JP2019181567A - 摩擦撹拌溶接のための溶接ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ツールに働く軸方向力を検知可能にする。【解決手段】摩擦撹拌溶接ヘッド１０はヘッドハウジング１００と軸部２０２とを含む。ヘッドハウジングは上端１０２から開口底端１０４へ延出し、その上端と開口底端との間に延在する孔を画成する。この軸部は孔と共軸であり孔内で回転可能である。軸部はヘッドハウジング内で側方にも固定されヘッドハウジングに関して軸方向に移動可能である。更に、軸部はヘッドハウジングの開口底端を越えて延出する係合端を含む。係合端は摩擦撹拌ツール２８０を支持し、これは軸部を回転させて摩擦撹拌溶接操作を実行するように構成されている。摩擦撹拌溶接ヘッドはロードセル２５０も含み、このロードセルは軸部の軸方向移動に応答して負荷信号を生成するように構成されている。【選択図】図３

Description

本開示は摩擦撹拌溶接（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ：ＦＳＷ）のための溶接ヘッドに関する。とりわけ改善された軸方向の力測定を可能にする小型なＦＳＷヘッドに関する。

擦撹拌溶接（ＦＳＷ）は２つのワークピースの間の接合部を形成するか及び／又は１つのワークピースにおけるクラックを修復する、高圧摩擦から生成された熱を用いる溶接工程である。即ち、ＦＳＷ操作の間、ＦＳＷツールは複数のワークピースの間に配置された接合部又はシーム（又は１つのワークピースにおけるクラック）を横断し、ワークピースはＦＳＷツールの回転により生成された摩擦熱により可塑化される。ＦＳＷツールがシームを横断する間、ＦＳＷツールはワークピースに対して押圧されて、ワークピースは溶接操作の間に互いに対して固定される。更に詳しくは、ＦＳＷツールは肩部と、この肩部から突出するピン又はプローブとを含む。溶接操作の間、肩部はワークピースに対して押圧され、ピンは複数のワークピースの間のシーム内で（又は１つのワークピースにおけるクラック内で）回転する。幾つかのＦＳＷヘッドにおいては、肩部はピンと共に又はピンに対して回転するが、他のＦＳＷヘッドにおいては肩部が静止している。ピン（或る例においては及び肩部）の回転は、ワークピースを形成する材料を軟化させて混合させる。その後、混合された材料は固まって固相接合を形成する。

溶接ツールがワークピースに対して移動するとき及び／又はワークピースが溶接ツールに対して移動する（例えば溶接ツールが静止している）とき、ＦＳＷツールはシーム（又はクラック）を横断することができる。それにも関わらず、ＦＳＷの間、溶接ツールはワークピースに対して押圧されて、シームにおける望ましい軟化を引き起こすのに十分にワークピースを摩擦加熱させる大きな力を与えねばならず、ツールに働く軸方向力を知って、ＦＳＷ操作を適切に調整してコントロールし（及び、おそらくは裏当てを調節し）、高品質な溶接を与えることが重要である。従って、典型的にはＦＳＷヘッドは力測定センサ、例えばロードセルを含み、この力測定センサが正確なデータを与えることが重要である。

本開示は摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）ヘッドに向けられている。１つの実施形態によれば、ＦＳＷヘッドはヘッドハウジング及び軸を含む。ヘッドハウジングは上端から開口底端へ延出し、その上端と開口底端との間に延在する孔を画成する。軸は孔内で同軸であり回転可能である。軸はへッドハウジング内で側方向にも固定されて、ヘッドハウジングに関して軸方向に移動可能である。更に、軸は係合端を含み、これはヘッドハウジングの開口底端を越えて延出する。係合端はＦＳＷツールを支持し、これはＦＳＷ操作を生じさせるように軸と共に回転するように構成されている。有利なことに、軸の軸方向移動は、ヘッドハウジング内又はヘッドハウジング下方に配置されたロードセルに軸方向力を伝える。付加的に、軸の軸方向移動は溶接ヘッドに回転肩部ＦＳＷと静止肩部ＦＳＷとの間の移行を単独の操作で可能にする。

これらの実施形態の少なくとも幾つかにおいては、ＦＳＷヘッドは、軸を孔内でヘッドハウジングに関して回転させるように構成されたモータアセンブリも含む。その結果、ＦＳＷ溶接ヘッドはスピンドル又はスピンドルアクチュエータに設置する必要がない。これに代えて、ＦＳＷヘッドは、ロボット、ガントリー、又はＦＳＷヘッドを所定位置へ移動させると共にモータアセンブリに動力を供給してＦＳＷヘッドにそれ自体の回転力を供給する任意の他の支持体に装着することができる。

上述したように、ＦＳＷヘッドはモータアセンブリに加えて又はこれに代えて、軸の軸方向移動に応答して負荷信号を生成するように構成されたロードセルを含む。これらの実施形態の幾つかにおいては、ロードセルはヘッドハウジングの開口底端の下側に配置されている。代替的に、ロードセルはヘッドハウジングの開口底端とヘッドハウジングの上端との間に配置してもよい。有利なことに、これらの位置の何れかにおけるロードセルの位置決めは、ロードセルをＦＳＷツールに近接させて負荷信号の精度を向上させる。例えば、ロードセルがヘッドハウジングの開口底端の下側に位置するならば、ＦＳＷツールに働く軸方向力は、ロードセルにほぼ直接に働く。

