JPS60232886A - 定軸力ボルト締付方法 - 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】 技術分野 本発明は、締付状態におけるボルト軸部に予め定められ
た軸力を生しさせるボルト締付方法に関し、特にボルト
軸方向における超音波の伝播時間に基づいて締付力を制
御するボルト締付方法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、ボルトの締付けに際し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ために、ボルトの軸力と
ボルト軸方向における超音波伝播時間との関係に基づい
て、その超音波伝播時間が予め定められた設定値に達し
た時、当該ボルトの締付けを停止するようにした方法が
知られている。

例えば、特開昭５５−８２９３５号公報には、ボルトの
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頭部端面まで帰ってくる回帰時間を
計測することにより、その回帰時間が設定値に達したと
きボルトに対する締付けを停止する技術が開示されてい
る。

一般にボルトが締付けられると、その内部に軸方向の引
張応力が発生して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、′１ その伝播速度は応力の増加とともに遅くなり、またボル
トの伸びは超音波の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
乗効果を利用して、締付状態においてボルトの軸部に予
め定められた軸力を生じさせようとするものである。

解決すべき問題点 しかし、このような従来の方法では、締付けの途上にお
いて何等かの異常でボルトに破断が生した場合に、唯一
の基礎情報である超音波の伝播時間が増加することは考
えられず、従ってその超音波伝播時間が設定値に達しな
いために、ボルトの破断にも拘らずモータ等の回転駆動
装置が駆動し続けることとなり、安全性の点で問題があ
った。

この発明は、ボルトが破断した場合の安全性を高めるこ
とを目的として為されたものである。

その問題点を解決するための手段 本発明は、上記のような問題点を解決すべく、前述のよ
うなボルト軸力と超音波伝播時間との関係に基づいて、
ボルトに対する締付力を制御する方法において、当該ボ
ルトの締付途・上における実際の超音波伝播時間が締付
は前における超音波伝播時間より短くなったときには、
当該ボルトに破断が生じたものとしてボルトの締付けを
停止するようにしたことを要旨とするものである。

発明の効果 一般に、ボルトに破断が生ずることなく正常な状態で締
め付けられる場合には、超音波の伝播時間は締付けの進
行に伴って増加するため、締付は前におけるボルト軸方
向の超音波伝播時間より短くなることは有り得ず、その
増加する超音波伝播時間が設定値に達したときボルトの
締付けが停止されるのであるが、締付途上においてボル
トに破断が生じた場合には、超音波の伝播距離が短くな
り、そのため実際の超音波伝播時間が締付は前のそれよ
り短くなる。従って、その短くなった事実を発見してボ
ルトの締付けを停止するようにすれば、ボルトの破断時
における安全性を有効に高めることかできるのである。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明するが、
その前に本発明方法の実施に好適なボルト締付装置の概
略について触れておく。

第１図には、そのようなボルト締付装置の具体的な構成
が概念的に示されている。このボルト締付装置は、ボル
ト１０を対象物のねし穴、あるいはナンドのねし穴にね
じ込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。そして、このボル
ト締付装置は、ボルト頭部１２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１Ｇ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。

超音波振動子２６は、超音波送受信装置２８から供給さ
れる超音波周波数の一定短時間連続する電気信号を超音
波に変換して、ボルト頭部１２の端面２２へ間欠的に発
信し、ボルト軸部１４の軸部端面３０で反射して戻って
（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２８に供給するものである。この超音波送受
信装置２Ｂは、その超音波のエコーに基づく電気信号を
受信し、かつ増幅して、設定器３２が接続されたマイク
ロコンピュータ３４に供給し、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。

なお、超音波送受信装置２８はよく知られているように
、発信回路、受信回路および送受信切換回路等を備えた
ものであり、またマイクロコンピュータ３４は、所謂Ｃ
ＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、１１０ポート等を備えた通常の
もの−であるため、詳しい説明は省略する。

