KR100191127B1 - 마찰용접장치와 마찰용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자작동형 마찰용접기가 마찰에 의한 용융으로 부품을 결합시키도록 부품(열가소성물질)사이의 경계면에서 궤도 운동을 발생한다.

또한 이 용접기는 왕복진동력을 발생토록 교호로 작동되어 용접될 접합부에 따라 궤도운동 또는 왕복운동모드의 선택을 위하여 가요성을 제공한다.

운동속도는 용접기의 전자구동모우터를 작동시키는 AC전원의 주파수를 조절함으로써 구동구조물의 공진주파수로 제어가능하다.

용접될 부품의 하나를 재가하고 구동되는 지지판이 구동모우터의 둘레에 배치되고 일측단부가 지지판에 착설되며 타측단부가 관상구조물에 착설되는 로드와 같은 견고한 부재의 어레이에 의하여 경사지지 않고 경계면을 포함하는 궤도평면에서 운동토록 가요성을 가지고 착설된다.

관상구조물은 용접기 프레임에 의하여 제가된 대형지지체에 착설된다.

Description

마찰용접장치와 마찰용접 방법

제1도는 본 발명에 따른 마찰용접기의 단면을 보인 제2도의 1-1선 정단면도.

제2도는 전자구동모우터와 궤도평면에서 궤도 운동을 제공하는 지지체를 보다 상세히 설명하기 위하여 일부를 절개표시한 제1도에서 보인 용접기의 평면도.

제3도는 궤도 구동모우터와 코일의 연결상태를 보인 셜명도.

제4도는 최대 출력과 최소 전류왜곡을 위한 궤도 구동모우터의 삼각 코일권선을 보인 설명도.

제5도는 제4도에서 보인 삼각 코일구조의 출력에 대하여1/3의 출력을 보이는 전자궤도 구동모우터의 Y 코일 권선을 보인 설명도.

제6도는 제3도에서 보인 구조에 의하여 제공되는 궤도 운동력의 크기에 대하여 반의 크기를 갖는 궤도 운동력 또는 진동성 병진운동(왕복운동)의 힘을 제공하기 위하여 선택적으로 코일이 연결되는 전자 궤도모우터의 고정자를 보인 제3도와 유사한 설명도.

제7도는 최대 궤도 운동력의 반에 해당하는 최대값을 갖는 왕복운동력을 제공하는 코일연결구성을 보인 설명도.

제8도는 상기 도면에서 보인 전자궤도/진동운동모우터의 속도 제어시스템을 보인 블록다디아그램.

제9도는 궤도 운동 또는 왕복운동의 구동방식으로 작동될 수 있는 두 개의 전자궤도 구동모우터를 갖는 궤도/진동 마찰용접기를 보인 부분절개 정면도.

제10도는 제9도에서 보인 용접기의 평면도.

제11도는 궤도운동 또는 진동운동(왕복운동)을 선택하기 위한 스위칭 회로를 갖는 두 개의 궤도전자구동모우터의 회로를 보인 다이아그램.

본 발명은 용접장치에 관한 것으로, 특히 궤도 운동력을 발생하여 이 힘을 용접될 부분의 접속부가 위치하는 평면에 공급하도록 작동되는 전자(電磁)구동형 용접기에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 용접기에 사용할 수 있게 되어 있고 평면운동으로부터 이탈없이 한 평면 내에서만 궤도 운동하는 출력동체를 구동시키기 위한 전자모우터(전자구동기)를 포함한다.

궤도운동은 x-y 평면에서의 운동을 위한 데카르트좌표 x, y 및 z에서 다음과 같이 수학적으로 표현될 수 있다. x₀, y₀및 z₀가 정지시의 위치 좌표이고, t가 초단위의 시간이며, ω가 라디안/초단위의 각진동수, x(t), y(t) 및 z(t)는 이동중의 위치좌표이다. 여기에서 x(t) = x₀+ Asinωt, y(t) = y₀+Bcosωt, z(t)=z₀이고 A=B이다. 만약 AB이면 궤도 운동은 타원형이다.

평면 z=0이 궤도 평면이고 궤도 운동력이 발생되는 평면이다. z0 이면 어느 값이나 평행한 다른 궤도 평면을 이룬다. z(t)가 일정하면 어느 궤도 평면 z₀내의 점이 상기 평면 내에 있는 것으로 간주된다.

궤도 운동력은 궤도 평면에 수직인 축선을 중심으로 하여 궤도 평면에서 회전하는 일정한 크기의 힘의 벡터로서 설명될 수 있다.

전체 궤도 평면에서 궤도 운동은 정지좌표 x₀, y₀및 z₀에 관계없이 동일하다(변위량, 속도 및 가속도벡터가 일정하다).

궤도 운동력이 공급되고 이러한 힘에 의하여 궤도 운동이 한정되는 평면을 궤도 평면이라 한다. 궤도 운동력은 수직인 축선을 중심으로 하여 궤도 평면에서 회전한다.

