JP4313020B2 - 摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
たとえば多関節ロボットに設けられ、被接合物をスポット摩擦撹拌接合する際に好適に用いられる摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の摩擦撹拌接合装置１およびそれを用いた摩擦撹拌接合方法を示す正面図であり、図１３は、摩擦撹拌接合装置１の左側面図である。従来の摩擦撹拌接合装置１は、回転子２が装着されるチャック体１２と、チャック体１２を回転軸線６まわりに回転させる回転モータ３と、チャック体１２を回転軸線６に沿って変位させる加圧モータ４と、チャック体１２に対向して配置される固定子５と、チャック体１２および固定子５を支持する基台１３とを備える。
【０００３】
摩擦撹拌接合装置１は、チャック体１２に装着される回転子２と固定子５との間に被接合物９が位置するように移動する。この状態で回転子２を加圧モータ４によって変位駆動し、固定子５に向かって移動させる。回転子２が移動することによって、被接合物９は、回転子２と固定子５とによって挟持される。
【０００４】
回転子２は、被接合物９を押圧した状態で、回軸モータ３によって回転駆動される。回転子２が被接合物９と回転接触することによって、回転子２と被接合物９とに摩擦熱が発生する。摩擦撹拌接合装置１は、摩擦熱によって被接合物９を流動化させ、流動化した被接合物９を撹拌して、被接合物９を構成する２つの接合部材７，８を接合する（たとえば特許文献１および特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８２号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３７０６７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の摩擦撹拌接合装置１および摩擦撹拌接合方法では、摩擦熱を発生させるために、一つの回転子２を回転させた状態でさらに被接合物９に押付ける。したがって回転子２を回転するための回転駆動機構と回転子２を被接合物９に押付けるための変位駆動機構との両方が必要である。回転子２を回転させながら被接合物９に押付ける機構は複雑であり、形状が大形化するという問題がある。
【０００７】
とくに、回転子２を回転させるための回転モータ３および回転子２を被接合物に押付ける加圧モータ４が、動力伝達機構の簡略化のために回転子近傍に配置される場合があり、２つのモータ３，４によって回転子近傍の形状が大形化してしまうことがある。
【０００８】
また回転子２を装着するチャック体１２は、回転自在に回転子２を支持するための軸受を有する。チャック体１２は、回転子２を支持するために回転子２よりも大きい形状を有し、回転子２とともに固定子５に向かって移動する。したがって被接合物９の形状によっては、チャック体１２が被接合物９と接触してしまう場合があり、回転子２と固定子５との被接合物９の挟持を妨げるという問題がある。
【０００９】
またチャック体１２が被接合物９に接触することを防止するために、回転子２の長さを大きくした場合には、回転子２は、回転接触時に与えられる押付け力によって振れおよびねじれが生じる。振れおよびねじれが回転子２に生じると、正確な位置に摩擦撹拌接合できない場合があり、また回転子２が破損するおそれがある。
【００１０】
したがって本発明の目的は、形状を小形化するとともに、摩擦撹拌接合動作を妨げることがない摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも２つ以上の部材から成る被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
互いに対向する第１および第２ツール保持部を有する基台と、
第１ツール保持部に設けられ、回転自在に設けられる旋回ツールが第２ツール保持部に臨んだ状態で装着される第１チャック体と、
第１チャック体を回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
第２ツール保持部に設けられ、第１ツール保持部に近接および離反する変位方向へ変位自在に設けられる加圧ツールが前記旋回ツールに対向して回り止めされた状態で装着される第２チャック体と、
第２チャック体を前記変位方向に変位駆動することによって、前記少なくとも２つの部材をスポット摩擦撹拌接合する変位駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
また本発明は、少なくとも２つの部材から成る被接合物を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
旋回ツールが装着される第１チャック体を回転軸線まわりに回転駆動し、
