(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ツールと固定ツールとを部材を挟むように対向配置し、当該回転ツールを回転させて、前記部材を摩擦により撹拌させて加工する加工制御方法であって、
前記加工時における前記回転ツールにかかる負荷及び前記回転ツールと前記固定ツールのツール間距離を検出し、
前記検出された負荷及びツール間距離に基づいて、前記部材に対する前記回転ツールの目標回転数及び／又は目標加圧力を変更し、
変更された前記目標回転数及び／又は前記目標加圧力となるように、前記回転ツールを制御することを特徴とする摩擦撹拌を用いた加工制御方法。
【請求項２】
前記負荷は、前記回転ツールを回転駆動するためのモータのフィードバック電流に基づいて演算され、
前記ツール間距離は、前記回転ツールを前記部材に対して昇降させるためのモータのエンコーダ出力に基づいた押し込み量に基づいて演算されることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌を用いた加工制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の加工制御方法を実行するためにコンピュータを制御するコンピュータプログラム。
【請求項４】
請求項１に記載の加工制御方法を実行するためにコンピュータを制御するプログラムコードが格納されていることを特徴とする記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳物や板材等の金属部材を摩擦により溶融及び撹拌して接合する摩擦撹拌を用いた加工制御方法、並びに当該方法を実行するコンピュータプログラム並びに当該コンピュータプログラムを格納した記憶媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の接合技術は、板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部材を重ね合わせ、電気抵抗溶接やアーク溶接、接着剤、ボルト締結、リベット等によって接合している。
【０００３】
そして、金属部材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に対して局所的に接合できるスポット溶接が用いられる。
【０００４】
また、他の接合技術として、非溶融の状態で摩擦撹拌する接合方法が特許第２７１２８３８号公報に開示されている。この接合技術は、２つの部材を突き合わせた接合面にプローブと呼ばれる突出部を回転させながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦熱により可塑化させて結合するものである。
【０００５】
また、特開平１０−１８３３１６号公報及び特開２０００−１５４２６には、シリンダヘッドのシリンダブロックに対する合わせ面などの鋳物の表面処理において、先端のショルダ部に突出部を設けた回転ツールを回転させながら圧入して、熱により非溶融の状態で撹拌する表面処理方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記非溶融状態での摩擦撹拌接合では、ツール回転数やツール押し込み量、ツール進行速度などを必要以上に高め過ぎると、接合が不完全になったり、接合部分が溶融してしまう。このため、加工時間の短縮には限界があった。
【０００７】
また、上記従来の接合技術では、予め実験などを行うことによって、部材の厚みや材料に対して最適なツールの回転数やツールの押し込み量などの制御パラメータを求めておくので、設計変更などにより従来と異なる部材を接合するためには、再度実験などで最適な制御パラメータを求める必要がある。また、接合強度などの品質評価は、実際に接合されたサンプルを用いて引張試験などで実施されることになり、別途検査工程が必要となる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、部材の加工状態を制御でき、接合状態を安定化できる摩擦撹拌を用いた加工制御方法、並びに当該方法を実行するコンピュータプログラム並びに当該コンピュータプログラムを格納した記憶媒体を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の摩擦撹拌を用いた加工制御方法は、回転ツールと固定ツールとを部材を挟むように対向配置し、当該回転ツールを回転させて、前記部材を摩擦により撹拌させて加工する加工制御方法であって、前記加工時における前記回転ツールにかかる負荷及び前記回転ツールと前記固定ツールのツール間距離を検出し、前記検出された負荷及びツール間距離に基づいて、前記部材に対する前記回転ツールの目標回転数及び／又は目標加圧力を変更し、変更された前記目標回転数及び／又は前記目標加圧力となるように、前記回転ツールを制御する。
