KR100255950B1 - 볼트와 너트 체결장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

세탁기 자동조립라인에서 모터 회전축과 풀리에 대한 볼트와 너트의 2중체결작업을 위한 자동화된 볼트와 너트 체결장치 및 방법을 개시한다. 개시된 볼트와 너트 체결장치는 볼트용 동력공구(10)와 너트용 동력공구(20)를 포함하여 그 동력공구를 횡방향으로 이송하는 횡이송부(30) 그리고 동력공구를 횡이송부와 함께 종방향으로 이송하는 종이송부(40)로 구성되며, 각부의 에어실린더(32,45)와 동력공구 각각의 모터(11,21)를 소정의 수순으로 제어하여 그 볼트와 너트의 각 체결작업을 차례로 수행하며, 볼트체결과정에서 체결불량을 확실히 가려낸다. 따라서 피체결물에 대한 볼트체결 작업 결과에 대한 신뢰도를 높이고, 피체결물의 다음 조립공정을 원할하게 하여 생산성 향상 그리고 제품불량을 최소하는데 효과적이다.

Description

볼트와 너트 체결장치 및 방법

본 발명은 동력을 이용하여 볼트와 너트를 체결하는 자동화된 볼트와 너트 체결장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 피체결물에 볼트를 체결한 후 그 체결된 볼트상에서 피체결물에 대해 너트를 체결하는 작업을 순차적으로 수행하기 위한 볼트와 너트 체결장치 및 방법에 관한 것이다.

피체결물에 따라서는 그것이 장착되는 제품의 진동을 감안하여 볼트상에 너트를 미리 나사결합시켜 둔 상태에서 그 볼트를 피체결물의 체결부(볼트구멍)에 체결한 다음 그 체결된 볼트상에서 너트를 피체결물에 대해 2중적으로 체결함으로써 그 볼트가 진동에 의해 피체결물의 체결부에서 이완되는 것을 방지할 필요가 있다. 이러한 피체결물의 예로써, 도 1은 세탁기용 모터(1)의 회전축(2)에 벨트용 풀리(3)가 그 풀리(3)의 볼트구멍(3a)에 체결된 볼트(4)와 이 볼트(4) 상에서 풀리(3) 외측면(3b)에 압착되게 체결된 너트(5)에 의하여 상호 일체적으로 결합된 상태를 보인다. 즉, 도 2와 같이 볼트(4) 안쪽 깊숙이 너트(5)가 미리 나사결합된 것을 사용하여, 도 3a와 같이 볼트(4)를 풀리(3)에 형성된 볼트구멍(3a)에 체결하여 그 끝이 모터 회전축(2)의 원주면 일부를 평평하게 깎은 평삭면(2a)에 압착되게 한 다음, 도 3b와 같이 체결된 볼트(4)상에서 너트(5)를 풀리(3) 외측면(3b)에 압착되게 단단히 체결하는 것이다.

상기한 볼트(4)와 너트(5)를 체결하는 작업에 있어서, 스패너(spanner)와 같은 수공구를 사용하는 것은 힘이 많이 들고 작업시간이 길게 소요되므로, 힘을 덜 들일 수 있고 신속하게 작업할 수 있는 동력을 단 핸드동력공구(hand power tool)가 주로 사용되고 있다. 그러나 핸드동력공구는 동력을 발생하는 액츄에이터(모터, 에어실린더 등)가 정해진 토오크 범위내에서만 그 체결작업이 가능하게 되어 있기 때문에 볼트와 너트의 체결불량, 예를 들면 칫수공차 또는 오물 칩임등으로 인해 완전히 체결되지 않은 상태에서 나사결합이 더 이상 진행되지 못하게 되는 미체결 상태로 전송됨으로써 그 이후의 조립작업 중단 및 조립불량 발생이 빈번하게 발생되고 있는 실정이다.

한편, 종래에는 상기와 같은 볼트와 너트의 체결작업을 사람의 수작업에 의존하여 왔으므로 자동화가 어렵고 인건비 상승으로 인한 원가상승요인이 컸던 것이다.

