JP2002153978A - スポット接合方法およびスポット接合装置 - Google Patents

スポット接合方法およびスポット接合装置

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JP2002153978A
JP2002153978A JP2000355770A JP2000355770A JP2002153978A JP 2002153978 A JP2002153978 A JP 2002153978A JP 2000355770 A JP2000355770 A JP 2000355770A JP 2000355770 A JP2000355770 A JP 2000355770A JP 2002153978 A JP2002153978 A JP 2002153978A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワーク位置の位置ずれにかかわらず、接合品
質を一定に保つことができるスポット接合方法およびス
ポット接合装置を提供する。 【解決手段】 スポット接合装置10は、接合ヘッド1
1と裏当押圧機構20とを有し、接合ヘッド11は、接
合ツール18と回転用モータ16とを有し、裏当押圧機
構20は、裏当19と、裏当押圧シリンダ13とを有す
る。ワークの接合点が接合ツール18のピン26の下に
配置されるように、スポット接合装置10を位置決め
し、接合ツール18を高速で回転させた状態で、裏当1
9を裏当押圧シリンダ13で押し上げ、ワークを弾性変
形させて湾曲させて接合ツール18に押圧して接合す
る。接合完了後、押圧力を解除すると、ワークが接合ツ
ールから離脱する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合によ
ってワークをスポット的に接合するスポット接合装置お
よびスポット接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図8は、摩擦攪拌を利用した従来のスポ
ット接合装置1の構造を示す図である。スポット接合装
置1は、先端にピンを有する接合ツール5と、接合ツー
ル5を回転駆動する回転用モータ4と、接合ツール5を
上下に昇降させ、押圧力を付加する押圧付加装置3とを
備える。
【0003】次に、図8Aの図を参照して、接合方法に
ついて説明する。まず裏当7上に、2枚のワークW1,
W2を重ねて配置する。つぎに、回転用モータ4で接合
ツール5を回転させるとともに、押圧付加装置3で回転
用モータ4とともに接合ツール5を下降させる。する
と、接合ツール先端のピンがワークに押圧される。ピン
が押圧されると回転による摩擦によって押圧部が軟化
し、ピンが挿入される。さらに回転することによって、
挿入されたピンで接合点近傍が攪拌され、塑性流動を起
こす。所定時間攪拌後、押圧付加装置3で接合ツール5
を上昇させると、接合点で2枚のワークが接合され、ス
ポット接合される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】スポット接合装置1
は、たとえばロボットのアーム手首に取り付けられ、接
合点ごとに接合装置1の位置決めを行なって1つのワー
クに対して連続してスポット接合を行なう。しかし、ワ
ーク位置はワークごとに変動し、図8Bに示すように、
ワークW1,W2と裏当7とが離反した位置に配置され
る場合がある。このように位置ずれした状態で、接合ツ
ール5を降下させると、接合ツール5先端のピンでワー
クW1,W2を押し下げて接合することになり、ワーク
が変形してしまい、接合品質が低下してしまう。また、
押圧力も異なり、ワークごとに接合品質が異なり、一定
の接合品質が得られなくなる。
【0005】また、位置ずれを解消して一定の接合品質
を得るためには、接合ツール5、回転用モータ4および
押圧付加装置3を保持する接合ヘッド2の位置をワーク
ごとに微調整する方法が考えられるが、この場合には、
制御が複雑となってしまう。
【0006】本発明の目的は、ワーク位置の位置ずれに
かかわらず、接合品質を一定に保つことができるスポッ
