(57)【要約】      （修正有）【課題】コストを大幅に削減できる摩擦ビット接合システムの構造を提供する。【解決手段】摩擦ビット接合システムは、内部穴を有するボールねじ、チャックスピンドルモータによって回転するように構成されたチャックおよびスピンドル、チャックによって保持された摩擦ビット接合ビット、支持フレーム、およびボールねじを回転させて、チャックと摩擦ビット接合ビットを支持フレームに対して軸方向に移動させるように位置決めされ構成されたチャック駆動モータを含み得る。スピンドルの少なくとも一部は、ボールねじの内部穴内に配置されてもよい。【選択図】図１
2020082193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦ビット接合システムであって、
ボールねじおよび雄ねじを通る内部穴を有する前記ボールねじと、
チャックスピンドルモータによって回転するように構成されたチャックおよびスピンドルであって、前記スピンドルの少なくとも一部が前記ボールねじの前記内部穴内に配置され、前記チャックが前記ボールねじに対して固定された軸方向位置にあり、前記チャックが前記ボールねじに対して回転可能である、チャックおよびスピンドルと、
前記チャックに保持された摩擦ビット接合ビットと、
前記ボールねじ、前記チャック、前記スピンドル、および前記摩擦ビット接合ビットを支持する支持フレームと、
前記ボールねじを回転させて前記支持フレームに対して前記チャックおよび前記摩擦ビット接合ビットを軸方向に移動させるように配置および構成されたチャック駆動モータと、を備える、摩擦ビット接合システム。
【請求項２】
前記支持フレームが、Ｃ字型構成を有し、
前記ボールねじ、前記チャック、前記スピンドル、および前記摩擦ビット接合ビットを支持する第１の端部領域と、
ワークピースが前記摩擦ビット接合ビットで互いに接合されているときに、前記ワークピースが保持されるストップを提供するための第２の端部領域と、
前記第１の端部領域から前記第２の端部領域まで延びる中間領域と、を備える、請求項１に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項３】
少なくとも前記第２の端部領域と前記中間領域が、一体の単一材料を含む、請求項２に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項４】
前記支持フレームに摺動可能に連結された少なくとも１つのガイドレールと、
前記少なくとも１つのガイドレールの第１の端部にしっかりと結合されたモータ支持要素と、
前記少なくとも１つのガイドレールの第２の反対端部にしっかりと結合されたビット支持要素と、をさらに備える、請求項１に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項５】
前記少なくとも一つのガイドレールは、前記ボールねじの周りに実質的に対称的に配置された４つのガイドレールを備える、請求項４に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項６】
前記支持フレームにしっかりと結合され、対応する少なくとも１つのガイドレールを前記支持フレームに摺動可能に結合する少なくとも１つの滑走路をさらに備える、請求項４に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項７】
前記チャックスピンドルモータは、前記モータ支持要素によって支持されている、請求項４に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項８】
前記チャック駆動モータは前記モータ支持要素によって支持されている、請求項４に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項９】
前記支持フレームは、前記ボールねじの前記雄ねじと相補的な雌ねじを有するボールねじホルダを備える、請求項１に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項１０】
前記ボールねじの前記雄ねじと前記ボールねじホルダの前記雌ねじとの間に位置するボールベアリングをさらに備える、請求項９に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項１１】
前記スピンドルが前記ボールねじの第１の端部にある第１のチャック支持ベアリングと前記ボールねじの第２の反対端部にある第２のチャック支持ベアリングを介して前記ボールねじに回転可能に結合されている、請求項１に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項１２】
前記チャックスピンドルモータが前記支持フレームに取り付けられ、前記チャックスピンドルモータの出力シャフトがスピンドルベルトを介して前記スピンドルに動作可能に結合されている、請求項１に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項１３】
前記チャック駆動モータが前記支持フレームに取り付けられ、前記チャック駆動モータの出力シャフトがチャック駆動ベルトを介して前記ボールねじに動作可能に結合されている、請求項１に記載の摩擦ビット接合システム。
【請求項１４】
摩擦ビット接合システムを製造する方法であって、前記方法は、
チャック駆動モータをボールねじに動作可能に結合して、前記チャック駆動モータの起動時に前記ボールねじを回転させることと、
前記チャック駆動モータをモータ支持要素に取り付けることと、
前記ボールねじの内部穴内に摩擦ビット接合ビットを保持するために、スピンドルの少なくとも一部を配置することと、
前記ボールねじに対して前記スピンドルを回転可能に結合し、軸方向に固定することと、
前記ボールねじの雄ねじを支持フレームのボールねじホルダの雌ねじと噛み合わせることと、
前記ボールねじ、スピンドル、および摩擦ビット接合ビットを前記支持フレームに摺動可能に結合することと、を含む方法。
