JPH068074A - ネジ締め付け装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 締め付けの間にネジ類に付与される押し付け
力を一定に保つことによって、ネジ類のカジリを防止す
ることができるネジ締め付け装置を提供する。 【構成】 ボルト５０にソケット４２が嵌合した後、制
御ユニット１０の操作で多関節ロボット２０が作動し、
ナットランナ２６がＸ軸方向に所定距離移動して、ソケ
ット４２がＸ軸方向に所定の押し付け力でボルト５０に
押し付けられる。内蔵された駆動モータ３０でソケット
４２が回転して締め付けが開始されると、制御ユニット
１０でネジピッチＰとソケット４２の回転数Ｎとからネ
ジ込み量ｘが算出され、多関節ロボット２０によって距
離ｘだけナットランナ２６がＸ軸方向に移動する。この
結果、ボルト５０の締め付けに伴うソケット４２の前進
分だけナットランナ２６も前進するため、コイルスプリ
ング３８が常に所定の縮み量を維持し、ソケット４２に
付与される押し付け力が所定の大きさに保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ボルト，ナット等を
自動的に締め付けるためのネジ締め付けロボットに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】機械の組み立て工程等において、ボル
ト，ナット，ネジ等を自動的に締め付けるために、種々
のネジ締め付け装置が開発され、使用されている。例え
ば、多関節ロボットによって三次元的に移動可能なユニ
ットに、ナットランナを取り付けた構造のネジ締め付け
装置が使用される。このネジ締め付け装置においては、
ナットランナのソケットをボルトヘッド等に嵌合させ
て、駆動モータでソケットを回転させることによって、
自動的にボルト等の締め付けが行われる。このようなネ
ジ締め付け装置においては、ソケットの回転時に反力に
よってボルトヘッド等からソケットが外れてしまうのを
防ぐために、押し付け力を付与しながら締め付けを行う
必要がある。

【０００３】このための方法として、例えば、特開平２
−２８４８３３号公報に開示されたネジ締め方法の発明
がある。この公報に記載された技術においては、ネジ部
材に対して一定の加圧力を付与しながら締め付けを行
い、ねじ込みとともにネジ締めヘッドを移動させてい
る。しかしながら、かかる移動式の加圧力制御機構は装
置が複雑になることから、より簡単な機構として、スプ
リングにより押し付け力を付与する方法が用いられる。
すなわち、ナットランナのソケット部分をスライド可能
として、このソケット部分がスプリングによって軸方向
に付勢されている。このスプリングの押し付け力によっ
て、ソケットがボルト等に押し付けられながら回転し
て、締め付けが行われる。このような方式をとることに
よって、上記公報に記載の技術におけるような移動機構
および加圧機構を必要としないため、構成が簡単になり
装置が安価になるという利点が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
スプリング押し付け方式による締め付けの際には、ネジ
類のカジリが多発することがわかった。このようにネジ
類のカジリが多発することによって、その度にネジ締め
付け装置を停止させてカジリが発生した部材を交換する
必要があるため、ネジ類の自動締め付け工程の効率が著
しく低下してしまうという問題点があった。そこで、こ
のネジ類のカジリの発生について、本発明者らが鋭意研
究した結果、締め付け中に発生するネジ類のカジリの大
部分が、スプリングによる押し付け力の変化に起因する
ものであることが判明した。すなわち、上記の方法にお
いては、スプリングによる付勢力は、ボルト等のネジ類
の締め付けに伴ってソケットが前進してスプリングが伸
びるため、次第に弱まっていく。この結果、締め付けの
間の押し付け力が一定にならず、経時的に変化する。こ
のように押し付け力が変化すると、カジリが多発するこ
とがわかった。特に、締め付けの最終段階まで必要な押
し付け力を付与するためには、締め付けの初期に過大な
押し付け力を与える必要があり、この締め付け初期には
とりわけカジリが発生し易くなる。そこで本発明におい
ては、バネ手段を用いた簡単な構成において、締め付け
の間にネジ類に付与される押し付け力を一定に保つこと
によって、ネジ類のカジリを防止することができるネジ
締め付け装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで本発明において
は、上記課題を解決するために、ソケット支持部に対し
て軸方向にスライド可能に取り付けられたソケットと、
該ソケットと前記ソケット支持部の間に嵌挿され、該ソ
ケットに対して軸方向に押し付け力を付与するバネ手段
と、前記ソケットを軸回りに回転させるソケット回転手
段とを有するナットランナを備えたネジ締め付け装置で
あって、ネジピッチと前記ソケットの回転数とからネジ
込み量を算出するネジ込み量算出手段と、該ネジ込み量
算出手段により算出されたネジ込み量に相当する距離だ
け前記ナットランナを前記ソケットの軸方向に移動させ
るナットランナ移動手段とを有するネジ締め付け装置を
創出した。

