JP5866670B2 - 動力工具用レギュレータ - Google Patents

Description

本発明は、ネジ、ボルト及びリベットのような締め具用のレギュレータに関する。

ネジ山が設けられたネジやボルトを、対応するネジ山を有する孔の中に配置する時、電動レンチのような工具が使用され得る。堅固なジョイントを得るために、ネジやボルトは、所定のトルクで締め付けられる必要がある。例えば、自動車の製造のような大量生産では、多数のネジやボルトを使用する時に、ネジやボルトを短時間で所定のトルクまで締め付けることが重要である。

短時間で所定のトルクを得るために、レギュレータが工具に接続され、工具を調節する。

締め具を締め付ける時に用いられる公知のレギュレータは、ＰＩＤレギュレータである。このようなＰＩＤレギュレータは、次式（ｆ１）に従って出力信号ｕ（ｔ）を出力する。

式中ｅ（ｔ）は、出力信号における偏差であり、システム内のリアクションから得られる。値Ｋ_ｐが大きいと、レギュレータの速度が上がるが、安定性の低下を招く。値Ｋ_Ｉは、出力信号の定常偏差を取り除くが、その値が大きすぎると、安定性を低下させる。固定値Ｋ_Ｄを使用することによって安定性が向上することになる。しかし、しばしば、固定値Ｋ_ｐを見つけることが困難なことがあり、特に、出力信号のノイズレベルが高い時には困難である。Ｋ_ｐ、Ｋ_Ｉ及びＫ_Ｄの値は、一般理論から選択され、当業者には公知である。

しかし、ＰＩＤレギュレータを使用することの一つの問題点は、値Ｋ_Ｉ及びＫ_Ｐによる補正のために十分な時間をとる必要があるので、短い時間で、満足なトルクに達することが困難であることにある。結果的に、効率性が低下し、従って、工具内で熱が発生する。また、モータへの電流の大きな加速力及び変動が原因となって、動力工具にかかる負荷や歪みが増加することになり、工具の耐久性を低下させ、工具を操作するオペレータに対するエルゴノミクス(ergonomics)を乏しくすることになる。

本発明によって解決するべき課題は、締め具を締め付ける時の効率を向上させるレギュレータによって解決される。

本発明によって解決するべき他の課題は、所定のトルク又は力まで最短時間で締め具を正確に締め付ける動力工具用のレギュレータを提供することにある。

本発明によって解決するべきさらに別の課題は、締め具を締め付けるために工具を操作するオペレータに対するエルゴノミクスを改善することにある。

本発明によって解決するべき他の課題は、締め具を締め付けるための動力工具に係る負荷や歪みを低減させることにある。

これは、請求項１によるレギュレータによって達成される。

上述した目的は、目標トルク値を得るためにモータトルクを生じさせる瞬間モータ電流を調節するためシステム内でエネルギ寄与を使用することによって達成される。締め具を締め付けるための運動エネルギを用いて、動力工具のモータへ電流を供給する動力工具を制御することによって、所定のトルクに対応する一定量のエネルギを締め具内に得ることができ、それによって、時間、効率、負荷又はエルゴノミクスのパラメータの幾つかに関する締め付け特性が改善される。

時間
正確な目標トルク値を得るために、モータは、目標トルクの時点でゼロ速度まで速度を落とさなければならない。可能な限り長い時間、高い速度で動作することを許容することによって、即ち、制動を可能な限り遅らせることによって、目標トルクへの到達時間が最小限に抑えられる。

効率
モータ７及びギヤ８の運動エネルギを有効に利用することによって、モータエネルギは、必要以上のエネルギが使用されることがないように調節される。その結果、熱に変換されるエネルギの量が非常に少なくなり、短い時間との組み合わせで、総消費電力が減る。

負荷
締め具を締め付ける時に実質的に線形のトルクが展開され、モータを制動するために調整される電流が滑らかで低いレベルであるので、動力工具上にかかる加速力及びトルクが、ギヤのような、工具内の構成部品の耐久性の臨界になる範囲で変動しなくなる。また、有利な状態においては、ギヤにかかるモータからのトルクが最小化され得る。

