JP6822290B2 - 接合方法および接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数枚の板材を重ね合わせた板組をタッピングねじを用いて接合する接合方法および接合装置に関する。

タッピングねじを用いて板材を接合する方法として、金属材にタッピングねじをねじ込むことにより、金属材に貫通穴をあけ、その貫通穴に雌ねじを形成することにより金属材を締結する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１７７４３８号公報

ところで、複数枚の板材にタッピングねじによって一方向（片側）から圧力を加えて穴貫通を行う場合、１枚目の板材を貫通するには、全板材の総板厚に対応した加圧力を設定する必要がある。

従来の接合方法では、複数枚の板材に穴貫通を行う過程において加圧力は一定（全板材の総板厚に対応した加圧力）としている。このため、板材の剛性が低い部位にタッピングねじを打込む場合に板材が塑性変形するおそれがある。

板材が塑性変形する顕著な例を図８に示す。この図８に示すように、フランジ５０２に被接合板５０１（以下、上板５０１ともいう）を重ねた状態で、それら上板５０１およびフランジ５０２に対して一方向からタッピングねじ５１０を打込むにあたり、タッピングねじ５１０の打点位置Ｐ５０１が、フランジ５０２の根元から遠い位置にある場合、タッピングねじ５１０が上板５０１を貫通した後においても、加圧力一定のままでフランジ５０２の穴貫通を行うと、フランジ５０２に塑性変形（図８において二点鎖線で示すような変形）が生じる場合がある。こうした状況になると、図９に示すように接合不可となる場合がある。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、複数枚の板材を重ね合わせた板組をタッピングねじによって接合するにあたり、板材に塑性変形が生じることを抑制することが可能な接合方法および接合装置を提供することを目的とする。

本発明の接合方法は、複数枚の板材を重ね合わせた板組をタッピングねじによって接合する方法であって、ドライバによって保持された前記タッピングねじを、前記ドライバをその軸心を中心として回転させる回転手段によって前記ドライバと共に回転させながら、前記ドライバに軸方向の加圧力を加える加圧手段によって前記板組に一方向から圧力を加えた状態で進入させることにより、前記板組の各板材に貫通穴を形成し、その各貫通穴に雌ねじを形成して当該複数枚の板材を接合する接合方法を前提としており、このような接合方法において、前記タッピングねじが板材を貫通したときに、前記タッピングねじに加える圧力を、前記板材の貫通時において前記タッピングねじの先端よりも前記タッピングねじの進行側に存在する板材の全ての板厚に応じた加圧力に低下させることを特徴としている。

本発明の接合方法によれば、タッピングねじが板材を貫通したときに、タッピングねじに加える圧力を、板材の貫通時にタッピングねじの先端よりもこのタッピングねじの進行側に存在する板材の全ての板厚に応じた加圧力に低下させている。このようにして加圧力を制御することにより、板材に穴貫通を行う過程においてタッピングねじに加える圧力を一定とする場合（従来技術）と比べて、板材の塑性変形を抑制することができる。これにより、複数枚の板材を適切な接合状態で接合することができる。

本発明の接合装置は、複数枚の板材を重ね合わせた板組をタッピングねじによって接合する装置であって、前記タッピングねじを保持するドライバと、前記ドライバをその軸心を中心として回転させる回転手段と、前記ドライバに軸方向の加圧力を加える加圧手段とを備え、前記ドライバによってタッピングねじを回転させながら前記板組に一方向から圧力を加えた状態で進入させることにより前記板組の各板材に貫通穴を形成し、その各貫通穴に雌ねじを形成して当該複数枚の板材を接合するように構成された接合装置を前提としている。このような接合装置において、前記ドライバに保持したタッピングねじの先端の位置情報を取得する位置情報取得手段と、制御手段とを備えている。

そして、前記制御手段は、前記位置情報取得手段が取得する前記タッピングねじの先端の位置情報に基づいて、前記タッピングねじの先端が、前記板組の板材の一面に接触した位置から、この接触した１枚の板材の板厚に相当する距離を移動したときに、前記加圧手段による加圧力を予め設定された加圧力に低下させる制御を実行するように構成されていることを特徴としている。

