(57)【要約】【課題】本発明は、転駆動源の駆動をドライバビットに伝達する伝達軸の捻れによる反動によって、ねじに対して弛め方向の力が作用するのを防止するねじ締めドライバユニットを提供する。【解決手段】本発明のねじ締めドライバユニット１は、回転駆動手段１２と、この回転駆動手段１２の駆動軸１２ａと一体に回転可能に連結されて先端にねじの頭部と係合可能なねじ締め工具１７を有する伝達軸１５と、この伝達軸１５の捻れをねじ込み作業全般に渡って検出するトルクセンサ１６と、このトルクセンサ１６による検出データを蓄積してこの蓄積されたデータに基づいて、捻れた伝達軸１５が引き起こす減衰振動を判定して、この判定結果に基づいて算出される漸減指令信号を、目標締付けトルク到達後に前記回転駆動手段１２に発して伝達軸１５の回転を漸減する制御ユニット２０とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動手段と、
この回転駆動手段の駆動軸と一体に回転可能に連結されて先端にねじの頭部と係合可能なねじ締め工具を有する伝達軸と、
この伝達軸の捻れをねじ込み作業全般に渡って検出するトルクセンサと、
このトルクセンサによる検出データを蓄積してこの蓄積されたデータに基づいて、捻れた伝達軸が引き起こす減衰振動を判定して、この判定結果に基づいて算出される漸減指令信号を、目標締付けトルク到達後に前記回転駆動手段に発して伝達軸の回転を漸減する制御ユニットと
を備えることを特徴とするねじ締めドライバユニット。
【請求項２】
前記制御ユニットは、トルクセンサによる検出データを蓄積してこの蓄積されたデータに基づいて捻れた伝達軸が減衰振動、あるいは過減衰振動するかを判定し、減衰振動すると判定した場合にのみ漸減指令信号を発することを特徴とする請求項１に記載のねじ締めドライバユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじ締め作業中において、回転駆動源の駆動をドライバビットに伝達する伝達軸の捻れによる反動によって、ねじに対して弛め方向の力が作用するのを防止するねじ締めドライバユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ねじ締めドライバユニットによるねじ締め作業においては、ねじ頭部の座面が被締結物に着座して締付けトルクが予め設定された目標締付けトルクに達すると、回転駆動源の駆動を停止させねじ締め作業が完了する。しかしながら、このような回転駆動源を直ちに停止させる駆動制御では、回転駆動源の駆動軸とドライバビットとの間に介在する伝達軸が捻れてこの捻れた伝達軸が瞬時に開放されることにより、その力でモータの駆動軸を減衰的に正逆転させる現象が生じる。このとき、回転駆動源の逆転駆動がねじを弛める方向に作用するため、ねじ締め作業が完了したのにもかかわらず当該ねじを弛めてしまう問題があった。そこで、特許文献１（特開２００７−２２９８５３公報）に示すねじ締めドライバユニットでは、ねじ頭部の座面が被締結物に着座して締付けトルクが目標締付けトルクに達すると、回転駆動源は出力トルクを漸減させるようにして駆動制御される。この駆動制御により、伝達軸の捻れを徐々に減じることで回転駆動源の駆動軸に減衰的な正逆転が生じるのを防止し、目標締付けトルクまで締付けられたねじに、弛める方向のトルク（伝達軸の捻れによる反力）が作用するのを防止する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２２９８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記ねじ締めドライバユニットにおいては、前述の構成により、概ね伝達軸の捻れを除去してねじに弛め方向のトルクが発生するのを防止することは可能であるが、伝達軸の捻れによって生じる駆動軸の減衰振動は、図３に示すように、伝達軸の剛性、ワークの材質、ねじの種類等によって異なるため、完全に伝達軸の捻れを除去することは不可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、回転駆動手段と、この回転駆動手段の駆動軸と一体に回転可能に連結されて先端にねじの頭部と係合可能なねじ締め工具を有する伝達軸と、この伝達軸の捻れをねじ込み作業全般に渡って検出するトルクセンサと、このトルクセンサによる検出データを蓄積してこの蓄積されたデータに基づいて、捻れた伝達軸が引き起こす減衰振動を判定して、この判定結果に基づいて算出される漸減指令信号を、目標締付けトルク到達後に前記回転駆動手段に発して伝達軸の回転を漸減する制御ユニットとを備えることを特徴とする。
