(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ツールと、該回転ツールを伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、該回転ツール駆動手段から前記回転ツール先端までの経路で前記回転ツールの回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と、該回転軸屈曲部材を前記伝達部材の回転軸と同じ軸回りに独立に回転可能に旋回させる旋回部材と、該旋回部材を回転駆動する旋回駆動手段と、前記回転ツールを前記回転軸屈曲部材を介して前記旋回方向に対して直交する方向に屈曲させる屈曲駆動手段とを備え、
前記回転軸屈曲部材は前記回転ツールに前記回転ツール駆動手段からの回転を伝える前記回転ツール側の前記伝達部材先端に設けられた第１傘歯車と、該第１傘歯車からの回転を伝える前記屈曲駆動手段側に設けられた第２傘歯車と、該第２傘歯車からの駆動力を前記回転ツールに伝える第３傘歯車とを有し、
前記屈曲駆動手段及び旋回駆動手段の回転によって前記回転ツールの被接合部材に対する挿入角度が変えられることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
回転ツールと、該回転ツールを伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、該回転ツール駆動手段から前記回転ツール先端までの経路で前記回転ツールの回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と、前記伝達部材を前記回転可能に保持すると共に前記回転軸屈曲部材を保持し支点を中心に旋回させる旋回部材と、前記回転ツールを前記回転軸屈曲部材を介して前記旋回方向に対して直交する方向に屈曲させる屈曲駆動手段と、前記旋回部材を前記支点で保持する第１のアームと、該第１のアームに設けられ前記旋回部材を前記旋回させる旋回駆動手段と、前記第１のアームを駆動させる駆動手段と、前記第１のアームを支持する第２のアームと、該第２のアームを駆動させる駆動手段と、前記第２のアームを固定する支持台と、該支持台を装置架台上で旋回可能に支持された旋回テーブルとを備え、
前記回転軸屈曲部材は前記回転ツールに前記回転ツール駆動手段からの回転を伝える前記回転ツール側の前記伝達部材先端に設けられた第１傘歯車と、該第１傘歯車からの回転を伝える前記屈曲駆動手段側に設けられた第２傘歯車と、該第２傘歯車からの駆動力を前記回転ツールに伝える第３傘歯車とを有し、
前記屈曲駆動手段及び旋回駆動手段の回転によって前記回転ツールの被接合部材に対する挿入角度が変えられることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
回転ツールと、該回転ツールを伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、該回転ツール駆動手段から前記回転ツール先端までの経路で前記回転ツールの回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と、該回転軸屈曲部材を前記伝達部材の回転軸と同じ軸回りに独立に回転可能に旋回させる旋回部材と、該旋回部材を回転駆動する旋回駆動手段と、前記回転ツールを前記回転軸屈曲部材を介して前記旋回方向に対して直交する方向に屈曲させる屈曲駆動手段と、前記旋回部材を保持する第１の保持手段と、該第１の保持手段を上下に移動可能に保持する第２の保持手段と、該第２の保持手段を保持するコラムと、該コラムを水平に移動可能に保持する装置架台と、該架台に設置され前記コラムの移動方向に対して９０度異なった方向に水平に移動可能な被接合材設置台とを備え、
前記回転軸屈曲部材は前記回転ツールに前記回転ツール駆動手段からの回転を伝える前記回転ツール側の前記伝達部材先端に設けられた第１傘歯車と、該第１傘歯車からの回転を伝える前記屈曲駆動手段側に設けられた第２傘歯車と、該第２傘歯車からの駆動力を前記回転ツールに伝える第３傘歯車とを有し、
前記屈曲駆動手段及び旋回駆動手段の回転によって前記回転ツールの被接合部材に対する挿入角度が変えられることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
請求項２において、前記旋回部材と前記第１のアームとの接続、前記第１のアームと前記第２のアームとの接続及び前記第２のアームと前記支持台との接続を行う平行リンク手段と、前記旋回部材、前記第１のアーム及び前記第２のアームをいずれもボールネジを介して駆動するサーボモータを備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、被接合材と前記回転ツールとの間の距離を測定するセンサーを備え、その測定範囲が接合部幅の全体を検出できる構造を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記回転ツールの移動距離を算出する演算装置と、前記回転ツールの移動距離を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な摩擦攪拌接合装置、特に複数の素材の接合として複雑な３次元形状を有する場合の接合を好適に行う摩擦攪拌接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
