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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Reibrührschweißverfahren gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und ein neues Reibrührschweißgerät gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
7. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und
ein Gerät,
welche zur Verbindung mehrerer Werkstücke innerhalb einer komplizierten
dreidimensionalen Form geeignet sind.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Im
japanischen Patent Nr. 2712838 (
WO93/10935 ) ist ein Reibrührschweißverfahren
offenbart, bei dem ein metallischer Stab (nachfolgend als „Drehwerkzeug" bezeichnet), der
wesentlich härter
ist als das Material der Werkstücke,
in einen Verbindungsbereich der Werkstücke eingesetzt und unter Rotation
bewegt wird, und die Werkstücke
mittels einer zwischen dem Drehwerkzeug und den Werkstücken erzeugten
Reibungshitze miteinander verbunden werden. Dieses Reibrührschweißverfahren verwendet
ein plastisches Fließphänomen, welches, durch
die Rotation des Drehwerkzeugs induziert wird, wobei die Werkstücke mit
der zwischen den Werkstücken
und dem Drehwerkzeug entwickelten Reibungshitze erweicht werden.
Dies basiert auf einem Prinzip, welches grundsätzlich von dem Prinzip eines
Verfahrens (z.B. Bogenschweißen)
abweicht, bei dem Werkstücke
geschmolzen und dabei verschweißt
werden.
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Als
Geräte
zur Durchführung
des in Frage stehenden Reibrührschweißverfahrens
sind beispielsweise die bekannt, die in
japanischen Patent-Offenlegungs-Nr. Hei 10-249552 und
Hei 10-180467 offenbart
sind. Das in der
japanischen
Patent-Offenlegungs-Nr. Hei 10-249552 offenbarte Gerät dient
zum Verbinden solcher flachen plattenähnlichen Teile, wie diese in
den
3 und
4 gezeigt sind, und das in der
japanischen Patent-Offenlegungs-Nr.
Hei 10-180467 offenbarte Gerät dient zur Verbindung von
solchen zylindrischen Teilen, wie diese in
5 dargestellt
sind.
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Diese
Geräte
nach dem Stand der Technik sind die gleichen, bei denen das Drehwerkzeug
und die Werkstücke
sich gegeneinander bewegen, wobei ein be stimmtes geometrisches Verhältnis während des
Schweißvorgangs
beibehalten wird, obwohl sich beide dadurch unterscheiden, dass
die Werkstücke, die
im ersteren verwendet werden, solche flache, plattenähnliche
Teile sind, wie in den 3 und 4 dargestellt,
während
die Werkstücke,
die im letzteren verwendet werden, solche zylindrischen Teile sind,
die eine solche Krümmung
haben, wie in 5 gezeigt. Daher ist kein spezieller
Arbeitsvorgang während
des Schweißens
erforderlich, wenn nur das geometrische Verhältnis zwischen dem Drehwerkzeug
und den Werkstücken
zuvor eingestellt worden ist.
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Jedoch
kann mit einer Relativbewegung zwischen dem Drehwerkzeug und den
Werkstücken
sich die geometrische Relation zwischen den beiden während des
Schweißvorgangs ändern. 6 zeigt
ein Beispiel für
eine solche Änderung.
Wie dort dargestellt, tritt eine solche Änderung in dem Fall auf, bei dem
eine Verbindungslinie durch eine Kombination einer geraden Linie
mit kreisförmigen
Bögen gebildet wird.
In diesem Fall ist es notwendig, einige Maßnahmen zur Aufrechterhaltung
der geometrischen Relation zwischen dem Drehwerkzeug und den Werkstücken zu
ergreifen.
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Andrerseits
ist in der
japanischen Patent-Offenlegungs-Nr.
2000-135575 eine Konstruktion offenbart, bei der ein Drehwerkzeug-Aufnahmeteil
mit einem darin in geneigter Lage eingesetzten Drehwerkzeug um eine
Achse drehbar ist, die senkrecht zur Oberfläche der Werkstücke ist.
Gemäß dieser
Konstruktion zur Verbindung von Werkstücken in einer Form, wie durch
6 spezifiziert,
ist es möglich,
einen geometrischen Zusammenhang zwischen dem Drehwerkzeug und den
Werkstücken
beizubehalten.
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Bei
einem Reibrührschweißverfahren
ist ein geometrischer Zusammenhang zwischen dem Drehwerkzeug und
den Werkstücken
wichtig, um die Zuverlässigkeit
eines Verbindungsbereichs sicherzustellen. Wie in 7 dargestellt,
wird es insbesondere einfacher, die Zuverlässigkeit des Verbindungsbereichs
sicherzustellen, wenn das Drehwerkzeug um einen Winkel θ (nachfolgend „Angriffswinkel") geneigt ist, sodass
dessen unteres Ende, bezogen auf die Oberflächen der Werkstücke, in
Schweißrichtung vorangeht.
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Ein
Problem, welches in der
japanischen
Patent-Offenlegungs-Nr. 2000-135575 , gefunden wurde, besteht
darin, dass Werkstücke
miteinander verbunden werden können,
wenn diese plattenartig flach sind, das heißt, wenn die zu verbindenden Oberflächen flache
Oberflächen
sind, jedoch können beliebig
gebogene O berflächen,
die eine dreidimensionale Form haben, nicht miteinander verbunden werden.
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8 ist
eine prinzipielle Darstellung der in der
japanischen Patent-Offenlegungs-Nr. 2000-135575 ,
vorgeschlagenen Technik. In dieser Figur wird ein Drehwerkzeug
11 mittels
eines Motors
21 über
ein Drehwerkzeug-Aufnahmeelement
22 in
Rotation versetzt. Das Drehwerkzeug-Aufnahmeelement
22 wird
von einem Drehzylinder
23 aufgenommen.
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9 verdeutlicht
unter trigonometrischen Bedingungen ein Werkstücke-Verbindungsverfahren, welches ein Gerät mit der
in 8 dargestellten Konfiguration verwendet, bei dem
Werkstücke
entgegen dem Uhrzeigersinn von A nach B entlang einer rechtwinkligen
Verbindungslinie miteinander verbunden werden. Wenn der Schweißvorgang
von A nach B voranschreitet, ändert
sich die Schweißrichtung
um 90°.
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Wenn
sich dabei die Schweißrichtung
alleine bei fixierter Lage der Drehachse des Drehwerkzeugs ändert, ändert sich
das Verhältnis
zwischen den Werkstücken
und dem Drehwerkzeug-Angriffswinkel θ in ein positionelles Verhältnis, welches
nicht mehr passend ist. In dem Fall, wenn der Drehzylinder 23 um
90° gedreht
wird, dreht sich die Drehachse des Drehwerkzeug-Aufnahmeelements 22 um
90° um eine
Achse die senkrecht zu den Werkstücken steht. Da die Drehachse
des Drehwerkzeug-Aufnahmeelements 22 und die des Drehzylinders 23 einen
entsprechenden Winkel für
den Drehwerkzeug-Angriffswinkel θ definieren,
bleibt das Verhältnis
zwischen den Werkstücken
und dem Angriffswinkel θ erhalten.
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Entsprechend
der Konfiguration des oben beschriebenen Geräts dreht sich daher die Drehachse
des Drehwerkzeugs, welches um einen vorgegebenen bestimmten Winkel
bezüglich
einer zu den Werkstücken
senkrecht stehenden Achse geneigt ist, um die senkrecht zu den Werkstücken stehende
Achse, wodurch es möglich
gemacht wird, das Verhältnis zwischen
den Werkstücken
und dem Angriffswinkel θ des
Drehwerkzeugs beizubehalten, selbst wenn die Schweißrichtung
sich ändert.
