JP2009083025A - ボルト締結方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク特性線の状態に基づいて締付軸力が変動することを防止できるボルト締結方法を提供する。
【解決手段】トルク特性線の状態を得て、そのトルク特性線の状態が、理論着座点のずれの問題が生じない直線状態にある判断したときには、着座点角度法による締付けを原則通り行う。その一方、トルク特性線の状態が、理論着座点のずれの問題が生じる湾曲状態にある判断したときには、トルク＋角度法により締付けを行う。これにより、その特質として、各ボルトの締付軸力を略一定にできることを利用できることになり、そのトルク＋角度法の下での目標締付軸力を着座点角度法に基づく目標締付軸力に合わせることにより、ボルトの締付けにおいて、トルク特性線の状態が直線状態、湾曲状態のいずれの状態であっても、締付軸力が変動することを抑制できることになる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ボルト締結方法及びその装置に関する。

ボルト締結部品の締結品質を確保するためには、ボルトの締付軸力が所期の設計値を満足するように適正に管理することが重要である。しかし、ボルトの締付軸力を直接的に測定、確認しつつ締付管理を行うことは困難であり、これまでは締付軸力の代用特性として締付けトルクや締付け角度（回転角度）で締付管理する手法が一般的に採られている。その中に、例えば特許文献１に示すように、着座点角度法がある。着座点角度法は、ボルト締付時の実測トルクカーブからトルク勾配（ｄT／ｄθ）を算出し、その勾配の傾き線とトルク零（横軸）との交点を求め、その交点を理論着座点（締付始点）として所定角度だけ締付けを行う締付方法である（図１７参照）。この着座点角度法を用いれば、通常、ボルトの締付け角度θ（ボルト回転角）と締付軸力Ｆとが比例関係にあることから、トルクカーブが理想の直線をもって理論着座点が正確に求められれば、摩擦係数μの影響が皆無となり、極めて安定した締付軸力を得ることができる。

ところで、ボルトと被締付部材とが同程度の硬度を有する場合には、トルク特性線（トルクカーブ）は直線になり易く、前述の着座点角度法の適用により優れた軸力安定化効果を発揮できる。
特開昭６２−１０２９７８号公報

しかし、ボルトの硬度に比べて被締付部材の硬度が相対的に低い場合には、ボルトの締付過程で被締付部材の座面にヘタリやカジリ等が生じやすく、このような場合、締付初期には、ボルト座面外周部と被締付部材の座面の局部接触による被締付部材の座面ヘタリが生じ、座面の摩擦トルクが大きくなって締付摩擦係数μの上昇を起こし易い。さらに、締付過程で被締付部材の座面ヘタリが進行すると、ボルト座面と被締付部材とが面接触となり、座面の摩擦トルクの減少を招く等トルク変動を起こし易い。このため、ボルトの硬度に比べて被締付部材の硬度が相対的に低い場合には、被締付部材の締付けにおいて、締付けトルクと締付け角度との関係においてトルク特性線（締付けトルクカーブ）が締付途中で湾曲する場合が多く、トルク勾配（ｄＴ／ｄθ）を利用する着座点角度法においては、算出される着座点に大きなずれが生じ、それに伴い、最終的な締付け角度（θＡ１）での締付軸力が大きく変動する問題がある（図１８参照）。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その第１の技術的課題は、トルク特性線の状態に基づいて締付軸力が変動することを防止できるボルト締結方法を提供することにある。
第２の技術的課題は、上記ボルト締結方法を使用するボルト締結装置を提供することにある。

前記第１の技術的課題を達成するために本発明（請求項１に係る発明）においては、
ボルトを被締付部材に締付けて、目標締付軸力を得るボルト締結方法において、
前記ボルトの締付け中に、締付け角度の変化に伴う締付けトルクの変化を示すトルク特性線の状態を得るようにし、
前記トルク特性線の状態が直線状態にあると判断したときには、該トルク特性線における初期段階のトルク勾配に基づいて求めた理論着座点から予め設定された第１設定角度に達するまでボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得るようにし、
前記トルク特性線の状態が前記直線状態よりも湾曲された湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得る構成としてある。請求項１の好ましい態様としては、請求項２〜７の記載の通りとなる。

前記第２の技術的課題を達成するために本発明（請求項８に係る発明）においては、
ボルトを被締付部材に締付けて、目標締付軸力を得るボルト締結装置において、
前記ボルトの締付けを調整するボルト締付け調整手段と、
前記ボルトの締付け中に、締付け角度の変化に伴う締付けトルクの変化を示すトルク特性線の状態を検出するトルク特性線状態検出手段と、
前記トルク特性線状態検出手段からの情報に基づき、前記トルク特性線の状態が直線状態にあるか又は該直線状態よりも湾曲された湾曲状態にあるかを判別するトルク特性線状態判別手段と、
前記トルク特性線状態判別手段からの情報に基づき、前記ボルト締付け調整手段を制御して、前記トルク特性線の状態が直線状態にあると判断したときには、該トルク特性線における初期段階のトルク勾配に基づいて求めた理論着座点から予め設定された第１設定角度に達するまでボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得るようにし、前記トルク特性線の状態が湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得るようにする制御手段と、
を備えている構成としてある。この請求項８の好ましい態様として、請求項９以下の記載の通りとなる。

