JP2018096707A - ボルト軸力測定装置及びボルト軸力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボルトの軸力を精度よく測定することが可能なボルト軸力測定装置及びボルト軸力測定方法を提供する。
【解決手段】締付機１２がボルト９０を仮締めした第１のタイミングで、距離計１４は第１の距離画像を取得する。距離計コントローラ１４０は、第１の距離画像を用いて第１のタイミングにおけるボルト９０の頭部９２の第１の凹み量を測定する。マニピュレータコントローラ１６０は、第１のタイミングから第２のタイミングまでにボルト９０が回転した回転角度に応じて、ボルト９０の頭部９２に対する撮像素子１４ａの相対的な姿勢を変化させる。第２のタイミングで、距離計１４は第２の距離画像を取得し、距離計コントローラ１４０は、第２の距離画像を用いて第２のタイミングにおけるボルト９０の頭部９２の第２の凹み量を測定し、第１の凹み量と第２の凹み量との差分を用いて、ボルト９０の軸力を測定する。
【選択図】図６

Description

本発明はボルト軸力測定装置及びボルト軸力測定方法に関し、特に、被締結部材に締結されたボルトの軸力を測定するボルト軸力測定装置及びボルト軸力測定方法に関する。

ボルトの締結状態を確認するため等の目的で、被締結部材に締結されたボルトの軸力を測定することが行われている。ボルトの軸力は、ボルトの頭部の変位量（すなわち、締結前後の頭部の凹み量の差）との間に相関がある。このため、軸力の測定においては、予め軸力と頭部の変位量との相関を取得して、実際に軸力を測定するときに頭部の変位量を測定し、前記相関に基づいて軸力を測定することが行われている。

上記の技術に関連し、例えば、特許文献１は、距離センサによってボルトの頭部の高さを測定して高さを画素値とした距離画像を取得し、取得された距離画像を用いて頭部の変位量を算出し、予め算出した軸力と頭部の変位量との関係式に代入して軸力を算出する軸力測定方法を開示する。特許文献１にかかる軸力測定方法においては、ボルトの締結前の頭部の距離画像を用いてボルトの頭部の窪み量（凹み量）を算出し、ボルトの締結後の頭部の距離画像を用いてボルトの頭部の窪み量（凹み量）を算出して、算出された締結前後の窪み量の差を算出することで、頭部の変位量を算出している。

特開２０１５−０８１７９８号公報

ボルトが締結されると、ボルトの頭部は締結前の状態から回転することとなる。したがって、締結前の頭部の距離画像と、締結後の頭部の距離画像とでは、頭部の向きが異なることとなる。このように、締結前後で頭部の向きが異なる距離画像を用いて算出された凹み量から頭部の変位量を算出すると、精度よく変位量を算出できず、したがって軸力の測定を精度よく行うことができないおそれがある。一方、特許文献１にかかる技術では、上記のような問題点を考慮していなかった。

本発明は、ボルトの軸力を精度よく測定することが可能なボルト軸力測定装置及びボルト軸力測定方法を提供する。

本発明にかかるボルト軸力測定装置は、被締結部材に締結されたボルトの軸力を測定するボルト軸力測定装置であって、前記被締結部材に前記ボルトを螺合させることによって、前記被締結部材に前記ボルトを締め付ける締付機と、前記ボルトの頭部までの距離を測定し、測定された距離を画素値とする距離画像を取得する距離計と、前記ボルトの前記頭部に対する前記距離計の撮像素子の相対的な姿勢を制御する制御手段と、前記距離画像を用いて前記ボルトの前記頭部の凹み量を測定して、前記ボルトの軸力を測定する測定手段とを有し、前記締付機が前記ボルトを仮締めした第１のタイミングで、前記距離計は第１の距離画像を取得し、前記測定手段は、前記第１の距離画像を用いて前記第１のタイミングにおける前記ボルトの前記頭部の第１の凹み量を測定し、前記制御手段は、前記第１のタイミングから前記第１のタイミングよりも前記締付機が前記ボルトを締め付けた第２のタイミングまでに前記ボルトが回転した回転角度に応じて、前記ボルトの前記頭部に対する前記撮像素子の相対的な姿勢を変化させ、前記第２のタイミングで、前記距離計は第２の距離画像を取得し、前記測定手段は、前記第２の距離画像を用いて前記第２のタイミングにおける前記ボルトの前記頭部の第２の凹み量を測定し、前記第１の凹み量と前記第２の凹み量との差分を用いて、前記ボルトの軸力を測定する。

また、本発明にかかるボルト軸力測定方法は、被締結部材に締結されたボルトの軸力を測定するボルト軸力測定方法であって、前記被締結部材に前記ボルトを螺合させることによって、前記被締結部材に前記ボルトを締め付ける締付機が前記ボルトを仮締めした第１のタイミングで、前記ボルトの頭部までの距離を測定し測定された距離を画素値とする距離画像を取得する距離計によって取得された第１の距離画像を用いて、前記第１のタイミングにおける前記ボルトの前記頭部の第１の凹み量を測定し、前記第１のタイミングから前記第１のタイミングよりも前記締付機が前記ボルトを締め付けた第２のタイミングまでに前記ボルトが回転した回転角度に応じて、前記ボルトの前記頭部に対する前記距離計の撮像素子の相対的な姿勢を変化させ、前記第２のタイミングで前記距離計によって取得された第２の距離画像を用いて前記第２のタイミングにおける前記ボルトの前記頭部の第２の凹み量を測定し、前記第１の凹み量と前記第２の凹み量との差分を用いて、前記ボルトの軸力を測定する。

