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

Description

（関連出願の相互参照）
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。

（発明の分野）
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。

摩擦攪拌溶接は、金属及び金属合金を溶接するために開発された技術である。ＦＳＷプロセスでは、接合部の両側の２つの隣接する被加工材料を回転する攪拌ピンによって接合する。力を加えてピンと被加工物とを互いに押圧すると、ピン、肩部、及び被加工物間の相互作用により発生する摩擦熱によって接合部の両側の材料が可塑化する。ピンと肩部との組み合わせ、すなわち「ＦＳＷチップ」が接合部に沿って横方向に移動されると、チップが前進するにつれて材料が可塑化し、前進するＦＳＷチップが通った跡に残された可塑化材料が冷えて溶接部を形成する。ＦＳＷチップは、ＦＳＰによって別の材料を加工するために、ピンがなく、肩部のみを有するツールである場合もある。

図１は、シャンク８、肩部１２、及び肩部から外側に延びるピン１４を有する概ね円柱状のツール１０によって特徴付けられる、摩擦攪拌溶接に使用されるツールの斜視図である。ピン１４は、充分な熱が発生するまで被加工物１６に接触した状態で回転させられ、十分な熱が発生した時点で可塑化被加工材料内にツールのピンが押し込まれる。一般的には、ピン１４は被加工物内へのそれ以上の貫通を防止する肩部１２に達するまで被加工物１６内に押し込まれる。被加工物１６はしばしば、接合線１８において互いに隣接した２枚の材料シート又は材料プレートである。この例では、ピン１４は、接合線１８において被加工物１６内に押し込まれている。

図２は、一般的なツール１０の断面図であるが、これを限定的なものとしてみなすべきではない。つば部３２はシャンク８及びＦＳＷチップ２４の両方を把持している状態で示されており、ＦＳＷチップは肩部１２と、ピン１４と、で構成される。ツール１０が回転させられるとトルク（すなわち作用力）が回転するシャンク８からつば部２２に、次いでＦＳＷチップ２４へと伝達する。

図１を参照すると、被加工材料１６に接触した状態でのピン１４の回転運動によって発生する摩擦熱により、被加工材料は融点に達することなく軟化する。ツール１０が接合線１８に沿って横方向に移動することにより、可塑化材料がピン１４の周囲で前縁から後縁へと流動し、溶接部が形成される。その結果、接合線１８において固相接着部２０が形成されるが、固相接着部２０は他の従来の技術を用いた溶接とは対照的に、接着部が被加工材料１６自体とほとんど見分けがつかない場合がある。固相接着部２０は、生じる混合のために元の被加工材料１６よりも優れている可能性もある。更に、被加工物が異なる材料で構成されている場合、得られる混合材料も元の２つの被加工材料よりも優れている場合がある。

肩部１２が被加工物の表面と接触する際、その回転によって更なる摩擦熱が発生し、これにより挿入されたピン１４の周囲のより大きな円柱状部分が可塑化することが観察されている。肩部１２は、回転するツールピン１４によって生じる上向きの金属流を封じ込める鍛造力を与える。

摩擦攪拌溶接では、溶接する領域及びツール１０は、ツールが所望の長さの溶接接合部に沿って横方向に移動するように互いに対して移動する。回転する摩擦攪拌溶接ツール１０は連続的な熱間加工動作を提供し、ツール１０が被加工材料１６に沿って横方向に移動するにつれて狭い領域内で金属を可塑化しつつ、金属をピン１４の前縁から後縁へと運ぶ。溶接領域が冷やされると、ツール１０の通過時には液体がいっさい生成されないために固化は通常起こらない。常にではないが、得られる溶接部は、欠陥のない、再結晶化した、溶接の領域内に形成される微粒子状の微小構造であることが多い。

摩擦攪拌ツールの移動速度は、行われる摩擦攪拌作業の特定のタイプ、その用途、及び加工される材料に応じて異なる。移動速度の例としては、回転速度２００〜３０００ｒｐｍで１ｍ／分超が挙げられる。これらの速度はあくまで例に過ぎず、本発明の動作を限定するものとしてみなすべきではない。到達温度は通常、固相線温度に近いがそれよりも低い温度である。摩擦攪拌溶接のパラメータは、材料の熱特性、高温流動応力、及び貫通深さに応じる。

