JP2019171438A - 摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合ツール部からの押圧による押圧力受け部（載置台）の撓みの影響を最小限に抑える。【解決手段】装置本体２と、制御装置１２と、上下動駆動機構３、５部を介して前記装置本体に接続されるＣ型フレーム４と、ホルダ部６と、接合ツール７と、を備え、前記Ｃ型フレームは、押圧力受け部を有し、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合指令信号と、前記上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合指令信号と、前記押圧力受け部の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置と摩擦撹拌接合方法に係り、特に、自動車のボディなど複雑な形状の被接合部材の接合に適用して有効な技術に関する。

円柱状の接合ツールを回転させて発生する摩擦熱で被接合材料を軟化させ、その部分を撹拌することで被接合材料同士を接合する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）は、材料以外の素材を用いないため、疲労強度が高く、材料も溶融しないことから溶接変形（ひずみ）の少ない接合が可能であり、航空機や自動車のボディなど、幅広い分野での応用が期待されている。

ＦＳＷ装置を用いて被接合部材を安定的に接合するためには、安定して被接合部材を載置（保持）することが必要である。従って、載置台には高剛性を有することが求められる。例えば、Ｃ型フレームを有するＦＳＷ装置であれば、Ｃ型フレームはできるだけ大きく厚肉に構成されるのがより好適である。

しかしながら、自動車産業においては、複雑な形状でより狭い部分の接合を目的として、Ｃ型フレームの小型化、肉薄化を求められる傾向にある。その結果、Ｃ型フレームの押圧力受け部の剛性が低下することとなり、接合時に接合ツール部の押圧により押圧力受け部に撓みが生じることが予想される。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「加工対象部材やそれを載置する載置治具を冷却する冷却系を有し、載置治具の不要な熱膨張を抑えながら、冷却が必要な部位を冷却する摩擦撹拌接合装置」が開示されている。

また、特許文献２には「多関節ロボットアーム先端に取り付けられた回転工具の回転トルク変化及び多関節ロボットの駆動軸トルク変化に基づいて、回転工具とワークとの間に発生する反力と等しい大きさでかつ反対方向の補償力を付与して、多関節ロボットの関節軸の撓みによる位置ずれを補正する摩擦撹拌溶接方法」が開示されている。

特許第５７８８８６２号公報 特許第５４２６４４３号公報

上述したように、ＦＳＷ装置により複雑で狭い部分の接合を行う場合、高精度で信頼性の高い接合を行うには、接合時の接合ツール部からの押圧による押圧力受け部（載置台）の撓み、すなわち被接合部材の位置ずれを補正する必要がある。

上記特許文献１は、摩擦撹拌接合を行う際に一般的に使用されるＣ型フレームを開示しており、Ｃ型フレームは肉厚で強固に作られているため、上記のような接合時の押圧力受け部（載置台）の撓みの問題やそれを補正する技術については記載されていない。

また、上記特許文献２は、多関節ロボットの関節軸の撓みによる位置ずれの補正に関するものであり、上記のようなＣ型フレームの押圧力受け部（載置台）の撓みには対応ができない。

そこで、本発明の目的は、ＦＳＷ装置により複雑で狭い部分の接合を行う際、接合ツール部からの押圧による押圧力受け部（載置台）の撓みの影響を最小限に抑え、高精度で信頼性の高い接合が可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、装置本体と、前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、第１上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続されるＣ型フレームと、第２上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、前記Ｃ型フレームは、前記第１上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続される被保持部と、前記第２上下動駆動機構部を介して前記ホルダ部に接続されるホルダ部保持部と、前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を有し、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合指令信号と、前記第１上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合指令信号と、前記押圧力受け部の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする。

また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、複数の関節を有し、三次元空間を自在に移動可能な多軸ロボットアームと、前記多軸ロボットアームの先端に接続されるＣ型フレーム保持部と、第１上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレーム保持部に接続されるＣ型フレームと、第２上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、前記Ｃ型フレームは、前記第１上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレーム保持部に接続される被保持部と、前記第２上下動駆動機構部を介して前記ホルダ部に接続されるホルダ部保持部と、前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を有し、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合指令信号と、前記第１上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合指令信号と、前記押圧力受け部の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする。

