特許 7524096 摩擦撹拌接合装置の制御方法および摩擦撹拌接合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-19

(45)【発行日】2024-07-29

(54)【発明の名称】摩擦撹拌接合装置の制御方法および摩擦撹拌接合装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20240722BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 340

B23K20/12 310

B23K20/12 344

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021018427

(22)【出願日】2021-02-08

(65)【公開番号】P2022121207

(43)【公開日】2022-08-19

【審査請求日】2024-01-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100133916

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 興

(72)【発明者】

【氏名】三宅 将弘

(72)【発明者】

【氏名】福田 拓也

(72)【発明者】

【氏名】枝川 直大

(72)【発明者】

【氏名】北 則近

(72)【発明者】

【氏名】辻中 亮

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１８０５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０６１９２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線回りの回転および当該軸線に沿った進退移動を行うピン部材と、当該ピン部材の外周側に配置されかつ前記軸線回りの回転および前記軸線に沿った進退移動を行うショルダ部材とを備え、前記ピン部材および前記ショルダ部材を回転させつつワークに圧入することにより当該ワークを接合する摩擦撹拌接合装置を制御する方法であって、
前記ショルダ部材の先端が所定の当接面に当接した状態における当該ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第１ショルダ位置として記憶する第１ステップと、
前記ピン部材の前記軸線方向の初期位置を第１ピン位置として記憶する第２ステップと、
前記ピン部材を前記当接面に向けて前進させ、前記ピン部材の先端が前記当接面に当接したときの当該ピン部材の前記軸線方向の位置を第２ピン位置として記憶する第３ステップと、
前記ピン部材の前記当接面への当接に伴い後退した前記ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第２ショルダ位置として記憶する第４ステップと、
前記第１ピン位置と前記第２ピン位置との距離であるピン移動量が予め定められた第１範囲に含まれるという第１条件の成否と、前記第１ショルダ位置と前記第２ショルダ位置との距離であるショルダ変位量が予め定められた第２範囲に含まれるという第２条件の成否とを判定する第５ステップと、
前記第１条件および前記第２条件が成立した場合に、前記ピン部材を前記当接面から予め定められた戻し量後退させ、後退後の前記ピン部材および前記ショルダ部材のそれぞれの前記軸線方向の位置を基準に前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行う第６ステップと、
少なくとも前記第１条件が非成立であった場合に、前記第１ピン位置よりも前記当接面から遠ざかった再スタート位置まで前記ピン部材を後退させる第７ステップとを含み、
前記第７ステップの後は、前記再スタート位置まで後退した前記ピン部材の位置を新たな第１ピン位置として前記第２ステップ以降の手順を再実行する、摩擦撹拌接合装置の制御方法。

【請求項2】

請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置の制御方法において、
前記第１範囲は、予め定められた基準移動量以上の範囲であり、
前記第２範囲は、予め定められた基準変位量以下の範囲であり、
前記再スタート位置は、前記当接面から前記基準移動量以上の距離だけ遠ざかった位置である、摩擦撹拌接合装置の制御方法。

【請求項3】

請求項２に記載の摩擦撹拌接合装置の制御方法において、
前記第３ステップでは、前記ピン部材が所定の目標速度に達するまで加速した後等速で移動するように前記ピン部材を駆動し、
前記基準移動量は、前記ピン部材の移動速度を前記目標速度まで増大させるのに必要な距離以上に設定される、摩擦撹拌接合装置の制御方法。

【請求項4】

軸線回りの回転および当該軸線に沿った進退移動を行うピン部材と、
前記ピン部材の外周側に配置されかつ前記軸線回りの回転および前記軸線に沿った進退移動を行うショルダ部材と、
前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行うゼロイング制御部と、
前記ピン部材および前記ショルダ部材を回転させつつワークに圧入することにより当該ワークを接合する接合制御部と、
データを格納する記憶部とを備え、
前記ゼロイング制御部は、
前記ショルダ部材の先端が所定の当接面に当接した状態における当該ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第１ショルダ位置として前記記憶部に記憶させる第１処理と、
前記ピン部材の前記軸線方向の初期位置を第１ピン位置として前記記憶部に記憶させる第２処理と、
前記ピン部材を前記当接面に向けて前進させ、前記ピン部材の先端が前記当接面に当接したときの当該ピン部材の前記軸線方向の位置を第２ピン位置として前記記憶部に記憶させる第３処理と、
前記ピン部材の前記当接面への当接に伴い後退した前記ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第２ショルダ位置として前記記憶部に記憶させる第４処理と、
前記第１ピン位置と前記第２ピン位置との距離であるピン移動量が予め定められた第１範囲に含まれるという第１条件の成否と、前記第１ショルダ位置と前記第２ショルダ位置との距離であるショルダ変位量が予め定められた第２範囲に含まれるという第２条件の成否とを判定する第５処理と、
前記第１条件および前記第２条件が成立した場合に、前記ピン部材を前記当接面から予め定められた戻し量後退させ、後退後の前記ピン部材および前記ショルダ部材のそれぞれの前記軸線方向の位置を基準に前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行う第６処理と、
少なくとも前記第１条件が非成立であった場合に、前記第１ピン位置よりも前記当接面から遠ざかった再スタート位置まで前記ピン部材を後退させる第７処理とを実行可能であり、
前記第７処理の後、前記ゼロイング制御部は、前記再スタート位置まで後退した前記ピン部材の位置を新たな第１ピン位置として前記第２処理以降の処理を再実行する、摩擦撹拌接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦撹拌接合装置におけるピン部材およびショルダ部材の原点合わせを行うための制御方法、および摩擦撹拌接合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

航空機、鉄道車両または自動車などの構造物を製造する際に、金属または樹脂等からなる二以上の部材を重ね合わせて接合する作業が必要になる場合がある。この接合の一方法として、摩擦撹拌接合が知られている。摩擦撹拌接合とは、回転するツールをワーク（被接合体）に圧入して塑性流動を生じさせることによりワークを接合する方法である。

【0003】

下記特許文献１では、摩擦撹拌接合を行うための装置の一例として、軸線回りの回転および当該軸線に沿った進退移動が可能なピン部材と、当該ピン部材の外周側に配置されかつ前記軸線回りの回転および前記軸線に沿った進退移動が可能なショルダ部材とを含むツールを備えた摩擦撹拌接合装置が開示されている。ピン部材およびショルダ部材は、それぞれ回転駆動されつつワークに圧入され、その圧入部に塑性流動を生じさせる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－１８７７７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、上述した摩擦撹拌接合装置を用いてワークを接合する場合に、接合部の平滑性を確保するには、ピン部材およびショルダ部材の相対位置管理が重要である。そして、この相対位置管理を正確に行うには、接合作業を行う前に、ピン部材およびショルダ部材の原点を一致させる原点合わせ（ゼロイング）の作業を十分な精度で行っておくことが求められる。この原点合わせの作業は、作業者により手動で行われることがある。この場合、作業者は、例えばピン部材をティーチングモードで動かしながら目視や手の感覚で両部材の先端を一致させ、その状態で両部材の原点を設定する。しかしながら、このような方法による原点合わせは、安全面や作業効率の面で問題があり、改善の余地があった。

【0006】

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、摩擦撹拌接合装置におけるピン部材およびショルダ部材の原点合わせを安全かつ高効率に行えるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するためのものとして、本発明の一局面に係る制御方法は、軸線回りの回転および当該軸線に沿った進退移動を行うピン部材と、当該ピン部材の外周側に配置されかつ前記軸線回りの回転および前記軸線に沿った進退移動を行うショルダ部材とを備え、前記ピン部材および前記ショルダ部材を回転させつつワークに圧入することにより当該ワークを接合する摩擦撹拌接合装置を制御する方法であって、前記ショルダ部材の先端が所定の当接面に当接した状態における当該ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第１ショルダ位置として記憶する第１ステップと、前記ピン部材の前記軸線方向の初期位置を第１ピン位置として記憶する第２ステップと、前記ピン部材を前記当接面に向けて前進させ、前記ピン部材の先端が前記当接面に当接したときの当該ピン部材の前記軸線方向の位置を第２ピン位置として記憶する第３ステップと、前記ピン部材の前記当接面への当接に伴い後退した前記ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第２ショルダ位置として記憶する第４ステップと、前記第１ピン位置と前記第２ピン位置との距離であるピン移動量が予め定められた第１範囲に含まれるという第１条件の成否と、前記第１ショルダ位置と前記第２ショルダ位置との距離であるショルダ変位量が予め定められた第２範囲に含まれるという第２条件の成否とを判定する第５ステップと、前記第１条件および前記第２条件が成立した場合に、前記ピン部材を前記当接面から予め定められた戻し量後退させ、後退後の前記ピン部材および前記ショルダ部材のそれぞれの前記軸線方向の位置を基準に前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行う第６ステップと、少なくとも前記第１条件が非成立であった場合に、前記第１ピン位置よりも前記当接面から遠ざかった再スタート位置まで前記ピン部材を後退させる第７ステップとを含み、前記第７ステップの後は、前記再スタート位置まで後退した前記ピン部材の位置を新たな第１ピン位置として前記第２ステップ以降の手順を再実行するものである。

