JP4329377B2

JP4329377B2 - Nut runner with axial force meter

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Publication number: JP4329377B2
Application number: JP2003090951A
Authority: JP
Inventors: 徳哲金原; 徳明金原; 博明矢野; 穰田中
Original assignee: センサ・システム株式会社; 徳哲金原
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004291217A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸力計付きナットランナーに係わり、更に詳しくは軸力計付きナットランナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ソケットに回転力を伝達するシャフトにトルク計を組み込んで、ボルトの締付力を確認できる構造のナットランナーが提供されている。しかし、トルク計で計測されるトルク値は、ボルト締付時のボルトと被締付部材との間の摩擦力等によってその値は大きく変動し、しかも被締付部材の締付力、即ちボルトの軸力を直接表すものではないのである。
【０００３】
そこで、特許文献１には、締結ボルトの軸力を計測できるボルト締結機が開示されている。つまり、ナットランナー制御装置を備えたナットランナーのツ−ルユニットには、回転伝達用のシャフト部が設けられ、このシャフト部には、締結ボルトの頭部に適合する係合穴を形成したソケットが取付けられている。この係合穴の奥側には、圧電素子を備えた測定センサーが組込まれ、この圧電素子が外部の超音波送受信装置及び測定系ユニットにそれぞれ電気的に接続される。この圧電素子は、縦波及び横波の両超音波を同時発信するもので、締結ボルトの頭部からネジ部に至る往復の伝播時間を測定分析することによって精密なボルトの軸力が計測できる。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載のボルト締結機は、シャフト部と同軸で一体回転するソケットの軸芯部に設けた圧電素子をボルトの頭部に直接接触又はグリセリン系の粘性流動体を介して間接接触させ、圧電素子の縦波、横波発生用の圧電ドメインで発生した振動をボルトに伝達し、その反射波を同じく圧電素子で受信する構造であるので、従来のボルトの外部から超音波を導入する原理の軸力計と同様に、ボルト頭部の研磨や粘性流動体を介在させる等の前処理に手間と時間がかかるといった問題を残しているとともに、圧電素子からなるセンサがソケットと共に常時回転し、また振動を受けるので、センサの耐久性に問題があり、更にセンサと制御装置との間のケーブルがシャフト部に設けられたスリップリングを介して接続されているので、スリップリングの耐久性の問題やスリップリング自体がノイズの発生源となるといった問題を有している。
【０００５】
尚、本出願人のセンサ・システム株式会社は、既に特許文献２，３に示すようなボルトの軸力を直接測定可能なボルト締付力検査装置を提供している。つまり、特許文献２には、軸心に貫通孔を有し、該貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有する環状磁石と励振コイルとを同軸状に配設して構成される振動生成体と、前記振動生成体にボルト頭部が当接したとき前記貫通孔を通して突出してボルト頭部に一端を当接する振動伝達棒と、該振動伝達棒の他端に接続した振動検出器とを有する振動検出体と、を備えるとともに、前記励振コイルに段階的に周波数の変動するパルス電流を供給する励振回路と、前記振動検出器において前記振動伝達棒の縦振動を検出して出力される発振信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器と、該Ａ−Ｄ変換器の出力信号に基づき共振周波数を算出する演算部とからなる制御装置を備えたボルト締付力検査装置を提供している。このボルト締付力検査装置は、電磁的にボルトに直接振動を発生させるので、従来の超音波を外部から導入する方式のものに比べて、前処理が不要、取扱いが簡単といった利点がある。また、振動生成体と振動検出体が分離しているので、振動ノイズに対しても強いといった特長がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１４１２４１
【特許文献２】
特許第３１７２７２２号
【特許文献３】
ＷＯ０２／０９５３４６Ａ１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、締付けたボルトの軸力を瞬時に測定することができ、あるいは軸力の良否を瞬時に検査することができ、またボルトに前処理を施す必要がなく、取扱いが容易であり、更に耐久性にも優れた軸力計付きナットランナーを提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題解決のために、ベース体に対して可動体を直線駆動可能に連結し、該可動体に設けた保持枠に、サーボモータと減速機を少なくとも備えたトルク発生体を取付けるとともに、一端部にボルト頭部と係合する係合穴を設け且つ他端部を開放した円筒状のソケット体を、前記トルク発生体の駆動軸と軸芯をずらせて回転可能に取付け、前記駆動軸とソケット体を回転伝達機構にて連結してなり、そしてボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体を有するプローブを、少なくとも該振動検出体が前記ソケット体の内部に位置するように配置するとともに、該プローブを前記可動体に対して直線駆動可能な可動部材に取付け、前記ソケット体の係合穴に係合したボルト頭部に前記プローブを接触させてその軸力を測定することを特徴とする軸力計付きナットランナーを構成した。
【０００９】
ここで、前記回転伝達機構が、前記駆動軸に固定した第１歯車と、前記ソケット体の外周に設けた第２歯車との噛合によるものであること、また前記ソケット体の内部に、前記プローブを非接触状態で配置してなること、また前記ソケット体の一端部に、中心に前記係合穴を有する円板を着脱可能に取付けてなること、更に前記トルク発生体には、前記減速機と駆動軸の間にトルクセンサを配置してなることが好ましい。
【００１０】
そして、前記振動生成体は、軸心に振動伝達棒が挿通し得る貫通孔を有し、この貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石を単又は複数軸方向に配置し、環状磁石の外周側又は内周側に励振コイルを同軸状に配置したものであり、前記振動検出体は、円筒状のスリーブ内に振動検出器を軸方向へスライド可能に配し且つ先端方向へ弾性付勢するとともに、該振動検出器に前記振動伝達棒が振動を伝達できるように連結されたものであり、円筒状のケーシング内に少なくとも前記スリーブの両端部を振動を吸収する防振材を介して密着保持するとともに、先端に前記振動検出体を取付けてその貫通孔から前記振動伝達棒の先端を露出させたプローブを用いてなるのである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき更に詳細に説明する。図１〜図９は、本発明に係る軸力計付きナットランナーを示し、図１０〜図１２はボルト軸力計を示し、図中符号１はベース体、２は可動体、３は保持枠、４はトルク発生体、５はサーボモータ、６は減速機、７は駆動軸、８はソケット体、９は回転伝達機構、１０は係合穴、１１は可動部材、１００はプローブ、１０１は振動生成体、１０２は振動検出体、１０３は制御装置、１０４は振動伝達棒をそれぞれ示している。
【００１２】
本発明に係る軸力計付きナットランナーは、ベース体１に対して可動体２を直線駆動可能に連結し、該可動体２に設けた保持枠３に、サーボモータ５と減速機６を少なくとも備えたトルク発生体４を取付けるとともに、一端部にボルト頭部と係合する係合穴１０を設け且つ他端部を開放した円筒状のソケット体８を、前記トルク発生体４の駆動軸７と軸芯をずらせて回転可能に取付け、前記駆動軸７とソケット体８を回転伝達機構９にて連結してなり、そしてボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体１０１及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体１０２を有するプローブ１００を、少なくとも該振動検出体１０２が前記ソケット体８の内部に位置するように配置するとともに、該プローブ１００を前記可動体２に対して直線駆動可能な可動部材１１に取付け、前記ソケット体８の係合穴１０に係合したボルト頭部に前記プローブ１００を接触させてその軸力を測定するようにしたものである。ここで、前記駆動軸７とソケット体８の軸芯をずらせるとは、平行に変位させることは勿論、直角に変位させたり、任意の角度だけ変位させることも含む概念である。
【００１３】
