JP5989976B2 - 振動溶接システム及び振動溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動溶接に関し、特に振動溶接用電子駆動システムに関する。

リニア振動溶接装置は、当業界においては、一方の部品の他方の部品に対する直線発振運動を発生することによって、２つのプラスチック部品を溶接するために用いられている。これらの部品が力によって互いに押圧されると、振動運動が熱を発生し、プラスチック部品の隣接する表面を溶融し、部品が冷却した後に溶接品が作成される。

一方の部品の他方の部品に対する振動運動は、溶接装置の可動部と固定部との間に配置されている２つの電磁石によって発生する。双方の電磁石は、同じ座標線に沿って、しかし逆方向に力を加える。これらの電磁石は、１８０°位相ずれで付勢され、第１電磁石が付勢されているとき、第２電磁石は消勢されるようになっている。逆に、第２電磁石が付勢されているときは、第１電磁石は消勢されている。

溶接される部品への最大限のエネルギ移転に備えるためには、溶接装置の可動機械部品の共振周波数に、付勢サイクルの周波数を維持することが望ましい。また、溶接の間所望のレベルのプラスチック溶融を維持するためには、電磁石に加えられるエネルギを制御することが望ましい。

電磁石を制御する従来の方法は、付勢／消勢サイクル間に１８０°の位相ずれを形成する（例えば、米国特許第７，５２０，３０８号参照）が、これらには未だ欠点がある。例えば、２つの電磁石を制御するために三相出力駆動を用いると、位相の内２つが２つの電磁石を駆動するために用いられ、双方の電磁石は、第３位相に接続された共通ワイヤを有する。この第３位相は、したがって、第１または第２位相のいずれよりも２倍の負荷がかかり、第３位相の制御エレメント（通例、ＩＧＢＴトランジスタ）に応力がかかる。また、付勢および消勢の全体的なタイミングは固定であるが、各電磁石に配信されるエネルギ量を制御するためにＰＷＭが用いられる。何故なら、三相モータ制御ではＰＷＭコントローラが標準的な駆動策となっているからである。しかし、これには、応答時間がＰＷＭコントローラの周波数によって制限されて遅くなるという欠点がある。加えて、ＰＷＭコントローラをこの用途に用いると、出力電力エレメント（ＩＧＢＴトランジスタ）の過剰な切り替えが発生し、このために、望まれない電力損失、過剰な電気ノイズ、およびシステム信頼性の低下に至る。

可動機械系の共振周波数を測定する従来の方法では、周波数掃引が必要であった。掃引モードでは、かなり低い電圧（通例、最大値の１０％から２５％）が電磁石に印加され、周波数は、機械の動作範囲（通例２００Ｈｚから２４０Ｈｚ）の最低周波数から最高周波数まで小さな刻み（通例０．１Ｈｚ）で増加した。周波数を増加させながら、振幅フィードバックおよび／または駆動電流出力を監視した。最も高い振幅フィードバックおよび／または最も低い電流出力駆動となる周波数を、共振周波数に決定した。一旦共振周波数の値が決定すると、これを制御モジュール（通例、プログラマブル・ロジック・コントローラまたはＰＬＣ）のメモリに格納し、ドライブにその固定動作周波数として受け渡した。この共振周波数を定める方法は、かなり高精度であったが、様々な内在的な欠点がある。第１に、操作者は周波数を掃引するために「チューニング」モードに移ることを覚えていなければならないが、製造環境では忘れられることが頻繁であった。第２に、その手順自体にかなり時間がかかり、３〜５分もかかる可能性があり、大量生産環境においては望ましくなかった。第３に、掃引ルーティング(sweep routing)は、大量および高負荷型の用途において、機械および工具(tooling)の加熱の問題に対処するものではなかった。機械およびその構成部品が加熱するにつれて、共振周波数は低下する。新たな共振周波数が発見されなかった場合、機械はその最適な機械的共振から外れて運転し、したがってより多くの電流を引き出し、その重要な構成部品により多くの熱を発生しより多くの応力を誘発する。雪崩効果（またはランナウェイ状態）が発現する可能性もある。これを矯正するためには、操作者は１時間毎等に周波数掃引を行わなければならないが、このために再び製造効率が悪化した。

溶接プロセスを制御する従来の方法は、ＰＬＣの使用に基づいていた。溶接される部品の直線位置、および溶接の間における溶接される部品間の圧力は、ＰＬＣによって監視され制御されていた。センサから得られる情報に基づいて、テーブルを持ち上げ溶接された部品を係合する油圧シリンダは、ＰＬＣによって制御されていた。ＰＬＣはこのような制御に備えるために必要な入力／出力チャネルを全て有していたが、その応答時間は、非常に遅く（通例５ｍｓから２０ｍｓ）、溶接プロセスの再現性および精度に影響を及ぼす可能性があった。

