JP2017517420A - 取付要素をコンポーネントに取り付けるための取付装置 - Google Patents

取付要素をコンポーネントに取り付けるための取付装置 Download PDF

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plastic material
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ヴィエトフ，ラルフ
ハルトマン，ヨッヘン
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ヴェーバー シュラウブアウトマーテン ゲーエムベーハー
ヴェーバー シュラウブアウトマーテン ゲーエムベーハー
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Abstract

本発明は、第１の塑性材料を有する取付要素を第２の塑性材料を有するコンポーネントに取り付けるための取付装置に関し、この取付装置は、回転前進ユニットを有し、この回転前進ユニットによって、取付要素を回転軸を中心に回転させるとともに、取付要素に回転軸の方向に働く軸方向の力を同時に加えて、取付要素をコンポーネントに押し込むことができ、これにより、取付要素とコンポーネントとの間に摩擦溶接連結部が形成される。取付装置は、さらに、コンポーネントの面と、押し込まれる取付要素の面と、の間の差分距離を測定する差分距離測定装置と、測定された差分距離に応じて回転前進ユニットを制御する制御ユニットと、を有する。

Description

本発明は、取付要素をコンポーネントに取り付けるための取付装置に関し、取付装置は、取付要素を回転軸を中心に回転させるとともに、取付装置に回転軸の方向に働く軸方向の力を同時に加えて、取付要素をコンポーネントに押し込み、取付要素とコンポーネントとの間に摩擦溶接連結部を形成可能な回転供給ユニットを有する。
このような装置は、一般的に知られており、従来から金属製の取付要素を使用して金属製のコンポーネントを連結するために使用されている。
本発明の目的は、プラスチック製の取付要素をコンポーネント、例えば塑性材料からなるコンポーネントに取り付けるのに適した装置を提供することである。
上記の目的は、請求項１に記載の特徴部を有する装置によって達成され、特に、コンポーネントの面と、押し込まれる取付要素の面と、の間の差分距離を測定する差分距離測定装置と、測定された差分距離に応じて回転供給ユニットを制御する制御ユニットと、を有する装置によって達成される。
本発明は、コンポーネントの表面は、摩擦溶接によるプラスチック製の取付要素のプラスチック製のコンポーネントへの取付時に、摩擦溶接時に生じる熱入力によって変形し、特に局部的に凹むという認識に基づいている。しかし、取付プロセスを正しく実行するには、特に取付プロセスを適切な時間に終了するために、取付要素のコンポーネントへの正確な挿入深さを常に把握ことが必須である。表面が大きく変形しない金属製のコンポーネントを連結する従来の摩擦溶接装置とは異なり、プラスチック製の取付要素をプラスチック製のコンポーネントまたは比較的容易に変形する他のコンポーネントに取り付けるときには、回転供給ユニットの供給を測定するだけでは不充分である。
従って、本発明の発想は、相対的な測定をより正確に実行し、コンポーネントに対する取付要素の供給を判断することを含む。このようにして、取付要素のコンポーネントへの実際の挿入深さは、例えば、コンポーネントの表面が凹状に変形した状態でも、常に既知となり、取付手順を測定された差分距離に応じた所望の時間、例えば、コンポーネントおよび／または取付要素の溶融材料が望ましくない方法で取付箇所からコンポーネントの表面に移動して見えるようになる前に終了することができる。本発明による摩擦溶接装置を用いることにより、プラスチック製の要素のプラスチック製のコンポーネントへの取り付けを確実かつ再現可能に実行することができる。
例えば、２つのコンポーネントを取付要素によって連結することができ、取付要素と材料の連続性を有する連結部を形成するために、少なくとも下方のコンポーネントは塑性材料を有する必要がある。上方のコンポーメントも同様に塑性材料を有してもよく、この場合には材料の連続性を有する連結部が取付要素と上方のコンポーネントとの間にもできる。しかし、上方のコンポーネントが、金属、ガラス、木材などの非塑性材料によって形成されることも考えられる。この場合には、上方のコンポーネントには予穿孔された穴を設ける必要があり、この穴を通して取付要素を下方のコンポーネントに挿入できる。連結された状態では、上方のコンポーネントと接触する取付要素のヘッド部によって、上方のコンポーネントが下方のコンポーネントに締結される。