また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、（ａ）制御部の指令により接合ツールを被接合部材の接合部の所定の位置へ挿入するステップと、（ｂ）前記制御部の指令により前記接合ツールを保持するＣ型フレームの高さを制御しながら前記接合部に沿って前記接合ツールを移動させ前記接合部を摩擦撹拌接合するステップと、（ｃ）前記制御部の指令により前記接合ツールの移動量が所定の位置に達した時点で前記接合ツールを前記接合部から引き抜くステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＦＳＷ装置により複雑で狭い部分の接合を行う場合であっても、接合ツール部からの押圧による押圧力受け部（載置台）の撓みの影響を最小限に抑え、高精度で信頼性の高い接合が可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置のＣ型フレーム保持位置補正を行うための制御テーブルを示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体概要を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図３を参照して、実施例１の摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法について説明する。図１は本実施例の摩擦撹拌接合装置１の全体概要を示し、図２は摩擦撹拌接合装置１の制御（Ｃ型フレーム保持位置補正）を行うための制御テーブルの例を示している。図３は本実施例の摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。

図１に示すように、摩擦撹拌接合装置１は主要な構成として、装置本体２、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３を介して装置本体２に接続されるＣ型フレーム４、上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）５を介してＣ型フレーム４の一端に接続されるホルダ部（接合ヘッド）６、ホルダ部（接合ヘッド）６により保持される接合ツール部７を備えている。上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３，上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）５には、図１に例示するように、例えばボールスクリューなどが用いられる。接合ツール部７はショルダ８及び接合ピン９で構成され、ショルダ８を介して接合ピン９がホルダ部（接合ヘッド）６に保持される。

この接合ピン９が被接合部材１０の突き合せ部に挿入され、高速回転することで接合ピン９と被接合部材１０の間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱により被接合部材１０内で塑性流動が生じ、接合部が撹拌される。接合ピン９が移動すると撹拌部（接合部）が冷却されて、被接合部材同士が接合される。

なお、ここでは被接合部材１０として、例えば自動車のボディのように、鉄鋼製のフレーム材（１０ａ）と薄板のアルミニウム材（１０ｂ）からなる複合材の例を示す。

Ｃ型フレーム４は、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３を介して装置本体２に接続される被保持部（立上部）４ａ、上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）５を介してホルダ部（接合ヘッド）６に接続されるホルダ部保持部４ｂ、Ｃ型フレーム４の他端に接続され、摩擦撹拌接合時に接合ツール部７からの押圧力を受け止める押圧力受け部４ｃで構成され、略Ｃ型（略コの字型）形状を有している。

装置本体２には、摩擦撹拌接合装置１の動作を制御する制御部（制御装置）１２が設置されている。制御部（制御装置）１２は、接合ツール部７による接合条件を決定する接合条件信号（接合指令信号）や上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３によるＣ型フレーム４の装置本体２に対する高さ方向（Ｚ方向）の保持位置を決定する保持位置決定信号、上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）５によるホルダ部（接合ヘッド）６のＣ型フレーム４（ホルダ部保持部４ｂ）に対する高さ方向（Ｚ方向）の保持位置を決定する保持位置決定信号などの接合パラメータ（ＦＳＷ接合条件）を記憶する記憶部（図示せず）を備えている。

次に、摩擦撹拌接合装置１の制御（Ｃ型フレーム保持位置補正）について説明する。図１において、被接合部材１０は被接合部材保持部１１ａ，１１ｂにより上下方向から保持（支持）されており、摩擦撹拌接合時には押圧力受け部４ｃにも保持（支持）される。上述したように、複雑な形状でより狭い部分の接合を行う場合、小型化・肉薄化したＣ型フレームが用いられるため、Ｃ型フレームの剛性が低下し、図１の点線で示すように、接合ツール部７の押圧力を受け止める押圧力受け部４ｃが下方向に撓む可能性がある。この場合、押圧力受け部４ｃに支持されている被接合部材１０（１０ａ，１０ｂ）も同様に下方向に撓んでしまう。

