(57)【要約】【課題】摩擦撹拌接合継ぎ手における接合不良発生を可及的に回避することを目的とし、そのために、接合線の隙間の形状、接合線の隙間の幅の大小に拘らず、接合工具が接合線の隙間中心部を追跡するように、その倣い制御装置を工夫すること。【解決手段】接合工具のＸＹＺ方向位置をサーボモータによって制御しつつ、接合工具で接合線を追跡してアルミ板の接合を行う摩擦撹拌接合における倣い制御装置を前提として、摩擦撹拌接合装置の接合工具よりも進行方向前方にＣＣＤカメラを設け、当該ＣＣＤカメラで接合される接合線を撮影し、アルミ板の接合端縁上面に、接合端面と平行なマーキングを設けてあって、上記ＣＣＤカメラで撮影した映像を画像処理装置で画像処理し、画像中の上記マーキングの位置の画像上の基準線からのずれ量を演算手段で演算し、上記ずれ量をサーボアンプに伝送して、接合線の中心部を接合工具が追跡するように、サーボモータをフィードバック制御すること。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合工具のＸＹＺ方向位置をサーボモータによって制御しつつ、接合工具が接合線を追跡してアルミ板の接合を行う摩擦撹拌接合における倣い制御装置において、
摩擦撹拌接合装置の接合工具よりも進行方向前方にＣＣＤカメラを設け、当該ＣＣＤカメラで、アルミ板の接合端縁を撮影し、
アルミ板の接合端縁上面に、接合端面と平行なマーキングを設けてあって、上記ＣＣＤカメラで撮影した映像を画像処理装置で画像処理し、画像中の上記マーキングの位置の画像上の基準線からのずれ量を演算手段で演算し、
上記ずれ量に基づいて、サーボモータをフィードバック制御する、摩擦撹拌接合における倣い制御装置。
【請求項２】
アルミ板の成形時に接合端縁上面に接合端面と平行にリブを突設してあり、このリブが上記マーキングになっている請求項１の摩擦撹拌接合における倣い制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は摩擦撹拌接合における倣い制御装置に関するものであり、摩擦撹拌接合工具を接合部接合線の隙間中心を正確に追跡させ、接合工具の接合線隙間の中心からのずれることによる接合不良の発生を確実に防止することができるものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミ板の接合に摩擦撹拌接合が用いられているが、新幹線車両や在来線の特急車両の床板、側板などに使用されるアルミ型材等の接合継手の長さは極めて長い。
他方、板材Ｐの摩擦撹拌接合は、図１、図２に示すようにアルミ板Ｐを支持板４上で突き合わせた状態で行われて突き合せ面及び接合部の上面が工具Ｔのピン１及び工具本体２の肩部３との摩擦熱で加熱軟化され、突き合せ面が接合される。接合工具Ｔは硬質金属部材であり、その先端に突設された比較的細いピン１が前進方向の強い抵抗を受けながら高速で回転するものである。
ダブルスキン型材などのアルミ板は型成形されるために、長尺のものほどその直線性が低下し、これを突き合わせたとき接合線に隙間ができてしまう。このため、支持板４上で突き合わされた板Ｐ，Ｐを万力などで横方向に押し付けて接合線の隙間を可及的に小さくしておいて摩擦撹拌接合が行われる。
また、摩擦撹拌接合装置のヘッドＨはＸＹＺ座標軸の各軸方向にその位置を制御されるものであり、接合工具Ｔが接合線を追跡するように制御されるが、接合工具の接合線隙間の中心からのずれが実際には避けられず、このずれの大きさが接合不良を生じる大きな要因の一つになっている。
【０００３】
他方、摩擦撹拌接合による継ぎ手については、接合不良部があると、この部分がウイークポイントになり、ここから亀裂が入り、この亀裂が成長して継ぎ手破損に至る可能性がある。このため継ぎ手全長について超音波探傷、目視検査などの検査を行って接合不良部を特定してこれを補修する、補修作業が行われる。
