JP4772260B2 - Friction stir welding equipment - Google Patents
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Description
【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】
摩擦攪拌接合では、先端にピンを有する回転子を高速で回転させながら被接合物であるワークに押圧し、摩擦攪拌してスポット接合を行う。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合を用いたスポット接合装置は、抵抗溶接である既存のスポット溶接ガンに適用することができるが、スポット溶接では、電極を回転させることはなかったので、スポット溶接の制御方法を、単に摩擦攪拌接合を用いたスポット接合装置に適用することはできない。
【0005】
また、従来のスポット溶接ガンは、加圧力はサーボ制御を行っている。つまり、接合作業中にリアルタイムで加圧力を検出し、力に対応したモータ電流となるようにフィードバック制御している。このような制御は、現行のスポット溶接の制御としては、接合品質上とくに問題はない。
【0006】
一方、摩擦攪拌接合では、摩擦攪拌という摩擦熱にかかわる現象ゆえの特異な挙動特性もあり、その定義解明は関係者により緒についたばかりであり、摩擦攪拌接合の制御方法についてはまだ提案されていない。
【0007】
そこで、摩擦攪拌接合の制御に、既存のスポット溶接のサーボ制御を適用する方法が考えられる。つまり、接合作業中に、回転速度をリアルタイムで監視し、つねに最適な回転速度となるようにフィードバック制御する。さらに加圧力もリアルタイムで監視し、つねに最適な加圧力となるようにフィードバック制御するといった方法が考えられる。しかしながら、このように回転速度と加圧力制御をサーボ制御することは、非常に複雑であり、実現が困難である。
【0008】
本発明の目的は、簡単な制御で、実用的に問題のない摩擦攪拌スポット接合を行うことができ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を回転軸線方向に直進移動させ、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との摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物をスポット接合する摩擦攪拌接合装置において、
摩擦攪拌の接合作業中、時間経過に伴って、回転子の回転速度を変化して制御する回転制御手段と、
回転子を直進移動させて、摩擦攪拌の接合作業中、加圧力を制御する直進制御手段とを備える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、回転制御手段を有するので、回転子の回転速度を可変に制御することができる。これによって、最適な回転速度でスポット接合を行うことができる。また、直進制御手段によって、加圧力のきめ細かな制御を行うことができ、スポット接合に最適な加圧力で接合することができる。
【0011】
また本発明は、回転制御手段は、摩擦攪拌の接合作業中、時間経過に伴って、回転速度を、低下するように変化することを特徴とする。
【0012】
また本発明は、回転制御手段は、摩擦攪拌の接合作業中、時間経過に伴って、回転速度を、増加するように変化することを特徴とする。
【0013】
また本発明は、回転制御手段は、摩擦攪拌の接合作業中、時間経過に伴って、回転速度を、押圧期間中、一旦落すように変化することを特徴とする。
【0014】
また本発明は、回転制御手段は、回転速度を、段階的に、または連続的に、変化することを特徴とする。
【0015】
本発明に従えば、摩擦攪拌の接合作業中、回転制御手段によって回転子22の回転速度を時間経過に伴って低下または増加するように変化し、あるいはまた押圧期間中、一旦落すように変化し、このような速度変化を、段階的に、または連続的に行うようにし、これによって被接合物であるワークの摩擦攪拌の接合を最適な条件で行うことができ、接合強度の向上を図ることができる。
【0016】
また本発明は、直進制御手段は、
摩擦攪拌接合作業の初期に、時間経過に伴って回転子22の速度を上昇する傾斜部分を有する形状の速度指令値を導出することを特徴とする。
【0017】
また本発明は、速度指令値の前記形状は、三角波形状であることを特徴とする。
【0018】
本発明に従えば、直進制御手段から直進駆動源である直進用モータ24に与えられる速度指令値がたとえば三角波形状であるので、回転子22の先端が被接合物であるワークに急激に衝突してワークが振動することを防止し、正確な摩擦攪拌の接合を達成することができる。
また本発明は、直進制御手段によって加圧力を一定に保った状態で、回転制御手段によって回転速度を変化することを特徴とする。
【0019】
【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。
【0020】
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および制御装置10を備える。
【0021】
ロボットの各関節軸は、第1軸〜第6軸の6個のサーボモータで駆動され、第7軸が、スポット接合ガン20の直進用モータ24であり、第8軸が回転用モータ25となる(第8軸を旋回軸と称する場合もある)。これらのサーボモータが制御装置10によって制御される。つまり、直進用モータ24は、制御装置10の直進制御部11によって制御され、回転用モータ25は、制御装置10の回転制御部12によって制御され、ロボットの第1軸〜第6軸の各モータは、図示しないが、制御装置10のそれぞれ対応する制御部によって制御される。
