KR100343300B1 - 워크피스 접합방법 및 워크피스 접합장치용 제어기 - Google Patents

Abstract

목표위상에서 정지하는 서보모터(14)를 사용하여 제1 워크피스(W1)와 제2 워크피스(W2;W3)를 접합하기 위한 워크피스 접합방법. 그 접합방법에서는, 제1 워크피스(W1)가 부착된 주축(12)은 서보모터(14)에 의해 회전된다. 제1 워크피스(W1)는 제2 워크피스(W2;W3)에 대하여 소정의 마찰압력(P0,P1)으로 접촉된다. 제1 및 제2 워크피스(W1, W2;W3)의 접합면이 원하는 상태까지 연화한 후(t4), 주축(12)의 회전수는 감속된다. 주축(12)의 회전이 정지하기 전에 주축(12)의 위상이 정지위상(O)과 일치하였을 때에(t5), 서보모터(14)에서 주축(12)에 부여되는 주축 토크의 크기는 소정값(Q)으로 규제된다. 접합면 사이의 마찰에 따른 힘과, 규제된 주축 토크에 의해 주축(12)의 회전은 거의 정지위상에서 정지된다.

Description

워크피스 접합방법 및 워크피스 접합장치용 제어기{Method for jointing workpieces and controller for a workipeces jointing apparatus}

본 발명은 워크피스(workpiece)를 접합하기 위한 워크피스 접합방법 및 접합장치에 관한 것으로서, 특히 복수의 워크피스 사이의 상대회전 및 위상맞춤을 행하기 위해서 서보모터를 사용한 마찰압접방법 및 워크피스 접합장치용 제어기에 관한 것이다.

종래부터, 복수의 워크피스를 접합하는 방법으로서 마찰압접방법이 알려져 있다. 그 방법에 의하면, 양 워크피스의 단면을 서로 접촉시킨 채로 상대회전시킴으로써 발생되는 마찰열을 이용하여 그 단면을 연화시켜 양 워크피스를 서로눌러 붙임으로써 양 워크피스를 접합시킨다.

이 접합방법은 봉재나 관재 등의 접합에 넓게 적용된다. 특히, 그 접합정확도, 접합 원가 및 생산성이 우수하기 때문에 대량 생산부품의 접합방법으로서 유용하다.

여기서 종래의 워크피스 접합공정을 설명한다.

먼저, 접합되는 2개의 워크피스를 워크피스 접합장치에 장착한다. 이 때, 제1 워크피스는 회전되는 주축의 척에 고정되고, 제2 워크피스는 회전하지 않는 정지척에 고정된다. 도 8에 도시하는 시간 t0에서, 주축의 회전이 개시된다. 주축의 회전속도가 소정값에 도달한 후, 그 회전속도를 유지하면서 회전하는 제1 워크피스의 단면을 정지해 있는 제2 워크피스의 단면에 접촉시킨다. 시간 t1에서, 추력부여장치에 의해 양단면을 잘 융합하기 위한 예열추력 P0이 양 워크피스 사이에 가해진다. 그러면, 마찰열에 의해 접합단면의 온도는 상승한다. 소정시간이 경과한 후, 시간 t2에서, 예열추력 P0 보다도 큰 마찰추력 P1을 양 워크피스 사이에 가한다. 그러면, 접합단면의 온도는 크게 상승하고, 고온층이 형성되고, 그 고온층의 금속은 연화한다. 시간 t3에서, 양 워크피스는 서로 눌러붙기 시작한다. 눌러붙음 양(접합비율)은 고온층의 깊이와 관련되어 있다. 접합경계면의 금속이 원하는 상태까지 연화한 시간 t4에서, 워크피스의 회전을 정지하기 위해 급감속한다. 이와 동시에, 마찰추력 P1 보다도 큰 업셋 추력 P2를 워크피스 사이에 가한다. 그러면, 접합비율은 크게 증가한다. 그 상태로 일정시간에 걸쳐 업셋 추력 P2를 계속 가한다. 고온층의 금속은 서서히 냉각하여 경화한다. 그 결과, 2개의 워크피스가 접합된다.

여기서 도 8에 2점쇄선으로 도시한 바와 같이, 주축회전의 정지 타이밍이 업셋 추력 P2를 가하는 타이밍 보다도 지연된 경우에는 전체 접합비율은 증가한다. 다른 한편, 도 8에서 점선으로 도시한 바와 같이, 업셋 추력 P2를 가하는 타이밍이 주축 회전의 정지 타이밍 보다도 지연된 경우에는 전체 접합비율은 감소한다. 즉,주축 정지의 지연시간 x1이나 업셋 추력 P2의 가압의 지연시간 x2를 변경함으로써 마찰압접시의 전체 접합비율을 조절할 수 있다.

다음에 주축의 감속 및 정지시에 있어서 주축 회전수와, 주축 토크와의 관계를 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9는 주축의 회전용 모터로서 인덕션 모터를 사용하고, 워크피스 사이의 위상 맞춤을 행하지 않는 워크피스 접합방법에서의 주축 회전수, 주축 토크, 추력, 및 접합비율을 나타낸다. 도 9에서의 점선은 양 워크피스를 접촉시키지 않는 무부하 운전시 즉 공운전시에서 주축 회전수 및 주축 토크를 나타낸다. 주축의 회전이 정지되는 시간 t5에서, 업셋 추력 P2가 부여되기 시작한다.