摩擦撹拌接合による継ぎ手の接合不良が発生する要因は一つではないが、接合工具の接合線中心に対するずれの大きさがその要因の一つであることは間違いなく、接合線の隙間が大きいほど上記ずれの接合品質に与える影響が大きくなり、接合工具Ｔのピン１による撹拌作用で空気が巻き込まれるなどのために、内部欠陥による接合不良を生じることが少なくない。例えば、継ぎ手Ｊの内部に長手方向の微細な空洞（通常「トンネル」と称されるもの。図３参照）ができることが接合部欠陥の代表的なものである。
継ぎ手全長を検査して接合不良部を特定し、この接合不良部を補修するのであるが、その特定に手間がかかり、不良部特定のための検査結果の信頼度が必ずしも１００％ではない。
したがって、接合不良の発生を可及的に回避するために、接合線の隙間の形状、接合線の隙間の幅の大小に拘らず、接合工具が正確に接合線の隙間の中心を追跡できるようにすることが望ましい。
【特許文献１】特開２０００−１３５５７５号公報  特許第３２５８３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこでこの発明は、摩擦撹拌接合継ぎ手における接合不良発生を可及的に回避することを目的とし、そのために、接合線の隙間の形状、接合線の隙間の幅の大小に拘らず、接合工具が接合線の隙間中心部を追跡するように、その倣い制御装置を工夫することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために講じた手段は、接合工具のＸＹＺ方向位置をサーボモータによって制御しつつ、接合工具で接合線を追跡してアルミ板の接合を行う摩擦撹拌接合における倣い制御装置を前提として、次の（イ）（ロ）及び（ハ）によって構成されるものである。
（イ）摩擦撹拌接合装置の接合工具よりも進行方向前方にＣＣＤカメラを設け、当該ＣＣＤカメラで接合される接合線を撮影すること、
（ロ）アルミ板の接合端縁上面に、接合端面と平行なマーキングを設けてあって、上記ＣＣＤカメラで撮影した映像を画像処理装置で画像処理し、画像中の上記マーキングの位置の画像上の基準線からのずれ量を演算手段で演算すること、
（ハ）上記ずれ量をサーボアンプに伝送して、接合線の中心部を接合工具が追跡するように、サーボモータをフィードバック制御すること。
【０００６】
〔作用〕
ＣＣＤカメラで撮影された上記映像を画像処理ボード、画像処理センサ、ビデオキャプチャーボード及び画像処理プログラムなどの画像処理装置で画像処理すると、ワークがアルミ板であるにもかかわらず接合端面と平行な接合端縁上面のマーキングが画像中において鮮明である。この映像中のマーキングが画像上の基準線に一致させるように横方向位置制御を行うと、摩擦撹拌接合工具がマーキングに対して横方向に所定間隔ずれた所を正確に追跡する。そしてこの所定のずれ量をマーキングから接合線の中心までの間隔に調整することで、摩擦撹拌工具が接合線の中心部を追跡することになる。接合線の隙間は極めて微小である。そして、アルミ板の摩擦撹拌接合における接合線の隙間幅のばらつきも極めて微小であり（横方向から強力に押し付けられて微小隙間になるので、隙間幅のばらつきも小さい）、上記マーキングは隙間中心部とほぼ平行であるから、接合線が曲線であるか直線であるかに関わりなく、上記マーキングを追跡することで摩擦撹拌接合工具は接合線の隙間の中心部をほぼ正確に追跡することになる。
【０００７】
〔実施態様〕
上記マーキングはアルミ板の押し出し成形加工時に形成することが望ましいので、アルミ板の端縁上面に接合端面と平行なリブを突設して、これを上記マーキングとするのがよい。
【発明の効果】
【０００８】
以上述べたとおり、この発明は、接合される板の接合線に平行なマーキングをＣＣＤカメラで捕らえて、これを画像処理し、接合線と画像上の基準線との横方向ずれ量をコントローラ（ＣＰＵ）で演算して計測し、このずれ量に基づいてサーボモータをフィードバック制御することにより、接合線が直線的であるか否かにかかわらず、接合工具に接合線のほぼ中心部を追跡させることができ、接合工具の接合線隙間の中心部からの横方向ずれによる接合不良を可及的に低減することができる。
また、ＣＣＤカメラにより撮影した画像を画像処理してマーカーと画像上の基準線との間のずれ量を演算して計測するものであるから、簡便な演算処理によってズレ量を検出し、接合線の中心部を接合工具でほぼ正確に追跡させることができる。
