(57)【要約】【課題】高速、かつ高精度にねじ部品を締め付けることが可能なねじ部品締結装置を提供する。【解決手段】ねじ部品締結装置１は、ドライバビットが連結される出力軸１１と、モータ３に連結して高速低トルク駆動を出力軸へ伝達する高速低トルク駆動伝達系と、減速機１２を介して低速高トルク駆動を出力軸へ伝達する低速高トルク駆動伝達系と、仮締め工程では高速低トルク駆動伝達系により回転駆動を出力軸１１へ伝達する一方、本締め工程では低速高トルク駆動伝達系により回転駆動を出力軸へ伝達するようこれら伝達系を切り替えるクラッチ手段８，１４と、仮締め工程においてねじ部品が着座する直前に出力軸１１の回転速度を所定の回転速度に減速するようモータ３を駆動制御する制御ユニット１８とを備える。【選択図】図１
2012121126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ部品の頭部に係合するドライバビットが連結される出力軸と、
回転駆動源に連結して高速低トルク駆動を出力軸へ伝達する高速低トルク駆動伝達系と、
回転駆動源に減速手段を介して連結して低速高トルク駆動を出力軸へ伝達する低速高トルク駆動伝達系と、
ねじ部品のねじ込み開始から着座までの仮締め工程では高速低トルク駆動伝達系により回転駆動を出力軸へ伝達する一方、ねじ部品の着座からねじ込み完了までの本締め工程では低速高トルク駆動伝達系により回転駆動を出力軸へ伝達するようこれら伝達系を切り替えるクラッチ手段と、
仮締め工程においてねじ部品が着座する直前に出力軸の回転速度を所定の回転速度に減速するよう回転駆動源を制御する制御ユニットと
を備えることを特徴とするねじ部品締結装置。
【請求項２】
前記制御ユニットが、本締め工程において出力軸の回転速度を段階的あるいは無段階的に減速するよう回転駆動源を制御することを特徴とする請求項１に記載のねじ部品締結装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじ部品を高速低トルクで仮締めした後、低速高トルクで本締めするねじ部品締結装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、上記技術分野に属するねじ締め機としては、特許文献１あるいは特許文献２に示すものがある。このねじ締め機は、高速低トルク駆動伝達系および低速高トルク駆動伝達系の２系統で構成されている。そして、ねじ部品の座面がワークに着座するまでの仮締め工程では高速低トルク駆動伝達系が駆動する一方、着座したねじ部品を目標のトルクで締め付けるまでの本締め工程では低速高トルク駆動伝達系が駆動する。このように、ねじ部品の着座前後で駆動系を切り替えることにより、高速ねじ締めを実現するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−００６５６０号公報
【特許文献２】特開２００８−１１４３０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記ねじ締め機では、仮締め工程において高速回転状態でねじ部品の座面が被締結物に着座するため、この際に生じる衝撃トルクが高くなる。これでは、仮締め工程において、すでにねじ部品が目標の締め付けトルク間近まで締め付けられてしまう。こうなると、本締め工程において、目標の締め付けトルクでねじ部品の締め付けを完了すべく、正確なトルク管理を実現することができなかった。
【０００５】
本発明のねじ部品締結装置は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、高速、かつ高精度にねじ部品の締め付けを完了することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成すべく、本発明のねじ部品締結装置は、ねじ部品の頭部に係合するドライバビットが連結される出力軸と、回転駆動源に連結して高速低トルク駆動を出力軸へ伝達する高速低トルク駆動伝達系と、回転駆動源に減速手段を介して連結して低速高トルク駆動を出力軸へ伝達する低速高トルク駆動伝達系と、ねじ部品のねじ込み開始から着座までの仮締め工程では高速低トルク駆動伝達系により回転駆動を出力軸へ伝達する一方、ねじ部品の着座からねじ込み完了までの本締め工程では低速高トルク駆動伝達系により回転駆動を出力軸へ伝達するようこれら伝達系を切り替えるクラッチ手段と、仮締め工程においてねじ部品が着座する直前に出力軸の回転速度を所定の回転速度に減速するよう回転駆動源を制御する制御ユニットとを備える。
