JPS6055268B2 - トルク法によるボルト締付装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、電動機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ト
ルク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、締付管理を行
なう一方法としてトルク法がある。

このトルク法は締付途中の締付トルクを検出し、このト
ルクが予め定めた設定値に達した時点で電源を遮断する
ものである。しかし回転部分の慣性により電源遮断後に
おいて増締めされるので、この増締量を予め考慮して前
記設定値を決めることが必要になるが、この慣性による
増締量はボルト、ナッ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が異なるため、この増締
量はボルト毎に変化する。このため多数のボルトを締付
ける場合には締付トルクのばらつきが生じ、締付精度が
低下するという問題があつた。また一般にボルトの締付
途中においては、接触面の不均一性によりトルクの細か
い変動が避けられず、アナログ回路で構成した場合には
この変動を吸収するために平滑回路が必要になり、この
ために位相遅れが生じ、動作途中の信号を記憶するメモ
リの精度も低下する。このため締付精度は一層悪くなる
という問題もあつた。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
締付トルクを算出し、慣性による最終締付トルクのばら
つきを無くして正確な締付管理を可能にするトルク法に
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、締付トルクが
最終目標締付トルク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手段と、このしきい値判別後
の締付トルクおよび角速度に基つき慣性補正を行つて最
終予測締付トルクを算出する予測手段と、前記最終予測
締付トルクが最終目標締付トルク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手段とを有し、前記
締付停止信号によつ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やかにこの異常を検出し
警報を発生するようにしたトルク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の目標達成のため、前記しきい値判別手段と停止判
別手段との少なくとも一方の手段に設けられ、その手段
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手段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。先つ
この発明の原理を説明する。

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、この時にはが成立する
。

この（２）式をｔ＝ｏでＯ＝００，ｄ０／Ｄｔ＝ωｏと
いう初期条件の下で解けばとなる。

ここにβ２＝Ｅ／Ｊ，ψ＝Ｔａｎ−１（００β／ωｏ）
てある。この（３）式より電源遮断後の回転角θの最大
値θ．はとなる。

一方、ボルトの最大締付トルクＴｍは回転角θの最大値
０ｍにおけるものであるから次のようになる。

ここで電源遮断後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ＴＯはとなるから
、（５）式は結局次のようになる。

おける締付トルクＴ。とその時の角速度ω。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を予測することができる
。このＴｅが最終予測締付トルクてあり、この締付トル
クＴｅを速やかに算出してこの締付トルクＴｅがボルト
の種類に応じて予め設定された最終目標締付トルクＴｓ
に達した時に電源を遮断すれば、常に最終目標締付トル
クＬ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第１実施例を示すブロック図
、第２図はそのフローチャート、第３図は締付特性図で
ある。

第１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●ナットの締付回転角度Δθ毎に角度パル
スＰ（Δθ）を出力する回転角検出器、６はトルク検出
器てあり、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ＡＤ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２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リ、１０は最終目標締付ト
ルクＴＳｌしきい値Ｔｔｈｌボルトに関するデータ、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てある。

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を開路さ
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２，３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、ボルトのばね定数Ｅ１回転
部分の慣性能率Ｊ１最終目標締付トルクＴ８、この最終
目標締付トルクよりやや小さい設定しきい値Ｔｔｈ、そ
の他締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２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は位相制御回路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、回転角
検出器５は予め決められた所定回転角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は入出力装置１０により設定されたしきい
値Ｔ．ｈを読込む一方、デジタル化した締付トルクＴを
角度パルスＰ（ΔＯ）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。

なおしきい値Ｔ．ｈは、第３図に示す弾性域Ａ内におい
て最終目標締付トルクＬよりやや小さいトルク値として
設定されている。一方演算装置８はクロックパルス発生
器を内蔵し、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（以上になると、そのことがステップ１０２で判別
され、ボルトがナットと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！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ＴＬｈになるまでの所要時間
ｔがＴ２〈ｔくち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は締付トルクＴが電動機Ｔｔｈを越えると（ステ
ップ１００）、その時の締付トルクＴを前記（６）式に
おける初期値Ｔ。

