KR20230131942A - 마찰 교반 툴의 제어 방법 및 마찰 교반 장치 - Google Patents

Abstract

마찰 교반 툴의 제어 방법은, 마찰 교반을 실행하는 툴의 구동원에 필요한 구동 전류를 부여하여 상기 툴의 동작을 제어하는 제어 방법이다. 당해 제어 방법에서는, 상기 툴의 워크로의 압입시에 있어서의 가압력으로서 정해지는 설정 가압력과, 상기 설정 가압력을 발생시키는 구동 전류를 상기 구동원에 부여하여 실제로 상기 워크에 압입시켰을 때의 실가압력을 비교하는 것에 의해 가압력 변화 비율을 구한다. 상기 설정 가압력에 상기 실가압력이 근접해지도록, 상기 가압력 변화 비율에 따라서 상기 구동 전류를 보정하여 상기 구동원을 구동한다.

Description

마찰 교반 툴의 제어 방법 및 마찰 교반 장치

본 개시는 워크에 압입되며, 마찰 교반을 실행하는 툴의 제어 방법, 및 상기 툴을 구비한 마찰 교반 장치에 관한 것이다.

항공기, 철도 차량 또는 자동차 등의 구조물의 구성 부재로서, 금속 부재, 수지 부재, 섬유 강화재가 혼합된 열가소성 수지 부재 등이 이용되고 있다. 상기 구조물의 제조시에는, 2개 이상의 부재를 중첩한 접합이 필요한 경우가 있다. 이 접합의 수법으로서, 마찰 교반 접합이 알려져 있다. 마찰 교반 접합에서는, 고속으로 회전하면서 워크에 압입되는 툴이 이용된다. 이 툴에 대향하여 백업 부재가 배치된다. 백업 부재로 배면 지지된 워크에 대해, 상기 툴이 압입된다. 상기 툴은 예를 들면, 로봇 아암의 선단에 장착된다. 또한, 상기 백업 부재도, 예를 들면, C형 프레임을 이용하여 로봇 아암의 선단에 장착된다.

마찰 교반 접합에 있어서는, 미리 정한 압입 깊이(압입량)까지 툴을 워크에 압입시켜, 마찰 교반 동작을 실행시키는 것이 긴요하게 된다. 특허문헌 1에는, 상기 툴의 워크로의 압입량을 검출하는 센서를 구비한 마찰 교반 장치가 개시되어 있다. 이 장치에서는, 상기 센서의 검출 결과에 기초하여, 마찰 교반의 접합 시간을 보정한다.

미리 워크종에 따라서 설정된 설정 가압력대로, 툴이 워크에 압입되었다면, 툴을 워크에 필요한 압입량으로 압입시켜 마찰 교반을 실행할 수 있다. 그러나, 실제로 툴이 워크에 가해지는 실가압력은, 여러 가지의 요인에 의해 설정 가압력과 차이가 생기는 일이 있다. 상기 요인은 예를 들면, 상기 C형 프레임의 휨, 워크에의 압입 저항 등이다. 설정 가압력과 실가압력에 괴리가 있으면, 적확한 마찰 교반을 실행할 수 없는 경우가 생긴다.

상기 실가압력은 예를 들면, 로드 셀을 상기 백업 부재측에 배치하면 검출 가능하다. 그리고, 상기 로드 셀의 검출값에 기초하여, 툴을 피드백 제어하면, 상기 어긋남을 해소한 제어가 가능하다. 그러나, 로드 셀과 같은 센서의 적용은, 마찰 교반 장치의 비용 증가를 초래하는 것 외에 노이즈의 영향에 의한 오동작이 문제가 된다.

일본 특허 공개 제 2006-187778 호 공보

본 개시는 센서류를 이용하는 일이 없이, 툴의 워크로의 압입량을 적확하게 제어할 수 있는 마찰 교반 툴의 제어 방법, 및 이 방법이 적용된 마찰 교반 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시의 하나의 국면에 따른 마찰 교반 툴의 제어 방법은, 마찰 교반을 실행하는 툴의 구동원에 필요한 구동 전류를 부여하여 상기 툴의 동작을 제어하는 제어 방법에 있어서, 상기 툴의 워크로의 압입시에 있어서의 가압력으로서 정해지는 설정 가압력과, 상기 설정 가압력을 발생시키는 구동 전류를 상기 구동원에 부여하여 실제로 상기 워크에 압입시켰을 때의 실가압력을 비교하는 것에 의해 가압력 변화 비율을 구하고, 상기 설정 가압력에 상기 실가압력이 근접하도록, 상기 가압력 변화 비율에 따라서, 상기 구동 전류를 보정하여 상기 구동원을 구동하는 것을 특징으로 한다.

본 개시의 다른 국면에 따른 마찰 교반 장치는, 마찰 교반을 실행하는 툴과, 필요한 구동 전류가 부여되어 상기 툴을 구동하는 구동원과, 상기 구동원을 제어하는 제어부와, 상기 툴의 워크로의 압입시에 있어서의 가압력으로서 정해지는 설정 가압력과, 상기 설정 가압력을 발생시키는 구동 전류를 상기 구동원에 부여하여 실제로 상기 워크에 압입시켰을 때의 실가압력을 비교하는 것에 의해 구한 가압력 변화 비율을 기억하는 기억부를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 설정 가압력에 상기 실가압력이 근접해지도록, 상기 가압력 변화 비율에 따라서 상기 구동 전류를 보정하여 상기 구동원을 구동하는 것을 특징으로 한다.

상기의 마찰 교반 툴의 제어 방법 및 마찰 교반 장치에 의하면, 가압력 변화 비율에 따라서 툴의 구동원의 구동 전류가 보정되는 것에 의해, 실가압력이 설정 가압력에 근접해질 수 있다. 이 때문에, 워크에 대해 상기 가압력 변화 비율을 미리 구해두면, 마찰 교반 툴의 운전시에 있어서, 센서류를 이용하여 실제로 실가압력을 계측하지 않고도, 실가압력을 설정 가압력에 근접시키는 제어가 가능해진다. 즉, 센서리스로 마찰 교반 툴을 제어하고, 설정대로 툴을 워크에 압입시켜 마찰 교반을 실행시킬 수 있다.

본 개시에 의하면, 센서류를 이용하는 일이 없이, 툴의 워크로의 압입량을 적확하게 제어할 수 있는 마찰 교반 툴의 제어 방법, 및 이 방법이 적용된 마찰 교반 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 개시의 실시형태에 따른 마찰 교반 장치가 장착된 로봇의, 요부 확대도를 포함하는 사시도이다.
도 2는 본 개시에 따른 마찰 교반 툴의 일 예인 복동식의 마찰 교반 점접합용 툴을 구비한 마찰 교반 점접합 장치의 구성을 도시하는 모식적인 측면도이다.
도 3은 마찰 교반 장치의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 도 4의 공정도 (A) 내지 (E)는 도 2에 예시한 복동식의 마찰 교반 점접합용 툴을, 숄더 선행 프로세스로 사용하는 경우의 접합 공정을 순차 도시하는 도면이다.
도 5는 마찰 교반 점접합 장치의 측면도이며, C형 프레임의 휨을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 툴의 설정 가압력과, 툴을 워크에 실제로 압입했을 때의 실가압력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 숄더 구동부(7축)의 구동 전류의 보정 상황을 도시하는 그래프이다.
도 7b는 가압력-구동 전류 테이블의 일 예를 도시하는 표 형식의 도면이다.
도 7c는 구동 전류의 보정 비율의 일 예를 도시하는 형식의 도면이다.
도 8은 도 2의 마찰 교반 점접합용 툴을, 숄더 선행 프로세스로 사용하여 마찰 교반 접합을 실행하는 경우의 동작을 도시하는 흐름도이다.
도 9는 로드 셀리스 방식으로 숄더 구동부(7축)의 구동 전류의 보정을 실행하는 경우의 처리를 도시하는 흐름도이다.
도 10의 공정도 (A) 내지 (C)는 단동식의 마찰 교반 점접합용 툴로, 워크의 마찰 교반 접합을 실행하는 경우의 접합 공정을 순차 도시하는 도면이다.
도 11의 그래프 (A)는 단동식의 툴에 대한 설정 가압력과 실가압력의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 11의 그래프 (B)는 그 구동 전류를 도시하는 그래프이다.
도 12의 그래프 (A)는 단동식의 툴에 대한 구동 전류의 보정 후의 설정 가압력과 실가압력의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 12의 그래프 (B)는 구동 전류의 보정 상황을 도시하는 그래프이다.
도 13은 단동식의 마찰 교반 점접합용 툴을 사용하여 마찰 교반 접합을 실행하는 경우의 동작을 도시하는 흐름도이다.

