JPS6014675B2 - ネジ締付装置における増締角の定量的減少方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、モータの駆動によりドライバービットにてネ
ジを縦付け、該ネジが所定のトルク設定値又は所定の変
位（ここで変位とはワーク表面とネジ座面との距離をい
う）に達するとモータの駆動を断つトルク又は変位のコ
ントロール機能を有したネジ締付装置に関し、詳しくは
かかるネジ縦付装置において不可避的に生じる増締めを
定量的に減少させる方法に関する。

一般にネジ締め作業においては増締めは不可避的に生じ
るものであるが、その量が多いとネジの首とび、あるい
はワークとして合成樹脂材のように軟質のものを使用し
た場合はワーク側のネジ山のつぶれ、更にはワークの破
壊を来す。

従って増締めは極力少ないのが望ましく、そのためトル
ク又は変位のコントロールを行なうことが必要である。
しかしながら、この種のコントロールは増締めを減少す
る一助とはなるものの、極めて大ざっぱで定性的もので
あり、ネジ、ワークの種類、縦付け器具によって異なる
増締め量を定量的に把握し、減少させるというところま
では望むべくもない。殊に、ワークとして鉄、非鉄金属
から合成樹脂材へ移行してきた昨今においてはこのよう
な定性的なコントロールではワークの損傷、破壊等の事
故が続出するおそれが高く、より精密で正確なトルク又
は変位のコントロールが要求される。この点にあって本
発明者等は増締めが、モータの駆動を断った時点でビッ
ト系が保有する運動エネルギーに基づいて起り、かつそ
の量（増締角）夕はネジ、ワークの性質、種類、縦付け
器具等によつて定まるという認識に立ち、増締角を具体
的、定量的に求め得る理論を確立したものであり、本発
明はかる理論に基づいてなされたもので、新規かっこの
種の分野において極めて有用な増締角の定量的な減少方
法を提供しようとするものである。次に、本発明者等に
よって確立された理論を説明し、続いて本発明の実施例
を述べる。

今、ネジ締め作業においてモータ、例えばＤＣモータの
電源をしや断したとするとその時点のビット系の保有エ
ネルギーＥＴは、次式で与えられる。Ｅ丁＝キー……ｍ ・＝ずｒ色 但し、のｏは角速度、１は慣性モーメント、ｍはビット
系質量、ｒＢは等価荷重半径である。

ここでビット系とはモータのロータ、ドライバービット
、及びロータ軸とドライバービットの間に設けられてい
る歯車等の動力伝達部を含む回転系を・泰指す。一方、
竜嫁しや断時点（＠＝＠。

）における鯛力Ｐは、Ｐ＝ｋ・券・Ｐｉ・仏 ．・・
．・・‘２１で与えられている。但し、ｋはネジ材固有
のバネ定数、仏は摩擦係数、Ｐｉはネジのリードピッチ
である。尚、■はネジが縦付希望トルク値又は縦付け希
望変位に達した位置を基準（■＝０）とし、その位置か
ら余分に縦付られた角度則ち増締角を指す。‘２１式の
榊力に基づいて■＝■。

から△■変位する為のビット系の仕事量は、ネジの等価
荷重半径をｒＦとすると、△Ｅｗ＝Ｐ・ＡＩ＝Ｐ・ｒＦ
・△＠ で与えられる。

この場合■２ ＝０、即ち綿付中のネジが締付希望トル
ク値又は変位に達したとき電源をしや断したとし、その
時点から■＝■まで変位する間の仕事量Ｅｗを計算する
と、となる。

一般に増締めが起るのは、前記ビット系の保有エネルギ
ーＥＴが上記【３｝式の仕事量Ｅｗに用尽されるため（
ＥＴ＝Ｅｗ）であるから、‘１’、‘３’式より次式を
得る。■＝Ｋノ丁・ｗ。

……■但し、 Ｋ＝ノｋ‐Ｐ≧芋‐ｒＦ …‐‐‐【５１即ち、
｛４１式はネジ締付装置において不可避的に発生する増
締角■がｋ、Ｐｉ、ム、ｒＦを含むネジとワークとによ
って一律に定まる定数Ｋと、ビット系の慣性モーメント
１と、露源しや断購いかえればモータの駆動を断った時
点のビット系の角速度との３要素によって影響されるこ
とを意味する。

