ボルト締結方法及びその装置
【課題】ボルト締結をボルト軸力で管理する場合に、あとでボルトを弛めることが困難となる不具合、小さい外力でボルトが弛む不具合、ボルト軸力が目標軸力に到達せず締結力不足が起きる不具合を未然に防止する。
【解決手段】締付途中の締付トルクを検出し（Ｓ５）、この締付トルクから締結途中の締付摩擦係数を算出し（Ｓ８）、この締付摩擦係数から最終締付摩擦係数を予測し（Ｓ９）、この最終締付摩擦係数が許容範囲内にあるときはボルトの締付けを続行し（Ｓ１１）、ないときはボルトの締付けを中止する（Ｓ１７）。
【解決手段】締付途中の締付トルクを検出し（Ｓ５）、この締付トルクから締結途中の締付摩擦係数を算出し（Ｓ８）、この締付摩擦係数から最終締付摩擦係数を予測し（Ｓ９）、この最終締付摩擦係数が許容範囲内にあるときはボルトの締付けを続行し（Ｓ１１）、ないときはボルトの締付けを中止する（Ｓ１７）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルト締結方法及びその装置に関し、詳しくは、ボルトの締付けに伴い増大するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボルトによる部材の締結をボルトの締付トルクで管理するトルク法やボルトの締付角度で管理する角度法に加えて、ボルトの締付けに伴いボルトに発生する伸び量で管理する測伸法が知られている。この測伸法は、例えばボルト頭部からボルト先端部に向けてボルト内部に超音波パルス信号を送信し、ボルト先端部で反射した反射パルス信号をボルト頭部で受信するまでの時間に基いて、ボルトの長さひいてはボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量を算出する工程を含んでいる。そして、算出したボルト伸び量が所定の目標伸び量に到達するまでボルトの締付けを続行することにより、ボルト伸び量と比例関係にあるボルト軸力を所定の目標軸力に到達させようとするものである。
【０００３】
この測伸法によれば、トルク法や角度法に比べて、より直接的にボルト軸力を目標軸力に近づけることができるから、より高い精度で締結構造体の締結品質を維持確保することが可能となる。
【０００４】
なお、測伸法に関する技術の１つとして、例えば特許文献１には、締結済みのボルト長とその後の完全緩み状態のボルト長との差に基いて締結済み時のボルト軸力を算出する技術が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１４１８２（段落００３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この測伸法においては、ボルト伸び量が目標伸び量に到達すればボルト軸力が目標軸力に到達したと判断して締付けを完了するものであり、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮しないから、次のような種々の不具合が発生し得る。
【０００７】
例えば、締付摩擦係数ないし締付トルクが過大な状態でボルトの締付けを続行していると、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときに、あるいはボルト伸び量が目標伸び量に到達するまでに、ボルトが塑性伸びを起こしてしまい、たとえボルト伸び量が目標伸び量に到達しても、ボルト軸力が目標軸力に到達せず、締結力不足が起きる。
【０００８】
また、ボルトの潤滑不足や締付途中における異物のカジリ等によって締付摩擦係数が過大となり、その結果、締付トルクが過大となっても、ボルト伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトの締付けを続行するので、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときには締付トルクがさらに過大となって、あとで締結構造体を分解しようとするときにボルトを弛めることが困難となる。
【０００９】
逆に、ボルトの潤滑過多等によって締付摩擦係数ないし締付トルクが過小な状態でボルトの締付けを続行した場合は、たとえボルト伸び量が目標伸び量に到達し、ボルト軸力が目標軸力に到達したとしても、相対的に小さい外力でボルトが弛んでしまい、締結構造体の締結品質が低下する。
【００１０】
本発明は、ボルト軸力をボルト伸び量で管理する測伸法における前記不具合に対処するもので、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮せずにボルトの締付けを続行することにより発生し得る前記のような種々の不具合を未然に防ぐことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するため、本発明では次のような手段を用いる。なお、以下の手段の開示において、後述する発明の実施形態で相当するステップを参考までに付記した。
【００１２】
まず、本願の請求項１に記載の発明は、ボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結方法であって、着座後におけるボルトの締付途中でボルト伸び量が前記目標伸び量より小さい所定の途中伸び量に到達したときの締付トルクを検出するトルク検出工程（Ｓ５）と、このトルク検出工程で検出した締付トルクと前記途中伸び量から求められるボルト軸力とから締結途中の締付摩擦係数を算出する締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）と、この締付摩擦係数算出工程で算出した締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測する最終締付摩擦係数予測工程（Ｓ９）と、この最終締付摩擦係数予測工程で予測した最終締付摩擦係数が所定の許容範囲内にあるか否かを判定する判定工程（Ｓ１０）と、この判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときは、ボルトの締付けを続行する締付続行工程（Ｓ１１）と、上記判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときは、ボルトの締付けを中止する締付中止工程（Ｓ１７）とを有することを特徴とする。
【００１３】
次に、本願の請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のボルト締結方法であって、前記締付中止工程（Ｓ１７）は、締結途中のボルトを弛める弛め工程（Ｓ２０又はＳ２２）と、前記最終締付摩擦係数が前記許容範囲を高い側に逸脱しているか低い側に逸脱しているかを判定する第２の判定工程（Ｓ１９）と、この第２の判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め工程で弛めたボルトの締付摩擦係数を低下させる措置（Ｓ２１）をしたのち該ボルトを再締結（Ｓ２）する第１の後処理工程と、上記第２の判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め工程で弛めたボルトの締付摩擦係数を高上させる措置（Ｓ２３）をしたのち該ボルトを再締結（Ｓ２）する第２の後処理工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
次に、本願の請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載のボルト締結方法であって、前記第１の後処理工程（Ｓ２１及びＳ２）及び第２の後処理工程（Ｓ２３及びＳ２）では、前記トルク検出工程（Ｓ５）、前記締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）、前記最終締付摩擦係数予測工程（Ｓ９）、前記判定工程（Ｓ１０）、前記締付続行工程（Ｓ１１）及び前記締付中止工程（Ｓ１７）を実行しながら、ボルトを再締結することを特徴とする。
【００１５】
次に、本願の請求項４に記載の発明は、前記請求項１から３のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、前記判定工程（Ｓ１０）では、ボルトの弾性限界が前記目標軸力を上回っているときの締付摩擦係数の最高値を上限値として持つ許容範囲内に最終締付摩擦係数があるか否かを判定することを特徴とする。
【００１６】
次に、本願の請求項５に記載の発明は、前記請求項１に記載のボルト締結方法であって、前記締付中止工程（Ｓ１７）は、ボルト伸び量の検出（Ｓ３）及び／又は締付トルクの検出（Ｓ５）に異常が発生しているか否かを判定する第３の判定工程（Ｓ１８）と、この第３の判定工程で異常が発生していると判定したときは、前記トルク検出工程（Ｓ５）、前記締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）、前記最終締付摩擦係数予測工程（Ｓ９）、前記判定工程（Ｓ１０）、前記締付続行工程（Ｓ１１）及び前記締付中止工程（Ｓ１７）を実行せずにボルトの締め付けを完了する代替締付完了工程（Ｓ３０）とを有することを特徴とする。
【００１７】
次に、本願の請求項６に記載の発明は、前記請求項１から５のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、前記トルク検出工程（Ｓ５）では、少なくとも３種類の途中伸び量に到達したときの少なくとも３種類の締付トルクを検出し、前記締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）では、前記少なくとも３種類の締付トルクと前記少なくとも３種類の途中伸び量から求められる少なくとも３種類のボルト軸力とから少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数を算出し、前記最終締付摩擦係数予測工程（Ｓ９）では、前記少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測することを特徴とする。
【００１８】
次に、本願の請求項７に記載の発明は、前記請求項１から６のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、前記締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）では、ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから予め設定された伸び量と軸力との比例係数と、前記途中伸び量とに基いて、ボルト軸力を求めることを特徴とする。
【００１９】
一方、本願の請求項８に記載の発明は、ボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結装置であって、着座後におけるボルトの締付途中でボルト伸び量が前記目標伸び量より小さい所定の途中伸び量に到達したときの締付トルクを検出するトルク検出手段（Ｓ５）と、このトルク検出手段で検出した締付トルクと前記途中伸び量から求められるボルト軸力とから締結途中の締付摩擦係数を算出する締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）と、この締付摩擦係数算出手段で算出した締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測する最終締付摩擦係数予測手段（Ｓ９）と、この最終締付摩擦係数予測手段で予測した最終締付摩擦係数が所定の許容範囲内にあるか否かを判定する判定手段（Ｓ１０）と、この判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときは、ボルトの締付けを続行する締付続行手段（Ｓ１１）と、上記判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときは、ボルトの締付けを中止する締付中止手段（Ｓ１７）とを有することを特徴とする。
【００２０】
次に、本願の請求項９に記載の発明は、前記請求項８に記載のボルト締結装置であって、前記締付中止手段（Ｓ１７）は、締結途中のボルトを弛める弛め手段（Ｓ２０又はＳ２２）と、前記最終締付摩擦係数が前記許容範囲を高い側に逸脱しているか低い側に逸脱しているかを判定する第２の判定手段（Ｓ１９）と、この第２の判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め手段で弛めたボルトの締付摩擦係数を低下させる措置（Ｓ２１）をしたのち該ボルトを再締結（Ｓ２）する第１の後処理手段と、上記第２の判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め手段で弛めたボルトの締付摩擦係数を高上させる措置（Ｓ２３）をしたのち該ボルトを再締結（Ｓ２）する第２の後処理手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
