(57)【要約】【課題】  本発明は、ボルトの締結評価方法に関し、弾性域角度法で締め付けられたボルトが規定の回転角度で締め付けられているかを検証できるようにする。【解決手段】  ボルトを規定のトルクで締め付け後、規定の角度だけ回転させて締め付ける弾性域角度法におけるボルトの締結評価方法であって、ボルトを弾性域角度法により締結後、ボルトをボルトの比例限界点まで増締めし、比例限界点までの締め付けトルク情報に基づきボルトの締め付け角度を推定する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルトを規定のトルクで締め付け後、規定の角度だけ回転させて締め付ける弾性域角度法におけるボルトの締結評価方法であって、
該ボルトを該弾性域角度法により締結後、該ボルトを該ボルトの比例限界点まで増締めし、該比例限界点までの締め付けトルク情報に基づき該ボルトの締め付け角度を評価する
ことを特徴とする、ボルトの締結評価方法。
【請求項２】
ボルトを規定のトルクで締め付け後、規定の角度だけ回転させて締め付ける弾性域角度法におけるボルトの締結評価方法であって、
該ボルトを該弾性域角度法により締結後、該ボルトを該ボルトの比例限界点まで増締めし、該比例限界点までの締め付けトルクと該ボルトを増締めを開始する際の再始動トルクとの差として規定される基準トルクを算出するとともに、
予め記憶された基準トルクと該規定の締め付け角度との相関関係に基づいて、該ボルトの締め付け角度を評価する
ことを特徴とする、ボルトの締結評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一旦締め付けられたボルトが正しい角度で締め付けられているかを検証する、ボルトの締結評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボルトの締め付け手法としては、塑性域締め付け法を除いて、大きく分けて弾性域トルク法と弾性域角度法との２つの手法が知られている。これらの手法は、ともにボルトの降伏点よりも低い荷重、即ち、弾性領域でボルトを締め付ける（弾性域締め付け）手法である。
これらの手法のうち、弾性域トルク法は、ボルトの締め付け時に発生する回転抵抗（摩擦力＋軸力）を規定するものであって、具体的には締め付けトルクを規定して締め付けを行なうものである。また、弾性域角度法は、予め規定されたトルク（この規定トルクをスナッグトルクという）で締め付けを行なった後、上記スナッグトルクを基準に予め規定された角度だけボルトを回転させて締め付けを行なうものである。
【０００３】
ところで、弾性域トルク法ではボルトの締め付けは摩擦力で支配されるが、摩擦力で締め付けを管理しようとするとボルト軸力が大きくばらついてしまう。これに対して、弾性域角度法では、ボルトのネジリードで決定される回転角度に基づいて締め付けることにより、ボルト軸力のばらつきを低減することができる。
また、締め付けられたボルトに対し、規定どおりのトルク又は角度で締め付けが行なわれているかについては、従来は図８は示すように主に４つの項目で評価している。
１．締め付け時の表示データ（トルク，角度等）で判断
２．増締めトルクを計測して締め付けトルクを推測
３．ボルトを緩めて座面やネジ部の状態に応じて判断
４．各部品の材料、組織の分析
ここで、上記１．はボルト締結治具やボルト締結装置に表示又は記録されたデータ値に基づいて、ボルトが規定どおりに締め付けられたかを確認するものである。
【０００４】
また、２．は一旦締結したボルトをさらに増締めして、そのときのトルクを計測することにより締め付けトルクを推定するものである。なお、図８に示すように、この手法は、弾性域トルク法には有効であるが、弾性域角度法では正確な締付角度で締め付けられているかを確認することは困難である。
また、３．は座面やネジ部の状態を目視等で確認することにより、規定どおりのトルク又は角度で締め付けられているかを確認するものである。
【０００５】
また４．はネジや相手部品の材料や組織等を分析して、規定どおりに締め付けられているかを確認するものである。