이하, 도면에 기초하여, 본 개시의 실시형태를 상세하게 설명한다. 본 개시에 따른 제어 방법에 있어서, 제어 대상이 되는 마찰 교반 툴 및 마찰 교반 장치는 금속, 열가소성 수지, 열가소성 복합재 등으로 이루어지는 플레이트, 프레임, 외장재 혹은 기둥 형상재 등의 구조 부재를, 2개 이상 중첩하여 점접합되어 이루어지는 각종 접합체의 제조에 적용할 수 있다. 상기 열가소성 복합재는 예를 들면, 탄소섬유 등의 섬유 보강체를 포함하는 복합재이다. 제조되는 접합체는 예를 들면, 항공기, 철도 차량 또는 자동차 등의 구조물의 구성 부재가 된다.

[마찰 교반 장치의 적용예]

도 1은 본 실시형태에 따른 마찰 교반 장치가 장착된 다관절 로봇(5)을 도시하는 사시도이다. 여기에서는, 상기 마찰 교반 장치로서, 복동식의 마찰 교반 점접합용 툴(1)을 구비한 마찰 교반 점접합 장치(M)가, 다관절 로봇(5)에 장착되어 있는 예를 도시하고 있다. 도 2는 마찰 교반 점접합 장치(M)의 구성을 도시하는 모식적인 측면도이다. 또한, 도 1에는 "상" "하"의 방향 표시를 부여하고 있지만, 이것은 설명의 편의를 위한 것이며, 실제의 툴(1)의 사용 방향을 한정하는 의도는 아니다.

다관절 로봇(5)은 기대 상에 입설된 로봇 아암(51)을 구비한다. 로봇 아암(51)은 복수의 아암편과, 이들 아암편을 연결하는 6개의 관절축을 갖고 있다. 즉, 로봇 아암(51)은 도 1에 도시하는 1축(AX1), 2축(AX2), 3(AX3), 4축(AX4), 5축(AX5) 및 6축(AX6)의 축 주위로 각각 회전할 수 있다.

로봇 아암(51)의 아암 선단부(51T)에는, 건(52)이 장착되어 있다. 건(52)은 로봇 아암(51)의 1축(AX1) 내지 6축(AX6) 주위의 회동에 의해, 자유 자재로 삼차원 이동이 가능하다. 이 건(52)에 툴(1)을 구비한 마찰 교반 점접합 장치(M)가 조립되어 있다.

도 1에는 건(52)의 확대도가 부기되어 있다. 건(52)은 하우징부(53)와 C형 프레임(54)을 포함한다. 하우징부(53)는 마찰 교반 점접합 장치(M)의 메커니즘 기구를 수용하고 있다. C형 프레임(54)은 하우징부(53)의 아암 선단부(51T)측에 위치하는 기단부(541)와, 기단부(541)로부터 툴(1)의 하방까지 연장된 선단부(542)를 포함한다. 선단부(542)는 후술하는 백업 부재(15)를 보지하고 있다.

본 개시에 따른 마찰 교반 장치는, 다관절 로봇(5) 이외의 다른 장치에 장착되어도 좋다. 예를 들면, 1축을 따라서 승강만을 실행하는 기계 장치에 마찰 교반 장치가 장착되는 실시형태로 할 수 있다. 또한, 마찰 교반 장치는, 복동식의 마찰 교반 점접합용의 툴(1)을 구비한 마찰 교반 점접합 장치(M)로 한정되지 않는다. 이것을 대신하여, 상기 툴로서, 마찰 교반의 선접합용의 툴, 단동식의 마찰 교반 점접합용의 툴(도 10에 예시하고 있음), 접합 이외의 용도로 사용되는 마찰 교반용의 툴 등을 이용하도록 하여도 좋다.

[마찰 교반 점접합 장치의 구성]

도 2를 참조하여, 마찰 교반 점접합 장치(M)의 메커니즘 구성예를 설명한다. 마찰 교반 점접합 장치(M)는 복동식의 마찰 교반 점접합용의 툴(1)과, 툴(1)을 회전 및 승강 구동하는 툴 구동부(2)와, 툴(1)을 워크에 대해 고정하는 툴 고정부(55)를 포함한다. 본 실시형태에서는 상기 워크는 제 1 부재(31)와 제 2 부재(32)가 상하방향으로 중첩되어 이루어지는 중첩부(30)이며, 마찰 교반 점접합에 의해 최종적으로 접합체(3)를 구성한다.

툴(1)은 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 클램프 부재(13) 및 스프링(14)을 포함한다. 핀 부재(11)는 원기둥형상으로 형성된 부재이며, 그 축선방향이 상하방향으로 연장되도록 배치되어 있다. 핀 부재(11)는 상기 축선을 회전축(R)으로 하여 회전이 가능하며, 또한, 회전축(R)을 따라서 화살표(Z1)로 나타내는 상하방향으로 진퇴 이동이 가능하다. 또한, 툴(1)의 사용시에는, 회전축(R)과 중첩부(30)에 있어서의 점접합 위치(W)가 위치맞춤되도록, 툴(1)이 중첩부(30)에 고정된다.

숄더 부재(12)는 핀 부재(11)의 외주를 덮도록 위치하고 있다. 숄더 부재(12)는, 핀 부재(11)가 내삽(內揷)되는 중공부를 구비하며, 원통형상으로 형성된 부재이다. 숄더 부재(12)의 축심은, 핀 부재(11)의 축선인 회전축(R)과 동축 상에 있다. 숄더 부재(12)는 핀 부재(11)와 동일한 회전축(R) 주위로 회전이 가능하며, 또한, 회전축(R)을 따라서 상하방향을 따라서 화살표(Z2)로 나타내는 상하방향으로 진퇴 이동이 가능하다. 숄더 부재(12)와, 상기 중공부에 내삽된 핀 부재(11)는, 모두 회전축(R)의 축 주위로 회전하면서, 회전축(R)방향으로 상대 이동이 가능하다. 즉, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)는, 회전축(R)을 따라서 동시에 승강할 뿐만 아니라, 한쪽이 하강하면, 다른쪽이 상승한다는 독립 이동이 가능하다.

클램프 부재(13)는 숄더 부재(12)가 내삽되는 중공부를 구비하며, 원통형상으로 형성된 부재이다. 클램프 부재(13)의 축심도 회전축(R)과 동축 상에 있다. 클램프 부재(13)는 축 주위로 회전은 하지 않지만, 회전축(R)을 따라서 화살표(Z3)로 나타내는 상하방향으로 진퇴 이동이 가능하다. 클램프 부재(13)는 핀 부재(11)또는 숄더 부재(12)가 마찰 교반을 실행할 때에, 이들 외주를 둘러싸는 역할을 수행한다. 클램프 부재(13)의 둘러쌈에 의해, 마찰 교반 재료를 흐트러지지 않고, 마찰 교반 점접합 부분을 평활하게 마무리할 수 있다.

스프링(14)은 클램프 부재(13)의 상단부(131)에 상방으로 연장되도록 장착되어 있다. 스프링(14)은 클램프 부재(13)를 중첩부(30)를 향하는 방향인 하방으로 부세되어 있다.

툴 고정부(55)는 회전 툴 고정기(551)와, 클램프 고정기(552)를 포함한다. 회전 툴 고정기(551)는 핀 부재(11)가 내삽된 숄더 부재(12)의 상방에 배치되며, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 지지하고 있다. 클램프 고정기(552)는 스프링(14)을 거쳐서 클램프 부재(13)를 지지하고 있다. 또한, 클램프 고정기(552)는 후술의 회전 구동부(23)를 거쳐서, 회전 툴 고정기(551)를 지지하고 있다.

툴(1)의 하단면에 대향하여, 백업 부재(15)가 배치되어 있다. 백업 부재(15)는 접합 대상의 워크, 본 실시형태에서는 중첩부(30)의 하면측에 접촉하는 지지 평면(151)을 구비한다. 백업 부재(15)는 핀 부재(11) 또는 숄더 부재(12)가 중첩부(30)에 압입될 때에, 당해 중첩부(30)를 지지하는 백킹 부재이다. 백업 부재(15)는 C형 프레임(54)의 선단부(542)에서 보지되어 있다. 스프링(14)으로 부세 된 클램프 부재(13)는 중첩부(30)를 백업 부재(15)에 가압한다. 이에 의해, 툴(1)은 중첩부(30)에 고정된다.

