JP2004148319A - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した加圧力制御を行うことができる摩擦撹拌接合装置を提供する。
【解決手段】回転ツール４に加圧動作を行わせるに際して、ねじ軸４６が所定方向に回転されると、そのねじ軸４６に螺合された移動部材４８が移動し、その移動に伴い、第１駆動軸５８も第２駆動軸６４に対して伸長動して、回転ツール４は、加圧動作を行う。このとき、回転ツール４に回転動作をも行わせるに際しては、回転軸モータ１１により第２駆動軸６４が回転されると、第２駆動軸６４の回転は、スプライン結合により回転ツール４に伝達される。これにより、加圧動作に際して、移動するものを、回転軸モータ１１を含めずに移動部材４８と第１駆動軸５８だけとし、その重量の軽減を図る。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦撹拌を用いた接合方法として、重ねられた板状のワークのうち、該ワークの重ね方向一方側における一方のワークに対して回転ツールを当接させて、該重ねられたワークに対して、該ワークの重ね方向に向けて加圧力を付与すると共に該加圧力の加圧方向を中心として回転力を付与するものが知られている。このものによれば、回転ツールの加圧と回転とに伴い、回転ツールと重ねられたワークとの間で発生される摩擦熱によりそのワークが軟化されて、そのワーク内に回転ツールが進入される。このため、その回転ツールによりワーク内における重ね面付近で塑性流動が引き起こされることになり、重ねられたワークは、その重ね面付近でスポット的に一体化することになる。
【０００３】
このような摩擦撹拌を用いた接合方法を実施する摩擦撹拌接合装置としては、特許文献１に示すように、加圧用駆動源により駆動されるねじ軸にナットを螺合し、そのナットから支持アームをねじ軸から離れる方向に延ばし、その支持アームの先端部にベースを取付け、そのベースに回転用駆動源を固定し、その回転駆動源に回転ツールを連結したものがある。このものによれば、加圧用駆動源によりねじ軸をその軸心を中心として回転させれば、ナットがねじ軸の軸心方向に移動することになり、これに伴い、ベースと共に回転用駆動手段及び回転ツールも移動することになり、回転ツールにより加圧動作を行うことができることになる。またこのとき、回転用駆動源により回転ツールを回転させれば、回転ツールにより加圧動作と共に回転動作をも行うことができることになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記摩擦撹拌接合装置においては、重量物である回転用駆動源がベースに一体的に取付けられて、加圧時に、回転ツールと回転駆動源とが共に移動することから、姿勢を変更したときには、その重量物である回転駆動源の重量が回転ツールの加圧力に影響を与えざるを得ず、回転ツールにより加圧力制御が的確に行えないおそれがある。
【０００６】
本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その技術的課題は、安定した加圧力制御を行うことができる摩擦撹拌接合装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記第１の技術的課題を達成するために本発明（請求項１に係る発明）にあっては、
重ねられた複数の板状のワークのうち、該ワークの重ね方向一方側における一方のワークに対して回転ツールを当接させて、該重ねられたワークに対して、該ワークの重ね方向に向けて加圧力を付与すると共に該加圧力の加圧方向を中心とした回転に基づく摩擦熱を付与する摩擦撹拌接合装置において、
ベース部材と、
前記ベース部材に回転可能に取付けられると共に回転駆動力を付与する加圧用駆動源に駆動可能に連係されるねじ軸と、
前記ねじ軸に螺合されて該ねじ軸の回転に伴い前記回転ツールの加圧、加圧解除方向に変位動可能とされる移動部材と、
前記移動部材に該移動部材の変位動方向に軸心方向を向けつつ該軸心を中心として相対回転可能且つ該移動部材の変位動方向に相対変位動不能に支持され、加圧側端面に前記回転ツールが取付けられる第１駆動軸と、
前記第１駆動軸に該第１駆動軸の軸心方向に変位動可能且つ該第１駆動軸の軸心を中心として相対回転不能に結合される第２駆動軸と、
前記ベース部材に取付けられ前記第２駆動軸に駆動可能に連係される回転用駆動源と、を備えている構成としてある。この請求項１の好ましい態様としては、請求項２〜４記載の通りとなる。
