JP7261127B2 - 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ねじ締め装置は、本締め完了後、捩じられて元の状態へ復帰しようとし続けるトーションばねの捩じり力を開放するため、締結したねじ部品にビットを係合させた状態で入力軸を回転フリーの状態にする必要がある。このように入力軸を回転フリーにすると、ねじ部品により回転規制された出力軸に対して当該入力軸が相対回転を始め、先ほどとは逆方向へ回転し入力軸と出力軸との係合状態が解かれる。この相対回転中においても、入力軸はトーションばねの捩じり力を受け続けるので、当該入力軸が再び回転規制された出力軸と係合した際、トーションばねの捩じり力の影響を受けて締結したねじ部品を締結方向とは逆方向へ強く回転させてしまう。つまり、従来の軸継手およびねじ締め装置は、一旦締結したねじ部品を緩め易いという致命的な欠陥があった。

本発明に係る軸継手は、先端にねじ軸を備え、回転駆動源の駆動を受けて回転する入力軸と、前記入力軸のねじ軸が螺合可能な螺合部材を備える出力軸と、前記出力軸を入力軸から離反する方向に付勢す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ねじ軸と出力軸の螺合部材が緩み、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ねじ軸が出力軸の螺合部材に螺入し、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軸継手において、前記圧縮ばねは、前記出力軸と前記入力軸が所定の距離だけ離れると出力軸への付勢力を解除することを特徴とする。なお、前記圧縮ばねと出力軸との間には、軸受部材が設けられているとともに、前記圧縮ばねを内包する本体には、前記出力軸が前記入力軸に対して所定の距離離れた際に前記軸受部材と当接する段付き部が形成されていることが好ましい。また、前記出力軸は、前記ねじ軸の一端を回転自在に軸支する軸支部材を具備して成り、前記軸支部材は、ほぼ同一の面粗度に仕上げられた面同士を重ねた３枚以上の焼入れワッシャであることが好ましい。さらに、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、ワークへねじ部品を締結し終えた直後など出力軸および入力軸が回転規制された状態かつ前記付勢移動範囲に螺合部材が位置した状態において、前記入力軸のみ回転規制を解除し回転フリーにすることで、圧縮ばねを伸長できるようにして当該圧縮ばねの付勢力により螺合部材を出力軸側へ復帰させる。この螺合部材の復帰当初、当該螺合部材は、圧縮ばねの付勢力を受けて出力軸側へ向かい移動するので高い押付力を発揮するものの、出力軸に当接する直前では圧縮ばねの付勢力が解除される。これにより、螺合部材は、惰性で移動し弱い移動力となっている状態で出力軸と当接するため、当接直後に生じる出力軸の回転力を低く抑えることができる。つまり、本発明に係る軸継手およびねじ締め装置は、螺合部材の復帰時に出力軸へ高い回転力を生じさせ難いので、一旦締結したねじ部品を緩め難いという利点がある。なお、螺合部材に圧縮ばねの付勢力を伝達していた軸受部材が本体に形成された段付き部に当接して停止することで軸受部材と螺合部材が離れるため、圧縮ばねの付勢力が螺合部材へ伝達されないようになる等の利点がある。

また、本発明に係る軸継手およびねじ締め装置は、ほぼ同一の面粗度に仕上げた３枚重ねの焼入れワッシャを相対回転するねじ軸および出力軸の間に配置しているので、個別に製作されるねじ軸および出力軸の面粗度を統一させたり必要以上に高めたりする必要が無く製造コストを低減できるという利点もある。また、ほぼ同一の面粗度を備える焼入れワッシャを採用することで、当該焼入れワッシャに接するねじ軸と出力軸との相対回転のタイミングを安定させることが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。 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）はねじ部品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）はねじ部品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る。 図２（ｂ）に続く動作説明図であり、（ａ）は相対回転を終えて係合爪と噛合爪とが噛み合い本締めを行って所定の締め付けトルクに到達した時点を示すものであり、（ｂ）は本締め完了によりモータを停止させた後、当該モータを回転フリーにして螺合部材が元の位置へ復帰した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３に基づき説明する。まず、本発明に係るねじ締め装置１は、後述する軸継手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。

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。

次に、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と常時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、この圧縮ばね７を内包可能な本体１０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、おねじ山部４ｃに連設された小径の小径軸部４ｄとを具備して成る。

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とを備えて成り、前記ねじ軸４のおねじ山部４ｃに常時螺合するよう構成され、その一部が前記出力軸６に内挿されて成る。

