JPH07124827A - ねじ締め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ねじ締めの条件に関わらず、着座トルク、締
め付けトルクの安定化を図る。 【構成】 モータ１２の回転角度を検出するエンコーダ
１３と、エンコーダ１３で検出されたモータ１２の回転
角度をもとに設定された回転速度でモータ１２を制御す
るＣＰＵ１４と、ねじが着座する手前の位置を検出しモ
ータ回転速度を設定された高速回転から低速回転に切り
替えるタイミングを検出する高さセンサ１５と、モータ
の電流を検出する電流検出器１６と、回転速度制御手段
より出力された電流指令に従いモータの電流を制御する
電流駆動型ドライバを備え、高さセンサ１５入力後モー
タ１２の電流が設定された傾き以上で増加しないよう制
御することで、ねじを回転させるためのビットを回転さ
せるモータの回転速度制御を行うため、ねじ着座時のビ
ット回転速度を低速回転で安定制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、製品組立工程などで部
材と部材をねじで締結するねじ締め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ねじ締め装置は、ロボットに取付
けられたり、また専用機として組立工程などに配置さ
れ、自動化とともに締め付け精度や、ねじ浮き判定等の
高度な品質が要求されている。特に、締め付け精度向上
の取り組みとしてはトルクセンサ等の利用が行われてい
るが、締め付け装置の価格が高額になるため、普及する
までには至っていない。また昨今の多品種小量生産形態
に合わせて、締め付けトルクの変更が容易でかつ自動化
対応可能であることが必要となってきている。

【０００３】図４は従来のねじ締め装置の構成を示すブ
ロック図である。図４において、モータ１に直接あるい
は減速器等を介して接続されたビット２の先端でねじ３
を回転させねじ締めワーク４へ締め付けを行う。このモ
ータには、中央演算処理装置（以下ＣＰＵという）５が
Ｄ／Ａ変換器６を介して接続された電圧駆動型ドライバ
７が接続され、ＣＰＵ５の設定回転速度に対する回転速
度指令に基づいて電圧駆動型ドライバ７はモータ１に印
加する電圧を制御する。この際、ワーク４の表面とビッ
ト２先端の相対位置を検出するためねじ吸着パイプ８上
部に固定された高さセンサ９でねじ３が着座手前である
ことを検出し、その信号をもとにＣＰＵ５はモータの回
転速度を低下させる。そして、電流検出器１０より検出
されたモータ１の電流がＡ／Ｄ変換器１１を介してＣＰ
Ｕ５に入力され、設定電流値に達した時点でねじ締めを
終了する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記構成ではモータ回
転速度と電流を同時に制御することができず、ねじ込み
時の負荷変化によりねじ込み速度が変化するため、着座
時のモータのイナーシャによる衝撃力のバラツキで設定
ねじ締めトルクをオーバーしたり、また着座後、回転速
度が落ちたときに急激に電流が流れトクルの安定化が困
難であった。一方、着座時のモータのイナーシャによる
衝撃力を減らすため設定電圧を小さくすると締め上げ時
の発生トルクが小さくなり、モータの有するトルクを有
効に活用することができないという問題点も有してい
た。

【０００５】また、高さセンサの調整はねじ締め装置毎
に固定であり、ねじ締めワークの形状、ねじ種類等によ
りセンサの入力タイミングが異なり、ワーク、ねじ等の
機種変更に対して機械的調整が必要となり、自動機種切
り替え時の問題点となっていた。

【０００６】本発明は上記従来の問題を解決するもの
で、ねじ締め条件に関わらず、着座トルク、締め付けト
ルクの安定化を図ることができ、かつ、ワーク、ねじ種
類等の多機種ねじ締めにもセンサの機械的調整を要しな
いとともに、ねじ浮き、ねじ空転の判定機能も付加した
ねじ締め装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明は、
モータの回転角度を検出するエンコーダと、前記エンコ
ーダで検出された前記モータの回転角度をもとに設定さ
れた回転速度で前記モータを制御する回転速度制御手段
と、ねじが着座する手前の位置を検出し前記モータ回転
速度を設定された高速回転から低速回転に切り替えるタ
イミングを検出する高さセンサと、前記モータの電流を
検出する電流検出手段と、前記回転速度制御手段より出
力された電流指令に従い前記モータの電流を制御する電
流制御手段を備えたものである。

【０００８】更に、本発明の第２の発明は、設定された
高速回転速度と低速回転速度及びねじ締め上げ完了時の
電流設定値を複数個記録する手段を備えたものである。

【０００９】更に、本発明の第３の発明は、高さセンサ
の入力時点からのモータの回転角度を検出し、設定され
た角度だけ実際のモータ回転速度を低速に切り替えるタ
イミングを可変することができる制御手段を備えたもの
である。

