JP4329377B2 - 軸力計付きナットランナー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸力計付きナットランナーに係わり、更に詳しくは軸力計付きナットランナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ソケットに回転力を伝達するシャフトにトルク計を組み込んで、ボルトの締付力を確認できる構造のナットランナーが提供されている。しかし、トルク計で計測されるトルク値は、ボルト締付時のボルトと被締付部材との間の摩擦力等によってその値は大きく変動し、しかも被締付部材の締付力、即ちボルトの軸力を直接表すものではないのである。
【０００３】
そこで、特許文献１には、締結ボルトの軸力を計測できるボルト締結機が開示されている。つまり、ナットランナー制御装置を備えたナットランナーのツ−ルユニットには、回転伝達用のシャフト部が設けられ、このシャフト部には、締結ボルトの頭部に適合する係合穴を形成したソケットが取付けられている。この係合穴の奥側には、圧電素子を備えた測定センサーが組込まれ、この圧電素子が外部の超音波送受信装置及び測定系ユニットにそれぞれ電気的に接続される。この圧電素子は、縦波及び横波の両超音波を同時発信するもので、締結ボルトの頭部からネジ部に至る往復の伝播時間を測定分析することによって精密なボルトの軸力が計測できる。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載のボルト締結機は、シャフト部と同軸で一体回転するソケットの軸芯部に設けた圧電素子をボルトの頭部に直接接触又はグリセリン系の粘性流動体を介して間接接触させ、圧電素子の縦波、横波発生用の圧電ドメインで発生した振動をボルトに伝達し、その反射波を同じく圧電素子で受信する構造であるので、従来のボルトの外部から超音波を導入する原理の軸力計と同様に、ボルト頭部の研磨や粘性流動体を介在させる等の前処理に手間と時間がかかるといった問題を残しているとともに、圧電素子からなるセンサがソケットと共に常時回転し、また振動を受けるので、センサの耐久性に問題があり、更にセンサと制御装置との間のケーブルがシャフト部に設けられたスリップリングを介して接続されているので、スリップリングの耐久性の問題やスリップリング自体がノイズの発生源となるといった問題を有している。
【０００５】
尚、本出願人のセンサ・システム株式会社は、既に特許文献２，３に示すようなボルトの軸力を直接測定可能なボルト締付力検査装置を提供している。つまり、特許文献２には、軸心に貫通孔を有し、該貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有する環状磁石と励振コイルとを同軸状に配設して構成される振動生成体と、前記振動生成体にボルト頭部が当接したとき前記貫通孔を通して突出してボルト頭部に一端を当接する振動伝達棒と、該振動伝達棒の他端に接続した振動検出器とを有する振動検出体と、を備えるとともに、前記励振コイルに段階的に周波数の変動するパルス電流を供給する励振回路と、前記振動検出器において前記振動伝達棒の縦振動を検出して出力される発振信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器と、該Ａ−Ｄ変換器の出力信号に基づき共振周波数を算出する演算部とからなる制御装置を備えたボルト締付力検査装置を提供している。このボルト締付力検査装置は、電磁的にボルトに直接振動を発生させるので、従来の超音波を外部から導入する方式のものに比べて、前処理が不要、取扱いが簡単といった利点がある。また、振動生成体と振動検出体が分離しているので、振動ノイズに対しても強いといった特長がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１４１２４１
【特許文献２】
特許第３１７２７２２号
【特許文献３】
ＷＯ ０２／０９５３４６ Ａ１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、締付けたボルトの軸力を瞬時に測定することができ、あるいは軸力の良否を瞬時に検査することができ、またボルトに前処理を施す必要がなく、取扱いが容易であり、更に耐久性にも優れた軸力計付きナットランナーを提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題解決のために、ベース体に対して可動体を直線駆動可能に連結し、該可動体に設けた保持枠に、サーボモータと減速機を少なくとも備えたトルク発生体を取付けるとともに、一端部にボルト頭部と係合する係合穴を設け且つ他端部を開放した円筒状のソケット体を、前記トルク発生体の駆動軸と軸芯をずらせて回転可能に取付け、前記駆動軸とソケット体を回転伝達機構にて連結してなり、そしてボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体を有するプローブを、少なくとも該振動検出体が前記ソケット体の内部に位置するように配置するとともに、該プローブを前記可動体に対して直線駆動可能な可動部材に取付け、前記ソケット体の係合穴に係合したボルト頭部に前記プローブを接触させてその軸力を測定することを特徴とする軸力計付きナットランナーを構成した。
【０００９】
ここで、前記回転伝達機構が、前記駆動軸に固定した第１歯車と、前記ソケット体の外周に設けた第２歯車との噛合によるものであること、また前記ソケット体の内部に、前記プローブを非接触状態で配置してなること、また前記ソケット体の一端部に、中心に前記係合穴を有する円板を着脱可能に取付けてなること、更に前記トルク発生体には、前記減速機と駆動軸の間にトルクセンサを配置してなることが好ましい。
【００１０】
そして、前記振動生成体は、軸心に振動伝達棒が挿通し得る貫通孔を有し、この貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石を単又は複数軸方向に配置し、環状磁石の外周側又は内周側に励振コイルを同軸状に配置したものであり、前記振動検出体は、円筒状のスリーブ内に振動検出器を軸方向へスライド可能に配し且つ先端方向へ弾性付勢するとともに、該振動検出器に前記振動伝達棒が振動を伝達できるように連結されたものであり、円筒状のケーシング内に少なくとも前記スリーブの両端部を振動を吸収する防振材を介して密着保持するとともに、先端に前記振動検出体を取付けてその貫通孔から前記振動伝達棒の先端を露出させたプローブを用いてなるのである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき更に詳細に説明する。図１〜図９は、本発明に係る軸力計付きナットランナーを示し、図１０〜図１２はボルト軸力計を示し、図中符号１はベース体、２は可動体、３は保持枠、４はトルク発生体、５はサーボモータ、６は減速機、７は駆動軸、８はソケット体、９は回転伝達機構、１０は係合穴、１１は可動部材、１００はプローブ、１０１は振動生成体、１０２は振動検出体、１０３は制御装置、１０４は振動伝達棒をそれぞれ示している。
【００１２】
本発明に係る軸力計付きナットランナーは、ベース体１に対して可動体２を直線駆動可能に連結し、該可動体２に設けた保持枠３に、サーボモータ５と減速機６を少なくとも備えたトルク発生体４を取付けるとともに、一端部にボルト頭部と係合する係合穴１０を設け且つ他端部を開放した円筒状のソケット体８を、前記トルク発生体４の駆動軸７と軸芯をずらせて回転可能に取付け、前記駆動軸７とソケット体８を回転伝達機構９にて連結してなり、そしてボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体１０１及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体１０２を有するプローブ１００を、少なくとも該振動検出体１０２が前記ソケット体８の内部に位置するように配置するとともに、該プローブ１００を前記可動体２に対して直線駆動可能な可動部材１１に取付け、前記ソケット体８の係合穴１０に係合したボルト頭部に前記プローブ１００を接触させてその軸力を測定するようにしたものである。ここで、前記駆動軸７とソケット体８の軸芯をずらせるとは、平行に変位させることは勿論、直角に変位させたり、任意の角度だけ変位させることも含む概念である。
【００１３】
更に詳しくは、前記ベース体１は、板状又はチャンネル状の長尺部材であり、図７に示すように固定部Ｃやロボットアーム等の可動部（図示せず）に取付けるものである。そして、前記ベース体１には、その長手方向に沿ってガイドレール１２を設けてあり、前記可動体２に取付けたライナー１３が前記ガイドレール１２に案内されて直線移動できるように連結されている。また、前記ベース体１の一端部（図面では上端部）には前記ガイドレール１２と略直角に固定板１４を取付け、該固定板１４にエアシリンダー１５を取付け、該エアシリンダー１５のピストン１６と前記可動体２の端部とを連結具１７にて連結している。従って、前記エアシリンダー１５に加圧空気を供給することにより、前記ベース体１に対して前記可動体２を直線駆動可能としている。尚、前記エアシリンダー１５に代えて、油圧シリンダーは勿論、ラックとピニオン、スプロケットとチェーン、プーリとタイミングベルト等の他の直線駆動手段を用いることが可能である。
