(57)【要約】【課題】摩擦圧接において、大型ワークの接合であっても小さな動力のモーターで接合でき、設置の際には省スペースを実現できる小型の圧接装置を提供すること。【解決手段】モーターとフライホイールを共に用いてワークを把持するチャックを回転させる際に、前記モーターをあらかじめ定めた規定回転数で回転させる速度制御手段と、前記モーターをあらかじめ定めた設定トルク以下で回転させるトルク制御手段と、前記モーターの制御を速度制御手段とトルク制御手段のどちらかに選択して切り替えを行なう調整コントローラーを備え、前記モーターの制御を規定回転に達するまでは速度制御手段で制御し、規定回転に達すると調整コントローラーがトルク制御手段に切り替えてモーターの回転を制御する。【選択図】  図１
2009233711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを把持して回転するチャックと、
回転駆動源であるモーターと、
該モーターの回転力を出力する駆動部軸と、
該駆動部軸のモーターとの接続側と対向する他端側へフライホイール側クラッチを介して接続されるフライホイールと、
前記チャックとワーク側クラッチを介して接続される接合部軸と、
前記モーターとフライホイール側クラッチとの間の駆動部軸へ設けられモーターの回転力を接合部軸へ伝える回転力伝達手段と、
前記接合軸とチャックを接続するワーク側クラッチを有する摩擦圧接装置において、
前記モーターの回転数を検出するモーター回転数検出手段と、
前記モーターをあらかじめ定めた規定回転数で回転させる速度制御手段と、
前記モーターをあらかじめ定めた設定トルク以下で回転させるトルク制御手段と、
前記モーターの制御を速度制御手段とトルク制御手段のどちらかに選択して切り替えを行なう調整コントローラーを備えること
を特徴とする摩擦圧接装置。
【請求項２】
ワークを把持して回転するチャックと、
回転駆動源であるモーターと、
該モーターの回転力を出力する駆動部軸と、
該駆動部軸のモーターとの接続側と対向する他端側へフライホイール側クラッチを介して接続されるフライホイールと、
前記チャックとワーク側クラッチを介して接続される接合部軸と、
前記モーターとフライホイール側クラッチとの間の駆動部軸へ設けられモーターの回転力を接合部軸へ伝える回転力伝達手段と
前記接合軸とチャックを接続するワーク側クラッチを有する摩擦圧接装置において、
前記モーターの回転数を検出するモーター回転数検出手段と、
前記モーターをあらかじめ定めた規定回転数で回転させる速度制御手段と、
前記モーターをあらかじめ定めた設定トルク以下で回転させるトルク制御手段と、
前記モーターの制御を速度制御手段とトルク制御手段のどちらかに選択して切り替えを行なう調整コントローラーを備えた摩擦圧接装置を用いる摩擦圧接方法において、
前記フライホイール側クラッチとワーク側クラッチを共に接続し且つ調整コントローラーがモーターの制御を速度制御手段に切り替えてチャックの回転を上昇させモーターの回転が規定回転数に達するとモーターの制御をトルク制御手段に切り替えて、
前記ワークを接触させた後にフライホイール側クラッチとワーク側クラッチを共に開放し摩擦圧接を行ない、
次にワークを交換し新たなワークを摩擦圧接する際には、ワーク側クラッチのみを接続しフライホイールの回転を維持したままで調整コントローラーがモーターの制御を速度制御手段に切り替えてチャックの回転を上昇させ、フライホイール側クラッチを接続し且つ調整コントローラーがモーターの制御をモーターの回転が規定回転数に達するとモーターの制御をトルク制御手段に切り替えて、
前記ワークを接触させた後にフライホイール側クラッチとワーク側クラッチを共に開放し摩擦圧接を行なうことで、
摩擦圧接を連続で実施することを特徴とする摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にフライホイールを用いたイナーシャ式の摩擦圧接方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から金属材料の接合方法として摩擦圧接による接合方法が知られている。
