JP2000516542A

JP2000516542A - 速度変換器を具えたポンプユニット

Info

Publication number: JP2000516542A
Application number: JP10506027A
Authority: JP
Inventors: スティーバー、ジョージ・アール; ナットソン、デイル・エイ; ミラー、ダグラス・ピー
Original assignee: アプライド・パワー・インコーポレイテッド
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 2000-12-12
Also published as: WO1998002282A1; US5792967A; EP0918597A1; AU3576497A; DE69709932D1; US5668328A; EP0918597B1; AU718537B2

Abstract

(57)【要約】油圧レンチ（１４）でねじ式締め具を締付けるシステム（１０）は、締め具に与えられたトルク及び締め具の進み角を表わすパラメータを測定する、レンチ（１４）から離れたポンプユニット（１２）を有する。ポンプ（１２）は、トルクを表わすパラメータとして圧力を、締め具の進み角を表わすパラメータとしてポンプ速度を測定する。ラチェットタイプの油圧レンチが使用され、締め具を締付けているときに得られる圧力対角度のデータは、締付け工程の間のトルクと角度を表わすデータを得るべく、関連性のない部分を切捨て、関連性のある部分を平滑にするように処理され、そのデータから、締付け作業を終了させるための最終停止パラメータが決定される。このシステムは、所与のレンチ（１４）に対する進み角度の容積割合を決定するための校正用取付け具（１９）も有する。角度に依存する締付け方法であるならば如何なるものにも本発明は適用でき、或いは、本発明は、締付け工程のモニターのためにも応用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】速度変換器を具えたポンプユニット発明の背景発明の分野本発明は、特に限定するものではないが、ねじ式締め具のトルクと角度を表わすパラメータに基づいて油圧トルクレンチを用いてねじ式締め具を締付けるための方法及び装置のためのポンプユニットに関する。従来技術の説明ボルトとナット、或いはねじ孔にねじ込まれたボルト、或いはスタッド又はシャンクにねじ込まれたナットのようなものからなるねじ式締め具（以下、「締め具」という。）は、普通、２つ以上の部材を堅く連結された構造物、すなわち、ジョイントにするために使用される。固定された構造物の構成要素は、特に、振動やショックや静的又は動的な力のような外的負荷が加えられたときでも、締付けられたままであることが非常に望ましい。重要な実地の適用において信頼性のある締付けにするためには、締め具によってジョイントに与えられる締付け力を適正にすることが重要である。すなわち、ジョイトが適切に締め付けられるには、ボルトの引張り力が或る値に達しなければならない。ボルトのテンションが低すぎると、ボルトが緩み、すべてのクランプ力が失われることの原因になり、付随する損傷を惹起する。もし、ボルトのテンションが強すぎると、締め具又はクランプされた部材が損傷し、構造物に損害を与える原因となる。締め具、すなわち、ジョイントに器具を取り付けることなく、ボルトの引張り力を測定する方法については知られていない。ジョイントに器具を取り付けることは高価で時間がかかり、そのため、大量生産において使用されることは稀である。そのため、締付けシステムによって締め具に与えられたトルク、又は締め具の進み角度のような、知られた又は推測されたパラメータに基づいて、ボルトのテンションを推測する、手のこんだ推定による方法が開発された。このような方法は、一定のトルク値に到達したとき、或いは、一定の進み角度に到達したとき、降伏点の前で、締付け作業を停止することを含む。用いられる方法の種類は、ジョイントを締付けるために使用される器具のタイプに或る程度依存していた。トルクの測定と角度のデータに基づいて締付けを終わらせる方法は、両方のデータを取得するために器具を取付けることを必要とした。これらの方法は、普通、実用性のある電気式又は空気式器具とともに使用されている。油圧トルクレンチが，よくあるように、乱暴な現場で使用される場合、測定器具を取り付けることは不可能であり、或いは、非常に望ましくないことである。このような使い方において、ジョイントは、一般に、一定のトルクへの到達に応答して締付けを終了するようになっている。トルクは、レンチにかけられた圧力から決定できるので、このことは器具の取付けの必要をなくする。圧力は、締め具にかけられたトルクを表わし、レンチから離れて測定することができるパラメータであり、一般に、レンチに流体を供給するポンプにおいて測定できるものである。ポンプは、所望のトルク値に対応する圧力値に達したとき、レンチへの流体の流れを終了させるためのコントローラを含む。油圧、空圧又は電気レンチの間の他の相違点は、基本的な操作である。空圧レンチと電気レンチは、一般に、所望の停止位置に到達するまで、締付け中に、止まることなく締め具を３６０度かそれ以上回転させることができる。一方、油圧レンチは、普通、往復運動する油圧ピストン・シリンダ装置によって、締め具を固定値、例えば、３２度だけ回転させるように、すなわち、ピストンの最大前進位置に達するように、ソケットを回転させるためのラチット機構を通じて制御される。締め具の進み、すなわち、角度とトルクの進みは、段階的であり、１つの締め具を締付ける経過において、いくつかの開始と終了の位置があり、最終的停止パラメータ、典型的には、最終圧力に到達するまで繰返えされる。