JP6259523B2 - 摩擦撹拌接合システム及び摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工ツールを直線的又は曲線的に移動させて第１被接合材及び第２被接合材を連続的に接合する摩擦撹拌接合システム及び摩擦撹拌接合方法に関する。

特開２００３−２０５３７４号公報（以下「ＪＰ ２００３−２０５３７４ Ａ」という。）には、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）によって被接合材をスポット接合するスポット接合システム１０が開示されている（要約、［０００１］）。スポット接合システム１０は、多関節ロボット１１と、ロボットアーム先端に取り付けられるＦＳＷヘッド１２と、ワークＷを水平に保持する定盤１３とコントローラ１４とから構成される。ＦＳＷヘッド１２には、接合ツール１５及び固定装置１６が取り付けられる。固定装置１６は、円筒状の押圧部材１９とバネ１８とを有する。接合時にバネ１８で押圧部材１９をワークＷ表面に押し付けることで、接合ツール１５をワークＷに一時的に固定する。これによって、接合ツール１５の回転反力で横ブレが発生することが防がれる（要約）。

ＪＰ ２００３−２０５３７４ Ａのスポット接合システム１０では、スポット接合を行うため、直線状又は曲線状に連続する溶接部を形成する用途には必ずしも適しておらず、用途が限定されてしまう。

本発明は上記のような課題を考慮してなされたものであり、加工精度を高めつつ、ＦＳＷの用途を拡張することが可能な摩擦撹拌接合システム及び摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦撹拌接合装置（ＦＳＷ装置）は、加工ツールと、前記加工ツールを回転させる回転駆動モータと、前記加工ツール及び前記回転駆動モータを支持する支持部材と、前記支持部材を変位させる支持部材アクチュエータと、前記回転駆動モータ及び前記支持部材アクチュエータを制御する制御装置とを備えるものであって、第１被接合材及び第２被接合材に対して、回転中の前記加工ツールをその軸方向に押し付けた状態で、前記加工ツールを直線的又は曲線的に移動させて前記第１被接合材及び前記第２被接合材を連続的に接合させる際、前記制御装置は、前記加工ツールの回転に伴って前記加工ツールに作用する反力を打ち消すように前記支持部材アクチュエータの出力を制御する反力補正制御を実行することを特徴とする。

本発明によれば、回転中の加工ツールを支持部材を介して直線状又は曲線状に移動させる際、加工ツールの回転に伴って加工ツールに作用する反力を打ち消すように支持部材アクチュエータの出力を制御する反力補正制御を実行する。これにより、加工ツールに作用する反力分のずれを補償しながら、加工ツールを移動させることで、加工ツールの変位を高精度に制御することが可能となる。従って、第１被接合材及び第２被接合材の摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）を高精度に行うことが可能となる。その結果、加工ツールを直線的又は曲線的に移動させてＦＳＷを行う用途を拡張することができる。

前記制御装置は、前記加工ツールの回転方向と、前記加工ツールの目標進行方向又は実際の進行方向とに基づいて前記反力の方向を算出してもよい。これにより、補償すべき反力の方向を高精度に推定することが可能となる。従って、第１被接合材及び第２被接合材のＦＳＷをさらに高精度に行うことができる。

前記制御装置は、前記回転駆動モータの実際の出力又は目標出力に基づいて前記反力の大きさを算出してもよい。これにより、補償すべき反力の大きさを高精度に推定することが可能となる。従って、第１被接合材及び第２被接合材のＦＳＷをさらに高精度に行うことができる。

前記支持部材は、多関節アームと、前記加工ツール及び前記回転駆動モータを支持する治具とを含み、前記支持部材アクチュエータは、前記多関節アーム内に設けられる複数のアームモータを含み、前記治具は、前記多関節アームの先端に取り付けられてもよい。これにより、ＦＳＷ装置の一部として、汎用品である多関節アームを利用可能となり、ＦＳＷ装置全体でのコストを削減することが可能となる。

前記治具がＣ字状部材である場合、前記Ｃ字状部材の一端側には、前記加工ツール及び前記回転駆動モータが設けられ、前記Ｃ字状部材の他端側には、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を支持する被接合材支持部に形成されたガイド部材に案内される被ガイド部材が設けられてもよい。上記によれば、回転駆動モータ、ガイド部材及び被ガイド部材の組合せにより加工ツールの位置決め精度を改善し、加工精度を向上することが可能となる。

また、治具がＣ字状部材であることから、回転駆動モータは、第１被接合材及び第２被接合材の境界を挟んでガイド部材及び被ガイド部材と対向することとなる。このため、回転駆動モータ又は支持部材アクチュエータからの力の一部は、ガイド部材、被ガイド部材及び治具において受けられることとなる。このため、ＦＳＷ装置全体の小型化若しくは省コスト化又は加工ツールの位置決め精度若しくは加工精度の向上を図ることが可能となる。
前記被ガイド部材の先端は、半球状としてもよい。また、前記ガイド部材には、前記加工ツールの目標開始点及び目標終了点を結ぶ仮想線に垂直な仮想平面における断面がＶ字状であり、前記被ガイド部材を案内するＶ字状溝が形成されてもよい。

前記多関節アームの先端は、前記Ｃ字状部材の中央に取り付けられてもよい。これにより、加工ツールの移動中にＣ字状部材に作用するモーメントを減少させることが可能となる。このため、ＦＳＷ装置全体の小型化若しくは省コスト化又は加工ツールの位置決め精度若しくは加工精度の向上を図ることが可能となる。