この接合方法は、被接合部材同士を突き合わせて、何れか一方を固定し、他の一方を回転させる相対回転運動させ、その接触面に発生する摩擦熱を利用して圧接する方法である。この摩擦圧接では、被接合部材の突き合わせ部位が摩擦熱によって所定温度に達する摩擦過程と、その後軟化した状態でさらに互いを押し付ける圧力を加えて接合される圧接過程が行なわれる。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
この特許文献１に記載の摩擦圧接装置において、モーターはカップリングを介して軸と連結され、該軸はモーター側の電磁カップリングを介して回転駆動軸と連結されている。回転駆動軸には回転エネルギーを蓄積するためのフライホイールが固定されており、回転駆動軸は回転力を伝達するベルトを介して、接合機構駆動軸に連結されている。
接合機構駆動軸はチャック側の電磁カップリングを介してワークを把持して回転するチャックと連結され、他のワークを把持してガイドに案内されて移動するクランプが取り付けられている。クランプにはこのクランプをガイドに沿って軸線方向に進退させてワーク同士の接合面を当接させる油圧シリンダーのロッドの先端が結合されている。
【０００４】
このような特許文献１に記載の摩擦圧接装置の動作を説明する。
２つのワークをチャックとクランプ夫々に取り付け、モーターが起動するとモーター側の電磁カップリングのみが接続され、モーターと回転駆動軸が接続されてフライホイールが回転し、ベルトを介して接合機構駆動軸が回転する。
フライホイールが所定の回転数に達すると、チャック側の電磁カップリングが接続されワークが回転を始め、モーター側の電磁カップリングが開放され、次いで油圧シリンダーのロッドが伸長してワーク同士が押し付けられ、チャックの回転は瞬間的に停止され、ワーク同士の接合面は停止により加わっていた圧力で接合される。
【特許文献１】特開平７−１１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のフライホイールを用いた摩擦圧接方法（以後はイナーシャ式摩擦圧接方法という）においては、チャックが所定の回転数に達するまでの回転加速時にはフライホイールの回転力のみで回転を上昇させるのであり、モーター側の電磁カップリングが開放になされている。
このように一般的にイナーシャ式摩擦圧接方法では、フライホイールが持つ慣性エネルギーを用いてチャックへ回転力を与えるものである。
【０００６】
そのため、イナーシャ式摩擦圧接方法では、ワークの接合面の外径が大きくなる大型ワークの接合を行なう際には、より大きな摩擦力が必要となるため、フライホイールへ慣性力を蓄えるために従来よりも長時間の回転加速時間を設けるか、あるいは従来と同じ時間で行なうために、動力のより大きなモーターを備えた大型の装置が必要になる。装置自体も大型化すると設置スペースの増大や駆動電力の大容量化により受電設備が大きくなるなどの設備面での問題も発生する。
【０００７】
したがって、本発明はイナーシャ式摩擦圧接において、大型ワークの接合であっても小さな動力のモーターで接合でき、設置の際には省スペースを実現できるコンパクトな圧接装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、
ワークを把持して回転するチャックと、回転駆動源であるモーターと、該モーターの回転力を出力する駆動部軸と、該駆動部軸のモーターとの接続側と対向する他端側へフライホイール側クラッチを介して接続されるフライホイールと、前記チャックとワーク側クラッチを介して接続される接合部軸と、前記モーターとフライホイール側クラッチとの間の駆動部軸へ設けられモーターの回転力を接合部軸へ伝える回転力伝達手段と、前記接合軸とチャックを接続するワーク側クラッチを有する摩擦圧接装置において、前記モーターの回転数を検出するモーター回転数検出手段と、前記モーターをあらかじめ定めた規定回転数で回転させる速度制御手段と、前記モーターをあらかじめ定めた設定トルク以下で回転させるトルク制御手段と、前記モーターの制御を速度制御手段とトルク制御手段のどちらかに選択して切り替えを行なう調整コントローラーを備えることを特徴とする摩擦圧接装置である。