본 발명의 목적은 동력을 제공하는 액츄에이터의 부하변동을 감안하여 실질적인 볼트의 나사진행거리를 감지함으로써 볼트체결작업 결과의 양부를 확실히 가려낼 수 있는 볼트와 너트 체결장치 및 방법을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 볼트와 너트의 2중적인 체결작업을 자동화한 볼트와 너트 체결장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 세탁기용 모터에 풀리가 결합된 상태를 나타낸 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 모터 풀리에 체결되는 볼트의 사시도.

도 3a와 3b는 세탁기용 모터에 풀리를 볼트로 체결한 다음 그 볼트에 결합된 너트가 체결되기 전후의 너트 위치를 보인 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 볼트와 너트 체결장치의 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 볼트와 너트 체결장치에 의하여 볼트를 체결하는 볼트용 동력공구의 작동상태를 보인 평면도.

도 6은 도 5에 도시된 볼트용 동력공구의 확대단면도.

도 7은 본 발명에 따른 볼트와 너트 체결장치에 의하여 너트를 체결하는 작동상태를 보인 평면도.

도 8은 본 발명에 따른 볼트와 너트 체결방법을 나타낸 계통도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 모터 회전축 3 : 풀리

4 : 볼트 5 : 너트

10,20 : 동력공구 11,21 : 모터

13,23 : 작동봉 13a,23b : 환형돌기

30 : 횡이송부 32,45 : 에어실린더

40 : 종이송부 60 : 센서

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

볼트용 동력공구와 너트용 동력공구를 포함하여,

상기한 볼트용 및 너트용 동력공구를 작업위치 전방에 교대로 위치시키는 횡이송수단,

상기한 작업위치 전방에 위치된 볼트용 또는 너트용 동력공구를 그 작업위치로 전진시키는 종이송수단, 그리고

상기한 볼트용 동력공구가 가지는 액츄에이터를 그 토오크 변화와 체결되는 볼트의 나사진행거리에 따라 구동하고 상기한 너트용 동력공구가 가지는 액츄에이터를 주어진 토오크 범위내에서 구동하는 구동제어수단으로 피체결물에 볼트와 이 볼트에 나사결합되어 있는 너트를 순차적으로 체결하는 볼트와 너트 체결장치를 구성한다.

또한 상기한 목적을 달성하는 본 발명의 볼트와 너트 체결방법으로서는,

피체결물이 작업위치에 놓인 상태에서 상기한 볼트용 동력공구를 그 작업위치 전방으로 위치시키는 볼트체결작업 준비단계,

작업위치 전방에 놓인 볼트용 동력공구를 그 작업위치로 전진시키는 동시에 그 동력공구의 액츄에이터를 구동하는 볼트체결작업 개시단계,

상기한 볼트용 동력공구에 의한 볼트체결 상태를 판단하여 그 판단된 볼트체결 상태가 양호하면 그 동력공구의 액츄에이터를 정지시킨 후 볼트용 동력공구를 원래의 위치로 복귀시키는 볼트체결작업 종료단계,

상기한 볼트체결작업 종료단계 이후에 너트용 동력공구를 작업위치 전방으로 위치시키는 너트체결작업 준비단계,

작업위치 전방에 놓인 너트용 동력공구를 그 작업위치로 전진시키는 동시에 그 동력공구의 액츄에이터를 구동하는 너트체결작업 개시단계, 그리고

상기한 너트용 동력공구의 액츄에이터를 요구 토오크에 도달되기까지 구동한 후 정지시키고 그 동력공구를 원래의 위치로 복귀시키는 너트체결작업 종료단계를 포함하며,

상기한 볼트체결상태를 판단하는 과정에서 그 판단된 볼트체결상태가 불량한 것으로 판정되면 상기한 볼트체결작업 종료단계 이후의 모든 작업을 중단하는 것이다.

본 발명은 특히, 상기한 구동제어수단에 상기한 볼트용 동력공구에 의하여 볼트가 그 체결거리를 전부 이동하였는지를 감지하는 센서를 포함시키고, 요구 토오크가 도달되고 그 센서 감지신호가 있으면 볼트가 제대로 체결된 것으로 판단하는 한편, 토오크가 소정된 시간 내에 도달되지 않거나 요구 토오크 상태에서 소정된 시간 내에 센서 감지신호가 없으면 불량으로 판단하는 것을 그 특징으로 한다.

