JP5466495B2 - 締結工具システム - Google Patents

Description

本発明は、産業機械や車両等に用いられるボルト・ナットの締結力を制御可能な締結工具システムに関する。

従来の締結工具システムとしては、例えば特許文献１に示すような、ボルトの軸力検出を行うトルク・レンチを用いたものがある。

前記トルク・レンチは、ボルトの頭部に嵌合してボルトの締付トルクを付与するためのソケット及びボルトの軸力を検出するための超音波センサを備えている。このトルク・レンチでは、コントローラの制御によって超音波センサによるボルトの軸力検出を行いながら、軸力値が設定値に達するまでボルトの締め付けを行わせることができる。

従って、ボルトの軸力管理によって締結力を確実に制御することができる。

しかしながら、ボルトの軸力管理のみでは、ねじ面や座面の摩擦係数に応じて締付トルクが大きくなると、ボルトの軸力値が設定値となる前にボルトが降伏して破断するおそれがあった。

特開２０００−７４７６４号公報

解決しようとする問題点は、ボルトの軸力値が設定値となる前にボルトが降伏するおそれがある点である。

本発明は、ボルトの軸力値が設定値となる前のボルトの降伏を抑制するために、締結工具に回転自在に設けられナット又はボルトの頭部に嵌合して前記ナットとボルトとを締め付け又は前記ボルトを基材に対して締め付けるためのソケットと、該ソケットを回転駆動して前記ナット又はボルトに締付トルクを付与する駆動部と、前記ボルトに作用する軸力を検出する軸力検出部と、前記駆動部の駆動制御によって前記締付トルクを制御する制御部と、前記締付トルクを検出するトルク検出部とを備え設け、前記制御部は、前記締付トルクと前記軸力とに基づく前記ボルトの応力が降伏応力に達するときに前記締付トルクの増加を停止することで前記軸力が設定値となるまで前記ナット又はボルトの締め付けを行わせる締結工具システムであって、前記ボルトの応力は、締付トルクをＴ、ボルトの軸力をＦ、ねじ有効直径をｄ _２ 及びねじ谷径をｄ _３ の平均であるボルトの直径をｄ _ｓ 、座面の等価直径をｄ _ｗ 、ねじ面及び座面の摩擦係数μとした場合に、以下の式
に基づいて求められることを特徴とする。

本発明の締結工具システムは、ねじ面や座面の摩擦係数に応じて締付トルクが大きくなった場合でも、ボルトの軸力値が設定値となる前のボルトの降伏を抑制することができる。

締結工具システムの概略図である（実施例１）。 ナットをボルトに締結する軸力検出締結作業を示し、（ａ）は締結工具の装着前、（ｂ）は締結工具の装着後締結開始時、（ｃ）は締結完了時の説明図である（実施例１）。 締結防止制御を示すフローチャートである（実施例１）。 軸力と締付トルクとの関係による降伏応力を軸力の設定値と共に示すグラフである（実施例１）。 変形例に係る締結工具システムの要部拡大断面図であり、（ａ）はボルトを基材に締結する軸力検出締結作業、（ｂ）はボルトをウェルド・ナットに締結する軸力検出締結作業を示している（実施例１）。 降伏実験の概略を示す断面図である（実施例２）。 軸力及び締付トルクと締付回転角度との関係においてボルトの降伏を示すグラフである（実施例２）。 降伏締付トルク及び降伏軸力の対応関係を示し、左欄が計算によって得られた計算値であり、右欄が実験によって得られた実測値である（実施例２）。 降伏防止制御を示すフローチャートである（実施例２）。

ボルトの軸力値が設定値となる前のボルトの降伏を抑制するという目的を、締付トルクと軸力との双方を管理することで実現した。

図１は、本発明の実施例１に係る締結工具システムの概略図である。
［締結工具システムの構成］
図１のように、締結工具システム１は、締結工具３と、制御部としてのコントローラ５とを備えている。

前記締結工具３は、工具本体７と、ソケット９と、超音波センサ１１と、駆動部１３とを有している。工具本体７は、中空のレバー部１５と、中空のレバー・ヘッド１７とが一体に形成されたものである。この工具本体７は、作業者がレバー部１５を片手で把持できるようになっている。

前記レバー・ヘッド１７は、その軸心がレバー部１５の軸心に対して直交している。レバー・ヘッド１７の軸心部には、キー溝１９を備えた支持筒取付穴２１が設けられている。支持筒取付穴２１内には、インナー・ソケット支持筒２３が着脱自在に設けられている。

インナー・ソケット支持筒２３は、その取付端２５に雄ねじ部２７とキー溝２９とが設けられている。取付端２５は、レバー・ヘッド１７の支持筒取付穴２１に挿入され、ナット３１により固定されると共にキー溝１９，２９に嵌合するキー３３で回り止めがなされている。

前記インナー・ソケット支持筒２３の先端側内周には、軸心方向に沿ったインナー・スプライン３５を備えた係合穴３７が設けられている。係合穴３７の軸心方向内側には、スプリング支持穴３９が設けられている。スプリング支持穴３９は、貫通孔４１を介して前記取付端２５外に連通している。

前記ソケット９は、工具本体７のレバー・ヘッド１７に回転自在に支持され、回転連動部４３及びナット駆動部４５を備えている。

回転連動部４３及びナット駆動部４５は、筒状に形成され、回転連動部４３の係合凹部４７及びナット駆動部４５の係合凸部４９を介して相互に嵌合している。この回転連動部４３及びナット駆動部４５は、回転連動部４３に螺合するナット部材５１により、ナット駆動部４５の係合フランジ５３が締結力を受けて相対回転不能に締結結合されている。

