JP2005246455A - 摩擦撹拌締結装置及び摩擦撹拌締結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数枚の金属板を締結する場合に、重量の増加を防止し、締結に要するコストを抑えると共に、締結強度を強化し、安定した高精度の摩擦撹絆締結をすることができる摩擦撹拌締結装置及び摩擦撹拌締結方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 固定されたワーク５００と締結ツール２０の先端部との接触位置を測定し、この測定した接触位置に基づいて、ワーク５００における締結すべき部分の加工開始点と加工終了点とを設定し、締結ツール２０を回転させた状態で、締結ツール２０を前記設定された加工開始点から加工終了点まで移動させ、ワーク５００と締結ツール２０との間に発生する摩擦熱によってワーク５００を軟化させ、この軟化させた部分を締結ツール２０で撹拌し、摩擦撹拌締結することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、摩擦撹拌締結装置及び摩擦撹拌締結方法に係り、特にアルミニウム合金等の複数枚の金属板をスポット的に摩擦撹拌締結する摩擦撹拌締結装置及び摩擦撹拌締結方法に関する。

従来は、アルミニウム合金等の複数枚の金属板を接合する場合、リベット打ちやボルト・ナットによる接合方法、スポット溶接による接合方法等が用いられている。

リベット打ちやボルト・ナットによる接合方法は、リベットやボルト・ナットを使用して複数枚の金属板を機械的に締結するものである。

スポット溶接による接合方法は、複数枚の金属板を電極で挟み、この間に大容量の電流を流し、電気抵抗で金属板が重なった部分を溶かし、この部分を冷やして固めることによって、複数枚の金属板をスポット的に溶接するものである。

しかし、リベット打ちやボルト・ナットによる接合方法を使用する場合、消耗材であるリベットやボルト・ナットが多数必要となり、さらに、締結箇所の増加に応じて重量が増加するという問題がある。

また、スポット溶接による接合方法を使用する場合、大容量の電流が必要となるので、接合に要するコストが高いという問題がある。

前記問題を解決する装置として、特許文献１には、回転するピンの摩擦熱を利用して、複数枚の金属板の接合点を加熱・軟化させ、これらの金属板の内部を撹拌し、複数枚の金属板の接合点をスポット接合するスポット接合装置が開示されている。

また、特許文献２には、板状部材の突合せ接合部の表面に対する回転工具のシャンクの押圧力を検出する圧力センサを設け、この圧力センサの検出信号に基づいて、押圧力が所定範囲内になるように、加圧駆動手段の駆動を制御する摩擦撹拌接合装置が開示されている。

また、本発明に関連する技術として、特許文献３に記載の摩擦撹拌接合装置がある。
特開２００３−２５１４７２号公報 特開２００２−６６７６３号公報 特開２００１−３４０９７７号公報

特許文献１には、複数枚の金属板の内部を撹拌する位置についての記載がないので、これらの金属板の内部を撹拌する位置を安定させることができず、安定した高精度の摩擦撹絆締結を実現することができないという問題がある。

また、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合装置は、板状部材の突合せ接合部に高速回転する回転工具が挿入されている状態において、回転工具のシャンクの押圧力を検出しているので、回転工具のシャンクの押圧力について、高精度の検出ができない場合がある。

そうすると、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合装置が複数枚の金属板を締結する場合、回転工具のシャンクの押圧力を高精度で検出することができないので、これらの金属板の内部を撹拌する位置を安定させることができず、締結強度が低くなり、安定した高精度の摩擦撹絆締結をすることができないという問題がある。

本発明は、複数枚の金属板を締結する場合に、重量の増加を防止し、締結に要するコストを抑えると共に、締結強度を強化し、安定した高精度の摩擦撹絆締結をすることができる摩擦撹拌締結装置及び摩擦撹拌締結方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の金属板を重ね合わせた被締結物を固定する被締結物取付部と、先端部に所定形状のピンを有する締結ツールと、前記締結ツールをその軸線まわりに回転させる第１の駆動手段と、前記締結ツールをその軸線方向に移動させる第２の駆動手段と、前記固定された被締結物と前記締結ツールの先端部との接触位置を測定する接触位置測定手段と、前記測定した接触位置に基づいて、前記固定された被締結物における締結すべき部分の加工開始点と加工終了点とを設定する設定手段と、前記第１の駆動手段が前記締結ツールを回転させた状態で、前記第２の駆動手段が前記締結ツールを前記設定された加工開始点から加工終了点まで移動させ、前記被締結物と前記締結ツールとの間に発生する摩擦熱によって前記被締結物を軟化させ、前記軟化させた部分を前記締結ツールで撹拌し、前記被締結物における締結すべき部分を摩擦撹拌締結する摩擦撹拌締結手段とを有することを特徴とする摩擦撹拌締結装置である。

