JP3134658B2 - ボルト軸力測定方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、締め付けられるボルト
に対して、その軸方向一端面から超音波パルスを入射し
て反射波が帰ってくるまでの時間からボルト長を求め、
このボルト長からボルト軸力を算出するボルト軸力測定
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ボルトの締め付けを確実に行
うために、その締め付け力（ボルト軸力）を測定して所
定のボルト軸力が得られるようにした装置があり、その
中に超音波パルスを利用したものがある。この装置で
は、ボルトの頭部側上端面に超音波送受信手段（超音波
探触子）を装着し、ここから超音波パルスをボルト内軸
方向に発射し、ボルトの先端で反射された超音波パルス
が帰ってくるまでの時間を計測し、ボルト長を求める。
ボルト長は、ボルト軸力と所定の関係、すなわちボルト
軸力が大きくなるほどボルト長は大きくなるため、ボル
ト長からボルト軸力が求められる。

【０００３】この装置では、ボルト軸力を常に検出でき
る。このため、この装置を利用して、所望のボルト軸力
でボルトの締め付けを行うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この装置にお
いて、超音波探触子をボルトの上端面に固定すると、超
音波探触子がボルトの回転と共に回転してしまう。装置
全体を回転させるのは、現実的でなく、超音波探触子と
送受信機の間を相対回転可能にするか、超音波探触子を
ボルトの上端面に対し押し付けて密着させ、ここで両者
を摺動可能にするようなことになる。

【０００５】まず、超音波探触子と送受信機の間で相対
回転可能にするためには、スリップリング等を利用した
り、無線を利用することになるが、いずれにしてもその
機構が複雑、かつ高価になってしまい、またノイズも大
きくなってしまう。

【０００６】一方、超音波探触子をボルト上端面に対し
押し付け固定すると、機構は簡略化されるが、（ｉ）探
触子とボルト上端面の相対的位置がずれるため、初期値
測定時と実際の軸力測定時での測定値にずれが生じ、
（ｉｉ）ボルト材質の問題や探触子の当て方が良くない
場合に、乱反射や接触部での減衰が大きくなってしま
い、正確な測定が行えないという問題点があった。

【０００７】本発明は上記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、比較的簡単な機構で正確な
測定が行えるボルト軸力測定方法および装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ボルトに対し
て、ボルト軸方向一端面から超音波パルスを入射してボ
ルト軸方向他端面からの反射波を検出し、この検出結果
に基づいてボルト軸力を算出するボルト軸力測定方法に
おいて、超音波パルスの入射および反射波の測定を複数
回実施する工程と、測定された複数の反射波の位相を合
わせて積算する工程と、積算された反射波の波形から最
も大きい反射波をボルト軸方向他端面の反射波として検
出する工程と、検出された反射波についての超音波パル
スの入射から反射波の到達までの時間を計測して、ボル
ト軸力を算出する工程と、を有する。

【０００９】特に、ボルトの締め付けを一時停止して超
音波パルスの入射および反射波の測定を複数回実施す
る。

【００１０】そして、ボルト締め付けの進行に従い、検
出された複数の反射波についての、入射から反射波到達
までに時間のボルト締め付けの進行に従う増加率が所定
範囲外であるとき、その所定範囲外にある検出された反
射波をキャンセルすることを特徴とする。

【００１１】また、本発明は、上記方法を実施する装置
に関する。

【００１２】

【作用】本発明では、超音波をボルトの頭部より入射
し、ボルトの先端面で反射された反射波を受信する。そ
して、送信から反射波受信までの時間を計測する。この
計測した時間に音波の速度を乗算することによって、ボ
ルト長が算出される。ボルトは締め付けの際の軸力に応
じて伸長されるものであり、ボルト長とボルトの材質等
の特性値からボルト長（締め付け前の状態からの伸び）
がボルト軸力に換算でき、ボルト軸力が求められる。通
常の場合、弾性変形の範囲内では、伸びと軸力とは比例
する。

【００１３】そして、本発明においては、ボルトの軸力
測定に際し、同一軸力の測定を複数回行う。そして、得
た受信データを位相を合わせて積算することによって、
ノイズを除去して、正確なボルト長についてのデータを
得る。そこで、このボルト長から正確な軸力を測定する
ことができる。特に、ボルトの着座前において、正確な
ボルト長の測定を行うことができ、締め付け時の測定の
精度も上がる。