次に、本願の請求項１０に記載の発明は、前記請求項９に記載のボルト締結装置であって、前記第１の後処理手段（Ｓ２１及びＳ２）及び第２の後処理手段（Ｓ２３及びＳ２）は、前記トルク検出手段（Ｓ５）、前記締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）、前記最終締付摩擦係数予測手段（Ｓ９）、前記判定手段（Ｓ１０）、前記締付続行手段（Ｓ１１）及び前記締付中止手段（Ｓ１７）を作動させながら、ボルトを再締結することを特徴とする。
【００２２】
次に、本願の請求項１１に記載の発明は、前記請求項８から１０のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、前記判定手段（Ｓ１０）は、ボルトの弾性限界が前記目標軸力を上回っているときの締付摩擦係数の最高値を上限値として持つ許容範囲内に最終締付摩擦係数があるか否かを判定することを特徴とする。
【００２３】
次に、本願の請求項１２に記載の発明は、前記請求項８に記載のボルト締結装置であって、前記締付中止手段（Ｓ１７）は、ボルト伸び量の検出（Ｓ３）及び／又は締付トルクの検出（Ｓ５）に異常が発生しているか否かを判定する第３の判定手段（Ｓ１８）と、この第３の判定手段で異常が発生していると判定したときは、前記トルク検出手段（Ｓ５）、前記締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）、前記最終締付摩擦係数予測手段（Ｓ９）、前記判定手段（Ｓ１０）、前記締付続行手段（Ｓ１１）及び前記締付中止手段（Ｓ１７）を作動させずにボルトの締め付けを完了する代替締付完了手段（Ｓ３０）とを有することを特徴とする。
【００２４】
次に、本願の請求項１３に記載の発明は、前記請求項８から１２のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、前記トルク検出手段（Ｓ５）は、少なくとも３種類の途中伸び量に到達したときの少なくとも３種類の締付トルクを検出し、前記締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）は、前記少なくとも３種類の締付トルクと前記少なくとも３種類の途中伸び量から求められる少なくとも３種類のボルト軸力とから少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数を算出し、前記最終締付摩擦係数予測手段（Ｓ９）は、前記少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測することを特徴とする。
【００２５】
次に、本願の請求項１４に記載の発明は、前記請求項８から１３のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、前記締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）は、ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから予め設定された伸び量と軸力との比例係数と、前記途中伸び量とに基いて、ボルト軸力を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
まず、請求項１、請求項８に記載の発明によれば、ボルトの締結をボルト伸び量と比例関係にあるボルト軸力で管理する場合において、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮し、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときに限り、ボルトの締付けを続行し、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときには、ボルトの締付けを中止するようにしたから、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮せずにボルトの締付けを続行することにより発生し得る種々の不具合、すなわち、ボルト伸び量が目標伸び量に到達してもボルト軸力が目標軸力に到達せず締結力不足が起きる不具合、あとで締結構造体を分解しようとするときにボルトを弛めることが困難となる不具合、相対的に小さい外力でボルトが弛んでしまい締結構造体の締結品質が低下する不具合等を未然に防ぐことが可能となる。
【００２７】
つまり、本発明は、測伸法を主体としながらも、トルク法の概念を付加することにより、測伸法の欠点及びトルク法の欠点を補完し合い、測伸法の利点及びトルク法の利点を発揮し合うものであるといえる。
【００２８】
次に、請求項２、請求項９に記載の発明によれば、最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱しているときは、ボルトの締付摩擦係数を低下させる措置をしたのち該ボルトを再締結し、最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱しているときは、ボルトの締付摩擦係数を高上させる措置をしたのち該ボルトを再締結するようにしたから、再締結時には同じボルトを良好な状態で締付け完了させることができる。
【００２９】
次に、請求項３、請求項１０に記載の発明によれば、前記ボルトの再締結時においても、前記トルクの検出、前記締付摩擦係数の算出、前記最終締付摩擦係数の予測、前記判定、前記締付続行及び前記締付中止を実行するようにしたから、再締結時においても、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮せずにボルトの締付けを続行することにより発生し得る種々の不具合を未然に防ぐことが可能となる。
【００３０】
次に、請求項４、請求項１１に記載の発明によれば、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときに、あるいはボルト伸び量が目標伸び量に到達するまでに、ボルトが塑性伸びを起こしてしまう不具合を確実に未然防止することができる。
【００３１】
次に、請求項５、請求項１２に記載の発明によれば、ボルト伸び量の検出及び／又は締付トルクの検出に異常が発生しているときは、前記トルクの検出、前記締付摩擦係数の算出、前記最終締付摩擦係数の予測、前記判定、前記締付続行及び前記締付中止を実行せずにボルトの締め付けを完了するようにしたから、緊急非常時に締付途中のボルトを締付け完了させることができる。
【００３２】
次に、請求項６、請求項１３に記載の発明によれば、少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数から最終締付摩擦係数を予測するようにしたから、次のような利点が得られる。
【００３３】
すなわち、一般に、ボルト締結構造体において、被締結部材がアルミニウムやマグネシウムあるいはそれらの合金等のように、鋼製のボルトに比べて硬度が小さい場合、締付途中でボルト座が被締結部材に陥没する現象が生じる。このときの被締結部材の座面のヘタリによるボルトと被締結部材との接触状態の変化により、締付摩擦係数の変化は非線形な傾向を示すこととなる。このような状況下では、締結途中の締付摩擦係数のサンプル数が１〜２点では最終締付摩擦係数の予測誤差が大きくなる問題が生じる。そこで、この請求項６、請求項１３に記載の発明では、締結途中の締付摩擦係数のサンプル数を３点以上としたのである。これにより、たとえ締付摩擦係数の変化が非線形な傾向を示すような場合でも、精度よく最終締付摩擦係数を予測することが可能となる。
【００３４】
次に、請求項７、請求項１４に記載の発明によれば、ボルト伸び量からボルト軸力を求める際に使用する比例係数を、ボルトへの荷重の増加量とボルトの伸び量とから設定せずに、ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから設定するようにしたから、たとえ比例係数設定時の被検査体毎に強度や転位が異なっていても、荷重の減少量とボルトの縮み量との関係を表す弾性勾配は安定することから、伸び量の算出結果ひいては比例係数の算出結果の変動が少なくて済み、ボルト伸び量と軸力との比例係数が精度よく設定されることとなる。以下、発明の最良の実施の形態を通して本発明をさらに詳しく説述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１は、本実施形態に係るボルト締結装置１のブロック構成図である。このボルト締結装置１は、主たる構成要素として、軸力測定装置２０、ナットランナ３０及びナットランナ駆動装置４０を有している。
【００３６】
軸力測定装置２０は、超音波パルス送受信部２２、データ記憶部２３、表示部２４及び制御部２１を備えている。
【００３７】
超音波パルス送受信部２２は、超音波センサ１２と接続され、該センサ１２からの超音波パルス信号の送信及び該センサ１２による超音波反射パルス信号の受信を行う。
【００３８】
データ記憶部２３は、ボルト１０の締結に必要な各種データを予め記憶している。そのようなデータとしては、例えば、ボルト１０の初期長さＬ０、ボルト１０の伸び量δと軸力Ｆとの比例係数α、ボルト１０の目標伸び量δｆ、ボルト１０の目標軸力Ｆｆ、第１〜第３途中締付摩擦係数μ１〜μ３を算出するためのボルト１０の第１〜第３途中伸び量δ１〜δ３、最終締付摩擦係数μｆの許容範囲（ｍｉｎ〜ｍａｘ）等が含まれる。
【００３９】
表示部２４は、ボルト１０の締結動作中、種々の情報を画面に表示して作業員に情報提供する。本実施形態において、表示部２４が表示する最も重要な情報の１つに、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にあるか否かの判定結果に関する情報がある（図９のステップＳ１１及びＳ１７参照）。
【００４０】
ナットランナ駆動装置４０は、ナットランナ３０の角度エンコーダ３１から出力されるボルト１０の締付角度信号及びナットランナ３０のトルクセンサ３３から出力されるボルト１０の締付トルク信号を入力し、ナットランナ３０のモータ３２に駆動信号を出力する。
【００４１】
ナットランナ駆動装置４０と軸力測定装置２０の制御部２１とは、相互に情報交換が可能に接続されている。
【００４２】
被締結物１３，１３を締結するためにナットランナ３０で締め付けられるボルト１０の頭部にソケット１１が被せられ、このソケット１１にボルト１０の頭部に密着するように超音波センサ１２が組み込まれている。超音波センサ１２は、ボルト１０の先端部に向けてボルト１０の内部に超音波パルス信号を送信し、ボルト１０の先端部で反射した反射パルス信号を受信する。そして、軸力測定装置２０の制御部２１は、その送信から受信までの時間に基きボルト１０の長さを算出し、ボルト１０の初期長さＬ０と比較して、ボルト１０の締付けに伴うボルト１０の伸び量δを求める。
【００４３】
図２に示すように、ボルト１０の伸び量δとボルト１０の軸力Ｆとは比例関係にあり、ボルト１０の伸び量δが大きくなるほどボルト１０の軸力Ｆが大きくなる。そして、その比例係数αが予め実験的に設定されて、軸力測定装置２０のデータ記憶部２３に記憶されている。次に、図３〜図７を参照して、本実施形態における前記比例係数αの設定の仕方を説明する。
【００４４】
図３に示すように、被検査体であるボルト１０にナットを螺合して、引っ張り荷重Ｗを負荷させる。ある荷重Ｗを負荷させたときのボルト１０の長さＬ１（前述したように超音波センサ１２を用いて検出する）からボルト１０の初期長さＬ０を減じた値が伸び量δであり、前記荷重Ｗとこの伸び量δとの比率が比例係数αとなる。従来は、無負荷の初期状態（ボルト長さ＝Ｌ０）から荷重Ｗを増加させたときのボルト長さＬ１を検出して伸び量δを算出するのが通例であった。
【００４５】
しかし、この方法では、ボルト１０の初期長さＬ０が固定であるから、例えば図４に示すように、被検査体の強度の大小に起因して負荷時のボルト長さＬ１が大きく変動した場合に、伸び量δの算出結果（Ｌ１−Ｌ０）ひいては比例係数αの算出結果が大きく変動するという問題がある。
【００４６】
同様に、例えば図５に示すように、被検査体の転位の有無に起因して負荷時のボルト長さＬ１が大きく変動した場合に、伸び量δの算出結果（Ｌ１−Ｌ０）ひいては比例係数αの算出結果が大きく変動するという問題がある。
【００４７】
そこで、本実施形態では、荷重Ｗを負荷した状態（ボルト長さ＝Ｌ１）から荷重Ｗを減少させて無負荷としたときのボルト長さＬ０を検出して、その縮み量から伸び量δを算出するようにした。これにより、被検査体毎に強度や転位が異なっていても、図６及び図７に示すように、荷重Ｗの減少量とボルト１０の縮み量との関係を表す弾性勾配は安定することから、伸び量δの算出結果（Ｌ１−Ｌ０）ひいては比例係数αの算出結果がそれほど変動せず、ボルト１０の伸び量δと軸力Ｆとの比例係数αを精度よく設定できることとなる。