更に特定の例として、或る実施形態はロードセルを含み、このロードセルは内側リング及び外側リングを含む。内側リングは軸に固定的に結合し、可撓部分を介して外側リングに可動に結合し、外側リングに対する内側リングの相対運動はロードセルに負荷信号を発生させる。これらの実施形態の幾つかにおいては、ツールはピンと肩部とを有し、肩部はピンと共に回転してＦＳＷ操作を実行させる。次いで、上向き力が肩部に働いたとき、上向き力は内側リングへ伝達されて内側リングを外側リングに対して移動させて、ロードセルに負荷信号を発生させる。具体的には、或る実施形態においては、下部ベアリングは軸をヘッドハウジングに関して回転可能にしてその下部ベアリングは１つ以上の浮動構成要素を介して内側リングに結合するか、内側リング及び１つ以上の浮動構成要素と共に形成され、肩部における上向き力は下部ベアリング及び１つ以上の浮動構成要素を介して内側リングに伝達する。これに代えて、他の実施形態においては、ツールはピンと肩部とを含み、肩部は固定された肩部により覆われている。これらの実施形態において固定された肩部における上向き力は内側リングに伝達され、内側リングを外側リングに対して移動させ、ロードセルに負荷信号を発生させる。例えば、上向き力は固定された肩部から内側リングへ直接に伝達する。

他の実施形態によれば、ＦＳＷヘッドは、ヘッドハウジング、１つ以上の浮動構成要素、及びロードセルを含む。ヘッドハウジングは上端から開口底端まで延出し、その上端と開口底端との間に延在する孔を画成する。１つ以上の浮動構成要素はＦＳＷツールを支持するように構成され、１つ以上の浮動構成要素はヘッドハウジングに関して軸方向に移動可能である。ロードセルはヘッドハウジングの開口底端の下側に配置され、浮動構成要素の軸方向移動に応答して負荷信号を生成するように構成されている。上述したように、ロードセルがヘッドハウジングの下側に位置するときロードセルはＦＳＷツールに近接して位置し、これはロードセルにより生成された負荷信号の精度を増大させる。例えば、ロードセルがヘッドハウジングの開口底端の下側に位置するならば、ＦＳＷツールに働く軸方向力はロードセルにほぼ直接に働く。更に、ロードセルがヘッドハウジングの下側に位置してＦＳＷヘッドが１つ以上の浮動構成要素を含むならば、回転肩部ＦＳＷ操作と固定肩部ＦＳＷ操作とを比較的に簡単に切り替える。

これらの実施形態の幾つかにおいて、１つ以上の浮動構成要素は、孔と同軸の軸と、孔内の軸の回転を可能にする１つ以上のベアリングと、ロードセルに対して１つ以上のベアリングの特定のベアリングを接続する接続リングとを含む。付加的に、１つ以上の浮動構成要素はロードセルの内側リングを含み得る。内側リングは少なくとも接続リングを介して軸に固定的に結合され、可撓部分を介してロードセルの外側リングへも可動的に結合されて、外側リングに対する内側リングの相対移動がロードセルに負荷信号を生成させる。これに加えて又はこれに代えて、１つ以上の浮動構成要素がモータアセンブリの回転子を含み得る。回転子は固定子により可動とされ、固定子はヘッドハウジングに固定的に結合され、孔内の軸の回転を実行させる。上述したように、ヘッドがモータアセンブリを含むならば（例えば、１つ以上の浮動構成要素がモータアセンブリの回転子を含むならば）、ＦＳＷ溶接ヘッドをスピンドル又はスピンドルアクチュエータに設置する必要がない。これに代えて、ＦＳＷヘッドは、ＦＳＷヘッドを所定位置へ移動させてモータアセンブリに動力を供給するロボット又はガントリーへ装着することができる。上述した他の部品は軸方向及び長手方向に軸をヘッドハウジング内に固定し、軸に働く軸方向力がロードセルに伝達されることを確実にする。

実施形態において、１つ以上の浮動構成要素が１つ以上のベアリングを含み、これは孔内の軸の回転を可能にし、１つのベアリングがロードセルとＦＳＷヘッドに組み込まれたモータアセンブリとの間に配置された下部ベアリングとされ得る。これらの実施形態の幾つかにおいては補助的なベアリングハウジングが下部ベアリングから外側に同軸に配置され、ヘッドハウジングに組み込まれたアクセルパネルを介してアクセス可能である。これはＦＳＷヘッドの他の部品を分解することなく下部ベアリングを補修及び／又は交換することを容易にする。

更に、幾つかの実施形態においては、ＦＳＷヘッドは回転肩部形態と固定肩部形態との間で１回の据え付け操作で再構成可能できる。例えば、固定肩部ハウジングはヘッドに対して容易に結合又は結合解除することができる。これは、これら２つのタイプのＦＳＷ操作の間でほぼシームレスな移行を可能とするので有利である。比較すると、従来のＦＳＷヘッドは完全に取り外し／置き換えて、このような変更を実行する必要があり、これは時間の観点から効率が劣るのみならず、コストの観点でも同様である（２つのＦＳＷヘッドの入手及び保守のコストは、１つのヘッドの入手及び単独の操作によるヘッドの再構成のコストよりも非常に高い）。

更に他の実施形態によれば、ＦＳＷの方法が本明細書に示される。この方法は、ヘッドハウジングを設け、このヘッドハウジングは上端から開口底端に延在すると共に、上端と開口底端との間に延在する孔を画成し、浮動軸部をヘッドハウジング内に設置することを含む。浮動軸部は係合端を含み、これは開口底端を越えて延出し、ＦＳＷツールを支持する。この方法は、ヘッドハウジングの開口底端にロードセルを設置し、このロードセルにより生成された負荷信号に基づいてツールによりＦＳＷを制御することを含む。