実質的に被接合材の材質よりも実質的に硬い材質の金属棒（以下、回転ツールと呼ぶ）を被接合材の接合部に挿入し、この回転ツールを回転させながら移動することによって、上記回転ツールと上記被接合材との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法が、特許２７１２８３８号公報（ＷＯ９３／１０９３５）に記載されている。この摩擦攪拌接合方法は、回転ツールと被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化させ、回転ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、被接合材を溶かして溶接する方法（例えば、アーク溶接など）とは異なる原理に基づいている。
【０００３】
この摩擦攪拌接合方法を実施する装置として、例えば、特開平１０−２４９５５２号公報、特開平１０−１８０４６７号公報等が公知である。特開平１０−２４９５５２号公報には図３及び図４に示すような平板状部材の接合を対象としたもの、更に、特開平１０−１８０４６７号公報の図５に示す円筒状部材の接合を対象としたものである。
【０００４】
上記従来技術は、被接合材が図３、図４の平板状であるか、図５の曲率を持った円筒状であるかの違いはあるが、接合中の被接合材と回転ツールが一定の幾何学的関係を維持した状態で回転ツールと被接合材が相対移動する点で一致している。従って、回転ツールと被接合材の幾何学的関係は予めセットすれば、接合中に特別な対処を施す必要がない。
【０００５】
一方、回転ツールと被接合材の相対移動に伴い、接合中に両者の幾何学的関係が変化する場合がある。図６はその一例で、接合線が直線と円弧の組み合わせにより形成される概長方形の場合である。この場合、回転ツールと被接合材の幾何学的関係を維持するための対策が必要となる。
【０００６】
これに対し、回転ツールを傾斜状態で取り付けた回転ツール支持部材を被接合材表面に垂直な軸心回りに回転可能とした構造が、特開２０００−１３５５７５号公報に示されている。この構造によると、図６で代表されるような形態の接合に対しては、回転ツールと被接合材の幾何学的関係を維持することは可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合方法では接合部の健全性を確保する上で、回転ツールと被接合材の幾何学的関係が重要である。すなわち、図７に示すように、被接合材表面に対し回転ツール下端が接合方向に先行するように角度θ傾ける（以下、向え角と呼ぶ）ことにより、接合部の健全性をより確保しやすくなる。
【０００８】
特開２０００−１３５５７５号公報に記載の問題は、被接合材が平板状、すなわち接合面が平面である場合に限り接合可能であり、三次元形状をした任意曲面を接合できない点にある。
【０００９】
図８は特開２０００−１３５５７５号公報に提案されている技術の概念図を示した図である。回転ツール１１は回転ツール支持部材２２を介してモーター２１により回転する。回転ツール支持部材２２は回転筒体２３により支持されている。
【００１０】
図９は図８の構成の装置を使用した場合の接合時の動作を三角法により示した図である。長方形をした接合線をＡ部からＢ部の方向に反時計回りに接合していく例である。Ａ部からＢ部へ接合が進行していくと、接合の進行方向は９０度変化する。
【００１１】
この際、回転ツールの回転軸が固定された状態で接合方向のみを変化させると、被接合材と回転ツール向え角θの関係は変化し、適正な位置関係でなくなる。ここで、回転筒体２３を９０度旋回させると回転ツール支持部材２２の回転軸が被接合材に垂直な軸回りに９０度旋回する。回転ツール支持部材２２の回転軸と回転筒体２３の回転軸は回転ツール向え角θ分の角度を有しているため、被接合材と回転ツール向え角θの関係は維持されることになる。
【００１２】
このように、上記の装置構成は被接合材に垂直な軸に対し一定の角度で傾いた回転ツール回転軸を被接合材に垂直な軸回りに旋回することで、接合方向の変化に伴う、被接合材と回転ツール向え角θの関係を維持可能にしたものである。
【００１３】
ここで、重要なことは被接合材に垂直な軸の角度が常に一定であり、かつ、回転筒体２３の回転軸が被接合材に垂直な軸と一致していることである。すなわち、上記の装置構成では回転筒体２３の回転軸の傾きは変更することができないため、被接合材に垂直な軸の角度は常に一定である必要がある。被接合材に垂直な軸とは、接合面に対する法線であり、この法線が一定であるのは接合面が平面である場合に限られる。接合面が三次元形状をした任意曲面である場合、法線の方向は一定にならない。このため、上記従来技術の構造では三次元形状をした任意曲面を接合するのは不可能となる。
【００１４】
本発明の目的は、三次元形状を有する任意曲面に対して、回転ツールと被加工物との幾何学的関係を維持可能な摩擦攪拌接合装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転ツールを回転させながら被接合材に押し込み、接合線に沿って移動させて接合する摩擦撹拌接合において、前記回転ツールと同一の回転軸を有し、かつ、前記回転ツールの回転と独立して回転可能な旋回部材と、前記回転ツールの回転軸に交わる又は直交する軸周りに前記回転ツールの回転軸を偏向可能な回転軸屈曲部材とにより、被接合材に押し込む回転ツールの姿勢を設定しながら接合するものである。
【００１６】
