JP2019025592A

JP2019025592A - 自動ねじ締め装置

Info

Publication number: JP2019025592A
Application number: JP2017147227A
Authority: JP
Inventors: 拓夫岩崎; Takuo Iwasaki
Original assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Current assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-02-21

Abstract

【課題】ドリルねじの締結時に発生し易いワークのバリを低減できる自動ねじ締め装置の提供。
【解決手段】ドリルねじＳに回転付与するねじ締めツール１０と、予め設定した位置に達するまで所定の推力によりねじ締めツール１０を移動可能な移動手段２０と、前記推力および当該推力を切り替える推力切替点を複数記憶して成りこれら記憶した推力および推力切替点に基づき制御する制御ユニット３０とを備える。推力切替点は、ドリルねじＳがワークＷ２の表面に当接する直前となるワーク接触手前点と、ドリルねじＳの肩ＳａがワークＷ２の裏面から突出した直後となる下穴成形完了点とを含む。制御ユニット３０は、ワーク接触手前点から下穴成形完了点までの下穴加工工程でビットＢを上下方向へ交互に往復移動するよう移動制御する。よって、ドリルねじＳがワークＷ２の裏面から一気に抜け出さないので裏面に生じるバリが低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、下穴加工およびめねじ加工を可能とするドリルねじをワークへ締結する自動ねじ締め装置に関する。

従来の自動ねじ締め装置は、特許文献１に示されるように、ドリルねじに係合可能なビットおよび当該ビットを回転駆動可能なビット回転モータを備えたねじ締めツールと、前記ビット回転モータへ駆動指令を送り前記ビットを回転制御するねじ締めツールコントローラと、前記ねじ締めツールをワークへ向かうよう往復移動自在な昇降ユニットと、この昇降ユニットへ駆動指令を送りワークへ接近する前記ねじ締めツールの移動速度および推力をそれぞれ制御可能な制御ユニットとを備えて成る。

前記制御ユニットは、前記ドリルねじを締結するために特化したモードを備えており、このドリルねじ締めモードは、ビットの先端高さ位置を複数に分けて予め設定され、これら複数の設定点にビットが到達すると上述したねじ締めツールつまり前記ビットの下降速度および推力を切り替え制御するものである。これら予め設定される設定点は、待機位置にあるビットの先端高さ位置に相当するＡ点と、待機位置から移動を始めたビットに係合しているドリルねじの先端がワークに当接する直前のビットの先端高さ位置に相当するＢ点と、前記ドリルねじの先端がワークの裏面から抜け出し当該ワークに下穴を完全に成形し終えるビットの先端高さ位置に相当するＣ点と、前記下穴へのめねじ成形が完了したビットの先端高さ位置に相当するＤ点と、ドリルねじの頭部がワークに着座する付近までねじ込まれた時点のビットの先端高さ位置に相当するＥ点と、ねじ締め完了時点のビットの先端高さ位置に相当するＦ点とを含んでいる。

このように構成された従来の自動ねじ締め装置は、前記ビットの下降速度および推力を、前記Ｂ点から前記Ｃ点までの区間である下穴工程の時には低速・超高推力となるように制御し、前記Ｃ点から前記Ｄ点までの区間であるめねじ工程の時には低速・中推力となるように制御している。これにより、下穴の加工時は超高推力が付与されので下穴加工時間が短時間となり、続くめねじの加工時は先ほどの超高推力からめねじ加工に最適な中推力へ下げるよう制御しているのでワークに形成されためねじがドリルねじのねじ部に強く軸方向へ押圧されることなく良好なめねじ加工が行える。また、前記めねじ工程後も、前記下穴工程およびめねじ工程と同様にビットの下降制御がなされるので、ビットの回転を受けるドリルねじは、ワークに着座して所定の締付けトルクにより締結される。

特開2003-181727号公報

しかしながら、従来の自動ねじ締め装置は、繊維状に編み込まれたＣＦＲＰ材などから成るワークへドリルねじを締結する場合、回転するドリルねじの刃先によって編み込まれた繊維状の素材が裁ち切られ下穴を加工することになるので、当該下穴の開口部に毛羽立ったようなバリやむしれなどを生じ易いという問題があった。