【０００８】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、第１駆動軸が第２駆動軸に対して該第１駆動軸の軸心方向に変位動可能且つ該第１駆動軸の軸心を中心として相対回転不能に結合されていることから、回転ツールにより回転動作を行うに際しては、第２駆動軸の回転を第１駆動軸に伝達することができ、仮にこのとき、回転ツールにより加圧動作を行うとしても、移動部材の移動に伴って第１駆動軸が第２駆動軸に対して相対回転不能な結合関係を維持しつつ伸縮動することになり、回転動作に支障を与えることなく加圧動作を行うことができることになる。このため、回転用駆動源が移動部材と別個にベース部材に固定されて、加圧動作に際して、移動するものが、移動部材と第１駆動軸だけとなることから、格段に重量の軽減を図ることができることになり、どのような姿勢で加圧動作を行おうとも、安定した加圧力制御を行うことができることになる。
【０００９】
請求項２に記載された発明によれば、移動部材に、第１駆動軸を包み込みつつ該第１駆動軸の加圧側端面付近まで延びる円筒部が備えられ、その円筒部の延び端部がベース部材に軸受けを介して該円筒部の軸心方向に変位動可能に支持されていることから、回転ツールの回転振れの原因となるおそれのある移動部材の撓みを、その回転ツールの近くで規制することになり、効果的に回転ツールの振れを抑制できることになる。
【００１０】
請求項３に記載された発明によれば、回転ツールと受け具とを備えて、摩擦撹拌接合を的確に行うことができることになる。
【００１１】
請求項４に記載された発明によれば、ロボット先端に取付けられて、姿勢が変更される機会が多い場合でも、前記請求項１，２等の作用効果を的確に得ることができることになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置Ａの概略構成を示しており、この接合装置Ａは、例えば自動車ボディ等に用いられるアルミニウム合金等からなるアルミニウム板同士、或いはアルミニウム板と鋼板等を複数のワークとして、その両板面を重ねた状態で接合するために用いられる。この接合装置Ａは、ロボット２と、そのロボット２の手首に取付けられる接合ガン１と、それらを制御する制御盤３とを備えている。
【００１３】
前記ロボット２としては、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットが用いられる。このロボット２は、接合ガン１を、ワーク同士の接合位置に位置づける機能を有している。
【００１４】
前記接合ガン１は、図２、図３に示すように、フレーム７と、接合ユニット８とを有している。フレーム７は、取付け部７ａと、アーム部７ｂとを備えている。取付け部７ａの側面には、接合ユニット８が取付けられ、その取付け部７ａの上面にはロボット２の手首に取付けるためのロボット取付け部９が設けられている。アーム部７ｂは、略Ｌ字状に形成されており、その一端側が取付け部７ａの下端部に取付けられている一方、他端側は、接合ユニット８の配置側へと延びており、その他端側の先端部には、接合用工具６の一つとして、ワーク接合部を受け止めるための受け具５が設けられている。
【００１５】
上記接合ユニット８は、図２，図３に示すように、加圧動作と回転動作とにより摩擦撹拌接合を行えるようにすべく、駆動機構４１と、加圧用駆動源としての加圧軸モータ１２と、回転用駆動源としての回転軸モータ１１と、回転ツール４とを備えている。先ず、駆動機構４１について説明する。駆動機構４１は、図２〜図５に示すように、偏平な状態とされて延びるケース４２（ベース部材の一要素）を備えている。ケース４２は、その延び方向（図５中、上下方向）一端側（図５中、上側）において開口４３を有し、その開口４３周縁部にフランジ部４４が設けられている一方、ケース４２の延び方向他端側（図５中、下側）は、ケース４２端面における長手方向一方側（図５中、右側）よりも長手方向他方側（図５中、左側）において、突出されて、円筒状の突出部４５が形成されている。このケース４２は、ケース４２端面の長手方向を前記アーム部７ｂの他端側の突出方向に向けつつ、そのケース４２端面の長手方向一方側の側面が取付け部７ａに取付けられている。
【００１６】
前記ケース４２内には、図５に示すように、ケース４２端面の長手方向一方側において、ねじ軸４６がケース４２の延び方向に延びるように配設されている。このねじ軸４６は、その一端側がケース４２の延び方向一端側における開口４３を介して外部に突出している一方、ねじ軸４６の他端側は、ケース４２の延び方向他端側において、ケース４２端面の長手方向他方側部分に、回転可能に支持されている。
【００１７】
