JP6420848B2 - トルク制御方法及びその制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気動トルク工具のトルク制御方法及びその制御装置に関し、特に、所定の操作及び制御条件下で、予め設定された空気圧とトルクとの対応関係に基づいて、出力トルクを制御するトルク制御方法及びその制御装置に関するものである。

トルク工具の使用では、空気圧縮により駆動されるすべてのトルク工具、例えば、空気動インパクトレンチ、空気動油圧式パルスレンチ、空気動倍力ギアレンチ、空気動クラッチ式ドライバーなどの空気動トルク工具は、測定又は使用の過程において作動圧力の不安定により測定又は使用の結果が影響されている。一般の空気動トルク工具は、空気動トルク工具を駆動するための圧縮空気圧又は空気流量の調整によりトルクが制御される。空気動トルク工具を駆動するための圧縮空気圧は、作業場所の空気圧システムの空気供給能力、工具のトルク駆動機構及び工具の空気消費量などの要因に影響され、出力トルクの強さの制御が困難になる。

過去のインパクトトルク工具は、主に供給空気圧及び空気流量の調整又は締付け時間の制御により出力トルクが制御される。しかし、締付け過程では作動圧力の不安定のため、工具に入る空気流量が直接に影響され、出力トルクの誤差が極めて大きいことになる。トルク検出装置が工具に取り付けられても、インパクトで生じる振動数及び振幅の影響により信号の分析が困難になるので、出力トルクを効果的に制御することができない。

過去の空気動油圧式パルストルク工具は、主に作動圧力及び油圧シリンダの油圧圧力の調整により出力トルクが制御される。そのトルク制御精度が前記のレンチより優れているが、締付け過程では作動圧力の不安定であるため、工具に入る空気流量も直接に影響されること、或いは油圧シリンダの構造及び油圧オイルが連続作業の場合、温度上昇などによる要因でトルクの調整範囲及びトルク制御精度が制限されている。

空気動倍力ギアレンチは、空気動モータ及び遊星歯車と反作用アーム（Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ａｒｍ）などの機構によりトルクが増大している。その制御精度が優れているが、締付け時間が長くなるため、速度が遅いので作業効率が低下すると共に、工具が重いので作業員が疲労しやすくなる。

空気動クラッチ式トルク工具は、空気動モータ及び遊星歯車減速機構でにより、スプリングテンションクラッチの張力の強さでトルクを制御する工具であり、制御精度が一般的であるが、工具が停止する時、工具の出力トルクが強くなれば、生成された反作用も強くなることにより、長時間での工具の把持が困難になる。さらに、作業員の体が疲れやすい或いは上肢の関節損傷などの労働災害の問題が起きる。よって、当業者らは、上述した各工具の利点を生かすべく、様々なトルクセンサ及び制御装置と合わせて、出力トルクの制御精度を向上させるように鋭意研究を行っている。

トルク工具に関するトルク制御装置及びその方法は、一般的には、圧力（空気圧、油圧）、流量（工具の空気消費量）、出力軸の回転による変形、角度又は電磁誘導コイルなどによるトルク検出装置、あるいはスプリングの張力とクラッチのコンビネーションによるトルク制御装置が挙げきれず、締付時間の長さなどによるさまざまなトルクの制御でさえ試されたが、満足的な効果を得ることが困難である。

以上によって、トルク工具は、トルク制御の目的を達成するため、工具出力軸などの適切な位置に取り付けられた変形検出装置（例えば、ひずみゲージ又は電磁誘導コイルなど）で検出した変形信号、或いは（例えば、ジャイロスコープなどの装置を用いて）検出されたボルトと被締付物の接合面との接触からの角変位を、締付時間、或いは工具駆動モータのシリンダーに入る流量又は吸気圧力の大きさに合わせることとする。その中、インパクト式又は油圧パルス式などの空気動トルク工具は、インパクトで生成された脈波信号が乱れ、そして速い締付速度で締付けの過程が極めて短くて、トルクの制御が困難になる。また、空気源からの動力を即時に停止するため、取り付けれらたさまざまな電子検出装置で検出される検出信号が工具に内蔵又は外付けの制御装置に出力される場合、マイクロプロセッサなどの電子部品と電磁弁などの機械制御部品との間の信号伝送時に機構反応速度のラグなどの問題でトルク制御精度への影響が避けられない。さらに、素材、表面粗さ、硬さの違い材料の結合、表面潤滑度などの結合部材と被締付物の条件、さらに締付け過程で工具を把持する姿勢も、トルク制御精度に直接又は間接的に影響を与える。

以上の問題に鑑みて、本発明の本発明者らは、従来技術の欠点を解決して、該当業界での利用を有効に向上させるため、トルク制御製品に関する長年の経験に基づいて、既に特許された「防振効果のある工具トルク検出及び制御装置」（米国特許ＵＳ７７７９７０４）、「締付トルク及び締付力を制御且つ検出可能な装置及びその方法」（中国特許ＺＬ２０１２１００１１８７７.１）、「動力締付工具ためのトルク制御装置及びその制御プログラム」（台湾特許Ｉ３９６６６０９）及び「インパクト式空気動トルクレンチためのトルク制御装置」（台湾特許Ｉ４３２２９３）の続き、インパクト式又は油圧パルス式などの空気動トルク工具の操作特性をさらに解析して、実験データを検証することにより、当該業界で空気動インパクト及びパルス式トルクレンチためのトルク制御及びトルク検出という最大の困難を克服すべく、理想的な精度範囲となるように容易且つ安定的に制御可能なトルク制御方法及びその制御装置を提供する。

本発明の目的によれば、出力トルクを効果的に制御することができない課題を解決するため、各型の空気動トルク工具、特にインパクト又はパルス式の空気動トルク工具に応用するように、空気動トルク工具の出力トルクを制御する方法を提供する。その方法は、空気圧管路を空気圧システムからトルク制御装置に接続し、空気動トルク工具と被締付け結合部材との間の特性及び所定の操作条件に基づいて、作動圧力を空気動トルク工具に安定的に出力する工程と、空気動トルク工具の通常動作可能な最大作動圧力値及び最小作動圧力値によってそれぞれ空気動トルク工具を駆動し、締付作業の前に出力トルクの検出作業を行う工程と、検出した最大トルク値と最小トルク値、及びそれぞれの最大トルク値と最小トルク値に対応した最大作動圧力値と最小作動圧力値に基づいて、空気圧とトルクとの対応関係曲線を作成する工程と、空気圧とトルクとの対応関係曲線に基づいて、最大トルク値と最小トルク値との間に設定された目標トルク値を入力して、対応の作動圧力値を得て、当該作動圧力値で空気動トルク工具を駆動して締付作業を行う工程とを含む。