本発明は、複数の金属板を重ね合わせた被締結物を固定する被締結物取付部と、先端部に所定形状のピンを有する締結ツールと、前記締結ツールをその軸線まわりに回転させる第１の駆動手段と、前記締結ツールをその軸線方向に移動させる第２の駆動手段とを有する摩擦撹拌締結装置を用いて行う摩擦撹拌締結方法であって、前記固定された被締結物と前記締結ツールの先端部との接触位置を測定する接触位置測定工程と、前記測定した接触位置に基づいて、前記固定された被締結物における締結すべき部分の加工開始点と加工終了点とを設定する設定工程と、前記第１の駆動手段が前記締結ツールを回転させた状態で、前記第２の駆動手段が前記締結ツールを前記設定された加工開始点から加工終了点まで移動させ、前記被締結物と前記締結ツールとの間に発生する摩擦熱によって前記被締結物を軟化させ、前記軟化させた部分を前記締結ツールで撹拌し、前記被締結物における締結すべき部分を摩擦撹拌締結する摩擦撹拌締結工程とを有することを特徴とする摩擦撹拌締結方法である。

本発明によれば、複数枚の金属板を締結する場合に、重量の増加を防止し、締結に要するコストを抑えると共に、締結強度を強化し、安定した高精度の摩擦撹絆締結をすることができるという効果を奏する。

以下に、本発明の実施の形態である摩擦撹拌締結装置及び摩擦撹拌締結方法について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態である摩擦撹拌締結装置１００の外観を概略的に示す図である。

摩擦撹拌締結装置１００は、電動機が回転させ進退させる締結ツール２０によって、ワーク取付部４００に固定されたワーク（被締結物）５００を軟化・撹拌させ、ワーク５００を締結する装置であり、摩擦撹拌締結装置本体１０１と、締結ツール２０と、サーボアンプ２００と、インバータ３００と、ワーク取付部４００とを有する。

各実施の形態において、ワーク５００として、１００×７０×ｔ１のアルミニウム板を２枚使用した場合について説明する。なお、アルミニウム板２枚で構成されるワーク５００以外に、他の金属板を複数枚重ね合わせたワークについて、各実施の形態を適用することができる。

図２は、摩擦撹拌締結装置１００の断面を示す断面図である。
図２（１）は、摩擦撹拌締結装置本体１０１の断面を示す断面図である。

摩擦撹拌締結装置本体１０１は、締結ツール２０と、フレーム２１と、ラム２２と、孔２３と、ボールネジ２４と、ガイドレール２５と、スライダ２６と、スクリュサポータ２７と、固定部２８と、係止部２９と、複数のボルト３０と、ナット部３１と、ベアリング３２ａ、３２ｂと、直線軸受と、電動機とを有する。

図２（２）は、拡大した締結ツール２０の断面を示す断面図である。
締結ツール２０は、ワーク５００よりも硬い材質の鋼製であり、ラム２２に装着されるものである。また、締結ツール２０の先端部は半球状に形成されたピン形状であり、このピン部分には刃が形成されていない。

フレーム２１は、摩擦撹拌締結装置本体１０１が有する各構成要素を内部に納める筐体であり、内部形状が中空の箱形状である。また、フレーム２１には、円形の孔２３が形成されている。

ラム２２は、円筒形状のものであり、先端部には締結ツール２０が装着され、円形の孔２３に進退可能に保持されている。また、ラム２２と孔２３との断面形状は略同径であり、ラム２２と孔２３との間には、ラム２２の精度良い進退を確保するインロー部が形成され、ラム２２のスムーズな進退を確保するグリス潤滑が施されている。

ボールネジ２４は、回転運動を進退運動に変換するボールネジ機構の一部を構成するものであり、ラム２２と平行に配置され、フレーム２１に埋設されたベアリング３２ａ、３２ｂによって回転可能に支持されている。また、ボールネジ２４の周囲にはネジ山が螺刻されており、所望の進退ストロークと略等しい長さを有する。

電動機は、フレーム２１に内設され、ボールネジ２４を回転する送り軸モータ１２０（図３に示す）と、ラム２２に内設され、締結ツール２０とラム２２とを回転する主軸モータ１３０（図３に示す）とで構成されている。

