JPS6374577A

JPS6374577A - ねじ締付における高精度軸力管理法

Info

Publication number: JPS6374577A
Application number: JP21931186A
Authority: JP
Inventors: 因幡　英敏; 寛長谷川; 公二井村; 洋加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1988-04-05

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、ねじ締付において、ねじの軸力を高精度に管
理する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来のねじ締付装置の締付方法としては、特開昭５８−
５１０８４号公報ｉこ記載のように、一定のトルク値に
達したときに締付を終了するトルク法が一般に広く利用
されている。しかし、このトルク法は、ねじの座面およ
びねじ面等の摩擦によって、一定トルクで締付けた場合
にもねじの締結力すなわち軸力は大きく左右され、かつ
これらの摩擦係数が一定でなくこれらを一定に管理する
ことが困難であることから、高精度の軸力管理は不可能
であった。また、特開昭５８−４０２７４号公報ｌこ記
載のように、ねじを一定の回転角だけ回してねじの軸力
管理を行う回転角法は、回転の開始点すなわちねじの締
付開始点を見付けるのが難しく、この点に関して配慮さ
れていなかった。さらｌこ、上記２つの方法を応用した
ものとして、特開昭５８−５６７７６号公報に記載のよ
うに、ねじ面が被締結物に密着するまで一定のトルクで
締付け、その後所定の回転角だけ回すこと１こよって締
結力の管理を行うトルク−回転角法、さらに、特開昭５
８−５６７７３号公報１％開餡５８−５６７７４号公報
ｌこ記載のように、回転角とトルクとの比を基に軸力の
管理を行う方法などがあるが、これらはいずれも、ねじ
の弾性域内（こおいてねじの回転角と軸力との関係が線
形でありかつ線の傾きも一定であるというこきを利用し
たものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従米技術であるトルク法９回転角法、トルク−回転
角法は、いずれも一長一短があり、これによって高精度
な軸力管理を行うのは難しい。特に、トルク−回転角法
のように、ねじが被締結物に密着した後、ねじの弾性域
内においてその軸力が回転角ｌこ対して線形であること
を利用して、回転角で軸力を管理しようとするものは、
この締付開始点をトルク値を基に決定していることから
、トルク値の変動および回転角−トルク特性の変化に対
する変動誤差に対して配慮されておらず、締付開始点決
定の精度および安定性に関して問題があった。

本発明の目的は、上記トルク−回転角法において、個々
のねじ締付ｌこ対して、トルク値の変動や回転角−トル
ク特性の変化があっても安定にかつ高精度に締付開始点
を決定し、この点を基準にねじを一定の締付角だけ回す
ことにより、軸力を高精度に管理できる高精度軸力管理
法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ねじ締付途中のトルク、回転角のデータを
基に計算、推定して、締付開始点を決定することによっ
て、達成される。

このため、本発明は、ねじ締付時においてねじの回転角
およびその回転角のときのねじの締付トルクをそれぞれ
感知できるセンサと、そのセンサからのデータを高速に
処理するこ七のできる計算機と、さらに任意の回転角だ
け回すことのできるねじ締付機構とからなる装置におい
て、ねじの締付作業開始時からある回転角までの区間で
のトルクおよび回転角のデータを基に、このデータを直
線近似して、トルク値が０となるときの回転角値そ求め
、この回転角値が一定値に収束することをもって、その
回転角を締付開始点と推定し、この点から所定の締付角
だけねじを締付けるようにするものである。

第１図は本発明の方法による制御処理手順を示すフロー
チャートである。

〔作用〕

ねじの回転角は、例えばロータリーエンコーダ等により
電気信号に変換され、計算機に転送される。また、ねじ
の締付トルクは、トルク変換器等により電気信号に変換
され、計算機（こ転送される。

そして、計Ｗ、機は、締付作業開始時からある回転角ま
での区間のトルクおよび回転角のデータ（ただし、スナ
ツグトルクに該当する部分のデータは除く）を基に、こ
のデータを直線近似して、トルク値が０となるときの回
転角値を計算し続け、この回転角が一定値苓こ収束する
ことをもって、締付開始点を推定する。計算機はさらに
、計算（こよって求めた締付開始点から所定の軸力を得
るのに必要な締付角だけ回したかどうかを判定しつつ、
ねじを締付けるように信号を送り、所定の締付角だけ回
すように制御を行う。ねじ締付機は、上記回転角、トル
クを検出するロータリーエンコーダ、トルク変換器等を
有しかつ計算機からの指令通りにねじを締付けることの
できる機構を有するもので、例えばサーボモータなどに
よってねじを締付ける。