t4 이전에는, 주축에서 그 회전방향((+)방향)의 토크가 부여되고, 주축은 일정한 회전수에서 회전된다. 이 때 가해지는 주축 토크(실선)의 값은 주축의 회전력이 워크피스 사이의 접합 경계면에서 마찰에 대항하기 때문에 공운전시의 주축 토크(점선) 보다도 크다. t4에서, 주축의 회전을 정지시키기 위한 정지용 토크가 주축에 가해진다. 정지용 토크의 방향은 주축의 회전방향과 반대방향((-)방향)이다. 또, 정지용 토크의 값은 마찰압접시 및 공운전시의 어느 쪽도 동일하다. 공운전시에 주축 회전의 정지에 요하는 시간 T는 0.5초 정도이다. 마찰압접시의 주축의 정지에 요하는 시간(t4에서 t5까지)은 공운전시의 주축 정지시간 T 보다도 짧다. 이것은 워크피스 사이의 마찰이 브레이크력으로서 감속 토크에 부가되기 때문이다. 이와 같이, 위상 맞춤을 행하지 않는 마찰압접 공정에서는 워크피스 사이의 마찰을 주축의 회전을 급정지하기 위한 브레이크력의 일부로서 이용할 수 있다.모터를 제동하기 위해서는 디스크 브레이크 등의 기계식 브레이크를 사용하여도 좋다.

다음에, 워크피스 사이의 위상 맞춤을 행하는 워크피스 접합방법에 대해서 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다.

도 10은 위상 맞춤을 행하기 위해서 주축의 회전용 모터에 서보 모터를 채용한 워크피스 접합방법에서 주축 회전수, 주축 토크, 추력, 및 접합비율의 관계를 나타낸다. 도 11은 주축 토크, 주축 위상, 추력, 접합비율의 관계를 도시한다. 도 10에 도시한 바와 같이, 주축의 회전은 도 9와 같이 T초 후에 정지하도록 설정되어 있다. 시간 t5에서 업셋 추력 P2가 가해진다. 또, 도 10에서 점선은 마찰이 없는 공운전 상태에서의 주축 토크를 나타낸다.

도 10의 압접방법에서는, 주축의 회전상태가 피드백 제어되고, 양 워크피스 사이의 회전위치(위상)가 합치된다. 시간 t4는 주축 회전의 감속개시시이다. 시간 t4에서부터 회전을 감속시키기 때문에 주축 토크의 크기는 점차 감소된다. 그래서, 주축 토크의 방향은 주축의 회전방향과는 역방향(-방향)으로 변경된다. 주축 회전이 정지하기 직전에는 정확한 위상 맞춤을 행하기 위해 및 정지시의 쇼크를 감소시키기 위해서 서보모터의 회전속도가 서서히 감소하도록 서보모터가 제어된다. 이 제어에서는 회전속도와 시간과의 관계는 소정의 지수함수로 되어 있다. 회전 정지의 바로 전에 주축 회전수를 소정의 감속 커브를 따라서 변화시킴으로써 양 워크피스 사이의 접합 경계면에서의 발열이 감소한다. 따라서, 접합 경계면의 연화는 진행되지 않는다. 이 때문에 완전히 연화한 금속만이 워크피스의 회전에 의해 접촉 경계면의 직경방향으로 압출된다. 그 결과, 워크피스 사이의 접촉면적은 커지고, 양 워크피스 사이의 마찰은 증가한다. 이 마찰에 대항하여 양 워크피스의 위상을 맞추기 위해 서보모터에서는 상대적으로 큰 토크가 가해진다. 이와 같이 주축 회전의 바로 전에는 브레이크력으로 되는 양 워크피스 사이의 마찰에 대항하여 주축을 회전시키기 때문에 주축의 회전방향(+방향)에 큰 주축 토크가 가해진다. 그래서 도 11에 도시한 바와 같이, 시간 t5에서 주축이 목표위상(0°)에서 정지하도록 위상 맞춤이 행해진다.

그러나, 실제로는 2000rpm 과 같은 고속으로 회전하고 있는 주축을 0.5초 정도에서 급정지시키기 때문에, 시간 t5에서 주축 위상이 목표위상(0°)에 도달하여도 주축의 회전방향(+방향)에 가해진 큰 주축 토크에 의해 주축이 목표위상을 초과하여 오버슈트(overshoot)하여 버린다. 이 오버슈트 만큼의 회전을 수정하기 위해 회전방향과 반대방향(-방향)의 수정 토크가 가해진다. 그래서 최종적으로 주축의 위상은 목표위상(0°)에 합치된다. 또, 역방향의 수정 토크에 의해 워크피스의 접속부는 비틀린 상태에서 위상 맞춤이 된다.

그 상태에서 접합부의 금속이 경화하도록 목표위상(0°)이 달성된 후에도 양 워크피스는 마이너스 방향의 주축 토크 및 업셋 추력 P2가 계속 가해진다. 주축 토크 및 업셋 추력 P2의 부여는 접합부의 금속이 경화한 후에 해제된다.

이렇게 접합된 워크피스를 접합장치로부터 떼어낼 때에는 그 탄성 때문에 비틀림은 약간만 복귀한다. 그래서 워크피스 사이의 위상이 최종적으로 확정된다. 따라서 이 워크피스 접합방법에서는 비틀림 회복량을 예상하여 주축의 정지의 목표위상(0°)이 설정되어 있다.

도 10에 도시한 바와 같이, 도 9의 경우와 마찬가지로 주축 정지시의 시간 t5에서 업셋 추력 P2가 워크피스 사이에 가해진다. 그러나 도 9의 경우와는 다르게, 워크피스 사이의 비틀림에 의해 시간 t5 보다 전에 접합비율의 증가량이 변화한다. 비틀림에 의해 접합비율이 변화하기 때문에 도 9의 경우 보다도 전체 접합비율이 커진다. 또, 위상 맞춤을 행하는 워크피스 접합장치의 한 예가 일본 특개평 9-174260호 공보에 개시되어 있다.

