JPS6049556B2 - 軸力管理法によるボルト締付方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、デジタル演算装置を用いて目標軸力で精度
良くボルト・ナットを締付ける軸力管理法によるボルト
締付方法に関するものである。

ボルト締付方法の１つとして軸力管理法があるが、この
軸力管理法を用いた従来のボルト締付装置では信号処理
をアナログ回路で行つていたため、処理途中の演算結果
を精度良く演算しておくことが困難であり、また締付ト
ルクなどを示す電気信号の脈動や雑音による影響を取除
くために平滑回路が必要で、このため信号処理に位相遅
れが生じ易かつた。この結果ボルト・ナットを精度良く
目標とする軸力で締付けることができないという不都合
があつた。この発明はこのような不都合に鑑みなされた
もので、精度良く目標とする軸力でボルト・ナットを締
付けることを可能にする軸力管理法によるボルト締付方
法を提供することを第１の目的とする。

この発明はこの目的と達成するため、電動機の締付トル
クをデジタル信号として検出し、デジタル演算装置によ
り、ａ締付トルクが弾性域内の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、ｂ締付角に対する
締付トルクの変化量と、最終目標締付軸力に対応する最
終目標締付角とを乗算することにより最終目標締付トル
クを算出するトルク算出ステップ、ｃ締付トルクが前記
最終目標締付トルクを越えたことを判別して停止させる
停止判別ステップ、の各ステップの演算を行なうように
構成したものである。

またボルト◆ナットのねじ山の変形があつて螺入が円滑
に行なわれない場合や、ボルトとナットが共まわりして
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けに異常がある場合には、速
がかにこの異常を検出し警報を発生するようにした軸力
管理法によるボルト締付方法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、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つ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てある。

以下実施例に基づき、この発明を詳細に説明する。先づ
、この発明の詳細な説明する。

第１図は締付特性を示す図であり、この図では横軸に締
付角０、縦軸の上方へ締付トルクＴ．．縦軸の下方へ軸
力Ｎが示されている。ボルトの軸力Ｎは弾性域内におい
てはボルトの伸びに比例し、この伸びは締付角θに比例
する。この比例関係を延長し軸力ＮがＯとなる点をθ＝
０と仮定する。この仮想したθ＝０の点を原点とすれば
、軸力Ｎと締付角θの関係は図示のように原点を通る直
線となり、ばね定数や同一のボルトであれば、すなわち
同一種類・のボルトであれば常にこの直線上を軸力Ｎと
締付角θは変化する。従つてボルトにより予め決められ
た最終目標軸力Ｎｓが与えられれば最終目標締付角θ８
も一義的に決まる。ただし、締付途中の軸力Ｎは測定が
困難であり、従つて前記した０＝０の原点を決定するこ
とも困難である。一方締付角θと締付トルクＴとの関係
は、ボルト・ナットと被締結材との接触部分などの摩擦
係数により変化する。

第１図中特性Ａは摩擦係数が小さい場合、特性Ｂは大き
い場合を示す。このため最終目標締付角θ５が一義的に
決つてもこの締付角θ８に対する最終目標締付トルクＴ
ｓは特性Ａ，Ｂで異なる。しかし特性Ａ，Ｂが直線とな
る弾性域内では、ねじ山の摩擦抵抗を無視すればこれら
直線は原点を通るので、となる。

従つて最終目標締付トルクＴ８は、特性Ａの場合は特性
Ｂの場合は として算出できる。

以上のように締付角ΔＯ＝θ。

−θ。−１に対する締付トルクＴの変化量ΔＴ＝Ｔｎ−
Ｔｎ−１と、最終目標締付角θ８とを乗算することによ
り最終目標締付トルクＴｓを算出し、締付トルクＴがこ
のトルクＬに達した時に締付停止すれば、最終目標Ｎｓ
で正確に締付けることができる。なおθｓ／Δθは定数
となるからＴｓ＝Ｋ（Ｔｎ−Ｔｎ−１），Ｋ＝として算
出してもよい。第２図は本発明によるボルト締付装置の
第１実施例を示すブロック図、第３図はそのフローチャ
ートてある。