尚、前記定数Ｋは、風式から計算で求めることもできる
が、次の‘７）式に基づいて実測データから簡単に求め
ることができる。即ちネジのトルクＴｒは、Ｔｒ＝Ｐ・
ｒＦ ””“【６１で与えられ
るが、この■式に前記‘２１、‘５１式を代入すれば、
Ｋ２＝Ｔ登 仙州を得る。

従って、使用するネジ、ワークの種類、材質毎に増締角
＠と縦付トルク値ｎｒとのデータを作っておけば、該デ
ータからＫを簡単に求めることができる。第１図は、本
発明者が実測し、統計々算によって求めたデータである
。

図中Ｘは平均値、十３６、一３６は競計々算から求めた
上下限値である。使用したネジはュニクロバインドネジ
であり、スプリングワッシャ等のバネ材は併用していな
い。ワークは４肌鉄板を用い、焼入れを施こしている。
孫入れを施こした理由はデータにネジだけの特性が表わ
れるように考慮したためである。しかし実際上は作業形
態に即したデータ（例えば続付作業においてネジにワッ
シャを鉄め、ワークとして合成樹脂材を用いるなら、そ
の条件でのデータ）を取れば必要かつ十分である。また
締付トルク値Ｔｒはバネ式フルスケール２０ｋ９・肌の
トルクドライバーによって測定した。この図から、縦付
希望トルク値である５ｋ９・抑の点Ａから、点Ｂまでは
ネジは弾性体として作用するが、点Ｃから点Ｄの範囲に
達すると塑性変形を起し、点Ｅに至ると百とびを起して
いることがわかる。

従って増締角は最大、点Ｂまでの範囲（■≦２０ｏ）に
抑える必要があり、その範囲における平均値ｘのこう配
からＫの値を求めると、Ｋ＝０．技紙となる。またこの
範囲（■≦２０ｏ ）における上限＋３６のこう配から
はＫ十＝０．４４８が、下限−３６のこう配からはＫ‐
＝０．Ｍ５が求められる。次に上記【４｝式におけるＫ
は前述の如くデータから求めた数値を利用するとして増
締角を減少させるための具体例を説明する。

第一実施例（トルク設定値を縦付希望トルク値よりも４
・さく設定する。

）増締角■：第１図において、縦付希望トルク値５ｋ９
・弧に対しｌｋ９・弧の誤差を認めるとする。

すると、■は同図の平均値ｘから２００ ＝２．９
０ ■ニ（１１，９−５）ｋ９・伽 となる。

慣性モーメント１：一般的に使用されているネジ締め装
置において試算した結果、１＝８．球ｋ９・脚・ｓｅｃ
２を得た。

この値は使用するドライバービット、モータの種類特に
ロータの重量及びロータ軸とドライバービットを連結す
る動力伝達部の構造によって多少変動はあるが、幸Ｌ、
【４ー式の関係式において増締角に対しては平方根でし
か効かないため、多少の値の違いは無視できる。角速度
の。

：Ｋ＝０．５３〆 ■＝２．ぴ 、１＝８．５８ｋ９・
側・ｓｅｃ２という前掲の数値を【４１式に代入しての
。 ＝１．８４ラジアン／秒（毎秒０．３回転）を得る
。つまり、■を２．９０に抑えるためにはモータの駆動
停止時点のドライバービットの角速度を０．３回転／秒
となるようにモータを速度制御し、あるいはロータ軸と
ドライバービットの間に減速機構を介在させる等の措置
をする必要があることがわかる。この場合、減速機構を
介在させれば、前記１の値が多少変動するから注意を要
する。一方モータの速度制御は既知の各種方法により行
なうことができ、１への影響は比較的少ない。ところで
上記計算に用いたＫの値は平均値ｘに基づくものであり
、信ぴよう性はあるが、ネジ、ワークの個々のバラッキ
も考慮してＫ＋、Ｋ‐についての増締角＠を算出する。
■＋：Ｋ＋ノー・凶。

