JP4422061B2

JP4422061B2 - 自動ねじ締め機

Info

Publication number: JP4422061B2
Application number: JP2005104225A
Authority: JP
Inventors: 幸浩梅原
Original assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Current assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006281364A

Description

本発明は、ワークにねじを締め付ける時のトルク、回転角度等の特性波形情報を比較判定することにより、ねじの締め付け良否を判定する自動ねじ締め機に関する。

モータ等の回転駆動源の駆動を受けて回転するドライバビットを有し、このドライバビットをねじの駆動部に係合させてねじに回転伝達を行い、これによってワークにねじを締め付ける自動ねじ締め機は従来から知られている。この種の自動ねじ締め機においては、従来より、特許文献１に示されるように、トルク法、角度法あるいはトルクレート法等を用いたねじ込み良否の判定が行われている。

前記トルク法は、予め目標となる締付トルクの値を設定しておき、ねじ込み過程における締付トルクが目標締付トルクに達するとねじ締めを終了するものである。また、角度法は、予め目標となるねじの回転角度を設定しておき、ねじ込み過程におけるねじの回転角度が、この目標回転角度に達するとねじ締めを終了するものである。さらに、トルクレート法は、ねじのねじ込み過程におけるある区間の始点と終点との間の回転角度の変化量に対する締付トルクの変化量を理想値と比較し、良否を判定するものである。

特許第２６９７２４０号公報

上記従来のねじ込み良否の判定方法においては、ねじ込み良否の判定が限られたねじ込み位置でしか行われないため、その判定位置以外のねじ込み位置で異常な締付トルク等が発生していても、これを検知することができない等の問題が発生していた。

トクルレート法は、ねじ込みのある区間における情報を良否判定の対象としているため、トルク法や角度法に比べて精度の高い良否判定を行うことが可能であるが、このトルクレート法についても、締付トルクが比例的に増加するねじ頭部座面の着座以降の区間等でないと、正確な良否判定を行うことができない等の問題があった。また、特許文献１に記載された発明では、ねじを一旦仮締めトルクまで締め付けた後、当該ねじを緩め、この時のトルクレートで従来のトルクレート法における課題解決を図っている。しかし、この方法では、一旦仮締めトルクまで締め付けたねじを都度緩める作業が必要になり、ねじ締め作業に要する作業時間が非常に長くなってしまう等の問題が発生していた。

本発明は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、ねじ頭部に係合可能なドライバビットと、このドライバビットを回転駆動する回転駆動源とを有する自動ねじ締め機であって、ドライバビットに係合して回転伝達を受けることによりワークにねじ込まれるねじの当該ねじ込み過程において回転角度の計測を開始するための基準位置における角度測定基準トルク値をねじ締め毎に取得し、このねじ締め毎に異なる角度測定基準トルク値に対応するとともに、予め設定されたねじの種類に対応した特性波形情報を選択して、当該特性波形情報における理想トルク値に対して許容範囲を設定したトルク値と実際の締付けトルクとを比較判定する制御ユニットを有することを特徴とする。

なお、前記制御ユニットは、締付トルクを取得したねじ込み位置の位置情報を取得し、このねじ込み位置情報に対応する理想トルク値と、取得した締付トルクとを比較判定することが望ましい。また、上記構成においては、締付トルクと理想トルク値とを比較判定する区間を設定可能に構成することが望ましい。さらに、前記制御ユニットは、ねじ締め作業の終了を受け、当該ねじ締め作業における締付トルクの波形と、当該ねじ締め作業で比較判定処理に用いた理想トルク値の波形とを表示する表示部を備えていることが望ましい。なお、この場合、表示部は、理想トルク値の上限値と下限値との波形を締付トルクおよび理想トルク値の各波形とともに表示するよう構成されていることが望ましい。