前記制御装置は、前記回転駆動モータの出力が出力閾値を上回るとき、前記反力補正制御を実行し、前記回転駆動モータの出力が前記出力閾値を上回らないとき、前記反力補正制御を停止してもよい。これにより、反力補正制御を実行する場面を限定し、制御装置における演算負荷を軽減することが可能となる。その結果、加工精度を保ちつつ、作業の高速化を図ることが可能となる。

前記制御装置は、前記回転駆動モータの実際の電流値又は目標電流値を前記反力の大きさに換算し、前記反力の大きさを前記反力の方向における前記多関節アームの撓み補正量に換算し、前記撓み補正量に応じて前記多関節アームの姿勢を補正してもよい。これにより、反力を打ち消すための処理を簡易且つ高精度に行うことが可能となる。

前記第１被接合材及び前記第２被接合材を直線状に接合させる場合、前記制御装置は、前記加工ツールの目標開始点と目標終了点を設定し、前記目標開始点から前記目標終了点までの移動中は、前記加工ツールの現在位置に対する前記目標終了点の方向を算出し、前記目標終了点の方向に向かって前記加工ツールを移動させてもよい。

これにより、例えば、加工ツールの目標開始点と目標終了点に加え、目標開始点と目標終了点を結ぶ目標軌跡を算出し、さらに、加工ツールの現在位置と目標軌跡のずれを補正しながら加工ツールを移動させる場合と比較して、制御装置の演算負荷を軽減することが可能となる。これに伴い、加工の高速化又はティーチングの容易化を図ることが可能となる。

本発明に係る摩擦撹拌接合システムは、上述の摩擦撹拌接合装置と、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を支持する被接合材支持部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、加工ツールと、前記加工ツールを回転させる回転駆動モータと、前記加工ツール及び前記回転駆動モータを支持する支持部材と、前記支持部材を変位させる支持部材アクチュエータと、前記回転駆動モータ及び前記支持部材アクチュエータを制御する制御装置とを備える摩擦撹拌接合装置を用いるものであって、第１被接合材及び第２被接合材に対して、回転中の前記加工ツールをその軸方向に押し付けた状態で、前記加工ツールを直線的又は曲線的に移動させて前記第１被接合材及び前記第２被接合材を連続的に接合させる際、前記制御装置は、前記加工ツールの回転に伴って前記加工ツールに作用する反力を打ち消すように前記支持部材アクチュエータの出力を制御する反力補正制御を実行することを特徴とする。
前記支持部材は、前記加工ツール及び前記回転駆動モータを支持するＣ字状部材である治具を含んでもよい。前記Ｃ字状部材の一端側には、前記加工ツール及び前記回転駆動モータを設けてもよい。前記Ｃ字状部材の他端側には、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を支持する被接合材支持部に形成されたガイド部材に案内される被ガイド部材を設けてもよい。前記被ガイド部材の先端は、半球状としてもよい。前記ガイド部材には、前記加工ツールの目標開始点及び目標終了点を結ぶ仮想線に垂直な仮想平面における断面がＶ字状であるＶ字状溝を形成してもよい。前記ガイド部材のＶ字状溝に沿って前記被ガイド部材の先端を移動させてもよい。

本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合システムの外観を簡略的に示す外観図である。 前記実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の構成を簡略的に示すブロック図である。 前記実施形態におけるＦＳＷ制御のフローチャートである。 加工ツールの回転方向及び目標進行方向と、加工ツールに作用する反力と、反力補正制御を実行した場合の加工ツールの実際の進行方向と、反力補正制御を実行しなかった場合の加工ツールの実際の進行方向との関係を説明する平面図である。 前記実施形態における反力補正制御のフローチャート（図３のＳ７の詳細）である。

Ａ．一実施形態
［Ａ１．摩擦撹拌接合システム１０の構成］
（Ａ１−１．全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合システム１０（以下「ＦＳＷシステム１０」という。）の外観を簡略的に示す外観図である。ＦＳＷシステム１０は、摩擦撹拌接合装置１２（以下「ＦＳＷ装置１２」という。）と、被接合材支持部１４（以下「支持部１４」ともいう。）とを備える。

（Ａ１−２．ＦＳＷ装置１２）
（Ａ１−２−１．ＦＳＷ装置１２の全体）
図２は、本実施形態に係るＦＳＷ装置１２の構成を簡略的に示すブロック図である。ＦＳＷ装置１２は、第１被接合材Ｗ１（以下「第１ワークＷ１」又は「ワークＷ１」ともいう。）及び第２被接合材Ｗ２（以下「第２ワークＷ２」又は「ワークＷ２」ともいう。）に対してＦＳＷを行う。図１及び図２に示すように、ＦＳＷ装置１２は、加工ツール２０、多関節ロボット２２（以下「ロボット２２」ともいう。）、保持治具２４、昇降モータ２６、回転駆動モータ２８（以下「モータ２８」ともいう。）、電流センサ３０ａ〜３０ｈ及び制御装置３２を備える。

（Ａ１−２−２．加工ツール２０）
加工ツール２０は、円筒状の本体の先端に突起（プローブ）が形成された部材であり、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２の境界に回転状態で押し付けられて第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を接合させる。

