(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦かくはん溶接プロセスにおいて迅速且つ信頼性の高いツール交換を行うためのデバイスであり、
ｅ）ロボット（１）は、ロボット旋回ヘッド（２）と、前記ロボット旋回ヘッド（２）に固定され溶接シュー（１３）を有する摩擦かくはん溶接ヘッド（３）と、を備え、ツールマガジン（４）から特定の摩擦かくはん溶接ヘッド（３）を選択し、
ｆ）前記デバイスは、前記摩擦かくはん溶接ヘッド（３）における溶接シュー（１３）の溶接ピンチップ（１４）にかかる機械力を検知し、ツールベル（１１）において溶接プロセスのフロー方向に対向する側に取り付けられたセンサ（１６）と、ピンレセプタクルコーン（２６）にかかるトルク及びここで生じる曲げトルクを測定するセンサ（２１）と、前記溶接ピンチップ（１４）にかかる軸力を測定するために前記ピンレセプタクルコーン（２６）に設けられたセンサ（２５）及びピンシャフト（２７）の長軸に設けられた圧電力測定センサ（２４）と、を備え、
ｇ）識別のためのＲＦＩＤコードは、各々の前記溶接シュー（１３）のピンシャフト（２７）に取り付けられ、
ｈ）置換ランナ（２８）は、各々の前記溶接シュー（１３）に設けられ、一側においてカム型ラッチステップそして他側において解放可能な機械的結合（３１）により前記溶接シュー（１３）に固定されていることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記ツールベル（１１）に取り付けられたセンサ（１６）は、測定シグナルをリレーしてアンテナを持つ測定増幅器（１５）を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ツールベル（１１）は、すべての検知した測定値を受信、増幅及びリレーして回転アンテナを持つセンサシグナル増幅器（２２）を有し、これら測定値は、固定アンテナ（２３）から機械制御ユニットに転送されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ツールベル（１１）は、可動二次コイル（２０）、固定一次コイル（１９）及び各々への電源を持ち測定システムに電源を供給するためのインダクティブ電源を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
摩擦かくはん溶接プロセスにおいて迅速且つ信頼性の高いツール交換を行うための方法であり、
ｅ）ロボット（１）は、ユニバーサルチャックデバイス（６）にチャックされたワークピースに対する以降の溶接操作に適した特定の摩擦かくはん溶接ヘッド（３）をツールマガジン（４）から選択し、前記ツールマガジン（４）にアプローチして、ツールレセプタクル（７）及びドッキングプレート（８）により個々の前記摩擦かくはん溶接ヘッド（３）と接続され、
ｆ）前記ロボット（１）は、接続された前記摩擦かくはん溶接ヘッド（３）の重さを機械制御ユニットへのパラメータとしてパスリーダ（１７）により決定し、前記機械制御ユニットにより指示された座標へ前記摩擦かくはん溶接ヘッド（３）と共に移動して以降の溶接プロセスを開始し、
ｇ）溶接プロセスの間、溶接プロセスに関連する物理測定値は、センサ（１６、２１、２４、２５）により決定され、前記ロボット（１）の機械制御ユニットにリアルタイムで伝送され、
ｈ）溶接プロセスの終了に伴って前記ロボット（１）は、前記ワークピースから前記摩擦かくはん溶接ヘッド（３）を離し、該摩擦かくはん溶接ヘッド（３）を前記ツールマガジン（４）に戻し、
各々の溶接シュー（１３）のスライド及び円滑面の置換は、置換ランナ（２８）により成され、
前記置換ランナ（２８）は、一側においてカム型ラッチステップそして他側において解放可能な機械的結合（３１）により前記溶接シュー（１３）に固定されていることを特徴とする方法。
【請求項６】
識別のためのＲＦＩＤコードは、各々の溶接シュー（１３）のピンシャフト（２７）に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記センサ（２４）の測定結果の評価は、溶接ピンチップ（１４）の測長を制御するのに用いられ、流入空気及び／又は洗浄液が、溶接プロセスの間又は後に特定のコネクタにより送り込まれることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の方法。
