JP3062655B2

JP3062655B2 - ねじ締め装置

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Publication number: JP3062655B2
Application number: JP9144179A
Authority: JP
Inventors: 俊彦佐々木
Original assignee: 株式会社ワコー技研
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2017-06-02
Also published as: JPH10328952A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ねじ（ボルト、
ナット）の締結（締め付け作業及びゆるめ作業をも含
む）に使用するねじ締め装置に関し、特に、永久磁石式
同期モータを利用した小型軽量かつ安全でトルク絶対値
及び精度の管理可能なねじ締め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、モータはモータの発生する速度及
び／又はトルクを利用して産業界に広く用いられてい
る。また、デジタル技術の進歩により電流ベクトル制御
が可能になり、速度及びトルクをそれぞれ望む値に制御
する技術も知られて来た。ここで、永久磁石式同期モー
タ（以下、「ＰＭモータ」と呼ぶ）の制御方法を復習す
ると、ｄ−ｑ軸座標で表したＰＭモータの電圧方程式及
びトルクは次式で与えられる。

【数１】

【数２】Ｔ＝Ｐｎ・Ψａ・ｉｑ＋Ｐｎ（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ …（２）但し、ｉｄ、ｉｑは電機子電流のｄ、ｑ軸成分、ｖｄ、
ｖｑは電機子電圧のｄ、ｑ軸成分、Ψａ＝√３／２・Ψ
ｆでΨｆは永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値、Ｒ
は電機子抵抗、Ｌｄ、Ｌｑはｄ、ｑ軸インダクタンス、
ｐ＝ｄ／ｄｔ、Ｐｎ：極対数である。また、インバータ
で駆動されるＰＭモータでは、使用できる電機子電流Ｉ
ａ及び端子電圧Ｖａに物理的上限があり、ここではその
制御条件を次式で表現する。

【数３】Ｉａ＝√（ｉｄ²＋ｉｑ²）＝√３Ｉｅ≦Ｉａｍｃ又はＩａｍｉ… （３）

【数４】Ｖａ＝√（ｖｄ²＋ｖｑ²）＝Ｖｔ≦Ｖａｍ … （４）但し、Ｉｅは相電流の実効値であり、Ｖｔは線間電圧の
実効値である。また、Ｉａｍｃは連続運転状態でのモー
タの定格電流であり、Ｉａｍｉは短時間的にインバータ
の供給できる最大電流である。更にまた、Ｖａｍはイン
バータの電源電圧で規定される最大供給電圧である。し
かして、ＰＭモータを電流ベクトル制御する方法は種々
の方法が知られている。先ず、ｉｄ＝０制御は、ｄ軸電
流指令値ｉｄ＊を常に０に保つ制御法で、ＰＭモータの
制御方法として最も一般的であり、この時の発生トルク
は

【数５】Ｔ＝Ｐｎ・Ψａ・ｉｑ … （５）となり、ｑ軸電流指令値に比例する。また、永久磁石の
経時変化及び／又は温度変化によりΨａが変化し、トル
ク絶対値が変動する第１原因である。次にＰＭモータが
突極機の場合には、Ｌｄ≠Ｌｑとなり、数２により生じ
るリラクタンストルクを有効利用することが可能とな
り、同一電流で最大のトルクを得るように電流ベクトル
を制御すると効率良く、ｄ、ｑ軸電流の関係は次式で与
えられる。

【数６】ｉｄ＝０．５＊Ψａ／（Ｌｑ−Ｌｄ）−√（０．２５＊Ψａ²／（Ｌｑ−Ｌｄ）²＋ｉｑ²） … （６）更にまた、モータを６０００〜１５０００ｒｐｍ等の高
速回転領域で運転したい場合には、モータの端子電圧が
速度の上昇に伴い逆起電圧ωΨａと共に増加し、数４の
条件を満たすことができなくなり、物理的運転限界に至
る。一般に、数４の条件のもとで速度制御範囲を拡大す
るには、弱め界磁制御が用いられる。一般に、永久磁石
で界磁磁束を得るＰＭモータの場合、界磁磁束は固定さ
れているので磁束の大きさを変えることができない。そ
こで、ｄ軸電機子反作用による減磁作用を利用して空隙
磁束を減少させる弱め磁束制御を行うと、弱め界磁制御
と等価な効果が得られ、この効果を本発明では等価弱め
界磁制御と呼ぶ。制御の簡単化のために電圧制限条件式
４を次のように変換する。

【数７】Ｖ０＝√（ｖｄ０²＋ｖｑ０²）≦Ｖ０ｍ … （７）但し、ｖｄ０＝−ωＬｑ・ｉｑｖｑ０＝ωΨａ＋ωＬｄ・ｉｄＶ０ｍ＝Ｖａｍ−Ｒ・Ｉａｍ数７より等価弱め界磁制御の条件は次式のようになる。

