摩擦攪拌接合装置
【課題】 横向姿勢の摩擦接合ツールにより摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置であって、自走車体式の接合装置を提供すること、小型で且つ設置スペース的に有利で設備費を低減可能な接合装置を提供すること。
【解決手段】 被接合物４０，４１の側壁部４０ａ，４１ａの被接合部４２に沿って自走可能に構成された自走車体２と、摩擦接合ツール３を横向姿勢の基準軸線回りに回転自在に保持するツール保持部６と、ツール保持部６を基準軸線回りに回転駆動するサーボモータと、ツール保持部６を基準軸線に沿って変位駆動するエアシリンダと、エアシリンダによりツール保持部６と摩擦接合ツール３から被接合部４２に作用させる押圧力の反力Ｆ１に抗する対抗力Ｆ２を発生させ、且つ押圧力の反力Ｆ１によって自走車体２に作用する転倒モーメントに抗する対抗モーメントを発生させる吸着パッド１４及び真空ポンプを設けた。
【解決手段】 被接合物４０，４１の側壁部４０ａ，４１ａの被接合部４２に沿って自走可能に構成された自走車体２と、摩擦接合ツール３を横向姿勢の基準軸線回りに回転自在に保持するツール保持部６と、ツール保持部６を基準軸線回りに回転駆動するサーボモータと、ツール保持部６を基準軸線に沿って変位駆動するエアシリンダと、エアシリンダによりツール保持部６と摩擦接合ツール３から被接合部４２に作用させる押圧力の反力Ｆ１に抗する対抗力Ｆ２を発生させ、且つ押圧力の反力Ｆ１によって自走車体２に作用する転倒モーメントに抗する対抗モーメントを発生させる吸着パッド１４及び真空ポンプを設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自走式の摩擦攪拌接合装置に関し、特に被接合物の縦向きの側壁部の被接合部を横向姿勢の摩擦接合ツールにより摩擦攪拌して接合可能に構成したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミ合金板等の２枚の被接合物を突合わせた被接合部に、接合ツールを回転させながら押圧して没入させ、被接合部を摩擦熱で軟化させ塑性流動させると共に攪拌して被接合部を接合する摩擦攪拌接合技術が実用化されており、鉄道用車両のアルミ合金製の構体を接合する場合にも、この摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）の技術が採用されている。
【０００３】
この摩擦攪拌接合装置として、大別すると、自走ガントリー式の摩擦攪拌接合装置と、自走車体式の摩擦攪拌接合装置とが提案されている。
自走ガントリー式の摩擦攪拌接合装置は、被接合物を跨ぐ門形フレームと、この門形フレームの下端部の１対の自走用脚部と、これら自走用脚部を案内する１対のレールとを有する自走ガントリー装置と、その門形フレームに装備された１又は複数の摩擦接合ツールとで構成されている。この摩擦攪拌接合装置では、自走ガントリー装置を自走させながら、１又は複数の摩擦接合ツールを被接合部に沿って移動させつつ摩擦攪拌接合を行う。
【０００４】
特許文献１に記載の自走車体式の摩擦攪拌接合装置は、被接合物の上面に沿って自走する自走車体と、この自走車体に接合ツールを下向姿勢に保持するツール保持部と、ツール保持部を基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、ツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段とを有し、自走車体を被接合部に沿って自走させつつ、被接合部を下向姿勢で摩擦攪拌接合する。尚、この特許文献１には、被接合物の下側を自走しながら、被接合部を上向姿勢で摩擦攪拌接合する接合装置も開示されている。
【０００５】
特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置は、自走ガントリー式摩擦攪拌接合装置とも、自走車体式の摩擦攪拌接合装置とも異なる装置であり、電車の車両の左右の側部構体の被接合部を両側から同時に横向き姿勢で摩擦攪拌接合する装置である。側部構体の左右両側において、側部構体より外側に側部構体を横向きに支持する為の複数のＬ形枠を適当間隔おきに設置し、Ｌ形枠の内端部に側部構体を横向きに支える支持装置を設け、複数のＬ形枠の上枠の下面部に沿って側部構体の全長に亘る上案内レールを設け、これに対向するフロア部に下案内レールを設け、上下の案内レールに沿って移動可能な台車に接合装置を設けてある。台車を上下の案内レールに沿って移動させつつ、接合装置により側部構体の被接合部を接合する。
【特許文献１】特開２００５−１８６０８４号公報
【特許文献２】特開２００２−２１０５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自走ガントリー式の摩擦攪拌接合装置では、自走ガントリー装置が大型で、設備費も多額になる。しかも、レール長は、被接合部の長さよりも数ｍも長くなるため、広い設置スペースが必要で、設備費の面で不利である。
【０００７】
前記特許文献１に記載の自走車体式の摩擦攪拌接合装置では、縦向きの被接合物の被接合部を横向姿勢の接合ツールで接合することはできない。そこで、被接合物の姿勢を９０°変えることで、下向姿勢又は上向姿勢で接合可能にする必要があるため、被接合物の姿勢変換に多大の労力と時間がかかる。そのため、被接合物が制約され、電車の側部構体の被接合部などを接合することは到底不可能である。
前記特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置は、高さの大きなＬ形枠と、上案内レールとを設けるため、大型の専用の装置となり、設備費が高価になり、汎用性に欠け、広い設置スペースも必要であるため設備費の面で不利である。
【０００８】
本発明の目的は、横向姿勢の摩擦接合ツールにより摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置であって、自走車体式の接合装置を提供すること、小型で且つ設置スペース的に有利で設備費を低減可能な接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の摩擦攪拌接合装置は、被接合物の縦向きの側壁部の被接合部を横向姿勢の摩擦接合ツールによって摩擦攪拌して被接合部を接合する摩擦攪拌接合装置において、被接合物の側壁部の被接合部に沿って自走可能に構成された自走車体と、この自走車体に横向姿勢の基準軸線回りに回転自在に装備されて、接合ツールを保持するツール保持部と、自走車体に装備されツール保持部を基準軸線回りに回転駆動する回転駆動手段と、自走車体に装備されツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段と、変位駆動手段によりツール保持部と接合ツールから被接合部に作用させる押圧力の反力に抗する対抗力を発生させる対抗力発生手段と、前記押圧力の反力によって自走車体に作用する転倒モーメントに抗する対抗モーメントを発生させる対抗モーメント発生手段とを備えたことを特徴とする。尚、被接合物は、アルミ合金等の軽金属製の被接合物であることが望ましい。
【００１０】
この摩擦攪拌接合装置では、接合ツールを保持したツール保持部を横向姿勢の基準軸線回りに回転させながら、変位駆動手段によりツール保持部を基準軸線に沿って変位させて、接合ツールの先端部を被接合部に没入させる。その状態で、被接合部に沿って自走車体を走行させることにより、被接合部が摩擦熱で軟化し塑性流動することで被接合部が摩擦攪拌接合される。
【００１１】
接合時に、変位駆動手段によりツール保持部と接合ツールから被接合部に押圧力が作用し、この押圧力の反力がツール保持部と接合ツールに作用すると共に、押圧力の反力によって自走車体に転倒モーメントが作用するが、対抗力発生手段と対抗モーメント発生手段とを設け、対抗力発生手段で発生させる対抗力によって押圧力の反力を打ち消し、また、対抗モーメント発生手段で発生させる対抗モーメントによって転倒モーメントを打ち消すため、安定した状態で摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００１２】
請求項２の摩擦攪拌接合装置は、請求項１の発明において、前記対抗力発生手段は、被接合物の側壁部の表面に吸着可能な吸着パッドと、この吸着パッドに負圧を作用させる負圧発生手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項３の摩擦攪拌接合装置は、請求項１の発明において、前記対抗力発生手段は、自走車体が自走する自走路を構成するフロア面に固定されたガイド部材と、自走車体に装備されてガイド部材に係合する１又は複数の被ガイド輪とを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の摩擦攪拌接合装置は、請求項２又は３の発明において、前記対抗モーメント発生手段は、前記吸着パッドと、前記負圧発生手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