押圧力受け部４ｃ及び被接合部材１０（１０ａ，１０ｂ）が撓んだ状態で、接合ツール部７による摩擦撹拌接合を続けた場合、接合部（接合面）の深さや範囲が変化し、接合部の品質（接合信頼性）が低下する恐れがある。

そこで、本実施例の摩擦撹拌接合装置１では、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３によりＣ型フレーム４の装置本体２に対する高さ方向（Ｚ方向）の保持位置を補正し（ここでは、図１に示すように第１の保持位置から第２の保持位置へ上昇させ）、接合部（接合面）の深さや範囲が一定になるように制御する。すなわち、Ｃ型フレーム４の押圧力受け部４ｃが撓んだ量と同じ量（距離）だけ反対方向（上方向）に補正する。この補正による押圧力受け部４ｃ及び被接合部材１０（１０ａ，１０ｂ）の状態を図１に実線で示す。接合部の品質（接合信頼性）を担保するためには、位置補正された押圧力受け部４ｃ及び被接合部材１０（１０ａ，１０ｂ）は、ほぼ接合ツール部７からの押圧力を受ける前の状態（位置）にするのが望ましい。

上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３によるＣ型フレーム４の装置本体２に対する高さ方向（Ｚ方向）の保持位置補正は、制御部（制御装置）１２の記憶部に予め記憶（登録）されたデータベースや制御テーブルに基づき行う。図２にＣ型フレーム４の保持位置補正を行うための制御テーブルの例を示す。

摩擦撹拌接合開始時（Start時）のＣ型フレーム４の保持位置補正量は０（基準値）であり、この時の保持位置を第１の保持位置とする。（ここで、接合ツール部７の接合条件を決定する接合条件信号（接合指令信号）、及び上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定信号を制御部（制御装置）１２の記憶部から出力して接合ツール部７及び上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３の動作を制御することで摩擦撹拌接合する状態を、例えば、「第１の接合モード」と称する。）
摩擦撹拌接合開始から０．５秒後（図２のNo.1）には、押圧力受け部４ｃ及び被接合部材１０の撓み量が、下方向へ０．１ｍｍ（−０．１ｍｍ）となるため、Ｃ型フレーム４の保持位置補正量を上方向へ０．１ｍｍ（＋０．１ｍｍ）とする。この時の保持位置を第２の保持位置とする。（ここで、接合ツール部７の接合条件を決定する接合条件信号（接合指令信号）、及び上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３の第２の保持位置を決定する第２の保持位置決定信号を制御部（制御装置）１２の記憶部から出力して接合ツール部７及び上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３の動作を制御することで摩擦撹拌接合する状態を、例えば、「第２の接合モード」と称する。）
以降、同様の制御（補正）により、摩擦撹拌接合開始からの経過時間に応じて、Ｃ型フレーム４の保持位置を補正する。図２の例では、摩擦撹拌接合開始から１．０秒後（図２のNo.2）には、押圧力受け部４ｃ及び被接合部材１０の撓み量が、下方向へ０．１５ｍｍ（−０．１５ｍｍ）となるため、Ｃ型フレーム４の保持位置補正量を上方向へ０．１５ｍｍ（＋０．１５ｍｍ）とする。この時の保持位置は第３の保持位置となる。また、摩擦撹拌接合開始から１．５秒後（図２のNo.3）には、押圧力受け部４ｃ及び被接合部材１０の撓み量が、下方向へ０．２ｍｍ（−０．２ｍｍ）となるため、Ｃ型フレーム４の保持位置補正量を上方向へ０．２ｍｍ（＋０．２ｍｍ）とする。この時の保持位置は第４の保持位置となる。

なお、図２では、摩擦撹拌接合開始から１．５秒以降は押圧力受け部４ｃ及び被接合部材１０の撓みの進行が停止する（平衡状態となる）例を示しており、撓み量は下方向へ０．２ｍｍ（−０．２ｍｍ）の状態を維持し、Ｃ型フレーム４の保持位置補正量は上方向へ０．２ｍｍ（＋０．２ｍｍ）の状態が維持される。従って、保持位置は第４の保持位置が維持される。