이러한 본 발명에서는, 볼트와 너트의 2중 체결작업이 자동적으로 수행될 수 있고, 특히 볼트체결과정에서 토오크가 요구치에 도달된 경우라도 상기한 센서의 감지신호로부터 그 볼트가 제대로 체결되었는지의 여부가 정확히 가려진다. 따라서 본 발명에 따르면 볼트와 너트의 2중 체결작업 자동화를 통해 생산성을 높일 수 있고, 동시에 볼트 체결부의 칫수공차나 오물침입 등에 기인하여 볼트체결이 더 이상 진행되지 못하여 발생되는 미체결에 의한 불량까지 가려냄으로써 그 체결작업결과에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.

이러한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 볼트와 너트 체결장치는 도 4와 같이, 볼트용 동력공구(10), 너트용 동력공구(20), 이들 동력공구(10,20)를 도시되지 않은 피체결물의 작업위치 전방에 교대로 위치시키기 위한 횡이송부(30), 동력공구(10,20)를 횡이송부(30)와 함께 작업위치로 전진시키기 위한 종이송부(40), 그리고 지지대(50)로 구성되어 있다.

횡이송부(30)는 동력공구(10,20)를 고정지지하는 공구지지대(31), 공구지지대(31)를 횡방향(X)으로 이송시키도록 작동되는 에어실린더(32), 그리고 공구지지대(31)를 이송안내하는 안내블록(33)으로 이루어져 있다. 여기서 공구지지대(31)에는 동력공구(10,20)가 작업위치를 향해 나란하고 상호 적당한 간격으로 이격되도록 지지된 것이다.

종이송부(40)는 지지대(50) 상에서 종ㅇ향(Y)의 전후에 고정된 브라켓(41,42)과 그 사이에 나란히 가설된 안내봉(43,44) 안내봉(43,44)을 따라 종방향(Y)으로 이동하도록 작동되는 로드리스(rod-less)형 에어실린더(45), 그리고 에어실린더(45)와 함께 움직이는 이송판(46)으로 이루어져 있다. 여기서 이송판(46)에는 상기한 횡이송부(30)의 에어실린더(32)가 고정설치된다.

볼트용 및 너트용 동력공구(10,20)는 공구 지지대(31)의 후면과 전면에 각각 고정설치된 모터(11,21)와 공구홀더(12,22) 그리고 작동봉(13,23)으로 이루어진다. 작동봉(13,23)은 각각의 단면도가 도시된 도 5 내지 도 7에 나타난 바와 같이 후단부가 공구홀더(12,22) 내에서 회전 및 직선운동가능하게 베어링지지되고, 전동축(14,24)을 통해 모터(11,21)의 회전축(15,25)에 일체적으로 결합되고, 그 전동축(14,24) 주위에 끼워진 스프링(16,26)에 의하여 종방향(Y)의 전방으로 탄성바이어스되며. 그 선단부에 결합된 상자형 스패너(boxspanner; 17,27)를 가진다. 여기서 작동봉(13,23) 상단부에는 단면이 원형이 아닌 6각형 등으로 되는 각홈(18,28)이 형성되고 거기에 삽입되는 전동축(14,24)은 그 각홈(18,28)에 대응하는 단면을 갖는다. 즉, 작동봉(13,23)은 모터(11,21)에 의하여 전동축(14,24)과 같이 회전구동되고 동시에 그 전동축(14,24) 위를 축방향, 즉 종방향(Y)으로 이동할 수 있게 된 것이다.