更に詳しくは、前記ベース体１は、板状又はチャンネル状の長尺部材であり、図７に示すように固定部Ｃやロボットアーム等の可動部（図示せず）に取付けるものである。そして、前記ベース体１には、その長手方向に沿ってガイドレール１２を設けてあり、前記可動体２に取付けたライナー１３が前記ガイドレール１２に案内されて直線移動できるように連結されている。また、前記ベース体１の一端部（図面では上端部）には前記ガイドレール１２と略直角に固定板１４を取付け、該固定板１４にエアシリンダー１５を取付け、該エアシリンダー１５のピストン１６と前記可動体２の端部とを連結具１７にて連結している。従って、前記エアシリンダー１５に加圧空気を供給することにより、前記ベース体１に対して前記可動体２を直線駆動可能としている。尚、前記エアシリンダー１５に代えて、油圧シリンダーは勿論、ラックとピニオン、スプロケットとチェーン、プーリとタイミングベルト等の他の直線駆動手段を用いることが可能である。
【００１４】
そして、図１及び図４に示すように、前記可動体２の端部（図面では下端部）に設けた保持枠３に、前記トルク発生体４を取付けるとともに、前記ソケット体８を回転可能に取付けている。前記保持枠３は、前記可動体２の端部に上下に間隔を設けて上板１８と下板１９と中間板２０を取付けるとともに、両上板１８と下板１９の端部間を連結板２１で連結したものであり、更に両側にカバー板２２，２２を取付けて周囲を完全に塞いでボックス状としたものである。そして、前記トルク発生体４の本体を前記保持枠３の上板１８に固定するとともに、該保持枠３の内部には衝撃緩衝体２３を介して前記駆動軸７が延び、該駆動軸７は前記下板１９と中間板２０とに軸受２４，２４にて回動可能に支持されている。また、前記ソッケト体８は、前記駆動軸７と平行に同様に前記下板１９と中間板２０とに軸受２５，２５にて回動可能に支持されている。また、前記ソッケト体８の中心軸を延長した前記上板１８には前記プローブ１００が通過可能な開口２６を形成している。
【００１５】
更に、前記プローブ１００を、少なくとも該振動検出体１０２が前記ソケット体８の内部に位置するように非接触状態で配置するとともに、該プローブ１００を前記可動体２に対して直線駆動可能な可動部材１１に取付けている。それには、前記可動体２に直線状のガイドレール２７を取付け、前記可動部材１１に取付けたランナー２８を前記ガイドレール２７に沿って直線移動可能に連結し、更に前記可動体２の上部に取付けたエアシリンダー２９のピストン３０を緩衝連結具３１にて前記可動部材１１の状端部と連係させている。尚、前記同様に、エアシリンダー２９は他の直線駆動手段で置き換え可能である。
【００１６】
ここで、前記緩衝連結具３１は、図１、図３及び図４に示すように、軸体３２の上下端部にフランジ部３３，３３を突設し、前記可動部材１１の上端に取付けた支持板３４の孔を前記フランジ部３３，３３間の軸体３２に上下移動可能に外装するとともに、該支持板３４と上方のフランジ部３３間で軸体３２に圧縮コイルばね３５を介装している。そして、前記可動部材１１の下端部は、前記開口２６を通して保持枠３の内部に至り、その下端に設けた装着部３６に前記プローブ１００の上部を保持している。この場合、前記エアシリンダー２９を駆動しても、前記圧縮コイルばね３５の弾性力で上限が規制された押圧力で前記プローブ１００を下方へ駆動してボルト頭部Ｂに接触させるようになっている。尚、前記プローブ１００の上端に接続されたケーブル１２８は、前記上板１８の開口２６を通して支持枠３から引き出されている。
【００１７】
次に、前記回転伝達機構９は、図４及び図６に示すように、前記駆動軸７に固定した第１歯車３７と、前記ソケット体８の外周に設けた第２歯車３８との噛合によるものである。本実施形態では、前記第２歯車３８は、複数のローラピン３９，…をソケット体８の外周に形成した環状溝内に軸方向に平行で且つ等間隔に取付けたものであり、前記第１歯車３７は前記ローラピン３９を受入れる凹部を全周に形成したものである。尚、前記回転伝達機構９としては、通常の平歯車や、傘歯歯車、スプロケットとチェーン等の回転伝達手段を採用することができる。
【００１８】
また、前記ソケット体８の一端部に、中心に前記係合穴１０を有する円板４０を着脱可能に取付けている。こうすることによって、異なる大きさのボルトＢでも、それに対応する係合穴１０を有する円板４０を取り替えることで済むのである。
【００１９】
また、前記トルク発生体４の本体部には、前記減速機６と駆動軸７の間にトルクセンサ４１を配置すれば、前記プローブ１００によるボルトＢの軸力の測定と同時に締付トルクを測定することができ、ボルトＢの締付状態をより信頼性を高めてモニターすることができる。
【００２０】
図７〜図９は、本発明に係る軸力計付きナットランナーを用いて、被締付部材ＡにボルトＢを締付け、その軸力を測定する手順を示したものである。先ず、図７のボルト頭部Ｂとソケット体８が離れた状態から、前記エアシリンダー１５を駆動して前記可動体２を下降させ、前記ソケット体８の係合穴１０にボルト頭部Ｂを受入れる。この状態では、前記プローブ１００の振動伝達棒１０４はボルト頭部Ｂに接触していない。それから、前記サーボモータ５を回転させて駆動軸７を回転させ、回転伝達機構９を介して前記ソケット体８を回転させて前記ボルトＢを被締付部材Ａに締付ける。この場合、前記プローブ１００は静止したままである。それから、前記エアシリンダー２９を駆動して前記可動部材１１を降下させ、前記プローブ１００の振動伝達棒１０４をボルト頭部Ｂに圧接するとともに、プローブ１００の先端をボルト頭部Ｂに圧接する。前記プローブ１００の先端部には、振動生成体１０１が内蔵されており、制御装置１０３から振動生成体１０１に供給された励磁パルスによってボルトＢに振動を発生させ、その振動を振動伝達棒１０４を介してプローブ１００に内蔵した振動検出体１０２で振動を検出し、その検出信号を制御装置１０３で処理して共振振動数を算出し、ボルトの軸力と対応づけるのである。
【００２１】
次に、図１０〜図１７に基づいて、本実施形態に用いたプローブ１００と制御装置１０３とからなるボルト軸力計を更に詳細に説明する。前記プローブ１００は、図１０に示すように、ボルト頭部Ｂを電磁力により縦振動させる振動生成体１０１と、この縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体１０２と、制御装置１０３とを備えて構成される。
【００２２】
更に詳しくは、前記振動生成体１０１は、軸心に振動伝達棒１０４が挿通し得る貫通孔１０５を有し、この貫通孔１０５の径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石１０６を単又は複数軸方向に配置するとともに、環状磁石１０６の外周に励振コイル１０７を同軸状に配置して構成されている。図示した例では、環状磁石１０６を下面にＳ極、上面にＮ極を着磁し、この二つの環状磁石１０６，１０６を軸方向に接触させて配置したが、磁力が不足する場合には更に多数の環状磁石１０６を軸方向に配置する。尚、環状磁石１０６の磁極は、Ｓ極とＮ極を逆にしても良いが、全ての環状磁石１０６の磁極の磁化方向は同じ向きに設定する必要がある。前述の環状磁石１０６と励振コイル１０７は、キャップ状のカバー１０８に固定材１０９によって封入されており、カバー１０８の下面には前記振動伝達棒１０４が突出する孔１１０が形成されている。
【００２３】
また、前記振動検出体１０２は、円筒状のスリーブ１１１内にアコースティック・エミッションセンサ（ＡＥセンサ）などの振動検出器１１２を抵抗無く軸方向へスライド可能に配するとともに、該振動検出器１１２に前記振動伝達棒１０４が振動を伝達できるように連結され、該スリーブ１１１の上端と下端には該スリーブ１１１の外径よりも直径が大きなリング状のフランジ１１３，１１４が固定され、上部のフランジ１１３と振動検出器１１２との間には、コイルばね１１５を介装して前記振動伝達棒１０４が突出する方向に弾性付勢したものである。ここで、下部のフランジ１１４の孔１１６には、前記振動伝達棒１０４が貫通し、図１０に示した不使用状態では、フランジ１１４に前記振動検出器１１２の下端又は振動伝達棒１０４の基部の連結部が当止するようになっている。また、上部のフランジ１１３の孔１１７からは前記振動検出器１１２の図示しないリード線が引き出される。
【００２４】
ここで、前記振動伝達棒１０４としては、内部に渦電流が発生し外部磁界と作用して振動しないように、非磁性且つ電気絶縁性の無機質固体が好ましく、無機質固体の中でも電磁場に対する絶縁性と硬質性の両方を兼ね備える点からは、非磁性且つ電気絶縁性のセラミックスが好ましく、特に高純度のアルミナを用いたファインセラミックスがより好ましい。セラミックスに代表される無機質固体を用いると、振動伝達棒の弾性率がボルトＢの弾性率より大きく且つその共振点が測定域より遥かに高くなるため、たとえ振動伝達棒が共振したとしてもこの共振振動がノイズとして測定結果に影響を与えないという利点がある。また、振動伝達棒１０４の横振動からくるノイズの発生を防ぐため、振動伝達棒１０４の直径は約３ｍｍ以上に設定されるのが好ましく、振動伝達棒１０４の先端部を丸く形成するのが好ましい。
【００２５】
