JP2022001399A - ねじ締め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじ締めによって発生するねじの軸力を推定する。【解決手段】制御部（３１）は、ねじを締める回転方向に、回転軸サーボモータ（１０）の発生する所定のトルクをねじに与えた後、トルクを解放する。そして、制御部（３１）は、トルクを解放することによって発生する回転軸サーボモータ（１０）の回転位置の変動に基づいて、締結されたねじの軸力を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ締めによって発生するねじの軸力を推定するねじ締め装置に関する。

ねじ締めの不良を判定する技術として、下記の特許文献１および特許文献２に開示された発明がある。特許文献１は、ネジ締めにおける不良の発生および種類を判定するネジ締め不良判定装置に関し、ドライバーの回転運動を生じさせる第１モータおよびドライバーの軸方向への往復運動を生じさせる第２モータに関する２以上の変数に基づいて、ドライバーによるネジ締め動作における不良の発生および種類を判定する。

特許文献２は、ねじ締め装置に接続され、対象物に対するねじ締め不良を判定するねじ締め判定装置に関し、ねじ締め時のねじ締め装置における累積回転角度と電流値との関係を示す波形を生成し、ねじ締め完了する際の波形における累積回転角度および電流値の変化量に基づいてねじ締め付け不良を判定する。

特開２０２０−６４５２号公報（２０２０年１月１６日公開） 特開２０１９−１５０９２２号公報（２０１９年９月１２日公開）

しかしながら、上述の特許文献１および特許文献２は、ねじ締め不良の判定を行っているが、ねじの軸力を推定してねじ締め不良を判定する技術は開示していない。

本発明の一態様は、ねじ締めによって発生するねじの軸力を推定するねじ締め装置を実現することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。本発明の一側面に係るねじ締め装置は、ねじを回転させる回転工具と、回転工具を回転駆動する第１モータと、第１モータを制御する制御部とを備える。制御部は、ねじを締める回転方向に、第１モータの発生する所定のトルクをねじに与えた後、トルクを解放するステップを実行する。トルクを解放するステップにおける、第１モータの回転位置の変動に基づいて、締結されたねじの軸力を推定する。

上記構成によれば、第１モータの回転位置の変動に基づいて、締結されたねじの軸力を推定するので、ねじの実際の軸力を計測する必要がなくなり、ねじ締めの良否判定が容易に行えるようになる。

上記一側面に係るねじ締め装置において、制御部に制御される、回転工具を軸方向に移動させる第２モータを更に備える。制御部は、第１モータを所定の回転速度とし、第２モータによる回転工具の移動を第１モータの発生するトルクが閾値トルクに達するまで行う、ねじをねじ穴にねじ込むための第１ステップと、次に、第１モータの発生するトルクを所定のトルクに達するまで増加させる、ねじの本締めを行うための第２ステップと、を実行する。

上記構成によれば、第１ステップにより、ねじが正しく着座できるようになる。また、第２ステップにより、ねじの本締めが正しく行えるようになる。

上記一側面に係るねじ締め装置において、制御部は、第１ステップにおける、第２モータのトルクのばらつきを反映して、軸力を推定する。

上記構成によれば、ねじの着座が成功しているか否かを考慮した軸力の推定が行えるようになる。したがって、第１モータの回転位置の変動のみで軸力を推定するよりも、さらに正確に軸力を推定することができる。

上記一側面に係るねじ締め装置において、制御部は、第１ステップにおける、第２モータによる回転工具の位置の平均、第１ステップの時間、第１モータの回転位置の平均、第１モータの回転位置の標準偏差、第１モータの回転速度の平均、および第１モータの回転速度の標準偏差のいずれかを反映して、軸力を推定する。

上記構成によれば、いずれかの変数を用いてねじの軸力を推定することができる。したがって、第２モータのトルクのばらつきよりも容易に取得できる変数を用いてねじの軸力を推定できるようになる。

上記一側面に係るねじ締め装置において、制御部は、第２ステップにおける第１モータの回転速度の平均値を反映して、軸力を推定する。

上記構成によれば、ねじの本締めが正常に行われているか否かを考慮した軸力の推定が行えるようになる。したがって、第１モータの回転位置の変動のみで軸力を推定するよりも、さらに正確に軸力を推定することができる。