これらの実施形態の幾つかにおいては、ＦＳＷが回転肩部ＦＳＷであり、方法は、固定肩部ハウジングをロードセルに設置することにより固定肩部ＦＳＷへ移行させることを更に含む。これらの実施形態の幾つかにおいては、固定肩部ハウジングはＦＳＷツールの肩部を覆い、単独の操作で移行を完了させる。即ち、固定肩部ハウジングは別として、移行を実行するために、溶接ヘッドの他の部品交換、取り外し、設置等する必要はない。上述のように、単独の再構成可能なヘッドの使用は、これら２つの操作のための２つのヘッドの使用に比べて、時間及びコストの観点でより効率的である。これは特に移行が単独の操作からなるときに当てはまる。

図１は本開示の第１の例示的実施形態による摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）ヘッドの側面斜視図である。

図２は図１のＦＳＷヘッドの部分的に分解した断面斜視図であり、ＦＳＷヘッドは横向きで示されている。

図３は図１のＦＳＷヘッドの断面斜視図である。

図４は図１のＦＳＷヘッドの他の断面斜視図であり、ＦＳＷヘッドに含まれたＦＳＷツールからＦＳＷヘッドに含まれたロードセルへの力経路を示す。

図５は図１のＦＳＷヘッドの側面斜視図であり、固定肩部形態により再構成されている。

図６は図１のＦＳＷヘッドの部分的に分解された断面斜視図であり、図５に示された固定された固定肩部形態である。

図７は図１のＦＳＷヘッドの他の断面斜視図であり、図１のＦＳＷヘッドが図５に示す固定肩部形態にあるときのＦＳＷツールからロードセルへの力経路を示す。

図８は本開示の第２の例示的な実施形態によるＦＳＷヘッドの部分的斜視図であり、ＦＳＷヘッドは横向きに示されている。

図面を通じて同様な参照番号は同様な構成要素を示す。

改善された軸方向力測定（例えばヘッドの軸方向又は垂直方向に沿って）を有する小型な摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）ヘッドが本明細書に示される。ＦＳＷヘッドは、このＦＳＷヘッドが「浮動」軸と、浮動軸の係合端（例えば溶接端）に隣接してヘッドの底部に配置されたロードセルとを含むことにより、改善された下向き力の測定を与える。軸部は「浮動」である。これは、軸部はＦＳＷヘッドの主ボディ又はハウジング（ここではヘッドハウジングとも称する）に関して少なくとも僅かに軸方向に（例えば、長手方向又は垂直方向に）移動できるためである。ロードセルの位置及び軸部の長手方向移動の可能なことはロードセルに軸方向力の正確な測定を可能にする。更に、底部ヘッドにロードセルを配置し、浮動軸を与えることによって、硬くて頑丈で整備性のよい小型なＦＳＷヘッドを形成することが可能となる。これらのコンセプトは、回転又は固定肩部を有する全てのサイズの小型なＦＳＷヘッドを形成するのに役立てることができる。実際に、少なくとも幾つかの実施形態では、本明細書に提示されたＦＳＷヘッドは回転肩部形態と固定肩部形態との間で容易に（例えば単独の操作により）変化できる。

図１―図７は第１の例示的実施形態によるＦＳＷヘッド１０を示す。図１−図４においては、ヘッド１０は回転肩部形態Ｃ１で示されている。図５−図７においては、ヘッド１０は固定肩部形態Ｃ２で示されている。更に詳細に説明するように、ヘッド１０はそれを分解することなく単独の操作でこれらの形態の間で変化することができる。ヘッド１０のこの態様を詳細説明する前に図１―図４を参照しながらヘッド１０について説明する。

先ず図１を参照すると、ヘッド１０はヘッドハウジング１００及び軸部２０２を含む。ヘッドハウジング１００は第１端又は上端１０２から第２端又は底端１０４へ延在する。上端１０２はロボット、ガントリー、その他の支持構造に取り付けることができる。その一方、底端１０４は開放しており、ハウジング１００は閉止端孔１０６を画成し、これは図２に示すように、第２端１０４で開口しているが、第１端１０２で閉止している。即ち、底部１０４は開口底端１０４である。軸部２０２はハウジング１００の中心軸と同軸であり、軸方向又は長手方向でハウジング１００の孔１０６を通じて延伸するので、軸部２０２はハウジング１００の底端１０４の下側に延在する。ＦＳＷヘッドが軸部２０２の底端２０４（底端２０４は溶接又は係合端２０４とも称する）に結合する間、ＦＳＷツール２８０が肩部及びピン／プローブを画成する。

図１に示される実施形態においては、環状ロードセル２５０も底端１０４の下側に配置されており、ロードセル２５０は軸部（及びツール２８０）の係合端２０４に隣接又は近接している。一般にロードセル２５０は（ツール２８０を経由して）軸部２０２の係合端２０４に働く力の関数として負荷信号を生成する。換言すれば、図４及び図８に関連して更に詳細に説明するように、ツール２８０がワークピースに対して働くにつれて軸部２０２はハウジング１００に関して僅かに上方に移動し（例えば、約０．１ｍｍ又はより一般的には０．０１−１．０ｍｍの範囲で垂直に並進し）、ロードセル２５０の一部を押すか引っ張り、ロードセル２５０は、（ツール２８０を経由して）軸２０２の底端２０４に働く長手方向力の関数としての負荷信号を生成する。比較すると、多くの他のＦＳＷ解決策は、溶接ヘッドの上に（例えば上端１０２に、又は上端１０２に隣接して）ロードセルを含み、これはロードセル２５０により生成された負荷信号に誤りを形成する（力が働く点と信号が生成される点との間の距離に起因する）。

