(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク伝達回転出力軸を備え、前記出力軸の回転速度を調節できるプログラム可能な動作制御ユニットに接続された動力工具によって、所定の目標トルクレベル（ＴＦ）までネジ継手を締め付けるネジ継手の締付方法であって、
複数の実質的に一定な速度レベル（Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂ）で動作される一次締付段階（ＩＡ，ＩＢ）と、
前記一次締付段階（ＩＡ，ＩＢ）の前記複数の速度レベル（Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂ）よりも低い可変的な回転速度で動作される最終締付段階（ＩＩ）とを
有するネジ継手の締付方法において、
予め目標トルクレベル（ＴＦ）の６０〜８０％の範囲内でシフトトルクレベル（ＴＡ）を選択し、
前記シフトトルクレベル（ＴＡ）で、前記一次締付段階（ＩＡ，ＩＢ）が終わり、前記最終締付段階（ＩＩ）が始まるようにし、
前記一次締付段階（ＩＡ，ＩＢ）が、第１のランニングダウンステップ（ＩＡ）と、第２の予備締付ステップ（ＩＢ）とを有し、
前記第１のランニングダウンステップ（ＩＡ）が、前記第２の予備締付ステップ（ＩＢ）より高い速度で動作され、
前記シフトトルクレベル（ＴＡ）より低い所定のトルクスナグレベル（ＴＳ）で、前記第１のランニングダウンステップ（ＩＡ）が終わり、前記第２の予備締付ステップ（ＩＢ）が始まるようにし、
前記最終締付段階（ＩＩ）において、実際の瞬時トルクレベル（Ｔ）と目標トルクレベル（ＴＦ）との間の差に応じて、実際の瞬時トルクレベル（Ｔ）が目標トルクレベル（ＴＦ）に達した時に慣性トルクオーバーシュートが発生しないレベルまで回転速度が低減するよう、回転速度を連続的に調整する
ことを特徴とするネジ継手の締付方法。
【請求項２】
前記最終締付段階（ＩＩ）の間の回転速度を、実際の瞬時トルクレベル（Ｔ）と目標トルクレベル（ＴＦ）との間の差が減少し、かつ、実際の瞬時トルクレベル（Ｔ）が目標トルクレベル（ＴＦ）に近づくにつれて大きくなる勾配で減少させる
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
最終締付段階（ＩＩ）の間の回転速度を、実際の瞬時トルクレベル（Ｔ）と目標トルクレベル（ＴＦ）との間の差が減少し、かつ、実際の瞬時トルクレベル（Ｔ）が目標トルクレベルに近づくにつれて小さくなる勾配で減少させる
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
最終締付段階（ＩＩ）の間の回転速度を、実際の瞬時トルクレベル（Ｔ）と目標トルクレベル（ＴＦ）との間の偏差が減少するように、直線的に低くなる比率で減少させる
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
最終締付段階（ＩＩ）の間の回転速度を、実際の瞬時トルクレベル（Ｔ）と目標トルクレベル（ＴＦ）との間の偏差の一時的な増加に応じて一時的に高くする
ことを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記動力工具が、電気モータ及び駆動手段を備え、
前記駆動手段が、前記制御アルゴリズムに対するトルク参照値を表す一つ又は複数のモータ動作パラメータの大きさに応じて電力及びモータの速度を制御するように構成されている
ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記動力工具が、電気モータ及び駆動手段を備え、
前記駆動手段が、前記制御アルゴリズムに対する参照値を表す一つ又は複数の締付パラメータの大きさに応じて電力及び前記モータの速度を制御するように構成されている
ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、所定の要求レベルまでネジ継手を締め付けるための方法に関する。