請求項５の摩擦攪拌接合装置は、請求項２又は３の発明において、前記対抗モーメント発生手段は、前記ガイド部材と、前記１又は複数の被ガイド輪とを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項６の摩擦攪拌接合装置は、請求項１〜５の何れかの発明において、前記対抗モーメント発生手段は、自走車体とその装備品の自重及び鉛直下向きに発生する接合反力によって前記対抗モーメントの一部を発生するように構成されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項７の摩擦攪拌接合装置は、請求項１又は２の発明において、前記自走車体は、被接合物側の２個の内側車輪と被接合物と反対側の２個の外側車輪とを有し、前記対抗力発生手段は、外側車輪よりも内側車輪を小径に構成することにより前記対抗力の一部を発生させるように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明によれば、自走車体と、ツール保持部と、回転駆動手段と、変位駆動手段と、対抗力発生手段と、対抗モーメント発生手段とを備えたので、対抗力発生手段で発生させる対抗力によって押圧力の反力を打ち消すことができ、且つ対抗モーメント発生手段で発生させる対抗モーメントによって転倒モーメントを打ち消すことができる。それ故、自走車体の転倒を防止しながら安定した状態で接合することができる。
上記の対抗力発生手段や対抗モーメント発生手段は、比較的簡単な構成のもので構成可能であり、自走車体を主体として構成することができるため、全体として小型且つ簡単な構成の摩擦攪拌接合装置を実現することができる。
縦向きの被接合物の側壁部の被接合部を接合できるので、汎用性に優れるうえ、被接合物の姿勢を変換したりする必要もないので有利である。
【００１９】
請求項２の発明によれば、対抗力発生手段は、被接合物の側壁部の表面に吸着可能な吸着パッドと、この吸着パッドに負圧を作用させる負圧発生手段とを有するので、吸着パッドを被接合物の側壁部の表面に吸着させた状態で自走車体を走行させて被接合部を接合することができ、接合時に作用する押圧力の反力を吸着パッドの吸着力でもって確実に打ち消すことができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、対抗力発生手段は、自走車体が自走する自走路を構成するフロア面に固定されたガイド部材と、自走車体に装備されてガイド部材に係合する１又は複数の被ガイド輪とを有するので、被ガイド輪をガイド部材に係合させた状態で自走車体を走行させて被接合部を接合することができ、これにより、接合時に作用する押圧力の反力を確実に打ち消すことができる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、対抗モーメント発生手段は、吸着パッドと負圧発生手段とを有するので、対抗力発生手段と対抗モーメント発生手段とを吸着パッドと負圧発生手段で実現することができ、装置を小型化できるうえ設備コストを低減できる。しかも、広い設置スペースを必要としない。
【００２２】
請求項５の発明によれば、対抗モーメント発生手段は、ガイド部材と、１又は複数の被ガイド輪とを有するので、対抗力発生手段と対抗モーメント発生手段とをガイド部材と被ガイド輪で実現することができ、装置を小型化できるうえ設備コストを低減できる。
【００２３】
請求項６の発明によれば、対抗モーメント発生手段は、自走車体とその装備品の自重及び鉛直下向きに発生する接合反力によって対抗モーメントの一部を発生するように構成されたので、装置を大型化させることなく、接合時に作用する転倒モーメントを効果的に打ち消すことができる。
【００２４】
請求項７の発明によれば、自走車体は、被接合物側の２個の内側車輪と被接合物と反対側の２個の外側車輪とを有し、対抗力発生手段は、外側車輪よりも内側車輪を小径に構成することにより対抗力の一部を発生させるように構成されたので、装置を大型化させることなく、接合時に作用する押圧力の反力を効果的に打ち消すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施する為の最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、被接合物の縦向きの側壁部の被接合部を横向姿勢の摩擦接合ツールによって摩擦攪拌して被接合部を接合する摩擦攪拌接合装置であり、本実施例では、縦向き姿勢にした側壁部をなすアルミ合金製の被接合物４０，４１を突き合わせた被接合部４２を、横向姿勢の摩擦接合ツール３によって摩擦攪拌して被接合部４２を接合する例が図示されている。
【００２７】
本実施例では、被接合物４０，４１を固定保持するため、水平方向に延びる角筒状の保持冶具４３が配置され、保持冶具４３の側壁面に、鋼製の補助板４４と鋼製の裏当板４５とを介して被接合物４０，４１が固定され、被接合物４１と保持冶具４３はフロア上に固定された１対の支持板４６の上面に固定されている。尚、接合時に被接合物４０，４１が動いたり倒れたりしないよう、保持冶具４３は図示外の手段によってフロアに固定されている。
【００２８】
次に、摩擦攪拌接合装置１について説明する。
図１〜図３に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、被接合物４０，４１の側方近傍部を被接合部４２に沿って自走可能に構成された自走車体２と、横向姿勢の摩擦接合ツール３を保持する円筒状のツール保持部６と、ツール保持部６を基準軸線回りに回転駆動するサーボモータ７（回転駆動手段）と、ツール保持部６を基準軸線に沿って変位駆動するエアシリンダ８，９（変位駆動手段）と、被接合物４０の側壁部の表面に吸着可能な吸着パッド１４と、吸着パッド１４に作用させる負圧を発生させる真空ポンプ３７（負圧発生手段）と、制御ユニット２１とを備えている。尚、基準軸線は、ツール保持部６に摩擦接合ツール３が装着された状態で摩擦接合ツール３と同軸となる軸線である。
【００２９】
自走車体２の下部には、走行路を構成するフロア４７（図４参照）上を走行する４つの車輪１２が回転可能に装着され、これら４つの車輪１２は平面視にて長方形の頂点に配置されている。車輪１２は、円筒状外周面を有する金属製の車輪本体と、この車輪本体に外嵌固定された円筒状外周面を有する高摩擦の合成樹脂製のタイヤ部とを有する。４つの車輪１２のうちの駆動輪である２つの前側車輪１２に、前側車輪軸１２ａを介して走行用モータ１０が連結され、走行用モータ１０により前側車輪１２が回転駆動される。尚、２つの後側車輪１２は遊転輪であるが、前側車輪軸１２ａからタイミングベルトを介して同期駆動してもよい。さらに、２つの前側車輪１２に２つの走行用モータ１０を夫々連結し、これら２つの走行用モータ１０により左右の前側車輪１２を夫々回転駆動してもよいし、後側車輪１２を駆動輪に構成してもよい。
【００３０】
自走車体２には、ツール保持部６が横向姿勢且つ自走車体２の右側部から右方に突出した状態に装備され、このツール保持部６に摩擦接合ツール３が着脱可能に装着されており、ツール保持部６は、サーボモータ７の回転駆動により摩擦接合ツール３と共に基準軸線回りに回転自在に構成されている。尚、図３に示すように、ツール保持部６の基準軸線は、水平面内において、被接合部４２に接近する程、前方へ移行するように約１〜５°傾いた姿勢に設定されている。
【００３１】
図３〜図４に示すように、摩擦接合ツール３は、円柱状の本体部４と、本体部４から右方に突出する円柱状のピン部５とを有する。ピン部５の外径は、本体部４の外径よりも小径に形成されている。本体部４の右端にはショルダー面４ａが形成され、このショルダー面４ａが、摩擦接合ツール３の軸線に対して略垂直に形成されている。接合時に被接合部４２と摩擦接合ツール３との間で発生する摩擦熱が大きくなるように、ツール保持部６と摩擦接合ツール３は、被接合部４２の表面の垂直方向に対して所定傾斜角度θ（例えば約１〜５°）だけ前記のように傾斜した状態に設けられている。
【００３２】
図２、図３、図６に示すように、ツール保持部６の前後には２つの複動型エアシリンダ８，９が水平に設けられ、圧縮空気供給源から加圧エアがエアホースにより自走車体２に導入され、ソレノイドバルブ２８，２９（以下、ＳＯＬバルブという）を介して、エアシリンダ８，９に夫々接続されている。制御ユニット２１からの指令によりＳＯＬバルブ２８，２９を制御し、エアシリンダ８，９の伸長作動と退入作動が制御される。エアシリンダ８，９を伸長作動させると、ツール保持部６が摩擦接合ツール３と共に基準軸線に沿って右方へ変位（移動）する。
