JP2014193485A - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合ツールをワークに対して押し付ける動作と、接合ツールをワーク表面に沿う方向に移動させる横引き動作を行う摩擦攪拌接合装置について、前記動作両動作を一つの駆動軸で行うことで、装置全体の簡略化及びコストダウンを図る。
【解決手段】接合ツールを先端に備えるスピンドルと、前記スピンドルを回転駆動する旋回モータとを備えた傾斜テーブルが支点を中心に回転可能に連結支持され、前記傾斜テーブルはボールねじ駆動機構と直動案内装置、又は、ボールねじ一体型直動案内ユニットにより、接合ツールの押し込み動作方向に案内され、前記傾斜テーブルは、接合ツールの押し込み動作方向の移動に伴い、押し込み動作の方向に対する傾斜角度を変化させる傾斜姿勢案内機構を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合ツールをワークの表面に押し付けつつ回転させることにより、接合ツールとワークの接触点に摩擦熱を発生させて、該接触点の周囲のワークを軟化させ、軟化したワークの内部に接合ツールの先端を入り込ませてワークを接合する摩擦攪拌接合装置に関する。

従来の摩擦攪拌接合の方法として、図７（ａ）に示すような方法がある。これは接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、接合ツールとワークの接触点に摩擦熱を発生させて接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、接合ツールをワークに没入させ、没入後、ワーク表面に沿って横引き動作をするものである。

上記摩擦攪拌接合に関する先行技術としては、特許文献１〜５に示すように、接合ツールの押し込み動作を行う為の加圧軸と、接合ツールの横引き動作を行う為の駆動軸とが、独立した駆動源より構成されたものがある。

また、特許文献６には、接合ツールに対して、ワークをワーク表面に沿って移動させる駆動軸を有する発明が開示されている。また、特許文献７には、アームロボットを用いてワークの表面に沿って接合ツールを移動させ、ワークを線状に接合する発明が開示されている。

特許２７９２２３３号公報 特開平１１−１７９５６８号公報 特開２００２−００１５５１号公報 特開２００４−１７１２８号公報 特開２００４−１４１８９８号公報 特開２００５−３１３２２７号公報 特許３７３３３５０号公報

しかしながら、特許文献１〜６に示された発明では、接合ツールをワークに押し当てる加圧軸と、接合ツールをワーク表面に沿って横引き動作させる駆動軸とを、それぞれ独立して備えなければならず、摩擦攪拌接合装置のコストアップの要因となることが懸念される。

また、特許文献７に記載の発明では、ワークを接合ツールの加圧力に対して支える裏当てもワークに対して移動させる為、ワークと裏当てが擦れてしまい、ワーク表面に傷をつける虞がある。また、裏当てを有しない場合には、接合ツールの加圧力でワークが逃げてしまうため、より加圧力を上げなければならず、ロボットに過大な負荷が掛かる虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転させた接合ツールをワークに押し当て、没入させる押し込み動作と、ワーク表面に沿って横引き動作を行う摩擦攪拌接合装置について、接合ツールの押し込み動作と、横引き動作を一つの駆動源によって行うことのできる摩擦攪拌接合装置を提供することである。

前述した目的は、以下の態様により達成される。
（１） 接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、前記接合ツールと前記ワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それにより前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作と、前記接合ツールを前記ワークの表面方向に移動させる横引き動作とを行うことで前記ワークを線状に接合する摩擦攪拌接合装置において、
接合ツールを先端に備えるスピンドルと、前記スピンドルを回転駆動する旋回モータとを備えた傾斜テーブルが支点を中心に回転可能に連結支持され、前記傾斜テーブルはボールねじ駆動機構と直動案内装置、又は、ボールねじ一体型直動ユニットにより、接合ツールの押し込み動作方向に案内され、前記傾斜テーブルは、接合ツールの押し込み動作方向の移動に伴い、押し込み動作の方向に対する傾斜角度を変化させる傾斜姿勢案内機構を有することを特徴とする。
（２） （１）に記載の摩擦攪拌接合装置において、
接合ツールの押し込み動作に伴う傾斜テーブルの傾斜角度変化の運動方向が、接合ツールの押し込み動作による傾斜テーブルの支点周りモーメント荷重と同じ方向であることを特徴とする。
（３） （１）、（２）に記載の摩擦攪拌接合装置において、
接合ツールの押し込み動作に対してワークを支える裏当てを有すると共に、裏当ては接合ツールの押し込み方向位置の調整機構を有することを特徴とする。
（４） （１）乃至（３）の何れかに記載の摩擦攪拌接合装置において、
摩擦攪拌接合装置はアームロボット先端に取り付けされており、ワークに押し込まれた接合ツールを引き抜く際、ワークの法線方向に接合ツールを引き抜く様にアームロボットの動作を接合ツールに動きに同期させることを特徴とする。
（５）（１）乃至（４）の何れかに記載の摩擦攪拌接合装置において、
接合ツールをワークに押し込むときとワークから接合ツールを引き抜くときの接合ツールの軌跡が異なることを特徴とする。

