JP2020020763A - ボルト軸力測定装置及びボルト軸力測定プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
このようなボルト軸力測定方法によれば、超音波センサとボルトの頭部との距離が一定に維持されることによってボルトの伸びを精度よく測定することができる。
また、ボルト軸力測定プログラムは、コンピュータを前記ボルト軸力測定装置として機能させることを特徴とする。
本実施形態でのボルト軸力測定装置は、ボルトを締め付けながらボルトの軸力を測定するように構成されている。また、ボルト軸力測定装置は、ボルトの軸力が所定値になったときに締付動作を停止する。
図1に示すように、本実施形態に係るボルト軸力測定装置10は、ボルトの締付装置20と、制御部30と、入力部33と、表示部34と、を主に備えて構成されている。
まず、締付装置20について説明する。
図2は、締付装置20の構成説明図である。図2中、この締付装置20によって締め付けられるボルト1は、仮想線(二点鎖線)で示している。
図2に示すように、締付装置20は、ナットランナ21と、プローブユニット23と、付勢手段としての弾発コイルばね28と、ソケット22と、を備えている。また、締付装置20は、ナットランナ制御部21b(図1参照)を備えている。
また、ナットランナ21は、ナットランナ制御部21b(図1参照)が出力する指令によって、回転シャフト21aが回転駆動する。また、ナットランナ21は、後記するナットランナ停止指令部31a(図1参照)が出力する指令によって停止するように構成されている。
プローブ24は、超音波パルスを発振し、発振した超音波パルスのエコーを受振する圧電素子など(図示省略)を備えている。プローブ24の受振したエコーの電気信号は、後記する制御部30(図1参照)に出力される。
このようなプローブ24は、後記するように、ボルト1の頭部3に形成された凹部5に対して印籠嵌合する。
ベース部25aの下部には、係止部25a1が形成されている。この係止部25a1には、プローブ24の上部が着脱自在に取り付けられる。
軸部25bは、回転シャフト21aの中空部に対して進退可能になっている。
そして、取付部材27は、回転シャフト21aの下部外周に取り付けられている。回転シャフト21aに対する取付部材27の取付方法としては、嵌合などの公知の方法が挙げられるが、特に制限はない。取付部材27と回転シャフト21aとは一体に形成されていてもよい。
取付部材27の下端には、半径方向内側に延出するフランジ27aを有している。このフランジ27aの上面には、軸部25bの先端部に嵌められたワッシャで構成される抜止部材26が当接する。
このようなプローブ支持部材25においては、ベース部25aが弾発コイルばね28の付勢力に抗して上方に変位した際に、軸部25bが回転シャフト21aの中空部で揺動可能になっている。
また、抜止部材26は、フランジ27aの上面に当接することで、軸部25bが回転シャフト21aの中空部から脱離するのを防止している。
また、このような締付装置20においては、回転シャフト21aに対してソケット22とプローブユニット23とが互いに別個独立に接合されている。
また、プローブ24は、回転シャフト21aとの間に弾発コイルばね28が介在することで、回転シャフト21aに対してセミフローティング支持されている。
図1に示すように、制御部30は、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサからなる演算処理部31と、プログラムが書き込まれたROM(Read Only Memory)、データの一時記憶のためのRAM(Random Access Memory)などで構成される記憶部32と、を主に備えている。
ナットランナ停止指令部31aは、後記するように、ボルト1の軸力(F)が目標軸力値に達した場合にナットランナ21に対して軸力印加停止の指令を出力する。
軸力演算部31bは、後記する式1に基づいて軸力を演算する。伸び演算部31cは、ボルト1(図2参照)の締付けによるボルト1の伸びを演算する。エコー検出部31dは、超音波エコーのゼロクロス点などを演算する。ボルト情報処理部31eは、測定対象となるボルト1の情報を記憶部32に出力する。超音波送受信制御部31fは、プローブ24に超音波パルスを発振させ、受振した超音波エコーの増幅を行う。
