JP3469194B2 - 車両用摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、車両とくに鉄道
車両の車体などの構成部材（たとえば側構体）を所定幅
で長尺のアルミ製やアルミ合金製などのワークを摩擦撹
拌接合して製作するのに使用するための、車両用摩擦撹
拌接合装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の摩擦撹拌接合装置は、たとえば
特開２０００−１３５５７７号公報に記載のように、接
合ヘッド１０５（図１４）の先端に配置された回転工具
７１の回転により摩擦熱を発生させ、ベッド１０１（図
１４）上のワークｋ間の接合部ｋ’を加熱し軟化状態に
して接合するものである。円柱体の回転工具本体７１ａ
の中心部先端にはピン７１ｂが一体に突設されており、
図１２に示すように突き合わせした板材（ワーク）ｋの
接合線ｋ’に沿って回転工具本体７１ａとともにピン７
１ｂを回転させながら所定荷重下で移動（前進）させる
ことにより、ピン７１ｂをワークｋの接合部ｋ’に挿入
させ、ピン７１ｂの周辺のショルダー（回転工具の後ろ
側下端周縁）７１ａを接合部ｋ’の表面に接触させつつ
回転させる。回転工具本体７１ａは、図１３のようにピ
ン７１ｂの中心を通る軸線が下向き・前進方向にやや傾
斜させて配置される。

【０００３】また、摩擦撹拌接合装置の全体構造は、図
１４に示すようにワークｋを載置する平坦なベッド１０
１の長手方向に沿って門形フレーム１０２が走行可能に
配備され、この門形フレーム１０２の水平フレーム部１
０３に接合ヘッド１０５がスライダ１０４を介して横移
動可能にかつ上下に昇降可能に設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た公報に記載の従来の摩擦撹拌接合装置では、次のよう
な点で改良の余地がある。

【０００５】 ワークを載置するためのベッド１０１
（図１４）が平坦であるから、たとえば鉄道車両の車体
の一部である側構体を複数の長尺ワークを接合すること
により製作する場合に、側構体の横断面が湾曲している
ので、横断面方向に湾曲したワークを接合しようとして
も、複数のワークをベッド上に並べて載置できない。

【０００６】 鉄道車両の種類、たとえば新幹線車両
だけでも複数種類あり、それぞれの車両で側構体の湾曲
形状が相違しているから、従来のように分厚い鉄板で製
作するのは困難なうえに、製作すべき車両を変更する場
合に、ベッドを簡単に変更することができない。

【０００７】 接合ヘッドについても、従来は門形フ
レームに１つの接合ヘッドしか配備されていなかったの
で、ワークの接合部の数に応じて繰り返し門形フレーム
を走行させて接合する必要があり、作業効率が悪かっ
た。

【０００８】 接合ヘッドの先端の回転工具は、ベッ
ド上の平板状ワークにほぼ鉛直（垂直）に配置されてお
り、ベッドの幅方向に回転工具の向きを変更（傾斜）す
ることができなかったので、側構体の湾曲形状に応じて
ワークを接合することは困難であった。

【０００９】この発明は上述の点に鑑みなされたもの
で、湾曲した面状の車体やその一部をなす構体などをワ
ークを接合して簡単に製作でき、湾曲形状の異なる車体
などを構成する場合にワークを載置するベッドの形状を
容易に変更でき、複数の接合箇所を有する複数のワーク
を並べて効率よく接合でき、ワークが湾曲しているとき
にはその湾曲した方向に先端（下端）の回転工具を傾動
できるところの車両用摩擦撹拌接合装置を提供しようと
するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明に係る車両用摩擦撹拌接合装置は、ａ）所定
幅で長尺の複数本のワークを接合面が相互に突き合わせ
られるようにベッド上に並べて載置し、このベッドの長
手方向に沿って走行可能な門形フレームに接合ヘッドを
下方のベッドに向けて備え、前記ワーク接合面間を摩擦
撹拌接合する車両用摩擦撹拌接合装置において、ｂ）前
記ベッドは、分厚い鉄板の上端面を車両の横断面湾曲線
形状に添う湾曲面に形成した多数枚の切り板を長手方向
に所定ピッチで立設するとともに、該上端面の幅方向に
前記各ワークの幅に対応する間隔をあけて凹所を設け、
該各凹所内に一連に連続する長尺の、形鋼を含む鋼材か
らなる梁材を前記切り板に直交させて嵌め込んで構成
し、ｃ）前記接合ヘッドは、先端の接合用回転工具をそ
の向きが前記切り板の上端面の湾曲線の法線に向くよう
に傾動可能に前記門形フレームの水平フレーム部に配備
していることを特徴としている。

