(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転工具を回転させる回転駆動部と、
前記回転工具を接合部材の接合部に押し当てる加圧駆動部とをロボットアームの先端に配置した摩擦攪拌接合装置であって、
前記回転工具の位置と目標接合線の位置とのずれ量を、予め求めた前記回転工具の送り量とずれ量との関係に基づいて推定して前記接合部材の前記目標接合線に対する前記回転工具の位置を補正する補正手段をさらに備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットを使用した摩擦攪拌接合装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットを使用した摩擦攪拌接合装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この摩擦攪拌接合装置は、多関節のロボットアームの先端に回転工具を備えており、回転工具がロボットアームによって三次元的に移動可能になっている。そして、回転工具の先端部には、互いに接合しようとする部材（以下、「接合部材」という）同士の合わせ部に差し込まれるプローブが取り付けられている。この摩擦攪拌接合装置では、回転するプローブが接合部材の合わせ部に設定された目標接合線に沿って移動する際に、接合部材がプローブとの摩擦熱によって塑性流動化する。そして、塑性流動化した接合部材が冷却されて固化することで接合部材同士は接合されることとなる。
【特許文献１】特開２００２−１０３０６１号公報（段落００２７〜段落００３３、図２参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この摩擦攪拌接合装置では、回転工具のプローブを目標接合線に沿って移動させる際に、回転工具が接合部材から受ける反力をロボットアームが受け止めていたために、いわゆる門型の摩擦攪拌接合装置と異なって、プローブの回転にともなって生起した横力でプローブが目標接合線から大きくずれて移動するという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、接合部材の目標接合線から回転工具がずれることを防止することができる摩擦攪拌接合装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決する本発明は、回転工具を回転させる回転駆動部と、前記回転工具を接合部材の接合部に押し当てる加圧駆動部とをロボットアームの先端に配置した摩擦攪拌接合装置であって、前記回転工具の位置と目標接合線の位置とのずれ量を、予め求めた前記回転工具の送り量とずれ量との関係に基づいて推定して前記接合部材の前記目標接合線に対する前記回転工具の位置を補正する補正手段をさらに備えることを特徴とする。
一般に、接合部材同士を合わせ部で接合していく際に、回転工具の位置と目標接合線の位置との隔たり量（ズレ量）である回転工具の前記移動量は、回転工具（プローブ）の回転速度の関数として求められる。この摩擦攪拌接合装置では、補正手段が、この関数に基づいて回転工具の移動量を推定するとともに、回転工具の位置を補正することで接合部材の目標接合線に対する回転工具の位置を強制することとなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の摩擦攪拌接合装置およびその制御方法によれば、接合部材の目標接合線から回転工具がずれることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の斜視図、図２は、摩擦攪拌接合装置の加圧駆動部、回転駆動部、および制御部の構成説明図、図３は、回転工具の拡大斜視図である。
【００１２】
図１に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、ロボットアーム１０と、Ｃ字状治具７と、回転工具２と、カメラＣと、ワークテーブル８と、後記する制御部９（図２参照）とを備えている。なお、カメラＣは、特許請求の範囲にいう「撮影部」に相当し、制御部９は、「フィードバック制御部」に相当する。そして、カメラＣと制御部９とは、特許請求の範囲にいう「強制手段」を構成している。
【００１３】
ロボットアーム１０は、このロボットアーム１０の先端に取り付けられた回転工具２を三次元的に移動させるものであって、ターンテーブル１１と、主アーム１２とを備えている。
ターンテーブル１１は、主アーム１２を摩擦攪拌接合装置１の設置面に対して略垂直な軸周りに回転させるものである。