本発明は、上記のように構成されているので、第１のタイミングと第２のタイミングとで、距離画像に示されたボルトの頭部に対応する画像の姿勢は同じとすることができる。したがって、本実施の形態にかかるボルト軸力測定装置１は、軸力によるボルトの頭部の変位量（第１のタイミングの凹み量と第２のタイミングの凹み量との差分）を精度よく算出でき、したがって精度よくボルトの軸力を測定することが可能となる。

また、好ましくは、前記第２のタイミングは、前記ボルトの本締めのタイミングであり、前記第１のタイミングにおいて、前記締付機は、前記ボルトの仮締めに対応する第１のトルクで前記ボルトを締め付けた後、前記ボルトと対向した位置から退避し、前記制御手段は、前記撮像素子を前記ボルトの前記頭部と対向するように前記距離計の姿勢を制御し、前記第２のタイミングにおいて、前記締付機は、前記ボルトの本締めに対応する第２のトルクで前記ボルトを締め付けた後、前記ボルトと対向した位置から退避し、前記制御手段は、前記撮像素子を前記ボルトの前記頭部と対向するように前記距離計の姿勢を制御する。
本発明は、上記のように構成されていることによって、本締め後のボルトの軸力を自動的に測定することが可能となる。

また、好ましくは、前記制御手段は、前記第１のタイミングから前記第２のタイミングまでに前記ボルトが回転した回転角度と同じ角度で、前記ボルトの前記頭部に対して前記撮像素子を回転させ、又は、前記撮像素子に対して前記ボルトが締結された前記被締結部材を回転させる。
本発明は、上記のように構成されていることによって、第２のタイミングにおけるボルトの頭部の凹み量を測定する際に、距離画像を回転させることが不要となる。これにより、軸力の測定の処理を簡略化することが可能となる。

本発明によれば、ボルトの軸力を精度よく測定することが可能なボルト軸力測定装置及びボルト軸力測定方法を提供できる。

実施の形態１にかかるボルト軸力測定装置を示す図である。 実施の形態１にかかる締付機がボルトを締め付けている状態を示す図である。 実施の形態１にかかる距離計がボルトの頭部までの距離を測定している状態を示す図である。 軸力の測定方法を説明するための図である。 軸力換算曲線を例示する図である。 実施の形態１にかかるボルト軸力測定装置を用いて行われるボルト軸力測定方法を示すフローチャートである。 仮締めが終了したタイミングにおけるマニピュレータの動作を説明するための図である。 仮締めが終了したタイミングにおけるマニピュレータの動作を説明するための図である。 本締めが終了したタイミングにおけるマニピュレータの動作を説明するための図である。 距離画像を用いてボルトの頭部の底部の高さを算出する方法を説明するための図である。 距離画像を用いてボルトの頭部の頂部の高さを算出する方法を説明するための図である。 比較例にかかる距離画像を示す図である。 図１２の（ａ）に示した画素群Ｇｐｘ１を示す図である。 図１２の（ｂ）に示した画素群Ｇｐｘ１’を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定されるわけではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるボルト軸力測定装置１を示す図である。ボルト軸力測定装置１は、作業ロボット１０と制御装置１００とを有する。作業ロボット１０は、制御装置１００の制御によって動作する。作業ロボット１０は、締付機１２と、距離計１４と、マニピュレータ１６とを有する。

締付機１２は、例えばナットランナである。締付機１２は、制御装置１００の制御によって、ボルト９０を締め付ける。締付機１２は、被締結部材８０にボルト９０を螺合させることによって、ボルト９０を被締結部材８０に締め付ける。詳しくは後述する。なお、被締結部材８０は、ナット等を含み得る。

距離計１４は、例えば距離センサ又は三次元カメラである。距離計１４は、制御装置１００の制御によって、被締結部材８０に締め付けられたボルト９０の頭部９２までの距離を測定する。そして、距離計１４は、距離を画素値とする距離画像を示すデータ（以後、単に「距離画像」と称する）を取得して、その距離画像を制御装置１００に対して出力する。詳しくは後述する。

マニピュレータ１６は、制御装置１００の制御によって、締付機１２及び距離計１４を動作させる。例えば、マニピュレータ１６は、ボルト９０の頭部９２に締付機１２が対向するように締付機１２を移動する。また、マニピュレータ１６は、ボルト９０の頭部９２に距離計１４の撮像素子１４ａが対向するように距離計１４を移動する。マニピュレータ１６の具体的な動作については後述する。

制御装置１００は、例えばコンピュータである。制御装置１００は、主要なハードウェア構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０４と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０６と、インタフェース部１０８（ＩＦ；Interface）とを有する。ＣＰＵ１０２、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０６及びインタフェース部１０８は、データバスなどを介して相互に接続されている。

ＣＰＵ１０２は、制御処理及び演算処理等を行う演算装置としての機能を有する。ＲＯＭ１０４は、ＣＰＵ１０２によって実行される制御プログラム及び演算プログラム等を記憶するための機能を有する。ＲＡＭ１０６は、処理データ等を一時的に記憶するための機能を有する。インタフェース部１０８は、有線又は無線を介して外部と信号の入出力を行う。

また、制御装置１００は、締付機コントローラ１２０、距離計コントローラ１４０及びマニピュレータコントローラ１６０を有する。締付機コントローラ１２０、距離計コントローラ１４０及びマニピュレータコントローラ１６０は、例えば、ＣＰＵ１０２がＲＯＭ１０４に記憶されたプログラムを実行することによって実現可能である。また、必要なプログラムを任意の不揮発性記録媒体に記録しておき、必要に応じてインストールすることで、締付機コントローラ１２０、距離計コントローラ１４０及びマニピュレータコントローラ１６０を実現するようにしてもよい。