한편, 상기한 작동봉(13,23)은 그 후단에 플랜지 형태로 형성된 환형돌기(13a,23b)를 가지며, 공구홀더(12,22) 내주에 형성된 환형턱(12a,22a)에 그 환형돌기(13a,23a)가 걸려서 이탈하지 않게 배려되어 있다. 이중에서 볼트용 동력공구(10)의 공구홀더(12)의 외주면에는 소정의 위치에 구멍(부호생략)이 뚫리고 거기에 센서(60)가 부착되어 있다. 이 센서(60)는 전술한 볼트의 나사진행거리를 감지하기 위한 것으로, 볼트체결시의 그 나사진행방향으로 작동봉(13)의 환형돌기(13a)가 가장 근접했을 때 그로부터 체결종료 상태를 알리는 신호를 발생한다. 이것은 예를 들면 광을 투사하고 받아서 전기신호를 검출하는 광센서로 구비될 수 있다. 물론 이 센서(60)는 작업할 볼트의 체결길이에 따라 그 설치위치가 바뀔 수 있는 것이다.

상기한 실시예와 같은 본 발명의 볼트와 너트 체결장치의 동작을 도 8에 도시된 본 발명의 볼트와 너트 체결방법에 따라 설명하면 다음과 같다. 참고로 본 발명의 볼트와 너트 체결방법에서는 전술한 바 있는 종래기술에서처럼 상기한 모터(11,21)의 토오크 변화를 실시간 측정하는 수단을 포함하여, 각부의 액츄에이터(모터 및 에어실린더 등)의 순차제어를 시퀀스(sequence) 제어회로나 프로그램 제어를 위한 마이크로컴퓨터(microcomputer) 제어회로 등의 제어수단을 필요로 하는데, 이는 통상적인 방법으로 간단히 실시될 수 있는 것이므로 그 자세한 도시 및 설명은 생략하였다.

작업위치 전방에 볼트용 동력공구(10)가 위치되도록 준비된 상태에서, 도 2와 같이 너트(5)가 나사결합되어 있는 볼트(4)가 피체결물로서 도 1에 도시된 모터(1)의 회전축(2)에 끼워진 풀리(3)의 볼트구멍(3a)에 살짝 가체결된 상태로 그 피체결물과 함께 작업위치로 이송되면, 먼저 종이송부(40)의 에어실린더(45)를 작동시키고 동시에 볼트용 동력공구(10)의 모터(11)를 구동하여(단계 S1) 볼트체결작업을 개시하고, 그로부터의 시간을 카운트한다(단계 S2). 그러면 도 5와 같이 작업위치로 전진된 볼트용 동력공구(10)의 스패너(17)가 볼트(4) 머리를 끼우게 된다. 이때 공구홀더(12)의 환형턱(12a)에 걸려 있던 작동봉(13)의 환형돌기(13a)는 도 6에 자세히 도시된 바와 같이 그 위치에서 센서(60)를 지나서 후위에 위치하게 된다. 이러한 상태에서 모터(11)가 계속작동되면 작동봉(13)이 회전되고 동시에 스프링(16)의 힘으로 전방으로 눌리므로 볼트(5)가 풀리(3)의 볼트구멍(3a)으로 진입하게 되고 이에 따라 작동봉(13)이 더 전진하게 된다. 본 발명은 이 과정에서 모터(11)의 토오크 변동을 실시간 체크하여 요구된 토오크에 도달하였는지를 판단하고(단계 S3). 그 토오크에 도달하면 상기한 센서(60)에 환형돌기(13a)가 감지되었는지를 판단한다(단계 S4). 환형돌기(13a)가 감지된 경우에는 볼트(4) 끝이 풀리(3)의 볼트구멍(3a)을 지나서 모터 회전축(2)의 평삭면(2a)까지 완전히 진입된 상태임은 물론 전 단계에서 이미 요구된 토오크 이상으로 단단히 죄어진 상태이므로 이상없이 체결되었음을 의미한다. 따라서 이후에는 모터(11)를 정시키고 에어실린더(45)를 복귀시키는 단계(S5)로 볼트체결작업을 종료하는 것이다.

