JP2001087870A - 摩擦圧接装置の制御方法及び制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 サーボモータを使用した摩擦圧接装置におい
て、シンプルかつローコストで、より高い製品品質と仕
上がり精度を実現する摩擦圧接装置の制御方法及び制御
システムを提供する。 【解決手段】 第１のサーボモータ１と、第２のサーボ
モータ２と、それぞれに対応する第１及び第２のサーボ
モータ制御装置３，４とを備える摩擦圧接装置であっ
て、第１のサーボモータ制御装置により検出された時々
刻々の第１のサーボモータの位置及び出力トルクに対し
て第２のサーボモータの回転数との関係を、第２のサー
ボモータ制御装置の演算器２７により演算して第２のサ
ーボモータの速度を制御することにより、摩擦面の温度
とばりの形状をコントロールして接合する。 【効果】 ２個のサーボモータの位置とトルクと速度を
相関制御することにより、摩擦面の温度とばりの状態及
び寄りしろを精度良く制御でき、シンプルかつローコス
トで、より高い製品品質と仕上がり精度を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体を摩擦するこ
とにより発生する摩擦熱エネルギーを利用し、さらに高
い圧力を加えて物体同士を接合する摩擦圧接装置におい
て、ワークの位置と、その位置での圧力（トルク）と、
ワークの回転速度との関係を相関的に制御する方法及び
制御装置、制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の摩擦圧接装置の場合、固定側ワー
クを保持する送り台を油圧シリンダで駆動（スライドス
ピンドルヘッドの場合は、主軸台に送り機構を設け、主
軸台を油圧シリンダで送る）し、回転側ワークを保持す
る主軸台を汎用モータで駆動する場合が大部分であり、
希に前記主軸台及び前記送り台をサーボモータで駆動す
ることがある。圧接条件としては、予熱、摩擦発熱、ア
プセット加圧の各工程の圧力と加圧時間又は寄りしろ、
そして回転側ワークの回転数となる。前記圧力は主に油
圧ゲージ圧、前記寄りしろは主に送りストローク検出用
のセンサ（リミットスイッチ等）で制御される。回転側
ワークの回転数は通常一定速であり、摩擦発熱工程終了
時にブレーキ等で急停止する。

【０００３】前記摩擦圧接装置において、前記主軸台及
び前記送り台をサーボモータで駆動する場合でも、位置
制御により固定側ワーク（送り台）をワークの接触位置
まで送り、トルク制御に切り替えて加圧し、また、回転
側ワーク（主軸台）は個別に速度制御により一定速で回
転させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】摩擦圧接において、高
品質の接合を得るためには摩擦面の温度とばりの状態を
精度良く制御する必要があり、高精度の製品の仕上がり
寸法を確保するためには寄りしろを精度良く制御する必
要がある。摩擦面の温度は発生する摩擦熱エネルギー、
つまり回転数と圧力の関係で決定され、ばりの形状も回
転数と圧力の関係で決定される。また、製品の仕上がり
寸法は各工程の寄りしろの精度で決定される。上述した
従来の位置、トルク及び速度の個別の制御では、回転数
と圧力の関係を精度良く相関制御すること、また予熱、
摩擦発熱、アプセット加圧の各工程において圧力を制御
しながら寄りしろを制御することは困難である。

【０００５】より高い安定した品質及び加工精度を得る
ためには、ワークの位置と摩擦圧力（トルク）と回転数
（回転数）とを相関させて同時に制御すること、つまり
摩擦熱エネルギーの制御と寄りしろの制御を同時に行う
ことが必要になるが、上述した従来の制御方法では実現
できない。

【０００６】また、従来のサーボモータ制御装置以外に
別個の検出器及び制御ユニットを追加すれば、制御シス
テムが複雑になり、信頼性を低下させる虞があり、更に
装置全体が大型化して高価になるという問題がある。更
に、加工条件等の変更に対応して位置、トルク及び速度
の関係を簡単且つ自由に変更できず、そのために作業能
率・生産性の低下を招くという問題がある。