【０００７】
また、前記制御ユニットが、本締め工程において出力軸の回転速度を段階的あるいは無段階的に減速するよう回転駆動源を制御することが望ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のねじ部品締結装置によれば、ねじ部品の着座直前に制御ユニットが回転駆動源を制御して出力軸の回転速度を減速するので、ねじ部品の座面が被締結物に着座した際に生じる衝撃トルクを低く抑えることができる。そのため、仮締め工程で、すでにねじ部品が目標の締め付けトルク近くまで締め付けられてしまうおそれがなくなる。したがって、本締め工程において正確なトルク管理を実現できるので、目標の締め付けトルクで確実にねじ部品の締め付けを完了することができる。
【０００９】
また、本締め工程では、制御ユニットが、出力軸の回転速度を段階的あるいは無段階的に減速する。そのため、本締め工程前段では、高速ねじ締め付けによってねじ締め時間を短縮できるとともに、本締め工程後段では、低速ねじ締め付けによって目標の締め付けトルクで確実にねじ締めを完了することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のねじ部品締結装置を示す断面図である。
【図２】本発明のねじ部品締結装置の高速低トルク駆動伝達系に薄塗りを施した図である。
【図３】本発明のねじ部品締結装置の低速高トルク駆動伝達系に薄塗りを施した図である。
【図４】本発明のねじ部品締結装置の駆動制御を示すグラフである。
【図５】出力軸の回転数と衝撃トルクの大きさを減速比別に比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、１はねじ、ボルト、ナットなどのねじ部品を締結または緩めるためのねじ部品締結装置であり、ケース２に取付けられた回転駆動源の一例であるＡＣサーボモータ３（以下、単にモータ３という）を有している。このモータ３にはレゾルバ３ｂが組み付けられており、当該モータ３の駆動軸３ａの回転角を検出可能に構成されている。
【００１２】
前記モータ３の駆動軸３ａには主動歯付きプーリ４（以下、単に主動プーリ４という）が一体に回転可能に連結されている。このモータ３の横位置には、駆動軸３ａと軸線平行方向に延びて中空円筒状の第１入力軸５が回転可能に支持して設けられており、この第１入力軸５には、その上部に従動歯付きプーリ６（以下、単に従動プーリ６という）が一体に連結されている。この従動プーリ６と前記主動プーリ４とには、無端の歯付きベルト７が巻回されて噛合しており、モータ３の駆動を第１入力軸５に伝達できるよう構成されている。また、従動プーリ６の上部には、クラッチ手段の一例として電磁クラッチ８が設けられており、この電磁クラッチ８には前記第１入力軸５を挿通し、かつ第１入力軸５に対して回転可能に設けられた中実の第２入力軸９が連結されている。前記主動プーリ４と従動プーリ６との歯数が異なり、減速比は１／２．４である。これは、出力トルクの低いモータであっても十分なトルクを得るべく予備的に設定されたものであり、同一の歯数にして増減速しない構成でも何ら問題ない。
【００１３】
前記電磁クラッチ８は、従動プーリ６に一体に回転可能に連結された入力部８１と、第２入力軸９に一体に回転可能に連結された出力部８２と、コイル部８３とを有している。コイル部８３は通電により電磁石となり、これにより出力軸８２に入力部８１を磁力結合させることが可能に構成されている。常時は、コイル部８３に通電がなされず、入力部８１と出力部８２とが分離して第２入力軸９にモータの駆動を伝達できない状態にあるが、コイル部８３に通電されて入力部８１と出力部８２とが結合すると、第２入力軸９にモータ３の駆動を伝達可能な状態となる。
【００１４】
前記第２入力軸９は、第１入力軸５内を挿通して延び、その先端には出力軸１１が連結されている。この出力軸１１は、第２入力軸９に連結された伝達軸部１１１と、この伝達軸部１１１先端のスプライン穴部１１１ａにスプライン軸部１１２ａを挿入・噛合させることによって伝達軸部１１１と一体に回転可能に連結された本体軸部１１２とから構成されている。この出力軸１１の本体軸部１１２先端には、ねじ部品の頭部に係合してこれに回転伝達を行うためのドライバビット、ソケット等のねじ締め工具（図示せず）が直接又は各種継ぎ手を介して連結されている。
