KR102280608B1

KR102280608B1 - 셀프 피어싱 리벳팅 장치 및 셀프 피어싱 리벳팅 방법

Info

Publication number: KR102280608B1
Application number: KR1020190154602A
Authority: KR
Inventors: 감동혁; 김철희; 윤진영; 정택언
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-07-23
Also published as: KR20210065623A

Abstract

본 발명은 셀프 피어싱 리벳의 리벳팅 시 리벳팅 장치의 변형에 따라 펀치 유닛의 위치를 보정 및 정밀 제어할 수 있는 셀프 피어싱 리벳팅 장치 및 셀프 피어싱 리벳팅 방법에 관한 것으로서, 서로 마주보게 형성되는 제 1 단부와 제 2 단부가 형성될 수 있도록, 전체적으로 C자 형상으로 형성되는 프레임과, 셀프 피어싱 리벳의 헤드부를 가압할 수 있도록 승하강되는 펀치 유닛을 구비하고, 상기 프레임의 상기 제 1 단부에 설치되는 가압부와, 상기 가압부와 대향되게 형성되어 상기 셀프 피어싱 리벳에 의해 접합되는 피접합재를 지지할 수 있도록, 상기 프레임의 상기 제 2 단부에 설치되는 지지부와, 상기 펀치 유닛의 일측에 설치되어 상기 펀치 유닛이 상기 셀프 피어싱 리벳을 가압할 때 상기 펀치 유닛에 인가되는 하중 값을 측정하는 하중 센서와, 상기 가압부의 일측에 설치되어 상기 펀치 유닛의 하단과 상기 지지부 간의 거리 값을 측정하는 거리 센서 및 상기 펀치 유닛에 인가되는 상기 하중 값과 상기 프레임의 변형의 상관 관계를 변형 함수로 산출하여 사전에 저장하고, 상기 셀프 피어싱 리벳의 리벳팅 시 상기 하중 센서로부터 인가되는 상기 하중 값과 상기 변형 함수를 이용하여 상기 프레임의 변형량을 산출하여, 산출된 상기 프레임의 상기 변형량과 상기 거리 센서에서 측정된 상기 거리 값에 따라 상기 펀치 유닛의 보정량을 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

셀프 피어싱 리벳팅 장치 및 셀프 피어싱 리벳팅 방법{Self piercing riveting device and self piercing riveting method}

본 발명은 셀프 피어싱 리벳팅 장치 및 셀프 피어싱 리벳팅 방법에 관한 것으로서, 셀프 피어싱 리벳의 리벳팅 시 리벳팅 장치의 변형에 따라 펀치 유닛의 위치를 보정 및 정밀 제어할 수 있는 셀프 피어싱 리벳팅 장치 및 셀프 피어싱 리벳팅 방법에 관한 것이다.

자동차 산업에서는 환경 문제에 따른 연비의 향상을 위해 알루미늄 합금과 플라스틱 재료 등의 사용을 통하여 차체의 경량화를 도모하고 있다. 이를 위해 자동차 업계에서는 차체를 조립하는 통상적인 점용접을 대체할 수 있는 접합 방법에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 최근에 들어서는 리벳 또는 스크류와 같은 기계적 체결구를 이용한 기계적 결합 방식이 많이 사용되고 있다.

기계적 결합 방식 중 일반적으로 많이 사용되는 셀프 피어싱 리벳 접합 방식은, 강판 등의 접합 대상물에 리벳 접합용 구멍을 가공하고 그 구멍에 리벳을 삽입 후 헤드부를 성형하여 접합 대상물을 접합하는 기존의 리벳팅 방식과 달리, 구멍을 가공하지 않고 유압 또는 공압으로 리벳을 접합 대상물에 압입하여 리벳을 소성 변형시킴으로써 접합 대상물을 접합하는 방식이다. 이와 같은, 셀프 피어싱 리벳 접합 방식에서는 예컨대, 금속 시트재와 같은 상,하판의 접합 대상물을 체결하기 위해 헤드(Head)부와, 부분적으로 속이 빈 원통형 생크(shank)부로 이루어진 셀프 피어싱 리벳을 사용할 수 있다. 예를 들면, 셀프 피어싱 리벳은 세팅 툴의 펀치에 의해 생크가 접합 대상물의 상판을 관통하고, 앤빌에 의해 외측으로 벌어지며, 헤드부 부분이 상판을 지지한 상태로 생크부가 하판에 압입되면서 접합 대상물의 상하판을 접합할 수 있다.