【請求項１５】
前記ボールねじの前記雄ねじと前記ボールねじホルダの前記雌ねじとの間にボールベアリングを配置することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ボールねじ、スピンドル、および摩擦ビット接合ビットを前記支持フレームに摺動可能に結合することが、少なくとも１つのガイドレールを前記チャック駆動モータにしっかりと結合し、前記少なくとも１つのガイドレールを前記支持フレームに摺動可能に結合することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのガイドレールを前記支持フレームに摺動可能に結合することが、４つのガイドレールを前記支持フレームに摺動可能に結合することを含み、前記４つのガイドレールが前記スピンドルの周りに実質的に対称的に配置される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
チャックスピンドルモータの作動時に前記スピンドルを回転させるために、前記チャックスピンドルモータを前記スピンドルに動作可能に結合することと、
前記チャックスピンドルモータを前記モータ支持要素に取り付けることと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
２つのワークピースを互いに接合する方法であって、前記方法は、
チャックに保持された摩擦ビット接合ビットを回転させるために、チャックスピンドルモータで前記チャックを回転することであって、前記チャックに結合されたスピンドルの少なくとも一部がボールねじの内部穴内に配置され、前記チャックは前記ボールねじに対して固定された軸方向位置にあり、前記チャックは前記ボールねじに対して回転可能である、回転することと、
チャック駆動モータで前記ボールねじを回転させることにより、前記チャックと摩擦ビット接合ビットを、互いに接合される重なり合うワークピースに向かって駆動することと、
前記チャック駆動モータで前記ボールねじをさらに回転させることにより、前記ワークピースを互いに接合するために、前記回転する摩擦ビット接合ビットを前記重なり合うワークピースの少なくとも１つにさらに駆動することと、を含む方法。
【請求項２０】
前記チャック駆動モータで前記ボールねじを回転させることが、前記チャック駆動モータの出力の回転をベルトで前記ボールねじに変換することを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１８年１１月１５日に出願された米国仮出願第６２／７６８，０５６号の利益を主張し、その開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
摩擦ビット接合は、２つのワークピースを接合する製造技術である。２つの（例えば、金属の）ワークピースは、互いに重なり合うように配置され、回転するピンまたはビットが重なり合うワークピースに突入される。ビットはプロセスで消費され（ワークピースに埋め込まれるなど）、ワークピース間のスポット溶接接合を形成し、溶接は各ワークピースと消費されたビットの材料で形成される。ビットとワークピースの間に摩擦熱が発生し、接合する材料の可塑化または溶融が促進される場合がある。場合によっては、接合される材料は摩擦熱によって軟化されるが、溶けない。したがって、摩擦ビット接合は、材料特性やその他のパラメータに応じて、ソリッドステート接合プロセスになる場合がある。
【０００３】
摩擦ビット接合は、場合によっては、他のスポット溶接技術よりも強力な溶接を生成する場合がある。例えば、いくつかの従来の技術は、特定のワークピースに望ましくない化学変化をもたらす可能性のある燃焼生成物を使用している。また、摩擦ビット接合によって生成される熱は、他の従来のスポット溶接技術よりも小さく、これにより、接合部または接合部に隣接する材料を弱める可能性のある酸化およびその他の熱誘発問題が軽減される。したがって、摩擦ビット接合は、特定の金属、金属合金（アルミニウム合金、チタン合金、ニッケル合金、高強度鋼など）およびその他の材料など、他の従来技術を使用してスポット溶接するのが難しい材料を接合するために時々使用される。摩擦ビット接合は、鋼とアルミニウムなど、異種金属と合金を互いに接合する他の従来の手法よりも効果的であり得る。
【発明の概要】
【０００４】
いくつかの実施形態では、本開示は、ボールねじおよび雄ねじを通る内部穴を有するボールねじを含むことができる摩擦ビット接合システムを含む。チャックおよびスピンドルは、チャック駆動スピンドルによって回転するように構成されてもよく、スピンドルの少なくとも一部は、ボールねじの内部穴内に配置されてもよい。チャックは、ボールねじに対して固定された軸方向位置にあってもよく、チャックはボールねじに対して回転可能であってもよい。摩擦ビット接合ビットは、チャックによって保持されてもよい。支持フレームは、ボールねじ、チャック、スピンドル、および摩擦ビット接合ビットを支持してもよい。チャック駆動モータは、ボールねじを回転させて、チャックおよび摩擦ビット接合ビットを支持フレームに対して軸方向に移動させるように配置および構成されてもよい。
【０００５】
いくつかの例では、支持フレームはＣ字型の構成を有してもよい。第１の端部領域は、ボールねじ、チャック、スピンドル、および摩擦ビット接合ビットを支持してもよい。第２の端部領域は、ワークピースが摩擦ビット接合ビットで互いに接合されているときにワークピースが保持されるストップを提供することができる。中間領域は、第１の端部領域から第２の端部領域まで延びていてもよい。いくつかの例では、少なくとも第２の端部領域および中間領域は、一体の単一材料を含んでもよい。少なくとも１つのガイドレールは、支持フレームに摺動可能に結合され得る。モータ支持要素は、少なくとも１つのガイドレールの第１の端部にしっかりと結合されてもよい。ビット支持要素は、少なくとも１つのガイドレールの第２の反対側の端部にしっかりと結合されてもよい。少なくとも１つのガイドレールは、ボールねじの周りに実質的に対称的に配置された４つのガイドレールを含んでもよい。少なくとも１つの滑走路は、支持フレームにしっかりと結合されてもよく、対応する少なくとも１つのガイドレールを支持フレームに摺動可能に結合してもよい。チャックスピンドルモータおよび／またはチャック駆動モータは、モータ支持要素によって支持されてもよい。
