JP2013530049A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

生成された接合接続部（３６）の品質をチェックすることができるように、接合作業中、接合工具（３０）により加えられた力プロファイル（Ｆ）を記録し、基準力プロファイル（Ｆ_R）と比較し、力プロファイル（Ｆ）と基準力プロファイル（Ｆ_R）との間の差（Δ）を形成し、それにより、求められた差プロファイル（ΔＦ）の少なくとも１つのセグメント（Ａ；Ｂ）を品質値（ＱＷ）に数値的にマッピングする、特に少なくとも２つの加工物（２４、２６）を接続するための接合方法である。
【選択図】図５

Description

本発明は、生成された接合接続部の品質をチェックできるように、接合作業中、接合ツールによって加えられた力のプロファイルを記録し、基準の力プロファイルと比較する、特に少なくとも２つの加工物を接続するための接合方法に関する。

例えば、自己穿孔リベット締結方法、クリンチ接合方法、又はソリッド・リベット締結方法の形態の、このタイプの接合方法は一般的に知られている。これらの接合方法、同様に他のタイプの接合方法の場合、接合工具によって加えられる力プロファイルが記録され、以前に記録された基準力プロファイルと比較される。例示的な接合方法を実行する間、基準力プロファイルは保存される。この場合、この基準力プロファイルに関して、いわゆる包絡線を定めることが知られている。ここで、上方閾値曲線を定めるために、基準力曲線が、特定の絶対値だけ正の方向にシフトされる。これに対応して、下方閾値曲線を定めるために、基準力プロファイルが、特定の絶対値だけ負にシフトされる。２つの閾値曲線が包絡線を形成する。後の接合作業が、力プロファイルに関して記録され、包絡線と同様に図にプロットされる。従って、各々の接合作業について、実行された接合作業の力プロファイルが包絡線内に残っているかどうかを視覚的に判断することが可能である。包絡線内に残っている場合、生成された接合接続部の品質が良好であると判定される。他の場合には、品質が不良であると判定され、欠陥信号又は同様のものが出力される。

このタイプの欠陥の監視は比較的柔軟性を欠くものであり、複数のこうした図表の目視比較によってしか、傾向（例えば、摩耗、疲労現象等の増大を指し示す）を検出できない。

特許文献１は、パンチ及び押さえ部の力がパンチ又は押さえ部の移動の関数として測定され、実際のプロファイルが求められ、求められた実際のプロファイルが、所定の限界値の付近の少なくとも１つの所定の範囲内の所望のプロファイルから外れたときに信号がトリガされる、自己穿孔リベット締結された接合部を形成するための方法を開示する。

独国特許第１９７ ３１ ２２２ Ｂ４号

本発明の目的は、この背景に対する改善された接合方法を指定することである。

この目的は、生成された接合接続部の品質をチェックできるように、接合作業中、接合ツールによって加えられた力プロファイルを記録し、基準力プロファイルと比較し、力プロファイルと基準力プロファイルとの間の差を形成し、それにより、求められた差のプロファイルの少なくとも１つのセグメントを品質値（ＱＷ）に数値的にマッピングする、特に少なくとも２つの加工物を接続するための接合方法により達成される。

従って、本発明によれば、生成された各々の接合接続部に少なくとも１つの数値的な品質値が割り当てられ、この品質値を以前に求められた品質の閾値と比較して、例えば、生成された接合接続部が適切な状態であるか又は適切な状態でないかを判断することができる。さらに、数値的品質値へのマッピングの結果、数値的品質値を多数の連続的に行われる接合作業について保存し、後で統計的に評価することができるようになる。さらに、単純な数値的方法（例えば、勾配の計算等）を用いて、複数の品質値から傾向を検出することが可能である。例えば、部品の摩耗が増大した場合、値は特定の方向に移動し、一方、複数の適切な接合作業が行われた場合、品質値は、許容平均値の付近に分散されることが好ましい。接合作業の際、力を加えることにより、エネルギーが接合接続部内に投入される。従って、力プロファイルと基準力プロファイルとの間の差の形成は、エネルギー偏差の形成に対応することが好ましい。

