JPH0227119B2

JPH0227119B2 -

Info

Publication number: JPH0227119B2
Application number: JP58199396A
Authority: JP
Inventors: Yoshibumi Hara; Takao Naito
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1983-10-25
Filing date: 1983-10-25
Publication date: 1990-06-14
Also published as: JPS6090677A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、ネジ締付け時の反力トルクを検出
し、その検出出力によりネジ締めトルクを制御す
るとともに締付け状態の良否を判別するネジ締め
装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点従来のネジ締め装置で直流モータを使用したも
のでは、直流モータとドライバーのビツトなどの
回転部に生ずる慣性トルクの影響を受け、ネジの
締付けトルクのバラツキが大きいという問題点が
あり、この問題点を解消する手段として、特開昭
55−120986号公報において、直流モータの印加電
圧を２段階に切替えて制御するネジ締め装置が公
知である。この方式では、ネジ締めトルクを検出
する手段として直流モータの電流値を検出してい
るため、締付精度が良くないという問題点と、タ
ツピンネジや木ネジ等で、最終の締付けトルク値
よりもネジが締付け材料にくい込む初期段階のト
ルク値が大きい場合において、第１段階の直流モ
ータの印加電圧は第２段階の印加電圧より低くし
ておかねばならないため使用できないという問題
点があつた。また同様な理由で、ネジが着座する
までの直流モータの回転数を高くとれないため、
ネジ締めに要する時間が長くなるという欠点もあ
つた。

発明の目的本発明は、上記従来の問題点を解消するもので
あり、実際のネジの締付トルクの反力をトルク検
出器で検出し、その検出出力をマイクロコンピユ
ータで監視削除するとともに直流モータの印加電
圧を制御して、ネジ締めトルクの制御を行なうネ
ジ締め装置を提供するものである。

発明の構成本発明は直流モータと直流モータからの締付ト
ルクをネジに伝達するビツトと、このビツトを回
転しながらネジの締付方向に押込む機構を備えた
ネジ締め装置において、締付トルクを反力として
検出するトルク検出器と、このトルク検出器の信
号を増幅する増幅器と、この増幅器の出力をデジ
タル値に変換するアナログ・デジタル変換器と、
前記トルク検出器の受ける反力トルクが零の時の
前記アナログ・デジタル変換器の出力を記憶する
記憶手段と、ネジ締付トルクの目標値をデジタル
値で設定するための第１の設定スイツチと、前記
直流モータに電圧を印加するとともに、その印加
電圧がトルク制御回路により制御されるプログラ
マブル直流電源と、ネジ締め中における前記アナ
ログ・デジタル変換器の出力と前記記憶手段の記
憶値との差を計算する第１の減算回路と、前記押
込む機構に取付けられた位置センサまたは前記押
込む機構の動作開始から時間により、締付中のネ
ジが着座直前の位置にきたことを検出する着座前
検出手段と、前記第１の減算回路と前記第１の設
定スイツチの目標値を比較して一致信号を出力す
る第１の比較回路と、前記着座前検出手段の出力
を受信後、前記第１の減算回路の出力を監視して
その出力が急激に増加する時間を検出する着座検
出手段とで構成され、前記トルク制御回路は第１
ステツプとして外部装置からのネジ締め開始信号
を受け、前記着座前検出手段の出力を受信するま
での間前記プログラマブル直流電源の出力が前記
直流モータの定格電圧となるように設定し、第２
ステツプとして前記着座前検出手段の出力を受信
後、前記着座検出手段の出力を受信するまでの間
前記プログラマブル直流電源の出力値をネジ締め
目標トルクの数分の１のトルクを直流モータが発
生するための値となるよう設定し、第３ステツプ
として前記着座検出手段の出力を受信後、前記第
１の比較回路の一致信号を受信するまでの間前記
プログラマブル直流電源の出力を漸次増加させる
ように構成したものである。

上記本発明の構成によれば、最終の締付トルク
値よりもネジが被締結材料にくい込む初期段階で
過大なトルクが発生した場合において、着座前検
出手段より出力信号が出ないので上記くい込み時
のトルクを着座または目標トルクと間違うことが
なくなる。また着座前検出信号の受信まで直流モ
ータを定格電圧で駆動できるのでネジが早く締ま
る。次にネジの着座を着座検出手段で検出するま
で、プログラマブル直流電源の出力を目標トルク
の数分の１のトルクを発生する電圧で駆動するこ
とにより、ネジはゆつくりと回転して着座する。
着座してネジの回転が止まつた後、プログラマブ
ル直流電源の出力を漸次増加させてトルクを増加
してゆく制御方式のため、直流モータの回転数は
極めて低く、そのロータやビツトの慣性の影響が
なくなり、バラツキのないネジ締めトルクを得る
ことができる。またネジの締付トルクをトルク検
出器で反力として検出し、反力が零の時のトルク
検出器の出力を記憶手段で記憶し、第１の減算回
路でトルク検出器の実時間の出力と上記記憶手段
の値とが減算されるため、トルク検出器の零点の
ドリフトが相殺される。

