JP2013123746A - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合線に倣って摩擦撹拌接合する。
【解決手段】 すみ肉接合用のワーク３ａと３ｂを保持するＸ軸テーブル５と、門型フレーム６と主軸ユニット７との間のＺ軸テーブル８及びＹ軸テーブル９とから主軸位置決め機構１を形成する。主軸ユニット７は、回転駆動可能なプローブ３９と、下端部を２つのワーク接触面によるＶ字形状とした固定式ショルダー４０からなる摩擦撹拌接合ツール３８を備える。Ｙ軸テーブル９のボールねじ直動機構３１のナット部材３６と、Ｙ軸テーブル本体３０の間にロードセル４４を介装する。摩擦撹拌接合を行うときに、ロードセル４４で検出される固定式ショルダー４０とワーク３ａ，３ｂの接触圧力の変化を制御器４５で監視し、接触圧力が変化すると、変化分がゼロになるように、Ｙ軸テーブル９のサーボモータ３５へ指令を与えて、固定式ショルダー４０とワーク３ａ，３ｂの位置関係が変わらないようにさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、すみ肉の摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合装置に関するものである。

摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合ツールに装備されたプローブ（棒状突起物、ピン）を、ワークの接合部に回転させながら押し付けてワーク内に没入させて、該ワークの接合部に摩擦熱を発生させて該接合部を軟化させると共に、上記プローブの回転力により、該プローブの周囲にワークの素材の塑性流動領域を形成させて撹拌混合して、複数のワークを一体に接合する手法である。かかる摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合時に生じる接合反力が小さいアルミ合金材の薄板（１０ｍｍ以下）の接合を中心に利用されてきている。

摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合ツールは、上記ワークの接合部に没入させるためのプローブの基端側に、該プローブよりも大径としてワークの接合部近傍の表面に接触させるためのショルダーを一体に設けた形式のものが主として用いられていた。

上記摩擦撹拌接合ツールを用いる摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合ツールを回転駆動可能に備えた主軸ユニットと、接合対象のワークについて、ワークの接合線に沿う方向となるＸ軸方向と、鉛直方向であるＺ軸方向と、上記Ｘ軸方向に直交する水平方向であるＹ軸方向の相対位置を制御する必要があることから、一般に、３軸門型加工機のような装置構成とされていた。

ところで、上記摩擦撹拌接合装置では、ワークをＸ軸方向に進行させて（ワークと摩擦撹拌接合ツールをＸ軸方向に相対移動させて）摩擦撹拌接合を行う際に、上記ワークの進行方向に対して、該ワークの接合線の位置がＹ軸方向へ位置ずれを生じていたり、該接合線がワークの面内でＸ軸方向から傾きを生じていたりすると、上記摩擦撹拌接合ツールの位置が、ワークの接合線より相対的にずれて、接合不良が生じる。

そのため、上記摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合を実施する場合は、ワークの進行方向であるＸ軸方向に対し、該ワークの接合線の位置及び傾きにずれが生じないように、ワークの正確な位置決めを行う必要がある。

しかし、ワークが、たとえば、船舶の内構材（ロンジ）のように、数ｍ〜２０ｍとなるような非常に長い場合は、該ワークの全長に亘り、ワークの進行方向と、接合線の位置や傾きを正確に合わせるのは非常に困難である。

そこで、たとえば、摩擦撹拌接合ツールのＸＹＺ方向位置をサーボモータで制御可能な形式の摩擦撹拌接合装置では、摩擦撹拌接合ツールの進行方向前方のワーク接合線を撮影し、撮影画像中のワーク接合線の基準位置からのずれ量を演算し、該ずれ量に基づいたフィードバック制御により、上記摩擦撹拌接合ツールの位置をワーク接合線に対して倣い制御させるようにすることが従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、摩擦撹拌接合は、当初、ワークの接合部が平坦な場合に適用されていたが、近年、ワークのすみ肉の接合について摩擦撹拌接合を適用することが提案されてきている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００２−１５５０号公報 特許第４２４０５７９号公報

ところが、ワークのすみ肉の接合に摩擦撹拌接合を適用する手法にも、ワークが長い場合は、該ワークの全長に亘り、ワークの進行方向と、接合線の位置や傾きを正確に合わせるのは困難であるという問題が生じるが、特許文献２には、その対策は何ら示されていない。