本開示は、第１および第２加工物を互いに推し進めながら、第２加工物に対する第１加工物の往復運動を行うことによって、第１および第２加工物を溶接する振動溶接システムを提供する。この振動溶接システムは、第１および第２加工物支持部を含み、第１加工物支持部は、第２加工物支持部に対して往復運動可能に取り付けられている。１対の電磁石が、第１加工物支持部の往復運動を行うために、第１加工物支持部に結合されており、電気駆動システムが、これらの電磁石に結合されており、互いに位相ずれとなってこれらの電磁石を連続的に付勢および消勢して、第１加工物支持部の往復運動を行う。このシステムは、ＤＣ電流源と、電源を電磁石の各々に制御可能に結合し、電源を電磁石の各々から制御可能に切断する多数の制御可能電子スイッチング・デバイスであって、前記制御可能電子スイッチング・デバイスの第１および第２が前記ＤＣ電流源と駆動コイルの第１端との間に接続され、前記制御可能電子スイッチング・デバイスの第３および第４が前記ＤＣ電流源と前記駆動コイルの第２端との間に接続されている、制御可能電子スイッチング・デバイスと、電磁石に結合され、電磁石に供給される電流を表す信号を生成する電流センサと、電子スイッチング・デバイスに結合され、電流センサが生成した信号を受け取り、電磁石の付勢および消勢を制御して第１加工物支持部の往復移動を行うために、スイッチング・デバイスをオンおよびオフにする制御回路であって、前記制御回路が、前記駆動コイルへ供給される電流を既設定レベルまで増大させて第１既設定時間間隔の間前記電流を前記既設定レベルに維持し、次いで、前記電流をゼロに低下させて第２既設定時間間隔の間前記ゼロレベルを維持するように、前記第１、第２、第３、および第４スイッチング・デバイスを制御し、第１の前記電磁石の駆動コイルに供給される電流が、第２の前記電磁石の駆動コイルに供給される電流に対して１８０°位相がずれている、制御回路とを含む。

一実施形態では、第１加工物支持部が、振動の共振周波数を有する可動機械系の一部であり、制御回路が、電磁石の各々を付勢および消勢する各連続サイクルに対して、既選択時間間隔を維持するようにプログラムされており、この既選択時間期間が、可動機械系の共振周波数に対応する。

一実施態様では、制御回路が、電流センサによって生成された信号を、既設定電流レベルと比較し、電磁石に供給される電流を制御することによって、電磁石したがって加工物に供給されるエネルギ量を制御するように構成されている。

一実施態様では、第２加工物が、制御回路によって活性化される油圧ドライブによって係合される。係合された第１および第２加工物間における圧力、および第２加工物の直線位置が、制御回路によって監視される。

本発明は、以下の説明を添付図面と合わせて参照することによって、最良に理解することができる。
図１は、振動溶接装置の電気制御システムの模式図である。 図２は、図１の電気制御システムによって、振動溶接装置の中にある２つの駆動電磁石に供給される付勢電流のタイミング図である。 図３は、振動溶接装置における電磁石の内の１つと関連付けられている４つの絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）に、図１の電気制御システムによって供給される制御信号のタイミング図である。 図４は、図２の上側のグラフ(line)の第１サイクルに対応するが、振動溶接装置における電磁石に供給される電流の最大値に対して異なる設定点を有するタイミング図である。 図５Ａは、振動溶接装置における電磁石の内の１つと関連付けられている４つのＩＧＢＴの電気回路模式図であり、図２のタイミング図における電流の１つの１サイクル中においてこれらのＩＧＢＴを通過する電流を示す。 図５Ｂは、振動溶接装置における電磁石の内の１つと関連付けられている４つのＩＧＢＴの電気回路模式図であり、図２のタイミング図における電流の１つの１サイクル中においてこれらのＩＧＢＴを通過する電流を示す。 図５Ｃは、振動溶接装置における電磁石の内の１つと関連付けられている４つのＩＧＢＴの電気回路模式図であり、図２のタイミング図における電流の１つの１サイクル中においてこれらのＩＧＢＴを通過する電流を示す。 図５Ｄは、振動溶接装置における電磁石の内の１つと関連付けられている４つのＩＧＢＴの電気回路模式図であり、図２のタイミング図における電流の１つの１サイクル中においてこれらのＩＧＢＴを通過する電流を示す。 図６は、ＩＢＧＴの内の１つを制御するために、図１の電気制御システムの中にある制御モジュールに含まれる電気回路の一実施形態の電気回路模式図である。 図７は、図１から図６のシステムの動作の「ピング」モード(ping mode)を示す波形のタイミング図である。

本発明は、ある種の好ましい実施形態と関連付けて説明するが、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるのではないことは言うまでもない。逆に、本発明は、添付した特許請求の範囲によって定められる発明の主旨および範囲に含まれると考えられる代替物、変更物、および均等構成を全て包含することを意図している。

図１は、２つの固定電磁石Ｌ_ｘおよびＬ_ｙ（たとえば、固定フレームに取り付けられている）を含むリニア振動溶接装置を示す。固定電磁石Ｌ_ｘおよびＬ_ｙは、プラスチック部品Ｐ_１を搬送する移動エレメント１２の対向端に、ロータ１０および１１を有する。電磁石Ｌ_ｘが付勢されると、溶接装置の移動エレメント１２が左に（図１で見る場合）移動させられる。また、電磁石Ｌ_ｙが付勢されると、移動エレメント１２は右に移動させられる。２つの電磁石Ｌ_ｘおよびＬ_ｙは、１８０°位相ずれで順次付勢および消勢され、移動エレメント１２と、この移動エレメント１２に固定的に取り付けられているプラスチック部品Ｐ_１との振動を発生させる。プラスチック部品Ｐ_１を振動させると、油圧シリンダ２８によってプラスチック部品Ｐ_１は固定プラスチック部品Ｐ_２に向かって押圧されるので、固定プラスチック部品Ｐ_２に対して振動するプラスチック部品Ｐ_１の発振運動(oscillatory motion)が、熱を発生して、この熱のために双方のプラスチック部品の係合面が溶融するので、振動を停止させると２つの部品が互いに溶着する。