第２図において符号１は交流電源であり、この電源１の
電力はスイッチ２、半導体スイッチ３、直流直巻電動機
４からなる閉回路へ供給される。５は電動機４の回転に
伴ないボルト・ナットの締付角度Δθ毎に角度パルスＰ
（Δθ）を出力する締付角検出器、６はトルク検出器で
あり、このトルク検出器６は電動機４の締付反力を受け
る部位に貼着されたストレインゲージを備え、締付反力
による歪みを電気信号に変換することにより締付トルク
を検出する。

７はこの締付トルクを示す電気信号をデジタル信号Ｔに
変換する油変換器である。

８はデジタル演算装置であり、この演算装置８は第３図
に示すフローチャートに従い、所定の演算を順次行なう
。

９はこの演算装置８が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Ｉ八１０は最終目標締付角
θ８、所定締付角Δθ、しきい値Ｔｔｈｌさらに締付装
置の回転部分の慣性能率など種々の設定値を設定する入
出力装置、また１１は位相制御回路、１２はゲートパル
ス発生回路である。

位相制御回路１１は演算装置８が発生する締付停止信号
Ｓに基づき、ゲートパルス発生回路１２がゲートパルス
Ｇを発生するのを停止させ、半導体スイッチ３の開路さ
せることによつて電動機４の電源を遮断する。１３はス
イッチ２の閉成を検出して演算装置８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３図によりこの実施例の動作を説明する。

先づ、入出力装置１０により、最終目標軸力Ｎ９に対応
する締付角θ９、所定締付角Δθ、前記（１）．式より
算出される最終目標締付トルクＬより小さく宵設定され
た締付トルクであつて弾性域内にあるしきい値Ｔｔｈｌ
その他締付異常を検出するための数値や慣性補正に必要
な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１３は、こ
のスイッチ２の閉成を検出して演算装置８へ演算開始信
号を送る。

演算装置８はこの演算開始信号に基づきメモリ９からプ
ログラムを順次読込み、第３図に示す一連の演算の実行
を開始す−る。先づこの演算装置８は位相制市回路１１
へ締付動作開始信号を送り、ゲートパルス発生回路１２
から位相制御されたゲートパルスＧを発生させる。この
ため半導体スイッチ３はトリガパルスＧに同期した位相
で点弧し、電動機４に駆動電流が流れ始めて電動機４は
回転し始める。ボルトが締付けられてゆくに従い、締付
角検出器５は予め決められた所定締付角Δθ毎に角度パ
ルスＰ（Δ０）を出力する。またＡＤ変換器７は刻々と
変化する締付トルクＴをデジタル信号として出力し続け
る。演算装置８は入出の装置１０により設定されたしき
い値Ｔｔｈを読込む一方、デジタル化した締付ｌトルク
Ｔを角度パルスＰ（Δθ）毎に読込み両者を比較して（
ステップ１００）、締付トルクＴがしきい値Ｔｔｈを越
えるまで、順次新しい締付トルクＴを読込み、この比較
動作を繰り返えす。

一方演算装置８はクロックパルス発生器や内蔵し、締付
開始後の所要時間ｔを積算している。ステップ１００の
条件成立までのこの所要時間ｔが設定時間ち以上になる
と、そのことがステップ１０２で判別され、ボルトとナ
ットが共回りしているものとして警報を発し（ステップ
１０４）締付けを停止する。またステップ１００の条件
成立までの所要時間ｔが設定時間Ｔ２以下であれば、そ
のことがステップ１０６で判別され、ねじ山の変形など
によりボルトまたはナットがロックしているか、または
すでに締付けが終了しているものとして警報を発し（ス
テップ１０４）、締付けを停止する。すなわちステップ
１０２，１０４，１０６は締付トルクＴがしきい値Ｔｔ
ｈになるまでの所要時間ｔがＴ２〈ｔ＜ｔ１の範囲外に
なつ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１１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
テップとなつている。演算装置８は、設定締付角Δθ毎
に締付角検出器５が出力する角度パルスＰ（Δ０）に基
づき、或る締付角０ｎとその前の締付角θ。

