JP4549516B2 - スポット接合方法およびスポット接合装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦攪拌接合によってワークをスポット的に接合するスポット接合装置およびスポット接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、摩擦攪拌を利用した従来のスポット接合装置１の構造を示す図である。スポット接合装置１は、先端にピンを有する接合ツール５と、接合ツール５を回転駆動する回転用モータ４と、接合ツール５を上下に昇降させ、押圧力を付加する押圧付加装置３とを備える。
【０００３】
次に、図８Ａの図を参照して、接合方法について説明する。まず裏当７上に、２枚のワークＷ１，Ｗ２を重ねて配置する。つぎに、回転用モータ４で接合ツール５を回転させるとともに、押圧付加装置３で回転用モータ４とともに接合ツール５を下降させる。すると、接合ツール先端のピンがワークに押圧される。ピンが押圧されると回転による摩擦によって押圧部が軟化し、ピンが挿入される。さらに回転することによって、挿入されたピンで接合点近傍が攪拌され、塑性流動を起こす。所定時間攪拌後、押圧付加装置３で接合ツール５を上昇させると、接合点で２枚のワークが接合され、スポット接合される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スポット接合装置１は、たとえばロボットのアーム手首に取り付けられ、接合点ごとに接合装置１の位置決めを行なって１つのワークに対して連続してスポット接合を行なう。しかし、ワーク位置はワークごとに変動し、図８Ｂに示すように、ワークＷ１，Ｗ２と裏当７とが離反した位置に配置される場合がある。このように位置ずれした状態で、接合ツール５を降下させると、接合ツール５先端のピンでワークＷ１，Ｗ２を押し下げて接合することになり、ワークが変形してしまい、接合品質が低下してしまう。また、押圧力も異なり、ワークごとに接合品質が異なり、一定の接合品質が得られなくなる。
【０００５】
また、位置ずれを解消して一定の接合品質を得るためには、接合ツール５、回転用モータ４および押圧付加装置３を保持する接合ヘッド２の位置をワークごとに微調整する方法が考えられるが、この場合には、制御が複雑となってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、ワーク位置の位置ずれにかかわらず、接合品質を一定に保つことができるスポット接合方法およびスポット接合装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、裏当と接合ツールとの間に被接合物を重ねて配置し、接合ツールを回転軸線まわりに回転させた状態で、接合ツール先端と裏当とで被接合物を押圧挟持し、接合ツールの回転による摩擦熱で被接合物を軟化、攪拌し、重ねられた２枚の被接合物を接合点でスポット的に接合するスポット接合方法において、
裏当は、被接合物に臨む面が、被接合物に向けて盛り上がり、接合ツール先端に比べて面積が大きな湾曲面として形成され、
接合時に、接合ツールを、回転軸線方向に関して固定的に保持した状態で回転駆動し、裏当を、接合ツールに近接する方向に移動させて被接合物を押圧し、被接合物を弾性変形させることを特徴とするスポット接合方法である。
【０００８】
本発明に従えば、接合ツールを固定的に保持した状態で、裏当を接合ツール側に移動させて被接合物を押圧する。つまり、図１（１）に示すように、被接合物へ、被接合物に向けて盛り上がる当接面積の大きい裏当側を上昇させて湾局面で被接合物を押し上げることによって、接合ツール先端を被接合物に押し付ける。前述した従来技術では、被接合物が位置ずれし、裏当と被接合物とが離反している場合には、接合ツール先端のピンで被接合物を押し付けて被接合物を変形させていたので、位置ずれ量に応じて押圧力が異なり、一定の接合品質を得ることができなかったが、本発明では、被接合物に向けて盛り上がり、被接合物への当接面積の大きい裏当を持ち上げて湾曲面で押圧するので、被接合物が位置ずれした場合であっても、ほぼ一定の押圧力を作用させることができ、被接合物の位置ずれにかかわらず、接合品質を一定に保つことができる。
