JPS6325098Y2

JPS6325098Y2 -

Info

Publication number: JPS6325098Y2
Application number: JP1985031465U
Authority: JP
Priority date: 1985-03-05
Filing date: 1985-03-05
Publication date: 1988-07-08
Also published as: JPS60167675U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は１個のフアスナーに加えられるトルク
を制御してフアスナー又は同時に操作される一群
の同種のフアスナーの各々に所定の最終引張荷重
を実現し、一群の全部のフアスナーに最終的な引
張荷重が生ずるまで一群のフアスナーの各々に対
するトルク及び効率を絶えずモニターして最終引
張荷重を維持する装置に関する。

フアスナーの締付け技術においては、新しい改
良された装置が常に開発され利用されている。現
在用いられている多くの装置は、トルクを制御し
て、所望の最終的なフアスナー張力を実現するよ
うにしている。複数のフアスナーを含む組立て操
作においては、トルク制御モニターにより組立て
をチエツクし、操作される全部のフアスナーがト
ルク負荷終了前に所定の最終張力値となるように
している。しかし、組立て操作において１個のフ
アスナーに加えられる張力の値は、組立体の荷重
及び摩擦のような或る種の変数に依存する。

しかし、どのようなフアスナーについても、フ
アスナーの伸び、フアスナーの張力すなわち荷
重、及びねじ付共働要素とフアスナーの回動との
間には、一定の関係があり、この関係は摩擦によ
つては影響されない。既知のフアスナー締付け装
置のあるものはこの関係を利用してフアスナー張
力を制御しようとしているが、この関係を適用す
るために用いる手段は、摩擦による影響を受け
る。

既知の締付け装置における摩擦に起因した問題
点は次の通りである。

(イ) 既知の装置は、全ての回動がフアスナーを伸
長させることにより吸収されるサイクル部分に
ついてトルク・角度曲線が直線であると想定す
る。この直線は、締付け角度をそれから測定す
るフアスナーの零荷重点を確立するために用い
られる。摩擦による影響が一定でないと、直線
想定が不正確になり、フアスナーは正確に締付
けられない。

(ロ) 既知の装置のあるものは、トルク・角度締付
け曲線の降伏点を用いて、締付け角度をボルト
張力に相関させている。しかし、実際のトル
ク・角度曲線において得られるフアスナーの降
伏点は、フアスナーの引張荷重並びに摩擦によ
り生じた応力の結果である。

フアスナーの回動を制御て最終張力を実現させ
る装置の別の問題点は、或る張力仕様が得られる
ように正確な回転角度まで締付けられたかどうか
について、完成された組立体をチエツクする方法
がないことにある。

本考案によれば、理論的なトルク・角度曲線が
作成され、これを用いて効率係数の計算を行う。
この効率係数及びフアスナー常数により実際のト
ルクをフアスナー張力に転換することは、実際の
フアスナー降伏点をボルト張力に関連させること
よりも更に正確である。実際のトルク・角度曲線
に関して理論的な曲線を位置させることは、実際
の曲線を最終零荷重角度に投影して、所定角度に
回動させ、所望の最終トルクを得ることよりも簡
単で、しかも正確である。

本考案で開示されるように効率係数を求めて使
用すると、フアスナートルクがトルクレンチによ
り測定でき、このトルク値に効率及びフアスナー
常数を掛けると、考えているフアスナーの締付け
荷重が定められる。これにより方式自体をチエツ
クして、所望のフアスナー張力が発生されたかど
うかを定め、又はこれを後に用いて、所望レベル
の締付け荷重を達成するために必要なトルク値ま
でフアスナーを締付けることができる。

本考案は、或る組立て作業に際して適用を受け
るのが１本のフアスナーであつても、同種の複数
のフアスナーであつても、フアスナーに対する最
終引張荷重を正確に制御することができる。計算
可能な効率係数を用いて理論的なトルク・角度曲
線を設定し、これによりフアスナーの最終張力を
得るためのトルク荷重を確立する。

