JPS5840274A - 回転角法によるボルト締付装置 - 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】 この発明は、電、動板の電源遮断後における回転部分の
慣性による影響を補正し、正確な締付けを可能にする回
転角法によるボルト締付装置に関するものである。

電動機を用いたボルト締付装置において、ボルト・ナツ
トの締付管理を行なう方法の一つとして回転角法が従来
よりある。この回転角法はボルト・ナツトと被締結部材
とが密着するように予め仮締めし、この定着状態を始点
としてボルトの種類等により決められた所定の回転角だ
け締付けるものである。しかし実際にはボルト・ナツト
および被締結部材間の摩擦係数のばらつきなどにより、
締付速度すなわち回転部分の角速度が異なるため、電動
機の電源遮断後の慣性による増締量が変化する。このた
め特に多数のボルトを締付ける場合には締付角のばらつ
きが生じ締付精度が低下するという問題があった。

この発明はこのような事情に鑑みなされたもので、慣性
による増締量を考慮して最終予測締付角を算出し、慣性
による最終締付角のばらつきを無くして正確な締付管理
を可能にする回転角法によるボルト締付装置を提供する
ことを第１の目的とする。

この発明はこの第１の目的達成のため、予め記憶された
プログラムおよび設定値に基づき一連の演算を行なうデ
ジタル演算装置を備え、前記演算装置は、ボルト密着状
態を始点として積算した回転角が最終目標締付角より小
さい設定しきい値を越えたことを判別するしきい値判別
ステップと゛、このしきい値判別後の回転角および角速
度に基づ角を越えたことを判別して締付停止信号を出力
する停止判別ステップとを有し、前記締付停止信号によ
って前記電動機の電源を遮断するように構成したもので
ある。

またボルト・ナツトのねじ山の変形があって螺入が円滑
に行なわれない場合や、ボルトとナツトが共まわりして
締付けが進行しない場合がある。

この発明はこのような締付は異常がある場合には速やか
にこの異常を検出し警報を発生するようにした回転角法
によるボルト締付装置を提供することを第２の目的とす
る。

この発明はこの第２の目的達成のため、前記しきい値判
別ステップと停止判別ステップとの少なくとも一方のス
テップに設けられ、そのステップの判別条件成立までの
所要時間が設定時間範囲外になったことから異常を検出
して警報を発生させると共に締付停止信号を出力する異
常検出ステップを付加したものである。以下実施例に基
づき、この発明の詳細な説明する。

先づこの発明の詳細な説明する。今摩擦を省略すれば、
締付時の運動方程式は次のようになる。

ここにＪは電動機の出力軸でみた慣性能率、θはボルト
の締付開始後の回転角、Ｅはボルトのばね定数、Ｔは電
動機のトルク、またｔは時間を示す。

電源の遮断後においてはＴは零になるから、この時には ｄ２θ Ｊ−２７−ｒ＝−Ｅθ　　・・・・・・（２）が成立す
る。この（２）式をｔ＝０でθ＝θ０゜ｄθ／ｄ１＝ω
０　という初期条件の下で解けばとなる。ここにβ−町
４．９＝　ｔｏ’　（θ。β４゜）である。この（８）
式より電源遮断後の回転角θの最大値θ１は　　　　　
　　　　　。

となる。

この（４）式から明らかなように、電源遮断直前におけ
る回転角θ。とその時の角速度ω。が既知であれば最大
回転角θ□、すなわち慣性による増締量を考慮した最終
締付角シな予測することができる。このθｆが最終予測
締付角であり、この締付角シな速やかに算出しこの締付
角θｆがボルトの種類に応じて予め設定された最終目標
締付角θ５に達した時に電源を遮断すれば、常に最終目
標締付角θ。

