JP6154641B2

JP6154641B2 - 自動ねじ締め機

Info

Publication number: JP6154641B2
Application number: JP2013074308A
Authority: JP
Inventors: 穣宇野; 大和坂本
Original assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Current assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014198357A

Description

本発明は、セルフドリリングタッピンねじの締結作業を行う自動ねじ締め機に関する。

所謂ねじをワークなどへ締結する場合、前記ワークには下穴あるいはめねじが予め加工されていることが多い。しかしながら、昨今、下穴およびめねじの加工費用を削減するため、ワークの下穴加工およびめねじ加工は、締結するねじ自身により行う方法が採用されることも多い。このような加工費用を削減できる締結作業に用いられるねじは、後述するビットに係合する頭部と、この頭部に隣接し外周に螺旋を形成したねじ部と、このねじ部の一端に刃を形成した先端部と、から構成されており、一般的にセルフドリリングタッピンねじ（以下、単にねじという）と呼ばれている。

前記ねじを締結する自動ねじ締め機は、特許文献１に開示されており、以下、図３に基づき説明する。この従来の自動ねじ締め機１００は、前記ねじ（図示せず）の頭部に係合可能なビット１０２と、このビット１０２に回転を付与する回転駆動源の一例であるＡＣサーボモータ１０３と、前記ビット１０２の下降および前記ビット１０２への推力を付与可能な推力付与手段１０４と、前記ねじのねじ込み深さを検出する深さ検出手段１２０と、前記深さ検出手段１２０の検出に基づき前記推力付与手段１０４の作動を切り替える制御手段（図示せず）と、を備えている。また、前記ビット１０２は、前記推力付与手段１０４の作動によってＡＣサーボモータ１０３とともに昇降するように構成されている。さらに、前記ＡＣサーボモータ１０３には、検出信号などを伝送するケーブル１０３ａが接続されており、このケーブル１０３ａは前記制御手段に接続されている。つまり、従来の自動ねじ締め機１００は、前記深さ検出手段１２０および前記制御手段によって前記ビット１０２の高さ位置を検出するように構成されている。

次に、従来の自動ねじ締め機１００の作用について説明する。従来の自動ねじ締め機１００は、まず、前記ビット１０２に高推力および高回転を付与し、ビット１０２に係合した前記ねじをワーク（図示せず）へ強く押し当てながら高速で回転させて前記ワークへの下穴加工を行う。ねじの先端が薄いワークを貫通して前記下穴加工が完了すれば、ワークへのめねじ加工を行うことになり、このめねじ加工では、前記ビット１０２を低推力および低回転に切り替える必要がある。そこで、前記深さ検出手段１２０の検出信号が下穴加工完了時に発せられるように予め設定されているため、めねじ加工時のビット１０２は、低推力および低回転で動作するよう前記制御手段によって切り替えられる。このように、従来の自動ねじ締め機１００は、ビット１０２に付与する推力および回転を下穴加工あるいはタップ加工などの各工程に合わせて設定できるため、ワークへの下穴加工を短時間で行え、しかもタップ加工を最適な推力で行える特徴がある。

特開平11-156649号公報

ところで、前記ビット１０２の下降速度について、前記下穴加工の完了直前は、ねじの先端がワークを貫通していないため、ほぼ零に近い低速となっている。一方、下穴加工の完了直後は、前記ねじに高推力が負荷され続けているため、前述のほぼ零の低速から急激に速度を増しビット１０２の下降速度が高速になる。続いて、この高速の下降速度は、前記深さ検出手段１２０によって低速に切り替えられるため、急激に低速へと変化する。つまり、従来の自動ねじ締め機１００は、このように下降する際、低速から高速あるいは高速から低速へと急激な速度差が生じるため、ビット１０２とともに下降する前記ＡＣサーボモータ１０３に大きな加速度が伝わる。これにより、ＡＣサーボモータ１０３自身やＡＣサーボモータ１０３に内蔵されるエンコーダ（図示せず）を破壊し易く、ビット１０２が回転不能となる問題があった。また、前記ＡＣサーボモータ１０３がビット１０２とともに下降するため、ＡＣサーボモータ１０３に接続された前記ケーブル１０３ａが下方へ引っ張られ易く、断線してＡＣサーボモータ１０３が動作不能となる問題もあった。さらに、前記推力付与手段１０４は、前記ビット１０２の軸線上に対してオフセットした位置に配されているため、推力の付与時の前記ビット１０２は、その軸線に対して反ってしまい、係合したねじを傾けてワークに押さえ付けてしまう。これにより、従来の自動ねじ締め機１００は、前記ねじを斜めに締め付ける問題もあった。さらに、前記ビット１０２の反りによって、このビット１０２に曲げモーメントが生じるため、前記ビット１０２が折れ易い問題もあった。

