良く行うことができるプロテクター締め付け装置及びプロテクター締め付け方法に関する。

管端にねじ部を設けた油井管を出荷する場合、ねじ部が輸送途中に他の物と接触等し、破損されることを防止するために、ねじ部にプロテクター（ポリエチレン製等）が取り付けられている。ねじ部にプロテクターを取り付ける際には、プロテクターが輸送途中に外れない様に一定以上のトルクで締め付けなければならない。しかしながら、寒冷地に出荷する場合は、出荷先の気温がプロテクターを取り付けた場所の気温に比べて低い為にプロテクターが収縮するので、締め付けたときのトルクが過剰であると出荷先で油井管を使用する際にプロテクターが外れなくなってしまう虞がある。
このプロテクターを一定範囲内のトルクで締め付ける作業を、トルクレンチを用いて人力で行う場合、極めて非効率的な作業となる。
また、締め付けのトルクの制御を自動で行う装置として、例えば、特許文献１〜５に記載の装置が知られているが、いずれの装置においても締め付けのトルクの制御を精度よく行うことができない。

特公昭５８−１３３０８公報 特開昭６０−２３８７４公報 実開昭６３−７６４２８公報 特開平１１−２８７０８０公報 特開平４−３３１８８６公報

本発明は、プロテクターの締め付けのトルクの制御を精度良く行うことができるプロテクター締め付け装置及びプロテクター締め付け方法を提供することを課題とする。

本発明のプロテクター締め付け装置においては、プロテクターをプロテクターチャックによって把持し、プロテクターチャックをサーボモータによって回転させることによってプロテクターをねじ付管の管端に螺着する。プロテクターチャックとサーボモータとは、減速ギアによって接続されており、サーボモータの回転速度が減速されてプロテクターチャックに伝達される。サーボモータにかかるトルクは、トルク検出回路部によりサーボモータに流れる電流値から検出される。サーボモータは、回転速度とトルクを制御される。

本発明者は、プロテクターの螺着完了時に、目標通りの締め付けトルク値でプロテクターを締め付けることができる方法を実現することを課題として検討を重ねた。その結果、サーボモータを回転させてねじ付管のねじ部へのプロテクターの螺着を進め、トルクが予め定められたトルク制限値に達すると、トルクをトルク制限値に保持するトルク制御を所定時間行い、その後にモータの回転速度の設定値を零にする回転停止制御を開始し、モータの回転速度の設定値が零になるとトルク制御を停止することにより、プロテクターの螺着完了後にトルクが大きく減少せずに目標値（トルク制限値）近傍に維持できるという知見を得た。

本発明は、上記の本発明者の知見に基づき完成されたものである。すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、管端に設けられたねじ部にプロテクターを螺着させて締め付けるプロテクター締め付け装置であって、前記プロテクターを把持するプロテクターチャックと、前記プロテクターチャックを回転させ、該プロテクターを前記ねじ部に螺着させるモータと、前記モータのトルクを検出するトルク検出部と、前記モータの回転速度とトルクとを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記プロテクターが前記ねじ部に螺着されるときに、前記トルク検出部によって検出されたトルクが予め定められたトルク制限値に達すると、前記トルクを前記トルク制限値に保持するトルク制御を開始し、前記トルク制御の開始から予め定められた所定時間経過した後に前記モータの回転速度の設定値を零に減少させる回転停止制御を開始し、該モータの回転速度の設定値が零になると該トルク制御を停止することを特徴とするプロテクター締め付け装置を提供する。

また、前記課題を解決するため、本発明は、管端に設けられたねじ部にプロテクターを螺着させて締め付けるプロテクター締め付け方法であって、前記プロテクターをプロテクターチャックによって把持し、前記プロテクターチャックをモータによって回転させて該プロテクターを前記ねじ部に螺着させ、前記螺着をさせるときに、前記モータのトルクが予め定められたトルク制限値に達すると、前記トルクを前記トルク制限値に保持するトルク制御を開始し、前記トルク制御の開始から予め定められた所定時間経過した後に前記モータの回転速度の設定値を零に減少させる回転停止制御を開始し、該モータの回転速度の設定値が零になると該トルク制御を停止することを特徴とするプロテクター締め付け方法を提供する。