그런데, 워크피스 재료의 조성의 불균형 때문에 접합 경계면에서 마찰에 따른 저항력의 크기는 다르다. 그 때문에 접합 경계면의 마찰이 큰 경우에는 주축 토크는 도 11에 점선으로 도시한 바와 같이 가해진다. 즉, 시간 t5에서 주축 토크는 통상시 보다도 크고, 또 오버슈트를 수정하기 위한 토크는 마이너스 방향으로 급격히 가해진다. 이 수정 토크에 의해 재차 주축이 목표위상(0°)을 초과하여 회전하여 버린다. 이 때문에 주축의 위상을 목표위상(0°)으로 수정하도록 다시 (+)방향의 주축 토크를 가해야 한다. 그 결과, 양 워크피스는 (+)방향으로 비틀린 상태에서 접합된다. 즉, 도 11의 실선과 같이 접합된 것에 대하여 역방향으로 비틀린 상태로 접합된다. 이 때문에 워크피스를 워크피스 접합장치로부터 떼어냈을 때에는 이 비틀림도 처음으로 돌아가기 때문에 최종 위상이 역방향으로 어긋나 버린다. 더구나 전체 접합비율도 증가한다.

본원의 발명자가 역방향으로 비틀린 제품의 위상을 측정한 바, 최종 위상의 오차는 3°이었다. 따라서, 10분 단위의 위상 오차밖에 허용되지 않은 제품 접합에 의해서는 상술한 바와 같이 최종 위상이 역방향으로 어긋난 것은 불량품으로 되어 버린다. 또한, 이와 같은 현상은 접합 경계면이 급격히 고착되는 얇은 두께의 관형재료의 경우에 특히 현저히 나타난다.

본 발명의 목적은 정확도가 좋게 위상 맞춤을 할 수 있는 워크피스 접합방법을 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 워크피스 접합장치를 도시하는 측단면도.

도 2는 도 1의 워크피스 접합장치를 도시하는 횡단면도.

도 3은 도 1의 워크피스 접합장치의 제어장치를 도시하는 블록도.

도 4는 본 실시예의 워크피스 접합방법을 도시하는 타이밍 챠트.

도 5A는 도 4의 워크피스 접합방법에 의한 위상맞춤방법을 설명하기 위한 타이밍 챠트.

도 5B는 도 5A에서 회전 정지직전의 주축 회전수 및 주축 위상을 도시하는 타이밍 챠트.

도 6은 제2 실시예의 워크피스 접합장치를 도시하는 부분단면도.

도 7은 제3 실시예의 워크피스 접합장치를 도시하는 부분단면도.

도 8은 종래의 워크피스 접합방법을 도시하는 타이밍 챠트.

도 9는 종래의 워크피스 접합방법을 도시하는 타이밍 챠트.

도 10은 다른 종래예의 워크피스 접합방법을 도시하는 타이밍 챠트.

도 11은 다른 종래예의 워크피스 접합방법을 도시하는 타이밍 챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1.40,50:워크피스 접합장치 2:설비베이스

12:주축 14:서보모터

23:제어기 29:주축 회전계

W1:제1 워크피스 W2,W3:제2 워크피스

상기 목적을 달성하기 위해서, 본원 발명의 제1 실시예에서는, 서보모터를 사용하여 제1 워크피스와 제2 워크피스를 접합하기 위한 워크피스 접합방법이 제공된다. 그 접합방법은 제1 워크피스와 제2 워크피스 사이에 상대회전운동을 부여하도록 서보모터를 사용하여 제1 워크피스가 부착된 주축을 회전시키는 공정과, 제1 워크피스와 제2 워크피스를 예열추력과 마찰추력으로 접촉시키는 공정과, 제1 및 제2 워크피스 접합면이 원하는 상태까지 연화한 후에 주축의 회전수를 감속시키는 공정과, 주축의 회전이 정지하기 직전에 주축의 위상이 정지 제어 개시위상에 일치하였을 때 서보모터로부터 주축에 부여되는 주축 토크의 크기를 제한 토크로 규제하는 공정과, 접합면 사이의 마찰에 따른 힘과 규제된 주축 토크에 의해 주축의 회전을 정지위상에서 정지시키는 공정을 포함한다.

본 발명의 제2 실시예에 의해, 상기 제1 실시예에 있어서, 주축의 회전수를감속하는 공정후에, 접합면 사이의 마찰에 따른 힘에 대항하여 주축을 거의 정지위상에서 정지하도록 주축의 회전방향(+)의 주축 토크를 가하는 공정을 부가로 포함하는 워크피스 접합방법이 제공된다.

본 발명의 제3 실시예에 의해, 상기 제1 실시예에 있어서, 주축 토크의 규제공정은 서보모터에 공급되는 전류의 제한을 포함하고, 상기 제한된 전류에 기초하여 가해지는 주축 토크의 크기는 접합면 사이의 마찰력 이하의 값인 워크피스 접합방법이 제공된다.

본 발명의 제4 실시예에 의해, 상기 제1 실시예에 있어서, 제1 및 제2 워크피스는 관형부재인 워크피스 접합방법이 제공된다.

본 발명의 제5 실시예에 의해, 상기 제1 실시예에 있어서, 제1 워크피스는 2개이고, 제2 워크피스는 1개이고, 각 제1 워크피스를 제2 워크피스의 양단면에 대하여 접합하고, 또 동시에 위상 맞춤을 행하는 워크피스 접합장치에 적용한 워크피스 접합방법이 제공된다.

본 발명의 제6 실시예에 의해, 제1 워크피스와 제2 워크피스를 접합하기 위한 워크피스 접합장치로서, 제1 워크피스를 고정하기 위한 주축과, 제1 워크피스를 제2 워크피스에 대하여 상대회전하도록 주축을 회전시키기 위한 서보모터와, 주축의 위상을 검출하는 위상검출수단과, 제1 워크피스와 제2 워크피스를 예열추력과 마찰추력으로 접촉시키기 위한 압력부여장치를 구비한 워크피스 접합장치에 설치되고, 상기 서보모터의 회전을 제어하기 위한 제어기에 있어서, 제1 및 제2 워크피스의 접합면이 원하는 상태까지 연화한 후에 주축의 회전수를 감속시키고, 주축의 회전이 정지하기 직전에 주축의 위상이 정지 제어 개시위상과 일치하였을 때 서보모터로부터 주축에 부여되는 주축 토크의 크기를 제한 토크로 규제하고, 접합면 사이의 마찰에 따른 힘과, 규제된 주축 토크에 의해 주축의 회전을 정지위상에서 정지시키는 것을 특징으로 하는 제어기를 제공한다.