본 발명의 용접기는 열가소성 부품의 용접에 사용되는 것으로 이러한 부품들이 이들의 경계면에서 용융되고 냉각시에 결합되도록 접속부(용접될 표면의 경계면)에서 부품에 마찰열을 유도하는 힘(궤도운동 또는 병진운동의 진동력)에 의하여 열가소성 부품을 용접하는데 사용하기 적합한 것이다. 본 발명과 전자궤도 구동모우터가 다른 분야에 적용될 수도 있다.

병진운동(왕복운동)의 진동방식으로 작동되는 마찰용접기는 상업적으로 유용하다. 이러한 용접기는 전자구동형(미국 특허 제 3,920,540호 참조) 또는 수압구동형(미국 특허 제 4,086,122호 참조)일 수 있다. 종래에 마찰용접용의 수압 또는 전자구동기로써 궤도 운동력을 갖거나 용접이 이루어지는 부품의 경계면에서 표면이 한정되는 평면에만 가하여 지는 힘을 갖는 것은 없었다.

궤도 용접방식은 힘이 병진운동하고 양방향으로의 이동시에 그 양단부에서 제로속도(정지)로 속도가 떨어지는 직선형 진동 용접방식에 비하여 유리하다. 그 이유는 마찰 용접이 저항방식이고 열이 저항력과 부품의 상대속도의 곱에 비례하기 때문이다. 궤도 운동에 있어서, 부품이 마찰되고 용융온도까지 가열되도록 속도가 일정하게 유지된다. 따라서, 왕복용접의 경우보다 부품의 이동량이 적고 힘이 적게 들면서도 왕복용접방식에 따라 발생된 것과 동일한 열의 발생이 가능하다. 최대 이동량과 속도요구량이 29%정도 감소된다(1/2의 평방근). 이동량의 감소로 용접될 부품의 용접플랜지는 작아도 된다. 진동 또는 왕복용접에 있어서 부품이 진동싸이클의 양 종료단에서 정지하므로 열의 발생이 주기성이다. 궤도운동형인 경우에 용접기는 속도크기가 일정하므로 접속부에서 일정한 열을 발생하며, 이에 따라서 궤도방식에서는 이동량이 적으면서도 신속한 용접이 이루어질 수 있다. 또한 궤도 용접은 부품이 중심 축선을 중심으로 회전하는 회전용접 방식에 비하여 유리하다. 회전용접의 경우에 있어서 부품에 대한 회전력과 열효과는 회전하는 부품의 회전중심으로 부터의 방사상 거리에 따라 다르다. 속도와 열효과는 부품이 접합될 경계면을 통한 방사상 방향에서 일정치 않다. 또한 회전용접방식은 용접될 부품이 원형인 것에만 제한되어 적용된다.

그러나 궤도 운동으로 용접하는데 적용되지 않는 부품도 있다. 따라서 직선 왕복운동이나 궤도 운동이 이루어지는 용접기가 요구될 수 있다. 왕복용접방식은 접속부가 배치 되고 평판(platen)상에서 용접헤드에 고정된 평면에서 용이하게 수행될 수 있다.

프레스 또는 클램핑기구에 대하여 용접될 부품의 하나를 고정하는 평판이 경사질 수 있게 되어 있어 부품이 접촉되지 않게 할 수 있으므로 궤도 평면에서 또는 이에 평행한 부가 운동의 발생없이 궤도 운동만 이루어지도록 하는 것이 어렵다. 본 발명의 특징은 운동이 평면(궤도평면)으로 제한되는 마찰 용접기에 이용하기 적합한 전자궤도 구동기를 제공하는데 있다.

따라서, 본 발명의 주요목적은 개선된 마찰용접기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 병진운동(왕복운동)의 진동방식이나 궤도 방식으로 교대로 작동될 수 있는 개선된 마찰용접기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 구동이 유도되고 궤도 운동이 궤도 운동이 궤도 평면에 한정되는 개선된 전자궤도 구동기와 마찰용접기를 제공하는데 있다.

요약컨데, 경계면에서 부품의 마찰용접을 위한 본 발명을 실시하는 장치는 부품이 경계면(용접 접속부가 형성되는 경계면)에서 접촉되어 있는 동안 일측부품이 타측부품에 대하여 궤도운동토록 적어도 일측부품을 구동시키기 위한 수단을 포함한다. 구동수단은 궤도 평면에서 궤도 운동력을 발생하는 전자력발생 수단으로 구성된다. 또한 용접기는 궤도 평면에서 부품사이에 용접될 경계면이 배치되도록 궤도 운동력에 응답하여 궤도 운동을 실행하는 부품을 설치하기 위한 수단을 포함한다. 이 설치수단은 궤도 평면에 대하여 평행한 모든 방향으로 동일한 견고성을 갖는 가요성(可蟯性; flexural) 부재의 배열로 되어 있다. 예를 들어 봉이 일측단부는 궤도 운동력에 의하여 구동되는 판에 연결되고 타측단부는 대형지지체에 연결되는 전자궤도 구동기를 둘러싸도록 배열될 수 있다.