【００４８】
ここで、図８に示すように、ボルト１０の締結動作中の着座後の締付トルクＴを横軸（Ｘ軸）にとり、ボルト１０の軸力Ｆを縦軸（Ｙ軸）にとれば、その傾きが締付摩擦係数μとなる。そして、傾きが大きいほど締付摩擦係数μが低く、傾きが小さいほど締付摩擦係数μが高いこととなる。
【００４９】
次に、図９に示すフローチャートに従って、本実施形態に係るボルト締結方法を説明する。
【００５０】
まず、ステップＳ１では、各種数値を初期設定する。つまり、軸力測定装置２０のデータ記憶部２３に前述したようなボルト１０の初期長さＬ０等の各種データを登録したり、前回のボルト１０の締結動作で更新し使用した各種パラメータ等をリセットするのである。
【００５１】
次いで、ステップＳ２では、ナットランナ３０を駆動してボルト１０の締付けを開始し、ステップＳ３では、着座後のボルト１０の伸び量δを計測する。
【００５２】
次いで、ステップＳ４では、ボルト１０の伸び量δが第１途中伸び量δ１、第２途中伸び量δ２又は第３途中伸び量δ３のいずれか１つに到達したか否かを判定する。到達しないうちは締付けを継続し、到達すればステップＳ５で締付トルクＴを計測する。第１途中伸び量δ１に対応して第１締付トルクＴ１、第２途中伸び量δ２に対応して第２締付トルクＴ２、第３途中伸び量δ３に対応して第３締付トルクＴ３とする。
【００５３】
なお、前記第１〜第３途中伸び量δ１〜δ３は、図２に示すように、ボルト１０の目標伸び量δｆより小さい値である。
【００５４】
第１〜第３締付トルクＴ１〜Ｔ３を全て計測すれば、次いで、ステップＳ６では、ナットランナ３０の駆動をいったん停止してボルト１０の締付けを暫定的に停止する。
【００５５】
次いで、ステップＳ７では、第１〜第３途中伸び量δ１〜δ３と比例係数αとから、第１途中伸び量δ１に対応して第１軸力Ｆ１、第２途中伸び量δ２に対応して第２軸力Ｆ２、第３途中伸び量δ３に対応して第３軸力Ｆ３を算出する（図２参照）。
【００５６】
次いで、ステップＳ８では、第１〜第３軸力Ｆ１〜Ｆ３と第１〜第３締付トルクＴ１〜Ｔ３とから、ボルト１０の締付途中における締付摩擦係数μ、すなわち、第１途中伸び量δ１に対応して第１途中締付摩擦係数μ１、第２途中伸び量δ２に対応して第２途中締付摩擦係数μ２、第３途中伸び量δ３に対応して第３途中締付摩擦係数μ３を算出する。
【００５７】
すなわち、図８を参照して前述したように、ボルト１０の締結動作中の着座後の締付トルクＴを横軸（Ｘ軸）にとり、ボルト１０の軸力Ｆを縦軸（Ｙ軸）にとれば、その傾きが締付摩擦係数μとなる。したがって、例えば図１０に示すように、トルク−軸力グラフ上で、第１締付トルクＴ１と第１軸力Ｆ１との交点を第１途中締付摩擦係数μ１、第２締付トルクＴ２と第２軸力Ｆ２との交点を第２途中締付摩擦係数μ２、第３締付トルクＴ３と第３軸力Ｆ３との交点を第３途中締付摩擦係数μ３とする。
【００５８】
次いで、ステップＳ９では、前記第１〜第３途中締付摩擦係数μ１〜μ３から、ボルト１０の伸び量δが目標伸び量δｆに到達したとき、換言すればボルト１０の軸力Ｆが目標軸力Ｆｆに到達したときの締付摩擦係数μ、すなわち最終締付摩擦係数μｆを予測する。
【００５９】
この最終締付摩擦係数μｆの予測は、概念的には、例えば図１０に示したグラフ上で、第１〜第３途中締付摩擦係数μ１〜μ３の軌跡を目標軸力Ｆｆまで延長することである。
【００６０】
情報処理的には、例えば図１０に示したグラフ上の第１途中締付摩擦係数μ１の座標（Ｔ１，Ｆ１）、第２途中締付摩擦係数μ２の座標（Ｔ２，Ｆ２）、第３途中締付摩擦係数μ３の座標（Ｔ３，Ｆ３）に基く回帰式（多項式）から精度よく予測することが可能である。
【００６１】
すなわち、次の数１で示される２次回帰式の回帰係数（ａ１，ａ２）と定数（ａ０）とを求め、最終締付摩擦係数μｆを予測することになる。
【００６２】
【数１】
【００６３】
その場合に、前記回帰係数（ａ１，ａ２）及び前記定数（ａ０）は、次の数２で示される連立方程式から求められる。
【００６４】
【数２】
【００６５】
次いで、ステップＳ１０では、予測した最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にあるか否かを判定する。
【００６６】
例えば図１０に太線で示したように、本実施形態では、最終締付摩擦係数μｆの許容範囲が（ｍｉｎ〜ｍａｘ）間に設定されている。ｍｉｎは許容範囲中における締付摩擦係数μの最低値（下限値）、ｍａｘは許容範囲中における締付摩擦係数μの最高値（上限値）である。
【００６７】
ここで、最高値（上限値）ｍａｘは、ボルト１０の弾性限界ライン（図１０に破線で示す）が目標軸力Ｆｆを上回っているときの締付摩擦係数μの最高値に設定されている。つまり、一般に、ボルト１０の弾性限界は、締付摩擦係数μに応じて変化し、締付摩擦係数μが高くなるほど低下する。それゆえ、目標軸力Ｆｆ到達時の最終締付摩擦係数μｆが過度に高いと、目標軸力Ｆｆ到達時にあるいは目標軸力Ｆｆ到達前にボルト１０が塑性伸びを起こして目標軸力Ｆｆが得られなくなる可能性がある。したがって、そのような不具合を回避するために、最終締付摩擦係数μｆの許容範囲の最高値ｍａｘを前記のような値に設定したのである。
【００６８】
次いで、ステップＳ１１では、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にあると判定した場合は（図１０の実線（i）参照）、ステップＳ６で暫定的に停止したボルト１０の締付けを続行することが可能であることを表示部２４に表示する。
【００６９】
次いで、ステップＳ１２では、ナットランナ３０を再駆動してボルト１０の締付けを再開し、ステップＳ１３では、ボルト１０の伸び量δを計測する。
【００７０】
次いで、ステップＳ１４では、ボルト１０の伸び量δが目標伸び量δｆに到達したか否かを判定する。到達しないうちは締付けを継続し、到達すればステップＳ１５で目標軸力Ｆｆ到達判定を行い、ステップＳ１６で締付完了判定をしてエンドとなる。
【００７１】
一方、ステップＳ１７では、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にないと判定した場合は（図１０の点線（ii）又は破線（iii）参照）、ステップＳ６で暫定的に停止したボルト１０の締付けを続行することが不可能であることを表示部２４に表示する。
【００７２】
次いで、ステップＳ１８では、センサ異常の有無を判定する。つまり、ステップＳ３での超音波センサ１２によるボルト伸び量δの計測や、ステップＳ５でのトルクセンサ３３による締付トルクＴの計測に異常が発生していて、その結果、ステップＳ７での軸力Ｆの算出精度、ステップＳ８での締付摩擦係数μの算出精度、ステップＳ９での最終締付摩擦係数μｆの予測精度が低下して、ステップＳ１０で最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にないと判定されたのか否かを判定するのである。
【００７３】
その結果、センサ異常があると判定したときは、この軸力Ｆの管理によるボルト１０の締付けに代えて、例えば角度エンコーダ３１を用いた角度法でボルト１０の締付けを続行し完了する。あるいは、超音波センサ１２のみに異常がある場合は、トルクセンサ３３を用いたトルク法でボルト１０の締付けを続行し完了する。つまり、代替法に移行してボルト１０の締付けを完了するのである（ステップＳ３０）。
【００７４】
次いで、ステップＳ１９では、センサ異常がないと判定したときは、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲より高い側に逸脱しているか否かを判定する。
【００７５】
その結果、高い側に逸脱していると判定したときは（図１０の破線（iii）参照）、ステップＳ２０でナットランナ３０を逆駆動してボルト１０を弛め、ステップＳ２１で弛めたボルト１０に対して締付摩擦係数μを低下させる措置（オイルの追加や異物の除去等）を行って、ステップＳ２に戻る（すなわち同じボルト１０を使って再締結する）。
【００７６】
これに対し、低い側に逸脱していると判定したときは（図１０の破線（ii）参照）、ステップＳ２２でナットランナ３０を逆駆動してボルト１０を弛め、ステップＳ２３で弛めたボルト１０に対して締付摩擦係数μを高上させる措置（オイルの削減等）を行って、ステップＳ２に戻る（すなわち同じボルト１０を使って再締結する）。
【００７７】
なお、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲より低い側に逸脱している原因の１つとして、例えばボルトの潤滑過多等が考えられる。そのような場合は、ボルトの潤滑を減らすことも締付摩擦係数μを高上させる措置の１つとなる。
【００７８】
以上のように、本実施形態においては、ボルト１０の締結をボルト伸び量δと比例関係にあるボルト軸力Ｆで管理する場合において、ボルト締付途中における締付摩擦係数μ１〜μ３ないし締付トルクＴ１〜Ｔ３を考慮し、ボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達したときの最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にあると判定したときに限り、ボルト１０の締付けを続行し（ステップＳ１１）、ボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達したときの最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にないと判定したときには、ボルト１０の締付けを中止する（ステップＳ１７）ようにしたから、ボルト締付途中における締付摩擦係数μ１〜μ３ないし締付トルクＴ１〜Ｔ３を考慮せずにボルト１０の締付けを続行することにより発生し得る種々の不具合、すなわち、ボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達してもボルト軸力Ｆが目標軸力Ｆｆに到達せず締結力不足が起きる不具合、あとで締結構造体を分解しようとするときにボルト１０を弛めることが困難となる不具合、相対的に小さい外力でボルト１０が弛んでしまい締結構造体の締結品質が低下する不具合等を未然に防ぐことが可能となる。
【００７９】
また、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲を高い側に逸脱しているときは、ボルト１０の締付摩擦係数μを低下させる措置をしたのち（ステップＳ２１）該ボルト１０を再締結し（ステップＳ２）、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲を低い側に逸脱しているときは、ボルト１０の締付摩擦係数μを高上させる措置をしたのち（ステップＳ２３）該ボルト１０を再締結する（ステップＳ２）ようにしたから、再締結時には同じボルト１０を良好な状態で締付け完了させることができる。
【００８０】
また、ボルト１０の再締結時においても、前記トルクＴ１〜Ｔ３の検出（ステップＳ５）、前記締付摩擦係数μ１〜μ３の算出（ステップＳ８）、前記最終締付摩擦係数μｆの予測（ステップＳ９）、前記判定（ステップＳ１０）、前記締付続行（ステップＳ１１）及び前記締付中止（ステップＳ１７）を実行するようにしたから、再締結時においても、ボルト締付途中における締付摩擦係数μ１〜μ３ないし締付トルクＴ１〜Ｔ３を考慮せずにボルト１０の締付けを続行することにより発生し得る種々の不具合を未然に防ぐことが可能となる。
【００８１】
また、ボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達したときに、あるいはボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達するまでに、ボルト１０が塑性伸びを起こしてしまう不具合を確実に未然防止することができる（図１０参照）。
【００８２】
また、ボルト伸び量δの検出（ステップＳ３）及び／又は締付トルクＴの検出（ステップＳ５）に異常が発生しているとき（ステップＳ１８でＹＥＳのとき）は、前記トルクＴ１〜Ｔ３の検出（ステップＳ５）、前記締付摩擦係数μ１〜μ３の算出（ステップＳ８）、前記最終締付摩擦係数μｆの予測（ステップＳ９）、前記判定（ステップＳ１０）、前記締付続行（ステップＳ１１）及び前記締付中止（ステップＳ１７）を実行せずにボルト１０の締め付けを完了する（ステップＳ３０）ようにしたから、緊急非常時に締付途中のボルト１０を他の角度法やトルク法等で締付け完了させることができる。
【００８３】