加圧ツールが前記旋回ツールに対向して装着される第２チャック体を変位方向に変位駆動することによって、前記少なくとも２つの部材をスポット摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【００１２】
本発明に従えば、基台が被接合物に対して相対的に移動し、第１ツール保持部と第２ツール保持部との間に被接合物が位置するように移動する。この状態で、第２チャック体に装着された加圧ツールを第１ツール保持部に向かって回り止めされた状態で変位駆動するとともに、第１チャック体に装着された旋回ツールを回転軸線まわりに回転駆動し、これによって少なくとも２つの部材をスポット摩擦撹拌接合する。
【００１３】
加圧ツールを第１ツール保持部に向かって変位駆動することによって、加圧ツールと旋回ツールとの間の間隔が小さくなり、被接合物は加圧ツールの先端部と旋回ツールの先端部とによって挟持される。変位駆動手段によって、加圧ツールが被接合物に当接した後も加圧ツールに力を与えることによって、被接合物が旋回ツールに押付けられる。
【００１４】
回転駆動手段によって、被接合物が押付けられた旋回ツールを回転させる。これによって旋回ツールと被接合物とに摩擦熱が発生する。旋回ツールを押付ける被接合物の部分は、摩擦熱によって流動性を増し、旋回ツールは、被接合物の流動化した部分を穿孔する。被接合物を穿孔する旋回ツールは、被接合物を構成する２つ以上の接合部材のそれぞれの境界部分まで達し、それぞれの境界部分を流動化して撹拌する。これによって２つ以上の接合部材のそれぞれの境界部分は互いに混ざり合い、各接合部材が接合される。
【００１５】
また本発明では、旋回ツールと加圧ツールとが独立して駆動されるので、従来の技術のように回転子を回転させた状態で加圧する場合に比べて、ツールの駆動機構を単純化することができる。ツールの駆動機構を単純化することによって、摩擦撹拌接合装置を小形化することができる。また旋回ツールを装着する第１ツール保持部および加圧ツールを装着する第２ツール保持部のいずれかの近傍に回転駆動手段と変位駆動手段とをともに配置する必要がなく、ツール保持部近傍の形状を小形化することができる。また変位駆動手段および回転駆動手段の配置位置の設計における自由度を増やすことができる。
【００１６】
装着された加圧ツールは、回転せずに被接合物に押圧されるので、摩擦撹拌接合にあたって、振れおよびねじりが生じることがない。したがって加圧ツールおよび第２チャック体を細くまたは長く形成したとしても、摩擦撹拌接合時に与えられる力に十分に耐えることができる。加圧ツールおよび第２チャック体を細くまたは長く形成することによって、摩擦撹拌接合時に被接合物が加圧ツールおよび旋回ツールの各先端部以外の部分に接触することを防止することができ、摩擦撹拌接合を阻害することなく確実に行うことができる。
【００１７】
また本発明は、第１および第２ツール保持部は、一体の基台に設けられ、
第１ツール保持部に比べて、第２ツール保持部寄りの位置において、基台がロボットアームの先端部に連結されて用いられることを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、ロボットアームが駆動されることによって、基台を移動させて摩擦撹拌接合を行うことができる。ロボットアームを基台の連結部分に連結した場合には、ロボットアームが被接合物の周囲の物体に接触することを防止するために、摩擦撹拌接合にあたって基台の連結部分は、被接合物の周囲の空間のうち、十分に広い領域側に配置される。
【００１９】
また第２チャック体は、加圧ツールを変位自在に装着するために、変位方向に沿って延びるレールまたはねじ軸などが必要であり、第１チャック体に比べて大形となる。
【００２０】
第２ツール保持部は、第１ツール保持部よりも、ロボットアームが連結される連結部分寄りに設けられ、連結部分寄りに第２チャック体が設けられる。したがって被接合物の周囲の空間のうち、十分に広い領域側に第２チャック体が配置される可能性が高く、第１チャック体に比べて大形となる第２チャック体が被接合物に接触することを防止することができる。また第１ツール保持部の近傍では、ロボットアームおよび第２チャック体がないので、小形に形成することができ被接合物に接触することをより確実に防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合装置２０の一部を切断して示す正面図であり、図２は、摩擦撹拌接合装置２０の左側面図であり、図３は、摩擦撹拌接合装置２０の右側面図であり、図４は、摩擦撹拌接合装置２０の底面図である。また図５は、摩擦撹拌接合装置２０が汎用多関節ロボットに連結された状態を示す図である。この摩擦撹拌接合装置２０を用いた摩擦撹拌接合方法に係る本発明の実施の形態をも併せて説明する。摩擦撹拌接合装置２０は、汎用多関節ロボット４０のロボットアーム先端部４１に連結されて、予め定められる位置に移動する。
【００２２】