본 발명의 신규하다고 생각되는 특징은 특히 첨부한 청구범위에서 명백히 나타난다. 첨부 도면을 참조하여 이하에서 보여주는 현시점에서 양호한 실시예의 설명에 의해 본 발명은 목적 및 이점과 함께 이해될 것이다.

이하 본 발명의 제1 실시예의 접합장치(1)를 도1 내지 도 3을 따라 설명한다. 이 워크피스 접합장치(1)에 의해 2개의 워크피스(W1,W2)가 접합된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 설비베이스(2)는 수평으로 설치되어 있다. 추력 부여장치로서의 슬라이드용 서보모터(4)가 브라킷(3)을 거쳐 설비베이스(2)에 고정되어 있다. 볼나사축(5)은 수평이 되도록 그 일단에서 슬라이드용 서보모터(4)의 회전축에 커플링(6)을 거쳐 장착되고, 그 타단에서 브라킷(7)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 설비베이스(2)상에는 직동 베어링(리니어 가이드)(8)이 볼나사축(5)과 평행하게 형성되어 있다. 주축박스(9)는 직동 베어링(8)상에 상기 직동 베어링(8)을 따라 미끄럼 이동 가능하게 배치되어 있다. 암부(9a)가 주축박스(9)로부터 아래로 연장한다. 암부(9a)는 볼너트(10) 및 로드셀(11)을 거쳐서 볼나사축(5)에 나사결합된다. 슬라이드용 서보모터(4)에 의해 볼나사축(5)이 회전되면, 주축박스(9)는 도 2에 도시하는 Y방향으로 미끄럼 이동한다. 이때 로드셀(11)은 볼너트(10)와 암부(9a) 사이의 실제 추력을 검출한다.

주축(12)은 주축박스(9)에 수평으로 지지되어 있다. 주축(12)의 선단에는척(13)이 마련되고, 이 척(13)에 관 형태의 워크피스(W1)가 고정된다. 주축박스 (9)상에는 주축 회전용 서보모터(14)가 고정되어 있다. 이 서보모터(14)는 모터기어(15), 아이들기어(16), 주축기어(17)를 거쳐서 주축(12)을 구동한다.

설비베이스(2)상에서 척(13)과 대향하는 위치에 클램프(18)가 설치되어 있다. 이 클램프(18)는 관 형태의 워크피스(W2)를 고정한다. 클램프(18)의 우편에 스톱퍼(19)가 배치되어 있다.

또한, 워크피스 접합장치(1)는 도 2에 도시되지 않은 제어장치를 구비하고 있다. 그 제어장치는 도 3에 도시하는 제어기(23)를 포함한다. 제어기(23)에서는 CRT(20)와 디지털 스위치(21)로 이루어지는 조작반(22)이 접속되어 있다. 제어기(23)에서는 슬라이드용 서보드라이버(서보앰프)(24)를 거쳐서 상기 슬라이드용 서보모터(4)가 접속되어 있다. 또, 제어기(23)에서는 회전용 서보드라이버(서보앰프)(25)를 거쳐서 상기 주축 회전용 서보모터(14)가 접속되어 있다. 더구나, 제어기(23)에서는 CRT(26)와 CPU(27)로 이루어진 품질보증장치(28)가 접속되어 있다. 품질보증장치(28)는 워크피스의 길이 및 시간과 관련된 신호를 제어기(23)로 전달한다. 품질보증장치(28)의 CPU(27)에는 주축 회전계(29)가 접속되어 있다. 주축 회전계(29)는 주축(12)의 회전상태(예를 들면, 회전수, 위상 및 토크)를 모니터하고, 그 주축(12)의 회전상태와 관련된 신호를 CPU(27)로 전달한다. 또한, 주축 회전계(29)는 주축 회전용 서보모터(14)를 모니터한다. 상기 로드셀(11)은 트랜스미터(30)를 거쳐서 제어기(23)에 접속된다. 트랜스미터(30)는 품질보증장치(28)의 CPU(27)에 접속되고, 워크피스 사이에 부여되는 추력(압력)과관련된 신호를 전달한다.

또한, 주축 회전용 서보모터(14)로서는 1회전 즉 360도마다 10,000펄스의 신호를 출력하는 것이 이용된다. 따라서 주축 회전용 서보모터(14)의 회전위치는 제어기(23)에 의해 고정확도로 검출된다.

다음에 워크피스 접합장치(1)에 의한 워크피스 접합방법을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 도 4는 주축 회전수, 추력(응력), 및 접합비율을 각각 시계열로 도시한다.

처음에, 워크피스(W1,W2)를 각각 척(13) 및 클램프(18)에 각 워크피스의 중심축선을 일치시켜서 파지시킨다. 이어서, 도 4에 도시하는 시간 t0에서, 주축 회전용 서보모터(14)에 의해 주축(12)을 회전시킨다. 주축(12)의 회전수를 일정값(예를 들면 2000rpm)으로 유지한다. 슬라이드용 서보모터(4)에 의해 볼나사축(5)을 회전시켜서 주축박스(9)를 Y방향(도 2참조)을 따라서 워크피스(W2)를 향하여 이동시킨다. 또한, 주축(12)의 회전수는 워크피스(W1,W2)의 재질 및 형상(예를 들면 관재/중실재, 외경 치수)에 따라 설정된다.

