JP4600977B2 - 自動ねじ締め機 - Google Patents

Description

本発明は、ワークにねじを締付ける自動ねじ締め機に関し、詳しくは、ワークにねじを時に発生する衝撃トルクの有無を判断できる自動ねじ締め機に関する。

従来、ねじの締付トルクを検出する機能を持つトルクセンサ付きの自動ねじ締め機としては、特許文献１記載のものがある。この特許文献１に示されているのはナットランナであり、このナットランナは、支持板に取り付けられた機構部を設置して成る。この機構部は、ねじ部材に係合可能なソケットを有する出力軸を回転駆動手段に連結すると共に、この回転駆動手段と前記支持板とをトルクセンサで連結して構成されている。トルクセンサは、薄肉の筒状本体に歪ゲージを貼り付け、この歪ゲージを検出部に接続して構成されている。この構成において、回転駆動手段が駆動してソケットに回転伝達がなされ、そこに係合したねじ部材が締め付けられると、この時の締め付け反力により筒状本体に歪みが生じ、それに応じた電圧が歪ゲージから出力される。この出力電圧から検出部ではねじ部材の締め付けによって生じているトルクが検出される。

なお、歪ゲージは、回転駆動手段の駆動やソケットの回転、ナットランナ自体の操作等に伴う機械的な振動等を感受するため、これに伴うノイズ成分が歪ゲージの出力電圧に混じってしまう。このため、通常はノイズ成分の除去を目的として、検出部には遮断周波数（または中心周波数）を数十Ｈｚないし数百Ｈｚの域内に設定したフィルタ（ローパスフィルタやバンドフィルタ）が設けられる。

特開平１１−３４７８５６号公報

ソケット等のねじ係合工具を高速回転させてねじを締め付けた場合、ねじがワークに着座した時に衝撃的なトルク（以下、衝撃トルクという）が発生する。この衝撃トルクによっては、ねじを良好に締め付ける目標締付トルクよりも高いトルクでねじが締め付けられることにもなるため、この衝撃トルクの有無・大きさを検出することは、正確なねじの締め付けを行う上で重要である。しかし、この衝撃トルクの周波数成分はフィルタの遮断周波数よりも高いことがほとんどであるため、従来の装置では、衝撃トルクの周波数成分がフィルタによって遮断もしくは減衰されてしまい、よって、正確な衝撃トルクを検出することができない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、ねじの締付け時における衝撃トルクの発生の有無・大きさを正確に検出することができる自動ねじ締め機の提供を目的とする。この目的を達成するために本発明は、回転駆動手段と、この回転駆動手段の駆動を受けて回転するドライバビットと、このドライバビットに作用するねじの締付トルクに応じたトルク信号を発するトルクセンサとを備えた自動ねじ締め機であって、前記トルクセンサの発する原トルク信号のそれぞれ異なる周波数帯域を得られるように２つのフィルタを設け、これら各フィルタを通した結果得られる原トルク信号に基づく情報を比較することにより衝撃トルクの発生の有無を判断する制御ユニットを備えていることを特徴とする。

なお、前記複数のフィルタとしては、トルクセンサの原トルク信号における低いレベルの周波数帯域を通過させ得る第一のフィルタと、この第一のフィルタよりも高いレベルの周波数帯域を通過させ得る第二のフィルタとの２つのフィルタを備えていることが望ましい。また、前記制御ユニットは、各フィルタを通過した後の原トルク信号に基づく情報の乖離率を求め、この乖離率を比較して衝撃トルクの発生の有無を判断するものであることが好ましい。

本発明の自動ねじ締め機は、例えば低いレベルの周波数成分を抽出し得るフィルタと、これよりも高いレベルの周波数成分を抽出し得るフィルタとを設け、これらフィルタを通ったトルクセンサの原トルク信号に基づく情報を比較することで衝撃トルクの発生の有無・大きさを検出することができる。このため、ノイズ成分を除去した締付トルクの検出を行いつつ、衝撃トルクの発生の有無・大きさを検出することが可能となり、正確なねじの締め付けを行うことが可能になる等の利点がある。また、制御ユニットはフィルタの乖離率から衝撃トルクの発生の有無を判断するものであるため、少ないフィルタによって衝撃トルク発生の有無を判断することが可能になるとともに、比較的簡単な処理によって衝撃トルクの発生を検知することができる等の利点がある。

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とを有する。

前記往復駆動ユニット２は、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、モータ２０の駆動を制御するコントローラ２３とからから構成されている。モータ２０は、その駆動軸の回転に応じたパルス信号を発するエンコーダ２０ａを有しており、このエンコーダ２０ａのパルス信号から後記ドライバビット３１の移動位置を判別できるようになっている。