前記ケース４２内には、図５に示すように、移動部材４８が配設されている。この移動部材４８は、螺合部４９と、連結部５０と、円筒部５１とを一体的に備えている。螺合部４９は、前記ねじ軸４６に螺合されて該ねじ軸４６の軸心を中心とした回転により該ねじ軸４６の軸心方向に変位動可能とされ、連結部５０は、螺合部４９からケース４２端面の長手方向他方側に延びることになっている。円筒部５１は、ケース４２端面の長手方向他方側において、ケース４２の延び方向に延びるようにしてケース４２内に配設されており、その円筒部５１の延び方向一端側が連結部５０の先端部に連結されている。この円筒部５１の延び方向一端側は、その延び方向他端側に比して拡径されて、その内部にやや大きめの収納空間５２が確保されており、その収納空間５２には、円筒部５１の延び方向他端側開口側において軸受け５３が取付けられている。このため、収納空間５２には、軸受け５３内の第１空間５４と該第１空間５４よりも円筒部５１の軸心方向内方側において該第１空間５４よりも拡径された第２空間５５とが形成されている。円筒部５１の延び方向他端側は、突出部４５内を貫通して外部に突出されており、その円筒部５１の延び方向他端側外周は、軸受け５６を介してケース４２の延び方向（ねじ軸４６の軸心方向）に変位動可能に支持されている。符号５７は、突出部４５外方において、その突出部４５周縁部と円筒部５１の延び方向他端側外周との間に設けられる伸縮可能な保護カバーである。
【００１８】
前記移動部材４８の円筒部５１内には、図５に示すように、該円筒部５１の軸心方向全長に亘って第１駆動軸５８が配設されている。この第１駆動軸５８は、その一端部において、その他端部よりも拡径された中径部５９と、その中径部５９よりも拡径された大径部６０とを第１駆動軸５８の一端側から他端側に向けて順次、有している。中径部５９は、第１空間５４において、軸受け５３により第１駆動軸５８の軸心を中心として回転可能且つその第１駆動軸５８の軸心方向に変位動不能に支持され、大径部６０は、第２空間５５に位置されて、その周縁部は、軸受け５３端面に臨むことになっている。第１駆動軸５８の他端部は、円筒部５１の延び方向他端側よりもやや突出されており、その第１駆動軸５８の他端面には、図５、図６に示すように、回転ツール４を取付けるための取付け部材６１が円筒部５１の延び方向他端面を覆うようにして取付けられている。この第１駆動軸５８の他端部外周と円筒部５１の延び方向他端部内周との間には、軸受け６２が介在されており、この軸受け６２により第１駆動軸５８の他端部は円筒部５１に対してその軸心を中心として相対回転可能に支持されている。このため、第１駆動軸５８は、移動部材４８が変位動したときにその移動部材４８（円筒部５１）と一体的に移動できると共に、円筒部５１に対してその軸心を中心として相対回転できる機能を有している。また、この第１駆動軸５８には、図５に示すように、その軸心方向に延びるようにして孔６３が形成されている。この孔６３は、第１駆動軸５８の一端面から他端部近くまで延びており、その孔６３内周面には、大径部６０及び中径部５９において、スプライン結合を形成するための凹凸が形成されている。
【００１９】
前記第１駆動軸５８の孔６３内には、図５に示すように、第２駆動軸６４が挿入されている。この第２駆動軸６４には、その外周面においてスプライン結合をするための凹凸が前記第１駆動軸５８の凹凸に対応して形成されており、その凹凸が第１駆動軸５８の凹凸に嵌合されることにより、第１駆動軸５８と第２駆動軸６４とはスプライン結合、すなわち、軸心方向に伸縮動可能且つ軸心を中心として相対回転不能に結合されている。
【００２０】
前記ケース４２の延び方向一端側におけるフランジ部４４には、図４、図５、図７に示すように、モータブラケット６６（ベース部材の一要素）が取付けられている。このモータブラケット６６は、図４に示すように、ケース４２の延び方向一端側端面を覆うだけでなく、ケース４２端面の幅方向（図４中、左右方向）外方にも延びて、オーバハング状態とされており、そのオーバハング状態の部分がモータ取付け部６６ａとされている。このモータブラケット６６のうち、ケース４２の延び方向一端側端面を覆う部分に対しては、前記第２駆動軸６４及びねじ軸４６の各一端部が、該モータブラケット６６内に保持される軸受け６５、４７を介して回転可能且つ各軸心方向に変位動不能に保持されている。このため、前記第１駆動軸５８と第２駆動軸６４との伸縮動に関しては、第１駆動軸５８が第２駆動軸６４に対して移動することになっている。このねじ軸４６及び第２駆動軸６４の各一端部は、モータブラケット６６よりも外方に突出されており、そのねじ軸４６の一端部にはプーリ６７が取付けられ、第２駆動軸６４の一端部にプーリ６８が取付けられている。
【００２１】
前記加圧軸モータ１２は、図７に示すように、その出力軸１２ａ側が前記モータブラケット６６のモータ取付け部６６ａに前記ねじ軸４６に並ぶようにして取付けられている。この加圧軸モータ１２の出力軸１２ａは、モータブラケット６６を貫通して該モータブラケット６６の外方に突出されており、その出力軸１２ａには、図４、図７に示すように、プーリ６９が取付けられている。このプーリ６９と前記ねじ軸４６のプーリ６７にはベルト７０が掛け渡されており、加圧軸モータ１２の駆動力がねじ軸４６に伝達されるようになっている。この加圧軸モータ１２としては、サーボモータを用いることができる。