【0008】

本発明の他の局面に係る摩擦撹拌接合装置は、軸線回りの回転および当該軸線に沿った進退移動を行うピン部材と、前記ピン部材の外周側に配置されかつ前記軸線回りの回転および前記軸線に沿った進退移動を行うショルダ部材と、前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行うゼロイング制御部と、前記ピン部材および前記ショルダ部材を回転させつつワークに圧入することにより当該ワークを接合する接合制御部と、データを格納する記憶部とを備え、前記ゼロイング制御部は、前記ショルダ部材の先端が所定の当接面に当接した状態における当該ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第１ショルダ位置として前記記憶部に記憶させる第１処理と、前記ピン部材の前記軸線方向の初期位置を第１ピン位置として前記記憶部に記憶させる第２処理と、前記ピン部材を前記当接面に向けて前進させ、前記ピン部材の先端が前記当接面に当接したときの当該ピン部材の前記軸線方向の位置を第２ピン位置として前記記憶部に記憶させる第３処理と、前記ピン部材の前記当接面への当接に伴い後退した前記ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第２ショルダ位置として前記記憶部に記憶させる第４処理と、前記第１ピン位置と前記第２ピン位置との距離であるピン移動量が予め定められた第１範囲に含まれるという第１条件の成否と、前記第１ショルダ位置と前記第２ショルダ位置との距離であるショルダ変位量が予め定められた第２範囲に含まれるという第２条件の成否とを判定する第５処理と、前記第１条件および前記第２条件が成立した場合に、前記ピン部材を前記当接面から予め定められた戻し量後退させ、後退後の前記ピン部材および前記ショルダ部材のそれぞれの前記軸線方向の位置を基準に前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行う第６処理と、少なくとも前記第１条件が非成立であった場合に、前記第１ピン位置よりも前記当接面から遠ざかった再スタート位置まで前記ピン部材を後退させる第７処理とを実行可能であり、前記第７処理の後、前記ゼロイング制御部は、前記再スタート位置まで後退した前記ピン部材の位置を新たな第１ピン位置として前記第２処理以降の処理を再実行する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、原点合わせの精度を担保しつつ当該原点合わせの効率および安全性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌装置が装着されたロボットの、要部拡大図を含む斜視図である。

【図2】前記摩擦撹拌接合装置の機械的構成を示す模式的な側面図である。

【図3】前記摩擦撹拌接合装置の電気的構成を示すブロック図である。

【図4】前記摩擦撹拌接合装置を用いてワークを接合する場合の一つの動作例（ピン先行プロセスによる接合方法）を示す概略図である。

【図5】前記摩擦撹拌接合装置を用いてワークを接合する場合の他の動作例（ショルダ先行プロセスによる接合方法）を示す概略図である。

【図6】前記摩擦撹拌接合装置におけるピン部材およびショルダ部材の原点合わせのためにコントローラが実行する制御（ゼロイング制御）の前半部を示すフローチャートである。

【図7】前記ゼロイング制御の後半部を示すフローチャートである。

【図8】前記ゼロイング制御の各段階におけるピン部材およびショルダ部材の状態を示す概略図である。

【図9】図６のステップＳ５でピン部材を下降させるときの速度パターンを示すグラフである。

【図10】ピン移動量およびショルダ変位量をパラメータとした条件マップを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態にかかる摩擦撹拌接合装置について詳細に説明する。本実施形態に係る摩擦撹拌装置は、金属、熱可塑性樹脂、もしくは熱可塑性樹脂に繊維強化材が混合された熱可塑性複合材等からなるプレート、フレーム、外装材或いは柱状材等の構造部材を、二つ以上重ね合わせて点接合してなる各種接合体の製造に適用することができる。製造される接合体は、例えば、航空機、鉄道車両または自動車などの構造物の構成部材となる。

【0012】

［摩擦撹拌装置の適用例］
図１は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置Ｍが装着された多関節ロボット５を示す斜視図であり、図２は、摩擦撹拌接合装置Ｍの構成を示す模式的な側面図である。なお、図１には「上」「下」の方向表示を付しているが、これは説明の便宜のためであり、装置の使用方向を限定する意図ではない。

【0013】

多関節ロボット５は、基台上に立設されたロボットアーム５１を備える。ロボットアーム５１は、複数のアーム片と、これらアーム片を連結する６つの関節軸を有している。すなわち、ロボットアーム５１は、図１に示す第１軸ＡＸ１、第２軸ＡＸ２、第３軸ＡＸ３、第４軸ＡＸ４、第５軸ＡＸ５、および第６軸ＡＸ６の各軸回りにそれぞれ回転することができる。

【0014】

ロボットアーム５１のアーム先端部５１Ｔには、ガン５２が取り付けられている。ガン５２は、ロボットアーム５１の第１軸ＡＸ１～第６軸ＡＸ６回りの回動によって、自在に三次元移動が可能である。このガン５２に、摩擦撹拌接合装置Ｍが組付けられている。

【0015】

図１には、ガン５２の拡大図が付記されている。ガン５２は、筐体部５３とＣ型フレーム５４とを含む。筐体部５３は、摩擦撹拌接合装置Ｍの駆動機構を収容している。Ｃ型フレーム５４は、筐体部５３のアーム先端部５１Ｔ側に位置する基端部５４１と、基端部５４１から、摩擦撹拌接合装置Ｍにおける後述するツール１の下方まで延び出した先端部５４２とを含む。先端部５４２は、後述する裏当て部材１５を保持している。

【0016】

なお、本発明に係る摩擦撹拌接合装置Ｍは、多関節ロボット５以外の他の装置に取り付けられてもよい。例えば、１軸に沿って昇降だけを行う機械装置に摩擦撹拌装置が取り付けられる実施態様とすることができる。

【0017】

［摩擦撹拌接合装置の機械的構成］
図２を参照して、摩擦撹拌接合装置Ｍの機械的構成について説明する。摩擦撹拌接合装置Ｍは、接合用のツール１と、ツール１を回転および昇降駆動するツール駆動部２と、ツール１をワークに対して固定するツール固定部５５とを含む。本実施形態において前記ワークは、最終的に接合体３を構成する、第１部材３１と第２部材３２とが上下方向に重ね合わされてなる重なり部３０である。

【0018】

ツール１は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、クランプ部材１３、およびスプリング１４を含む。

【0019】

ピン部材１１は、円柱状に形成された部材であり、その軸線Ｚが上下方向に延びるように配置されている。以下、軸線Ｚのことをツール軸線Ｚという。ピン部材１１は、ツール軸線Ｚを中心に回転することが可能であり、かつ、ツール軸線Ｚに沿って矢印Ｚ１で示す上下方向に進退移動することが可能である。なお、進退移動という場合の前提として、本実施形態では、ピン部材１１の下方への移動（下降）が前進であり、ピン部材１１の上方への移動（上昇）が後退である。このことは、ショルダ部材１２およびクランプ部材１３でも同様である。

【0020】

ショルダ部材１２は、ピン部材１１の外周を覆うように配置されている。ショルダ部材１２は、ピン部材１１が内挿される中空部を備え、円筒状に形成された部材である。ショルダ部材１２の軸心は、ツール軸線Ｚと同軸上にある。ショルダ部材１２は、ピン部材１１と同様にツール軸線Ｚ回りに回転することが可能であり、かつ、ツール軸線Ｚに沿って矢印Ｚ２で示す上下方向に進退移動することが可能である。ショルダ部材１２と、前記中空部に内挿されたピン部材１１とは、共にツール軸線Ｚ回りに回転しつつ、ツール軸線Ｚ方向に相対移動が可能である。すなわち、ピン部材１１およびショルダ部材１２は、ツール軸線Ｚに沿って同時に昇降するだけでなく、一方が下降し他方が上昇するという独立移動が可能である。

