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Title:
FRICTION WELDING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/104275
Kind Code:
A1
Abstract:
A friction welding device allows one work (5) and the other work (9) to be in contact with each other and gives friction thrust thereto, giving a fixed relative rotation operation to the one work (5) and the other work (9) by energizing a servo motor (15) and rotating a main shaft (3), and thereby softens a connection interface between the works (5, 9). Then, the friction welding device decelerates the main shaft (3) until the number of the rotation of the main shaft (3) is set to the number of phase focusing rotation, and when the number of the rotation of the main shaft reaches the number of the phase focusing rotation, allows a clutch device (19) to be engaged with the main shaft, shuts off the energization to the servo motor (15), and thereby stops the rotation of the main shaft (3).

Inventors:
KAWAURA KOICHI (JP)
KURAYA YASUMASA (JP)
MIYAJI SATORU (JP)
Application Number:
PCT/JP2008/053082
Publication Date:
August 27, 2009
Filing Date:
February 22, 2008
Export Citation:
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Assignee:
TOYOTA JIDOSHOKKI KK (JP)
IZUMI MACHINE MFG CO LTD (JP)
KAWAURA KOICHI (JP)
KURAYA YASUMASA (JP)
MIYAJI SATORU (JP)
International Classes:
B23K20/12
Foreign References:
JPS5197564A1976-08-27
JPS5343056A1978-04-18
JPS551960A1980-01-09
JPS5877788A1983-05-11
JPH11342480A1999-12-14
JP2000084680A2000-03-28
Other References:
See also references of EP 2253411A4
None
Attorney, Agent or Firm:
OKADA PATENT & TRADEMARK OFFICE, P. C. (JP)
Patent business corporation Okada international patent firm (JP)
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Claims:
 対向した2つのワークを所定位相でそれぞれ把持する把持装置と、前記把持装置を互いに接近させる向きに付勢する付勢装置と、前記一方の把持装置を備えた主軸を駆動するサーボモータと、前記主軸と特定位相で係合するクラッチ装置と、一端が上記クラッチ装置と係合して搖動する槓杆の他端と係合して直動し、前記主軸の停止位相を規整する復帰可能な停止装置と、前記停止装置に従動して前記主軸の回転に抵抗を付加するダンパ装置と、予圧縮された積層弾性体からなり前記停止装置の動作端を拘束する停止緩衝装置と、からなる摩擦圧接装置であって、
 前記サーボモータを通電させ前記主軸を回転させることによって一方のワークと他方のワークとに一定の相対回転運動を付与しつつ、該一方のワークと他方のワークとを接触させて摩擦推力を付与することにより両ワークの接合界面を軟化させた後に、前記主軸の回転数を位相合わせ回転数となるまで減速させていき、前記主軸の回転数が位相合わせ回転数に到達すると、前記クラッチ装置を前記主軸に係合させると共に前記サーボモータへの通電を遮断させて前記主軸の回転を停止させる摩擦圧接装置。
                                                                               
Description:
摩擦圧接装置

 本発明は、摩擦による熱を利用してワー 同士を接合させる摩擦圧接装置に関する。

 この種の摩擦圧接装置として、例えば、特 文献1、2が既に知られている。特許文献1で 、クラッチの噛み合わせによって停止装置 動作させて両ワークの位相合わせを実施す 技術が開示されている。また、特許文献2で は、サーボモータのトルク制御および回転数 制御によって両ワークの位相合わせを実施す る技術が開示されている。

