JP5426443B2 - 摩擦撹拌溶接方法および摩擦撹拌溶接装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献3で提案されている方法では、予め実験等により求めた変換行列を用いたり、加工条件等を考慮せずに各関節軸の撓みを算出していた。このため、各関節軸の撓みを正確に算出できない結果、位置ずれが生じてしまい、正確に接合することができなかった。
図1は、本実施形態に係る摩擦撹拌溶接方法を実行する摩擦撹拌溶接装置1の構成を示す図である。
第1アーム31は、水平方向の第2軸312でロボット本体20に軸支される。この第2軸312は、第1アーム31の軸方向とロボット本体20との成す角度を変化させる。
第2アーム32は、水平方向の第3軸313で第1アーム31の先端に軸支される。この第3軸313は、第1アーム31の軸方向と第2アーム32の軸方向との成す角度を変化させる。また、この第2アーム32は、第2アーム32の軸方向に平行な第4軸314周りに回転可能に設けられている。
第3アーム33は、水平方向の第5軸315で第2アーム32の先端に軸支される。この第5軸315は、第2アーム32の軸方向と第3アーム33の軸方向との成す角度を変化させる。また、この第3アーム33は、第3アーム33の軸方向に平行な第6軸316周りに回転可能に設けられている。
これらサーボモータによる各関節軸の駆動により、ロボットアーム30の先端に取り付けられた回転工具5が、3次元的に移動可能となっている。
図2に示すように、第3アーム33の先端には、C字状治具4および回転工具5が取り付けられている。C字状治具4の内側には、ローラ41と、第1サーボモータ51と、ボールねじ53と、直動ベアリング54と、第2サーボモータ52と、第1サーボモータ51と、ボールねじ53と、直動ベアリング54と、第2サーボモータ52と、回転工具5と、が設けられている。
第2サーボモータ52は、直動ベアリング54に取り付けられており、回転工具5は、この第2サーボモータ52に取り付けられている。
ボールねじ53は、第1サーボモータ51から伝達された回転力を直動力に変換するとともに、変換して得た直動力を、直動ベアリング54に伝達する。
直動ベアリング54は、ボールねじ53から伝達された直動力により、第2サーボモータ52とともに回転工具5をワーク8に接近する方向に移動させる。また、直動ベアリング54は、第1サーボモータ51が逆回転することにより、第2サーボモータ52とともに回転工具5をワーク8から離隔する方向に移動させる。
第2サーボモータ52は、ワーク8およびワークテーブル7を介して、ローラ41に対向して配置された回転工具5を回転させる。
シャンク5bは、第2サーボモータ52により回転するとともに、ワーク8の表面を押圧する。
プローブ5aは、シャンク5bからローラ41側に向かって突出した棒状部材である。このプローブ5aは、シャンク5bがワーク8の表面を押圧することにより、ワーク8内に押し込まれる。
接合される板状のワーク8は、クランプで固定されて支持柱7bにより支持される。ワーク8を支持する支持柱7bおよび支持台7aは、回転工具5とローラ41が取り付けられたC字状治具4の下部との間に挿入される。
図3は、制御装置9の構成を示すブロック図である。制御装置9は、サーボ制御部90と、加工プログラム記憶部91と、加工経路計画部92と、動作補間部93と、各軸位置算出部94と、各軸移動量算出部95と、補償部96と、を含んで構成される。
加工経路計画部92は、加工プログラム記憶部91に記憶されたプログラムの再生時において、プログラムにおける動作文の始点位置、終点位置、移動速度および補間形式等の情報に基づいて、ロボット10の動作軌道を作成する。
動作補間部93は、加工経路計画部92により作成された動作軌道に基づいて、補間周期毎の回転工具5の位置を作成する。
各軸位置算出部94は、補間周期毎の回転工具5の位置に対応するロボット10の各関節軸の位置を算出する。ロボット10の各関節軸の位置により、ロボット10の姿勢が決定される。
各軸移動量算出部95は、算出されたロボット10の各関節軸の位置に基づいて、補間周期毎の各関節軸の移動量を算出し、これを位置指令または速度指令として、サーボ制御部90に供給する。
また、第1サーボモータ51は、回転工具5を、ワーク8に対して接近または離隔する方向、即ち回転工具5の回転軸方向に移動させることから、第1サーボモータ51のトルクは、回転工具5のスラストトルクに相関する。このため、第1サーボモータ51の電流値に基づいて、回転工具5のスラストトルク変化を算出できる。
また、第2サーボモータ52は、回転工具5を回転駆動させることから、第2サーボモータ52のトルクは、回転工具5の回転トルクに相関する。このため、第2サーボモータ52の電流値に基づいて、回転工具5の回転トルク変化を算出できる。
例えば、これらの各加工パラメータを検出する各種センサの出力に基づいて、上記の各種加工パラメータを算出する。また、例えば、第1サーボモータ51を流れる電流値に基づいて加圧力を算出し、第2サーボモータ52を流れる電流値に基づいて回転数を算出し、加工プログラム記憶部91に記憶された加工プログラムや動作補間部93で作成された回転工具5の位置等に基づいて、回転工具5の送り速度や送り方向を算出する。