主アーム１２は、その一端をターンテーブル１１に枢支する軸部材１４を備えた関節１３ａを介して取り付けられており、この軸部材１４周りに回動可能になっている。この主アーム１２は、ターンテーブル１１側からその先端部に向かって相互に連結された、第１アーム１２ａ、第２アーム１２ｂ、および第３アーム１２ｃを備えている。そして、第１アーム１２ａと第２アーム１２ｂとは、関節１３ｂを介して連結され、第２アーム１２ｂと第３アーム１２ｃとは、関節１３ｃを介して連結されている。この摩擦攪拌接合装置１では、周知のロボットアームと同様に、油圧系統（図示せず）による関節１３ａ、関節１３ｂ、および関節１３ｃ、ならびにターンテーブル１１の駆動によって、ターンテーブル１１に対する第３アーム１２ｃの先端の位置が、三次元的に移動可能となっている。ちなみに、ターンテーブル１１は、モータによって駆動するものであってもよい。
【００１４】
Ｃ字状治具７は、第３アーム１２ｃの先端に取り付けられており、第３アーム１２ｃの先端側から略Ｃ字状に迂回するように延びている。このＣ字状治具７は、関節１３ｃの駆動によって第３アーム１２ｃの中心軸周りに回動可能になっている。
【００１５】
図２に示すように、Ｃ字状治具７が囲い込む内側には、第１サーボモータ３と、ボールねじ４と、直動ベアリング５と、第２サーボモータ６と、回転工具２と、カメラＣと、ローラＲとが配置されている。なお、第１サーボモータ３は、特許請求の範囲にいう「加圧駆動部」に相当し、第２サーボモータ６は、「回転駆動部」に相当する。
第１サーボモータ３、ボールねじ４、および直動ベアリング５は、Ｃ字状治具７の内側上方に図示せぬマウントブラケットを介して取り付けられており、第２サーボモータ６は、直動ベアリング５に取り付けられており、回転工具２およびカメラＣは、第２サーボモータ６に取り付けられている。そして、ローラＲは、Ｃ字状治具７の内側下方に取り付けられている。ちなみに、後記する接合部材２０が取り付けられたワークテーブル８は、回転工具２と、ローラＲとの間に配置されることとなる。
第１サーボモータ３は、ボールねじ４に回転力を、駆動ベルト３ａを介して伝達するようになっている。
ボールねじ４は、第１サーボモータ３から伝達された回転力を直動力に変換するとともに、この直動力を直動ベアリング５に伝達するようになっている。
直動ベアリング５は、ボールねじ４から伝達された直動力によって、第２サーボモータ６を接合部材２０側に向けて移動させ、または第１サーボモータ３が逆回転することで、第２サーボモータ６を接合部材２０から遠ざける方向に移動させるようになっている。
第２サーボモータ６は、ローラＲと対向する位置に取り付けられた回転工具２を回転させるものである。
【００１６】
回転工具２は、図３に示すように、シャンク２ｂと、プローブ２ａとを備えている。シャンク２ｂは、第２サーボモータ６によって回転するとともに、接合部材２０の表面を押圧するようになっている。プローブ２ａは、シャンク２ｂからローラＲ（図２参照）側に向かって突出した棒状部材であって、接合部材２０内に押し込まれる部分である。このような回転工具２は、Ｃ字状治具７（図１参照）を介してロボットアーム１０（図１参照）の先端に取り付けられていることから、その位置が三次元的に移動可能になっている。
【００１７】
カメラＣは、図３に示すように、回転工具２のプローブ２ａが接合部材２０内に押し込まれて、後記する目標接合線２１を追従するように移動する際に、この目標接合線２１を撮影することができるように第２サーボモータ６に取り付けられている。そして、カメラＣは、目標接合線２１を撮影することによって、後記する主制御部９ｃ（図２参照）が目標接合線２１の位置とプローブ２ａの位置との差（隔たり）を検出するための検出信号（撮像信号）を主制御部９ｃに出力するようになっている。このカメラＣとしては、後記する撮像信号送信することができる公知のものであれば特に制限はなく、例えば、赤外線カメラ等を使用することができる。
【００１８】
ワークテーブル８は、図１に示すように、接合するワークとしての板状の接合部材２０を支持するものであって、摩擦攪拌接合装置１の設置面に配置されるベース２２上に配置されている。このワークテーブル８は、ベース２２側に配置される平板状の支持台８ａと、この支持台８ａの上面に立設される複数の支持柱８ｂと、クランプ装置８ｃとで主に構成されている。支持台８ａは、ベース２２との間に距離をおいて配置されており、この距離は、ローラＲが取り付けられたＣ字状治具７の下側を受け入れることができる程度に設定されている。支持柱８ｂは、その頂部で接合部材２０の裏面を支えるようになっている。そして、接合部材２０の縁部を支える支持柱８ｂには、接合部材２０の縁部を支持柱８ｂの頂部との間で挟み込むクランプ装置８ｃが配設されている。
【００１９】
制御部９は、図２に示すように、回転工具制御部９ａと、加圧制御部９ｂと、主制御部９ｃとで主に構成されている。
【００２０】