直線軸受は、ラム２２の進退時にラム２２をガイドするリニアガイドであり、ガイドレール２５とスライダ２６とで構成されている。

ガイドレール２５は、フレーム２１内において、ラム２２と平行に固定される軌道であり、所望の進退ストロークと略等しい長さを有する。

スライダ２６は、ガイドレール２５上に移動可能に支持される移動子である。上記直線軸受については、ガイドレール２５上をスライダ２６が移動する際に、上下方向と左右方向とのブレがほとんど生じないように精度良く構成する。

スクリュサポータ２７は、フレーム２１内に進退可能に配置され、固定部２８と係止部２９とナット部３１とを有し、ボールネジ機構の回転運動をラム２２の進退運動に正確に変換すると共に、上記直線軸受の精度をラム２２の移動に安定して反映するように構成されている。

固定部２８は、スクリュサポータ２７の下部に取り付けられ、複数のボルト（図示せず）が、スライダ２６に形成されたネジ孔（図示せず）にねじ込まれることにより、その右側面がスライダ２６に固定される板状の部材である。

係止部２９は、スクリュサポータ２７の中部に形成され、その前面にラム２２の基端部を係止する部位であり、その下部に複数の孔（図示せず）を備え、この孔に挿通された複数のボルト３０が、固定部２８に形成されたネジ孔（図示せず）にねじ込まれることにより、その右側面が固定部２８に固定される部位である。

ナット部３１は、スクリュサポータ２７の上部に形成され、円形の孔の内部にボール（図示せず）を備え、このボールが、ボールネジ２４に形成されたネジ山に嵌合することにより、ボールネジ２４に螺合する部位である。つまり、ナット部３１は、回転運動を進退運動に変換するボールネジ機構の一部をなすものである。

図３は、摩擦撹拌締結装置１００における制御系の内部構成を示すブロック図である。
摩擦撹拌締結装置１００は、入力部１１０と、送り軸モータ１２０と、主軸モータ１３０と、送り軸モータエンコーダ１４０と、主軸モータホールセンサ１５０と、サーボアンプ２００と、インバータ３００とを有する。

入力部１１０は、ワーク５００の材質や厚さに応じた各種情報（加工開始点Ｌ１、加工終了点Ｅ１、早送り速度ＦＦ、接触検出速度Ｆ０、接触検出トルクＴα、上限トルクＴβ等）を入力し、入力した各種情報を入出力部２０２に出力するものである。

送り軸モータ１２０は、モータ駆動回路２０５の指示に基づいて、ボールネジ２４を回転させるモータである。主軸モータ１３０は、モータ駆動回路３０４の指示に基づいて、ラム２２と共にラム２２に装着された締結ツール２０を回転させるモータである。

送り軸モータエンコーダ１４０は、送り軸モータ１２０の回転量を測定し、測定した送り軸モータ１２０の回転量をフィードバック制御部２０６に出力するものである。主軸モータホールセンサ１５０は、主軸モータ１３０の回転速度を測定し、測定した主軸モータ１３０の回転速度をフィードバック制御部３０５に出力するものである。

サーボアンプ２００は、入出力部２０１と、入出力部２０２と、目標値設定部２０３と、モータ制御出力部２０４と、モータ駆動回路２０５と、フィードバック制御部２０６とを有する。

サーボアンプ２００は、基本的なハードウェア構成として、入力部１１０、送り軸モータ１２０、送り軸モータエンコーダ１４０、インバータ３００との間の入出力インタフェースＩ／Ｏと、送り軸モータエンコーダ１４０が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、各種データやプログラムを記憶するＲＯＭと、各種データを一時的に記憶するＲＡＭと、各種の演算処理を行うＣＰＵとを有する。

入出力部２０１は、インバータ３００、入出力部２０２との間で情報のやりとりをするものである。

入出力部２０２は、入力部１１０と入出力部２０１とフィードバック制御部２０６とから入力された情報を、目標値設定部２０３に出力し、入力部１１０とフィードバック制御部２０６とから入力された情報を、入出力部２０１に出力するものである。

目標値設定部２０３は、送り軸モータ１２０の回転量等の各種目標値を設定する目標値設定部であって、入出力部２０２から入力された情報を保持し、保持している情報をモータ制御出力部２０４に出力するものである。また、目標値設定部２０３は、フィードバック制御部２０６が出力した情報を入出力部２０２から入力し、フィードバック制御部２０６からの情報に基づいて、保持している情報を更新するものである。

モータ制御出力部２０４は、目標値設定部２０３に保持されている情報と、フィードバック制御部２０６が出力した動作信号とに基いて、送り軸モータ１２０を制御する制御信号を生成し、この制御信号をモータ駆動回路２０５に出力するものである。