摩擦撹拌接合装置２０は、旋回ツール２４および加圧ツール２７が装着される。旋回ツール２４は、たとえば円筒状の軸体であり回転自在に摩擦撹拌接合装置２０に装着される。また加圧ツール２７は、たとえば円筒状の軸体であり旋回ツール２４に近接離反する方向Ａに変位自在に摩擦撹拌接合装置２０に装着される。なお図１および図２において、加圧ツール２７が移動した状態を２点鎖線で示す。
【００２３】
摩擦撹拌接合装置２０は、加圧ツール２７を変位駆動し、旋回ツール２４と加圧ツール２７とによって被接合物を協働して挟持する。この状態で、加圧ツール２７を旋回ツール２４に向けて押付けることによって、被接合物を旋回ツール２４に押付ける。また摩擦撹拌接合装置２０が旋回ツール２４を回転駆動することによって、旋回ツール２４が被接合物に回転接触し、旋回ツール２４と被接合物とに摩擦熱が生じる。摩擦撹拌接合装置２０は、摩擦熱によって被接合物を流動化させ、流動化した被接合物を撹拌して、被接合物を構成する複数の接合部材を接合する。
【００２４】
摩擦撹拌接合装置２０は、ロボットアーム４０の先端部４１に支持される基台２３と、基台２３の第１ツール保持部２１に設けられ、旋回ツール２４を装着する第１チャック体２５と、基台２３の第２ツール保持部２２に設けられ、加圧ツール２７を装着する第２チャック体１９と、旋回ツール２４を回転軸線２６まわりに回転駆動する回転モータ２８と、加圧ツール２７を変位駆動および加圧する加圧モータ２９とを含む。
【００２５】
基台２３は、第１フレーム３２と第２フレーム３３とを含んで構成され、第１フレーム３２および第２フレーム３３によって略Ｕ字状に形成される。第１フレーム３２は、一方向に延びる第１部分３０と、第１部分３０に対してほぼ直角に屈曲して延びる第２部分３１とを有し、第１部分３０の一端部３０ａと第２部分３１の一端部３１ａとが連なり略Ｌ字状に形成される。また第２フレーム３３は、第１フレーム３２の第１部分３０にほぼ平行に延び、その一端部３３ａは、第１フレーム３２の第２部分３１の他端部３１ｂにボルト３９によって連結される。
【００２６】
本明細書において、ほぼ平行とは、平行となる状態とほぼ平行となる状態とを含む。またほぼ直交とは、直交となる状態と略直交となる状態とを含む。またほぼ直角とは、直角となる状態と略直角となる状態とを含む。
【００２７】
第１フレーム３２の第１部分他端部３０ｂは、第１ツール保持部２１となり、第１チャック体２５が設けられる。また第２フレーム３３の他端部３３ｂは、第２ツール保持部２２となり、第２チャック体１９が設けられる。この第１ツール保持部２１および第２ツール保持部２２は、互いに対向して配置される。したがって本実施の形態では、略Ｕ字状に延びる基台２３の両端部がそれぞれ第１および第２ツール保持部２１，２２となる。
【００２８】
第１チャック体２５は、旋回ツール２４を装着するとともに、回転モータ２８からの回転力を旋回ツール２４に与える。旋回ツール２４は、第１チャック体２５を介して回転モータ２８から回転力が与えられて、回転軸線２６まわりに回転する。第２チャック体１９は、加圧ツール２７を装着するとともに、加圧モータ２９からの回転力をねじ機構などによって直進力に変換し、直進力を加圧ツール２７に与える。加圧ツール２７は、第２チャック体１９から与えられた直進力によって、旋回ツール２４に対して近接および離反する変位方向Ａに変位する。また第２チャック体１９は、加圧モータ２９を保持する加圧モータ保持部材３８を含む。第１チャック体２５および第２チャック体１９についての具体的な説明は後述する。
【００２９】
各チャック体１９，２５に装着された加圧ツール２７および旋回ツール２４は、互いの軸線が同軸に配置される。言換えると加圧ツール２７は、回転軸線２６と同軸に配置される。また第１フレーム３２の第２部分３１の延びる方向は、回転軸線２６に対してほぼ平行に形成され、第１フレーム３２の第１部分３０および第２フレーム３３の延びる方向は、回転軸線２６に対してほぼ直交して形成される。
【００３０】
回転モータ２８は、第１フレーム３２の第２部分３１を挟んで第１部分３０とは反対側の位置に固定される。また回転モータ出力軸３４は、旋回ツール２４の回転軸線２６に対して平行に配置される。回転モータ出力軸３４の回転力は、たとえばベルト３６または歯車などの動力伝達機構を介して第１チャック回転軸１７に与えられる。たとえば回転モータ２８は、サーボモータによって実現される。
【００３１】
加圧モータ２９は、第２チャック体１９の加圧モータ保持部材３８に固定され、第２フレーム３３を挟んで、第１ツール保持部２１とは反対側の位置に固定される。加圧モータ出力軸３５は、加圧ツール２７が変位する変位方向Ａに対して平行に配置される。加圧モータ出力軸３５の回転力は、たとえばベルトまたは歯車などの動力伝達機構を介して第２チャック回転軸７１に与えられる。
【００３２】