【0022】
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。
【0023】
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および直進用モータ24が固定され、下部が、L字状に屈曲し、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を軸心とし、上端面が回転子22先端に臨んで配置される。
【0024】
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のおねじを有するねじ軸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。
【0025】
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の回転を回転子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。
【0026】
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28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。このリテーナ55の下にナット部材28が設けられる。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。
【0027】
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の下部に、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22を保持するヘッド40が回転自在に連結されている。
【0028】
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に沿って直進用モータによって昇降させ、スポット接合ガン20の開閉動作を行うことができる。
【0029】
つぎに、図2および図3のフローチャートおよび図4のタイミングチャートを参照して、制御装置10によるスポット接合時の制御方法について説明する。図4(1)は、加圧力を示し、(2)は、直進用モータ(第7軸)24への速度指令値であり、(3)は、直進用モータ24への移動変位指令値である。なお、速度指令値(2)の微分値が、移動変位指令値(3)となり、逆に、移動変位指令値(3)の積分値が速度指令値(2)となる。(4)は、回転用モータ(第8軸)25への回転速度指令値である。
【0030】
スポット接合作業は、たとえば厚さ2mm程度の2枚のワークをスポット接合するものとする。ワークはここではアルミニウム合金とし、ほぼ水平に2枚が重畳配置されているものとし、接合個所は、1ワークあたり複数あるものとする。
【0031】
スポット接合制御が開始されると、まずステップS1で、スポット接合ガン20を位置P1に位置決めする。位置P1とは、ワークの接合個所を接合打点P2とした場合、接合打点P2から所定距離上方に離反した位置(たとえば50mm上方)に、回転子22のピン52先端が配置され、接合打点P2の下で、ワークから所定距離下方に離反した位置に、スポット接合ガン20の受け部23が配置される位置である。
【0032】
つぎに、ステップS2において、接合ガン20の閉じ動作を開始する。つまり、時刻t1において、図4(2)(3)に示すように、直進用モータ24に速度指令値および移動変位指令値を出力する。直進用モータ24への速度指令値が、三角波形状であるのは、回転子先端がワークに急激に衝突してワークが振動することを防止するためである。
【0033】
また、スポット接合ガン20は、回転子22のみが直進移動して閉じ、受け部23は固定されているため、ワークを上下方向に挟むためには、回転子22を下降させるとともに、ロボットでガン20を上昇させる必要がある。そのために、ステップS2の閉じ動作では、直進用モータ24で回転子22を下降させるとともに、ロボット6軸を用いて、ガン20が、回転子22の回転軸線L方向に沿って上昇するように移動させる。このようにして、回転子先端がワークの上に当接する時点と、受け部23がワークの下に当接する時点とが一致するように、ロボット6軸を制御する。
【0034】
つぎにステップS3で、回転子22の回転を開始する(時刻t2)。
つぎのステップS4で接合打点P2に到達(時刻t3)、つまり回転子22のピン52先端がワークに当接すると、ステップS5で加圧が開始される。その後、ステップS6で、回転制御部12で、回転用モータ25が所定の回転速度範囲内にあるか否かを判断する。
【0035】
本実施形態では、この判断は、接合作業の加圧中に一回行うものとし、加圧中にいずれかのタイミングで回転制御部12で回転速度の瞬時値を検出する。本実施形態では、図4(1)に示すように、一回の加圧時間をtLとすると、その中央の時点、つまり加圧開始時刻t3からtL/2経過したときに、回転速度の瞬時値を検出する。回転速度は、たとえば回転速度が3000rpmに指定されており、所定の回転速度範囲とは、たとえば指定された回転速度の±10%内、好ましくは±5%内とする。または、%でなく、±Xrpm以内と、回転速度で範囲を設定してもよい。
【0036】
そして、回転速度が所定範囲内にない場合は、回転速度異常として、ステップS7で回転用モータ(第8軸)異常と判断し、ロボット異常信号を出力し、ステップS8で、第1軸〜第8軸の全てのモータを停止させてロボットを停止させる。