他の応用例によれば、取付要素は１つのコンポーネントのみに取り付けられる。このような取付要素は、例えば、コンポーネントの材料がハニカム構造を形成するか発泡材料であるためにねじをコンポーネントの材料に保持できない場合に、ねじの取付部として機能しうる。ねじを収容するために提供される取付要素は、対応する軸方向のボアを備えることができ、このボアはねじ付きのボアであってもよい。取付要素は、関節式要素を形成してもよく、対応する関節式要素として形成され、かつ他のコンポーネントに取り付けられた取付要素にプラグ接続または他の方法で連結することができる。
本発明の有利な実施例は、従属項、詳細な説明および図面から明らかである。
コンポーネントへの挿入深さの特に正確な判断を可能とする一実施例によれば、差分距離測定装置は、回転軸に隣接して配置される。当然ながら、差分距離の測定は、回転軸に近いほど正確である。最大幅が約１．５ｃｍである取付要素を取り付けるためには、回転軸と差分距離の測定箇所との径方向間隔は、例えば３ｃｍを超えず、好ましくは１〜２ｃｍの範囲とすべきである。
さらなる実施例によると、制御ユニットは、所定の最大差分距離に到達したときに、取付手順の終了前に、軸方向の力および／または供給速度が少なくともほぼゼロに減少した状態で取付要素が所定時間にわたって回転するように、回転供給ユニットを制御するよう設けられる。これは、特に確実な摩擦溶接連結部を得ることに貢献し、同時に溶融金属が取付箇所から側方に流出するのを防ぐ。
取付手順において軸方向の力を特定の方法で設定するには、取付要素にかかる軸方向の力を測定するために力測定装置が提供されることが有利である。これにより、軸方向の力を制御変数として、制御ユニットによって回転供給ユニットを調整することができる。取付要素に加えられるトルク、取付要素の時間当たりの回転数または取付要素の回転数の絶対値が、回転供給ユニットを調整するための代わりのまたは追加の制御変数として考えられる。さらに、取付手順を複数の段階に分割して、少なくとも二段階で異なる制御変数を使用することが考えられる。
回転供給ユニットは、好ましくは電気モータ供給駆動装置を有する。これは、従来の摩擦溶接装置で使用される空気圧式供給駆動装置に対して、供給を実質的により正確に制御できる点で有利であり、このことは、プラスチック製の取付要素の取付には非常に重要である。
特に単純な構成を有する実施例は、回転供給ユニットが電気モータ回転駆動装置をさらに有する場合に追加で得られる。
さらに他の実施例によれば、装置は、取付要素の貯蔵部から取付要素を自動的に供給する供給手段を備える。供給手段は、例えば、取付要素リザーバから圧縮空気によって全自動で取付要素を装着する空気圧供給装置を有し、取付要素リザーバは、特に無尽蔵であるが、取付工具と係合するように供給される取付要素を保持する装置の供給ヘッド部に少なくとも詰め替え可能である。供給手段は、空気圧式供給装置の代わりにピックアンドプレイスシステムを備えてもよい。
種々の供給手段に応じて、装置は、限定された数の取付要素を含むカートリッジを含みうる。カートリッジは、装置に固定して設置することができ、この場合は取付要素を時々補充する必要がある。また、カートリッジは、装置に交換可能に取り付けてもよく、この場合は全ての取付要素を消費した後にフル充填されたカートレッジと単に交換すればよい。
本発明のさらなる主題は、請求項１１に記載の特徴を有し、これにより上述の利益が同様に得られる方法である。
方法の一実施例によれば、取付要素が予穿孔されていないコンポーネントに取り付けられる。コンポーネントは、代わりに予穿孔されていてもよい。コンポーネントは、例えば、予穿孔された穴を有する金属、ガラス、木材などの非塑性材料からなる頂部層を備えてもよく、取付要素は、頂部層の下側で溶融してアンダーカットを形成するように予穿孔された穴に取り付けることができる。この場合には、取り付けられた取付要素は、いわばコンポーネントに二重に固定されている。すなわち、一方では、コンポーネントの塑性材料との材料の連続性を有する連結部によって固定され、他方では、頂部層の下側に係合するアンダーカットによる機械的な固定部によって固定される。
コンポーネントの塑性材料は、例えば、繊維強化されていてもよく、かつ／またはハニカム構造を形成しても、かつ／または発泡材料を含んでもよい。
取付要素がコンポーネントの表面で溶融せずに、コンポーネントに完全に挿入できるように、取付要素の塑性材料はコンポーネントの塑性材料よりも高い融点を有することが理想的である。
以下では、可能な実施例および添付図面を参照して本発明を単に例示的に説明する。
