JP5745321B2

JP5745321B2 - 自動ねじ締め装置

Info

Publication number: JP5745321B2
Application number: JP2011091482A
Authority: JP
Inventors: 嘉和波多野
Original assignee: Nittoseiko Co Ltd
Current assignee: Nittoseiko Co Ltd
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: JP2012223841A

Description

本発明は、ねじあるいは六角ボルト等の締結部品を締結する自動ねじ締め装置に関する。

生産設備の異常によって稼動中にワークが損傷することがある。このような損傷ワークは、修正して再利用されるか修正不能と判断されると廃棄されるため、ワークに係るコストが増加している。このような問題を抱える生産設備の一例である従来の自動ねじ締め装置は、一般的に特許文献１に示すものが知られており以下に説明する。

特許文献１に示す従来の自動ねじ締め装置は、円筒状で側面に長穴を形成されたケーシングパイプと、このケーシングパイプ内にスプリングを配し、このスプリングに当接し下方へ付勢される摺動ブッシュを配し、この摺動ブッシュを前記ケーシングパイプから抜けないように規制するストッパリングを有する。前記摺動ブッシュには締結部品の一例であるねじの吸着を可能な吸着パイプが固定されており、この吸着パイプにねじの駆動部と係合可能でかつ回転可能なビットが内挿される。一方、前記摺動ブッシュにはＬ型のホース継手が固定されており、このホース継手は前記ケーシングパイプの長穴部に突出され、このホース継手の突出部に係合レバーが固定され吸着パイプの摺動に連動する。一方、前記係合レバーの摺動方向に延びるようにチェック軸が配置され、このチェック軸は係合レバーに当接して摺動可能であるとともに、この摺動状態に応じてチェック軸の両端をそれぞれ検出可能なセンサがねじ無し検出用、他方側はねじ浮き検出用として配置されている。次にこの自動ねじ締め装置の作用について説明する。ねじを吸着した吸着パイプは、軸方向に下降するとその先端が被締結物に当接し、ビットが前記スプリングの撓みによって押し出される形でワーク側に接近することで、ビットとねじの駆動部とが嵌合する。ねじはビットによって下方へ押し出されるため、その先端と締結物とが当接し螺入される。このとき自動ねじ締め装置は、トルクアップあるいはねじ締め開始から所定の時間経過するとビットの回転を停止させるとともに、前記ねじ無し検出用および前記ねじ浮き検出用それぞれのセンサの検出信号に基づきねじの浮き状態あるいはねじ無しのチェックを行う。

実公平6-37869号公報

上述のような従来の自動ねじ締め装置において、ねじの落下などによりねじの無い状態でねじ締めが行われると、ビットは前述の通りトルクアップあるいはねじ締め開始から所定時間経過するまで回転および下降を継続する。このため、ビットの先端とワークとが当接してワークおよびビットの先端とを破損する問題があった。この問題を解決するため、ビットの先端の下死点をワークに当接しない位置に規制するメカストッパを自動ねじ締め装置に搭載することが考えられるが、例えばねじ締め箇所の締付面高さが異なれば、締付面高さの低いねじ締め箇所のねじ締めが行えない問題がある。また、個々のねじ締め箇所におけるビットの先端の下死点を、ビットおよびねじの駆動部とが確実に嵌合するように正常な締付け位置よりも若干低く設定してビットの先端とワークとが当接しないように設定することも挙げられるが、この場合であってもねじおよびワークの寸法公差によっては、ビットの先端とワークとが当接する問題もある。

本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、作業中に締結部品が無いことを判断して、即座にビットの下降動作を停止させ、ワークにビットの先端を当接させずビットおよびワークの損傷を防止できる自動ねじ締め装置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、締結部品の駆動部に係合可能なビットを有するドライバツールと、このドライバツールを前記ビットの軸方向に往復移動操作可能に支持した往復移動手段と、ビットの位置情報を検出可能な位置検出手段とを有する自動ねじ締め装置において、任意設定されたビットの位置である計測開始位置と、前記ビットが前記計測開始位置を通過してからワークに干渉するまでの時間内に設定されている計測設定時間とをあらかじめ設定し、前記計測開始位置から前記計測設定時間を全て減算されるまでのビットの移動距離を計測し、この測定したビットの移動距離と予め設定された判定基準距離とを比較して作業中に締結部品が存在しているか否かの判定とを行う制御手段を備えたことを特徴とする。なお、ドライバツールはビットに相対移動可能な吸着パイプを備える一方、位置検出手段は前記吸着パイプとビットとの相対差を検出可能に構成することが好ましい。