これらの演算処理部31の構成要素については、後記するボルト軸力測定方法の説明と併せてさらに詳細に説明する。
本実施形態での表示部34は、演算処理部31から出力される情報を視覚的、音声的に表示するモニタ、スピーカなどを想定している。
次に、本実施形態のボルト軸力測定方法について説明する。
このボルト軸力測定方法は、ボルト軸力測定装置10に対するボルト情報の入力工程(ボルト情報入力工程)と、ボルト軸力測定装置10に対するボルト1(図2参照)のセット工程(ボルトセット工程)と、ボルト軸力測定工程と、を有している。
このボルト情報入力工程では、入力部33を介して測定対象となるボルト1(図2参照)の情報が制御部30(図1参照)に入力される。
本実施形態でのボルト情報は、軸力Fを演算する下記式1におけるボルト1のヤング率(E)、有効径(A)、被締結長さ(L)である。
F=(EA/L)δ・・・・・式1
なお、式1中、ボルト1の伸び(δ)については、伸び演算部31cが後記のように演算する。
これらのボルト情報は、制御部30のボルト情報処理部31eを介して記憶部32に格納される。
次に、ボルトセット工程について説明する。
図3は、ボルト軸力測定方法のボルトセット工程の説明図である。
図3に示すように、このボルトセット工程においては、ボルト1の凹部5にプローブ24を嵌合させるプローブ嵌合工程と、ボルト1とプローブ24との間にギャップ41を形成するギャップ形成工程とが並列に実行される。
具体的には、プローブ嵌合工程では、プローブ24の先端胴部24cの外周面が、凹部5の大径部14aの内周面に当接する。
そして、プローブ24の突出部24aが、凹部5の小径部14bに収まる。
具体的には、ボルト1側の段部14cと、プローブ24側の段部24bとが互いに当接し合うことで、ギャップ41が形成される。このギャップ41は、凹部5の底面6と突出部24aの頂面24dとが平行に向き合うことで形成される。
この伝搬物質42としては、特に制限はなく、例えば、機械油、水、含水ポリマー、流動パラフィン、ひまし油、ゲル状物質、エラストマなどの公知のものが挙げられるが、中でもゲル状物質、エラストマが望ましい。
なお、図3中、符号22は、ボルト1の頭部3に嵌合するソケットである。
次に、ボルト軸力測定工程について説明する。
図4及び図5は、ボルト軸力測定工程のフロー図である。
ちなみに、このSエコーゲート及びBエコーゲートは、後記するオートトラッキングを行うSエコーゲート及びBエコーゲートよりは広い伝搬時間範囲に設定されている。ここでのSエコーゲート及びBエコーゲートとは、超音波パルスの2周期幅程度に設定することができるがこれに限定されるものではない。
プローブ24は、ボルト1(図3参照)の表面で反射した第0回目頭部エコー(S0エコー)を受振するとともに、ボルト1の底面で反射した第0回目底面エコー(B0エコー)を受振する。ここで、第0回目とは、軸力印加前における測定であることを示す。
そして、超音波送受信制御部31f(図1参照)は、プローブ24が受振したS0エコー及びB0エコーを、例えばそれぞれ別個独立に増幅する。
詳細には、エコー検出部31dは、前記した伝搬時間範囲内のS0エコーに基づいて、当該S0エコーの振幅が予め正又は負に設定されたレベルLSを超えた1波目のピーク位置PSの超音波パルス1/2波長手前の位置に、SエコーゲートGS0の起点GS0Sを設定する(図6参照)。また、エコー検出部31dは、起点GS0Sから超音波パルス1波長後ろの位置に、SエコーゲートGS0の終点GS0Eを設定する(図6参照)。
詳細には、エコー検出部31dは、SエコーゲートGS0内における正又は負のピーク直前のゼロクロス点を検知し、当該ゼロクロス点の伝搬時間tS0をS0エコーの伝搬時間として取得する(図6参照)。本実施形態において、ゼロクロス点は、超音波パルスのエコーの振幅がゼロとなる点である。
同様に、エコー検出部31dは、BエコーゲートBS0のトラッキング基準位置として、起点GB0Sを取得して保持する(ステップS104参照)(図6参照)。
つまり、ボルト1の締付装置20(図1参照)によってボルト1(図4参照)に軸力が印加される(ステップS107参照)。
詳細には、エコー検出部31dは、SエコーゲートGSn−1内における正又は負のピーク直前のゼロクロス点を検知し、当該ゼロクロス点の伝搬時間tSnをSnエコーの伝搬時間として取得する(図7参照)。