또한 본 발명에 따라서, 궤도 속도(궤도구동부재의 궤도 운동속도)가 전자궤도 구동기에 인가된 제 3 고조파정류에 의하여 제어도리 수 있음이 확인되었다. 제 3 고조파에 응답함으로써 AC 전원의 주파수는 요구된 주파수, 즉 가요성(스프링형) 지지체를 포함하는 궤도 구동기가 공진하는 주파수로 제어된다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도와 제2도에는 강철튜우브로 구성된 마찰용접기의 프레임(10)을 보이고 있다. 대형지지판(12)이 방진지지체(14)상에 설치되어 대형지지판(12)과 용접기의 다른 부분이 프레임(10)상에 설치된다. 지지판(12)의 무게는 시스템의 가동부의 무게보다 무거운 것이 좋으며, 예를들어 약 25 파운드인 가동부의 무게에 비하여 200 파운드의 무게를 갖는다. 예를들어 지지판(12)은 두께가 2 인치이고 직경이 20 인치인 강철로 되어 있다. 상기 언급된 크기는 용접기의 예시적인 설명을 위한 것이다. 전자궤도구동기는 필요한 경우 상기 인용특허에 설명되고 현재 상업적으로 입수가능한 형태의 진동 용접기보다는 매우 작게 진동 용접기의 규모를 소형화할 수 있도록 소형화 할 수 있다. 예를들어 용접기의 용접헤드(16)는 초음파 용접헤드의 크기보다 크기를 작게 할 수 있다. 고출력이 요구되는 경우에, 다수의 구동기를 부가 사용할 수 있다. 제9도 - 제11도에 관련하여서는 두 개의 구동기를 이용하는 용접기가 설명된다.

용접헤드는 전자구동기, 즉 모우터(20)가 수용되는 개방부를 갖는 관상구조물(管狀構造物 : tubular structure)(18)을 포함한다. 플랜지(22)가 관상구조물을 대형지지판(12)에 연결한다. 모우터(20)는 고정자(30)의 코일(24)(26)(28)에 인가되는 3 상 AC 전원에 의하여 구동될 수 있게 되어 있다(제3도 참조). 고정자(30)는 관상구조물(18)에 용접등으로 부착되는 링(34)의 볼트(32)에 의해 적층하여 배치되며 전기 모우터들에 사용되는 형태의 강철판으로 된 단일자성체의 형태로 되어 있다. 이 고정자(30)는 재료와 공간을 절약하기 위하여 삼각형의 정점을 절단해버린 삼각형 단면의 형태로 되어 있다. 이 고정자는 코일에 의하여 발생된 자속을 위한 자기복귀 통로를 제공하는 링을 구성한다. 각각 코일(26)(28)(24)이 권취되는 자극(38)(40)(42)이 삼각형의 이등분선이 만나서 구성하는 중심축선을 향하여 내측으로 돌출되어 있다. 이 삼각형은 등변삼각형이다. 코일이 두 부분에 권취되어 설치가 용이하도록 함께 연결된다. 도시된 바와같이 고정자 자극의 자극면(44)(46)(48)의 둘레에 배치되는 코일을 사용하는 것이 좋기는 하나 코일은 볼트(32)가 도시된 고정자의 모서리 부분둘레에 권취될 수도 있다. 전형적인 모우터에 있어서, 고정자 자극의 자극면(44)(46)(48)의 면적은 약 3 평방인치이다. 전형적인 모우터에서 권수는 200이다. 이 모우터는, 고정자와 같이, 볼트(56)에 의하여 와셔(52)와 단봉체(54)사이에 고정되는 강철판을 적층하여 구성한 단일 자성체로 되어 있는 전기자(armature)(50)를 갖는다.

일반적으로 이 전기자는 단면이 삼각형으로 되어 있고 각 변을 따라 자극면을 갖는다(이들 변은 등변삼각형을 이룬다). 이들 자극면(58)(60)(62)(제3도 참조)은 고정자의 자극면(44)(46)(48)에 대하여 에어갭을 두고 대향되어 있다. 이러한 에어갭의 폭은 예를들어 0.050 인치이다. 모든 자극면과 에어갭은 전기자의 중심축선을 중심으로 하여 대칭으로 배치되어 있다. 이 중심축선이 볼트(56)의 종 방향 중심축선이다. 에어갭의 폭은 전기자의 최대궤적 운동범위, 예를들어 0.021 인치인 운동범위 보다 커서 전기자가 고정자에 부딪치지 않게되어 있다.

전기자는 제1도에 하나만을 도시한 볼트(64)에 의하여 원형으로 되어 있으며 용접기의 평판(70)에 체결되는 관상플랜지(68)를 갖는 구동판(66)에 연결된다. 평판은 용접플랜지(80)에서 다른 부품(82)에 용접되는 상측부품(78)을 재가하는 정착물(76)의 궤도상으로 이동가능한 가동부(72)에 연결된다. 용접 플랜지는 부품의 경계면(84)을 형성하는 용접면을 갖는다. 하측 부품(82)이 정착물(76)의 하측부(74)에 고정된다. 이 하측 부분은 수압실린더(88)에 의하여 수직으로 왕복하는 고정판(86)상에 설치되어 상측부품(78)이 모우터(20)에 의하여 궤도 운동하게 될 때에 열이 발생되어 경계면에서 용융될수 있도록 충분한 힘이 가하여져 부품이 함께 고정될 수 있다.