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Von
Bedeutung ist, dass der Winkel der rechtwinklig zu den Werkstücken stehenden
Achse konstant ist und dass die Drehachse des Drehzylinders 23 mit
der Achse übereinstimmt,
die rechtwinklig zu den Werkstücken
steht. Mit anderen Worten kann gemäß der Konfiguration des oben
beschriebenen Geräts
die Neigung der Drehachse des Drehzylinders 23 nicht geändert werden
und es ist demzufolge notwenig, dass der Winkel der rechtwinklig
zu den Werkstücken
verlaufenden Achse konstant bleibt. Die rechtwinklig zu den Werkstücken verlaufende Achse
zeigt eine Normallinie, bezogen auf die zu verbindenden oder verbundenen
Oberflächen
an, und es ist nur dann der Fall, dass die Normallinie konstant ist,
wenn die verbundenen Oberflächen
flache Oberflächen
sind. Wenn die verbundenen Oberflächen beliebig gebogene Oberflächen in
einer dreidimensionalen Form sind, ist die Richtung der Normallinie nicht
konstant. Daher ist es gemäß der vorhergehenden
Konstruktion gemäß dem Stand
der Technik unmöglich,
gekrümmte
Oberflächen
einer dreidimensionalen Form zu verbinden.
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JP-11-226758A offenbart
ein Schweißverfahren
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Schweißgerät gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung ein Reibrührschweißverfahren und ein Gerät vorzusehen, womit
ein geometrisches Verhältnis
zwischen einem Drehwerkzeug und Werkstücken aus beliebig gekrümmten Oberflächen, die
eine dreidimensionale Form haben, aufrechterhalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung erfüllt, wie diese in den Ansprüchen 1 und
7 dargelegt ist. Die Unteransprüche
betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Reibrührschweißverfahren zum Verbinden von
Werkstücken
vorgesehen, bei dem ein Drehwerkzeug unter Rotation in die Werkstücke gedrückt und
längs einer
Verbindungslinie bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehwerkzeug
zwei Rotationsachsen aufweist, die unabhängig von der Rotation des Drehwerkzeugs drehbar
sind, dass eine der genannten Rotationsachsen gleich der Rotationsachse
des Drehwerkzeugs ist und sowohl in der Drehrichtung des Drehwerkzeugs
und in der dazu entgegen gesetzten Richtung drehbar ist, dass die
andere Rotationsachse in einer Richtung drehbar ist, die die eine
Rotationsachse schneidet oder senkrecht schneidet, dass die Werkstücke miteinander
verbunden werden, während
die Drehwinkel der zwei Rotationsachsen bezüglich des Drehwerkzeugs eingestellt
werden, dass eine Normallinienrichtung bezüglich der Oberflächen der Werkstücke und
eine Tangentialrichtung der Verbindungslinie erfasst werden, und
dass das Drehwerkzeug in drei Dimensionen bewegt wird, um die Werkstücke zu verbinden,
während
auf der Grundlage der erfassten Normallinienrichtung und Tangentialrichtung
ein Winkel einer Endspitze eines Drehwerkzeugs bezüglich der
Normallinienrichtung oder ein Winkel, bei dem das Drehwerkzeug in
die Werkstücke
gedrückt
wird, sowie eine Bewegungsrichtung des Drehwerkzeugs bezüglich der
Tangentialrichtung eingestellt werden.
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Gemäß diesem
Verfahren, wie es oben ersichtlich ist, kann die Endspitze des Drehwerkzeugs auf
irgendeinen von allen möglichen
Winkeln und Positionen in drei Richtungen eingestellt werden, sodass
wenn eine Normallinienrichtung eines Verbindungsbereichs und eine
Tangentialrichtung einer Verbindungslinie aus der Form der Werkstücke berechnet
werden, es dann möglich
ist, aus der derart berechneten Normallinienrichtung und Tangentialrichtung,
eine Normallinienrichtung und eine Schweißrichtung der Drehachse an
der Endspitze des Drehwerkzeugs einzustellen.
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Bei
einem Reibrührschweißverfahren,
wie bereits vorhergehend festgestellt, ist ein geometrisches Verhältnis zwischen
dem Drehwerkzeug und den Werkstücken
wichtig, um die Solidität
des Verbindungsbereichs sicherzustellen. Bei einer einfachen Verbindungsform,
wie der, bei der Verbindungsflächen
der Werkstücke
flache Oberflächen
sind und eine Verbindungslinie eine gerade Linie ist, kann die Solidität des Verbindungsbereichs
leicht durch Neigung des Winkels θ (s. 6) sichergestellt
werden, sodass das untere Ende des Drehwerkzeugs in der Schweißrichtung
bezüglich
der Oberflächen
der Werkstücke
vorausgeht. Der Winkel θ ist
mit Bezug auf eine zu den Werkstücken
senkrechte Richtung eingestellt. Vorzugsweise liegt der Winkel θ innerhalb von
10°.
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Jedoch ändert sich
im Falle einer beliebig gebogenen Oberfläche, die eine dreidimensionale
Form hat, die Richtung (nachfolgend „Normallinienrichtung") senkrecht zu Verbindungslinien
und der Schweißrichtung
mit dem Ort. Nach Untersuchungen über ein Verfahren zur Erreichung
eines geeigneten geometrischen Verhältnisses für beliebig gebogene Oberflächen, kamen
die hier zuständigen
Erfinder zu der Folgerung, dass es am effektivsten ist, das geometrische
Verhältnis
auf der Basis sowohl der Normallinienrichtung als auch der Tangentialrichtung
der Verbindungslinie (nachfolgend nur „Tangentialrichtung") zu bestimmen.
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Es
ist wesentlich, dass beide, die Normallinienrichtung und die Tangentialrichtung,
in Bezug genommen werden. Es gibt unzählige Richtungen um die Nor mallinie
herum, die jede einen bestimmten Winkel relativ zu der Normallinienrichtung
hat. Demzufolge ist es unmöglich,
wenn eine Tangentialrichtung der Verbindungslinie unbekannt ist,
eine spezifische Richtung zu bestimmen. In einem speziellen Fall,
bei dem der Angriffswinkel 0° ist,
genügt
es, die Rotationsachse des Drehwerkzeugs in Übereinstimmung mit der Normallinie
zu bringen, aber in diesem Fall ist zu befürchten, dass die Solidität des Verbindungsbereichs
verschlechtert sein kann.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist ein Koordinatenwert der Verbindungslinie
von der Form der Werkstücke vorherbestimmt,
die Werkstücke
sind auf der Basis der vorherbestimmten Koordinaten der Verbindungslinie
miteinander verbunden, während
ein Positionswechsel der Verbindungslinie während des Schweißvorgangs
festgestellt und das Positionsverhältnis zwischen dem Drehwerkzeug
und den Werkstücken sukzessive
auf der Basis des festgestellten Wertes geändert wird.
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Es
ist grundsätzlich
möglich
Werkstücke
zu verbinden, während
die Verbindungslinie unter Verwendung eines Sensors detektiert wird.
