JP2017209703A - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの施工状態の確認、及び装置本体、接合部の異常状態を把握することが可能な摩擦撹拌接合装置の提供。
【解決手段】一対のワークＷを支持する架台２と、架台２に支持されたワークＷ同士を摩擦撹拌接合するツール２０を搭載し、架台２の下部空間Ｓを走行する走行台車３と、を備える摩擦撹拌接合装置１であって、摩擦撹拌接合の際に、ワークＷ、ツール２０、走行台車３の少なくとも一つの状態監視を行う状態監視系７を備え、状態監視系７は、走行台車３に搭載されている、という構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦撹拌接合装置に関するものである。

従来、摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合用のツールのプローブ（ピンとも称する）を、回転させた状態でワーク同士が突き合わされた接合部に押し付けて、該回転するプローブをワーク内に没入させると共に接合部の全長に亘り移動させる手法である。これにより、ワークの接合部にプローブとの接触による摩擦熱を発生させて、該接合部周辺を軟化させると共に、この軟化した接合部周辺をプローブの回転に伴って塑性流動により撹拌混合することで、ワーク同士を一体に接合する。

下記特許文献１には、摩擦撹拌接合装置の一形態が開示されている。この摩擦撹拌接合装置は、下記特許文献１の図２に示すように、一対のワークを支持する架台と、架台に支持されたワーク同士を摩擦撹拌接合するツールを搭載し、架台の下部空間を走行する走行台車と、を備える。ワークは、摩擦撹拌接合の際に、ツールから力（例えば、摩擦撹拌接合が進行する方向にワークを押す力、接合部を引き離そうとする力、及びワークを回転させようとする力等）を受けるため、架台は、ワーククランプ機構を備える。

特開２０１５−１９６１８４号公報

従来、摩擦撹拌接合するワークは、例えば１０ｍｍ未満のアルミ材等の薄板が中心であった。しかしながら、近年、１０ｍｍ以上（例えば３０ｍｍ以下）程度の厚板にも、摩擦撹拌接合の適用範囲が広がりつつある。このような背景のもと、厚板のワークに対する施工品質の確認、及び装置本体、接合部の異常状態を把握するため、ワーク、ツール及び走行台車の状態を監視する必要性が生じてきている。従来の構成では、走行台車が架台の下部空間に配置され、また、架台の上にはワーククランプ機構が配置されているため、上記監視対象を目視等により外部から直接監視することは困難であった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ワークの施工状態の確認、及び装置本体、接合部の異常状態を把握することが可能な摩擦撹拌接合装置の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、一対のワークを支持する架台と、前記架台に支持されたワーク同士を摩擦撹拌接合するツールを搭載し、前記架台の下部空間を走行する走行台車と、を備える摩擦撹拌接合装置であって、前記摩擦撹拌接合の際に、前記ワーク、前記ツール、前記走行台車の少なくとも一つの状態監視を行う状態監視系を備え、前記状態監視系は、前記走行台車に搭載されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記状態監視系は、複数の状態監視素子を備え、前記複数の状態監視素子は、前記ワークの接合部に沿って配置されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記状態監視系は、前記摩擦撹拌接合の進行方向後方側において、前記一対のワークの少なくともいずれか一方の温度を監視するワーク温度監視素子を備える、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記ワーク温度監視素子は、少なくとも前記一対のワークのアドバンシングサイドの温度を監視する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記ワーク温度監視素子は、前記摩擦撹拌接合の進行方向と直交する幅方向において、前記ワークの接合部から退避した両側の位置に一対で設けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記状態監視系は、前記一対のワーク温度監視素子の間に配置された撮像素子を備え、前記撮像素子は、少なくとも前記ワークの接合部を含む画角で取り付けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記状態監視系は、前記摩擦撹拌接合の進行方向前方において、前記ツールの温度を監視するツール温度監視素子を備える、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記走行台車は、前記ツールを走行させる走行側台車ユニットと、前記ツールを回転させる主軸を備える主軸側台車ユニットと、前記走行側台車ユニットと前記主軸側台車ユニットを前記摩擦撹拌接合の進行方向において一定範囲で変位自在に連結する連結部と、を備え、前記状態監視系は、前記走行側台車ユニットと前記主軸側台車ユニットとの間に配置された荷重監視素子を備える、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記ワーク及び前記ツールの状態監視を行う状態監視素子は、前記主軸側台車ユニットに搭載されている、という構成を採用する。