이상과 같이, 핀 부재(11)의 진퇴 이동축 및 숄더 부재(12)의 진퇴 이동축은, 모두 회전축(R)을 따르는 축선이다. 또한, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)는, 회전축(R)의 축 주위로 회전한다. 본 실시형태에서는, 로봇 아암(51)이 1축(AX1) 내지 6축(AX6)을 갖고 있으므로, 도 1의 요부 확대도에 도시하는 바와 같이, 숄더 부재(12)의 진퇴 이동축을 7축(AX7), 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 회전축을 8축(AX8), 핀 부재(11)의 진퇴 이동축을 9축(AX9)으로 취급한다.

툴 구동부(2)는 핀 구동부(21), 숄더 구동부(22) 및 회전 구동부(23)를 포함한다. 핀 구동부(21)는 회전축(R)을 따라서 핀 부재(11)를 진퇴 이동, 즉 승강시키는 기구이다. 핀 구동부(21)에 의해, 핀 부재(11)의 하단부(11T)가 중첩부(30)로 향하도록 하강하거나, 혹은, 중첩부(30)에 대해 상승하도록 구동된다. 핀 구동부(21)로서는, 예를 들면 직동 액추에이터를 이용할 수 있다. 직동 액추에이터로서는, 서보 모터 및 랙/피니언으로 구성되는 액추에이터, 혹은, 서보 모터 및 볼 나사로 구성되는 액추에이터 등을 이용할 수 있다.

숄더 구동부(22)는 회전축(R)을 따라서 숄더 부재(12)를 진퇴 이동시키는 기구이다. 숄더 구동부(22)에 의해, 숄더 부재(12)의 하단부(12T)가 중첩부(30)로의 압입 및 퇴피를 실행하도록 구동된다. 숄더 구동부(22)로서는, 상기의 동일한 직동 액추에이터를 이용할 수 있다. 본 실시형태의 숄더 구동부(22)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12) 및 클램프 부재(13)를 지지하는 툴 고정부(55) 자체를 승강시키는 기구로 되어 있다. 이 때문에, 도 2에 도시되어 있는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12) 및 클램프 부재(13)의 화살표(Z1, Z2, Z3)방향의 이동은, 모두 숄더 구동부(22)의 구동에 의해 실현 가능하다.

단, 핀 부재(11)에 대해서는, 핀 구동부(21)로 구동되는 것에 의해, 숄더 부재(12) 및 클램프 부재(13)는 독립하여 진퇴 이동이 가능하다. 예를 들면, 숄더 구동부(22)에 의해 숄더 부재(12)가 하강 구동되고 있는 상황에서도, 핀 구동부(21)에 의해 핀 부재(11)가 상승 구동되는 것이 가능하다. 또한, 클램프 부재(13)에는, 숄더 구동부(22)에 의해 하강되고, 그 하단부(13T)가 중첩부(30)에 접촉한 상태에서는, 스프링(14)의 부세력도 작용한다. 상기 부세력에 의해, 클램프 부재(13)는 중첩부(30)를 백업 부재(15)에 가압하여, 중첩부(30)에 대해 툴(1)을 고정한다.

회전 구동부(23)는 서보 모터 및 구동 기어 등을 포함하며, 클램프 고정기(552)에 보지되어 있다. 회전 구동부(23)는 회전 툴 고정기(551)를 회전 구동한다. 이 회전 구동에 의해, 회전 툴 고정기(551)에 지지되어 있는 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)는 회전축(R) 주위로 회전한다.

[마찰 교반 점접합 장치의 제어 구성]

도 3은 마찰 교반 점접합 장치(M)의 제어 구성을 도시하는 블록도이다. 마찰 교반 점접합 장치(M)는 제어 구성으로서, 컨트롤러(61), 입력부(62) 및 기억부(63)를 구비하고 있다. 컨트롤러(61)는 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지며, 소정의 제어 프로그램을 실행하는 것에 의해, 툴 구동부(2)의 각 부의 동작, 및 로봇 구동부(51M)를 제어한다. 또한, 로봇 구동부(51M)는, 로봇 아암(51)의 1축(AX1) 내지 6축(AX6)을 구동하는 액추에이터를 포함한다.

구체적으로는 컨트롤러(61)는 핀 구동부(21)를 제어하여, 핀 부재(11)를 독립적으로 진퇴 이동시킨다. 또한, 컨트롤러(61)는 숄더 구동부(22)를 제어하여, 핀 부재(11), 숄더 부재(12) 및 클램프 부재(13)에, 필요한 진퇴 이동을 실행시킨다. 이들 진퇴 이동에 의해, 중첩부(30)로의 툴(1)의 고정, 중첩부(30)로의 핀 부재(11) 또는 숄더 부재(12)의 압입 동작 등이 실행된다. 또한, 컨트롤러(61)는 회전 구동부(23)를 제어하여, 상기 진퇴 이동의 적절한 기간에 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 회전축(R) 주위로 회전시켜, 중첩부(30)의 점접합 위치(W)에 대해 마찰 교반을 실행시킨다. 이들에 부가하여, 컨트롤러(61)는 로봇 구동부(51M)를 제어하여, 툴(1)의 점접합 위치(W)로의 위치결정을 실행시킨다.

상술한 복동식의 마찰 교반 점접합용 툴(1)의 사용 방법으로서는, 핀 선행 프로세스와 숄더 선행 프로세스가 있다. 핀 선행 프로세스로 마찰 교반을 실행시키는 경우, 컨트롤러(61)는 툴(1)의 핀 부재(11)를 선행하여 중첩부(30)로 압입시켜 마찰 교반을 실행시키는 한편, 숄더 부재(12)를 퇴피를 위해 상승시킨다. 그 후가 되메우기 공정에서는, 핀 부재(11)를 상승시켜 퇴피시키는 한편, 숄더 부재(12)를 하강시킨다.

한편, 숄더 선행 프로세스로 마찰 교반을 실행시키는 경우, 컨트롤러(61)는 툴(1)의 숄더 부재(12)를 선행하여 중첩부(30)로 압입시켜 마찰 교반을 실행시키는 한편, 핀 부재(11)를 퇴피를 위해 상승시킨다. 그 후의 되메우기 공정에서는, 숄더 부재(12)를 상승시켜 퇴피시키는 한편, 핀 부재(11)를 하강시킨다. 본 실시형태에서는, 숄더 선행 프로세스가 채용되는 예를 나타낸다. 이 숄더 선행 프로세스에 대해서는, 도 4에 기초하여 후기로 상세하게 설명한다.

입력부(62)는 키보드나 터치 패널 등으로 이루어지며, 컨트롤러(61)에 대한 필요한 데이터 입력을 받아들인다. 입력되는 데이터는 예를 들면, 마찰 교반 접합의 제어에 관한 각종 파라미터, 워크의 두께, 재질, 툴(1)의 압입 깊이, 점접합 위치(W)의 좌표 데이터 등이다.

기억부(63)는 마찰 교반 점접합 장치(M)의 제어 프로그램, 각종 기본 설정 데이터, 입력부(62)로부터 입력된 데이터 등을 기억한다. 본 실시형태의 기억부(63)는 테이블 기억부(64) 및 보정 비율 기억부(65)를 구비한다. 테이블 기억부(64)는 툴(1)을 워크에 압입시킬 때의 가압력과, 툴(1)을 압입시키는 구동부(본 실시형태에서는 숄더 구동부(22))의 구동 전류의 관계를 나타내는 가압력-구동 전류 테이블을 기억한다. 상기 테이블은 후출의 도 7b에 예시되어 있다. 보정 비율 기억부(65)는 마찰 교반의 스테이지와 상기 구동 전류의 보정 비율의 관계를 나타내는 보정 비율 테이블을 기억한다. 상기 보정 비율 테이블은 후출의 도 7c에 예시되어 있다.

[숄더 선행 프로세스에 의한 마찰 교반 접합]

계속해서, 상술의 숄더 선행 프로세스에 대해 구체적으로 설명한다. 도 4의 공정도 (A) 내지 (E)는, 도 2에 예시한 복동식의 마찰 교반 점접합용 툴(1)을, 숄더 선행 프로세스에서 사용하는 경우의 마찰 교반 접합 공정을, 순차 실행되는 스테이지(ST1 내지 ST5)로 구분하여 도시하는 도면이다. 여기에서는, 제 1 부재(31)와 제 2 부재(32)의 중첩부(30)를 워크로 하여, 마찰 교반 점접합하는 경우의 공정을 도시한다.

