JP4309907B2 - 締結装置 - Google Patents

Description

この出願は、ボルト・ナット等の締結部材に対する自動締結装置に関する。

締結作業を迅速化するため、ボルト・ナットの着座までは低トルク・高速回転でソケットを回転させる高速駆動部と、着座後高トルクで締結する高トルク駆動部を備えた締結装置が公知である（特許文献１参照）。
また、ソケットの回転をラックアンドピニオン機構を利用して行うものも公知である（特許文献２参照）。
特開平７−３４７９７号公報 特開２００２−２００５６９号公報

ところで、上記２系統の駆動手段を有するものは、高速駆動部をモータ駆動式とし、高トルク駆動部列としてラチェットをシリンダ駆動するようになっている。このため、装置に２通りの異なる動力源を有する駆動機構を必要とするため、駆動・伝達構造が別々となり、装置が複雑・大型化した。
そこで本願は、単一の動力源で駆動させ、かつ動力伝達も簡単にすることにより、装置を簡単・小型化することを目的とする。

上記課題を解決するため締結装置に係る請求項１の発明は、ワークへ締結部材を締結するための締結部と、この締結部を回転駆動させるための駆動機構とを備え、
前記駆動機構は、締結部材を高速で着座位置へ送り込む高速駆動部と、
その後、締結部材を高トルクで締結するための高トルク駆動部とを備え、
これら高速駆動部と高トルク駆動部とを同一の動力源により駆動するとともに、締結部材の着座までは高速駆動部により駆動し、着座後は高トルク駆動部により駆動するように動力伝達を切り換える切換手段を備えた締結装置において、
前記駆動機構は、高速低トルクで出力する高速ギヤ列と、低速高トルクで出力する高トルクギヤ列を備え、各ギヤ列はラックアンドピニオン機構で駆動され、
このラックアンドピニオン機構は、共通の動力源で駆動される一対の高速側ラックとトルク側ラックを備え、
高速側ラックは前記高速ギヤ列を噛み合い駆動し、トルク側ラック前記低速ギヤ列を噛み合い駆動するとともに、
高速側ラックとトルク側ラックは、締結部材の着座まで、同一の動力源で同時に駆動され、かつ前記切換手段は高速ギヤ列の出力のみを前記締結部へ伝達し、
締結部材が着座すると、高速側ラックのみが駆動停止され、前記切換手段は低速ギヤ列の出力のみを前記締結部へ伝達することを特徴とする。

請求項２の発明は上記請求項１において、前記高速ギヤ列と低速ギヤ列の各出力ギヤは、同軸の出力軸上に支持され、この出力軸から前記締結部へ回転駆動力を伝達するとともに、
前記切換手段は、前記出力軸と前記各出力ギヤとの間に設けられたワンウエイクラッチにより、前記出力軸に対する前記高速ギヤ列からの出力伝達と低速ギヤ列からの出力伝達を切り換えることを特徴とする。

請求項３の発明は上記請求項２において、前記駆動機構が前記高速駆動部に締結部材の着座により前記高速側ラックへの動力伝達を停止する高速側エスケープ機構を備えることを特徴とする。

請求項４の発明は上記請求項３において、前記駆動機構が前記高速側エスケープ機構に加えて前記高トルク駆動部に、締結完了時の所定トルクで前記低速側ラックへの動力伝達を停止するトルク側エスケープ機構を備えることを特徴とする。

請求項５の発明は上記請求項３又は４において、前記高速側及び低速側エスケープ機構はそれぞれ、前記高速側ラックとトルク側ラックの各端部を摺動可能に支持するとともに前記動力源により移動されるホルダプレートと、このホルダプレートに対して所定の設定荷重で前記高速側ラックとトルク側ラックの各端部を押しつけるエスケープスプリングとを備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、締結部材を高速で着座位置へ送り込む高速駆動部と、その後、締結部材を高トルクで締結するための高トルク駆動部とを同一の動力源により駆動するとともに、締結部材の着座までは高速駆動部により駆動し、着座後は高トルク駆動部により駆動するように動力伝達を切り換える切換手段を備えたので、動力源を単一化でき、かつ動力伝達経路も同様構造のもので構成できるようになり、装置を簡単・小型化できる。
そのうえ、共通の動力源で駆動される高速側ラックとトルク側ラックを備え、共通の動力源で両ラックを駆動するので、種類が異なる複数の動力を用いる必要がなく、装置の構造を簡単化する。
また、ラック・ピニオン機構による駆動形式のため、ラックを進退させるだけで、簡単かつ確実な駆動を可能にする。
しかも、高速ギヤ列，高トルクギヤ列をほぼ同様構成の機構として構成できるので、動力伝達構造を簡単化できる。また、ギヤ機構とすることでコンパクトに構成できる。

