JP2013169606A - ねじ部品締結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの回転駆動源で高速かつトルク精度の高いねじ部品の締結を実現し得るねじ部品締結装置の提供。
【解決手段】第１主動プーリ４ａ、第１従動プーリ６ａ及び第１歯付きベルト７ａから成り、モータ３の回転駆動を所定の減速比で第１入力軸５へ伝達する第１減速手段と、第２主動プーリ４ｂ、第２従動プーリ６ｂ及び第２歯付きベルト７ｂによって成り、モータ３の回転駆動を所定の減速比で第２入力軸９へ伝達する第２減速手段と、モータ３の駆動を第２入力軸９へ伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる電磁クラッチ８と、第１入力軸５の出力回転を前記出力軸へ伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わるツースクラッチ１４と、これらクラッチ８，１４による回転伝達状態がねじ部品の締め付け工程毎に所定の回転伝達状態となるよう、これらクラッチ８，１４を制御する制御ユニット１８とを設けて成るねじ部品締結装置による。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ部品の締結を行うねじ部品締結装置に関する。

従来から、ねじ部品の高速締め付けを目的に考案されたねじ部品締結装置としては、特許文献１乃至３に示すものがある。これらねじ部品締結装置は、モータの駆動軸と一体に回転する歯付きプーリに、歯付きベルトを巻きかけた構成により、モータの回転駆動を伝達するように構成されている。このモータの回転駆動は、減速比の異なる２つの駆動系（高速低トルク駆動伝達系および低速高トルク駆動伝達系）へ伝達される。そして、これら駆動系を切り替えることにより、前者の高速低トルク駆動系で仮締めが行われ、後者の低速高トルク駆動系で本締めが行われる。この構成により、高速ねじ締めが実現できる。

特開２０１１−１２１１３７号公報 特開２０１１−１２５９５７号公報 国際公開番号ＷＯ２０１１／０７４５４３

しかしながら、上記ねじ部品締結装置では、モータの回転駆動を各駆動系へ伝達する経路（歯付きベルト）が共用であるため、各駆動系に応じた最適な減速比を得ることができず、本締め及び仮締めにおいて所望の締め付け速度及びトルク精度を得ることができなかった。

本発明は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、一つの回転駆動源で高速かつトルク精度の高いねじ部品の締結を実現し得るねじ部品締結装置の提供を目的とするものである。

そこで、本発明のねじ部品締結装置は、回転駆動源の駆動を受けて回転する第１入力軸と、回転可能に設けられた第２入力軸と、前記回転駆動源の回転駆動を所定の減速比で第１入力軸へ伝達する第１減速手段と、前記回転駆動源の回転駆動を所定の減速比で第２入力軸へ伝達する第２減速手段と、前記第２減速手段を介して伝達される回転駆動源の駆動を第２入力軸へ伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる第１クラッチ手段と、ねじ部品の頭部に係合可能なねじ締め工具が連結されるとともに、前記第２入力軸の回転を受けて回転可能に構成された出力軸と、前記第１入力軸の出力回転を前記出力軸へ伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる第２クラッチ手段と、前記第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段による回転伝達状態がねじ部品の締め付け工程毎に所定の回転伝達状態となるよう、第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段を制御する制御ユニットとを設けて成る。

なお、前記第１減速手段が、前記回転駆動源の駆動軸と一体に回転する第１主動回転部材と、前記第１入力軸と一体に回転する第１従動回転部材と、これら第１回転部材に巻きかけられる伝動部材とから成り、前記第２減速手段が、前記回転駆動源の駆動軸と一体に回転する第２主動回転部材と、前記第１クラッチ手段の入力側と一体に回転する第２従動回転部材と、これら第２回転部材に巻きかけられる第２伝動部材とから成ることが望ましい。

また、本発明のねじ部品締結装置は、回転駆動源の駆動を受けて回転する第１入力軸と、回転可能に設けられた第２入力軸と、前記回転駆動源の駆動を第１入力軸及び第２入力軸双方へ伝達可能な状態と第２入力軸には伝達不可能な状態とに切り替わる第１クラッチ手段と、前記回転駆動源の駆動を、減速比を変化させて第１入力軸へ伝達する変速手段と、
ねじ部品の頭部に係合可能なねじ締め工具が連結されるとともに、前記第２入力軸の回転を受けて回転可能に構成された出力軸と、前記第１入力軸の出力回転を出力軸へ伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる第２クラッチ手段と、前記第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段による回転伝達状態がねじ部品の締め付け工程毎に所定の回転伝達状態となるよう、第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段を制御するとともに、当該所定の回転伝達状態に応じた所定減速比となるよう、前記変速手段を制御する制御ユニットとを設けて成る。

