JP2007038384A - Automatic thread fastening device and thread fastening device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ワークにねじを締め付ける際に用いる自動ねじ締め装置およびねじ締め方法に関し、詳しくはねじに付与する推力を制御する自動ねじ締め装置およびねじ締め方法に関するものである。 The present invention relates to an automatic screw tightening device and a screw tightening method used when tightening a screw on a workpiece, and more particularly to an automatic screw tightening device and a screw tightening method for controlling a thrust applied to a screw.
従来、ワークにねじを締め付ける場合に用いられる装置として、特許文献1に示すようなねじ締め装置が知られている。このねじ締め装置は、モータの駆動を受けて回転するドライバビットを備えたドライバツールを有し、このドライバツールをサーボモータ駆動のボールねじ機構によりドライバビット軸線方向に往復移動操作できるように構成されたものである。このねじ締め装置は、ドライバビット先端にねじを係合させてモータを駆動し、ねじに回転伝達を行うことで当該ねじをワークに締め付けるものであるが、その時、ボールねじ機構のサーボモータの回転速度制御およびトルク制御を行い、これによりドライバツールがねじを押圧する力、所謂推力を変更するようになっている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a screw fastening device as shown in Patent Document 1 is known as a device used when fastening a screw to a workpiece. This screw tightening device has a driver tool having a driver bit that rotates in response to the driving of a motor, and is configured so that the driver tool can be reciprocated in the axial direction of the driver bit by a ball screw mechanism driven by a servo motor. It is a thing. In this screw tightening device, the screw is engaged with the tip of the driver bit to drive the motor and transmit the rotation to the screw to tighten the screw to the workpiece. At that time, the rotation of the servo motor of the ball screw mechanism Speed control and torque control are performed, whereby the force with which the driver tool presses the screw, so-called thrust, is changed.
近年、各種の電気機器類をはじめとして、様々な機器において超小型化が進んでおり、これにともなって、それらの組み立てに用いるねじのサイズも極小化が進んでいる。特に小型化が著しいデジタル機器については、呼び径が1mm前後のねじが広く利用される状況となっている。こうした極小ねじを締め付ける場合には、締付トルクは勿論、推力も低いものが求められる。なぜなら、過剰な推力をかけると、めねじおよびおねじを破壊してしまったり、ねじ山同士の過剰摩擦により焼き付きを起こしてしまったりするからである。このような極小ねじの締め付けにおける適正な推力は、数十グラムから数百グラムである。しかし、上記従来のねじ締め装置においては、ドライバツールやボールねじ機構のナット部材などの質量に基づく推力以下の低い領域の推力をねじに与えることができない。したがって、極小ねじの締め付けに必要な低い領域の推力制御ができず、極小ねじの締め付けに用いた場合には、ねじに過剰な推力を与え、上述のような問題によるねじ締め不良を発生させてしまう等の問題があった。 In recent years, various devices including various electric devices have been miniaturized, and along with this, the size of screws used for assembling them has been miniaturized. Especially for digital devices that are remarkably miniaturized, screws with a nominal diameter of around 1 mm are widely used. When tightening such a micro screw, it is required to have a low thrust as well as a tightening torque. This is because if excessive thrust is applied, the female screw and the male screw are destroyed, or seizure occurs due to excessive friction between the screw threads. An appropriate thrust for tightening such a micro screw is several tens to several hundreds of grams. However, in the conventional screw tightening device, it is impossible to apply a thrust in a low region below a thrust based on the mass of a driver tool or a nut member of a ball screw mechanism to the screw. Therefore, the thrust control in the low area required for tightening the micro screw cannot be performed, and when used for tightening the micro screw, excessive thrust is applied to the screw, causing screw tightening failure due to the above-mentioned problems. There was a problem such as.