より好ましくは、締付作業を行う前、トルク検出装置により工具の通常操作の最大作動圧力値と最小作動圧力値で出力されるトルク値を検出して、トルク制御装置に出力する工程と、トルク制御装置の空気圧力センサで検出過程において空気圧変化を得て、その空気圧変化を検出されるトルク値と共にトルク制御装置の記憶ユニットに記憶する工程とをさらに含む。

より好ましくは、締付作業の後、トルク校正工具で結合部材のトルク値を検出して、トルク制御装置に出力する工程と、トルク制御装置の空気圧力センサで検出過程において空気圧変化を得て、その空気圧変化を検出されるトルク値と共にトルク制御装置の記憶ユニットに記憶する工程とをさらに含む。

より好ましくは、トルクの検出作業を複数回繰り返すことにより、複数の最大トルク値、最小トルク値、最大作動圧力値及び最小作動圧力値を得る工程と、複数の最大トルク値、最小トルク値、最大作動圧力値及び最小作動圧力値をそれぞれ合計且つ平均して、平均された最大作動圧力値、最小作動圧力値、それらに対応した最大トルク値及び最小トルク値に基づいて、空気圧とトルクとの対応関係曲線を作成する工程とをさらに含む。

より好ましくは、補正されたトルク値を入力した後、元の目標トルク値に基づいて設定された空気圧とトルクとの対応関係曲線を補正トルク値が元の目標トルク値より大きい又は小さい値に基づいて上又は下にオフセットさせる工程と、補正された空気圧とトルクとの対応関係曲線に基づいて目標トルク値を再入力することにより、新たな作動圧力を得て、この作動圧力で空気動トルク工具を駆動して締付作業を行い、締付作業の後、所定の制御範囲となるか如何か確認するように締付けトルクをもう一度検出する工程とをさらに含む。

より好ましくは、締付又はトルク検出の過程において、締付けの開始から終了までの空気圧力の変化を監視する工程と、空気圧の降下で変動許容範囲を超える場合、空気動トルク工具に輸送されたガス源を遮断するように制御する、或いは表示ユニットで警告する工程とをさらに含む。

本発明の目的によれば、主に空気圧供給システムと空気動トルク工具との間に接続されるトルク制御装置をさらに提供する。トルク制御装置は、吸気圧力モニターモジュール、空気圧調整モジュール、電磁弁、第３空気圧力センサ、記憶ユニット、表示ユニット、入出力装置、警報装置、電源装置及びマイクロプロセッサを備える。吸気圧力モニターモジュールは、空気圧システムからトルク制御装置に供給される空気圧力を制御する、或いは空気圧システムからトルク制御装置に供給される空気圧力が上限値を超えると、警告信号を出力する。空気圧調整モジュールは、空気動トルク工具に供給される空気圧値を調整する。電磁弁は、空気動トルク工具に供給される空気圧源を連通又は遮断させる。第３空気圧力センサは、電磁弁と空気動トルク工具との間に設置され、締付作業の開始から終了までの過程において、空気動トルク工具に供給される空気圧の変化を検出する。記憶ユニットは、空気動トルク工具が安定な空気圧で検出作業を行って得られた空気圧値及びトルク値を記憶する。空気圧値は最大作動圧力値と、最小作動圧力値とを含み、トルク値は最大作動圧力値に対応する最大トルク値と、最小作動圧力値に対応する最小トルク値とを含む。マイクロプロセッサは、最大作動圧力値と最小作動圧力値、及びそれらに対応する最大トルク値と最小トルク値に基づいて、空気圧とトルクとの対応関係曲線を作成する。作業員が最大トルク値と最小トルク値との間の目標トルク値を入力する時、前記曲線に基づいて前記目標トルク値に対応した作動圧力を得ることにより、空気動トルク工具を駆動して制御可能な締付作業を行う。入出力装置は、システム内の各トルク設定値、変形検出値、目標トルク値及び制御に関する信号などの伝送に用いられる。表示ユニットは、空気圧又はトルクの単位、目標トルク値と対応の作動圧力、締付け回数及び締付作業がＯＫ又はＮＯＫなどの表示を行う。警報装置は、マイクロプロセッサでの演算、判断の結果に基づいて、点灯又は音声により提示する。電源装置は、トルク制御装置の各制御部材に電気的に接続される。

その中、空気圧調整モジュールは、例えば、自動調整モジュールが採用される場合、空気圧比例制御弁と、第２空気圧力センサと、空気圧力制御弁とをさらに備える。第２空気圧力センサは、空気圧比例制御弁と空気圧力制御弁との間に設置され、マイクロプロセッサに内蔵される最大作動圧力と最小作動圧力、及びそれぞれ検出される最大トルク値と最小トルク値に基づいて空気圧と出力トルクとの対応関係曲線を作成する。作業員がその間の任意の目標トルク値を入力する時、マイクロプロセッサは、圧力の自動的な調整機能を実現するように、第２空気圧力センサで検出される空気圧値に基づいて、信号により空気圧比例制御弁を制御することにより、空気圧力制御弁から電磁弁に供給される空気圧を対応の作動圧力まで自動的に調整する。その中、空気圧調整モジュールに例えば、手動圧力調整弁が採用される場合、電磁弁と空気動トルク工具との間に取り付けられる第３空気圧力センサで工具の起動の前後に空気圧の降下を検出して、表示ユニットで表示された目標トルク値に対応する作動圧力に基づいて、手動圧力調整弁により対応の作動圧力まで調整する。

その中、マイクロプロセッサは、トルク工具の起動の前後に各空気圧力センサで検出されて出力される空気圧力差、且つ締付終了時の空気圧が変動の許容範囲内で安定しているかどうかなどのことにより、表示ユニット又は警報装置で作業員に提示する。これにより、その工具が安定な作動圧力で出力トルクを精確に制御する締付作業を行うことができる。