本発明の自動ねじ締め装置は、ビット先端の下死点設定をワークに当接する位置にしてねじのない状態でねじ締めを行ってもビットとワークとが当接するまでにビットの動作を停止するため、ビットの先端とワークとが当接することなくビットおよびワークの損傷を防止できる利点がある。また、所定のねじ長さよりも短いねじが誤って供給された場合であっても、螺入し始めるビットの位置を基準にして異常判定を行なっているため、ねじ長さが異なっていることが判断でき、今まで締付け後に探し出すことが困難であった異品ねじの締結を未然に防止できる利点もある。

本発明に係わる一実施例の自動ねじ締め装置の一部切欠断面図である。本発明に係わる別の応用例の自動ねじ締め装置の概略説明図である。本発明に係わる一実施例の要部一部切欠断面図である。ねじ締め作業の動作図である。制御部のねじ締め制御のフローチャートである。

以下、図１および図４、図５に基づき本発明の一実施例を説明する。自動ねじ締め装置１０は、締結部品の一例であるねじ６１の駆動部と係合可能なビット２３を有するドライバツール２０と、このドライバツール２０を前記ビット２３の軸方向に往復動作操作可能な往復移動手段３０と、ビット２３の位置情報を検出可能な位置検出手段５０と、前記ドライバツール２０と前記往復移動手段３０とを制御可能な制御手段４０とから構成される。

前記ドライバツール２０は、その上部に回転駆動源の一例であるＡＣサーボモータ２１（以下、単にモータ２１という）と、このモータ２１の出力軸の回転角を検出可能なエンコーダ２２とを具備しており、前記モータ２１の出力軸に磁化されたビット２３が接続されている。

前記往復移動手段３０は、ベース３３に垂直に立設されたロッド３４ａ、３４ｂの上部にモータ取付板３５が固定される。このモータ取付板３５には回転駆動源の一例であるＡＣサーボモータ３１（以下、単にモータ３１という）と、このモータ３１の出力軸の回転角を検出可能なエンコーダ３２とが固定されており、前記モータ３１の出力軸にはボールねじ３６が接続されている。このボールねじ３６には、ボールねじ３６のリードに沿って往復可動可能なナット部材３７が配されており、このナット部材３７にブラケット３８が固定されている。このブラケット３８は、前記ロッド３４ａ、３４ｂのそれぞれに挿通されており、その前方には前記ドライバツール２０が固定される。

前記位置検出手段５０は、ケーブル５９によって前記制御手段４０と接続されており、前記エンコーダ３２の出力信号を前記制御手段４０に入力可能に構成される。

前記制御手段４０は、前記往復移動手段３０および前記ドライバツール２０の各モータ２１，３１を制御するモータ制御部４１，４２と、ねじ各部の寸法データ（ねじのリード、首下長さ等）およびワークの寸法データ（被締結物７２の厚み等）等からなるねじ締めパラメータ、各モータの制御データ（ねじ締め工程における出力トルクや速度等）、前記ねじ締めパラメータおよび制御プログラム等を記憶するとともに、ねじ締め結果データおよびねじ締め作業時に生成される一時データ等の記憶領域を有する記憶部４４と、各種情報の入力画面およびねじ締め作業における各種情報を表示可能な表示部４５と、前記各種データや前記ねじ締めパラメータ等を入力するための入力部４６と、演算処理およびプログラム処理を可能な制御部４３とを備えている。

また、前記ねじ締めパラメータは、少なくとも以下の項目があらかじめ設定されている。このねじ締めパラメータは、任意設定されたビット２３の絶対位置である計測開始位置Ａと、任意設定された時間である計測設定時間Ｂと、後述する計測ビット移動距離と比較する判定基準距離Ｃと、所謂ねじ６１のリードおよび首下長さと、このねじ６１の締付面となる被締結物７２の厚みと、前記モータ２１の設定回転数と、前記ボールねじ３６のリードと、ねじ締め工程におけるビット２３の移動速度（以下、設定ビット移動速度という）と、前記ビット２３の回転を受けて係合したねじ６１が締結物７１にねじ込まれる過程のビット２３の下降速度（以下、螺入速度という）等からなる。