本発明は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、極小ねじのように低推力下でのねじ締めを行う必要があるねじの締め付けにおいて、正確な推力を付与して良好なねじ締めを行うことができる自動ねじ締め装置およびねじ締め方法を提供することを目的とする。この目的を達成するために本発明は、ねじ頭部に係合可能なドライバビットを回転駆動源により回転駆動するよう構成されたドライバツールと、ワークにねじをねじ込む時に前記ドライバビットからねじに与えられる推力を変更する推力制御機構とを備えた自動ねじ締め装置であって、前記推力制御機構は、前記ドライバツールを含み、締め付けるねじに質量に基づく荷重を与えるその他の部材の自重を支え得る自重支持力を発生する支持力発生部と、ワークにねじをねじ込む時に前記自重支持力よりも大きく、しかも自重支持力とは逆方向のねじを押圧する押圧力を発生する押圧力発生部とを備えて成ることを特徴とするものである。なお、前記押圧力発生部は、異なる強さの押圧力を発生するよう構成されていることが望ましい。 The present invention has been created in view of the above problems, and in the tightening of a screw that needs to be tightened under a low thrust, such as a microminiature screw, an accurate thrust is applied to achieve a good screw tightening. An object of the present invention is to provide an automatic screw tightening device and a screw tightening method that can be performed. In order to achieve this object, the present invention provides a driver tool configured to rotationally drive a screwdriver bit engageable with a screw head by a rotary driving source, and the screwdriver bit is applied to the screw when screwed into a workpiece. An automatic screw tightening device comprising a thrust control mechanism for changing a thrust to be generated, wherein the thrust control mechanism includes the driver tool and can support the weight of other members that apply a load based on mass to a screw to be tightened. A supporting force generating unit that generates a supporting force; and a pressing force generating unit that generates a pressing force that presses the screw in a direction opposite to the self-weight supporting force when the screw is screwed into the workpiece. It is characterized by comprising. In addition, it is desirable that the pressing force generator is configured to generate pressing forces with different strengths.
また本発明は、上記目的を達成するために、ねじ頭部に係合可能なドライバビットを回転駆動源により回転駆動するよう構成されたドライバツールと、ワークにねじをねじ込む時に前記ドライバビットからねじに与えられる推力を変更する推力制御機構とを備え、ねじの頭部に係合したドライバビットを回転させてワークにねじを締め付けるねじ締め方法であって、前記推力制御機構により自重支持力を発生して前記ドライバツールの自重を支え、この状態で自重支持力よりも大きく、かつ自重支持力とは逆方向の押圧力を推力制御機構により発生し、押圧力と自重支持力との差である推力をねじに付与しつつ、ワークにねじをねじ込むことを特徴とするものでもある。なお、この場合、ねじが所定位置までねじ込まれると推力制御機構から付与される押圧力を変更することが望ましい。 In order to achieve the above object, the present invention provides a driver tool configured to rotationally drive a driver bit engageable with a screw head by a rotational drive source, and a screw from the driver bit when the screw is screwed into a workpiece. A screw control method for changing the thrust applied to the screw, and rotating a driver bit engaged with the screw head to tighten the screw on the work. The thrust control mechanism generates a self-weight support force. The driver tool supports its own weight, and in this state, the thrust control mechanism generates a pressing force that is greater than its own weight supporting force and reverse to its own weight supporting force, and is the difference between the pressing force and its own weight supporting force. It is also characterized in that the screw is screwed into the workpiece while applying thrust to the screw. In this case, it is desirable to change the pressing force applied from the thrust control mechanism when the screw is screwed to a predetermined position.
