JP2959289B2 - ねじ締め制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等の製造工程に
おいて用いられるねじ締め制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ねじ締めの自動化のため、従来から電動
ねじ締め装置が開発・製品化されている。電動ねじ締め
装置によるねじ締めを制御する手法としては、ねじの締
め付けトルクを逐次検出し、検出値について判定を行っ
て、締め付けトルクが所定の値となるよう制御する手法
が知られている（特開昭６３−２１２４２５号）。

【０００３】電動ねじ締め装置によりねじ締めを行って
ワークの固定・組み付けを行う場合、その対象となるも
のには、可動部を有するものが含まれる。例えばカムシ
ャフトのように回転性を保持しなければならないワーク
の場合、ねじ締めに当たってねじの締め付けトルクのみ
を検出・判定するのは好ましくない。この場合、さら
に、カムシャフトの回転トルク（以下、外部トルクとも
いう）が所定の制限値を越えないよう、当該外部トルク
の検出・判定を行う必要がある。

【０００４】図７には、カムシャフトの組付動作の一例
が示されている。カムシャフト１０をエンジンのヘッド
シリンダ１２に組み付ける場合、カムシャフト１０上に
カムキャップ１４を載置し、図中上方からカムキャップ
ボルト１６のねじ締めを行う。この図では、カムキャッ
プボルト１６のねじ締めを行うためのねじ締め装置１８
が２軸であり、２個のカムキャップボルト１６を同時に
ねじ締めすることが可能である。

【０００５】この図では、ねじ締め装置１８を構成する
各部品の内、駆動電流の供給を受け回転するモータ２
０、その回転角度（速度）を検出するエンコーダ２２、
モータ２０の出力トルク（ねじ締めトルク）を検出する
トルクセンサ２４、及びモータ２０の軸先端に設けられ
カムキャップボルト１６と嵌合するソケット２６のみが
示されている。エンコーダ２２及びトルクセンサ２４の
出力は、後述するコントローラにフィードバックされ、
これにより、所定許容範囲内となるよう、締め付けトル
クが制御される。

【０００６】カムシャフト１０の一端には、従動ギヤ２
８が設けられている。この図においては、駆動ギヤ３０
が従動ギヤ２８と係合している状態が示されている。カ
ムシャフト１０のようにその回転性を確保しなければな
らないワークの場合、前述のように、その回転トルクが
所定の制限値を越えてはならない。この図に示される駆
動ギヤ３０は、カムシャフト１０の回転トルクを検出す
る手段を構成している。

【０００７】すなわち、駆動ギヤ３０及び従動ギヤ２８
を介してカムシャフト１０を回転させることにより、上
記回転トルクを検出することができる。通常、まず駆動
ギヤ３０を下ろし、カムキャップボルト１６のねじ締め
を行った上でこれを回転させることにより、カムシャフ
ト１０の回転トルクを検出する。検出値が制限値を越え
ていない場合、ねじ締め“ＯＫ”と見なして動作を終了
するが、越えている場合にはねじ締め“ＮＧ”と見なし
てねじゆるめを実施し、再びねじ締めを行う。この繰り
返しにより２回連続して“ＮＧ”となると、通常、異常
を報知し設備を停止させる。

【０００８】このような手法を用いることにより、カム
シャフト１０の回転トルクが所定範囲内となりかつカム
キャップボルト１６のねじ締めトルクが所定範囲内とな
るよう、カムシャフト１０をヘッドシリンダ１２にねじ
締め固定できる。

【０００９】図８には、一従来例に係るねじ締め装置１
８の一軸分の構成が示されている。この装置１８は、モ
ータ２０等の駆動部分の他、コントローラ３２及びアン
プ３４等の回路部分を有している。