２つの電磁石Ｌ_ｘおよびＬ_ｙのコイルには、電源Ｖ_ｐから電流が供給される。電源Ｖ_ｐは、ＤＣ電流を、４つのＩＧＢＴ Ｑ１〜Ｑ４を通じてＬ_ｘコイルに、そして４つのＩＧＢＴＱ５〜Ｑ８を通じてＬ_ｙコイルに供給する。２組の４つのＩＧＢＴ Ｑ１〜Ｑ４およびＱ５〜Ｑ８は、対応するＬ_ｘおよびＬ_ｙコイルに対して二相駆動システムを形成し、これら２つのコイルに対して全体的に同期四相駆動システムを形成する。第１位相は、ＩＧＢＴのＱ１およびＱ２を含み、第２位相はＩＧＢＴのＱ３およびＱ４を含み、第３位相はＩＧＢＴのＱ５およびＱ６を含み、第４位相はＩＧＢＴのＱ７およびＱ８を含む。電磁石Ｌ_ｘは、第１および第２位相によって給電され、一方電磁石Ｌ_ｙは第３および第４位相によって給電される。４つの位相は、第１および第３位相が第２および第４位相に対して１８０°位相がずれていることを除いて、全て電気的に同一である。これについては、以下で更に詳細に論ずることにする。

ＩＧＢＴのＱ１〜Ｑ８の切り替えは、１対のＩ_ｘおよびＩ_ｙ制御モジュール２０および２１、ならびにシステム周波数インターフェース・モジュール２２によって制御される。システム周波数インターフェース・モジュール２２は、ＩＧＢＴのＱ１〜Ｑ８をオンおよびオフにするときを制御する。具体的には、制御モジュール２０は、４つのゲート電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を、それぞれ、ＩＧＢＴのＱ１〜Ｑ４に発生し、制御モジュール２１は、４つのゲート電圧Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８をそれぞれＩＧＢＴのＱ５〜Ｑ８に発生する。制御モジュール２０および２１の各々は、１対の電流センサ２３および２４の１つからの入力信号を用いて、直接フィード・フォワード電流制御を実施する。センサ２３および２４は、それぞれのＬ_ｘおよびＬ_ｙコイルにおける実際の電流を表す信号を生成する。また、双方のモジュールは、Ｌ_ｘおよびＬ_ｙの各々に供給される最大電流を表す既選択電流値Ｉ_ｓｅｔ、ならびに各コイルを繰り返し付勢および消勢する頻度を表す既選択時間期間Ｔ_ｓｅｔも用いる。既選択電流値Ｉ_ｓｅｔは、Ｌ_ｘおよびＬ_ｙコイルに供給されるエネルギ量を効果的に制御して、プラスチック部品Ｐ_１およびＰ_２の係合面の所望の溶融レベルを、これらの部品の振動溶接の間維持する。既選択時間期間Ｔ_ｓｅｔは、電磁石Ｌ_ｘおよびＬ_ｙの連続付勢および消勢の各サイクルの期間を効果的に制御して、プラスチック部品Ｐ_１およびＰ_２の振動溶接の間、これらの部品に最大のエネルギが送られるように、振動溶接装置の機械的部分の共振周波数を一致させる(match)。

Ｌ _ｘコイルを流れる電流は、電流センサ２３によって監視される。電流センサ２３は、この電流の瞬時的な大きさを表す出力信号Ｉ_ｘを生成する。同様に、Ｌ_ｙコイルを通過する電流は、電流センサ２４によって監視される。電流センサ２４は、この電流の瞬時的な大きさを表す出力信号Ｉ_ｙを生成する。制御モジュール２０および２１は、信号Ｉ_ｘおよびＩ_ｙをそれぞれ既設定値Ｉ_ｓｅｔと比較する。図２は、ＩＧＢのＱ１〜Ｑ４をオンおよびオフにする制御信号を発生するために、信号Ｉ_ｘおよびＩ_ｙがモジュール２０によってどのように用いられるのかを示すタイミング図である。

図２において、上側の図はＬ_ｘコイルにおける電流の流れを表し、下側の図はＬ_ｙコイルにおける電流の流れを表す。１回の完全なサイクルは、時点ｔ_０から時点ｔ_４に及ぶ。この図示した例では、Ｌ_ｘコイルの付勢は、制御モジュール２０がＩＧＢＴ ＱをオンにしＩＧＢＴ Ｑ２をオフにする制御信号を発生するときである、時点ｔ_０において開始する。直前のサイクルから、ＩＧＢＴ Ｑ３はオフのままであり、ＩＧＢＴ Ｑ４はオンのままである。図５Ａに示すように、４つのＩＧＢＴのＱ１〜Ｑ４に対するこの状態の組み合わせが、電流を電源＋Ｖ_ｐからＬ_ｘコイルに通過させて、時点ｔ_０におけるゼロから時点ｔ_１における既選択値Ｉ_ｓｅｔまで増大させる。ｔ_０およびｔ_１間の時間間隔の長さは、Ｉ_ｘがレベルＩ_ｓｅｔに達するときによって決定され、制御モジュール２０において連続的にＩ_ｘを既選択値Ｉ_ｓｅｔと比較することによって検出される。