도 4의 (A)의 스테이지 ST1은 중첩부(30)의 예열 공정을 도시하고 있다. 예열 공정은 툴(1)의 압입 전에 중첩부(30)를 마찰력으로 미리 가열하는 공정이다. 중첩부(30)는 스프링(14)의 부세력을 따른 클램프 부재(13)의 하단부(13T)에서 가압되며, 백업 부재(15)에 가압되어 있다. 핀 부재(11)의 하단부(11T) 및 숄더 부재(12)의 하단부(12T)는 제 1 부재(31)의 표면에 접촉되어 있다. 이 상태에서, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 회전축(R)의 축 주위로 고속 회전시킨다.

도 4의 (B)의 스테이지 ST2는 숄더 부재(12)의 압입 공정을 도시하고 있다. 압입 공정에서는, 숄더 부재(12)를 하강시켜 하단부(12T)를 중첩부(30)에 압입시키는 한편, 핀 부재(11)를 퇴피를 위해 상승시킨다. 핀 부재(11)의 동작에 주목하면, 이 압입 공정은 워크에 대해 상승하는 방향을 향하는 상승 공정이 된다. 상기의 동작에 의해, 숄더 부재(12)의 압입 영역의 재료가 교반되고, 중첩부(30)에는 마찰 교반부(40)가 형성된다. 또한, 숄더 부재(12)의 압입에 의해 마찰 교반부(40)의 일부는 중첩부(30)로부터 흘러넘쳐, 핀 부재(11)의 퇴피에 의해 생긴, 숄더 부재(12)의 중공 공간으로 빠져나간다.

도 4의 (C)의 스테이지 ST3은 넘친 마찰 교반 재료의 되메우기 공정을 도시하고 있다. 되메우기 공정에서는, 숄더 부재(12)를 상승시켜 중첩부(30)로부터 퇴피시키는 한편, 핀 부재(11)를 하강시킨다. 핀 부재(11)의 동작에 주목하면, 이 되메우기 공정은 워크에 대해 하강하는 방향을 향하는 하강 공정이 된다. 핀 부재(11)의 하강에 의해, 상기 중공 공간으로 빠져나간 마찰 교반 재료가 하단부(11T)에 가압되어, 숄더 부재(12)의 압입 영역에 되메워진다.

도 4의 (D)의 스테이지 ST4는 평활화 공정을 도시하고 있다. 평활화 공정에서는, 핀 부재(11)의 하단부(11T) 및 숄더 부재(12)의 하단부(12T)를 제 1 부재(31)의 표면의 높이 위치로 복귀시키는 동시에 양자를 회전축(R) 주위로 회전시켜, 마찰 교반부(40)의 상면을 평활화한다.

도 4의 (E)의 스테이지 ST5는 마찰 교반 접합이 완료된 상태를 나타내고 있다. 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)는 상승되며, 클램프 부재(13) 및 백업 부재(15)에 의한 중첩부(30)의 클램프도 해제되어 있다. 마찰 교반부(40)는 고화되는 것에 의해 교반 접합부(4)가 되며, 제 1 부재(31)와 제 2 부재(32)가 접합되어 이루어지는 접합체(3)가 형성되어 있다.

[툴의 압입 깊이의 오차 요인]

마찰 교반 접합에 있어서는, 툴(1)을 미리 정해진 압입 깊이(압입량)까지 워크에 압입시켜, 마찰 교반 동작을 실행시키는 것이 긴요해진다. 예를 들면, 상술의 숄더 선행 프로세스에서는, 예를 들면, 가장 높은 접합 강도를 얻을 수 있는 깊이로서 설정된 압입 깊이까지, 숄더 부재(12)를 중첩부(30)에 압입하여, 마찰 교반시키는 것이 요구된다.

툴(1)의 압입 깊이의 제어에는, 툴(1)의 워크에 대한 가압력이 이용된다. 상기 가압력에는 설정 가압력, 산출 가압력 및 실가압력이 있다. 설정 가압력은 툴(1)의 워크로의 압입시에 있어서의 가압력으로서 미리 설정되며, 접합 대상의 워크종, 두께 등에 따라서 미리 설정되어 있는 가압력이다. 예를 들면, 마찰 교반 점접합 장치(M)를 구비하는 다관절 로봇(5)에, 중첩부(30)에 대해 숄더 부재(12)를 10kN의 가압력으로 압입시키도록 지령하는 가압력이 설정 가압력이다. 이 설정 가압력에 따른 숄더 구동부(22)의 구동 전류, 예를 들면, 서보 모터의 모터 전류에 상당하는 7축 구동 전류가, 지령 전류로서 미리 테이블 형식으로 정해져 있다. 일 예로서, 10kN의 설정 가압력의 발생에 필요한 지령 전류는 10A(암페어)로 해둔다.

산출 가압력은 다관절 로봇(5)측이 인식하고 있는 가압력이다. 구체적으로는 산출 가압력은, 설정 가압력에 대응한 지령 전류=10A를 숄더 구동부(22)에 부여하고, 실제로 숄더 구동부(22)에 흐른 전류인 실구동 전류로부터 산출되는 가압력이다. 회로 이상 등이 생기지 않은 한, 지령 전류와 동일한 전류가 숄더 구동부(22)에 흐르므로, 실구동 전류=10A가 된다. 따라서, 설정 가압력과 산출 가압력은 동일해진다.

실가압력은 실제로 툴(1)이 중첩부(30)에 대해 부여하고 있는 가압력이다. 즉, 실가압력은 설정 가압력을 발생시키는 지령 전류인 실구동 전류를 숄더 구동부(22)에 부여했을 때, 구체적으로는 실구동 전류=10A로 숄더 구동부(22)를 구동하며, 숄더 부재(12)를 중첩부(30)에 압입시켰을 때에, 실제로 발생하고 있는 가압력이다. 설정 가압력에 동일한 실가압력이 발생되고 있으면, 툴(1)이 필요한 압입 깊이로 중첩부(30)에 압입되어, 적정한 마찰 교반이 실행된다. 그러나, 다음 설명하는 요인에 의해 설정 가압력과 실가압력에 차이가 생기고, 예를 들면, 실구동 전류=10A여도, 실가압력=9kN가 되는 일이 있다.

설정 가압력과 실가압력에 괴리가 생기는 요인 중 하나는 C형 프레임(54)의 휨이다. 본 실시형태와 같이, C형 프레임(54)을 갖는 건(52)에 마찰 교반 점접합 장치(M)가 조립되는 경우, 툴(1)의 압입 깊이의 컨트롤에는, C형 프레임(54)의 휨을 고려할 필요가 있다. 도 5는 마찰 교반 점접합 장치(M)의 측면도이며, C형 프레임(54)의 휨을 설명하기 위한 도면이다. 워크인 중첩부(30)는 C형 프레임(54)의 자유단인 선단부(542)에서 지지된 백업 부재(15)로 낮아지지 않게 된다. 중첩부(30)의 상측으로부터 툴(1)을 압입시킨 경우, 도 5에 있어서 점선으로 나타내는 바와 같이, 그 압압력에 의해 선단부(542)가 하방을 향하도록 C형 프레임(54)이 휜다. 이 휨이, 중첩부(30)의 툴(1)에 대한 빠져나감이 되어, 가압력에 로스가 생긴다.

이에 부가하여, 본 개시자 등의 검토에 의하면, 툴(1)이 복동식의 마찰 교반 점접합용 툴인 경우, 9축(AX9)에 상당하는 핀 부재(11)의 동작 방향도 가압력 변동의 요인이 되는 것이 판명되었다. 구체적으로는, 핀 부재(11)가 워크에 대해 상승(퇴피)하는 방향을 향하는 상승 공정에서는 실가압력이 저하하고, 반대로 핀 부재(11)가 워크에 대해 하강(접근)하는 방향을 향하는 하강 공정에서는 실가압력이 증가하는 경향이 되는 것이 판명되었다.

설정 가압력과 실가압력의 괴리의 다른 요인은 툴(1)의 압입 동작 자체에 의한 가압력 변동이다. 툴(1)을 회전축(R) 주위로 회전시키는 일이 없이 워크를 가압하는 경우와, 툴(1)을 회전시켜 마찰 교반을 실행하면서 워크를 가압하는 경우는, 실가압력에 차이가 생긴다. 후자의 경우, 마찰 교반에 의해 재료가 연화된 부분을 툴(1)이 가압하므로, 전자에 비해 가압력이 저하하는 경향이 있다.

또한, 제어 상에서, 산출 가압력과 실가압력을 일치시키는 것이 곤란한 요인도 있다. 상기 실가압력은 로드 셀과 같은 가압력 검지 센서를 백업 부재(15)측에 배치하면 검출 가능하다. 예를 들면, C형 프레임(54)의 선단부(542)에 로드 셀을 설치해두면, 당해 로드 셀의 검출값에 기초하여 실가압력을 피드백 제어하면, 산출 가압력과 실가압력의 어긋남을 해소할 수 있다. 그러나, 비용면이나 오동작의 염려의 관점에서 로드 셀을 이용하지 않는 제어를 실행하는 경우, 실가압력을 직독할 수 없으므로, 산출 가압력과 실가압력의 어긋남을 해소하는 것이 어렵다.

