JP2013099813A - ネジ締め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着座までは高速回転させ短時間で効率的にネジ締めができると共に、着座後のオーバーシュートを被締結物の硬さに関わらず防止でき、トルク制御および角度制御の信頼性が高くかつコンパクトなネジ締め装置を提供する。
【解決手段】本発明のネジ締め装置１は、第１出力軸３と第２出力軸５との間に介在され第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とを所要回転角度離間させると共に回転に伴う第１係合部２と第２係合部４との係合を遅延させるトーションばね６を有した係合遅延機構７を備えており、トルク検知部８が被締結物の着座に伴うトーションばね６の荷重増加によるトルク上昇を検知するとモーター９の回転速度を高速から低速に切り替えると共に、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とが係合する前にモーター９の回転速度が低速になるよう制御されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボルトやナット等の被締結物の締め付けを自動的に行うトルク検知式ナットランナーなどのネジ締め装置に関する。

ネジ締め装置では、図６に示すように、ネジ締め時間を短縮するため、被締結物が着座するまでの低トルク領域では高速回転させ、着座トルクが検出された際（着座検知）には、締め付けトルクの安定化のため、低速回転に切り替えることが一般的に行われている（図６中点線の「従来のトルク波形」参照）。

しかし、着座時のトルク上昇が急激であるため、着座トルクが検出された後、回転速度が低速になる（減速所要時間：ｔ１）前に目標トルク達成時間（図６中ｔ２）を超過し、締め過ぎて（オーバーシュートして）目標トルクを越えてしまい、ワーク等を損傷させてしまうことがあった。

このオーバーシュートを防止する方法としては、モーターの回転駆動電流を制限する方法、弾性体継手を介在させる方法、着座までのボルト長さを検出する方法などが用いられている。

しかし、モーターの回転駆動電流を制限する方法では、急減速に要する電流の不足や着座時の短時間内における急激なトルク上昇により剛体締結時にオーバーシュートし易いという問題があった。また、弾性体継手を介在させる方法では、軟体締結時に締め付け時間が増大してしまうという問題があった。さらに、着座までのボルト高さを検出する方法では、締結するボルト長さを予め設定する必要があり、ボルト長さの異なる多品種の被締結物を連続的に締結するには実用化が困難であった。

特許３７０７８７３号公報 特公平８−１８２００号公報

ところで、このようなオーバーシュートは、一般にハードジョイント（剛体締結）で生じ易く、ソフトジョイント（軟体締結）では生じ難い。これは、モーターが低速回転になるには所要時間（ｔ１）を要するところ、図９に示すように、ハードジョイントの場合は着座後のトルク上昇が著しく、例えば図９のハードジョイントでは出力軸が３０°回転すると目標トルクに達してしまうため、モーターが低速になる前に目標トルクに達してしまうからである。他方、図９のソフトジョイントでは出力軸が３６０°回転して目標トルクに達するため、モーターが低速になる時間が十分ありオーバーシュートは生じない。

本願発明者は、上記事情に鑑み、ハードジョイントの場合でも、モーターが低速回転になる時間を確保できる機構および制御を想起し本発明を為したものであり、すなわち、本発明の課題は、着座までは高速回転させ短時間で効率的にネジ締めができると共に、着座後のオーバーシュートを被締結物の硬さに関わらず防止でき、トルク制御および角度制御の信頼性が高くかつコンパクトなネジ締め装置を提供することにある。

上記課題を解決するものは、第１係合部を有した第１出力軸と、該第１出力軸の前記第１係合部に対して所要回転角度離間して配され相対的に回転して前記第１係合部と係合する第２係合部を有した第２出力軸と、前記第１出力軸と前記第２出力軸との間に介在され前記第１出力軸の前記第１係合部と前記第２出力軸の第２係合部とを所要回転角度離間させると共に着座に伴う前記第１係合部と前記第２係合部との係合を遅延させるトーションばねとを有した係合遅延機構を備え、トルク検知部が被締結物の着座に伴う前記トーションばねの荷重増加によるトルク上昇を検知するとモーターの回転速度を高速から低速に切り替えると共に、前記第１出力軸の前記第１係合部と前記第２出力軸の前記第２係合部とが係合する前にモーターの回転速度が低速になるよう制御されていることを特徴とするネジ締め装置である。

