JP7110282B2 - 機械的な接合プロセスまたは成形プロセスを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に薄壁の素材でのフロードリルねじ止めなどの機械的な接合プロセスまたは成形プロセスを制御する方法に関する。

このような種類の方法は、たとえば熱による物質接合式の接合方法（アーク溶接、抵抗溶接、はんだ付け）で問題が生じる車両工学などの分野で適用される。たとえば現代の車体製造では、接合されるべき軽量構造材料があまりに熱の影響を受けやすい場合、熱による結合技術は不可能である。このことは、たとえば熱成形された鋼材、アルミニウム合金、または繊維複合素材などを含む多くの結合に当てはまり、および特に、これらの材料の異種間の結合に当てはまる。

特にフロードリルねじ止めなどの機械的な方法、およびこれに伴って冷間方式は、特に溶接などの熱による結合技術とは異なり、素材保全的に作業が行われるだけでなく、さらには迅速性、片側からのアクセス性、ローメンテナンス性、エネルギー節減などの利点ももたらす。

このような種類の方法では、加工プロセスを要求事項に応じて制御し、ないしはさらに調節することが必要である。

たとえばフロードリルねじ止めなどの接合プロセスでは、工作物の表面でのねじの先端部の載置、工作物へのねじの貫入、および工作物の貫通を考慮するために、回転数と送り速度が要求事項に応じて制御されなければならない。このときプロセスでは、送り力、送りストローク、および回転数に関して、非常にさまざまな変化する要求事項が発生する。

その際には、通常、許容される許容差を下回るプロセスを保証するために、パラメータが監視される。たとえば頭部載置のとき、すなわち、ねじを収容する収容部とねじ頭が接触するとき、頭部載置の時点を過ぎてから許容されない高いトルクがねじに印加されることが回避されるのがよい（過回転）。

所定の許容差、許容範囲、または許容包絡線の範囲外にあるプロセスパラメータを回避するために、従来技術では、たとえば収容部に対して相対的にねじ頭の正確な位置を判定することが必要である。

しかし、考慮されるべきコンポーネント許容差は、加工プロセスでの回転数の回避が多くの場合、実際に必要であるよりも早期に行われることにつながる。それに応じて、望ましくないサイクル時間の増大がそこから帰結される。

頭部載置を検出するには、実際問題として、トルクの監視も考慮の対象となる。しかしこのような種類のトルク監視は、従来式の緩慢なシステムでは、許容されない高いトルクの印加を回避するために回転数切換を制御するのには適していない。

したがって、上述した方法は迅速に反応する制御を可能にするものではなく、加工時に比較的長いサイクル時間を必要とし、または、非常に高いコストがかかる。

特許文献１では、取付手段を接合または取外す方法のために差異の商ΔＬ／ΔｔまたはΔＬ／Δφを援用し、すなわち、取付手段の送り速度またはその送りの変化を、その回転運動に依存して制御のために援用することが提案されている。

しかし、このような種類の方法は取付手段のジオメトリーに強く依存し、特に、ねじの先端部とねじ山との間のキャリブレーションゾーンのないねじのジオメトリーは、その回転運動に依存する送り速度または送りの変化の検出を困難にし、もしくはさらに不可能にする。

ドイツ特許出願公開第１０２００７０２４６２７Ａ１号明細書

したがって本発明の課題は、欠点を回避して、高精度の加工プロセスを、同時に短いサイクル時間で簡易な仕方により可能にすることにある。さらに、このような種類の加工プロセスが、取付手段のジオメトリーに依存しないのがよい。

この課題は本発明により、請求項１の構成要件を有する方法によって解決され、および、請求項７の構成要件を有する装置によって解決される。

熱による物質接合式の接合方法と比較して低温の機械的な方法ないしプロセスの本発明による制御によって、高精度の加工プロセスが、同時に短いサイクル時間で保証される。さらに、本発明による制御は、取付手段の任意のジオメトリーについて適用可能である。

そのために、たとえば送り速度、送り力、または圧着力などのプロセスパラメータの実際曲線がプロセスパラメータの（理想的な）目標曲線へと近似され、それは、モータ式でないアクチュエータに対して、特に空気圧シリンダに対して、（プロセスパラメータの生成のために）複数の逆パルスが作用することによる。このようにして、普通であれば緩慢な遅延時間を有する制御方法を、理想的な目標曲線に近似させることができる。