また、従来の自動ねじ締め装置は、上述のように下穴工程において超高推力を付与するため、下穴貫通前にワークが大きく撓み易い。したがって、下穴が貫通されていないにも拘らずビットの高さ方向の位置は前記Ｃ点，Ｄ点，Ｅ点の何れかを通過したことになり、ビットの回転数が低速に切り替わるなどして下穴を成形できないという問題もあった。

本発明は、ワークに下穴加工可能なドリルねじに回転付与するビットを具備するねじ締めツールと、このねじ締めツールを予め設定した位置に達するまで所定の推力により移動可能な移動手段と、前記推力および当該推力を切り替える推力切替点を複数記憶して成りこれら記憶した推力および推力切替点に基づいて前記移動手段を駆動制御する制御ユニットとを備えた自動ねじ締め装置において、前記推力切替点は、ビットに係合したドリルねじがワーク表面に当接する直前となるワーク接触手前点と、前記ドリルねじのドリル部がワーク裏面から突出して下穴を完全に成形し終えた直後となる下穴成形完了点とを含み、前記制御ユニットは、前記ワーク接触手前点から前記下穴成形完了点までの下穴加工工程で前記ねじ締めツールを前記ビットの延びる方向へ交互に往復移動するよう移動制御して下穴を徐々に成形するよう制御して成ることを特徴とする。なお、前記制御ユニットは、前記ねじ締めツールをワークへ接近させる移動距離である接近距離と、ワークから離反させる移動距離である逃がし距離とを記憶して成り、前記逃がし距離および前記移動距離に基づき前記移動手段を交互に相反する方向へ移動制御して成ることが好ましい。また、前記制御ユニットは、前記接近距離あるいは前記逃がし距離の何れか一方を予め記憶して成り、予め記憶するのを前記接近距離とする場合は、当該接近距離を予め記憶した前記逃がし距離の２倍とし、予め記憶するのを前記逃がし距離とする場合は、当該逃がし距離の２分の１として一方のパラメータに基づき自動演算して成ることが好ましい。さらに、前記推力切替点は、前記ドリル部の先端がワーク裏面から突出する直前となるワーク突出手前点を含み、前記制御ユニットは、前記ワーク接触手前点から前記ワーク突出手前点までの下穴粗加工工程と、前記ワーク突出手前点から前記下穴成形完了点までの下穴仕上げ加工工程とに分けて前記ねじ締めツールを前記ビットの延びる方向へ交互に往復移動するよう移動制御して成ることが望ましい。また、前記接近距離および前記逃がし距離は、前記下穴粗加工工程および前記下穴仕上げ加工工程の各工程毎に予め設定されており、前記制御ユニットは、前記下穴粗加工工程の接近距離を前記下穴仕上げ加工工程の接近距離よりも大きな値でしか記憶しないよう制限されて成ることが望ましい。

以上説明したように本発明の自動ねじ締め装置は、ワークへ下穴加工を行う場合、ねじ締めツールをワークに接近離させて徐々に下穴加工できるので、この下穴加工工程の間にワークに加わる推力を一時的に低減することができる。これにより、下穴加工中のワークを従来よりも撓ませることなく次工程へ早々に移行し難いという利点がある。また、本発明の自動ねじ締め装置は、ねじ締めツールをワークへ接近離させるためのパラメータである前記接近距離および前記逃がし距離の何れか一方を前記制御ユニットに登録しておくことで登録していない他方のパラメータを２倍または２分の１となるよう演算して登録することができため、この設定に係る時間を短縮できるという利点もある。さらに、本発明の自動ねじ締め装置は、ワーク裏面からドリル部の先端が突出する直前となるワーク突出手前点を境にその前半を下穴粗加工工程とし、その後半を下穴仕上げ加工工程とし、これら各工程の推力を個別に設定できる。また、前記下穴粗加工工程および前記下穴仕上げ加工工程において、前記接近距離および前記逃がし距離をそれぞれ分けて設定できる。これにより、下穴粗加工工程では比較的高い推力を付与して下穴加工を短時間で行えるよう制御でき、前記下穴仕上げ加工工程では先ほどよりも低い推力を付与してワーク裏面からドリル部の先端をソフトに突出させることができる。よって、本発明の自動ねじ締め装置は、ワークの撓みの反動をより低減できるだけでなく、ＣＦＲＰ材などの繊維状のワークであっても下穴貫通時にむしれやバリの発生を低減できるという利点もある。