【００１４】
そして、図１及び図４に示すように、前記可動体２の端部（図面では下端部）に設けた保持枠３に、前記トルク発生体４を取付けるとともに、前記ソケット体８を回転可能に取付けている。前記保持枠３は、前記可動体２の端部に上下に間隔を設けて上板１８と下板１９と中間板２０を取付けるとともに、両上板１８と下板１９の端部間を連結板２１で連結したものであり、更に両側にカバー板２２，２２を取付けて周囲を完全に塞いでボックス状としたものである。そして、前記トルク発生体４の本体を前記保持枠３の上板１８に固定するとともに、該保持枠３の内部には衝撃緩衝体２３を介して前記駆動軸７が延び、該駆動軸７は前記下板１９と中間板２０とに軸受２４，２４にて回動可能に支持されている。また、前記ソッケト体８は、前記駆動軸７と平行に同様に前記下板１９と中間板２０とに軸受２５，２５にて回動可能に支持されている。また、前記ソッケト体８の中心軸を延長した前記上板１８には前記プローブ１００が通過可能な開口２６を形成している。
【００１５】
更に、前記プローブ１００を、少なくとも該振動検出体１０２が前記ソケット体８の内部に位置するように非接触状態で配置するとともに、該プローブ１００を前記可動体２に対して直線駆動可能な可動部材１１に取付けている。それには、前記可動体２に直線状のガイドレール２７を取付け、前記可動部材１１に取付けたランナー２８を前記ガイドレール２７に沿って直線移動可能に連結し、更に前記可動体２の上部に取付けたエアシリンダー２９のピストン３０を緩衝連結具３１にて前記可動部材１１の状端部と連係させている。尚、前記同様に、エアシリンダー２９は他の直線駆動手段で置き換え可能である。
【００１６】
ここで、前記緩衝連結具３１は、図１、図３及び図４に示すように、軸体３２の上下端部にフランジ部３３，３３を突設し、前記可動部材１１の上端に取付けた支持板３４の孔を前記フランジ部３３，３３間の軸体３２に上下移動可能に外装するとともに、該支持板３４と上方のフランジ部３３間で軸体３２に圧縮コイルばね３５を介装している。そして、前記可動部材１１の下端部は、前記開口２６を通して保持枠３の内部に至り、その下端に設けた装着部３６に前記プローブ１００の上部を保持している。この場合、前記エアシリンダー２９を駆動しても、前記圧縮コイルばね３５の弾性力で上限が規制された押圧力で前記プローブ１００を下方へ駆動してボルト頭部Ｂに接触させるようになっている。尚、前記プローブ１００の上端に接続されたケーブル１２８は、前記上板１８の開口２６を通して支持枠３から引き出されている。
【００１７】
次に、前記回転伝達機構９は、図４及び図６に示すように、前記駆動軸７に固定した第１歯車３７と、前記ソケット体８の外周に設けた第２歯車３８との噛合によるものである。本実施形態では、前記第２歯車３８は、複数のローラピン３９，…をソケット体８の外周に形成した環状溝内に軸方向に平行で且つ等間隔に取付けたものであり、前記第１歯車３７は前記ローラピン３９を受入れる凹部を全周に形成したものである。尚、前記回転伝達機構９としては、通常の平歯車や、傘歯歯車、スプロケットとチェーン等の回転伝達手段を採用することができる。
【００１８】
また、前記ソケット体８の一端部に、中心に前記係合穴１０を有する円板４０を着脱可能に取付けている。こうすることによって、異なる大きさのボルトＢでも、それに対応する係合穴１０を有する円板４０を取り替えることで済むのである。
【００１９】
また、前記トルク発生体４の本体部には、前記減速機６と駆動軸７の間にトルクセンサ４１を配置すれば、前記プローブ１００によるボルトＢの軸力の測定と同時に締付トルクを測定することができ、ボルトＢの締付状態をより信頼性を高めてモニターすることができる。
【００２０】
図７〜図９は、本発明に係る軸力計付きナットランナーを用いて、被締付部材ＡにボルトＢを締付け、その軸力を測定する手順を示したものである。先ず、図７のボルト頭部Ｂとソケット体８が離れた状態から、前記エアシリンダー１５を駆動して前記可動体２を下降させ、前記ソケット体８の係合穴１０にボルト頭部Ｂを受入れる。この状態では、前記プローブ１００の振動伝達棒１０４はボルト頭部Ｂに接触していない。それから、前記サーボモータ５を回転させて駆動軸７を回転させ、回転伝達機構９を介して前記ソケット体８を回転させて前記ボルトＢを被締付部材Ａに締付ける。この場合、前記プローブ１００は静止したままである。それから、前記エアシリンダー２９を駆動して前記可動部材１１を降下させ、前記プローブ１００の振動伝達棒１０４をボルト頭部Ｂに圧接するとともに、プローブ１００の先端をボルト頭部Ｂに圧接する。前記プローブ１００の先端部には、振動生成体１０１が内蔵されており、制御装置１０３から振動生成体１０１に供給された励磁パルスによってボルトＢに振動を発生させ、その振動を振動伝達棒１０４を介してプローブ１００に内蔵した振動検出体１０２で振動を検出し、その検出信号を制御装置１０３で処理して共振振動数を算出し、ボルトの軸力と対応づけるのである。
【００２１】
次に、図１０〜図１７に基づいて、本実施形態に用いたプローブ１００と制御装置１０３とからなるボルト軸力計を更に詳細に説明する。前記プローブ１００は、図１０に示すように、ボルト頭部Ｂを電磁力により縦振動させる振動生成体１０１と、この縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体１０２と、制御装置１０３とを備えて構成される。
【００２２】
更に詳しくは、前記振動生成体１０１は、軸心に振動伝達棒１０４が挿通し得る貫通孔１０５を有し、この貫通孔１０５の径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石１０６を単又は複数軸方向に配置するとともに、環状磁石１０６の外周に励振コイル１０７を同軸状に配置して構成されている。図示した例では、環状磁石１０６を下面にＳ極、上面にＮ極を着磁し、この二つの環状磁石１０６，１０６を軸方向に接触させて配置したが、磁力が不足する場合には更に多数の環状磁石１０６を軸方向に配置する。尚、環状磁石１０６の磁極は、Ｓ極とＮ極を逆にしても良いが、全ての環状磁石１０６の磁極の磁化方向は同じ向きに設定する必要がある。前述の環状磁石１０６と励振コイル１０７は、キャップ状のカバー１０８に固定材１０９によって封入されており、カバー１０８の下面には前記振動伝達棒１０４が突出する孔１１０が形成されている。
【００２３】
また、前記振動検出体１０２は、円筒状のスリーブ１１１内にアコースティック・エミッションセンサ（ＡＥセンサ）などの振動検出器１１２を抵抗無く軸方向へスライド可能に配するとともに、該振動検出器１１２に前記振動伝達棒１０４が振動を伝達できるように連結され、該スリーブ１１１の上端と下端には該スリーブ１１１の外径よりも直径が大きなリング状のフランジ１１３，１１４が固定され、上部のフランジ１１３と振動検出器１１２との間には、コイルばね１１５を介装して前記振動伝達棒１０４が突出する方向に弾性付勢したものである。ここで、下部のフランジ１１４の孔１１６には、前記振動伝達棒１０４が貫通し、図１０に示した不使用状態では、フランジ１１４に前記振動検出器１１２の下端又は振動伝達棒１０４の基部の連結部が当止するようになっている。また、上部のフランジ１１３の孔１１７からは前記振動検出器１１２の図示しないリード線が引き出される。
【００２４】
ここで、前記振動伝達棒１０４としては、内部に渦電流が発生し外部磁界と作用して振動しないように、非磁性且つ電気絶縁性の無機質固体が好ましく、無機質固体の中でも電磁場に対する絶縁性と硬質性の両方を兼ね備える点からは、非磁性且つ電気絶縁性のセラミックスが好ましく、特に高純度のアルミナを用いたファインセラミックスがより好ましい。セラミックスに代表される無機質固体を用いると、振動伝達棒の弾性率がボルトＢの弾性率より大きく且つその共振点が測定域より遥かに高くなるため、たとえ振動伝達棒が共振したとしてもこの共振振動がノイズとして測定結果に影響を与えないという利点がある。また、振動伝達棒１０４の横振動からくるノイズの発生を防ぐため、振動伝達棒１０４の直径は約３ｍｍ以上に設定されるのが好ましく、振動伝達棒１０４の先端部を丸く形成するのが好ましい。
【００２５】
そして、前記振動検出体１０２は、プローブ１００の外形を構成する円筒状のケーシング１１８内に振動を吸収する防振材を介して保持されている。つまり、前記スリーブ１１１の上下端部の外周に円筒状防振材１１９，１２０を装着した状態でケーシング１１８内に内挿し、上下から環状防振材１２１，１２２を前記フランジ１１３，１１４に接触させて内挿している。更に、ケーシング１１８の上端部内に押え部材１２３を内挿した状態でケーブル装着部材１２４をネジ止めし、押え部材１２３を介して環状防振材１２１をフランジ１１３に圧接している。一方、ケーシング１１８の下端部には、連結部材１２５の上部を内挿するとともに、連結部材１２５の外周に形成した環状の突縁１２６をケーシング１１８の下端縁に当接した状態で固着し、前記環状防振材１２２をフランジ１１４に圧接している。また、前記連結部材１２５の中心部には、前記振動伝達棒１０４が貫通する貫通孔１２７が設けられている。
