(57)【要約】  本発明は接合される部品の１つが電磁振動子によって振動される摩擦溶接の方法および装置に関する。本発明により、振動子は振動子の調整された誘発および事前に決定可能な振動期間の後に電気的に制動される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合される部品の１つが電磁振動子によって振動される摩擦溶接の方法であって、前記振動子は制御された振動誘発および事前に決定可能な振動期間の後に電気的に制動されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記振動誘発および前記制動動作は逆に作用をする２つの電磁石を交互に励磁することによって行われ、前記振動子のそれぞれの運動方向に応じて、前記振動誘発がなされると前記運動をサポートする電磁石が励磁され、また制動がなされるとそれぞれの運動を抑止する電磁石が励磁されるとともに、前記制動動作中、一旦所定の振動振幅に達すると前記励磁処理が停止されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記振動誘発および前記制動動作はいずれの場合も８０ｍｓ未満であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４】
接合される部品の１つがそれによって振動され、逆に作用をする電磁石によって加動される振動子が備えられている摩擦溶接装置であって、前記振動子（４、５、６）のそれぞれの位置を記録する変位センサ（１１）の出力が、前記電磁石（２、３）を励磁するために出力側で電源回路の出力段（１３）の入力に接続されたコントローラ（１２）の入力に結合されることを特徴とする装置。
【請求項５】
前記コントローラ（１２）は、前記振動子（４、５、６）のそれぞれの運動方向に応じて、前記運動をサポートする電磁石（２、３）が励磁されるように前記電源回路の出力段（１３）を起動することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記それぞれの運動を抑止する電磁石（２、３）が制動用に励磁されるとともに、前記制動動作中、所定の振動振幅に達すると前記励磁が停止されることを特徴とする請求項４または５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記電源回路出力段（１３）は並列接続された転流ダイオード（Ｄ３、Ｄ６）とともに、直列接続された２つのソリッドステート・スイッチングデバイス（Ｔ３、Ｔ６）を備えた第１のブリッジ・アームと、それぞれがソリッドステート・スイッチングデバイス（Ｔ１、Ｔ２）およびダイオード（Ｄ４、Ｄ５）用の直列−並列接続を備えた別の２つのブリッジ・アームとから構成され、前記電磁石（２、３）のコイルは一方では前記第１のブリッジ・アームの前記ソリッドステート・スイッチングデバイスＴ３、Ｔ６）の接合点と、他方では前記別のブリッジ・アームのそれぞれの接合点との間に接続され、前記第１のブリッジ・アームの前記ソリッドステート・スイッチングデバイス（Ｔ３、Ｔ６）は振動周波数で起動され、また前記別のブリッジ・アームはパルス幅変調、またはトレランス・バンド調整方式で起動されるとともに、制御状態に応じて前記振動周波数よりも高い周波数が生ずることがあることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
ソリッドステート・スイッチングデバイス（Ｔ４、Ｔ５）の前記ダイオード（Ｄ４、Ｄ５）は並列接続された前記転流ダイオード（Ｄ４、Ｄ５）で構成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記電磁石（２、３）の前記励磁は前記別のブリッジ・アームによって１つの動作サイクルから次の動作サイクルへと交番されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記それぞれの電磁石（２、３）を励磁するためのトリガ信号を形成する手段は、前記トリガ信号が振動ゼロを経過後の振動の長さの事前に決定可能な分率、好適には振動長さの１／４で発生するように構成されることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記コントローラ（１２）はちょうど開始時の実質レベルにプリセットされた積分動作コンポーネントを組み込んでいることを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
