JPH081534A - 自動ねじ締め方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ねじの種類や締め付け条件に応じて最適なね
じ締め制御を行うことができる自動ねじ締め方法及び装
置を提供する。 【構成】 複数ねじ種のねじを予め設定された設定締め
付けトルクで自動的に締め付ける自動ねじ締め装置であ
る。ねじを回転させる回転手段１２と、複数ねじ種から
選択されたねじ種と設定締め付けトルクに基づいて回転
手段１２の最適回転数を設定する最適回転数設定手段２
２と、回転手段１２を最適回転数で定速回転させる定速
制御信号を出力する定速制御手段４４と、選択されたね
じ種に応じて定められる締め付けトルクの時間変化特性
に基づいて、締め付けトルクが設定締め付けトルクまで
上昇するように定速制御信号を制限するトルク制限手段
３６とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複数ねじ種のねじを予め
設定された締め付けトルクで自動的に締め付ける自動ね
じ締め方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】時計、カメラ等の精密機器、コンピュー
タ、ディスクメモリ装置等の電子機器等の各種産業にお
ける組立て作業において、ねじ締め作業は最も基本的な
ものである。このねじ締め作業は、モータ動力によりね
じ締めを行う自動ねじ締め装置を用いて行われる。

【０００３】一般にねじ締め作業においては、締め付け
トルクを予め設定した値にすることが求められている。
このため従来の自動ドライバ装置においても締め付けト
ルクを調節できるようにしたものがある。しかし、従来
の自動ドライバ装置ではねじの種類や被締め付け体が異
なる場合でも単に締め付けトルクの値を調整できるだけ
であった。すなわち、ねじの太さやピッチ等の形状や、
鉄やプラスチック等の材質や、セルフタッピング用ねじ
などの機能が異なる場合や、被締め付け体の材質が金属
やプラスチック等と異なる場合でも、設定した締め付け
トルクに応じて同じ締め付け制御をしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このため、例えば径の
小さいねじを締め付ける場合には、締め付け時の回転に
より、ねじに加わる締め付けトルクが設定値を大きく越
えてしまい、ねじの頭に大きなストレスが加わるという
問題があった。また、ねじの種類や被締め付け体が同じ
であっても、２回目に締付けるときや、ワッシャを用い
るとき等、締め付け条件が異なる場合には、その締め付
け条件に適したねじ締め制御をする必要があるにもかか
わらず、従来は同じ締め付け制御をしており、締め付け
トルク設定値と実際締め付けトルク値が大きく異なると
いう問題があった。

【０００５】本発明の目的は、ねじの種類や締め付け条
件に応じて最適なねじ締め制御が可能な自動ねじ締め方
法及び装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数ねじ種
のねじを予め設定された設定締め付けトルクで自動的に
締め付ける自動ねじ締め方法において、ねじ着座前は、
前記複数ねじ種から選択されたねじ種と前記設定締め付
けトルクに基づいて定められる最適回転数により前記設
定締め付けトルク以下の回転トルクで前記ねじを回転さ
せ、ねじ着座後は、前記選択されたねじ種に応じて定め
られる締め付けトルクの時間変化特性に基づいて、前記
締め付けトルクを前記設定締め付けトルクまで上昇させ
ながら前記ねじを締め付けることを特徴とする自動ねじ
締め方法によって達成される。

【０００７】また、上記目的は、複数ねじ種のねじを予
め設定された設定締め付けトルクで自動的に締め付ける
自動ねじ締め装置において、前記ねじを回転させる回転
手段と、前記複数ねじ種から選択されたねじ種と前記設
定締め付けトルクに基づいて前記回転手段の最適回転数
を設定する最適回転数設定手段と、前記回転手段を前記
最適回転数で定速回転させる定速制御信号を出力する定
速制御手段と、前記選択されたねじ種に応じて定められ
る締め付けトルクの時間変化特性に基づいて、前記締め
付けトルクが前記設定締め付けトルクまで上昇するよう
に前記定速制御信号を制限するトルク制限手段とを備え
たことを特徴とする自動ねじ締め装置によって達成され
る。

【０００８】

【作用】本発明によれば、ねじ着座前は、複数ねじ種か
ら選択されたねじ種と設定された設定締め付けトルクに
基づいて定められる最適回転数により設定締め付けトル
ク以下の回転トルクでねじを回転させ、ねじ着座後は、
選択されたねじ種に応じて定められる締め付けトルクの
時間変化特性に基づいて、締め付けトルクを設定締め付
けトルクまで上昇させながらねじを締め付けるようにし
たので、ねじの種類や締め付け条件に応じたねじ締め制
御により最適なねじ締め制御を行うことができる。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例による自動ねじ締め装置を
図１乃至図６を用いて説明する。本実施例による自動ね
じ締め装置は、ねじ締めを行うドライバユニット１０
と、ドライバユニット１０を制御する制御ユニット２０
に分かれている。これらドライバユニット１０と制御ユ
ニット２０はコネクタ３２により接続されている。