特開平3-184680号公報

特開2000-84680号公報

 しかしながら、上述した特許文献1では、 両クラッチを噛み合わせる回転数が、例えば 300rpmであるため、両クラッチを噛み合わせた 時に、噛み合わせ部位が破損するという問題 が発生していた。また、この噛み合わせのと き、大きな衝撃音が発生するという問題が発 生していた。例えば、両クラッチの噛み合わ せ部位が主軸側のクラッチ1回転に対して2個 存在する場合、すなわち、主軸側のクラッ が半回転(180°)するごとに、両クラッチの噛 み合わせ部位が存在する場合、両クラッチの 位相を検出することなく噛み合わせているた め、両クラッチを噛み合わせるとき、両クラ ッチが接触しはじめた後、相手側のクラッチ に対して、主軸側のクラッチが1°回転して噛 み合う場合もあれば、主軸側のクラッチが179 °回転して噛み合う場合もある。前者の場合( 主軸側のクラッチが1°回転して噛み合う場合 )であれば、クラッチ噛み合わせによる主軸 回転エネルギの損失は少ないため、主軸の 転エネルギによって停止装置を所定の動作 させることができる。この場合、両ワーク 接合の位相精度が良い状態である。一方、 者の場合(主軸側のクラッチが179°回転して み合う場合)であれば、クラッチ噛み合わせ よる主軸の回転エネルギの損失は大きいた 、主軸の回転エネルギによって停止装置を 定の動作をさせることができない。この場 、両ワークの接合の位相精度が悪い状態で る。このように両ワークの接合の位相精度 良い状態もあれば悪い状態もあり、位相精 にバラツキが生じることになっていた。

 また、上述した特許文献2では、両ワーク が固着する寸前に主軸を回転させるサーボモ ータへの通電を遮断(サーボオフ)させること より主軸を停止させている。これにより、 ーボオフ以降において、主軸は慣性力で回 可能となっているため、両ワークは接触部 軟化状態まかせ(粘性次第)で固着してしま 、すなわち、両ワークの位相が一致する点 到達する前、または、両ワークの位相が一 する点に到達した後に両ワークは接合され という新たな問題が発生していた。

 本発明は、このような課題を解決しよう するもので、その目的は、両ワークの接合 位相精度を向上させることができる摩擦圧 装置を提供することである。

 本発明は、対向した2つのワークを所定位 相でそれぞれ把持する把持装置と、前記把持 装置を互いに接近させる向きに付勢する付勢 装置と、前記一方の把持装置を備えた主軸を 駆動するサーボモータと、前記主軸と特定位 相で係合するクラッチ装置と、一端が上記ク ラッチ装置と係合して搖動する槓杆の他端と 係合して直動し、前記主軸の停止位相を規整 する復帰可能な停止装置と、前記停止装置に 従動して前記主軸の回転に抵抗を付加するダ ンパ装置と、予圧縮された積層弾性体からな り前記停止装置の動作端を拘束する停止緩衝 装置とからなる摩擦圧接装置であって、前記 サーボモータを通電させ前記主軸を回転させ ることによって一方のワークと他方のワーク とに一定の相対回転運動を付与しつつ、該一 方のワークと他方のワークとを接触させて摩 擦推力を付与することにより両ワークの接合 界面を軟化させた後に、前記主軸の回転数を 位相合わせ回転数となるまで減速させていき 、前記主軸の回転数が位相合わせ回転数に到 達すると、前記クラッチ装置を前記主軸に係 合させると共に前記サーボモータへの通電を 遮断させて前記主軸の回転を停止させる構成 である。

 この構成によれば、両クラッチを係合さ るとき、主軸の回転数が低速回転数(例えば 、150rpm)となるように、且つ、主軸側のクラ チの位相と相手側のクラッチの位相とが一 するように両クラッチを係合させることが きる。これにより、従来技術の特許文献1で じていた噛み合わせ部位が破損することや きな衝撃音が発生することはない。また、 のようにクラッチを係合させると、両クラ チの噛み合わせによる主軸の回転エネルギ 損失は少ないため、主軸の回転エネルギに って停止装置を所定の動作をさせることが きる。そのため、両ワークの接合の位相精 が常に良い状態となる。これにより、従来 術の特許文献2で生じていた両ワークは接触 部の軟化状態まかせで固着してしまうといっ たことはない。