そして、前記振動検出体１０２は、プローブ１００の外形を構成する円筒状のケーシング１１８内に振動を吸収する防振材を介して保持されている。つまり、前記スリーブ１１１の上下端部の外周に円筒状防振材１１９，１２０を装着した状態でケーシング１１８内に内挿し、上下から環状防振材１２１，１２２を前記フランジ１１３，１１４に接触させて内挿している。更に、ケーシング１１８の上端部内に押え部材１２３を内挿した状態でケーブル装着部材１２４をネジ止めし、押え部材１２３を介して環状防振材１２１をフランジ１１３に圧接している。一方、ケーシング１１８の下端部には、連結部材１２５の上部を内挿するとともに、連結部材１２５の外周に形成した環状の突縁１２６をケーシング１１８の下端縁に当接した状態で固着し、前記環状防振材１２２をフランジ１１４に圧接している。また、前記連結部材１２５の中心部には、前記振動伝達棒１０４が貫通する貫通孔１２７が設けられている。
【００２６】
ここで、前記円筒状防振材１１９，１２０及び環状防振材１２１，１２２の材料には、防振ゲルや防振ゴムなどが好ましく使用されるが、特に本実施形態では防振ゲルを用いて良好な防振効果が得られている。この防振ゲルは、商品名「ゲルナック」（株式会社日本オートメーション提供製品）を採用した。このように振動伝達棒１０４以外の部材から伝わる振動は前記円筒状防振材１１９，１２０及び環状防振材１２１，１２２に吸収され、振動検出器１１２に伝達することが防止される。よって、ボルトＢの縦振動を示す検出信号中にノイズが混入し難くなり、非常に感度の良い検出信号を得ることが可能となる。
【００２７】
そして、前記連結部材１２５の下部に、前記振動生成体１０１を構成するカバー１０８の上端開口部を外嵌させた状態でネジ止めされ、同一外径に設定した前記ケーシング１１８とカバー１０８とは外形において連続する。ここで、プローブ１００の外形は、直径２ｃｍ、長さ約１２ｃｍである。尚、前記励振コイル１０７に接続する図示しないリード線は、前記スリーブ１１１とケーシング１１８の間を通してケーブル装着部材１２４まで引き出される。
【００２８】
ここで、前記環状磁石１０６と励振コイル１０７の配置は任意である。本実施形態の場合には、環状磁石１０６を半径方向内側に配置し、励振コイル１０７を半径方向外側に配置したが、このような配置はボルト頭部Ｂの外形が励振コイル１０７の外形に略等しいかそれよりも大きい場合に汎用的に適用される。特に、図１２（ａ）に示すように、ボルト頭部Ｂの中央部に回転工具を嵌合する凹部Ｂ１を有する場合、頭部Ｂの外周部分Ｂ２に励振コイル１０７を接近させることができるので、ボルトＢを効率良く振動させるのに適している。また、図１２（ｂ）に示すように、ボルト頭部Ｂの外形がプローブ１００の外形よりもかなり小さい場合で頭部Ｂの上面が平面である場合には、励振コイル１０７を半径方向内側に配置し、環状磁石１０６を半径方向外側に配置して、励振コイル１０７を頭部Ｂの上面内に収まるようにすることが望ましい。
【００２９】
次に、図１３を参照しつつ、励振コイル１０７にパルス電流を供給するとともに、ボルトが固有振動数で振動したときの共振周波数を算出する制御装置１０３について詳説する。図１３は、制御装置１０３の概略構成を示すブロック図である。図１３において、符号１１２は振動検出器、１０４は振動伝達棒、１０６は環状磁石、１０７は励振コイルを示している。
【００３０】
制御装置１０３は、励振コイル１０７へパルス電流を供給する励振回路１３０、振動検出器１１２の出力信号を増幅する増幅回路１３１、振動検出器１１２の出力信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器１３２、これらを制御するＣＰＵ１３３、ＲＡＭ１３４、所定の手順に従い各種処理を実行するプログラムが格納されたＲＯＭ１３５、ボルトや板材の物理特性、検量線などのデータが格納された書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ１３６、検出結果などを表示する表示手段１３７、条件設定などを入力する入力手段１３８、コンピュータ１３９や携帯型情報機器（ＰＤＡ）１４０などの外部機器との接続を介するインターフェース回路１４１、を有する。
【００３１】
前記励振回路１３０においては、ＣＰＵ１３３の制御に従って図１４に示すような立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電圧を励振コイル１０７に印加しパルス電流が供給される。本実施例ではパルス電圧として矩形波が好適であるが、本発明ではこれに限らず他のパルス波でも構わない。このようなパルス電流の励振周波数は、ＣＰＵ１３３の制御に従って、１Ｈｚ〜２０Ｈｚの範囲内の単位で段階的に変化させることができる。例えば、周波数を最大値５０ｋＨｚから始めた場合、１０Ｈｚ単位で段階的に所望の最小値まで減少させるのである。このように励振周波数を最大値から最小値まで段階的に変化させる１サイクルの時間を１周期と呼ぶ。このようなパルス電流を励振コイル１０７に供給すると、振動検出器１１２はボルトＢの縦振動を検出して、図１５に示すような波形を有する発振信号を出力する。
【００３２】
また、図１６のタイムチャートで例示すると、ｎ回目またはｎ＋１回目の測定周期において、ＣＰＵ１３３は、励振回路１３０から出力される励振信号のタイミングを図１６（ａ）の波形に従って信号出力時間τで制御し、また、振動検出器１１２の出力信号を取り込む信号入力タイミングを図１６（ｂ）の波形に従って、信号出力時間τの中の終端時間ｔ₁で制御している。つまり、時間τの間、一定の周波数のパルス電流でボルトが励振されるが、そのボルトの振動が安定するのを待って終端時間ｔ₁の間だけ振動検出器１１２の出力信号を取り込むのである。
【００３３】
各回の測定周期において、図１６（ａ）の波形に従って信号出力時間τの間に、図１４に示したような一定周波数のパルス信号を励振コイル１０７に供給し、次の時間τの間、前回の周波数よりも１０Ｈｚ減じた一定周波数のパルス信号を励振コイル１０７に供給し・・・ということを繰り返し実行し、段階的に励振周波数を下げていく。このように励振周波数は、図１６（ｄ）に示すように、最大値から最小値へ階段状に減少させられる。振動検出器１１２は各々の励振周波数に応じてボルトＢの振動を検出して発振信号を出力し、この発振信号は、図１６（ｂ）に示す終端時間ｔ₁の間にＡ−Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後にＣＰＵに取り込まれる。このような発振信号は、図１７（ａ）に示すような波形を示し、励振周波数が共振周波数に一致する時点でピークを形成する。このように、信号出力時間τを設定して段階的に変化する励振周波数でパルス電流を励振コイル１０７に供給するから、当該信号出力時間τの間に、当該励振周波数に対応する発振信号を極めて正確に検出し識別することが可能である。
【００３４】
また、各回の測定周期の終わりには、ＣＰＵ１３３は、図１６（ｃ）の制御信号に従って信号処理時間ｔ₂の間、デジタル変換した発振信号（デジタル入力信号）を処理して共振周波数を算出する。具体的には、デジタル入力信号の値は、ＣＰＵ１３３で処理されて、対応する励振周波数や周期とともに一時的に記憶テーブルに記憶される。次いで、ＲＯＭ１３５に格納されたプログラムの中から共振周波数算出手段を呼び出し、前記記憶テーブルを参照し、図１７（ｂ）に示すように同図（ａ）の波形の包絡線波形１４３に示される波形データを得て、そのピーク値を見出しこのピーク値に対応する発振周波数を共振周波数とするのである。このような処理は、測定周期毎になされる。尚、測定周期の回数は１回でもよいし、複数回でもよい。複数回の測定周期から、共振周波数の平均値を算出しても構わない。
【００３５】
次いで、ＲＯＭ１３５に格納されたプログラムの中からボルト締付力評価手段を呼び出し、この手段を用いてＥＥＰＲＯＭ１３６に格納された検量線テーブルを参照し、共振周波数に相当するボルト軸力（ボルト締付力）を算出するのである。ボルト軸力が算出された後は、表示手段１３７にボルト軸力の値を表示させてもよいし、ボルト軸力の大きさに応じて表示ランプ（図示せず）に表示させたり、スピーカー（図示せず）からボルト軸力の大きさに応じたトーンの音を出力してもよい。
【００３６】
また、振動検出器１１２は、必ずしも図１７（ａ）に示すように明瞭なピークをもつ波形を出力するとは限らず、図１７（ｃ）に示すように複数のピークを有する波形を出力し、共振周波数に対応するピーク値を識別するのが困難な場合がある。かかる場合は、ピークをもつピーク波形の群（波形群）を選別し、図１７（ｄ）に示すように各波形群において波形合成処理を実行して合成波形１４４ａ，１４４ｂを生成し、合成波形１４４ａ，１４４ｂのピーク値の中から最大値を見出しこれに対応する発振周波数を共振周波数とするのが好ましい。尚、図１７（ｄ）の合成波形は、図１７（ｃ）の波形と比べて若干縮小表示されている。
【００３７】
また、前記検量線テーブルとしては、「ボルトの種類」や「ボルトのサイズ」、締結した「板材の厚み」、「最大軸力」、「オフセット値」などを予め入力しテーブル化したものを使用しても良いし、多項式の係数を最小自乗法で算出し補間式を求めて利用しても良い。このような最小自乗法などを実行するには上記コンピュータ１３９を用いた方が簡便な場合がある。かかる場合は、多項式の係数などをコンピュータ１３９で算出した後に、そのデータを図１３に示したインターフェース回路１４１を介してＣＰＵ１３３に転送し、ＥＥＰＲＯＭ１３６などに記憶させるのが好ましい。
【００３８】