上記特許文献１に示された摩擦撹拌接合の倣い制御の手法は、ワークの接合線の位置を画像解析で検出する必要があるため、カメラや画像解析装置が必要であり、コストが嵩むという問題がある。又、該手法は、ワークの接合線の位置を検出する個所と、摩擦撹拌接合ツールにより摩擦撹拌接合を実施している個所が一致していないため、倣い制御の精度を高めることが難しく、誤動作の可能性もある。

そこで、本発明は、ワークのすみ肉の摩擦撹拌接合を行う際に、摩擦撹拌接合ツールとワークとの相対移動方向に対して、該ワークの接合線の位置及び水平面内での傾きにずれが生じていても、該ワークの接合線に沿う位置でのすみ肉の摩擦撹拌接合を、容易に且つ確実に実施することができる摩擦撹拌接合装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、回転駆動可能なプローブと、固定式ショルダーとを備えた摩擦撹拌接合ツールを有する摩擦撹拌接合装置において、上記固定式ショルダーを、すみ肉接合対象のワークの接合線を挟んだ面にそれぞれ接触させるための２つのワーク接触面によるＶ字形状の下端部を備えてなる構成とし、更に、上記摩擦撹拌接合ツールを摩擦撹拌接合の施工時における上記ワークとの相対移動方向に直角な水平方向へ移動可能とするための横行軸と、上記固定式ショルダーの上記ワークに対する上記横行軸に平行な方向の接触圧力を検出する手段と、該検出手段による接触圧力の検出値に応じて、上記横行軸に上記摩擦撹拌接合ツールの位置を制御するための指令を与える制御器とを備えてなる構成を有する摩擦撹拌接合装置とする。

又、上記構成において、制御器は、検出手段より入力される接触圧力の検出値を監視して、入力された検出値と、摩擦撹拌接合開始時の該検出値の初期値との差がゼロになるように、上記横行軸に上記摩擦撹拌接合ツールの位置の荷重フィードバック制御を行わせる機能を備えるようにした構成とする。

本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）回転駆動可能なプローブと、固定式ショルダーとを備えた摩擦撹拌接合ツールを有する摩擦撹拌接合装置において、上記固定式ショルダーを、すみ肉接合対象のワークの接合線を挟んだ面にそれぞれ接触させるための２つのワーク接触面によるＶ字形状の下端部を備えてなる構成とし、更に、上記摩擦撹拌接合ツールを摩擦撹拌接合の施工時における上記ワークとの相対移動方向に直角な水平方向へ移動可能とするための横行軸と、上記固定式ショルダーの上記ワークに対する上記横行軸に平行な方向の接触圧力を検出する手段と、該検出手段による接触圧力の検出値に応じて、上記横行軸に上記摩擦撹拌接合ツールの位置を制御するための指令を与える制御器とを備えてなる構成としてあるので、すみ肉接合対象のワークの接合線の位置に、摩擦撹拌接合時における摩擦撹拌接合ツールとワークの相対移動方向に対する位置ずれや、傾きが生じている場合であっても、上記摩擦撹拌接合ツールのプローブを、上記ワークの接合線に倣って移動させることができる。したがって、上記ワークの精密な位置決めを行わなくても、該ワークの接合線の位置での摩擦撹拌接合を良好に実施することができる。
（２）これにより、上記ワークが長尺の場合にも、該ワークの摩擦撹拌接合を容易に実施することができる。
（３）更に、摩擦撹拌接合の施工条件が安定するため、摩擦撹拌接合により製造する製品の品質の向上化を図ることができる。

本発明の摩擦撹拌接合装置の実施の一形態を示す概略正面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置の概略側面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌接合ツールを拡大して示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置におけるロードセルの取り付け個所を拡大して示す概略側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図４は本発明の摩擦撹拌接合装置の実施の一形態を示すもので、３軸門型の主軸位置決め機構を備える形式の場合の例を示すものである。

ここで、先ず、上記３軸門型の主軸位置決め機構について説明する。

上記３軸門型の主軸位置決め機構は、図１及び図２に符号１で示すように、水平な架台２上に、すみ肉の接合対象となるワーク３ａと３ｂを載置して該ワーク３ａと３ｂの接合線４（図３（ａ）（ｂ）参照）の延びる方向に沿って移動させるためのＸ軸テーブル５を備える。