[설정 가압력과 실가압력을 일치시키는 제어]

본 실시형태에서는, 설정 가압력과 실가압력을 일치시키기 위해, 마찰 교반 툴의 구동원의 구동 전류를 보정하는 제어를 실행한다. 상기 복동식의 마찰 교반 점접합용의 툴(1)을 이용하는 경우, 설정 가압력과, 이 설정 가압력을 발생시키는 구동 전류를 숄더 구동부(22)에 부여하여 실제로 중첩부(30)에 압입시켰을 때의 실가압력을 비교하는 것에 의해, 미리 가압력 변화 비율을 구해둔다. 그리고, 설정 가압력에 실가압력이 근접해지도록, 바람직하게, 양자가 일치하도록, 상기 가압력 변화 비율에 따라서 숄더 구동부(22)에 부여하는 구동 전류를 보정한다.

도 6은 마찰 교반 점접합용의 툴(1)을 이용한 숄더 선행 프로세스로의 마찰 교반 접합에 있어서의, 설정 가압력(Pa)과 실가압력(Pb)의 관계를 나타내는 그래프이다. 즉, 설정 가압력에 대한 실가압력의 가압력 변화 비율을 도시하는 그래프이다. 가압력 변화 비율은 워크의 샘플 등을 이용하여 실험적으로 도출하거나, 혹은, 워크에 대한 마찰 교반의 경험치 등에 기초하여 미리 도출된다. 도 6의 상부에 부기되어 있는 ST1, ST2, ST3의 영역 표시는, 도 4의 공정도 (A) 내지 (C)에 예시한 스테이지 ST1, ST2, ST3에 대응하고 있다. 도 6에서는 설정 가압력(Pa)은 10kN이며, 실가압력(Pb)은 9kN 내지 11kN의 범위에서 변동하고 있는 예를 도시하고 있다.

스테이지 ST1의 예열 공정에서는, 설정 가압력(Pa)과 실가압력(Pb)은 일치한다. 이것은, 예열 공정에서는, 툴(1)(숄더 부재(12))의 중첩부(30)로의 압입이 실행되지 않는 단계이기 때문이다. 이에 대해, 스테이지 ST2의 압입 공정에서는, 실가압력(Pb)은 9kN까지 저하하고 있다. 그 저하 요인으로서는, 상술의 C형 프레임(54)의 휨, 툴(1)의 회전 압입에 의한 로스가 포함된다. 또한, 스테이지 ST2는, 핀 부재(11)가 워크에 대해 상승하는 상승 공정인 것에 따른 로스도 요인이다. 이 스테이지 ST2에 있어서의 설정 가압력(Pa)과 실가압력(Pb)의 압력차로부터, 당해 스테이지 ST2의 제 1 가압력 변화 비율(Dp1)이 미리 구해진다.

스테이지 ST3이 되메우기 공정에서는, 실가압력(Pb)은 11kN까지 증가하고 있다. 스테이지 ST3에서는, 숄더 부재(12)가 상승하는 것으로 인해 C형 프레임(54)의 휨의 로스가 생기기 어려워진다. 한편, 핀 부재(11)가 워크에 대해 하강하는 하강 공정이므로, 핀 부재(11)가 중첩부(30)에 압압력을 작용시키게 된다. 이 때문에, 스테이지 ST3에서는 실가압력(Pb)은 증가한다. 스테이지 ST3에 있어서의 설정 가압력(Pa)과 실가압력(Pb)의 압력차로부터, 당해 스테이지 ST3의 제 2 가압력 변화 비율(Dp2)이 구해진다. 이와 같이, 툴(1)의 압입 동작에 따른 스테이지 ST1 내지 ST3마다, 미리 가압력 변화 비율이 구해진다.

마찰 교반 점접합 장치(M)를 구비하는 다관절 로봇(5)을 제어하여 마찰 교반 점접합을 실행할 때에는, 스테이지 ST1, ST2에 있어서, 제 1 및 제 2 가압력 변화 비율(Dp1, Dp2)에 따라서, 숄더 구동부(22)의 구동 전류인 7축 구동 전류를 보정한다. 도 7a는 숄더 구동부(22)에 부여하는 7축 구동 전류의 보정 상황을 도시하는 그래프이다. 도 7a에는 7축 구동 전류로서, 설정 가압력에 대응한 지령 전류(Aa)와, 이 지령 전류(Aa)를 제 1, 제 2 가압력 변화 비율(Dp1, Dp2)에 따라서 보정한 보정 전류(Ab)가 나타나 있다.

설정 가압력(Pa)과 실가압력(Pb)이 일치하는 스테이지 ST1에서는, 지령 전류(Aa)의 보정은 하지 않는다. 따라서, 지령 전류 Aa=보정 전류 Ab=10A이다. 이에 대해, 실가압력(Pb)이 저하하는 스테이지 ST2에서는, 지령 전류(Aa)가 제 1 가압력 변화 비율(Dp1)에 따른 보정분(Da1)만큼 증가하도록 보정된다. 여기에서는, 보정분 Da1=+1A이며, 지령 전류 Aa=10A 내지 보정 전류 Ab=11A로 증가 보정되는 예를 나타내고 있다. 한편, 실가압력(Pb)이 증가하는 스테이지 ST3에서는, 지령 전류(Aa)가 제 2 가압력 변화 비율(Dp2)에 따른 보정분(Da2)만큼 감소하도록 보정된다. 여기에서는, 보정분 Da2=-1A이며, 지령 전류 Aa=10A로부터 보정 전류 Ab=9A로 감소 보정되는 예를 나타내고 있다.

도 7b는 가압력-구동 전류 테이블의 일 예를 나타내는 표이다. 이 표의 우측란의 구동 전류(A1 내지 A5…)는, 설정 가압력(P1 내지 P5…)마다 미리 정해진 숄더 구동부(22)의 지령 전류이다. 도 7b의 표는 말하자면, 설정 가압력을 숄더 구동부(22)의 구동 전류로 환산하는 테이블이다. 이 가압력-구동 전류 테이블은, 기억부(63)의 테이블 기억부(64)(도 3)에 미리 격납된다.

도 7c는 가압력 변화 비율에 기초하는 구동 전류의 보정 비율의 일 예를 나타내는 표이다. 여기에서는, 설정 가압력(P1)일 때의, 스테이지(ST1 내지 ST3)의 각각에 있어서의 구동 전류(A1)의 보정 비율이 나타나 있다. 상술한 바와 같이, 스테이지 ST1에서는 구동 전류는 제로 보정, 스테이지 ST2에서는 플러스의 보정 비율, 스테이지 ST3에서는 마이너스의 보정 비율이다. 설정 가압력이 상이하면, 보정 비율의 수치가 상이한 일이 있지만, 플러스/마이너스의 경향은 변함없다. 이 보정 비율 테이블은, 기억부(63)의 보정 비율 기억부(65)에 미리 격납된다.

이상은, 숄더 선행 프로세스가 채용되는 경우의 예이지만, 핀 선행 프로세스에서도 구동 전류의 보정의 사고 방식은 동일하다. 핀 선행 프로세스에서는, 워크에 압입되는 것은 핀 부재(11)이기 때문에, 툴(1)의 압입 구동원은 핀 구동부(21)가 된다. 핀 부재(11)가 워크에 압입되는 압입 공정, 즉, 핀 부재(11)가 워크에 대해 하강하는 하강 공정에서는, 핀 구동부(21)에 부여되는 구동 전류는, 지령 전류에 대해 감소 보정된다. 한편, 핀 부재(11)가 워크로부터 퇴피하는 되메우기 공정, 즉 핀 부재(11)가 워크에 대해 상승하는 상승 공정에서는, 핀 구동부(21)에 부여되는 구동 전류는, 지령 전류에 대해 증가 보정된다.

[마찰 교반 접합 처리의 흐름]

도 8은 도 2의 마찰 교반 점접합용 툴(1)을, 숄더 선행 프로세스로 사용하여 마찰 교반 접합을 실행하는 경우의, 도 3에 도시하는 컨트롤러(61)의 처리를 도시하는 흐름도이다. 컨트롤러(61)는 입력부(62)로부터의 입력 정보, 혹은 기억부(63)에 격납되어 있는 정보로부터, 접합 대상 워크의 위치 정보, 속성 정보를 취득한다(단계 S1). 구체적으로는, 접합 위치의 좌표 정보, 접합 대상 워크의 재질을 나타내는 종별 데이터, 워크의 두께, 툴(1)의 압입 깊이 등의 정보가 취득된다.

