JP3471308B2

JP3471308B2 - 摩擦攪拌接合装置

Info

Publication number: JP3471308B2
Application number: JP2000331290A
Authority: JP
Inventors: 保栄長尾
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2003-12-02
Anticipated expiration: 2020-10-30
Also published as: JP2002137067A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転による摩擦熱
で被接合物を軟化、攪拌して接合する摩擦攪拌接合装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のアルミボディの接合法には、ア
ルミ用スポット溶接、リベット接合などがあるが、ロボ
ット機上の配管、ユーティリティが複雑であり、また大
騒音、火花の発生など作業環境が悪いといった問題を有
する。このような問題に鑑み、摩擦攪拌接合を用いたス
ポット接合装置が提案されている。

【０００３】図４は、従来の摩擦攪拌接合装置であるス
ポット接合ガン１の構造を示す図である。このスポット
接合ガン１では、先端にピン２を有する回転子３を高速
で回転させながらワークに押し付け、ピン２とワークと
の接合部を、回転による摩擦熱で軟化させるとともに、
回転によって攪拌して接合する。

【０００４】つまり、スポット接合ガン１では、回転子
３を、その軸線まわりに高速で回転させる回転用駆動源
４と、回転子３を、回転軸線にそって直進移動させる直
進駆動源５とを有する。スポット接合ガン１では、ガン
アーム６とリニアスライダ７とボールねじ８とを有し、
ガンアーム６が、ロボットの手首に取り付けられる。リ
ニアスライダ７が、支持フレーム６に固定される。直進
案内されるリニアスライダ７のガイド部には、回転自在
に支持される回転子３と、回転子３を回転駆動する回転
駆動源４とが取り付けられる。ボールねじ８は、リニア
スライダ７に平行にガンアーム６に固定され、ボールね
じ８のねじ軸１０に螺着されるナット部材９がリニアガ
イド７のスライド部材に連結される。したがって、ボー
ルねじ８のねじ軸１０を、サーボモータなどの直進駆動
源５で回転駆動することによってナット部材９がねじ軸
１０にそって上下に直進移動し、このナット部材９に取
り付けられるスライド部材が、回転子３および回転駆動
源４とともに直進移動する。

【０００５】このような構成によって回転子３を回転さ
せながら直進移動させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したスポット接合
ガン１では、回転子３を回転駆動するための回転駆動源
４ごと直進駆動源５をスライドさせて、ワークに押圧し
ていたので、大容量の直進駆動源を必要とし、装置全体
が大型化するといった問題を有する。またこれにより、
コストアップも招いていた。さらに、このような大重量
のスポット接合ガン１を装備するロボットの負荷重量も
大きくなってしまう。

【０００７】また、ボールねじ８とリニアスライダ７と
を用いる構造では、直進駆動力を発生するボールねじ８
のねじ軸１０と、押圧したときにワークから負荷を受け
る回転子３の軸線とは、図４で参照符Ｗで示すように距
離Ｗだけ離間している。このように直進駆動軸と負荷軸
とが離間していると、押圧時に曲げモーメントが発生
し、これによってガタが生じやすく、耐久性に問題があ
る。

【０００８】本発明の目的は、回転駆動源を直進駆動源
で移動させず、また、押圧時に曲げモーメントが発生し
ないように構成される摩擦攪拌接合装置を提供すること
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、高速回転する
回転子２２を回転軸線Ｌ方向に移動させ、先端部を被接
合物に押圧し、回転により前記先端部と前記被接合物と
の接触部の摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を接合
する摩擦攪拌接合装置において、支持部材２１と、回転
子２２が着脱可能に保持されるヘッド４０と、前記回転
軸線Ｌに沿って延び、一端部にスプラインが形成され、
他端部がヘッド４０に連結される回転軸２６と、回転軸
２６が遊通する筒状に形成され、前記回転軸線Ｌに沿っ
て延び、外周部にねじ溝が形成されるボールねじ５０の
ねじ軸２７と、ヘッド４０を、軸受け７０を介して支持
し、ねじ軸２７の端部が固定されるヘッド支持部４１
と、ねじ軸２７とともに前記ボールねじ５０を構成し、
支持部材２１に、前記回転軸線Ｌまわりに回転自在に支
持されるナット部材２８であって、ナット部材２８が回
転するとねじ軸２７を前記回転軸線Ｌ方向に移動するナ
ット部材２８と、支持部材２１に固定される回転用モー
タ２５と、回転軸２６のスプラインに結合し、回転軸２
６の前記回転軸線Ｌ方向への移動を許容し、回転用モー
タ２５の回転駆動力を回転軸２６に伝達する回転伝達手
段３０と、支持部材２１に固定される直進用モータ２４
と、直進用モータ２４からの直進駆動力をナット部材２
８に伝達する直進伝達手段４５とを含むことを特徴とす
る摩擦攪拌接合装置である。