請求項２の発明によれば、ワンウェイクラッチにより、ギヤ機構におけるる２系統の動力伝達経路切換を簡単な構造で可能にする。

請求項３の発明によれば、駆動機構は、締結部材の着座により動力伝達を停止する高速側エスケープ機構を備えるので、着座までは高速駆動部で締結部材を高速送りするとともに、着座後は高速側エスケープ機構により高速駆動部に対する動力伝達を自動的に停止して、高トルク駆動部による高トルクでの締結に切り換えることができる。

請求項４の発明によれば、高速側エスケープ機構に加えて、トルク側エスケープ機構を設けたので、高トルク駆動部による締結が続行され、次第にトルクが増加し、やがて締結完了時の所定トルクになると、トルク側エスケープ機構により自動的に高トルク駆動部に対する動力伝達が停止され、過大トルクによる締結を防止し、適切なトルクで締結作業を完了させることができる。

請求項５の発明によれば、各エスケープ機構は、動力源からラックへの動力伝達を断続する簡単な構造として構成できる。

以下、ボルト締結装置として構成された実施例を図面に基づいて説明する。
図１は装置全体の平面構成を概略的に示す図、図２は装置の斜視図である。
これらの図において、このボルト締結装置は、動力源としてのエアシリンダ１と、このエアシリンダ１の伸縮ロッド２により進退する（図の右方、すなわち締結方向への移動を前進、逆方向への移動を後退とする）ホルダプレート３と、このホルダプレート３によって進退する一対のラック（高速ラック４ａ及びトルクラック４ｂ）と、これらのラックの直線運動をラックアンドピニオン機構を介して回転出力に変換するギヤ機構５を備える。ギヤ機構５の出力軸（図示省略）にはソケット６が一体回転するように設けられ、このソケット６に保持されているボルト７を、ワーク８のナット穴９（図１）へ締結するようになっている。

各ラックの後端側はエスケープ機構を介してホルダプレート３側へ摺動自在に支持され、他端側はエアシリンダ１上に一体化されているホルダ１ａに対して進退自在に支持されている。エスケープ機構は、高速ラック４ａ側の高速側エスケープ機構１０ａとトルクラック４ｂ側のトルク側エスケープ機構１０ｂを備える。高速ラック４ａ及びトルクラック４ｂはそれぞれ前進することによりギヤ機構５のピニオンギヤ２０、３０を回転駆動する。

ボルト７がワーク８の入り口へ着座するまでは、高速ラック４ａにより駆動されたギヤ機構５が低トルク高速回転出力でソケット６を回転させ、ボルト７の高速送り込みを実現する。
ボルト７がワーク８の締結部へ着座すると、高速側エスケープ機構１０ａがそのトルク増大を感知して高速ラック４ａをホルダプレート３に対してフリーとすることにより、高速ラック４ａへの動力伝達を遮断する。

以下、ホルダプレートに各ラックが連動する状態を非エスケープ状態、フリーとなって連動しない状態をエスケープ状態とし、高速側エスケープ機構１０ａがエスケープ状態となるトルクを着座トルクということにする。また着座とは、ボルト７の頭部が、ナット穴９の開口端部又はその上に重ねられた締結部材に当接してトルク増になる状態をいう。

ボルト７の着座後は、高速ラック４ａによる駆動がエスケープされるが、トルクラック４ｂによる駆動はまだエスケープされないため、トルクラック４ｂにより駆動してギヤ機構５が高トルク低速回転出力でソケット６を回転させ、ボルト７を所定トルクで締結完了する。以下、このときの所定トルクを締結完了トルクという。

ボルト７のトルクが締結完了トルクになると、その反力がトルクラック４ｂから伝達されたトルク側エスケープ機構１０ｂはエスケープ状態となり、トルクラック４ｂをホルダプレート３に対してフリーとすることにより、トルクラック４ｂへの動力伝達を遮断する。