【００１４】また、ボルト締め付け時において、締め付
けを停止し、その状態で複数回の測定を行い、得られた
複数の受信データを位相を合わせて積算する。これによ
って、ノイズを除去して、正確なボルト長についてのデ
ータが得られ、正確な軸力を測定することができる。

【００１５】そして、締め付け時のデータを時系列で持
ち、得られた測定値の増加率が前回値に対し所定の範囲
に入っていなかった場合には、このデータを排除する。
これによって、異常値を効果的に排除でき、正確な測定
を行うことができる。

【００１６】また、超音波送受信手段を回転させること
によって、ボルトの上端面に対し異なる位置で複数の受
信データを得ることができ、これらを位相を合わせて積
算することにより、締め付け時において非常に正確な軸
力測定を行える。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に基づ
いて説明する。

【００１８】［第１実施例］図１は、第１実施例の装置
の概略構成を示す図であり、装置は、ナットランナ１
１、制御装置１２、オフセットギアボックス１３、中空
ジョイント１４、ソケット１５、超音波探触子１６、シ
ャフト１７、ケーブル１８からなっている。

【００１９】ナットランナ１１はシャフト１７を有して
おり、制御装置１２からの指示により、シャフト１７を
回転する。このシャフト１７は、オフセットギアボック
ス１３に結合されており、シャフトの回転は中空ジョイ
ント１４に伝達される。中空ジョイント１４の先端はボ
ルトの頭部外周と係合しボルトを回転するソケット１５
になっており、中空ジョイント１４の回転によってボル
トが締め付けられる。一方、中空ジョイント１４の内部
には超音波探触子１６が配置されており、ボルト締め付
けの際には、この超音波探触子１６がボルトの頭部上端
面に押し付けられるようになっている。そして、この超
音波探触子１６はケーブル１８を介し制御装置１２に接
続されており、超音波探触子１６は制御装置１２からの
送信信号に応じて超音波パルスをボルトに送信、受信し
た反射波についての信号を制御装置１２に供給する。そ
こで、制御装置１２は、超音波パルスの送信から反射は
の受信までの時間を計測し、ボルトの軸力を測定する。
なお、ボルトのその上下面（超音波が入射される頭部上
端面および超音波が反射される先端面）共に、研磨し、
頭部上端面には油を塗布し、ここにおける超音波の減衰
を低減する。

【００２０】ここで、本実施例の装置においては、ボル
ト締め付け開始前の初期測定において、図２に示すよう
に、ボルトを回転しながら測定を行う。すなわち、ソケ
ット１５にボルトを装着し、ナットランナ１１により中
空ジョイント１４を回転し、ボルトの回転を開始する
（Ｓ１１）。この際、超音波探触子１６はボルトの上端
面に押し付けられているだけであって回転しない。例え
ば、超音波探触子１６をオフセットギアボックス１３の
本体側に固定すると良い。

【００２１】そして、ボルトの着座（ボルト頭部の底面
が締め付け側に接触する）までの間は、ボルト軸力は０
である。そこで、まず着座かを判定し（Ｓ１２）、この
着座前であれば、超音波を発信し（Ｓ１３）、その後の
受信データをＡ／Ｄ変換して記録する（Ｓ１４）。そし
て、受信が終了かを判定し（Ｓ１５）、反射波の受信が
終了するまで繰り返す。受信が終了した場合には、受信
波形を前回までの合成波形に重ね合わせ（Ｓ１６）、Ｓ
１２の着座の判定に戻る。なお、このＳ１３〜Ｓ１６ま
での測定をルーチンＡと呼ぶ。この重ね合わせは、送信
時点を同一として受信波形を同位相で積算することによ
って行う。そして、この測定を着座まで繰り返す。これ
によって、複数回の超音波パルスの送信、反射波の受信
が繰り返えされ、制御装置１２では、超音波パルスの送
信の時間後に受信した反射波についてのデータが記憶さ
れる。これによって、軸力０の状態で、ボルトを探触子
１６に対し回転させながら、その回転角度が一定角度に
なる度に測定が行われ、その結果が積算される。