【００１０】コントローラ３２は、ＣＰＵ３５，ＲＡＭ
３６，ＲＯＭ３８等を有する総合部４０の他、角度（速
度）検出部４２、Ａ／Ｄ変換部４４、入出力部４６、速
度指令発生部４８及び電源部５０を有している。このう
ち総合部４０のＣＰＵ３５は、ＲＯＭ３８上のシステム
プログラムに従い、後述するＰＣからのスタート信号に
応じてＲＡＭ３６上のねじ締めプログラム（ユーザプロ
グラム）を実行し、終了するとその旨をＰＣに報知す
る。ＰＣとの通信は、入出力部４６を介して行う。速度
指令発生部４８は、総合部４０の制御下に速度指令を発
生させ、アンプ３４に与える。その際、角度（速度）検
出部４２はエンコーダ２２の出力からモータ２０の回転
角度・速度を検出し、Ａ／Ｄ変換部４４はトルクセンサ
２４の出力をＡ／Ｄ変換してトルクを示すデータを生成
する。総合部４０のＣＰＵ３５は、これら、すなわち回
転角度・速度及びトルクの検出値を参照しつつ、ねじ締
め制御を行う。電源部５０は、外部電源をコントローラ
３２各部にその電源電圧に変換して供給する。

【００１１】アンプ３４は、速度制御部５２及び電流制
御部５４から構成されている。速度制御部５２は、速度
指令発生部４８からの速度指令に応じ、かつ回転角度・
速度の検出値を参照しつつ、電流指令を生成する。電流
制御部５４は、駆動電源から電力供給を受けつつ、電流
指令に応じた駆動電流をモータ２０に供給する。これに
より、モータ２０は、速度指令に応じた速度で回転す
る。

【００１２】コントローラ３２に対してスタート信号を
与えるＰＣ（プログラマブルコントローラ）は、例えば
図９に示されるような構成を有している。この図のＰＣ
５６は、３枚の入力カード５８、６０及び６２、出力カ
ード６４、６６及び６８、ＣＰＵ７０並びに電源部７２
から構成されている。ＣＰＵ７０は、ねじ締め装置１８
その他設備各部の制御を行うためのプログラムを実行
し、入力カード５８、６０及び６２並びに出力カード６
４、６６及び６８はその際設備各部との入出力部として
機能する。電源部７２は、外部電源をＰＣ５６各部にそ
の電源電圧に変換して供給する。

【００１３】入力カード６２は、設備各部の押しボタン
スイッチ７４やリミットスイッチ７６の状態を入力する
カードである。また、出力カード６８は、設備各部のラ
ンプ７８、リレー８０、ソレノイドバルブ８２を動作さ
せるためのカードである。入力カード５８及び出力カー
ド６４はねじ締め装置１８のコントローラ３２と接続さ
れ、入力カード６０及び出力カード６２は外部トルク測
定ユニットと接続される。

【００１４】図１０には、外部トルク測定ユニットの構
成が示されている。この図の外部トルク測定ユニット８
４は、駆動ギヤ３０を回転させるためのモータ８６の
他、アンプ８８及び測定器９０を有している。外部トル
ク測定ユニット８４は、ねじ締めが行われたカムシャフ
ト１０の回転トルクを検出するユニットである。

【００１５】アンプ８８は、入出力部９２、速度制御部
９４、電流制御部９６及び速度検出部９８から構成され
ている。速度制御部９４は、入出力部９２を介してＰＣ
５６からの指令を受け、電流制御部９６に指令を与えて
モータ８６の駆動電流を制御する。速度検出部９８は、
モータ８６に付設されたエンコーダ１００の出力から、
モータ８６の回転角度（速度）を検出し、速度制御部９
４にフィードバックする。このようにして、モータ８６
の回転速度が、ＰＣ５６からの指令に応じて制御され
る。

【００１６】測定器９０は、カムシャフト１０の回転ト
ルクをモータ８６出力軸上のトルクセンサ１０２を用い
て測定する回路である。測定器９０は検出部１０４、設
定部１０６、比較部１０８及び出力部１１０から構成さ
れており、検出部１０４によって検出される回転トルク
（外部トルク）と、設定部１０６によって設定される制
限値とを、比較部１０８によって比較し、その結果を出
力部１１０からＰＣ５６に出力する。