エルゴノミクス
工具内で熱に変換されるエネルギの量が非常に少ないので、工具を操作するオペレータに対するエルゴノミクスが改善される。締め付け時間の最短化によって、トルク増加時間が短くなり、従って、工具の変位が小さくなる。この結果、堅固なジョイントにおけるエルゴノミクスがより良いものになる。

低いエネルギ損失及びレギュレータからの出力信号の少ない変動のために、所定のトルクからの逸脱を小さくすることができる。これは、物理的法則に基づくレギュレータを使用することによる。所定のトルクに達するために必要なモータトルクの量が、締め付けの間に継続的に演算されるので、結果的に、たとえ締め具の特性が変化したとしても、正確な制動電流が使用されることになる。

本発明の他の利点及び特徴は、添付図面を参照した本発明の幾つかの実施例の詳細な説明から明らかにされ得る。

締め具を締め付けるための工具の概略部分断面図であり、工具はレギュレータに接続されている。 従来技術に従ったＰＩＤレギュレータを使用する締め具の締め付けのダイヤグラムである。 従来技術に従ったＰＩＤレギュレータを使用する締め具の締め付けのダイヤグラムである。 本発明によるレギュレータを使用する締め具の締め付けのダイヤグラムである。 本発明によるレギュレータを使用する締め具の締め付けのダイヤグラムである。 従来のＰＩＤレギュレータと本発明によるレギュレータとを使用する締め具の締め付けのダイヤグラムである。 本発明に係るレギュレータを使用する締め具の締め付けのための別の締め付けシナリオのダイヤグラムである。 本発明によるレギュレータを使用する締め具の締め付けのダイヤグラムである。 本発明によるレギュレータのブロック図である。

始めに図１を参照すると、図１には締め具１が示されている。この締め具１は、ネジ又はねじ付きボルトであり得、内ネジが設けられた孔２又はねじ付きナット（図示せず）に締め付けられ、二つ又はそれ以上の部品３，４を一体化して、典型的にはジョイント５と称される固定部材にする。締め具１は、電動レンチのような工具６に接続されている。前記工具６には、電気モータ７及びギヤ８が設けられている。工具６はレギュレータ９に接続され、レギュレータ９は、締め具１を、その軸線１０を中心に角度φ、回転させることによって締め具１を締め付ける時に工具６を調節する。図面では締め具１は、ヘッド１１が設けられたネジ又はボルトであり、ヘッド１１は締め付け位置において、二つの部品３，４の一方の上に配置される。また、締め具１は、ねじ付きピン（図示せず）に締め付けられるねじ付きナットであってもよい。また、工具は、リベット打ち工具であってもよく、その場合、目標トルクＴ_targetは、目標力Ｆ_targetに置き換えられ、角度φは、移動距離δに置き換えられる。工具６は、ロボットアーム（図示せず）上に配置されてもよく、また、オペレータ１２によって保持されてもよい。

ここで図２を参照すると、図２には従来技術によるＰＩＤレギュレータを使用する締め具１の締め付けのダイヤグラムが示されている。ＰＩＤレギュレータは、当業者には周知である。図２における曲線１３は、締め具１を、その軸線１０を中心に角度φで連続的に締め付けている間に展開される典型的なトルク負荷を示している。トルク負荷曲線１３には、フリーランニング期間Ａがあり、この期間Ａでは、締め具１を前進させるために必要とされるトルクは小さい。この期間Ａに続いて、締め具１のヘッド１１を部品３に対してクランプする期間Ｂがあり、ここで、部品３及び４は係合させられ、トルクは実質的に線形に増加する。所定のトルク目標値に達した時に期間Ｂは終わる。

図２には、角度φの関数としてのｉ_ｑとして電流曲線１４が示されている。目標トルクＴ_targetに達するために、電気モータ７への電流ｉ_ｑは、公知のＰＩＤレギュレータを用いて電流曲線１４に従って調節される。期間Ａにおいては、モータを駆動させるために必要な電流ｉ_ｑは小さい。しかし、電気モータ７の慣性のために、期間Ｂにおいては、モータ７に制御電流を供給しなければならない。図２によれば、期間Ｂにおける制御電流は、モータ７を制動する制動電流である。ＰＩＤレギュレータによって調節された制動電流は、図２に示すように変動し得る。ブレーキ電流の変動及び高いピークにより、工具６、特に工具６のギヤ８に高い負荷又は歪みがもたらされ、工具の耐久性が低くなり、工具を操作するオペレータ１２に対するエルゴノミクスが乏しくなる。