摩擦撹拌接合終了時（End時）には、接合ツール部７からの押圧力がなくなるため、Ｃ型フレーム４の保持位置補正量は０（基準値）に戻る。従って、Ｃ型フレーム４の保持位置も第１の保持位置に戻る。

上述したように、図２のような制御テーブルに基づくＣ型フレーム４の保持位置補正では、摩擦撹拌接合開始時（図２のStart）から摩擦撹拌接合終了時（図２のEnd）の間の一度の接合動作（一接合パス：pass）において、複数の接合モード（例えば、上記の第１の接合モード，第２の接合モード）を含むように接合ツール部７及び上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３の動作を制御することで、接合ツール部７からの押圧力によりＣ型フレーム４の押圧力受け部４ｃに撓みが生じる場合であっても、接合開始から接合終了までの間の被接合部材の接合点（接合面）の深さや範囲が一定になるように制御することができる。

なお、図２に示す制御テーブルは、本実施例の動作を分かり易く説明するための例示であって、摩擦撹拌接合開始からの経過時間と押圧力受け部４ｃ及び被接合部材１０の撓み量、Ｃ型フレーム４の保持位置補正量の関係はこれに限定されるものではない。

図３を用いて、上記で説明した本実施例の摩擦撹拌接合装置による代表的な摩擦撹拌接合方法を説明する。

先ず、制御部（制御装置）１２の指令により、接合ツール部７を被接合部材１０の接合部（被接合部材同士の突き合せ部）の所定の位置へ挿入する。（ステップＳ１）
次に、制御部（制御装置）１２の指令により（例えば、図２で示した制御テーブルに基づき）、Ｃ型フレーム４の高さ（Ｚ方向の位置）を制御しながら、被接合部材１０の接合部に沿って接合ツール部７を移動させ、接合部を摩擦撹拌接合する。（ステップＳ２）
続いて、制御部（制御装置）１２の指令により、接合ツール部７の移動量（Ｘ方向の移動量）が所定の値（位置）に達した時点で接合ツール部７を被接合部材１０の接合部から引き抜いて、摩擦撹拌接合処理を終了する。（ステップＳ３）
以上説明したように、本実施例の摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法によれば、摩擦撹拌接合開始からの経過時間に応じたＣ型フレームの押圧力受け部の撓み量に対する補正量を記憶し、その補正量により、押圧力受け部の撓みを補正する。これにより、Ｃ型フレームを小型化、肉薄化した場合でも、接合ツールの押圧により生じる撓みを補正することが出来るようになる。従って、例えば自動車のボディのような複雑で狭い部分の接合をＦＳＷ装置により行う場合であっても、接合ツール部からの押圧による押圧力受け部（載置台）の撓みの影響を最小限に抑え、高精度で信頼性の高い接合が可能となる。

なお、上記では、Ｃ型フレーム４の保持位置補正方法として、制御テーブルによる制御の例を用いて説明したが、制御部（制御装置）１２の記憶部に被接合部材１０の材質と接合ツール部７に付与する電流値とそれに対応する撓み補正量とのデータベースを予め記憶（登録）しておき、それに基づいてＣ型フレーム４の保持位置補正を行うことも可能である。

また、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３によるＣ型フレーム４の装置本体２に対する高さ方向（Ｚ方向）の保持位置補正に加えて、さらに、上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）５によるホルダ部（接合ヘッド）６のＣ型フレーム４（ホルダ部保持部４ｂ）に対する高さ方向（Ｚ方向）の保持位置補正を行ってもよい。この場合、Ｃ型フレーム４の押圧力受け部４ｃの位置を補正しても接合ツール部７の保持位置が変化しないように、上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）５により接合ツール部７の位置を更に追い込む（微調整する）ことができる。

また、本実施例では、図１に示す固定設置型のＦＳＷ装置を用いて説明したが、Ｃ型フレームが多軸ロボットに連結されるロボットＦＳＷ装置に適用しても同様の効果を得ることができる。（これについては、実施例３で後述する。）