【0021】

クランプ部材１３は、ショルダ部材１２が内挿される中空部を備え、円筒状に形成された部材である。クランプ部材１３の軸心も、ツール軸線Ｚと同軸上にある。クランプ部材１３は、軸回りに回転はしないが、ツール軸線Ｚに沿って矢印Ｚ３で示す上下方向に進退移動することが可能である。クランプ部材１３は、ピン部材１１またはショルダ部材１２が摩擦撹拌接合を行う際に、これらの外周を囲う役目を果たす。クランプ部材１３の囲いにより、摩擦撹拌材料が四散せず、接合部分を平滑に仕上げることができる。

【0022】

スプリング１４は、クランプ部材１３の上端部１３１に、上方へ延び出すように取り付けられている。スプリング１４は、クランプ部材１３を重なり部３０に向かう方向（下方）に付勢している。

【0023】

ツール固定部５５は、回転ツール固定器５５１と、クランプ固定器５５２とを含む。回転ツール固定器５５１は、ピン部材１１が内挿されたショルダ部材１２の上方に配置され、ピン部材１１およびショルダ部材１２を支持している。クランプ固定器５５２は、スプリング１４を介してクランプ部材１３を支持している。また、クランプ固定器５５２は、後述の回転駆動部２３を介して、回転ツール固定器５５１を支持している。

【0024】

ツール１の先端（下端面）に対向して、裏当て部材１５が配置されている。裏当て部材１５の上面である支持面１５１は、接合対象のワーク（重なり部３０）の下面を支持するための平坦面として形成されている。すなわち、裏当て部材１５は、ピン部材１１またはショルダ部材１２が重なり部３０に圧入される際に、当該重なり部３０を支持する部材である。裏当て部材１５は、Ｃ型フレーム５４の先端部５４２により保持されている。スプリング１４で付勢されたクランプ部材１３は、重なり部３０を裏当て部材１５に押し当てる。なお、裏当て部材１５の支持面１５１は、本発明における「当接面」に相当する。

【0025】

以上の通り、ピン部材１１の進退移動軸およびショルダ部材１２の進退移動軸は、いずれもツール軸線Ｚである。また、ピン部材１１およびショルダ部材１２は、ツール軸線Ｚを中心に回転する。本実施形態では、ロボットアーム５１が第１軸ＡＸ１～第６軸ＡＸ６を有していることから、図１の要部拡大図に示すように、ショルダ部材１２の進退移動軸を第７軸ＡＸ７、ピン部材１１およびショルダ部材１２の回転軸を第８軸ＡＸ８、ピン部材１１の進退移動軸を第９軸ＡＸ９として扱う。

【0026】

ツール駆動部２は、ピン駆動部２１、ショルダ駆動部２２、および回転駆動部２３を含む。

【0027】

ピン駆動部２１は、ツール軸線Ｚに沿ってピン部材１１を進退移動（昇降）させる機構であり、換言すれば第９軸ＡＸ９用の駆動機構である。ピン駆動部２１により、ピン部材１１の下端である先端１１Ｔが重なり部３０に向かって下降（前進）する、もしくは重なり部３０に対して上昇（後退）するように駆動される。ピン駆動部２１は、駆動源としてのサーボモータ２１ａ（図３）と、当該サーボモータ２１ａの出力軸の回転をツール軸線Ｚに沿った直線運動（上下運動）に変換するラック／ピニオン等からなるギヤ機構とを含む。

【0028】

ショルダ駆動部２２は、ツール軸線Ｚに沿ってショルダ部材１２を進退移動（昇降）させる機構であり、換言すれば第７軸ＡＸ７用の駆動機構である。ショルダ駆動部２２により、ショルダ部材１２の下端である先端１２Ｔが重なり部３０に向かって下降（前進）する、もしくは重なり部３０に対して上昇（後退）するように駆動される。ショルダ駆動部２２は、駆動源としてのサーボモータ２２ａ（図３）と、当該サーボモータ２２ａの出力軸の回転をツール軸線Ｚに沿った直線運動（上下運動）に変換するラック／ピニオン等からなるギヤ機構とを含む。

【0029】

本実施形態のショルダ駆動部２２は、ピン部材１１、ショルダ部材１２およびクランプ部材１３を支持するツール固定部５５自体を昇降させる機構とされている。このため、図２に示している、ピン部材１１、ショルダ部材１２、およびクランプ部材１３の矢印Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３方向の移動は、全てショルダ駆動部２２の駆動によって実現可能である。

【0030】

ただし、ピン部材１１については、ピン駆動部２１で駆動されることによって、ショルダ部材１２およびクランプ部材１３とは独立して進退移動が可能である。すなわち、ピン駆動部２１は、ショルダ部材１２の内側に固定されており、この固定位置を基準にピン部材１１を相対的に昇降させる機構とされている。これにより、例えば、ショルダ部材１２が下降もしくは停止している状況でも、ピン部材１１はピン駆動部２１の駆動により上昇することが可能である。

【0031】

ショルダ駆動部２２によってクランプ部材１３が下降されてその先端（下端）１３Ｔが重なり部３０に当接した状態で、クランプ部材１３にはスプリング１４の付勢力が作用する。この付勢力により、クランプ部材１３は重なり部３０を裏当て部材１５に押圧し、重なり部３０とツール１との位置関係を固定する。

【0032】

回転駆動部２３は、ピン部材１１およびショルダ部材１２をツール軸線Ｚ回りに回転させる機構であり、換言すれば第８軸ＡＸ８用の駆動機構である。回転駆動部２３は、駆動源としてのサーボモータ２３ａ（図３）と、当該サーボモータ２３ａの出力軸の回転を変速および伝達するギヤ機構とを含む。回転駆動部２３は、クランプ固定器５５２に保持されており、かつ回転ツール固定器５５１を回転駆動する。この回転駆動により、回転ツール固定器５５１に支持されているピン部材１１およびショルダ部材１２は、ツール軸線Ｚ回りに回転する。

【0033】

［摩擦撹拌接合装置の電気的構成］
図３は、摩擦撹拌接合装置Ｍの電気的構成を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置Ｍは、その機能要素として、コントローラ６１、入力部６２、および記憶部６３を備えている。

【0034】

コントローラ６１は、マイクロコンピュータ等からなり、所定の制御プログラムを実行することで、ツール駆動部２およびロボット駆動部５１Ｍの動作を制御する。なお、ロボット駆動部５１Ｍは、ロボットアーム５１の第１軸ＡＸ１～第６軸ＡＸ６を駆動するアクチュエータを含む。

【0035】

コントローラ６１によるツール駆動部２の制御は、次のようにして行われる。すなわち、コントローラ６１は、ピン駆動部２１のサーボモータ２１ａを制御して、ピン部材１１を独立的に進退移動させる。また、コントローラ６１は、ショルダ駆動部２２のサーボモータ２２ａを制御して、ピン部材１１、ショルダ部材１２、およびクランプ部材１３に、それぞれ所要の進退移動を行わせる。さらに、コントローラ６１は、回転駆動部２３のサーボモータ２３ａを制御して、ピン部材１１およびショルダ部材１２をツール軸線Ｚ回りに回転させる。

【0036】

コントローラ６１はまた、ゼロイング制御部６１ａと接合制御部６１ｂとを備える。接合制御部６１ｂは、ピン部材１１およびショルダ部材１２等を用いてワーク（重なり部３０）を摩擦撹拌接合するための制御モジュールである。すなわち、接合制御部６１ｂは、ピン部材１１およびショルダ部材１２を回転させつつワーク（重なり部３０）に圧入することにより、当該ワークを接合する。ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１およびショルダ部材１２の原点合わせ（ゼロイング）を自動的に行うための制御モジュールである。この原点合わせの詳細については後述する。

【0037】

入力部６２は、コントローラ６１に種々のデータや指令を入力するためのインターフェースであり、例えばキーボードやタッチパネル等から構成される。

【0038】

記憶部６３は、摩擦撹拌接合装置Ｍの制御に必要な各種プログラムやデータを記憶するものである。

【0039】

［摩擦撹拌接合の動作例］
以上のような構成の摩擦撹拌接合装置Ｍを用いた摩擦撹拌接合は、ピン先行プロセスによる接合と、ショルダ先行プロセスによる接合とに大別される。ピン先行プロセスとショルダ先行プロセスとは、ピン部材１１を先に圧入するかショルダ部材１２を先に圧入するかが異なる。各プロセスの概要は以下のとおりである。