【数８】ｉｄ＝−Ψａ／Ｌａ＋√（Ｖ０ｍ²／ω²−Ｌｑ²＊ｉｑ²）／Ｌｄ…（８）この場合、Ｖ０＝Ｖ０ｍとなり端子電圧はＶａｍ以下に
制限され、高速運転が可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なモータのベクトル制御では、ロボットに使用されるサ
ーボモータのように電圧が制限値に達しない速度領域で
は、トルク一定制御や同一電流に対して発生トルクが最
大となるように電流ベクトルを制御する最大トルク制御
が当然の制御方法として採用され一般に議論されている
が、ここで議論しているトルク一定制御や最大トルク制
御とはトルク制御と呼んでいるが、実際には所与のトル
ク条件のもとでモータの速度をいかに所望の運転パター
ンに近づけるかということが制御の目標となっており、
トルク制御の精度より速度制御の精度を重視した、この
発明で定義する速度優先制御方法が議論されているに過
ぎない。すなわち、モータの使用方法には、モータの速
度制御の精度を重視した使用方法と、モータの発生する
トルク絶対値の大きさや精度を重視した使用方法とがあ
り、一般的にはモータのトルク精度より位置や回転速度
の検出精度の方が高く容易であるので、速度優先制御方
法及び装置が当然のこととして使用されていた。そし
て、速度優先制御の中でのトルク制御が議論されて来
た。しかしながら、ねじ締め作業等にモータを使用する
場合には、ねじ締め作業の品質はモータの速度制御の精
度をどのように向上させても改善できず、モータの生成
トルクの絶対値トルク精度がねじ締め作業では決定的に
重要となる。従って、モータの速度制御の精度とトルク
制御の精度とを明確に区別してそれぞれ優先順位を付
け、速度精度優先制御とトルク精度優先制御とを区別し
て各運転状態に応答して適宜切替えて制御していく方法
及び装置は一般に知られていなかった。より具体的に説
明すると、一般に、ねじ締め装置においては、ボルト／
ナットが着座するまでは高速回転（低トルク）が必要で
あり、締付け時（ボルト／ナットが着座後）には低速回
転高トルクが必要である。しかして、上述の高速回転数
は通常８０００〜１５０００ｒｐｍの速度となり、締付
け時の低速度は０．１〜６０ｒｐｍとなるので、０．１
〜１５０００ｒｐｍの広い速度制御範囲において、減速
器の切替えや、モータタップの切替えを行わず同一のハ
ードウェア構成で上述の速度制御範囲をカバーできるね
じ締め用モータは従来一般的ではなかった。そこで、従
来はエアー駆動のねじ締め装置が使用されていたが、エ
アー式ねじ締め付けトルクは機械的なトルクリミット機
構によりトルクを調整しているので、個々のねじの間の
締付けトルクのばらつきが大きく、実際の締付けトルク
データの記録を自動的に収集管理することができず、締
付けトルク値の自動変更もできないといった問題点があ
った。また、自動車のねじ締めには、締め付けトルク精
度が要求されるため、近年サーボモータを使用したナッ
トランナが使用されるようになったが、ナットが結合部
に着座するまでの空回り期間中は、作業時間を短縮する
ため、出来る限り高速で回すことが求められる。他方
で、締め付けトルクを上げるため、一般的に減速機が使
用される場合が多く、モ−タの回転数は６０００〜１５
０００ｒｐｍの高速となり、この高速回転を実現するた
めには高いモ−タ供給電圧が必要で、一般的に電源とし
てＡＣ２００Ｖ動力系が使用されている。このサ−ボ式
のナットランナを手持ちのハンドツ−ルとして使用する
には、モ−タケ−ブルがＡＣ２００Ｖの動力系統に接続
されているため、作業者が２００Ｖで感電する危険があ
り、また減速機の並設のためハンドツ−ルの重量が重く
なり作業性が劣る等の問題点もあった。この発明は上述
のような事情に鑑みてなされたものであり、この発明の
目的は等価弱め界磁制御により、モータの速度制御範囲
を拡大すると共に、モータのトルク制御精度と速度制御
精度との間に優先順位を付け、速度制御精度を高めたい
場合にはトルク精度より速度精度を重視したモータの制
御を行い、トルク制御精度を高めたい場合には速度精度
よりトルク精度を重視したモータの制御が可能なモータ
の制御方法及び装置を提供することにある。また、この
発明の目的は、永久磁石式同期モータを利用した小型軽
量かつ安全でトルク絶対値及びトルク精度の管理可能な
ねじ締め方法及び装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は、ねじ締め機
構と、当該ねじ締め機構を駆動するモータと、当該モー
タの駆動用電源部と、当該モータの動作制御を行う制御
手段とを具えたねじ締め装置に関し、この発明の上記目
的は、前記モータに永久磁石式同期モータを使用し、前
記制御手段内に前記モータの速度制御部と、トルク制御
部とを設け、前記速度制御部において速度優先制御を行
う場合、等価弱め界磁制御部を設け、当該ねじが着座す
るまでの期間、当該モータの速度制御範囲を電流ベクト
ル制御して、拡大することによって達成される。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施例を
図面を用いて説明する。図１は、この発明のモータ制御
方法及び装置を締付けトルク絶対値及びトルク精度の管
理可能なねじ締め装置に用いた構成例を示したもので、
ねじ締め部１０はナット１を保持するスパナ２、駆動軸
３及びトルクセンサ４及びギア５ａで構成されたねじ締
め機構５と、これを駆動するＳｍ−ＣｏやＮｄ−Ｆｅ−
Ｂ材で永久磁石ロータ部が構成されたＰＭモータ６及び
エンコーダ、レゾルバ等の位置（角度）センサ８で構成
され、ＰＭモータ６の電源は電源ケーブル１２ａを介し
て整流器１６及びインバータ１８で構成された電源部１
４に接続され、ＰＭモータ６の制御信号等は信号ケーブ
ル１２ｂを介して制御手段４０に接続されるようになっ
ている。更に、制御手段４０は通信部４１及び運転制御
部４２から構成され、通信部４１はＲＳ−２３２Ｃやイ
ーサネット等の通信回線を介してモータパラメータ、運
転パラメータ等を記憶するパソコン２０に接続されるよ
うになっている。また、運転制御部４２の内部には、信
号ケーブル１２ｂからのセンサ信号等を入力してモータ
の運転状態を監視判定する運転状態判定部４４や、モー
タ６の運転パターンを記憶すると共に生成する運転パタ
ーン発生部５０が設けられ、モータの運転パターンとし
ては、アイドリング加速パターン部５２、着座迄の減速
パターン部５４、締付トルクパターン部５６、ゆるめト
ルクパターン部５８等にそれぞれモータの加減速の速度
／トルクパターンや、ねじ締め／ゆるめ作業で使用する
締付／ゆるめトルクパターンが記憶され、モータの運転
状態の変化やトルクセンサの出力変化に応答して運転パ
ターン切替部５１によりモータの運転パターンが適宜切
替えられるようになっている。しかして、運転パターン
発生部５０からは速度制御部６０に速度指令ωｒ＊が出
力され、トルク制御部１００にトルク指令ｔｒ＊が出力
され、速度制御部６０又はトルク制御部１００からそれ
ぞれ出力される、ｄｑ軸電流指令ｉｄ＊及びｉｑ＊はス
イッチ手段７８で切替選択されて電流制御部８０に入力
され、非干渉化された後、ｄｑ軸座標からｕ、ｖ、ｗ座
標に変換され、ドライバ９２を介してＰＷＭインバータ
１８を駆動し、ＰＭモータ６を制御するようになってい
る。