【００１０】
また、被接合物を持ち上げて弾性変形させて押圧するので、図１（２）に示すように、裏当の押圧を解除すると、弾性復元力によって、被接合物は接合ツールから容易に離脱することができる。
【００１１】
請求項２記載の本発明は、裏当と接合ツールとの間に被接合物を重ねて配置し、接合ツールを回転させた状態で、接合ツール先端と裏当とで被接合物を押圧し、接合ツールの回転による摩擦熱で被接合物を軟化、攪拌し、重ねられた２枚の被接合物を接合点でスポット的に接合するスポット接合装置において、
前記裏当は、接合ツールに近接、離反する方向に移動可能に設けられ、被接合物に臨む面が、被接合物に向けて盛り上がり、接合ツール先端に比べて面積が大きな湾曲面として形成され、接合時に、接合ツールを固定的に保持し、裏当を、接合ツールに近接する方向に移動させて被接合物を押圧することを特徴とするスポット接合装置である。
【００１２】
本発明に従えば、裏当の被接合物に臨む湾曲面がわずかに盛り上がって形成され、湾曲面は、裏当で被接合物を押上げたときに湾曲する被接合物にほぼ沿った形となる。したがって、裏当を押上げたときに、滑らかに被接合物が湾曲し、被接合物が塑性変形することが防がれる。これによって、被接合物が位置ずれした場合であっても、ほぼ一定の押圧力を作用させることができ、被接合物の位置ずれにかかわらず、接合品質を一定に保つことができる。
【００１３】
請求項３記載の本発明は、前記接合ツールを回転自在に保持する固定部と、
裏当を有し、固定部に対して移動可能に設けられる可動部と、
固定部に固定的に保持され、接合ツールを回転駆動する回転駆動源とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、回転駆動源は、固定部に固定され、接合時に裏当のみを移動させて加圧する。つまり、加圧側に回転駆動源が設けられない構成となっているので、加圧軸の可動部重量を大幅に軽減することが可能となり、加圧時に制御能力（位置決め精度、加圧力）を容易に向上させることが可能となる。
【００１５】
請求項４記載の本発明は、前記回転駆動源は、接合ツールの回転軸線に垂直な方向に離間して固定部に固定され、
回転駆動源の回転力を接合ツールに伝達する伝達手段を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、回転駆動源を、接合ツールから分離し、ベルト、ギヤなどの伝達手段で回転力を伝達するように構成される。これによって、接合ツールが設けられるスポット接合装置先端部を小型化でき、被接合物であるワーク形状および接合可能部位への制約が削減される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の実施の一形態であるスポット接合装置１０の全体の構成を示す図である。スポット接合装置１０は、たとえば６軸垂直多間接型ロボットのアームの手首に取り付けられ、スポット接合ガンとして用いられ、たとえば自動車のボディのスポット接合に用いられる。
【００１８】
スポット接合装置１０は、接合ヘッド１１、ガンアーム１２、接合ヘッド支持機構２１、および裏当押圧機構２０を含んで構成される。ガンアーム１２は、上部に接合ヘッド支持機構２１を介して接合ヘッド１１が取り付けられ、下部に裏当押圧機構２０が取り付けられ、このガンアーム１２がロボットアームの手首１５に取り付けられる。
【００１９】