本発明の方式によれば、トルクが変動し、あるいは回転
角−トルク特性が変化した場合にも、安定にかつ高Ｎ度
に締付開始点を見付けることが可能さなるので、その締
伺開始点を基Ｉこねじを所定の締付角で締付けるこおに
より、軸力を精確に管理したねじ締付を行うことができ
る。

ここで、本発明の詳細な説明する。第２図は、被締結物
１０．１１をねじ９により締結した状態を示したもので
ある。図中、ねじ９がｖｉ、締績物１１にねじ込まれた
部分を符号１２で示しであるが、この部分を拡大し゛た
ものが第３図である。第３図１こＢいて、記号Ｆはねじ
９の軸力を表しており、αはねじ山の半角、βはリード
角、Ｐはピッチ、ｄはねじ９の有効径を表している。こ
こで、ねじ９の軸力をＦ、ねじのトルクをＴ１回転角を
θとすると、軸力とトルク、軸力と回転角の関係は、お
よそ次のような関係式で表わされる。

Δ ここで、式中の記号は次の通りである。

ｄｌｌμ、：ねじ面の有効径、摩擦係数ｄｍ、μｍ＝ね
じ座面の有効径、摩擦係数Ｅ：ねじ材の縦断性係数ｄ：ねじの有効径に：被締結物のばね定数ｌ：被締結物の厚さ上記式（１）、（２）から明らかなように、一定トルク
で締付けた場合でも、式中のμ貫９μｍのようなねじ面
、ねじ座面の摩擦係数が変化してしまうために軸力Ｆは
大きく変動する。ところが、式（３）に示されているよ
うに、回転角θの係数は、ねじおよび被締結物が決まれ
ば一定となり、ねじが被締結物へ密着した点をθ＝０と
すれば、回転角θと軸力Ｆは比例する。従って、ねじの
締付角によって軸力を高精度に管理できる。しかし、従
来は、このねじが被締結物へ警着する点、すなわち締付
開始点を見付けることができなかった。本発明は、この
軸力が０となる締付開始点を安定に精度良く求め、この
点を基準ζこ一定の回転角度締付けることにより高精度
に軸力を管理する方法を提供するものである。

第４図（こおいて、回転角−トルク特性をみると、ねじ
が被締結物に密着するまでの間においても、ねじ面等の
摩擦によってトルク値は０とならない０しかし、理想的
なねじ締結を考えた場合、式（１）。

（３）から導出されるように、トルクと回転角は比例す
る。しかし、ねじ一本一本の締結においては、それぞれ
の摩擦係数μｍ１μｍがばらつき、回転角−トルク特性
は第４図の１〜４のように傾き、立ち上がり等が大きく
変化し、かつ回転角も大きく変化する。一方、ねじ締付
中におけるμＳ９μｍは−・定となるため、図のように
回転角−トルク特性の線形領域が存在する。従って、こ
の線形領域のデータを基ｌここれ８直線近似し、トルク
が０となる点を求めると、これが軸力が発生する締付開
始点となる。そこで、例えば、第５図に示すように、回
転角、トルクのデータの線形領域を基ζこ直線近似し、
直線２０の式を計算し、この式においてトルクがＯとな
る点２２を計算すると、この点２２が締付開始点である
。目標軸力Ｆｔを出すのに必要な締付角度をΔθとする
と、回転角が００＋Δ０すなわちθＨこなったときにね
じ締付を終了すると、所定の軸力が得られる。

以上のように、各ねじごとに回転角−トルク特性がばら
ついても、各々のねじに対してその締付開始点を求め、
それを起点に目標軸力まで所定の締付角波で締付けるた
め、回転角−トルク特性のばらつきの影響を受けること
なく軸力を一定に管理することが可能である。

