JPS6055271B2 - トルク・回転角法によるボルト締付方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ボルトの弾性域に入つたことを締付トルク
に基づいて判別した後、予め定めた設定回転角だけ締付
けて締付けを終了させるトルク・回転角法によるボルト
締付法に関するものである。

ボルト締付方法の１つとして、トルク・回転角法がある
。

これはボルトの弾性域の初期締付トルクによつて検出し
、その後はボルトに所定軸力を発生させる伸びに対応す
るよう予め記憶した設定回転角だけ締付けて電動機を停
止させるものである。しかしこの方法による従来のボル
ト締付装置では、信号処理をアナログ回路で行つていた
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つた。この結果
ボルト・ナットを精度良く目標とする軸力を発生させる
よう締付けることができないという不都合があつた。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を発生させるようにボルト●ナット
を締付けることを可能にするトルク・回転角によるボル
ト締付方法を提供することを目的とする。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および締付
回転角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締付トルク弾性域初期の設定トルク値を越え
たことを判別するトルク判別ステップ、ｂ前記トルク判
別ステップの条件成立時点を起点として回転角を積算す
る回転角積算ステップ、ｃ前記回転角積算ステップで積
算した回転角が予め記憶した設定回転角を越えたことを
判別して締付停止信号を出力す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。

またこの発明は、この同一目的を達成するため、前記構
成のうちトルク判別ステップを、締付トルクの増加率に
基づいて弾性域に入つたことを判別するように、構成の
一部を変更したものである。

以下実施例に基ずいてこの発明の詳細な説明する。

第１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２図はその動作を示すフローチャート
、第３図は締付特性図である。

第１図において符号１は交流電源であり、この電源１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・ナットの締付回転角度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を備え、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ＡＤ変換器である。

８はデジタル演算装置てあり、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ｌ八１０は入出力装置て
あつて弾性域に入つたことを判別するための設定値や、
目標軸力を発生させるボルトの伸びに対応する設定回転
角、その他種々の設定値を入力するためのものである。

また１１は位相制御回路、１２はゲートパルス発生回路
てある。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つ・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てある。

次に第２，３図に基づきこの実施例の動作を説明する。

第３図は回転角０に対する締付トルクＴの関係を示し、
この図中Ａ点が弾性域の始めを、またＢ点が締付終了を
示す。先づ入出力装置１０により、Ａ点に対応する設定
トルク値ＴａｌこのＡ点からＢ点までの回転角０ｓ＝θ
ｂ−０８等の種々の値が入力される。なお締付トルクＴ
の回転ｊ角０に対する変化は、ナットと被締結体との接
合面の摩擦抵抗により変化するが、弾性域に入る前にお
いては接触圧が小さいためこの摩擦抵抗の差が締付トル
クＴに与える変化は少ない。このため弾性域に入つた直
後で急激に増大し始めるトルクを設定トルクＴａとすれ
ば、ほぼ弾性域の始点を検出できる。また弾性域では回
転角θ５はボルトの種類により決まるもので、ボルトの
軸力がボルトの伸びに比例し、この伸びが回転角θに比
例することから、目標とする軸力に対応して決定される
。一般に回転角法は降状点を越えて軸力最大点付近を目
標として決められ、この軸力最大点付近では回転角の変
化に対する軸力の変化量が小さくなるので、この締付法
では始点が若干違つても弾性域から回転角θを積算し始
めれば、軸力としてはほとんど変化がない。

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
号に基づきメモリ９からプログラムを順次読み込み、第
２図に示す一連の実行を開始する。

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回転角Δθ毎に角度パルスｐ（Δ
Ｏ）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は人出の装置１０により設定された設定トルク値Ｔ
ａ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（トルク判別
ステップ１００）、締付トルクＴが設定トルク値Ｔａ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が設定時間ち以上になる
と、そのことがステップ１０２で判別され、ボルトがナ
ットと共回りしているものとして警報を発し（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Ｉｌｌｌｔ２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ットがロックしているもの
として警報を発し（ステップ１０４）、締付けを停止す
る。すなわちステップ１０２，１０４，１０６は締付ト
ルクＴが設定トルク値Ｔａになるまでの所要時間ｔがＴ
２〈ｔ＜ｔ１の範囲外になつ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つている。演算装置
８は締付角検出器５が出力する角度パルスＰ（Δθ）に
基づき、回転角θ＝ΣΔθを算出する。