【0037】
ステップS6で所定の回転速度範囲内にあると判断した場合には、ステップS9に進み、直進制御部11で加圧力の瞬時値を検出し、所定の加圧力範囲内にあるか否かを判断する。たとえば加圧力が2.94kN(300kg)に指定されている場合、所定の加圧力範囲は、±5%内、好ましくは±1%内とする。または、%でなく、YkN以内と、加圧力で範囲を設定してもよい。加圧力の瞬時値の検出は、直進用モータ(第7軸)24の電流値を直進制御部11で検出し、実勢モータ負荷電流を瞬時に登録データと照合することで行う。このようにして、所定の加圧力範囲にないと判断した場合には、加圧軸(第7軸)加圧力異常として、ステップS10でロボット異常信号を出力し、ステップS8で第1軸〜第8軸の全てのモータを停止させる。
【0038】
ステップS9で、所定の加圧力範囲内にあると判断した場合には、ステップS11に進む。ステップS11では、回転制御部12で、図4(4)に示すように、回転速度を変化させる。摩擦攪拌接合では、接合開始時から接合終了時まで一定の回転速度で攪拌するよりも、接合初期には高速回転し、終了時には低速で回転させるほうが、接合品質を良好とすることができる。本実施形態では、図4(4)に示すように、回転速度を3段階に切り替え、加圧開始時刻t3から時刻t4までの初期部では、高速回転とし、時刻t4から時刻t5までの中間部には中速とし、時刻t5からの終了部では低速に切り替える。これらは基準回転速度、ここでは3000rpmに対し、別途パラメータで設定する。
【0039】
回転子22のピン52の先端が、ワークに押圧された状態で高速で回転すると、ピン52とワークとで摩擦熱が発生し、接合打点が軟化してピン52がワークに挿入される。ピン52が挿入されると、回転子22のショルダー部51もワーク表面に押し付けられ、ここでも摩擦熱が発生し、ワークが軟化、攪拌される。このようにして、初期部において、高速で攪拌したのち、中間部で回転速度を落とし、中速でさらに攪拌し、終了部では、さらに速度を落として低速で攪拌する。
【0040】
このようにして、一定の押圧力を加えた状態で、回転速度を低速まで切り替えた後、ステップS12に進む。ステップS12では、たとえば加圧開始時から所定時間を内部タイマによって計時し、所定時間、たとえば0.5〜1秒計時すると加工完了として、次のステップS13で開動作を開始する。このときの時刻が時刻t6である。
【0041】
開動作は、図4(2)(3)に示すように、回転子22が上昇するように、直進制御部11から直進用モータ24に対して、速度指令値および移動変位指令値を出力する。またこのとき、回転子先端と受け部23とが同時にワークから離反するように、ロボット6軸に対しても指令する。
【0042】
つぎのステップS14では、溶着が発生したか否かを判断する。溶着発生判断は、本実施形態では、直進制御部11および回転制御部12で行い、たとえば直進制御部11で検出した直進用モータ(第7軸)24の電流値が、規定値(たとえば定格トルクのX%相当)より大きい場合、または、回転制御部12で検出した回転用モータ(第8軸)25のモータ電流値が、規定値(たとえば定格トルクのX%相当)より大きい場合に、ロボット異常と判断してステップS15に進み、たとえば「溶着を検知しました」または「衝突または異常外乱を検知しました」といった表示とともに警報を発して第1軸〜第8軸を全て停止させてロボット停止する。なお、この溶着検知は、直進用モータ24の電流値のみの判断であってもよく、回転用モータ25の電流値のみの判断であってもよく、両モータ24,25の電流値から総合して判断してもよい。
【0043】
そして、ワークと回転子との離し作業を行う。離し作業は、たとえば回転子を回転させながら引き上げる。回転子の回転方向は、攪拌接合時の回転方向と同じであっても逆転させてもよい。
【0044】
回転子先端のピン52にはねじが切られている場合がある。たとえば右ねじが切られている場合、接合時に攪拌効率を向上させるために、左回りに回転させて回転させる。つまり、ねじの回転によって、周囲の母材が下に移動するように回転させる。したがって、このような場合には、離し作業のときには、回転子の回転方向を逆転させず、接合時と同じ方向とする。これによって、周囲の母材が下に移動して回転子を引き離す方向に力が作用する。ピン52にねじが切られていない場合には、接合時と逆転させて引き離すほうが好ましい。
【0045】
ステップS14で溶着が発生していないと判断されると、つぎのステップS16で開動作を継続し、回転子22のピン52先端が、ワークから所定のクリアランス距離分、離反するまで開動作を継続する。
【0046】
そして、次のステップS17で、ワークの全ての接合個所の接合が終了したか否かを判断し、終了していなければ、ステップS18に進んで1打点分、作業完了とし、次の接合打点を設定してステップS1に戻り、つぎの打点の接合作業を開始する。
【0047】
ステップS17でワークの全ての接合打点の作業が完了していると判断した場合には、ステップS19で、回転制御部12から回転用モータ25へ速度指令値0を出力して回転を停止させる。つぎのステップS20で、回転用モータ24の回転速度が0か否かを回転制御部12で判断し、0の場合はステップS21に進み、1ワークの作業が完了する。ステップS21において、回転停止指令を出力してから規定時間、たとえば2秒経過しても回転速度が0に達しない場合には、ステップS7に進み、回転用モータ(第8軸)25異常として、ロボットを停止(ステップS8)させる。
【0048】