【００１０】本発明に従えば、摩擦攪拌接合方式でスポ
ット接合することによって、ユーティリティが簡素化す
る。また、騒音を低下し、火花を発生させることなくス
ポット接合することができる。

【００１１】また、回転子を回転させる回転用モータ２
５である回転駆動源は、回転子の回転軸線方向への変位
を許容した状態で回転力を伝達する回転伝達手段によっ
て回転力を伝達するので、回転駆動源を支持部材に固定
した状態で、回転子を回転させながら、直進用モータ２
４である直進駆動源で回転子を直進移動させることがで
きる。これによって、直進駆動源は、回転子のみを直進
移動させればよく、回転駆動源を移動させる必要がない
ので、直進駆動源の容量が少なくてすみ、小型化でき
る。これによって、この摩擦攪拌接合装置を保持するロ
ボットの負担も軽くなる。

【００１２】前記回転子は、着脱可能に設けられるの
で、メンテナンスが容易である。

【００１３】また本発明は、支持部材２１は、Ｌ字状に
屈曲して形成された部分を有し、このＬ字状に屈曲した
部分の先端部に設けられる受け部２３は、前記回転軸線
Ｌ上で回転子２２の先端に臨んで配置され、回転子２２
の先端と受け部２３との間で被接合物を押圧し、支持部
材２１は、多関節型ロボットの手首に装備されることを
特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の摩擦攪拌接合装
置の実施の一形態であるスポット接合ガン２０の構造を
示す図である。スポット接合ガン２０は、たとえば６軸
垂直多関節型ロボットの手首に装備され、自動車のアル
ミボディなど、アルミニウム合金製のワークを摩擦攪拌
方式でスポット接合する場合に用いられる。

【００１５】スポット接合ガン２０は、回転子２２、ロ
ボットの手首に取り付けられ、回転子２２を支持する支
持部材として機能するガンアーム２１、回転子２２を回
転駆動させる回転用モータ２５、直進移動させる直進用
モータ２４、回転用モータ２５の回転力を回転子２２に
伝達する回転伝達手段３０、ボールねじ５０を有し、直
進用モータ２４の直進力を回転子２２に伝達する直進伝
達手段４５とを備える。

【００１６】回転子２２は、円錐台状であり、先端部を
下方にし、中心軸線を回転軸線Ｌとして回転可能にガン
アーム２１に取り付けられる。また、回転子２２の先端
部には円柱状のショルダー部５１が形成され、このショ
ルダー部５１の下端面には、回転軸線Ｌを軸心とする円
柱状のピン５２が下方に突出する。また、回転子２２
は、回転軸線Ｌに沿って昇降することができる。

【００１７】ガンアーム２１は、上部にサーボモータに
よって実現される回転用モータ２５、直進用モータ２４
が固定され、下部が、Ｌ字状に屈曲した部分を有し、こ
のＬ字状に屈曲した部分の先端部に受け部２３が固定さ
れる。受け部２３は、円柱状であり、回転軸線Ｌを軸心
と、上端面を回転子２２の先端に臨んで配置される。

【００１８】つぎに、図２を参照して摩擦攪拌接合方法
について説明する。たとえば２ｍｍ厚程度の２枚のアル
ミニウム合金製のワークＷ１，Ｗ２をスポット接合する
場合、重畳配置されるワークの接合点の下に、前記受け
部材２３が配置されるように、ロボットでスポット接合
ガン２０の位置決めを行なう。つぎに、回転用モータ２
５で回転子２２を高速回転（たとえば２０００〜２５０
０ｒｐｍ）させ、直進用モータ２４で回転子を下降させ
る。回転子先端のピン５２がワークの接合点に接触する
と、回転による摩擦熱でワークが軟化し、回転しながら
ピン５２が挿入され、母材が攪拌され、塑性流動が誘起
される。さらに押圧すると、ショルダー部５１がワーク
表面に押圧され、このショルダー部５１の回転によっ
て、さらに塑性流動が誘起される。このようにして、重
畳配置される２枚のワークが、接合点において塑性流動
して一体となる。

【００１９】また回転子先端は、ショルダー部５１の下
端面が中央が凹み、この中央からピン５２が突出する。
つまり、ショルダー部５１の下端部は外周が下方に突出
している。したがって、ワーク押圧時、この外周がワー
ク表面に押圧され、効果的に攪拌することができる。