ト接合方法およびスポット接合装置を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の本発明
は、裏当と接合ツールとの間に被接合物を重ねて配置
し、接合ツールを回転軸線まわりに回転させた状態で、
接合ツール先端と裏当とで被接合物を押圧挟持し、接合
ツールの回転による摩擦熱で被接合物を軟化、攪拌し、
重ねられた2枚の被接合物を接合点でスポット的に接合
するスポット接合方法において、接合時に、接合ツール
を、回転軸線方向に関して固定的に保持した状態で回転
駆動し、裏当を、接合ツールに近接する方向に移動させ
て被接合物を押圧することを特徴とするスポット接合方
法である。
【0008】本発明に従えば、接合ツールを固定的に保
持した状態で、裏当を接合ツール側に移動させて被接合
物を押圧する。つまり、図1(1)に示すように、被接
合物へ、当接面積の大きい裏当側を上昇させて被接合物
を押し上げることによって、接合ツール先端を被接合物
に押し付ける。前述した従来技術では、被接合物が位置
ずれし、裏当と被接合物とが離反している場合には、接
合ツール先端のピンで被接合物を押し付けて被接合物を
変形させていたので、位置ずれ量に応じて押圧力が異な
り、一定の接合品質を得ることができなかったが、本発
明では、被接合物への当接面積の大きい裏当を持ち上げ
て押圧するので、被接合物が位置ずれした場合であって
も、ほぼ一定の押圧力を作用させることができ、被接合
物の位置ずれにかかわらず、接合品質を一定に保つこと
ができる。
【0009】請求項2記載の本発明は、裏当を、接合ツ
ールに近接する方向に移動させるとき、被接合物を弾性
変形させることを特徴とする。
【0010】本発明に従えば、被接合物を持ち上げて弾
性変形させて押圧するので、図1(2)に示すように、
裏当の押圧を解除すると、弾性復元力によって、被接合
物は接合ツールから容易に離脱することができる。
【0011】請求項3記載の本発明は、裏当と接合ツー
ルとの間に被接合物を重ねて配置し、接合ツールを回転
させた状態で、接合ツール先端と裏当とで被接合物を押
圧し、接合ツールの回転による摩擦熱で被接合物を軟
化、攪拌し、重ねられた2枚の被接合物を接合点でスポ
ット的に接合するスポット接合装置において、前記裏当
は、接合ツールに近接、離反する方向に移動可能に設け
られ、接合時に、接合ツールを固定的に保持し、裏当
を、接合ツールに近接する方向に移動させて被接合物を
押圧することを特徴とするスポット接合装置である。
【0012】本発明に従えば、被接合物が位置ずれした
場合であっても、ほぼ一定の押圧力を作用させることが
でき、被接合物の位置ずれにかかわらず、接合品質を一
定に保つことができる。
【0013】請求項4記載の本発明は、前記接合ツール
を回転自在に保持する固定部と、裏当を有し、固定部に
対して移動可能に設けられる可動部と、固定部に固定的
に保持され、接合ツールを回転駆動する回転駆動源とを
有することを特徴とする。
【0014】本発明に従えば、回転駆動源は、固定部に
固定され、接合時に裏当のみを移動させて加圧する。つ
まり、加圧側に回転駆動源が設けられない構成となって
いるので、加圧軸の可動部重量を大幅に軽減することが
可能となり、加圧時に制御能力(位置決め精度、加圧
力)を容易に向上させることが可能となる。
【0015】請求項5記載の本発明は、前記回転駆動源
は、接合ツールの回転軸線に垂直な方向に離間して固定
部に固定され、回転駆動源の回転力を接合ツールに伝達
する伝達手段を有することを特徴とする。
【0016】本発明に従えば、回転駆動源を、接合ツー
ルから分離し、ベルト、ギヤなどの伝達手段で回転力を
伝達するように構成される。これによって、接合ツール
が設けられるスポット接合装置先端部を小型化でき、被
接合物であるワーク形状および接合可能部位への制約が
削減される。
【0017】
【発明の実施の形態】図2は、本発明の実施の一形態で
あるスポット接合装置10の全体の構成を示す図であ
る。スポット接合装置10は、たとえば6軸垂直多間接
型ロボットのアームの手首に取り付けられ、スポット接
合ガンとして用いられ、たとえば自動車のボディのスポ
ット接合に用いられる。