図1は、本発明の実施例を示す摩擦圧接 装置の断面図である。 図2は、位相合わせ要素の伝動系と停止 装置を示す図1のA-A断面図である。 図3は、停止装置を示す一部断面正面図 である。 図4は、図1のB-B断面図である。 図5は、クラッチの係合態様を示す説明 図である。 図6は、制御装置の構成図である。 図7は、位相合わせ時の主軸回転数の推 移を示す説明図である。

 以下、本発明を実施するための最良の形 を、図面を用いて説明する。図1に示すよう に、筐体1に軸受2a、2b、2cを介して回転可能 支持された主軸3に、チヤック4を介して主軸 3と同心に把持された一方のワーク5は、筐体1 と一体の摺動体6に前記主軸3の軸心方向に摺 可能なテーブル7を介してチヤック8に把持 れた他方のワーク9に対し摩擦接触せしめら る。

 そのためにテーブル7は油圧装置10によっ 主軸3に対して近接、離間及び加圧が可能で ある。主軸3はプーリ11、ベルト12、プーリ13 び電磁クラッチ14を介してサーボモータ15に って回転駆動される。

 主軸3のチヤック4と反対側には一体的な 16を持つカム付きクラッチ17が設けられ、そ に対向して爪18をもつカム付きクラッチ19が 軸20にキー21によって摺動可能に支持されて り、該軸20は主軸3と同心で相対回転可能の うに主軸3及び筐体1に支持されている。クラ ッチ19は筐体1にピン24aを介して枢支されたク ラッチ摺動レバー24によって、第1図の右方に 摺動されれば爪18と16との噛み合いが生じて ラッチ17との係合が行われ、反対に左方に摺 動されればその係合は解放される。

 図4に示すように、クラッチ摺動レバー24 ピン24bを介して油圧シリンダ25のピストン26 と一体のヨーク27によって図示右方にスプリ グ28の張力に抗して常に引っ張られており したがって常にはクラッチ17と19とは離脱状 に保持されるが、ピストン26のロッド側の 圧が解放されれば(要すればロッド側の室を ンクに接続する)、スプリング28の張力によ てクラッチ17と19とが係合し得る状態になる 。

 一方、上記筐体1には図2及び図3に示す停 装置30の主体31が結合されており、該主体31 嵌挿された中間軸32の上部露出端には、該 体31の座板部31aと対向する位置決め板33が締 されている。そして主体31から延出するフ ンジ部31bには上記軸20と平行状をなす軸22が 設され、該軸22に枢支された槓杆23の一端は 上記クラッチ19と一体的に形成された鉤部19a 係合し、該槓杆23の他端は主体31の切欠部31c を介して上記中間軸32の鉤部32aに係合されて る。

 また、主体31の図示下方部分は中間軸32を 通じて位置決め板33に常態への復帰を促すシ ンダ室34に形成され、中間軸32から一体状に 延びるロッド上のピストン35が該シリンダ室3 4に嵌挿されている。なお、SVはポート36aを介 してシリンダ室34に圧力油を給排する電磁切 弁であり、PVはパイロット制御によりポー 36bを介して背圧室34aに作動油を給排するプ フィル弁である。

 上記位置決め板33には主体31の胴部を跨ぐ 対象位置に一対の押動杆37が垂設され、該押 杆37は上記座板部31a上に固着されたスリー 38によって案内されるとともに、その下端面 は座板部31aの下面にそれぞれ同心的に装着さ れたダンパ装置40のピストンキャップ41と干 するようになされている。

 該ダンパ装置40の詳細は図示されていな が、位置決め板33と共に作動(下降)する押動 37により、衝接したピストンキャップ41を介 して内部のピストンが押し込められると、シ リンダの側面に設けられたオリフィス群から 作動油が噴出され、噴出時の動圧抵抗損失に よって衝撃エネルギ(主軸3の回転エネルギ)は 熱エネルギに変換されるとともに、この熱エ ネルギはダンパ装置40の表面から大気中に自 放熱されるように構成されている。つまり かるダンパ装置40のエネルギ吸収により、 連の伝動系を介して主軸3の回転に効果的な 抗を付加するものである。