本発明によれば、プロテクターの締め付けのトルクの制御を精度良く行うことができる。

図１は、本実施形態に係るプロテクター締め付け装置の構成図である。 図２は、同プロテクター締め付け装置の締め付け時の状態を経時的に示す図である。 図３は、同プロテクター締め付け装置の締め付け時の状態を経時的に示す図である。 図４は、同プロテクター締め付け装置において、ねじ付管のねじ部にプロテクターが螺着される状態を示す図である。 図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、同プロテクター締め付け装置においてねじ部とプロテクターとの接触状態を示す図である。

本発明の実施形態に係るプロテクター締め付け装置について添付図面を適宜参照しつつ説明する。図１は、プロテクター締め付け装置の構成を示す。
プロテクター締め付け装置１は、ねじ付管２を固定保持する保持部３と、ねじ付管２の管端に設けられたねじ部２１に螺着されるプロテクター４１を把持して回転させる締め付け本体部４とを備えている。
保持部３は、ねじ付管２を周囲より保持するパイプクランプ３１を有しており、種々の外径のねじ付管２を保持する。
締め付け本体部４は、プロテクター４１を把持する回転自在なプロテクターチャック４２と、プロテクターチャック４２を回転させるサーボモータ（モータ）４３と、サーボモータ４３等の各部位の動作を制御する制御部４４とを有している。プロテクターチャック４２とサーボモータ４３とは、減速ギア４５とプロテクターチャック駆動軸４７とによって接続されており、サーボモータ４３の回転速度が減速されてプロテクターチャック４２に伝達される。
締め付け本体部４は、パイプクランプ３１に保持されたねじ付管２の芯の位置と、プロテクター４１の芯の位置とを合わせられるように、上下方向及びパイプクランプ３１に向かって左右方向（図１において紙面に垂直な方向）にシリンダ等（図示せず）によって移動可能である。また、締め付け本体部４は、シリンダ等（図示せず）によって保持部３に向かって前進及び後退可能であり、プロテクター４１の螺着時には、制御部４４は、締め付け本体部４を保持部３に向かって前進させる。サーボモータ４３には、サーボモータ４３に流れる電流値に基づいてトルクを検出するトルク検出回路部４３ａ（トルク検出部）が設けられており、トルク検出回路部４３ａは検出したトルクを制御部４４に伝達する。制御部４４は、トルク検出回路部４３ａから伝達されたトルクに基づいてサーボモータ４３のトルクを制御する。また、制御部４４は、サーボモータ４３に設けられた回転速度センサ（図示せず）が検出した回転速度に基づいてサーボモータ４３の回転速度を制御する。プロテクターチャック駆動軸４７には、トルク検出器４６が設けられており、トルク検出器４６は検出したトルクを制御部４４に伝達する。制御部４４は、トルク検出器４６から伝達されたトルクを記憶する。トルク検出器４６は、例えば、プロテクターチャック駆動軸４７に圧電体を取り付け、プロテクターチャック駆動軸４７に発生する歪からトルクを検出するトルクセンサである。なお、トルク検出回路部４３ａは、制御部４４の中に設けても良い。

次に、プロテクター締め付け装置１の動作について説明する。
図２及び３は、プロテクター４１の締め付け時のプロテクター締め付け装置１の状態を経時的に示す図であり、上から順にサーボモータ４３の回転速度設定値の推移、プロテクターチャック４２の開閉動作、トルク制御のオン／オフ、トルクの推移を示す。
図２は、トルクがトルク制限値に達すると直ぐにサーボモータの回転速度の設定値を零にする回転停止制御を開始する制御方法の場合のトルクの推移を示す。
ねじ付管２へのプロテクター４１の螺着は、最初にパイプクランプ３１に任意の外径のねじ付管２が保持される。プロテクターチャック４２には、パイプクランプ３１に保持されたねじ付管２の外径とねじ形状等に応じたプロテクター４１が把持される。締め付け本体部４は、ねじ付管２とプロテクター４１の両者の芯の位置が合うように、上下方向及びパイプクランプ３１に向かっての左右方向の位置を調整される。続いて、制御部４４は、締め付け本体部４を保持部３に向かって前進させると共にサーボモータ４３の回転を開始する。