【００２２】すなわち、制御装置１２においては、例え
ば、時間ｔ、ｔ＋１、ｔ＋２、ｔ＋３において、図３に
示すような波形がそれぞれ得られる。これら波形は、そ
れぞれボルトと超音波探触子１６の相対位置が異なるも
のである。そして、これをＡ／Ｄ変換して得た波形を積
算すると積算波形が得られる。このような処理によっ
て、ｔ＋１のように正規の反射波の１／２程度の時間に
比較的大きなノイズが生じた場合や、またｔ＋２のよう
に正規の反射が得られない場合においても、最終的に正
しい反射波の位置を検出することができ、正確なボルト
長の初期測定を行うことができる。そして、ボルトの着
座によってこの初期測定が終了する。なお、上述のＳ１
４，Ｓ１５の受信データの記録の周期Ｔは超音波送信の
間隔に比べ十分小さくすることによって、反射波の確実
に検出を行うことができる。

【００２３】このように、本実施例においては、初期測
定において、ボルトの上端面と超音波探触子１６の相対
位値をずらせて複数回の測定を行う。そこで、初期測定
が非常に正確なものとなり、測定誤差を低減できる。

【００２４】次に、着座後の動作について図４に基づい
て説明する。図２のＳ１２において着座を検出した場合
に、この処理に入る。まず、超音波パルスを発信する
（Ｓ４１）。そして、受信データをＡ／Ｄ変化して記録
し（Ｓ４２）、反射波の受信終了か否かを判定する（Ｓ
４３）。終了でなかった場合には、Ｓ４２に戻り、発信
した超音波パルスの反射を受信するまでこの処理を繰り
返す。なお、この処理の周期は、上述の場合と同様にＴ
である。

【００２５】そして、Ｓ４３において、反射波の受信を
終了した場合には、超音波パルスの発信から反射波の受
信までの時間およびボルトの弾性係数等の特定値を基に
軸力を計算し（Ｓ４４）、軸力が規定の大きさになった
かを判定する（Ｓ４５）。そして、規定値に至っていな
かった場合には、Ｓ４１に戻り、処理を繰り返す。この
ようにして、ボルトの回転に伴う軸力の変化を検出し、
所定の軸力に至るまでこれを繰り返す。Ｓ４５におい
て、所定の軸力になった場合には、ナットランナ１１を
停止させ、ボルトの締め付けを終了する。

【００２６】さらに、本実施例では、締め付け時におけ
る測定の結果については、初期測定時のデータおよび前
回の測定結果から予測を行い、予測範囲を越える場合に
は、そのデータを不採用にすることで、誤検出を防止す
ることができる。

【００２７】すなわち、図５に示すように、着座した場
合には、まず初期値を登録する（Ｓ２１）。そして、ナ
ットランナ１１によるボルトの回転により、ボルトが伸
び始めるが、ボルトの回転角度が一定角度θL に至るま
では、データを取得しない（Ｓ２２）。これは、これま
での間は、座屈等の影響で締め付け角度とボルト軸力の
関係が安定しないためである。Ｓ２２において、ボルト
の回転角度がθL を越えた場合は測定（ルーチンＡ）を
繰り返し行う（Ｓ２３）が、 （ｉ）測定反射時間が１つ前のデータより短くならない （ｉｉ）前の値より所定値以上長くならない（この所定
値は、締め付け状態のおいて調整が可能である。例え
ば、そのときの傾き等から範囲を設定すると良い）等の
条件でデータの選択を行う。

【００２８】なお、この選択は、図６に示すように、測
定反射時間ｘ（ボルト長に対応する）についてのデータ
をデータ列として記憶しておき、連続性から外れる値を
排除することによって行うと良い。この場合は、前値補
間や前値および前々値の平均値からの推定等によってそ
のときのデータを補間すると良い。

【００２９】また、反射時間ｘが所定値θH 以上となり
軸力が目標となる軸力に近付いた場合（Ｓ２４）には、
有効となったデータについて、一次式 ｘ＝ｋ１θ＋ｋ２ により、目標となる軸力（測定反射時間）が得られる角
度θを計算し（Ｓ２５）、このθに至った時に（Ｓ２
６）、ボルトの締め付けを停止する。これは、通常のボ
ルト締め付けは、ボルトの弾性変形が終り、塑性組成変
形が始まったところで終了する。そこで、この実施例で
は、終了時において、上述のような一次式を利用して、
最終的に締め付け角度を決定し、締め付けの完了を判定
する。