ロードセルにより生成された信号はコントローラ４０へ送信することができ、これは負荷信号を力測定（例えばデジタルデータ）に変換し、これはＦＳＷ操作を制御して高品質の溶接を保証するように用いることができる。即ち、コントローラは負荷信号からのデータを蓄積し、ＦＳＷヘッドに加えられた下向き力を改める必要があるか否かを判定し、例えばＦＳＷツール２８０による完全な貫通を保証する。力測定は連続的になすことができ、溶接工程を通じて所望のレベルにおける力を保ち、滑らかな表面と溶接の所望の特性を生成するのに用いられる。特定の溶接工程又はワークピースの要請に応じて、目標力レベルは溶接の区画の間に変化するようにプログラムされている。更に、溶接工程に亘って測定された力は記録することができる（例えば力は時間を基準として、又はワークピースに対する溶接ヘッドの位置の関数として記録することができる）。選択的に、コントローラ４０は力が目標力レベルから逸脱した場合に視覚的又は聴覚的警報を生成するように構成することができる。

図１を更に参照すると、全体的に、溶接ヘッド１０が小型であり、外力（例えばスピンドル駆動／アクチュエータ等）を必要としない。即ち、溶接ヘッド１０は、ヘッドが外部駆動機構を伴わずに操作される限り（但し、電源、コントローラ、及び／又は支持デバイス、例えばガントリーに結合する必要はある）は、比較的に小さな外部寸法を有し、比較的に自己完結型ＦＳＷヘッドである。溶接ヘッド１０の外部寸法の一例として、溶接ヘッド１００は約１００ｍｍ乃至約５００ｍｍの範囲の外径を有し、約２００ｍｍ乃至約１，０００ｍｍの範囲の外部長手方向寸法（例えば高さ）を有する。一つの特定の例においては、典型的な溶接厚は１２ｍｍまでであり、溶接ヘッド１００は約２５０ｍｍの外径と約３２５ｍｍの外部長手寸法（例えば高さ）を有する。この小型な設計は支持構造（ロボット、ガントリー等）に形成される逸脱（曲がり）を減少させ、ヘッド１０とワークピースの部分、支持構造の部分、及びＦＳＷ操作中の他のそのような物体との衝突の機会を最小化させる。

図２及び図３はヘッド１０に含まれる構成要素のより詳細な説明を示す。図２において、ヘッド１０はハウジング１００から構成要素を取り除いた状態で示し、ハウジングに関して「浮動」であるヘッド１０の部分を示している。明瞭さのために、図２において浮動構成要素２００、これは軸部２０２、上部ベアリング２１０、下部ベアリング２１２（及び下部ベアリングハウジング２１４）、スペーサー２１６、接続リング２２０、ロードセル２５０の内側リング２５２、及びモータアセンブリ１５０のロータ１５４が点線内に示されている。注目すべきは、ロードセル２５０の内側リング２５２、並びにロータ１５４（これはモータ１５０の一部である）が浮動構成要素２００（及び浮動構成要素と考えられるべきもの）に結合されてそれらと共に移動するが、ロードセル２５０の全体及びモータアセンブリ１５０の全体は軸部２０２に対して浮動ではないことである。これに代えて、モータ１５０及びロードセル２５０は各々がヘッドハウジング１００に固定された部分（それぞれ固定子１５２及び外側リング２５６）を含む。図３は図２と同様な断面図（９０度回転しているが）を示すが、ヘッド１０は完全に組み立てられている。

図２及び図３に図示される実施形態においては、ヘッドハウジング１００は回転モータ１５０を含み、これはヘッドハウジング１００に固定的に結合された固定子１５２と、上部ベアリング２１０と下部ベアリング２１２との間の軸部２０２の中心部分に固定的に結合された回転子１５４とを有する。回転子１５４は下部ベアリング２１２とロードセル２５０とからラジアルスペーサ２１６により機械的に離間されており、下部ベアリング２１２が保守されているときに回転子１５４がくっついたり及び／又は損傷したりしないことを確実にする。一方、固定子１５２はヘッドハウジング１００に固定されて入口／出口１５６及び入口／出口１５８（１５６及び１５８の一方が入口になり、他方が出口になるが、流れは可逆になるので、各々が入口／出口と名付けられる）を介して流体冷却することができる。一般に、モータ１５０は軸部２０２（及びひいてはツール２８０）への回転運動を与える。

大まかにいえば、軸部２０２は回転体であり、これはハウジング１００の上端１０２から（又はこれを通じて）ハウジング１００の底端１０４へ（又はこれを通じて／これから出て）延びる。この軸部２０２は実質的に円筒状である。しかしながら、「浮動固定」手段が軸部２０２を側方向に固定（軸が側方向に傾かないか並進しない）するが、ヘッドハウジング１００内で軸方向に移動可能であることを意味する限りは、この軸部は様々な段、窪み、凹所、及び、軸部をヘッドハウジング１００内に浮動的に固定することを可能にする他のそのような特徴を含んでもよい。例えば、図１−図７に示された実施形態において、軸部２０２は様々な段（例えば異なる径の区画）を含み、これは軸部２０２の軸方向移動を妨げることなく軸部を側方向に固定する。図２及び図３に示された実施形態において軸部２０２は中央区画２０３において最も広く、これはモータアセンブリ１５０に係合するように構成されている。更に、中央区画２０３をモータアセンブリ１５０との係合状態にとどめる（又は更に詳しくは回転子１５４を固定子１５２との係合状態にとどめる）ことを確実にするように、中央区画２０３の底端（図２の最も左端）は周囲フランジを含み、これは下部ベアリング２１２とラジアルスペーサ２１６との間に延在している。中央区画２０３から下向きに移動する（又は図２における右から左）と、軸部２０２は多数の径縮小段を含み、これは様々な構成要素を軸２０２とヘッドハウジング１００との間の所定位置に側方向に係止するのに役立つか及び／又は軸部２０２の径を軸部２０２の下部端２０４へ向かって単純に縮小する。ここでツール２８０は軸部２０２へ固定されている。