摩擦攪拌溶接は、１）充填金属がない、２）プロセスの完全自動化が可能であり、要求される操作者の技術レベルが比較的低い、３）すべての加熱がツール／被加工物の界面で生じるためにエネルギー供給が効率的である、４）ＦＳＷの固相的性質及び極めて高い再現性のため、溶接後の検査が最小限で済む、５）ＦＳＷは界面の隙間に対して寛容であり、そのため溶接の前処理がほとんど要らない、６）通常、除去を要する溶接スパッタが発生しない、７）バリがほとんど又はまったく生じず、溶接後の表面仕上げが極めて滑らかとなりうる、８）孔形成及び酸素混入がないことが多い、９）周辺材料の歪みがほとんど又はまったくない、１０）有害な放出物が発生しないため、操作者の保護を必要としない、及び、１１）溶接特性が向上することが多いため、融接法よりも優れた利点がいくつかある。本明細書を通じて、摩擦攪拌作業とは、摩擦攪拌溶接、摩擦攪拌加工、摩擦攪拌スポット溶接、及び摩擦攪拌混合を含むがこれらに限定されない、摩擦攪拌ツールを使用して行うことができるすべてのプロセスを含むものとみなされる。

摩擦攪拌溶接では、プロセス領域、つまり摩擦攪拌領域の温度は得られる溶接の性質に影響し、ＰＣＢＮ（多結晶立方晶窒化ホウ素）ツールなどツールの寿命に大きく影響する。このツールの例は、限定的なものとしてみなすべきではない。溶接温度を制御するためにプロセスのパラメータを変化させる能動制御システムが望ましい。

溶接の長さ全体にわたって溶接温度を制御することは、破壊靱性及び耐腐食性といった溶接特性が溶接温度とともに変化することから重要な課題である。特定の特性が溶接全体を通じて望まれる場合、溶接温度は溶接の長さ全体を通じて調節可能であり、かつ制御される必要がある。

ＰＣＢＮツールの短いツール寿命は、鋼鉄及び他の軟化点の高い（又は融点の高い）材料における摩擦攪拌加工（ＦＳＰ）の用途を制限するものである。一部の温度の問題は破損を生じさせうることから、ツール温度を制御することによってＰＣＢＮツールのツール寿命を延ばすべきである。例えば、温度が低すぎると、ツール温度の低下にともなって増加する力によってツールに過剰な応力が作用する。これに対して、ツール温度が高すぎると、ＰＣＢＮツールは化学的摩耗によって早期に破損する。高い温度は、固定つば部にクリープを発生させる場合もあり、ＰＣＢＮインサートを回転させてしまう。このため、冷却時にインサートの角部に点応力が存在する恐れがあり、割れ及び破損につながりうる。

溶接温度を制御するための最初の試みでは受動制御技術を使用していた。研究者らによれば、溶接温度は、溶接ピッチ（スピンドル速度）／（移動速度）、又はスピンドル速度及び移動速度の関数である様々な「疑似熱指数」に比例していると考えられた。受動制御技術は、プロセスが自己制御性平衡条件に達したものと仮定している。

受動制御技術は、平衡条件が溶接の長さに沿って存在しない可能性があるために温度制御に適当ではない。溶接の長さに沿った温度変化の原因としては、ツール又は支持プレートの不十分な冷却、熱境界条件の変化、及び平衡に達するまでの時間不足が挙げられる。受動制御技術はプロセスの外乱について調節できないため、汎用性は高くない。

図３は、摩擦攪拌溶接機用の能動制御システムのブロック図である。摩擦攪拌溶接機はスピンドルに連結された摩擦攪拌溶接ツールを有しており、スピンドルはスピンドルモータに連結されている。摩擦攪拌溶接機は、摩擦攪拌溶接するための被加工物をクランプ締め又は支持するための表面も有している。摩擦攪拌溶接機は、能動制御システムによって制御することにより摩擦攪拌溶接を行うことができる。

図４は、従来技術が、スピンドルを制御してパワーを一定に維持する内側ループと、溶接温度に基づいて所望のパワーを設定するための外側ループと、を含む２段階制御モデルも教示することを示している。図４は、図３の内側ループの細部を示すブロック図である。