上記一側面に係るねじ締め装置において、制御部は、第２ステップの時間、第２ステップにおける第１モータの回転位置の標準偏差、第１モータの回転速度の標準偏差、第１モータのトルクの平均、および第２モータによる回転工具の位置のレンジのいずれかを反映して、軸力を推定する。

上記構成によれば、いずれかの変数を用いてねじの軸力を推定できる。したがって、第１モータの回転速度の平均値よりも容易に取得できる変数を用いてねじの軸力を推定できるようになる。

上記一側面に係るねじ締め装置において、制御部は、第２ステップにおける、第２モータによる回転工具の位置の変動と、推定した軸力とに基づいて、ねじの締結の良否を判断する。

上記構成によれば、ねじの締結の良否判定を多元的に行えるようになる。

上記一側面に係るねじ締め装置において、制御部は、第２ステップにおける、第２モータによる回転工具の位置の変動と、推定した軸力とにアイソレーションフォレストを適用し、スコアに応じてねじの締結の良否を判断する。

上記構成によれば、アイソレーションフォレストを適用してねじの締結の良否を判定するので、数値によって客観的にねじの締結の良否を判定できるようになる。

上記一側面に係るねじ締め装置において、制御部は、トルクを解放するステップの直前に、所定のトルクを所定時間維持するステップを実行する。

上記構成によれば、所定のトルクを所定時間維持することにより、ねじの締め付けが行えるようになる。

本発明の一態様によれば、ねじ締めによって発生するねじの軸力を推定することができる。

本実施形態に係るねじ締め装置の概要を示す図である。 本実施形態に係るねじ締め装置の概略構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るねじ締め装置のねじ締め動作の処理手順を表形式で記載した図である。 図３に示す各ステップにおける、回転軸サーボモータの回転軸トルク（Ｒ軸トルク）を示すグラフである。 ねじの締め付けによって発生する軸力を模式的に示す図である。 正常時における、ねじの回転位置の変動と軸力との関係を示すグラフである。 底付き時における、ねじの回転位置の変動と軸力との関係を示すグラフである。 実際に計測されたねじの軸力と式（１）を用いて算出した軸力予測値とを示すグラフである。 図８に示す各サンプルの軸力予測値対実測値をプロットしたグラフである。 図８に示す正常および異常２〜５の底付きが発生した各サンプルのステップ２におけるＺ軸位置レンジ対ステップ４におけるＲ軸位置レンジをプロットしたグラフである。

以下、本発明の一側面に係る実施の形態を、図面に基づいて説明する。

§１ 適用例
図１は、本実施形態に係るねじ締め装置１の概要を示す図である。ねじ締め装置１は、回転軸サーボモータ（第１モータ）１０と、回転軸サーボモータ１０の回転を制御するサーボドライバ１２と、昇降軸サーボモータ（第２モータ）２０と、昇降軸サーボモータ２０の回転を制御するサーボドライバ２２と、ボールねじ３０と、サーボドライバ１２および２２にトルク指令等の指示を送信する制御部３１と、ドライバビット（回転工具）４０とを備える。

また、図１には記載していないが、ねじ締め装置１はさらに、回転軸サーボモータ１０に設けられたエンコーダ１１と、昇降軸サーボモータ２０に設けられたエンコーダ２１とを備える。

ドライバビット４０は、回転軸サーボモータ１０の回転軸に取付けられており、回転軸サーボモータ１０の回転に応じてＲ軸周りに回転する。このドライバビット４０の回転によって、ねじ締めの対象となるねじを締結する。

また、回転軸サーボモータ１０およびドライバビット４０は、ボールねじ３０を介して昇降軸サーボモータ２０と接続されている。昇降軸サーボモータ２０の回転動作がボールねじ３０によってＺ軸方向の直線動作に変換され、回転軸サーボモータ１０およびドライバビット４０が昇降する。

制御部３１は、回転軸サーボモータ１０および昇降軸サーボモータ２０の回転軸の回転角度（回転位置）、回転速度およびトルクを制御しており、昇降軸サーボモータ２０の回転によってドライバビット４０の昇降が制御され、回転軸サーボモータ１０の回転によってドライバビット４０によるねじ締めが制御される。