回転工具制御部９ａは、主制御部９ｃからの指令によって、第２サーボモータ６における回転速度、回転トルク、回転方向等の所定の回転条件を設定するものである。つまり、プローブ２ａの送り速度や、接合部材２０の材質、厚み等に応じて回転条件が設定されることとなる。ちなみに、回転工具制御部９ａによる第２サーボモータ６の回転は、図示しないインバータ等を介して行われる。
【００２１】
加圧制御部９ｂは、主制御部９ｃからの指令によって、第１サーボモータ３における回転速度、回転トルク、回転方向等の所定の回転条件を設定するものである。つまり、接合部材２０内へのプローブ２ａの押し込み量、接合部材２０にプローブ２ａが接近または離反する際の接近離反速度等に応じて回転条件が設定されることとなる。ちなみに、加圧制御部９ｂによる第１サーボモータ３の回転は、図示しないインバータ等を介して行われる。
【００２２】
主制御部９ｃは、カメラＣから出力される前記した検出信号に基づいて、目標接合線２１（図３参照）の位置と、プローブ２ａの位置との差（隔たり）を検出する。そして、主制御部９ｃは、検出された差が解消されるように、つまり、プローブ２ａの位置を目標接合線２１の位置に一致させるようにフィードバック制御を行って、プローブ２ａを移動させる。ちなみに、本実施形態でのフィードバッグ制御では、図１に示す関節１３ａ、関節１３ｂ、および関節１３ｃ、ならびにターンテーブル１１を駆動する油圧系統（図示せず）の油圧に対する制御が行われてプローブ２ａが移動することとなる。
また、主制御部９ｃは、この摩擦攪拌接合装置１（図１参照）が起動した際に、予め設定されたタイミングで第１サーボモータ３および第２サーボモータ６が所定の回転条件で回転するように、加圧制御部９ｂおよび回転工具制御部９ａに指令信号を出力するように構成されている。また、主制御部９ｃは、接合部材２０の材質、厚み、接合部材２０内へのプローブ２ａの押し込み量、接合部材２０にプローブ２ａが接近または離反する際の接近離反速度等に応じて予め設定された回転条件に基づいて、第１サーボモータ３および第２サーボモータ６が所定の回転条件で回転するように、加圧制御部９ｂおよび回転工具制御部９ａに指令信号を出力するように構成されている。
【００２３】
次に、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１の動作について適宜図面を参照しながら説明しつつ、摩擦攪拌接合装置１の制御方法について説明する。
この摩擦攪拌接合装置１では、図１に示すワークテーブル８の支持柱８ｂ上に、接合部材２０が配置される。この際、接合部材２０の配置位置は、突き合わせ接合にあっては、接合部材２０同士の端縁同士が相互に突き合うような位置に設定され、重ね合わせ接合にあっては、接合部材２０同士の端縁が相互に重なり合うような位置に設定される。そして、接合部材２０は、クランプ装置８ｃによって支持柱８ｂの頂部で固定される。
【００２４】
次に、接合部材２０同士の合わせ部（突き合わせ部分、または重ね合わせ部分）には、図３に示すように、目標の接合線である目標接合線２１が設定される。この目標接合線２１は、カメラＣで撮影可能なマーカであればよく、例えば、突き合わせ部分や重ね合わせ部分に塗料で描かれた線画であってもよいし、重ね合わせ部分に刻まれたケガキ線であってもよい。また、カメラＣで撮影可能であるかぎり、目標接合線２１は突き合わせ部分自体であってもよい。
【００２５】
そして、この摩擦攪拌接合装置１では、カメラＣが目標接合線２１の始端を視野に入れることができる位置に第２サーボモータ６が位置決めされる。このとき、図２に示すように、ワークテーブル８の下側には、Ｃ字状治具７に取り付けられたローラＲが配置されるとともに、支持柱８ｂ上に固定された接合部材２０上には、Ｃ字状治具７に取り付けられた回転工具２が配置されることとなる。このような第２サーボモータ６の位置決めは、ワークテーブル８に固定された接合部材２０における目標接合線２１（図３参照）の始端の位置と、第２サーボモータ６の初期位置（摩擦攪拌接合装置１（図１参照）の起動時における、第２サーボモータ６の位置）との関係を主制御部９ｃに記憶させておくとともに、主制御部９ｃが、この記憶に基づいて図１に示す主アーム１２の関節１３ａ、関節１３ｂ、および関節１３ｃ、ならびにターンテーブル１１を駆動制御して行うことができる。
【００２６】