（Ａ１−２−３．多関節ロボット２２）
多関節ロボット２２は、加工ツール２０をワークＷ１、Ｗ２に対して変位させる。図１に示すように、ロボット２２は、ベース４０と、ベース４０上に固定された多関節アーム４２（支持部材アクチュエータ）とを備える。多関節アーム４２（以下「アーム４２」ともいう。）の先端には、保持治具２４が連結されており、アーム４２が変位することにより保持治具２４を移動させることが可能である。アーム４２の各関節部には、第１〜第６モータ４４ａ〜４４ｆ（以下「アームモータ４４ａ〜４４ｆ」ともいう。）（図２）が組み込まれている。

（Ａ１−２−４．保持治具２４）
図１に示すように、保持治具２４（支持部材）は、その中央において多関節アーム４２の先端に取り付けられて、加工ツール２０、昇降モータ２６及び回転駆動モータ２８を支持する。図１に示すように、保持治具２４は、Ｃ字状部材である。保持治具２４の一端側（本実施形態では上側）には、加工ツール２０、昇降モータ２６及び回転駆動モータ２８が設けられ、他端側には、被ガイド部材４６が設けられる。被ガイド部材４６は、後述するガイド部材７０（図１）に案内される。図１に示すように、本実施形態の被ガイド部材４６は、例えば金属製であり、先端側（ガイド部材７０側）が半球状である。

（Ａ１−２−５．昇降モータ２６及び回転駆動モータ２８）
昇降モータ２６は、制御装置３２からの指令に応じて、加工ツール２０を上下方向（Ｚ方向）に変位させる。回転駆動モータ２８は、制御装置３２からの指令に応じて、加工ツール２０を回転させる。

（Ａ１−２−６．電流センサ３０ａ〜３０ｈ）
電流センサ３０ａ〜３０ｆは、図示しない電源から各アームモータ４４ａ〜４４ｆへの入力電流Ｉｍ１〜Ｉｍ６（以下「消費電流Ｉｍ１〜Ｉｍ６」ともいう。）［Ａ］を検出して制御装置３２に出力する。電流センサ３０ｇは、昇降モータ２６への入力電流Ｉｍｅ（以下「消費電流Ｉｍｅ」ともいう。）［Ａ］を検出して制御装置３２に出力する。電流センサ３０ｈは、回転駆動モータ２８への入力電流Ｉｍｄ（以下「消費電流Ｉｍｄ」ともいう。）［Ａ］を検出して制御装置３２に出力する。

（Ａ１−２−７．制御装置３２）
制御装置３２は、昇降モータ２６、回転駆動モータ２８及び多関節アーム４２（アームモータ４４ａ〜４４ｆ）を制御して摩擦撹拌接合制御（ＦＳＷ制御）を実行する。本実施形態のＦＳＷ制御は、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２に対して、回転中の加工ツール２０をその軸方向に押し付けた状態で、加工ツール２０を直線的又は曲線的に移動させて第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を連続的に接合させる。

図２に示すように、制御装置３２は、入出力部５０、演算部５２及び記憶部５４を備える。入出力部５０は、図示しない電源と各モータ２６、２８、４４ａ〜４４ｆの間に配置された図示しないインバータへの制御信号の出力、電流センサ３０ａ〜３０ｆからの入力等を行う。演算部５２は、各モータ２６、２８、４４ａ〜４４ｆを制御する。演算部５２は、アームモータ４４ａ〜４４ｆを介してアーム４２を制御するアーム制御部６０と、昇降モータ２６及び回転駆動モータ２８を介して加工ツール２０を制御するツール制御部６２とを有する。

アーム制御部６０は、ＸＹＺ方向（図１）におけるアーム４２の撓み量Ｑａ［ｍｍ］を算出し、当該撓み量Ｑａを補正する撓み補正制御を実行する。撓み補正制御の基本的な内容については、例えば、米国特許出願公開第２００４／０１９３２９３号公報又は特開２０００−１８３１２８号公報に記載のものを用いることが可能である。但し、後述するように、本実施形態では、加工ツール２０に作用する反力Ｆｒに基づいて撓み量Ｑａを補正する反力補正制御を、撓み補正制御の一部として実行する。ＦＳＷ制御（反力補正制御を含む。）の詳細は、図３等を参照して後述する。

（Ａ１−３．被接合材支持部１４）
被接合材支持部１４は、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を支持する。図１の支持部１４は、空中に浮いているように図示されているが、例えば、加工ツール２０の加工開始点Ｐｓｔ（目標開始点）及び加工終了点Ｐｇｏａｌ（目標終了点）近傍における両端が地面に固定されている。

図１に示すように、支持部１４には、下方に面するガイド部材７０が設けられている。ガイド部材７０は、加工開始点Ｐｓｔ（目標開始点）及び加工終了点Ｐｇｏａｌ（目標終了点）を結ぶ仮想線に垂直な仮想平面における断面がＶ字状であるＶ字状溝７２が形成されており、保持治具２４に設けられた被ガイド部材４６を案内する。

［Ａ２．ＦＳＷ制御］
（Ａ２−１．ＦＳＷ制御の概要）
上記のように、制御装置３２は、昇降モータ２６、回転駆動モータ２８及び多関節アーム４２（アームモータ４４ａ〜４４ｆ）を制御してＦＳＷ制御を実行する。ＦＳＷ制御は、ワークＷ１、Ｗ２に対して、回転中の加工ツール２０をその軸方向（図１ではＺ方向）に押し付けた状態で、加工ツール２０を直線的又は曲線的に移動させてワークＷ１、Ｗ２を連続的に接合させる。このため、スポット接合にＦＳＷを用いるよりも用途を広げることが可能となる。