図３には、公知のＰＩＤレギュレータを使用した時に工具６に及ぼされるトルク負荷曲線１５が示されている。図３から明らかなように、工具６に及ぼされるトルク負荷は、期間Ｂの間に、激しく変動する。

ＰＩＤレギュレータに関する上述した欠点は、ＰＩＤレギュレータをさらに改良することで、低減されるか、又は取り除かれる。

図４は、本発明によるレギュレータ９を使用する締め具の締め付けのダイヤグラムを示している。図４には、図２に関して記述したような典型的なトルク負荷曲線１３０が示されている。

期間Ａの最初に、回転速度φ’が、実質的に一定レベルまで急速に増加する。期間Ｂの先頭に達した時、トルク及びモータ７へのブレーキ電流の増加の代わりに、回転速度φ’は低下する。所定の目標トルクＴ_targetに達した時、モータ７の回転は停止し、従って、図４に示すように、回転速度φ’はゼロになる。

また、図４には、電流曲線１４０が角度φの関数として示されている。目標トルクＴ_targetに達するために、電気モータ７への電流ｉ_ｑは、本発明に係るレギュレータ９を用いて電流曲線１４０に従って調節される。図２に関して説明したように、期間Ａにおいてモータを駆動させるために必要とされる電流ｉ_ｑは小さい。しかし、電気モータ７の慣性のために、期間Ｂにおいてモータ７には制御電流が供給される必要がある。図４に示した実施例によれば、期間Ｂにおける制御電流は、モータ７を停止させる制動電流である。本発明によるレギュレータによって調節された制動電流は、図４に示した曲線１４０をたどる。モータ７を停止するために調節された電流は、従来技術において説明した解決手段と比べて、滑らかでピーク値が低く、従って、工具６にかかる加速力及びトルクが、工具のギヤ８のような構成部品の耐久性の臨界になる範囲で変動しなくなる。これは図５から明らかである。図５には、本発明に係るレギュレータ９を使用した時に、工具６に及ぼされるトルク負荷曲線１５０が示されている。図５から明らかなように、工具６に及ぼされるトルク負荷は、公知のＰＩＤレギュレータを使用した時に工具６に及ぼされるトルク負荷に比べると、期間Ｂの間、その変動が小さく、かつ、そのピーク値が低い。

図６には、電流曲線１４，１４０が、角度φの関数としてのｉ_ｑ及びφ’として示されており、電流曲線１４，１４０は、ＰＩＤレギュレータを用いた従来の締め付けと、本発明による締め付け方法との間の差を示している。目標トルクＴ_targetに達するために、電気モータ７への電流ｉ_ｑは、本発明によるレギュレータ９を使用して電流曲線１４０に従って調節される。図２に関して説明したように、期間Ａにおいて、モータを駆動させるために必要な電流ｉ_ｑは小さい。制動電流１４０の大きさは、ブレーキ期間Ｂの最初から計算される同じ締め付け速度に対するＰＩＤレギュレータを使用する制動電流１４と比べると小さい。より遅い時点で制動が開始され得るので、締め付け時間は低減することになる。高い電流ピークレベルが、高い消費電力を生じさせるのに対して、小さい大きさを持つ滑らかな電流プロファイルは、効率を高くする。本発明に係るレギュレータ９を使用してモータ７を制動するために調節された電流は、滑らかで低いレベルであり、従って、工具６にかかる加速力及びトルクは、ギヤ８のような工具の構成部品の耐久性の臨界になる範囲で変動しなくなる。

