JP4332157B2

JP4332157B2 - 摩擦攪拌接合装置

Info

Publication number: JP4332157B2
Application number: JP2006024028A
Authority: JP
Inventors: 満佐山; 哲也宮原; 文亮福地
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: GB2434765B; GB2434765A; US20070187466A1; JP2007203326A; GB0701732D0; US7748593B2

Description

本発明は、主に、多関節ロボットのアームの先端に装備されて使用される摩擦攪拌接合装置に関するものである。

近年、接合時の熱影響による歪みや変形の少ない接合技術として、摩擦攪拌接合技術が広く適用されてきている。摩擦攪拌接合とは、２つの被接合材の当接部分（接合部）に対し、回転ツールを回転させながら押圧することで挿入し、回転ツールの回転力によって当接部分の周辺を塑性流動させて、被接合材同士を接合する技術である。

摩擦攪拌接合装置としては、例えば、以下のものが知られている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載された摩擦攪拌接合装置は、相対向する位置に接合ツールと受け台が固定された保持アームを有している。この摩擦攪拌接合装置は、保持アームが多関節ロボットのアーム（以下、「ロボットアーム」という。）の先端に取り付けられており、ロボットアームを介して、三次元的に移動可能になっている。一方、被接合材は、下面に送りローラが取り付けられたワークテーブル上にセットされている。摩擦攪拌接合装置は、受け台の上面を送りローラに当接させて反力を受けられるように調整した後、回転ツールを回転させながら被接合材に挿入し、この状態で被接合材の接合線に沿って移動させられることで、被接合材同士を接合する。
特開２００２−１０３０６１号公報（段落００２７〜００３３）

しかしながら、前記した摩擦攪拌接合装置では、受け台がワークテーブルの送りローラで送られる構成を採用していたため、接合作業時には、送りローラの送り方向にしか移動することができなかった。そのため、被接合材の接合方向が二以上あるときは、その都度、被接合材の向きを変えてワークテーブルにセットし直す作業が必要であり、手間およびコストがかかるという問題があった。

そこで、本発明は、被接合材の接合方向が二以上ある場合にも容易に対応可能な摩擦攪拌接合装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、先端にプローブを有し、前記プローブで被接合材を押圧する回転ツールと、この回転ツールを保持する保持アームと、を備える摩擦攪拌接合装置であって、前記保持アームには、前記被接合材を挟んで前記回転ツールと反対側に配置され、前記回転ツールが前記被接合材を押圧することにより前記被接合材に加わる荷重を支持するローラが設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、被接合材をセットしたワークテーブル（または被接合材自体）の下面にローラを当接させた後、回転ツールを回転させながら被接合材の当接部分に押圧、挿入し、回転ツールを接合線に沿って移動させる。このとき、保持アームにローラが設けられているので、保持アームは、ワークテーブルに対して任意の方向に移動可能になる。そのため、この摩擦攪拌接合装置では、ワークテーブルのローラの向きに合わせて被接合材の向きをセットし直すことなく、あらゆる接合方向に容易に対応することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記回転ツールの回転軸と同一軸上に前記保持アームに取り付けられ、前記回転ツールの回転方向と同一方向に回転する軸部本体と、前記軸部本体に取り付けられ、前記ローラを回転自在に支持するローラホルダと、をさらに備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、回転軸部材を回転させることでローラの向きが変えられるため、保持アーム自体の向きを変えることなく、保持アームの進行方向を変更することができる。そのため、被接合材の接合方向が二以上ある場合にも、容易に対応することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記保持アームは、三次元方向に移動可能なロボットアームの先端に取り付けられていることを特徴とする。

請求項３に係る摩擦攪拌接合装置によれば、被接合材の接合線に起伏がある場合であっても、ロボットアームを操作することで、保持アームを接合線に沿って追従させることができるので、被接合材を連続的に接合することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記保持アームは、Ｃ字状に形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、回転ツールとローラを相対向する位置に効率的に配置することができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置によれば、保持アームにローラが設けられているため、被接合材の接合方向が二以上ある場合にも、ワークテーブル上の被接合材の向きをセットし直すことなく、容易に対応することができる。

