JP3627977B2 - 摩擦撹拌接合における倣い制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は摩擦撹拌接合における倣い制御装置に関するものであり、摩擦撹拌接合工具を接合部接合線の隙間中心を正確に追跡させ、接合工具が接合線隙間の中心からずれることによる接合不良の発生を確実に防止することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミ板の接合に摩擦撹拌接合が用いられているが、新幹線車両や在来線の特急車両の床板、側板などに使用されるアルミ型材等の接合継手の長さは極めて長い。他方、板材Ｐの摩擦撹拌接合は、図１、図２に示すようにアルミ板Ｐを支持板４上で突き合わせた状態で行われて突き合せ面及び接合部の上面が工具Ｔのピン１及び工具本体２の肩部３との摩擦熱で加熱軟化され、突き合せ面が接合される。接合工具Ｔは硬質金属部材であり、その先端に突設された比較的細いピン１が前進方向の強い抵抗を受けながら高速で回転するものである。
ダブルスキン型材などのアルミ板は型成形されるために、長尺のものほどその直線性が低下し、これを突き合わせたとき接合線に隙間ができてしまう。このため、支持板４上で突き合された板Ｐ，Ｐを万力などで横方向に押し付けて接合線の隙間を可及的に小さくしておいて摩擦撹拌接合が行われる。
また、摩擦撹拌接合装置のヘッドＨはＸＹＺ座標軸の各軸方向にその位置を制御されるものであり、接合工具Ｔが接合線を追跡するように制御されるが、しかし、接合工具の接合線隙間の中心からのずれが実際には避けられず、このずれの大きさが接合不良を生じる大きな要因の一つになっている。
【０００３】
他方、摩擦撹拌接合による継ぎ手については、接合不良部があると、この部分がウイークポイントになり、ここから亀裂が入り、この亀裂が成長して継ぎ手破損に至る可能性がある。このため継ぎ手全長について超音波探傷、浸透探傷、目視検査などの検査を行って接合不良部を特定してこれを補修する、補修作業が行われる。
摩擦撹拌接合による継ぎ手の接合不良が発生する要因は一つではないが、接合工具の接合線中心に対するずれの大きさがその要因の一つであることは間違いなく、接合線の隙間が大きいほど上記ずれの接合品質に与える影響が大きくなり、接合工具Ｔのピン１による撹拌作用で空気が巻き込まれるなどのために、内部欠陥による接合不良を生じることが少なくない。例えば継ぎ手Ｊの内部に長手方向の微細な空洞（通常「トンネル」と称されるもの。図３（ａ）参照）ができることが接合部欠陥の代表的なものである。
継ぎ手全長を検査して接合不良部を特定し、この接合不良部を補修するのであるが、その特定に手間がかかり、不良部特定のための検査結果の信頼度が必ずしも１００％ではない。
したがって、接合不良の発生を可及的に回避するために、接合線の隙間の形状、接合線の隙間の幅の大小に拘らず、接合工具が正確に接合線の隙間の中心を追跡できるようにすることが望ましい。
【０００４】
【解決しようとする課題】
そこでこの発明は、摩擦撹拌接合継ぎ手における接合不良発生を可及的に回避することを目的とし、そのために、接合線の隙間の形状、接合線の隙間の幅の大小に拘らず、接合工具が正確に接合線の隙間中心を追跡するように、その倣い制御装置を工夫することをその課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するために講じた手段】
上記課題を解決するために講じた手段１は、接合工具のＸＹＺ方向位置をサーボモータによって制御しつつ、接合工具で接合線を追跡してアルミ板の接合を行う摩擦撹拌接合における倣い制御装置を前提として、次の（イ）（ロ）及び（ハ）によって構成されるものである。
（イ）摩擦撹拌接合装置の接合工具よりも進行方向前方にＣＣＤカメラを設け、上記ＣＣＤカメラで接合線を撮影すること、