【００３３】
ツール保持部６の右方への変位量を検出する検出機構３７も設けられ、その検出信号が制御ユニット２１に供給され、摩擦攪拌接合に際しては、制御ユニット２１でＳＯＬバルブ２８，２９を介してエアシリンダ８，９を伸長作動させ、ツール保持部６は、ショルダ面４ａが被接合部１２に当接する位置まで変位させられ、接合中はその伸長作動状態を維持する。
【００３４】
一方、接合終了時には、エアシリンダ８，９を退入作動させてツール保持部６を摩擦接合ツール３と共に基準軸線に沿って左方へ変位させ、原位置に復帰させる。尚、ツール保持部６と摩擦接合ツール３は、接合時に被接合部４２から押圧力の反力Ｆ１が作用しても破損しない十分な強度を有する。
【００３５】
図４に示すように、摩擦接合ツール３の先端のピン部５が被接合部４２に没入している間、エアシリンダ８，９によりツール保持部６と摩擦接合ツール３から被接合部４２に対して基準軸線方向に押圧力が作用するが、これにより、被接合部４２からツール保持部６と摩擦接合ツール３に対して押圧力の反力Ｆ１（ツール軸線方向反力）が作用し、この反力Ｆ１によって自走車体２を図４にて反時計回り方向への転倒モーメントＭ１が作用する。
【００３６】
ここで、摩擦攪拌接合を行うときに摩擦接合ツール３に作用する反力について、図５に基づいて説明する。
摩擦接合ツール３が、図５の矢印に示す方向、つまり、左方から視て時計回りに回転しつつ、被接合部４２に押圧された状態で前方に移動すると、摩擦接合ツール３に対して、反力Ｆ１に加えて、摩擦接合ツール３の回転によって生じる基準軸線と走行方向に垂直且つ鉛直下向きの接合反力Ｆ３と、走行方向と逆向きの接合方向反力Ｆ４とが作用する。
反力Ｆ１は、ツール保持部６と摩擦接合ツール３が被接合部４２を押圧する押圧力と同じ力で且つ方向が逆向きの力である。尚、板厚が５ｍｍの場合、押圧力は例えば５００ｋｇｆに設定され反力Ｆ１は５００ｋｇｆである。
図４に示すように、前記転倒モーメントＭ１は、Ｍ１＝Ｆ１×Ｌ１である。但し、Ｌ１はフロア面４７からツール保持部６までの距離である。
【００３７】
そこで、図６に示すように、反力Ｆ１に対抗する対抗力Ｆ２を発生させる対抗力発生機構１７と、転倒モーメントＭ１に対抗する対抗モーメントＭ２を発生させる対抗モーメント発生機構１８とが設けられている。この対抗力発生機構１７と対抗モーメント発生機構１８は、以下に説明する吸着機構１６を主体として構成されている。この吸着機構１６は、吸着パッド１４と、この吸着パッド１４に負圧を導入する負圧発生手段とを有する。尚、対抗モーメント発生機構１８は、後述の如く、自走車体２とその装備品の自重Ｗ及び鉛直下向きに発生する接合反力Ｆ３によって前記対抗モーメントＭ２の一部を発生するように構成されている。
【００３８】
図１〜図４に示すように、自走車体２の上端部には、取付ブラケット１３を介して吸着パッド１４が固定されている。吸着パッド１４は矩形枠を有し、この矩形枠の表面には低摩擦のフッ素樹脂からなる滑動体１５が設けられ、吸着パッド１４が被接合物４０の表面に吸着している状態で自走車体２が走行するとき、滑動体１５は吸着状態を維持したまま被接合物４０の表面上を低摩擦で摺動可能に構成されている。
【００３９】
自走車体２の外部に設けられた真空ポンプ３８（負圧発生手段）にから真空ホースにより負圧が自走車体２に導入され、ソレノイドバルブ３０（以下、ＳＯＬバルブという）を介して吸着パッド１４に接続されている。制御ユニット２１によりＳＯＬバルブ３０を介して、吸着パッド１４に負圧を導入されると、吸着パッド１４が吸着状態になり、吸着力からなる対抗力Ｆ２を発生させるように構成されている。一方、制御ユニット２１により、ＳＯＬバルブ３０を介して吸着パッド１４に大気圧を導入すると、吸着パッド１４が非吸着状態になる。
【００４０】
前記吸着パッド１４に負圧導入したときに、反力Ｆ１よりも大きな対抗力Ｆ２を発生させるように、吸着パッド１４のサイズと、負圧の大きさが設定されている。
ここで、図４に示すように、対抗モーメント発生機構１８により発生させる対抗モーメントＭ２は、対抗モーメントＭ２＝Ｗ×Ｌ０＋Ｆ２×Ｌ２となる。
【００４１】
但し、Ｗは自走車体２とその装備品の自重、Ｌ０は自走車体２の左端から自走車体２の中心（自重Ｗが作用する位置）までの距離、Ｌ２はフロア面４７から吸着パッド１４の中心までの距離である。自走車体２の転倒が生じない条件は、対抗モーメントＭ２＞転倒モーメントＭ１であるから、（Ｗ×Ｌ０＋Ｆ２×Ｌ２）＞Ｆ１×Ｌ１、を満足させるように設定されている。尤も、図４に図示の場合、Ｆ２＞Ｆ１、Ｌ２＞Ｌ１であるから、上記の不等式は十分に成立している。尚、上記の不等式を満足させる範囲内で、フロア面４７から吸着パッド１４の中心までの距離Ｌ２を小さくすることができ、吸着パッド１４の取り付け位置を下げることができる。さらに、前述のように、摩擦接合ツール３の回転により鉛直下向きの接合反力Ｆ３が作用するため、対抗モーメントＭ２を増加させることができる。
【００４２】
次に、摩擦攪拌接合装置１の制御系について説明する。
図６に示すように、制御ユニット２１は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとを含むマイクロコンピュータと、入力インターフェースと、出力インターフェース等を有する。入力インターフェースには、摩擦攪拌接合装置１に対して種々の指令を入力する為の操作部２０と、ツール保持部６の右方への変位量を検出する検出機構３７が接続されている。出力インターフェースには、サーボモータ７と、エアシリンダ８，９に接続されるＳＯＬバルブ２８，２９と、走行用モータ１０，１１と、吸着パッド１４に接続されるＳＯＬバルブ３０が駆動回路２２〜２７を介して夫々電気的に接続されている。
【００４３】
次に、摩擦攪拌接合装置１の作用、効果について説明する。
図１、図４に示すように、この摩擦攪拌接合装置１では、摩擦接合ツール３を保持したツール保持部６を横向姿勢の基準軸線回りに回転させながらエアシリンダ８，９によりツール保持部６を基準軸線に沿って右方に変位させて、被接合部４２に摩擦接合ツール３のピン部５を没入させ、被接合部４２の軟化が進行するのに応じて本体部４も没入させる。この状態で、２枚の被接合物４０，４１が突合わされた被接合部４２に沿って自走車体２が走行することにより、被接合部４２が摩擦熱で軟化し塑性流動することで被接合部４２が接合される。
【００４４】
接合時に、エアシリンダ８，９によりツール保持部６と摩擦接合ツール３から被接合部４２に押圧力が作用し、この押圧力の反力Ｆ１がツール保持部６と摩擦接合ツール３に作用し、反力Ｆ１によって自走車体２に転倒モーメントＭ１が作用するが、吸着パッド１４による吸着力によって対抗力Ｆ２と対抗モーメントＭ２を発生させるため、自走車体２が被接合物４０，４１から離隔したり、転倒したりすることなく、安定した状態で摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００４５】
このように、自走車体２と、ツール保持部６と、サーボモータ７と、エアシリンダ８，９と、吸着パッド１４と真空ポンプ３８とを備えたので、吸着パッド１４に作用する負圧の吸着力により発生する対抗力Ｆ２と対抗モーメントＭ２によって、接合時に作用する押圧力の反力Ｆ１と転倒モーメントＭ１に対抗することができ、自走車体２が傾いて転倒することなく安定した状態で接合することができる。
【００４６】
また、被接合物４０，４１を水平姿勢等に変更することなく、被接合物４０，４１の被接合部４２を接合できるので、姿勢変換作業が増加することもない。このように、対抗力発生機構１７と対抗モーメント発生機構１８を吸着パッド１４と真空ポンプ３８で構成することができるため、それら機構を小型化でき、設備コストを低減できる。しかも、広い設置スペースを必要としないので有利である。
さらに、自走車体２とその装備品の自重Ｗ及び鉛直下向きに発生する接合反力Ｆ３によって対抗モーメントＭ２の一部を発生するように構成したので、対抗モーメント発生機構１８の小型化、簡単化を図ることができる。
【実施例２】
【００４７】
次に、実施例２の摩擦攪拌接合装置１Ａについて説明する。但し、前記実施例と同一の構成には同一の符号を付し、異なる構成についてのみ説明する。
図７に示すように、この摩擦攪拌接合装置１Ａにおいては、対抗力発生機構３５と対抗モーメント発生機構３６の構成において前記実施例と異なっている。
