JP7132802B2 - 軸継手およびこれを備えたねじ締め装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転駆動源の回転力を一時的に切り離すことができる軸継手およびこれを備えたねじ締め装置に関する。

従来の軸継手およびねじ締め装置は、特許文献１に開示されており、以下に説明する。従来の自動ねじ締め装置は、ねじ部品に係合するビットを連結した出力軸と、この出力軸と相対回転可能な入力軸と、これら出力軸および入力軸を所要回転角度離間させて互いの係合を遅延させるトーションばねとを備えて成る。また、前記トーションばねは、その一端を前記出力軸に固定されている一方、その他端を前記入力軸に固定されている。

このように構成された従来の軸継手および自動ねじ締め装置は、ねじ部品がワークの表面に着座することで、出力軸から所要回転角度だけ離間していた入力軸がトーションばねの付勢に抗して相対回転を始め、やがて出力軸に係合して再び出力軸とともに回転する。また、この入力軸と出力軸との相対回転中において、入力軸の回転制御が当初の高速回転低トルク（仮締め）から最終締め上げの低速回転高トルク（本締め）へ切り替えられる。つまり、入力軸と出力軸とが係合するまでの相対回転中に仮締めから本締めへと切り替えることができるので、ねじ部品のワーク着座時に発生する衝撃トルクを低減することができるという特徴がある。さらに、前記トーションばねを用いているが故に、本締め完了後に入力軸の回転停止を受けて捩じられたトーションばねが元の状態へ復帰しようとし、締結されたねじ部品から出力軸が離脱すると、入力軸および出力軸が逆方向へ相対回転して元の所要回転角度離間した位置関係に復帰する。

特許5351239号公報

しかしながら、従来の軸継手および自動ねじ締め装置は、繰り返し捩じりを受けるトーションばねを備えるので、当該トーションばねの入力軸および出力軸に固定された両端がせん断力を受けて破損し易いという問題があった。また、従来の軸継手および自動ねじ締め装置は、入力軸と出力軸とを所要回転角度離間させるものの、軸方向へは離間させていないことから、前記所要回転角度を３６０度超えるような設定にできないという問題もあった。

本発明に係る軸継手は、先端に雄ねじ部を備え、回転駆動源の駆動を受けて回転する入力軸と、前記入力軸の雄ねじ部が螺合可能な雌ねじ部を備える出力軸と、前記入力軸および出力軸を離反する方向に付勢するように配置される圧縮ばねとを備え、前記入力軸に回転力が付与されていないときは、圧縮ばねの付勢力によって入力軸の雄ねじ部と出力軸の雌ねじ部が緩み、入力軸と出力軸が離反する一方、前記入力軸に回転力が付与されたときは、圧縮ばねの付勢力に逆らって入力軸の雄ねじ部が出力軸の雌ねじ部に螺入し、入力軸と出力軸とが一体になって回転するように構成されていること、を特徴とする。なお、前記雌ねじ部は、前記入力軸が前記出力軸に対して相対回転することで当該出力軸から突出する方向へ移動して成るか、あるいは、前記雌ねじ部は、前記出力軸と一体に回転するよう固定されて成り、前記入力軸は、前記出力軸に対して相対回転することで出力軸側へ向かって移動して成ることが望ましい。

また、本発明に係るねじ締め装置は、前記軸継手と、前記出力軸の先端に取り付けられねじ部品に係合する係合部を備えたビットと、前記入力軸に回転を付与する回転駆動源と、この回転駆動源を予め設定した設定トルクおよび設定回転数に基づいて駆動制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記回転駆動源に負荷されたトルクが前記設定トルクに到達すれば、前記回転駆動源を高速回転の設定回転数から低速回転の設定回転数へ切り替え、前記係合爪および前記噛合爪が噛み合うまでの相対回転中に入力軸を高速回転から低速回転へ切り替えて成ることを特徴とする。