前記ねじ締めパラメータの内、あらかじめ確定している項目について、各設定数値を用いて以下に説明する。例えば、前記ねじ６１のリードを０．７ｍｍ、首下長さを１０ｍｍ、前記被締結物７２の厚みを３ｍｍ、前記ボールねじ３６のリードを１２ｍｍ、前記モータ２１の設定回転数すなわちビット２３の出力軸回転数を３００ｒｐｍ、前記設定ビット移動速度を２０ｍｍ／ｓｅｃとした設定値が手入力によって前記入力部４６から前記記憶部４４に保存される。

前記螺入速度は、上述のあらかじめ確定している項目を保存した直後に前記制御部４３において自動計算され、その後前記記憶部４４に自動登録される。これは、ねじ６１を締結物７１に螺入し始めてからねじ６１の頭部と前記被締結物７２とが着座するまでのビット２３の下降速度であるため、上述のねじ６１のリード（０．７ｍｍ）と上述のビット２３の出力軸回転数（３００ｒｐｍ）によって規制された速度となり、上述の前記モータ２１の１分間当たりの設定回転数に前記ねじ６１のリードを乗じさらに６０秒を除して求めることができ、３００ｒｐｍ×０．７ｍｍ÷６０秒＝３．５ｍｍ／ｓｅｃと設定される。

その後、前記計測開始位置Ａの設定を行う。この計測開始位置Ａは、図１に示すように、ねじ６１の先端と前記締結物７１とが当接した時点のビット２３の絶対位置であり、前記入力部４６を操作されて前記記憶部４４に登録される。また、複数箇所のねじ締めを行う場合であれば、この計測開始位置Ａは、全てのねじ締め箇所毎に登録されている。

前記計測設定時間Ｂは、前記計測開始位置Ａに到達してから減算される時間である。また、上述の計測ビット移動距離は、前記計測設定時間Ｂの減算が開始されてから全て減算されるまでのビット２３の移動距離であり、前記制御部４３によって演算され前記記憶部４４に保存される。一方、前記判定基準距離Ｃは、前記計測ビット移動距離と比較する距離であり、この判定基準距離Ｃと前記計測設定時間Ｂとはあらかじめ前記入力部４６から手入力され、前記記憶部４４に保存されている。

また、前記制御部４３は、ねじ締め工程において前記計測ビット移動距離と前記判定基準距離Ｃとの比較してねじ有無判定を行う。このねじ有無判定の結果は、前記判定基準距離Ｃに比べて前記計測ビット移動距離が短ければねじ有りとなる一方、前記計測ビット移動距離が長ければねじ無しとなる。なお、制御部４３は、ねじ有りと判定すればねじ締め作業を継続する一方、ねじ無しと判定すれば前記モータ２１，３１にそれぞれ回転停止を指令し、ねじ締め作業の中断あるいは完了を行う。

しかしながら、前記計測設定時間Ｂが例えば０．５秒に設定され、かつ上記のねじ締めパラメータの条件下においてねじ６１の脱落等によりねじ無しの状態でねじ締めが行われると、上述のねじ有無判定は、後述するようにビット２３の先端とワークとが当接した後に行われる可能性があり問題となる。この問題について以下に上述の設定条件に基づき詳細に説明する。ビット２３の下降速度は、ねじ６１の脱落等によりねじ無しの状態のねじ締め時であればビット２３の先端とワークとが当接するまで２０ｍｍ／ｓｅｃを維持する。また、ねじ６１の先端が当接してから前記着座までに必要なねじの螺入距離は、被締結物７２の厚みが３ｍｍ、ねじ６１の首下長さが１０ｍｍであるため、前記首下長さと前記被締結物７２の厚みとの差である距離（１０ｍｍ−３ｍｍ＝７ｍｍ）と求められる。
つまり、ねじ無しの状態でねじ締めを行うとビット２３は、２０ｍｍ／ｓｅｃの速度で下降するため、前記計測開始点Ａに到達してから０．５秒後に１０ｍｍ下降する。このため、前記螺入距離の７ｍｍを超え、ねじ有無判定が行われる前にワークと当接する可能性がある。