【００１１】上記の構成を有する摩擦撹拌接合装置によ
れば、ベッドが切り板（厚い鉄板の一辺を湾曲面状に加
工したもの）を所定ピッチで立設し、切り板に直交する
方向に配置される長尺の梁材で連結した構造からなるた
めに、従来の平坦な分厚い板状のベッドに比べて構造が
簡単で安価に製造でき、しかも複数の長尺の押出型材や
板材などのワークを横断方向が湾曲面になるように相互
に突き合わせて載置して保持し、この状態で、ワークの
複数の接合線の１つに接合ヘッドの先端の回転工具（の
先端のピン）がほぼ垂直に当接するように接合ヘッドを
切り板の上端面の湾曲線に沿って傾動させる。ここで、
回転工具を接合線に圧し当てて回転させながら接合線に
沿って門形フレームとともに前進させることにより、ワ
ークの接合部が摩擦熱により加熱され塑性流動化され、
ワークの母材組織が撹拌され、冷却されたのちに母材組
織が一体化されて接合される。この作業を複数回繰り返
し行なうことにより、複数のワークが接合されて一体化
され、横断方向が湾曲面状の側構体等が製作される。

【００１２】請求項２に記載のように、前記接合ヘッド
の複数台を前記門形フレームの水平フレーム部に間隔を
あけかつ水平方向に横移動可能にそれぞれ配設するとと
もに、各接合ヘッド先端の回転工具をその鉛直方向に対
し門形フレームの走行方向の前方にわずかに傾斜させる
ことが望ましい。

【００１３】請求項２記載の摩擦撹拌接合装置によれ
ば、門形フレームが複数台の接合ヘッドを備えているの
で、ワーク間の複数の接合部を複数台の接合ヘッドの回
転工具により同時に接合しながら前進させられ、作業効
率が大幅に向上し、接合作業時間が短縮される。また、
回転工具の軸線を門形フレームの走行方向の前方へ向け
て傾斜角α（好ましくは３°前後）だけ傾斜させている
ので、回転工具先端のピンが接合部内に挿入された状態
で、回転工具の後ろ側ショルダー（肩部）が接合部表面
に接触して押圧しつつ回転して摩擦熱を効率よく発生さ
せられる。

【００１４】請求項３に記載のように、前記接合ヘッド
を、前記門形フレームの水平フレーム部に沿って水平方
向に横移動自在に配設し、サーボモータにより前記ワー
クの接合位置へ横移動させられるようにすることができ
る。

【００１５】請求項３記載の車両用摩擦撹拌接合装置に
よれば、１または複数の接合ヘッドをワークの接合位置
へサーボモータにより正確に移動させられる。また接合
位置へ移動したときに、ワークの接合位置が接合ヘッド
先端の回転工具（先端のピン）の真下（垂直方向）にな
く、ワークの長手方向と直交する方向に傾斜している場
合には、接合ヘッドを回転工具のピンの中心軸線延長線
上にワークの接合位置がくるように傾動させ、回転工具
を接合位置に垂直に配置すればよい。

【００１６】請求項４に記載のように、前記切り板のピ
ッチを、前記ワーク間の摩擦撹拌接合時に梁材の撓みが
１ｍｍ以下になるように設定するとともに、車両のキャ
ンバーに対応して長手方向の中央部が両側部分に比べて
一端側に凸状に湾曲するように前記切り板を徐々に位置
をぜらせ（つまり梁材を嵌め込む凹所の位置をずらせ）
て設置するとよい。

【００１７】請求項４記載の車両用摩擦撹拌接合装置に
よれば、切り板のピッチを回転工具によりワーク接合部
を押圧して前進させる際に切り板間の梁材の撓みを１ｍ
ｍ以下になるよう切り板のピッチを設定しているので、
ワークがわずかに凹状に撓む程度で、ワーク間を正確に
かつ確実に接合できる。

【００１８】請求項５に記載のように、前記梁材にＩ形
鋼またはＨ形鋼を用いてそれらのフランジ部が前記凹所
内で上下に配置されるようにし、上側のフランジ部を機
械加工により平坦面、凸面あるいは凹面に仕上げ、かつ
切り板の上端面と面一にすることができる。

【００１９】請求項５記載の車両用摩擦撹拌接合装置に
よれば、Ｉ形鋼またはＨ形鋼の形鋼を用いて梁材を構成
するので、比較的安価に装置を製造できるうえに、形鋼
のフランジ部を摩擦撹拌接合時の実質的なベッドとして
使用するから、丈夫で耐久性に優れている。一方、車種
の異なる側構体等の製作時には、切り板のみを取り替え
て対応できるので、変更が容易で低コストで行なえる。

【００２０】請求項６に記載のように、前記梁材の上面
にステンレス鋼の磨き板をネジ止めし、該ステンレス鋼
の上面を切り板の上端面と面一にすることができる。

【００２１】請求項６記載の車両用摩擦撹拌接合装置に
よれば、Ｉ形鋼やＨ形鋼だけでなくそれ以外の長尺鋼材
を使用することができ、また製作が簡単であり、しかも
ワークの摩擦撹拌接合作業の仕上がりが美しい。

【００２２】請求項７に記載のように、前記回転工具の
ワークに対する突っ込み量をその荷重反力にて制御する
制御装置を備えることが好ましい。

【００２３】請求項７記載の車両用摩擦撹拌接合装置に
よれば、ワークに対する接合時の回転工具の荷重を一定
にでき、回転工具の突っ込み量が安定し変化しにくいの
で、ワーク間の接合作業が確実にかつ正確に行なえる。