【００２６】
ここで、前記円筒状防振材１１９，１２０及び環状防振材１２１，１２２の材料には、防振ゲルや防振ゴムなどが好ましく使用されるが、特に本実施形態では防振ゲルを用いて良好な防振効果が得られている。この防振ゲルは、商品名「ゲルナック」（株式会社日本オートメーション提供製品）を採用した。このように振動伝達棒１０４以外の部材から伝わる振動は前記円筒状防振材１１９，１２０及び環状防振材１２１，１２２に吸収され、振動検出器１１２に伝達することが防止される。よって、ボルトＢの縦振動を示す検出信号中にノイズが混入し難くなり、非常に感度の良い検出信号を得ることが可能となる。
【００２７】
そして、前記連結部材１２５の下部に、前記振動生成体１０１を構成するカバー１０８の上端開口部を外嵌させた状態でネジ止めされ、同一外径に設定した前記ケーシング１１８とカバー１０８とは外形において連続する。ここで、プローブ１００の外形は、直径２ｃｍ、長さ約１２ｃｍである。尚、前記励振コイル１０７に接続する図示しないリード線は、前記スリーブ１１１とケーシング１１８の間を通してケーブル装着部材１２４まで引き出される。
【００２８】
ここで、前記環状磁石１０６と励振コイル１０７の配置は任意である。本実施形態の場合には、環状磁石１０６を半径方向内側に配置し、励振コイル１０７を半径方向外側に配置したが、このような配置はボルト頭部Ｂの外形が励振コイル１０７の外形に略等しいかそれよりも大きい場合に汎用的に適用される。特に、図１２（ａ）に示すように、ボルト頭部Ｂの中央部に回転工具を嵌合する凹部Ｂ１を有する場合、頭部Ｂの外周部分Ｂ２に励振コイル１０７を接近させることができるので、ボルトＢを効率良く振動させるのに適している。また、図１２（ｂ）に示すように、ボルト頭部Ｂの外形がプローブ１００の外形よりもかなり小さい場合で頭部Ｂの上面が平面である場合には、励振コイル１０７を半径方向内側に配置し、環状磁石１０６を半径方向外側に配置して、励振コイル１０７を頭部Ｂの上面内に収まるようにすることが望ましい。
【００２９】
次に、図１３を参照しつつ、励振コイル１０７にパルス電流を供給するとともに、ボルトが固有振動数で振動したときの共振周波数を算出する制御装置１０３について詳説する。図１３は、制御装置１０３の概略構成を示すブロック図である。図１３において、符号１１２は振動検出器、１０４は振動伝達棒、１０６は環状磁石、１０７は励振コイルを示している。
【００３０】
制御装置１０３は、励振コイル１０７へパルス電流を供給する励振回路１３０、振動検出器１１２の出力信号を増幅する増幅回路１３１、振動検出器１１２の出力信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器１３２、これらを制御するＣＰＵ１３３、ＲＡＭ１３４、所定の手順に従い各種処理を実行するプログラムが格納されたＲＯＭ１３５、ボルトや板材の物理特性、検量線などのデータが格納された書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ１３６、検出結果などを表示する表示手段１３７、条件設定などを入力する入力手段１３８、コンピュータ１３９や携帯型情報機器（ＰＤＡ）１４０などの外部機器との接続を介するインターフェース回路１４１、を有する。
【００３１】
前記励振回路１３０においては、ＣＰＵ１３３の制御に従って図１４に示すような立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電圧を励振コイル１０７に印加しパルス電流が供給される。本実施例ではパルス電圧として矩形波が好適であるが、本発明ではこれに限らず他のパルス波でも構わない。このようなパルス電流の励振周波数は、ＣＰＵ１３３の制御に従って、１Ｈｚ〜２０Ｈｚの範囲内の単位で段階的に変化させることができる。例えば、周波数を最大値５０ｋＨｚから始めた場合、１０Ｈｚ単位で段階的に所望の最小値まで減少させるのである。このように励振周波数を最大値から最小値まで段階的に変化させる１サイクルの時間を１周期と呼ぶ。このようなパルス電流を励振コイル１０７に供給すると、振動検出器１１２はボルトＢの縦振動を検出して、図１５に示すような波形を有する発振信号を出力する。
【００３２】
また、図１６のタイムチャートで例示すると、ｎ回目またはｎ＋１回目の測定周期において、ＣＰＵ１３３は、励振回路１３０から出力される励振信号のタイミングを図１６（ａ）の波形に従って信号出力時間τで制御し、また、振動検出器１１２の出力信号を取り込む信号入力タイミングを図１６（ｂ）の波形に従って、信号出力時間τの中の終端時間ｔ1で制御している。つまり、時間τの間、一定の周波数のパルス電流でボルトが励振されるが、そのボルトの振動が安定するのを待って終端時間ｔ1の間だけ振動検出器１１２の出力信号を取り込むのである。
【００３３】
各回の測定周期において、図１６（ａ）の波形に従って信号出力時間τの間に、図１４に示したような一定周波数のパルス信号を励振コイル１０７に供給し、次の時間τの間、前回の周波数よりも１０Ｈｚ減じた一定周波数のパルス信号を励振コイル１０７に供給し・・・ということを繰り返し実行し、段階的に励振周波数を下げていく。このように励振周波数は、図１６（ｄ）に示すように、最大値から最小値へ階段状に減少させられる。振動検出器１１２は各々の励振周波数に応じてボルトＢの振動を検出して発振信号を出力し、この発振信号は、図１６（ｂ）に示す終端時間ｔ1の間にＡ−Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後にＣＰＵに取り込まれる。このような発振信号は、図１７（ａ）に示すような波形を示し、励振周波数が共振周波数に一致する時点でピークを形成する。このように、信号出力時間τを設定して段階的に変化する励振周波数でパルス電流を励振コイル１０７に供給するから、当該信号出力時間τの間に、当該励振周波数に対応する発振信号を極めて正確に検出し識別することが可能である。
【００３４】
また、各回の測定周期の終わりには、ＣＰＵ１３３は、図１６（ｃ）の制御信号に従って信号処理時間ｔ2の間、デジタル変換した発振信号（デジタル入力信号）を処理して共振周波数を算出する。具体的には、デジタル入力信号の値は、ＣＰＵ１３３で処理されて、対応する励振周波数や周期とともに一時的に記憶テーブルに記憶される。次いで、ＲＯＭ１３５に格納されたプログラムの中から共振周波数算出手段を呼び出し、前記記憶テーブルを参照し、図１７（ｂ）に示すように同図（ａ）の波形の包絡線波形１４３に示される波形データを得て、そのピーク値を見出しこのピーク値に対応する発振周波数を共振周波数とするのである。このような処理は、測定周期毎になされる。尚、測定周期の回数は１回でもよいし、複数回でもよい。複数回の測定周期から、共振周波数の平均値を算出しても構わない。
【００３５】
次いで、ＲＯＭ１３５に格納されたプログラムの中からボルト締付力評価手段を呼び出し、この手段を用いてＥＥＰＲＯＭ１３６に格納された検量線テーブルを参照し、共振周波数に相当するボルト軸力（ボルト締付力）を算出するのである。ボルト軸力が算出された後は、表示手段１３７にボルト軸力の値を表示させてもよいし、ボルト軸力の大きさに応じて表示ランプ（図示せず）に表示させたり、スピーカー（図示せず）からボルト軸力の大きさに応じたトーンの音を出力してもよい。
【００３６】
また、振動検出器１１２は、必ずしも図１７（ａ）に示すように明瞭なピークをもつ波形を出力するとは限らず、図１７（ｃ）に示すように複数のピークを有する波形を出力し、共振周波数に対応するピーク値を識別するのが困難な場合がある。かかる場合は、ピークをもつピーク波形の群（波形群）を選別し、図１７（ｄ）に示すように各波形群において波形合成処理を実行して合成波形１４４ａ，１４４ｂを生成し、合成波形１４４ａ，１４４ｂのピーク値の中から最大値を見出しこれに対応する発振周波数を共振周波数とするのが好ましい。尚、図１７（ｄ）の合成波形は、図１７（ｃ）の波形と比べて若干縮小表示されている。
【００３７】
また、前記検量線テーブルとしては、「ボルトの種類」や「ボルトのサイズ」、締結した「板材の厚み」、「最大軸力」、「オフセット値」などを予め入力しテーブル化したものを使用しても良いし、多項式の係数を最小自乗法で算出し補間式を求めて利用しても良い。このような最小自乗法などを実行するには上記コンピュータ１３９を用いた方が簡便な場合がある。かかる場合は、多項式の係数などをコンピュータ１３９で算出した後に、そのデータを図１３に示したインターフェース回路１４１を介してＣＰＵ１３３に転送し、ＥＥＰＲＯＭ１３６などに記憶させるのが好ましい。
【００３８】