弾性マウント（５）および工作物ホルダ（６）を含む前記振動子（４、５、６）、前記変位センサ（１１）、前記コントローラ（１２）、前記電源回路出力段（１３）および前記電磁石（２、３）が、振動子の弾性マウント（５）および前記工作物ホルダ（６）を含む前記振動子（４、５、６）の固有周波数によって共振周波数が実質的に決定される振動回路を形成することを特徴とする請求項４乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は接合される部品の１つが電磁振動子によって振動される摩擦溶接の方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦溶接によって部品を接合する場合、互いに接合される部品を擦り、同時に互いに押圧することによって熱が発生する。これは互いに接合される表面上に直接熱が発生し、最初に部品を経て溶接接合部に伝導される必要がないので有利である。摩擦熱を発生するため、接合される部品の一方のホルダを備えた電磁振動子が使用され、一方、昇降ベンチが他方の部品を持ち上げ、これを所定位置に押圧する。
【０００３】
振動子に給電するため、ジェネレータが振動子の共振周波数の半分の周波数を有する交流電流を発生する。これも振動子上の工作物ホルダに左右されるので、従来のシステムの場合、工作物ホルダの交換後に周波数を平衡させる必要があった。そのために、欧州特許第０  ４８１  ８２５  Ａ２号から公知であるシステムの場合、所定の振動振幅で電流強度が最小になるまでジェネレータの動作周波数を変更するためにマイクロプロセッサが備えられている。しかし、これにはシステムが最適に動作しない期間が含まれる。これを改良するため、先行技術のシステムは所与のツールに関して基準値として確認され、記憶される周波数依存の電流分布も備えている。しかし概して、これは依然として可能な最短の振動が得られたことを意味するものではない。
【特許文献１】欧州特許明細書第０  ４８１  ８２５  Ａ２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明による方法は、制御された振動誘発および事前に決定可能な振動時間の後に振動子が電気的に制動されることによって溶接工程の短縮を可能にする。本発明による方法は、すでに行われた接合の損傷を避けるために、接合動作のできるだけ直後に振動が停止されるという認識に基づくものである。加えて、制御された振動誘発によって、共振周波数が直接、かつ完全自動式に調整されることが確実にされる。
【０００５】
本発明による方法の改良によって上記の利点は、振動誘発と制動動作が逆に作用をする２つの電磁石を交互に励磁することによって行われ、振動子のそれぞれの運動方向に応じて、振動誘発がなされると運動をサポートする電磁石が励磁され、また制動がなされるとそれぞれの運動を抑止する電磁石が励磁され、また制動動作中、一旦所定の振動振幅に達すると励磁処理が停止されることによって特に強調される。
【０００６】
所定の振動振幅に達すると励磁電流がスイッチオフされることによって、逆相関係の振動の再誘発が防止される。所定の振動振幅は、機械的減衰のみによって決定される減衰相中に接合位置に過度のひずみが生じないように選択される。
【０００７】
関連する特定の事前要件に応じて、決定されるそれぞれの時間だけ過渡的な安定状態が保たれるようにしてもよい。いずれにせよ振動の誘発および制動動作期間が８０ｎｍ未満であると、本発明による方法で特に良好な結果が得られた。
【０００８】
本発明の１つの装置の場合、振動子のそれぞれの位置を記録する変位センサの１つの出力が、電磁石を励磁するために出力側で電源回路の出力段の入力に接続されたコントローラの入力に結合されるようにされる。この装置によって、場合によっては不適切であることがある周波数までは振動を開始せず、後で同期化される必要があるジェネレータなしで、制御された誘発を達成する特に簡単な方法が得られる。
【０００９】