ところで、ボルト１０の締付けに伴って増加する軸力Ｑ
と、ボルト頭部端面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まで帰ってくる伝
播時間（回帰時間）Ｔとの間には比例関係があり、比例
定数をｋとすれば、Ｑ＝に−Ｔ　・・・（１） と表すことができる。従って、予め（１）式の関係を試
験等によりめておけば、目標とする軸力Ｑｍを得るため
には、伝播時間Ｔがどれだけでなければならないかが分
かる。いま、その伝播時間Ｔの目標値をＴｍとすれば、 Ｔｍ　＝Ｑｍ　／　ｋ　・・・（２１ となる。

従って、伝播時間ＴがＴｍになったときボルト１０に対
する締付けを停止すれば、締付状態において目標とする
軸力Ｑｍが得られることとなる。

第、２図のグラフにおける実線は、実質的な締付けが開
始される時点ｔｉから一部時間経たｔ３の時点で、伝播
時間ＴがＴｍとなって締付けを停止する状態を示してい
る。なお、超音波伝播時間Ｔはボルト１０の伸びを間接
的に表し、また締イ」時間ｔはボルト１０に加えられる
締付力を間接的に表しているが、ｔｉとｔ２との間で相
互の関係を示す実線がやや曲線状となっているのは、締
付トルクの増大に伴って締付速度が低くなるからである
。

そのように超音波伝播時間ＴがＴｍまで達した場合には
、その時点で締付けが停止されるが、ボルト１０に何等
かの異富、例えばタラワクや内部欠陥等が存在し、それ
に起因して、例えば第３図にＳで示すように破断が生ず
ると、軸部端面３０で反射すべき超音波が破断箇所Ｓで
反射するようになるため、伝播時間Ｔが急激に短くなり
、第２図のグラフにおいて破線で示すように、目標値Ｔ
ｍに達する以前に締付けの途中のＴ２の時点においてＴ
ｓまで一挙にダウンし、それ以後においては伝播時間Ｔ
が大きくなる要因は何等存在しないため、ボルトの破断
にも拘らず締付操作は継続する状態となる。これを回避
するのが本発明のテーマである。

すなわち、先ずボルト１０の破断を検出するために伝播
時間Ｔの安全値Ｔｘを設定するのである。

ポル）１０に破断が生しない状態で実質的な線側けが行
われる場合には、超音波の伝播時間Ｔが無軸力状態にお
ける初期伝播時間Ｔ。より大きくなることはあり得ない
から、上記安全値Ｔｘを初期伝播時間Ｔ０と同じか、そ
れより僅かに小さい値に設定し、実際の伝播時間Ｔがそ
れを下回ったとき破断が生じたものと判断してもよいが
、特に実質的な締付けの開始直後におけるノイズ等によ
る誤判断を避けるためには、破断の事実を検出可能な範
囲内において上記安全値Ｔｘを初期伝播時間Ｔｏよりあ
る程度低い値とした方が判断の信頼性が高められる。

例えば、第３図に示すように、ボルト１０にナツト３６
を螺合した状態で締付対象物３８と４０とを締結する場
合には、破断後の全長の最大値はボルト１０の全長りか
らナツト３６が螺合された部分β１を除いた長さβ２と
考えられ、従って上記安全値Ｔｘは、破断が予想される
ａ２の範囲において頭部端面２２から破断箇所Ｓまでの
最長の長さく１２）に対応する伝播時間より長く、かつ
初期伝播時間Ｔ０より短い値、たとえば長さｒ２＋β１
／２に相当する伝播時間に設定しておけば、１２の範囲
内で生ずる破断を全て検出することができ、それで充分
である。

そして、このような安全値Ｔ×を実際の伝播時間Ｔが下
回ったとき、破断が生じたものと判断して締付けを停止
するわけであるが、実際に計測される超音波伝播時間Ｔ
にはある程度の振幅があるため、破断検出の信頼性を高
めることを考慮すると、実際の伝播時間Ｔが安全値Ｔｘ
を１回でも下回ったとき直ちに締付けを停止するのでは
なく、複数回下回ったとき初めて破断が生しているもの
と判定することがノイズの影響を回避する点においてよ
り好ましい。すなわち、−綿付操作内に下回った回数ｅ
　（換言すれば、後述のレジスフｅの内容）がｎ回以上
になったとき破断の判定を行なうようにすれば、その判
定の信頼度が高くなるのである。なお、上記設定値ｎは
、例えば１０〜３０程度に設定することが望ましい。