特に、本発明は、動力工具を用いたネジ継手の締付方法に関し、前記動力工具は、トルク伝達出力軸を備え、かつ、プログラム可能な動作制御ユニットに接続されており、前記動作制御ユニットにより前記出力軸の回転速度が調節可能にされる。前記締付方法は、一つ又はそれ以上の実質的に一定な速度レベルで作動させられる一次締付段階と、一次締付段階の速度レベルの平均値より概して平均値が低い可変的な回転速度で作動させられる最終締付段階とを含む。
ネジ継手の締付に関する課題は、望まし短い処理時間と、高い精度、即ち、獲得される最終要求レベルに関する限りでは小さいバラツキとを併有させることにある。これは、様々な種類の継手を締め付ける時に問題となる。なぜなら、所謂、剛性継手、即ち、単位回転角毎のトルク成長が速い継手は、所望の要求レベルに非常に急速に到達するので過締付になる傾向がある一方で、所謂軟性継手は、ゆっくりとトルク抵抗を成長させ、比較的長い減速度期間の後、所望の要求レベルに到達するからである。基本的な問題点は、締付工具が、軟性継手の過締付を防止できるのに充分な速さで、継手へのトルクの印加を停止することができないことにある。
バラツキを減らし、軟性継手の過締付を防止するための明確な方法は、常に、より低い速度で、かつ、工具の回転部分に蓄積されるより低い運動エネルギで、目標要求レベルに到達するように締付工具の回転速度を落とすことである。その結果、締付工具は過締付を防止する時に停止することができるようになる。締付工具の作業速度を全般的に落とすことは、最終要求レベルの精度やバラツキについて実際に有効である。しかし、総合的に速度を低くすることは、特に、単位回転角当たりのトルク成長が遅い軟性継手では、締付行程を許容できない遅さにするという欠点がある。
米国特許第５，２４５，７４７号には、ねじ継手の種類に関係なく急速で更に正確な締付行程を得るための方法が開示されている。
この従来の方法は、締付工具の回転速度をゼロから所定の最大レベルまで連続的に上げるプレテンションステップ（pretensioning step）を含んでいる。このプレテンションステップの初期の相対的に低い速度により軟性継手の過締付は防止される。しかし、この連続的な速度上昇は、予め決められた割合で行われるので実際のネジ継手の特性に適合しない。このため、たとえ、処理の終わりに向けて速度を連続的に上げたとしても、締付行程は全体として軟性継手に対する望ましくない遅さになる。
全般的に、従来の方法は、慣性によって生じるオーバーシュート及び／又はサンプリングインターバルを生じさせることにより発生するオーバーシュートを制御するための停止ポイントの前に十分に速度を低減させるためにトルク敷居値及び／又は時間を利用している。
これらの方法は、継手が特定の動作を持ち、即ち、トルクが線形に増加していくと仮定し、後で生じることを予測して速度を変更する点においては共通している。しかし、継手は非線形の動作をするので、予期しない結果が発生し得る。
例えば、上記した米国特許第５，２４５，７４７号の方法は、トルク速度の異なる三つのネジ継手の実施例に関連して記載されており、この方法は、軟性継手で見込まれるオーバーシュートにおいて補償効果を持つことが示されている。しかしながら、この文献では、三つの継手が全て線形のトルク速度を持っている。即ち、これは、この方法が、トルク速度特性が目標レベルまで全て線形であると仮定した想像上の継手の過締付を制御することを意図するものであることを意味する。代わりに、この方法を、例えば、初期の締付段階の間はトルク速度が低く、締付処理の最後ではトルク速度が高い非線形のトルク速度を持つ継手に利用すると、高い最終速度により、重大なトルクのオーバーシュートが生じる。
この従来の方法の欠点は、特許請求の範囲に限定した本発明による方法によって解決する。
本発明の実施例は、添付図面に示した図に基づいて説明される。
図１は、本発明による一段階締付行程を説明する図を示している。
図２は、本発明による二段階締付行程を説明する図を示している。
図３は、最終締付段階の間の４つの選択的な減速方法を説明する図を示しており、この中の一つは従来技術である。
