JP2005254372A

JP2005254372A - ナットランナ及びその制御方法

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Publication number: JP2005254372A
Application number: JP2004067684A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Morimoto; 孝幸森本
Original assignee: Sanyo Machine Works Ltd
Current assignee: Sanyo Machine Works Ltd
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: JP4188267B2

Abstract

【課題】手持ち型の電動式ナットランナを用いた場合、着座トルクから目標トルクへ達するまでの締め付け時に生じる反力を低減する。
【解決手段】締め付け対象物が着座した時の着座トルクＴ_Sから前記締め付け対象物が締め付け完了した時の目標トルクＴ_Cまで前記締め付け対象物を締め付けるナットランナの制御方法であって、前記着座トルクＴ_Sから目標トルクＴ_Cに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnおよび時間ｔ_Hnと低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnおよび時間ｔ_Lnを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボルトやナット等の締め付け対象物が着座した時の着座トルクから締め付け対象物が締め付け完了した時の目標トルクまで締め付け対象物を締め付けるナットランナ及びその制御方法に関する。

ボルトやナット等をワークに自動締付けするナットランナの制御方法としては、ボルトやナット等の締め付けトルクで締め付け精度を評価するトルク方式が一般的である。このトルク方式によるナットランナにおいては、ナットランナ本体から延びる出力軸にソケットを設け、そのソケットをボルトやナット等に着脱可能に嵌合させ、外部のコントローラからの制御信号に基づいて、前述のナットランナ本体に内蔵された駆動モータを回転制御することにより、ソケットを回転させてボルトやナット等の締め付けが行われる。なお、ナットランナ本体には、駆動モータの他、締め付けトルクを検出するためのトルクセンサが内蔵されている。

前述のコントローラでは、ボルトやナット等が着座した時の着座トルクからボルトやナット等が締め付け完了した時の目標トルクまでボルトやナット等を締め付けるが、その締め付け工程での時間とトルクおよび速度との関係を図７に示す。また、図８はナットランナによる締め付け工程でのアルゴリズムを示すフローチャートを示す。

ナットランナのソケットをボルトやナット等に嵌合させた状態で回転させて締付け動作を開始する（STEP１）。この締め付け動作の開始からボルトやナット等が着座するまでは、締め付けサイクルタイムを短縮するためにナットランナを速度Ｖ_Sで高速回転させている（STEP２）。この着座点での着座トルクＴ_Sはコントローラにて予め設定されている。

ナットランナによる締め付け動作の開始後、その着座トルクＴ_Sをトルクセンサにより検出し（STEP３）、着座トルクＴ_Sに達した時点で速度Ｖ_Hを設定した上で（STEP４）、その速度Ｖ_Hでボルトやナット等を締め付け動作する（STEP５）。そして、コントローラにて予め設定されている目標トルクＴ_Cに達したか否かを検出し（STEP６）、その目標トルクＴ_Cに達した時点で締め付け動作を停止する（STEP７）。

その後、トルクや回転角などの諸条件が所定の許容範囲内であるか否かを判定した上で（STEP８）、締め付け工程を終了する（STEP９）。このように着座点から締め付け完了点までは、コントローラにて予め設定された速度Ｖ_H（固定値）に基づいて、ソケットが一定回転するようにコントローラで回転速度を制御している（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３２６２５０号公報

ところで、従来では、前述したように着座トルクＴ_Sから一定の速度Ｖ_Hで連続して目標トルクＴ_Cまで締め付けていた。つまり、着座トルクＴ_Sまでは高速回転で締め付けが行われ、その後、一定の速度Ｖ_Hで目標トルクＴ_Cまで締め付けるのが一般的であった。このように一定の速度Ｖ_Hで目標トルクＴ_Cまで締め付けを行うと、手持ち型の電動式ナットランナを用いた場合、締め付けトルクに比例して反力が大きくなることから、作業者への精神的かつ肉体的な負担となる。

ここで、締め付けが低速であるほど、目標トルクＴ_Cに到達するまでの時間が長くなるため、反力のかかる時間も長くなる。逆に、締め付けを高速で行うことにより、反力のかかる時間を短くすることは可能であるが、製品の締め付け品質を保証する精度に問題が生じる可能性がある。

そこで、本発明は前述した問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、手持ち型の電動式ナットランナを用いた場合、着座トルクから目標トルクへ達するまでの締め付け時に生じる反力を低減し得るナットランナ及びその制御方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明に係るナットランナの制御方法は、締め付け対象物が着座した時の着座トルクから前記締め付け対象物が締め付け完了した時の目標トルクまで前記締め付け対象物を締め付けるナットランナの制御方法であって、前記着座トルクから目標トルクに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように各締め付け動作における速度と時間を制御することを特徴とする。