本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、ビットの昇降速度が大きく変化しても、過大な加速度が前記回転駆動源に伝わり難い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、本発明は、前記回転駆動源は、前記ビットに平行に配されたスプライン軸を接続して成り、前記スプライン軸は、これと一体に回転しつつスプライン軸の延びる方向に沿って摺動自在な摺動部材を備え、前記摺動部材は、これに固定され前記スプライン軸の回転に伴い回転する駆動ギアを備えて成り、前記ビットは、その上方に固定され前記駆動ギアに噛合する従動ギアを備え、前記推力付与手段は、その先端に前記従動ギアを回転自在に接続して成り、前記ビットの軸線の延長線上に配され、前記制御手段は、前記ビットの位置を検出する高さ検出手段を接続するとともに、前記ねじの先端がワークを貫通した検出信号を前記高さ検出手段から受け取り、この検出信号に基づいて前記推力付与手段の出力を切り替えて前記推力付与手段を高推力から低推力に切り替えねじを螺入するよう制御して成ることを特徴とする。

本発明の自動ねじ締め機１は、スプライン軸１０およびスプラインナット１１を採用しているため、前記ビット２の回転およびビット２の摺動動作時であっても、回転駆動源の一例であるＡＣサーボモータ３は、常に一定の位置から動くことがない。つまり、前記ＡＣサーボモータ３には、前記ビット１０２の下降速度の変化によって生じる加速度が伝わらなくなる。よって、前記ＡＣサーボモータ３には過大な加速度が伝わり難いため、ＡＣサーボモータ３自身の損傷およびこのＡＣサーボモータ３に内蔵されるエンコーダ（図示せず）の破損を従来よりも低減できる利点がある。また、本発明の自動ねじ締め機１は、前記ＡＣサーボモータ３が常に一定の位置で固定されているため、ＡＣサーボモータ３に接続されたケーブル３ａが前記ビット１０２の下降によって下方へ引っ張られることがない。このため、従来のようなケーブルの断線の問題が低減する利点もある。さらに、前記推力付与手段４は、ビット２の軸線の延長線上に位置するよう配されており、前記ビット２を真上から押さえ付けるため、前記ビット２は、その軸線に対して反りにくくなる。よって、本発明の自動ねじ締め機１は、従来のようにねじを斜めに締め付けることが低減するとともに、曲げモーメントの発生を抑制してビットの破損が低減する利点もある。

（ａ）は、本発明に係る自動ねじ締め機の正面図であり、（ｂ）は、（ａ）の側面から見た一部切欠断面図である。図１（ｂ）の動作状態を示す一部切欠断面図である。従来の自動ねじ締め機の要部を示す一部切欠断面図である。

本発明の自動ねじ締め機について、図１（ａ）、図１（ｂ）および図２を用いて以下に説明する。本発明の自動ねじ締め機１は、ねじＳの頭部に係合可能なビット２と、このビット２を回転自在かつ摺動自在に支持してなるＬＭガイド２０と、前記ビット２に推力を付与する推力付与手段と、前記ビット２に回転を付与する回転駆動源と、前記回転駆動源に駆動指令を与える制御手段と、から構成される。この自動ねじ締め機１は、積層されたワークＷ１，Ｗ２に前記ねじＳを螺入して所定の高さまで締結するように構成されている。なお、前記ワークＷ１は、本実施例において、木材が設定される一方、前記ワーク２は、厚みの薄い金属板に設定されている。また、ねじＳは、上述したセルフドリリングタッピンねじであるため、ここでは説明を省略する。

前記ビット２は、ねじＳを内部に保持可能なチャック４０に挿通されており、チャック４０内に保持されたねじＳの上方に位置している。また、前記ビット２の上部は、ビット２とともに回転自在に支持されたビット軸３０に連結されており、このビット軸３０の上部には、このビット軸３０とともに回転可能な従動ギア１１ｂが配されている。前記ビット軸３０は、板状からなるプレート２３を挿通しており、このプレート２３に固定されたフランジにより回転自在に支持されている。また、前記プレート２３の上方には、プレート２３と平行に配されたジョイントプレート２１が配されており、前記ジョイントプレート２１および前記プレート２３は、本実施例では４本のスペーサ２２によって固定されている。前記ジョイントプレート２１には、後述するエアシリンダ４のロッド４ａに取り付けられるジョイント９が配されており、このジョイント９は、後述するエアシリンダ４に接続されている。また、前記ジョイント９、前記従動ギア１１ｂ、前記ビット軸３０、前記ビット２は、それぞれの軸線が一致するようにほぼ一直線上に並んで配されている。