したがって、前記計測設定時間Ｂには上限を設ける必要がある。この計測設定時間Ｂの上限は、前記計測開始位置Ａに到達したビット２３がさらに下降してもワークと当接しない位置である前述のねじの螺入距離（７ｍｍ）を前記設定ビット移動速度（２０ｍｍ／ｓｅｃ）で除して求められ、上述のねじ締めパラメータの登録時点において前記制御部４３にて演算され、つまり７ｍｍ÷２０ｍｍ／ｓｅｃ＝０．３５秒となり、この０．３５秒が前述の演算直後に前記記憶部４４に自動登録される。その後、実際に設定される計測設定時間Ｂは、前述のように設定上限を規制された状態の下で前記入力部４６から手入力され、例えば０．１秒と前記記憶部４４に登録される。よって、計測設定時間Ｂは、図４に示すようにビット２３とワークとが干渉するような長い時間で設定されることがなく、計測開始点Ａからビット２３とワークとが干渉する直前の範囲で設定されることになる。

また、前記判定基準距離Ｃの設定範囲は、上述の設定ビット移動速度（２０ｍｍ／ｓｅｃ）および前記螺入速度（３．５ｍｍ／ｓｅｃ）と上述の設定された計測設定時間Ｂ（０．１秒）とから決定される。具体的に判定基準距離Ｃの下限設定距離は、ビット２３が計測開始位置Ａに到達してから計測設定時間Ｂを全て減算されるまでに前述の螺入速度で移動した距離であり、図４に示すＤと一致し、その距離は３．５ｍｍ／ｓｅｃ×０．１秒＝０．３５ｍｍである。一方、判定基準距離Ｃの上限設定距離は、ビット２３が計測開始位置Ａに到達してから計測設定時間Ｂを全て減算されるまでに前述の設定ビット移動速度で移動した距離であり、図４に示すＥと一致し、その距離は２０ｍｍ／ｓｃｅ×０．１秒＝２ｍｍである。つまり、判定基準距離Ｃの設定範囲は、Ｄ以上Ｅ以下であり、前述の計測設定時間Ｂの上限を自動登録された直後に算出されるとともに、前記記憶部４４に自動登録される。その後、実際に設定される判定基準距離Ｃは、前述のように設定範囲を規制された状態の下で前記入力部４６から手入力され、例えば１ｍｍと前記記憶部４４に登録される。なお、前述の判定基準距離Ｃは、ねじ有無の誤判定を防止するため、Ｄ以上Ｅ未満とすることが好ましい。

一方、前記制御部４３は、図５に示すように、
Ｓ０１：モータ駆動部４２からの信号に基づき、ビット２３が計測開始位置Ａに到達するのを待つ。
Ｓ０２：計測設定時間Ｂが全て減算されるのを待つ。
Ｓ０３：ビット２３の移動距離を演算し、記憶する。
Ｓ０４：Ｓ０３で求めたビット２３の移動距離が判定基準距離Ｃを超えているか確認し、超えていればＳ０６にジャンプする。
Ｓ０５：ねじ締め処理を継続する。
Ｓ０６：モータ２１，３１を駆動停止する。
Ｓ０７：ねじ浮きおよびねじ有無等の判定を行う。
Ｓ０８：エンド
となるねじ締め制御を行う。

次に、本発明に係る自動ねじ締め装置１０の作用について以下に説明する。前記モータ２１は、前記制御手段４０の指令を受けてあらかじめ設定された回転数（３００ｒｐｍ）にて前記ねじ６１の駆動部と係合したビット２３に回転を与える。この回転により前記エンコーダ２２から信号が出力され、この信号に基づき制御手段４０は、ビット２３の回転数を計測するとともに、前述のあらかじめ設定された回転数（３００ｒｐｍ）を維持するように制御する。これにより制御手段４０は、前記設定ビット移動速度（２０ｍｍ／ｓｅｃ）と前記ボールねじ３６のリード（１２ｍｍ）とから算出された回転数で前記モータ３１を回転させ、前記ビット２３を所定の速度で下降させつつ回転させる。やがて、図１のように前記ねじ６１の先端が締結物７１に当接するが、このとき制御手段４０は、前記位置検出手段５０から前記計測開始位置Ａに到達した時点のビット２３の絶対位置情報を取得して前記記憶部４４に記憶するとともに、前記計測設定時間Ｂが全て減算された時点のビット２３の位置情報を取得して前記記憶部４４に記憶し、この間の前記計測ビット移動距離を算出および登録する。この計測ビット移動距離は図４に示すねじ有り波形であればＤであり、ねじ無し波形であればＥとなり、制御手段４０は前述の計測ビット移動距離の登録時点において、この計測ビット移動距離と前記判定基準距離Ｃとを比較して計測ビット移動距離が判定基準距離Ｃを超えていればねじ無しと判断して即座に前記モータ２１，３１との回転を停止させて前記表示部４５に異常警告する一方、前記計測ビット移動距離が判定移動距離Ｃを超えていなければ、ねじが有ると判断して引き続きねじ締め作業が継続される。