で正確に締付けることが可能になる。

第１図は本発明によるボルト締付装置の一実施例を示す
ブロック図である。この図において１は交流電源であり
、その出力電圧はスイッチ２、半導体スイッチ３、直流
直巻電動機４からなる閉回路に供給される。６は電動機
４の回転によりボルト・ナツトの締付回転角度Δθ毎に
角度パルスＰ（θ）を発生する回転角検出器、７はデジ
タル演算装置でありこの演算装置は後記第２図に示すフ
ローチの演算装置がこの所定の演算を行なうための演算
プログラムを記憶しているメモリ、９は最終目標締付角
θ８．シきい値θｔＡ、ボルトに関するデータ、さらに
締付装置の慣性能率など種々の設定値を設定する入出力
装置、１０は位相制御回路、１１はゲートパルス発生回
路である。位相制御回路１゜は演算装置７が発生する締
付停止信号Ｓによりゲートパルス回路１１のゲートパル
スＧの発生を停止させ、半導体スイッチ３を開路させる
ことにより電動機４の電源を遮断する。また１２はスイ
ッチ？−の閉成を検出して演算装置７に対して演算開始
信号を出力する電源電圧検出器である。

次に第２図のフローチャートおよび第３図の特性図に基
づき動作を説明する。

先づ、ボルトは被締付部材との間に間隙が無くなるよう
密着状態に仮締めされる。この密着状態がこの締付装置
の始点となる。すなわちこの時回転角θ＝Ｏとなる。次
に入出力装置９により、ボルトのばね定数Ｅ、電動機の
慣性能率Ｊ、第３図に示すようにボルト締付状態が弾性
域Ａに入ったか否かを判別するための設定値θ１．最終
目標締付角θ５．この最終目標締付角θ５よりやや小さ
い設定しきい値θｔｈ、その他線付異常を検出するため
の種々の値が設定される。

スイッチ２が閉成されると、電源電圧検出器１２はこの
スイッチ２の閉成を検出して演算装置７へ演算開始信号
を送る。演算装置７はこの演算開始信号に基づきメモリ
８からプログラムを順次読込み、第２図に示す一連の演
算を実行するようになる。先づこの演算装置７は位相制
御回路１０に締付動作開始信号を送り、ゲート、パルス
発生回路１１から位相制御されたゲートパルスＧを発生
させる。

これにより、半導体スイッチ３はトリガパルスＧに同期
した位相で導通し電動機４に駆動電流が流れ、電動機４
が回転を始める。このためボルトは次第に締付けられて
ゆくが、この回転に伴ない回転角検出器６は予め決めら
れた単位回転角Δθ毎に角度パルスＰ（すな出力する。

演算装置７はこの角度パルスＰ（θ）を積算することに
より締付回転角θを算出する。

演算装置７は先づ締付けが正常に進行してボルトの弾性
域Ａに入ったことを判別する（第２図、ステップ１００
）。すなわち始点から弾性域Ａに入るまでの回転角θは
ボルト、被締付体によりほぼ決っているから、弾性域Ａ
に入る設定値θ１を入出力装置９から読込み、回転角θ
をこの設定値θ１゜と比較し、回転角θがこの設定値θ
１に達するまでこの比較動作を繰り返見す。一方演算装
置７はクロックパルス発生器を内蔵し、締付開始以後の
所要時間ｔを積算している。ステップ１００の条件成立
までの所要時間ｔが設定時間１．以上になるとそのこと
がステップ１０２で判別され、ねじ山の変形などにより
ボルトまたはナツトがロックしているものとして警報を
発しくステップ１０４）締付けを停止する。またこの所
要時間ｔが設定時間ｔ２以下であればステップ１０６で
判別され、ボルトが共まわりしているものとして警報（
ステップ１０４）を発し締付けを停止する。すなわちス
テップ１０２，１０４．１０６は回転角θが設定値θ１
になるまでの所要時間ｔが１２＜１＜１．の範囲外にな
ったことから異常を検出して警報を発生させる一方、締
付停止信号Ｓを位相制御回路１０へ送り半導体スイッチ
３を開路させて電動機４の電源を遮断する異常検出ステ
ップとなっている。