【００１０】
また、好ましくは、前記負荷は、前記回転ツールを回転駆動するためのモータのフィードバック電流に基づいて演算され、前記ツール間距離は、前記回転ツールを前記部材に対して昇降させるためのモータのエンコーダ出力に基づいた押し込み量に基づいて演算される。
【００１２】
尚、上記加工制御方法を実行するためのコンピュータプログラムや当該プログラムコードが格納された記憶媒体を、コンピュータに供給して、当該コンピュータが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して、上記加工制御処理を実行するようにしてもよい。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明のように、請求項１の発明によれば、回転ツールと固定ツールとを部材を挟むように対向配置し、回転ツールを回転させて、部材を摩擦により撹拌させて加工する際に、加工時における回転ツールにかかる負荷及び回転ツールと固定ツールのツール間距離を検出し、検出された負荷及びツール間距離に基づいて、部材に対する回転ツールの目標回転数及び／又は目標加圧力を変更し、変更された目標回転数及び／又は目標加圧力となるように、回転ツールを制御することにより、部材の加工状態を制御でき、接合状態を安定化できる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、負荷は、回転ツールを回転駆動するためのモータのフィードバック電流に基づいて演算され、ツール間距離は、回転ツールを部材に対して昇降させるためのモータのエンコーダ出力に基づいた押し込み量に基づいて演算される。
請求項３，４の発明によれば、回転ツールと固定ツールとを部材を挟むように対向配置し、回転ツールを回転させて、部材を摩擦により撹拌させて加工する際に、加工時における回転ツールにかかる負荷及び回転ツールと固定ツールのツール間距離を検出し、検出された負荷及びツール間距離に基づいて、部材に対する回転ツールの目標回転数及び／又は目標加圧力を変更し、変更された目標回転数及び／又は目標加圧力となるように、回転ツールを制御する加工制御方法を実行するためにコンピュータを制御するコンピュータプログラムや当該プログラムコードが格納された記憶媒体を、コンピュータに供給して、当該コンピュータが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して、上記加工制御方法を実行することで、当該方法と同様の効果を奏すると共に、当該方法を汎用的に用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
［摩擦撹拌による接合方法］
図１は、本発明に係る実施形態の摩擦撹拌による接合方法を説明する概念図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態で例示する接合方法は、例えば、アルミニウム合金などの板状の部材同士の接合に適用され、少なくとも２枚の部材を重ね合わせて、最外表面の第１部材Ｗ１に回転ツール１をその軸心まわりに回転（旋回）させながら加圧して圧入することにより、その重ね合わされた第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２間の部材組織を摩擦熱により溶融及び撹拌して接合するものである。
【００１８】
そして、第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２を回転ツール１とで挟むように、回転ツール１に対向して配置され、回転ツール１との離間距離が可変となるように固定ツール１０が設けられている。
【００１９】
回転ツール１は、部材よりも硬度の高い鋼材（超硬合金等）で形成された非摩耗型工具であるが、部材は回転ツール１より軟質の材質であれば、アルミニウム合金に限定されない。また、固定ツール１０は、例えば、鋼材や銅材などから形成される。
【００２０】
詳しくは、回転ツール１はその先端の第１ショルダ部２から突出する突出部３を備え、回転ツール１と固定ツール１０とで第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２を挟むように、設定された回転数で回転ツール１を回転させながら突出部３を所定の加圧力で第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２に圧入し、その周辺部の部材組織の塑性流動を促進させつつ、塑性流動容積を増加させ、回転ツール１を回転させたまま部材から抜くことで塑性流動していた部材組織が冷却されて接合される。