따라서, 셀프 피어싱 리벳팅 장치는 상,하판의 접합 대상물을 펀치 유닛과 앤빌 유닛 사이에 위치시킨 상태에서, 펀치 유닛을 통해 리벳을 가압하게 되면, 그 리벳이 상판을 관통하여 하판으로 침투되고, 리벳의 선단이 앤빌의 성형골을 따라서 반지름 방향으로 확장 변형되면서 접합 대상물을 일체로 접합하게 된다. 이와 같이 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합 기술은 스폿 용접이 용이하지 않은 알루미늄 합금이나 플라스틱 재료와 같은 이종 소재 부품 간의 접합을 위해 사용될 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 셀프 피어싱 리벳팅 장치는, 셀프 피어싱 리벳에 의해 피접합재가 천공되는 과정에서 반력에 의해 펀치 유닛 및 앤빌 유닛이 설치된 C자 형상의 프레임이 벌어지는 변형이 발생하여, 펀치 유닛이 지령 위치까지 셀프 피어싱 리벳을 가압하지 못하는 문제점이 있었다. 이에 따라, 피접합재의 접합 후 셀프 피어싱 리벳의 헤드부가 지나치게 돌출되거나, 셀프 피어싱 리벳이 충분히 삽입되지 않아 피접합재의 접합 부위의 접합강도 및 내구성능의 저하를 야기시킬 수 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 셀프 피어싱 리벳의 리벳팅 시 펀치 유닛에 발생하는 반력으로 프레임의 변형 정도를 예측하여 셀프 피어싱 리벳의 헤드부의 높이를 정확히 예측함으로써, 접합 부위의 불량 여부를 실시간으로 검사할 수 있으며, 펀치 유닛의 지령 위치와 실제 위치가 차이가 날 경우 펀치 유닛의 위치를 피드백 제어하여 최적의 깊이까지 셀프 피어싱 리벳을 정밀 삽입할 수 있는 셀프 피어싱 리벳팅 장치 및 셀프 피어싱 리벳팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀프 피어싱 리벳팅 장치가 제공된다. 상기 셀프 피어싱 리벳팅 장치는, 서로 마주보게 형성되는 제 1 단부와 제 2 단부가 형성될 수 있도록, 전체적으로 C자 형상으로 형성되는 프레임; 셀프 피어싱 리벳의 헤드부를 가압할 수 있도록 승하강되는 펀치 유닛을 구비하고, 상기 프레임의 상기 제 1 단부에 설치되는 가압부; 상기 가압부와 대향되게 형성되어 상기 셀프 피어싱 리벳에 의해 접합되는 피접합재를 지지할 수 있도록, 상기 프레임의 상기 제 2 단부에 설치되는 지지부; 상기 펀치 유닛의 일측에 설치되어 상기 펀치 유닛이 상기 셀프 피어싱 리벳을 가압할 때 상기 펀치 유닛에 인가되는 하중 값을 측정하는 하중 센서; 상기 가압부의 일측에 설치되어 상기 펀치 유닛의 하단과 상기 지지부 간의 거리 값을 측정하는 거리 센서; 및 상기 펀치 유닛에 인가되는 상기 하중 값과 상기 프레임의 변형의 상관 관계를 변형 함수로 산출하여 사전에 저장하고, 상기 셀프 피어싱 리벳의 리벳팅 시 상기 하중 센서로부터 인가되는 상기 하중 값과 상기 변형 함수를 이용하여 상기 프레임의 변형량을 산출하여, 산출된 상기 프레임의 상기 변형량과 상기 거리 센서에서 측정된 상기 거리 값에 따라 상기 펀치 유닛의 보정량을 산출하는 제어부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제어부는, 상기 하중 센서가 측정한 상기 하중 값을 인가받고, 상기 하중 값과 상기 변형 함수를 이용하여 상기 프레임의 상기 변형량을 계산하는 변형량 계산부; 상기 거리 센서에서 측정된 상기 거리 값에 의해 계산된 상기 펀치 유닛의 끝단의 위치 계산 값과 상기 변형량 계산부에서 계산된 상기 변형량을 이용하여, 상기 셀프 피어싱 리벳의 상기 헤드부의 실제 높이 값을 계산하는 실제 높이 계산부; 상기 거리 센서에서 측정된 상기 거리 값에 기반한 상기 셀프 피어싱 리벳의 상기 헤드부의 예상 높이 값과 상기 실제 높이 계산부에서 계산된 상기 실제 높이 값의 차이를 계산하여 상기 보정량을 산출하는 보정량 산출부; 및 상기 보정량 산출부에서 산출된 상기 보정량을 이용하여 상기 펀치 유닛의 가압량에 대한 제어 신호를 인가하는 보정 제어 신호 인가부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 변형량 계산부는, [수식 1] β= A

