JP2011125957A - ねじ部品締緩装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの回転駆動源で高速かつトルク精度の高いねじ部品の締結、緩めの双方の作業を実現し得るねじ部品締緩装置の提供。
【解決手段】ＡＣサーボモータ３の駆動を受けて回転する第１入力軸５を設け、この第１入力軸５に電磁クラッチ８を介して第２入力軸９を連結する。また、ねじ締め工具が連結される出力軸１１を設け、この出力軸１１に第２入力軸を連結するとともに、減速機１２及びツースクラッチ１４を介して前記第１入力軸５を連結する。各クラッチ８，１４をねじ部品の締付け又は緩めの各工程に合わせて制御することにより、出力軸１１に第２入力軸９から高速・低トルクの回転が伝達される状態と、第１入力軸５から減速機１２を経て低速・高トルクの回転が伝達される状態とを切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ部品の締結又は緩めを行うねじ部品締緩装置に関する。

ねじ部品をワークに締め付ける上で、ねじ締めサイクルタイムの短縮、すなわちねじ締め作業の高速化は重要な課題であり、その解決に向けて特許文献１乃至５に示す各種のねじ部品締結機が提案されている。

特許文献１乃至４に開示されたねじ部品締結機は、ねじ締め工具を高速・低トルクで回転駆動するための第１駆動手段と、低速・高トルクで回転駆動するための第２駆動手段の２個の回転駆動源を有するものである。特許文献１におけるねじ部品締結機は、第１駆動手段の駆動時には、一方向クラッチの空転作用を利用して第２駆動手段の減速抵抗を受けないようにしたものである。また、特許文献２乃至４におけるねじ部品締結機においては、第１駆動手段の駆動をベルトで出力軸乃至ねじ締め工具に伝達し、第２駆動手段の駆動は、減速機で減速・増力した上、電磁クラッチが結合した時のみ、出力軸乃至ねじ締め工具に伝達できるようにしたものである。これら特許文献１乃至４のねじ部品締結機によれば、ねじ部品を着座するまでは高速・低トルクで仮締めし、その後、最終的な目標締付トルクまで低速・高トルクで締め付けることができるが、回転駆動源が２個必要なことから、装置の大型化や重量アップ、消費電力量の増大などが問題となっていた。

そこで特許文献５のような、１個の回転駆動源で前述の高速・低トルク締め付け、低速・高トルク締め付けを切り替えられるねじ部品締結機が提案されている。この特許文献５のねじ部品締結機は、駆動モータからの入力を減速機を経由した出力と、減速機を経由しない出力の２系統に出力する構成とし、回転伝達経路上に複数の一方向クラッチを組み合わせることにより、モータ正転時には減速機を経由しない高速・低トルクの出力をドライブ軸へ伝達し、モータ逆転時には減速機を経由した低速・高トルクの出力をドライブ軸へ伝達するようにしたものである。

特開２００４−２８３９４８号公報 特開２００８−６５６０号公報 特開２００９−１６０７０９号公報 特開２００９−１７８８２３号公報 特開２００８−１１４３０３号公報

特許文献５のねじ部品締結機によれば、ねじ部品を着座するまで高速・低トルクでねじ込み、その後、目標締付トルクまで低速・高トルクで締め付ける作業を一つの回転駆動源で実現できるようになった。しかし、このねじ部品締結機においては、回転駆動源の正逆転駆動をねじ部品の締め付けに利用しているため、ドライブ軸を逆転させることができない。このため、ねじ部品を目標締付トルクまで締め付けた時に生じるねじ部品頭部とねじ締め工具との固着（喰い付き）を解除する場合等、ねじ締め工具を逆転させることができない等の問題があった。また、ねじ部品の緩め作業に対応するためには、一方向クラッチを反転した構成にするなど、締結機の組み換えが必要になるばかりか、ねじ部品の締め付け作業と緩め作業が混在する現場には適応できない等の問題もあった。