また、ボルトの締付状態を点検するだけならば、ボルトの締付力の基準値（基準締付力）苦しくはこの基準締付力に対応する共振周波数（基準共振周波数）を登録し、この基準締付力若しくは基準共振周波数を中心とした上限値と下限値を設定しておき、測定した締付力若しくは共振周波数が上限値と下限値間にある場合は合格圏内にあるとし、外れた場合は不合格とすることもできる。
【００３９】
また、前記インターフェース回路１４１に携帯型情報機器１４０を接続し、制御装置１０３で得られた検査結果のデータをインターネット１４２を介して図示しないセンターのメインコンピュータに送り、このメインコンピュータで検査結果の詳しい解析や履歴の保存等を行うようにし、解析結果等をインターネット１４２を介して制御装置１０３に送り返し、表示手段１３７に表示させることも可能である。この場合には、制御装置１０３で処理する情報量は格段に少なくなるので、ＣＰＵ１３３の性能や各種メモリーの記憶容量を小さくでき、制御装置１０３をコンパクトなものにすることが可能である。また、制御装置１０３自体に通信機能を設けることも勿論可能である。更には、励振コイル１０７に電力を供給するためのバッテリーを除き、プローブ１００と制御装置１０３とを無線で接続することも可能になる。あるいは、コンピュータ１３９と制御装置１０３とを無線ＬＡＮやBluetooth技術で接続することも可能であり、この場合コンピュータ１３９はインターネット１４２に接続しておけば、センターのメインコンピュータでデータ処理することができる。
【００４０】
前記プローブ１００と制御装置１０３からなる軸力計は、個々のボルトＢの締付力を正味の絶対値として測定することができるが、それには締付力が既知のボルトで絶対校正することが必要である。しかし、複数のボルトの締付力のバラツキを測定したり、正常に締付けられているボルトと他のボルトの締付力とを比較する場合には、絶対校正は不要である。例えば、正常に締付けられているボルトを測定した際に、得られた固有振動数の値を「１００％」として換算するように設定すれば、他のボルトを測定した際にその固有振動数の値を「１１０％」や「９０％」と表示させるような使用方法も可能である。
【００４１】
本実施形態の軸力計は、軸方向に互いに相反する磁極を有する環状磁石と励振コイルとを半径方向内外に同軸状に配設して構成される振動生成体を備えることにより、外部磁界をボルト頭部に効率良く浸透させることができ、また前記励振コイルに立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電流を供給して、ボルト頭部において大きな誘導起電力を生起させることができるから、ボルトの共振レベルが向上し感度の高い共振周波数を得ることができ、よって正確なボルト軸力を算出することが可能となる。また、周波数を段階的に変化させたパルス電流を用いることにより、その周波数が変化する間の一定周波数の継続時間を制御して当該継続時間内にボルトの共振を検出すると共に正確な共振周波数を得ることができるから、正確なボルト軸力を算出してその測定精度を向上させることが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上にしてなる請求項１に係る発明の軸力計付きナットランナーは、ボルトを締付けることができ、しかも締付けたボルトの軸力を瞬時に測定することができ、あるいは軸力の良否を瞬時に検査することができる。また、従来のようにボルトに前処理を施す必要がなく、取扱いが容易である。更に、トルク発生体とソケット体とを軸をずらせて配置し、該ソケット体の内部にプローブを配置したので、ボルト締付時にもプローブが回転せず、よって耐久性にも優れている。
【００４３】
請求項２によれば、回転伝達機構が、駆動軸に固定した第１歯車と、ソケット体の外周に設けた第２歯車との噛合によるものであるので、装置がコンパクトになり、またトルク発生体からソケット体へ確実にトルクを伝達することができる。
【００４４】
請求項３によれば、ソケット体の内部に、プローブを非接触状態で配置してなるので、プローブに余計な振動や負荷を与えないので、耐久性が向上することは勿論、他の部分で発生した振動ノイズのプローブへの伝達を抑制できるので、高感度で精度よく軸力を測定することができる。
【００４５】
請求項４によれば、ソケット体の一端部に、中心に係合穴を有する円板を着脱可能に取付けてなるので、ボルトの大きさが異なっても、それに対応した係合穴を有する円板に交換すればよいのである。また、長期間の使用によって係合穴が磨耗したときにもその交換が容易である。
【００４６】
請求項５によれば、トルク発生体には、減速機と駆動軸の間にトルクセンサを配置してなるので、プローブと制御装置によるボルト軸力の測定と同時に、締付トルクを測定できるので、より信頼性の高い締付力の評価ができる。
【００４７】
請求項６によれば、振動検出体をケーシングに対して防振材を介して保持しているので、振動伝達棒以外の部材から伝達する振動は防振材に吸収されるため振動検出器の出力信号にノイズが混入することが防止され、検出精度が向上するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸力計付きナットランナーを一部断面で示した側面図である。
【図２】同じく正面図である。
【図３】同じく可動体と可動部材の直線駆動機構を示す省略正面図である。
【図４】同じく要部の拡大断面図である。
【図５】同じく省略底面図である。
【図６】回転伝達機構を示す簡略平面図である。
【図７】本発明の使用例を示し、ボルトの締付前の状態を示す簡略側面図である。
【図８】同じくボルト締付後の状態を示す簡略側面図である。
【図９】同じくボルトの軸力を測定中の状態を示す要部拡大断面図である。
【図１０】プローブの概略断面図である。
【図１１】軸力測定状態のボルトとプローブの関係を示す概略断面図である。
【図１２】ボルト頭部の形状とプローブの先端構造との関係を示し、（ａ）はボルト頭部の中央部に凹部を有する場合のプローブの先端構造を示す省略斜視図、（ｂ）はボルト頭部が平面である場合のプローブの先端構造を示す省略斜視図である。
【図１３】制御装置の一実施例を示す概略ブロック図である。
【図１４】励振回路が出力するパルス電圧の一例を示す図である。
【図１５】振動検出器が出力したボルトの振動波形を示す図である。
【図１６】各種信号を示すタイムチャートである。
【図１７】発振信号とその処理信号を示す概略図である。
【符号の説明】
１ ベース体 ２ 可動体
３ 保持枠 ４ トルク発生体
５ サーボモータ ６ 減速機
７ 駆動軸 ８ ソケット体
９ 回転伝達機構 １０ 係合穴
１１ 可動部材 １２ ガイドレール
１３ ライナー １４ 固定板
１５ エアシリンダー １６ ピストン
１７ 連結具 １８ 上板
１９ 下板 ２０ 中間板
２１ 連結板 ２２ カバー板
２３ 衝撃緩衝体 ２４ 軸受
２５ 軸受 ２６ 開口
２７ ガイドレール ２８ ランナー
２９ エアシリンダー ３０ ピストン
３１ 緩衝連結具 ３２ 軸体
３３ フランジ部 ３４ 支持板
３６ 装着部 ３７ 第１歯車
３８ 第２歯車 ３９ ローラピン
４０ 円板 ４１ トルクセンサ
１００ プローブ １０１ 振動生成体
１０２ 振動検出体 １０３ 制御装置
１０４ 振動伝達棒 １０５ 貫通孔
１０６ 環状磁石 １０７ 励振コイル
１０８ カバー １０９ 固定材
１１０ 孔 １１１ スリーブ
１１２ 振動検出器 １１３，１１４ フランジ
１１６，１１７ 孔 １１８ ケーシング
１１９，１２０ 円筒状防振材
１２１，１２２ 環状防振材
１２３ 押え部材 １２４ ケーブル装着部材
１２５ 連結部材 １２６ 突縁
１２７ 貫通孔 １２８ ケーブル
１３０ 励振回路 １３１ 増幅回路
１３２ Ａ−Ｄ変換器 １３７ 表示手段
１３８ 入力手段 １３９ コンピュータ
１４０ 携帯型情報機器 １４１ インターフェース回路
１４２ インターネット １４３ 包絡線波形
１４４ａ，１４４ｂ 合成波形
Ａ 被締付部材
Ｂ ボルト
Ｃ 固定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸力計付きナットランナーに係わり、更に詳しくは軸力計付きナットランナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ソケットに回転力を伝達するシャフトにトルク計を組み込んで、ボルトの締付力を確認できる構造のナットランナーが提供されている。しかし、トルク計で計測されるトルク値は、ボルト締付時のボルトと被締付部材との間の摩擦力等によってその値は大きく変動し、しかも被締付部材の締付力、即ちボルトの軸力を直接表すものではないのである。
【０００３】