また、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ）を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

なお、締付機コントローラ１２０、距離計コントローラ１４０及びマニピュレータコントローラ１６０は、上記のようにソフトウェアによって実現されることに限定されず、何らかの回路素子等のハードウェアによって実現されてもよい。さらに、締付機コントローラ１２０、距離計コントローラ１４０及びマニピュレータコントローラ１６０は、物理的に１つの装置内に設けられている必要はなく、別個のハードウェアとして構成されていてもよい。その場合、締付機コントローラ１２０、距離計コントローラ１４０及びマニピュレータコントローラ１６０のそれぞれが、コンピュータとして機能してもよい。

また、制御装置１００は、作業ロボット１０が一連の作業工程を行うためのティーチングデータを記憶している。ティーチングデータは、後述する図６に示すような、被締結部材８０にボルト９０を締め付けてボルト９０の頭部９２の距離画像を取得する等の一連の作業工程を行うためのデータである。締付機コントローラ１２０、距離計コントローラ１４０及びマニピュレータコントローラ１６０は、このティーチングデータに従って、それぞれ、締付機１２、距離計１４及びマニピュレータ１６を制御する。また、ティーチングデータは、各工程において、締付機１２及び距離計１４を制御すべき位置を記憶しており、マニピュレータコントローラ１６０は、このティーチングデータが示す位置に、締付機１２及び距離計１４を移動するように制御を行う。

締付機コントローラ１２０は、締付機１２を制御する。さらに、締付機コントローラ１２０は、締付機１２がボルト９０を締め付けたときにボルト９０を回転させた角度（締付角度）を取得する。距離計コントローラ１４０は、距離画像を用いてボルト９０の凹み量を算出し、被締結部材８０に締め付けられたボルト９０の軸力を測定する。つまり、距離計コントローラ１４０は、測定手段としての機能を有する。また、マニピュレータコントローラ１６０は、マニピュレータ１６を制御して、締付機１２及び距離計１４の動作を制御する。つまり、マニピュレータコントローラ１６０（及びマニピュレータコントローラ１６０及びマニピュレータ１６）は、制御手段としての機能を有する。

図２は、実施の形態１にかかる締付機１２がボルト９０を締め付けている状態を示す図である。マニピュレータ１６は、マニピュレータコントローラ１６０の制御により、ボルト９０を締め付けるタイミングにおいて、図２に示すように、締付機１２の先端部１２ａがボルト９０の頭部９２に対向するように、締付機１２を移動させる。そして、締付機１２は、締付機コントローラ１２０の制御によって、ソケット形状の先端部１２ａを下降させて先端部１２ａの内部に頭部９２を挿入させる。これにより、先端部１２ａが頭部９２と係合する。そして、締付機１２は、先端部１２ａを回転させる。これにより、被締結部材８０にボルト９０が螺合する。なお、先端部１２ａはソケット形状でなくてもよい。ボルト９０が六角穴付ボルトである場合、先端部１２ａは六角棒レンチの形状であってもよく、その場合、先端部１２ａを頭部９２に形成された六角穴に挿入して回転させることで、被締結部材８０にボルト９０が螺合する。

図３は、実施の形態１にかかる距離計１４がボルト９０の頭部９２までの距離を測定している状態を示す図である。マニピュレータ１６は、マニピュレータコントローラ１６０の制御により、ボルト９０の頭部９２までの距離の測定タイミングにおいて、図３に示すように、距離計１４の撮像素子１４ａがボルト９０の頭部９２に対向するように、距離計１４を移動させる。そして、距離計１４は、距離計コントローラ１４０の制御によって、ボルト９０の頭部９２までの距離を測定し、ボルト９０の頭部９２の上面に対応する距離画像を生成する。距離計コントローラ１４０は、この生成された距離画像を距離計１４から取得する。

図４は、軸力の測定方法を説明するための図である。図４に示した距離計１４は光コム干渉を用いたものであるが、これに限られない。ボルト９０が締め付けられると、矢印Ａで示すようにボルト９０に軸力が発生する。この軸力により、矢印Ｂで示す一点鎖線のように、ボルト９０の頭部９２の上面が窪むように変形する。そして、ボルト９０の軸力と頭部９２の変形量との間には、相関がある。したがって、ボルト９０の締結前後のボルト９０の頭部９２の変形量を算出することで、ボルト９０の軸力を測定することができる。

具体的には、距離計１４は、ボルト９０の締結前及び締結後のそれぞれにおいて、ボルト９０の頭部９２の距離画像を取得する。距離計１４は、例えば光源１４ｂ及び干渉計１４ｃを有する。なお、干渉計１４ｃは、撮像素子１４ａと一体であってもよい。

光源１４ｂは、例えばレーザ光である参照光及び信号光を干渉計１４ｃに供給する。干渉計１４ｃは、信号光をボルト９０の頭部９２に照射させる。そして、干渉計１４ｃは、信号光の頭部９２における反射光を受光する。干渉計１４ｃは、頭部９２に照射していない信号光と参照光とを干渉させた信号を、基準信号として取得する。さらに、干渉計１４ｃは、反射光と参照光とを干渉させた信号を、測定信号として取得する。そして、距離計１４は、基準信号と測定信号との差分（位相差又は時間差等）を用いて、頭部９２の信号光を照射させた位置までの距離を測定する。さらに、干渉計１４ｃが、ガルバノミラー等を用いて頭部９２の上面に信号光を走査することで、距離計１４は、頭部９２の上面の各位置における距離を測定することができる。そして、距離計１４は、各画素が各位置に対応し、各画素の画素値がその位置までの距離を示す距離画像を生成する。なお、距離計コントローラ１４０が距離画像を生成してもよい。

