JP2013166211A

JP2013166211A - 締付方法及び締付機の制御装置

Info

Publication number: JP2013166211A
Application number: JP2012031174A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Takahashi; 俊明高橋; Soichi Nomura; 聡一野村; Sumio Noguchi; 純男野口; Mitsuru Nakano; 充中野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP5959875B2

Abstract

【課題】実トルクが設定締付トルクを超えるおそれがなく、高価なコントローラを必要としない締付方法を提供する。
【解決手段】締付方法は、螺子部材３０の着座後、設定締付トルクＴａより小さい第１締付工程完了トルクＴｂまで段階的に増分させた目標トルクＴｔを電動モータ１２が出力するように、モータの駆動電流を制御する第１締付工程と、目標トルクＴｔが第１締付工程完了トルクＴｂに達した後、目標トルクＴｔの段階的な増分での平均増加割合より緩やかな割合で連続的に設定締付トルクＴａまで増加させた目標トルクＴｔを電動モータ１２が出力するように、電動モータ１２の駆動電流を制御する第２締付工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボルトやナットなどの螺子部材を自動的に締め付ける締付方法、及び締付機の制御装置に関する。

モータでソケットを回転させて螺子部材を自動的に締め付けるナットランナなどの締付装置では、締付トルクを安定させるために、螺子部材の着座後はモータをトルク制御することが一般的である。

例えば特許文献１には、着座後、目標締付トルク（設定締付トルク）に相当する駆動電流の大きさに達するまで、駆動電流の制限値を指数関数で連続的に増加させるように制御して螺子部材を締め付けることが開示されている。指数関数で制御することにより、着座後の初期には駆動電流の大きさの制限値が急激に増加し、目標締付トルクに相当する駆動電流の大きさに近付くにつれて駆動電流の大きさの制限値は上昇が緩やかになる。

特許第３７０７８７３号公報

しかしながら、トルク制御は電源電圧の大きな影響を受けるので精度良く制御することが困難であり、例えフィードバック制御を行っても応答遅れがあるため、実トルクが目標トルクを超えるオーバーシュートが不可避的に生じる。

上記特許文献１に開示された技術では、図４に示すように、着座後の初期には駆動電流の大きさの制限値を急激に増加させるので、実トルクＴも急激に増加し、駆動電流の大きさの制限値、すなわち目標トルクＴｔの上昇が緩やかに転じたとき、実トルクＴが目標締付トルクＴａを超える大きなオーバーシュートが生じて、過締付となるおそれがある。このような場合、再度締付直す必要が生じ、締付工程が突発的に長時間化する。

また、特許文献１に開示された技術では、指数関数を演算する機能を備えたシーケンスコントローラなどの高価なコントローラが必要となる。

本発明は、以上の点に鑑み、実トルクが設定締付トルクを超えるおそれがなく、高価なコントローラを必要としない締付方法、及び締付機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の締付方法は、モータによって回転されるソケットで螺子部材を設定締付トルクまで締め付ける締付方法であって、前記螺子部材の着座後、前記設定締付トルクより小さい第１締付工程完了トルクまで段階的に増分させた目標トルクをモータが出力するように、前記モータの駆動電流を制御する第１締付工程と、前記目標トルクが前記第１締付工程完了トルクに達した後、前記目標トルクの段階的な増分での平均増加割合より緩やかな割合で連続的に前記設定締付トルクまで増加させた目標トルクを前記モータが出力するように、前記モータの駆動電流を制御する第２締付工程とを含むことを特徴とする。

本発明の締付方法によれば、第１締付工程では、目標トルクを段階的に増分しており、各段階での増分は小さい。そして、各段階毎に実トルクが目標トルクを超え、オーバーシュートが生じる。しかし、目標トルクの増分が小さいので、上記特許文献１に開示された技術において目標トルクの上昇が緩やかに転じたときに発生するオーバーシュートと比較して、各段階で発生する個々のオーバーシュートの大きさは小さい。

そして、第２締付工程では、目標トルクの増加割合は緩やかなので、大きなオーバーシュートは発生しない。よって、実トルクが設定締付トルクを超えるおそれがなく、過締付を確実に防止することができる。

さらに、第１締付工程では目標トルクを段階的に増分させており、加算機能を備えた安価な汎用シーケンスコントローラで目標トルクを算出することが可能となる。よって、上記特許文献１に開示された技術のように指数関数を演算する機能を備えた高価なコントローラを必要としないので、本発明の締付方法を実現するための制御装置は安価になる。