F(measured force)에 의해 상기 프레임의 상기 변형량을 산출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 실제 높이 계산부는, [수식 2] α= L-T+a1에 의해 상기 펀치 유닛의 끝단의 상기 위치 계산 값을 산출하고, 상기 위치 계산 값과 상기 변형량을 더하여 상기 실제 높이 값을 산출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 가압부와 나란하게 형성될 수 있도록 상기 제 1 단부에 설치되어, 첨단이 상기 제 2 단부에 상기 지지부와 나란하게 형성된 접촉 부재에 접촉되어, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 간의 변위량을 측정하는 변위 센서(LVDT, Linear Variable Differential Transformer);를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제어부는, 상기 변위 센서를 이용하여, 상기 펀치 유닛에 인가되는 상기 하중 값에 따른 상기 프레임의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 간의 상기 변위량을 측정하여 상기 변형 함수를 산출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 가압부는, 상기 셀프 피어싱 리벳의 상기 헤드부의 상단을 가압하는 상기 펀치 유닛; 및 원통 형상으로 형성되어 상기 프레임의 상기 제 1 단부에 고정되고, 내부에 승하강되는 상기 펀치 유닛 및 상기 셀프 피어싱 리벳을 수용하는 하우징;을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 지지부는, 상기 펀치 유닛과 대향되게 형성되어 상기 피접합재를 지지하고, 그 지지면에 상기 셀프 피어싱 리벳의 생크부의 변형 형상과 대응되는 형상으로 오목하게 변형 가이드홈이 형성되는 앤빌 유닛; 및 상기 프레임의 상기 제 2 단부에 고정되어 상기 앤빌 유닛을 지지하는 지지 유닛;을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 지지부는, 상기 프레임의 변형에 의해 기울어지는 상기 펀치 유닛에 따라 상기 앤빌 유닛이 회동될 수 있도록, 상기 앤빌 유닛과 상기 지지 유닛 사이에 설치되어 상기 앤빌 유닛을 회동가능하게 지지하는 힌지 유닛;을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 셀프 피어싱 리벳팅 방법이 제공된다. 상기 셀프 피어싱 리벳팅 방법은, 상기 가압부의 상기 펀치 유닛이 하강하여 상기 지지부에 지지된 상기 피접합재를 향해 상기 셀프 피어싱 리벳을 가압하는 예비 가압 단계; 상기 제어부에서 상기 하중 센서로부터 인가되는 상기 하중 값과 사전에 저장된 상기 변형 함수를 이용하여, 상기 펀치 유닛의 상기 보정량을 산출하는 변형 측정 단계; 및 상기 변형 측정 단계에서 산출된 상기 보정량 만큼 상기 펀치 유닛이 상기 셀프 피어싱 리벳을 추가로 가압하여 상기 피접합재를 접합하는 본 가압 단계;를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀프 피어싱 리벳의 리벳팅 시 펀치 유닛에 발생하는 반력으로 프레임의 변형 정도를 예측하여 셀프 피어싱 리벳의 헤드부의 높이를 정확히 예측함으로써, 접합 부위의 불량 여부를 실시간으로 검사할 수 있으며, 펀치 유닛의 지령 위치와 실제 위치가 차이가 날 경우 펀치 유닛의 위치를 피드백 제어하여 최적의 깊이까지 셀프 피어싱 리벳을 정밀 삽입할 수 있는 셀프 피어싱 리벳팅 장치 및 셀프 피어싱 리벳팅 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 셀프 피어싱 리벳팅 장치의 펀치 유닛이 셀프 피어싱 리벳을 리벳팅하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 3은 도 1의 셀프 피어싱 리벳팅 장치에 사전에 저장된 펀치 유닛에 인가되는 하중 값과 프레임의 변형의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 도 5는 변형량의 보정 전/후의 거리 센서에 기반한 셀프 피어싱 리벳의 헤드부 높이의 예측 값과 실제 측정값의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치(100)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 셀프 피어싱 리벳팅 장치(100)의 펀치 유닛(21)이 셀프 피어싱 리벳(80)을 리벳팅하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도들이며, 도 3은 도 1의 셀프 피어싱 리벳팅 장치(100)에 사전에 저장된 펀치 유닛(21)에 인가되는 하중 값과 프레임(10)의 변형의 상관 관계를 나타내는 그래프이다. 그리고, 도 4 및 도 5는 변형량의 보정 전/후의 거리 센서(50)에 기반한 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81) 높이의 예측 값과 실제 측정값의 차이를 나타내는 그래프이다.