前記回転連動部４３は、レバー・ヘッド１７に螺合するキャップ５５に対してベアリング５７によって回転自在に支持されている。従って、ソケット９は、工具本体７に対して回転自在に支持されている。回転連動部４３の内周側には、軸心方向に貫通する嵌合軸穴５９を有している。嵌合軸穴５９は、インナー・ソケット支持筒２３の外周囲に嵌合し、回転連動部４３は、インナー・ソケット支持筒２３に対し相対回転可能となっている。

回転連動部４３の基部側の端部内周は、ニードル・ベアリング６１によってインナー・ソケット支持筒２３の取付端２５側に回転自在に支持されている。回転連動部４３の基部側の端部外周には、回転連動用のベベル・ギヤ６３が設けられている。

前記ナット駆動部４５は、先端部にナットに嵌合するナット嵌合部６７が形成されている。ナット嵌合部６７は、例えば六角ナットに対応して嵌合できるように、断面六角に形成されている。このナット嵌合部６７の嵌合により、ソケット９は、その回転による締付トルクをナットに対して付与するようになっている。

ナット嵌合部６７の奧壁６９には、断面円形のインナー・ソケット挿通穴７１が設けられ、奥壁６９に隣接して前記インナー・ソケット挿通穴７１に連通する嵌合軸穴７３が設けられている。嵌合軸穴７３は、回転連動部４３の嵌合軸穴５９と同径に形成され、インナー・ソケット支持筒２３の外周囲に嵌合する。これにより、ナット駆動部４５は、インナー・ソケット支持筒２３に対し相対回転可能となっている。

インナー・ソケット支持筒２３の係合穴３７内には、筒状のインナー・ソケット７５が収容されている。これにより、インナー・ソケット７５は、ソケット９内に同心状に配置されている。

インナー・ソケット７５の基端部外周には、雄スプライン７７が設けられている。雄スプライン７７は、インナー・ソケット支持筒２３のインナー・スプライン３５にスプライン嵌合している。従って、インナー・ソケット７５は、インナー・ソケット支持筒２３に対し、回転不能、且つ、軸心方向へ相対移動可能となっている。

前記インナー・ソケット７５の基端面には、ばね座嵌合穴７９が設けられている。インナー・ソケット７５の基端面とインナー・ソケット支持筒２３の奧壁との間には、ソケット付勢部材としてソケット・スプリング８１が介設されている。インナー・ソケット７５は、その先端部がソケット９のインナー・ソケット挿通穴７１からナット嵌合部６７内へ臨む構成となっている。

インナー・ソケット７５の先端部には、ボルト先端の回り止め用の係合部を係止する係止部としてインナー・セレーション８３を有している。すなわち、インナー・ソケット７５の先端には、係止部を構成する凹部８５が設けられている。この凹部８５の内周面には、インナー・セレーション８３が設けられている。

前記インナー・ソケット７５の軸心部には、センサ挿通穴８７が貫通形成されている。インナー・ソケット７５のセンサ挿通穴８７には、超音波センサ１１が挿通されている。

超音波センサ１１は、インナー・ソケット７５のセンサ挿通穴８７に軸心方向へ可動支持されている。これにより、超音波センサ１１は、インナー・ソケット７５を介して工具本体７側に支持された構成となっている。

超音波センサ１１の先端は、インナー・ソケット７５の凹部８５内に臨んでいる。この超音波センサ１１は、ボルト先端に当接した状態で超音波を出入力し、ボルトの軸力検出に用いるものである。

前記超音波センサ１１は、中間部のばね座８９とインナー・ソケット支持筒２３のスプリング支持穴３９との間に介設された付勢部材としてのセンサ・スプリング９１によって、ボルト側へ向けて付勢されている。超音波センサ１１のばね座８９は、インナー・ソケット７５のばね座嵌合穴７９に離脱可能に嵌合している。

前記超音波センサ１１の基端側には、配線としてのリード線９５が取り付けられている。リード線９５は、センサ・スプリング９１の内側を通ってスプリング支持穴３９側に延設されている。スプリング支持穴３９からは、リード線９５が貫通孔４１に取り付けられたグロメット９７を貫通してレバー・ヘッド１７外部に引き出されている。レバー・ヘッド１７外部では、リード線９５が軸力計９９に接続されている。

軸力計９９は、後述するコントローラ５の制御によって、超音波センサ１１に対して超音波の出入力（送受信）を行わせる。この軸力計９９は、超音波センサ１１で出入力する超音波に基づいてボルトに作用する軸力値を求めるように構成されている。求めた軸力値は、例えば図示しないディスプレイ等に表示される。

前記駆動部１３は、電動モータ１０１を備えている。電動モータ１０１は、後述するコントローラ５によって駆動制御されるようになっている。この電動モータ１０１は、駆動軸１０３を介してソケット９に連動連結されている。

駆動軸１０３は、前記工具本体７のレバー部１５内にニードル・ベアリング１０５等によって回転自在に支持されている。駆動軸１０３の先端部には、ベベル・ギヤ１０７が設けられている。ベベル・ギヤ１０７は、前記ソケット９のベベル・ギヤ６３に噛み合っている。

