用于接合或机械加工的方法及其设备与流程

1.本发明涉及一种用于接合或机械加工的方法，特别是使用设备的摩擦搅拌焊接方法，其中工具，特别是摩擦搅拌焊接工具，经由具有主轴轴线的主轴被驱动。
2.本发明还涉及一种用于接合或机械加工、特别是用于摩擦搅拌焊接的设备，所述设备包括主轴箱，所述主轴箱具有可以绕主轴轴线旋转的主轴和工具，特别是摩擦搅拌焊接工具，所述工具可以通过主轴绕工具轴线被驱动。


背景技术：

3.这种类型的各种方法和设备从现有技术已经变得为人所知。在这种类型的方法和设备中，已经证明不利的是，接合或机械加工(特别是其中特别高的力发生的摩擦搅拌焊接)，在可达性差的位置上是不可能的，或者只有在工艺可靠性低的情况下才是可能的。


技术实现要素：

4.这通过本发明来解决。本发明的目的是明确一开始提及的类型的方法，利用该方法，即使在不可达的位置上，对应的接合或机械加工过程也可以被高效率地且以可靠的方式实施。
5.此外，一种设备将被指定，利用该设备，即使在可达性差的位置处，接合或机械加工在工艺可靠性高的情况下，也是可能的。
6.第一个目的根据本发明、通过一开始提及的类型的方法来获得，在所述方法中，适配器，特别是角头，被布置在主轴和工具之间，使得工具绕其旋转的工具轴线与主轴轴线不一致，其中作用于主轴上的力被测量，并且根据在主轴处测量的力控制方法。
7.作为本发明的一部分，发现如果作用于主轴上的力被测量，并且根据在主轴处测量的力控制方法，使用诸如角头的适配器，例如，即使在可达性差的位置上，摩擦搅拌焊接也是可能的。结果，对于工具、还有主轴这二者的损坏可以被以简单的方式防止，所述损坏可以由特别是在摩擦搅拌焊接期间在工具轴线的方向上发生的高的力引起，因为超过可允许的负载。
8.替换摩擦搅拌焊接，该方法当然还可以被用于其他接合或机械加工处理，特别是被用于钻孔、车床加工或铣削。尽管角头优选地被用作适配器(利用所述角头，大约90
°
的角度可以在主轴轴线和工具轴线之间得以实现)，但是适配器原理上可以被以任何期望的方式实施，以便有益地形成不同于主轴轴线的工具轴线并且到达利用工具不可达的位置。
9.通常，该方法被控制为使得前进方向、前进速度、经由工具在工具轴线的方向上施加的法向力、工具的旋转方向和旋转速度被预设以执行对应的工艺步骤，例如用摩擦搅拌焊接方法生成焊缝，随之方法可以被相应地执行，其中作用于主轴上的力被测量，并且通常被连续地与最大值进行比较，最大值例如对应于设备(特别是主轴或适配器)或工具的可允许的机械负载。如果确定已经超过最大值，则前进速度、工具轴线的方向上的工具的法向力、和/或工具的旋转速度被改变，直到测量的力再次降至最大值以下，可能地直到其降至
附加的更低的阈值以下。前进速度、工具轴线的方向上的工具的法向力、和/或旋转速度随后可以再次被改变，直到这些参数在超过最大值之前再次达到预设值或原始值。
10.如果控制根据主轴处测量的力和分配给适配器的机器常数被调节，则是有益的。因此，经由主轴处测量的力，工具处存在的力和力矩可以借助于机器常数推断出来。因为工具和主轴之间的基本上任何期望的距离和角度利用角头都是可能的，所以在主轴和工具处发生的力可以相应地变化。机器常数通常对应于适配器的几何形状，以便在主轴处测量的力的帮助下，计算在力传递点处作用于布置在适配器上的工具上的力。经由借助于机器常数的转换，因此可以经由主轴处测量的一个力或多个力来间接地推断与主轴间隔开的工具上的负载。结果，工具的碰撞例如可以经由主轴处的高的力被间接地识别，即使没有力测量装置通常被布置在工具本身上。工具本身上的力测量装置的布置因此不是防止在方法期间对工具的损坏所必需的。
11.在来自现有技术的方法中，对于主轴的损坏频繁地发生在主轴轴承上，因为即使主轴轴线的方向上的力、轴向主轴力和垂直于主轴轴线的平面上的力、剪切主轴力通常在主轴中被测量，在与主轴间隔开的位置处的力传递期间，高的弯曲力矩也作用于主轴上，弯曲力矩使主轴轴承承受附加的负载。通过考虑到适配器的几何形状或力传递点离主轴的距离，该弯曲力矩也可以在数学上在测量的轴向主轴力和剪切主轴力的帮助下被确定，并且方法可以基于主轴处的对应的最大弯曲力矩来控制，以便防止对于主轴轴承的损坏。