本発明に係る軸継手およびねじ締め装置は、平坦な両端を押圧することで軸方向へ撓む圧縮ばねを備えるので、従来のトーションばねを採用したものに比べて破損し難いという利点がある。また、本発明に係る軸継手およびねじ締め装置は、入力軸が出力軸に対して相対回転することで螺合部材または出力軸を軸方向へ移動させつつ回転させるねじ軸を備えるので、噛合爪と係合爪とが噛み合うまでの所要回転角度を従来のものに比べて大きな角度に設定できるという利点もある。さらに、本発明に係る軸継手およびねじ締め装置は、圧縮ばねを撓ませ回転する入力軸を出力軸に連結するので、圧縮ばねの付勢力を受ける螺合部材または出力軸は、入力軸を回転フリーにすることによりねじ軸に沿って自ら逆転して元の高さ位置へ復帰できるという利点もある。

本発明に係るねじ締め装置は、ねじ部品の着座により入力軸とともに高速回転していた出力軸を当該入力軸から一時的に切り離すことができるので、ねじ部品の着座時に生じる衝撃トルクを大幅に低減できるという利点がある。また、本発明に係るねじ締め装置は、入力軸の相対回転中に前記モータを高速回転から低速回転へ切り替えるので、当該入力軸に噛み合い一体回転する出力軸は低速回転をねじ部品へ付与することができる。これにより、本発明に係るねじ締め装置は、着座状態の当該ねじ部品を低速回転する前記ビットよって締結できるので、目標の締付トルクから大幅に超えるようなことがなく高精度に締結できるという利点もある。

本発明に係る軸継手を示す断面図である。 本発明に係る別の軸継手を示す断面図である。 図１の軸継手を備えたねじ締め装置の動作説明図であり、（ａ）はねじをワークへ螺入している仮締め中の状態を説明するものであり、（ｂ）はねじの頭部がワークに着座し、入力軸が出力軸に対して相対回転している状態を説明するものであり、（ｃ）は相対回転を終えて係合爪と噛合爪とが噛み合って本締めを行っている状態を説明するものである。 図２の軸継手を備えたねじ締め装置の動作説明図である。（ａ）はねじをワークへ螺入している仮締め中の状態を説明するものであり、（ｂ）はねじの頭部がワークに着座し、入力軸が出力軸に対して相対回転している状態を説明するものであり、（ｃ）は相対回転を終えて係合爪と噛合爪とが噛み合って本締めを行っている状態を説明するものである。

本発明に係る軸継手２およびねじ締め装置１を図１ないし図４に基づき説明する。まず、本発明に係る軸継手２は、先端に係合爪３ａを備えた入力軸３と、この入力軸３に接続され当該入力軸３と一体に回転するねじ軸４と、このねじ軸４に螺合され前記係合爪３ａに噛み合う噛合爪５ａを備えた螺合部材５と、この螺合部材５を端部に備え前記ねじ軸４を回転自在に軸支して成る出力軸６と、前記入力軸３を内包するよう配され軸方向に圧縮されることで付勢力を高める圧縮ばね７とを備える。

前記入力軸３は、筒状に形成された本体１０の上部に固定配置された回転支持部材９へ挿通されており、その先端側に形成された係合爪３ａと、その後端側に形成され回転駆動する駆動軸を嵌め込み可能な嵌合穴３ｃと、前記ねじ軸４を接続可能な六角穴３ｂと備えて成る。さらに、入力軸３は、係合爪３ａ側から突出させたねじ軸４を一体に備える。

また、図１に示す入力軸３は、ナット１５により固定したねじ軸４と一体に回転するのみならず軸方向への移動も一体になるよう構成される。一方、図２に示す入力軸３は、前記六角穴３ｂに接続したねじ軸４と一体に回転するものの軸方向への移動を行うことはなく、常時軸方向へは当該入力軸３および前記ねじ軸４ともに位置を変えることがないよう構成される。

前記ねじ軸４は、螺旋状の溝をその外周に備えて成るおねじ山部４ｃと、前記六角穴３ｂに接続可能な六角軸部４ｂとを具備しており、前記おねじ山部４ｃの大半を前記係合爪３ａ側から下方へ常時突出させて成る。また、図１に示すねじ軸４は、その上端部に前記ナット１５を螺合可能なナット螺合部４ａを備えて成る。一方、図２に示すねじ軸４は、その下端部を成し前記おねじ山部４ｃに連設された小径の小径軸部４ｄを備える。