実施例の説明以下本発明の一実施例について、図面を参照し
ながら説明する。

第１図はネジ締め装置の機構部側面図を表す。

第１図において、ネジ締め用電動ドライバ１が
トルク検出器２に固定され、トルク検出器２はブ
ラケツト３を介してプレート４に固定され更に上
スライドブロツク５に取付けられている。エアシ
リンダ６はブラケツト７に固定され、ロツド８の
中間部に上スライドブロツク５が２個のナツト９
−ａ，９−ｂにより固定されている。１０はスラ
イドシヤフトで上スライドブロツク５が摺動自在
にはめ合されている。１１は電動ドライバ１とビ
ツト１２を継ぐジヨイントである。１３はビツト
ガイドで下端には供給されてきたネジを保持する
キヤツチヤ１４が固定されている。１５はビツト
ガイドブラケツトでスライドシヤフト１０に摺動
自在にはめ合された下スライドブロツク１６に固
定されている。また下スライドブロツク１６はエ
アシリンダ６のロツド８の下端にナツト９−ｃで
支持されている。ナツト９−ｂと下スライドブロ
ツク１６の間のロツド８にはバネ１７が設けられ
ており下スライドブロツク１６を常にナツト９−
ｃに付勢している。１８はスライドシヤフト１０
を支えるブラケツトで、ブラケツト７と共にシヤ
ーシ１９に固定されている。２０は上スライドブ
ロツク５の下降限ストツパである。２１は下スラ
イドブロツク１６の下降限ストツパである。

第２図は、第１図の電動ドライバー部分を取外
した機構部の正面図で、リミツトスイツチ２２の
取付状態を表す。リミツトスイツチ２２はスイツ
チブラケツト２３によりブラケツト７に固定され
ており、その位置は上下に調節可能である。上ス
ライドブロツク５が下降して所定の位置に来ると
リミツトスイツチ２２がONするような構造にな
つている。このリミツトスイツチはネジが着座の
直前タイミングでONするように位置調整する。

次に第３図によつてトルク検出器２の詳細を説
明する。ブラケツト３の上にトルク検出器本体２
４がボルト２５により固定されている。トルク検
出器本体２４は、軸ねじり歪が生じやすいように
貫通孔２６を設け、中空薄肉軸部２７を形成して
いる。この中空薄肉軸部２７の外側には歪ゲージ
２８を貼付けてある。トルク検出器本体２４の上
にはプレート２９がボルト３０により固定されて
おり、更にプレート２９にはホルダ３１がボルト
３２により固定されている。ホルダ３１はトルク
検出器本体２４と同心上になるように電動ドライ
バ１を固定するものである。３３は電動ドライバ
１の出力軸であり、貫通孔２６内に設けられ、軸
受け３４により回転自在に取付けられている。３
５はカバーで、その下部はトルク検出器本体２４
にボルト３６で固定され、上部には軸受３７が挿
入されている。またその軸受３７の内輪はトルク
検出器本体２４に挿入されている。３８はコネク
ターで歪ゲージ２８の信号線３９が接続されてい
る。

以上のように構成されたネジ締め装置について
以下その動作を説明する。

電動ドライバ１が回転した状態でエアシリンダ
６が下降すると、そのロツド８に固定された上ス
ライドブロツク５も下降を始め、プレート４、ブ
ラケツト３を介してそこに取付けられたトルク検
出器２、電動ドライバ１が下降する。また下スラ
イドブロツクもバネ１８によりロツド８の下端の
ナツト９−ｃに付勢されているので同時に下降
し、ビツトガイドブラケツト１５、ビツトガイド
１３、キヤツチヤ１４も下降する。キヤツチヤ１
４に保持されたネジ４０は締付け物４１に到達
し、電動ドライバ１の回転力は出力軸３３、ジヨ
イント１１、ビツト１２を介してネジ４０に伝達
され、締付け物４１に締付けられる。電動ドライ
バ１の回転力は即ち締付けトルクであり、その締
付けトルクは反力として、ブラケツト３に取付け
られているトルク検出器本体２４にホルダ３１
が、プレート２９を介して伝達され、トルク検出
器本体２４の下部はボルト２５により固定されて
いるので中空薄肉軸部２７にねじれ歪を生じさせ
る。このねじれ歪はゲージ２８により電気抵抗の
変化に変換され、コネクター３８を介して前段増
幅器４１に送られる。回転軸の外周表面に歪ゲー
ジが貼付けられ、このような歪ゲージの電気抵抗
の変化を応用したトルク変換器は公知事実として
多用されている。