また摩擦撹拌接合装置２０は、基台２３とロボットアーム４０の先端部４１とを連結する連結部材４２をさらに備える。すなわち基台２３は、連結部材４２を介してロボットアーム４０に支持される。連結部材４２は、第１フレーム３２にボルト４６によって着脱可能に固定され、第１フレーム３２の第２部分３１を挟んで、第２フレーム３３と反対側の位置に配置される。すなわち基台２３は、第１ツール保持部２１に比べて、第２ツール保持部２２寄りの位置において、ロボットアーム４０に連結される。
【００３３】
連結部材４２は、互いに直交する２つの板部４３，４４を有する。連結部材４２の第１板部４３は、ボルト４６によって第１フレーム３２に固定され、第２板部４４は、ボルト４５によってロボットアーム４０の先端部端面４７に固定される。ロボットアーム先端部端面４７は、ロボットアーム先端部４１の軸線４８に対して垂直である。ロボットアーム先端部端面４７が第１フレーム３２の第２部分３１が延びる方向に垂直に配置されて、ロボットアーム先端部４１の軸線４８と回転軸線２６とが平行に配置される。
【００３４】
第１フレーム３２の第１部分３０が延びる方向を幅方向Ｘとし、第１フレームの第２部分３１が延びる方向を長手方向Ｙとし、幅方向Ｘおよび長手方向Ｙにともに直交する方向を厚み方向Ｚとすると、図２および図３に示すように幅方向Ｘに垂直な仮想平面に摩擦撹拌接合装置２０を投影した場合、旋回ツール２４、加圧ツール２７、第１チャック体２５、第２チャック体１９、加圧モータ２９、回転モータ２８およびロボットアーム先端部４１の各軸線が回転軸線２６を通過する一仮想平面に沿って配置される。
【００３５】
連結部材４２は、第１板部４３と第２板部４４とに連なる第１リブ５０ａと、第１リブ５０ａと第２板部４４とにともに連なる第２リブ５０ｂとを有する。このような複数のリブによって連結部材４２が破損することを防止することができ、基台２３とロボットアーム先端部４１とを確実に固定することができる。
【００３６】
図６は、図１のセクションＳを拡大して示す断面図である。なお図６において、２つの被接合物１５，１４を２点鎖線でそれぞれ示す。第１チャック体２５は、第１フレーム３２に固定されるステータ５２と、旋回ツール２４を装着して回転する第１チャック回転軸１７とを含んで構成される。
【００３７】
ステータ５２は、円筒状に形成され、第１チャック回転軸１７が収容される挿通孔が形成される。またステータ５２は、フランジ部５５が形成され、ボルト５１によってフランジ部５５と第１フレーム３２とが着脱可能に固定される。
【００３８】
第１チャック回転軸１７は、一端部１７ａに旋回ツール２４を装着し、他端部１７ｂに第１チャック歯車５４が設けられる。第１チャック回転軸１７は、ベアリング５６，５７，５８を介して挿通孔に挿通し、ステータ５２に対して回転自在に設けられる。第１チャック回転軸１７は、軸線方向一方側に向かうにつれて、外周径が段階的に変化する多段円筒状に形成され、一端部１７ａから他端部１７ｂに向けて、第１軸部分５９、第２軸部分６０、第３軸部分６１および第４軸部分６２が形成される。第１チャック回転軸１７のうち、第２軸部分６０および第３部分６１が挿通孔に挿通し、第１軸部分５９がステータ５２の一端面６３から突出し、第４軸部分６２が、ステータ５２の他端面６４から突出する。
【００３９】
第１軸部分５９の外周径は、挿通孔の内径よりも大きく形成され、第１軸部分５９の軸線方向他方側端面６５とステータ５２の一端面６３との間にスラスト玉軸受５６が配置される。また第２軸部分６０の外周径は、ステータ５２の内周面よりも小さく形成され、第２軸部分６０の外周面とステータ５２の内周面との間に針状ころ軸受５７が配置される。また第３軸部分６１の外周径は、第２軸部分６０の外周径よりも小さく形成され、第３軸部分６１の外周面とステータ５２の内周面との間にラジアル玉軸受５８が配置される。第４軸部分６２は、第１チャック歯車５４が同軸に固定される。これによって第１チャック回転軸１７と第１チャック歯車５４とは、一体に回転する。
【００４０】
スラスト玉軸受５６が設けられることによって、被接合物が旋回ツール２４を押付けても第１チャック回転軸１７を回転させることができる。また針状ころ軸受５７が設けられることによって、第１チャック回転軸１７は、大きいラジアル荷重に対しても回転することができる。
【００４１】
第１軸部分５９の軸線方向一方側には、軸線方向他方に向かうにつれて内周径が縮径する装着孔が形成される。また装着孔に装着部材６６が装着される。装着部材６６は、軸線方向一方に向かうにつれて外周径が縮径するように形成される。装着部材６６は、その外周面と装着孔が形成される内周面とが互いに当接する。このような装着部材６６の内周に旋回ツール２４が嵌合することによって、第１チャック回転軸１７と装着された旋回ツール２４との軸線が同軸に配置される。
【００４２】