そこで、特許文献１には、締結ボルトの軸力を計測できるボルト締結機が開示されている。つまり、ナットランナー制御装置を備えたナットランナーのツ−ルユニットには、回転伝達用のシャフト部が設けられ、このシャフト部には、締結ボルトの頭部に適合する係合穴を形成したソケットが取付けられている。この係合穴の奥側には、圧電素子を備えた測定センサーが組込まれ、この圧電素子が外部の超音波送受信装置及び測定系ユニットにそれぞれ電気的に接続される。この圧電素子は、縦波及び横波の両超音波を同時発信するもので、締結ボルトの頭部からネジ部に至る往復の伝播時間を測定分析することによって精密なボルトの軸力が計測できる。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載のボルト締結機は、シャフト部と同軸で一体回転するソケットの軸芯部に設けた圧電素子をボルトの頭部に直接接触又はグリセリン系の粘性流動体を介して間接接触させ、圧電素子の縦波、横波発生用の圧電ドメインで発生した振動をボルトに伝達し、その反射波を同じく圧電素子で受信する構造であるので、従来のボルトの外部から超音波を導入する原理の軸力計と同様に、ボルト頭部の研磨や粘性流動体を介在させる等の前処理に手間と時間がかかるといった問題を残しているとともに、圧電素子からなるセンサがソケットと共に常時回転し、また振動を受けるので、センサの耐久性に問題があり、更にセンサと制御装置との間のケーブルがシャフト部に設けられたスリップリングを介して接続されているので、スリップリングの耐久性の問題やスリップリング自体がノイズの発生源となるといった問題を有している。
【０００５】
尚、本出願人のセンサ・システム株式会社は、既に特許文献２，３に示すようなボルトの軸力を直接測定可能なボルト締付力検査装置を提供している。つまり、特許文献２には、軸心に貫通孔を有し、該貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有する環状磁石と励振コイルとを同軸状に配設して構成される振動生成体と、前記振動生成体にボルト頭部が当接したとき前記貫通孔を通して突出してボルト頭部に一端を当接する振動伝達棒と、該振動伝達棒の他端に接続した振動検出器とを有する振動検出体と、を備えるとともに、前記励振コイルに段階的に周波数の変動するパルス電流を供給する励振回路と、前記振動検出器において前記振動伝達棒の縦振動を検出して出力される発振信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器と、該Ａ−Ｄ変換器の出力信号に基づき共振周波数を算出する演算部とからなる制御装置を備えたボルト締付力検査装置を提供している。このボルト締付力検査装置は、電磁的にボルトに直接振動を発生させるので、従来の超音波を外部から導入する方式のものに比べて、前処理が不要、取扱いが簡単といった利点がある。また、振動生成体と振動検出体が分離しているので、振動ノイズに対しても強いといった特長がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１４１２４１
【特許文献２】
特許第３１７２７２２号
【特許文献３】
ＷＯ ０２／０９５３４６ Ａ１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、締付けたボルトの軸力を瞬時に測定することができ、あるいは軸力の良否を瞬時に検査することができ、またボルトに前処理を施す必要がなく、取扱いが容易であり、更に耐久性にも優れた軸力計付きナットランナーを提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題解決のために、ベース体に対して可動体を直線駆動可能に連結し、該可動体に設けた保持枠に、サーボモータと減速機を少なくとも備えたトルク発生体を取付けるとともに、一端部にボルト頭部と係合する係合穴を設け且つ他端部を開放した円筒状のソケット体を、前記トルク発生体の駆動軸と軸芯をずらせて回転可能に取付け、前記駆動軸とソケット体を回転伝達機構にて連結してなり、そしてボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体を有するプローブを、少なくとも該振動検出体が前記ソケット体の内部に位置するように配置するとともに、該プローブを前記可動体に対して直線駆動可能な可動部材に取付け、前記ソケット体の係合穴に係合したボルト頭部に前記プローブを接触させてその軸力を測定することを特徴とする軸力計付きナットランナーを構成した。
【０００９】
ここで、前記回転伝達機構が、前記駆動軸に固定した第１歯車と、前記ソケット体の外周に設けた第２歯車との噛合によるものであること、また前記ソケット体の内部に、前記プローブを非接触状態で配置してなること、また前記ソケット体の一端部に、中心に前記係合穴を有する円板を着脱可能に取付けてなること、更に前記トルク発生体には、前記減速機と駆動軸の間にトルクセンサを配置してなることが好ましい。
【００１０】
そして、前記振動生成体は、軸心に振動伝達棒が挿通し得る貫通孔を有し、この貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石を単又は複数軸方向に配置し、環状磁石の外周側又は内周側に励振コイルを同軸状に配置したものであり、前記振動検出体は、円筒状のスリーブ内に振動検出器を軸方向へスライド可能に配し且つ先端方向へ弾性付勢するとともに、該振動検出器に前記振動伝達棒が振動を伝達できるように連結されたものであり、円筒状のケーシング内に少なくとも前記スリーブの両端部を振動を吸収する防振材を介して密着保持するとともに、先端に前記振動検出体を取付けてその貫通孔から前記振動伝達棒の先端を露出させたプローブを用いてなるのである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき更に詳細に説明する。図１〜図９は、本発明に係る軸力計付きナットランナーを示し、図１０〜図１２はボルト軸力計を示し、図中符号１はベース体、２は可動体、３は保持枠、４はトルク発生体、５はサーボモータ、６は減速機、７は駆動軸、８はソケット体、９は回転伝達機構、１０は係合穴、１１は可動部材、１００はプローブ、１０１は振動生成体、１０２は振動検出体、１０３は制御装置、１０４は振動伝達棒をそれぞれ示している。
【００１２】
本発明に係る軸力計付きナットランナーは、ベース体１に対して可動体２を直線駆動可能に連結し、該可動体２に設けた保持枠３に、サーボモータ５と減速機６を少なくとも備えたトルク発生体４を取付けるとともに、一端部にボルト頭部と係合する係合穴１０を設け且つ他端部を開放した円筒状のソケット体８を、前記トルク発生体４の駆動軸７と軸芯をずらせて回転可能に取付け、前記駆動軸７とソケット体８を回転伝達機構９にて連結してなり、そしてボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体１０１及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体１０２を有するプローブ１００を、少なくとも該振動検出体１０２が前記ソケット体８の内部に位置するように配置するとともに、該プローブ１００を前記可動体２に対して直線駆動可能な可動部材１１に取付け、前記ソケット体８の係合穴１０に係合したボルト頭部に前記プローブ１００を接触させてその軸力を測定するようにしたものである。ここで、前記駆動軸７とソケット体８の軸芯をずらせるとは、平行に変位させることは勿論、直角に変位させたり、任意の角度だけ変位させることも含む概念である。
【００１３】
更に詳しくは、前記ベース体１は、板状又はチャンネル状の長尺部材であり、図７に示すように固定部Ｃやロボットアーム等の可動部（図示せず）に取付けるものである。そして、前記ベース体１には、その長手方向に沿ってガイドレール１２を設けてあり、前記可動体２に取付けたライナー１３が前記ガイドレール１２に案内されて直線移動できるように連結されている。また、前記ベース体１の一端部（図面では上端部）には前記ガイドレール１２と略直角に固定板１４を取付け、該固定板１４にエアシリンダー１５を取付け、該エアシリンダー１５のピストン１６と前記可動体２の端部とを連結具１７にて連結している。従って、前記エアシリンダー１５に加圧空気を供給することにより、前記ベース体１に対して前記可動体２を直線駆動可能としている。尚、前記エアシリンダー１５に代えて、油圧シリンダーは勿論、ラックとピニオン、スプロケットとチェーン、プーリとタイミングベルト等の他の直線駆動手段を用いることが可能である。
【００１４】
そして、図１及び図４に示すように、前記可動体２の端部（図面では下端部）に設けた保持枠３に、前記トルク発生体４を取付けるとともに、前記ソケット体８を回転可能に取付けている。前記保持枠３は、前記可動体２の端部に上下に間隔を設けて上板１８と下板１９と中間板２０を取付けるとともに、両上板１８と下板１９の端部間を連結板２１で連結したものであり、更に両側にカバー板２２，２２を取付けて周囲を完全に塞いでボックス状としたものである。そして、前記トルク発生体４の本体を前記保持枠３の上板１８に固定するとともに、該保持枠３の内部には衝撃緩衝体２３を介して前記駆動軸７が延び、該駆動軸７は前記下板１９と中間板２０とに軸受２４，２４にて回動可能に支持されている。また、前記ソッケト体８は、前記駆動軸７と平行に同様に前記下板１９と中間板２０とに軸受２５，２５にて回動可能に支持されている。また、前記ソッケト体８の中心軸を延長した前記上板１８には前記プローブ１００が通過可能な開口２６を形成している。