上述した実施形態では、1ワーク内の接合作業では、回転子の回転を停止させずに行ったが、これに限らず、各接合打点ごとに回転を停止させてもよく、また、ワーク終了ごとに回転を停止させないように制御してもよい。
【0049】
また、本実施形態では、加圧時に回転速度を3段階に変化させたが、2段階でもよく、4段階もしくはそれ以上でもよく、また無段階に連続的に回転速度が変化するように制御してもよい。さらに、本実施形態では初期に高速とし、時間経過にともなって回転速度を低下させるように制御したが、これに限らず、ワークによっては、初期を低速とし、時間経過にともなって回転速度を増加させるように制御してもよく、初期部に高速とし、中間部で低速とし、終了部で再び高速とするように制御してもよい。
【0050】
また、本実施形態では、回転速度の検出は、一回の接合作業の加圧時間tLをとすると、その中央の時点tL/2で検出した。つまり、3段階の速度のうちで、中間部の速度が所定の速度範囲内となっているかのみを監視したが、これに限らず、回転速度が複数段階に設定されている場合、各段階で回転速度を監視するように制御してもよい。つまり、各段階に所定の回転速度範囲を設定しておき、各段階の中央で、所定の回転速度範囲にあるか否かを監視し、所定の回転速度範囲にないと判断した時点で、回転速度異常としてロボットを停止させてもよい。
【0051】
また上述した実施形態では、回転速度および加圧力の少なくともいずれか一方でも所定の範囲内から外れている場合に、接合作業を停止するように制御しているが、本発明はこれに限らず、いずれか一方が所定の範囲であれば、接合作業を継続し、両方が所定の範囲から外れたときのみ、接合作業を停止するように制御してもよい。
【0052】
本発明の他の実施形態として、接合時に回転速度だけでなく、加圧力も変化させるように制御してよい。たとえば、初期部の高速回転時には高圧とし、中間部の中速回転時に中圧とし、終了部の低速回転時に低圧とするように加圧制御を行ってもよい。これにより、さらに接合品質を向上させることができる。またこの場合にも、各加圧段階で、加圧力が所定の範囲内にあるか否かを監視し、所定の加圧力範囲内にない場合に接合作業を停止するように制御してもよい。
【0053】
また、ワークによっては、低速回転時に高圧とし、高速回転時に低圧とするように加圧制御を行っても良く、またさらに回転速度を一定として、接合時の加圧力のみを変化させるように制御してもよい。
【0054】
また、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。
【0055】
本発明は、下記の実施の形態が可能である。
(1)前記回転制御手段および直進制御手段の少なくともいずれか一方を用いて、回転子先端が、被接合物に溶着しているか否かを検出することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【0056】
たとえば回転子を回転させるのに、所定の力以上の力を要することを回転制御手段で検出するか、または回転子を引き上げるのに、所定の力以上の力を要することを直進制御手段で検出した場合には、回転子先端と被接合物とが溶着しているものと判断することができる。このようにして、回転制御手段または直進制御手段で溶着検出を確実に行うことができる。
【0057】
(2)前記回転制御手段は、回転する回転子先端を被接合物に押圧する接合作業中に、回転子の回転速度が、所定の回転速度範囲内にあるか否かを検出し、所定の回転速度範囲内にないと判断したとき、接合作業を停止することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【0058】
摩擦攪拌接合装置の制御は、接合作業中に、回転速度が所定の範囲内にあるか否かの判断のみ行い、所定範囲内にないとき、接合作業を停止する。このように接合中に回転速度の瞬時値を監視することによって、確実に所定の回転速度で接合することができる。また、所定範囲内にあるか否かの判断のみであるので、複雑な制御を行う必要がなく、容易に実現できる。
【0059】
たとえば回転子を回転させるのに所定の力以上の力を要することを回転制御手段で検出するか、または回転子を引き上げるのに、所定の力以上の力を要することを直進制御手段で検出した場合には、回転子先端と被接合物とが溶着しているものと判断することができる。このようにして、溶着検出を確実に行うことができる。
【0060】
(3)直進制御手段は、回転する回転子先端を被接合物に押圧する接合作業中に、加圧力が、所定の加圧力範囲内にあるか否かを検出し、所定の加圧力範囲にないと判断したとき、接合作業を停止することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【0061】
摩擦攪拌接合装置の制御は、接合作業中に、加圧力が所定の範囲内にあるか否かの判断のみ行い、所定範囲内にないとき、接合作業を停止する。このように接合中に加圧力の瞬時値を監視することによって、確実に所定加圧力で接合することができる。また、所定範囲内にあるか否かの判断のみであるので、複雑な制御を行う必要がなく、実現が容易である。
【0062】
回転速度制御は、接合作業中に検出した瞬時値が、所定の範囲内にあるか否かで判断する。つまり、適応制御のような複雑な制御を行わないので、制御が簡単である。このような、検出した瞬時値が所定の範囲にあるか否かの判断のみの制御であっても、摩擦攪拌スポット接合においては、実用的にはまず問題のないロバストレベルを実現できる。
【0063】
同様に、加圧制御においても、接合作業中の瞬時値が所定の加圧力範囲内にあるか否かを判断するだけであるので制御が簡単である。このような簡単な制御であっても、実用的には全く問題がない。