図３は、温度制御アルゴリズムを示しており、Ｔは温度、ωはスピンドル速度、Ｍはトルク、及びＰはパワーである。

図５は、図３及び図４からの攪拌領域の詳細図のブロック図として与えられる。装置は、スピンドルモータと攪拌領域との組み合わせである。外側ループでは、基準は所望の温度であり、制御量は温度であり、操作量はパワーである。内側ループでは、基準は指示パワーであり、制御量はパワーである。

図３に示される従来技術は、内側ループが一定パワーを維持するためにスピンドル速度を調節することを教示している。従来技術のこうした側面を理解することが本発明では重要である。内側ループの目的は、攪拌領域に提供される所望のパワーを維持することである。

パワーとスピンドル速度との間の関係は下式により与えられる。
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。

０．８３ＲＰＭ／秒のスルーレートでスピンドル速度を調節することによるパワー制御の結果を図６に示す。パワー制御が行われる場合、トルクは高く、ＲＰＭは低くなる。溶接が進むにしたがって、プレートが加熱及び軟化してトルクが低下する。トルクが低下するにつれてＲＰＭが増加することにより一定のパワーが保たれる。図に示されるように大きなパワースパイクは、溶接の全体を通じて持続する。パワースパイクは、指示ＲＰＭが得られるようにスピンドルモータがスピンドルを瞬時に加速しようとするために生じるものである。パワーを制御するためにスピンドル速度を調節すると、溶接を通じて大きなパワースパイクが生じる。これらのパワースパイクの平均が所望のパワー値となる。

パワーを制御するためにスピンドル速度を用いない、改良された能動制御システムが提供することは、従来技術に勝る利点であろう。

本発明は、摩擦攪拌作業において摩擦攪拌領域に一定パワーを提供するとともに摩擦攪拌領域内の温度を制御し、これにより溶接又は摩擦攪拌作業のその他の結果を向上させるために、スピンドルドライバからの作用力の調節を行うためのシステム及び方法である。特定の実施形態では、フロー変数フィードバックに応じて作用力変数を調節することによって指示パワー又は要求パワーが得られる。フローフィードバック変数は測定又は予測することができる。

更に本明細書に開示されるように、摩擦攪拌作業において摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御するための摩擦攪拌システムは、摩擦攪拌ツールと、摩擦攪拌ツールに連結されたスピンドルと、スピンドルに連結され、これにより摩擦攪拌ツールを回転させるスピンドルドライバと、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、を含んでよく、能動コントローラは、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を調節し、これによって摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御する。

能動コントローラを使用して摩擦攪拌作業における溶接の温度を制御するための対応する方法は、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を提供することと、摩擦攪拌ツールによる摩擦攪拌領域へのパワー入力を能動コントローラを使用して制御して、摩擦攪拌領域の温度を制御することとを含んでよく、パワー入力は、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を調節することによって制御される。

本発明のこれらの目的、特徴、利点及び代替的な態様、並びに他の目的、特徴、利点及び代替的な態様は、以下の詳細な説明を添付図面と併せて考慮することにより、当業者に明らかとなるであろう。

摩擦攪拌溶接について従来技術に教示されるツールの斜視図である。 従来技術からのＦＳＷチップ、固定つば部、及びシャンクの切欠き側面図である。 従来技術に教示される温度制御用の能動制御システムの簡略ブロック図である。 図３に教示されるスピンドル速度パワー制御システムのブロック図である。 従来技術の制御モデルの装置の細部を示すブロック図である。 作用力の調節によるパワー制御を示すシステムブロック図である。 作用力の調節によるパワー制御を示すシステムブロック図である。 スピンドル速度の調節によるパワー制御を示すグラフである。 一定のスピンドル速度の溶接にパワー及び温度の変動が含まれることを示す図である。 能動コントローラの内側ループのブロック図である。 パワーを一定に維持するようにトルク（すなわち作用力）が調節される場合の結果を示すグラフである。 一定のスピンドル速度の溶接にパワー及び温度に変動が含まれることを示すグラフである。 温度応答のグラフである。 報告された低トルク分解能が、報告されないトルク動特性を生じることを示すグラフである。 スピンドル速度制御をトルク（すなわち作用力）制御と比較するために用いられる直線的なトルク／スピンドル速度の仮定を示すグラフである。 スピンドル速度を調節するパワーの段階的増加を示すグラフである。 トルクを調節するパワーの段階的増加を示すグラフである。 能動コントローラの内側ループ及び外側ループを示すブロック図である。