前記螺合部材５は、その外周に形成された多角形状の多角軸部５ｂと、その上端側に配された前記噛合爪５ａとを備えて成る。また、前記螺合部材５は、前記ねじ軸４のおねじ山部４ｃに常時螺合しており、前記出力軸６に内挿されて成る。

前記出力軸６は、これに内挿する螺合部材５の前記多角軸部５ｂを嵌め込み可能な多角穴部６ａを備え、その下端をねじ部品に係合するビットＢを取り付け可能に構成される。さらに、前記出力軸６は、前記本体１０の下部に複数配された軸受に挿通され、前記本体１０から軸方向へ抜け出さないよう回転自在に軸支されて成る。これにより、出力軸６は、これに嵌り込んでいる螺合部材５とともに一体に回転するよう構成される。

また、図１に示す出力軸６は、前記多角穴部６ａに連通し下方へ延びる前記連通穴部６ｂを備えており、この連通穴部６ｂは、前記おねじ山部４ｃを抜き差し可能な内径寸法で構成される。一方、図２に示す出力軸６は、前記多角穴部６ａの連設され後記軸支部材の一例である焼入れワッシャ１１を配置可能な取付穴６ｃを備える。

前記軸支部材は、前記おねじ山部４ｃの小径軸部４ｄを挿通可能に構成され、前記おねじ山部４ｃの端面に当接して当該ねじ軸４を回転自在に軸支して成る。なお、本実施形態において、軸支部材を焼入れワッシャ１１としたがこれに限定されるものでは無く例えばスラスト方向の荷重に強い軸受などに置き替えてもよい。

前記圧縮ばね７は、前記本体１０に内装されており、端部を押圧されることで撓んで付勢力を高めるよう構成される。図１に示す圧縮ばね７は、その下端を本体１０内に配された止め輪１２に抜け止めされるよう載置され、その上端を後記摺動部材８に常時当接するよう配されている。また、前記摺動部材８は、前記圧縮ばね７の付勢力を受けて上方へ付勢され、固定配置された前記回転支持部材９の下端に当接するよう配置されている。さらに、前記摺動部材８は、前記入力軸３を回転自在に軸支して成り、回転支持部材９から離反する方向へ当該入力軸３とともに移動可能に構成される。また、図２に示す圧縮ばね７は、その下端を前記螺合部材５の上部に配された軸受１３に当接するよう載置され、その上端を固定配置された回転支持部材９に当接するよう配置されている。

次に、本発明に係るねじ締め装置１は、図３および図４に示すように、前記軸継手２と、ねじ部品の一例である十字穴付き小ねじ（以下、単にねじＮという）の頭部に係合するビットＢと、回転駆動源の一例であるモータＭと、予め設定された設定トルクおよび設定回転数に基づき前記モータＭを駆動制御するコントローラＣとから構成される。また、このねじ締め装置１は、これを昇降可能な多関節ロボット（図示せず）などに支持されており、前記多関節ロボットの動作を受けてワークＷに設けられためねじへ向かい移動するよう構成されている。

前記ビットＢは、その一端にねじＮの頭部と係合可能な係合部を備える一方、他端が前記出力軸６と連結可能に構成されており、前記出力軸６と一体に回転するよう構成される。

前記モータＭは、その一端から突出し回転自在な回転軸と、その本体に内蔵され回転する回転軸の回転角度を検出可能なエンコーダとを備えて成り、前記エンコーダは、コントローラへパルス信号を発信可能に構成されている。また、前記モータＭは、前記軸継手２の入力軸３に接続されており、前記回転軸を回転駆動することで入力軸３へ回転力を伝達可能に構成される。

前記コントローラＣは、モータＭを配線接続して成り、当該モータＭへ回転駆動指令を発するよう構成されている。また、コントローラＣは、モータＭの回転軸を予め設定した設定回転数および設定トルクに基づき駆動制御して成り、回転開始から前記設定トルクに到達するまでの区間（以下、仮締めという）を高速回転で回転させ、前記設定トルクに達した後、予め設定している締付トルクに到達するまでの区間（以下、本締めという）を低速回転で回転させるよう制御する。つまり、コントローラＣは、モータＭの回転を高速回転から低速回転へ切り替えて仮締めおよび本締めを行っている。

