JP7031559B2 - ネジ長判定システム、ネジ締めシステムおよびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ネジ締めの工程においてネジの長さを判定するネジ長判定システム、当該ネジ長判定システムを備えるネジ締めシステム、およびプログラムに関する。

特許文献１には、ボルトの締付異常検出方法などが開示されている。当該方法では、ボルトの座部が被締結物に着座するまでの締付を連続して二度行い、二度目の締付動作におけるモータないしソケットの回転開始時間からボルトが着座するまでに要した時間をタイマが測定する。当該時間をコントローラが、適正なボルトを使用したときの標準時間と比較することにより、当該ボルトの長さを判定する。

特開平７－１６４２６１号公報（１９９５年６月２７日公開）

しかしながら、特許文献１に記載されている方法では、ボルトの締付動作が終了した後でなければ当該ボルトの長さを判定できない。

本発明の一態様は、ネジの長さを早期に判定することが可能なネジ長判定システムなどを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るネジ長判定システムは、モータ制御によって軸周りでの回転運動および軸方向への往復運動を行うドライバーがネジを被締結物に取り付ける場合に、前記ネジが被締結物に接触する前の所定位置から、前記ネジが被締結物に接触して螺合するまでの、前記ドライバーの軸方向における移動速度を計測する速度計測部と、前記所定位置からの前記ドライバーの移動開始から、前記速度計測部によって計測された移動速度が前記ネジの前記被締結物への接触前後で変化するまでの時間に基づいて、前記ネジの長さを判定する長さ判定部とを備える。

上記の構成によれば、長さ判定部は、所定位置からのドライバーの移動開始から、速度計測部によって計測された移動速度がネジの被締結物への接触前後で変化するまでの時間に基づいてネジの長さを判定する。ネジの被締結物への接触は、ネジの締付が完了する前に生じる。したがって、ネジの締付が完了するよりも早期にネジの長さを判定することができる。

また、本発明の一態様に係るネジ長判定システムにおいて、前記長さ判定部は、前記ネジの長さと、前記時間の範囲との関係を示すテーブルを参照して、前記ネジの長さを判定する。

初期位置から被締結物までの距離にばらつきがある場合に、前記時間がある程度変動することになる。これに対して、上記の構成によれば、長さ判定部は、ネジの長さと、前記時間の範囲との関係を示すテーブルを参照することで、前記距離のばらつきを吸収してネジの長さを判定することができる。

また、本発明の一態様に係るネジ締めシステムは、ドライバーの軸周りでの回転運動を生じさせる回転用サーボと、前記ドライバーの軸方向への往復運動を生じさせる往復用サーボと、前記ドライバーの前記軸方向における位置を検知する軸方向位置検知部と、上記のいずれかの態様のネジ長判定システムと、を備える。

上記の構成によれば、ネジ締めシステムが回転用サーボおよび往復用サーボによりドライバーに運動を生じさせてネジ締めを行う場合において、ネジ長判定システムは、軸方向位置検知部が検知したドライバーの位置に基づいてネジ長を早期に判定することができる。

また、本発明の一態様に係るプログラムは、上記のいずれかの態様に係るネジ長判定システムとしてコンピュータを動作させる。

本発明の一態様に係るネジ長判定システムなどによれば、ネジの長さを早期に判定することができる。

本実施形態に係るネジ締めシステムの概要を示すブロック図である。 ＰＬＣの構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るネジ締めシステムの外観の例を示す図である。 （ａ）は、長さのみが互いに異なる２種類のネジについて複数回ネジ締めを行った場合における、時間に対するドライバーの軸方向における位置の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）に示したグラフにおける、領域Ｒの拡大図である。 判定部が参照するテーブルの例を示す図である。 判定部による処理の例を示すフローチャートである。

以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。

§１ 適用例
図１は、本実施形態に係るネジ締めシステム１の概要を示すブロック図である。図１に示すように、ネジ締めシステム１は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）１０（ネジ長判定システム）、カプラ２０、回転用サーボ３０、および往復用サーボ４０（軸方向位置検知部）を備える。ネジ締めシステム１は、後述するドライバー５１（図２参照）の、軸周りでの回転運動および軸方向への往復運動により、ネジ締め動作を行う。このとき、ＰＬＣ１０は、ネジ締め動作の制御を行うとともに、ネジの長さが正しいものであるか否かを判定する。