【００１５】
更に、前記プローブ１００を、少なくとも該振動検出体１０２が前記ソケット体８の内部に位置するように非接触状態で配置するとともに、該プローブ１００を前記可動体２に対して直線駆動可能な可動部材１１に取付けている。それには、前記可動体２に直線状のガイドレール２７を取付け、前記可動部材１１に取付けたランナー２８を前記ガイドレール２７に沿って直線移動可能に連結し、更に前記可動体２の上部に取付けたエアシリンダー２９のピストン３０を緩衝連結具３１にて前記可動部材１１の状端部と連係させている。尚、前記同様に、エアシリンダー２９は他の直線駆動手段で置き換え可能である。
【００１６】
ここで、前記緩衝連結具３１は、図１、図３及び図４に示すように、軸体３２の上下端部にフランジ部３３，３３を突設し、前記可動部材１１の上端に取付けた支持板３４の孔を前記フランジ部３３，３３間の軸体３２に上下移動可能に外装するとともに、該支持板３４と上方のフランジ部３３間で軸体３２に圧縮コイルばね３５を介装している。そして、前記可動部材１１の下端部は、前記開口２６を通して保持枠３の内部に至り、その下端に設けた装着部３６に前記プローブ１００の上部を保持している。この場合、前記エアシリンダー２９を駆動しても、前記圧縮コイルばね３５の弾性力で上限が規制された押圧力で前記プローブ１００を下方へ駆動してボルト頭部Ｂに接触させるようになっている。尚、前記プローブ１００の上端に接続されたケーブル１２８は、前記上板１８の開口２６を通して支持枠３から引き出されている。
【００１７】
次に、前記回転伝達機構９は、図４及び図６に示すように、前記駆動軸７に固定した第１歯車３７と、前記ソケット体８の外周に設けた第２歯車３８との噛合によるものである。本実施形態では、前記第２歯車３８は、複数のローラピン３９，…をソケット体８の外周に形成した環状溝内に軸方向に平行で且つ等間隔に取付けたものであり、前記第１歯車３７は前記ローラピン３９を受入れる凹部を全周に形成したものである。尚、前記回転伝達機構９としては、通常の平歯車や、傘歯歯車、スプロケットとチェーン等の回転伝達手段を採用することができる。
【００１８】
また、前記ソケット体８の一端部に、中心に前記係合穴１０を有する円板４０を着脱可能に取付けている。こうすることによって、異なる大きさのボルトＢでも、それに対応する係合穴１０を有する円板４０を取り替えることで済むのである。
【００１９】
また、前記トルク発生体４の本体部には、前記減速機６と駆動軸７の間にトルクセンサ４１を配置すれば、前記プローブ１００によるボルトＢの軸力の測定と同時に締付トルクを測定することができ、ボルトＢの締付状態をより信頼性を高めてモニターすることができる。
【００２０】
図７〜図９は、本発明に係る軸力計付きナットランナーを用いて、被締付部材ＡにボルトＢを締付け、その軸力を測定する手順を示したものである。先ず、図７のボルト頭部Ｂとソケット体８が離れた状態から、前記エアシリンダー１５を駆動して前記可動体２を下降させ、前記ソケット体８の係合穴１０にボルト頭部Ｂを受入れる。この状態では、前記プローブ１００の振動伝達棒１０４はボルト頭部Ｂに接触していない。それから、前記サーボモータ５を回転させて駆動軸７を回転させ、回転伝達機構９を介して前記ソケット体８を回転させて前記ボルトＢを被締付部材Ａに締付ける。この場合、前記プローブ１００は静止したままである。それから、前記エアシリンダー２９を駆動して前記可動部材１１を降下させ、前記プローブ１００の振動伝達棒１０４をボルト頭部Ｂに圧接するとともに、プローブ１００の先端をボルト頭部Ｂに圧接する。前記プローブ１００の先端部には、振動生成体１０１が内蔵されており、制御装置１０３から振動生成体１０１に供給された励磁パルスによってボルトＢに振動を発生させ、その振動を振動伝達棒１０４を介してプローブ１００に内蔵した振動検出体１０２で振動を検出し、その検出信号を制御装置１０３で処理して共振振動数を算出し、ボルトの軸力と対応づけるのである。
【００２１】
次に、図１０〜図１７に基づいて、本実施形態に用いたプローブ１００と制御装置１０３とからなるボルト軸力計を更に詳細に説明する。前記プローブ１００は、図１０に示すように、ボルト頭部Ｂを電磁力により縦振動させる振動生成体１０１と、この縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体１０２と、制御装置１０３とを備えて構成される。
【００２２】
更に詳しくは、前記振動生成体１０１は、軸心に振動伝達棒１０４が挿通し得る貫通孔１０５を有し、この貫通孔１０５の径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石１０６を単又は複数軸方向に配置するとともに、環状磁石１０６の外周に励振コイル１０７を同軸状に配置して構成されている。図示した例では、環状磁石１０６を下面にＳ極、上面にＮ極を着磁し、この二つの環状磁石１０６，１０６を軸方向に接触させて配置したが、磁力が不足する場合には更に多数の環状磁石１０６を軸方向に配置する。尚、環状磁石１０６の磁極は、Ｓ極とＮ極を逆にしても良いが、全ての環状磁石１０６の磁極の磁化方向は同じ向きに設定する必要がある。前述の環状磁石１０６と励振コイル１０７は、キャップ状のカバー１０８に固定材１０９によって封入されており、カバー１０８の下面には前記振動伝達棒１０４が突出する孔１１０が形成されている。
【００２３】
また、前記振動検出体１０２は、円筒状のスリーブ１１１内にアコースティック・エミッションセンサ（ＡＥセンサ）などの振動検出器１１２を抵抗無く軸方向へスライド可能に配するとともに、該振動検出器１１２に前記振動伝達棒１０４が振動を伝達できるように連結され、該スリーブ１１１の上端と下端には該スリーブ１１１の外径よりも直径が大きなリング状のフランジ１１３，１１４が固定され、上部のフランジ１１３と振動検出器１１２との間には、コイルばね１１５を介装して前記振動伝達棒１０４が突出する方向に弾性付勢したものである。ここで、下部のフランジ１１４の孔１１６には、前記振動伝達棒１０４が貫通し、図１０に示した不使用状態では、フランジ１１４に前記振動検出器１１２の下端又は振動伝達棒１０４の基部の連結部が当止するようになっている。また、上部のフランジ１１３の孔１１７からは前記振動検出器１１２の図示しないリード線が引き出される。
【００２４】
ここで、前記振動伝達棒１０４としては、内部に渦電流が発生し外部磁界と作用して振動しないように、非磁性且つ電気絶縁性の無機質固体が好ましく、無機質固体の中でも電磁場に対する絶縁性と硬質性の両方を兼ね備える点からは、非磁性且つ電気絶縁性のセラミックスが好ましく、特に高純度のアルミナを用いたファインセラミックスがより好ましい。セラミックスに代表される無機質固体を用いると、振動伝達棒の弾性率がボルトＢの弾性率より大きく且つその共振点が測定域より遥かに高くなるため、たとえ振動伝達棒が共振したとしてもこの共振振動がノイズとして測定結果に影響を与えないという利点がある。また、振動伝達棒１０４の横振動からくるノイズの発生を防ぐため、振動伝達棒１０４の直径は約３ｍｍ以上に設定されるのが好ましく、振動伝達棒１０４の先端部を丸く形成するのが好ましい。
【００２５】
そして、前記振動検出体１０２は、プローブ１００の外形を構成する円筒状のケーシング１１８内に振動を吸収する防振材を介して保持されている。つまり、前記スリーブ１１１の上下端部の外周に円筒状防振材１１９，１２０を装着した状態でケーシング１１８内に内挿し、上下から環状防振材１２１，１２２を前記フランジ１１３，１１４に接触させて内挿している。更に、ケーシング１１８の上端部内に押え部材１２３を内挿した状態でケーブル装着部材１２４をネジ止めし、押え部材１２３を介して環状防振材１２１をフランジ１１３に圧接している。一方、ケーシング１１８の下端部には、連結部材１２５の上部を内挿するとともに、連結部材１２５の外周に形成した環状の突縁１２６をケーシング１１８の下端縁に当接した状態で固着し、前記環状防振材１２２をフランジ１１４に圧接している。また、前記連結部材１２５の中心部には、前記振動伝達棒１０４が貫通する貫通孔１２７が設けられている。
【００２６】
ここで、前記円筒状防振材１１９，１２０及び環状防振材１２１，１２２の材料には、防振ゲルや防振ゴムなどが好ましく使用されるが、特に本実施形態では防振ゲルを用いて良好な防振効果が得られている。この防振ゲルは、商品名「ゲルナック」（株式会社日本オートメーション提供製品）を採用した。このように振動伝達棒１０４以外の部材から伝わる振動は前記円筒状防振材１１９，１２０及び環状防振材１２１，１２２に吸収され、振動検出器１１２に伝達することが防止される。よって、ボルトＢの縦振動を示す検出信号中にノイズが混入し難くなり、非常に感度の良い検出信号を得ることが可能となる。
【００２７】