また、本発明の締付方法において、前記第１締付工程において、前記目標トルクの更新周期、及び各段階での前記目標トルクの増分がそれぞれ一定であり、前記第２締付工程において、当該工程期間が前記更新周期より長く、且つ、当該工程全体での前記目標トルクの増分が前記第１締付工程における１段階での前記目標トルクの増分以下であることが好ましい。

この場合、第１締付工程における目標トルクの更新周期、及び各段階での目標トルクの増分がそれぞれ一定であるので、目標トルクを算出する際に参照する設定値が少なくなる。よって、設定値を格納するメモリ等の記憶容量を削減することができる。さらに、第２締付工程全体での目標トルクの増分が第１締付工程における１段階での目標トルクの増分以下であるので、第２締付工程での目標トルクの増加割合は緩やかであり、第２締付工程での実トルクのオーバーシュートを抑えることができる。

本発明の締付機の制御装置は、螺子部材に係合するソケットと、前記ソケットを回転させるモータとを有する締付機を制御して、螺子部材を設定締付トルクまで締め付けるための制御装置であって、前記螺子部材の着座後、前記設定締付トルクより小さい閾トルクまで段階的に増分するように目標トルクを設定し、前記目標トルクが前記閾トルクに達した後は、前記目標トルクの段階的な増分での平均増加割合より緩やかな割合で連続して前記設定締付トルクまで増加するように目標トルクを設定する目標トルク設定部と、設定した前記目標トルクを前記モータが出力するように、前記モータに供給する電流を制御するモータ制御部とを備えることを特徴とする。

本発明の締付機の制御装置によれば、着座後、設定締付トルクより小さい閾トルクに達するまでは、目標トルクは段階的に増分するように設定されるので、各段階での増分は小さい。よって、上記特許文献１に開示された技術において目標トルクの上昇が緩やかに転じたときに発生するオーバーシュートと比較して、各段階で発生する個々のオーバーシュートの大きさは小さい。

そして、目標トルクが閾トルクに達した後は、目標トルクの増加割合は緩やかなので、大きなオーバーシュートは発生しない。よって、実トルクが設定締付トルクを超えるおそれがなく、過締付を確実に防止することができる。

さらに、設定締付トルクより小さい閾トルクに達するまでは、目標トルクを段階的に増分させており、加算機能を備えた安価な汎用シーケンスコントローラによって目標トルク設定部を構成することが可能となる。よって、上記特許文献１に開示された技術のように指数関数を演算する機能を備えた高価なコントローラを必要としないので、制御装置が安価になる。

本発明の実施形態に係る締付装置を示す説明図。本発明の実施形態に係る締付方法を説明するフローチャート。目標トルク及び実トルクの時間経過による変化を説明するグラフ。従来技術における目標トルク及び実トルクの時間経過による変化を説明するグラフ。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

締付装置は、図１に示すように、締付機１０と、締付機１０に接続された制御装置２０とから構成されている。なお、制御装置２０は、締付機１０に内蔵されていてもよい。

締付機１０は、例えば、ボルトやナット等の螺子部材３０をワーク等の被締付部材４０に自動的に締め付けるためのナットランナやインパクトレンチ等である。特に好ましくは、締付機１０は、自動車製造ライン等に設置されたサーボナットランナである。

締付機１０は、ソケット１１、電動モータ１２、減速機１３及びエンコーダ（角度センサ）１４を備えている。

電動モータ１２は減速機１３を介してソケット１１を回転させて、ソケット１１に係合される螺子部材３０を被締付部材４０に締め付け固定する。エンコーダ１４は、電動モータ１２の実回転角度を検出し、検出した実回転角度を示す角度信号を出力する。

制御装置２０は、信号処理部２１、記憶演算部２２、モータ制御部２３及びタイマ２４を備えている。記憶演算部２２は、本発明の目標トルク設定部に相当する。

信号処理部２１は、エンコーダ１４から角度信号が入力され、この角度信号を処理して、角度信号が示す実回転角度を記憶演算部２２に出力する。

記憶演算部２２は、制御処理を実行するプログラムが図示しないメモリに記憶保持され、必要なプログラムがメモリから読み出されることにより、制御処理を実行する。記憶演算部２２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のハードウェアにより構成され、シーセンスコントローラやプログラマブルコントローラなどと呼称されるものである。