従って、前記駆動部１３は、電動モータ１０１の駆動制御により、駆動軸１０３を介してソケット９を回転駆動する。

前記コントローラ５は、情報処理装置などによって構成され、センサ制御部１０９と、モータ制御部１１１と、演算部１１３と、警告部１１５とを備えている。

センサ制御部１０９は、超音波センサ１１の軸力計９９に接続され、軸力計９９を介して超音波センサ１１に対する超音波の出入力制御を行う。

このセンサ制御部１０９には、超音波センサ１１の軸力計９９で検出されたボルトの軸力値が入力される。従って、コントローラ５のセンサ制御部１０９は、超音波センサ１１及び軸力計９９と共に軸力検出部１１７を構成している。前記入力された軸力値は、センサ制御部１０９から演算部１１３に出力される。

なお、コントローラ５のセンサ制御部１０９は、超音波センサ１１で出入力する超音波に基づいてボルトの軸力値を求める構成や軸力計９９を省略してその機能を有する構成としてもよい。また、軸力検出部としては、超音波センサを用いたものに限られず、例えば、電磁力測定によるもの、ひずみゲージやロードワッシャを用いたものを採用することも可能である。

前記モータ制御部１１１は、電動モータ１０１に接続されて電動モータ１０１の駆動制御を行う。かかる駆動制御により、モータ制御部１１１は、ソケット９の回転力を調整して締付トルを制御することができる。また、モータ制御部１１１は、電動モータ１０１の駆動力に応じてソケット９の締付トルク値を検出することができる。

従って、コントローラ５のモータ制御部１１１は、電動モータ１０１と共にトルク検出部１１９を構成している。なお、モータ制御部１１１とは別に、トルク検出部を設ける構成としてもよい。

前記検出された締付トルク値は、モータ制御部１１１から演算部１１３に出力される。モータ制御部１１１は、演算部１１３からの演算結果に応じて電動モータ１０１を駆動制御する。

前記演算部１１３は、センサ制御部１０９及びモータ制御部１１１からの軸力値及び締付トルク値が入力される。この演算部１１３は、入力された軸力値及び締付トルク値からボルトの応力値を求め、このボルトの応力値が降伏応力値に達するか否かを演算する。演算結果は、演算部１１３からモータ制御部１１１及び警告部１１５に出力される。前記演算部１１３は、ボルトの軸力値が設定値となっているか否かの演算も行うように構成されている。

前記警告部１１５は、演算部１１３での演算結果が入力される。この警告部１１５は、演算結果の入力に応じてディスプレイ、スピーカー、警告ランプ等の警告発生部１２１に映像、音声、光等の警告を発生させるように構成されている。
［締結作業］
本実施例の締結工具システム１では、ボルト１２３の軸力検出に基づく締結作業に加えて、ボルト１２３の降伏防止制御を行う。
（軸力検出締結作業）
図２は、ナットをボルトに締結する軸力検出締結作業を示し、（ａ）は締結工具装着前、（ｂ）は同装着後締結開始時、（ｃ）は締結完了時の説明図である。図２は、例えばボルト１２３及びナット１２５によって車両のサスペンション・ストラットのボス部及びナックル・アーム等の被締結部材１２７の締結を行う構成を示している。

かかる締結作業では、ボルト１２３の軸力が設定値となるまでナット１２５をボルト１２３に対して締め付ける。

前記ボルト１２３は、雄ねじ部を備えた軸部１２９を備えている。軸部１２９の一端には頭部１３１が設けられ、同他端にはピン・テール１３３が設けられている。ピン・テール１３３は、回り止め用の係合部としてのセレーションで形成されている。このピン・テール１３３は、ボルト１２３の軸部１２９他端と共に被締結部材１２７を挿通している。前ナット１２５は、ボルト１２３の軸部１２９他端に螺合している。

この状態で、ナット１２５をボルト１２３の軸部１２９に締め込むには、図２（ａ）の状態から図２（ｂ）のように締結工具３を装着配置し、ソケット９のナット嵌合部６７にナット１２５を嵌合させる。このとき、インナー・ソケット７５の凹部８５がボルト１２３のピン・テール１３３にセレーション係合する。同時に、超音波センサ１１の先端がボルト１２３の先端面に当接する。

図２（ｂ）の装着状態で、作業者の操作に応じて、コントローラ５のモータ制御部１１１により工具本体７側の電動モータ１０１を適宜駆動させる。同時に、コントローラ５のセンサ制御部１０９により軸力計９９を介して超音波センサ１１から超音波を発信させる。

前記電動モータ１０１の駆動によって駆動軸１０３が回転駆動されると、ベベル・ギヤ１０７，６３を介してソケット９が回転駆動される。このとき、インナー・ソケット７５が工具本体７側のインナー・ソケット支持筒２３に回転不能に支持されているため、インナー・ソケット７５が静止し、その周りでソケット９のみが回転する。

このソケット９の回転により、ナット１２５が締付トルクを付与されて回転しボルト１２３に締め込まれる。このとき、ボルト１２３は、ピン・テール１３３がインナー・ソケット７５の凹部８５にセレーション係合することによって、工具本体７側に対し回り止めが行われる。従って、ソケット９の回転駆動によって、ボルト１２３の回り止めを行いながら、ナット１２５を確実に締め込むことができる。

このナット１２５の締め込みの際には、ナット１２５に対しピン・テール１３３側がインナー・ソケット７５側へ締め込みに応じて突出することになる。このときは、ソケット・スプリング８１の付勢力に抗してインナー・ソケット７５が後退すると共に、センサ・スプリング９１の付勢力に抗して超音波センサ１１が後退する。