更に、上記主軸位置決め機構１は、上記Ｘ軸テーブル５を跨ぐ門型フレーム６を備え、該門型フレーム６に、上記Ｘ軸テーブル５の上方に配置した主軸ユニット７が、該主軸ユニット７の鉛直方向（Ｚ軸方向）の位置を制御するためのＺ軸テーブル８と、上記Ｘ軸テーブル５の移動方向（以下、Ｘ軸方向と云う）に直交する水平方向（以下、Ｙ軸方向と云う）の位置を制御するための横行軸としてのＹ軸テーブル９を介して取り付けられた構成としてある。

上記Ｘ軸テーブル５は、上記Ｘ軸方向に延びるように上記架台２上に設けたガイドレール１０と、水平な平板状として上記ガイドレール１０にガイドブロック１１を介してスライド自在に取り付けたＸ軸テーブル本体１２と、上記架台２とＸ軸テーブル本体１２の間に設けたＸ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構１３とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構１３は、上記ガイドレール１０と平行に配置したねじ軸１５と、該ねじ軸１５の軸心方向の両端部を上記架台２に回転自在に支持させる軸受部材１４と、上記ねじ軸１５の軸心方向の一端部に接続した減速機１６と、該減速機１６に接続したサーボモータ１７と、上記ねじ軸１５の中間部に取り付けたナット部材１８とから構成されている。上記ナット部材１８は、ブラケット１２ａを介して上記Ｘ軸テーブル本体１２に取り付けられている。

これにより、上記Ｘ軸テーブル５は、サーボモータ１７による上記減速機１６を介したねじ軸１５の回転駆動により、上記ナット部材１８と一緒に上記Ｘ軸テーブル本体１２を、上記Ｘ軸方向に移動させることができるようにしてある。この際、上記Ｘ軸テーブル５では、上記サーボモータ１７の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材１８やＸ軸テーブル本体１２の位置の検出信号を基に、後述するように上記Ｘ軸テーブル本体１２の上側に載置して保持させるワーク３ａ，３ｂの位置や移動速度を制御できるようにしてある。

上記Ｚ軸テーブル８は、上記門型フレーム６に設置した鉛直方向（Ｚ軸方向）のガイドレール１９と、上記Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状として上記ガイドレール１９にガイドブロック２０を介してスライド自在に取り付けたＺ軸テーブル本体２１と、上記門型フレーム６とＺ軸テーブル本体２１の間に設けたＺ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構２２とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構２２は、上記ガイドレール１９と平行に配置したねじ軸２４と、該ねじ軸２４の軸心方向の両端部を上記門型フレーム６に回転自在に支持させる軸受部材２３と、上記ねじ軸２４の軸心方向の一端部となる上端部に接続した減速機２５と、該減速機２５に接続したサーボモータ２６と、上記ねじ軸２４の中間部に取り付けたナット部材２７とから構成されている。上記ナット部材２７は、ブラケット２１ａを介して上記Ｚ軸テーブル本体２１に取り付けられている。

これにより、上記Ｚ軸テーブル８は、サーボモータ２６による上記減速機２５を介したねじ軸２４の回転駆動により、上記ナット部材２７と一緒に上記Ｚ軸テーブル本体２１を、鉛直方向としてのＺ軸方向に移動させることができるようにしてある。この際、上記Ｚ軸テーブル８では、上記サーボモータ２６の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材２７やＺ軸テーブル本体２１の位置の検出信号を基に、後述するように上記Ｚ軸テーブル本体２１にＹ軸テーブル９を介して保持される主軸ユニット７のＺ軸方向の位置（高さ位置）を制御できるようにしてある。

上記Ｙ軸テーブル９は、上記Ｚ軸テーブル本体２１に設置したＹ軸方向のガイドレール２８と、上記Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状として上記ガイドレール２８にガイドブロック２９を介してスライド自在に取り付けたＹ軸テーブル本体３０と、上記Ｚ軸テーブル本体２１とＹ軸テーブル本体３０の間に設けたＹ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構３１とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構３１は、上記ガイドレール２８と平行に配置したねじ軸３３と、該ねじ軸３３の軸心方向の両端部を上記Ｚ軸テーブル本体２１に回転自在に支持させる軸受部材３２と、上記ねじ軸３３の軸心方向の一端部に接続した減速機３４と、該減速機３４に接続したサーボモータ３５と、上記ねじ軸３３の中間部に取り付けた被駆動部材としてのナット部材３６とから構成されている。上記ナット部材３６は、ブラケット３０ａを介して上記Ｙ軸テーブル本体３０に取り付けられている。