【請求項８】
プログラムがコンピュータで実行される場合、請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の方法ステップを実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
【請求項９】
プログラムがコンピュータで実行される場合、請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の方法を実行するためのコンピュータプログラムのプログラムコードを有する機械可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦かくはん溶接プロセスにおける迅速且つ信頼性の高いツール交換のための方法及びデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦かくはん溶接は、前世紀の９０年代初頭に開発された。摩擦かくはん溶接は、現在、多くの関連する産業部門において、とりわけアルミニウム合金の溶接に首尾良く応用されている。この応用は、個別のピースや小規模なものから大規模なものにまで亘っている。溶接継ぎ目の優れた品質に加えて、高レベルの再現性や予備作業及び後処理労力の少なさも経済的成功に貢献している。この方法は、容易に自動化され、機械モニタリングによる品質モニタリングを許容する。
【０００３】
摩擦かくはん溶接の場合、並進様式で同時に移動しつつ圧接された回転ツール間での摩擦による摩擦熱が、接合される材料の接合領域で生じる。ツールは、接合領域に沿って移動し、溶接される互いに隣接した材料の継ぎ目内部において可塑化された材料をかくはんする。可塑化された材料は、圧力により接合される。ツールは、継ぎ目の端部において接合領域から引き離され、溶接継ぎ目は、直ちに圧力を加えることが可能となる。
【０００４】
以下の文献が、従来技術として挙げられる。
ＤＥ  ２０  ２０１２  １０３  ２１９  Ｕ１には、既知の従来技術から改良されたプロセスベースの溶接技術、特に、摩擦かくはん溶接技術を示すことを目的とした加圧溶接デバイスが開示されている。この目的のためにクレーム１のプレアンブルは、ワークピース同士を溶接接合させるための可塑化装置及び圧縮装置を備えたプロセスベースの溶接デバイスから始まる。ここで、プロセスベースの溶接デバイスは、第一のワークピースのためのロータリドライブを有し回転軸に対して回転可能なクランプデバイスと、更なるワークピース（特に、第二のワークピース）のための更なるクランプデバイスと、これらクランプデバイスを互いに接近させるインデックスデバイスと、を有する。
【０００５】
上記目的を達成するためにクレーム１の特徴部分では、加圧溶接デバイスが、ワークピースのフロントエンド溶接領域における表面特性及び／又は実際のランニング及び／又は軸振れを非接触様式で計測する計測手段を有することがクレームされている。
【０００６】
摩擦かくはん溶接において溶接継ぎ目の品質を高める方法及びデバイスは、本出願人と関連するＤＥ  １０  ２０１２  ０１０  ８３６  Ｂ３で既知であり、摩擦かくはんツールの耐用年数を約２時間から１５時間に伸ばし、且つ後処理が不要となるように溶接継ぎ目の品質を高めることを目的としている。これは、以下の特性を備えたデバイスにより達成される。
ａ）レセプタクルプレート（１）は、ドライブヘッド（２）と、摩擦溶接チップ（９）を支持するスピンドルベアリング（４）と、を有し、螺旋状に切削されたコンベヤスクリュ（６）は、外界へと斜めに通じる開口（８）にスピンドルベアリング（４）で生じた不必要な材料を搬送し、
ｂ）スピンドルベアリング（４）の長軸は、鉛直方向に対して２．８から３．２度傾いており、
ｃ）回転スピンドルのスライド面は、平らなスライド面（１０）と、スライド面（１０）の両側に設けられ特にカーブした継ぎ目を溶接するために本質的にアーチ型となったスライド面（１１）と、を有し、スライド面（１１）の各々は、スライド面（１１）に対して鋭角に傾斜しており、
ｄ）摩擦溶接チップ（９）は、カバー領域が中央に配置された円錐台形状を有し、円錐台の表面領域は６つの台形領域により形成され、そのうちの３つの領域は、互いに１２０度の角度を隔てて均一に配置され、側面領域の１／６以上の領域を占めている。