制御部３１は、昇降軸サーボモータ２０の昇降を制御することによりドライバビット４０の先端を雄ねじの頭部の溝に嵌合させ、ねじを締める回転方向に、回転軸サーボモータ１０の発生する所定のトルクをねじに与えた後、トルクを解放するステップを開始する。トルクを解放するステップ開始時に、制御部３１は、回転軸サーボモータ１０の回転軸の第１の回転角度（回転位置）を取得する。

制御部３１は、所定のトルクを解放し終わると、トルクを解放するステップを終了する。トルクを解放するステップ終了時に、制御部３１は、回転軸サーボモータ１０の回転軸の第２の回転角度（回転位置）を取得する。そして、制御部３１は、第１の回転角度と第２の回転角度との差を求め、この回転角度の変動に基づいて、ねじの軸力を推定する。

制御部３１は、第１モータの回転位置の変動に基づいて、締結されたねじの軸力を推定するので、ねじの実際の軸力を計測する必要がなくなり、ねじ締めの良否判定が容易に行えるようになる。

§２ 構成例
図２は、本実施形態に係るねじ締め装置１の概略構成を示すブロック図である。ねじ締め装置１は、回転軸サーボモータ１０と、回転軸サーボモータ１０に設けられるエンコーダ１１と、回転軸サーボモータ１０の駆動を制御するサーボドライバ１２と、昇降軸サーボモータ２０と、昇降軸サーボモータ２０に設けられるエンコーダ２１と、昇降軸サーボモータ２０の駆動を制御するサーボドライバ２２と、ねじ締め装置１の全体的な制御を行う制御部３１とを含む。

エンコーダ１１および２１は、それぞれ回転軸サーボモータ１０および昇降軸サーボモータ２０の回転軸の回転角度を求めると共に、フィードバック信号として、Ａ相信号、Ｂ相信号およびＺ相信号を生成して出力する。

回転軸サーボモータ１０は、３相交流モータによって構成され、サーボドライバ１２から出力される３相の駆動信号（Ｕ相信号、Ｖ相信号、Ｗ相信号）に応じて、回転軸サーボモータ１０が駆動される。同様に、昇降軸サーボモータ２０は、３相交流モータによって構成され、サーボドライバ２２から出力される３相の駆動信号（Ｕ相信号、Ｖ相信号、Ｗ相信号）に応じて、昇降軸サーボモータ２０が駆動される。

サーボドライバ１２は、インバータ部１２１と、エンコーダ１２２と、通信部１２３とを含む。また、サーボドライバ２２は、インバータ部２２１と、エンコーダ２２２と、通信部２２３とを含む。なお、インバータ部１２１とインバータ部２２１とは同様の構成および機能を有し、エンコーダ１２２とエンコーダ２２２とは同様の構成および機能を有し、通信部１２３と通信部２２３とは同様の構成および機能を有する。従って、サーボドライバ１２の詳細のみを説明することにし、サーボドライバ２２の詳細な説明は繰り返さない。

インバータ部１２１は、通信部１２３を介して、制御部３１から回転角度（回転位置）、回転速度およびトルクの指令を受けると、その指令に応じて回転軸サーボモータ１０を制御する。具体的には、インバータ部１２１は、制御部３１からの指令およびエンコーダ１１からのフィードバック信号に応じてＰＷＭ（Pulse Width modulation）波形を生成し、直流電流から必要な周波数の交流電流を生成する。このとき、位相が異なる３つの駆動信号である、Ｕ相信号、Ｖ相信号およびＷ相信号を生成して回転軸サーボモータ１０に供給する。

また、インバータ部１２１は、回転軸サーボモータ１０に設けられたエンコーダ１１からのフィードバック信号を受け、回転軸サーボモータ１０の実際の回転角度、回転速度および駆動トルクを求め、制御部３１からの指令と比較することにより両者の誤差を検出する。そして、この誤差情報を用いて回転軸サーボモータ１０の動作をリアルタイムで修正する。インバータ部１２１は、通信部１２３を介して、回転軸サーボモータ１０の実際の回転速度および駆動トルクを制御部３１にフィードバックする。

エンコーダ１２２は、エンコーダ１１からのフィードバック信号に基づいて回転軸サーボモータ１０の回転軸の実際の回転角度を求め、通信部１２３を介して制御部３１にフィードバックする。