まず、本発明の接合装置において、タッピングねじの先端が、板組の板材の一面に接触した位置から、この接触した１枚の板材の板厚に相当する距離を移動したときには、タッピングねじが板材を貫通したといえる。そして、本発明の接合装置にあっては、タッピングねじの先端が、板組の板材の一面に接触した位置から、この接触した１枚の板材の板厚に相当する距離を移動したときに、加圧手段による加圧力を予め設定された加圧力に低下させるので、複数枚の板材に穴貫通を行う過程においてタッピングねじに加える圧力を一定とする場合（従来技術）と比べて、板材の塑性変形を抑制することができる。これにより、複数枚の板材を適切な接合状態で接合することができる。

本発明の接合装置において、前記位置情報取得手段は、ドライバのタッピングねじ進行方向における移動距離を検出する距離センサを有し、その距離センサの出力に基づいてタッピングねじの先端の位置情報を取得するように構成されていてもよい。

このように、ドライバの移動距離を検出する距離センサの出力に基づいて、タッピングねじの位置情報を得るようにすれば、タッピングねじの長さ（首下長さ）が異なるタッピングねじをドライバに保持する場合であっても、タッピングねじの先端の位置情報の取得を１つの距離センサで対応することができる。

本発明の接合方法および接合装置によれば、複数枚の板材を重ね合わせた板組をタッピングねじによって接合するにあたり、板材に塑性変形が生じることを抑制することができる。

タッピングねじの構造を示す図である。 本発明の接合装置の一例を示す概略構成図である。 接合工程を示すフロー図である。 接合工程の各状態を示す断面図である。 加圧力の制御の一例を示すタイミングチャートである。 接合後の状態を示す断面図である。 加圧力の制御の他の例を示すタイミングチャートである。 フランジ（板材）に被接合板材を接合する場合に生じる問題点の説明図である。 接合後の状態が不可である場合の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［タッピングねじ］
まず、本実施形態において使用するタッピングねじについて説明する。図１に示すように、タッピングねじ１０は、先端にドリルが形成されていないタッピングねじであって、頭部１１と、ねじ１２ａが形成された軸部１２とが一体形成されている。頭部１１にはフランジ１１ａが一体形成されており、このフランジ１１ａの軸部１２側の面（下面）が当該タッピングねじ１０の座面１０ａとなっている。

［接合装置］
次に、本発明を適用する接合装置の一例について図２を参照して説明する。

図２に示す接合装置１００は、回転機構１０１、加圧機構１０２、制御装置１０３、および入力装置１０４などを備えている。

回転機構１０１は、ロボット２００のアーム２０１の先端に取り付けられている。回転機構１０１はモータ（例えばサーボモータ）１１１を備えており、そのモータ１１１の回転軸１１１ａが外部（図１の上側）に突出している。回転機構１０１の側部には支持シャフト１１２が設けられている。なお、回転機構が本発明の「回転手段」の一例である。

加圧機構１０２は、エアシリンダであって、回転機構１０１の支持シャフト１１２に支持されている。加圧機構１０２は、図２において下方側に位置するドライバ１２１および上方側に位置する回転駆動軸１２２などを備えている。回転駆動軸１２２は回転機構１０１のモータ１１１の回転軸１１１ａと平行となるように配置されている。

ドライバ１２１はシリンダ内部のピストン（図示せず）に接続されている。ドライバ１２１と回転駆動軸１２２とは例えばスプライン連結（図示せず）されており、ドライバ１２１は回転駆動軸１２２と一体回転可能である。また、ドライバ１２１は回転駆動軸１２２に対して軸方向（図１に示す状態で上下方向）への移動が可能である。

ドライバ１２１の先端には、図１に示すタッピングねじ１０の頭部（六角形）１１が嵌り込むソケット穴（断面六角形の凹部）１２１ａが設けられている。また、ドライバ１２１の先端部には、ソケット穴１２１ａに嵌め込んだタッピングねじ１０を保持するチャック（図示せず）が設けられている。このチャックはタッピングねじ１０の先端が被接合板材（上板１）に接触した際に、タッピングねじ１０から外れるように構成されている。

