JPS5856774A - 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。

ボルト締付方法の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、に
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２ｂ、最終目標軸力
に対応する最終目標締付角と前記しきい値判別ススツブ
の判別条件成立時を始点とする締付角との差で、前記し
きい値と前記最終目標締付角との積を除算することによ
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
を判別して締付けを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、ポル）Ａ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（＝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図は締付特性図で
あり、この図で横軸には締付角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は弾性域内ではボルトの伸び（二比例し、仁の伸
びは締付角θに比例するので、この比例関係を延長し軸
力ＮがＯ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は締付角θに対し図示
のように原点を通る直線上を変化する。従って同一種類
のボルトであれば、予め決められた軸力、すなわち最終
目標軸力Ｎ、が与えられれば、その時の最終目標締付角
θＳも一義的仁決まる。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＝Ｏの原点を決定す
ることも困難である。

一方締付トルクＴ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の大小によって変化する。第１図
中特性Ａはこの摩擦係数が小の場合、特性Ｂは中の場合
、特性Ｃは大の場合を示している。このため最終目標締
付角θ５での締付トルク、すなわち最終目標締付トルク
Ｔ５は特性Ａ、Ｂ。

ＣによりＴＳ（Ａ）　、　ＴＳ（Ｂ）　、　’ｒｓ（Ｃ
）と変化する。

今、弾性域内の成る締付トルクすなわちしきい値Ｔｔｈ
における締付角θをしきい締付角θｔとし、例えば特性
Ａに対するこのしきい締付角をθｔ（Ａ）とすれば、第
１図から θ　　　ＴＳ（Ａ） 　　−ｍ− θｌい）　　　　Ｔｔｈ が成立することが明らかである。このしきい締付角θｔ
（Ａ）から最終目標締付角θ５までの締付角、すなわち
追加締付角θ□は、特性Ａの場合はｏｘ（Ａ）＝θ５−
θｔ（Ａ） であるから、結局 が成立する。この式を一般化すれば次式が得られる。

第２図はこの（１）式を示す図であり、この図から明ら
かなように、しきい締付角θｔを始点として締付が進行
するにつれ、追加締付角も＝θ−θｔが増加し、この締
付途中の追加締付角〜に対する（１）式の目標締付トル
クＴＳも増大する。この目標締付トルクニー；現実の締
付トルクＴに等しくなった時、すなわち（１）式の曲線
が、特性Ａ、Ｂ、Ｃをしきい締付角θｔ（Ａ）、θバＢ
）、θバＣ）だけ平行移動した直線Ａ′。

Ｂ’　、　Ｃ’と交わる時に締付停止すれば、最終目標
締付角θ５すなわち軸力Ｎｓで締付けることができる。

第３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４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ｌ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な備え、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Ａｌ）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が一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θ５、しきい
値ＴＩ！Ａ　、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、′！ｉ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に対して演算開
始信号を出力する電源電圧検出器である。

次に第４図によりこの実施例の動作を説明する。

先づ、入出力装置ｌＯにより、最終目標軸力Ｎ５に対応
する締付角θ６．前記（１）式より算出される最終目標
締付トルクＴ５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込み、第４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
ＴｔＡ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Ｔｔｈ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
繰り返見す。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
１．以北になると、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て
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）、締寸けを停止する。

すなわちステップ１０２，１０４．１０６は締付トルク
Ｔがしきい値Ｔｔｈになるまでの所要時間ｔが１２＜１
＜１．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はステップ１００の条件が成立すると、その
時の締付角θをしきい締付角θｌとして記憶すると共に
、このしきい締付角θｔを始点とする追加締付角θ□−
θ−θｔ　を積算する（ステップ１０８）。そしてこの
追加締付角〜としきい値Ｔｔｈおよび予め記憶されてい
る最終目標締付角θ５を用い、（１）式によって目標締
付トルクＴ、を算出する（トルク算出ステップ１１０）
。電動機４の回転と共に増加する締付途中の締付トルク
ＴｒＬがこのステップ１１０で算出した目標締付トルク
Ｔ、ｌニ一致した時に電動機４を停止させれば、一応目
標軸力ＮＳでの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
慮し回転が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、が前記目標締付トルクＴ
、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。

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、このが成立
する。この（３）式をｔ＝０でθ＝００゜ｄθ／ｄｔ＝
ω０という初期条件の下で解けばとなる。ここにβ２＝
Ｅ／Ｊ、ψ＝−１（θ０β４ｏ）である。この（４）式
より電源遮断後の締付角θの最となる。

一方、ボルトの最大締付トルクＴ、ｌは締付角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□＝Ｅθ１ ＝Ａ万５７匹７　・・・（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Ｔ。はＴｏ＝　Ｅθ
０ となるから、（６）式は結局次のようになる。