경계면에서 전기자(50)가 경사지는 것을 방지하기 위하여(전기자가 경사지면 상측용접부품(78)이 궤도운동을 할 때에 용접면의 접촉손실과 마찰력감소가 있게 된다). 전기자(50)와 상측부품(78)은 수평궤도 평면 즉 경계면(84)에서 수평으로 유지된다. 이러한 과정은 전기자(50)의 가요성 스프링지지시스템, 구동판(66), 평판(70)과 이에 설치된 가동부(72)에 의하여 성취된다. 이러한 가요성 지지구조물은 평판 운동을 안정화하고 궤도 평면에서 궤도 운동력을 유지하기 위하여 고정자 - 전기자 시스템의 외부에 설치된 봉(90)의 대칭 배치에 의하여 제공된다. 이들 봉은 이들의 축선(즉, 궤도 평면에 평행한 축선)을 중심으로 어느 방향으로나 동일한 강도를 제공하는 부재들이다. 원주방향으로 인접해있는 이들 봉(90)은 엇갈리게 배치되어서 모우터(20)의 축선에 대하여 교대로 방사상으로 더 멀거나 더 가깝게 된다. 이러한 배열로 궤도평면에 대한 경사운동의 속박이 이루어질 수 있다. 또한 이러한 배열로 궤도 운동부분(전기자 50 과 고정부 72 및 이에 연결된 부품)의 무게가 궤도운동의 진동수에 공명하는 기계적인 시스템을 이루는 강도가 유지될 수 있도록 한다. 이러한 진동수는 고정자 자극(38)(40)(42)의 코일에 인가되는 AC 전원 주파수의 두배이다. 전자력이 자극면 사이의 에어갭에서 자속의 제곱에 비례하고 또한 코일에 인가된 전압의 제곱에 비례하므로 진동운동은 두배가 된다. 전기자의 힘은 두배 진동수 때문에 각 자극에서 60°이상된 3 상 자속에 의하여 발생되므로 궤도운동이 일어나는 것이다. 궤도평면의 어느 점에서 이 힘은 변위량, 속도 또는 동일방향에 있는 가속도 벡타로 분석될 수 있고 벡타(궤도평면에 평행한, 환언컨데 궤도 축선에 수직인 벡터)로 표시될 수 있으며 두배의 AC 전원 주파수(이들 벡터는 두배의 AC전원 주파수에서 회전한다)의 싸인과 코싸인에 크기가 비례하는 운동을 발생한다. 상기 언급된 바와같이, 궤도 운동은 xy 궤도평면에서 위치좌표 x, y 및 z 를 이용하여 수학적으로 표현된다(궤도 평면에서 z=0 이고 이에 평행한 궤도평면을 나타내는 유한값을 갖는다). 여기에서 x 와 y 는 궤도평면의 임의 원점에서 측정된다. x₀, y₀및 z₀는 정지시 위치좌표이다. t는 초단위 시간을 나타내고, ω는 라디안/초 단위의 각 진동수이며, 궤도 평면에서의 운동은 x(t) = x₀+ Asinωt 와 y(t) = y₀+Bcosωt 이다. x(t)와 y(t) 의 식에서 A 와 B가 같지 않을 때에 궤도 운동은 타원형이다. 전체 궤도평면에서 운동은 임의 원점으로부터 궤도 운동이 관측되는 점까지 거리에 관계없이 동일하다(이동량, 속도 및 가속도 벡터가 일정하다).

제3도, 제4도와 제5도에서, 코일(24)은 코일1 로 표시되고 코일(26)은 코일2 로 표시되어 있으며 코일(28)은 코일3 으로 표시되어 있다. 이들 코일은 델타연결형, 즉 삼각형으로 제4도에서 보인 바와같이 함께연결된 원내에 부호로 표시된 권선의 단부와 연결되고 델타 연결형 코일의 단부는 Ø1, Ø2, 및 Ø3으로 표시된 3상전원선에 연결되어 있다. 또한 보다 적은 힘이 요구된다면 델타연결형 대신에 코일이 제5도에서 보인 바와 같은 Y 연결형 구조로 연결될 수 있다. Y 형 방식에 있어서, 그 출력은 델타 연결형의 출력의 1/3 이며 전원선으로부터 인가되는 전류역시 1/3로 감소된다. 공진에 있어서 델타연결형은 AC 전류의 최저 주파수 보다 16dB 낮은 제 3 코일 고조파전류를 갖는 반면에 ac 구동기로부터의 전류는 최저 주파수보다 28dB 낮은 제 5 고조파를 갖는다. 따라서 델타연결형인 경우에 AC 구동기로 부터의 전류에서 고조파를 감소시킨다.