これにより、上記Ｙ軸テーブル９は、サーボモータ３５による上記減速機３４を介したねじ軸３３の回転駆動により、上記ナット部材３６と一緒に上記Ｙ軸テーブル本体３０を、上記Ｙ軸方向に移動させることができるようにしてある。この際、上記Ｙ軸テーブル９は、上記サーボモータ３５の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材３６やＹ軸テーブル本体３０の位置の検出信号を基に、上記Ｙ軸テーブル本体３０に取り付けた上記主軸ユニット７について、上記Ｙ軸方向の位置を制御できるようにしてある。

本発明の摩擦撹拌接合装置は、更に、上記Ｘ軸テーブル本体１２の上側に、すみ肉の接合対象となるワーク３ａと３ｂを保持するための治具３７を備える。該治具３７は、図３（ａ）に示すように、上記ワーク３ａと３ｂを、接合線４を挟んだ配置となる該ワーク３ａと３ｂの面が共に傾斜面となるようにした姿勢、すなわち、該ワーク３ａと３ｂのすみ肉の接合部が、上方に開放されたＶ字状となる姿勢で保持できるようにしてある。又、上記治具３７は、上記ワーク３ａと３ｂを、接合線４の長手方向が上記Ｘ軸テーブル５の動作方向に沿うように配置した状態で、該ワーク３ａと３ｂにおける接合線４の長手方向の複数個所を保持できるようにしてあるものとする。上記治具３７によるワーク３ａと３ｂの保持は、摩擦撹拌接合を行うために、該ワーク３ａと３ｂの接合部に、後述する摩擦撹拌接合ツール３８を、接合線４の部分にプローブ３９を没入させることができるような大きな力で押し付けても、上記ワーク３ａと３ｂの位置にずれが生じないように保持できるようにしてあるものとする。

なお、図３（ａ）では、ワーク３ａと３ｂのすみ肉の接合部が角継手の場合を例示したが、すみ肉の接合部は、Ｔ字継手や重ね継手や十字継手であってもよい。これらの場合は、接合線４を挟んで配置されるワーク３ａと３ｂの面が共に傾斜面となるように該ワーク３ａと３ｂをそれぞれ配置するときの姿勢に応じて、該ワーク３ａと３ｂを保持する上記治具３７の形状を適宜変更してよい。

又、図３（ａ）に示すように、上記治具３７は、すみ肉の接合対象となるワーク３ａと３ｂを、ワーク接合線４を挟んで配置されるワーク３ａと３ｂの面が共に鉛直方向から等しい傾斜角度となる姿勢で、該ワーク３ａと３ｂを保持できるようにすることが好ましい。しかし、上記ワーク３ａと３ｂすみ肉接合する継手の形状や配置によっては、上記治具３７は、ワーク接合線４を挟んで配置されるワーク３ａと３ｂの面が鉛直方向から異なる角度で傾斜した傾斜面となるように保持する形式としてもよいことは勿論である。

上記主軸ユニット７の下端部には、図３（ａ）（ｂ）に示すように、回転駆動可能なプローブ３９と、固定式（不回転）のショルダー４０とを備えた摩擦撹拌接合ツール３８が装備されている。

上記プローブ３９は、軸心方向が上下方向となるように配置してあり、該プローブ３９の基端となる上端には、回転駆動軸（プローブ軸）４１が接続されている。該回転駆動軸４１は、上記主軸ユニット７に備えた図示しない回転駆動装置に接続されて、プローブ３９に回転駆動力を伝えるようにしてある。

上記固定式ショルダー４０は、下端部を、２つのワーク接触面４２ａと４２ｂとからなるＶ字形状としてＸ軸方向に沿って延びる形状としてある。上記ワーク接触面４２ａと４２ｂは、上記Ｘ軸テーブル５上の治具３７に保持されたワーク３ａと３ｂの面にそれぞれ沿う傾斜角度を備えるようにしてある。

更に、上記固定式ショルダー４０は、長手方向（Ｘ軸方向）の中間部に、プローブ挿通孔４３が、上下方向に貫通させて設けられた構成としてあり、該プローブ挿通孔４３に、上記回転駆動軸４１を挿通配置させて、上記プローブ３９がプローブ挿通孔４３より下方に突出するように配置させた状態として、該固定式ショルダー４０の上端側を、上記主軸ユニット７の下端部に、回転を阻止した状態で保持させるようにしてある。