一例として、力プロファイルは、接合工具の移動に対してプロットされた力プロファイルとすることができる。代替的に、時間に対する力プロファイルをプロットすることも可能である。

一般的に言えば、プロファイルの点では、力とは異なる他のタイプの物理的パラメータを記録し、本発明の方法を用いてそれらを評価することも可能である。例えば、溶接作業又は同様のものの場合、パラメータは温度とすることができる。

本発明の方法は、接合作業の品質を視覚化するだけでなく、品質を少なくとも１つの数値的品質値に変えて、制御ユニット等におけるその後の評価を単純化することもできる。さらに、例えば、ダイ若しくはパンチのような接合工具上の摩耗若しくは堆積物、又はダイ若しくはパンチのような接合工具の破損を示す傾向を表示するために、複数の品質値を用いて統計的評価を行うことができる。

さらに、本発明の方法は、接合作業の特定の領域だけのターゲットとされた評価、及び品質値又は特性値におけるマッピングを可能にする。特に、これにより、接合作業の重要な領域を、接合作業のあまり重要でない領域ではない他の閾値と比較することが可能である。換言すれば、接合作業の複数のセグメント又は段階を、それぞれの品質値にマッピングすることができる。例えば、接合部品の取り付け段階についての品質値、深絞り加工段階についての品質値、拡散（アンダーカット形成）段階についての品質値、及び／又は、接合接続部の加圧段階についての品質値を求めることができる。

最後に、本発明の方法は、特定の接合作業の統計的評価だけではなく、同一の接合工具及び場合によっては異なる接合工具を用いて実行される複数の接合作業の統計的評価も可能にし、接合工具の品質に関する結論に達することができる。

接合方法は、例えば金属板のような２つの加工物を接続するための方法とすることができ、この方法は、接合部品を用いずに（例えば、クリンチ時のような）又は接合部品を用いて（例えば、自己穿孔リベット締結の場合のような）接続部を生成することができる。さらに、一例として、接合方法は、接合部品が加工物に接続される接合作業（例えば、締結ボルトの形で加工物から突出する部分を有する自己穿孔リベット）もカバーする。

いずれにしても、接合プロファイルは、アナログ方式又はデジタル方式で保存することができる。

従って、目的が完全に達成される。

差プロファイルのセグメントの、品質値へのマッピングが、差プロファイルの積分を含む場合は特に有利である。

差プロファイルの積分を実施するのは、数値的に比較的容易である。さらに、例えば、移動に対してプロットされた力プロファイルにおいて、差プロファイルの積分は、上述したエネルギー偏差に概ね対応する。

更に別の実施形態によれば、マッピングは、例えば、差プロファイルの二乗のような累乗の和を含む。

このタイプのマッピングの場合、二乗誤差の概念が用いられ、この場合、相対的に小さい偏差ではなく、大きい偏差をより多く考慮に入れることが可能である。

一般的に言えば、差プロファイルを積分する際、相対的に大きい偏差をより多く考慮に入れる（重み付けする）ことも可能である。

更に別の好ましい実施形態によれば、第１のマッピングは差プロファイルの正の値のセグメントを第１の品質値にマッピングし、第２のマッピングは差プロファイルの負の値のセグメントを第２の品質値にマッピングする。

正の偏差及び負の偏差を別個に考慮することにより、接合接続部の品質に関する情報をさらに与えることが可能になることが示される。

さらに、接合作業が繰り返し実行され、かつ、それぞれの品質値が、接合作業の数に対してプロットされた品質値の図表で表わされることが好ましい。

このように、視覚的に単純な方法で、このタイプの接合作業においてもたらされる傾向を検出することができる。

更に別の好ましい実施形態によれば、複数の異なる接合作業が繰り返し実行され、それぞれの品質値は、接合作業の数に対してプロットされた品質値の図表で表わされる。

本実施形態の場合、特定の接合作業を評価できるだけではない。寧ろ、接合工具の品質に関する接合作業にわたる評価を行うことが可能である。

概して、マッピングされた力プロファイルのセグメントは、加工物及び／又は接合作業に用いられる接合部品の変形が接合工具により行われるセグメント又は段階を含む場合はさらに有利である。