また、前記摩擦圧接装置を用いる摩擦圧接方法において、前記フライホイール側クラッチとワーク側クラッチを共に接続し且つ調整コントローラーがモーターの制御を速度制御手段に切り替えてチャックの回転を上昇させモーターの回転が規定回転数に達するとモーターの制御をトルク制御手段に切り替えて、前記ワークを接触させた後にフライホイール側クラッチとワーク側クラッチを共に開放し摩擦圧接を行ない、次にワークを交換し新たなワークを摩擦圧接する際には、ワーク側クラッチのみを接続しフライホイールの回転を維持したままで調整コントローラーがモーターの制御を速度制御手段に切り替えてチャックの回転を上昇させ、フライホイール側クラッチを接続し且つ調整コントローラーがモーターの制御をモーターの回転が規定回転数に達するとモーターの制御をトルク制御手段に切り替えて、前記ワークを接触させた後にフライホイール側クラッチとワーク側クラッチを共に開放し摩擦圧接を行なうことで、摩擦圧接を連続で実施することを特徴とする摩擦圧接方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の摩擦圧接装置によれば、フライホイールの慣性エネルギーに加え、モーターの回転力を同時にチャックの回転力としてワークの摩擦過程に用いることができるので、フライホイールのみでチャックに回転力を与えるよりも、短時間でチャックへ回転力を付与することができ、工数の短縮が可能となる。
また、モーターのみ、フライホイールのみに比べて、夫々の回転力を小さくでき、フライホイールの大径化、大重量化やモーターの大動力化を行なうことなく、大型ワークの接合が可能となり、装置を大型化することなく、装置のコンパクト化、設備の省スペース化、消費電力の省エネルギー化が実現できる。
次に、本発明の摩擦圧接方法によれば、初回の摩擦圧接の際にフライホイールへ蓄えた慣性エネルギーを完全に消費することなく、次回の摩擦圧接へ用いることができるので、モーターの回転力を無駄なく効率的に連続的に摩擦圧接を行なうことができる。これにより、フライホイールを小重量にでき、モーターを小さな容量のものにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の実施例である摩擦圧接装置の正面図である。
本実施例は３つのワークを接合するセンタードライブ式の摩擦圧接を行なう装置の例を示している。これは、モーター２の回転力で回転可能なチャック１２に回転ワーク１３を取り付け、この回転ワーク１３の一端側に固定ワーク１４を取り付けた固定クランプと、回転ワーク１３のもう一方の他端側に加圧ワーク１５を取り付けチャック軸心方向へ進退自在な加圧クランプ１７を配設し、摩擦圧接により、固定ワーク１４と回転ワーク１３と加圧ワーク１５が接合される。
【００１１】
装置本体となるベース部１にはワークの回転の駆動源となるモーター２が配設されており、該モーター２の回転軸と連結されモーター２の回転力を出力する駆動部軸３が連結されている。
該駆動部軸３のモーター２側と対向する他端側にはフライホイール側クラッチ４を介してフライホイール軸５が連結されている。
フライホイール側クラッチ４は連結状態を接続、又は開放に切り替え可能に成されており、駆動部軸３の回転力をフライホイール軸５へ伝達、又は分断となすのを選択できるようになっている。
前記フライホイール軸５にはフライホイール６が単数又は複数個を固定されており、回転エネルギーを慣性エネルギーとして保持できるようになされている。
前記駆動部軸３は回転力伝達手段７を介して接合部軸１０へ回転力が伝達されるようになされている。回転力伝達手段は一対のプーリー８ａ、８ｂとベルト９で構成され、駆動部軸３と接合部軸１０には夫々プーリー８ａ、８ｂが固定されており、駆動部軸３に固定されたプーリー８ａと接合部軸１０に固定されたプーリー８ｂはベルト９を介して連結され、駆動部軸３の回転を接合部軸１０に伝達する。
【００１２】
接合部軸１０にはワーク側クラッチ１１を介して連結されたチャック１２が設けられている。
チャック軸側クラッチ１１は連結状態を接続、又は開放に切り替え可能に成されており、接合部軸１０の回転力をチャック１２へ伝達、又は分断となすのを選択できるようになっている。
前記チャック１２は回転ワーク１３を把持して回転可能になされ、モーター２の回転力が伝達されて回転ワーク１３を回転するようになされている。また、チャック１２はベース部１に備えられたガイド１９に案内されて軸線方向へ進退自在に設けられている。