本発明の装置の場合は、振動子のそれぞれの運動方向に応じて運動をサポートする電磁石が励磁されるように電源回路出力を制御するコントローラを備えることが好適である。
【００１０】
この装置の改良によって、それぞれの運動を抑止する電磁石を励磁することによって、また制動動作中、所定の振動振幅に達すると励程が停止されることによって有利に制動動作を行うことが可能である。このことは、振動の誘発から制動動作への移行、または逆に過渡的な安定状態から制動動作への移行を電源回路の出力段との通信によって簡単に行うことができることを意味している。
【００１１】
本発明による装置の更に１つの実際的な進展は、電源回路出力段は並列接続された転流ダイオードとともに、直列接続された２つのソリッドステート・スイッチングデバイスを備えた第１のブリッジ・アームと、それぞれがソリッドステート・スイッチングデバイスおよびダイオード用の直列−並列接続を備えた別の２つのブリッジ・アームとから構成され、電磁石のコイルは一方では第１のブリッジ・アームのソリッドステート・スイッチングデバイスの接合点と、他方では別のブリッジ・アームのそれぞれの接合点との間に接続され、第１のブリッジ・アームのソリッドステート・スイッチングデバイスは振動周波数で起動され、また別のブリッジ・アームのソリッドステート・スイッチングデバイスはパルス幅変調、またはトレランス・バンド調整方式で起動され、制御状態に応じて振動周波数よりも高い周波数が生ずることがあることからなっている。
【００１２】
ソリッドステート回路内の各々のスイッチ動作で生ずる損失があるので、また電磁石の誤動作を避けるため、スイッチング周波数をできるだけ低くする努力がなされる。この実施形態の１つの利点は、この手順を可能にすることにある。ある種のソリッドステート・スイッチングデバイスは例えば２７０Ｈｚの振動周波数で動作され、別のソリッドステート・スイッチングデバイスは振動ごとの回数だけ動作される。それらの振動周波数はわずか数ｋＨｚの範囲内に留まる。電流および位置の実際値を記録するための走査周波数として役立つために１５ｋＨｚ以上の追加周波数が必要である。
【００１３】
本発明の実際の実施形態の場合に全てのブリッジ・アームに完全にソリッドステート・スイッチングデバイスを備える必要はないとしても、市販のモジュールが安価であるので、ソリッドステート・スイッチングデバイスを並列に接続された転流ダイオードと共に構成することが有利であることがある。
【００１４】
スイッチングがより頻繁に行われることは、別のブリッジ・アーム内のソリッドステート・スイッチングデバイスには第１のブリッジ・アーム内のソリッドステート・スイッチングデバイスよりも重い負荷がかかることを意味する。この負荷を軽減するため、電磁石励磁を別のブリッジ・アームによって１つの動作サイクルから次の動作サイクルへと交番させてもよい。
【００１５】
本発明による装置の別の実際の実施形態は、それぞれの電磁石を励磁するためのトリガ信号を形成する手段を、トリガ信号が振動ゼロを経過後の振動の長さの事前に決定可能な分率、好適には振動長さの１／４で発生するように構成することにある。
【００１６】
振動の誘発をできるだけ迅速であることを確実にするため、本発明による装置を、コントローラがちょうど開始時の実質レベルにプリセットされた積分動作コンポーネントを組み込むように構成してもよい。
【００１７】
本発明による更に別の改良は、弾性マウントおよび工作物ホルダを含む振動子、変位センサ、コントローラ、電源回路出力段および電磁石が、振動子の弾性マウントおよび工作物ホルダを含む振動子の固有周波数によって共振周波数が実質的に決定される振動回路を形成することにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態の例を幾つかの図面によって図示し、以下の記述でより詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の説明に必要な摩擦溶接装置の部分を示している。上部ブリッジ１上には励磁に応じたそれぞれの方向に、電磁石２の場合は矢印方向Ｓに振動フレーム４を引っ張る２つの電磁石２、３が配置されている。振動フレーム４は振動可能であるようにばね５によって上部ブリッジ１上に取付けられている。振動フレームは接合される部品に応じて構成された工作物ホルダ６を担持しており、それに応じて交換可能である。振動フレーム４、ばね５、および工作物ホルダ６は以下では単に振動子とも呼ばれる。