そのような変形は、例えば、いわゆる自己穿孔リベット締結及びクリンチの場合に行われる。加工物の変形（内部の打ち抜かれた部分）、及び適切な場合には接合部品（リベット）の僅かな変形も、いわゆるソリッド・リベット締結方法において生じる。

さらに、全体として、マッピングされた力プロファイルのセグメントは、接合作業中に用いられる接合部品が、接合工具によって受け器から初期接合位置にシフトされる、セグメントを含む場合は有利である。

最初に述べたタイプの接合工具には、フィーダ構成によって、接合部品（例えば、自己穿孔リベットのような）が自動的に頻繁に供給される。ここで、接合部品は、接合ヘッドの受け器の中に供給され、その後、一例として、パンチによって、この位置から初期接合位置に移動される（例えば、相互接続される加工物に当たるように）。

例えば、このプロセスの間、接合部品が回転又は傾斜される限り、品質が不良な接合プロセス又は接合工具の部品の破損をもたらし得る接合プロセスが、意図せず行われる可能性がある。

そうした欠陥のある接合作業は、接合部品がシフトされる、力プロファイルのセグメントを監視することにより、回避することができる。肝心なのは、本発明の方法は、品質値を用いて、接合部品が正しい位置にシフトされているか、又は、傾斜した位置若しくは異なるふうに変位した位置にシフトされているかを検出できることである。

この場合、接合部品を受け器から初期接合位置にシフトさせるために、接合工具がアクチュエータ構成によって移動される場合は特に有利である。

アクチュエータ構成は、ばね構成とすることができるが、空気圧構成、油圧構成、又は電気モータを有する構成とすることもできる。一般に、接合部品の変位に伴って生じる摩擦が無視される場合には、基準力プロファイルと比較することができるほぼ線形の力プロファイルをもたらすアクチュエータの効果が増大するので、これらの間の差を、品質値に数値的にマッピングすることができる。次に、この品質値は、初期接合位置において接合部品が正しい位置合わせを有するかどうかについての情報を提供する。

肝心なのは、傾斜した位置又は異なるふうにオフセットした位置にシフトされるたびに、接合部品は僅かに変形し、このことが、本発明のプロセス評価により求めることができる力の僅かな増加をもたらし得ることである。

接合部品をシフトさせるのに必要とされる力は、実際の変形工程中に生じる力と比較すると、相対的に小さいという事実にもかかわらず、こうした接合プロセスの監視が可能であることが明らかになった。

言うまでもなく、上述の特徴及び以下で説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれの指定された組み合わせのみならず、他の組み合わせでも又はそれだけでも用いることができる。

本発明の例示的な実施形態が図に示され、以下の説明においてより詳細に述べられる。

本発明の接合方法を実行するための接合構成の概略図を示す。 本発明の接合方法における力対移動の図を示す。 図２の接合方法のセグメントを示す。 力プロファイルと基準力プロファイルとの間の差プロファイルを示す。 品質値が積分によってどのように求められるかを示す図を示す。 実行された複数の接合作業の数についてプロットされた品質値の図を示す。 図６に相当する、異なるタイプの接合作業の図を示す。 繰り返し実行される複数の異なる接合作業の接合作業の数に対してプロットされた品質値の図を示す。 図２に対応する、傾斜した接合部品をシフトさせる場合の力プロファイルを説明するための、力対移動の図を示す。

自己穿孔リベット締結装置の形の接合構成が、図１に図示され、全体が１０で示される。接合構成１０は、固定方式で取り付けることができる又はロボット１４によって移動させることができる接合ヘッド１２を含む。さらに、接合構成１０は、接合部品を単体化するための単体化装置１６と、フィーダ構成１８とを有する。フィーダ構成１８は、これを介して、例えば空気噴射により単体化された接合部品を単体化装置１６から接合ヘッド１２に供給することができるフィーダ・ホース２０を含む。しかしながら、代替的に、フィーダ構成は、接合ヘッド上に、単体化された接合部品をホルダ２２内に自動的に移送するのに用いられるマガジンを有することもできる。

空気噴射又はマガジン・フィーダ構成から接合部品を受け取ることができる、受け器２２が、接合ヘッド１２内に設けられる。

接合構成１０は、例えば金属板として設計することができる第１の加工物２４及び第２の加工物２６を接合する働きをするが、接合部品を加工物に接続するように設計することもできる。さらに、接合構成は、クリンチ構成として設計することもできる。