本発明は、具体的には、回転ツールを回転させながら被接合材に押し込み、接合線に沿って移動させて接合する摩擦攪拌接合において、前記回転ツールの回転に対して独立に、前記回転ツールと同じ回転軸を有し、その回転方向及びその逆方向に回転可能な回転軸と、該回転軸に対して交わる方向又は直交する方向に回転可能な回転軸との２つの回転軸を有し、前記回転ツールに対しこれらの２つの回転軸の回転角度を設定しながら接合すること、又、前記被接合材の接合面に対する法線方向と接合線の接線方向を検出し、該検出された前記法線方向と接線方向に基づいて、前記回転ツールをその先端の前記法線方向に対する角度又は前記被接合材へ押し込む角度と前記接線方向に対する移動方向とを設定しながら３次元方向に移動させて前記接合するものである。
【００１７】
そして、本発明は、上述のように回転ツールの先端を三次元のあらゆる角度と位置に設定出来ることにより、被接合材の形状から接合部の法線方向と接合線の接線方向を算出し、算出された法線方向と接線方向から回転ツール先端の回転軸の法線方向と接合方向とを正しく設定することが出来るものである。
【００１８】
前述したように、摩擦攪拌接合では接合部の健全性を確保する上で、回転ツールと被接合材の幾何学的関係が重要である。被接合材が平面で接合線が直線の場合のように単純な接合形態では、被接合材表面に対し回転ツール下端が接合方向に先行するように角度θ（図６参照）傾けることで接合部の健全性を容易に確保できる。ここで、角度θは被接合材に垂直な方向を基準としている。その角度は１０度以内が好ましい。
【００１９】
しかし、三次元形状をした任意曲面の場合、接合面に垂直な方向（以下、法線方向）および接合方向は場所によって異なる。本発明者らが任意曲面に対し、適確に適正な幾何学的関係を得るための手法を検討した結果、法線方向と接合線の接線方向（以下、接線方向）を基に決定することが最も有効であるとの結論に至った。
【００２０】
ここで、法線方向と接線方向の両方を基準にすることが重要である。法線方向に対して一定の角度を持つ方向は法線の周りに無数に存在し、従って、接合線の接線方向が不明だと特定の方位を決定することはできない。向え角０度という特殊な場合は、回転ツール回転軸を法線に一致させれば良いが、この場合には接合部の健全性が低下する恐れがある。
【００２１】
また、本発明は、被接合材の形状から接合線の座標値を予め決定し、該予め決定した接合線座標に基づいて接合するとともに、接合中の接合線の位置変動を逐次計測して、この計測値に基づいて回転ツールと被接合材の位置関係を逐次修正することにある。
【００２２】
センサーにより接合線を検出しながら接合することも原理的には可能である。しかし、センサーからの信号を基に接合面に対する法線方向と接合線に対する接線方向を逐次演算して接合する方法では、演算の負荷が大きくなる。また、回転ツールの押し付けにより、被接合材が変形するため、被接合材の初期形状とは異なる輪郭を検出する可能性がある。このため、基準とすべき座標が曖昧になり、過度に回転ツールを押し込んだり、逆に回転ツールの押し込みが過小になったりする危険性がある。
【００２３】
本発明者らの検討によると、接合中の被接合材の初期形状からの変位は小さく、接合中に逐次修正することで十分対応可能であることを確認している。
【００２４】
以上のような理由により、接合の方法として、予め接合線の座標値（初期値）を決定し、この初期値に対し修正を加えることが最も簡便で有効であることを見出した。
【００２５】
更に、本発明は、回転ツールの進行方向に先行する位置で前記接合中の接合線の位置変動を計測することにより解決される。接合線の位置変動の検出は回転ツール近傍であれば、回転ツール通過直後、すなわち、回転ツール進行方向の回転ツール後方でも原理的には可能である。しかし、回転ツール後方の場合、接合部の表面粗度が大きくなっているため、特に、光学式のセンサーを使用した場合などには、センサーの検出値が不安定になる場合がある。従って、回転ツールの進行方向に先行する位置で接合線の位置変動を計測することが有効である。
【００２６】
本発明は、被接合材の開先部または被接合材端部の角部をセンサー出力から判定し、開先部または角部を基準に接合線幅方向の回転ツール位置の修正量を決定することにより解決される。
【００２７】
接合中の被接合材の変形は回転ツールの押込みに依るものが支配的であり、従って、回転ツール位置の修正も押込み方向が主体となる。しかし、接合される素材の寸法精度に起因して、接合線の位置は接合線の幅方向にも材料毎に変化する。幅方向に対する接合線と回転ツール軸芯のずれが大きくなると、接合部の健全性が低下する原因となる。これは、突き合わせ接合の場合で開先部のギャップが大きい場合には顕著となる。従って、接合線と回転ツール軸芯を幅方向に可能な限り近づけることが、接合部の健全性を確保する上で重要となる。
【００２８】
接合素材は通常角部が面取り等が施されているため、材料同士を隙間なく突き合わせた場合でも、突き合わせ部に小さな溝が存在する。レーザー変位計のような、微小領域を測定可能なセンサーを使用した場合、上述したような小さな溝でも識別が可能となり、幅方向の芯ずれの判定基準ができることになる。
【００２９】
一方、重ね合わせ接合（図３）の場合には、接合面は平坦であるため、接合線を直接識別することは困難となる。しかし、接合線から離れたところに被接合材端部の角部が存在するため、これを基準にすることで接合線の位置を特定することができる。
【００３０】