次に、本発明の具体的な締付プログラムの流れを、第４
図に示すフローチャートに基づいて説明する。

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Ｓ４までは本来のボルト締イ」工程に先立って
行われる前工程である。先ず、ステップＳ１においては
、前述のレジスタｅの内容がｅ＝ｏにクリアされる。そ
してステップＳ２において、第１図に示す設定器３２に
より前述の設定値ｎがマイクロコンピュータ３４に取り
込まれ、更に、ステップＳ３においてボルトの破断を検
出するための基準となる安全値Ｔｘが、またステップＳ
４において目標軸力Ｑｍを得るための伝播時間の目標値
Ｔｍが、同様に設定器３２からそれぞれマイクロコンピ
ュータ３４内に取り込まれる。

そして、ステップＳ４以後から実質的なボルト締付工程
に入り、第１図に示す回転軸１６のソケット１８が、締
め付けるべきボルト１０の頭部１２に係合させられ、か
つマイクロコンピュータ３４からの起動信号に基づいて
起動モータ２０が起動し、回転軸１６を介してボルト１
０を回転駆動し始める。その回転駆動開始から一部短時
間ｔ工を経過した時点から実質的な締付力が作用し始め
るが、それ以前に（例えばボルト１０の回転駆動開始と
同時に）、ステップＳ５において超音波送受信装置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からボルト１００頭部端面２２に超音波が間欠的
に発信されて、その発信された超音波が軸部端面３０で
反射して頭部端面２２へ再び戻るまでの伝播時間Ｔが、
マイクロコンピュータ３４によって逐次演算される。

この伝播時間Ｔは締付けの進行に伴って増大していくが
、ステップＳ６において、締付途上における伝播時間Ｔ
が前記安全値Ｔｘより大きいか否かが判断される。第２
図のグラフから明らかなように、この安全値Ｔｘは初期
伝播時間Ｔ０より短い値に設定されているため、ボルト
１０に破断が生じない状態で締付けが進行すれば、実際
の伝播時間Ｔは當に安全値Ｔｘより長い値を示すから、
プログラムはステ、ブＳ７に移る。このステップＳ７に
おいて、締付途上の伝播時間Ｔが目標とする軸力の（８
られる目標値Ｔｍに達しているかどうかが判断され、達
していないと判断された場合にはステップＳ５以降が再
度実行されるが、達していると判断された場合には、ス
テップＳ８においてマイクロコンピュータ３４から駆動
モータ２０に停止信号が出力され、ボルト１０の締付け
が停止される。それによって、締め付けた状態でボルト
１０の軸部１４に予め定められた軸力Ｑｍが得られるよ
うにするのである。なお、ステップＳ６やＳ７における
比較・判定は超音波送受信装置２８からの情報に基づい
てマイクロコンピュータ３４か行なう。

一方、ステップＳ６において、実際の伝播時間゛Ｆが」
二記安全値Ｔｘより小さいと判断された場合には、プロ
グラムはステップＳ９に移行する。このステップＳ９で
は、前記レジスタｅの内容が設定値ｎより大きいかどう
かが判断されるのであるが、初めてステップＳ９が実行
される時には、レジスタｅの内容は０であり、また設定
値ｎば前述のように１０〜３０程度に設定されているた
め、プログラムはステップＳＩＯに移る。このステップ
ＳＩＯで、元のレジスタｅの内容に１を加算した６＋１
が新たにｅとして置き換えられ、その後再びステップＳ
５およびＳ６が実行される。その時点で実際の伝播時間
Ｔが安全値Ｔ×より大きいと判断されれば、ここでステ
ップＳ７に移行するが、小さいと判断されれば再びステ
ップＳ９および５ｌ（ｌが実行されてステップＳ６に戻
る。