−１に対する締付トルクＴｎ，Ｔｎ−１を順次書き換え
ながら一時記憶している。そしてステップ１００の条件
が成立すると前記（１）式の演算を行ない（ステップ１
０８）、目標軸力Ｎｓに対応する最終目標締付トルクＬ
を算出し、この締付トルクＴｓを記憶する。電動機４の
回転と共に増加する締付途中の締付トルクＴｎがこのス
テップ１０８で算出した最終目標締付トルクＬに一致し
た時に電動機４を停止させれば、一応目標軸力Ｎｓで締
付けができることになる。しかしこの実施例では電動機
電源遮断直後の慣性による増締量も考慮し回転が完全に
停止した時の最終締付トルクＴｅを予測し、この最終締
付トルクＴｅが前記最終目標締付トルクＴｓを越えた時
に電源を遮断するようにしている。すなわち、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
の締付開始後の締付角、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
が成立する。

この（３）式をｔ＝ｏでθ＝θ０，ｄ０／Ｄｔ＝ωｏと
いう初期条件で解けばとなる。

ここにβ２＝Ｅ／Ｊ，ψ＝Ｔａｎ−１（００β／ωｏ）
である。

この（４）式により電源遮断後の締付角θの最大値θ．
はとなる。

一方、ボルトの最大締付トルクＴ．．は締付角０の最大
値θ。

におけるものであるから次のようになる。ここで電源遮
断直前における電動機の速度変動率が小さければ、電源
遮断直前の締付トルクＴ。

はとなるから、（６）式は結局次のようになる。この（
７）式から明らかなように、電源遮断直前における締付
トルクＴ。とその時の角速度ω。とが既知であれば最大
締付トルクＴ．．、すなわち慣性による増締量を考慮し
た最終締付トルクＬを予測できる。第３図においてステ
ップ１１０では或る時点０。

における締付トルクＴｎを一時記憶する一方、この時の
角度パルスＰ（Δ０）の時間間隔内で積層したクロック
パルス数Ｎ。の逆数１／Ｎｃから角速度ω。を算出し一
時記憶する。ステップ１１２はこの時点０ｎで電源を遮
断した場合の慣性による影響を考慮した最終目標締付ト
ルクＴｅを（７）式から予測する（予測ステップ）。ス
テップ１１４はこの予測した最終締付トルクＴｅが前記
最終目標締付トルクＬを越えたか否かを判別し、この条
件成立までの間角度パルスＰ（Δθ）毎に新たにその時
点の締付トルクＴおよび角速度ωを求め（ステップ１１
０）、これらを新たな初期値としてステップ１１２，１
１４の演算を繰り返えす（停止判別ステップ）。このス
テップ１１４の条件成立までの所要時間ｔは、ステップ
１０２，１０６と同様にステップ１１６，１１８で設定
値ｔ１″，ち″と比較され、異常の有無が判別される。
してこれらステップ１１６，１１８で異常が検出されれ
ば警報を発し（ステップ１０４）、異常が無ければ締付
けを停止する。なお前記予測ステップ１１２の演算に必
要な慣性能率Ｊやばね定数Ｅなどの定数は、入出力装置
１０により予め入力されているか、またはメモリ９に記
憶されている。第４図と第５図第２実施例を示すブロッ
ク図とフローチャートである。この実施例は締付トルク
・Ｔを電動機電流から求める一方、締付角θは締付角検
出器５が所定締付角ΔＯ毎に出力する角度パルスＰ（Δ
Ｏ）により求めるよう構成したものである。なお第５図
では異常検出ステップは省かれている。ノ 第４図にお
いて２０は電動機４に直列接続された電動検出用抵抗器
、２２はこの抵抗器２０の両端電圧から電動機電流を検
出しこれをデジタル信号１Ｄに変換する鳩変換器、２４
はこのデジタル信号１Ｄにより任意の締付角０ｎにおけ
る締付トルクＴおよび角速度ωを算出する第２のデジタ
ル演算装置、２６はこの第２の演算装置の演算プログロ
ムを記憶するメモリである。

この図においては前記第２図と同一部分には同一符号を
付したので、その説明は繰り返えさない。ノ 次にこの
実施例の動作を第５図に基づき説明する。

スイッチ２の閉成により、演算装置８は位相制御回路１
１、ゲートパルス回路１２を介し半導体スイッチ３を点
弧させ電動機４を始動させる。鳩変換器２２は電動機電
流を示す抵抗器２０の両端電圧を、交流電源１より極め
て短かい周期で量子化してデジタル信号１Ｄとする。第
２の演算装置２４はこのデジタル信号１。を交流電源１
の半周期または１周期に亘り積分することにより電流の
実効値し＝Σｈを算出する一方、角度パルスＰ（Δθ）
の時間間隔内に積算されるクロックパルス数ＮＯの逆数
１／ＮＯから角速度ωを算出する（ステップ２００）。
この第２の演算装置２４は、また連続する２つの角度パ
ルスＰ（Δθ）が出力される締付角θ。−１，θ。にお
ける角速度の差から、角加速度ｄω／Ｄｔを算出する（
ステップ２０２）。一方直流電動機ではその出力トルク
Ｔは となる。

