JPH0326431A - ねじ締め方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はモータによりねじを回転させるこヒによりねじ
を締めるねじ締め方法及び袈置に関する。

〔従来の技術〕

時計、カメラ等の精密機器、コンビエータ、ディスク装
註等の電子機器等の各種産業における組立て作業におい
て、ねじ締め作業はもつとも基本的ならのである。

このねじ締め作業は以前は作業者が通常のドライバを用
いてねじをまわずことにより行われていた。しかし、近
年、作業の効率化の観点からモータによりねじをまわす
電動ドライバが多く用いられるようになっている． ねじ締め作業において最も重要なことは、外力が加わっ
ても簡単には緩まない適切な締め付け力でねじ締めを行
うことにある．人手によりねじ締めを行う場合には、ど
の程度の力で締め付ければよいかを経験的に学び、熟練
者になれば極めて適切な締め付け力でねじ締め作業を行
うことができた．しかし２作業効率を一定程度以−Ｌ向
上させることはできなかった。

これに対し、電動ドライバを用いた場合には作業効率を
向上させることが期待できる．しかしながら、電動ドラ
イバで速く締めようとずると、ねじを強く締め過ぎて破
壊してしまう可能性があり、しかも、ね１′／の締め付
Ｇｌ力を一定値にするように制御しなければならない． このため、従来の電動ドライバでは次のような種々の工
夫をしている， モータの回転速度を遠くすると、わずかなタイミングの
ずれでもねじを締め過ぎて破壊してしまう．モータの慣
性モーメンｌ・が大きいほどねじを締め過ぎやすい．こ
のため、従来の電動ドライバではなるべく慣性モーメン
トの小さい小型のモータを用いるようにしている． 一方、ねじ締め作業におけるねじ締め力はかなり高いも
のが要求されている．このため、従来の電動ドライバで
は、ねじ締めを２段階で行うようにし、わじ締めの初期
段階では小さいモータ電流で比較的高速にモータを駆動
し、ねじ締めの最終段階ではモータ電流を大きくして所
望の大きな締め付け力になるような定電流制御に切り換
えて一定トルクで締め付けるようにしている。