12.优选地提供多个空间方向上的力在主轴处被测量，并且控制根据在多个空间方向上工具离主轴的距离而发生。例如，主轴轴线的方向上的主轴处的力或垂直于主轴轴线的平面上的剪切力可以指示与主轴间隔开的工具处或与主轴间隔开的工具中的不允许地大的弯曲力矩，使得方法必须受到限制以便防止对于工具的损坏。因此，通过测量轴向主轴力和剪切主轴力，工具轴线的方向上的工具处的力(即，轴向工具力)和垂直于工具轴线的方向上的工具处的力(即，径向工具力)、以及由于弯曲力矩而导致的工具上的负载通常可以被推断。通过力传递点离主轴的距离的相应的包括，主轴处的绕垂直于主轴轴线的轴线的力矩也可以借助于测量的力被确定，以便防止主轴轴承上的不允许的负载。
13.一旦主轴处的力在其处被测量的位置和工具之间的距离由角头和设备的几何形状得知，测量的主轴力、可能还有测量的主轴力矩到作用于工具上的力或力矩的转换是容易做到的。
14.如果在测量的力进入控制中之前，测量的力被乘以取决于工具离主轴的距离的机器常数，则导致特别简单的控制。当然，机器常数也可以具有矢量格式或矩阵格式，特别是如果力以及可能力矩在多个空间方向上被测量，并且进入控制中。此外，机器常数也可以在方法期间被改变，以便使从主轴力到工具力的转换适应于由于例如前进移动而可以变化的工具和主轴之间的距离。
15.还可以提供的是，方法被实施为利用不同的适配器执行，使得机器常数在适配器中的改变期间被改变。例如，机器常数可以被电子地压印在角头中，使得通常作用于主轴驱动器上的控制在更换适配器或角头期间自动地获取机器常数，并且因此在角头改变的情况下被调整适应角头的几何形状或可能的最大负载。
16.已经证明有效的是，适配器被可拆卸地连接到主轴，并且力借助于布置在适配器上的力测量装置被测量。多个空间方向上的一个力或多个力因此可以在主轴处利用布置在
主轴本身上的力测量装置以及利用布置在角头处的力测量装置被测量。特别是如果力测量装置被直接布置在角头上，则所述力测量装置可能已经被配置为使得进入控制中的力测量装置的输出信号已经针对工具离主轴的距离在数学上被校正。测量的力到直接适用于控制的值的转换于是发生在角头本身中。
17.利用诸如角头的适配器，主轴轴线和工具轴线之间的基本上任何的期望的角度都可以被实现。优选地提供工具轴线被布置成相对于主轴轴线成15
°
到165
°
的角度，特别是大约90
°
。例如摩擦搅拌焊接连接然后也可以在通常被实施为非常重且大的设备将不可达到的位置上被生成以便施加相应地大的力，并且还在与相对的部件仅有很小的距离的表面上被生成以使得对应地大的设备不能被直接定位在焊缝将被形成在其上的表面的上方。
18.为了能够特别是在以小距离相隔的相对的部件上执行对应的工艺，如果至少两个工具(特别是两个摩擦搅拌焊接工具)被布置在适配器上，并且控制根据在主轴处测量的力和工具中的哪个被使用而发生，则是有利的。适配器于是被实施为角头，其中两个工具被布置在相对的端部。此外，工具还可以具有与主轴轴线成一角度对齐的公共工具轴线。因此，利用摩擦搅拌焊接方法，焊缝可以被以简单的方式施加于紧密地间隔的相对的表面，或者被相应地布置的部件可以用可靠的工艺被焊接在一起。如果控制还考虑到两个工具中的哪个当前被啮合，则确保力传递点和主轴之间的距离被正确地包括并且作用力被准确地确定以便控制方法来实现可允许的负载。
19.另一个目的根据本发明、通过一开始提及的类型的设备来实现，在设备中，适配器，特别是角头，被布置在主轴轴线和工具轴线之间，使得主轴轴线与工具轴线不一致，其中至少一个力传感器被布置在主轴的区域中以记录作用于主轴上的力，其中设备被实施用于控制基于测量的力的方法，优选地摩擦搅拌焊接方法，特别是用于执行根据本发明的方法。
