JPS5856773A - 軸力管理法によるボルト締付方法 - 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、デジタル演算装置を用いて目標軸力で精度
良くボルト・ナツトを締付ける軸力管理法によるボルト
締付方法に関するものである。

ボルト締何方法の１つとして軸力管理法があるが、この
軸力管理法を用いた従来のボルト締付装置では信号処理
をアナログ回路で行っていたため、処理途中の演算結果
を精度良く記憶しておくことが困難であり、また締付ト
ルクなどを示す電気信号の脈動や雑音による影響を取除
くために平滑回路が必要で、このため信号処理に位相遅
れが生じ易かった。この結果ボルト・ナツトを精度良く
目標とする軸力で締付けることができないという不都合
があった。

この発明はこのような不都合に鑑みなされたもので、精
度良く目標とする軸力でボルト・ナツトを締付けること
を可能にする軸力管理法によるボルト締付方法を提供す
ることを第１の目的とする。

この発明はこの目的を達成するため、電動機の締付トル
クをデジタル信号として検出し、デジタル演算装置より
。

ａ、締付トルクが弾性域内の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。

ｂ、締付角に対する締付トルクの変化量と、最終目標締
付軸力に対応する最終目標締付角とを乗算することによ
り最終目標締付トルクを算出するトルク算出ステップ、 Ｃ０締付トルクが前記最終目標締付トルクを越えたこと
を判別して停止させる停止判別ステップ。

の各ステップの演算を行なう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軸力
管理法によるボルト締付方法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、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。第１図は締付特性を
示す図であり、この図では横軸シー締付角θ、縦軸の上
方へ締付トルクＴ、縦軸の下方へ軸力Ｎが示されている
。ボルトの軸力Ｎは弾性域内においてはボルトの伸びに
比例し、この伸びは締付角θに比例する。この比例関係
を延長し軸力Ｎが０となる点をθ＝０と仮定する。この
仮想したθ−０の点を原点とすれば、軸力Ｎと締付角θ
の関係は図示のように原点を通る直線となり、ばね定数
が同一のボルトであれば、すなわち同一種類のボルトで
あれば常にこの直線上を軸力Ｎと締付角θは変化する。

従ってボルトにより予め決められた最終目標軸力Ｎｓが
与えられれば最終目標締付角θ５も一義的に決まる。た
だし、締付途中の軸力Ｎは測定が困難であり、従って前
記したθ＝０の原点を決定することも困難である。

一方締付角θと締付トルクＴとの関係は、ボルト・ナツ
トと被締結材との接触部分などの摩擦係数により変化す
る。第１図中特性Ａは摩擦係数が小さい場合、特性Ｂは
大きい場合を示す。このため蟻終目標締付角θ５が一義
的に決ってもこの締付角θ５に対する最終目標締付トル
クＴ５　は特性Ａ。

Ｂで異なる。しかし特性Ａ、Ｂが直線となる弾性域内で
は、ねじ山の摩擦抵抗を無視すればこれら直線は原点を
通るので、 Ｔ＝ΔＴ４θＸθ となる。従って最終目標締付トルクＴ、は、特性Ａの場
合は ＴＳ（Ａ）＝（Δ”ｌ　ｆｌ　）Ａ　×０５゜特性Ｂの
場合は ＴＳ（Ｂ）＝（ΔＴ／Ｊθ）ｎ×θＳ として算出できる。

以上のように締付角Δθ＝θ１−θｎ＋４に対する締付
トルクＴの変化量ΔＴ＝ＴｒＬ−Ｔｎ−□と、最終目標
締付角θ５とを乗算することにより最終目標締付トルク
Ｔ５を算出し、締付トルクＴがこのトルクＴＳに達した
時に締付停止すれば、最終目標軸力ＮＳで正確にとして
算出してもよい。

第２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３図はそのフローチャートである。第
２図において符号１は交流電源であり、この電源１の電
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・ナツトの締付角度Δθ毎に角度パルスＰ（
Δθ）を出力する締付角検出器、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
よる歪みを電気信号に変換することにより締付トルクを
検出する。７はこの締付トルクを示す電気信号をデジタ
ル信号Ｔに変換するＡＤ変換器である。８はデジタル演
算装置であり、この演算装置８は第３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は最終目標締付角θ８゜所定締
付角Δθ、しきい値Ｔｉん、さらに締付装置の回転部分
の慣性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。１
３はスイッチ２の閉成を検出して演算装置８に対して演
算開始信号を出力する電源電圧検出器である。