本発明の自動ねじ締め機は、ねじのねじ込み過程における各位置で締付トルクを取得し、これを予め設定された当該位置での理想トルク値と比較し、良否を判定していくものである。このため、１本のねじのねじ込み初期から完了まで、連続的に締付トルクの変動を監視することができ、ねじ込み過程で締付トルクの異常が発生した場合には、これを即座に発見して作業を中止する等、極めて高精度なねじ締め良否の判定を行うことができる等の利点がある。また、従来のように、一旦仮締めトルクまで締め付けたねじを緩める作業も必要なく、ねじ締め作業時間の増加を防止して作業効率を維持向上することができる等の利点もある。さらに、ねじ締め作業の終了を受け、表示部には理想トルク値と締付トルクとの各波形を表示するようにしているため、作業者において、ねじ締め作業の経過をイメージ的に確認できるとともに、異常が発生した場合には、その発生位置の特定や異常トルクによる影響の度合い等を容易に推定することが可能になる。

以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１において、１は自動ねじ締め機であり、往復駆動ユニット２と、この往復駆動ユニット２に連結されたツールユニット３と、このツールユニット３を制御する制御ユニット４と、前記往復駆動ユニット２を制御する制御ユニット５とを有する。

前記往復駆動ユニット２は、エンコーダ２０ａを具備するＡＣサーボモータ２０（以下、単にモータ２０という）に連結されたボールねじ機構２１と、このボールねじ機構２１のナット部材２１ａに連結されたツールテーブル２２とから構成されている。ツールユニット３は、このツールテーブル２２に設置されている。この往復駆動ユニット２のモータ２０には専用のＡＳＩＣ回路（図示せず）が組み込まれており、ここでエンコーダ２０ａの発するパルス信号数を計測できるように構成されている。

ツールユニット３は、回転駆動手段としてＡＣサーボモータ３０（以下、単にモータ３０という）を有する。このモータ３０には、回転検出手段の一例であるエンコーダ３０ａとが備えられており、モータ３０が駆動してその駆動軸３０ｂが回転すると、これに応じた回転信号としてパルス信号がエンコーダ３０ａから発せられる。また、このモータ３０の下部は減速機３０ｃになっており、駆動軸３０ｂは、この減速機３０ｃで減速された回転数で回転する。

前記モータ３０の駆動軸３０ｂにはドライバビット３１が一体に回転するよう連結されている。このドライバビット３１は、ねじの頭部に凹設された十字状駆動穴に係合する先端形状を成す。また、モータ３０の減速機３０ｂ下部には、薄肉円筒状の起歪部材３２の一端が前記ドライバビット３１を内包して連結されている。この起歪部材３２の他端は、ツールユニット３をツールテーブル２２に設置するためのフランジ部材３３に固定されている。さらに、起歪部材３２の表面には、起歪部材３２の弾性変形量に応じた信号を発する歪み検出手段の一例として、４個の歪みゲージ３４・・・が外周を等分して貼付してある。これら歪みゲージ３４は、起歪部材３２の弾性変形量に応じて出力電圧信号が変化するものであり、これらは図２に示すように、ホイートストンブリッジ回路を構成し、増幅器３５及びアナログ／ディジタル変換部３６（以下、Ａ／Ｄ変換部３６という）を介して制御ユニット４の後記測定部４７に接続されている。

制御ユニット４は、制御部４０と、前記モータ３０への負荷電流値を制御するモータ駆動部４１と、ツールユニット３の制御に必要な各種プログラム・パラメータ等を記憶するとともに、各種情報の書き込みが可能な容量が確保された記憶部４２と、各種情報・信号の入力を行う操作部４３と、各種情報を表示可能な液晶画面およびＬＥＤ等で構成される表示部４４と、表示部４４への表示制御を行う表示制御部４５と、モータ３０に組み込まれてエンコーダ３０ａの発するパルス信号数を計測可能なＡＳＩＣ回路で成るパルス計測部４６と、往復駆動ユニット２のモータ２０の駆動制御を行う昇降制御部４７と、前記歪みゲージ３４・・・の出力電圧信号から締付トルクを割り出すトルク検出部４８とから構成されている。