なお、特許文献１にはボルトの軸力降伏点で締め付けを行なう角度法締め付けに関する技術が開示されている。具体的には、軸力降伏点のトルクを１００％とし、トルクの４０〜１００％の間でトルク原点を設定し、この原点からの軸力降伏点までの締付角度を換算するととおもに、締め付けを行なう際にトルク原点から換算角度まで締め付けを行なうことにより、軸力降伏点での締め付けが可能となる旨が開示されている。
【特許文献１】特開平６−２５６５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術では、弾性域角度法ですでに締め付けられたボルトに対して、規定の回転角度で締め付けされているかを評価する手法は何ら確立されていないという課題がある。なお、上記２．の増締めトルクを計測することにより締め付けトルク自体を確認することは可能であるが、このような手法では締付角度については評価することができない。つまり、上記の増締めトルクからでは、規定の回転角度で締め付けされているかの保証及び検証ができない。また、上記特許文献１は、ボルトの締め付けに関する技術が開示されているものの、締め付けられたボルトの締付角度を検証するような技術については何ら開示されていない。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、弾性域角度法で締め付けられたボルトが規定の回転角度で締め付けられているかを検証できるようにした、ボルトの締結評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、請求項１記載の本発明のボルトの締結評価方法は、ボルトを規定のトルクで締め付け後、規定の角度だけ回転させて締め付ける弾性域角度法におけるボルトの締結評価方法であって、該ボルトを該弾性域角度法により締結後、該ボルトを該ボルトの比例限界点まで増締めし、該比例限界点までの締め付けトルク情報に基づき該ボルトの締付角度を推定することを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の本発明のボルトの締結評価方法は、ボルトを規定のトルクで締め付け後、規定の角度だけ回転させて締め付ける弾性域角度法におけるボルトの締結評価方法であって、該ボルトを該弾性域角度法により締結後、該ボルトを該ボルトの比例限界点まで増締めし、該比例限界点までの締め付けトルクと該ボルトを増締めを開始する際の再始動トルクとの差として規定される基準トルクを算出するとともに、予め記憶された基準トルクと該規定の締め付け角度との相関関係に基づいて、該ボルトの締め付け角度を評価することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のボルトの締結評価方法によれば、従来は困難であった弾性域角度法により締め付けられたボルトが規定の回転角度で締め付けられているかを検証することができる。したがって、ボルト締め付け時の品質を検証することができる。また、ボルト，ワッシャ及び締結物に影響されないという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかるボルトの締結評価方法について説明すると、図１は本発明を適用したボルトの締結評価装置を示す模式図、図２はその作用を説明するためのフローチャート、図３はそのボルト締め付けパターンを示す図、図４は検証結果を示す図、図５〜図７（ａ），（ｂ）はいずれも本実施形態の締結評価方法についての説明を補足するための図である。
【００１２】
この評価装置は、ボルトを規定のトルクで締め付け後、規定の角度だけ回転させて締め付ける弾性域角度法に適用されるものであって、ボルトが規定の角度で締結されているか否かを評価する装置である。さて、図１に示すように、この評価装置は、主にボルトを締め付けるためのナットランナ６と、ナットランナ６の作動を制御するためのＥＣＵ（制御手段）７とから構成されている。
【００１３】
このうち、ナットランナ６は、図示しないボルトの頭部に係合可能に形成されたソケット１と、ソケット１を回転駆動するためのトルクを調節可能なトルクトランデューサ（トルク調節器）２と、締め付けトルクを検出するトルクセンサ（トルク検出手段）３と、ソケット１を回転駆動するための駆動モータ４と、図示しないボルト又はソケット１の回転角度を検出する角度エンコーダ（回転角度検出手段）５とを備えて構成されている。