次に、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置が取り付けられた多関節汎用ロボットの斜視図である。

図１に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、汎用の多関節ロボット１０に取り付けられ、三次元的に移動可能に構成されている。まず、多関節ロボット１０について説明する。

［多関節ロボット］
多関節ロボット１０は、ターンテーブル１１と、このターンテーブル１１側から先端部に向かって相互に連結された第１アーム１２と、第２アーム１３と、第３アーム１４（ロボットアーム）と、を備えている。

ターンテーブル１１は、設置面に設置された基台１５に対して略垂直な軸周りに回転可能に構成されている。第１アーム１２は、ターンテーブル１１に枢支された第１軸部材１６ａを介して、ターンテーブル１１に取り付けられており、第１軸部材１６ａ周りに回動自在になっている。第２アーム１３は、第１アーム１２に枢支された第２軸部材１６ｂを介して取り付けられており、第２軸部材１６ｂ周りに回動自在になっている。また、第３アーム１４は、第３軸部材１６ｃを介して第２アームに取り付けられており、第３軸部材１６ｃ周りに回動自在になっているとともに、第３軸部材１６ｃに対して略垂直な軸周りに自転可能になっている。第３アーム１４の先端には、摩擦攪拌接合装置１の保持アーム２が取り付けられている。

このように構成された多関節ロボット１０では、周知の多関節ロボットと同様に、図示しない油圧系統による第１軸部材１６ａ，第２軸部材１６ｂ，第３軸部材１６ｃ、およびターンテーブル１１の駆動によって、各第１アーム１２〜１４が動作し、第３アーム１４の先端に取り付けられた摩擦攪拌接合装置１が、三次元的に移動可能になっている。

［摩擦攪拌接合装置］
図２は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の正面図であり、（ａ）は接合作業前の摩擦攪拌接合装置、（ｂ）は接合作業中の摩擦攪拌接合装置を示す。なお、本実施形態においては、回転ツールの先端が下向きである図２の状態を基準に上下方向を定めて、以下説明する。

図２（ａ）に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、保持アーム２と、この保持アーム２に取り付けられる回転ツール３と、この回転ツール３を駆動する駆動部４と、保持アーム２に取り付けられるローラ部材５と、を備えている。

保持アーム２は、正面視Ｃ字状に形成されたアームである。保持アーム２には、上側に回転ツール３、下側にローラ部材５が配置されており、回転ツール３とローラ部材５とは相対向するようになっている。

回転ツール３は、被接合材Ｗ１，Ｗ２を接合する工具であり、円柱状の胴部３１と、この胴部３１の先端に同軸上に突出したプローブ３２とから構成される。胴部３１は、後記する駆動部４と結合している。プローブ３２は、胴部３１よりも小径のピン状部材であり、その外周面にはネジが切られている。プローブ３２の長さは、被接合材Ｗ２の厚みと略同程度である。胴部３１とプローブ３２とは、被接合材Ｗ１，Ｗ２よりも硬質で、かつ、接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱性を有する材質から形成される。

駆動部４は、保持アーム２の上部内側に配置されており、回転ツール３を被接合材Ｗ１，Ｗ２に向けて進退移動させる加圧駆動部４１と、回転ツール３を回転させる回転駆動部４２とから構成される。

加圧駆動部４１は、保持アーム２の上部に固定されたマウントブラケットＢ１に取り付けられており、サーボモータ４１ａと、ボールネジ４１ｂと、スライドガイドレール４１ｃと、スライドテーブル４１ｄとを備えている。

サーボモータ４１ａは、駆動ベルトＶを介して、ボールネジ４１ｂに回転力を伝達するようになっている。ボールネジ４１ｂは、サーボモータ４１ａからの回転力を直動力に変換し、スライドテーブル４１ｄに伝達する機構である。スライドガイドレール４１ｃは、スライドテーブル４１ｄを案内するレールであり、マウントブラケットＢ１と支持部Ｂ２の間にボールネジ４１ｂと平行に取り付けられている。スライドテーブル４１ｄは、ボールネジ４１ｂに螺合する図示しないナットを介して支持されているとともに、ボールネジ４１ｂとスライドガイドレール４１ｃに跨って取り付けられている。このスライドテーブル４１ｄには、回転駆動部４２を介して、前記した回転ツール３が取り付けられている。