通信部１２３は、制御部３１との間で、例えば、ＬＡＮ（Local Area Network）により通信を行う。通信部１２３は、制御部３１から回転角度（回転位置）、回転速度およびトルクの指令を受信し、インバータ部１２１に出力する。また、エンコーダ１２２から回転軸サーボモータ１０の回転軸の実際の回転角度およびインバータ部１２１から回転軸サーボモータ１０の実際の回転速度および駆動トルクを受けると、制御部３１にこれらの情報を送信する。

制御部３１は、通信部３１１を有しており、サーボドライバ１２および２２との間で、例えば、ＬＡＮにより通信を行う。制御部３１は、通信部３１１を介して、サーボドライバ１２および１３に回転角度、回転速度およびトルクの指令を送信する。また、制御部３１は、通信部３１１を介して、サーボドライバ１２および２２から回転軸サーボモータ１０および昇降軸サーボモータ２０の回転軸の実際の回転角度、回転速度および駆動トルクに関するフィーバック情報を受信する。

§３ 動作例
（実施形態１）
図３は、本実施形態に係るねじ締め装置１のねじ締め動作の処理手順を表形式で記載した図である。また、図４は、図３に示す各ステップにおける、回転軸サーボモータ１０の回転軸トルク（Ｒ軸トルク）を示すグラフである。このグラフは、横軸が時間であり、縦軸がＲ軸トルクである。横軸の時間は、１インデックスが２ｍｓに相当する。また、縦軸のＲ軸トルクは、定格トルクを１００％とし、その比率で表している。以下、図３および図４を適宜参照しながら、本実施形態に係るねじ締め装置１の動作を説明する。

まず、制御部３１は、サーボドライバ２２に、昇降軸サーボモータ２０の回転角度、回転速度およびトルクの指令を送信する。サーボドライバ２２は、制御部３１からの指令に応じて駆動波形を生成し、昇降軸サーボモータ２０に供給する（ステップ０開始）。このとき、ドライバビット４０は原点位置にあり、駆動波形に応じて所定の移動速度（Ｖｚ）でＺ軸に沿って下降する。

ドライバビット４０の位置（ｚ）および移動速度（Ｖｚ）は、昇降軸サーボモータ２０の回転軸の回転角度や回転速度によって算出することができる。制御部３１は、ドライバビット４０を目標位置まで移動させる。

制御部３１は、ドライバビット４０のＺ軸位置（ｚ）が目標位置に到達したことを検出すると、サーボドライバ２２に昇降軸サーボモータ２０の駆動を停止するよう指令する（ステップ０終了）。図４に示すように、ステップ０の間、回転軸サーボモータ１０に対する駆動は行われないので、Ｒ軸トルクは０のままである。

次に、制御部３１は、サーボドライバ１２に、回転軸サーボモータ１０の回転速度の指令を送信する。サーボドライバ１２は、制御部３１からの指令に応じて駆動波形を生成し、回転軸サーボモータ１０に供給する。このとき、ドライバビット４０は、所定の回転速度（Ｖｒ）でＲ軸周りに回転し、ねじ締めが開始される（ステップ１（第１ステップ）開始）。

また、制御部３１は、ねじの回転によってねじが下方に移動するため、その移動量に同期するように昇降軸サーボモータ２０を回転させて、ドライバビット４０をＺ軸に沿って下方に移動させる。このとき、ドライバビット４０の先端がねじの頭部の溝に嵌合していなければ、ドライバビット４０のＲ軸周りの回転および下方への移動によってねじの頭部の溝に嵌合するようになる。

図４に示すように、回転軸サーボモータ１０の回転軸が所定の回転速度（Ｖｒ）で回転するため、Ｒ軸トルクが増加するが、最初だけオーバーシュートが発生する。制御部３１は、Ｒ軸トルクが閾値トルク（例えば、６２％）に達したかによって仮着座（ねじの座面が被締結部に接触した）状態にあるか否かを判定するが、Ｒ軸トルクのオーバーシュートを除外する必要があるため、ステップ１の開始から１０００ｍｓは仮着座状態にあるか否かの判定を行わない。

ねじが仮着座状態になると、サーボドライバ１２は所定の回転速度（Ｖｒ）を維持しようとしてＲ軸トルクがさらに上昇する。制御部３１は、サーボドライバ１２から受信した駆動トルクが閾値トルクに到達したときに、ステップ２に移行する。このように、制御部３１は、Ｒ軸トルクが閾値トルクに達するまで、回転軸サーボモータ１０を所定の回転速度でＲ軸周りに回転させ、昇降軸サーボモータ２０の回転によってドライバビット４０をＺ軸方向に沿って下方に移動させる（ステップ１終了）。

