JP2022157183A - ロボット型摩擦攪拌接合装置及びその接合ツールの挿入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合ツールを適正な鉛直下方向（Ｚ軸下方向）の位置に挿入可能な信頼性の高いロボット型摩擦攪拌接合装置を提供する。【解決手段】多関節ロボットアームと、摩擦攪拌接合ユニットと、Ｚ軸上下動駆動モータと、主軸支持部を介して前記Ｚ軸上下動駆動モータに取り付けられた主軸と、前記主軸の内部に配置された接合ヘッドと、前記接合ヘッドに支持された接合ツールと、前記接合ツールに連結されて前記接合ツールを所定の回転数で回転させる主軸モータと、を有し、被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、前記多関節ロボットアームの各関節部を駆動することにより前記被接合部材の接合位置に前記摩擦攪拌接合ユニットをティーチングした後、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して前記主軸を下降駆動することにより、前記多関節ロボットアームの加動を要することなく前記接合ツールを前記被接合部材の所望の挿入位置に挿入することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、被接合部材同士を摩擦攪拌接合により接合する摩擦攪拌接合装置の構成とその制御に係り、特に、高品質（高精度）な接合が要求される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、その部分を攪拌することで被接合材料同士を接合する摩擦攪拌接合（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。

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「接合ツール本体の外周面にマーキングを施し、接合ツールを被接合部材に挿入しながら測定装置を用いて現在マーキングの位置（現在マーキング位置）を検出し、現在マーキング位置が目標マーキング位置に到達した時点で挿入処理を終了する制御方法」が開示されている。

この制御方法により、接合ツール先端部にバリ等の異物が付着した際の影響を排除し、適正挿入位置まで接合ツールを被接合部材に挿入することができるとしている。

また、特許文献２には「回転ツールを回転させながら、多関節ロボットのアームにより回転ツールに押圧力を付与して被接合部材に挿入し、回転ツールを所望のＺ軸下方向の位置にセットする摩擦攪拌接合装置」が開示されている。

特開２０１９－２０６０２６号公報 特開２０１９－１７１６２０号公報

上記特許文献１に開示された接合ツールを被接合部材に挿入する方法は、被接合部材の板厚が均一であり、且つ、被接合部材の表面が平坦でうねり等がなく、表面のＺ軸方向の位置が一定である場合において有効である。

しかしながら、本願発明者らは、この制御方法では、被接合部材にうねり等がある場合においては、必ずしも有効ではなく、適正に接合ツールを被接合部材に挿入できない場合があることを突き止めた。

また、上記特許文献２に開示された接合ツールを被接合部材に挿入する方法は、被接合部材が金属薄板や柔らかい（変形抵抗が小さい）場合には問題ないが、金属厚板などの場合には、被接合部材からの反力の影響を受けて、多関節ロボットの関節部が不安定になることがある。その結果、接合ツールを被接合部材の適正な位置に挿入できないことが予想される。

そこで、本発明の目的は、多関節ロボットアームの先端に摩擦攪拌接合ユニットを備えるロボット型摩擦攪拌接合装置において、板厚の不均一やうねり等により被接合部材の表面が平坦でない場合や被接合部材からの反力の影響が大きい場合であっても、摩擦攪拌接合を開始する前段階において、接合ツールを適正な鉛直下方向（Ｚ軸下方向）の位置に挿入可能な信頼性の高いロボット型摩擦攪拌接合装置及び接合ツールの挿入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、多関節ロボットアームと、前記多関節ロボットアームの先端に取り付けられた摩擦攪拌接合ユニットと、を備え、前記摩擦攪拌接合ユニットは、Ｚ軸上下動駆動モータと、主軸支持部を介して前記Ｚ軸上下動駆動モータに取り付けられた主軸と、前記主軸の内部に配置された接合ヘッドと、前記接合ヘッドに支持された接合ツールと、前記接合ツールに連結されて前記接合ツールを所定の回転数で回転させる主軸モータと、を有し、被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、前記多関節ロボットアームの各関節部を駆動することにより前記被接合部材の接合位置に前記摩擦攪拌接合ユニットをティーチングした後、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して前記主軸を下降駆動することにより、前記多関節ロボットアームの加動を要することなく前記接合ツールを前記被接合部材の所望の挿入位置に挿入することを特徴とする。