【００１０】ドライバユニット１０にはねじ締めを行う
回転手段であるモータ１２が設けられている。このモー
タ１２の回転軸には、先端でねじを回転するビット１４
が取付けられ、この回転軸の後端には、モータ１２の回
転数を検出するため回転に応じたパルス信号を出力する
エンコーダ１６が取付けられている。なお、エンコーダ
１６の代わりにタコジェネレータを用いてもよい。

【００１１】制御ユニット２０には、例えばマイクロコ
ンピュータにより構成された制御部２２が設けられ、自
動ねじ締め装置の全体を制御している。制御ユニット２
０には、自動ねじ締め装置への各種指示を入力する入力
部２４と、その指示内容を表示する表示部２６とが設け
られ、制御部２２に接続されている。これら入力部２４
及び表示部２６は、図２に示す制御ユニット２０の前面
パネル２８上に設けられている。

【００１２】図２に示すように、前面パネル２８上部左
には、ねじ種選択スイッチ２４ａが設けられ、Ｍ1.0 か
らＭ2.0 の４種類のねじ種を選択するようになってい
る。ねじ種選択スイッチ２４ａ上部には現在選択された
ねじ種を表示するねじ種表示部２６ａが設けられてい
る。前面パネル２８上部右には、締め付けトルクを設定
するトルク設定スイッチ２４ｂが設けられている。この
トルク設定スイッチ２４ｂは、０．１Ｎ・ｍの位の値を
設定するスイッチと、０．０１Ｎ・ｍの位の値を設定す
るスイッチと、０．００１Ｎ・ｍの位の値を設定するス
イッチという３つのスイッチにより構成されている。ト
ルク設定スイッチ２４ｂ上部には設定された締め付けト
ルクの値を表示するトルク表示部２６ｂが設けられてい
る。

【００１３】前面パネル２８の中央部には、モータ１２
の回転方向を切換える正／逆転切換スイッチ２４ｃと、
リモートとマニュアルを切換えるリモート／マニュアル
切換スイッチ２４ｄが設けられている。前面パネル２８
下部左には、電源スイッチ３０が設けられ、下部右には
ドライバユニット１０を接続するためのコネクタ３２が
設けられている。

【００１４】制御ユニット２０による基本的制御は、ね
じ着座前は、モータ１２が選択されたねじ種と設定締め
付けトルクに基づいた最適回転数になるような定速制御
を行い、ねじ着座後は、選択されたねじ種に応じて定め
られる締め付けトルクの時間変化特性に基づいて、締め
付けトルクを設定締め付けトルクまで上昇させながら、
刻々変化する締め付けトルクを越えないように制限して
モータ１２を電流制御するものである。

【００１５】入力部２４のトルク設定スイッチ２４ｂに
より設定された締め付けトルクのデータと、入力部２４
のねじ種選択スイッチ２４ａにより選択されたねじ種は
制御部２２に記憶される。制御部２２はこの２つのデー
タから算出された最適回転数のデジタル値をＤ／Ａ変換
器３４に出力する。ドライバユニット１０のエンコーダ
１６からのパルス信号は入力回路４２を介して制御部２
２と定速制御部４４に出力される。定速制御部４４はモ
ータ１２の回転数が所定の最適定速回転になるようにモ
ータ１２を制御するために定速制御信号を出力する。す
なわち、モータ１２の回転数が低いとモータ電流を大き
くして回転数が上昇するようにし、モータ１２の回転数
が高いとモータ電流を小さくして回転数が低くなるよう
な定速制御信号を出力する。

【００１６】効率よくねじ締めを行うためには、モータ
１２を高速回転させて短時間でねじ締めを行うことが望
ましい。しかし、モータ１２の回転が早くなり過ぎると
着座時に慣性により設定された締め付けトルクを越えて
しまい、ねじの頭切れなどの事故が起きやすくなる。し
たがって、設定された締め付けトルクを越えることな
く、最も効率的にねじ締めを行うことができる最適回転
数でモータ１２を回転させることが必要である。このよ
うにモータ１２の最適回転数は設定された締め付けトル
クに応じて異なると共に、同じ締め付けトルクでも締め
付けるねじの径により異なる。