 上記座板部31aには、さらに位置決め板33 動作端を拘束する馬蹄形状の停止緩衝装置42 が中間軸32を囲繞するように配設されており 該停止緩衝装置42に介装された平板状のウ タンゴムからなる積層弾性体43には調節ボル ト44によって所用の予圧縮が与えられている なお、45は位相角調整のために重装される 換可能なスペーサ、50は停止衝撃に基づく中 間軸32の物理的変位(伸び)量を検出する例え ひずみゲージからなるセンサで、予め定め れた検出値により図示しない警告装置を介 て停止装置40の過負荷を警告し、これによっ て圧接条件などの検討、変更に資するもので ある。

 サーボモータ15は、図6に示す制御装置に って回転数が変化するもので、本実施例に いては摩擦発熱のために主軸3に与える高速 回転数が1800rpm、位相修正のために主軸3に与 る低速回転数が150rpmとなるように設定され おり、そして回転系の1800rpmの高速回転から 150rpmの低速までの急速減速はサーボモータ15 トルク制御によって行われる。

 この制御装置は、CRT120とデジタルスイッ 121とからなる操作盤122がコントローラ123に 続されている。コントローラ123には、回転 サーボドライバ(サーボアンプ)125を介して ーボモータ15が接続されている。さらに、コ ントローラには、CRT126とCPU127とからなる品質 保証装置128が接続され、このCPU128には、主軸 回転計129が接続され、これにより主軸3の回 (回転、位相、トルク)に関連した信号の伝達 が可能となっている。また、回転信号をサー ボモータ15のものを用いてもよい。なお、本 施形態で用いられるサーボモータ15として 、1回転、つまり、360度に対して10000パルス 信号を出力するものが用いられ、コントロ ラ23によって高精度の回転位置が検出される 。

 本実施例は上述のように構成したもので り、以下その作用について説明する。2個の ワーク5及び9をそれぞれチヤック4及び8に予 設定された位相で挟持させ、電磁クラッチ14 を接にした常態で主軸3をサーボモータ15によ り規定の高速回転数、例えば1800rpmで回転さ ながら油圧装置10によりテーブル7を摺動台6 沿って前進(図示左方へ摺動)させ、両ワー 5、9をある圧力の下に接触摩擦させる。両ワ ーク5、9の接触部が溶着に充分な温度に達し 時点を摩擦発熱工程の完了とし(図7のA点)、 その時期はタイマまたはすえこみ量等によっ て検出される。この検出信号によってサーボ モータ15の回転数制御およびトルク制御が行 れ、主軸3が規定の低速回転数、例えば150rpm (図7のB点)に達するまで急速に減速される。

 しかして、主軸3が規定の低速回転数に減 速される直前、若しくは略同時に油圧シリン ダ25の油圧を解放させ、スプリング28によっ (あるいは油圧シリンダ25に積極的に反対側 ら圧力もかけて)クラッチ摺動レバー24を介 てクラッチ19を軸20に沿って図示右方へ摺動 せると、該クラッチ19は主軸と共に回転し いるクラッチ17と図5(A)、図5(B)のように係合 れ、位相修正のための装置(クラッチ19、槓 23及び停止装置30を含む)と主軸3とが定位相 係に係合されて、位相修正のための準備段 が完了する。

 なお、これら両クラッチ17、19を係合させ るとき、主軸3の回転数が低速回転数(この例 は、150rpm)となるように、且つ、主軸3側の ラッチ17の位相と相手側のクラッチ19の位相 が一致するように両クラッチ17、19を係合さ せている。このときの主軸3の回転数と位相 、特許請求の範囲に記載の「位相合わせ回 数」に相当する。このように位相合わせ回 数とは、単に回転数だけでなく位相までも 慮した回転数である。