［゜発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の電動ドライバの場合、
初期段階においてモータの回転速度を上げるとねじを締
め過ぎてしまうたぬ、ある程度以上には上げられないと
いう問題があった。しかし、作業効率を上げるためには
、ねじが＠座する前の初期段階でなるべく高速でねじを
回転させることが望ましい．したがって、従来は実験デ
ータをもとにして経験と勘により調整して、ねじを締め
過ぎない範囲でいかに高速に回転させるかを決定してい
た．しかも、締め付けるねじの種類により許容される回
転速度が異なるため、ねじ毎に手探りの状態で調整を行
う必要があり、作業効率を更に低下させていた． 本発明は上記事情を考慮してなされたもので、常に適切
な締め付け力で高速でｈじ締めを行う、二とができるね
じ締め方法及び装置を提供することを目的とする． ［課題を解決するための千段１ 従来からねじ締めは経験と勘により行われており、ねじ
締めの力学的動作について本格的に解析したものはなく
、基本的にどのような運動方程式に基づいてねじ締めが
行われるかについては全く不明であった． 本願発明者はモータを用いたねじ締めについて力学的な
解析を行い、鋭意研究努力の結果、ねじ締め動作を適切
に表現した基本的な運動方程式を求めることに成功した
．すなわち、ねじ締め動作の基本的な運動方程式は次の
通りである．■・ｄ２θ／ｄｔ２＝−ｆ　（θ）＋ｇ（
ｉ）ただし、■はモータにより回転する全体の慣性モー
メント、θはモータの回転角、ｆ（θ）はねじから反発
される抗力トルク、１はモータの電流値、ｇ（ｉ）はモ
ータの発生するモータトルクである．本発明はかかる運
動方程式に基づいてなされたものである．本発明の原理
を第１図を用いて説明する． ねじ１は、モータ２により回転されるビット３により締
められる．回転角加速度検出手段４は、モータ２の回転
状態から回転角加速度ｄ２θ／ｄｔ２を常に検出してお
り、トルク検出手段５は、モータ２が発生するモータト
ルクｇ（ｉ｝を検出する．モータ駆動制御手段６は、回
転角加速度検出手段４からの回転角加速度ｄ２θ／ｄｔ
２　トルク検出手段５からのモータトルクｇ（ｉ）から
上述の運動方程式を変形した運動方程式ｆ（θ）＝−Ｉ
−ｄ２θ／ｄｔ２＋ｇ（ｉ）に基づいて、ねじの抗力ト
ルクｆ（θ）すなわち、ねじの締め付けトルクを演算し
、抗力トルクｆ（θ）が目標トルク値になった時点で停
止するようにモータ２を駆動制御する． ［作用］ 本発明によれば、モータの駆動制御をねじ締めの運動方
程式に基づいて行うようにしているので、常にねじの抗
力トルクを正確に把握することができる．したがって、
抗力トルクが設定値になった時点でモータを停止させる
ようにすれば、常に正確な締め付けトルクでねじを締め
ることができる．［実施例］ 本発明の一実施例によるねじ締め装置を第２図に示す． 本実施例では例えば直流モータ．１２を用いている．こ
のモータ１２の先端にはビット１４が取り付けられてお
り、このビット１４によりねじ１０が回転されて締めら
れる． モータ１２の後部には回転角θを検出するために例えば
エンコーダ１６が取り付けられている．エンコーダ１６
は、モータ１２の回転軸に取り付けられた回転板に刻ま
れた格子を例えば光学的に読取り、モータ１２の回転角
θに応じたパルス信号を発生するものである． エンコーダ１６からの回転角信号は微分回路１８により
時間ｔで微分され、回転角速度ｄθ／ｄｔ（回転角速度
ω〉が求められる．さらに、回転角速度信号は微分回路
２０により時間ｔで微分され、回転角加速度ｄ２θ／ｄ
ｔ”が求められる．微分回路２０により求められた回転
角加速度ｄ２θ／ｄｔ２は、慣性モーメントＩと乗算部
２２により乗算され、Ｉ−ｄ”θ／ｄｔ２が求められる
．慣性モーメント■はモータ１２により回転される全体
の慣性モーメントであり、正確にはモータ１２の慣性モ
ーメン゜トの他にビット１４やねじ１０の慣性モーメン
トも含むものである．しかしながら、直径が小さい部材
の慣性モーメントは無視できるほど小さいので、実際に
は慣性モーメント■はモータ１２の慣性モーメントとし
て差支えない．したがって、ねじ１０やビット１４の種
類が異なっても慣性モーメントＩは同じである．乗算部
２４はモータ１２が発生するモータトルクｇ（ｉ）を演
算する．すなわち、直流モータ１２の場合、モータトル
クｇ（ｉ〉はモータ電流１にトルク定数ｋを掛けたもの
になることが知られているので、モータｌ２に供給され
ている電流１にモータ１２のトルク定数ｋを乗算して、
モータトルクｇ（ｉ）であるｋ−１を求める。

減算部２６は、乗算部２４からのモータトルクｇ　（ｉ
）であるｋ−１から乗算部２２からのＩ・ｄ２θ／ｄｔ
’を減算して、抗力トルクｆ（θ）ｆ（θ）＝−Ｉ・ｄ
２θ／ｄｔ２＋ｋ・１を求める． 比較部２８は、減算部２６により求められｔ：抗力トル
クｆ（ρ〉を設定された抗力１・ルク値ｆ０と比較ずる
．抗力トルク値ｆ。は可変抵抗器により槽或されたトル
ク設定部２９により夕１部から自由に設定するこヒがで
きる。