【００２０】こうして、所定押圧力（たとえば数１００
ｋｇ／ｃｍ²）で所定時間押圧したのち、直進用モータ
２４を逆転させて回転子２２を上昇させる。回転子２２
が上昇してピン５２が引き抜かれると、接合点が自然冷
却されて硬化する。このようにして、ワークは接合点で
スポット接合される。ロボットは、引き続き次の接合点
までスポット接合ガン２０を移動させ、順次スポット接
合を行なう。

【００２１】つぎに、再び図１を参照してスポット接合
ガン２０の構造についてさらに詳細に説明する。

【００２２】回転子２２は、ヘッド４０に着脱可能に保
持され、このヘッド４０は、軸受け７０を介してヘッド
支持部４１に回転軸線Ｌまわりに回転自在に支持され
る。回転子２２、したがってヘッド４０には、回転軸線
Ｌに沿って上方に延びる回転軸２６が固定される。ま
た、前記ヘッド支持部４１には、回転軸線Ｌに沿って上
方に延び、前記回転軸２６が挿通する外筒が固定され
る。この外筒は、ボールねじ５０のねじ軸２７として機
能する。したがって、回転用モータ２５で回転軸２６を
回転駆動させながら、直進用モータ２４でねじ軸２７を
昇降させることによって、回転子２２を回転させながら
直進移動させることができる。

【００２３】つぎに、回転用モータ２５の回転を回転軸
２６に伝達する回転伝達手段３０の構成について説明す
る。回転伝達手段３０は、回転子２２が連結される回転
軸２６の回転軸線Ｌ方向への移動を許容し、かつ回転用
モータ２５回転駆動力を回転軸２６、したがって回転子
２２に伝達する機構を有し、回転用モータ２５の出力軸
に固定されるベルト車３１と、回転軸２６に連結される
ベルト車３２と、ベルト車３１，３３に巻き掛けられる
環状のタイミングベルト３３とを有する。ベルト車３２
と回転軸２６とは、たとえばスプライン結合され、ベル
ト車３２と回転軸２６とは、回転軸線Ｌまわりの回転が
拘束され、かつ回転軸線Ｌ方向の移動が許容される。し
たがって、回転用モータ２５を回転させることによっ
て、回転子２２を、回転軸線Ｌ方向に移動可能に回転駆
動させることができる。

【００２４】つぎに、直進伝達手段４５の構成について
説明する。直進伝達手段４５は、ねじ軸２７とナット部
材２８とから成るボールねじ５０、直進用モータ２４の
出力軸に固定されるベルト車４６、ナット部材２９に固
定されるベルト車４８、およびベルト車４６，４８に巻
き掛けられる環状のタイミングベルト４７を有する。ボ
ールねじ５０のねじ軸２７は、前述したように中空であ
り、内部に回転軸２６が遊通する。このねじ軸２７は、
リテーナ５５によってガンアーム２１に支持される。リ
テーナ５５は、複数のボールを有し、ねじ軸２７を回転
軸線Ｌ方向に変位自在に、かつ回転軸線Ｌまわりの回転
を拘束してねじ軸２７を保持する。ねじ軸２７の外周部
にはねじ溝が形成され、このねじ溝にナット部材２８が
螺合する。

【００２５】リテーナ５５の下にナット部材２８が設け
られる。ナット部材２８は、軸受けを介してガンアーム
２１に、回転軸線Ｌまわりに回転自在に支持される。こ
のナット部材２８の下に、ベルト車４８が固定され、ベ
ルト車４８とナット部材２８とは一体となって回転す
る。したがって、直進用モータ２４を回転させると、タ
イミングベルト４８を介してナット部材２８が回転す
る。ナット部材２８が回転すると、ねじ軸２７が回転軸
線Ｌ方向に昇降する。ねじ軸２７の下端部にはヘッド支
持部４１が固定されており、このヘッド支持部４１に、
回転子を保持するヘッド４０が回転自在に連結されてい
る。

【００２６】このような回転伝達手段３０および直進伝
達手段４５を用いることで、回転用モータ２５によって
回転子２２を回転軸線Ｌまわりに高速で回転させなが
ら、回転子２２を、回転軸線Ｌに沿って昇降させること
ができる。