本発明では、ツールを搭載し、ワークを支持する架台の下部空間を走行する走行台車に、ワーク、ツール、走行台車の少なくとも一つの状態監視を行う状態監視系を搭載する。この構成によれば、架台の下部空間において、走行台車から上記監視対象を直接監視することができるため、架台や、その架台が備えるワーククランプ機構等の構造物によって、上記監視対象の監視が遮られることがなくなる。
したがって、本発明では、ワークの施工状態の確認、及び装置本体、接合部の異常状態を把握することが可能な摩擦撹拌接合装置が得られる。

本発明の実施形態における摩擦撹拌接合装置を示す側面構成図である。 本発明の実施形態における主軸の一端部周辺の構成を示す拡大図である。 本発明の実施形態における走行台車に搭載された状態監視系の配置を示す平面図である。 本発明の実施形態における連結部の構成及び荷重監視素子の配置を示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるワークの接合部に対する状態監視系の配置を示す平面模式図である。 本発明の実施形態における撮像素子の画角に含まれる像を示すイメージ図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明することがある。水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。

図１は、本発明の実施形態における摩擦撹拌接合装置１を示す側面構成図である。
摩擦撹拌接合装置１は、ワークＷを支持する架台２と、架台２に支持されたワークＷを摩擦撹拌接合するツール２０を搭載し、架台２の下部空間Ｓを走行する走行台車３と、を備える。

架台２は、走行台車３の移動方向（Ｘ軸方向）に延びる一対の支持板であり、当該一対の支持板のそれぞれにワークＷを支持する。走行台車３は、一対の支持板のＹ軸方向における隙間を介して架台２上に突出させたツール２０を回転させつつＸ軸方向に移動させることにより、架台２に支持された一対のワークＷ同士を接合する。架台２は、一対のワークＷを一対の支持板に固定する図示しないワーククランプ機構（例えば、特許文献１の図２参照）を備える。

走行台車３は、架台２の下部空間Ｓに配置されている。走行台車３は、ツール２０を走行させる走行側台車ユニット４と、ツール２０を回転させる主軸２１を備える主軸側台車ユニット５と、走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５とを連結する連結部６と、摩擦撹拌接合の状態監視を行う状態監視系７と、を備える。

走行側台車ユニット４は、モータ１０と、カップリング１２と、ウォーム減速機１３と、スプロケット１４と、を備える。モータ１０は、走行側台車ユニット４の駆動源である。モータ１０は、遊星減速機を含んで構成されている。カップリング１２は、モータ１０とウォーム減速機１３の軸部同士を接続する。ウォーム減速機１３は、モータ１０の回転を減速する。スプロケット１４は、ウォーム減速機１３に接続され、モータ１０の回転に対し所定の減速比で回転する。

スプロケット１４は、ベース８上に敷設されたチェーンラック９に係合している。スプロケット１４が回転すると、走行側台車ユニット４がＸ軸方向に移動すると共に、走行側台車ユニット４と連結部６を介して連結された主軸側台車ユニット５がＸ軸方向に移動する。なお、主軸側台車ユニット５の両側部は、図示しないリニアガイド機構（例えば、特許文献１の図２参照）によって支持されている。

主軸側台車ユニット５は、ツール２０と、主軸２１と、主軸回転駆動装置２２と、を備える。ツール２０は、摩擦撹拌接合用の回転工具であり、本実施形態では、ワークＷの表裏面に接触するボビンツールからなる。主軸２１は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に延在し、その鉛直上方の一端部２１ａにツール２０を支持している。主軸回転駆動装置２２は、上部軸受部２３と、下部軸受部２４と、主軸側Ｖプーリ２５と、Ｖベルト２６と、モータ側Ｖプーリ２７と、モータ２８と、を備える。

上部軸受部２３は、主軸２１の一端部２１ａ側に配置され、主軸２１を鉛直方向に延びる軸回りに回転自在に支持する。下部軸受部２４は、主軸２１の他端部２１ｂ側に配置され、主軸２１を鉛直方向に延びる軸回りに回転自在に支持する。主軸側Ｖプーリ２７は、主軸２１の他端部２１ｂに接続されている。Ｖベルト２６は、主軸側Ｖプーリ２７とモータ側Ｖプーリ２７とに架設されている。モータ側Ｖプーリ２７は、主軸側Ｖプーリ２７よりも径が小さく形成され、モータ２８と接続されている。