距離計コントローラ１４０は、後述するように、ボルト９０の締結前後それぞれの距離画像を用いてボルト９０の頭部９２の上面の高低差（凹み量）を算出する。なお、ボルト９０の頭部９２の上面にほとんど凹みがない場合、ボルト９０の締結前の凹み量は、略０であり得る。また、ボルト９０の頭部９２の上面の中央近傍が突出した形状のボルトである場合、凹み量は、負の値であり得る。距離計コントローラ１４０は、締結前における凹み量と、締結後における凹み量との差分を、変位量（変形量）として算出する。そして、距離計コントローラ１４０は、例えば以下に例示するような軸力換算曲線と変位量とを用いて、ボルト９０の軸力を測定する。

図５は、軸力換算曲線を例示する図である。軸力換算曲線は、横軸を変位量とし、縦軸を軸力とするグラフである。制御装置１００は、この軸力換算曲線を記憶している。なお、軸力換算曲線は、例えば以下に示す方法で生成され得る。予め、様々な締付トルクで同規格のボルトを締め付けたときの軸力を、引張試験機又はロードセル等を用いて測定する。また、このときのボルトの頭部の変位量を、距離計を用いて算出する。そして、変位量と軸力とを示す点を複数プロットし、これらの点の近似曲線（近似直線でもよい）を、軸力換算曲線とする。なお、制御装置１００は、ボルト９０の種類ごとに異なる複数の軸力換算曲線を記憶し得る。なお、軸力換算曲線は、直線であってもよい。したがって、ここでいう「曲線」は、直線をも含む概念である。

図６は、実施の形態１にかかるボルト軸力測定装置１を用いて行われるボルト軸力測定方法を示すフローチャートである。まず、制御装置１００は、仮締め（着座）トルク（第１のトルク）を設定し（ステップＳ１０２）、本締め（目標）トルク（第２のトルク）を設定し（ステップＳ１０４）、目標軸力を設定する（ステップＳ１０６）。仮締めトルクは、例えば１〜５Ｎｍ程度であるが、これに限られない。また、本締めトルクは、例えば５０〜１１０Ｎｍ程度であるが、これに限られない。なお、目標軸力は、必ずしも設定する必要はない。

次に、ボルト軸力測定装置１は、ボルト９０の仮締めを開始する（ステップＳ１０８）。具体的には、制御装置１００等に設けられたボタンの押下又は外部信号等によって、仮締め開始指令が出力される。仮締め開始指令が出力されると、制御装置１００のマニピュレータコントローラ１６０は、ティーチングデータに従って、締付機１２をボルト９０の頭部９２に対向させる。そして、締付機１２は、締付機コントローラ１２０の制御によって、設定された仮締めトルクでボルト９０を被締結部材８０に締め付ける。

締付機コントローラ１２０は、締め付けトルクが仮締めトルクに達すると（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、締付機１２を停止して仮締め動作を終了する（ステップＳ１１２）。このとき、ボルト９０には、ほとんど軸力は加わっていない（つまり軸力は略０である）。また、締付機コントローラ１２０は、仮締め動作が終了した旨を示す仮締め終了信号を、マニピュレータコントローラ１６０に対して出力する。そして、仮締めが終了したタイミング（第１のタイミング）で、ボルト軸力測定装置１は、距離計１４を用いてボルト９０の頭部９２の凹み量を測定する（ステップＳ１１４）。

図７及び図８は、仮締めが終了したタイミングにおけるマニピュレータ１６の動作を説明するための図である。図７に示すように、仮締めが終了したとき、締付機１２の先端部１２ａは、ボルト９０の頭部９２と対向している。マニピュレータコントローラ１６０は、仮締め終了信号を受信すると、締付機１２をボルト９０の頭部９２と対向する位置から退避させ、距離計１４の撮像素子１４ａをボルト９０の頭部９２と対向させるように、マニピュレータ１６を制御する。これにより、図８に示すように、距離計１４が、ボルト９０の頭部９２の上にセットされることとなる。距離計１４が図８で示す状態にセットされると、マニピュレータコントローラ１６０は、セット完了信号を距離計コントローラ１４０に出力する。

距離計コントローラ１４０は、セット完了信号を受信すると、仮締めが終了したタイミングにおける頭部９２の距離画像を生成するように、距離計１４を制御する。これにより、距離計コントローラ１４０は、仮締めが終了したタイミングにおける頭部９２の距離画像（第１の距離画像）を取得する。さらに、距離計コントローラ１４０は、後述するようにして、仮締めが終了したタイミングにおける頭部９２の凹み量ａ１（第１の凹み量）を測定する。

次に、ボルト軸力測定装置１は、ボルト９０の本締めを開始する（ステップＳ１１６）。具体的には、距離計コントローラ１４０は、凹み量ａ１を測定すると、測定完了信号をマニピュレータコントローラ１６０に出力する。マニピュレータコントローラ１６０は、測定完了信号を受信すると、距離計１４をボルト９０の頭部９２と対向する位置から退避させ、締付機１２の先端部１２ａをボルト９０の頭部９２に対向させるように、マニピュレータ１６を制御する。これにより、図７に示すように、締付機１２が、ボルト９０の頭部９２の上にセットされることとなる。締付機１２が図７で示す状態にセットされると、マニピュレータコントローラ１６０は、セット完了信号を締付機コントローラ１２０に出力する。そして、締付機１２は、締付機コントローラ１２０の制御によって、設定された本締めトルクでボルト９０を締め付ける。