本発明は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、一つの回転駆動源で高速かつトルク精度の高いねじ部品の締結、緩めの双方の動作を実現し得るねじ部品締緩装置の提供を目的とするものである。この目的を達成するために本発明は、回転駆動源の駆動を受けて回転する第１入力軸と、回転可能に設けられた第２入力軸と、前記回転駆動源の駆動を第１入力軸及び第２入力軸双方に伝達可能な状態と第２入力軸には伝達不可能な状態とに切り替わる第１クラッチ手段と、前記第１入力軸に連結され、第１入力軸の回転を所定減速比で減速して出力可能な減速機と、ねじ部品の頭部に係合可能なねじ締め工具が連結されるとともに、前記第２入力軸の回転を受けて回転可能に構成された出力軸と、前記減速機の出力回転を出力軸に伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる第２クラッチ手段と、前記第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段による回転伝達状態がねじ部品の締め付け中又は緩め中の工程毎に所定の回転伝達状態となるよう第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段を制御する制御ユニットとを設けて成ることを特徴とする。

なお、前記制御ユニットは、ねじ部品を高速で締め付ける工程又は高速で緩める工程にあっては、第２入力軸に回転駆動源の駆動を伝達可能な状態に第１クラッチを制御するとともに、減速機の出力回転を出力軸に伝達不可能な状態に第２クラッチを制御することが望ましい。また、制御ユニットは、ねじ部品を高トルクで締め付ける工程又は高トルクで緩める工程にあっては、第２入力軸に回転駆動源の駆動を伝達不可能な状態に第１クラッチを制御するとともに、減速機の出力回転を出力軸に伝達可能な状態に第２クラッチ手段を制御することが望ましい。さらに、前記減速機は、ハーモニックドライブ（登録商標）を採用し、第１入力軸はウェーブジェネレータに連結され、第２クラッチ手段はフレクスプラインによる出力が伝達されるよう設けられていることが望ましい。また、前記第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段は、それぞれ電磁力により結合・分離可能な入力部と出力部とを備えた電磁クラッチであることが望ましい。

一つの回転駆動源でねじ部品を着座までは高速・低トルクで回転させて高速にねじ込み、着座後は低速・高トルクで回転させて所定の締付トルクまで締め付けることができ、ねじ部品の高速・高精度な締め付けが可能になる。また、既に締め付けられたねじ部品を低速・高トルクでトルク監視しながら確実に緩め、緩めトルクが低減した後は、高速・低トルクで高速に緩めて取り外すことができ、ねじ部品の高速・高精度な緩めが可能になる。このように、出力軸をねじを締め付ける方向及びねじを緩める方向の双方に所望の角度、低速・高トルク、高速・低トルクで自由に回転させることが可能なことから、従来困難であったねじ部品の締め付けによってねじ部品頭部と固着したねじ締め工具を僅かに逆転させて固着を解除する作業等も可能になる。さらに、ねじ部品が着座した時の衝撃トルクで仮締めトルクを発生させられる程度の定格出力の小さいモータで上述の効果を得ることができるため、消費電力の少ないねじ部品締緩装置を実現し、省エネに貢献することができる等の利点もある。

本発明に係るねじ部品締結装置の断面図である。 本発明に係るねじ部品締結装置の概略構成を示した動作説明図である。 本発明に係るねじ部品締結装置の概略構成を示した動作説明図である。

図１において、１は小ねじ、ボルト、ナットなどのねじ部品を締結又は緩めるためのねじ部品締緩装置であり、ケース２に取り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、第１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とを有して成る。コイル部８３は通電により電磁石となり、これにより出力部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には通電がなされず、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３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。

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る。

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を本ねじ部品締緩装置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。減速比は１／３０である。

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中空円筒状のカップリング１３に連結されている。このカップリング１３は、第２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の伝達軸部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。

また、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、歪みゲージ１６が貼付されており、起歪体１５の歪み量に応じた電気信号を出力するように構成されている。また、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。

１８は制御ユニットであり、モータ３への通電制御により正転駆動、逆転駆動を制御するとともに、電磁クラッチ８、ツースクラッチ１４の各コイル部８３，１４３への通電制御を行い、これらの回転伝達状態、すなわち後述する各クラッチのＯＮ／ＯＦＦの状態を切り替えるように構成されている。