【００１４】
そして、このうちトルクセンサ３と角度エンコーダ５とがＥＣＵ７に接続され、これらトルクセンサ３及び角度エンコーダ５で検出された締め付けトルク及び回転角度とがＥＣＵ７にフィードバックされるようになっている。
また、ＥＣＵ７は、図示しないＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶装置、ＣＰＵ（中央演算装置）、インタフェース（入出力装置）、タイマ又はカウンタ等を内蔵しており、また、これ以外にも、図１に示すように、締付制御部８，再始動トルク測定部９，比例限界点測定部１０，基準トルク演算部１１，相関演算部１２及び設定値記録部１３等を備えて構成されている。
【００１５】
ここで、締付制御部８は、モータ４の回転数や回転角度、ボルトの緩めや締め付け等の条件に関する制御を行なう部分である。また、再始動トルク測定部９は、ボルトの再始動時のトルク（又は再始動トルクという）を測定する部分である。なお、再始動時のトルクとは、締結したボルトを増締めする際にボルトが回転を開始するときのトルクである。
また、比例限界点測定部１０は、ボルトの比例限界点のトルクを測定する部分である。ここで比例限界点について、ボルトの締め付けトルクと回転角度（時間）との関係を示すトルク−角度線図（図５参照）を用いて説明すると、トルクは回転角度が増大するしたがい直線的に（すなわち正比例で）増大し、さらに角度ある値以上になると傾きが変化して特性線が曲線となる。このような特性のトルク−角度線図において、特性線が直線から曲線に変化する点（つまり、回転角度とトルクとが正比例の関係を保つことができる回転角度の限界の点）を比例限界点という。
【００１６】
また、基準トルク演算部１１は、比例限界点でのトルクと再始動時のトルクとの差を基準トルクとして算出する部分である。
また、相関演算部１２は、基準トルク演算部１１で演算されたデータを補正し相関を演算する部分であって、この相関結果から締結時の締付角度を演算する部分である。
また、設定値記録部分１３は、相関演算で使用された締め付け条件及び再始動トルク測定部９，比例限界点測定部１０，基準トルク演算部１１，相関演算部１２で得られた値を記録又は記憶する部分である。
【００１７】
一方、このＥＣＵ７には図示するように、サーボアンプ１４、ディスプレイ（表示装置又は表示手段）１５及びキーボード（入力装置又は入力手段）１６が接続されており、キーボード１６を介してＥＣＵ７にボルトの締め付け設定値や設定条件を入力することができるようになっている。また、ディスプレイ１５には入力値のほか、検出されたデータ値や演算結果等が表示されるようになっている。なお、上記ディスプレイ１５とキーボード１６とが一体になったタッチパネル式等の装置を適用してもよい。また、サーボアンプ１４はＥＣＵ７から出力される制御信号に応じて駆動モータ４に駆動電流を供給するものであって、このサーボアンプ１４により駆動モータ４の作動状態が制御されるようになっている。
【００１８】
次に、この装置を用いたボルトの締結評価方法について具体的に説明すると、この評価方法はボルトが規定角度で締結されているかを評価する方法であって、まず、サンプルのボルトから基礎データの取り込みが行われる。すなわち、評価対象のボルトと同じ仕様のボルト（サンプル用ボルト）を用意し、図３に示すようなパターンで締め付けテストを実行し、その結果を設定値記録部分１３で記憶するようになっている。
【００１９】
以下、具体的に説明すると、まず、サンプル用ボルトを上述した締結評価装置に取り付ける。この場合、ボルト頭部をソケット１に係合させるとともに、入力装置１６を介して、規定の締め付けトルク（スナッグトルク）やこのスナッグトルクからの締付角度（上記規定の締付角度に相当する）等の値を入力する。ここで、入力値は実際に締結されるボルトのスナッグトルク値と同一条件とし、スナッグトルクからの締付角度を任意の値に設定する。なお、図３に示す例ではスナッグトルク＝５０Ｎｍ，締付角度＝６２ｄｅｇである。
【００２０】
オペレータはディスプレイ１５に表示された入力値を確認して、入力値が誤っていれば正確な値を入れ直し、正しければ入力値を確定させる。これにより、締付制御部８からサーボアンプ１４に対して入力値に応じた制御信号が出力されるとともに、この制御信号に応じてサーボアンプ１４からモータ４に対して駆動電流が供給される。