また、少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数μ１〜μ３から最終締付摩擦係数μｆを予測するようにしたから（図１０参照）、たとえ締付摩擦係数μの変化が非線形な傾向を示すような場合でも（実線（i）、点線（ii）、破線（iii）参照）、精度よく最終締付摩擦係数μｆを予測することが可能となる。
【００８４】
そして、ボルト伸び量δからボルト軸力Ｆを求める際に使用する比例係数αを、ボルト１０への荷重Ｗの増加量とボルト１０の伸び量δとから設定せずに（図４、図５参照）、ボルト１０に負荷した荷重Ｗの減少量とボルト１０の縮み量とから設定する（図６、図７参照）ようにしたから、たとえ比例係数設定時の被検査体毎に強度や転位が異なっていても、荷重Ｗの減少量とボルト１０の縮み量との関係を表す弾性勾配は安定することから、伸び量δの算出結果ひいては比例係数αの算出結果の変動が少なくて済み、ボルト伸び量δと軸力Ｆとの比例係数が精度よく設定されることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、ボルトの締結をボルト伸び量と比例関係にあるボルト軸力で管理する場合において、例えば、ボルト伸び量が目標伸び量に到達してもボルト軸力が目標軸力に到達せず締結力不足が起きる不具合、あとで締結構造体を分解しようとするときにボルトを弛めることが困難となる不具合、相対的に小さい外力でボルトが弛んでしまい締結構造体の締結品質が低下する不具合等を未然に防ぐことが可能な技術であるから、ボルト締結方法及びその装置の技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の最良の実施形態に係るボルト締結装置のブロック構成図である。
【図２】ボルト伸び量と軸力との関係を示すグラフである。
【図３】ボルト伸び量と軸力との比例係数を予め実験的に設定する原理の説明図である。
【図４】ボルト強度が異なる場合のボルト伸び量と荷重増加量との関係を示すグラフである。
【図５】ボルト転位が異なる場合のボルト伸び量と荷重増加量との関係を示すグラフである。
【図６】ボルト強度が異なる場合のボルト縮み量と荷重減少量との関係を示すグラフである。
【図７】ボルト転位が異なる場合のボルト縮み量と荷重減少量との関係を示すグラフである。
【図８】締付トルクと軸力との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の最良の実施形態に係るボルト締結方法のフローチャートである。
【図１０】前記ボルト締結方法の作用を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１ ボルト締結装置
１０ ボルト
１２ 超音波センサ
２０ 軸力測定装置
２１ 制御部
２３ データ記憶部
２４ 表示部
３０ ナットランナ
３３ トルクセンサ
Ｓ５ トルク検出工程、トルク検出手段
Ｓ８ 締付摩擦係数算出工程、締付摩擦係数算出手段
Ｓ９ 最終締付摩擦係数予測工程、最終締付摩擦係数予測手段
Ｓ１０ 判定工程、判定手段
Ｓ１１ 締付続行工程、締付続行手段
Ｓ１７ 締付中止工程、締付中止手段
Ｓ１８ 第３の判定工程、第３の判定手段
Ｓ１９ 第２の判定工程、第２の判定手段
Ｓ２０又はＳ２２ 弛め工程、弛め手段
Ｓ２１及びＳ２ 第１の後処理工程、第１の後処理手段
Ｓ２３及びＳ２ 第２の後処理工程、第２の後処理手段
Ｓ３０ 代替締付完了工程、代替締付完了手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルト締結方法及びその装置に関し、詳しくは、ボルトの締付けに伴い増大するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボルトによる部材の締結をボルトの締付トルクで管理するトルク法やボルトの締付角度で管理する角度法に加えて、ボルトの締付けに伴いボルトに発生する伸び量で管理する測伸法が知られている。この測伸法は、例えばボルト頭部からボルト先端部に向けてボルト内部に超音波パルス信号を送信し、ボルト先端部で反射した反射パルス信号をボルト頭部で受信するまでの時間に基いて、ボルトの長さひいてはボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量を算出する工程を含んでいる。そして、算出したボルト伸び量が所定の目標伸び量に到達するまでボルトの締付けを続行することにより、ボルト伸び量と比例関係にあるボルト軸力を所定の目標軸力に到達させようとするものである。
【０００３】
この測伸法によれば、トルク法や角度法に比べて、より直接的にボルト軸力を目標軸力に近づけることができるから、より高い精度で締結構造体の締結品質を維持確保することが可能となる。
【０００４】
なお、測伸法に関する技術の１つとして、例えば特許文献１には、締結済みのボルト長とその後の完全緩み状態のボルト長との差に基いて締結済み時のボルト軸力を算出する技術が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１４１８２（段落００３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この測伸法においては、ボルト伸び量が目標伸び量に到達すればボルト軸力が目標軸力に到達したと判断して締付けを完了するものであり、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮しないから、次のような種々の不具合が発生し得る。
【０００７】
例えば、締付摩擦係数ないし締付トルクが過大な状態でボルトの締付けを続行していると、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときに、あるいはボルト伸び量が目標伸び量に到達するまでに、ボルトが塑性伸びを起こしてしまい、たとえボルト伸び量が目標伸び量に到達しても、ボルト軸力が目標軸力に到達せず、締結力不足が起きる。
【０００８】
また、ボルトの潤滑不足や締付途中における異物のカジリ等によって締付摩擦係数が過大となり、その結果、締付トルクが過大となっても、ボルト伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトの締付けを続行するので、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときには締付トルクがさらに過大となって、あとで締結構造体を分解しようとするときにボルトを弛めることが困難となる。
【０００９】
逆に、ボルトの潤滑過多等によって締付摩擦係数ないし締付トルクが過小な状態でボルトの締付けを続行した場合は、たとえボルト伸び量が目標伸び量に到達し、ボルト軸力が目標軸力に到達したとしても、相対的に小さい外力でボルトが弛んでしまい、締結構造体の締結品質が低下する。
【００１０】
本発明は、ボルト軸力をボルト伸び量で管理する測伸法における前記不具合に対処するもので、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮せずにボルトの締付けを続行することにより発生し得る前記のような種々の不具合を未然に防ぐことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するため、本発明では次のような手段を用いる。なお、以下の手段の開示において、後述する発明の実施形態で相当するステップを参考までに付記した。
【００１２】
まず、本願の請求項１に記載の発明は、ボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結方法であって、着座後におけるボルトの締付途中でボルト伸び量が前記目標伸び量より小さい所定の途中伸び量に到達したときの締付トルクを検出するトルク検出工程（Ｓ５）と、このトルク検出工程で検出した締付トルクと前記途中伸び量から求められるボルト軸力とから締結途中の締付摩擦係数を算出する締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）と、この締付摩擦係数算出工程で算出した締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測する最終締付摩擦係数予測工程（Ｓ９）と、この最終締付摩擦係数予測工程で予測した最終締付摩擦係数が所定の許容範囲内にあるか否かを判定する判定工程（Ｓ１０）と、この判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときは、ボルトの締付けを続行する締付続行工程（Ｓ１１）と、上記判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときは、ボルトの締付けを中止する締付中止工程（Ｓ１７）とを有することを特徴とする。
【００１３】
次に、本願の請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のボルト締結方法であって、前記締付中止工程（Ｓ１７）は、締結途中のボルトを弛める弛め工程（Ｓ２０又はＳ２２）と、前記最終締付摩擦係数が前記許容範囲を高い側に逸脱しているか低い側に逸脱しているかを判定する第２の判定工程（Ｓ１９）と、この第２の判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め工程で弛めたボルトの締付摩擦係数を低下させる措置（Ｓ２１）をしたのち該ボルトを再締結（Ｓ２）する第１の後処理工程と、上記第２の判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め工程で弛めたボルトの締付摩擦係数を高上させる措置（Ｓ２３）をしたのち該ボルトを再締結（Ｓ２）する第２の後処理工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
次に、本願の請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載のボルト締結方法であって、前記第１の後処理工程（Ｓ２１及びＳ２）及び第２の後処理工程（Ｓ２３及びＳ２）では、前記トルク検出工程（Ｓ５）、前記締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）、前記最終締付摩擦係数予測工程（Ｓ９）、前記判定工程（Ｓ１０）、前記締付続行工程（Ｓ１１）及び前記締付中止工程（Ｓ１７）を実行しながら、ボルトを再締結することを特徴とする。
【００１５】
次に、本願の請求項４に記載の発明は、前記請求項１から３のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、前記判定工程（Ｓ１０）では、ボルトの弾性限界が前記目標軸力を上回っているときの締付摩擦係数の最高値を上限値として持つ許容範囲内に最終締付摩擦係数があるか否かを判定することを特徴とする。
【００１６】
次に、本願の請求項５に記載の発明は、前記請求項１に記載のボルト締結方法であって、前記締付中止工程（Ｓ１７）は、ボルト伸び量の検出（Ｓ３）及び／又は締付トルクの検出（Ｓ５）に異常が発生しているか否かを判定する第３の判定工程（Ｓ１８）と、この第３の判定工程で異常が発生していると判定したときは、前記トルク検出工程（Ｓ５）、前記締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）、前記最終締付摩擦係数予測工程（Ｓ９）、前記判定工程（Ｓ１０）、前記締付続行工程（Ｓ１１）及び前記締付中止工程（Ｓ１７）を実行せずにボルトの締め付けを完了する代替締付完了工程（Ｓ３０）とを有することを特徴とする。
【００１７】
次に、本願の請求項６に記載の発明は、前記請求項１から５のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、前記トルク検出工程（Ｓ５）では、少なくとも３種類の途中伸び量に到達したときの少なくとも３種類の締付トルクを検出し、前記締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）では、前記少なくとも３種類の締付トルクと前記少なくとも３種類の途中伸び量から求められる少なくとも３種類のボルト軸力とから少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数を算出し、前記最終締付摩擦係数予測工程（Ｓ９）では、前記少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測することを特徴とする。
【００１８】