その中、マイクロプロセッサは、作業員がトルク検出後に入力した補正トルク値に基づいて、設定された空気圧とトルクとの対応関係曲線を自動的に調整して、補正された空気圧とトルクとの対応関係曲線に基づいて、目標トルク値を再入力して、新たな作動圧力を得ることにより、この作動圧力で空気動トルク工具を駆動して締付作業を行うことができる。

本発明のトルク制御方法及びそのトルク制御装置は、インパクト式又は油圧パルス式のトルク工具を利用して、且つ「同じ工具で、予め設定した操作条件下、例えば、同じ空気流量、締付時間、且つ連続的に監視される安定な圧力の条件下で、同じように安定なトルクを出力する」という特性により、締付作業を行う前、トルク検出装置で検出して、「その工具の既知且つ予め設定の操作条件での作動圧力と出力トルク値との関係曲線」を作成する。また、締付作業を行った後、締付けトルクが所定の制御範囲内となるか如何かもう一度検出する。本発明のトルク制御方法及びその制御装置によれば、締付けトルクを精確に制御するための締付作業を達成するように、必要の時に上述したトルクの補正作業を行うことにより、トルク工具がトルク制御に関する機構の製造精度の向上又はさまざまなセンサ装置を必要とせず、インパクト式又は油圧パルス式のトルクレンチの締付作業は、従来の制御技術より安価、安定、高精度な制御を実現することができる。

本発明のトルク制御方法の流れ図である。 本発明のトルク制御方法の空気圧と検出信号との関係図である。 本発明のトルク制御方法の空気圧とトルクとの対応関係曲線の概略図である。 本発明のトルク制御装置に係る一実施例のブロック図である。 本発明のトルク制御装置に係る一実施例の操作の概略図である。 本発明のトルク制御装置に係る一実施例の空気圧とトルクとの対応関係曲線の調整の概略図である。 本発明のトルク制御装置に係るもう一つの実施例のブロック図である。

本発明をより完全に理解するために、本発明の技術特徴、内容と長所及びそれが達成できる作用効果については、添付図面を参照して、実施例の表現形式で以下のように詳細に説明される。但し、図示された図面は、単に例示または明細書内容を補助する目的としたものであって、本発明の実施後の原寸に比例したものや精確に配置したものには何ら拘束されない。よって、図示された図面は、添付図面の比例と配置関係で解釈されてはならず、本発明を実際に実施する権利範囲に制限することを意図したものではないことについて先に説明しておきたい。

図１を参照し、図１は本発明のトルク制御方法の実施の流れ図である。図に示すように、本発明のトルク制御方法は、（Ｓ１１）空気圧管路を空気圧システムからトルク制御装置に接続し、工具と被締付け結合部材との間の特性及び所定の操作条件に基づいて、前記空気動トルク工具に安定した作動圧力を出力する工程と、（Ｓ１２）締付作業の過程において、空気動トルク工具への安定な空気圧の供給条件下で、空気動トルク工具の通常動作可能な最大作動圧力値及び最小作動圧力値によってそれぞれ空気動トルク工具を駆動し、締付作業の前に出力トルクの検出作業を行う工程と、（Ｓ１３）検出した最大トルク値と最小トルク値、及びそれぞれの最大トルク値と最小トルク値に対応した最大作動圧力値と最小作動圧力値に基づいて、空気圧とトルクとの対応関係曲線を作成する工程と、（Ｓ１４）その空気圧とトルクとの対応関係曲線に基づいて、最大トルク値と最小トルク値との間に設定された目標トルク値を入力し、対応の作動圧力値を得て、当該作動圧力値で空気動トルク工具を駆動して締付作業を行う工程とを含む。

即ち、空気動トルク工具と被締付け結合部材との間の特性に基づいて、空気動トルク工具の空気流量（インパクトレンチ）又は油圧シリンダーの油圧（油圧式パルスレンチ）を決定し、トルク制御装置で操作及び制御の条件、例えば、各空気圧力センサの空気圧降下の許容範囲、締付終了時の作動圧力の変動許容範囲、目標トルク値の合格範囲の判定、実際作業の空気圧と空打ち時との圧力差範囲の判定及び締付作業の開始から終了までの秒数などを設定する。続いて、工具の通常動作可能な安定作動圧力の範囲内に、それぞれの最大作動圧力値及び最小作動圧力値で空気動トルク工具を駆動して、トルク検出装置により結合部材を直接に締め付けることにより、それに対応するトルク値を検出して、締付作業の開始から終了までの空気圧変化のデータをトルク制御装置に自動的に同期伝送して記憶する、或いは空気動トルク工具を駆動して、締付作業の前、トルク計で工具の出力トルク能力の検出作業を行って、それに対応する最大トルク値及び最小トルク値を得る。さらに、締付作業の後、デジタルトルクレンチなどのトルク校正工具で検出されたトルク値をトルク制御装置に入力して、予め設定された元の空気圧とトルク値との関係曲線を補正して記憶する。トルク制御装置のマイクロプロセッサは、最大作動圧力値と最小作動圧力値、及びそれぞれに対応する最大トルク値と最小トルク値に基づいて、空気圧とトルク値との対応関係曲線を作成する。続いて、トルク制御装置で最大トルク値と最小トルク値との間の任意の目標トルク値を入力する。マイクロプロセッサは、前記空気圧とトルク値との対応関係曲線に基づいて演算し、前記目標トルク値に対応する作動圧力値を得て、手動または自動的な圧力調整手段で圧力を調整することにより、実際の締付作業を行うように空気動トルク工具を駆動する。なお、図３には、空気圧とトルクの対応関係曲線を示す。

以下、本発明の原理について説明する。

慣性能率又は慣性モーメント（Ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｅｒｔｉａ）は、物体の回転運動 に対する慣性であり、直線運動と回転運動を比較する。

（数１）
Ｆ＝ｍ＊ａ＝ｍ＊ｄｖ／ｄｔ（直線運動）

（数２）
Τ＝Ι＊α＝Ι＊ｄω／ｄｔ（回転運動）

上記の数式において、表に示したように、Ｔ：トルク（Ｔｏｒｑｕｅ）（Ｎ＊ｍ）、Ｉ：慣性能率又は慣性モーメント（Ｋｇ＊ｍ２）（回転機構と出力軸とソケットレンチ）、Ｖ：速度（ｍ／ｓ）、α：角加速度（ｒａｄ／ｓ２）、ω：角速度（ｒａｄ／ｓ）（数１）と（数２）を比較して、両者は近似していることがわかる。