これにより、上記主軸ユニット７は、上記摩擦撹拌接合ツール３８における固定式ショルダー４０の各ワーク接触面４２ａと４２ｂを、上記Ｘ軸テーブル５上に上記治具３７を介して保持されたワーク３ａと３ｂの接合線４を挟んで配置される面にそれぞれ押し当てるようにして接触させることができるようにしてあり、このように配置される固定式ショルダー４０は、該固定式ショルダー４０の下方に突出する上記プローブ３９を、すみ肉の接合対象である上記ワーク３ａと３ｂの接合線４に沿う位置に配置させるようにしてある。

更に、本発明の摩擦撹拌接合装置は、図１に示すように、上記固定式ショルダー４０のワーク３ａと３ｂに対するＹ軸方向の接触圧力を検出するための検出手段４４と、該検出手段４４による上記Ｙ軸方向の接触圧力の検出値に応じて、上記Ｙ軸テーブル９におけるＹ軸方向の直動機構であるボールねじ直動機構３１に指令を与えて、該Ｙ軸テーブル９のＹ軸テーブル本体３０に取り付けられている上記主軸ユニット７の摩擦撹拌接合ツール３８のＹ軸方向の位置を制御する指令を与える制御器４５を備える。

上記検出手段４４は、たとえば、上記Ｙ軸方向の直動機構であるボールねじ直動機構３１における被駆動部材であるナット部材３６と、上記Ｙ軸テーブル本体３０との間に介装したロードセル４４（説明の便宜上、上記検出手段４４と同じ符号が付してある）としてある。

上記ロードセル４４は、ナット部材３６と、Ｙ軸テーブル本体３０との間に作用するＹ軸方向に沿う一方向に関して、圧力の増減、すなわち、負荷荷重の増減を検出できるように、たとえば、図４に示すように、圧縮荷重を検出する形式のロードセル４４に、ばね４６により該ロードセル４４の荷重検出範囲のある割合のプリテンションを付与した状態で、上記ナット部材３６とＹ軸テーブル本体３０と一体のブラケット３０ａとの間に介装させるようにしてある。上記ロードセル４４に付与するプリテンションは、荷重検出範囲の３割〜５割程度とすればよい。

あるいは、図示してないが、ロードセル４４が、圧縮荷重を検出する形式の場合は、該ロードセル４４を、ナット部材３６のＹ軸方向の両側に一対で配置して、ナット部材３６を該一対のロードセル４４を介してＹ軸テーブル本体３０に接続するようにしてもよい。更には、ロードセル４４が、圧縮加重と引張荷重を検出可能な形式の場合は、該ロードセル４４を、上記ナット部材３６とＹ軸テーブル本体３０との間に直接介装した構成としてもよい。

上記制御器４５は、摩擦撹拌接合を行う際に、上記ロードセル４４より入力されるＹ軸方向に沿う一方向に関する負荷荷重の検出値を監視して、該負荷荷重が一定になるように、上記Ｙ軸テーブル９のサーボモータ３５へ制御指令を与えるようにしてある。

すなわち、図１及び図３（ａ）に示すように、主軸ユニット７の摩擦撹拌接合ツール３８は、上記主軸位置決め機構１におけるＺ軸テーブル８とＹ軸テーブル９により、Ｘ軸テーブル５上に治具３７を介して保持されたワーク３ａと３ｂの位置に応じて配置され、上記固定式ショルダー４０の各ワーク接触面４２ａと４２ｂは、上記ワーク３ａと３ｂの接合線４を挟んで配置された対応する面にそれぞれ押し付けられて接触し、且つ回転駆動されたプローブ３９を上記ワーク３ａと３ｂの接合線４の位置へ没入開始させる。

上記制御器４５は、この状態を初期状態として、上記ロードセル４４により検出されるＹ軸方向の一方向の負荷荷重の値、たとえば、図１及び図３（ａ）における右向きを正とする負荷荷重の値を、初期値として記憶する。

上記のようにワーク３ａ，３ｂの摩擦撹拌接合を開始させた状態で、上記ワーク３ａと３ｂの接合線４の位置が、Ｙ軸方向の一方向（図１及び図３（ａ）における右方向）にずれると、上記固定式ショルダー４０では、ワーク接触面４２ａ側に、上記ワーク３ａの面がより強く押し当てられるようになる。したがって、上記固定式ショルダー４０が、上記ワーク３ａにより上記Ｙ軸方向の一方向へ押されるようになるため、その分、上記主軸ユニット７とボールねじ直動機構３１のナット部材３６との間に介装されている上記ロードセル４４では、上記Ｙ軸方向の一方向の負荷荷重が、上記初期値よりも増加する。