次に、本発明による締付開始点の求め方について述べる
。これは、第６図に示すように、サンプルデータを実収
後、このデータを基に直線式を導き、常に締付開始点を
推定し続けるもので、図に示すように線形領域のデータ
を取り込むに従い、推定した差座点は収束している。そ
れで、この収束した点θｎを締付開始点とするものであ
る。

次に、この直線式の求め方について述べる。以下の説明
は、＠線式を最小二乗法で求めるものであるが、データ
を適当をこ直線化する数学的な方法であれば、どのよう
な方法ヲ用いてもよい。第５図において、回転角−トル
ク特性のデータを（θｉ。

Ｔｉ）とする。求める直線の式は、Ｔ＝にθ＋Ｔｏ　　　　　　　　　　　　　　・・・（
４）であるから、この１組のデータ（θ１１　Ｔｉ）ま
での距離の二乗和はｑ＝Σｎ、（Ｔｉ−にθｉ　−Ｔｏ）　２・＝　（５）
１寵ｌとなる。

最小二乗法では、ｑを最小にするようをこｋとＴ。

を決める。ｑが最小となるための必要条件は力１つである。上式を整理するととなり、従って、求めるべきｋｌＴｏは、・・・（１０
）となる。ここで、Ｍ＝ｎΣ？　θ１２−（Σｉ−□θｉ　）　２−（１１
）　ｓｗ　Ｉであり、ｎはサンプルデータ（θｉ、Ｔｉ）の組の数を
表わすＯ（９）、　（１０）式で求めたｋ　、　Ｔｏと
、（４）式とから、トルクＴがθとなる回転角θ０′は
、となる。

次に、前記締付開始点の永め方の具体例を説明する。第
７図は本方式により締付開始点θ０を求めるフローチャ
ートの一例を示したもので、第１図に示した動作説明用
のフローチャートにおけるステップ１２０〜１２３が本
フローチャートのステップ２０１〜２１０に相邑する。

第８図は第７図の７０−チャートの動作説明図である。

推定する着座点（締付開始点）θ０は、上記式（１２）
　、　（９）、　（１ｏ）から求めることができるが、
この式で用いるサンプルデータ（θｉ、Ｔｉ）は次のよ
うにして求める。まず、サンプリングするデータの数を
５ＤＮＯとしてあらかじめ定めておく。そして、データ
を先ｉｔｓからサンプリングしてサンプル数５ＤＮＯ分
を収集したら、そのデータを用い、式（１２）　、　（
９）、　（１０）によりθＴｊを計算する。次１こ、θ
ｔｊの値を００としてよいかどうかの判定を行う。これ
は、次の区間のデータ、すなわちデータの先頭をあらか
じめ定めておいたデータＭＳＡＤＤだけ加えた、すなわ
ちｉｍ＋５ＡＤＤのデータからサンプリングしてサンプ
ル数Ｓ　Ｄ　Ｎ　０分を収集し、そのデータを基に計算
したθ７ｊ＋１との比較ｌこよってなされる。すなわち
、両者の差があらかじめ定めておいた微小の角度θｇよ
り小となったとき、つまりθＴｊ−ｚ−θＴｊ　＜θε
となったとき、θｒｊを００と推定する。なお、以上の
データのサンプリングに際し、ねじのスナツグトルクの
範囲のデータの収集は行わない。