逆パルスは個数と長さに関して、プロセスパラメータと関連する直接的に検出可能な少なくとも１つの量に依存して行われ、たとえば力、ストローク、圧力、速度、トルク、時間、位置、回転数、回転角、逆パルス、またはこれらの組み合わせに依存して行われる。

本発明の意味においてパルスと呼ぶのは１つの量が印加される信号であり、それに対して、１つの量の欠如はそれぞれのパルスの間のポーズとして定義される。

本発明の好ましい実施形態では、逆パルスは空気圧シリンダで、シリンダのロッド側での圧力生成によって生成される。それにより、広く普及している低コストな制御手段（空気圧式の制御）を利用することができ、それにもかかわらず、高精度の加工を短いサイクル時間で保証することができる。

本発明による制御方法は、いっそう高い加工速度および／または加工品質を可能にするために、既存の加工システムにも適用できるのが特別に好ましい。

本発明の特別に好ましい実施形態では、シリンダのロッド側で圧力生成をするための弁の制御がパルス方式で行われ、それは、パルスの長さと時間のあいだガスが発生減から好ましくは一定の圧力をもって圧力下で印加されることによる。

このとき弁はマルチウェイバルブとして構成されていてよく、それにより、ポーズのときに圧力供給のための経路が閉じられるだけでなく、好ましくはシリンダのロッド側での圧力を低減することもできる（換気）。

しかし当然ながら、マルチウェイバルブに代えて追加の吐出弁を設けることも考えられ、それにより、パルス中に所望の時間のあいだ圧力を（パルス状に）低減することができる。それにより、実際曲線のいっそう迅速で正確な制御を簡易な仕方で可能にすることができる。

本発明の好ましい実施形態では、空気圧シリンダはシリンダのロッド側に、比例弁とは異なり離散した切換状態である「開放」と「閉止」だけを可能にし、それによって逆パルスの生成を可能にする（第２の）バルブを有する、気密の空間を有する。

逆パルスを生成するために、本発明による装置は、プロセスパラメータと関連する、直接的に検出可能な少なくとも１つの量に依存して第２のバルブをパルス状に制御して、複数の逆パルスを用いてプロセスパラメータの実際曲線の推移をプロセスパラメータの所定の目標曲線の推移に近似させるように構成された評価・制御デバイスを含むのが好ましい。

このときプロセスパラメータと関連する、直接的に検出可能な少なくとも１つの量は、力、ストローク、圧力、速度、トルク、時間、位置、回転数、回転角、逆パルスの各量から、またはこれらの組み合わせから選択することができ、それにより、実際曲線の迅速な適合化が可能となり、特に、望ましくない制御の遅延ないしラグが回避される。

このような種類の装置によって、狭い許容差の範囲内で、所定の目標曲線を中心とする実際曲線のプロセスパラメータの制御さえ可能となる。

本発明のその他の好ましい実施形態は、従属請求項から明らかとなる。
次に、図面に示されている実施例を参照しながら、本発明について詳しく説明する。
図面には次のものが示されている。

本発明による方法を実施するための構造を示す模式的な（ブロック）図である。 本発明による方法の手順を示す力・時間グラフである。

図１に示す構造は、特にフロートドリルねじ止めなどの機械的な接合プロセスまたは成形プロセスを制御する本発明の方法を制御するための装置を例示として示している。

そのために、この装置は空気圧シリンダ１を有していて、そのピストン３が接続部５を介してその前面で圧力（ガスまたは空気）により付勢される。

シリンダ１ないしピストン３のロッド側には、シリンダ１ないしピストン３のロッド側で逆パルス（逆圧）を生成するために、さらに別の接続部７が存在する。

接続部５は、詳しくは図示しない仕方により圧力源と接続されており、制御弁を介して、所望の要求事項に応じて圧力が制御される。

同じく接続部７も、詳しくは図示しない仕方により（同一または別の）圧力源と接続されており、反力を生成するための圧力がパルスの形態で、空気圧弁を介して状態「開放」および「閉止」で制御される。