ツール２８０を固定するため、下端はツール２８０の本体を受け入れるように寸法付けられた軸方向キャビティを含む。このキャビティは任意の所望のサイズを有し、例えばねじなどの係止機構２８６も含み、これによって任意の所望のツール２８０を軸部２０２に固定することを可能にする。ツール２８０は軸部２０２の下端２０４から突出し（例えば下向きに延出し）肩部２８４及びピン又はプローブ２８２を規定し、ピン又はプローブは１つ以上のワークピースにおける又はそれらの間の継手を形成する。図示の実施形態においては、肩部２８４は軸方向（ピン２８２が延出する方向）に対して実質的に直交し、ピン２８２は切頂円錐形状を有するが、他の実施形態においてはツール２８０の操作端は任意の所望の形状を有し及び／又は任意の所望の特徴を含む（例えばピンはねじを含む）。付加的に、他の実施形態においては、ピン２８２は肩部２８４に関して移動可能（例えば格納可能）及び／又は現在知られている又は今後開発される任意の他のＦＳＷ機構を含む。

付加的に、図示の実施形態においては、軸部２０２は内部孔又は通路２０６を含む。通路２０６はツール２８０に含まれた冷却機構及びヘッドハウジング１００に含まれた冷却剤送達機構に整合するように構成されている。例えば、図示の実施形態においてはヘッドハウジング１００の上端１０２は、気体又は液体冷却剤のための入口１１２及び出口１１４を含む。入口１１２を介して送達された冷却剤は配管１２０を介して通路２０６へ入り、冷却剤が軸部２０２の下端２０４に隣接するツール２０６及び軸部２０２に接触する。次いで、冷却剤は上向きに配管１２０の回りを通って移動し、出口１１４を介して通路２０６を出る。しかしながら、他の実施形態においては、ヘッド１０は軸部２０２及び／又はツール２８０を冷却する任意の望ましい冷却機構を含んでもよい。

更に図２及び図３を参照すると、上部ベアリング２１０（又は少なくともベアリング２１０を含むハウジング）及び下部ベアリング２１２（又は少なくともベアリング２１０を含むハウジング）も軸部２０２へ結合され（例えばベアリングの内縁が軸部２０２へ固定的に結合され）、軸部２０２（及びツール２８０）は、モータ１５０が軸部２０２を回転させるにつれてハウジング１００に対してスピンできる。上部ベアリング２１０はモータ２５０の上方に配置され、下部ベアリング２１２はモータ１５０の下側に配置され、モータ２５０に直接に隣接した摩擦を最小化する。図３に見られるように、図示の実施形態においては、上部ベアリング２１０は付勢部材２１１により長手方向上向きに付勢される。この付勢は、ベアリング、ロードセル、及び／又は任意の他の構成要素の保守中（又は使用されていないとき）に軸部２０２を軸方向に固定したままにする。他の実施形態においては、ヘッド１０は付勢部材２１１を含む必要はない。しかしながら、ヘッド１０が付勢部材２１１を含むならば、ロードセル２５０は、ＦＳＷ操作に先立って出力をゼロ化することにより、この付勢を校正する。

下部ベアリング２１２は、ベアリング２１０から外側に同軸に配置された補助ベアリングハウジング２１４により支持されている。ベアリングハウジング２１４は下部ベアリング２１２とヘッドハウジング１００との間で実質的に延在し、ベアリングハウジングはハウジング１００に隣接する（ただし、或るすきまがヘッドハウジング１００とベアリングハウジング２１４との間に設けられるため、ハウジング２１４は、ＦＳＷ操作の間に生成された熱による膨張に起因してヘッドハウジング１００に付着することはない）。この位置に起因して、ベアリングハウジング２１４は、ハウジング１００に含まれたアクセスパネル２１５（図５参照）を介してアクセス可能であり、ベアリング２１２はヘッド１０の何らかの他の構成要素を分解することなく保守／交換できる。ヘッドハウジング１００は、ベアリングハウジング２１４を支持して中心にするように構成されたＯリング１０８も含む。

図２及び図３に加えて、ここで図４も参照すると、接続リング２２０がロードセル２５０とベアリングハウジング２１４との間で結合されて延在する。更に詳しくは、少なくとも幾つかの実施形態においては、接続リング２２０はロードセル２５０の内側リング２５２に固定的に結合されると共に、ベアリングハウジング２１４に固定的に結合される。これに代えて、接続リング２２０、ロードセル２５０の内側リング２５２及びベアリングハウジング２１４は一体的に（即ち、一片として）形成してもよく、このようにすればヘッド１０の全体的な高さ（縦方向寸法）を減少させるであろう。とにかく、ベアリングハウジング２１４が軸部２０２に（ベアリング２１２を介して）固定的に結合され、従って、接続リング２２０がロードセル２５０の内側リング２５２が軸２０４に関して移動又は浮動することを確実にする。一方、内側リング２５２も可撓部分２５４を介してロードセルの外側リング２５６に可撓的に結合させ、ロードセルはヘッドハウジング１００に固定的に結合される。従って、軸の何らかの「浮動」は、ロードセル２５０に、外側リング２５６に関する内側リング２５２の相対移動に起因する負荷信号を生成させる。