時点ｔ_１においてＩ_ｘがＩ_ｓｅｔに達すると、制御モジュール２０は、ＩＧＢＴ Ｑ１をオフにしＩＧＢＴ Ｑ２をオンにする制御信号を発生するので、Ｌ_ｘコイルにおける電流レベルをそれ以上増大させることはできない。ＩＢＧＴ Ｑ３はオフのままであり、ＩＧＢＴ Ｑ４はオンのままである。図５Ｂに示すように、４つのＩＧＢＴ Ｑ１〜Ｑ４に対するこの状態の組み合わせは、Ｌ_ｘコイルに印加される電圧をゼロに低下させ、Ｌ_ｘコイルにおける電流を、時点ｔ_２まで、Ｉ_ｓｅｔのレベルでＩＧＢＴのＱ２およびＱ４を通じてＬ_ｘコイルに流れ続けさせる。

ｔ _１およびｔ_２間の時間間隔の長さは、モジュール２２の中にあるメモリに格納されている既選択値１／２Ｔ_ｓｅｔによって決定される。モジュール２２は、更に、ｔ_０後の経過時間を測定するマイクロプロセッサも含む。この経過時間が１／２Ｔ_ｓｅｔに等しくなったとき、マイクロプロセッサは、ＩＧＢＴ Ｑ３をオンにしＩＧＢＴ Ｑ４をオフにする制御信号を発生する。ＩＧＢＴ Ｑ１はオフのままであり、ＩＧＢＴ Ｑ２はオンのままである。図５Ｃに示すように、ＩＧＢＴのＱ１〜Ｑ４に対するこの状態の組み合わせは、逆電圧−Ｖ_ｐをＬ_ｘコイルに印加し、電源−Ｖ_ｐからＬ_ｘコイルにＩＧＢＴのＱ３およびＱ２を通じて電流を通過させ、時点ｔ_２におけるＩ_ｓｅｔから時点ｔ_３におけるゼロに減少させる。ｔ_２およびｔ_３間における時間間隔の長さは、Ｉ_ｘが０に達するときによって決定され、制御モジュール２０においてＩ_ｘをゼロ基準値と連続的に比較することによって検出される。

Ｉ _ｘがゼロに達すると、制御モジュール２０は、ＩＧＢＴ Ｑ３をオフにしＩＧＢＴＱ４をオンにする制御信号を時点ｔ_３において発生し、Ｌ_ｘコイルにおけるゼロ電流状態を維持する。ＩＧＢＴ Ｑ１はオフのままであり、ＩＧＢＴ Ｑ２はオンのままである。図５Ｄに示すように、４つのＩＧＢＴに対するＱ１〜Ｑ４のこの状態の組み合わせは、Ｌ_ｘコイルに印加される電圧をゼロに低下させ、時点ｔ_４までＬ_ｘコイルにおいてゼロ電流状態を維持する。時点ｔ_４は、次のサイクルが開始するときである。

図２および図３において見られるように、ｔ_２およびｔ_３間における時間間隔の長さは、ｔ_０およびｔ_１間における時間間隔とほぼ同じである。何故なら、電流の変化、即ち、Ｉ_ｓｅｔおよびゼロの間の差は、双方の間隔において同じであるからである。ｔ_３およびｔ_４間における時間間隔の長さは、モジュール２２の中にあるメモリに格納されている既選択値Ｔ_ｓｅｔによって決定される。モジュール２２は、ｔ_０後の経過時間を測定するマイクロプロセッサも含む。この経過時間がＴ_ｓｅｔに等しくなったとき、マイクロプロセッサは、次のサイクルを開始するために、ＩＧＢＴ Ｑ１をオンにしＩＧＢＴ Ｑ３をオフにする制御信号を発生する。

図２における下側の図は、Ｌ_ｙコイルにおける電流の流れを表す。１つの完全なサイクルは、時点ｔ_０から時点ｔ_４に及ぶ。この図示した例では、Ｌ_ｙコイルの消勢は、制御モジュール２０がＩＧＢＴ Ｑ７をオンにしＩＧＢＴ Ｑ８をオフにする制御信号を発生するときである、時点ｔ_０において開始する。直前のサイクルから、ＩＧＢＴ Ｑ５はオフのままであり、ＩＧＢＴ Ｑ６はオンのままである。４つのＩＧＢＴのＱ５〜Ｑ８に対するこの状態の組み合わせでは、逆電圧−Ｖ_ｐがＬ_ｙコイルに印加され、これによって、ＩＧＢＴのＱ６およびＱ７を通じてＬ_ｙコイルに流れる電流が減少する。

Ｌ _ｙコイルにおける電流がゼロに減少すると、制御モジュール２０においてＩ_ｙをゼロ基準値と連続的に比較することによって検出され、制御モジュールは、ＩＧＢＴ Ｑ７をオフにしＩＧＢＴ Ｑ８をオンにする制御信号を時点ｔ_１において発生する。ＩＧＢＴ Ｑ５はオフのままであり、ＩＧＢＴ Ｑ６はオンのままである。ＩＧＢＴＱ５〜Ｑ８に対するこの状態の組み合わせにより、Ｌ_ｙコイルに印加される電流がゼロに減少し、時点ｔ_２までＬ_ｙコイルにおいてゼロ電流状態が維持される。