次に、制御部３１は、ねじの本締めを行うため、サーボドライバ１２に所定の回転速度（Ｖｒ）を維持させる。これにより、Ｒ軸トルクが増加してゆく。ここでは、締め付けトルクとして、約１５０％のＲ軸トルクが設定される（ステップ２（第２ステップ）開始）。

また、制御部３１は、ねじの本締めによってねじが下方に移動するため、その移動量に同期するように昇降軸サーボモータ２０を回転させて、ドライバビット４０をＺ軸に沿って下方に移動させる。図４に示すように、回転軸サーボモータ１０のＲ軸トルク（Ｔｒ）が締め付けトルクに到達する（ステップ２終了）。

次に、制御部３１は、回転軸サーボモータ１０のＲ軸トルク（Ｔｒ）が締め付けトルクに到達したことを検出すると、サーボドライバ１２に対するトルク指令を締め付けトルクに維持することにより、ねじの締め付けトルクがそのまま維持されて、締め付けが行われる。図４に示すように、締め付けトルクが所定時間だけ維持される。この所定時間中に、ねじの回転が止まりそれ以上締め付けが行われなくなる。（ステップ３終了）。

また、制御部３１は、ねじの締め付けによってねじが下方に移動するため、その移動量に同期するように昇降軸サーボモータ２０を回転させて、ドライバビット４０をＺ軸に沿って下方に移動させる。

次に、制御部３１は、サーボドライバ１２にＲ軸トルク（Ｔｒ）減少の指令を送信する（ステップ４開始）。また、制御部３１は、ステップ４開始時の回転軸サーボモータ１０の回転軸の回転角度を第１の回転角度とする。そして、制御部３１は、回転軸サーボモータ１０のＲ軸トルク（Ｔｒ）が０になるまで減少させるようにサーボドライバ１２に対する指令を送信する。このとき、Ｒ軸トルクの解放によって、ねじが締め付け方向とは逆方向に若干回転する。このときの回転軸サーボモータ１０の回転軸の回転角度を第２の回転角度とする（ステップ４終了）。

最後に、制御部３１は、サーボドライバ２２に、昇降軸サーボモータ２０の回転角度、回転速度およびトルクの指令を送信する。サーボドライバ２２は、制御部３１からの指令に応じて駆動波形を生成し、昇降軸サーボモータ２０に供給する（ステップ５開始）。このとき、ドライバビット４０は、所定の移動速度（Ｖｚ）でＺ軸に沿って上昇する。

また、制御部３１は、サーボドライバ１２に、回転軸サーボモータ１０の回転角度、回転速度およびトルクの指令を送信する。サーボドライバ１２は、制御部３１からの指令に応じて駆動波形を生成し、回転軸サーボモータ１０に供給する。このとき、ドライバビット４０は、所定の回転速度（Ｖｒ）でＲ軸周りに回転する。制御部３１は、回転軸サーボモータ１０の回転軸の回転角度（Ｒ軸位置（ｒ））およびドライバビット４０のＺ軸位置（ｚ）が原点位置に復帰したときに処理を終了する（ステップ５終了）。

図５は、ねじの締め付けによって発生する軸力を模式的に示す図である。雄ねじ４１は、座面４２によって被締結物４３を挟むように締結物（雌ねじ）４４に締め付けられる。このとき、雄ねじ４１の座面４２によって被締結物４３を締め付ける力と同じ大きさの軸力Ｆが発生する。すなわち、雄ねじ４１によって締め付ける力が大きい程、軸力Ｆが大きくなる。

図３を用いて説明したように、ステップ３においてねじの締め付けが完了したときの回転軸サーボモータ１０の回転軸の回転角度を第１の回転角度とし、ステップ４においてねじの締め付けを解放したときの回転角度を第２の回転角度とすると、（第１の回転角度−第２の回転角度）だけねじの回転角度が戻ることになる。このねじ（回転軸サーボモータ１０の回転軸）の回転角度の戻りを、回転位置の変動と呼ぶ。

軸力Ｆが小さい場合、座面４２の面圧（ねじ接触面圧）が小さくなり、回転抵抗が小さくなる。その結果、ねじ（回転軸サーボモータ１０の回転軸）の回転位置の変動が大きくなる。