モータ２８は、主軸側台車ユニット５の駆動源である。モータ２８が回転すると、モータ側Ｖプーリ２７、Ｖベルト２６を介して、主軸側Ｖプーリ２７が所定の減速比で回転する。主軸２１は、上部軸受部２３及び下部軸受部２４によって回転自在に支持されており、主軸側Ｖプーリ２７と共に回転する。主軸２１が回転すると、主軸２１に支持されたツール２０が鉛直方向に延びる軸回りに回転する。このＶベルト２６による動力伝達機構は、効率がよく、負荷による効率変動も少ないため、モータ２８のサーボモータ駆動によって、モータ２８のトルク計測から安定して主軸２１のトルク計測を行える。

連結部６は、走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５とを、摩擦撹拌接合の進行方向において一定範囲で相対変位自在に連結する（詳細は後述）。
状態監視系７は、ワークＷ、ツール２０、走行台車３の少なくとも一つの（本実施形態では全ての）状態監視を行う複数の状態監視素子７ａを備える。複数の状態監視素子７ａは、走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５との間に配置された荷重監視素子４０と、主軸側台車ユニット５に搭載されたワーク温度監視素子４１、撮像素子４２、ツール温度監視素子４３と、を含む。

続いて、図２〜図６を参照して、主軸２１の一端部２１ａ周辺の構成及びその周辺に配置された状態監視系７の構成について説明する。

図２は、本発明の実施形態における主軸２１の一端部２１ａ周辺の構成を示す拡大図である。図３は、本発明の実施形態における走行台車３に搭載された状態監視系７の配置を示す平面図である。図４は、本発明の実施形態における連結部６の構成及び荷重監視素子４０の配置を示す斜視図である。図５は、本発明の実施形態におけるワークＷの接合部１００に対する状態監視系７の配置を示す平面模式図である。図６は、本発明の実施形態における撮像素子４２の画角に含まれる像を示すイメージ図である。

図２に示すように、主軸２１の一端部２１ａには、ツール２０を収容する収容溝２９が設けられている。ツール２０は、上部ショルダー５０と、プローブ５１と、下部ショルダー５２と、挿入部５３と、を備える。上部ショルダー５０と下部ショルダー５２は、ワークＷの表裏面を摩擦発熱させる。プローブ５１は、当該摩擦発熱によって軟化したワークＷの接合部１００を撹拌混練する。挿入部５３は、下部ショルダー５２よりも一回り大きな円柱形状を有し、収容溝２９に挿入される。

主軸２１は、収容溝２９を形成するツールホルダー６０を備える。ツールホルダー６０の外周面には、キー６４が固定されている。キー６４は、主軸２１に形成されたキー溝６６に係合している。これにより、主軸２１の回転力をツールホルダー６０に伝達することができる。ツールホルダー６０は、複数のボルト６７によって主軸２１の端面に対して複数箇所で固定されている。ツールホルダー６０の上端面には、飛散物の侵入を阻止するカバー部材６８が取り付けられている。

主軸２１は、フローティング機構７０を備える。フローティング機構７０は、ツール２０を収容溝２９に対し軸方向に移動自在に支持する。フローティング機構７０は、すべりキー７１と、バネ部材７２と、を備える。すべりキー７１は、ツール２０の挿入部５３の外周面に固定されている。すべりキー７１は、ツールホルダー６０の内周面に形成されたキー溝７４に係合している。

これにより、主軸２１の回転力を、ツールホルダー６０を介してツール２０に伝達することができる。また、キー溝７４は、主軸２１の軸方向（Ｚ軸方向）に沿って延在しており、ツール２０は、すべりキー７１によってツールホルダー６０に対して軸方向に移動することができる。バネ部材７２は、ツール２０を軸方向に移動自在に支持する。本実施形態のバネ部材７２は、コイルスプリングであり、収容溝２９に形成されたガイド溝２９ｃに収容されている。