또한, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치(200)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치(300)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치(100)는, 크게, 프레임(10)과, 가압부(20)와, 지지부(30)와, 하중 센서(40)와 거리 센서(50) 및 제어부(60)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 프레임(10)은, 서로 마주보게 형성되는 제 1 단부(11)와 제 2 단부(12)가 형성될 수 있도록, 전체적으로 C자 형상으로 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 프레임(10)은, 서로 마주보게 형성되는 제 1 단부(11)와 제 2 단부(12)에 서로 대향되게 설치되는 가압부(20) 및 지지부(30)를 충분히 지지할 수 있는 적절한 강도와 내구성을 갖는 전체적으로 C자 형상으로 형성되는 프레임 구조체일 수 있다. 예컨대, 이러한 프레임(10)은, 사출 구조물이나, 주물이나, 다양한 형상의 판재, 선재, 파이프재, 수직 부재, 수평 부재 및 경사 부재들을 서로 용접하거나 연결하여 이루어지는 프레임 구조체일 수 있다. 그러나, 프레임(10)은, 도 1에 반드시 국한되지 않고, 상술된 구성 요소들을 지지할 수 있는 매우 다양한 형상의 부재들이 적용될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 가압부(20)는, 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)를 가압할 수 있도록 승하강되는 펀치 유닛(21)을 구비하고, 프레임(10)의 제 1 단부(11)에 설치될 수 있다. 예컨대, 가압부(20)는, 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 상단을 가압하는 펀치 유닛(21) 및 원통 형상으로 형성되어 프레임(10)의 제 1 단부(11)에 고정되고, 내부에 승하강되는 펀치 유닛(21) 및 셀프 피어싱 리벳(80)을 수용하는 하우징(22)을 포함할 수 있다.

또한, 지지부(30)는, 가압부(20)와 대향되게 형성되어 셀프 피어싱 리벳(80)에 의해 접합되는 피접합재(P)를 지지할 수 있도록, 프레임(10)의 제 2 단부(12)에 설치될 수 있다. 예컨대, 지지부(30)는, 펀치 유닛(21)과 대향되게 형성되어 피접합재(P)를 지지하고, 그 지지면에 셀프 피어싱 리벳(80)의 생크부(82)의 변형 형상과 대응되는 형상으로 오목하게 변형 가이드홈(31a)이 형성되는 앤빌 유닛(31) 및 프레임(10)의 제 2 단부(12)에 고정되어 앤빌 유닛(31)을 지지하는 지지 유닛(32)을 포함할 수 있다.

따라서, 셀프 피어싱 리벳팅 장치(100)는, 제 1 판재(P1)와 제 2 판재(P2)가 적층된 피접합재(P)를 펀치 유닛(21)과 앤빌 유닛(31) 사이에 위치시킨 상태에서 펀치 유닛(21)을 통해 셀프 피어싱 리벳(80)을 가압하게 되면, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 셀프 피어싱 리벳(80)이 제 1 판재(P1)를 관통하여 제 2 판재(P2)로 침투되고, 이어서 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 생크부(82)의 선단이 앤빌 유닛(31)의 변형 가이드홈(31a)을 따라서 반지름 방향으로 확장 변형되면서 피접합재(P)를 일체로 접합하게 될 수 있다.

한편, 셀프 피어싱 리벳(80)을 이용한 피접합재(P)의 접합 공정에서는 셀프 피어싱 리벳(80)에 펀치 유닛(21)의 가압력을 인가하여 앤빌 유닛(31)에 지지된 피접합재(P)를 리벳팅 접합하는 과정에서, 펀치 유닛(21)의 가압력에 대한 반력이 프레임(10)에 그대로 전달됨에 따라 프레임(10)의 제 1 단부(11)와 제 2 단부(12)가 벌어지는 방향으로 탄성 변형이 발생할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치(100)는, 펀치 유닛(21)의 일측에 설치되어 펀치 유닛(21)이 셀프 피어싱 리벳(80)을 가압할 때 펀치 유닛(21)에 인가되는 하중 값을 측정하는 하중 센서(40)와, 가압부(20)의 일측에 설치되어 펀치 유닛(21)의 하단과 지지부(30) 간의 거리 값을 측정하는 거리 센서(50) 및 펀치 유닛(21)에 인가되는 상기 하중 값과 프레임(10)의 변형의 상관 관계를 변형 함수로 산출하여 사전에 저장하고, 셀프 피어싱 리벳(80)의 리벳팅 시 하중 센서(40)로부터 인가되는 상기 하중 값과 상기 변형 함수를 이용하여 프레임(10)의 변형량을 산출하여, 산출된 프레임(10)의 상기 변형량과 거리 센서(50)에서 측정된 상기 거리 값에 따라 펀치 유닛(21)의 보정량을 산출하는 제어부(60)를 포함하여, 리벳팅 시 프레임(10)의 변형에 따라 펀치 유닛(21)의 지령 위치와 실제 위치의 차이 만큼의 상기 보정량을 산출하여, 상기 지령 위치와 상기 실제 위치가 동일해지도록 펀치 유닛(21)을 피드백 제어할 수 있다.