比Ｉｌ１部２８により抗力ｌ−ルクｆ（θ）が抗力トル
ク鋏ｆｏになったことが検知されると，ただちに検知信
号をモータ電流切換スイッチ３０に出力する。なお、抗
力トルクｉｆ。ｃｉ最終的なわじ締め時における締め付
Ｇｔ　＋−・ルクとして定められた目誤トルクｉｌｏよ
りも少し低い鎖にするのが望ましい．こｔｔは、実際に
はモータ１２をＯ秒メは十分短い時間で浄止できないた
めである． モータ電流切換スイッチ３０は、わじ１０を締める方向
にモータ１２を回転さぜるための定速回転制御部３４か
ら出力されるモータ電流と、逆方向のブレーキ電流１８
εを切り換えて、モータ駆動部３２に供給ずる。定速同
転制御部３４は指示回転角速度ω０でモータ１２を定速
回転させるための電流を出力するもので、定速回転制御
時のモ一，、夕電流は最大モータ雷流１ｌＩで制限され
、不必要な締めつけトルクを生じない土うにしている。

最初は、定速回転制ａｉ＋部３４からのモータ電流１８
をモータ駆動部３２に供給してモータ１２を回転させる
が、比較部２８が抗力トルクｒ（θ）が設定値ｆ．にな
ったこと検出する辷、モータ駆動部３２にブレーキ電流
ｉゆを供給してモータ１２にブレーキ李かける。

モータ駆動部３２はモータ電流切換スイッチ３０からの
電流によりモータ１２を駆動ずると共に、四転角速度ｄ
θ／ｄｔが零になるとモータ１２への電流の供給を停止
ずる６ 次に、第３図を用いて本実施例の動作を説明する。同図
（ａ）はモータ＠流１のタイムチャートであり、同図（
ｈ）はモータ１２の回転角速度ω（＝ｄθ／　ｄ　ｔ　
）のタイムチャーｌ一であり、同図（ｃ）はねじ１０の
抗力トルクｆ《θ）のタイムチャ−１〜である． 最初は、ねじ１０のねじ頭１０ａは着座しておらず、モ
ータ１２は定速回転制御部３４により定速回転制御され
ており、回転角速度ω０で回転！，て〜）る．この２＝
き、ねじ１０はまだ着座し７ていないので、その抗力１
・・ルクｆ（θ）槌、おねじ山とめねじ出との摩擦力の
みに起囚ずるものであるため、ほぼ一定の低い鉋である
． ′ｊａ座する直前から回転角速度ωが徐々に低くなろう
とし、定速囲転制御のためモータ電流１が大外くなるに
絆曳，１、抗力トルクｆ（θ）が大きくなる．、Ｌか［
７、モータ駆動部３２によるモータ雷流ｉは電流制’９
ｒ　ｆｌＩ　ｉ　Ｒにより制限されているため、着廃す
ると凹転角遠度ωが急激に低くなり、抗力トルクｆ（／
Ｊ）ｉｆｉ急激に大きくなる。

抗力｝・ルクｆ（θ）がＩ）らかしめ設定された抗力ｌ
−ルク値ｆ。に達ずると、比較部２８からの信号により
モータ電流切換スイッヂ３０がブｌ／−４ｔａｉｌ１に
切換えられる。するとモータ駆動部３２は、モータ１２
に逆方向のブレーキ劃旧，を供給［７て急ブレーキをか
ける． モータ１２が伜止して微分回路１８から出ｊｌされる四
転角速度ωが零になると、第３図（ａ）に示ずＪ：うに
モータ駆動部３２は直ちにブｌノ−キ電流を切る． モータ１２のブレーキ期間も、モータ１２は回転ずるの
で、抗力トルクｆ（θ）は設定値ｆ。を超えて上昇し、
ほぼ締め・ＮＯ目標ｌ−ルク値Ｆ。に達しノ、：状態で
停止ずる。

このように本実施例によれば、ねじの抗力トルクを検出
しながらモータを駆動制御するようにしたので、抗力ト
ルクが設定鎮になった時点でモータを急停止させるよう
にすれば、所望の締めｆ−目ナトルクでｈじを締める、
二とができる。

従来は、ねＩＺを締め過ぎることを防止するため、慣性
モーメントの小さいモータを使い、着座までは締め過ぎ
ない範囲に押さえる必要がありだ。！−７かるに、本実
施例によれば常に抗力トルクを正嬉に把梶しながらねじ
締めを行うので、憤性モ・・−メンＩ・を大きく、モー
タの回転角速度を大きくしても適格なねじ締めを行うこ
辷が可能である．このことにより次のような多《の利点
がある。