【0040】

図４は、ピン先行プロセスによる接合方法を説明するための概略図である。ピン先行プロセスによる接合方法は、下記の４つの工程Ｐ１１～Ｐ１４を含む。

【0041】

工程Ｐ１１は、重なり部３０の予熱工程である。予熱工程では、第１部材３１の表面にツール１の先端（下端）を当接させた状態で、ピン部材１１およびショルダ部材１２を軸回りに所定の回転数で高速回転させる。この高速回転に伴う摩擦熱より、ピン部材１１およびショルダ部材１２の各先端１１Ｔ，１２Ｔと当接している部分の材料が軟化し、重なり部３０の上面近傍に塑性流動部が生じる。

【0042】

工程Ｐ１２は、ピン部材１１の圧入工程である。圧入工程では、図中に白抜き矢印で示すように、ピン部材１１を下降させて重なり部３０へ圧入させる一方、ショルダ部材１２を上昇させる。この動作により、ピン部材１１の圧入領域から軟化した材料が溢れ出す。溢れ出した材料ＯＦは、ショルダ部材１２の上昇（退避）によって生じた、ピン部材１１とクランプ部材１３との間の環状領域に逃がされる（矢印ａ１参照）。

【0043】

工程Ｐ１３は、溢れ出し材料ＯＦの埋め戻し工程である。埋め戻し工程では、ピン部材１１を上昇させる一方で、ショルダ部材１２を下降させる。ショルダ部材１２の下降により、矢印ａ２で示すように、前記環状領域に逃がされた溢れ出し材料ＯＦが、ピン部材１１の圧入領域に埋め戻される。

【0044】

工程Ｐ１４は、ならし工程である。ならし工程では、ピン部材１１およびクランプ部材１３の各先端１１Ｔ，１２Ｔを第１部材３１の表面の高さ位置に復帰させた状態で両者を回転させる。これにより、重なり部３０の上面が整形され、凹凸がほとんど生じない程度に平滑化される。

【0045】

以上の工程Ｐ１１～Ｐ１４により、上面が平滑な接合部４ａが形成され、第１部材３１および第２部材３２が重なり部３０において点接合される。

【0046】

図５は、ショルダ先行プロセスによる接合方法を説明するための概略図である。ショルダ先行プロセスによる接合方法は、下記の４つの工程Ｐ２１～Ｐ２４を含む。

【0047】

工程Ｐ２１は、上述した工程Ｐ１１と同様な、重なり部３０の予熱工程である。この予熱工程では、高速回転するピン部材１１およびショルダ部材１２の各先端１１Ｔ，１２Ｔと当接している部分の材料が軟化し、重なり部３０の上面近傍に塑性流動部が生じる。

【0048】

工程Ｐ２２は、ショルダ部材１２の圧入工程である。この圧入工程では、ショルダ部材１２を下降させて重なり部３０へ圧入させる一方、ピン部材１１を上昇させる。この動作により、ショルダ部材１２の圧入領域から軟化した材料が溢れ出す。溢れ出した材料ＯＦは、ピン部材１１の上方（退避）によって生じた、ショルダ部材１２の中空空間に逃がされる（矢印ｂ１参照）。

【0049】

工程Ｐ２３は、溢れ出し材料ＯＦの埋め戻し工程である。埋め戻し工程では、ショルダ部材１２を上昇させる一方で、ピン部材１１を下降させる。ピン部材１１の下降により、矢印ｂ２で示すように、前記中空空間に逃がされた溢れ出し材料ＯＦが、ショルダ部材１２の圧入領域に埋め戻される。

【0050】

工程Ｐ２４は、先述の工程Ｐ１４と同様な、ならし工程である。このならし工程により、重なり部３０の上面が整形され、凹凸がほとんど生じない程度に平滑化される。

【0051】

以上のプロセスにより、上面が平滑な接合部４ｂが形成され、第１部材３１および第２部材３２が重なり部３０において点接合される。

【0052】

［ゼロイングの動作例］
上述したとおり、ピン先行プロセスによる接合方法とショルダ先行プロセスによる接合方法のいずれを用いても、重なり部３０に平滑な接合部（４ａまたは４ｂ）を形成することができる。接合部の平滑性を担保するには、特にならし工程においてピン部材１１の先端１１Ｔとショルダ部材１２の先端１２Ｔとを十分な精度で位置合わせする（同一の高さに揃える）必要がある。このような位置合わせの精度を確保するには、接合を行う前にピン部材１１およびショルダ部材１２の各先端１１Ｔ，１２Ｔの高さを一致させてその状態で両部材１１，１２の原点を設定する原点合わせ（ゼロイング）を十分な精度で行っておくことが求められる。ここで、ピン部材１１およびショルダ部材１２の原点とは、両部材１１，１２の進退移動軸であるツール軸線Ｚに沿った座標（以下、これをＺ軸座標という）の原点のことである。すなわち、ここでいう原点合わせ（ゼロイング）とは、ピン部材１１のＺ軸座標の原点と、ショルダ部材１２のＺ軸座標の原点とを一致させる操作のことである。

【0053】

図６および図７は、ゼロイングの際にコントローラ６１が実行する制御（ゼロイング制御）の具体的手順を示すフローチャートである。ゼロイング制御は、摩擦撹拌接合装置Ｍの組立完了後であって、当該摩擦撹拌接合装置Ｍをユーザに出荷する前に実行される。また、ゼロイング制御は、記憶部６３に予め記憶されたプログラムに従って実行される制御であり、当該プログラムを開始する指令であるゼロイング指令が作業者から入力部６２を介してコントローラ６１に入力されるのに応じて開始される。

【0054】

前記ゼロイング指令の入力を受けて図６に示す制御がスタートすると、コントローラ６１のゼロイング制御部６１ａは、ショルダ部材１２を裏当て部材１５に向けて下降させる（ステップＳ１）。すなわち、ゼロイング制御部６１ａは、ショルダ駆動部２２のサーボモータ２２ａをショルダ部材１２が下降する方向に回転駆動して、ショルダ部材１２の先端１２Ｔが裏当て部材１５の支持面１５１に当接するまでショルダ部材１２を下降（前進）させる。

【0055】

ただし、前記ステップＳ１でショルダ部材１２の下降を開始する時点では、ショルダ部材１２におけるＺ軸座標の原点は不明であり、仮の原点が存在するに過ぎない。すなわち、ショルダ部材１２のＺ軸座標上の位置は、サーボモータ２２ａに備わるエンコーダ（位置検出部）からの出力に基づき認識されるが、このときのＺ軸座標の原点は摩擦撹拌接合装置Ｍの組立て時にデフォルトで設定された仮の原点である。このため、初期位置のショルダ部材１２の先端１２Ｔから裏当て部材１５の支持面１５１までの距離はゼロイング制御部６１ａにとって不明である。そこで、ゼロイング制御部６１ａは、サーボモータ２２ａを駆動する直前のＺ軸座標の値（つまりＺ軸座標の初期値）に基づいて、ショルダ部材１２の先端１２Ｔが裏当て部材１５の支持面１５１に必ず当接するようなＺ軸座標の仮想目標値を設定し、この仮想目標値までショルダ部材１２が下降するようにサーボモータ２２ａを制御する。ここでは、Ｚ軸座標の正方向は上方向であるものとする。この場合、Ｚ軸座標の仮想目標値は、例えば、ショルダ部材１２の最大進退移動量以上の値をＺ軸座標の初期値から減じた値とすることができる。なお、ショルダ部材１２の最大進退移動量とは、ショルダ部材１２をその進退可動域の上限（上側のメカストッパに当接する位置）から裏当て部材１５の支持面１５１まで移動させたときのＺ軸方向の移動量のことである。