【0018】スポット接合装置10は、接合ヘッド1
1、ガンアーム12、接合ヘッド支持機構21、および
裏当押圧機構20を含んで構成される。ガンアーム12
は、上部に接合ヘッド支持機構21を介して接合ヘッド
11が取り付けられ、下部に裏当押圧機構20が取り付
けられ、このガンアーム12がロボットアームの手首1
5に取り付けられる。
【0019】接合ヘッド11は、接合ツール18、接合
ツール18を、その回転軸線Lまわりに回転自在に支持
するブラケット17、ブラケット17に固定され、接合
ツール18を回転軸線Lまわりに回転駆動させる回転用
モータ16とを有し、ブラケット17が接合ヘッド支持
機構21に取り付けられる。接合ヘッド支持機構21
は、たとえばモータを有し、ブラケット17を昇降させ
て、接合ツール18を軸線Lに沿って昇降させることが
できる。なお、この接合ヘッド支持機構21による接合
ツール18の昇降は、接合時にワークを押圧するために
使用するものでなく、ワークへの位置決めのために用い
られるものである。したがって、モータなどの駆動源で
なく、ハンドルなどによる手動で昇降するような機構で
あってもよい。
【0020】裏当押圧機構20は、裏当19、裏当押圧
シリンダ13および駆動源14を有する。裏当19は、
接合ツール18の下方に臨んで配置され、下部に裏当押
圧シリンダのピストンロッド25が固定される。裏当押
圧シリンダ13は、接合ツール18の回転軸線Lに沿っ
て昇降するピストンロッド25を有するシリンダであ
り、ピストンロッド25の先端に裏当19が固定され
る。この裏当押圧シリンダ13は、たとえば油圧シリン
ダ、空気圧シリンダ、またはボールねじから構成され、
裏当押圧シリンダ13に隣接して駆動源14が配置さ
れ、この駆動源14がガンアーム12に固定される。駆
動源14は、裏当押圧シリンダ13が油圧シリンダの場
合は油圧源であり、空気圧シリンダの場合は空気圧源で
あり、ボールねじの場合はサーボモータである。
【0021】接合ツール18は、円柱状であり、中心軸
線Lが回転軸線Lであり、下端部が先細りとなり、先端
の円形平坦面18a中央から軸線Lに沿ってピン26が
突出する。接合されるワークW1,W2はたとえばアル
ミニウム合金である。
【0022】裏当部材19は、略直方体状であり、上面
19aにワークが乗載される。この上面19aは、中央
がわずかに盛り上がって形成される。さらに詳しく説明
すると、直方体状の裏当部材19は、中央部が接合ツー
ルLに垂直となるように配置されており、この上面の幅
方向中央が、わずかに盛り上がり、長手方向に延びる
(図1参照)。これは、裏当19を上昇させたとき、ワ
ークW1,W2が弾性変形範囲内で滑らかに湾曲させる
ためである。
【0023】また、押圧部材19には、ロードセルなど
の圧力センサが埋設される。裏当部材上面19aから露
出する圧力センサの検出位置は、接合ツール先端の円形
平坦面18aに対向する位置の外側で、円形平坦面18
aに近接する位置に配置される。これは、接合ツール先
端の円形平坦面18aに対向する位置が最も押圧力が作
用し、この位置でセンサが露出すると、押圧したとき、
ワークW2の裏にセンサが転写され、美観が損なわれる
からである。
【0024】つぎに、図2および図3を参照して本発明
のスポット接合装置10の接合方法について説明する。
【0025】まず、回転用モータ16で接合ツール18
を高速で回転させるとともに、重ねて配置されるワーク
W1,W2の所定の接合点の直上に接合ツール18のピ
ン26が配置されるように、ロボットでスポット接合装
置10の位置決めを行なう。このとき、図2に示すよう
に、ピン26先端と、ワーク表面との距離hは、5〜1
0mm程度である。また、接合ツール18の回転軸線L
方向(この場合上下方向)へのワークの位置ずれは、接
合ヘッド支持機構21によって、接合ヘッド11の上下
位置の調整を行なうことによって補正する。
【0026】つぎに、裏当押圧シリンダ13で裏当19
を上昇させる。すると、図3に示すように、ワークW
1,W2が裏当19によって押し上げられて湾曲し、ワ
ークW1,W2の接合点に接合ツール18のピン26が
回転しながら押し付けられる。