また、回転機構１０１には、ドライバ１２１の軸方向に作用する力を検出する力センサ１２４と、ドライバ１２１の軸方向の移動距離（タッピングねじ１０の進行方向における移動距離）を検出する距離センサ１２５とが設けられている。これら力センサ１２４および距離センサ１２５の各出力は制御装置１０３に入力される。

加圧機構１０２の回転駆動軸１２２にはプーリ（従動プーリ）１２３が一体回転可能に取り付けられている。この回転駆動軸１２２のプーリ１２３と、回転機構１０１のモータ１１１の回転軸１１１ａに一体回転可能に取り付けられたプーリ（駆動プーリ）１１３との間にベルト１１０が巻き掛けられており、そのモータ１１１の駆動により回転駆動軸１２２が回転する。この回転駆動軸１２２の回転により、ドライバ１２１がその軸心を中心として回転する。なお、回転機構１０１のモータ１１１の駆動は制御装置１０３によって制御される。

また、加圧機構１０２には、エア供給源（例えばコンプレッサ：図示せず）からのエアがエアコントローラ１２０を介して供給される。その加圧機構１０２への供給エアを制御することにより、ドライバ１２１が打込み方向に前進し、また、打込み方向に対して逆向きに後退する。この供給エアの制御は、エアコントローラ１２０および制御装置１０３によって行われる。なお、加圧機構１０２が本発明の「加圧手段」の一例である。

［制御装置］
制御装置１０３は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、各部を制御するためのプログラムなどを記憶するＲＯＭ(Read Only Memory)と、データを一時的に記憶するＲＡＭ(Random Access Memory)、および入出力インターフェースなどを備えている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムやデータなどに基づいて演算処理を実行するように構成されている。ＲＯＭには制御用のプログラムやデータなどが記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによる演算結果などを一時的に記憶する。入出力インターフェースには、回転機構１０１のモータ１１１、エアコントローラ１２０、力センサ１２４、距離センサ１２５、および入力装置１０４などが接続されている。

そして、制御装置１０３は、板材の接合工程において回転機構１０１および加圧機構１０２を制御する。

［接合工程］
次に、接合工程の一例について図２〜図５を参照して説明する。この例では、図４に示すように、フランジ（鋼板）２に被接合板材（鋼板）１を重ね合わせた板組Ｓにタッピングねじ１０を一方向（片側）から打込むことにより、それら被接合板材１とフランジ２とを接合する場合について説明する。以下の説明では、被接合板材１を上板１ともいい、フランジ２を下板２ともいう。

（事前の処理）
まず、上板１の板厚ｔ１および材質、および下板２の板厚ｔ２および材質に基づいて加圧力を求めておく。具体的には、本発明において対象とする接合形態が、例えば、塑性変形しやすい板材を用いる場合、もしくは、塑性変形しやすいような片側固定の状況（例えば図８に示す状態）であることから、上板１および下板２の板厚および材質を考慮する必要があるので、その上板１および下板２の総板厚（ｔ１＋ｔ２）および材質に基づいて、下板２に上板１を重ね合わせた状態で上板１を貫通するのに必要な加圧力Ｗ１（総板厚（ｔ１＋ｔ２）に対応した加圧力）を求めておく。さらに、下板２の板厚ｔ２および材質に基づいて、下板２を貫通するのに必要な加圧力Ｗ２（Ｗ２＜Ｗ１）を求めておく。

そして、入力装置１０４の操作により、上板１および下板２の各板厚ｔ１，ｔ２、上記総板厚に対応する加圧力Ｗ１および下板２の貫通に必要な加圧力Ｗ２、ならびに、貫通穴にタッピング（雌ねじの形成）を行う際の加圧力Ｗ３を制御装置１０３に入力しておく。これら入力した板厚ｔ１，ｔ２および加圧力Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３は制御装置１０３のＲＡＭに記憶される。