【0056】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、ショルダ部材１２の先端１２Ｔが裏当て部材１５の支持面１５１に当接したか否かを判定する（ステップＳ２）。例えば、ゼロイング制御部６１ａは、サーボモータ２２ａの作動電流に基づいてショルダ部材１２の当接を判定する。すなわち、ショルダ部材１２が裏当て部材１５に当接すると、サーボモータ２２ａの負荷が増大する結果、当該サーボモータ２２ａの作動電流が増大する。そこで、ゼロイング制御部６１ａは、作動電流が所定値まで増大したことが確認された場合に、ショルダ部材１２が裏当て部材１５に当接したと判定する。ここで、本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍではショルダ部材１２が加圧軸として機能付けられており、サーボモータ２２ａの作動電流から加圧力を判定する制御ロジックがコントローラ６１に実装されている。前記ステップＳ２の判定は、このような制御ロジックを利用して支障なく行うことができる。

【0057】

前記ステップＳ２でＹＥＳと判定されてショルダ部材１２が裏当て部材１５に当接したことが確認された場合、ゼロイング制御部６１ａは、このときのショルダ部材１２のＺ軸座標の値を第１ショルダ軸値α１として記憶部６３に記憶させる（ステップＳ３）。図８（ａ）は、ショルダ部材１２の先端１２Ｔが裏当て部材１５の支持面１５１に当接した状態を示している。ゼロイング制御部６１ａは、このような当接状態におけるショルダ部材１２のＺ軸座標の値を第１ショルダ軸値α１として記憶部６３に記憶させる。なお、第１ショルダ軸値α１は、本発明における「第１ショルダ位置」に対応している。

【0058】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、図８（ｂ）に示すように、ピン部材１１のＺ軸座標の現在値を第１ピン軸値β１として記憶部６３に記憶させる（ステップＳ４）。このステップＳ４の時点においてピン部材１１は上昇も下降もしていないから、第１ピン軸値β１はピン部材１１のＺ軸座標の初期値ということができる。なお、第１ピン軸値β１は、本発明における「第１ピン位置」に対応している。

【0059】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１を裏当て部材１５に向けて下降させる（ステップＳ５）。すなわち、ゼロイング制御部６１ａは、ピン駆動部２１のサーボモータ２１ａをピン部材１１が下降する方向に回転駆動して、ピン部材１１の先端１１Ｔが裏当て部材１５の支持面１５１に当接するまでピン部材１１を下降（前進）させる。

【0060】

ただし、前記ステップＳ５でピン部材１１の下降を開始する時点では、ピン部材１１におけるＺ軸座標の原点は不明であり、仮の原点が存在するに過ぎない。すなわち、ピン部材１１のＺ軸座標上の位置は、サーボモータ２１ａに備わるエンコーダ（位置検出部）からの出力に基づき認識されるが、このときのＺ軸座標の原点は摩擦撹拌接合装置Ｍの組立て時にデフォルトで設定された仮の原点である。そこで、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ１でショルダ部材１２を下降させたときと同様に、サーボモータ２１ａを駆動する直前のＺ軸座標の値（つまりＺ軸座標の初期値）に基づいて、ピン部材１１の先端１１Ｔが裏当て部材１５の支持面１５１に必ず当接するようなＺ軸座標の仮想目標値（例えばピン部材１１の最大進退移動量以上の値をＺ軸座標の初期値から減じた値）を設定し、この仮想目標値までピン部材１１が下降するようにサーボモータ２１ａを制御する。

【0061】

図９に示すように、前記ステップＳ５において、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１の下降速度（以下、ピン下降速度という）が所定の速度パターンで変化するようにサーボモータ２１ａを制御する。すなわち、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ５の開始と同時にピン部材１１を加速させ、ピン下降速度を予め定められた目標速度Ｖ１に向けて増大させる。そして、ピン下降速度が目標速度Ｖ１に達すると、ゼロイング制御部６１ａは、その時点ｔ１以降、ピン下降速度が目標速度Ｖ１で一定となるようにピン部材１１を等速移動させる。なお、目標速度Ｖ１は、ピン下降速度の上限値に対し十分に低い値（例えば数ｍｍ／ｓ）に設定される。

【0062】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１の先端１１Ｔが裏当て部材１５の支持面１５１に当接したか否かを判定する（ステップＳ６）。例えば、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ５で設定した仮想目標値と現在のピン部材１１のＺ軸座標との偏差の時間変化をサーボモータ２１ａのエンコーダからの出力値に基づき調べ、当該偏差が所定期間に亘って実質的に変化しないことが確認された場合に、ピン部材１１が裏当て部材１５に当接したと判定する。このように、ピン部材１１の当接判定は、上述したショルダ部材１２の当接判定（ステップＳ２）と異なり、モータ電流に基づく判定ではなく、座標位置偏差に基づく判定とされる。これは、ピン部材１１とショルダ部材１２との制御ロジックの相違によるものである。すなわち、本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍでは、ピン部材１１が直動軸として機能付けられており、加圧軸であるショルダ部材１２の場合と異なり、モータ電流から加圧力を判定する制御ロジックはピン部材１１には適用されない。このため、前記ステップＳ６では、モータ電流ではなく座標位置偏差に基づきピン部材１１の当接を判定することとしている。

【0063】

前記ステップＳ６でＹＥＳと判定されてピン部材１１が裏当て部材１５に当接したことが確認された場合、ゼロイング制御部６１ａは、このときのピン部材１１のＺ軸座標の値を第２ピン軸値β２として記憶部６３に記憶させる（ステップＳ７）。図８（ｃ）は、ピン部材１１の先端１１Ｔが裏当て部材１５の支持面１５１に当接した状態を示している。ゼロイング制御部６１ａは、このような当接状態におけるピン部材１１のＺ軸座標の値を第２ピン軸値β２として記憶部６３に記憶させる。なお、第２ピン軸値β２は、本発明における「第２ピン位置」に対応している。

【0064】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、図８（ｃ）に示すように、ショルダ部材１２のＺ軸座標の現在値を第２ショルダ軸値α２として記憶部６３に記憶させる（ステップＳ８）。すなわち、前記のようにピン部材１１が裏当て部材１５に当接すると、その影響でショルダ部材１２がわずかに上方に変位する（浮き上がる）現象が見られることが分かっており、前記ステップＳ８では、この上方変位後のショルダ部材１２の位置を確認するべく、ショルダ部材１２のＺ軸座標の現在値が調べられる。なお、第２ショルダ軸値α２は、本発明における「第２ショルダ位置」に対応している。

【0065】

ここで、前記のようなショルダ部材１２の上方変位は、ショルダ部材１２の内側に固定されたピン駆動部２１によりピン部材１１がショルダ部材１２に対し相対的に昇降されるという本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍの構造に起因して生じる現象であると考えられる。例えば、ピン部材１１が裏当て部材１５に当接して当該裏当て部材１５を押圧すると、その反力がピン駆動部２１におけるラック／ピニオン等のギヤ機構を介してショルダ部材１２に作用する結果、ショルダ部材１２がわずかに上方変位すると考えられる。なお、このときのショルダ部材１２の変位量は微小であるが、図８（ｃ）ではこれを誇張して示している。

【0066】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ４で取得された第１ピン軸値β１と、前記ステップＳ７で取得された第２ピン軸値β２とに基づいて、ピン移動量（β１－β２）を算出する（図７のステップＳ９）。すなわち、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１の初期位置を表す第１ピン軸値β１から、ピン部材１１が裏当て部材１５に当接したときの位置を表す第２ピン軸値β２を減じることにより、ピン部材１１の初期位置から裏当て部材１５までの距離であるピン移動量（β１－β２）を算出する。

【0067】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ３で取得された第１ショルダ軸値α１と、前記ステップＳ８で取得された第２ショルダ軸値α２とに基づいて、ショルダ変位量（α２－α１）を算出する（ステップＳ１０）。すなわち、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１の裏当て部材１５への当接に応じ上方変位（後退変位）したショルダ部材１２の位置を表す第２ショルダ軸値α２から、ショルダ部材１２が裏当て部材１５に当接したときの位置を表す第１ショルダ軸値α１を減じることにより、ショルダ部材１２の裏当て部材１５からの上方変位量であるショルダ変位量（α２－α１）を算出する。

【0068】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ９で算出されたピン移動量（β１－β２）が予め定められた基準移動量Ｘβ以上であるという第１条件が成立するか否かを判定する（ステップＳ１１）。ここで用いられる基準移動量Ｘβは、ピン部材１１を図９に示した速度パターンに沿って下降させた場合に、ピン部材１１の下降速度を目標速度Ｖ１まで増大させるのに必要な距離以上に設定される。言い換えると、ピン移動量（β１－β２）が基準移動量Ｘβ以上であれば、裏当て部材１５に当接する直前のピン部材１１は目標速度Ｖ１で等速運動していたことになる。逆に、ピン移動量（β１－β２）が基準移動量Ｘβ未満であれば、裏当て部材１５に当接した時点のピン部材１１の下降速度は目標速度Ｖ１に達していない（加速の途中である）可能性がある。