図３は、本実施形態におけるＦＳＷ制御のフローチャートである。図３の処理を開始する前に、加工ツール２０の加工開始点Ｐｓｔ（目標開始点）及び加工終了点Ｐｇｏａｌ（目標終了点）の座標、加工ツール２０からワークＷ１、Ｗ２に対して加えられる力（目標押圧力Ｆｐｔａｒ）、ワークＷ１、Ｗ２の厚み等の設定が行われる。

図３のステップＳ１、Ｓ８は、制御装置３２のアーム制御部６０が実行し、ステップＳ２、Ｓ１０はツール制御部６２が実行し、ステップＳ３〜Ｓ９は、アーム制御部６０及びツール制御部６２が実行する。

ステップＳ１において、制御装置３２は、アーム４２（アームモータ４４ａ〜４４ｆ）を制御して、加工ツール２０を加工開始点Ｐｓｔの上方に移動させる。この時点において、アーム４２は、加工開始点Ｐｓｔに対応する位置に移動する。ステップＳ２において、制御装置３２は、回転駆動モータ２８を制御して、加工ツール２０の回転を開始させる。

ステップＳ３において、制御装置３２は、昇降モータ２６及びアーム４２（アームモータ４４ａ〜４４ｆ）を制御して、加工開始点Ｐｓｔにおいて加工ツール２０をワークＷ１、Ｗ２に押し当てさせる。なお、ステップＳ３〜Ｓ８においては、事前に設定された目標押圧力Ｆｐｔａｒ［ｋｇ・ｍｍ／ｓ²］を実現するようにアームモータ４４ａ〜４４ｆ及び昇降モータ２６が制御される。但し、ワークＷ１、Ｗ２の厚みのばらつき、アーム４２によるワークＷ１、Ｗ２への接触等の要因により、加工ツール２０による実際の押圧力Ｆｐは変化する。

なお、加工ツール２０による実際の押圧力Ｆｐ［ｋｇ・ｍｍ／ｓ²］は、次の式（１）により算出される。
Ｆｐ＝ｋ×Ｉｐ×ｔ×９８００．０ （１）

上記式（１）において、ｋは、係数を示す。Ｉｐは、加圧軸に対応するモータの消費電流［Ａ］を示す。ｔは、加圧軸に対応するモータのトルク定数［ｋｇ・ｍｍ／Ａ］を示す。９８００．０は、重力加速度［ｍｍ／ｓ²］を示す。ここにいう加圧軸は、加工ツール２０からワークＷ１、Ｗ２への加圧方向（Ｚ方向）の軸を意味する。このため、加圧軸に対応するモータは、アームモータ４４ａ〜４４ｆ及び昇降モータ２６のいずれか１つ又は複数となる。

ステップＳ４において、制御装置３２は、アーム４２（アームモータ４４ａ〜４４ｆ）を制御して、加工終了点Ｐｇｏａｌに向かって加工ツール２０を移動させる。上記のように、アーム４２の移動時には、撓み補正制御が実行される。

撓み補正制御では、アーム４２の位置（特に先端基準位置）を制御するにあたり、アーム４２が支持している被支持部材及びアーム４２自身の重量に伴って生じるアーム４２の撓み量Ｑａを考慮する。

撓み補正制御では、アーム４２（又はロボット２２）の動作領域内の複数の位置において、重量及び／又は重心位置の異なる複数の荷重条件下で測定されたアーム４２の先端位置及び／又は姿勢ずれの撓み量Ｑａを記憶部５４に事前に記憶する。

また、撓み補正制御では、ロボット２２の使用時において、アーム４２の先端に取り付ける被支持部材（ここでは、加工ツール２０、保持治具２４、昇降モータ２６及び回転駆動モータ２８等）の重量及び／又は重心位置が近い撓み量Ｑａのデータを、作業者が入出力部５０を介して指定する。さらに、制御装置３２は、ロボット２２の動作プログラムの各教示点位置における撓み量Ｑａを、指定された撓み量Ｑａのデータを用いて算出する。さらにまた、制御装置３２は、動作プログラムの各教示点位置を、算出された撓み量Ｑａの分補正して変更する。

ステップＳ５において、制御装置３２は、回転駆動モータ２８の消費電流Ｉｍｄを取得する。ステップＳ６において、制御装置３２は、反力補正制御を実行するか否かを判定する。具体的には、消費電流Ｉｍｄが、電流閾値ＴＨｉｍｄ以上であるか否かを判定する。

反力補正制御を実行する場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、ステップＳ７において、制御装置３２は、反力補正制御を実行する（詳細は、図４、図５等を参照して後述する。）。反力補正制御を実行しない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ７を経ずにステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、制御装置３２は、加工ツール２０が加工終了点Ｐｇｏａｌに到達したか否かを判定する。加工ツール２０が加工終了点Ｐｇｏａｌに到達していない場合（Ｓ８：ＮＯ）、ステップＳ４に戻る。加工ツール２０が加工終了点Ｐｇｏａｌに到達した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、制御装置３２は、昇降モータ２６及びアーム４２を制御して加工ツール２０をワークＷ１、Ｗ２から離間させる。なお、この時点では、少なくとも今回の処理で目標としていた接合部分については、ワークＷ１、Ｗ２が一体化している。