ニ２．６３０■・ ＝Ｋ−ノー・の。

＝３）４８０これらの増締角による縦付トルク値Ｔｒ＋
、Ｔて‐を第１図から求めると、Ｔｒ十二６，１ｋ９・
抑 Ｔｒ−二５．８４ｋｇ・肌 を得る。

即ち、ネジ、ワークの個々のバラッキを考慮すれば６±
８柚９・弧の範囲に締付けることができる。これは丁度
縦付希望トルク値５ｋ９・肌に対してｌｋ９・弧のゲタ
をはし、ているものであり、従ってトルク設定値を予じ
め４Ｘ９・抑付近に設定しておけば全てのネジを５ｋ９
・肌に対して十０．１ｋ９・抑、一０．１６ｋ９・地の
範囲（約５％幅の精度）で締付けることができることと
なる。トルク設定値は例えばポテソショメータ等のトル
ク設定器を調整することにより簡単に行なうことができ
、従ってこの実施例は最も簡単に実施できる方法である
。第二実施例（モータの速度制御） 第２図に示す構成とする。

図中ブロックＡはモータＭの速度制御部、ブロックＢは
表示部である。Ａの中で、１，２はポテンシヨメータか
らなるトルク設定器で、１は例えば４ｋ９・抑等のよう
に縦付希望トルク値５ｋ９・肌より低い値ｐ，に設定し
てあり、２は締付希望トルク値ｐ２に設定してある。３
はストレィンゲージ等のトルクセンサ、４はバツフアア
ンプ、５，６はコンパレータで、５はバッファアンプ４
の出力Ｓｉが前記ｐ，値と一致したとき出力ｃ，を発し
、６はＳｉがｐ２値と一致したとき出力ｃ２を発する。

７は前記出力ｃ，，ｃ２及び後述する回転検出部、タイ
マー等の信号を演算処理して電極弁８、モータ駆動部９
を制御する論理回路である。

前記電極弁８はネジ締め作業開始、終了時に切換えられ
、シリンダを伸縮作動してネジ締付装置を下降（作業開
始）、上昇（作業終了）させる。モータ駆動部９はモー
タＭを駆動するための安定化電源、あるいはロータ軸に
敬着されたブレーキ等が彩用されている。１川まモータ
Ｍの回転検出を行なう回転検出部で、タコジェネレータ
、あるいはスリットを適当間隔おきに切った円板をロー
タ軸等に取付け光源と受光器とを円板を介して対置した
構成が用いられる。

１１はコンパレータ６の出力ｃ２によって作動されるタ
イマーで、タイムアップ信号は論理回路Ｔを介して電極
弁８に加えられる。

このタイマ１１の遅延時間はコンパレータ６の出力ｃ２
が発せられた時（即ち、実際の締付トルク（Ｓｉ）が締
付希望トルク値（ｐ２）に一致した時）からモータＭが
現実に停止する時までの増締め期間に設定してある。こ
の構成において、トルクセンサ３によって検出される縦
付トルクＳｉがトルク設定器１の設定値より低い場合は
、論理回路７、モータ駆動部９によってモータＭが高速
回転させられる。

例えばモータ駆動部９として低圧、高圧切換端子付きの
安定化電源を用い、それを論理回路７の制御信号によっ
て切換え高電圧をモータＭに加えるようにする。次に前
記Ｓｉがｐ，と一致すると論理回路７によってモータ駆
動部９が低圧側に切換えられる等して制御され、その結
果モータＭは低速回転に移行する。この時の回転は回転
検出部１０によって検出され、論理回路７を経て負帰還
されるため、速やかに低速回転に移行し、かつ一定回転
に維持される。またこのときの低速回転によるドライバ
ービットの角速度は第１の実施例で述べたのｏの値に等
しいかあるいはそれ以下となるように調整しておく。こ
の調整はモータとドライバービットの間に１０：１ある
いはそれ以上の減速ギャ‐を介在することによって十分
可能である。一方、前記Ｓｉがｐ２と一致すると、論理
回路７、モータ駆動部９によってモータＭは、電源をし
や断され、あるいはブレーキが作用される等によって駆
動を停止される。