図４を参照して、実施例２の摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法について説明する。図４は本実施例の摩擦撹拌接合装置１の全体概要を示しており、実施例１の図１に対応する図である。

本実施例の摩擦撹拌接合装置１は、Ｃ型フレーム４の押圧力受け部４ｃの状態（撓み量）を検出するセンサ１３ａ，１３ｂを備えている点において、実施例１の摩擦撹拌接合装置とは異なっている。その他の構成は、実施例１（図１）と同様である。

実施例１では、制御部（制御装置）１２の記憶部に予め記憶（登録）した制御テーブルやデータベースに基づき、押圧力受け部４ｃの撓み量補正を行うのに対し、本実施例では、センサ１３ａ，１３ｂにより検出した押圧力受け部４ｃの状態（撓み量）に応じて上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）３によりＣ型フレーム４の装置本体２に対する高さ方向（Ｚ方向）の保持位置を補正する。つまり、センサ１３ａ，１３ｂの検出値に基づいて、第１の保持位置決定信号を補正して第２の保持位置決定信号を算出し、その第２の保持位置決定信号によりＣ型フレーム４の保持位置を制御する。

センサ１３ａ，１３ｂによる押圧力受け部４ｃの状態（撓み量）の検出は、例えば、撓み量を所定の時間間隔で取得し、取得したデータ（撓み量）に基づき撓み補正量を決定し補正する。

なお、センサ１３ａ，１３ｂとしては、例えば、図４に示すような受発光素子１３ａ，１３ｂを設ける透過型のレーザーセンサの他、押圧力受け部４ｃの撓みを直接検出する撓みセンサや半導体歪センサ、押圧力受け部４ｃの変位を直接検出する静電容量形近接センサや変位センサなどが挙げられる。

本実施例においても、実施例１と同様に、接合ツール部からの押圧による押圧力受け部（載置台）の撓みの影響を最小限に抑え、高精度で信頼性の高い接合が可能となる。

図５を参照して、実施例３の摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法について説明する。図５は本実施例の摩擦撹拌接合装置２１の全体概要を示している。

図５に示すように、摩擦撹拌接合装置２１は主要な構成として、多軸ロボット２２、Ｃ型フレーム保持部２３及び上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）２４を介して多軸ロボット２２に接続されるＣ型フレーム２５、上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）２６を介してＣ型フレーム２５と接続されるホルダ部（接合ヘッド）２７、ホルダ部（接合ヘッド）２７により保持される接合ツール部２８を備えている。接合ツール部２８はショルダ２９及び接合ピン３０で構成され、ショルダ２９を介して接合ピン３０がホルダ部（接合ヘッド）２７に保持される。

多軸ロボット２２は、一般的にロボットアームと呼ばれる垂直多関節ロボットであり、多関節構造とサーボモーターによって三次元空間を自在に動作（移動）することができる。関節の数（軸数）によって可動範囲が変化するが、ここでは台座部２２ａ上に下腕部２２ｂ、上腕部２２ｃ、手首部２２ｄを有する三軸タイプのロボットアームの例を示す。多軸ロボット２２の白丸部分が関節である。

なお、摩擦撹拌接合装置２１はサーボアンプや基板などが収納された制御装置（図示せず）を備えており、この制御装置からの指令（プログラム信号）により多軸ロボット２２の動きと接合ツール部２８の接合条件を総合的にコントロールする。

多軸ロボット２２の手首部２２ｄの先端には、Ｃ型フレーム保持部２３が回動可能に接続されている。Ｃ型フレーム保持部２３には、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）２４を介して略Ｃ型（略コの字型）形状のＣ型フレーム２５が接続されている。

Ｃ型フレーム２５は、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）２４を介してＣ型フレーム保持部２３に接続される被保持部（立上部）２５ａ、被保持部２５ａの一方の端部に接続されて上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）２６を介してホルダ部（接合ヘッド）２７を保持するホルダ部保持部２５ｂ、被保持部（立上部）２５ａの他方の端部に接続されて接合ツール部２８からの押圧力を受け止める押圧力受け部２５ｃから構成されている。