また、軸力Ｆが大きい場合、座面４２の面圧（ねじ接触面圧）が大きくなり、回転抵抗が大きくなる。その結果、ねじ（回転軸サーボモータ１０の回転軸）の回転位置の変動が小さくなる。制御部３１は、この回転位置の変動に応じて軸力Ｆを推定する。

図６は、正常時における、ねじの回転位置の変動と軸力Ｆとの関係を示すグラフである。図３および図４を用いて説明したように、ねじの締め付けトルクが所定時間だけ維持され（ステップ３）、締め付けトルクが解放されると（ステップ４）、回転位置の変動が発生する。図６においては、回転位置の変動が３．８°だけ発生している。このとき、軸力Ｆが約１００ｋｇｆとなる。

なお、図６〜図９においては、通常の工程ではねじの軸力を測定できないため、被締結物４３と締結物４４との間にロードセルを挟んだ状態でねじ締めを行い、ねじの軸力を実験的に測定したものである。

図７は、底付き時における、ねじの回転位置の変動と軸力Ｆとの関係を示すグラフである。底付きとは、雄ねじ４１の先端が雌ねじ４４の底部に接触している状態であり、正常なねじ締めが行えない状態である。底付きが発生した場合、本締めで雄ねじ４１の先端または雌ねじ４４の底部が潰れ、正常なねじ締めが行えなくなる。その結果、正常なねじ締めと比較して軸力Ｆが低下し、ねじの回転位置の変動量が大きくなる。

図７においては、回転位置の変動量が５．０°だけ発生している。このとき、軸力Ｆが約１０ｋｇｆとなる。このように、ねじの回転位置の変動量と軸力Ｆとの間に相関があることが分かる。

以上説明したように、本実施形態に係るねじ締め装置によれば、軸力Ｆが小さい場合、座面４２の面圧が小さくなり、回転抵抗が小さくなる。その結果、ねじの回転位置の変動が大きくなる。また、軸力Ｆが大きい場合、座面４２の面圧が大きくなり、回転抵抗が大きくなる。その結果、ねじの回転位置の変動が小さくなる。制御部３１は、この回転位置の変動に応じて軸力Ｆを推定することができる。

（実施形態２）
実施形態１においては、Ｒ軸位置レンジのみでねじの軸力を推定したが、さらに軸力の推定精度を向上できる変数がないかを検討した。本出願人は、実験の結果、軸力Ｆを推定するモデルとして以下の式を提案する。ここで、ｙを推定軸力、ｘ_１をステップ１におけるＺ軸トルクの標準偏差、ｘ_２をステップ２におけるＲ軸速度の平均、ｘ_３をステップ４におけるＲ軸位置の変動量（Ｒ軸位置の最大値−Ｒ軸位置の最小値（Ｒ軸位置レンジ））とする。また、ａ，ｂ，ｃ，ｄは、実験によって求められた定数である。

ｙ＝ａｘ_１＋ｂｘ_２＋ｃｘ_３＋ｄ …（１）
ステップ１において、ねじが正しく着座できていないまま空回りすると、Ｒ軸トルクが閾値トルクに達しないまま一定のトルクが長時間発生する。このとき、Ｚ軸トルクの標準偏差ｘ_１が低下する。このことから、変数ｘ_１は、ねじの仮着座が成功しているか（軸力が発生しているか）否かの判定に使用できる。

ステップ２において、ねじの締め付け不良によりＲ軸トルクが目標値に到達するまでの時間が長い場合、または目標値に到達しない場合、Ｒ軸速度がほぼ０の状態が長時間発生し、Ｒ軸速度の平均ｘ_２が小さくなる。このことから、変数ｘ_２は、ねじの本締めが正常に行えているか（軸力が発生しているか）否かの判定に使用できる。

ステップ４において、Ｒ軸トルクを解放するとねじを緩める方向に回転する力が発生する。ねじの締結状態によってねじが逆回転する量が変化し、しっかり締まっているほど回転量が小さくなる。すなわち、Ｒ軸位置レンジｘ_３が小さくなる。このことから、変数ｘ_３は、本締め後にしっかり締まっているか（軸力が発生しているか）否かの判定に使用できる。この変数ｘ_３と相関が高い（置き換え可能な）変数として、ステップ４のＲ軸速度レンジを挙げることができる。