図４は、４つの選択的な減速方法のための異なる締付段階持続時間を説明する図を示している。
図５は、ネジ継手を一時的に緩める速度調節を説明する図を示している。
図６は、本発明による方法を実施するための動作制御ユニットを備えた動力工具の概略図を示している。
図１に示すネジ継手締付方法は、比較的高い速度ｖ１で締付を行う一次締付段階（Ｉ）と、一次締付段階の速度ｖ１から比較的低い最終速度ｖ２まで連続的に速度を落としていく最終締付段階（ＩＩ）とから成る。
一次締付段階（Ｉ）は、ランニングダウン部分とプレテンション部分とを含み、この間に、ネジ継手はシフトトルクレベルＴＡまで締め上げられる。このシフトトルクレベルＴＡは、目標トルクレベルＴＦの６０〜８０％の範囲で選択され得る。その後、締付行程は、回転速度が速度ｖ２となる目標トルクレベルＴＦまで連続的に回転速度を減速させて完了する。
この実施例では、回転速度ｖは、後退的に低くなる比率で減速させられる。即ち、回転速度の減速は、初期段階で最も急勾配になり、停止ポイントに向けて連続的に勾配が小さくされていく。この減速は、速度制御の実行用パラメータとしてトルクを用いたアルゴリズムによって制御される。特に、このアルゴリズムは、瞬時伝達トルクＴと目標トルクレベルＴＦとの間の関係に応じて連続的に減速制御を行う。
この場合、目標トルクレベルＴＦでの速度は、一次締付段階の速度ｖ１のように予め決められた変数である。制御アルゴリズムは、モータ駆動システムから得られるトルク情報、又はトルク変換器から得られるトルク情報を用いて、モータの回転速度を連続的に調節し、所定の速度ｖ２で目標トルクレベルＴＦに到達するようにし、サイクルタイムの一部より長い間、この低速ｖ２で運転することがないようにする。
図３には、所定の速度ｖ２で目標トルクレベルＴＦに到達するための最終締付段階（ＩＩ）中の回転速度の減速方法が４種類示されている。これらの方法の全てに共通の目的は、目標ターゲットレベルでの慣性トルクオーバーシュートを制限するように速度を減速することである。
しかし、方法（１）は従来技術であり、この方法では、予め選択されたシフトトルクレベルＴＡに到達すると、第１ランニングダウン速度レベルｖ１から目標とする最終速度レベルｖ２まで、単一のステップで直接速度を減速している。このため、最終締付段階（ＩＩ）全体が低い速度で作動され、多くの時間が浪費される。
方法（２）では、実際のトルクが目標トルクレベルに近づくにつれて累進的に勾配が大きくなるよう、即ち、勾配が成長するよう速度を減速させている。これにより、サイクルタイムの減少に対して可能な限り長く速度が維持される。しかし、最終締付段階（ＩＩ）の最後に、このように非常に急勾配で速度を減速すると、システムが、異なる継手間のトルク速度の変化に非常に敏感に反応するようになってしまう。これにより、非常に剛性の継手、即ち、回転角当たりのトルク成長が非常に急勾配になっている継手に対するトルクオーバーシュートを避けるための課題が生じる。
伝達トルクへ与える慣性に及ぼす回転速度の影響が直接関係があることを注意しておくことが重要である。
方法（３）では、回転速度は、直線的に、即ち、目標トルクＴＦと実際のトルクＴとの差に比例して減速される。方法（４）は、図１に示した方法に関して上述した方法であり、この方法では、方法（３）に比べて目標トルクレベルに到達する前は、比較的長い間、回転速度が低くされる。これにより、処理は僅かに遅くなるが、異なる継手間のトルク速度の変化に対するシステムの感度を小さくすることができる。加えて、これにより、実質的に長いサイクルタイムを生じさせることなく、より信頼性の高いオーバーシュート制御が得られる。
図４に示すように、目標トルクレベルに達するまでに４種類の速度減速方法によって使われた時間間隔は大きく異なる。既に公知の一定な速度を切り換える方法（１）は、最も長い時間がかかり、望ましくない長いサイクルタイムを生じさせており、締付処理はｔ１になるまで完了しない。
他方、方法（２）は、ｔ２で目標トルクに達し、非常に速く処理が終了している。