本発明は、回転ツールと、該回転ツールを伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、前記回転ツールを前記伝達部材の回転軸の角度を変えずに回転軸屈曲部材を介して屈曲させる屈曲駆動手段とを備えたこと、又、更に、前記回転軸屈曲部材を前記回転ツールの回転とは独立して回転可能な旋回部材を介して旋回させる旋回駆動手段とを備えたことを特徴とする。
具体的には、回転ツールと、該回転ツールを伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、該回転ツール駆動手段から前記回転ツール先端までの経路で前記回転ツールの回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と、前記回転軸屈曲部材を前記伝達部材の回転軸と同じ軸回りに独立に回転可能に旋回させる旋回部材と、該旋回部材を回転駆動する旋回駆動手段と、前記回転ツールを前記回転軸屈曲部材を介して前記旋回方向に対して直交する方向に屈曲させる屈曲駆動手段とを備え、
前記回転軸屈曲部材は前記回転ツールに前記回転ツール駆動手段からの回転を伝える前記回転ツール側の前記伝達部材先端に設けられた第１傘歯車と、該第１傘歯車からの回転を伝える前記屈曲駆動手段側に設けられた第２傘歯車と、該第２傘歯車からの駆動力を前記回転ツールに伝える第３傘歯車とを有し、
前記屈曲駆動手段及び旋回駆動手段の回転によって前記回転ツールの被接合部材に対する挿入角度が変えられることを特徴とする。
【００３１】
即ち、本発明は、回転する回転ツールを被接合材に回転させつつ押し込み、回転ツールを回転しつつ接合線に沿って移動させることにより、被接合材を接合する装置において、回転ツールを回転させる駆動体から回転ツール先端までの回転部の経路で回転軸のその先端部を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と、回転ツールを回転させる駆動体から屈曲部材までの屈曲させていない領域の回転軸回りに回転可能で任意回転角に静止可能な旋回部材とを備えることにより解決される。
【００３２】
上記構成において、回転軸屈曲部材は接合面に対する法線または法線に向え角を付けた方向に回転ツール回転軸を傾ける役割を果たす。旋回部材は接合方向に対する接線方向への方向転換をする役割を果たす。この２つの部材の作用により、任意曲面に対して回転ツール回転軸方向と被接合材が常に適正な状態に維持できる。
【００３３】
本発明は、回転軸屈曲部材に対し屈曲量を変化させる屈曲駆動手段と旋回部材に対し旋回量を変化させる旋回駆動手段とを備えることにより解決される。上記回転や旋回は手動でも可能であるが、手動の場合、安定性が悪い上、安全性にも問題がある。従って、駆動部材を備えることが実用的である。駆動部材は電子制御との組み合わせで自動化できるので、接合部の品質確保や省人化に有効となる。
【００３４】
駆動手段としては、回転力を発生させるものであれば何でも良いが、モータを使用するのが最も妥当である。モータの種類としては、高精度に回転量を制御できるサーボモータが好適である。また、屈曲や旋回時の回転速度は１秒当たり数回転程度で十分であるので、減速比の大きな減速機と組み合わせることにより、小型のモータを使用することもできる。
【００３５】
本発明は、回転ツールと、該回転ツールを伝達部材を介して駆動する回転ツール駆動手段と、該回転ツール駆動手段から前記回転ツール先端までの経路で前記回転ツールの回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と、前記伝達部材を前記回転可能に保持すると共に前記回転軸屈曲部材を保持し支点を中心に旋回させる旋回部材と、前記回転ツールを前記回転軸屈曲部材を介して前記旋回方向に対して直交する方向に屈曲させる屈曲駆動手段と、前記旋回部材を前記支点で保持する第１のアームと、該第１のアームに設けられ前記旋回部材を前記旋回させる旋回駆動手段と、前記第１のアームの他端を回転可能に一端で支持する第２のアームと、該第２のアームの他端を回転可能に支持する支持台と、該支持台を装置架台上で旋回可能に支持された旋回テーブルとを備え、前記旋回部材と第１のアームとの接続、前記第１のアームと第２のアームとの接続および第２のアームと支持台との接続がいずれも平行リンク手段によって結合され、前記旋回部材の回転、前記第１のアームの回転及び前記第２のアームの回転はいずれもボールネジを介してサーボモータの駆動によって行われ、
前記回転軸屈曲部材は前記回転ツールに前記回転ツール駆動手段からの回転を伝える前記回転ツール側の前記伝達部材先端に設けられた第１傘歯車と、該第１傘歯車からの回転を伝える前記屈曲駆動手段側に設けられた第２傘歯車と、該第２傘歯車からの駆動力を前記回転ツールに伝える第３傘歯車とを有し、前記屈曲駆動手段及び旋回駆動手段の回転によって前記回転ツールの被接合部材に対する挿入角度が変えられることを特徴とする。
【００３６】
即ち、本発明は、該回転ツールの位置を変更する手段が平行リンク構造からなるアーム状部材であって、該アーム状部材の動作がサーボモータにより回転駆動されるボールネジにより実行されることで解決される。
【００３７】
摩擦攪拌接合では、数１００〜数１０００ｋｇの力で回転ツールを被接合材に押込むと同時に、１／１０ｍｍのオーダーで押込み量を制御する必要がある（高荷重、高精度動作）。