（数３）
ｖ＝ｒω

（数４）
Ｉ＝ｍｒ２
Τ＝ｒＦ＝ｒｍ＊ｄｖ／ｄｔ＝＝ｍｒ２ ｄω／ｄｔ＝Ι＊α

（数２）は、（数３）と（数４）で演算される。空気動インパクトレンチに対して、空気動モータにより駆動してインパクト機構及びハンマーを一回転又は半回転で回転させる時、ハンマーが出力軸（Ａｎｖｉｌ）に衝撃された後、停止され（角速度＝０）、ｄω＝ω-０＝ωとなる。回転エネルギーは、衝撃により生じた熱エネルギーを差し引いて、ほとんど衝撃エネルギーに変える。インパクト機構を出力軸（Ａｎｖｉｌ）に衝撃する衝撃時間ｄｔは、トルクに反比例する、即ち、同じ角速度で、衝撃時間が短くなるほど、生じるトルクが大きくなる。しかし、衝撃時間は、機構の設定によって決定することであり、衝撃力の一定範囲で、衝撃時間ｄｔを定数と見なすことができる。

よって、（数２）Τ＝Ι＊α＝Ι＊ｄω／ｄｔでは、トルクは角加速度αに比例する。インパクトレンチに対して、衝撃の瞬間角速度が０となるため、ｄω＝ω-０＝ωとなる。これにより、衝撃時間ｄｔを定数Ｃと見なし、（数２）：Τ＝Ι＊α＝Ι＊ｄω／ｄｔをΤ＝ｍ＊ω （ｒｐｍ）＊Ｃに修正することができる。

即ち、インパクトレンチの出力軸のトルクは、インパクト機構及びハンマーの質量ｍと回転速度ω（ｒｐｍ）に比例する。インパクトレンチに対して、インパクト機構及びハンマーの質量ｍが一定量である。空気動モータにより駆動するインパクト機構及びハンマーの回転速度ω（ｒｐｍ）が最大回転速度に到達する前に、機構（空気動モータ）の回転速度ω（ｒｐｍ）は、空気圧、流量に比例する。電気モータに対して、機構の回転速度ω（ｒｐｍ）は、電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）に比例する（Ｐ＝Ｉ＊Ｖ）。

以上によって、空気動トルクレンチの出力トルクは作動圧力に比例することにより、締付作業の過程における作動圧力が変動の許容範囲内に安定に制御されると、出力トルクが目標範囲内に制御されることができる。

トルク工具のトルク制御と言えば、実はトルク工具の出力トルクのみ制御可能である。さまざまな結合部材の素材及び表面状態がそれぞれ違うので、同じトルクを与えても、得られた締付けトルク又はクランプ力が異なる可能性がある。以下の説明によると、（数５）Ｔ＝Ｋ×Ｄ×Ｗでは、Ｔ：トルク、Ｄ：ネジ又はボルトの呼び径（ｎｏｍｉｎａｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ）（ｍｍ）、Ｗ：ネジ又はボルトの軸方向力（Ｎ）、Ｋ：トルク係数。トルク係数Ｋは重要なパラメータであり、主にねじ山と接合面の摩擦係数である。Ｋ＝Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３では、Ｋ１：ナッツ又はボルトの接合面の摩擦トルク係数を代表し、総合トルク係数Ｋ値の約５０％を占め、Ｋ２：フランク面の接触面の摩擦係数を代表し、総合トルク係数Ｋ値の約４０％を占め、Ｋ３：ボルトを伸ばして生じするトルク係数を代表し、総合トルク係数Ｋ値の約１０％を占める。

してみれば、本発明のトルク制御方法は、トルク工具の出力トルクを精密に制御する他、トルク検出を行う場合、使用者が実際の需要に応じるように、使用の結合部材の状況によって微調整することができる。

図２を参照し、図２は本発明のトルク制御方法の空気圧と検出信号との関係図である。本発明者は、ＮＩのパルス分析器（ソフトウェアは、ＮＩ ＬＡＢＶＩＥＷ Ｓｉｇｎａｌ Ｅｘｐｒｅｓｓであり、ハードウェアは、NI cDAQ-9172である）を用いてパルストルクレンチを測定する。一定の工具の空気消費量、同じ締付時間及び安定且つ連続的に監視される空気圧の条件下で、例えば、８５重量ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）で生成されるパルスパターンから分かるように、振幅（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）は安定した高度（１．３ｍ）を有し、且つ当該空気圧の振幅の高度によりトルクの大きさを判定することができる。もう一つのより低い安定な空気圧の条件下で、例えば、３５ｐｓｉで生成されるパルスパターンから分かるように、安定した結果（６５０μｍ）も示す、或いは、８５〜３５ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の空気圧範囲内で、例えば、５５と６５ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の空気圧を印加する時、振幅も安定した高度（９００μｍと１．０５ｍ）を有する。その中、Ｙ軸はＮＩのパルス分析器で測定されたひずみ値（Ｓｔｒａｉｎ Ｖａｌｕｅ）であり、トルク値に換算することができる。Ｘ軸は衝撃時間（工具は異なる空気圧、同じ衝撃時間で結合部材を締め付ける）である。簡単に言えば、一定の工具の空気消費量及び安定な作動圧力では、工具に印加される最大作動圧力及び最小作動圧力が所定の変動許容範囲内に安定に制御されると、図２のＬＳに示すように、高、低振幅の高度は空気圧とトルクの線形関係に非常に近いものである。