【0027】前述したように、裏当部材19は上面19
aがわずかに盛り上がって形成され、この上面19aの
湾曲面は、裏当部材19でワークW1,W2を押し上げ
たときに湾曲するワークW1,W2にほぼ沿った形とな
っている。したがって、裏当部材19を押し上げたとき
に、滑らかにワークW1,W2が湾曲し、ワークW1,
W2が塑性変形することが防がれる。
【0028】また、接合ツール下端の円形平坦面18a
に比べて、裏当上面19aの面積ははるかに大きいの
で、ワークが位置ずれして配置されていたとしても、接
合ツール18を下降させて押圧力を作用させる場合に比
べて、裏当19を上昇させて押圧力を作用させる場合の
ほうが、ワークの位置ずれによる押圧力のばらつきが少
なくなる。
【0029】回転するピン26がワークに押し付けられ
ると、摩擦熱でワークは軟化し、ピン26が挿入され
る。ピンが挿入されて回転すると、母材が攪拌され、塑
性流動が誘起される。さらに挿入され、接合ツール下端
の円形平坦面18aがワーク表面に当接すると、ここで
も攪拌される。このときの押圧力は、前記圧力センサに
よって検出されており、所定の押圧力に達すると、裏当
押圧シリンダ13による裏当部材19の押圧を停止し、
所定押圧力を所定時間作用させる。これによって、ワー
クW1,W2は接合点において、母材が十分に攪拌され
る。
【0030】所定時間押圧すると、裏当て押圧シリンダ
13によって裏当19を下降させる。すると、上方に湾
曲して弾性変形していたワークW1,W2が、弾性復元
力によって元の位置に戻り、接合点からピン26が引き
抜かれる。ピン26が引き抜かれたワークW1,W2は
接合点が冷却され、塑性流動域においてワークW1とW
2とが一体となり、スポット的に接合される。
【0031】この接合点の接合が終了すると、ロボット
は、次の接合点までスポット接合装置10を移動させ
る。このとき、次の接合点の位置が、前回の接合点より
も、軸線L方向(この場合上下方向)にずれている場合
は、接合ヘッド支持機構21で接合ヘッド11の上下位
置を調整する。これによって、ロボットで接合装置10
の上下位置を制御する必要がなく、同一ワークにおい
て、接合点を連続してスムーズに接合することができ
る。
【0032】図4は、本発明の他の実施形態のスポット
接合装置30を示す図である。スポット接合装置30
は、上述したスポット接合装置10と異なり、ロボット
の手首に装備して用いるスポットガンでなく、床に設置
して使用するスポット接合装置である。このスポット接
合装置30では、裏当31の形状が、前述したスポット
接合装置10の裏当19と異なるが、他の構成はほぼ同
様であるので、対応する構成には同一の参照符号を付
し、説明を省略する。
【0033】スポット接合装置10では、裏当19は上
面が湾曲した形状であったけれども、スポット接合装置
30の裏当31は、図に示すように、ワークW1,W2
を乗置可能な大きさであり、上面は平坦である。このよ
うな構成であっても、裏当31を上昇させ、所定の押圧
力でワークW1,W2を接合ツールに押圧することによ
って、ワークW1,W2をスポット接合することが可能
である。
【0034】つぎに、本発明のスポット接合装置のさら
に他の実施の形態であるスポット接合ガン40につい
て、図6を参照して説明する。スポット接合ガン40
は、スポット溶接などに使用している加圧動作を行なう
溶接ガンであり、Cガンと呼ばれるタイプのガンに本発
明の構成を適用したものである。
【0035】このスポット接合ガン40は、ガンアーム
48と、接合ツール46と裏当である加圧受け具47
と、回転用モータ44と、固定部41と、ボールネジ4
5とから構成される。ガンアーム48は、固定部41と
可動部42とからなり、固定部41の先端に接合ツール
46が回転自在に保持される。また先端には回転用モー
タ44が固定され、この回転用モータ44の出力軸に接
合ツール46が、回転軸線を一致させて連結される。ま
た、固定部41には、接合ツール46の回転軸線に平行
にボールネジ45が固定される。ボールネジ45は、ネ
ジ軸45aとナット部材45bとを有し、ネジ軸45a
は、固定部43に固定される加圧用モータ43によって