本考案の別の特徴は、或る締付けサイクル中の
摩擦効果を測定して、作用を受ける１個以上のフ
アスナーにおける所望張力を得るのに必要なトル
クを定めることである。

本考案の更に別の特徴は、所望の引張荷重が達
成されたかどうかチエツクでき、また或るフアス
ナーについて達成された引張荷重の値を後に定め
得ることにある。

本考案のこれらの特徴及び利点並びにその他の
特徴及び利点は、図面を参照した以下の詳細な説
明により一層明らかにされるであろう。

実際のトルク・角度曲線及び理論曲線を示す第
１図において、理論曲線は、無摩擦においてのト
ルク．角度曲線である。降伏点でのトルクtyは降
伏点でのフアスナーの引張荷重に比例する。角度
αyは無荷重から降伏までに生じたフアスナーの
伸び量に比例する。両方の値αy，tyは、フアス
ナーのどんな大きさ及び動作長さについても予め
定めることができる。理論曲線の勾配はty／αy
であり、以下にC₁と呼ばれる。この場合理論曲
線の式はｔ＝C₁・αとなる。

従つて、最終締付け部分が単にフアスナーの伸
びになる組立体の場合、理論トルク・角度曲線
は、ｔ＝C₁・αとなる。

次に設定点Ti，Tmを選定する。Tiは組立体の
各部クランプされることを確実にするに足るだけ
大きくし、Tmはこの値でフアスナーが降伏しな
いことを確実にするだけ小さくしなければならな
い。摩擦の効果は、摩擦が存在しないとしたとき
にフアスナーを締付けるのに必要な仕事の値を実
際に必要な仕事の値で割算して得た効率により測
定される。トルク．角度曲線の下方の面積は、フ
アスナートルクをTiからTmに増大させるのに必
要な仕事又はエネルギーに比例する。第３図の曲
線区分θcについて、零トルクからの実際値の曲線
の下側の面積はTi・θc＋A1である。ここで、Ti
は曲線区分θcの開始点のトルクで、Ti・θcは図
のTiより下側の面積（A′＝Ti・θc）を示し、A1
は図の斜線部分の面積（トルクの変化分に対応し
た面積（仕事量））を示す。同様に理論曲線の下
側の面積はTi・θc＋a1である。ここで、tiは曲線
区分θcの開始点のトルクで、ti・θcは図のtiより
下側の面積（A″＝ti・θc）を示し、a1は図のトル
クの変化分に対応した面積（仕事量）を示す。

従つて、効率Effは Eff＝ti・θc＋a1／Ti・θc＋A1 効率は、また理論トルクを実際のトルクで割算
した商にも等しい。従つて Eff＝ti／Ti又はTi＝ti／Eff 上式にTi＝ti／Effを代入すると Eff＝ti・θc＋a1／ti・θc／Eff＋A1 Eff（ti・θc／Eff＋A1）＝ti・θc＋a1 ti・θc＋Eff・A1＝ti・θc＋a1 Eff・A1＝a1 Eff＝a1／A1 従つてTi，Tm，ti，tmの間の面積だけが効率
を定めるために計算されればよい。第２図の曲線
は、実際の曲線の下側の面積A1（Tiより下側を除
く）が、 A1＝Δθ［T₁″＋T₂″＋T₃″ …＋１／２T₁″ ＋１／２（T₂″−T₁″）＋１／２（T₃″−T₂″）＋１／２（Tm″−T₃″）］＝Δθ［T₁″＋T₂″＋T₃″… ＋１／２T_n″］であることを示している。同様に第３図は、理論
曲線の下側の面積a1（tiより下側を除く）が a1＝（１／２）θc・tc tc＝C₁・θcとすると、但し、C₁は比例定数である。

a1＝（１／２）θc・（C₁・θc）＝（１／２）C₁・θc² であることを示している。

各々の締付けサイクルについて、それぞれの曲
線の下側の実際の面積A1と理論上の面積a1とを
定め、効率を計算する。効率が分つたら、設定点
Tiの値と効率の値とを掛算して理論トルク値tiを
求める。理論曲線の式は既知であるから、この曲
線上の一トルク点を定めると、他のどんな点につ
いてもトルクが定められる。トルクtmはtiでのト
ルクに、（勾配）×（tiとtmとの間の角度）を加え
た値に等しく、すなわちtm＝ti＋C₁・θcであり、
ここにC₁は勾配ty／αyである。