ｔ _１およびｔ_２間における時間間隔の長さは、モジュール２２の中にあるメモリに格納されている既選択値１／２Ｔ_ｓｅｔによって決定される。また、モジュール２２は、ｔ_０後の経過時間を測定するマイクロプロセッサも含む。経過時間が１／２Ｔ_ｓｅｔに等しくなったとき、マイクロプロセッサは、ＩＧＢＴ Ｑ５をオンにしＩＧＢＴ Ｑ６をオフにする制御信号を発生する。ＩＧＢＴ Ｑ７はオフのままであり、ＩＧＢＴ Ｑ８はオンのままである。ＩＧＢＴのＱ５〜Ｑ８に対するこの状態の組み合わせにより、電圧＋Ｖ_ｐがＬ_ｙコイルに印加され、これによって、ＩＧＢＴのＱ５およびＱ８を通じてＬ_ｙコイルに流れる電流が、時点ｔ_２におけるゼロから時点ｔ_３におけるＩ_ｓｅｔに増大する。ｔ_２およびｔ_３間における時間間隔の長さは、Ｉ_ｙがレベルＩ_ｓｅｔに達したときによって決定され、制御モジュール２０においてＩ_ｙを既選択値Ｉ_ｓｅｔと連続的に比較することによって検出される。

時点ｔ_３においてＩ_ｙがＩ_ｓｅｔに達すると、制御モジュールは、ＩＧＢＴ Ｑ７をオフにしＩＧＢＴ Ｑ８をオンにする制御信号を発生するので、Ｌ_ｙコイルにおける電流レベルをそれ以上増大させることはできない。ＩＧＢＴ Ｑ５はオフのままであり、ＩＧＢＴ Ｑ６はオンのままである。ＩＧＢＴのＱ５〜Ｑ８に対するこの状態の組み合わせにより、Ｌ_ｙコイルにおける電流は、時点ｔ_４まで、Ｉ_ｓｅｔのレベルでＩＧＢＴのＱ６およびＱ８を通じてＬ_ｙコイルに流れ続ける。

ｔ _３およびｔ_４間における時間間隔の長さは、モジュール２２の中にあるメモリに格納されている既選択値Ｔ_ｓｅｔによって決定される。また、モジュール２２は、ｔ_０後の経過時間を測定するマイクロプロセッサも含む。この経過時間がＴ_ｓｅｔと等しくなったとき、マイクロプロセッサは、次のサイクルを開始するために、ＩＧＢＴ Ｑ５をオンにしＩＧＢＴ Ｑ６をオフにする制御信号を発生する。

図３は、電磁石１０または１１の内の１つのコイルに供給される駆動電流の１周期を拡大したタイミング図である。２つの電磁石に供給される駆動電流は、互いに１８０°位相がずれていることを除いて、同一である。

Ｌ _ｘおよびＬ_ｙコイルの各々の両端にかかる電圧Ｖは、以下の式で表すことができる。

ここで、
Ｖは電磁石のコイルの両端にかかる電圧である。
Ｒは電磁石のコイルの等価直列抵抗である。
Ｌは電磁石のコイルの等価インダクタンスである。
ｉは電磁石のコイルにおける電流である。
電磁石の物理的なサイズが大きいために、Ｌ_ｘコイルまたはＬ_ｙコイルのいずれの等価直列抵抗も、コイルの等価インダクタンスと比較すると、無視できる程小さいと見なすことができる。したがって、式（１）を次のように近似することができる。

ｄｉをΔｉと置換し、ｄｔをΔｔと置換して、Δｉについて解くと、次の式が得られる。

式（３）によれば、ｔ_０およびｔ_１間における時間間隔は、Ｌ_ｘコイルを通過しΔｉ＝（Ｉ_ｓｅｔ−０）だけ線形に増大する電流、電圧Ｖ_ｐ、およびＬ_ｘコイルのインダクタンスによって決定される。式（３）から、ｖ＝０であれば、Δｉ＝０となる。つまり、コイルを通過する電流は変化せず、Ｖ＝０である限り、実質的に一定の値に留まる。

このサイクルの周期は、ｔ_０およびｔ_４間における時間間隔Ｔ_ｓｅｔによって正確に定義され、一方電流波形の形状は、Ｉ_ｓｅｔ値によって定義される、フィード・フォワード電流制御によって定義されることがわかる。例えば、図４は、Ｉ_ｓｅｔおよび１／２Ｔ_ｓｅｔについて電流波形の形状を示す。１／２Ｔ_ｓｅｔについては、時間間隔（ｔ_０−ｔ_１）および（ｔ_２−ｔ_３）は、図２および図３における同じ間隔の約１／２に縮小するが、間隔（ｔ_１−ｔ_２）および（ｔ_３−ｔ_４）が延長するので周期Ｔ_ｓｅｔ全体は同じままである。

図示したシステムは、対称四相駆動を設け、各制御エレメントに等しく負荷がかかり、いずれの制御エレメントにも他の制御エレメントよりも多い応力が電気的にかかることはない。電磁石制御のタイミング図は、要求エネルギ・レベルの関数として変化するが、付勢および消勢サイクルの全体的な頻度は、設定された頻度レベルで維持される。ＩＧＢＴ制御モジュール２０および２１は、直接フィード・フォワード電流制御を実施する。これは、電磁石に供給される電流の高速で、直接的で、その上動的に精度が高い制御を行い、これによって加工物への溶接エネルギの高精度な配信が可能になる。１つのＩＧＢＴに対するフィード・フォワード制御の構造を図６に示す。