それゆえ、接合線の曲りの有無、当該曲りの大きさの如何に関わらず、高い品質で摩擦撹拌接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次いで図４〜図７を参照して実施の形態を説明する。
この実施の形態は、厚さ４．５ｍｍ、長さ８ｍのアルミ板Ｐ，Ｐを接合するものであり、接合工具のピン１の直径５ｍｍ、回転速度１７５０ｒｐｍ、前進速度６００ｍｍ／分で接合するものである。このアルミ板Ｐ，Ｐの端縁から２０ｍｍ程度離れた位置の上面にマーキング用のリブ７１が設けられている（図７）。このマーキング用のリブ７１は断面形状が逆Ｖ形の筋状突起である。この筋状突起は追跡用マーキングであるから、鮮明な映像が写し出される限りにおいて、できるだけ低く、できるだけ狭い方が好ましく、底辺の幅２ｍｍ〜３ｍｍ、高さが２ｍｍ〜３ｍｍの範囲とした。また断面三角形の頂度の角度については３０度〜６０度の範囲が望ましい。しかし、上記底辺の幅、高さ、頂角の角度は、実施する上でのひとつのめやすであって、格別の技術的意義を有するものではない。
摩擦撹拌接合装置のヘッドＨの進行方向前方にＣＣＤカメラ４１を取り付けている。このＣＣＤカメラ４１と接合工具Ｔとの間の水平距離Ｄは２００ｍｍであるが、この距離は余り小さくしなくても接合工具Ｔと接合線位置との関係の測定精度には影響ない。
ヘッドＨは接合されるアルミ板Ｐ，Ｐを突き合わせた接合線４２に沿って移動し、ＣＣＤカメラ４１はマーキング用のリブ７１を追跡しながら撮影して映像を取り込む。このときに取り込まれた画像の範囲は図６（２値化画像）に示すとおりであり、進行方向に２０ｍｍ、横方向に４０ｍｍ程度の範囲（この２０ｍｍ、４０ｍｍに特別な技術的意味はないがめやすとなる適当な範囲）である。この画像においてマーキング用リブ７１の映像が鮮明な影７１ａ（図６）として現れる。
【００１０】
ＣＣＤカメラ４１で取り込まれた画像情報は画像処理装置５１に送られて、画像処理装置５１で画像処理（２値化）される。
接合線隙間４２ａの縁と平行なマーキング画像７１の映像が取り込まれる（図６）。このマーキング画像７１ａの縁の位置を検出し、このマーキング画像７１ａの縁と画像上の基準線Ｓ（メモリ５３から読み出される基準線情報によるもの）との距離ｃを計測し、この距離ｃに基づいてサーボアンプを制御して、上記距離ｃがゼロになるようにサーボモータをフィードバック制御する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】は摩擦撹拌接合装置の斜視図である。
【図２】は図１のＹ−Ｙ断面図である。
【図３】は摩擦撹拌接合における継ぎ手におけるトンネル発生による継ぎ手不良を模式的に示す斜視図である。
【図４】は実施の形態の斜視図である。
【図５】は実施の形態における継ぎ手不良検知システムのブロック図である。
【図６】はＣＣＤカメラによる接合線隙間、マーキングの映像を２値化画像である。
【図７】はマーキングの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００１２】
Ｈ：摩擦撹拌接合装置のヘッド
Ｍ：前進駆動モータ
Ｐ：アルミ板材
ａ：接合線画像の縁の基準線からのずれ量
ｂ：接合線隙間中心の基準線からのずれ量
ｃ：マーキング画像の基準線からのずれ量
Ｔ：摩擦撹拌接合工具
１：摩擦撹拌接合工具のピン
２：摩擦撹拌接合工具の本体
３：摩擦撹拌接合工具の肩部
４１：ＣＣＤカメラ
４２：接合線
４２ａ：接合線隙間
４３：画像処理面積
５１：画像処理装置
５２：コントローラ（ＣＰＵ）
５３：メモリ
７１：マーキング用のリブ
７１ａ：マーキング画像                                                
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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