【0064】
(4)前記回転制御手段は、接合作業中に、回転子の回転速度を変化させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【0065】
回転子先端を被接合物に押圧して接合する接合作業中に、回転速度制御手段によって、回転子の回転速度を変化させることで、最適に接合することができる。
【0066】
(5)前記直進制御手段は、接合作業中に、加圧力を変化させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
接合作業中に加圧力を変化させることで、最適に接合することができる。
【0067】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、回転制御手段を有するので、回転子の回転速度を可変に制御することができる。これによって、最適な回転速度でスポット接合を行うことができる。また、直進制御手段によって、押圧力のきめ細かな制御を行うことができ、スポット接合に最適な押圧力で接合することができる。
【0068】
本発明によれば、摩擦攪拌の接合作業中、回転制御手段によって回転子22の回転速度を時間経過に伴って低下または増加するように変化し、あるいはまた押圧期間中、一旦落すように変化し、このような速度変化を、段階的に、または連続的に行うようにし、これによって被接合物であるワークの摩擦攪拌の接合を最適な条件で行うことができ、接合強度の向上を図ることができる。
【0069】
本発明によれば、直進制御手段から直進駆動源である直進用モータ24に与えられる速度指令値がたとえば三角波形状であるので、回転子22の先端が被接合物であるワークに急激に衝突してワークが振動することを防止し、正確な摩擦攪拌の接合を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態のスポット接合ガン20の構造を示す図である。
【図2】本発明の接合制御のフローチャートの前半部である。
【図3】接合制御のフローチャートの後半部である。
【図4】接合制御のタイミングチャートである。
【符号の説明】
10 制御装置
11 直進制御部
12 回転制御部
20 スポット接合ガン
22 回転子
24 直進用モータ
25 回転用モータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a friction stir welding apparatus that softens and stirs an object to be joined by frictional heat generated by rotation and joins the objects by stirring.
[0002]
[Prior art]
Automotive aluminum body joining methods include spot welding for aluminum, rivet joining, etc., but piping and utilities on the robot machine are complicated, and there are problems such as poor working environment such as generation of loud noise and sparks. . In view of such a problem, a spot welding apparatus using friction stir welding has been proposed.
[0003]
In friction stir welding, spot welding is performed by pressing against a workpiece that is a workpiece while rotating a rotor having a pin at the tip at high speed, and friction stir.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The spot welding device using friction stir welding can be applied to an existing spot welding gun that is resistance welding, but in spot welding, the electrode was not rotated. It cannot be applied to a spot welding apparatus using friction stir welding.
[0005]
Further, the conventional spot welding gun performs servo control of the applied pressure. That is, the pressure is detected in real time during the joining operation, and feedback control is performed so as to obtain a motor current corresponding to the force. Such control is not particularly problematic in terms of joining quality as current spot welding control.