このようにして、油圧トルクレンチソケットドライバーは、締め具にトルクが与えられている間、その進みが限界になるまで、すなわち、最終圧力に到達するまで、一定の角度まで回転する。仮に、最終圧力となる前に、進みがその限界に到達したら、レンチの操作者は、レンチの圧力をタンクにあけ、ソケットの周囲のラチエット機構によって、レンチをその開始位置に戻すようにバルブを操作する。レンチをリセットする間、レンチの駆動ソケットは回転しないが、ソケットとねじ式締め具の頭部の間のクリアランスによってわずかに後退する。このようにして、トルクレンチが締め具を締付けるにつれて、一連のトルクパルスが発生して締め具を回転させ、それによってテンションが与えられるが、各範囲は、限定された、例えば、３２度の角度範囲となる。ダンプバルブが開いている間のトルクパルスの間の時間は、ソケットドライバをリセットするために使用される。この複雑な操作の結果、トルク、圧力、又は締め具の進み角度に関する装置の従属変数の間には、かなり厳しい不連続な関数的関連があることになる。このことは、油圧トルクレンチを操作するために、公知の締め具締付け方法を適用することを難しくさせる。従来、油圧トルクレンチの出力は、大部分は、与えられた圧力の大きさを監視し、規制することによって制御されていた。ねじ係合した箇所と、その他の滑り面の摩擦係数の変動のために、与えられた圧力（トルク）レベルに到達したときのテンションレベル（すなわち、クランプ力）は、３０％も変動することがねじ式締め具の業界では周知である。より正確なクランプ力を生ずる、米国特許第4, 106,176号に開示された“ナット回転”方式のような、より高度の締付け方法が知られているが、これは、トルクだけでなく角度の測定も要求しており、トルクレンチによって締め具が締付けられる場合の実際上の適用例はない。発明の概要この発明は、ポンプユニットの改良をもたらすもので、限定するものではないが、油圧トルクレンチに、圧力流体を供給するのに適したポンプユニットの改良に関する。本発明のポンプユニットは、油圧ポンプと、ポンプを駆動するためのモータと、モータからのトルクを、或る速さでポンプに伝達するためのシャフトとを有する。この改良は、本発明のポンプユニットが、さらに、シャフトの角速度を表わす速度信号を発生させるための速度変換器を具えたことのある。速度信号は、ポンプ流量の測定量に変換することができ、器具を取り付けずに、所定の時間におけるポンプの流量の正確な測定を可能とする。本発明は、特に、油圧トルクレンチの締め具の締付けシステムとして有用である。かくして、締め具のトルクと回転角を表わすデータが得られ、このデータは、締め具の締付け終了のための最終停止位置を決定するためのモニターとしても利用できる。本発明は、油圧トルクレンチに何の付属物をも付加することなく、これを達成する。１つの態様においては、圧力が測定され、それがトルクを表わすパラメータに処理され、レンチによる締め具の回転角度を表わす角度パラメータは、レンチに与えられた流体の容積の測定から決定される。角度パラメータは、測定時間にわたって、ポンプ速度（すなわち、ポンプ速度から得られる流量）から求められる。ポンプ速度は、器具の取付けなしに、或いはその他の点でレンチを変更させることなく測定される。レンチは、ラチェット機構を介してレシプロピストンとシリンダー装置によって駆動される普通のタイプのものでよい。そうであれば、トルクと、それに関連する角度データ位置は関数を定め、その関数は、斜面と進み角によって分けられた一連のスパイクによって部分的に定められる圧力と角度のグラフとなる。各スパイクは、レンチが進みの限界に到達する前に起きる最初の圧力で始まり、最大値と最小値を有する。各斜面は、前のスパイクの最下点から始まり、第１の圧力とほとんど等しい第２の圧力に連続している。締め具の回転の結果であるデータの組合わせである対応進み角は、２番目の圧力から始まり、次のスパイクの最初の圧力に連続する。スパイクと斜面のデータポイントは捨てられ、進み角のデータポイントは平滑化されて、ジョイントによるトルクと角度を表わすパラメータの特徴ある関数を作り出す。本発明は、単動式又は複動式トルクレンチで実施され、信号処理は、どのタイプのレンチが使用されるかによって或る程度異なる。それに加えて、システムは、進み角度の容積割合(volumetric rate)、及びレンチに与えられた圧力対トルクの関係を決定するための、校正用取付け具を具えることができる。これら、及びその他の目的、そして本発明の利点は、詳細な説明と図面から明らかになるであろう。図面の簡単な説明図１は、本発明の油圧式締め具締付けシステムの平面図。図２は、図１に示されたタイプの、従来のレンチの断面図。図３は、図１のシステムの電気油圧システムの概略図。図４は、図３に似ているが、異なる実施形態の図。図５は、典型的な油圧トルクレンチシステムのポンプ流量と圧力の関係図。図６は、典型的なねじ式締め具のトルクと回転角の関係図。図７は、油圧式レンチ締付けシステムの圧力と時間の関係図。図８は、油圧式レンチ締付けシステムのトルクと角度の関係図。好適な実施形態の詳細な説明図１は、ポンプユニット１２と、油圧レンチ１４と、加圧された油圧流体をレンチ１４に供給し、レンチ１４からポンプユニット１２へ流体を戻すため、ユニット１２をレンチ１４に連結する油圧ライン１６とを含む、本発明のシステム１０を示す。レンチ１４は、どのようなタイプのものでも適しているであろう。従来技術のものである１つのタイプを図２に示す。レンチ１４は非常に乱暴に使用されるように設計されており、鋼鉄製の本体２０を具え、本体２０内にはシリンダ２１を構成するスリーブ２２とプラグ２４を具えている。