JPS60216235A - ボルト軸力測定方法とこの測定方法を用いたボルト締付装置 - 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】 技術分野 本発明は、ボルトの軸力を測定する方法と、この測定方
法を用いてボルト軸部に予め定められた大きさの軸力を
生じさせるボルト締付装置に関するものである。

従来技術 機械系を構成する要素として、ボルトによる締結は重要
な役割を果たしており、このボルト締結部を評価する場
合の基本的な特性値として、ボルトの軸部に作用する軸
力（引張り応力×断面積）が重要であることは良く知ら
れている。

従来、ボルトの軸力をめるのに、締付トルクを測定する
ことによって軸力を推定する方法や、回転角からボルト
軸力をめる方法が行われているが、摩擦損失にバラツキ
があるため、測定したボルト軸力の信頼度が低い欠点が
あり、他方、ボルトに生した歪量を抵抗線歪ケージで測
定することによりボルト軸力をめる方法もあるが、歪ケ
ージの貼付が面倒であり、実用性が低い問題がある。

一方、そのような方法とは異なり、超音波を用いること
により、ボルトの軸力と超音波の伝播時間との関係から
、ボルトの軸力を間接的にめる方法が、特開昭５５−８
２９３５号公報に開示されている。一般に、ボルトが締
め付けられると、その内部に軸方向の引張り応力が発生
し、弾性的な伸びを生ずるが、超音波がボルト内部を軸
方向に伝わるとき、その伝播速度は応力の増加と共に遅
くなり、また、ボルトの伸びは、例えばボルト頭部端面
から発信された超音波がボルト軸部端面で折り返して、
再びボルト曲部端面まで返ってくる回帰時間を遅らせる
。上述の公報に開示された方法は、それら二つの性質の
相乗効果を利用するものであり、ボルトの軸部に発生す
る軸力を正確に計測しようとするものである。しがし、
ボルトの軸力の増加に伴う超音波の伝播時間の遅れは、
ボルトの初期長さく無負荷状態における長さ）にも影響
されるため、長さの異なるボルトについては、それらの
軸力を精度良く測定することが困難であった。

発明の目的 本発明は、上記のような事情に基づいて為されたもので
あり、その第一の目的は、ボルトの軸径が同一で任意長
さのボルトについて、その軸力を高精度に測定すること
のできる方法を提供することにあり、また第二の目的は
、その測定方法を用いて、目標とするボルト軸力が精度
良く得られるようにボルトの締付けを行い得るボルト締
付装置を提供することにある。

第一発明の構成 上記第一の目的を達成すべく、第一発明に係るボルト軸
力測定方法は、（ａｌ基準となるボルトの軸力とそのボ
ルトの軸方向における超音波伝播時間の変化量との関係
を予めめる工程と、山）上記基準ボルトと実際のボルト
との長さの比を測定し、その長さの比に基づいて上記関
係を補正する工程と、（Ｃ１その補正された関係から、
実際のボルトの軸方向における超音波伝播時間の変化量
に基づいて、実際のボルトの軸力を測定する工程とを含
むものである。

第一発明の効果 このようなボルト軸力測定方法によれば、基準ボルトと
実際のボルトとの長さの比に基づいて、ボルトに生ずる
軸力と超音波伝播時間の変化量との関係が補正され、そ
の補正された関係をもとにボルトの軸力が測定されるた
め、ボルトの軸径が同一であれば、ボルトの長さが異な
ろうとも、目的とする軸力を正確に測定することができ
るのである・ 第二発明の構成 上記のようなボルト軸力測定方法は、ボルトの軸部に予
め定められた大きさの軸力を生じさせるボルト締付装置
に利用することができる。

すなわち、前記第二の目的を達成すべく、第二発明に係
るボルト締付装置は、（イ）ボルトの頭部またはそのボ
ルトに蝮合するナツトに係合可能な係合部を備えて、そ
のボルトまたはナツトを回転駆動する回転駆動装置と、
（ロ）そのボルトの軸力を目的とする値に設定する設定
手段と、（ハ）基準となるボルトの軸力とそのボルトの
軸方向における超音波伝播時間の変化量との関係を、基
準ボルトと実際のボルトとの長さの比に基づいて補正し
、その補正された関係から、実際のボルトの軸方向にお
ける超音波伝播時間の変化量に基づいて、実際のボルト
の軸力を検出するボルト軸力検出手段と、（ニ）その検
出手段によって検出された実際のボルト軸力を、前記設
定手段によって設定された目標値と比較し、実際のボル
ト軸力がその目標値に達したと判定したとき、前記回転
駆動装置に停止信号を供給する比較・判定手段とを含ん
で構成される。