そして、前記連結部材１２５の下部に、前記振動生成体１０１を構成するカバー１０８の上端開口部を外嵌させた状態でネジ止めされ、同一外径に設定した前記ケーシング１１８とカバー１０８とは外形において連続する。ここで、プローブ１００の外形は、直径２ｃｍ、長さ約１２ｃｍである。尚、前記励振コイル１０７に接続する図示しないリード線は、前記スリーブ１１１とケーシング１１８の間を通してケーブル装着部材１２４まで引き出される。
【００２８】
ここで、前記環状磁石１０６と励振コイル１０７の配置は任意である。本実施形態の場合には、環状磁石１０６を半径方向内側に配置し、励振コイル１０７を半径方向外側に配置したが、このような配置はボルト頭部Ｂの外形が励振コイル１０７の外形に略等しいかそれよりも大きい場合に汎用的に適用される。特に、図１２（ａ）に示すように、ボルト頭部Ｂの中央部に回転工具を嵌合する凹部Ｂ１を有する場合、頭部Ｂの外周部分Ｂ２に励振コイル１０７を接近させることができるので、ボルトＢを効率良く振動させるのに適している。また、図１２（ｂ）に示すように、ボルト頭部Ｂの外形がプローブ１００の外形よりもかなり小さい場合で頭部Ｂの上面が平面である場合には、励振コイル１０７を半径方向内側に配置し、環状磁石１０６を半径方向外側に配置して、励振コイル１０７を頭部Ｂの上面内に収まるようにすることが望ましい。
【００２９】
次に、図１３を参照しつつ、励振コイル１０７にパルス電流を供給するとともに、ボルトが固有振動数で振動したときの共振周波数を算出する制御装置１０３について詳説する。図１３は、制御装置１０３の概略構成を示すブロック図である。図１３において、符号１１２は振動検出器、１０４は振動伝達棒、１０６は環状磁石、１０７は励振コイルを示している。
【００３０】
制御装置１０３は、励振コイル１０７へパルス電流を供給する励振回路１３０、振動検出器１１２の出力信号を増幅する増幅回路１３１、振動検出器１１２の出力信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器１３２、これらを制御するＣＰＵ１３３、ＲＡＭ１３４、所定の手順に従い各種処理を実行するプログラムが格納されたＲＯＭ１３５、ボルトや板材の物理特性、検量線などのデータが格納された書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ１３６、検出結果などを表示する表示手段１３７、条件設定などを入力する入力手段１３８、コンピュータ１３９や携帯型情報機器（ＰＤＡ）１４０などの外部機器との接続を介するインターフェース回路１４１、を有する。
【００３１】
前記励振回路１３０においては、ＣＰＵ１３３の制御に従って図１４に示すような立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電圧を励振コイル１０７に印加しパルス電流が供給される。本実施例ではパルス電圧として矩形波が好適であるが、本発明ではこれに限らず他のパルス波でも構わない。このようなパルス電流の励振周波数は、ＣＰＵ１３３の制御に従って、１Ｈｚ〜２０Ｈｚの範囲内の単位で段階的に変化させることができる。例えば、周波数を最大値５０ｋＨｚから始めた場合、１０Ｈｚ単位で段階的に所望の最小値まで減少させるのである。このように励振周波数を最大値から最小値まで段階的に変化させる１サイクルの時間を１周期と呼ぶ。このようなパルス電流を励振コイル１０７に供給すると、振動検出器１１２はボルトＢの縦振動を検出して、図１５に示すような波形を有する発振信号を出力する。
【００３２】
また、図１６のタイムチャートで例示すると、ｎ回目またはｎ＋１回目の測定周期において、ＣＰＵ１３３は、励振回路１３０から出力される励振信号のタイミングを図１６（ａ）の波形に従って信号出力時間τで制御し、また、振動検出器１１２の出力信号を取り込む信号入力タイミングを図１６（ｂ）の波形に従って、信号出力時間τの中の終端時間ｔ1で制御している。つまり、時間τの間、一定の周波数のパルス電流でボルトが励振されるが、そのボルトの振動が安定するのを待って終端時間ｔ1の間だけ振動検出器１１２の出力信号を取り込むのである。
【００３３】
各回の測定周期において、図１６（ａ）の波形に従って信号出力時間τの間に、図１４に示したような一定周波数のパルス信号を励振コイル１０７に供給し、次の時間τの間、前回の周波数よりも１０Ｈｚ減じた一定周波数のパルス信号を励振コイル１０７に供給し・・・ということを繰り返し実行し、段階的に励振周波数を下げていく。このように励振周波数は、図１６（ｄ）に示すように、最大値から最小値へ階段状に減少させられる。振動検出器１１２は各々の励振周波数に応じてボルトＢの振動を検出して発振信号を出力し、この発振信号は、図１６（ｂ）に示す終端時間ｔ1の間にＡ−Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後にＣＰＵに取り込まれる。このような発振信号は、図１７（ａ）に示すような波形を示し、励振周波数が共振周波数に一致する時点でピークを形成する。このように、信号出力時間τを設定して段階的に変化する励振周波数でパルス電流を励振コイル１０７に供給するから、当該信号出力時間τの間に、当該励振周波数に対応する発振信号を極めて正確に検出し識別することが可能である。
【００３４】
また、各回の測定周期の終わりには、ＣＰＵ１３３は、図１６（ｃ）の制御信号に従って信号処理時間ｔ2の間、デジタル変換した発振信号（デジタル入力信号）を処理して共振周波数を算出する。具体的には、デジタル入力信号の値は、ＣＰＵ１３３で処理されて、対応する励振周波数や周期とともに一時的に記憶テーブルに記憶される。次いで、ＲＯＭ１３５に格納されたプログラムの中から共振周波数算出手段を呼び出し、前記記憶テーブルを参照し、図１７（ｂ）に示すように同図（ａ）の波形の包絡線波形１４３に示される波形データを得て、そのピーク値を見出しこのピーク値に対応する発振周波数を共振周波数とするのである。このような処理は、測定周期毎になされる。尚、測定周期の回数は１回でもよいし、複数回でもよい。複数回の測定周期から、共振周波数の平均値を算出しても構わない。
【００３５】
次いで、ＲＯＭ１３５に格納されたプログラムの中からボルト締付力評価手段を呼び出し、この手段を用いてＥＥＰＲＯＭ１３６に格納された検量線テーブルを参照し、共振周波数に相当するボルト軸力（ボルト締付力）を算出するのである。ボルト軸力が算出された後は、表示手段１３７にボルト軸力の値を表示させてもよいし、ボルト軸力の大きさに応じて表示ランプ（図示せず）に表示させたり、スピーカー（図示せず）からボルト軸力の大きさに応じたトーンの音を出力してもよい。
【００３６】
また、振動検出器１１２は、必ずしも図１７（ａ）に示すように明瞭なピークをもつ波形を出力するとは限らず、図１７（ｃ）に示すように複数のピークを有する波形を出力し、共振周波数に対応するピーク値を識別するのが困難な場合がある。かかる場合は、ピークをもつピーク波形の群（波形群）を選別し、図１７（ｄ）に示すように各波形群において波形合成処理を実行して合成波形１４４ａ，１４４ｂを生成し、合成波形１４４ａ，１４４ｂのピーク値の中から最大値を見出しこれに対応する発振周波数を共振周波数とするのが好ましい。尚、図１７（ｄ）の合成波形は、図１７（ｃ）の波形と比べて若干縮小表示されている。
【００３７】
また、前記検量線テーブルとしては、「ボルトの種類」や「ボルトのサイズ」、締結した「板材の厚み」、「最大軸力」、「オフセット値」などを予め入力しテーブル化したものを使用しても良いし、多項式の係数を最小自乗法で算出し補間式を求めて利用しても良い。このような最小自乗法などを実行するには上記コンピュータ１３９を用いた方が簡便な場合がある。かかる場合は、多項式の係数などをコンピュータ１３９で算出した後に、そのデータを図１３に示したインターフェース回路１４１を介してＣＰＵ１３３に転送し、ＥＥＰＲＯＭ１３６などに記憶させるのが好ましい。
【００３８】
また、ボルトの締付状態を点検するだけならば、ボルトの締付力の基準値（基準締付力）苦しくはこの基準締付力に対応する共振周波数（基準共振周波数）を登録し、この基準締付力若しくは基準共振周波数を中心とした上限値と下限値を設定しておき、測定した締付力若しくは共振周波数が上限値と下限値間にある場合は合格圏内にあるとし、外れた場合は不合格とすることもできる。
【００３９】
また、前記インターフェース回路１４１に携帯型情報機器１４０を接続し、制御装置１０３で得られた検査結果のデータをインターネット１４２を介して図示しないセンターのメインコンピュータに送り、このメインコンピュータで検査結果の詳しい解析や履歴の保存等を行うようにし、解析結果等をインターネット１４２を介して制御装置１０３に送り返し、表示手段１３７に表示させることも可能である。この場合には、制御装置１０３で処理する情報量は格段に少なくなるので、ＣＰＵ１３３の性能や各種メモリーの記憶容量を小さくでき、制御装置１０３をコンパクトなものにすることが可能である。また、制御装置１０３自体に通信機能を設けることも勿論可能である。更には、励振コイル１０７に電力を供給するためのバッテリーを除き、プローブ１００と制御装置１０３とを無線で接続することも可能になる。あるいは、コンピュータ１３９と制御装置１０３とを無線ＬＡＮやBluetooth技術で接続することも可能であり、この場合コンピュータ１３９はインターネット１４２に接続しておけば、センターのメインコンピュータでデータ処理することができる。