締付機コントローラ１２０は、締め付けトルクが本締めトルクに達すると（ステップＳ１１８のＹＥＳ）、締付機１２を停止して本締め動作を終了する（ステップＳ１２０）。また、締付機コントローラ１２０は、本締め動作が終了した旨を示す本締め終了信号を、マニピュレータコントローラ１６０に対して出力する。さらに、締付機コントローラ１２０は、仮締め終了のタイミング（第１のタイミング）から、本締め終了のタイミング（第２のタイミング）までに、ボルト９０の頭部９２が回転した回転角度を、締付角度ｂとして取得する。そして、締付機コントローラ１２０は、この締付角度ｂを、マニピュレータコントローラ１６０に出力する（ステップＳ１２２）。

図９は、本締めが終了したタイミングにおけるマニピュレータ１６の動作を説明するための図である。本締めが終了したとき、図７に示すように、締付機１２の先端部１２ａは、ボルト９０の頭部９２と対向している。マニピュレータコントローラ１６０は、本締め終了信号を受信すると、締付機１２をボルト９０の頭部９２と対向する位置から退避させ、距離計１４の撮像素子１４ａをボルト９０の頭部９２と対向させるように、マニピュレータ１６を制御する。このとき、マニピュレータコントローラ１６０は、距離計１４を、図８で示す状態から締付角度ｂに応じて回転させるように、マニピュレータ１６を制御する（ステップＳ１２４）。つまり、マニピュレータコントローラ１６０は、距離計１４を、締付角度ｂに応じて、頭部９２に対する撮像素子１４ａの相対的な姿勢を変化させる。これにより、図９の矢印Ｃで示すように、距離計１４が、図８の状態つまり第１のタイミングの状態から、締付角度ｂだけ回転した状態で、ボルト９０の頭部９２の上にセットされることとなる。距離計１４が図９で示す状態にセットされると、マニピュレータコントローラ１６０は、セット完了信号を距離計コントローラ１４０に出力する。

そして、本締めが終了したタイミング（第２のタイミング）で、ボルト軸力測定装置１は、距離計１４を用いてボルト９０の頭部９２の凹み量を測定する（ステップＳ１２６）。具体的には、距離計コントローラ１４０は、セット完了信号を受信すると、本締めが終了したタイミングにおける頭部９２の距離画像を生成するように、距離計１４を制御する。これにより、距離計コントローラ１４０は、本締めが終了したタイミングにおける頭部９２の距離画像（第２の距離画像）を取得する。さらに、距離計コントローラ１４０は、後述するようにして、本締めが終了したタイミングにおける頭部９２の凹み量ａ２（第２の凹み量）を測定する。

距離計コントローラ１４０は、凹み量ａ２が測定されると、凹み量の差分ａ２−ａ１を、ボルト９０の締め付けによる変位量Δａとして算出する。そして、距離計コントローラ１４０は、変位量Δａ（＝ａ２−ａ１）を用いて、被締結部材８０に締め付けられたボルト９０の軸力を測定する（ステップＳ１２８）。具体的には、距離計コントローラ１４０は、図５に例示した軸力換算曲線又はこの軸力換算曲線に対応する換算式等と、変位量Δａとを用いて、ボルト９０の軸力を算出する。なお、制御装置１００は、Ｓ１０６で設置された目標軸力を用いて、測定された軸力の妥当性を評価してもよい。

本実施の形態においては、上述したように、マニピュレータ１６が、仮締め後に締付機１２をボルト９０の頭部９２に対向する位置から退避させて距離計１４を頭部９２と対向させる。そして、マニピュレータ１６が、本締め後に締付機１２をボルト９０の頭部９２と対向する位置から退避させて距離計１４を頭部９２と対向させる。したがって、本実施の形態にかかるボルト軸力測定装置１は、本締め後のボルト９０の軸力を自動的に測定することが可能となる。

次に、凹み量の測定方法（Ｓ１１４，Ｓ１２６）について説明する。凹み量は、距離画像から、ボルト９０の頭部９２の底部（谷）までの距離と頂部（山）までの距離との差分を算出することで測定される。つまり、凹み量は、ボルト９０の頭部９２の底部（谷）の高さと頂部（山）の高さとの差分に対応する。以下、底部の高さ及び頂部の高さを算出する方法について説明する。

なお、距離画像の画素値は、距離計１４までの距離が大きい程大きくてもよいし、距離計１４までの距離が大きい程小さくてもよい。距離計１４までの距離が大きい程画素値が大きい場合、画素値が大きい画素は、頭部９２において高さの低い位置を示す。また、距離計１４までの距離が大きい程画素値が小さい場合、画素値が大きい画素は、頭部９２において高さの高い位置を示す。つまり、画素値は、その画素に対応する位置までの距離計１４からの距離を示すとともに、その位置の高さを示し得る。

図１０は、距離画像を用いてボルト９０の頭部９２の底部の高さを算出する方法を説明するための図である。図１０の（ａ）は、ボルト９０の頭部９２に対応する距離画像の原画を示す。距離計コントローラ１４０は、（ａ）に示す距離画像に対して二値化処理及びラベリング処理等を施して、（ｂ）に示すように、ボルト９０の頭部９２を抽出する。二値化処理は、距離画像の各画素値を、予め定められた閾値以上であるか否かに応じて二色（例えば黒又は白など）に分類することで行われる。（ｂ）に示す例では、画素値が予め定められた閾値よりも高さが高いことを示す（つまり距離計１４からの距離が予め定められた閾値よりも近いことを示す）場合に、その画素が白色に分類され、そうでない場合に、その画素が黒色に分類されている。また、ラベリング処理は、同じ画素値が連続する画素に同じ番号を割り振って、番号ごとに画素を色分けする処理である。このラベリング処理によって、埃等によって実際の高さよりも高い（つまり距離計１４に近い）測定結果となった箇所を、ボルト９０の一部と誤認識することを抑制できる。上記の処理により、距離計コントローラ１４０は、（ｂ）に示す白色の箇所を、ボルト９０の頭部９２と認識できる。