自走車体２が自走する自走路を構成するフロア面４７に被接合部４２と平行に固定されたガイド部材３１と、自走車体２に装備されてガイド部材３１に係合する２対の被ガイド輪３３，３４とを有し、ガイド部材３１と被ガイド輪３３，３４とで対抗力発生機構３５と対抗モーメント発生機構３６とが構成されている。
【００４８】
自走車体２が自走する走行路面としてのフロア面４７には、被接合部４２とほぼ同長のガイド部材３１が被接合部４２と平行に設けられ、ガイド部材３１の下部が支持板４６に固定されている。ガイド部材３１はウェブ部３１ａとフランジ部３１ｂとを断面Ｌ形に形成されている。図７において右側（内側）の２つの車輪１２の右側には、被ガイド輪３４が車輪軸１２ａの内端に遊転自在に設けられている。この被ガイド輪３４は、ガイド部材３１のフランジ部３１ｂの下面に係合し、下向きの対抗力Ｆ２を発生させる。
【００４９】
内側の２つの車輪１２に対応する位置において、自走車体２の右壁部には、右方に延びるＬ形の固定部材３２が夫々固定され、固定部材３２の先端に縦向きの被ガイド輪３３が遊転自在に枢着され、被ガイド輪３３はガイド部材３１のウェブ部３１ａの内面に係合し、２対の被ガイド輪３３，３４によりガイド部材３１が左右両側から夫々挟持された状態で、自走車体２が被接合部４２に沿って走行可能に構成されている。
【００５０】
ここで、前記実施例１と同様に、対抗モーメント発生機構３６により発生させる対抗モーメントＭ２は、対抗モーメントＭ２＝Ｗ×Ｌ０＋Ｆ２×Ｌ２となる。但し、Ｗは自走車体２とその装備品の自重、Ｌ０は自走車体２の左端から自走車体２の中心（自重Ｗが作用する位置）までの距離、Ｌ２は自走車体２の左端から被ガイド輪３４の中心までの距離である。自走車体２の転倒が生じない条件は、対抗モーメントＭ２＞転倒モーメントＭ１であるから、（Ｗ×Ｌ０＋Ｆ２×Ｌ２）＞Ｆ１×Ｌ１、を満足させるように設定されている。
【００５１】
このように、自走車体２が自走する自走路を構成するフロア面４７に固定されたガイド部材３１と、自走車体２に装備されてガイド部材３１のフランジ部３１ｂの下面に係合する被ガイド輪３４と、ガイド部材３１のウェブ部３１ａの内面に係合する被ガイド輪３３とを有するので、被ガイド輪３３，３４をガイド部材３１に係合させた状態で自走車体２を走行させて被接合部４２を接合することができ、これにより、接合時に作用する押圧力の反力Ｆ１を確実に打ち消すことができる。さらに、対抗力発生機構３５と対抗モーメント発生機構３６とをガイド部材３１と被ガイド輪３３，３４で実現することができるので、装置１Ａを小型化できるうえ設備コストを低減できる。また、摩擦接合ツール３を左方から視て時計回りに回転させることで、鉛直下向きの接合反力Ｆ３を発生させて、対抗モーメントＭ２を増加させることができる。
【００５２】
次に、前記実施例を部分的に変更した変更例について説明する。
１］図８に示すように、摩擦攪拌接合装置１Ｂによって自走車体２を傾斜させた状態で被接合部４２に沿って走行させて被接合部４２を接合してもよい。
この場合、被接合部４２と平行且つ被接合部４２よりも長い寸法の傾斜台４８をフロア面４７に設置し、さらに、取付ブラケット３９の先端部にヒンジ部３９ａを設けて、このヒンジ部３９ａに吸着パッド１４を連結することで、吸着パッド１４の角度が変更可能に構成されている。このように、接合時に自走車体２が傾斜台４８の上面を走行する場合に、被接合物４０の側壁部の表面に対して平行になるように吸着パッド１４の角度を調整することで、側壁部の表面に吸着パッド１４を確実に吸着させることができ、安定した状態で接合することができる。
【００５３】
２］図９に示すように、２台の摩擦攪拌接合装置１によって被接合物４０，４１の左側壁部の被接合部４２と、被接合物７０，７１の右側壁部の被接合部７２とを同時に接合してもよい。
この場合、保持冶具４３を挟んで左側に被接合物４０，４１、右側に被接合物７０，７１を突合わせて固定した後、実施例１の摩擦攪拌接合装置１を被接合部４２の左側に配置する。さらに、自走車体２の左側部から左方に突出した状態でツール保持部６を装備した摩擦攪拌接合装置１を被接合部７２の右側に配置した後、２台の自走車体２を同時に、被接合部４２と被接合部７２に沿って夫々走行させて接合する。
【００５４】
このように、保持冶具４３を挟んで左右両側の被接合部４２，７２に対して、逆向きで同じ大きさの押圧力が夫々作用するので、保持冶具４３をフロア面４７に固定する方法を簡略化しても、被接合物４０，４１，７０，７１が動いたり倒れたりしない。
このとき、被接合物４０，４１を接合する左側の装置のツール回転方向を、左方から視て時計回りに、一方被接合物７０，７１を接合する右側の装置のツール回転方向を、右方から視て反時計回りに回転させることで、鉛直下向きの接合反力Ｆ３を夫々発生させて、対抗モーメントＭ２を夫々増加させることができる。
【００５５】
３］自走車体２が有する被接合物４０，４１側の２個の内側車輪１２と、被接合物４０，４１と反対側の２個の外側車輪１２を、外側車輪１２よりも内側車輪１２を小径に構成することにより対抗力Ｆ２の一部を発生させるように構成してもよい。この場合、装置１を大型化させることなく、接合時に作用する押圧力の反力Ｆ１を効果的に打ち消すことができる。また、内側車輪１２と外側車輪１２の駆動系を別系統とし、２つの走行用モータ１０の周波数（回転速度）を、外側車輪１２の方が３０％以下程度の範囲で大きくなるように回転駆動することにより、対抗力Ｆ２の一部を発生させるように構成してもよい。
【００５６】
４］吸着パッド１４に作用する負圧により被接合物４０の側壁部の表面に吸着させる代わりに、マグネットで発生させる磁力により吸着させてもよい。
５〕実施例２において、前側車輪１２又は後側車輪１２の何れかに１対の被ガイド輪３３，３４を設けてもよいし、固定部材３２を設けずに１つの被ガイド輪３４のみを設けてもよい。
【００５７】
６］先ず、摩擦攪拌接合装置１で接合される鉄道用車両の車体５０，６０の例について説明する。図１０に示すように、車体５０は、ダブルスキン構造のアルミ合金板からなる床構体５１と、アルミ合金板と複数のリブとを含むシングルスキン構造の側部構体５２と、アルミ合金板と複数のリブとを含むシングルスキン構造の屋根構体５３とを有する。本実施例の摩擦攪拌接合装置１は、２枚の側板５４，５５を接合する被接合部５６と、側板５４と床構体５１とを接合する被接合部５７等の接合に供される。符号５８は側柱、符号５９は入口柱を示す。
図１１に示すように、ダブルスキン構造のアルミ合金板で構成される車体６０では、側部構体６１の被接合部６２〜６８などが摩擦攪拌接合装置１により接合される。
６〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１に係る摩擦攪拌接合装置と被接合物の後方から視た斜視図である。
【図２】摩擦攪拌接合装置の右側面図である。
【図３】摩擦攪拌接合装置の平面図である。
【図４】接合時に作用する押圧力の反力と反力に抗する対抗力を説明する為の摩擦攪拌接合装置と被接合物の背面図である。
【図５】摩擦攪拌接合を行うときに接合ツールに作用する反力を説明する為の図である。
【図６】摩擦攪拌接合装置の制御系を示すブロック図である。
【図７】実施例２の図４相当図である。
【図８】変更例１に係る摩擦攪拌接合装置と被接合物の背面図である。
【図９】変更例２に係る摩擦攪拌接合装置と被接合物の背面図である。
【図１０】摩擦攪拌接合装置により接合される鉄道用車両の車体（シングルスキン構造）の斜視図である。
【図１１】摩擦攪拌接合装置により接合される鉄道用車両の車体（ダブルスキン構造）の斜視図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１Ａ，１Ｂ 摩擦攪拌接合装置
２ 自走車体
６ ツール保持部
７ サーボモータ
８，９ エアシリンダ
１４ 吸着パッド
１７，３５ 対抗力発生機構
１８，３６ 対抗モーメント発生機構
３１ ガイド部材
３３，３４ 被ガイド輪
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自走式の摩擦攪拌接合装置に関し、特に被接合物の縦向きの側壁部の被接合部を横向姿勢の摩擦接合ツールにより摩擦攪拌して接合可能に構成したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミ合金板等の２枚の被接合物を突合わせた被接合部に、接合ツールを回転させながら押圧して没入させ、被接合部を摩擦熱で軟化させ塑性流動させると共に攪拌して被接合部を接合する摩擦攪拌接合技術が実用化されており、鉄道用車両のアルミ合金製の構体を接合する場合にも、この摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）の技術が採用されている。
【０００３】