従って、インナー・ソケット７５がピン・テール１３３に対してセレーション係合を確実に維持することができ、ボルト１２３の回り止めを確実に維持することができる。また、超音波センサ１１の先端がボルト１２３の先端面に当接する状態を確実に維持することができる。

前記超音波センサ１１が発信（出力）した超音波は、ボルト１２３の頭部１３１端面で反射し、該反射波が超音波センサ１１によって受信（入力）される。この超音波の発信、受信により、軸力計９９は、超音波を発信させた時点から反射波を受信した時点までの経過時間を、超音波がボルト１２３の軸心長さ方向に往復するために必要な往復時間として求め、この往復時間からボルト軸部１２９の軸心長さを求める。

そして、軸力計９９は、ナット１２５の締め付けに伴うボルト１２３の軸心長さの伸び率を求め、この伸び率と比例関係にあるの軸部１２９に作用する軸力値を求めて、ディスプレイ等に出力する。

作業者は、ディスプレイ等に表示された軸力値を確認することによって、表示された軸力値が設定値となったとき、電動モータ１０１の回転を停止させる。或いは、コントローラ５のモータ制御部１１１の制御により、予め設定した軸力値で電動モータ１０１を自動停止させる。

この停止により、図２（ｃ）のようにサスペンション・ストラットのボス部とナックル・アームとの間の締結等、被締結部材１２７のボルト１２３及びナット１２５による締結を設定された軸力によって正確に行わせることができる。結果として、ボルト１２３及びナット１２５による締結力を確実に制御することができる。
（降伏防止制御）
上記軸力検出締結作業の際には、コントローラ５によるボルト１２３の降伏防止制御が並行して行われる。降伏防止制御では、ボルト１２３の軸力が設定値となるまでの間に、逐次変化するナット１２５の締付トルクとボルト１２３の軸力とを実測する。そして、コントローラ５は、前記締付トルクと前記設定値となる前の軸力とに基づくボルト１２３の応力が降伏応力に達するときに締付トルクの増加を停止する。

図３は、降伏防止制御を示すフローチャートである。降伏防止制御は、軸力検出締結作業の開始と共にスタートし、ステップＳ１からの処理が実行される。

ステップＳ１では、軸力及び締付トルクの検出処理が行われる。すなわち、コントローラ５のモータ制御部１１１は、駆動制御による電動モータ１０１の駆動力値に応じて、ソケット９の締付トルク値の検出を行う。

また、センサ制御部１０９は、超音波センサ１１の軸力計９９で求められたボルト１２３の軸力値の入力を受けて、その軸力値の検出を行う。

かかる検出処理が完了すると、ステップＳ２に移行する。

ステップＳ２では、軸力値及び締付トルク値の入力処理が行われる。すなわち、コントローラ５の演算部１１３には、モータ制御部１１１からソケット９の締付トルク値が入力されると共に、センサ制御部１０９からボルト１２３の軸力値が入力される。こうして入力処理が行われると、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、ボルト１２３の応力値計算処理が行われる。すなわち、演算部１１３は、入力された軸力値及び締付トルク値からボルト１２３の応力値を求める。

応力値計算は、以下の（式１）〜（式３）に基づいて行われる。

すなわち、ボルトに使用される材料の降伏は、引張応力σとせん断応力τとが同時に作用した場合、等価応力σ_ｅｑが降伏応力σ_ｙ以上となったときに起こり、その条件を次式で表すことができる。

これをボルトに適用した場合、締付トルクをＴ、軸力をＦ、直径をｄ_ｓ（ねじ有効直径をｄ_２及びねじ谷径をｄ_３の平均ｄ_ｓ＝（ｄ_ｓ＋ｄ_３）／２）、座面の等価直径をｄ_ｗ、ねじ面及び座面の摩擦係数μとすると、ボルトの降伏応力σ_ｙに等しい限界応力は次式で表すことができる。

ここで、（式２）の摩擦係数μは、ねじの外径（呼び径）をｄ、ねじのピッチをＰ、山直角フランク角をα’とすると、次式で表すことができる。

かかる（式２）及び（式３）より、ボルトの応力は、軸力及び締付トルクと共に増加して降伏応力に近づき、ボルトの応力が降伏応力に達する時の降伏軸力及び降伏締付トルク（ボルトの限界応力時の限界軸力及び限界締付トルク）は、一方の増加によって他方が減少する負の相関関係となっていることがわかる。

図４は、軸力と締付トルクとの関係による降伏応力を軸力の設定値と共に示すグラフである。図４の縦軸は軸力であり横軸は締付トルクである。

降伏応力は、前記降伏軸力及び降伏締付トルクの相関関係によって、図４のように推移して降伏限界線１３２を描く。

かかる降伏限界線１３２と軸力の設定値１３４との交点Ｐまでは、線分１３６のように締付トルクが増加しても降伏軸力が軸力の設定値１３４を下回ることはない。このため、ボルトの軸力が設定値となるまで締結作業を行わせることができる。

これに対し、ねじ面や座面の摩擦係数が相対的に高い場合には、締付トルクが降伏限界線１３２と軸力の設定値１３４との交点Ｐを越えて増加することがある。この場合は、線分１３８のように降伏軸力が軸力の設定値を下回るため、ボルトの軸力が設定値となる前に降伏軸力に達することになる。従って、ボルトの軸力管理のみでは、ボルトの降伏を防止することができない。