【0069】

前記ステップＳ１１でＹＥＳと判定されて前記第１条件が成立すること（β１－β２≧Ｘβ）が確認された場合、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ１０で算出されたショルダ変位量（α２－α１）が予め定められた基準変位量Ｘα以下であるという第２条件が成立するか否かを判定する（ステップＳ１２）。ここで用いられる基準変位量Ｘαは、ピン部材１１が図９に示した目標速度Ｖ１で裏当て部材１５に当接したときに通常生じ得るショルダ部材１２の上方変位量の最大値に相当し、実験的に定めることができる。

【0070】

前記ステップＳ１１，Ｓ１２の各判定の結果（前記第１・第２条件の成否）次第で、ゼロイング制御部６１ａは、３種類の異なる制御を実行する。まず、前記ステップＳ１２でＹＥＳと判定された場合、つまり前記第２条件が成立したことが確認された場合の制御について説明する。

【0071】

前記ステップＳ１２で第２条件の成立が確認されたということは、前記第１条件および前記第２条件の双方が成立すること、つまりβ１－β２≧Ｘβかつα２－α１≦Ｘαであることを意味する。すなわち、図１０に示すように、ピン移動量（β１－β２）を横軸、ショルダ変位量（α２－α１）を縦軸とした場合の条件マップ上において、右下の第１領域Ｒ１に該当する条件が成立したことを意味する。この場合、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１を既定戻し量Ｂｘだけ上昇させる（ステップＳ１３）。既定戻し量Ｂｘは、予め定められた一定値であり、ピン部材１１の先端１１Ｔの高さをショルダ部材１２の先端１２Ｔの高さと一致させるために実験的に求められた値である。このような既定戻し量Ｂｘだけピン部材１１が上昇することにより、図８（ｄ）に示すように、ピン部材１１の先端１１Ｔとショルダ部材１２の先端１２Ｔとが面一に揃えられる。

【0072】

ここで、一定値である既定戻し量Ｂｘは、裏当て部材１５からのショルダ部材１２の浮き上がり量であるショルダ変位量（α２－α１）と必ずしも一致しないが、図８（ｃ）の状態におけるピン部材１１およびショルダ部材１２の各先端１１Ｔ，１２Ｔの高さのずれ（位置ずれ）は、ショルダ変位量（α２－α１）よりもむしろ既定戻し量Ｂｘとの一致性が高い。すなわち、本願発明者の知見によれば、エンコーダから特定されるショルダ変位量（α２－α１）は、ピン部材１１およびショルダ部材１２の各先端１１Ｔ，１２Ｔの実際の高さずれと正確には一致しない。これは、部材のひずみ等により生じる誤差が原因であると考えられる。このため、図８（ｃ）の状態からショルダ変位量（α２－α１）と同じ量だけピン部材１１を上昇させても、ピン部材１１およびショルダ部材１２の各先端１１Ｔ，１２Ｔの高さが一致するとは限らない。むしろ、前記第１条件および前記第２条件の双方が成立する状況では、各先端１１Ｔ，１２Ｔの高さずれは実質的に同一の値をとるという知見が得られており、このような知見に基づき実験的に求められた一定の既定戻し量Ｂｘが本ゼロイング制御用のプログラムに予め定められている。前記ステップＳ１３では、このようにして定められた既定戻し量Ｂｘだけピン部材１１が上昇することにより、図８（ｄ）に示すように、ピン部材１１およびショルダ部材１２の各先端１１Ｔ，１２Ｔが面一に揃えられる。

【0073】

次いで、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１およびショルダ部材１２のＺ軸座標の原点合わせ、つまりゼロイングを行う（ステップＳ１４）。すなわち、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１を既定戻し量Ｂｘだけ上昇させる前記ステップＳ１３の実行後、このときのピン部材１１およびショルダ部材１２の各位置を基準に両部材１１，１２の原点合わせを行う。より詳しくは、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ１３が実行された後の図８（ｄ）の状態で、サーボモータ２１ａのエンコーダ出力値から特定されるピン部材１１のＺ軸座標値と、サーボモータ２２ａのエンコーダ出力値から特定されるショルダ部材１２のＺ軸座標値とが一致するように、ピン部材１１およびショルダ部材１２の各原点をリセットする。

【0074】

例えば、ゼロイング制御部６１ａは、サーボモータ２１ａのエンコーダ出力値とＺ軸座標値との関係、およびサーボモータ２２ａのエンコーダ出力値とＺ軸座標値との関係をそれぞれ修正して、ピン部材１１およびショルダ部材１２の各原点をリセットすることにより、上述した図８（ｄ）の状態におけるピン部材１１のＺ軸座標値とショルダ部材１２のＺ軸座標値とを一致させる。リセット後のピン部材１１およびショルダ部材１２の各原点は、図８（ｄ）の状態でＺ軸座標値が一致する限りにおいて適宜の位置に設定し得る。例えば、ピン部材１１およびショルダ部材１２が図８（ｄ）の状態にあるときに両部材１１，１２のＺ軸座標値がともに原点を表す値（０）になるように原点リセットを行ってもよいし、同じく図８（ｄ）の状態にあるときに両部材１１，１２のＺ軸座標値がともに既定戻し量Ｂｘに対応する微小プラス値になるように原点リセットを行ってもよい。後者のようにした場合には、ピン部材１１およびショルダ部材１２が裏当て部材１５に当接した状態でピン部材１１およびショルダ部材１２の各Ｚ軸座標値が０になることが期待される。

【0075】

次に、前記ステップＳ１１でＮＯと判定されて前記第１条件が非成立であることが確認された場合の制御について説明する。前記ステップＳ１１で第１条件の非成立が確認されたということは、前記第１条件および前記第２条件の双方が非成立である（つまりβ１－β２＜Ｘβかつα２－α１＞Ｘαである）か、または前記第１条件が非成立で前記第２条件が成立する（つまりβ１－β２＜Ｘβかつα２－α１≦Ｘαである）ことを意味する。すなわち、ピン移動量（β１－β２）を横軸、ショルダ変位量（α２－α１）を縦軸とした図１０の条件マップ上において、左下の第２領域Ｒ２または左上の第３領域Ｒ３に該当する条件が成立したことを意味する。この場合、ゼロイング制御部６１ａは、ピン部材１１を基準移動量Ｘβ以上の距離だけ上昇させる（ステップＳ１５）。

【0076】

前記ステップＳ１５が実行される直前において、ピン部材１１は、図８（ｃ）に示すように裏当て部材１５に当接した状態にある。このため、ピン部材１１は、前記ステップＳ１５の実行により、裏当て部材１５から基準移動量Ｘβ以上の距離だけ上昇することになる。なお、以下では、当該上昇が完了したときのピン部材１１の位置を、再スタート位置という。再スタート位置は、裏当て部材１５（支持面１５１）から基準移動量Ｘβと同一の距離だけ離れた位置に設定してもよいが、余裕を見て基準移動量Ｘβをある程度上回る距離だけ離れた位置に設定してもよい。もしくは、ピン部材１１の進退可動域の上限（メカストッパに当接する位置）を再スタート位置として設定してもよい。

【0077】

前記ステップＳ１５の後、フローは前記ステップＳ４まで戻される。この場合のステップＳ４において、ゼロイング制御部６１ａは、前記ステップＳ１５の制御により再スタート位置まで上昇した後のピン部材１１のＺ軸座標値を新たな第１ピン軸値β１として記憶部６３に記憶させる。すなわち、ゼロイング制御部６１ａは、記憶部６３に記憶される第１ピン軸値β１を、前回のステップＳ４によって既に記憶された値から、ピン部材１１が再スタート位置まで上昇したときのＺ軸座標値に書き換える。