また、本発明は、ロボット型摩擦攪拌接合装置による被接合部材への接合ツールの挿入方法であって、（ａ）被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、多関節ロボットアームの各関節部を駆動することにより前記被接合部材の接合位置に摩擦攪拌接合ユニットをティーチングするステップと、（ｂ）前記（ａ）ステップの後、主軸モータの目標負荷率とＺ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定する目標値設定ステップと、（ｃ）前記（ｂ）ステップの後、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を実行するステップと、を有し、前記（ｃ）ステップにおいて、（ｃ１）予め定められたサンプリング周期において、前記主軸モータの負荷率の現在値を示す現在負荷率と、前記Ｚ軸上下動駆動モータの追込み量の現在値を示す現在追込み量とを取得する状態量取得ステップと、（ｃ２）前記現在負荷率と前記目標負荷率とを比較し、その後、前記現在追込み量と前記目標追込み量とを比較する比較ステップと、をさらに有することを特徴とする。

本発明によれば、多関節ロボットアームの先端に摩擦攪拌接合ユニットを備えるロボット型摩擦攪拌接合装置において、板厚の不均一やうねり等により被接合部材の表面が平坦でない場合や被接合部材からの反力の影響が大きい場合であっても、摩擦攪拌接合を開始する前段階において、接合ツールを適正な鉛直下方向（Ｚ軸下方向）の位置に挿入可能な信頼性の高いロボット型摩擦攪拌接合装置及び接合ツールの挿入方法を実現することができる。

これにより、被接合部材同士の高品質（高精度）な摩擦攪拌接合が可能となる。

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。

本発明の実施例１に係るロボット型摩擦攪拌接合装置の全体概要を示す図である。 主軸モータ負荷率とツール挿入動作の関係を概念的に示す図である。 接合ツールのゼロ点設定時の様子を示す図である。 第一の挿入処理終了条件の成立時の各パラメータの関係を示す図である。 第二の挿入処理終了条件の成立時の各パラメータの関係を示す図である。 本発明の実施例１に係る接合ツールの挿入方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る接合ツールの損傷検出時の各パラメータの関係を示す図である。 従来の摩擦攪拌接合装置の接合ツール挿入時の様子を示す図である。 従来の摩擦攪拌接合装置の接合ツール挿入時の様子を示す図である。

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。

また、以下で説明する「追込み量」とは、接合ツールが被接合部材の表面からどれだけの深さまで挿入するかを決める接合ツールの下降量、すなわち接合ツール及びＺ軸上下動駆動モータの回転軸に垂直な移動量を意味する。

先ず、図８及び図９を参照して、上述した本発明が解決しようとする課題について詳しく説明する。図８及び図９は、いずれも従来の一般的な摩擦攪拌接合装置の接合ツール挿入時の様子を示す図であり、それぞれ被接合部材にうねりがない場合（図８）と被接合部材にうねりがある場合（図９）を示している。

上記特許文献１の制御方法を用いた場合、図８に示すように、被接合部材にうねり等がない場合は、接合ツール先端に異物１７が付着していても精度良く接合ツールを適正挿入位置まで挿入することが可能である。

しかしながら、図９に示すように、被接合部材にうねり等がある場合は、被接合部材の表面に凸部が存在し、凸量（ΔＩ分）だけ適正挿入位置を超えて挿入することとなり、精度良く挿入することができない。挿入処理終了時の接合ツール位置は、目標挿入量に一致するが、適切挿入量とはΔＩ分の位置ずれが生じる。

従って、図示していないが、被接合部材の厚みが薄く表面のＺ軸位置と摩擦攪拌接合装置の載置台のＺ軸位置との偏差が小さい場合、接合ツール先端部は被接合部材を突き抜けてしまう恐れもある。

次に、図１及び図２を参照して、本発明の対象となるロボット型摩擦攪拌接合装置の構成とその制御について説明する。図１は、本実施例に係るロボット型摩擦攪拌接合装置の全体概要を示す図である。図２は、主軸モータ負荷率とツール挿入動作の関係を概念的に示す図である。