この摩擦攪拌接合装置として、大別すると、自走ガントリー式の摩擦攪拌接合装置と、自走車体式の摩擦攪拌接合装置とが提案されている。
自走ガントリー式の摩擦攪拌接合装置は、被接合物を跨ぐ門形フレームと、この門形フレームの下端部の１対の自走用脚部と、これら自走用脚部を案内する１対のレールとを有する自走ガントリー装置と、その門形フレームに装備された１又は複数の摩擦接合ツールとで構成されている。この摩擦攪拌接合装置では、自走ガントリー装置を自走させながら、１又は複数の摩擦接合ツールを被接合部に沿って移動させつつ摩擦攪拌接合を行う。
【０００４】
特許文献１に記載の自走車体式の摩擦攪拌接合装置は、被接合物の上面に沿って自走する自走車体と、この自走車体に接合ツールを下向姿勢に保持するツール保持部と、ツール保持部を基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、ツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段とを有し、自走車体を被接合部に沿って自走させつつ、被接合部を下向姿勢で摩擦攪拌接合する。尚、この特許文献１には、被接合物の下側を自走しながら、被接合部を上向姿勢で摩擦攪拌接合する接合装置も開示されている。
【０００５】
特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置は、自走ガントリー式摩擦攪拌接合装置とも、自走車体式の摩擦攪拌接合装置とも異なる装置であり、電車の車両の左右の側部構体の被接合部を両側から同時に横向き姿勢で摩擦攪拌接合する装置である。側部構体の左右両側において、側部構体より外側に側部構体を横向きに支持する為の複数のＬ形枠を適当間隔おきに設置し、Ｌ形枠の内端部に側部構体を横向きに支える支持装置を設け、複数のＬ形枠の上枠の下面部に沿って側部構体の全長に亘る上案内レールを設け、これに対向するフロア部に下案内レールを設け、上下の案内レールに沿って移動可能な台車に接合装置を設けてある。台車を上下の案内レールに沿って移動させつつ、接合装置により側部構体の被接合部を接合する。
【特許文献１】特開２００５−１８６０８４号公報
【特許文献２】特開２００２−２１０５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自走ガントリー式の摩擦攪拌接合装置では、自走ガントリー装置が大型で、設備費も多額になる。しかも、レール長は、被接合部の長さよりも数ｍも長くなるため、広い設置スペースが必要で、設備費の面で不利である。
【０００７】
前記特許文献１に記載の自走車体式の摩擦攪拌接合装置では、縦向きの被接合物の被接合部を横向姿勢の接合ツールで接合することはできない。そこで、被接合物の姿勢を９０°変えることで、下向姿勢又は上向姿勢で接合可能にする必要があるため、被接合物の姿勢変換に多大の労力と時間がかかる。そのため、被接合物が制約され、電車の側部構体の被接合部などを接合することは到底不可能である。
前記特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置は、高さの大きなＬ形枠と、上案内レールとを設けるため、大型の専用の装置となり、設備費が高価になり、汎用性に欠け、広い設置スペースも必要であるため設備費の面で不利である。
【０００８】
本発明の目的は、横向姿勢の摩擦接合ツールにより摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置であって、自走車体式の接合装置を提供すること、小型で且つ設置スペース的に有利で設備費を低減可能な接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の摩擦攪拌接合装置は、被接合物の縦向きの側壁部の被接合部を横向姿勢の摩擦接合ツールによって摩擦攪拌して被接合部を接合する摩擦攪拌接合装置において、被接合物の側壁部の被接合部に沿って自走可能に構成された自走車体と、この自走車体に横向姿勢の基準軸線回りに回転自在に装備されて、接合ツールを保持するツール保持部と、自走車体に装備されツール保持部を基準軸線回りに回転駆動する回転駆動手段と、自走車体に装備されツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段と、変位駆動手段によりツール保持部と接合ツールから被接合部に作用させる押圧力の反力に抗する対抗力を発生させる対抗力発生手段と、前記押圧力の反力によって自走車体に作用する転倒モーメントに抗する対抗モーメントを発生させる対抗モーメント発生手段とを備えたことを特徴とする。尚、被接合物は、アルミ合金等の軽金属製の被接合物であることが望ましい。
【００１０】
この摩擦攪拌接合装置では、接合ツールを保持したツール保持部を横向姿勢の基準軸線回りに回転させながら、変位駆動手段によりツール保持部を基準軸線に沿って変位させて、接合ツールの先端部を被接合部に没入させる。その状態で、被接合部に沿って自走車体を走行させることにより、被接合部が摩擦熱で軟化し塑性流動することで被接合部が摩擦攪拌接合される。
【００１１】
接合時に、変位駆動手段によりツール保持部と接合ツールから被接合部に押圧力が作用し、この押圧力の反力がツール保持部と接合ツールに作用すると共に、押圧力の反力によって自走車体に転倒モーメントが作用するが、対抗力発生手段と対抗モーメント発生手段とを設け、対抗力発生手段で発生させる対抗力によって押圧力の反力を打ち消し、また、対抗モーメント発生手段で発生させる対抗モーメントによって転倒モーメントを打ち消すため、安定した状態で摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００１２】
請求項２の摩擦攪拌接合装置は、請求項１の発明において、前記対抗力発生手段は、被接合物の側壁部の表面に吸着可能な吸着パッドと、この吸着パッドに負圧を作用させる負圧発生手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項３の摩擦攪拌接合装置は、請求項１の発明において、前記対抗力発生手段は、自走車体が自走する自走路を構成するフロア面に固定されたガイド部材と、自走車体に装備されてガイド部材に係合する１又は複数の被ガイド輪とを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の摩擦攪拌接合装置は、請求項２又は３の発明において、前記対抗モーメント発生手段は、前記吸着パッドと、前記負圧発生手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
請求項５の摩擦攪拌接合装置は、請求項２又は３の発明において、前記対抗モーメント発生手段は、前記ガイド部材と、前記１又は複数の被ガイド輪とを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項６の摩擦攪拌接合装置は、請求項１〜５の何れかの発明において、前記対抗モーメント発生手段は、自走車体とその装備品の自重及び鉛直下向きに発生する接合反力によって前記対抗モーメントの一部を発生するように構成されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項７の摩擦攪拌接合装置は、請求項１又は２の発明において、前記自走車体は、被接合物側の２個の内側車輪と被接合物と反対側の２個の外側車輪とを有し、前記対抗力発生手段は、外側車輪よりも内側車輪を小径に構成することにより前記対抗力の一部を発生させるように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明によれば、自走車体と、ツール保持部と、回転駆動手段と、変位駆動手段と、対抗力発生手段と、対抗モーメント発生手段とを備えたので、対抗力発生手段で発生させる対抗力によって押圧力の反力を打ち消すことができ、且つ対抗モーメント発生手段で発生させる対抗モーメントによって転倒モーメントを打ち消すことができる。それ故、自走車体の転倒を防止しながら安定した状態で接合することができる。
上記の対抗力発生手段や対抗モーメント発生手段は、比較的簡単な構成のもので構成可能であり、自走車体を主体として構成することができるため、全体として小型且つ簡単な構成の摩擦攪拌接合装置を実現することができる。
縦向きの被接合物の側壁部の被接合部を接合できるので、汎用性に優れるうえ、被接合物の姿勢を変換したりする必要もないので有利である。
【００１９】