モータ駆動回路２０５は、モータ制御出力部２０４が出力した制御信号に基づいて、送り軸モータ１２０を回転駆動させると共に、送り軸モータ１２０のトルクを測定し、測定した送り軸モータ１２０のトルクをフィードバック制御部２０６に出力するものである。

フィードバック制御部２０６は、送り軸モータエンコーダ１４０が測定した送り軸モータ１２０の回転量と、モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータ１２０のトルクとを入力し、入力した送り軸モータ１２０の回転量とトルクとに基づいて、モータ駆動回路２０５の動作信号を生成し、この動作信号をモータ制御出力部２０４に出力するものである。また、フィードバック制御部２０６は、入力した送り軸モータ１２０の回転量とトルクとに基づいて、締結ツール２０の先端部とワーク５００との接触位置を測定し、目標値設定部２０３が保持している情報を更新するために、測定した締結ツール２０の先端部とワーク５００との接触位置を入出力部２０２に出力するものである。

インバータ３００は、入出力部３０１と、目標値設定部３０２と、モータ制御出力部３０３と、モータ駆動回路３０４と、フィードバック制御部３０５とを有する。

インバータ３００は、基本的なハードウェア構成として、主軸モータ１３０、主軸モータホールセンサ１５０、サーボアンプ２００との間の入出力インタフェースＩ／Ｏと、主軸モータホールセンサ１５０が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、各種データやプログラムを記憶するＲＯＭと、各種データを一時的に記憶するＲＡＭと、各種の演算処理を行うＣＰＵとを有する。

入出力部３０１は、サーボアンプ２００の入出力部２０１とフィードバック制御部３０５とから入力された情報を、目標値設定部３０２に出力し、フィードバック制御部３０５から入力された情報を、入出力部２０１に出力するものである。

目標値設定部３０２は、主軸モータ１３０の回転速度等の各種目標値を設定する目標値設定部であって、入出力部３０１から入力された情報を保持し、保持している情報をモータ制御出力部３０３に出力するものである。また、目標値設定部３０２は、フィードバック制御部３０５が出力した情報を入出力部３０１から入力し、フィードバック制御部３０５からの情報に基づいて、保持している情報を更新するものである。

モータ制御出力部３０３は、目標値設定部３０２に保持されている情報と、フィードバック制御部３０５が出力した動作信号とに基いて、主軸モータ１３０を制御する制御信号を生成し、この制御信号をモータ駆動回路３０４に出力するものである。

モータ駆動回路３０４は、モータ制御出力部３０３が出力した制御信号に基づいて、主軸モータ１３０を回転駆動させると共に、主軸モータ１３０のトルクを測定し、測定した主軸モータ１３０のトルクをフィードバック制御部３０５に出力するものである。

フィードバック制御部３０５は、主軸モータホールセンサ１５０が測定した主軸モータ１３０の回転速度と、モータ駆動回路３０４が測定した主軸モータ１３０のトルクとを入力し、入力した主軸モータ１３０の回転速度とトルクとに基づいて、モータ駆動回路３０４の動作信号を生成し、この動作信号をモータ制御出力部３０３に出力するものである。

次に、摩擦撹拌締結装置１００の締結ツール２０の進退に関する基本動作について説明する。

フレーム２１が所望の方向に向けて固定されている状態において、モータ駆動回路２０５からの指示に基づいて送り軸モータ１２０がボールネジ２４を回転させると、スクリュサポータ２７が直線軸受に倣いながらボールネジ２４に沿って前進し、ラム２２も孔２３に保持されながら前進する。一方、送り軸モータ１２０がボールネジ２４を逆に回転させると、ラム２２が退避する。このように、ボールネジ機構によって、締結ツール２０を有するラム２２が進退するように構成されている。

次に、摩擦撹拌締結装置１００の制御動作について説明する。
図４は、摩擦撹拌締結装置１００の制御動作を示すフローチャートである。
図５は、摩擦撹拌締結装置１００がワーク５００を摩擦撹拌締結する場合における締結ツール２０の動作を概略的に示す図である。

第１の実施の形態において、接触検出トルクＴαを送り軸モータ１２０の定格トルクの３５％とし、締結加工時の送り込み距離ｄ０を接触位置から１．５ｍｍとし、主軸モータ１３０の回転速度を１１００ｍｉｎ^−１とし、加工送り速度Ｆ１を０．５ｍｍ／ｓとし、加工終了点における撹拌時間を３．５秒と設定した場合について説明する。