図示は省略するが、同様に、エコー検出部31dは、BエコーゲートGBn−1内における正又は負のピーク直前のゼロクロス点を検知し、当該ゼロクロス点の伝搬時間tBnをBnエコーの伝搬時間として取得する。
なお、SnエコーとBnエコーとは、セミフローティング支持されるプローブ24(図2参照)によって波形の乱れが抑制される。
ちなみに、ボルト1の長さは、Snエコーのゼロクロス点の伝搬時間と、Bnエコーのゼロクロス点の伝搬時間の差(tBn−tSn)に基づいて得ることができる。
また、軸力演算部31b(図1参照)は、伸び演算部31c(図1参照)が演算したボルト1の伸び変化量(δ)を取得するとともに、記憶部32(図1参照)を参照して前記式1のパラメータを取得する。そして、軸力演算部31b(図1参照)は、式1によりボルト1の軸力を演算するとともに、表示部34(図1参照)に出力する(ステップS108参照)。
詳細には、エコー検出部31dは、前回(n−1回目)のSエコーゲートGSn−1の起点GSn−1Sを時間(tSn−tSn−1)だけ移動させることによって、今回(n回目)のSエコーゲートSnの起点SnSを設定する(図7参照)。
また、エコー検出部31dは、起点SnSから超音波パルス1波長後ろにSエコーゲートSnの終点SnEを設定する(図7参照)。
軸力印加中において、ボルト1の頭部3は、印加された軸力によって歪みを生じることがある。このSエコーゲートGSnのトラッキング処理は、頭部3の歪みに対応してSnエコーを好適に検出するための処理である。
また、エコー検出部31dは、起点BnSから超音波パルス1波長後ろにBエコーゲートBnの終点BnEを設定する。
軸力印加中において、ボルト1の軸部2は、印加された軸力によって伸びを生じる。このBエコーゲートGBnは、軸部2の伸びに対応してBnエコーを好適に検出するための処理である。
図8に示すように、詳細には、軸力演算部31bは、演算された軸力(F)を時系列にプロットしたものに基づいて、軸力(F)の経時変化を近似的に表す直線Lを求める。
また、軸力演算部31bは、直線Lに対して、予め設定された値(例えば、上下10%)を用いることによって、軸力正常範囲Rnを設定する。
この場合には、ナットランナ停止指令部31a(図1参照)は、ナットランナ21(図1参照)に対して軸力印加の停止の指令を出力する。つまり、ボルト1に対する軸力の印加が停止する。また、図示しないが、ナットランナ21が停止し、オートトラッキングも停止することで、この一連のボルト軸力測定工程が終了する(異常終了)。
また、ナットランナ停止指令部31a(図1参照)は、軸力演算部31b(図1参照)が演算したボルト1の軸力(F)を取得する。そして、ナットランナ停止指令部31aは、ボルト1の軸力(F)が目標軸力値に達したか否かを判定する(ステップS115参照)。
また、ナットランナ停止指令部31a(図1参照)は、軸力(F)が目標軸力値に達していない場合には(ステップS115でNo)、ナットランナ21(図1参照)に対して軸力印加の続行の指令を出力する。つまり、ステップS108に戻ってボルト1に対する軸力の印加が続行される。
本実施形態において、超音波送受信制御部31fは、第一の振幅補正部31f1と、第二の振幅補正部31f2と、第三の振幅補正部31f3と、を備える。
本実施形態において、振幅の増幅度である補正係数C1(図9参照)は、事前実験などによって予め設定されている。
本実施形態において、振幅の増幅度である補正係数C2(図9参照)は、Bnエコーの振幅をSnエコーの振幅に近づけるように補正するものであり、事前実験などによって予め設定されている。第二の振幅補正部31f2は、Bnエコーに対して、当該エコーが検出されるエコーゲートの伝搬時間における補正係数C2を乗算する。これにより、第二の振幅補正部31f2は、Snエコー及びBnエコーの各エコーゲートにおける振幅を略同一にして表示部34に表示させることができる。
第二の振幅補正部31f2及び第三の振幅補正部31f3の両方を用いる場合には、先に第二の振幅補正部31f2がSnエコー及びBnエコーの両方の振幅を補正し、続いて、第三の振幅補正部31f3がBnエコーの振幅を補正する構成であってもよい。かかる補正手法によると、Snエコー及びBnエコーの各エコーゲートにおける振幅をより正確に近づけることができる。