そして、距離計コントローラ１４０は、（ｂ）に示すボルト９０の頭部９２の画像において、六角形の対向する頂点を線分で結び、これらの線分の交点を、頭部９２の重心位置Ｃ１として算出する。なお、３つの線分で各頂点を結ぶ必要はなく、２つの直線の交点を重心位置Ｃ１としてもよい。また、３つの線分が１点で交わらない場合、３つの交点を頂点とする三角形の重心を重心位置Ｃ１としてもよい。

次に、距離計コントローラ１４０は、重心位置Ｃ１を中心とし半径をｒ１とする円Ｋ１の内部の領域Ｒ０の画素の画素値の平均値を、頭部９２の底部（谷）までの距離、つまり底部の高さｈ１とする。ｒ１は、例えば２．５ｍｍであるが、これに限られない。ｒ１は、ボルト９０の頭部９２の大きさ及び形状（元々頭部９２に形成されていた六角穴等の凹部の大きさ等）に応じて適宜定められ得る。

図１１は、距離画像を用いてボルト９０の頭部９２の頂部の高さを算出する方法を説明するための図である。距離計コントローラ１４０は、重心位置Ｃ１から一定角度（例えば０．５°）ごとに放射状に伸びた複数の仮想直線Ｌそれぞれの上に位置する画素のうち、その画素に対応する位置の高さが相対的に高い画素を、予め定められた数（例えば１０個）抽出する。例えば、距離計１４までの距離が大きい程画素値が小さい場合、距離計コントローラ１４０は、画素値が相対的に大きな１０個の画素を抽出する。また、例えば、距離計１４までの距離が大きい程画素値が大きい場合、距離計コントローラ１４０は、画素値が相対的に小さな１０個の画素を抽出する。

そして、距離計コントローラ１４０は、抽出された画素（上記の例では７２０×１０＝７２００個）の平均値を、頭部９２の頂部（山）までの距離、つまり頂部の高さｈ２とする。これにより、距離計コントローラ１４０は、底部の高さｈ１と頂部の高さｈ２との差分を、凹み量として算出する。なお、この処理は、Ｓ１１４の処理の場合もＳ１２６の処理の場合も同様である。

なお、一般的に、軸力によって変形するのはボルト９０の頭部９２の中央つまり重心位置Ｃ１の近傍であり、軸力によって頭部９２の外縁近傍は変形しない。したがって、仮締めのタイミング（本締めの前）及び本締めのタイミング（本締めの後）の両方において、頂部は、頭部９２の外縁近傍に存在することとなる。そして、頭部９２の頂部の実際の高さは、ボルト９０の本締めの前後で変化しない。また、各仮想直線Ｌ上の画素のうち画素値が高さの高いことを示す画素（つまり頂部に対応する画素）は、頭部９２の外縁近傍に対応する距離画像上の位置で、互いに隣接し得ることとなる。図１１に示す画素群Ｇｐｘは、各仮想直線Ｌ上の画素のうち画素値が高さの高いことを示す上位１０個の画素の群を示している。そして、画素群Ｇｐｘにおいて、画素値が高さの高いことを示す上位１０個の画素は互いに隣接している。また、画素群Ｇｐｘ１の集合、つまり頂部に対応する画素の集合は、頭部９２の形状にもよるが、概ね頭部９２の外縁近傍に沿った環形状を形成することとなる。

なお、ボルト９０の締め付けによってボルト９０がねじ込まれるため、本締めにおける距離計１４（撮像素子１４ａ）と頭部９２との距離は、仮締めにおける距離計１４（撮像素子１４ａ）と頭部９２との距離よりも長くなっている。したがって、頭部９２の頂部の実際の高さはボルト９０の本締めの前後で変化しないが、距離画像上における頂部に対応する画素（画素群Ｇｐｘ）の画素値は、本締めの前後で、ボルト９０がねじ込まれた深さに応じて変化していることに留意されたい。このことは、底部においても同様である。

ここで、本実施の形態では、本締めの際にボルト９０の締め付けによってボルト９０が回転した角度だけ、距離計１４（撮像素子１４ａ）も回転している。したがって、距離画像で抽出されるボルト９０の頭部９２に対応する画像の向きは、仮締めのタイミングと本締めのタイミングとで、一致している。これにより、図１１で示す処理で抽出される画素に対応する頭部９２の位置（頂部に対応する画素の位置）は、仮締めのタイミングと本締めのタイミングとで、一致することとなる。

（比較例）
以下、比較例とともに説明する。比較例では、距離計１４を締付角度ｂに応じて回転させない点で、実施の形態１と異なる。
図１２は、比較例にかかる距離画像を示す図である。なお、図１２に示す距離画像は、図１１に示した距離画像に対応する。（ａ）は、仮締めのタイミングで取得されたボルト９０の頭部９２の距離画像を示す図である。（ｂ）は、本締めのタイミングで取得されたボルト９０の頭部９２の距離画像を示す図である。図１２の例では、仮締めから本締めまでの間で、ボルト９０が時計回りに４５度回転している。つまり、図１２の例では、締付角度ｂは４５度である。したがって、（ｂ）に示すように、本締めのタイミングで取得されたボルト９０の頭部９２の距離画像は、仮締めのタイミングで取得されたボルト９０の頭部９２の距離画像よりも、時計回りに４５度回転している。