【０００６】

【作用】さて、上記構成を備えた本発明に係るネジ締め
付け装置によると、ネジ類の自動的な締め付けが、以下
のようにして行われる。まず、ソケットがネジ類のヘッ
ド（ボルトヘッド，ナット等）に嵌合させられる。続い
て、ナットランナ本体が軸方向に所定距離だけ移動させ
られて、ソケットとナットランナ本体の間に嵌挿された
バネ手段が縮められる。これによって、ソケットに対し
て軸方向に所定の押し付け力が付与されて、ソケットが
ネジ類のヘッドに押し付けられる。この状態から、ソケ
ット回転手段によってソケットが軸回りに回転させられ
て、ネジ類の締め付けが開始される。この締め付け中に
おいて、ネジ込み量算出手段によって、ネジピッチとソ
ケットの回転数とからネジ込み量が算出される。そし
て、ナットランナ移動手段によって、前記算出されたネ
ジ込み量に相当する距離だけ、ナットランナがソケット
の軸方向に移動させられる。これによって、ネジ類の締
め付けに伴ってソケットが前進する分だけナットランナ
も追従して移動する。この結果、ソケットとナットラン
ナ本体の間に嵌挿されたバネ手段が常に所定の縮み量を
維持し、バネ手段によってソケットに対して付与される
押し付け力が所定の大きさに保たれる。このようにし
て、バネ手段を用いた簡単な構成において、締め付けの
間にネジ類に付与される押し付け力を一定に保つことに
よって、ネジ類のカジリを防止することができる。

【０００７】

【実施例】次に、本発明を具現化した一実施例につい
て、図１〜図５を参照して説明する。図１は本発明に係
るネジ締め付け装置の一実施例を示す図であり、図１
（Ａ）は本実施例のネジ締め付け装置の全体構成を示す
図である。また、図１（Ｂ）は、ネジ締め付け装置を構
成するナットランナの構造を示す断面図である。図１
（Ａ）に示されるように、本実施例のネジ締め付け装置
２は、多関節ロボット２０と、この多関節ロボット２０
にナットランナ取り付け板２８を介して固定された二台
のナットランナ２６Ａ，２６Ｂを中心として構成されて
いる。

【０００８】前記ナットランナ取り付け板２４は、多関
節ロボット２０の先端に固定されており、多関節ロボッ
ト２０の作動によって三次元的に移動することが可能に
なっている。この多関節ロボット２０およびナットラン
ナ２６Ａ，２６Ｂの作動は制御ユニット１０によって制
御され、このための制御信号は制御信号入力線１２によ
って、制御ユニット１０から多関節ロボット２０および
ナットランナ２６Ａ，２６Ｂに入力される。一方、多関
節ロボット２０およびナットランナ２６Ａ，２６Ｂの作
動を示す信号が、作動信号出力線１４によって制御ユニ
ット１０に出力される。制御ユニット１０は、ＣＰＵ
（中央処理装置）とＲＡＭ，ＲＯＭのメモリ等を備え、
これらがバスによってデータ転送自在に接続されたコン
ピュータシステムである。この制御ユニット１０におい
て、作動信号出力線１４で伝達される多関節ロボット２
０，ナットランナ２６Ａ，２６Ｂの作動に関する情報が
処理され、これらの作動を制御する信号が出力される。