回転駆動される。ナット部材45bには可動部42が固
定され、ネジ軸45aが回転することによって、ナット
部材45bとともに可動部42が接合ツール46の回転
軸線方向に昇降する。可動部42の先端部には、接合ツ
ール46に対向して加圧受け具47が設けられる。
【0036】このような接合ガン40は、たとえば6軸
多関節型ロボットの手首に装備される。接合時には、ワ
ークが加圧受け具47上、もしくは上方に配置されるよ
うにスポット接合ガン40をロボットによって位置決め
し、回転用モータ44で接合ツール46を回転させなが
ら加圧用モータ43を回転させて可動部42を上昇させ
て接合する。このように、スポット接合ガン40では、
可動部42の駆動源である加圧用モータ43を固定部4
1に配置したため、可動部42の重量を大幅に軽減する
ことが可能となり、加圧時の位置決め精度、加圧力など
の制御能力を容易に向上させることが可能となった。
【0037】次に、図7を参照して、本発明のさらに他
の実施形態のスポット接合ガン50について説明する。
スポット接合ガン50は、スポット溶接などに使用して
いるXガンと呼ばれるタイプのガンに本発明の構成を適
用したものである。
【0038】スポット接合ガン50は、ガンアーム51
と、接合ツール55と、回転用モータ57と、加圧用モ
ータ59と、裏当である加圧受け具54と、ボールネジ
58とを有する。ガンアーム51は、固定アーム52と
可動アーム53とからなる。固定アーム52と可動アー
ム53とは互いに略並行に延び、角変位軸60を介して
角変位可能に連結され、先端部が開閉可能に構成され
る。
【0039】固定アーム52の先端に、接合ツール55
が回転自在に保持され、基端部側に回転用モータ57が
固定される。この回転用モータ57の出力軸と接合ツー
ル55とはベルトを用いた動力伝達機構56によって連
結されて、回転力が伝達される。回転軸60よりも後方
(図7の右方)には加圧用モータ59およびボールネジ
58が設けられる。ボールネジ58のネジ軸58aは、
下端部が可動アーム53に角変位可能に連結され、加圧
用モータ59は、上端部が固定アーム52に角変位可能
に連結され、出力軸がボールネジ58のナット部材58
bに連結される。したがって、加圧用モータ59でボー
ルネジ58のナット部材58bを回転させることによ
り、固定アーム52の基端部と可動アーム53の基端部
とを近接、離反変位し、これによってガンアーム51の
先端部が開閉される。
【0040】スポット接合ガン50も、たとえばロボッ
トの手首に装備されて使用される。このとき、ガンアー
ム51の固定アーム52の基端部がロボットの手首に固
定される。
【0041】スポット接合する場合、ワークが加圧受け
具54上、もしくは加圧受け具54の上方に配置される
ようにスポット接合ガン50をロボットで位置決めし、
回転用モータ57で接合ツール55を回転させ、加圧用
モータ59でガンアーム51を閉じてワークを挟持して
接合する。
【0042】このように本実施形態のスポット接合ガン
50においても、加圧用モータ59が固定アーム52に
設けられるので、可動部の重量を大幅に軽減することが
でき、加圧時の制御能力を容易に向上させることができ
る。またさらに、本実施形態では、回転用モータ57を
固定アーム52の基端部に配置し、回転用モータ57の
回転を、動力伝達機構56で伝達するように構成したの
で、ガン先端部を小型化でき、ワーク形状および接合可
能部位への制約が削減される。
【0043】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、被接合物
への当接面積の大きい裏当を持ち上げて押圧するので、
被接合物が位置ずれした場合であっても、ほぼ一定の押
圧力を作用させることができ、被接合物の位置ずれにか
かわらず、接合品質を一定に保つことができる。
【0044】また本発明によれば、被接合物を持ち上げ
て弾性変形させて押圧するので、裏当の押圧を解除する
と、弾性復元力によって、容易に被接合物は接合ツール
から離脱することができる。
【0045】また本発明によれば、回転駆動源は、固定
部に固定され、接合時に裏当のみを移動させて加圧する