接合ヘッド１１は、接合ツール１８、接合ツール１８を、その回転軸線Ｌまわりに回転自在に支持するブラケット１７、ブラケット１７に固定され、接合ツール１８を回転軸線Ｌまわりに回転駆動させる回転用モータ１６とを有し、ブラケット１７が接合ヘッド支持機構２１に取り付けられる。接合ヘッド支持機構２１は、たとえばモータを有し、ブラケット１７を昇降させて、接合ツール１８を軸線Ｌに沿って昇降させることができる。なお、この接合ヘッド支持機構２１による接合ツール１８の昇降は、接合時にワークを押圧するために使用するものでなく、ワークへの位置決めのために用いられるものである。したがって、モータなどの駆動源でなく、ハンドルなどによる手動で昇降するような機構であってもよい。
【００２０】
裏当押圧機構２０は、裏当１９、裏当押圧シリンダ１３および駆動源１４を有する。裏当１９は、接合ツール１８の下方に臨んで配置され、下部に裏当押圧シリンダのピストンロッド２５が固定される。裏当押圧シリンダ１３は、接合ツール１８の回転軸線Ｌに沿って昇降するピストンロッド２５を有するシリンダであり、ピストンロッド２５の先端に裏当１９が固定される。この裏当押圧シリンダ１３は、たとえば油圧シリンダ、空気圧シリンダ、またはボールねじから構成され、裏当押圧シリンダ１３に隣接して駆動源１４が配置され、この駆動源１４がガンアーム１２に固定される。駆動源１４は、裏当押圧シリンダ１３が油圧シリンダの場合は油圧源であり、空気圧シリンダの場合は空気圧源であり、ボールねじの場合はサーボモータである。
【００２１】
接合ツール１８は、円柱状であり、中心軸線Ｌが回転軸線Ｌであり、下端部が先細りとなり、先端の円形平坦面１８ａ中央から軸線Ｌに沿ってピン２６が突出する。接合されるワークＷ１，Ｗ２はたとえばアルミニウム合金である。
【００２２】
裏当部材１９は、略直方体状であり、上面１９ａにワークが乗載される。この上面１９ａは、中央がわずかに盛り上がって形成される。さらに詳しく説明すると、直方体状の裏当部材１９は、中央部が接合ツールＬに垂直となるように配置されており、この上面の幅方向中央が、わずかに盛り上がり、長手方向に延びる（図１参照）。これは、裏当１９を上昇させたとき、ワークＷ１，Ｗ２が弾性変形範囲内で滑らかに湾曲させるためである。
【００２３】
また、押圧部材１９には、ロードセルなどの圧力センサが埋設される。裏当部材上面１９ａから露出する圧力センサの検出位置は、接合ツール先端の円形平坦面１８ａに対向する位置の外側で、円形平坦面１８ａに近接する位置に配置される。これは、接合ツール先端の円形平坦面１８ａに対向する位置が最も押圧力が作用し、この位置でセンサが露出すると、押圧したとき、ワークＷ２の裏にセンサが転写され、美観が損なわれるからである。
【００２４】
つぎに、図２および図３を参照して本発明のスポット接合装置１０の接合方法について説明する。
【００２５】
まず、回転用モータ１６で接合ツール１８を高速で回転させるとともに、重ねて配置されるワークＷ１，Ｗ２の所定の接合点の直上に接合ツール１８のピン２６が配置されるように、ロボットでスポット接合装置１０の位置決めを行なう。
このとき、図２に示すように、ピン２６先端と、ワーク表面との距離ｈは、５〜１０ｍｍ程度である。また、接合ツール１８の回転軸線Ｌ方向（この場合上下方向）へのワークの位置ずれは、接合ヘッド支持機構２１によって、接合ヘッド１１の上下位置の調整を行なうことによって補正する。
【００２６】
つぎに、裏当押圧シリンダ１３で裏当１９を上昇させる。すると、図３に示すように、ワークＷ１，Ｗ２が裏当１９によって押し上げられて湾曲し、ワークＷ１，Ｗ２の接合点に接合ツール１８のピン２６が回転しながら押し付けられる。
【００２７】
前述したように、裏当部材１９は上面１９ａがわずかに盛り上がって形成され、この上面１９ａの湾曲面は、裏当部材１９でワークＷ１，Ｗ２を押し上げたときに湾曲するワークＷ１，Ｗ２にほぼ沿った形となっている。したがって、裏当部材１９を押し上げたときに、滑らかにワークＷ１，Ｗ２が湾曲し、ワークＷ１，Ｗ２が塑性変形することが防がれる。