Jedoch wird die Rechenbelastung groß, bei dem Verfahren Werkstücke zu verbinden,
während
sukzessive eine Normallinienrichtung mit Bezug auf die gemeinsamen Oberflächen und
eine Tangentialrichtung mit Bezug auf die Verbindungslinie auf der
Basis von Signalen berechnet wird, die vom Sensor zur Verfügung gestellt
werden. Da außerdem
die Werkstücke
durch das Andrücken
des Drehwerkzeugs gegen diese deformiert werden, ist es möglich, dass
eine von der ursprünglichen
Form abweichende Kontur der Werkstücke ermittelt wird. Demzufolge
werden die in Betracht gezogenen Koordinaten vage und es ist daher zu
befürchten,
dass das Drehwerkzeug im Übermaß, oder
umgekehrt zu wenig, eingedrückt
wird.
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Untersuchungen
der Erfinder haben gezeigt, dass die Abweichung der Werkstücke von
Ihrer ursprünglichen
Form klein ist und durch aufeinanderfolgende Änderungen während des Schweißens korrigiert
werden kann.
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Aus
den oben angegebenen Gründen
haben wir herausgefunden, dass es das einfachste Schweißverfahren
ist, erst einen Koordinatenwert (Anfangswert) einer Verbindungslinie
zu bestimmen und dann den Anfangswert zu korrigieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die vorherigen Probleme gelöst durch
die Ermittlung einer Positionsänderung
der Verbindungslinie während
des Schweißvorgangs
an einer Position, die der Vorwärtsrichtung des
Drehwerkzeugs vorausgeht. Die Feststellung einer Positionsänderung
der Verbindungslinie ist grundsätzlich
sogar direkt nach dem Passieren des Drehwerkzeugs möglich, das
heißt
gerade hinter dem Drehwerkzeug in der Werkzeug-Vorschubrichtung,
wenn die Ermittlungsposition in der Nähe des Ermittlungswerkzeugs
liegt. In dem Fall, bei dem die Ermittlung hinter dem Drehwerkzeug
erfolgt, ist jedoch die Oberflächenrauhigkeit
des Verbindungsbereichs groß,
sodass insbesondere bei Verwendung eines optischen Sensors der durch
den Sensor ermittelte Wert instabil werden kann. Es ist daher wirkungsvoll
eine Positionsänderung
der Verbindungslinie an einer Position zu ermitteln, die der Vorschubrichtung
des Drehwerkzeugs vorangeht.
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Die
vorhergehenden Probleme werden auch gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung durch gelöst,
dass ein Vertiefungsabschnitt, der durch Werkstücke oder Eckbereiche an Werkstückecken
definiert ist, von einem Sensorausgang bestimmt wird, und auf der
Basis des Vertiefungsabschnitts oder der Eckabschnitte bestimmt
wird, um welchen Betrag die Position des Drehwerkzeugs in der Breitenrichtung
der Verbindungslinie zu ändern ist.
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Die
meisten Deformationen der Werkstücke während die
Werkstücke
verbunden werden, sind durch das Eindrücken des Drehwerkzeugs begründet und
demzufolge erfolgt die Änderung
der Position des Drehwerkzeugs hauptsächlich in der Richtung, in welcher
das Drehwerkzeug eingedrückt
wird. Die Verbindungslinienposition ändert sich jedoch auch in der
Breitenrichtung der Verbindungslinie für jedes Werkstückmaterial,
was der Differenz in der Maßgenauigkeit
der zu verbindenden Teile zuschreibbar ist. Eine große Abweichung
zwischen der Verbindungslinie und der Drehwerkzeugachse in der Breitenrichtung
würde eine
Verschlechterung der Zuverlässigkeit
des Verbindungsbereichs zur Folge haben. Dies tritt beim Stoßschweißen auf
und ist in diesem Fall durch einen großen Vertiefungsspalt gekennzeichnet.
Daher ist es zur Gewährleistung
der Zuverlässigkeit
des Verbindungsbereichs wichtig, dass die Verbindungslinie und die
Drehwerkzeugachse in der Breitenrichtung so dicht wie möglich zueinander
zusammengezogen werden.
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Werkstücke sind üblicherweise
an ihren Kanten abgeschrägt,
weshalb sogar wenn beide ohne Zwischenraum aneinander gelegt werden,
im Anlagebereich ein schmaler Spalt auftritt. Gerade solch ein schmaler
Spalt kann mittels eines Sensors erkannt werden, der zur Erkennung
feiner Bereiche geeignet ist, wie ein Laser-Abweichungsmessgerät, sodass
des möglich
ist, ein Kriterium für
eine Achsenabweichungsbedingung in der Breitenrichtung anzugeben.
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Andererseits
ist es beim Überlappungsschweißen (3)
schwierig, unmittelbar eine Verbindungslinie zu erkennen, da die
verbundenen Oberflächen
flache Oberflächen
sind. Da Endkanten von Werkstücken
entfernt von der Verbindungslinie angeordnet sind, so ist es mit
den als Referenz dienenden Kanten möglich, die Position der Verbindungslinie
zu bestimmen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Reibrührschweißgerät vorgesehen, welches ein Drehwerkzeug,
eine Antriebseinrichtung, die das Drehwerkzeug über ein Übertragungselement zum rotieren
bringt, und ein Abwinklungsantrieb, der das Drehwerkzeug mit einem
Rotationsachsen-Abwinkelelement
abwinkelt, ohne den Winkel der Drehachse des Übertragungselements zu ändern, und
einen Drehantrieb umfasst, der das Rotationsachsen-Abwinkelelement veranlasst,
sich durch ein Schwenkelement zu drehen, welches sich unabhängig von
der Rotation des Drehwerkzeugs drehen kann.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden die vorhergehenden Probleme durch ein Reibrührschweißgerät gelöst, wobei
ein Drehwerkzeug unter Rotation des Drehwerkzeugs in Werkstücke gedrückt wird
und während
der Rotation entlang einer Verbindungslinie bewegt wird, um die Werkstücke zu verbinden,
wobei das Reibrührschweißgerät ein Rotationsachsen-Abwinkelelement umfasst,
um einen Endspitzenabschnitt der Rotationsachse um einen beliebigen
Betrag abzuwinkeln, und zwar auf dem Weg des Rotationsabschnitts
von einer Drehwerkzeug-Antriebseinheit bis zu einer Endspitze des
Drehwerkzeugs, und ein Schwenkelement umfasst, welches um eine Drehachse
in einem geraden Bereich von der Drehwerkzeug-Antriebseinheit bis
zu dem Abwinkelelement drehbar ist und an einem gewünschten
Drehwinkel anhalten kann.
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Bei
der obigen Konfiguration dient das Rotationsachsen-Abwinkelelement
dazu, die Rotationsachse des Drehwerkzeugs in Normallinienrichtung bezüglich der
verbundenen Oberflächen
zu neigen oder in einer Richtung mit einem zu der Normallinie hinzugefügten Angriffswinkel,
während
das Schwenkelement dazu dient, eine Umstellung in eine Tangentialrichtung
bezüglich
der Schweißrichtung vorzunehmen.
Mit diesen Funktionen der beiden Elemente können die Rotationsachsenrichtung
des Drehwerkzeugs und die Werkstücke
für beliebig
gebogene Oberflächen
konstant unter geeigneten Bedingungen gehalten werden.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung werden die vorherigen Probleme durch ein
Reibrührschweißgerät gelöst, welches
ein Abwinkelantriebselement umfasst, welches ein Abwinklungsquantum
veranlasst, um das Rotationsachsen-Abwinkelelement zu ändern, und ein
Schwenkantriebselement umfasst, welches ein Schwenkquantum veranlasst,
um das Schwenkelement zu ändern.