また、ボルトの締付状態を点検するだけならば、ボルトの締付力の基準値（基準締付力）苦しくはこの基準締付力に対応する共振周波数（基準共振周波数）を登録し、この基準締付力若しくは基準共振周波数を中心とした上限値と下限値を設定しておき、測定した締付力若しくは共振周波数が上限値と下限値間にある場合は合格圏内にあるとし、外れた場合は不合格とすることもできる。
【００３９】
また、前記インターフェース回路１４１に携帯型情報機器１４０を接続し、制御装置１０３で得られた検査結果のデータをインターネット１４２を介して図示しないセンターのメインコンピュータに送り、このメインコンピュータで検査結果の詳しい解析や履歴の保存等を行うようにし、解析結果等をインターネット１４２を介して制御装置１０３に送り返し、表示手段１３７に表示させることも可能である。この場合には、制御装置１０３で処理する情報量は格段に少なくなるので、ＣＰＵ１３３の性能や各種メモリーの記憶容量を小さくでき、制御装置１０３をコンパクトなものにすることが可能である。また、制御装置１０３自体に通信機能を設けることも勿論可能である。更には、励振コイル１０７に電力を供給するためのバッテリーを除き、プローブ１００と制御装置１０３とを無線で接続することも可能になる。あるいは、コンピュータ１３９と制御装置１０３とを無線ＬＡＮやBluetooth技術で接続することも可能であり、この場合コンピュータ１３９はインターネット１４２に接続しておけば、センターのメインコンピュータでデータ処理することができる。
【００４０】
前記プローブ１００と制御装置１０３からなる軸力計は、個々のボルトＢの締付力を正味の絶対値として測定することができるが、それには締付力が既知のボルトで絶対校正することが必要である。しかし、複数のボルトの締付力のバラツキを測定したり、正常に締付けられているボルトと他のボルトの締付力とを比較する場合には、絶対校正は不要である。例えば、正常に締付けられているボルトを測定した際に、得られた固有振動数の値を「１００％」として換算するように設定すれば、他のボルトを測定した際にその固有振動数の値を「１１０％」や「９０％」と表示させるような使用方法も可能である。
【００４１】
本実施形態の軸力計は、軸方向に互いに相反する磁極を有する環状磁石と励振コイルとを半径方向内外に同軸状に配設して構成される振動生成体を備えることにより、外部磁界をボルト頭部に効率良く浸透させることができ、また前記励振コイルに立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電流を供給して、ボルト頭部において大きな誘導起電力を生起させることができるから、ボルトの共振レベルが向上し感度の高い共振周波数を得ることができ、よって正確なボルト軸力を算出することが可能となる。また、周波数を段階的に変化させたパルス電流を用いることにより、その周波数が変化する間の一定周波数の継続時間を制御して当該継続時間内にボルトの共振を検出すると共に正確な共振周波数を得ることができるから、正確なボルト軸力を算出してその測定精度を向上させることが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上にしてなる請求項１に係る発明の軸力計付きナットランナーは、ボルトを締付けることができ、しかも締付けたボルトの軸力を瞬時に測定することができ、あるいは軸力の良否を瞬時に検査することができる。また、従来のようにボルトに前処理を施す必要がなく、取扱いが容易である。更に、トルク発生体とソケット体とを軸をずらせて配置し、該ソケット体の内部にプローブを配置したので、ボルト締付時にもプローブが回転せず、よって耐久性にも優れている。
【００４３】
請求項２によれば、回転伝達機構が、駆動軸に固定した第１歯車と、ソケット体の外周に設けた第２歯車との噛合によるものであるので、装置がコンパクトになり、またトルク発生体からソケット体へ確実にトルクを伝達することができる。
【００４４】
請求項３によれば、ソケット体の内部に、プローブを非接触状態で配置してなるので、プローブに余計な振動や負荷を与えないので、耐久性が向上することは勿論、他の部分で発生した振動ノイズのプローブへの伝達を抑制できるので、高感度で精度よく軸力を測定することができる。
【００４５】
請求項４によれば、ソケット体の一端部に、中心に係合穴を有する円板を着脱可能に取付けてなるので、ボルトの大きさが異なっても、それに対応した係合穴を有する円板に交換すればよいのである。また、長期間の使用によって係合穴が磨耗したときにもその交換が容易である。
【００４６】
請求項５によれば、トルク発生体には、減速機と駆動軸の間にトルクセンサを配置してなるので、プローブと制御装置によるボルト軸力の測定と同時に、締付トルクを測定できるので、より信頼性の高い締付力の評価ができる。
【００４７】
請求項６によれば、振動検出体をケーシングに対して防振材を介して保持しているので、振動伝達棒以外の部材から伝達する振動は防振材に吸収されるため振動検出器の出力信号にノイズが混入することが防止され、検出精度が向上するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸力計付きナットランナーを一部断面で示した側面図である。
【図２】同じく正面図である。
【図３】同じく可動体と可動部材の直線駆動機構を示す省略正面図である。
【図４】同じく要部の拡大断面図である。
【図５】同じく省略底面図である。
【図６】回転伝達機構を示す簡略平面図である。
【図７】本発明の使用例を示し、ボルトの締付前の状態を示す簡略側面図である。
【図８】同じくボルト締付後の状態を示す簡略側面図である。
【図９】同じくボルトの軸力を測定中の状態を示す要部拡大断面図である。
【図１０】プローブの概略断面図である。
【図１１】軸力測定状態のボルトとプローブの関係を示す概略断面図である。
【図１２】ボルト頭部の形状とプローブの先端構造との関係を示し、（ａ）はボルト頭部の中央部に凹部を有する場合のプローブの先端構造を示す省略斜視図、（ｂ）はボルト頭部が平面である場合のプローブの先端構造を示す省略斜視図である。
【図１３】制御装置の一実施例を示す概略ブロック図である。
【図１４】励振回路が出力するパルス電圧の一例を示す図である。
【図１５】振動検出器が出力したボルトの振動波形を示す図である。
【図１６】各種信号を示すタイムチャートである。
【図１７】発振信号とその処理信号を示す概略図である。
【符号の説明】
１ベース体２可動体
３保持枠４トルク発生体
５サーボモータ６減速機
７駆動軸８ソケット体
９回転伝達機構１０係合穴
１１可動部材１２ガイドレール
１３ライナー１４固定板
１５エアシリンダー１６ピストン
１７連結具１８上板
１９下板２０中間板
２１連結板２２カバー板
２３衝撃緩衝体２４軸受
２５軸受２６開口
２７ガイドレール２８ランナー
２９エアシリンダー３０ピストン
３１緩衝連結具３２軸体
３３フランジ部３４支持板
３６装着部３７第１歯車
３８第２歯車３９ローラピン
４０円板４１トルクセンサ
１００プローブ１０１振動生成体
１０２振動検出体１０３制御装置
１０４振動伝達棒１０５貫通孔
１０６環状磁石１０７励振コイル
１０８カバー１０９固定材
１１０孔１１１スリーブ
１１２振動検出器１１３，１１４フランジ
１１６，１１７孔１１８ケーシング
１１９，１２０円筒状防振材
１２１，１２２環状防振材
１２３押え部材１２４ケーブル装着部材
１２５連結部材１２６突縁
１２７貫通孔１２８ケーブル
１３０励振回路１３１増幅回路
１３２Ａ−Ｄ変換器１３７表示手段
１３８入力手段１３９コンピュータ
１４０携帯型情報機器１４１インターフェース回路
１４２インターネット１４３包絡線波形
１４４ａ，１４４ｂ合成波形
Ａ被締付部材
Ｂボルト
Ｃ固定部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nut runner with an axial force meter, and more particularly to a nut runner with an axial force meter.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a nut runner having a structure in which a torque meter is incorporated in a shaft that transmits rotational force to a socket and a bolt tightening force can be confirmed has been provided. However, the torque value measured by the torque meter varies greatly depending on the frictional force between the bolt and the member to be tightened when the bolt is tightened, and the tightening force of the member to be tightened, that is, the bolt It does not directly represent the axial force.