次に、本願の請求項７に記載の発明は、前記請求項１から６のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、前記締付摩擦係数算出工程（Ｓ８）では、ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから予め設定された伸び量と軸力との比例係数と、前記途中伸び量とに基いて、ボルト軸力を求めることを特徴とする。
【００１９】
一方、本願の請求項８に記載の発明は、ボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結装置であって、着座後におけるボルトの締付途中でボルト伸び量が前記目標伸び量より小さい所定の途中伸び量に到達したときの締付トルクを検出するトルク検出手段（Ｓ５）と、このトルク検出手段で検出した締付トルクと前記途中伸び量から求められるボルト軸力とから締結途中の締付摩擦係数を算出する締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）と、この締付摩擦係数算出手段で算出した締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測する最終締付摩擦係数予測手段（Ｓ９）と、この最終締付摩擦係数予測手段で予測した最終締付摩擦係数が所定の許容範囲内にあるか否かを判定する判定手段（Ｓ１０）と、この判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときは、ボルトの締付けを続行する締付続行手段（Ｓ１１）と、上記判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときは、ボルトの締付けを中止する締付中止手段（Ｓ１７）とを有することを特徴とする。
【００２０】
次に、本願の請求項９に記載の発明は、前記請求項８に記載のボルト締結装置であって、前記締付中止手段（Ｓ１７）は、締結途中のボルトを弛める弛め手段（Ｓ２０又はＳ２２）と、前記最終締付摩擦係数が前記許容範囲を高い側に逸脱しているか低い側に逸脱しているかを判定する第２の判定手段（Ｓ１９）と、この第２の判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め手段で弛めたボルトの締付摩擦係数を低下させる措置（Ｓ２１）をしたのち該ボルトを再締結（Ｓ２）する第１の後処理手段と、上記第２の判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め手段で弛めたボルトの締付摩擦係数を高上させる措置（Ｓ２３）をしたのち該ボルトを再締結（Ｓ２）する第２の後処理手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
次に、本願の請求項１０に記載の発明は、前記請求項９に記載のボルト締結装置であって、前記第１の後処理手段（Ｓ２１及びＳ２）及び第２の後処理手段（Ｓ２３及びＳ２）は、前記トルク検出手段（Ｓ５）、前記締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）、前記最終締付摩擦係数予測手段（Ｓ９）、前記判定手段（Ｓ１０）、前記締付続行手段（Ｓ１１）及び前記締付中止手段（Ｓ１７）を作動させながら、ボルトを再締結することを特徴とする。
【００２２】
次に、本願の請求項１１に記載の発明は、前記請求項８から１０のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、前記判定手段（Ｓ１０）は、ボルトの弾性限界が前記目標軸力を上回っているときの締付摩擦係数の最高値を上限値として持つ許容範囲内に最終締付摩擦係数があるか否かを判定することを特徴とする。
【００２３】
次に、本願の請求項１２に記載の発明は、前記請求項８に記載のボルト締結装置であって、前記締付中止手段（Ｓ１７）は、ボルト伸び量の検出（Ｓ３）及び／又は締付トルクの検出（Ｓ５）に異常が発生しているか否かを判定する第３の判定手段（Ｓ１８）と、この第３の判定手段で異常が発生していると判定したときは、前記トルク検出手段（Ｓ５）、前記締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）、前記最終締付摩擦係数予測手段（Ｓ９）、前記判定手段（Ｓ１０）、前記締付続行手段（Ｓ１１）及び前記締付中止手段（Ｓ１７）を作動させずにボルトの締め付けを完了する代替締付完了手段（Ｓ３０）とを有することを特徴とする。
【００２４】
次に、本願の請求項１３に記載の発明は、前記請求項８から１２のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、前記トルク検出手段（Ｓ５）は、少なくとも３種類の途中伸び量に到達したときの少なくとも３種類の締付トルクを検出し、前記締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）は、前記少なくとも３種類の締付トルクと前記少なくとも３種類の途中伸び量から求められる少なくとも３種類のボルト軸力とから少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数を算出し、前記最終締付摩擦係数予測手段（Ｓ９）は、前記少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測することを特徴とする。
【００２５】
次に、本願の請求項１４に記載の発明は、前記請求項８から１３のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、前記締付摩擦係数算出手段（Ｓ８）は、ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから予め設定された伸び量と軸力との比例係数と、前記途中伸び量とに基いて、ボルト軸力を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
まず、請求項１、請求項８に記載の発明によれば、ボルトの締結をボルト伸び量と比例関係にあるボルト軸力で管理する場合において、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮し、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときに限り、ボルトの締付けを続行し、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときには、ボルトの締付けを中止するようにしたから、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮せずにボルトの締付けを続行することにより発生し得る種々の不具合、すなわち、ボルト伸び量が目標伸び量に到達してもボルト軸力が目標軸力に到達せず締結力不足が起きる不具合、あとで締結構造体を分解しようとするときにボルトを弛めることが困難となる不具合、相対的に小さい外力でボルトが弛んでしまい締結構造体の締結品質が低下する不具合等を未然に防ぐことが可能となる。
【００２７】
つまり、本発明は、測伸法を主体としながらも、トルク法の概念を付加することにより、測伸法の欠点及びトルク法の欠点を補完し合い、測伸法の利点及びトルク法の利点を発揮し合うものであるといえる。
【００２８】
次に、請求項２、請求項９に記載の発明によれば、最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱しているときは、ボルトの締付摩擦係数を低下させる措置をしたのち該ボルトを再締結し、最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱しているときは、ボルトの締付摩擦係数を高上させる措置をしたのち該ボルトを再締結するようにしたから、再締結時には同じボルトを良好な状態で締付け完了させることができる。
【００２９】
次に、請求項３、請求項１０に記載の発明によれば、前記ボルトの再締結時においても、前記トルクの検出、前記締付摩擦係数の算出、前記最終締付摩擦係数の予測、前記判定、前記締付続行及び前記締付中止を実行するようにしたから、再締結時においても、ボルト締付途中における締付摩擦係数ないし締付トルクを考慮せずにボルトの締付けを続行することにより発生し得る種々の不具合を未然に防ぐことが可能となる。
【００３０】
次に、請求項４、請求項１１に記載の発明によれば、ボルト伸び量が目標伸び量に到達したときに、あるいはボルト伸び量が目標伸び量に到達するまでに、ボルトが塑性伸びを起こしてしまう不具合を確実に未然防止することができる。
【００３１】
次に、請求項５、請求項１２に記載の発明によれば、ボルト伸び量の検出及び／又は締付トルクの検出に異常が発生しているときは、前記トルクの検出、前記締付摩擦係数の算出、前記最終締付摩擦係数の予測、前記判定、前記締付続行及び前記締付中止を実行せずにボルトの締め付けを完了するようにしたから、緊急非常時に締付途中のボルトを締付け完了させることができる。
【００３２】
次に、請求項６、請求項１３に記載の発明によれば、少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数から最終締付摩擦係数を予測するようにしたから、次のような利点が得られる。
【００３３】
すなわち、一般に、ボルト締結構造体において、被締結部材がアルミニウムやマグネシウムあるいはそれらの合金等のように、鋼製のボルトに比べて硬度が小さい場合、締付途中でボルト座が被締結部材に陥没する現象が生じる。このときの被締結部材の座面のヘタリによるボルトと被締結部材との接触状態の変化により、締付摩擦係数の変化は非線形な傾向を示すこととなる。このような状況下では、締結途中の締付摩擦係数のサンプル数が１〜２点では最終締付摩擦係数の予測誤差が大きくなる問題が生じる。そこで、この請求項６、請求項１３に記載の発明では、締結途中の締付摩擦係数のサンプル数を３点以上としたのである。これにより、たとえ締付摩擦係数の変化が非線形な傾向を示すような場合でも、精度よく最終締付摩擦係数を予測することが可能となる。
【００３４】
次に、請求項７、請求項１４に記載の発明によれば、ボルト伸び量からボルト軸力を求める際に使用する比例係数を、ボルトへの荷重の増加量とボルトの伸び量とから設定せずに、ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから設定するようにしたから、たとえ比例係数設定時の被検査体毎に強度や転位が異なっていても、荷重の減少量とボルトの縮み量との関係を表す弾性勾配は安定することから、伸び量の算出結果ひいては比例係数の算出結果の変動が少なくて済み、ボルト伸び量と軸力との比例係数が精度よく設定されることとなる。以下、発明の最良の実施の形態を通して本発明をさらに詳しく説述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１は、本実施形態に係るボルト締結装置１のブロック構成図である。このボルト締結装置１は、主たる構成要素として、軸力測定装置２０、ナットランナ３０及びナットランナ駆動装置４０を有している。
【００３６】
軸力測定装置２０は、超音波パルス送受信部２２、データ記憶部２３、表示部２４及び制御部２１を備えている。
【００３７】
超音波パルス送受信部２２は、超音波センサ１２と接続され、該センサ１２からの超音波パルス信号の送信及び該センサ１２による超音波反射パルス信号の受信を行う。
【００３８】
データ記憶部２３は、ボルト１０の締結に必要な各種データを予め記憶している。そのようなデータとしては、例えば、ボルト１０の初期長さＬ０、ボルト１０の伸び量δと軸力Ｆとの比例係数α、ボルト１０の目標伸び量δｆ、ボルト１０の目標軸力Ｆｆ、第１〜第３途中締付摩擦係数μ１〜μ３を算出するためのボルト１０の第１〜第３途中伸び量δ１〜δ３、最終締付摩擦係数μｆの許容範囲（ｍｉｎ〜ｍａｘ）等が含まれる。
【００３９】
表示部２４は、ボルト１０の締結動作中、種々の情報を画面に表示して作業員に情報提供する。本実施形態において、表示部２４が表示する最も重要な情報の１つに、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にあるか否かの判定結果に関する情報がある（図９のステップＳ１１及びＳ１７参照）。
【００４０】
ナットランナ駆動装置４０は、ナットランナ３０の角度エンコーダ３１から出力されるボルト１０の締付角度信号及びナットランナ３０のトルクセンサ３３から出力されるボルト１０の締付トルク信号を入力し、ナットランナ３０のモータ３２に駆動信号を出力する。
【００４１】
ナットランナ駆動装置４０と軸力測定装置２０の制御部２１とは、相互に情報交換が可能に接続されている。
【００４２】
