JP2010188367A - 摩擦撹拌接合のツール挿入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合工程のサイクルタイムを増加させることなくツールのピンの破損を検出することができる摩擦撹拌接合のツール挿入方法を提供する。
【解決手段】摩擦撹拌接合の挿入方法は、ショルダ３８とショルダ３８から突出するピン４０とを有するツール３４を回転させた状態で接合対象物２０と離れた位置からピン４０の突出方向に移動させる移動ステップ（ステップＳ２）と、そのツール３４に生じる負荷を検出する負荷検出ステップと（ステップＳ３〜Ｓ５）、移動ステップで移動したツール３４の移動量を測定する測定ステップ（ステップ６）と、負荷検出ステップで検出された負荷と測定ステップで測定された移動量とに基づいてピン４０が破損しているか否かを判定する破損判定ステップ（ステップＳ７及びＳ１２）と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、接合対象物へのツール挿入時にツールのピンの破損を検出する摩擦撹拌接合のツール挿入方法に関する。

摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）は、ツールのショルダの挿入量を一定にすることで安定した品質を得ることができる。そのため、ツールを回転させる主軸モータのトルク負荷（または電流値）とツール挿入量が比例することを利用し、トルク負荷が一定になるようにツール位置を移動させて所定の挿入量を得る方法が提案されている（特許文献１参照）。これにより、被接合ワークの高さにバラツキがあった場合においても、既定の挿入量を得ることができる。

また、工作機械における加工で使用される工具の異常状態を検出する方法として、加工中の主軸及び送り軸のモータのトルク負荷（または電流値）をモニタリングし、規定の閾値と比較することで工具の異常を検出する方法が提案されている（特許文献２参照）。

このトルク負荷から工具の異常を検出する他の方法として、精度良く工具破損を検出するために、稼働軸以外のトルクを測定し工具破損を検出する方法（特許文献３参照）、加工トルク値を併せて測定し、測定波形の演算処理を行い、工具破損を検出する方法（特許文献４参照）などもある。

これら工具の異常検出方法とは別に、非接触式センサを利用して工具長の検出を行い、工具破損を検出する方法も示されている（特許文献５参照）。

特開２００３−８０３８０号公報 特開２００１−７９７３４号公報 特開平８−１７４３８３号公報 特開２００３−３４０６８６号公報 特開昭６３−２３７８０５号公報

特許文献１に示したように、通常の摩擦撹拌接合では、接合中に主軸モータの負荷が一定（例えば、負荷率が６８〜７１％）になるようにツールの被接合材への挿入量が制御されるので、特許文献２〜４に記載されている工具の異常状態を検出する方法を摩擦撹拌接合に適用することは困難である。また、レーザ等を利用して工具破損を検出する方法を摩擦撹拌接合に適用した場合には、実際の接合工程とは別にツールを測定する工程が必要になる。これにより、サイクルタイムの増加やセンサの追加による設備コストの増加が懸念される。

そこで、本発明は、接合工程のサイクルタイムを増加させることなくツールのピンの破損を検出することができる摩擦撹拌接合のツール挿入方法を提供することを目的とする。

本発明の摩擦撹拌接合のツール挿入方法は、ショルダと前記ショルダから突出するピンとを有するツールを回転させた状態で接合対象物と離れた位置から前記ピンの突出方向に移動させる移動ステップと、前記ツールに生じる負荷を検出する負荷検出ステップと、前記移動ステップで移動した前記ツールの移動量を測定する測定ステップと、前記負荷検出ステップで検出された負荷と前記測定ステップで測定された移動量とに基づいて前記ピンが破損しているか否かを判定する破損判定ステップと、を備えることにより、上述した課題を解決する。

接合対象物へのツール挿入開始時において、正常状態（ピンが破損していない状態）のツールと接合対象物との間の距離をＸ、破損状態のツールと接合対象物との間の距離をＹとした場合、距離Ｙが距離Ｘよりも大きくなる。正常状態では距離Ｘだけ移動した時から、破損状態では距離Ｙだけ移動した時から、ツールに生じる負荷が増加し始める。つまり、破損状態では、距離Ｘだけ移動した際にツールが接合対象物に未だ接触していないので、ツールに生じる負荷は増加しない。本発明の摩擦撹拌接合のツール挿入方法によれば、ツールに生じる負荷とツールの移動量との間に上述したような関係があることを利用して、ツールに生じる負荷とツールの移動量とに基づいてピンの破損の有無を判定している。よって、接合対象物へのツールの挿入（移動）とピンの破損の判定とを同時に行うことができる。これにより、ピンの破損を判定するための工程を新たに設ける必要が無い。従って、接合工程のサイクルタイムを増加させることなくツールのピンの破損を検出することができる。

