JP6121520B2 - 摩擦攪拌作業のプロセス制御のための作用力調節 - Google Patents
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Description
本出願は、Kenneth Alec Ross及びCarl D.Sorensenによる米国特許仮出願第61/618,266号(名称「TORQUE MODULATION FOR PROCESS CONTROL OF FRICTION STIR PROCESSING」、2012年3月30日出願)、並びにKenneth A.Rossらによる同第61/769,920号(2013年2月27日出願、名称「EFFORT MODULATION FOR PROCESS CONTROL OF FRICTION STIR PROCESSING」)に対する優先権を主張するものである。上記の出願のそれぞれの全容を本明細書に参照により援用するものとする。
本発明は一般的には、摩擦攪拌溶接(FSW)、摩擦攪拌加工(FSP)、摩擦攪拌混合(FSM)、摩擦表面処理、摩擦充填接合、摩擦攪拌成形、摩擦押出成形、及び摩擦攪拌スポット溶接(FSSW)(以下、これらをまとめて「摩擦攪拌作業」と呼ぶ)に関する。より詳細には、本発明は、摩擦攪拌作業の制御性を向上させるための作用力(例えばトルク)の制御を利用した制御アルゴリズムの使用に関する。
P=ωM 式(1)
式中、Pはパワー、ωはラジアン/秒で表したスピンドル速度、Mはトルクである。スピンドル速度の調節によるパワー制御は、トルクフィードバック及び式(1)を用いて所望のパワーを発生させるために必要とされるスピンドル速度について解くものである。図4には、スピンドル速度の調節によるパワー制御のブロック図が示されており、図中、M(フィルタリング)は、報告されるトルクのフィルタリングされた値である。この制御スキームは、それぞれのPLC時間ステップの間にトルクが一定であると仮定している。スルーリミットは、スピンドルの最大加速度を規定する。スルーリミットを用いることで、トルクフィードバックのノイズによってシステムが不安定となることが防止される。スルーリミットの設定が高すぎると、システムはトルクフィードバックのノイズを増幅して不安定となる。
R=D(spn)/D(mtr) 式(3)
ギア比Rは、2.5の値を有している。
RM(mtr)=M(spn)+M(b)+Jω(spn) 式(4)
M(mtr_eff),=RM(mtr) 式(5)
M(mtr_eff)=M(spn)+M(b)+Jω(spn) 式(6)
ω(spn)=M(spn)/B 式(7)
ただし、J、M(b)、及びBは定数である。
Claims (18)
- 摩擦攪拌領域への、摩擦攪拌ツールのフロー変数を検出することと、
前記摩擦攪拌ツールにより前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを、能動コントローラを使用して調節することによって、前記摩擦攪拌領域の温度を制御することと、を含み、
前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御することが、前記検出されたフロー変数フィードバックに応じて前記摩擦攪拌ツールを駆動するために使用されるスピンドルドライバの出力作用力変数を制御することによって行われる、方法。 - 前記能動コントローラを使用して前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを調節することが、多段階ネステッド制御ループを実行することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記多段階ネステッド制御ループを実行することが、
1)内側制御ループを実行し、これにより前記摩擦攪拌ツールの前記フロー変数の検出及び前記スピンドルドライバの出力作用力変数の制御によって所望のパワー入力レベルを維持することと、
2)提供される前記パワーを調節する外側制御ループを実行し、これにより前記摩擦攪拌領域の所望の温度を維持することと、を更に含む、請求項2に記載の方法。 - 前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数を制御することが、前記スピンドルドライバへの入力フローを制御することを更に含む、請求項3に記載の方法。
- 前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数を制御することが、前記摩擦攪拌ツールのトルクを制御することを更に含む、請求項3に記載の方法。
- 前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御することが、前記摩擦攪拌ツールの前記フロー変数の変化に応じて前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数を制御することを含み、前記フロー変数は前記摩擦攪拌ツールの角速度を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御することが、スピンドルフロー変数フィードバックを使用することを含み、
パワー、前記作用変数、及び前記フロー変数は、P=e*fの関係にあり、Pは前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワー、eは前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数、fは前記摩擦攪拌ツールの前記フロー変数である請求項1に記載の方法。 - 前記スピンドルドライバの出力作用力の制御によって所望のパワー入力レベルを維持することが、前記スピンドルフロー変数の低下に応じて前記スピンドルドライバの出力作用力変数を増加させることを更に含む、請求項7に記載の方法。
- 前記スピンドルドライバの出力作用力の制御によって所望のパワー入力レベルを維持することが、前記スピンドルフロー変数の増加に応じて前記スピンドルドライバの出力作用力変数を減少させることを更に含む、請求項7に記載の方法。
- 提供されたパワーを調節することによって、前記摩擦攪拌領域を所望の温度に維持することが、基準パワーレベルを内側制御ループで調節することを含む、請求項4に記載の方法。
- 摩擦攪拌ツールと、
前記摩擦攪拌ツールに連結されたスピンドルと、
前記スピンドルに連結され、これによって前記摩擦攪拌ツールを回転させるスピンドルドライバと、
前記摩擦攪拌ツールのフロー変数を検出するセンサと、
前記摩擦攪拌ツールの動作を制御するための能動コントローラと、を含み、
前記能動コントローラが、前記摩擦攪拌ツールによって摩擦攪拌領域に提供されるパワーを調節することによって前記摩擦攪拌領域の温度を制御し、前記能動コントローラは、前記検出されたフロー変数フィードバックに応じて、前記摩擦攪拌ツールを駆動するために使用される前記スピンドルドライバの出力作用力変数を制御することによって、摩擦攪拌作業中に前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御するよう構成されている、摩擦攪拌システム。 - 前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを調節するために前記能動コントローラを使用することが、多段階ネステッド制御ループを実行することを更に含む、請求項11に記載のシステム。
- 前記多段階ネステッド制御ループを実行することが、
1)内側制御ループを実行し、これにより前記摩擦攪拌ツールの前記フロー変数の検出及び前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数の制御によって前記所望のパワー入力レベルを維持することと、
2)提供された前記パワーを調節し、これによって前記摩擦攪拌領域の所望の温度を維持する外側制御ループを実行することと、を含む、請求項12に記載のシステム。 - 前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数を制御することが、前記スピンドルドライバへの入力フローを制御することを更に含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数を制御することが、前記摩擦攪拌ツールのトルクを制御することを更に含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御することが、前記摩擦攪拌ツールの前記フロー変数の変化に応じて前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数を制御することを含み、前記フロー変数は前記摩擦攪拌ツールの角速度を含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御することが、スピンドルフロー変数フィードバックを使用することを含み、
パワー、前記作用変数、及び前記フロー変数は、P=e*fの関係にあり、Pは前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワー、eは前記スピンドルドライバの前記出力作用力変数、fは前記摩擦攪拌ツールの前記フロー変数である、請求項11に記載のシステム。 - 摩擦攪拌領域への摩擦攪拌ツールの動作を制御する能動コントローラであって、
前記摩擦攪拌ツールのスピンドルドライバのトルクを制御するために、検出された前記摩擦攪拌ツールの角速度を使用して、前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御する内側制御ループであって、パワー、前記トルク、及び前記角速度は、P=co*Mの関係にあり、Pは前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供されるパワー、Mは前記スピンドルドライバの前記トルク、coは前記摩擦攪拌ツールの前記角速度である内側制御ループと、
前記摩擦攪拌ツールによって前記摩擦攪拌領域に提供される前記パワーを調節するために検出された温度を使用して前記摩擦攪拌領域の所望の温度を維持する外側制御ループと、
を備える、能動コントローラ。
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