【００２１】
本実施形態の接合方法は、予め３次元形状にプレス成形された自動車鋼板などの重ね継ぎ手（例えば、後部ドアのアウタパネルとレインフォースメント）の局所的な接合に適している。即ち、プレス成形により部材が複雑な３次元形状を有し、回転ツール１を連続して移動できないような複数点在する接合部分に対して、本実施形態の接合方法を用いることにより局所的に接合でき、プレス成形後であっても接合可能となる。
【００２２】
この接合方法によれば、従来のスポット溶接に用いられていた溶接電流、冷却水、エアなどが一切不要になり、接合に要するエネルギ消費を大幅に低減することができる。また、上述のようなエネルギ源としての装置や設備が不要となるため、大幅な設備投資の低減を図ることができる。
【００２３】
また、従来のスポット溶接に用いる溶接ガンを流用でき、接合部材の制約、接合強度や生産効率のいずれについても従来と同等以上の能力を容易に達成することができる。
【００２４】
図２は、回転ツールを固定及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【００２５】
図２に示すように、多関節ロボット３０は、ベース３１に設けられた関節３２に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節３３でｚ軸中心に回転する第１アーム３４と、関節３５を介して第１アーム３４に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節３６でｘ軸中心に回転する第２アーム３７と、関節３８を介して第２アーム３７に連結されてｙ軸中心に揺動する第３アーム３９とを有する。
【００２６】
第３アーム３９の先端部には、接合ガン５０が取り付けられている。この接合ガン５０には、回転ツール１が回転可能に取り付けられると共に、回転ツール１を回転駆動するモータ５１と、回転ツール１に対向するように固定ツール１０が取り付けられる。回転ツール１と固定ツール１０の間隔はアクチュエータ５２により可変となっており、接合時の部材に対する加圧力やツール回転数を制御して３枚以上の重ね合わせ接合にも適用できるように構成されている。
【００２７】
多関節ロボット３０の各アーム、モータ、アクチュエータの動作は、予めティーチングされて動力／制御ケーブル６１を介してロボット制御部６０がコントロールする。
【００２８】
図３は、図２に示す接合ガンの詳細図である。
【００２９】
図３に示すように、接合ガン５０は、ガンアーム５５の下端部から横方向に延びる下端アーム５６に取り付けブラケット５７を介して固定ツール１０が取り付けられている。
【００３０】
また、ガンアーム５５の上端部には、回転ツール１を回転及び上下方向に駆動する駆動ユニット５８が取り付けられている。駆動ユニット５８は、上下駆動モータ５２を駆動源とするボールネジ機構５４により上下方向にガイドされるガイドテーブル５３を備え、ガイドテーブル５３には回転駆動モータ５１が固定されている。回転ツール１は、この回転駆動モータ５１の回転軸５１ａにホルダなどを介して取り付けられ、固定ツール１０と対向するように配置される。
【００３１】
そして、回転ツール１は、上下駆動モータ５２及びボールネジ機構５４によるガイドテーブル５３の移動により上下方向に可動し、回転駆動モータ５１により回転駆動される。
［接合制御］
次に、本実施形態の摩擦撹拌による接合制御方法について説明する。
【００３２】
図４は、本実施形態の摩擦撹拌による接合制御方法を説明するフローチャートである。
【００３３】
図４に示すように、ステップＳ１では、接合する素材の組み合わせや板厚に基づいて、回転ツールの回転数、加圧力、接合時間などの接合条件を予め実験などにより設定したデータベースから好適な接合条件を算出する。
【００３４】
ステップＳ３では、回転ツールを回転駆動を開始する。
【００３５】
ステップＳ５で回転ツールが設定された回転数に到達するのを待ち、到達したならば、ステップＳ７に進み、回転ツールを下降させて部材への加圧を開始する。ツール回転数は、回転駆動モータのエンコーダ値から算出される。また、加圧力は、上下駆動モータのフィードバック電流値から算出される。更に、予め実験などにより設定されたガンアームたわみ補正テーブルと上下駆動モータのエンコーダ値から回転ツールと固定ツールのツール間距離を算出する。
【００３６】
ステップＳ９で回転ツールが設定された加圧力に到達し、上記ツール間距離から回転ツールの突出部の部材への圧入完了を検出したならば、回転ツールのショルダ部が部材に接触した状態で回転して発熱する。