本実施例のロボット型摩擦攪拌接合装置１は、図１に示すように、主要な構成として、多関節ロボットアーム２と、多関節ロボットアーム２の先端に取り付けられた摩擦攪拌接合ユニットを備えている。

多関節ロボットアーム２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２ａ上に脚部２ｂ、下腕部２ｃ、上腕部２ｄ、手首部２ｅ，２ｆ，２ｇを有する多軸タイプの多関節ロボットアームの例を示す。

多関節ロボットアーム２の手首部２ｇの先端には、摩擦攪拌接合ユニットの主軸支持部４が接続されている。

摩擦攪拌接合ユニットは、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を有するＺ軸上下動駆動機構部３と、主軸支持部４を介してＺ軸上下動駆動モータ１６（Ｚ軸上下動駆動機構部３）に取り付けられた主軸１５と、主軸１５の内部に配置されたツールホルダ（接合ヘッド）５と、ツールホルダ（接合ヘッド）５に支持された接合ツール６と、接合ツール６に連結されて接合ツール６を所定の回転数で回転させる主軸モータ１４とを有して構成されている。

Ｚ軸上下動駆動機構部３には、図１に例示するように、例えばボールスクリューやリニアガイドなどが用いられ、Ｚ軸上下動駆モータ１６により多関節ロボットアーム２の手首部２ｇ（主軸支持部４）に対して主軸１５をＺ軸方向（上下方向）に駆動させることができる。

接合ツール６はショルダ部７及びプローブ部（接合ピン）８で構成され、主軸モータ１４に連結（図１では直結）されている。主軸モータ１４は、接合ツール６を所定方向に回転させる。

多関節ロボットアーム２は、主軸支持部４を介してＺ軸上下動駆動機構部３及び主軸１５を支持し、多関節ロボットアーム２に搭載（付属）された制御部（制御装置）１１からＺ軸上下駆動モータ１６と主軸モータ１４に駆動信号を付与して主軸１５をＺ軸方向（上下方向）に駆動および接合ツール６を回転させながら接合線に沿って進行させる。つまり、多関節ロボットアーム２は、主軸支持部４と、主軸１５と、ツールホルダ（接合ヘッド）５を保持し、主軸１５をＺ軸方向（上下方向）に駆動および接合ツール６を回転させると共に、接合ツール６を図１のＸ軸方向に移動させる。

接合ツール６を所定の回転数で回転させながら、載置台１０上に載置された被接合部材９（９ａ，９ｂ）表面の接合線上にショルダ部７とプローブ部８とを押し付けることにより摩擦熱を発生させて被接合部材９を軟化させ、ショルダ部７とプローブ部８とを被接合部材９に必要量挿入し、当該回転数を保持することで塑性流動が生じ、挿入部が攪拌される。接合ツール６を引き抜く、又は移動することで攪拌部（接合部）が冷却され、被接合部材９は接合される。

なお、ショルダ部７とプローブ部（接合ピン）８とが同一である接合ツール（つまりプローブを有さず、ショルダのみ）であっても良く、また、ショルダ部７が回転しない構造であっても良い。

また、図１では、多関節ロボットアーム２と載置台１０が同じ架台１２及び架台の脚部１３上に設置されている例を示しているが、多関節ロボットアーム２と載置台１０を別々に設置しても良い。

ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、モータコントローラーやＣＰＵユニットなどが収納された制御部（制御装置）１１を備えており、この制御部（制御装置）１１からの指令（プログラム信号）により多関節ロボットアーム２の動きと摩擦攪拌接合ユニットの接合条件を総合的にコントロールする。

制御部（制御装置）１１は、接合ツール６による接合条件を決定する接合条件信号やＺ軸上下動駆動機構部３による接合ツール６の鉛直方向（Ｚ方向）の保持位置（接合ピン８の挿入量）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。

なお、制御部１１は、例えば多関節ロボットアーム２の台座部２ａ等に内蔵しても良く、図１のように制御装置として多関節ロボットアーム２とは別に構成しても良い。また、摩擦攪拌接合ユニットの制御部は、多関節ロボットアーム２の制御部とは別に構成しても良い。