上記に記載の発明によれば、横引き動作を行う摩擦攪拌接合装置において、横引き動作のための駆動源を省略することが出来、摩擦攪拌接合装置の小型化及び軽量化が可能であり、それに伴い装置のコストを抑えることができる。また、摩擦攪拌接合装置単体で横引き動作を行う為、裏当てがワークに対して擦れることがなく、ワークと裏当てとの接触部に傷を生じるのを抑えることができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第１の実施態様を示す図である。 図１の摩擦攪拌接合装置の接合ツールの動作軌跡を示す図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第２の実施態様を示す図である。 図３の摩擦攪拌接合装置に用いられるボールねじ一体型直動ユニットの断面図を示す図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の他の実施態様を示す図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置のさらに他の実施態様を示す図である。 摩擦攪拌接合装置の接合ツールの動作形態を示す図である。

以下に、本発明の実施形態の摩擦攪拌接合装置について、図に基づいて説明する。
図１、図２は本発明による摩擦攪拌接合装置の第１の実施形態を示すものである。本実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ１は、摩擦攪拌接合のための接合ツール１をワークＷ（図１参照）に接近、離間させる駆動軸２０と、接合ツールを回転させる旋回軸３０と、Ｃ字形のアーム４０と、裏当て５０と、を備えている。

Ｃ字形アーム４０は、図１に記載される直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部４０ａからＸ方向に延びる胴部４０ｂを経て曲がり部を介して先端部４０ｃに至るＣ字形をなしており、基端部４０ａと胴部４０ｂと先端部４０ｃとがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、先端部４０ｃの内側に裏当て５０が設けられている。なお、先端部４０ｃと裏当て部の間に荷重検知器５１を設けても良い。これにより、ワークＷに対して接合ツール１を押し込む荷重を測定し、制御することで、安定した接合を行うことが可能である。また、先端部４０ｃと裏当て５０の間に、図示しないＸ軸方向位置の調整機構を設けても良い。これにより、ワークＷの厚さを変更した場合に、接合ツール１の位置に手を加えず、裏当て５０のＸ方向位置の調整のみで対応が可能である。

駆動軸２０は、ベースプレート２１上に取り付けられた直動案内装置２２を介して傾斜テーブル２４を図１のＸ方向に案内可能に支持すると共に、ボールねじ駆動機構２３により、傾斜テーブル２４を前記Ｘ方向に位置決めする。ベースプレート２１には、直動案内装置２２と、ボールねじ駆動機構２３の他に、Ｃ字形アーム４０の基端部４０ａと、ロボットアームと連結する為の継手６０、保護カバー７０、等が取り付けられる。ボールねじ駆動機構２３はモータ２３Ａによって駆動されており、ボールねじ駆動機構２３とモータ２３Ａはカップリングあるいはベルトによって連結され、動力を伝達している。

前記傾斜テーブル２４は、支点２４ａを中心として図１のＺ軸周りに傾斜可能に支持されている。また、傾斜テーブル２４の傾斜角度を変化させる案内機構２５を介して案内レール２１と傾斜テーブル２４が連結されている。図２では、案内機構２５は、案内部品２５ａとカムフォロワ２５ｂから構成され、案内部品２５ａは案内レール２１に取りつけられ、カムフォロワ２５ｂは傾斜テーブル２４の支点２４ａからＸ方向に離れた箇所に取り付けられる。案内部品２５ａには、スリットが形成されており、カムフォロワ２５ｂは前記スリットに案内されて従動する。カムフォロワ２５ｂはスライダ２２のＸ方向の移動に伴いＹ方向に従動することで、傾斜テーブル２４の傾斜角度を変化させる。支点２４ａの軸は転がり軸受あるいは滑り軸受によって支持されている。傾斜テーブル２４には接合ツール１と、接合ツールを回転可能に支持するスピンドル２と、スピンドル２を駆動する旋回モータ３が取り付けられる。