例えば、図１―図４に図示された例示的な実施形態においては、ツール２８０が１つ以上のワークピースに働くとき、力経路Ｐ１に示されるように軸部２０２は上向きに浮動し、外側リング２５６に関して内側リング２５２を上向きに引っ張る。図４に示されるように、力経路Ｐ１がロードセル２５０における力Ｆ１を生成するので、ロードセル２５０に負荷信号を生成させる。負荷信号は伝達部材２５８を介してヘッド１０を通じて上向きに伝達できるので、データ接続は信号をヘッド１０からコントローラ４０（図１参照）へ移行できる。図示の実施形態において、軸部２０２（及び軸部２０２に固定的に結合された任意の他の浮動構成要素２００）は約０．１ｍｍ移動できる。この少量の軸方向移動はロードセル２５０（例えばカラムロードセル）にツール２８０へ加えられる軸方向（例えば長手方向）力を測定させるのに十分である。

ここで図５−図７を参照すると、ＦＳＷヘッド１０が固定肩部形態Ｃ２に再構成されたときが示されている。注目すべきは、ロードセル２５０及び浮動構成要素２００の配置に起因して、ヘッド１０は回転肩部形態Ｃ１（図１−図４）から固定肩部形態Ｃ２に容易に再構成できることである。この変化を実行するために、固定肩部ハウジング３００は単独の操作で負荷リング２５０の内側リング２５２に容易に結合される。この単独の操作の間、ヘッド１０から取り外す必要がある構成要素はない。この構成における変化は比較的に簡単であるので、図５−図７と図１−図４との間の差異のみを以下に説明し、以下に差異を説明しない限り、上述に含まれる同様な部品の説明は図５−図７に示される構成要素に適用されるものと理解されたい。

最も注目すべきは、固定肩部ハウジング３００（例えばベルハウジング）は軸部２０２の下端２０４を覆うように設置されているので、軸部２０２はヘッド１０の外側からは見えない（図５に示すように）ことである。実際に、ツール２８０の肩部２８４はヘッド１０の外側から隠されていても、固定肩部ハウジング３００はピン２８２のための固定肩部３０２を与え、このピンは固定肩部ハウジング３００の底部の中心に含まれた小さな開口３０４から突出する。

依然として図５−図７を参照するが、ここで図６及び図７に注目すると、固定肩部ハウジング３００がヘッドハウジング１００に結合され、コネクタ３２０を介してロードリング２５０の内側リング２５２に接続されている。その結果、上向き圧力が固定肩部３００（例えば肩部３０２）に加えられたならば、固定肩部３００はロードセル２５０の内側リング２５２を直接に押す。内側リング２５２が浮動軸２０２へ結合されているので、内側リング２５２は外側リング２５６に関して少なくとも僅かに上向きに（例えば垂直方向に）浮動でき、ロードセル２５０に負荷信号を生成させる。更に詳しくは、ツール２８０が１つ以上のワークピースに働いているとき、上向き力が図７に示すように力経路Ｐ２に沿ってロードセルに加えられる。力経路Ｐ２は力Ｆ２をロードセル２５０に生成し（力Ｆ１を生成する経路Ｐ１と同様である。ただし、ここでは、ロードセルに間接的に引っ張るのに代えてロードセルを直接的に押すことを介して力が生成される）、ロードセル２５０に負荷信号が生成される。再び、負荷信号は伝達部材２５８を介してヘッド１０を通じて上向きに伝達し、データ接続は信号をヘッド１０からコントローラ４０へ伝達することができる（図５参照）。上述したように、図示の実施形態においては、軸部２０２（及び軸部２０２に固定的に結合された任意の他の浮動構成要素２００）は約０．１ｍｍ移動することができ、この小さな移動は、ロードセル２５０に、ツール２８０に働く軸方向（例えば長手方向）の力を測定させるのに十分である。

ここで図８を参照すると、改善された軸方向力測定を有するＦＳＷヘッド２０の他の実施形態が示されている。図８に図示された実施形態は図１−図７に示された実施形態に比べると（再構成とは）異なる実施形態であるが、図８に示される実施形態は図１−図７に示される実施形態と依然としてよく似ている。その結果、図８と図１−図７との差異は以下に説明され、上述に含まれる同様な部品の何らかの説明は特に以下で差異を説明しない限りは図８に示される構成要素に適用されるものと理解されたい。

例えば、図８に示された実施形態において、軸部２０２は図１―図７に示された実施形態よりも異なる形状を有するが、全体的には依然として浮動軸であり、上述に含まれる浮動軸部２０２の何らかの説明は（図１−図７に示される軸部の形状の説明を除いて）図８に示される軸部２０２に適用可能である。図８において図１−図７からの最も注目すべき差異は、ロードセル２５０がヘッドハウジング１００の底端１０４から、モータアセンブリ１５０と下部ベアリング２１２（これは２列ではなく３列のベアリングを含み、異なった形態で作動するが、図１−図７のベアリング２１２と同じ方法でアクセスできる）の間に移動していることである。この位置にあることによってロードセル２５０は保護されているが、回転肩部ＦＳＷ操作の間に負荷信号を生成するのに十分である。例えば、肩部ＦＳＷの回転の間、ヘッドハウジング１００（及びロードセル２５０の外側リング２５６）についての軸部２０２及び下部ベアリング２１２の相対移動は、ロードセル２５０の内側リング２５２に上向き軸方向力（図８において左から右）を生成し、これはロードセルに負荷信号を生成させる。しかしながら、この位置に起因してヘッド２０を固定肩部ＦＳＷに再構成するのは可能ではないかもしれない。というのは、肩部がロードセル２５０に直接力を加えることができないからである（例えば、固定肩部ハウジング３００はロードセル２５０に結合できず作用できない）。