ここで、図２を用いて、主軸モータ負荷率とツール挿入動作の関係について説明する。図２に示すように、接合ツール位置は主軸モータ１４の負荷率と関係がある。

プローブ部（接合ピン）８を被接合部材９に接触させて接合ツール６の挿入を開始すると、接合ツール位置が深くなるに従い主軸モータ１４の負荷率は上昇する。

接合ツール６の挿入中にショルダ部７が被接合部材９に接触すると、主軸モータ１４の負荷率の上昇率は一時的に低下するが、接合ツール６の挿入がさらに進むと、主軸モータ１４の負荷率の上昇率は再び上昇する。

接合ツール６の挿入時の目標負荷率又は目標接合ツール位置に到達した時点で、接合ツール６の挿入処理を終了し、接合ツール位置を固定した状態で、接合ツール６を一定の時間回転させて被接合部材９への入熱処理を行う。

その後、被接合部材９の摩擦攪拌接合処理を行う。摩擦攪拌接合処理の間は、主軸モータ負荷率と接合ツール位置をともに一定の値（目標値）を保持するように、主軸モータ１４及びＺ軸上下動駆動モータ１６の駆動を制御する。

摩擦攪拌接合処理が終了した時点で、接合ツール６の引き抜きを開始すると、接合ツール位置が浅くなるに従い主軸モータ１４の負荷率は低下する。

上記のように、本実施例のロボット型摩擦攪拌接合装置１は、被接合部材９を摩擦攪拌接合する際、高品質の接合を確保するために、被接合部材９の材質、厚みなどの接合条件に基づき、挿入処理において、接合ツール６を所定の回転速度で回転させながら、適正挿入位置まで被接合部材９に接合ツール６を挿入する。その後、被接合部材９の接合部が目標入熱量に到達するまで、その挿入位置において接合ツール６を回転させて入熱処理を実行する。接合部が目標入熱量に到達すると、接合ツール６を接合線に沿って進行させて接合処理を実行する。

なお、図２中の「損傷検出負荷率」については、実施例２で後述する。

次に、図３から図６を参照して、本実施例に係るロボット型摩擦攪拌接合装置１の接合ツール６の挿入処理について説明する。図３は、接合ツール６のゼロ点設定時の様子を示す図である。図４は、第一の挿入処理終了条件の成立時の各パラメータの関係を示す図であり、図５は、第二の挿入処理終了条件の成立時の各パラメータの関係を示す図である。図６は、本実施例での接合ツール６の挿入方法を示すフローチャートである。

本発明を適用したロボット型摩擦攪拌接合装置１は、接合ツール６を被接合部材９に挿入したときの接合ツール位置が適正挿入位置となるように、以下のように接合ツール６を被接合部材９に挿入する挿入処理を実行する。

先ず、ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、接合ツール６が被接合部材９の所定の接合位置となるように、各関節部を駆動して、アーム先端に取り付けられた摩擦攪拌接合ユニットの位置合せ処理であるティーチングを実行する。

次に、図３に示すように、その位置においてロボット型摩擦攪拌接合装置１は、接合ツール６により接合処理を開始する前段階において、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を駆動することにより主軸１５を下降駆動し、つまり、接合ツール６を下降駆動してその先端部を被接合部材９の表面に位置合わせをして、接合ツール６の位置を示す接合ツール位置のゼロ点設定を実行する。なお、ゼロ点は、鉛直下方向であるＺ軸下方向の位置を示すＺ軸位置において、接合ツール位置の基準位置となる。

引続き前段階において、次のように試験的に挿入処理を実行する。ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、被接合部材９の材質及び厚さ等の被接合部材９に依存する接合条件に基づいて設定した主軸モータ１４の目標とする回転速度（目標回転速度）により主軸モータ１４を回転させながら、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を駆動して追込み量を増加していき、多関節ロボットアーム２の加動を要することなく、所望の接合品質を確保できるＺ軸位置まで主軸１５を下降駆動して、主軸１５に取り付けられた接合ツール６を被接合部材９の適正挿入位置に挿入する。このときのＺ軸上下動駆動モータ１６の追込み量を目標追込み量として設定する。