【００１５】
また、前記第１入力軸５の先端は、減速機１２に連結されている。この減速機１２は、一般にハーモニックドライブ（登録商標）として知られるものであり、第１入力軸５は、これらのウェーブジェネレータ１２１に連結されている。この減速機１２は、サーキュラスプライン１２２を本ねじ部品締結装置１のケース２に固定し、ウェーブジェネレータ１２１によって入力された回転をフレクスプライン１２３により減速・逆転させて出力する、いわゆるハーモニックドライブ（登録商標）減速機としての一般的な使用構造を採用している。その減速比は、１／３０である。
【００１６】
前記減速機１２のフレクスプライン１２３は、ケース２内に回転可能に配置されたカップリング１３に連結されている。このカップリング１３は、クラッチ手段の一例であるツースクラッチ１４に連結されている。このツースクラッチ１４は、前記カップリング１３に一体に回転可能に連結された入力部１４１と、前記出力軸１１の伝達軸１１１に一体に回転可能に連結された出力部１４２と、この出力部１４２と入力部１４１とを常時分離するように付勢する付勢手段（図示せず）と、ケース２に固定されたコイル部１４３とを有して成る電磁クラッチである。入力部１４１と出力部１４２とは、互いの対向面を環状の円盤面に成し、その周縁部に歯部１４１ａ，１４２ａが形成された構成であり、前記コイル部１４３への通電で発生する電磁力により歯部１４１ａ，１４２ａを噛合させて結合するように構成されている。このツースクラッチ１４は、常時、コイル部１４３に通電がなされずに入力部１４１と出力部１４２とが分離しており、出力軸１１に減速機１２の出力回転を伝達不可能な状態となっているが、コイル部１４３に通電されて入力部１４１と出力部１４２とが結合すると、出力軸１１に減速機１２の出力回転を伝達可能な状態となる。
【００１７】
前記ケース２の下部には中空円筒状の起歪体１５が一体に連結されている。この起歪体１５には、ブリッジ接続された歪みゲージ１６が貼付されており、出力軸１１に作用する回転負荷に応じて歪む起歪体１５の歪み量に応じた電気信号をアナログ信号として検出するよう構成されている。これら起歪管１５および歪みゲージ１６によってトルク検出手段が構成されている。また、歪みゲージ１６のリード線１６ａは回路基板１６ｂに接続されおり、この回路基板１６ｂ上でアナログ信号がデジタル変換されてトルク検出部１８ｆに出力されるよう構成されている。そして、このトルク検出部１８ｆが内蔵のＣＰＵで当該デジタル信号を受信して演算処理することにより、出力軸１１に作用する回転負荷トルクを電気的に算出するよう構成されている。
【００１８】
また、前記起歪体１５の下部には、ねじ締めロボットのアーム（図示せず）や機台（図示せず）等に固定可能な取付フランジ１７が一体に固定されている。
【００１９】
１８は制御ユニットであり、制御部１８ａと、この制御部１８ａからの指令を受けて前記モータ３を駆動制御するモータ駆動部１８ｃと、前記レゾルバ３ｂに励磁電圧を印加しするとともに、その出力電圧から回転角度を割り出すレゾルバ駆動部１８ｄと、制御部１８ａからの指令を受けて前記電磁クラッチ８を通電制御するクラッチ制御部１８ｂと、同じく制御部１８ａからの指令を受けて前記ツースクラッチ１４を通電制御するクラッチ制御部１８ｅと、モータ３の駆動制御に必要な各種プログラム・パラメータ等を記憶した記憶部１８ｉと、各種情報の入力を行う操作部１８ｇと、各種情報を表示する表示部１８ｈとを備えて成る。
【００２０】
本ねじ部品締結装置１は、ねじ込み開始から着座までねじ部品を高速・低トルクで締め付ける仮締め工程、着座したねじ部品を締め付け完了まで低速・高トルクで締め付ける本締め工程を行う。
【００２１】
仮締め工程では、制御ユニット１８は各クラッチ制御部１８ｂ、１８ｅを通電制御して電磁クラッチ８をＯＮ、ツースクラッチ１４をＯＦＦに設定する。これにより、駆動系が高速低トルク駆動伝達系に切り替えられる。この高速低トルク駆動伝達系は、図２に薄塗りを施した部位であり、主動プーリ４と、従動プーリ６と、電磁クラッチ８と、第２入力軸９と、出力軸１１とから成る。この順でモータ３の回転駆動が減速機１２を介することなく出力軸１１へ伝達される。なお、仮締め工程では、従動プーリ６の回転に伴い、第１入力軸５およびこれに連結された減速機１２も回転するが、前記ツースクラッチ１４がＯＦＦの状態では、回転駆動が出力軸１１へ伝達されないように構成されている。