本明細書に提示されたＦＳＷヘッドは多数の利点を与える。例えば、本明細書に提示されたＦＳＷヘッドは小型であり主に自己完結型ヘッドを与え、これは様々な支持構造（例えばガントリー、ロボット等）上で操作可能であると共に、ワークピース、支持構造又は任意の他の物体との衝突の機会を最小化させる。本明細書に提示されたＦＳＷヘッドの小型なサイズはＦＳＷヘッドを堅くして頑丈にすることを保証し、ＦＳＷヘッドが支持構造（ガントリー、ロボット等）で逸脱（例えば屈曲）する可能性を低減する。更に、ＦＳＷは軸方向力（例えば溶接ヘッドの中心軸に沿って働く力、例えば上向き又は下向き力）の測定が改善される。これは特にロードセルがＦＳＷヘッドの上方に位置する場合比べてロードセルとＦＳＷツールとの間の経路が大幅に低減されるためである。この経路の低減は改善された精度をもたらし、次いでコントローラに高品質な溶接を形成する改善された（例えば、より正確な）操作パラメータ（例えば移動速度、下向き力等）を与えることを可能にする。

更に、少なくとも幾つかの実施形態においては、ＦＳＷヘッドは改善された保守性を与える。これは少なくともロードセル及び下部ベアリングが容易にアクセス可能になるためである。従って、ロードセル及び／又は下部ベアリングは、溶接ヘッドの高価な分解を伴うことなく、アクセス可能であり、修理／交換できる。例えば、ロードセル及び／又は下部ベアリングは、ＦＳＷヘッドを支持構造（例えばガントリー、ロボット等）から取り外すことなく交換可能である。更に、少なくとも幾つかの実施形態において（例えば図１−図７に示される実施形態において）、本明細書に提示されたＦＳＷヘッドは、それが回転肩部ＦＳＷに適する形態と固定肩部溶接に適する形態との間で迅速且つ容易に再構成することができる（例えば固定肩部ハウジングをＦＳＷヘッドに単純に設置又は取り外すことができる）ので有益である。

要約すれば、１つの形態において、ＦＳＷヘッドが設けられ、このＦＳＷヘッドは、上端から開口底端へ延出して、その上端と開口底端との間に延在する孔を画成するヘッドハウジングと、孔と共軸であり孔内で回転可能な軸部とを備え、軸部はヘッドハウジング内で側方向に固定されてヘッドハウジングに関して軸方向に可動であり、軸部は係合端を含み、この係合端はヘッドハウジングの開口底端を越えて延出し、ＦＳＷツールを支持し、これは摩擦撹拌溶接操作を実行するように軸部を回転させるように構成されている。

他の形態においては、ＦＳＷヘッドが設けられ、このＦＳＷヘッドは、上端から開口底端へ延出して、その上端と開口底端との間に延在する孔を画成するヘッドハウジングと、ＦＳＷツールを支持するように構成された１つ以上の浮動構成要素であり、ヘッドハウジングに関して軸方向に移動可能である１つ以上の浮動構成要素と、ヘッドハウジングの開口底端の下側に配置されたロードセルであり、浮動構成要素の軸方向移動に関して負荷信号を生成するように構成されたロードセルとを備える。

更に他の形態においては、摩擦撹拌溶接の方法が与えられ、この方法は、ヘッドハウジングを設け、このヘッドハウジングは上端から開口底端へ延出して、その上端と開口底端との間に延在する孔を画成し、ヘッドハウジングに浮動軸部を設置し、浮動軸部は開口底端を越えて延出する係合端を含み、この係合端がＦＳＷツールを支持し、ヘッドハウジングの開口底端にロードセルを設置し、ロードセルに生成された負荷信号に基づいてツールにより摩擦撹拌溶接を制御することを含む。

発明はここに１つ以上の特定の実施の例として図解され説明されたが、その例の特定の詳細は本明細書に提示された発明の目的を限定することを意図するものではなく、様々な変更及び構造的変化を本発明の目的及び範囲内でなすことができる。更に、本明細書で論じた１つの例の様々な特徴を任意の他の例に組み込んでもよい。従って、添付の特許請求の範囲は広く解釈すべきであり、開示の目的と一致するものである。

Claims (20)