なお、ロボット10の駆動軸トルク変化は、さらに、第1サーボモータ51の電流値(回転工具5のスラストトルク変化)に基づいて算出してもよい。
なお、ロボット10の各関節軸の撓みは、回転工具5とワーク8との間に発生する反力に相関する。このため、ロボット10の各関節軸の撓みに基づいて、反力を算出できる。
[数1]
F=Kp×I×Kt×9800÷100 ・・・(1)
図4は、摩擦撹拌溶接装置1により実行される摩擦撹拌溶接処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、制御装置9により繰り返し実行される。
先ず、加工プログラム記憶部91から所定のプログラムを読出し、加工経路計画部92が加工経路計画を作成する。
次いで、作成された加工経路計画(動作軌道)に基づいて、動作補間部93が補間周期毎の回転工具5の位置を作成し、各軸位置算出部94が補間周期毎の回転工具5の位置に対応するロボット10の各関節軸の位置を算出する。
次いで、各軸移動量算出部95がロボット10の各関節軸の位置指令を算出し、サーボ制御部90に供給する。これにより、回転工具5を目標位置に移動させる。
なお、速度指令を作成する場合には、前回の各関節軸の位置と今回の各関節軸の位置との間の差を算出することにより作成する。
反力の補正は、図3で示すように、次の手順により実行される。
先ず、電流値算出部961が第2サーボモータ52に流れる電流値(回転工具5の回転トルク変化)を算出し、加工パラメータ算出部が各種加工パラメータを算出し、各軸位置算出部94が各軸位置(ロボット10の姿勢)を算出する。
次いで、力モーメント算出部963が、上記の各算出結果と、パラメータ記憶部964に記憶された動力学的パラメータ(ロボット10の寸法等)とを取得して、各関節軸が受ける力モーメント、即ちロボット10の駆動軸トルク変化を算出する。
次いで、撓み算出部965が、算出された力モーメント、即ちロボット10の駆動軸トルク変化と、パラメータ記憶部964に記憶されたロボット10の各関節軸に関するばね定数を取得して、各関節軸の撓みを算出する。
次いで、補償量算出部966が、算出された撓みを補償する位置指令の補償量を、関節軸毎に算出する。補償量は、各関節軸についての撓みを補償するように、反力と同じ大きさでかつ反対方向である。
最後に、算出された補償量を、関節軸毎に、各軸移動量算出部95で算出された移動量に基づく位置指令に加算する。これにより、補正後の位置指令がサーボ制御部90を介してロボット10の各関節軸に出力され、補償力により反力が補正される。
図5は、摩擦撹拌溶接を実行したときの様子を示す図であり、図6は従来法と本実施形態の摩擦撹拌溶接方法との比較図である。
例えば、反力の補償として、カウンターウエイトやバランスウエイトを用いた重力補償機能を応用してもよい。具体的には、カウンターウエイトやバランスウエイトをロボットの各アームに取り付け、例えばモータにより駆動させて反力を補償するように構成してもよい。
10…ロボット(多関節ロボット)
30…ロボットアーム(アーム)
5…回転工具
5a…プローブ
5b…シャンク
51…第1サーボモータ
52…第2サーボモータ
8…ワーク
9…制御装置
90…サーボ制御部
95…各軸移動量算出部
96…補償部
961…電流値算出部
962…加工パラメータ算出部
963…力モーメント算出部
964…パラメータ記憶部
965…撓み算出部
966…補償量算出部
Claims (4)
- 多関節ロボットを用いた摩擦撹拌溶接方法において、
前記多関節ロボットのアームの先端に取り付けられた回転工具の回転トルク変化および前記多関節ロボットの駆動軸トルク変化に基づいて、前記回転工具とワークとの間に発生する反力と等しい大きさでかつ反対方向の補償力を付与して位置ずれを補正することを特徴とする摩擦撹拌溶接方法。 - 前記回転工具の回転トルク変化、前記多関節ロボットの姿勢および加工パラメータに基づいて前記多関節ロボットの駆動軸トルク変化を算出するステップと、
算出された前記多関節ロボットの駆動軸トルク変化に基づいて、前記多関節ロボットの関節軸の撓みを算出するステップと、
算出された前記多関節ロボットの関節軸の撓みを補償するように、前記回転工具とワークとの間に発生する反力と等しい大きさでかつ反対方向の補償力を付与して位置ずれを補正するステップと、を有することを特徴とする請求項1記載の摩擦撹拌溶接方法。 - 前記加工パラメータは、前記回転工具の送り速度、回転数、加圧力および送り方向であることを特徴とする請求項2記載の摩擦撹拌溶接方法。
- 多関節ロボットと、当該多関節ロボットのアームの先端に取り付けられた回転工具と、を備えた摩擦撹拌溶接装置において、
前記回転工具の回転トルク変化、前記多関節ロボットの姿勢および加工パラメータに基づいて前記多関節ロボットの駆動軸トルク変化を算出する力モーメント算出手段と、
算出された前記多関節ロボットの駆動軸トルク変化に基づいて、前記多関節ロボットの関節軸の撓みを算出する撓み算出手段と、
算出された前記多関節ロボットの関節軸の撓みを補償するように、前記回転工具とワークとの間に発生する反力と等しい大きさでかつ反対方向の補償力を付与して位置ずれを補正する補償手段と、を備えることを特徴とする摩擦撹拌溶接装置。
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