加圧駆動部４１では、サーボモータ４１ａを駆動することで、ボールネジ４１ｂが回転し、この回転力が直動力としてスライドテーブル４１ｄに伝達されて、スライドテーブル４１ｄがスライドガイドレール４１ｃに沿って一方向に移動するようになっている。また、ボールネジ４１ｂを逆回転させることで、スライドテーブル４１ｄは反対向きに移動するようになっている。これにより、回転ツール３を被接合材Ｗ１，Ｗ２に向けて進退移動させることができる。

回転駆動部４２は、サーボモータで構成され、スライドテーブル４１ｄに取り付けられている。回転駆動部４２であるサーボモータの回転軸は、回転ツール３に結合されており、回転駆動部４２を駆動することで、回転ツール３を回転させることができる。

ローラ部材５は、接合作業時、被接合材Ｗ１，Ｗ２を押圧する回転ツール３による荷重を、所定の場所に固定されたワークテーブルＴの下面側から支持するとともに、保持アーム２の移動を案内するものである。ローラ部材５は、いわゆるキャスタであり、回転軸部材５１と、この回転軸部材５１に取り付けられるキャスターローラ５２（ローラ）とを有している。

回転軸部材５１は、軸部本体５１ａと、この軸部本体５１ａの上部に設けられるローラホルダ５１ｂとを有する。軸部本体５１ａは、回転ツール３の回転軸と同一軸上に（軸方向に一致した向きに）、かつ、回転自在に保持アーム２に取り付けられている。回転軸部材５１は、回転ツールの軸方向に一致していることで、回転ツール３による荷重を直線的に受けることができる。また、回転軸部材５１を回転させることで、キャスターローラ５２をあらゆる方向に向けることができる。ローラホルダ５１ｂは、Ｕ字状の部材であり、その内側でキャスターローラ５２を支持するようになっている。

キャスターローラ５２は、回転軸部材５１に直交するローラ軸５２ａと、このローラ軸５２ａと一体に形成されるローラ本体５２ｂとを有している。ローラ軸５２ａは、その両端部をローラホルダ５１ｂに支持されている。ローラ本体５２ｂは、ローラ面が回転ツール３に対向する円筒状の部材であり、その中心をローラ軸５２ａが貫通している。ローラ本体５２ｂは、ローラ軸５２ａの軸周りに回転し、ワークテーブルＴに沿って保持アーム２の移動を案内する。このローラ本体５２ｂの幅は、回転ツール３による荷重に応じて、適宜設計するとよい。

［被接合材Ｗ１，Ｗ２］
次に、ワークである被接合材Ｗ１，Ｗ２について説明する。被接合材Ｗ１，Ｗ２は、例えば、それぞれアルミニウム合金からなる部材である。被接合材Ｗ１は、断面台形状、かつ、長尺状に形成された部材であり、被接合材Ｗ２は、被接合材Ｗ１の上面を覆う形状にプレス加工された薄板状の部材である。これら被接合材Ｗ１，Ｗ２は、重ね合わされた状態で、ワークテーブルＴの上にセット（固定）され、摩擦攪拌接合装置１によって接合される。

［摩擦攪拌接合装置の動作］
次に、摩擦攪拌接合装置１の動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図３は、接合作業時における攪拌摩擦接合装置の要部拡大斜視図である。以下、図３に示す接合線Ｌ１に沿って、被接合材Ｗ１，Ｗ２を接合する場合について説明する。なお、摩擦攪拌接合装置１が所定の動きとなるように、被接合材Ｗ１，Ｗ２の形状に基づいて、多関節ロボット１０に動きが予めティーチングされている。