以上述べたように、回転力、トルクのデータを基に締付
開始点を推定することｌこより、その点からの禰付角に
よって閤精直に軸力が管理できる。

〔実施？す〕

次に、上記原理を用いた本発明の一実施例を説明する。

第９図は本発明の一実施例に用いるねじ締付装置を示す
ブロック図である。図１こおいて、３０はねじ締付装置
ｔを駆動するサーボモータであり、これ番こよりビット
３７４：回転してねじを締結する。ねじの回転角はロー
タリーエンコーダ５１により電気信号に変換され、カウ
ンタ３８を通して制御鉄ｆ旦へ転送される。また、ねじ
に加わるトルクはトルク変換器６２により電気信号に変
換され、アンプ３９を通りＡ／Ｄ変換器４０でＡ／Ｄ変
換されて制御装置長へ転送される。ここで用いている制
御長【鎚は最も簡単な構成をと゛つており、中央処理装
置３６゜メモＩＪ５４．Ｉ／Ｑ装盆３５からなる。制御
装置すは、前に述べたロータリーエンコーダ５１および
トルク変換器３２から得られる回転角データおよびトル
クデータを基に、前記の１−および第７図に示したフロ
ーチャートｌこ従って所定の演Ｘを順次実行し、サーボ
モータ３０への速度指装置あるいは位置指令値としての
信号をＤ／Ａ変換器４１でＤ／Ａ変換したのちサーボア
ンプ６６へ送り、サーボモータ３０を回転制御する。ま
た、サーボモータ６０は、それに直結されているタコジ
ェネレータ録によりｔ流フィードバックされており、安
定した回転制御が可能である。また、所定の演算手順お
よび処理方法は、前述のメモリ３４に記憶されている。

次に、第１図のフローチャートを参照して本実施例の動
作を説明する。まず、メモリ６４内に初期値を設定する
。初期値としては、適正軸力を得るに必要な締付角度（
角波の変化分）Δθ、その他種々の定数があり、これら
をあらかじめ設定しておく（ステップ１００）０次に、
サーボモータ３０を低速で回転するようｌこ指令データ
を出力し、サーボモータ３０は回転を開始する（ステッ
プ１０１）。このとき、当然のことながら、ロータリエ
ンコーダ３１およびトルク変換器３２からの回転角デー
タ、トルクデータをリアルタイムで果状することができ
る。そして、第７図に示したフローチャートのごとく、
回転角、トルクのデータをサンプリングしくステップ１
３［ＩＬサンプリングデータを基に差座点を推定し続け
、差座点の収束をチェックしくステップ１３１　、　１
３２　）　、差座点が収束した時点で締付開始点となる
回転角度θｏｉ決定しくステップ１２５　）　、さらに
サーボモータ３０を回転して、所定の軸力を出すに必要
な締付角に達したかどうかを判定しくステップ１２４）
、達したときサーボモータ６０の回転を停止させる（ス
テップ１２５）。以上の操作によって、高精度な軸力の
管理が可能となる０〔発明の効果〕本発明によれば、ねじ締付において、ねじの潤滑状態が
変化し、摩擦係数が変化し、回転角−トルク特性が変化
しても、回転角、トルクのデータを基にしてねじ締付開
始点を高精度に決定することができるので、この点を基
準としてねじの締付角を制御すること（こよって、高精
度に軸力を管理することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法による制御処理手順を示すフロー
チャート、第２図はねじの締結状態を示す縦断面図、第
３図は第２図のねじ部の拡大図、＠４図ないし第６図は
本発明の詳細な説明するための図、第７図は締付開始点
を決定するための処理手、頂を示すフローチャート、第
８図は第７図の処理手順を説明するための図、第９図は
不発明の一実施例に用いる装置の構成を示すブロック図
である。符号の説明５０・・・サーボモータ　　３１・・・ロータリエンコ
ーダ３２・・・トルク変換器　　３３・・・中央処理装
置３４・・・メモリ　　　　　５５・・・Ｉ１０装置３
６・・・サーボアンプ　　３７・・・ビット６８・・・
カウンタ　　　　５９・・・アンプ４０・・・Ａ／Ｄ変
換器　　４１・・・Ｄ／Ａ変換器４２・・・タコジェネ
レータリ・・・制御装置つ第１図 σ＝Ｄ σ亡Ｄ第１図第３図第４図軸力第Ｓ　図軸り第　６り特付門肴焦θ０ヒする第′７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

１、ねじに加わるトルクおよび回転角を計測する測定器
と、計測されたトルクおよび回転角のデータを処理する
ことのできる制御装置と、該制御装置からの指令に従つ
てねじ締付を行う機構とからなるねじ締付機を用いたね
じ締付における高精度に軸力を管理する方法において、
ねじの締付作業開始時からある回転角までの区間でのト
ルクおよび回転角のデータを基に、このデータを直線近
似して、トルク値が０となるときの回転角値を求め、こ
の回転角値が一定値に収束することをもつて、ねじの座
面が被締結物に密着する締付開始点を推定し、該締付開
始点を基準として一定角度ねじを締付けることにより、
高精度にねじの軸力を管理することを特徴とするねじ締
付における高精度軸力管理法。