請求項２の発明によれば、対抗力発生手段は、被接合物の側壁部の表面に吸着可能な吸着パッドと、この吸着パッドに負圧を作用させる負圧発生手段とを有するので、吸着パッドを被接合物の側壁部の表面に吸着させた状態で自走車体を走行させて被接合部を接合することができ、接合時に作用する押圧力の反力を吸着パッドの吸着力でもって確実に打ち消すことができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、対抗力発生手段は、自走車体が自走する自走路を構成するフロア面に固定されたガイド部材と、自走車体に装備されてガイド部材に係合する１又は複数の被ガイド輪とを有するので、被ガイド輪をガイド部材に係合させた状態で自走車体を走行させて被接合部を接合することができ、これにより、接合時に作用する押圧力の反力を確実に打ち消すことができる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、対抗モーメント発生手段は、吸着パッドと負圧発生手段とを有するので、対抗力発生手段と対抗モーメント発生手段とを吸着パッドと負圧発生手段で実現することができ、装置を小型化できるうえ設備コストを低減できる。しかも、広い設置スペースを必要としない。
【００２２】
請求項５の発明によれば、対抗モーメント発生手段は、ガイド部材と、１又は複数の被ガイド輪とを有するので、対抗力発生手段と対抗モーメント発生手段とをガイド部材と被ガイド輪で実現することができ、装置を小型化できるうえ設備コストを低減できる。
【００２３】
請求項６の発明によれば、対抗モーメント発生手段は、自走車体とその装備品の自重及び鉛直下向きに発生する接合反力によって対抗モーメントの一部を発生するように構成されたので、装置を大型化させることなく、接合時に作用する転倒モーメントを効果的に打ち消すことができる。
【００２４】
請求項７の発明によれば、自走車体は、被接合物側の２個の内側車輪と被接合物と反対側の２個の外側車輪とを有し、対抗力発生手段は、外側車輪よりも内側車輪を小径に構成することにより対抗力の一部を発生させるように構成されたので、装置を大型化させることなく、接合時に作用する押圧力の反力を効果的に打ち消すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施する為の最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、被接合物の縦向きの側壁部の被接合部を横向姿勢の摩擦接合ツールによって摩擦攪拌して被接合部を接合する摩擦攪拌接合装置であり、本実施例では、縦向き姿勢にした側壁部をなすアルミ合金製の被接合物４０，４１を突き合わせた被接合部４２を、横向姿勢の摩擦接合ツール３によって摩擦攪拌して被接合部４２を接合する例が図示されている。
【００２７】
本実施例では、被接合物４０，４１を固定保持するため、水平方向に延びる角筒状の保持冶具４３が配置され、保持冶具４３の側壁面に、鋼製の補助板４４と鋼製の裏当板４５とを介して被接合物４０，４１が固定され、被接合物４１と保持冶具４３はフロア上に固定された１対の支持板４６の上面に固定されている。尚、接合時に被接合物４０，４１が動いたり倒れたりしないよう、保持冶具４３は図示外の手段によってフロアに固定されている。
【００２８】
次に、摩擦攪拌接合装置１について説明する。
図１〜図３に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、被接合物４０，４１の側方近傍部を被接合部４２に沿って自走可能に構成された自走車体２と、横向姿勢の摩擦接合ツール３を保持する円筒状のツール保持部６と、ツール保持部６を基準軸線回りに回転駆動するサーボモータ７（回転駆動手段）と、ツール保持部６を基準軸線に沿って変位駆動するエアシリンダ８，９（変位駆動手段）と、被接合物４０の側壁部の表面に吸着可能な吸着パッド１４と、吸着パッド１４に作用させる負圧を発生させる真空ポンプ３７（負圧発生手段）と、制御ユニット２１とを備えている。尚、基準軸線は、ツール保持部６に摩擦接合ツール３が装着された状態で摩擦接合ツール３と同軸となる軸線である。
【００２９】
自走車体２の下部には、走行路を構成するフロア４７（図４参照）上を走行する４つの車輪１２が回転可能に装着され、これら４つの車輪１２は平面視にて長方形の頂点に配置されている。車輪１２は、円筒状外周面を有する金属製の車輪本体と、この車輪本体に外嵌固定された円筒状外周面を有する高摩擦の合成樹脂製のタイヤ部とを有する。４つの車輪１２のうちの駆動輪である２つの前側車輪１２に、前側車輪軸１２ａを介して走行用モータ１０が連結され、走行用モータ１０により前側車輪１２が回転駆動される。尚、２つの後側車輪１２は遊転輪であるが、前側車輪軸１２ａからタイミングベルトを介して同期駆動してもよい。さらに、２つの前側車輪１２に２つの走行用モータ１０を夫々連結し、これら２つの走行用モータ１０により左右の前側車輪１２を夫々回転駆動してもよいし、後側車輪１２を駆動輪に構成してもよい。
【００３０】
自走車体２には、ツール保持部６が横向姿勢且つ自走車体２の右側部から右方に突出した状態に装備され、このツール保持部６に摩擦接合ツール３が着脱可能に装着されており、ツール保持部６は、サーボモータ７の回転駆動により摩擦接合ツール３と共に基準軸線回りに回転自在に構成されている。尚、図３に示すように、ツール保持部６の基準軸線は、水平面内において、被接合部４２に接近する程、前方へ移行するように約１〜５°傾いた姿勢に設定されている。
【００３１】
図３〜図４に示すように、摩擦接合ツール３は、円柱状の本体部４と、本体部４から右方に突出する円柱状のピン部５とを有する。ピン部５の外径は、本体部４の外径よりも小径に形成されている。本体部４の右端にはショルダー面４ａが形成され、このショルダー面４ａが、摩擦接合ツール３の軸線に対して略垂直に形成されている。接合時に被接合部４２と摩擦接合ツール３との間で発生する摩擦熱が大きくなるように、ツール保持部６と摩擦接合ツール３は、被接合部４２の表面の垂直方向に対して所定傾斜角度θ（例えば約１〜５°）だけ前記のように傾斜した状態に設けられている。
【００３２】
図２、図３、図６に示すように、ツール保持部６の前後には２つの複動型エアシリンダ８，９が水平に設けられ、圧縮空気供給源から加圧エアがエアホースにより自走車体２に導入され、ソレノイドバルブ２８，２９（以下、ＳＯＬバルブという）を介して、エアシリンダ８，９に夫々接続されている。制御ユニット２１からの指令によりＳＯＬバルブ２８，２９を制御し、エアシリンダ８，９の伸長作動と退入作動が制御される。エアシリンダ８，９を伸長作動させると、ツール保持部６が摩擦接合ツール３と共に基準軸線に沿って右方へ変位（移動）する。
【００３３】
ツール保持部６の右方への変位量を検出する検出機構３７も設けられ、その検出信号が制御ユニット２１に供給され、摩擦攪拌接合に際しては、制御ユニット２１でＳＯＬバルブ２８，２９を介してエアシリンダ８，９を伸長作動させ、ツール保持部６は、ショルダ面４ａが被接合部１２に当接する位置まで変位させられ、接合中はその伸長作動状態を維持する。
【００３４】
一方、接合終了時には、エアシリンダ８，９を退入作動させてツール保持部６を摩擦接合ツール３と共に基準軸線に沿って左方へ変位させ、原位置に復帰させる。尚、ツール保持部６と摩擦接合ツール３は、接合時に被接合部４２から押圧力の反力Ｆ１が作用しても破損しない十分な強度を有する。
【００３５】
図４に示すように、摩擦接合ツール３の先端のピン部５が被接合部４２に没入している間、エアシリンダ８，９によりツール保持部６と摩擦接合ツール３から被接合部４２に対して基準軸線方向に押圧力が作用するが、これにより、被接合部４２からツール保持部６と摩擦接合ツール３に対して押圧力の反力Ｆ１（ツール軸線方向反力）が作用し、この反力Ｆ１によって自走車体２を図４にて反時計回り方向への転倒モーメントＭ１が作用する。
【００３６】
ここで、摩擦攪拌接合を行うときに摩擦接合ツール３に作用する反力について、図５に基づいて説明する。
摩擦接合ツール３が、図５の矢印に示す方向、つまり、左方から視て時計回りに回転しつつ、被接合部４２に押圧された状態で前方に移動すると、摩擦接合ツール３に対して、反力Ｆ１に加えて、摩擦接合ツール３の回転によって生じる基準軸線と走行方向に垂直且つ鉛直下向きの接合反力Ｆ３と、走行方向と逆向きの接合方向反力Ｆ４とが作用する。
反力Ｆ１は、ツール保持部６と摩擦接合ツール３が被接合部４２を押圧する押圧力と同じ力で且つ方向が逆向きの力である。尚、板厚が５ｍｍの場合、押圧力は例えば５００ｋｇｆに設定され反力Ｆ１は５００ｋｇｆである。
図４に示すように、前記転倒モーメントＭ１は、Ｍ１＝Ｆ１×Ｌ１である。但し、Ｌ１はフロア面４７からツール保持部６までの距離である。
【００３７】