【０００７】そこで、本発明は、上述した従来の問題点
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、送り台を駆動するサーボモータの位置及びその位置
での出力トルクに対して、最適な加工条件から所定の関
係をもって演算し、その演算結果に基づいて、主軸台を
駆動するサーボモータの速度、位置を相関的に制御する
ことができ、それにより制御システムの簡素化と品質及
び加工精度の向上とを同時に実現し得る摩擦圧接装置の
制御方法及び制御装置、制御システムを提供することに
ある。

【０００８】更に本発明の目的は、主軸台及び送り台を
サーボモータで駆動する摩擦圧接装置において、従来と
同様に各軸のサーボモータ及びサーボモータ制御装置の
みからなる簡単な構成を用いて、別個の検出器、制御ユ
ニットや制御機構を追加することなく、位置（寸法）と
トルク（圧力）と速度（回転数）とを相関的に制御する
ことにより、高精度の加工を可能にする摩擦圧接装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための方法、手段】本発明の摩擦圧接
装置の制御方法は、上述した目的を達成するために、固
定側ワークを保持する送り台を駆動する第１のサーボモ
ータと、回転側ワークを保持する主軸台を駆動する第２
のサーボモータと、それぞれに対応する第１及び第２の
サーボモータ制御装置とを備える摩擦圧接装置の制御方
法であって、前記第２のサーボモータ制御装置が、前記
第１のサーボモータ制御装置により検出された前記第１
のサーボモータの位置及び出力トルクについて、ワーク
の形状、材質によって回転数と圧力の関係で決定される
摩擦熱エネルギーが最適となるように、且つ、寄りしろ
及び固定側と回転側ワークの相対位置精度を確保するよ
うに、予め設定された関係をもって演算し、その演算結
果に基づいて前記第２のサーボモータの速度、位置を制
御することを特徴とする。尚、本制御方法は、固定側を
固定し、回転側（主軸台）に送り機構を設け、回転側
（主軸台）を送っても良い。また、送り台の駆動は、油
圧シリンダを用いた油圧サーボ（油圧調整バルブのサー
ボ制御）でも良い。

【００１０】本制御システムでは、前記第２のサーボモ
ータ制御装置が、前記第１のサーボモータ制御装置によ
り検出された前記第１のサーボモータの位置及び出力ト
ルクについて前記所定の関係をもって演算する演算器を
有し、その演算結果に基づいて前記第２のサーボモータ
の速度、位置を制御することができる。かかる演算器に
前記所定の関係を設定することは、制御の条件に応じて
簡単且つ自由に行うことができ、また変更することがで
きる。

【００１１】このように本発明によれば、各工程の寄り
しろ（固定側ワークの位置）を制御することにより、寄
りしろの精度を確保し製品の仕上がり精度を向上するこ
とができ、時々刻々の固定側ワークの位置及び圧力（出
力トルク）と回転側ワークの回転数との関係を最適に制
御することにより、摩擦熱エネルギーを管理し、摩擦面
の温度とばりの形状をコントロールして固定側ワークと
回転側ワークとを最適な状態で接合することができる。
しかも、摩擦発熱工程終了時に主軸台（回転側ワーク）
を位置決め停止することにより、位相決め用ピン等の別
個の機構を追加することなく、圧接完了時における相対
位置精度を確保することができる。

【００１２】また、ワークの形状、材質等による最適な
加工条件をパソコン等で作成・編集し、シリアル通信に
よりサーボモータ制御装置へ設定できるため、条件に応
じて簡単且つ自由に設定、変更することができる。