Die Drehung und Verschwenkung gemäß obigem kann manuell durchgeführt werden, aber
im Falle eines manuellen Betriebs tritt nicht nur das Problem in
Punkto Stabilität
auf, welches gering ist, sondern auch unter dem Gesichtspunkt der
Sicherheit. Daher wird die Ausstattung mit Antriebselementen im
praktischen Gebrauch bevorzugt. Die Verwendung eines Antriebselements
ist bei der Sicherstellung einer hohen Qualität für den Verbindungsbereich wirksam
und auch bei der Verringerung der Zahl von Arbeitern, da das Antriebselement
in Kombination mit einer elektronischen Steuerung automatisiert werden
kann.
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Das
Antriebselement ist nicht speziell eingegrenzt, sofern es eine Drehkraft
erzeugen kann. Jedoch ist die Verwendung eines Motors am geeignetsten.
Vor allem ist ein Servomotor, mit dem der Betrag der Drehung mit
hoher Genauigkeit kontrolliert werden kann, geeignet. Da eine Drehgeschwindigkeit beim
Abwinkeln oder Verschwenken mit mehreren Drehungen pro Sekunde ausreicht,
kann ein Motor mit kleiner Bauart in Kombination mit einem Untersetzungsmechanismus,
der ein großes
Untersetzungsverhältnis
aufweist, verwendet werden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Reibrührschweißgerät vorgesehen mit einem Drehwerkzeug,
einer Drehwerkzeugantriebseinrichtung, die das Drehwerkzeug über ein Übertragungselement
antreibt, einem ersten Arm, der das am einen Ende davon drehbare Übertragungselement
trägt,
einem zweiten Arm, der das entgegengesetzte Ende des ersten Arms
drehbar an einem Ende davon trägt,
mit einer Stützstruktur,
die ein entgegengesetztes Ende des zweiten Arms drehbar trägt, wobei
das Übertragungselement
und der erste Arm, der erste Arm und der zweite Arm, und der zweite
Arm und die Stützstruktur
jeweils über
eine Parallelgelenkeinrichtung verbunden sind, und die Drehung des Übertragungselements,
die Drehung des ersten Arms und die Drehung des zweiten Arms werden
mittels eines Servomotors über
eine Kugelgewindespindel durchgeführt, und außerdem mit dem vorherigen Abwinkelantriebselement,
einem Schwenkelement und deren Antriebsmittel.
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Daher
werden die vorhergehenden Schwierigkeiten gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung durch ein Reibrührschweißgerät gelöst, bei dem die Mittel zur
Positionsänderung
des Drehwerkzeugs armähnliche
Elemente einer Parallelgelenkanordnung enthält und der Betrieb jeder der armähnlichen
Elemente wird mittels eines Kugelgewindes durchgeführt, welches
mit einem Servomotor in Drehung versetzt wird.
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Beim
Reibrührschweißen ist
es notwendig, das Maß des
Eindrückens
des Drehwerkzeugs auf einen Wert in der Größenordnung von 1/10 mm zu steuern,
wobei das Drehwerkzeug gleichzeitig in die Werkstücke mit
einer Kraft von mehreren hundert bis mehreren tausend Kilogramm
eingedrückt
wird (ein Betrieb mit hoher Belastung und hoher Genauigkeit). Schweißroboter
oder dergleichen, die derzeit populär sind, sind allgemein mit
100 kg oder weniger übertragbarer
Last an der Endspitze eines Arms gekennzeichnet, und sind daher
für das
Reibrührschweißen nicht
anwendbar. Schweißroboter
oder dergleichen haben allgemein eine Konstruktion, bei der ein
Antriebsmotor direkt an der Verbindungsachse eines Arms befestigt
ist, wobei der Arm mit der Drehkraft des Motors betätigt wird.
Entsprechend muss bei dieser Konstruktion ein großer Motor
verwendet werden, um die übertragbare
Andruckkraft des Arms zu erhöhen.
Somit wächst
die Größe der Anlage.
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Andererseits
ist als Konstruktion zur Realisierung einer großen Kraftübertragung eine Parallelgelenk-Konstruktion
bekannt, die beispielsweise in Baumaschinen verwendet wird. In einer
Baumaschine wird ein Arm mit einem Hydraulikzylinder betätigt. Mit
einem Hydraulikzylinder kann jedoch keine befriedigende Betriebsgenauigkeit
erhalten werden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eine hohe Kraft durch die Anwendung
einer Parallelgelenkkonstruktion realisiert und ein hochgenauer
Betrieb kann durch Drehung eines Kugelgewindes mit einem Servomotor bewirkt
werden, sodass sowohl eine hohe Kraft und eine hohe Betriebsgenauigkeit
gleichzeitig erhalten werden kann.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Reibrührschweißgerät vorgesehen mit einem Drehwerkzeug,
einer Antriebseinrichtung, die das Drehwerkzeug über ein Übertragungselement zum Rotieren
bringt, einem Abwinkelantriebselement, das das Drehwerkzeug durch
ein Rotationsachsen-Abwinkelelement
zum Abwinkeln veranlasst, ohne den Winkel der Rotationsachse des Übertragungselements
zu ändern,
mit einem Schwenkantrieb, der das Rotationsachsen-Abwinkelelement
und den Abwinkelantrieb durch ein Schwenkelement dreht, wobei das
Schwenkelement die gleiche Drehachse hat, wie die Drehachse des
Drehelements und unabhängig
von der Drehung des Drehwerkzeugs gedreht wird, mit einem ersten Arm,
der das Schwenkelement an einem Drehpunkt hält, mit einer Antriebseinrichtung
zur vertikalen Betätigung
der Gelenkseite des ersten Arms, mit einem zweiten Arm, der den
ersten Arm trägt,
mit einem Antrieb, der die dem ersten Arm zugewandte Seite des zweiten
Arms betätigt,
mit einer Stützstruktur
zum Befestigen des zweiten Arms und mit einem Drehtisch, der die
Stützstruktur
drehbar auf einem Gerätekörper trägt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die vorhergehenden Schwierigkeiten
gelöst
durch ein Rotationsachsen-Abwinkelelement und ein Schwenkelement
für ein
armähnliches
Teil. Mit einer Armkonstruktion ist es möglich, eine Größenreduzierung
im Vergleich mit einem Gerät
zu erhalten, welches mit einer linearen Bewegungsachse ausgebildet
ist. Durch ein Rotationsachsen-Abwinkelelement und ein Schwenkelement
mit Armkonstruktion ist es möglich,
ein Reibrührschweißgerät anzugeben,
das eine kompaktere Konstruktion hat und geeignet ist, beliebig
gebogene Oberflächen
miteinander zu verbinden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Reibrührschweißgerät vorgeschlagen,
mit einem Drehwerkzeug, einem Drehwerkzeugantrieb, der das Drehwerkzeug über ein Übertragungselement
zum rotieren bringt, mit einem Abwinkelantrieb, der das Drehwerkzeug über ein
Rotationsachsen-Abwinkelelement abwinkelt, ohne den Winkel der Rotationsachse
des Übertragungselements
zu ändern,
mit einem Schwenkantrieb, der das Rotationsachsen-Abwinkelelement
und den Abwinkelantrieb über
ein Schwenkelement dreht, wobei das Schwenkelement die gleiche Drehachse
hat, wie die Drehachse des Drehwerkzeugs und geeignet ist, unabhängig von
der Drehung des Drehwerkzeugs zu drehen, mit einer Antriebseinrichtung,
die das Schwenkelement um ein im Schwenkelement vorgesehenes Gelenk
schwenkt, mit einer ersten Halteeinrichtung zum Halten des Schwenkelements,
einem zweiten Halteelement zum vertikal beweglichen Halten des ersten
Halteelements, mit einer Säule,
die das zweite Halteelement hält,
mit einer Basis, die die Säule
horizontal beweglich hält,
und mit einer Werkstückhalterung,
die auf der Basis angeordnet ist und in einer um 90° von einer
Bewegungsrichtung der Säule
abweichenden Richtung horizontal bewegbar ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden somit die vorherigen Probleme
gelöst
mit einem Reibrührschweißgerät, das drei
Bewegungseinrichtungen enthält,
die auf einem Tisch mit drei rechtwinklig zueinander angeordneten
Bewegungsachsen angeordnet sind, und wobei das Schwenkelement und
das Rotationsachsen-Abwinkelelement in Verbindung mit einem der drei
Bewegungseinrichtungen bewegbar sind. Die drei Bewegungseinrichtungen
bewegen die Endspitze des Drehwerkzeugs auf eine gewünschte Position der
Werkstücke
und das Schwenkelement und das Rotationsachsen-Abwinkelelement dienen
dazu, die Rotationsachse des Drehwerkzeugs korrekt zu halten. Mit
der obigen Konfiguration ist es somit möglich, beliebig gebogene Oberflächen zu
verbinden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die vorherigen Probleme gelöst durch
die Verwendung eines Sensors mit einem weiten Messbereich in der
Breitenrichtung des Verbindungsbereichs als Sensor, um den Abstand zwischen
Werkstücken
und dem Drehwerkzeug zu messen. Wie zuvor angemerkt, ist es zur
Sicherstellung der Qualität
des Verbindungsbereichs wichtig, dass die Verbindungslinie und die
Achse des Drehwerkzeugs in der Breitenrichtung so eng wie möglich zusammengezogen
werden. Die Verwendung eines Sensors ist zur Feststellung der Verbindungslinienposition
nötig.
