JPS6144635B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 装置器具を設計する際重量、大きさ及び使用材
料の経済に関して最も性能を良くするよう最適の
設計をする傾向のため、締付け具に張力をかける
方法やその検査法の分野における活動はかなりな
ものになつている。初期のころの開発の多くの部
分は締付け具に張力をかける手段としてのトルク
制御に集中した。然し、この方法の正確さは、摩
擦係数に影響を及ぼすねじ山の状態などの要因を
うけ易いので極めて低い。

摩擦の影響を最小にするため、その後の開発が
なされたが、これはしばしば所謂「ナツト廻わ
し」法と称されている。この方法は、トルク（締
付け具が緊定されたことを保証する）と回転（ボ
ルトを伸ばすためボルトのねじ山を測微尺として
使用する）との結合を規定したものである。この
方法は、締付け具及び継手装置の状態を注意深く
制御しながらボルトに張力をかける点でかなりの
精度を得ている。然し、トルクに制御される始動
点はしばしば誤つた始動（締付け具または継手装
置は高いトルクを生ずるねじ山の状態のため正し
く緊定されてない）を招く。

最近の開発による方法は、ボルトをその降伏点
にもつてゆく方法であり、降伏点は既に定義され
ている点であり、この点が、締付けサイクルの記
憶によりまたは「ナツト戻し」法により所望のボ
ルト張力を終局的に得るのに利用される。これら
の方法はかなり正確なボルト張力を与えている
が、他面、一般に適用するには若干の難点があ
る。大抵の場合締付け具をその降伏点にもつてゆ
くことは望ましいことではないからである。また
継手は、フランジのゆがみ、ガスケツトの破れま
たはねじ山の破損などの損害なしに締付け具の全
張力を保持することはできないかもしれない。

本発明の目的は、締付け具に張力をかける新規
な方法と装置とを提供することであり、この場合
降伏点より低いボルト張力操作中回転の変化率に
関して決められたトルクと結合されて比例的に決
められる回転の量が利用される。後述の実施例に
おいて、トルク・回転の傾きの一次投影が、締付
け具張力のレベルを予想してかつ完成させるため
締付け具の回転を測定するときに必要である正確
に定義できる始動点として前記傾きのトルク零に
対する読みを決定するのに利用される。

本発明の目的はまた、トルク・回転の傾きの直
線部分の前で起こるトルク付加の際の変数を排除
することである。もう１つの目的は、トルク・回
転の曲線の直線部分が定められた後その部分から
投影されたトルク零に対する点から回転を測定し
て所望の張力を得るため締付け具の回転を利用す
る測定装置を提供することである。さらに本発明
の目的は、締付具張力レベルが予想され達成され
るため基本の点である定義された点を求めるため
締付け具を降伏点にもつてゆかなければならない
必要性を排除することである。

さらにまた本発明の目的は、締付け具張力の所
望のレベルを得るのに要するトルクを、所望の張
力レベルを得る前に締付け具を締め過ぎることを
避けることにより、最小にすることである。これ
らの目的を達成する装置は次のものを有し、即
ち、締付け具をまわすレンチ、締付け具に加えら
れた張力の関数を測定する装置、締付け具に加え
られた回転の関数を測定する装置、これらの測定
値を受入れて回転関数に対する張力関数の変化率
を決める装置、この変化率が一定になるときを決
める装置、変化率が一定であると決める装置、決
められた一定の変化率の一次投影に基いて張力関
数零に対する回転関数の読みを求める装置、この
読みから締付け具を比例的に決められた量だけま
わす装置、そしてこの回転に応答して締付け具の
回転を止める装置である。

次に図面について本発明の実施例を説明する。

第１図に、代表的な継手トルク付加の結果が示
される。本明細書において、継手とは、２つ以上
の部材を締め合わせるのにねじつき締付け具が通
常張力状態で使用されている機械組立中の一部分
であるとされる。本発明は。主に、ねじ、ボルト
及びナツトのようなねじつき締付け具の締付けに
関する。硬い継手とは、締付け具が任意の回転に
対して締付け荷重の急昇を示すものである。軟い
継手とは、反対に任意の回転に対し締付け荷重の
ゆつくりした上昇を示すものである。継手の硬さ
はそのこわさと締付け具こわさとの関数である。
これら硬さの述語は以下の説明中で使用される。
図示される曲線は代表的な硬い継手を示し、こ
の場合初期のトルク形成は比較的急であり、一旦
形成されると一定になる。勿論、曲線は締付け具
の長さ及び締付け具の頭に係合するに要する回転
に左右されて左方に変位する。曲線は、曲線
の場合よりも軟い継手を示し、初期の締付け中の
誤つたトルク付加が示される。これは、代表的な
場合、ねじ山が汚れていたり、ボルト表面に高い
突起があつたり、継手の一部が降伏点に達したり
して起こる。曲線は、初期の締付けにおける誤
差の多い操作による締付け具のものであり、或る
点までは割に一定な即ち直線状の張力付加が示さ
れ、この後に、締付け具が回転の増加に対する第
２の割に一定なトルク増加を示す点が続いてい
る。変化率は、例えば継手構成の複雑な要素のた
め負または正（図示の場合）になる。