【０００９】前記ナットランナ２６Ａおよび２６Ｂは、
ナットランナ基台部２８Ａおよび２８Ｂにおいて、ナッ
トランナ取り付け板２４に固定されている。このナット
ランナ基台部２８Ａ，２８Ｂ上に、ナットランナ本体部
３４Ａ，３４Ｂ，シリンダ３６Ａ，３６Ｂ，ソケット部
材４０Ａ，４０Ｂが取り付けられている。このナットラ
ンナ２６Ａ，２６Ｂの構造について、図１（Ｂ）の断面
図を参照して詳細に説明する。二台のナットランナ２６
Ａ，２６Ｂは、いずれも図１（Ｂ）に示される構造を有
している。図１（Ｂ）に示されるように、前記ナットラ
ンナ基台部２８には、駆動モータ３０およびトルクトラ
ンスデューサ３２が内蔵されている。駆動モータ３０
は、前記シリンダ３６を回転させることによって、ソケ
ット部材４０を回転させるナットランナ駆動用のモータ
である。また、トルクトランスデューサ３２は、この駆
動モータ３０の回転時のトルクを測定するためのトルク
測定器である。駆動モータ３０には、制御信号入力線１
２が分岐して接続されており、トルクトランスデューサ
３２には、作動信号出力線１４が分岐して接続されてい
る。

【００１０】図１（Ｂ）に示されるように、ナットラン
ナ本体３４には、シリンダ３６が軸回りに回転可能に取
り付けられている。このシリンダ３６の内部には、シリ
ンダ穴３６ａが設けられており、このシリンダ穴３６ａ
にはソケット部材４０が嵌合している。シリンダ穴３６
ａの右側は小径部３６ｂとなっており、ソケット部材４
０の後端に設けられたピストン部４６が小径部３６ｂの
段差に当接することによって、ソケット部材４０の抜け
止めがされている。前記小径部３６ｂの内壁にはスプラ
イン歯が設けられており、一方ソケット部材４０の外周
にはこれと対応するスプライン歯が設けられている。以
上の構造によって、ソケット部材４０とシリンダ３６と
は、軸方向にスライド可能で軸回りには相対回転不能に
スプライン結合されている。ソケット部材４０の先端に
は太径のソケット部４２が設けられており、このソケッ
ト部４２には、ボルトヘッドやナットの外周に嵌合する
六角形の嵌合穴４４が設けられている。さらに、ソケッ
ト部４２とシリンダ３６の間には、コイルスプリング３
８が嵌挿されている。このコイルスプリング３８は、ソ
ケット部材４０に対して図１（Ｂ）の右方向への押し付
け力を付与するバネ手段である。

【００１１】次に、前記多関節ロボット２０によるナッ
トランナ２６Ａ，２６Ｂの位置制御の方法について、図
２を参照して説明する。図２（Ａ）はネジ類の一例とし
てのボルトを示す正面図であり、図２（Ｂ）はナットラ
ンナのＸ軸方向の位置の経時変化を示す説明図である。
ナットランナ２６Ａ，２６Ｂによるボルト５０Ａ，５０
Ｂの回転数すなわちソケット部材４０Ａ，４０Ｂの単位
時間当たりの回転数Ｎは、制御ユニット１０から制御信
号入力線１２を通じて伝達される制御信号によって定め
られる。同時に、制御ユニット１０において、この時間
当たり回転数Ｎの値と、図２（Ａ）に示されるボルト５
０のピッチＰと、締め付け経過時間ｔとから、図２
（Ｂ）に示されるように、ボルト５０の進行距離すなわ
ちねじ込み量ｘが算出される。後述するように、この算
出結果に基づいた制御信号が、制御信号入力線１２によ
って、制御ユニット１０から多関節ロボット２０に伝達
される。この制御信号によって多関節ロボット２０が作
動して、このねじ込み量と同じ距離ｘだけナットランナ
３０がＸ軸方向に移動するのである。

