JPS6020153B2 - ねじ付き継手を所望の締付けトルクレベルまで締付ける電動型ナットランナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はねじ付き継手を所望の縦付け、トルクまたは
綿付け力まで縦付ける電動型ナットランナに関するもの
である。

ボルト継手を締付ける場合、二つの異なった状態が観察
される。

第１の状態はトルクの増大なしの縦付けであると言うこ
とができる最初のねじ込み動作である。第２の状態すな
わち適当な緒付け動作では、継手の構成要素が互いに縦
付けられ、それで緒付けを続けるようにトルクは連続し
て増大されなければならない。これら二つの状態を第１
図に示し、トルクＭは回転角ひの関数として示されてお
り、部分１は最初のねじ込み動作を表わし、また部分川
ま締付け動作を表わす。機械的糠付けすなわち電動型ナ
ットランナによる締付けでは、最初のねじ込みは高角速
度で行なわれる。

本当の締付け中、駆動ピンの角速度は徐々にゼロまで減
少する。この状態を第２図に示し、角速度料‘姫間ｔ欄
数として流れ・部分１は最初のねじ込み動作を表わし、
また部分□は縦付け動作を表わす。

従って、縦付け中、ナットランナの回転部分および継手
は制動され、電動機によって発生したトルク‘ま減速ル
ク−Ｊ影で補地れ・このトルクの大きさは、回転する構
成要素の慣性係数Ｊおよび減速率‐彰蝿係する。

従たて・継手‘撒くトルクは一般に次式で表わすことが
できる。ＭＦ＝ＭＭ−拷雛 （１）ここで、Ｍ
Ｆは継手に働くトルク、ＭＭは電動機に発生したトルク
から発生され継手に働くトルクの部分、Ｊは機械の駆動
ピンに移された全ての回転構成要素の回転慣性モーメン
トの合計、ａ‘ま機械の駆動ピンの回転角度、ｔは時間
である。

普通の圧縮空気ナットランナでは、電動機によって発生
されたトルクは供給空気圧によって決まる。第３図には
硬いおよびやわらかい継手におけるトルクＭを時間ｔの
関数として示し、硬い継手の場合の関係を特性１で表わ
し、やわらかい継手の場合の関係を特性Ｄで示す。従っ
て継手に働くトルクＭＦ＝ＭＭ−Ｊ彰雌手の硬さ‘こ関
係し、この硬さは制動割合に関係する動的付加トルク−
Ｊ彰磯級腿す。上納側Ｍ蝦腿手では実質的なものである
がｔやわらかい継手では実際上無視できる。

合計トルクＭＦが継手の硬さに関係することは欠点をも
ち、その除去が種々の方法で試みられている。上記の欠
点を避ける一方法は、電動機の供給トルクのある一定レ
ベルで電動機の駆動を止めそしてできればこのレベルを
各個々の場合における特殊な継手の硬さに調整されるよ
うに選ぶことにある。

これを行なうため、ナットランナは供給トルクを直接ま
たは間接的に測定しそして予定のレベルＭｎで電動機を
停止させるある装置が設けられる。硬い継手の締付け動
作を第４図に示し、上方部分はトルクＭを時間ｔの関数
として示し、下方部分１ま角速度彰を時間の関数として
示す。ｔｎを電動機の停止開始時点とすれば、この時点
ではＭｎ−Ｊ（彰）ｎのトノレ州継手もこ機される。し
かしながら、継手に供給される最終トルクＭｓはより大
きい。時点ｔｎでは、電動機の運動は止まが・駆動ピン
‘ま角速度（笠）ｎをもつ小る。靴結果・回転総‘まＷ
ｎ千Ｊ（群）２ｎ‘こ等しも、蓄積運動ヱネルギをもつ
。装置の構造に関連してこのェネルギはその全部または
一部が継手に付加トルクＭｘとして供給される。

その結果、最終トルクＭＳは 船＝Ｍｎ‐Ｊ（影）ｎ＋ＭＸ となる。

この発明によれば、締付け動作の正確な制御はナットラ
ンナと組合さった制御装置とから成る装置によって継手
の硬さによって影響されない最終トルクＭｓまで達成さ
れ、この装置は以下のような特定をもつ。

すなわち、Ｍｎは非常な正確さで縦され得、‐１（影）
測地憎はつてだけでなく制御装置で継手の硬さの変化を
補償することによっても最小化され、Ｍｂ‘まＪの低い
値によってだけでなく制動される運動ヱネルギ享・（彰
）２の部分１こよっても最州される。