前記推力付与手段は、その一例であるエアシリンダ４であり、このエアシリンダ４は、圧縮空気を供給することでロッド４ａを伸縮自在に構成されており、前記ロッド４ａおよび前記ジョイント９の軸線とがほぼ一致するように配されている。このエアシリンダ４は、逆Ｌ字の形状をしたフレーム６の上端に固定されており、前記ロッド４ａが伸縮すると前記ジョイント９、前記ジョイントプレート２１、前記スペーサ２２、前記プレート２３、前記従動ギア１１ｂ、前記ビット軸３０、前記ビット２を一体に摺動可能に構成される。

前記エアシリンダ４に供給する圧縮空気の圧力は、高圧あるいは低圧の２種類に設定されており、２種類の圧縮空気の切り替えは、図示しない電磁弁および前記制御手段によって行われる。よって、前記エアシリンダ４へ高圧の圧縮空気が供給されると前記ビット２が高推力でねじＳを押し付ける一方、エアシリンダ４へ低圧の圧縮空気が供給されると前記ビット２が低推力でねじＳを押し付ける。

前記高さ検出手段は、その一例である近接センサ５であり、この近接センサ５は、前記チャック４０の上方に配され、前記ビット軸３０に取り付けられたドグ３０ａを検出可能に構成されている。また、前記近接センサ５は、前記制御手段にその検出信号を伝送可能に構成されており、前記ドグ３０ａの取り付け位置を予め調整しておくことで前記ビット２が所定の高さまで下降したことを検出できる。

つまり、前記エアシリンダ４の発揮する推力は、前記近接センサ５がドグ３０ａを検出するまでの区間であると高推力が出力される一方、前記近接センサ５がドグ３０ａを検出した後の区間であると低推力が出力される。具体的には、前記ねじＳの先端部がワークＷ２の下穴を貫通した後に前記ドグ３０ａが近接センサ５に検出されるよう、前記ドグ３０ａの取り付け位置が設定されている。

また、図１（ａ）に示すように前記近接センサ５よりも若干低い位置に近接センサ５０が配されているが、この近接センサ５０は、図２に示すようにワークＷ１，Ｗ２にねじＳが締結され所定の高さまで螺入できたことを検出するセンサである。この近接センサ５０は、前記ドグ３０ａを検出すると前記制御手段に信号を送るように構成される。

前記回転駆動源は、その一例であるＡＣサーボモータ３であり、このＡＣサーボモータ３は、前記エアシリンダ４と並んで配され、前記フレーム６の上端に固定されている。また、このＡＣサーボモータ３は、その内部にエンコーダ（図示せず）を搭載しており、この出力軸の回転角を検出可能に構成されている。さらに、前記ＡＣサーボモータ３には、前記制御手段に接続されるケーブル３ａが取り付けられており、このケーブル３ａは、前記出力軸の回転駆動に必要な動力および前記エンコーダの検出信号を伝送可能に構成されている。また、前記ケーブル３ａは、図示しないが前記フレーム６に固定されたケーブル取付板に固定されている。

前記出力軸の下方には、前記出力軸の軸線とほぼ一致するようにスプライン軸１０が前記ビット軸３０とほぼ平行に配されており、前記出力軸および前記スプライン軸１０には、カップリング８が固定されている。これにより、前記出力軸および前記スプライン軸１０は、それぞれが一体に回転するように構成される。

前記スプライン軸１０には、内輪（図示せず）および外輪（図示せず）がそれぞれ差動回転可能に構成された摺動部材の一例であるスプラインナット１１が挿通されている。また、前記外輪と前記内輪との間に例えば複数の鋼球（図示せず）が組み込まれているため、それぞれが差動回転でき、しかも、一体にスプライン軸１０に沿って摺動できる。つまり、前記スプラインナット１１は、前記内輪が前記スプライン軸１０とともに回転可能かつ、前記内輪および前記外輪が一体となって前記スプライン軸１０の延びる方向に沿って摺動可能に構成される。なお、前記スプライン軸１０と前記スプラインナット１１とを組み合わせたものは、一般的にロータリーボールスプラインと呼ばれている。