次に第４図により実施例の制御回路の構成につ
いて説明する。破線で囲まれた部分が本発明の制
御装置のブロツク図を示す。

トルク検出器２の入力線にはブリツジ電源４２
より基準電圧がコネクタ３８を介して印加され
る。トルク検出器２の出力線からネジ締めトルク
に比例した微小信号電圧が出力される。この微小
信号電圧は前段増幅器４３により増幅され、ロー
パスフイルタ回路４４により、電動ドライバーの
モータ１から発生するノイズや高い周波数の振動
成分が遮断されて、ピークホールド回路４５へ入
力される。ピークホールド回路４５はRS信号が
OFFの時、入力電圧のピークをアナログ値で記
憶するもので、RS信号がONの時、出力が零と
なるものである。電子スイツチ４６は、S1信号
により２つのアナログ信号入力のいずれか一方を
選択して、そのままの電圧を出力するスイツチ回
路で、S1信号がOFFの時、前記ローパスフイル
タ回路４４の出力が選択され、S1信号がONの時
ピークホールド回路４５の出力が選択される。４
８はROM（リードオンメモリ）、RAM（ランダム
アクセスメモリ）と入出力インターフエイス回路
を持ち、演算機能を備えたマイクロコンピユータ
（以下マイコンと略す）である。

電子スイツチ４６により選択された信号は、ア
ナログ・デジタル変換回路４７（以下Ａ−Ｄ変換
回路と略す）に入力され、デジタル信号となつ
て、マイコンに入力される。

したがつて、マイコンは、電子スイツチの制御
信号S1を制御し、トルクのピーク値v_pと刻々と
変化するトルクの値を切換えて取込むことができ
る。またＡ−Ｄ変換の開始は、マイコン４８から
のADST信号の立上りのタイミングで行なわれ、
Ａ−Ｄ変換が完了するとADEND信号が出力され
る。

一方、４９は直流電圧出力の実効値を可変する
ことのできるプログラマブル直流電源で、電動ド
ライバーのモータ１の印加電圧V_Mを可変するた
めのものである。。数表示回路５０は、マイコン
４８により制御され、トルクのピーク値をデジタ
ル表示するものである。設定スイツチ５１は、ネ
ジ締めトルクの目標値v_aや上限値v_n，下限値v_oな
どをデジタル値として作業者が設定するためのも
のである。前記エアーシリンダ６はマイコン４８
により、リレー５２を介して制御される。またコ
ネクタ３８ｃを介して、外部からの制御信号とし
てSTART、STOP、MEASがマイコン４８に入
力されている。なお３８，３８ａ，３８ｂ，３８
ｃはコネクタを示す。

次に本発明の動作内容について、第５図のタイ
ミング図及び第６図のフローチヤートにより詳し
く説明する。作業者あるいは他の自動機からネジ
締めの開始を合図するSTART信号を受取ると、
まずマイコン４８は、エアーシリンダ６をONす
るとともに、プログラマブル直流電源４９に定格
電圧V_Rに設定し、電動ドライバ１のモータを高
速回転させる。電子スイツチ４６の制御信号S1
はOFFにし、トルク検出器２の直接の値ｖがＡ
−Ｄ変換回路４７を介して入力できるようにす
る。また数表示回路５０およびネジの締付け結果
として、ピークトルクが設定スイツチ５１で設定
されたトルクの上限値v_nと下限値v_oの間にあるか
どうかの判定結果OK／NG信号もリセツトする。

