JP-2026077366-A - 摩擦攪拌接合システム

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Abstract

【課題】接合軌跡が教示軌跡からずれることを防ぎ、高い接合品質を確保できる摩擦攪拌接合システムを提供する。【解決手段】制御装置３は、モータ軸側エンコーダ及び出力軸側エンコーダ６から出力される信号に基づいて、関節の回動軸のねじれ量を推定するねじれ量推定部９１と、モータの電流値に基づいてモータのトルク量を算出し、モータのトルク量に基づいて関節に連結されるアームの撓み量を推定する撓み量推定部９２と、関節の回動軸のねじれ量及びアームの撓み量に基づいて、ツールによって接合される一対のワークからの反力によるツールの先端位置のずれ量を推定するずれ量推定部９３と、ツールの先端位置のずれ量がなくなるように多関節ロボット動作を制御する動作制御部９４と、を備える。【選択図】図３

Inventors

渡部亮太

Assignees

株式会社不二越

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20241025

Claims (2)

摩擦攪拌接合のツールが装着される多関節ロボットと、前記多関節ロボットの動作を制御する制御装置と、を備える摩擦攪拌接合システムであって、前記多関節ロボットの少なくとも１つの関節の回動軸は、モータと、前記モータのモータ軸に連結される減速機と、前記モータ軸の回転角度を検出するモータ軸側エンコーダと、前記減速機の出力軸の回転角度を検出する出力軸側エンコーダと、を備え、前記制御装置は、前記モータ軸側エンコーダ及び前記出力軸側エンコーダから出力される信号に基づいて、前記関節の回動軸のねじれ量を推定するねじれ量推定部と、前記モータの電流値に基づいて前記モータのトルク量を算出し、前記モータのトルク量に基づいて前記関節に連結されるアームの撓み量を推定する撓み量推定部と、前記関節の回動軸のねじれ量及び前記アームの撓み量に基づいて、前記ツールによって接合される一対のワークからの反力による前記ツールの先端位置のずれ量を推定するずれ量推定部と、前記ツールの先端位置のずれ量がなくなるように前記多関節ロボットの動作を制御する動作制御部と、を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合システム。
前記多関節ロボットは、ベースと、前記ベースに連結される下アームと、前記下アームに連結される上アームと、を有し、前記出力軸側エンコーダは、前記上アームの一端が前記下アームと連結される第１上アーム関節及び前記上アームの他端が連結される第２上アーム関節に設置され、前記ねじれ量推定部は、前記第１上アーム関節の回動軸のねじれ量及び前記第２上アーム関節の回動軸のねじれ量を推定し、前記撓み量推定部は、前記下アームの撓み量及び前記上アームの撓み量を推定し、前記ずれ量推定部は、前記第１上アーム関節の回動軸のねじれ量及び前記第２上アーム関節の回動軸のねじれ量、並びに前記下アームの撓み量及び前記上アームの撓み量に基づいて、前記ツールの先端位置のずれ量を推定し、前記動作制御部は、前記ツールの先端位置のずれ量がなくなるように、前記第１上アーム関節の前記モータの回転角度及び前記第２上アーム関節の前記モータの回転角度についてフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合システム。