ネジの長さが適切でない場合には、底付き（ネジがネジ穴よりも長い、または異物がネジ穴に溜まっているなどの理由で、ネジ締め動作が途中で止まる）またはネジがネジ穴に螺合される長さが短いといった、ネジ締め不良が生じる。ネジ締め不良とは、ネジに規定のトルクが与えられたにもかかわらず、当該ネジが十分な締結力を発揮しない状態を意味する。ＰＬＣ１０は、ネジの長さについて判定することで、上記のネジ締め不良の発生を抑制する。

回転用サーボ３０は、ドライバー５１の軸周りの回転運動を生じさせるモータである。また、回転用サーボ３０は、自身の回転速度（ｄｅｇ．／ｓ）、回転量（ｄｅｇ．）、および回転トルク（定格トルクに対する割合（％））をカプラ２０へ出力する。

往復用サーボ４０は、ドライバー５１の軸方向への往復運動を生じさせるモータである。また、往復用サーボ４０は、自身の回転によるドライバー５１の移動速度（ｍｍ／ｓ）、移動位置（ｍｍ）、および移動トルク（定格トルクに対する割合（％））をカプラ２０へ出力する。このため、往復用サーボ４０は、ドライバー５１の軸方向における位置を検知する軸方向位置検知部としても機能する。

カプラ２０は、ＰＬＣ１０と、回転用サーボ３０および往復用サーボ４０と、を接続する。詳細には、カプラ２０は、ＰＬＣ１０から受信した制御信号を回転用サーボ３０および往復用サーボ４０へ送信する。また、カプラ２０は、回転用サーボ３０から受信した、回転用サーボ３０の回転速度、回転量および回転トルクをＰＬＣ１０へ送信する。また、カプラ２０は、往復用サーボ４０から受信した、往復用サーボ４０の回転によるドライバー５１の移動速度、移動位置および移動トルクをＰＬＣ１０へ送信する。

以下の説明では、回転用サーボ３０の回転速度、回転量および回転トルク、並びに往復用サーボ４０の回転によるドライバー５１の移動速度、移動位置および移動トルクを総称してパラメータと称することがある。

図２は、ＰＬＣ１０の構成を示すブロック図である。ＰＬＣ１０は、ネジ締めシステム１の動作を制御する。図２に示すように、ＰＬＣ１０は、制御部１１、通信部１２、および判定部１３（速度計測部、長さ判定部）を備える。

制御部１１は、回転用サーボ３０および往復用サーボ４０を制御するための制御信号を通信部１２へ出力する。通信部１２は、制御部１１から入力された制御信号をカプラ２０へ送信する。制御信号は、カプラ２０を介して回転用サーボ３０および往復用サーボ４０へ送信され、回転用サーボ３０および往復用サーボ４０を制御する。制御部１１は、回転用サーボ３０および往復用サーボ４０を同期させて制御する。また、制御部１１は、回転用サーボ３０および往復用サーボ４０のパラメータを当該回転用サーボ３０および往復用サーボ４０制御にフィードバックする。

通信部１２は、回転用サーボ３０および往復用サーボ４０から、カプラ２０を介してパラメータを受信する。通信部１２は、受信したパラメータを図示しない記憶装置に記憶させる。また、受信したパラメータを記憶するための記憶装置を、ネジ締めシステム１が備えていてもよい。制御部１１および判定部１３は、必要に応じてパラメータを記憶装置から取得する。なお、簡単のため、図２においては、通信部１２がパラメータを制御部１１および判定部１３へ出力している。

判定部１３は、ドライバー５１がネジを被締結物に取り付ける場合に、ネジが被締結物に接触する前の所定位置から、ネジが被締結物に接触して螺合するまでの、ドライバー５１の軸方向における移動速度を計測する。また、判定部１３は、所定位置からの前記ドライバーの移動開始から、移動速度がネジの被締結物への接触前後で変化するまでの時間に基づいて、ネジの長さを判定する。このため、判定部１３は、ドライバーの移動速度が変化した時点でネジの長さを判定できる。したがって、ＰＬＣ１０は、例えば特許文献１に開示されている判定方法と比較して、早期にネジの長さを判定できる。判定部１３による判定の具体例については後述する。