【００２８】
また、接合ツール下端の円形平坦面１８ａに比べて、裏当上面１９ａの面積ははるかに大きいので、ワークが位置ずれして配置されていたとしても、接合ツール１８を下降させて押圧力を作用させる場合に比べて、裏当１９を上昇させて押圧力を作用させる場合のほうが、ワークの位置ずれによる押圧力のばらつきが少なくなる。
【００２９】
回転するピン２６がワークに押し付けられると、摩擦熱でワークは軟化し、ピン２６が挿入される。ピンが挿入されて回転すると、母材が攪拌され、塑性流動が誘起される。さらに挿入され、接合ツール下端の円形平坦面１８ａがワーク表面に当接すると、ここでも攪拌される。このときの押圧力は、前記圧力センサによって検出されており、所定の押圧力に達すると、裏当押圧シリンダ１３による裏当部材１９の押圧を停止し、所定押圧力を所定時間作用させる。これによって、ワークＷ１，Ｗ２は接合点において、母材が十分に攪拌される。
【００３０】
所定時間押圧すると、裏当て押圧シリンダ１３によって裏当１９を下降させる。すると、上方に湾曲して弾性変形していたワークＷ１，Ｗ２が、弾性復元力によって元の位置に戻り、接合点からピン２６が引き抜かれる。ピン２６が引き抜かれたワークＷ１，Ｗ２は接合点が冷却され、塑性流動域においてワークＷ１とＷ２とが一体となり、スポット的に接合される。
【００３１】
この接合点の接合が終了すると、ロボットは、次の接合点までスポット接合装置１０を移動させる。このとき、次の接合点の位置が、前回の接合点よりも、軸線Ｌ方向（この場合上下方向）にずれている場合は、接合ヘッド支持機構２１で接合ヘッド１１の上下位置を調整する。これによって、ロボットで接合装置１０の上下位置を制御する必要がなく、同一ワークにおいて、接合点を連続してスムーズに接合することができる。
【００３２】
図４は、本発明の他の実施形態のスポット接合装置３０を示す図である。スポット接合装置３０は、上述したスポット接合装置１０と異なり、ロボットの手首に装備して用いるスポットガンでなく、床に設置して使用するスポット接合装置である。このスポット接合装置３０では、裏当３１の形状が、前述したスポット接合装置１０の裏当１９と異なるが、他の構成はほぼ同様であるので、対応する構成には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３３】
スポット接合装置１０では、裏当１９は上面が湾曲した形状であったけれども、スポット接合装置３０の裏当３１は、図に示すように、ワークＷ１，Ｗ２を乗置可能な大きさであり、上面は平坦である。このような構成であっても、裏当３１を上昇させ、所定の押圧力でワークＷ１，Ｗ２を接合ツールに押圧することによって、ワークＷ１，Ｗ２をスポット接合することが可能である。
【００３４】
つぎに、本発明のスポット接合装置のさらに他の実施の形態であるスポット接合ガン４０について、図６を参照して説明する。スポット接合ガン４０は、スポット溶接などに使用している加圧動作を行なう溶接ガンであり、Ｃガンと呼ばれるタイプのガンに本発明の構成を適用したものである。
【００３５】
このスポット接合ガン４０は、ガンアーム４８と、接合ツール４６と裏当である加圧受け具４７と、回転用モータ４４と、固定部４１と、ボールネジ４５とから構成される。ガンアーム４８は、固定部４１と可動部４２とからなり、固定部４１の先端に接合ツール４６が回転自在に保持される。また先端には回転用モータ４４が固定され、この回転用モータ４４の出力軸に接合ツール４６が、回転軸線を一致させて連結される。また、固定部４１には、接合ツール４６の回転軸線に平行にボールネジ４５が固定される。ボールネジ４５は、ネジ軸４５ａとナット部材４５ｂとを有し、ネジ軸４５ａは、固定部４３に固定される加圧用モータ４３によって回転駆動される。ナット部材４５ｂには可動部４２が固定され、ネジ軸４５ａが回転することによって、ナット部材４５ｂとともに可動部４２が接合ツール４６の回転軸線方向に昇降する。可動部４２の先端部には、接合ツール４６に対向して加圧受け具４７が設けられる。