ステップＳ１０において、制御装置３２は、回転駆動モータ２８を制御して加工ツール２０の回転を停止させる。その後、さらに別の接合部分が存在する場合、制御装置３２は、図３の処理を繰り返す。全ての接合部分についてＦＳＷが終了した場合、制御装置３２は、昇降モータ２６及びアーム４２を制御して加工ツール２０を初期位置に戻す。

（Ａ２−２．反力補正制御）
（Ａ２−２−１．反力補正制御の概要）
図１における矢印Ｄａは、反力補正制御を実行した場合の加工ツール２０の進行方向を示し、加工ツール２０の目標進行方向Ｄａｔａｒと略一致する。矢印Ｄａｃは、反力補正制御を実行しなかった場合の加工ツール２０の進行方向を示す。また、矢印Ｄｔｒは、加工ツール２０の回転方向Ｄｔｒを示す。矢印Ｆｒは、加工ツール２０に作用する反力を示す。Ｆｃは、反力補正制御において、アーム４２を介して加工ツール２０に加えられる補正力を示している。

図４は、加工ツール２０の回転方向Ｄｔｒ及び目標進行方向Ｄａｔａｒと、加工ツール２０に作用する反力Ｆｒと、反力補正制御を実行した場合の加工ツール２０の実際の進行方向Ｄａと、反力補正制御を実行しなかった場合の加工ツール２０の実際の進行方向Ｄａｃとの関係を説明する平面図である。図４において、二点鎖線の矢印１１０は、ワークＷ１、Ｗ２の流れを示す。

回転中の加工ツール２０が直線的に又は曲線的に移動する場合、ワークＷ１、Ｗ２は、摩擦熱により軟化する。その際、加工ツール２０には、ワークＷ１、Ｗ２との関係で抗力、揚力及び圧縮力が作用する。このため、図４に示すように、ワークＷ１、Ｗ２の流れは、目標進行方向Ｄａｔａｒに向かって見たとき、非対称となる。これに伴い、加工ツール２０には、目標進行方向Ｄａｔａｒに対して垂直な反力Ｆｒが発生する。従って、反力補正制御を実行しなかった場合、加工ツール２０の実際の進行方向Ｄａｃは、目標進行方向Ｄａｔａｒとずれを生じる。

そこで、本実施形態では、反力Ｆｒを打ち消すようにアーム４２の出力を制御することにより、アーム４２の実際の進行方向Ｄａを目標進行方向Ｄａｔａｒに近付ける。すなわち、回転中の加工ツール２０をアーム４２及び保持治具２４を介して直線状又は曲線状に移動させる際、制御装置３２は、加工ツール２０に作用する反力Ｆｒを打ち消すようにアーム４２の出力を制御する反力補正制御を実行する。

（Ａ２−２−２．反力補正制御の具体的処理）
図５は、本実施形態における反力補正制御のフローチャート（図３のＳ７の詳細）である。図５のステップＳ２１〜Ｓ２３は、主として制御装置３２のアーム制御部６０が実行する。ステップＳ２１において、制御装置３２は、回転駆動モータ２８の消費電流Ｉｍｄを反力Ｆｒの大きさＮｒに換算する。消費電流Ｉｍｄと反力Ｆｒの大きさＮｒの関係は、例えば、事前にマップを作成し、記憶部５４に記憶しておく。

ステップＳ２２において、制御装置３２は、加工ツール２０の回転方向Ｄｔｒ及び目標進行方向Ｄａｔａｒに基づいて反力Ｆｒの方向Ｄｒ（以下「反力方向Ｄｒ」ともいう。）を算出する。なお、ここでの目標進行方向Ｄａｔａｒは、加工ツール２０の現在位置を基準として加工終了点Ｐｇｏａｌに向かう方向とすることができる。

ステップＳ２３において、制御装置３２は、反力Ｆｒの大きさＮｒを反力方向Ｄｒにおけるアーム４２の撓み補正量Ｑａｃ（以下「補正量Ｑａｃ」ともいう。）に換算する。補正量Ｑａｃは、上述した撓み補正制御の撓み量Ｑａを補正するための値である。従って、制御装置３２は、算出した補正量Ｑａｃを用いて撓み量Ｑａを補正してアーム４２の位置を制御する。なお、ここでの補正量Ｑａｃは、反力方向Ｄｒへの量であり、必ずしも鉛直方向の量とはならないことに留意されたい。

［Ａ３．本実施形態における効果］
以上のような本実施形態によれば、回転中の加工ツール２０を保持治具２４及び多関節アーム４２（支持部材）を介して直線状又は曲線状に移動させる際、加工ツール２０の回転に伴って加工ツール２０に作用する反力Ｆｒを打ち消すようにアームモータ４４ａ〜４４ｆ（支持部材アクチュエータ）の出力を制御する反力補正制御を実行する（図３のＳ７、図５）。これにより、加工ツール２０に作用する反力Ｆｒ分のずれを補償しながら、加工ツール２０を移動させることで、加工ツール２０の変位を高精度に制御することが可能となる。従って、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２のＦＳＷを高精度に行うことが可能となる。その結果、加工ツール２０を直線的又は曲線的に移動させてＦＳＷを行う用途を拡張することができる。

本実施形態において、制御装置３２は、加工ツール２０の回転方向Ｄｔｒ及び目標進行方向Ｄａｔａｒに基づいて反力方向Ｄｒを算出する（図５のＳ２２）。これにより、補償すべき反力Ｆｒの方向Ｄｒのずれを高精度に推定することが可能となる。従って、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２のＦＳＷをさらに高精度に行うことができる。