【００２２】
一方、本締め工程では、制御ユニット１８は前記電磁クラッチ８をＯＦＦ、ツースクラッチ１４をＯＮに通電制御する。これにより、駆動系が高速低トルク駆動伝達系から低速高トルク駆動伝達系へ切り替えられる。この低速高トルク駆動伝達系は、図３に薄塗りを施した部位であり、主動プーリ４と、従動プーリ６と、第１入力軸５と、減速機１２と、カップリング１３と、ツースクラッチ１４と、出力軸１１とから成り、この順でモータ３の回転駆動が減速機１２を介して出力軸１１へ伝達される。
【００２３】
ところで、前記減速機１２の一例であるハーモニックドライブは、前述のとおり、入力・出力が逆回転となる。したがって、低速高トルク駆動伝達系による本締め工程では、制御ユニット１８がモータ３を逆転駆動させることにより、出力軸１１が正転方向に回転するように構成されている。
【００２４】
図４は、本ねじ部品締結装置１の制御ユニット１８による駆動制御を示すものであり、仮締め工程および本締め工程における出力軸１１の回転数およびトルクを示すグラフである。なお、ねじ込み開始から着座までは仮締め工程、着座から締め付け完了までは本締め工程を示す。
【００２５】
仮締め工程では、ねじ込み開始時、制御ユニット１８は、出力軸１１が最高回転数の２０００ｒｐｍで回転するようモータ３を駆動制御する。そして、ねじ部品が所定の巻数までねじ込まれると、出力軸１１の回転速度を所定の回転速度に減速するようモータ３を制御する。
【００２６】
具体的には、制御ユニット１８の記憶部１８ｉには、ねじ部品の巻数が予め設定されている。そして、レゾルバ駆動部１８ｄで回転軸１１の回転角を監視し、ねじ込み開始から着座までに要する巻数から２巻分を減じた位置、すなわち着座直前までねじ部品がねじ込まれると、出力軸１１の回転数を減じるようモータ３を駆動制御する。減速時の出力軸１１の回転数は４００ｒｐｍに設定されている。
【００２７】
続いて、仮締め工程において４００ｒｐｍに減速後、残りの２巻分ねじ部品がねじ込まれて着座すると、衝撃トルクが生じる。この衝撃トルクを前記トルク検出手段が検出すると、制御ユニット１８は各クラッチ制御部１８ｂ、１８ｅを通電制御して電磁クラッチ８をＯＦＦ、ツースクラッチ１４をＯＮに設定するとともに、前記ハーモニックドライブの特性上、モータ３を逆転駆動させる。これにより、駆動系が低速高トルク駆動伝達系に切り替えられ、本締め工程に移行する。
【００２８】
本締め工程では、制御ユニット１８の記憶部１８ｉには出力軸１１に作用する回転負荷トルクに対応する閾値が設定されている。この閾値は、大小２個設定されており、回転負荷トルク値の低い第１閾値は目標の締め付けトルクの２５％程度に設定する一方、回転負荷トルク値の高い第２閾値は目標の締め付けトルクの７５％程度に設定する。そして、回転負荷トルクがこれら閾値に到達する毎に、制御ユニット１８は出力軸１１の回転速度を減じるようモータ３を駆動制御する。
【００２９】
例えば、目標の締め付けトルクを１５Ｎ・ｍに設定した場合、第１閾値は目標の締め付けトルクの２５％に相当する３．７５Ｎ・ｍ、第２閾値は目標の締め付けトルクの７５％に相当する１１．２５Ｎ・ｍに設定される。また、出力軸１１の回転数は、着座から第１閾値までは３０ｒｐｍ、第１閾値から第２閾値までは１５ｒｐｍ、第２閾値から目標の締め付けトルクまでは３ｒｐｍに設定されている。
【００３０】
ここで、図５は、出力軸１１の回転数と、衝撃トルクの大きさとの関係を、減速比別に比較したグラフである。実線は、歯数の異なる前記プーリ４，６により減速比１／２．４に設定した本発明のねじ部品締結装置１を示し、破線は、減速比１／１０の減速機を介して駆動伝達するよう構成された比較用のねじ部品締結装置を示す。
【００３１】
図５に示すグラフによれば、本発明のねじ部品締結装置１では、出力軸１１の回転数が４００ｒｐｍでは、３．２Ｎ・ｍの衝撃トルクが発生する。これに対して、出力軸１１の回転数が２０００ｒｐｍでは、１７Ｎ・ｍの衝撃トルクが発生する。すなわち、出力軸１１の回転数を４００ｒｐｍに減速することなく２０００ｒｐｍのままでねじ部品が着座すると、衝撃トルクが目標の締め付けトルク１５Ｎ・ｍを超えてしまうため、過剰締め付けとなる。