【００１７】図１１には、ＰＣ５６による設備制御のサ
イクル線図の一例が示されている。この図のサイクル
は、先に図７を用いて一部説明したサイクルである。こ
の図に示されるように、ＰＣ５６はまずトランスファ装
置を上昇、前進、下降させる。ＰＣ５６は、トランスフ
ァ下降中に、ジグ締め〜ジグゆるめを実行する。このと
き、ＰＣ５６は、ジグ締めが終了しワーク（カムシャフ
ト１０等）がクランプされたことを、リミットスイッチ
７６等により検出し、これに応じ、図８に示した構成を
有するねじ締め装置１８及び図１０に示した構成を有す
る外部トルク測定ユニット８４を下降させる。なお、こ
の時点でカムキャップボルト１６は供給ずみとする。

【００１８】ＰＣ５６は、ねじ締め装置１８にスタート
信号を与え、これによりねじ締め動作に係るサイクル、
すなわちねじ締めサイクルを実行させる。ねじ締め装置
１８によるねじ締めサイクルが終了すると、次に、外部
トルク測定ユニット８４により回転トルクの測定が実行
される。すなわち、ねじ締め終了後所定時間後に、ＰＣ
５６は、外部トルク測定ユニット８４に指令を与えてモ
ータ８６を回転させ、測定器９０により外部トルクを測
定させる。測定器９０の出力部１１０から制限値を越え
ていない旨の、すなわち“ＯＫ”を示す出力が得られた
ときは、ＰＣ５６は外部トルク測定ユニット８４を上昇
させ、ねじ締め装置１８を上昇させ、ジグを緩める。測
定器９０の出力部１１０から制限値を越えている旨の、
すなわち“ＮＧ”を示す出力が得られたときは、ＰＣ５
６はねじ締め装置１８によりねじゆるめ動作に係るサイ
クル、すなわちねじゆるめサイクルを実行させ、再びね
じ締めサイクル以後の動作を繰り返させる。

【００１９】図１２には、このような動作がねじ締め装
置１８のＣＰＵ３５の動作、すなわちＲＯＭ３８上のシ
ステムプログラムの流れとして示されている。この図に
示されるように、電源がオンされると（２００）ＣＰＵ
３５はまずＲＡＭ３６，ＲＯＭ３８等の自己診断を実行
する（２０２）。この自己診断により異常とされた場合
には、ＣＰＵ３５はその旨をＰＣ５６に報知し、現在の
状態を維持する。正常とされた場合にはステップ２０４
以降の動作に移行する。

【００２０】ステップ２０４においては、ＣＰＵ３５は
ＰＣ５６からのスタート信号待ち状態をとる。ＰＣ５６
からスタート信号が発せられると、ＣＰＵ３５はこれに
応じてＲＡＭ３６上のねじ締めプログラムを実行開始す
る。

【００２１】ＣＰＵ３５は、その際まずトルクセンサ２
４の零点・倍率チェックを行う（２０６）。これらが異
常であれば（２０８）、ＣＰＵ３５はその旨をＰＣ５６
に報知して動作を停止する（２１０）。異常でなけれ
ば、ＣＰＵ３５はまず仮締めを行う（２１２〜２２
０）。

【００２２】ここに、ねじ締めプログラムは、例えば図
１３に示されるように記述される。この図に示されるよ
うに、ねじ締めプログラムは、仮締めと本締めという２
種類の段階を有している。ステップ２１２〜２２０によ
り実行される仮締めは、図１４にグラフとして示される
ように、速度＝５００ｒｐｍ（仮締め速度Ｖｋ）でトル
クが１００ｋｇｃｍ（仮締めトルクＴｋ）以上となるま
でカムキャップボルト１６を締め付ける動作である。ま
た、ステップ２２２〜２３６により実行される本締め
は、速度＝３０ｒｐｍ（本締め速度Ｖｑ）でトルクが４
００ｋｇｃｍ（最終ねらいトルクＴｑ）±５０ｋｇｃｍ
（許容範囲Ｔｔ）の範囲内となるまでカムキャップボル
ト１６を締め付ける動作である。