かかる状況においてボルトの降伏を防止するには、ボルトの軸力及び締付トルクから応力を求めて、それが降伏応力に達するか否かを判断する必要がある。

以上より、本実施例では、（式２）及び（式３）を用いて、ボルト１２３の軸力のみならずナット１２５の締付トルクに基づいてボルト１２３の応力を求めている。なお、コントローラ５には、（式２）及び（式３）の軸力及び締付トルク以外を定数として予め入力しておく。

こうして応力値計算が完了すると、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４では、演算部１１３により、ボルト１２３の応力値が降伏応力値に達するか否かの演算処理を行う。降伏応力値としては、ボルト強度区分毎に設定されている降伏応力の下限値が用いられる。例えば、ボルト強度区分が１０．９の場合は、降伏応力の下限値が９４０Ｎ／ｍｍ^２となる。なお、ボルト１２３の降伏応力の下限値は、予めボルト強度区分毎にコントローラ５に入力しておく。

そして、ボルト１２３の応力値が降伏応力値に達しない場合は、ステップＳ５へ移行し、ボルト１２３の応力値が降伏応力値に達する場合は、ステップＳ６へ移行する。

ステップＳ５では、演算部１１３により、ボルト１２３の軸力値が設定値となったか否かの演算処理を行う。軸力値が設定値となっている場合は、降伏防止制御が終了する。この場合は、前記のように作業者又はコントローラ５のモータ制御部１１１が締結作業を終了させる。軸力値が設定値に満たない場合は、ステップＳ１に戻って以下の処理を繰り返す。

ステップＳ６では、締結作業の停止処理を行う。すなわち、演算部１１３は、演算結果をモータ制御部１１１へ出力し、モータ制御部１１１は、演算結果の入力に応じて電動モータ１０１を自動的に停止させる。これにより、ナット１２５の締付トルクの増加を停止することができ、ボルト１２３の降伏を防止することができる。なお、電動モータ１０１は、駆動力の増加が無ければ、駆動状態を維持することも可能である。

次いで、ステップＳ７では、ステップＳ５同様、演算部１１３によりボルト１２３の軸力値が設定値となったか否かの演算を行う。軸力値が設定値となっている場合は、締結作業が終了すると同時に降伏防止制御が終了する。軸力値が設定値に満たない場合は、ステップＳ８へ移行する。

ステップＳ８では、警告処理が行われる。すなわち、演算部１１３は、演算結果を警告部１１５に出力し、警告部１１５は、演算結果の入力に応によって、締付トルクと設定値となる前の軸力とに基づくボルト１２３の応力が降伏応力に達するときに締付トルクの増加が停止されたものと判断する。これにより、警告部１１５は、警告発生部１２１を介して映像、音声、光信号等の警告を発生させる。

この結果、作業者は、不完全締結であること、つまりボルト１２３の応力値が降伏応力値に達する際にボルト１２３の軸力値が設定値に満たなかったことを確認することができる。この場合は、ボルト１２３及びナット１２５をばらし、潤滑油等をねじ面や座面に塗布する。こうして、作業者は、ねじ面や座面の摩擦係数を減少させて、再度の締結作業を適切に行うことができる。

こうしてステップＳ８が完了すると、降伏防止制御は終了する。
［実施例１の効果］
本実施例は、締結工具１に回転自在に設けられナット１２５に嵌合して前記ナット１２５をボルト１２３に対して締め付けるためのソケット９と、該ソケット９を回転駆動して前記ナット１２５に締付トルクを付与する駆動部１３と、前記ボルト１２３に作用する軸力を検出する軸力検出部１１７とを備え、前記軸力が設定値となるまで前記ナット１２５の締め付けを行わせる締結工具システム１において、前記駆動部１３の駆動制御によって前記締付トルクを制御するコントローラ５と、前記締付トルクを検出するトルク検出部１１９とを設け、前記コントローラ５が、前記締付トルクと前記設定値となる前の軸力とに基づく前記ボルト１２３の応力が降伏応力に達するときに前記締付トルクの増加を停止することができる。

従って、本実施例では、ねじ面や座面の摩擦係数に応じて締付トルクが大きくなった場合でも、ボルト１２３の軸力のみならずナット１２５の締付トルクをも管理して、ボルト１２３の軸力値が設定値となる前のボルト１２３の降伏や破断を抑制することができる。

この結果、本実施例では、締結作業を適切に行わせることができる。しかも、ボルト１２３の軸力値が設定値に満たない場合は、ボルト１２３が降伏や破断を起こさないため、ボルト１２３を再使用して再度の締結作業を行わせることができる。

前記締付トルクの増加停止は、駆動部１３を停止することで行われるため、より確実にボルト１２３の降伏や破断を抑制することができる。

本実施例では、警告部１１５が警告発生部１２１を介して警告を発生させることで、ボルト１２３の応力値が降伏応力値に達する際に軸力値が設定値に満たない不完全締結であることを作業者に確認させることができる。

従って、本実施例では、作業者に再度の締結作業を促すことができ、より適切に締結作業を行わせることができる。

前記ボルト１２３の応力は、締付トルクをＴ、ボルトの軸力をＦ、ねじ有効直径をｄ_２及びねじ谷径をｄ_３の平均であるボルトの直径をｄ_ｓ、座面の等価直径をｄ_ｗ、ねじ面及び座面の摩擦係数μとした場合に、以下の式