上託した正確な制御は、低慣性モーメントを運動型ナッ
トランナ、縦付けの中断される短絡によって電動機を制
動するように構成されたナットランナの電動機の駆動回
路「および付加トルク−Ｊ（彰）ｎを補償するためトル
クの発生を感知できる特殊な回路を用いて達成される。
特に適した電動機の一例としては、いわゆる永久磁化型
直流電動機（ＰＭＬｓ 電動機）を挙げることができ、
この電動機は、その供給トルクが駆動電流に正比例する
すなわちＭ＝ｋ。ｉ（ｋは電動機の定数、ｉは電動機の
電流）特性をもっている。従ってＭの測定は電流を測定
することによって簡単に行なうことができ「例えば電動
機と直列の抵抗における電圧降下として表わされ得る。
例えば電動機と直列の誘導子における電圧降下を測定す
ることで締付け中の電流弟の発生を感知することによっ
て、‐Ｊ鰐を桶償できるよ化偽。机机、ては後で詳しく
説明する。

例えば希土類金属。

コバルト型の新しい磁性材料が急速に開発されてきた結
果として、今日用いられている型の磁性材料による場合
により実質的に小さな寸法の電動機を設計できるように
なってきた。いわゆる可動コイル型のＰＭじ電動機すな
わち鉄心ではなく巻線だけが回転する電動機を採用する
ことによって、極端に慣性モーメントの低い装置が得ら
れ、すなわちＭｂ‘ま小さくなる。

従ってこの発明の目的は、電動機と制御菱贋とを有し、
上記制御装置が電動機に接続された電力供給装置と、電
動機電流感知装置と、電動機電流発生感知回路とを備え
ｔ上記電動機電流発生感知回路が、上記電力供給装置に
電動機への電力供給を中断させるそして電動機の蟹気制
動を開始させることによって、電動機電流発生で表わさ
れる継手の硬さの変化の結果として電動機電流で表示さ
れるトルクレベルの変動を補償するようにされることを
特徴とするねじ付き継手を所望の緒付けトルクレベルま
で綿付ける電動型ナットランナを提供することにある。
以下この発明を添附図面を参照して詳細に説明する。

この発明に応用するのに好ましく利用される電動機はい
わゆる可動コイル型の電動機であり、その一例を第５ａ
，５ｂ図に示す。

第５ａ図において、ｌａは外側ハウジング、ｌｂは上記
ハウジングｌａ内に配置した永久磁石、ｌｃはハウジン
グｌａ内の固定鉄心であり「 この鉄心１ｃには開ロー
ｄが設けられ、この開Ｏｌｄ内に第５ｂ図に示す回転子
の藤が挿層され、回転子巻線は第５ａ図の環状閉口ｌｅ
内に挿入される。関連型式の電動機は鉄心内に磁心のな
いことを特徴としている。銑０‘ま固定であり、可動コ
イル型電動機の回転部分は回転子巻線と、整流子と、鞠
と、軸受だけである。上記した構造によって、電動機は
極めて低い慣性モーメント（これは縦付け作業において
利用される）と非常に低いィンダクタンスとをもち、そ
れにより小さな電気的時定数が得られる。説明した型式
の永久的に磁化した直流電動機はトルクと電流との関係
が直線状であり、制御が非常に簡単である。しかしなが
ら、説明した縦付け方法のいずれもこの直線関係に依存
せず、トルクと電圧かまたは電流との明確な関係をもつ
ことで十分であり、このことは、この発明が上記型式の
電動機に限定されないことを意味している。第６図には
電動機および電動機に影響を与える回路の基本回路線図
の一例を示す。

電動機３は外部抵抗５を介して無誘導定直流電圧源４に
接続される。入力電圧は、電動機が自走時に所望の回転
数（Ｒ．Ｐ．Ｍ．）をもつように選ばなければならない
。上記の外部抵抗および回転子抵抗により始動時または
締付け制動時に電流は制限されることになる。蚤動機お
よび従ってナットランナは始動装置６の作動によって始
動され、それにより電流は直流電圧源４からヒューズ７
、始動装置６、抵抗５、電動機３および制御装置８を通
って流れる。

制御装置８（その構造は締付け方法に関係する）が縦付
け作業を終了すべき情報を供給すると、サィリスタ９（
または対応した電流弁）は点弧され、それにより一方で
は駆動電流が導線１０を通って電動機３へ流れ、また他
方では電動機は短絡され、その結果強く制動される。電
動機の慣性モ−メントが低いので、電動機の止められる
時ナットランナの回転部分に蓄えられたェネルギの量は
僅かである。電気的制動の結果として、この僅かな蓄え
られたェネルギの一部分だかが継手に作用し、残りのヱ
ネルギは抵抗５において発熱の形で消散される。第７図
には特殊な場合における第６図の糠図に対応した詳細な
回路線図を示す。