Verschiedene Sensoren sind verfügbar,
einschließlich
Nadelsensor, Spin-Sensor und Laser-Abweichungsmessgerät. Zur Erkennung
der Form eines solch feinen Bereichs, wie die Aussparung im Stoßbereich
ist der Spin-Sensor ungeeignet, während der Nadelsensor und das
Laser-Abweichungsmessgerät
geeignet sind. Jedoch ist es gerade unzulänglich unter Verwendung eines
solchen Nadelsensors oder Laser-Abweichungsmessgeräts die Aussparung
im Stoßbereich
zu erkennen. Es ist notwendig, dass der verwendete Sensor in der
Breitenrichtung der Verbindungslinie abtastet. Es ist ein Verfahren
bekannt, bei dem der Sensor selbst mechanisch hin- und herbewegt
wird. Aber es ist grundsätzlich
schwierig in der Breitenrichtung eine sofortige Messung mit dem
Schweißvorschub
durchzuführen. Daher
ist es am praktischsten, einen Sensor des Typs zu verwenden, der
einen Breitenmessbereich in der Breitenrichtung des Verbindungsbereichs
hat.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die vorhergehenden Probleme gelöst durch
die Verwendung einer Arithmetikeinheit, die eine Bewegungsgröße des Drehwerkzeugs
in Obereinstimmung mit der Form der Werkstücke berechnet und durch Verwendung
einer Steuereinheit, die die Bewegungsgröße des Drehwerkzeugs steuert.
Zur Änderung
der Relativposition zwischen Werkstücken und dem Drehwerkzeug sukzessive
während
des Schweißens,
ist es notwendig zu berechnen, um welchen Grad das Positionsverhältnis zu ändern ist.
Es ist wirkungsvoll und ökonomisch
eine solche Recheneinheit zu verwenden, die als Mikrocomputer bezeichnet
wird und derzeit populär
ist. Es ist auch effektiv und ökonomisch
die derart berechnete Änderungsgröße durch
eine Steuereinheit mit einem darin installierten Mikrocomputer zu steuern.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Drehwerkzeug, das zwei Drehachsen
hat, die in rechtwinklig zueinander um 90° voneinander abweichenden Richtungen drehbar
sind, ist es leicht möglich,
eine Normallinienrichtung eines Verbindungsbereichs festzusetzen und
eine Tangentialrichtung einer Verbindungslinie aus der Form der
Werkstücke,
wobei alle gebogenen Oberflächen
in drei Dimensionen verbunden werden können. Daneben, wenn diese zwei
Richtungen – Normallinienrichtung
und Tangentiallinienrichtung – unter
Verwendung eines Sensors festgestellt werden, ist es möglich, eine
Rotationsachsenrichtung an der Endspitze des Drehwerkzeugs zu bestimmen und
demzufolge können
beliebig gebogene Oberflächen
einer dreidimensionalen Form verbunden werden, während das Drehwerkzeug und
die Werkstücke
immer in einer richtigen geometrischen Relation gehalten werden
können.
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Außerdem können das
Drehwerkzeug und die Werkstücke
in einem geeigneten geometrischen Verhältnis angeordnet werden, da
das Reibrührschweißgerät gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Rotationsachsen-Abwinkelelement zum Abwinkeln
einer Rotationsachse um einen beliebigen Wert im rotierenden Abschnitt
von einem Drehwerkzeugantrieb bis zur Endspitze des Drehwerkzeugs versehen
ist und auch mit einem Schwenkelement versehen ist, welches um eine
Drehachse in einem nicht abgewinkelten Bereich von dem Drehwerkzeugantrieb
bis zum Abwinkelelement drehbar ist und welches an einem gewünschten
Drehwinkel anhalten kann, gerade wenn die Werkstücke gebogene Oberflächen in
einer dreidimensionalen Form haben.
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Darüber hinaus
kann eine große
Drehwerkzeug-Andruckkraft und eine hochgenaue Drehwerkzeug-Positionssteuerung
mit einer kompakten Anordnung realisiert werden, da die Einrichtung
zur Änderung
der Position des Drehwerkzeugs durch ein armähnliches Element mit einer
Parallelverbindungskonstruktion aufgebaut ist und das armähnliche
Element von einer Kugelgewindespindel angetrieben wird, die ein
Servomotor antreibt.
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Daher
ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung für
beliebig gebogene Oberflächen
einer dreidimensionalen Form möglich,
mit einer kompakten Anordnung, eine große Drehwerkzeug-Eindrückkraft und
eine hochgenaue Drehwerkzeug-Positionssteuerung
zu realisieren.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
die Darstellung einer Gesamtanordnung eines Reibrührschweißgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine konzeptionelle Darstellung, die eine Gesamtkonfiguration eines
Drehwerkzeugaggregats zeigt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet
wird.
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3 ist
eine Darstellung, die das Stoßschweißen flacher
Platten zeigt.
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4 ist
eine Darstellung, die das überlappende
Schweißen
flacher Platten zeigt.
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5 ist
eine Darstellung, die das Schweißen zylindrischer Teile zeigt.
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6 ist
eine Darstellung, die das Schweißen flacher Platten zeigt,
das entlang einer rechteckigen Verbindungslinie durchgeführt wird.