そこで、上記制御器４５は、上記監視しているロードセル４４のＹ軸方向の一方向の負荷荷重の検出値が増加すると、上記Ｙ軸テーブル９のサーボモータ３５へ、ナット部材３６を上記Ｙ軸方向の一方向へ移動させるように制御指令を与えるようにしてある。これにより、上記ナット部材３６が上記Ｙ軸方向の一方向へ移動することに伴い、上記Ｙ軸テーブル本体３０と共に、上記主軸ユニット７の摩擦撹拌接合ツール３８の固定式ショルダー４０の位置が、上記Ｙ軸方向の一方向へ変位される。このため、上記Ｙ軸方向の一方向の負荷荷重の上記初期値からの増加が解消されるようになる。

一方、上記ワーク３ａと３ｂの接合線４の位置が、Ｙ軸方向の他方向（図１及び図３（ａ）における左方向）にずれると、上記固定式ショルダー４０では、ワーク接触面４２ｂ側に、上記ワーク３ｂの面がより強く押し当てられるようになる。したがって、上記固定式ショルダー４０が、上記ワーク３ｂにより上記Ｙ軸方向の他方向へ押されるようになることから、その分、上記ロードセル４４では、上記Ｙ軸方向の一方向の負荷荷重が、上記初期値よりも減少する。

そこで、上記制御器４５は、上記監視しているロードセル４４のＹ軸方向の一方向の負荷荷重の検出値が減少すると、上記Ｙ軸テーブル９のサーボモータ３５へ、ナット部材３６を上記Ｙ軸方向の他方向へ移動させるように制御指令を与えるようにしてある。これにより、上記ナット部材３６が上記Ｙ軸方向の他方向へ移動することに伴い、上記Ｙ軸テーブル本体３０と共に、上記主軸ユニット７の摩擦撹拌接合ツール３８の固定式ショルダー４０の位置が、上記Ｙ軸方向の他方向へ変位される。このため、上記Ｙ軸方向の一方向の負荷荷重の上記初期値からの減少が解消されるようになる。

上記制御器４５の上記ロードセル４４の検出信号に基づく上記Ｙ軸テーブル９のナット部材３６の移動量の制御は、たとえば、該ロードセル４４によるＹ軸方向の一方向の負荷荷重の検出値と、上記初期値との差がゼロとなるように、上記ロードセル４４の検出信号を基に、従来知られていると同様のフィードバック制御手法を用いた荷重フィードバック制御を行うようにすることが好ましい。このようにすれば、上記制御器４５は、上記ロードセル４４の検出値に応じて、上記Ｙ軸テーブル９のサーボモータ３５へ、該検出値を上記初期値と一定にさせるための制御を容易に且つ効率よく実施させることができるようになる。

以上の構成としてある本発明の摩擦撹拌接合装置を使用する場合は、Ｘ軸テーブル５に、すみ肉の接合対象であるワーク３ａと３ｂを、治具３７を介して保持させる。

次に、上記Ｘ軸テーブル５と、Ｚ軸テーブル８及びＹ軸テーブル９を位置決め制御して、上記主軸ユニット７の摩擦撹拌接合ツール３８を、上述した初期状態に配置させる。このときの位置決め制御機能は、上記制御器４５に備えるようにしてもよく、あるいは、該制御器４５と連係する図示しない別の制御器に備えるようにしてもよい。

次いで、上記摩擦撹拌接合ツール３８のプローブ３９の回転駆動を行わせた状態で、上記Ｘ軸テーブル５を運転して、上記摩擦撹拌接合ツール３８を上記ワーク３ａと３ｂの接合線４に沿って相対的に移動させて、プローブ３９によるワーク３ａと３ｂの接合線４の位置での摩擦撹拌接合を実施させる。このとき、上記制御器４５による荷重フィードバック制御を開始させる。

これにより、摩擦撹拌接合を施工する際、ワーク３ａと３ｂの製作精度や、上記Ｘ軸テーブル５に対する治具３７を介してワーク３ａと３ｂを保持させるときの精度等に起因して、上記Ｘ軸テーブル５の運転に伴うワーク３ａと３ｂの進行方向と、接合線４との平行度が低下している場合は、上記摩擦撹拌接合ツール３８の固定式ショルダー４０のワーク接触面４２ａ又は４２ｂと、上記ワーク３ａ又は３ｂとの干渉が大きくなる。よって、この干渉の増加により、上記ワーク３ａと３ｂの進行方向であるＸ軸方向に直交する水平方向としてのＹ軸方向の負荷荷重が、初期値より変化する。