前記モータ駆動部４１は、制御部４０からの駆動指令信号を受けると、モータ３０の駆動軸にかかる負荷トルクに応じてモータ３０へ負荷する電流値（負荷電流値）を制御し、モータ３０の駆動軸３０ｂが所定の速度（回転数）を保って回転駆動するように制御する。つまり、駆動軸３０ｂにかかる負荷トルクに比例してモータ３０への負荷電流値は増減する。また、前記記憶部４２には、ねじ締め制御を実行するためのパラメータとして、角度測定基準トルク値、目標トルク値、目標トルク上限値、目標トルク下限値および締め付けるねじ毎の特性波形情報が予め記憶されている。

前記角度測定基準トルク値は、ねじ締めの過程において回転角度の計測を開始するための基準となる締付トルクの値であり、所望の値を操作部４３から入力して記憶させておくことができる。この角度測定基準トルク値としては、例えば、ねじのねじ部先端がワークのめねじに喰い付き始めた時に発生するトルク値や、ねじの頭部座面がワークに接触した時点で増大し始める締付トルク値等、同じねじであれば、締め付け状態や位置に応じてほぼ安定して再現し、それまでの回転角度に対する締付トルク値と明確に区別できるトルク値を選択しておくことが、特性波形情報における理想トルク値と実際の締付トルク値とを回転角度基準で比較判定する上で好ましい。

また、目標トルク値、目標トルク上限値および目標トルク下限値は、ねじ締め完了の指標となる締付トルクと、その許容幅を規定するものであり、これらについては、操作部４３からの入力で指定された特性波形情報における最大値が選択される。

前記特性波形情報は、ワークにねじをねじ込んで締め付けた時の理想的な締付トルクの値（以下、理想トルク値という）と、この理想トルク値に予め設定された上限幅を加えて求められる理想トルク上限値と、理想トルク値に予め設定された下限値を減じて求められる理想トルク下限値とを、ねじ込み時のねじの回転角度に対応させてデータベースのテーブル（以下、このテーブルを特性テーブルという）にまとめたものである。これら理想トルク値の最大値および、これに対応する理想トルク上限値、理想トルク下限値が、前記目標トルク値、目標トルク上限値および目標トルク下限値となる。この特性波形情報は、ねじの種類毎に設けられており、操作部４３を操作して、表示部４４に表示されたねじの種類を選択することにより、そのねじに対応する特性波形情報を識別するための識別コードが、制御プログラム実行時に参照される記憶部４２内の所定のエリアに書き込まれ、当該特性波形情報がねじ締め制御において選択されるようになっている。

また、前記記憶部４２には、ねじ締め時における実際のねじの回転角度（以下、実回転角度という）と、これに対応する締付トルクとを格納するための作業テーブルも設けられている。