以上説明したように、本発明の自動ねじ締め装置１０は、ねじ締め中にねじの有無の判定が行えるため、ねじが無いと判断すればビット２３の先端をワークに当接させるまでにビット２３の動作を停止でき、ビット２３およびワークの損傷を防止できる利点がある。また、所謂ねじ６１の首下長さよりも短いねじを誤って供給してねじ締めを行ったとしても、前記計測ビット移動距離が正常な首下長さの締付時に比べて長くなるため、前述のねじの有無の判定によって異常の検出が行え、今まで締付け後に探し出すことが困難であった首下長さの短いねじの締結を未然に防止できる優れた効果を有する。

なお、本実施例においては、往復移動手段３０の駆動源をＡＣサーボモータとし、位置検出手段５０をエンコーダ３２の出力信号に基づき検出可能に構成したが、図２に示すように往復移動手段３０の駆動源をエンコーダ等の位置取得機能を備えないモータ（図示せず）あるいは直線往復駆動源の一例であるエアシリンダ９１とし、ビット２３の位置検出可能な位置検出手段５０をベース面に立設したセンサ取付板５３と、このセンサ取付板５３に固定した複数のセンサ５１と、前記ブラケット３８の前方側面に取付けたドグ５２とから構成してもよい。さらに、図３に示すようにドライバツール２０を、磁化されていないビット２３の外周に配置した吸着パイプ２４と、この吸着パイプ２４の上端に配置したスプリング２７と、このスプリング２７と前記吸着パイプ２４の上部とを内包するケーシング２５と、前記吸着パイプ２４の内部に連通する空気孔を備えたパイプ２６とから構成し、位置検出手段５０を前記吸着パイプ２４に固定したレバー５４と、前記ケーシング２５に固定したセンサブラケット５５と、このセンサブラケット５５固定したセンサ５７と、このセンサ５７の内部に配置したスプリング５８と、このスプリング５８により下方へ付勢された検出ロッド５６と、この検出ロッド５６の先端に当接可能なレバー５４と、前記検出ロッド５６の伸縮量を前記制御手段４０に伝達可能なケーブル５９とから構成することが好ましい。

上述の図３を用いた自動ねじ締め装置は、ビット２３に係合したねじ６１の先端が被締結物７２と当接した時点の前記検出ロッド５６の伸縮量すなわちビット２３と吸着パイプ２４との相対差の位置情報を前記計測開始位置Ａとして設定できるため、個々のワークにおいて締付面高さの大幅な違いまたは多少のバラツキにも影響を受けることなく、ねじ有無の誤判定を低減できる利点がある。

１０自動ねじ締め装置
２０ドライバツール
２１ＡＣサーボモータ
２２エンコーダ
２３ビット
２４吸着パイプ
２５ケーシング
２６パイプ
２７スプリング
３０往復移動手段
３１ＡＣサーボモータ
３２エンコーダ
３３ベース
３４ａロッド
３４ｂロッド
３５モータ取付板
３６ボールねじ
３７ナット部材
３８ブラケット
４０制御手段
５０位置検出手段
５１センサ
５２ドグ
５３センサ取付板
５４レバー
５５センサーブラケット
５６検出ロッド
５７センサー
５８スプリング
５９ケーブル
６１ねじ
７１締結物
７２被締結物
９１エアシリンダ

Claims

締結部品の駆動部に係合可能なビットを有するドライバツールと、このドライバツールを前記ビットの軸方向に往復移動操作可能に支持した往復移動手段と、ビットの位置情報を検出可能な位置検出手段とを有する自動ねじ締め装置において、
任意設定されたビットの位置である計測開始位置と、前記ビットが前記計測開始位置を通過してからワークに干渉するまでの時間内に設定されている計測設定時間とをあらかじめ設定し、前記計測開始位置から前記計測設定時間を全て減算されるまでのビットの移動距離を計測し、この測定したビットの移動距離と予め設定された判定基準距離とを比較して作業中に締結部品が存在しているか否かの判定とを行う制御手段を備えたことを特徴とする自動ねじ締め装置。
ドライバツールはビットに相対移動可能な吸着パイプを備える一方、位置検出手段は前記吸着パイプとビットとの相対差を検出可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の自動ねじ締め装置。