制御部４４は、プロテクターチャック４２が予め定められた回転速度設定値のパターンに応じて回転するように、減速ギア４５の減速比に基づいてサーボモータ４３の回転速度を計算し、サーボモータ４３を回転させる。プロテクターチャック４２の回転速度のパターンは、最初は速く設定されており、螺着が進んだ後、ねじ付管２のねじ部２１の先端がプロテクター４１の底部４１ａに当接する前に遅くなるように設定されている。
プロテクター４１がねじ付管２の管端に当接すると、螺着が開始される。制御部４４は、トルク検出回路部４３ａから伝達されたトルクが予め定められたトルク制限値を超えないようにサーボモータ４３のトルクを制御する。サーボモータ４３のトルク制限値は、プロテクター４１がねじ付管２のねじ部２１を締め付けるトルクの設定値から決められ、プロテクター４１がねじ付管２のねじ部２１を過剰なトルクで締め付けないように設定されている。

続いて、ねじ付管２のねじ部２１へのプロテクター４１の螺着が進み、ねじ付管２のねじ部２１の先端がプロテクター４１の内面の底部に当接するとトルクが増大する。そして、トルクが予め定められたトルク制限値に到達すると（時点ｔ１）、制御部４４はトルクをトルク制限値に保持するトルク制御を行う。また、制御部４４は、このトルクがトルク制限値に到達したときに、サーボモータ４３の回転速度の設定値を零に減少させる回転停止制御を開始し、モータの回転速度の設定値が零になったときにトルク制御を停止する（時点ｔ２）。すると、トルクは、プロテクターの螺着完了後に大きく減少する。
このトルクの減少を、図４及び図５を参照して説明する。
図４は、ねじ付管２のねじ部２１にプロテクター４１が螺着される状態を示す。図５（ａ）は、ねじ付管２のねじ部２１の先端がプロテクター４１の底部４１ａに当接したときの、ねじ部２１とプロテクター４１との接触状態を示す断面図であり、図５（ｂ）は、サーボモータ４３のトルクがトルク制限値に到達したときの、ねじ部２１とプロテクター４１との接触状態を示す断面図である。尚、ねじ部２１はテーパねじであり、プロテクター４１の内周面もテーパねじに応じた形状となっているが、図５（ａ）（ｂ）では、簡略化のために、ねじ部２１の形状をテーパねじの形状でなく平行ねじの形状とした（以下の図５（ｃ）も同じ）。
ねじ付管２のねじ部２１の先端がプロテクター４１の底部４１ａに当接した後、プロテクター４１の回転が続くので、プロテクター４１は底部４１ａと各ねじ山との間がねじ付管２の管軸方向に伸ばされる力を受けて弾性変形し（図４）、その反力Ｐによるねじ部２１のフランク面２１ａとの摩擦力によって締め付け力が発生する（図５（ａ））。

しかし、ねじ部２１のねじ山のフランク面２１ａは、ねじ付管２の管軸方向に垂直な方向に対して斜めとなっているのに対し、プロテクター４１のねじ山のフランク面４１ｂは、ねじ付管２の管軸方向に垂直であり、両者は平行でない。このために、図５（ａ）に示すように、プロテクター４１のねじ山のフランク面４１ｂは、外周側だけがねじ部２１のフランク面２１ａと当接するので、接触面積が小さくて面圧が大きくなり、塑性変形する。そして、サーボモータ４３のトルクがトルク制限値に達し、制御部４４がサーボモータ４３の回転速度の設定値を零とすると共にトルクの制御を停止する。しかし、トルクの制御を停止した後もプロテクター４１のフランク面４１ｂとねじ部２１のフランク面２１ａとの接触面積が小さいので、残っているプロテクター４１の周方向のねじれによるエネルギーによってプロテクター４１は更に塑性変形する（図５（ｂ））。そして、このプロテクター４１の塑性変形により、プロテクター４１からの反力Ｐが小さくなるので、締め付けのトルクが減少すると考えられる。