만약 두 개의 궤도모우터가 제9도, 제10도와 제11도에서 보인 바와같이 동일부하(동일 구동판)에 기계적으로 연결된 경우에 병진운동(왕복운동)의 진동력이 선택될 수 있다. 또한 자극면의 하나를 향하는 방향으로 왕복운동(직선형의 진동)의 힘을 얻기 위하여 단상구동기가 단일 궤도 구동기와 함께 사용될 수 있다. 이는 각 코일을 두 두분으로 나누어 코일 1 을 코일 1A와 1B로 나누고 코일 2를 코일 2A 와 2B로 나누며 코일 3 을 코일 3A 와 3B 로 나누어 이루어질 수 있다. 이들 코일의 단자는 제6도와 제7도에서 보인바와같이 1A1, 1A2 -3B1, 3B2로 표시하였다. 선택적인 연결에 의하여, 예를들어 코일 1A와 B를 병렬로 연결하고 다른 코일을 직렬로 연결하므로서 코일 1이 권취되는 자극의 표면을 향하는 직선형 진동(왕복운동)의 힘이 전기자에서 발생된다. 단상 AC 전원(제7도에서 보인 바와같이, 예를들어 AC 라인의 상 2 와 상 3 사이의 전원)이 병렬 연결된 코일 1A 와 1B의 양상에 인가될 때에 왕복운동력은 궤도운동력의 최대 크기의 약 1/2 이다. 적당한 스위치가 단상구동전원을 공급 받도록 코일부분을 연결하고 3 방향의 요구된 한 방향으로 직선형 진동력을 제공토록 직렬과 병렬로 연결하는데 사용될 수 있다. 제1도와 제2도에서 보인 구성은 자극(38)의 코일을 병렬 연결형으로 연결하는데 바람직할 것이다. 그리고 진동왕복 운동의 직선방향은 용접기의 단부(92)(94)사이의 선을 따른 것이다.

제8도는 선행의 도면에서 보인 전자궤도 구동모우터를 위한 속도제어시스템을 보인것이다.

본 발명에 따라서 모우터의 코일을 통하여 흐르는 전류의 제 3 고조파가 궤도 속도를 모니터하는데 사용될 수 있음을 발견하였다. 그리고 궤도 속도는 모우터(20)의 코일에 인가되는 3 상 AC 전원의 주파수를 제어하는데 사용된다. 전원의 주파수는 가변주파수모우터 제어기(96)에 의하여 제어되며 이 제어기는 상업적으로 입수가능한 형태이고, 모우터(20)에 구동전압을 공급하는 가변주파수 모우터 제어기(96)로부터의 출력 라인에서 3 상 출력 (3 Ø)의 주파수를 제어하는 아날로그 형태이거나 서서히 변화하거나 또는 dc 신호(FREQ)에 의하여 구동되는 형태이다. 코일의 하나를 통한 전압 E₁과 전류 I₁는 다음식에 따른 아날로그 또는 디지탈 계산을 수행하는 회로인 속도분석기에 인가되어 사용된다.

이 식으로부터 부하위상각은 코일 양단의 전압과 코일 E₁ ⁽¹⁾과 I₁ ⁽³⁾에서 전류의 제 3 고조파 사이의 위상각으로서 표시 될 수 있다. 속도분석기로부터의 출력은 부하의 속도와 부하의 위상각을 나타내는 신호이다. 부하는 이 부하의 무게와 지지시스템의 강도로서 기계적인 시스템의 공진진동수를 결정하는 가요성 지지시스템에 의하여 재가된다. 위상각은 공진에서 0, 공진이하에서는 음이고 공진이상에서는 양이다. 이 시스템은 아날로그 컴퓨터 또는 디지탈 컴퓨터일 수 있으며 분석기(98)로 부터의 속도출력 │V│과 부하의 위상각 사이의 차이에 응답 하는 주파수제어기(100)를 이용한다. 구동주파수(선행 도면에서 설명된 궤도모우터 AC 전원 주파수의 두배)가 공진이하이면 구동주파수가 증가할 때 속도가 증가한다. 부하위상각이 음인 경우에 주파수는 공진이하이다. 부하위상각이 0에 이를 때에 시스템은 공진이고 주파수의 증가가 있어도 속도의 증가는 없다. 따라서 주파수 제어기는 다음식에 따라서 작동한다.

만약 (│V│〈 V₀)이고이면 FREQ 증가 만약 (│V│〈 V₀)이면 FREQ 감소 제어기(96)가 응답하는 FREQ 제어기 입력신호를 제공한다. 아울러 속도제어에 있어서 3 개의 모든 코일을 통한 전류는 각 코일에 의하여 측정된 속도의 평균값을 얻도록 모니터되어 제어해상도를 개선할 수 있다.