この変化率は例えば軟いガスケツトから生じう
るものであり、継手に生ずる初期の降伏または誤
つた直線の傾きを起こすねじ山の降伏の基とな
る。従来行われているボルトのトルク付加の結果
には二三の問題が含まれており、その１つは、す
べてのトルク付加に共通のように見えるが、或る
点においていづれも割に直線状の部分に入りこの
部分の間ではボルト中の応力はボルトの伸び即ち
張力に比例するものと思われる。

各曲線についていくつかの点が示されており、
点Ａは継手が丁度おさまるまで回転した点であ
り、即ち継手中のすべての隙間がなくなつてそれ
以上回せば締付け具のうけるトルクと張力とは著
しく増大するような点である。点Ｂは張力が比例
的である領域に入つた点である。点Ｃは中間の検
討の点である。点Ｄはボルトのトルクまたは回転
が所望の張力を生ずる点である。点Ｅは比例領域
の端の点であり、降伏点と呼ばれることがある。
点Ｆはボルトが非弾性的変形をうける点である。

各曲線から判るように、トルク対回転の曲線は
締付けサイクルの少くとも一部分の間割に一定な
傾きを示し、即ち、△τ／△φ（回転増分に対するトル クの増分）は一定値Ｋとなる。若し一定速さのね
じまわしを使用すれば、時間が回転変数の代わり
になる。トルクの外の関連変数を使用してもよ
い。然し本例では、トルクが張力に関係した変数
として使用される。その理由は締付け具張力付加
に対し普通にかつ便利に使用されるからである。

今までに、トルクと張力との関係を改善するい
くつかの試みがなされている。米国特許第
3962910号には検査法が示され、これは張力に関
係する変数としてのトルクの信頼性を改善するも
のである。この方法では、或る締付け具に対する
所定の回転範囲内で或る所定のトルク値が生ずれ
ば、その継手装置は、満足できる作動をしており
相応しい張力が締付け具中に得られていると考え
られる。然し、この装置では、トルクの許容範囲
及び回転の許容範囲の予めの決定が必要であり、
さらにこれらの範囲内で相応しい張力のレベルが
得られているとする。然し、この方法は締付け具
の代表的な用途の場合に経験される変動中の摩擦
や継手状態に対して所望の張力レベルを得るのに
利用できない。

米国特許第3643501号は、回転中の締付け具の
降伏点を決める方法を示す。この方法は、その降
伏点が締付け具中の張力の定義されたレベルから
生ずるという点で、役に立つ張力ゲージを提供す
る。この降伏点は、いくつかの張力装置で張力付
加の最終の点としてもまた他の張力レベル達成の
ための始動点としても利用されている。然しこの
装置は、締付け具及び継手が先づ降伏点まで応力
をうけることが必要であるという欠陥を有し、こ
のことは既述のように或る場合には望ましいこと
ではない。

本発明は、締付け具張力レベルを決める代用の
装置を提供し、これは従来の「ナツトまわし」法
よりも良い精度で所望の強力レベルを得るのに使
用できる。本発明では、トルク（その他の張力関
係変数）及び回転（または時間）の曲線の直線部
分（傾き）の使用と比例的に決められた回転の利
用とが提案される。この曲線の傾きを決めること
のできる装置及びトルクや回転を測定する装置は
良く知られている。本発明の各段階を遂行する電
子的成分の回路は公知である。比例的に決められ
る回転は、一定のばね係数をもつ継手中の弾性部
材としての締付け具の伸びと、伸びのゲージとし
ての締付け具ねじ山の利用とに基づいている。

第２図に、従来の動力レンチ１が示され、これ
は圧縮流体、電動機その他の動力源により駆動さ
れる。レンチの機能は、締付け具をまわすのに要
する回転駆動力を提供することである。