以上のようなボルト軸力測定方法に使用するボルト1(図3参照)は、前記のように、軸部2(図3参照)と、頭部3(図3参照)とを有している。そして軸部2の先端部には、前記の底面2c(図3参照)が規定されている。
頭部3の外周部には、このボルト1の締付具(例えば、トルクレンチなど)が噛み合う噛合部(図示省略)が形成されている。
このような凹部5は、凹部5の開口側に形成される大径部14aと、この大径部14aの内径よりも小さい内径で周壁11を形成する小径部14bと、で構成されている。そして、小径部14bは、内径差を吸収する段部14cを介して大径部14aと連結されている。
そして、この段付きの凹部5は、前記のように、プローブ24の段部24bを有する段付き凸部29と印籠嵌合するようになっている。
なお、このような小径部14bを構成する周壁11は、図3に示すボルト1の側面視で、底面6側から凹部5の開口側に向けて直線状に延びている。しかしながら、この周壁11は、プローブ24との印籠嵌合が可能であれば直線状に延びるものに限定されずに、頭部3の半径方向外側に向けて部分的に膨出するように形成することもできる。
次に、本実施形態の奏する作用効果について説明する。
<締付装置の奏する作用効果>
従来の締付装置では、ソケットと超音波センサとが一体となっていたために、ボルト締付時のソケットの倒れやがたつき、振動がプローブに伝達する問題があった。これにより従来の締付装置では、ボルトを締め付けながら測定したボルト軸力の精度が不十分となる問題があった。
図10(a)及び(b)は、ボルト軸力測定装置10を構成するボルト1の締付装置20の動作図である。
図10(a)に示すように、本実施形態の締付装置20は、ソケット22とプローブ24とが別個独立に配置されている。
このような締付装置20で、ボルト1を締め付ける場合には、前記のように、プローブ24がボルト1の凹部5に印籠嵌合し、ソケット22がボルト1に嵌合する。そして、ソケット22が回転することでボルト1が締め付けられ、プローブ24でボルト1の伸びが検出される。
これにより、図10(b)に示すように、例えソケット22がボルト1の軸線に対して傾いたとしても、プローブ24がボルト1の軸線に対して傾くことはない。
したがって、この締付装置20は、精度よく軸力を測定することができる。
このような締付装置20によれば、ギャップ41での波形の変化などによる測定エラーを防止することができる。したがって、この締付装置20は、精度よく軸力を測定することができる。
一般に、頭部に形成された凹部にプローブを配置する超音波測定用のボルトでは、ボルトの表面を規定する凹部の底面の平坦度などにバラツキを有している。そのため凹部の底面にプローブを密着させる構成では、超音波測定値の精度が不十分となる。
これに対して本実施形態のボルト軸力測定方法及びこれに使用するボルト1は、凹部5に段部14cを有している。
このようなボルト軸力測定方法及びこれに使用するボルト1によれば、段部14cにプローブ24を支持させることによって、プローブ24と凹部5の底面6との間にギャップ41を形成することができる。したがって、このボルト軸力測定方法によれば、超音波測定値の精度を飛躍的に向上させることができる。
このようなボルト軸力測定方法によれば、ギャップ41での超音波の減衰が抑制される。これにより本実施形態のボルト軸力測定方法によれば、より精度の高い軸力の測定が可能となる。
また、本実施形態のボルト軸力測定装置10は、ボルト1の頭部側からボルト1の軸部の底面に向けて発振した超音波パルスの頭部エコー(Snエコー)及び底面エコー(Bnエコー)を検出するエコー検出部31dと、エコー検出部31dにおいて検出された頭部エコー及び底面エコーのそれぞれの所定位置の時間差に基づいて、ボルト1の軸力を演算する軸力演算部31bと、を備える。
また、エコー検出部31dは、頭部エコーに対して頭部エコーゲートGSnを設定するとともに底面エコーに対して底面エコーゲートGBnを設定し、ボルト1の締結中に複数回発振される超音波パルスに対して、頭部エコーゲートGSn及び底面エコーゲートBSnが所定位置を当該頭部エコーゲートGSn及び底面エコーゲートBSn内の同一位置に含むように、それぞれ独立して移動させるトラッキング処理を実行する。