ツールユニット３は、前記ツールテーブル２２に設置されており、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の駆動軸３０ａ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おり、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を内包して一体に連結されている。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。これにより、ドライバビット３１にかかる締付トルク等の回転負荷に応じ、起歪部材３２が軸心周りにねじり弾性変形するように構成されている。なお、ここでは、起歪部材に歪みを生じさせるための原理を理解しやすく説明するため、最も原理的な構成を紹介したが、この構成ではモータ３０等の重量を起歪部材３２で支えなくてはならない構造となり、トルク検出の安定性・信頼性に欠ける。よって実際には、特開平４−１３５１３１号公報に示される遊星歯車機構を用いた構成とすることが好ましい。

起歪部材３２の表面には、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（以下、この信号を原トルク信号という）が変化するものであり、これら起歪部材３２と歪みゲージ３４・・・とによってトルクセンサが構成されている。また、歪みゲージ３４・・・は、図２に示すように特許文献１に開示されているのと同様のホイートストンブリッジ回路を構成し、増幅器３５およびアナログ／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の後記制御部４０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、目標締付トルク値や後記乖離率の上限値及び下限値等、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した記憶部４２と、前記目標締付トルク値等の各種パラメータおよび各種信号の入力を行う操作部４３と、各種情報を表示する表示部４４と、前記コントローラ２３等の外部機器との通信を行う入出力部４５とから構成されている。

前記記憶部４２には、ディジタルフィルタとしての機能を提供するソフトウェア（以下、フィルタソフトという）も設定されている。このフィルタソフトは、前記Ａ／Ｄ変換部３６から送られるディジタル化された原トルク信号を予め設定された二種類の遮断周波数によりフィルタリングし、各遮断周波数よりも低い周波数成分をそれぞれ抽出するものである。この二種類の遮断周波数は、機械的な振動等によるノイズ成分を除去し、本来のトルク成分のみで成る周波数成分を抽出するための低域遮断周波数と、この低域遮断周波数よりも高域であって、衝撃トルクの周波数成分も抽出できる高域遮断周波数とから成る。このフィルタソフトにより、一のトルク信号を低域遮断周波数による第一のフィルタを通ったトルク信号と、高域遮断周波数による第二のフィルタを通ったトルク信号との二種類のトルク信号に変換することができる。以下の説明では、これら二種類のトルク信号を区別するため、低域遮断周波数によりフィルタリングして得られたトルク信号を判定用トルク信号といい、高域遮断周波数によりフィルタリングして得られたトルク信号を検査用トルク信号という。

前記制御部４０は、図３及び図４に示すように、
Ｓ０１：往復駆動ユニット２のコントローラ２３からのねじ締めスタート信号の入力待ち。
Ｓ０２：フラグをＯＦＦにする。
Ｓ０３：モータ駆動部４１に駆動指令信号を送信。
Ｓ０４：Ａ／Ｄ変換部３６から原トルク信号を読み込む。
Ｓ０５：フィルタソフトの低域遮断周波数によりフィルタリングした判定用トルク信号を得る。
Ｓ０６：フィルタソフトの高域遮断周波数によりフィルタリングした検査用トルク信号を得る。
Ｓ０７：判定用トルク信号を判定用トルク値に換算する。
Ｓ０８：検査用トルク信号を検査用トルク値に換算する。
Ｓ０９：判定用トルク値と検査用トルク値との乖離率を求める。
Ｓ１０：判定用トルク値が目標締付トルク値に達したかどうかを確認。達していない場合はＳ１２にジャンプ。
Ｓ１１：フラグをＯＮにする。
Ｓ１２：乖離率が許容範囲内にあるかどうか確認。許容範囲内にない場合はＳ１５にジャンプ。
Ｓ１３：フラグがＯＮかどうか確認。ＯＦＦの場合はＳ０４にジャンプ。
Ｓ１４：表示部４４に正常完了表示指令信号を送信し、Ｓ１６にジャンプ。
Ｓ１５：表示部４４に異常完了表示指令信号を送信。
Ｓ１６：モータ駆動部４１に停止指令信号を送信。
Ｓ１７：往復駆動ユニット２のコントローラ２３に作業完了信号を送信。
Ｓ１８：エンド。
となるねじ締め制御を実行する。