【０００６】
いくつかの例では、支持フレームは、ボールねじの雄ねじと相補的な雌ねじを有するボールねじホルダを含んでもよい。ボールベアリングは、ボールねじの雄ねじとボールねじホルダの雌ねじの間に配置できます。チャックは、少なくとも１つのチャック支持ベアリングを介してボールねじに回転可能に結合されてもよい。少なくとも１つのチャック支持ベアリングは、ボールねじの第１の端部にある第１のチャック支持ベアリングと、ボールねじの第２の反対端部にある第２のチャック支持ベアリングとを含むことができる。チャックスピンドルモータは、支持フレームに取り付けられてもよく、チャックスピンドルモータの出力シャフトは、スピンドルベルトを介してスピンドルに動作可能に結合されてもよい。チャック駆動モータは、支持フレームに取り付けられてもよく、チャック駆動モータの出力シャフトは、チャック駆動ベルトを介してボールねじに動作可能に結合されてもよい。
【０００７】
いくつかの実施形態では、本開示は、摩擦ビット接合システムを製造する方法を含む。そのような方法によれば、チャック駆動モータは、ボールねじに動作可能に連結され、駆動モータは、チャック駆動モータの作動時にボールねじを回転させるように構成される。チャック駆動モータは、モータ支持要素に取り付けられてもよい。摩擦ビット接合ビットを保持するためのスピンドルの少なくとも一部は、ボールねじの内部穴内に配置されてもよい。スピンドルは、ボールねじに対して回転可能に結合され、軸方向に固定されてもよい。ボールねじの雄ねじは、ボールねじホルダの雌ねじと噛み合う場合がある。ボールねじ、スピンドル、および摩擦ビット接合ビットは、支持フレームに摺動可能に結合されていてもよい。
【０００８】
いくつかの例では、方法は、ボールねじの雄ねじとボールねじホルダの雌ねじとの間にボールベアリングを配置することも含み得る。少なくとも１つのガイドレールは、チャック駆動モータにしっかりと結合されてもよく、少なくとも１つのガイドレールは、支持フレームに摺動可能に結合されてもよい。例えば、４つのガイドレールを支持フレームに摺動可能に連結することができ、４つのガイドレールをスピンドルの周りに実質的に対称的に配置することができる。チャックスピンドルモータは、チャックスピンドルモータの作動時にスピンドルを回転させるためにスピンドルに動作可能に結合されてもよい。チャックスピンドルモータは、モータ支持要素に取り付けられてもよい。
【０００９】
いくつかの実施形態では、本開示は、２つのワークピースを互いに接合する方法を含む。そのような方法によれば、チャックは、チャックスピンドルモータで回転されて、チャックに保持された摩擦ビット接合ビットを回転させることができる。チャックに結合されたスピンドルの少なくとも一部は、ボールねじの内部穴内に配置されてもよい。チャックは、ボールねじに対して固定された軸方向位置にあってもよく、チャックはボールねじに対して回転可能であってもよい。チャックおよび摩擦攪拌ビット接合ビットは、チャック駆動モータでボールねじを回転させることにより、互いに接合されるべき重なり合うワークピースに向かって駆動され得る。回転摩擦ビット接合ビットは、チャック駆動モータでボールねじをさらに回転させることにより、重なり合うワークピースの少なくとも１つにさらに打ち込まれ、ワークピースを互いに接合することができる。
【００１０】
いくつかの例では、チャック駆動モータでボールねじを回転させることは、チャック駆動モータの出力の回転をベルトでボールねじに変換することを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の少なくとも１つの実施形態による摩擦ビット接合システムの側面図である。
【００１２】
【図２】図２は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、図１の摩擦ビット接合システムの摩擦ビット接合アセンブリの一部の部分破断側面図である。
【００１３】
【図３】図３は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、図１および図２の摩擦ビット接合アセンブリの支持フレームの側面図である。
【００１４】
【図４】図４は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、摩擦ビット接合システムのスピンドルアセンブリの分解斜視図である。
【００１５】
【図５】図５は、本開示の少なくとも１つの他の実施形態による、摩擦ビット接合システムの側面斜視図である。
【００１６】
【図６Ａ】図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、本開示の少なくとも１つの追加の実施形態による、摩擦ビット接合システムの後方斜視図および前方斜視図である。
【図６Ｂ】同上。
【００１７】
【図７】図７は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、摩擦ビット接合システムを製造する方法を示す流れ図である。
【００１８】
【図８】図８は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、２つのワークピースを互いに接合する方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本開示は、摩擦ビット接合のためのシステムおよび方法の詳細な説明を提供する。開示されたシステムは、ボールねじの内部穴内に配置された摩擦ビット接合ビットを保持するためのチャックを含んでもよい。チャックはボールねじに対して回転可能であってもよいが、ボールねじに対して軸方向に固定されているので、ボールねじの回転によりチャックと摩擦ビット接合ビットの軸方向の動きが生じ得る。本開示のシステムおよび方法は、様々な摩擦ビット接合技術および用途に適している可能性があり、従来の独立型摩擦ビット接合システムと比較して摩擦ビット接合システムのコストを大幅に削減する可能性がある。