[0003]
Therefore, Patent Literature 1 discloses a bolt fastening machine that can measure the axial force of a fastening bolt. That is, the nut runner tool unit provided with the nut runner control device is provided with a shaft portion for rotation transmission, and the shaft portion has a socket in which an engagement hole adapted to the head of the fastening bolt is formed. Installed. A measurement sensor including a piezoelectric element is incorporated in the back side of the engagement hole, and the piezoelectric element is electrically connected to an external ultrasonic transmission / reception device and a measurement system unit. This piezoelectric element transmits both longitudinal and transverse ultrasonic waves at the same time. By measuring and analyzing the reciprocating propagation time from the head of the fastening bolt to the threaded portion, the precise axial force of the bolt can be measured.
[0004]
However, in the bolt fastening machine described in Patent Document 1, the piezoelectric element provided on the shaft core portion of the socket that rotates integrally coaxially with the shaft portion is in direct contact with the head of the bolt or indirectly through a glycerin-based viscous fluid. Since the structure is such that the vibration generated in the piezoelectric domain for generating longitudinal and transverse waves of the piezoelectric element is transmitted to the bolt and the reflected wave is received by the piezoelectric element, ultrasonic waves are introduced from the outside of the conventional bolt. As with the axial force meter based on the principle, the pre-treatment such as polishing the bolt head and interposing a viscous fluid remains the problem that it takes time and labor, and the sensor consisting of the piezoelectric element always rotates with the socket. In addition, since it is subject to vibration, there is a problem with the durability of the sensor, and furthermore, the cable between the sensor and the control device is connected via a slip ring provided on the shaft portion. Durability problems and the slip ring itself of the slip ring has a problem becomes a source of noise.
[0005]
In addition, the sensor system company of the present applicant has already provided a bolt tightening force inspection device capable of directly measuring the axial force of a bolt as shown in Patent Documents 2 and 3. That is, in Patent Document 2, a through hole is formed in the shaft center, and an annular magnet having excitation poles opposite to each other in the axial direction and an excitation coil are arranged coaxially on the outer periphery in the radial direction of the through hole. A vibration generating body, a vibration transmission rod that protrudes through the through-hole and abuts one end of the bolt head when the bolt head contacts the vibration generation body, and a vibration connected to the other end of the vibration transmission rod A vibration detector having a detector, an excitation circuit for supplying a pulse current whose frequency varies stepwise to the excitation coil, and detecting a vertical vibration of the vibration transmitting rod in the vibration detector. Bolt tightening force inspection device provided with a control device comprising an AD converter that converts an output oscillation signal into a digital signal, and an arithmetic unit that calculates a resonance frequency based on the output signal of the AD converter Is provided. Since this bolt tightening force inspection device generates vibration directly on the bolt electromagnetically, it has the advantages that no pre-treatment is required and handling is simple compared with the conventional method of introducing ultrasonic waves from the outside. In addition, since the vibration generating body and the vibration detecting body are separated, there is a feature that they are resistant to vibration noise.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-141241
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3172722
[Patent Document 3]
WO 02/095346 A1
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above-mentioned situation, the present invention intends to solve the problem that the axial force of the tightened bolt can be instantaneously measured, or the quality of the axial force can be instantaneously inspected, and the bolt is pretreated. It is in the point of providing a nut runner with an axial force meter that is easy to handle and excellent in durability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a torque generator including at least a servo motor and a speed reducer on a holding frame provided on a movable body, wherein the movable body is connected to the base body so as to be linearly driven. A cylindrical socket body having an engagement hole that engages with the bolt head at one end and an opening at the other end is attached to the torque generating body so that the drive shaft and the shaft core are shifted, The drive shaft and the socket body are connected by a rotation transmission mechanism, and a vibration generator for longitudinally vibrating the bolt head by electromagnetic force, and a vibration detector for detecting and converting the longitudinal vibration into a signal and outputting the signal. The probe is arranged so that at least the vibration detection body is located inside the socket body, and the probe is attached to a movable member that can be linearly driven with respect to the movable body, and is engaged with the engagement hole of the socket body. Together By contacting the probe to the bolt head and constituting the axial force meter nut runner, characterized by measuring the axial force.
[0009]
Here, the rotation transmission mechanism is based on meshing of a first gear fixed to the drive shaft and a second gear provided on the outer periphery of the socket body, and the probe body is provided inside the socket body. Are arranged in a non-contact state, and a disc having the engagement hole in the center is detachably attached to one end of the socket body, and the torque generator includes the speed reducer. It is preferable that a torque sensor be disposed between the drive shaft and the drive shaft.
[0010]
The vibration generator has a through-hole through which a vibration transmission rod can be inserted in the shaft center, and an annular magnet magnetized so as to have magnetic poles opposite to each other in the axial direction on the outer periphery in the radial direction of the through-hole. Single or multiple axial directions are arranged, and an excitation coil is coaxially arranged on the outer peripheral side or inner peripheral side of the annular magnet, and the vibration detector has a vibration detector in the axial direction in a cylindrical sleeve. It is slidably arranged and elastically urged toward the tip, and the vibration transmission rod is connected to the vibration detector so as to be able to transmit vibration, and at least both ends of the sleeve in a cylindrical casing Is attached in close contact via a vibration isolating material that absorbs vibration, and a probe is used in which the vibration detection body is attached to the tip and the tip of the vibration transmission rod is exposed from the through hole.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. 1 to 9 show a nut runner with an axial force meter according to the present invention, FIGS. 10 to 12 show a bolt axial force meter, in which 1 is a base body, 2 is a movable body, and 3 is a holding frame. 4 is a torque generator, 5 is a servo motor, 6 is a speed reducer, 7 is a drive shaft, 8 is a socket body, 9 is a rotation transmission mechanism, 10 is an engagement hole, 11 is a movable member, 100 is a probe, 101 is A vibration generator, 102 is a vibration detector, 103 is a control device, and 104 is a vibration transmission rod.
[0012]
The nut runner with an axial force meter according to the present invention connects the movable body 2 to the base body 1 so that the movable body 2 can be linearly driven, and the holding frame 3 provided on the movable body 2 includes at least a servo motor 5 and a speed reducer 6. A cylindrical socket body 8 provided with an engagement hole 10 that engages with a bolt head at one end and an opening at the other end is attached to the torque generator 4 provided, and the drive shaft 7 of the torque generator 4 is provided. The vibration shaft 101 and the socket body 8 are connected to each other by a rotation transmission mechanism 9 and the bolt head is longitudinally vibrated by electromagnetic force and the longitudinal vibration. The probe 100 having the vibration detection body 102 that detects and converts the signal into a signal and outputs the signal is disposed so that at least the vibration detection body 102 is located inside the socket body 8, and the probe 100 is moved to the movable body 2. It is obtained as attached to the linear drive a movable member 11, to measure the axial force is brought into contact with the probe 100 on the bolt head engaged with the engaging hole 10 of the socket body 8 against. Here, shifting the axes of the drive shaft 7 and the socket body 8 is a concept including not only displacing in parallel but also displacing at a right angle or displacing at an arbitrary angle.
[0013]
More specifically, the base body 1 is a plate-like or channel-like long member, and is attached to a movable part (not shown) such as a fixed part C or a robot arm as shown in FIG. The base body 1 is provided with a guide rail 12 along its longitudinal direction, and a liner 13 attached to the movable body 2 is connected to the guide rail 12 so as to be linearly moved by being guided by the guide rail 12. . A fixing plate 14 is attached to one end portion (upper end portion in the drawing) of the base body 1 at a substantially right angle to the guide rail 12, an air cylinder 15 is attached to the fixing plate 14, and a piston 16 of the air cylinder 15 The end of the movable body 2 is connected by a connector 17. Accordingly, by supplying pressurized air to the air cylinder 15, the movable body 2 can be driven linearly with respect to the base body 1. In place of the air cylinder 15, it is possible to use other linear drive means such as a rack and pinion, a sprocket and chain, a pulley and a timing belt, as well as a hydraulic cylinder.
[0014]
As shown in FIGS. 1 and 4, the torque generator 4 is attached to the holding frame 3 provided at the end (the lower end in the drawing) of the movable body 2 and the socket body 8 is rotatable. It is installed. The holding frame 3 attaches an upper plate 18, a lower plate 19, and an intermediate plate 20 to the end of the movable body 2 in the vertical direction, and connects the end portions of both the upper plate 18 and the lower plate 19 to each other. 21. Further, cover plates 22 and 22 are attached to both sides to completely close the periphery and form a box shape. And while fixing the main body of the said torque generation body 4 to the upper board 18 of the said holding frame 3, the said drive shaft 7 is extended through the impact buffer 23 in the inside of this holding frame 3, and this drive shaft 7 is The lower plate 19 and the intermediate plate 20 are rotatably supported by bearings 24 and 24. In addition, the socket body 8 is supported by the lower plate 19 and the intermediate plate 20 so as to be rotatable by bearings 25 and 25 in parallel with the drive shaft 7. Further, an opening 26 through which the probe 100 can pass is formed in the upper plate 18 obtained by extending the central axis of the socket body 8.