各段階の開始時において、信号ＳＴＡＲＴがフィリップ・フロップ６２の出力を高電圧レベルに設定する。ＩＧＢＴ Ｑ１は導通状態に切り替わり、Ｌ_ｘコイルにおける電流は徐々に増大する。電流がＩ_ｆｂに達すると、比較器６１がフリップ・フロップをリセットし（信号ＳＴＯＰ）、これによってＩＧＢＴ Ｑ１をオフにする。この構成によって、各充電−放電期間内において所望の電流値Ｉ_ｓｅｔを直接設定することが可能になる。

図１の第２固定プラスチック部品Ｐ_２は、油圧シリンダ２８によって係合され、油圧シリンダ２８は溶接プロセス・リアルタイム・コントローラ２５によって制御される。コントローラ２５は、直線位置センサ２６および圧力センサ２７からの値を繰り返しサンプリングする。直線位置センサ２６からのサンプリング値は、プラスチック部品Ｐ_２のプラスチック部品Ｐ_１に対する位置を示す。圧力センサ２７からのサンプリング値は、プラスチック部品Ｐ_１およびＰ_２間における圧力を示す。この圧力が設定点に達すると、溶接プロセスが開始する。

圧力センサおよび直線位置センサからの値がサンプリングされ、これらの値は、２つの係合部品間の圧力および第２加工物の位置を正確に監視するため、そしてドライブの位置および圧力を制御するために、ドライブの内部リアルタイム制御回路によって用いることができる。内部リアルタイム制御回路の応答時間は非常に短く（通例５μｓから５０μｓ）、したがって溶接プロセスの再現性および精度を大幅に向上させる。

また、図１に示したシステムは、振動センサ２９も含む。振動センサ２９は、移動エレメント１２の振動を検出する誘導型センサ、または他のいずれかのセンサとすることができる。センサ２９の移動部品は、移動エレメント１２としっかりとリンクされているので、センサ２９のコイルにおけるＡＣ ＥＭＦがエレメント１２の移動の振幅および頻度を反映する。センサ２９の出力は、システム周波数インターフェース・モジュール２２によってサンプリングされ、一方、システム周波数インターフェース・モジュール２２は、制御モジュール２０および２１に受け渡される値Ｔ_ｓｅｔを定める。

また、図示したシステムは、溶接サイクルにわたって溶接継手に印加される実際の電力量を制御することによって、溶接動作の電力分析(profiling)も行うことができる。これによって、溶接プロセスおよび溶接継手の品質双方の高精度の制御が可能になる。溶接継手に印加される電力Ｐは、コイルＬ_ｘおよびＬ_ｙに供給される電圧Ｖおよび電流Ｉ双方の関数である。即ち、Ｐ＝Ｖ×Ｉとなる。電流Ｉは、前述したＩ_ｓｅｔの値によって制御され、予め設定されたプロファイルにしたがって、溶接サイクルにわたってこの値を変化させることができる。コイルＬ_ｘおよびＬ_ｙに印加される電圧は、駆動システムに供給される電圧Ｖ_ｐの値によって制御され、この値も、図６に示す閉ループ電流制御システムのような閉ループ電圧制御システムを用いることによって、予め設定されたプロファイルにしたがって、溶接サイクルにわたって変化させることができる。電流Ｉおよび／または電圧Ｖを制御することによって、溶接継手に配信される電力を、各溶接サイクルにわたって正確に制御して、所望の電力プロファイルを達成することができる。あるいは、予め設定された電力プロファイルに追従することを要求されるＰ＝Ｖ＊Ｉの変化を達成するために、油圧シリンダ２８によって加工物に加えられる力を調節することによって、所望の電力プロファイルを達成することもできる。

溶接装置のＱファクタは、そのばね、コイル、積層担体(lamination carrier)、駆動および実際の上部工具(upper tooling)の品質の関数である。ばね、コイル、積層担体、およびドライブは、かなり正確な再現性および厳格な許容度を有するが（何故なら、これらは機械間で共有されている標準的な構成部品であるからである）、上部工具は溶接される部品毎に唯一である。したがって、工具の設計および製造の品質は、溶接装置全体の性能に大きな影響を及ぼす可能性がある。振動溶接装置のＱファクタに典型的な値は、１００および１６０の間である。この値が大きい程、構築されるシステムは優れており、少ない損失で効率的に動作し、信頼性も高い。この値は、工場検査の間に測定され機械コントローラに格納される。機械は経年変化するので、Ｑを監視し元の値と比較する。その減少は、工具および機械劣化の早期警告として役立つことができる。また、これはトラブルシューティングの目的にも有益である。ユーザは、このような発生を警告するために、Ｑ値付近に制限を設定することができる。ユーザが工具を交換する場合、新たなＱ値を計算する。また、一旦新たな工具を検査したなら、この機構は、工具の品質の定量的尺度としても用いることができる。