다음에, 컨트롤러(61)는 단계 S1에서 취득한 접합 위치에 대한 설정 가압력, 7축 구동 전류 및 그 보정 비율의 정보를 취득한다(단계 S2). 이 때, 컨트롤러(61)는 기억부(63)의 테이블 기억부(64)의 가압력-구동 전류 테이블 및, 보정 비율 기억부(65)의 보정 비율 테이블을 참조한다.

계속해서, 컨트롤러(61)는 툴(1)을 접합 대상 워크에 위치결정하기 위해, 로봇 아암(51)을 구동한다. 구체적으로는 컨트롤러(61)는 로봇 구동부(51M)를 제어하여, 로봇 아암(51)의 1축(AX1) 내지 6축(AX6)을 소요량 구동시킨다(단계 S3). 도 2의 예의 경우, 단계 S3이 완료된 상태는, 툴(1)의 하단부(11T, 12T)가 중첩부(30)에 소정 간격을 두고 대치하며, 점접합 위치(W)에 대해 툴(1)의 회전축(R)이 위치맞춤된 상태이다.

그 후, 컨트롤러(61)는 툴(1)에 마찰 교반 동작을 실행시킨다. 컨트롤러(61)는 숄더 구동부(22)를 구동하여 툴(1)을 전체적으로 하강시키는 7축 하강 구동을 실행하는 동시에, 회전 구동부(23)를 구동하여 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 회전축(R) 주위로 회전시키는 8축 회전 구동 동작을 개시한다(단계 S4). 툴(1)의 하단면이 중첩부(30)의 상면에 접촉하면, 클램프 부재(13)에 의해 중첩부(30)가 클램프되는 동시에, 도 4의 공정도 (A)에 도시한 스테이지 ST1의 예열 공정이 개시된다(단계 S5). 상술한 바와 같이, 예열 공정에서는 숄더 구동부(22)에 부여하는 7축 구동 전류는 보정되지 않으며, 단계 S2에서 취득한 7축 구동 전류가 그대로 적용된다.

다음에 컨트롤러(61)는 도 4의 공정도 (B)에 도시한 스테이지 ST2의 압입 공정을 실행시킨다. 구체적으로는, 컨트롤러(61)는 숄더 구동부(22)를 구동하여 숄더 부재(12)를 더욱 하강시키는 7축 하강 구동을 실행시키고, 회전 구동부(23)에 의한 툴(1)의 회전 구동을 계속시키는 8축 회전을 실행시키고, 한편, 핀 구동부(21)를 구동하여 핀 부재(11)를 상승시키는 9축 상승 구동을 실행시킨다(단계 S6). 이 압입 공정에서는, 핀 부재(11)가 상승 방향으로 이동하므로, 7축 구동 전류는 증가 보정된다. 컨트롤러(61)는 단계 S2에서 취득한 스테이지 ST2에 있어서의 보정 비율에 기초하여, 7축 구동 전류를 증가 보정한다.

계속해서, 컨트롤러(61)는 도 4의 공정도 (C)에 도시한 스테이지 ST3의 되메우기 공정을 실행시킨다. 구체적으로는 컨트롤러(61)는 숄더 구동부(22)를 구동하여 숄더 부재(12)를 상승시키는 7축 상승 구동), 및 회전 구동부(23)에 의한 툴(1)의 회전 구동을 계속시키는 8축 회전을 실행시키고, 한편 핀 구동부(21)를 구동하여 핀 부재(11)를 하강시키는 9축 하강 구동을 실행시킨다(단계 S7). 이 되메우기 공정에서는, 핀 부재(11)가 하강 방향으로 이동하므로, 7축 구동 전류는 감소 보정된다. 컨트롤러(61)는 단계 S2에서 취득한 스테이지 ST3에 있어서의 보정 비율에 기초하여, 7축 구동 전류를 감소 보정한다.

그 후, 컨트롤러(61)는 필요에 따라서 스테이지 ST4의 평탄화 공정을 실행시킨 후, 숄더 구동부(22)를 구동하여 툴(1)이 중첩부(30)에 대해 상방으로 이격되도록, 툴(1) 전체를 상승시킨다(단계 S8). 이 상승에 의해, 클램프 부재(13)에 의한 중첩부(30)의 클램프도 해제된다. 그 후, 컨트롤러(61)는 회전 구동부(23)에 의한 툴(1)의 회전 구동을 정지시키고(단계 S9), 타겟으로 하는 접합 위치에서의 처리를 종료한다.

[가압력 센서리스 방식에 의한 구동 전류 제어]

도 9는 로드 셀리스 등의 가압력 센서를 이용하지 않는 방식으로, 숄더 구동부(22)의 7축 구동 전류의 보정을 실행하는 경우의 처리를 도시하는 흐름도이다. 이 처리는, 예를 들면 도 8에 도시하는 플로우에 있어서, 7축 구동 전류의 증감 보정을 실행하는 단계 S6, S7에 있어서, 컨트롤러(61)가 실행하는 처리이다. 또한 도 9의 흐름도의 오른쪽 옆으로 점선 프레임으로 부기하고 있는 구체적인 예는, 도 6에 예시한 스테이지 ST2의 압입 공정(도 8의 단계 S6)을 상정하고 있다.

컨트롤러(61)는 지금부터 워크에 대해 실행하는 마찰 교반 점접합 개소에 대해, 미리 설정되어 있는 설정 가압력을 취득한다(단계 S11). 일 예로서, 설정 가압력이 10kN이라 가정한다. 계속해서, 컨트롤러(61)는 기억부(63)의 테이블 기억부(64)에 격납되어 있는, 도 7b에 예시한 바와 같은, 설정 가압력으로부터 산출되는 7축 구동 전류의 테이블을 참조한다. 이 테이블에 기초하여 컨트롤러(61)는 7축 구동부인 숄더 구동부(22)의 지령 전류(제 1 구동 전류)를, 단계 S11에서 취득한 설정 가압력에 따라서 특정한다(단계 S12). 일 예로서, 설정 가압력=10kN에 대응하는 상기 지령 전류가 10A라 가정한다.

다음에 컨트롤러(61)는 도 6에 예시한 가압력 변화 비율에 기초하여, 단계 S12에서 특정된 지령 전류를 가감(상태) 보정한다. 구체적으로는, 컨트롤러(61)는 보정 비율 기억부(65)에 격납되어 있는, 도 7c에 예시한 바와 같은, 7축 구동 전류의 보정 비율 테이블을 참조한다. 이 테이블에 기초하여 컨트롤러(61)는 상기 지령 전류에 마찰 교반 점접합 처리의 스테이지마다 설정된 보정 비율을 곱하여, 7축 구동부에 대한 구동 전류 지령값(제 2 구동 전류)을 설정한다(단계 S13). 일 예에서는, 스테이지 ST2의 보정 비율은 +20%이므로, 지령 전류=10A를 20% 증가시킨 12A가 구동 전류 지령값이 된다.

계속해서 컨트롤러(61)는 단계 S13에서 설정한 구동 전류 지령값에 상당하는 전류를 실제로 7축 구동부에 공급하여(단계 S14), 워크에 대해 툴(1)을 작용시킨다. 일 예에서는, 숄더 구동부(22)에 구동 전류 지령값=12A를 공급하는 것에 의해, 숄더 부재(12)를 중첩부(30)에 압입시키도록 동작시킨다. 만약 공정이 스테이지 ST3이 되메우기 공정이면, 워크에 대한 툴(1)의 작용은, 숄더 부재(12)의 중첩부(30)로부터의 퇴피와 핀 부재(11)의 하강이 된다.

다음에 컨트롤러(61)는 7축 구동부에 구동 전류 지령값의 전류를 공급해 워크에 대해 툴(1)을 작용시켰을 때에, 당해 7축 구동부에 실제로 흐른 실구동 전류(제 3 구동 전류)를 검출한다(단계 S15). 일 예에서는, 숄더 구동부(22)에 구동 전류 지령값=12A를 공급하여 숄더 부재(12)에 압입 동작을 실행시켰을 때에, 숄더 구동부(22)에 실제로 흐른 실구동 전류를 구한다. 여기에서는, 실구동 전류=12A인 것으로 가정한다.