さらに前段階において、ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、主軸モータ１４の目標回転速度とＺ軸上下動駆動モータ１６の目標追込み量を設定して、再度、試験的に挿入処理を実行し、最も精度の高い接合品質を得られると思われる接合ツール位置まで接合ツール６を被接合部材９に挿入し、このときの主軸モータ１４の負荷率（主軸モータ１４の負荷トルクの最大値を１００として算出する値）、又は、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の負荷率（Ｚ軸上下動駆動モータ１６の負荷トルクの最大値を１００として算出する値）、又は、主軸支持部４やＺ軸上下動駆動機構部３に掛かる実負荷を取得して、これらの値を目標負荷率として設定する。

なお、主軸モータ１４の負荷率及びＺ軸上下動駆動モータ１６の負荷率は各モータに付与する電流値で取得できるが、主軸支持部４の実負荷を使用する場合は、実負荷（荷重値等）の計測装置を用いることとなる。

ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、試験的な挿入処理がすべて終了した後、実運用の挿入処理を実行する。

ロボット型摩擦攪拌接合装置１は先ず、目標回転速度と、目標追込み量と、目標負荷率と、を設定する。

次に、ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、接合ツール６が被接合部材９の所定の接合位置となるように、各関節部を駆動して、アーム先端に取り付けられた摩擦攪拌接合ユニットのティーチングを実行する。

その位置においてロボット型摩擦攪拌接合装置１は、主軸モータ１４の目標回転速度により主軸モータ１４を回転させながら、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を駆動し、追込み量を増加していき、主軸１５を下降動作して主軸１５の先端部に取付けられた接合ツール６の被接合部材９への挿入を開始する。

なお、多関節ロボットアーム２の各関節部は、ティーチングが終了した後は挿入処理が終了するまで動作しないで固定しておき、多関節ロボットアーム２はその位置を保持する。

さらに、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を、目標追込み量に向けて追込み量を増加させながら摩擦攪拌接合ユニットを、すなわち接合ツール６を下降動作していき、その過程において定時に、つまり、予め設定されたサンプリング周期において、目標負荷率に対応する実際の物理量を示す現在負荷率を取得する。

次に、現在負荷率を取得した同一サンプリングにおいて、第一の挿入処理終了条件として、現在負荷率と目標負荷率とを比較し、その偏差である第一の偏差が許容範囲内に到達したか否かをチェックする。第一の偏差が許容範囲内に到達していれば、第一の挿入処理終了条件が成立したとして、この時点において挿入処理を終了する。

第一の挿入処理終了条件が成立していないときは、前述の同一サンプリングにおいて、第二の挿入処理終了条件として、現在追込み量と目標追込み量と比較し、その偏差である第二の偏差が許容範囲内に到達したか否かをチェックする。第二の偏差が許容範囲内に到達していれば、第二の挿入処理終了条件が成立したとして、この時点において挿入処理を終了する。

第二の挿入処理終了条件が成立していないときは、さらにＺ軸上下動駆動モータ１６の追込み量を増加し、第一の挿入処理終了条件が成立しているか、第二の挿入処理終了条件が成立しているかのチェックを繰り返す。

このように、ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の追込み量を増加して接合ツール６を被接合部材９に挿入しながら第一の挿入処理終了条件及び第二の挿入処理終了条件の成立状況をチェックしていき、第一の挿入処理終了条件又は第二の挿入処理終了条件のいずれかが成立した時点において挿入処理を終了する。

なお、これらのことから分かるように、第二の挿入処理終了条件の成立要件である目標追込み量は、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の最大追込み量として設定されることとなる。つまり、接合ツール６の挿入位置のリミッタとなる。

以上のように挿入処理が終了した後、その接合ツール位置を初期値として、摩擦攪拌接合処理に移行する。

なお、第一の挿入処理終了条件及び第二の挿入処理終了条件に関するそれぞれの許容範囲については、試験的に挿入処理を実行したときに実測値に基づいて設定しても良いし、接合条件から計算値で設定しても良い。

また、目標負荷率として主軸モータ１４の負荷率を設定したときの現在負荷率は主軸モータ１４の負荷率の現在値を用い、目標負荷率としてＺ軸上下動駆動モータ１６の負荷率を設定したときの現在負荷率はＺ軸上下動駆動モータ１６の負荷率の現在値を用い、目標負荷率として主軸支持部４の実負荷を設定したときの現在負荷率は主軸支持部４の実負荷の現在値を用いることとなる。

