JPS5851084A - トルク法によるボルト締付装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、電動機の電源遮断後における回転部分の慣
性による影響を補正し、正確な締付けを可能にするトル
ク法によるボルト締付装置に関するものである。

電動機を用いたボルト締付装置において、締付管理を行
なう一方法としてトルク法がある。このトルク法は締付
途中の締付トルクを検出し、このトルクが予め定めた設
定値に達した時点で電源を遮断するものである。しかし
回転部分の慣性により電源遮断後において増締めされる
ので、この増締量を予め考慮して前記設定値を決めるこ
とが必要になるが、この慣性による増締量はボルト・ナ
ツトおよび被締結部材間の摩擦係数のばらつきなどによ
り締付速度が異なるため、との増締量はボルト毎に変化
する。このため多数のボルトを締付ける場合には締付ト
ルクのばらつきが生じ、締付精度が低下するという問題
があった。

この発明はこのような事情に鑑みなされたもので、慣性
による増締量を考慮して最終予測締付トルクを算出し、
慣性による最終締付トルクのばらつきを無くして正確な
締付管理を可能にするトルク法によるボルト締付装置を
提供することを第１の目的とする。

この発明はこの第１の目的達成のため、予め記憶された
プログラムおよび設定値に基づき一連の演算を行なうデ
ジタル演算装置を備え、前記演算装置は、締付トルクが
最終目標締付トルクより小さい設定しきい値を越えたこ
とを判別するしきい値判別ステップと、このしきい値判
別後の締付トルクおよび角速度に基づき慣性補正を行っ
て最終予測締付トルクを算出する予測ステップと、前記
最終予測締付トルクが最終目標締付トルクを越えたこと
を判別して締付停止信号を出力する停止判別ステップと
を有し、前記締付停止信号によって前記電動機の電源を
遮断するように構成したものである。

またボルト・ナツトのねじ山の変形があって螺入が円滑
に行なわれない場合や、ボルトとナツトが共まわりして
締付けが進行しない場合がある。

この発明はこのような締付けに異常がある場合には速や
かにこの異常を検出し警報を発生するようにした回転角
法によるボルト締付装置を提供することを第２の目的と
する。

この発明はこの第２の目的達成のため、前記しきい値判
別ステップと停止判別ステップとの少なくとも一方のス
テップに設けられ、そのステップの判別条件成立までの
所要時間が設定時間範囲外になったことから異常を検出
して警報を発生させると共に締付停止信号を出力する異
常検出ステップを付加したものである。以下実施例に基
づき、この発明の詳細な説明する。

先づこの発明の詳細な説明する。今摩擦を省略すれば、
締付時の運動方程式は次のようになる。

ここにＪは電動機の出力軸でみた慣性能率、θはボルト
の締付開始後の回転角、Ｅはボルトのばね定数、Ｔは電
動機のトルク、またｔは時間を示す。

電源の遮断後においてはＴは零になるから、このが成立
する。この（２）式をｔ＝０でθ＝θ。。

ｄθ／ｄｔ＝ω０という初期条件の下で解けばとなる。

ここにβ２＝Ｅ／　　ψ＝ｉ１（０人。）であＪ。

る。この（３）式より電源遮断後の回転角θの最大値と
なる。

一方、ボルトの最大締付トルクＴ、は回転角θの最大値
θｍにおけるものであるから次のようになる。

Ｔ、、Ｉ＝Ｅ− −−に脣石７７　・・・（５） ここで電源遮断直前における電動機の速度変動率が小さ
ければ、電源遮断直前の締付トルクＴ。はＴｏ＝Ｅθ。

　　　　　・・′Ｌ ］１ となるから、（６）式は結局次のようになる。

Ｔａ　＝Ａ匹ゴ７；　　・・・（６） この（６）式から明らかなように、電源遮断直前におけ
る締付トルクＴ。とその時の角速度ω。が既知であれば
、最大締付トルクＴ’、ｌすなわち慣性による増締量を
考慮した最終締付トルクＴｅを予測することができる。

このＴｇが最終予測締付トルクであり、この締付トルク
Ｔｅを速やかに算出しこの締付トルクＴｇがボルトの種
類に応じて予め設定された最終目標締付トルク’ｒｓに
達した時に電源を遮断すれば、常に最終目標締付トルク
Ｔｓで正確に締付けることが可能になる。