メモリには、設定締付トルクＴａ、第１締付工程完了トルク（閾トルク）Ｔｂ、加算トルクΔＴ、更新周期Δｔ、第２締付工程完了想定時間Ｓ、着座判定トルク閾値、回転速度制限値などの予め設定された値が格納されている。

記憶演算部２２は、信号処理部２１及びモータ制御部２３から入力された信号、メモリに格納された値、タイマ２４を参照して取得した経過時間などを用いてプログラムに基づき制御指処理を実行する。そして、記憶演算部２２は、制御処理を実行して得られた制御指令をモータ制御部２３に出力する。

例えば、記憶演算部２２は、締付工程では、モータ制御部２３からの電流信号が示す実電流値に基づいて算出した電動モータ１２の実トルクＴと目標トルクＴｔとの大きさの差を考慮したフィードバックを行い、電動モータ１２に供給すべき電流を算出する。そして、記憶演算部２２は、算出した電流を電動モータ１２に供給させる指令をモータ制御部２３に出力する。

モータ制御部２３は、記憶演算部２２から入力された制御指令に基づき、電動モータ１２を駆動制御する。タイマ２４は、締付開始からの経過時間ｔを計測する。また、モータ制御部２３は、電動モータ１２の実電流値を示す電流信号を記憶演算部２２に出力する。

なお、制御装置２０は、図示しないが、設定締付トルクＴａなどの値を操作者が入力するための入力部、締付の進行状況や螺子部材３０の種類などを表示するための表示部などを備えるものであってもよい。

次に、上述した締付装置を用いた、本発明の実施形態に係る締付方法について図面を参照して説明する。

図２のフローチャートに示すように、まず、螺子部材３０を着座させる仮締工程を行う。着座後は螺子部材３０の弾性を利用した本締付が開始され、着座までは小さなトルクで螺子部材３０を被締付部材４０内に伸展させることができる。

仮締工程では、螺子部材３０を一定速度で回転をさせるよう速度制御を行う。仮締工程は、フリーラン工程である第１仮締工程（Ｓ１０）と、第１仮締工程後に行われ、着座を検出するための第２仮締付工程（Ｓ２０）とからなる。

まず、第１仮締工程では、一定時間、一定の高速速度で螺子部材３０を回転させるよう、電動モータ１２を速度制御する。具体的には、記憶演算部２２は、タイマ２４を参照して締付開始から予め設定された時間が経過するまで、予め設定された一定の高速速度に対応する一定の駆動電流を電動モータ１２に供給させる指令をモータ制御部２３に出力する。

第２仮締付工程では、螺子部材３０が着座するまで、一定の低速速度で螺子部材３０を回転させるよう、電動モータ１２を速度制御する。具体的には、記憶演算部２２は、螺子部材３０が着座したと判定するまで、予め設定された一定の低速速度に対応する一定の駆動電流を電動モータ１２に供給させる指令をモータ制御部２３に出力する。記憶演算部２２は、モータ制御部２３からの電流信号が示す実電流値に基づいて算出した電動モータ１２が出力する実トルクＴの大きさが予め設定された着座判定トルク閾値を超えた場合に、着座したと判定する。

着座後、本締付工程を行う。本締付工程は、第１締付工程（Ｓ３０）と、第１締付工程後に行われる第２締付工程（Ｓ４０）となる。

本締付工程では、モータ制御部２３からの電流信号は常時記憶演算部２２に入力され、電流信号が示す実電流値に基づいて算出した実トルクＴと目標トルクＴｔの大きさとの比較を記憶演算部２２が行う。そして、記憶演算部２２は、実トルクＴが目標トルクＴｔに近付くようにフィードバック制御する。なお、本出願では、「トルク」は「トルクの大きさ」を意味することがある。

第１締付工程（Ｓ３０）では、記憶演算部２２は、時刻ｔが更新周期Δｔ経過すると（Ｓ３１：ＹＥＳ）、実回転速度が回転速度制限値を超えるか否かを判定する（Ｓ３２）。具体的には、記憶演算部２２は、エンコーダ１４からの角度信号が示す実角度から電動モータ１２の実回転速度を算出し、この実回転速度がメモリに格納された回転速度制限値を超えるか否かを判定する。