また、目標負荷率として、主軸モータ１４の負荷率とＺ軸上下動駆動モータ１６の負荷率と主軸支持部４の実負荷のいずれを選択するかは、被接合部材９の接合条件により予め制御部１１に設定しても良いし、制御部１１に選択メニューを表示し、ロボット型摩擦攪拌接合装置１の運転開始時に当該メニューから選択できるようにしても良い。

図６を用いて、上述した接合ツール６の挿入方法について説明する。

先ず、ステップＳ１において、摩擦攪拌接合を開始する前段階において、多関節ロボットアーム２の各関節部を駆動することにより被接合部材９の接合位置に摩擦攪拌接合ユニットをティーチングする。

次に、ステップＳ２において、制御部１１で接合ツール６の挿入処理の目標値を設定する。ここで、主軸モータ１４の目標負荷率をL0とし、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の目標追込み量をD0とする。

続いて、ステップＳ３において、所定のサンプリング周期で主軸モータ１４の負荷率の現在値及びＺ軸上下動駆動モータ１６の追込み量の現在値を取得する。ここで、現在負荷率をLtとし、現在追込み量をDtとする。

次に、ステップＳ４において、現在負荷率：Ltと目標負荷率：L0の偏差（｜Lt - L0｜）を許容範囲と比較する。

｜Lt - L0｜が許容範囲内であると判定された場合、接合ツール６の挿入処理を終了する。一方、｜Lt - L0｜が許容範囲外であると判定された場合は、ステップＳ５へ移行する。

続いて、ステップＳ５において、現在追込み量：Dtと目標追込み量：D0の偏差（｜Dt - D0｜）を許容範囲と比較する。

｜Dt - D0｜が許容範囲内であると判定された場合、接合ツール６の挿入処理を終了する。一方、｜Dt - D0｜が許容範囲外であると判定された場合は、ステップＳ３に戻り、ステップＳ３～Ｓ５の処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施例のロボット型摩擦攪拌接合装置及びその接合ツールの挿入方法によれば、板厚の不均一やうねり等により被接合部材の表面が平坦でない場合や被接合部材からの反力の影響が大きい場合であっても、摩擦攪拌接合を開始する前段階において、接合ツールを適正な鉛直下方向（Ｚ軸下方向）の位置に挿入可能な信頼性の高いロボット型摩擦攪拌接合装置及び接合ツールの挿入方法を実現することができる。これにより、被接合部材同士の高品質（高精度）な摩擦攪拌接合が可能となる。

なお、本実施例のロボット型摩擦攪拌接合装置１は、多関節ロボットアーム２により摩擦攪拌接合ユニットを三次元空間において自在に移動させることができるため、一般的な線接合に加えて、被接合部材を断続的に接合する点接合にも適用することが可能である。

図７を参照して、本発明の実施例２に係るロボット型摩擦攪拌接合装置及びその接合ツールの挿入方法について説明する。図７は、本実施例のロボット型摩擦攪拌接合装置における接合ツールの損傷検出時の各パラメータの関係を示す図である。

図７に示すように、本実施例のロボット型摩擦攪拌接合装置１は、接合ツール６により接合処理を開始する前段階において、試験的に挿入処理を実行した際、目標負荷率と目標追込み量とを設定するとともに、試験的に接合ツール６の損傷を検出するための損傷検出負荷率と損傷検出追込み量とを設定する。

実運用の段階において、ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、挿入処理を開始してから予め設定されたサンプリング周期において、目標負荷率に対応する実際の物理量を示す現在負荷率とＺ軸上下動駆動モータ１６の追込み量の現在値を示す現在追込み量を取得する。

第一の挿入処理終了条件及び第二の挿入処理終了条件の成立状況をチェックするサンプリングにおいて、接合ツール損傷条件として、現在追込み量と損傷検出追込み量との偏差として第三の偏差を算出し、さらに現在負荷率と損傷検出負荷率との偏差として第四の偏差を算出する。

第三の偏差が許容範囲内に到達している状態において第四の偏差が許容範囲内に到達していないとき、接合ツール損傷条件が成立したとして、ロボット型摩擦攪拌接合装置１は挿入処理を終了する。

なお、目標負荷率として主軸モータ１４の負荷率を設定したときの損傷検出負荷率は主軸モータ１４の負荷率により設定し、現在負荷率には主軸モータ１４の負荷率の現在値を用いる。