【０００６】
また、前記制御ユニットは、トルクセンサによる検出データを蓄積してこの蓄積されたデータに基づいて捻れた伝達軸が減衰振動、あるいは過減衰振動するかを判定し、減衰振動すると判定した場合にのみ漸減指令信号を発することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、伝達軸の剛性、ワークの材質、ねじの種類等によって異なる伝達軸の捻れに応じた漸減指令信号で回転駆動源を制御するように構成されている。この構成により、ねじ締め完了後に、ねじに弛め方向のトルクが作用するのを防止することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、ねじを弛める方向に駆動軸の回転角が変位しない過減衰振動には漸減指令信号を発さないので、ねじ締め時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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はねじ締めドライバユニットであり、ツールユニット１０と、このツールユニット１０を制御する制御ユニット２０とを有する。
【００１０】
前記ツールユニット１０はハウジング１１で覆われており、このハウジング１１には回転駆動手段の一例としてＡＣサーボモータ１２（以下、単にモータという）が組み付けられている。このモータ１２には、第一回転角検出手段の一例であるエンコーダ１３が組み付けられており、モータ１２の駆動軸１２ａの回転角を常時検出可能に構成されている。また、この駆動軸１２ａには、減速機１４を介して伝達軸１５が連結されており、この伝達軸１５には当該伝達軸１５の捻れを検出するトルクセンサ１６が取付けられている。さらに、この伝達軸１５の先端には、ねじ（図示せず）の十字状駆動穴に連結可能な先端形状を成すねじ締め工具１７が当該伝達軸１５と一体に回転するように連結されている。
【００１１】
前記トルクセンサ１６は、前記伝達軸１５の周囲を覆うようにして前記ハウジング１１に固定配置される筒状の起歪管１８と、この起歪管１８に取付けられて当該起歪管１８の捻れに応じた歪みを電気信号として検出する歪みゲージ１９とから構成されている。この構成により、起歪管１８はねじ締め工具１７の先端に係合しているねじがワーク（図示せず）にねじ込まれる過程で発生する回転抵抗によって捻れ、この捻れを歪みゲージ１９が検出する。また、このトルクセンサ１６は前記起歪管１８の捻れを継続して検出するように構成されており、この検出データは制御ユニット２０で蓄積されるように構成されている。
【００１２】
前記制御ユニット２０は、前記トルクセンサ１６による捻れ検出データを蓄積するとともに、当該トルクセンサ１６により検出される伝達軸１５の捻れに応じた締付けトルク、目標締付けトルクなどの各種データを記憶した記憶部２１と、この記憶部２１に記憶された当該捻れ検出データを解析して詳細を後述する漸減指令信号を算出する制御部２２と、この漸減指令信号に基づいて前記モータ１２を駆動制御するモータ駆動部２３とを備えている。また、制御部２２は、この伝達軸１５の捻れと前記駆動軸１２ａの回転角度とから、ねじ締め工具先端１７の回転角を算出するようにも構成されている。
【００１３】
次に、本発明のねじ締めドライバユニット１のねじ締め処理を図に示すフローチャートに沿って説明する。図２に示すように、外部機器コントローラ（図示せず）からスタート指令信号が入力されると、モータ１２に駆動指令信号を発しモータ１２が駆動される（ステップＳ０１）。そして、ねじ締め工具１７先端に係合しているねじがワークにねじ込まれると、ねじ締め工具１７および伝達軸１５にはねじをねじ込んで締付ける時の締付けトルク（回転負荷）が回転抵抗として作用する。このため、締付けトルクに応じてねじ締め工具１７と駆動軸１２ａとの回転角度に差が生じ、伝達軸１５が捻れ、これをトルクセンサ１６が検出する（ステップＳ０２）。制御ユニット２０では、この捻れに応じた締付けトルクが割り出される（ステップＳ０３）とともに、この締付けトルクが目標締付けトルクに達した否かが判定される（ステップＳ０４）。これが目標締付けトルクに達していない場合は、新たな回転角度差に対応する締付けトルクが求められ、これと目標締付けトルクとの比較が繰り返される。