第二発明の効果 このように構成されたボルト締付装置においては、締付
けの進行に伴って増加する実際のボルトの軸力を、上記
ボルト軸力検出手段がボルトの初期長さに応じて正確に
検出し、それによって検出される実際のボルト軸力が予
め設定された目標値に達した時、締付けが停止させられ
るため、ボルトの長さが異なる場合であっても、それに
よって大きな誤差を生ずることなく、目標とするボルト
軸力を高精度に与えることができるのである。

実施例 以下、第二発明の一実施例であるボルト締付装置の説明
に併せて、第二発明に係るボルト軸力測定方法の一興体
例を説明する。

第１図に示すボルト締付装置は、ボルト１０を対象物の
ねし穴、或いはナツトのねし穴にねじこんで二つ以上の
部材を締結するためのものであって、締付状態において
ボルト１０の軸部１４に予め定められた軸力Ｑを生じさ
せるものである。このボルト締付装置は、ボルト曲部１
２に対して接近・離間可能に支持された回転軸１６を備
え、この回転軸１６は、ボルト頭部１２と係合させられ
るソケット１８を先端部に一体的に有して、駆動モータ
２０に接続されており、これら回転軸１６および駆動モ
ータ２０がボルト１０を回転駆動する回転駆動装置を構
成している。

そのソケット１８の、係合時においてボルト頭部１２の
端面２２に対向する底面２４には、超音波振動子２６が
固定され、外部の超音波送受信装置２８に接続されてい
る。この超音波振動子２６は、超音波送受信装置２８か
ら供給される電気信号を超音波に変換してボルト頭部１
２の端面２２へ発信し、ボルト軸部１４の端面３０で反
射して戻ってくるエコーを受信し、これを電気信号に変
換して超音波送受信装置２Ｂに供給するものである。そ
して、超音波送受信装置２８は、設定器３２が接続され
たマイクロコンピュータ３４にｔｌＭされ、このマイク
ロコンピュータ３４が前記駆動モータ２０−に起動・停
止信号を供給するようになっている。

超音波送受信装置２８は、第２図に詳しく示すように、
発信回路３６．受信回路３８および送受信切換回路４０
を備えている。発信回路３６は、マイクロコンピュータ
３４からの指令に基づいて、予め定められた超音波周波
数の一定短時間連続する電気信号を送受信切換回路４０
を経て超音波振動子２６に供給し、超音波振動子２６が
その電気信号に基づいて前記超音波を発信する一方、受
信回路３日は、その超音波のエコーに基づく電気信号を
送受信切換回路４０を経て受信し、且つ増幅してマイク
ロコンピュータ３４に供給するようになっている。

また、マイクロコンピュータ３４は、所謂ＣＰＵ４２．
ＲＡＭ４４．ＲＯＭ４６．Ｉ１０ボート４８を備えた通
常のものであり、ＣＰＵ４２が、ＲＡＭ４４の一時記憶
機能を利用しつつ、予めＲＯＭ４６に記憶されているプ
ログラムに従って信号処理を行うようになっている。そ
してＩ１０ボート４８に接続された設定器３２は、前記
ボルト軸部１４に生じさせるべき目標とする軸力の大き
さＱｉ等を入力するためのものであり、また、表示器５
０も接続されて、実際のボルト軸力の大きさや締付操作
の終了が表示されるようになっている。

ところで、締付けに伴って増加するボルト１０の軸力Ｑ
と、その頭部端面２２から発信される超音波が軸部端面
３０で折り返して再び頭部端面２２まで返ってくる伝播
時間（回帰時間）の変化量ΔＴとの間には、一般に比例
関係がある。いま、実際のボルト１０と軸径が等しい基
準となるボルト（以下、基準ボルトと称する）について
、ボルト軸力Ｑと伝播時間の変化量（増加量）八Ｔとの
関係は、第３図のグラフにおいて実線で示すように Ｑ＝Ｍｍ　・　ΔＴ　・　・　・（１）ただし、Ｍｍは
比例定数 と表すことができる。この比例定数Ｍｍは、基準ボルト
の軸力Ｑと伝播時間変化量ΔＴとの実際のデータをプロ
ットすることによりめることができるが、基準ボルトと
同一軸径で、長さの異なる実際のボルトについては、ｆ
ｉ１式をそのまま適用することはできない。ボルト軸力
Ｑに比例する超音波の伝播時間変化量ΔＴは、ボルトの
長さに影響され、長さが長くなれば目標軸力に対する伝
播時間変化量も大きくなるからである。