【００２０】
以下は、図１〜図６Ｂを参照して、摩擦ビット接合システムの例の詳細な説明を提供する。図７および図８を参照すると、以下は、摩擦ビット接合システムを製造する方法の例および２つのワークピースを互いに接合する方法の例の詳細な説明をそれぞれ提供する。
【００２１】
図１は、本開示の少なくとも１つの実施形態による摩擦ビット接合（「ＦＢＪ」）システム１００の概略断面側面図である。ＦＢＪシステム１００は、例えばロボットアーム１０４によって支持されたＦＢＪアセンブリ１０２を含むことができる。ＦＢＪアセンブリ１０２は、ロボットアーム１０４の可動端に結合された支持フレーム１０３を含むことができる。ロボットアーム１０４は、ＦＢＪアセンブリ１０２のＦＢＪビット１０８でワークピース１０６を互いに接合するための位置および向き（例えば、角度）にＦＢＪアセンブリ１０２を配置するように構成され得る。ワークピース１０６は、例えば、互いに重なり合う第１ワークピース１０６Ａおよび第２ワークピース１０６Ｂを含むことができる。いくつかの例では、第１のワークピース１０６Ａおよび第２のワークピース１０６Ｂはそれぞれ同じまたは類似の金属材料（例えば、両方とも鋼）であってもよく、または第１のワークピース１０６Ａは第１の金属材料（例えば、アルミニウム）であってもよく、第２のワークピース１０６Ｂは、第２の異なる金属材料（例えば、鋼）であってもよい。
【００２２】
図１は、ロボットアーム１０４によって支持されたＦＢＪアセンブリ１０２を示している。しかし、本開示はそれに限定されない。追加の実施形態では、ロボットアーム１０４を省略し、支持フレーム１０３に結合された別の支持構造体で置き換えることができる。支持構造は、固定式でも可動式でもよい。
【００２３】
ＦＢＪアセンブリ１０２は、ＦＢＪビット１０８を保持するためのチャック１０９を含むことができる。チャックスピンドルモータ１１０は、チャックスピンドルモータ１１０の作動時にチャック１０９およびＦＢＪビット１０８の回転を引き起こすために、チャック１０９に動作可能に結合されてもよい。例えば、チャック１０９は、チャックスピンドルモータ１１０からチャック１０９まで延在し得るスピンドル１１１（図２）を介してチャックスピンドルモータ１１０に結合され得る。チャック駆動モータ１１２は、ワークピース１０６および支持フレーム１０３に対してチャック１０９、したがってＦＢＪビット１０８を軸方向に（すなわち、チャック１０９の回転軸に沿って）駆動するように構成され得る。いくつかの実施形態では、チャックスピンドルモータ１１０およびチャック駆動モータ１１２は、モータ支持要素１１４によって物理的に支持されてもよい。チャックスピンドルモータ１１０の回転、チャック駆動モータ１１２の回転、およびロボットアーム１０４（存在する場合）の移動は、コンピュータ数値制御（「ＣＮＣ」）システムによって制御され得る。いくつかの実施形態では、ＦＢＪシステム１００は、自動車組立ラインなどの組立ラインの一部であり、ワークピース１０６がＦＢＪシステム１００またはその近くに配置されるときにワークピース１０６を接合することができる。
【００２４】
ＦＢＪビット１０８、チャック１０９、チャックスピンドルモータ１１０、スピンドル１１１、チャック駆動モータ１１２、およびモータ支持要素１１４は、少なくとも１つのガイドレール１１６などにより、支持フレーム１０３に摺動可能に結合されてもよい。図１に示す実施形態では、例えば、４つのガイドレール１１６は、チャック１０９の周りに実質的に対称的に配置され得る。モータ支持要素１１４は、ガイドレール１１６の第１（例えば、上部）端部にしっかりと結合されてもよい。ガイドレール１１６の反対側の第２の（例えば、より低い）端部は、ビット支持要素１１８にしっかりと結合され得る。ガイドレール１１６は、それぞれの滑走路１２０を介して支持フレーム１０３に摺動可能に連結されてもよく、それぞれの滑走路１２０は支持フレーム１０３にしっかりと結合されてもよい。以下でさらに説明するように、チャック駆動モータ１１２の作動は、ＦＢＪビット１０８、チャック１０９、チャックスピンドルモータ１１０、チャック駆動モータ１１２、モータ支持要素１１４、ガイドレール１１６、ならびに滑走路１２０に沿ってかつ支持フレーム１０３およびワークピース１０６に対するビット支持要素１１８を軸方向に移動し得る。これらの可動要素は、ＦＢＪ動作を実行してワークピース１０６を互いに接合するために、ＦＢＪビット１０８およびチャック１０９が（例えば、チャックスピンドルモータ１１０の作動を介して）回転しながらワークピース１０６に向かって軸方向に移動され得る。
【００２５】
いくつかの例では、所与のパラメータ、特性、または条件に関して「実質的に」という用語は、所与のパラメータ、特性、または条件が許容可能な製造公差内などの差異のわずかな程度で満たされることを当業者が理解する程度を指す場合がある。例えば、実質的に満たされるパラメータは、少なくとも約９０％が満たされ、少なくとも約９５％が満たされ、または少なくとも約９９％が満たされ得る。
【００２６】
いくつかの例では、「第１」、「第２」、「上」、「下」などの関係用語は、開示および添付図面を理解する際の明確さと利便性のために使用される場合があり、文脈で明確に示されている場合を除き、特定の好み、オリエンテーション、または順序を含まない、またはそれらに左右されない。
【００２７】