Ｔ、Ｉ＝〆Ｔｏ”＋ＪＥωｏ２　　−　（７）この（７
）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。とその時の角速度鳴とが既知であれば最大締付
トルクＴゎ、すなわち慣性による増締量を考慮した最終
締付トルクＴ、を予測できる。

第４図においてステップ１１２で成る時点θユにおける
締付トルク籟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り・ツク・ｊ／に２
数Ｎの逆数鴇力・ら角速度・４を算出し一時記憶する。

ステップ１１４は、この時点θ１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、　＆　
（７）式から予測する（予測ステップ）。ステップ１１
６はこの予測した最終締付トルクＴ、が前記目標締付ト
ルりＴ、を越えたか否かを判別し、この条件成立捷での
開角度ノ（パルスＰ（Δθ）毎に新たにその時点の追加
締付角θ□を算出しくステップ１０８）、この新しい追
加締付角Ｔ５により（１）式から目標締付トルりＴ、を
算出しくステップ１１０）、この時点の締付トルりＴｎ
および角速度ω１を新たな初期値としてステップ１１４
の演算を繰り返えす（停止判別ステップ）。

このステップ１１６の条件成立までの所要時間ｔは、ス
テップ１０２，１０６と同様１ニステツプ１１８．１２
０で設定値ｔｌ’＋”２’　　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５図と第６図は第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毎に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ＡＤ
変換器、２４はこのデジタル信号ＩＤにより任意の締付
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３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り１゜ 次にこ、の実施例の動作を第６図ζ二基づき説明する。

スイッチ２の閉成により、演算装置８）ま位相制御回路
１１．ゲートノクルス回路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より極めて短力）１７Ｎ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
に亘り積分すること（二よ６）電流の実効値■つ＝ΣＩ
Ｄを算出する一方、角度ノ（パルスＰ（Δθ）の時間間
隔内に積算されるクロツクノクパルス数Ｎの逆数７鴇か
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をよ、また連続する２つの角度ノ（パルス
Ｐ（Δθ）力１出力される締付角θｎ−１，θ１におけ
る角速度の差力・ら、角カロ速度ｄ。／ｄｔ　　を算出
する（ステップ２０２）。

−１直流電動機ではその出力トルクＴ）まＴ＝に０１Ｍ となる。ここにΦは磁束、ｋｌま定数である。し力λ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−７７−）。

および摩擦トルク（ＴＩ）を考慮すると次式のようにな
る。

− Ｔ＝”ΦＩＭ−ＪｄｔＴｆパ（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
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３．４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
４図と全く同−刃あるから、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７図において３０は電動機電圧をデジタル信号ＶＤに
変換するＡＩ）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。この図においては、前記第３，５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の閉成により電動機４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ＩＤｖ
ｏ　　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−Σより、およびｖ、　
’＝　ｘ　ＶＤ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。

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ｉ１ｉｔＵＩＭ　　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ＩＭおよび電圧ｖＭ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（−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
ω７およびトルクＴｒＬを所定の時間間隔で順次読込み
、 θ＝ωｎｔ の藺係から締付角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１の第３〜８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
ロチャートである。この実施例では電動機電圧なＡｐ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■Ｍを演算しくステップ４０
２）、さらにこれら電圧爾、電流ＩＭ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４０４）
、以下角速度ωを定数として前記第３〜８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。

第３，４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１１６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１１８．１２０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１ｏｏｔたは１１
６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。

また以りの各実施例では予測ステップ１１４により慣性
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１１４を省いてもよい。さらに第３〜９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において慣性および摩擦に
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に対応する最
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−致するようにしたから、締付
条件に差があっても軸力な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。

１だ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、ボルトの共まわり
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図は本発明の締付特性図、第２図は本発明ブロック
図とフローチャート、第５図と第６図は第２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３実施
例のブロック図とフローチャート、また第９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、 １０２．１０６，１１８，１２０・・・異常検出ステッ
プ。 １１０・・トルク算出ステップ、 １１６・・停止判別ステップ、 Ｔ・・締付トルク、Ｔｔｈ・しきい値、θ・・・締付角
。 党４図 第６図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）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、最終目標軸力に
   対応する最終目標締付角と前記しきい値判別ステップの
   判別条件成立時を始点とする追加締付角との差で、＃記
   しきい値と前記最終目標締付角との債を除算することに
   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. （２）締付トルクは電動機の締付反力を計測するストレ
   インゲージの出力をＡｐ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. （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何方法。
4. （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. （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. （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. （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、最終目標軸力に対応する最終目標締付角と前記しき
   い値判別ステップの判別条件成立時を始点とする締付角
   との差で前記しきい値を除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、 Ｃ３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。