実回転速度が回転速度制限値を超えていない場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、記憶演算部２２は、目標トルクＴｔをΔＴ増加させる（Ｓ３３）。これにより、目標トルクＴｔは更新周期Δｔ毎にΔＴずつ段階的に増加することになる。そして、記憶演算部２２は、目標トルクＴｔに対応する駆動電流を電動モータ１２に供給させる指令をモータ制御部２３に出力する。

なお、実回転速度が回転速度制限値を超えないこと（Ｓ３２：ＹＥＳ）を、目標トルクＴｔを増加させる条件としている。これは、単純に目標トルクＴｔを一定更新周期Δｔ毎に増加させた場合、目標トルクＴｔの増加量が大きく時間が短いと、目標トルクＴｔの増加に追い付くために電動モータ１２の実回転速度が必要以上に増加するおそれがあるためである。電動モータ１２の実回転速度が必要以上に増加すると、締付速度が高速になり、締付トルクの精度に悪影響を及ぼすおそれがある。

そして、目標トルクＴｔが第１締付工程完了トルクＴｂ以上になると（Ｓ３４：ＹＥＳ）、第２締付工程に移行する（Ｓ４０）。

第２締付工程では、記憶演算部２２は、第２締付工程全体に亘って直線状に増加して最終的に設定締付トルクＴａになるように目標トルクＴｔを逐次算出する（Ｓ４１）。このとき、記憶演算部２２は、第１締付工程全体での目標トルクＴｔの増加割合より緩やかな割合で連続的に増加するように、目標トルクＴｔを算出する。

例えば、設定締付トルクＴａと第１締付工程完了トルクＴｂとの差分を第２締付工程完了想定時間で除算した値を、第２締付工程での目標トルクＴｔの増加割合として算出すればよい。記憶演算部２２は、算出した目標トルクＴｔに対応する駆動電流を電動モータ１２に供給させる指令を逐次モータ制御部２３に出力する。

そして、記憶演算部２２は、実トルクＴが設定締付トルクＴａ以上になったとき（Ｓ４２：ＹＥＳ）、又は、第２締付工程完了想定時間Ｓが経過したとき（Ｓ４３：ＹＥＳ）、電動モータ１２の駆動を停止させる旨の指示をモータ制御部２３に出力する。これにより、電動モータ１２の駆動が停止して、螺子部材３０の締付が完了する（Ｓ４４）。

そして、電動モータ１２の駆動が停止した後、記憶演算部２２は、実トルク最大値、実締付角度、総実回転数などが予め設定された上下公差内にあるかを判定する（Ｓ５０）。記憶演算部２２は、公差内にある場合には、締付は良好であったと判定する。公差外にある場合には、締付は不良であり、再度の締付などが行われる。

図３は、着座後の締付工程における実トルクＴと目標トルクＴｔとの時間変化の様子を示している。第１締付工程では、目標トルクＴｔは段階的に増加するが、実トルクＴは目標トルクＴｔを増分させる毎に目標トルクＴｔを超える若干のオーバーシュートが発生する。

上記特許文献１に開示された技術では、図４に示すように、着座後、駆動電流の大きさの制限値を連続的に急激に増加させるので、実トルクＴも急激に増加して、目標トルクＴｔの上昇が緩やかに転じたときに大きなオーバーシュートが生じる。このオーバーシュートによって、実トルクＴが設定締付トルクＴａを超えるおそれがある。

一方、本実施形態では、着座後の第１締付工程では、目標トルクＴｔの平均増加割合は上記特許文献１と同様に大きいが、各段階での増分ΔＴが小さい。そのため、各段階毎にオーバーシュートは発生するが、その大きさは小さい。

そして、第２締付工程では目標トルクＴｔの増加割合が緩やかなので、上記特許文献１と同様に、大きなオーバーシュートは発生しない。

以上のように、本実施形態では、第１締付工程で目標トルクＴｔを階段状に増加させることによって、実トルクＴが設定締付トルクＴａを超えるような大きなオーバーシュートが発生しないようにしている。従って、実トルクＴの最大値が設定締付トルクＴａの予め設定された上下交差範囲内に抑えられ、過締付を確実に防止することができる。

また、上記特許文献１に開示された技術では、指数関数を演算する機能を備えたシーケンスコントローラなどの高価なコントローラが必要となる。一方、本実施形態では、記憶演算部２２は、加算を演算する機能を備えたものであればよく、安価な汎用のシーケンスコントローラを用いることができる。