ピストン２６は、ピストン２６の端部において油圧流体がシリンダ２１に導入されるように、シリンダ２１内を軸方向に往復運動するように、スライド可能に設けられている（図２参照）。その右端部において、ピストン２６はボールとソケットを有し、ソケットはボール２８をスライド可能に受入れており、ボールはレバー３２の頂部３０にスライド可能にかみ合うようになっている。ピストン２６は圧縮ばね３４によって、元の位置に戻される。細歯の形成されたスプライン駆動ラチェット歯止め３６は、図２に示すように、伝動軸３８を右回りに回転させるため、本体２０の首部分にある伝動シャフト３８の外側の歯と係合している。戻りストロークにおいて、良く知られているように、ばね３４の付勢の下で、シャフト３８の歯の上でラチェット歯止め３６はがたがたと鳴る。伝動シャフト３８は、締め具を回転させ締付けるため締め具の頭部に係合するソケット４０（良く知られているように、取外し可能で取替え可能であってもよい。）を駆動する。ユニット１２は、コントローラ１８と自動校正ステーション１９をも含む。ユニット１２は、ハウジング１７にある適切なメカニズム（図示せず。例えば、ベルトとプーリ、チェーンとスプロケット、ギヤ等のような適切な駆動メカニズム）による、主駆動機１５（電気モータのような）によって駆動される固定行程容積 (displacement)ポンプ１３が取り付けられている。ポンプ１３は、１段目は低圧可変行程容積ポンプ（例えば、ジェロータタイプのポンプ）であり、２段目に固定行程容積ポンプ（例えば、ピストンタイプのポンプ）が取り付けられた２段ポンプであってもよい。トルクレンチが典型的に締め具のリニアな引張り領域で作動される高圧力においては、このようなポンプは、固定行程容積装置である。図３は、システム１０の電気油圧回路である。レンチ１４は、ラチェットレバー３２と単一作動のばねで戻るシリンダ２１として概要が描かれており、これは図２のメカニズムと同じである。電気油圧回路のポンプユニット１２は、ポンプ１３と、モータ１５と、モータ１５をポンプ１３に連結させるように略図で描かれているシャフト１１と、３カ所に示されたリザーバＲとを含んでいるが、リザーバは１つの同じリザーバであると理解されたい。ユニット１２の回路も、３路、３方向のバルブ４５，圧力変換器４７，回転カウンター、タコメータ又は速度変換器４９、流量変換器５１，安全弁５３，コントローラ１８を含み、ワイヤ５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８（各部分が必要とする１対のワイヤ、又はいくつかのワイヤであってもよい。）は、ポンプユニット１２の多種の電気部分をコントローラ１８に連結している。コントローラ１８は、ユニット１２に電力を供給するため、壁のコンセント又は延長コードに差し込むための電力コード７０を有している。コントローラ１８は、典型的には、オン・オフスイッチ１８ａを有し、圧力とポンプ速度、総流量(total flow)、すなわち、流量(flow rate)のデジタル読出し装置１８ｂ、１８ｃを具えていてもよい。オペレータがねじ式締め具を締付けしている場所からポンプユニット１２まで歩いて戻ってくることなくポンプユニット１２をオン又はオフに切り替えることができるよう、リモートコントロール（図示せず。）が具えられていてもよい。レンチ１４に与えられている圧力を表わし、デジタルディスプレイ１８ｂに表示されるであろう圧力信号は、変換器４７によって発生された信号を処理して得られる。固定行程容積のポンプの場合、ポンプ駆動シャフトの１回転により、一定量の流体が排出される。故に、１分当たりの回転数として測定されるポンプ速度は、ポンプによって送り出される流量の割合(flow rate)を表わすことになる。ポンプ速度、すなわち、ポンプ速度から得られる流量割合、又はポンプ速度から得られるものでそれらを表わす如何なるその他の値も、一定時間の間の総流量を得るために統合、すなわち、加算することができよう。ポンプ速度、流量割合、総流量又は進み角度のどれでも、デジタルディスプレイ１８ｃに表示されてよく、以下に詳細に説明するように、変換器４９によって生じた信号から処理される。もし、ポンプ１３が、好適なものとして、固定行程容積デバイスであるなら、変換器４９の出力信号は速度と流量の両方を表わす。さらに、もし、ポンプが一定速度、例えば、ポンプモータ１５又は同期ＡＣモータのクローズドループ制御システムで制御されると、流量は一定となり、総流量は時間に比例することになる。この場合、時間測定によってレンチ１４の進み角が決定でき、それによって変換器４９と５１は不要となる。このようにして、データ取得システムが、既知のレートで、データをサンプルするために利用できる。時間変数はサンプルの数とサンプル比率から推論され、以下に説明するように、締め具が前進するとき、当該締付けサイクルにおいてレンチ１４に供給された総流量が示される。ポンプ速度が流量を表わすものとして使用される好適な実施例において、変換器５１は任意であり、変換器４９の出力をチェックするように設けられる。油圧流体は、実際上、非圧縮性であるから、レンチ１４に供給されたポンプ流体の出力流量とレンチ１４の進み角の間には直接の関連がある。従って、ポンプ速度、故に流量を表わす変換器４９の出力は、レンチ１４の進みの程度を定める。故に、この出力を統合して、締め具の進み角を定めることができる。上記のように、もし、一定のレンチ１４の進み速度を発生させるべくポンプ１３が固定速度で駆動されたら、時間（クロック測定時間で表されるカウントを含む。）は、締め具が実際に締め具の進み角を発生させる時間の間、統合されるであろう。速度と、圧力と、油圧トルクレンチの角度の間の関係は、数学的には以下のように示される。