に基づいて求められる。

従って、本実施例では、締付トルクと軸力とに基づくボルト１２３の応力を確実に求めることができ、より確実にボルト１２３の降伏や破断を抑制することができる。

前記駆動部１３は、ソケット９に連動連結された電動モータ１０１を備え、前記トルク検出部１１９は、電動モータ１０１の駆動力に応じて前記締付トルクを検出する。

このため、本実施例では、前記締付トルクを容易且つ確実に検出することができる。

前記軸力検出部１１７は、ボルト１２３の軸方向端部に当接して軸力検出用の超音波を出入力する超音波センサ１１を備えているため、より容易且つ確実にボルト１２３の軸力を検出することができる。

本実施例の締結工具３は、工具本体７側に支持され前記ソケット９の軸心方向に移動可能で該ソケット９内に臨みボルト１２３先端に当接し出入力した超音波を前記ボルト１２３の軸力検出に用いるための超音波センサ１１と、該超音波センサ１１を前記ボルト１２３先端へ向けて付勢するセンサ・スプリング９１を備えている。

このため、ソケット９の軸回り回転によりボルト１２３に対しナット１２５を締め込むとき、超音波センサ１１とボルト１２３とが相対回転せず、超音波センサ１１の破損を抑制し、耐久性を向上させることができる。

前記超音波センサ１１は、センサ・スプリング９１の付勢力によりボルト１２３の先端に正確に弾接することができ、正確な軸力検知を行わせることができる。

前記ナット１２５の締め込みに際し、ボルト１２３先端がナット１２５に対し超音波センサ１１側に相対的に突出しても、超音波センサ１１がセンサ・スプリング９１の付勢力に抗して工具本体７側に後退することができ、軸力検知を行いながらボルト１２３に対してナット１２５を無理なく締め込むことができる。

前記超音波センサ１１は、工具本体７側に支持されているため、工具本体７側から超音波センサ１１に対しリード線９５をスリップ・リングを介すことなく直接的に行うことができ、耐久性を向上させることができる。

前記工具本体７に対して回転不能に支持され前記ソケット９に同心状に配置される共にボルト１２３先端のピン・テール１３３を凹部８５に対するセレーション係合により回り止め係止するインナー・ソケット７５を設け、前記超音波センサ１１を前記インナー・ソケット７５に軸心方向に可動支持したため、工具本体７側に対してインナー・ソケット７５を介しボルトの回り止めを行いながら、駆動部１３によってソケット９を回転駆動することで、ボルト１２３に対しナット１２５を容易に締め込むことができる。

前記インナー・ソケット７５が、前記工具本体７側に対して軸心方向に可動支持され、該インナー・ソケット７５を前記ボルト１２３側へ向けて付勢するソケット・スプリング８１を設けたため、ナット１２５の締め込みに応じて、ナット１２５に対しボルト１２３先端がインナー・ソケット７５側へ突出してもインナー・ソケット７５がソケット・スプリング８１の付勢力に抗して移動することができる。

このため、インナー・ソケット７５のインナー・セレーション８３によるボルト１２３先端のピン・テール１３３の回り止め係止状態とソケット９のナット嵌合部６７に対するナット１２５の嵌合状態とを正確に維持しながら、締結作業及び軸力検知を行うことができる。

前記インナー・ソケット７５が前記工具本体７側にスプライン嵌合しているため、前記インナー・ソケット７５の移動をより正確に行わせることができる。
［変形例］
図５は、本発明の実施例１の変形例に係る締結工具システムの要部拡大断面図であり、（ａ）はボルトを基材に締結する軸力検出締結作業、（ｂ）はボルトをウェルド・ナットに締結する軸力検出締結作業を示している。なお、本変形例は、上記実施例１と基本構造において共通するため、上記実施例と対応する構成部分については同符号又は同符号にＡを付して詳細な説明を省略する。

変形例に係る締結工具システム１Ａは、図５のように、ボルト１２３Ａに締付トルクを付与する軸力検出締結作業をも行わせることができるものである。

すなわち、締結工具システム１Ａでは、超音波センサ１１Ａの先端が、インナー・ソケット挿通孔７１の開口部にまで延設されている。これにより、超音波センサ１１Ａは、ボルト１２３Ａの頭部１３１先端に当接した状態で超音波を出入力可能となっている。

かかる締結工具システム１Ａは、ソケット９のナット嵌合部６７をボルト１２３Ａの頭部１３１に嵌合させると共に駆動部１３によってボルト１２３Ａに締付トルクを付与することで、前記同様に軸力検出締結作業を行わせることができる。

例えば、図５（ａ）のように、ボルト１２３Ａを雌ねじ部１３５を備えた基材１３７に締め付けて被締結部材１２７Ａを締結したり、或いは図５（ｂ）のように、ボルト１２３Ａを被締結部材１２７に固着されたウェルド・ナット１２５Ａに締め付けることができる。

このため、ボルト１２３Ａに締結トルクを付与する場合であっても、上記実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

以下、本発明の実施例２に係る締結工具システムについて説明する。なお、本実施例の締結工具システムの構成については、上記実施例１の締結工具システムと同一の構成を採用しているため、図１を参照して詳細な説明を省略する。

本実施例は、予めボルトのサンプルに対する降伏実験を行い、そのときの実測値に基づいて降伏防止制御を行うものである。
［降伏実験］
図６は、降伏実験の概略を示す断面図である。
（実験装置）
降伏実験には、超音波センサ１３９とソケット１４１とを備えた実験装置１４３が用いられる。かかる実験装置１４３の超音波センサ１３９及びソケット１４１は、図１の締結工具システム１の超音波センサ１１及びソケット９と同様に構成されている。