本発明の挿入方法の一形態において、前記破損判定ステップにおいて、前記ピンが破損していないと判定された場合に、判定された時に位置する前記ピンの端面を基準に前記ツールを前記ピンの突出方向に所定量移動させる挿入ステップをさらに備えてもよい。

通常の摩擦撹拌接合では、ツールの挿入工程において、接合対象物へのツールの挿入量はツールに生じる負荷に基づいて調整されている。この形態では、ピンが破損していないと判定された時に位置するピンの挿入量はツールに生じる負荷で知ることができる。これにより、その位置から狙い挿入位置までどの程度の距離だけツールを移動させればよいか容易に知ることができる。よって、ピンの端面を基準にツールをピンの突出方向に所定量移動させるだけで狙い挿入量を得ることができる。従って、ツールの挿入動作の制御を容易に行うことができる。

本発明の挿入方法の一形態では、前記破損判定ステップにおいて、前記ピンが破損していると判定された場合に、前記ツールの前記ピンの突出方向の移動を停止する移動停止ステップを備えてもよい。この形態によれば、ピンが破損している場合にツールの移動が停止される。これにより、ピンが破損したツールで接合を行う懸念を排除することができる。よって、次工程への不良品流出を防止することができる。

本発明の挿入方法の一形態では、前記破損判定ステップにおいて、前記ピンが破損していると判定された場合に、オペレータに対して所定の破損情報を出力する出力ステップを備えてもよい。この形態によれば、ピンが破損したことをオペレータに知らせることができる。これにより、ツール交換を効率的に行うことができる。

以上説明したように、本発明の摩擦撹拌接合の挿入方法によれば、ツールに生じる負荷とツールの移動量とに基づいてピンの破損の有無を判定している。これにより、接合対象物へのツールの挿入（移動）とピンの破損の判定とを同時に行うことができる。よって、ピンの破損を判定するための工程を新たに設ける必要が無い。従って、接合工程のサイクルタイムを増加させることなくツールのピンの破損を検出することができる。

第１の実施の形態に係る挿入方法を適用した摩擦撹拌接合装置の要部を示す図である。 ツールの判定位置を示すための図である。 ツールの挿入完了位置を示すための図である。 第１の実施の形態に係る制御ルーチンを示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明に係るツール挿入方法を摩擦撹拌接合装置に適用した実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。

先ず、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１０（接合装置と記す）は、ショルダとショルダから突出するピンとを有するツールを回転させた状態で接合対象物と離れた位置からピンの突出方向に移動させてツールを接合対象物に挿入し、挿入完了後にツールを接合対象物に押し付けた状態で接合対象物と相対的に移動させることにより、接合対象物を接合することを行う。

そして、本形態の接合装置１０は、図１に示すように、テーブル１２と、装置本体１４と、第１駆動モータ１５と、制御系１６と、表示部１８とを有する。

テーブル１２の上面には接合対象物２０が配置される。接合対象物２０としては、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタニウム、チタニウム合金、銅、銅合金、鉄、鋼等が用いられる。

装置本体１４は、第１駆動モータ１５によってテーブル１２に対して平行移動する。装置本体１４は、ヘッド部２４と、ヘッド移動機構２６と、第２駆動モータ２８と、負荷検出部３０と、測定部３２とを備えている。

ヘッド部２４は、接合対象物２０との間に摩擦熱を生じさせることができる。ヘッド部２４には、ツール３４と、主軸モータ３６とが設けられている。ツール３４は、主軸モータ３６によって回転され、回転した状態で接合対象物２０に挿入される。また、ツール３４は、円柱状に形成されたショルダ３８と、ショルダ３８から突出するピン４０とを有する。ショルダ３８は、その径がピン４０の径よりも大きく形成されている。ピン４０はショルダ３８と同軸に設けられている。但し、ピン４０は、その軸線がショルダ３８の軸線とオフセットしていてもよい。また、図示していないが、ピン４０の外周面には、ツール３４の回転方向に対して逆ネジが切り込まれている。これにより、塑性流動を接合対象物２０の下方に向けて起こすことができ、接合の品質が向上する。

