JPS60177875A - ねじ締め装置 - 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】 〔技術分野〕 本発明はねしくボルト、ナツト）の締結〔締め付け（ゆ
るめる場合も含む）作業〕に使用するねじ締め装置に関
するもので、特に可変速駆動を無整流子電動機で行なう
ねじ締め装置に関するものである。

〔従来技術〕

近年、産業用ロボットが普及し、各種機器の組立ライン
においては、電動ドライバや自動ねじ締め装置が広く使
われている。

この種の装置においては、可変速駆動を行なわせるため
の加減速電動機として、日常の保守が不要で、悪い環境
でも使用できる無整流子電動機（ブラシレスモータ）が
一般に用いられている。

そして、比較的小容量のものでは、固定子に交流電源を
投入するだけで直流励磁することなく運転できるように
回転子に永久磁石を内蔵させた完全ブラシレスの電動機
が使用されている。

上記無整流子電動機は、電力変換の制御を電動機の回転
子位置で行なうものであり、Ｎ、Ｓの回転磁極（回転子
）をもったブラシレス同Ｊｖ］電動機の３相電機子巻線
に交流電源の３相電圧から選択した電圧を順次与えて、
連続した回転を得るようにしたもので、直流電動機の整
流子（コミュテータ）の役目を分配器（回転子位置検出
器と論理回路を備えている〉とインバータ部とによって
行なわせるものである。すなわち、同期電動機の回転子
磁極位置を分配器で検出し、インバータ部で電機子巻線
に流す電流の方向や相を切換えてトルクを発生させてい
る。速度調整は、界磁制御および直流電圧制御によって
広範囲に行なうことができる。

従来、特殊環境（作業環境が悪いところ）で使用するね
じ締め装置には、前記回転子に永久磁石を内蔵させた完
全ブラシレスの電動機が主として用いられている。しか
しながら、この電動機は回転子の磁力を変えることがで
きず、第１図に示すようなトルク−回転速度−電流〈電
機子電流）特性のものであるため、ねじ締め装置の動力
源としては必ずしも満足のゆくものではなく、種々の問
題点が残されていた。

以下、その問題点を説明する。なお、説明を簡明にする
ためにねじ締め装置は第２図に例示したナツトランナと
する。

ナツトランナは第２図に示したように、その主要部は大
別すると、ナツトランナ本体１００と、電動機の電源部
２００と、コントロールユニット３００とから構成され
ている。

ナツトランナ本体１００は、電動６１１０１と、減速機
（ギヤボックス）１０２と、締付トルクをフィードバッ
ク制御するためのセンサ（トルクトランスジューサ〉１
０３と、駆動軸１０４とスパナ１０５を備えている。

コントロールユニット３００は、締付用プログラムに従
い締付トルク、減速、正逆回転、ブレーキ等の各種制御
指令信号を発生し、電動機１０１の駆動を制御する。

このような構成のナツトランナは、ねじ込み途中時（ナ
ツトが着座するまで）に高速回転・低トルク（第１図の
Ａ点）を必要とし、ナツト締付は時（ナツトが着座後）
に低速回転・高トルク（第１図の８点）を必要とする。

電動機１０１の電機子（回転界磁固定子）電流をできる
だけ少なくして８点のトルクを１ｑようとすると、回転
子の磁力が一定（永久磁石を用いているから）のため回
転界磁形固定子の巻線を多く巻いておく必要がある。

一方、電機子（回転界磁形固定子）電流を少なくしてＡ
点の回転速度を得ようとすると、回転子の磁力が一定で
あるから上記固定子の巻線を少なく巻く必要がある。こ
のように両者は矛盾しているから、電機子電流少にして
Ａ点、Ｂ点を満足させることはできない。

従って、第１図のＡ点、Ｂ点を満足する電動機の設計を
行なうには、Ａ点で磁力と巻線数を決定し、Ｂ点のトル
クを得るために電機子電流を沢山（ＩＡ　→ＩＢ）流す
ようにする。この結果、発熱が大となり電動機の形状を
大きくしなければならない。

また、永久磁石は大電機子電流により減磁する可能性が
ある等の欠点があった。

〔目的〕

本発明の目的はこれらの問題点を解消し、所望のトルク
−回転速度特性が得られる完全ブラシレスの電動機を用
い、効率よくしかも高精度の締付けができるねじ締め装
置を提供することにある。

〔構成〕

上記の目的を達成するために、本発明の自動ねじ締め装
置は、動力源として、回転子の磁力を変化させることが
できる無整流子電動機を用い、高速時に回転子の磁力を
弱め、低速時には磁力を強めるようにして、作業内容、
工程に応じ所望の回転速度・トルクが得られるようにし
た。