現在普及している溶接ロボット等はアーム先端での可搬荷重が１００ｋｇ以下のものが一般的であり、摩擦攪拌接合へは流用できない。溶接ロボット等はアームのリンクピンに駆動モータを直接取り付けて、モータ自身のトルクでアームを動作せる構造が一般的である。この構造によると、アームの可搬荷重を大きくするには大型のモータを使用する必要があり、設備が大型化する。
【００３８】
一方、大きな可搬荷重を実現する構造として、建設機械等に使用されている平行リンク構造がある。建設機械ではアームを油圧シリンダのより動作させているが、油圧シリンダーの場合には動作の精度が不充分となる。
【００３９】
本発明によれば、平行リンク構造とすることで高荷重を実現し、ボールネジをサーボモータにより回転させることで高精度の動作が可能となるので、高荷重、高精度動作を同時に満足することができる。
【００４０】
本発明は、前述のように、前記回転ツールを前記伝達部材の回転軸の角度を変えずに回転軸屈曲部材を介して屈曲させる屈曲駆動手段と、前記回転ツールの回転軸と同じ回転軸を有し、前記回転軸屈曲部材及び屈曲駆動手段を前記回転ツールの回転とは独立して回転可能な旋回部材を介して旋回させる旋回駆動手段と、前記旋回部材を前記支点で保持する第１のアームと、該第１のアームの前記支点側を上下に駆動させる駆動手段と、前記第１のアームを支持する第２のアームと、該第２のアームの前記第１のアーム側を上下に駆動させる駆動手段と、前記第２のアームを固定する支持台と、該支持台を装置架台上で旋回可能に支持された旋回テーブルとを有するものである。
【００４１】
即ち、本発明は、アーム状部材に対し、回転軸屈曲部材、旋回部材を備えることで解決される。アーム構造は直線移動軸で構成される装置よりもコンパクト化が図れる。従って、アーム構造に回転軸屈曲部材、旋回部材を備えることで、任意曲面を接合できる、よりコンパクトな摩擦攪拌接合装置となる。
【００４２】
本発明は、回転ツールと、該回転ツールを伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、該回転ツール駆動手段から前記回転ツール先端までの経路で前記回転ツールの回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と、前記回転軸屈曲部材を前記伝達部材の回転軸と同じ軸回りに独立に回転可能に旋回させる旋回部材と、該旋回部材を回転駆動する旋回駆動手段と、前記回転ツールを前記伝達部材の回転軸の角度を変えずに回転軸屈曲部材を介して前記旋回方向に対して直交する方向に屈曲させる屈曲駆動手段と、前記回転ツールの回転軸と同じ回転軸を有し、前記回転軸屈曲部材及び屈曲駆動手段を前記回転ツールの回転とは独立して回転可能な旋回部材と、該旋回部材を旋回させる旋回駆動手段と、前記旋回部材を保持する第１の保持手段と、該第１の保持手段を上下に移動可能に保持する第２の保持手段と、該第２の保持手段を保持するコラムと、該コラムを水平に移動可能に保持する装置架台と、該架台に設置され前記コラムの移動方向に対して９０度異なった方向に水平に移動可能な被接合材設置台とを備え、
前記回転軸屈曲部材は前記回転ツールに前記回転ツール駆動手段からの回転を伝える前記回転ツール側の前記伝達部材先端に設けられた第１傘歯車と、該第１傘歯車からの回転を伝える前記屈曲駆動手段側に設けられた第２傘歯車と、該第２傘歯車からの駆動力を前記回転ツールに伝える第３傘歯車とを有し、前記屈曲駆動手段及び旋回駆動手段の回転によって前記回転ツールの被接合部材に対する挿入角度が変えられることをたことを特徴とする。
【００４３】
即ち、本発明は、テーブル上に３つの互いに直交する軸を移動軸とする３つの移動手段を備え、前記旋回部材と前記回転軸屈曲部材が該３つのうちの１つの移動手段に付帯して移動可能な構成とすることを特徴とすることで解決される。３つの移動手段が回転ツール先端を被接合材の任意位置に移動させ、旋回部材と回転軸屈曲部材が回転ツール回転軸の適正化を担うことになる。従って、上記構成とすることで、任意曲面の接合が可能になる。
【００４４】
本発明は、被接合材と回転ツール間の距離を測定するセンサーとして、測定範囲が接合部幅方向に広がりを有する型式のものを備えることで解決される。前述したように、接合部の健全性を確保する上で、接合線と回転ツール軸芯を幅方向に可能な限り近づけることが重要となる。接合線の位置を特定する際、センサーが必要になる。センサーには、触針式センサー、渦流センサー、レーザー変位計等、種々のものがある。突き合わせ部の凹みのような微小領域の形状を検出するには、渦流センサーは不向きであり、触針式やレーザー変位計等が適している。しかし、突き合わせ部の凹み等を検出するには不充分であり、接合線幅方向に走査させる必要がある。センサー自体を機械的に往復動させる方法もあるが、接合の進行に対して、実質上瞬間的に幅方向に測定可能にするのは困難である。従って、測定範囲が接合部幅方向に広がりを有する型式のセンサーを使用するのが最も実用的である。
【００４５】
本発明は、回転ツールの移動量を被接合材の形状に応じて算出する演算装置と、前記回転ツールの移動量を制御する制御装置を備えることで解決される。接合中に被接合材と回転ツールの位置関係を逐次修正するには、その修正量を算出する必要があり、現在、一般的に使用されている、いわゆるマイクロコンピュータに代表されるような演算装置を備えるのが有効かつ経済的である。また、算出された修正量を同じくマイクロコンピュータを搭載した制御装置により電子的に制御するのが有効かつ経済的である。