接合ヘッド１２に供給される直前に置かれた単体化された接合部品が、図１に２８で示される。２８’は、フィーダ・ホース２０を介して接合ヘッド１２の受け器２２内に導入された接合部品を示す。

接合部品は、最初に、受け器２２から初期接合位置に運ばれ、そこで、２つの加工物２４、２６のうちの上部の上面に載る。これが２８’’で示される。接合ヘッド１２は、打ち抜き工具３０を含む。受け器２２は、打ち抜き工具３０の構成部品である。さらに、接合ヘッドは、剛性のＣブラケット３４を介して打ち抜き工具３０に接続されたダイ３２を有する。

既述のように、接合ヘッド１２は、自己穿孔リベット締結ヘッドとして設計され、図１に３６で概略的に示されるような接合接続部を生成するように働く。接合接続部３６内には、接合部品２８’’’が、２つの加工物２４、２６を剛に相互接続するように変形された状態で示される。自己穿孔リベット締結プロセスの詳細は一般に周知であるため、本例では詳細に考察しない。

打ち抜き工具３０は、２つの加工物２４、２６からなる構成を、該打ち抜き工具３０と下部加工物２６の裏面上のダイ３２との間に固定するために、接合作業中に上部加工物２４の上面を押し付ける押さえ部４２を含む。

さらに、打ち抜き工具３０は、押さえ部４２に対して移動させることができるパンチ４４を有する。パンチ４４は、打ち抜き工具３０上の概略的に示される持ち上げ装置４８によって移動させることができるパンチ・ホルダ４６に、図１に矢印で示される接合方向に接続される。ばね構成５０は、押さえ部４２に剛に接続されたホルダ２２の間に配置される。ばね構成５０は、相対的に低いばね定数を有する圧縮ばね５２と、相対的に大きいばね定数を有する押さえばね５４とを有する２段階ばね構成として設計される。

接合作業を実行するために、押さえ部４２が、まず、上部加工物２４の上面に取り付けられる。その後、パンチ４４が、持ち上げ装置４８により加工物２４、２６の方向に移動される。移動（パンチ４４と押さえ部４２／受け器２２の間の相対的移動）に対してプロットされた、持ち上げ装置４８により加えられる力によって生じるプロファイルが、図２に概略的に示される。

ここで、位置ｓ₀が、図１に示されるパンチ４４の位置に対応し、接合部品２８’が、受け器２２内に配置される。後のパンチ・ホルダ４６の降下時に、パンチ４４は下向きに移動され、それにより、接合部品２８’が、２８’’で示される初期接合位置にシフトされる。それにより、圧縮ばね５２が圧縮される。この移動セクションは、ｓ₁で終了する。この時点で、押さえばね５４は、上部加工物２４の上面に対する比較的大きい力で押さえ部４２と係合し、これを押し付ける。時点ｓ₂から開始し、パンチ４４は、接合部品２８’’の中空部分が加工物構成内に貫通し、その過程で変形されるように、接合部品２８’’をさらに大きい力で加工物構成内に押し付ける。例えば、図１の右に示されるように、接合部品２８’’’の上面が上部加工物２４の上面と同一平面になった状態で終端すると、パンチ４４の最終位置ｓ₃に到達する。しかしながら、接合部品２８の上面が上部加工物２４の上面の上に少し突出する場合には、他のリベット設定深さを設定することも可能である。

図２は、押さえばね５４の線形特性を破線でさらに示す。単純で分かりやすい図示のために、図２の図に関して、特性についてそこに示される勾配は縮尺通りのものではないことが留意され得る。

図２においては、移動点ｓ₂とｓ₃との間のセグメントＡにおいて、力／移動特性を監視できることも示される。

このことは、移動ｓに対してプロットされた力Ｆのプロファイルが図式的に描かれている図３においてより詳細に示される。さらに、図３は、以前に実行された例示的な接合作業の図式的な基準力プロファイルＦ_Rを示す。