図２は、ＦＢＪアセンブリ１０２の一部を切り取った側面図であり、ＦＢＪアセンブリ１０２の内部の特徴を示すために特定の要素が除去されているか、透明である。上述のように、ＦＢＪアセンブリ１０２は、支持フレーム１０３、チャック１０９によって保持されるＦＢＪビット１０８、ＦＢＪビット１０８およびチャック１０９に回転を誘導するためのチャックスピンドルモータ１１０、および軸方向にＦＢＪビット１０８とチャック１０９をワークピース１０６に近づけたり、ワークピース１０６から離したりするチャック駆動モータ１１２を含むことができる。チャックスピンドルモータ１１０およびチャック駆動モータ１１２は、モータ支持要素１１４によって支持されてもよい。ガイドレール１１６は、モータ支持要素１１４とビット支持要素１１８との間に延在してもよく、支持フレーム１０３に摺動可能に結合されてもよい。
【００２８】
図２に示されるように、チャックスピンドルモータ１１０の出力は、カプラ１２１などのスピンドル１１１と係合され得る。いくつかの実施形態では、チャックスピンドルモータ１１０の出力は、スピンドル１１１およびチャック１０９と実質的に同一線上にあり得る。スピンドル１１１は、ボールねじアセンブリ１２２を通って下方に（図２の透視から）延びていてもよい。ボールねじアセンブリ１２２は、ボールねじ１２４とボールねじホルダ１２６とを含むことができる。ボールねじ１２４は、その内部にチャック１０９の少なくとも一部（例えば、ステムの一部）を配置することができる雄ねじおよび内部穴を含むことができる。したがって、ＦＢＪビット１０８およびチャック１０９は、ボールねじ１２４の回転軸と実質的に同一線上にある回転軸を有することができる。ＦＢＪビット１０８をボールねじ１２４と位置合わせすることにより、ＦＢＪビット１０８が接合作業のためにワークピース１０６に対して軸方向にかつワークピース１０６内に駆動されるとき、ＦＢＪビット１０８の横方向トルクを低減または排除できる。
【００２９】
ボールねじホルダ１２６は、雌ねじを含んでもよく、支持フレーム１０３の一部であっても、支持フレーム１０３にしっかりと結合されてもよい。ボールねじアセンブリ１２２は、ボールねじ１２４の雄ねじとボールねじホルダ１２６の雌ねじとの間に配置されたボールベアリングも含むことができる。少なくとも１つのチャック支持ベアリング１２８は、ボールねじ１２４内でチャック１０９を回転させながら、ボールねじ１２４に対して軸方向位置にチャック１０９を固定することができる。例えば、図２に示すように、少なくとも１つのチャック支持ベアリング１２８は、ボールねじ１２４の第１（例えば、上部）端部に第１チャック支持ベアリング１２８を、ボールねじ１２４の第２の反対（例えば、下部）の端部に第２チャック支持ベアリング１２８を含むことができる。チャック支持ベアリング１２８は、例えば、チャック１０９の外面とボールねじ１２４の内面との間に配置されたボールベアリングを含むことができる。
【００３０】
ＦＢＪビット１０８は、チャック１０９の空洞内にＦＢＪビット１０８のステムを配置し固定することなどにより、チャック１０９によってしっかりと保持されてもよい。ＦＢＪビット１０８は、第１のワークピース１０６Ａおよび第２のワークピース１０６Ｂを互いに溶接および接合するために、ワークピース１０６の第１のワークピース１０６Ａおよび／または第２のワークピース１０６Ｂに押し込まれるように構成され得る。上述のように、ＦＢＪビット１０８は、第１のワークピース１０６Ａからの材料を第２のワークピース１０６Ｂからの材料と混合（「攪拌」）するように構成され得る。ＦＢＪビット１０８の少なくとも一部は、ワークピース１０６内にとどまるように破壊されるか、さもなければ分解されるように構成され、ワークピース間にスポット溶接を形成してもよい。
【００３１】
支持構造１０３は、ＦＢＪビット１０８で互いに接合されるときにワークピース１０６が保持され得るストップを提供することができるテーブル１３０を含むことができる。いくつかの実施形態では、テーブル１３０の中、下、または上などに、１つ以上のセンサ１３２を設けて、ＦＢＪシステム１００に実質的にリアルタイムでフィードバックを提供することができる。センサ１３２は、ＦＢＪビット１０８の少なくとも１つの動作状態を検知するように構成され得る。例えば、センサ１３２は、１つ以上の負荷センサ（例えば、ＦＢＪビット１０８によりワークピース１０６に加えられるトルク、圧力、および／または線形力を検出するため）、温度センサ（例えば、ＦＢＪビット１０８および／またはワークピース１０６の温度を検出するため）、および／または位置センサ（例えば、ワークピース１０６および／またはテーブル１３０に対するＦＢＪビット１０８の軸方向位置を検知するため）を含むことができる。いくつかの例では、プローブまたはセンサ１３２の他の構成要素は、ＦＢＪビット１０８および／またはチャックスピンドルモータ１１０の中または近くに配置されてもよい。センサ１３２からのフィードバックは、チャック駆動モータ１１２によって実質的にリアルタイムで使用されて、チャック１０９およびＦＢＪビット１０８の軸方向位置を調整し、ワークピース１０６の適切なおよび／または改善された接合を達成することが望まれる。
【００３２】
チャック駆動モータ１１２は、ＦＢＪ動作を実行するように、および／またはセンサ１３２からのデータに応答して、ＦＢＪビット１０８および他の支持構成要素をワークピース１０６およびテーブル１３０に対して軸方向に（すなわち、図１に示す方向１３４に）移動させるように構成され得る。チャック駆動モータ１１２は、電磁ステッピングモータなど、制御された回転が可能な任意のモータとすることができる。電源およびモータ制御システム１３６を使用して、チャック駆動モータ１１２の回転を制御することができる。モータ制御システム１３６は、センサ１３２、ロボットアーム１０４（図１）、および／またはチャックスピンドルモータ１１０を制御するチャックスピンドルモータ制御システム１３７と通信することができる。モータ制御システム１３６は、ＣＮＣシステムの一部であってもよい。
【００３３】