Ｆ_wをレンチの流量、Ｆ_pをポンプからの流量、Ｆ_Lを締め具が進んでいる間の漏れ流量とすると、それらは、Ｆ_w＝Ｆ_p−Ｆ_L （１）で示される。ポンプモータ速度Ｓは、ポンプ流量Ｆ_pと以下の関係にある。Ｆ_p＝ａＳ（２） ”ａ“は、ポンプとモータに特有の定数である。圧力Ｐは、漏れ流量Ｆ_Lと以下の関係にある。Ｆ_L＝ｂＰ（３） “ｂ”はポンプに特有の定数である。式（１）、（２）、（３）をまとめると、Ｆ_w＝ａＳ−ｂＰ（４）となる。油圧トルクレンチの場合、入力流体流量は、レンチソケットの回転速度に比例する。すなわち、Ｆ_w＝ｃｄθ／ｄｔ（５）と表わされ、“ｃ”は、ここに進み角の容積割合(volumetric rate)として言及されるレンチの定数である。好適な実施例においてそうであるように、システムの可変数の変化の割合と比較して、高い割合でデータが集められると、式（５）はかなり正確にＦ_w＝ｃΔθ／Δｔ（６）に近づき、ここに、Δｔはサンプリング間隔、θはソケットの角度である。式（４）と（５）をまとめて整えると、 Δθ＝（ａＳ／ｃ−ｂＰ／ｃ）Δｔ（７）が得られる。サンプル時間はΔｔであり、トルクレンチのストローク時間ｔｓは、Δｔのｎ個のセグメント、すなわち、ｔｓ＝Δｔ＋Δｔ＋Δｔ＋…Δｔ＝ｎΔｔとなる。各サンプル時間の瞬間において、速度Ｓ_iと圧力Ｐ_iに対応するデータが取られ、記録される。このようにして、第一の時間間隔では、 θ₁＝Δθ₁＝（ａＳ₁／ｃ−ｂＰ₁／ｃ）Δｔ（８）と表わされる。一般に、如何なる時間間隔Δｔでも、 θ_i＝Δθ_i＝（ａＳ_i／ｃ−ｂＰ_i／ｃ）Δｔ（９）と表わされる。最後に、時間ｔ₁、ｔ₂、そして、如何なるものでもよい時間ｔ_nにおける総レンチ角度θは、以下のようになる。 θ（ｔ₁）＝θ₁ （１０） θ（ｔ₂）＝θ₁＋θ₂ （１１）よって、 θ（ｔ_n）＝θ₁＋θ₂＋…θ_i＋…θ_n （１２）このようにして、時間変数、速度変数、及び圧力変数を知ることは、トルクレンチの角度の変化を知らしめることになる。上記のように、速度が一定であれば、角度を得るためには、時間と圧力の変数だけが必要である。流量を直接測定することは、時間と速度の変数の両方を不要とするが、測定にはより問題がある。また、漏れが比較的少ない場合は、無視することができ、かくして、角度を正確に定めるために、圧力を知る必要がない。図３に示すように、ソレノイドバルブ４５の静止位置において、ポンプ１３からの流れは直接リザーバに流れ、レンチ１４からの逆流は阻止されている。ソレノイド４５ａがコントローラ１８によってアクチュエートされると、バルブ４５が右側に移動され、ポンプ１３の全ての出力をレンチ１４のシリンダ２１に伝達してそれによりピストン２６を進めるべく、すなわち、ピストン２６が前進限度に達するように、シリンダ２１の圧力が急に増加し、その増加の割合は、油圧システムの容積的剛性に依存するものであり、典型的には、剛性は非常に高い。システムは非常に剛性が高いので、安全弁５３の圧力の限界（レンチ１４の作動中に通常の締め具の締付けにおいて到達するどのような圧力よりも高く設定されている。）に到達すると、シリンダ２１の圧力をリザーバ（実質的に圧力ゼロ）へ逃がすようにバルブ５３が開く。この位置において、ポンプ１３からの出力も、リザーバに連結されている。その後、ばね３４によってレバー３２が最初の位置、すなわち、元の位置に戻る選択的には、安全弁５３が設けられていないと、図３に示すように、シリンダ２１の圧力をリザーバに逃がし、レバー３２がばね３４によって戻るように、バルブ４５が左側にシフトするように、ソレノイド４５ａを非作動にし、ソレノイド４５ｂの方を、コントローラ１８によって作動させることができる。コントローラ１８は、単に圧力と流量(flow rate)のデータを集めることだけのためにプログラムされており、これらは、締め具が実際に角度上進んで行く間に、それぞれ、トルクと角度の進む速さの尺度になるものである。図６は、典型的な締め具のトルク対角度の関係を示す理想的な図である。図２に示すラチェットタイプの油圧トルクレンチを利用した図１と図３に示す締付けシステムの圧力に対する時間の理想的なグラフは図７に示される。図８は、ラチェットタイプの油圧トルクレンチを具えた締め具のトルク（圧力と一定の変換ファクターの積）に対する実際に測定された角度を示す。図７の点に対応する図８の点は、同じ符号で示した。図６のトルク−角度曲線には、４つの部分として見ることができよう。部分８０は、実質的な締付けなしにジョイントのパーツが一体化される最初の締付けの範囲であり、全体として直線状で傾斜が緩い。次の部分８２は、締め具のねじ山同士が噛み合って、応力がかかり始める当初の部分で、トルクの角度傾斜がその前の緩やかなものから、ボルトの引張り範囲８６にわたって実質上一定の高い値に変化する。締め具の剛性よりも剛性がかなり小さいジョイントのガスケット又はその他の部品の圧縮は、部分８２の終わりまでに起きる。直線状のボルト引張り範囲８６を越えると、非弾性の降伏部分８８になり、ここで、締め具、すなわち、ジョイントの締付け部品は、塑性変形する。Ｖ点は、締め具の締付けの所望の停止位置を示すもので、トルク−角度曲線の直線部分で、ジョイントの降伏点の下にある。図７の圧力−時間曲線は、図６のトルク−角度曲線と全く異なる。しかし、図７の圧力−時間曲線を図６のトルク−角度曲線に近似させる処理をすることができる。不連続部分が取り除かれて平滑なトルク−角度曲線が得られるように、時間に対する圧力のデータを処理すべく、第１のストロークの始めであるＡ点から始まり、圧力と速度のデータが第１のストロークの終わりのＢ点まで記録される。圧力信号と速度信号は、圧力変換器４７と速度変換器４９からの電気的出力の形態であり、これらは、必要に応じて、コントローラ１８中にあるアナログ・デジタル変換器によって対応するデジタル信号に変換される。