本発明の自動ねじ締め装置においては、ドライバツール等、締め付けるねじに自重に基づく荷重を与える部材の自重を支え得る自重支持力を発生させた状態で、この自重支持力以上の大きさで、ねじを押圧する方向の押圧力を発生させ、この押圧力と自重支持力との差である推力をねじに付与するようになっている。このため、ねじを締め付ける時にドライバツール等の自重に基づく推力がねじに作用するのを防止することができ、ドライバツール等の自重に基づく推力以下の、極めて低い領域の推力制御が可能となり、極小ねじのような、締め付けに際して非常に低い推力を必要とするねじの締め付けにおいても、推力を適正に制御して良好なねじ込み・締め付けを行うことができる。また、ねじのねじ込み位置に応じて押圧力を変更するようになっているため、例えば、着座直前の位置まで低推力でねじ込みを行い、着座直前の位置から締め付け完了位置まではカムアウト防止のために高推力で締め付けを行うといった、ねじ締め過程に応じた推力制御を、低推力領域においても実現することができる等の利点もある。 In the automatic screw tightening device of the present invention, in a state in which a self-weight support force capable of supporting the self-weight of a member that applies a load based on the self-weight to a screw to be tightened is generated, A pressing force is generated in a direction in which the screw is pressed, and a thrust, which is a difference between the pressing force and the own weight support force, is applied to the screw. For this reason, it is possible to prevent the thrust based on the weight of the driver tool, etc., from acting on the screw when tightening the screw, and it is possible to control the thrust in an extremely low region below the thrust based on the weight of the driver tool, etc. Even when a screw such as a screw that requires a very low thrust is used for tightening, the thrust can be controlled appropriately to achieve good screwing and tightening. In addition, since the pressing force is changed according to the screwing position of the screw, for example, screwing is performed with a low thrust to the position immediately before the seating, and from the position immediately before the seating to the tightening completion position, in order to prevent a cam-out. There is an advantage that thrust control according to the screw tightening process, such as tightening with high thrust, can be realized even in a low thrust region.
以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1において、1は自動ねじ締め装置であり、この自動ねじ締め装置は、移動位置制御機構2と、この移動位置制御機構2に連結支持された推力制御機構3と、この推力制御機構3に支持されたドライバツール4と、これらを制御する制御ユニット5とから構成されている。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an automatic screw tightening device. The automatic screw tightening device includes a moving
前記移動位置制御機構2は、ベース21に配置されたボールねじ機構22を有する。このボールねじ機構22は、ベース21上部に設置されたACサーボモータ23(以下、単にモータ23という)と、このモータ23の駆動軸23aに連結されて一体に回転可能なねじ軸24と、このねじ軸24の螺旋溝に螺合しねじ軸24の回転にともなって軸線方向に往復移動可能なナット部材25とから成る。
The moving
前記モータ23は、駆動軸23aの回転に応じたパルス信号を出力可能なロータリエンコーダ23b(以下、単にエンコーダ23bという)を備えている。また、ナット部材25は、ベース21背面部にねじ軸24と平行に延びて配置されたガイドレール26に摺動自在に案内されており、このナット部材25には、前記推力制御機構3における支持プレート31が一体に固定してある。
The
前記推力制御機構3は、前記支持プレート31と、この支持プレート31前面に前記ガイドレール26と平行に延びて固定された低摩擦ガイドレール32(以下、単に低摩擦レール32という)と、この低摩擦レール32に沿って摺動自在に配置されたツールテーブル33と、このツールテーブル33にピストンロッド34aを連結した低摩擦エアシリンダ34(以下、単にシリンダ34という)と、このシリンダ34のポート34b,34cに対する圧縮エアの供給制御を行うエア制御部35とから構成されている。
The
前記シリンダ34は、シリンダチューブ34d内がピストンロッド34aと一体のピストン(図示せず)によって2気室に仕切られた一般的な構造であり、シリンダチューブ34dは前記支持プレート31に固定されて、一体に移動可能に構成されている。このシリンダ34は、ピストンロッド34aやピストン等の可動部の動作に係る摺動抵抗等が極めて小さくなるように設計された低摩擦タイプのエアシリンダであり、そのピストンロッド34aのストロークは、ワークにねじ込むねじの長さよりも十分に長く設定されている。また、前記低摩擦レール32とツールテーブル33についても、これらの間の摺動抵抗が極めて小さくなるように設計されている。