次に本発明に係る自動ねじ締め機の作用を述べる。
保持手段（図示せず）に保持されたねじがワークのめねじ直上に配置された状態で、往復駆動ユニット２のコントローラ２３のスタートスイッチ（図示せず）が入力されると、モータ２０が駆動し、これによりボールねじ機構２１のナット部材２１ａが図上下方へ移動して、ツールテーブル２２及びツールユニット３が下降する。これにより、ドライバビット３１がねじの頭部に接する位置まで下降すると、エンコーダ２０ａのパルス信号数が所定の設定値に達する。これを受けてコントローラ２３から制御部４０には、入出力部４５を介してねじ締めスタート信号が送られ、これによりモータ３０が駆動してドライバビット３１に回転伝達がなされ、ドライバビット３１は回転しながらねじの駆動穴に係合し、ねじを保持手段から押し出してワークのめねじに締め込む。

ねじ締めに伴うねじの締付トルクは、ドライバビット３１、モータ３０を通じて起歪部材３２に伝わり、これを受け、起歪部材３２は相応に弾性ねじれ変形する。これにより、歪みゲージ３４・・・の原トルク信号に変化が生じる。この歪みゲージ３４・・・の原トルク信号は、増幅器３５において所定のゲインで増幅され、Ａ／Ｄ変換部３６によりディジタル化されて制御部４０に送られる。制御部４０は、このディジタル化された原トルク信号をフィルタソフトで処理し、判定用トルク信号と検査用トルク信号とを得る。そして、これらから判定用、検査用の各トルク値を求め、判定用トルク値が記憶部４２に記憶されている目標締付トルク値に達したか否かを判断する。また制御部４０は、判定用トルク値と検査用トルク値がどれだけかけ離れているかを示す乖離率を算定する。この乖離率は、（検査用トルク値／判定用トルク値）×１００（％）により求める。

前記乖離率は、例えばねじが高速回転しながらワークに着座した時に衝撃トルクが発生した場合などに大きくなる。つまり、判定用トルク信号では衝撃トルクに係る周波数成分が減衰または除去されてしまうが、検査用トルク信号では同周波数成分が確実に抽出されるため、この結果、衝撃トルク発生時の乖離率が大きくなるのである。制御部４０は、この乖離率が許容範囲内にあるかどうかをチェックし、これが許容範囲外となった場合は、衝撃トルクが発生したものと判断する。この場合、表示部４４には衝撃トルク発生を示すエラーメッセージやエラーコードが表示されるとともに、その時の検査用トルク値すなわち衝撃トルク値が表示される。また、モータ３０の駆動は停止され、ねじ締め作業が中止される。

乖離率が許容範囲を外れることなく判定用トルク値が目標締付トルク値に達すると、表示部４４には最終的な判定用トルク値とともに、ねじ締めが正常に完了したことを示すＬＥＤ点灯等がなされる。そして、モータ３０の駆動が停止してねじ締め作業が完了するとともに、入出力部４５を介してコントローラ２３に作業完了信号が送られ、往復駆動ユニット２の復動によりツールユニット３が原位置に復帰する。

なお、本実施形態においては、原トルク信号に基づく情報として判定用トルク値と検査用トルク値とを採用し、これらから乖離率を求める例を紹介したが、これらトルク値を得る前段の判定用トルク信号および検査用トルク信号も原トルク信号に基づく情報たり得るものであり、これらから乖離率を求めて処理するようにしてもよい。また、二種類の遮断周波数によりフィルタリングする例を述べたが、遮断周波数はより多くともよい。さらに、ソフトウェアによるフィルタでなく、ハードウェアによるフィルタ回路を構成しても得られる効果は同様である。

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後段のフローチャート。

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
２０ ＡＣサーボモータ
２０ａ エンコーダ
２１ ボールねじ機構
３０ ＡＣサーボモータ
３１ ドライバビット
３２ 起歪部材
３４ 歪みゲージ

Claims (3)

1. 回転駆動手段と、この回転駆動手段の駆動を受けて回転するドライバビットと、このドライバビットに作用するねじの締付トルクに応じたトルク信号を発するトルクセンサとを備えた自動ねじ締め機であって、
   前記トルクセンサの発する原トルク信号のそれぞれ異なる周波数成分を得られるように２つのフィルタを設け、これら各フィルタを通した結果得られる原トルク信号に基づく情報を比較することにより衝撃トルクの発生の有無を判断する制御ユニットを備えていることを特徴とする自動ねじ締め機。
2. トルクセンサの原トルク信号における低いレベルの周波数成分を抽出し得る第一のフィルタと、この第一のフィルタよりも高いレベルの周波数成分を抽出し得る第二のフィルタとの２つのフィルタを備え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。
3. 制御ユニットは、各フィルタを通過した後の原トルク信号に基づく情報の乖離率を求め、この乖離率を比較して衝撃トルクの発生の有無を判断するものであ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。

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