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7 ist
eine Darstellung, die das Positionsverhältnis zwischen Werkstücken und
einem Drehwerkzeug zeigt.
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8 ist
eine Darstellung eines Drehwerkzeugs, das in einem herkömmlichen
Gerät verwendet wird.
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9 ist
eine Darstellung, die das Positionsverhältnis zwischen Werkstücken und
einem Drehwerkzeug beim Verschweißen flacher Platten zeigt, welches
entlang einer rechteckigen Verbindungslinie durchgeführt wird.
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10 ist
eine Gesamtdarstellung eines Reibrührschweißgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung.
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11 veranschaulicht
die Gesamtheit eines Reibrührschweißgeräts als Vergleichsbeispiel.
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12 ist
ein Blockdiagramm eines Reibrührschweißgeräts, welches
eine Recheneinheit und eine Steuereinheit enthält.
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13 ist
eine Darstellung, die das Verhältnis
zwischen Werkstücken
und einem Sensor-Erfassungsbereich beim Stoßschweißen zeigt.
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14 ist
eine Darstellung, die das Verhältnis
zwischen Werkstücken
und einem Sensor-Erfassungsbereich beim überlappenden Schweißen zeigt.
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15 ist
eine Darstellung, die das Verhältnis
zwischen Werkstücken
mit Vorsprüngen
und einem Sensor-Erfassungsbereich zeigt.
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Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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1 ist
eine Gesamtdarstellung, die ein Beispiel eines Reibrührschweißgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt. Die Bezugszahlen 1a, 1b und 1c bezeichnen
Kugelgewindespindeln, die Bezugszeichen 2a, 2b und 2c bezeichnen
Servomotoren, die Bezugszeichen 3a, 3b, und 3c bezeichnen Lager,
die Bezugszeichen 4a, 4b und 4c bezeichnen Verbindungsstifte,
die Bezugszahlen 5a und 5b bezeichnen jeweils
zweite und erste Arme, die Bezugszahl 6 bezeichnet einen
Drehantrieb für
die Hauptspindel, die Bezugszahl 7 bezeichnet ein Schwenkelement,
die Bezugszahl 8 bezeichnet ein Abwinkel-Antriebselement,
die Bezugszahl 9 bezeichnet ein Rotationsachsen-Abwinkelelement,
die Bezugszahl 10 bezeichnet ein Spannfutter, die Bezugszeichen 11, 11a und 11b bezeichnen
Drehwerkzeuge, die Bezugszahl 12 bezeichnet eine Stützstruktur,
die Bezugszahl 13 bezeichnet einen Drehtisch und die Bezugszahl 14 bezeichnet
einen Gerätesockel.
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Die
ersten und zweiten Arme 5a, 5b sind um die Verbindungsstifte 4a und 4b als
Drehpunkte jeweils schwenkbar. Der Hauptspindel-Drehantrieb 6 und
das Drehwerkzeug 11 sind an einem entfernten Ende des ersten
Arms 5b angebracht und können mittels Schwenkelementen
der ersten Arme 5a, 5b in gewünschte Positionen bewegt werden.
Die Gesamtheit des Bereichs, der oberhalb der Stützstruktur 12 angeordnet
ist, dreht sich mit der Drehung des Drehtischs 13.
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Die
Kugelgewindespindeln 1a und 1b werden mittels
der Servomotoren 2a und 2b in Drehung versetzt,
wobei mit dieser Drehung die Abstände zwischen den Lagern 3a, 3b und
den Servomotoren 2a, 2b sich ändern, der zweite Arm 5a sich
nach rechts und links bewegt und das Drehwerkzeug 11, welches mit
dem ersten Arm 5b über
den Verbindungsstift 4c verbunden ist, sich vertikal bewegt.
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Die
Kugelgewindespindel 1c wird durch Betätigung des Servomotors 2c gedreht,
wobei mit dieser Drehung sich der Abstand zwischen dem Lager 3c und
dem Servomotor 2c ändert,
das Drehwerkzeug 11 mit dem Verbindungsstift 4c als
Drehpunkt sich nach rechts und links schwenkt und der Hauptspindel-Antriebsmotor 6,
das Schwenkelement 7, das Rotationsachsen-Abwinkelelement 9 und
der Abwinkelantrieb 8 sich gemeinsam drehen. Das Schwenkelement 7 kann
sich unabhängig
in beide Richtungen rechts und links auf der gleichen Achse wie
die Rotationsachse des Drehwerkzeugs 11 drehen und ist
in einem anderen Element mit dem Verbindungsstift 4c als
Lagerpunkt aufgenommen und befestigt.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer Drehwerkzeuganordnung, mit der
das Drehwerkzeug 11 geneigt und gedreht werden kann. Das
Drehwerkzeug 11 wird von dem Rotationsachsen-Abwinkelelement 9 abgewinkelt
und gedreht. Mit der Drehung des Drehwerkzeugs 11 über das
Schwenkelement 7 dreht sich das Rotationsachsen-Abwinkelelement 9 zusammen
mit der Drehung des Drehwerkzeugs 10 durch die Drehung
des Abwinkelantriebs 8 in einer von 90° abweichenden Richtung, das
heißt
in einer rechtwinkligen Richtung relativ zu der vorgenannten Schwenkdrehung.
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Das
Rotationsachsen-Abwinkelelement 9 enthält ein Kegelzahnrad, welches
am drehwerkzeugseitigen Ende eines Übertragungselements 41 angeordnet
ist, welches zur Übertragung
der Drehung von dem Hauptspindel-Antriebsmotor 6 zum Drehwerkzeug 11 vorgesehen
ist, ein Kegelzahnrad, welches für
die Übertragung
der Drehung von dem Abwinkelantrieb 8 vorgesehen ist, und
ein Kegelzahnrad, welches eine Antriebskraft von dem gerade erwähnten Kegelzahnrad
auf das Drehwerkzeug 11 überträgt und welches auf dem Rotationsachsen-Abwinkelelement 9 auf
der dem Drehwerkzeug 11 zugewandten Seite montiert ist.
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Mittels
dieser Kegelzahnräder
wird der Einsetzwinkel des Drehwerkzeugs 11 im Verhältnis zu den
Werkstücken
in alle Richtungen geändert.
190° oder
weniger ist für
den Drehwinkel des Rotationsachsen-Abwinkelelement 9 bei
der Konfiguration zulässig.
Die Kombination dieser Kegelzahnräder bewirkt sowohl die Rotation
des Drehwerkzeugs 11 über
den Hauptspindel-Antriebsmotor als auch die abgewinkelte Drehung
des Drehwerkzeugs.
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Das
Schwenkelement 7 ist zusammengesetzt aus einem Schneckenantrieb
zur Übertragung der
Antriebskraft von einem Schwenkantrieb 40 und einem Schneckenzahnrad
für die
Schwenkantriebskraft, die vom Schneckenantrieb vorgesehen ist. Die Schwenkbewegung
bewirkt, dass das Drehwerkzeug 11 sich dreht, während es
abgewinkelt wird. In dieser Verbindung wird der Einsetzwinkel des
Drehwerkzeugs 11 durch die Kombination des Kegelzahnrads geändert, welches
mit dem Hauptspindel-Antriebsmotor 6 verbunden ist, des
Kegelzahnrads, welches mit der Seite des Drehwerkzeugs 11 verbunden
ist, und des Kegelzahnrads, welches mit der Seite des Abwinkelantriebs 8 in
Verbindung steht. Das Rotationsachsen-Abwinkelelement 9,
bestehend aus der Verbindung der drei Kegelzahnräder, und das Schwenkelement 7 sind
integral miteinander verbunden. Die Kombination dieser beiden zueinander rechtwinkligen
Drehungen erlaubt es, jegliche gebogenen dreidimensionalen Oberflächen in
Winkeln und Richtungen miteinander zu verbinden, die am besten für die gebogenen
Oberflächen
geeignet sind. Der gesamte Schwenkwinkel beträgt 370°.