＝一般に慣性モーメン１へが小さくモータトルクの大き
なモータは高価であるのに対し、慣性モーメントの大き
なモータは安価であるので、本実施例によれば慣性モー
メントの大きい安価なモータを用いることが可能となる
． また、従来は慣性モーメントの影響をできるだけ押さえ
るようにしてねじ締めをしていたのに対し、本実施例で
は逆に慣性モーメントの力を利用してねじ締めを行って
おり、省エネルギーで効率的なねじ締めが行える． また、大きな慣性モーメントのモータを用いることによ
り、ねじの抗力トルクが設定値に達するまえに自然に停
止して、所望のトルクでねじ締めすることができないと
いう事態を回避することができる． さらに、本実施例によればねじ締めの初期の段階から高
速でねじ締めを行うことができる．通常、ねじ締め作業
は着座してからの締める角度よりも、着座までねじを回
転させる角度の方が圧倒的に大きい．しかも、着座する
までのモータ駆動は締め付けトルクに全く影響しない．
したがって、ねじ締め作業のトータルな時間短縮のため
には、着座してからのねじ締め時間より着座するまでの
時間を短くする方が有効である．しかし、従来はねじの
締め過ぎ防止のため＠座までの期間、高速回転できなか
った．しかるに、本実施例によれば、ねじの締め過ぎを
考慮することなく最初から高速でねじ締めを行うことが
できるので、ねじ締め作業全体の時間を大幅に短縮する
ことができる．本実施例によれば従来より３〜５倍以上
の角速度でねじ締めを行うことができ、ねじ締め時間を
３〜５分の１以上に短縮することができた．本発明は上
記実施例に限らず種々の変形が可能である． 上記実施例では抗力トルクが設定値に達するまでモータ
電流を一定値にしたが、モータの駆動開始時は大きな電
流を流してできるだけ速く起動させるようにし、一定速
度になった後は電流値を小さくするようにしてもよい． また、本発明によれば抗力トルクｆ（θ）をモ二夕する
ことによってねじの［Ｊｕを確実に検出できる．よって
着座した後にモータの電流を切ってｇ（ｉ）一〇とし、
設定トルクまで慣性力のみでねじ締めを行い、設定トル
ク値に達した時点でブレーキ手段によって停止するよう
にしてもよい．また、ねじが着座した後、抗力トルクｆ
（θ〉が設定トルク値に達する以前にモータを停止する
か、回転角速度を減速する制御を行い、その後、慣性に
よる締め過ぎが発生しないような回転角速度で−Ｉ−ｄ
２θ／ｄｔ”与０の状態を維持したまま、モータの発生
トルクｇ（ｉ）によりねじ締めを進行し、抗力トルクｆ
（θ）が設定トルク値に達した時点でモータを停止する
ことによってねじ締めを行ってもよい． さらに、モータ電流値は一定値でなくとも、モータトル
クｇ（ｉ）は検出できるので、例えば定速回転制御のよ
うな複雑なモータ制御を行ってもよい．また、抗力トル
クの設定値を段階的に複数用意して比較し、各段階でモ
ータ制御を変え、最後に締めつけるべきトルクで停止す
るようにしてもよい． また、上記実施例では、ねじの抗力トルクｆ（θ）が目
標トルク値に達する直前にモータに逆方向の電流を流す
ことによりブレーキをかけたが、モータに機械的ブレー
キを設け、この機械的ブレーキを制御してモータにブレ
ーキをかけるようにしてもよい．また、例えば、モータ
の回転軸とビットとの間にクラッチを設け、ブレーキを
かける代わりにビットをモータから切り離してモータの
回転力が伝わらないようにしてもよい。ビットの慣性モ
ーメントはモータに比べて小さいのでモータから切り離
されると、ブレーキをかけた場合と同様に直ちに停止す
る． また、基準となる抗力トルクのカーブと発生している抗
力トルクｆ（θ）とを比較し、連続的にモータな流を制
御して最終的に目標１・ルク値になった所で停止するよ
うにしてもよい． また、上記実施例ではモータの回転角をエンコーダによ
り検出したが、他の手段により検出してもよい．また、
タコメータなどを用いて直接回転角速度を検出し、それ
を微分して回転角加速度を求めてもよい。さらに、モー
クから消接回転角加速度を挽出するようにしてもよい． また、上記実施例では制御のための演算をアナログ回路
を用いて行っているが、マイク冑コンピュータ等を用い
たデジタル回路によって同様の演算を行ってもよい． さらに、上記実施例では直流モータを用いたが、交流モ
ータ等の池の稚類のモータを用いてもよい。