しかし、ある軸力に対する超音波伝播時間の増加量は、
一般にボルトの初期長さく締付は前の無負荷状態におけ
る長さ）に比例する。いま、実際のボルトの軸力Ｑと伝
播時間変化量ΔＴとの関係を Ｑ＝Ｍ　ｏ　・　ΔＴ　・　・　・（２）ただし、Ｍｏ
は比例定数 で表し、かつ基準ボルトの初期長さをＬｍ、また実際の
ボルトの初期長さをＬｏとすれば、上記比例定数ＭＯは
、 Ｍｏ　＝ＭＩｌｌ　−Ｌｆｆｌ　／Ｌｏ　・　・　・（
３）と表すことができる。このＬｍ／Ｌｏは長さの比で
あるが、例えば超音波を用いて、その長さの比を、無負
荷状態における伝播時間の比に置き換えて表すことがで
きる。すなわち、無負荷状態において基準ボルトの頭部
端面から軸部端面で反射して戻るまでに要する初期伝播
時間をＴｌ１１、同様に実際のボルトにおける初期伝播
時間をＴｏとすれば、 Ｌｍ　／Ｌｏ　＝Ｔｍ　／Ｔｏ　−・１４１の関係が成
立し、ボルトの長さの比を初期伝播時間の比で間接的に
表すことができるのである。従って、前記（２）式は、
（３）式および（４）式からＱ＝Ｍｍ　・　（Ｔｍ　／
Ｔｏ　）　・ΔＴ・・・（５）として表すことができ、
このことは基準ボルトにおける（１１式の関係を、基準
ボルトと実際のボルト１０との長さの比に基づいて、（
５）式で表される関係、すなわち第３図のグラフにおい
て細線で表される関係に補正することを意味するのであ
る。

従って、予め基準ボルトについて（１）式の関係に基づ
いてその比例定数Ｍｍをめ、かつ初期伝播時間Ｔｍを計
測しておき、それらのデータを前記（５）式に代入し、
また、ボルト軸力Ｑとして目標値Ｑ□を与えれば、実際
のボルトの初期伝播時間ＴＯを測定することにより、そ
の目標軸力Ｑ１が得られる伝播時間の変化量ΔＴをめる
ことができる。見方を変えれば、前記補正された（５）
式の関係から、ΔＴをめることによって、実際の軸力を
測定することができるのである。なお、第３図のグラフ
においては、基準ボルトに対して実際のボルトが長い場
合の関係を細線で、また短い場合の関係を鎖線でそれぞ
れ示しである。

以上のように、予めＴｌ）式の関係をめ、それを（５）
式で表される関係に補正し、その（５）式の関係から軸
力Ｑを測定するというのが、本発明に係るボルト軸力測
定方法の具体的な一態様ということができる。

そして、このような方法を本発明のボルト締付装置に利
用するために、基準ボルトについて予めめられたデータ
、つまり比例定数Ｍｍ、初期伝播時間Ｔｍ、さらには目
標とする軸力Ｑ１が、前記設定器３２を介してマイクロ
コンピュータ３４に予め記憶されるようになっている。

また実際のボルトの初期伝播時間Ｔｏは、超音波振動子
２６で発信かつ受信される超音波信号が超音波送受信装
置２８を経てマイクロコンピュータ３４に供給されるこ
とにより、そこのＣＰｔＪ４２によって検出されるよう
になっている。また、このＣＰ　ＩＪ　４２は、ボルト
締付は開始後における超音波伝播時間Ｔ２と上記締付は
開始前における初期伝播時間ＴＯとの差、つまり締付け
の進行に伴って増加する超音波伝播時間の変化量ΔＴを
演算し、そのΔＴを演算することにより間接的に実際の
軸力Ｑを検出し、さらに、その八Ｔと目標軸力Ｑ、に対
応する伝播時間変化量ΔＴ１とを比較することにより、
実際の軸力Ｑと目標軸力Ｑ□を間接的に比較し、実際の
ボルト軸力Ｑがその目標値Ｑ□に達したと判定したとき
、前記駆動モータ２０に停止信号を供給する役割を果た
す。すなわち、本実施例では、超音波振動子２６と超音
波送受信装置２８゜マイクロコンピュータ３４の一部と
が協働してボルト軸力検出手段を構成しているのであり
、またマイクロコンピュータ３４の一部が比較・判定手
段を構成しているのである。