次に第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、最終目標軸力Ｎｓに対応
する締付角θ５．所定締付角Δθ、前記（１）式より算
出される最終目標締付トルクＴｓより小さく設定された
締付トルクであって弾性域内にあるしきい値Ｔｔｈ　、
その他線付異常を検出するための数値や慣性補正に必要
な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４スム　ボ３１剖ｌ−云す
一遣の溶質の実行を開始する。

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、ゲートパルス発生回路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
、締付角検出器５は予め決められた所定締付角Δθ毎に
角度パルスＰ（Δθ）を出力する。またＡＩ）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は人出の装置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ＴｔＡを越えるま
で、順次行しい締付トルクＴを読込み、この比較動作を
繰り返えす。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１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１０６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工
いるか、またはすでに締付けが終了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１０２，１０４．１０６は締付トルク
Ｔがしきい値ＴｔＡになる１での所要時間ｔがｔ、＜ｔ
＜ｉ、の範囲外（＝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、設定締付角Δθ毎に締付角検出器５が出
力する角度パルスＰ（Δθ）に基づき。

成る締付角θ１とその前の締付角θｎ−１に対する締付
トルクＴｎＴｎ−１を順次書き換えながら一時記憶して
いる。そしてステップ１００の条件が成立目標軸力ＮＳ
に対応する最終目標締付トルクＴ８を算出し、この締付
トルクＴ５を記憶する。電動機４の回転と共に増加する
締付途中の締付トルクＴｎがこのステップ１０８で算出
した最終目標締付トルクＴ、に一致した時に電動機４を
停止させれば、一応目標軸力Ｎ、で締付けができること
になる。しかしこの実施例では電動機電源遮断直後の慣
性による増締量も考慮し回転か完全に停止した時の最終
締付トルクＴ、を予測し、この最終締付トルクＴ。

が前記最終目標締付トルクＴｓを越えた時に電源を遮断
するようにしている。

すなわち、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。

ｄ′θ Ｊ−α−Ｔ−Ｅθ　・・・（２） ここにＪは電動機の出力軸でみた慣性能率、θはボルト
の締付開始後の締付角、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、この時には が成立する。この（３）式をｔ−ｏでθ−θ。。

ｄθ４．−ω。という初期条件の下で解けばとなる。こ
こにβ２＝Ｅ／　　ψ−ｔａｎ（θ。忍４゜）Ｊ　。

である。この（４）式より電源遮断後の締付角θの最大
値θゎは となる。

一方、ボルトの最大締付トルクＴｒｎ　は締付角θの最
大値θゆ　におけるものであるから次のようになる。

Ｔｒｎ＝　Ｅ〜 −Ａτ（腎Ｊ　・・・（６） 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Ｔ０はＴ、　＝　Ｅ
θ。

となるから、（６）式は結局次のようになる。

ＴｎＬ−メＴ、’　＋　Ｊ　ｒａ＋、’　　　・（７）
この（γ）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。とその時の角速度幅とが既知であれば
最大締付トルクＴ、すなわち慣性にょる増締量を考慮し
た最終締付トルクＴ、を予測できる。

第３図においてステップ１１０では成る時点θｎにおけ
る締付トルクＴｒＬを一時記憶する一方、この時の角度
パルスｐ、（Δθ）の時間間隔内で積算したクロックパ
ルス数Ｎｃの逆数省。から角速度幅を算出し一時記憶す
る。ステップ１１２は、この時点θユで電源を遮断した
場合の慣性による影響を考慮した最終締付トルクＴ、を
（γ）式から予測する（予測ステップ）。ステップ１１
４はこの予測した最終締付トルクＴ、が前記最終目標締
付トルクＴ。