本発明に係る自動ねじ締め装置の全体構成を示す概略説明図である。本発明に係る制御ユニットに登録されているワーク接触手前点を説明するための動作説明図である。本発明に係る制御ユニットに登録されているワーク突出手前点を説明するための動作説明図である。本発明に係る制御ユニットに登録されている下穴成形完了点を説明するための動作説明図である。

本発明に係る自動ねじ締め装置の一実施形態について説明する前に、まず、締結対象となるドリルねじＳおよびこれを締結するワークを説明する。

前記ドリルねじＳは、先尖りの一部切り欠かれた形状のドリル部と、このドリル部に連設されたおねじ部と、このおねじ部に連設された大径の頭部とを一体に備えて成る。前記ドリル部は、先尖りの頂点から頭部へ向かい軸方向へかつ所定の角度で傾斜する切欠溝を備え、略逆円錐部と略円柱部とが一体となって構成されている。また、図２および図４に示すように前記略逆円錐部と略円柱部との境界である肩Ｓａが形成されている。

前記ワークは、図１に示すように治具Ｊに載置された被締結部材Ｗ１と締結部材Ｗ２とから構成される。前記被締結物Ｗ１は、前記おねじ部の外径よりも大径の貫通穴が予め成形されており、ここでは鋼板が使用されている。一方、前記締結部材Ｗ２は、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ）が使用されており、図１および図２などに示すよう前記被締結部材Ｗ１とは異なり貫通穴などが予め加工されていない。

次に、本発明の自動ねじ締め装置１は、下穴加工可能な前記ドリルねじＳに回転付与するねじ締めツール１０と、このねじ締めツール１０を予め設定した位置に達するまで所定の推力により移動可能な移動手段２０と、前記推力および当該推力を切り替える推力切替点を複数記憶して成りこれら記憶した推力および推力切替点に基づいて前記移動手段２０を駆動制御する制御ユニット３０とを備える。また、前記移動手段２０は、これを所定の位置へ移載するロボット４０に固定されており、前記ロボット４０は、水平方向へ可動する可動部を複数組み合わせたものなどから構成される。

前記ねじ締めツール１０は、前記ドリルねじＳの頭部に係合可能なビットＢと、このビットＢを連結したビット回転モータ１０Ｍとを備えて成る。また、ねじ締めツール１０は、前記ビット回転モータ１０Ｍを回転駆動制御するツール制御ユニット３２に接続されて成る。

前記ビット回転モータ１０Ｍは、前記ビットＢを螺合して連結可能にする出力軸１０Ｍａと、この出力軸１０Ｍａの回転に伴ってパルス信号を出力可能なエンコーダとを具備して成る。また、このビット回転モータ１０Ｍのエンコーダは、前記ツール制御ユニット３２に前記パルス信号を送るよう構成されている。

前記ビットＢは、前記ドリルねじＳに係合する係合部を備えて成る。この係合部は、締結対象であるドリルねじＳの形状に合わせて選択されており、本実施形態においてはＪＩＳに規定された十字ねじ回しの先端部などに準じた形状で構成されている。また、この係合部は鉄製のドリルねじＳを磁化させる特性を備えるので、これに係合したドリルねじＳはビットＢに吸着保持される。なお、前記ビットＢは、前述の磁化特性を具備していない構成の場合、図示しない吸着パイプに常時は内包されてエア吸引により当該ドリルねじＳを吸着パイプ内に吸引して当該ビットＢに係合可能に構成してもよい。

前記移動手段２０は、前記ねじ締めツール１０を前記ビットＢの延びる方向へ往復移動自在に支持して成り、前記ビットＢの延びる方向と平行に配置したボールねじ軸２１と、このボールねじ軸２１の一端に連結され当該ボールねじ軸２１を回転駆動する昇降モータ２０Ｍと、前記ボールねじ軸２１に螺合させた図示しない可動ナットを回転自在に備えた昇降ブロック２２と、この昇降ブロック２２に取り付けられ前記ビット回転モータ１０Ｍを固定して成るツール取付板２３とから構成される。また、移動手段２０は、前記昇降モータ２０Ｍを回転駆動制御するロボット制御ユニット３１に接続されているので、これに搭載したねじ締めツール１０を前記ビットの延びる方向へ往復移動可能にしている。

前記昇降モータ２０Ｍは、前記ボールねじ軸２１に連結可能な出力軸２０Ｍａと、この出力軸２０Ｍａの回転に伴ってパルス信号を出力可能なエンコーダとを具備して成る。また、この昇降モータ２０Ｍのエンコーダは、前記ロボット制御ユニット３１に前記パルス信号を送るよう構成されている。