次に、第４図に示すフローチャートに基づいて、本実施
例のボルト締付装置の具体的なプログラムについて説明
する。

第４図に示すフローチャートにおいて、ステップ８１〜
ステツプＳ３までは、本来のボルト締付工程に先立って
行われる前工程である。ステップＳ１においては、基準
ボルトについて第３図に実線で示す前記関係、すなわち Ｑ＝Ｍｒｒｌ・ΔＴ　・−・（１） における比例定数Ｍｍ　（これは予め実験等によってめ
られる）を、前記設定器３２を介してマイクロコンピュ
ータ３４に読み込ませ、またステップＳ２おいて、予め
められている初期伝播時間Ｔｌ１１を同様に設定器３２
によって読み込ませる。

更に、ステップＳ３で目標とする軸力Ｑ、を設定器３２
により設定するのであるが、この目標軸力Ｑ１は、過去
の経験やデータあるいは強度計算等によって決定される
ものである。

そして、ステップＳ４から実質的なボルト締付工程に入
る。そのステップＳ４において、第１図に示す回転軸１
６のソケット１８が、締め付けるべきボルト１０の頭部
１２に係合可能な位置まで接近させられ、その後、超音
波送受信装置２８から超音波振動子２６へ電気信号が入
力され、この振動子２６から発せられる超音波によって
、ボルト１０が実際にセットされているか否かを判断す
るステップ５が実行される。このステップＳ５が実行さ
れることより、締付位置にボルト１０があると判断され
た場合には、ステップＳ６において、ボルト１０の頭部
端面２２に発信された超音波が軸部端面３０で反射して
頭部端面２２へ再び戻るまでの初期伝播時間Ｔｏが、マ
イクロコンピュータ３４によって算出される。さらにス
テップＳ７において、予めめられている基準ボルトの前
記（１１式における比例定数Ｍｍに、基準ボルトの初期
伝播時間ＴｍとステップＳ６でめられたボルトｌＯの初
期伝播時間ＴＯとの比を乗じた値、Ｍｏ　＝Ｍｍ　−Ｔ
ｍ　／Ｔ。

がめられる。それによって、基準ボルトにおける（１）
式の関係が、結局は基準ボルトの初期長さと実際のボル
ト１０の初期長さとの比に基づいて補正され、実際のボ
ルトに関する軸力Ｑと超音波伝播時間変化量ΔＴとの関
係 Ｑ＝Ｍｏ　・ΔＴ　・・・（２） がめられるのである。そしてステップＳ８において、目
標とする軸力Ｑ１を得るためには超音波伝播時間変化量
ΔＴがどれだけの値でなければならないか、が算出され
る。つまり、実際のボルト１０について補正された関係
を示す上記＋２１式において、目標軸力Ｑ１に対応する
伝播時間変化量ΔＴ。

ΔＴ□＝Ｑ　ｔ　／　Ｍ　。

が算出されるのである。これらステップＳ７およびＳ８
はマイクロコンピュータ３４が実行し、その算出された
伝播時間変化量ΔＴ□が記憶されることとなる。このス
テップＳ８の終了後、あるいは上記ステップＳ６または
Ｓ７の終了後、マイクロコンピュータ３４が前記駆動モ
ータ２０に起動指令信号を供給し、回転軸１６が回転駆
動されて、ボルト１０の締付操作を開始する。

そして、締付開始後のステップＳ９において、超音波送
受信装置２８から超音波振動子２６へ入力される電気信
号に基づいて、その振動子２６がボルト１０に超音波を
発信し、軸部端面３０で折り返して戻ってくる超音波を
受信するとともに、それを電気信号に変換して超音波送
受信装置２８に供給する。その情報がマイクロコンピュ
ータ３４に与えられることにより、締付けの進行に伴っ
て増加する超音波の伝播（回帰）時間Ｔ２が、ステップ
ＳＩＯで逐次算出され、さらにステップＳ１１において
、締付は開始後の伝播時間Ｔ、と初期伝播時間Ｔｏとの
着を取ることによって、締付は開始後のボルト軸力Ｑに
対応する伝播時間の変化量ΔＴが繰り返し算出される。

この伝播時間変化量ΔＴは、締付けの進行に伴って増加
し、実際のボルト軸力Ｑもそれに対応して大きくなって
いくが、ステップＳ１２において、上記ステップＳ８で
められた目標とする伝播時間変化量ΔＴ１と、実際の伝
播時間変化量ΔＴとが比較される。この比較は、目標と
する軸力Ｑ。