また、本発明に係るナットランナは、締め付け対象物が着座した時の着座トルクから前記締め付け対象物が締め付け完了した時の目標トルクまで前記締め付け対象物を締め付けるナットランナであって、前記着座トルクから目標トルクに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように各締め付け動作における速度と時間を制御するコントローラを具備したことを特徴とする。なお、このコントローラは、ナットランナに内蔵される以外に、ナットランナとは別体の制御装置として構成することも可能である。

本発明では、着座トルクから目標トルクに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように各締め付け動作における速度と時間を制御することにより、手持ち型の電動式ナットランナを用いた場合、締め付けトルクに比例して生じる反力を分散させることができるので、その反力の低減化が可能となる。

前述の構成において、高速な締め付け動作における速度または時間を、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変とすることが可能である。また、低速な締め付け動作における速度または時間も、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変とすることが可能である。

このように高速な締め付け動作における速度または時間や、低速な締め付け動作における速度または時間を、その締め付け動作ごとに締め付け工程中のトルク上昇に伴って一定あるいは可変とすることにより、締め付け対象物の材質やワッシャ等の介在物の有無や個数が変更されても、その変更に迅速かつ容易に対応することが可能となる。

本発明によれば、着座トルクから目標トルクに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように各締め付け動作における速度と時間を制御することにより、手持ち型の電動式ナットランナを用いた場合、締め付けトルクに比例して生じる反力を低減することができるので、作業者への精神的かつ肉体的負担を軽減でき、締め付け精度を確保して製品の締め付け品質を保証できると共に使い勝手のよいナットランナを提供できる。

以下、本発明の実施形態として、手持ち型の電動式ナットランナについて詳述する。この手持ち型電動式ナットランナは、図２に示すようにアンプ１１、レゾルバ１２、サーボモータ１３、トルクセンサ１４を内蔵したナットランナ本体１５の先端に減速機１６を介してソケット１７を設け、そのソケット１７が締め付け対象物であるボルト１８の頭部に着脱可能に嵌合される。締め付け対象物としては、ボルト１８以外にナットも可能である。なお、前述のアンプ１１は、トルクセンサ１４からの検出信号に基づいてサーボモータ１３を制御するものであり、レゾルバ１２は、サーボモータ１３の回転角を制御するものである。図中、１９はスイッチである。

また、この手持ち型電動式ナットランナは、制御信号に基づいてサーボモータ１３を駆動させて出力軸先端のソケット１７を回転制御するコントローラ２１を具備する。コントローラ２１は、ＣＰＵ２２、サーボアンプ回路２３、Ｉ／Ｆ回路２４、Ａ／Ｄ変換回路２５で構成されている。なお、サーボアンプ回路２３は、ＣＰＵ２２の制御信号に基づいてサーボモータ１３を制御するものである。

この実施形態の手持ち型電動式ナットランナでは、以下の制御方法に基づいてサーボモータ１３を回転制御することによりボルト１８を締め付ける。図１はナットランナの締付け動作における時間とトルクおよび速度との関係の一例を示し、図３は図１のような締め付け工程でのアルゴリズムを示すフローチャートを示す。

まず、ナットランナのソケットをボルト１８に嵌合させた状態で回転させて締付け動作を開始する（STEP１）。ここで、カウンタ値ｎ＝０にしてそのカウンタ値を初期化する（STEP２）。この締め付け動作の開始からボルト１８が着座するまでは、締め付けサイクルタイムを短縮するためにナットランナを速度Ｖ_Sで高速回転させている（STEP３）。この着座点での着座トルクＴ_Sはコントローラ２１にて予め設定されている。

ナットランナによる締め付け動作の開始後、その着座トルクＴ_Sをトルクセンサ１４により検出する（STEP４）。着座トルクＴ_Sに達した時点から目標トルクＴ_Cに達して締め付けが完了する時点までは、コントローラ２１にて予め設定されたアルゴリズムに基づいて、以下のようにサーボモータ１３を回転制御する。

ボルト１８が着座した時の着座トルクＴ_Sからボルト１８が締め付け完了した時の目標トルクＴ_Cに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnと時間ｔ_Hn、および低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnと時間ｔ_Lnを制御する。