そこで、本実施形態では図３に示すように、制御部４４は、サーボモータ４３のトルクが予め定められたトルク制限値に達すると、トルクをトルク制限値に保持するトルク制御を開始する（時点ｔ１１）。そして、トルク制御の開始から予め定められた所定時間経過した後にサーボモータ４３の回転速度の設定値を零に減少させる回転停止制御を開始する（時点ｔ１２）。このトルク制御を開始してからサーボモータ４３の回転停止制御を開始するまでの間における、サーボモータ４３の回転速度の設定値は、図３では、トルクがトルク制限値に達したときの回転速度に維持しているが、そのような回転速度に維持する必要は無く、遅くなっているそのときの実際の回転速度よりも速い回転速度ならいくらでもよい。その後、サーボモータ４３の回転速度の設定値が零になるとトルク制御を停止する（時点ｔ１３）。このトルク制御を開始してからサーボモータ４３の回転停止制御を開始するまでの時間は、トルク制限値のトルクをかけ続けてもプロテクター４１のねじ表面が塑性変形しなくなるまでの時間であり、具体的には１秒〜８秒程度が好ましく、ねじ付管２の外径が２００ｍｍ以下の場合には５秒程度がより好ましく、ねじ付管２の外径が２００ｍｍを越えて４００ｍｍ以下の場合には６〜８秒程度がより好ましい。トルクをトルク制限値に保持する時間は、ねじ付管２の外径が大きいほど長くするのが良い。このようにすると、サーボモータ４３の回転速度の設定値が零になった後も、締め付けのトルクはトルク制限値の近傍に維持される（時点ｔ１４）。

このように、トルクがトルク制限値に達するとトルク制御を開始し、所定時間経過した後にサーボモータ４３の回転停止制御を開始するプロテクター締め付け装置により締め付けられたねじ部２１とプロテクター４１との接触状態を図５（ｃ）に示す。
トルクがトルク制限値に達した後も、所定時間経過してサーボモータ４３の回転停止制御を開始するまでトルクがトルク制限値に保持されると、プロテクター４１のフランク面４１ｂは、大きく塑性変形し、ねじ部２１のフランク面２１ａとの接触面積が大きくなる。このために、サーボモータ４３の回転速度の設定値が零になりトルク制御が停止したとき、プロテクター４１のねじ表面にかかる面圧が小さいのでプロテクター４１は塑性変形しない。従って、プロテクター４１の周方向のねじれによるエネルギーは、全て反力としてねじ部２１に伝えられるため、トルクが大きく減少せずにトルク制限値の近傍に維持される。即ち、プロテクター４１のねじ表面にかかる面圧が小さいために、プロテクター４１のねじ表面は塑性変形せず、プロテクターチャック４２の回転エネルギーは、全てプロテクター４１のねじ内部が弾性変形するために消費されることになり、プロテクター４１の締め付けのトルクが設定値の近傍に維持される。

このように、サーボモータ４３の回転が停止した後も、サーボモータ４３のトルクがトルク制限値の近傍に維持されるので、プロテクターの締め付けのトルクの制御を精度良く行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、サーボモータ４３のトルクの制御を、トルク検出回路部４３ａから伝達されたトルクに基づかずに、トルク検出器４６から伝達されたトルクに基づいて行ってもよい。

１・・・プロテクター締め付け装置
２１・・・ねじ部
４１・・・プロテクター
４２・・・プロテクターチャック
４３・・・サーボモータ（モータ）
４３ａ・・・トルク検出回路部（トルク検出部）
４４・・・制御部
４６・・・トルク検出器（トルク検出部）

Claims (2)

1. 管端に設けられたねじ部にプロテクターを螺着させて締め付けるプロテクター締め付け装置であって、
   前記プロテクターを把持するプロテクターチャックと、
   前記プロテクターチャックを回転させ、該プロテクターを前記ねじ部に螺着させるモータと、
   前記モータのトルクを検出するトルク検出部と、
   前記モータの回転速度とトルクとを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記プロテクターが前記ねじ部に螺着されるときに、前記トルク検出部によって検出されたトルクが予め定められたトルク制限値に達すると、前記トルクを前記トルク制限値に保持するトルク制御を開始し、前記トルク制御の開始から予め定められた所定時間経過した後に前記モータの回転速度の設定値を零に減少させる回転停止制御を開始し、該モータの回転速度の設定値が零になると該トルク制御を停止することを特徴とするプロテクター締め付け装置。
2. 管端に設けられたねじ部にプロテクターを螺着させて締め付けるプロテクター締め付け方法であって、
   前記プロテクターをプロテクターチャックによって把持し、
   前記プロテクターチャックをモータによって回転させて該プロテクターを前記ねじ部に螺着させ、
   前記螺着をさせるときに、前記モータのトルクが予め定められたトルク制限値に達すると、前記トルクを前記トルク制限値に保持するトルク制御を開始し、前記トルク制御の開始から予め定められた所定時間経過した後に前記モータの回転速度の設定値を零に減少させる回転停止制御を開始し、該モータの回転速度の設定値が零になると該トルク制御を停止することを特徴とするプロテクター締め付け方法。

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