【００２４】請求項８に記載のように、前記回転工具の
ワークに対する突っ込み量を、距離センサーにより計測
した回転工具とワーク表面との距離にて制御する制御装
置を備えることが好ましい。

【００２５】請求項８に記載の車両用摩擦撹拌接合装置
によれば、距離センサーにより回転工具とワークの表面
との距離を計測し、コントローラにてあらかじめ設定し
た距離と比較器で比較させ、そのずれをＣＰＵなどによ
り回転工具の昇降装置（サーボモータやエアシリンダや
油圧シリンダなど）を制御する。これにより、回転工具
のワークに対する突っ込み量を安定して一定に制御でき
る。

【００２６】請求項９に記載のように、前記ワーク間の
接合位置に沿って移動する回転工具の位置ずれを検知し
て補正する倣い装置を備え、該倣い装置を、ワークに照
明光を照射してＣＣＤカメラで前記接合位置もしくはエ
ッジを撮影してそれを画像処理し、接合位置と回転工具
の位置ずれを補正する構成にすることが好ましい。

【００２７】請求項９に記載の車両用摩擦撹拌接合装置
によれば、ＣＣＤカメラにより照射光を照射して撮影し
た接合位置またはエッジの画像を、画像処理装置で処理
し、接合位置の画像上の基準線からの回転工具のずれ量
などを演算手段で演算し、このずれ量の演算値を回転工
具を横移動したり傾動したりする駆動装置（サーボモー
タや油圧モータなど）にフィードバックして制御するこ
とにより、回転工具をワークの接合位置に沿って正確に
追跡させられる。

【００２８】請求項１０に記載のように、前記ワーク間
の接合位置に沿って移動する回転工具の位置ずれを検知
して補正する倣い装置を備え、該倣い装置を、ワークに
レーザースリット光を照射してその反射光をＣＣＤカメ
ラで撮影してそれを３次元画像処理し、光切断法により
接合位置と回転工具の位置ずれを補正する構成にするこ
とが好ましい。

【００２９】請求項１０に記載の車両用摩擦撹拌接合装
置によれば、外乱光に左右されにくいので、ルートギャ
プや開先がある場合にも正確にワーク接合部付近の断面
形状などを計測でき、その断面形状から倣うべき位置を
特定できる。

【００３０】請求項１１に記載のように、前記ワーク間
の接合位置に沿って移動する回転工具の位置ずれを検知
して補正する倣い装置を備え、該倣い装置を、渦電流セ
ンサーを用いた１次元計測を行ない、接合位置と回転工
具の位置ずれを補正する構成にすることが好ましい。

【００３１】請求項１１に記載の車両用摩擦撹拌接合装
置は、非光学式であり外乱光の影響を受けず、ワーク接
合位置に沿って流れる渦電流をセンシングすることによ
ってワークの特異点（接合位置）を見出し、それを倣う
べき位置としてセンシングできる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る車両用摩擦撹
拌接合装置の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明す
る。

【００３３】図１は本発明の実施例に係る鉄道車両の側
構体用摩擦撹拌接合装置を示す正面図であり、図２は同
平面図であり、図３は図１のIII方向矢視図、図４は図
３の一部を拡大した側面図、図５は同正面図、図６は同
背面図である。図７はベッドの一部を示す正面方向より
見た斜視図、図８は図７のベッドの切り板の一つを示す
正面図である。図９は鉄道車両の概要を示す側面図であ
る。

【００３４】図１および図２に示すように、側構体用摩
擦撹拌接合装置１はベッド（定盤）１０を備え、またベ
ースＢ上に設置されたベッド１０を挟んで両側のベース
Ｂ上に軌道３が長手方向に相互に平行に敷設されてい
る。軌道３上には、門形フレーム５が前後に車輪４１を
備えた走行部４を介して走行可能に配設されている。走
行部４には、駆動用のサーボモータ４２とテンションブ
レーキ４３とが配備されている。

【００３５】門形フレーム５の水平フレーム部５１の前
面には、横方向に間隔をあけて３台の接合ヘッド７が配
設されている。接合ヘッド７はリニアガイド２２を介し
てブラケット２３に対し上下に昇降自在に装着されてい
る。水平フレーム部５１の上面にガイドレール５３・５
４が横方向に敷設され、このガイドレール５３・５４に
沿って３つのガイドベース２５がそれぞれ横移動自在に
配設されている。水平フレーム部５１のすぐ下方にボー
ルスクリューシャフト５５が両側の垂直フレーム部５２
間に跨がって架設されている。このボールスクリューシ
ャフト５５には、各ガイドベース２５に回動自在に支持
されたナット部２７が螺合しており、各ガイドベース２
５に搭載されたサーボモータ２８により無端ベルト２６
を介してナット部２７が正逆いずれの方向にも所定回転
数（角度）回転し停止する。そして３つのガイドベース
２５は、それぞれのサーボモータ２８にてボールスクリ
ューシャフト５５に螺合するナット部２７を所定方向に
回転することにより任意の位置に横移動する。