前記圧縮ばね７は、前記本体１０に内装されており、その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。また、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部材に当接するよう載置される一方、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。

前記軸受部材は、前記圧縮ばね７に常時当接する上ハウジング１３と、この上ハウジング１３に接触可能かつ回動自在に複数配された転動体を備える保持器１４と、この保持器１４に接触可能かつ前記螺合部材５に当接可能な下ハウジング１５とから構成される。また、当該軸受部材は、前記上ハウジング１３、保持器１４、下ハウジング１５をそれぞれ分離可能に構成されており、ビットＢの回転方向および軸方向に作用する荷重を受けることができる。

前記上ハウジング１３は、図１に示すように前記保持器１４および下ハウジング１５よりも大径の外形に設定されており、前記本体１０に設けられた段付き部１０ａに当接可能に構成されている。

これにより、図３（ａ）に示すねじＮの締結を終えて圧縮ばねを撓ませた状態からモータを回転フリーにすることで、軸受部材を軸方向へ移動させることができる。この軸受部材の移動に伴って螺合部材５も軸方向へ移動するが、この螺合部材５の移動領域は、図３（ａ）に示す状態から図２（ａ）に示す位置状態までの付勢移動範囲と、図２（ａ）に示す位置状態から図３（ｂ）に示す状態までの空走移動範囲に分けられる。

前記付勢移動範囲は、螺合部材５が前記軸受部材を介し圧縮ばね７の付勢力を受けつつ出力軸６へ向かって軸方向に移動する範囲であり、図３（ａ）に示す位置状態から前記上ハウジング１３が前記本体１０の段付き部１０ａに当接するまでの螺合部材５の移動範囲である。

前記空走移動範囲は、上ハウジング１３が段付き部１０ａに当接した後、螺合部材５が圧縮ばね７の付勢力を受けずに出力軸６へ向かって軸方向に移動する範囲である。このように、前記軸受部材は、軸方向へ移動する螺合部材５が出力軸６に当接するまでに前記圧縮ばね７の付勢力を縁切りすることができるので、螺合部材５の回転力を低減でき回転規制された出力軸６およびビットＢへ大きな衝撃トルクを生じさせ難い。

前記出力軸６は、螺合部材５の多角軸部５ｂを嵌め込み可能な多角穴部６ａと、この多角穴部６ａに連設され後記軸支部材１１を配置可能な取付穴６ｃとを備えて成り、ねじＮと係合するビットＢを取り付け可能に構成されて成る。また、出力軸６は、本体１０の下部に複数配された軸受に挿通され、本体１０から軸方向へ抜け出さないようかつ回転自在に軸支されて成る。これにより、出力軸６は、螺合部材５とともに一体に回転するよう構成される。

前記軸支部材１１は、熱処理および研磨処理を施されて所定硬度および所定面粗度に仕上げられた焼入れワッシャ１１ａ，１１ｂ，１１ｃであり、図１に示すようにおねじ山部４ｃの小径軸部４ｄへ挿通されて成る。これにより、軸支部材１１は、出力軸６とねじ軸４との間でスラスト荷重を受けることができる。

前記焼入れワッシャ１１ａは、その表面が前記おねじ山部４ｃの端面に当接するよう配置され、その裏面が次の焼入れワッシャ１１ｂの表面に当接している。また、焼入れワッシャ１１ｂの裏面は、焼入れワッシャ１１ｃの表面に当接する一方、焼入れワッシャ１１ｃの裏面は、取付穴６ｃの底面に当接するように配されている。

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が極めて小さいので、螺合部材５は、図１、図２（ａ）、図３（ｂ）に示す前記空走移動範囲に位置し、入力軸３および出力軸６が一体に高速回転する。

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Ｎが図２（ａ）に示すように前記めねじに螺合され始める。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、一体に高速回転する。

前述したように出力軸６は、入力軸３と一体に高速で回転するので、やがて、ねじＮの頭部は、図２（ｂ）に示すようにワークＷの表面に密着し着座する。これまでモータＭの回転に連動するよう回転していた出力軸６は、その多角穴部６ａに嵌まり込んだ螺合部材５とともに回転不能になる。しかし、螺合部材５は、ねじ軸４に螺合されているので、引き続き回転する当該ねじ軸４とは異なり回転することなくモータＭ側へ向かって摺動し始める。