また図１に示すように、回転モータ２８は、回転モータ出力軸３４に同軸に回転モータ歯車６７が固定される。回転モータ歯車６７と第１チャック歯車５４とは、ベルト３６によって連結される。これによって回転モータ出力軸３４の回転力は、回転モータ歯車６７、ベルト３６および第１チャック歯車５４を介して第１チャック回転軸１７に与えられる。第１チャック回転軸１７が回転すると、第１チャック回転軸１７に装着された旋回ツール２４は、第１チャック回転軸１７とともに回転する。
【００４３】
また回転モータ２８は、板状のモータ取付部材４９に固定される。モータ取付部材４９は、第１フレーム３２の第１部分３０の一端部３０ａから第１ツール保持部２１とは反対方向に延びる第３部分６８にボルト６９によって固定される。ボルト６９がモータ取付部材４９に形成される長孔１６を挿通して第３部分６８に螺着することによって、モータ取付部材４９は、第３部分６８に着脱可能に固定される。長孔１６は、第１チャック回転軸１７と回転モータ出力軸３４とを結ぶ方向７０に平行に延びて形成される。これによってベルト３６が緩んだ場合などには、回転モータ２８の位置を第１チャック体２５から離反させて、ベルト３６の張力を一定に保つことができる。
【００４４】
図７は、第２チャック体１９を示す断面図である。第２チャック体１９は、加圧ツール２７を着脱可能に装着し、装着された加圧ツール２７とともに変位する変位軸１８と、加圧モータ２９からの回転力を受けて回転する第２チャック回転軸７１と、変位軸１８をまわり止めした状態で変位自在に支持する支持部材７２と、加圧モータ２９を保持する加圧モータ保持部材３８とを有する。
【００４５】
変位軸１８および第２チャック回転軸７１は、回転軸線２６と同軸に配置され、支持部材７２もまた回転軸線２６に沿って延びる。支持部材７２の一端部７２ａは、第２フレーム３３に連結され、支持部材７２の他端部７２ｂは、加圧モータ保持部材３８と連結される。加圧モータ保持部材３８に固定された加圧モータ２９は、支持部材７２に対して隣接して配置される。
【００４６】
変位軸１８は、一端部１８ａに内ねじが形成され、外ねじが形成される加圧ツール２７が螺着する。加圧ツール２７は、変位軸１８に螺着されることによって、第２チャック体１９に装着される。また変位軸１８は、他端部１８ｂが開放する有底筒状に形成される。変位軸１８は、その内周部に内ねじが形成される。また第２チャック回転軸７１は、軸線方向一端部に歯車が設けられる回転軸歯車部７３と、外周部に外ねじが形成されるねじ部７４とを備え、回転軸歯車部７３が変位軸１８から突出した状態で、変位軸１８の内周部にねじ部７４が螺着する。また加圧モータ出力軸３５には、加圧モータ歯車７５が同軸に固定される。回転軸歯車部７３は、ベルト７６によって加圧モータ歯車７５からの回転が伝達される。
【００４７】
加圧モータ出力軸３５が回転すると、回転力が、加圧モータ歯車７５、ベルト７６および回転軸歯車部７３に伝達され、第２チャック回転軸７１が回転する。第２チャック回転軸７１が回転すると、第２チャック回転軸７１に螺合する変位軸７１もまた回転しようとするが支持部材７２によってまわり止めされているので、第２チャック回転軸７１の回転運動が、直線運動に変換されて変位軸１８が第２チャック回転軸７１の軸線に沿って直線変位する。これによって変位軸１８が直進方向に移動する。
【００４８】
また摩擦撹拌接合装置２０は、旋回ツール２４の被接合部材における位置関係および加圧ツール２７が被接合物に与える加圧力などを検出する検出手段を有してもよい。また回転モータ２８および加圧モータ２９を制御する制御手段を有してもよく、制御手段からの指令によって回転モータ２８および加圧モータ２９が各ツール２４，２７を駆動してもよい。また制御手段は、ロボットアーム４０を制御するロボットアーム制御手段と併用してもよい。
【００４９】
摩擦撹拌接合装置２０は、ロボットアーム４０によって駆動され、旋回ツール２４と加圧ツール２７との間に、被接合物が位置するように移動する。ロボットアーム４０の移動が完了すると、加圧モータ出力軸３５が回転する。加圧モータ出力軸３５が回転することによって、回転力が直進力に変換されて変位軸１８に与えられて、変位軸１８とともに加圧ツール２７が旋回ツール２４に向けて移動する。
【００５０】
加圧ツール２７が、変位移動することによって被接合物と当接する。加圧ツール２７は、さらに直進力が与えられて被接合物を押圧し、加圧ツール２７と旋回ツール２４とで被接合物を挟持する。たとえば加圧ツール２７は、６００ｋｇｆ（約６０００Ｎ）で被接合物を押圧する。
【００５１】
挟持後、さらに加圧ツール２７が被接合物を押付けることによって、被接合物は、旋回ツール２４に押付けられる。この状態で旋回ツール２４が回転モータ２８によって回転することによって、被接合物と旋回ツール２４とに摩擦熱が発生する。摩擦熱によって被接合物は流動化し、被接合物が押付けられる旋回ツール２７の先端部が被接合物を穿孔する。旋回ツール２４は、当接する被接合物の流動性を増加させ、流動化した被接合物を撹拌しながら穿孔していく。被接合物を構成する２つの接合部材の境界部分まで旋回ツール２４が穿孔すると、２つの接合部材のそれぞれの境界部分が撹拌され、撹拌された部分が混ざり合う。