【００１２】さて、以上のような構成を有する本実施例
のネジ締め付け装置２によるネジ類の自動締め付けにつ
いて、ボルトの締め付けを例にとって、図１〜図３を参
照して説明する。まず、図１に示されるように、図示し
ない部材に仮締めされた２個のボルト５０Ａ，５０Ｂの
ヘッド５２Ａ，５２Ｂに、ソケット４２Ａ，４２Ｂがそ
れぞれ嵌合させられる。続いて、制御ユニット１０の制
御によって、多関節ロボット２０が作動して、ナットラ
ンナ取り付け板２４が、図１のＸ軸方向に所定距離だけ
移動させられる。この所定距離は、このナットランナ２
６Ａ，２６Ｂの移動によって縮められたコイルスプリン
グ３８Ａ，３８Ｂの弾性力によってソケット４２Ａ，４
２Ｂに与えられる押し付け力が、所定の大きさになるよ
うに予め決められている。これによって、ソケット４２
Ａ，４２Ｂに対してＸ軸方向に所定の押し付け力が付与
されて、ソケット４２Ａ，４２Ｂがボルト５０Ａ，５０
Ｂのヘッド５２Ａ，５２Ｂに押し付けられる。

【００１３】この状態から、ソケット回転手段３０によ
ってソケット４２が軸回りに回転させられて、ボルト５
０の締め付けが開始される。ここで前述の如く、制御ユ
ニット１０において、ネジピッチＰとソケットの時間当
たり回転数Ｎとから時間当たりのネジ込み量ｘ／ｔの値
が算出され、記憶されている。ボルトの締め付け中に
は、制御ユニット１０内のタイマカウンタによって、駆
動モータ３０の回転開始からの経過時間ｔが算出され
る。この経過時間ｔと、制御ユニット１０に記憶された
時間当たりネジ込み量ｘ／ｔとから、ネジ込み量ｘが算
出される。そして、多関節ロボット２０によって、算出
されたネジ込み量ｘに相当する距離だけ、ナットランナ
２６がＸ軸方向に移動させられる。これによって、ボル
ト５０の締め付けに伴ってソケット４２が前進する分だ
けナットランナ２６も追従して移動する。この結果、ソ
ケット４２とナットランナ本体３６の間に嵌挿されたコ
イルスプリング３８が常に所定の縮み量を維持し、ソケ
ット４２に対して付与される押し付け力が所定の大きさ
に保たれる。

【００１４】この結果を表示したのが、図３のグラフで
ある。図３は、ネジ締め付け装置における押し付け力の
経時変化を示すグラフである。図３の横軸が締め付け経
過時間（単位・秒）であり、縦軸が押し付け力（単位・
Ｎ）である。図３において、白丸を連ねた曲線６２が、
従来のネジ締め付け装置による押し付け力の経時変化を
示すものであり、黒丸を連ねた曲線６４が本実施例のネ
ジ締め付け装置２によるものである。従来のネジ締め付
け装置においては、曲線６２で示されるように、ネジ類
の締め付けに伴ってソケットが前進すると、スプリング
が伸びて押し付け力が次第に弱まっていく。このため、
締め付けの最終段階において最低限度必要な押し付け力
を確保するため、締め付けの初期に過大な押し付け力を
与える必要があり、この締め付け初期にはとりわけカジ
リが発生し易くなっていた。これに対して、本実施例の
ネジ締め付け装置２においては、曲線６４で示されるよ
うに、締め付けの間にネジ類に付与される押し付け力を
一定に保つことができる。また、締め付けの初期段階に
過大な押し付け力を付与する必要がない。これによっ
て、ネジ類のカジリを防止することができる。

【００１５】さて、前述の如く、ナットランナを用いた
自動締め付けにおいて発生するネジ類のカジリの大部分
は、押し付け力の変化に起因するものである。しかしな
がら、実際の工程においては、それ以外の原因によって
も、稀にネジ類のカジリが発生することがある。本実施
例のネジ締め付け装置２には、このような場合にカジリ
の発生を検出するための機構が備えられている。このカ
ジリ発生の検出機構について、図１，図４および図５を
参照して説明する。図１（Ｂ）に示されるように、ナッ
トランナ基台部２８内の駆動モータ３０には、トルクト
ランスデューサ３２が取り付けられている。このトルク
トランスデューサ３２で駆動モータ３０の回転時のトル
クが測定されて、トルク値に相当する検出信号が、作動
信号出力線１４から制御ユニット１０に出力される。こ
の駆動モータ３０の回転トルクの値を用いて、カジリ発
生の検出が行われる。