그 후, 시간 t1에서 워크피스(W1,W2)는 서로 접촉된다. 이 때에 마찰발열 공정을 행하도록 워크피스(W1,W2)의 접촉 경계면에 예열 추력 P0가 가해진다. 이 예열 추력 P0는 접합면의 요철에 잘 들어맞도록 하기 위해서 양 워크피스(W1,W2) 사이에 가해지는 비교적 작은 압력이다. 예열추력 P0를 양 워크피스(W1,W2) 사이에 가함으로써 양 워크피스(W1,W2)의 접촉 초기에 생기는 과도적인 토크의 증가가 낮게 억제된다. 그래서, 소정시간이 경과한 시간 t2에서 예열추력 P0 보다도 큰 마찰추력 P1을 양 워크피스(W1,W2) 사이에 가하기 시작한다. 이것에 의해 접합 경계면에 마찰열이 생기고, 이 마찰열에 의해 접합 경계면의 금속이 연화하기 시작한다. 그래서, 시간 t3에서 양 워크피스(W1,W2)는 눌려들어가기 시작한다.

마찰추력 P1이 가해진 t2로부터 소정의 시간이 경과한 시간 t4에서는, 접합 경계면은 원하는 상태까지 연화한다. 그 시간 t4에서 업셋 가압공정을 행하도록 주축 회전용 서보모터(14)를 제어하여 주축(12)의 회전을 감속시킨다. 그래서 주축(12)이 정지한 시간 t5에서 슬라이드용 서보모터(4)에 의해 마찰추력 P1 보다도 큰 업셋 추력 P2를 가한다.

여기서, 주축(12)의 감속 및 정지시에 주축 회전수, 주축 토크 및 주축 위상을 도 5A, 5B를 참조하여 상술한다. 도 5A, 5B에서, 실선은 본 실시예에서의 각 상태의 변화를 나타내고, 점선은 종래 예에서의 각 상태의 변화를 나타낸다.

먼저, 양 워크피스(W1,W2)의 접합면이 원하는 연화상태(시간 t4)에 도달하였음을 제어기(23)가 판단하면, 제어기(23)는 주축(12)의 회전을 정지하도록 주축 회전용 서보모터(14)에 회전방향과 반대방향(마이너스)의 주축 토크를 가한다. 여기서, 주축(12)의 회전을 서서히 멈추는 경우에는 마이너스 방향의 주축 토크를 걸 필요는 없지만, 본 실시예에서는 2000rpm으로 회전하는 주축을 0.5초로 급정지시키기 위해 마아너스 방향에 큰 토크가 가해진다.

그래서 주축(12)의 회전속도가 소정값 보다도 작으면, 제어기(23)는 주축(12)의 회전속도를 소정의 감속 커브에 일치시키고 또 주축(12)이 소정의 목표위상(0°)에서 정지하도록 회전방향(+방향)의 토크를 부여하도록 주축 회전용모터(14)를 제어한다. 상세하게는 접합 경계면의 마찰에 따른 브레이크력에 대하여 주축을 플러스 방향으로 회전시키는 주축 토크가 주축 회전용 모터(14)를 거쳐서 양 워크피스(W1,W2) 사이에 가해진다. 이 후, 제어기(23)가 주축 회전계(29)로부터의 신호에 기초하여 소정의 정지 제어 개시위상 θ를 검출하였을 때(t5), 제어기(23)는 주축 토크의 크기를 일정한 값(제한 토크) Q 이하로 하도록 주축 회전용 서보모터(14)에 공급하는 전류를 소정값으로 제한한다. 그러면, 도 5B에 도시한 바와 같이 주축(12)은 워크피스(W1,W2) 사이의 마찰력에 의해 시각 t5에서 조금 전진한 시각 t5a에서 정지된다. 이 때 주축(12)의 위상은 정지 제어 개시위상 θ 보다도 제동각도 α 만큼 전진한 최종위상 A이다. 제동각도 α는 워크피스(W1, W2) 사이의 마찰력, 제한 토크 Q 및 회전부재류의 관성 모멘트에 의존하고, 미리 접합 실험을 행하여 구하고 있다. 또한, 비교를 위해 종래기술에서의 변화를 도 5A, 5B에서 2점쇄선으로 도시하였다.

서보모터(14)는 무부하시에는 목표위상(0°)에서 정지하도록 설정되어 있는 데, 워크피스 접합시에는 정지 제어 개시위상 θ가 검출되었을 때(t5), 주축 토크는 제어기(23)에 의해 비교적 작은 값의 제한 토크 Q로 제한되고, 서보모터(14)는 주로 워크피스(W1,W2) 사이의 마찰력에 의해 목표위상(0°)의 바로 전에 거의 정지 제어 개시위상 θ(최종위상 A)에서 정지된다. 따라서, 주축(12)의 회전이 정지하기 전에 워크피스(W1,W2) 사이에 마이너스 방향 또는 플러스 방향의 크기인 정지 토크는 가해지지 않는다.

이와 같이, 시간 t5까지는 종래 기술과 마찬가지로 주축 회전용 서보모터(14)에서는 목표위상(0°)에서 정지하도록 위상 맞춤용 토크가 가해진다. 그러나, 제어기(23)가 정지 제어 개시위상 θ을 검출한 시간 t5 이후에는 회전방향(+방향)의 제한 토크 Q 만이 주축 회전용 서보모터(14)에 부여된다.