【００２３】図１２の動作では、仮締めの際、コントロ
ーラ３２はまず仮締めトルクＴｋとなるまで各軸（モー
タ２０）を回転させる（２１２）。仮締めトルクＴｋに
至ると（２１４）、コントローラ３２はモータ２０の回
転速度を本締め速度Ｖｑまで落とさせ（２１６）、全て
の軸が仮締めトルクＴｋに至った段階で（２１８）本締
めに移る。全ての軸が仮締めトルクＴｋに至るまでは、
仮締めトルクＴｋに至った軸に係るモータ２０をトルク
を維持しつつ停止させ（２２０）、全ての軸が仮締めト
ルクＴｋに至るまで待つ。

【００２４】本締めの際には、ＣＰＵ３５は最終ねらい
トルクＴｑまでモータ２０を本締め速度Ｖｑで回転させ
る（２２２）。最終ねらいトルクＴｑに至ると（２２
４）、ＣＰＵ３５はモータ２０を減速停止させ（２２
６）、全ての軸が最終ねらいトルクＴｑに至るまで（２
２８）、最終ねらいトルクＴｑに至った軸に係るモータ
２０をトルクを維持しつつ停止させた状態で待つ（２３
０）。全ての軸が最終ねらいトルクＴｑに至ると、ＣＰ
Ｕ３５は本締めによるトルクＴｒが許容範囲Ｔｔ内であ
るかを判定し（２３２）、範囲内であれば“ＯＫ”（２
３４）、なければ“ＮＧ”（２３６）であることを、Ｐ
Ｃ５６に報知する。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示されるようにねじ締めが終了した段階で外部トルク
の測定を行う動作では、外部トルクの測定結果が制限値
を越えていると判定されたときにねじを一旦緩めて再び
ねじ締めからやり直さなければならない。したがって、
ねじ締め装置の稼働率が実質的に低下してしまう。

【００２６】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、カムシャフト等の
ように可動部を有するワークの組み付けを行う場合にも
稼働率が低下しないようにすることを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、ねじ締め状態の検出と可動部の状
態の検出とを並行して行わせ、ねじ締め状態の検出値
（例えばねじの締め付けトルク）が許容範囲の下限値に
至った時点で可動部（例えばカムシャフト）の状態の検
出値（例えば外部トルク）が所定の制限範囲内であるか
否かを判定し、制限範囲内であるとされた場合にねじ締
め装置を減速停止させ更にねじ締め状態の検出値が許容
範囲内であるか否かを判定し、許容範囲内であるとされ
た場合にねじ締めを終了させることを特徴とする。

【００２８】

【作用】本発明においては、ねじ締め状態の検出と可動
部の状態の検出とを並行して行わせ、ねじ締め状態の検
出値が許容範囲の下限値に至った時点で可動部の状態の
検出値が所定の制限範囲内であるか否かが判定される。
この結果、制限範囲内であるとされた場合には、ねじ締
め装置を減速停止させ更にねじ締め状態の検出値が許容
範囲内であるか否かが判定され、許容範囲内とされた場
合にはねじ締めを終了させる。この状態では、ねじ締め
状態は所定の許容範囲内にあり、かつ可動部の状態も所
定の制限範囲内にあることとなる。したがって、本発明
においては、ねじ締め状態の判定と可動部の状態の判定
とを別個に行っていた従来のような構成に比べ、可動部
の状態の判定結果が“ＮＧ”となることによるねじゆる
め・締め直しの手順の実行頻度が低減する。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面に
基づき説明する。尚、図７乃至図１４に示される従来例
と同様の構成には同一の符号を付し説明を省略する。