上述した理論及び実験データによって、空気動トルク工具がトルクを結合部材（柔らかい又は硬い結合部材）に印加する時、同じ空気動トルクレンチにより、決定された工具の空気流量、同じ締付時間及び安定な作動圧力の条件下で、柔らかい又は硬い結合部材のいずれに対しても、近い出力トルク値を得ることができる特性を有することが証明された。即ち、空気動トルクレンチは、上述したトルク制御装置と組み合わせれば、締付の全ての過程において、安定な変動範囲に維持するように、作動圧力の圧力降下（％）を監視することにより、出力トルクを一定の目標範囲内に制御することができる。よって、決定された工具の空気流量、同じ締付時間で、締付の全ての過程において作動圧力の監視を行って、安定に維持可能な最大作動圧力、最小作動圧力で締付作業を行った後、最大作動圧力値、最小作動圧力値でそれぞれ検出してそれらに対応する最大トルク値及び最小トルク値に基づいて、線形に非常に近い空気圧とトルクとの対応関係を作成することができる。最大トルク値と最小トルク値との範囲内で任意の目標トルク値を入力することができるため、本発明のトルク制御装置のマイクロプロセッサは、内蔵の空気圧とトルクとの対応関係に基づいて算出された対応の作動圧力により工具を駆動して締付作業を行い、且つ設定される時間になる場合、空気源を遮断して空気動トルク工具を停止する。これにより、出力トルクを所定の許容範囲内に制御することができるため、制御部材又はセンサ部材の間に信号伝送の遅延で反応が遅れて、制御精度への影響などの問題が発生する配慮を必要としない。しかし、さまざまな要因の影響、例えば、使用されるソケットレンチとボルトなどの結合部材との隙間、工具を把持する方式及び結合部材の状況などで、検出したトルク値と空気圧値との完全な線形関係を示すことができない。実際の応用では、線形の上下オフセットを制御誤差値とすることにより、十分なトルク制御精度を得ることができる。

図４を参照し、図４は本発明のトルク制御装置に係る一実施例のブロック図である。図に示すように、本発明のトルク制御装置２は、空気圧システム１と空気動トルク工具３との間に設置される。トルク制御装置２は、吸気圧力モニターモジュール２１と、空気圧調整モジュール２２と、電磁弁２３と、第３空気圧力センサ２４と、記憶ユニット２８と、マイクロプロセッサ２５と、入出力モジュール２６と、表示ユニット２７と、警報モジュール２９と、電源モジュール２０とを備える。

その中、吸気圧力モニターモジュール２１は、各空気圧部材を保護するように、空気圧システム１から入力される空気圧を所定の空気圧範囲内（例えば、１００ｐｓｉ以下、制御装置内の各空気圧部材の耐圧力の条件による選択）に制限する空気圧力制限弁２１１であってもよい、或いは耐圧力以上の圧力が検出される場合、各空気圧部材を保護するように、電磁弁２３を遮断して空気の供給を停止する、又は警報モジュール２９で警告信号を出力する第１空気圧力センサ２１２であってもよい。

その中、空気圧調整モジュール２２は、空気圧比例制御弁２２１１と、第２空気圧力センサ２２１２と、空気圧力制御弁２２１３とを備える自動調整モジュール２２１であってもよい。自動調整モジュール２２１は、マイクロプロセッサ２５で内蔵の作動圧力と対応するトルク値との関係曲線に基づいて、作業員が最大トルク値と最小トルク値との間の任意の目標トルク値ＴＸを入力する時、作動圧力を当該目標トルク値ＴＸに対応する作動圧力ＰＸまで自動的に調整する、或いは手動圧力調整弁２２２より、作業員が表示ユニットに表示される空気圧に基づいて、手動の方式で当該目標トルク値ＴＸに対応する作動圧力ＰＸまで調整する。

詳細に説明すると、空気圧比例制御弁２２１１の機能は、マイクロプロセッサの命令及び第２空気圧力センサ２２１２が検出される圧力により、入力される電圧（又は電流）を比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）にする方式で空気圧システム１からの吸気圧力を加圧または減圧により空気圧力制御弁２２１３から電磁弁２３へ出力される圧力を調整することにより、自動的な圧力調整の目的を達成するすることができる。

第３空気圧力センサ２４は、電磁弁２３と空気動トルク工具３との間に設置され、締付の全ての過程において空気動トルク工具３の作動圧力が所定の許容範囲内に制御されることを確保するため、空気動トルク工具３への供給の空気圧が安定な空気圧の変動範囲に維持されるかどうかを検出する。上述した部材の操作により、安定且つ制御可能な空気圧が空気動トルク工具３に供給されることにより、空気動トルク工具３は安定且つ制御可能なトルクを出力可能とする。

図５を参照し、図５は本発明のトルク制御装置に係る一実施例の操作の概略図である。そのプロセスは以下に示す。

（Ｓ４１）工具及び組合せのソケットレンチと被締付け部材の特性に基づいて、操作に関する条件を予め設定する。その中、所定の操作条件、例えば、空気流量の設定、締付作業の開始から終了までの時間、最大作動圧力値とシステムの空気圧との圧力降下率、実際作業の空気圧と空打ち時との圧力差の比、締付終了時の実際な作動圧力の変動許容範囲及び目標トルク値の合格か否かを判断する範囲などは、いずれも締付作業を実際に行う前、工具、結合部材及び被締付具の条件により柔軟な設定が可能である。

（Ｓ４２）最大作動圧力で空気動トルク工具３を駆動して、トルク検出装置で最大トルク値を検出する。例えば、入出力モジュール２６の「ＴＨ設定ボタン」（図に示されない）が押された時、マイクロプロセッサ２５は空気圧調整モジュール２２を制御して安定に維持可能な最大空気圧まで自動的に調整し、警報モジュール２９で調整完了を表示した後、空気動トルク工具３を起動してソケットレンチでトルク検出を行うように駆動して、マイクロプロセッサ２５は最大作動圧力値ＰＨで空気動トルク工具３を駆動する。その時、工具の開始から終了までの空気圧値及び検出されるトルク値を共に記憶ユニット２８に記憶して、最大トルク値ＴＨとする。

（Ｓ４３）最小作動圧力で空気動トルク工具３を駆動して、トルク検出装置で最小トルク値を検出する。例えば、入出力モジュール２６の「ＴＬ設定ボタン」（図に示されない）が押された時、マイクロプロセッサ２５は空気圧調整モジュール２２を制御して所定の最小空気圧まで自動的に調整し、警報モジュール２９で調整完了を表示した後、空気動トルク工具３を起動して、ソケットレンチでトルク検出を行うように駆動して、マイクロプロセッサ２５は最小作動圧力値ＰＬで空気動トルク工具３を駆動する。その時、工具の開始から終了までの空気圧値及び検出されるトルク値を共に記憶ユニット２８に記憶して、最小トルク値ＴＬとする。