[0006]
On the other hand, in friction stir welding, there is also a unique behavior characteristic due to the phenomenon related to frictional heat called friction stir welding, and its definition has just begun by related parties, and a control method for friction stir welding has not been proposed yet. .
[0007]
Therefore, a method of applying the existing spot welding servo control to the control of the friction stir welding can be considered. That is, during the joining operation, the rotation speed is monitored in real time, and feedback control is always performed so that the optimum rotation speed is obtained. Furthermore, a method of monitoring the applied pressure in real time and performing feedback control so that the optimum applied pressure is always obtained can be considered. However, the servo control of the rotational speed and the pressure control in this way is very complicated and difficult to realize.
[0008]
An object of the present invention is to provide a friction stir welding apparatus capable of performing friction stir spot welding with simple control and practically no problem.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention moves the rotor that rotates at high speed straight in the direction of the rotation axis, presses the tip portion against the object to be joined, and softens it by frictional heat between the tip part and the contact part between the article to be joined, In the friction stir welding apparatus that stirs and spot-joins the workpieces,
A rotation control means for changing and controlling the rotation speed of the rotor as time elapses during the friction stir welding operation;
A friction stir welding apparatus comprising: a linear movement control means for controlling a pressure during a friction stir welding operation by moving a rotor straight.
[0010]
According to the present invention, since the rotation control means is provided, the rotation speed of the rotor can be variably controlled. As a result, spot bonding can be performed at an optimum rotational speed. Further, the straight-ahead control means can perform fine control of the applied pressure, and can be joined with the optimum applied pressure for spot joining.
[0011]
Further, the present invention is characterized in that the rotation control means changes the rotation speed so as to decrease with time during the friction stir welding operation.
[0012]
Further, the present invention is characterized in that the rotation control means changes so as to increase the rotation speed as time elapses during the friction stir welding operation.
[0013]
Further, in the present invention, the rotation control means can adjust the rotation speed as time passes during the friction stir welding operation.To drop once during the pressing periodIt is characterized by changing.
[0014]
Further, the present invention is characterized in that the rotation control means changes the rotation speed stepwise or continuously.
[0015]
According to the present invention, during the friction stir welding operation, the rotation control means changes the rotation speed of the
[0016]
In the present invention, the straight-ahead control means is
In the initial stage of the friction stir welding operation, a speed command value having a shape having an inclined portion that increases the speed of the
[0017]
According to the present invention, the shape of the speed command value is a triangular wave shape.
[0018]
According to the present invention, since the speed command value given from the linear control means to the
Further, the present invention is characterized in that the rotation speed is changed by the rotation control means in a state in which the applied pressure is kept constant by the straight advance control means..
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a view showing the structure of a
[0020]
The
[0021]
Each joint axis of the robot is driven by six servomotors of the first axis to the sixth axis, the seventh axis is a
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
The
[0025]
Next, the configuration of the rotation transmission means 30 that transmits the rotation of the
[0026]
Next, the configuration of the straight transmission means 45 will be described. The linear transmission means 45 includes a
[0027]
The
[0028]
By using the rotation transmission means 30 and the straight transmission means 45 as described above, the
[0029]
Next, a control method at the time of spot bonding by the
[0030]
In the spot joining operation, for example, two workpieces having a thickness of about 2 mm are spot joined. Here, it is assumed that the workpieces are made of an aluminum alloy, and two pieces are overlapped substantially horizontally, and there are a plurality of joints per workpiece.
[0031]
When the spot bonding control is started, first, in step S1, the
[0032]
Next, in step S2, the closing operation of the
[0033]
Further, since the
[0034]
Next, in step S3, rotation of the
In the next step S4, when the joining hit point P2 is reached (time t3), that is, when the tip of the
[0035]
In this embodiment, this determination is performed once during the pressurization of the joining operation, and the instantaneous value of the rotation speed is detected by the
[0036]
If the rotational speed is not within the predetermined range, it is determined that the rotational motor is abnormal in step S7 as a rotational motor abnormality (eighth axis), and a robot abnormality signal is output. In step S8, the first to second axes are output. Stop all the 8-axis motors and stop the robot.