ここにΦは磁速、ｋは定数である。しかし電動締付機と
して実際に締付けに寄与するトルクＴは、速度変動時の
慣性による影響（Ｊウ舊）、および摩擦トルク（Ｔｆ）
を考慮すると次式のようになる。

第２の演算装置２４はこの（８）式の演算を行つて実際
の締付トルクＴを算出し（ステップ２０４）、前記角速
度ωと共に出力する。

演算装置８はこの第２の演算装置２４が出力する締付ト
ルクＴおよび角速度ωを角度パルスＰ（Δθ）に基づい
て読込み、前記第２，３図に示した第１実施例と同様の
演算を行なう。

このように第５図の後半の動作は前記第３図と全く同一
であるから、同一ステップに同一符号を付しその説明は
繰り返えさない。第６図と第７図は第３実施例のブロッ
ク図とフローチャートである。

この実施例は締付トルクを電動機電流により求め、締付
角θは電動機電流および電圧と電動機の速度特性式とに
基づいてデジタル的に算出するように構成したものであ
る。第６図において３０は電動機電圧をデジタル信号Ｖ
Ｄに変換する鳩変換器、３２は第２のデジタル演算装置
、３４はこの演算装置３２の演算プログラムを記憶して
いるメモリである。この図におては、前記第２，４図と
同一部分に同一符号を付したのでその説明は繰り返えさ
ない。この実施例においてスイッチ２の閉成により電動
機４に電流が流れると、電動機電流と電圧がそれぞれＡ
Ｄ変換器２２，３０により交流電源周期より極めて短か
い周期で量子化されたデジタル信号１Ｄ，ＶＤに変換さ
れる。

第２の演算装置３２はこれらデジタル信号１Ｄ，■Ｄを
順次読込みこれらを交流電源の半周期または１周期に亘
り積分して実効値１Ｍ＝ΣＩＤｌおよびＶＭ＝ーΣＶＤ
を算出する（第７図のステップ３００）。一般に直巻整
流子電動機の角速度ωは次の速度特性式により求められ
る。

ここにＲは電機子抵抗、Φは磁界、Ｋは定数である。

磁界Φは一般には電流１Ｍの関数となるが、その変化特
性は予めメモリ３４に記憶されているものとする。第２
の演算装置３２は、前記油変換器２２，３０が出力する
電流１Ｍおよび電圧■Ｍを順次読込んで（９）式の演算
を行ない角速度ωを算出する一方（ステップ３０２）、
前記（８）式の演算を行つて実際に締付けに寄与する締
付トルクＴを算出する（ステップ３０４）。

第２の演算装置３２はこれら角速度ωと締付トルクＴを
電源の半周期または１周期毎に出力する。演算装置８は
この演算装置３２が出力する角速度ω。

およびトルクＴｎを所定の時間間隔て順次読込み、の関
係から締付角θを算出する一方（ステップ３０６）、所
定締付角Δθ毎にその時の締付トルクＴｎを一時記憶す
る。

以下前記各実施例と同様の動作を行なう。以上の第２〜
７図に示した実施例では角速度ωが締付けの進行につれ
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するものにも適用可能である。

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３の導
通角を制御することにより角速度ωを一定に制御する”
ものがある。第８図はこのように角速度ωを一定にした
一実施例のフローチャートである。