【００３２】
一方、比較用のねじ部品締結装置では、出力軸の回転数を本発明のねじ部品締結装置１と同じく４００ｒｐｍに減速したところで、減速による高トルク駆動によって、１３Ｎ・ｍもの衝撃トルクが生じてしまう。ここで、本発明のねじ部品締結装置１と同じく衝撃トルクを３．２Ｎ・ｍに低減しようとすれば、出力軸の回転数を１００ｒｐｍまで減速しなければならない。これでは、高速ねじ締めを実現できない。
【００３３】
そこで、本発明のねじ部品締結装置１によれば、ねじ部品の着座直前に出力軸１１の回転数を減じるので、過大な衝撃トルクが発生しない。そのため、衝撃トルクによってねじ部品が締め付けトルクまで締め付けられることもなくなる。したがって、過剰締め付けを防止でき、目標のトルクでねじ部品の締め付けを完了できる。しかも、仮締め工程で駆動する高速低トルク駆動伝達系が減速機を介さない構成によっても、衝撃トルクを低く抑えることができる。したがって、比較用のねじ部品締結装置と比較して、減速時であっても出力軸１１の回転数を４００ｒｐｍとして高く設定することが可能となり、高速ねじ締めを実現できる。
【００３４】
また、衝撃トルクの低減により、仮締め工程で既に、ねじ部品がねじ締め完了トルク間近まで締め付けられなることもなくなる。そのため、ねじ部品の座面と、被締結物との摩擦に関し、図４に示すように、静摩擦μから動摩擦μ’への移行ポイントＰが本締め工程前段になる。したがって、静摩擦から動摩擦への移行の際に生じる慣性モーメントによる過剰締め付けも防止できる。
【００３５】
さらに、本発明のねじ部品締結装置１は、本締め工程では出力軸１１の回転速度を段階的に減速する。望ましくは、前述のとおり、大小２個以上の閾値を設定し、この閾値に回転負荷トルクが到達する毎に減速する。すなわち、閾値を２個設定した場合には、高速、中速、低速の三段階による減速制御とする。これに対して、高速から低速への二段階による減速制御では、減速時の慣性モーメントによって過剰締め付けとなる虞がある。そこで、三段階による減速制御では、中速段階を介することによって、減速時の慣性モーメントによる過剰締め付けも防止でき、益々高速、かつ高精度のねじ締め付けが可能となる。
【００３６】
なお、本発明のねじ部品締結装置１においては、本締め工程では出力軸１１の回転速度を段階的に減速するのみならず、無段階的に減速してもよい。つまり、出力軸１１の回転速度を徐々に減速するようモータ３を駆動制御してもよい。
【００３７】
また、本発明のねじ部品締結装置１においては、ねじ締め完了時に、ドライバビットとねじ頭部との食い付きを解除すべく、ねじ部品を緩め方向に出力軸を逆回転させることも可能である。ただし、緩めを実現するには、上記特許文献２（特開２００８−１１４３０３号公報）に開示されたねじ部品締結機のように、高速低トルク駆動伝達系から低速高トルク駆動伝達系へを切り替えるためのクラッチ手段として一方向クラッチを用いてはならない。一方向クラッチでは、出力軸１１を締め付け方向にしか回転させることができないからである。そこで、クラッチ手段として、例えば電磁クラッチ８あるいはツースクラッチ１４を用いれば、低速高トルク駆動伝達系において出力軸１１は正逆双方向に回転可能となり、締め付け、緩めの両方を実現できる。
【００３８】
１  ねじ部品締結装置
２  ケース
３  モータ
３ａ  駆動軸
４  主動プーリ
５  第１入力軸
６  従動プーリ
７  歯付きベルト
８  電磁クラッチ
９  第２入力軸
１１  出力軸
１２  減速機
１３  カップリング
１４  ツースクラッチ
１５  起歪体
１６  歪みゲージ
１７  取付フランジ
１８  制御ユニット
１８ａ  制御部
１８ｂ  クラッチ制御部
１８ｃ  モータ駆動部
１８ｄ  レゾルバ駆動部
１８ｅ  クラッチ制御部
１８ｆ  トルク検出部
１８ｇ  操作部
１８ｈ  表示部
１８ｉ  記憶部
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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