なお、前記変速手段が、無段変速機であることが望ましい。

本発明の部品締結装置によれば、ねじ部品の締め付け行程に応じた最適な減速比で回転駆動源の駆動を出力できるので、高速かつトルク精度の高いねじ部品の締結が可能となる。

本発明に係るねじ部品締結装置の一部切欠断面図である。 本発明に係るねじ部品締結装置の概略構成を示した動作説明図である。 本発明に係るねじ部品締結装置の他の実施形態を示す一部切欠断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、１はねじ、ボルト、ナットなどのねじ部品を締結するためのねじ部品締結装置であり、ケース２に取付けられた回転駆動源の一例であるＡＣサーボモータ３（以下、単にモータ３という）を有している。このモータ３にはレゾルバ３ｂが組み付けられており、当該モータ３駆動軸３ａの回転角を検出可能に構成されている。

このモータ３の駆動軸３ａには、第１主動歯付きプーリ４ａ（以下、単に第１主動プーリ４ａという）が一体に回転可能に連結されている。このモータ３の横位置には、駆動軸３ａと軸線平行に延びて中空円筒状の第１入力軸５が回転可能に支持して設けられており、この第１入力軸５には、その上部に第１従動歯付きプーリ６ａ（以下、単に第１従動プーリ６ａという）が一体に連結されている。この第１従動プーリ６ａと前記第１主動プーリ４ａとには、無端の第１歯付きベルト７ａが巻回されて噛合しており、モータ３の駆動を第１入力軸５に伝達できるよう構成されている。これら第１主動プーリ４ａ、第１従動プーリ６ａ及び第１歯付きベルト７ａによって、第１減速手段が構成されている。また、第１従動プーリ６ａの上部には、第１クラッチ手段の一例として電磁クラッチ８が設けられており、この電磁クラッチ８には前記第１入力軸５を挿通し、かつ第１入力軸５に対して回転可能に設けられた中実の第２入力軸９が連結されている。この電磁クラッチ８は、入力部８１と、出力部８２と、コイル部８３とを有して成り、当該出力部８２に前記第２入力軸９が一体に回転可能に連結されている。

さらに、前記モータ３の駆動軸３ａには、第２主動歯付きプーリ４ｂ（以下、単に第２主動プーリ４ｂという）が一体に回転可能に連結されている。そして、前記電磁クラッチ８の入力部８１には、第２従動歯付きプーリ６ｂ（以下、単に第２従動プーリ６ｂという）が一体に連結されている。この第２従動プーリ６ｂと前記第２主動プーリ４ｂとには、無端の第２歯付きベルト７ｂが巻回されて噛合しており、モータ３の駆動を電磁クラッチ８を介して第２入力軸９に伝達できるよう構成されている。これら第２主動プーリ４ｂ、第２従動プーリ６ｂ及び第２歯付きベルト７ｂによって、第２減速手段が構成されている。なお、電磁クラッチ８のコイル部８３は通電により電磁石となり、これにより出力部８２に入力部８１を磁力結合させることが可能に構成されている。常時は、コイル部８３には通電がなされず、入力部８１と出力部８２とが分離して第２入力軸９にモータ３の駆動を伝達できない状態にあるが、コイル部８３に通電されて入力部８１と出力部８２とが結合すると、第２入力軸９にモータ３の駆動を伝達可能な状態となる。

前記第２入力軸９は、第１入力軸５内を挿通して延び、その先端には出力軸１１が連結されている。この出力軸１１は、第２入力軸９に連結された伝達軸部１１１と、この伝達軸部１１１先端のスプライン穴部１１１ａにスプライン軸部１１２ａを挿入・噛合させることによって伝達軸部１１１と一体に回転可能に連結された本体軸部１１２とから構成されている。この出力軸１１の本体軸部１１２先端には、ねじの頭部に係合してこれに回転伝達を行うためのドライバビット、ソケット等のねじ締め工具（図示せず）が直接又は各種継ぎ手を介して連結される。

また、前記第１入力軸５の先端は、減速機１２に連結されている。この減速機１２は、一般にハーモニックドライブ（登録商標）として知られるものであり、第１入力軸５は、これのウェーブジェネレータ１２１に連結されている。この減速機１２は、サーキュラスプライン１２２を本ねじ部品締結装置１のケース２に固定し、ウェーブジェネレータ１２１によって入力された回転をフレクスプライン１２３により減速・逆転させて出力する、いわゆるハーモニックドライブ（登録商標）減速機としての一般的な使用構造を採用している。減速比は１／３０である。