ここで、本発明の様々な要素に参照符号が付された、当業者をして本発明を製造及び利用することを可能ならしめるために本発明を検討した図面を参照する。以下の説明は、あくまで本発明の原理を例示するものに過ぎず、付属の「特許請求の範囲」を狭めるものとしてみなすべきではない点は理解されたい。

本明細書に開示されるように、摩擦攪拌システムの作用力はフローフィードバックに基づいて調節される。システム動特性におけるシステム類似性の原理に基づいて、パワーＰは作用力ｅにフローｆを乗じたものとして定義される。この関係は下式（２）に示される。

例えば、機械的回転ドメインのパワーは、トルク（作用力）に角速度（フロー）を乗じたものとして定義される。異なるパワードメイン、作用力、及びフローの例を下記表１に示す。

スピンドルドライバの出力作用力を調節する１つの方法は、スピンドルドライバの入力フロー又は作用力を調節することが含まれる。スピンドルドライバが変圧器である場合には、出力作用力は、入力作用力を調節することによって効果的に調節できる。スピンドルドライバがジャイレータである場合には、出力作用力は入力フローを調節することによって効果的に調節できる。例えば、電動モータドライバはジャイレータである。入力フロー（例えば電流）を用いて出力作用力（トルク）を調節できる。

この「発明を実施するための形態」では、電動スピンドルモータの制御を実証する具体例を開示する。電動モータは、電気ドメインから磁気ドメインを介して回転機械ドメインへの変換を行う。具体的には、電動モータの場合、出力トルクは入力電流を調節することによって制御される。１つのドメインにおける作用力を別のドメインにおけるフローに変換する（又はその逆を行う）装置は、ジャイレータとして知られる。スピンドルエネルギーを提供する多くの装置はジャイレータである。電動スピンドルモータは代表的な１つの実施形態であるが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。例えば、摩擦攪拌システムのパワーは、任意の形態のフロー（表１に示したものを含む）を監視し、任意の形態の作用力（表１に示したものを含む）を調節することによって制御できる。

本明細書で使用するところの摩擦攪拌領域の「温度」とは、任意の直接測定値又は推定測定値のことを指し、溶接（すなわち摩擦攪拌領域）温度を測定又は推定する任意の有用な方法を含みうる。例えば、摩擦攪拌領域温度は、測定ツール温度又は支持プレート温度によって推定できる。超音波技術などの摩擦攪拌作業領域の内部温度を測定するための方法を用いることもできる。

能動コントローラ６１０による作用力の調節によるパワー制御を示したシステム図が図６Ａ及び図６Ｂに示されており、図中、Ｐ_ｃｍｄは指示パワーであり、ｆ_ｒｅｐは報告フローであり、ｆ_ｒｅａｌは実フローであり、ｅ_ｃｍｄは指示作用力である。報告フローは測定値又は推定値であってもよいことに留意することが重要である。図６Ａは、測定値としての報告フローを示し、図６Ｂは、推定値としての報告フローを示している。当業者は、報告フローを与える方法には様々なものがあり、図６Ａ及び図６Ｂはあくまで参考のための例に過ぎない点を認識するであろう。

本発明は、摩擦攪拌作業用の改良された制御システムである。研究により、摩擦攪拌領域に提供されるパワーによってツール温度が生じることが示されている。スピンドルにともなう慣性のため、パワー制御は、下記に説明するように、スピンドル速度（すなわちフロー）ではなくトルク（すなわち作用力）を指示することによって最も効果的に得られる。

本明細書に開示される能動制御システムは、内側ループが一定のパワーを維持し、外側ループがパワーを調節して一定の温度を維持する、ＦＳＷの２重ループ制御システム用に当初開発されたものである。本明細書に述べられる本発明の作業の多くは、溶接作業を制御するための２重ループ制御システムに関連したものであるが、本発明は、２重ループ制御システムに限定されるものではなく、溶接作業に限定されるものでもない。