制御部４０は、図３ないし図５に示すように、
Ｓ０１：操作部４３からのねじ締めスタート指令信号の入力を待つ。
Ｓ０２：フラグを「０」にする。
Ｓ０３：作業コードを生成し保持する。
Ｓ０４：記憶部４２の特性波形情報の識別コードを参照し、この識別コードに対応する特性波形情報の特性テーブルから、目標トルク値、目標トルク上限値および目標トルク下限値を設定する。
Ｓ０５：特性テーブルから角度測定基準トルク値に対応する理想トルク値が登録されたレコードを選択し、このレコードの回転角度を回転角度初期値として設定する。
Ｓ０６：昇降制御部４７に下降指令信号を与える。
Ｓ０７：モータ駆動部４１に駆動指令信号を与える。
Ｓ０８：トルク検出部４８から締付トルクを読み込む。
Ｓ０９：締付トルクが角度測定基準トルク値に達しているか確認し、達していない場合はＳ０８にジャンプする。
Ｓ１０：パルス計測部４６にパルス測定開始信号を与える。
Ｓ１１：トルク検出部４８から締付トルクを読み込む。
Ｓ１２：パルス計測部４６からパルス信号の積算値を読み込み、これから求めた回転角度を回転角度初期値に加算して実回転角度を求める。
Ｓ１３：締付トルクと実回転角度とを対応させて記憶部４２の作業テーブルに書き込む。
Ｓ１４：記憶部４２から実回転角度に対応する理想トルク値、理想トルク上限値および理想トルク下限値を読み込む。
Ｓ１５：理想トルク値と目標トルク値が等しいならば、Ｓ１７にジャンプする。
Ｓ１６：締付トルクが理想トルク下限値以上、理想トルク上限値以下の範囲に収まっているかどうかチェックする。外れている場合は、Ｓ１８にジャンプし、収まっている場合は、Ｓ１１にジャンプする。
Ｓ１７：締付トルクが目標トルク下限値以上、目標トルク上限値以下の範囲に収まっているかどうかチェックする。収まっている場合は、Ｓ１９にジャンプする。
Ｓ１８：フラグを「１」にする。
Ｓ１９：モータ駆動部４１に停止指令信号を与える。
Ｓ２０：識別コードと作業テーブルとを作業コードをキーにして記憶部４２に記憶する。
Ｓ２１：フラグが「０」であれば、Ｓ２３にジャンプする。
Ｓ２２：表示制御部４５に作業コードを付加した異常終了信号を与え、Ｓ２４にジャンプする。
Ｓ２３：表示制御部４５に作業コードを付加した正常終了信号を与える。
Ｓ２４：昇降制御部４７に上昇指令信号を与える。
Ｓ２５：エンド
となるねじ締め制御を実行する。

また、表示制御部４５は、制御部４０から送られる正常終了信号または異常終了信号を受けて、図６に示すねじ締め表示制御を行う。
Ｓ３０：正常終了信号または異常終了信号を待つ。
Ｓ３１：記憶部４２から作業コードに対する識別コードと作業テーブルとを読み込む。
Ｓ３２：記憶部４２から識別コードに対応する特性波形情報を読み込む。
Ｓ３３：波形表示指令信号が異常終了信号の場合はＳ３５にジャンプする。
Ｓ３４：表示部４４に正常表示指令信号を与えて、Ｓ３６にジャンプする。
Ｓ３５：表示部４４に異常表示指令信号を与える。
Ｓ３６：エンド。

本自動ねじ締め機１は、操作部４３のスタートスイッチ（図示せず）が押されると、制御部４０において、ねじ締め作業毎に固有の作業コードが生成される。また、制御部４０は、記憶部４２の参照エリアに設定された識別コードを参照し、これに対応する特性波形情報が書き込まれた特性テーブルから目標トルク値、目標トルク上限値および目標トルク下限値を読み込んで設定する。さらに、制御部４０は、特性テーブルから角度測定基準トルク値に対応する理想トルク値が生じる回転角度を選択または演算し、これを回転角度初期値として設定する。

続いて、往復駆動ユニット２のモータ２０が駆動してボールねじ機構２１を作動させる。これにより、ナット部材２１ａおよびツールテーブル２２が下降するため、ツールユニット３のドライバビット３１は、その移動路上に設けられた保持チャック（図示せず）に予め保持されたねじをワークのめねじに押し出す。この時、ツールユニット３のモータ３０も駆動し、ドライバビット３１は回転しており、これにより、ねじはドライバビット３１に係合して回転伝達を受け、ワークのめねじにねじ込まれる。