ヘッド移動機構２６は、第２駆動モータ２８によってピン４０の突出方向にヘッド部２４を移動する。ヘッド移動機構２６としては、例えば、送りネジ機構を用いることができる。

負荷検出部３０は、主軸モータ３６に生じる負荷に対応した信号を出力する。負荷検出部３０は、電流センサ４２と、変換部４４と、Ａ／Ｄコンバータ４６を備えている。電流センサ４２は、主軸モータ３６に流れるアナログ電流を検出する。変換部４４は、電流センサ４２で検出されたアナログ電流（検出電流）をアナログ電圧（検出電圧）に変換する。Ａ／Ｄコンバータ４６は、変換部４４にて変換された検出電圧をデジタル電圧（検出データ）に変換する。通常、検出データは主軸モータ３６に生じる負荷に比例する。そのため、負荷検出部３０は、検出データに基づいて主軸モータ３６に生じる負荷を推定することができる。

測定部３２は、第２駆動モータ２８によって移動するツール３４の移動量を測定する。測定部３２としては、ツール３４の移動量に対応した信号を出力する測定センサが用いられる。

制御系１６は、第１制御部４８と、第２制御部５０と、切替部５２とを備えている。第１制御部４８は、第２駆動モータ２８を制御する。第２制御部５０は、主軸モータ３６と、第１駆動モータ１５と、第２駆動モータ２８とを制御する。また、切替部５２は、第１制御部４８が第２駆動モータ２８を制御する第１モードと第２制御部５０が第２駆動モータ２８を制御する第２モードとを切り替える。

第１制御部４８には、破損判定部５４と、移動制御部５６と、出力部５８とが設けられている。破損判定部５４は、負荷検出部３０からの出力信号を参照して取得される負荷（検出負荷）と測定部３２からの出力信号を参照して取得される移動量（測定移動量）とに基づいてピン４０が破損しているか否かを判定する。また、破損判定部５４は、第１記憶部６０と、負荷判定部６２と、移動距離判定部６４とを有している。第１記憶部６０には、ピン４０の破損を判定するために必要な判定用データが予め定められて記憶されている。判定用データは、移動距離データ、負荷データ等が利用される。移動距離データとしては、ツール３４の初期位置（図１のツール３４の位置）から判定位置（図２において実線で示されたツール３４の位置）までのツール３４の移動距離に対応するデータが用いられる。ツール３４の初期位置は、接合対象物２０から幾らか離れた位置に設定されている。ツール３４の判定位置は、ピン４０が正常状態（破損していない状態）の場合に、ピン４０の一部が接合対象物２０に挿入された状態のツール３４の位置に設定されている。但し、ピン４０の端面が接合対象物２０の表面に接触する位置をツール３４の判定位置としてもよい。負荷データとしては、ツール３４の判定位置の検出負荷に対応するデータが用いられる。負荷判定部６２は、検出負荷が負荷データ以上であるか否かを判定する。移動距離判定部６４は、測定移動量が移動距離データ以上であるか否かを判定する。移動制御部５６は、ツール３４の初期位置から判定位置までのツール３４の移動を制御する。出力部５８は、破損判定部５４の判定結果の情報を表示部１８に出力する。

第２制御部５０には、挿入制御部６６と、第２記憶部６８と、演算部７０とが設けられている。挿入制御部６６は、判定位置のピン４０の端面を基準にツールをピンの突出方向に所定量移動させる。所定量Ｌ１は、ピン４０が正常状態の場合におけるツール３４の判定位置から挿入完了位置（図２において二点鎖線で示されたツール３４の位置、又は図３のツール３４の位置）までのツール３４の移動距離であり、演算部７０で算出される（図２参照）。挿入完了位置は、ピン４０の全体及びショルダ３８の一部が接合対象物２０に挿入された時のツール３４の位置に設定されている。そのツール３４の移動距離は、ツール３４の判定位置における接合対象物２０へのピン４０の挿入量Ｌ２とピン４０の長さ（ショルダ３４からのピン４０の突出量）とに基づいて算出される。なお、ピン４０の挿入量Ｌ２は、検出負荷によって算出される。第２記憶部６８は、所定量を求めるために必要なデータと、接合対象物２０の材質とツール３４の回転数との関係を記述したマップデータとを記憶する。