（Ｓ４４）空気圧とトルクとの対応関係曲線を作成する。記憶ユニット２８はすでに前述した最大作動圧力値ＰＨ、最小作動圧力値ＰＬ、最大作動圧力値ＰＨに対応する最大トルク値ＴＨ及び最小作動圧力値ＰＬに対応する最小トルク値ＴＬを記憶しているため、マイクロプロセッサ２５はそれたに基づいて線形に非常に近い空気圧とトルクとの対応関係曲線を作成することができる。

（Ｓ４５）目標トルク値を入力して、締付作業を実際に行う。即ち、図３に示すように、最大トルク値ＴＨと最小トルク値ＴＬとの間の目標トルク値ＴＸを入力するため、本発明のトルク制御装置２のマイクロプロセッサ２５は内蔵の空気圧とトルクとの対応関係に基づいて対応の作動圧力を算出して、表示ユニット２７及び警報モジュール２９で対応の作動圧力を表示する。作業員により手動圧力調整弁２２２を操作する、或いはマイクロプロセッサ２５の命令で自動調整モジュールを制御することにより、空気圧を目標トルク値ＴＸに対応する作動圧力値ＰＸまで調整する。これにより、空気動トルク工具３を起動して締付作業を行い、且つマイクロプロセッサ２５は所定の時間になる時、空気源を遮断するように電磁弁２３を制御して、工具を停止することにより、結合部材の締付作業が完了することができる。

特筆すべきことは、プロセス（Ｓ４２）、（Ｓ４３）では、最大トルク値ＴＨと最小トルク値ＴＬとのトルク値はトルク検出装置４を用いて得られることができる。例えば、デジタル表示トルクレンチ又はトルク計のような通常のトルク校正工具であってもよいが、空気動トルク工具３の出力端子に内蔵又は外付けされ、有線又はワイヤレスで信号をトルク制御装置２に伝送するトルク変換器であってもよい。上述したプロセス（Ｓ４２）、（Ｓ４３）は、複数の最大トルク値ＴＨ、最小トルク値ＴＬ及びそれぞれに対応する最大作動圧力値ＰＨと最小作動圧力値ＰＬを得るように、複数回繰り返すことができる。その時、マイクロプロセッサ２５は、各数値をそれぞれ合計且つ平均して、平均の最大トルク値ＴＨ、最小トルク値ＴＬ、最大作動圧力値ＰＨ及び最小作動圧力値ＰＬに基づいて空気圧とトルクとの対応関係曲線を作成することにより、より精確な空気圧とトルクとの対応関係曲線を得ることができる。

図６を参照し、図６は本発明のトルク制御装置に係る一実施例の空気圧とトルクとの対応関係曲線の調整の概略図である。作業員は、慣用又は信頼なトルク校正工具を用いて締付け後のトルクを検出し、検出したトルク値と例えば、目標トルク値ＴＸとの差が大きい場合、出力モジュール２６の「補正ボタン」（図に示されない）を押して、検出されるトルク値を入力して記憶ユニット２８に予め記憶することができ、マイクロプロセッサ２５は補正トルク値ＴＸＩに基づいて空気圧とトルクとの対応関係曲線ＬＳを自動的に調整する（調整された空気圧とトルクとの対応関係曲線はＬＭである）と共に、新たな設定の制御可能なトルク範囲（調整された最大トルク値ＴＨ'と最小トルク値ＴＬ'との間のトルク範囲）を表示する。簡単に言えば、入力される補正トルク値ＴＸＩが目標トルク値ＴＸより小さい値である場合、空気圧とトルクとの対応関係曲線は下にオフセットされる（図６（ａ）に示す）。補正トルク値ＴＸＩが目標トルク値ＴＸより大きい値である場合、空気圧とトルクとの対応関係曲線は上にオフセットされる（図６（ｂ）に示す）。そして、目標トルク値が再入力された後、調整された関係曲線ＬＭに基づいて、新しい対応の作動圧力ＰＸＩを得ることができる。その新しい作動圧力値ＰＸＩで空気動トルク工具３を駆動して締付作業を行った後、正確な目標トルク値を得るかどうかを確認するように、需要に応じて検出をもう一度行うことができる。

特筆すべきことは、締付の過程において、例えば、検出した空気圧が所定の変動許容範囲を超える場合、トルク制御装置２は、警報モジュール２９で警報を即時に表示する、或いは電磁弁２３を制御して空気源の供給を遮断し、空気圧が安定な空気圧範囲に戻されてから、締付作業を行う。また、変動許容範囲の設定は、実際の締付作業時のトルクの精度に関するものである。簡単に言えば、変動許容範囲が広くなるほど、トルク制御の精度が低くなる。

図７を参照し、図７は本発明のトルク制御装置に係るもう一つの実施例のブロック図である。図に示すように、実際の運用又はコストを考慮するため、本発明のトルク制御装置２は、前述した吸気圧力モニターモジュール２１を省くことができ、空気圧調整モジュール２２を手動圧力調整弁２２２とし、且つ電磁弁２３と空気動トルク工具３との間に第３空気圧力センサ２４しか設置されない。例えば、マイクロプロセッサ２５は、入力される目標トルク値及び内蔵の空気圧とトルクとの関係曲線に基づいて対応の作動圧力を算出する。表示ユニット２７で表示された後、作業員は、手動の方式で手動圧力調整弁２２２により圧力を調整し、調整完了した後、警報モジュール２９で点灯又は音声により作業員に締付が可能なことを提示する。

また、工具の空打ち又は結合部材の実際の締付作業を実証することにより、各空気圧力センサで工具の起動及び終了時に検出される空気圧の降下は、さまざまな工具の空気消費量の違いによりその差が明らかに異なる。即ち、空打ち時の圧力降下の幅が一定の比率で実打ちの幅より高いものである。これにより、マイクロプロセッサ２５は、最大トルク又は最小トルクの検出を行う前、空気動トルク工具３の起動（その時、締付作業のためのソケットレンチの駆動を暫く行わない）から自動的に停止まで、検出される起動の前後の空気圧及び最大トルク又は最小トルクの検出時に検出される締付の開始且つ終了前後の圧力降下をそれぞれ記憶する。そして、正確な判定及び統計に用いるため、締付の過程において、そのデータに基づいて工具が空打ち又は実際の締付作業の何れを行うかを判定する。