【０００７】
摩擦かくはん溶接で生じる軸方向の接触圧及びトルクを正確に制御するには、溶接プロセス時のプロセスパラメータを知ることが重要である。これは、例えば、スピンドル及びツールのデッド重量の複雑な埋め合わせを必要とする三次元アプリケーションのように構成要素を接合する場合には、力又はトルク等の測定を溶接動作の寸前で行う必要があるので特に難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
異なるツールが生産プロセスにおいて摩擦かくはん溶接に必要とされる場合、ツール交換のたびに異なるプロセスパラメータを考慮する必要がある。そのため、ツール交換毎に必要とされるプロセスパラメータを迅速に決定する必要があり、この変更されたプロセスパラメータに対して生産を直ちにセットしなければいけない。
【０００９】
そこで、本発明は、ツール交換後にツールの軸力、トルク及び溶接ピンチップ温度といったツール交換に関連するプロセスパラメータが迅速且つ正確にセットされるように摩擦かくはん溶接における溶接手順を最適化することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、請求項１でクレームされるデバイスにより達成される。
このデバイスは、摩擦かくはん溶接プロセスにおいて迅速且つ信頼性の高いツール交換を行うためのものであり、
ａ）ロボット（１）は、ロボット旋回ヘッド（２）と、ロボット旋回ヘッド（２）に固定され溶接シュー（１３）を有する摩擦かくはん溶接ヘッド（３）と、を備え、ツールマガジン（４）から特定の摩擦かくはん溶接ヘッド（３）を選択し、
ｂ）デバイスは、摩擦かくはん溶接ヘッド（３）における溶接シュー（１３）の溶接ピンチップ（１４）にかかる機械力を検知し、ツールベル（１１）において溶接プロセスのフロー方向に対向する側に取り付けられたセンサ（１６）と、ピンレセプタクルコーン（２６）にかかるトルク及びここで生じる曲げトルクを測定するセンサ（２１）と、溶接ピンチップ（１４）にかかる軸力を測定するためにピンレセプタクルコーン（２６）に設けられたセンサ（２５）及びピンシャフト（２７）の長軸に設けられた圧電力測定センサ（２４）と、を備え、
ｃ）識別のためのＲＦＩＤコードは、各々の溶接シュー（１３）のピンシャフト（２７）に取り付けられ、
ｄ）置換ランナ（２８）は、各々の溶接シュー（１３）に設けられ、一側においてカム型ラッチステップそして他側において解放可能な機械的結合（３１）により溶接シュー（１３）に固定されている。
【００１１】
また、ツールベル（１１）に取り付けられたセンサ（１６）は、測定シグナルをリレーしてアンテナを持つ測定増幅器（１５）を有し、ツールベル（１１）は、すべての検知した測定値を受信、増幅及びリレーして回転アンテナを持つセンサシグナル増幅器（２２）を有し、これら測定値は、固定アンテナ（２３）から機械制御ユニットに転送されることがクレームされる。また、ツールベル（１１）は、可動二次コイル（２０）、固定一次コイル（１９）及び各々への電源を持ち測定システムに電源を供給するためのインダクティブ電源を有することもクレームされる。
【００１２】
また、上記目的は、請求項５でクレームされる方法によっても達成される。
この方法は、摩擦かくはん溶接プロセスにおいて迅速且つ信頼性の高いツール交換を行うためのものであり、
ｅ）ロボット（１）は、ユニバーサルチャックデバイス（６）にチャックされたワークピースに対する以降の溶接操作に適した特定の摩擦かくはん溶接ヘッド（３）をツールマガジン（４）から選択し、ツールマガジン（４）にアプローチして、ツールレセプタクル（７）及びドッキングプレート（８）により個々の摩擦かくはん溶接ヘッド（３）と接続され、
ｆ）ロボット（１）は、接続された摩擦かくはん溶接ヘッド（３）の重さを機械制御ユニットへのパラメータとしてパスリーダ（１７）により決定し、機械制御ユニットにより指示された座標へ摩擦かくはん溶接ヘッド（３）と共に移動して以降の溶接プロセスを開始し、
ｇ）溶接プロセスの間、溶接プロセスに関連する物理測定値は、センサ（１６、２１、２４、２５）により決定され、ロボット（１）の機械制御ユニットにリアルタイムで伝送され、