なお、案内機構２５のカムフォロワ２５ｂの位置は傾斜テーブル２４の支点２４ａよりもＸ方向に離れているほど傾斜テーブルを傾斜させる力が大きくなるため好ましい。また、スライダ２２のＸ方向の移動による接合ツール１の傾斜方向は、接合ツール１がワークＷに押し込まれる際に、支点２４ａ周りに生じるモーメントと同じ方向であることが好ましい。これによって、接合ツール１を傾斜させる案内機構２５に掛かる負荷を低減でき、接合ツール１の傾斜をスムーズに行うことができる。

また、カムフォロワ２５ｂは、案内部品２５ａの案内面に対して押し当てる様に予圧を与えることが好ましい。これにより、傾斜テーブル２４の動作時に、案内機構２５でのバックラッシュを防止することができる。予圧を与える手段としては、例えば、ばね等を用いて傾斜テーブル２４の傾斜する方向のいずれか一方に荷重を掛ける方法がある。

接合ツール１は、旋回用モータ３によって回転し、傾斜テーブル２４がＸ方向のワークＷに移動することにより、ワークＷに押し付けられる。そして、図７（ｂ）に示すように、接合ツール１をワークＷに没入させると共に、接合ツール先端が円弧、又は連続線の軌道を描くように移動することで、ワークＷを短い線状に接合する。これにより、駆動軸２０のＸ方向動作のみで、接合ツール１の押し付け動作及び横引き動作を行うことができる。

本発明の第２の実施形態を図３に示す。 図３に示す摩擦攪拌接合装置Ｍ２は、駆動軸８０にボールねじ一体型直動案内ユニットにより構成される。

駆動軸に用いられるボールねじ一体型直動案内ユニットの構成を図４に示す。このボールねじ一体型直動案内ユニット８０は、図４に示すように、直動案内軸受８１とボールねじ８２の組み合わせで構成されている。直動案内軸受８１は、断面が略Ｕ字状に形成された案内レール８１Ａと、案内レール８１ＡのＵ字状の凹部内に配置されたスライダ８１Ｂと、案内レール８１Ａとスライド８１Ｂの間に配置された複数の転動体８５と、を備えている。案内レール８１Ａは、スライダ８１Ｂと対向配置される案内レール８１Ａの内側面に転動面８１Ｃを有し、スライダ８１Ｂは、案内レール８１Ａの転動面８１Ａに対向配置される転動面８１Ｄを有しており、案内レール８１Ａの転動面８１Ｃとスライダ８１Ｂの転動面８１Ｄとの間に転動体８５が介在され、それにより、スライダ８１Ｂと案内レール８１Ａとが相対的に直線移動可能とされている。この場合、案内レール８１Ａの転動面８１Ｃとスライダ８１Ｂの転動面８１Ｄとの間には、転動体８５の移動する転動通路が、左右それぞれ上下に二列を一対とし、全体で２対四列形成されている。スライダ８１Ｂには、転動体８５の戻し通路と、戻し通路と転動通路とを連通する不図示の方向転換路とが形成され、転動体８５が、転動通路と方向転換路と戻し通路とから構成される無限循環路を循環するようになっている。また、ボールねじ８２は、案内レール８１Ａと平行に形成されたボールねじナット８２Ｂと、ボールねじナット８２Ｂを貫通するボールねじ軸８２Ａと、ボールねじナット８２Ｂの螺旋溝とボールねじ軸８２Ａの螺旋溝との間に配置された図示しない複数のボールと、を備えている。そして、ボールねじ一体型直動案内ユニット８０は、ボールねじ８２の要素であるボールねじナット８２Ｂを直動案内軸受８１の要素であるスライダ８１Ｂに直接形成することにより、ボールねじ８２と直動案内軸受８１とを一体に備えた機構部品として構成されている。

ボールねじ一体型直動案内ユニット８０のボールねじ８２はモータ８３によって駆動されており、ボールねじ８２とモータ８３はカップリングあるいはベルトによって連結され、動力を伝達している。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
例えば、案内機構２５について、図５に示すように、直線及び円弧から構成される案内レール上を案内する屈曲ガイド２６を用いても良い。この時、屈曲ガイド２６は直線と曲線を組み合わせた形状の案内レール２６Ａとスライダ２６Ｂから構成され、スライダ２６Ｂには支点２６Ｃが設けられており、支点２６Ｃは傾斜テーブル２４に回転可能に取り付けられる。