以上によって、本発明の発明者らは、過去のトルク工具とは違う画期的なトルク制御方法を提供する。工具の構造及び製造・組立の制度は、トルク制御に絶対的な影響はない。一般には、工具への空気流量の多さと衝撃時間の制御、又は簡易的壓力控制を調整することにより、満足な結果を得ることができない。特に、インパクト又はパルス式のトルク工具に対して、トルク変換器が取り付けられても、パルスで生成する信号が不安定で検出が困難になる。そして、様々な種類の結合部材及び被締付具は、その素材、硬度、表面粗さ、スパイラル状接合面の処理条件及び結合部材と被締付具との間のワッシャー素材、接合面の構造及びボルト締付け順序などの異なる硬さの部材の結合に関する問題などで、最後の締付けトルク又はクランプ力（Ｃｌａｍｐｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ）の制御精度への影響が、工具の製造質量又は精度の要求の影響よりもはるかに大きいことがより一層困難になる。

本発明の最大の特徴は、インパクト又はパルス式トルク工具のパルス信号とトルクとの関係特性、パルス信号の収集の技術を十分に理解し、信号伝送の妨害を除去し、各締付作業で使用される結合部材及び被締付具の特性に対して、トルク制御装置を用いて、締付作業の前に工具の通常動作可能な最大作動圧力及び最小作動圧力とそれぞれに対応する最大出力トルク値及び最小出力トルク値との関係曲線を予め検出且つ作成することである。そして、最大トルク値と最小トルク値との範囲内の任意の目標トルク値を入力することができるため、マイクロプロセッサは、当該目標トルク値に対応する作動圧力を表示ユニットで提示し、作業員により手動圧力調整弁を操作した、或いはマイクロプロセッサの命令で自動調整モジュールを制御することにより空気圧を自動的に調整した後、締付可能信号が点灯すれば、トルク制御可能な締付作業を行うことができる。使用される工具はトルク変換器（Ｔｏｒｑｕｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が設置されても、マイクロプロセッサは受信される検出信号をトルク検出のパラメータとすることに過ぎない。トルクの制御作業では、予め作成される作動圧力と対応の出力トルク値の関係曲線に基づいて、既知の目標トルク値により工具を駆動するための必要な作動圧力を得ることができ、且つ締付作業の開始から終了までの過程では、所定の操作及び制御条件に基づいて空気圧の圧力降下及び締付終了時の空気圧が変動許容範囲に維持されるかどうかを監視することにより、トルク制御の目的を達成することができる。実際には、トルク変換器（Ｔｏｒｑｕｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、その使用寿命を有効的に延長させ、電子制御部品のメンテナンスのコストを大幅に削減するように、実際の締付作業の前、検出のためにしか用いられず、締付作業の進行中、工具に内蔵又は外付けされることを避けるべきである。また、高価な追加的なトルク変換器の使用を必要としないため、インパクト又はパルス式トルク工具が出力トルクを効果的に制御可能である。

本発明は、トルク制御方法及びそのトルク制御システムを提供する。任意の空気動トルク工具は、それに限定される技術的特徴の条件でトルクを精密に制御することができる。本発明のトルク制御方法及びそのトルク制御システムは、締付持続時間では、安定な作動圧力の条件で工具の通常動作可能な最大作動圧力値及び最小作動圧力値とそれらに対応する最大出力トルク値及び最小トルク値との関係範囲を予め検出して、その関係範囲に任意の必要な目標トルク値を入力し、マイクロプロセッサは、対応の作動圧力を提示して、手動又は自動の圧力調整で正確な空気圧まで調整した後、工具を駆動して締付作業を行うことを強調する。また、出力トルクの制御精度は、必要な精度に従って「作動圧力の変動許容範囲」を調整することができ、使用者は検出した実際のトルク値に基づいて、前述した空気圧とトルクとの関係曲線を自己補正することにより、トルク制御の締付作業を行うこともできる。

本発明のトルク制御方法及びそのトルク制御装置が、例えば、トルク検出設備に応用する場合、不確かな検出結果を解決することができる。過去のトルク検出設備は、検出の時、空気動トルク工具の空気供給ラインとトルク計との間に完全に接続されない、即ち、トルク計は、例えば、過去の油圧式なものである場合、油圧ゲージで油圧を表示して、作業員より油圧とトルクとの換算表に基づいてトルク値を読み取る。例えば、トルク検出部材が取り付けられるデジタル式トルク計である場合、電気的に接続されたディスプレーだけで検出したトルク値を示す。本発明のトルク制御システムは、検出するための工具が空気圧システムからの空気供給の不安定で、工具の出力トルクの検出結果を直接に影響する問題を簡単に解決することができる。被検出工具の空気源を本発明のトルク制御装置に通して、測定の開始から終了までの過程で空気圧の変化が同一所定の測定条件範囲に維持されるかどうかを監視する。この装置によって、空気圧力センサの開始及び終了の空気圧の信号と、トルク検出部材の変形トルク信号とを収集することにより、不確かさを避けるように測定の結果を正確に表示することができる。

上述したものは、単に例示的なものであって、本発明を限定するためのものではない。本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく均等範囲内における変更及び修正は、いずれも添付の特許請求の範囲で扱うものとする。

Claims (8)