これらの信号は、コントローラによって、例えば、トルクと角度の値を決定するための検索チャート中のデジタル出力値と比較することによって、それぞれトルクと角度の値に変換され、図８上の点が作られる。流量の値は、進みの始まりからの総流量を得るためにまず、統合されるか、或いは、検索チャート中の対応する角度の増加分を検索する前に、レンチへのそれ迄の流量に付加すべき増加分を得るべく、記録される。角度の増加分は、レンチ１４の現在のストロークの始まり以来、トラバースされた角度であり、これは、前のストロークでトラバースされた角度に付加される。選択的に、出力信号は、トルクと角度に対応する値を得るために、数学的に処理されるであろう。圧力のトルクへの変換は、ソケット４０に作用するピストン２６のモーメントアームが一定ならば、数学的には比較的簡単であり、このことは、多くの油圧レンチについて、かなり合理的に推定できることである。この場合、適切な変換ファクターを圧力に掛けることによって圧力をトルクに変換することができ、摩擦（必要に応じて）やばね３４の圧縮による力を補正することになる。例えば、ばね３４が大きなばね率を有すると、圧力の一部はばね３４の圧縮のために消費され、ピストン２６が進んでばね３４が圧縮されるに従って、その部分が大きくなる。この場合、圧力のトルクへの変換は、ばね３４の圧縮、すなわち、締め具の進み角の増大によって変化するばね力を考慮することが望ましい。前述のように、角度は、式（９）を用いて、速度と、時間と、圧力から求められる。検索チャート又は計算方法のどちらかについても、計算される時間は、油圧レンチシステムを締付ける処理時間と比較して重要でない。その理由は、油圧レンチによる締付けは始めと終わりがあるプロセスであり、レンチがリセットされるときは締め具が回転しな合間があり、この時間が十分な計算時間を提供するからである。このようにして得られた（又は検索チャートを用いて得られた）未加工のデータは、平滑な曲線又は関数を導くように、例えば、平滑化のための如何なる手法をも利用して、例えば、最小自乗法によって処理されるであろう。図７と８を参照すると、第１運動の角度上昇区分Ａ−Ｂ、及び、それに続く各第２、第３、第４、第５運動の対応する区分Ｆ−Ｇ、Ｋ−Ｌ、Ｐ−Ｑ、Ｕ−Ｖは、レンチ１４による締め具の実際の回転を表わす。点Ｂ、及び、続くサイクルの対応するＧ、Ｌ、Ｑは、レンチ１４の運動サイクルにおける前記ピストン２６が前記シリンダー２１において一杯に延ばされ、底に達する点を表わす、すなわち、この点はレンチ１４の進みの限界である。締め具の進みはその点で止まり、液体を前記レンチ１４にポンプで供給し続けても、ただ高速度で前記シリンダー２１内の圧力を上げるだけである。上述のとおり、圧力解放バルブ５３は、図７に示された、締付けが終わる点でいずれの可能な通常の圧力以上である、或る特定の圧力限界Ｐ_Lで開く。前記圧力限界Ｐ_Lと等しい或いはより高い圧力が検知されたとき、前記バルブ５３は、レンチ１４がばね３４の付勢によってリセットする（初期状態に戻る。）ように、シリンダー２１とポンプ１３からリザーバへ圧力を押し出す。図７において、圧力限界Ｐ_Lは、第１運動の結果として点Ｃ、そして、前記各第２、第３、第４運動の結果として点Ｈ、Ｍ、Ｒまで達する。点Ｃから点Ｄまでの図７と８のグラフの部分は、レンチ１４のリセットを表わし、前記各第２、第３、第４運動のＨ−Ｉ、Ｍ−Ｎ、Ｒ−Ｓの部分も同様である。点Ｄ、Ｉ、Ｎ、Ｓにおいて、前記ピストン２６はその完全な戻り位置まで、すなわち、レバー３２が増分角度の開始地点である初期状態にある戻りの限界まで戻る。前記第１運動の点Ｄと第２、第３、第４運動の点Ｉ、Ｎ、Ｓは実質的に圧力のない状態、すなわち、レンチ１４が増分角度の開始地点である初期状態に戻り完全にリセットしていることを表わす。これは、前記バルブ５３が閉まるきっかけとなり、それによって前記レンチ１４に再び圧力をかける。特に、図７を参照すると、区分Ｄ−Ｅ、及び、対応する区分Ｉ−Ｊ、Ｎ−Ｏ、Ｓ−Ｔは、データを処理し、次の運動を始めるために必要とされる相当の時間的猶予である。第１運動の傾斜区分Ｄ−Ｆ、及び、各第２、第３、第４運動の傾斜区分Ｉ−Ｋ、Ｎ− Ｐ、Ｓ−Ｕは、締め具の角度が増大しない状態でのシリンダー２１内の圧力の集積を表わす。点ＢからＣ、Ｄへ、その後ＤからＦへ行くとき、角度の変化は、ＢからＣ、Ｄへの負の運動とＤからＦの正の運動として、図８に示されている。しかしながら、これは、小さく（例えば、４から５度）、単に前記レンチ１４のメカニズム内、及び、ソケットと締め具ヘッドの間のクリアランスを説明するものである。締め具自身は、前記サイクルのこの部分の間、実質的に後方に回転したり、前進したりしない。スパイクＢ−Ｃ−Ｄ及び区分Ｄ−Ｆを定めるデータの点は、それらが締め具の回転に対して無意味であり、単にレンチ１４のリセットを表わしているので、切捨てられる。レンチの各第２、第３、第４運動の区分Ｇ−Ｋ、Ｌ−Ｐ、Ｑ−Ｕにおいても同じことが言える。区分Ｂ−Ｃ、及び各第２、第３、第４運動の対応する区分Ｇ−Ｈ、Ｌ−Ｍ、Ｑ −Ｒは、無限大に近いため、トルク角のグラフ線のいずれの正常な傾斜から区別できる。故に、点Ｂ、Ｇ、Ｌ及びＱは、この非常に高い傾斜の始まりを検知することによって締めている間測定される。例えば、前記データ点から得られる傾斜の平均量の計算は、その値がトルク・角度グラフ線のボルトテンション範囲の期待される最高の傾斜以上になるように選択された、或る特定の傾斜の最大値と比べられてもよい。平均量の傾斜が最大傾斜より大きくなる場合、データは、捨てられ始める。