図３において、力プロファイルＦは、事実上最後まで基準力プロファイルＦ_Rにほぼ対応することが分かる。大きな偏差が生じるのは、セグメントＡの終わり近くだけである。

力プロファイルＦと基準力プロファイルＦ_Rとの間の差が、図４に示される（拡大した形で）。この差のプロファイルは、図４にΔＦで示される。負の偏差が、移動ｓ₀まで生じることが分かる。移動点ｓ_aの場合、差ΔＦは、ほぼ０に等しい。その後、負の偏差が再びｓ_bまで生じる。その後、正の偏差がｓ_cまで生じる。そして次に、ｓ_cからｓ_dまで負の偏差が生じる。短い正の偏差がｓ_dからｓ_eまで生じる。さらに大きい負の偏差が、ｓ_eからセグメントＡの終わり（ｓ_gにおける）まで生じる。

この差プロファイルΔＦから品質値を数値的に求めるために、差プロファイルΔＦを数値的に積分する。これは図５に示される。図５に破線で示されるのは、差プロファイルΔＦのそれぞれの積分値に対応する曲線ＰＷである。この場合、連続的に増加する品質値ＱＷのプロファイルを生成するように、差プロファイルΔＦの絶対値が積分される。

言うまでもないが、この場合、品質値が小さいほど、このような方法で監視された接合接続部の品質は高くなる。

本例の場合、品質値ＱＷは、終わりに向かってさらに大きくなる。実際の品質値を表わす、セグメントＡの終わりに向かって到達する最終積分値は、もはや図５にはプロットされていない。

第１の品質値が差プロファイルΔＦの正の値のセグメントを積分することによって形成されるという事実に則り、接合作業が監視されることが好ましい。これは、図５にＱＷ＋で示される。第２の品質値ＱＷ−は、差プロファイルΔＦの負の値のセグメントを積分することによって求められる。図５において、正の品質値ＱＷ＋は、（ｓ_gにおける）セグメントＡの終わりに向かって約１２０の値を有することが分かる。対照的に、負の品質値ＱＷ−は、−７００の負の値を有し、この値は、−３５０である品質閾値ＱＷＳ（図５においてｓ_fで到達する）よりかなり大きい。

正の品質閾値は、例えば、＋３５０であり得るが、これより小さくても又は大きくてもよく、図５には示されない。数値データは、単に例示的なものであり、決して制限的なものではないことが理解される。

従って、接合作業の監視結果は、本例では、正の品質値ＱＷ＋（この場合は１２０）及び負の品質値ＱＷ−（この場合は−７００）からなる対である。

それぞれの品質の閾値と比較することにより、品質値を用いて、実行された接合作業が、品質の点で許容可能であるか又は許容可能でないかを判断することができる。

繰り返し実行される接合作業の数ｉについて、それぞれの品質値ＱＷが、図６に示される。この品質値は、まず、本質的に統計学的に値０の付近で変動するが、終わりに向かって恒久的に負の範囲内に留まる。一例として、繰り返し実行される接合作業の品質がますます低下するという旨の単純な傾向をそこから読み取ることができる。

一例として、同じ接合工具を用いて実行された別のタイプの接合作業を示す図７に、類似の例が示される。他の接合作業の場合、例えば、別の接合部品、他の金属板の厚さ、及び／又は他の加工物材料を使用することが可能である。

関連した接合作業における特定の低下傾向は、図７に示される品質値のプロファイルの場合にも検出される。

それぞれの品質値の形の接合作業の品質を数値的に検出することにより、同じ接合工具を用いて異なる接合作業を実行するときに、異なる接合作業のうちの１つだけでなく、接合工具全体に関連する傾向分析を行うことも可能である。このことは図８に示される。

図８は、常に、第１の接合作業（○で示される）と第２の接合作業（ｘで示される）を交互に実行する接合工具の使用を示す。全体として傾向は、負の品質値に向かって進展することが、図８の図から明らかである。これは、単一の接合作業に限定されない品質問題が、接合工具に関連して存在することを示す。問題なのは、単一の接合作業のみが関係していた場合、図８の曲線は、例えば、一方の接合作業（○）については値０を上回る確率的偏差で離れ、対照的に、他方の接合作業（例えば、ｘ）については著しい偏差で離れることである。