被締結物１３，１３を締結するためにナットランナ３０で締め付けられるボルト１０の頭部にソケット１１が被せられ、このソケット１１にボルト１０の頭部に密着するように超音波センサ１２が組み込まれている。超音波センサ１２は、ボルト１０の先端部に向けてボルト１０の内部に超音波パルス信号を送信し、ボルト１０の先端部で反射した反射パルス信号を受信する。そして、軸力測定装置２０の制御部２１は、その送信から受信までの時間に基きボルト１０の長さを算出し、ボルト１０の初期長さＬ０と比較して、ボルト１０の締付けに伴うボルト１０の伸び量δを求める。
【００４３】
図２に示すように、ボルト１０の伸び量δとボルト１０の軸力Ｆとは比例関係にあり、ボルト１０の伸び量δが大きくなるほどボルト１０の軸力Ｆが大きくなる。そして、その比例係数αが予め実験的に設定されて、軸力測定装置２０のデータ記憶部２３に記憶されている。次に、図３〜図７を参照して、本実施形態における前記比例係数αの設定の仕方を説明する。
【００４４】
図３に示すように、被検査体であるボルト１０にナットを螺合して、引っ張り荷重Ｗを負荷させる。ある荷重Ｗを負荷させたときのボルト１０の長さＬ１（前述したように超音波センサ１２を用いて検出する）からボルト１０の初期長さＬ０を減じた値が伸び量δであり、前記荷重Ｗとこの伸び量δとの比率が比例係数αとなる。従来は、無負荷の初期状態（ボルト長さ＝Ｌ０）から荷重Ｗを増加させたときのボルト長さＬ１を検出して伸び量δを算出するのが通例であった。
【００４５】
しかし、この方法では、ボルト１０の初期長さＬ０が固定であるから、例えば図４に示すように、被検査体の強度の大小に起因して負荷時のボルト長さＬ１が大きく変動した場合に、伸び量δの算出結果（Ｌ１−Ｌ０）ひいては比例係数αの算出結果が大きく変動するという問題がある。
【００４６】
同様に、例えば図５に示すように、被検査体の転位の有無に起因して負荷時のボルト長さＬ１が大きく変動した場合に、伸び量δの算出結果（Ｌ１−Ｌ０）ひいては比例係数αの算出結果が大きく変動するという問題がある。
【００４７】
そこで、本実施形態では、荷重Ｗを負荷した状態（ボルト長さ＝Ｌ１）から荷重Ｗを減少させて無負荷としたときのボルト長さＬ０を検出して、その縮み量から伸び量δを算出するようにした。これにより、被検査体毎に強度や転位が異なっていても、図６及び図７に示すように、荷重Ｗの減少量とボルト１０の縮み量との関係を表す弾性勾配は安定することから、伸び量δの算出結果（Ｌ１−Ｌ０）ひいては比例係数αの算出結果がそれほど変動せず、ボルト１０の伸び量δと軸力Ｆとの比例係数αを精度よく設定できることとなる。
【００４８】
ここで、図８に示すように、ボルト１０の締結動作中の着座後の締付トルクＴを横軸（Ｘ軸）にとり、ボルト１０の軸力Ｆを縦軸（Ｙ軸）にとれば、その傾きが締付摩擦係数μとなる。そして、傾きが大きいほど締付摩擦係数μが低く、傾きが小さいほど締付摩擦係数μが高いこととなる。
【００４９】
次に、図９に示すフローチャートに従って、本実施形態に係るボルト締結方法を説明する。
【００５０】
まず、ステップＳ１では、各種数値を初期設定する。つまり、軸力測定装置２０のデータ記憶部２３に前述したようなボルト１０の初期長さＬ０等の各種データを登録したり、前回のボルト１０の締結動作で更新し使用した各種パラメータ等をリセットするのである。
【００５１】
次いで、ステップＳ２では、ナットランナ３０を駆動してボルト１０の締付けを開始し、ステップＳ３では、着座後のボルト１０の伸び量δを計測する。
【００５２】
次いで、ステップＳ４では、ボルト１０の伸び量δが第１途中伸び量δ１、第２途中伸び量δ２又は第３途中伸び量δ３のいずれか１つに到達したか否かを判定する。到達しないうちは締付けを継続し、到達すればステップＳ５で締付トルクＴを計測する。第１途中伸び量δ１に対応して第１締付トルクＴ１、第２途中伸び量δ２に対応して第２締付トルクＴ２、第３途中伸び量δ３に対応して第３締付トルクＴ３とする。
【００５３】
なお、前記第１〜第３途中伸び量δ１〜δ３は、図２に示すように、ボルト１０の目標伸び量δｆより小さい値である。
【００５４】
第１〜第３締付トルクＴ１〜Ｔ３を全て計測すれば、次いで、ステップＳ６では、ナットランナ３０の駆動をいったん停止してボルト１０の締付けを暫定的に停止する。
【００５５】
次いで、ステップＳ７では、第１〜第３途中伸び量δ１〜δ３と比例係数αとから、第１途中伸び量δ１に対応して第１軸力Ｆ１、第２途中伸び量δ２に対応して第２軸力Ｆ２、第３途中伸び量δ３に対応して第３軸力Ｆ３を算出する（図２参照）。
【００５６】
次いで、ステップＳ８では、第１〜第３軸力Ｆ１〜Ｆ３と第１〜第３締付トルクＴ１〜Ｔ３とから、ボルト１０の締付途中における締付摩擦係数μ、すなわち、第１途中伸び量δ１に対応して第１途中締付摩擦係数μ１、第２途中伸び量δ２に対応して第２途中締付摩擦係数μ２、第３途中伸び量δ３に対応して第３途中締付摩擦係数μ３を算出する。
【００５７】
すなわち、図８を参照して前述したように、ボルト１０の締結動作中の着座後の締付トルクＴを横軸（Ｘ軸）にとり、ボルト１０の軸力Ｆを縦軸（Ｙ軸）にとれば、その傾きが締付摩擦係数μとなる。したがって、例えば図１０に示すように、トルク−軸力グラフ上で、第１締付トルクＴ１と第１軸力Ｆ１との交点を第１途中締付摩擦係数μ１、第２締付トルクＴ２と第２軸力Ｆ２との交点を第２途中締付摩擦係数μ２、第３締付トルクＴ３と第３軸力Ｆ３との交点を第３途中締付摩擦係数μ３とする。
【００５８】
次いで、ステップＳ９では、前記第１〜第３途中締付摩擦係数μ１〜μ３から、ボルト１０の伸び量δが目標伸び量δｆに到達したとき、換言すればボルト１０の軸力Ｆが目標軸力Ｆｆに到達したときの締付摩擦係数μ、すなわち最終締付摩擦係数μｆを予測する。
【００５９】
この最終締付摩擦係数μｆの予測は、概念的には、例えば図１０に示したグラフ上で、第１〜第３途中締付摩擦係数μ１〜μ３の軌跡を目標軸力Ｆｆまで延長することである。
【００６０】
情報処理的には、例えば図１０に示したグラフ上の第１途中締付摩擦係数μ１の座標（Ｔ１，Ｆ１）、第２途中締付摩擦係数μ２の座標（Ｔ２，Ｆ２）、第３途中締付摩擦係数μ３の座標（Ｔ３，Ｆ３）に基く回帰式（多項式）から精度よく予測することが可能である。
【００６１】
すなわち、次の数１で示される２次回帰式の回帰係数（ａ１，ａ２）と定数（ａ０）とを求め、最終締付摩擦係数μｆを予測することになる。
【００６２】
【数１】
【００６３】
その場合に、前記回帰係数（ａ１，ａ２）及び前記定数（ａ０）は、次の数２で示される連立方程式から求められる。
【００６４】
【数２】
【００６５】
次いで、ステップＳ１０では、予測した最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にあるか否かを判定する。
【００６６】
例えば図１０に太線で示したように、本実施形態では、最終締付摩擦係数μｆの許容範囲が（ｍｉｎ〜ｍａｘ）間に設定されている。ｍｉｎは許容範囲中における締付摩擦係数μの最低値（下限値）、ｍａｘは許容範囲中における締付摩擦係数μの最高値（上限値）である。
【００６７】
ここで、最高値（上限値）ｍａｘは、ボルト１０の弾性限界ライン（図１０に破線で示す）が目標軸力Ｆｆを上回っているときの締付摩擦係数μの最高値に設定されている。つまり、一般に、ボルト１０の弾性限界は、締付摩擦係数μに応じて変化し、締付摩擦係数μが高くなるほど低下する。それゆえ、目標軸力Ｆｆ到達時の最終締付摩擦係数μｆが過度に高いと、目標軸力Ｆｆ到達時にあるいは目標軸力Ｆｆ到達前にボルト１０が塑性伸びを起こして目標軸力Ｆｆが得られなくなる可能性がある。したがって、そのような不具合を回避するために、最終締付摩擦係数μｆの許容範囲の最高値ｍａｘを前記のような値に設定したのである。
【００６８】
次いで、ステップＳ１１では、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にあると判定した場合は（図１０の実線（i）参照）、ステップＳ６で暫定的に停止したボルト１０の締付けを続行することが可能であることを表示部２４に表示する。
【００６９】
次いで、ステップＳ１２では、ナットランナ３０を再駆動してボルト１０の締付けを再開し、ステップＳ１３では、ボルト１０の伸び量δを計測する。
【００７０】
次いで、ステップＳ１４では、ボルト１０の伸び量δが目標伸び量δｆに到達したか否かを判定する。到達しないうちは締付けを継続し、到達すればステップＳ１５で目標軸力Ｆｆ到達判定を行い、ステップＳ１６で締付完了判定をしてエンドとなる。
【００７１】
一方、ステップＳ１７では、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にないと判定した場合は（図１０の点線（ii）又は破線（iii）参照）、ステップＳ６で暫定的に停止したボルト１０の締付けを続行することが不可能であることを表示部２４に表示する。
【００７２】
次いで、ステップＳ１８では、センサ異常の有無を判定する。つまり、ステップＳ３での超音波センサ１２によるボルト伸び量δの計測や、ステップＳ５でのトルクセンサ３３による締付トルクＴの計測に異常が発生していて、その結果、ステップＳ７での軸力Ｆの算出精度、ステップＳ８での締付摩擦係数μの算出精度、ステップＳ９での最終締付摩擦係数μｆの予測精度が低下して、ステップＳ１０で最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にないと判定されたのか否かを判定するのである。
【００７３】
その結果、センサ異常があると判定したときは、この軸力Ｆの管理によるボルト１０の締付けに代えて、例えば角度エンコーダ３１を用いた角度法でボルト１０の締付けを続行し完了する。あるいは、超音波センサ１２のみに異常がある場合は、トルクセンサ３３を用いたトルク法でボルト１０の締付けを続行し完了する。つまり、代替法に移行してボルト１０の締付けを完了するのである（ステップＳ３０）。
【００７４】
次いで、ステップＳ１９では、センサ異常がないと判定したときは、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲より高い側に逸脱しているか否かを判定する。
【００７５】
その結果、高い側に逸脱していると判定したときは（図１０の破線（iii）参照）、ステップＳ２０でナットランナ３０を逆駆動してボルト１０を弛め、ステップＳ２１で弛めたボルト１０に対して締付摩擦係数μを低下させる措置（オイルの追加や異物の除去等）を行って、ステップＳ２に戻る（すなわち同じボルト１０を使って再締結する）。
【００７６】
これに対し、低い側に逸脱していると判定したときは（図１０の破線（ii）参照）、ステップＳ２２でナットランナ３０を逆駆動してボルト１０を弛め、ステップＳ２３で弛めたボルト１０に対して締付摩擦係数μを高上させる措置（オイルの削減等）を行って、ステップＳ２に戻る（すなわち同じボルト１０を使って再締結する）。
【００７７】
なお、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲より低い側に逸脱している原因の１つとして、例えばボルトの潤滑過多等が考えられる。そのような場合は、ボルトの潤滑を減らすことも締付摩擦係数μを高上させる措置の１つとなる。
【００７８】
以上のように、本実施形態においては、ボルト１０の締結をボルト伸び量δと比例関係にあるボルト軸力Ｆで管理する場合において、ボルト締付途中における締付摩擦係数μ１〜μ３ないし締付トルクＴ１〜Ｔ３を考慮し、ボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達したときの最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にあると判定したときに限り、ボルト１０の締付けを続行し（ステップＳ１１）、ボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達したときの最終締付摩擦係数μｆが許容範囲内にないと判定したときには、ボルト１０の締付けを中止する（ステップＳ１７）ようにしたから、ボルト締付途中における締付摩擦係数μ１〜μ３ないし締付トルクＴ１〜Ｔ３を考慮せずにボルト１０の締付けを続行することにより発生し得る種々の不具合、すなわち、ボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達してもボルト軸力Ｆが目標軸力Ｆｆに到達せず締結力不足が起きる不具合、あとで締結構造体を分解しようとするときにボルト１０を弛めることが困難となる不具合、相対的に小さい外力でボルト１０が弛んでしまい締結構造体の締結品質が低下する不具合等を未然に防ぐことが可能となる。
【００７９】