制御部４０は、前述のモータ３０の駆動開始直後からトルク検出部４８によって検出されるねじの締付トルクを監視し、これが角度測定基準トルク値に達すると、パルス計測部４６にエンコーダ３０ａのパルス信号の積算指令を与える。これを受けたパルス計測部４６は、エンコーダ３０ａの発するパルス信号の積算を開始し、制御部４０は、このパルス計測部４６のパルス積算値を参照することで、都度、ねじの回転角度を求める。これにより、例えば、ねじのねじ部先端がワークのめねじ入口に喰い付き始めた時点や、ねじの頭部座面がワークに着座して締付トルクが高まりかけた時点等を検知し、ここからのねじの回転角度を知ることができる。なお、制御部４０は、予め角度測定基準トルク値に対応する理想トルク値が生じる回転角度を特性テーブルから選択または演算し、これを回転角度初期値として保持している。そして、この回転角度初期値に前記パルス積算値から得られる回転角度を加算して、これを実際のねじの回転角度（実回転角度）とする。これにより、特性波形情報における回転角度情報と、実際にねじ込まれているねじの実回転角度とを整合させ、後述の特性波形情報と締付トルク値との比較を正確に行うことができる。

パルス信号の積算が始まった後、制御部４０は、所定のサンプリングタイムでトルク検出部４８から締付トルクを読み込むとともに、パルス積算値からねじの実回転角度を割り出す。そして、割り出した実回転角度に対応する理想トルク値、同上限値および同下限値を特性テーブルから選択または演算し、これらで規定される範囲内に締付トルク値が収まっているかどうかを判定する。このようにすることで、理想的なねじの締付トルクと、実際のねじの締付トルクとを実時間・実回転角度で比較判定しながら、ワークにねじをねじ込んで締め付けることができ、ねじ込み過程における不正な締付トルクの変動等を検知し、高精度なねじ締め作業を行うことができる。

上述の締付トルクと理想トルク値の比較判定処理は、特性テーブルから読み込む理想トルク値が、既に設定している目標トルク値（理想トルク値の最大値）と等しいと判断できるまで繰り返される。その過程で締付トルク値が理想トルクの許容範囲から外れた場合は、その時点で、ねじ締め作業は中止される。また、最終的に目標トルク値の許容範囲（目標トルクの上限値と下限値で規定される範囲）内に締付トルクが収まっていることが確認されると、ねじ締め作業は正常に終了する。なお、比較判定処理に用いた実回転角度と締付トルクとは、都度作業テーブルに書き込まれて記憶される。この作業テーブルは、作業中止時または作業終了時に、識別コードと一緒に作業コードをキーにして記憶部に保存される。このため、以前に行ったねじ締め作業のデータを後から呼び出し、確認・利用することが可能である。

ねじ締め作業が途中で中止された場合と、正常に終了した場合の何れにおいても、表示部の液晶画面には、最終的な比較判定処理に使った締付トルクが表示されるとともに、特性テーブルにおける理想トルク値、理想トルク上限値および理想トルク下限値の各波形と、作業テーブルに記録された締付トルクの波形とが描画される。図７に示したのは、その一例であり、図７（ａ）は、目標トルク値まで正常にねじ締めが行われた場合の各トルク波形の表示状態を示す。また、図７（ｂ）は、異物の噛み込みやねじ部の成形不良等の原因で、ねじ込み過程において締付トルクが理想トルク上限値を超えた場合の各トルク波形の表示状態を示す。このように、理想トルク値と実際の締付トルクの各波形を表示することにより、作業者においては、ねじ締め作業の経過をイメージ的に確認できるとともに、異常が発生した場合には、その発生位置の特定や異常トルクによる影響の度合い等を容易に推定することが可能になる。このほか、ねじ締め作業が途中で中止された場合には、表示部の液晶画面に「締付トルク異常」の表示がなされるとともに、液晶画面と併設されている異常発生ＬＥＤが点灯する。また、ねじ締め作業が正常に終了した場合には、表示部の液晶画面に「正常終了」の表示がなされるとともに、液晶画面と併設されているねじ締め正常ＬＥＤが点灯する。

ねじ締め正常終了あるいはねじ締め中止の何れの場合にも、モータの駆動が停止された後、往復駆動ユニットの復動により、ツールユニットは原位置に戻り、次のねじ締め作業に備えて待機する。