20.如果力测量系统被提供来记录不同的空间方向上的力，则是有益的。通常，在垂直于主轴轴线的平面上记录剪切力，并且在主轴处和/或主轴箱处记录主轴轴线的方向上的力。力测量系统可以被布置在主轴和主轴箱之间，也可以被布置在角头本身上，并且通常被校准到力传递点。通常，工具的旋转方向也包括在控制中，因为所述旋转方向相对于作用于工具或主轴上的力矩是相关的。
21.优选地提供的是设备被实施用于根据工具离主轴的距离来控制方法，并且控制可以针对特别是由于不同的适配器而导致的变化的距离而被调整。
附图说明
22.本发明的附加的特征、益处和效果从下面描述的示例性实施方案得出。特此参考的附图示出以下：
23.图1：用于执行根据本发明的方法的设备。
具体实施方式
24.图1在透视图中示意性地示出根据本发明的用于执行根据本发明的方法的设备1，其中示例性实施方案中图示说明的设备1被实施用于执行摩擦搅拌焊接方法。
25.可见的是连接到未图示的马达的主轴2，经由主轴2，驱动发生，其中主轴2经由被
实施为角头3的适配器被连接到工具6，工具6被连接到角头3，使得工具6可以被绕工具轴线5旋转。工具轴线5从而被以大约90
°
的角度α与主轴轴线4对齐，并且工具6被实施为摩擦搅拌焊接工具。工具6在工具轴线5的方向上施加的按压从而可以通过主轴2在工具轴线5的方向上的移动而发生。工具6在垂直于工具轴线5的平面上的前进也可以通过主轴2的对应移动来实现。
26.在摩擦搅拌焊接方法中，高的力作用于工具6上，特别是由于工具轴线5的方向上的摩擦搅拌焊接工具对未图示的、其上将形成焊缝的工件的按压而导致的轴向工具力7。此外，在沿着前进方向12的移动期间，由前进引起的径向工具力8、以及由于工具6绕工具轴线5的旋转而导致的另外使工具6受到扭转应力的力矩作用于工具6上。力在形成焊缝的工具尖端上的力传递点处被传递给工具6。
27.在主轴2处，即在与工具6间隔的位置处，力测量装置(例如，力测量传感器9)被布置，力测量装置在图1中被作为示例图示，并且利用力测量装置，轴向主轴力10和剪切主轴力11可以被测量。力测量装置可以例如被定位在主轴2和主轴箱之间、或者角头3处、或者主轴2的区域中的适配器本身上。为了防止对于工具6的损坏，作用于工具6上的负载经由布置在主轴2处的力测量装置被间接地推断。为了这个目的，在主轴2处的力测量装置上测量的力被转换为作用于工具6上的力，其中转换从而根据工具6或力传递点离主轴2(特别是主轴鼻部(对于主轴鼻部，主轴2处的力和力矩通常是已知的))的距离而发生，或者基于主轴轴线4的方向以及工具轴线5的方向这两个方向上、可能还有在其他空间方向上的、力测量装置离工具6的距离而发生。在所有的空间方向上发生的力和力矩通常被测量，使得作用于工具6上的力可以被准确地推断。结果，特别是工具6的碰撞可以被可靠地检测到，并且方法在工具6或设备1被损坏之前，可以被以及时的方式调节。另外，通过将力传递点离主轴鼻部的距离包括在控制中，例如，经由轴向主轴力10和剪切主轴力11被乘的机器常数，如果所述弯曲力矩不能被直接记录，于是还可以推断作用于主轴2上的弯曲力矩，以便确定主轴轴承上的负载。如果在主轴轴承被损坏之前，确定主轴轴承的可允许的负载已经被超过，则方法可以如此被调节。
28.在方法中，测量的力被连续地和与对应于设备1和工具6的最大可允许负载的限值进行比较。当超过限值的测量的值被力测量装置记录时，控制发生，因为工具轴线5的方向上的按压力、垂直于工具轴线5的平面上的前进速度、和/或工具6绕工具轴线5的旋转速度被减小，直到主轴2处的和工具6处的在可允许限值内的负载可以基于在力测量装置上测量的力被推断为止。
29.利用根据本发明的方法和对应的设备1，特别是摩擦搅拌焊接方法即使在可达性差的位置上，也可以被以高效率的方式执行，其中对于摩擦搅拌焊接工具和设备1的损坏可以被可靠地防止。在一方面，工具6与部件的碰撞可以被可靠地检测到。在另一方面，主轴2处的损坏被防止，特别是由于由角头3的长杆臂引起的弯曲力矩而导致的主轴轴承中的损坏。
30.除了摩擦搅拌焊接之外，根据本发明的方法和对应的设备1还可以被用于铣削、车床加工和/或钻孔，其中对应的优点被同样地获得。