그 후, 컨트롤러(61)는 상기 실구동 전류에 대해, 스테이지마다 설정된 보정 비율(가압력 변화 비율)에 기초하여, 단계 S13에서 실행한 가감(상태) 보정과는 역의 가감(상태) 보정을 실행한다. 이 때, 컨트롤러(61)는 보정 비율 기억부(65)의 보정 비율 테이블을 참조한다. 이 처리에 의해 역보정 구동 전류(제 4 구동 전류)가 구해진다(단계 S17). 일 예에서는, 스테이지 ST2의 보정 비율=+20%를 사용하고, 역보정을 위해 실구동 전류=12A를 1.2로 나누는 것에 의해, 역보정 구동 전류=10A가 구해진다.

계속해서, 컨트롤러(61)는 테이블 기억부(64)의 가압력-구동 전류 테이블을 참조하여, 역보정 구동 전류로부터 환산되는 산출 가압력(목표 실가압력)을 구한다(단계 S17). 일 예에서는, 역보정 구동 전류=10A일 때는 산출 가압력=10kN이다. 그리고, 컨트롤러(61)는 상기 산출 가압력에, 실구동 전류(제 3 구동 전류)로 7축 구동부를 구동시켰을 때의 실가압력이 일치하도록, 구동 전류 지령값(제 2 구동 전류)을 보정한다(단계 S18). 7축 구동부는, 보정된 구동 전류 지령값으로 구동된다. 이와 같은 처리에 의해, 실측되어 있지 않은 실가압력을, 7축 구동 전류에 기초하여 제어할 수 있다.

[단동식의 마찰 교반 점접합 툴을 이용하는 경우의 실시형태]

이상, 본 개시를 복동식의 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 실시하는 예를 나타냈지만, 본 개시는 단동식의 마찰 교반 점접합 툴을 이용하는 경우에서도 실시할 수 있다. 도 10의 공정도 (A) 내지 (C)는 단동식의 마찰 교반 점접합용 툴로 워크의 마찰 교반 접합을 실행하는 경우의 접합 공정을 순차 도시하는 도면이다.

이용되는 툴은, 원기둥 형상으로 형성된 단축 툴(16)이다. 단축 툴(16)은 축선(회전축(R)) 회전의 회전과 축선을 따른 방향으로의 진퇴 이동이 가능하다. 단축 툴(16)은 도시생략의 구동원에 의해 진퇴 이동하도록 구동된다. 또한, 단축 툴(16)은, 도 1에 예시한 바와 같은, 로봇 아암(51)의 선단부(51T)에 장착되는 건(52)에 탑재된다. 즉, C형 프레임(54)의 휨을 고려한 제어를 실행할 필요가 있다.

도 10의 공정도 (A)는, 단축 툴(16)의 선단 핀(16T)이 워크인 제 1 부재(31)로 제 2 부재(32)의 중첩부(30)에 압입되어 있는 상태를 도시한다. 단축 툴(16)은, 회전축(R) 주위로 고속 회전되면서, 중첩부(30)에 선단 핀(16T)이 압입되도록 하강된다. 중첩부(30)의 배면은 백업 부재(15)로 지지되어 있다.

도 10의 공정도 (B)는, 선단 핀(16T)이 소정의 압입 깊이까지 중첩부(30)에 압입된 상태에서, 단축 툴(16)이 회전축(R) 주위로 고속 회전되며, 마찰 교반이 실행되고 있는 상태를 도시한다. 이 마찰 교반에 의해, 선단 핀(16T)의 주위에는, 중첩부(30)의 재료가 용융되어 이루어지는 마찰 교반부(40)가 생긴다. 도 10의 공정도 (C)는 단축 툴(16)의 선단 핀(16T)이 중첩부(30)로부터 인발된 상태를 도시한다. 마찰 교반부(40)의 경화에 의해 교반 접합부(4)가 형성되며, 제 1 부재(31)와 제 2 부재(32)가 접합된다.

도 11의 그래프 (A)는, 단동식의 마찰 교반 점접합용 툴(단축 툴(16))에 대한 설정 가압력(Pa)과 실가압력(Pb)의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 11의 그래프 (B)는 단축 툴(16)의 도시생략의 구동원의 구동 전류를 도시하는 그래프이다. 여기에서는, 단축 툴(16)의 설정 가압력(Pa)이 10kN일 때, 상기 구동원에 공급되는 지령 전류 Aa=10A인 경우를 예시하고 있다. 설정 가압력 Pa=10kN의 기간은, 도 10의 공정도 (A) 내지 (B)의, 단축 툴(16)이 중첩부(30)에 압입되고 있는 기간이다.

단축 툴(16)을 이용하는 경우에도, C형 프레임(54)의 휨이나 단축 툴(16)의 압입 동작 자체에 의해, 단축 툴(16)의 실가압력(Pb)은 저하한다. 여기에서는, 실가압력 Pb=9kN로 저하하고 있는 예를 나타내고 있다. 즉, 설정 가압력 Pa=10kN에 대응한 지령 전류 Aa=10A를 상기 구동원에 부여하여도, 실가압력 Pb=9kN 밖에 나오지 않는 예를 나타내고 있다. 이와 같은, 설정 가압력(Pa)에 대한 실가압력(Pb)의 저하 정도를 나타내는 가압력 변화 비율(Dp1)이 실험적 또는 경험적으로 미리 구해진다.

도 12의 그래프 (A)는 상기 구동 전류의 보정 후의 설정 가압력(Pa)과 실가압력(Pb)의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 12의 그래프 (B)는 구동 전류의 보정 상황을 도시하는 그래프이다. 설정 가압력(Pa)에 따른 지령 전류(Aa)로 상기 구동원을 구동하여 단축 툴(16)을 중첩부(30)에 압입하여도, 가압력 변화 비율(Dp)의 분만큼 저하한 실가압력(Pb) 밖에 발생할 수 없다. 이 때문에, 단축 툴(16)의 압입시킬 때, 도 12의 그래프 (B)에 도시하는 바와 같이, 지령 전류(Aa)를 보정분(Da)만큼 증가시킨 보정 구동 전류(A)를 상기 구동원에게 부여하도록 한다. 보정분(Da)은 가압력 변화 비율(Dp)에 따른 증가분이다. 이와 같은 보정에 의해, 도 12의 그래프 (A)에 도시하는 바와 같이, 설정 가압력(Pa)과 실가압력(Pb)을 근접시키거나, 혹은 일치시킬 수 있다.

도 13은 단동식의 마찰 교반 점접합용의 단축 툴(16)을 사용하여 마찰 교반 접합을 실행하는 경우의 컨트롤러(61)의 처리를 도시하는 흐름도이다. 여기에서는, 7축을 단축 툴(16)의 승강축, 8축을 단축 툴(16)의 회전축으로 취급한다. 본 실시형태에서도 전기적 구성은, 도 3의 블록도에 준하게 되지만, 핀 구동부(21) 및 숄더 구동부(22)가 단축 툴(16)을 승강시키는 구동원으로 변경된다. 회전 구동부(23)는 단축 툴(16)을 회전축(R)의 축 주위로 회전시키는 구동부가 된다.

컨트롤러(61)는 접합 대상 워크의 위치 정보, 속성 정보를 취득한다(단계 S21). 구체적으로는, 접합 위치의 좌표 정보, 접합 대상 워크의 재질을 나타내는 종별 데이터, 워크의 두께, 툴(1)의 압입 깊이 등의 정보가 취득된다. 다음에, 컨트롤러(61)는 단계 S1에서 취득한 접합 위치에 대한 설정 가압력, 7축 구동 전류 및 그 보정 비율의 정보를 취득한다(단계 S22). 이 때, 컨트롤러(61)는 기억부(63)의 보정 비율 기억부(65)에 격납되어 있는 보정 비율 테이블을 참조한다.

계속해서, 컨트롤러(61)는 툴(1)을 접합 대상 워크에 위치결정하기 위해, 로봇 아암(51)을 구동한다. 구체적으로는 컨트롤러(61)는 로봇 구동부(51M)를 제어하여, 로봇 아암(51)의 1축(AX1) 내지 6축(AX6)을 소요량 구동시킨다(단계 S23). 단계 S23이 완료된 상태는, 단축 툴(16)의 선단 핀(16T)이 중첩부(30)에 소정 간격을 두고 대치하며, 점접합 위치에 대해 단축 툴(16)의 회전축(R)이 위치맞춤된 상태이다.

그 후, 컨트롤러(61)는 상기 구동원을 구동하여 단축 툴(16)의 하강 7축 하강 구동)을 개시시키는 동시에, 회전 구동부(23)를 구동하여 단축 툴(16)의 회전(8축 회전 구동)을 개시시킨다(단계 S24). 이윽고, 도 10의 공정도 (A)에 도시하는 바와 같이, 단축 툴(16)의 선단 핀(16T)이 중첩부(30)의 표면에 접촉하여, 압입이 개시된다(단계 S25).