動力レンチ１は締切弁２を具え、レンチの出力
は主軸３に生じこれがソケツト４をまわしてねじ
つき締付け具即ちボルトを駆動する。主軸３はさ
らに、その回転を検知する角度符号器
（encoder）５をまわし、また、主軸３の出力ト
ルクを検知する変換装置６を駆動する。角度符号
器５は回転数毎に１つのパルス信号を出し、変換
装置６は主軸のトルクに比例するアナログ信号を
出す。動力レンチ１が一定速度のものであれば、
パルスタイマーが角度符号器の代りとなり、その
パルス出力（時間）は角度符号器のパルス出力と
同じように使用される。

角度符号器パルスは、該パルスを数えて予めセ
ツトされた角度に対し１つのパルスに変えるサン
プルサイズ計数器７に送られる。本例では、サン
プルサイズとして４度が選択された。このサイズ
は、ノイズまたはトルクの僅かな偏差を避けるた
めに組立てられた継手に対して択ばれる。計数器
７の出力はトリガー回路８に送りこまれ、ここで
サンプル信号の前部でＡパルスをその後部でＢパ
ルスを出す。

トルク変換装置６の信号は増幅器９により増幅
される。この増幅された信号はアナログデイバイ
ダ１１とサンプルホールドモジユール１０とに送
られる。アナログトルク信号の瞬間値は、Ａパル
スを受ける該モジユール１０によりホールドされ
る。このホールドされた瞬間値はサンプルホール
ドモジユール１２に移されるが、モジユール１２
がＢパルスを受けるときにである。次のＡパルス
はモジユール１０中のトルク信号を新しくしてモ
ジユール１２中の以前のトルクサンプルをモジユ
ール１３の中に入れる。それ故、モジユール１３
の出力は以前のトルクサンプルであり、差動増幅
器１４中に送られる。モジユール１０中の現トル
クサンプルも増幅器１４の中に送られる。この増
幅器の出力は、モジユール１３から送りこまれた
トルクサンプルがモジユール１０からのトルクサ
ンプルよりも早く取られる際、回転に対するトル
クのこう配に比例する。

この時点まで、Ａ及びＢの交互のパルスは、瞬
間的トルク信号の受入れを始めてこれを次のモジ
ユールに移して１パルス間隔の遅れを作るかまた
は差動増幅器に移してその瞬間的トルク信号と以
前のトルク信号とをトルクこう配信号形成のため
比較するのに利用される。このトルクこう配信号
はアナログデイバイダー１１、傾きコンパレータ
１６及びサンプルホールドモジユール１５に送ら
れる。既述したように、モジユール１５はＢパル
スにより開かれるときトルクこう配信号を受入れ
る。次のＡパルスは該信号をサンプルホールドモ
ジユール１７に移す。次のＢパルスはモジユール
１７中の該信号をサンプルホールドモジユール１
８に移す。モジユール１８の出力は差動増幅器１
９の片側に送られる。以前のトルクこう配サンプ
ルを差動増幅器１９の方に向ける同じＢパルス
は、また該増幅器の反対側に送られる現トルクこ
う配サンプルでモジユール１５を新しくする。そ
れ故、差動増幅器１９は入力として、以前のトル
クこう配信号と現トルクこう配信号とを有する。
それ故、この増幅器の出力は、変化率コンパレー
タ２０に送りこまれる変化率に対するトルクのこ
う配に比例する。

このこう配が予めセツトされた点より小さいと
き、出力論理信号はアンド回路２１に送られる。
また該信号がコンパレータ１６に対するセツト点
よりも大きいとき、出力論理信号はアンド回路２
１に送られ、論理信号はパルス回路２２及び計数
器２７の入力に送られる。

こうしてアナログデイバイダー１１は、分子と
してトルク信号をまた分母としてトルクこう配信
号を有し、主軸３の回転に比例した出力を生ず
る。この出力はサンプルホールドモジユール２３
に送られ、ここでパルス回路２２からの信号を受
ける際に貯えられる。回路２２からのパルスの時
点で、変化率に対するトルクのこう配は、予めセ
ツトされた値より小さく、また、こう配が直線状
になつて初期の締付けが生じトルク零に対する点
からの回転の量が決められることを示す所定の量
よりは大きい。