理論トルクtaとフアスナー常数との積は所望の
張力又はフアスナー荷重に等しい。フアスナー常
数とは同一の構造、すなわち比率をもつどんな１
個以上のフアスナーについても一定している、角
度回動に対する軸方向変位であり、フアスナーの
ピツチ円の半径に進み角の正接を掛けたものに等
しい。この理論トルクtaは、理論トルクtmに、
tmをこえた角度βと勾配C₁との積を加えること
によつて得られる。すなわち ta＝tm＋C₁・β 効率が一定ならば、taについて必要な実際のト
ルク値Taは、 Ta＝（ta／tm）・Tm である。

効率は変化し得るので、実際のトルクTaは理
論値taを与えないかも知れない。従つて、実際の
トルクがTaに等しければこのトルク値はフアス
ナーに保持されるが、理論トルク値ｔが、taに等
しいかどうかについてチエツクされる。等しくな
ければ、新しい効率に基づいて実際のトルクTf
の新しい値が予測され、この過程が反復される。
理論トルクｔがtaに等しいと、これを得るのに必
要な実際のトルクがフアスナーに保持される。こ
の点での効率は、理論値ｔを実際のトルクTfで
割算することにより定められ表示される。操作者
は、この荷重を得るために用いたトルク、効率及
びフアスナー常数を知つているので、今や所望張
力についてフアスナーのチエツクを行い得る。

以上はフアスナーの降伏時に生じた張力及び伸
びを測定することにより勾配C₁を予め定め得る
場合の手順である。締付けサイクルの後半部が組
立て部品のたわみとフアスナーの伸びとから成る
他の型式の組立体においては、角度回動が組立体
とフアスナーの伸びとにより吸収されるため、完
成した組立体については勾配を定めねばならな
い。これは次のようにして行う。

再び第１図を参照して、理論トルクの式はやは
りｔ＝C₁・αであるが、この場合C₁は未知であ
る。C₁を定めるには、実際のトルク・角度曲線
の降伏点での理論トルクty′の値を使用せねばな
らない。この値は摩擦により多少変化するから当
然平均値になるが、他の張力方式において荷重を
制御するために用いられる値である。無負荷から
降伏までの角度θyの値はαyとは異なる値となる
であろう。図ではθyはαyより小さいが、組立体
に生ずるたわみ量に依存して、αyより大きくな
り得る。

勾配C₁は次のように定め得る。

ty′＝tm＋C₁・β₂，ti＝Ti・Eff ここにtm＝ti＋C₁・θc，ti＝Tiａ／Ａまたは ty′＝ti＋C₁・θc＋C₁・β₂ ａ＝C₁・θC²／２ ty′＝Ti・C₁・θc²／2A ＋C₁・θc＋C₁・β₂ ti＝Ti・C₁・θc²／2A C₁＝ty′／Ti・θc²／2A＋θc＋β₂ 設定点Ti，Tmを上述したように選定する。取
付けたフアスナーを次に降伏点まで回動させて
A1・θc，β₂を得る。張力方式は上式にこれらの
値を用いてこれをC₁について解く。取付け（set
up）たフアスナーについてC₁が定められたら、
その後のフアスナーもこれに従つて回動させる。

上述の方式に基づいた構成を第４図及び第５図
の回路図に示す。第４図は取付け（set up）にお
いて、また第５図は締付けサイクルの制御におい
て、それぞれ上述の方式を適用した例を示してい
る。