請求項１の発明によれば、ボルトの締付け中に、トルク特性線の状態を得て、そのトルク特性線の状態が、理論着座点のずれの問題が生じない直線状態にあると判断したときには、着座点角度法に基づく締付けを原則通り行う一方、トルク特性線の状態が、理論着座点のずれの問題が生じる湾曲状態にあると判断したときには、トルク＋角度法（予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに設定角度だけボルトを締付ける締付方法）に基づく締付けを行うことから、その特質として、各ボルトの締付軸力を略一定にできること（スナッグトルク以降においては、角度法による締付けになり、スナッグトルクに達する前においては、等価直径の変動が抑えられて締付軸力の変動が抑制されること）を利用できることになり、そのトルク＋角度法による締付けの下でも、その目標締付軸力を着座点角度法に基づく目標締付軸力に合わせることにより、着座点角度法による締付けに基づく締付軸力に等しくすることができる。このため、トルク特性線の状態が直線状態、湾曲状態のいずれの状態であっても、締付軸力が変動することを抑制できる。

請求項２の発明によれば、トルク特性線の状態が、該トルク特性線に関する所定パラメータ値により得られ、そのトルク特性線が湾曲状態にあると判断することが、所定パラメータ値がトルク特性線の直線状態を示す閾値から外れていることであることから、トルク特性線の状態が湾曲状態であることを具体的に判定することができる。

請求項３の発明によれば、所定パラメータ値が、トルク特性線における低・高トルク領域のトルク勾配の差分であることから、トルク特性線の状態が湾曲状態か否かを正確且つ容易に判定できる。

請求項４の発明によれば、所定パラメータ値が、トルク特性線のトルク勾配に基づき算出された所定締付け角度における締付けトルクと、所定締付け角度における実測締付けトルクとの差分であることから、トルク特性線の状態が湾曲状態か否かをより具体的且つ的確に判定できる。

請求項５の発明によれば、トルク特性線の状態が所定の湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けることを、前記判断時までに実行した締付け角度を相殺して続行することから、ボルトの締付けを一度の連続した締付けで終えることができ、ボルトの締付けを、締付軸力の変動を抑制しつつ、迅速に行うことができる。

請求項６の発明によれば、トルク特性線の状態が所定の湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けることを、ボルトを弛めて、新たに始めることから、ボルトの締付けにおいて、複雑な制御を行うことなく、締付軸力が変動することを抑制できる。

請求項７の発明によれば、ボルトの硬度が被締付部材の硬度よりも高いことから、ボルトの締付けにおいて、トルク特性線が湾曲化し易い状態にあっても、締付軸力が変動することを抑制できる。

請求項８の発明によれば、作動において、前記請求項１に係るボルト締結方法が使用されることになり、請求項１に係るボルト締結方法を使用したボルト締結装置を提供できる。

請求項９の発明によれば、作動において、前記請求項２に係るボルト締結方法が使用されることになり、請求項２に係るボルト締結方法を使用したボルト締結装置を提供できる。

請求項１０の発明によれば、作動において、前記請求項３に係るボルト締結方法が使用されることになり、請求項３に係るボルト締結方法を使用したボルト締結装置を提供できる。

請求項１１の発明によれば、作動において、前記請求項４に係るボルト締結方法が使用されることになり、請求項４に係るボルト締結方法を使用したボルト締結装置を提供できる。

請求項１２の発明によれば、作動において、前記請求項５に係るボルト締結方法が使用されることになり、請求項５に係るボルト締結方法を使用したボルト締結装置を提供できる。

請求項１３の発明によれば、作動において、前記請求項６に係るボルト締結方法が使用されることになり、請求項６に係るボルト締結方法を使用したボルト締結装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
先ず、第１実施形態に係るボルト締結方法について説明する。

（１）第１実施形態に係るボルト締結方法は、ナットランナ等のボルト回転手段を用いて、ボルトの締付けにより被締付部材（例えばエンジン軸受け部品等）を締付けるものであり、この締結方法においては、ボルトの初期締め（ボルトの締付け）により、その初期締め中に、その締付け角度の変化に伴う締付けトルクの変化を示すトルク特性線の状態を得る。

(i)初期締め中にトルク特性線の状態を得るのは、トルク特性線が、理論着座点のずれを発生させる湾曲状態か、理論着座点のずれが問題とならない直線状態かを判断し、その判断の結果を当該ボルトの締付けに反映させるためである。

(ii)前記トルク特性線の状態としては、この第１実施形態に係るボルト締結方法においては、図１に示すように、トルク特性線に関する所定パラメータ値、すなわち、トルク特性線における低トルク領域のトルク勾配αと、低トルク領域より高い高トルク領域のトルク勾配βとのトルク勾配差α−βが用いられる。トルク勾配差α−βは、トルク特性線の状態が湾曲状態か否かを判断するものとして最適だからである。この場合、トルク勾配差ΔＲＴ＝α−βについての判断は、図２に示すように、トルク勾配差ΔＲＴが閾値ΔＲＴ０（例えば０．１０）以下（例えばα≒β）のときには、トルク特性線が直線状態にあると判断され、図１に示すように、トルク勾配差ΔＲＴが閾値ΔＲＴ０を超えるときには、トルク特性線が湾曲状態であると判断される。尚、判断の正確さを高めるために、低トルク領域及び高トルク領域において、さらに多くのトルク勾配を求めてもよい。

(iii)前記初期締めは、着座点角度法に基づいて実行される。着座点角度法は、理論着座点を基準として設定角度だけ締付ける締結方法であり、初期締めにおいては、設定角度としてθ００（初期締め角度）が設定される。この場合、理論着座点を求めるに際しては、トルクの安定領域における前記トルク勾配βが利用され、これに基づき理論着座点（具体的には、トルク勾配β計測点からの接線と横軸となる締付け角度軸（締付けトルク０となる線）との交点）が求められる。

