JPH0722904B2 - 耐力点検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、動力式工具によってボルトの締付け作業を行
う時、ボルト軸力が耐力点付近に達した時、自動的に動
力式工具による締付けを停止させるための耐力点検出装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般的に動力式工具、例えば電動工具を用いてボルトの
締付けを行う場合に於てボルトに適切な締付け力を与え
るためには、何らかの手段を用いて電動工具を制御する
必要がある。

上記電動工具を制御する１つの方法として、電動工具の
負荷電流、負荷電圧等の飽和状態を検出し、制御するも
のが知られている。従来この種の飽和検出装置の例とし
て実公昭53-49649号公報に示すものがある。以下この公
報に示す飽和検出装置を、第11図から第13図に従って説
明する。第11図に於て、V0はこの回路の入力電圧、V1は
基準電圧発生回路（11）の出力電圧、V2は遅れ電圧発生
回路（12）の出力電圧であって、この出力電圧V2の飽和
電圧値は基準電圧発生回路（11）の出力電圧V1の飽和電
圧値より大きく設定してある。（13）は上記電圧V1、２
により作動する例えば高入力インピーダンスを有する差
動増幅器等の差動検出器、V3は上記差動検出器の出力電
圧、（14）は上記差動検出器（13）と接続されるシュミ
ト回路で、V4は上記シュミット回路（14）の出力端にお
ける電圧である。

第12図は時間ｔに対する電圧V0の変化の一例を示すカー
ブで、Ｓは上記カーブの飽和検出点である。第13図は時
間ｔに対する電圧V0、V1、V2、V3及びV4の変化の一例を
示すカーブである。なお、第13図（ロ）に示すVxはシュ
ミット回路（14）のシュミットレベル電圧である。

以下このように構成されたものの作用について説明す
る。第11図の回路に第12図に示すような電圧を印加して
やると、上記電圧V0のカーブが飽和検出点Ｓに至る前に
第13図（イ）に示すように電圧V1、V2のカーブが交差す
る。次に上記電圧V1、V2を差動検出器（13）の入力とす
ると、第13図（ロ）に示すようにV2-V1がV3に増幅され
たものが上記差動検出器（13）の出力端の電圧となる更
に又この電圧V3が上記シュミット回路（14）の入力とな
り、上記電圧V3が上記シュミットレベル電圧Vxを越える
と、それまで上記シュミット回路（14）の出力端の電圧
が零であったものが、急にV4電圧を発生する。従って上
記シュミット電圧Vxを第13図（イ）、（ロ）に示すよう
に上記電圧V0の飽和検出点Ｓ合わせておけば、上記電圧
V4の発生の有無により上記電圧V0の飽和が検出できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記飽和検出装置の場合、入力電圧V0は種々の条件によ
り、飽和するまでの時間、最大値が異なる。

例えば、ボルトサイズが異なると、第14図のようにな
る。

また、ボルトサイズが同じでも、寸法が異なると、第15
図のようになる。

一方、ボルトサイズ、寸法が同じでも、トルク係数値ｋ
が変化することにより、第16図ののようになる。

このようなことで、V1、V2及びV3も変化する。従って、
条件に応じてシュミットレベル電圧Vxをもうける必要が
あり、構造が複雑になると同時に、ボルト締付け時の操
作が繁雑になるといった問題点があった。

また、従来、締付トルクの微分値を求め、その最大値を
記憶し、一定時間後に上記最大値を積分し、一定のトル
ク値と加算し、この加算値が締付トルクと一致したとき
締付を停止するようにした耐力検出ボルト締付機が特開
昭61-178186号公報で公知である。

しかし、実際の締付トルクは、個々のボルトや締付工具
などの影響により微小にふらつきながら増加しており、
従って、微分値もふらつきを持ったものとなる。また、
最大値は、同種類のボルトでも異なり一定しない。この
ように、最大値が一定しないため、最大値の積分も一定
せず、加算値も不安定なものとなる。このような理由か
ら、上記公知のものは、安定した締付けができず、締付
精度の信頼性が得られない欠点がある。