回転子の磁力を変化（励磁電流を変化）させることがで
きる無整流子電動機としては、くし形回転子（回転子側
に巻線を持っていない）を備えたものや、回転子側に界
磁巻線を有しこの界磁巻線に直流励磁電流を給電するた
めに軸シＡ・フト上に回転整流器と回転変圧器を配置し
て完全ブラシレス化を計ったものが知られている。

本発明の装置ではこれら完全ブラシレスの電動機を使用
するので、−例として前者のくし形回転子（クシ形磁極
）をもつ電動機について、その構成と動作を簡単に説明
する。

第３図（ａ　）はくし形磁極を備えた無整流子電動機の
構造図で、同図（ｂ）はくし形磁極の外観図である。１
は回転子で、くし形磁極を構成するＮ極ポールピース１
ｎとＳ極ポールピース１ｓ（いずれも磁束が通りや１い
軟鉄を使用〉を備え、両ポールピースは互いにずらせて
非磁性シャフトにはめ込んだ形となってる。２は固定子
（固定子鉄心、フレームを含む）、３はフロントカバー
、４はリヤカバー、５は玉軸受である。６及び７は界磁
巻線でそれぞれＮ極コイル及びＳ極コイルであり、固定
子側にドオナツ状に巻かれている。８は電機子（回転界
磁形固定子）巻線、９は回転子位置検出器である。

これを動作するには、Ｎ極コイル６及びＳ極コイル７に
励磁電流を流す。励磁電流によって発生した磁束φｎ及
びφＳは第３図に点線で示す如く磁気抵抗の小さい（エ
アギャップの小さい）部分を通り循環して流れる。すな
わち、φｎはフロントカバー３→Ｎ極ポールピース１０
→固定子２→フロントカバー３と流れ、φＳはリヤカバ
ー４→Ｓ極ポールピース１Ｓ→固定子２→リヤカバー４
と流れる。磁束（−磁力）は励磁電流に比例する。

回転原理は通常の無整流子電動機と全く同じである。

トルクＴは Ｔ＝に＋φＺｌ・・・・・・（１） 但し、φ：磁束、Ｚ：全導体数。

■＝電機子電流、に１：比例定数 回転速度Ｎは Ｎ＝に２　Ｅ／φＺ・・・・・・（２）但し、Ｅ：電圧
、に２：比例定数で表わされる。

上記電動機をナツトランナの駆動源に用い、ねじ込み途
中は高速回転・低トルク（第１図Ａ点）が必要であるか
ら、Ｎ極コイル６、Ｓ極コイル７の励磁電流を少なく設
定し、磁束φを減らす。また、ねじ締付は時は低速回転
・高トルク（第１図Ｂ点）が必要であるから、励磁電流
を多く設定し、磁束φを増加する。

このようにして動作させると、式（１）、（２＞より明
らかなように第４図に示したトルク−回転速度−電流の
特性が電機子電流小にして実現できる。第４図において
、実線は高速回転・低トルクを、破線は低速回転・高ト
ルクを実現する場合の電動機の特性である。〔実施例〕 次に本発明の実施例について説明する。

第５図は本発明のねじ締め装置の主要部構成を示すブロ
ック図である。図面並に説明を簡略にするために電動機
及びその駆動、制御回路部分のみを示し、電動機によっ
て駆動される負荷（ねじ締め機構；例えば第２図参照）
の構成は図示を省略した。

図において、１０はねじ締め機構を駆動する電動機で、
回転子の磁力を変化させる界磁巻線１１を備えた完全ブ
ラシレスの電動機（例えば第３図参照）である。

２０は分配器で、回転子位置検出器〔例えば近接スイッ
チと回転円板による位置検出機構（公知のもの）〕２１
と、論理回路２２を備えている。

３０は電動１１ａ１０の駆動用電源部で、整流回路３１
と、界磁電流調整回路３２と、゛インバータ回路３３を
備えている。交流入力を整流する上記整流回路３１は図
では６個のダイオードを用いた三相ブリッジ整流回路を
示しであるが、負荷が比較的軽い場合は単相の整流回路
を用いる。界磁電流調整回路３２は、低速回転・高トル
クを必要とする場合にオンし界磁巻線１１に流す電流を
増やす（磁束を大きくする）役目をはだすトランジスタ
Ｔｒｏと抵抗ＲＯ及び必要に応じ設けるスイッチＳ（電
動機が止まっている間、電流をオフし省エネルギーをは
かる）を備えている。インバータ回路３３はトランジス
タＴｒ＋−Ｔｒ６とダイオードＤ１〜Ｄ６を用いて構成
し、電動ｔ１１０の回転界磁用電力を供給する。