이후, 압입 공정 및 교반 공정이 실행된다(단계 S26). 컨트롤러(61)는 선단 핀(16T)이 중첩부(30)에 대해 소정의 압입 깊이에 도달할 때까지 단축 툴(16)을 하강시킨다. 이 때, 7축 구동 전류는 가압력 변화 비율(Dp)에 따른 보정분(Da)만 증가되어, 가압력 저하분이 보충된다. 또한, 컨트롤러(61)는 회전 구동부(23)에 의한 단축 툴(16)의 회전을 계속시킨다.

교반 공정을 종료하면, 컨트롤러(61)는 단축 툴(16)의 인발 공정을 실행시킨다(단계 S27). 구체적으로는 컨트롤러(61)는 상기 구동원을 구동하여 단축 툴(16)을 상승(7축 상승 구동)시키는 동시에, 회전 구동부(23)에 의한 단축 툴(16)의 회전을 정지시킨다(8축 정지).

이상 설명한 본 실시형태에 따른 마찰 교반 툴의 제어 방법 및 마찰 교반 장치에 의하면, 가압력 변화 비율에 따라서, 복동식의 마찰 교반 점접합용의 툴(1)의 구동원인 숄더 구동부(22), 혹은 단동식의 마찰 교반 점접합용의 단축 툴(16)의 구동 전류가 보정되는 것에 의해, 실가압력이 설정 가압력에 근접해진다. 이 때문에, 워크에 대해 상기 가압력 변화 비율을 미리 구해두면, 툴(1) 또는 단축 툴(16)의 운전시에 있어서 센서류를 이용하여 실제로 실가압력을 계측하지 않고도, 실가압력을 설정 가압력에 근접시키는 제어가 가능해진다. 즉, 센서리스에서의 마찰 교반 점접합용의 툴을 제어하여, 설정대로 툴을 워크에 압입시켜 마찰 교반을 실행시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 마찰 교반을 실행하는 툴의 구동원에 필요한 구동 전류를 부여하여 상기 툴의 동작을 제어하는 제어 방법에 있어서,
   상기 툴의 워크로의 압입시에 있어서의 가압력으로서 정해지는 설정 가압력과, 상기 설정 가압력을 발생시키는 구동 전류를 상기 구동원에 부여하여 실제로 상기 워크에 압입시켰을 때의 실가압력을 비교하는 것에 의해 가압력 변화 비율을 구하고,
   상기 설정 가압력에 상기 실가압력이 근접해지도록, 상기 가압력 변화 비율에 따라서 상기 구동 전류를 보정하여 상기 구동원을 구동하는
   마찰 교반 툴의 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 구동 전류와 상기 가압력의 관계를 나타내는 테이블을 구하고,
   상기 설정 가압력으로부터 산출되는 제 1 구동 전류를, 상기 가압력 변화 비율에 기초하여 보정한 제 2 구동 전류로 상기 구동원을 동작시켜 상기 워크에 대해서 상기 툴을 작용시켜, 상기 구동원에 실제로 흐른 제 3 구동 전류를 구하고,
   상기 제 3 구동 전류를, 상기 가압력 변화 비율에 기초하여 보정을 실행하여 제 4 구동 전류를 구하는 동시에, 상기 테이블을 참조하여, 상기 제 4 구동 전류로부터 환산되는 목표 실가압력을 구하고,
   상기 목표 실가압력에 상기 제 3 구동 전류로 상기 구동원을 구동시켰을 때의 실가압력이 근접해지도록, 상기 제 2 구동 전류를 보정하여 상기 구동원을 구동하는
   마찰 교반 툴의 제어 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 툴이,
   축선 주위로 회전하며, 상기 축선방향을 따라서 상하로 이동 가능한 원기둥 형상의 핀 부재와,
   상기 핀 부재의 외주를 덮도록 위치하며, 상기 핀 부재와 동일한 축선 주위로 회전하는 동시에 상기 축선방향을 따라서 상하로 이동 가능한 원통형의 숄더 부재
   를 포함하는 복동식의 마찰 교반 점접합용의 툴이며,
   상기 핀 부재가 상기 워크에 대해 상승하는 방향을 향하는 상승 공정에 있어서의, 상기 설정 가압력과 상기 실가압력으로 얻을 수 있는 제 1 가압력 변화 비율과,
   상기 핀 부재가 상기 워크에 대해 하강하는 방향을 향하는 하강 공정에 있어서의, 상기 설정 가압력과 상기 실가압력으로 얻을 수 있는 제 2 가압력 변화 비율을, 미리 구하고,
   상기 상승 공정에서는, 상기 제 1 가압력 변화 비율에 따라서 상기 구동 전류를 증가시키도록 보정하고,
   상기 하강 공정에서는, 상기 제 2 가압력 변화 비율에 따라서 상기 구동 전류를 감소시키도록 보정하는
   마찰 교반 툴의 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   복동식의 마찰 교반 점접합용의 툴은,
   상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를 상기 워크의 표면에 접촉시키는 동시에 축선 주위로 회전시켜, 상기 워크를 예열하는 예열 공정과,
   상기 숄더 부재를 하강시켜 상기 워크에 압입시키는 한편, 상기 핀 부재를 상승시키는 압입 공정과,
   상기 숄더 부재를 상승시켜 상기 워크로부터 퇴피시키는 한편, 상기 핀 부재를 하강시키는 되메우기 공정
   을 실행하도록 사용되며,
   상기 예열 공정에서는, 상기 구동 전류를 보정하지 않고,
   상기 압입 공정에서는, 상기 상승 공정에 따른 상기 구동 전류의 증가 보정을 실행하고,
   상기 되메우기 공정에서는, 상기 하강 공정에 응한 상기 구동 전류의 감소 보정을 실행하는
   마찰 교반 툴의 제어 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 툴이, 원기둥 형상으로 형성되며, 축선 주위의 회전과 상기 축선을 따른 방향으로의 진퇴 이동이 가능한 단축 툴을 구비한 단동식의 마찰 교반 점접합용의 툴이며,
   상기 단축 툴이 상기 워크에 압입되고 있는 기간에 있어서의, 상기 설정 가압력과 상기 실가압력으로 얻을 수 있는 가압력 저하 비율을 미리 구하고,
   상기 단축 툴을 상기 워크에 압입시킬 때, 상기 가압력 저하 비율에 따라서 상기 구동 전류를 증가시키도록 보정하는
   마찰 교반 툴의 제어 방법.
6. 마찰 교반을 실행하는 툴과,
   필요한 구동 전류가 부여되어 상기 툴을 구동하는 구동원과,
   상기 구동원을 제어하는 제어부와,
   상기 툴의 워크로의 압입시에 있어서의 가압력으로서 정해지는 설정 가압력과, 상기 설정 가압력을 발생시키는 구동 전류를 상기 구동원에 부여하여 실제로 상기 워크에 압입시켰을 때의 실가압력을 비교하는 것에 의해 구한 가압력 변화 비율을 기억하는 기억부를 구비하고,
   상기 제어부는, 상기 설정 가압력에 상기 실가압력이 근접해지도록, 상기 가압력 변화 비율에 따라서 상기 구동 전류를 보정하여 상기 구동원을 구동하는
   마찰 교반 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 툴이,
   축선 주위로 회전하며, 상기 축선방향을 따라서 상하로 이동 가능한 원기둥 형상의 핀 부재와,
   상기 핀 부재의 외주를 덮도록 위치하며, 상기 핀 부재와 동일한 축선 주위로 회전하는 동시에 상기 축선방향을 따라서 상하로 이동 가능한 원통형상의 숄더 부재
   를 포함하는 복동식의 마찰 교반 점접합용의 툴이며,
   상기 기억부는,
   상기 핀 부재가 상기 워크에 대해 상승하는 방향을 향하는 상승 공정에 있어서의, 상기 설정 가압력과 상기 실가압력으로 얻을 수 있는 제 1 가압력 변화 비율과,
   상기 핀 부재가 상기 워크에 대해 하강하는 방향을 향하는 하강 공정에 있어서의, 상기 설정 가압력과 상기 실가압력으로 얻을 수 있는 제 2 가압력 변화 비율
   을 미리 기억하고 있으며,
   상기 제어부는,
   상기 상승 공정에서는, 상기 제 1 가압력 변화 비율에 따라서 상기 구동 전류를 증가시키도록 보정하고,
   상기 하강 공정에서는, 상기 제 2 가압력 변화 비율에 따라서 상기 구동 전류를 감소시키도록 보정하는
   마찰 교반 장치.