回転ワーク１３の両端側には、回転ワーク１３と当接するように対向して配置される固定ワーク１４と、加圧ワーク１５が回転しない固定状態で配設されている。
【００１３】
固定ワーク１４は固定クランプ１６に把持され、固定クランプ１６はベース部１に固定されて設けられている。
加圧ワーク１５は加圧クランプ１７に把持され、加圧クランプ１７はベース部１に備えられたガイド１９に案内されてチャック１２の軸線方向に進退可能になされている。
加圧クランプ１７をチャック軸線方向に進退させる駆動源である油圧シリンダー１８がベース部１に設けられており、油圧シリンダー１８のロッドが伸長することにより加圧クランプ１７がガイド１９に案内されてチャックの軸線方向にチャック側へ移動し、チャック１２に取り付けられた回転ワーク１３と加圧クランプ１７に取り付けられた加圧ワーク１５が当接し、押圧されるように構成されている。
加圧ワーク１５で押圧された回転ワーク１３は、チャック１２と共にガイド１９に案内されて固定クランプ１６側へ移動し、固定ワーク１４と当接し、押圧される。
【００１４】
また、前記モーター２の回転動作を制御するモーター２の制御手段として、モーター２の回転制御をモーター２の回転数を基準に制御する速度制御手段２０と、モーター２に発生するトルクを基準に制御するトルク制御手段２１の２つの制御手段が備えられている。
さらには、モーター２の制御手段として前記２つの制御手段のどちらかを選択して切り替える調整コントローラー２３が設けられている。
図４にモーターの制御を行なう構成概念図を示す。
【００１５】
速度制御手段２０は、モーター２の回転数があらかじめ定めた規定回転数を維持するためにモーター２へ入力する電流値を増加させてモーター２の回転数を増加させ、規定回転数に達すると電流値を調整して規定回転数を保持するようにモーター２を制御するものです。
【００１６】
トルク制御手段２１は、あらかじめ定めた設定トルク以下でモーター２を駆動するもので、負荷をうけることによって減少するモーター２の回転数に合わせて電流値を決定してモーター２へ入力する電流値を調整し、設定トルクを維持するようにモーターを制御するものです。
具体的には、
算定式    ｋＶＩ＝ＴＮ
（Ｖ：電圧、Ｉ：電流、Ｔ：トルク、Ｎ：回転数、ｋ：定数）
前記算定式より、電圧を一定とし前記設定トルクと規定回転数から算出される上限電流値を定め、上限電流値に達するまでは規定回転数を維持するが、モーター２への負荷により電流値が上限電流値を越えようとすると規定回転数を維持せずに、上限電流値を越えないように電流値を調整する。負荷が上限電流値未満の時は、あらかじめ定めた規定回転数に達するまで加速する。
【００１７】
モーター２への負荷が増加すると、モーター２の回転数が減少する。モーター回転数検出手段２２により検出するモーター２の回転数に合わせて、モーター２へ入力する上限電流値を算出する。回転数に比例して減少する上限電流値でモーター２を駆動させると、モーター２に負荷が加えられても、モーター２へ入力される電流値が前記算出した上限電流値を超えることがない。
このため、モーター２は定格値を越えて駆動され過電流になることがなく、モーター２を正常な状態で駆動し続けることができる。
【００１８】
調整コントローラー２３は、モーター２の制御手段として前記モーター回転数検出手段２２とトルク制御手段２１のどちらか一方を選択して、切り替えることを行なう。
【００１９】
また、前記トルク制御手段２１は電圧を一定とし電流値を調整してモーターの動作を制御しているが、他の実施例として設定トルクを維持するために前述の電流値に代わって電圧値を調整しても同様の作用を得ることができる。
【００２０】
また、本発明は前述の実施例で示した３つのワークを接合するセンタードライブ式の摩擦圧接装置に限定するものではなく、図３に示す摩擦圧接装置のようにチャック１２に取り付けられた回転ワーク１３と加圧クランプ１７に取り付けられた加圧ワーク１５の２つのワークを接合する摩擦圧接装置にも適用することができる。
【００２１】
次に本発明の摩擦圧接装置の動作について説明する。