【００１３】更に本発明によれば、別個の制御ユニット
や制御機構を追加することなく、従来と同様のサーボモ
ータ制御装置のみからなる簡単な構成を用いて、主軸台
及び送り台の位置（寸法）とトルク（圧力）と速度（回
転数）とを相関的に制御することができ、より高精度で
安定した品質の加工を可能にする摩擦圧接装置の制御シ
ステムが提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による摩擦圧接装
置の制御方法を実現する制御システムの好適な実施例を
概略的に示しており、それぞれに公知のエンコーダを装
着した第１及び第２のサーボモータ１、２と、それらに
対応する第１及び第２のサーボモータ制御装置３、４と
を備える。サーボモータ制御装置３、４は、従来の制御
装置と略同一の構成からなり、それぞれサーボモータ
１、２に電力を供給し且つその駆動を制御するためのサ
ーボ制御部１０、２０を有する。前記サーボ制御部は、
対応するサーボモータ１、２の電流を検出するための公
知の電流検出器１１、１２と、位置及び速度を検出する
ための前記エンコーダの出力パルスをカウントするエン
コーダパルスカウンタ１２、２２とを有する。

【００１５】各電流検出器１１、２１の出力は、前記各
サーボモータの出力トルクを検出するトルク検出手段１
３、２３にそれぞれ接続され、各エンコーダパルスカウ
ンタ１２、２２の出力は、前記各サーボモータの位置及
び速度をそれぞれ検出する位置検出手段１４、２４及び
速度検出手段１５、２５に接続されている。前記各検出
手段の出力は、出力手段１６、２６に接続され、且つそ
の出力は演算器１７、２７に接続されている。前記各演
算器は、対応するサーボ制御部に位置、速度又はトルク
指令を出力すると共に、前記各検出手段からの入力情報
に基づいてサーボモータをフィードバック制御する。
尚、出力手段１６、２６からの出力は、アナログ信号又
はデジタル信号又はシリアル通信のいずれであっても良
い。

【００１６】本実施例では、第１のサーボモータ制御装
置３の出力手段１６からの出力が第２のサーボモータ制
御装置４の演算器２７に接続されている。次に、第１の
サーボモータ１の運転状態、即ち位置・速度・トルクに
基づいて第２のサーボモータ２の駆動を制御する要領に
ついて説明する。

【００１７】まず、エンコーダパルスカウンタ１２が、
第１のサーボモータ１に装着されたエンコーダからの出
力パルスを検出し、アップダウンカウンタでカウントし
て位置検出手段１４及び速度検出手段１５に出力する。
位置検出手段１４は、入力したカウント値に基づいて第
１のサーボモータ１の位置を検出する。速度検出手段１
５は、例えば入力したカウント値に基づいて検出した前
記位置を差分することにより、速度を検出する。この場
合、前記位置検出手段は速度検出手段を兼用することが
できる。これと同時に、トルク検出手段１３が、周知の
ように電流検出器１１から出力された第１のサーボモー
タ１を流れる電流値に基づいて、第１のサーボモータの
出力トルクを検出する。

【００１８】前記各検出手段により検出された位置及び
／又は速度及び／又はトルクの各値は、出力手段１６か
ら出力され、第２のサーボモータ制御装置４の演算器２
７に入力される。演算器２７には、所定の位置・速度・
トルクの関係が予め設定されている。演算器２７は、入
力された位置及び／又は速度及び／又はトルクについて
前記所定の関係に基づいて演算を行い、その結果をサー
ボ制御部２０に速度又はトルク指令として出力し、第２
のサーボモータ２の駆動を最適に制御する。前記所定の
関係は、ワークの形状、材質等による最適な加工条件を
パソコン等で作成・編集し、シリアル通信により設定で
きるため、制御の条件に応じて簡単且つ自由に設定、ま
た変更することができる。

【００１９】摩擦圧接装置における実施例では、第１の
サーボモータ１の現在位置とその位置での出力トルク値
から、第２のサーボモータ制御装置４の演算器２７が、
その時点で必要な第２のサーボモータ２の速度を演算
し、その結果を第２のサーボモータ制御装置４のサーボ
制御部２０に速度指令として出力し、第２のサーボモー
タ２の速度を制御することができる。このように本発明
によれば、第１のサーボモータ１の位置及びトルクと第
２のサーボモータ２の速度を相関させた制御を、別個の
制御機構を設けることなく、従来と同様に２個のサーボ
モータ制御装置のみにより実現することができる。