すなわち、超音波センサ１３９は、ボルト１２３先端に当接した状態で超音波を出入力し、ボルト１２３の軸力検出を行わせる。

前記ソケット１４１は、先端にナット１２５に嵌合するナット嵌合部１４５が形成されている。ソケット１４１内には、回転不能なインナー・ソケット１４７が設けられている。インナー・ソケット１４７は、ボルト先端の回り止めを行うインナー・セレーション１４９を有している。

前記ソケット１４１は、図示しない駆動部によって回転駆動され、ナット嵌合部１４５を介してナット１２５に対して締付トルクを付与する。ソケット１４１の回転駆動は、例えば図示しないコントローラ等によって制御される。かかる回転駆動制御により、ソケット１４１の締付トルク及び締付回転角度が検出されるようになっている。
（実験）
降伏実験では、サンプルとしてのボルト１２３が降伏するまでナット１２５をボルト１２３に対して締め付け、降伏時の降伏軸力及び降伏締付トルクの実測値を得る。

実験の際には、予めボルト１２３の軸部１２９を被締結部材１２７に挿通させて先端にナット１２５を螺合しておく。

この状態で、ナット１２５に、実験装置１４３のソケット１４１のナット嵌合部１４５を嵌合させる。このとき、インナー・ソケット１４７のインナー・セレーション１４９が、ボルト１２３のピン・テール１３３に対してセレーション係合する。併せて、ボルト１２５の頭部１３１に、実験装置１４３の超音波センサ１３９の先端を当接させる。

そして、ソケット１４１を回転駆動制御すると共に超音波センサ１３９から超音波を発信させる。これにより、実験装置１４３は、ソケット１４１の締付トルク及び締付回転角度とボルト１２３の軸力とを検出しながらナット１２５のボルト１２３に対する締め付けを行わせることができる。なお、締付回転角度は、ナット１２５が被締結部材１２７に着座してからの前記締め付けによるナット１２５或いはソケット１４１の回転角度をいう。

かかる締め付けは、前記のように、ボルト１２３が降伏するまで行われる。

図７は、軸力及び締付トルクと締付回転角度との関係においてボルトの降伏を示すグラフである。なお、図７の縦軸は軸力又は締付トルクであり、横軸は締付回転角度である。また、図７の線分１５１は軸力の変化を、線分１５３は締付トルクの変化を示している。

前記締め付けでは、図７のように、ナット１２５の締付回転角度の増加に応じてボルト１２３の軸力及びナット１２５の締付トルクが共に増加していく。この状況をモニターしていくと、ボルト１２３は、ある締付回転角度で軸力増加の線形性を失う。

従って、この時点を降伏点と判断することができ、そのときの締付回転角度を降伏角度θｙ、軸力Ｆｙを降伏軸力及び締付トルクＴｙを降伏締付トルクとして得ることができる。

このように、降伏実験では、降伏軸力の実測値と締付トルクの実測値との対応関係を得ることができる。また、ねじ面や座面の摩擦係数等を変更すれば、異なる降伏軸力の実測値と締付トルクの実測値との対応関係をも得ることができる。

結果として、例えば図８のように、複数の降伏締付トルクの実測値及び複数の降伏軸力の実測値間の対応関係を得ることができる。
図８は、ボルト径がＭ１０、強度が９．８、降伏応力が７２０Ｍｐａの降伏締付トルク及び降伏軸力の対応関係を示し、左欄が上記実施例１の計算によって得られた計算値であり、右欄が本実施例の実験によって得られた実測値である。

図８から明らかなように、計算値と実測値とを比較した場合、同一の降伏締付トルクに対する降伏軸力は、実測値の方が高いのが分かる。従って、かかる実測値に基づく降伏防止制御を行えば、計算による降伏防止制御よりも適切な制御を行わせることが可能となる。

なお、上記降伏実験では、後述するナットに締付トルクを付与する締結作業状況に応じて、ナットに締付トルクを付与していた。これに対し、上記実施例１の図５の変形例のようにボルト１２３に締付トルクを付与する締結作業を行う場合は、降伏実験もボルトに対して締付トルクを付与する必要がある。
［降伏防止制御］
図９は、降伏防止制御を示すフローチャートである。本実施例の降伏防止制御は、前記のように降伏実験での実測値に基づいて行われる。従って、降伏実験によって得られた複数の降伏締付トルクの実測値及び複数の降伏軸力の実測値間の対応関係を、予め締結工具システム１のコントローラ５に記憶しておく。

かかる降伏防止制御は、締結工具システム１による軸力検出締結作業の開始と共にスタートし、ステップＳ１１からの処理が実行される。

ステップＳ１１及びＳ１２は、上記実施例１のステップＳ１及びＳ２（図３）に対応し、それぞれ軸力及び締付トルクの検出処理、軸力値及び締付トルク値の入力処理を行う。このステップＳ１１及びＳ１２の処理が完了すると、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３では、締付トルク値（検出値）が、ボルト１２３の軸力値（検出値）に対応する降伏締付トルクの実測値に達するか否かの演算処理を行う。

締付トルク値が降伏締付トルクの実測値に達しない場合は、ステップＳ１４へ移行し、締付トルク値が降伏締付トルクの実測値に達する場合は、ボルト１２３の応力が降伏応力に達するときであると判断してステップＳ１５へ移行する。