（ロ）上記ＣＣＤカメラで撮影した接合線の影の映像を画像処理装置で画像処理し、画像中の接合線の重心位置と当該重位置の基準線からの横方向ずれ量を演算手段で演算すること、
（ハ）上記ずれ量に基づいて、接合線の中心を接合工具が追跡するように、サーボモータをフィードバック制御すること。
【０００６】
【作用】
ＣＣＤカメラで撮影された上記影の映像を画像処理ボード、画像処理センサ、ビデオキャプチャーボード及び画像処理プログラムなどの画像処理装置で画像処理して、映像中の接合線隙間映像の画像上の基準線からの横方向ずれ量を演算する。この演算結果が接合線に対する接合工具の横方向ずれ量に相当する。このずれ量に基づいてサーボモータを制御し、サーボモータをフィードバック制御することで、接合工具が接合線の中心を正確に追跡することになる。すなわち、接合される位置（接合工具の位置）の直前における接合線を上記ＣＣＤカメラで撮影することで接合線隙間をＣＣＤカメラで捕らえ、これを画像処理して、画像上の接合線の重心位置を求め、この重心位置の画像上の基準線に対するずれ量を演算して求めているのであるから、接合線位置の測定、当該接合線に対する接合工具の横方向ずれ量が正確に求められ、正確に求められた上記ずれ量に基づいて、サーボモータをフィードバック制御するから、接合工具による接合線中心の追跡制御が正確に行われる。
【０００７】
【実施の形態】
次いで図面を参照して実施の形態を説明する。
この実施の形態は、厚さ４．５ｍｍ、長さ８ｍのアルミ板Ｐ，Ｐを接合するものであり、接合工具のピン１の直径５ｍｍ、回転速度１７５０ｒｐｍ、前進速度６００ｍｍ／分で接合するものである。
摩擦撹拌接合装置のヘッドＨの進行方向前方にＣＣＤカメラ４１を取り付けている。このＣＣＤカメラ４１と接合工具Ｔとの間の水平距離Ｄは２００ｍｍであるが、この距離は余り小さくしなくても接合工具Ｔと接合線位置との関係の測定精度には影響ない。
ヘッドＨは接合されるアルミ板Ｐ，Ｐを突き合わせた接合線４２に沿って移動し、ＣＣＤカメラ４１は接合線４２を追跡しながら撮影して映像を取り込む。このときに取り込まれた画像の範囲は図６（２値化画像）に示すとおりであり、進行方向に３ｍｍ、横方向に５ｍｍの範囲である。この画像において接合線隙間４２ａが図示のように現れる。
ＣＣＤカメラ４１で取り込まれた画像情報は画像処理装置５１に送られて、画像処理装置５１で画像処理（２値化）される。
接合線を直接追跡する場合は、接合される位置の直前における接合線を上記ＣＣＤカメラで撮影することで、接合線隙間４２ａの縁の位置を検出し、この縁の画像上の基準線Ｓ（メモリ５３から読み出される基準線情報によるもの）との距離ａを計測し、この距離ａをコントローラ（ＣＰＵ）５２に伝送してフィードバック制御することができる。
【０００８】
他方、接合線隙間４２ａの幅が比較的大きくて一定でない場合は、前記のトンネルの発生を可及的に抑制するために、接合線隙間４２ａの中心を検出してこれを追跡させることが必要である。このように、接合線隙間４２ａの中心を追跡する場合は、接合線隙間４２ａの面積を積分し、この接合線隙間４２ａの面積から接合線隙間４２ａの重心位置を演算し、この重心位置と画像上に設けた基準線Ｓとの間の距離ｂ（位置ずれ量）を演算し、この距離ｂに基づいてコントローラ（ＣＰＵ）５２によってサーボアンプを制御して、サーボモータをフィードバック制御する。
この例では上記画像の中心部の進行方向１ｍｍ、横方向２ｍｍの範囲を画像処理し、この画像処理面積４３における接合線隙間４２ａの面積を積分する。この画像処理面積の進行方向長さを１ｍｍにしているので、この範囲での接合線隙間４２ａの面積が例えば１．５ｍｍ^２であれば、この間の接合線隙間の平均値は１．５ｍｍである。