【００２０】図２は、本発明を適用した摩擦圧接装置の
構成を概略的に示している。本実施例の摩擦圧接装置３
０は、２個のワーク３１、３２を摩擦圧接するために、
ベッド３３上に設置された送り装置３４と主軸台３５と
を備える。送り装置３４は、クランプ３６により固定側
ワーク３１を保持する送り台３７を有し、送り台３７
は、第１のサーボモータ１及び該モータの出力軸に適当
な動力伝達機構を介して連結された回転軸３８により、
案内テーブル３９上を主軸台３５に接近又は離反する向
きに移動する。

【００２１】固定テーブル４０上に固定された主軸台３
５は、回転側ワーク３２を保持するチャック４１を有
し、該チャックは、適当な動力伝達機構を介して第２の
サーボモータ２の出力軸に回転可能に連結されている。
前記第１及び第２のサーボモータ１、２には、それぞれ
対応する第１及び第２のサーボモータ制御装置３、４が
接続されており、その駆動は、後述するように、図１に
関連して説明したと同様に相関制御される。

【００２２】第２のサーボモータ２により回転側ワーク
３２を回転させ、且つ第１のサーボモータ１により送り
台３７を駆動して、固定側ワーク３１を回転側ワーク３
２に接近する方向へワーク３１と３２が接触する位置ま
で移動させる。回転側ワーク３２と接触した状態で固定
側ワーク３１を更に送ることにより加圧すると、摩擦に
より接触面が発熱して溶融し、圧力と寄りしろ、そして
ワーク３２の回転数を制御して予熱、摩擦発熱の各工程
を実行し、ワーク３２の回転を停止させ、アプセット加
圧により圧接溶着する。この時、寄りしろ（固定側ワー
ク３１の位置）及び圧力は、第１のサーボモータ制御装
置３により制御される第１のサーボモータ１の位置と出
力トルクに対応して決定され、ワーク３２の回転数は、
第２のサーボモータ制御装置４により制御される第２の
サーボモータ２の回転数に対応して決定される。

【００２３】第１のサーボモータ制御装置３は、ワーク
３１と３２の接触により第１のサーボモータ１に発生す
るトルクを検出し、そのトルク値を第２のサーボモータ
制御装置４に出力する。また、第１のサーボモータ１の
位置情報は、連続的に第２のサーボモータ制御装置４に
供給されている。第２のサーボモータ制御装置４は、入
力された情報を所定の関係に基づいて演算し、その演算
結果を速度指令として第２のサーボモータ２の回転数を
制御する。前記所定の位置・速度・トルクの関係は、第
２のサーボモータ制御装置４の演算器に予め設定されて
いる。

【００２４】図３は、この場合における第１のサーボモ
ータ１の位置Ｘ及びトルクＴと、第２のサーボモータ２
の回転数Ｎとの所定の関係の一例を示している。同図に
示すように、第１のサーボモータ１の位置と出力トルク
の変化に相関させて、第２のサーボモータ２の回転数を
最適に設定することにより、摩擦面の温度と寄りしろの
両方を同時に制御して固定側ワーク３１と回転側ワーク
３２とを最適な状態で接合することができ、加工品質及
び加工精度が向上する。また、上述した位置・速度・ト
ルクの関係は、ワークの種類や特性等に柔軟に対応し
て、簡単且つ自由に設定、変更することができる。

【００２５】更に、上述したように第１のサーボモータ
制御装置３により第１のサーボモータ１を位置制御する
ことによって、固定側ワーク３１の送り方向の位置精度
を確保し、且つ前記第１のサーボモータ１の位置及び出
力トルク情報に基づいて、第２のサーボモータ制御装置
４により第２のサーボモータ２を位置決め停止すること
によって、回転側ワーク３２の角度割出しを行い、位相
決め用ピン等の別個の機構を追加することなく固定側ワ
ーク３１と回転側ワーク３２との圧接完了時における相
対位置精度を確保することができる。従って、製品の品
質及び生産性を向上させることができる。