예컨대, 펀치 유닛(21)의 보정량을 산출하고 이를 제어하는 제어부(60)는, 변형량 계산부(61)와, 실제 높이 계산부(62)와, 보정량 산출부(63) 및 보정 제어 신호 인가부(64)를 포함할 수 있다.

더욱 구체적으로, 셀프 피어싱 리벳(80)의 리벳팅 시, 먼저 제어부(60)의 변형량 계산부(61)가, 하중 센서(40)에서 측정된 펀치 유닛(21)의 상기 하중 값을 인가받고, 상기 하중 값과 상기 변형 함수를 이용하여 하기의 [수식 1]에 의해 프레임(10)의 상기 변형량을 계산할 수 있다.

[수식 1]

β= A

F(measured force)

β : 프레임의 변형량

A : 펀치 유닛의 하중 값에 따른 프레임의 변형의 기울기 상수

F : 펀치 유닛의 하중 값

이때, 상기 변형 함수(A)는 사전에 산출되어 변형량 계산부(61)에 저장될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 펀치 유닛(21)에 인가되는 상기 하중 값 대비 프레임(10)의 상기 변형량을 나타낸 그래프에서 그 기울기 값을 상기 변형 함수로 사용할 수 있다.

이어서, 실제 높이 계산부(62)가, 거리 센서(50)에서 측정된 상기 거리 값에 의해 계산된 펀치 유닛(21)의 끝단의 위치 계산 값과 변형량 계산부(61)에서 계산된 상기 변형량을 이용하여, 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 실제 높이 값을 계산할 수 있다. 더욱 구체적으로, 실제 높이 계산부(62)는, 하기 [수식 2]에 의해 펀치 유닛(21)의 끝단의 상기 위치 계산 값을 산출하고, 상기 위치 계산 값과 상기 [수식 1]에 의해 계산 된 상기 변형량을 더하여 상기 실제 높이 값을 산출할 수 있다.

[수식 2]

α= L-T+a1

L : 거리 센서에서 측정된 거리 값

T : 피접합재의 두께

a1 : 거리 센서의 위치에 따른 보정 상수(시스템 dependent)

여기서, 펀치 유닛(21)은 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)와 접촉되어 헤드부(81)를 가압하고 있는 상태이므로, 펀치 유닛(21)의 끝단의 위치와 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 높이는 동일한 위치일 수 있다. 또한, 상기 [수식 2]에서 보정 상수(a1)는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치(100)의 프레임(10)의 변형 특성에 따른 보정 상수로서, 셀프 피어싱 리벳팅 장치의 종류 마다 그 변형 특성에 맞게 다르게 설정될 수 있다.

이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 보정량 산출부(63)가, 거리 센서(50)에서 측정된 상기 거리 값에 기반한 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 예상 높이 값과 실제 높이 계산부(62)에서 계산된 상기 실제 높이 값의 차이를 계산하여 상기 보정량을 산출할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 펀치 유닛(21)의 상기 하중 값이 증가할수록, 프레임(10)의 변형량이 크게 발생하여 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 상기 예상 높이 값과 상기 실제 높이 값의 차이가 커지는 것을 알 수 있다.

여기서, 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 상기 예상 높이 값은 펀치 유닛(21)의 지령 위치이며, 실제 높이 계산부(62)에서 계산된 상기 실제 높이 값은 펀치 유닛(21)의 실제 위치로 이해될 수 있다. 따라서, 보정량 산출부(63)가 펀치 유닛(21)의 상기 지령 위치와 상기 실제 위치를 비교하여 그 차이 만큼을 상기 보정량으로 산출할 수 있다.