제9도, 제10도와 제11도는 각각 제1도, 제2도 및 제3도에서 보인 용접기의 모우터(20)와 유사한 두 개의 전자 궤도 구동모우터(104)(106)를 갖는 마찰용접기(102)를 보인 것이다. 이 용접기는 프레임(112)상의 방진지지제(110)에 의하여 착설되는 대형지지판(108)을 갖는다. 수압구동형의 왕복 평판(114)이 고정부(116)를 재가한다. 용접될 고정부는 눗은 열가소성 판(118)으로 도시되어 있다. 이동될 부품은 고정체의 상측부(112)에 설치된다. 이 상측부(112)는 구동판(126)에 연결된다. 평판은 구동판(도시하지 않았음)에 연결 되거나 모우터(104)(106)의 전기자(128)(130)에 직접 연결된다.

제11도는 코일들, 제 1 모우터(104)의 코일 1, 코일 2 및 코일 3 과 제 2 모우터(106)의 고정자 코일들, 코일 1', 코일 2' 및 코일 3' 을 보인 것이다. 3 개의 자극스위치가 Ø1, Ø2, 및 Ø3으로 보인 라인에 인가되는 3 상전원의 코일 1', 2' 및 3' 에 대한 연결을 변경시킨다. 이것이 모우드 셀렉터 스위치이다. 이 스위치는 구동판(126)에 대하여 모우터에 의하여 제공된 힘의 두배인 궤도 운동력이 발생토록 한다. 또한 모우터는 자극을 향하여 각 모우터에 의해 발생된 힘의 두배 크기인 최대 크기의 왕복 운동력을 발생토록 모우드셀렉터 스위치로 작동될 수 있다. 환언컨대, 구동판(126)과 가동부(120)에 모우터에 의하여 가하여지는 힘의 합의 최대 크기는 단일 모우터의 궤도 운동력의 최대 크기의 두배와 같다.

이와 같이 본 발명은 개선된 마찰용접기와 이러한 마찰용접기에 사용하기에 적합한 개선된 궤도 전자구동기(모우터)를 제공한다. 본 발명의 범위내에서 본문에 기술된 응접기와 모우터에 변경이나 수정을 가하는 것이 본 발명 기술분야의 전문가에게 의심없이 제안될 수 있다. 따라서 상기 설명은 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다.

Claims (33)