[0015]
Further, the probe 100 is arranged in a non-contact state so that at least the vibration detection body 102 is located inside the socket body 8, and a movable member capable of linearly driving the probe 100 with respect to the movable body 2. 11 is attached. For this purpose, a linear guide rail 27 is attached to the movable body 2, a runner 28 attached to the movable member 11 is connected so as to be linearly movable along the guide rail 27, and further attached to the upper portion of the movable body 2. The piston 30 of the air cylinder 29 is linked to the end of the movable member 11 by a buffer connector 31. As described above, the air cylinder 29 can be replaced by other linear drive means.
[0016]
Here, as shown in FIGS. 1, 3, and 4, the buffer connector 31 is provided with flange portions 33 and 33 projecting from the upper and lower ends of the shaft body 32 and attached to the upper end of the movable member 11. A hole of the support plate 34 is externally movably mounted on the shaft body 32 between the flange portions 33 and 33, and a compression coil spring 35 is interposed on the shaft body 32 between the support plate 34 and the upper flange portion 33. ing. The lower end portion of the movable member 11 reaches the inside of the holding frame 3 through the opening 26, and the upper portion of the probe 100 is held by the mounting portion 36 provided at the lower end thereof. In this case, even if the air cylinder 29 is driven, the probe 100 is driven downward by the pressing force whose upper limit is regulated by the elastic force of the compression coil spring 35 to come into contact with the bolt head B. Yes. The cable 128 connected to the upper end of the probe 100 is drawn from the support frame 3 through the opening 26 of the upper plate 18.
[0017]
Next, as shown in FIGS. 4 and 6, the rotation transmission mechanism 9 is formed by meshing a first gear 37 fixed to the drive shaft 7 and a second gear 38 provided on the outer periphery of the socket body 8. Is. In the present embodiment, the second gear 38 has a plurality of roller pins 39,... Mounted in an annular groove formed on the outer periphery of the socket body 8 in parallel to the axial direction and at equal intervals. Reference numeral 37 denotes a recess formed in the entire circumference for receiving the roller pin 39. As the rotation transmission mechanism 9, rotation transmission means such as a normal spur gear, a bevel gear, a sprocket and a chain can be employed.
[0018]
A disc 40 having the engagement hole 10 at the center is detachably attached to one end of the socket body 8. By doing so, it is only necessary to replace the disc 40 having the engagement hole 10 corresponding to the bolt B of a different size.
[0019]
If a torque sensor 41 is disposed between the speed reducer 6 and the drive shaft 7 in the main body of the torque generator 4, the tightening torque is measured simultaneously with the measurement of the axial force of the bolt B by the probe 100. The tightening state of the bolt B can be monitored with higher reliability.
[0020]
7 to 9 show a procedure for tightening the bolt B to the member A to be tightened and measuring the axial force using the nut runner with an axial force meter according to the present invention. First, from the state where the bolt head B and the socket body 8 in FIG. 7 are separated, the air cylinder 15 is driven to lower the movable body 2, and the bolt head B is inserted into the engagement hole 10 of the socket body 8. Accept. In this state, the vibration transmission rod 104 of the probe 100 is not in contact with the bolt head B. Then, the servo motor 5 is rotated to rotate the drive shaft 7, and the socket body 8 is rotated via the rotation transmission mechanism 9 to tighten the bolt B to the member A to be tightened. In this case, the probe 100 remains stationary. Then, the air cylinder 29 is driven to lower the movable member 11 so that the vibration transmission rod 104 of the probe 100 is pressed against the bolt head B and the tip of the probe 100 is pressed against the bolt head B. A vibration generator 101 is built in the tip of the probe 100, and vibration is generated in the bolt B by an excitation pulse supplied from the control device 103 to the vibration generator 101, and the vibration is transmitted to the vibration transmission rod 104. The vibration is detected by the vibration detection body 102 built in the probe 100, and the detection signal is processed by the control device 103 to calculate the resonance frequency and associate it with the axial force of the bolt.
[0021]
Next, based on FIGS. 10 to 17, the bolt axial force meter composed of the probe 100 and the control device 103 used in the present embodiment will be described in more detail. As shown in FIG. 10, the probe 100 includes a vibration generator 101 that longitudinally vibrates the bolt head B by electromagnetic force, a vibration detector 102 that detects this longitudinal vibration, converts it into a signal, and outputs it, and a control device. 103.
[0022]
More specifically, the vibration generator 101 has a through-hole 105 through which the vibration transmission rod 104 can be inserted into the shaft center, and has magnetic poles opposite to each other in the axial direction on the outer periphery in the radial direction of the through-hole 105. The magnetized annular magnet 106 is arranged in a single or a plurality of axial directions, and an excitation coil 107 is coaxially arranged on the outer periphery of the annular magnet 106. In the illustrated example, the annular magnet 106 is magnetized with the south pole on the lower surface and the north pole on the upper surface, and the two annular magnets 106 and 106 are arranged in contact in the axial direction. A large number of annular magnets 106 are arranged in the axial direction. The magnetic poles of the annular magnets 106 may be reversed to the S and N poles, but the magnetic directions of the magnetic poles of all the annular magnets 106 need to be set to the same direction. The annular magnet 106 and the excitation coil 107 are sealed in a cap-shaped cover 108 by a fixing material 109, and a hole 110 is formed on the lower surface of the cover 108 from which the vibration transmission rod 104 protrudes.
[0023]
The vibration detector 102 has a vibration detector 112 such as an acoustic emission sensor (AE sensor) disposed in a cylindrical sleeve 111 so as to be slidable in the axial direction without resistance. The vibration transmission rod 104 is connected so as to transmit vibration, and ring-shaped flanges 113 and 114 having a diameter larger than the outer diameter of the sleeve 111 are fixed to the upper and lower ends of the sleeve 111, Between the vibration detector 112, a coil spring 115 is interposed and elastically biased in a direction in which the vibration transmitting rod 104 protrudes. Here, the vibration transmission rod 104 passes through the hole 116 of the lower flange 114, and in the non-use state shown in FIG. 10, the lower end of the vibration detector 112 or the base of the vibration transmission rod 104 is inserted into the flange 114. The connecting part is designed to stop. Further, a lead wire (not shown) of the vibration detector 112 is drawn out from the hole 117 of the upper flange 113.
[0024]
Here, the vibration transmission rod 104 is preferably a non-magnetic and electrically insulating inorganic solid so that an eddy current is generated inside and does not vibrate due to the action of an external magnetic field. From the point of combining both hardness, nonmagnetic and electrically insulating ceramics are preferable, and fine ceramics using high-purity alumina are particularly preferable. If an inorganic solid typified by ceramics is used, the elastic modulus of the vibration transmission rod is greater than that of the bolt B and its resonance point is much higher than the measurement range. There is an advantage that vibration does not affect the measurement result as noise. Further, in order to prevent the generation of noise due to the lateral vibration of the vibration transmission rod 104, the diameter of the vibration transmission rod 104 is preferably set to about 3 mm or more, and the tip portion of the vibration transmission rod 104 is preferably formed round. .
[0025]
The vibration detector 102 is held in a cylindrical casing 118 constituting the outer shape of the probe 100 via a vibration isolating material that absorbs vibration. In other words, the cylindrical vibration isolators 119 and 120 are attached to the outer periphery of the upper and lower ends of the sleeve 111 and inserted into the casing 118, and the annular vibration isolators 121 and 122 are brought into contact with the flanges 113 and 114 from above and below. Are interpolated. Further, the cable mounting member 124 is screwed in a state where the presser member 123 is inserted into the upper end portion of the casing 118, and the annular vibration isolator 121 is pressed against the flange 113 via the presser member 123. On the other hand, the upper portion of the connecting member 125 is inserted into the lower end portion of the casing 118, and an annular projecting edge 126 formed on the outer periphery of the connecting member 125 is fixed in contact with the lower end edge of the casing 118. The annular vibration isolator 122 is in pressure contact with the flange 114. Further, a through hole 127 through which the vibration transmission rod 104 passes is provided at the center of the connecting member 125.