【０００６】図１に対応させて示す図２はこの発明のモ
ータ制御部の構成を更に詳細に示したブロック図であ
り、それぞれ同一の番号を付した装置はそれぞれ同一の
機能を果たすと共に、速度制御部６０には位置（角度）
センサ８の出力等を演算処理してモータ６の実速度ωｒ
を出力する速度検出部６２が設けられ、その出力は運転
制御部４２から出力される速度指令ωｒ＊と共に加減算
器６４に入力されて速度偏差が演算され、その出力はＰ
Ｉ補償器６６及びリミッタ６８によりｑ軸電流指令ｉｑ
＊に変換されるようになっている。また、界磁制御部７
０はｑ軸電流指令ｉｑ＊及び実速度ωｒを入力してｄ軸
電流指令ｉｄ＊を演算するｄ軸電流指令演算部７２と、
突極形ＰＭモータの場合、ｑ軸インダクタンスＬｑの大
きさを補正して界磁部の磁気飽和を補正する磁気飽和補
正部７４とから構成され、その出力ｉｄ＊はスイッチ手
段７８を介して電流制御部８０の非干渉電流制御部８６
に入力されるようになっている。またトルク制御部１０
０では、比例器１０２を介してモータ出力トルクｔｒが
演算されると共に、運転制御部４２からトルク指令ｔｒ
＊が出力され、これらが加減算器１０４に入力されてト
ルク偏差が演算され、ＰＩ補償器１０６とリミッタ１０
８を介してｑ軸電流指令ｉｑ＊が出力されるようになっ
ている。又、ｄ軸電流指令ｉｄ＊はトルク制御部１００
からはｉｄ＊＝０で出力されるとする。そして、運転制
御部４２からスイッチ手段７８に出力される選択信号ｔ
ｖｃにより速度優先制御の場合には速度制御部６０の出
力ｉｑ＊、ｉｄ＊が選択され、電流制御部８０に入力さ
れ、トルク優先制御の場合にはトルク制御部１００の出
力ｉｑ＊、ｉｄ＊が選択されて電流制御部８０に入力さ
れるようになっている。しかして電流制御部８０は、位
置（角度）センサ８の出力を入力してモータ６の現在位
置θを演算する位置（電気角）検出部８２と、その出力
θ及びｕ、ｖ相電流を入力してｄｑ軸電流ｉｄ、ｉｑを
演算する座標変換部８４と、電流偏差（ｉｄ＊−ｉ
ｄ），（ｉｑ＊−ｉｑ）をＰＩ補償すると共に、干渉項
とΨａによる逆起電力を補償し電圧指令ベクトル（ｖｄ
＊，ｖｑ＊）を演算出力する非干渉電流制御部８６と、
電圧余裕の少ない弱め界磁運転領域で発生する飽和電圧
ベクトル指令値を補正する電圧ベクトル補正部８８と、
ｄｑ座標電圧からｕｖｗ座標電圧へ変換する座標変換部
９０とで構成され、速度制御部６０、電流制御部８０、
トルク制御部１００は一般にデジタルシグナルプロセッ
サ（ＤＳＰ）のソフトウェア処理でその動作が実行され
るようになっている。

【０００７】かかる構成において、その動作を次に説明
する。先ず、運転パターン発生部５０に記憶する加減速
運転パターン及び締付／ゆるめトルクパターンに関して
説明する。ここで、ねじ締め分野で一般的に使用されて
いる「トルク勾配法」に基づくねじ締め方法を説明する
と、これはねじ締付け過程中におけるナットの一定微小
回転角当りの締付けトルクの増分（トルク勾配）を制御
手段により計算してボルトねじ部の降伏現象を検出し、
ボルト軸力が降伏域に入ったところでナット回転を停止
するという締付け方法である。図４（ａ）はナット回転
角θに対する締付けトルクＴｆの変化曲線、図４（ｂ）
はこの曲線の勾配△Ｔｆ／△θのθに対する変化を描い
たもので、締付けの初期段階で△Ｔｆ／△θが増大して
いる範囲がいわゆる「スナグ域」、ほぼ一定に保たれて
いる範囲が弾性域、一定値から減少に転じるところでボ
ルトが降伏し、そこから先が降伏域となる。制御手段で
θが△θ経過する毎に△Ｔｆ／△θの値を演算し、この
値が（△Ｔｆ／△θ）ｍａｘの例えば１／２になったθ
位置でナット回転を停止することで、トルク勾配法によ
る塑性域締付けがなされる。次に「ナット回転角法」に
基づいたねじ締め方法を説明すると、これはボルト・ナ
ット間の相対的回転角を指標として締付け軸力を管理す
る方法で、塑性域締付けのナット回転角法はナット回転
角そのものが大きく、この間のボルト軸力の変化が少な
いので、締付けの際与えたナット回転角に誤差があって
もそれが締付け軸力のばらつきに及ぼす影響が小さく、
かつ、最大の締付け軸力を発生することができるねじ締
め方法である。ナット回転角法では同じ仕様のボルトで
あっても、生産ロットが違えば降伏軸力、極大軸力等が
異なるので、生産ロット毎に予備試験を行って使用する
ボルト、ナット及び座金の組について回転角θ−軸力Ｆ
ｓ線図を求め、この線図からナット回転の開始点を与え
る「スナグトルク値Ｔｓ」及びナット回転の停止点を与
える「ナット回転角の目標値θｎ」を演算する。別途実
験装置によりナット回転角θを横軸、締付け軸力Ｆｓを
縦軸としてこれらの測定値をプロットすると図５のよう
な「ＯＳＹＵＴ」なる線図が得られる。ここで、Ｏは座
標の原点、Ｙは降伏点、Ｕは極大点、Ｔはボルトの破断
点である。点Ｓは立ち上がりの曲線が直線へ移行する点
で「スナグ点」と呼ばれる。スナグ点Ｓの前後ではθを
小刻みに変化させ、点Ｓの位置を精度良く求める。点Ｃ
は、直線ＳＹの延長線と、点Ｕを通る横軸に平行な直線
との交点である。ボルト・ナット系の弾性伸び及び被締
付け部材の弾性縮みは塑性域においても存在し、両者の
弾性変形に基づくナットの回転角は、点Ｃの横座標θＣ
と点Ｙの横座標θＹとの差（θＣ−θＹ）として与えら
れる。また、点Ｙから点Ｕまでの間に生ずるボルト・ナ
ット系の塑性伸びに基づくナット回転角は、点Ｕの横座
標θＵと点Ｃの横座標θＣとの差（θＵ−θＣ）に等し
く、被締付け部材の違いに影響されない。ところで、ナ
ット回転角締付けの場合、ナット回転の開始点は、スナ
グ点における軸力Ｆｓに対応するナット回転角位置とす
るのが精度が良いが、現場では毎回軸力の測定はできな
いので、締付け軸力がＦｓとなる締付けトルクの値を予
め実験機で測定しておき、スナグトルク値Ｔｓとする。
ナット回転角の目標値θＮはナット回転角のばらつきが
締付け軸力に及ぼす影響が最小になるという意味では、
極大点Ｕの横座標値θＵが良い。しかしながらボルトの
破断の前兆である「くびれ」が極大点Ｕの直後から始ま
るので、締付け早々にくびれが発生することは避けると
共に、現場における作業能率を考慮すればナット回転角
はなるべく小さい方が好ましい。そこで、一例として、
降伏点Ｙの横座標θＹと極大点Ｕの横座標θＵとの平均
値、