前記スプラインナット１１の前記内輪は、その上部に前記従動ギア１１ｂと係合する駆動ギア１１ａが固定されているため、前記ＡＣサーボモータ３の反時計回りに回転すると、前記スプライン軸１０、スプラインナット１１の内輪、前記駆動ギア１１ａが反時計回りに一体に回転し、前記従動ギア１１ｂ、前記ビット軸３０、前記ビット２が時計回りに一体に回転するように構成される。

前記スプラインナット１１の前記外輪は、前記プレート２３が固定されており、このプレート２３は、前記スプライン軸１０の延びる方向に摺動するＬＭガイド２０に固定されている。これにより、前記エアシリンダ４のロッド４ａが伸びる方向へ作動すると、前記ジョイントプレート２１、前記スペーサ２２、前記プレート２３、前記ＬＭガイド２０、前記スプラインナット１１、前記駆動ギア１１ａ、前記従動ギア１１ｂ、前記ビット軸３０、前記ビット２が一体となって下降する。

よって、前記ビット２は、前記ＡＣサーボモータ３の回転を受けながら回転しつつ前記エアシリンダ４の作動を受けて下降可能に構成されている。

前記チャック４０は、前記フレーム６の下端から延びるブラケットに固定されており、その先端に２つの爪４２ａ，４２ｂが揺動自在に配されている。この爪４２ａ，４２ｂは、互いに閉じる方向へ常時付勢されており、閉じた状態であると前記ねじＳのねじ部を確実に保持可能に構成される。また、前記爪４２ａ，４２ｂが閉じた状態で前記ねじＳを供給すると、前記ねじＳの先端部は、前記爪４２ａ，４２ｂの先端から突出しない。これは、前記ねじＳの先端部の直径がねじ部の直径よりも大きく形成されているためである。つまり、前記ねじＳの先端部を前記爪４２ａ，４２ｂから突出させるためには、前記爪４２ａ，４２ｂを僅かに開いてからねじＳを供給する必要がある。このため、チャック４０にエアシリンダ４１が配されている。また、このエアシリンダ４１は、前記爪４２ａおよび前記爪４２ｂに係合するように構成されており、これが作動すると爪４２ａ，４２ａｂが僅かに開く方向へ揺動する。したがって、前記ねじＳの先端部は、前記爪４２ａ，４２ｂの先端から突出でき、その後、前記エアシリンダ４１が復帰することで、前記ねじＳのねじ部が前記爪４２ａ，４２ｂに確実に保持される。

次に、本発明の自動ねじ締め機１の作用について説明する。前記制御手段は、前記エアシリンダ４１に動作指令を与えるため、エアシリンダ４１が復帰側（縮む方向）へ作動して前記爪４２ａ，４２ｂを僅かに開く。これにより、ねじＳは、図示しない部品供給装置から前記チャック４０に供給され、その先端が前記爪４２ａ，４２ｂから突出すると前記エアシリンダ４１が図１（ａ）に示すように動作側（伸びる方向）へ作動し、前記爪４２ａ，４２ｂが閉じる。これにより、前記ねじＳの軸線および前記ビット２の軸線がほぼ一致し、前記ねじＳのねじ部が爪４２ａ，４２ｂによって確実に保持される。

この後、前記制御手段は、前記ＡＣサーボモータ３および前記エアシリンダ４に動作指令を与える。この時、前記ドグ３０は前記近接センサ５に検出されていないので、エアシリンダ４には、高圧の圧縮空気が供給される。これにより、前記ビット２は、高推力を発するように前記チャック４０内を下降しながら、前記ＡＣサーボモータ３の回転によって高速で回転し、前記ねじＳの頭部に係合する。さらに、前記ビット２が高回転かつ高推力を保って下降するため、これと係合したねじＳは、前記爪４２ａ，４２ｂを押し広げてワークＷ１に螺入され、ねじＳの先端部によって前記ワークＷ１およびワークＷ２にそれぞれ穴加工を行う。