前記設定トルクは、図１および図３（ａ）または図２および図４（ａ）に示す状態の圧縮ばね７により出力軸６に負荷される負荷トルクと、図３（ｃ）または図４（ｃ）に示す状態の圧縮ばね７により出力軸６に負荷される負荷トルクとの中間になるよう設定されている。

さらに、前記コントローラＣは、所定の締付トルクに到達後、モータＭへ回転停止指令を発するので、前記駆動軸が回転停止する。この回転停止したモータは、前記回転軸が回転しないようブレーキなどを作動させず、回転停止した回転軸を回転フリーにしている。

このように構成された本発明に係る軸継手２およびねじ締め装置１の作用について以下に説明する。本発明に係る軸継手２およびねじ締め装置１は、ねじＮをビットＢに係合させると多関節ロボットの作動によってワークＷに設けられためねじへ向かい下降し始める。この時、モータＭは、コントローラＣの指令を受けて回転軸を予め設定された高速回転の設定回転数により回転駆動して入力軸３を回転させる。

このように、ワークＷの上空で入力軸３を回転駆動している時、出力軸６に作用する負荷トルクは極めて小さいので、図１および図３に示す通常位置にある圧縮ばね７の付勢力により入力軸３および出力軸６は、軸方向に距離を保ったまま一体に高速回転で回転する。

やがて、ねじＮの先端がワークＷの表面に到達し、当該ねじが図３（ａ）または図４（ａ）に示すように前記めねじに螺合し始める。このねじＮの螺入中における出力軸６の負荷トルクは、上述したワークＷの上空で回転している時とほぼ同様のため、上述と同様に入力軸３および出力軸６は、軸方向に距離を保ったまま一体に高速回転で回転する。

前述のように、図３（ａ）または図４（ａ）に示すように出力軸６は、入力軸３と軸方向に距離を空けた状態で高速回転するので、ねじＮの頭部が図３（ｂ）または図４（ｂ）に示すようにワークＷの表面に密着して着座する。

引き続き高速回転する入力軸３は、着座により回転しようとしても回転できない出力軸６に対して相対回転を始める。よって、本発明に係る軸継手２およびねじ締め装置１は、ねじＮの着座と同時に高速回転する入力軸３から出力軸６を一時的に切り離すことができるので、着座時の衝撃トルクを入力軸と出力軸とを直結するものに比べて生じさせ難い。

続いて図３（ａ）ないし図３（ｃ）に基づいて前記入力軸３の相対回転中における作用を説明する。前記入力軸３と一体に取り付けられたねじ軸４は、回転不能な出力軸６に収められた螺合部材５から突出するよう下方へ移動しつつ高速回転する。よって、ねじ軸４とともに下降する入力軸３は、前記摺動部材８とともにも下降して、図３（ｂ）に示すように圧縮ばね７を撓ませ、螺合状態のねじ軸４および螺合部材５の摩擦抵抗を徐々に高める。これにより、回転不能であった出力軸６は、このねじ軸４と螺合部材５との摩擦抵抗の高まりによって、前記摩擦抵抗に応じたトルクを発揮して再びねじＮを締結する方向へ回転しようとする。

ここからは、図４（ａ）ないし図４（ｃ）に基づいて作用を説明する。入力軸３の相対回転中において、前記入力軸３と一体に取り付けられたねじ軸４は、回転不能な出力軸６に収められた螺合部材５に回転を付与して当該螺合部材５を上方へ移動させつつ高速回転させる。よって、上方へ移動する前記螺合部材５は、前記軸受１３とともにも上昇して、図４（ｂ）に示すように圧縮ばね７を撓ませ、螺合状態のねじ軸４および螺合部材５の摩擦抵抗を徐々に高める。これにより、回転不能であった出力軸６は、このねじ軸４と螺合部材５との摩擦抵抗の高まりによって、前記摩擦抵抗に応じたトルクを発揮して再びねじＮを締結する方向へ回転しようとする。