（２）第１実施形態に係るボルト締結方法は、前記トルク特性線の状態が直線状態にあると判断したときには、図２に示すように、該トルク特性線におけるトルク勾配に基づいて求めた理論着座点から予め設定された第１設定角度θＡ１に達するまでボルトを締付けて、目標締付軸力を得る。トルク特性線の状態が直線状態にあるときには、理論着座点のずれの問題が発生することはなく、その理論着座点を基準として第１設定角度θＡ１だけ締付けることにより（着座点角度法）、各ボルトの締付けにおいて均等な締付軸力を得ることができるからである。すなわち、トルク特性線が直線状態の場合には、それを反映した理論着座点を的確に求めることができ、その的確な理論着座点を第１設定角度θＡ１の締付け開始基準として締付ければ、締付軸力＝ボルト締付け角度θ／３６０・Ｐ・Ｋに基づき、各ボルトの締付けにおいて、均等な締付軸力が得られることから、それを利用しようとしているのである。ここで、Ｐはボルトピッチ、Ｋはボルト及び被締付部材の材質、形状等から求まる係数である。

(i)この場合、理論着座点としては、トルクの安定領域における前記トルク勾配βを利用した前記初期締めと同じ理論着座点が用いられる。また、目標締付軸力は、ボルトの形状や材質、被締付部材の形状、材質等から予め定められることになっており、その目標締付軸力から第１設定角度θＡ１が決定される。

(ii)またこの場合、前記トルク特性線の状態が直線状態にあると判断したときには、前記態様のボルトの締付けを、理論着座点を基準として、その判断時まで実行した締付け角度（初期締めにおいて実行された締付け角度）を相殺して続行する。ボルトの締付けを迅速に行うためである。このとき、初期締めと上記判断後の締付けにおいて、理論着座点が共通していることから、図２に示すように、初期締め角度θ００まで初期締めを行わせた上で、その初期締め角度θ００では不足する分θＡ１−θ００をさらに締め付けるようにしてもよい。勿論、トルク特性線の状態が直線状態にあると判断した時点で初期締めを停止し、その上でそのボルトを弛めて、再度、理論着座点から第１設定角度θＡ１だけ締付けを行ってもよい。

（３）一方、第１実施形態に係るボルト締結方法は、前記トルク特性線の状態が直線状態よりも湾曲された湾曲状態にあると判断したときには、図３に示すように、予め設定されたスナッグトルク（有効な（実質的な）締付けを開始する時における締付けトルク）Ｔｓに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクＴｓに達した時点におけるボルトの締付け角度θｓを基準として、さらに第２設定角度θＡ２だけボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得る。

(i)トルク特性線の状態が湾曲状態にあることを判断することとしているのは、トルク特性線の状態が湾曲状態にあるときには、その理論着座点が直線状態の理論着座点に対して大きくずれ、理論着座点を用いた着座点角度法による締付けでは締付軸力が変動することから（前述の図１８参照）、理論着座点を基準とした角度法を用いない他の締付方法に切換えるためである。尚、このような湾曲状態のトルク特性線は、ボルトの硬度が被締付部材の硬度よりも高い場合に生じやすい。

（ii)トルク特性線の状態が湾曲状態にあると判断したときに、予め設定されたスナッグトルクＴｓに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度θｓ（理論着座点を基準として利用することにより特定）を基準として、さらに第２設定角度θＡ２だけボルトを締付ける締付方法（トルク＋角度法）を採用しているのは、トルク＋角度法が、各ボルトの最終的締付軸力をほぼ等しくできる特質を有しているからである。すなわち、トルク＋角度法を用いれば、スナッグトルクＴｓ以降においては、角度法による締付けとなって、締付け角度管理だけで正確に所望の締付軸力を得ることができ（締付軸力と締付け角度とは比例関係）、スナッグトルクＴｓに達する前においては、この段階では締付軸力が低く、ボルト座面と被締付部材とが接触して摩擦を起こす個所（等価直径）の変動が抑えられて安定した摩擦が起こり、スナッグトルクＴｓまでの締付軸力のばらつきは抑制される。このため、トルク＋角度法を用いる限り、各ボルトの最終的締付軸力をほぼ等しくすることができ、第１実施形態に係るボルト締結方法においては、このトルク＋角度法の特質を利用しようとしているのである。

(iii)上記トルク＋角度法による締付けの目標締付軸力として、着座点角度法による目標締付軸力（トルク特性線が直線状態の場合の目標締付軸力）と同じものを得るようにしているのは、トルク＋角度法の下で締付けを行う限り、各ボルトの締付けによる最終的締付軸力をほぼ等しくできるものの、着座点角度法による締付けの目標締付軸力を着座点角度法による締付けの目標締付軸力と同じものに合わせなければ、トルク＋角度法による締付けに基づく締付軸力を、着座点角度法による締付けに基づく締付軸力に等しくすることができないからである。したがって、トルク＋角度法において用いるスナッグトルクＴｓ，第２設定角度θＡ２は、上記目標締付軸力に基づき設定される。

(iv)前記トルク特性線の状態が湾曲状態にあると判断したときには、上記ボルトの締付け（予め設定されたスナッグトルクＴｓに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクＴｓに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度θＡ２だけボルトを締付けること）を、その判断時まで実行した締付け角度（初期締めにおいて実行された締付け角度）を相殺して続行する。ボルトの締付けを迅速に行うためである。この場合、初期締めを初期締め角度θ００まで行わせ、その初期締め角度θ００では不足する分をさらに締付けるようにしてもよい。勿論、トルク特性線の状態が湾曲状態にあると判断した時点で初期締めを停止し、その上でボルトを弛めて、再度、予め設定されたスナッグトルクＴｓに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクＴｓに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度θＡ２だけボルトを締付けてもよい。