1. 空気動トルク工具の締付作業に応用するためのトルク制御方法であって、
   空気圧管路を空気圧システムからトルク制御装置に接続し、空気動トルク工具と被締付け結合部材との間の特性及び所定の操作条件に基づいて、前記空気動トルク工具に安定した作動圧力を出力する工程と、
   前記空気動トルク工具の通常動作可能な最大作動圧力値及び最小作動圧力値によってそれぞれ前記空気動トルク工具を駆動し、前記締付作業の前に出力トルクの検出作業を行う工程と、
   それぞれ検出した最大トルク値と最小トルク値、及び前記最大トルク値と前記最小トルク値に対応した前記最大作動圧力値と前記最小作動圧力値に基づいて、空気圧とトルクとの対応関係線を作成する工程と、
   前記空気圧とトルクとの対応関係線に基づいて、前記最大トルク値と前記最小トルク値との間に設定された目標トルク値を入力してそれに対応する作動圧力値を得て、前記作動圧力値で前記空気動トルク工具を駆動して前記締付作業を行い、前記締付作業の開始から終了までの過程において、前記作動圧力を所定の変動許容範囲内に制御することにより、トルク制御の目的を達成する工程と、
   を含み、
   前記出力トルクの検出作業において、前記空気動トルク工具でトルク検出装置を駆動し、検出作業の締め付けの過程において、前記トルク検出装置により空気圧力センサで検出された圧力信号及び前記トルク検出装置で検出されたトルク信号を同時に受信して、前記トルク制御装置の記憶ユニットに記憶することにより、前記空気動トルク工具の通常動作可能な前記空気圧とトルクとの対応関係線を作成するためのトルク値を獲得する工程をさらに含むことを特徴とする、トルク制御方法。
2. 前記出力トルクの検出作業を複数回繰り返すことにより、複数の前記最大作動圧力値及び前記最小作動圧力値にそれぞれ対応した前記最大トルク値及び前記最小トルク値を得る工程と、
   複数の前記最大トルク値、複数の前記最小トルク値、複数の前記最大作動圧力値及び複数の前記最小作動圧力値をそれぞれ合計且つ平均して、平均された前記最大トルク値、前記最小トルク値、前記最大作動圧力値及び前記最小作動圧力値に基づいて、前記空気圧とトルクとの対応関係線を作成する工程と、
   をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のトルク制御方法。
3. 補正トルク値を入力する工程と、
   前記補正トルク値に基づいて、前記空気圧とトルクとの対応関係線を調整すると共に、調整された制御可能なトルク範囲を表示する工程と、
   前記目標トルク値を再入力する時、調整された前記トルクと作動圧力との対応関係線に基づいててそれに対応して調整された前記作動圧力値を得て、前記作動圧力値で前記空気動トルク工具を駆動して締付作業を行う工程と、
   をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のトルク制御方法。
4. 締付又はトルク検出の過程において、前記空気動トルク工具の開始から終了までの空気圧力の変化を監視する工程と、
   空気圧の降下で変動許容範囲を超えた場合、警報装置で警告する、或いは前記空気動トルク工具に輸送されたガス源を遮断するように制御する工程と、
   をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のトルク制御方法。
5. 空気圧供給システムと空気動トルク工具との間に接続されるトルク制御装置であって、
   空気圧力制限弁又は第１空気圧力センサが選択的に取り付けられ、前記空気圧力制限弁が取り付けられる場合、前記空気圧力制限弁は空気圧システムから前記トルク制御装置に供給される空気圧力を制御し、前記第１空気圧力センサが取り付けられる場合、前記トルク制御装置内に関連する各空気圧部材及び空気動トルク工具を保護するため、吸気された圧力は前記トルク制御装置の圧力上限値を超えると警告する吸気圧力モニターモジュールと、
   前記空気動トルク工具に供給される空気圧値を調整するように、自動調整モジュール又は手動圧力調整弁が選択的に取り付けられる空気圧調整モジュールと、
   前記空気動トルク工具に供給される空気圧源を連通又は遮断させる電磁弁と、
   前記電磁弁と前記空気動トルク工具との間に設置され、締付作業の開始から終了までの過程において、供給される空気圧を検出する第３空気圧力センサと、
   前記空気動トルク工具が通常の締付作業を行う安定作動圧力の範囲内に、それぞれの最大作動圧力値と最小作動圧力値で検出したそれぞれに対応する最大トルク値と最小トルク値、及び所定の操作条件を記憶する記憶ユニットと、
   前記空気動トルク工具が締付作業を行う前、同一規格、種類の結合部材及び被締付具に対して検出された前記最大作動圧力値、前記最小作動圧力値、前記最大トルク値及び前記最小トルク値に基づいて、空気圧とトルクとの対応関係線を作成し、前記空気動トルク工具が締付作業を行う時、前記最大トルク値と前記最小トルク値との範囲内に入力された目標トルク値に基づいて、前記空気圧とトルクとの対応関係線に対応する作動圧力値を得て、空気圧調整モジュールにより空気圧が調整された後、さらに前記作動圧力値により前記空気動トルク工具を駆動し、前記所定の操作条件に基づいて締付作業の開始から終了までの気圧の変化を持続的に監視し、作業の状況を即時に表示又は警告し、設定された締付時間に達する場合、指令で前記電磁弁より吸気源を遮断することにより、トルク制御可能な締付作業を完成するマイクロプロセッサと、
   を備え、
   前記所定の操作条件は、工具の気体流量、油圧パルス工具のシリンダーの圧力、締付作業の開始から終了までの秒数、最大作動圧力値と空気圧システムの圧力との圧力降下率、実際作業の空気圧と空打ち時との圧力差の比、締付終了時の実際な作動圧力の変動許容範囲及び目標トルク値の合格か否かを判断する範囲であることを特徴とする、トルク制御装置。
6. 前記空気圧調整モジュールの前記自動調整モジュールは、第２空気圧力センサをさらに備え、前記第２空気圧力センサは、空気圧比例制御弁と空気圧力制御弁との間に設置され、検出された空気圧値を前記マイクロプロセッサに即時に伝送し、作業員が前記目標トルク値を入力する時、算出した対応の前記作動圧力値に基づいて、前記空気圧比例制御弁は前記空気圧力制御弁の出力圧力を前記作動圧力値まで調整するように制御することにより、自動圧力調整が可能であることを特徴とする、請求項５に記載のトルク制御装置。
7. 前記空気圧調整モジュールが手動圧力調整弁である場合、作業員が前記目標トルク値を入力する時、表示ユニットで表示された対応の前記作動圧力値に基づいて、手動で空気圧を前記作動圧力値まで調整することにより、締付作業の準備状態となることを特徴とする、請求項５に記載のトルク制御装置。
8. 前記マイクロプロセッサは、入力された補正トルク値に基づいて、前記空気圧とトルクとの対応関係線を補正且つ調整し、作業員が前記目標トルク値を再入力する時、調整された前記空気圧とトルクとの対応関係線に基づいて、新たな対応の前記作動圧力値を提供し、前記作動圧力値により前記空気動トルク工具を駆動して締付作業を行うことを特徴とする、請求項５に記載のトルク制御装置。