【0078】

これ以後は、ステップＳ５以降の制御が同様に繰り返される。すなわち、ゼロイング制御部６１ａは、再スタート位置まで上昇したピン部材１１を裏当て部材１５に当接するまで下降させ（ステップＳ５，Ｓ６）、その時点のピン部材１１およびショルダ部材１２の各Ｚ軸座標値を新たな第２ピン軸値β２および第２ショルダ軸値α２として記憶する（ステップＳ７，Ｓ８）。そして、各軸値を用いて算出したピン移動量（β１－β２）およびショルダ変位量（α２－α１）に基づき前記第１・第２条件の成否を判定し（ステップＳ９～Ｓ１２）、その判定結果に応じた適切な制御（ステップＳ１３～Ｓ１６）を実行する。

【0079】

次に、前記ステップＳ１２でＮＯと判定されて前記第２条件が非成立であることが確認された場合の制御について説明する。前記ステップＳ１２で第２条件の非成立が確認されたということは、前記第１条件が成立して前記第２条件が非成立である（つまりβ１－β２≧Ｘβかつα２－α１＞Ｘαである）ことを意味する。すなわち、ピン移動量（β１－β２）を横軸、ショルダ変位量（α２－α１）を縦軸とした図１０の条件マップ上において、右上の第４領域Ｒ４に該当する条件が成立したことを意味する。この場合、ゼロイング制御部６１ａは、所定のエラーメッセージを表示する（ステップＳ１６）。例えば、ゼロイング制御部６１ａは、液晶パネル等からなる図外の表示装置に、摩擦撹拌接合装置Ｍに異常が存在する可能性を示す所定のエラーメッセージを表示させる。

【0080】

すなわち、本願発明者の知見によれば、ピン移動量（β１－β２）に関する第１条件が成立していれば、高い確率でショルダ変位量（α２－α１）に関する第２条件も成立する。逆に、第１条件が成立するにもかかわらず第２条件が成立しない事態は、通常は想定されない事態であり、摩擦撹拌接合装置Ｍに何らかの異常が生じている可能性がある。そこで、前記ステップＳ１６では、そのことを作業者に知らせるべくエラーメッセージを表示する。

【0081】

以上のようなゼロイング制御において、図６のステップＳ３は本発明における「第１ステップ」または「第１処理」に対応し、図６のステップＳ４は本発明における「第２ステップ」または「第２処理」に対応し、図６のステップＳ５～Ｓ７は本発明における「第３ステップ」または「第３処理」に対応し、図６のステップＳ８は本発明における「第４ステップ」または「第４処理」に対応し、図７のステップＳ１１，Ｓ１２は本発明における「第５ステップ」または「第５処理」に対応し、図７のステップＳ１３，Ｓ１４は本発明における「第６ステップ」または「第６処理」に対応し、図７のステップＳ１５は本発明における「第７ステップ」または「第７処理」に対応する。

【0082】

［作用効果等］
以上説明したように、本実施形態では、摩擦撹拌接合装置Ｍにおけるピン部材１１およびショルダ部材１２の原点合わせが次のような手順で行われる。
・ショルダ部材１２が裏当て部材１５に当接している状態でさらにピン部材１１を裏当て部材１５に当接させ、ピン部材１１の初期位置から裏当て部材１５までの距離であるピン移動量（β１－β２）と、ピン部材１１の当接に伴いショルダ部材１２がわずかに上昇変位したときの変位量であるショルダ変位量（α２－α１）とをそれぞれ調べる。
・ピン移動量（β１－β２）が基準移動量Ｘβ以上という第１条件の成否と、ショルダ変位量（α２－α１）が基準変位量Ｘα以下という第２条件の成否とを判定する。
・第１条件および第２条件の双方が成立した場合（ステップＳ１２でＹＥＳ判定の場合）には、ピン部材１１を裏当て部材１５から既定戻し量Ｂｘだけ上昇させ、その状態におけるピン部材１１およびショルダ部材１２の位置を基準に両部材１１，１２の原点合わせを行う。
・第１条件が成立しなかった場合（ステップＳ１１でＮＯ判定の場合）には、ピン部材１１を基準移動量Ｘβ以上の距離だけ上昇させ、上昇後の再スタート位置から同様の手順を繰り返す。

【0083】

このような方法で原点合わせを行う本実施形態では、原点合わせの精度を担保しつつ当該原点合わせの効率および安全性を高めることができるという利点がある。

【0084】

既に説明したとおり、ショルダ部材１２が裏当て部材１５に当接している状態でさらにピン部材１１を裏当て部材１５に当接させると、このピン部材１１の当接に伴いショルダ部材１２がわずかに上昇（後退）することが分かっており、さらに、この上昇変位により生じるピン部材１１およびショルダ部材１２の各先端１１Ｔ，１２Ｔの高さずれ（図８（ｃ）参照）は、前記第１条件および前記第２条件がともに成立する状況では一意的に定まることが分かっている。本実施形態では、前記第１条件および前記第２条件の双方の成立が確認された場合に、一定の既定戻し量Ｂｘだけピン部材が上昇駆動されるので、上昇後のピン部材１１の先端１１Ｔの高さをショルダ部材１２の先端１２Ｔの高さと精度よく一致させることができる。そして、この状態でピン部材１１およびショルダ部材１２の原点合わせが行われることにより、原点合わせの精度を高めることができ、これらピン部材１１およびショルダ部材１２を備えた摩擦撹拌接合装置Ｍの接合性能を向上させることができる。例えば、第１部材３１と第２部材３２との重なり部３０を接合する際に、接合部の上面を平滑に仕上げる性能を向上させることができる。

【0085】

しかも、ショルダ部材１２およびピン部材１１を同一の裏当て部材１５に順に当接させる動作を行うだけで、各段階でのショルダ部材１２およびピン部材１１の位置（第１・第２ショルダ軸値α１，α２および第１・第２ピン軸値β１，β２）から前記第１条件および前記第２条件の成否を判定できるとともに、両条件が成立した場合には既定戻し量Ｂｘだけピン部材１１を上昇させるだけでピン部材１１およびショルダ部材１２の高さを一致させることができるので、一連の手順を自動化しつつ容易に原点合わせを行うことができ、当該原点合わせの効率および安全性を高めることができる。

【0086】

一方、少なくとも前記第１条件が非成立であった場合には、裏当て部材１５からより遠ざかった再スタート位置までピン部材１１が上昇してその位置から同様の手順が繰り返されるので、ピン部材１１およびショルダ部材１２の高さが一致する状況をできる限り再現することができ、原点合わせが自動的に達成される確率を高めることができる。

【0087】

また、前記実施形態では、前記第１条件の判定閾値である基準移動量Ｘβが、ピン部材１１が一定の目標速度Ｖ１で裏当て部材１５に当接したことが保証される距離（ピン部材１１を目標速度Ｖ１まで加速させるのに必要な距離以上）に設定されるので、前記第１条件および前記第２条件が成立したときの前記高さずれ（図８（ｃ）の状態での各先端１１Ｔ，１２Ｔの高さの差）をより安定化させることができ、原点合わせの精度を十分に高めることができる。

【0088】

なお、前記実施形態では、ピン移動量（β１－β２）が基準移動量Ｘβ以上であれば第１条件が成立したと判定し、ショルダ変位量（α２－α１）が基準変位量Ｘα以下であれば第２条件が成立したと判定したが、第１条件は、ピン移動量が所定の第１範囲に含まれるという条件であればよく、第２条件は、ショルダ変位量が所定の第２範囲に含まれるという条件であればよい。例えば、第１範囲は、下限だけでなく上限をもった範囲であってもよいし、第２範囲は、ゼロより大きい下限と上限をもった範囲であってもよい。

【0089】

前記実施形態では、ピン部材１１を裏当て部材１５に当接させる際に、ピン部材１１のＺ軸座標値の偏差（目標値と現在値との偏差）を調べ、当該偏差が所定期間に亘って実質的に変化しない場合にピン部材１１が裏当て部材１５に当接したと判定するようにしたが、ピン部材１１の当接を判定する方法はこのような方法に限られない。例えば、ショルダ部材１２の当接を判定する場合と同様に、ピン部材１１を駆動するサーボモータ２１ａの作動電流に基づいてピン部材１１の当接を判定してもよい。