이어서, 보정 제어 신호 인가부(64)가, 보정량 산출부(63)에서 산출된 상기 보정량을 이용하여 펀치 유닛(21)의 가압량에 대한 제어 신호를 인가함으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 펀치 유닛(21)의 상기 지령 위치와 상기 실제 위치가 동일하도록 펀치 유닛(21)의 위치를 피드백 제어할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치(200)는, 가압부(20)와 나란하게 형성될 수 있도록 제 1 단부(11)에 설치되어, 첨단이 제 2 단부(12)에 지지부(30)와 나란하게 형성된 접촉 부재(90)에 접촉되어, 제 1 단부(11)와 제 2 단부(12) 간의 변위량을 측정하는 변위 센서(LVDT, Linear Variable Differential Transformer)(70)를 더 포함할 수 있다.

이에 따라, 제어부(60)는, 셀프 피어싱 리벳(80)의 리벳팅 전에 변위 센서(70)를 이용하여, 펀치 유닛(21)에 인가되는 상기 하중 값에 따른 프레임(10)의 제 1 단부(11)와 제 2 단부(12) 간의 상기 변위량을 측정함으로써, 상술한 펀치 유닛(21)에 인가되는 상기 하중 값 대비 프레임(10)의 상기 변형량을 나타낸 그래프를 산출하고 이 그래프의 기울기를 상기 변형 함수로 산출할 수 있다. 이러한, 상기 변형 함수는 셀프 피어싱 리벳(80)의 리벳팅 전에 한번만 산출하여, 그 값을 계속해서 사용할 수 있다.

이와 같은, 변위 센서(70)는, 프레임(10)에 일체형 또는 착탈식으로 부착될 수 있다. 예컨대, 변위 센서(70)가 착탈식으로 프레임(10)에 부착될 경우, 상기 변형 함수 산출 시에만 사용하고 바로 제거할 수 있으며, 제거하지 않거나 프레임(10)에 일체형으로 형성될 경우, 제어부(60)에서 펀치 유닛(21)의 위치를 보정 시 보정된 상기 보정량을 검증하는 용도로도 사용할 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치(300)는, 지지부(30)가, 프레임(10)의 변형에 의해 기울어지는 펀치 유닛(21)에 따라 앤빌 유닛(31)이 회동될 수 있도록, 앤빌 유닛(31)과 지지 유닛(32) 사이에 설치되어 앤빌 유닛(31)을 회동가능하게 지지하는 힌지 유닛(33)을 포함할 수 있다.

예컨대, 프레임(10)의 변형이 발생하여 펀치 유닛(21)과 앤빌 유닛(31)이 기울어지게 되면 펀치 유닛(21)과 앤빌 유닛(31)이 서로 정확하게 대향되게 위치하지 않아 피접합재(P)에 셀프 피어싱 리벳(80)이 기울어지게 삽입되거나 접합이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 이에 따라, 지지부(30)에 힌지 유닛(33)이 형성됨으로써, 프레임(10)에 변형이 발생하여도 펀치 유닛(21)의 기울어짐에 따라 앤빌 유닛(31)이 함께 회동하여 상술한 문제점이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 여러 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치(100, 200, 300)는, 셀프 피어싱 리벳(80)의 리벳팅 시 펀치 유닛(21)에 발생하는 반력으로 프레임(10)의 변형 정도를 예측하여 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 높이를 정확히 예측함으로써, 접합 부위의 불량 여부를 실시간으로 검사할 수 있으며, 펀치 유닛(21)의 상기 지령 위치와 상기 실제 위치가 차이가 날 경우 펀치 유닛(21)의 위치를 피드백 제어하여 최적의 깊이까지 셀프 피어싱 리벳(80)을 정밀 삽입할 수 있다.

그러므로, 피접합재(P)의 접합 부위의 강도를 결정하는 중요 변수인 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 높이를 정확히 예측하고 최적의 깊이까지 셀프 피어싱 리벳(80)을 정밀 삽입함으로써, 피접합재(P)의 접합 부위의 접합 강도 및 내구 성능을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

도 8을 참조하면, 상기 셀프 피어싱 리벳팅 방법은, 예비 가압 단계(S10)와, 변형 측정 단계(S20) 및 본 가압 단계(S30) 순으로 진행될 수 있다.