第１図は本発明によるボルト締付装置の第１実施例を示
すブロック図、第２図はそのフローチャート、第３図は
締付特性図である。第１図において符号１は交流電源で
あり、この電源ｌの車力はスイッチ２、半導体スイッチ
３、直流直巻電動機４からなる閉回路へ供給される。５
は電動機４の回転に伴ないボルト□・ナツトの締付回転
角度Δθ毎に角度パルスＰ（Δθ）を出力する回転角検
出器、６はトルク検出器であり、このトルク検出器６は
電動機４の締付反力を受ける部位に貼着されたストレイ
ンゲージを備え、締付反力による歪みを電る。７はこの
締付トルクを示す電気信号をデジタタル演算装置であり
、この演算装置８は第２図に示すフローチャートに従い
、所定の演算を順次行なう。９はこの演算装置８が所定
の演算を行なうための演算プログラムを記憶しているメ
モリ、１０は最終目標締付トルクＴｓ、Ｌきい値Ｔｔｈ
、ボルトに能率など種々の設定値を設定する入出力装置
、また１１は位相制御回路、１２はゲートパルス発生回
路である。位相制御回路１１は演算装置８が発生する締
付停止信号Ｓに基づき、ゲートパルス発生回路１２がゲ
ートパルスＧを発生するのを停止させ、半導体スイッチ
３を開路させることによって電動機４の電源を遮断する
。１３はスイッチ２の閉成を検出して演算装置８に対し
て演−開始信号を出力する電源電圧検出器である。

次に第２．３図によりこの実施例の動作を説明する。

先づ、入出力装置１０により、ボルトのばね定数Ｅ、回
転部分の慣性能率Ｊ、最終目標締付トルクＴ８、この最
終目標締付トルクよりやや小さい設定しきい値Ｔｔｈ、
その他締付異常を検出するための種々の値が設定される
。

スイッチ２が閉成されると、電源電圧検出器１３は、こ
のスイッチ２の閉成を検出して演算装置８へ演算開始信
号を送る。演算装置８はこの演算開始信号に基づきメモ
リ９からプログラムを順次読込み、第２図に示す一連の
演算の実行を開始する。

先づこの演算装置８は位相制御回路１１へ締付動作開始
信号を送り、ゲートパルス発”主回路１２から位相制御
されたゲートパルスＧを発生させる。

このため半導体スイッチ３はトリガパルスＧに同期した
位相で点弧し、電動機４に駆動電流が流れ始めて電動機
４は回転し始める。ボルト□が締付けられてゆくに従い
、回転角検出器５は予め決められた所定回転角Δθ毎１
：角度パルスＰ（Δ６）を出力する。またＡＤ変換器７
は刻々と変化する締付トルクＴをデジタル信号として出
力し続ける。

演算装置８は入出力装置１０により設定されたしきい値
Ｔｔｈを読込む一方、デジタル化した締付トルクＴを角
度パルスＰ（Δθ）毎に読込み両者を比較して（ステッ
プ１００）、締付トルクＴがしきい値ＴｆＡを越えるま
で、順次新しい締付トルクＴを読込み、この比較動作を
繰り近見す。なおしきい値Ｔｔｈは、第３図に示す弾性
域Ａ内においで最終目標締付トルクＴＳよりやや小さい
トルク値として設定されている。一方演算装置８はクロ
ックパルス発生器を内蔵し、締付開始後の所要時間ｔを
積算している。ステップ１００の条件成立までのこの所
要時間ｔが設定時間６１以上になると、そのことがステ
ップ１０２で判別され、ボルトがナツトと共回りしてい
るものとして警報を発しくステップ１０４）締付けを停
止する。またステップ１００の条件成立までの所要時間
ｔが設定時間ｔ２以下であれば、そのことがステップ１
０６で判別され、ねじ山の変形などによりボルトまたは
ナツトがロックしているものとして警報を発しくステッ
プ１０４）、締付けを停止する。すなわちステップ１０
２，１０４，１０６は締付トルクＴがしきい値Ｔｔｈに
なるまでの所要時間ｔが１２＜１＜１１の範囲外になっ
たことから異常を検出して警報を発生させる一方、締付
停止信号Ｓを位相制御回路１１へ送り半導体スイッチ３
を開路させて電動機４の電源を遮断する異常検出ステッ
プとなっている。