次に、上記第１実施形態に係る方法を用いたボルト締結装置について説明する。このボルト締結装置１は、図４に示すように、ボルト回転手段としてのナットランナ２と、そのナットランナ２を制御する制御系３と、を備えている。ナットランナ２は、ボルトの頭部に係合されるソケット４と、そのソケット４を回転駆動する駆動モータ（ボルト締付け調整手段）５と、ソケット４によってボルトに負荷されるトルクを検知するためのトルクトランスデューサ（トルク検知手段）６と、駆動モータ５の回転角度を検出することによりボルトの締付け角度を測定する角度エンコーダ（締付け角度検出手段）７とを有している。

前記制御系３は、演算制御装置（ＣＰＵ）８を備えている。この演算制御装置８には、トルクトランスデューサ６からの締付けトルク信号、角度エンコーダ７からの締付け角度信号が直接、入力されている他に、トルク勾配演算、トルク＋角度法による締付けのための各種情報が入出力される。先ず、トルクトランスデューサ６からの締付けトルク信号、角度エンコーダ７からの締付角度信号について説明する。これら信号に基づく締付けトルク、締付け角度は、ボルトの締付け開始と同時に計測が開始され、そのうち、締付け角度については、後述する如く、理論着座点が求められた後は、その理論着座点を基準として（締付け角度値０として）、締付け角度が特定される。

次に、トルク勾配演算のための入出力関係について説明する。制御系３には、基準トルクＴ０を設定する基準トルク設定器９ａが備えられ、その基準トルク設定器９ａからの基準トルク信号とトルクトランスデューサ６によって検知されたボルトの締付けトルク信号とがコンパレータ１０ａに入力されている。コンパレータ１０ａは、基準トルク信号と締付けトルク信号とを比較して、その両者の値が一致したときに一致信号を出力することになっており、その一致信号はアナログゲート１１ａを介して基準トルク到達信号として演算制御装置８に入力されることになっている。一方、演算制御装置８には、角度エンコーダ７が検出するボルトの締付け角度信号が各角度ゲート１２a〜１２ｄを介して入力されており、その各角度ゲート１２a〜１２ｄには、ＯＮ，ＯＦＦするためのＯＮ，ＯＦＦ信号が演算制御装置８から入力される。この場合、演算制御装置８からのＯＮ信号については、基準トルク到達信号が演算制御装置８に入力されることを条件に出力されることになっており、これにより、各角度ゲート１２a〜１２ｄがＯＮとされて、演算制御装置８（記憶手段）は、基準トルクＴ０時点における基準締付け角度θ０を記憶することになる。これに対して、演算制御装置８からのＯＦＦ信号は、各角度ゲート１２a〜１２ｄがＯＮになってから入力される締付け角度が、その各角度ゲート１２a〜１２ｄに応じて設定される角度に到達したときにそれぞれ出力される。すなわち、制御系３には、締付け角度Δθ１を設定する角度設定器１４ａ、締付け角度Δθ２を設定する角度設定器１４ｂ、締付け角度Δθ３を設定する角度設定器１４ｃ、締付け角度Δθ４を設定する角度設定器１４ｄをそれぞれ備えており、演算制御装置８は、基準締付け角度θ０と各角度設定器１４a〜１４ｄがそれぞれ設定する角度Δθ１，Δθ２，Δθ３，Δθ４との和θ０＋Δθ１，θ０＋Δθ２，θ０＋Δθ３，θ０＋Δθ４を記憶し、角度エンコーダ７からの締付け角度がθ０＋Δθ１，θ０＋Δθ２，θ０＋Δθ３，θ０＋Δθ４に順次至ったと判断したときには、それに応じて、各角度ゲート１４a〜１４ｄにＯＦＦ信号を順次、出力する。また、この角度エンコーダ７からの締付け角度がθ０＋Δθ１，θ０＋Δθ２，θ０＋Δθ３，θ０＋Δθ４にそれぞれ至ると、演算制御装置８は、そのθ０＋Δθ１，θ０＋Δθ２，θ０＋Δθ３，θ０＋Δθ４に至ったタイミングの入力締付けトルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を記憶する。これらに基づき、後述する如く、トルク勾配が演算され、そのトルク勾配βを利用して、実質的な締付け開始点である理論着座点、トルク勾配差等が求められる。尚、Δθ１，Δθ２，Δθ３，Δθ４については、Δθ１＜Δθ２＜Δθ３＜Δθ４の関係がある。

次に、トルク＋角度法による締付けのための入出力関係について説明する。制御系３には、スナッグトルクＴｓを設定するスナッグトルク設定器９ｂが備えられ、そのスナッグトルク設定器９ｂからのスナッグトルク信号とトルクトランスデューサ６によって検知されたボルトの締付トルク信号とがコンパレータ１０ｂに入力されている。コンパレータ１０ｂは、スナッグトルク信号と締付トルク信号とを比較して、その両者の値が一致したときに一致信号を出力することになっており、その一致信号はアナログゲート１１ｂを介してスナッグトルク到達信号として演算制御装置８に入力されることになっている。一方、演算制御装置８には、角度エンコーダ７が検出するボルトの締付け角度信号が角度ゲート１２ｅを介して入力されており、その角度ゲート１２ｅには、ＯＮ，ＯＦＦするためのＯＮ，ＯＦＦ信号が演算制御装置８から入力される。演算制御装置８からのＯＮ信号は、前記スナッグトルク到達信号が入力されることを条件に出力されることになっており、これにより、角度ゲート１２ｅがＯＮとされて、演算制御装置８（記憶手段）は、スナッグトルクＴｓ時点における締付角度を記憶することになる。演算制御装置８からのＯＦＦ信号は、スナッグトルク到達信号が入力されてから、設定角度θＡ２に達したことを条件に出力されることになっている。