次に、図２に示すように、接合装置１００の加圧機構１０２のドライバ１２１にタッピングねじ１０を保持する。その後に、ロボット２００を操作して、タッピングねじ１０の先端を、図４（Ａ）に示す打点位置Ｐ１上に配置しておく。この状態でロボット２００のアーム２０１の位置（回転機構１０１の位置）を固定しておく。そして、このようなセッティング状態で、タッピングねじ１０の軸心（打込み方向）は上板１に対して垂直に配置されている。

このような事前の処理を行った後に、以下の接合工程（ＳＴ１０１）〜（ＳＴ１０５）を実行する。以下の接合工程において、力センサ１２４および距離センサ１２５の各出力に基づく回転機構１０１のモータ１１１の駆動制御、および加圧機構１０２への供給エア制御などは制御装置１０３において実行される。

（ＳＴ１０１）
加圧機構１０２への供給エアを制御して、ドライバ１２１を上板１に向けて前進させて上板１の表面（上面）１ａの位置を検出する。具体的には、ドライバ１２１の前進により、タッピングねじ１０の先端が上板１の表面１ａに接触すると（図４（Ａ）参照）、反力が発生して力センサ１２４の出力が変化するので、その力センサ１２４の出力変化した時点のドライバ１２１の位置（距離センサ１２５の出力から得られるドライバ１２１の位置）から上板１の表面１ａの位置（以下、表面位置ともいう）を検出する。そして、その上板１の表面位置を検出したときのドライバ１２１の位置を基準位置とする。

（ＳＴ１０２）
図４（Ａ）の状態つまりタッピングねじ１０の先端が上板１の表面１ａに接触している状態から、回転機構１０１のモータ１１１の駆動制御および加圧機構１０２への供給エアの制御により、ドライバ１２１を回転させるとともに、打込み方向に前進させて、図４（Ｂ）に示すように、タッピングねじ１０をその軸心を中心として回転させながらタッピングねじ１０を上板１に一方向から加圧していく（図５のＴ１〜Ｔ２）。この加圧過程において、力センサ１２４の出力から得られる力（上板１への加圧力）が、予め入力された加圧力Ｗ１（総板厚（ｔ１＋ｔ２）に対応した加圧力）になった時点（図５のＴ２の時点）で、加圧力を加圧力Ｗ１に保つべく加圧機構１０２への供給エアを制御する。このようにして、タッピングねじ１０を回転させながら上板１に加圧力Ｗ１を加えることにより、上板１が予熱されるとともに、加圧力Ｗ１によってタッピングねじ１０の先端が上板１内に進入していく。このタッピングねじ１０の上板１への進入により穴貫通が行われる。

（ＳＴ１０３）
タッピングねじ１０の先端が上板１を貫通したときに（図４（Ｃ）の状態になったときに）加圧力を低下させる。具体的には、距離センサ１２５の出力に基づいて、ドライバ１２１（タッピングねじ１０の先端）が、上記ステップＳＴ１０１において決定した基準位置（タッピングねじ１０の先端が上板１の表面１ａ（一面）に接触した位置）から上板１の板厚ｔ１に相当する距離を移動したとき、つまりタッピングねじ１０の先端が上板１を貫通したときに（図５のＴ３の時点）、加圧機構１０２による加圧力を、予め設定された下板２の貫通に必要な加圧力Ｗ２（タッピングねじの進行側に存在する板材の板厚に応じた加圧力）に低下（Ｗ１→Ｗ２）させる。その後、加圧力Ｗ２に保った状態で下板２の穴貫通を行う。

（ＳＴ１０４）
タッピングねじ１０の先端が下板２を貫通したときに（図４（Ｄ）の状態になったときに）加圧力を低下させる。具体的には、距離センサ１２５の出力に基づいて、ドライバ１２１（タッピングねじ１０の先端）が、上記ステップＳＴ１０１において決定した基準位置から上板１および下板２の総板厚（ｔ１＋ｔ２）に相当する距離を移動したとき、つまりタッピングねじ１０の先端が下板２を貫通したときに、加圧機構１０２による加圧力を低下させる（図５のＴ４〜Ｔ５）。その後、加圧力をタッピングに必要な加圧力Ｗ３にした状態で、図４（Ｅ）に示すように、上板１の貫通穴１ｂおよび下板２の貫通穴２ｂのタッピング（雌ねじ形成）を行う（図５のＴ５〜Ｔ６）。