上部軸受部２３は、第１の軸受８０、第２の軸受８１が配置された複列軸受である。本実施形態の第１の軸受８０と第２の軸受８１は、背面組み合わせの複列円錐コロ軸受である。なお、第１の軸受８０と第２の軸受８１との間には、図示しない間座が配置されている。第１の軸受８０と第２の軸受８１の内輪側は、円環形状の固定板８２及びナット８３を介して主軸２１に固定されている。第１の軸受８０と第２の軸受８１の外輪側は、ケーシング９０に固定されている。

ケーシング９０は、主軸２１の周囲に上部軸受部２３を収容する油冷室９１を形成する。ケーシング９０は、ケーシング本体９２と、ケーシング蓋体９３と、を備える。ケーシング本体９２は、油冷室９１の側面及び底面を形成する。ケーシング本体９２には、主軸２１の外周面と摺接するシール部材９６が取り付けられている。ケーシング蓋体９３は、油冷室９１の天面を形成する。ケーシング蓋体９３には、主軸２１の外周面と摺接するシール部材９７が取り付けられている。

ケーシング本体９２は、複数のボルト９４によって主軸側台車ユニット５に対して複数箇所で固定されている。ケーシング蓋体９３は、複数のボルト９５によってケーシング本体９２に対して複数箇所で固定されている。第１の軸受８０と第２の軸受８１の外輪側は、ボルト９５によって締結固定されたケーシング本体９２とケーシング蓋体９３とに挟持されている。なお、ケーシング本体９２には、図示しない潤滑油排出ポートが接続されている。また、ケーシング蓋体９３には、図示しない潤滑油供給ポートが接続されている。

図２及び図４に示すように、連結部６は、走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５とを摩擦撹拌接合の進行方向（Ｘ軸方向）において変位自在に連結する複数のガイドポスト３０を備える。複数のガイドポスト３０は、図４に示すように、Ｙ−Ｚ平面において、荷重監視素子４０を中心とした正方形の４つの角部に対応する位置に配置されている。このガイドポスト３０は、固定台３１と、シャフト３２と、スライドブッシュ３３と、を備える。

固定台３１は、主軸側台車ユニット５と対向する走行側台車ユニット４の対向面４ａに固定されている。シャフト３２は、走行側台車ユニット４に固定された固定台３１に支持されている。シャフト３２は、固定台３１からＸ軸方向に延在する。図２に示すように、走行側台車ユニット４と対向する主軸側台車ユニット５の対向面５ａには、シャフト３２が挿入される挿入孔３４が形成されている。スライドブッシュ３３は、挿入孔３４に挿入されたシャフト３２に対してＸ軸方向に移動自在に係合し、主軸側台車ユニット５の対向面５ａを形成するフレーム５Ａの裏面５ｂに固定されている。

また、連結部６は、摩擦撹拌接合の進行方向（Ｘ軸方向）における走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５との変位を一定範囲に規制する複数のボルトナット３５を備える。複数のボルトナット３５は、図４に示すように、Ｙ−Ｚ平面において、荷重監視素子４０を中心とした正方形の４つの角部に対応する位置に配置されている。複数のボルトナット３５は、複数のガイドポスト３０よりも荷重監視素子４０の近くに配置されている。ボルトナット３５には、図２に示すように、荷重監視素子４０にある程度の予圧（摩擦撹拌接合の進行方向における反力変動以上のプリテンション）をかける皿バネ３６が介装されている。皿バネ３６は、ボルトナット３５による締め付け荷重をコントロールする。

荷重監視素子４０は、走行側台車ユニット４の対向面４ａと主軸側台車ユニット５の対向面５ａとの間に配置された圧縮型のロードセルである。図２に示すように、荷重監視素子４０を挟んだ通常状態では、固定台３１と対向面５ａとの間に荷重監視素子４０の変位量を確保するクリアランスが生じている。この構成によれば、主軸側台車ユニット５が摩擦撹拌接合の際にその進行方向において受ける反力を荷重監視素子４０によって計測することができる。また、走行台車３が摩擦撹拌接合の際と反対側に移動しても、ボルトナット３５によって走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５との連結が解除されないようにすることができる。

図２に示すように、主軸側台車ユニット５のフレーム５Ａは天板フレーム５Ｂを支持している。フレーム５Ａの裏面５ｂには、天板フレーム５Ｂを支えるサポート部材５ｃが取り付けられている。天板フレーム５Ｂには、ボルト９４を介してケーシング本体９２が接続されている。また、この天板フレーム５Ｂには、ワーク温度監視素子４１が取り付けられている。ワーク温度監視素子４１は、摩擦撹拌接合の進行方向後方側（ツール２０の−Ｘ側）において、ワークＷの温度を監視する。