 このことは、制御装置によってサーボモ タ15を制御することで行われている。この うに両クラッチ17、19を係合させるため、従 技術の特許文献1で生じていた噛み合わせ部 位が破損することや大きな衝撃音が発生する ことはない。制御装置は、サーボモータ15へ 通電を両クラッチ17、19を係合させたときか ら位置決め板33の下降端(積層弾性体43との接 位置)の間の適当位置で通電を遮断させる。

 このクラッチ19の係合動作に関連して電 切替弁SVはa位置からb位置に切り替えられ、 ラッチ19の回転に伴って該クラッチ19上の鉤 部19aと係合する槓杆23は軸22を中心に揺動し 同時に槓杆23の対象端が係合する鉤部32aを介 して、それまで上昇端に在った中間軸32も連 して直動する(図2参照)。

 中間軸32には位置決め板33を介して押動杆 37が結合されており、下降する押動杆37はピ トンキャップ41と干渉してダンパ装置40内の 示しないシリンダを押し込め、該ダンパ装 40独特の機能、すなわちオリフィス群から 作動油の噴出に伴う動圧抵抗損失によって 撃エネルギを吸収し、一連の伝動系を介し 主軸3に急速な抵抗(制動)が付加される。

 このようにして主軸3はサーボモータ15に る駆動を継続したままの状態で減速され、 置決め板33が停止緩衝装置42に衝突し、かつ 積層弾性体43が弾性変位した位置で停止装置3 0の下降動作は制止され、主軸3の定位相停止 よって両ワーク5、9の位相は整合する。

 また、この主軸3の停止の際、既に説明し たように、互いの位相が一致するように両ク ラッチ17、19を係合させているため、両クラ チ17、19の噛み合わせによる主軸3の回転エネ ルギの損失は少ないため、主軸3の回転エネ ギによって停止装置30を所定の動作をさせる ことができる。そのため、両ワーク5、9の接 の位相精度が常に良い状態となる。したが て、従来技術の特許文献1で生じていた位相 精度にバラツキが生じることはない。また、 このように主軸3は停止装置30によって停止す るため、従来技術の特許文献2で生じていた ワークは接触部の軟化状態まかせで固着し しまうといったことはない。

 その後、クラッチ14の解離とアプセット 圧の暫時継続をまって摩擦圧接は完了する この場合、停止装置30の動作端において中間 軸32は停止衝撃の反発力が作用することにな が、中間軸の下降中、背圧室34aにはプレフ ル弁PVを介して作動油が導入されており、 弁PVのもつ逆流防止作用により上記反発力は 有効に抑制される。

 また、停止衝撃を緩和する積層弾性体43 所定の予圧縮を与えられて弾性反力は巧み 減衰せしめられており、しかもワーク5、9の 摩擦抵抗に基づいて位置決め板33の衝撃力に 干の不同が生じたとしても、これは積層弾 体43の微小な変位量の範囲内で効果的に吸 される。

 圧接完了後は油圧シリンダ25へ圧力油が 収されてクラッチ19は解離され、引き続き電 磁切替弁SVが再びa位置に切り替えられてシリ ンダ室34にも圧力油が供給され、停止装置30 槓杆23及びクラッチ19は共に元常態へ復帰す 。特に本実施例では、中間軸32に停止衝撃 基づく物理的変位(伸び)を検出するセンサ( ずみゲージ)50が装着されており、予め定め れた検出値に従って警告装置により停止装 30の過負荷が警告されるので、異常個所の修 復や圧接条件の検討、変更にも好適に利用す ることができる。

 なお、厚さの異なる交換可能なスペーサ4 5を数種準備し、選択されたスペーサ45を停止 緩衝装置42に重装するか、または位置決め板3 3の下面に被装することによって、位相角の 合精度を一層高い水準で微調整することが きる。

 上述した内容は、あくまでも本発明の一実 の形態に関するものであって、本発明が上 内容に限定されることを意味するものでは い。
 実施例では、回転側である主軸3と対向する 側がスライドする構成を例に説明した。しか し、これに限定されるものでなく、回転側で ある主軸3側がスライドする構成であっても わない。
                                                                                 




 
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