次に、図２及び図３を用いて本ねじ部品締緩装置１の動作を説明する。ここで、図２及び図３において薄墨で塗った部位は、それぞれの状態で回転伝達を受けて回転する部位を示し、その中でも濃い薄墨を施した部位は、減速機１２の出力（減速・増力された回転）を受けて回転する部位を示す。また、図中の各矢印は各部の回転方向を示す。

本ねじ部品締緩装置１は、ねじ部品をねじ込み開始から仮締めトルクまで高速・低トルクで締め付けるための「高速締付け」、ねじ部品を仮締めトルクから最終的な目標締付トルクまで低速・高トルクで締め付けるための「高トルク締付け」、既に締め付けられたねじ部品を所定の緩めトルクまで低速・高トルクで緩める「高トルク緩め」、及び高トルク緩め後、ねじ部品を高速・低トルクで緩めて解く「高速緩め」の各工程を行えるものである。そして、表１は、各工程におけるモータ３の駆動状態、電磁クラッチ８とツースクラッチ１４の回転伝達状態を示すものである。この表１における「ＯＮ」なる語は、各クラッチのコイル部に通電がなされて入力部と出力部が結合した状態を指し、また「ＯＦＦ」なる語は、各クラッチのコイル部に通電がなされず入力部と出力部とが分離した状態を指す。

ねじ部品の「高速締付け」工程においては、表１に示すように、モータ３は正転駆動、電磁クラッチ８はＯＮ、ツースクラッチ１４はＯＦＦで作業を行う。図２（ａ）に示すように、モータ３が正転駆動すると、この駆動は主動プーリ４及び歯付きベルト７により従動プーリ６に伝達され、これによって第１入力軸５、電磁クラッチ８に回転が伝達される。この時、電磁クラッチ８はＯＮであるため、その入力部８１と出力部８２とは一体に回転可能であり、これにより第２入力軸９にも回転伝達がなされ、第１入力軸５とともに第２入力軸９も正回転する。

第１入力軸５の回転によりウェーブジェネレータ１２１も正回転し、これとは逆方向にフレクスプライン１２３が減速・増力回転する。この時、ツースクラッチ１４はＯＦＦであるため、減速機１２による減速・増力・逆転出力は、それ以上先には伝達されない。また、第２入力軸９の回転は、出力軸１１乃至ねじ締め工具に伝達される。このように高速締付け工程におけるモータ３から出力軸１１への回転伝達系路は、モータ３→主動プーリ４→従動プーリ６→電磁クラッチ８→第２入力軸９→出力軸１１となる。ねじ締め工具に伝達された正回転は、減速機１２を介さない高速・低トルクの回転であるため、ワークにねじ部品を高速でねじ込むことができる。ちなみに、この回転伝達系路での減速比は、主動プーリ５及び従動プーリ６の直径差（歯数差）で規定される１／２．４である。

ねじ部品が締め付けられる間の締付トルクは、制御ユニット１８により、起歪体１５の歪み量に基づいて演算され、監視される。すなわち、ねじ部品の締付トルクの反力は、出力軸１１から第１入力軸５又は第２入力軸９、モータ３を経由してケース２に伝達される。この時、取付フランジ１７はロボットのアーム等に固定されているため、反力の作用によって起歪体１５が歪み、これに応じた電気信号が歪みゲージ１６から制御ユニット１８に送られる。制御ユニット１８は、この歪みゲージ１６の電気信号から締付トルクを演算し、監視する。

ねじ部品がワークに着座すると、ねじ部品には慣性により目標締付トルクを上回るような過大な締付トルク（以下、これを衝撃トルクと称する）が瞬間的に作用する場合がある。このような場合、電磁クラッチ８の伝達可能トルクを仮締めトルクより大きく、最終締付トルクより小さい範囲のトルクに設定しておくことにより、衝撃トルクの作用で入力部８１と出力部８２との間に滑りを生じさせることができる。また、高速締付け工程において生じる衝撃トルクが目標締付トルクよりも小さくなるよう、予め出力トルクの小さいモータ３を選定しておいてもよい。これらにより、衝撃トルクを吸収し、ねじ部品が過剰に締め付けられるのを防止できる。