【００３６】図４に示すように、ブラケット２３に対し
リニアガイド３０は枢支軸３３により上下方向に旋回自
在に支持されている。枢支軸３３の後端にはウォームホ
イール３４が一体回転可能に取着され、これにウォーム
３５が噛合しており、ウォーム３５は無端ベルト３７を
介してサーボモータ３６に接続され、サーボモータ３６
により正逆に回転する。リニアガイド３０の前面にガイ
ド部材３１を介在させて取付板３２が昇降自在に配設さ
れており、これにより、この取付板３２に装着された接
合ヘッド７が枢支軸３３の中心軸線の回りに旋回し、下
端（先端）の回転工具７１が横方向に傾動する。

【００３７】リニアガイド３０の上部にはエアシリンダ
６１が配設され、このエアシリンダ６１のピストンロッ
ド６２の伸縮動により接合ヘッド７が取付板３２ととも
に昇降する。

【００３８】接合ヘッド７は上部にインダクションモー
タ７２を備え、下端部に回転工具７１が軸受７４により
回動自在に支承されており、回転工具７１はインダクシ
ョンモータ７２の回転軸７３の下端に一体回転可能に接
続されている。回転工具７１は、図４のように下向きに
先細の円錐状で、その先端に円柱状のショルダー部７１
ａが一体に形成され、その先端面中心部にピン７１ｂが
一体に突設されている（図１２・図１３参照）。これら
のショルダー部７１ａとピン７１ｂとは、本例ではワー
クｋの材質がアルミ合金であるから、それよりも硬質で
剛性の高い金属材料で形成されており、またそれらの中
心軸線を鉛直線に対して傾斜角α（好ましくは３°前
後）で進行方向前方へ下向きに傾斜させているが、この
傾斜角αはガイドベース２５に対するブラケット２３の
後端取付面２３ａを前方へ上向きにα傾斜させることに
よって生じさせている。すなわち、ガイドベース２５に
対してガイド部材２５ａを介してスライダー２４が昇降
自在に配設され、このスライダー２４に対してブラケッ
ト２３がα傾斜させて取り付けられている。また、ガイ
ドベース２５とブラケット２３との間にはリニアガイド
６４を介在させ、ガイドベース２５の上端にサーボモー
タ６５を配設している。そして、スクリューシャフト６
６とナット６７とを介してサーボモータ６５の回転によ
りブラケット２３が昇降するように構成している。

【００３９】また、図４に示すように、軸受７４の周囲
の円筒状外壁７４ａからショルダー部７１ａの先端に向
けて冷却用エアの噴射ノズル７５を配設し、さらに外壁
７４ａの前方下向きにＣＣＤカメラなどの画像センサー
７６を配備している。

【００４０】一方、ベッド１０は、図７に示すように切
り板１１を所定ピッチでベースＢ上に立設して形成され
ている。つまり、図８に示すように切り板１１は、横長
の矩形状の分厚い鉄板を、その上端面１２を製作しよう
とする側構体の横断面における湾曲状に合わせて湾曲面
に形成している。また、切り板１１の上部には、本例で
は７本の長尺で所定幅のアルミ合金製押出型材（ワー
ク）ｋを相互に突き合わせた接合位置に対応して６カ所
にやや縦長矩形状の凹所１３を、幅方向に間隔をあけか
つ上端面１２に略直角に形成している。なお、上端面１
２の両側には、相互に隣接して並べたワークｋの両側に
当接する係止部１２ａをそれぞれ上向けに突設してワー
クｋの位置がずれないようにしている。また、下部両側
にはベースＢ上にボルト止めして立設するための一対の
長溝１１ｂをそれぞれ上向きに形成している。なお、符
号１１ｃは切り板１１をクレーン等で吊り上げるための
孔で、上部両側に穿設されている。、多数の切り板１１
は、図７のように所定ピッチで立設され、凹所１３内に
は梁材として本例ではＨ形鋼１４がフランジ部１４ａを
上下に向けて嵌め込まれている。このため、凹所１３の
幅をＨ形鋼１４のフランジ部１４ａの幅よりわずかに大
きく形成している。また、凹所１３内の上側フランジ部
１４ａの上面には、ステンレス鋼の平板状磨き板１５を
その上面が上端面１２と一致して面一になるように嵌め
込み、ネジ止めしている。したがって、凹所１３の深さ
はＨ形鋼１４と磨き板１５を合計した高さにしてある。
さらに、切り板１１の間隔（ピッチ）は、本例ではワー
クｋの接合部ｋ’を摩擦撹拌接合する際に接合ヘッド７
の回転工具７１で下向きに所定の荷重を作用させたとき
に、切り板１１間のワークｋが下方に撓んでもその撓み
量が１ｍｍ以下になるように設定している。つまり、摩
擦撹拌接合時のＨ形鋼１４の撓みが１ｍｍ以下になるよ
うに切り板１１の間隔を設定している、と言える。