また図２に示した第１の実施形態の案内部品２５ａに代えて、図６（ａ）に示すような案内部品２５ａ´を用いてもよい。図６（ａ）に示すように、案内部品２５ａ´にはカムフォロワ２５ｂを収容するカムスロット２５ｃｓが形成されている。カムスロット２５ｃｓには、図中上方から下方に伸びたのち右下方に屈曲して延びた第１のカム面２５ｃ１、第１のカム面から図中上方に延びた第２のカム面２５ｃ２、及び第２のカム面から図中左方に屈曲したのち上方に伸びた第３のカム面２５ｃ３が設けられている。

第１のカム面２５ｃ１にカムフォロワ２５ｂが案内されることにより、接合ツール１がワークＷに押し込まれるとき、図６(ｂ)に示すように、接合ツール１はＣ１に示す経路をとってワークＷに対して没入・接合のため移動する。また、ワークＷから接合ツール１が引き抜かれるときは、第２のカム面２５ｃ２に案内されることにより、接合ツール１はＣ２に示す経路をとってワークＷから法線方向に直線的に離脱する。その後は第３のカム面２５ｃ３に案内されて、接合ツール１はＣ３に示す経路を経て通常の姿勢（図１参照）に戻される。即ち、接合ツール１をワークＷに押し込むときとワークＷから接合ツール１を引き抜くときの接合ツール１の軌跡が異なっている。

上述の通り、特にカムスロット２５ｃｓに第２のカム面２５ｃ２を設けていることで、ワークＷから接合ツール１を引き抜くときに、速やかに且つワークＷと干渉することなく直線的に離脱することが可能となる。

また、接合ツール１を引き抜く際に、ロボットアームの動きで、接合装置をワークＷの法線方向に移動させても良い。また、駆動軸２０を、ワークＷの法線方向に対してあらかじめ傾斜させることにより、図７（ｃ）のように接合ツール１を動作させても良い。

Ｍ１、Ｍ２：摩擦攪拌接合装置
１ ：接合ツール
２ ：スピンドル
３ ：旋回モータ
２０：駆動軸
２１：ベースプレート
２２：スライダ
２４：傾斜テーブル
２４ａ：支点
２５：傾斜姿勢案内機構
２５ａ：案内部品
２５ａ´：案内部品
２５ｂ：カムフォロワ
２６：屈曲ガイド
２６Ａ：案内レール
２６Ｂ：スライダ
３０：旋回軸
４０：Ｃ字形アーム
４０ａ：基端部
４０ｂ：胴部
４０ｃ：先端部
５０：裏当て部材
５１：荷重検知器
７０：カバー
８０：ボールねじ一体型直動案内ユニット
８１：直動案内軸受
８１Ａ：案内レール
８１Ｂ：スライダ
８１Ｃ：案内レール側軌道面
８１Ｄ：スライダ側軌道面
８２：ボールねじ
８２Ａ：ねじ軸
８２Ｂ：ナット
８３：モータ
８５：転動体
Ｗ ：ワーク

Claims (5)

1. 接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、前記接合ツールと前記ワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それにより前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作と、前記接合ツールを前記ワークの表面方向に移動させる横引き動作とを行うことで前記ワークを線状に接合する摩擦攪拌接合装置において、
   接合ツールを先端に備えるスピンドルと、前記スピンドルを回転駆動する旋回モータとを備えた傾斜テーブルが支点で中心に回転可能に連結支持され、前記傾斜テーブルはボールねじ駆動機構と直動案内装置、又は、ボールねじ一体型直動案内ユニットにより、接合ツールの押し込み動作方向に案内され、前記傾斜テーブルは、接合ツールの押し込み動作方向の移動に伴い、押し込み動作の方向に対する傾斜角度を変化させる傾斜姿勢案内機構を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   接合ツールの押し込み動作に伴う傾斜角度変化の運動方向が、接合ツールの押し込み動作による傾斜テーブルの支点周りのモーメント荷重と同じ方向であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   接合ツールの押し込み動作に対してワークを支える裏当てを有すると共に、裏当ては接合ツールの押し込み方向位置の調整機構を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の摩擦攪拌接合装置において、
   摩擦攪拌接合装置はアームロボット先端に取り付けされており、ワークに押し込まれた接合ツールを引き抜く際、ワークの法線方向に接合ツールを引き抜く様にアームロボットの動作を接合ツールの動きに同期させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の摩擦攪拌接合装置において、
   接合ツールをワークに押し込むときとワークから接合ツールを引き抜くときの接合ツールの軌跡が異なることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
   
   

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