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Das
Reibrührschweißgerät dieser
Ausführung,
das Werkstücke
dadurch verbindet, dass das Drehwerkzeug 11 in die Werkstücke unter
Drehung des Werkzeugs und dessen Bewegung entlang einer Verbindungslinie
eingedrückt
werden, ist ausgestattet mit dem Hauptspindel-Rotationsmotor 6,
der als Antriebseinrichtung für
das Drehwerkzeug 11 dient, einer Abwinkel-Antriebseinrichtung,
die die Kraft von dem Hauptspindel-Rotationsmotor 6 auf
das Drehwerkzeug 11 über
ein Schwenkelement 7 überträgt und sowohl
den Hauptspindel-Rotationsmotor 6 und das Drehwerkzeug 11 über ein
Drehgelenk abwinkelt, welches im Schwenkelement 7 vorgesehen
ist, mit dem Abwinkelantrieb 8, der das Drehwerkzeug 11 über eine
Rotationsachsen-Abwinkeleinrichtung 9 in einer um 90° abweichenden
Richtung gegenüber
der Rotationsrichtung dreht, die durch die Abwinkeleinrichtung eingeleitet
wird, dem ersten Arm 5b, der das Schwenkelement an einem
Drehgelenk trägt,
einer Antriebseinrichtung, die die Drehpunktseite des ersten Arms
vertikal betätigt,
dem zweiten Arm 5a, der den ersten Arm 5b trägt, einer
Antriebseinrichtung, die die dem ersten Arm 5b zugewandte
Seite des zweiten Arms 5a dreht, mit einer Stützstruktur 12,
die den zweiten Arm 5a fixiert und mit dem Drehtisch 13, der
die Stützstruktur 12 drehbar
trägt.
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Wie
aus der obigen Ausführung
ersichtlich ist, hat das Drehwerkzeug 11 zwei Drehachsen,
die in rechtwinkligen Richtungen mit einem Unterschied vom 90° zueinander
drehbar ausgebildet sind auf der Basis einer Normallinienrichtung,
bezogen auf die Oberflächen
der Werkstücke,
und einer Tangentialrichtung der Verbindungslinie. Werkstücke können miteinander
verbunden werden, während
die Drehwinkel der Drehachsen jeweils eingestellt werden, sodass
das Verschweißen
dreidimensional gebogener Oberflächen
leicht durchführbar
ist.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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10 zeigt
eine Gesamtanordnung eines anderen Ausführungsbeispiel eines. Reibrührschweißgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem die Bezugszahl 28 eine Säule bezeichnet, die
Bezugszahl 27 die Basis des Geräts bezeichnet und die Bezugszahl 26 eine
Werkstückhalterung
bezeichnet.
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In
der gleichen Figur sind die Richtungen (X, Y, Z), die als Doppelpfeile
dargestellt sind, Achsen von Bewegungsrichtungen, die rechtwinklig
zueinander sind. Ein Hauptspindel-Rotationsmotor 6, ein Schwenkelement 7,
ein Abwinkelantriebselement 8, ein Rotationsachsen-Abwinkelelement 9,
ein Spannfutter 10 und das Drehwerkzeug 11 sind
an einem Teil montiert, welches daran angepasst ist, sich in Richtung
der Z-Achse zu bewegen. All diese Komponenten bewegen sich mit der
Z-Achsenbewegung.
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Mit
der Antriebskraft eines Servomotors schwenkt das Schwenkelement 7 um
eine parallel zu der Z-Achse verlaufende Achse, obwohl dies nicht dargestellt
ist. Der gesamte Schwenkwinkel beträgt 370°, wie dies bei dem vorhergehenden
Ausführungsbeispiel
der Fall ist.
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Mit
dem Abwinkelantriebselement 8 ändert sich die Richtung der
Rotationsachse des Drehwerkzeugs 11 vom Teil des Abwinkelantriebselements 8, um
es um einen von 90° abweichenden
Winkel bezogen auf die Drehung des Schwenkelements 7 zu
drehen. Der Abwinkelvorgang des Abwinkelantriebselements 8 wird
unter Verwendung eines Servomotors über einen Reduktionsmechanismus
(Oberwellenantrieb) mit einem hohen Reduktionsverhältnis durchgeführt, der
jedoch nicht dargestellt ist. Die Verwendung eines Oberwellenantriebs
erlaubt die Verwendung eines kleinen Motors und daher auch eine
Verringerung der Größe des von
dem Abwinkelantriebselement 8 zum Drehwerkzeug 11 abstehenden
Endspitzenbereichs. Der Winkel der Abwinklung durch das Abwinkelantriebselement 8 kann
auf ± 100° bezogen
auf die Rotationsachse des Hauptspindel-Rotationsmotors 6 eingestellt
werden.
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Dadurch
dass das Schwenkelement 7 die Rotationsachse des Rotationswerkzeugs 11 in
einen Abwinklungszustand mittels des Abwinkelantriebselements 8 bringen
kann, kann das Drehwerkzeug 11 in Werkstücke eingesetzt
werden, während
ein Angriffswinkel in Normallinienrichtung oder zu einer Normallinie
mit Bezug auf unterschiedliche Abschnitte auf beliebig gebogene
Werkstückoberflächen hinzugefügt wird.
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Bei
dieser Ausführung
wird auch die gleiche Konfiguration wie bei der vorhergehenden Ausführung verwendet,
wobei das Schwenkelement 7 in einen geneigten Zustand der
Rotationsachse des Rotationselements 11 durch das Abwinkelantriebselement 8 geschwenkt
werden kann. Durch die Kombination eines Abwinklungswinkels mit
einem Schwenkwinkel kann das Rotationswerkzeug 11 in eine
Normallinienrichtung für
die gesamte Oberfläche
einer Halbkugel eingestellt werden.
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Das
Drehwerkzeug 11 ist derart ausgebildet, dass es ein wesentlich
härteres
Material verwendet, als das Material der Werkstücke. Als Material für das Drehwerkzeug 11 kann
in einem typischen Ausführungsbeispiel
Metall verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wurde ein
Material verwendet, welches durch Hitzebehandlung eines Werkzeugsstahls
erhalten wurde. Keramikmaterial und oberflächengehärtetes Material sind ebenfalls
verwendbar, wenn diese den Anforderungen an die Festigkeit und Hitzebeständigkeit
in Kombination mit der geforderten Härte genügen.
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In
einer Ebene, die eine Verbindungslinie und eine Normallinie der
Werkstücke
einschließt, kann
die Rotationsachse des Drehwerkzeugs 11 um einen vorgegebenen
Winkel (Angriffswinkel) nach hinten zur Schweißrichtung gegenüber der
Normallinie gekippt sein. Der Angriffswinkel ist angenommen 3° bis 10°, wobei 3° bei der
vorliegenden Ausführung angenommen
ist.