図７は、本発明の理解に関連する摩擦攪拌溶接システムのハードウェア要素７００を示すために提供される。これらの要素には、摩擦攪拌溶接機（図示なし）の一部であるスピンドルモータ７１０が含まれる。スピンドルモータ７１０はスピンドル７２０に連結されている。スピンドルは更に、あらゆるその様々な形態で、低融点及び高融点材料の両方に対して摩擦攪拌溶接を行うために使用される摩擦攪拌溶接ツール７３０に連結されている。摩擦攪拌溶接ツールには様々な形態のものがあり、本明細書は本発明とともに使用できる種類を限定するものとしてみなされるべきではない。

本発明は、式（２）で表されるトルク（すなわち作用力）とパワーとの間の関係を利用してＦＳＷプロセスを制御する。この第１の実施形態では、スピンドルモータ（ドライバ）７１０は、可変周波数ＡＣ誘導モータである。誘導モータが示されているが、機械的、空気圧式、水圧式、電動、及び磁気的ドライバを含む任意の適した駆動機構を使用することができる。誘導モータによるトルク制御下で作動される場合、モータインタフェース制御ソフトウェアが指示し、能動コントローラ（図示せず）によって指示されるように流束ベクトル制御を用いて一定トルクを維持する。誘導モータに供給される電流を制御することによりスピンドルモータから所望のトルクが得られる。この制御図を図８に示す。

スピンドル速度（すなわちフロー）フィードバックのないトルク（すなわち作用力）制御は不安定であることに留意されたい。一定トルクは短時間しか維持することができない。このトルクは、荷重がトルクを支持する場合にのみ制御することができる。自然プロセスによるトルクよりも大きいトルクは荷重を大きく低下させ、スピンドル速度の指数関数的な増加をもたらす。これは、スピンドル速度及びトルクが増加すると、パワーが増加し、材料が軟化するためである。この逆に、トルクが自然プロセスによるトルクよりも低い場合、材料が冷却して硬化するにしたがってスピンドル速度は指数関数的に低下する。プロセスの変動によって、指示トルクが低くなりすぎるか又は高くなりすぎるために平衡状態を維持することができなくなり、スピンドルは停止するまで急激に減速するか、又は機械の安全リミットが作動するまで加速する。

スピンドル速度（すなわちフロー）の変化に応じてトルク（すなわち作用力）を調節することにより摩擦攪拌領域に提供されるパワーを制御することは安定的なプロセスであることが確認されている。スピンドル速度の低下に応じてトルクが増加することによって一定パワーが維持される。スピンドル速度の増加に応じてトルクが減少することによって一定パワーが維持される。

図９は、一定パワーが維持されるようにトルク（すなわち作用力）が調節された溶接からの結果を示す。被加工物が加熱されるにしたがって材料が軟化している。トルクとＲＰＭ信号とは、互いの鏡像となっている。スピンドル速度は材料が軟化するにしたがって増加している。トルク（すなわち作用力）がスピンドル速度の増加にともなって低下することで一定パワーが維持されている。図９は、トルク制御によって得られるパワー制御が安定的なプロセスであることを示している。

図１０は、一定のスピンドル速度の溶接にパワー及び温度の変動が含まれることを示している。測定されたパワーには、溶接を通じて持続するパワースパイクが含まれている。フィルタリングされたパワー値は、プロセスの変化に応じて溶接を通じて変化している。

これまでは、図６Ｃにおいて、スピンドル速度を調節することによって得られるパワー制御が一定の平均パワーとなることを示した。しかしながら、実際のパワーには、溶接を通じてトルクスパイクが含まれている。温度応答は、熱平衡に到達し、温度が一定となるまでツール温度が次第に上昇することを示している。

図９は、一定パワーを維持するトルク（すなわち作用力）制御によって得られるパワー制御は、わずかな変動を有する一定パワーを発生させることを示している。温度応答は直線的である。このことは、ツールが依然加熱しており、やがて定常温度に達することを示している。

本発明の原理の実証を行い、その結果を図１１に示す。パワーを一定に維持するようにトルクを調節するパワー制御溶接を、ＡＡ ７０７５において２．２３８ｋＷで４０６．４ｍｍ、次いで２．５３６ｋＷで６０９．６ｍｍ（２４インチ）行った。温度応答を図１１に示す。パワーの変更が指示される前には温度は一定である。パワーの変更が指示された後、温度は新たな定常温度に達するまで対数的に上昇する。これらの結果は、パワーの変更が温度変化をもたらすことを示している。