電動機３は外部抵抗１１，１２，１３（これら抵抗は例
えば１１０の抵抗値をもつ）を介して無誘導定直流電圧
源４に接続されることになる。例として選んだ電動機の
入力電圧は、電動機が自走時に所望の回転数（Ｒ．Ｐ．
Ｍ．）となるようにするためほぼ７４ボルトであるべき
であると仮定できる。上記の外部抵抗の抵抗値および電
動機の抵抗（関連した場合例えばｉ．２Ｑである）は始
動時または緒付け制動時に電流を３５〜４０アンペアに
制限する。始動時に、サィリス夕１４は押ボタン１５′
によってトリガされ、それにより電流電圧源４からヒュ
ーズ１５、電動機３、抵抗１１，ｉ２，１３およびサィ
リスタ１４を通って電流が流れる。

電動機を流れる電流がほぼ３６アンペアまで増加すると
すれば、電動機は、抵抗１３を介しての電圧降下が非常
に大きくなりサィリスタ１６が直列接続された四つのダ
イオード１７を介してトリガされるので止まり、それに
よりコンデンサ２０はサイリスタ１４を介して放電され
、それでサイリスタ１４は消弧される。逆方向における
この放電中サィリスタ１６も消弧される。締付け作業が
完了した時、電動機は停止される。

その後サィリスタ１８が作動され、それにより電動機お
よび抵抗１１‘ま短絡され、電動機は強く制動される。
そのうちに、停止サィリスタ１８および抵抗１２を通っ
て電動機に駆動電流が流れる。それで抵抗１３を流れる
電流はほぼ３６アンペアであり、それにより主サィリス
タ１４と消弧サィリスタ１６とから成る保護装置を作動
させる。停止サィリスタ１８は二つの異なった仕方、す
なわち‘１｝停止ボタン１９を押すことまたは‘２｝缶
。御装置８からトリガパルスを供給することによってト
リガされ得る。第８図には、制御装置８が制動指令を出
した時制御可能なトルクを供給するように制動電流を制
御することによって電動機が減速される回路線図を示す
。

制御装置８からパルスが発生すると、制御装置８と抵抗
４１とを結ぶ導線がしや断される。この導線は最初のね
じ込み中普通接地されているので、トランジスタ４２の
ベース電位は上記接続導線の断路と同時に増加する。従
って抵抗１４を介してトランジスタ４２へ電流が流れる
。それで抵抗４０とトランジスタ４２とから成る増幅回
路を通ってトランジスタ４４へ比較的大きな電流が流れ
る。電動機３はトランジスタ４４および抵抗４５へ電流
を駆動する。ッェナダィオード４３は抵抗４５を介して
トランジスタ４２のベースに接続される。抵抗４５を介
しての電圧降下がツェナダィオード４３を介しての電圧
降下によって平衡になった時「電動機における制動電流
の最大値が得られる。トランジスタ４２，４４のベース
電圧を無視するとすれば「制動電流は抵抗４５の抵抗で
分圧したツェナ電圧に等しい。従って全回路は自己制御
状態にあり、そして電動機３の逆起電力がトランジスタ
４４および抵抗４５の電圧降下を越える限りは、この最
大電流は一定のトルクで電動機を制動する。電気的制動
はまた、特に制動作用に構成した補助巻線を電動機に設
けることによっても達成され、補助巻線と電圧源との接
続は制御装置８１こよつて制御される。

第９図には、継手の締付けトルクが制御されることにな
る場合の回路線図を示す。

電動機のトルクと電流との間には明確な関係が存在する
ので、電動機を流れる電流は第７図の分路抵抗１２を介
しての電圧として感知される。この電圧は端子Ｃ，Ｄを
介して第９図に示す比較器回路へ送られ、電動機３を流
れる電流（すなわち抵抗１２を介しての電圧降下）はそ
れ自体周知型の演算増幅器から成る比較器２２において
分圧計２１の基準電圧と比較され、上記演算増幅器には
抵抗２９を介して正のフィードバックが設けられる。比
較の結果一致が得られると、トランジスタ２４のコレク
タに接続されたコンデンサ２３は導線Ｂを介して停止サ
ィリスタ１８の制御ブリッドへ放電し、電動機を短絡さ
せる。抵抗３０−３６およびッェナダィオード３７，３
８は必要な電圧降下および電圧制限をもたらす構成要素
である。電動機の誘導トルクＭの関数としての分圧計２
１の設定Ｓを第１１図に示す。前述したように、継手の
硬さの変動に対して締付けトルクを補償できるのが望ま
しい。