なお、例えば、設定締付トルクＴａと第１締付工程完了トルクＴｂとの差は、設定締付トルクＴａの数百分の１から数分の１程度、第２締付工程の期間は、第１締付工程周の期間の数倍から数十倍程度とすればよい。これらは、設定締付トルクＴａの大きさや締付作業時間などを考慮して、適宜設定すればよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１締付工程（Ｓ３０）では、目標トルクＴｔの増分ΔＴ及び更新周期Δｔが一定である場合について説明した。しかし、これらは一定でなくもよい。ただし、これらが一定であれば、目標トルクＴｔを算出する際に参照する設定値が少なくなるので、設定値を格納するメモリの記憶容量を削減することができる。

また、例えば、第２締付工程（Ｓ４０）では、工程全体に亘って直線状に増加するように目標トルクＴｔを設定する場合（Ｓ４１）について説明した。しかし、これに限定されず、第２締付工程の一部でのみ目標トルクＴｔを直線状に増加させても、目標トルクＴｔを指数関数等の曲線状に変化させてもよい。ただし、目標トルクＴｔを指数関数等の曲線状に変化させる場合には、指数関数等を演算する機能を備えたコントローラが必要となる。

また、例えば、第１締付工程（Ｓ３０）での目標トルクＴｔの全増加分は、設定締付トルクＴａと第１締付工程完了トルクＴｂとの差分以下である場合について説明した。しかし、これに限定されない。ただし、第２締付工程での目標トルクＴｔの全増加分が設定締付トルクＴａと第１締付工程完了トルクＴｂとの差分を超えると、第２締付工程が長期間となり、全締付工程に要する期間が長くなる。

また、例えば、仮締工程では２つの工程に分けて電動モータ１２をそれぞれ異なる一定速度で速度制御する場合について説明した。しかし、仮締工程での電動モータ１２の制御方法はこれに限定されず、例えば、電動モータ１２をトルク制御してもよい。

また、電動モータ１２が出力する実トルクＴは、モータ制御部２３からの電流信号が示す実電流値に基づいて算出して得る場合について説明した。しかし、実トルクＴを得る方法はこれに限定されず、例えば、電動モータ１２から出力されソケット１１に作用する実トルクＴを検出するトルクセンサを設けてもよい。

１０…締付機、１１…ソケット、１２…電動モータ（モータ）、１３…減速機、１４…エンコーダ（角度センサ）、２０…制御装置、２１…信号処理部、２２…記憶演算部（目標トルク設定部）、２３…モータ制御部、２４…タイマ、３０…螺子部材、４０…被締付部材。

Claims

モータによって回転されるソケットで螺子部材を設定締付トルクまで締め付ける締付方法であって、
前記螺子部材の着座後、前記設定締付トルクより小さい第１締付工程完了トルクまで段階的に増分させた目標トルクをモータが出力するように、前記モータの駆動電流を制御する第１締付工程と、
前記目標トルクが前記第１締付工程完了トルクに達した後、前記目標トルクの段階的な増分での平均増加割合より緩やかな割合で連続的に前記設定締付トルクまで増加させた目標トルクを前記モータが出力するように、前記モータの駆動電流を制御する第２締付工程とを含むことを特徴とする締付方法。
前記第１締付工程において、前記目標トルクの更新周期、及び各段階での前記目標トルクの増分がそれぞれ一定であり、
前記第２締付工程において、当該工程期間が前記更新周期より長く、且つ、当該工程全体での前記目標トルクの増分が前記第１締付工程における１段階での前記目標トルクの増分以下であることを特徴とする請求項１に記載の締付方法。
螺子部材に係合するソケットと、前記ソケットを回転させるモータとを有する締付機を制御して、螺子部材を設定締付トルクまで締め付けるための制御装置であって、
前記螺子部材の着座後、前記設定締付トルクより小さい第１締付工程完了トルクまで段階的に増分するように目標トルクを設定し、前記目標トルクが前記第１締付工程完了トルクに達した後は、前記目標トルクの段階的な増分での平均増加割合より緩やかな割合で連続して前記設定締付トルクまで増加するように目標トルクを設定する目標トルク設定部と、
設定した前記目標トルクを前記モータが出力するように、前記モータに供給する電流を制御するモータ制御部とを備えることを特徴とする締付機の制御装置。