前記演算制御装置８は、上記各種入力情報等を処理すべく、図１３に示すように、記憶手段、第１トルク勾配演算手段、第２トルク勾配演算手段、理論着座点演算手段、締付角度再調整手段、初期締め角度到達検出手段、トルク勾配差演算手段、トルク特性線状態判別手段、スナッグトルク時点角度検出手段、締付態様選択手段、増し締め角度演算手段、制御手段を備えている。

記憶手段は、予め設定される初期締め角度θ００，第１設定角度θＡ１，スナッグトルクＴｓ，第２設定角度θＡ２の他、各種情報（Δθ１，Δθ２，Δθ３，Δθ４，Ｔ１〜Ｔ４）等を記憶するように設定されている。

第１トルク勾配演算手段は、低トルク領域における基準トルクＴ０に対応する基準締付け角度θ０、基準締付け角度θ０を基準として締付けられた締付け角度Δθ１，Δθ２及びそのΔθ１，Δθ２に対応するトルクＴ１，Ｔ２を情報として受け入れて、それらに基づき、トルク勾配αを演算するように設定されている（図１参照）。すなわち、第１トルク勾配演算手段は、前述の記憶手段からΔθ１，Δθ２，Ｔ１，Ｔ２を読み出し、低トルク領域における第１トルク勾配αを、α＝（Ｔ２−Ｔ１）／（Δθ２−Δθ１）に基づき演算する。

第２トルク勾配演算手段は、低トルク領域よりも高く、トルクが安定したトルク領域（高トルク領域）において、基準締付け角度θ０を基準として締付けられた締付け角度Δθ３，Δθ４及びそのΔθ３，Δθ４に対応するトルクΔＴ３，ΔＴ４を情報として受け入れて、それらに基づき、トルク勾配βを演算するように設定されている（図１参照）。すなわち、第２トルク勾配演算手段は、前述の記憶手段からΔθ３，Δθ４，Ｔ３，Ｔ４を読み出し、高トルク領域における第２トルク勾配βを、β＝（Ｔ４−Ｔ３）／（Δθ４−Δθ３）に基づき演算する。

理論着座点演算手段は、締付けトルクの安定領域の前記トルク勾配βと前記締付けトルクＴ４とを利用して、Ｔ４／βを演算し、図１の締付角度軸（横軸）上において、締付けトルクＴ４に対応する締付角度点からＴ４／βだけ遡った点を理論着座点と特定するように設定されている。

締付角度再調整手段は、前記理論着座点演算手段が求めた理論着座点における締付け角度値を０とし、それを基準として、締付け開始から計測した締付け角度及びこれから計測する締付け角度を再調整するように設定されている。

初期締め角度到達検出手段は、第１実施形態において特別に設けられるものである。第１実施形態においては、とりあえず、初期締め角度θ００（理論着座点を基準としたもの）までボルト締付けが行われることになっており、このため、初期締め角度到達検出手段は、前記理論着座点演算手段が求めた理論着座点を基準として、初期締め角度θ００に到達したことを検出するように設定されている。

トルク勾配差演算手段（トルク特性線状態検出手段）は、初期締め角度到達検出手段が初期締め角度θ００の到達を検出すると、第１トルク勾配演算手段が演算したトルク勾配αと第２トルク勾配演算手段が演算したトルク勾配βとに基づき、それらの差分であるトルク勾配差ΔＲＴ＝α−βを演算するように設定されている。

トルク特性線状態判別手段は、トルク勾配差演算手段が演算したトルク勾配差ΔＲＴ＝α−βが閾値ΔＲＴ０以下か否かを判別し、トルク勾配差ΔＲＴが閾値ΔＲＴ０以下と判定したときにはトルク特性線が直線状態にあると判断し、トルク勾配差ΔＲＴが閾値ΔＲＴ０を超えていると判定したときにはトルク特性線が湾曲状態にあると判断するように設定されている。

締付態様選択手段は、トルク特性線状態判別手段がトルク特性線を直線状態であると判断したときには、着座点角度法の下で理論着座点から第１設定角度θＡ１までの締付け態様を実行すべく、予め設定されている第１設定角度θＡ１を読み出して、理論着座点から第１設定角度θＡ１までの締付け角度θＡ１を設定し、トルク特性線状態判別手段がトルク特性線を湾曲状態であると判断したときには、トルク＋角度法の下で、スナッグトルクＴｓに達するまで締付けると共に、そのスナッグトルクＴｓに達した時点の締付け角度を基準として第２設定角度θＡ２だけ締付ける締付け態様を実行すべく、スナッグトルクＴｓに達した時点の締付け角度θｓ（理論着座点を基準としたもの）と、予め設定されている第２設定角度θＡ２とを読み出して、それらを加算した上で、その加算値θｓ＋θＡ２を、理論着座点を基準として実行すべき締付け角度とするように設定されている。

増し締め角度演算手段とは、第１実施形態において特別に設けられるものである。第１実施形態においては、とりあえず、初期締め角度θ００までボルト締付けが行われ、その初期締め角度θ００までボルトを締付けた後、上記所定の計算を行って、初期締め角度θ００では不足する分を補う制御が行われることになっている。このため、増し締め角度演算手段は、前記締付態様選択手段の選択設定に応じ、着座点角度法による締付けを行うときには、初期締め角度θ００までの締付けでは不足する不足分θＡ１−θ００を増し締め角度として求め、トルク＋角度法による締付けを行うときには、初期締め角度θ００までの締付けでは不足する不足分θｓ＋θＡ２−θ００を増し締め角度として求めることになっている。