[0037]
If it is determined in step S6 that it is within the predetermined rotation speed range, the process proceeds to step S9, where the
[0038]
If it is determined in step S9 that the pressure is within the predetermined pressure range, the process proceeds to step S11. In step S11, the
[0039]
When the tip of the
[0040]
In this manner, after the rotation speed is switched to a low speed with a constant pressing force applied, the process proceeds to step S12. In step S12, for example, a predetermined time from the start of pressurization is measured by an internal timer, and when the predetermined time, for example, 0.5 to 1 second is measured, the machining is completed and an opening operation is started in the next step S13. The time at this time is time t6.
[0041]
In the opening operation, as shown in FIGS. 4 (2) and (3), a speed command value and a movement displacement command value are output from the
[0042]
In the next step S14, it is determined whether or not welding has occurred. In this embodiment, the welding occurrence determination is performed by the linear
[0043]
Then, the work is separated from the rotor. In the separation work, for example, the rotor is pulled up while rotating. The rotation direction of the rotor may be the same as the rotation direction during the stir welding or may be reversed.
[0044]
The
[0045]
If it is determined in step S14 that welding has not occurred, the opening operation is continued in the next step S16, and the opening operation is continued until the tip of the
[0046]
Then, in the next step S17, it is determined whether or not the joining of all the joining portions of the workpiece has been completed. If not, the process proceeds to step S18 to complete the work for one point, and the next joining point is determined. After setting, the process returns to step S1 to start the joining operation for the next hit point.
[0047]
If it is determined in step S17 that all the joining points of the workpiece have been completed, in step S19, the
[0048]
In the above-described embodiment, the joining operation within one workpiece is performed without stopping the rotation of the rotor. However, the present invention is not limited to this, and the rotation may be stopped at each joining hit point. You may control so that rotation may not be stopped.
[0049]
In this embodiment, the rotation speed is changed in three stages at the time of pressurization. However, the rotation speed may be two stages, four stages or more, and control is performed so that the rotation speed changes continuously in a stepless manner. May be. Furthermore, in this embodiment, control is performed so that the initial speed is high and the rotational speed is decreased with time. However, the present invention is not limited to this, and depending on the work, the initial speed is low and the rotational speed is increased with time. It is also possible to control so that the initial part is high speed, the intermediate part is low speed, and the end part is high speed again.
[0050]
In the present embodiment, the rotation speed is detected by the pressurizing time t for one joining operation.L, The central time tLDetected at / 2. In other words, among the three speeds, only the intermediate speed was monitored within a predetermined speed range, but this is not limiting, and when the rotational speed is set in multiple stages, You may control to monitor a rotational speed. In other words, a predetermined rotational speed range is set for each stage, and at the center of each stage, it is monitored whether or not it is within the predetermined rotational speed range. The robot may be stopped as a speed abnormality.
[0051]
In the above-described embodiment, when at least one of the rotational speed and the applied pressure is out of the predetermined range, the joining operation is controlled to be stopped, but the present invention is not limited to this, If either one is within the predetermined range, the joining operation may be continued, and control may be performed so that the joining operation is stopped only when both are out of the predetermined range.
[0052]
As another embodiment of the present invention, control may be performed so as to change not only the rotation speed but also the applied pressure at the time of joining. For example, the pressurization control may be performed such that the pressure is high during high-speed rotation of the initial part, medium pressure during medium-speed rotation of the intermediate part, and low pressure during low-speed rotation of the end part. Thereby, joining quality can be improved further. Also in this case, it is possible to monitor whether or not the applied pressure is within a predetermined range at each pressurizing stage, and control to stop the joining operation when the applied pressure is not within the predetermined applied pressure range. .
[0053]
Depending on the workpiece, pressurization control may be performed so that the pressure is high during low-speed rotation and low pressure during high-speed rotation. Furthermore, the rotation speed is constant and control is performed so that only the pressure applied during welding is changed. May be.
[0054]
In the present embodiment described above, the workpiece is an aluminum alloy, but the present invention is not limited to this, and may be another metal workpiece or a synthetic resin workpiece.
[0055]
The following embodiments are possible for the present invention.
(1) A friction stir welding apparatus that detects whether or not the tip of the rotor is welded to an object to be joined using at least one of the rotation control means and the straight-ahead control means.
[0056]
For example, the rotation control means detects that a force greater than a predetermined force is required to rotate the rotor, or the straight-ahead control means detects that a force greater than a predetermined force is required to lift the rotor. In this case, it can be determined that the tip of the rotor and the workpiece are welded. In this way, welding detection can be reliably performed by the rotation control means or the straight-ahead control means.