【００１６】理論上、ネジ類に与えられる押し付け力が
一定であれば、ネジ締め付け装置の締め付け中における
締め付けトルクの経時変化は、常に一定の曲線に従う。
このトルクの経時変化を示したのが、図５のグラフであ
り、横軸が締め付け経過時間ｔ、縦軸が締め付けトルク
Ｔである。図５（Ａ）および（Ｂ）に示される曲線Ｔ
₀(t)が、上述した理論的な締め付けトルク曲線である。
ここで、図５（Ａ）の横軸のＴＡの区間は、ナットラン
ナが逆転されている。これは、ネジ類の先端を雌ネジに
当接させた状態で逆転させると、ネジ類の先端が雌ネジ
の口に螺合した時点で、図５（Ａ）のＴＡの区間に示さ
れるように曲線Ｔ₀(t)がピークを示す。これを利用し
て、ネジ類の先端が雌ネジの口に確実に螺合させるため
である。次に、ＴＢの区間においてはナットランナが低
速で正転され、図５（Ａ）に示されるように再びピーク
を示してネジ類の螺合が確立された後に、ＴＣの区間に
おいてナットランナが高速で正転されて、ネジ類の締め
付けが完了する。

【００１７】この理論トルク曲線について、図５（Ａ）
に示されるように、横軸ｔがｔ₁ 〜ｔ_n までの微小時間
に区分され、曲線Ｔ₀(t)の各時間区分ｔ_n におけるＴの
値が、制御ユニット１０内のメモリに記憶されている。
一方、トルクトランスデューサ３２で測定される駆動モ
ータ３０の回転トルクが、制御ユニット１０において、
実際の締め付けトルクの値Ｔ_r (t) に換算される。この
実トルクの値Ｔ_r (t) が、各時間区分ごとに上述した理
論トルクの値Ｔ₀(t)と比較されて、カジリの発生の有無
が判定される。カジリが発生した場合には、実トルクの
経時変化を示す曲線が、図５（Ｂ）に示される曲線Ｔ_r
(t) のようになる。そこで、各時間区分ｔ_n ごとに実ト
ルクの値Ｔ_r (t) と理論トルクの値Ｔ₀(t)との差分をと
り、この差分の累計値Ｌが所定の値を越えた場合等に、
カジリ発生と判定することになる。

【００１８】制御ユニット１０におけるカジリ発生の判
定の具体的な手順について、図４を参照して説明する。
図４は、カジリの発生を判定するための手順を示すフロ
ーチャートである。図４のステップＳ１０において判定
プログラムが開始され、まずナットランナが作動し、駆
動モータの回転によってボルトの締め付けが開始される
（ステップＳ１２）。そして、締め付け中の各時間区分
ｔ_n ごとに、実トルクの値Ｔ_r (t)と理論トルクの値Ｔ₀
(t)との差分が算出される。ここで、実トルクの値Ｔ
_r (t) が理論トルクの値Ｔ₀(t)よりも大きい状態、すな
わちＴ₀(t)−Ｔ_r (t) ＜０となる状態が所定時間Ｃ₁ 以
上連続したときは、カジリ発生と判定される（ステップ
Ｓ１４）。この場合には、回転数の値がＮ₂ （逆回転か
つ低速回転）に修正され、ナットランナを逆回転させな
がら多関節ロボット２０が後退させられる（ステップＳ
１６）。

【００１９】一方、ステップＳ１４においてＮＯと判定
されれば、ステップＳ１８に進んで、図５（Ｂ）に示さ
れる差分の累計値Ｌが所定の値Ｃ₂ を越えたか否かが判
定される。そして、Ｌ＞Ｃ₂ の場合には、やはりカジリ
発生と判定されて、ｘ₂ ＝（Ｌ−Ｃ₂ ）／Ｍ で与えら
れる距離ｘ₂ だけ、多関節ロボット２０が後退させられ
る（ステップＳ２０）。なお、Ｍは経験的に得られる定
数であり、多数の実験データから、上記の式で与えられ
る距離ｘ₂ だけナットランナを後退させて再締め付けを
行うことにより、カジリ現象が解消されることが明らか
になっている。