【００１０】更に、本発明の第４の発明は、高さセンサ
入力時点からのモータの回転角度を検出し、設定された
角度までモータが回転しないときねじ浮きと判定する手
段を備えたものである。

【００１１】更に、本発明の第５の発明は、高さセンサ
入力時点からのモータの回転角度を検出し、設定された
角度よりモータが回転したときねじ空転と判定する手段
を備えたものである。

【００１２】更に、本発明の第６の発明は、高さセンサ
入力後、モータの電流が設定された傾き以上で増加しな
いよう制御するものである。

【００１３】

【作用】本発明の第１発明及び第６発明によれば、ねじ
を回転させるためのビットを回転させるモータの回転速
度制御を行うため、ねじ着座時のビット回転速度を低速
回転で安定制御でき、着座時のモータのイナーシャによ
る衝撃力を減少させ、着座トルクのはね上がりを防止
し、かつ着座後のモータトルクが急激に上昇することを
妨げるため、締め付けトルクの安定化を図ることができ
る。

【００１４】本発明の第２発明によれば、あらかじめ機
種切り替え分だけの高速回転、低速回転設定値及び締め
上げ完了時の電流設定値を記憶させておくことで、機種
切り替えの自動化が図れる。

【００１５】本発明の第３発明によれば、高さセンサの
入力時点からのモータの回転角度を検出し、設定された
角度だけ実際のモータ回転速度を低速に切り替えるタイ
ミングを可変することができるため、機種切り替え時の
機械的調整が不要となる。

【００１６】更に、本発明の第４発明，第５発明によれ
ば、高さセンサ入力時点からのモータ回転角度を検出
し、設定された角度と比較することにより、ねじ浮き，
ねじ空転のエラー判定を行うことができる。

【００１７】

【実施例】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。

【００１８】図１は本発明の一実施例におけるねじ締め
装置の構成を示すブロック図である。図１において、１
２はビットを回転させるモータ、１３はモータの回転角
度を検出するエンコーダ、１４はモータも回転速度制御
を行ったりねじ締め終了等を判定する制御手段であるＣ
ＰＵ、１５はねじが着座する手前の位置を検出しモータ
速度切り替えタイミングを検出する高さセンサ、１６は
モータの電流を検出する電流検出器、１７は電流指令に
従いモータの電流を制御する電流制御手段である電流駆
動型ドライバ、１８はモータの高速回転、低速回転設定
及びねじ締め終了判定のための電流設定値を複数個記憶
しておく記憶手段である書換可能なメモリである。

【００１９】上記構成により、以下図１を参照しながら
その動作を説明する。モータ１２に直接あるいは減速器
等を介して接続されたビット１９の先端でねじ２０を回
転させねじ締めワーク２１へ締め付けを行う。このモー
タ１２には、ＣＰＵ１４がＤ／Ａ変換器２３を介して接
続された電流駆動型ドライバ１７が接続され、メモリ１
８の設定回転速度に対してエンコーダ１３より検出され
るモータ１２の回転角度から算出される実モータ回転速
度が一致するよう制御が行われる。ここでＣＰＵ１４の
制御サンプリング時間をＴ、設定回転速度をＶｃｍｄ
（ｉ）、エンコーダ１３より今回サンプリング時に検出
されたモータの回転角度をθ（ｉ）、前回サンプリング
時に検出されたモータの回転角度をθ（ｉ−１）、速度
制御ループの比例ゲイン、積分ゲインをそれぞれＫｐ、
Ｋｉと仮定すると、実モータ回転速度Ｖｆｂ（ｉ）、電
流指令Ｉｃｍｄ（ｉ）は下式で表される。