前記係合遅延機構は、スピンドル部に設けられていてもよい。前記係合遅延機構は、ソケット部に設けられていてもよい。

請求項１に記載したネジ締め装置によれば、着座までは高速回転させ短時間で効率的にネジ締めができると共に、着座後のオーバーシュートを被締結物の硬さに関わらず防止でき、トルク制御および角度制御の信頼性が高くかつコンパクトなネジ締め装置となる。
請求項２に記載したネジ締め装置によれば、着座までは高速回転させ短時間で効率的にネジ締めができると共に、着座後のオーバーシュートを被締結物の硬さに関わらず防止できるスピンドル部を備えたネジ締め装置となる。
請求項３に記載したネジ締め装置によれば、着座までは高速回転させ短時間で効率的にネジ締めができると共に、着座後のオーバーシュートを被締結物の硬さに関わらず防止できるソケット部を備えたネジ締め装置となる。

本発明のネジ締め装置の一実施例の本体部の一部切り欠き側面図である。 図１に示したネジ締め装置の全体構成を説明するための説明図である。 図１に示したネジ締め装置の特徴的作用を説明するための係合遅延機構付近の横断面図である。 図１に示したネジ締め装置の特徴的作用を説明するための係合遅延機構付近の横断面図である。 図１に示したネジ締め装置の特徴的作用を説明するための係合遅延機構付近の横断面図である。 図１に示したネジ締め装置の特徴的作用を説明するためのグラフである。 本発明のネジ締め装置の他の実施例の本体部の一部切り欠き側面図である。 本発明のネジ締め装置の他の実施例の本体部の一部切り欠き側面図である。 ジョイント硬さの異なる被締結物の目標トルクと回転角度との関係を説明するためのグラフである。

本発明では、第１出力軸３と第２出力軸５との間に介在され第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とを所要回転角度離間させると共に着座に伴う第１係合部２と第２係合部４との係合を遅延させるトーションばね６を有した係合遅延機構７を備え、トルク検知部８が被締結物の着座に伴うトーションばね６の荷重増加によるトルク上昇を検知すると、モーター９の回転速度を高速から低速に切り替えると共に、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とが係合する前にモーター９の回転速度が低速になるよう制御されることで、着座までは高速回転させ短時間で効率的にネジ締めができると共に、着座後のオーバーシュートを被締結物の硬さに関わらず防止でき、トルク制御および角度制御の信頼性が高くかつコンパクトなネジ締め装置１を実現した。

本発明のネジ締め装置を図１ないし図６に示した一実施例を用いて説明する。
この実施例のネジ締め装置１は、第１係合部２を有した第１出力軸３と、第１出力軸３の第１係合部２に対して所要回転角度離間して配され相対的に回転して第１係合部２と係合する第２係合部４を有した第２出力軸５と、第１出力軸３と第２出力軸５との間に介在され第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とを所要回転角度離間させると共に着座に伴う第１係合部２と第２係合部４との係合を遅延させるトーションばね６とを有した係合遅延機構７を備え、トルク検知部８が被締結物の着座に伴うトーションばね６の荷重増加によるトルク上昇を検知するとモーター９の回転速度を高速から低速に切り替えると共に、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とが係合する前にモーター９の回転速度が低速になるよう制御されている。以下、各構成について詳述する。

この実施例のネジ締め装置１は、トルク検知式ナットランナーであり、図２に示すように、本体部２０と、制御装置３０と、本体部２０の先端に装着されネジ締めに際するストローク機構であるスピンドル部４０と、被締結物を嵌合させるためのソケット部５０とを有している。ただし、本発明のネジ締め装置１は、ナットランナーに限定されるものではなく、上記係合遅延機構７を備え被締結物をネジ締め可能なネジ締め装置を広く包含する。

本体部２０は、モーター（サーボモーター）９と、モーター９の回転速度を検知する速度（角度）検知部２１と、減速機２２と、トルク検知部８とを有している。トルク検知部８は歪みゲージ１０を介してトルクを検知するように構成されている。