或いは、点Ｃは作動流体の非圧縮性のために点Ｂと実質的に同時に生じるので、データは圧力限界Ｐ_Lが検知される、或いは、それ以前にデータ点の特定の数を数える時、捨てられ始めてもよい。点Ｂ、及び各第２、第３、第４サイクルの対応する点Ｇ、Ｌ、Ｑから、これらの点の圧力が修正係数を差し引いて再び得られるまで、データは捨てられ続けてもよい。それ故、データ収集が再スタートする点Ｆと対応する点Ｋ、Ｐ、及びＵは、それらの各対応する点Ｂ、Ｇ、Ｌ、及び、Ｑより多少低い。点ＢとＦ、点ＧとＫ、点ＬとＰ、点Ｑ、Ｕの間の差の部分は、その前の点Ｂ、Ｇ、Ｌにおいて、ばね３４が（レンチがその進みの限界にあるので）完全に圧縮されているという事実により、点Ｆ、Ｋ、Ｐ、及び、Ｕにおいて、ばねは（レンチが戻りの限界にあるので、）その最小圧縮状態にある。又、この差は、部分的に締め具が実際に回転し始める前に締め具のヘッドに締付けられるソケットにもよる。かくして、適切な係数を、ばねの圧縮不足と回転前の締め具の予圧(prestressing)を説明するため点Ｂに加えることによって、いずれか一方が点ＢとＦの間、及び、その他の点の間の差を修正したり、データ点をグラフ線のこの部分に期待された相対的に平らで真っすぐなグラフ線に適合させるために、グラフ線のこの部分に別の平滑にする技術を使ってもよい。或いは、いくつかの用途において、圧力がデータ収集を最後に終えた時点の圧力と等しくなる時、単にデータ収集を再スタートし、直線とグラフ区分に参加するか、或いは、別の平滑にする技術を使用することが受け入れられてもよい。この処理は、点Ｖで停止するために、最終停止パラメーターが得られるまでレンチ１４の各運動に応用される。図７と８で示されたグラフ線において、これは圧力限界Ｐ_Lに達する前に第５運動中に生じる。停止点Ｖを明確に定めるパラメータは、望まれる締付け方法論のいずれかによって、好適には、本発明の利益を完全に実現するために、トルクと角度の両方に依存する値に基づく１つの方法論によって決定されてもよい。最終停止パラメータは、上述のとおり集められたデータ点を処理することによって得られ、その停止パラメータが得られた時、点Ｖで（或いは、その少し前に）、コントローラ１８はソレノイド４５ａの動力源を断つための信号を送り、バルブ４５をその中央の位置に戻し、それによって、点Ｖで締め具が停止するように、締付け作業を終える。そのような締付け方法論の１つが、米国特許第4,106,176号に説明されている。これは、締められる特定のジョイント用に経験に基づいて決定された固定された角がトルク・角度のグラフのボルトテンション部分のゼロトルクインターセプトθ₀（図６参照。）から測定される、修正されたナットの回転方法論である。本発明と関連してこの方法論を実践する場合、締められるジョイント用のトルクと角度の値は測定された圧力と得られた速度データから決定され、トルク・角度の特徴のあるグラフのボルトテンション範囲はゼロトルク軸に外挿され、最終停止角θ_V（図６参照。）（容易に時間或いは流量の値に変換されてもよい。）或いは、トルク（容易に圧力の値に変換されよう。）は、最終停止パラメータを測定するために、ゼロトルクインターセプトで、対応する値に加えられ、それはレンチの運動中の時間の代わりに、ポンプシャフトのトルク、圧力、角、時間、流量、回転に置換えて表現されてもよい。その際、締付けを終了するための指示は、最終停止パラメータの値に達する時、締付けを停止するようにコントローラ１８によって発せられる。ジョイントの降伏点がトルクと角の示す測定された値に基づいて決定され、締付けがそれに、或いは、特定の圧力やトルクから測定されたナットの回転に応じて終了する降伏点方式のような、その他の方法論も、本発明を実施するために利用されてもよい。トルクと角度の値を利用したその他の方法も、本発明を実施する時に、応用されてもよい、或いは、本発明は単に、作業者の判断において期待されるものから外れる場合、作業者が締付けを終わらせるように、締付け工程の間トルクと角度のパラメータをモニターするように応用されてもよい。ポンプ１２からレンチ１４までの流れにおいて、圧力とともに増大する漏れがある。その少量が漏れているため、ポンプ１２によって運ばれた流量のすべてが、実際に締め具を回転させているわけではない。図５に示されているとおり、漏れが圧力によってほぼ直線的に増えるので、締め具の角が圧力と流量率データ（式９参照。）から数学的に測定される場合、適切な修正要因を採用できる。任意に、締め具の進み角度は、例えば、圧力と総流量、圧力とポンプ１３の回転総数、或いは、圧力と時間のような、レンチ１４の各運動の開始から測定された流れ、回転、或いは時間と関連する検索チャートにおいて決定されることが可能である。ポンプユニット１０用の別の油圧回路の概略が、図４に示されている。図４の回路は実質的に図３のものと同じであり、対応する構成要素は、プライム（’）記号を加えた同一の参照番号で認識される。レンチ１４’とレンチ１４の唯一の違いは、レンチ１４’がシリンダー２１’で示されているとおり、油圧によって戻される、単動式ばねの戻り作用レンチではなく、複動式作用レンチということである。従って、図４のソレノイドバルブ４５’は、油圧が各運動後にレンチをその戻りの限界に戻すために利用されるので、３路式ではなく、４路式である。それによって、ばね３４を圧縮する影響、及び、それが圧力で有する影響は、図４の実施形態では、回避される。図７に関して要約すると、本発明を実施するための単式処理アルゴリズムは、以下のとおりである、１.Ａから始まって、運動Ｂの端までデータサンプルを取り、記録する。点Ｃは事実上点Ｂと同時であるので、運動の端は、圧力限界Ｐ_Lをモニターすることによって検知されてもよい。この動カストロークは、ｔ0からｔ1までの時間的なインターバルをカバーする。圧力ＰからトルクＴに変換するために、Ｐに修正係数を掛ける。