着座後に締付トルクが増大し、これが仮締めトルクに達すると、続いて「高トルク締付け」工程に移る。高トルク締付け工程では、表１に示すように、モータ３は逆転駆動、電磁クラッチ８はＯＦＦ、ツースクラッチ１４はＯＮで作業を行う。すなわち、制御ユニット１８により仮締めトルクに到達したことが検知されると、モータ３の駆動が逆転駆動に切り替えられるとともに、電磁クラッチがＯＦＦになり、ツースクラッチ１４がＯＮになる。

モータ３の逆転駆動により、図２（ｂ）に示すように、減速機１２から出力される回転は正回転となり、この回転はツースクラッチ１４を介して出力軸１１乃至ねじ締め工具に伝達される。この時、電磁クラッチ８はＯＦＦであるため、ここを通じてモータ３の駆動は第２入力軸９には伝達されない。よって、出力軸１１への回転伝達系路は、モータ３→主動プーリ４→従動プーリ６→第１入力軸５→減速機１２→ツースクラッチ１４→出力軸１１となる。これにより出力軸１１乃至ねじ締め工具は、減速機１２から出力された低速・高トルクで正回転する。このため、ねじ部品を目標締付トルクまで確実に締め付けることができるとともに、制御ユニット１８により目標締付トルクが検出されてモータ３の駆動が停止するまでの間のオーバーランニング（過剰締付け）も防止できる。

締付トルクが目標締付トルクに達したことが制御ユニット１８によって検知されると、続いて、ねじの締め付けにより固着したねじ締め工具とねじ部品の頭部とを分離させるための動作を行う。これは「高トルク緩め」工程を僅かな時間だけ行うものであり、この場合、表１に示すようにモータ３の駆動は正転駆動に切り換えられるが、電磁クラッチ８はＯＦＦ、ツースクラッチ１４はＯＮのまま作業が行われる。

モータ３が正転駆動、ツースクラッチ１４がＯＮであるため、減速機１２によって逆回転に変換された低速・高トルクの回転は、図３（ａ）に示すように、出力軸１１乃至ねじ締め工具へ伝達される。この時、電磁クラッチ８はＯＦＦなので、ここを通じてモータ３の駆動は第２入力軸９には伝達されない。よって、ねじ締め工具は低速・高トルクで逆回転し、ねじの締め付けによって固着したねじ部品の頭部から確実に分離する。なお、この時のモータ３の正転駆動時間は、ねじ締め工具を固着解除に必要な僅かな角度だけ逆回転させ得る程度に設定されており、ねじ部品が緩められることはない。

一方、既にワークに締め付けられたねじ部品を緩める場合には、まずねじ部品の頭部にねじ締め工具を係合させた状態で、「高トルク緩め」工程を行う。モータ３、電磁クラッチ８、ツースクラッチ１４の状態は、前述のねじ部品とねじ締め工具との固着解除時と同じであり、これにより、ねじ締め工具を低速・高トルクで逆回転させてねじ部品を緩めることができる（図３（ａ）参照）。この時、緩めトルクは、制御ユニット１８において、締付トルク同様、歪みゲージ１６の信号から演算されて監視される。

緩めトルクが所定のトルク、例えば電磁クラッチ８の入力部８１と出力部８２とに滑りを生じさせないトルクまで低減すると、続いて「高速緩め」工程を行う。この高速緩め工程では、表１に示すようにモータ３は逆転駆動、電磁クラッチ８はＯＮ、ツースクラッチ１４はＯＦＦで作業を行う。これにより、図３（ｂ）に示すように、高速締付け工程とは逆にねじ締め工具を高速・低トルクで逆回転させることができ、前述の高トルク緩め工程によって所定の緩めトルクまで緩められたねじ部品を高速で緩め解くことができる。