つまり、着座トルクＴ_Sに達した時点で、カウンタ値をｎからｎ＋１にカウントアップし（STEP５）、高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnと時間ｔ_Hnを設定した上で（STEP６）、その速度Ｖ_Hnでボルト１８を時間ｔ_Hnだけ締め付け動作する（STEP７）。なお、図１の締め付け工程では、高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnを各締め付け動作を通して常に一定に保持し、高速な締め付け動作における時間ｔ_Hnを各締め付け動作ごとに一定に保持するように設定されている。その締め付け動作が完了した時点で目標トルクＴ_Cに達しているか否かを検出し（STEP８）、目標トルクＴ_Cに達していなければ、低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnと時間ｔ_Lnを設定し（STEP９）、その速度Ｖ_Lnでボルト１８を時間ｔ_Lnだけ締め付け動作する（STEP１０）。その締め付け動作が完了した時点で、目標トルクＴ_Cに達しているか否かを検出し（STEP１１）、目標トルクＴ_Cに達していなければ、速度Ｖ_Hnでボルト１８を時間ｔ_Hnだけ締め付ける高速な締め付け動作と、速度Ｖ_Lnでボルト１８を時間ｔ_Lnだけ締め付ける低速な締め付け動作を繰り返す。

なお、前述した高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnと時間ｔ_Hnの設定（STEP５）、および低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnと時間ｔ_Lnの設定（STEP９）は、予め設定されている着座トルクＴ_Sと目標トルクＴ_Cから所定の演算処理により締め付け動作ごとにその都度設定すればよく、それ以外に、着座トルクＴ_Sと目標トルクＴ_Cのように予め設定しておくことも可能である。

そして、速度Ｖ_Hnでボルト１８を時間ｔ_Hnだけ締め付ける高速な締め付け動作の後、あるいは、速度Ｖ_Lnでボルト１８を時間ｔ_Lnだけ締め付ける低速な締め付け動作の後、目標トルクＴ_Cに達しているか否かを検出し（STEP８，STEP１１）、目標トルクＴ_Cに達していれば、締め付け動作を停止する（STEP１２）。その後、トルクや回転角などの諸条件が所定の許容範囲内であるか否かを判定した上で（STEP１３）、締め付け工程を終了する（STEP１４）。

このように着座トルクＴ_Sから目標トルクＴ_Cに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnと時間ｔ_Hn、および低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnと時間ｔ_Lnを制御することにより、締め付けトルクに比例して生じる反力を分散させることができるので、その反力の低減化が可能となる。

図１の締め付け工程では、低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnは、高速な締め付け動作における一定の速度Ｖ_Hnに対して締め付けトルクの上昇に伴って可変とし、反力の小さい低トルク域（ｎ＝１，２，…）で高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnとの差を小さく、かつ、反力の大きい高トルク域（ｎ＝…，ｎ−１，ｎ）で高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnとの差を大きくしている。この低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnは、ゼロまたは若干の負値（逆転）とすることも可能である。

また、低速な締め付け動作における時間ｔ_Lnについても、高速な締め付け動作における一定の時間ｔ_Hnに対して締め付けトルクの上昇に伴って可変とし、反力の小さい低トルク域（ｎ＝１，２，…）で高速な締め付け動作における時間ｔ_Hnとの差を小さく、かつ、反力の大きい高トルク域（ｎ＝…，ｎ−１，ｎ）で高速な締め付け動作における時間ｔ_Hnとの差を大きくする。このように低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnまたは時間ｔ_Lnを、締め付け工程中のトルク上昇に伴って自動可変とすることにより、作業者が感じる反力および衝撃を最小限に抑制することができる。

なお、図１の締め付け工程では、高速な締め付け動作における時間ｔ_Hnをその締め付け動作ごとに一定とした場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、図４および図５に示すような締め付け工程についても適用可能である。

この図４に示す締め付け工程では、高速な締め付け動作における時間ｔ_Hnを締め付けトルクの上昇に伴ってその締め付け動作ごとに単調に増加させている。逆に、図５に示す締め付け工程では、高速な締め付け動作における時間ｔ_Hnを締め付けトルクの上昇に伴ってその締め付け動作ごとに単調に減少させている。また、図４および図５の締め付け工程では、高速な締め付け動作における時間ｔ_Hnを単調に増加あるいは減少させているが、変則的に増加あるいは減少させることも可能である。