なお、図５では被保持部（立上部）２５ａ、ホルダ部保持部２５ｂ、押圧力受け部２５ｃが一体物としてＣ型フレーム２５を構成する例を示しているが、各部位がそれぞれ別体として形成され、それらを組み合せることでＣ型フレーム２５を構成する例も含んでいる。

Ｃ型フレーム２５は、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）２４を介してＣ型フレーム保持部２３に接続されており、Ｃ型フレーム保持部２３に対して上下方向（図５のＺ方向）に動作する。

ホルダ部（接合ヘッド）２７は、上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）２６を介してＣ型フレーム２５（ホルダ部保持部２５ｂ）と接続されており、Ｃ型フレーム２５に対して上下方向（図５のＺ方向）に動作する。

接合ツール部２８は、ショルダ２９、接合ピン３０で構成され、接合ピン３０を高速回転させながら被接合部材１０に所定の深さまで挿入し、接合部（接合線）に沿って移動させることで摩擦撹拌接合を行う。

本実施例の摩擦撹拌接合装置２１は以上のように構成されており、実施例１と同様に、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）２４によりＣ型フレーム２５のＣ型フレーム保持部２３（多軸ロボット２２）に対する高さ方向（Ｚ方向）の保持位置を補正することができ、接合ツール部２８からの押圧力によりＣ型フレーム２５の押圧力受け部２５ｃに撓みが発生した場合であっても、撓んだ量と同じ量（距離）だけ反対方向（上方向）に補正することができる。

Ｃ型フレーム２５の保持位置補正方法として制御テーブルやデータベースに基づき補正（制御）する点や、センサにより検出した押圧力受け部２５ｃの状態（撓み量）に応じて補正することも可能である点、上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）２４によるＣ型フレーム２５の高さ方向（Ｚ方向）の保持位置補正に加えて、上下動駆動機構部（第２上下動駆動機構部）２６によるホルダ部（接合ヘッド）２７の高さ方向（Ｚ方向）の保持位置補正が可能である点など、その他の構成及び動作（作用）は基本的に実施例１及び実施例２と同様であるため、繰り返しとなる詳細な説明は省略する。

本実施例においても、他の実施例と同様に、接合ツール部からの押圧による押圧力受け部（載置台）の撓みの影響を最小限に抑え、高精度で信頼性の高い接合が可能となる。

また、本実施例では、Ｃ型フレーム２５をＣ型フレーム保持部２３及び上下動駆動機構部（第１上下動駆動機構部）２４を介して多軸ロボットアーム２２により保持しているため、接合点（接合面）を三次元空間において自在に移動することができる。これにより、自動車のボディのように立体的に配置され、曲面を含む複雑な形状の被接合部材の摩擦撹拌接合を精度よく行うことができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、本発明は以下の特徴も有している。

［付記１］
上下動駆動機構部を備える装置本体と、前記上下動駆動機構部に保持ざれる被保持部と前記被保持部の一方の端部にホルダ部を保持するホルダ部保持部と前記被保持部の他方の端部に保持される接合ツール部の押圧力を受止める押圧力受け部とから構成されるＣ型フレームと、前記ホルダ部に保持される前記接合ツール部と、から構成される摩擦撹拌接合装置を用いる摩擦撹拌接合方法であって、
前記上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定値と、接合開始後の経過時間に応じて決定する複数の第２の保持位置決定値と、前記接合ツール部に対する接合条件と、を前記装置本体に記憶するステップと、
前記第１の保持位置決定値に基づき摩擦撹拌接合を開始するときの前記上下動駆動機構部の保持位置を決定するとともに、接合条件に基づき摩擦撹拌接合を開始するステップと、
摩擦撹拌接合を開始後所定の時間が経過したときに該経過時間に応じた第２の保持位置決定値に基づき前記上下動駆動機構部の保持位置変えて接合条件に基づき摩擦撹拌接合を繰り返すステップと、
を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