【００３６】
このような接合ガン４０は、たとえば６軸多関節型ロボットの手首に装備される。接合時には、ワークが加圧受け具４７上、もしくは上方に配置されるようにスポット接合ガン４０をロボットによって位置決めし、回転用モータ４４で接合ツール４６を回転させながら加圧用モータ４３を回転させて可動部４２を上昇させて接合する。このように、スポット接合ガン４０では、可動部４２の駆動源である加圧用モータ４３を固定部４１に配置したため、可動部４２の重量を大幅に軽減することが可能となり、加圧時の位置決め精度、加圧力などの制御能力を容易に向上させることが可能となった。
【００３７】
次に、図７を参照して、本発明のさらに他の実施形態のスポット接合ガン５０について説明する。スポット接合ガン５０は、スポット溶接などに使用しているＸガンと呼ばれるタイプのガンに本発明の構成を適用したものである。
【００３８】
スポット接合ガン５０は、ガンアーム５１と、接合ツール５５と、回転用モータ５７と、加圧用モータ５９と、裏当である加圧受け具５４と、ボールネジ５８とを有する。ガンアーム５１は、固定アーム５２と可動アーム５３とからなる。
固定アーム５２と可動アーム５３とは互いに略並行に延び、角変位軸６０を介して角変位可能に連結され、先端部が開閉可能に構成される。
【００３９】
固定アーム５２の先端に、接合ツール５５が回転自在に保持され、基端部側に回転用モータ５７が固定される。この回転用モータ５７の出力軸と接合ツール５５とはベルトを用いた動力伝達機構５６によって連結されて、回転力が伝達される。回転軸６０よりも後方（図７の右方）には加圧用モータ５９およびボールネジ５８が設けられる。ボールネジ５８のネジ軸５８ａは、下端部が可動アーム５３に角変位可能に連結され、加圧用モータ５９は、上端部が固定アーム５２に角変位可能に連結され、出力軸がボールネジ５８のナット部材５８ｂに連結される。したがって、加圧用モータ５９でボールネジ５８のナット部材５８ｂを回転させることにより、固定アーム５２の基端部と可動アーム５３の基端部とを近接、離反変位し、これによってガンアーム５１の先端部が開閉される。
【００４０】
スポット接合ガン５０も、たとえばロボットの手首に装備されて使用される。
このとき、ガンアーム５１の固定アーム５２の基端部がロボットの手首に固定される。
【００４１】
スポット接合する場合、ワークが加圧受け具５４上、もしくは加圧受け具５４の上方に配置されるようにスポット接合ガン５０をロボットで位置決めし、回転用モータ５７で接合ツール５５を回転させ、加圧用モータ５９でガンアーム５１を閉じてワークを挟持して接合する。
【００４２】
このように本実施形態のスポット接合ガン５０においても、加圧用モータ５９が固定アーム５２に設けられるので、可動部の重量を大幅に軽減することができ、加圧時の制御能力を容易に向上させることができる。またさらに、本実施形態では、回転用モータ５７を固定アーム５２の基端部に配置し、回転用モータ５７の回転を、動力伝達機構５６で伝達するように構成したので、ガン先端部を小型化でき、ワーク形状および接合可能部位への制約が削減される。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、被接合物への当接面積の大きい裏当を持ち上げて、被接合物を湾曲面で押圧するので、被接合物が位置ずれした場合であっても、ほぼ一定の押圧力を作用させることができ、被接合物の位置ずれにかかわらず、接合品質を一定に保つことができる。
【００４４】
また、被接合物を持ち上げて弾性変形させて押圧するので、裏当の押圧を解除すると、弾性復元力によって、容易に被接合物は接合ツールから離脱することができる。