これにより本実施形態のボルト軸力測定装置10では、基準ゲートを設けることなく頭部エコー及び底面エコーをそれぞれ独立してトラッキングすることによって、より確実に精度よくボルト1の軸力(F)を測定することができる。
これにより本実施形態のボルト軸力測定装置10では、底面エコー(Bnエコー)の減衰に関わらず、頭部エコー(Snエコー)及び底面エコー(Bnエコー)を略同一の振幅高さで表示させることができる。
これにより本実施形態のボルト軸力測定装置10では、頭部エコー(Snエコー)及び底面エコー(Bnエコー)を略同一の振幅高さで表示させることができる。
また、エコー検出部31dは、頭部エコーゲート及び底面エコーゲートのそれぞれに関して、正又は負のピークの直前において振幅がゼロとなる点を所定位置に設定する。
これにより本実施形態のボルト軸力測定装置10では、各エコーゲートの範囲を狭く、かつ、所定位置よりも後方に長く設定することによって、伸び等による各エコーの移動を好適にトラッキングすることができる。
前記実施形態では、ソケット22でボルト1の頭部3を締め付ける締付装置20を例にとって説明したが、本発明の締付装置20は、ボルト1に噛み合うナット(図示省略)を締め付けるものであっても構わない。また、本発明は、コンピュータをボルト軸力測定装置10として機能させるボルト軸力測定プログラムとしても具現化可能である。
2 軸部
2c ボルトの底面
3 頭部
10 ボルト軸力測定装置
20 締付装置
31a ナットランナ停止指令部
31b 軸力演算部
31c 伸び演算部
31d エコー検出部
31e ボルト情報処理部
31f 超音波送受信制御部(振幅補正部)
31f1 第一の振幅補正部
31f2 第二の振幅補正部
34 表示部
Claims (5)
- ボルトの頭部側から前記ボルトの軸部の底面に向けて発振した超音波パルスの頭部エコー及び底面エコーを検出するエコー検出部と、
前記エコー検出部において検出された前記頭部エコー及び前記底面エコーのそれぞれの所定位置の時間差に基づいて、前記ボルトの軸力を演算する軸力演算部と、
を備え、
前記エコー検出部は、
前記頭部エコーに対して頭部エコーゲートを設定するとともに前記底面エコーに対して底面エコーゲートを設定し、
前記ボルトの締結中に複数回発振される前記超音波パルスに対して、前記頭部エコーゲート及び前記底面エコーゲートが前記所定位置を当該頭部エコーゲート及び前記底面エコーゲート内の同一位置に含むように、それぞれ独立して移動させるトラッキング処理を実行する
ことを特徴とするボルト軸力測定装置。 - 前記頭部エコーゲート内の前記頭部エコーの振幅と、前記底面エコーゲート内の前記底面エコーの振幅と、を近づけるように補正する振幅補正部を備える
ことを特徴とする請求項1に記載のボルト軸力測定装置。 - 前記振幅補正部は、
振幅の増幅度が時間軸全体に対して設定されており、前記増幅度に基づいて前記頭部エコーゲート及び前記底面エコーゲートの両方の振幅を補正する第一の振幅補正部と、
前記頭部エコーゲート及び前記底面エコーゲートの一方を基準とし、前記頭部エコーゲート及び前記底面エコーゲートの他方の振幅を前記頭部エコーゲート及び前記底面エコーゲートの一方の振幅に近づけるように補正する第二の振幅補正部と、
の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項2に記載のボルト軸力測定装置。 - 前記エコー検出部は、
前記頭部エコーの振幅が第一の所定値を超えた直後の正又は負のピークを中心とした前記超音波パルスの1波長分を前記頭部エコーゲートとして設定するとともに、前記底面エコーの振幅が第二の所定値を超えた直後の正又は負のピークを中心とした前記超音波パルスの1波長分を前記底面エコーゲートとして設定し、
前記頭部エコーゲート及び前記底面エコーゲートのそれぞれに関して、前記正又は負のピークの直前において振幅がゼロとなる点を前記所定位置に設定する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のボルト軸力測定装置。 - コンピュータを請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のボルト軸力測定装置として機能させるボルト軸力測定プログラム。
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