【００３０】なお、上記説明では、ナットランナ１１に
よるボルトの回転を停止せずに測定を行ったが、ボルト
の回転を停止し、ボルトが止まった状態で、複数回の測
定を行えば、測定の精度を上昇することができる。特に
着座後の測定は、ボルトの回転を停止することで始めて
同一ボルト長についての測定が行えるため、この方法が
特に効果的である。

【００３１】［第２実施例］図７に、第２実施例の装置
を示す。この装置は、基本的には、図１の実施例と同様
であり、超音波探触子１６を回動する機構が付加されて
いるだけである。したがって、超音波探触子１６を回動
させなければ、この図６の装置を第１実施例に適応する
ことができる。

【００３２】図１のナットランナ１１の出力軸であるシ
ャフト１７は、オフセットギアボックス１３内に挿入さ
れている。このオフセットギアボックス１３内には、一
対のギア２２ａ、２２ｂが配置されており、シャフト１
７の回転が、中空ジョイント１４に伝達される。この中
空ジョイント１４の下端部には、ソケット１５が形成さ
れており、ここがボルト２８の頭部外周に係合される。
したがって、ナットランナ１１によってソケット１５を
回転しボルト２８の締め付けを行うことができる。

【００３３】一方、中空ジョイント１４の内部には、チ
ューブ２５が相対回転可能に配置されており、このチュ
ーブ２５の下端には超音波探触子１６が軸方向摺動自在
に挿入配置されている。この例では、チューブ２５の下
端部内周および超音波探触子１６の外周形状を多角形に
して両者が相対回転しないようにしている。そして、こ
のチューブ２５の下端部の超音波探触子１６の上方には
圧縮ばね２７が挿入されており、この圧縮ばね２７によ
って超音波探触子１６が下方に向けて付勢されている。
従って、ソケット１５がボルト２８の頭部に係合された
状態において、超音波探触子１６の底面がボルト２８の
頭部上端面に押し付けられる。

【００３４】そして、本実施例では、チューブ２５の上
部がオフセットギアボックス１３を貫通し上方に突出
し、その上端部にギア２６ａが取り付けられている。こ
のギア２６ａは、ギア２６ｂに係合されており、ギア２
６ｂがモータ２９によって往復回動可能になっている。
すなわち、モータ２９を所定の範囲で正転および逆転さ
せることによって、チューブ２５が所定の範囲で正転、
逆転する。これによって、超音波探触子１６がボルト上
端面上で回動する。ここで、この超音波探触子１６の回
動範囲はあまり大きくないため、超音波探触子１６から
伸びるケーブル１８に対する捩れの問題はない。

【００３５】このような装置において、ボルト２８の締
め付けを行う場合には、まず図２に示したようにして、
着座前の初期測定を行う。そして、Ｓ１２において、着
座を検出した場合には、図８に示すように、まず初期値
を登録する（Ｓ３１）。そして、ナットランナ１１によ
って角度θ１だけボルト２８を回転する（Ｓ３２）。ボ
ルトをθ１だけ回転したらナットランナ１１を停止し
（Ｓ３３）、モータ２９の回転によって超音波探触子１
６の回転を開始する（Ｓ３４）。

【００３６】このように、ボルト２８の回転を停止した
状態で、超音波探触子１６を回転しながら測定を行うこ
とによって、初期測定と同様にボルト２８と超音波探触
子１６に相対回転をさせながらの測定を行うことができ
る。そこで、上述のＳ１３〜Ｓ１６の測定（ルーチン
Ａ）を行い（Ｓ３５）、超音波探触子１６の回転がθ２
に至るまでこれを繰り返す（Ｓ３６）。そして、このよ
うにして得た反射波についてのデータは、１つのボルト
長について得た複数回測定データから算出したものであ
り、非常に正確なものである。但し、超音波探触子１６
の回転方向は正逆転を交互に繰り返すものとする。

【００３７】そして、ボルトのθ１の回転に対する軸力
測定が終了したため、測定して得た軸力が目標となる軸
力かを判定し（Ｓ３７）、これを繰り返す。

【００３８】このように、本実施例によれば、ボルトの
所定の回転毎に超音波探触子１６をボルト２８の上端面
に対し移動させて測定を行う。従って、ボルト２８の上
端面と超音波探触子１６が摺動移動することによる測定
誤差を効果的に低減して、正確な軸力測定を行うことが
できる。なお、締め付けの終了判定は、上述のように一
次式から最終回転角度を算出して行っても良い。