前記コントローラＣは、前記モータＭを介して出力軸６に加わっている負荷トルクを常時検出するとともに、この検出した負荷トルクと予め設定していた設定トルクとを比較し、前記負荷トルクが前記設定トルクに到達すればモータＭの駆動軸の回転を高速回転から低速回転へ切り替える。したがって、本発明に係る軸継手２およびねじ締め装置１は、図３（ｃ）または図４（ｃ）に示す入力軸３の係合爪３ａと出力軸６の噛合爪６ａとが噛み合う状態までに高速回転から低速回転へ切り替えるので、着座したねじＮを低速回転により増し締めできる。よって、増し締め開始直後の衝撃トルクはほぼ生じることなく、前記締付トルクに到達するまで低速回転によりねじＮをワークＷへ締結できる。

また、本発明に係るねじ締め装置１は、締付トルクに到達するとモータＭの駆動軸を回転フリーにするので、図３（ｃ）または図４（ｃ）に示す状態の付勢力を最も高めた圧縮ばね７によって、前記摺動部材８または前記螺合部材５を図３（ａ）または図４（ａ）に示す状態へ復帰することができる。

なお、本実施形態における設定トルクは、図１および図３（ａ）または図２および図４（ａ）に示す状態の圧縮ばね７により出力軸６に負荷される負荷トルクと、図３（ｃ）または図４（ｃ）に示す状態の圧縮ばね７により出力軸６に負荷される負荷トルクとの中間としたが、これに限定されるものではない。つまり、前記設定トルクは、図３（ａ）に示す状態の圧縮ばね７により出力軸６に負荷される負荷トルクから図３（ｃ）に示す状態の圧縮ばね７により出力軸６に負荷される負荷トルクまでの範囲であればよく、図３（ｃ）または図４（ｃ）に示す入力軸３と出力軸６とが一体に噛み合うまでに入力軸３の回転数を高速回転から低速回転に切り替え終わる値であればよい。

１ … ねじ締め装置
２ … 軸継手
３ … 入力軸
３ａ… 係合爪
４ … ねじ軸
４ｃ… おねじ山部
５ … 螺合部材
５ａ… 噛合爪
６ … 出力軸
８ … 摺動部材
Ｂ … ビット
Ｃ … コントローラ
Ｍ … モータ
Ｎ … ねじ

Claims (4)

1. 先端に雄ねじ部を備え、回転駆動源の駆動を受けて回転する入力軸と、
   前記入力軸の雄ねじ部が螺合可能な雌ねじ部を備える出力軸と、
   前記入力軸および出力軸を離反する方向に付勢するように配置される圧縮ばねとを備え、
   前記入力軸に回転力が付与されていないときは、圧縮ばねの付勢力によって入力軸の雄ねじ部と出力軸の雌ねじ部が緩み、入力軸と出力軸が離反する一方、
   前記入力軸に回転力が付与されたときは、圧縮ばねの付勢力に逆らって入力軸の雄ねじ部が出力軸の雌ねじ部に螺入し、入力軸と出力軸とが一体になって回転するように構成されていること、を特徴とする軸継手。
2. 前記雌ねじ部は、前記入力軸が前記出力軸に対して相対回転することで当該出力軸から突出する方向へ移動することを特徴とする請求項１に記載の軸継手。
3. 前記雌ねじ部は、前記出力軸と一体に回転するよう固定されて成り、
   前記入力軸は、前記出力軸に対して相対回転することで出力軸側へ向かって移動すること特徴とする請求項１に記載の軸継手。
4. 請求項１ないし請求項３の何れかに記載の軸継手と、前記出力軸の先端に取り付けられねじ部品に係合する係合部を備えたビットと、前記入力軸に回転を付与する回転駆動源と、この回転駆動源を予め設定した設定トルクおよび設定回転数に基づいて駆動制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記回転駆動源に負荷されたトルクが前記設定トルクに到達すれば、前記回転駆動源を高速回転の設定回転数から低速回転の設定回転数へ切り替え、前記入力軸に設けられた係合爪および前記出力軸に設けられた噛合爪が噛み合うまでの相対回転中に入力軸を高速回転から低速回転へ切り替えて成ることを特徴とするねじ締め装置。

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