【００３０】図１には、本発明の一実施例に係る自動組
付機におけるねじ締め装置１８の１軸分の構成が、図２
にはその総合部４０の構成が、図３には外部トルク測定
ユニット８４の構成が、それぞれ示されている。これら
の図に示されるように、本実施例におけるねじ締め装置
１８のコントローラ３２は外部トルク信号検出部１１２
を有しており、総合部４０のＣＰＵ３５は外部トルク信
号割込処理部１１４を有している。また、総合部４０の
ＲＡＭ３６上には外部トルク信号設定部１１６が、ＲＯ
Ｍ３８上には外部トルク信号優先処理部１１８が、それ
ぞれ搭載されており、測定器９０の出力はＰＣ５６では
なくねじ締め装置１８のコントローラ３２に供給されて
いる。

【００３１】外部トルク信号検出部１１２は、測定器９
０から供給される外部トルクの測定結果を割込信号とし
て入力する。外部トルク信号割込処理部１１４は、この
割込信号に対し、ＲＯＭ３８上の外部トルク信号優先処
理部１１８により所定の処理を実行する。また、ＲＡＭ
３６上の外部トルク信号設定部１１６は、外部トルク、
すなわち外部トルク測定ユニット８４にあって測定され
るカムシャフト１０の回転トルクの値についての制限値
を設定する。

【００３２】図４には、この実施例における設備のサイ
クルの一例が示されている。この図に示されるサイクル
においては、図１１に示されるサイクルと同様、ＰＣに
よりトランスファ装置の上昇、前進、下降等の制御や、
ジグ締め〜ジグゆるめ等の制御が実行される。このサイ
クルにおいて特徴的なところは、ねじ締め装置１８によ
るねじ締めサイクルが終了した後に外部トルク測定ユニ
ット８４による回転トルクの測定が実行されるのではな
く、ねじ締めサイクルと並行して回転トルクの測定が実
行され、ねじ締めサイクル終了時に回転トルクに係る判
定が実行される点にある。以下、この特徴点について図
５及び図６を用いて説明する。

【００３３】図５には、この実施例におけるねじ締め装
置１８のコントローラ３２の動作の流れが示されてい
る。また、図６には、この実施例において実行されるね
じ締めプログラムの一例が示されている。

【００３４】図５に示される動作の流れは、図１２に示
される従来例の動作に対し、ステップ２３８以降の動作
が相違している。すなわち、ステップ２００乃至２２２
は従来例とほぼ同様の動作であり、その後の動作が異な
っている。

【００３５】まず、ＣＰＵ３５は、ステップ２２２実行
後に、トルクセンサ２４の出力に係る判定を実行する
（２３８）。この判定は、トルクセンサ２４によって検
出されるカムキャップボルト１６の締め付けトルクが許
容範囲の下限値、すなわちＴｑ−Ｔｔ以上であるか否か
の判定である。この判定は当該条件が満たされるまで実
行され、満たされた時点で次のステップ２４０に移る。

【００３６】ステップ２４０においては、ＣＰＵ３５
は、外部トルク信号割込処理部１１４による割込信号の
受け付けを開始する。すなわち、外部トルク測定ユニッ
ト８４から出力される信号が、外部トルクが制限値以下
であることを示す信号である場合（２４２）、ＣＰＵ３
５はモータ２０を減速停止させ（２４４）、その時点で
のねじ締めトルク（最終トルク）が許容範囲内であるか
否かを判定する（２４６）。この判定の結果、許容範囲
内である場合には、ＣＰＵ３５は締付け状態が“ＯＫ”
であると判定し（２４８）、その旨を入出力部４６を介
してＰＣ５６に報知して動作を終了する。また、ステッ
プ２４６において許容範囲内でないと判定された場合に
は、ＣＰＵ３５は締め付け状態が“ＮＧ”であると判定
し（２５０）、その旨をＰＣ５６に報知して動作を終了
する。

【００３７】さらに、ステップ２４２において外部トル
クが制限値以下でないと判定された場合には、ＣＰＵ３
５はモータ２０を減速停止させるとともに（２５２）、
外部トルクがＮＧである旨をＰＣ５６に報知し（２５
４）、動作を終了する。