여기서, 정지 제어 개시위상 θ은 제동각도 α 및 워크피스 접합장치(1)로부터 떼어내었을 때의 양 워크피스(W1,W2)의 비틀림의 복귀량을 고려하여 예를 들면 서보모터(14)의 목표위상(0°)의 5°바로 전에 설정되어 있다. 또한, 본 실시예에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 주축(12)이 정지하는 시간 t5에서 양 워크피스(W1,W2)를 고상접합하기 위한 업셋 추력 P2가 양 워크피스(W1,W2)에 가해진다. 또한, 제한 토크 Q의 크기는 워크피스의 외형이나 재질 등의 압접 조건마다 미리 실험에 의해 주축(12)의 접합 경계면에 미끄러짐이 발생하지 않는 값으로 설정되어 있다. 업셋 추력 P2를 가하는 타이밍은 원하는 접합비율에 따라서 임의로 설정할 수 있다. 업셋 추력 P2를 가하는 타이밍은 t4에서부터의 경과 시간에 기초하여 결정되는 데, 주축(12)의 위상에 기초하여 업셋 추력 P2를 가하는 타이밍을 조절하면 워크피스의 접합 오차를 보다 작게 할 수 있다.

그래서, 업셋 추력 P2의 부여를 정지한 후에, 척(13)을 풀고, 주축박스(9)를 좌측으로 이동시키고, 접합된 워크피스(W1,W2)를 워크피스 접합장치(1)로부터 떼어낸다. 이렇게 하여 원하는 위상에서 접합된 워크피스(W1,W2)가 얻어진다.

이상과 같이, 제어기(23)에 의해 슬라이드용 서보모터(4) 및 주축 회전용 서보모터(14)의 위치 지령, 토크 제어 및 회전속도 제어가 행해진다. 따라서, 접합된 워크피스(W1,W2)를 워크피스 접합장치(1)로부터 떼어내었을 때에 정확히 위상맞춤된 워크피스(W1,W2)가 얻어진다. 다만, 재료의 탄성계수의 불일치에 의해 워크피스(W1,W2)를 떼어내었을 때의 오차로서 예를 들면 15분 정도의 오차가 발생한다. 또, 전체 접합비율로서는 예를 들면 8미리 정도로 되도록 제어되고 있다. 또한, 본 워크피스 접합방법에 의한 워크피스(W1,W2)의 접합은 동종금속으로만이 아니라 이종금속의 접합에 대해서도 행할 수가 있다.

또한, 본 실시예에서 주축 회전계(29)가 위상 검출수단을 구성하고 있다.

제2 실시예의 워크피스 접합장치(40)를 도 6을 참조하여 설명한다. 또한, 제1 실시예와 동일한 구성, 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.

제1 실시예에서는 회전측에 있는 주축(12)측이 슬라이드하는 것이었는 데, 제2 실시예의 워크피스 접합장치(40)는 회전하지 않는 클램프(41)가 이동 가능하게 설치되어 있다.

상세히 설명하면, 도 6에 도시한 바와 같이, 클램프(41)는 직동 베어링(8)상에서 미끄럼 이동 가능하게 설치되어 있다. 클램프(41)는 볼너트(10) 및 로드셀(11)을 거쳐 볼나사 축(5)에 나사결합되어 있다. 워크피스(W2)는 클램프(41)에 의해 고정되어 있다. 워크피스(W2)의 축방향의 이동을 규제하기 위한 스톱퍼(42)가 클램프 (41)에 고정되어 있다. 설비베이스(2)상에는 스톱퍼(42)에 대향하여 주축(12)을 회전 가능하게 지지하기 위한 주축박스(43)가 고정되어 있다. 워크피스(W1)는 주축(12)의 척(13)에 의해 고정되어 있다. 제2 실시예에서는 클램프(41)가 이동하여 회전하지 않는 워크피스(W2)를 회전하는 워크피스(W1)에 눌려붙임으로써 양 워크피스(W1,W2)가 접합된다.

따라서, 상술한 워크피스 접합방법을 이 워크피스 접합장치(40)로 실행하면, 하기 효과 (6)을 제외한 제1 실시예와 동일한 효과가 얻어진다. 이에 더하여 주축(12)이 이동하지 않기 때문에 주축 회전용 서보모터(14)의 제어에 필요한 전기 배선의 배치가 용이하게 되고, 더구나 이동되는 부재의 중량이 경감되므로 클램프(41)는 고속으로 이동할 수 있고 실용상 양호하다.

제3 실시예의 워크피스 접합장치(50)를 도 7을 참조하여 설명한다. 또한, 제1 실시예와 동일한 구성, 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.

워크피스 접합장치(50)에서는 중간 워크피스(W3)에 2개의 워크피스(W1)가 접합되고 또 양단의 워크피스(W1)의 위상 맞춤이 동시에 행해진다.

상세히 설명하면, 도 7에 도시한 바와 같이, 워크피스 접합장치(50)는 설비베이스(2)상의 양측에 각각 워크피스(W1)를 회전시키며 또 이동시키기 위한 부재(슬라이드용 서보모터(4), 주축 회전용 서보모터(14) 등)를 구비하고 있다. 즉, 클램프(51)에 중간 워크피스(W3)가 고정되고, 이 중간 워크피스(W3)의 양단면에 2개의 워크피스(W1)가 회전하지 않으면서 눌려붙여진다.

따라서, 상술한 워크피스 접합방법을 제3 실시예의 워크피스 접합장치(50)로 실행하면, 제1 실시예와 동일한 효과가 얻어진다. 이에 더하여 2개의 워크피스 (W1)가 동시에 접합될 수 있기 때문에 단위 시간당 생산성이 향상되고 실용상 양호하다.

또한, 본 발명은 상기 각 실시예에 한정되지 않고, 하기와 같이 실시하여도 좋다.

주축 토크를 규제하기 위해서 주축 회전용 서보모터(14)의 전류 제한을 행함으로써 주축(12)의 회전을 정지시키고 있는 데 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면 하기와 같이 실시하여도 좋다.

(1) 주축 회전용 서보모터(14)로의 전류를 완전히 끊음(서보오프)으로써 주축(12)을 정지시킨다. 다만 이 경우 위치제어는 행하지 않지만 회전위치의 검출 자체는 행한다.