図２には本発明の構成を模式的に示している。なお、この模式図は、前述の実施例での３つのワークの圧接ではなく、回転ワーク１３と加圧ワーク１５の２つのワークを摩擦圧接する実施例を示している。
【００２２】
図２（１）に示すように、最初にチャック１２へ接合する回転ワーク１３を取り付ける。フライホイール側クラッチ４とワーク側クラッチ１１は共に接続状態とし、モーター２を起動させ、回転を開始する。チャック１２とフライホイール６はモーター２の回転力を受けて回転し、フライホイール６は回転することで慣性エネルギーを蓄積する。
この時、調整コントローラー２３がモーター２の制御を速度制御手段２０に選択しているので、モーター２の制御は速度制御で制御されておりモーター２の回転があらかじめ定めた規定回転数に達するまで加速されて制御される。
モーター２の回転数が規定回転数に達すると、モーター２の回転は回転数を維持され一定になされた後、調整コントローラー２３がモーター２の制御を速度制御手段２０からトルク制御手段２１へと切り替える。
この時にはモーター２には負荷がかからない状態であるので、モーター２は回転数を維持したまま制御される。
【００２３】
モーター２の回転が規定回転数に達すると、図２（２）に示すように、油圧シリンダー１８のロッドが伸長し加圧クランプ１７がガイド１９に案内されて、チャック１２の軸方向でチャック側へ移動し、回転ワーク１３と加圧ワーク１５が当接する。
【００２４】
このとき、ワーク同士の摩擦により、モーター２及びフライホイール６への負荷が発生する。フライホイール６に蓄えられた慣性エネルギーとモーターの回転力を合わせた力が消費され、チャック１２の回転数が維持できなくなるとモーター２へ負荷が増加する。
調整コントローラー２３によりモーター２はトルク制御手段２１に切り替えて制御されているので、トルク制御手段２１は、モーター２へ入力する電流値があらかじめ定めた上限電流値に達するまでは回転数を維持して電流値を上昇させるが、モーター２への負荷が大きくなり電流値が上限電流値に達すると、トルク制御手段２１はモーターへ入力する電流値を上昇しなくなる。
それにより、モーター２の回転力が上昇しなくなるので、ワークの摩擦による負荷によって回転数が減少し始める。モーター回転数検出手段２２が減少する回転数を検出し、トルク制御手段２１は減少した回転数に合わせた上限電流値を算出し、算出した上限電流値を超えない電流値でモーター２を駆動させる。
【００２５】
もしもこの時、調整コントローラー２３で切り替えることなく速度制御手段２０でモーター２の制御を行なえば、フライホイール６の慣性エネルギーが消費されモーター２への負荷が大きくなると、モーター２は回転数を維持するため電流値を増大させ、モーター２の定格値を越えて運転されてモーター２へ入力される電流値が過電流となり、モーター２の故障や安全装置の作動によりモーター２の駆動ができなくなってしまうのである。
【００２６】
ワーク同士の摩擦により摩擦圧接に必要な熱量が得られると、図２（３）に示すように、ワーク側クラッチ１１とフライホイール側クラッチ４は同時に開放となり、モーター２の駆動が停止される。チャック１２は回転を摩擦抵抗により強制的に停止される。
この時、同時に油圧シリンダー１８により高い圧力をワークの接合面に加えることでワークの接合面の摩擦圧接が行なわれ、ワーク同士が接合される。
この時、フライホイール６はフライホイール側クラッチ４により開放され、チャック１２の回転とモーター２の回転とは独立しているので、フライホイール６は残った慣性エネルギーを蓄えたまま停止することなく回転を続けることができる。
【００２７】
ワークの接合が終了し、一体となったワークがチャック１２とクランプ１７から取り外され、次に接合する新たなワークがチャック１２とクランプ１７の各々へ取り付けられ、連続して摩擦圧接が行なわれる。
この間、フライホイール６は停止することなく回転し続けている。
【００２８】
また、前述のワーク交換作業の間モーター２は停止状態になるが、図２（４）で示すようにフライホイール側クラッチ４を接続し、ワーク側クラッチ１１を開放してモーター２を駆動させることを行なうと、フライホイール６の回転を増すことで、モーター２の駆動を休ませることなく、フライホイール６への慣性エネルギーのさらなる蓄積を行なうことができ、通常なら停止しているモーター２の回転力を効率的に活用できる。