【００５２】
それぞれの境界部分を撹拌すると、加圧モータ出力軸３５が逆回転することによって、加圧ツール２７が旋回ツール２４から離反する方向に駆動される。またロボットアーム４０が加圧ツール２７の移動に応じて変位することによって、被接合物から加圧ツール２７および旋回ツール２４が離反する。旋回ツール２４が被接合物から離反すると、被接合物に与えられる摩擦熱がなくなり、被接合物が冷えて、撹拌された部分の流動性がなくなる。被接合物の撹拌された部分では、２つの接合部材が混ざり合っているので境界部分がなく、被接合物が接合される。
【００５３】
以上のように本発明の摩擦撹拌接合装置２０に従えば、旋回ツール２４と加圧ツール２７とを独立して駆動することによって、図１２に示す従来の技術の摩擦撹拌接合装置１のように一つの回転子２を回転駆動するとともに変位駆動する場合に比べて、駆動する各ツール２４，２７の駆動機構を単純化することができる。各ツール２４，２７の駆動機構を単純化することによって、摩擦撹拌接合装置の形状を小形化および軽量化することができる。
【００５４】
とくに回転モータ２８および加圧モータ２９の回転力を伝達する伝達機構を単純化したうえで、回転モータ２８と加圧モータ２９とをともに第２チャック体１９の近傍に配置する必要がなく、第２チャック体１９近傍の形状を小形化することができる。たとえば図１２に示す従来の摩擦撹拌接合装置１の重さが約１２０ｋｇであるのに対し、本発明の摩擦撹拌接合装置２０の重さを、約１００ｋｇとすることができ、軽量化することができる。
【００５５】
このように軽量化することによってロボットアーム４０による摩擦撹拌接合装置の駆動を容易に行うことができ、移動速度および位置決め精度を向上することができる。これによって単位時間当たりの接合回数を増やすとともに、正確な位置に摩擦撹拌接合を行うことができる。
【００５６】
また加圧ツール２７は、被接合物を加圧することに特化し、従来の回転子のように回転することがない。これによって加圧ツール２７および変位軸１８は、摩擦撹拌接合にあたって、ねじれおよび振れが生じることがなく、与えられる力が小さい。したがって加圧ツール２７および変位軸１８は、従来に比べて剛性を低くしても、たとえば細くまたは長く形成したとしても、摩擦撹拌接合時に与えられる力に十分に耐えることができる。
【００５７】
また加圧ツール２７および変位軸１８を細くまたは長く形成することによって、摩擦撹拌接合時に被接合物が加圧ツール２７の先端部以外の加圧ツール部分および変位軸１８に接触することを防止することができる。これによって摩擦撹拌接合動作を確実に行うことができる。
【００５８】
たとえば図６に示すように変位軸１８の形状を加圧ツール２７に向かうにつれて先細に形成することで、被接合物１５が加圧ツール２７および変位軸１８に向かって突出する形状である場合であっても、被接合物１５が当接することを防止することができる。
【００５９】
また装着した旋回ツール２４を変位駆動する必要がないので、第１チャック体２５を第１ツール保持部２１に対して固定することができる。具体的には、第１チャック体２５のステータ５２をボルト５１によって第１ツール保持部２１に連結し、ステータ５２に対して第１チャック回転軸１７を回転させる。したがって第１チャック体２５は、旋回ツール２４が被接合物から押付けられても、第１ツール保持部２１に固定されているので、旋回ツール２４を安定して支持することができる。また第１ツール保持部２１に固定された状態で旋回ツール２４を支持するので、第１ツール保持部２１を小形化することができる。
【００６０】
また回転モータ２８は、第１フレーム３２のうち、第１部分３０の一端部３０ａから第１ツール保持部２１とは反対方向に延びる第３部分６８に固定される。すなわち第１チャック体２５から連結部材４２に向かう方向に回転モータ２８が配置される。第１フレーム３２の第１部分３０は、回転モータ２８を保持する必要がなく、第１フレーム３２の第１部分３０を小形化および軽量化することができる。第１部分３０を小形化することによって、被接合物の周囲の空間のうち、狭い領域に第１部分３０を挿入することができる。
【００６１】
また第１チャック歯車５４と回転モータ歯車６７との軸線が平行に配置されるので、ベルト３６を介した単純な伝達機構で回転モータ２８からの回転力を第１チャック体２５に与えることができる。同様に第２チャック体１９の回転軸歯車部７３と加圧モータ２９の加圧モータ歯車７５との軸線が平行に配置されるので、ベルト３６を介した単純な伝達機構で加圧モータ２９からの回転力を第２チャック体１９に与えることができる。
【００６２】