言うまでもなく、品質値ＱＷ＋及びＱＷ−について、図６乃至図８に対応する図を、それぞれの場合に別個に又は図表にして作成することもできる。

図９は、本発明の接合方法を適用するさらなる可能性を示す。接合部品２８が受け器２２内の位置（図１に２８’で示される）から初期接合位置（図１に２８’’で示される）にシフトされると、通常、その勾配が実質的に圧縮ばね５２のばね定数に依存する線形プロファイルを有する曲線により、図９に示される力プロファイルのセグメントＢがもたらされる。

しかしながら、受け器２２内で接合部品が傾斜している（例えば、９０°だけ回転される）限り、この接合部品は、初期接合位置２８’’に移動されるときに変形し、このことが、図９に図式的に示される力のピーク５６をもたらす。

そうした力のピーク５６が生じたときに本発明の方法を適用することにより、力プロファイルのセグメントＢについての品質値がもたらされ、この品質値は、接合部品が正しい位置にシフトされたときに求められる品質値とは著しく異なるものである。

１０：接合構成
１２：接合ヘッド
１４：ロボット
１６：単体化装置
１８：フィーダ構成
２０：フィーダ・ホース
２２：受け器
２４：第１の加工物
２６：第２の加工物
２８、２８’、２８’’、２８’’’：接合部品
３０：打ち抜き工具
３２：ダイ
３６：接合接続部
４２：押さえ部
４４：パンチ
４６：パンチ・ホルダ
４８：持ち上げ装置
５０：ばね構成
５２：圧縮ばね
５４：押さえばね
５６：力のピーク
Ｆ：力のプロファイル
Ｆ_R：基準の力プロファイル
ΔＦ：差のプロファイル
Ａ、Ｂ：セグメント
ＱＷ＋：第１の品質値
ＱＷ−：第２の品質値
ＱＷＳ：品質の閾値
ｉ：接合作業の数

Claims (9)

1. 生成された接合接続部（３６）の品質をチェックできるように、接合作業中、接合工具（３０）により加えられる力プロファイル（Ｆ）を記録し、基準力プロファイル（Ｆ_R）と比較し、
   前記力プロファイル（Ｆ）と前記基準力プロファイル（Ｆ_R）との間の差（Δ）を形成し、それにより、求められた前記差プロファイル（ΔＦ）の少なくとも１つのセグメント（Ａ；Ｂ）を、品質値（ＱＷ）に数値的にマッピングする、
   ことを特徴とする接合方法。
2. 前記マッピングすることは、前記差プロファイル（ΔＦ）の積分を含むことを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
3. 前記マッピングすることは、前記差プロファイル（ΔＦ）の累乗値の和を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項２のいずれかに記載の接合方法。
4. 第１のマッピングは前記差プロファイル（ΔＦ）の正の値のセグメントを第１の品質値（ＱＷ＋）にマッピングし、第２のマッピングは前記差プロファイル（ΔＦ）の負の値のセグメントを第２の品質値（ＱＷ−）にマッピングすることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の接合方法。
5. 接合作業は繰り返し実行され、前記それぞれの品質値（ＱＷ）は、前記接合作業の数（ｉ）に対してプロットされた品質値の図で表わされることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の接合方法。
6. 複数の異なる接合作業が繰り返し実行され、前記それぞれの品質値（ＱＷ）は、前記接合作業の数（ｉ）に対してプロットされた品質値の図で表わされることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の接合方法。
7. 前記マッピングされた前記力プロファイルのセグメントがセグメント（Ａ）を含み、その場合、加工物（２４、２６）及び／又は前記接合作業に用いられる接合部品（２８）の変形は、前記接合工具により行われることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の接合方法。
8. 前記マッピングされた前記力プロファイルのセグメントは、前記接合作業中に用いられる前記接合部品（２８）が、前記接合工具（３０）によって受け器（２２）から初期接合位置（２８’’）にシフトされる、セグメント（Ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の接合方法。
9. 前記接合部品（２８）を前記受け器（２２）から前記初期接合位置（２８’’）にシフトさせるために、アクチュエータ構成（５０）によって前記接合工具（３０）を移動させることを特徴とする、請求項８に記載の接合方法。

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