【0090】

［まとめ］
上述した実施形態およびその変形例には主に以下の発明が含まれている。

【0091】

本発明の一局面に係る制御方法は、軸線回りの回転および当該軸線に沿った進退移動を行うピン部材と、当該ピン部材の外周側に配置されかつ前記軸線回りの回転および前記軸線に沿った進退移動を行うショルダ部材とを備え、前記ピン部材および前記ショルダ部材を回転させつつワークに圧入することにより当該ワークを接合する摩擦撹拌接合装置を制御する方法であって、前記ショルダ部材の先端が所定の当接面に当接した状態における当該ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第１ショルダ位置として記憶する第１ステップと、前記ピン部材の前記軸線方向の初期位置を第１ピン位置として記憶する第２ステップと、前記ピン部材を前記当接面に向けて前進させ、前記ピン部材の先端が前記当接面に当接したときの当該ピン部材の前記軸線方向の位置を第２ピン位置として記憶する第３ステップと、前記ピン部材の前記当接面への当接に伴い後退した前記ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第２ショルダ位置として記憶する第４ステップと、前記第１ピン位置と前記第２ピン位置との距離であるピン移動量が予め定められた第１範囲に含まれるという第１条件の成否と、前記第１ショルダ位置と前記第２ショルダ位置との距離であるショルダ変位量が予め定められた第２範囲に含まれるという第２条件の成否とを判定する第５ステップと、前記第１条件および前記第２条件が成立した場合に、前記ピン部材を前記当接面から予め定められた戻し量後退させ、後退後の前記ピン部材および前記ショルダ部材のそれぞれの前記軸線方向の位置を基準に前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行う第６ステップと、少なくとも前記第１条件が非成立であった場合に、前記第１ピン位置よりも前記当接面から遠ざかった再スタート位置まで前記ピン部材を後退させる第７ステップとを含む。前記第７ステップの後は、前記再スタート位置まで後退した前記ピン部材の位置を新たな第１ピン位置として前記第２ステップ以降の手順を再実行する。

【0092】

本発明によれば、ピン部材が初期位置から当接面まで前進したときの移動距離であるピン移動量と、ピン部材の当接面への当接に伴いショルダ部材が後退したしたときの変位量であるショルダ変位量とがそれぞれ調べられ、これら各量に基づいてピン部材およびショルダ部材の原点合わせが行われる。具体的には、ピン移動量が第１範囲に含まれるという第１条件と、ショルダ変位量が第２範囲に含まれるという第２条件とがともに成立した場合に、ピン部材が当接面から既定戻し量だけ後退駆動され、さらにその状態におけるピン部材およびショルダ部材の各位置を基準に両部材の原点合わせが行われる。これにより、原点合わせの精度を担保しつつ当該原点合わせの効率および安全性を高めることができる。

【0093】

本願発明者が鋭意研究した結果、ショルダ部材が当接面に当接している状態でさらにピン部材を当接面に当接させると、このピン部材の当接に伴いショルダ部材がわずかに後退すること、および、この後退により生じるピン部材およびショルダ部材の各先端の位置ずれが特定の条件では一意的に定まることが見出された。詳しくは、前記ピン移動量および前記ショルダ変位量がそれぞれ特定の範囲内にあれば、前記位置ずれが一意的に定まることが見出された。このような知見を受けて、本発明では、前記ピン移動量および前記ショルダ変位量がそれぞれ特定の範囲（第１範囲・第２範囲）にあるという第１条件および第２条件の成否が判定され、両条件の成立が確認された場合に、予め定められた戻し量だけピン部材が後退駆動される。これにより、後退後のピン部材の先端の位置をショルダ部材の先端の位置と精度よく一致させることができる。そして、この状態でピン部材およびショルダ部材の原点合わせが行われることにより、原点合わせの精度を高めることができ、これらピン部材およびショルダ部材を備えた摩擦撹拌接合装置の接合性能を向上させることができる。例えば、接合部を平滑に仕上げる性能を向上させることができる。

【0094】

しかも、ショルダ部材およびピン部材を同一の当接面に順に当接させる動作を行うだけで、各段階でのショルダ部材およびピン部材の位置（第１・第２ショルダ位置および第１・第２ピン位置）から前記第１条件および前記第２条件の成否を判定できるとともに、両条件が成立した場合には既定の戻し量だけピン部材を後退させるだけでピン部材およびショルダ部材の位置を揃えることができるので、一連の手順を自動化しつつ容易に原点合わせを行うことができ、当該原点合わせの効率および安全性を高めることができる。

【0095】

一方、少なくとも前記第１条件が非成立であった場合には、当接面からより遠ざかった再スタート位置までピン部材が後退してその位置から同様の手順が繰り返されるので、ピン部材およびショルダ部材の位置が揃う状況をできる限り再現することができ、原点合わせが自動的に達成される確率を高めることができる。

【0096】

ここで、前記ピン移動量が大きくかつ前記ショルダ変位量が小さい方が、上述した位置ずれ（ショルダ部材の後退変位により生じるピン部材およびショルダ部材の各先端の位置ずれ）が安定化し易いことが分かっている。このため、前記第１範囲は、予め定められた基準移動量以上の範囲であり、前記第２範囲は、予め定められた基準変位量以下の範囲であり、前記再スタート位置は、前記当接面から前記基準移動量以上の距離だけ遠ざかった位置に設定することが好ましい。

【0097】

この構成によれば、前記位置ずれが一意的に定まる状況であるか否かを前記第１条件および前記第２条件の成否によって的確に判定することができる。また、前記第１条件が非成立であった場合でも、ピン部材を再スタート位置まで後退させれば必ず前記第１条件が成立することになるので、リトライの回数を削減することができる。

【0098】

より好ましくは、前記第３ステップでは、前記ピン部材が所定の目標速度に達するまで加速した後等速で移動するように前記ピン部材を駆動し、前記基準移動量は、前記ピン部材の移動速度を前記目標速度まで増大させるのに必要な距離以上に設定される。

【0099】

この構成によれば、前記第１条件の成立により、ピン部材が当接面に対し一定速度で当接したことが保証されるので、前記第１条件および前記第２条件が成立したときの前記位置ずれをより安定化させることができ、原点合わせの精度を十分に高めることができる。

【0100】

本発明の他の局面に係る摩擦撹拌接合装置は、軸線回りの回転および当該軸線に沿った進退移動を行うピン部材と、前記ピン部材の外周側に配置されかつ前記軸線回りの回転および前記軸線に沿った進退移動を行うショルダ部材と、前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行うゼロイング制御部と、前記ピン部材および前記ショルダ部材を回転させつつワークに圧入することにより当該ワークを接合する接合制御部と、データを格納する記憶部とを備える。前記ゼロイング制御部は、前記ショルダ部材の先端が所定の当接面に当接した状態における当該ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第１ショルダ位置として前記記憶部に記憶させる第１処理と、前記ピン部材の前記軸線方向の初期位置を第１ピン位置として前記記憶部に記憶させる第２処理と、前記ピン部材を前記当接面に向けて前進させ、前記ピン部材の先端が前記当接面に当接したときの当該ピン部材の前記軸線方向の位置を第２ピン位置として前記記憶部に記憶させる第３処理と、前記ピン部材の前記当接面への当接に伴い後退した前記ショルダ部材の前記軸線方向の位置を第２ショルダ位置として前記記憶部に記憶させる第４処理と、前記第１ピン位置と前記第２ピン位置との距離であるピン移動量が予め定められた第１範囲に含まれるという第１条件の成否と、前記第１ショルダ位置と前記第２ショルダ位置との距離であるショルダ変位量が予め定められた第２範囲に含まれるという第２条件の成否とを判定する第５処理と、前記第１条件および前記第２条件が成立した場合に、前記ピン部材を前記当接面から予め定められた戻し量後退させ、後退後の前記ピン部材および前記ショルダ部材のそれぞれの前記軸線方向の位置を基準に前記ピン部材および前記ショルダ部材の原点合わせを行う第６処理と、少なくとも前記第１条件が非成立であった場合に、前記第１ピン位置よりも前記当接面から遠ざかった再スタート位置まで前記ピン部材を後退させる第７処理とを実行可能である。前記第７処理の後、前記ゼロイング制御部は、前記再スタート位置まで後退した前記ピン部材の位置を新たな第１ピン位置として前記第２処理以降の処理を再実行する。

【0101】

この摩擦撹拌接合装置の発明によれば、上述した方法の発明と同様の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0102】

Ｍ 摩擦撹拌接合装置
１１ ピン部材
１１Ｔ （ピン部材の）先端
１２ ショルダ部材
１２Ｔ （ショルダ部材の）先端
３０ 重なり部（ワーク）
６１ａ ゼロイング制御部
６１ｂ 接合制御部
６３ 記憶部
１５１ 支持面（当接面）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】