前記減速機１２のフレクスプライン１２３は、ケース２内に回転可能に配置された中空円筒状のカップリング１３に連結されている。このカップリング１３は、第２クラッチ手段の一例であるツースクラッチ１４に連結されている。このツースクラッチ１４は、前記カップリング１３に一体に回転可能に連結された入力部１４１と、前記出力軸１１の伝達軸部１１１に一体に回転可能に連結された出力部１４２と、この出力部１４２と入力部１４１とを常時分離するように付勢する付勢手段（図示せず）と、ケース２に固定されたコイル部１４３とを有して成る電磁クラッチである。入力部１４１と出力部１４２とは、互いの対向面を環状の円盤面に成し、その周縁部に歯部１４１ａ，１４２ａが形成された構成であり、前記コイル部１４３への通電で発生する電磁力により歯部１４１ａ，１４２ａを噛合させて結合するよう構成されている。このツースクラッチ１４は、常時、コイル部１４３に通電がなされずに入力部１４１と出力部１４２とが分離しており、出力軸１１に減速機１２の出力回転を伝達不可能な状態となっているが、コイル部１４３に通電されて入力部１４１と出力部１４２とが結合すると、出力軸１１に減速機１２の出力回転を伝達可能な状態となる。

また、ケース２の下部には中空円筒状の起歪体１５が一体に連結されている。この起歪体１５には、歪みゲージ１６が貼付されており、起歪体１５の歪み量に応じた電気信号を出力するように構成されている。

１８は制御ユニットであり、制御部（図示せず）と、この制御部からの指令を受けて前記モータ３を駆動制御するモータ駆動部（図示せず）と、前記レゾルバ３ｂに励磁電圧を印加し、その出力電圧から回転角度を割り出すレゾルバ駆動部（図示せず）と、制御部からの指令を受けて前記電磁クラッチ８を通電制御するクラッチ制御部（図示せず）と、同じく制御部からの指令を受けて前記ツースクラッチ１４を通電制御するクラッチ制御部（図示せず）と、モータ３の駆動制御に必要な各種プログラム・パラメータ等を記憶した記憶部（図示せず）とを備えて成る。

次に、図２を用いて本ねじ部品締結装置１の動作を説明する。ここで、図２において薄墨で塗った部位は、それぞれの状態で回転伝達を受けて回転する部位を示し、その中でも濃い薄墨を施した部位は、駆動の伝達を行い、薄い薄墨を施した部位は、駆動の伝達を行わないが回転するものである。

本ねじ部品締結装置１は、ねじ部品をねじ込み開始から仮締めトルクまで高速・低トルクで締め付けるための「高速締付け」、ねじ部品を仮締めトルクから最終的な目標締付トルクまで低速・高トルクで締め付けるための「高トルク締付け」の各工程を行えるものである。

ねじ部品の「高速締付け」工程においては、図２に示すように、モータ３は正転駆動、電磁クラッチ８はＯＮ、ツースクラッチ１４はＯＦＦで作業を行う。なお、「ＯＮ」なる語は、各クラッチのコイル部に通電がなされて入力部と出力部が結合した状態を指し、また「ＯＦＦ」なる語は、各クラッチのコイル部に通電がなされず入力部と出力部とが分離した状態を指す。モータ３が正転駆動すると、この駆動は第２主動プーリ４ｂ及び第２歯付きベルト７ｂにより第２従動プーリ６ｂに伝達され、これによって第１入力軸５、電磁クラッチ８に回転が伝達される。この時、電磁クラッチ８はＯＮであるため、その入力部８１と出力部８２とは一体に回転可能であり、これにより第２入力軸９にも回転伝達がなされ、第１入力軸５とともに第２入力軸９も正回転する。

第１入力軸５の回転によりウェーブジェネレータ１２１も正回転し、これとは逆方向にフレクスプライン１２３が減速・増力回転する。この時、ツースクラッチ１４はＯＦＦであるため、減速機１２による減速・増力・逆転出力は、それ以上先には伝達されない。また、第２入力軸９の回転は、出力軸１１乃至ねじ締め工具に伝達される。このように高速締付け工程におけるモータ３から出力軸１１への回転伝達系路は、濃い薄墨を施した部位で示すように、モータ３→第２主動プーリ４ｂ→第２従動プーリ６ｂ→電磁クラッチ８→第２入力軸９→出力軸１１となる。ねじ締め工具に伝達された正回転は、減速機１２を介さない高速・低トルクの回転であるため、ワークにねじ部品を高速でねじ込むことができる。ちなみに、この第２減速手段による回転伝達系路での減速比は、第２主動プーリ５ｂ及び第２従動プーリ６ｂの直径差（歯数差）で規定される１／２．４である。