を越えたか否かを判別し、この条件成立までの開角度パ
ルスＰ（Δθ）毎に新たにその時点の締付トルクＴおよ
び角速度ωを求め（スーテップｌ　１０）。

これらを新たな初期値としてステップ１１２゜１１４の
演算を繰り返えす（停止判別ステップ）。

このステップ１１４の条件成立捷での所要時間ｔは、ス
テップ１０２．１０６と同様にステップ１１６．１１８
で設定値ｔ、’、ｔ、’と比較され、異常の有無が判別
される。そしてこれらステップ１１６゜１１８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
ければ締付けを停止する。

なお前記予測ステップ１１２の演算に必要な慣性能率゛
Ｊやばね定数Ｅなどの定数は、入出力装置１０により予
め入力されているか、またはメモリ９に記憶されている
。

第４図と第５図第２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を電動機電流
から求める一方、゛締付角θは締付角検出器５が所定締
付角Δθ毎Ｃ出力する角度パルスＰ（Δθ）により求め
るよう構成したものである。なお第５図では異常検出ス
テップは省かれている。

第４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！−変換するＡ
Ｄ変換器、２４はこのデジタル信号■Ｄにより任意の締
付角転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２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（二この実施例の動作を第５図（二基づき説明する。

スイッチ２の閉成により、演算装置８は位相制御回路１
１．ゲートハルス回路１２を介し半導体スイッチ３を点
弧させ電動機４を始動させる。

ＡＤ変換器２２は電動機電流を示す抵抗器２０の両端電
圧を、交流電源１より極めて短かい周期で量子化してデ
ジタル信号ＩＤ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（二亘
り積分することにより電流ガ実効値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。の逆数肩。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（Δ０）が出力され
る締付角％−１．ｅ、４二おける角速度の差から、角加
速度ｄ（ｄ４　ｔ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−にΦ釉 となる。ここにΦは磁速、ｋ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　−Ｈ’）。

および摩擦トルク（Ｔ／）を考慮すると次式のようにな
る。

ｄω Ｔ＝＆ΦＩＭ−Ｊ７Ｔ−Ｔ７　　・・・（８）第２の演
算装置２４はこの（８）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
ＪレクＴおよび角速度９を角度パルスＰ（Δθ）に基づ
いて読込み、前記第２．３図（二示した第１実施例と同
様の演算を行なう。このように第５図の後半の動作は前
記第３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６図と第７図は第３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、締付角θ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６図Ｃ二おいて３０は′電動機電圧をデジタル信号Ｖ
Ｄに変換するＡＤ変換器、３２は第２のデジタル演算装
置、３４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。この図におては、前記第２，４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（二より電動機４
１−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＋二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ｑｘＤ、ｖＤ４こ変換
される。第２の演算装置３２はこれらデジタル信号Ｉ　
Ｄ　、　ＶＤ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ＩＭ＝　Ｊ　ＩＤ、お
よび■Ｍ＝ΣｖＤ　を算出する（第７図のステップ３０
０）。

一般じ直巻整流子電動機の角速度ωは次の速度特性弐≦
二より求められる。

、＝に、ｖＭ−Ｒｘｙｌ　　　、−（ｏ）Φ ここじ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■Ｍ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Ａｌ）変換器２２゜３０が
出力する電流ＩＭおよび電圧−を順次読込んで（９）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（８）式の演算を行って実際に締付けに寄与
する締付トル゛りＴを算出する（ステップ３ｏ４）。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はこの演算装置３２が出力する角速度ω７お
よびトルクＴｒＬを所定の時間間隔で順次読込み、 θ＝ωｎｔ の関係から締付角θを算出する一方（ステップ３０６）
、所定締付角Δθ毎にその時の締付トルクＴｒＬを一時
記憶する。以下前記各実施例と同様の動作を行なう。

以上の第２〜７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（＝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８図はこのように角速度ωを一定（ニした一実施例の
フローチャートである。この実施例では電動機電圧なＡ
Ｄ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
の実効値ｖＭを求め（ステップ４００）、前記（９）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
４０２）、さらにこれら電圧ｖＭ、電流■ヶを用いて前
記（８）式により締付トルクＴを算出する（ステップ４
０４）。以下角速度ωを定数として前記第３〜８図（二
示す実施例と全く同様の演算により締付けを行なう。