上述のように、本ねじ部品締緩装置１は、ねじ部品をワークに締め付ける場合は、仮締めトルクに達するまではねじ部品を高速・低トルクでねじ込み、そこから目標締付トルクまではねじ部品を低速・高トルクで締め付けることができるものである。また、ねじ部品を緩める場合は、所定の緩めトルクまではねじ部品を低速・高トルクで緩め、そこからはねじ部品を高速・低トルクで緩め解くことができるものである。このため、ねじ部品の締付け又は緩めに要するサイクルタイムの短縮と、高精度な締付トルク・緩めトルクの管理を両立させることが可能となる。さらに、本ねじ部品締緩装置１においては、モータ３の定格出力が小さくとも、衝撃トルクを利用することで締付時の仮締めトルクを発生させることが可能となり、かつ減速機１２を利用することで目標締付トルクやねじ部品を緩めるために必要なトルクを発生させることができる。よって、モータ３の消費電力を抑え、省エネに貢献することが可能となる。

なお、減速機１２は、遊星歯車機構等の他の減速機構を採用してもよく、また入力される回転に対して出力される回転が同じ方向の回転となる減速機を採用してもよい。例えば、上記の構成で第１入力軸５から伝達された回転と同じ方向の回転を出力する減速機を用いた場合を想定してみる。その場合のモータ３の駆動状態、電磁クラッチ８及びツースクラッチ１４の回転伝達状態を工程毎に表したのが表２である。
この表２に示すように、ねじ部品の高速締付け、高速緩めの両工程においては、上述同様の動作となる。また、ねじ部品の高トルク締付け、高トルク緩めにおいては、それぞれモータ３を上記説明とは逆に駆動するだけでよい。すなわち、高トルク締付け工程においてはモータ３を正転駆動し、高トルク緩め工程においてはモータ３を逆転駆動すればよい。このような減速機を用いる場合であっても、得られる効果は同様である。

１ ねじ部品締緩装置
２ ケース
３ ＡＣサーボモータ
４ 主動歯付きプーリ
５ 第１入力軸
６ 従動歯付きプーリ
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

Claims (5)

1. 回転駆動源の駆動を受けて回転する第１入力軸と、
   回転可能に設けられた第２入力軸と、
   前記回転駆動源の駆動を第１入力軸及び第２入力軸双方に伝達可能な状態と第２入力軸には伝達不可能な状態とに切り替わる第１クラッチ手段と、
   前記第１入力軸に連結され、第１入力軸の回転を所定減速比で減速して出力可能な減速機と、
   ねじ部品の頭部に係合可能なねじ締め工具が連結されるとともに、前記第２入力軸の回転を受けて回転可能に構成された出力軸と、
   前記減速機の出力回転を出力軸に伝達可能な状態と伝達不可能な状態とに切り替わる第２クラッチ手段と、
   前記第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段による回転伝達状態がねじ部品の締め付け中又は緩め中の工程毎に所定の回転伝達状態となるよう第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段を制御する制御ユニットと
   を設けて成ることを特徴とするねじ部品締緩装置。
2. 制御ユニットは、ねじ部品を高速で締め付ける工程又は高速で緩める工程にあっては、第２入力軸に回転駆動源の駆動を伝達可能な状態に第１クラッチを制御するとともに、減速機の出力回転を出力軸に伝達不可能な状態に第２クラッチ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緩装置。
3. 制御ユニットは、ねじ部品を高トルクで締め付ける工程又は高トルクで緩める工程にあっては、第２入力軸に回転駆動源の駆動を伝達不可能な状態に第１クラッチを制御するとともに、減速機の出力回転を出力軸に伝達可能な状態に第２クラッチ手段を制御することを特徴する請求項１又は請求項２に記載のねじ部品締緩装置。
4. 減速機は、ハーモニックドライブ（登録商標）であり、第１入力軸はウェーブジェネレータに連結され、第２クラッチ手段はフレクスプラインによる出力が伝達されるよう設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のねじ部品締緩装置。
5. 第１クラッチ手段及び第２クラッチ手段は、それぞれ電磁力により結合・分離可能な入力部と出力部とを備えた電磁クラッチであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載のねじ部品締緩装置。