（第１制御ルーチン）
次に、本実施の形態に係る第１の制御ルーチン（第１制御ルーチンと記す）について、図４も参照しながら説明する。

先ず、第２制御部５０は、例えばオペレータによるツール３４の挿入開始の入力に基づいてツール３４が回転するように主軸モータ３６を制御する（図４のステップＳ１）。具体的には、第２制御部５０は、接合対象物２０の材質データに対応するツール３４の回転数を第２記憶部６８に記憶されているマップデータから取得し、そのツール３４の回転数でツール３４が回転するように主軸モータ３６を制御する。

また、移動制御部５６は、ツール３４が初期位置からピン４０の突出方向に移動するように第２駆動モータ２８を制御する（ステップＳ２）。

このとき、電流センサ４２は、主軸モータ３６に流れるアナログ電流を検出する（ステップＳ３）。そして、検出電流に基づいて検出負荷Ｖａが求められる。

一方、測定部３２は、初期位置からのツール３４の移動量Ｌａを測定する（ステップＳ４）。移動量Ｌａは、測定移動量を参照して取得される。

負荷判定部６２は、検出負荷Ｖａが負荷データＶｐ以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。負荷データＶｐは、第１記憶部６０を参照して取得される。具体的には、破損判定部５４は、検出負荷Ｖａが負荷データＶｐ以上であると判定（肯定判定）された場合に、ピン４０が正常状態であると判定し、検出負荷Ｖａが負荷データＶｐよりも小さいと判定（否定判定）された場合に、ツール３４が判定位置にまだ達していないと判定する。第１制御ルーチンは、肯定判定された時にステップＳ６に、否定判定された時にステップＳ１０にそれぞれ進む。

ステップＳ５において肯定判定された場合、出力部５８は、ピン４０が正常状態であるという情報を表示部１８に出力する（ステップＳ６）。

また、切替部５２は、第１モードから第２モードに切り替える（ステップＳ７）。

挿入制御部６６は、切替部５２の切り替え処理終了に基づいてツール３４がピン４０の突出方向に所定量移動するように第２駆動モータ２８を制御する（ステップＳ８）。所定量は、演算部７０で計算された値を参照して取得される。

その後、第２制御部５０は、装置本体１４がテーブル１２の上面に対して平行方向に移動するように第１駆動モータ１５を制御する（ステップＳ９）。この処理終了後、摩擦撹拌接合の通常の接合動作が終了する。

ステップＳ５において否定判定された場合、移動距離判定部６４は、移動量Ｌａが移動距離データＬp以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。移動距離データＬpは、第１記憶部６０を参照して取得される。破損判定部５４は、移動量Ｌaが移動距離データＬp以上であると判定（肯定判定）された場合に、ピン４０が破損していると判定し、移動量Ｌaが移動距離データＬpよりも小さいと判定（否定判定）された場合に、ツール３４が判定位置にまだ達していないと判定する。この第１制御ルーチンでは、肯定判定された時にステップＳ１１に進み、否定判定された時にステップＳ５で肯定判定されるかステップＳ１０で肯定判定されるまでステップＳ３〜Ｓ５までの処理を繰り返し実行する。

ステップＳ１０において肯定判定された場合、移動制御部５６は、ツール３４の移動が停止されるように第２駆動モータ２８を制御する（ステップＳ１１）。

また、出力部５８は、ピン４０が破損しているという情報を表示部１８に出力する（ステップＳ１２）。

ステップＳ９での処理又はステップＳ１２での処理が終了した段階で、第１制御ルーチンは終了する。なお、第１制御ルーチンにおいて、ステップＳ１０の処理からステップＳ３〜Ｓ５の処理までは所定の周期で繰り返し実行されている。

以上の形態においては、ステップＳ２の処理が移動ステップに、ステップＳ３の処理が負荷検出ステップに、ステップＳ４の処理が測定ステップに、ステップＳ５及びステップＳ１０の処理の組み合わせが破損判定ステップに、ステップＳ８の処理が挿入ステップに、ステップＳ１１の処理が移動停止ステップに、Ｓ１２の処理が出力ステップにそれぞれ相当する。

本形態の第１制御ルーチンでは、ツール３４の移動量と検出負荷とに基づいてピン４０の破損の有無を判定している。これにより、ピン４０の破損を判定するための工程を新たに設ける必要がない。従って、接合工程（第１制御ルーチンのステップＳ１〜ステップＳ９までの処理）のサイクルタイムを増加させることなくツール３４のピン４０の破損を検出することができる。