【００２６】以上、本発明について実施例を用いて詳細
に説明したが、本発明は、その技術的範囲内において、
上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することが
できる。例えば、前記サーボモータの位置及び速度の検
出に使用するエンコーダは、従来公知の様々なタイプ
（インクリメント／アブソリュートタイプ、ロータリ／
リニアタイプ等）のものを用いることができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成されている
ので、以下に記載されるような効果を奏する。特に摩擦
圧接による加工は、溶接等に比較し強度及び信頼性が高
いことから、自動車の安全部品等の加工に多く使用され
ており、本発明の摩擦圧接装置の制御方法によれば、ワ
ークの種類や特性等による加工条件に応じて位置・速度
・トルクの関係を相関制御することにより、固定側ワー
クと回転側ワークとを最適な状態で接合でき、且つ圧接
完了時における相対位置精度を確保することができるの
で、より一層品質の安定化及び加工精度の向上を図れる
と共に、生産性を大幅に向上させることができる。

【００２８】また、本発明の摩擦圧接装置の制御方法に
よれば、サーボモータを制御駆動する従来と同様のサー
ボモータ制御装置以外に別個の制御機構や制御ユニット
を追加することなく、２個のサーボモータの位置・速度
・トルクを相関制御させることができるため、装置の大
型化、装置及び制御の複雑化を防止でき、機械系及び制
御システムの簡素化、コストの低減化を実現することが
できる。

【００２９】更に、本発明の摩擦圧接装置によれば、加
工精度を向上させることができるため、より精密な部品
加工への使用が可能となり、強度及び信頼性が高い摩擦
圧接加工の適用範囲を拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による摩擦圧接装置の制御システムの構
成全体を示す概略ブロック図である。

【図２】本発明を適用した摩擦圧接装置の構成を示す概
略図である。

【図３】図２の装置におけるサーボモータの位置・速度
・トルクの相関特性の一例を示す線図である。

【符号の説明】

１ 第１のサーボモータ ２ 第２のサーボモータ ３ 第１のサーボモータ制御装置 ４ 第２のサーボモータ制御装置 １０、２０ サーボ制御部 １１、２１ 電流検出器 １２、２２ エンコーダパルスカウンタ １３、２３ トルク検出手段 １４、２４ 位置検出手段 １５、２５ 速度検出手段 １６、２６ 出力手段 １７、２７ 演算器 ３０ 摩擦圧接装置 ３１ 固定側ワーク ３２ 回転側ワーク ３３ ベッド ３４ 送り装置 ３５ 主軸台 ３６ クランプ ３７ 送り台 ３８ 回転軸 ３９ 案内テーブル ４０ 固定テーブル ４１ チャック

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定側ワークを保持する送り台を駆動す
   る第１のサーボモータと、回転側ワークを保持する主軸
   台を駆動する第２のサーボモータと、それぞれに対応す
   る第１及び第２のサーボモータ制御装置とを備える摩擦
   圧接装置であって、前記第２のサーボモータ制御装置
   が、前記第１のサーボモータ制御装置により検出された
   前記第１のサーボモータの位置及び出力トルクについ
   て、ワークの形状、材質によって回転数と圧力の関係で
   決定される摩擦熱エネルギーが最適となるように、且
   つ、寄りしろ及び固定側と回転側ワークの相対位置精度
   を確保するように、予め設定された関係をもって演算
   し、その演算結果に基づいて前記第２のサーボモータの
   速度、位置を制御することを特徴とする摩擦圧接装置の
   制御方法及び制御システム。尚、本制御方法は、固定側
   を固定し、回転側（主軸台）に送り機構を設け、回転側
   （主軸台）を送っても良い。また、送り台の駆動は、油
   圧シリンダを用いた油圧サーボ（油圧調整バルブのサー
   ボ制御）でも良い。