【００１４】
その後、ねじ頭部座面がワークに着座して締付けトルクが目標締付けトルクに達すると、制御ユニット２０により、捻れた伝達軸１５は減衰振動するものか否かが判定され（ステップＳ０５）、減衰振動する場合には制御部２２はモータ駆動部２３に、当該伝達軸１５の捻れに応じた漸減指令信号を発し（ステップＳ０６）、モータ１２はこの漸減指令信号に基づいた出力トルクで駆動して最終的に停止する。すなわち、モータ駆動部２３は、制御部２２からトルク漸減指令信号を受けると、その時点からモータ１２の負荷電流値を、各種漸減指令信号に基づいて漸減させて０（零）にする（ステップＳ０７）。一方、前記制御ユニット２０により、捻れた伝達軸１５は過減衰振動するものと判定された場合には、制御ユニット２０は漸減指令信をモータ１２に発さず、目標締付けトルクに到達した時点で、モータ１２の負荷電流値を０（零）にしてねじ締めを完了する。
【００１５】
以下、図３に示す伝達軸１５の減衰振動ついて説明する。次の数式１は、質量ｍの伝達軸が捻れることによって引き起こされる減衰振動の運動方程式である。
【数１】
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【００１６】
ここで、ｘは、伝達軸１５の後端の回転角を示すものであり、当該伝達軸１５の後端に連結された駆動軸１２ａの回転角に相当する。また、ｋは伝達軸１５の弾性定数であり、ｋｘは捻れた伝達軸１５の復元力である。さらに、２γは伝達軸１５の回転速度と質量に比例する定数であって、２γｍ・ｄｘ／ｄｔは、減衰振動中に、伝達軸１５に作用する抵抗力である。なお、この抵抗力が０（零）である場合は単振動である。これら復元力と抵抗力の合力Ｆが、減衰振動中に、伝達軸１５に作用する力である。この上式の両辺をｍで除すると次式を得る。
【数２】
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【００１７】
ここで、ω０２＝ｋ／ｍである。なお、弾性体（本発明においては伝達軸１５がこれに相当する）が減衰振動をする条件はν２ ＜ω０２であり、一方、ν２ ＞ω０の場合は過減衰振動をする。
【００１８】
また、図３には、剛性の異なる伝達軸Ａ，Ｂに一体回転可能に連結されている駆動軸の回転角の変位が時系列で示されており、当該伝達軸ＡおよびＢは前述の減衰振動の条件下（ν２ ＜ω０２）での波形を示すものである。また、伝達軸Ａの弾性係数ｋａおよび伝達軸Ｂの弾性係数ｋｂはｋａ＞ｋｂであり、伝達軸Ａは伝達軸Ｂに比べて、振幅が大きく、かつ安定するまでに多くの振動を繰り返す。この図３に示すように、駆動軸１２ａの回転角は伝達軸Ａ，Ｂの捻れによって時間とともに変化し、目標締付けトルク到達時におけるねじ締め工具１７先端の回転角の位置に戻るまでは、ねじ締め工具１７先端の回転角の変位は目標締付けトルク到達時のままである。この駆動軸１２ａの回転角が、図３のＡ１に示すように、目標締付けトルク到達時におけるねじ締め工具１７先端の回転角を超える位置まで戻されると、ねじ締め工具先端１７の回転角は、ねじを弛める方向に変位し、その変位量Ａ１だけねじを弛めることになる。続いて、繰り返される減衰振動により、変位量Ａ２、Ａ３の順にねじを弛めることになる。また、図３に示す伝達軸Ｂにおいても、伝達軸Ａよりも弛め方向に作用する力の変位量Ｂ１は小さいものの、駆動軸１２ａの回転角が戻されるのにともなってねじ締め工具１７の先端の回転角はねじを弛める方向に変位する。
【００１９】
一方、図３に示す伝達軸Ｃは過減衰振動の条件下（ν２ ＞ω０）での波形を示すものである。この過減衰振動は、伝達軸Ｃに付加される回転負荷が所定の条件下（ν２ ＞ω０）を満たす場合に引き起こされるものであり、例えばモータ１２の駆動伝達経路上に介在している減速機等が当該回転負荷を付加する。この過減衰振動では、図３の伝達軸Ｃの波形が示すとおり、駆動軸１２ａはねじ締め工具１７先端の回転角を超える位置まで戻されるず、つまり当該駆動軸１２ａの回転角はねじを弛める方向に変位しないので、ねじは弛まない。
【００２０】