§２ 構成例
（ネジ締めシステム１の構成）
図３は、本実施形態に係るネジ締めシステム１の外観の例を示す図である。図３に示すように、ネジ締めシステム１は、回転用サーボ３０、往復用サーボ４０、ドライバーユニット５０および支柱６０を備える。また、図３には表れていないが、ネジ締めシステム１は、上述したとおり、ＰＬＣ１０およびカプラ２０も備える。

ドライバーユニット５０は、ネジ締めを行うユニットである。ドライバーユニット５０は、ドライバー５１と、ネジ保持部５２とを備える。ドライバー５１は、回転用サーボ３０および往復用サーボ４０によるモータ制御によって軸周りでの回転運動および軸方向への往復運動を行うことで、ネジ締め動作を実行する。以下の説明では、ドライバー５１の軸方向のうち、ネジ締めの過程でドライバー５１が移動する方向を下方と称する。

回転用サーボ３０は、ドライバー５１の上方に配され、ドライバー５１の軸周りの回転運動を生じさせる。また、ネジ保持部５２は、ドライバー５１の下方に設けられ、ドライバー５１によるネジ締めの対象となるネジを保持する。

支柱６０は、ドライバーユニット５０を上下に移動可能に支持する。往復用サーボ４０は、支柱６０の上部に設けられ、ボールネジ（不図示）を介してドライバーユニット５０と接続されている。往復用サーボ４０の回転運動が、ボールネジにより上下方向への直線運動に変換される。その結果、ドライバーユニット５０が上下に往復運動する。

（ネジ締め動作）
ネジ締めシステム１によるネジ締めの動作は、以下のとおりである。まず、ネジを保持した状態のネジ保持部５２が、ネジ締めを行う対象であるワーク（被締結物）（不図示）の、ネジ締めを行う箇所へネジを降下させる。次に、ドライバー５１は、ネジが仮着座するまで、ネジ締めを行う箇所へネジを回転させながら押し当てる。ここで、仮着座とは、ネジの座面がワークに接触した状態を指す。本実施形態では、回転用サーボ３０の回転トルクが５０％に到達した状態を、ネジが仮着座した状態とする。

ネジ締めシステム１は、ネジが仮着座した状態から、さらにネジを回転させながら押し当てることで、本締めを行う。本実施形態では、本締めは、回転用サーボ３０の回転トルクが１５０％（第１所定値）に到達するまで行われる。回転トルクが１５０％に到達すると、ネジ締めシステム１は、ネジを押し当てることをやめ、回転トルクが１５０％以上である状態を１００ｍｓの間保持する。

その後、回転用サーボ３０の回転トルクが０％以下になるようにして、ネジを解放する。さらに、ドライバー５１を上方へ移動させて元の位置に復帰させることで、ネジ締め動作が完了する。ただし、上述した回転トルクおよび保持時間は一例であり、ネジの種類および締結物／被締結物の種類によって異なる。

なお、上述したネジ締め動作の例は、ネジ締めを行う箇所に雌ネジが予め切られた状態（タップ）のワークに対してネジ締めを行うものである。しかし、ネジ締めシステム１は、ネジ締めを行う箇所に雌ネジが切られていない状態（タッピン（セルフタップ））のワークに対してネジ締めを行うことも可能である。

タッピンのワークに対してネジ締めを行う場合には、ネジが仮着座していない場合であっても、回転用サーボ３０の回転トルクが５０％以上に到達する。そこで、タッピンのワークに対してネジ締めを行う場合には、判定部１３は、回転用サーボ３０の回転トルクが１００％に到達した状態を、ネジが仮着座した状態とする。ただし、判定部１３は、タッピンのワークに対してネジ締めを行う場合にネジが仮着座した状態とする回転用サーボ３０の回転トルクを、別の値としてもよい。

§３ 動作例
以下に、判定部１３による、ネジの長さの判定について説明する。

図４の（ａ）は、長さのみが互いに異なる２種類のネジについて、それぞれ複数回ネジ締めを行った場合における、時間に対するドライバー５１の軸方向における位置の関係を示すグラフである。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）に示したグラフにおける、領域Ｒの拡大図である。図４の（ａ）および（ｂ）において、横軸は時間、縦軸はドライバー５１の軸方向における位置をそれぞれ示す。また、図４の（ａ）および（ｂ）において、グラフの傾きはドライバー５１の軸方向における移動速度を示す。