【００４６】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明に係る摩擦攪拌接合装置の一例を示す全体構成図である。１ａ、１ｂ、１ｃはボールネジ、２ａ、２ｂ、２ｃはサーボモータ、３ａ、３ｂ、３ｃは軸受け、４ａ、４ｂ、４ｃはリンクピン、５ａ、５ｂはそれぞれ第２のアーム、第１のアーム、６は主軸回転モータ、７は旋回部材、８は屈曲駆動手段、９は回転軸屈曲部材、１０はチャッキング部材、１１は回転ツール、１２は支持台、１３は旋回テーブル、１４は装置架台である。図示されていないが、主軸回転モータ６からの回転を回転ツール１１に伝達する伝達部材を有する。
【００４７】
第２のアーム５ａ、第１のアーム５ｂはそれぞれリンクピン４ａ、４ｂを支点として自在に回転可能である。第１のアーム５ｂの先端には主軸回転モータ６、回転ツール１１等が取りつけられており、第２のアーム５ａ、第１のアーム５ｂの運動により、任意の位置に移動できる。また、旋回テーブル１３の旋回により、支持台１２より上部の部分全体が旋回する。
【００４８】
サーボモータ２ａ、２ｂの駆動によりボールネジ１ａ、１ｂが回転し、その回転により、軸受け３ａ、３ｂとサーボモータ２ａ、２ｂ間の距離が変化し、第２のアーム５ａが左右に移動すると共に、第１のアーム５ｂにリンクピン４ｃに接続された回転ツール１１が上下方向に運動する構造になっている。
【００４９】
サーボモータ２ｃの駆動によりボールネジ１ｃが回転し、その回転により、軸受け３ｃとサーボモータ２ｃ間の距離が変化し、回転ツール１１がリンクピン４ｃを支点として左右に回転し、主軸回転モータ６、旋回部材７、回転軸屈曲部材９、屈曲駆動手段８が一体で回転運動する構造になっている。旋回部材７は、前述の伝達部材を回転可能に保持し、独立にリンクピン４ｃを支点として紙面に対して回転ツール１１を左右どちらの方向にも回転できると共に、リンクピン４ｃを支点として第１のアーム５ｂに固定されている。
【００５０】
図２は、回転ツール１１を屈曲させて旋回させる回転ツール装置の斜視図である。回転ツール１１を屈曲させて回転させるには、回転軸屈曲部材９によって行われる。回転軸屈曲部材９は、旋回部材７に回転ツール１０の回転と共に、屈曲駆動手段８による回転によって前述の旋回による回転に対して９０度異なる方向、即ち直交する方向に回転するものである。
【００５１】
回転軸屈曲部材９は回転ツール１１に対する主軸回転モータ６からの回転を伝える伝達部材４１の回転ツール側先端に設けられた第１傘歯車と、主軸回転モータ６からの回転を伝える屈曲駆動手段８側に設けられた第２傘歯車と、この第２傘歯車からの駆動力を回転ツール１１に伝える第３傘歯車とを有し、屈曲駆動手段８と後述する旋回駆動手段４０との回転によって回転ツール１１の被接合部材に対する挿入角度があらゆる方向に変えられるものである。回転軸屈曲部材９の回転角度は１９０度まで可能である。これらの傘歯車の組み合わせは回転ツール１１の主軸回転モータからの回転と屈曲駆動手段８による屈曲の回転との両方を担うものである。
【００５２】
旋回部材７は、旋回駆動手段４０からの駆動力を伝えるウォームギヤとウォームギヤからの駆動力を旋回させるウォームホイールギヤによって構成され、この旋回は回転ツール１１を屈曲させながら回転させるので、回転ツール１１の挿入角度が変化する。主軸回転モータ６側に接続された第１傘歯車と回転ツール１１側に接続された第３傘歯車と屈曲駆動手段８側に接続された第２傘歯車との３つの傘歯車の接続によって構成された回転軸屈曲部材９と旋回部材７とは一体に結合されており、これらの２つの互いに直交した回転の組み合わせによって３次元のあらゆる曲面に対して最適な角度と方向で接合出来るものである。全旋回角度は３７０度である。
【００５３】
図１では、回転ツール１１を回転させながら被接合材に押し込み、接合線に沿って移動させて接合する摩擦攪拌接合装置において、回転ツール１１を回転させる駆動手段となる主軸回転モータ６と、該主軸回転モータ６からの動力を旋回部材７を介して回転ツール１１に伝達し主軸回転モータ６と回転ツール１１とを旋回部材７に設けられた支点を中心に旋回させるサーボモータ２ｃによる旋回駆動手段と、回転ツール１１を回転軸屈曲部材９を介して旋回駆動手段による回転に対し９０度異なる方向に回転させる屈曲駆動手段８と、旋回部材７をリンクピン４ｃの支点で保持する第１のアーム５ｂと、第１のアーム５ｂの支点側を上下に駆動させるサーボモータ２ｂによる駆動手段と、第１のアーム５ｂを支持する第２のアーム５aと、第２のアーム５aの第１のアーム５ｂ側を左右に回転させるサーボモータ２ａによる駆動手段と、第２のアーム５ａを固定する支持台１２と、支持台１２を旋回可能に支持する旋回テーブル１３とを備えている。
【００５４】
以上の実施例で明らかなように、回転ツール１１は被接合材の接合面に対する法線方向と接合線の接線方向とに基づいて互いに９０度異なる直交した方向に回転可能に形成された２つの回転軸を有し、その各々の回転軸の回転角度を設定しながら接合することができ三次元の曲面の接合を容易に実施できるものである。
【００５５】
（実施例２）
図１０は本発明による構成の摩擦攪拌接合装置の一例を示す全体構成図である。２８はコラム、２７は装置架台、２６は被接合材設置台である。
【００５６】