として一時記憶する一方、その時の回転角検出器５の角
度パルスＰ（Δθ）の時間間隔から角速度ω。を算出し
これを角速度ωの初期値ω。として一時記憶する（ステ
ップ１０８）。すなわち角速度ωは角度パルスＰ（Δθ
）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。演算装置８はこれらの初期値Ｔ。，
ωｏを用いて前記（６）式の演算を行ない、最終予測締
付トルクＴ８を算出する（予測ステップ１１０）。そし
てこの最終予測締付トルクＬが最終目標締付トルクＴｓ
を越えるまで角度パルスＰ（Δθ）毎に新たに締付トル
クＴ。を読込むと共に角速度ω。を算出しステップ１０
８，１１０の演算を繰り返えす（停止判別ステップ１１
２）。このステップ１１２の条件成立まての所要時間ｔ
は、前記ステップ１０２，１０６と同様にステップ１１
４，１１６において設定値Ｔｌ，ｔ２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１１４，１１
６て異常が検出されれば、警報を発し（ステップ１０４
）、異常が無ければ警報を発することなく締付けを停止
する。この実施例において共まわりを検出するステップ
１０２，１１４の警報と、ねじ山の異常などを検出する
ステップ１０６，１１６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１０８，１１０，１１２
でステップ１１２の条件成立までの間順次新たな締付ト
ルクＴ。

と角速度ω。とを読み替えて最終予測締付トルクＴｅを
算出しているので非常に正確であるが、この発明は第４
図に示す第２実施例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、締付トルクＴがしきい値Ｔｕ
，を越えた後（ステップ１００）のトルク増加量（Ｔ−
ＴＯ）が（Ｔｓ−Ｔ，）を越えると（停止判別ステップ
１１８）締付けを停止し、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１２０で共まわり
が発生していると判別するようにしたものである。この
実施例によれば、演算時間が比較的長いステップ１１０
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。

なおこの第４図においては第２図と同一ステップには同
一符号を付したので、その説明は繰り返えさない。第５
図と第６図は第３実施例を示すブロック図とフローチャ
ートてある。

この実施例は締付トルクＴを電動機の駆動電流により求
める一方、角速度ωは回転角検出器５が所定回転角Δθ
毎に出力する角度パルスＰ（Δθ）間において積算され
るクロックパルス数により求めるように構成したもので
ある。第５図において２０は電動機４に直列接続された
電流検出用抵抗器、２２はこの抵抗器２０の両端電圧か
ら電動機電流を検出してこれをデジタル信号１Ｄに変換
する油変換器、２４はこのデジタル信号１。

により任意の回転角θ６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ラムを記憶するメモリであ
る。この図においては前記第１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。次にこの
実施例の動作を第６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
短かい周期て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１Ｄ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ｈ＝ΣＩＤ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Ｎの逆数１
／Ｎ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（ΔＯ）が出力される回転角０ｎ−１，０ｎにおける
角速度の差から、角加速度ＤＯ）Ｉｄｔ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 Ｔ＝ｋΦＩＭ となる。

ここにΦは磁束、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＝宥舊）、および摩擦トルクＴ，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（７）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１〜３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６図の後半の動作は前記第２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７図と第８図は第４実施例のブロッ
ク図とフローチャートてある。

この実施例は締付トルクを電動機電流により求め、角速
度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７図において３０は電動機電圧をデジタル信号■。
に変換する油変換器、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。この図においては、前記第１，５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１。

，■ｏ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■９＝Σ■ｏを算出する（第８図のステップ３０
０）。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は磁束、Ｋは定数である。

磁束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ｈプＪ爪１−４−フ３
０が出力する電流１Ｍおよび電圧■Ｍを順次読込んで（
８）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（７）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
この第２の演算装置３２が出力する角速度ωおよびトル
クＴを所定の時間間隔で順次読込み、前記各実施例と同
様の動作を行なう。

以上の第１〜８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９図のように角速度ωを一定にし
た一実施例のフローチャートてある。

この実施例では電動機電圧を鳩変換器でデジタル信号■
Ｄ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（８）式の速度特性式により電動機
電流しを演算し（ステップ４０２）、さらにこれら電圧
■ぃ電流しを用いて前記（７）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１〜８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。以上の各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１１２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１０２，１０
４，および１１４，１１６を設けているので、異常検出
が一層確実になるが、この発明てはステップ１００また
は１１２のいずれか一方にこの異常検出ステップを設て
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トルクが最終目標締付
トルク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、締付トルクのばらつきが無くなる
。