制御手段は、上記初期締め角度到達検出手段と増し締め角度演算手段とを設けた制御を行うべく、初期締め角度到達検出手段が初期締め角度θ００に到達したことを検出したとき、サーボアンプ１３を介して駆動モータ５に駆動停止信号を出力し、この後、増し締め角度演算手段が演算を終えると、再び、サーボアンプ１３を介して駆動モータ５に駆動信号を出力して、演算された増し締め角度だけボルトをナットランナ２により増し締めさせるように設定されている。

次に、上記ボルト締結装置１の制御例を、図６に示すフローチャートに基づきより具体的に説明する。
先ず、ボルト締結装置１が起動されると、Ｓ（ステップを示す）１において、各種情報が読み込まれる。各種情報としては、スナッグトルクＴｓ、第１設定角度θＡ１，第２設定角度θＡ２、初期締め角度θ００等が読み込まれる。

次に、ナットランナ２の駆動が開始されてボルトの締付けが開始され、それに伴って、締付けトルク及び締付け角度の検出が開始される（Ｓ２，Ｓ３）。このＳ３の検出データに基づきトルク特性線（締付けトルク−締付け角度線）が求められ、そのトルク特性線のデータに基づき、低トルク領域におけるトルク勾配α、その低トルク領域よりも高く、締付けトルクが安定した領域のトルク勾配βが求められる（Ｓ４，Ｓ５）。次のＳ６においては、Ｓ５のトルク勾配βが利用されて、前述の如く、実質的な締付け角度＝０点である理論着座点が求められ、その理論着座点が求まると、これまでのボルト締付けの開始点を基準とした締付け角度が理論着座点を基準としたものに再調整され、その再調整された締付け角度が締付けトルクに関連付けられる（Ｓ７：データの再調整）。そして、その理論着座点を基準として、初期締め角度θ００に達すると、ナットランナ２による締付けが停止（制御手段が駆動停止信号を駆動モータ５に出力）される（Ｓ８，Ｓ９）。

次のＳ１０においては、前記Ｓ４のトルク勾配α、前記Ｓ６のトルク勾配βを用いて、トルク勾配差ΔRT=α−βが演算され、そのΔＲＴが、閾値ΔＲＴ０（例えば０．１０）以下か否かが判別される（Ｓ１１）。この判別は、実測トルク特性線が直線状態か否かを判別するものであり、このＳ１１がＹＥＳのときには、トルク特性線が直線状態にあるとして、着座点角度法によるボルト締付けを行うべく、初期締め角度θ００までの締付けでは不足する不足分θＡ１−θ００を増し締め角度として演算する（Ｓ１２）。この演算を終えると、ナットランナ２による締付けが再開（制御手段が駆動信号を駆動モータ５に出力）され（Ｓ１３）、その増し締め角度θＡ１−θ００だけ実行されると、ナットランナ２による締付けは停止される（Ｓ１４，Ｓ１５）。

一方、前記Ｓ１１がＮＯのときには（実測トルク特性線が湾曲状態のとき）、トルク＋角度法による締付けを行うべく、スナッグトルクＴｓ時点における締付け角度θｓと第２設定角度θＡ２とを読み出して（Ｓ１６）、理論着座点を基準として実行するべき締付け角度θｓ＋θＡ２を演算し（Ｓ１７）、その後、初期締め角度θ００までの締付けでは不足する不足分θｓ＋θＡ２−θ００を増し締め角度として演算する（Ｓ１８）。この演算を終えると、ナットランナ２による締付けが再開され（Ｓ１９）、その増し締め角度θｓ＋θＡ２−θ００だけ実行されると、ナットランナ２による締付けは停止される（Ｓ２０，Ｓ１５）。この場合、このトルク＋角度法に基づく締付けにおいては、その目標締付軸力が、前記着座点角度法に基づく締付けの目標締付軸力に等しくなるように、スナッグトルクＴｓ、第２設定角度θＡ２が予め設定されている。このため、ボルト締付け中のトルク特性線が湾曲状態になる場合であっても、このトルク＋角度法による締付けにより、着座点角度法による締付けと略同じ締付軸力を得られることになる。

図７、図８は、第１実施形態に係るボルト締結方法（着座点角度法による締付とトルク＋角度法による締付けとの併用）を用いた実験例、図９、図１０は、従来に係るボルト締結方法（着座角度法による締付けのみ使用）を用いた実験例を示す。これによれば、第１実施形態に係るボルト締結方法において、ボルトｃ、ｄに比して着座点のずれの大きくなるボルトａ，ｂに関してのみ、トルク＋角度法を用いたところ、従来に係るボルト締結方法に比して、第１実施形態に係るボルト締結方法が、締付け軸力の変動に関し、優れた軸力安定性（従来比約１／３）を示した。この場合、各ボルトａ〜ｄは、図１１に示すように、シリンダブロック軸受け部Ｂの各位置において締付けられ、各ボルトａ〜ｄとしては鋼製ボルトが用いられた。

次に、第２実施形態に係るボルト締結方法について説明する。
第２実施形態に係るボルト締結方法は、トルク特性線の状態の検出方法の変形例を示す。この第２実施形態に係るボルト締結方法おいては、トルク特性線の状態として、図１２に示すように、トルク特性線に関する所定パラメータ値、すなわち、トルク特性線の前記トルク勾配βに基づき算出された初期締め角度θ００における締付けトルクＴｆ１（初期締め角度θ００位置における締付けトルク）＝α×θ００と、その初期締め角度θ００における実測トルクＴｆ２との差分ΔＴ＝Ｔｆ１−Ｔｆ２が用いられる。このような差分ΔＴ＝Ｔｆ１−Ｔｆ２によっても、トルク特性線の状態が湾曲状態か否かを的確に判断できるからである。この場合、差分ΔＴ＝Ｔｆ１−Ｔｆ２についての判断は、図１３に示すように、差分ΔＴが閾値ΔＴ０以下のとき（例えばＴｆ１≒Ｔｆ２）には、トルク特性線が直線状態にあると判断され、図１２に示すように、差分ΔＴが閾値ΔＴ０を超えるときには、トルク特性線が湾曲状態にあると判断される。この後、上記判断結果に基づき、前記第１実施形態と同様、ボルト締付方法として、着座点角度法による締付け又はトルク＋角度法による締付けが選択される。