制御装置３０は、速度（角度）検知部２１からの速度データをＡ／Ｄ変換器３１を介してＣＰＵ演算処理部３２に入力し、トルク検知部８からのトルクデータを増幅器３３およびＡ／Ｄ変換器３４を介してＣＰＵ演算処理部３２に入力し、電流検知部３５の電流データおよびＣＰＵ演算処理部３２の演算データが速度／電流指令部３６に入力されると、速度／電流指令部３６が入力されたデータに対応したサーボ電流を算出してサーボ電流制御部３７に指令し、サーボ電流制御部３７が対応する電流をモーター９に逐次出力するよう制御する。

本体部２０内では、図１に示すように、モーター９からの回転力が減速機２２の減速軸２３を介して第１出力軸３および第２出力軸５に伝達されるように構成されている。

具体的には、第１出力軸３は、本体部２０内の先端側に配された出力軸であり、先端部３ａがハウジング２４の先端より突出している。他方、第２出力軸５は、本体部２０内の基端側に配された出力軸であり、減速軸２３に連結され、減速軸２３の回転に伴って回転するように構成されている。

そして、第１出力軸３は、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４と係合（剛体連結）およびトーションばね６を介して第２出力軸５からの回転力を受けて回転するように構成されている。

具体的には、第１出力軸３の後端側には、図３に示すように、後端側に向かって突出し第２出力軸５の先端筒状部５ａ内を回転可能に配された第１係合部２が設けられている。他方、第２出力軸５の先端筒状部５ａ内には、第１出力軸３の第１係合部２に対して所要回転角度離間して配され、図４に示すように、第１出力軸３の第１係合部２に対して相対的に回転した後、図５に示すように、第１出力軸３の第１係合部２と係合する第２係合部４ａ，４ｂが設けられている。そして、図５の係合状態で第１出力軸３と第２出力軸５は剛体連結し、モーター９が回転すると、減速軸２３および第２出力軸５を介して第１出力軸３が回転するように構成されている。

また、第１出力軸３の後端側には、図１に示すように、トーションばね６の一端６ａが固定され、他方、第２出力軸５の先端側には、トーションばね６の他端６ｂが固定されている。そして、ネジ締めに際して被締結物が着座するまでは、図３の状態（第２出力軸５の第２係合部４が第１出力軸３の第１係合部２に対して所要回転角度離間した状態）で、モーター９からの回転力を減速軸２３および第２出力軸５およびトーションばね６を介して第１出力軸３に伝達し、第１出力軸３が回転するように構成されている。

つぎに、本発明のネジ締め装置１のネジ締めに際する係合遅延機構７等による特徴的作用について説明する。
係合遅延機構７は、前述した各構成である、第１係合部２を有した第１出力軸３と、第１出力軸３の第１係合部２に対して所要回転角度離間して配され相対的に回転して第１係合部２と係合する第２係合部４を有した第２出力軸５と、第１出力軸３と第２出力軸５との間に介在され第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とを所要回転角度離間させると共に着座に伴う第１係合部２と第２係合部４との係合を遅延させるトーションばね６とを有している。

この係合遅延機構７は、ネジ締めに際して、第１係合部２と第２係合部４との係合（剛体連結）を遅延させ、被締結物の着座検知（図６中：Ｐ点）から第１出力軸３と第２出力軸５とが剛体連結（図６中：Ｑ点）するまでの間（係合遅延時間内：Δｔ内）にモーター９の減速所要時間（図６中、ｔ１）を確保することで、トルクの上昇を遅延させオーバーシュートを防止するための緩衝機構であり、回転制御に際して以下のように作用する。

まず、ネジ締めを開始して被締結物が着座し着座検知するまでは、図６に示すように、モーター９を高速で回転させる。これにより、効率的にネジ締めを行うことができる。この間の第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４ａ，４ｂとの位置関係は、図３に示すように、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４ａ，４ｂとがそれぞれ所要回転角度（この実施例では９０°）離間した状態で第１出力軸３および第２出力軸５は回転している。

つぎに、被締結物が着座すると、第１出力軸３の回転が抑制されるため、第１出力軸３を介してトーションばね６に荷重がかかりトルクが上昇する。この時の第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４ａ，４ｂとの位置関係は、トーションばね６が捩られることにより、図４に示すように、第２出力軸５の第２係合部４ａ，４ｂが、第１出力軸３の第１係合部２に係合する方向に近づいて行く。