図７には、電流曲線１４，１４０，１４０’が、角度φの関数としてのｉ_ｑ及びφ’として示されており、電流曲線１４，１４０，１４０’は、本発明に係る調節方法を使用して締め具を締め付けるための別の締め付けシナリオのダイヤグラムを示している。本発明に係るレギュレータは、どのくらいの量の制動電流が対応するかに応じて、締め付け期間における異なる段階で制動を開始することを可能にする。初めの例では、図６に示すようにポイントＢで制動が開始されるまでは、代替速度(alternative speed)が維持され、ＰＩＤレギュレータに対する時間と同様の締め付け時間を得る。しかし、制動電流１４０はより滑らかであり、トータルでのエネルギ消費量は少なくなる。

第二の例では、締め付け時間が最も重要な特性として選択される締め付け方法が説明される。比較的高いブレーキ電流１４０’を許容することによって、（ブレーキポイントＢとＣとを比較して）遅い時点で制動を開始することを可能にし、スナッグレベル(snug level)からトルク目標レベルまでの時間を短縮する。タイムステップ毎に正確な制動電流が演算されるので、たとえ制動時点の前に使用されていなくても、それは制動を開始すべき時の設定(configuration)の問題である。計算された制動電流ｉ_ｑが予め設定した制動敷居値のためのトランジション(transition)を超えた時に、その設定が生じる。
ｉ_ｑ＞ｉ_ｑｍａｘ
ここで、ｉ_ｑｍａｘは、設定パラメータである。
理想的な状態の間は、制動電流ｉ_ｑは、図７に示されているように、目標トルクになるまで、制動の間中、一定レベルになる。ここでは、ｉ_ｑ＝ｉ_ｑｍａｘである。これは、後述するｉ_ｑ（ｆ７）の定義付けとシステムにおけるエネルギ寄与(energy contributions)の定式化の結果である。

図８には、制動電流ｉ_ｑと、ギヤに作用するトルク負荷Ｔとが、時間ｔの関数として示されており、本発明によるレギュレータを使用するオペレータによって選択され得る締め付け速度に関する異なる締め付けシナリオの特性が示されている。締め付け時間が重要でない場合には、制動電流が滑らかである締め付けプロセスを選択することが可能であり、その場合、ギヤに作用する適用トルク負荷Ｔが前記制動の間、最小化され得る。また、この場合には、システム内の歯車装置を使わないことになる。曲線は、以下のように説明される。

ブレーキ電流ｉ_ｑは、比較的に小さく、結果として、締め付けＤの間は実質的に正のトルクがギヤに作用する。一方、大きなブレーキ電流は、締め付けＦの間、実質的に負のトルクがギヤに作用する状況をもたらす。締め付けＥにあるような有利な制動電流を使用すると、結果として生じるギヤにかかるトルクは、最小化され得る。言い換えれば、正確な制動電流を使用すると、モータからギヤに伝達されるトルクが最小化される。

図９によれば、レギュレータ９は、システム中のエネルギ寄与を考慮することによって演算ステップＥ_calcから獲得される出力信号ｉ_ｑを演算する。これらは、演算されるか又は予め決められた目標エネルギＥ_target、モータ７及びギヤ８における運動回転エネルギＥ_rot、ジョイント５における位置結合エネルギＥ_joint及びオペレータ１２からのオペレータエネルギＥ_operatorである。

上述の関係及び図９のブロック図から次式（ｆ２）が得られる。

エネルギＥ_errorは、目標トルクに達するために工具６内のモータ７に加えられるべきエネルギ量である。式ｆ２によれば、それは、上述したエネルギ寄与の合計として決められる。

Ｅ_operatorは、工具を使用するオペレータの慣性だけでなく、工具からの慣性も含む。また、オペレータは、アクティブな反力も使用し得る。目標トルクまでジョイントを締め付ける時間が柔らかいジョイントの方が堅いジョイントより長いので、堅固な堅いジョイントでは、Ｅ_operatorの影響は、フレキシブルで柔らかいジョイントに比べると小さい。工具がロボットアームの形態の固定具に設けられている場合には、Ｅ_operatorは、固定具に伝達されるエネルギとして解釈され得る。

以下の関係が決められる。

ｋ_ｊは、多数のテスト運転又は試験サンプリングから獲得したジョイント特性からの測定値であり、ジョイントの剛性に依存する。また、ｋ_ｊは、締め具１の締め付け中の測定からも獲得され得る