次に、図２に示す回転工具制御部９ａは、主制御部９ｃからの指令信号に基づいて第２サーボモータ６を回転させる。そして、回転工具２のプローブ２ａは、予め設定された回転条件で回転する。また、加圧制御部９ｂは、主制御部９ｃからの指令信号に基づいて、第１サーボモータ３を予め設定された回転条件で回転させる。その結果、ボールねじ４は、第１サーボモータ３の回転力が伝達されることによって、直動ベアリング５を介して第２サーボモータ６を接合部材２０側に移動させる。目標接合線２１の始端に到達したプローブ２ａは、回転しながら目標接合線２１の始端に押し込まれて接合部材２０の接合が開始する。この際、ワークテーブル８は、その下側に配置されたローラＲで支持されることとなる。ちなみに、この摩擦攪拌接合装置１では、接合部材２０の表面に対する回転工具２の負荷が増大したとしても、図２示すＣ字状治具７が外側に広げられる際の弾力で、回転工具２が接合部材２０から受ける反力は吸収されることとなる。
【００２７】
そして、図３に示すように、回転工具２のシャンク２ｂが、接合部材２０の表面を所定の押圧力で押圧しながら、プローブ２ａが接合部材２０に押し込まれて移動することで、接合部材２０は摩擦熱によって塑性流動化する。また、塑性流動化した接合部材２０が冷却されて固化することで接合部材２０同士は目標接合線２１で接合されることとなる。
【００２８】
その一方で、主制御部９ｃ（図２参照）は、プローブ２ａ（図３参照）が目標接合線２１（図３参照）に沿って移動していくように、図１に示す主アーム１２の関節１３ａ、関節１３ｂ、および関節１３ｃ、ならびにターンテーブル１１を駆動制御するが、プローブ２ａの回転にともなって生起した横力でプローブ２ａが目標接合線２１から大きくずれて移動しようとする。このとき、摩擦攪拌接合装置１は、次のように制御される。
【００２９】
以下に、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１の制御方法について、適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図４は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１の制御方法を説明するためのフローチャートである。
【００３０】
主制御部９ｃ（図２参照）は、図４に示すように、カメラＣ（図２参照）が目標接合線２１（図３参照）を撮影して出力した目標接合線２１（図３参照）の位置の検出信号を入力する（ステップＳ１）。そして、主制御部９ｃ（図２参照）は、この検出信号に基づいて、目標接合線２１（図３参照）の位置とプローブ２ａ（図３参照）の位置との差ΔＸ（隔たり）を検出する（ステップＳ２）。ちなみに、差ΔＸは、目標接合線２１（図３参照）の位置とプローブ２ａ（図３参照）の位置との最短距離で表わされる。
次に、主制御部９ｃ（図２参照）は、図４に示すように、前記した差ΔＸが解消されるように、プローブ２ａ（図３参照）を移動させる（ステップＳ３）。そして、ステップＳ１からステップＳ３が繰り返される。
【００３１】
このような制御方法によれば、カメラＣ（図２参照）からの検出信号を入力した主制御部９ｃ（図２参照）が、プローブ２ａ（図３参照）を目標接合線２１（図３参照）に沿って移動させるように強制する。その結果、図３に示すように、摩擦攪拌接合装置１では、回転するプローブ２ａが目標接合線２１に追従して移動することとなる。
【００３２】
以上のような、摩擦攪拌接合装置１およびその制御方法によれば、プローブ２ａが接合部材２０の目標接合線２１からずれることを防止するので、接合部材２０同士を当初のねらい目通りに正確に目標接合線２１で接合することができる。
【００３３】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、強制手段がカメラＣと主制御部９ｃとで構成されているが、本発明の摩擦攪拌接合装置は、強制手段が、目標接合線２１に沿って設けられたガイド部材であってもよい。図５（ａ）は、本発明の摩擦攪拌接合装置を部分的に示す図であり、クランプ装置にガイド部材が取り付けられたワークテーブルの様子を示す斜視図、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＡ方向から回転工具の様子を見た図、図６は、ワークテーブル（支持台）の裏面にガイド部材が取り付けられた様子を示す概念図である。なお、図５（ａ）、図５（ｂ）、および図６において、前記実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、この摩擦攪拌接合装置１では、ワークテーブル８にガイド部材２５が取り付けられている。このガイド部材２５は、目標接合線２１に沿って配置された長尺部材である。このガイド部材２５は、図５（ｂ）に示すように、クランプ装置８ｃから上方に延びる支持部材２５ａに接続されている。そして、ガイド部材２５は、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、第２サーボモータ６がガイド部材２５に当接した際に、回転工具２のプローブ２ａが目標接合線２１（図５（ａ）参照）を追従するように案内できる位置に配置されている。