いくつかの実施形態では、チャック駆動ベルト１３８は、チャック駆動モータ１１２の出力に動作可能に接続されてもよい。チャック駆動モータ１１２の出力は、チャック駆動モータ１１２の回転時にチャック駆動ベルト１３８を駆動するように構成された実質的に円筒形の要素であるか、それを含むことができる。例えば、出力は歯付きギアまたは実質的に滑らかなシリンダーであり得る。チャック駆動ベルト１３８は、チャック駆動モータ１１２からボールねじ１２４への回転を平行移動させるように配置および構成された可撓性部材であってもよい。例えば、駆動ギア１４０は、ボールねじ１２４に連結され、チャック駆動ベルト１３８と係合されてもよい。いくつかの例では、チャック駆動ベルト１３８の内面は、チャック駆動モータ１１２の出力および／または駆動ギア１４０とインターフェースする歯を含んでもよい。チャック駆動モータ１１２が回転すると、チャック駆動ベルト１３８は、回転を駆動ギア１４０に、最終的にはボールねじ１２４に変換することができる。ボールねじホルダ１２６に対するボールねじ１２４の回転は、ボールねじ１２４の軸方向の動きを誘発し得る。チャック１０９とチャック支持ベアリング１２８のボールねじ１２４との間の界面は、チャック１０９をボールねじ１２４とともに軸方向１３４に移動させることもできる。
【００３４】
図２に示されるように、いくつかの実施形態では、支持フレーム１０３は、ほぼＣ字形の構成を有してもよい。したがって、支持フレーム１０３は、ボールねじアセンブリ１２２、チャック１０９、およびＦＢＪビット１０８（ならびに他の支持構成要素）を支持する第１の端部（例えば、上部）領域１４２を含むことができる。支持フレーム１０３の第２の端部（例えば、下側）領域１４４は、ワークピース１０６がＦＢＪビット１０８で互いに接合されているときにワークピース１０６が保持または位置決めされるストップを提供するテーブル１３０を含むことができる。支持フレーム１０３の中間領域１４６は、第１の端部領域１４２から第２の端部領域１４４まで延びることができる。限定ではなく例として図１に示されるように、支持フレーム１０３は、中間領域１４６でロボットアーム１０４に取り付けられてもよい。
【００３５】
ＦＢＪプロセスは、いくつかの接合プロセスについて、約８，０００〜１０，０００ポンド力（約３５，５８５〜４４，４８２Ｎ）などの大きな力でワークピース１０６に対してＦＢＪビット１０８を押し込むことを含み得る。したがって、支持フレーム１０３は、第１の端部領域１４２と第２の端部領域１４４の内面との間にかかり得る力に耐えるのに十分な強度を有するように設計することができる。いくつかの例では、支持フレーム１０３は、図２に示されるように、半インチから１インチ（約１．２７ｃｍから２．５４ｃｍ）厚の鋼板などの１つ以上の板金片で形成されるトラス構造を含み得る。三角形の切り欠きは、十分な強度を維持しながら支持フレーム１０３の重量を減らすために、支持フレーム１０３のトラス構造を形成してもよい。支持フレーム１０３は、必要に応じて、追加の安定性のために、支持フレーム１０３を組み立てるため、および／またはクロスブレーシング部材を接続するためのいくつかの取り付け穴１４８を含むことができる。
【００３６】
図３は、図２の右側から見たときの支持フレーム１０３を示している。ＦＢＪシステム１００およびＦＢＪアセンブリ１０２のいくつかの構成要素は、わかりやすくするために、図３の図では取り除かれている。図３に示されるように、いくつかの例では、支持フレーム１０３は、一緒に組み立てられた複数の構造要素（例えば、板金要素）を含むことができる。取り付け穴１４８の少なくともいくつかは、支持フレーム１０３の構造要素を互いにボルト締めするか、そうでなければ固定するために使用されてもよい。滑走路１２０は、支持フレーム１０３にしっかりと結合（例えば、ボルト締めおよび／または溶接）されてもよい。ガイドレール１１６は、滑走路１２０を介して支持フレーム１０３に摺動可能に結合されて、支持フレーム１０３に対して軸方向１３４にモータ支持要素１１４およびビット支持要素１１８の移動を可能にしてもよい。
【００３７】
図４は、ＦＢＪシステムのスピンドルアセンブリ４００の分解斜視図である。例えば、スピンドルアセンブリ４００は、上述のＦＢＪシステム１００で使用されてもよい。スピンドルアセンブリ４００は、ＦＢＪビットを保持するためのチャック４０９、チャック４０９にしっかりと結合されたスピンドル４１１、およびボールねじアセンブリ４２２を含むことができる。ボールねじアセンブリ４２２は、ボールねじ４２４とボールねじホルダ４２６とを含むことができる。ボールベアリング４４９は、ボールねじ４２４の雄ねじとボールねじホルダ４２６の雌ねじとの間に配置されてもよい。上部チャック支持ベアリング４２８および下部チャック支持ベアリング４２９は、それぞれボールねじ４２４の上端および下端に配置されてもよい。
【００３８】
スピンドルアセンブリ４００が組み立てられると、スピンドル４１１はボールねじ４２４の内部空洞内に配置され得る。スピンドル４１１の上部肩部４５０は、上部チャック支持ベアリング４２８内にあるように配置することができる。ボールねじ４２４内でスピンドル４１１を回転可能に結合し、ボールねじ４２４に対するスピンドル４１１の軸方向位置を維持するために、１つ以上のベアリング要素（例えば、ボールベアリング）が、スピンドル４１１と上部肩４５０の上部チャック支持ベアリング４２８との間に配置され得る。同様に、スピンドル４１１の下側肩部４５２は、下側チャック支持ベアリング４２９内にあるように配置することができる。ボールねじ４２４内でスピンドル４１１を回転可能に結合し、ボールねじ４２４に対するスピンドル４１１の軸方向位置を維持するために、１つ以上のベアリング要素（例えば、ボールベアリング）が、スピンドル４１１と下部ショルダー４５２の下部チャック支持ベアリング４２９との間に配置されてもよい。さらに、スピンドル４１１を上部チャックサポートベアリング４２８および下部チャックサポートベアリング４２９で回転可能に結合することにより、チャック４０９によって保持されたＦＢＪビットに横方向の力が加えられた場合でも、スピンドル４１１とボールねじ４２４の同心性を実質的に維持できる。
【００３９】