演算装置８は前記ステップ１００の条件成立時における
回転角θを、第３図におけるＡ点の回転角０ａとして記
憶し（ステップ１０８）、このＡ点を起点として回転角
００を順次算出して一時記憶する（回転角算出ステップ
１１０）。すなわちこの回転角０ｘは０ｘ＝Ｏ−０ａと
して算出される。演算装置８は次にこの回転角００と予
め入力された設定回転角θ８とを比較し、θ、くθ５の
間は再度ステップ１１０で新たな回転角θを用いて回転
角θ９を算出し、θ、く０ｓとなる締付停止信号Ｓを出
力する（停止判別ステップ１１２）。この実施例では異
常検出用のステップ１０２，１０４，１０６をトルク判
別ステップに設けたが、同様の異常検出ステップを他の
ステップ、例えば停止判別ステップ１１２に設けてもよ
く、またこれら各ステップ１００，１１２のいずれかに
設けてもよい。

またこの実施例では読込んだトルクＴ１回転角０ｘを直
接各設定値Ｔａ，Ｏｓと比較しているが、実際には摩擦
抵抗の相違などにより回転速度が異なるため、その貫性
による影響を補正すれば、一層正確な制御が可能になる
。第４図はこのような慣性補正を行つた実施例のフロー
チャートである。

先づこの慣性補正の原理を説明する。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、Ｏはボルト
の締付開始後の締付角、ＥはポルＩ〜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、この時には
が成立する。

この（２）式をｔ＝ｏでθ＝θ。，ＤＯ／Ｄｔ＝ωｏと
いう初期条件の下で解けばとなる。ここにβ＝Ｅ／Ｊ，
φ＝Ｔａｎ−１（θ０β／１ωｏ）である。この（３）
式より電源遮断後の締付角θの最大値θ．はとなる。

この（４）式から明らかなように、電源遮断直前の回転
角θ。

および角速度ω。が既知であれば、慣性による増締量を
考慮した最終回転角θ。を予測できる。第４図において
ステップ２００ではこの回転角θ。を記憶すると共に、
角度パルスＰ（Δθ）間に積算されるクロックパルス数
Ｎの逆数から角速度ω。を算出して記憶する。そしてス
テップ２０２において前記（４）式の演算を行ない最終
回転角θ８を算出する。この図において前記第２図と同
一ステップには同一符号を付したから、その説明は繰り
返えさない。以上第１〜４図の実施例では、トルクＴが
設定トルク値Ｔａを越えたことから（トルク判別ステッ
プ１００）Ａ点を検出しているが、このＡ点はトルクＴ
の増加率ΔＴに基づいて判別するように構成してもよい
。

例えばにの増加率ΔＴが予め記憶された設定値以上にな
つたことからＡ点を判別したり、この増加率ΔＴの変化
率、すなわち（ΔＴ。一ΔＴｎ−１）が予め記憶した設
定値以上になつたことからＡ点を判別するように構成す
れば、摩擦抵抗の差による誤差を排除でき、常に正確に
弾性域の初期を判別できる。第５図は後者の場合の実施
例を示すフローチャートであり、演算装置８は連続する
角度パルスＰ（ΔＯ）により読込された各トルクＴｎ，
Ｔｎ−１の差ΔＴｎ９を算出して一時記憶し（ステップ
３００）、連続するこの差ΔＴｎ，ΔＴｎ−１の差、す
なわち増加率ΔＴの変化率ΔＴｎ−ΔＴＯ−１を算出し
て設定値αと比較する（トルク判別ステップ３０２）。

そしてこの変化率がα以上になることからＡ点を判別す
る。以上の各実施例は第１図に示すように締付トルクＴ
をストレインゲージで求めた後鳩変換し、また回転０を
角度パルスＰ（Δθ）を積算することによりそれぞれ求
めたものであるが、これらトルクＴ１回転角θは種々の
方法で求めることが可能であり、以下この種々の方法を
説明する。第６図と第７図はその一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Δ０毎に出力する角度パルスＰ（Δθ
）により求めるよう構成たものである。第６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、２
２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１。