【００２７】つぎに、図３を参照して、ヘッド４０と回
転子２２との連結状態について説明する。

【００２８】ヘッド４０の下端部には、コレットチャッ
ク６０が設けられ、回転子２２の上部は、連結軸６１が
形成される。コレットチャック６０は、連結軸６１が挿
入され、複数に分割された締結部材６２と、この締結部
材６２に装着されるナット６３とを有する。ヘッド４０
に回転子２２を固定するには、回転子２２の連結軸６１
を締結部材６２に挿入し、ナット６３を締める。する
と、各締結部材６２が支持軸６１を締め付け、ヘッド４
０と回転子２２とが固定される。回転子２２を取り外す
ときは、ナット６３を緩めて取り外す。このように回転
子２２は容易に着脱することができるので、メンテナン
ス、交換が容易である。

【００２９】ヘッド４０は上部に回転軸２６の下端部が
挿通する凹所６７が形成され、この凹所６７に差し込ま
れた回転軸２６とヘッド４０とは、キー６５を介して回
転が拘束されて連結される。また、ヘッド４０と回転軸
２６の下端部とは、ボルト６６によって回転軸線Ｌ方向
に締め付けられて連結される。

【００３０】ヘッド４０は、軸受け７０を介してヘッド
支持部４１に支持される。このヘッド支持部４１の上部
には、ねじ軸２７が挿し込まれる挿通孔７２が形成さ
れ、この挿通孔７２にねじ軸２７が挿し込まれ、ヘッド
支持部４１の側方からボルト７１が締め付けられること
によって、ねじ軸２７とヘッド支持部４１とが固定され
る。

【００３１】上述した本実施形態ではワークはアルミニ
ウム合金としたが、本発明はこれに限らず、他の金属製
ワーク、または合成樹脂製のワークであってもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、摩擦攪拌
接合方式でスポット接合することによって、ユーティリ
ティを簡素化することができる。また、騒音も少なく、
火花も飛ばず環境にも優しい。

【００３３】さらに、回転駆動源は支持部材に支持さ
れ、直進駆動源は、回転子のみを直進移動させればよ
く、回転駆動源を移動させる必要がないので、直進駆動
源の容量が少なくてすみ、小型化できる。これによっ
て、この摩擦攪拌接合装置を保持するロボットの負担も
軽くなる。

【００３４】また本発明によれば、前記回転子は、着脱
可能に設けられるので、メンテナンスが容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の一形態であ
るスポット接合ガン２０の構造を示す図である。

【図２】スポット接合方法を説明する図である。

【図３】ヘッド４０近傍を示す断面図である。

【図４】従来のスポット接合ガン１の構造を示す図であ
る。

【符号の説明】

２０スポット接合ガン２１ガンアーム２２回転子２４直進用モータ２５回転用モータ２６回転軸３０回転伝達手段４０ヘッド４１ヘッド支持部４５直進伝達手段５０ボールねじ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高速回転する回転子２２を回転軸線Ｌ方
向に移動させ、先端部を被接合物に押圧し、回転により
前記先端部と前記被接合物との接触部の摩擦熱で軟化さ
せ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置にお
いて、支持部材２１と、回転子２２が着脱可能に保持されるヘッド４０と、前記回転軸線Ｌに沿って延び、一端部にスプラインが形
成され、他端部がヘッド４０に連結される回転軸２６
と、回転軸２６が遊通する筒状に形成され、前記回転軸線Ｌ
に沿って延び、外周部にねじ溝が形成されるボールねじ
５０のねじ軸２７と、ヘッド４０を、軸受け７０を介して支持し、ねじ軸２７
の端部が固定されるヘッド支持部４１と、ねじ軸２７とともに前記ボールねじ５０を構成し、支持
部材２１に、前記回転軸線Ｌまわりに回転自在に支持さ
れるナット部材２８であって、ナット部材２８が回転す
るとねじ軸２７を前記回転軸線Ｌ方向に移動するナット
部材２８と、支持部材２１に固定される回転用モータ２５と、回転軸２６のスプラインに結合し、回転軸２６の前記回
転軸線Ｌ方向への移動を許容し、回転用モータ２５の回
転駆動力を回転軸２６に伝達する回転伝達手段３０と、支持部材２１に固定される直進用モータ２４と、直進用モータ２４からの直進駆動力をナット部材２８に
伝達する直進伝達手段４５とを含むことを特徴とする摩
擦攪拌接合装置。
【請求項２】支持部材２１は、Ｌ字状に屈曲して形成
された部分を有し、このＬ字状に屈曲した部分の先端部に設けられる受け部
２３は、前記回転軸線Ｌ上で回転子２２の先端に臨んで
配置され、回転子２２の先端と受け部２３との間で被接合物を押圧
し、支持部材２１は、多関節型ロボットの手首に装備される
ことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。