【００１７】本実施例では、複数ねじ種Ｍ1.0 、Ｍ1.4
、Ｍ1.8 、Ｍ2.0 と設定された締め付けトルクに基づ
いて、図４に示すように最適回転数を設定する。ねじ径
が大きいねじ種ほど締め付けトルクに対する最適回転数
を小さくする。定速制御部４４からの定速制御信号は、
最適回転数からのずれに応じてモータ電流すなわち回転
トルクを変化させるように変化する。ねじが着座すると
モータ１２の回転数が急激に減少して最適回転数から大
きくずれて定速制御信号がステップ状に立上る。この定
速制御信号をそのままモータ駆動部３８に入力してモー
タ１２を駆動すると、ねじ着座時のモータ１２の電流変
化が急激すぎて設定された締め付けトルク以上のトルク
がねじに加わるおそれがある。

【００１８】このため、定速制御部４４からの定速制御
信号の時間変化をコントロールする必要がある。しか
も、締め付けトルクの最適な時間変化特性は、ねじ種や
ねじ締め条件により異なるので、制御部２２に締め付け
トルクの最適な時間変化曲線を予め記憶させておく。Ｄ
／Ａ変換部４９は、記憶された締め付けトルクの最適な
時間変化曲線に応じて変化するデジタルの締め付けトル
ク信号をアナログ信号に変換し、モータ電流制限部３６
に出力する。モータ電流制限部３６は、このような締め
付けトルクの時間変化特性に応じて定速制御信号を制限
し、最終的には締め付けトルクの時間変化特性に応じて
モータを駆動制御する。

【００１９】図５及び図６に、締め付けトルクの最適な
時間変化特性を示す。ねじ種やねじ締め条件に応じて締
め付けトルクの時間変化特性は異なる。図５は、ねじ種
に応じた締め付けトルクを示すグラフである。図５
（ａ）に締め付け角度に応じた締め付けトルクを示して
いる。ねじ種に応じて最終的な設定締め付けトルクが異
なる。ねじ径が大きいほど設定締め付けトルクを大きく
する必要がある。図５（ｂ）に締め付けトルクの時間変
化特性を示している。ねじ種に応じて最終的な設定締め
付けトルクが異なるが、基本的に同様な時間変化特性を
示している。

【００２０】図６は、ねじ締め条件に応じた締め付けト
ルクを示すグラフである。図６（ａ）に締め付け角度に
応じた締め付けトルクを示している。最終的な設定締め
付けトルクは同じであるが、ねじ締め条件に応じてねじ
締め角度が異なっている。緩めた後に再度締め付ける場
合には、小さなねじ締め角度により設定締め付けトルク
に達し、ワッシャ付きの場合には、設定締め付けトルク
に達するのに大きなねじ締め角度を必要とする。図６
（ｂ）に締め付けトルクの時間変化特性を示している。
最終的な設定締め付けトルクは同じであるが、ねじ締め
条件に応じて時間変化特性が異なっている。

【００２１】なお、締め付けトルクの最適な時間変化特
性は他の条件に応じて変化するが、制御部２２にその時
間変化特性を記憶させることにより、いかなる時間変化
特性にも対応することができる。立上り制御部５０は、
定速制御部４４からの定速制御信号の立上りを一定程度
鈍らせて、モータ１２の回転トルクの立上りを鈍らせる
ようにする。定速制御信号の急激な変化があっても急激
に変化せず、締め付けトルクの時間変化特性に対して追
随できるようにしておく。

【００２２】モータ駆動部３８は、立上り制御部５０に
より変化させられた定速制御信号に応じたモータ電流が
流れるようにモータ駆動信号をモータ１２に出力する。
ねじが着座すると、前述のようにモータ１２の回転数が
減少して定速制御信号が大きくなり回転トルクが上昇す
る。トルク制限手段としてのモータ電流制限部３６は、
ねじ着座後に上昇するモータ１２の回転トルクが、Ｄ／
Ａ変換部４９からの時間変化曲線に応じて締め付けトル
クを越えないように、モータ駆動部３８によるモータ電
流を制限する。

【００２３】着座検出部５４は、モータ電流制限部３６
からの出力信号によりモータ１２が停動トルクに達して
着座したことを検出し、着座検出信号を制御部２２に出
力する。起動制御部５２は、制御部２２からの信号によ
り、ねじ締めの終了及び起動を制御する。すなわち、ね
じ締め終了信号が入力されると制御部２２は締め付けら
れる板などの被締め付け体のばね性が安定する時間、例
えば、０．３秒だけモータ電流を切ることなく停動状態
を維持し、その後モータ電流をきるためのモータ停止信
号を起動制御部５２に出力する。モータ停止後、例え
ば、１秒後には、モータ起動信号を起動制御部５２に出
力して、次のねじ締めためにモータ１２の回転を制御す
る。