第２ツール保持部２２は、第１ツール保持部２１よりも、ロボットアーム４０が連結される連結部材４２寄りに設けられる。これによって、加圧ツール２７を変位方向に変位自在に装着するために、変位方向に沿って延びるレールまたは軸などが必要であり、第１チャック体２５に比べて大形となる第２チャック体１９を連結部材４２寄りに配置される。連結部材４２は、ロボットアーム２０が被接合物の周囲の物体に接触するおそれを防止するために、被接合物の周囲の空間のうち、十分に広い領域に配置される。したがって連結部材４２の近傍に配置される第２チャック体１９もまた広い領域に配置され、被接合物の周囲の物体に接触するおそれを防止することができる。
【００６３】
さらにロボットアーム４０の先端部４１が延びる方向と、第２チャック体１９および加圧モータ２９が基台２３から延びる方向とが同じ方向に配置されるので、加圧モータ２９および第２チャック体１９が大形化しても、加圧モータ２９が被接合物と接触するおそれをより少なくすることができる。
【００６４】
連結部材４２から離れた第１ツール保持部２１の近傍では、ロボットアーム４０および第２チャック体１９がなく小形に形成されるので被接合物に接触しにくい。これによって被接合物の周囲の空間のうち、部分的に狭い領域がある場合であっても、被接合物を挟んで両側にそれぞれ第１ツール保持部２１および第２ツール保持部２２を配置することができ、摩擦撹拌接合を確実に行うことができる。
【００６５】
また旋回ツール２４および加圧ツール２７は、着脱可能に各チャック体２５，１９に装着される。摩擦撹拌接合を繰り返すことによって各ツール２４，２７が磨耗しても、新しいツールに取り替えることができ、摩擦撹拌接合を良好に行うことができる。
【００６６】
図８は、本発明の他の実施の形態である摩擦撹拌接合装置１２０の一部を切断して示す正面図であり、図９は、摩擦撹拌接合装置１２０の左側面図であり、図１０は、摩擦撹拌接合装置１２０の右側面図であり、図１１は、摩擦撹拌接合装置１２０の底面図である。
【００６７】
摩擦撹拌接合装置１２０は、図１に示す摩擦撹拌接合装置２０に対して、回転モータ１２８の固定位置が異なるだけで他の構成については、同様の構成である。上述する摩擦撹拌接合装置２０と同一の構成については、説明を省略し、同一の参照符号を付する。
【００６８】
摩擦撹拌接合装置１２０は、回転モータ１２８が連結部材４２の近傍に配置される。摩擦撹拌接合装置１２０は、第１フレーム３２の第１部分３０の一端部３０ａから第１ツール保持部２１とは反対方向に延びる第３部分１６８と、第３部分１６８にボルト１６９によって着脱可能に固定される板状のモータ取付部材１４９と、モータ取付部材１４９から連結部材４２に向けて、突出するモータ取付台１１０とを備える。
【００６９】
モータ取付台１１０は、モータ取付部材１４９から連結部材４２に向かって突出し、板状に形成される複数の脚部１１１，１１２，１１３と、各脚部１１１，１１２，１１３を連結し、板状に形成される台部１１４とを含む。各脚部１１１，１１２，１１３は回転軸線２６と平行に延び、台部１１４は、回転軸線２６に垂直なモータ搭載面１１５を有する。
【００７０】
回転モータ１２８は、モータ搭載面１１５に固定され、回転モータ出力軸１３４が、モータ取付部材１４９に向けて台部１１４を挿通する。回転モータ出力軸１３４は、その回転を伝達する伝達軸１０１にカップリング１０２によって連結される。伝達軸１０１は、出力軸１３４と同軸に配置され、複数の伝達軸軸受１０３に支持される。各伝達軸軸受１０３は、脚部１１３に固定され、伝達軸１０１を回転可能に支持する。伝達軸１０１は、その一端部１０１ａに前記カップリング１０２が設けられるとともに他端部１０１ｂに回転モータ歯車１６７が設けられる。回転モータ１６７は、ベルト３６によって第１チャック歯車５４に固定され、回転モータ２８の出力軸１３４からの回転力を第１チャック歯車５４に伝達する。
【００７１】
以上のように本発明に従えば、図１に示す摩擦撹拌接合装置２０と同様の効果を得ることができる。また回転モータ１２８を連結部材４２寄りに配置することによって、摩擦撹拌接合装置１２０の重心位置を連結部材４２の位置に近づけることができ、摩擦撹拌接合装置１２０の駆動を安定させることができる。
【００７２】
このように従来の技術のように一つのツールで加圧駆動および旋回駆動の両方を行う必要がないので、変位駆動手段と回転駆動手段との配置位置の設計における自由度を増やすことができ、形状および重心を容易に変更することができる。
【００７３】
また上述する記載は、本発明の例示に過ぎず発明の範囲内において構成を変更してもよい。たとえば、基部２３の形状は、略Ｕ字状でなくてもよい。たとえば旋回ツール２４を装着した第１チャック体２５を支持する基台と、加圧ツール２７を装着した第２チャック体１９を支持する基台とが異なってもよい。また各チャック体２５，１９は、各ツール２４，２７をそれぞれ複数装着可能でもよく、旋回ツール２４と加圧ツール２７とが同一線上に配置されなくてもよい。またロボットアーム４０に基台２３が連結されなくてもよく、他の駆動手段によって摩擦撹拌接合装置２０，１２０を駆動してもよい。