演算装置８は締付トルクＴがしきい値Ｔｔｈを越えると
（ステップ１００）、その時の締付トルクＴを前記（６
）式における初期値Ｔ０として一時記憶する一方、その
時の回転角検出器５の角度パルスＰ（Δθ）の時間間隔
から角速度ω。を算出しこれを角速度ωの初期値ω。と
じて一時記憶する（ステップ１０８）。すなわち角速度
ωは角度パルスＰ（Δθ）の時間間隔に反比例し、この
時間間隔はこの時間間隔内に積算されたクロックパルス
数Ｎに比例するから、結局角速度ωはこのクロックパル
ス数Ｎに逆比例するものとして算出される。演算装置８
はこれらの初期値ＴＯ＋ω。を用いて前記（６）式の演
算を行ない、最終予測締付トルクＴ、を算出する（予測
ステップ１１０）。そしてこの最終予測締付トルクＴ、
が最終目標締付トルクＴ５を越えるまで角度パルスＰ（
Δθ）毎に新たに締付トルクＴ。を読込むと共に角速度
ω。を算出しステップ１０８　、１１−０の演算を繰り
返えす（停止判別ステップ１１２）。

このステップ１１２の条件成立までの所要時間ｔは、前
記ステップ１０２．１０６と同様にステップ１１４，１
１６において設定値ｔ、’、ｔｑ７と比較され異常の有
無が判定される。そしてこれらステップ１１４，１１６
で異常が検出されれば、警報を発しくステップ１０４）
、異常が無ければ警報を発することなく締付けを停止す
る。

この実施例において共まわりを検出するステップ１０２
．１１４の警報と、ねじ山の異常などを検出するステッ
プ１０６，１１６の警報とを別々に設ければ、異常の種
類も即座に知ることができ１す る。

またこの実施例では、ステップ１０８，１１０゜１１２
でステップ１１２の条件成立までの間順次新たな締付ト
ルクＴ。と角速度ω。とを読み替えて最終予測締付トル
クＴ、を算出しているので非常に正確であるが、この発
明は第４図に示す第２実施例のように構成してもよい。

すなわちこの第４図の実施例では、締付トルクＴがしき
い値ＴＩＡを越えた後（ステップ１００）のトルク増加
量（Ｔ−Ｔｏ）が（ＴＳ　　Ｔ／）を越えると（停止判
別ステップ１１８）締付けを停止し、この条件成立まで
の所要時間ｔが設定値、／を越えるとステップ１２０で
共まわりが発生していると判別するようにしたものであ
る。

この実施例によれば、演算時間が比較的長いステップ１
１０の実行が１回で済むので、特に高速で締付けを行な
う装置に適する。なおこの第４図においては第２図と同
一ステップには同一符号を付した−ので、その説明は繰
り返えさない。

第５図と第６図は第３実施例を示すブロック図とフロー
チャートである。この実施例は締付トルクＴを電動機の
駆動電流により求める一方、角速度ωは回転角検出器５
が所定回転角Δθ毎に出力する角度パルスＰ（Δθ）間
において積算されるクロックパルス数により求めるよう
に構成したものである。

第５図において２０は電動機４に直列接続された電流検
出用抵抗器、２２はこの抵抗器２０の両端電圧から電動
機電流を検出しこれをデジタル信号ＩＤに変換するＡｌ
）変換器、２４はこのデジタル信号ＩＤにより任意の回
転角θユにおける締付トルクＴおよび角速度ωを算出す
る第２のデジタル演算装置、２６はこの第２の演算装置
の演算プログラムを記憶するメモリである。この図にお
いては前記第１図と同一部分には同一符号を付したので
、その説明は繰り返えさない。

次にこの実施例の動作を第６図に基づき説明する。スイ
ッチ２の閉成により、演算装置８は位相制御回路１１、
ゲートパルス回路１２を介し半導体スイッチを点弧させ
電動−４を始動させる。ＡＤ変換器２２は電動機ｔＨ，
に示す抵抗器２０の両端電圧を、交流電源ｌより極めて
短かい周期で量子化してデジタル信号■Ｄとする。第２
の演算装置２４はこのデジタル信号ＩＤを交流電源１の
半周期または１周期に亘り積分することにより電流の実
効値ＩＭ＝ΣＩＤを算出する一方、角度パルスＰ〔Δθ
〕の時間間隔内に積算されるクロックパルス数Ｎの逆数
除から角速度ωを算出する（ステップ２００）。

この第２の演算装置２４は、また連続する２つの角度パ
ルスＰ（Δθ）が出力される回転角θｎ−１，θ１にお
ける角速度の差から、角加速度ｄ鮨６を算出する（ステ
ップ２０２）。