この摩擦攪拌接合装置１では、ガイド部材２５が回転工具２を案内することで、目標接合線２１に対する回転工具２の位置を強制することとなる。その結果、この摩擦攪拌接合装置１では、プローブ２ａは、摩擦攪拌接合装置１の制御の変更を行うことなくプローブ２ａを目標接合線２１に追従するように移動させることができる。
【００３５】
また、ガイド部材２５は、図６に示すように、支持台８ａの裏面で目標接合線２１（図５（ａ）参照）に沿うように配置されていてもよい。このガイド部材２５は、ローラＲがガイド部材２５に当接した際に、回転工具２のプローブ２ａが目標接合線２１（図５（ａ）参照）を追従するように案内できる位置に配置されている。
【００３６】
また、本発明の摩擦攪拌接合装置は、強制手段が、回転工具の移動量を推定して目標接合線に対する回転工具の位置を補正するように構成された補正手段であってもよい。
一般に、接合部材同士を合わせ部（突き合わせ部分、または重ね合わせ部分）で接合していく際に、回転工具の位置と目標接合線の位置との隔たり量（ズレ量）である回転工具の移動量は、回転工具の回転速度の関数として求められる。
ここで参照する図７は、回転するプローブが接合部材を接合していく際に、目標接合線からプローブがずれていく様子を示す模式図である。
図７に示すように、回転速度Ｎ（ｒｐｍ）で回転するプローブ２ａは、接合部材（図示せず）内に押し入れられて、目標接合線２１に沿って接合部材を接合しようとする際に、プローブ２ａの位置は、目標接合線２１からずれていく。そして、目標接合線２１の単位長さ当たりのプローブ２ａのズレ量ΔＸは、回転するプローブ２ａ周りに発生する力（Ｗ）、およびプローブ２ａが移動する際の抵抗（ρ）等によって決定される。
【００３７】
ここでの摩擦攪拌接合装置１においては、予め実験でズレ量ΔＸ（図７参照）のデータを求めておき、このズレ量ΔＸのデータに基づいてプローブ２ａ（図３参照）の位置を補正するように主制御部９ｃ（図２参照）が構成されている。具体的には、プローブ２ａ（図３参照）の送り量とズレ量ΔＸ（図７参照）との関係を表わすマップを作成しておき、主制御部９ｃ（図２参照）がこのマップを参照して、実際のプローブ２ａの送り量に応じてズレ量ΔＸの補正量を設定するように構成することができる。つまり、主制御部９ｃは、このズレ量ΔＸを補正するように、図１に示す主アーム１２の関節１３ａ、関節１３ｂ、および関節１３ｃ、ならびにターンテーブル１１を駆動制御するように構成されることとなる。なお、ここでの主制御部９ｃ（図２参照）は、特許請求の範囲にいう「補正手段」に相当する。この摩擦攪拌接合装置１によれば、制御のみでプローブ２ａの位置を強制することができるので、摩擦攪拌接合装置１の大型化を防止することができる。また、この制御方法は、フィードバック制御とともに行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の斜視図である。
【図２】摩擦攪拌接合装置の加圧駆動部、回転駆動部、および制御部の構成説明図である。
【図３】回転工具の拡大斜視図である。
【図４】実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５（ａ）は、本発明の摩擦攪拌接合装置を部分的に示す図であり、クランプ装置にガイド部材が取り付けられたワークテーブルの様子を示す斜視図、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＡ方向から回転工具の様子を見た図である。
【図６】ワークテーブル（支持台）の裏面にガイド部材が取り付けられた様子を示す概念図である。
【図７】回転するプローブが接合部材を接合していく際に、目標接合線からプローブがずれていく様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１      摩擦攪拌接合装置
２      回転工具
２ａ    プローブ
２ｂ    シャンク
３      第１サーボモータ（加圧駆動部）
６      第２サーボモータ（回転駆動部）
９      制御部（フィードバック制御部：強制手段）
１０    ロボットアーム
２０    接合部材
２１    目標接合線
２５    ガイド部材
Ｃ      カメラ（撮影部：強制手段）
【図１】
0004630172.tif 000002
【図２】
0004630172.tif 000003
【図３】
0004630172.tif 000004
【図４】
0004630172.tif 000005
【図５】
0004630172.tif 000006
【図６】
0004630172.tif 000007
【図７】
0004630172.tif 000008