【数９】θＮ＝（θＹ＋θＵ）／２をナット回転角の目標値θＮとする。かかる回転角θ−
トルク指令ｔｒ＊パターンを予め締付けトルクパターン
部５６に実験データに基づいて記憶しておく。

【０００８】しかして、ねじ締め工程を時間軸に沿って
眺めると、図６に示すようにナット装着期間Ｔａと、ア
イドリング加速期間Ｔｂと、着座迄の減速期間Ｔｃと、
締付け期間Ｔｄとの４つの期間に大別される。先ず、ナ
ット装着期間Ｔａではモータは動かないので、速度優先
又はトルク優先のどちらで運転しても良い。次のアイド
リング加速期間Ｔｂでは初期速度０からスタートしてで
きるだけ短い期間で最高回転速度まで加速するのが作業
能率の観点から好ましい。かかる運転状態では速度優先
制御モードにおいてモータを制御するのが好ましく、後
述するようにモータの出力可能な最大トルクでモータを
加速し始め、モータの逆起電力が端子電圧をオーバーす
る手前からいわゆる等価弱め界磁制御により更にモータ
の回転数を上げて目標の回転速度まで加速することが好
ましく、かかる運転パターンをアイドリング加速パター
ン部５２に記憶する（図７（ａ））。続いて減速期間Ｔ
ｃでは不必要に過大なトルクがねじ部にかからないよう
に降伏トルク以内のトルク絶対値でかつトルク制御精度
は降伏トルク以内であれば厳密な管理は不要なので速度
優先制御が好ましく、所定のトルク値以内ですみやかに
モータの回転を停止させる運転パターンを減速パターン
部５４に記憶する（図７（ｂ））。最後の締付け期間Ｔ
ｄではトルク制御精度優先制御を行ない、ナット回転角
法に基づく締付けでは所定の締付けトルクパターンに応
答して予め指定された回転角θＮだけナット等を回転さ
せる運転パターンを締付けトルクパターン部５６に記憶
する（図７（ｃ））。また、ねじ等をゆるめる場合には
トルク優先制御を行ない、ゆるめトルクの運転パターン
をゆるめトルクパターン部５８に記憶する（図７
（ｄ））。尚、図７（ｃ）及び（ｄ）のトルク優先制御
モードでは、記憶（登録）する運転パターンはトルク／
位置パターンで、ねじ締めやねじのゆるめ作業ではこの
トルク／位置パターンでモータを制御する方法が基本に
なっており、一般のサーボモータの運転パターンとは大
きく異なる所である。又、上述のような運転パターンや
モータ固有のパラメータ（機械時定数、電気時定数、最
大トルク等）は予め実験機等により求めておき、パソコ
ン２０及び通信回線を介してそれぞれ所定の記憶手段に
登録すると効率的である。

【０００９】かくして運転パターン発生部５０への運転
パターンの登録及びモータパラメータの登録が終了する
と、現場でのねじ締め作業が可能になり、ねじ締め作業
の動作例を以下に詳しく説明する。先ず、図６（ａ）の
ナット装着期間Ｔａ１、Ｔａ２…では図示しないナット
搬送機構によりスパナ２にナット１が搬送され装着され
る。この間モータは動かないが、次の加速期間の準備と
してこの停止期間中に運転制御部４２よりスイッチ手段
７８に切換信号ｔｖｃを出力し、電流制御部８０への電
流指令値の入力系をトルク制御部１００から速度制御部
６０に切換えて速度優先制御が実行できるようにしてお
くことが好ましい。次のアイドリング加速期間Ｔｂ１、
Ｔｂ２…では、速度優先制御モードでアイドリング加速
パターン部５２に記憶されたトルク／速度運転パターン
に従って初期速度０から高回転速度までできるだけ短期
間でモータを加速運転する。この加速期間における速度
制御部６０及び電流制御部８０の動作を図３、図７
（ａ）のトルク／速度パターン及び図８，図９のフロー
チャートに従って説明すると、ナット１の慣性モーメン
トはＰＭモータ６の慣性モーメントと比較すると、ほと
んど無視できるので、モータの出力できる最大トルクで
モータ６を加速する。すなわち、スイッチ手段７８を速
度制御部６０側に切替え、速度優先制御モードに入り
（ステップＳ２）、加速モードであるので（ステップＳ
４）、アイドリング加速パターン部５２からωｒ＝０で
のトルク指令値ｔｒ＊に対応した電流指令値ｉｑ＊を読
出す（ステップ６）。又、加速初期ではωｒ＜ωｏ（無
負荷誘起電圧が端子電圧に等しくなる速度）なので（ス
テップＳ８）、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊＝０として（ステ
ップＳ１０）、これらの電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を電流
制御部８０に出力する（ステップＳ１４）。続いて電流
制御部８０の非干渉電流制御部８６では座標変換部８４
から出力されるｉｄ、ｉｑ値と指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と
の偏差を次式によりＰＩ補償すると共に非干渉化する。