構成となっているので、加圧軸の可動部重量を大幅に軽
減することが可能となり、加圧時に制御能力(位置決め
精度、加圧力)を容易に向上させることが可能となる。
【0046】また本発明によれば、回転駆動源を、接合
ツールから分離し、ベルト、ギヤなどの伝達手段で回転
力を伝達するように構成されるので、接合ツールが設け
られるスポット接合装置先端部を小型化でき、被接合物
であるワーク形状および接合可能部位への制約が削減さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスポット接合装置の構成を示す斜視図
である。
【図2】本発明の実施の一形態であるスポット接合装置
10の構成を示す正面図である。
【図3】接合時のスポット接合装置10を示す正面図で
ある。
【図4】本発明の他の実施形態のスポット接合装置30
の構成を示す図である。
【図5】スポット接合装置30の接合時の状態を示す図
である。
【図6】スポット接合装置40の構成を示す図である。
【図7】スポット接合装置50の構成を示す図である。
【図8】従来のスポット接合装置1を示す図である。
【符号の説明】 10,30,40,50 スポット接合装置 11 接合ヘッド 13 裏当押圧シリンダ 18,46,55 接合ツール 19 裏当 20 裏当押圧機構
フロントページの続き (72)発明者 兵江 猛宏 兵庫県神戸市中央区東川崎町3丁目1番1 号 川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者 長尾 保栄 兵庫県明石市川崎町1番1号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 村上 士嘉 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツダ 株式会社内 Fターム(参考) 4E067 BG00 CA01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 裏当と接合ツールとの間に被接合物を重
    ねて配置し、接合ツールを回転軸線まわりに回転させた
    状態で、接合ツール先端と裏当とで被接合物を押圧挟持
    し、接合ツールの回転による摩擦熱で被接合物を軟化、
    攪拌し、重ねられた2枚の被接合物を接合点でスポット
    的に接合するスポット接合方法において、 接合時に、接合ツールを、回転軸線方向に関して固定的
    に保持した状態で回転駆動し、裏当を、接合ツールに近
    接する方向に移動させて被接合物を押圧することを特徴
    とするスポット接合方法。
  2. 【請求項2】 裏当を、接合ツールに近接する方向に移
    動させるとき、被接合物を弾性変形させることを特徴と
    する請求項1記載のスポット接合方法。
  3. 【請求項3】 裏当と接合ツールとの間に被接合物を重
    ねて配置し、接合ツールを回転させた状態で、接合ツー
    ル先端と裏当とで被接合物を押圧し、接合ツールの回転
    による摩擦熱で被接合物を軟化、攪拌し、重ねられた2
    枚の被接合物を接合点でスポット的に接合するスポット
    接合装置において、 前記裏当は、接合ツールに近接、離反する方向に移動可
    能に設けられ、接合時に、接合ツールを固定的に保持
    し、裏当を、接合ツールに近接する方向に移動させて被
    接合物を押圧することを特徴とするスポット接合装置。
  4. 【請求項4】 前記接合ツールを回転自在に保持する固
    定部と、 裏当を有し、固定部に対して移動可能に設けられる可動
    部と、 固定部に固定的に保持され、接合ツールを回転駆動する
    回転駆動源とを有することを特徴とする請求項3記載の
    スポット接合装置。
  5. 【請求項5】 前記回転駆動源は、接合ツールの回転軸
    線に垂直な方向に離間して固定部に固定され、 回転駆動源の回転力を接合ツールに伝達する伝達手段を
    有することを特徴とする請求項4記載のスポット接合装
    置。
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