機械的部品の共振周波数を決定するために、図１におけるシステム周波数インターフェース・モジュール２２は、「ピング」方法を用いる。この方法は、システム周波数インターフェース・モジュール２２が「ピング」イネーブル・パルス（図７参照）を発生したときに開始する。「ピング」イネーブル・パルスは、制御モジュール２０および２１が、既選択の初期周波数で短い時間期間（通例５０ｍｓおよび２００ｍｓの間であり、動作周波数の約１０から４０サイクルに対応する）コイルＸおよびＹを活性化することを可能にする。次いで、制御モジュール２０および２１をディスエーブルする。機械的部品は、音響音叉と同様に、その共振周波数で減衰発振(damped oscillation)を続ける。誘導型センサ２９の出力をサンプリングすることによって、発振の周波数Ｆ_ｏｓｃをシステム周波数インターフェース・モジュール２２によって測定する。測定を多数のサイクルにわたって行い、多数の周期の平均を取り、こうして高い測定精度を得る。次いで、この周波数Ｆ_ｏｓｃは、次の「ピング」サイクルにおいて用いられる。

「ピング」周波数の測定は、溶接装置のスループットに影響を与えないように、溶接サイクルの間に行われる。測定された共振周波数Ｆ_ｏｓｃを、システム周波数インターフェース・モジュール２２のメモリに格納し、傾向報告を作成する。この報告は、温度変化または他の要因が原因で発生する周波数変動を追跡するために利用される。加えて、各測定の後、新たな周期Ｔ_ｓｅｔを次のように計算する。

Ｔ_ｓｅｔ＝１/Ｆ_ｏｓｃ （４）
そして、制御モジュール２０および２１に受け渡す。

可動機械系のＱファクタを次のように測定する。
Ｑ＝Ｆ_ｏｓｃ（ｔ_ｂ−ｔ_ａ） （５）
ここで、
Ｑは、システムＱ（品質）ファクタである。
ｔ_ａは、「ピング」信号が終わった後の最大振幅の時点である（図７）。
ｔ_ｂは、振幅が半分に減少したときの時点である（図７）。
Ｆ_ｏｓｃは、測定された周波数である。

以上、本発明の特定の実施形態および用途について図示し説明したが、本発明は、本明細書において開示した構造および組成そのものに限定されるのではなく、種々の修正、変更、および変形は、添付した特許請求の範囲において定義される発明の主旨および範囲から逸脱することなく、以上の説明から明白であると考えられることは言うまでもない。

１０、１１ ロータ
１２ 移動エレメント
２０、２１ Ｉ_ｘおよびＩ_ｙ制御モジュール
２８ 油圧シリンダ
２２ システム周波数インターフェース・モジュール
２３、２４ 電流センサ
６１ 比較器
６２ フリップ・フロップ
Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ 固定電磁石
Ｐ_１ プラスチック
Ｐ_２ 固定プラスチック部品
Ｖ_ｐ 電源
Ｑ１〜Ｑ４、Ｑ５〜Ｑ８ ＩＧＢＴ

Claims (15)