本発明に係る摩擦溶接装置の側面図である。 図１Ａの装置の第１の透視図である。 図１Ａの装置の第２の透視図である。 取付前の取付要素および第１のコンポーネントへの取付後の取付要素の断面図である。 取付前の取付要素および第２のコンポーネントへの取付後の取付要素の断面図である。 ２つのコンポーネントを連結する取付要素の取付前後の断面図である。
図１には、第１の塑性材料からなる取付要素を第２の塑性材料からなるコンポーネント１４に取り付けるための摩擦溶接装置１０が示されている。図２〜図４を参照して、以下でより詳細に説明していく。
装置１０は、本実施例では固定して設置されたキャリアプレート１６を備えており、キャリアプレート１６は、軸方向に延びるガイドレール１８を有し、ガイドレール１８には回転供給ユニット２０が軸方向に移動可能に支持されている。電気モータ供給駆動装置２２が、回転供給ユニット２０をガイドレールに沿って移動させるように設けられており、供給駆動装置２２は、キャリアプレート１６上で回転供給ユニット２０に隣接して取り付けられており、供給スピンドル２４を介して回転供給ユニット２０を駆動する。供給駆動装置２２が回転供給ユニット２０を前方に駆動する軸方向の力は、回転供給ユニット２０と一体に設けられた力測定装置（図示省略）を用いて測定される。測定された軸方向の力は、装置１０の制御ユニット（図示省略）で評価される。
回転供給ユニット２０は、電気モータ回転駆動装置２６をさらに有し、回転駆動装置２６によって工具取付台２８、そして工具取付台２８に収容される取付要素１２用の工具２９（図２〜図４参照）が軸方向に延びる回転軸３１を中心に回転駆動される。取付プロセスにおいて加えられるトルクは、回転駆動装置２６の電流ピックアップから得られる。これは、同様に制御ユニットで評価される。
さらに、差分距離測定装置３０が、回転供給ユニットに取り付けられており、図１に示す休止位置において軸方向から見たときに工具取付台２８上に突出する感知フープ３２を備える。感知フープ３２は、回転軸３１の方向に湾曲しており、感知フープの前方端３４は回転軸３１との間に約２ｃｍの間隔を有する。感知フープ３２の後方端３６は、回転供給ユニット２０に軸方向に移動可能に支持されたガイドロッド３８に取り付けられている。ガイドロッド３８は、感知フープ３２から遠い部分で、ここではガイドロッド３８を囲むコイルばね４０の形態の戻しばねに連結されており、コンポーネント１４に支持された感知フープ３２は、取付要素１２をコンポーネント１４に取り付けるときに戻しばねの付勢力に対抗して偏向可能となっている。
例えば、印がついた磁気ストリップの形態の遠隔で読取り可能な目盛り（詳細は省略）がガイドロッド３８に設けられており、この目盛りは、感知フープ３２が偏向するとガイドロッド３８に対して固定して設置された距離センサ４１の前を通過し、距離センサ４１は、目盛りを読み取って偏向距離、すなわち回転供給ユニット２０と感知フープ３２との間の差分距離を表示することに適している。つまり、最終的に取付要素１２のコンポーネント１４への挿入深さを表示することに適している。
工具取付台２８に収容される工具２９は、取付手順のために取付要素を備えている。これは、通常手動で行うことができる。しかし、例えば、取付要素１２を全自動で装置１０の供給ヘッド（図示省略）に装着する空気圧式の供給装置（図示省略）がこのために提供されることが好ましく、取付要素１２は供給ヘッド内で工具２９と係合する。空気圧式の供給装置の代わりに、ピックアンドプレイスシステムやカートリッジも取付要素１２の供給に利用できる。
図２に示すように、取付要素１２は、長手方向中心軸４２を中心とする回転対称の設計を有する。取付要素１２は、円錐形の本体４４を有し、本体４４の頂端部ではカラー４６が径方向に突出しており、カラー４６の下部には周方向のリセス４８が設けられている。工具２９用の係合特徴部５０、例えば、六角形の穴は、取付要素１２の上面に設けられている。
取付要素１２は、例えば、射出成形プロセスによって、取付要素１２が取り付けられるコンポーネント１４の塑性材料よりも高い融点を有する塑性材料から一体形成される。図２に示すコンポーネント１４は、プラスチック製または紙様材料のハニコム構造を有し、プラスチック、例えば、線維強化プラスチックの頂部層５４を備えている。
取付要素１２をコンポーネント１４に取り付けるときには、工具２９と係合した取付要素１２が、コンポーネント１４に接触するまで供給駆動装置２２によって前方に押し出だされる。コンポーネント１４によって同様に支持される感知フープ３２は、この状況では既に特定の距離だけ偏向されており、この位置で差分距離の測定におけるゼロの点を定める。
取付要素１２は、回転供給ユニット２０の回転駆動装置２６によって回転し始め、摩擦溶接プロセスに必要な回転速度とされる。必要な回転速度に到達すると、取付要素１２は、供給駆動装置２２によって所望の軸方向の力を加えながらコンポーネント１４に押し込まれ、取付要素１２の本体４４のジャケット面５５とコンポーネント１４の隣接する材料とが溶融して材料の連続性による連結部が形成される。