４０はねじ締め装置の動作指令を与える指令回路部で、
電動機１０及び負荷（ねじ締め機構）を運転、停止する
条件等をシーケンス処理するための操作回路４１と、電
動機１０の回転速度調整用（効率がよいところに界磁電
流を設定する）の速度設定器（可変抵抗器）４２と、上
記操作回路４１からの指令信号と上記速度設定器４２か
らの速度基準信号とを比較し界磁電流調整回路３２のト
ランジスタＴｒｏの制御信号を出力する比較回路４３と
を備えている。

なお、操作回路４１は操作電源４１１と指令電圧（加速
：Ｈ１減速：Ｌ、停止：５ｔｏｐ）を発生する可変抵抗
器４１２，４１３とスイッチ回路４１４とを備えている
が、この操作回路４１を含め指令回路部４０全体をプロ
グラムコントロール機能を有する外部制御装置（第２図
におけるコントロールユニット３００に相当）として、
ねじ締め装置の全体の動作を制御させるように構成して
もよい。この場合には、外部制御装置はマイクロコンピ
ュータ、インタフ王−ス、Ｄ／Ａ変換器等で構成するこ
とが可能である。

５０は電動機１０の動作制御を行なう制御回路部で、分
配器２０の論理回路２２から出力される回転速度に比例
した信号（速度制御用フィードバック信号）を電圧値に
変換するＦＶコンバータ５１と、該ＦＶコンバータ５１
の出力と操作回路４１からの指令信号出力とを比較する
比較器５２と、該比較器５２から得られた差（速度誤差
）を増幅する速度誤差増幅器（ＫＶ１５３と、該速度誤
差増幅器５３の出力信号をパルス幅変調信号に変換する
パルス幅変調回路（ＰＷＭ）５４と、インバータ回路３
３のトランジスタＴｒ＋〜Ｔｒ６のベースドライブ信号
を出力する駆動回路５５とを備えている。

上記構成を備えたねじ締め装置の動作を次に説明する。

速度誤差増幅器５３からの出力信号は、回転方向指示信
号として用いられ、比較器５２の出力（差）が＋（回転
速度が不足）の時は正回転方向指示信号（差が０になる
まで電動機を加速し、０になった時に定速にする）とな
り、出力（差）が−（負荷が軽く電動機の回転速度がオ
ーバー）の時は逆転方向指示信号（差が０になるまで電
動機に制御をかける）となる。

また、パルス幅変調回路５４は速度誤差増幅器５３の出
力が回転速度の遅゛れを示しているときに幅の広いパル
スを発生させ、その遅れをとり戻すように速度指令信号
を出力する。

上記回転方向指示信号と速度指令信号とは論理回路２２
に入力され、該論理回路２２において回転子位置検出器
２１の出力とともに論理演算処理が行なわれる。その演
算処理結果に基づき発生するトランジスタＴｒ＋〜Ｔｒ
６のベースドライブ−用の信号は駆動回路５５を介して
インバータ回路３３を駆動し、電動機１０を動作させる
。

電動機１０は界磁電流調整回路３２による界磁電流制′
ａ（効率がよいところに界磁電流を設定する）とインバ
ータ回路３３の出力により運転制御が行なわれ、指令回
路部４０（又は外部制ｔＩｌ装置）の指令に従った動作
を行なう。

なお、上記実施例の説明においては、従来から行なわれ
ている締付トルクの制御についての説明を省いたが、本
発明の装置においても従来と同様にセンサ（トルクトラ
ンスジューサ）からの信号により指令回路部で締付トル
クの制御を行なっている。また、逆ねじを取扱う場合や
、ねじをゆるめる動作も回転方向切替制御により容易に
行なうことができる。

（効果） 次に杢発明のねじ締め装置の特徴を要約し、それにとも
なう効果を列挙する。

（１）動力源として回転子の磁力を変化させることがで
きる（永久磁石を使用しない）完全ブラシレスの電動機
を使用しているので、必要に応じ界磁電流を変化させる
ことによって電機子電流が少なくて高速回転・低トルク
、低速回転・高トルクを実現でき、効率が良く発熱も少
ないので、従来より電動機を小形化することが可能（従
ってねじ締め装置全体の小形化も可能）になり、しかも
マグネットが減磁するという従来の大きな問題点は解消
する。

（２）電動機の動作制御にはＦＶコンバータを介して速
度制御フィードバック信号を用いているので、逆転制動
をかけることができ、ブレーキ回路が省略できる。また
、逆転制動するとモータ発電電圧が発生し、電動機に流
れる電流がその分だけ増加し、制動トルクが大きくなり
、８速停止が可能である。