本発明は、従来技術の上記欠点に鑑みて提案されたもの
で、その目的とするところは、ボルト締付け時の操作を
簡単にし、安定した締付けを可能とし、締付精度の信頼
性を向上させ得る耐力点検出装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、締付け回転角に対
するボルト軸力の変化に対応する動力式工具の負荷電
流、負荷電圧、負荷電力又は締付けトルクのいずれか１
つを検出する第１検出手段と、上記動力式工具の締付け
回転角又は締付け時間のいずれか１つを検出する第２検
出手段と、ボルト締付過程で生ずる弾性ひずみ領域内の
２点の値をボルトサイズの選択によって適正値に設定す
るボルトサイズ選択スイッチと、所定締付け回転角又は
締付け時間で遅延時間を設定する遅延時間設定スイッチ
と、第１及び第２検出手段の検出値を計測し、該第１検
出手段の検出値が、ボルトサイズ選択スイッチで設定さ
れた２点の値のうち小さい方の値と等しくなった時点以
後、第１検出手段の検出値の検出値をデジタル量に変換
計測してサンプリング記憶して行き、第１検出手段の検
出値が、ボルトサイズ選択スイッチで設定された２点の
値のうち大きい方の値と等しくなった時点に達すると、
遅延時間設定スイッチで設定した遅延時間の後、前記サ
ンプリング記憶データに、前記２点の差の値を順次加算
し、この加算値と、第１検出手段が検出している現在の
検出値とを比較し、両値が等しくなった時点を耐力点と
し、この耐力点を基準として動力式工具を停止制御する
マイクロコンピュータを含む制御回路とを具備させたも
のである。

〔作用〕

第１及び第２検出手段は、ボルト締付け中の動力式工具
具の負荷電流、負荷電圧、負荷電力、締付けトルクの１
つと、締付け回転角又は締付け時間との関係を刻々と検
出する。

ボルトサイズ選択スイッチは、ボルトのサイズを指定す
るだけでマイクロコンピュータ内で当該ボルトに対応す
る弾性ひずみ領域内の２値が設定される。

遅延時間設定スイッチは、ボルト締付け中の第１検出手
段の検出値がボルトサイズ選択スイッチで設定した２値
のうちの大きい方の値と等しくなったときから所定時間
遅延させて後述する加算動作を開始させるまでの時間
を、締付け回転角又は締付け時間で設定するためのもの
である。

マイクロコンピュータを含む制御回路は、第１検出手段
がボルト締付け中に検出する検出値が、ボルトサイズ選
択スイッチで設定した２値のうち小さい方の値と等しく
なったときから、上記検出値の計測記憶を開始し、一
方、上記検出値が、ボルトサイズ選択スイッチで設定し
た２値のうちの大きい方の値と等しくなると、遅延時間
設定スイッチで設定した遅延時間だけ遅延させた時点か
ら、前記弾性ひずみ領域内の２点の値のうち小さな値に
等しくなった時点以降に得られた計測記憶データに、２
点の差の値を加算する。そして、この加算値と、第１検
出手段が検出している現在の検出値とを比較し、両値が
等しくなったときを耐力点とし、この耐力点を基準とし
て動力式工具を制御する。

上記制御動作を第５図で具体的に説明すると、まず、第
５図（イ）に示すように、前記飽和検出装置の入力電圧
V0を基準電圧V1とし、その電気信号を計測しながら順次
記憶する。次にV1が直線域での所定の電圧値Vosに達し
たら、所定の時間tos後に、記憶したV1に順次Vosを加え
ていき、これを遅れ電圧V2とし、V1とV2の交差する点Ｓ
で、第５図（ロ）に示すように制御信号Vcを出力するも
ので、tosを調整することにより、V0の飽和状態を出す
ことができる。

〔実施例〕

本発明は電動工具によってボルトの締付け作業を行う
時、ボルト軸力が耐力点付近に達した時、自動的に締付
けを停止させるものであるが、本発明の実施例を説明す
る前に、まず耐力点及び耐力点に類する降伏点について
説明する。

上記降伏点とは、例えば、ボルトから削り出した円筒状
の試験片を引張り試験機に掛け、軸方向にだけ静かに荷
重を掛けて引張る。この時の荷重と棒状をした試験片の
伸びる状態を差動変圧器等を使って、縦軸に応力σ、横
軸にひずみεを取り、記録用紙に記録する。すると、第
６図のグラフに示す如く、試験片に弾性ひずみが生じて
いる間は、応力とひずみは比例関係を示すためグラフは
直線となり、弾性ひずみと塑性ひずみの両者が生じる
と、応力とひずみは比例関係が崩れるため、グラフは曲
線となる。

