JPS6213147B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明はねじ等を一定トルクにてねじ込むため
の電動締結方法に関する。

（従来技術とその問題点） たとえば自動車や内燃機関等の組立工程におい
てはねじ（ボルト）を工作物にねじ込み締付ける
作業は頻度が高く大きな労力を必要とするので、
圧縮空気や電動力を利用した自動締結工具が使用
されることが多い。モータを動力とした工具は空
気工具に比べて一般に重いが、取扱いが容易で騒
音も小さいため実用されることが多い。従来の電
動工具ではボルトの頭部を工具の先端につけた回
転軸の凹部（ソケツトという）に入れモータの回
転（たとえば5000rpm）に伴つて減速ギヤーを経
てたとえば5000rpmで回転する回転軸によつてボ
ルトを工作物に急速にねじ込んでいる。そこで、
ねじ込みがほぼ終了しモータの負荷が急増し始め
ると、モータと回転軸との間の機械的クラツチが
外れて回転軸は低速（たとえば5rpm）に切換え
られ、また工具内蔵のトルク検知器が回転軸に加
わるトルクを検知し、一定値に達した場合にモー
タを停止させるという方法でボルトを一定トルク
で工作物に締付けている。このため締付トルクの
均一性は得られるが、工具に内蔵したクラツチや
トルクを機械的に検知しクラツチを外す装置など
の重量がモータに加わるため、工具がさらに重く
なり取扱いに不便となる欠点を有している。

（発明の目的） 本発明は、上記の如き従来技術の欠点を除去し
小型軽量で取扱い容易であり、しかも安定した締
付トルクで締結作業を実行し得る電動締結方法を
提供するものである。

（発明の構成と作用） 以下実施例によつて本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明を実施するための締結用工具の構
造例外観図ａとその回転軸正面図ｂである。この
図において、１は駆動モータ（入力はたとえば
0.9〜数KVA）、２は回転軸の先端部で４角形と
なつておりボルトにはめ合うソケツトを挿入固定
できるように形成してある。この先端部はある範
囲のストロークで本体ケース３内に出入できるよ
うになつている。また、４には減速歯車部、５に
は回転軸に加わるトルクを検出するトルク検出部
をそれぞれ内蔵してある。なお、第１図には締結
用工具１基のみ示してあるが、実際には複数基
（たとえば20基まで）の工具を並列に並べて工具
とは別に設けたコントロール盤（図示省略）から
工具の動作や締付トルクなどの設定と制御を行う
ようにしたものである。また６はトルク検知器及
びモータとコントロール盤との接続線のコネクタ
である。

次に、本発明の基本となる動作を説明する。上
記のように第１図の工具では従来使用されていた
クラツチを用いないのでモータと回転軸の間の可
動部は減速歯車だけである。このため工具の小形
化および軽量化が実現されると共に耐久度が増し
保守が簡素化されるという著しい利点が得られる
が、他方においてクラツチが行つている制御を電
気的回路による駆動モータ１の速度制御に置換え
るため種々な回路を用いることが必要である。

第２図は、第１図の工具の使用時のトルクのタ
イムチヤートで、ボルトのねじ込み締付を２段階
の動作で行わせることが特徴である。工具の回転
軸に与えるトルクは図のようにｂ〜ｅおよびαの
５値が設定されｄが締結終了の標準トルク値であ
る、なお、実際問題として締付けるべきボルトは
工作物のタツプ穴（またはナツト）に予め軽くね
じ込んであつて、それを第１段の動作で中間の一
定トルク値までの締付けを行い、第２段の動作で
規定値のトルクまで締付けるのである。