예비 가압 단계(S10)에서, 가압부(20)의 펀치 유닛(21)이 하강하여 지지부(30)에 지지된 피접합재(P)를 향해 셀프 피어싱 리벳(80)을 가압할 수 있다. 더욱 구체적으로, 제 1 판재(P1)와 제 2 판재(P2)가 적층된 피접합재(P)를 펀치 유닛(21)과 앤빌 유닛(31) 사이에 위치시킨 상태에서 펀치 유닛(21)을 통해 셀프 피어싱 리벳(80)을 가압하게 되면, 셀프 피어싱 리벳(80)이 제 1 판재(P1)를 관통하여 제 2 판재(P2)로 침투될 수 있다. 이와 같은 과정에서, 펀치 유닛(21)의 가압력에 대한 반력이 프레임(10)에 그대로 전달됨에 따라 프레임(10)의 제 1 단부(11)와 제 2 단부(12)가 벌어지는 방향으로 탄성 변형이 발생할 수 있다.

이에 따라, 변형 측정 단계(S20)를 통해, 제어부(60)에서 하중 센서(40)로부터 인가되는 하중 값과 사전에 저장된 변형 함수를 이용하여, 펀치 유닛(21)의 보정량을 산출하고, 이어서, 본 가압 단계(S30)를 통해, 변형 측정 단계(S20)에서 산출된 상기 보정량 만큼 펀치 유닛(21)이 셀프 피어싱 리벳(80)을 추가로 가압하여 피접합재(P)를 접합함으로써, 생크부(82)의 선단이 앤빌 유닛(31)의 변형 가이드홈(31a)을 따라서 반지름 방향으로 확장 변형되면서 피접합재(P)를 일체로 완전하게 접합할 수 있다.

따라서, 본 발명의 상기 셀프 피어싱 리벳팅 방법에 따르면, 셀프 피어싱 리벳(80)의 리벳팅 시 펀치 유닛(21)에 발생하는 반력으로 프레임(10)의 변형 정도를 예측하여 셀프 피어싱 리벳(80)의 헤드부(81)의 높이를 정확히 예측함으로써, 접합 부위의 불량 여부를 실시간으로 검사할 수 있으며, 펀치 유닛(21)의 상기 지령 위치와 상기 실제 위치가 차이가 날 경우 펀치 유닛(21)의 위치를 피드백 제어하여 최적의 깊이까지 셀프 피어싱 리벳(80)을 정밀 삽입할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 프레임
11: 제 1 단부
12: 제 2 단부
20: 가압부
21: 펀치 유닛
22: 하우징
30: 지지부
31: 앤빌 유닛
32: 지지 유닛
33: 힌지 유닛
40: 하중 센서
50: 거리 센서
60: 제어부
61: 변형량 계산부
62: 실제 높이 계산부
63: 보정량 산출부
64: 보정 제어 신호 인가부
70: 변위 센서
80: 셀프 피어싱 리벳
81: 헤드부
82: 생크부
P: 피접합재
100, 200, 300: 셀프 피어싱 리벳팅 장치