【数１０】ｖｄ＊＝Ｇｃｄ（ｓ）・（ｉｄ＊−ｉｄ）＋ｖｄ０ …（１０）ｖｑ＊＝Ｇｃｑ（ｓ）・（ｉｑ＊−ｉｑ）＋ｖｑ０但し、Ｇｃｄ（ｓ）、Ｇｃｑ（ｓ）はＰＩ補償器であ
る。その後、電圧ベクトル補正部８８を介して座標変換
部９０によりｕ、ｖ、ｗ相電圧に変換し、ドライバ９
２、インバータ１８を介してモータ６を駆動する。かか
る最大加速トルク（又は最大電流指令）によるモータの
加速制御は速度がωｒ＜ωｏの期間継続する。しかし
て、ω＝ωｏの近くまでモータ６が加速されると、逆誘
起電圧が端子電圧まで上昇しｉｄ＊＝０ではωｏ以上の
速度に加速できない。そこでωｏの少し手前の速度（ω
ｏ−△ω）から（ステップＳ８）、ｄ軸電流指令演算部
７２において永久磁石の見かけ上の界磁を減少させるた
め負のｄ軸電流ｉｄ＊を流し、逆誘起電圧を低下させ
る。尚、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊は上述の数８に基づいて
演算される（ステップＳ１２）。又、少ないｄ軸電流で
大きな弱め界磁効果を引出すためには図１０に示すよう
に回転子の表面に永久磁石を配置し、ステンレス又は珪
素鋼板等の電磁鋼板を回転軸方向に積層した磁性リング
を永久磁石の外周表面に配置した構造のＰＭモータを使
用すると、次のような効果が期待できる。すなわち、磁
性リングと回転子鉄心間に磁気回路が形成され、電機子
反作用磁界が大となる。従って、少ないｄ軸電流で大き
な弱め界磁が可能となる。また、永久磁石と電機子間に
磁性材があるため永久磁石にかかる負のｄ軸電流による
電機子反作用の減磁界は少となる。更に、磁性リングは
バイパス磁路となり、回転子鉄心と閉じた磁気回路を形
成する。従って弱め界磁の減磁状態においても、永久磁
石のパーミアンス係数は大となり、磁気的に安定した状
態が得られる。特に図１０のような構造のロータは高エ
ネルギー積であると共に温度特性の悪いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ
形永久磁石を使用したモータに効果的である。かくして
５０％の減磁率までｄ軸電流を流すと、２・ωｏの速度
迄増速することが可能となり、この場合、出力トルクは
１／２となる。また、７５％の減磁率まで負のｄ軸電流
を流すと、４・ωｏの速度迄速度制御範囲を拡大するこ
とができる。

【００１０】ナット装着期間にスパナ２にナット１が搬
送され装着されると、ただちにこのアイドリング加速期
間に移り、ナットがねじ部に嵌合し呼び込まれ、ナット
が締結部に着座することになるが、このときトルクセン
サ４の出力ｔｓや、速度検出部６２の出力ωｒ、及び／
又は座標変換部８４の出力ｉｑが急激に変化する。そこ
で、出力ｔｓ，ωｒ，ｉｑのいずれか一つ又は複数の出
力を組合わせて運転状態判定部４４に入力し、その微分
波形等を適当な判定レベルで閾値処理すると、ナット１
が着座しはじめたか否か判定することができ、かかるボ
ルトが着座しはじめた状態を検知すると運転パターン切
替部５１により運転パターン発生部５０から出力するト
ルク／速度パターンを加速パターンから減速パターンに
切替える。そこで、次に図６の減速期間Ｔｃ１，Ｔｃ２
…の動作を説明すると、この期間は速度優先制御モード
で減速パターン部５４に記憶されたトルク／速度運転パ
ターンに従って、高回転速度から速度０まで、モータを
減速させる。この減速期間における速度制御部６０及び
電流制御部８０の動作を図７（ｂ）のトルク／速度パタ
ーン及び図８，図９のフローチャートに従って説明する
と、着座しはじめた直後は速度優先制御モードで（ステ
ップＳ２）、減速モードであり（ステップＳ４）、弱め
界磁制御中であるが、図７（ｂ）の減速パターン部５４
から現在速度ωｒでのトルク指令値ｔｄに対応した電流
指令値ｉｑ＊を読出す（ステップＳ２０）。次に、この
電流指令値が所定の値ｉｑｔｈ（例えば降伏トルクｔｂ
に対応した電流値）より小さいか否か判定し、値ｉｑｔ
ｈよりも小さければステップＳ１２に移り、弱め界磁制
御のためｄ軸電流指令値ｉｄ＊を演算し（ステップＳ１
２）、非干渉電流制御部８６へ出力する（ステップＳ１
４）。また、現在速度ωｒでの電流指令値が値ｉｑｔｈ
より大きくなるような低速の速度領域では加速期間と同
一の電流指令値では過大な締付けトルクが発生する可能
性があるので（ステップＳ２２）、電流指令値ｉｑ＊＝
ｉｑｔｈ、ｉｄ＊＝０として（ステップＳ２４）、非干
渉電流制御部８６へ出力する（ステップＳ１４）。以
後、電流制御部８０の動作は加速期間と同様である。