又、単動式作用レンチ用に、戻りばねに帰する値を引く。複動式作用レンチには、戻りばねの修正は必要ない。この区間は、時間対トルクのグラフの一部である。上記の式９を使って、時間軸の変数（ｔ）を角変数（θ）軸に変換する。２.ＢからＤのデータは、前記レンチのリセットの部分であるため、無視される。すなわち、時間ｔ1からｔ2までのデータは切捨てられる。３.ＤからＥのデータは、データを処理し次の運動を始めるために必要とされる時間的猶予であるため、無視される。すなわち、時間ｔ2からｔ3までのデータは無視される。４.Ｆで、前記ポンプはその次のストロークを始める。ＥからＦまでに取られるデータは、先の圧力レベルまで集積されたポンプ圧力であるため、無視される。もし、点ＢとＦが圧力において殆ど合わない場合、それを滑らかにするために、この時点で、そのグラフ線を中間の中点に取る。５.ＦからＧのデータは、次の動力ストローク区分である。これは、時間区分ｔ3からｔ4である。この区分を上記の段階１と同様に扱う。その段階で説明されているとおり、θに対するＴの変換後、それを先のθに対するＴの区分に付加する。６.望まれる停止点に達するまで、適切な締付け方法論のいずれかを利用して、段階２から５を繰り返す。このように、t1-t3、t4-t6、t7-t8、及び、t10-t12からのデータは切捨てられ、残っているt0-t1、t3-t4、t6-t7、t9-t10、及び、t12-t13からのデータはまとめられ、前記停止点Ｖまでの図６のグラフ線を概算するグラフ線を算出するために、トルクと角度の値に変換される。本発明は、如何なる適当な油圧レンチを利用して実施されてもよいが、使用される特定のレンチの特徴を知ることが重要である。この目的のため、自動校正用取付け具(callbration fixture)１９が、ポンプユニット１２の部品として具えられてよい。使用されるレンチ１４は、油圧によってポンプユニット１２に接続され、レンチ１４のソケットと噛み合う回転ヘッド１９ａを有する、自動校正用取付け具１９の上に置かれる。ヘッド１９ａは、レンチ１４を操作することによって回転し、ユニット１９の回転センサ１９ｂはレンチ１４によってヘッド１９ａの回転を測定する。トルクセンサ（図示せず。）は、レンチ１４によってヘッド１９ａで作用するトルクを測定するために、ユニット１９内に採用されてもよい。その場合には、ヘッド１９ａは、圧力限界Ｐ_Lまで増大する抵抗で回転されてもよい、そして、圧力、ポンプ速度、上昇角、及び、トルクの測定された値は、２つの検索テーブルにおいて、１つはトルクに対する圧力と角度に関連し、もう１方はポンプ速度の総体、すなわち、回転（或いは、流量率の総体、すなわち、レンチへ運ばれる全流量、或いは、一定の速度の場合、時間のようなそれを表わす値）と進み角度に対する圧力に関連して、関係づけられる。それによって、操作中にポンプユニット１２によって測定されたパラメータの機能として、レンチ１４によって作出されたトルクと角度の検索テーブル（すなわち、圧力と流量率や回転率や時間）は、特定のレンチ１４用にポンプユニット１２によって自動的に生み出される。或いは、もし、計算方法が圧力をトルクに、そして、時間を角に変換するために使用された場合、（例えば、センサ４９の出力と時間の測定から決定されているとおり、式(9)を参照）取付け具19によって測定された角の値と、測定された進み角度を作り出すために前記レンチ14に運ばれた流量が、使用される特定のレンチ用にレンチへの流量のユニット量ごとの回転角度を決定するために、（すなわち、式(9)のＣである角度の進みの容積的増大率）利用できる。もし、トルクもユニット１９によって測定される場合、圧力に対するトルクの関係の傾斜が決定され、その後、締め具を締める時圧力の測定からトルクを決定するために応用することができる。漏れ修正は、ポンプの特徴であり、それによりどのようなレンチでも一定であると推定することができる。もし、単動式作用レンチが使用される場合、戻りばねの反作用の力の原因である圧力も、例えば、（ソケット１９ａに用いられるトルクを使わずに）レンチの完全に延びた位置で、或いは、その近くでバルブ４５をその中央位置に転ずる（シフトする）こと、そして、ばね３４に用いられる圧力を測定することによって、決定されることができる。作動圧力に依存するが、レンチを直接回転させないポンプの流量のいくらかは、ホースやその他の部品の弾性、及び流体の圧縮性に基因する。もし、本発明が応用される用途においてこれが重要である場合、これは補償されるべきであり、適切な修正がされるべきである。検索チャートが角度の値を決定するために使用される場合、ポンプの特定の圧力、時間、流量、回転数と関連した正しい角度が前記テーブルにビルトインされるので、修正は必要ないであろう。このようなチャートは、校正用取付け具１９を使用して、自動的に作り出されるであろう。計算方法が採用される場合、修正ファクターは、取付け具１９を使用して、それを２つのサイクルに走らせることによって、決定される、１つは、システムが（１つ又はそれ以上の作用の圧力時の）システムの部品の膨張、流体の圧縮性、漏れの原因であるオイル量を測定する非運動サイクルであり、１つのサイクル全体のために前記レンチを延ばすために使用されたオイルの総流量が決定される、低い圧力時に作用する第２サイクルである。これらの値は、システム膨張、流体圧縮性、漏れの特徴のために計算された値を修正するために使用されることができる。図７と８に関して、特定の締め付け方法論では、点Ｕまで導かれる圧力・角のグラフ線の部分、及び、点Ｕをわずかに越えた部分は、不適切であることにも言及する。