また、第１制御ルーチンでは、ピン４０が正常状態である場合に、演算部７０で計算された所定量に基づいてツール３４をピン４０の突出方向に所定量移動させている。これにより、検出負荷に基づいて判定位置から挿入完了位置までツール３４を挿入させる場合よりも簡単な制御でツール３４の狙い挿入量を得ることができる。さらに、ピン４０が破損している場合にツール３４の移動を停止するので、ピン４０が破損したツール３４で接合を行う懸念を排除することができる。これにより、次工程への不良品流出を防止することができる。また、第１制御ルーチンでは、破損情報を表示部１８に出力しているので、ピン４０が破損したことをオペレータに知らせてツール交換を効率的に行うことができる。

（第２制御ルーチン）
次に、本実施の形態に係る第２の制御ルーチン（以下、第２制御ルーチンと記す）について図５を参照しながら説明する。なお、第１制御ルーチンと重複する第２制御ルーチンのステップに係る説明は省略する。また、本形態では、第２制御ルーチンのステップＳ１０１〜Ｓ１１２が第１制御ルーチンのステップＳ１〜Ｓ１２にそれぞれ対応している。

第２制御ルーチンでは、ステップＳ１０４とステップＳ１０５との間にステップＳ１１０が設けられている。そのため、第２制御ルーチンは、ステップＳ１０５において否定判定された時にステップＳ１１０に進む。これにより、ツール３４が判定位置に達するまではステップＳ１０５の処理が行われない。つまり、ツール３４が判定位置に移動するまで検出負荷と負荷データとを比較する必要がない。従って、ピン４０の破損状態の判定をシンプルな制御で行うことができる。

本発明は、上記の実施の形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。例えば、出力部は、破損判定部にてピンが破損されていると判定された場合のみ表示部に破損情報を出力してもよい。これにより、第１制御ルーチンにおいてはステップＳ６を、第２制御ルーチンにおいてはステップＳ１０６をそれぞれ省略することができる。また、移動制御部は、破損判定部にてピンが破損さていると判定された場合に、ピンの突出方向へのツールの移動を停止しないように設定してもよい。これにより、第１制御ルーチンにおいてはステップＳ１１を第２制御ルーチンにおいてはステップＳ１１１を省略することができる。また、これらステップを省略してもツールの破損情報はオペレータに報知される。従って、その報知された破損情報に基づいてオペレータが手動でツールの移動を停止すれば、次工程への不良品流出を防止することもできる。また、上述した実施の形態では、装置本体の平行移動を第１駆動モータで、ヘッド部の移動を第２駆動モータで行っているが、装置本体及びヘッド部を自走式に設定してもよい。

１０…摩擦撹拌接合装置
１４…装置本体
１８…表示部
２０…接合対象物
３０…負荷検出部
３２…測定部
３４…ツール
３８…ショルダ
４０…ピン
４８…第１制御部
５０…第２制御部
５４…破損判定部
５６…移動制御部
５８…出力部
６６…挿入制御部

Claims (4)

1. ショルダと前記ショルダから突出するピンとを有するツールを回転させた状態で接合対象物と離れた位置から前記ピンの突出方向に移動させる移動ステップと、
   前記ツールに生じる負荷を検出する負荷検出ステップと、
   前記移動ステップで移動した前記ツールの移動量を測定する測定ステップと、
   前記負荷検出ステップで検出された負荷と前記測定ステップで測定された移動量とに基づいて前記ピンが破損しているか否かを判定する破損判定ステップと、を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合のツール挿入方法。
2. 請求項１記載の摩擦撹拌接合のツール挿入方法において、
   前記破損判定ステップにおいて、前記ピンが破損していないと判定された場合に、判定された時に位置する前記ピンの端面を基準に前記ツールを前記ピンの突出方向に所定量移動させる挿入ステップをさらに備えることを特徴とする摩擦撹拌接合のツール挿入方法。
3. 請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合のツール挿入方法において、
   前記破損判定ステップにおいて、前記ピンが破損していると判定された場合に、前記ツールの前記ピンの突出方向の移動を停止する移動停止ステップを備えることを特徴とする摩擦撹拌接合のツール挿入方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合のツール挿入方法において、
   前記破損判定ステップにおいて、前記ピンが破損していると判定された場合に、オペレータに対して所定の破損情報を出力する出力ステップを備えることを特徴とする摩耗撹拌接合のツール挿入方法。

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