[0026]
Here, as the material of the cylindrical anti-vibration materials 119 and 120 and the annular anti-vibration materials 121 and 122, an anti-vibration gel, an anti-vibration rubber or the like is preferably used. And a good anti-vibration effect is obtained. For this anti-vibration gel, the trade name “Gernac” (product of Nippon Automation Co., Ltd.) was adopted. Thus, the vibration transmitted from the members other than the vibration transmission rod 104 is absorbed by the cylindrical vibration isolation materials 119 and 120 and the annular vibration isolation materials 121 and 122 and is prevented from being transmitted to the vibration detector 112. Therefore, it is difficult for noise to be mixed in the detection signal indicating the longitudinal vibration of the bolt B, and it is possible to obtain a detection signal with very high sensitivity.
[0027]
The casing 118 and the cover 108 set to the same outer diameter are screwed in a state where the upper end opening of the cover 108 constituting the vibration generating body 101 is externally fitted to the lower part of the connecting member 125. Is continuous. Here, the outer shape of the probe 100 is 2 cm in diameter and about 12 cm in length. A lead wire (not shown) connected to the excitation coil 107 is drawn out to the cable mounting member 124 between the sleeve 111 and the casing 118.
[0028]
Here, the arrangement of the annular magnet 106 and the excitation coil 107 is arbitrary. In the case of the present embodiment, the annular magnet 106 is disposed radially inward and the excitation coil 107 is disposed radially outward. In such an arrangement, the outer shape of the bolt head B is substantially the same as the outer shape of the excitation coil 107. Applicable universally if equal or greater. In particular, as shown in FIG. 12A, when the bolt head B has a recess B1 for fitting the rotary tool at the center, the excitation coil 107 can be brought close to the outer peripheral portion B2 of the head B. It is suitable for efficiently vibrating the bolt B. As shown in FIG. 12B, when the outer shape of the bolt head B is considerably smaller than the outer shape of the probe 100 and the upper surface of the head B is a flat surface, the excitation coil 107 is moved radially inward. It is desirable to dispose the annular magnet 106 radially outward so that the excitation coil 107 is within the upper surface of the head B.
[0029]
Next, referring to FIG. 13, the control device 103 that supplies a pulse current to the excitation coil 107 and calculates the resonance frequency when the bolt vibrates at the natural frequency will be described in detail. FIG. 13 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the control device 103. In FIG. 13, reference numeral 112 denotes a vibration detector, 104 denotes a vibration transmission rod, 106 denotes an annular magnet, and 107 denotes an excitation coil.
[0030]
The control device 103 includes an excitation circuit 130 that supplies a pulse current to the excitation coil 107, an amplification circuit 131 that amplifies the output signal of the vibration detector 112, and an AD converter that converts the output signal of the vibration detector 112 into a digital signal. 132, a CPU 133 for controlling them, a RAM 134, a ROM 135 for storing programs for executing various processes in accordance with predetermined procedures, a rewritable EEPROM 136 for storing data such as physical characteristics of bolts and plates, calibration curves, detection results, etc. Display means 137, an input means 138 for inputting condition settings, etc., and an interface circuit 141 through connection with an external device such as a computer 139 or a portable information device (PDA) 140.
[0031]
In the excitation circuit 130, a pulse voltage with a sharp rise or fall as shown in FIG. 14 is applied to the excitation coil 107 as shown in FIG. In this embodiment, a rectangular wave is suitable as the pulse voltage. However, the present invention is not limited to this, and other pulse waves may be used. The excitation frequency of such a pulse current can be changed stepwise in units within the range of 1 Hz to 20 Hz according to the control of the CPU 133. For example, when the frequency is started from the maximum value of 50 kHz, the frequency is gradually decreased to a desired minimum value in units of 10 Hz. The time for one cycle in which the excitation frequency is changed stepwise from the maximum value to the minimum value is called one cycle. When such a pulse current is supplied to the excitation coil 107, the vibration detector 112 detects the longitudinal vibration of the bolt B and outputs an oscillation signal having a waveform as shown in FIG.
[0032]
Further, in the time chart of FIG. 16, in the n-th or (n + 1) -th measurement cycle, the CPU 133 controls the timing of the excitation signal output from the excitation circuit 130 with the signal output time τ according to the waveform of FIG. In addition, the signal input timing for capturing the output signal of the vibration detector 112 is set to the terminal time t in the signal output time τ according to the waveform of FIG. ₁ It is controlled by. That is, during the time τ, the bolt is excited with a pulse current having a constant frequency, but the termination time t is waited for the vibration of the bolt to stabilize. ₁ The output signal of the vibration detector 112 is captured only during the interval.
[0033]
In each measurement cycle, a pulse signal having a constant frequency as shown in FIG. 14 is supplied to the excitation coil 107 during the signal output time τ according to the waveform of FIG. A pulse signal having a constant frequency that is 10 Hz lower than the frequency of the above is supplied to the excitation coil 107... Is repeatedly executed, and the excitation frequency is lowered step by step. In this way, the excitation frequency is decreased stepwise from the maximum value to the minimum value as shown in FIG. The vibration detector 112 detects the vibration of the bolt B according to each excitation frequency and outputs an oscillation signal. This oscillation signal has a termination time t shown in FIG. ₁ In the meantime, it is converted into a digital signal by the A-D converter and then taken into the CPU. Such an oscillation signal has a waveform as shown in FIG. 17A, and forms a peak when the excitation frequency coincides with the resonance frequency. Thus, since the pulse current is supplied to the excitation coil 107 at an excitation frequency that changes stepwise by setting the signal output time τ, an oscillation signal corresponding to the excitation frequency is extremely generated during the signal output time τ. It is possible to detect and identify accurately.
[0034]
At the end of each measurement cycle, the CPU 133 determines the signal processing time t according to the control signal of FIG. ₂ During this time, the digitally converted oscillation signal (digital input signal) is processed to calculate the resonance frequency. Specifically, the value of the digital input signal is processed by the CPU 133 and temporarily stored in the storage table together with the corresponding excitation frequency and period. Next, the resonance frequency calculation means is called from the program stored in the ROM 135, and the storage table is referred to. As shown in FIG. 17B, the waveform shown in the envelope waveform 143 of the waveform in FIG. Data is obtained, the peak value is found, and the oscillation frequency corresponding to the peak value is set as the resonance frequency. Such processing is performed every measurement cycle. Note that the number of measurement cycles may be one or more. The average value of the resonance frequencies may be calculated from a plurality of measurement cycles.
[0035]
Next, the bolt tightening force evaluation means is called out from the program stored in the ROM 135, and by using this means, the calibration curve table stored in the EEPROM 136 is referred to, and the bolt axial force (bolt tightening force corresponding to the resonance frequency) is referred to. ) Is calculated. After the bolt axial force is calculated, the value of the bolt axial force may be displayed on the display means 137, or may be displayed on a display lamp (not shown) according to the magnitude of the bolt axial force, or a speaker ( You may output the sound of a tone according to the magnitude | size of bolt axial force from a not-shown.
[0036]
Further, the vibration detector 112 does not necessarily output a waveform having a clear peak as shown in FIG. 17A, but outputs a waveform having a plurality of peaks as shown in FIG. It may be difficult to identify the peak value corresponding to the resonant frequency. In such a case, a group of peak waveforms having a peak (waveform group) is selected, and as shown in FIG. 17 (d), waveform synthesis processing is performed on each waveform group to generate synthesized waveforms 144a and 144b. It is preferable that the maximum value is found from the peak values of 144a and 144b, and the oscillation frequency corresponding to this is set as the resonance frequency. Note that the composite waveform in FIG. 17D is slightly reduced compared to the waveform in FIG.
[0037]
As the calibration curve table, a table in which the “bolt type”, “bolt size”, fastened “plate thickness”, “maximum axial force”, “offset value”, etc. are input in advance is used. Alternatively, the coefficient of the polynomial may be calculated by the method of least squares to obtain an interpolation formula and used. In some cases, it is easier to use the computer 139 to execute such a method of least squares. In such a case, it is preferable that the coefficient of the polynomial is calculated by the computer 139 and then the data is transferred to the CPU 133 via the interface circuit 141 shown in FIG. 13 and stored in the EEPROM 136 or the like.
[0038]
Also, if you only want to check the bolt tightening condition, register the bolt tightening force reference value (reference tightening force) or the resonance frequency (reference resonance frequency) corresponding to this reference tightening force. Set upper and lower limits centered on the reference tightening force or reference resonance frequency, and if the measured tightening force or resonance frequency is between the upper limit and lower limit values, it is considered to be within the acceptable range In some cases, it can be rejected.
[0039]
Further, the portable information device 140 is connected to the interface circuit 141, and the inspection result data obtained by the control device 103 is sent to the main computer of the center (not shown) via the Internet 142, and the inspection result is detailed by this main computer. It is also possible to perform analysis, save history, etc. and send the analysis result back to the control device 103 via the Internet 142 and display it on the display means 137. In this case, since the amount of information processed by the control device 103 is significantly reduced, the performance of the CPU 133 and the storage capacity of various memories can be reduced, and the control device 103 can be made compact. Of course, the control device 103 itself can be provided with a communication function. Further, the probe 100 and the control device 103 can be wirelessly connected except for a battery for supplying power to the excitation coil 107. Alternatively, the computer 139 and the control device 103 can be connected by wireless LAN or Bluetooth technology. In this case, if the computer 139 is connected to the Internet 142, data can be processed by the main computer at the center.