ワーク温度監視素子４１は、非接触式の赤外線温度センサである。ワーク温度監視素子４１は、天板フレーム５ＢとワークＷとの距離が近く、上向きに取り付けることが困難であるため、測定赤外線Ｒ１を９０°曲げるプリズム４１ａを備える。これにより、ワーク温度監視素子４１は、主軸側台車ユニット５の直上に配置されたワークＷの温度計測が可能となる。このワーク温度監視素子４１は、図３に示すように、摩擦撹拌接合の進行方向と直交する幅方向（Ｙ軸方向）において間隔をあけて一対で設けられている。

図５に示すように、ワーク温度監視素子４１は、Ｙ軸方向において一対のワークＷの接合部１００から退避した両側の位置に一対で設けられている。具体的には、ワーク温度監視素子４１によるワークＷの測定点４１ｂが、接合部１００から退避した位置に設定されている。接合部１００の大きさは、ツール２０の大きさに依存する。このため、左右の測定点４１ｂは、少なくともツール２０のプローブ５１（図２参照）の径よりも離間して設定することが好ましく、より好ましくは、ツール２０の上部ショルダー５０，下部ショルダー５２（図２参照）の径よりも離間して設定することが好ましい。

図５に示すように、ツール２０が平面視時計回りに回転するとき、一対のワークＷのうち、＋Ｙ側に配置されたものは摩擦撹拌接合のアドバンシングサイドとなる。アドバンシングサイドとは、摩擦撹拌接合の際のツール２０の進行方向と回転方向が同じになる側である。アドバンシングサイドは、ツール２０の進行方向と回転方向が逆であるリトリーティングサイド（−Ｙ側）よりも、抵抗が高く、入熱量が多い。このため、ワーク温度監視素子４１は、少なくとも一対のワークＷのアドバンシングサイドの温度を監視できるようになっている。本実施形態では、リトリーティングサイドの温度も監視できるようにワーク温度監視素子４１が一対で設けられている。

図３に示すように、一対のワーク温度監視素子４１の間には、撮像素子４２が配置されている。撮像素子４２は、天板フレーム５Ｂに取り付けられたアタッチメント台３７に支持されている。アタッチメント台３７は、天板フレーム５Ｂの窪み部５ｄに配置されている。なお、窪み部５ｄには、走行側台車ユニット４の上部に設けられた一対のリブ４Ａ（図４参照）が挿入される。アタッチメント台３７は、図２に示すように、階段状（段差状）に形成され、天板フレーム５Ｂよりも低い位置で撮像素子４２を支持している。このアタッチメント台３７は、撮像素子４２の監視対象を照らす照明４４も搭載している。照明４４は、図２及び図３において、符号Ｌで示す範囲を照らす。

撮像素子４２は、摩擦撹拌接合の進行方向後方側（ツール２０の−Ｘ側）において、ワークＷの接合部１００を撮像するビデオカメラである。撮像素子４２は、少なくともワークＷの接合部１００を含む画角で取り付けられている。図６に示すように、本実施形態の撮像素子４２の画角には、接合部１００の他に、ツール２０（下部ショルダー５２）と、スケール３８とが含まれる。スケール３８は、撮像素子４２の撮影位置を把握するものであり、装置固定部分（本実施形態では架台２の裏側）に設置されている。なお、本実施形態の撮像素子４２は、ズーム機能を有しており、図２及び図３において、符号Ｖ１で示す広角モードと、符号Ｖ２で示す望遠モードに切り替え可能とされている。

図２及び図３に示すように、ツール温度監視素子４３は、摩擦撹拌接合の進行方向前方側（ツール２０の＋Ｘ側）において、ツール２０の温度を監視する。ツール温度監視素子４３は、非接触式の赤外線温度センサである。ツール温度監視素子４３は、図２に示すように、ケーシング蓋体９３に取り付けられている。ツール温度監視素子４３は、測定赤外線Ｒ２がツール２０の下部ショルダー５２を含むような角度で取り付けられている。