【００１１】かくしてモータ６が停止すると、図６の締
付け期間Ｔｄ１、Ｔｄ２…に移り、この期間はトルク制
御精度優先モードで制御を行うので、スイッチ手段７８
の入力をトルク制御部１００側に切替え（ステップＳ
２）、締付けトルクパターン部５６に記憶されたトルク
／位置運転パターンに従って所定の回転角度又はトルク
勾配値までねじ締めを行う。この締付け期間におけるト
ルク制御部１００及び電流制御部８０の動作を図７
（ｃ）のトルク／位置パターン及び図８，図９のフロー
チャートに従って説明すると、ナットが着座してモータ
が停止した後の締め付け期間はトルク制御精度優先モー
ドで制御が行われ（ステップＳ２）、締付け動作では
（ステップＳ３０）、図７（ｃ）の締付けトルクパター
ン部５６から現在位置θｒでの締付トルク指令値ｔｆに
対応した電流指令値ｉｑ＊を演算又は読出す（ステップ
Ｓ３２）。次に、ナットが所定の位置θＮまで回転した
か否か判定し（ステップＳ３４）、θｒ＜θＮの場合に
は、電流指令値ｉｄ＊＝０、ｉｑ＊＝ｉｑ＊＋Δｉｑｆ
として、少し出力トルクを増加させ（ステップＳ３
６）、非干渉電流制御部８６へ出力する（ステップＳ１
４）。以後、電流制御部８０の動作は加速期間と同様で
ある。次に、出力トルクが増加すると、ナット２が微小
角回転するので、位置（電気角）検出部８２によりこの
微小回転角を検出し、締付けを開始した位置をθｒ＝０
としてθｒ＝θＮの位置まで少しずつ締付けトルクを増
加させるねじ締め動作を行う（ステップＳ３４及びＳ３
８）。また、目標位置θＮに達した時点で出力している
トルク指令値ｔｒ＊又は回転角θｒを通信部４１を介し
て外部の図示しない管理コンピュータ等に転送すると、
ねじ締め作業の対象となったボルトナットの組１つ１つ
に対してその締付トルク値を管理することができ、現場
の作業者による組立作業の品質を数値データで管理する
ことができる。かくしてねじ締め工程の１サイクルが終
了すると、上述のナット装着、加速、減速及び締付け処
理を再び必要な回数繰り返すようにする。

【００１２】図１に対応させて示す図１１はこの発明の
別の一実施例を示したものであり、それぞれ同一の番号
を付した装置は同一の機能を果たす共に、ねじ締め部１
０ａからトルクセンサ４を削除し、装置の小型軽量化を
計ったものである。また、電源部１４ａは低圧５０Ｖ以
内の整流器１６ａ又はバッテリー１６ｂで構成され、速
度制御部の６００の内部には、速度制御部６０ａ及びト
ルク制御部１００ａが設けられ、速度優先制御モード及
びトルク優先制御モードに応じて適宜切換えられるよう
になっている。更にまた、制御手段４０ａの内部には、
外部に設けられたトルク計測装置４００と結合して、モ
ータ６の出力トルクを計測し校正するトルク校正部５０
０が設けられ、永久磁石の温度変化を温度センサ９及び
温度計測手段８００により入力し温度補正処理したり、
磁石の経時変化をトルクセンサ４により計測して出力ト
ルクの変動を自動補正するようになっている。また、図
２に対応させて示す図１２には、この発明の制御手段４
０ａの構成を更に詳細に示したブロック図であり、それ
ぞれ同一の番号を付した装置はそれぞれ同一の機能を果
たすと共に、トルク制御部１００ａにはトルク補正部２
００及び補正パラメータメモリ２０２が設けられ、トル
ク指令ｔｒ＊及びその出力トルクを外部のトルク計測装
置に内蔵されたトルクセンサ４で計測して入力し、トル
ク校正部５００により温度変化補正パラメータ及び経時
変化補正パラメータを演算処理してメモリ２０２に格納
し、ねじ締め部１０ａにトルクセンサが装着されていな
くても高精度の締付けトルクを出力できるようにしたも
のである。

【００１３】かかる構成において、その動作を図１３，
図１４のフローチャート及び図１５のトルク補正図を参
照して説明すると、先づ、運転モードには校正運転モー
ドと自動運転モードとが有り、最初に校正運転モードに
設定して、永久磁石の経時変化に基づくトルク補正デー
タの計測及び／又は永久磁石の温度変化に基づくトルク
補正データを計測／収集する（ステップＳ８０）。この
校正運転モードでは、外部のトルク計測装置４００に設
けられたトルクセンサ４にスパナ２を結合させ、ねじ締
め部１０ａのモータ６の出力トルクをトルク校正部５０
０に入力すると共に、モータ６の温度を温度センサ９及
び温度計測手段８００を介してトルク校正部５００及び
トルク補正部２００に入力するようになっている。しか
してトルク校正部５００制御に基づいて、速度制御部６
００はトルク制御部１００ａ側に切換えられ、トルク優
先制御を行うと共に、トルク校正部５００から運転パタ
ーン発生部５０に対し、図１５（ａ）に示すようなトル
ク換算したｑ軸電流指令が格納されているトルク校正パ
ターン部５７に運転指令が順次出力され、各電流指令値
に対するモータの出力トルクの絶対値がトルクセンサ４
を介して順次トルク校正部５００に入力される（図１５
（ａ）及びステップＳ８２〜Ｓ８６）。通常、永久磁石
モータでは、永久磁石の経時変化に基づく減磁傾向は数
％の範囲内であるので、トルク保証条件である図１５
（ａ）の定格値直線ｃを上回り電流−トルク特性が存在
するように着磁されている。そこで、着磁直後では、同
図の曲線ａのように定格値直線ｃより少し大きめにトル
ク特性が乖離し、年月が経過すると曲線ｂのように定格
値直線ｃに接近して来る。そこで、例えば、所定の間隔
で電流指令ｉｑ＊を種々の値に変化させて出力し（ステ
ップＳ８２）、その時点でのトルク絶対値ｔｒをトルク
センサ４を介して入力し、図１５（ａ）のような電流−
トルク特性曲線を作成する（Ｓ８４，Ｓ８６）。また、
永久磁石の温度特性を計測する場合には、ねじ締め部１
０ａを図示しない恒温槽等に入れ、温度Ｓを一定に保っ
た状態でトルク指令（又は等価ｑ軸電流指令）を順次変
化させ、種々の温度Ｓでのトルク指令値と実際の出力ト
ルク値とを図１５（ｂ）のように所定のメモリに記憶す
る（ステップＳ８２〜８６）。