これらの穴加工の際には、前記制御手段は、前記ビット２を約２０００ｒｐｍで高速回転させ、かつ約５００Ｎの高推力で下降させるように制御しており、前記ねじＳの先端が前記ワークＷ１，Ｗ２の表面に順次当接してワークＷ１，Ｗ２にそれぞれ穴加工を行う。この時、前記ロッド４ａが付与する前記推力は、前記ビット２ないし前記ロッド４ａを介在する各部材（前記ビット軸３０等）の軸線上を通るようにほぼ一直線で伝達されるため、ねじＳを高推力で押さえる前記ビット２には、従来のような曲げモーメントを受けることがほとんど無い。よって、本発明の自動ねじ締め機１は、前記ねじＳが前記ビット２の軸線に対して傾き難くなるため、ねじＳを斜めに締め付ける不具合の発生が低減する。さらに、前記ビット２には従来のような曲げモーメントが加わらないため、ビット２は従来に比べて破損し難くなる。

また、前記ビット２によって回転および下降するねじＳは、前記ワークＷ２の表面に当接した時点で所定の下降速度からほぼ零の下降速度となるため、前記ビット２とともに下降する各部材（ＬＭガイド２０等）も下降速度が急激に変化する。このように比較的大きな加速度が前記各部材に生じても、前記ＡＣサーボモータ３が前記ビット２とともに下降しないため、本発明の自動ねじ締め機１は、従来のように前記エンコーダ等の破損が低減する。

また、上述からも分かるように前記ＡＣサーボモータ３に接続された前記ケーブル３ａについても前記ビット２とともに下降しない。これにより、本発明の自動ねじ締め機１は、従来のようにケーブル３ａがビット２の昇降に併せて伸縮することがないため、従来のようなケーブル３ａの断線の発生を低減できる。

次に、前記ドグ３０ａは、上述したように前記ねじＳの先端部が前記ワークＷ２を貫通した後に前記近接センサ５で検出される位置に配されているため、この検出信号を受けた前記制御手段が前記エアシリンダ４に供給する圧縮空気を低圧に切り替えるとともに、前記ビット２の回転数を低速回転に切り替える。これにより、前記ビット２の推力が約１００Ｎへと低推力に切り替えられるとともに、前記ビット２の回転数が約３００ｒｐｍへと低速回転へ切り替えられる。したがって、前記ビット２ａは、これに係合した前記ねじＳに低速回転および低推力を付与し、前記ねじＳを前記ワークＷ２へ螺入するため、前記ねじＳのねじ部は、適切な推力および回転数でめねじ加工を行える。

次に、前記ビット２が図２に示す位置まで下降すると、前記近接センサ５０が前記ドグ３０ａを検出してこの検出信号を前記制御手段に送る。これにより、前記制御手段は、前記ＡＣサーボモータ３に回転停止指令を与えて前記ビット２が回転停止するとともに前記エアシリンダ４に復帰指令を与える。よって、このエアシリンダ４の前記ロッド４ａは、前記ビット２を図１（ｂ）に示す位置まで復帰して一連のねじ締め作業が終了する。

１自動ねじ締め機
２ビット
３ＡＣサーボモータ
３ａケーブル
４エアシリンダ
４ａロッド
５近接センサ
６フレーム
８カップリング
９ジョイント
１０スプライン軸
１１スプラインナット
１１ａ駆動ギア
１１ｂ従動ギア
２０ＬＭガイド
２１ジョイントプレート
２２スペーサ
２３プレート
３０ビット軸
３０ａドグ
４０チャック
４１エアシリンダ
４２ａ爪
４２ｂ爪
Ｓねじ
Ｗ１ワーク
Ｗ２ワーク

Claims

ねじの頭部に係合可能なビットと、このビットを回転駆動する回転駆動源と、前記ビットに推力を付与可能かつ前記ビットをビットの延びる方向へ往復移動可能な推力付与手段と、前記回転駆動源および前記推力付与手段をそれぞれ制御する制御手段とを備えて成る自動ねじ締め機において、
前記回転駆動源は、前記ビットに平行に配されたスプライン軸を接続して成り、
前記スプライン軸は、これと一体に回転しつつスプライン軸の延びる方向に沿って摺動自在な摺動部材を備え、
前記摺動部材は、これに固定され前記スプライン軸の回転に伴い回転する駆動ギアを備えて成り、
前記ビットは、その上方に固定され前記駆動ギアに噛合する従動ギアを備え、
前記推力付与手段は、その先端に前記従動ギアを回転自在に接続して成り、前記ビットの軸線の延長線上に配され、
前記制御手段は、前記ビットの位置を検出する高さ検出手段を接続するとともに、前記ねじの先端がワークを貫通した検出信号を前記高さ検出手段から受け取り、この検出信号に基づいて前記推力付与手段の出力を切り替えて前記推力付与手段を高推力から低推力に切り替えねじを螺入するよう制御して成ることを特徴とする自動ねじ締め機。