図１、図４および図５の締め付け工程では、低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnを締め付けトルクの上昇に伴って可変とし、反力の小さい低トルク域（ｎ＝１，２，…）で高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnとの差を小さく、かつ、反力の大きい高トルク域（ｎ＝…，ｎ−１，ｎ）で高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnとの差を大きくしている。本発明はこれに限定されることなく、逆に、低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnを、反力の小さい低トルク域（ｎ＝１，２，…）で高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnとの差を大きく、かつ、反力の大きい高トルク域（ｎ＝…，ｎ−１，ｎ）で高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnとの差を小さくするように設定してもよい。また、低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnを締め付けトルクの上昇にかかわらず一定とすることも可能である。また、低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnを単調に増加あるいは減少させる以外に、変則的に増加あるいは減少させることも可能である。

さらに、図１、図４および図５の締め付け工程では、低速な締め付け動作における時間ｔ_Lnをその締め付け動作ごとに単調に増加させているが、これ以外に、低速な締め付け動作における時間ｔ_Lnをその締め付け動作ごとに単調に減少させたり、あるいは、変則的に増加あるいは減少させることも可能である。

また、図１、図４および図５の締め付け工程では、高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnをその締め付け動作を通して常に一定にしているが、これ以外に、図６に示すように高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnをその締め付け動作ごとに単調に増加させたり、あるいは、図示しないが、その速度Ｖ_Hnをその締め付け動作ごとに単調に減少させたり、変則的に増加あるいは減少させることも可能である。

以上で説明したような、高速な締め付け動作における速度Ｖ_Hnまたは時間ｔ_Hnや、低速な締め付け動作における速度Ｖ_Lnまたは時間ｔ_Lnの設定は、ボルト１８を締め付ける対象物の材質やワッシャ等の介在物の有無や個数に応じて変更可能である。

本発明の実施形態で、締付け工程における時間とトルクおよび速度との関係の一例を示す特性図である。本発明の実施形態で、手持ち型電動式ナットランナを示すブロック構成図である。図１、図４、図５および図６の締め付け動作のアルゴリズムを示すフローチャートである。本発明の他の実施形態で、締付け工程における時間とトルクおよび速度との関係の他例を示す特性図である。本発明の他の実施形態で、締付け工程における時間とトルクおよび速度との関係の他例を示す特性図である。本発明の他の実施形態で、締付け工程における時間とトルクおよび速度との関係の他例を示す特性図である。従来例における締付け工程における時間とトルクおよび速度との関係を示す特性図である。従来例で、締め付け動作のアルゴリズムを示すフローチャートである。

符号の説明

１８締め付け対象物（ボルト）
２１コントローラ
Ｔ_C 目標トルク
Ｔ_S 着座トルク
Ｖ_Hn 高速な締め付け動作における速度
Ｖ_Ln 低速な締め付け動作における速度
ｔ_Hn 高速な締め付け動作における時間
ｔ_Ln 低速な締め付け動作における時間

Claims

締め付け対象物が着座した時の着座トルクから前記締め付け対象物が締め付け完了した時の目標トルクまで前記締め付け対象物を締め付けるナットランナの制御方法であって、前記着座トルクから目標トルクに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように各締め付け動作における速度と時間を制御することを特徴とするナットランナの制御方法。
前記高速な締め付け動作における速度を、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変とした請求項１に記載のナットランナの制御方法。
前記高速な締め付け動作における時間を、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変とした請求項１又は２に記載のナットランナの制御方法。
前記低速な締め付け動作における速度を、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変とした請求項１〜３のいずれか一項に記載のナットランナの制御方法。
前記低速な締め付け動作における時間を、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変とした請求項１〜４のいずれか一項に記載のナットランナの制御方法。
締め付け対象物が着座した時の着座トルクから前記締め付け対象物が締め付け完了した時の目標トルクまで前記締め付け対象物を締め付けるナットランナであって、前記着座トルクから目標トルクに達するまでの間で、高速な締め付け動作と低速な締め付け動作を繰り返すように各締め付け動作における速度と時間を制御するコントローラを具備したことを特徴とするナットランナ。
前記コントローラは、高速な締め付け動作における速度が、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変となるように制御する請求項６に記載のナットランナ。
前記コントローラは、高速な締め付け動作における時間が、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変となるように制御する請求項６又は７に記載のナットランナ。
前記コントローラは、低速な締め付け動作における速度が、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変となるように制御する請求項６〜８のいずれか一項に記載のナットランナ。
前記コントローラは、低速な締め付け動作における時間が、その締め付け動作ごとに締め付けトルクの上昇に伴って一定あるいは可変となるように制御する請求項６〜９のいずれか一項に記載のナットランナ。