【００３７】
ステップＳ１１では、突出部３の部材に対するツール先端位置（押し込み量）を算出すると共に、ステップＳ１３で回転ツールに加わる負荷を算出する。
【００３８】
上記回転ツールのツール先端位置（押し込み量）は、上記ツール間距離から算出される。また、回転ツールに加わる負荷は、回転駆動モータのフィードバック電流値から算出される。
【００３９】
ステップＳ１５では、上記ツール間距離を監視しながら上部材の板厚減少量を算出し、所定の基準値を超えたときに接合条件（加圧力、回転数）を補正或いは変更することにより接合不具合（接合強度低下）を招くような板厚減少を低減する。また、ステップＳ１３で算出された回転ツールのツール先端位置に適するように接合条件（加圧力、回転数）を補正或いは変更する。
【００４０】
ステップＳ１７では、ステップＳ１５で補正（変更）された接合条件で、ステップＳ１で設定された接合時間に到達するまでステップＳ１３〜Ｓ１７までの接合処理を保持し、この接合時間経過後に接合を完了する。
【００４１】
上記加圧力は、ツール先端での加圧力とそのときに必要な上下駆動モータの電流値の関係を予めテーブルに設定しておき、このテーブルにより加圧力補正式を算出することにより制御されている。そして、加圧時の上下駆動モータのフィードバック電流を検出し、このフィードバック電流値と加圧力補正式から加圧力が算出できる。
【００４２】
上記回転ツールのツール先端位置（押し込み量）は、図５に示すように、上記欠損確認時の基準位置における上下駆動モータのエンコーダ値と、現在回転ツールがある位置での同モータのエンコーダ値とを比較して算出される。また、ツール間距離は、図５に示すように、予め加圧力とガンアームたわみ量の関係をテーブルに設定しておき、このテーブルからたわみ補正式を求め、接合時に発生する加圧力を上下駆動モータのフィードバック電流値とたわみ補正式により算出し、この加圧力により加圧したときのガンアームのたわみ量をたわみ補正式から算出する。そして、このガンアームたわみ量と上記回転ツールのツール先端位置の関係からツール間距離が算出される。
【００４３】
尚、上記制御において、接合時間は回転ツールに加わる負荷に応じて変更してもよい。
【００４４】
上記実施形態によれば、ツール先端位置と負荷から接合状態を検出し、この接合状態に適した接合条件（加圧力、回転数、接合時間）の制御を行うことで、接合する素材の組み合わせや板厚に適した塑性流動を発生させて接合不具合を低減し、安定した接合品質を確保できる。
【００４５】
また、回転ツールに加わる負荷は、無負荷状態での回転駆動モータのフィードバック電流値と、回転駆動モータのエンコーダで検出される回転数の関係から各回転数ごとの基準電流を予めテーブルに設定しておき、このテーブルから基準電流算出式を求め、この基準電流算出式から求めた基準電流と、接合時の回転駆動モータのフィードバック電流値の下記の関係式１から算出される。
（式１）
接合時の負荷＝接合時の回転駆動モータのフィードバック電流値−基準電流
［連続接合］
上記実施形態では、回転ツール１を接合部分に加圧して移動させない重ね合わせ接合の例を説明したが、２部材を突き合わせて回転ツール１をその突き合わせ面に沿って前進又は揺動させながら連続的に接合してもよい。
【００４６】
尚、図４に示すフローチャートに対応する接合制御方法を実行するためのコンピュータプログラムや当該プログラムコードが格納された記憶媒体を、コンピュータに供給して、当該コンピュータが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して、上記実施形態の処理を実行するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌による接合方法を説明する概念図である。
【図２】回転ツールを固定及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【図３】図２に示す接合ガンの詳細図である。
【図４】本実施形態の摩擦撹拌による接合制御方法を説明するフローチャートである。
【図５】ツール先端位置とツール間距離とガンアームたわみ量の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１  回転ツール
３  突出部
１０  固定ツール
３０  多関節ロボット
Ｗ１〜Ｗ３  部材
【図１】
0004050478.tif 000002
【図２】
0004050478.tif 000003
【図３】
0004050478.tif 000004
【図４】
0004050478.tif 000005
【図５】
0004050478.tif 000006