一方直流電動機ではその出力トルクＴはＴ＝＆Φ１Ｍ となる。ここにΦは磁束、には定数である。しかし電動
締付機として実際に締付けに寄与するトルｄω りＴは、速度変動時の慣性による影響（Ｊ　＝　７−　
）、および摩擦トルク（ＴＩ）を考慮すると次式のよう
になる。

ｄω Ｔ＝にΦＩＭ　−Ｊ　７．　　Ｔｉ　　・・・（７）第
２の演算装置２４はこの（７）式の演算を行って実際の
締付トルクＴを算出しくステップ２０４）、前記角速度
ωと共に出力する。

演算装置８はこの第２の演算装置２４が出力する締付ト
ルクＴおよび角速度ωを角度パルスＰ（Δθ）に基づい
て読込み、前記第１〜３図に示した第１実施例と同様の
演算を行なう。このように第６図の後半の動作は前記第
２図と全く同一であるから、同一ステップに同一符号を
付しその説明は繰り返えさない。

第７図と第８図は第４実施例のブロック図とフローチャ
ートである。この実施例は締付トルクを電動機電流によ
り求め、角速度は電動機電流および電圧と電動機の速度
特性式とに基づいてデジタル的に算出するように構成し
たものである。

第７図において３０は電動機電圧をデジタル信号るに変
換するＡＤ変換器、３２は第２のデジタル演算装置、３
４はこの演算装置３２の演算プログラムを記憶している
メモリである。この図においては、前記第１．５図と同
一部分に同一符号を付したのでその説明は繰り返えさな
い。

この実施例においてスイッチ２の閉成により電子・・博
１に電流が流れると、電動機電流と電圧がそれぞれＡＤ
変換器２２．３０により交流電源周期より極めて短かい
周期で量子化されたデジタル信号ＩＤ、ＶＤに変換され
る。第２の演算装置３２はこれらデジタル信号■ＤｖＤ
を順次読込みこれらを交流電源の半周期または１周期に
亘り積分して実効値■つ＝Σ■ｏ、およびｖＭ＝ΣｖＤ
　　を算出する（第８図のステップ３００）。

一般に直巻整流子電動機の角速度ωは次の速度特性式に
より求められる。

ＶＭ−ＲＩＭ・ｒｓ） Φ ここにＲは電機子抵抗、Φは磁界、Ｋは定数である。磁
界Φは一般には電流ＩＭの関数となるが、その変化特性
は予めメモリ３４に記憶されているものとする。

第２の演算装置３２は、前記ＡＤ変換器２２゜３０が出
力する電流Ｉ、および電圧Ｖ、を順次読込んで（８）式
の演算を行ない角速度ωを算出する一方（ステップ３０
２）、前記（７）式の演算を行って実際に締付けに寄与
する締付トルクＴを算出する（ステップ３０４）。第２
の演算装置３２はこれら角速度ωと締付トルクＴを電源
の半周期または１周期毎に出力する。

演算装置８はこの第２の演算装置３２が出力する角速度
ωおよびトルクＴを所定の時間間隔で順次読込み、前記
各実施例と同様の動作を行なう。

以上の第１〜８図に示した実施例では角速度ωが締付け
の進行につれて変化するものであるが、この発明は角速
度ωが一定となるように速度制御するものにも適用可能
である。例えば電機子逆起電圧が角速度ωに比例するこ
とを利用し、この逆起電圧の変化に応じて半導体スイッ
チ３の導通角を制御することにより角速度ωを一定に制
御するものがある。

第９図はこのように角速度ωを一定にした一実施例のフ
ローチャートである。この実施例では電動機電圧をＡＤ
変換器でデジタル信号ＶＤとした後、これを交流電源の
半周期または１周期に亘って積分することにより電圧の
実易値ｖＭを求め（ステップ４００）、前記（８）式の
速度特性式により電動機電流ＩＭを演算しくステップ４
０２）、さらにこれら電圧■Ｍ、電流ＩＭ　　を用いて
前記（７）式により締付トルクＴを算出する（ステップ
４０４）、以下角速度ωを定数として前記第１〜８図に
示す実施例と全く同様の演算により締付けを行なう。

以上の各実施例ではしきい値判別ステップ１００と停止
判別ステップ１１２の両方に、締付けの異常を検出する
ための異常検出ステップ１０２，１０４゜および１１４
．１１６を設けているので、異常検出が一層確実になる
が、この発明ではステップ１００または１１２のいずれ
か一方にこの異常検出ステップを設けてもよい。