第６図に示した応力−ひずみ曲線（２）は、材料の種
類、熱処理の有無によって種々のものが得られるが、場
合によっては、第７図のグラフに示すように、降伏点
（１）が明確に表れない物に対しては、降伏点（１）に
類するものとして、耐力点（３）がある。この耐力点
（３）とは、試験片の軸方向に荷重を掛けた時、試験片
に所定量（通常は0.2％）の残留ひずみを生じる点のこ
とである。又この残留ひずみを生じる時の応力を耐力と
いう。

以下上記耐力点の検出方法について説明する。本発明に
係わる方法により耐力点を求めるためには、ボルト締付
け時、ボルトに生じる応力−ひずみ曲線を求める必要が
生じるが、この応力はボルト締付け時、ボルトに生じる
軸力Ｎに換算でき、又ひずみはボルト締付け時のボルト
或いはナットの回転角θに換算できる。従ってまず、第
８図のグラフに示す如く、ボルト締付け時の軸力Ｎ−回
転角θ曲線（４）を求める。するとこの軸力Ｎ−回転角
θ曲線（４）は、締付け当初、ボルトが密着するまでは
ゆるやかに推移するが、密着後、弾性域に対応する部分
は直線となり、又ボルトに弾性ひずみと塑性ひずみの両
者が生じる塑性域では曲線となる。そして弾性域の下限
（５）から締付け回転角に対する軸力Ｎをデジタル量と
して順次サンプリング記憶し、軸力Ｎが弾性域の所定の
軸力２となるポイント（６）に達してから、所定の回転
角θosの後、上記サンプリング記憶していた軸力に（N2
-N1）を順次加え、計測データと順次比較し、この両者
が交差した点を耐力点（３）とし、この耐力点を基準に
して電動工具を制御するものである。

ところで、上記方法によって耐力点（３）を求める場合
合、軸力Ｎを直接求めることは非常に困難である。しか
し、電動工具によってボルトに加えられるトルクＴは比
較的容易に求めることができる。ここで、トルクＴと軸
力Ｎとの関係は Ｔ＝kdN…となる。

k:トルク係数 d:ボルトの直径 式より、Ｎ＝T/kd…となる。

この時、トルク係数ｋ及びボルトの直径ｄは使用するボ
ルトによって予め設定されているため、トルクＴより軸
力Ｎを容易に求められることがわかる。又トルクＴと軸
力Ｎとは比例関係にあることもわかる。

従って、第９図のグラフに示す如く、ボルト締付け時の
トルクＴ−回転角θを求める。そして、弾性域の下限の
（５）からトルクＴをデジタル量として順次サンプリン
グ記憶し、トルクＴが弾性域の所定のトルクT2となるポ
イント（６）に達したら、所定の回転角θosの後、サン
プリング記憶していたトルクに（T2-T1）を順次加え、
計測データと順次比較し、両者が交差した点を求めれ
ば、これが耐力点（３）となる。

一方、第９図に示したトルク−回転角θ曲線は、予備締
めされていないボルトを締付けた場合である。実際のボ
ルト締付け作業においては、まず、ある一定のレベルま
で予備締めを行い、その後、目的のレベルまで本締めを
行うものである。この場合、トルクＴ−回転角θ曲線
は、第10図に示すようになり、上記したのと同様にし
て、耐力点を求めることができる。

又、上記耐力点（３）を検出する場合、電動工具に内蔵
された直巻整流子電動機を流れる電流Ｉと時間ｔとの関
係を示す曲線からも、上記したのと同様にして耐力点を
求めることができる。

次に、マイクロコンピューータを用いて、上記トルク−
回転角曲線とその曲線の弾性域を遅らし、両者が交差し
た点、即ち、耐力点を求め、電動工具を制御する時の制
御例について説明する。