また、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲を高い側に逸脱しているときは、ボルト１０の締付摩擦係数μを低下させる措置をしたのち（ステップＳ２１）該ボルト１０を再締結し（ステップＳ２）、最終締付摩擦係数μｆが許容範囲を低い側に逸脱しているときは、ボルト１０の締付摩擦係数μを高上させる措置をしたのち（ステップＳ２３）該ボルト１０を再締結する（ステップＳ２）ようにしたから、再締結時には同じボルト１０を良好な状態で締付け完了させることができる。
【００８０】
また、ボルト１０の再締結時においても、前記トルクＴ１〜Ｔ３の検出（ステップＳ５）、前記締付摩擦係数μ１〜μ３の算出（ステップＳ８）、前記最終締付摩擦係数μｆの予測（ステップＳ９）、前記判定（ステップＳ１０）、前記締付続行（ステップＳ１１）及び前記締付中止（ステップＳ１７）を実行するようにしたから、再締結時においても、ボルト締付途中における締付摩擦係数μ１〜μ３ないし締付トルクＴ１〜Ｔ３を考慮せずにボルト１０の締付けを続行することにより発生し得る種々の不具合を未然に防ぐことが可能となる。
【００８１】
また、ボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達したときに、あるいはボルト伸び量δが目標伸び量δｆに到達するまでに、ボルト１０が塑性伸びを起こしてしまう不具合を確実に未然防止することができる（図１０参照）。
【００８２】
また、ボルト伸び量δの検出（ステップＳ３）及び／又は締付トルクＴの検出（ステップＳ５）に異常が発生しているとき（ステップＳ１８でＹＥＳのとき）は、前記トルクＴ１〜Ｔ３の検出（ステップＳ５）、前記締付摩擦係数μ１〜μ３の算出（ステップＳ８）、前記最終締付摩擦係数μｆの予測（ステップＳ９）、前記判定（ステップＳ１０）、前記締付続行（ステップＳ１１）及び前記締付中止（ステップＳ１７）を実行せずにボルト１０の締め付けを完了する（ステップＳ３０）ようにしたから、緊急非常時に締付途中のボルト１０を他の角度法やトルク法等で締付け完了させることができる。
【００８３】
また、少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数μ１〜μ３から最終締付摩擦係数μｆを予測するようにしたから（図１０参照）、たとえ締付摩擦係数μの変化が非線形な傾向を示すような場合でも（実線（i）、点線（ii）、破線（iii）参照）、精度よく最終締付摩擦係数μｆを予測することが可能となる。
【００８４】
そして、ボルト伸び量δからボルト軸力Ｆを求める際に使用する比例係数αを、ボルト１０への荷重Ｗの増加量とボルト１０の伸び量δとから設定せずに（図４、図５参照）、ボルト１０に負荷した荷重Ｗの減少量とボルト１０の縮み量とから設定する（図６、図７参照）ようにしたから、たとえ比例係数設定時の被検査体毎に強度や転位が異なっていても、荷重Ｗの減少量とボルト１０の縮み量との関係を表す弾性勾配は安定することから、伸び量δの算出結果ひいては比例係数αの算出結果の変動が少なくて済み、ボルト伸び量δと軸力Ｆとの比例係数が精度よく設定されることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、ボルトの締結をボルト伸び量と比例関係にあるボルト軸力で管理する場合において、例えば、ボルト伸び量が目標伸び量に到達してもボルト軸力が目標軸力に到達せず締結力不足が起きる不具合、あとで締結構造体を分解しようとするときにボルトを弛めることが困難となる不具合、相対的に小さい外力でボルトが弛んでしまい締結構造体の締結品質が低下する不具合等を未然に防ぐことが可能な技術であるから、ボルト締結方法及びその装置の技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の最良の実施形態に係るボルト締結装置のブロック構成図である。
【図２】ボルト伸び量と軸力との関係を示すグラフである。
【図３】ボルト伸び量と軸力との比例係数を予め実験的に設定する原理の説明図である。
【図４】ボルト強度が異なる場合のボルト伸び量と荷重増加量との関係を示すグラフである。
【図５】ボルト転位が異なる場合のボルト伸び量と荷重増加量との関係を示すグラフである。
【図６】ボルト強度が異なる場合のボルト縮み量と荷重減少量との関係を示すグラフである。
【図７】ボルト転位が異なる場合のボルト縮み量と荷重減少量との関係を示すグラフである。
【図８】締付トルクと軸力との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の最良の実施形態に係るボルト締結方法のフローチャートである。
【図１０】前記ボルト締結方法の作用を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１ ボルト締結装置
１０ ボルト
１２ 超音波センサ
２０ 軸力測定装置
２１ 制御部
２３ データ記憶部
２４ 表示部
３０ ナットランナ
３３ トルクセンサ
Ｓ５ トルク検出工程、トルク検出手段
Ｓ８ 締付摩擦係数算出工程、締付摩擦係数算出手段
Ｓ９ 最終締付摩擦係数予測工程、最終締付摩擦係数予測手段
Ｓ１０ 判定工程、判定手段
Ｓ１１ 締付続行工程、締付続行手段
Ｓ１７ 締付中止工程、締付中止手段
Ｓ１８ 第３の判定工程、第３の判定手段
Ｓ１９ 第２の判定工程、第２の判定手段
Ｓ２０又はＳ２２ 弛め工程、弛め手段
Ｓ２１及びＳ２ 第１の後処理工程、第１の後処理手段
Ｓ２３及びＳ２ 第２の後処理工程、第２の後処理手段
Ｓ３０ 代替締付完了工程、代替締付完了手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結方法であって、
着座後におけるボルトの締付途中でボルト伸び量が前記目標伸び量より小さい所定の途中伸び量に到達したときの締付トルクを検出するトルク検出工程と、
このトルク検出工程で検出した締付トルクと前記途中伸び量から求められるボルト軸力とから締結途中の締付摩擦係数を算出する締付摩擦係数算出工程と、
この締付摩擦係数算出工程で算出した締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測する最終締付摩擦係数予測工程と、
この最終締付摩擦係数予測工程で予測した最終締付摩擦係数が所定の許容範囲内にあるか否かを判定する判定工程と、
この判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときは、ボルトの締付けを続行する締付続行工程と、
上記判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときは、ボルトの締付けを中止する締付中止工程と
を有することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載のボルト締結方法であって、
前記締付中止工程は、
締結途中のボルトを弛める弛め工程と、
前記最終締付摩擦係数が前記許容範囲を高い側に逸脱しているか低い側に逸脱しているかを判定する第２の判定工程と、
この第２の判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め工程で弛めたボルトの締付摩擦係数を低下させる措置をしたのち該ボルトを再締結する第１の後処理工程と、
上記第２の判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め工程で弛めたボルトの締付摩擦係数を高上させる措置をしたのち該ボルトを再締結する第２の後処理工程と
を有することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項３】
前記請求項２に記載のボルト締結方法であって、
前記第１の後処理工程及び第２の後処理工程では、
前記トルク検出工程、前記締付摩擦係数算出工程、前記最終締付摩擦係数予測工程、前記判定工程、前記締付続行工程及び前記締付中止工程を実行しながら、ボルトを再締結することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項４】
前記請求項１から３のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、
前記判定工程では、
ボルトの弾性限界が前記目標軸力を上回っているときの締付摩擦係数の最高値を上限値として持つ許容範囲内に最終締付摩擦係数があるか否かを判定することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項５】
前記請求項１に記載のボルト締結方法であって、
前記締付中止工程は、
ボルト伸び量の検出及び／又は締付トルクの検出に異常が発生しているか否かを判定する第３の判定工程と、
この第３の判定工程で異常が発生していると判定したときは、前記トルク検出工程、前記締付摩擦係数算出工程、前記最終締付摩擦係数予測工程、前記判定工程、前記締付続行工程及び前記締付中止工程を実行せずにボルトの締め付けを完了する代替締付完了工程と
を有することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項６】
前記請求項１から５のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、
前記トルク検出工程では、少なくとも３種類の途中伸び量に到達したときの少なくとも３種類の締付トルクを検出し、
前記締付摩擦係数算出工程では、前記少なくとも３種類の締付トルクと前記少なくとも３種類の途中伸び量から求められる少なくとも３種類のボルト軸力とから少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数を算出し、
前記最終締付摩擦係数予測工程では、前記少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項７】
前記請求項１から６のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、
前記締付摩擦係数算出工程では、
ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから予め設定された伸び量と軸力との比例係数と、前記途中伸び量とに基いて、ボルト軸力を求めることを特徴とするボルト締結方法。
【請求項８】
ボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結装置であって、
着座後におけるボルトの締付途中でボルト伸び量が前記目標伸び量より小さい所定の途中伸び量に到達したときの締付トルクを検出するトルク検出手段と、
このトルク検出手段で検出した締付トルクと前記途中伸び量から求められるボルト軸力とから締結途中の締付摩擦係数を算出する締付摩擦係数算出手段と、
この締付摩擦係数算出手段で算出した締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測する最終締付摩擦係数予測手段と、
この最終締付摩擦係数予測手段で予測した最終締付摩擦係数が所定の許容範囲内にあるか否かを判定する判定手段と、
この判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときは、ボルトの締付けを続行する締付続行手段と、
上記判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときは、ボルトの締付けを中止する締付中止手段と
を有することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項９】
前記請求項８に記載のボルト締結装置であって、
前記締付中止手段は、
締結途中のボルトを弛める弛め手段と、
前記最終締付摩擦係数が前記許容範囲を高い側に逸脱しているか低い側に逸脱しているかを判定する第２の判定手段と、
この第２の判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め手段で弛めたボルトの締付摩擦係数を低下させる措置をしたのち該ボルトを再締結する第１の後処理手段と、
上記第２の判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め手段で弛めたボルトの締付摩擦係数を高上させる措置をしたのち該ボルトを再締結する第２の後処理手段と
を有することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１０】
前記請求項９に記載のボルト締結装置であって、
前記第１の後処理手段及び第２の後処理手段は、
前記トルク検出手段、前記締付摩擦係数算出手段、前記最終締付摩擦係数予測手段、前記判定手段、前記締付続行手段及び前記締付中止手段を作動させながら、ボルトを再締結することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１１】