目標負荷率としてＺ軸上下動駆動モータ１６の負荷率を設定したときの損傷検出負荷率はＺ軸上下動駆動モータ１６の負荷率により設定し、現在負荷率にはＺ軸上下動駆動モータ１６の負荷率の現在値を用いる。

目標負荷率として主軸支持部４の実負荷を設定したときの損傷検出負荷率は主軸支持部４の実負荷により設定し、現在負荷率には主軸支持部４の実負荷の現在値を用いる。

本実施例によれば、主軸モータ１４、Ｚ軸上下動駆動モータ１６、主軸支持部４のいずれかの負荷率及び接合ツール６の追込み量をモニタすることで、接合ツール６（プローブ部８）の損傷の有無を検出することができる。これにより、接合ツール６（プローブ部８）に摩耗や折れ等の損傷が発生した場合に、損傷した接合ツール６による摩擦攪拌接合の継続を防止することができる。

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。

１…ロボット型摩擦攪拌接合装置、２…多関節ロボットアーム、２ａ…台座部、２ｂ…脚部、２ｃ…下腕部、２ｄ…上腕部、２ｅ，２ｆ，２ｇ…手首部、３…Ｚ軸上下動駆動機構部、４…主軸支持部、５…ツールホルダ（接合ヘッド）、６…接合ツール、７…ショルダ部、８…プローブ部（接合ピン）、９，９ａ，９ｂ…被接合部材、１０…載置台、１１…制御部（制御装置）、１２…架台、１３…架台の脚部、１４…主軸モータ、１５…主軸、１６…Ｚ軸上下動駆動モータ、１７…異物。

上記課題を解決するために、本発明は、多関節ロボットアームと、前記多関節ロボットアームの先端に取り付けられた摩擦攪拌接合ユニットと、を備え、前記摩擦攪拌接合ユニットは、Ｚ軸上下動駆動モータと、主軸支持部を介して前記Ｚ軸上下動駆動モータに取り付けられた主軸と、前記主軸の内部に配置された接合ヘッドと、前記接合ヘッドに支持された接合ツールと、前記接合ツールに連結されて、前記Ｚ軸上下動駆動モータを収納するユニットと別ユニットに収納されて前記接合ツールを所定の回転数で回転させる主軸モータと、を有し、被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、前記多関節ロボットアームの各関節部を駆動することにより前記被接合部材の接合位置に前記摩擦攪拌接合ユニットをティーチングした後、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して前記主軸を下降駆動することにより、前記多関節ロボットアームの加動を要することなく前記接合ツールを前記被接合部材の所望の挿入位置に挿入することを特徴とする。

Claims (9)