［付記２］
上下動駆動機構部を備える装置本体と、前記上下動駆動機構部に保持ざれる被保持部と前記被保持部の一方の端部にホルダ部を保持するホルダ部保持部と前記被保持部の他方の端部に保持される接合ツール部の押圧力を受止める押圧力受け部とから構成されるＣ型フレームと、前記ホルダ部に保持される前記接合ツール部と、から構成される摩擦撹拌接合装置を用いる摩擦撹拌接合方法であって、
前記上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定値と、前記接合ツール部に対する接合条件と、を前記装置本体に記憶するステップと、
第１の保持位置決定値に基づき摩擦撹拌接合を開始するときの前記上下動駆動機構部の保持位置を決定するとともに、接合条件に基づき摩擦撹拌接合を開始するステップと、
摩擦撹拌接合開始後所定の時間が経過したときに前記押圧力受け部に配した位置センサから取得する前記押圧力受け部の撓み量に基づいて第２の保持位置決定値を定め、前記上下動駆動機構部の保持位置を変えて接合条件に基づき摩擦撹拌接合を繰り返すステップと、
を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

［付記３］
付記１または付記２に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
摩擦撹拌接合後の経過時間に基づいて決定された第２の保持位置決定値により前記上下動駆動機構部の保持位置が変更されたとき、その変動量に応じて前記ホルダ部保持部をさらに追い込む（微調整する）ことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

１…摩擦撹拌接合装置、２…装置本体、３，５…上下動駆動機構部（ボールスクリュー）、４…Ｃ型フレーム、４ａ…被保持部（立上部）、４ｂ…ホルダ部保持部、４ｃ…押圧力受け部、６…ホルダ部（接合ヘッド）、７…接合ツール部、８…ショルダ、９…接合ピン、１０，１０ａ，１０ｂ…被接合部材、１１，１１ａ，１１ｂ…被接合部材保持部、１２…制御部（制御装置）、１３，１３ａ，１３ｂ…センサ、２１…摩擦撹拌接合装置、２２…多軸ロボット、２２ａ…台座部、２２ｂ…下腕部、２２ｃ…上腕部、２２ｄ…手首部、２３…Ｃ型フレーム保持部、２４，２６…上下動駆動機構部（ボールスクリュー）、２５…Ｃ型フレーム、２５ａ…被保持部（立上部）、２５ｂ…ホルダ部保持部、２５ｃ…押圧力受け部、２７…ホルダ部（接合ヘッド）、２８…接合ツール部、２９…ショルダ、３０…接合ピン。

上記課題を解決するために、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、装置本体と、前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、第１上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続されるＣ型フレームと、第２上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、前記Ｃ型フレームは、前記第１上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続される被保持部と、前記第２上下動駆動機構部を介して前記ホルダ部に接続されるホルダ部保持部と、前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を有し、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合指令信号と、前記第１上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合指令信号と、前記押圧力受け部の状態に応じて接合部の深さや範囲が一定になるように前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする。

また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、複数の関節を有し、三次元空間を自在に移動可能な多軸ロボットアームと、前記多軸ロボットアームの先端に接続されるＣ型フレーム保持部と、第１上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレーム保持部に接続されるＣ型フレームと、第２上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、前記Ｃ型フレームは、前記第１上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレーム保持部に接続される被保持部と、前記第２上下動駆動機構部を介して前記ホルダ部に接続されるホルダ部保持部と、前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を有し、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合指令信号と、前記第１上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合指令信号と、前記押圧力受け部の状態に応じて接合部の深さや範囲が一定になるように前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする。

また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、（ａ）制御部の指令により接合ツールを被接合部材の接合部の所定の位置へ挿入するステップと、（ｂ）前記制御部の指令により接合部の深さや範囲が一定になるように前記接合ツールを保持するＣ型フレームの高さを制御しながら前記接合部に沿って前記接合ツールを移動させ前記接合部を摩擦撹拌接合するステップと、（ｃ）前記制御部の指令により前記接合ツールの移動量が所定の位置に達した時点で前記接合ツールを前記接合部から引き抜くステップと、を有することを特徴とする。

Claims (15)