【００４１】また、図９に示すように鉄道車両の車体ｓ
は左右の幅方向に比べて前後方向に長尺であり、台車
（不図示）は床下の前端部および後端部に配置されるこ
とから、床下に機器を取り付けた状態では、車体ｓの長
手方向の中間部が凹状に湾曲する傾向にあり、これを防
止するために、車体ｓは図９のように長手方向の中間部
が上向きに凸状に湾曲させて（つまりキャンバーをもた
せて）製作される。このため、本例のベッド１０を構成
する切り板１１をベースＢ上で長手方向の中間部では前
後端に比べて切り板１１の長手方向（幅方向）に位置を
徐々にずらせてキャンバーを付けている。このキャンバ
ーの数値は車両によって異なるが、通常は数ｍｍ〜数十
ｍｍである。

【００４２】上記のようにして、本実施例に係る摩擦撹
拌接合装置が構成されるが、同装置１による作動態様を
鉄道車両の側構体の製作を例に挙げて以下に説明する。
本例では、７本の長尺ワークｋを切り板１１を縦通す
るＨ形鋼１４の磨き板１５上に接合位置がくるように相
互に突き合わせて並べて載置する。切り板１１の上端面
１２は、側構体の横断面形状に合わせて湾曲させている
ので、ワークｋはベッド１上に載置された状態で、両側
の係止部１２ａによって横方向での位置ずれが阻止され
る。

【００４３】ここで、ワークｋの始端の走行開始位置に
待機させている門形フレーム５の水平フレーム部５１に
一定間隔をあけて配置されている３台の接合ヘッド７
を、サーボモータ２８によりナット部２７を回転させ、
ボールスクリューシャフト５５に沿ってガイドベース２
５とともに所定位置へ横移動させ停止させる。図２にお
いて、中間の接合ヘッド７が右から３番目の接合位置
ｋ’に、右端の接合ヘッド７が右から１番目と２番目の
接合位置ｋ’の中間に、左端の接合ヘッド７が左から１
番目と２番目の接合位置ｋ’の中間に停止する。そこ
で、サーボモータ６５にてスクリューシャフト６６を回
転させることにより、スライダー２４およびブラケット
２３とともに各接合ヘッド７を最下位置付近まで下降さ
せる。このとき中間の接合ヘッド７の先端の回転工具７
１は右から３番目の接合位置ｋ’にくる。

【００４４】それから、左右の接合ヘッド７について、
サーボモータ３６によりウォーム３５を時計方向および
反時計方向に回転させることにより、これに噛合するウ
ォームホイール３４が枢支軸３３と一体回転し、取付板
３２に装着された接合ヘッド７が枢支軸３３の中心軸線
の回りに旋回し、右端の回転工具７１が右から１番目の
接合位置ｋ’に傾動するとともに、左端の回転工具７１
が左から１番目の接合位置ｋ’に傾動する。図１はこの
状態を現している。ここで、エアシリンダ６１にて各接
合ヘッド７を取付板３２とともに下降させ、回転工具７
１をワークｋ間の各接合位置ｋ’に接触させ押圧する。
この状態で、図１２に示すように、回転工具７１の中心
軸線がワークｋとの接触位置における鉛直線に対し下向
き前方に略３°傾斜している。ここで、インダクション
モータ７２により回転工具７１を高速回転させ、門形フ
レーム５をワークｋに沿って前進させると、図１３のよ
うにピン７１ｂがワークｋ内に挿入され、ショルダー部
７１ａがワークｋの表面に接触し、摩擦熱が発生してワ
ークｋは一体に接合されていく。このようにして、右か
ら１番目と３番目と６番目のワークｋ間の接合部ｋ’が
一体に接合される。

【００４５】３カ所の接合部ｋ’における接合作業が終
了すれば、エアシリンダ６１にて各接合ヘッド７を上昇
させ、ワークｋから離間させる。そして、門形フレーム
５を元の位置まで走行させて戻す。次に、上記とほぼ同
様の操作を繰り返して、右から２番目と４番目と５番目
のワークｋの接合位置ｋ’に各接合ヘッド７の回転工具
７１を接触させ、押圧する。それから、各回転工具７１
を高速回転して門形フレーム５により前進させることに
よってワークｋの各接合部ｋ’間は一体に接合される。

【００４６】ところで、ワークｋの接合部ｋ’の長さは
数十ｍに及ぶ場合があり、回転工具７１が接合部ｋ’か
ら位置ずれを起こすのを防止するため、回転工具７１の
位置ずれを検知して補正する倣い装置７７を備えてい
る。本例では、画像センサー７６が倣い装置７７の主要
部をなし、画像センサー７６にはＣＣＤカメラが用いら
れている。ＣＣＤカメラ７６にて撮影された接合部ｋ’
の画像を図示を省略した画像処理ボード、画像処理セン
サー、ビデオキャプチャーおよび画像処理プログラムな
どの画像処理装置で処理し、接合線の画像上の基準線か
らの回転工具７１のずれ量を演算手段が演算する。この
ずれ量の演算値をサーボアンプに伝送し、サーボモータ
２８およびサーボモータ３６をフィードバック制御する
ことにより、回転工具７１が接合線ｋ’を正確に追跡す
ることができる。