そのような場合、その点より前のすべてのデータは捨てられて、トルク・角度或いは圧力・角度のグラフ線のボルトテンション部分の傾斜の期待される範囲内の傾斜と組み合わされた特定の最小圧力を設定することによって、その点以降のデータのみを測定する必要がある。例えば、米国特許第4,106,176号の上記に参照された修正されたナットの回転方法論において、グラフ線の直線的なボルトのテンション範囲のみが重要であり、これは、期待される最終停止点の下ではなく、ボルトテンション範囲の最も低く期待された圧力より上であるように選択された、特定の圧力レベルで開始するとみなされる。以上に説明された好適実施形態に対する改良や変形は当業者に明らかであろう。例えば、本発明のシステムは、レンチピストンを完全に延ばさないために、各運動の開始から特定の回転角度でバルブ４５或いは４５’を作用させることによって戻るようにもプログラムされるであろう。そして、これは、圧力スパイクを避け、結果として、レンチのより穏やかな作用を生じるであろう。また、例えば、レンチの全運動を生み出すために運動の開始から十分な流量が伝達される前に圧力限界が検知された場合、レンチが最後の運動後完全に戻っていないか、或いは、異常な抵抗が締め付け時に発生したことを表示する警告が発せられる等の、多くの特徴が、システムにプログラムされることができよう。故に、本発明は、説明された実施形態に限定されるべきではなく、以下の請求の範囲によって、その範囲が定められるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ナットソン、デイル・エイアメリカ合衆国ウィスコンシン州 53058 ナショター、ダブリュー340・エヌ 4903・ロード・オー (72)発明者ミラー、ダグラス・ピーアメリカ合衆国ウィスコンシン州 53151 ニュー・ベルリン、ウェスト・スカーボロー・ドライブ 12740

Claims

【特許請求の範囲】１．油圧作動デバイスに圧力流体を供給するためのポンプユニットを有する装置であって、前記ポンプユニットは、油圧ポンプと、前記ポンプを作動させるモータと、前記モータから前記ポンプに或る速度でトルクを伝達するためのシャフトとを具えた装置であって、前記ポンプユニットが前記シャフトの角速度を表わす速度信号を発生させる速度変換器を具えていることを特徴とする、装置。２．さらに、その後の処理又は表示のために、前記速度信号を流量信号に変換するコントローラを含む、請求項１の装置。３．前記コントローラが前記速度信号を圧力の関数としての流量として表わす信号に変換するようになっている、請求項１の装置。４．前記コントローラが前記デバイスに与えられる流量を表わす流量信号を発生させるために前記速度信号を処理するようになっている、請求項１の改良。５．前記コントローラが前記流量信号が或る値へ到達したときに応答して前記デバイスをコントロールするためのコントロール信号を発生させるようになっている、請求項４の改良。６．前記デバイスが油圧シリンダを含み、前記流量信号が前記シリンダの位置を表わす、請求項５の装置。７．前記デバイスが油圧トルクレンチであり、前記速度信号が前記締め具の角度位置を表わす角度パラメータの形に処理される、請求項１の装置。８．前記レンチがレシプロピストンとシリンダ式デバイスで、ラチェット駆動機構によるものである、請求項７の装置。９．前記デバイスが単動式である、請求項８の装置。１０．前記デバイスが複動式である、請求項８の装置。１１．前記レンチに供給された油圧流体の圧力の測定からトルクパラメータを決定するための手段であって、該トルクパラメータが前記レンチによって前記締め具に与えられたトルクを表わすものである手段と、前記トルクパラメータと角度パラメータに基づいて締付けを終了させるための手段とを含む、請求項７の装置。１２．前記締め具の締付けを終了させるための手段が、前記締め具の前記回転角度が前記トルクパラメータと角度パラメータによって決定された点を越えて或る量のパラメータだけ進んだとき前記締付けを終了させるようになっている、請求項１１の装置。１３．前記点が前記トルクパラメータと角度パラメータのデータとゼロトルクのほぼリニアな部分のゼロトルク・インターセプトである、請求項１２の装置。１４．前記締め具の締付けを停止させるための手段が、圧力とそれに関連した角度のデータポイントを発生させる手段を含み、該データポイントは図表として斜面と進み角によって分けられた一連のスパイクによって部分的に画定される関数で画定され、各スパイクは前記レンチが進みの限界に到達するすぐ前に起きる第１の圧力で始まって、最大値と最小値を有し、前記斜面は前のスパイクの最小値から始まって、前記第１の圧力とほぼ等しい第２の圧力につながり、且つ、対応する各進み角は、前記第２の圧力から始まって続くスパイクの第１の圧力につながり、前記進み角は、前記締め具の回転に起因する一連のデータポイントである、請求項１１の装置。１５．前記スパイクと前記斜面のデータポイントが切捨てられる、請求項１４の装置。１６．前記進み角のデータポイントがトルクと角度を表わす特徴のある関数を作り出すように平滑化される、請求項１４の装置。１７．さらに、与えられたレンチの進み角の容積率を決定するための手段を具えた校正装置を含む、請求項１１の装置。１８．請求項１１の装置を使用してねじ式締め具を締付ける方法であって、前記締め具をトルクレンチに係合させ、前記締め具を回転させるため、前記レンチに前記ポンプユニットから加圧流体を供給し、前記レンチに加えられた圧力を測定し、前記圧力測定から前記締め具に与えられたトルクを表わすトルクパラメータを前記手段によって決定し、前記速度信号から前記トルクを表わす前記各パラメータに対応して前記締め具の進み角を決定し、そして、前記トルク及びそれに対応する角度の前記パラメータに応答して前記締め具の締付けを終了させる、方法。