第５図に示すように、空気は復旧型ナツトラン
ナー（recovery type nut runner）５（米国特
許第350717号参照）に供給される。圧力調節装置
３は、パイロツト制御される調節装置４にねじ込
み圧力を設定する。このねじ込み圧力は、Tmを
超過するトルク値までフアスナーを締付ける値で
ある。ナツトランナー５はこのトルクをフアスナ
ーに保持する。なお、図において１００はフアス
ナーとしてのボルト、１０１はそのソケツトであ
る。

角度エンコーダ６は、締付け方向においてのフ
アスナーの1゜の回動について１個のクロツクパル
スを与えるクロツク回路７を駆動する。このクロ
ツク回路は、2゜の回動又はこれ以外の角度の回動
について設定してもよい。トルク変換器８は、フ
アスナーに加えられるトルクに比例するアナログ
信号を与える。ピークトルク回路１０はそれを通
過したトルクの最後に最も高かつた値を保持す
る。このトルク値は比較器１１に送られる。トル
ク値が設定点回路１２の接定点Tiを超過するま
では比較器１１ではなにも起らず、待機状態１０
４を示す。

この回路の第１部分は、フアスナーの破断を防
止してトルクを成立させずに生ずる角度回動が制
御回路にはいらないようにするための緊急遮断に
用いるフアスナー降伏検出器として作用する。

この回路の作用は次の通りである。

クロツクパルスは１つのトルク値を比較器１１
から移動させ、これをサンプルアンドホールド回
路１３に保持する。同じクロツクパルスは、前に
サンプルアンドホールド回路１３にあつたトルク
値をサンプルアンドホールド回路１４に移動させ
ている。差動増幅器１５はこれら２つの値の差を
出し、比較器１６にこれを送出する。差の値は設
定点限界回路１７に在る設定値より小さい場合に
パルス計数器１８に移動する。連続するパルスの
差が、設定点降伏限界回路２１に在る限界値を超
過するに足りるパルスについて、限界回路１７に
在る限界値以下であれば、ナツトランナー５への
空気は遮断用弁１により遮断される。これにより
締付けサイクルは停止する。

連続するパルス内の差は、限界回路１７に在る
限界値より大きい場合に、単一パルス回路２０に
移行し、パルス回路２０はパルス計数器１８をリ
セツトする。トルクがT_n設定点回路５６に在る
設定点以下の場合にはパルスはパルス計数回路２
２に移行する。パルス計数回路２２は、トルクが
設定点回路５６に在る設定点に等しくなるまで、
限界回路１７に在る限界値より大きいパルスを累
計する。従つて、計数回路２２は、曲線に示した
角度θcであるトルク点Ti，Tmのパルス数即ち角
度の度数を累計している（第１図参照）。このパ
ルス値はＤ−Ａ変換器２３に送出され、Ｄ−Ａ変
換器２３は計数値を電圧に変換し、これをサンプ
ルアンドホールド回路２４に格納する。差動増巾
器２５は加算器３１を経て、式Ａ＝Δθ［T₁″＋T₂″＋T₃″ …＋1/2Tm″］により実際のトルク曲線の下側の面積A1を求め
る（第２図参照）。サンプルアンドホールド回路
１３からのトルク値は差動増巾器２５に送出さ
れ、差動増巾器２５はこのトルク値から設定点で
のトルク値Tiを引算する。差の値はサンプルア
ンドホールド回路２６に送出される。次のクロツ
クパルスはそれをアナログ加算器２７に移動さ
せ、ここでそれがサンプルアンドホールド回路２
８からの前のパルス値に加算される。トルクパル
スの間の差が限界回路１７に在る限界値以下であ
つた場合にサンプルアンドホールド回路２６，２
８のクロツキングを阻止するためAND論理回路
５５が設けられている。これらの値の累計はサン
プルアンドホールド回路２９に保持される。

トルクがTm設定点回路５６の設定点を超過す
ると、限界回路１７の限界値以上の次のパルス
は、単一パルス回路３２を通過する。この回路３
２はクロツクパルスを送出し、このパルスが、サ
ンプルアンドホールド回路２９の値を加算器３１
中に移動させる。それは次に設定点回路３０に加
えられる。加算器３１の出力は第２図の斜線に示
すA1の値である。