ここで、前記ケース２の下部には中空円筒状の起歪体１５が一体に連結されている。この起歪体１５には、ブリッジ接続された歪みゲージ１６が貼付されており、出力軸１１に作用する締付けトルクに応じて歪む起歪体１５の歪み量に応じた電気信号をアナログ信号として検出するよう構成されている。これら起歪管１５および歪みゲージ１６によってトルク検出手段が構成されている。この検出信号を制御ユニット１８へ送信し、演算処理することにより、出力軸１１に作用する締付けトルクを算出するよう構成されている。

ねじ部品がワークに着座すると、ねじ部品には慣性により目標締付トルクを上回るような過大な締付トルク（以下、これを衝撃トルクと称する）が瞬間的に作用する場合がある。このような場合、電磁クラッチ８の伝達可能トルクを仮締めトルクより大きく、最終締付トルクより小さい範囲のトルクに設定しておくことにより、衝撃トルクの作用で入力部８１と出力部８２との間に滑りを生じさせることができる。また、高速締付け工程において生じる衝撃トルクが目標締付トルクよりも小さくなるよう、予め出力トルクの小さいモータ３を選定しておいてもよい。これらにより、衝撃トルクを吸収し、ねじ部品が過剰に締め付けられるのを防止できる。

着座後に締付トルクが増大し、これが仮締めトルクに達すると、続いて、図３に示すように、「高トルク締付け」工程に移る。高トルク締付け工程では、モータ３は逆転駆動、電磁クラッチ８はＯＦＦ、ツースクラッチ１４はＯＮで作業を行う。すなわち、制御ユニット１８により仮締めトルクに到達したことが検知されると、モータ３の駆動が逆転駆動に切り替えられるとともに、電磁クラッチがＯＦＦになり、ツースクラッチ１４がＯＮになる。

モータ３の逆転駆動により、減速機１２から出力される回転は正回転となり、この回転はツースクラッチ１４を介して出力軸１１乃至ねじ締め工具に伝達される。この時、電磁クラッチ８はＯＦＦであるため、ここを通じてモータ３の駆動は第２入力軸９には伝達されない。よって、出力軸１１への回転伝達系路は、濃い薄墨を施した部位で示すように、モータ３→第１主動プーリ４ａ→第１従動プーリ６ａ→第１入力軸５→減速機１２→ツースクラッチ１４→出力軸１１となる。これにより出力軸１１乃至ねじ締め工具は、減速機１２から出力された低速・高トルクで正回転する。このため、ねじ部品を目標締付トルクまで確実に締め付けることができるとともに、制御ユニット１８により目標締付トルクが検出されてモータ３の駆動が停止するまでの間のオーバーランニング（過剰締付け）も防止できる。ちなみに、この第１減速手段による回転伝達系路での減速比は、第１主動プーリ５ａ及び従動プーリ６ａの直径差（歯数差）で規定される１／１．２である。

なお、減速機１２は、遊星歯車機構等の他の減速機構を採用してもよく、また入力される回転に対して出力される回転が同じ方向の回転となる減速機を採用してもよい。したがって、この場合には、モータ３の回転方向は、「高速締付け」工程及び「高トルク締付け」工程共に同一になる。

ところで、上記ハーモニックドライブ１２については、その構成及び製造上の理由から、設定可能な最小減速比が１／３０である。このため、従来のように、第１減速手段及び第２減速手段が共用の構成では、当該減速手段による減速比、つまり「高速締付け」工程の減速比を１／２．４に設定すると、「高トルク締付け」工程の減速比は、ハーモニックドライブ１２の減速比（１／３０）を含め、１／７２．０となる。しかしながら、この「高トルク締付け」工程の減速比（１／７２．０）は、所望の減速比（１／３６．０）より高いため、過剰締め付けとなる恐れがある。

そこで、本発明の部品締結装置は、前記第１減速手段及び第２減速手段を備えているので、「高速締付け」及び「高トルク締付け」工程毎に最適な減速比を設定できる。このため、高速かつトルク精度の高いねじ部品の締結が可能となる。また、前述のようなハーモニックドライブ１２を採用することにより生じる特有の課題を解決することができる。