第１図はマイクロコンピュータを用いて耐力点（３）を
求める場合の第１の実施例を示すブロック図であり、図
中（21）はマイクロコンピュータである。このマイクロ
コンピュータ（21）により、トルクＴ−回転角θ曲線の
弾性域の部分を遅らせるには、弾性域のデータを一旦サ
ンプリングし、記憶する必要性が生じるためマイクロコ
ンピュータ（21）には記憶を開始する弾性域の下限トル
クT1と遅れを開始するトルクT2が設定してある。（22）
はボルトサイズの選択スイッチでマイクロコンピュータ
（21）はこのスイッチにより、ボルトサイズに応じた設
定トルクT1、T2を選択する。（23）は遅れ回転角θosを
設定する遅延時間設定スイッチ、（24）は電動工具（3
2）に内蔵された回転角検出セサー、（25）は電動工具
（32）に内蔵されたトルク検出センサー、（26）はトル
ク検出センサー（25）の信号を増幅する増幅器、（27）
は増幅器（26）で増幅されたトルク信号をA/D変換した
後、マイクロコンピュータ（21）に送るためA/Dコンバ
ータ、（28）はマイクロコンピュータ（21）から送られ
るデイジタルデータをアナログ化するD/Aコンバータ、
（29）はマイクロコンピュータ（21）よりD/Aコンバー
タ（28）を介して送られてくるデータと増幅器（26）か
らのトルク信号とを比較するコンパレータである。（3
0）はマイクロコンピュータ（21）からの信号によりコ
ンパレータ（29）の出力を送る保持回路、（31）は保持
回路（30）の信号により、電動工具（32）を制御する駆
動回路である。

上記構造において、耐力点（３）を求める時の動作を、
第１図のブロック図及び第２図のマイクロコンピュータ
（21）内のデータ処理のフローチャートに従って説明す
る。

耐力点検出装置の電源をONすると、マイクロコンピュー
タ（21）は、まず保持回路をリセットとし、電動工具
（32）の駆動を可能にする。次に、駆動回路（31）から
の信号より電動工具（32）のスイッチのON、OFFを判別
する。そして電動工具（32）のスイッチがONすると、マ
イクロコンピュータ（21）は、電動工具（32）に内蔵さ
れた回転角検出センサー（24）のON、OFF信号により、
電動工具（32）に内蔵されたトルク検出センサー（25）
の微小信号を増幅器（26）で増幅したアナログ信号をA/
Dコンバータ（27）によりA/D変換したデイジタル信号を
サンプリングし、その値がT1に達したら、順次記憶をし
ていく。また、マイクロコンピュータ（21）は、その値
がT2になったら、遅れ回転角量θosの後、記憶していた
データに（T2-T1）を加え、D/Aコンバータ（28）を介し
てコンパレータ（29）に送る。コンパレータ（29）は増
幅器（26）で増幅されたトルク検出センサーからのアナ
ログ信号とD/Aコンバータ（28）からの信号とを比較す
る。そして、両者の一致がとれると、即ち耐力点に達す
ると、コンパレータ（29）はマイクロコンピュータ（2
1）、保持回路（30）に耐力点検出信号を送り、駆動回
路（31）を介して電動工具の作動を停止する。同時に、
マイクロコンピュータ（21）は、電動工具（32）のスイ
ッチのON、OFF状態を駆動回路（31）からの信号により
検出し、スイッチがOFFになるまで電動工具（32）の作
動停止を続ける。そして、スイッチがOFFになったと
き、保持回路（30）をリセトとし、電動工具（32）の駆
動を可能にし１回の動作を終了する。

電動工具（32）のマイクロコンピュータ（21）による制
御は、上記した方法以外に、第３図のブロック図に示す
如く、上記したなかで、第１図の増幅器（26）で増幅し
たトルク検出センサー（25）からのアナログ信号とD/A
コンバータ（28）からの信号をコンパレータ（29）で比
較し、両者の一致がとれると、即ち耐力点に達すると、
保持回路（30）に耐力点検出信号を送り、駆動回路（3
1）を介して電動工具（32）の作動を停止する処理の保
持回路（30）までをマイクロコンピュータ（21）で行わ
せ、電動工具（32）の制御を直接行ってもよい。

この場合、マイクロコンピュータ（21）内のデータ処理
は、第４図のフローチャートに示すようになる。

上記両実施例において、トルク検出センサー（25）は、
電動工具（32）のモータの負荷電流、負荷電圧、負荷電
力のいずれかを検出する手段を用いてもよく、本発明の
第１検出手段に相当する。また、回転角検出センサー
（24）は電動工具（32）による締付け時間を検出する手
段を用いてもよく、本発明の第２検出手段に相当する。