と実際の軸力Ｑとを間接的に比較することを意味し、実
際の伝播時間変化量ΔＴが目標値ΔＴ、に達していない
と判定された場合には、再びステップ８９〜ステツプ３
１１が実行されるが、上記ΔＴが６１８以上であると判
定された場合には、ステップ３１３においてマイクロコ
ンピュータ３４から停止指令信号が駆動モータ２０に出
力され、それによって回転軸１６の駆動が停止させられ
て、ボルト１０に対する締付操作が終了する。その結果
、締付は完了状態においてボルト１０の軸部１４に予め
定められた目標とする軸力Ｑ、が生ずるようにされるの
である。

以上のように、基準ボルトの特性を予め記憶しておき、
その基準ボルトの特性を、実際に締め付けるべきボルト
の個々の長さに応じて補正し、その補正された関係に基
づいて実際のボルト軸力を制御することにより、軸径が
同じであればボルトの長さに影響されることなく、任意
長さのボルトに対、して希望する軸力を精度よく付与す
ることができるのである。

以上、本発明の詳細な説明してきたが、それは文字通り
例示であって、本発明はそれらの具体的な記載に限定し
て解釈されるものでは決してない。

たとえば、締付ボルトの初期長さは、前述のような超音
波計測によらないで、光やその他の測定装置で計測して
も良く、また使用するボルトの初期長さが予め正確に分
かっている場合には、それを設定入力することによりそ
のような長さ計測を省くことができる。

一方、実際のボルト軸力に対応する超音波の伝播時間変
化量をめるについて、初期回帰時間と締付開始後の回帰
時間との差を取る以外に、たとえば−次エコーと二次エ
コーとの回帰時間の差等に基づいてめることも可能であ
る。さらに、超音波計測を行うについて、ボルトの頭部
端面から超音波を発信する以外に、軸部端面から発信し
て頭部端面で反射させてその回帰時間をめるようにして
もよく、さらに言えば、必ずしも回帰時間をめなくても
、頭部端面と軸部端面との一方の側から他方の側に伝播
するのに要する時間を計測するようにしてもよい。

また、本発明に係るボルト軸力測定方法に関して言えば
、ボルトの締付は以外に、既に締め付けであるボルトの
軸力を測定するのに利用することもでき、他方、ボルト
締付装置について言えば、締付ポルトにナツトが輻合さ
れる場合には、そのナンドを回転駆動することにより軸
力を生じさせるようにしてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業
者の知識に基づき種々の変更、改良等を施した態様で本
発明を実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるボルト締付装置を簡
略に示す全体図であり、第２図は、その一部を詳細に示
す回路図である。第３図は、基準ボルトの特性と実際の
締付ポルトの特性とを示すグラフであり、第４図は、第
１図に示すボルト締付装置のフローチャートである。 ｌＯ：実際のボルト ２６：超音波振動子　２８：超音波送受信装置３２：設
定器（設定手段） ３４：マイクロコンピュータ 出願人　トコタ自動車株式会社 第３図 Ｑ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１１　基準となるボルトの軸力と該ボルトの軸方向に
   おける超音波伝播時間の変化量との関係を予めめる工程
   と、 前記基準ボルトと実際のボルトとの長さの比を測定し、
   該長さの比に基づいて前記関係を補正する工程と、 その補正された関係から、前記実際のボルトの軸方向に
   おける超音波伝播時間の変化量に基づいて、該実際のボ
   ルトの軸力を測定する工程とを含むことを特徴とするボ
   ルト軸力測定方法。 （２）　ボルトの頭部または該ボルトに甥合するナンド
   に保合可能な保合部を備えて、該ボルトまたはナツトを
   回転駆動する回転駆動装置と、該ボルトの軸力を目標と
   する値に設定する設定手段と、 基準となるボルトの軸力と該ボルトの軸方向における超
   音波伝播時間の変化量との関係を、該基準ボルトと実際
   のボルトとの長さの比に基づいて補正し、その補正され
   た関係から、前記実際のボルトの軸方向における超音波
   伝播時間の変化量に基づいて該実際のボルトの軸力を検
   出するボルト軸力検出手段と、 該検出手段によって検出された実際のボルト軸力を前記
   設定手段によって設定された目標値と比較し、該実際の
   ボルト軸力がその目標値に達したと判定したとき前記回
   転駆動装置に停止信号を供給する比較・判定手段と を含むことを特徴とするボルト締付装置。