만약, 요구된 토오크가 도달되었으나 환형돌기(13a)가 센서(60)에 감지되지 않은 채 소정의 센서감지시간이 경과한 것이 판단되면(단계 S11), 이때는 볼트(4)가 회전축(2)의 평삭면(2a)까지 완전히 진입되지 못하고 중간에 걸려서 더 이상 죄어지지 않는 상태로 간주하여 일단 불량판정하고(단계 S12) 상기한 단계 S5를 밟는다. 또한 요구된 토오크에 도달되지 않고 소정의 그 토오크 도달시간이 경과한 것이 판단되면(단계 S13), 이는 볼트(4)가 전혀 진입이 안되거나 또는 진입한 상태에서도 마모 등으로 헛돎으로써 체결불가한 상태이므로, 이때에도 본 발명은 불량판정하고(단계 S12), 상기한 단계 S5를 밟는다.

다음, 볼트체결작업이 종료 또는 중단된 다음에는 일단 앞의 볼트체결작업 과정에서 불량판정한 일이 있었는지를 판단하여(단계 S6), 불량이 없을 때 횡이송부(30)의 에어실린더(32)를 작동시켜(단계 S7) 너트용 동력공구(20)가 작업위치 전방으로 위치되게 너트체결작업을 준비한다. 너트체결작업이 준비되면 다시 종이송부(40)의 에어실린더(45)를 작동시키고 동시에 너트용 동력공구(20)의 모터(21)를 작동시켜(단계 S8) 그 너트체결작업을 개시한다. 그러면 도 6과 같이 작업위치로 전진된 너트용 동력공구(20)의 스패너(27)가 볼트(4) 머리를 끼워서 돌림으로써 그 너트체결작업이 진행되는 것이다.

너트체결작업은 그 동력공구(20)의 모터(21)의 토오크 변화로부터 요구 토오크에 도달되는가를 판단하면서(단계 S9) 그 토오크에 도달될 때까지 그 모터(21)를 구동한 후 정지시키고 에어실린더(45)를 복귀시켜(단계 S10) 종료한다. 이 과정에서 너트(5)는 볼트(4)에 미리 끼워져 있었으므로 그 체결불량은 발생되지 않는다. 따라서 너트(5)는 볼트(4)의 나선을 따라 용이하게 진행하여 풀리(3) 외측면(3b)에 확실하게 체결된다.

너트체결작업이 종료되면 최종적으로 횡이송부(30)의 에어실린더(32)도 복귀시켜서(단계 S11) 초기상태, 즉 다음 볼트체결을 위한 준비단계로 원위치시키는 것이다.

이와 같이 본 발명의 볼트와 너트 체결방법은 볼트체결작업이 완료된 상태에서 너트체결작업을 수행하고 볼트체결과정에서 불량을 확실하게 가려냄으로써 그 볼트와 너트가 모두 양호하게 체결된 상태의 피체결물을 다음 조립공정으로 이송시킨다.

본 발명에 따르면, 볼트와 너트의 2중체결작업의 완전 자동화가 가능하며, 특히 볼트체결작업 과정에서 볼트 또는 피체결물의 체결부가 마모 등으로 체결불가한 경우는 물론, 그 볼트와 체결부 상호간 칫수공차에 의하여 중간에 걸리게 되는 미체결 상태의 불량까지 가려냄으로써 그 체결작업 결과의 신뢰성을 높일 수 있다. 따라서 본 발명은 완전 자동화와 함께 볼트와 너트 체결 작업 이후의 조립공정을 원할하게 진행시킴으로써 그 생산성을 높이는 동시에 제품불량률을 낮출 수 있는 효과적인 발명이다.

Claims (7)

1. 동력을 발생하는 액츄에이터, 상기 액츄에이터의 동력을 전달하는 전동축, 상기 전동축과 함께 회전되고 그 전동축을 축방향으로 직선운동할 수 있게 연결되고 볼트의 나사진행방향으로 스프링에 가압되며 상단에 형성된 환형돌기를 갖는 작동봉, 상기 작동봉을 회전 및 직선운동가능하게 베어링지지하고 작동봉의 환형돌기가 걸려져 빠지지 않게 형성된 환형턱을 갖는 공구홀더, 그리고 그 작동봉 끝에 결합되어 상기 볼트를 끼워서 돌리는 스패너로 각각 구성된 볼트용 및 너트용 동력공구;