トルク側エスケープ機構１０ｂのエスケープにより締結が完了するので、その後、ワーク８を取り出し、手動又は自動によりエアシリンダ１の伸縮ロッド２を後退させれば、ホルダプレート３は当初位置に戻り、高速ラック４ａ及びトルクラック４ｂがそれぞれ当初の状態に復帰し、さらに高速側エスケープ機構１０ａ及びトルク側エスケープ機構１０ｂも当初の作動前状態に復帰するので、次の締結が可能となる。

以下、エスケープ機構について説明する。図３は非エスケープ状態、図４はエスケープ状態をそれぞれ示す斜視図である。これらの図において、高速側エスケープ機構１０ａ、１０ｂはそれぞれ、ホルダプレート３の背面に設けられたブラケット１１へ回動自在に支持されたＬ字形レバー１２と、このＬ字形レバー１２をラックの前進側へ回動付勢するエスケープスプリング１３を備える。

各ラックの反力がエスケープスプリング１３の設定荷重より大きくなると、エスケープスプリング１３の弾力に抗してＬ字形レバー１２が回動し、ラックをフリーにして後退させ（図４）、ホルダプレート３からラックへの動力伝達を遮断し、ラックによるギヤ機構５の駆動を停止するように構成される。

Ｌ字形レバー１２は、ブラケット１１へ軸１４により回動自在に支持され、一方の腕部１２ａを高速ラック４ａの端部に設けられた頭部１５に当接し、他端をエスケープスプリング１３の一端に当接している。エスケープスプリング１３の他端はブラケット１１に取付けられているアジャストボルト１６の先端に支持され、アジャストボルト１６を進退させることによりバネ力を微調整できる。

各エスケープスプリング１３のセット荷重は、高速側の高速側エスケープ機構１０ａにおけるものが着座トルクと均衡する程度、高トルク側のトルク側エスケープ機構１０ｂにおけるものが締結完了トルクに均衡する程度となるようそれぞれ設定される。なおエスケープスプリング１３は図示のコイルスプリングに限らず種々な形式が可能である。

図５はギヤ機構５の構成を示す。ギヤ機構５は高速ギヤ列１７及び高トルクギヤ列１８の２系統のギヤ列で構成される。高速ギヤ列１７は高速ラック４ａにて駆動されるピニオンギヤ２０と、このピニオンギヤ２０と一体化されている大径ギヤ２１と、この大径ギヤ２１により駆動される小径ギヤ２２とを備え、小径ギヤ２２が設けられている主軸２３を介して同軸の駆動傘歯車２４へ駆動力を増速して伝達する。

駆動傘歯車２４は出力傘歯車２５と噛み合い、出力傘歯車２５はソケット６と同軸の出力軸２６上に形成されているので、出力傘歯車２５を回転させることによりソケット６を回転駆動する。小径ギヤ２２と主軸２３の間にはワンウェイクラッチ２６が設けられ、小径ギヤ２２が主軸２３より高速に回転するときのみ、小径ギヤ２２の回転を主軸２３へ伝達する。
ピニオンギヤ２０と大径ギヤ２１は主軸２３と平行な副軸２７上にベアリング２８、２９で回転自在に支持されている。

高トルクギヤ列１８側は、トルクラック４ｂと噛み合うピニオンギヤ３０及びこれと噛み合う大径の減速ギヤ３１とからなり、ピニオンギヤ３０は副軸２７上にベアリング３２を介して回転自在に支持され、ピニオンギヤ２０及び大径ギヤ２１と同軸で支持されている。
ピニオンギヤ３０は減速ギヤ３１を減速回転させる。減速ギヤ３１はワンウエイクラッチ３３を介して主軸２３上に支持され、主軸２３の回転よりも減速ギヤ３１側の回転が速くなるときのみ、回転出力を主軸２３へ伝達し、駆動傘歯車２４を主軸２３と一体に回転させる。

高速ギヤ列１７は低トルク高速回転出力を得るため、例えば、歯数比を、ピニオンギヤ２０：大径ギヤ２１：小径ギヤ２２＝１０：４８：１０として、１０倍で伝達するようになっている。
高トルクギヤ列１８は、高トルク低速回転出力を得るため、例えば、歯数比をピニオンギヤ３０：減速ギヤ３１＝１０：４２とし、トルク伝達が４．８倍程度となるようになっている。
なお、これらのギヤ比は任意に設定可能であり、歯数比を調整して、より高速化・高トルク化するよう設定することもできる。