演算装置７は次に回転角θがしきい値θｔｈを越えたこ
とをしきい値判別ステップ１０８で判別する。このしき
い値θｔｈは最終目標締付角θ５より小さい角度として
予め設定され、入出力装置９に入力されている。ステッ
プ１１０　、１１２ハ前記Ｘテップ１０２．１０６と同
様に異常を検出するだめのステップである。

回転角θがしきい値θｔｈに達するとその時の回転角θ
が前記（３）　、　（４）式における初期値θ。とじて
読込まれると共に、その時の前記回転角検出器６の角度
パルスＰ（θ）の時間間隔から角速度ω。が算出される
（ステップ１１４）。すなわち角速度ω。は角度パルス
Ｐ（θ）の時間間隔に反比例し、この時間間隔はこの時
間間隔内に積算されたクロックパルス数Ｎに比例するか
ら、結局角速度ω。はこのクロックパルス数Ｎに逆比例
するものとして算出される。

この角速度ω。は予め設定された角速度ω１と比較され
（ステップ１１６）、ω０〉ω１であれば共まわりと判
断され警報を発した後（ステップ１１８）、締付停止信
号Ｓを出力して締付けを停止させる。

すなわち共まわりが発生すると回転速度が速くなるから
である。共まわりが発生していなければ、予測ステップ
１２０において最終予測締付角θｆを算出し、この最終
予測締付角シが最終目標締付角θ、を越えるまで順次ス
テップ１１４，１１６゜１２０の演算を繰り返えす（停
止判別ステップ１２２）。この時の所要時間ｔは、前記
ステップ１０２．１１０および１０６，１１２と同様に
、ステップ１２４　、１２６で設定値１．．１．　と比
較され異常の有無が判定される。そしてこれらステップ
１２４，１２６で異常が検出されれば警報を発しくステ
ップ１０４）、異常が無ければ警報を発することなく締
付けを終了する。

この実施例ではステップ１０２．１０６，１１０゜１１
２．１２４．１２６において、締付所要時間ｌが設定時
間範囲外になったことから異常を検出するだけでなく、
ステップ１１６において角速度ω０が設定値ω１以七に
なったことからも共まわりを検出するから、異常検出が
一層確実になる。なお共まわりを検出するステップ１０
６，１１２，１．２６の警報と、ねじ山の異常などを検
出するステツープ１０２．１１０，１２４の警報とを別
々に設ければ、異常の種類も即座に知ることができる。

またこの実施例ではステップ１１４〜１２２でステップ
１２２の条件成立捷での間、順次角速度と回転角のＷ期
値ω。、θ。を新たに読み替えて最終目標締付角〜を算
出しているので、非常に正確になるが、この発明は第４
図のように構成してもよい。すなわちこの第４図の実施
例では、回転角θがしきい値θｔｈを越えた後（ステッ
プ１０８）の増締量（θ−００）が（θＳ−θｆ）を越
えると（停止判別ステップ１３０）締付を停止し、この
条件成立までの所要時間ｔが設定値ｔ１　　を越えると
ステップ１３２で共まわりと判別するようにしたもので
ある。

この第４図の実施例によれば演算時間が比較的長いステ
ップ１２０の実行が１回で済むので、特に高速で締付け
を行なう装置に適する。

第５因はさらに他の実施例を示すブロック図、第６図は
そのフローチャートである。この実施例は電動機の駆動
電流および駆動電圧に基づいて角速度ωを算出し、この
角速度ωと演算装置内のクロックパルス発生器が出力す
るクロックパルスとにより回転角θを遂次算出するよう
にしたものであるＯ 第５図において２０は電動機電圧をデジタル信号ＶＤに
変換するＡＤ変換器、２２は電動機４に直列接続された
電流検出用抵抗器、２４はこの抵抗器２２の両端電圧か
ら電動機電流を検出しデジタル信号ＩＤに変換するＡｌ
）変換器、２６はこれらのデジタル信号■。、ｖｏによ
り電動機４の角速度ωおよび回転角θを算出する第２の
デジタル演算装置、２８はこの第２の演算装置の演算プ
ログラムを記憶しているメモリである。この図において
前記第１図と同一部分には同一符号を付したから、その
説明は繰り返えさない。