これを実施する一方法は第１０図に示すように誘導子Ｌ
ｓと直列にＲｓの抵抗をもつ第７図の無誘導抵抗１２を
接続することにある。これによって抵抗１２および誘導
子はを通しての電圧降下Ｒｓ・ｉ＋Ｌｓ巽が得られ、す
なわち電流すなわちトルクの時間依存性も考慮される。
このようにして、最終緒付けトルクにおける変動に対す
る補償がもたらされ得る。

また、粒導子いの特定値は継手の全ての硬さに対する補
償を自動的にもたらすことがわかる。この発明は予定の
トルクまでの綿付けによって締付け作業を制御する方法
に限定されない。

上記で述べたように、電動機は制御装置８からのトリガ
パルスの結果として制動される。このパルスは例えばト
ルク発生回路或いはいわゆる降伏点制御緒付けまたは再
度方法によって制御が実施される場合には角度感知回路
から発生され得る。第１２図にはナットランナを概略的
に示し、２５は電動機３に結合された回転速度計、２６
は歯車「 ２７は出力軸の駆動ピン、２８は締付け用の
ナットシースである。従って、この場合ナットランナに
は適当なトルクが得られるように機械的歯車が設けられ
ている。この発明は以上述べてきた図示実施例に限定さ
れるものではなく、これらの実施例は単にこの発明の一
例および応用例であるにすきない。

【図面の簡単な説明】 第１図はボルト継手を縦付ける際に見られる二つの相の
トルクを示すグラフ、第２図は電動型ナットランナによ
るそれぞれ最初のねじ込みおよび縦付けにおける角速度
を時間の関数として示すグラフ、第３図はそれぞれ硬い
およびやわらかい継手の場合に継手に働くトルクＭを時
間ｔの関数として示すグラフ、第４図は電動機のしや断
または解放時の硬い継手の縦付け動作を示すグラフ、第
５ａ図はこの発明を応用したナットランナの駆動源とし
て利用され得る型式の電動機（回転子は省略されている
）を示す斜視図、第５ｂ図は第５ａ図に示す電動機の回
転子を示す斜視図、第６図は電動機および電動機に接続
された始動回路と制御回路の基本回路線図、第７図は第
６図の回路の詳細な実施例を示す回路線図、第８図は第
７図の回路の変形を示す回路線図、第９図はナットおよ
びねじをそれぞれ予定のトルクまで綿付けるのに利用さ
れる回路および硬い継手およびやわらかい継手をそれぞ
れ補償できる回路を示す回路線図、第１０図は第７図の
回路の一部分の変形を示す回路線図、第１１図は分圧計
の調整の一例をトルクの関数として示すグラフ、第１２
図はナットランナを完全な状態で概略的に示す図である
。 図中、３は電動機、８は制御装置である。 ＪＺ々」 上 ／ 空琴夕 基タグ 雲多 ｒ号々ク〔 夕空７２ 乃ヲ封 星的ク ２汝＃ Ｚ琴夕 ＺＺの 卓汝＃ 牢ぎ汐

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電動機と制御装置とを有し、上記制御装置が電動機
   に接続された電力供給装置と、電動機電流感知装置と、
   電動機電流発生感知回路とを備え、上記電動機電流発生
   感知回路が、上記電力供給装置に電動機への電力供給を
   中断させそして電動機の電気制動を開始させることによ
   つて、電動機電流発生で表わされる継手の硬さの変化の
   結果として電動機電流で表示されるトルクレベルの変動
   を補償するようにされることを特徴とするねじ付き継手
   を所望の締付けトルクレベルまで締付ける電動型ナツト
   ランナ。 ２ 電流発生感知回路が電動機３と直列に接続された無
   誘導抵抗１２およびこの抵抗１２と直列に接続された誘
   導子Ｌｓを備え、上記抵抗１２および誘導子Ｌｓにおけ
   る電圧が比較器２２に供給され、予じめ設定した基準電
   圧と比較され、一致ある時比較器２２から出力信号が発
   生され、電動機３を制動してナツトランナの締付け動作
   を中断させるようにした特許請求の範囲第１項に記載の
   電動型ナツトランナ。