Ｊは、モータ７及びギヤ８の慣性であり、φ’ｍはモータ角速度である。

ｉ_ｑは、モータ７を調節する電流であり、ｋ_ｍはモータ７におけるトルク定数であり、φ_targetは、締め具１がジョイントに締め付けられるべき予定角度であり、φ_ｊは締め具１がジョイントに締め付けられた実際の角度である。Ｎは、工具６のギヤ８のギヤ比である。ｉ_ｑ及びｋ_ｍの積によってモータトルクが得られる。（φ_target-φ_j)×Ｎの関係によって、φ_targetに達するための残りの角度が得られる。

上記関係から次式（ｆ７）が得られる。

Ｔはジョイントにおける実際のトルクである。

結果的に、レギュレータ９は、工具６のモータ７を制動するためのエネルギＥ_errorに依存する出力信号ｉ_ｑを算出する。

図９におけるＧ_sysは、システムの伝達関数である。

上述した関係は、また、リベットジョイントにも適用することができる。しかし、リベットジョイントの場合には、上述したＥ_target及びＥ_jointは、各々次式によるＥ_target及びＥ_rivetに置き換えられる。

ｋ_ｒは、多数のテスト運転又は試験サンプリングから得られるジョイント特性からの測定値であり、ジョイントの剛性に依存する。ｋ_ｒは、また、リベットの締め付けの間の測定から獲得され得る。Ｆ_targetは、リベットジョイントに対する所定の目標力である。

Ｆは、リベットジョイントの実際の力である。

δは、リベットを圧縮する距離である。
リベッティングのための工具を制動するエネルギＥ_errorは、以下のエネルギ寄与の合計である。

Claims (6)

1. 二つ又はそれ以上の部品（３，４）を結合してジョイント（５）にするために締め具（１）を締め付ける動力工具（６）用のレギュレータであって、
   前記レギュレータ（９）が、締め具（１）を締め付ける時に動力工具（６）を、締め具（１）が所定の目標トルク（Ｔ_target）で締め付けられるように調節するレギュレータにおいて、
   レギュレータ（９）が、動力工具（６）への出力信号（ｉ_ｑ）を算出するように構成され、
   前記出力信号（ｉ_ｑ）が、動力工具（６）によって締め具（１）に及ぼされるトルク（Ｔ）と、締め具（１）がその軸線（１０）を中心に回転する角度（φ）との積に基づくものであり、
   前記出力信号（ｉ_ｑ）が、所定の目標トルク（Ｔ_target）を得るために締め具（１）の締め付けを制御するために用いられ、
   目標トルク（Ｔ_target）に達するための目標エネルギ（Ｅ_target）が、締め付け動作中に測定されるトルク増加率に基づいて推定されるジョイント（５）の結合力の測定値（ｋ_ｊ）に依存し、
   目標エネルギ（Ｅ_target）が、次式（ｆ３）に従ってジョイント（５）の結合力の前記測定値（ｋ_ｊ）により調整されることを特徴とするレギュレータ。
   

   
2. 動力工具（６）のモータ（７）の運動エネルギ（Ｅrot）が、次式（ｆ５）に従って、動力工具（６）のモータ（７）及びギヤ（８）の慣性及び角速度に依存する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレギュレータ。
   

   
3. 動力工具（６）を操作するオペレータ（１２）からの運動エネルギ（Ｅ_operator）が、オペレータ（１２）に依存する
   ことを特徴とする請求項２に記載のレギュレータ。
4. エラーエネルギ（Ｅ_error）が、次式（ｆ２）の関係に従う
   ことを特徴とする請求項３に記載のレギュレータ。
   

   
5. レギュレータ（９）からの出力信号（ｉ_ｑ）が、次式（ｆ７）に従って、動力工具（６）のモータ（７）におけるトルク定数（ｋ_ｍ）、ジョイントの結合力に依存する測定値（ｋ_ｊ）及び動力工具（６）のギヤ（８）のギヤ比（Ｎ）に依存する
   ことを特徴とする請求項４に記載のレギュレータ。
   

   
6. 締め具（１）がネジ又はネジ付きボルトである
   ことを特徴とする請求項１〜５に記載のレギュレータ。

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