   상기 작동봉의 상단에 형성된 환형돌기를 감지함으로 나사진행방향으로의 상기 작동봉의 이동거리로 부터 볼트체결길이 측정신호를 출력하는 센서;

   상기 볼트용 동력공구가 가지는 액츄에이터를 그 토오크 변화와 체결되는 나사진행거리에 따라 구동시키고, 상기한 너트용 동력공구가 가지는 액츄에이터를 주어진 토오크 범위내에서 구동시키며, 상기 센서에서 전달된 볼트체결길이 측정신호를 통하여 볼트체결의 양부를 판단하는 구동제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트와 너트 체결장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 볼트용 및 너트용 동력공구를 고정지지하는 공구지지대와, 상기 공구지지대를 횡방향으로 이송시키도록 작동되는 액츄에이터, 그리고 상기 공구지지대를 이송안내하는 안내블록을 포함하여 상기 볼트용 및 너트용 동력공구를 작업위치 전방에 교대로 위치시키는 횡이송수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트와 너트 체결장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 공구지지대에 상기한 볼트용 및 너트용 동력공구가 작업위치를 향해 나란하고 상호 적당한 간격으로 이격되게 지지된 것을 특징으로 하는 볼트와 너트 체결장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   종방향 전후에 고정된 브라켓, 상기 브라켓 사이에 나란히 가설된 안내봉, 상기 안내봉을 따라 종방향으로 이동되도록 작동되는 액츄에이터, 그리고 상기 액츄에이터와 함께 움직이며 상기 횡이송부가 고정설치되는 이송판을 포함하여,

   상기 작업위치 전방에 위치된 볼트용 또는 너트용 동력공구를 그 작업위치로 전진시키는 종이송수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트와 너트체결장치.
5. 볼트용 동력공구와 너트용 동력공구를 사용하여, 볼트와 이에 결합된 너트를 피체결물에 체결하기 위한 볼트와 너트 체결방법에 있어서,

   피체결물이 작업위치에 놓인 상태에서 상기 볼트용 동력공구를 그 작업위치 전방으로 위치시키는 볼트체결작업 준비단계;

   작업위치 전방에 놓인 상기 볼트용 동력공구를 그 작업위치로 전진시키는 동시에 그 동력공구의 액츄에이터를 구동하는 볼트체결작업 개시단계;

   상기한 볼트용 동력공구에 의한 볼트체결 상태를 판단하여 그 판단된 볼트체결 상태가 양호하면 그 동력공구의 액츄에이터를 정지시킨 후 볼트용 동력공구를 원래의 위치로 복귀시키는 볼트체결작업 종료단계;

   상기 단계이후, 너트용 동력공구를 작업위치 전방으로 위치시키는 너트체결작업 준비단계;

   작업위치 전방에 놓인 너트용 동력공구를 그 작업위치로 전진시키는 동시에 그 동력공구의 액츄에이터를 구동하는 너트체결작업 개시단계; 및

   상기 너트용 동력공구의 액츄에이터를 요구 토오크에 도달되기 까지 구동한 후 정지시키고, 그 동력공구를 원래의 위치로 복귀시키는 너트체결작업 종료단계를 포함하며,

   상기한 볼트체결상태를 판단하는 과정에서 그 판단된 볼트체결상태가 불량한 것으로 판정되면 상기한 볼트체결작업 종료단계 이후의 모든 작업을 중단하는 것을 특징으로 하는 볼트와 너트 체결방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 볼트체결 상태를 판단하는 과정에서, 상기 볼트용 동력공구의 액츄에이터 구동후 그 액츄에이터의 토오크 변화를 검출하여 요구 토오크가 검출되고 상기 볼트의 나사진행거리를 감지하여 그 나사진행거리가 전부 진행되지 않은 채 일정시간 경과되거나, 그 요구 토오크가 일정시간 내에 도달되지 않으면 불량으로 판정하는 것을 특징으로 하는 볼트와 너트 체결방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기한 볼트의 나사진행거리 감지는 그 볼트를 죄면서 진행하게 되는 상기한 볼트용 동력공구의 한 요소의 움직임을 감지하여 신호를 발생시키는 센서에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 볼트와 너트 체결방법.

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