【００１４】かくして、永久磁石の経時変化に基づくト
ルクデータの収集及び／又は永久磁石の温度変化に基づ
くトルクデータの収集が終了すると、経時変化用トルク
補正パラメータの演算処理及び温度変化用トルク補正パ
ラメータの演算処理を行う（ステップＳ８８，Ｓ９
０）。先づ、経時変化用トルク補正パラメータの演算処
理では、図１５（ａ）に示すような電流−トルク特性曲
線が直線近似可能であれば、トルク（ｔ）＝ｋｔ・電流指令（ｉｑ＊）＋Δｋｔによる直線近似用係数ｋｔ，△ｋｔを最小２乗法等の演
算により求めても良い。また、電流−トルク特性曲線に
規則性がなければ複数回実行した、計測データの平均値
等をそのままテーブル形式で補正パラメータメモリ２０
２に登録しても良い。他方、温度変化用トルク補正パラ
メータの演算処理では、図１５（ｂ）に示すような温度
−トルク特性曲線が直線近似可能であれば、実際のトルク（ｔ）＝トルク指令（ｔｒ＊）・（ｋｓ・
（２７３＋ｓ）／（２７３＋Ｓｏ）＋Δｋｓ）但しＳｏは基準温度で例えば１５℃である。による直線
近似用係数ｋｓ，Δｋｓを最小２乗法等の演算により求
めても良い。トルク特性曲線に規則性がなければ、複数
回実行した計測データの平均値等をそのままテーブル形
式で補正パラメータメモリ２０２に登録しても良い。か
くして、モータ６の校正運転動作は終了する。

【００１５】次に、自動運転モードにおけるねじ締め作
業又はねじ締め作業を説明すると（Ｓ８０，Ｓ９２），
ねじ締め作業の全体の工程は図６に示すように前回と同
様であり、ナット装着期間、アイドリング加速期間及び
減速期間では、トルク制御の精度は厳密でなくても良
く、速度優先制御モードなので、前回と同様の図９のフ
ローチャートが、そのまま適用可能である。また、自動
運転におけるトルク優先制御モード（Ｓ９４）での締付
け作業では（Ｓ９６）、先づ、永久磁石の経時変化補正
を行う否か判定し、経時変化補正を行う場合には（Ｓ９
８）、ナットの回転角θｒ等を入力すると共に、締付け
トルクパターン図７（ｃ）等から、現在の回転角θｒに
対する締付けトルクｔｒ１＊を演算する。続いて、この
トルクｔｒ１＊に対する電流指令ｉｇ＊を補正パラメー
タメモリ２０２を参照して演算する（Ｓ１００）。図１
５（ａ）の例では、着磁直後の磁石では電流指令はｉｇ
１ａ＊であるが、時間が経過すると共に、電流指令はｉ
ｇ１ｂ＊のように増加する傾向にある。かくして、経時
変化補正後のトルク指令ｔｒ１ｃ＊が演算できると、次
に、温度補正を行うか否か判定する（Ｓ１０２）。そし
て、温度補正を行う場合には、温度センサ９を介してモ
ータ６の現在の温度Ｓを入力すると共に、トルク指令ｔ
ｒ１ｃ＊に対し、次のような温度補正演算を実行する。
温度−トルク特性曲線が直線近似可能であれば、次式に
よりトルク指令ｔｒ１ｃｓ＊を演算する。補正後トルクｔｒ１ｃｓ＊＝ｔｒ１ｃ＊／（ｋｓ・（２
７３＋ｓ）／（２７３＋Ｓｏ）＋Δｋｓ）また、温度−トルク特性曲線に規則性がなければ、補正
パラメータメモリ２０２に格納された温度−トルク特性
テーブルより、現在の温度ｓに対するトルク低下量Δｔ
（ｔｒ１ｃ＊，ｓ）を求め、このトルク低下量Δｔ（ｔ
ｒ１ｃ＊，ｓ）を加算して、温度補正後のトルク指令ｔ
ｒ１ｃｓ＊＝ｔｒ１ｃ＊＋Δｔ（ｔｒ１ｃ＊，ｓ）とす
る。かくして補正後のトルク指令ｔｒ１ｃｓ＊が演算で
きると、ｄ軸電流指令ｉｄ＊＝０として、ｑ軸電流指令
ｉｇ＊はｉｇ＊＝ｔｒ１ｃｓ／ＫＴから演算できる（Ｓ１０４）そして、ナット等の回転角θｒが目標値θＮに達しない
場合（Ｓ１０６），ｉｄ＊＝０，ｉｇ＊＝ｉｇ＊＋Δｉ
ｇｆとして（Ｓ１０８）、電流指令ｉｇ＊，ｉｇ＊を電
流制御部８０の非干渉電流制御部８６へ出力する（Ｓ１
１２）。通常、永久磁石式同期モータでは経時変化に基
ってトルク変動が数％存在し、また、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系
磁石では温度変化に基づくトルク変動も数％存在する。
従って、上述のステップＳ１００及びＳ１０４の補正演
算を実施することにより、モータ６の出力トルク変動を
１〜２％以内に納めることが可能となり、高精度のトル
ク管理が可能となる。かかるステップＳ９２〜Ｓ１１２
のねじ締め処理を所望の回転角θＮまで繰り返し実行す
ると、締付け期間Ｔｄのねじ締め動作を終了する。

【００１６】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明のモータ
制御方法及び装置によれば、速度制御精度とトルク制御
精度とを明確に区別してそれぞれ制御しているので、短
時間でモータの加減速ができると共に、制御対象に過大
な負荷トルクをかけることなくモータの運転を制御する
ことができる。又、電子的等価弱め界磁制御を行うこと
によりモータの電源供給がバッテリー又は電圧５０Ｖ以
下の電源のような低電圧電源であっても永久磁石式同期
モータの速度制御範囲を２〜８倍に拡大することができ
る。更に、この発明のねじ締め方法及び装置によれば組
立ライン等の作業でＡＣ２００Ｖ系の交流動力系を使用
することなく、ＤＣ５０Ｖ以下の低電圧でモータを駆動
しても必要なモータ回転速度及びトルクを出力でき、組
立作業の安全性を著しく向上させることができる。ま
た、ねじ締めしたボルト・ナットの全てに対してそれぞ
れ個別に締付けトルクを管理できるので、製品の組立品
質を数値データとして管理することが可能となる。更に
また、増速機構、トルクセンサ等が不要なねじ締め装置
を実現できるので、１０ｋｇ以内の軽量小型ねじ締め装
置により高速回転及び高締付けトルクを出力でき、ねじ
締め作業が効率化できる利点がある。更に、永久磁石の
経時変化／温度変化に対する補正演算を付加することに
より、永久磁石のトルク精度を１〜２％以内に高めるこ
とが可能となり、高精度かつトルクセンサ不要で小型・
軽量のねじ締め装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の全体の一構成例を示すブロック図で
ある。