また最終締付トルク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。なお一般に締付途中の締付トルクは細かい変動
を併うのを避けられない。

しかし本発明によれば電流やストレインゲージ等から検
出した締付トルクをデジタル化する際にこのトルクの変
動周期より十分に短かい周期で量子化してデジタル信号
に変え、このデジタル信号を適宜の時間幅で平均値にす
ることがプログラムの設定だけで容易に可能となる。こ
の結果本発明によれば締付トルクの変動を平均化して正
確な締付トルクの管理が可能になるという効果が得られ
る。一方アナログ回路て本発明におけるような複雑な慣
性補正を行おうとすると、回路の構成が非常に複雑とな
り部品点数が著しく多くなる。

また温度補償などの信頼性を高めようとすると非常に生
産性が悪くなり、非常に高価な装置となつてしまう。し
かし本発明によれば部品点数が少なくなり、プログラム
の設定により温度補償の対策にも非常に簡単に対応でき
る。このため生産性が向上し装置の信頼性を高めること
も可能になる。またしきい値判別手段や停止判別手段に
これらの判別条件成立まての所要時間から締付異常を検
出する異常検出手段を設けた場合には、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手段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図はこの発明の第１実施例を示すブロック図、第２
図はそのフローチャート、第３図は締付特性図、第４図
は第２実施例のフローチャート、第５図と第６図は第３
実施例のブロック図とフローチャート、第７図と第８図
は第４実施例のブロック図とフローチャート、また第９
図はさらに他の実施例を示す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、１０２，１０６，１１２，
１１４，１１６，１２０・・・異常検出ステップ、１１
２，１１８・・・停止判別ステップ、千・・締付トルク
、Ｔｔｈ・・化きい値、ＴＯ・・・最終予測締付トルク
、Ｔｓ・・・最終目標締付トルク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電動機を用いたトルク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と設定値とに基づき一
   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、締付トルクが最終目標締付トルクより小さい設定
   しきい値を越えたことを判別するしきい値判別手段と、
   このしきい値判別後の締付トルクおよび角速度に基づき
   慣性補正を行つて最終予測締付トルクを算出する予測手
   段と、前記最終予測締付トルクが最終目標締付トルクを
   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
   手段とを有し、前記締付停止信号により前記電動機の電
   源を遮断することを特徴とするトルク法によるボルト締
   付装置。 ２ 締付トルクは電動機の締付反力を計測するストレイ
   ンゲージにより検出し、また角速度は回転角検出器が所
   定回転角毎に出力する角度パルス間において積算される
   クロックパルス数により求める特許請求の範囲第１項記
   載のトルク法によるボルト締付装置。 ３ 締付トルクは電動機電流により求め、角速度は、回
   転角検出器が所定回転角毎に出力する角度パルス間にお
   いて積算されるクロックパルス数により求める特許請求
   の範囲第１項記載のトルク法によるボルト締付装置。 ４ トルクは電動機電流により求め、角速度は前記電動
   機電流および電動機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特許請求の範囲第１項記載の
   トルク法によるボルト締付装置。 ５ 電動機は角速度が一定となるように位相制御され、
   締付トルクは電動機電圧と速度特性式からデジタル的に
   算出した電動機電流によつて求めた特許請求の範囲第１
   項記載のトルク法によるボルト締付装置。 ６ 電動機を用いたトルク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と設定値とに基づき一
   連の演算を行うデジタル演算装置を備え、前記演算装置
   は、締付トルクが最終目標締付トルクより小さい設定し
   きい値を越えたことを判別するしきい値判別手段と、こ
   のしきい値判別後の締付トルクおよび角速度に基づき慣
   性補正を行つて最終予測締付トルクを算出する予測手段
   と、前記最終予測締付トルクが最終目標締付トルクを越
   えたことを判別して締付停止信号を出力する停止判別手
   段と、前記しきい値判別手段および停止判別手段の少く
   とも一方の手段に設けられその手段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
   異常検出手段とを有し、前記いずれかの締付停止信号に
   よつて電動機の電源を遮断することを特徴とするトルク
   法によるボルト締付装置。