さて、第２図に示す５つのトルク値ａ，ｂ，
ｃ，ｄ，ｅをコントロール盤のポテンシオメータ
で設定しておきモータを始動させる。このとき、
回転軸は無負荷で高速回転し（たとえば
300rpm）トルクは低いトルク値ａであるが、ボ
ルトが締結材に着座すると、回転は低下するがト
ルクは急激に上昇する。このトルクは５に設けた
トルク検知器で検知され、その検知トルクが切替
トルクまたは第１段トルク設定値ｂに達すると、
駆動モータ１に逆電流を与えて回転を急速に停止
させる制御をする。しかしこの逆電流はトルク検
知器の出力に得られる検知トルク値が第１段トル
ク設定値ｂより低い第１段ブレーキ設定値ｃに達
すると切断される。このようにして、駆動モータ
が停止またはこれに近い状態になつたとき直ちに
第２段の始動となるが、工具を多軸形で使用する
ときはすべての軸が第１段階を終了したことを確
認してから第２段階の動作に入り、単軸の場合は
第１段階終了と同時に第２段階に進む。第２段階
に入ると、設定したトルク増大角度αの傾斜特性
曲線すなわち所定のトルク増加特性に沿つて上昇
するようにトルク検知器の出力で帰還をかけなが
ら検知トルク値が標準締付トルクｄに達するまで
モータの回転数および出力を制御する。検知トル
ク値がｄに達したことが検出できれば、駆動モー
タ１に逆電流を与えて急速に停止させる制御をす
る。この逆電流は検知トルク値が第２段ブレーキ
設定値ｅに達すると切断される。なお、トルクの
検出方法は、第１図に示す締結工具における５の
部分の内筒部外周に貼りつけてある歪ゲージのト
ルクに比例する電気信号を増幅回路にて増幅する
公知の方法を用いることができる。また、電動機
の制動方法は、界磁が永久磁石を使用する電動機
の場合には、回転子に逆電流を与え、界磁が巻線
形の電動機を使用する場合には、界磁もしくは回
転子のいずれか一方に逆電流を与える事に依つて
達成することができる。

次に、上記のトルク制御を行わせる回路の構成
および動作について説明するが、その前に上記の
２段階コントロールの利点を示すと、（１）トル
ク値の２段階制御法は着座による損傷を防ぎ、着
座後急激にトルクが上昇するような場合でも確実
に過大トルクをボルトに与えることを防ぐ。
（２）電動機に逆電流を与えて急速停止させる制
御をし、検出トルク値が所定の値より下降した時
点で逆電流を切断する為、ボルトからソケツト２
を円滑に離脱させる事が保証され、過大な時間逆
電流を供給する事に依る逆転作用でボルトのゆる
みが発生することを防止する。（３）第２段に於
いて予め定められた時間軸に対する検出トルク値
の増加特性に沿つて実際の締付トルクが増加する
ように電動機の速度制御を行う為、過大な速度に
依るボルトの過大トルク締付を防止する。

なお第１図の工具によるボルト締付に要する時
間の一実測値を示すと着座まで回転軸の回転数は
１０で着座後α＝45゜の場合約25秒であつた。

第３図〜第５図はトルク検知器の出力によるモ
ータの出力制御盤の主要部の回路構成図および動
作説明図である。これらの図において、ICは演
算増幅器を表わしている。まず、第３図は第２段
階における予め定めたトルク増加特性をαの傾斜
とするための設定回路である。この図において、
IC₁の入力には標準トルクｄに対する設定電圧を
加えておく、トランジスタT₁は前記のようにボ
ルトが着座し第２段階に入るとそれまでオン状態
にあつたものがオフとなるように構成（工具の回
転軸にかかるトルクを検知する検知回路の出力電
圧をたとえば比較回路等を用いて設定トルクに対
応する電圧と比較して等しくなつたときこれを検
出することによつて容易に構成できる）しておけ
ば、トランジスタT₁がオフの場合にはR₁C₁の時
定数によつてコンデンサC₁が充電され、その充
電電圧はIC₂で増幅され、その出力E₁は第４図の
E₁特性のように変化する。なお、この特性は第
２段階における傾斜αの予め定めたトルク増加特
性を形成させようとするものである。他方検知器
による検知トルク値Ｅ_TはIC₃によつて符号が反転
されその出力E₂とIC₂の出力E₁とは抵抗R₂とR₃に
よつて減算されたものがIC₄によつて増幅され
る。IC₄の出力が正（E₁＞Ｅ_Tの場合）ならば、
次段IC₆の入力電圧E₃はダイオードD₁およびD₂に
よつてIC₄の出力の影響を受けないが、IC₄の出力
が負（E₁＜Ｅ_Tの場合）ならば、E₃はその大きさ
に比例して低下する。すなわち、第４図に示すよ
うに、E₁の値よりＥ_Tが大きくなるとE₃を−△Ｅ
だけ下げて結果的にＥ_TをE₁に近づけるようにす
る。E₃を増幅器IC₆によつて増幅した電圧E₄は、
モータの出力（トルク）を次のように制御するか
らである。