【００２０】一方、ステップＳ１８においてＮＯと判定
されれば、ステップＳ２２に進んで、ナットランナの現
時点での締め付けトルクが所定値以上か、そしてナット
ランナの現時点での締め付けトルクが所定値以上かが判
定される。いずれも所定値に達していれば、締め付けが
完了したものとしてナットランナの作動は停止し、プロ
グラムは終了する（ステップＳ２４）。ステップＳ２２
における判定がＮＯであれば、締め付けが未完了である
ので、再びステップＳ１２に戻って、そのまま締め付け
が続行される。このようにして、本実施例のネジ締め付
け装置２においては、押し付け力の経時変化以外の原因
によって万が一カジリ現象が発生した場合にも、直ちに
これを検出して締め付けの修正を行うことができる。

【００２１】本実施例においては、多関節ロボット２０
の先端に二台のナットランナを取り付けた構成とした
が、ナットランナの数については、一台またはその他の
数としても構わない。また、上述したカジリ発生の検出
機構については、本発明を構成する上で必要不可欠なも
のではない。さらに、ソケット部材４０や、コイルスプ
リング３８等の形状，大きさ等も例示に過ぎず、これ以
外にも種々の形状，大きさ等とすることができる。ネジ
締め付け装置のその他の部分の構造，形状，大きさ，材
質，数，配置等についても、本実施例に限定されるもの
ではない。

【００２２】さらに、本実施例に固有の効果として、ト
ルクトランスデューサ３２で測定される駆動モータ３０
の回転トルクを用いてカジリの発生を検出できる構成と
したため、押し付け力の経時変化以外の原因によって万
が一カジリ現象が発生した場合にも、直ちにこれを検出
して締め付けの修正を行うことができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明においては、ネジピッチとソケッ
トの回転数とからネジ込み量を算出するネジ込み量算出
手段と、ネジ込み量に相当する距離だけナットランナを
ソケットの軸方向に移動させる移動させるナットランナ
移動手段とを有するネジ締め付け装置を創出したため
に、締め付けの間にバネ手段によってネジ類に付与され
る押し付け力が一定に保たれて、ネジ類のカジリを防止
することができる。これによって、バネ手段を用いた簡
単な構成によって、自動締め付け工程の効率を飛躍的に
向上させることができる実用的なネジ締め付け装置とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るネジ締め付け装置の一実施例を示
す全体構成図および部分断面図である。

【図２】ネジ締め付け装置におけるナットランナの位置
制御の方法を示す説明図である。

【図３】ネジ締め付け装置における押し付け力の経時変
化を示す図である。

【図４】ネジ締め付け装置におけるカジリの発生を判定
するための手順を示すフローチャートである。

【図５】ネジ締め付け装置における締め付けトルクの経
時変化を示す図である。

【符号の説明】

２ ネジ締め付け装置 １０，ネジ込み量算出手段 ２０，２４ ナットランナ移動手段 ２６ ナットランナ ３０ ソケット回転手段 ３６ ソケット支持部 ３８ バネ手段 ４２ ソケット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ソケット支持部に対して軸方向にスライ
   ド可能に取り付けられたソケットと、該ソケットと前記
   ソケット支持部の間に嵌挿され、該ソケットに対して軸
   方向に押し付け力を付与するバネ手段と、前記ソケット
   を軸回りに回転させるソケット回転手段とを有するナッ
   トランナを備えたネジ締め付け装置であって、 ネジピッチと前記ソケットの回転数とからネジ込み量を
   算出するネジ込み量算出手段と、 該ネジ込み量算出手段により算出されたネジ込み量に相
   当する距離だけ前記ナットランナを前記ソケットの軸方
   向に移動させるナットランナ移動手段、とを有するネジ
   締め付け装置。