上述した複数の状態監視素子７ａ（荷重監視素子４０、ワーク温度監視素子４１、撮像素子４２、ツール温度監視素子４３）は、図３及び図５に示すように、ワークＷの接合部１００（ツール２０を通るＸ軸方向に延びる直線）に沿って配置されている。
状態監視系７は、複数の状態監視素子７ａの監視データを目視により確認可能な図示しないモニター付き操作パネルと、複数の状態監視素子７ａの監視データを記憶する図示しない記憶装置と、を備える。記憶装置は、例えば、荷重監視素子４０、ワーク温度監視素子４１、ツール温度監視素子４３の監視データを記憶するデータロガーと、撮像素子４２の監視データ（撮像データ）を記憶するＨＤＤレコーダと、を備える。監視データのサンプリングは、主軸２１の回転／停止と連動しており、時系列的な状態のトレースも可能とされている。

以上のように、本実施形態では、ツール２０を搭載し、ワークＷを支持する架台２の下部空間Ｓを走行する走行台車３に、ワークＷ、ツール２０、走行台車３の少なくとも一つ（本実施形態では全て）の状態監視を行う状態監視系７を搭載する（図１参照）。この構成によれば、架台２の下部空間Ｓにおいて、走行台車３から上記監視対象を直接監視することができるため、架台２や、その架台２が備えるワーククランプ機構等の構造物によって、上記監視対象の監視が遮られることがなくなる。

具体的に、状態監視系７は、複数の状態監視素子７ａ（荷重監視素子４０、ワーク温度監視素子４１、撮像素子４２、ツール温度監視素子４３）を備え、複数の状態監視素子７ａは、図３及び図５に示すように、ワークＷの接合部１００に沿って配置されている。この構成によれば、ワーク温度監視素子４１、撮像素子４２、ツール温度監視素子４３は、架台２の隙間から監視対象（ワークＷ、ツール２０）を直接監視でき、また、荷重監視素子４０は、平面視でツール２０の移動経路上に配置され、摩擦撹拌接合の際の走行方向の反力をダイレクトに受けることができる。このため、ワークＷの施工状態の確認、及び装置本体、接合部１００の異常状態を正確に把握することができる。

ワーク温度監視素子４１は、図３及び図５に示すように、摩擦撹拌接合の進行方向後方側（ツール２０の−Ｘ側）に配置される。この構成によれば、ツール２０によって入熱された直後のワークＷの温度を監視することが可能となる。
また、ワーク温度監視素子４１は、少なくとも一対のワークＷのアドバンシングサイド（＋Ｙ側）の温度を監視する。すなわち、アドバンシングサイドは、リトリーティングサイド（−Ｙ側）よりも、抵抗が高く、入熱量が多いため、アドバンシングサイドの温度を監視することにより、接合部１００の異常状態を効果的に把握することができる。
さらに、ワーク温度監視素子４１は、摩擦撹拌接合の進行方向と直交する幅方向において、ワークＷの接合部１００から退避した両側の位置に一対で設けられている。この構成によれば、測定赤外線Ｒ１が接合部１００の鱗状の表面から受ける影響を回避して、ワーク温度監視素子４１の計測精度を向上させつつ、アドバンシングサイドだけでなくリトリーティングサイドの温度も監視できる。

撮像素子４２は、図３及び図５に示すように、一対のワーク温度監視素子４１の間に配置され、図６に示すように、少なくともワークＷの接合部１００を含む画角で取り付けられている。この構成によれば、一対のワーク温度監視素子４１の間のデッドスペースを利用して撮像素子４２を配置できる。また、撮像素子４２の直上には、ワークＷの接合部１００が延在しており、図６に示すように、撮像素子４２の画角に接合部１００が収まり易くなる。また、図６に示すように、摩擦撹拌接合の際、特に異常がなければ、撮像素子４２には一定幅の接合部１００が撮像され続けるため、接合部１００の幅を監視することにより、接合部１００の異常状態を効果的に把握することができる。また、撮像素子４２の画角に、スケール３８を含めていれば、仮に接合部１００に異常状態が発生した場合であっても、その位置を容易に把握することができる。