この実施例では電動機電圧を油変換器でデジタル信号■
。とした後、これを交流電源の半周期または１周期に亘
つて積分することにより電圧の実効値ＶＭを求め（ステ
ップ４００）、前記（９）式の速度特性式により電動機
電流１Ｍを演算し（ステップ４０２）、さらにこれら電
圧ＶＭｌ電流１Ｍを用いて前記（８）式により締付トル
クＴを算出する（ステップ４０４）。以下角速度ωを定
数として前記第３〜８図に示す実施例と全く同様の演算
により締付けを行なう。第２，３図の第１実施例では、
しきい値判別ステップ１００と停止判別ステップ１１４
の両方に、締付けの異常を検出するための異常検出ステ
ップ１０２，１０４，および１１６，１１８を設けてい
るので、異常検出が一層確実になるが、この発明ではス
テップ１００または１１４のいずれか一方にこの異常検
出ステップを設けてもよい。また以上の各実施例では予
測ステップ１１２により慣性による影響を補正している
ので、一層正確な軸力管理が可能になるが、精度をこれ
ほど要求しない場合はこのステップ１１２を省いてもよ
い。さらに第４〜８図の実施例で電動機電流から締付ト
ルクＴを求める場合に、ステップ２０４，３０４，４０
４において慣性および摩擦によるトルクの減少を考慮し
ているので、トルクＴの正確な検出が可能になるが、こ
の発明はこれらの補正をしなくても一応所期の目的を達
成できることは明らかである。この発明は以上のように
、摩擦係数などの締付条件の相違を考慮し、目標軸力を
発生させる締付角に対応する最終目標締付トルクをボル
ト毎に算出し、締付トルクがこの最終目標締付トルクに
一致するようにしたから、締付条件に差があつても、軸
力を正確に管理することができ、軸力のばらつきが少な
くなる。

また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図は本発明の締付特性図、第２図と第３図は第１実
施例を示すブロック図とフローチャート、第４図と第５
図は第２実施列を示すブロック図とフローチャート、第
６図と第７図は第３実施例を示すブロック図とフローチ
ャート、また第８図は第４実施例のフローチャートであ
る。 ４・・・・・・電動機、８・・・・・・デジタル演算装
置、１００・・・・・・しきい値判別ステップ、１０２
，１０６，１１６，１１８・・・・・・異常検出ステッ
プ、１０８・・・・・・トルク算出ステップ、１１４・
・・・・・停止判別ステップ、Ｔ・・・・・・締付トル
ク、Ｔｔｈ・・・・・化きい値、θ・・・・締付角。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電動機の締付トルクをデジタル信号として検出し、
   デジタル演算装置によつて次の各ステップの演算を行な
   うことを特徴とする軸力管理法によるボルト締付方法ａ
   締付トルクが弾性域内の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、ｂ 締付角に対する締
   付トルクの変化量と、最終目標締付軸力に対応する最終
   目標締付角とを乗算することにより最終目標締付トルク
   を算出するトルク算出ステップ、ｃ 締付トルクが前記
   最終目標締付トルクを越えたことを判別して締付けを停
   止させる停止判別ステップ。 ２ 締付トルクは電動機の締付反力を計測するストレイ
   ンゲージの出力をＡＤ変換器でデジタル信号に変換する
   ことにより求める特許請求の範囲第１項記載の軸力管理
   法によるボルト締付方法。 ３ 締付トルクは電動機電流に基づき電動機のトルク特
   性式から算出する特許請求の範囲第１項記載の軸力管理
   法によるボルト締付方法。 ４ 締付角は締付角検出器が所定締付角毎に出力する角
   度パルスにより検出する特許請求の範囲第１項記載の軸
   力管理法によるボルト締付方法。 ５ 電動機電流および電動機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締付角を算
   出する特許請求の範囲第１項記載の軸力管理法によるボ
   ルト締付方法。 ６ 電動機は角速度が一定となるように位相制御され、
   締付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項記載の軸力管理法によるボルト締
   付方法。 ７ 電動機の締付トルクをデジタル信号として検出し、
   デジタル演算装置によつて次の各ステップの演算を行な
   うことを特徴とする軸力管理法によるボルト締付方法ａ
   締付トルクが弾性域内の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、ｂ 締付角に対する締
   付トルクの変化量と、最終目標締付軸力に対応する最終
   目標締付角とを乗算することにより最終目標締付トルク
   を算出するトルク算出ステップ、ｃ 締付トルクが前記
   最終目標締付トルクを越えたことを判別して締付けを停
   止させる停止判別ステップ、ｄ 前記しきい値判別ステ
   ップと停止判別ステップの少なくとも一方のステップに
   設けられ、その条件成立までの所要時間が設定時間範囲
   外になつたことから異常を検出して警報を発生させると
   共に締付けを停止させる異常検出ステップ。