〔発明の効果〕

本発明は、第１及び第２検出手段の検出値を計測し、該
第１検出手段の検出値が、ボルトサイズ選択スイッチで
設定された２点の値のうち小さい方の値と等しくなった
時点以後、第１検出手段の検出値（例：締付トルク）を
デジタル量でサンプリング記憶し、それを一定時間後
（遅延時間後）、一定の値（弾性ひずみ領域内の２点の
差、例えば、T₂−T₁）を加え、これと第１検出手段が検
出している現在の検出値（締付トルク）とを比較し、両
者が一致したとき動力式工具を停止制御するものであ
る。このようにしたことによって、微小なふらつきの伴
なう締付トルクに対して、これをそのままデジタル量と
してサンプリング記憶しておき、一定時間後（遅延時間
後）に、一定のトルク値（弾性ひずみ領域内の２点の
差）を上記サンプリング記憶データに順次加算し、これ
と、現在第１検出手段で検出している締付トルク（前記
と同様に微小なふらつきをもつデータ）とを比較させて
いるため、結果的には、各ボルトや締付工具に固有の性
質を考慮し、それに適合した形態で制御することがで
き、高精度の締付けができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の第１の実施例を示すブロック図、
第２図は第１図のブロック図におけるデータ処理のフロ
ーチャート、第３図は本発明装置の第２の実施例を示す
ブロック図、第４図は第３図のブロック図におけるデー
タ処理のフローチャート、第５図（イ）（ロ）は本発明
装置によるデータ処理方式の説明用グラフ、第６図及び
第７図は降伏点が明確に表れる材料と明確に表れない材
料の代表的な応力−ひずみ曲線図、第８図〜第10図は本
発明装置の原理説明図であって、第８図は予備締めを含
むボルト締付け時の軸力−回転角曲線図、第９図は同じ
くボルト締付け時のトルク−回転角曲線図、第10図は予
備締め後のトルク−回転角曲線図、第11図は従来装置の
ブロック図、第12図は従来装置のボルト締付け時の入力
電圧−時間曲線図、第13図（イ）（ロ）（ハ）は従来装
置のデータ処理方式の説明用グラフ、第14図〜第16図は
ボルトの種類等によってボルト締付け時の入力電圧−時
間曲線が変化することを示す図である。 （21）……マイクロコンピュータ、（22）……ボルトサ
イズ選択スイッチ、（23）……遅延時間設定スイッチ、
（24）……回転角検出センサー（第２検出手段）、（2
5）……トルク検出センサー（第１検出手段）、（32）
……電動工具。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】締付け回転角に対するボルト軸力の変化に
   対応する動力式工具の負荷電流、負荷電圧、負荷電力又
   は締付けトルクのいずれか１つを検出する第１検出手段
   と、 上記動力式工具の締付け回転角又は締付け時間のいずれ
   か１つを検出する第２検出手段と、 ボルト締付過程で生ずる弾性ひずみ領域内の２点の値を
   ボルトサイズの選択によって適正値に設定するボルトサ
   イズ選択スイッチと、 所定締付け回転角又は締付け時間で遅延時間を設定する
   遅延時間設定スイッチと、 第１及び第２検出手段の検出値を計測し、該第１検出手
   段の検出値が、ボルトサイズ選択スイッチで設定された
   ２点の値のうち小さい方の値と等しくなった時点以後、
   第１検出手段の検出値の検出値をデジタル量に変換計測
   してサンプリング記憶して行き、第１検出手段の検出値
   が、ボルトサイズ選択スイッチで設定された２点の値の
   うち大きい方の値と等しくなった時点に達すると、遅延
   時間設定スイッチで設定した遅延時間の後、前記サンプ
   リング記憶データに、前記２点の差の値を順次加算し、
   この加算値と、第１検出手段が検出している現在の検出
   値とを比較し、両値が等しくなった時点を耐力点とし、
   この耐力点を基準として動力式工具を停止制御するマイ
   クロコンピュータを含む制御回路とを具備していること
   を特徴とする耐力点検出装置。