この発明は以上のように電動機の電源遮断後の慣性によ
る増締量を予測して最終予測締付トルクが最終目標締付
トルクに一致するようにしたから締付管理を正確に行な
うことが可能になり、締付トルクのばらつきが無くなる
。また最終締付トルクを予測し電源を遮断するまでの処
理はすべてデジタル信号処理により行なわれるので、ア
ナログ信号によるものに比べて信号処理中の位相遅れや
信号保持手段による誤差が発生せず、締付精度が著しく
向上する。

またしきい値判別ステップや停止判別ステップにこれら
の判別条件成立までの所要時間から締付異常を検出する
異常検出ステップを設けた場合には、ボルトの共まわ６
やねじ山の異常などを確実に検知できる。

さらにこの発明はデジタル演算装置を用いているのでプ
ログラムを変更するだけで異常検出ステップを設けるこ
とができる。また種々の設定値やプログラムの変更によ
り、ボルトの種類や締付条件が変化しても柔軟に対処で
き、汎用性に富むという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示すブロック図、第２
図はそのフローチャート、第３図は締付特性図、第４図
は第２実施例のフローチャート。 第５図と第６図は第３実施例のブロック図とフローチャ
ート、第７図と第８図は第４実施例のブロック図と７０
−チャート、また第９図はさらに他の実施例を示すフロ
ーチャートである。 ４・・・電動機、８・・・デジタル演算装置、１００・
・・しきい値判別ステップ、 １０２．１０６，１１２，１１４，１１６，１２０・・
・異常検出ステップ、１１２．１１８・・・停止判別ス
テップ。 Ｔ・・・締付トルク、　Ｔｔｈ・・・しきい値、Ｔ、・
・・最終予測締付トルク、 ＴＳ・・・最終目標締付トルク。 特許出願人　株式会社芝浦製作所 第２図 一〇、ｔ ′！Ａ４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）電動機を用いたトルク法によるボルト締付装置に
   おいて、予め記憶されたプログラムと設定値とに基づき
   一連の演算を行なうデジタル演算装置を備え、前記演算
   装置は、締付トルクが最終目標締付トルクより小さい設
   定しきい値を越えたことを判別するしきい値判別ステッ
   プと、このしきい値判別後の締付トルクおよび角速度に
   基づき慣性補正を行って最終予測締付トルクを算出する
   予測ステップと、前記最終予測締付トルクが最終目標締
   付トルクを越えたことを判別して締付停止信号を出力す
   る停止判別ステップとを有し、前記締付停止信号により
   前記電動機の電源を遮断することを特徴とするトルク法
   によるボルト締付装置。 （２）締付トルクは電動機の締付反力を計測するストレ
   インゲージにより検出し、また角速度は回転角検出器が
   所定回転角毎に出力する角度パルス間において積算され
   るクロックパルス数により求める特許請求の範囲第１項
   記載のトルク法によるボ回転角検出器が所定回転角毎に
   出力する角度パルス間において積算されるクロックパル
   ス数により求め゛る特許請求の範囲第１項記載のトルク
   法によるボルト締付装置。 （４）　トルクは電動機電流により求め、角速度は前記
   電動機電流および電動機電圧と電動機の速度特性式とに
   基づいてデジタル的に算出する特許請求の範囲第１項記
   載のトルク法によるボルト締付装置。 （５）電動機は角速度が一定となるように位相制御され
   、締付トルクは電動機電圧と速度特性式からデジタル的
   に算出した電動機電流によって求めた特許請求の範囲第
   １項記載のトルク法によるボルト締付装置。 （６）電動機を用いたトルク法によるボルト締付装置に
   おいて、予め記憶されたプログラムと設定値とに基づき
   一連の演算を行なうデジタル演算装置を備え、前記演算
   装置は、締付トルクが最終目標締付トルクより小さい設
   定しきい値を越えたことを判別するしきい値判別ステッ
   プと、このしきい値判別後の締付トルクおよび角速度に
   基づき慣性補正を行って最終予測締付トルクを算出する
   予測ステップと、前記最終予測締付トルクが最終目標締
   付トルクを越えたことを判別して締付停止信号を出力す
   る停止判別ステップと、前記しきい値判別ステップおよ
   び停止判別ステップの少なくとも一方のステップに設け
   られそのステップの判別条件成立までの所要時間が設定
   時間範囲外になったことから異常を検出して警報を発生
   させると共に締付停止信号を出力する異常検出ステップ
   とを有し、前記いずれかの締付停止信号によって電動機
   の電源を遮断することを特□徴とするトルク法によるボ
   ルト締付装置。