【００２０】 Ｖｆｂ（ｉ）＝（θ（ｉ）−θ（ｉ−１））÷Ｔ （１） Ｉｃｍｄ（ｉ）＝Ｋｐ×（Ｖｃｍｄ（ｉ）−Ｖｆｂ（ｉ−１）） ＋Ｋｉ×Σ（Ｖｃｍｄ（ｉ）−Ｖｆｂ（ｉ−１））（２） 上式で算出された電流指令がＣＰＵ１４からＡ／Ｄ変換
器２３を介して電流駆動型ドライバ１７に出力され、電
流駆動型ドライバ１７では電流検出器１６より検出され
るモータ１２の電流が電流指令に一致するよう制御を行
う。この際、ワーク２１の表面とビット１９先端の相対
位置を検出するためねじ吸着パイプ２２上部に固定され
た高さセンサ１５でねじ２０が着座手前であることを検
出し、その信号をもとにＣＰＵ１４はモータの回転速度
をメモリ１８に記憶された高速回転設定値から低速回転
設定値へ低下させる。ここで着座後モータ１２の回転速
度が急激に減少した時モータ１２に流れる電流が急激に
増加することを防ぐために、高さセンサ１５の信号入力
後ＣＰＵ１４より出力される電流指令の増加傾きにクラ
ンプをかける。設定された電流指令の増加傾きをΔＩｃ
ｍｄとすると高さセンサ１５入力後の電流指令は下式の
ようになる。 Ｉｃｍｄ（ｉ）≦Ｉｃｍｄ（ｉ−１）＋ΔＩｃｍｄの時 Ｉｃｍｄ（ｉ）＝Ｋｐ×（Ｖｃｍｄ（ｉ）−Ｖｆｂ（ｉ−１）） ＋Ｋｉ×Σ（Ｖｃｍｄ（ｉ）−Ｖｆｂ（ｉ−１））（２） Ｉｃｍｄ（ｉ）＞Ｉｃｍｄ（ｉ−１）＋ΔＩｃｍｄの時 Ｉｃｍｄ（ｉ）＝Ｉｃｍｄ（ｉ−１）＋ΔＩｃｍｄ （３） そして、電流検出器１６より検出されたモータ１２の電
流がＡ／Ｄ変換器２４を介してＣＰＵ１４に入力され、
メモリ１８に記憶されている設定電流値に達した時点で
ねじ締めを終了する。ΔＩｃｍｄは、通常ねじ締めトル
ク１０ｋｇｆｃｍを２００ｍｓｅｃで上昇させる電流指
令の傾きに設定されているが、ねじ、ワークの種類に応
じて設定変更可能とする。一連のねじ締めの流れを第２
図に示す。

【００２１】したがって上記構成により、ねじを回転さ
せるためのビットを回転させるモータをエンコーダを用
いて回転速度制御を行うため、ねじ着座時のビット回転
速度を低速回転で安定制御でき、着座時のモータのイナ
ーシャによる衝撃力を減少させ、着座トルクのはね上が
りを防止し、かつ着座後のモータトルクが急激に上昇す
ることを防げるため、締め付けトルクの安定化を図るこ
とができる。

【００２２】またメモリ１８に、あらかじめ機種切り替
え分だけの高速回転、低速回転設定値及び締め上げ完了
時の電流設定値を記憶させておくことで、機種切り替え
の自動化が図れることとなる。

【００２３】次に高さセンサ１５の調整方法について述
べる。通常高さセンサ１５はねじ２０がワーク２１に締
め付けられた状態から２〜３回転戻した状態でＯＮする
ように固定するが、ねじのピッチにより当然その固定高
さは異なることとなる。このためねじを変更するような
機種切り替えにおいてはその都度機械的調整が必要とな
る。また単に使用するねじの中で一番ピッチの大きいも
ので調整しただけでは、ピッチの短いものを締める場合
にねじ締めタクトが延びるという問題が発生する。これ
を解決するため高さセンサ１５入力後低速回転に切り替
えるタイミングを遅らせる角度データを機種毎にメモリ
１８に記憶させておく。これにより高さセンサ１５は使
用するねじの中で１番ピッチの大きいもので調整してお
けば他のねじの場合は機種毎にメモリ１８に記憶された
タイミング遅延角度データにより自動的に最適な切り替
えタイミングが得られることとなる。一連のねじ締めの
流れを図３に示す。

【００２４】したがって上記構成のように、高さセンサ
の入力時点からのモータの回転角度を検出し、設定され
た角度だけ実際のモータ回転速度を低速に切り替えるタ
イミングを可変することができるため、機種切り替え時
の機械的調整が不要となる。

【００２５】次にねじ締めのエラー判定法について説明
する。高さセンサ１５入力後ねじ締め完了までのモータ
回転角度Ｐを検出し、その回転角度の最小値をＰｍｉ
ｎ、最大値をＰｍａｘと仮定する。この際、ねじ浮き判
定回転角度Ｐｕ、ねじ空転判定角度Ｐｋをそれぞれ下式
のように設定する。

【００２６】 Ｐｕ＝Ｐｍｉｎ−α （４） Ｐｋ＝Ｐｍａｘ＋β （５） ここでα、βは通常それぞれ１８０°、７２０°程度に
設定するが、回転角度Ｐのバラツキ具合により、バラツ
キが大きい場合は大きく、小さい場合は小さく設定し、
これらの値をメモリ１８に記憶させておく。そして、実
際のねじ締め毎に検出される回転角度Ｐとねじ浮き判定
回転角度Ｐｕ、ねじ空転判定角度Ｐｋを比較し、Ｐ＜Ｐ
ｕの時ねじ浮きエラー、Ｐ＞Ｐｋの時ねじ空転エラーと
判定する。