駆動電流が供給されると、駆動モータ４は入力条件に応じて駆動されるとともに、トルクセンサ３及び角度エンコーダ５で検出された情報に基づいてフィードバック制御される。すなわち、ボルトは上記スナッグトルクで締め付けられた後、規定の締付角度で締め付けられる（１回目の締め付け）。
【００２１】
その後、トルク係数を安定化するため（ばらつきの大きい摩擦の影響を極力排除するため）、モータ４を逆回転させてボルトを緩め、再び上記と同一条件で締め付けを行なう（２回目の締め付け）。そして、そのままの状態で増締めを行い、ボルトの降伏点以上まで（より具体的には、ボルトが破断するまでとしてもよい）締め付けを行なってからモータ４を停止させる。
【００２２】
このとき、再始動トルク測定部９によりボルト増締め時の再始動時トルク（ボルトが回転を開始するときのトルク；本実施形態では２１０Ｎｍ〔図３参照〕）が測定されるとともに、比例限界点測定部１０によりボルトの比例限界点のトルク（以下、比例限界トルクという）が測定される。
そして、基準トルク演算部１１により、再始動トルクを基準として比例限界トルクまでのトルク変化量（＝比例限界トルク−再始動トルク）が算出される。なお、このトルク変化量を以下では基準トルクという。
【００２３】
次に、相関演算部１２において、締付角度と基準トルクとの相関が演算される。すなわち、はじめに設定された任意の締付角度の値（本実施形態では６２ｄｅｇ）Ｘと、この角度Ｘに対応する基準トルクＹとが、図４に示すようにプロットされる。そして、最初に設定される締付角度（スナッグトルクからの締付角度）を種々の値に変更して、上記と同様の手法により締付角度Ｘと基準トルクＹとの関係を逐次プロットしていくことにより、図４に示すような直線を得ることができる。なお、本実施形態では、締付角度Ｘの設定を１０ｄｅｇ，２０ｄｅｇ，３０ｄｅｇ，４０ｄｅｇ，５０ｄｅｇ及び７０ｄｅｇとして基準トルクＹを算出している。また、図４では基準トルクＹが電圧に換算されている。
【００２４】
そして、各計測点の相関が最小２乗方により演算される。この場合、基準トルクをＹ、締付角度をＸとおくと、Ｘ＝ａＹ＋ｂ（ａ，ｂは最小２乗法を用いて求めた定数）と表すことができる。
次に、実際にボルトが規定角度で締め付けられているか否かを検証する場合について説明する。この場合は、ボルトの締結状態は、上記基礎データの採取の取り込みで説明した１回目締め付け状態であるので、一旦ボルトを緩め、「２度目の締め付け」を行なう。その後３度目の増し締めを行って基準トルクＹ（＝比例限界トルク−再始動トルク）を算出して、この値Ｙを上記相関式代入することにより、或いは図４の相関線に当てはめることにより、規定どおりの角度で締め付けられていたか否かを評価する。
【００２５】
ここで、再始動トルクから比例限界トルクまでのトルク変化量をパラメータとして用いる根拠について説明する。ボルトの降伏点はボルト自体の素材強度・硬さ・加工精度等製造条件が著しく変化しなければほぼ一定の軸力加重のところにある。一方、再始動トルクは締付角度により変化する。そこで、「ボルトの種類により一定である比例限界点」から「締付角度により変化する再始動トルク」を差し引いて得られる値を基礎データとすることにより、締結されていたボルトの締付角度を推定することが可能となる。ただし、比例限界点は降伏点と同一ではないので（比例限界点は、トルク−角度線図において回転角度とトルクとが正比例の関係を保つことができる限界点、降伏点は、軸力−角度線図において回転角度と軸力とが正比例の関係を保つことができる限界点であり、同一ではない）、トルク値（摩擦力）は、ボルト及び締結物の製品によりばらつきが生じる。このばらつきは製品の組み合わせによるばらつきであるため、製品によって比例限界点の実トルクはばらつきが発生し常に一定とはならない。しかしながら、再始動トルクと比例限界トルクとの差の特性は角度に対する摩擦力の上昇率であるため、製品の組み合わせによるばらつきの影響を受け難いため、これをパラメータとして設定している。また、この組み合わせばらつきの要因である製品の表面処置・粗度等の誤差を小さくするために２度締めを行っている。
【００２６】