【００２４】図３に立上り制御部５０とモータ駆動部３
８とモータ電流制限部３６の詳細を示す。立上り制御部
５０は入力した定速制御信号を遅延させるＣＲ遅延回路
として構成されている。コンデンサ５０ａに対して抵抗
５０ｂが接続されている。なお、抵抗５０ｂとしては、
定速制御信号の急激な変化を遅延させると共に、モータ
電流制限部３６からの制御信号の変化に遅延することな
く追随できるような値にしておく。なお、定速制御信号
の立ち下り時は遅延させないようにするために、抵抗５
０ｂに並列に、直列接続されたダイオード５０ｃと抵抗
５０ｄが設けられている。

【００２５】モータ駆動部３８はパワーアンプ３８ａに
より構成されている。このパワーアンプ３８ａの入力端
には立上り制御部５０とモータ電流制限部３６が接続さ
れている。モータ電流制限部３６はオペアンプ３６ａで
構成され、オペアンプ３６ａの入力端の一方にはモータ
電流検出抵抗４０によるモータ電流信号が入力され、他
方にはＤ／Ａ変換部４９からの締め付けトルク信号が入
力される。

【００２６】オペアンプ３６ａの出力端には出力抵抗３
６ｂが接続されている。この出力抵抗３６ｂとパワーア
ンプ３８ａの入力端との間にはダイオード３６ｃが設け
られ、モータ駆動部３８からモータ電流制限部３６の方
向にのみ電流が流れるように構成されている。次に、本
実施例の自動ねじ締め装置を用いたねじ締め動作につい
て説明する。

【００２７】まず、電源スイッチ３０をオンするとモー
タ１２が軽いトルクで回転する定速回転状態となる。次
に、ねじ締めが行われるねじ種をねじ種選択スイッチ２
４ａにより選択する。選択結果はねじ種表示部２６ａに
表示される。同様に、ねじを締め付ける締め付けトルク
をトルク設定スイッチ２４ｂを操作して設定する。設定
された締め付けトルク値はトルク表示部２６ｂに表示さ
れる。

【００２８】制御部２２は、この２つのデータから、算
出された最適回転数のデジタル値をＤ／Ａ変換器３４に
出力し、Ｄ／Ａ変換器３４の出力が定速制御部４４に対
して最適回転数を設定する。定速制御部４４はモータ１
２の回転数が最適回転数になるような定速制御信号を出
力する。次に、ドライバユニット１０のビット１４先端
に真空によりねじをチャッキングする。なお、真空チャ
ッキングは周知技術であるので詳細な説明を省略する。
モータ１２がアイドリング状態で回転しているので、チ
ャッキングしたねじの頭の溝がビット１４に自動的に噛
み合う。

【００２９】次に、ビット１４先端にチャッキングされ
たねじをねじ穴に合わせてねじ締めを開始する。ねじが
着座するまでは、ねじ穴の雌ねじの山とねじの雄ねじの
山が噛み合ってねじ込まれていくだけであるから負荷ト
ルクが小さく、最適回転数でねじが回転される。

【００３０】ねじが着座すると急激に回転が減少するの
で、定速制御部４４からの定速制御信号がモータ１２を
最適回転数で回転させるように急激に立上がる。立上り
制御部５０は、抵抗５０ｂとコンデンサ５０ａによるＣ
Ｒ時定数により定速制御信号の急激な立上りを鈍らせる
ようにモータ駆動部３８を制御する。定速制御信号が増
大していくと、モータ電流制限部３６は、Ｄ／Ａ変換部
４９から出力される締め付けトルクの時間変化特性に応
じて、締め付けトルクを越えようとすると、オペアンプ
３６ａがパワーアンプ３８ａの入力端から電流を引込ん
で、定速制御信号が増大しないように制限する。このた
め、ねじ着座後の定速制御部４４によるモータ電流は、
Ｄ／Ａ変換部４９からの締め付けトルクの時間変化特性
に応じた締め付け制御がなされ、最終的には設定された
締め付けトルクでねじ締めが行われる。

【００３１】着座検出部５４によりねじが着座したこと
が検出され、エンコーダ１６のパルス信号からモータ１
２の回転が停止したことが検出されると、制御部２２か
らの信号により起動制御部５２は０．３秒間だけモータ
電流を切ることなく停動状態を維持し、その後モータ１
２の電流を切る。これによりねじ締めを終了する。続い
て、制御部２２からの信号により起動制御部５２はモー
タを１秒間停止させた後にモータ１２の回転を再開し、
次のねじ締めのためにアイドリング状態に戻る。