図５は、本開示の少なくとも１つの他の実施形態によるＦＢＪシステム５００の側面斜視図である。ＦＢＪシステム５００は、いくつかの点で上記のＦＢＪシステム１００と同様であってもよい。例えば、ＦＢＪシステム５００は、支持フレーム５０３、ＦＢＪビット５０８を支持するためのチャック５０９、チャック５０９およびＦＢＪビット５０８を回転させるためのチャックスピンドルモータ５１０、およびチャック５０９およびＦＢＪビット５０８を軸方向に駆動するためのチャック駆動モータ５１２を含み得る。チャック５０９は、スピンドル５１１に取り付けられてもよい。ボールねじアセンブリ５２２は、スピンドル５１１の周りに実質的に同心円状に配置されてもよい。ボールねじアセンブリ５２２は、スピンドル５１１、チャック５０９、およびＦＢＪビット５０８を軸方向に動かすように構成されてもよい。例えば、ボールねじアセンブリ５２２は、ボールねじ５２４およびボールねじホルダ５２６を含み得る。
【００４０】
図５に示す例では、チャックスピンドルモータ５１０およびチャック駆動モータ５１２は、スピンドル５１１およびチャック５０９に横方向に隣接する支持フレーム５０３に取り付けられてもよい。例えば、チャックスピンドルモータ５１０の出力シャフト５５４は、出力シャフト５５４に取り付けられたスピンドルモータギア５５６、スピンドルベルト５５８（図５の破線で示される）、およびスピンドル５１１に取り付けられたスピンドルギア５６０を介してスピンドル５１１に動作可能に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、スピンドル５１１は、スピンドルギア５６０内で軸方向にスライド可能であってもよい。同様に、チャック駆動モータ５１２は、チャック駆動ベルト５３８（図５に破線で示す）および駆動ギア５４０を介してボールねじ５２４に動作可能に結合されてもよい。
【００４１】
チャックスピンドルモータ５１０およびチャック駆動モータ５１２を支持フレーム５０３に取り付けることにより、図５のＦＢＪシステム５００が図１〜３を参照して上述したＦＢＪシステム１００に比べて多少よりコンパクトかつ空間効率よくなってもよい。
【００４２】
図６Ａは正面斜視図であり、図６Ｂは、本開示の少なくとも１つの追加の実施形態によるＦＢＪシステム６００の背面斜視図である。ＦＢＪシステム６００は、上述のＦＢＪシステム１００、５００と同様であってもよい。例えば、図６Ａおよび図６Ｂに示されたＦＢＪシステム６００は、支持フレーム６０３、ＦＢＪビットを支持するチャック６０９、チャック６０９およびＦＢＪビットを回転させるチャックスピンドルモータ６１０、およびチャック６０９およびＦＢＪビットを軸方向に駆動するチャック駆動モータ６１２を含み得る。チャック６０９は、スピンドル６１１に取り付けられてもよい。ボールねじアセンブリ６２２は、スピンドル６１１の周りに実質的に同心円状に配置されてもよい。ボールねじアセンブリ６２２は、スピンドル６１１、チャック６０９、およびＦＢＪビットを軸方向に動かすように構成されてもよい。例えば、ボールねじアセンブリ６２２は、ボールねじ６２４およびボールねじホルダ６２６を含み得る。
【００４３】
支持フレーム６０３は、ほぼＣ字形の構成を有することができる。したがって、支持フレーム６０３は、第１の端部（例えば、上部）領域６４２、第２の端部（例えば、下部）領域６４４、および第１の端部領域６４２から第２の端部領域６４４に延びる中間領域６４６を含むことができる。図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、第２の端部領域６４４および中間領域６４６は、一体の単一材料から形成されてもよい。例えば、単一の金属ブロックを、支持フレーム６０３の第２の端部領域６４４および中間領域６４６に形成（例えば、機械加工、成形、鍛造）することができる。いくつかの例では、第１の端部領域６４２、第２の端部領域６４４、および中間領域６４６のそれぞれの少なくとも一部は、一体の単一材料から形成されてもよい。支持フレーム６０３の少なくとも２つの領域を一体の単一材料から形成することにより、支持フレーム６０３は、複数の部品から組み立てられた支持フレームと比較して機械的強度が増大する場合がある。
【００４４】
図７は、ＦＢＪシステムを製造する方法７００を示す流れ図である。工程７１０では、チャック駆動モータがボールねじを回転するように構成され得るように、チャック駆動モータがボールねじに作動可能に連結され得る。工程７１０は、さまざまな方法で実行することができる。例えば、チャック駆動モータは、図２を参照して上述したように、ベルトなどを介してボールねじに間接的に結合されてもよい。あるいは、チャック駆動モータは、チャック駆動モータがボールねじを望み通りに回転できるようにするのに十分な他の方法でボールねじに結合されてもよい。
【００４５】
工程７２０において、チャック駆動モータは、モータ支持要素に取り付けられ得る。工程７２０は、様々な方法で実行され得る。例えば、チャック駆動モータは、モータ支持要素にボルト締めおよび／または溶接されてもよい。
【００４６】
工程７３０では、スピンドルの少なくとも一部をボールねじの内部穴内に配置することができる。スピンドルは、ＦＢＪビットを保持するように構成できる。工程７３０は、さまざまな方法で実行することができる。例えば、チャックを保持するスピンドルの一部は、内部穴内に配置されてもよい。組み立てられたとき、チャックの回転軸とボールねじの回転軸は、いくつかの実施形態では、実質的に同一直線上にあってもよい。
【００４７】
工程７４０において、スピンドルは、ボールねじに対して回転可能に結合され、軸方向に固定されてもよい。工程７４０は、様々な方法で実行され得る。たとえば、上記および図２に示すように、チャック支持ベアリングを使用して、スピンドルとボールねじの間の相対回転を可能にする方法でスピンドルをボールねじに結合し、ボールねじに対してスピンドルに保持されたチャックを軸方向に固定することができる。代替として、スピンドルは、ボールねじに対して（例えば、その中で）スピンドルが回転できるようにもしながら、ボールねじの軸方向の移動時にスピンドルが軸方向に移動できるその他の方法で、ボールねじに対して回転可能に結合され、ボールねじに対して軸方向に固定されてもよい。
【００４８】