単一パルス回路３２からのクロツクパルスはサ
ンプルアンドホールド回路２４に格納されたθcの
値を掛算器３３に移行させ、そこでθcの値に設定
点回路１０６の設定点1/2・C₁が掛算される。掛
算器３４の出力はC₁・θc²／２即ち第３図の曲線
の式によるa1である。

加算器３１からの値A1と掛算器３４からの値
a1とは割算器３５に送出される。割算器３５の
出力はEffである。掛算器３６はTi設定点回路１
２の接定点TiにEffを掛算して理論トルクtiを得
る。掛算器３６からの理論トルク値は掛算器３７
からの出力C₁・θcに、加算器３８により加算さ
れる。加算器３８の出力は理論トルク値tmであ
る。この値tmは加算器３９に送出され、掛算器
４１からの値C₁・β（設定点回路１０７の出力と
サンプルアンドホールド回路４０の出力との積）
に加算される。値C₁・βはTmを通る角度に勾配
C₁を掛算した値である。Tmにおいてこの値が零
であるから（β＝０）、加算器３９の出力はなお
もtmである。tmの値は割算器４３に移行し、こ
の値で、設定点回路４２からの理論トルク値が割
算される。値taは所望締付け荷重を得るに要する
理論トルクである。

トルクがtmを超過すると、単一パルス回路３
２からのクロツクパルスは、OR論理回路５４を
通り、Tmでのフアスナーに対するトルク値を掛
算器４４にクロツキングする。割算器４３からの
出力ta／ｔに、サンプルアンドホールド回路４７
からのトルクが掛算される。これは効率が一定な
らば理論トルク値を与えるような実際のトルク
Taの値である。掛算器４４からの値Taは差動増
幅器４５に送出される。

実際のトルクがTaに等しいか又はこれを超過
すると、増巾器４５から或る電圧が与えられる。
この信号は弁２に供給され、弁２によつて、ナツ
トランナーへの圧力の増大が阻止される。そのた
めこのトルク値がフアスナーについて保持され
る。増巾器４５からの信号も単一パルス回路４６
を通過している。単一パルス回路４６は１個のク
ロツクパルスを生じ、これが比較器５１に供給さ
れる。割算器４３からの値ta／tmが設定点回路
５０の設定値C₄より大きいと、クロツクパルス
は、論理回路５７を経てサンプルアンドホールド
回路４０に、更にOR論理回路５４を経てサンプ
ルアンドホールド回路４７に移行する。サンプル
アンドホールド回路４０がクロツキングされる
と、βの値（カウタ１０２で積算され、Ｄ−Ａ変
換器１０３でアナログ信号に変換された値）が掛
算器４１に送出される。掛算器４１の出力はtm
に、加算器３９において加算される。この値で割
算器４３によりtaが割算される。サンプルアンド
ホールド回路４７のクロツクパルスはフアスナー
についての現在のトルク値をクロツキングし、こ
のトルク値は掛算器４４に送出される。割算器４
４の出力は理論トルク値taを得るように予測され
た新しいトルクである。この予測された新しいト
ルクが現在フアスナーに在るトルクより大きい
と、増巾器４５の出力は停止し、弁２は再開放さ
れ、工具に対する圧力は増大する。

理論トルクｔがtaの所望百分比に等しくなるま
でこのサイクルが反復される。この点で実際のト
ルクは、予測されたトルクに等しくなり、弁２は
閉止され、フアスナーにこのトルク値を保持す
る。単一パルス回路４６からのクロツクパルス
は、値ta／ｔが設定点回路５０の設定値より小さ
いので、比較器５１を経てサンプルアンドホール
ド回路５２に移行する。