以下、図２のフローチャートを用いて本装置の作用について説明すると、まずステップＳ１において、ボルトの基礎データを計測，採取するためのモード（相関モード）か、締結されたボルトに対する締結角度の評価を行なうモード（確認モード）かが選択される。そして、相関モードが選択された場合にはステップＳ２以降に進み、確認モードが選択された場合にはステップＳ１３以降に進む。
【００２７】
ステップＳ２では、対象となるボルトの締め付け設計値、並びに基礎データ（相関データ）を採取するため締め付け条件を入力する。なお、予め設定されたテストパターンを選択したり、上記テストパターンをアレンジしたりすることも可能である。
次に、ステップＳ３では、ステップＳ２で設定された締め付け条件に基づき設定されたボルトに対して締め付けが実行される。このとき、ステップＳ４において、ステップＳ３における締め付けデータから再始動トルクが検出されるとともに、ステップＳ５において、上記締め付けデータから比例限界点及びそのときのトルクが検出される。
【００２８】
そして、ステップＳ６において、再始動トルクと比例限界点までのトルクとの差（トルク変化量）が基準トルクとして算出され、ステップＳ７において、ステップＳ２で設定したパターン（図６参照）が完了するまでＳ３〜Ｓ６を繰り返す。なお、キャンセルボタン等を操作することによりテストを中止することができる。また、当然ながら、ステップＳ３〜Ｓ６では、同じ仕様のボルトについて異なる締め付け条件（例えば図６の締付条件１〜４参照）を設定し、ボルトの基礎データの採取を実行する。
【００２９】
次に、ステップＳ８に進み、採取された降伏点の伸び曲線のデータを最も誤差が少なくなるように重ね合わせ、ステップＳ６で得られた基準トルクに対し補正を行い相関を演算する。以下、ステップＳ８における処理についてもう少し詳しく説明する。実際にボルトの締め付けを行ってトルク−角度線図を作成すると、比例限界まで必ずしも直線とはならず、図７（ａ）に示すように緩やかに湾曲する場合があり、この場合ボルトの比例限界点が判別しにくくなる。
【００３０】
これを解決する手法として、重ね合わせ処理が実行される。すなわち、上述したステップＳ５では、設定されたボルトの締め付けパターン（図６の設定パターン参照）で得られるデータ（トルク−角度線図）に基づいて個々に比例限界点を算出するが、この相関演算ステップでは、すべてのトルク−角度線図を重ね合わせ、個々の比例限界点の誤差を補正する。
【００３１】
つまり、図６に示す４つの締付条件でステップＳ３〜Ｓ６を実行した場合には、それぞれのトルク−角度線図を重ね合わせ、この結果から比例限界点を補正する。ここで、トルク−角度線図を重ね合わせる基準となるのが、降伏点伸び曲線部となる〔図７（ｂ）参照〕。この曲線部は摩擦力によりトルクが上昇していた傾きからボルトの塑性伸びに変化する箇所（ボルト自体の引っ張り強度が弾性域から塑性域へ移行する箇所）であるため、ボルトの特性が顕著に現れ、基本的に個体差は生じない。そこで、同じ仕様のボルトであれば、トルク−角度線図においてこの間の曲率は同一となると考え、この部分の曲線が一致するようにデータ（特性線）を重ね合わせるのである。そして、この重ね合わせの結果から、比例限界点が補正されて、相関が演算される。
【００３２】
このようなステップＳ８の処理が終了すると、ステップＳ９に進む。そして、ステップＳ９では、ステップＳ２で設定したパターン（つまり図６に示す設定パターン）に対し追加で確認を行なうか否かを判定し、追加する場合はステップＳ２に戻る。また、追加確認がない場合には、ステップＳ１０に進み、相関式，相関係数，信頼率等の相関結果をディスプレイ１５に表示させる。次に、ステップＳ１１において、基礎データを記録保存するための名称（例えばボルトの仕様等）を入力し、ステップＳ１２で基礎データが保存される。
【００３３】
一方、ステップＳ１において確認モードが選択されると、ステップＳ１３に進み、記録されている基礎データをもとに実施するか新たに手入力により相関式等のデータを入力するかの選択を行なう。ここで、記録されている基礎データを用いる場合にはステップＳ１４に進み、相関モードで記録されている基礎データから検証するボルトの基礎データを選定する。また、そうでない場合にはステップＳ１５に進んで、新たに手入力で相関式等を入力する。