空気圧弁１１は３ウェイバルブとして構成されているのが好ましく、それにより、これを介して、シリンダ１ないしピストン３のロッド側で圧力生成が行われるだけでなく、換気も行うことができる。

シリンダ１では、詳しくは図示しない仕方により、ピストン３およびこれに伴って－図面には詳しくは図示しない－特にフロードリルねじなどのコンポーネントが付勢される圧力１３およびこれに伴って力１５を測定することができる。

さらに、シリンダ１ないしピストン３またはピストンロッド１７では、本発明による方法を追加的に監視および／または制御するために、それ自体として周知の手段によりストローク測定１９を行うことができる。

空気圧弁１１の右横に、この弁１１の開閉のための異なる種類のパルスシーケンスが一例として示されており、これらによって弁１１が制御される。

このパルスシーケンスは、開放（圧力生成）のために同一形状のパルス長を示すとともに、閉止ないし弁１１の換気のための切換のために、各パルスの間に同一形状のポーズを示している。

同一形状のパルスとポーズに代えて、当然ながら、必要時にはパルスとポーズをそれぞれの長さに関して変更することも考えられる。

以下において、工作物にフロードリルねじを挿入するプロセスを取り上げて、典型的な方法手順を説明する。

図２に示すグラフは、一例として３０００ｍｓの全体時間でのフロードリルねじ止めのプロセスについて、理想的な目標曲線２１を示している。

さらに図２には、本発明による逆パルスを用いないプロセスの典型的な進行２３が示されており、および、本発明による逆パルスを用いたプロセスの進行２５が示されている。

プロセス開始２９のとき（曲線２１，２３および２５の垂直もしくはほぼ垂直の第１の上昇）、ねじはその先端部が工作部の表面に当接し、したがって、たとえば５００ニュートン（Ｎ）の一定の力で（ねじの長手方向に）（回転的に）付勢される。

そのために、この力を惹起する圧力（たとえば１バール）をシリンダ１の前側で生成するために、弁９が相応に制御される。

ねじの先端部が工作物に侵入すると、いっそう高い摩擦力が克服されなければならない。そのために、たとえば１０００Ｎ（あるいは２０００Ｎ）の所望の力に達するまで、弁９が相応に制御される。

薄壁の素材がねじで貫通され、その結果としてねじ山が成形されると、たとえば５００Ｎの所望の程度まで力が低減され（立下りエッジ３３）、事前定義された（パラメータ化可能な）トルク、特に締付けトルクに達するまで、および／または頭部載置が達成されるまでこれが続けられる。頭部載置および／または事前定義されたトルクの達成をもって、プロセスが終了する３１（曲線２１，２３および２５の垂直またはほぼ垂直の最後の立下りエッジ）。

図２から明らかなように、逆パルスを用いない進行２３は、曲線２１の理想的な進行から大きく離れている。たとえば逆パルスを用いないプロセス進行では、貫通３３以降のねじ山成形をそもそも可能にするために、貫通３３の時間の若干前からすでに圧力生成が中断されなければならない。そうしないと貫通３３以降に、フロードリルねじが高すぎる（送り）力で付勢されるからである。

それに対して、本発明による逆パルスを用いて、現実のプロセスの曲線２３を理想的な曲線２１の近くへと近似させることができる。

たとえば弁９を、貫通３３の若干前のたとえば１００ｍｓの時間にではなく、実際の貫通３３以後に初めて制御することができる。たとえば８０ｍｓの時間の逆パルスによって、シリンダ１のロッド側で、ないしはピストン３のロッド側で、力のいっそう強力な減少が生起されるからである。

ねじ山成形のための低減された所望の力への到達前に、このようなパルス（垂直の線２７）が終了し、数ミリ秒（ｍｓ）の短時間のあいだシリンダのロッド側が換気されてから、あらためてさらに短い逆パルスが生成される。

このような複数の短い逆パルスによって、現実の曲線２５を理想的な曲線に良好に近似させることができ、ねじ山成形のためのこの領域でたとえば５００Ｎの所要の最低力を下回ることがない。

当然ながら、３ウェイバルブとしての弁１１の構成に代えて、換気のために追加の弁を設けることも考えられ、それにより、２つのパルスの間のポーズのとき以外にも換気を行うことができる。