なお、ネジ締めシステム１において、ＰＬＣ１０は、ドライバー５１の下降開始から一定の時間は高速でドライバー５１を下降させ、当該一定の時間が経過した後は低速でドライバー５１を下降させるように往復用サーボ４０を制御する。これにより、ＰＬＣ１０は、ネジとワークとが高速で衝突することを防止している。

図４の（ａ）および（ｂ）においては、短いネジの長さをＬ０８、長いネジの長さをＬ１０として示している。図４の（ａ）および（ｂ）に示すように、ネジ締めにおける時間に対する位置の関係は、ネジの長さに応じて明確に異なる傾向を示す。

具体的には、図４の（ｂ）に示すように、長さがＬ１０であるネジのネジ締めを行う場合には、ドライバー５１は、時刻ｔ１からｔ２までの期間の間に、位置ｐ１からｐ２までの範囲内の位置で移動速度が変化する。一方、長さがＬ０８であるネジのネジ締めを行う場合には、ドライバー５１は、時刻ｔ３からｔ４までの期間の間に、位置ｐ３からｐ４までの範囲内の位置で移動速度が変化する。

領域Ｒは、ネジの先端がワークに接触する時刻の近傍に対応する領域である。このため、ネジ締め動作におけるドライバー５１の移動速度は、図４の（ａ）に示す領域Ｒにおいて大きく低下する。ここで、ネジ締め動作の開始時刻におけるドライバー５１の軸方向における位置を一定とした場合、ネジ締め動作の開始時刻からネジの先端がワークに接触する時刻までの間の時間は、ネジの長さに依存する。このため、図４の（ｂ）に示すように、ドライバー５１の移動速度が変化するまでの時間は、ネジの長さによって異なる。

判定部１３がドライバー５１の移動速度の計測を開始する所定位置は、ドライバー５１の初期位置であってよい。また、図４の（ａ）に示す例では、ドライバー５１の移動速度は、初期位置から一定の距離だけ移動した位置で１段階遅くなり、その後ネジの先端が被締結物に接触する前後でもう１段階遅くなるという、２段階の変化を示している。このような場合には、判定部１３がドライバー５１の移動速度の計測を開始する所定位置は、ドライバー５１の移動速度が１段階目に遅くなる位置であってもよい。

図５は、判定部１３が参照するテーブルの例を示す図である。本実施形態では、判定部１３は、ネジの長さと、ドライバー５１の移動速度が変化する時間の範囲との関係を示すテーブルを参照して、ネジの長さを判定する。図５には、ドライバー５１の移動速度が変化する時刻がｔ１以上かつｔ２以下である場合にネジの長さをＬ１０と判定し、上記時刻がｔ３以上かつｔ４以下である場合にネジの長さをＬ０８と判定することが規定されている。判定部１３は、図５に示すテーブルを参照することで、ドライバー５１の移動速度が変化する時刻がｔ１以上かつｔ２以下の範囲で変化しても、ネジの長さがＬ１０であると判定できる。同様に、判定部１３は、ドライバー５１の移動速度が変化する時刻がｔ３以上かつｔ４以下の範囲で変化しても、ネジの長さがＬ０８であると判定できる。したがって、判定部１３は、テーブルを参照することで、ネジの初期位置から被締結物までの距離にばらつきがある場合であっても、当該ばらつきを吸収してネジの長さを判定することができる。

上記のテーブルは、例えばカプラ２０を介してＰＬＣ１０と接続されている記憶装置（不図示）に記憶されていてよい。ただし、判定部１３は、ドライバー５１の移動速度が変化するまでの移動距離に基づいてネジの長さを算出してもよい。

また、判定部１３は、ドライバー５１の移動速度が変化する時間を統計的に解析することで、ネジの長さの適否を判定してもよい。例えば、判定部１３は、ドライバー５１の移動速度が変化する時間の統計データについて平均および標準偏差σを算出し、ドライバー５１の移動速度が変化する時間と上記平均との差が上記標準偏差σの３倍以上であるネジについて、長さが適切でないと判定してよい。