アンド回路２１から符号器パルス計数器２７へ
の信号は、計数を開始させてそのデイジタル計数
信号をＤ―Ａ（デイジタル―アナログ）変換器２
４に送り、これはアナログ計数信号を生じ、この
信号はアナログ加算器２５にゆく。サンプルホー
ルドモジユール２３に貯えられた以前の回転も加
算器２５に送られて、ここで、パルス回路２２の
作動時における曲線の直線部分から定められたト
ルク零に対する回転が、この点を越す回転に加え
られる。それ故、加算器２５の出力はトルク零の
点から締付けられている締付け具の全回転に比例
する。加算器２５の出力は全角度比較モジユール
２６に送りこまれる。この全回転が予めセツトさ
れた回転の量に達すると、モジユール２６の信号
はモータ締切り弁２に送られ、主軸、ソケツト及
び締付け具の回転を止める。予めセツトされた回
転量は、各継手に対して、経験的にまたは締付け
具の伸びについての実験的結果に基づいて決めら
れ、本例では比例的に決められた回転の量と称さ
れる。

上記実施例における方法と装置は、トルク零に
対する読みの点を算出しかつ直線部分における締
付け具の張力に比例するこう配を設定することに
よつて、継手の緊定する点の前の締付け具摩擦効
果もその点の後締付け具が締付けられるまでの該
効果も共に排除される点において、従来の「ナツ
トまわし」法に著しく優つている。

本方法は、トルク零に対する点（第１図にＧで
示される）に相等する回転の始動点を設定するの
に利用でき、この設定は役に立つものである。

この設定が一旦できれば、任意のボルト継手に
対して、締付け具の伸びはトルク零の点Ｇからの
回転に比例（測微尺としてねじ山を利用）すると
仮定される。与えられた締付け具、与えられた伸
びに対して、或る張力が生じることになる。この
仮定を用いると、任意の回転変化（測微尺ねじ山
の回転）は締付け具の所望の伸びを生じる。

このように、締付け具の任意の張力が、降伏点
による必要なしに、かつ「ナツトまわし」法の始
動点の欠陥なしに、得られる。本例の場合、始動
点は、第１図に点Ｇで示すように、計算されたト
ルク零に対する読みの点である。

何かの理由で、トルク・回転の曲線が１つ以上
の一定の傾きを示すことがある。第２図の回路
は、傾きの変化を検出するため検討することによ
り適応させられる。この検討は全締付けサイクル
の間連続して行われる。この一定さが若し変われ
ば、何かの事故を示している操作を取止め、新し
い定数で点Ｇの算出をやり直すことがなされる。
さらに、継手が本例に示されたように所定の誤差
範囲内にあるかどうかを決めるため、傾きの定数
は所定の範囲に比較される。

締付け具張力を決めるには回転変化よりはむし
ろトルク変化が利用される。現在の技術では、回
転増分の総和を求めるよりトルクの測定の方が容
易である。或る締付け具が係合状態にあると、そ
のトルクの増大はその張力の増大に直接比例す
る。

トルク・回転曲線を開始の点から追求して直線
部分を決めるためトルク零に対する点を決める方
法と装置について述べたが、このようにすること
は本発明の実施に必ずしも必要ではないことを理
解すべきである。例えば、傾きの決定やレベルの
検討は任意のトルクにおいて始められることが当
業者に判つた筈である。与えられた継手に対し
て、トルクのレベルは、該曲線の直線部分を与え
るような開始トルクとして選択できる。傾きは、
該直線部分内の該トルク点または他の続いた点に
おいて決められ、またトルク零に対する読みの点
が決められる。この点の後に、既述の比例的に決
められた回転が生じたとき、モーター締切りが起
こる。この方法の利点は、継手緊定の前の信号の
複雑さと継手適応の不つり合いの可能性とを避け
たことである。

本発明の方法を使用すれば、降伏点による必要
なしに締付け具に所望のレベルの張力を生じさせ
ることができる。適当な検討により、締付け具は
所望のレベルの張力にまで締付けられる。本発明
の装置を使用する場合、一定な傾きを設定するの
に要する傾きサンプルの数を、与えられた締付け
具・継手組合わせに対する理論的計算から、また
は、所望の全回転を決める実験的結果から、決め
なければならない。

この結果得られる締付け具の張力レベルは、従
来の「ナツトまわし」法で得られるものよりも遥
かに改善されており、締付け具は張力レベルの決
定のため降伏点にもたされる要はない。さらに本
装置は基準点として降伏点を使用する場合と異な
り極めて簡単化されている。また、降伏点にもつ
てゆく動力と時間の浪費が避けられる点で、本装
置は所要のトルク付加動力及び締付け具張力付加
時間を低下させる。