【００２２】
前記回転軸モータ１１は、その出力軸１１ａ側が前記モータブラケット６６のモータ取付け部６６ａに第２駆動軸６４に並ぶようにして取付けられている。この回転軸モータ１１の出力軸１１ａは、モータブラケット６６を貫通して該モータブラケット６６の外方に突出されており、この出力軸１１ａには、図４、図７に示すように、プーリ７１が取付けられている。このプーリ７１と前記第２駆動軸６４のプーリ６８にはベルト７２が掛け渡されており、回転軸モータ１１の駆動力が第２駆動軸６４に伝達されるようになっている。この回転軸モータ１１としては、インダクションモータやサーボモータが用いることができる。尚、回転軸モータ１１による第２駆動軸６４への駆動力伝達構造は、前記加圧軸モータ１２によるねじ軸４６への駆動力伝達構造と同じ構成であるため、図７を利用し、その図７において、かっこを付した符号を用いている。また、図７において、符号７３は、プーリ６７，６８，６９，７１等を覆うカバーである。
【００２３】
前記回転ツール４は、図１〜図３、図５に示すように、接合用工具の一つとして、前記第１駆動軸５８における取付け部材６１に取付けられている。この回転ツール４は、前記受け具５に対向して配置されることになっており、回転ツール４は、加圧軸モータ１２により加圧のために上記接合軸Ｘに沿って昇降動されると共に、回転軸モータ１１により接合軸Ｘを中心として回転されることになっている。これにより、回転ツール４は、受け具５と協動して、加圧動作と回転動作とにより摩擦撹拌接合を行うことになる。
【００２４】
前記制御盤３は、図１に示すように、前記ロボット２にハーネス３１を介して接続されると共に、前記接合ガン１に、ハーネス３３、中継ボックス３４、ハーネス３２を介して接続されている。この制御盤３は、ロボット２の６軸と、接合ガン１における回転軸モータ１１及び加圧軸モータ１２の２軸の合計８軸を同期制御するように構成されている。
【００２５】
このような接合装置Ａにおいては、具体的には次のような制御が行われる。
回転ツール４に加圧動作を行わせるに際しては、加圧軸モータ１２によりねじ軸４６は、所定方向に回転される。これにより、そのねじ軸４６に螺合された移動部材４８の螺合部４９は、その移動部材４８の円筒部５１がケース４２から突出する方向に移動することになり、これに伴い、第１駆動軸５８も、第２駆動軸６４に対して伸長動して、移動部材４８と一体的に動き、回転ツール４は、加圧動作を行うことになる。またこのとき、回転ツール４に回転動作をも行わせるに際しては、回転軸モータ１１により第２駆動軸６４が回転される。これにより、第２駆動軸６４の回転は、スプライン結合により第１駆動軸５８に伝達されることになり、回転ツール４は回転動作を行うことになる、
【００２６】
したがって、第１駆動軸５８が第２駆動軸６４に対してスプライン結合されていることから、回転ツール４により回転動作を行うに際しては、第２駆動軸６４の回転を第１駆動軸５８に伝達することができ、仮にこのとき、回転ツール４により加圧動作を行うとしても、移動部材４８の移動に伴って第１駆動軸５８が第２駆動軸６４に対してスプライン結合関係を維持しつつ伸縮動することになり、回転動作に支障を与えることなく加圧動作を行うことができることになる。このため、回転軸モータ１１が移動部材４８と別個にモータブラケット６６に固定されて、加圧動作に際しては、移動するものが、移動部材４８と第１駆動軸５８だけとなることから、格段に重量の軽減が図られることになる。このため、接合ガン１がどのような姿勢で加圧動作を行おうとも、安定した加圧力制御を行うことができることになる。
【００２７】
また、突出部４５内の軸受け５６が移動部材４８の円筒部５１の他端部を支持していることから、回転ツール４の回転振れの原因となるおそれのある移動部材４８の撓み（螺合部４９を支点とした連結部５０及び円筒部５１の撓み）を、その回転ツール４の近くで規制することになり、効果的に回転ツール４の振れを抑制できることになる。
【００２８】
図８は第２実施形態、図９は第３実施形態、図１０は第４実施形態を示す。この各実施形態において、前記第１実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００２９】
図８に示す第２実施形態においては、接合ユニット８を定置式手動接合装置として適用したものが示されている。この装置においては、下部取付け部材７５に受け具５が固定され、上部取付け部材７６に、受け具５の上方において、前記接合ユニット８が固定されている。このものによれば、作業者が接合を行うべき任意の位置となるようにワークを移動し、起動スイッチ７７を押すことにより、回転ツール４の加圧動作と回転動作とに基づき、回転ツール４と受け具５とは、協働して摩擦撹拌接合を行うことになる。