図８は、実際に計測されたねじの軸力と式（１）を用いて算出した軸力予測値とを示すグラフである。このグラフは、横軸を試験（サンプル）番号とし、縦軸を軸力（ｋｇｆ）としており、試験番号の約３００までが正常な状態でねじ締めが行われたサンプルであり、それ以降が正常でない（異常な）状態でねじ締めが行われたサンプルである。なお、軸力の実測値が点で示されており、軸力の予測値が実線で示されている。軸力の実測値は、正常、および異常１〜６のそれぞれで形の異なる点で記載している。

異常１のサンプルは、ねじ山不良のサンプルである。異常２〜５は、底付きが発生したサンプルであり、底付きのレベルに応じて４つに分類されている。異常２が最も底付きの程度が軽いサンプルであり、異常５が最も底付きの程度が重いサンプルであり、異常３および異常４はその中間程度のサンプルである。異常６のサンプルは、雄ねじ４１の座面４２と被締結物４３との間に異物が挟み込まれた場合のサンプルである。

図８に示すように、正常、および異常１〜５においては、実際に計測されたねじの軸力と、軸力予測値とが概ね一致している。しかし、異常６（異物挟み込み）においては、実際に計測されたねじの軸力と、軸力予測値との差が大きく、予測の精度がそれほど良くないことが分かる。この異物挟み込みが発生しているサンプルについては、別の方法で検出して取り除き、正常、および異常１〜５のサンプルのみに上記軸力の推定を用いるようにすれば、より高い精度で軸力の推定が行えるようになる。

図９は、図８に示す各サンプルの軸力予測値対実測値をプロットしたグラフである。このグラフは、横軸を軸力予測値（ｋｇｆ）、縦軸を軸力の実測値（ｋｇｆ）としており、各サンプルの点が図８に示す各サンプルの点に対応している。なお、図９においては、図８に示す異常６（異物挟み込み）のサンプルを除外している。

図９に示すように、正常、および異常１〜５の各サンプルにおいて、軸力予測値と軸力の実測値とが概ね一致していることが分かる。また、軸力予測値によって、正常、および異常１〜５のどの状態にあるのかが概ね判別できるようになる。

以上説明したように、制御部３１は、式（１）を用いてねじの軸力を推定するようにしたので、ねじの回転位置の変動のみでねじの軸力を推定するよりも、さらに正確にねじの軸力を推定できるようになる。

（実施形態３）
上述の変数ｘ_１と相関が高い（置き換え可能な）変数として、ステップ１におけるＺ軸位置の平均（変数ｘ_１との相関係数０．９７）、ステップ１の時間（同、０．９９）、ステップ１におけるＲ軸位置の平均（同、０．９９）、Ｒ軸位置の標準偏差（同、０．９９）、Ｒ軸速度の平均（同、０．９７）、Ｒ軸速度の平均（同、−０．９６）等が挙げられる。これらいずれかの変数をｘ_１に替えて、あるいはｘ_１とともに適用することで推定精度が更に向上することが期待できる。

（実施形態４）
上述の変数ｘ_２と相関が高い（置き換え可能な）変数として、ステップ２の時間（変数ｘ_２との相関係数−０．７７）、ステップ２におけるＲ軸位置の標準偏差（同、−０．７５）、Ｒ軸速度の標準偏差（同、０．９４）、Ｒ軸トルクの平均（同、０．８４）、Ｚ軸位置レンジ（Ｚ軸位置の最大値−Ｚ軸位置の最小値）（同、−０．７４）等が挙げられる。これらいずれかの変数をｘ_２に替えて、あるいはｘ_２とともに適用することで推定精度が更に向上することが期待できる。

（実施形態５）
図１０は、図８に示す正常および異常２〜５の底付きが発生した各サンプルのステップ２におけるＺ軸位置レンジ対ステップ４におけるＲ軸位置レンジをプロットしたグラフである。図１０は、上述のようにＲ軸位置レンジを用いてねじの軸力が推定できることを利用して、Ｒ軸位置レンジと他の変数とを用いた２次元プロットによって良否判定を行うと、判定制度が良好なことを示している。