本実施形態において、制御装置３２は、回転駆動モータ２８の消費電流Ｉｍｄ（実際の出力）に基づいて反力Ｆｒの大きさＮｒを算出する（図５のＳ２１）。これにより、補償すべき反力Ｆｒの大きさＮｒを高精度に推定することが可能となる。従って、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２のＦＳＷをさらに高精度に行うことができる。

本実施形態において、ＦＳＷ装置１２は、多関節アーム４２と、加工ツール２０及び回転駆動モータ２８を支持する保持治具２４と、多関節アーム４２内に設けられる複数のアームモータ４４ａ〜４４ｆとを含む。保持治具２４は、アーム４２の先端に取り付けられる（図１）。これにより、汎用品である多関節アーム４２を利用可能となり、ＦＳＷ装置１２全体でのコストを削減することが可能となる。

本実施形態において、保持治具２４はＣ字状部材であり、保持治具２４の一端側には、加工ツール２０、昇降モータ２６及び回転駆動モータ２８が設けられ、他端側には、被ガイド部材４６が設けられる（図１）。これにより、回転駆動モータ２８、ガイド部材７０及び被ガイド部材４６の組合せにより加工ツール２０の位置決め精度を改善し、加工精度を向上することが可能となる。

また、保持治具２４がＣ字状部材であることから、昇降モータ２６及び回転駆動モータ２８は、第１被接合材Ｗ１及び第２被接合材Ｗ２の境界を挟んでガイド部材７０及び被ガイド部材４６と対向することとなる。このため、昇降モータ２６、回転駆動モータ２８又はアームモータ４４ａ〜４４ｆからの力の一部は、ガイド部材７０、被ガイド部材４６及び保持治具２４（支持部材）において受けられることとなる。このため、ＦＳＷ装置１２全体の小型化若しくは省コスト化又は加工ツール２０の位置決め精度若しくは加工精度の向上を図ることが可能となる。

本実施形態において、多関節アーム４２の先端は、保持治具２４（Ｃ字状部材）の中央に取り付けられる（図１）。これにより、加工ツール２０の移動中に保持治具２４に作用するモーメントを減少させることが可能となる。このため、ＦＳＷ装置１２全体の小型化若しくは省コスト化又は加工ツール２０の位置決め精度若しくは加工精度の向上を図ることが可能となる。

本実施形態において、制御装置３２は、回転駆動モータ２８の消費電流Ｉｍｄ（出力）が閾値ＴＨｉｍｄ（出力閾値）を以上であるとき（図３のＳ６：ＹＥＳ）、反力補正制御を実行する（Ｓ７）。また、制御装置３２は、消費電流Ｉｍｄが閾値ＴＨｉｍｄを以上でないとき（Ｓ６：ＮＯ）、反力補正制御を行わない（換言すると、反力補正制御を停止する。）。これにより、反力補正制御を実行する場面を限定し、制御装置３２における演算負荷を軽減することが可能となる。その結果、加工精度を保ちつつ、作業の高速化を図ることが可能となる。

本実施形態において、制御装置３２は、回転駆動モータ２８の消費電流Ｉｍｄ（実際の電流値）を反力Ｆｒの大きさＮｒに換算する（図５のＳ２１）。そして、制御装置３２は、加工ツール２０の回転方向Ｄｔｒ及び目標進行方向Ｄａｔａｒに基づいて反力Ｆｒの方向Ｄｒを算出する（Ｓ２２）。さらに、制御装置３２は、反力Ｆｒの大きさＮｒを反力Ｆｒの方向Ｄｒにおける多関節アーム４２の撓み補正量Ｑａｃに換算する（Ｓ２３）。さらにまた、制御装置３２は、撓み補正量Ｑａｃに応じてアーム４２（支持部材アクチュエータ）又は保持治具２４（支持部材）の姿勢を補正する。これにより、反力Ｆｒを打ち消すための処理を簡易且つ高精度に行うことが可能となる。

本実施形態において、第１被接合材Ｗ１及び第２被接合材Ｗ２を直線状に接合させる場合、制御装置３２は、加工ツール２０の加工開始点Ｐｓｔ（目標開始点）と加工終了点Ｐｇｏａｌ（目標終了点）を設定する。そして、制御装置３２は、加工開始点Ｐｓｔから加工終了点Ｐｇｏａｌまでの移動中は、加工ツール２０の現在位置に対する目標進行方向Ｄａｔａｒ（加工終了点Ｐｇｏａｌの方向）を算出し、目標進行方向Ｄａｔａｒに向かって加工ツール２０を移動させる（図３のＳ４）。これにより、例えば、加工ツール２０の加工開始点Ｐｓｔと加工終了点Ｐｇｏａｌに加え、加工開始点Ｐｓｔと加工終了点Ｐｇｏａｌを結ぶ目標軌跡を算出し、さらに、加工ツール２０の現在位置と目標軌跡のずれを補正しながら加工ツール２０を移動させる場合と比較して、制御装置３２の演算負荷を軽減することが可能となる。これに伴い、加工の高速化又はティーチングの容易化を図ることが可能となる。