トーションばね６のこの荷重増加を歪みゲージ１０を介してトルク検知部８が検知すると、制御装置３０はモーター９の回転速度を高速から低速に切り替えると共に、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とが係合する前にモーター９の回転速度が低速になるように制御する。

具体的には、制御装置３０は、トーションばね６の荷重増加をトルク検知部８が検知（図６中の速度切替トルクを検知）すると、モーター９の回転速度を高速から低速に切り替えるよう制御する。

この速度切替トルクの検知（着座検知：図６中：Ｐ点）から第１出力軸３と第２出力軸５とが剛体連結（図６中：Ｑ点）するまでの間（図６中の係合遅延時間内：Δｔ内）に、モーター９の減速所要時間（図６中、ｔ１）が確保されるため、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とが係合（剛体連結）した時（図６中、Ｑ点）には、モーター９の回転速度は低速に切り替わっており、オーバーシュートが防止されるよう構成されている。

さらに、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とが係合した後には、低速回転により締付けトルクが被締結物に付与されて行き、目標トルクに達すると、モーター９の回転が停止されネジ締めが完了する。

このように、本発明は、第１出力軸３と第２出力軸５との間に介在され第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とを所要回転角度離間させると共に回転に伴う第１係合部２と第２係合部４との係合を遅延させるトーションばね６を有した係合遅延機構７を備え、トルク検知部８が被締結物の着座に伴うトーションばね６の荷重増加によるトルク上昇を検知すると、第１出力軸３の第１係合部２と第２出力軸５の第２係合部４とが係合する前にモーター９の回転速度が低速に切り替わっているように制御されるため、着座するまでは高速回転させて短時間で効率的にネジ締めができると共に、ハードジョイントの場合でも着座後のオーバーシュートが防止され、トルク制御および角度制御の信頼性が高くかつコンパクトなネジ締め装置となる。

なお、この実施例の前記所要回転角度は、９０°であるが、これに限定されるものではなく、ハードジョイントの場合でも、第１出力軸の第１係合部と第２出力軸の第２係合部とが係合する前（剛体連結）にモーターの回転速度を低速に切り替え可能な回転角度であればよく、モーターの種類や高速時の回転数等によって適宜設定される。例えば、この実施例のサーボモータの場合は、速度切替え指令が出力された後、出力軸が速度切替えを完了するまでに要する時間が１２〜１５（msec）であるため、例えば高速回転が１０００（rpm）の場合は、１５（msec）の時間で出力軸が回転する角度θは、θ＝１０００（rpm）/６０×３６０°×（１５msec/１０００）＝９０ [deg]となり、９０°以上の回転角度があれば確実な速度切替えが可能となるため、所要回転角度は、９０°に設定されている。

また、トーションばねの捩りトルクは、フリクショントルクを若干増加させる程度の微少トルクであることが好ましい。換言すれば、第１出力軸の第１係合部と第２出力軸の第２係合部との間に、上記所要回転角度を保持可能であると共に復元可能であり、さらに、荷重増加をトルク検知部が検知可能な程度の捩りトルクを有するものであればよく、トルクが急上昇するような捩りトルクが大きいトーションばねは好ましくない。

つぎに、図７に示した本発明のネジ締め装置の他の実施例について説明する。
この実施例のネジ締め装置６０と前述したネジ締め装置１との基本的な相違は、ネジ締め装置１が本体部２０内に係合遅延機構７を有しているのに対して、ネジ締め装置６０は係合遅延機構７７をスピンドル部７０内に有している点である。ネジ締め装置１と同一構成部分については同一符号を付し説明を省略する。

具体的には、この実施例の係合遅延機構７７は、第１係合部７２を有した第１出力軸７３と、第１出力軸７３の第１係合部７２に対して所要回転角度離間して配され相対的に回転して第１係合部７２と係合する第２係合部を有した第２出力軸７５と、第１出力軸７３と第２出力軸７５との間に介在され第１出力軸７３の第１係合部７２と第２出力軸７５の第２係合部とを所要回転角度離間させると共に回転に伴う第１係合部７２と第２係合部との係合を遅延させるトーションばね７６とを有しており、この係合遅延機構７７がスピンドル部７０内に設けられ、本体部２０内のトルク検知部８が被締結物の着座に伴うトーションばね７６の荷重増加によるトルク上昇を検知すると、第１出力軸７３の第１係合部７２と第２出力軸７５の第２係合部とが係合する前に、モーター９の回転速度が低速となるように制御されている。