前記制御ユニット３０は、上述したロボット制御ユニット３１と、ツール制御ユニット３２とから構成されており、これらロボット制御ユニット３１およびツール制御ユニット３２は図示しないＣＰＵを介して接続されて成る。

前記ロボット制御ユニット３１は、前記ロボット４０を駆動制御するとともに、前記昇降モータ２０Ｍへ駆動指令を発するよう構成されている。これにより、ロボット制御ユニット３１は、前記ロボット４０および移動手段２０をそれぞれ制御して前記ねじ締めツール１０を所定の位置へ移動可能となる。

また、前記ロボット制御ユニット３１は、前記昇降モータ２０Ｍのエンコーダから発せられるパルス信号と予め数値入力され記憶した前記ボールねじ軸２１のリード角とに基づいて前記昇降ブロック２２とともに下降するビットＢの高さ位置を算出可能に構成されている。

さらに、前記ロボット制御ユニット３１は、前記昇降モータ２０の発揮する実トルクが予め設定されている設定トルク以上にならないよう制限して回転制御して成り、前記ビットＢが前記ドリルねじＳを介してワーク（Ｗ１，Ｗ２）へ必要以上の推力を発揮することがないように制御している。なお、前述の設定トルクは、制限したいビットＢの推力と、前記リード角とに基づき算出されて設定されている。

一方、前記ツール制御ユニット３２は、前記ビット回転モータ１０Ｍへ駆動指令を発するよう構成されており、前記ビットＢを予め設定した回転数および締付けトルクに達するビット回転モータ１０Ｍを回転駆動して成る。

これにより、制御ユニット３０は、前記ビットＢを所定の締付けトルクに達するまで回転駆動させつつ当該ビットＢに係合したドリルねじＳの先端位置を基準に位置制御し、かつ前記ビットＢに付与する推力を制限したねじ締め制御を可能にしている。

また、前記ロボット制御ユニット３１は、前述のドリルねじＳの先端位置に相当する位置を前記推力の切り替え点（以下、推力切替点という）として複数記憶しており、さらに、所定の推力切替点から次の推力切替点までのビットＢの下降動作を交互に上下動させるためのビットＢの移動距離も記憶して成る。

前記推力切替点は、図２に示す位置に相当するワーク接触手前点と、図３に示す位置に相当するワーク突出手前点と、図４に示す位置に相当する下穴成形完了点との少なくとも３点を含む。

なお、前述の前記推力切替点は、図示はしないが前記下穴成形完了点を超え形成された下穴に前記おねじ部によってめねじ加工を施し、被締結部材Ｗ１の表面に前記頭部が着座する直前となる位置に相当する頭部着座手前点を上述の３点に加えてもよい。

また、上述のビットＢの下降動作を交互に上下動させるためのビットＢの移動距離は、所定の推力切替点に到達した後、ワークへ接近させる方向へ下降する接近距離と、当該接近距離に到達するとワークから離反させる方向へ上昇する逃がし距離とに分けて予め設定されている。

前記接近距離および逃がし距離は、前記ワーク接触手前点（図２に示す位置）から前記下穴形成完了点（図４に示す位置）までに至る下穴加工工程で有効な値として用いられており、前記下穴加工工程は、前記ワーク接触手前点（図２に示す位置）から前記ワーク突出手前点（図３に示す位置）までの下穴粗加工工程と、前記ワーク突出手前点（図３に示す位置）から前記下穴成形完了点（図４に示す位置）までの下穴仕上げ加工工程とに分けられる。つまり、前記ロボット制御ユニット３１に設定される接近距離および逃がし距離は、下穴加工工程を前述した下穴粗加工工程と下穴仕上げ加工工程とに分けている時には、これら２つの工程毎に設定され、これと同様に予め設定される推力も当該ロボット制御ユニット３１に記憶されている。

また、前記接近距離は、前記逃がし距離に対して２倍の距離となるように記憶されており、これは接近距離または逃がし距離の一方に基づいて前記ロボット制御ユニット３１によって自動算出されている。つまり、一方の距離が設定されることで他方の距離が自動算出されて記憶されることになる。これにより、例えば前記接近距離を予め登録することでこの接近距離に対応する他方の逃がし距離が設定できるので、これら設定時間を短出できるという利点がある。