［発明の効果］ 以Ｌの通り、本発明によ紅ば、常に適切な締め付Ｃフカ
で高速でね（二締めを行うことができる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図は本発明の一実施例によるねじ締め装置のブロッ
ク図、 第３図は同ねじ締め装置の動作を示すタイムチャートで
ある． 図において、 】・・・ねじ ２・・・モータ ３・・・ビット ４・・・回転角加速度検出手段 ５・・・トルク検出手段 ６・・・モータ駆動制御千段 １０・・・ねじ １０ａ・・・ねじ頭 １２・・・モータ １４・・・ビット １６・・・エンコーダ １８、２０・・・微分回路 ２２、２４・・・乗算部 ２６・・・減算部 ２８・・・比較部 ２９・・・トルク設定部 ３０・・・モータ電流切換スイッチ ３２・・・モータ駆勤部 ３４・・・定速回転制御部 第１図 本失明の一冥距！’１１こよるねじ締わ質夏の勧作乞示
寸タイムテ▼一ト第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、モータによりねじを回転させることによりねじを締
   めるねじ締め方法において、 慣性モーメントをＩ、前記モータの回転角をθ、前記モ
   ータの電流値をｉとして、前記モータの発生するモータ
   トルクｇ（ｉ）及び前記モータの回転角加速度ｄ＾２θ
   ／ｄｔ＾２を検出しながら、運動方程式 ｆ（θ）＝−Ｉ・ｄ＾２θ／ｄｔ＾２＋ｇ（ｉ）に基づ
   いてねじの抗力トルクｆ（θ）を演算し、前記モータ停
   止時の前記抗力トルクｆ（θ）が予め設定された目標ト
   ルク値になるように前記モータを駆動制御することを特
   徴とするねじ締め方法。 ２、請求項１記載のねじ締め方法において、ねじの抗力
   トルクｆ（θ）が前記目標トルク値に達する直前に前記
   モータにブレーキをかけて、前記モータの停止時に前記
   ねじの抗力トルクが前記目標トルク値になるように前記
   ねじを締めることを特徴とするねじ締め方法。 ３、モータによりねじを回転させることによりねじを締
   めるねじ締め装置において、 前記モータの回転角加速度ｄ＾２θ／ｄｔ＾２を検出す
   る回転角加速度検出手段と、 前記モータの電流値をｉとして、前記モータの発生する
   モータトルクｇ（ｉ）を検出するトルク検出手段と、 前記回転角加速度検出手段からの回転角加速度ｄ＾２θ
   ／ｄｔ＾２及び前記トルク検出手段からのモータトルク
   ｇ（ｉ）から、運動方程式 ｆ（θ）＝−Ｉ・ｄ＾２θ／ｄｔ＾２＋ｇ（ｉ）に基づ
   いてねじの抗力トルクｆ（θ）を演算し、前記モータ停
   止時の前記抗力トルクｆ（θ）が予め設定された目標ト
   ルク値になるように前記モータを駆動制御するモータ駆
   動制御手段と を備えたことを特徴とするねじ締め装置。 ４、請求項３記載のねじ締め装置において、前記モータ
   にブレーキをかけるブレーキ手段を備え、 ねじの抗力トルクｆ（θ）が前記目標トルク値に達する
   直前に前記ブレーキ手段により前記モータにブレーキを
   かけて、前記モータの停止時に前記ねじの抗力トルクｆ
   （θ）が前記目標トルク値になるように前記ねじを締め
   ることを特徴とするねじ締め装置。