【００７４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、旋回ツールと加圧ツールとを用いることによって摩擦撹拌接合装置を小形化することができる。摩擦撹拌接合装置を小形化することによって、被接合物の周囲の物体に摩擦撹拌接合装置が接触することなく、旋回ツールと加圧ツールによって被接合物を確実に挟持することができる。すなわち従来、被接合物の周囲の空間が狭くて被接合物を接合できなかった場合であっても、第１ツール保持部と第２ツール保持部とがその周囲の空間に入込むことが可能となる。また小形化することによって軽量化することができるので、摩擦撹拌接合装置の移動が容易になり、移動速度および位置決め精度を向上することができる。
【００７５】
また加圧ツールが回転しないので、加圧ツールおよび第２チャック体を細くおよび長く形成することができる。これによって、摩擦撹拌接合時に被接合物が、加圧ツールおよび旋回ツールの各先端部以外に接触することを防止することができ、摩擦撹拌接合を確実に行うことができる。
【００７６】
また請求項２記載の本発明によれば、第２ツール保持部に設けられる第２チャック体が、被接合物の周囲の物体に接触することを防止して、被接合物の周囲の空間のうち、狭い領域に第１ツール保持部を配置することができる。これによって被接合物の周囲の空間のうち、部分的に狭い領域がある場合であっても、被接合物を挟んで両側にそれぞれ第１ツール保持部および第２ツール保持部を配置することができ、摩擦撹拌接合を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合装置２０の一部を切断して示す正面図である。
【図２】摩擦撹拌接合装置２０の左側面図である。
【図３】摩擦撹拌接合装置２０の右側面図である。
【図４】摩擦撹拌接合装置２０の底面図である。
【図５】摩擦撹拌接合装置２０が汎用多関節ロボットに連結された状態を示す図である。
【図６】図１のセクションＳを拡大して示す断面図である。
【図７】第２チャック体１９近傍を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態である摩擦撹拌接合装置１２０の一部を切断して示す正面図である。
【図９】摩擦撹拌接合装置１２０の左側面図である。
【図１０】摩擦撹拌接合装置１２０の右側面図である。
【図１１】摩擦撹拌接合装置１２０の底面図である。
【図１２】従来の摩擦撹拌接合装置１を示す正面図である。
【図１３】摩擦撹拌接合装置１の左側面図である。
【符号の説明】
１９ 第２チャック体
２０，１２０ 摩擦撹拌接合装置
２１ 第１ツール保持部
２２ 第２ツール保持部
２３ 基台
２４ 旋回ツール
２５ 第１チャック体
２６ 回転軸線
２７ 加圧ツール
２８，１２８ 回転モータ
２９ 加圧モータ
３０ 第１フレームの第１部分
３１ 第１フレームの第２部分
３２ 第１フレーム
３３ 第２フレーム
４０ ロボット
４１ ロボット先端部
４２ 連結部材

Claims (3)

1. 少なくとも２つ以上の部材から成る被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
   互いに対向する第１および第２ツール保持部を有する基台と、
   第１ツール保持部に設けられ、回転自在に設けられる旋回ツールが第２ツール保持部に臨んだ状態で装着される第１チャック体と、
   第１チャック体を回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
   第２ツール保持部に設けられ、第１ツール保持部に近接および離反する変位方向へ変位自在に設けられる加圧ツールが前記旋回ツールに対向して回り止めされた状態で装着される第２チャック体と、
   第２チャック体を前記変位方向に変位駆動することによって、前記少なくとも２つの部材をスポット摩擦撹拌接合する変位駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 第１および第２ツール保持部は、一体の基台に設けられ、
   第１ツール保持部に比べて、第２ツール保持部寄りの位置において、基台がロボットアームの先端部に連結されて用いられることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 少なくとも２つの部材から成る被接合物を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   旋回ツールが装着される第１チャック体を回転軸線まわりに回転駆動し、
   加圧ツールが前記旋回ツールに対向して装着される第２チャック体を変位方向に変位駆動することによって、前記少なくとも２つの部材をスポット摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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