【００４０】
前記プローブ１００と制御装置１０３からなる軸力計は、個々のボルトＢの締付力を正味の絶対値として測定することができるが、それには締付力が既知のボルトで絶対校正することが必要である。しかし、複数のボルトの締付力のバラツキを測定したり、正常に締付けられているボルトと他のボルトの締付力とを比較する場合には、絶対校正は不要である。例えば、正常に締付けられているボルトを測定した際に、得られた固有振動数の値を「１００％」として換算するように設定すれば、他のボルトを測定した際にその固有振動数の値を「１１０％」や「９０％」と表示させるような使用方法も可能である。
【００４１】
本実施形態の軸力計は、軸方向に互いに相反する磁極を有する環状磁石と励振コイルとを半径方向内外に同軸状に配設して構成される振動生成体を備えることにより、外部磁界をボルト頭部に効率良く浸透させることができ、また前記励振コイルに立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電流を供給して、ボルト頭部において大きな誘導起電力を生起させることができるから、ボルトの共振レベルが向上し感度の高い共振周波数を得ることができ、よって正確なボルト軸力を算出することが可能となる。また、周波数を段階的に変化させたパルス電流を用いることにより、その周波数が変化する間の一定周波数の継続時間を制御して当該継続時間内にボルトの共振を検出すると共に正確な共振周波数を得ることができるから、正確なボルト軸力を算出してその測定精度を向上させることが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上にしてなる請求項１に係る発明の軸力計付きナットランナーは、ボルトを締付けることができ、しかも締付けたボルトの軸力を瞬時に測定することができ、あるいは軸力の良否を瞬時に検査することができる。また、従来のようにボルトに前処理を施す必要がなく、取扱いが容易である。更に、トルク発生体とソケット体とを軸をずらせて配置し、該ソケット体の内部にプローブを配置したので、ボルト締付時にもプローブが回転せず、よって耐久性にも優れている。
【００４３】
請求項２によれば、回転伝達機構が、駆動軸に固定した第１歯車と、ソケット体の外周に設けた第２歯車との噛合によるものであるので、装置がコンパクトになり、またトルク発生体からソケット体へ確実にトルクを伝達することができる。
【００４４】
請求項３によれば、ソケット体の内部に、プローブを非接触状態で配置してなるので、プローブに余計な振動や負荷を与えないので、耐久性が向上することは勿論、他の部分で発生した振動ノイズのプローブへの伝達を抑制できるので、高感度で精度よく軸力を測定することができる。
【００４５】
請求項４によれば、ソケット体の一端部に、中心に係合穴を有する円板を着脱可能に取付けてなるので、ボルトの大きさが異なっても、それに対応した係合穴を有する円板に交換すればよいのである。また、長期間の使用によって係合穴が磨耗したときにもその交換が容易である。
【００４６】
請求項５によれば、トルク発生体には、減速機と駆動軸の間にトルクセンサを配置してなるので、プローブと制御装置によるボルト軸力の測定と同時に、締付トルクを測定できるので、より信頼性の高い締付力の評価ができる。
【００４７】
請求項６によれば、振動検出体をケーシングに対して防振材を介して保持しているので、振動伝達棒以外の部材から伝達する振動は防振材に吸収されるため振動検出器の出力信号にノイズが混入することが防止され、検出精度が向上するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸力計付きナットランナーを一部断面で示した側面図である。
【図２】同じく正面図である。
【図３】同じく可動体と可動部材の直線駆動機構を示す省略正面図である。
【図４】同じく要部の拡大断面図である。
【図５】同じく省略底面図である。
【図６】回転伝達機構を示す簡略平面図である。
【図７】本発明の使用例を示し、ボルトの締付前の状態を示す簡略側面図である。
【図８】同じくボルト締付後の状態を示す簡略側面図である。
【図９】同じくボルトの軸力を測定中の状態を示す要部拡大断面図である。
【図１０】プローブの概略断面図である。
【図１１】軸力測定状態のボルトとプローブの関係を示す概略断面図である。
【図１２】ボルト頭部の形状とプローブの先端構造との関係を示し、（ａ）はボルト頭部の中央部に凹部を有する場合のプローブの先端構造を示す省略斜視図、（ｂ）はボルト頭部が平面である場合のプローブの先端構造を示す省略斜視図である。
【図１３】制御装置の一実施例を示す概略ブロック図である。
【図１４】励振回路が出力するパルス電圧の一例を示す図である。
【図１５】振動検出器が出力したボルトの振動波形を示す図である。
【図１６】各種信号を示すタイムチャートである。
【図１７】発振信号とその処理信号を示す概略図である。
【符号の説明】
１ ベース体 ２ 可動体
３ 保持枠 ４ トルク発生体
５ サーボモータ ６ 減速機
７ 駆動軸 ８ ソケット体
９ 回転伝達機構 １０ 係合穴
１１ 可動部材 １２ ガイドレール
１３ ライナー １４ 固定板
１５ エアシリンダー １６ ピストン
１７ 連結具 １８ 上板
１９ 下板 ２０ 中間板
２１ 連結板 ２２ カバー板
２３ 衝撃緩衝体 ２４ 軸受
２５ 軸受 ２６ 開口
２７ ガイドレール ２８ ランナー
２９ エアシリンダー ３０ ピストン
３１ 緩衝連結具 ３２ 軸体
３３ フランジ部 ３４ 支持板
３６ 装着部 ３７ 第１歯車
３８ 第２歯車 ３９ ローラピン
４０ 円板 ４１ トルクセンサ
１００ プローブ １０１ 振動生成体
１０２ 振動検出体 １０３ 制御装置
１０４ 振動伝達棒 １０５ 貫通孔
１０６ 環状磁石 １０７ 励振コイル
１０８ カバー １０９ 固定材
１１０ 孔 １１１ スリーブ
１１２ 振動検出器 １１３，１１４ フランジ
１１６，１１７ 孔 １１８ ケーシング
１１９，１２０ 円筒状防振材
１２１，１２２ 環状防振材
１２３ 押え部材 １２４ ケーブル装着部材
１２５ 連結部材 １２６ 突縁
１２７ 貫通孔 １２８ ケーブル
１３０ 励振回路 １３１ 増幅回路
１３２ Ａ−Ｄ変換器 １３７ 表示手段
１３８ 入力手段 １３９ コンピュータ
１４０ 携帯型情報機器 １４１ インターフェース回路
１４２ インターネット １４３ 包絡線波形
１４４ａ，１４４ｂ 合成波形
Ａ 被締付部材
Ｂ ボルト
Ｃ 固定部
Claims (6)
- ベース体に対して可動体を直線駆動可能に連結し、該可動体に設けた保持枠に、サーボモータと減速機を少なくとも備えたトルク発生体を取付けるとともに、一端部にボルト頭部と係合する係合穴を設け且つ他端部を開放した円筒状のソケット体を、前記トルク発生体の駆動軸と軸芯をずらせて回転可能に取付け、前記駆動軸とソケット体を回転伝達機構にて連結してなり、そしてボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体を有するプローブを、少なくとも該振動検出体が前記ソケット体の内部に位置するように配置するとともに、該プローブを前記可動体に対して直線駆動可能な可動部材に取付け、前記ソケット体の係合穴に係合したボルト頭部に前記プローブを接触させてその軸力を測定することを特徴とする軸力計付きナットランナー。
- 前記回転伝達機構が、前記駆動軸に固定した第１歯車と、前記ソケット体の外周に設けた第２歯車との噛合によるものである請求項１記載の軸力計付きナットランナー。
- 前記ソケット体の内部に、前記プローブを非接触状態で配置してなる請求項１又は２記載の軸力計付きナットランナー。
- 前記ソケット体の一端部に、中心に前記係合穴を有する円板を着脱可能に取付けてなる請求項１〜３何れかに記載の軸力計付きナットランナー。
- 前記トルク発生体には、前記減速機と駆動軸の間にトルクセンサを配置してなる請求項１〜４何れかに記載の軸力計付きナットランナー。
- 前記振動生成体は、軸心に振動伝達棒が挿通し得る貫通孔を有し、この貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石を単又は複数軸方向に配置し、環状磁石の外周側又は内周側に励振コイルを同軸状に配置したものであり、前記振動検出体は、円筒状のスリーブ内に振動検出器を軸方向へスライド可能に配し且つ先端方向へ弾性付勢するとともに、該振動検出器に前記振動伝達棒が振動を伝達できるように連結されたものであり、円筒状のケーシング内に少なくとも前記スリーブの両端部を振動を吸収する防振材を介して密着保持するとともに、先端に前記振動検出体を取付けてその貫通孔から前記振動伝達棒の先端を露出させたプローブを用いてなる請求項１〜５何れかに記載の軸力計付きナットランナー。
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