第５図は制御電圧E₄によつてモータの速度を
制御する回路の構成例図で、第６図は各部の波形
図である。第５図において、Ｔ_rpは商用電源変圧
器で、その２次側巻線一部出力を全波整流して同
期用電圧E₅を作る。E₅の波形は第６図に示して
ある。このE₅から回路のR₄，C₂の時定数によつ
てIC₅の出力電圧E₆を第６図のようにのこぎり波
に変形する。E₆に上記のE₄を加算した電圧は電
圧フオロアIC₇とトランジスタT₂を経てT₃（ユニ
ジヤンクシヨントランジスタ）とトランジスタ
T₄で形成した発振回路の電源と同期したトリガ
電圧として使用され、その出力電圧E₇は第６図
に示すように位相角α_０の間だけ発生する発振電
圧となるが、この位相角α_０は電圧E₄に比例す
ることは明らかである。さてE₇は変圧器Ｔ_r1を介
してサイリスタS₁およびS₂のトリガにその整流電
圧が加えられるから、工具のモータＭにサイリス
タから供給される電圧E₈の波形はE₄と同等な位
相の波形となりモータＭの出力はα_０に比例して
上昇する。E₄はE₁に比例するからα_０はαに比
例しα_０≒αと考えてもよい。

上記第３図および第５図の回路の動作をまとめ
れば、最初に第２図の第２段の予め定めたトルク
増加特性に近い理想的な波形E₁を作り、このE₁
特性に沿つてそのトルク値が上昇するようにモー
タＭを制御することであり、これは上記のように
実現できる。α_０が180゜で全波整流が行われれ
ば、モータＭは設定トルク値ｄ以上の出力を出す
ことができることが必要である。ボルトが着座後
は１般に小さい回転角度で設定値に達するから、
締付速度が早いと過剰トルクで締付け易くなる。
これを防止するために、締付トルクが設定値に近
づくに従つて締付速度も小さくなる方が望まし
い。第４図のE₁の増加特性をR₁C₁時定数回路の
充電特性の上限近くに標準締付トルクｄの該当値
（設定値）がくるようなものとすれば、設定値近
くになるに従つて、トルク上昇率が少なくなる基
準曲線になる。しかも、この基準曲線以上のトル
クが発生生ればトルク検知値Ｅ_T自身で負帰還を
かけたことになり、前記のようにトルク上昇特性
をE₁特性に近付けることができる。

上記のように、本発明ではすべての制御をトル
ク値の帰還によつて行つているが、結果として電
動工具のモータの回転数（速度）を制御している
ことになる。第７図は第２図のトルク特性をモー
タの速度特性に書換えたもので、トルク特性の第
２段のｄ設定値近くになると、回転数を極めて低
いものにして正確に標準トルク値ｄで停止させる
ことができる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は従来問題
があつた機械的クラツチを削除しているため駆動
装置が小形軽量となるばかりでなく、前記２階段
コントロールによる利点が得られる。また、ボル
ト着座後の低速回転数を電気的に任意に調整でき
るので締付時間も空気工具に匹敵する短時間とす
ることができ、また可逆回転とすることも可能で
特に工具の多基連動使用に適し、その実用上の効
果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは本発明実施装置の工具部分の外
観図とその回転軸正面図、第２図は第１図に示す
工具の使用時のトルクのタイムチヤート、第３図
および第５図は本発明実施装置の制御部の回路構
成例図、第４図は第３図及び第５図の回路におけ
るモータのトルク変化特性図、第６図は第５図の
各部波形図、第７図は第４図のトルク特性をモー
タの速度特性に変換させた場合の特性図である。 １……モータ、２……ソケツト、３……回転
軸、４……減速部、５……トルク検知部、６……
コネクタ、Ｍ……モータ、S₁，S₂……サイリス
タ、IC₁〜IC₇演算増幅器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電動締結工具により被締結体を締結する電動
   締結方法において、前記被締結体に加わるトルク
   を前記電動締結工具に内蔵するトルク検知手段に
   より検知した検知トルク値が標準設定値より低い
   第１の設定値に達したとき前記電動締結工具を駆
   動する駆動電動機に逆電流を供給して急速停止さ
   せる制御を行うとともに前記検知トルク値が前記
   第１の設定値より低い第２の設定値より下降した
   とき前記逆電流の供給を停止し、その後再び前記
   電動機を起動し、前記検知トルク値が所定のトル
   ク増加特性に沿つて上昇するように前記駆動電動
   機を制御し、前記検知トルク値が標準設定値に達
   した時前記駆動電動機に再び逆電流を与えて急速
   停止させる制御を行うとともに、該検知トルク値
   が前記標準設定値より低い第３の設定値より下降
   した時該逆電流の供給を停止させるようにする２
   段階制御を行うことを特徴とする電動締結方法。