第２．３図の第１実施例では、しきい値判別ステップ１
００と停止判別ステップ１１４の両方Ｃ二。

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１１６，１１８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１
００または１１４のいずれか一方（二この異常検出ステ
ップを設けてもよい。

また以上の各実施例では予測ステップ１１２≦二より慣
性による影響を補正しているので、一層正確な軸力管理
が可能になるが、“精度をこれほど要求しない場合はこ
のステップ１１２を省いてもよい。さらに第４〜８図の
実施例で電動機電流から締付トルクＴを求める場合に、
ステップ２０４゜３０４．４０４（−おいて慣性および
摩擦（二よるトルクの減少を考慮しているので、トルク
Ｔの正確な検出が可能になるが、この発明はこれらの補
正をしなくても一応所期の目的を達成できることは明ら
かである。

この発明は以上のように、摩擦係数などの締付条件の相
違を考慮し、目標軸力を発生させる締付角（二対応する
最終目標締付トルクをボルト毎に算出し、締付トルクが
この最終目標締付トルクに一致するようにしたから、締
付条件（１差があっても軸力を正確に管理することがで
き、軸力のばらつきが少なくな′る。また電源を遮断す
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（＝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（二は、ボルトの共まわ
りやねじ山の異常などを確実（二検知できる。

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図は本発明の締付特性図、第２図と第３図は第１実
施例を示すブロック図とフローチャート。 第４図と第５図は第２実施例を示すブロック図とフロー
チャート、第６図と第７図は第３実施例を示すブロック
図とフローチャート、また第８図は第４実施例のフロー
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、 １０２．１０６，１１６，１１８・・・異常検出ステッ
プ。 １０８・・・トルク算出ステップ、 １１４・・停止判別ステップ、 Ｔ・・・締付トルク、ＴｔＪＬ、、、ｌ、きい値、θ・
・・締付角。 特許出願人　株式会社芝浦製作所 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１電動機の締付トルクをデジタル信号として検出し
   、デジタル演算装置によって次の各ステップの演算を行
   なうことを特徴とする軸力管理法によるボルト締付方法 ａ、締付トルクが弾性域内の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、ｂ、締付角に対する
   締付トルクの変化量と、最終目標締付軸力に対応する最
   終目標締付角とを乗算することにより最終目標締付トル
   クを算出するトルク算出ステップ、 Ｃ２締付トルクが前記最終目標締付トルクを越えたこと
   を判別して締付けを停止させる停止判別ステップ。 （２）締付トルクは電動機の締付反力を計測するストレ
   インゲージの出力なＡＤ変換器でデジタル信号に変換す
   ることにより求める特許請求の範囲第１項記載の軸力管
   理法によるボルト締付方法。 （３）締付トルクは電動機電流に基づき電動機のトルク
   特性式から算出する特許請求の範囲第１項記載の軸力管
   理法によるボルト締付方法。 （４）　　締付角は締付角検出器が所定締付角毎に出力
   する角度パルスにより検出する特許請求の範囲第１項記
   載の軸力管理法によるボルト締付方法。　　、（５）電
   動機電流および電動機電圧をそれぞれ示すデジタル信号
   と、電動機の速度特性式とに基づいて締付角を算出する
   特許請求の範囲第１項記載の軸力管理法によるボルト締
   付方法。 （６）　　電動機は角速度が一定となるように位相制御
   され、締付角はこの角速度とクロックパルスとに基づき
   求める特許請求の範囲第１項記載の軸力管理法によるボ
   ルト締付方法。 （７〕　　電動機の締付トルクをデジタル信号として検
   出し、デジタル演算装置によって次の各ステップの演算
   を行なうことを特徴とする軸力管理法によるボルト締付
   方法 ａ、締付トルクが弾性域内の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。 ｂ、締付角に対する締付トルクの変化量と、最終目標締
   付軸力に対応する最終目標締付角とを乗算することによ
   り最終目標締付トルクを算出するトルク算出ステップ、 Ｃ９締付トルクが前記最終目標締付トルクを越えたこと
   を判別して締付けを停止させる停止判別ステップ。 ｄ、前記しきい値判別ステップと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けを停止させる異常
   検出ステップ。