JP2007144996A - 振動溶接装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】振動溶接方法に関する。マスター振動ヘッドの制御効果により、複数の振動ヘッドの同期運転又は目標とする非同期運転を実現できる。
【解決手段】振動溶接は、機械的に分離された複数の振動ヘッドによって行われ、振動ヘッドの各々が周波数変換器に接続されている。電気回路は、１台の周波数変換器をマスターとして動作させることができ、他の周波数変換器をスレーブとして動作させることができるように、周波数変換器を接続している。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動溶接装置及び方法に関し、より詳しくは、複数の振動ヘッドを使用した振動溶接に関する。
振動溶接自体は、プラスチック部品を溶接するために確立された技術である。この振動溶接の処理では、溶接されるプラスチック部品同士が複数の接触面で互いに擦り合わされる。この摩擦により、接続される部品のプラスチックが結合領域において溶解温度に到達し、その結果プラスチックは可塑化され複数の接触面にて接続される。
振動溶接では、一般に、振動溶接機内の個々の振動ヘッドが動作する。この技術は車両のダッシュボード等、様々なサイズのプラスチック部品を溶接するのに適している。プラスチック部品のサイズに応じて、サイズの異なる振動溶接機が使用される。これらの振動溶接機は、ツール重量、溶接する表面、及び設置寸法に基づいて区別される。
より大きなプラスチック部品の接続を可能にするには、個々の振動ヘッドのサイズを大きくするのではなく、振動溶接機内の振動ヘッド数を増やしていくことが経済的であり技術的にも理にかなっている。電気コイル等の電気部品を直列に接続し、機械部品を機械的に結合することで、より大きな構成が可能となる。機械的な結合は特に構成が大きくなると重要となる。これは機械的な結合によってしか、接続された機械部品及び振動ヘッドを同一周波数及び位相で発振させることはできないからである。しかし、これまでは、構造的な理由により２個の振動ヘッドしか相互接続して同期させることができないという重大な欠点が存在していた。大きなプラスチック部品の振動溶接において複数の振動ヘッドが必要となる場合は、振動ヘッド間で調整（modulation）に関する問題が発生する。例えば、振動溶接機内の振動ヘッドの発振が制御されず非同相となるために、プラスチック部品の接続の信頼性が失われる。
したがって、本発明の目的は、複数の発振システム又は振動ヘッド全体がちょうど大きな１個の振動ヘッドのように動作することで、複数の振動ヘッド又は発振システムを使用した場合でもプラスチック部品の接続の信頼性を確保できる振動溶接装置及び方法を提供することである。
上記の目的は、独立請求項１に記載の装置及び独立請求項６に記載の方法によって達成される。以下の説明、図面、及び関連する請求項から、本発明の有利な設計、実施形態、及びさらなる展開が明らかになる。本発明が提供する装置及び方法では、機械的に分離され独立した複数の発振システムが同じ振幅、周波数、及び位相で動作し、単一の大きな振動ヘッドの場合と同じ効果が得られる。
本発明に係る振動溶接装置は、機械的に分離された複数の振動ヘッドと、電気スイッチとを有する。該振動ヘッドの各々は１台の周波数変換器又は他の適切な駆動装置と接続されている。該電気スイッチは１台の周波数変換器がマスターとして動作し残りの周波数変換器がスレーブとして動作するように振動ヘッドの周波数変換器を接続している。これにより、マスターの制御効果に基づき、複数の振動ヘッドの同期運転又は目標とする非同期運転が可能となる。
本発明に係る装置を利用すれば、複数の振動ヘッドの同期運転についての調整（modulation）及び構造に関する問題が克服される。この問題解決は、複数の振動ヘッドを電気的に駆動することによって、同期化のための機械的結合をなくすことができる、という事実に基づいている。さらに、これらの振動ヘッドへの同じ制御信号の電気的な供給は、機械的に分離された振動ヘッドを電気的に相互接続することにより実現される。各振動ヘッドの電気制御信号を同じにすることで、周波数、位相、及び振動に関して、又はこれらの変数の中から選択した変数に関して振動ヘッドを同期運転することが可能となる。更なる実施形態によれば、結合するプラスチック部品の構造的特徴及び／又は材料特性のために、位相及び／振幅に関して振動ヘッドを目標とする非同期状態で運転することが必要となることも考えられる。また、振動ヘッドが一緒に起動及び停止されることが有理である。他の実施形態によれば、複数の振動ヘッドは、一緒に起動した後、任意の時間に個別に及び／又はグループ単位で停止させることが可能である。