ここで、（ａ）に示す距離画像における画素群Ｇｐｘ１に対応するボルト９０の頭部９２における位置は、（ｂ）では、画素群Ｇｐｘ１’に対応する。なお、画素群Ｇｐｘ１及び画素群Ｇｐｘ１’は、図１１に示した画素群Ｇｐｘに対応し、したがって頂部に対応する。また、画素群Ｇｐｘ１及び画素群Ｇｐｘ１’は、１０個の画素で構成されている。そして、ボルト９０の締付角度ｂが４５度であるので、画素群Ｇｐｘ１’は、画素群Ｇｐｘ１に対して、重心位置Ｃ１を中心として時計回りに４５度回転した向きとなっている。

図１３は、図１２の（ａ）に示した画素群Ｇｐｘ１を示す図である。上述したように、画素群Ｇｐｘ１は、１０個の画素で構成されている。また、画素群Ｇｐｘ１は、略水平に画素が並んで構成されている。また、この画素群Ｇｐｘ１に対応する位置を、一点鎖線で囲んだ領域Ｒ１とする。図１３では、画素群Ｇｐｘ１と領域Ｒ１とは、略重なっている。また、画素群Ｇｐｘ１の長手方向（水平方向）の長さをＬｇ１とする。

図１４は、図１２の（ｂ）に示した画素群Ｇｐｘ１’を示す図である。上述したように、画素群Ｇｐｘ１’は、１０個の画素で構成されている。また、画素群Ｇｐｘ１’は、斜め４５度に画素が並んで構成されている。ここで、一般的に画素の形は正方形であることから、画素の斜め方向の長さは、水平方向（及び垂直方向）の長さよりも長くなる。したがって、画素群Ｇｐｘ１’の長手方向の長さＬｇ１’は、画素群Ｇｐｘ１の長さＬｇ１よりも長くなる。よって、画素群Ｇｐｘ１’を構成する画素の一部が、画素群Ｇｐｘ１に対応する位置を示す領域Ｒ１からはみ出ることとなる。

ここで、領域Ｒ１からはみ出た画素Ｐｘ１、Ｐｘ２及びＰｘ３は、領域Ｒ１に対応する頭部９２の位置に対応していない。言い換えると、画素Ｐｘ１、Ｐｘ２及びＰｘ３の画素値は、領域Ｒ１に対応する頭部９２の位置の高さ（この位置までの距離）を示していない。したがって、画素群Ｇｐｘ１を構成する画素の画素値の平均値と、画素群Ｇｐｘ１’を構成する画素の画素値の平均値との差分は、ボルト９０の仮締めから本締めまでの間にねじ込まれた深さに対応しないこととなるおそれがある。これにより、比較例では、本締め後の凹み量ａ２を精度よく算出することができないおそれがある。つまり、比較例においては、頂部に対応する画素の位置が仮締めのタイミングと本締めのタイミングとで異なるおそれがあるので、変位量Δａを精度よく算出できず、したがって精度よくボルト９０の軸力を測定できないおそれがある。

一方、本実施の形態においては、本締めのタイミングで締付角度ｂに応じて距離計１４を回転させてから距離画像が取得される。言い換えると、図１２に示した例では、本締め後に取得された距離画像も、（ａ）に示したものとなり得る。さらに言い換えると、仮締め後と本締め後とで、距離画像に示されたボルト９０の頭部９２に対応する画像の姿勢は同じであり得る。したがって、頂部に対応する画素の位置が、仮締めのタイミングと本締めのタイミングとで一致し得る。したがって、本実施の形態にかかるボルト軸力測定装置１は、変位量Δａを精度よく算出でき、したがって精度よくボルト９０の軸力を測定することが可能となる。

（変形例）
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図６に示したフローチャートの各ステップの順序は、適宜、変更可能である。また、各ステップの１つ以上は、省略可能である。さらに、あるステップが実行されている間に、他のステップが実行されてもよい。

例えば、図６では、Ｓ１１４の処理が終了した後でＳ１１６の処理が開始しているが、仮締めが終了した後（Ｓ１１２の後）、Ｓ１１４の処理が実行されている間（つまり凹み量ａ１の測定処理の間）に、本締めを開始してもよい。これにより、図６に示すフローチャート全体の処理時間が短縮し得る。

また、図６に示すフローチャートでは、本締めが終了（Ｓ１２０）した後で距離計１４を回転させる（Ｓ１２２，Ｓ１２４）としたが、このような構成に限られない。締付機１２がボルト９０を締め付けている間、マニピュレータコントローラ１６０が、その締め付けにかかる締付機１２の先端部１２ａの回転に連動して、距離計１４を回転させてもよい。これにより、本締めが終了し、距離計１４がボルト９０の頭部９２と対向したときには、締付角度ｂに応じた角度だけ、距離計１４が回転していることとなる。したがって、処理時間を短縮することができる。

また、上述した実施の形態では、締付角度ｂに応じて距離計１４を回転させているが、このような構成に限られない。距離計１４そのものではなく、撮像素子１４ａのみを回転させてもよい。なお、当然ながら、距離計１４を回転させる場合であっても、ボルト９０の頭部９２に対して撮像素子１４ａは回転している。

また、上述した実施の形態では、締付角度ｂだけ距離計１４を回転させるとしたが、このような構成に限られない。距離計１４を、（ｂ−３６０＊ｎ）度（ｎは０でない整数）回転させるようにしてもよい。このような方法により、締付角度ｂが３６０度以上である場合等に、距離計１４の回転角度を低減させることが可能となる。