次に、この実施例の動作を第６図に基づいて説明する。

先づスイッチ２の閉成により、電圧検出器１２は第２の
演算装置２６を初期化し、この演算装置２６はメモリ２
８から演算プログラムを読込み演算実行可能な状態とさ
れる。−万演算装置７は電圧検出器１２（７ｐ出力に基
づき位相制御回路１０に動作開始信号を送り、ゲートパ
ルス回路１１がゲートパルスＧを発生する。このため半
導体スイッチ３がこのゲートパルスＧに同期して導通し
、電動機電流が流れ始める。Ａ［）変換器２０　、２２
は、電動機電圧と電流を交流電源１の周期より極めて短
かい周期で量子化してそれぞれデジタル信号ＶＤ、Ｉ、
とするが、第２の演算装置２６はこれらのデジタル信号
ＶＤ、ＩＤを交流電源１の半周期または１周期に亘り積
分する（ステップ２００）。この積分値ΣｖＤ、ΣＩ、
はそれぞれ電圧、電流の実効１直−１■８に相当する。

一般に直巻整流子電動機の回転速度は次の速度特性式に
より求められる。

ここにωは角速度、Ｒは電機子抵抗、Φは界磁、Ｋは定
数である。界磁Φは一般には電流ＩＭの関数となるが、
その変化特性は予めメモリ２８に記憶されているものと
する。第２の演算装置２６はこの（５）式の演算を行な
い、交流電源１の半周期または１周期毎に角速度ωを出
力する（ステップ２０２）。またこの第２の演算装置２
６は内蔵するクロック発生器が発生するクロックパルス
を用いて微小回転角Δθ＝ω・Δｔを算出し、この微小
回転角Δθを締付開始から積算することにより回転角θ
＝ΣΔθを求め、この回転角θを電源１の半周期または
１周期毎に出力する（ステップ２０４）。

演算装置７はこの第２の演算装置２６が出力する角速度
ωおよび回転角θを適宜読込み、前記第１〜３図に示し
た実施例と同様の動作を行なう。

なお第２図ではステップ１１４でクロックパルス数の積
算値Ｎから角速度ωを求めているが、この第５．６図の
実施例では第２の演算装置２６から角速度ωを読込めば
足りるので、このステップ１１４が僅かに異なり、また
異常検出のためのステップ１１６，１１８が省かれてい
る。このように第６図の後半の動作は前記第２図と略同
−であり、同一ステップに同一符号を付したので、その
説明は繰り返えさない。

以１の第１〜６図に示した実施例では角速度ωが締付の
進行につれて変化するものであるが、この発明は角速度
ωが一定となるように速度制御されたものにも適用可能
なことは勿論である。例えば電機子逆起電圧が角速度ω
に比例することを利用し、この逆起電圧の変化に応じて
半導体スイッチの導通タイミングを位相制御することに
より、角速度ωを一定にするものがある。このような場
合はこの一定の角速度ωを入出力装置により予め設定し
、演算装置に内蔵されたクロック発生器が出力するクロ
ックパルスから時間ｌを計測し、これら角速度ωと時間
ｔの積から回転角θを算出するようにすれば、前記第２
　、４　、６１１と同様の演算を行なうことにより最終
目標締付角θＳでの締付けが可能である。

なお第２．４．６図に示すように、これらの実施例では
回転角θがしきい値θｔｈに達する前に、回転角θが設
定値θ１に達したことから弾性域Ａ（第３図）に入った
ことを判別しくステップ１００）、この設定値θ１に達
するまでの所要時間ｔから締付異常の有無を検出するの
で（ステップ１０２．１０６）、異常検出が他のステッ
プ１１０゜１１２．１２４，１２６と共に複数段に亘っ
て行なわれることになり異常検出が非常に確実になる。