駆動停止後はその時点で保有するビット系の運動エネル
ギーによって増締めが生じるが、その角度＠は、の。が
前述の如く■をなるべく小さな値とするように選ばれて
おり、しかもＫ、１は予じめ計算することができるため
、定量的に把握される小さな角度（第一実施例で述べた
ように土３６の範囲で多少のバラッキキはあるが、やは
り小さな角度）である。尚、この構成において、トルク
設定器２のトルク値を第一実施例の如く締付希望トルク
値よりもゲタの分だけ低い４ｋ９・ｃのと設定すること
もできる。その場合、トルク設定器２の設定値は更に低
い値に設定する必要がある。次に第２図中Ｂにおいて、
１２〜１５はトルク設定器で、１２は例えば６．５ｋ９
・弧に、１３は５．５ｋ９・抑に１ ４は４．５ｋ９・
弧に、１ ５は３．５ｋ９・抑にトルク値が設定してあ
る。

１６〜１９は前記バッファアンプ４の出力Ｓｉがそれぞ
れの一方の入力端に接続されたトルク設定器１２〜１５
の設定値より高し、か低いかを検出するコンパレータ、
２０は前記タイマ１１がタイムアップするタイミングで
作動される論理回路で、前記各コンパレータ１６〜１９
の出力信号を演算処理して、モータＭの停止瞬時におけ
る締付トルクが５．５〜６５ｋ９１仇の範囲にあればラ
ンプ２１を、４．５〜５．５ｋ９・伽の範囲にあればラ
ンプ２２を、３５〜４．５ね．奴の範囲にあればランプ
２３を点燈し、３．５ｋ９．の以下あるいは６．５ｋｇ
・抑以上であればＮＧランプ２４を点燈する０と共に、
外部出力ライン２５に警報出力を発するという動作を行
なう。

尚、図中２６はネジ締めスタート部である。尚、上記各
実施例では全てトルクコントロール機能付きのネジ縦付
装置において本発明を適用した例を示したが、本発明は
これに限定されるものではなく、トルクセンサの代りに
変位を検出する手段を、トルク設定器の代りに変位を設
定する手段を備えた変位のコントロール機能付きのネジ
縦付装置においても適用できることは勿論である。ここ
で変位を検出する手段としては例えば、発光器と受光器
をワーク表面上方に対向して設け、ネジが適当量締付け
られたときネジ頭部による光しや断によってネジの変位
を検出するようにした構成を用いることができる。この
発光器と受光器による変位検出手段であれば、ワ−ク表
面に対する該検出手段の高さが変位を設定する手段に相
当し、従って変位設定手段としては別途に何等器具、装
置等を用いる必要がない。以上説明したように、本発明
はモータ停止時のドライバビットの持つ角速度があらか
じめ決められた所定値に達するようにモータの速度制御
を行うように構成しているため、ドライバビットの持つ
慣性‘こよる増締角を所定角度内に押えることができ、
最終稀付けトルクを所定範囲内に確実に収めることがで
きる等の利点である。それ故にワークとして合成樹脂材
を使用しても、ワーク側のネジ山のつぶれ、破壊等は略
完壁に近い状態に防止することができ、昨今のネジ締め
作業における不良防止を飛躍的に発展させる有効な手段
となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は増締角と締付トルクとの関係を示す実測値に基
づく平均値を示す図、第２図は本発明の方法を実施する
一例を示すブロック図である。 第１図第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ モータの駆動によりドライバビツトにて、ネジを締
   め付け、該ネジが所定のトルク設定値よりも低い設定値
   にまたはワーク表面に対するネジ座面の変位が所定値よ
   りも小さい変位に達するとモータの駆動を断ち、ドライ
   バビツトのその時の持つ慣性によりネジを増し締めして
   ネジを所定値または所定変位に達するようにしたトルク
   または変位のコントロール機能付きのネジ締付装置にお
   いて、 モータの駆動が断たれた時点のドライバビツト
   の角速度ω＿０を 許容誤差から許される増締角Θと、
   ネジ材固有のバネ定数、リードピツチ等を含みネジとワ
   ークとによつて定まる定数Ｋと、ドライバセツトの持つ
   慣性モーメントＩとから得られる関係式Θ＝Ｋ√（Ｉ）
   ω＿０ により算出し、この値になるようにモータの速度を制御
   したことを特徴とする増締角の定量的減少方法。