前記請求項８から１０のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、
前記判定手段は、
ボルトの弾性限界が前記目標軸力を上回っているときの締付摩擦係数の最高値を上限値として持つ許容範囲内に最終締付摩擦係数があるか否かを判定することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１２】
前記請求項８に記載のボルト締結装置であって、
前記締付中止手段は、
ボルト伸び量の検出及び／又は締付トルクの検出に異常が発生しているか否かを判定する第３の判定手段と、
この第３の判定手段で異常が発生していると判定したときは、前記トルク検出手段、前記締付摩擦係数算出手段、前記最終締付摩擦係数予測手段、前記判定手段、前記締付続行手段及び前記締付中止手段を作動させずにボルトの締め付けを完了する代替締付完了手段と
を有することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１３】
前記請求項８から１２のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、
前記トルク検出手段は、少なくとも３種類の途中伸び量に到達したときの少なくとも３種類の締付トルクを検出し、
前記締付摩擦係数算出手段は、前記少なくとも３種類の締付トルクと前記少なくとも３種類の途中伸び量から求められる少なくとも３種類のボルト軸力とから少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数を算出し、
前記最終締付摩擦係数予測手段は、前記少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１４】
前記請求項８から１３のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、
前記締付摩擦係数算出手段は、
ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから予め設定された伸び量と軸力との比例係数と、前記途中伸び量とに基いて、ボルト軸力を求めることを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１】
ボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結方法であって、
着座後におけるボルトの締付途中でボルト伸び量が前記目標伸び量より小さい所定の途中伸び量に到達したときの締付トルクを検出するトルク検出工程と、
このトルク検出工程で検出した締付トルクと前記途中伸び量から求められるボルト軸力とから締結途中の締付摩擦係数を算出する締付摩擦係数算出工程と、
この締付摩擦係数算出工程で算出した締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測する最終締付摩擦係数予測工程と、
この最終締付摩擦係数予測工程で予測した最終締付摩擦係数が所定の許容範囲内にあるか否かを判定する判定工程と、
この判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときは、ボルトの締付けを続行する締付続行工程と、
上記判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときは、ボルトの締付けを中止する締付中止工程と
を有することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載のボルト締結方法であって、
前記締付中止工程は、
締結途中のボルトを弛める弛め工程と、
前記最終締付摩擦係数が前記許容範囲を高い側に逸脱しているか低い側に逸脱しているかを判定する第２の判定工程と、
この第２の判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め工程で弛めたボルトの締付摩擦係数を低下させる措置をしたのち該ボルトを再締結する第１の後処理工程と、
上記第２の判定工程で最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め工程で弛めたボルトの締付摩擦係数を高上させる措置をしたのち該ボルトを再締結する第２の後処理工程と
を有することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項３】
前記請求項２に記載のボルト締結方法であって、
前記第１の後処理工程及び第２の後処理工程では、
前記トルク検出工程、前記締付摩擦係数算出工程、前記最終締付摩擦係数予測工程、前記判定工程、前記締付続行工程及び前記締付中止工程を実行しながら、ボルトを再締結することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項４】
前記請求項１から３のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、
前記判定工程では、
ボルトの弾性限界が前記目標軸力を上回っているときの締付摩擦係数の最高値を上限値として持つ許容範囲内に最終締付摩擦係数があるか否かを判定することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項５】
前記請求項１に記載のボルト締結方法であって、
前記締付中止工程は、
ボルト伸び量の検出及び／又は締付トルクの検出に異常が発生しているか否かを判定する第３の判定工程と、
この第３の判定工程で異常が発生していると判定したときは、前記トルク検出工程、前記締付摩擦係数算出工程、前記最終締付摩擦係数予測工程、前記判定工程、前記締付続行工程及び前記締付中止工程を実行せずにボルトの締め付けを完了する代替締付完了工程と
を有することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項６】
前記請求項１から５のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、
前記トルク検出工程では、少なくとも３種類の途中伸び量に到達したときの少なくとも３種類の締付トルクを検出し、
前記締付摩擦係数算出工程では、前記少なくとも３種類の締付トルクと前記少なくとも３種類の途中伸び量から求められる少なくとも３種類のボルト軸力とから少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数を算出し、
前記最終締付摩擦係数予測工程では、前記少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項７】
前記請求項１から６のいずれか１項に記載のボルト締結方法であって、
前記締付摩擦係数算出工程では、
ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから予め設定された伸び量と軸力との比例係数と、前記途中伸び量とに基いて、ボルト軸力を求めることを特徴とするボルト締結方法。
【請求項８】
ボルトの締付けに伴い変化するボルトの伸び量が目標伸び量に到達するまでボルトを締め付けることによりボルトの軸力を目標軸力に到達させるようにしたボルト締結装置であって、
着座後におけるボルトの締付途中でボルト伸び量が前記目標伸び量より小さい所定の途中伸び量に到達したときの締付トルクを検出するトルク検出手段と、
このトルク検出手段で検出した締付トルクと前記途中伸び量から求められるボルト軸力とから締結途中の締付摩擦係数を算出する締付摩擦係数算出手段と、
この締付摩擦係数算出手段で算出した締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測する最終締付摩擦係数予測手段と、
この最終締付摩擦係数予測手段で予測した最終締付摩擦係数が所定の許容範囲内にあるか否かを判定する判定手段と、
この判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲内にあると判定したときは、ボルトの締付けを続行する締付続行手段と、
上記判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲内にないと判定したときは、ボルトの締付けを中止する締付中止手段と
を有することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項９】
前記請求項８に記載のボルト締結装置であって、
前記締付中止手段は、
締結途中のボルトを弛める弛め手段と、
前記最終締付摩擦係数が前記許容範囲を高い側に逸脱しているか低い側に逸脱しているかを判定する第２の判定手段と、
この第２の判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲を高い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め手段で弛めたボルトの締付摩擦係数を低下させる措置をしたのち該ボルトを再締結する第１の後処理手段と、
上記第２の判定手段で最終締付摩擦係数が許容範囲を低い側に逸脱していると判定したときは、前記弛め手段で弛めたボルトの締付摩擦係数を高上させる措置をしたのち該ボルトを再締結する第２の後処理手段と
を有することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１０】
前記請求項９に記載のボルト締結装置であって、
前記第１の後処理手段及び第２の後処理手段は、
前記トルク検出手段、前記締付摩擦係数算出手段、前記最終締付摩擦係数予測手段、前記判定手段、前記締付続行手段及び前記締付中止手段を作動させながら、ボルトを再締結することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１１】
前記請求項８から１０のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、
前記判定手段は、
ボルトの弾性限界が前記目標軸力を上回っているときの締付摩擦係数の最高値を上限値として持つ許容範囲内に最終締付摩擦係数があるか否かを判定することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１２】
前記請求項８に記載のボルト締結装置であって、
前記締付中止手段は、
ボルト伸び量の検出及び／又は締付トルクの検出に異常が発生しているか否かを判定する第３の判定手段と、
この第３の判定手段で異常が発生していると判定したときは、前記トルク検出手段、前記締付摩擦係数算出手段、前記最終締付摩擦係数予測手段、前記判定手段、前記締付続行手段及び前記締付中止手段を作動させずにボルトの締め付けを完了する代替締付完了手段と
を有することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１３】
前記請求項８から１２のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、
前記トルク検出手段は、少なくとも３種類の途中伸び量に到達したときの少なくとも３種類の締付トルクを検出し、
前記締付摩擦係数算出手段は、前記少なくとも３種類の締付トルクと前記少なくとも３種類の途中伸び量から求められる少なくとも３種類のボルト軸力とから少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数を算出し、
前記最終締付摩擦係数予測手段は、前記少なくとも３種類の締結途中の締付摩擦係数からボルト伸び量が前記目標伸び量に到達したときの最終締付摩擦係数を予測することを特徴とするボルト締結装置。
【請求項１４】
前記請求項８から１３のいずれか１項に記載のボルト締結装置であって、
前記締付摩擦係数算出手段は、
ボルトに負荷した荷重の減少量とボルトの縮み量とから予め設定された伸び量と軸力との比例係数と、前記途中伸び量とに基いて、ボルト軸力を求めることを特徴とするボルト締結装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２７４１５２（Ｐ２００９−２７４１５２Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２５５９１（Ｐ２００８−１２５５９１）
【出願日】平成２０年５月１３日（２００８．５．１３）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１３日（２００８．５．１３）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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