取付要素１２のコンポーネントへの挿入深さは、回転供給ユニット２０の供給時に差分距離測定装置３０によって測定される。取付要素１２が、カラー４６の下面がコンポーネント１４の面と接触するまで深くコンポーネント１４に挿入されるとすぐに、取付要素１２に与えられる軸方向の力および／または供給速度は、供給駆動装置２２の停止によりゼロまで減少される。ここで、取付要素１２のカラー４６の下面に設けられたリセス４８が溶融した塑性材料で満たされるが、溶融した塑性材料がカラー４６を超えて外側に移動しないように、取付要素１２の回転を所定時間継続してもよい。取付プロセスを終了するには、回転駆動装置２６を停止し、回転供給ユニット２０を取付要素１２から離すことによって工具を外し、溶融した材料を冷却させる。また、回転駆動装置２６の停止後に待機時間を任意に有しうる。
他の応用例が図３に示されており、この例では、上述の種類の取付要素１２が、プラスチック製または紙様材料のハニコム構造５２を有し、金属材料の頂部層５４を備えるコンポーネント１４に取り付けられる。頂部層５４には、円形の予穿孔された穴５６が設けられており、取付要素１２を穴に挿入することができる。また、予穿孔された穴５６は、非円形、例えば、角を有することもでき、この場合には、取り付けられた取付要素１２は、例えば、取付要素１２にねじが螺合されたときに、より高速の回転要素を受け入れることができる。
取付手順では、取付要素１２は予穿孔された穴５６と整列され、図２を参照して説明したようにコンポーネント１４のハニコム構造５２に押し込まれる。取付要素１２に加えられる軸方向の力および取付要素１２の速度の適切な制御により、取付要素１２が頂部層５４の下側で広がり、材料の連続性による取付要素１２とハニコム構造５２との連結部に加えて、取付要素１２と頂部層１４との形状一致による連結部を提供するアンダーカット５８が形成されるまで取付手順を続けることができる。
応用例が図４に示されており、上述した種類の取付要素１２が２つのコンポーネント１４ａ，１４ｂの連結のために使用されている。各々のコンポーネント１４ａ，１４ｂは、取付要素１２の融点よりも低い融点を有する塑性材料からなる。コンポーネント１４ａ，１４ｂは、連結手順において重ねられ、取付要素１２は上述したように上方のコンポーネント１４ａを貫通し、少なくとも下方のコンポーネント１４ｂと材料の連続性による連結部を形成するように下方のコンポーネント１４ｂに押し込まれる。上方のコンポーネント１４ａに予穿孔した穴を設け、下方のコンポーネント１４ｂに対する締結効果のみを有するようにしてもよい。
取付要素１２の挿入深さは、差分距離測定装置３０によって正確に監視され、所望の挿入深さに達したとき、すなわち取付要素１２のカラー４６の下面が上方のコンポーネント１４ａの面と接触したときに、供給駆動装置２２を停止することで取付要素１２にかかる軸方向の力がゼロまで減少されるが、取付要素１２は特定の時間にわたって引き続き回転される。
最後に、装置１０は、図１に示したものとは対照的に、必ずしも固定して設置する必要はない。装置１０を移動可能に、例えば、多軸機械加工ステーションまたはロボットアームに設置することが考えられる。これに関して、プラスチック製の取付要素１２をプラスチック製のコンポーネント１４に取り付けるのに要する軸方向の力は、金属製のコンポーネントの摩擦溶接よりもかなり低くて済み、装置１０によって実行される取付プロセスは、充分な剛性を有するコンポーネント１４に対して反対に働く力なしで通常実行できるので有利である。
１０…装置
１２…取付要素
１４…コンポーネント
１６…キャリアプレート
１８…ガイドレール
２０…回転供給ユニット
２２…供給駆動装置
２４…供給スピンドル
２６…回転駆動装置
２８…工具取付台
２９…工具
３０…差分距離測定装置
３１…回転軸
３２…感知フープ
３４…前方端
３６…後方端
３８…ガイドロッド
４０…圧縮コイルばね
４１…距離センサ
４２…長手方向中心軸
４４…本体
４６…カラー
４８…リセス
５０…係合特徴部
５２…ハニカム構造
５４…頂部層
５５…ジャケット面
５６…予穿孔した穴
５８…アンダーカット

Claims (16)

  1. 第１の塑性材料からなる取付要素（１２）を第２の塑性材料からなるコンポーネント（１４）に取り付けるための取付装置（１０）であって、
    取付要素（１２）を回転軸（３１）を中心に回転させるとともに、取付要素（１２）に回転軸（３１）の方向に働く軸方向の力を同時に加えて、取付要素（１２）をコンポーネント（１４）に押し込み、取付要素（１２）とコンポーネント（１４）との間に摩擦溶接連結部を形成可能な回転供給ユニット（２０）と、