【００３８】従って、本実施例においては、カムキャッ
プボルト１６の締付けトルクが許容範囲の下限値に至っ
た時点で外部トルクに係る判定を実行するようにしたた
め、カムキャップボルト１６の締め付け動作が終了した
後に外部トルクに係る判定を実行する場合に比べ、設備
のサイクルタイムが短縮され、稼働率が向上する。すな
わち、ねじ締め動作の途中から外部トルクの監視が行わ
れるため、並列化が進むこととなる。また、最終トルク
判定により“ＮＧ”となる率が減少する。

【００３９】なお、ねじ締め状態は、上記のようにトル
クで検出する以外に、回転数、軸力、ソケット２６のス
トローク等、多種のパラメタで検出してもかまわない。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ねじ締め状態の検出と可動部の状態の検出とを並行して
行わせ、ねじ締め状態の検出値が許容範囲の下限値に至
った時点で可動部の状態の検出値が所定の制限範囲内で
あるか否かを判定するようにしたため、可動部の状態の
判定結果が“ＮＧ”となることによるねじゆるめ・締め
直しの手順の実行頻度が低減する。これにより、設備の
サイクルタイムが短縮可能になると共に、不良率も低減
し、設備稼働率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る自動組付機、特にその
ねじ締め装置の構成を示すブロック図である。

【図２】この実施例における総合部の構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】この実施例における外部トルク測定ユニットの
構成を示すブロック図である。

【図４】この実施例における設備のサイクルの一例を示
すサイクル線図である。

【図５】この実施例におけるねじ締め装置のコントロー
ラのＣＰＵの流れを示すフローチャートである。

【図６】この実施例におけるねじ締めプログラムの一例
を示す図である。

【図７】カムシャフトの組付工程を説明する図である。

【図８】一従来例に係る自動組付機、特にそのねじ締め
装置の構成を示すブロック図である。

【図９】この従来例におけるＰＣの構成を示すブロック
図である。

【図１０】この従来例における外部トルク測定ユニット
の構成を示すブロック図である。

【図１１】この従来例における設備のサイクルの一例を
示すサイクル線図である。

【図１２】この従来例におけるねじ締め装置のコントロ
ーラのＣＰＵの動作の流れを示すフローチャートであ
る。

【図１３】この従来例におけるねじ締めプログラムの一
例を示す図である。

【図１４】最終トルク値の許容範囲を示す図である。

【符号の説明】

１０ カムシャフト １２ ヘッドシリンダ １４ カムキャップ １６ カムキャップボルト １８ ねじ締め装置 ２０ モータ ３２ コントローラ ３４ アンプ ３５ ＣＰＵ ３６ ＲＡＭ ３８ ＲＯＭ ４０ 総合部 ５６ ＰＣ（プログラマブルコントローラ） ８４ 外部トルク測定ユニット ８６ モータ ８８ アンプ ９０ 測定器 １１２ 外部トルク信号検出部 １１４ 外部トルク信号割込処理部 １１６ 外部トルク信号設定部 １１８ 外部トルク信号優先処理部

フロントページの続き (72)発明者 森 規 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−259783（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−110480（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−63980（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−61575（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23P 19/06 B25B 23/14 610 B25B 23/151

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動部を有するワークについてねじ締め
   を行う際に、ねじ締め過程におけるねじ締め状態を数値
   として検出する検出手段と、ワークの可動部の状態を数
   値として検出する外部検出手段と、ねじ締め状態の検出
   値が所定の許容範囲内となるようねじ締めを制御する制
   御手段と、を備えるねじ締め制御装置において、 制御手段が、ねじ締め状態の検出と可動部の状態の検出とを並行して
   行わせ、 ねじ締め状態の検出値が許容範囲の下限値に至
   った時点で可動部の状態の検出値が所定の制限範囲内で
   あるか否かを判定し、制限範囲内であるとされた場合に
   ねじ締め装置を減速停止させ更にねじ締め状態の検出値
   が許容範囲内であるか否かを判定し、許容範囲内である
   とされた場合に、ねじ締めを終了させることを特徴とす
   るねじ締め制御装置。