Description

本発明は、ロボットを用いて摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合システムに関する。摩擦攪拌接合は、回転させたツールの先端をワークに押し込み、摩擦熱でワークを軟化させ、回転により攪拌して接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材を一体化させる接合方法である。摩擦攪拌接合は、FSW（Friction Stir Welding：摩擦攪拌溶接）とも呼ばれ、専用の摩擦攪拌装置（特許文献１参照）を使う方法と、汎用の多関節ロボットを使う方法とがある。汎用の多関節ロボットを使う場合、自由度が高いため、曲面等の複雑な形状を接合したり、ワーク上面から側面にわたって連続して接合したりできる。特開２０２３－１６７９７３号公報本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合システムの全体構成を示す図図１の第１上アーム関節及び第２上アーム関節の内部構成の一例を示す図図１の制御装置のソフトウエアの機能の一例を示すブロック図図３の撓み量推定部による処理を説明する図図１の制御装置によって実現される処理の流れの一例を示すフローチャート以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図面に例示される各部材の形状やサイズ、及び部材同士の位置関係等は、本発明の実施形態を把握できる程度に概略的に示しており、本発明の実施形態は図面の例に限定されるものではない。図１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合システムの全体構成を示す図である。図１に示すように、摩擦攪拌接合システム１は、摩擦攪拌接合のツール７が装着される多関節ロボット２と、多関節ロボット２の動作を制御する制御装置３と、を備える。ツール７によって接合される一対のワークＷ、Ｗは、一対の治具Ｊ、Ｊによって作業台Ｔに固定される。一対のワークＷ、Ｗは、それぞれ、互いに突き合わされる側面Ｗｓ、Ｗｓと、側面Ｗｓ、Ｗｓと直交し、ツール７の先端が押し込まれる上面Ｗｕ、Ｗｕとを有する。多関節ロボット２は、複数の関節を有する。各関節は、互いに隣り合う一対のリンクを連結し、動力機構（モータ、減速機、軸受、歯車等）によって駆動し、一対のリンクを相対的に回動させる。図１に示す多関節ロボット２は、関節の数が６の垂直多関節ロボットであり、第１回動軸Ｊ１～第６回動軸Ｊ６の６個の回動軸を有する。但し、本発明は、関節の数が限定されるものではなく、複数の関節を有するロボットであれば適用可能である。多関節ロボット２は、床面等の設置面に設置されるベース４と、ベース４に連結される下アーム５１と、下アーム５１に連結される上アーム５２と、を有する。図１に示す例では、設置面は鉛直方向に直交する水平面とする。また、Ｚ軸が鉛直方向、Ｚ軸と直交し、互いに直交するＸ軸及びＹ軸によって定まる平面が水平面とする。ベース４は、台座等に載置される土台ベース４１と、土台ベース４１に取り付けられる旋回ベース４２（第１リンク）と、によって構成される。旋回ベース４２は、Ｚ軸方向に伸びる第１回動軸Ｊ１回りに旋回（回動）可能である。下アーム５１（第２リンク）は、長手方向を有し、長手方向の一方の端部が旋回ベース４２に連結され、他方の端部が上アーム５２に連結され、Ｙ軸方向に伸びる第２回動軸Ｊ２回りに回動可能である。上アーム５２は、長手方向を有し、長手方向の一方の端部が下アーム５１に連結され、他方の端部が手首部５５に連結され、Ｙ軸方向に伸びる第３回動軸Ｊ３回りに回動可能である。上アーム５２は、下アーム５１に連結される第１上アーム５３（第３リンク）と、第１上アーム５３に連結される第２上アーム５４（第４リンク）と、によって構成される。第１上アーム５３及び第２上アーム５４は、長手方向に伸びる中心軸が略同一である。