【００３０】
図９に示す第３実施形態は、複数の前記接合ユニット８を用いた定置式自動接合装置を示したものである。この装置においては、下部取付け部材７５に、複数の打点（接合部）を考慮して、その各打点毎に受け具５が設けられ、上部取付け部材（図示略）に、各打点毎に接合ユニット８が取付けられている。これによれば、接合すべきワークＷ１、Ｗ２を、人間、自動搬送機、ロボット等を用いて装置内の位置決めユニットに投入し、その後、上記各接合ユニット８と各受け具５とにより摩擦撹拌接合が行われることになる。この場合、装置内に固定された接合ユニット８にシフト機構を設け、各打点間の移動を行いながら接合を行ってもよい。
【００３１】
図１０に示す第４実施形態は、前記接合ガン１の軽量化を生かし、該接合ガン１を、移動レール７８からバランサー７９、吊り金具８０を介して吊り下げたものである。この接合ガン１は、バランサー７９と吊り金具８０とによって任意の姿勢をとることができ、作業者は、接合ガン１を把持して、位置決め具（図示略）内にセットされたワークに対して、各打点毎の作業姿勢を作って摩擦撹拌接合を行うことになる。尚、符号８１は起動スイッチ、８２は制御ハーネスである。
【００３２】
尚、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましい或いは利点として載されたものに対応したものを提供することをも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る接合装置の概略構成を示す図。
【図２】第１実施形態に係る接合ガンを示す図。
【図３】図２の左側面図。
【図４】ケース、駆動機構等を上方から見た平面図。
【図５】図４のＣ−Ｃ線部分断面図。
【図６】図５を下方から見た図。
【図７】図４のＤ−Ｄ線断面図。
【図８】第２実施形態を示す説明図。
【図９】第３実施形態を示す説明図。
【図１０】第４実施形態を示す説明図。
【符号の説明】
１ 接合ガン
２ ロボット
４ 回転ツール
５ 受け具
６ 接合用工具
１１ 回転軸モータ
１２ 加圧軸モータ
４２ ケース（ベース部材）
４６ ねじ軸
４８ 移動部材
５１ 円筒部
５６ 軸受け
５８ 第１駆動軸
６１ 取付け部材
６４ 第２駆動軸
６６ モータブラケット（ベース部材）
Ａ 接合装置

Claims (4)

1. 重ねられた複数の板状のワークのうち、該ワークの重ね方向一方側における一方のワークに対して回転ツールを当接させて、該重ねられたワークに対して、該ワークの重ね方向に向けて加圧力を付与すると共に該加圧力の加圧方向を中心とした回転に基づく摩擦熱を付与する摩擦撹拌接合装置において、
   ベース部材と、
   前記ベース部材に回転可能に取付けられると共に回転駆動力を付与する加圧用駆動源に駆動可能に連係されるねじ軸と、
   前記ねじ軸に螺合されて該ねじ軸の回転に伴い前記回転ツールの加圧、加圧解除方向に変位動可能とされる移動部材と、
   前記移動部材に該移動部材の変位動方向に軸心方向を向けつつ該軸心を中心として相対回転可能且つ該移動部材の変位動方向に相対変位動不能に支持され、加圧側端面に前記回転ツールが取付けられる第１駆動軸と、
   前記第１駆動軸に該第１駆動軸の軸心方向に変位動可能且つ該第１駆動軸の軸心を中心として相対回転不能に結合される第２駆動軸と、
   前記ベース部材に取付けられ前記第２駆動軸に駆動可能に連係される回転用駆動源と、を備えている、
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 請求項１おいて、
   前記移動部材に、前記第１駆動軸を包み込みつつ該第１駆動軸の加圧側端面付近まで延びる円筒部が備えられ、
   前記円筒部の延び端部が前記ベース部材に軸受けを介して該円筒部の軸心方向に変位動可能に支持されている、
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
3. 請求項１おいて、
   前記ベース部材に、前記回転ツールと協働して複数の板状のワークを加圧する受け具が前記回転ツールに対向した状態で取付けられている、
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
4. 請求項３において、
   ロボット先端に取付けられるロボット用である、
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。

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