なお、入力部１１０から入力された、ワーク５００の材質や厚さに応じた各種情報（加工開始点Ｌ１、加工終了点Ｅ１、早送り速度ＦＦ、接触検出速度Ｆ０、接触検出トルクＴα、上限トルクＴβ、送り込み距離ｄ０等）は、目標値設定部２０３に保持される。

入力部１１０において動作の開始が指示されると、主軸モータ１３０を回転させずに、送り軸モータ１２０を回転させ、原点Ｇから加工開始点Ｌ１まで、早送り速度ＦＦで締結ツール２０を送る（Ｓ４１）。

送り軸モータエンコーダ１４０が測定した送り軸モータ１２０の回転量から、締結ツール２０の先端部が加工開始点Ｌ１に到達したと判断すると、主軸モータ１３０を回転させない状態のままで、加工開始点Ｌ１から加工終了点Ｅ１まで、接触検出速度Ｆ０で締結ツール２０を送る（Ｓ４２）。

加工開始点Ｌ１から加工終了点Ｅ１までの間で、締結ツール２０の先端部がワーク５００に接触すると、送り軸モータ１２０の負荷が増加するので、モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータトルクの値が高くなる。このため、送り軸モータトルクの値を利用して、締結ツール２０の先端部とワーク５００との接触位置を測定する。具体的には、モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータトルクの値が、接触検出トルクＴαを越えたか否かを判断する（Ｓ４３）。

モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータトルクの値が、接触検出トルクＴαを越えていなければ（Ｓ４３）、送り軸モータエンコーダ１４０が測定した送り軸モータ１２０の回転量に基づいて、締結ツール２０の先端部が加工終了点Ｅ１に到達したか否かを判断し（Ｓ４４）、締結ツール２０の先端部が加工終了点Ｅ１に到達していなければ、ステップＳ４３に戻る。

締結ツール２０の先端部が加工終了点Ｅ１に到達していれば（Ｓ４４）、何らかの異常が発生したと判断し、送り軸モータ１２０を逆回転させ、原点Ｇまで早送り速度ＦＦで締結ツール２０を送り（Ｓ４５）、異常終了させる。

モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータトルクが、接触検出トルクＴαを越えていれば（Ｓ４３）、送り軸モータ１２０の回転を停止させ、送り軸モータエンコーダ１４０が送り軸モータ１２０の回転量を測定し、測定した送り軸モータ１２０の回転量に基づいて、締結ツール２０の先端部とワーク５００との接触位置（停止位置Ｐ０）を測定する。続いて、測定した締結ツール２０の先端部とワーク５００との停止位置Ｐ０を基準にして、目標値設定部２０３に保持されている加工開始点(Ｌ１→Ｌ２)と加工終了点(Ｅ１→Ｅ２)とを更新する（Ｓ４６）。

具体的には、停止位置Ｐ０から摩擦撹拌締結装置本体１０１側に０．５ｍｍ戻った位置を加工開始点Ｌ２とし、停止位置Ｐ０に送り込み距離ｄ０を加えた位置を加工終了点Ｅ２とする変更を行う（Ｓ４６）。なお、入力部１１０から加工開始点Ｌ１と加工終了点Ｅ１とを予め入力し、入力した加工開始点Ｌ１と加工終了点Ｅ１とを目標値設定部２０３に保持させておく代わりに、停止位置Ｐ０の測定後に停止位置Ｐ０を基準にした加工開始点と加工終了点とを設定するようにしてもよい。つまり、送り軸モータトルクが接触検出トルクＴαを越えた場合における送り軸モータ１２０の回転量を測定し、測定した送り軸モータ１２０の回転量に基づいて停止位置Ｐ０を測定した後に、測定した停止位置Ｐ０を基準にして加工開始点と加工終了点とを設定し、設定した加工開始点と加工終了点とを目標値設定部２０３に保持させる。

続いて、送り軸モータ１２０を逆回転させ、早送り速度ＦＦで締結ツール２０の先端部を加工開始点Ｌ２まで送る（Ｓ４７）。締結ツール２０の先端部が加工開始点Ｌ２に到達すると、主軸モータ１３０を回転させ、主軸モータ１３０の回転速度が目標回転速度Ｓ０に到達するまでの間（食付き時ドウェルＨ０）待機する（Ｓ４８）。

主軸モータ１３０の回転速度が、目標回転速度Ｓ０に到達すれば、主軸モータ１３０を目標回転速度Ｓ０で回転させた状態で、送り軸モータ１２０を回転させ、加工開始点Ｌ２から加工終了点Ｅ２まで、加工送り速度Ｆ１で締結ツール２０を送る（Ｓ４９）。