方法（３）及び（４）は、両方共、方法（１）よりは速いが、方法（２）よりは遅い。詳細には、方法（４）は、締付処理における慣性オーバーシュートの危険に対する安全性と、最終締付段階の適度な短さとを兼ね備えている。
人間工学の観点からみると、人間の筋肉制御システムは、急激な負荷変化よりも滑らかな負荷変化の方を好むので、本発明による速度減速は作業者に向けられる反動がより小さい。また、これにより、本発明の概念で構成される速度減速方法は、作業者によって扱われるのに有利な反動トルク特性を提供する。この観点からみると、従来の方法（１）は、シフトトルクレベルＴＡでの突然の速度変化によって、トルク成長特性ｄＭ／ｄｔに折れ曲がりが生じるので、あまり好ましくないことは明らかである。これにより、反動力が不連続になり、処理をする作業者に対して具合が悪く、厄介になる。
図２に示した締付処理は、異なる回転速度レベルで処理を行う二つのステップＩＡ及びＩＢに分割された一次締付段階（Ｉ）を有する。従って、第１ステップＩＡは、比較的高い速度Ｖ1Aで作動され、伝達トルクがスナグレベル（snug level）ＴＳに達すると終了する。この時点から、第２ステップＩＢが始まり、この第２ステップは、比較的低い速度Ｖ１Ｂで一次締付段階を継続させる。
一次締付段階を回転速度の異なる二つのステップに分割することにより、非常に硬質な継手でのトルクオーバーシュートの危険を増加させることなく継手の初期の締付を高い速度に行うことができるようになるので比較的短いサイクルタイムが得られる。
本発明の範囲内で上述したように異なる特性の連続的な速度減速を提供するアルゴリズムは、簡単な数学的タスクで構築することができ、様々な方法で実施され得る。
例えば、速度ｖは、目標トルクＴＦを実際の瞬時トルクＴで割った商と、目標速度ｖ２をかけた積と、ｖ２の値とを比較することによって決められ得る。実際のトルクＴが増加するにつれて、ＴＦ／Ｔ×ｖ２の値がｖ２の値に近くなり、即ち、ＴＦ／Ｔが１に近くなり、速度はｖ２に近づく。
図１に示した方法における初期の一定速度ｖ１は、モータ駆動システムの最大速度によって決められ、速度制御アルゴリズムの結果によっては決められない。しかし、アルゴリズムの速度制御値がｖ１より低くなるので、速度減速は始まる。
本発明による締付行程は、締付行程中の回転速度が、実際の瞬時トルクレベルＴと目標トルクレベルＴＦとの実際の差に応じて制御されている点で従来の方法とは異なる。これにより、一定のインターバルの間、ネジ継手のトルク抵抗は減少し、そのインターバルの間に回転速度は刻々と増加する。何故なら、前記したインターバルの間は、実際の瞬時トルクレベルＴと目標トルクレベルＴＦとの間の差が増加するからである。最後に、トルク抵抗は目標トルクレベルＴＦに達するために常に増加する。このような方法を図５に示す。
このように、実際の瞬時トルクＴと目標トルクＴＦとの間の実際の距離に応じて回転速度の連続的調節することにより、より高い速度で最終トルクレベルＴＦに到達させる危険を冒すことなく締付速度を維持することができるという利点が得られる。
図６は、本発明を実施する装置の実施例が示されている。この装置は、回転出力軸１１とハンドル１２とを備えた携帯式電気動力ナットランナー工具１０を有する。工具１０はマルチコアケーブル（multi-core cable）１３を介して動作制御ユニットＣＵに接続されている。制御ユニットＣＵは、工具１０に電力を供給する手段と、電圧、電流、及び周波数のようなパラメータに関して工具への電力供給を管理するためのプログラム可能な手段とを備えている。適当な制御ユニットの例としては、アトラスコプコ社によって「ＰＯＷＥＲ  ＦＯＣＵＳ  ２０００」の名称で販売されている商業的に有利なシステムがある。
【図１】
0005054862.tif 000002
【図２】
0005054862.tif 000003
【図３】
0005054862.tif 000004
【図４】
0005054862.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005054862.tif 000007