    コンポーネント（１４）の面と、押し込まれる取付要素（１２）の面と、の間の差分距離を測定する差分距離測定装置（３０）と、
    測定された差分距離に応じて回転供給ユニット（２０）を制御する制御ユニットと、を有することを特徴とする取付装置（１０）。
  2. 差分距離測定装置（３０）は、回転軸（３１）に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の取付装置（１０）。
  3. 制御ユニットは、所定の最大差分距離に到達したときに、取付手順の終了前に取付要素（１２）を所定の時間にわたって少なくともほぼゼロまで減少した軸方向の力および／または供給速度で回転させるように、回転供給ユニット（２０）を制御するよう設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の取付装置（１０）。
  4. 取付要素（１２）に加えられる軸方向の力を測定する力測定装置をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の取付装置（１０）。
  5. 回転供給ユニット（２０）は、取付要素（１２）に加えられる軸方向の力、取付要素（１２）に加えられるトルク、取付要素（１２）の時間当たりの回転数および／または取付要素（１２）の回転数の絶対値を制御変数として、制御ユニットにより調整可能であることを特徴とする請求項４に記載の取付装置（１０）。
  6. 制御ユニットは、取付手順を複数の段階に分割し、異なる制御変数を用いて回転供給ユニット（２０）を少なくとも二段階で調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の取付装置（１０）。
  7. 回転供給ユニット（２０）は、電気モータ供給駆動装置（２２）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の取付装置（１０）。
  8. 回転供給ユニット（２０）は、電気モータ回転駆動装置（２６）を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の取付装置（１０）。
  9. 取付要素の貯蔵部から取付要素（１２）を自動的に供給する供給手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の取付装置（１０）。
  10. 供給手段は、空気圧式供給装置、ピックアンドプレイスシステムまたはカートリッジであり、カートリッジは、特に複数の取付要素（１２）を含む交換可能なカートリッジであることを特徴とする請求項９に記載の取付装置（１０）。
  11. 第１の塑性材料からなる取付要素（１２）を第２の塑性材料からなるコンポーネント（１４）に取り付けるための取付方法であって、
    取付要素（１２）は、回転供給ユニット（２０）によって回転されるとともに、軸方向の力を受けてコンポーネント（１２）に押し込まれ、取付要素（１２）とコンポーネント（１４）との間に摩擦溶接連結部が形成され、
    コンポーネント（１４）の表面と、押し込まれる取付要素（１２）の表面と、の間の差分距離が、差分距離測定装置（３０）によって測定され、
    回転供給ユニット（２０）が、測定された差分距離に応じて制御ユニットによって制御されることを特徴とする取付方法。
  12. 前記軸方向の力および／または供給速度は、所定の最大差分距離に到達したときに少なくともほぼゼロに減少される一方で、取付要素（１２）の回転は所定の時間にわたって継続されることを特徴とする請求項１１に記載の取付方法。
  13. コンポーネント（１４）には、予穿孔された穴（５６）を有する頂部層（５４）が設けられ、取付要素（１２）は、頂部層（５４）の下側で溶融してアンダーカット（５８）を形成するように予穿孔された穴（５６）に取り付けられることを特徴とする請求項１１または１２に記載の取付方法。
  14. 頂部層（５４）は、塑性材料または木材、ガラス、金属などの非塑性材料によって形成されることを特徴とする請求項１３に記載の取付方法。
  15. コンポーネント（１４）の塑性材料は、繊維強化されているとともに／またはハニコム構造を形成するとともに／または発泡材料を含むことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の取付方法。
  16. 取付要素（１２）の塑性材料は、コンポーネント（１４）の塑性材料よりも高い融点を有することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の取付方法。
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