目標回転速度Ｓ０で回転する締結ツール２０の先端部がワーク５００に接触し突入すると、締結ツール２０とワーク５００との間で摩擦熱が発生する。この摩擦熱によってワーク５００の温度が、ワーク５００の溶融温度付近まで上昇すると、ワーク５００が軟化し始める。

軟化したワーク５００を締結ツール２０でさらに撹拌しながら送り進めていくことによって、ワーク５００を構成する２枚のアルミニウム板のそれぞれを軟化・撹拌させることができる。そして、この状態でワーク５００を冷やせば、ワーク５００を構成する２枚のアルミニウム板のそれぞれが混ざり合った状態で硬化し、２枚のアルミニウム板を締結することができる。

締結ツール２０の先端部が加工終了点Ｅ２に到達すれば（Ｓ５０）、撹拌を持続することによって高い締結力を得るために、目標回転速度Ｓ０で締結ツール２０を回転させた状態のままで、加工終了点Ｅ２において所定時間（加工終了点ドウェルＨ１）待機する（Ｓ５１）。

続いて、所定時間が経過したか否かを判断し（Ｓ５１）、所定時間が経過していなければ、モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータトルクの値が、上限トルクＴβを越えたか否かを判断する（Ｓ５２）。

モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータトルクの値が、上限トルクＴβを越えていなければ（Ｓ５２）、ステップＳ５１に戻る。一方、モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータトルクの値が、上限トルクＴβを越えていれば（Ｓ５２）、原点まで早送り速度ＦＦで戻り（Ｓ５３）、正常終了する。

また、加工終了点Ｅ２において所定時間が経過していれば（Ｓ５１）、原点まで早送り速度ＦＦで戻り（Ｓ５３）、正常終了する。

図６は、送り軸（回転する締結ツール２０）の送り量と、送り軸モータ１２０のモータトルクと、ワーク５００の表面温度との関係を示す図である。
なお、図６（１）は、横軸を時間軸とし、縦軸を送り軸の送り量の値を示す軸としたグラフを示す図であり、図６（２）は、横軸を時間軸とし、縦軸を送り軸モータ１２０のモータトルクの値を示す軸としたグラフを示す図であり、図６（３）は、横軸を時間軸とし、縦軸をワーク５００の表面温度の値を示す軸としたグラフを示す図である。

上記制御動作を実行する場合、送り軸の送り量と、送り軸モータ１２０のモータトルクと、ワーク５００の表面温度とが、図６に示すように変化することが望ましい。

第１の実施の形態において、入力部１１０から入力され、目標値設定部２０３に保持される各種情報は、ワークの材質や厚さに応じて適宜変更される各種情報のうちの一例である。したがって、目標値設定部２０３に保持される各種情報は、ワークの材質や厚さに応じて適宜変更する。

第１の実施の形態によれば、締結ツール２０によって、ワーク取付部４００に固定されたワーク５００を締結する場合に、締結加工を実行する前に、締結ツール２０の先端部とワーク５００との位置関係を正確に測定し、ワーク５００に対する送り量(送り深さ)を常に一定にすることができるので、締結強度を強化し、安定した摩擦撹絆締結を実現することができる。

［第２の実施の形態］
回転する締結ツール２０がワーク５００を撹拌している状態において、締結ツール２０とワーク５００との間で発生する摩擦熱によってワーク５００の温度が上昇と下降とによって大きく変動すると、ワーク５００の内部で軟化と硬化とが不規則に繰り返されることになる。このように、ワーク５００の内部において軟化と硬化とが繰り返されると、ワーク５００の内部状態が不均一となり、ワーク５００の締結強度が低下する原因となる。このため、回転する締結ツール２０がワーク５００を撹拌している状態において、ワーク５００内部の温度変化を極力小さく抑えることが重要である。

第２の実施の形態は、摩擦撹拌締結装置１００において、ワーク５００内部の温度変化を極力小さく抑え、ワーク５００の締結強度が低下することを防止するために、ワーク５００の撹拌状態を一定に保つようにするものである。