1. 被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、
   装置本体と、
   前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、
   第１上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続されるＣ型フレームと、
   第２上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるホルダ部と、
   前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、
   前記Ｃ型フレームは、前記第１上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続される被保持部と、
   前記第２上下動駆動機構部を介して前記ホルダ部に接続されるホルダ部保持部と、
   前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を有し、
   前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合指令信号と、前記第１上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、
   前記接合指令信号と、前記押圧力受け部の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、
   前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記第１の接合モード及び前記第２の接合モードのいずれかのモードにより前記接合ツールの接合条件と、前記第１上下動駆動機構部による前記Ｃ型フレームの保持位置を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
3. 請求項２に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記第１の接合モードにより被接合部材の摩擦撹拌接合を開始し、所定の時間経過後に、前記第２の接合モードに切り換えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
4. 請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記接合指令信号と、前記第１の保持位置決定信号と、前記第２の保持位置決定信号と、を記憶する記憶部を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
5. 請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
   前記制御装置は、摩擦撹拌接合開始後の経過時間に応じて決定した前記Ｃ型フレームの保持位置を前記記憶部に予め記憶させ、当該記憶した保持位置に基づき前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
6. 請求項５に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
   前記制御装置は、予め記憶した複数の保持位置決定信号から摩擦撹拌接合開始時からの経過時間に応じて前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
7. 請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
   前記摩擦撹拌接合装置は、前記押圧力受け部の状態を検出するセンサを備え、
   前記制御装置は、前記センサで検出した前記押圧力受け部の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正して前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記押圧力受け部の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正して前記第２の保持位置決定信号を決定する際、当該決定した第２の保持位置決定信号に応じて前記第２上下動駆動機構部による前記ホルダ部の保持位置を補正することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
9. 被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、
   前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、
   複数の関節を有し、三次元空間を自在に移動可能な多軸ロボットアームと、
   前記多軸ロボットアームの先端に接続されるＣ型フレーム保持部と、
   第１上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレーム保持部に接続されるＣ型フレームと、
   第２上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるホルダ部と、
   前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、
   前記Ｃ型フレームは、前記第１上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレーム保持部に接続される被保持部と、
   前記第２上下動駆動機構部を介して前記ホルダ部に接続されるホルダ部保持部と、
   前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を有し、
   前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合指令信号と、前記第１上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、
   前記接合指令信号と、前記押圧力受け部の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、
   前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
10. 請求項９に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
    前記制御装置は、前記第１の接合モード及び前記第２の接合モードのいずれかのモードにより前記接合ツールの接合条件と、前記第１上下動駆動機構部による前記Ｃ型フレームの保持位置を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
11. 請求項１０に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
    前記制御装置は、前記第１の接合モードにより被接合部材の摩擦撹拌接合を開始し、所定の時間経過後に、前記第２の接合モードに切り換えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
12. 請求項９または１０に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
    前記摩擦撹拌接合装置は、前記押圧力受け部の状態を検出するセンサを備え、
    前記制御装置は、前記センサで検出した前記押圧力受け部の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正して前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
13. 被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、
    （ａ）制御部の指令により接合ツールを被接合部材の接合部の所定の位置へ挿入するステップと、
    （ｂ）前記制御部の指令により前記接合ツールを保持するＣ型フレームの高さを制御しながら前記接合部に沿って前記接合ツールを移動させ前記接合部を摩擦撹拌接合するステップと、
    （ｃ）前記制御部の指令により前記接合ツールの移動量が所定の位置に達した時点で前記接合ツールを前記接合部から引き抜くステップと、
    を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
14. 請求項１３に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
    前記（ｂ）ステップにおいて、摩擦撹拌接合開始時からの経過時間に応じて予め決定した前記Ｃ型フレームの保持位置補正量に基づき、前記Ｃ型フレームの高さを制御することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
15. 請求項１３に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
    前記（ｂ）ステップにおいて、前記Ｃ型フレームの押圧力受け部の状態をセンサで検出し、当該検出した前記Ｃ型フレームの押圧力受け部の状態に基づき、前記Ｃ型フレームの高さを制御することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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