しかしこの発明は、しきい値判別ステップ１０８および
停止判別ステップ１２２のいずれかに異常検出ステップ
を設けてもよい。

この発明は以上のように電動機の電源遮断後の慣性によ
る増締量を予測して最終予測締付角が最終目標締付角に
一致するようにしたから締付管理を正確に行なうことが
可能になり、締付角のばらつきが無くなる。また最終締
付角を予測し電源を遮断するまでの処理はすべてデジタ
ル信号処理により行なわれるので、アナログ信号による
ものに比べて信号処理中の位相遅れや信号保持手段によ
る誤差が発生せず、締付精度が著しく向上する。

またしきい値判別ステップや停止判別ステップにこれら
の判別条件成立までの所要時間から締付異常を検出する
異常検出ステップを設けた場合には、ボルトの共まわり
やねじ山の異常などを確実に検知できる。

さらにこの発明はデジタル演算装置を用いているのでプ
ログラムを変更するだけで異常検出ステップを設けるこ
とができる。また種々の設定値やプログラムの変更によ
り、ボルトの種類や締付条件が変化しても柔軟に対処で
き、汎用性に富むという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
はその動作を示すフローチャート、第３図は締付特性図
、第４図は他の実施例のフローチャート、また第５図は
さらに他の実施例を示すブロック図、第６図はそのフロ
ーチャートである。 ４・・・電動機、７・・・デジタル演算装置、ｌＯ８・
・・しきい値判別ステップ− １２０・・・予測ステップ。 １２２・・・停止判別ステップ、 １１０．１１２，１２４．１２６・・・異常検出ステッ
プ、θ・・・回転角、す・・・最終予測締付角、６ｔｈ
・・ルきい値、Ｏ５・・・最終目標締付角。 トド露フ゛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （リ　電動機を用いた回転角法によるボルト締付装置に
   おいて、予め記憶されたプログラムおよび設定値に基づ
   き一連の演算を行なうデジタル演算装置を備え、前記演
   算装置は、ボルト密着状態を始点として積算した回転角
   が最終目標締付角より小さい設定しきい値を越えたこと
   を判別するしきい値判別ステップと、このしきい値判別
   後の回転角および角速度に基づき慣性補正を行って最終
   予測締付角を算出する予測ステップと、前記最終予測締
   付角が最終目標締付角を越えたことを判別して締付停止
   信号を出力する停止４判別ステップとを有し、前記締付
   停止信号によって前記電動機の電源を遮断することを特
   徴とする回転角法によるボルト締付装置。 （２）回転角は回転角検出器が所定の単位回転角毎に出
   力する角度パルスを積算することにより、また角速度は
   前記角度パルス間に積算されるクロックパルス数により
   それぞれ求める特許請求の範囲第１項記載の回転角法に
   よるボルト締付装置。 （８）電動機の駆動電流および駆動電圧をそれぞれ示す
   デジタル信号と、電動機の速度特性式とに基づいて角速
   度および回転角を算出する特許請求の範囲第１項記載の
   回転角法によるボルト締付機。 （４）電動機は角速度が一定となるように位相制御され
   、回転角はこの角速度とクロックパルスとに基づき求め
   る特許請求の範囲第１項記載の回転角法によるボルト締
   付装置。 （５）　　電動機を用いた回転角法によるボルト締付装
   置において、予め記憶されたプログラムおよび設定値に
   基づき一連の演算を行なうデジタル演算装置を備え、前
   記演算装置はボルト密着状態を始点として積算した回転
   角が最終目標締付角より小さい設定しきい値を越えたこ
   とを判別するしきい値判別ステップと、このしきい値判
   別後の回転角および角速度に基づき慣性補正を行って最
   終予測締付角な算出する予測ステップと、前記最終予測
   締付角が最終目標締付角を越えたことを判別して締付停
   止信号を出力する停止判別ステップと、前記しきい値判
   別ステップおよび停止判別ステップの少なくも一方のス
   テップに設けられそのステップの判別条件成立までの所
   要時間が設定時間範囲外になったことから異常を検出し
   て警報を発生させると共に締付停止信号を出力する異常
   検出ステップとを有し、前記いずれかの締付停止信号に
   よって前記電動機の電源を遮断することを特徴とする回
   転角法によるボルト締付装置。