モータが回転し、その速度が安定してモータ電
流が一定となり反力トルクが零となるタイミング
t₁〜t₃の間の任意のタイミングt₂をタイマーT₁で
管理して、マイコン４８はトルクが零の時のロー
パスフイルタ回路４４の出力であるトルク出力ｖ
の値であるv_pを記憶する。つづいて、ネジが被締
結物にくい込み始めるタイミングt₃を経てから、
前記リミツトスイツチ２２より、ネジが着座の直
前であることを示すリミツトスイツチのMEAS
信号がタイミングt₄で出力される。するとマイコ
ン４８は、プログラマブル直流電源４９の出力
V_Mを零にし、モータの両端子間を短絡して急速
停止させる。この間でもネジは締付けられてい
る。タイミングt₄から一定時間T₂経たt₅の時点で
リセツト信号R_Sを出力して、ピークホールド回
路４５の出力を零にする。一方プログラマブル直
流電源の出力電圧V_Mを目標のネジ締めトルクを
発生するのに必要な電圧の１／４〜１／２の電圧
V_Sに設定する。この電圧が低い場合は直流モー
タの回転速度が遅くなりネジ締め時間が長くな
る。また目標トルクの２／３〜３／４であるよう
な高い時には、回転速度が速いため後述のネジの
着座検出時のトルクのバラツキが大きくなり被締
結物とネジの具合によつては目標トルクを超過す
ることがある。本発明ではこの電圧V_Sを目標ト
ルクの１／２を発生する電圧にしている。さて、
印加電圧がV_Sになつたため、直流モータは低い
回転数でネジを締付けてゆく。やがて、タイミン
グt₆になると、ネジが着座し、トルク出力ｖは急
激に増加する。マイコン４８は、Ａ−Ｄ変換回路
４７に対しタイミングt₅の時点から短い周期でＡ
−Ｄ変換開始信号ADSTを与え、常時このトル
ク出力ｖを監視する。このトルク出力ｖと前記v_p
との差（ｖ−v_p）が設定締付トルクの約１／４程
度の値v_tを超過した時点t₆において、マイコン４
８はプログラマブル直流電源４９の出力V_Mを一
定時間間隔（ΔT）で直線的に増加させてゆく。
すでに着座しているのでネジは徐々に締付けられ
る。

トルク出力と前記v_pとの差（ｖ−v_p）が前記目
標の締付トルク値v_aになるまで、マイコン４８は
Ａ−Ｄ変換回路４７の出力を監視を続け、目標の
締付トルクv_aとなつたt₇のタイミングでプログラ
マブル直流電源の出力V_Mを零にするとともにモ
ータへの電圧印加を停止する。

t₇の時点から若干の待ち時間を経て、タイミン
グt₈でマイコン４８はS₁をONし、Ａ−Ｄ変換回
路４７の入力側を電子スイツチ４６によりピーク
ホールド回路４５に変え、再び若干の待ち時間を
とり、タイミングt₉でトルク出力のピーク値v_pを
入力する。マイコン４８はv_pと前記v_pの差即ち
（v_p−v_p）の値をピークトルク値として数表示回
路５０へ出力する。さらにこの（v_p−v_p）の値を
前記設定スイツチの上限値v_n、下限値v_oによりv_o
≦（v_p−v_p）≦v_nかどうか判定してOK／NG信号
も出力する。既に述べたようにv_pの値は力トルク
検出器２にかかる反力トルクが零の時の値であ
る。したがつて、（v_p−v_p）とすることにより、
トルク検出器２や前段増幅器４３の温度変化等を
原因とするドリフト分による誤差を相殺すること
ができる。一方、スタート時点から着座の直前ま
での間はモータに定格電圧が印加されているため
高速のネジ締めができるとともに、ネジが締付け
材料にくい込む時のトルクが大きくても問題なく
ネジ締めできる。そして、ネジの着座の直前にモ
ータを止め、その後マイコンがプログラマブル直
流電源４９を制御し、徐々にモータの印加電圧を
高くすることにより、低速回転でネジ締めを行な
う。その結果、モータの慣性の影響がなくなり、
ネジ締めトルクのバラツキの少ない正確なネジ締
めが可能となる。またネジの着座直前までモータ
を高速回転させるのでネジが材料にくい込んだ後
の時間を短縮できる。

なお、着座の直前を意味するタイミングt₄は外
部からのMEAS信号により検出したがマイコン
４８によりタイマーでt₀からt₄までの時間を管理
することによつても同様な制御が可能である。ま
たＡ−Ｄ変換回路を２つ設け、ピークホールド回
路４５とローパスフイルタ回路４４の出力を独立
してＡ−Ｄ変換するような構成とし電子スイツチ
４６をなくすことも可能である。

また、タイミングt₄でモータを急速停止させて
いるが、ネジの首下が長い場合には着座までの時
間が長くとれるのでプログラマブル直流電源４９
の出力をすぐに電圧V_Sに設定する動作に変更し
てもバラツキの少ないネジ締めができる。