さらに、接合端面と平行なマーキングを板の接合端縁上面に施す場合は、このマーキング画像７１が画面上に現れるので、このマーキング画像７１と画像上の基準線Ｓとの距離ｃを演算し、この距離ｃをコントローラ（ＣＰＵ）５２に伝送してフィードバック制御する。なお、マーキングは線状のマーキングでもよいが、点線でもよい。
【０００９】
摩擦撹拌接合長さトータル１２８ｍについて倣い制御の精度を実際に確認したが、以上のいずれの形態においても接合線の曲りの有無、接合線隙間の大小に関わりなく、接合工具が接合線隙間の中心をほぼ正確に追跡し、接合工具の接合線に対する偏りによる接合不良箇所は全くなかった。
上記のマーキングを利用した例によるまでもなく、接合線４２の映像の縁を検出し、これをメモリ５３から読み出される基準線情報による基準線と比較することで、実用上支障のない程度に高精度で、接合線の中心を追跡させることができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたとおり、この発明は、接合される板の接合線をＣＣＤカメラで撮影することで接合線隙間をＣＣＤカメラで捕らえて、これを画像処理し、接合線と画像上の基準線との横方向ずれ量を演算して計測し、このずれ量に基づいてコントローラ（ＣＰＵ）でサーボアンプを制御して、サーボモータをフィードバック制御することにより、接合線の隙間の大小、当該隙間のバラツキの大小にかかわらず、接合工具に接合線の中心を正確に追跡させることができ、接合工具の接合線の隙間の中心からの横方向ずれによる接合不良を確実に解消することができる。
また、ＣＣＤカメラにより撮影した画像を画像処理して上記ずれ量を演算して計測するものであるから、接合線の中心を接合工具で高精度で追跡させることができる。
それゆえ、接合線の曲りの有無、接合線隙間の幅のバラツキの大小に関わらず、高い品質で摩擦撹拌接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は摩擦撹拌接合装置の斜視図である。
【図２】は図１のＹ−Ｙ断面図である。
【図３】は摩擦撹拌接合におる継ぎ手におけるトンネル発生による継ぎ手不良を模式的に示す斜視図である。
【図４】は実施の形態の斜視図である。
【図５】は実施の形態における継ぎ手不良検知システムのブロック図である。
【図６】（ａ）はＣＣＤカメラによる接合線隙間映像の２値化画像であり、
（ｂ）はＣＣＤカメラによる他の接合線隙間映像の２値化画像である。
【図７】はマーキングを追跡させてフィードバック制御する場合の接合線隙間映像、マーキング映像の２値化画像である。
【符号の説明】
Ｈ：摩擦撹拌接合装置のヘッド
Ｍ：前進駆動モータ
Ｐ：アルミ板材
ａ：接合線画像の縁の基準線からのずれ量
ｂ：接合線隙間中心の基準線からのずれ量
ｃ：マーキング画像の基準線からのずれ量
Ｔ：摩擦撹拌接合工具
１：摩擦撹拌接合工具のピン
２：摩擦撹拌接合工具の本体
３：摩擦撹拌接合工具の肩部
４１：ＣＣＤカメラ
４２：接合線
４２ａ：接合線隙間
４３：画像処理面積
５１：画像処理装置
５２：コントローラ（ＣＰＵ）
５３：メモリ
７１：マーキング画像

Claims (1)

1. 接合工具のＸＹＺ方向位置をサーボモータによって制御しつつ、接合工具が接合線を追跡してアルミ板の接合を行う摩擦撹拌接合における倣い制御装置において、
   摩擦撹拌接合装置の接合工具よりも進行方向前方にＣＣＤカメラを設け、当該ＣＣＤカメラで接合線を撮影し、
   上記ＣＣＤカメラで撮影した接合線の影の映像を画像処理装置で画像処理し、画像中の接合線の重心位置と当該重位置の基準線からの横方向ずれ量とを演算手段で演算し、
   上記ずれ量に基づいて、接合線の中心を接合工具が追跡するように、サーボモータをフィードバック制御する、摩擦撹拌接合における倣い制御装置。

Images