他の実施形態によれば、マスターは複数の振動ヘッドに対して同じ周波数及び位相を指定し、この周波数は個々の振動ヘッドの共振周波数の平均値から求められることが好ましい。別の設計として、マスターがＢＵＳシステム又は並列回路を介してスレーブを駆動することも考えられ、ＢＵＳシステム又は並列回路を使用した場合は、個々の振動ヘッドの振幅を個別に制御することが可能である。振動ヘッドを個別に駆動し、機械結合をなくすことにより、これらの振動ヘッド（少なくとも２個の振動ヘッド）を溶接される被溶接物に対して自由に位置決めすることができる。このように構造的に自由であるため、様々な被溶接物形状に適合できると同時に、信頼性の高い溶接接続を保証できる。
各々が周波数変換器又は他の適切な駆動装置と接続され、互いに機械的に分離されている複数の振動ヘッドを使用した本発明に係る振動溶接方法は、少なくとも１台の周波数変換器をマスターとして定義し、残りの周波数変換器をスレーブとして定義するステップと、周波数、位相、及び振幅に関して、又はこれらの変数の中から選択した変数に関して、振動ヘッドが同期運転又は目標とする非同期状態で運転されるように少なくとも１台のマスターによってスレーブを駆動するステップとを有する。
振動溶接装置は、複数の振動ヘッド１０を（好ましくは２個以上）有する。図１は、該振動ヘッド１０の例を示すものである。振動ヘッド１０は振動溶接用の装置内に機械的に分離されて配置されている。このように振動ヘッド１０を機械的に分離して配置すると、溶接するプラスチック部品の形状を、振動ヘッド１０の配置に合わせて調整したり、振動ヘッド１０の配置と位置合わせしたりする必要がない。むしろ、振動ヘッド１０を自由に位置決めできるので、処理されるプラスチック部品の形状に合わせて振動ヘッド１０の配置を調整することが可能である。
振動ヘッド１０の各々は、周波数変換器又は他の適切な駆動装置（図示せず）と接続される。次いで、周波数変換器は電気回路を介して互いに接続され、１台の周波数変換器がマスター周波数変換器（以下、マスターと呼ぶ）として動作し、その他の全ての周波数変換器がスレーブ周波数変換器（以下、スレーブと呼ぶ）として動作できるようになる。この電気回路は、まず、１台の周波数変換器をマスターとして定義し、次に、残りの周波数変換器をスレーブとして定義することを必要とする。マスターは、振動ヘッド１０の全ての周波数変換器（つまり、マスター自身とスレーブ）の制御及び／又は電源（supply）信号を指定する。これに基づき、振動溶接機内に振動ヘッド１０と一緒に設置された周波数変換器のいずれかをマスターとして定義でき、これにより振動溶接機の発振システムに対して別個に周波数変換器又は制御ユニットを設ける必要がなくなる。ただし、他の実施形態では、振動ヘッド１０とは分離した周波数変換器又は独立した制御ユニットをマスターとして使用することが考えられる。さらに、全ての制御信号がマスターによって指定されないことが好ましい。例えば、更なる実施形態によれば、目標振幅はマスターで指定されるのでなく、個々のスレーブにより指定される。
周波数変換器、即ち、マスター及びスレーブは電気回路を介して接続されるが、この電気回路は、各種実施形態に応じて異なる構成で設計することができる。第１の実施形態によれば、マスター及びスレーブは並列回路を介して相互接続される。これに基づき、マスターは全てのスレーブを駆動し、接続されている振動ヘッド１０を同じ信号で駆動する。これにより、全ての振動ヘッド１０が同期した周波数及び位相で動作する。さらに、各々のスレーブは、個々の振動ヘッドの振動の振幅の目標値を受信するために別々にマスターと接続されている。このように、マスターが目標を設定することで制御され、スレーブにより調整された振幅が、個々の振動ヘッド１０において発生する。一般には、当然ながら、マスターにより振幅を決定できるようにすることも可能である。しかし、個々の振幅の調整は、個々のスレーブが行うことが好ましい。
本発明の更なる実施形態によれば、スレーブはいずれもＢＵＳ（Binary Unit System）システムを介してマスターに接続される。ＢＵＳシステムは、周波数変換器間での運転データのやり取りを確保し、これにより接続された振動ヘッド１０がマスター及びＢＵＳシステムを介して完全に制御される。マスターにより送信される運転データは、接続されたスレーブに対する制御及び／又は電源データ（振動ヘッド１０の周波数、振幅、及び位相を決定する）を含む。