従来技術では、パワーを制御するようにスピンドル速度が調節される場合、指示スピンドル速度はスピンドルコントローラによって報告されるトルクによって決定される。スピンドル速度を制御するようにトルクが調節される場合、トルクを制御するために伝達される指示がスピンドルコントローラに送信される。報告トルクと指示トルクとの間の分解能の差は、パワー制御ループの設計に影響する。

この実施形態で用いられるトルク測定値は、スピンドルモータコントローラによって報告される。しかしながら、報告トルクはトルク動特性を捕捉できない。図１２は、正弦波トルク指示に応じてコントローラによって報告されたトルク及びＦＳＷ機械上のロードセルを使用して計算されたトルクを示す。正弦波は、報告トルクの限定された分解能のために矩形波として報告されている。

正弦波は、ロードセルによって測定された力から計算されたトルクに見ることができる。ロードセルを用いて計算されたトルクは、クロストークのために信号品質が低くなっている。温度制御及びパワー制御中のトルクの変化は小さいため、スピンドルトルクは指示トルクに等しいと仮定される。

本発明を開発するうえで、一定パワーを維持するためのスピンドル速度の調節と、トルクの調節とを比較するために動特性解析を行った。再び図７に戻ると、Ｍ（ｍｔｒ）はモータトルク、Ｍ（ｓｐｎ）はスピンドルトルク、Ｄ（ｍｔｒ）はモータプーリの直径、Ｄ（ｓｐｎ）はスピンドルプーリの直径、Ｍ（ｂ）はベアリングによって失われたトルク、ω（ｓｐｎ）はスピンドルの回転速度、及びＪはスピンドルにともなう質量慣性モーメントである。ギア比Ｒは下式により与えられる。
Ｒ＝Ｄ（ｓｐｎ）／Ｄ（ｍｔｒ） 式（３）
ギア比Ｒは、２．５の値を有している。

トルクとスピンドル速度との間の関係は図７を用いて導かれ、下式により与えられる。
ＲＭ（ｍｔｒ）＝Ｍ（ｓｐｎ）＋Ｍ（ｂ）＋Ｊω（ｓｐｎ） 式（４）

実効モータトルクＭ（ｍｔｒ＿ｅｆｆ）は下式により与えられる。
Ｍ（ｍｔｒ＿ｅｆｆ），＝ＲＭ（ｍｔｒ） 式（５）

実験データの報告トルクは、Ｍ（ｍｔｒ＿ｅｆｆ）である。式（４）を式（５）に代入することにより下式を得る。
Ｍ（ｍｔｒ＿ｅｆｆ）＝Ｍ（ｓｐｎ）＋Ｍ（ｂ）＋Ｊω（ｓｐｎ） 式（６）

スピンドル速度制御をトルク制御と比較する目的で、ω（ｓｐｎ）及びＭ（ｓｐｎ）は、図１３に示され、下式により与えられる直線的関係を有するものと仮定する。
ω（ｓｐｎ）＝Ｍ（ｓｐｎ）／Ｂ 式（７）
ただし、Ｊ、Ｍ（ｂ）、及びＢは定数である。

スピンドルモータの最大トルクは有限であるので、スピンドルを所望の回転速度にまで瞬時に加速することを目的とした指示スピンドル速度の変更は図１４ａに示される大きなトルクスパイクをもたらす。

実効モータトルクの段階的変更に対するスピンドル速度の応答は、指数関数的であることが分かっている。しかしながら、トルクの変更に対するスピンドル速度の応答に不連続部分は含まれない。

スピンドル速度及びトルク（すなわち作用力）を段階的に変更した実験結果は、トルク（すなわち作用力）がスピンドル速度と微分的関係を有し、スピンドル速度はトルク（すなわち作用力）と積分的関係を有することを実証している。図１４ａは、ＲＰＭの段階的変更に対する実効モータトルクの応答を示している。所望のスピンドル速度に変化が与えられた瞬間に、モータは所望のスピンドル速度を得るために瞬時にスピンドルを加速しようとする。この結果、モータトルクに大きなスパイクが生じる。

