用于控制机械接合或成形加工过程的方法与流程

本发明涉及一种用于控制机械接合过程或成形加工过程的方法，尤其是在薄壁材料中的热融自攻丝。

背景技术：

这种方法被用在例如像车辆工程这样的领域，在此材料融合式热接合方法(电弧焊、电阻焊、钎焊)是成问题的。比如热连接技术在现代车身结构中是不可行的，倘若待接合的轻型结构材料过于热敏感。例如针对与热成型钢、铝合金或纤维复合材料的多种连接，尤其上述材料的异质连接。

不同于热连接技术尤其如焊接，机械(因此为冷态)加工方法(尤其如热融自攻丝)不仅爱护材料，还提供其它优点如快速、可单侧接近、少维护和节能。

这样的方法需要根据多项要求来控制或甚至调节加工过程。

例如必须在如热融自攻丝的接合过程中根据多项要求控制转速和进给速度，以便对螺钉尖接触工件表面、螺钉进入工件和穿过工件等阶段予以考虑。此时，在此过程中出现针对进给力、进给量和转速的完全不同且不断变化的要求。

在此通常监测若干参数，以在容许公差范围内保证加工过程。例如应在钉头抵靠(即螺钉头接触用于接收螺钉的容座)时，在钉头抵靠期间避免对螺钉施加不允许的过高转矩(过扭)。

为了避免过程参数超出预定的误差、误差范围或误差包络曲线，在现有技术中例如需要确定螺钉头相对于容座的准确姿态。

但是，要考虑的构件误差导致在加工过程中的转速降低大多早于实际所需。相应地，由此造成周期时间不希望地延长。

为了探测钉头抵靠，实际中也考虑转矩监测。但这样的转矩监测并不适合在常见的惯性系统中控制转速切换，用于避免施加不允许的过高转矩。

因此，前述方法不容许快速响应控制并且在加工时需要相对长的周期时间或者设计成本很高。

在de102007024627a1中还提出了针对用于接合或分离固定机构的方法在控制时考虑差商δl/δt或δl/δφ、即依据其转动运动的固定机构进给速度变化或其进给量变化。

但这样的方法明显依赖于固定机构的形状，其中，尤其螺钉形状(没有螺钉尖和螺纹之间的校准区)，使得依据其转动运动的进给速度变化或其进给量变化的探测变得困难或甚至无法实现。

技术实现要素：

本发明因此基于以下任务，即，避免所述缺点并以简单方式在周期时间短的同时实现高精度加工过程。另外，这种加工过程应与固定机构的形状无关。

根据本发明，该任务通过一种具有权利要求1的特征的方法以及一种具有权利要求7的特征的装置完成。

通过根据本发明的对有别于材料融合式热接合方法的冷机械方法或加工过程的控制，在周期时间短的同时保证了高度精确的加工过程。另外，本发明的控制也可被用于任意的固定机构形状。

为此，使过程参数(例如进给速度、进给力或压紧力)的实际曲线趋近于该过程参数的(理想)目标曲线，做法是多个反向脉冲作用于非马达致动器尤其是气压缸(用于产生过程参数)。通过这种方式，可以使原本因超程时间而缓慢的控制方法更快速地趋近于理想目标曲线。

这些反向脉冲在数量和长度方面是依据至少一个能直接探测的、与过程参数相关的参数来实现的，如力、位移、压力、速度、转矩、时间、位置、转速、转动角度、反向脉冲或其组合。

在本发明的意义上，脉冲是指参数输入信号，而“参数的缺失”被定义为两个脉冲之间的间隔。

在本发明的优选设计中，这些反向脉冲在气压缸处是通过在缸相反侧形成压力而产生的。由此可以采用廉价的且广泛使用的控制机构(气压控制)，并且还能在短周期时间的同时保证高精度加工。

特别有利的是，本发明的控制方法也可被用在已有的加工系统上，以实现更高的加工速度和/或加工质量。

在特别优选的本发明设计中，用于在缸相反侧形成压力的阀的控制是以脉冲形式进行的，做法是针对脉冲的长度和持续时间自最好具有恒定压力的源输入处于压力的气体。

所述阀在此可被设计成多通阀，从而在间隔中并非仅关断压力供应路径，而是最好可以消除在缸相反侧的压力(排气)。

但显然也可以想到，代替多通阀设有附加排气阀，从而能在针对期望持续时间的脉冲期间(以脉冲形式)减小压力。由此可以简单方式实现更快速准确的实际曲线控制。

在本发明的优选设计中，气压缸在缸相反侧具有带有(第二)阀的气密空间，该阀不同于比例阀，仅允许若干离散的通断位置“开启”和“关闭”并由此允许反向脉冲的产生。

为了产生反向脉冲，本发明的装置最好包括如下设计的分析控制机构：其依据至少一个能直接探测的、与该过程参数相关的参数以脉冲形式控制第二阀，以便借助多个反向脉冲调整或使该过程参数的实际曲线的变化过程趋近于该过程参数的预定目标曲线的变化过程。

所述至少一个可直接探测的、与过程参数相关的参数此时可以选自如下参数：力、位移、压力、速度、转矩、时间、位置、转速、转数、转动角度、反向脉冲或其组合，因此可以实现实际曲线的快速调整，尤其避免控制出现不希望的滞后或超程。