つまり、回転する締結ツール２０の先端部が押し当てられてワーク５００が軟化している状態において、モータ駆動回路２０５が測定した送り軸モータ１２０の送り軸モータトルクを、フィードバック制御部２０６にフィードバックし、モータ駆動回路３０４が測定した主軸モータ１３０の主軸モータトルクをフィードバック制御部３０５にフィードバックし、それぞれのトルクが一定範囲内に収まるように、送り軸モータ１２０の回転速度と、主軸モータ１３０の回転速度とを制御する。
具体的には、送り軸モータ１２０の送り軸モータトルクが、予め設定した上限トルクＴ１１を上回った場合には、送り軸モータ１２０の回転速度を下げて送り軸（回転する締結ツール２０）の移動速度を遅くする。一方、送り軸モータ１２０の送り軸モータトルクが、予め設定した下限トルクＴ１２を下回った場合には、送り軸モータ１２０の回転速度を上げて送り軸の移動速度を速くする。
また、主軸モータ１３０の主軸モータトルクが、予め設定した上限トルクＴ２１を上回った場合には、主軸モータ１３０の回転速度を下げる。一方、主軸モータ１３０の主軸モータトルクが、予め設定した下限トルクＴ２２を下回った場合には、主軸モータ１３０の回転速度を上げる。送り軸モータ１２０と主軸モータ１３０とのいずれについても、モータの回転速度の変化が即時に撹拌状態の変化に影響を与える。このため、回転速度を上げる場合は、目標回転速度を元の回転速度の１０１〜１１０％程度にすることが好ましい。また、回転速度を下げる場合は、目標回転速度を元の回転速度の９０〜９９％程度にすることが好ましい。
このように、それぞれのトルクが一定範囲内に収まるように制御することによって、ワーク５００の撹拌状態を一定範囲に維持することができる。

第２の実施の形態によれば、回転する締結ツール２０の先端部が押し当てられてワーク５００が軟化している状態において、送り軸モータ１２０と主軸モータ１３０との負荷の変化に応じて、送り速度と主軸回転速度とを変化させることによって、一定量以上の摩擦熱を持続させることができる。これにより、高効率の撹拌をすることができ、締結強度を強化し、内部状態が安定した摩擦撹絆締結を実現することができる。

なお、本実施例をプログラムの発明として把握することができる。
つまり、上記制御動作に係るプログラムを所定の記憶媒体に記憶させ、このプログラムを摩擦撹拌締結装置に実行させることで、本発明を実現することができる。

穴あけ加工機に取り付けられたドリルの代わりに、摩擦撹拌締結用の締結ツールを穴あけ加工機に取り付けることによって、この穴あけ加工機に本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施の形態である摩擦撹拌締結装置１００の外観を概略的に示す図である。 摩擦撹拌締結装置１００の断面を示す断面図である。 摩擦撹拌締結装置１００における制御系の内部構成を示すブロック図である。 摩擦撹拌締結装置１００の制御動作を示すフローチャートである。 摩擦撹拌締結装置１００がワーク５００を摩擦撹拌締結する場合における締結ツール２０の動作を概略的に示す図である。 送り軸の送り量と、送り軸モータ１２０のモータトルクと、ワーク５００の表面温度との関係を示す図である。

符号の説明

２０…締結ツール、
２１…フレーム、
２２…ラム、
２３…孔、
２４…ボールネジ、
２５…ガイドレール、
２６…スライダ、
２７…スクリュサポータ、
２８…固定部、
２９…係止部、
３０…複数のボルト、
３１…ナット部、
３２…ベアリング、
１００…摩擦撹拌締結装置、
１０１…摩擦撹拌締結装置本体、
１１０…入力部、
１２０…送り軸モータ、
１３０…主軸モータ、
１４０…送り軸モータエンコーダ、
１５０…主軸モータホールセンサ、
２００…サーボアンプ、
２０１…入出力部、
２０２…入出力部、
２０３…目標値設定部、
２０４…モータ制御出力部、
２０５…モータ駆動回路、
２０６…フィードバック制御部、
３００…インバータ、
３０１…入出力部、
３０２…目標値設定部、
３０３…モータ制御出力部、
３０４…モータ駆動回路、
３０５…フィードバック制御部、
４００…ワーク取付部、
５００…ワーク。

Claims (6)