前記制御ユニット２０においては、記憶部２１は捻れ開始から目標締付けトルク到達までの駆動軸１２ａの回転角の変位を検出しこれを蓄積するように構成されており、一方制御部２２はこの蓄積されたデータに基づいて伝達軸１５が減衰振動するか、あるいは過減衰振動するかを数式１および数式２に基づいて解析して判定する。
【００２１】
前記制御ユニット２０により減衰振動すると判定された場合には、伝達軸１５の剛性、ワークの材質、ねじの種類等によって異なる伝達軸１５の捻れに応じた漸減指令信号が発せられる。以下、このような伝達軸１５の捻れに応じた漸減指令信号の算出について説明する。図３に示すように、剛性の異なる伝達軸Ａ，Ｂでは、捻れ開始から目標締付けトルク到達までの駆動軸１２ａの回転角の変位が異なり、つまり捻れる量が異なる。本発明の記憶部２１は、捻れ開始から目標締付けトルク到達までの駆動軸１２ａの回転角の変位を検出しこれを蓄積するように構成されており、一方制御部２２はこの蓄積されたデータに基づいて伝達軸の弾性特性を数式１および数式２に基づいて解析し、目標締付けトルク到達時、伝達軸１５に蓄えられた弾性エネルギにより引き引き起こされる減衰振動の波形を算出するように構成されている。この算出された波形から、目標締付けトルク到達後、弛め方向に回転する駆動軸１２ａのトルクが算出される。つまり、制御部２２は、捻れ開始から目標締付けトルク到達までの駆動軸１２ａの回転角の変位を時系列に検出し、これを前記数式１および２に基づいて解析することにより目標締付けトルク到達時から、駆動軸１２ａの回転角とねじ締め工具１７の先端角が一致するまでの間において、各地点で異なり、かつ弛め方向に作用する駆動軸１２ａのトルクを予め取得することができる。この弛め方向に作用する力は、前述の数式１の合力Ｆのことであり、この合力Ｆつり合うトルクを出力する信号が漸減指令信号である。
【００２２】
モータ駆動部２３は、この漸減指令信号をモータ１２に発して、弛め方向に作用する駆動軸１２ａのトルクにつり合うトルクを駆動軸１２ａに出力するとともに、このつり合いを維持した状態で駆動軸１２ａを弛め方向に等速回転するように制御する。この制御により描かれる駆動軸１２ａの回転角の変位は図３の破線に示されるとおりであり、駆動軸１２ａの回転角はねじを弛め方向にまで変位しないことが確認できる。
【００２３】
一方、図３に示す伝達軸Ｃは、前述のとおり過減衰振動を引き起こすものであり、駆動軸の回転角は、漸減せずともねじを弛め方向に変位しないことを波形から確認できる。従って、制御ユニット２０は漸減指令信をモータ１２に発さず、目標締付けトルクに到達した時点で、モータ１２の負荷電流値を０（零）にしてねじ締めを完了する。
【００２４】
また、本発明のねじ締めドライバユニットにおいては、伝達軸１５の捻れを検出する手段としてトルクセンサ１６を用いているが、これに代えてモータ１２の負荷電流値から伝達軸１５の捻れを検出するようにしてもよい。
【００２５】
本発明によれば、伝達軸１５の剛性、ワークの材質、ねじの種類等によって異なる伝達軸の捻れに応じた漸減指令信号でモータ１２を制御するように構成されている。この構成により、ねじ締め完了後に、駆動軸がねじを弛める方向に変位しないので、ねじは弛まない。また、ねじを弛める方向に駆動軸１２ａｓの回転角が変位しない過減衰振動には漸減指令信号を発さないので、ねじ締めに要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のねじ締めドライバユニットのブロック説明図である。
【図２】本発明のねじ締めドライバユニットのねじ締め処理を示すフローチャートである。
【図３】各種の捻れた伝達軸が引き起こす減衰振動および過減衰振動を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  ねじ締めドライバユニット
１０  ツールユニット
１１  ハウジング
１２  モータ
１２ａ  駆動軸
１３  エンコーダ
１４  減速機
１５  伝達軸
１６  トルクセンサ
１７  ねじ締め工具
１８  起歪管
１９  歪みゲージ
２０  制御ユニット
２１  記憶部
２２  制御部
２３  モータ駆動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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