(2) 주축(12)의 회전을 정지시키기 위해서 축 인터록크의 기능을 이용하여도 좋다. 이 기능은 인터록크를 건 축의 회전 및 이동을 금지하므로 인터록크가 걸리면 축의 회전은 감속되고, 이동이 정지된다. 한편, 인터록크가 해제되면 축의 회전 및 이동이 재개된다.

(3) 워크피스 접합장치(1)는 자동으로 운전되는 데, 그 자동운전은 중단시킬 수 있어도 좋다. 이 경우, 비상시에 워크피스 접합장치(1)를 긴급히 정지시킬 수 있다.

(4)제어기(23)로부터 모터(14)로의 출력 펄스(회전이동지령)를 송출하지 않도록 하는 머신록크로서 주축(12)을 정지시켜도 좋다.

(5) 토크 지령에 대하여 소정값 이상의 토크출력이 되지 않도록 주축 토크의 출력을 포화시켜서 주축(12)을 정지시켜도 좋다. 이 경우, 출력 포화시의 토크 값이 접합 경계면에서의 마찰에 기초한 저항력 보다도 작을 때에는 그 상태에서 평행하게 위상편차를 남긴 그대로의 상태로 된다.

주축(12)에 큰 주축 토크가 가해지는 주축(12)의 회전 정지 직전에 정지 제어 개시위상 θ가 검출되었을 때 이후에는 서보모터(14)를 목표위상(0°)에서 정지하도록 제어하지 않고 워크피스 사이의 마찰과 제한 토크 Q 만을 이용하여 주축의 회전을 정지시키는 구성이면 그외 다른 구성은 임의로 변경할 수 있다.

상기 각 실시예에서는 각 기어(15,16,17)를 거쳐서 주축 회전용 서보모터 (14)의 회전을 주축(12)에 전달하는 것이었는 데 이들 각 기어(15,16,17)를 거치지 않고 서보모터(14)에 의해 주축(12)을 직접 구동하여도 좋다.

상기 각 실시예에서는 마찰추력 P1이 가해지는 t2에서 소정의 시간이 경과한 t4의 타이밍에서 주축의 회전은 감속되기 시작한다. 즉, 시간 제어에 의해 주축의 회전은 감속되기 시작하는 데 압접시의 워크피스(W1,W2)의 길이에 기초하여 감속을 개시하는 치수제어로서 행하는 것이어도 좋다. 다시 말하면, 슬라이드용 서보모터(4)의 회전에 관한 정보를 기초로 하여 접합비율을 검출하여 소정의 접합비율로 되었을 때 주축의 회전을 감속하기 시작하도록 하여도 좋다.

본 발명의 실시예를 도면을 관련하여 설명하였는 데 본 발명은 상기에 한정되지 않고 첨부한 청구의 범위의 기재 및 그 등가물의 범위내에서 변경할 수 있다.

제1 실시예의 워크피스 접합방법에 의하면 아래의 효과가 얻어진다.

(1) 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 종래의 워크피스 접합방법에서는,위상 맞춤할 때에 접합 경계면에서의 마찰이 주축 회전의 정지 직전에 증가하기 때문에 마찰에 의한 브레이크력에 대하여 가속측((+)방향)에 큰 주축 토크가 가해지고, 양 워크피스 사이의 위상이 목표위상(0°)으로 되도록 주축 회전의 감속 및 정지가 행해지고 있었다.

이에 대하여 제1 실시예에서는 주축(12)의 위상이 정지 제어 개시위상 θ으로 되었을 때 제어기(23)에 의해 서보모터(14)로 흐르는 전류가 제한된다. 이것에 의해 주축 토크의 출력이 소정의 제한 토크 Q 이상으로 가해지지 않도록 규제된다. 이 제한 토크 Q는 접합 경계면에서의 미끄러짐을 발생시키지 않는 값으로 설정되어 있기 때문에 접합 경계면의 마찰력에 의해 주축 회전은 그 위상이 거의 정지 제어 개시위상 θ에서 정지된다.

그 결과, 주축 회전의 정지 직전에 주축(12)에 큰 주축 토크가 가해지지 않기 때문에 접합시에 있어서 워크피스(W1,W2) 사이의 위상은 거의 정지 제어 개시위상 θ으로 할 수 있다.

또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 주축을 회전시키는 방향((-)방향)의 제한 토크 Q를 계속 가한 상태에서 워크피스의 접합은 종료하기 때문에 워크피스(W1,W2) 사이의 위상은 회전방향((+)방향) 측에 비틀린 상태로 접합된다. 이와 같이, 주축 회전이 정지하기 직전에 큰 주축 토크를 가하지 않고 위상 맞춤이 행해지기 때문에 워크피스(W1,W2) 사이의 비틀리는 방향이 역으로 되는 것이 확실히 방지된다. 이 때문에 접합된 워크피스(W1,W2)를 워크피스 접합장치(1)로부터 떼어내었을 때에 비틀림이 돌아와도 양 워크피스(W1,W2)의 위상은 정확하게 확보된다.

(2) 관 형태의 워크피스(W1,W2)를 이용하기 때문에 주축(12)의 감속 및 정지시에 각 워크피스(W1,W2)의 접합 경계면에서 마찰이 금속히 커진다. 그 마찰력을 주축 회전의 정지 직전에 브레이크력으로서 적극적으로 이용함으로써 주축(12)의 회전은 거의 정지 제어 개시위상 θ으로 확실히 정지시킬 수 있다.

(3) 종래 기술의 위상 맞춤을 행하는 방법에서는, 업셋 추력 P2를 가하는 타이밍은 주축(12)의 정지시로 한정되어 있는 데, 본 실시예에서는 업셋 추력 P2을 가하는 타이밍은 주축(12)의 정지시로 한정되지 않기 때문에 압접조건의 자유도가 증가한다. 그 결과, 적정한 압접조건의 설정을 용이하게 행할 수 있다.