まず、多関節ロボット１０を操作し、摩擦攪拌接合装置１を移動させる（図１参照）。具体的には、図２（ａ）に示すように、ワークテーブルＴの上にセットされた被接合材Ｗ１，Ｗ２を、回転ツール３とローラ部材５の間に挟み込むように保持アーム２を位置決めする。そして、ローラ部材５のローラ本体５２ｂを、ワークテーブルＴの下面側に当接させる。この際、ローラ本体５２ｂの向きを接合方向に回転するように合わせておく。

そして、回転駆動部４２を駆動して、回転ツール３を回転させながら、加圧駆動部４１を駆動する。これにより、回転ツール３は回転しながら下降し、プローブ３２で、被接合材Ｗ１，Ｗ２を押圧する。被接合材Ｗ１，Ｗ２は、図２（ｂ）に示すように、回転ツール３の回転により発生する摩擦熱で軟化し、回転ツール３のプローブ３２が、上側に配置された被接合材Ｗ２内に徐々に挿入され、被接合材Ｗ１との当接部分近傍に到達する。この際、ワークテーブルＴは、その下側に配置されたローラ部材５で支持される。このように、ローラ部材５で支持されることで、下側からの充分な反力が得られる。なお、この摩擦攪拌接合装置１では、被接合材Ｗ１，Ｗ２の表面に対する回転ツール３の負荷が増大したとしても、加圧駆動部４１で反力が調整されるように構成されている。

そして、図３に示すように、回転ツール３のプローブ３２を、被接合材Ｗ２内に挿入した状態で、接合線Ｌ１に沿って移動させる。この際、ローラ部材５のローラ本体５２ｂが回転するため、その移動を容易にすることができる。このように、プローブ３２が回転しながら移動することで、被接合材Ｗ１，Ｗ２の互いの当接部分近傍は摩擦熱によって塑性流動化し、接合線Ｌ１に沿って接合される。

また、摩擦攪拌接合装置１は、起伏のある形状の被接合材も連続的に接合することができる。例えば、図３に示す接合線Ｌ２に沿って、被接合材Ｗ１，Ｗ２を接合することもできる。図４は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の正面図であり、（ａ）は接合作業開始時の摩擦攪拌接合装置、（ｂ）は接合作業中の摩擦攪拌接合装置を示す。

まず、図４（ａ）に示すように、被接合材Ｗ１と被接合材Ｗ２の当接部分と、回転ツール３とローラ部材５を結ぶ線がほぼ垂直になるように調整し、ワークテーブルＴの下面側をローラ部材５で支持しながら、被接合材Ｗ１，Ｗ２に対して、回転ツール３のプローブ３２を挿入する。そして、図４（ｂ）に示すように、回転ツール３とローラ部材５で被接合材Ｗ１，Ｗ２を挟み込んだ状態で、回転ツール３を回転させながら、図３に示す接合線Ｌ２に沿って移動させる。この際、被接合材Ｗ１，Ｗ２の当接部分は常に垂直荷重を受けることができるように、多関節ロボット１０を介して保持アーム２の傾きを調整する。また、被接合材Ｗ２に対するプローブ３２の挿入量を一定量に保つように、加圧駆動部４１を介して回転ツール３の上下の移動量も調整する。これにより、被接合材Ｗ１，Ｗ２は、接合線Ｌ２に沿って精度よく接合される。なお、被接合材Ｗ１，Ｗ２に対する回転ツール３の加圧力は、例えば、圧力センサで回転ツール３に作用する反力を検出し、この検出値に基づきサーボモータ４１ａを制御する。

以上によれば、本実施形態において以下の効果を得ることができる。
本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１では、保持アーム２にローラ部材５が設けられているので、ワークテーブル側にローラが設けられていた従来と異なり、保持アーム２は、ワークテーブルＴに対して任意の方向に移動可能になる。そのため、この摩擦攪拌接合装置１では、ワークテーブルＴのローラの向きに合わせて被接合材Ｗ１，Ｗ２の向きをセットし直すことなく、平面上のあらゆる接合方向（二以上の接合方向）に容易に対応することができる。