第１上アーム５３は、Ｙ軸方向に伸びる第３回動軸Ｊ３回りに回動可能である。第２上アーム５４は、上アーム５２の長手方向に伸びる第４回動軸Ｊ４回りに回動可能である。ツール７は、手首部５５及び取付部５６を介して第２上アーム５４に連結される。手首部５５（第５リンク）は、第２上アーム５４と連結され、Ｙ軸方向に伸びる第５回動軸Ｊ５回りに回動可能である。取付部５６（第６リンク）は、ツール７の取付面を有し、ツール７と連結され、ツール７の中心軸である第６回動軸Ｊ６回りに回動可能である。以下、上アーム５２の一端が下アーム５１と連結される関節を第１上アーム関節６ａ、上アーム５２の他端が手首部５５と連結される関節を第２上アーム関節６ｂと表記する。第１上アーム関節６ａの回動軸は第３回動軸Ｊ３、第２上アーム関節６ｂの回動軸は第５回動軸Ｊ５である。ツール７は、駆動モータ（不図示）に連結され、高速で回動する回動部（不図示）を内部に有するスピンドル７１と、スピンドル７１の回動部に連結されるホルダ７２と、ホルダ７２に保持されるプローブ７３と、を有する。プローブ７３は、スピンドル７１の回動部とともに高速で回動する。制御装置３のＣＰＵ（Central Processing Unit）３１、メモリ３２、記憶部３３及び入出力Ｉ／Ｆ（インタフェース）部３４は、バス３５を介して接続される。プロセッサとしてのＣＰＵ３１は、予め記憶部３３等に記憶されるコンピュータプログラムをメモリ３２に読み出して格納し、複数の命令を順次実行する。記憶部３３は、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等のコンピュータ読み取り可能な非一時的な記憶媒体であり、コンピュータプログラムやデータを記憶する。入出力Ｉ／Ｆ部３４は、多関節ロボット２等から信号を入力したり、それらに信号を出力したりする。尚、制御装置３の全部若しくは一部の機能は、論理回路あるいはアナログ回路で構成しても良く、また、各種プログラムの処理を、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)等の電子回路により構成しても良い。制御装置３は、多関節ロボット２の土台ベース４１に内蔵されても良いし、多関節ロボット２の外部に設置されても良い。後者の場合、多関節ロボット２及び制御装置３は、通信ケーブルを介して通信可能に接続される。または、多関節ロボット２及び制御装置３は、無線で接続されても良い。制御装置３の台数は、１台でも良いし、複数台でも良い。複数台の場合、制御装置３は互いに通信可能に接続される。制御装置３は、例えば、スピンドル７１の動作を制御する数値制御装置と、多関節ロボット２の動作を制御するロボット制御装置と、によって構成されても良い。以下では、制御装置３の台数は１台とし、１台の制御装置３が、多関節ロボット２の動作を制御するものとして説明する。図２は、図１の第１上アーム関節及び第２上アーム関節の内部構成の一例を示す図である。軸受、歯車、ケーブル等の構成は、図示及び説明を省略する。図２に示すように、第１上アーム関節６ａ及び第２上アーム関節６ｂは、モータ８１と、モータ８１のモータ軸８２に連結される減速機８３と、モータ軸８２の回転方向や回転角度を検出するモータ軸側エンコーダ８４と、を備える。また、第１上アーム関節６ａ及び第２上アーム関節６ｂは、減速機８３の出力軸８５の回転方向や回転角度を検出する出力軸側エンコーダ８６を更に備える。モータ８１は、制御装置３からの制御信号に従って駆動する。モータ軸側エンコーダ８４は、モータ軸８２の回転方向や回転角度の検出信号を制御装置３に出力する。同様に、出力軸側エンコーダ８６は、出力軸８５の回転方向や回転角度の検出信号を制御装置３に出力する。第１上アーム関節６ａ及び第２上アーム関節６ｂを除いた他の関節は、モータ８１、減速機８３及びモータ軸側エンコーダ８４を備える。また、第１上アーム関節６ａ及び第２上アーム関節６ｂを除いた他の関節は、出力軸側エンコーダ８６を備えても良いし、備えなくても良い。