【００３２】このように本実施例によれば、ねじ締め開
始時はモータをねじ種及び設定トルク値に応じた最適回
転数で回転させて、着座後は選択されたねじ種に応じて
定められる締め付けトルクの時間変化特性に基づいて、
締め付けトルクを設定締め付けトルクまで上昇させなが
らねじを締め付けるようにしたので、ねじの種類や締め
付け条件に応じて適切なねじ締め作業を迅速に行うこと
ができる。

【００３３】本発明は上記実施例に限らず種々の変形が
可能である。例えば、上記実施例ではねじ種やねじ締め
条件による締め付けトルクの時間変化特性の具体例を説
明したが、被締め付け体の相違等の他の条件に応じて締
め付けトルクの時間変化特性を異ならせてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、ねじ着座
前は、複数ねじ種から選択されたねじ種と設定された設
定締め付けトルクに基づいて定められる最適回転数によ
り設定締め付けトルク以下の回転トルクでねじを回転さ
せ、ねじ着座後は、選択されたねじ種に応じて定められ
る締め付けトルクの時間変化特性に基づいて、締め付け
トルクを設定締め付けトルクまで上昇させながらねじを
締め付けるようにしたので、ねじの種類や締め付け条件
に応じて最適なねじ締め制御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よる自動ねじ締め装置のブ
ロック図である。

【図２】本発明の一実施例による自動ねじ締め装置の制
御ユニットの前面パネルを示す図である。

【図３】本発明の一実施例による自動ねじ締め装置の要
部の詳細を示す回路図である。

【図４】本発明の一実施例による自動ねじ締め装置にお
ける設定トルクと最適回転数の関係を示すグラフであ
る。

【図５】本発明の一実施例による自動ねじ締め装置にお
けるねじ種に応じたねじ締めトルクの時間変化特性を示
すグラフである。

【図６】本発明の一実施例による自動ねじ締め装置にお
けるねじ締め条件に応じたねじ締めトルクの時間変化特
性を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…ドライバユニット １２…モータ １４…ビット １６…エンコーダ ２０…制御ユニット ２２…制御部 ２４…入力部 ２４ａ…ねじ種選択スイッチ ２４ｂ…トルク設定スイッチ ２４ｃ…正／逆転切換スイッチ ２４ｄ…リモート／マニュアル切換スイッチ ２６…表示部 ２６ａ…ねじ種表示部 ２６ｂ…トルク表示部 ２８…前面パネル ３０…電源スイッチ ３２…コネクタ ３４…Ｄ／Ａ変換部 ３６…モータ電流制限部 ３６ａ…オペアンプ ３６ｂ…出力抵抗 ３６ｃ…ダイオード ３８…モータ駆動部 ３８ａ…パワーアンプ ４０…モータ電流検出抵抗 ４２…入力回路 ４４…定速制御部 ４９…Ｄ／Ａ変換部 ５０…立上り制御部 ５０ａ…コンデンサ ５０ｂ、５０ｄ…抵抗 ５０ｃ…ダイオード ５２…起動制御部 ５４…着座検出部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数ねじ種のねじを予め設定された設定
   締め付けトルクで自動的に締め付ける自動ねじ締め方法
   において、 ねじ着座前は、前記複数ねじ種から選択されたねじ種と
   前記設定締め付けトルクに基づいて定められる最適回転
   数により前記設定締め付けトルク以下の回転トルクで前
   記ねじを回転させ、 ねじ着座後は、前記選択されたねじ種に応じて定められ
   る締め付けトルクの時間変化特性に基づいて、前記締め
   付けトルクを前記設定締め付けトルクまで上昇させなが
   ら前記ねじを締め付けることを特徴とする自動ねじ締め
   方法。
2. 【請求項２】 複数ねじ種のねじを予め設定された設定
   締め付けトルクで自動的に締め付ける自動ねじ締め装置
   において、 前記ねじを回転させる回転手段と、 前記複数ねじ種から選択されたねじ種と前記設定締め付
   けトルクに基づいて前記回転手段の最適回転数を設定す
   る最適回転数設定手段と、 前記回転手段を前記最適回転数で定速回転させる定速制
   御信号を出力する定速制御手段と、 前記選択されたねじ種に応じて定められる締め付けトル
   クの時間変化特性に基づいて、前記締め付けトルクが前
   記設定締め付けトルクまで上昇するように前記定速制御
   信号を制限するトルク制限手段とを備えたことを特徴と
   する自動ねじ締め装置。