そこで、図６に示すように、反力Ｆ１に対抗する対抗力Ｆ２を発生させる対抗力発生機構１７と、転倒モーメントＭ１に対抗する対抗モーメントＭ２を発生させる対抗モーメント発生機構１８とが設けられている。この対抗力発生機構１７と対抗モーメント発生機構１８は、以下に説明する吸着機構１６を主体として構成されている。この吸着機構１６は、吸着パッド１４と、この吸着パッド１４に負圧を導入する負圧発生手段とを有する。尚、対抗モーメント発生機構１８は、後述の如く、自走車体２とその装備品の自重Ｗ及び鉛直下向きに発生する接合反力Ｆ３によって前記対抗モーメントＭ２の一部を発生するように構成されている。
【００３８】
図１〜図４に示すように、自走車体２の上端部には、取付ブラケット１３を介して吸着パッド１４が固定されている。吸着パッド１４は矩形枠を有し、この矩形枠の表面には低摩擦のフッ素樹脂からなる滑動体１５が設けられ、吸着パッド１４が被接合物４０の表面に吸着している状態で自走車体２が走行するとき、滑動体１５は吸着状態を維持したまま被接合物４０の表面上を低摩擦で摺動可能に構成されている。
【００３９】
自走車体２の外部に設けられた真空ポンプ３８（負圧発生手段）にから真空ホースにより負圧が自走車体２に導入され、ソレノイドバルブ３０（以下、ＳＯＬバルブという）を介して吸着パッド１４に接続されている。制御ユニット２１によりＳＯＬバルブ３０を介して、吸着パッド１４に負圧を導入されると、吸着パッド１４が吸着状態になり、吸着力からなる対抗力Ｆ２を発生させるように構成されている。一方、制御ユニット２１により、ＳＯＬバルブ３０を介して吸着パッド１４に大気圧を導入すると、吸着パッド１４が非吸着状態になる。
【００４０】
前記吸着パッド１４に負圧導入したときに、反力Ｆ１よりも大きな対抗力Ｆ２を発生させるように、吸着パッド１４のサイズと、負圧の大きさが設定されている。
ここで、図４に示すように、対抗モーメント発生機構１８により発生させる対抗モーメントＭ２は、対抗モーメントＭ２＝Ｗ×Ｌ０＋Ｆ２×Ｌ２となる。
【００４１】
但し、Ｗは自走車体２とその装備品の自重、Ｌ０は自走車体２の左端から自走車体２の中心（自重Ｗが作用する位置）までの距離、Ｌ２はフロア面４７から吸着パッド１４の中心までの距離である。自走車体２の転倒が生じない条件は、対抗モーメントＭ２＞転倒モーメントＭ１であるから、（Ｗ×Ｌ０＋Ｆ２×Ｌ２）＞Ｆ１×Ｌ１、を満足させるように設定されている。尤も、図４に図示の場合、Ｆ２＞Ｆ１、Ｌ２＞Ｌ１であるから、上記の不等式は十分に成立している。尚、上記の不等式を満足させる範囲内で、フロア面４７から吸着パッド１４の中心までの距離Ｌ２を小さくすることができ、吸着パッド１４の取り付け位置を下げることができる。さらに、前述のように、摩擦接合ツール３の回転により鉛直下向きの接合反力Ｆ３が作用するため、対抗モーメントＭ２を増加させることができる。
【００４２】
次に、摩擦攪拌接合装置１の制御系について説明する。
図６に示すように、制御ユニット２１は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとを含むマイクロコンピュータと、入力インターフェースと、出力インターフェース等を有する。入力インターフェースには、摩擦攪拌接合装置１に対して種々の指令を入力する為の操作部２０と、ツール保持部６の右方への変位量を検出する検出機構３７が接続されている。出力インターフェースには、サーボモータ７と、エアシリンダ８，９に接続されるＳＯＬバルブ２８，２９と、走行用モータ１０，１１と、吸着パッド１４に接続されるＳＯＬバルブ３０が駆動回路２２〜２７を介して夫々電気的に接続されている。
【００４３】
次に、摩擦攪拌接合装置１の作用、効果について説明する。
図１、図４に示すように、この摩擦攪拌接合装置１では、摩擦接合ツール３を保持したツール保持部６を横向姿勢の基準軸線回りに回転させながらエアシリンダ８，９によりツール保持部６を基準軸線に沿って右方に変位させて、被接合部４２に摩擦接合ツール３のピン部５を没入させ、被接合部４２の軟化が進行するのに応じて本体部４も没入させる。この状態で、２枚の被接合物４０，４１が突合わされた被接合部４２に沿って自走車体２が走行することにより、被接合部４２が摩擦熱で軟化し塑性流動することで被接合部４２が接合される。
【００４４】
接合時に、エアシリンダ８，９によりツール保持部６と摩擦接合ツール３から被接合部４２に押圧力が作用し、この押圧力の反力Ｆ１がツール保持部６と摩擦接合ツール３に作用し、反力Ｆ１によって自走車体２に転倒モーメントＭ１が作用するが、吸着パッド１４による吸着力によって対抗力Ｆ２と対抗モーメントＭ２を発生させるため、自走車体２が被接合物４０，４１から離隔したり、転倒したりすることなく、安定した状態で摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００４５】
このように、自走車体２と、ツール保持部６と、サーボモータ７と、エアシリンダ８，９と、吸着パッド１４と真空ポンプ３８とを備えたので、吸着パッド１４に作用する負圧の吸着力により発生する対抗力Ｆ２と対抗モーメントＭ２によって、接合時に作用する押圧力の反力Ｆ１と転倒モーメントＭ１に対抗することができ、自走車体２が傾いて転倒することなく安定した状態で接合することができる。
【００４６】
また、被接合物４０，４１を水平姿勢等に変更することなく、被接合物４０，４１の被接合部４２を接合できるので、姿勢変換作業が増加することもない。このように、対抗力発生機構１７と対抗モーメント発生機構１８を吸着パッド１４と真空ポンプ３８で構成することができるため、それら機構を小型化でき、設備コストを低減できる。しかも、広い設置スペースを必要としないので有利である。
さらに、自走車体２とその装備品の自重Ｗ及び鉛直下向きに発生する接合反力Ｆ３によって対抗モーメントＭ２の一部を発生するように構成したので、対抗モーメント発生機構１８の小型化、簡単化を図ることができる。
【実施例２】
【００４７】
次に、実施例２の摩擦攪拌接合装置１Ａについて説明する。但し、前記実施例と同一の構成には同一の符号を付し、異なる構成についてのみ説明する。
図７に示すように、この摩擦攪拌接合装置１Ａにおいては、対抗力発生機構３５と対抗モーメント発生機構３６の構成において前記実施例と異なっている。
自走車体２が自走する自走路を構成するフロア面４７に被接合部４２と平行に固定されたガイド部材３１と、自走車体２に装備されてガイド部材３１に係合する２対の被ガイド輪３３，３４とを有し、ガイド部材３１と被ガイド輪３３，３４とで対抗力発生機構３５と対抗モーメント発生機構３６とが構成されている。
【００４８】
自走車体２が自走する走行路面としてのフロア面４７には、被接合部４２とほぼ同長のガイド部材３１が被接合部４２と平行に設けられ、ガイド部材３１の下部が支持板４６に固定されている。ガイド部材３１はウェブ部３１ａとフランジ部３１ｂとを断面Ｌ形に形成されている。図７において右側（内側）の２つの車輪１２の右側には、被ガイド輪３４が車輪軸１２ａの内端に遊転自在に設けられている。この被ガイド輪３４は、ガイド部材３１のフランジ部３１ｂの下面に係合し、下向きの対抗力Ｆ２を発生させる。
【００４９】
内側の２つの車輪１２に対応する位置において、自走車体２の右壁部には、右方に延びるＬ形の固定部材３２が夫々固定され、固定部材３２の先端に縦向きの被ガイド輪３３が遊転自在に枢着され、被ガイド輪３３はガイド部材３１のウェブ部３１ａの内面に係合し、２対の被ガイド輪３３，３４によりガイド部材３１が左右両側から夫々挟持された状態で、自走車体２が被接合部４２に沿って走行可能に構成されている。
【００５０】
ここで、前記実施例１と同様に、対抗モーメント発生機構３６により発生させる対抗モーメントＭ２は、対抗モーメントＭ２＝Ｗ×Ｌ０＋Ｆ２×Ｌ２となる。但し、Ｗは自走車体２とその装備品の自重、Ｌ０は自走車体２の左端から自走車体２の中心（自重Ｗが作用する位置）までの距離、Ｌ２は自走車体２の左端から被ガイド輪３４の中心までの距離である。自走車体２の転倒が生じない条件は、対抗モーメントＭ２＞転倒モーメントＭ１であるから、（Ｗ×Ｌ０＋Ｆ２×Ｌ２）＞Ｆ１×Ｌ１、を満足させるように設定されている。
【００５１】
このように、自走車体２が自走する自走路を構成するフロア面４７に固定されたガイド部材３１と、自走車体２に装備されてガイド部材３１のフランジ部３１ｂの下面に係合する被ガイド輪３４と、ガイド部材３１のウェブ部３１ａの内面に係合する被ガイド輪３３とを有するので、被ガイド輪３３，３４をガイド部材３１に係合させた状態で自走車体２を走行させて被接合部４２を接合することができ、これにより、接合時に作用する押圧力の反力Ｆ１を確実に打ち消すことができる。さらに、対抗力発生機構３５と対抗モーメント発生機構３６とをガイド部材３１と被ガイド輪３３，３４で実現することができるので、装置１Ａを小型化できるうえ設備コストを低減できる。また、摩擦接合ツール３を左方から視て時計回りに回転させることで、鉛直下向きの接合反力Ｆ３を発生させて、対抗モーメントＭ２を増加させることができる。