以上の説明では、ねじの締付トルクが角度測定基準トルク値に達したのを受けてねじの回転角度を計測するようにしたが、ねじのねじ部先端がワークのめねじ入口に達したことをモータのエンコーダの信号から判別し、これを回転角度計測開始の契機としても、同様の効果を得ることができる。また、ねじの実回転角度を特許請求の範囲に記載の締付トルクを取得したねじ込み位置の位置情報の一例とし、これを基準として理想トルク値を読み込み、これと締付トルクとを比較し、ねじ締めの良否を判定するようにした。しかし、この他にも、例えば、ねじ込み位置の位置情報を作業時間とし、時系列で締付トルクと理想トルク値とを比較するようにしても同様の効果を得ることができる。ただし、このように時系列を用いる場合には、モータ３０の回転速度、すなわちドライバビット３１の回転速度に応じて、同じねじでも、ねじ込み位置の対時間的変化が異なる。したがって、ねじ込み位置の位置情報に時系列を用いる場合には、モータ３０の回転速度を理想トルクを得た時の回転速度に一致させたり、ねじ締め制御において回転速度パラメータに応じた補正を行う等の処置を講じておくことが必要である。

さらに、角度測定基準トルク値は、操作部４３を操作して表示部４４に所望の特性テーブルを表示し、この中から所望の理想トルク値を選択して設定するようにしてもよい。また、角度測定基準トルクを２つ設定できるようにし、この２つの角度測定基準トルクで規定される回転角度の区間に限って（または、この区間を除外した区間に限って）、締付トルクと理想トルク値との比較を行うように構成してもよい。こうすることで、ねじ締め良否判定の自由度、利便性を高めることができる。

本発明に係る自動ねじ締め機のブロック説明図。本発明に係る自動ねじ締め機要部のブロック説明図。本発明に係る自動ねじ締め機のねじ締め制御前段のフローチャート。本発明に係る自動ねじ締め機のねじ締め制御中段のフローチャート。本発明に係る自動ねじ締め機のねじ締め制御後段のフローチャート。本発明に係る自動ねじ締め機のねじ締め終了表示制御のフローチャート。本発明に係る自動ねじ締め機におけるトルク波形表示の説明図。

符号の説明

１自動ねじ締め機
２往復駆動ユニット
３ツールユニット
４制御ユニット
２０ＡＣサーボモータ
２０ａエンコーダ
２１ボールねじ機構
３０ＡＣサーボモータ
３０ａエンコーダ
３１ドライバビット
４０制御部
４１モータ駆動部
４２記憶部
４３操作部
４４表示部
４５表示制御部
４６パルス計測部
４７昇降制御部
４８トルク検出部

Claims

ねじ頭部に係合可能なドライバビットと、このドライバビットを回転駆動する回転駆動源とを有する自動ねじ締め機であって、
ドライバビットに係合して回転伝達を受けることによりワークにねじ込まれるねじの当該ねじ込み過程において回転角度の計測を開始するための基準位置における角度測定基準トルク値をねじ締め毎に取得し、このねじ締め毎に異なる角度測定基準トルク値に対応するとともに、予め設定されたねじの種類に対応した特性波形情報を選択して、当該特性波形情報における理想トルク値に対して許容範囲を設定したトルク値と実際の締付けトルクとを比較判定する制御ユニットを有することを特徴とする自動ねじ締め機。
締付けトルクと理想トルク値とを比較判定する区間を設定可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の自動ねじ締め機。
制御ユニットは、ねじ締め作業の終了を受け、当該ねじ締め作業における締付けトルクの波形と、当該ねじ締め作業で比較判定処理に用いた理想トルク値の波形とを表示する表示部を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動ねじ締め機。
表示部は、理想トルク値の上限値と下限値との波形を締付けトルクおよび理想トルク値の各波形とともに表示するよう構成されていることを特徴とする請求項３に記載の自動ねじ締め機。