本発明の理解のためその実施例について述べた
が、これに限定されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は締付け具張力かけに対するトルク対回
転の関係を示す線図、第２図は本発明の実施に必
要な装置を示す概要図である。 １…動力レンチ、２…締切り弁、３…主軸、４
…ソケツト、５…角度符号器、６…変換器、７…
サンプルサイズ計数器、８…トリガー回路、９…
アナログ信号増幅器、１０，１２，１３，１５，
１７，１８…サンプルホールドモジユール、１１
…アナログデイバイダー、１４，１９…差動増幅
器、２０…変化率コンパレータ、２１…アンド回
路、２２…パルス回路、２３…サンプルホールド
モジユール、２４…Ｄ―Ａ変換器、２５…アナロ
グ加算器、２６…角度比較モジユール、２７…符
号器パルス計数器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 継手装置において締付具に張力をかける方法
   であつて、締付具を廻転させる工程、締付具に加
   えられた張力の関数と締付具に加えられた廻転の
   関数とを検出する工程、単位当りの廻転関数に対
   する張力関数の変化率を測定する工程、前記変化
   率が最初に一定となつた時点を測定する工程、前
   記一定の変化率を測定する工程、廻転の関数の曲
   線に交叉する張力の関数の曲線の零値に対応する
   廻転の開始点を、測定された一定変化率の直線的
   投影と張力の関数の瞬間値に基いて決定する工
   程、前記開始点から比例的に決定される廻転量だ
   け締付具を廻転させる工程、ならびに比例的に決
   定された量だけ廻転させられる締付具に応答して
   締付具の締付具を停止する工程を備えていること
   を特徴とする締付具に張力をかける方法。 ２ 張力の関数がトルクとなつていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載された方法。 ３ 廻転の関数が締付具の廻転角度とされている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載さ
   れた方法。 ４ 廻転の関数が時間と成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載された方法。 ５ 張力をかけている期間中は一定の変化率が一
   定に保持されていることを確認するために一定の
   変化率を点検する工程を備えていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載された方法。 ６ 測定された最新の一定の変化率が張力の関数
   の零に対する値を新しくするのに使用されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載さ
   れた方法。 ７ 継手装置の検査の手段として、検出された一
   定変化率が所定の一定変化率の範囲内にあること
   を確認するために、検出された一定の変化率を所
   定の一定変化率に比較する工程を備えていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項の方法。 ８ 比例的に決められる廻転量が周知の締付具及
   び継手装置の特性にもとづく所定の廻転量と成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   の方法。 ９ 継手装置におけるねぢつき締付具に張力を加
   える装置であつて、締付具を廻転させるレンチ１
   と、締付具に加えられた張力の関数を測定する装
   置６と、締付具に加えられた廻転の関数を測定す
   る装置５と、張力の関数の測定値と廻転の関数の
   測定値を受入れ廻転の関数に対する張力の関数の
   変化率を検出する装置８，９，１０，１２，１
   ３，１４，１５，１７，１８，１９と、前記の変
   化率が最初に一定となる時点を検出する装置２０
   と、前記一定の変化率を測定する装置１５，１
   ７，１８，１９，２０と、測定された一定の変化
   率と張力の関数の瞬間値との直線上の投影に基き
   廻転の関数と張力の関数とにより切取られ直線上
   張力関数の零値に対応する廻転開始点を検出する
   装置１１，２３，２５と、前記廻転開始点から比
   例的に決められた廻転量だけ締付具を廻転させる
   装置（２４，２５，２６，２７）と、比例的に決
   められた量だけ廻転された締付具に応答して締付
   具の廻転を停止させる装置２とを備えていること
   を特徴とするねじつき締付具に張力をかける装
   置。 １０ 張力の関数がトルクと成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第９項に記載された装
   置。 １１ 廻転の関数が締付具の廻転角度と成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記
   載された装置。 １２ 廻転の関数が時間と成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第９項に記載された装
   置。 １３ 測定された一定率が張力をかけるサイクル
   の間一定のままであることを確認するために該一
   定率を検べる装置１０を備えていることを特徴と
   する特許請求の範囲第９項に記載された装置。 １４ 測定された最新の一定率が張力の関数の零
   に対する値を新しくするのに利用されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１３項に記載された装
   置。 １５ 測定された一定の率が継手装置の検査機構
   として所定範囲の一定率以内にあることを確認す
   るため、測定された一定率を所定の一定率と比較
   する機構２０を備えていることを特徴とする特許
   請求の範囲第９項の装置。 １６ 比例的に決められた廻転量がマイクロメー
   ターとして締付具を使用して公知の締付具及び継
   手装置の特性に基いて予め定められた廻転量と成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第９
   項に記載された装置。