1. 경계면(84)에서 상측 및 하측부품(78, 82)을 마찰용접시키는 용접장치에 있어서, a) 궤도 운동을 하는 상측 및 하측부품(78,82)중 상측부품(78)을 궤도운동시키며 용접헤드에 직접연결되는 가동부(72), 상측부품(78)에 대해 하측부품(82)를 고정시키며 가동부(72)에 대해 정지상태인 하측부(74), 및 상측부품(78)을 궤도평면내에 놓여있는 위치좌표들로만 궤도운동시키고 궤도평면에 대해 경사진 운동방향으로의 작동이 억제되며 3상전원에 의해 구동되는 모우터(20)로 구성되어서 상기부품(78,82)들이 경계면(84)에서 접촉하고 있는 동안 상측부품(78)을 하측부품(82)에 대해 궤도평면에서 궤도운동하도록 구동시키는 용접헤드(16), b) 상기 용접헤드(16)를 포함하며 상기 부품(78, 82)간 이동 접촉없이 궤도평면에서 상기부품(78, 82)간에 궤도운동력을 발생시키는 힘 발생수단(20, 30, 50, 24, 26, 28), 및 c) 상기 궤도운동력에 따라 궤도운동을 수행하도록 상측부품(78)을 설치하는 수단(64, 66, 68, 70, 72, 90)으로 구성되며, 궤도운동은 다음식 x(t) = x₀+ Asinωt ; y(t) = y₀+Bcosωt, z(t)=z₀로 정의되고, x, y, z 는 좌표평면의 위치좌표, t 는 시간, ω 는 라디안/초, x₀, y₀, z₀는 상기 궤도평면에서 정지시의 위치좌표이고 A 와 B 는 중폭값을 나타내는 것을 특징으로 하는 마찰용접장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 힘발생수단인 모우터(20)가 궤도평면에 수직인 중심축선을 가지며 축선을 중심으로 원주방향에 360°/N (여기서는 N은 자극수이고 3과 같거나 크다)의 간격을 두고 배치된 복수의 자극을 갖는 전기자(50)와 상기 전기자(50)의 둘레에 배치되고 각각의 전기자자극과 대향된 복수의 자극(38, 40, 42)을 갖는 고정자(30)로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 힘발생 수단인 모우터(20)가 전기자(50)를 제공하는 자성물질의 단일동체 및 전기자 자극의 각각에 대향하는 복수의 자극(38, 40, 42)을 갖는 고정자(30)를 또한 포함하고, 상기 설치수단이 전기자(50)에 부착됨을 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 전기자와 고정자 자극이 궤도 평면에 수직이고 상기 힘발생수단인 모우터(20)가 축선을 따라 전기자(50)를 통하여 흐르는 자속을 형성하기 위하여 고정자 자극(38, 40, 42)에 자기적으로 결합된 자속발생코일(24, 26, 28)을 포함함을 특징으로하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 고정자(30)가 상기 자속의 복귀통로를 형성하는 전기자(50)를 둘러싸고 있는 단일자성체이고 고정자 자극(38, 40, 42)이 전기자로부터 연장됨을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서, 고정자 자극(38, 40, 42)과 전기자자극이 궤도운동을 하는 동안 상대운동을 하며 에어갭에 의해 상호 이격되는 대향 자극면(44, 46, 48; 58, 60, 62)를 갖되, 상기 자극면에 수직인 선을 따라 측정된 에어갭의 폭이 궤도운동력에 응답한 전기자(50)의 최대이동량보다 큰 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제6항에 있어서, 전기자(50)가 축선에 수직인 평면 에서 삼각형이고 각 전기자의 자극면(58, 60, 62)이 상기 삼각형의 상이한 변을 따라 형성됨을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 자극(38, 40, 42)이 120°의 간격을 두고 있으며 마찰용접장치가 상기 각 고정자코일(24, 26, 28)에 3상 AC 전원의 각 상을 인가하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
9. 제5항에 있어서 전기자와 고정자가 자성물질의 박판적층체로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 코일(24, 26, 28)이 델타형의 구조로 연결됨을 특징으로 하는 장치.
11. 제8항에 있어서, 상기코일(24, 26, 28)이 Y 자형의 구조로 연결됨을 특징으로 하는 장치.
12. 제4항에 있어서, 상기 용접헤드(16)가 전기자(50)가 연결되는 구동판(66), 전기자(50)와 함께 평면에서 궤도운동토록 상기 구동판(66)을 지지하기 위한 가요성 수단과, 고정자(30)를 고정하고 상기 가용성 수단을 고정하기 위한 대형지지판(12)으로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 가요성 수단이 상기 구동판(66)이 그 궤도운동을 수행하는 평면에서 모든 방향으로 동일한 강도를 갖는 스프링수단으로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 용접헤드(16)가 구동판(66)과 전기자(50)를 포함하고 상기 상특부품(78)이 AC 전원의 주파수에 두배인 잔류진동의 주파수를 결정하는 전체 무게와 강도를 가짐을 특징으로 하는 장치.
15. 제13항에 있어서, 상기 스프링수단이 축선의 둘레에 축선에 평행하게 배치된 복수의 봉(90)이고, 상기 봉(90)의 일측단부는 지지판(12)에 고정되고 타측단부는 구동판(16)에 고정됨을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 각각의 봉(90)이 축선으로부터 방사상으로 서로다른거리에 배치됨을 특징으로 하는 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 봉(90)들이 축선에 대해 대칭으로 배치되되, 축서에 대해 원주방향으로 서로 인접하고 있는 봉들이 방사상방향으로 축선에 대해 각각 근접 및 이격됨으로서 구동판(66)의 경사운동에 반작용토록 함을 특징으로 하는 장치.
18. 제15항에 있어서, 상기 지지판(12)이 전기자(50)와 용접헤드(16)보다 무거운 지지동체로 구성되고, 용접헤드(16)에 관상구조물(18)이 연결되고 이 관상구조물은 축선을 따라 연장된 개방부를 가지며 지지판(12)에 연결되고, 상기 봉(90)이 관상구조물(18)의 개방부에 배치되되 각 봉(90)의 일측단부가 관상구조물에 고정적으로 연결됨을 특징으로 하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 전기자(50)와 고정자(30)를 포함하는 모우터(20)가 관상구조물(18)의 개방부에 배치됨을 특징으로 하는 장치.