前述した例を参照すると明らかなとおり、パルス状の逆パルスは空気圧システムの場合、明らかに迅速な制御およびさらには理想的な目標曲線２１への高い近似、ないしはそのような曲線を中心とする制御が可能となる程度まで、望ましくない遅延が抑圧される。

以上に説明した例から理解されるように、逆パルス（すなわちシリンダ１のロッド側で反力を生成するための弁１１の開放と圧力生成）を、個数と長さに関して、プロセスの他の物理量（ストローク、速度、時間、位置、加速度、圧力、力、トルクなど）と組み合わせて、そのつど要求事項に応じて最善の結果を得ることができる。

同様に、ポーズの長さを要求事項に合わせて個別に適合化することができ、それは特に、いっそう迅速な換気を各パルスの間で可能にするためである。

換気のための追加の弁が利用される場合、パルスの終了前からすでに換気を開始することもでき、それにより、どちらかというと方形のパルスから鋸刃状のパルスあるいはさらにピーク類似のパルス（短いピーク）が生じる。
逆パルスとポーズの長さと個数は、場合により、たとえばプログラムでパラメータ化された力の差異との組み合わせにおける力低減の勾配から、予測として計算することもできる（逆パルス長さおよび／または個数ならびにポーズ長さについての特性曲線の形成）。

１ 空気圧シリンダ
３ ピストン
５ 接続部（前側）
７ 別の接続部
９ 制御弁
１１ 空気圧弁
１３ 圧力測定
１５ 力測定
１７ ピストンロッド
１９ ストローク測定
２１ 目標曲線
２３ 逆パルスを用いない進行
２５ 逆パルスを用いた進行
２７ 垂直線
２９ プロセス開始
３１ プロセス終了
３３ 立下りエッジ（素材の貫通）

Claims (8)

1. 空気圧シリンダのヘッド側への圧力供給による、工作物に対するフロードリルねじ止めの機械的な接合プロセスを制御する方法において、
   前記ヘッド側と反対側のロッド側にパルス状の圧力を逆パルスとして生成することによってプロセスパラメータの実際曲線（２３）の推移がプロセスパラメータの所定の目標曲線（２１）の推移に近似され、
   前記逆パルスは、前記フロードリルねじが前記工作物を貫通した後に前記ロッド側に生成され、
   前記逆パルスの個数と長さ、およびそれぞれのパルスの間のポーズの長さが、プロセスパラメータと関連する、直接的に検出可能な少なくとも１つの量に依存して決定されることを特徴とする方法。
2. プロセスパラメータと関連する、直接的に検出可能な少なくとも１つの前記量は力、ストローク、圧力、速度、トルク、時間、位置、回転数、回転角の各量から選択され、またはこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. パルスの長さと時間にわたってガスが圧力のもとで印加されることによって、前記シリンダ（１）のロッド側での圧力生成のために弁（１１）の制御がパルス状に行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記シリンダ（１）のロッド側で前記逆パルスにより生成される圧力を吐出弁（１１）により低減することができ、それは、前記吐出弁の制御がパルス状に行われることによることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記シリンダ（１）のロッド側の圧力がそれぞれのパルスの間のポーズで低減されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 空気圧シリンダ（１）と、前記シリンダ（１）の前側での圧力生成および圧力低減のための比例制御可能な第１の弁（９）と、シリンダのロッド側での圧力生成のための制御可能な第２の弁（１１）およびこれに接続された一定の圧力源とを有する、先行請求項１から５のうちいずれか１項に記載の方法を実施する装置において、
   前記第２の弁（１１）は離散した切換位置だけを許容するように構成され、それにより前記逆パルスを生成することができることを特徴とする装置。
7. 前記装置は、プロセスパラメータと関連する、直接的に検出可能な少なくとも１つの量に依存して前記第２の弁をパルス状に制御し、複数の前記逆パルス（２５）によってプロセスパラメータの実際曲線（２３）の推移をプロセスパラメータの所定の目標曲線（２１）の推移に近似させるように構成された評価・制御デバイスを含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. プロセスパラメータと関連する、直接的に検出可能な少なくとも１つの前記量は力、ストローク、圧力、速度、トルク、時間、位置、回転数、回転角の各量から選択可能であり、またはこれらの組み合わせから選択可能であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。

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