The
また、前記エア制御部35は、エア圧の異なる圧縮エアの供給源351,352に接続された電空レギュレータ353および精密レギュレータ354を有し、電空レギュレータ353は、シリンダ34のピストンロッド34aを前進(伸長)させる気室に通じるポート34bに、また精密レギュレータ354は、ピストンロッド34aを後退させる気室に通じるポート34cに、それぞれ最短経路で接続されている。さらに、両レギュレータ353,354とシリンダ34の各ポート34b,34cとを結ぶ管路上には、それぞれサージタンク355,356が配置されている。
The
前記ドライバツール4は、前記ツールテーブル33に設置されたACサーボモータ41(以下、単にモータ41という)と、このモータ41の駆動軸41aに一体に連結されたドライバビット42とを備えて成る。駆動軸41aとドライバビット42とは、緩衝機構を介さずに直接的に連結されており、ツールテーブル33の移動にともなう力、すなわち推力がドライバビット42先端からねじに伝えられるように構成されている。また、モータ41は前記モータ23と同様、駆動軸41aの回転に応じてパルス信号を出力可能なロータリエンコーダ41b(以下、単にエンコーダ41bという)を備えている。さらに、ドライバビット42は、先端が横断面十字形状に形成されており、ねじ頭部に形成される十字形状の駆動穴に係合可能である。また、このドライバビット42の先端部は、係合した金属製ねじを磁着保持できるように磁化されている。
The driver tool 4 includes an AC servo motor 41 (hereinafter simply referred to as a motor 41) installed on the tool table 33, and a
前記制御ユニット5は、制御部51と、前記モータ23を駆動制御するためのサーボコントローラ52と、前記モータ41を駆動制御するためのツールコントローラ53とを有する。
The control unit 5 includes a
前記精密レギュレータ354は、ピストンロッド34aが{(ドライバツール4の質量+ピストンロッド34aの質量)×重力加速度−推力制御機構3の各動作部位の摩擦力}で表される力以上の力を発揮できる圧力のエアをシリンダ34に供給するよう設定されている。この精密レギュレータ354から供給されるエアによって、ピストンロッド34aを後退させる方向の力(以下、これを自重支持力という)を発生させ、これにより、ドライバツール4やピストンロッド34a等の自重に基づく荷重を相殺する。また、前記電空レギュレータ353は、制御部51からの指令信号に応じてエアの圧力調整を行うように構成されている。この電空レギュレータ353によるエア圧力の調整により、ピストンロッド34aを前進させる方向の力を変化させられる。
In the
次に、ドライバビット42先端にねじを係合させて磁着保持した状態で、このねじをワークに締め付ける場合の作用について述べる。まず、シリンダ34には、精密レギュレータ354によって圧力調整されたエアが常に供給されており、これによりピストンロッド34aは自重支持力を常に発揮した状態にある。この状態から、図示しないスタートスイッチ等により制御部51にスタート指令信号が入力されると、制御部51はサーボコントローラ52に高速移動指令信号を与える。これにより、サーボコントローラ52がモータ23を高速回転駆動し、ナット部材25ないしドライバツール4等を高速で図上、下方向に下降させる。この時、エンコーダ23bのパルス信号は、サーボコントローラ52から制御部51にフィードバックされて積算される。
Next, an operation when the screw is fastened to the workpiece while the screw is engaged and held at the tip of the
次に制御部51は、電空レギュレータ353に作動指令信号を与える。これにより、電空レギュレータ353は、ピストンロッド34aが自重支持力よりも10%程度大きく、かつ自重支持力とは逆向きの力(以下、この力を押圧力という)を発揮する圧力のエアをシリンダ34のポート34bに供給する。これにより、ピストンロッド34aは伸長し、ドライバツール4を押し下げる。この状態で、ワークのめねじ入口ににねじの先端が到達する直前位置(1cm手前位置)に相当する位置までドライバツール4が移動すると、エンコーダ23bの出力するパルス信号の積算値が所定値に達する。これを受けて制御部51は、サーボコントローラ52に駆動停止指令信号を送り、モータ23を駆動停止状態にして、ドライバツール4を当該位置で一旦停止させる。
Next, the
続いて制御部51は、サーボコントローラ52に低速移動指令信号を与えるとともに、ツールコントローラ53に定速回転指令信号を与える。これにより、ツールコントローラ53はモータ41を一定回転速度で駆動制御し、エンコーダ41bが発するパルス信号は制御部51にフィードバックされて積算される。また、低速移動指令信号を受けたサーボコントローラ52は、締め付けるねじのねじ山のリードと、ツールコントローラ53に与えられた回転指令信号に基づくモータ41の回転速度とから求まるねじのめねじへのねじ込み速度より若干速い速度で支持プレート31が下降するよう、モータ23を速度制御する。
Subsequently, the
以上の結果、ねじは回転しながらワークのめねじ入口に到達し、ドライバツール4等の自重成分が作用していない軽い力でワークのめねじ入口に押し当てられる。こうすることで、ワークのめねじにねじ先端部を正確に螺合させることができる。 As a result, the screw reaches the female screw inlet of the workpiece while rotating, and is pressed against the female screw inlet of the workpiece with a light force that does not act on its own weight component such as the driver tool 4. By doing so, the screw tip can be accurately screwed into the female screw of the workpiece.