[0040]
The axial force meter composed of the probe 100 and the control device 103 can measure the tightening force of each bolt B as a net absolute value. For this, absolute calibration can be performed using a bolt with a known tightening force. is necessary. However, absolute calibration is not necessary when measuring variations in the tightening force of a plurality of bolts or comparing the tightening force of a bolt that is normally tightened with another bolt. For example, when a bolt that has been tightened normally is measured and the natural frequency value obtained is converted to “100%”, the natural frequency of the other bolt is measured. A usage method in which the value is displayed as “110%” or “90%” is also possible.
[0041]
The axial force meter according to the present embodiment includes a vibration generator configured by arranging an annular magnet having magnetic poles opposite to each other in the axial direction and an excitation coil coaxially inside and outside in the radial direction, thereby generating an external magnetic field. The bolt head can be efficiently infiltrated, and a pulse current that rises or falls sharply can be supplied to the excitation coil to generate a large induced electromotive force in the bolt head. Thus, it is possible to obtain a resonance frequency with high sensitivity, and hence it is possible to calculate an accurate bolt axial force. In addition, by using a pulse current whose frequency is changed stepwise, the duration of the constant frequency is controlled while the frequency changes, and the resonance of the bolt is detected within the duration and the accurate resonance frequency is set. Therefore, it is possible to calculate an accurate bolt axial force and improve its measurement accuracy.
[0042]
【The invention's effect】
The nut runner with an axial force meter according to the first aspect of the present invention as described above can tighten a bolt, and can instantaneously measure the axial force of the tightened bolt, or instantly determine whether the axial force is good or bad. Can be inspected. Further, it is not necessary to pre-treat the bolt as in the prior art, and handling is easy. Furthermore, since the torque generating body and the socket body are arranged with their axes shifted, and the probe is arranged inside the socket body, the probe does not rotate even when the bolt is tightened, and thus the durability is excellent.
[0043]
According to the second aspect, since the rotation transmission mechanism is based on meshing between the first gear fixed to the drive shaft and the second gear provided on the outer periphery of the socket body, the device becomes compact and generates torque. Torque can be reliably transmitted from the body to the socket body.
[0044]
According to the third aspect, since the probe is arranged in a non-contact state inside the socket body, the probe is not subjected to extra vibration or load, so that the durability is of course improved in other parts. Since the transmission of the generated vibration noise to the probe can be suppressed, the axial force can be measured with high sensitivity and high accuracy.
[0045]
According to claim 4, since the disk having the engagement hole at the center is detachably attached to the one end of the socket body, the circle having the corresponding engagement hole even if the size of the bolt is different. You only have to replace it with a plate. In addition, when the engagement hole is worn due to long-term use, the replacement is easy.
[0046]
According to the fifth aspect, since the torque generator is provided with a torque sensor between the speed reducer and the drive shaft, the tightening torque can be measured simultaneously with the measurement of the bolt axial force by the probe and the control device. Therefore, it is possible to evaluate the tightening force with higher reliability.
[0047]
According to the sixth aspect, since the vibration detector is held with respect to the casing via the vibration isolator, the vibration transmitted from the member other than the vibration transmission rod is absorbed by the vibration isolator, so that the vibration detector Noise is prevented from being mixed into the output signal, and the detection accuracy is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a nut runner with an axial force meter according to the present invention in a partial cross section.
FIG. 2 is a front view of the same.
FIG. 3 is an abbreviated front view showing a linear drive mechanism of a movable body and a movable member.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the main part.
FIG. 5 is a similar bottom view.
FIG. 6 is a simplified plan view showing a rotation transmission mechanism.
FIG. 7 is a simplified side view showing an example of use of the present invention and showing a state before tightening a bolt.
FIG. 8 is a simplified side view showing the state after bolt tightening.
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a state in which the axial force of the bolt is being measured.
FIG. 10 is a schematic sectional view of a probe.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the relationship between a bolt and a probe in an axial force measurement state.
FIG. 12 shows the relationship between the shape of the bolt head and the tip structure of the probe, (a) is an abbreviated perspective view showing the tip structure of the probe when there is a recess in the center of the bolt head, and (b) It is an abbreviated perspective view showing a tip structure of a probe when a bolt head is a plane.
FIG. 13 is a schematic block diagram illustrating an embodiment of a control device.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a pulse voltage output from an excitation circuit.
FIG. 15 is a diagram illustrating a vibration waveform of a bolt output from a vibration detector.
FIG. 16 is a time chart showing various signals.
FIG. 17 is a schematic diagram showing an oscillation signal and its processing signal.
[Explanation of symbols]
1 Base body 2 Movable body
3 Holding frame 4 Torque generator
5 Servo motor 6 Reducer
7 Drive shaft 8 Socket body
9 Rotation transmission mechanism 10 Engagement hole
11 Movable member 12 Guide rail
13 Liner 14 Fixing plate
15 Air cylinder 16 Piston
17 connector 18 upper plate
19 Lower plate 20 Intermediate plate
21 Connecting plate 22 Cover plate
23 Shock absorber 24 Bearing
25 Bearing 26 Opening
27 Guide rail 28 Runner
29 Air cylinder 30 Piston
31 Buffer connector 32 Shaft
33 Flange part 34 Support plate
36 mounting portion 37 first gear
38 Second gear 39 Roller pin
40 disc 41 torque sensor
100 probe 101 vibration generator
102 vibration detector 103 control device
104 Vibration transmission rod 105 Through hole
106 annular magnet 107 excitation coil
108 Cover 109 Fixing material
110 hole 111 sleeve
112 Vibration detector 113, 114 Flange
116,117 hole 118 casing
119,120 Cylindrical anti-vibration material
121,122 annular vibration isolator
123 Holding member 124 Cable mounting member
125 Connecting member 126 Projection edge
127 Through hole 128 Cable
130 Excitation Circuit 131 Amplification Circuit
132 A-D converter 137 Display means
138 Input means 139 Computer
140 Portable Information Device 141 Interface Circuit
142 Internet 143 Envelope Waveform
144a, 144b Composite waveform
A Clamped member
B bolt
C fixed part

Claims

The movable body is connected to the base body so that it can be linearly driven, and a torque generator having at least a servo motor and a speed reducer is attached to a holding frame provided on the movable body, and the bolt head is engaged with one end. A cylindrical socket body provided with an engaging hole to be opened and having the other end opened is rotatably mounted by shifting the drive shaft of the torque generator and the shaft core, and the drive shaft and the socket body are rotated by a rotation transmission mechanism. And a probe having a vibration generator for connecting and generating a vibration generator for longitudinally vibrating the bolt head by electromagnetic force, and a vibration detector for detecting and converting the longitudinal vibration into a signal and outputting the signal. The probe is attached to a movable member that can be linearly driven with respect to the movable body, and the probe is brought into contact with a bolt head engaged with the engagement hole of the socket body. Axial force meter nut runner, characterized by measuring the axial force Te.

2. The nut runner with an axial force meter according to claim 1, wherein the rotation transmission mechanism is formed by meshing a first gear fixed to the drive shaft and a second gear provided on an outer periphery of the socket body.

The nut runner with an axial force meter according to claim 1 or 2, wherein the probe is arranged in a non-contact state inside the socket body.

The nut runner with an axial force meter according to any one of claims 1 to 3, wherein a disk having the engagement hole at the center is detachably attached to one end of the socket body.

The nut runner with an axial force meter according to any one of claims 1 to 4, wherein the torque generator is provided with a torque sensor between the speed reducer and a drive shaft.

The vibration generator has a through-hole through which a vibration transmission rod can be inserted in the shaft center, and a single annular magnet magnetized so as to have magnetic poles opposite to each other in the axial direction on the outer periphery in the radial direction of the through-hole. It is arranged in multiple axial directions, and an excitation coil is coaxially arranged on the outer peripheral side or inner peripheral side of the annular magnet. The vibration detector can slide the vibration detector in the axial direction in a cylindrical sleeve. The vibration transmission rod is connected to the vibration detector so as to transmit vibration, and at least both ends of the sleeve are vibrated in a cylindrical casing. The probe according to any one of claims 1 to 5, wherein the probe is attached and held in close contact via a vibration isolating material that absorbs the vibration, and the vibration detecting body is attached to the tip and the tip of the vibration transmitting rod is exposed from the through hole. With the stated axial force meter Nut runner.