【００２０】
エルボ部材７、８を利用して、上部ブリッジは特に接合される他方の部品用のホルダ（図示せず）を担持する機械の一部を形成するブラケット９、１０上に取付けられ、この機械は溶接動作用に工作物ホルダ６へと押付けられる。変位センサ１１は振動フレームのそれぞれの位置を測定し、測定結果を対応する電気信号としてコントローラ１２へと送る。コントローラ１２からの出力信号は、１４において三相で電源に接続される電源出力段１３に送られる。
【００２１】
電源出力段１３の例が図２により詳細に示されている。１４で供給される電源電圧は三相整流器１５によって整流される。コンデンサ１６は直流電圧を平滑化し、脈動する負荷を緩衝するために使用される。図２に示された装置は三相コンバータとして量産される。そこに内蔵されているプロセッサ（図２には図示せず）を、本発明を実施するために適切にプログラムするだけでよい。
【００２２】
電源回路出力段はいずれの場合も直列に接続された２つのパワートランジスタＴ１、Ｔ４、Ｔ３、Ｔ６；Ｔ５、Ｔ２によって構成され、これらのトランジスタには転流ダイオードＤ１、Ｄ４；Ｄ３、Ｄ６；Ｄ５、Ｄ２が並列に接続されている。いずれの場合も中間のブリッジ・アームＴ３、Ｔ６は振動子の運動方向に応じて振動周波数で動作される。振動振幅を調整するため、トランジスタＴ５またはＴ４のそれぞれ１つはパルス幅変調方式で、または電流トレランス・バンドの調整でより高い周波数で起動される。中間ブリッジ・アームのそれぞれのダイオードＤ３、Ｄ６、およびダイオードＤ２およびＤ１は転流ダイオードとして機能する。ソリッドステート・スイッチング・デバイスの導電出力相の詳細は図４に関連して以下に更に説明する。
【００２３】
しかし先ず、図３を援用して本発明による方法を提示する。グラフａは振動子の変位経路ｓの時間的プロファイルを示し、グラフｄおよびｃは２つの電磁石２、３（図１）の電流ｉＬ（２）とｉＬ（３）のプロファイルを示す。最初の３つの半波の間、電磁石は振動がサポートされるように励磁される。三番目の半波の間、例えばｔ１の時点で、制動命令が与えられ、その後、次の半波でどの電磁石も励磁されないことで休止が構成される。Ｔ２の時点から始まる次の半波で、振動を制動するそれぞれの電磁石が次に励磁され、その結果、その振幅が低減する。振幅が所定値２１、２２より下に低下すると直ちに、逆相での再誘発が行われることを防止するために電流はスイッチオフされる。
【００２４】
図４は電流Ｉの時間依存グラフを提示し、斜線領域でソリッドステート・スイッチングデバイスのそれぞれの導電相を示している。電磁石２を励磁するため、ソリッドステート・スイッチングデバイスＴ６は運動位相の対応する半波の間、ほとんどの部分が導電性を帯びる。この期間中、ソリッドステート・スイッチングデバイスＴ５はサイクル式に動作し、パルス占有率は所定の振動振幅に従って調整される。ソリッドステート・スイッチングデバイスＴ５がそのつどスイッチオフされた後に、電磁石内に蓄積されたエネルギによって電流はダイオードＤ２とソリッドステート・スイッチングデバイスＴ６とを横切って転流される。ソリッドステート・スイッチングデバイスＴ５、Ｔ６がスイッチオフされると、電流はダイオードＤ２、Ｄ３を横切ってコンデンサへと還流し、その電圧によりきわめて急激に消滅する。
【００２５】
電磁石３は次の半波で励磁される。ソリッドステート・スイッチングデバイスＴ３およびＴ４とダイオードＤ６およびＤ１の導電相は先行する半波の間のソリッドステート・スイッチングデバイスＴ６およびＴ５とダイオードＤ３およびＤ２との導電相に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一実施例の概略図である。
【図２】本発明の装置による特別の利点のために使用可能な電源回路出力段を示す図である。
【図３】振動の性質を説明するための時間依存グラフである。
【図４】電源回路出力段のソリッドステート・スイッチングデバイスの導電相を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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