ｈ）溶接プロセスの終了に伴ってロボット（１）は、ワークピースから摩擦かくはん溶接ヘッド（３）を離し、該摩擦かくはん溶接ヘッド（３）をツールマガジン（４）に戻し、
各々の溶接シュー（１３）のスライド及び円滑面の置換は、置換ランナ（２８）により成され、
置換ランナ（２８）は、一側においてカム型ラッチステップそして他側において解放可能な機械的結合（３１）により溶接シュー（１３）に固定されている。
【００１３】
識別のためのＲＦＩＤコードが、各々の溶接シュー（１３）のピンシャフト（２７）に取り付けられていることもクレームされる。また、センサ（２４）の測定結果の評価が、溶接ピンチップ（１４）の測長を制御するのに用いられ、流入空気及び／又は洗浄液が、溶接プロセスの間又は後に特定のコネクタにより送り込まれることもクレームされる。更に、プログラムがコンピュータで実行される場合、方法ステップを実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラム及び方法を実行するためのコンピュータプログラムのプログラムコードを有する機械可読媒体もクレームされる。
【００１４】
本発明に係るデバイスは、以下でより詳細に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】迅速なツール交換のためのステーションを示す図。
【図２】特別なツールの使用を示す図。
【図３】摩擦かくはん溶接に用いられる種々の異なるツールを示す図。
【図４】ツールベルの断面を示す図。
【図５】溶接シュー１３の特定のデザイン実施形態を示す図。
【図６】ピンシャフト２７における識別手段を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、迅速なツール交換のためのステーションを示している。ここでは、ロボット旋回ヘッド２と、ロボット旋回ヘッド２に固定された摩擦かくはん溶接ヘッド３と、を備えたロボットが、参照符号１により示されている。溶接作業に対応するように装備されたツールマガジン４が、接合されるワークピース５を支持するためのユニバーサルチャックデバイス６の近傍に配置されている。
【００１７】
図２は、特別なツールの使用を示している。図２においてロボット旋回ヘッド２は、ツールレセプタクル、ドッキングデバイス７及び摩擦かくはん溶接ヘッド３のためのドッキングプレート８に接続され、パスリーダ１７が、ドッキングプレート８と摩擦かくはん溶接ヘッド３との間に配置されている。パスリーダ１７は、ドッキングデバイス７からぶら下がる重量、実質的に摩擦かくはん溶接ヘッド３の重量を検知する。固定プレート９及び固定プレート９に隣接するツールベルフランジ１０は、摩擦かくはん溶接ヘッド３に隣接している。ツールベルフランジ１０は、ツールベル１１をマウントするのに用いられる。ユニオンナット１２は、溶接シュー１３を保持する。
【００１８】
溶接ピンチップ１４は、溶接シュー１３にマウントされ、接合されるワークピース５上での摩擦かくはん溶接プロセスに関わる。
【００１９】
直線状に形成されたセンサ１６は、ツールベル１１の左側周縁部に太い実線で示され、溶接プロセスにおけるフロー方向と相対している。センサ１６の下方には、アンテナを有して測定シグナルをリレーする測定増幅器１５が見られる。
【００２０】
図３は、摩擦かくはん溶接に用いられる種々の異なるツールを示す。ここでは、異なる溶接プロセスに用いられる種々の溶接シュー１３が、図３ａから３ｄに示されている。例えば、図３ｃは、異なる厚みを有する材料の加工に用いられる溶接シュー１３を示し、図３ｄは、隅肉溶接加工に用いられる溶接シュー１３を示す。
【００２１】
図４は、ツールベル１１の断面を示す。ここで、ピンレセプタクルコーン２６を有するツールベル１１は、断面において定型化された様式で図示されている。上述したセンサ１６及び測定増幅器１５は、ツールベル１１の下方半分に見られる。
【００２２】