また、画素の形状が正方形である場合、距離計１４を（ｂ＋９０＊ｍ）度（ｍは０以外の整数）回転させてもよい。なお、時計回りを正方向とする。そして、距離計コントローラ１４０が、本締め後に取得された距離画像を、−９０＊ｍ度回転させるようにしてもよい。これにより、例えば、ｂ＝６０度である場合に、ｍ＝−１として距離計１４を６０−９０＝−３０度回転させるようにしてもよい。そして、距離計コントローラ１４０は、本締め後に取得された距離画像を９０度回転させるようにしてもよい。この場合、距離計１４の回転角度が低減されている。一方、締付角度ｂと同じ角度だけ距離計１４を回転させることで、距離画像を回転させることが不要となる。したがって、軸力の測定の処理を簡略化することが可能となる。

また、上述した実施の形態では、距離画像を構成する画素の形状は、正方形であるとしたが、画素の形状は正方形に限られない。例えば、画素は、長方形であってもよいし、六角形であってもよい。

また、上述した実施の形態では、距離計１４を回転させるとしたが、ボルト９０が締結された被締結部材８０を回転させてもよい。さらに、距離計１４及び被締結部材８０を回転させてもよい。つまり、締付角度ｂに応じて、ボルト９０の頭部９２に対する撮像素子１４ａの相対的な姿勢を変化させるようにすればよい。

１ ボルト軸力測定装置
１０ 作業ロボット
１２ 締付機
１４ 距離計
１４ａ 撮像素子
１６ マニピュレータ
８０ 被締結部材
９０ ボルト
９２ 頭部
１００ 制御装置
１０８ インタフェース部
１２０ 締付機コントローラ
１４０ 距離計コントローラ
１６０ マニピュレータコントローラ

Claims (4)

1. 被締結部材に締結されたボルトの軸力を測定するボルト軸力測定装置であって、
   前記被締結部材に前記ボルトを螺合させることによって、前記被締結部材に前記ボルトを締め付ける締付機と、
   前記ボルトの頭部までの距離を測定し、測定された距離を画素値とする距離画像を取得する距離計と、
   前記ボルトの前記頭部に対する前記距離計の撮像素子の相対的な姿勢を制御する制御手段と、
   前記距離画像を用いて前記ボルトの前記頭部の凹み量を測定して、前記ボルトの軸力を測定する測定手段と
   を有し、
   前記締付機が前記ボルトを仮締めした第１のタイミングで、前記距離計は第１の距離画像を取得し、前記測定手段は、前記第１の距離画像を用いて前記第１のタイミングにおける前記ボルトの前記頭部の第１の凹み量を測定し、
   前記制御手段は、前記第１のタイミングから前記第１のタイミングよりも前記締付機が前記ボルトを締め付けた第２のタイミングまでに前記ボルトが回転した回転角度に応じて、前記ボルトの前記頭部に対する前記撮像素子の相対的な姿勢を変化させ、
   前記第２のタイミングで、前記距離計は第２の距離画像を取得し、前記測定手段は、前記第２の距離画像を用いて前記第２のタイミングにおける前記ボルトの前記頭部の第２の凹み量を測定し、前記第１の凹み量と前記第２の凹み量との差分を用いて、前記ボルトの軸力を測定する
   ボルト軸力測定装置。
2. 前記第２のタイミングは、前記ボルトの本締めのタイミングであり、
   前記第１のタイミングにおいて、前記締付機は、前記ボルトの仮締めに対応する第１のトルクで前記ボルトを締め付けた後、前記ボルトと対向した位置から退避し、前記制御手段は、前記撮像素子を前記ボルトの前記頭部と対向するように前記距離計の姿勢を制御し、
   前記第２のタイミングにおいて、前記締付機は、前記ボルトの本締めに対応する第２のトルクで前記ボルトを締め付けた後、前記ボルトと対向した位置から退避し、前記制御手段は、前記撮像素子を前記ボルトの前記頭部と対向するように前記距離計の姿勢を制御する
   請求項１に記載のボルト軸力測定装置。
3. 前記制御手段は、前記第１のタイミングから前記第２のタイミングまでに前記ボルトが回転した回転角度と同じ角度で、前記ボルトの前記頭部に対して前記撮像素子を回転させ、又は、前記撮像素子に対して前記ボルトが締結された前記被締結部材を回転させる
   請求項１又は２に記載のボルト軸力測定装置。
4. 被締結部材に締結されたボルトの軸力を測定するボルト軸力測定方法であって、
   前記被締結部材に前記ボルトを螺合させることによって、前記被締結部材に前記ボルトを締め付ける締付機が前記ボルトを仮締めした第１のタイミングで、前記ボルトの頭部までの距離を測定し測定された距離を画素値とする距離画像を取得する距離計によって取得された第１の距離画像を用いて、前記第１のタイミングにおける前記ボルトの前記頭部の第１の凹み量を測定し、
   前記第１のタイミングから前記第１のタイミングよりも前記締付機が前記ボルトを締め付けた第２のタイミングまでに前記ボルトが回転した回転角度に応じて、前記ボルトの前記頭部に対する前記距離計の撮像素子の相対的な姿勢を変化させ、
   前記第２のタイミングで前記距離計によって取得された第２の距離画像を用いて前記第２のタイミングにおける前記ボルトの前記頭部の第２の凹み量を測定し、
   前記第１の凹み量と前記第２の凹み量との差分を用いて、前記ボルトの軸力を測定する
   ボルト軸力測定方法。