1. 多関節ロボットアームと、
   前記多関節ロボットアームの先端に取り付けられた摩擦攪拌接合ユニットと、を備え、
   前記摩擦攪拌接合ユニットは、Ｚ軸上下動駆動モータと、
   主軸支持部を介して前記Ｚ軸上下動駆動モータに取り付けられた主軸と、
   前記主軸の内部に配置された接合ヘッドと、
   前記接合ヘッドに支持された接合ツールと、
   前記接合ツールに連結されて前記接合ツールを所定の回転数で回転させる主軸モータと、を有し、
   被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、前記多関節ロボットアームの各関節部を駆動することにより前記被接合部材の接合位置に前記摩擦攪拌接合ユニットをティーチングした後、
   前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して前記主軸を下降駆動することにより、前記多関節ロボットアームの加動を要することなく前記接合ツールを前記被接合部材の所望の挿入位置に挿入することを特徴とするロボット型摩擦攪拌接合装置。
2. 請求項１に記載のロボット型摩擦攪拌接合装置であって、
   前記主軸モータの目標負荷率と前記Ｚ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定し、
   前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して前記主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を開始し、
   前記目標負荷率に基づいて設定する第一の挿入処理終了条件、または、前記目標追込み量に基づいて設定する第二の挿入処理終了条件、のいずれかが成立した場合、前記挿入処理を終了することを特徴とするロボット型摩擦攪拌接合装置。
3. 請求項２に記載のロボット型摩擦攪拌接合装置であって、
   予め定められたサンプリング周期において、前記主軸モータの現在の負荷率を示す現在負荷率と、前記Ｚ軸上下動駆動モータの追込み量の現在値を示す現在追込み量とを取得するとともに、前記サンプリング周期において、前記現在負荷率と前記目標負荷率との第一の偏差が第一の許容範囲内に到達したか否かを判定し、
   前記第一の偏差が前記第一の許容範囲内に到達したと判定した場合、前記第一の挿入処理終了条件を成立させ、
   前記現在追込み量と前記目標追込み量との第二の偏差が第二の許容範囲内に到達したか否かを判定し、
   前記第二の偏差が前記第二の許容範囲内に到達したと判定した場合、前記第二の挿入処理終了条件を成立させることを特徴とするロボット型摩擦攪拌接合装置。
4. 請求項２に記載のロボット型摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第一の挿入処理終了条件の成立状態を確認した後に、前記第二の挿入処理終了条件の成立状態を確認することを特徴とするロボット型摩擦攪拌接合装置。
5. 請求項２に記載のロボット型摩擦攪拌接合装置であって、
   前記挿入処理が終了した後、前記接合ツールにより前記被接合部材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合処理に移行することを特徴とするロボット型摩擦攪拌接合装置。
6. 請求項３に記載のロボット型摩擦攪拌接合装置であって、
   前記挿入処理の段階において、前記現在追込み量が前記接合ツールの損傷を検出する損傷検出追込み量に到達した時点において、前記現在負荷率が損傷検出負荷率に到達していない場合、前記接合ツールのプローブの損傷を検出することを特徴とするロボット型摩擦攪拌接合装置。
7. 請求項６に記載のロボット型摩擦攪拌接合装置であって、
   目標負荷率として、前記主軸モータの負荷率、前記Ｚ軸上下動駆動モータの負荷率、前記主軸支持部の実負荷のいずれかを設定し、
   前記現在負荷率は、前記目標負荷率として前記主軸モータの負荷率を設定した場合は前記主軸モータの負荷率の現在値を用い、
   前記目標負荷率として前記Ｚ軸上下動駆動モータの負荷率を設定した場合は前記Ｚ軸上下動駆動モータの負荷率の現在値を用い、
   前記目標負荷率として前記主軸支持部の実負荷を設定した場合は前記主軸支持部の実負荷の現在値を用い、
   前記損傷検出負荷率は、前記目標負荷率として前記主軸モータの負荷率を設定した場合は前記主軸モータの負荷率により設定し、
   前記目標負荷率として前記Ｚ軸上下動駆動モータの負荷率を設定した場合は前記Ｚ軸上下動駆動モータの負荷率により設定し、
   前記目標負荷率として前記主軸支持部の実負荷を設定した場合は前記主軸支持部の実負荷により設定することを特徴とするロボット型摩擦攪拌接合装置。
8. ロボット型摩擦攪拌接合装置による被接合部材への接合ツールの挿入方法であって、
   （ａ）被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、多関節ロボットアームの各関節部を駆動することにより前記被接合部材の接合位置に摩擦攪拌接合ユニットをティーチングするステップと、
   （ｂ）前記（ａ）ステップの後、主軸モータの目標負荷率とＺ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定する目標値設定ステップと、
   （ｃ）前記（ｂ）ステップの後、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を実行するステップと、を有し、
   前記（ｃ）ステップにおいて、
   （ｃ１）予め定められたサンプリング周期において、前記主軸モータの負荷率の現在値を示す現在負荷率と、前記Ｚ軸上下動駆動モータの追込み量の現在値を示す現在追込み量とを取得する状態量取得ステップと、
   （ｃ２）前記現在負荷率と前記目標負荷率とを比較し、その後、前記現在追込み量と前記目標追込み量とを比較する比較ステップと、をさらに有することを特徴とする接合ツールの挿入方法。
9. 請求項８に記載の接合ツールの挿入方法であって、
   前記（ｃ２）ステップにおいて、前記現在負荷率と前記目標負荷率との偏差が所定の許容範囲内に到達すること、または、前記現在追込み量と前記目標追込み量との偏差が所定の許容範囲内に到達すること、のいずれかが成立することにより前記（ｃ）ステップの挿入処理を終了することを特徴とする接合ツールの挿入方法。

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