上記Ｙ軸方向の負荷荷重の変化が、上記ロードセル４４により検出されると、そのロードセル４４の検出信号に基づいて、上記制御器４５より、上記Ｙ軸テーブル９のサーボモータ３５へ制御指令が与えられて、上記変化した負荷荷重が、上記初期値に一致するように、Ｙ軸テーブル本体３０と一緒に上記摩擦撹拌接合ツール３８の固定式ショルダー４０の位置が制御される。これにより、上記ワーク３ａと３ｂに対する上記摩擦撹拌接合ツール３８の固定式ショルダー４０の位置関係は、上記初期状態と同様の配置となるため、上記プローブ３９の位置は、ワーク３ａと３ｂの接合線４の位置から外れることが防止されるようになる。

その後、上記制御器４５による荷重フィードバック制御を継続しながら、上記摩擦撹拌接合ツール３８のプローブ３９を、上記ワーク３ａと３ｂの接合線４の全長に亘り移動させて、摩擦撹拌接合の施工が終了した後は、上記制御器４５による荷重フィードバック制御を終了した後、再び上記位置決め制御により、上記Ｚ軸テーブル８及びＹ軸テーブル９を動作させて、上記摩擦撹拌接合ツール３８を所定の待機位置まで退避させるようにする。

このように、本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、ワーク３ａ及び３ｂと摩擦撹拌接合ツール３８の相対的な移動方向であるＸ軸方向に対して、上記ワーク３ａと３ｂの接合線４の位置にＹ軸方向への位置ずれが生じている場合や、該接合線４が水平面内で傾きを生じている場合であっても、上記摩擦撹拌接合ツール３８のプローブ３９を、上記接合線４に倣って移動させることができる。

しかも、上記摩擦撹拌接合ツール３８の倣い制御は、プローブ３９による摩擦撹拌接合が実施されている個所における該摩擦撹拌接合ツール３８の固定式ショルダー４０と、ワーク３ａ，３ｂとの接触圧力の変化に応じて行われるため、倣い制御の精度を高めることができて、誤動作を防止することができる。

したがって、上記Ｘ軸テーブル５にワーク３ａ，３ｂを保持させるときに、該ワーク３ａ，３ｂの精密な位置決めを行わなくても、該ワーク３ａと３ｂの接合線４の位置での摩擦撹拌接合を良好に実施することができる。

よって、上記ワーク３ａと３ｂが長尺の場合にも、該ワーク３ａと３ｂを上記Ｘ軸テーブル５に容易に保持させて、摩擦撹拌接合を実施することができる。

更に、本発明の摩擦撹拌接合装置では、上記プローブ３９をワーク３ａと３ｂの接合線４に倣い制御させることで、摩擦撹拌接合の施工条件が安定するため、摩擦撹拌接合により製造する製品の品質の向上化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、摩擦撹拌接合ツール３８の固定式ショルダー４０のワーク接触面４２ａ，４２ｂと、すみ肉接合の対象となるワーク３ａと３ｂの接合線４を挟んで傾斜面として配置される面について、摩擦撹拌接合ツール３８とワーク３ａ，３ｂとの相対移動方向に直交する水平方向であるＹ軸方向の接触圧力の変化を検出することができるようにしてあれば、たとえば、主軸ユニット７における上記固定式ショルダー４０の取り付け個所にロードセルを介装させる構成や、Ｙ軸テーブル９のＹ軸テーブル本体３０における主軸ユニット７の取り付け個所にロードセルを介装させる構成等、図示した以外の個所にロードセルを設置する構成を採用してもよい。これらの場合、使用するロードセルの形式や取り付け構造は、Ｙ軸方向の接触圧力の変化を検出することができるように適宜設定すればよい。