【００２７】したがって上記構成のように、高さセンサ
入力時点からのモータ回転角度を検出し、設定された角
度と比較することにより、新たなセンサ等を付加するこ
となくねじ浮き、ねじ空転のエラー判定を行うことがで
きる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、モータの
回転角度を検出するエンコーダと、エンコーダで検出さ
れたモータの回転角度をもとに設定された回転速度でモ
ータを制御する回転速度制御手段と、ねじが着座する手
前の位置を検出しモータ回転速度を設定された高速回転
から低速回転に切り替えるタイミングを検出する高さセ
ンサと、モータの電流を検出する電流検出手段と、回転
速度制御手段より出力された電流指令に従いモータの電
流を制御する電流制御手段を備え、高さセンサ入力後モ
ータの電流が設定された傾き以上で増加しないよう制御
することで、ねじを回転させるためのビットを回転させ
るモータの回転速度制御を行うため、ねじ着座時のビッ
ト回転速度を低速回転で安定制御でき、着座時のモータ
のイナーシャによる衝撃力を減少させ、着座トルクのは
ね上がりを防止し、かつ着座後のモータトルクが急激に
上昇することを防げるため、締め付けトルクの安定化を
図ることができる。

【００２９】また、本発明の第２の発明によれば、あら
かじめ機種切り替え分だけの高速回転、低速回転設定値
及び締め上げ完了時の電流設定値を記憶させておくこと
で、機種切り替えの自動化が図れる。

【００３０】また、本発明の第３の発明によれば、高さ
センサの入力時点からのモータの回転角度を検出し、設
定された角度だけ実際のモータ回転速度を低速に切り替
えるタイミングを可変することができるため、機種切り
替え時の機械的調整が不要となる。

【００３１】さらに本発明の第４の発明、第５の発明に
よれば、高さセンサ入力時点からのモータ回転角度を検
出し、設定された角度と比較することにより、新たにセ
ンサ等を付加することなくねじ浮き、ねじ空転のエラー
判定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるねじ締め装置構成を
示すブロック図

【図２】第１の発明のねじ締め装置におけるねじ締めの
流れを示す説明図

【図３】第３の発明のねじ締め装置におけるねじ締めの
流れを示す説明図

【図４】従来のねじ締め装置の構成を示すブロック図

【符号の説明】 １２ モータ １３ エンコーダ １４ ＣＰＵ １５ 高さセンサ １６ 電流検出器 １７ 電流駆動型ドライバ １８ メモリ １９ ビット ２０ ねじ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中田 広之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 増田 堅一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ねじを回転させるためのビットを回転さ
   せるモータと、前モータの回転角度を検出するエンコー
   ダと、前記エンコーダで検出された前記モータの回転角
   度をもとに設定された回転速度で前記モータを制御する
   回転速度制御手段と、ねじが着座する手前の位置を検出
   し前記モータ回転速度を設定された高速回転から低速回
   転に切り替えるタイミングを検出する高さセンサと、前
   記モータの電流を検出する電流検出手段と、前記回転速
   度制御手段より出力された電流指令に従い前記モータの
   電流を制御する電流制御手段と、前記高さセンサ入力後
   前記電流検出手段で件失された電流があらかじめ設定さ
   れた電流設定値に達した時ねじ締めを終了する手段を備
   えたねじ締め装置。
2. 【請求項２】 前記モータの高速回転設定値と低速回転
   設定値及び前記電流設定値を複数個記憶する手段を備え
   た請求項１記載のねじ締め装置。
3. 【請求項３】 前記高さセンサ入力時点からのモータの
   回転角度を検出し、設定された角度だけ実際のモータ回
   転速度を低速に切り替えるタイミングを可変することが
   できる制御手段を備えた請求項１記載のねじ締め装置。
4. 【請求項４】 前記高さセンサ入力時点からのモータの
   回転角度を検出し、設定された角度までモータが回転し
   ないときねじ浮きと判定する手段を備えた請求項１記載
   のねじ締め装置。
5. 【請求項５】 前記高さセンサ入力時点からのモータの
   回転角度を検出し、設定された角度よりモータが回転し
   たときねじ空転と判定する手段を備えた請求項１記載の
   ねじ締め装置。
6. 【請求項６】 前記高さセンサ入力後前記モータの電流
   が設定された傾き以上で増加しないよう制御する請求項
   １記載のねじ締め装置。