高速ギヤ列１７と高トルクギヤ列１８の切り換えは、エスケープ機構との連動で行われる。ボルト７の着座前までは、高速ラック４ａ及びトルクラック４ｂが共にピニオンギヤ２０及びピニオンギヤ３０をそれぞれ駆動するが、この段階では小径ギヤ２２の回転が速いので、ワンウエイクラッチ２６が接続となり、同３３が断絶となり、高速ギヤ列１７側の回転のみが出力傘歯車２５へ伝達される。このとき高トルクギヤ列１８はアイドル状態となる。

着座後は、高速ラック４ａの駆動力がエスケープされるため、ピニオンギヤ２０は駆動されず、ピニオンギヤ３０のみがトルクラック４ｂで駆動されて、減速ギヤ３１を減速回転させる。このとき、副軸２７上のピニオンギヤ２０及び大径ギヤ２１はそれぞれベアリング２８、２９で回転自在であるため回転せず、その結果、小径ギヤ２２は回転されない。またワンウエイクラッチ２６は主軸２３側の回転が速くなるため、断絶状態となる。したがって、駆動傘歯車２４へは減速ギヤ３１の回転のみが伝えられることになり、高トルク低速回転で出力傘歯車２５を駆動する。

図６は高速系及び高トルク系の各駆動を対比説明するための図である。図中のＡ・Ｂ・Ｃは高速ギヤ列による駆動状態であり、Ａはギヤ機構５における回転伝達経路を示し、
高速ラック４ａ→ピニオンギヤ２０→大径ギヤ２１→小径ギヤ２２→主軸２３→駆動傘歯車２４→出力傘歯車２５、
と回転が伝達され、出力軸２６を高速・低トルクで回転駆動する。

Ｂは着座前の状態を示し、高速側エスケープ機構１０ａは非エスケープ状態であって、ホルダープレート３は高速ラック４ａを前進側へ押圧付勢し、高速ラック４ａによるピニオンギヤ２０の駆動を可能にする。
Ｃは着座後であり、ソケット６から小径ギヤ２２側へ伝えられる着座荷重の反力により高速ラック４ａが高速側エスケープ機構１０ａをエスケープ状態となって高速ラック４ａをフリーにする。

Ｄ・Ｅ・Ｆは、高トルクギヤ列１８による駆動状態であり、Ｄはギヤ機構５における回転伝達経路を示し、
トルクラック４ｂ→ピニオンギヤ３０→減速ギヤ３１→主軸２３→駆動傘歯車２４→出力傘歯車２５と、
回転が伝達され、出力軸２６を低速・高トルクで回転駆動する。

Ｅは着座前の状態を示し、高トルクギヤ列１８はアイドル状態であり、主軸２３に回転力を伝達しない。
Ｆは着座後の状態であり、着座後も締結完了までのストロークＳに相当する間はトルク側エスケープ機構１０ｂが非エスケープ状態を継続し、トルクラック４ｂによりピニオンギヤ３０を駆動し、さらに減速ギヤ３１を減速回転させて出力傘歯車２５へ低速高トルク回転を出力する。
その後、締め付けが完了し、締結完了トルクに達すると、トルク側エスケープ機構１０ｂも高速側と同様にエスケープ状態となり、トルクラック４ｂによるピニオンギヤ３０の駆動を停止する。

図７はエスケープタイミングチャートである。まず締結スタートすると、高速ラック４ａ及びトルクラック４ｂは並んで前進する。やがて着座すると、高速側エスケープ機構１０ａがエスケープ状態となり、高速ラック４ａは前進を停止するが、トルクラック４ｂは引き続き前進し、トルクを増大するトルクアップが開始され、高トルクでの締結を行う。

その後、締結完了トルクに達するとトルク増大が終了し、トルク側エスケープ機構１０ｂもエスケープ状態となり、トルクラック４ｂも前進を停止してトルクアップが終了する。
続いてホルダプレート３を戻すと、やがて高速側エスケープ機構１０ａ，１０ｂが戻り、全体が当初状態に戻る。

このように、着座までは、高速ギヤ列１７により高速でボルト７を送り込み、着座後は、高トルクギヤ列１８により締結完了トルクまで締め上げるので、迅速な締結作業が可能になる。
しかも、共通の動力源であるエアシリンダ１により両ラックを駆動するので、種類が異なる複数の動力を用いる必要がなく、装置の構造を簡単化し、装置の小型化を可能にする。

また、ラック・ピニオン機構による駆動形式のため、エアシリンダ１でホルダプレート３を進退させるだけで、簡単かつ確実な駆動を可能にする。
しかも高速ギヤ列１７，高トルクギヤ列１８をほぼ同様構成の機構として構成できるので、動力伝達構造を簡単化できる。また、ギヤ機構とすることでコンパクトに構成できる。