さらに、本発明のモータには直流モータを使用
しているが、モータの印加電圧を変えて、トルク
を変化できるブラシレス直流モータでも同様の制
御ができることは言うまでもない。

発明の効果本発明によれば、電動ドライバーの直流モータ
の印加電圧をプログラマブル直流電源により制御
し、ネジ締めトルクを反力としてトルク検出器で
検出する構成とし、前記プログラマブル電源を制
御しネジの着座の直前までモータに定格電圧を印
加し、ネジの着座の直前に目標トルクの数分の１
のトルクを発生する電圧に切換え、つづいて、
徐々にモータの印加電圧を上昇させながら、ゆつ
くりと締付けるとともに前記トルク検出器の信号
出力を監視し、この信号出力があらかじめ設定さ
れた目標の締付トルクとなつた時、電動ドライバ
ーのモータを停止させるような制御を行なうこと
により、ネジ締め時間が短縮でき、かつ、締付け
トルクのバラツキが少なく、高精度のネジ締めが
行なえるようになつた。

加えて、トルク検出器の反力が零であるタイミ
ングで、トルク検出器の信号出力をＡ−Ｄ変換し
て記憶しておき、ネジ締め制御時に、トルク検出
器の信号出力とこの記憶した値との差の値を正し
いネジ締めトルクとすることによりネジ締めトル
クの測定精度が向上できた。

また、着座前検出手段よりの信号を受信しない
とトルク検出器の監視ステツプに入らないように
しているため、小ネジ等で被締結物にネジがくい
込んだ時に過大なトルクが発生しても着座あるい
はネジ締めの完了と間違つてしまうことがなく、
安定した動作をする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるネジ締め装
置の機構部の側面図、第２図は第１図から電動ド
ライバー部分を取外した機構部の正面図、第３図
はトルク検出器の機構部の断面図、第４図は同実
施例の制御回路ブロツク図、第５図は同動作タイ
ミング図、第６図ａ，ｂは同マイクロコンピユー
タのフローチヤート図である。１…電動ドライバ、２…トルク検出器、２２…
リミツトスイツチ、２４…トルク検出器本体、２
７…中空薄肉軸部、２８…歪ゲージ、４２…ブリ
ツジ電源、４３…前段増幅器、４５…ピークホー
ルド回路、４７…Ａ−Ｄ変換回路、４８…マイク
ロコンピユータ、４９…プログラマブル直流電
源、５０…数表示回路、５１…設定スイツチ。

Claims

【特許請求の範囲】

１直流モータと直流モータからの締付トルクを
ネジに伝達するビツトと、このビツトを回転しな
がらネジの締付方向に押込む機構を備えたネジ締
め装置において、締付トルクを反力として検出す
るトルク検出器と、このトルク検出器の信号を増
幅する増幅器と、この増幅器の出力をデジタル値
に変換するアナログ・デジタル変換器と、前記ト
ルク検出器の受ける反力トルクが零の時の前記ア
ナログ・デジタル変換器の出力を記憶する記憶手
段と、ネジ締付トルクの目標値をデジタル値で設
定するための第１の設定スイツチと、前記直流モ
ータに電圧を印加するとともに、その印加電圧が
トルク制御回路により制御されるプログラマブル
直流電源と、ネジ締め中における前記アナログ・
デジタル変換器の出力と前記記憶手段の記憶値と
の差を計算する第１の減算回路と、前記押込む機
構に取付けられた位置センサまたは前記押込む機
構の動作開始から時間により、締付中のネジが着
座直前の位置にきたことを検出する着座前検出手
段と、前記第１の減算回路と前記第１の設定スイ
ツチの目標値を比較して一致信号を出力する第１
の比較回路と、前記着座前検出手段の出力を受信
後、前記第１の減算回路の出力を監視してその出
力が急激に増加する時間を検出する着座検出手段
とで構成され、前記トルク制御回路は第１ステツ
プとして外部装置からのネジ締め開始信号を受
け、前記着座前検出手段の出力を受信するまでの
間前記プログラマブル直流電源の出力が前記直流
モータの定格電圧となるように設定し、第２ステ
ツプとして前記着座前検出手段の出力を受信後、
前記着座検出手段の出力を受信するまでの間前記
プログラマブル直流電源の出力値をネジ締め目標
トルクの数分の１のトルクを直流モータが発生す
るための値となるよう設定し、第３ステツプとし
て前記着座検出手段の出力を受信後、前記第１の
比較回路の一致信号を受信するまでの間前記プロ
グラマブル直流電源の出力を漸次増加させること
を特徴とするネジ締め装置。