利用这样的装置，甚至允许依照预定目标曲线在有限的容许误差范围内调节过程参数的实际曲线。

本发明的其它有利设计来自从属权利要求。

附图说明

以下将结合如图所示的实施例来详述本发明，其中：

图1示出用于执行本发明方法的结构(线路)示意图，以及

图2示出本发明方法的过程的力-时间曲线图。

具体实施方式

如图1所示的结构举例示出一种控制本发明方法的装置，用于控制尤其是热融自攻丝的机械接合过程或成形加工过程。

该装置为此具有气压缸1，其活塞3通过在其正面侧的端口5被施加压力(气体或空气)。

在缸1的或活塞3的相反侧存在另一个端口7，以在缸1的或活塞3的相反侧产生反向脉冲(压力)。

端口5以未详细示出的方式与压力源相连，在这里，该压力通过调节阀根据期望要求被调节。

端口7又以未详细示出的方式与(同一个或另一个)压力源相连，在这里，该压力通过具有“开启”和“关闭”状态的气压阀被控制以产生呈脉冲形式的反向力。

气压阀11能有利地设计成三通阀，从而对此不仅进行在缸1的或活塞3的相反侧的压力形成，也可以进行排气。

在缸1能以未示出的方式测量压力13，进而力15，所述力被施加给活塞3，进而被施加给附图未详示的构件，尤其是热融螺钉。

在缸1或活塞3或活塞杆17处，还可以利用本身已知的手段采取位移测量19，以附加监测和/或控制本发明的方法。

在气压阀11的右侧，例如示出用以控制阀11的各种脉冲序列，用于启闭该阀11。

所述脉冲序列表明用于开启的相同的脉冲长度(压力形成)和用于关闭或切换以便阀11排气的脉冲之间的相同间隔。

代替相同的脉冲和间隔，显然也可以想到根据需要改变脉冲的和间隔的长度。

以下结合热融自攻丝进入工件的过程来描述典型的方法过程。

图2所示的曲线图示出总持续时间例如为3000毫秒的热融自攻丝过程的理想目标曲线21。

还在图2中示出了“没有本发明的反向脉冲”的过程的典型变化过程23以及“具有本发明的反向脉冲”的过程的变化过程25。

在过程开始29(曲线21、23和25的初次垂直或近似垂直升高)时，螺钉以钉尖抵靠工件的或材料的表面，因此承受例如500牛顿(n)的(旋转)恒定力(在螺钉纵向上)。

阀9为此将被相应调节，以在缸1的正面侧产生造成该力的压力(例如1巴)。

如果螺钉尖进入该材料，则必须克服更大的摩擦力。阀9为此将被相应调节，直至达到例如1000牛顿(或甚至2000牛顿)的期望的力。

如果薄壁材料被螺钉穿透且因此形成该螺纹，则该力必然减小至例如500牛顿的期望程度(降沿33)，并且在达到预定的(可参数化的)转矩尤其是紧固力矩之前和/或在达到钉头抵靠之前都存在。伴随达到钉头抵靠和/或预定转矩，该过程结束31(曲线21、23和25的最后的垂直或近似垂直的降沿)。

如图2所示，无反向脉冲的变化过程23与曲线21的理想变化过程相差甚远。因此，在无反向脉冲的加工过程进程中必须在穿透33之前一段时间就已经中止压力形成，以允许从穿透33开始的螺纹形成，这是因为否则将从穿透33开始对热融螺钉施加过大的(进给)力。

而“具有本发明的反向脉冲”的实际过程的曲线23趋近于理想曲线21。

因此，代替在穿透33之前的例如100毫秒时间，阀9可以只在实际的穿透33之后才被调节，因为在缸1的相反侧或活塞3的相反侧通过持续时间例如为80毫秒的反向脉冲产生更显著的力降低。

该脉冲(竖线27)在达到用于螺纹成型的减小的预期力之前被结束，并且在几毫秒(ms)的短暂期间将缸相反侧排气，随后产生新的较短反向脉冲。

通过多个这种短的反向脉冲，可使实际曲线25尽量趋近于理想曲线，而在用于螺纹成型的该范围内没有低于例如500牛顿的所需最小力。

显然也可以想到，代替将阀11设计成三通阀地设置附加的排气阀，从而不仅能够在两个脉冲之间的间隔期中进行排气。

依据前述例子将清楚知道，脉冲状反向脉冲在气压系统中尽量阻止不希望的超程，从而允许明显更快速的控制，甚至非常接近理想目标曲线21或依据这种曲线来调节。

如从在先说明的例子中理解地，反向脉冲(即阀11的打开和压力形成以在缸1的相反侧产生反向力)可以在数量和长度方面与过程的其它物理参数(位移、速度、时间、位置、加速度、压力、力、转矩等)相关联，以便视乎要求而定地获得最佳结果。

同样，脉冲之间的间隔的长度可以个别匹配于多项要求，以便尤其允许在脉冲之间快速排气。

在采用附加的排气阀时，在脉冲结束前就已经能够开始排气，从而从可以说呈矩形的脉冲中出现锯齿状脉冲或甚至类似峰状的脉冲(短尖峰)。

反向脉冲的和间隔的长度和数量或许也可以被预测计算，例如通过将力降减幅度与在程序中被参数化的力差相结合(形成用于反向脉冲长度和/或数量以及间隔长度的特性曲线)。

附图标记列表

1气压缸

3活塞

5端口(正面侧)

7其它端口

9调节阀

11气压阀

13压力测量

15力测量

17活塞杆

19位移测量

21目标曲线

23无反向脉冲的过程

25有反向脉冲的过程

27竖线

29过程开始

31过程结束

33降沿(材料被穿透)