そのうえ、エスケープ機構を設けることにより、所定のトルクで高速ギヤ列１７と高トルクギヤ列１８を確実に選択切り換えできるので、簡単な構造で２系統の動力伝達経路を制御できる。このとき高速側エスケープ機構１０ａを設けることにより、高速送りとトルクアップの切換をタイミング良く自動的に行えるとともに、高トルク側エスケープ機構１０ｂを設けることにより過大トルクによる締結を防止し、適切なトルクで締結作業を完了させることができる。
さらに、ワンウェイクラッチにより、ギヤ機構におけるる２系統の動力伝達経路切換を簡単な構造で可能にする。

なお、エスケープ機構は必ずしも実施例構造である必要はなく、公知のクラッチ機構を用いて伝達を制御することもできる。
また、動力源はエアシリンダ１のみならず、電動モータなど、他の形式ものを適宜用いることができる。
さらに、ボルト用締結装置のみならず、ナットの締結装置としても使用できる。

装置全体の平面構成を概略的に示す図 装置の斜視図 非エスケープ状態にあるエスケープ機構の斜視図 エスケープ状態にあるエスケープ機構の斜視図 ギヤ機構の構成を示す図 高速系及び高トルク系の各駆動を対比説明するための図 エスケープタイミングを示す図

符号の説明

１：エアシリンダ、２：伸縮ロッド、３：ホルダプレート、４：ラック、５：締結部、６：ソケット、７：ボルト、８：ワーク、９：ナット穴、１０：エスケープ機構、１３：エスケープスプリング

Claims (5)

1. ワークへ締結部材を締結するための締結部と、この締結部を回転駆動させるための駆動機構とを備え、
   前記駆動機構は、締結部材を高速で着座位置へ送り込む高速駆動部と、
   その後、締結部材を高トルクで締結するための高トルク駆動部とを備え、
   これら高速駆動部と高トルク駆動部とを同一の動力源により駆動するとともに、締結部材の着座までは高速駆動部により駆動し、着座後は高トルク駆動部により駆動するように動力伝達を切り換える切換手段を備えた締結装置において、
   前記駆動機構は、高速低トルクで出力する高速ギヤ列と、低速高トルクで出力する高トルクギヤ列を備え、各ギヤ列はラックアンドピニオン機構で駆動され、
   このラックアンドピニオン機構は、共通の動力源で駆動される一対の高速側ラックとトルク側ラックを備え、
   高速側ラックは前記高速ギヤ列を噛み合い駆動し、トルク側ラック前記低速ギヤ列を噛み合い駆動するとともに、
   高速側ラックとトルク側ラックは、締結部材の着座まで、同一の動力源で同時に駆動され、かつ前記切換手段は高速ギヤ列の出力のみを前記締結部へ伝達し、
   締結部材が着座すると、高速側ラックのみが駆動停止され、前記切換手段は低速ギヤ列の出力のみを前記締結部へ伝達することを特徴とする締結装置。
2. 前記高速ギヤ列と低速ギヤ列の各出力ギヤは、同軸の出力軸上に支持され、この出力軸から前記締結部へ回転駆動力を伝達するとともに、
   前記切換手段は、前記出力軸と前記各出力ギヤとの間に設けられたワンウエイクラッチにより、前記出力軸に対する前記高速ギヤ列からの出力伝達と低速ギヤ列からの出力伝達を切り換えることを特徴とする請求項１の締結装置。
3. 前記駆動機構は、締結部材の着座により前記高速側ラックへの動力伝達を停止する高速側エスケープ機構を前記高速駆動部に備えることを特徴とする請求項１の締結装置。
4. 前記駆動機構は、前記高速側エスケープ機構に加えて前記高トルク駆動部に、締結完了時の所定トルクで前記低速側ラックへの動力伝達を停止するトルク側エスケープ機構を備えることを特徴とする請求項３の締結装置。
5. 前記高速側及び低速側エスケープ機構はそれぞれ、前記高速側ラックとトルク側ラックの各端部を摺動可能に支持するとともに前記動力源により移動されるホルダプレートと、このホルダプレートに対して所定の設定荷重で前記高速側ラックとトルク側ラックの各端部を押しつけるエスケープスプリングとを備えることを特徴とする請求項３又は４の締結装置。

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