サンプルアンドホールド回路５２のクロツクパ
ルスは、効率値を、計算器４８から表示器５３に
クロツキングする。これでサイクルが終了する。

第４図を参照して、取付け（set up）時の作用
を説明する。値“１”を仮にC₁に使用し、第１
図の曲線からの値ty′を仮にtaに使用する。実際
の組立てについて締付けサイクルを行う。回路１
３〜１９を含む降伏検出回路は降伏時に締付けサ
イクルを終了させる。値C₁は式 C₁＝ty′／｛Ti・θc²／2A＋θc＋β｝によつて定まる。トルクがTiを超過したら、回
路２５〜３１は、締付けサイクルについて上述し
たように、実際値のトルク曲線の下側の面積A1
（Tiより下の部分を除く）を計する。トルクが
Tm設定点回路の設定値を超過したら回路３２は
単一クロツクパルスを送出する。このパルスはサ
ンプルアンドホールド回路２４から掛算器３３に
値θcをクロツキングする。ここで、C₁は“１”
であるから、θcに1/2が掛算される。この値1/2・
θcは掛算器３４に移行し、そこで再びθcが掛算さ
れる。掛算器３４の出力は今やθc²／２になる。
この値は割算器３５に送出され、そこで加算器３
１からのA1により割算される。割算器３５から
の出力は掛算器３６に送出され、そこでTi設定
点回路１２に在る設定値が掛算される。回路１２
の出力はTi・θc²／（2A1）となる。掛算器３３
からの値1/2・θcは掛算器３７にも送出され、そ
こでθcとなる。この値θcは掛算器３６の出力値
に、加算器３８により加算される。加算器３８の
出力は｛Ti・θc²／（2A1）｝＋θc である。降伏検出回路が弁１を閉止するように比
較器１９から信号を与えると、この信号は、OR
論理回路５７にも供給される。この信号はOR論
理回路５７を通過してサンプルアンドホールド４
０をクロツキングする。これにより角度値がTm
から移行され、βを掛算器４１に送出する。C₁
には値“１”が仮に用いられたので、掛算器４１
の出力はなおもβである。この値は加算器３９に
移行して加算器３８の出力信号に加算される。加
算器３９の出力は、｛Ti・θc²／（2A1）＋θc＋β｝となる。この値で割算器４３において設定点回路
４２からのty′の割算を行う。割算器４３の出力
は値C₁であり、表示器４９に表示される。

値C₁，taはそれぞれの設定点回路１０７，４２
に設定される。この方式を用いて第５図に示すよ
うに締付けサイクルを制御し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実際の締付け曲線と理論的な締付曲線
とを示す線図、第２図は実際のトルク・角度曲線
の下側の面積を与える式の作成を示す線図、第３
図は効率係数を定めるために用いる確立された実
際の、並びに理論的なトルク・角度曲線を示す線
図、第４図は取付け段階において本考案を実現す
るための装置及び回路を示す回路図、第５図はフ
アスナー締付け操作を実現するための本考案の作
用を示す第４図と同様の回路図である。５……ナツトランナー、８……トルク変換器、
９……アナログ増巾器、１１，１６……比較器。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】フアスナーに加えるトルクを制御してフアスナ
ーの所定の最終張力を得る装置において、復旧形ナツトランナと；締付けサイクルに対応
してナツトランナに動力を供給する装置と；ナツ
トランナによつてフアスナーに加えられるトルク
を測定する装置と；各締付けサイクルの間ナツト
ランナによつて生じたフアスナーの回転を表示す
る信号を発生する装置と；ナツトランナによつて
フアスナーに加えられるトルクに比例するアナロ
グ信号を発生する装置と；各締付けサイクルの間
フアスナーの回転信号とトルク信号を用いてナツ
トランナによつてフアスナーで消費された仕事量
を決定する装置と；前記仕事量を、前記に対応す
る理論的な締付けサイクルの間、摩擦力のない理
論的フアスナー上での等価仕事量と比較する装置
と；比較装置によつて行われた比較値に基づい
て、各締付けサイクルの間、効率を決定する装置
と；前記の効率を用いてフアスナー上に所定の張
力を得るための必要な実際トルクを定める装置
と；更に、前記実際トルクがフアスナー上に発生
した時ナツトランナへの動力を遮断する装置と；を有することを特徴とする張力制御締付け装置。