1. 複数の金属板を重ね合わせた被締結物を固定する被締結物取付部と、
   先端部に所定形状のピンを有する締結ツールと、
   前記締結ツールをその軸線まわりに回転させる第１の駆動手段と、
   前記締結ツールをその軸線方向に移動させる第２の駆動手段と、
   前記固定された被締結物と前記締結ツールの先端部との接触位置を測定する接触位置測定手段と、
   前記測定した接触位置に基づいて、前記固定された被締結物における締結すべき部分の加工開始点と加工終了点とを設定する設定手段と、
   前記第１の駆動手段が前記締結ツールを回転させた状態で、前記第２の駆動手段が前記締結ツールを前記設定された加工開始点から加工終了点まで移動させ、前記被締結物と前記締結ツールとの間に発生する摩擦熱によって前記被締結物を軟化させ、前記軟化させた部分を前記締結ツールで撹拌し、前記被締結物における締結すべき部分を摩擦撹拌締結する摩擦撹拌締結手段と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌締結装置。
2. 複数の金属板を重ね合わせた被締結物を固定する被締結物取付部と、
   先端部に所定形状のピンを有する締結ツールと、
   前記締結ツールをその軸線まわりに回転させる第１の駆動手段と、
   前記締結ツールをその軸線方向に移動させる第２の駆動手段と、
   前記固定された被締結物における締結すべき部分の加工開始点と加工終了点とを設定する設定手段と、
   前記固定された被締結物と前記締結ツールの先端部との接触位置を測定する接触位置測定手段と、
   前記測定した接触位置に基づいて、前記設定された加工開始点と加工終了点とを変更する変更手段と、
   前記第１の駆動手段が前記締結ツールを回転させた状態で、前記第２の駆動手段が前記締結ツールを前記変更された加工開始点から加工終了点まで移動させ、前記被締結物と前記締結ツールとの間に発生する摩擦熱によって前記被締結物を軟化させ、前記軟化させた部分を前記締結ツールで撹拌し、前記被締結物における締結すべき部分を摩擦撹拌締結する摩擦撹拌締結手段と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌締結装置。
3. 前記第２の駆動手段の送り量を測定する手段と、
   前記第２の駆動手段のトルクを測定する手段と、
   を有し、前記接触位置測定手段は、前記測定した前記第２の駆動手段のトルクが所定の値を超えた場合における前記第２の駆動手段の送り量を測定する手段であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦撹拌締結装置。
4. 前記変更手段は、前記測定した接触位置を基準として、前記被締結物取付部とは反対方向の所定の距離に位置する点を加工開始点とし、前記被締結物取付部方向の所定の距離に位置する点を加工終了点とする変更を行う手段であることを特徴とする請求項２に記載の摩擦撹拌締結装置。
5. 複数の金属板を重ね合わせた被締結物を固定する被締結物取付部と、
   先端部に所定形状のピンを有する締結ツールと、
   前記締結ツールをその軸線まわりに回転させる第１の駆動手段と、
   前記締結ツールをその軸線方向に移動させる第２の駆動手段と、
   前記固定された被締結物における締結すべき部分の加工開始点と加工終了点とを設定する設定手段と、
   前記第１の駆動手段のトルクを測定する手段と、
   前記第２の駆動手段のトルクを測定する手段と、
   前記第１の駆動手段が前記締結ツールを回転させた状態で、前記第２の駆動手段が前記締結ツールを前記設定された加工開始点から加工終了点まで移動させ、前記被締結物と前記締結ツールとの間に発生する摩擦熱によって前記被締結物を軟化させ、前記軟化させた部分を前記締結ツールで撹拌し、前記被締結物における締結すべき部分を摩擦撹拌締結する摩擦撹拌締結手段と、
   前記第１の駆動手段が前記締結ツールを回転させた状態で、前記第２の駆動手段が前記締結ツールを前記変更された加工開始点から加工終了点まで移動させている状態において、前記測定した前記第１の駆動手段のトルクと前記第２の駆動手段のトルクとが一定範囲内に収まるように、前記第１の駆動手段の回転速度と、前記第２の駆動手段の移動速度とを制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌締結装置。
6. 複数の金属板を重ね合わせた被締結物を固定する被締結物取付部と、先端部に所定形状のピンを有する締結ツールと、前記締結ツールをその軸線まわりに回転させる第１の駆動手段と、前記締結ツールをその軸線方向に移動させる第２の駆動手段とを有する摩擦撹拌締結装置を用いて行う摩擦撹拌締結方法であって、
   前記固定された被締結物と前記締結ツールの先端部との接触位置を測定する接触位置測定工程と、
   前記測定した接触位置に基づいて、前記固定された被締結物における締結すべき部分の加工開始点と加工終了点とを設定する設定工程と、
   前記第１の駆動手段が前記締結ツールを回転させた状態で、前記第２の駆動手段が前記締結ツールを前記設定された加工開始点から加工終了点まで移動させ、前記被締結物と前記締結ツールとの間に発生する摩擦熱によって前記被締結物を軟化させ、前記軟化させた部分を前記締結ツールで撹拌し、前記被締結物における締結すべき部分を摩擦撹拌締結する摩擦撹拌締結工程と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌締結方法。

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