さらに、前記接近距離および逃がし距離は、図２に示される前記下穴粗加工工程時の上下動の距離を表す矢印の長さに比べて、図３に示される前記下穴仕上げ加工工程時の上下動の距離を表す矢印長さよりも小さくなるよう設定制限されている。これにより、ビットＢの上下動は、下穴粗加工工程よりも細かく段階的に前記下穴を加工することができる。したがって、前記ドリルねじの前記肩Ｓａは、締結部材Ｗ２の裏面から突出する時、細かな位置制御の効果によって従来のように一気に突出し難い。つまり、本発明の自動ねじ締め装置１は、下穴を完全に成形し終える段階でドリル部の肩Ｓａが勢いよく締結部材Ｗ２の裏面から突出し難いので、締結部材Ｗ２を繊維状で構成されるＣＦＲＰ材であっても、成形された下穴の開口部付近からバリが出るようなことも低減でき、加えて繊維状の積み重ねられた層などがむしれて美観を損ねるような問題も解消できる。

なお、本実施形態において、前記ビットＢは、前記接近距離に達した瞬間にこれまでとは逆方向の向きへ前記逃がし距離だけ即座に移動する制御となっているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記接近距離に達するとビットＢが発揮する推力を零にして締結部材Ｗ２の厚み方向の撓みを取り除いた後に前記逃がし距離だけ上方へ逃がす制御としてもよい。

１ … 自動ねじ締め装置
１０ … ねじ締めツール
２０ … 移動手段
３０ … 制御ユニット
Ｂ … ビット
Ｓ … ドリルねじ
Ｓａ… 肩
Ｗ１… 被締結部材
Ｗ２… 締結部材

Claims

ワークに下穴加工可能なドリルねじに回転付与するビットを具備するねじ締めツールと、このねじ締めツールを予め設定した位置に達するまで所定の推力により移動可能な移動手段と、前記推力および当該推力を切り替える推力切替点を複数記憶して成りこれら記憶した推力および推力切替点に基づいて前記移動手段を駆動制御する制御ユニットとを備えた自動ねじ締め装置において、
前記推力切替点は、ビットに係合したドリルねじがワーク表面に当接する直前となるワーク接触手前点と、前記ドリルねじのドリル部がワーク裏面から突出して下穴を完全に成形し終えた直後となる下穴成形完了点とを含み、
前記制御ユニットは、前記ワーク接触手前点から前記下穴成形完了点までの下穴加工工程で前記ねじ締めツールを前記ビットの延びる方向へ交互に往復移動するよう移動制御して下穴を徐々に成形するよう制御して成ることを特徴とする自動ねじ締め装置。
前記制御ユニットは、前記ねじ締めツールをワークへ接近させる移動距離である接近距離と、ワークから離反させる移動距離である逃がし距離とを記憶して成り、前記逃がし距離および前記移動距離に基づき前記移動手段を交互に相反する方向へ移動制御して成ることを特徴とする請求項１に記載の自動ねじ締め装置。
前記制御ユニットは、前記接近距離あるいは前記逃がし距離の何れか一方を予め記憶して成り、予め記憶するのを前記接近距離とする場合は、当該接近距離を予め記憶した前記逃がし距離の２倍とし、予め記憶するのを前記逃がし距離とする場合は、当該逃がし距離の２分の１として一方のパラメータに基づき自動演算して成ることを特徴とする請求項２に記載の自動ねじ締め装置。
前記推力切替点は、前記ドリル部の先端がワーク裏面から突出する直前となるワーク突出手前点を含み、
前記制御ユニットは、前記ワーク接触手前点から前記ワーク突出手前点までの下穴粗加工工程と、前記ワーク突出手前点から前記下穴成形完了点までの下穴仕上げ加工工程とに分けて前記ねじ締めツールを前記ビットの延びる方向へ交互に往復移動するよう移動制御して成ることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の自動ねじ締め装置。
前記接近距離および前記逃がし距離は、前記下穴粗加工工程および前記下穴仕上げ加工工程の各工程毎に予め設定されており、
前記制御ユニットは、前記下穴粗加工工程の接近距離を前記下穴仕上げ加工工程の接近距離よりも大きな値でしか記憶しないよう制限されて成ることを特徴とする請求項４に記載の自動ねじ締め装置。