このグラフは、横軸をステップ２におけるＺ軸位置レンジ（ｍｍ）、縦軸をステップ４におけるＲ軸位置レンジ（°）としており、各サンプルの点が図８に示す正常および異常２〜５の底付きが発生した各サンプルの点に対応している。

各サンプルのステップ２におけるＺ軸位置レンジと、ステップ４におけるＲ軸位置レンジとに、機械学習の一手法であるアイソレーションフォレストを適用してスコアを算出したものである。図１０において、等高線がスコアを示しており、正常状態であるサンプルがスコア０．５５以下に集中しているのが分かる。このように、スコアが所定値以下のサンプルを、ねじ締めが正常に行われたものであると判定することができる。

以上説明したように、制御部３１は、各サンプルのステップ２におけるＺ軸位置レンジと、ステップ４におけるＲ軸位置レンジとにアイソレーションフォレストを適用してねじの軸力を推定するようにしたので、数値によってねじの締結の良否を容易に判定できるようになる。

§４ 変形例
ねじ締め装置１の制御ブロック（特に制御部３１）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、ねじ締め装置１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。各実施形態において、ステップ３は必ずしも必要では無く、省略してもよい。

１ ねじ締め装置
１０ 回転軸サーボモータ（第１モータ）
１１，２１，１２２，２２２ エンコーダ
１２，２２ サーボドライバ
２０ 昇降軸サーボモータ（第２モータ）
３０ ボールねじ
３１ 制御部
４０ ドライバビット（回転工具）
４１ 雄ねじ
４２ 座面
４３ 被締結物
４４ 締結物
１２１，２２１ インバータ部
１２３，２２３，３１１ 通信部

Claims (9)

1. ねじを回転させる回転工具と、
   前記回転工具を回転駆動する第１モータと、
   前記第１モータを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記ねじを締める回転方向に、前記第１モータの発生する所定のトルクを前記ねじに与えた後、前記トルクを解放するステップ、を実行し、
   前記トルクを解放するステップにおける、前記第１モータの回転位置の変動に基づいて、締結された前記ねじの軸力を推定する、ねじ締め装置。
2. 前記制御部に制御される、前記回転工具を軸方向に移動させる第２モータを更に備え、
   前記制御部は、
   前記第１モータを所定の回転速度とし、前記第２モータによる前記回転工具の移動を、前記第１モータの発生するトルクが閾値トルクに達するまで行う、前記ねじをねじ穴にねじ込むための第１ステップと、次に、
   前記第１モータの発生するトルクを前記所定のトルクに達するまで増加させる、前記ねじの本締めを行うための第２ステップと、を実行する、請求項１に記載のねじ締め装置。
3. 前記制御部は、
   前記第１ステップにおける、前記第２モータのトルクのばらつきを反映して、前記軸力を推定する、請求項２に記載のねじ締め装置。
4. 前記制御部は、
   前記第１ステップにおける、前記第２モータによる前記回転工具の位置の平均、前記第１ステップの時間、前記第１モータの回転位置の平均、前記第１モータの回転位置の標準偏差、前記第１モータの回転速度の平均、および前記第１モータの回転速度の標準偏差のいずれかを反映して、前記軸力を推定する、請求項２に記載のねじ締め装置。
5. 前記制御部は、
   前記第２ステップにおける前記第１モータの回転速度の平均値を反映して、前記軸力を推定する、請求項２から４のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
6. 前記制御部は、
   前記第２ステップの時間、前記第２ステップにおける前記第１モータの回転位置の標準偏差、前記第１モータの回転速度の標準偏差、前記第１モータのトルクの平均、および前記第２モータによる前記回転工具の位置のレンジのいずれかを反映して、前記軸力を推定する、請求項２から４のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
7. 前記制御部は、
   前記第２ステップにおける、前記第２モータによる前記回転工具の位置の変動と、前記推定した軸力と、に基づいて、前記ねじの締結の良否を判断する、請求項２から６のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
8. 前記制御部は、
   前記第２ステップにおける、前記第２モータによる前記回転工具の位置の変動と、前記推定した軸力とにアイソレーションフォレストを適用し、スコアに応じて前記ねじの締結の良否を判断する、請求項７に記載のねじ締め装置。
9. 前記制御部は、
   前記トルクを解放するステップの直前に、
   前記所定のトルクを所定時間維持するステップを実行する、請求項１から８のいずれか１項に記載のねじ締め装置。

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