サーボコントローラ52は、以後、ねじのねじ山のリードと、ツールコントローラ53への回転指令信号に基づくモータの回転速度とから求まるねじ込み速度より、若干速い速度で支持プレート31が下降するよう、モータ23を速度制御し続ける。そして、エンコーダ23bの積算パルス信号数から支持プレート31がねじ締め完了位置に相当する位置まで移動したことを検知すると、制御部51は、サーボコントローラ52に駆動停止指令信号を送り、モータ23を駆動停止状態にして、ナット部材25および支持プレート31を当該位置で停止させる。このように、ねじ込み速度よりも若干速い速度で支持プレート31が下降しても、シリンダ34が緩衝装置の役目を果たすため、ボールねじ機構22の作動による推力がドライバツール4からねじに作用することはない。なお、この時のボールねじ機構22の作動による推力でピストンロッド34やシリンダチューブ34dが押され、エア配管に負圧が生じても、これをサージタンク355,356で吸収できるため、レギュレータ353,354の圧力変動を来すことがない。
Thereafter, the
ツールコントローラ53に定速回転指令信号を与えて後、ねじ先端がめねじ入口に螺合するために必要十分な時間が経過すると、制御部51は、電空レギュレータ353に加圧指令信号を与える。これにより、電空レギュレータ353からシリンダ34に供給されるエアの圧力が若干高められる。この結果、ねじをねじ込みに最適な推力で押してめねじにねじ込むことができる。この時も、自重支持力の作用で、ねじにはドライバツール4等の自重成分によって生じる推力が影響せず、本来必要なだけの推力をねじに正確に与えることができる。
After supplying a constant speed rotation command signal to the
エンコーダ41bのパルス信号数およびモータ41の負荷電流値の増大から、ねじの頭部座面がワークに着座するまでねじがねじ込まれたことを検知すると、制御部51は、ツールコントローラ53に高トルク回転指令信号を与えるとともに、電空レギュレータ353に加圧指令信号を与える。これにより、モータ41が低速回転高トルク駆動に切り替えられ、一方で、ねじに与えられる推力が、目標締付トルクに相当する高トルクでドライバビット42が回転してもカムアウトが発生しないレベルまで高められる。
When it is detected from the increase in the number of pulse signals of the
その後、エンコーダ41bのパルス信号数が、ねじが所定の回転角度まで締め付けられたことを示す値に達するか、モータ41の負荷電流値がねじの目標締付トルクまで高まるかすると、制御部51は、ツールコントローラ53に駆動停止指令信号を与える。この時、ねじが所定回転角度、目標締付トルクまで締め付けられている場合、制御部51は図示しない表示部によって、ねじ締め正常終了表示を行う。また、ねじが所定回転角度、目標締付トルクを外れてねじ込まれている場合、制御部51は表示部にねじ締め異常終了表示を行う。また、制御部51は、電空レギュレータ353に停止指令信号を与える。この結果、電空レギュレータ353の作動が停止し、シリンダ34には精密レギュレータ354からのエア圧だけがかかることになるため、ピストンロッド34aは後退し、ドライバビット42をねじから離脱させる。
Thereafter, when the number of pulse signals of the
その後、制御部51はサーボコントローラ52にモータ逆転駆動指令信号を与え、これによりモータ23が逆転駆動してドライバツール4等を上昇させる。そして制御部51は、エンコーダ23bのパルス信号数からドライバツール4等が原位置に復帰したことを確認すると、サーボコントローラ52に駆動停止指令信号を与えてモータを停止させ、一連のねじ締め作業を完了する。
Thereafter, the
以上のように、本自動ねじ締め装置1は、ねじ締め作業中、シリンダ34に常時付与される自重支持力により、ドライバツール4等の質量に基づく推力(荷重)を相殺するものである。このため、例えば呼び径が1mm以下の極小ねじを用いて各種小型精密機器の組み立てを行う場合等、ねじに与える推力をドライバツール4等の自重に基づく力よりも小さい領域で制御する必要がある場合にも、極めて正確な推力をねじに与えてねじ締め作業を行うことが可能となり、ねじの破壊、ワークの変形等の不良発生を防止することができる。なお、特許請求の範囲に記載の支持力発生部は、本実施形態においては、精密レギュレータ354とシリンダ34とによって実現されている。また、同じく押圧力発生部は、電空レギュレータ353とシリンダ34とによって実現されている。
As described above, the automatic screw tightening device 1 cancels the thrust (load) based on the mass of the driver tool 4 and the like by the self-weight support force constantly applied to the
1 自動ねじ締め装置
2 移動位置制御機構
3 推力制御機構
4 ドライバツール
5 制御ユニット
22 ボールねじ機構
23 ACサーボモータ
24 ねじ軸