【００３４】
そして、ステップＳ１６において、ボルトの締め付け条件が設定されると、ステップＳ１７に進み、ステップＳ１６で設定された締め付け条件でボルトの締め付けが実行される。次に、ステップＳ１８において、再始動トルクが検出されるとともに、ステップＳ１９において比例限界点及び比例限界トルクが検出される。
その後、ステップＳ２０で再始動トルクから比例限界点までのトルク変化量が基準トルクとして算出され、ステップＳ２１で、上記ステップＳ１４，Ｓ１５で設定された基礎データに対してＳ２０の演算結果から締結時の角度の演算が実行される。また、ステップＳ２２で、評価の結果として締結時のスナッグトルクからの角度並びに信頼率の変化等の結果が表示される。
【００３５】
また、ステップＳ２３において計測結果が基礎データとして追加するか否かが選択され、追加しない場合にはそのまま終了する。また、追加する場合には、ステップＳ２４で計測結果をステップＳ８と同様に再演算させ、ステップＳ２５で追加した基礎データの記録方法についてそのままの名称で保存するか名称を変更するかを選択し、ステップＳ２６で基礎データを記録保存するための名称を入力する。
【００３６】
そして、ステップＳ２７において基礎データの保存が実行され、ステップＳ２８において保存された相関式，相関係数，信頼率等の相関結果が表示されて終了する。
以上詳述したように、本発明の一実施形態に係るボルトの締結評価方法によれば、従来は困難であった弾性域角度法により締め付けられたボルトが規定の回転角度で締め付けられているかを検証することができる。したがって、ボルト締め付け時の品質を検証することができる。また、ボルト，ワッシャ及び締結物に影響されないという利点がある。また、上述したような評価装置を用いることにより、オペレータに特別な技量や経験を必要とすることなくオペレータの簡単な操作で確実にボルトの締め付けを評価することができる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態にかかるボルトの締結評価方法が適用されるボルトの締結評価装置を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるボルトの締結評価方法について説明する図であって、図１に示すボルトの締結評価装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態にかかるボルトの締結評価方法のボルト締め付けパターンを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるボルトの締結評価方法による検証結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるボルトの締結評価方法についての説明を補足するための図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかるボルトの締結評価方法についての説明を補足するための図である。
【図７】（ａ），（ｂ）はともに本発明の一実施形態にかかるボルトの締結評価方法についての説明を補足するための図である。
【図８】従来のボルトのの締結評価手法について説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ソケット
２  トルクトランデューサ（トルク調節器）
３  トルクセンサ（トルク検出手段）
４  駆動モータ
５  角度エンコーダ（回転角度検出手段）
６  ナットランナ
７  ＥＣＵ（制御手段）
８  締付制御部
９  再始動トルク測定部
１０  比例限界点測定部
１１  基準トルク演算部
１２  相関演算部
１３  設定値記録部
【図１】
2005331393.tif 000003
【図２】
2005331393.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005331393.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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