図中に両端矢印で示されている方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が移動軸方向であり、それぞれ互いに直交している。Ｚ軸方向に移動する部材に、主軸回転モータ６、旋回部材７、屈曲駆動手段８、回転軸屈曲部材９、チャッキング部材１０、回転ツール１１が取り付けられており、これらの要素全てがＺ軸の動作に伴い移動する。図示されていないが、旋回部材７は前述の図２に示すように旋回駆動手段としてのサーボモータを駆動力としてＺ軸に平行な軸周りに旋回する。全旋回角度は前述と同様に３７０度であり、又、主軸回転モータ６からの回転を回転ツール１１に伝達する伝達部材を有する。
【００５７】
回転ツール１１の回転軸は旋回部材７の回転に対して９０度異なった角度で回転するように屈曲駆動手段８により、軸の方向が変化する。図示されていないが、屈曲駆動手段８による屈曲は高減速比の減速器（ハーモニックドライブ：登録商標）を介してサーボモータにより駆動される。ハーモニックドライブ（登録商標）を使用することで、小型のモータで駆動可能になり、屈曲駆動手段８から回転ツール１１までの先端部分が小型化されている。屈曲駆動手段８による屈曲角は、主軸回転モータ６の回転軸を基準に±１００度可能である。
【００５８】
屈曲駆動手段８により回転ツール１１の回転軸を屈曲させた状態で、旋回部材７を旋回させることで、任意曲面上の各部に対し、法線方向または法線に対し向え角を持たせて回転ツール１１を被接合材に挿入することが可能である。
【００５９】
本実施例においても、前述と同様の構成を有し、屈曲駆動手段８により回転ツール１１の回転軸を屈曲させた状態で、旋回部材７を旋回させることが出来、屈曲角度と旋回角度の組み合わせにより、半球の全表面に対し回転ツール１１を法線方向に設定可能に出来るものである。
【００６０】
尚、回転ツール１１は、被接合材の材質より、実質的に硬い材質で形成される。回転ツール１１の材質としては、代表的には金属を用いることができ、本発明では工具鋼を熱処理した材料を使用した。硬度に加えて、靱性、耐熱性などの要求を満たせば、セラミックス、表面焼き入れ部材などを用いてもよい。
また、回転ツール１１は、接合線と被接合材の法線とを含む面内において、法線に対して接合方向後方に予め定められた角度（向え角）だけ回転軸を傾けてもよい。この向え角は、例えば、３〜１０度であり、本実施例では３度を採用した。
【００６１】
本実施例においては、回転ツール１１を回転させながら被接合材に押し込み、接合線に沿って移動させて接合する摩擦攪拌接合装置において、回転ツール１１を回転させる駆動手段としての主軸回転モータ６から回転ツール先端までを旋回させる旋回駆動手段と、回転ツール１１を回転軸屈曲部材９を介して旋回駆動手段による回転に対し９０度異なる方向に回転させる屈曲駆動手段８と、回転軸屈曲部材９を保持する旋回部材７と、旋回部材７を旋回可能に保持する第１の保持手段３８と、第１の保持手段３８を上下に移動可能に保持する第２の保持手段３９と、第２の保持手段３９を保持するコラム２８と、コラム２８を水平に移動可能に保持する装置架台２７と、装置架台２７に設置されコラム２８の移動方向に対して９０度異なった方向に水平に移動可能な被接合材設置台２６とを備えたものである。
【００６２】
以上の実施例の装置を用いることにより、回転ツール１１は被接合材の接合面に対する法線方向と接合線の接線方向とに基づいて互いに９０度異なる方向に回転可能に形成された２つの回転軸を有し、その各々の回転軸の回転角度を設定しながら接合することができ、三次元の接合を容易に実施できるものである。
【００６３】
（実施例３）
図１２は本発明による摩擦攪拌接合装置のシステム構成を示した概念図である。２９はセンサー、３０は摩擦攪拌接合装置、３１は被接合材、３２は演算装置、３３は制御装置である。
【００６４】
接合開始前に被接合材の形状から算出した座標値、接合部の法線方向、接合線の接線方向を初期値として制御装置３３に入力する。
摩擦攪拌接合装置３０は初期値に基づいて接合を開始する。これと同時に、センサー２９が回転ツール１１と被接合材３１の位置関係を測定し、その結果を演算装置３２に入力する。演算装置３２は測定結果と初期値を照合し、両者の偏差に基づいて修正値を制御装置３３に入力する。以上の流れにより、初期値が各接合部で修正されつつ、接合が進行する。
【００６５】
図１２では、演算装置３２と制御装置３３は別の要素として図示しているが、本実施例ではこれらを１台のパーソナル・コンピュータに収めている。
【００６６】
本実施例では、回転ツール１１の移動軌跡を予め設定された接合線に基づいて移動させると共に、接合中の接合線の位置と回転ツール１１の先端の位置との関係をセンサ２９で検出し、更に修正しながら接合することが出来る。
又、接合線の位置を回転ツール１１の進行方向に対して先行する位置でセンサ２９によって検出し、検出された位置に基づいて接合中の回転ツール１１の先端の位置を修正しながら接合することが出来る。
【００６７】
（実施例４）
図１３〜図１５は実施例１〜３の装置を用いて接合する接合部の測定を行うときの概念図である。１６は接合線、３４は広角域測定型レーザー変位計、３５、３５ａ、３５ｂは被接合材角部、３６は測定領域である。図１３は平板の突き合わせ接合、図１４は平板の重ね合わせ接合、図１５は突起付きの材料を接合する場合を現している。
【００６８】
図１３では接合線１６が測定領域３６の範囲に納まるように広角域測定型レーザー変位計３４のレーザーを照射し、その測定値から接合線１６を識別する。被接合材１５ａ、１５ｂの角部には製造過程で不可避的に生じる丸みがあるが、この丸みにより、材料を突き合わせた際、付き合わせ部が溝状にくぼむことになる。図１３の例では、この溝状の部分を識別することで、接合線１６を識別している。