図６は、判定部１３による処理の例を示すフローチャートである。判定において、判定部１３は、まず往復用サーボ４０からドライバー５１の位置情報を取得する（Ｓ１）。次に、判定部１３は、ドライバー５１の移動速度が変化したか否かを判定する（Ｓ２）。ドライバー５１の移動速度が変化していない場合（Ｓ２でＮＯ）、判定部１３は、再度Ｓ１から処理を繰り返す。

一方、ドライバー５１の移動速度が変化した場合、判定部１３は、上述のとおりテーブルを参照してネジの長さを判定する（Ｓ３）。その後、判定部１３は処理を終了する。

なお、ステップＳ２において、判定部１３は、例えば直前に実行したステップＳ１まで連続して取得した任意の数の位置情報により算出されるドライバー５１の移動速度が所定の速度を下回った場合に、移動速度が変化したと判定してよい。または、判定部１３は、上記の方法で算出した移動速度が、当該移動速度の算出に用いた位置情報よりも前の位置情報を用いて算出した移動速度に対して所定の割合以下まで低下した場合に、移動速度が変化したと判定してもよい。

また、ＰＬＣ１０は、ステップＳ３において判定部１３が判定したネジの長さに関する報知を行う報知部をさらに備えていてもよい。例えば判定部１３が判定したネジの長さが適切な長さとは異なっていた場合、報知部はその旨を音声、光または画像などによってネジ締めシステム１のユーザに報知してもよい。この場合、ネジ締めシステム１は、報知部が報知を行うためのスピーカー、発光装置または画像表示装置などを備えていればよい。

また、ネジ締めシステム１は、ドライバー５１の軸方向における位置情報を取得するための軸方向位置検知部として、往復用サーボ４０とは別の構成を有していてもよい。当該別の構成の例としては、例えば光学センサなどが挙げられる。当該別の構成を有する場合には、ステップＳ１において、判定部１３は、当該別の構成からドライバー５１の軸方向における位置情報を取得してもよい。

また、上述した例では、判定部１３がドライバー５１の移動速度の計測およびネジの長さの算出の両方を行ったが、これらをそれぞれ別の処理部が実行してもよい。

また、上述した例では、ＰＬＣ１０がネジ締め動作の制御およびネジの長さの判定の両方を行ったが、上記制御を行うＰＬＣと、上記判定を行うＰＬＣとを別々に設けてもよい。例えば、１台のネジ長さ判定用コントローラが、複数台のネジ締め制御用ＰＬＣから計測データを受信し、ネジの長さ判定を行ってもよい。すなわち、この場合には、ネジ長判定システムは、ネジ長さ判定用コントローラと、ネジ締め制御用ＰＬＣとによって構成されることになる。

§４ 変形例
ネジ締めシステム１の制御ブロック（特に制御部１１、通信部１２および判定部１３）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、ネジ締めシステム１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ ネジ締めシステム
１０ ＰＬＣ（ネジ長判定システム）
１３ 判定部（速度計測部、長さ判定部）
３０ 回転用サーボ（軸方向位置検知部）
４０ 往復用サーボ
５１ ドライバー

Claims (4)

1. モータ制御によって軸周りでの回転運動および軸方向への往復運動を行うドライバーがネジを被締結物に取り付ける場合に、前記ネジが被締結物に接触する前の所定位置から、前記ネジが被締結物に接触して螺合するまでの、前記ドライバーの軸方向における移動速度を計測する速度計測部と、
   前記所定位置からの前記ドライバーの移動開始から、前記速度計測部によって計測された移動速度が前記ネジの前記被締結物への接触前後で変化するまでの時間に基づいて、前記ネジの長さを判定する長さ判定部とを備えるネジ長判定システム。
2. 前記長さ判定部は、前記ネジの長さと、前記時間の範囲との関係を示すテーブルを参照して、前記ネジの長さを判定する請求項１に記載のネジ長判定システム。
3. ドライバーの軸周りでの回転運動を生じさせる回転用サーボと、
   前記ドライバーの軸方向への往復運動を生じさせる往復用サーボと、
   前記ドライバーの前記軸方向における位置を検知する軸方向位置検知部と、
   請求項１または２に記載のネジ長判定システムと、を備えるネジ締めシステム。
4. 請求項１に記載のネジ長判定システムとしてコンピュータを動作させるためのプログラム。

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