【００４７】そのほか、倣い装置の別の実施例として、
ワークｋの接合位置ｋ’にレーザースリット光を照射可
能な照射装置（不図示）を取り付け、その反射光をＣＣ
Ｄカメラ７６で撮影してそれを３次元画像処理し、光切
断法によりワーク接合位置ｋ’と回転工具７１の位置ず
れを，サーボモータ２８およびサーボモータ３６をフィ
ードバック制御することにより補正できるようにしても
よい。

【００４８】さらに別の実施例に係る倣い装置として、
渦電流センサーを用いた１次元計測を行ない、ワーク接
合位置ｋ’と回転工具７１の位置ずれを補正できるよう
にしてもよい。

【００４９】また同時に、ワークｋ（の接合部ｋ’）に
対する回転工具７１の突っ込み量を一定に制御する必要
があり、本実施例ではその荷重反力にて制御する制御装
置８０を備えている。すなわち、図１０に示すように上
記実施例のエアシリンダ６１に代えてＡＣサーボモータ
８１により接合ヘッド７を下向けに押圧するが、接合ヘ
ッド７をＬ形ブラケット８２に対し上下方向にスライド
可能に取り付け、ブラケット８２と接合ヘッド７との間
にロードセル８３を介装し、接合作業時に先端の回転工
具７１からの反力をロードセル８３で測定し、コントロ
ーラ８４にてあらかじめ設定した反力値と比較器（不図
示）で比較し、ＣＰＵ８５を介してサーボモータ８１の
回転量を制御する。なお、コントローラ８４にて最適な
回転工具７１の押付け力を任意に設定できるようにして
いる。図中の符号８１ａはスクリューシャフト、符号８
１ｂはナットである。

【００５０】図１１は回転工具７１の突っ込み量制御装
置の別の実施例を示すもので、本例では、回転工具７１
のワークｋに対する突っ込み量を、距離センサー８６に
より計測して制御する制御装置８０’を配備している。
また、距離センサー８６に先行させて押えローラ８７を
装着し、相互に隣接する２つのワークｋ間の接合部ｋ’
が浮き上がらないようにしている。したがって、本実施
例では、距離センサー８６を回転工具７１に取り付け
て、回転工具７１とワークｋの表面との距離を計測し、
コントローラ８８にてあらかじめ設定した距離と比較器
で比較させ、そのずれをＣＰＵ８９によりＡＣサーボモ
ータ８１’を制御する。距離センサー８６による計測値
などの距離情報はＣＰＵ８９にフィードバックされる。

【００５１】上記に本発明の側構体製作用摩擦撹拌接合
装置の実施例を示したが、下記のように実施することが
できる。

【００５２】 門形フレーム５に配備する接合ヘッド
７は複数台に限るものではなく、１台だけにすることも
できる。

【００５３】 接合ヘッド７あるいは回転工具７１を
駆動する装置は、サーボモータのほか油圧シリンダーや
油圧モータも使用できる。

【００５４】 切り板１１に直交して配置する梁材に
は、Ｉ形鋼のほか長尺の棒材なども使用できる。

【００５５】 上記実施例では車体の側構体を製作す
るため、その横断湾曲面に合わせて切り板１１の上端面
１２を形成したが、側構体以外の部材を製作することも
可能であり、その場合にはその部材の横断面形状に合わ
せて切り板１１の上端面１２を形成して用いる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明に係る車両用摩擦撹拌接合装置には、下記のよう
な優れた効果がある。

【００５７】（１）請求項１の装置は、ワークを接合し
湾曲した面状の車体やその一部をなす構体などを簡単に
製作でき、湾曲形状の異なる車体などを構成する場合に
ワークを載置するベッドの形状を切り板を取替えるだけ
で容易に変更でき、複数の接合箇所を有する複数のワー
クを並べて効率よく接合でき、ワークが湾曲していると
きにはその湾曲した方向に先端（下端）の回転工具を傾
動できる。

【００５８】（２）門形フレームに複数台の接合ヘッド
を配備しているので、ワーク間の複数の接合部を複数台
の接合ヘッドより一斉に接合できるから、作業効率が大
幅に向上し、接合作業時間が短縮される。また、回転工
具をα（好ましくは３°前後）だけ傾斜させているの
で、回転工具先端のピンが接合部内に挿入された状態
で、回転工具の後ろ側ショルダー（肩部）が接合部表面
に接触して押圧しつつ回転して摩擦熱を効率よく発生さ
せられる。

【００５９】（３）請求項３の装置によれば、１または
複数の接合ヘッドをワークの接合位置へサーボモータに
より正確に移動させられるとともに、ワークの接合位置
がワークの長手方向と直交する方向に傾斜している場合
には、接合ヘッドを回転工具のピンの中心軸線延長線上
にワークの接合位置がくるように傾動させ、回転工具を
接合位置に垂直に配置できる。