に変換する鳩変換器、２４はこのデジタル信号１Ｄによ
り任意の回転角θ。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１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い。次にこの実施
例の動作を第７図に基づき説明する。

スイッチ２の閉成により、演算装置８は位相制御回路１
１．ゲートパルス回路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。鳩変換器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
短かい周期て量子化してデジタル信号１Ｄを交流電源１
の半周期または１周期に亘り績分することにより電流の
実効値１Ｍ＝ΣＩＤを算出する一方、角度パルスＰ（Δ
θ）の時間間隔内に積算されるクロックパルス数Ｎの逆
数１／Ｎから角速度ωを算出し、さらに角度パルス（Δ
θ）毎に所定回転角Δθを加算することにより回転角０
を算出する（ステップ４００）。またこの第２の演算装
置２４は、また連続する２つの角度パルスＰ（ΔＯ）が
出力される回転角θ。−１，θ１における角速度の差か
ら、角加速度ｄω／Ｄｔを算出する（ステップ４０２）
。一方直流電動機てはその出力トルクＴはとなる。

ここにΦは磁束、ｋは定数である。しかし電動締付機と
して実際に締付けに寄与するトルクＴは、速度変動時の
慣性による影響（Ｊｄ６ｌ〜 亀 、 ，「ｍｌ＾１
らｌ閘＼ 上雨議バ吋警翫Ｌ式のようにる。

第２の演算装置２４はこの（５）式の演算を行つて実際
の締付トルクＴを算出し（ステップ４０４）、前記回転
角θ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および回転角θを角度パルスＰ（Δ０）に基づい
て読込み、前記第２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７図の後半の動作は前記第２図と全く同一
であるから、同一ステップに同一符号に付しその説明は
繰り返えさない。第８図と第９図は他の実施例のブロッ
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、回転
角θは電動機電流および電流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８図において３０は電動機電圧をデジタル信号■
。に変換する仙変換器、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てい
るメモリである。この図においては、前記第１，６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Ａ
Ｄ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１Ｄ１■Ｄに変換さ
れる。

第２の演算装置３２はこれらデジタル信号１Ｄ，■。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１Ｍ＝ΣＩＤｌおよびＶＭ＝ΣＶＤを
算出する（第９図のステップ５００）。一般に直巻整流
子電動機の速度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は一般には電流Ｌ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、前記油変換器２２，３０が出力する電
流１Ｍおよび電圧■Ｍを順次読込んで（６）式の演算を
行ない角速度ωを算出する一方（ステップ５０２）．前
記（５）式の演算に行つて実際に締付けに寄与する締付
トルクＴを算出する（ステップ５０４）。

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ω。

を所定の時間間隔で順次読込み、 θ＝ωＮｔに関
係から締付角θを算出する一方（ステップ５０６）、所
定締付角Δθ毎にその時の締付トルクＴ。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。以上の第
１〜９図で角速度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１０図はこのように角速度ωを一定にした
一実施例のフローチャートである。この実施例では電動
機電圧を鳩変換器でデジタル信号Ｖ。とした後、これを
交流電源の半周期または１周期に亘つて積分することに
より電圧の実効値ＶＭを求め（ステップ６００）、前記
（６）式の速度性式により電動機電流１Ｍを演算し（ス
テップ６０２）、さらにこれら電圧■Ｍ、電流１Ｍを用
いて前記（５）式により締付トルクＴを算出する（ステ
ップ６０４）、以下角速度ωを定数として前記第１〜９
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
。前記第６〜１０図ではトルク判別ステップ１００で第
２，４図に示す設定トルク値Ｔａを用いているが、締付
トルクＴの変化率ΔＴに基づいて判別してもよい。

また第４図の実施例のように最終回転角θ。を予測する
ステップを付加してもよいことは、勿論である。さらに
第６〜１０図の実施例て電動機電流から締付トルクＴを
求める場合に、ステップ４０４，５０４，６０４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。