次に、上記第２実施形態に係る方法を用いたボルト締結装置１について説明する。この第２実施形態に係る方法を用いたボルト締結装置１において、前記第１実施形態に係る方法を用いたボルト締結装置１と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

このボルト締結装置１においては、図１４に示すように、前記第１実施形態に係る構成から、角度ゲート１２ａ、１２ｂ、角度設定器１４ａ，１４ｂが省かれて、低トルク領域におけるトルク勾配αが求められないことになっている。その一方、演算制御装置８は、理論着座点を基準として初期締め角度θ００に到達したと判断したときには、ナットランナ２の駆動を停止すると共に、その初期締め角度θ００時における実際の締付けトルクＴｆ２を記憶するように設定されている。
また、演算制御装置８は、図１５に示すように、締付けトルクの安定領域におけるトルク勾配βを演算するトルク勾配演算手段が設けられているものの、第１実施形態における第２トルク勾配演算手段、トルク勾配差演算手段（トルク特性線状態検出手段）は設けられておらず、それらに代えて、トルク演算手段と、トルク差演算手段（トルク特性線状態検出手段）と、を備えている。トルク演算手段は、トルク勾配演算手段に基づいて演算されたトルク勾配βを利用して、初期締め角度θ００位置における計算トルクＴｆ１を演算するように設定されており、トルク差演算手段は、トルク演算手段が演算した計算トルクＴｆ１と初期締め角度θ００時の実際の締付けトルクＴｆ２との差分ΔＴ＝Ｔｆ１−Ｔｆ２を演算するように設定されている。これに伴い、トルク特性線状態判別手段は、差分ΔＴが閾値ΔＴ０以下のときには、トルク特性線が直線状態にあると判断し、差分ΔＴが閾値ΔＴ０を超えるときには、トルク特性線が湾曲状態にあると判断するように設定されている。

次に、上記第２実施形態に係る方法を用いたボルト締結装置１の制御例を、図１６に示すフローチャートに基づき具体的に説明する。

先ず、ボルト締結装置１が起動されると、前記第１実施形態のＳ１〜Ｓ９（Ｓ４を除く）と同様の処理Ｑ１〜Ｑ８が行われ、理論着座点を基準として初期締め角度θ００にそれぞれ到達すると、ナットランナ２による締付けが停止される。そして次のＱ９において、Ｓ４のトルク勾配βを利用して、初期締め角度θ００における締付けトルク（トルク特性線が直線状態の場合の計算トルク）Ｔｆ１が、Ｔｆ１＝β×θ００に基づき演算される。一方、次のＱ１０においては、初期締め角度θ００における締付けトルクの実測値（実締付けトルク）Ｔｆ２が読み出され、そのＱ１０の実締付けトルクＴｆ２、Ｑ９の計算トルクＴｆ１を用いて、差分ΔＴ＝Ｔｆ１−Ｔｆ２が演算される（Ｑ１１）。この差分ΔＴがトルク特性線の状態を示しており、次のＱ１２においては、差分ΔＴ≦閾値ΔＴ０が判別される。

前記Ｑ１２がＹＥＳのときは、トルク特性線が直線状態の場合であり、このときには、着座点角度法による締付けを行うべく、前記第１実施形態のＳ１２〜Ｓ１５と同様の処理Ｑ１３〜Ｑ１６が行われる。一方、前記Ｑ１２がＮＯのときは、トルク特性線が湾曲状態の場合であり、このときには、トルク＋角度法による締付けを行うべく、前記第１実施形態のＳ１６〜Ｓ２０，Ｓ１５と同様の処理Ｑ１７〜Ｑ２１，Ｑ１６が行われる。勿論この場合も、トルク＋角度法による締付けにおいては、その目標締付軸力が、前記着座点角度法による締付けの目標締付軸力に等しくなるように、スナッグトルクＴｓ、第２設定角度θＡ２が予め設定されており、ボルト締付け中のトルク特性線が湾曲状態になる場合であっても、着座点角度法による締付けと略同じ締付軸力を得ることになる。

第１実施形態に係るボルト締結方法において、実測トルク特性線の状態が直線状態か湾曲状態かを判別する手法を説明する説明図。 第１実施形態に係るボルト締結方法において、実測トルク特性線の状態が直線状態である場合を示す説明図。 第１実施形態に係るボルト締結方法（トルク特性線の状態が湾曲状態の場合）を説明する説明図。 第１実施形態に係るボルト締結方法使用するボルト締結装置を示す説明図。 第１実施形態における制御系の演算制御装置に含まれる手段を示す説明図。 第１実施形態に係るボルト締結方法を使用するボルト締結装置の制御例を示すフローチャート。 第１実施形態に係るボルト締結方法の実験結果を示す図。 図７に示す実験結果を具体的に示した図。 従来に係るボルト締結方法（着座点角度法を一律に用いた場合）の実験結果を示す図。 図９に示す実験結果を具体的に示した図。 図７〜図１０に示す実験において、ボルトの締付位置を示す図。 第２実施形態に係るボルト締結方法において、実測トルク特性線の状態が直線状態か湾曲状態かを判別する手法を説明する説明図。 第２実施形態に係るボルト締結方法において、実測トルク特性線の状態が直線状態である場合を示す説明図。 第２実施形態に係るボルト締結方法使用するボルト締結装置を示す説明図。 第２実施形態における制御系の演算制御装置に含まれる手段を示す説明図。 第２実施形態に係るボルト締結方法を使用するボルト締結装置の制御例を示すフローチャート。 従来に係るボルト締結方法（着座点角度法）を説明する説明図。 従来に係るボルト締結方法（着座点角度法）の問題点を説明する説明図。