【図２】この発明のモータ制御部の一構成例を示すブロ
ック図である。

【図３】モータの運転パターンを説明する図である。

【図４】トルク勾配法によるねじ締めの原理を示す図で
ある。

【図５】ナット回転角法によるねじ締めの原理を示す図
である。

【図６】ねじ締めサイクルを説明するタイムチャートの
一例である。

【図７】記憶するモータ運転パターンの一例である。

【図８】電流ベクトルのトルク優先制御の演算過程を示
すフローチャートの一例である。

【図９】電流ベクトルの速度優先制御の演算過程を示す
フローチャートの一例である。

【図１０】磁性リングを装着したロータ断面の一例であ
る。

【図１１】この発明の、トルク補正付ねじ締め装置の全
体の構成を示すブロック図である。

【図１２】そのモータ制御部の一構成例を示すブロック
図である。

【図１３】トルク校正運転のフローチャートの一例であ
る。

【図１４】トルク補正付ねじ締め運転のフローチャート
の一例である。

【図１５】磁石の経時変化特性及び温度変化特性の一例
である。

【符号の説明】

１ナット２スパナ４トルクセンサ６モータ８位置（角度）センサ９温度センサ１０ねじ締め部１２ケーブル１４電源部１８インバータ２０パソコン４０制御手段４１通信部４２運転制御部４４運転状態判定部５０運転パターン発生部５２、５４、５６、５７，５８運転パターン記憶部６００，６０，６０ａ速度制御部６２速度検出部６４、１０４加減算器６６、１０６補償器６８、１０８リミッタ７０界磁制御部７２ｄ軸電流指令演算部７４磁気飽和補正部７８スイッチ手段８０電流制御部８２位置（電気角）検出部８４、９０座標変換部９２ドライバ１００，１００ａトルク制御部２００トルク補正部２０２補正パラメータメモリ４００トルク計測装置５００トルク校正部８００温度計測手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23P 19/06 B25B 23/14 620 B25B 23/14 640 H02P 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ねじ締め機構と、当該ねじ締め機構を駆
動するモータと、当該モータの駆動用電源部と、当該モ
ータの動作制御を行う制御手段とを具えたねじ締め装置
において、前記モータは永久磁石式同期モータであり、前記制御手
段内に前記モータの速度制御部と、トルク制御部とを設
け、前記速度制御部において速度優先制御を行う場合、等価
弱め界磁制御部を設け、当該ねじが着座するまでの期間、当該モータの速度制御
範囲を電流ベクトル制御して、拡大するようにしたこと
を特徴とするねじ締め装置。
【請求項２】前記モータの供給電源が、バッテリー及
び／又は電圧５０Ｖ以下の電源である請求項１に記載の
ねじ締め装置。
【請求項３】前記等価弱め界磁制御部には、ｄ軸電流
指令演算部、または磁気飽和補正部に結合されたｄ軸電
流指令演算部を含む請求項１または２に記載のねじ締め
装置。
【請求項４】前記永久磁石式ロータの表面に磁性リン
グを設け、ｄ軸電流で、界磁変化を実現した請求項１乃
至３のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項５】前記等価弱め界磁制御部により、当該モ
ータの永久磁石の界磁を見かけ上３０％以上減磁させた
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項６】前記ねじ締め装置が、手で持って操作可
能な重量である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
ねじ締め装置。
【請求項７】前記ねじ締め装置の、位置、速度及び／
又は温度の検出にレゾルバを使用した請求項１乃至６の
いずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項８】前記トルク制御部においてトルク優先制
御を行う場合、前記永久磁石の経時変化及び／又は温度
変化に対するトルク補正を行うためのトルク補正演算部
を設けた請求項１乃至７のいずれか１項に記載のねじ締
め装置。
【請求項９】前記トルク制御部に、外部に設けられた
トルクセンサを内蔵したトルク校正装置と結合して、ト
ルク補正係数を自動更新するトルク補正係数自動決定部
を内蔵した請求項１乃至８のいずれか１項に記載のねじ
締め装置。
【請求項１０】前記速度制御部及びトルク制御部に結
合され、所望の運転パターンを記憶すると共に生成する
運転パターン発生部を設け、この運転パターン発生部か
ら優先制御項目指令、速度指令及びトルク指令を出力
し、当該モータの運転速度及びトルクを優先順位を付け
てそれぞれ独立に制御するようにしたことを特徴とする
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のねじ締め装置。
【請求項１１】前記運転パターン発生部では、減速運
転パターンから全ての減速期間において、所定のトルク
指令値以内のトルク指令値しか出力しない運転パターン
である請求項１０に記載のねじ締め装置。
【請求項１２】前記モータ及び運転パターン発生部に
結合された当該モータの運転状態判定部を設け、前記モ
ータの運転状態に変化が検出された場合、前記モータの
運転パターンを自動的に切替えるようにした請求項１０
又は１１に記載のねじ締め装置。
【請求項１３】前記運転状態判定部では、ａ）前記モ
ータの回転速度の変化、ｂ）電機子電流の変化、ｃ）前
記モータの出力軸に結合したトルクセンサの出力変化
の、少なくとも、いずれか１つに応答して、当該モータ
の運転状態変化を検知するようにした請求項１２に記載
のねじ締め装置。
【請求項１４】前記速度制御部及び／又はトルク制御
部をデジタルシグナルプロセッサで構成するようにした
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のねじ締め装
置。
【請求項１５】前記永久磁石の材料がＳｍ−Ｃｏ又は
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂで構成されている請求項１乃至１４のい
ずれか１項に記載のねじ締め装置。