更に、上記摩擦撹拌接合ツール３８とワーク３ａ，３ｂの相対移動方向に直交する水平方向について、上記摩擦撹拌接合ツール３８の位置を制御する横行軸としての機能を備えていれば、Ｙ軸テーブル９に代えて、任意の直動機構を採用してもよい。この場合、上記直動機構は、摩擦撹拌接合の実施時に、摩擦撹拌接合ツール３８のプローブ３９をワーク３ａ，３ｂの接合部に没入させるために該プローブ３９に下向きの大きな押し付け力を作用させている状態で、該摩擦撹拌接合ツール３８とワーク３ａ，３ｂの相対移動方向に直交する水平方向に摩擦撹拌接合ツール３８の位置を制御できるようにしてあれば、台形ねじ直動機構や、リニアモータによる直動機構等、ボールねじ直動機構３１以外のいかなる形式の直動機構を採用した構成としてもよい。更に、摩擦撹拌接合ツール３８とワーク３ａ，３ｂとの上記相対移動方向に直交する水平方向の接触圧力の変化を検出するための検出手段は、上記直動機構における被駆動部材と、上記摩擦撹拌接合ツール３８とを繋ぐ構造のいずれかの個所に備えるようにすればよい。

上記実施の形態では、本発明の摩擦撹拌接合装置が、主軸ユニット７の位置決め機構として、３軸門型の主軸位置決め機構１を備えるものとして示したが、主軸ユニット７をワーク３ａ，３ｂに対してＸＹＺの３軸方向に相対変位させることができ、且つ上記主軸ユニット７をワーク３ａと３ｂの接合線４の全長に亘って相対移動させることができるようにしてあれば、図示した以外のいかなる形式の主軸ユニット７の位置決め機構を採用してもよい。

Ｚ軸テーブル８は、Ｚ軸テーブル本体２１を上下方向（Ｚ軸方向）へ移動させるための直動機構として、ボールねじ直動機構２２を備えた構成を示したが、上記Ｚ軸テーブル本体２１の昇降動作を実施でき、且つ摩擦撹拌接合の実施時に、摩擦撹拌接合ツール３８のプローブ３９をワーク３ａ，３ｂの接合部に没入させるために該プローブ３９に作用させる下向きの大きな押し付け力の反力を受けることができるようにしてあれば、台形ねじによる直動機構等、ボールねじ直動機構２２以外のいかなる形式の直動機構を採用した構成としてもよい。

Ｘ軸テーブル５は、Ｘ軸テーブル本体１２を移動させるための直動機構として、ボールねじ直動機構１３を備えた構成を示したが、摩擦撹拌接合の実施時に、摩擦撹拌接合ツール３８のプローブ３９をワーク３ａ，３ｂの接合部に没入させるために該プローブ３９に下向きの大きな押し付け力を作用させている状態で、摩擦撹拌接合ツール３８とワーク３ａ，３ｂとを、上記ワーク３ａ，３ｂの溶接線４に沿う方向へ相対移動させることができるようにしてあれば、台形ねじによる直動機構や、リニアモータによる直動機構等、ボールねじ直動機構１３以外のいかなる形式の直動機構を採用した構成としてもよい。

摩擦撹拌接合ツール３８の固定式ショルダー４０は、下端部が２つのワーク接触面４２ａと４２ｂとからなるＶ字形状としてあれば、上部側の形状はいかなる形状であってもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

３ａ，３ｂ ワーク
４ 接合線
９ Ｙ軸テーブル（横行軸）
３８ 摩擦撹拌接合ツール
３９ プローブ
４０ 固定式ショルダー
４２ａ，４２ｂ ワーク接触面
４４ ロードセル（検出手段）
４５ 制御器

Claims (2)

1. 回転駆動可能なプローブと、固定式ショルダーとを備えた摩擦撹拌接合ツールを有する摩擦撹拌接合装置において、
   上記固定式ショルダーを、すみ肉接合対象のワークの接合線を挟んだ面にそれぞれ接触させるための２つのワーク接触面によるＶ字形状の下端部を備えてなる構成とし、
   更に、上記摩擦撹拌接合ツールを摩擦撹拌接合の施工時における上記ワークとの相対移動方向に直角な水平方向へ移動可能とするための横行軸と、
   上記固定式ショルダーの上記ワークに対する上記横行軸に平行な方向の接触圧力を検出する手段と、
   該検出手段による接触圧力の検出値に応じて、上記横行軸に上記摩擦撹拌接合ツールの位置を制御するための指令を与える制御器と
   を備えてなる構成を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 制御器は、検出手段より入力される接触圧力の検出値を監視して、入力された検出値と、摩擦撹拌接合開始時の該検出値の初期値との差がゼロになるように、上記横行軸に上記摩擦撹拌接合ツールの位置の荷重フィードバック制御を行わせる機能を備えるようにした請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。

Images