ピンシャフト２７を有するピンレセプタクルコーン２６において、比較的広い領域に亘ってセンサ２１を受けるノッチ１８が見られる。ピンレセプタクルコーン２６におけるノッチ１８断面の機械的くびれ及びノッチ１８へのセンサ２１の配置は、ピンレセプタクルコーン２６にかかるトルクの測定及びピンレセプタクルコーン２６で生じる曲げトルクの測定を可能とする。センサ２１により検知された測定値シグナルの伝送は、ピンレセプタクルコーン２６に接続された回転可能なシグナル増幅器２２及び回転アンテナにより行われる。センサ２１により検知された測定値の受信及びリレーは、固定ステーショナリアンテナ２３により行われる。詳しく図示していないが、ピンシャフト２７及び溶接ピンチップ１４に直接作用する軸力の測定を可能とするセンサ２５のためのスペースを与える更なるノッチが、ピンレセプタクルコーン２６の前部領域に配置されている。
【００２３】
圧電力測定センサ２４は、ピンシャフト２７の長軸に任意に配置される。圧電力測定センサ２４は軸力の測定に用いられ、これにより、溶接ピンチップ１４の長さ測定が可能となる。
【００２４】
インダクティブ電源は、上述した測定システムに電力を供給するのに用いられる。同電源の固定一次コイル及び可動二次コイルは、それぞれ符号１９、２０で示される。更に、溶接プロセスの最中又は溶接プロセスの後に、特定のコネクタにより流入空気及び／又は洗浄液を送り込む構成を設けてもよい。
【００２５】
図５は、溶接シュー１３のデザイン実施形態を示す。交換式の溶接シュー置換ランナ２８を有する溶接シュー１３の側面図が、図５ａに示されている。ここでは、回転対称でプレート型のインサートも見られる。溶接シュー１３のランナ型下方部分は、摩耗を免れないので交換可能に設計されている。溶接シュー置換ランナ２８は、ここでは左側に図示されているようなカム型ラッチステップを有し、その反対側において解放可能な機械的結合３１、例えば、セットスクリュー形状により固定されている。ここではピンネック３０及びピンチップ２９も更に見られる。
【００２６】
図５ｂでは、同じ溶接シュー１３が９０度回転されている。ピンシャフト２７は、両方の図で見られる。図５ａに示した溶接シュー置換ランナ２８及び機械的結合３１を有する溶接シュー１３は、図５ｃの断面図で見られる。図５ｄは、図５ｂの溶接シュー１３を下側から見たものである。ここでは、溶接シュー置換ランナ２８、ピンチップ２９及びピンネック３０が、再び見られる。
【００２７】
図５ｅでは、溶接シュー置換ランナ２８を有する溶接シュー１３が、斜め下方から見た三次元図として見られる。
【００２８】
図６は、ピンシャフト２７上の識別手段を示す。本発明に係る溶接シュー１３が特別に発注されたバージョンであることを識別可能とするために、ＲＦＩＤコード３２が、溶接シュー１３のピンシャフト２７に取り付けられている。ピンネック３０及びピンチップ２９は、図６でも示されている。
【００２９】
上述した運動シーケンスの複雑な制御システムは、特別な制御プログラムを必要とする。
【符号の説明】
【００３０】
１  ロボット
２  ロボット旋回ヘッド
３  摩擦かくはん溶接ヘッド
４  ツールマガジン
５  ワークピース
６  ワークピースを支持するためのユニバーサルチャックデバイス
７  ツールレセプタクル及びドッキングデバイス
８  摩擦かくはん溶接ヘッドのためのドッキングプレート
９  ツールベルフランジのための固定プレート
１０  ツールベルフランジ
１１  ツールベル
１２  ユニオンナット
１３  溶接シュー
１４  溶接ピンチップ
１５  ツールベル測定シグナルの増幅器及びアンテナ
１６  ツールベルのセンサ（ひずみゲージ）
１７  摩擦かくはん溶接ヘッドのドッキングプレートのためのパスリーダ
１８  センサを受けるためのコーン内のノッチ（弾性ポイント）
１９  インダクティブ電源の一次コイル
２０  インダクティブ電源の二次コイル
２１  ツールレセプタクルコーン（ピン）のためのセンサ（ＤＭＳ）
２２  センサシグナル増幅器及び回転アンテナ
２３  固定アンテナ
２４  圧電力測定センサ
２５  軸力を測定するためのセンサ
２６  ピンレセプタクルコーン
２７  ピンシャフト
２８  溶接シュー置換ランナ
２９  ピンチップ
３０  ピンネック
３１  解放可能な機械的結合
３２  ＲＦＩＤコード
【図１】
0006502394.tif 000002
【図２】
0006502394.tif 000003
【図３】
0006502394.tif 000004
【図４】
0006502394.tif 000005
【図５】
0006502394.tif 000006
【図６】
0006502394.tif 000007