20. 제19항에 있어서, 용접장치가 상기 지지판(14)에 연결된 프레임(10)을 가짐을 특징으로 하는 장치.
21. 제20항에 있어서, 용접장치가 상기 상측부품(78)을 수용하기 위하여 구동판(66)에 연결된 평판(70)을 포함하는 장착물(76) 및 상기 하측 부품(82)을 지지하기 위하여 축선을 따라서 왕복 이동가능하고 경계면(84)에서 상기 부품(78, 82)을 이동시켜 접촉되게 하는 다른 평판을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제3항에 있어서, 상기 힘발생수단이 양자모두 궤도평면에 궤도운동력을 발생시키는 제 1 모우터(104)와 제 2 모우터(106), 및 궤도운동력에 교대로 상기 평면에서 병진운동의 진동력을 발생시키도록 상기 제 1 및 제 2 모우터(104, 106)에 전원을 인가하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
23. 제3항에 있어서, 고정자 자극이 각각 복수의 코일을 가지며, 용접장치가 상기 코일을 상기 자극의 일측에는 병렬로 타측 자극에는 직렬로 연결시키는 수단, 상기 직렬 및 병렬로 연결된 코일을 상호 연결시키는 수단 및 상기 평면에서 궤도운동력을 대신하여 병진운동의 진동력을 발생시키도록 직렬 및 병렬 연결된 코일을 통하여 단상 AC 전원을 인가하는 수단을 가짐을 특징으로 하는 장치.
24. 제3항에 있어서, 상기 힘발생수단인 모우터(20)가 궤도평면에서 상측부품(78)의 속도를 제어하기 위한 수단(96, 98, 100)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제24항에 있어서, 상기 모우터(20)가 AC 전원이 최저 주파수로 인가되는 하나이상의 코일을 포함하고, 상기 제어수단(96, 98, 100)이 최저주파수의 제 3 고조파에서의 전류 크기에 관련된 제 1 신호와 최저주파수에서의 상기 코일의 전압과 AC 전원의 주파수를 제어하기 위한 제 3 고주파에서의 상기 전류사이의 위상각에 관련된 제 2 신호에 응답하는 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
26. 제25항에 있어서, 상기 제어수단(96, 98, 100)이 제 2 신호가 부신호이고 제 1 신호가 정해진 크기 이하일 때에 상기 주파수를 증가시키고 제 1 신호가 상기 정해진 크기 이상일 때에 상기 주파수를 감소시키는 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
27. 제3항에 있어서, 상기 경계면(84)이 상기 궤도평면내에 있음을 특징으로 하는 장치.
28. 제3항에 있어서, 상기 용접헤드(16)가 궤도운동이 궤도평면내에 있도록 하기 위해 견고한 봉(90)의 배열로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
29. 상기1-28항 중의 어느 하나에 있어서, 궤도운동력을 발생시키는 힘발생 수단이 제 1 모우터(104)를 갖는 제 1 궤도운 발생 수단과 제 2 모우터(106)를 갖는 제 2 궤도운동력 발생수단을 포함하되, 상기 모우터(104, 106) 각각이 궤도평면에 궤도운동력을 독립적으로 발생시킬수 있으며, 가동부(20)를 설치하기 위한 수단(108, 122, 126)이 제 1 모우터(104)에 대해 발생된 궤도운동력과 제 2 모우터(106)에 의해 발생된 궤도운동력에 응답하여 궤도운동을 하며, 마찰용접장치가 가동부(120)를 설치하기 위한 수단(108, 122, 126)이 궤도운동 또는 병진운동의 진동운동을 하도록 구성시키는 제 1 및 2 모우터(104, 106)에 전원을 인가하는 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 제29항에 있어서, 제 1 궤도운동력 발생수단이 3상 전원에 의해 구동되며 제 1 모우터(104)를 제공하는 전기자(128)와 고정자를 갖는 제 1 모우터(104)를 포함하되 전기자(128)는 자성물질의 단일동체이고, 고정자는 전기자(128)를 둘러싸며 상호 원주방향으로 이격되어 있는 세 개의 자극을 갖는 자성물질의 단일동체이고, 각 자극마다 코일과 자극면을 가지며, 상기 전기자는 상호 원주방향으로 이격되어 있고 각 자극면에 대향하는 전기자 자극면을 갖고, 제 2 궤도운동력 발생수단이 제 2 모우터(106)를 제공하는 전기자(130)와 고정자를 갖는 제 2 모우터(106)를 포하하고, 제 2 모우터의 고정자는 세 개의 자극을 갖되 각 자극마다 코일을 가지며, 상기 설치수단(108, 122, 126)은 이격된 관계로 제 2 모우터(106)의 전기자(130)과 제 1 모우터(104)의 전기자(128)에 연결되는 대형지지판(108)을 포함하고, 마찰용접장치가 궤도운동 또는 병진운동의 진동운동을 하도록 대형지지판을 선택적으로 구동시키기 위해 3상 전원의 위상들을 제 1 모우터(144) 코일의 각위상으로 변경시키는 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
31. 제29항에 있어서, 설치수단(108, 122, 126)이 제 1 모우터(104)와 제 2 모우터(106) 양자에 연결되는 구동판(126)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
32. 용접될 표면에 열가소성 물질을 갖는 상측 및 하측부품(78, 82)을 마찰용접시키는 방법에 있어서, 궤도평면에 수직인 중심축선을 가지며 축선을 중심으로 원주방향에 360°/N (여기서 N은 자극수이고 3과 같거나 크다)의 간격을 두고 배치된 복수의 자극을 갖는 전기자(50)를 제공하는 자성물질의 단일동체 및 상기 전기자(50)의 둘레에 배치되고 각각의 전기자 자극과 대향된 복수의 자극(38, 40, 42)을 갖는 고정자(30)로 구성된 궤도운동력 발생수단인 모우터(20)를 제공하는 단계, 용접될 표면을 갖는 상기 두 부품(78, 82)을 접촉되게 유지하는 단계, 상기 고정자(30)에 대한 전기자(50)의 궤도운동을 제공하도록 궤도운동력을 발생시키는 단계, 상측부품(78)이 상기 접촉하는 표면에 수직한 축선을 중심으로 궤도운동을 하며 마찰력은 상기 표면이 용융하기에 충분하도록 하측부품(82)은 정지상태로 유지하고 상측부품(78)은 전기자(50)로 구동시켜서 두 부품(78, 82)의 표면이 용융케 하는 마찰력을 발생시키는 단계, 및 상기 마찰력을 종료시키고 마찰력의 종료후 함께 용접될 두 부품(78, 82)을 두 부품의 표면이 용융하여 용접될때까지 유지시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 마찰용접 방법.
33. 제32항에 있어서, 상기 궤도운동력이 발생되는 동안 축선에 수직인 궤도평명에 상기 표면을 유지시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.