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Das
Reibrührschweißgerät gemäß dieser Ausführung, das
die Werkstücke
dadurch verbindet, dass das Drehwerkzeug 11 in die Werkstücke unter Rotation
des Drehwerkzeugs und unter Bewegung des Drehwerkzeugs entlang einer
Verbindungslinie eingedrückt
wird, ist versehen mit einer Schwenkantriebseinrichtung 38,
die den Bereich des Hauptspindel-Rotationsmotors 6 bis
zur Endspitze des Drehwerkzeugs dreht, mit dem Motor 6,
der als Antriebseinrichtung für
die Rotation des Drehwerkzeugs 11 dient, mit der Abwinkelantriebseinrichtung 8,
die das Drehwerkzeug 11 über das Rotationsachsen-Abwinkelelement 9 in
eine um 90° unterschiedliche
Richtung von der Rotationsrichtung dreht, bewirkt durch die Schwenkantriebseinrichtung 38,
mit einer ersten Halteeinrichtung 38, die das Rotationsachsen-Abwinkelelement 9 an
einem Drehpunkt hält,
mit einer zweiten Halteeinrichtung 39, die die erste Halteeinrichtung 38 vertikal
beweglich hält,
mit der Säule 28, die
die zweite Halteeinrichtung 39 hält, mit der Gerätebasis 27,
die die Säule 38 horizontal
beweglich trägt,
und mit der Werkstückhalterung 26,
die auf der Gerätebasis 27 befestigt
ist und horizontal in einer um 90° unterschiedlichen
Richtung gegenüber
der Bewegungsrichtung der Säule 28 beweglich
ist.
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Bei
dem Gerät
dieses oben beschriebenen Ausführungsbeispiels
hat das Drehwerkzeug 11 zwei Drehachsen, die in um 90° unterschiedlichen
Richtungen zueinander drehbar sind auf der Basis einer Normallinienrichtung
hinsichtlich verbundener Werkstückoberflächen und
einer Tangentialrichtung der Verbindungslinie, wobei die Werkstücke verbunden werden
können,
während
die Drehwinkel der Drehachsen eingestellt werden und wobei ein dreidimensionales
Verschweißen
leicht ausgeführt
werden kann.
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(Drittes Ausführungsbeispiel)
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12 ist
ein Konzeptionsdiagramm, welches eine Systemkonfiguration eines
Reibrührschweißgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, bei dem die Bezugszahl 29 einen Sensor
bezeichnet, die Bezugszahl 30 das Reibrührschweißgerät bezeichnet, die Bezugszahl 31 ein
Werkstück
bezeichnet, die Bezugszahl 32 eine Arithmetikeinheit bezeichnet
und die Bezugszahl 33 eine Steuereinheit bezeichnet.
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Ein
Koordinatenwert, der von der Werkstückform vor dem Start berechnet
wird, eine Normallinienrichtung des Verbindungsbereichs und eine
Tangentialrichtung der Verbindungslinie werden als Anfangswerte
in die Steuereinheit 33 eingegeben.
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Das
Reibrührschweißgerät 30 beginnt
den Schweißvorgang
auf der Basis des Anfangswertes. Gleichzeitig erkennt der Sensor 29 das
Positionsverhältnis
zwischen dem Drehwerkzeug 11 und den Werkstücken 31 und
gibt das Ergebnis dieser Feststellung in die Arithmetikeinheit 32 ein.
Die Arithmetikeinheit 32 vergleicht das Erkennungsergebnis
mit dem Anfangswert und gibt einen Änderungswert an der Steuereinheit 33 ein,
der auf der Abweichung von den beiden basiert. Während dieses Ablaufs schreitet
der Schweißvorgang
voran, während
die Anfangswerte in verschiedenen Abschnitten des Verbindungsbereichs
geändert
werden.
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Die
Arithmetikeinheit 32 und die Steuereinheit 33 sind
als separate Komponenten in 12 dargestellt,
jedoch sind beide bei diesem Ausführungsbeispiel innerhalb eines
einzigen Computers angeordnet.
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Bei
dieser Ausführung
kann der Schweißvorgang
durchgeführt
werden, während
ein Bewegungspfad des Drehwerkzeugs 11 auf der Basis einer
vorgegebenen Verbindungslinie verändert wird und während eine
Relation zwischen der Position der Verbindungslinie während des
Schweißens
und der Position einer Endspitze des Drehwerkzeugs 11 von
einem Sensor 29 ermittelt und eine Änderung des ermittelten Werts
vorgenommen wird.
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Außerdem kann
der Schweißvorgang
durchgeführt
werden, während
die Position der Verbindungslinie an einer vorangehenden Position
in Vorschubrichtung des Drehwerkzeugs 11 durch den Sensor 29 ermittelt
wird und während
die Position der Endspitze des Drehwerkzeugs 11 beim Schweißvorgang
auf der Basis der ermittelten Position geändert wird.
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(Viertes Ausführungsbeispiel)
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13 bis 15 sind
Konzeptionsdarstellungen, die Zustände zeigen, bei denen Verbindungsbereiche
durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung gemessen werden unter Verwendung des Geräts gemäß dem ersten
bis zum dritten Ausführungsbeispiel.
In diesen Figuren bezeichnet die Bezugszahl 16 eine Verbindungslinie,
die Bezugszahl 34 ein Weitwinkel-Laser-Abweichungsmessgerät, die Bezugszahlen 35, 35a und 35b bezeichnen
Kantenabschnitte der Werkstücke
und die Bezugszahl 36 bezeichnet einen Messbereich. 13 veranschaulich
das Stoßschweißen flacher Platten, 14 veranschaulicht
das überlappende Schweißen flacher
Platten und 15 veranschaulicht das Verschweißen von
Werkstücken
mit Randvorsprüngen.
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In 13 wird
der Laserstrahl von dem Weitwinkel-Laser-Abweichungsmessgerät 34 abgestrahlt,
sodass die Verbindungslinie 16 im Messbereich 36 liegt
und die Verbindungslinie 16 aus dem gemessenen Wert identifiziert
wird. Kanten der Werkstücke 15a und 15b sind
gerundet, was beim Herstellungsprozess unvermeidbar ist. Werden
die Werkstücke
gegeneinander auf Stoß gesetzt,
bilden die gerundeten Kanten eine rinnenförmige Einkerbung im Stoßbereich.
Bei dem in 13 dargestellten Beispiel wird
die Einkerbung erkannt um die Verbindungslinie 16 festzustellen.
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In 14 liegt
die Verbindungslinie 16 auf glatten Werkstückoberflächen, wodurch
es schwierig ist die Position der Verbindungslinie 16 direkt
zu identifizieren. Jedoch ist es möglich die Position des Kantenabschnitts 35 zu
identifizieren und die Verbindungslinie auf der Basis dieser Kantenposition
zu berechnen, wenn ein Werkstück 17a so
positioniert ist, dass ein Eckabschnitt 35 von diesem sich
innerhalb des Messbereichs 36 des Laser-Abweichungsmessgeräts 34 befindet.
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In
dem Fall, wenn Werkstücke
mit Vorsprüngen
wie in 15 ausgebildet sind, sind beide
der obigen Methoden anwendbar. Eine davon kann ausgewählt werden
entsprechend dem Endzustand der Werkstücke 37a und 37b.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Position einer zwischen Werkstücken ausgebildeten Rinne oder
die Position von Kantenabschnitten an den Werkstückenden festgestellt und es
kann die Position des Drehwerkzeugs 11 in Breitenrichtung
der Verbindungslinie auf der Basis der ermittelten Position der
Rinne oder der Kanten geändert
werden.