(4) 종래 기술과 같이, 위상 맞춤시에 마찰면의 저항을 극복하도록 한 토크가 가해지지 않기 때문에 위상 맞춤은 에너지가 절약되고, 더구나 소형의 주축 회전용 서보모터(14)를 사용할 수 있다. 또한 동일한 소비전력의 서보모터(14)를 이용한 경우에는 종래기술에 비하여 보다 큰 직경의 워크피스 끼리 마찰 압접을 행할 수가 있다.

(5) 유압을 이용한 종래의 기계식 워크피스 접합장치, 예를 들면 일본 특공평 8-15673호 공보에 개시되어 있는 워크피스 접합장치에서는 위상 맞춤시에 120 ~ 140 dB의 충격음이 발생한다. 이에 대하여 본 실시예의 워크피스 접합방법에 의하면, 감속시에 큰 주축 토크가 가해지지 않기 때문에 위상 맞춤시에 충격음이 발생하지 않는다.

(6) 본 실시예의 워크피스 접합장치(1)에서는 회전하는 주축(12)을 이동시켜서 압접이 행해지기 때문에 회전하지 않는 클램프(18)에 고정된 워크피스(W2)의 고정방법은 임의로 선택할 수 있다.

상술한 제2 실시예의 워크피스 접합방법을 상기 워크피스 접합장치(40)로 실행하면, 상기 효과 (6)을 제외한 제1 실시예와 동일한 효과가 얻어진다. 이에 더하여 주축(12)이 이동하지 않기 때문에 주축 회전용 서보모터(14)의 제어에 필요한 전기 배선의 배치가 용이하게 되고, 더구나 이동되는 부재의 중량이 경감되므로 클램프(41)는 고속으로 이동할 수 있고 실용상 양호하다.

상술한 워크피스 접합방법을 제3 실시예의 워크피스 접합장치(50)로 실행하면, 제1 실시예와 동일한 효과가 얻어진다. 이에 더하여 2개의 워크피스 (W1)가 동시에 접합될 수 있기 때문에 단위 시간당 생산성이 향상되고 실용상 양호하다.

Claims (6)

1. 서보모터(14)를 사용하여 제1 워크피스(W1)와 제2 워크피스(W2;W3)를 접합하기 위한 워크피스 접합방법에 있어서,

   상기 제1 워크피스(W1)와 상기 제2 워크피스(W2;W3) 사이에 상대회전운동을 부여하도록 상기 서보모터(14)를 사용하여 제1 워크피스(W1)가 부착된 주축(12)을 회전시키는 공정과,

   상기 제1 워크피스(W1)와 상기 제2 워크피스(W2;W3)를 예열추력과 마찰추력(P0,P1)으로 접촉시키는 공정과,

   상기 제1 및 제2 워크피스(W1,W2;W3)의 접합면이 원하는 상태까지 연화한 후에(t4) 상기 주축(12)의 회전수를 감속시키는 공정과,

   상기 주축(12)의 회전이 정지하기 직전에 주축(12)의 위상이 정지제어 개시 위상(θ)에 일치하였을 때(t5) 상기 서보모터(14)로부터 주축(12)에 부여되는 주축 토크의 크기를 제한 토크(Q)로 규제하는 공정과,

   상기 접합면 사이의 마찰에 따른 힘과 규제된 주축 토크에 의해 상기 주축(12)의 회전을 정지위상에서 정지시키는 공정을 포함하는 워크피스 접합방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 주축(12)의 회전수를 감속하는 공정후에 상기 접합면 사이의 마찰에 따른 힘에 대항하여 주축을 정지위상에서 정지하도록 주축의 회전방향(+)의 주축 토크를 가하는 공정을 부가로 포함하는 워크피스 접합방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 주축 토크의 규제공정은 상기 서보모터(14)에 공급되는 전류의 제한을 포함하고, 상기 제한된 전류에 기초하여 가해지는 상기 주축 토크(Q)의 크기는 상기 접합면 사이의 마찰력 이하의 값인 워크피스 접합방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 워크피스(W1,W2;W3)는 관형부재인 워크피스 접합방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 워크피스(W1)는 2개이고, 상기 제2 워크피스(W3)는 1개이고, 각 제1 워크피스(W1)를 상기 제2 워크피스(W3)의 양단면에 대하여 접합하고, 또 동시에 위상 맞춤을 행하는 워크피스 접합장치(50)에 적용한 워크피스 접합방법.
6. 제1 워크피스(W1)와 제2 워크피스(W2;W3)를 접합하기 위한 워크피스 접합장치로, 상기 제1 워크피스를 고정하기 위한 주축(12)과, 상기 제1 워크피스(W1)를 상기 제2 워크피스(W2;W3)에 대하여 상대회전하도록 주축(12)을 회전시키기 위한 서보모터(14)와, 상기 주축(12)의 위상을 검출하는 위상검출수단(29)과,

   상기 제1 워크피스(W1)와 상기 제2 워크피스(W2;W3)를 예열추력과 마찰추력(P0, P1)으로 접촉시키기 위한 압력부여장치(4,5,9a,10)를 구비하는 워크피스 접합장치에 설치되고, 상기 서보모터(14)의 회전을 제어하기 위한 제어기(23)에 있어서,

   상기 제어기(23)는 상기 제1 및 제2 워크피스(W1,W2;W3)의 접합면이 원하는 상태까지 연화한 후에(t4) 상기 주축(12)의 회전수를 감속시키고, 상기 주축(12)의 회전이 정지하기 직전에 주축(12)의 위상이 정지 제어 개시위상(θ)과 일치하였을 때(t5) 상기 서보모터(14)로부터 주축(12)에 부여되는 주축 토크의 크기를 제한 토크(Q)로 규제하고, 상기 접합면 사이의 마찰에 따른 힘과, 규제된 주축 토크에 의해 상기 주축(12)의 회전을 정지위상에서 정지시키는 것을 특징으로 하는 제어기.