（ＳＴ１０５）
上板１の貫通穴１ｂおよび下板２の貫通穴２ｂのタッピングを行った後、タッピングねじ１０の座面１０ａが上板１の表面（上面）に着座したときに（図４（Ｆ））、加圧力を解除してタッピングねじ１０に締付トルクをかけることにより、上板１と下板２とを締結する（図５のＴ６〜Ｔ７）。

なお、図３のＳＴ１０１〜ＳＴ１０５の工程が制御装置１０３によって実行されることにより、本発明の「位置情報取得手段」および「制御手段」が実現される。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、タッピングねじ１０を回転させながら板組Ｓに一方向から圧力を加えた状態で進入させることにより、その板組Ｓの上板１および下板２に貫通穴１ｂ，２ｂを形成するにあたり、タッピングねじ１０の先端が上板１を貫通したときに、加圧機構１０２による加圧力を、下板２の板厚ｔ２に対応する加圧力Ｗ２に低下させている（Ｗ１→Ｗ２）。このようにして加圧力を制御することにより、板材に穴貫通を行う過程においてタッピングねじに加える圧力を一定とする場合（従来技術）と比べて、下板２の塑性変形を抑制することができる。これにより、図３に示すように、タッピングねじ１０の打点位置Ｐ１がフランジ根元から遠い位置である場合であっても、下板２の塑性変形を抑制することができ、図７に示すように、上板１と下板２とを適切な接合状態で接合することができる。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

以上の実施形態では、フランジに被接合板を接合する場合（板材の剛性が低い部位にタッピングねじを打込む場合）について説明したが、本発明はこれに限られることなく、複数枚の板材を重ね合わせた板組の接合であれば、他の任意の形態の接合にも適用可能である。

以上の実施形態では、２枚の板材（上板１および下板２）を接合する場合に本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限られることなく、３枚以上の板材を接合する場合にも適用できる。

例えば、上板、中板および下板の３枚の板材を重ね合わせた板組を接合する場合、図７に示すように、タッピングねじを打込む方向における１枚目の板材（上板）に穴貫通を行う加圧力を、３枚の板材の総板厚に応じた加圧力Ｗ１１とする。次に、タッピングねじが上板を貫通したときに、そのタッピングねじの進行側に存在する２枚の板材（中板、下板）の板厚（２枚の総板厚）に応じた加圧力Ｗ１２に低下させる（Ｗ１１→Ｗ１２）。そして、タッピングねじが中板を貫通したときに、そのタッピングねじの進行側に存在する１枚の板材（下板）の板厚に応じた加圧力Ｗ１３に低下させる（Ｗ１２→Ｗ１３）。

このようにして、タッピングねじが板材を貫通するごとに加圧力を低下させることにより、タッピングねじの進行過程において加圧力を、そのタッピングねじの進行側に存在する板材の板厚に応じて段階的に低下させることができる。これにより、３枚の板材の板組を接合するにあたり、板材の塑性変形をより効果的に抑制することができる。

また、図２に示す接合装置１００において、例えば、上板、中板および下板の３枚の板材を重ね合わせた板組を接合する場合、ドライバ１２１の前進により、タッピングねじ１０の先端が、上板の一面に接触した位置から板厚に相当する距離を移動したときに（タッピングねじ１０の先端が上板を貫通したときに）、加圧力を、中板および下板の２枚分の板厚に応じた加圧力に低下させる。次に、ドライバ１２１の前進により、タッピングねじ１０の先端が、中板の一面に接触した位置から板厚に相当する距離を移動したときに（タッピングねじ１０の先端が中板を貫通したときに）、加圧力を、下板の貫通に必要な加圧力に低下させる制御を実行すればよい。なお、本発明は、４枚以上の板材を接合する場合に適用可能である。