図３は、図１の制御装置のソフトウエアの機能の一例を示すブロック図である。図３に示すように、制御装置３は、ねじれ量推定部９１、撓み量推定部９２、ずれ量推定部９３及び動作制御部９４を有する。多関節ロボット２が摩擦攪拌接合を行う場合、ツール７の先端であるプローブ７３を一対のワークＷ、Ｗに押し込むので、その反力によって多関節ロボット２の関節の回動軸（＝図２の出力軸８５）にねじれが生じる。ねじれ量推定部９１は、モータ軸側エンコーダ８４及び出力軸側エンコーダ８６から出力される信号に基づいて、この関節の回動軸のねじれ量を推定する。例えば、ねじれ量推定部９１は、モータ軸側エンコーダ８４から出力される信号からモータ軸側角度θｍを算出する。次に、ねじれ量推定部９１は、減速機８３の減速比Ｎから出力軸側の角度に換算した換算角度θｃ＝θｍ÷Ｎを算出する。次に、ねじれ量推定部９１は、出力軸側エンコーダ８６から出力される信号から出力軸側角度θoutを算出する。そして、ねじれ量推定部９１は、関節の回動軸のねじれ量として、換算角度θｃと出力軸側角度θoutとの角度差Δθ＝θｃ－θoutを算出する。ねじれ量推定部９１は、算出される角度差Δθに対して、各エンコーダの検出誤差等を考慮した補正を行っても良い。また、多関節ロボット２が摩擦攪拌接合を行う場合、プローブ７３を一対のワークＷ、Ｗに押し込む力に対する反力によって、多関節ロボット２のアーム（下アーム５１、上アーム５２）に撓みが生じる。撓み量推定部９２は、モータ８１の電流値に基づいてモータ８１のトルク量を算出し、モータ８１のトルク量に基づいて関節に連結されるアームの撓み量を推定する。例えば、撓み量推定部９２は、予め測定されるモータ８１の電流値とモータ８１のトルク量との対応表を記憶しておく。そして、撓み量推定部９２は、モータ８１の電流値を測定し、対応表を参照してモータ８１の電流値に対応するモータ８１のトルク量を算出する。アームの撓み量の推定処理は、図４を参照しながら説明する。図４は、図３の撓み量推定部による処理を説明する図である。図４に示す下アーム５１は、旋回ベース４２に連結される一方の端部に位置する第２回動軸Ｊ２を固定端、上アーム５２に連結される他方の端部に位置する第３回動軸Ｊ３を自由端とする片持ち梁と仮定する。下アーム５１の長さＬ１は、第２回動軸Ｊ２から第３回動軸Ｊ３までの距離とする。同様に、上アーム５２は、下アーム５１に連結される一方の端部に位置する第３回動軸Ｊ３を固定端、手首部５５に連結される他方の端部に位置する第５回動軸Ｊ５を自由端とする片持ち梁と仮定する。上アーム５２の長さＬ２は、第３回動軸Ｊ３から第５回動軸Ｊ５までの距離とする。下アーム５１及び上アーム５２は、それぞれ荷重Ｐ１、Ｐ２がかかるものとする。荷重Ｐ１、Ｐ２は、プローブ７３を一対のワークＷ、Ｗに押し込む力に対する反力によるものである。第１上アーム関節６ａ、第２上アーム関節６ｂのモータ８１のトルク量をそれぞれｔ１、ｔ２とすると、荷重Ｐ１、Ｐ２は、Ｐ１＝ｔ１／Ｌ１、Ｐ２＝ｔ２／Ｌ２によって求まる。ここで、下アーム５１、上アーム５２のヤング率はそれぞれＥ１、Ｅ２、下アーム５１、上アーム５２の断面二次モーメントはそれぞれＩ１、Ｉ２とする。ヤング率及び断面二次モーメントは、下アーム５１、上アーム５２の材質や形状から導かれる既知のパラメータである。そして、荷重Ｐ１、Ｐ２によって生じる下アーム５１、上アーム５２の撓み量は、それぞれｙ１、ｙ２とする。撓み量ｙ１、ｙ２は、公知の材料力学の式に、Ｐ１＝ｔ１／Ｌ１、Ｐ２＝ｔ２／Ｌ２を代入した次式によって求まる。撓み量推定部９２は、第１上アーム関節６ａ、第２上アーム関節６ｂのモータ８１の電流値に基づいて、それぞれ、第１上アーム関節６ａ、第２上アーム関節６ｂのモータ８１のトルク量ｔ１、ｔ２を算出する。そして、撓み量推定部９２は、第１上アーム関節６ａ、第２上アーム関節６ｂのモータ８１のトルク量ｔ１、ｔ２を式（１）、（２）に代入し、荷重Ｐ１、Ｐ２によって