本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１では、多関節ロボット１０を操作することで、保持アーム２を起伏のある接合線Ｌ２に沿って追従させることができる。特に、保持アーム２にローラ部材５が設けられていることで、ローラ部材５を保持アーム２の傾きに追従させることができ、下側からの反力を充分に発生させることができる。これにより、三次元形状の被接合材Ｗ１、Ｗ２であっても連続的に、精度よく接合することができる。

以上、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

図５は、変形例に係る摩擦攪拌接合装置の正面図である。
前記実施形態では、ローラ部材５の回転軸部材５１を回転ツール３の回転軸の同一軸線上に設けたが（図２（ａ）参照）、回転ツール３のツール中心線Ａ１とキャスターローラ５２のローラ中心線Ａ２をオフセットさせてもよい。具体的には、回転軸部材５１のローラホルダ５１ｃにおいて、前記実施形態よりもローラ軸５２ａを保持アーム２の内側で保持するようにしてもよい。これによれば、ローラ部材５が進行方向に常に追従することができる。これにより、複雑な形状でも、接合を高品質に行うことができる。

前記実施形態では、被接合材Ｗ１，Ｗ２を同一種類の材料でアルミニウム合金としたが、アルミニウム合金以外の同一材料や、互いに異種の材料を接合する場合にも、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１を適用することができる。

前記実施形態では、被接合材Ｗ１，Ｗ２を重ね合わせて接合する場合について説明したが、被接合材の端面を突き合わせて接合する場合にも、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１を適用することができる。

前記実施形態では、被接合材Ｗ１，Ｗ２をワークテーブルＴ上にセットし、ワークテーブルＴを下面側から支持する構成としたが、被接合材Ｗ１，Ｗ２の下面を直接支持する構成とすることもできる。

前記実施形態では、ローラ部材５をいわゆるキャスターローラとしたが、ローラ本体５２ｂを保持アーム２に直接固定するものであってもよい。この場合は、保持アーム２の向きを適宜接合方向に合わせて接合作業を行うようにする。

前記実施形態では、三次元移動できるようにロボットアームの先端に取り付けたが、本発明の摩擦攪拌接合装置１は平面的に移動させる装置に装備されるものであってもよい。

前記実施形態では、ローラ部材５を保持アーム２に１つ設けたが、２つ以上設けるものであってもよい。

本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置が取り付けられた多関節汎用ロボットの斜視図である。本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の正面図であり、（ａ）は接合作業前の摩擦攪拌接合装置、（ｂ）は接合作業中の摩擦攪拌接合装置を示す。接合作業時における攪拌摩擦接合装置の要部拡大斜視図である。本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の正面図であり、（ａ）は接合作業開始時の摩擦攪拌接合装置、（ｂ）は接合作業中の摩擦攪拌接合装置を示す。変形例に係る摩擦攪拌接合装置の正面図である。

符号の説明

１摩擦攪拌接合装置
２保持アーム
３回転ツール
４駆動部
５ローラ部材
Ｂ１マウントブラケット
Ｂ２支持部
Ｌ１，Ｌ２接合線
Ｗ１，Ｗ２被接合材
１０多関節ロボット
３１胴部
３２プローブ
４１加圧駆動部
４２回転駆動部
５１回転軸部材
５１ｂローラホルダ
５２キャスターローラ
５２ｂローラ本体
Ｔワークテーブル

Claims

先端にプローブを有し、前記プローブで被接合材を押圧する回転ツールと、
この回転ツールを保持する保持アームと、
を備える摩擦攪拌接合装置であって、
前記保持アームには、前記被接合材を挟んで前記回転ツールと反対側に配置され、前記回転ツールが前記被接合材を押圧することにより前記被接合材に加わる荷重を支持するローラが設けられていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
前記回転ツールの回転軸と同一軸上に前記保持アームに取り付けられ、前記回転ツールの回転方向と同一方向に回転する軸部本体と、
前記軸部本体に取り付けられ、前記ローラを回転自在に支持するローラホルダと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
前記保持アームは、三次元方向に移動可能なロボットアームの先端に取り付けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
前記保持アームは、Ｃ字状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。