【００６０】（４）請求項４の装置によれば、ワークが
わずかに凹状に撓む程度で、ワーク間を正確にかつ確実
に接合できるとともに、梁材に対する負担も軽減させら
れる。

【００６１】（５）請求項５の装置によれば、Ｉ形鋼ま
たはＨ形鋼の形鋼を用いて梁材を構成するので、比較的
安価に装置を製造できるうえに、形鋼のフランジ部を摩
擦撹拌接合時の実質的なベッドとして使用するから、丈
夫で耐久性に優れているうえ、車種の異なる側構体等の
製作時には、切り板のみを取り替えて対応できるので、
変更が容易で低コストで行なえる。

【００６２】（６）請求項６の装置では、Ｉ形鋼やＨ形
鋼だけでなくそれ以外の長尺鋼材を使用することがで
き、また製作が簡単であり、しかもワークの摩擦撹拌接
合作業の仕上がりが美しい。

【００６３】（７）請求項７の装置によれば、ワークに
対する接合時の回転工具の荷重を一定にでき、回転工具
の突っ込み量が安定し変化しにくいので、ワーク間の接
合作業が確実にかつ正確に行なえる。

【００６４】（８）請求項８の装置によれば回転工具の
ワークに対する突っ込み量を安定して一定に制御でき
る。

【００６５】（９）請求項９の装置によれば、回転工具
をワークの接合位置に沿って正確に追跡させられる。

【００６６】（１０）請求項１０の装置では、外乱光に
左右されにくいので、ルートギャプや開先がある場合に
正確にその断面形状などを計測でき、その断面形状から
倣うべき位置を特定できる。

【００６７】（１１）請求項１１の装置では、非光学式
であり外乱光の影響を受けず、渦電流をセンシングする
ことによりワークの特異点を見出し、それを倣うべき位
置としてセンシングすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施例に係る鉄道車両の側構体
用摩擦撹拌接合装置を示す正面図である。

【図２】図１の鉄道車両の側構体用摩擦撹拌接合装置を
示す平面図である。

【図３】図１のIII方向矢視図である。

【図４】図３の一部を拡大した側面図である。

【図５】図３の一部を拡大した正面図である。

【図６】図３の一部を拡大した背面図である。

【図７】ベッドの一部を示す正面方向より見た斜視図で
ある。

【図８】図７のベッドの切り板の一つを示す正面図であ
る。

【図９】鉄道車両の一車体の概要を示す側面図である。

【図１０】回転工具７１の突っ込み量制御装置の実施例
を示すもので、図１０（ａ）は主要部分を表す側面図、
図１０（ｂ）は制御の流れを同時に表す同ブロック図で
ある。

【図１１】回転工具７１の突っ込み量制御装置の別の実
施例を示すもので、図１１（ａ）は主要部分を表す側面
図、図１１（ｂ）は制御の流れを同時に表す同ブロック
図である。

【図１２】摩擦撹拌接合装置の回転工具によるワークの
接合作業状態を拡大して示す一部斜視図である。

【図１３】図１２のXIII−XIII線方向の拡大断面図であ
る。

【図１４】従来の一般的な摩擦撹拌接合装置を全体的に
示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 摩擦撹拌接合装置 ３ 軌道 ４ 走行部 ５ 門形フレーム ７ 接合ヘッド １０ ベッド（定盤） １１ 切り板 １２ 切り板の上端面 １３ 凹所 １４ 梁材（Ｈ形鋼） １４ａ フランジ部 １５ 平板状磨き板 ２２ リニアガイド ２３ ブラケット ２４ スライダー ２５ ガイドベース ２５ａ ガイド部材 ２７ ナット部 ２８ サーボモータ ３０ リニアガイド ３１ ガイド部材 ３２ 取付板 ３３ 枢支軸 ３４ ウォームホイール ３５ ウォーム ３６ サーボモータ ４１ 車輪 ４２ 駆動用のサーボモータ ４３ テンションブレーキ ５１ 水平フレーム部 ５３・５４ ガイドレール ５５ ボールスクリューシャフト ６１ エアシリンダ ６２ エアシリンダのピストンロッド ６５ サーボモータ ６６ スクリューシャフト ６７ ナット ７１ 回転工具 ７１ 回転工具 ７１ａ ショルダー部 ７１ｂ ピン ７２ インダクションモータ ７３ 回転軸 ７４ 軸受 ７５ 冷却用エアの噴射ノズル ７６ 画像センサー（ＣＣＤカメラ） ８０・８０’制御装置 ８１・８１’ＡＣサーボモータ ８２ Ｌ形ブラケット ８３ ロードセル ８４・８８ コントローラ ８５・８９ ＣＰＵ ８６ 距離センサー ８７ 押えローラ Ｂ ベース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 政一郎 兵庫県神戸市兵庫区和田山通２丁目１番 18号 川崎重工業株式会社 兵庫工場内 (72)発明者 古賀 信次 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 犬塚 雅之 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 上向 賢一 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 兵江 猛宏 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 佐伯 準二 兵庫県加古郡播磨町新島８番地 株式会 社川重機器テック内 (56)参考文献 特開 昭61−25778（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−175089（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12 B61D 17/00