符号の説明

１ ボルト締結装置
３ 制御系
５ 駆動モータ（ボルト締付け調整手段）
７ 角度エンコーダ
８ 演算制御装置
１２ｅ 角度ゲート
１２ｆ 角度ゲート
１２ｇ 角度ゲート
Ｔｓ スナッグトルク
α トルク勾配
β トルク勾配
ΔＲＴ トルク勾配差
ΔＲＴ０ 閾値
Ｔｆ１ 計算トルク
Ｔｆ２ 実トルク
ΔＴ 差分
ΔＴ０ 閾値

Claims (13)

1. ボルトの締付けにより被締付部材を締付けて、目標締付軸力を得るボルト締結方法において、
   前記ボルトの締付け中に、締付け角度の変化に伴う締付けトルクの変化を示すトルク特性線の状態を得るようにし、
   前記トルク特性線の状態が直線状態にあると判断したときには、該トルク特性線におけるトルク勾配に基づいて求めた理論着座点から予め設定された第１設定角度に達するまでボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得るようにし、
   前記トルク特性線の状態が前記直線状態よりも湾曲された湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得る、
   ことを特徴とするボルト締結方法。
2. 請求項１において、
   前記トルク特性線の状態が、該トルク特性線に関する所定パラメータ値により得られ、
   前記トルク特性線が湾曲状態にあると判断することが、前記所定パラメータ値が前記トルク特性線の直線状態を示す閾値から外れていることである、
   ことを特徴とするボルト締結方法。
3. 請求項２において、
   前記所定パラメータ値が、前記トルク特性線における低・高トルク領域のトルク勾配の差分である、
   ことを特徴とするボルト締結方法。
4. 請求項２において、
   前記所定パラメータ値が、前記トルク特性線のトルク勾配に基づき算出された所定締付け角度における締付けトルクと、該所定締付け角度における実測締付けトルクとの差分である、
   ことを特徴とするボルト締結方法。
5. 請求項１において、
   前記トルク特性線の状態が前記所定の湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けることを、前記判断時までに実行した締付け角度を相殺して続行する、
   ことを特徴とするボルト締結方法。
6. 請求項１において、
   前記トルク特性線の状態が前記所定の湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けることを、ボルトを弛めて、新たに始める、
   ことを特徴とするボルト締結方法。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記ボルトの硬度が、前記被締付部材の硬度よりも高い、
   ことを特徴とするボルト締結方法。
8. ボルトの締付けにより被締付部材を締付けて、目標締付軸力を得るボルト締結装置において、
   前記ボルトの締付けを調整するボルト締付け調整手段と、
   前記ボルトの締付け中に、締付け角度の変化に伴う締付けトルクの変化を示すトルク特性線の状態を検出するトルク特性線状態検出手段と、
   前記トルク特性線状態検出手段からの情報に基づき、前記トルク特性線の状態が直線状態にあるか又は該直線状態よりも湾曲された湾曲状態にあるかを判別するトルク特性線状態判別手段と、
   前記トルク特性線状態判別手段からの情報に基づき、前記ボルト締付け調整手段を制御して、前記トルク特性線の状態が直線状態にあると判断したときには、該トルク特性線におけるトルク勾配に基づいて求めた理論着座点から予め設定された第１設定角度に達するまでボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得るようにし、前記トルク特性線の状態が湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けて、前記目標締付軸力を得るようにする制御手段と、
   を備えている、
   ことを特徴とするボルト締結装置。
9. 請求項８において、
   前記トルク特性線状態検出手段が、前記トルク特性線の状態を検出するに際して、該トルク特性線に関する所定パラメータ値を検出するように設定され、
   前記トルク特性線状態判別手段は、前記トルク特性線状態検出手段が検出する所定パラメータ値が前記トルク特性線の直線状態を示す閾値から外れていることを条件に、前記トルク特性線が湾曲状態にあると判断するように設定されている、
   ことを特徴とするボルト締結装置。
10. 請求項９において、
    前記トルク特性線状態検出手段が検出する前記所定パラメータ値が、前記トルク特性線における低・高トルク領域のトルク勾配の差分である、
    ことを特徴とするボルト締結装置。
11. 請求項９において、
    前記トルク特性線状態検出手段が検出する前記所定パラメータ値が、前記トルク特性線のトルク勾配に基づき算出された所定締付け角度における締付けトルクと、該所定締付け角度における実測締付けトルクとの差分である、
    ことを特徴とするボルト締結装置。
12. 請求項８において、
    前記制御手段は、前記ボルト締付け調整手段を制御して、前記トルク特性線の状態が前記所定の湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けることを、前記判断時までに実行した締付け角度を相殺して続行させるように設定されている、
    ことを特徴とするボルト締結装置。
13. 請求項８において、
    前記制御手段は、前記ボルト締付け調整手段を制御して、前記トルク特性線の状態が前記所定の湾曲状態にあると判断したときには、予め設定されたスナッグトルクに達するまでボルトを締付けると共に、そのスナッグトルクに達した時点におけるボルトの締付け角度を基準として、さらに第２設定角度だけボルトを締付けることを、ボルトを弛めて、新たに始めさせるように設定されている、
    ことを特徴とするボルト締結装置。
    
    
    

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