1. 第１加工物の第２加工物に対する往復運動を行いつつ、前記加工物同士を互いに推し進めることによって、前記第１および第２加工物を溶接する振動溶接装置であって、
   第１および第２加工物支持部であって、前記第１加工物支持部が前記第２加工物支持部に対して往復移動可能に取り付けられている、第１および第２加工物支持部と、
   前記第１加工物支持部に結合され、前記第１加工物支持部の往復移動を行うための１対の電磁石と、
   前記電磁石に結合され、前記第１加工物支持部の前記往復移動を行うために、前記電磁石を互いに位相ずれで連続的に付勢および消勢する電気駆動システムと、
   を備えており、前記電気駆動システムが、
   ＤＣ電流源と、
   前記ＤＣ電流源を前記電磁石の各々に制御可能に結合し、前記ＤＣ電流源を前記電磁石の各々から制御可能に切断する多数の制御可能電子スイッチング・デバイスであって、前記制御可能電子スイッチング・デバイスの第１および第２が前記ＤＣ電流源と駆動コイルの第１端との間に接続され、前記制御可能電子スイッチング・デバイスの第３および第４が前記ＤＣ電流源と前記駆動コイルの第２端との間に接続されている、制御可能電子スイッチング・デバイスと、
   前記電磁石に結合され、前記電磁石に供給される電流を表す信号を生成する電流センサと、
   前記電子スイッチング・デバイスに結合され、前記電流センサが生成した信号を受け取り、前記電磁石の付勢および消勢を制御して前記第１加工物支持部の往復移動を行うために、前記スイッチング・デバイスをオンおよびオフにする制御回路であって、前記制御回路が、前記駆動コイルへ供給される電流を既設定レベルまで増大させて第１既設定時間間隔の間前記電流を前記既設定レベルに維持し、次いで、前記電流をゼロに低下させて第２既設定時間間隔の間前記ゼロレベルを維持するように、前記第１、第２、第３、および第４スイッチング・デバイスを制御し、第１の前記電磁石の駆動コイルに供給される電流が、第２の前記電磁石の駆動コイルに供給される電流に対して１８０°位相がずれている、制御回路と、
   を備えている、振動溶接システム。
2. 請求項１記載の振動溶接システムにおいて、前記第１加工物支持部が、振動の共振周波数を有する可動機械系の一部であり、前記制御回路が、前記電磁石の各々を付勢および消勢する各連続サイクルに対して、既選択時間間隔を維持するようにプログラムされており、この既選択時間間隔が、前記可動機械系の前記共振周波数に対応する、振動溶接システム。
3. 請求項１記載の振動溶接システムにおいて、前記制御回路が、前記電流センサによって生成された前記信号を、既設定電流レベルと比較し、前記電磁石に供給される電流を制御することによって、前記電磁石に、したがって、前記加工物に供給されるエネルギ量を制御するように構成されている、振動溶接システム。
4. 請求項３記載の振動溶接システムにおいて、前記制御回路が、既設定電流レベルＩ_ｓｅｔが検出されるまで、各電磁石に供給される電流を増大するように構成されている、振動溶接システム。
5. 請求項３記載の振動溶接システムにおいて、溶接サイクルの間に前記加工物に配信されるエネルギ量についての既設定電力プロファイルに従うように、前記電磁石に、したがって、前記加工物に供給されるエネルギ量を調節するために、前記既設定電流レベルが前記溶接サイクルの間に調節される、振動溶接システム。
6. 請求項５記載の振動溶接システムにおいて、溶接サイクルの間に前記加工物に配信されるエネルギ量についての既設定電力プロファイルに従うようするために、前記電磁石に、したがって、前記加工物に供給されるエネルギ量を調節するように、前記溶接サイクルの間において前記電磁石の両端にかかる電圧が制御される、振動溶接システム。
7. 請求項５記載の振動溶接システムにおいて、前記電磁石に供給される電流Ｉおよび電圧Ｖが、溶接サイクルの間に前記加工物に配信される電力量Ｐについての既設定プロファイルに従う電力Ｐ＝Ｖ＊Ｉを、前記加工物に供給するように、前記溶接サイクルの間に制御される、振動溶接システム。
8. 請求項１記載の振動溶接システムであって、前記第１および第２加工物の間における圧力、および前記第２加工物の直線位置を監視するセンサを含む、振動溶接システム。
9. 請求項１記載の振動溶接システムであって、前記２つの加工物同士を互いに推し進める油圧シリンダと、前記加工物間における圧力を検出する圧力センサとを含み、前記油圧シリンダの移動が、前記圧力センサによる既選択圧力の検出に応答して開始される、振動溶接システム。
10. 請求項２記載の振動溶接システムであって、当該振動溶接システムの機械部分の振動を検出し、前記機械部分の共振周波数を測定するときに用いるための出力信号を生成する振動センサを含み、前記制御回路が、前記可動機械系のＱを決定するように構成されており、
    前記制御回路が、前記電磁石の各々を付勢および消勢する各連続サイクルに対して既選択時間間隔を維持するように構成されており、前記既選択時間間隔が、前記可動機械系の前記共振周波数に対応する、振動溶接システム。
11. 第１加工物の第２加工物に対する往復運動を行いつつ、前記加工物同士を互いに推し進めることによって、前記第１および第２加工物を溶接する振動溶接方法であって、
    第２加工物支持部に対する往復移動を可能にするように、第１加工物支持部を取り付けるステップと、
    前記第１加工物支持部に結合されている１対の電磁石によって、前記第１加工物支持部の往復移動を行うステップと、
    前記第１加工物支持部の前記往復移動を行うために、前記電磁石を互いに位相外れで連続的に付勢および消勢するステップであって、
    ＤＣ電流源を前記電磁石の各々に制御可能に結合し、そして制御可能に切断し、
    前記電磁石に供給される電流を表す信号を生成し、
    前記電流を表す前記信号を用いて、前記第１加工物支持部の往復移動を行うために、前記電磁石の付勢および消勢を制御する、
    ことによって、付勢および消勢を行うステップと、
    を備え、
    前記電磁石の付勢および消勢の制御を、駆動コイルへ供給される電流を既設定レベルまで増大させて第１既設定時間間隔の間前記電流を前記既設定レベルに維持し、次いで、前記電流をゼロに低下させて第２既設定時間間隔の間前記ゼロレベルを維持することによって行い、第１の前記電磁石の駆動コイルに供給される電流が、第２の前記電磁石の駆動コイルに供給される電流に対して１８０°位相がずれている、
    振動溶接方法。
12. 請求項１１記載の振動溶接方法において、前記第１加工物支持部が、振動の共振周波数を有する可動機械系の一部であり、前記制御回路が、前記電磁石の各々を付勢および消勢する各連続サイクルに対して、既選択時間間隔を維持するようにプログラムされており、前記既選択時間間隔が、前記可動機械系の前記共振周波数に対応する、振動溶接方法。
13. 請求項１１記載の振動溶接方法において、前記第１加工物支持部が、振動の共振周波数を有する可動機械系の一部であり、前記方法が、前記可動機械系のＱを決定するステップを含む、振動溶接方法。
14. 請求項１３記載の振動溶接方法であって、前記可動機械系を評価するためまたはそのトラブルシューティングを行うために、前記可動機械系の前記Ｑを設定制限値と比較するステップを含む、振動溶接方法。
15. 請求項１３記載の振動溶接方法において、前記可動機械系を発振信号でピングし、次いで前記系の周波数を、前記発振信号の終了後のリング・ダウンの間に測定し、前記発振信号の終了と前記リング・ダウンの振幅がその初期値の半分に減少したときとの間の時間間隔を測定することによって、前記可動機械系の前記Ｑを決定する、振動溶接方法。

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