以上のように本願の第１の発明においては、弾性域の初
期を締付トルクに基づいて検出し、その後目標とする軸
力を発生させるに必要な設定回転角たけ締付けを停止す
るように構成したので、常に正確な軸力で締付けること
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
発生せす、締付精度が著しく向上する。またトルク判別
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
て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、異常の種類により異なる警告を出すように
することもプログラムによつて容易であるから異常の種
類を容易に確認できるように構成するのも簡単である。

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。また本願の第２の発明は、弾性
域の初期を締付トルクの増加率に基づいて検出し、その
後目標とする軸力を発生させるのに必要な設定回転角だ
け締付けて締付けを停止するように構成したものである
から、摩擦抵抗の差による誤差を排除することができ、
一層正確な締付けが可能になると共に、前記第１の発明
と同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図はその
フローチャート、第３図は締付特性図、第４図、第５図
は他の実施例のフローチャート、第６図と第７図、およ
び第８図と第９図はそれぞれ他の実施例のブロック図お
よびフローチャート、また第１０図はさらに他の実施例
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，
３０２・・・トルク判別ステップ、１０８・・・回転角
積算ステップ、１１２・・・停止判別ステップ、Ｔ・・
・締付トルク、θ・・・回転角。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電動機の締付トルクおよび締付回転角をデジタル信
   号として検出し、デジタル演算装置によつて次の各ステ
   ップの演算を順次行なうことを特徴とするトルク、回転
   角によるボルト締付方法：ａ 締付トルクが弾性域初期
   の設定トルク値を越えたことを判別するトルク判別ステ
   ップ、ｂ 前記トルク判別ステップの条件成立時点を起
   点として回転角を積算する回転角積算ステップ、ｃ 前
   記回転角積算ステップで積算した回転角が予め記憶した
   設定回転角を越えたことを判別して締付停止信号を出力
   するステップ。 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ＡＤ変換器でデジタル信号に変換する
   ことにより求め、回転角は回転角検出器が所定回転角毎
   に出力する角度パルスを積算することにより求める特許
   請求の範囲第１項記載のトルク・回転角法によるボルト
   締付方法。 ３ 締付トルクは電動機電流を用い電動機のトルク特性
   式に基づいて算出する特許請求の範囲第１項記載のトル
   ク・回転角法によるボルト締付方法。 ４ 角速度を電動機電流と電動機電圧とを用いて電動機
   の速度特性式から算出し、締付トルクをこの角速度と電
   動機電流を用いてトルク特性式に基づき算出する一方、
   回転角を前記角速度と時間とを積算することにより求め
   る特許請求の範囲第１項記載のトルク・回転角法による
   ボルト締付方法。 ５ 電動機は角速度が一定となるように位相制御され、
   締付トルクは電動機電圧と、この電動機電圧と速度特性
   式から算出した電動機電流とを用いてトルク特性式から
   算出し、回転角は前記角速度と時間とを積算することに
   より求める特許請求の範囲第１項記載のトルク・回転角
   法によるボルト締付方法。 ６ 電動機の締付トルクおよび締付回転角をデジタル信
   号として検出し、デジタル演算装置によつて次の各ステ
   ップの演算を順次行なうことを特徴とするトルク・回転
   角法によるボルト締付方法：ａ 締付トルクの増加率に
   基づいて弾性域に入つたことを判別するトルク判別ステ
   ップ、ｂ 前記トルク判別ステップの条件成立時点を起
   点として回転角を積算する回転角積算ステップ、ｃ 前
   記回転角積算ステップで積算した回転角が予め記憶した
   設定回転角を越えたことを判別して締付停止信号を出力
   する停止判別ステップ。 ７ トルク判別ステップでは、締付トルクの増加率が予
   め記憶された設定値以上になつたことを判別する特許請
   求の範囲第６項記載のトルク・回転角法によるボルト締
   付方法。 ８ トルク判別ステップでは、締付トルクの増加率の変
   化率が予め記憶された設定値以上になつたことを判別す
   る特許請求の範囲第６項記載のトルク・回転角法による
   ボルト締付方法。