25 ナット部材
26 ガイドレール
31 支持プレート
32 低摩擦ガイドレール
33 ツールテーブル
34 低摩擦エアシリンダ
34a ピストンロッド
35 エア制御部
41 ACサーボモータ
42 ドライバビット
51 制御部
52 サーボコントローラ
53 ツールコントローラ
353 電空レギュレータ
354 精密レギュレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Automatic
Claims (4)
前記推力制御機構は、
前記ドライバツールを含み、締め付けるねじに質量に基づく荷重を与えるその他の部材の自重を支え得る自重支持力を発生する支持力発生部と、
ワークにねじをねじ込む時に前記自重支持力よりも大きく、しかも自重支持力とは逆方向のねじを押圧する押圧力を発生する押圧力発生部と
を備えて成ることを特徴とする自動ねじ締め装置。 A driver tool configured to rotationally drive a driver bit engageable with a screw head by a rotational drive source, and a thrust control mechanism that changes a thrust applied to the screw from the driver bit when the screw is screwed into a workpiece. Automatic screw tightening device,
The thrust control mechanism is
A support force generating unit that generates a self-weight support force that can support the self-weight of another member that includes the driver tool and applies a load based on mass to a screw to be tightened;
An automatic screw tightening device comprising: a pressing force generator that generates a pressing force that presses a screw that is larger than the self-weight supporting force when the screw is screwed into a workpiece and is opposite to the self-weight supporting force. .
ねじの頭部に係合したドライバビットを回転駆動してワークにねじを締め付けるねじ締め方法であって、
前記推力制御機構により自重支持力を発生して前記ドライバツールの自重を支え、この状態で自重支持力よりも大きく、かつ自重支持力とは逆方向の押圧力を推力制御機構により発生し、押圧力と自重支持力との差である推力をねじに付与しつつ、ワークにねじをねじ込むことを特徴とするねじ締め方法。 A driver tool configured to rotationally drive a driver bit engageable with a screw head by a rotational drive source, and a thrust control mechanism that changes a thrust applied to the screw from the driver bit when the screw is screwed into a workpiece. ,
A screw tightening method in which a screwdriver bit engaged with a screw head is rotationally driven to tighten a screw on a workpiece,
The thrust control mechanism generates its own weight support force to support the driver tool's own weight. In this state, the thrust control mechanism generates a pressing force that is greater than the self-weight support force and in the direction opposite to the self-weight support force. A screw tightening method characterized in that a screw is screwed into a workpiece while a thrust, which is a difference between pressure and its own weight support force, is applied to the screw.
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