ツール温度監視素子４３は、図２及び図３に示すように、摩擦撹拌接合の進行方向前方側（ツール２０の＋Ｘ側）に配置される。この構成によれば、撮像素子４２と干渉することなく（撮像素子４２の画角に入ることなく）、ツール２０の温度を計測することができる。また、摩擦撹拌接合の進行方向前方側は、ワークＷに対する入熱前の状態であり、ツール温度監視素子４３をワークＷに近付けて配置できるため、図２に示すように、ツール温度監視素子４３の取り付け角度の調整も容易となる。

また、本実施形態においては、図１に示すように、走行台車３は、ツール２０を走行させる走行側台車ユニット４と、ツール２０を回転させる主軸を備える主軸側台車ユニット５と、走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５を摩擦撹拌接合の進行方向において一定範囲で変位自在に連結する連結部６と、を備え、荷重監視素子４０は、走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５との間に配置される。本実施形態のように、ウォーム減速機１３を使用する場合、その機械特性から運転開始時と運転中で減速機効率が約１０％程度変動することがあるため、例えば、モータ１０をサーボモータ駆動させ、モータ１０のトルク値から摩擦撹拌接合の進行方向の反力を計測しようとすると、その正確な値の計測は困難になる。一方、本実施形態によれば、走行台車３の走行系（走行側台車ユニット４）と回転系（主軸側台車ユニット５）を機械的に分割し、その間に荷重監視素子４０を配置しているため、ウォーム減速機１３の減速機効率の変動の影響を受けることなく、摩擦撹拌接合の進行方向の反力を正確に計測することが可能となる。

また、図１に示すように、ワークＷ及びツール２０の状態監視を行う状態監視素子７ａ（ワーク温度監視素子４１、撮像素子４２、ツール温度監視素子４３）は、主軸側台車ユニット５に搭載されている。この構成によれば、ツール２０、ワーク温度監視素子４１、撮像素子４２、及びツール温度監視素子４３が、同一の主軸側台車ユニット５に搭載されるため、摩擦撹拌接合の進行方向において主軸側台車ユニット５が反力を受けて変位しても、ツール２０、ワーク温度監視素子４１、撮像素子４２、及びツール温度監視素子４３との相対位置が変化しないため、走行側台車ユニット４に搭載した場合と比べて計測誤差が小さくなる。

このように、上述の本実施形態によれば、一対のワークＷを支持する架台２と、架台２に支持されたワークＷ同士を摩擦撹拌接合するツール２０を搭載し、架台２の下部空間Ｓを走行する走行台車３と、を備える摩擦撹拌接合装置１であって、摩擦撹拌接合の際に、ワークＷ、ツール２０、走行台車３の少なくとも一つの状態監視を行う状態監視系７を備え、状態監視系７は、走行台車３に搭載されている、という構成を採用することによって、ワークＷの施工状態の確認、及び装置本体、接合部１００の異常状態を把握することが可能な摩擦撹拌接合装置１が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、荷重監視素子４０として圧縮型のロードセルを使用したが、例えば、主軸側台車ユニット５が走行側台車ユニット４に牽引される構成の場合、荷重監視素子４０として引張型のロードセルを使用してもよい。

また、例えば、上記実施形態では、ボルトナット３５に皿バネ３６を介装し、荷重監視素子４０に予圧をかける構成について説明したが、皿バネ３５が他の弾性要素（例えば、コイルスプリングや、ゴム等）から構成されていてもよい。

また、例えば、上記実施形態では、連結部６が複数のガイドポスト３０を備える構成について説明したが、連結部６がリニアガイド機構によって走行側台車ユニット４と主軸側台車ユニット５とを変位自在に連結する構成であってもよい。また、このリニアガイド機構は、走行台車３の走行の全体をガイドするリニアガイド機構と兼用としてもよい。

また、例えば、上記実施形態では、Ｖベルト２６による動力伝達機構を介して主軸２１を回転させると説明したが、動力伝達効率がよく、負荷による効率変動も少ないものであれば、例えば、平歯車などのシンプルな歯車減速機構を動力伝達機構としてもよい。