ステップＳ１４は、上記実施例１のステップＳ５（図３）に対応し、ボルト１２３の軸力値が設定値となったか否かの演算処理を行う。軸力値が設定値となっている場合は、降伏防止制御が終了し、軸力値が設定値に満たない場合は、ステップＳ１１に戻って以下の処理を繰り返す。

ステップＳ１５は、上記実施例１のステップＳ６（図３）に対応し、締結作業の停止処理を行う。これにより、ナット１２５の締付トルクの増加を停止することができ、ボルト１２３の降伏を防止することができる。

次いで、ステップＳ１６は、上記実施例１のステップＳ７（図３）に対応し、ボルト１２３の軸力値が設定値となったか否かの演算を行う。軸力値が設定値となっている場合は、締結作業が終了すると同時に降伏防止制御が終了する。軸力値が設定値に満たない場合は、ステップＳ１７へ移行する。

ステップＳ１７は、上記実施例１のステップＳ８（図３）に対応し、警告処理を行う。この結果、作業者は、不完全締結であること、つまり締付トルク値が降伏締付トルクの実測値に達する際にボルト１２３の軸力値が設定値に満たなかったことを確認することができる。この場合は、ボルト１２３及びナット１２５をばらし、潤滑油等をねじ面や座面に塗布して、再度の締結作業を適切に行うことができる。

こうしてステップＳ１７が完了すると、降伏防止制御は終了する。
［実施例２の効果］
本実施例では、コントローラ５が、ボルト１２３のサンプルが降伏する時の複数の降伏軸力に対応する複数の降伏締付トルクの実測値を予め記憶して、検出された締付トルクが検出された軸力に対応する降伏締付トルクの実測値に達するときをボルト１２３の応力が降伏応力に達するときであると判断する。

このため、本実施例においても、上記実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

加えて、降伏軸力の実測値は、同一の降伏締付トルクに対する計算値と比較して高いため、より適切に降伏防止制御を行わせることができる。

また、本実施例の降伏防止制御では、検出された締付トルクが検出された軸力に対応する降伏締付トルクの実測値に達するか否かの判断を行えばよいので、演算量を減少して処理の迅速化を図ることができる。

１ 締結工具システム
３ 締結工具
５ コントローラ（制御部）
９ ソケット
１１ 超音波センサ
１３ 駆動部
１０１ 電動モータ
１１７ 軸力検出部
１１９ トルク検出部
１２３ ボルト
１２５ ナット
１３１ ボルトの頭部
１３７ 基材

Claims (5)

1. 締結工具に回転自在に設けられナット又はボルトの頭部に嵌合して前記ナットとボルトとを締め付け又は前記ボルトを基材に対して締め付けるためのソケットと、
   該ソケットを回転駆動して前記ナット又はボルトに締付トルクを付与する駆動部と、
   前記ボルトに作用する軸力を検出する軸力検出部と、
   前記駆動部の駆動制御によって前記締付トルクを制御する制御部と、
   前記締付トルクを検出するトルク検出部とを備え、
   前記制御部は、前記締付トルクと前記軸力とに基づく前記ボルトの応力が降伏応力に達するときに前記締付トルクの増加を停止することで前記軸力が設定値となるまで前記ナット又はボルトの締め付けを行わせる締結工具システムであって、
   前記ボルトの応力は、締付トルクをＴ、ボルトの軸力をＦ、ねじ有効直径をｄ _２ 及びねじ谷径をｄ _３ の平均であるボルトの直径をｄ _ｓ 、座面の等価直径をｄ _ｗ 、ねじ面及び座面の摩擦係数μとした場合に、以下の式
   に基づいて求められる、
   ことを特徴とする締結工具システム。
2. 締結工具に回転自在に設けられナット又はボルトの頭部に嵌合して前記ナットとボルトとを締め付け又は前記ボルトを基材に対して締め付けるためのソケットと、
   該ソケットを回転駆動して前記ナット又はボルトに締付トルクを付与する駆動部と、
   前記ボルトに作用する軸力を検出する軸力検出部と、
   前記駆動部の駆動制御によって前記締付トルクを制御する制御部と、
   前記締付トルクを検出するトルク検出部とを備え設け、
   前記制御部は、前記締付トルクと前記軸力とに基づく前記ボルトの応力が降伏応力に達するときに前記締付トルクの増加を停止することで前記軸力が設定値となるまで前記ナット又はボルトの締め付けを行わせる締結工具システムであって、
   前記制御部は、複数のボルトのサンプルが降伏する時の複数の降伏軸力に対応する複数の降伏締付トルクの実測値を予め記憶して、前記締付トルクが降伏締付トルクの実測値に達するときを前記ボルトの応力が降伏応力に達するときであると判断する、
   ことを特徴とする締結工具システム。
3. 請求項１又は２記載の締結工具システムであって、
   前記締付トルクの増加停止は、前記駆動部を停止させることで行われる、
   ことを特徴とする締結工具システム。
4. 請求項１〜３の何れか1項に記載の締結工具システムであって、
   前記駆動部は、前記ソケットに連動連結された電動モータを備え、
   前記トルク検出部は、前記電動モータの駆動力に応じて前記締付トルクを検出する、
   ことを特徴とする締結工具システム。
5. 請求項１〜４の何れか1項に記載の締結工具システムであって、
   前記軸力検出部は、前記ボルトの軸方向端部に当接して軸力検出用の超音波を出入力する超音波センサを備えている、
   ことを特徴とする締結工具システム。