[0057]
(2) The rotation control means detects whether or not the rotational speed of the rotor is within a predetermined rotational speed range during the joining operation of pressing the rotating rotor tip against the object to be joined. A friction stir welding apparatus that stops a joining operation when it is determined that the rotational speed is not within the range.
[0058]
The control of the friction stir welding apparatus only determines whether or not the rotational speed is within a predetermined range during the joining operation. When the rotational speed is not within the predetermined range, the joining operation is stopped. By monitoring the instantaneous value of the rotational speed during joining in this way, it is possible to reliably join at a predetermined rotational speed. Moreover, since it is only a judgment whether it is in the predetermined range, it is not necessary to perform complicated control and can be easily realized.
[0059]
For example, the rotation control means detects that a force greater than a predetermined force is required to rotate the rotor, or the straight-ahead control means detects that a force greater than a predetermined force is required to lift the rotor. In this case, it can be determined that the tip of the rotor and the workpiece are welded. In this way, welding detection can be reliably performed.
[0060]
(3) The rectilinear control means detects whether or not the applied pressure is within a predetermined applied pressure range during the joining operation of pressing the rotating rotor tip against the object to be joined. A friction stir welding apparatus characterized in that the joining operation is stopped when it is determined that there is not.
[0061]
The control of the friction stir welding apparatus only determines whether or not the applied pressure is within a predetermined range during the joining operation, and stops the joining operation when it is not within the predetermined range. Thus, by monitoring the instantaneous value of the applied pressure during the joining, the joining can be reliably performed with a predetermined applied pressure. Moreover, since it is only a judgment whether it is in the predetermined range, it is not necessary to perform complicated control, and realization is easy.
[0062]
The rotational speed control is determined based on whether or not the instantaneous value detected during the joining operation is within a predetermined range. That is, since complicated control like adaptive control is not performed, control is simple. Even in such a control only for determining whether or not the detected instantaneous value is within a predetermined range, the friction stir spot welding can realize a robust level that is practically free of problems.
[0063]
Similarly, the pressurization control is simple because it only determines whether or not the instantaneous value during the joining operation is within a predetermined pressure range. Even with such simple control, there is no problem in practical use.
[0064]
(4) The friction stir welding apparatus characterized in that the rotation control means changes the rotation speed of the rotor during the joining operation.
[0065]
Optimum joining can be achieved by changing the rotational speed of the rotor by the rotational speed control means during the joining operation in which the tip of the rotor is pressed against the object to be joined.
[0066]
(5) The friction stir welding apparatus characterized in that the linearly moving control means changes the pressure during the joining operation.
Optimum joining can be achieved by changing the applied pressure during the joining operation.
[0067]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the rotation control means is provided, the rotation speed of the rotor can be variably controlled. As a result, spot bonding can be performed at an optimum rotational speed. Further, the linear control means can perform fine control of the pressing force, and can be joined with the optimum pressing force for spot joining.
[0068]
According to the present invention, during the friction stir welding operation, the rotation control means changes the rotation speed of the
[0069]
According to the present invention, since the speed command value given from the linear control means to the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a
FIG. 2 is a first half of a flowchart of bonding control according to the present invention.
FIG. 3 is a second half of a flowchart of bonding control.
FIG. 4 is a timing chart of bonding control.
[Explanation of symbols]
10 Control device
11 Straight control section
12 Rotation control unit
20 Spot welding gun
22 Rotor
24 Linear motor
25 Motor for rotation
Claims (8)
摩擦攪拌の接合作業中、時間経過に伴って、回転子の回転速度を変化して制御する回転制御手段と、
回転子を直進移動させて、摩擦攪拌の接合作業中、加圧力を制御する直進制御手段とを備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。The rotor rotating at high speed is moved straight in the direction of the rotation axis, the tip is pressed against the object to be joined, softened by the frictional heat between the tip and the contact part of the object to be joined, and stirred to In the friction stir welding apparatus for spot-joining the joint,
A rotation control means for changing and controlling the rotation speed of the rotor as time elapses during the friction stir welding operation;
A friction stir welding apparatus comprising: a linear movement control means for controlling a pressure during a friction stir welding operation by moving the rotor straight.
摩擦攪拌接合作業の初期に、時間経過に伴って回転子の速度を上昇する傾斜部分を有する形状の速度指令値を導出することを特徴とする請求項1〜5のうちの1つに記載の摩擦攪拌接合装置。The straight-ahead control means
The speed command value having a shape having an inclined portion that increases the speed of the rotor with the lapse of time is derived at the initial stage of the friction stir welding operation. Friction stir welding device.
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