（３）インバータ回路はトランジスタを用いて構成し、
ベースドライブはパルス幅変調方式で行なっているので
、サンプリング時間を早くし、回転速度制御の応答性を
早めることができる。

（４）従来の装置（例えば第２図参照）で行なっている
締付トルクのフィードバック制御方式と組み合わせた外
部制御装置が容易に実現できるので、精度の高い締付ト
ルクが得られるように増し締め動作を行なわせることが
できる。また、外部制御装置を負荷することにより種々
のプログラム制御も可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の無整流子電動機の特性図、第２図はナツ
トランナの構成説明図、第３図（ａ　）はくし形磁極を
備えた無整流子電動機の構造説明図、第３図（ｂ）はく
し形磁極の外観図、第４図はくし形磁極を備えた無整流
子電動機の特性図、第５図は本発明のねじ締め装置の主
要部構成を示すブロック図である。 １０・・・・・・電動機、１１・・・・・・界磁巻線、
２０・・・・・・分配器、２１・・・・・・回転子位置
検出器、２２・・・・・・論理回路、 ３０・・・・・・駆動用電源部、３１・・・・・・整流
回路、３２・・・・・・界磁電流調整回路、 ３３・・・・・・インバータ回路、 ４０・・・・・・指令回路部、４１・・・・・・操作回
路、４２・・・・・・速度設定器、４３・・・・・・比
較回路、５０・・・・・・制御回路部、５１・・・・・
・ＦＶコンバータ、５２・・・・・・比較器、５３・・
・・・・速度誤差増幅器、５４・・・・・・パルス幅変
調回路、５５・・・・・・駆動回路、１０３・・・・・
・センサ、 ３００・・・・・・コントロールユニット。 出願人　日本電気精器株式会社 三洋機工株式会社 代理人　弁理士　増田竹夫 を薯Ｓ　４　［］ 第２図 ｉ３ｔ！ｌ （ＣＩ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１．ねじ締め機構と、該ねじ締め機構を駆動する電動
   機と、該電動機の駆動用電源部と、該電動機の動作制御
   を行なう制御回路部と、該制御回路部に動作指令信号を
   与える指令回路部とを備えて構成したねじ締め装置にお
   いて、 上記電動機は、回転子位置検出器と論理回路からなる分
   配器を有しかつ回転子の磁力を変化させることができる
   完全ブラシレスの電動機であり、上記指令回路部からの
   動作指令信号に基づき所定の動作を行なうことを特徴と
   するねじ締め装置。 ２、上記電動機の駆動用電源部は、回転子の磁力を変化
   させるための界磁電流調整回路と、電機子巻線に回転界
   磁用電力を供給するためのトランジスタを構成素子とす
   るインバータ回路を備え、上記指令回路部からの動作指
   令信号に基づき上記電動機の界磁電流と電機子巻線電流
   を変化させる機能を有するものである特許請求の範囲第
   １項記載のねじ締め装置。 ３、上記電動機の動作制御を行なう制御回路部は、上記
   分配器が備えた論理回路から得られる回転速度に比例し
   た速度制御用フィードバック信号を電圧値に変換するＦ
   Ｖコンバータと、該ＦＶコンバータ出力と上記指令回路
   部からの動作指令信号とを比較する比較器と、−該比較
   器から得られた差の信号を増幅する速度誤差増幅器と、
   該速度誤差増幅器の出力信号をパルス幅変調信号に変換
   し速度指令信号とするパルス幅変調回路と、インバータ
   回路を構成するトランジスタのベースドライブ信号を出
   力する駆動回路を備え、上記速度誤差増幅器の出力信号
   とパルス幅変調回路からの速度指令信号と回転子位置検
   出器の出力を上記分配器の論理回路において論理演算処
   理を行ない、その演算処理結果に基づき発生するベース
   ドライブ用の信号によって上記駆動回路を介してインバ
   ータ回路を駆動するものである特許請求の範囲第２項記
   載のねじ締め装置。 ４、上記制御回路部に動作指令信号を与える指令回路部
   は、電動機及びねじ締め機構を運転、停止する動作条件
   を指令する信号を発生する操作回路と、電動機の速度調
   整用の速度設定器と、上記操作回路からの指令信号と上
   記速度設定器からの速度基準信号とを比較し上記界磁電
   流調整回路のトランジスタの制御信号を出力する比較回
   路を備えたものである特許請求の範囲第２項又は第３項
   記載のねじ締め装置。 ５、上記指令回路部は、ねじ締め機構に設けた締付トル
   クのセンサからの信号を受けて締付トルクの制御を行な
   う機能を有づるものである特許請求の範囲第１項乃至第
   ４項のいずれかに記載のねじ締め装置。