【００６９】
図１４では、接合線１６は被接合材の平滑な面上にあるため、接合線１６の位置を直接識別するのは困難となる。しかし、レーザー変位計３４の測定領域３６の範囲に被接合材１7ａの角部３５が入るようにすることで、角部３５の位置を識別し、これを基に接合線を算出することができる。
【００７０】
図１５のような突起付きの被接合材の場合には、上記２つの方法の両方が実行可能であり、被接合材３７ａ、３７ｂの加工仕上がりの状況に応じて選択すれば良い。
【００７１】
本実施例においては、被接合材３１の開先部又は前記被接合材の端部角部の位置を検出し、開先部又は角部を基準に接合線の幅方向に対する回転ツール１１の位置を修正することが出来る。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、互いに９０度異なる直交した方向に回転可能に２つの回転軸を形成した回転ツールを用いることにより、被接合材の形状から接合部の法線方向と接合線の接線方向を容易に設定出来、３次元でのあらゆる曲面の接合が出来るものであり、又これらの２つの方向をセンサによって検出し、その法線方向と接線方向から回転ツール先端の回転軸方向が決定出来るので、三次元形状をした任意曲面に対し、回転ツールと被接合材の幾何学的関係が常に適正な状態で接合することができる。
【００７３】
また、回転ツールを回転させる駆動体から回転ツール先端までの回転部の経路で回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と回転ツールを回転させる駆動体から屈曲部材までの屈曲させていない領域の回転軸回りに回転可能で任意回転角に静止可能な旋回部材を備えるので、三次元形状をした任意曲面に対し、回転ツールと被接合材の幾何学的関係を適正な状態に配置できる。
【００７４】
更に、回転ツールの位置を変更する手段が平行リンク構造からなるアーム状部材であって、アーム状部材の運動がサーボモータにより回転駆動されるボールネジにより実行されるため、コンパクトな設備で大きな回転ツール押込み荷重と高精度な回転ツール位置制御が可能になる。
【００７５】
本発明によれば、三次元形状をした任意曲面に対し、コンパクトな設備で大きな回転ツール押込み荷重と高精度な回転ツール位置制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る摩擦攪拌接合装置の全体構成図。
【図２】  本発明の回転ツール装置の全体構成を示す概念図。
【図３】  平板の付き合わせ接合を示す構成図。
【図４】  平板の重ね合わせ接合を示す構成図。
【図５】  円筒状部材の接合を示す構成図。
【図６】  接合線が長方形である平板の接合を示す構成図。
【図７】  被接合材と回転ツールとの位置関係を示す構成図。
【図８】  従来装置における回転ツールの構成図。
【図９】  接合線が長方形の平板接合における被接合材と回転ツールの位置関係を示す構成図。
【図１０】  本発明に係る摩擦攪拌接合装置の全体構成図。
【図１１】  比較例の摩擦攪拌接合装置の全体図。
【図１２】  演算装置及び制御装置を含む摩擦攪拌接合装置のシステム構成図。
【図１３】  突き合わせ接合での被接合材とセンサー検出範囲の関係を示す構成図。
【図１４】  重ね合わせ接合での被接合材とセンサー検出範囲の関係を示す構成図。
【図１５】  突起付き被接合材とセンサー検出範囲の関係を示す構成図。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ…ボールネジ、２ａ、２ｂ、２ｃ…サーボモータ、３ａ、３ｂ、３ｃ…軸受け、４ａ、４ｂ、４ｃ…リンクピン、５ａ…第２のアーム、５ｂ…第１のアーム、６…主軸回転モータ、７…旋回部材、８…屈曲駆動手段、９…回転軸屈曲部材、１０…チャッキング部材、１１、１１ａ、１１ｂ…回転ツール、１２…支持台、１３…旋回テーブル、１４…装置架台、１５ａ、１５ｂ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０、２４、３１、３７ａ、３７ｂ…被接合材、１６…接合線、２１…回転ツール駆動モータ、２２…回転ツール支持部材、２３…回転筒体、２５…接合完了部、２６…被接合材料設置台、２７…装置架台、２８…コラム、２９…センサー、３０…摩擦攪拌接合装置、３２…演算装置、３３…制御装置、３４…広角域測定型レーザー変位計、３５、３５ａ、３５ｂ…被接合材角部、３６…測定領域、３８…第１の保持手段、３９…第２の保持手段、４０…旋回駆動手段、４１…伝達部材。
【図１】
0004195206.tif 000002
【図２】
0004195206.tif 000003
【図３】
0004195206.tif 000004
【図４】
0004195206.tif 000005
【図５】
0004195206.tif 000006
【図６】
0004195206.tif 000007
【図７】
0004195206.tif 000008
【図８】
0004195206.tif 000009
【図９】
0004195206.tif 000010
【図１０】
0004195206.tif 000011
【図１１】
0004195206.tif 000012
【図１２】
0004195206.tif 000013
【図１３】
0004195206.tif 000014
【図１４】
0004195206.tif 000015
【図１５】
0004195206.tif 000016