また、第２出力軸７５の後端側には、本体部２０の先端側より突出する出力軸３９の先端部３９ａが嵌合され、本体部２０内のモーター９からの回転力が第２出力軸７５に伝達されるように構成されている。さらに、第１出力軸７３の先端部７３ａはソケット部に嵌合され、モーター９からの回転力をソケット部に伝達するように構成されている。

このように、本発明のネジ締め装置は係合遅延機構が本体部内に設けられたものに限定されるものではなく、スピンドル部内に設けられたものも本発明の範疇に包含される。

さらに、図８に示した本発明のネジ締め装置の他の実施例について説明する。
この実施例のネジ締め装置８０と前述したネジ締め装置１との基本的な相違は、ネジ締め装置１が本体部２０内に係合遅延機構７を有しているのに対して、ネジ締め装置８０は係合遅延機構９７をソケット部９０内に有している点である。ネジ締め装置１と同一構成部分については同一符号を付し説明を省略する。

具体的には、この実施例の係合遅延機構９７は、第１係合部を有した第１出力軸９２と、第１出力軸９２の第１係合部に対して所要回転角度離間して配され相対的に回転して第１係合部と係合する第２係合部を有した第２出力軸９５と、第１出力軸９２と第２出力軸９５との間に介在され第１出力軸９２の第１係合部と第２出力軸９５の第２係合部とを所要回転角度離間させると共に回転に伴う第１係合部と第２係合部との係合を遅延させるトーションばね９６とを有しており、この係合遅延機構９７がソケット部９０内に設けられ、本体部２０内のトルク検知部８が被締結物の着座に伴うトーションばね９６の荷重増加によるトルク上昇を検知すると、第１出力軸９２の第１係合部と第２出力軸９５の第２係合部とが係合する前に、モーター９の回転速度が低速となるように制御されている。

また、第２出力軸７５の後端側には、本体部２０の先端側より突出する出力軸３９の先端部３９ａが嵌合され、本体部２０内のモーター９からの回転力が第２出力軸９５に伝達されるように構成されている。さらに、第１出力軸９２の先端面には被締結物嵌合部９８が固定されており、モーター９からの回転力を被締結物嵌合部９８に伝達するように構成されている。

このように、本発明のネジ締め装置は係合遅延機構が本体部内に設けられたものに限定されるものではなく、ソケット部内に設けられたものも本発明の範疇に包含される。

１ ネジ締め装置（ナットランナー）
２ 第１係合部
３ 第１出力軸
４ 第２係合部
５ 第２出力軸
６ トーションばね
７ 係合遅延機構
８ トルク検知部
９ モーター
１０ 歪みゲージ
２０ 本体部
２１ 速度（角度）検知部
２２ 減速機
２３ 減速軸
２４ ハウジング
３０ 制御装置
３１ Ａ／Ｄ変換器
３２ ＣＰＵ演算処理部
３３ 増幅器
３４ Ａ／Ｄ変換器
３５ 電流検知部
３６ 速度／電流指令部
３７ 電流制御部
４０ スピンドル部
５０ ソケット部

Claims (3)

1. 第１係合部を有した第１出力軸と、該第１出力軸の前記第１係合部に対して所要回転角度離間して配され相対的に回転して前記第１係合部と係合する第２係合部を有した第２出力軸と、前記第１出力軸と前記第２出力軸との間に介在され前記第１出力軸の前記第１係合部と前記第２出力軸の第２係合部とを所要回転角度離間させると共に着座に伴う前記第１係合部と前記第２係合部との係合を遅延させるトーションばねとを有した係合遅延機構を備え、トルク検知部が被締結物の着座に伴う前記トーションばねの荷重増加によるトルク上昇を検知するとモーターの回転速度を高速から低速に切り替えると共に、前記第１出力軸の前記第１係合部と前記第２出力軸の前記第２係合部とが係合する前にモーターの回転速度が低速になるよう制御されていることを特徴とするネジ締め装置。
2. 前記係合遅延機構は、スピンドル部に設けられている請求項１に記載のネジ締め装置。
3. 前記係合遅延機構は、ソケット部に設けられている請求項１に記載のネジ締め装置。

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