Claims

서로 마주보게 형성되는 제 1 단부와 제 2 단부가 형성될 수 있도록, 전체적으로 C자 형상으로 형성되는 프레임;
셀프 피어싱 리벳의 헤드부를 가압할 수 있도록 승하강되는 펀치 유닛을 구비하고, 상기 프레임의 상기 제 1 단부에 설치되는 가압부;
상기 가압부와 대향되게 형성되어 상기 셀프 피어싱 리벳에 의해 접합되는 피접합재를 지지할 수 있도록, 상기 프레임의 상기 제 2 단부에 설치되는 지지부;
상기 펀치 유닛의 일측에 설치되어 상기 펀치 유닛이 상기 셀프 피어싱 리벳을 가압할 때 상기 펀치 유닛에 인가되는 하중 값을 측정하는 하중 센서;
상기 가압부의 일측에 설치되어 상기 펀치 유닛의 하단과 상기 지지부 간의 거리 값을 측정하는 거리 센서; 및
상기 펀치 유닛에 인가되는 상기 하중 값과 상기 프레임의 변형의 상관 관계를 변형 함수로 산출하여 사전에 저장하고, 상기 셀프 피어싱 리벳의 리벳팅 시 상기 하중 센서로부터 인가되는 상기 하중 값과 상기 변형 함수를 이용하여 상기 프레임의 변형량을 산출하여, 산출된 상기 프레임의 상기 변형량과 상기 거리 센서에서 측정된 상기 거리 값에 따라 상기 펀치 유닛의 보정량을 산출하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 하중 센서가 측정한 상기 하중 값을 인가받고, 상기 하중 값과 상기 변형 함수를 이용하여 상기 프레임의 상기 변형량을 계산하는 변형량 계산부;
상기 거리 센서에서 측정된 상기 거리 값에 의해 계산된 상기 펀치 유닛의 끝단의 위치 계산 값과 상기 변형량 계산부에서 계산된 상기 변형량을 이용하여, 상기 셀프 피어싱 리벳의 상기 헤드부의 실제 높이 값을 계산하는 실제 높이 계산부;
상기 거리 센서에서 측정된 상기 거리 값에 기반한 상기 셀프 피어싱 리벳의 상기 헤드부의 예상 높이 값과 상기 실제 높이 계산부에서 계산된 상기 실제 높이 값의 차이를 계산하여 상기 보정량을 산출하는 보정량 산출부; 및
상기 보정량 산출부에서 산출된 상기 보정량을 이용하여 상기 펀치 유닛의 가압량에 대한 제어 신호를 인가하는 보정 제어 신호 인가부;
를 포함하는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 변형량 계산부는,
하기 [수식 1]에 의해 상기 프레임의 상기 변형량을 산출하는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치.
[수식 1]
β= A
F(measured force)
β : 프레임의 변형량
A : 펀치 유닛의 하중 값에 따른 프레임의 변형의 기울기 상수
F : 펀치 유닛의 하중 값
제 3 항에 있어서,
상기 실제 높이 계산부는,
하기 [수식 2]에 의해 상기 펀치 유닛의 끝단의 상기 위치 계산 값을 산출하고, 상기 위치 계산 값과 상기 변형량을 더하여 상기 실제 높이 값을 산출하는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치.
[수식 2]
α= L-T+a1
L : 거리 센서에서 측정된 거리 값
T : 피접합재의 두께
a1 : 거리 센서의 위치에 따른 보정 상수(시스템 dependent)
제 1 항에 있어서,
상기 가압부와 나란하게 형성될 수 있도록 상기 제 1 단부에 설치되어, 첨단이 상기 제 2 단부에 상기 지지부와 나란하게 형성된 접촉 부재에 접촉되어, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 간의 변위량을 측정하는 변위 센서(LVDT, Linear Variable Differential Transformer);
를 더 포함하는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 변위 센서를 이용하여, 상기 펀치 유닛에 인가되는 상기 하중 값에 따른 상기 프레임의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 간의 상기 변위량을 측정하여 상기 변형 함수를 산출하는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가압부는,
상기 셀프 피어싱 리벳의 상기 헤드부의 상단을 가압하는 상기 펀치 유닛; 및
원통 형상으로 형성되어 상기 프레임의 상기 제 1 단부에 고정되고, 내부에 승하강되는 상기 펀치 유닛 및 상기 셀프 피어싱 리벳을 수용하는 하우징;
을 포함하는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 지지부는,
상기 펀치 유닛과 대향되게 형성되어 상기 피접합재를 지지하고, 그 지지면에 상기 셀프 피어싱 리벳의 생크부의 변형 형상과 대응되는 형상으로 오목하게 변형 가이드홈이 형성되는 앤빌 유닛; 및
상기 프레임의 상기 제 2 단부에 고정되어 상기 앤빌 유닛을 지지하는 지지 유닛;
을 포함하는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 지지부는,
상기 프레임의 변형에 의해 기울어지는 상기 펀치 유닛에 따라 상기 앤빌 유닛이 회동될 수 있도록, 상기 앤빌 유닛과 상기 지지 유닛 사이에 설치되어 상기 앤빌 유닛을 회동가능하게 지지하는 힌지 유닛;
을 포함하는, 셀프 피어싱 리벳팅 장치.
제 1 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 셀프 피어싱 리벳팅 장치를 이용한 셀프 피어싱 리벳팅 방법에 관한 것으로서,
상기 가압부의 상기 펀치 유닛이 하강하여 상기 지지부에 지지된 상기 피접합재를 향해 상기 셀프 피어싱 리벳을 가압하는 예비 가압 단계;
상기 제어부에서 상기 하중 센서로부터 인가되는 상기 하중 값과 사전에 저장된 상기 변형 함수를 이용하여, 상기 펀치 유닛의 상기 보정량을 산출하는 변형 측정 단계; 및
상기 변형 측정 단계에서 산출된 상기 보정량 만큼 상기 펀치 유닛이 상기 셀프 피어싱 리벳을 추가로 가압하여 상기 피접합재를 접합하는 본 가압 단계;
를 포함하는, 셀프 피어싱 리벳팅 방법.