このようにステップＳ６からステップＳ９．Ｓ１０およ
びＳ５を一巡する毎に、ｅの値が一つずつ増えていくが
、このｅが設定値ｎを超えない以前の段階で、ステップ
Ｓ６において伝播時間Ｔが安全値Ｔ×以上であると判断
されれば、ステップＳ７に移行する。すなわち、ステッ
プＳ６で瞬間的に実際の伝播時間Ｔが安全値Ｔ×を下回
ったと判断されても、その下回った回数が０回以上とな
らなければ、その下回ったことが伝播時間Ｔの測定に伴
うノイズやばらつき（振れ）等に原因するものと推定し
、ホルＩ・１０が正常な状態で締め付けられていると判
断して、伝播時間Ｔが目標値Ｔｍに律したとき締付りが
停止されるのである。従って、伝播時間Ｔの測定上のノ
イズやばらつき等に伴う誤った判断を防止して、破断検
出の信頼性を高めることができる。

ところが、例えば第３図に示すように、締付けの途上に
おいてボルト１０に破断が生じた場合には、頭部端面２
２から発信される超音波が破断箇所Ｓにおいて反射する
ようになるため、実際の伝播時間Ｔが安全値Ｔｘを継続
して下回る状態となり、従ってステップＳ９においてｅ
がｎ以上となったとき、ステップＳｌｌでマイクロコン
ピュータ３４から駆動モータ２０に停止信号が出力され
、ボルト１０に対する回転駆動が停止される。そのため
、破断が生じたボルト１０が回転駆動され続りることか
そこでストップされ、安全性が高められるのである。

なお、以上説明した実施例では破断検出の信頼性を高め
るために設定値ｎを予め定め、実際の伝播時間Ｔが安全
値Ｔｘをｎ回下回ったとき初めて破断が生じているもの
と判断するようにしていたが、ｎ＝Ｑとして前述のステ
ップＳ６からステップＳｌｌへ直ちに移行するようにし
てもよい。

また、ボルトの締付停止時期を、超音波伝播時間の変化
量（Ｔ−Ｔｏ−八Ｔ）をパラメータとして、この伝播時
間変化量とボルト軸力との関係に基づいて決定するよう
にしてもよい。

さらに、前記安全値Ｔ×を初期伝播時間Ｔ。に等しいか
、あるいはそれより僅かに小さい程度の値に定めること
もできる。

また、超音波計測を行なうについて、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。

さらに、本発明に係るボルト締イ」方法は、ボルトにナ
ツトが螺合された状態で締付けを行なう場合に限らず、
ボルトが締付対象物のねし穴にねし込まれた状態で締付
けられる場合にも、同様に適用することができ、その他
にも、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、本発明方法を実施するのに好適なボルト締付
装置を簡略に示ず全体図であり、第２図は、従来のボル
ト締付方法において、ボルトが正常な場合で締め付けら
れる場合と破断が生した場合とのそれぞれの超音波伝播
時間の変化特性を併せ示すグラフである。第３図は、締
付途上においてボルトに破断が生じた状態を簡略に示す
説明図であり、第４図は、本発明方法の具体的なプログ
ラムの流れを示すフローチャートである。 ｌＯ：ボルト　１２：頭部 １４：軸部　１６二回転軸 ２０：駆動モーク　２６：超音波振動子２８：超音波送
受信装置　３２：設定器３４：マイクロコンピュータ 出願人　トヨタ自動車株式会社 第２図 第３図 ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 締付状態におけるボルトの軸部に予め定められた軸力を
   生じさせるべく、そのボルトの軸力と該ボルト軸方向に
   おける超音波伝播時間との関係に基づいて、その超音波
   伝播時間が予め定められた設定値に達したとき該ボルト
   の締付けを停止する定軸力ボルト締付方法において、 前記ボルトの締付途上における実際の超音波伝播時間が
   締付は前における超音波伝播時間より短くなったときに
   は、当該ボルトに破断が生じたものとしてボルトの締付
   けを停止するようにしたことを特徴とする定軸力ボルト
   締付方法。