また、例えば、上記実施形態では、ワーク温度監視素子４１を摩擦撹拌接合の進行方向後方側に一対で配置し、一対のワークＷのそれぞれの温度を監視する構成について説明したが、ワーク温度監視素子４１を１つだけ配置し、一対のワークＷの一方の温度のみを監視する構成であってもよい。ワーク温度監視素子４１を１つだけ配置する場合は、ワークＷのアドバンシングサイドとリトリーティングサイドのいずれの温度を監視してもよいが、入熱量が多いアドバンシングサイドの温度を監視する方が好ましい。また、ワーク温度監視素子４１を２個以上配置してもよい。ワーク温度監視素子４１を２個以上配置する場合は、摩擦撹拌接合の進行方向前方側と後方側にそれぞれ２個ずつ配置し、摩擦撹拌接合の施工前後の一対のワークＷの温度を監視する構成としてもよい。

また、例えば、上記実施形態では、取扱い性の観点からワーク温度監視素子４１を非接触式のセンサとしているが、ワーク温度監視素子４１を接触式のセンサとしてもよい。例えば、熱電対等の接触式のセンサを、バネ等の弾性部材で支持してワークＷに押し付ける構成であってもよい。
また、ツール温度監視素子４２も接触式のセンサとしてもよい。例えば、接触式のセンサをツール２０に埋め込み、ツール２０の温度を無線通信によりリモートで監視する構成としてもよい。
また、ワーク温度監視素子４１及びツール温度監視素子４２として、広域を一括監視できるサーモカメラ等を使用してもよい。

また、例えば、上記実施形態では、撮像素子４２としてビデオカメラを使用したが、撮像素子４２として静止画カメラを使用し、一定時間ごとに撮影してもよい。また、撮像素子４２として暗視カメラのようなものを使用すれば、照明４４は設置しなくてもよい。

また、例えば、上記実施形態では、ツール２０がボビン型である構成について説明したが、ツール２０がプローブ型（一対のショルダーを備えずプローブ（円柱部）にネジ加工がされたものとネジ加工されていないものを含む）であってもよい。

１ 摩擦撹拌接合装置
２ 架台
３ 走行台車
４ 走行側台車ユニット
５ 主軸側台車ユニット
６ 連結部
７ 状態監視系
７ａ 状態監視素子
２０ ツール
４０ 荷重監視素子
４１ ワーク温度監視素子
４２ 撮像素子
４３ ツール温度監視素子
１００ 接合部
Ｗ ワーク

Claims (9)

1. 一対のワークを支持する架台と、前記架台に支持されたワーク同士を摩擦撹拌接合するツールを搭載し、前記架台の下部空間を走行する走行台車と、を備える摩擦撹拌接合装置であって、
   前記摩擦撹拌接合の際に、前記ワーク、前記ツール、前記走行台車の少なくとも一つの状態監視を行う状態監視系を備え、
   前記状態監視系は、前記走行台車に搭載されている、ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 前記状態監視系は、複数の状態監視素子を備え、
   前記複数の状態監視素子は、前記ワークの接合部に沿って配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 前記状態監視系は、前記摩擦撹拌接合の進行方向後方側において、前記一対のワークの少なくともいずれか一方の温度を監視するワーク温度監視素子を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 前記ワーク温度監視素子は、少なくとも前記一対のワークのアドバンシングサイドの温度を監視する、ことを特徴とする請求項３に記載の摩擦撹拌接合装置。
5. 前記ワーク温度監視素子は、前記摩擦撹拌接合の進行方向と直交する幅方向において、前記ワークの接合部から退避した両側の位置に一対で設けられている、ことを特徴とする請求項３または４に記載の摩擦撹拌接合装置。
6. 前記状態監視系は、前記一対のワーク温度監視素子の間に配置された撮像素子を備え、
   前記撮像素子は、少なくとも前記ワークの接合部を含む画角で取り付けられている、ことを特徴とする請求項５に記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 前記状態監視系は、前記摩擦撹拌接合の進行方向前方において、前記ツールの温度を監視するツール温度監視素子を備える、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
8. 前記走行台車は、前記ツールを走行させる走行側台車ユニットと、前記ツールを回転させる主軸を備える主軸側台車ユニットと、前記走行側台車ユニットと前記主軸側台車ユニットを前記摩擦撹拌接合の進行方向において一定範囲で変位自在に連結する連結部と、を備え、
   前記状態監視系は、前記走行側台車ユニットと前記主軸側台車ユニットとの間に配置された荷重監視素子を備える、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
9. 前記ワーク及び前記ツールの状態監視を行う状態監視素子は、前記主軸側台車ユニットに搭載されている、ことを特徴とする請求項８に記載の摩擦撹拌接合装置。

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