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定幅で長尺の複数本のワークを接合面
   が相互に突き合わせられるようにベッド上に並べて載置
   し、このベッドの長手方向に沿って走行可能な門形フレ
   ームに接合ヘッドを下方のベッドに向けて備え、前記ワ
   ーク接合面間を摩擦撹拌接合する車両用摩擦撹拌接合装
   置において、 前記ベッドは、分厚い鉄板の上端面を車両の横断面湾曲
   線形状に添う湾曲面に形成した多数枚の切り板を長手方
   向に所定ピッチで立設するとともに、該上端面の幅方向
   に前記各ワークの幅に対応する間隔をあけて凹所を設
   け、該各凹所内に一連に連続する長尺の、形鋼を含む鋼
   材からなる梁材を前記切り板に直交させて嵌め込んで構
   成し、 前記接合ヘッドは、先端の接合用回転工具をその向きが
   前記切り板の上端面の湾曲線の法線に向くように傾動可
   能に前記門形フレームの水平フレーム部に配備している
   こと―を特徴とする車両用摩擦撹拌接合装置。
2. 【請求項２】 前記接合ヘッドの複数台を前記門形フレ
   ームの水平フレーム部に間隔をあけかつ水平方向に横移
   動可能にそれぞれ配設するとともに、各接合ヘッド先端
   の回転工具をその鉛直方向に対し門形フレームの走行方
   向の前方へ下向きにわずかに傾斜させた請求項１に記載
   の車両用摩擦撹拌接合装置。
3. 【請求項３】 前記接合ヘッドを、前記門形フレームの
   水平フレーム部に沿って水平方向に横移動自在に配設
   し、サーボモータにより前記ワークの接合位置へ横移動
   させられるようにした請求項１又は２に記載の車両用摩
   擦撹拌接合装置。
4. 【請求項４】 前記切り板のピッチを、前記ワーク間の
   摩擦撹拌接合時に梁材の撓みが１ｍｍ以下になるように
   設定するとともに、車両のキャンバーに対応して長手方
   向の中央部が両側部分に比べて一端側に凸状に湾曲する
   ように前記切り板の位置をずらせて設置した請求項１〜
   ３のいずれかに記載の車両用摩擦撹拌接合装置。
5. 【請求項５】 前記梁材にＩ形鋼またはＨ形鋼を用いて
   それらのフランジ部が前記凹所内で上下に配置されるよ
   うにし、上側のフランジ部を機械加工により平坦面、凸
   面あるいは凹面に仕上げ、かつ切り板の上端面と面一に
   した請求項１〜４のいずれかに記載の車両用摩擦撹拌接
   合装置。
6. 【請求項６】 前記梁材の上面にステンレス鋼の磨き板
   をネジ止めし、該ステンレス鋼の上面を切り板の上端面
   と面一にした請求項１〜５のいずれかに記載の車両用摩
   擦撹拌接合装置。
7. 【請求項７】 前記回転工具のワークに対する突っ込み
   量をその荷重反力にて制御する制御装置を備えた請求項
   １〜６のいずれかに記載の車両用摩擦撹拌接合装置。
8. 【請求項８】 前記回転工具のワークに対する突っ込み
   量を、距離センサーにより計測した回転工具とワーク表
   面との距離にて制御する制御装置を備えた請求項１〜６
   のいずれかに記載の車両用摩擦撹拌接合装置。
9. 【請求項９】 前記ワーク間の接合位置に沿って移動す
   る回転工具の位置ずれを検知して補正する倣い装置を備
   え、該倣い装置が、 ワークに照明光を照射してＣＣＤカメラで前記接合位置
   もしくはエッジを撮影してそれを画像処理し、接合位置
   と回転工具の位置ずれを補正する構成からなる請求項１
   〜８のいずれかに記載の車両用摩擦撹拌接合装置。
10. 【請求項１０】 前記ワーク間の接合位置に沿って移動
    する回転工具の位置ずれを検知して補正する倣い装置を
    備え、該倣い装置が、 ワークにレーザースリット光を照射してその反射光をＣ
    ＣＤカメラで撮影してそれを３次元画像処理し、光切断
    法により接合位置と回転工具の位置ずれを補正する構成
    からなる請求項１〜８のいずれかに記載の車両用摩擦撹
    拌接合装置。
11. 【請求項１１】 前記ワーク間の接合位置に沿って移動
    する回転工具の位置ずれを検知して補正する倣い装置を
    備え、該倣い装置が、 渦電流センサーを用いた１次元計測を行ない、接合位置
    と回転工具の位置ずれを補正する構成からなる請求項１
    〜８のいずれかに記載の車両用摩擦撹拌接合装置。