（他の実施形態）
次に、上記ねじ部品締結装置１の他の実施形態を図４に基づいて説明する。図４のねじ部品締結装置１’は、上記ねじ部品締結装置１の第１減速手段及び第２減速手段に代えて、変速手段の一例として無段変速機２０を用いたものである。この無段変速機２０は、モータ３の駆動軸３ａに連結された主動プーリ２１と、前記第１入力軸５及び電磁クラッチ８の入力部８１と一体に回転可能な従動プーリ２２と、これらプーリ２１，２２に巻きかけられて駆動伝達を行う無端ベルト２３とから成る。主動プーリ２１は、軸線に沿って上下方向に可動する一方、従動プーリ２２は固定されている。無端ベルト２３は、その外周がばね（図示せず）で付勢されており、変速に伴う弛みを生じないように構成されている。そして、制御ユニット１８は、「高速締付け」工程及び「高トルク締付け」工程に応じて、主動プーリ２１を作動し、減速比を変更できるように構成されている。ねじ部品締結装置１’では、無段変速機２０を用いることで、上記ねじ部品締結装置１と同様の作用効果を発揮できるとともに、部品点数を減らすことができる。

１ ねじ部品締結装置
２ ケース
３ ＡＣサーボモータ
４ａ 第１主動歯付きプーリ
４ｂ 第２主動歯付きプーリ
５ 第１入力軸
６ａ 第１従動歯付きプーリ
６ｂ 第２従動歯付きプーリ
７ａ 第１歯付きベルト
７ｂ 第２歯付きベルト
８ 電磁クラッチ
９ 第２入力軸
１１ 出力軸
１２ 減速機
１３ カップリング
１４ ツースクラッチ
１５ 起歪体
１６ 歪みゲージ
１７ 取付フランジ
１８ 制御ユニット
２０ 無段変速機

本発明に係るねじ部品締結装置の一部切欠断面図である。 本発明に係るねじ部品締結装置の概略構成を示し、「高速締付け」工程の動作を説明するための図である。 本発明に係るねじ部品締結装置の概略構成を示し、「高トルク締付け」工程の動作を説明するための図である。 本発明に係るねじ部品締結装置の他の実施形態を示す一部切欠断面図である。

Claims (4)

1. 回転駆動源の駆動を受けて回転する第１入力軸と、
   回転可能に設けられた第２入力軸と、
   前記回転駆動源の回転駆動を所定の減速比で第１入力軸へ伝達する第１減速手段と、
   前記回転駆動源の回転駆動を所定の減速比で第２入力軸へ伝達する第２減速手段と、
   
   前記第２減速手段を介して伝達される回転駆動源の駆動を第２入力軸へ伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる第１クラッチ手段と、
   ねじ部品の頭部に係合可能なねじ締め工具が連結されるとともに、前記第２入力軸の回転を受けて回転可能に構成された出力軸と、
   前記第１入力軸の出力回転を前記出力軸へ伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる第２クラッチ手段と、
   前記第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段による回転伝達状態がねじ部品の締め付け工程毎に所定の回転伝達状態となるよう、第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段を制御する制御ユニットと
   を設けて成ることを特徴とするねじ部品締結装置。
2. 前記第１減速手段が、前記回転駆動源の駆動軸と一体に回転する第１主動回転部材と、
   前記第１入力軸と一体に回転する第１従動回転部材と、これら第１回転部材に巻きかけられる伝動部材とから成り、
   前記第２減速手段が、前記回転駆動源の駆動軸と一体に回転する第２主動回転部材と、
   前記第１クラッチ手段の入力側と一体に回転する第２従動回転部材と、これら第２回転部材に巻きかけられる第２伝動部材とから成る
   ことを特徴とする請求項１に記載の部品締結装置。
3. 回転駆動源の駆動を受けて回転する第１入力軸と、
   回転可能に設けられた第２入力軸と、
   前記回転駆動源の駆動を第１入力軸及び第２入力軸双方へ伝達可能な状態と第２入力軸には伝達不可能な状態とに切り替わる第１クラッチ手段と、
   前記回転駆動源の駆動を、減速比を変化させて第１入力軸へ伝達する変速手段と、
   ねじ部品の頭部に係合可能なねじ締め工具が連結されるとともに、前記第２入力軸の回転を受けて回転可能に構成された出力軸と、
   前記第１入力軸の出力回転を出力軸へ伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる第２クラッチ手段と、
   前記第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段による回転伝達状態がねじ部品の締め付け工程毎に所定の回転伝達状態となるよう、第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段を制御するとともに、当該所定の回転伝達状態に応じた所定減速比となるよう、前記変速手段を制御する制御ユニットと
   を設けて成ることを特徴とするねじ部品締結装置。
4. 前記変速手段が、無段変速機であることを特徴とする請求項３に記載のねじ部品締結装置。