【００３９】さらに、本実施例によって得たデータにつ
いても上述の場合同様にして、測定値の予測を行い、所
定範囲外のデータは削除するとよい。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、ボルトの軸力測定に際し、同一軸力の測定を複数回
行う。そして、得た受信データを位相を合わせて積算す
ることによって、ノイズを除去して、正確なボルト長に
ついてのデータを得る。そこで、このボルト長から正確
な軸力を測定することができる。特に、ボルトの着座前
において、正確なボルト長の測定を行うことができ、締
め付け時の測定の精度も上がる。

【００４１】また、ボルト締め付け時において、締め付
けを停止し、その状態で複数回の測定を行い、得られた
複数の受信データを位相を合わせて積算する。これによ
って、ノイズを除去して、正確なボルト長についてのデ
ータが得られ、正確な軸力を測定することができる。

【００４２】また、締め付け時のデータを時系列で持
ち、得られた測定値の増加率が前回値に対し所定の範囲
に入っていなかった場合には、このデータを排除する。
これによって、異常値を効果的に排除でき、正確な測定
を行うことができる。

【００４３】また、超音波送受信手段を回転させること
によって、ボルトの上端面に対し異なる位置で複数の受
信データを得ることができ、これらを位相を合わせて積
算することにより、締め付け時において非常に正確な軸
力測定を行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の概略構成を示す説明図である。

【図２】第１実施例の動作を説明するフローチャートで
ある。

【図３】波形の積算の状態を示す説明図である。

【図４】着座後の動作を説明するフローチャートであ
る。

【図５】異常値排除の動作を説明するフローチャートで
ある。

【図６】測定値の変化状態を示す特性図である。

【図７】第２実施例の構成を示す図である。

【図８】第２実施例のフローチャートを示す図である。

【符号の説明】

１１ ナットランナ １２ 制御装置 １３ オフセットギアボックス １４ 中空ジョイント １５ ソケット １６ 超音波探触子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−329329（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−281891（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−19572（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−48187（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−108752（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−2936（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−161286（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/00 G01L 5/24

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボルトに対して、ボルト軸方向一端面か
   ら超音波パルスを入射してボルト軸方向他端面からの反
   射波を検出し、この検出結果に基づいてボルト軸力を算
   出するボルト軸力測定方法において、 ボルトの締め付けを一時停止して超音波パルスの入射お
   よび反射波の測定を複数回実施する工程と、 測定された複数の反射波の位相を合わせて積算する工程
   と、 積算された反射波の波形から最も大きい反射波をボルト
   軸方向他端面の反射波として検出する工程と、 検出された反射波についての超音波パルスの入射から反
   射波の到達までの時間を計測して、ボルト軸力を算出す
   る工程と、 を有し、 ボルト締め付けの進行に従い、検出された複数の反射波
   についての、入射から反射波到達までに時間のボルト締
   め付けの進行に従う増加率が所定範囲外であるとき、そ
   の所定範囲外にある検出された反射波をキャンセルする
   ことを特徴とするボルト軸力測定方法。
2. 【請求項２】 ボルトに対して、ボルト軸方向一端面か
   ら超音波パルスを入射してボルト軸方向他端面からの反
   射波を検出し、この検出結果に基づいてボルト軸力を算
   出するボルト軸力測定装置において、 ボルトの締め付けを間欠的に停止して、ボルトの締め付
   けを行う締め付け機構と、 ボルトの一端面から超音波パルスを入射すると共に、反
   射を受信する送受信手段と、 ボルトの締め付けを停止した状態で、上記送受信手段を
   ボルトの端面に対し相対的に回転する相対回転手段と、 この相対回転手段により送受信手段を回転させて行われ
   た複数の測定で得られた反射波の位相を合わせて積算す
   る積算手段と、 積算された反射波の波形から最も大きい反射波をボルト
   軸方向他端面の反射波として検出する検出手段と、 検出された反射波についての超音波パルスの入射から反
   射波の到達までの時間を計測して、ボルト軸力を算出す
   る算出手段と、 を有し、 ボルト締め付けの進行に従い、検出された複数の反射波
   についての、入射から反射波到達までに時間のボルト締
   め付けの進行に従う増加率が所定範囲外であるとき、そ
   の所定範囲外にある検出された反射波をキャンセルする
   ことを特徴とするボルト軸力測定装置。