工程７５０において、ボールねじの雄ねじは、ボールねじホルダの雌ねじと噛み合わされてもよい。操作７５０は、様々な方法で実行され得る。例えば、ボールベアリングは、図２を参照して上述したように、ボールねじの雄ねじとボールねじホルダの雌ねじとの間に配置されてもよい。追加的または代替的に、ボールねじの雄ねじとボールねじホルダの雌ねじとの間に潤滑剤を塗布してもよい。
【００４９】
工程７６０において、ボールねじ、スピンドル、および摩擦ビット接合ビットは、支持フレームに摺動可能に結合され得る。工程７６０は、様々な方法で実行され得る。例えば、列挙された構成要素は、１つ以上（例えば、４つ）のそれぞれの滑走路に摺動可能に連結され得る１つ以上（例えば、４つ）のガイドレールに固定され得る。滑走路は、図１〜図３を参照して上述したように、支持フレームにしっかりと結合されてもよい。
【００５０】
いくつかの実施形態では、方法７００はまた、チャックスピンドルモータの作動時にチャックを回転させるためにチャックスピンドルモータをスピンドルに動作可能に結合することを含むことができる。チャックスピンドルモータは、モータ支持要素に取り付けられてもよい。
【００５１】
図８は、２つのワークピースを互いに接合する方法８００を示す流れ図である。動作８１０において、チャックは、チャックスピンドルモータで回転されて、チャックによって保持されているＦＢＪビットを回転させることができる。チャックに結合されたスピンドルの少なくとも一部は、ボールねじの内部穴内に配置されてもよい。チャックは、ボールねじに対して固定された軸方向位置にあり得る。チャックは、ボールねじに対して回転可能であってもよい。動作８１０は、様々な方法で実行され得る。例えば、スピンドルおよびチャックは、図２を参照して上述したように、ボールねじに対して配置され、回転されてもよい。
【００５２】
工程８２０において、チャックおよび摩擦ビット接合ビットは、チャック駆動モータでボールねじを回転させることにより、互いに接合されるべき重なり合うワークピースに向かって駆動され得る。操作８２０は、様々な方法で実行され得る。例えば、チャックおよび摩擦ビット接合ビットは、ベルト付きなど、図１〜図３を参照して上述したように軸方向に駆動されてもよい。
【００５３】
動作８３０において、回転摩擦ビット接合ビットは、ボールねじをチャック駆動モータでさらに回転させることにより、ワークピースを互いに接合するために、重なり合うワークピースの少なくとも１つにさらに軸方向に駆動され得る。操作８３０は、様々な方法で実行され得る。例えば、ワークピースは上記のように接合されてもよい。
【００５４】
したがって、本開示のＦＢＪシステムおよび方法は、２つのワークピースを一緒に接合する摩擦ビットのための効率的で費用効果が高く機能的な解決策を可能にし得る。開示された構成は、典型的なスタンドアロンＦＢＪマシンよりも大幅に少ない可能性があるコストで摩擦ビット結合機能を可能にする。加えて、開示された概念は、改善された接合技術のためにＦＢＪシステムに追加の安定性と強度を提供し得る。したがって、本開示の概念は、摩擦ビット接合技術のいくつかの態様を改善し得る。
【００５５】
前述の開示は特定のブロック図、フローチャート、および例を使用してさまざまな実施形態を説明しているが、本明細書で説明および／または図示される各ブロック図コンポーネント、フローチャートのステップ、動作、および／またはコンポーネントは、個別におよび／または集合的に、幅広いハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェア（またはそれらの組み合わせ）構成を使用して実施され得る。さらに、他の多くのアーキテクチャを実装して同じ機能を実現できるため、他のコンポーネント内に含まれるコンポーネントの開示は本質的に例とみなされるべきである。
【００５６】
本明細書で説明および／または図示するプロセスパラメータおよびステップのシーケンスは、例としてのみ与えられており、必要に応じて変更することができる。例えば、本明細書で例示および／または説明されるステップは特定の順序で示されまたは議論され得るが、これらのステップは必ずしも例示または議論された順序で実行される必要はない。本明細書で説明および／または例示する様々な例示的方法は、本明細書で説明または例示するステップの１つまたは複数を省略してもよく、または開示されたものに加えて追加のステップを含んでもよい。
【００５７】
上記の説明は、他の当業者が本明細書に開示される例示的な実施形態の様々な態様を最大限に利用できるようにするために提供された。この例の説明は、網羅的であること、または開示された正確な形式に限定されることを意図していない。本開示の精神および範囲から逸脱することなく、多くの修正および変形が可能である。本明細書に開示される実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。本開示の範囲を決定する際には、添付の特許請求の範囲およびそれらの同等物を参照すべきである。
【００５８】
特に明記しない限り、明細書および特許請求の範囲で使用される「接続」および「結合」という用語（およびその派生語）は、直接および間接（つまり、他の要素またはコンポーネントを介して）接続の両方を許可するものと解釈される。さらに、本明細書および特許請求の範囲で使用される「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」という用語は、「少なくとも１つ」を意味するものと解釈されるものとする。最後に、使用を容易にするため、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語（およびその派生語）は、明細書および特許請求の範囲で使用されているように、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語と交換可能であり、同じ意味を持っている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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