1. 摩擦撹拌溶接ヘッドであって、
   上端から開口底端へ延出して、その上端と前記開口底端との間に延在する孔を画成するヘッドハウジングと、
   前記孔と共軸であり前記孔内で回転する軸部であり、この軸部は前記ヘッドハウジング内で側方向に固定されて前記ヘッドハウジングに関して軸方向に可動であり、前記軸部は係合端を含み、この係合端は前記ヘッドハウジングの前記開口底端を越えて延出し、摩擦撹拌溶接ツールを支持し、この摩擦撹拌溶接ツールは摩擦撹拌溶接操作を実行するために前記軸部と共に回転するように構成されている軸部と、
   前記ヘッドハウジングの前記開口底端の下側に配置され、前記軸部の軸方向移動に応じて負荷信号を生成するように構成されているロードセルとを備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
2. 請求項１の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記軸部を前記孔内で前記ヘッドハウジングに関して回転させるように構成されたモータアセンブリを更に備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
3. 請求項１の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記ロードセルは前記ヘッドハウジングの前記開口底端と前記軸部の前記係合端により支持された前記摩擦撹拌溶接ツールとの間に配置されている摩擦撹拌溶接ヘッド。
4. 請求項１の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記ロードセルは、
   内側リングと、
   外側リングであり、前記内側リングは前記軸部に固定的に結合され、可撓部分を介して前記外側リングへ可動に結合され、前記外側リングに関する前記内側リングの相対移動が前記ロードセルに前記負荷信号を生成させる外側リングとを備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
5. 請求項４の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記ツールは、
   ピンと、
   ピンと共に回転して摩擦撹拌溶接操作を実行する肩部であり、この肩部における上向き力が前記内側リングに伝わり前記内側リングを前記外側リングに関して移動させて前記ロードセルに負荷信号を生成させる肩部とを備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
6. 請求項５の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、
   下部ベアリングであり、前記軸部を前記ヘッドハウジングに対して回転可能にして、前記下部ベアリングは１つ以上の浮動構成要素を介して内側リングへ結合されるか又は前記内側リング及び前記１つ以上の浮動構成要素と共に形成され、前記肩部における前記上向き力が前記下部ベアリング及び前記１つ以上の浮動構成要素を介して前記内側リングに伝わる下部ベアリングを更に備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
7. 請求項４の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記ツールは、
   ピンと、
   肩部であり、固定肩部により覆われ、この固定肩部における上向き力が前記内側リングに伝わり、この内側リングを前記外側リングに関して移動させてロードセルに負荷信号を生成させる肩部とを備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
8. 請求項７の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記上向き力が前記固定肩部から前記内側リングへ直接に伝わる摩擦撹拌溶接ヘッド。
9. 摩擦撹拌溶接ヘッドであって、
   上端から開口底端へ延出して、その上端と前記開口底端との間に延在する孔を画成するヘッドハウジングと、
   １つ以上の浮動構成要素であり、摩擦撹拌溶接ツールを支持するように構成され、この１つ以上の浮動構成要素は前記ヘッドハウジングに関して軸方向に移動可能である１つ以上の浮動構成要素と、
   前記ヘッドハウジングの前記開口底端の下側に配置され、前記浮動構成要素の軸方向移動に応じて負荷信号を生成するように構成されているロードセルとを備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
10. 請求項９の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記１つ以上の浮動構成要素は、
    前記孔と共軸な軸部と、
    前記孔内の前記軸部の回転を可能にする１つ以上のベアリングと、
    前記１つ以上のベアリングの特定のベアリングを前記ロードセルに接続する接続リングとを備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
11. 請求項１０の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記１つ以上の浮動構成要素は、
    ロードセルの内側リングであり、この内側リングは少なくとも前記接続リングを介して前記軸部へ固定的に結合され、可撓部分を介して前記ロードセルの外側リングに可動に結合され、前記外側リングに関する前記内側リングの相対移動が前記ロードセルに負荷信号を生成させる内側リングを更に備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
12. 請求項１０の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記１つ以上の浮動構成要素は、
    モータアセンブリの回転子であり、この回転子はヘッドハウジングへ固定的に結合された固定子により可動であり、前記孔内の前記軸部の回転を実行させる回転子を更に備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
13. 請求項１０の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記特定のベアリングが前記ロードセルと前記摩擦撹拌溶接ヘッドに含まれたモータアセンブリとの間に配置された下部ベアリングである摩擦撹拌溶接ヘッド。
14. 請求項１３の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記下部ベアリングが、
    前記下部ベアリングから共軸に外側に配置され、前記へッドハウジングに含まれたアクセスパネルを介してアクセス可能な補助ベアリングハウジングを更に備える摩擦撹拌溶接ヘッド。
15. 請求項９の摩擦撹拌溶接ヘッドにおいて、前記摩擦撹拌溶接ヘッドが回転肩部形態と固定肩部形態との間で単独の設置動作により再構成可能である摩擦撹拌溶接へッド。
16. 摩擦撹拌溶接の方法であって、
    ヘッドハウジングを設け、このヘッドハウジングは上端から開口底端へ延出して、前記上端と前記開口底端との間に延在する孔を画成し、
    前記ヘッドハウジングに浮動軸部を設置し、この浮動軸部は前記開口底端を越えて延出する係合端を含み、この係合端は摩擦撹拌溶接ツールを支持し、
    前記ヘッドハウジングの前記開口底端にロードセルを設置し、
    前記ロードセルにより生成された負荷信号に基づいて前記ツールにより摩擦撹拌溶接を制御することを含む方法。
17. 請求項１６の摩擦撹拌溶接の方法において、前記摩擦撹拌溶接が回転肩部摩擦撹拌溶接であって、前記方法は、
    固定肩部ハウジングを前記ロードセルに設置することにより固定肩部摩擦撹拌溶接に移行させる方法。
18. 請求項１７の摩擦撹拌溶接の方法であって、前記固定肩部ハウジングは前記摩擦撹拌溶接ツールの肩部を覆い、前記移行は単独の操作の後に終了する方法。
19. 請求項１６の摩擦撹拌溶接の方法において、
    １つ以上の浮動構成要素を前記浮動軸部に設置し、前記浮動軸部及び前記１つ以上の浮動構成要素は前記ヘッドハウジングに関して軸方向に移動可能であることを更に含む方法。
20. 請求項１９の摩擦撹拌溶接の方法において、前記１つ以上の浮動構成要素は、
    前記孔内の前記軸部の回転を可能にする１つ以上のベアリングと、
    前記１つ以上のベアリングの特定のベアリングを前記ロードセルに接続する接続リングと、
    少なくとも、
    前記ロードセルの内側リングであり、前記内側リングは少なくとも接続リングを介して前記浮動軸部へ固定的に結合され、可撓部分を介して前記ロードセルの外側リングへ可動に結合され、前記外側リングに関する前記内側リングの相対移動が前記ロードセルに前記負荷信号を生成させる内側リングと、
    モータアセンブリの回転子であり、この回転子は前記ヘッドハウジングに固定的に結合された固定子により可動であり、前記孔内の前記軸部の回転を実行させる回転子とのいずれか一方を備える方法。

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