上記電気回路を利用して周波数変換器及び振動ヘッド１０を接続することにより、振動ヘッド１０は、周波数、位相、及び振幅に関して、又はこれらの変数の中から選択した変数に関して同期運転され、或いは目標とする非同期方式で運転される。ここで、同期とは、振動ヘッドを同じ振幅、周波数、及び位相で動作させること、又はこれらの変数の中から選択した変数が一致するように動作させることを意味する。非同期とは、異なる振動ヘッドの振幅及び位相が互いに異なることを意味する。どの程度の異ならせるかは、振動溶接プロセスの要件によって決定される。例えば、振動ヘッドの同期運転させた場合、面積が大きい被溶接物を処理する際に、発振／振動が干渉することが考えられる。このような問題が発生した場合は、１台以上の振動ヘッドを非同期で駆動及び運転することにより、これらの干渉する振動をバランスさせたり、減少させたりする。したがって、被溶接物の形状、サイズ、処理する材料の特性、及び振動溶接に関するその他の基本的な条件によっては、このような運転モードが必要となることがある。同期周波数制御の場合、各振動ヘッド１０の共振周波数は対応する周波数変換器、即ち、スレーブを介して測定され、マスターへ転送される。マスターは識別された共振周波数から平均値を算出し、この平均値に基づいて周波数目標値をスレーブに転送（つまり、周波数目標値をスレーブに対して指定）する。振動ヘッド１０の振幅は目標値によって個別に制御される。この目標値は、マスターによって目標を設定することで調整可能であり、マスター固有のラインによって、又は振動ヘッドの各スレーブに接続されたＢＵＳシステムによって決定される。したがって、各々の振動ヘッドの振幅は、各々の目標値に応じて同じになることもあれば、異なることもある。
振動ヘッド１０を機械的に分離して配置すること及びその同時（例えば同期）駆動により、振動ヘッド１０を空間内に自由に配置することができる。このため、振動ヘッド１０と、対応する周波数変換器（つまりスレーブ）との空間的配置は、処理される被溶接物の形状に合わせて最適に調整される。これにより、一方では、振動ヘッドの同期駆動又は目標とする非同期駆動が保証され、他方では、振動ヘッドを機械的に結合しなければならないという制約を回避できる。２個以上の振動ヘッドを使用することが好ましいが、被溶接物の形状及びサイズによって数の変更は可能である。また、振動ヘッドを一緒に起動すると共に停止させるか、又は一緒に起動した後で時間をずらして振動ヘッドを停止させることが好ましい。
また、周波数、位相、及び振幅、又はこれらの変数の中から選択したものをマスターによって同期的に制御するのが好ましい。このような制御時の違いは、被溶接物の形状、サイズ、又は処理される材料の特性によって指定される。このため、マスターによって実現する制御内容は、例えば、マスターが過負荷にならないように、個々の処理プロセスに合わせて変更できる。
図１は、振動溶接装置内で互いに機械的に分離されて動作する複数の振動ヘッドを示す。 図２は、複数の振動ヘッドの振幅信号を比較したものである。

Claims (10)

  1. 振動溶接装置であって、
    ａ．各々が周波数変換器又は他の適切な駆動装置に接続された、機械的に分離された複数の振動ヘッド（１０）と、
    ｂ．１台の周波数変換器をマスターとして動作させ、他の周波数変換器がスレーブとして動作させることができるように振動ヘッド(１０）の周波数変換器を接続する電気回路とを備え、
    ｃ．マスターの制御効果に基づき、複数の振動ヘッド(１０）の同期運転又は目標とする非同期運転を実現できる振動溶接装置。
  2. 周波数、位相、及び振動に関して、又はこれらの変数の中から選択した変数に関して振動ヘッド(１０）を同期運転又は目標とする非同期状態で運転できる、請求項１の装置。
  3. 振動ヘッド(１０）の周波数と位相をマスターによって指定でき、周波数は振動ヘッド(１０）の共振周波数の平均値によって決定される、請求項１の装置。
  4. スレーブは、マスターによりバスシステム又は並列回路を介して個別振幅制御で制御できる、請求項１の装置。
  5. 周波数変換器を備えた振動ヘッド(１０）を少なくとも２台有し、該振動ヘッドは被溶接物に対して自由に位置決めできる、請求項１の装置。
  6. 周波数変換器に接続されると共に互いに機械的に分離された複数の振動ヘッド（１０）を使用して被溶接物を振動溶接する方法であて、
    ａ．少なくとも１台の周波数変換器をマスターとして定義し、残りの周波数変換器をスレーブとして定義するステップと、
    ｂ．少なくとも１台のマスターを介してスレーブを駆動するステップとを含み、
    ｃ．周波数、位相、及び振幅に関して、又はこれらの変数の中から選択した変数に関して、振動ヘッドが同期運転又は目標とする非同期状態で運転される方法。
  7. 駆動は、周波数変換器の並列回路を介して又はＢＵＳシステム介した周波数変換器の接続によって行われる、請求項６の方法。
  8. 被溶接物に対して自由に位置決めできる少なくとも２台の振動ヘッドが動作される、請求項６の方法。
  9. 振動ヘッドの周波数と位相をマスターによって指定するステップを更に含み、周波数は、振動ヘッド(１０）の共振周波数の平均値によって決定される、請求項６の方法。
  10. 振動ヘッド(１０）のための個別の又は共通の振幅目標をマスターによって指定し、この目標値をスレーブに転送して、振動ヘッド(１０）を一致した振幅又は異なる振幅で動作できるようにするステップを更に含む、請求項６の方法。
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