Ｂ．変形例
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。

［Ｂ１．ＦＳＷ装置１２（適用対象）］
上記実施形態のＦＳＷ装置１２は、多関節ロボット２２を有した（図１）。しかしながら、例えば、ＦＳＷを行うに際し、加工ツール２０に作用する反力Ｆｒを打ち消す観点からすれば、これに限らない。例えば、いわゆる門型のＦＳＷ装置に本発明を適用することも可能である。なお、加工ツール２０及び回転駆動モータ２８を変位させるアクチュエータ（支持部材アクチュエータ）は、加工ツール２０の目標進行方向Ｄａｔａｒと反力Ｆｒの方向Ｄｒに力を生成すればよいので、少なくとも２軸があればよい。

［Ｂ２．昇降モータ２６、回転駆動モータ２８及びアームモータ４４ａ〜４４ｆ］
上記実施形態では、加工ツール２０の制御のために、昇降モータ２６、回転駆動モータ２８及びアームモータ４４ａ〜４４ｆを用いた（図２）。しかしながら、例えば、加工ツール２０を直線移動（又は曲線移動）及び回転させる観点からすれば、これに限らない。例えば、アームモータ４４ａ〜４４ｆ（６軸モータ）のうち回転軸を構成するもの（例えば、アームモータ４４ｆ）を、回転駆動モータ２８の代わりに加工ツール２０を回転させるためとして用いることも可能である。或いは、昇降モータ２６を省略してアームモータ４４ａ〜４４ｆにより加工ツール２０を昇降させてもよい。或いは、ＪＰ ２００３−２０５３７４ Ａのように、アーム４２の先端に加工ツール２０を配置する構成も可能である。

［Ｂ３．保持治具２４（支持部材）］
上記実施形態では、保持治具２４をＣ字状部材とした（図１）。しかしながら、例えば、加工ツール２０及び回転駆動モータ２８を支持する観点からすれば、これに限らない。例えば、保持治具２４をＸ字状部材とすることも可能である。

［Ｂ４．反力補正制御］
上記実施形態では、反力Ｆｒを打ち消すために撓み補正量Ｑａｃを制御した（図５のＳ２３）。しかしながら、例えば、反力Ｆｒを打ち消す観点からすれば、これに限らない。例えば、加工ツール２０の目標進行方向Ｄａｔａｒ又は目標移動位置を反力Ｆｒに応じて補正することも可能である。

上記実施形態では、目標進行方向Ｄａｔａｒに基づいて補正を行ったが（Ｓ２２）、例えば、反力Ｆｒを考慮する観点からすれば、実際の進行方向Ｄａに基づいて補正をすることも可能である。例えば、目標進行方向Ｄａｔａｒを最初から反力Ｆｒを考慮した値で仮目標進行方向Ｄａｔａｒとしておき、実際の進行方向Ｄａを目標進行方向Ｄａｔａｒに一致又は近似させることにより最終的な目標進行方向Ｄａｔａｒを実現することも可能である。

上記実施形態では、回転駆動モータ２８の消費電流Ｉｍｄを用いて反力Ｆｒの大きさＮｒを推定した（図５のＳ２１）。しかしながら、例えば、反力Ｆｒの大きさを推定する観点からすれば、これに限らない。例えば、制御装置３２は、回転駆動モータ２８の目標電流に基づいて反力Ｆｒの大きさを算出してもよい。或いは、制御装置３２は、回転駆動モータ２８の消費電力又は目標電力に基づいて反力Ｆｒの大きさを算出することも可能である。

上記実施形態では、回転駆動モータ２８の消費電流Ｉｍｄが出力閾値ＴＨｉｍｄ以上であるとき（図３のＳ６：ＹＥＳ）、反力補正制御を実行し（Ｓ７）、消費電流Ｉｍｄが出力閾値ＴＨｉｍｄを以上でないとき（Ｓ６：ＮＯ）、反力補正制御を停止した。しかしながら、例えば、反力Ｆｒを打ち消す観点からすれば、加工ツール２０がＦＳＷを行っている間、常に反力補正制御を行うことも可能である。

上記実施形態では、加工ツール２０を直線的に移動させるに際し、加工開始点Ｐｓｔ及び加工終了点Ｐｇｏａｌのみを設定し、途中における目標点を設定しなかった（図３参照）。しかしながら、例えば、反力Ｆｒを打ち消す観点からすれば、これに限らない。例えば、加工開始点Ｐｓｔから加工終了点Ｐｇｏａｌに至るまでの目標軌跡（目標点の集合）を設定し、加工ツール２０の現在位置と目標軌跡とのずれ（距離）を算出し、当該ずれを補うように加工ツール２０の目標進行方向Ｄａｔａｒ又は目標進行位置を設定することも可能である。

上記実施形態では、加工ツール２０を直線的に移動させる場合について説明した（図１）。しかしながら、例えば、加工ツール２０の回転方向Ｄｔｒ及び目標進行方向Ｄａｔａｒに基づいて特定させる反力Ｆｒを打ち消す観点からすれば、加工ツール２０を曲線的に移動させることも可能である。

Claims (9)