図１４ｂは、パワーの段階的増加に対するスピンドル速度の応答を示しており、この場合、パワー制御はトルク（すなわち作用力）を調節することによって得られる。パワーの変更が指示されると、所望のパワー値を得るためにトルクが瞬時にわずかに増加する。パワーの増加により材料が軟化しはじめ、これによりスピンドル速度（すなわちフロー）が増加し、モータトルクつまり作用力が減少する。トルクに対するスピンドル速度の応答に不連続部分は含まれない。

図１４ａ及び１４ｂに示される実験データは、より高いスピンドル速度がより低いトルクに対応し、より低いスピンドル速度がより高いトルクに対応していることを示している。これらの結果は、図１３に示される傾きが負であるべきことを示唆するものである。

示される制御方法では、Ｍ（ｍｔｒ＿ｅｆｆ）がＭ（ｓｐｎ）にほぼ等しいものと仮定している。トルク（すなわち作用力）はスピンドル速度（すなわちフロー）と微分的関係を有している。ＲＰＭの変更が指示されると、スピンドルモータはスピンドルを新たなＲＰＭへと瞬時に加速しようとし、これによりモータトルクにスパイクが生じる。スピンドルモータのほとんど瞬時の加速により、モータトルクとスピンドルトルクとの間に大きな差が生じる。ＲＰＭの変更が指示される場合、モータトルクはスピンドルトルクとほぼ等しくはならない。

実験データは、パワーを一定に維持するようにトルクが調節される場合、モータトルクとスピンドルトルクとの差は、パワーを一定に維持するためにスピンドル速度が用いられる場合よりも大幅に小さいことを示している。

図１４ａに示されるようにパワーの段階的変更が指示される場合、スピンドルスパイク中のトルク誤差は２０３．０Ｎｍ（１４９．７ｆｔ−ｌｂ）であり、これは高パワーレベルではパワーの４０６％の誤差、低パワーレベルでは５６５％の誤差に相当する。これに対して、図１４ｂに示されるようにトルクを調節することによるパワー制御では、パワー変更後のスピンドルの加速度にともなう誤差は、加速度が最大の場合、７．４Ｎｍ（５．４６ｆｔ−ｌｂ）であり、これはパワーの１０％の誤差に相当する。

報告トルクは良好ではない制御信号であるため、パワーを一定に維持するためにスピンドル速度を調節することは望ましくない。トルクスパイクにより、モータトルクとスピンドルトルクとの差は、４００％又はそれよりも高くなる。報告トルク信号は分解能が低く、誤差が大きくなる。

パワーを制御するためにトルクを用いることの主な利点は、ＲＰＭを瞬時に変更させようとすることによって生じる人為的なトルクスパイクが回避されることである。パワーを制御するためにトルク制御を用いることで不確定性が低い滑らかなパワー信号が得られる。モータトルクと実際のスピンドルトルクとの差は、スピンドルの加速度に比例する。トルク制御下ではパワー及びスピンドル速度の変更は制御されることから、低い不確定性が存在することになる。

ここまで内側制御ループについて検討したが、次に外側制御ループに注目する。図１５は、本発明の第１の実施形態の内側ループ及び外側ループの両方を示すブロック図である。比例積分導関数（ＰＩＤ）制御は、最も一般的に使用されている種類の閉鎖ループフィードバックコントローラである。外側ループは、ＰＩＤ制御を用いて指示温度を維持するようにパワーを調節する。外側ループにおけるＰＩＤ制御の実施を図１５に示す。Ｐ（ｉｎｉｔ）は、一定パワー値である。ＰＩＤコントローラは、Ｐ（ｉｎｉｔ）項に加えられるパワーの変更を与える。Ｐ（ｉｎｉｔ）項は、コントローラが、一定のスピンドル速度（すなわちフロー）を指示する３７から温度制御に切り替わる瞬間のスピンドルパワーである。温度制御がいったん作動すると、Ｐ（ｉｎｉｔ）は温度制御が行われなくなるまで一定である。

上記の構成は本発明の原理の用途を例示するものに過ぎない点を理解されたい。当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく多くの改変及び代替的構成を考案するであろう。添付の「特許請求の範囲」は、こうした改変及び構成を網羅することを意図している。

Claims (18)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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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