以上の実施形態では、上板１の表面位置の検出については、タッピングねじ１０の先端が上板１の表面に接触したときに発生する反力を力センサ１２４にて検出することにより上板１の表面位置の検出を行っているが、本発明はこれに限られることなく、例えば、レーザ光や赤外線等を用いた非接触式のセンサ、あるいはカンチレバー等を用いた接触式のセンサなどを用いて、上板１の表面位置を検出するようにしてもよい。

以上の実施形態では、ドライバの移動距離を検出する距離センサを設け、その距離センサの出力に基づいてタッピングねじの先端の位置情報を取得するようにしているが、本発明はこれに限られることなく、タッピングねじの先端の位置を検出するセンサを設けて、そのセンサの出力に基づいてタッピングねじの先端の位置情報を取得するようにしてもよい。

以上の実施形態では、接合装置の加圧機構としてエアシリンダを用いているが、本発明はこれに限られることなく、加圧機構としては、モータ（例えばサーボモータ）と回転並進変換機構（例えばボールねじ）とを組み合わせた機構、または油圧シリンダなどの他のアクチュエータを用いてもよい。

以上の実施形態では、頭部１１が六角形のタッピングねじ１０を使用する例を示したが、タッピングねじの頭部の形態は特に限定されず、例えば十字穴付き頭部を有するタッピングねじを使用して板材を接合する場合にも適用に適用可能である。

以上の実施形態では、鋼板の接合に本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られることなく、鋼板以外の他の金属製の板材、または樹脂製の板材の接合にも適用可能である。

本発明は、複数枚の板材を重ね合わせた板組をタッピングねじによって接合する接合方法に有効に利用することができる。

Ｓ 板組
１ 被接合板材（上板）
１ａ 表面
１ｂ 貫通穴
２ フランジ（下板）
２ｂ 貫通穴
１０ タッピングねじ
１００ 接合装置
１０１ 回転機構
１１１ モータ
１１１ａ 回転軸
１０２ 加圧機構
１２１ ドライバ
１２１ａ ソケット穴
１２２ 回転駆動軸
１２４ 力センサ
１２５ 距離センサ

Claims (3)

1. 複数枚の板材を重ね合わせた板組をタッピングねじによって接合する方法であって、
   ドライバによって保持された前記タッピングねじを、前記ドライバをその軸心を中心として回転させる回転手段によって前記ドライバと共に回転させながら、前記ドライバに軸方向の加圧力を加える加圧手段によって前記板組に一方向から圧力を加えた状態で進入させることにより、前記板組の各板材に貫通穴を形成し、その各貫通穴に雌ねじを形成して当該複数枚の板材を接合する接合方法において、
   前記タッピングねじが板材を貫通したときに、前記タッピングねじに加える圧力を、前記板材の貫通時において前記タッピングねじの先端よりも前記タッピングねじの進行側に存在する板材の全ての板厚に応じた加圧力に低下させることを特徴とする接合方法。
2. 複数枚の板材を重ね合わせた板組をタッピングねじによって接合する装置であって、
   前記タッピングねじを保持するドライバと、前記ドライバをその軸心を中心として回転させる回転手段と、前記ドライバに軸方向の加圧力を加える加圧手段とを備え、前記ドライバによってタッピングねじを回転させながら前記板組に一方向から圧力を加えた状態で進入させることにより前記板組の各板材に貫通穴を形成し、その各貫通穴に雌ねじを形成して当該複数枚の板材を接合するように構成された接合装置において、
   前記ドライバに保持したタッピングねじの先端の位置情報を取得する位置情報取得手段と、制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記位置情報取得手段が取得する前記タッピングねじの先端の位置情報に基づいて、
   前記タッピングねじの先端が、前記板組の板材の一面に接触した位置から、この接触した１枚の板材の板厚に相当する距離を移動したときに、前記加圧手段による加圧力を、予め設定された加圧力に低下させる制御を実行するように構成されていることを特徴とする接合装置。
3. 請求項２に記載の接合装置において、
   前記位置情報取得手段は、前記ドライバの前記タッピングねじ進行方向における移動距離を検出する距離センサを有し、前記距離センサの出力に基づいて前記タッピングねじの先端の位置情報を取得するように構成されていることを特徴とする接合装置。

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