1. 摩擦撹拌接合装置（１２）及び被接合材支持部（１４）を備える摩擦撹拌接合システム（１０）であって、
   前記摩擦撹拌接合装置（１２）は、
   加工ツール（２０）と、
   前記加工ツール（２０）を回転させる回転駆動モータ（２８）と、
   前記加工ツール（２０）及び前記回転駆動モータ（２８）を支持する支持部材と、
   前記支持部材を変位させる支持部材アクチュエータと、
   前記回転駆動モータ（２８）及び前記支持部材アクチュエータを制御する制御装置（３２）と
   を備え、
   第１被接合材及び第２被接合材に対して、回転中の前記加工ツール（２０）をその軸方向に押し付けた状態で、前記加工ツール（２０）を直線的又は曲線的に移動させて前記第１被接合材及び前記第２被接合材を連続的に接合させる際、前記制御装置（３２）は、前記加工ツール（２０）の回転に伴って前記加工ツール（２０）に作用する反力を打ち消すように前記支持部材アクチュエータの出力を制御する反力補正制御を実行し、
   前記支持部材は、前記加工ツール（２０）及び前記回転駆動モータ（２８）を支持するＣ字状部材である治具（２４）を含み、
   前記Ｃ字状部材の一端側には、前記加工ツール（２０）及び前記回転駆動モータ（２８）が設けられ、
   前記Ｃ字状部材の他端側には、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を支持する前記被接合材支持部（１４）に形成されたガイド部材（７０）に案内される被ガイド部材（４６）が設けられ、
   前記被ガイド部材（４６）の先端は、半球状であり、
   前記ガイド部材（７０）には、前記加工ツール（２０）の目標開始点及び目標終了点を結ぶ仮想線に垂直な仮想平面における断面がＶ字状であり、前記被ガイド部材（４６）を案内するＶ字状溝（７２）が形成されている
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合システム（１０）。
2. 請求項１記載の摩擦撹拌接合システム（１０）において、
   前記制御装置（３２）は、前記加工ツール（２０）の回転方向と、前記加工ツール（２０）の目標進行方向又は実際の進行方向とに基づいて前記反力の方向を算出する
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合システム（１０）。
3. 請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合システム（１０）において、
   前記制御装置（３２）は、前記回転駆動モータ（２８）の実際の出力又は目標出力に基づいて前記反力の大きさを算出する
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合システム（１０）。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合システム（１０）において、
   前記支持部材は、多関節アーム（４２）を含み、
   前記支持部材アクチュエータは、前記多関節アーム（４２）内に設けられる複数のアームモータ（４４ａ〜４４ｆ）を含み、
   前記治具（２４）は、前記多関節アーム（４２）の先端に取り付けられる
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合システム（１０）。
5. 請求項４に記載の摩擦撹拌接合システム（１０）において、
   前記多関節アーム（４２）の先端は、前記Ｃ字状部材の中央に取り付けられる
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合システム（１０）。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合システム（１０）において、
   前記制御装置（３２）は、
   前記回転駆動モータ（２８）の出力が出力閾値を上回るとき、前記反力補正制御を実行し、
   前記回転駆動モータ（２８）の出力が前記出力閾値を上回らないとき、前記反力補正制御を停止する
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合システム（１０）。
7. 請求項４又は５に記載の摩擦撹拌接合システム（１０）において、
   前記制御装置（３２）は、
   前記回転駆動モータ（２８）の実際の電流値又は目標電流値を前記反力の大きさに換算し、
   前記反力の大きさを前記反力の方向における前記多関節アーム（４２）の撓み補正量に換算し、
   前記撓み補正量に応じて前記多関節アーム（４２）の姿勢を補正する
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合システム（１０）。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合システム（１０）において、
   前記第１被接合材及び前記第２被接合材を直線状に接合させる場合、
   前記制御装置（３２）は、
   前記目標開始点から前記目標終了点までの移動中は、前記加工ツール（２０）の現在位置に対する前記目標終了点の方向を算出し、
   前記目標終了点の方向に向かって前記加工ツール（２０）を移動させる
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合システム（１０）。
9. 加工ツール（２０）と、前記加工ツール（２０）を回転させる回転駆動モータ（２８）と、前記加工ツール（２０）及び前記回転駆動モータ（２８）を支持する支持部材と、前記支持部材を変位させる支持部材アクチュエータと、前記回転駆動モータ（２８）及び前記支持部材アクチュエータを制御する制御装置（３２）とを備える摩擦撹拌接合装置（１２）を用いる摩擦撹拌接合方法であって、
   第１被接合材及び第２被接合材に対して、回転中の前記加工ツール（２０）をその軸方向に押し付けた状態で、前記加工ツール（２０）を直線的又は曲線的に移動させて前記第１被接合材及び前記第２被接合材を連続的に接合させる際、前記制御装置（３２）は、前記加工ツール（２０）の回転に伴って前記加工ツール（２０）に作用する反力を打ち消すように前記支持部材アクチュエータの出力を制御する反力補正制御を実行し、
   前記支持部材は、前記加工ツール（２０）及び前記回転駆動モータ（２８）を支持するＣ字状部材である治具（２４）を含み、
   前記Ｃ字状部材の一端側には、前記加工ツール（２０）及び前記回転駆動モータ（２８）を設け、
   前記Ｃ字状部材の他端側には、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を支持する被接合材支持部（１４）に形成されたガイド部材（７０）に案内される被ガイド部材（４６）を設け、
   前記被ガイド部材（４６）の先端は、半球状であり、
   前記ガイド部材（７０）には、前記加工ツール（２０）の目標開始点及び目標終了点を結ぶ仮想線に垂直な仮想平面における断面がＶ字状であるＶ字状溝（７２）を形成し、
   前記ガイド部材（７０）のＶ字状溝に沿って前記被ガイド部材（４６）の先端を移動させる
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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