【００２９】
次の作業工程での立ち上がり状態を図２（５）に示す。
新たなワークの取り付けを終え、続けてワークの摩擦圧接を行なうには、フライホイール側クラッチ４を開放のままにし、ワーク側クラッチ１１のみを接続してモーター２を起動し、停止しているチャック１２の回転を加速させる。
このとき、調整コントローラー２３がモーター２の制御を速度制御手段２０に切り替え、モーター２の回転を加速させて制御する。
【００３０】
その後、図２（６）に示すように、チャック１２の回転数が回転し続けているフライホイール６の回転数に達すると、フライホイール側クラッチ４を接続し、モーター２の回転によりチャック１２とフライホイール６の回転を規定回転数に達するまで加速させる。
モーター２の回転数が規定回転数に達すると、調整コントローラー２３がモーター２の回転制御を速度制御手段２０からトルク制御手段２１に切り替えて、前述と同様の手順でワーク同士の摩擦圧接を行なう。
【００３１】
本発明は、モーター２の回転力が伝わる駆動部軸３と接合部軸１０にフライホイール側クラッチ４とワーク側クラッチ１１を各々設け、モーター２の回転力をフライホイール６またはチャック１２へ夫々独立して伝達できるようになされているので、モーター２の回転力をフライホイール６を介さずに直接チャック１２へ伝達できるものである。
これにより、チャック１２はフライホイール６の回転と連動させずに回転を加速することができ、フライホイール６は摩擦過程の終了時に停止するチャック１２に合わせて回転を止めることなく継続して回転できるのでフライホイール６の慣性エネルギーを無駄にすることなく次工程でのチャック１２の回転のためのエネルギーに用いることができる。
また、チャックに制動手段を設けて、チャック回転の制動時間をコントロールすることも可能である。
【００３２】
また、モーター２の回転力をフライホイール６を介さずに直接チャック１２へ伝達できるので、接合するワークが小さい場合など接合のための回転力が小さい時には、フライホイール６を用いずにモーター２の回転力のみで摩擦圧接を行なうブレーキ式の摩擦接合を実施することができる。この場合、フライホイール６を回転させるエネルギーを省くことができる。本発明の摩擦圧接装置ではフライホイールを用いるイナーシャ式と、フライホイールを用いないブレーキ式の２つの摩擦圧接方法を選択して行なうことが可能となる。
【００３３】
また、本発明はモーター２の制御手段である速度制御手段２０とトルク制御手段２１を切り替えて用いるように調整コントローラー２３を備え、調整コントローラー２３はモーター２の制御をモーター２の回転数が規定回転数に達するまでは速度制御手段２０で行ない、ワーク同士を摩擦させる摩擦過程の際にはトルク制御手段２１に切り替えて行なう。これにより、チャック１２の回転を加速させる時やワークを接触させて摩擦させる時においてモーター２の回転力とフライホイール６の慣性エネルギーを共にチャック１２の回転力として用いることができ、従来よりも短時間で接合でき、動力の小さいモーター２での接合が可能となる。
また、大型ワークの接合であっても小さな動力のモーター２で接合でき、設置の際には省スペースを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例である摩擦圧接装置の正面図
【図２】本発明の構成を模式的に示した模式図
【図３】本発明の他の実施例である摩擦圧接装置の正面図
【図４】モーターの制御を行なう構成概念図
【符号の説明】
【００３５】
２    モーター
３    駆動部軸
４    フライホイール側クラッチ
６    フライホイール
７    回転力伝達手段
１０  接合部軸
１１  チャック側クラッチ
１２  チャック
１３  回転ワーク
１４  固定ワーク
１５  加圧ワーク
１６  固定クランプ
１７  加圧クランプ
１８  油圧シリンダー
２０  速度制御手段
２１  トルク制御手段
２２  モーター回転数検出手段
２３  調整コントローラー
【図１】
2009233711.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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