このように、螺合部材５が摺動し始めるのは、回転不能となった出力軸６に対してねじ軸４が相対回転をするからであり、この出力軸６とねじ軸４との相対回転は、前記軸支部材１１の焼入れワッシャ１１ｂと、これに接する焼入れワッシャ１１ａ，１１ｃとの間で発揮される摩擦抵抗に打ち勝つことで開始される。これら焼入れワッシャ１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、上述したように同一の面粗度に設定されているので、出力軸６およびねじ軸４の相対回転を生じるタイミングを安定的に得ることができる。

また、ねじ軸４および入力軸３は、ねじＮの着座を機に出力軸６に対して相対回転を開始することで、軸方向へ摺動する螺合部材５により圧縮ばね７を撓ませる。つまり、上方へ移動する螺合部材５は、上ハウジング１３とともにも上昇して、図２（ｂ）に示すように圧縮ばね７を撓ませて図３（ａ）に示すように螺合部材５と入力軸３とが噛み合う。

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（ａ）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を低速回転により本締めできる。よって、本締め開始直後の衝撃トルクはほぼ生じることなく、所定の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、本発明に係る軸継手２およびねじ締め装置１は、締付トルクに到達しねじＮの締結を完了するとモータＭの駆動軸を回転フリーにする。これにより、図３（ａ）に示す最も撓んだ状態の圧縮ばね７の付勢力は、前記軸受部材を介し螺合部材５へ伝達される。また、この螺合部材５は、多角穴部６ａに嵌まり込み回転規制され状態となっているので、回転規制された出力軸６に対して回転はしないものの、圧縮ばね７の付勢力を受けているので出力軸へ向かい押圧される形となる。したがって、当該螺合部材５に螺合しているねじ軸４は、回転フリーになった入力軸３と一体に逆転し始め、当該螺合部材５が前記付勢移動範囲から前記空走移動範囲までを摺動して図３（ｂ）に示すように元の位置まで復帰する。このように、圧縮ばね７の付勢力を受けない空走移動範囲を設定したことで、図３（ｂ）に示す螺合部材５の完全な復帰状態直後に出力軸６およびねじＮへ緩める方向へ高いトルクを付与しないようにすることが可能となる。

さらに、本発明に係る軸継手２およびねじ締め装置１は、上述したように、焼入れワッシャ１１ａの裏面および焼入れワッシャ１１ｃの表面がほぼ同一の面粗度に設定された焼入れワッシャ１１ｂの表裏面に当接しているので、この当接面での回転に対する摩擦抵抗が安定する。一方、前記焼入れワッシャ１１ａの表面および焼入れワッシャ１１ｃの裏面は、これらの面粗度よりも荒くばらつきの大きいおねじ山部４ｃの端面および取付穴６ｃの底面に当接しているので、ねじ軸４と出力軸６とが相対的に回転する時には、均一な面同士が当接する焼入れワッシャ１１ｂを境に縁切りされる。したがって、ほぼ同一の面粗度に仕上げた焼入れワッシャを少なくとも３つ以上重ねた軸支部材１１は、毎回ほぼ同じ負荷トルクで相対回転を生じるので、ねじ軸４と出力軸６との相対回転のタイミングを一定にできるという利点がある。

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
７ … 圧縮ばね
１０ … 本体
１０ａ… 段付き部
１１ … 軸支部材
１１ａ… 焼入れワッシャ
１１ｂ… 焼入れワッシャ
１１ｃ… 焼入れワッシャ
１３ … 上ハウジング
１４ … 保持器
１５ … 下ハウジング
Ｂ … ビット
Ｃ … コントローラ
Ｍ … モータ
Ｎ … ねじ

Claims (4)

1. 先端にねじ軸を備え、回転駆動源の駆動を受けて回転する入力軸と、
   前記入力軸のねじ軸が螺合可能な螺合部材を備える出力軸と、
   前記出力軸を入力軸から離反する方向に付勢す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ねじ軸と出力軸の螺合部材が緩み、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ねじ軸が出力軸の螺合部材に螺入し、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軸継手において、
   前記圧縮ばねは、前記出力軸と前記入力軸が所定の距離だけ離れると出力軸への付勢力を解除することを特徴とする軸継手。
2. 前記圧縮ばねと出力軸との間には、軸受部材が設けられているとともに、
   前記圧縮ばねを内包する本体には、前記出力軸が前記入力軸に対して所定の距離離れた際に前記軸受部材と当接する段付き部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸継手。
3. 前記出力軸は、前記ねじ軸の一端を回転自在に軸支する軸支部材を具備して成り、
   前記軸支部材は、ほぼ同一の面粗度に仕上げられた面同士を重ねた３枚以上の焼入れワッシャであることを特徴とする請求項１または請求項２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て成ることを特徴とするねじ締め装置。
   

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