また本発明によれば、裏当押圧機構によって、裏当側を上昇させて、湾局面で被接合物を押上げることができるので、裏当で被接合物を押上げたときに湾曲する被接合物にほぼ沿った形となる。したがって、裏当を押上げたときに、滑らかに被接合物が湾曲し、被接合物が塑性変形することが防がれる。これによって、被接合物が位置ずれした場合であっても、ほぼ一定の押圧力を作用させることができる。
【００４５】
また本発明によれば、回転駆動源は、固定部に固定され、接合時に裏当のみを移動させて加圧する構成となっているので、加圧軸の可動部重量を大幅に軽減することが可能となり、加圧時に制御能力（位置決め精度、加圧力）を容易に向上させることが可能となる。
【００４６】
また本発明によれば、回転駆動源を、接合ツールから分離し、ベルト、ギヤなどの伝達手段で回転力を伝達するように構成されるので、接合ツールが設けられるスポット接合装置先端部を小型化でき、被接合物であるワーク形状および接合可能部位への制約が削減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスポット接合装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の一形態であるスポット接合装置１０の構成を示す正面図である。
【図３】接合時のスポット接合装置１０を示す正面図である。
【図４】本発明の他の実施形態のスポット接合装置３０の構成を示す図である。
【図５】スポット接合装置３０の接合時の状態を示す図である。
【図６】スポット接合装置４０の構成を示す図である。
【図７】スポット接合装置５０の構成を示す図である。
【図８】従来のスポット接合装置１を示す図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０，５０ スポット接合装置
１１ 接合ヘッド
１３ 裏当押圧シリンダ
１８，４６，５５ 接合ツール
１９ 裏当
２０ 裏当押圧機構

Claims (4)

1. 裏当と接合ツールとの間に被接合物を重ねて配置し、接合ツールを回転軸線まわりに回転させた状態で、接合ツール先端と裏当とで被接合物を押圧挟持し、接合ツールの回転による摩擦熱で被接合物を軟化、攪拌し、重ねられた２枚の被接合物を接合点でスポット的に接合するスポット接合方法において、
   裏当は、被接合物に臨む面が、被接合物に向けて盛り上がり、接合ツール先端に比べて面積が大きな湾曲面として形成され、
   接合時に、接合ツールを、回転軸線方向に関して固定的に保持した状態で回転駆動し、裏当を、接合ツールに近接する方向に移動させて被接合物を押圧し、被接合物を弾性変形させることを特徴とするスポット接合方法。
2. 裏当と接合ツールとの間に被接合物を重ねて配置し、接合ツールを回転させた状態で、接合ツール先端と裏当とで被接合物を押圧し、接合ツールの回転による摩擦熱で被接合物を軟化、攪拌し、重ねられた２枚の被接合物を接合点でスポット的に接合するスポット接合装置において、
   前記裏当は、接合ツールに近接、離反する方向に移動可能に設けられ、被接合物に臨む面が、被接合物に向けて盛り上がり、接合ツール先端に比べて面積が大きな湾曲面として形成され、接合時に、接合ツールを固定的に保持し、裏当を、接合ツールに近接する方向に移動させて被接合物を押圧することを特徴とするスポット接合装置。
3. 前記接合ツールを回転自在に保持する固定部と、
   裏当を有し、固定部に対して移動可能に設けられる可動部と、
   固定部に固定的に保持され、接合ツールを回転駆動する回転駆動源とを有することを特徴とする請求項２記載のスポット接合装置。
4. 前記回転駆動源は、接合ツールの回転軸線に垂直な方向に離間して固定部に固定され、
   回転駆動源の回転力を接合ツールに伝達する伝達手段を有することを特徴とする請求項３記載のスポット接合装置。

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