【００５２】
次に、前記実施例を部分的に変更した変更例について説明する。
１］図８に示すように、摩擦攪拌接合装置１Ｂによって自走車体２を傾斜させた状態で被接合部４２に沿って走行させて被接合部４２を接合してもよい。
この場合、被接合部４２と平行且つ被接合部４２よりも長い寸法の傾斜台４８をフロア面４７に設置し、さらに、取付ブラケット３９の先端部にヒンジ部３９ａを設けて、このヒンジ部３９ａに吸着パッド１４を連結することで、吸着パッド１４の角度が変更可能に構成されている。このように、接合時に自走車体２が傾斜台４８の上面を走行する場合に、被接合物４０の側壁部の表面に対して平行になるように吸着パッド１４の角度を調整することで、側壁部の表面に吸着パッド１４を確実に吸着させることができ、安定した状態で接合することができる。
【００５３】
２］図９に示すように、２台の摩擦攪拌接合装置１によって被接合物４０，４１の左側壁部の被接合部４２と、被接合物７０，７１の右側壁部の被接合部７２とを同時に接合してもよい。
この場合、保持冶具４３を挟んで左側に被接合物４０，４１、右側に被接合物７０，７１を突合わせて固定した後、実施例１の摩擦攪拌接合装置１を被接合部４２の左側に配置する。さらに、自走車体２の左側部から左方に突出した状態でツール保持部６を装備した摩擦攪拌接合装置１を被接合部７２の右側に配置した後、２台の自走車体２を同時に、被接合部４２と被接合部７２に沿って夫々走行させて接合する。
【００５４】
このように、保持冶具４３を挟んで左右両側の被接合部４２，７２に対して、逆向きで同じ大きさの押圧力が夫々作用するので、保持冶具４３をフロア面４７に固定する方法を簡略化しても、被接合物４０，４１，７０，７１が動いたり倒れたりしない。
このとき、被接合物４０，４１を接合する左側の装置のツール回転方向を、左方から視て時計回りに、一方被接合物７０，７１を接合する右側の装置のツール回転方向を、右方から視て反時計回りに回転させることで、鉛直下向きの接合反力Ｆ３を夫々発生させて、対抗モーメントＭ２を夫々増加させることができる。
【００５５】
３］自走車体２が有する被接合物４０，４１側の２個の内側車輪１２と、被接合物４０，４１と反対側の２個の外側車輪１２を、外側車輪１２よりも内側車輪１２を小径に構成することにより対抗力Ｆ２の一部を発生させるように構成してもよい。この場合、装置１を大型化させることなく、接合時に作用する押圧力の反力Ｆ１を効果的に打ち消すことができる。また、内側車輪１２と外側車輪１２の駆動系を別系統とし、２つの走行用モータ１０の周波数（回転速度）を、外側車輪１２の方が３０％以下程度の範囲で大きくなるように回転駆動することにより、対抗力Ｆ２の一部を発生させるように構成してもよい。
【００５６】
４］吸着パッド１４に作用する負圧により被接合物４０の側壁部の表面に吸着させる代わりに、マグネットで発生させる磁力により吸着させてもよい。
５〕実施例２において、前側車輪１２又は後側車輪１２の何れかに１対の被ガイド輪３３，３４を設けてもよいし、固定部材３２を設けずに１つの被ガイド輪３４のみを設けてもよい。
【００５７】
６］先ず、摩擦攪拌接合装置１で接合される鉄道用車両の車体５０，６０の例について説明する。図１０に示すように、車体５０は、ダブルスキン構造のアルミ合金板からなる床構体５１と、アルミ合金板と複数のリブとを含むシングルスキン構造の側部構体５２と、アルミ合金板と複数のリブとを含むシングルスキン構造の屋根構体５３とを有する。本実施例の摩擦攪拌接合装置１は、２枚の側板５４，５５を接合する被接合部５６と、側板５４と床構体５１とを接合する被接合部５７等の接合に供される。符号５８は側柱、符号５９は入口柱を示す。
図１１に示すように、ダブルスキン構造のアルミ合金板で構成される車体６０では、側部構体６１の被接合部６２〜６８などが摩擦攪拌接合装置１により接合される。
６〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１に係る摩擦攪拌接合装置と被接合物の後方から視た斜視図である。
【図２】摩擦攪拌接合装置の右側面図である。
【図３】摩擦攪拌接合装置の平面図である。
【図４】接合時に作用する押圧力の反力と反力に抗する対抗力を説明する為の摩擦攪拌接合装置と被接合物の背面図である。
【図５】摩擦攪拌接合を行うときに接合ツールに作用する反力を説明する為の図である。
【図６】摩擦攪拌接合装置の制御系を示すブロック図である。
【図７】実施例２の図４相当図である。
【図８】変更例１に係る摩擦攪拌接合装置と被接合物の背面図である。
【図９】変更例２に係る摩擦攪拌接合装置と被接合物の背面図である。
【図１０】摩擦攪拌接合装置により接合される鉄道用車両の車体（シングルスキン構造）の斜視図である。
【図１１】摩擦攪拌接合装置により接合される鉄道用車両の車体（ダブルスキン構造）の斜視図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１Ａ，１Ｂ 摩擦攪拌接合装置
２ 自走車体
６ ツール保持部
７ サーボモータ
８，９ エアシリンダ
１４ 吸着パッド
１７，３５ 対抗力発生機構
１８，３６ 対抗モーメント発生機構
３１ ガイド部材
３３，３４ 被ガイド輪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合物の縦向きの側壁部の被接合部を横向姿勢の摩擦接合ツールによって摩擦攪拌して被接合部を接合する摩擦攪拌接合装置において、
被接合物の側壁部の被接合部に沿って自走可能に構成された自走車体と、
この自走車体に横向姿勢の基準軸線回りに回転自在に装備されて、接合ツールを保持するツール保持部と、
自走車体に装備されツール保持部を基準軸線回りに回転駆動する回転駆動手段と、
自走車体に装備されツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段と、
変位駆動手段によりツール保持部と接合ツールから被接合部に作用させる押圧力の反力に抗する対抗力を発生させる対抗力発生手段と、
前記押圧力の反力によって自走車体に作用する転倒モーメントに抗する対抗モーメントを発生させる対抗モーメント発生手段と、
を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
前記対抗力発生手段は、被接合物の側壁部の表面に吸着可能な吸着パッドと、この吸着パッドに負圧を作用させる負圧発生手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記対抗力発生手段は、自走車体が自走する自走路を構成するフロア面に固定されたガイド部材と、自走車体に装備されてガイド部材に係合する１又は複数の被ガイド輪とを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
前記対抗モーメント発生手段は、前記吸着パッドと、前記負圧発生手段とを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
前記対抗モーメント発生手段は、前記ガイド部材と、前記１又は複数の被ガイド輪とを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
前記対抗モーメント発生手段は、自走車体とその装備品の自重及び鉛直下向きに発生する接合反力によって前記対抗モーメントの一部を発生するように構成されたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
前記自走車体は、被接合物側の２個の内側車輪と被接合物と反対側の２個の外側車輪とを有し、前記対抗力発生手段は、外側車輪よりも内側車輪を小径に構成することにより前記対抗力の一部を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項１】
被接合物の縦向きの側壁部の被接合部を横向姿勢の摩擦接合ツールによって摩擦攪拌して被接合部を接合する摩擦攪拌接合装置において、
被接合物の側壁部の被接合部に沿って自走可能に構成された自走車体と、
この自走車体に横向姿勢の基準軸線回りに回転自在に装備されて、接合ツールを保持するツール保持部と、
自走車体に装備されツール保持部を基準軸線回りに回転駆動する回転駆動手段と、
自走車体に装備されツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段と、
変位駆動手段によりツール保持部と接合ツールから被接合部に作用させる押圧力の反力に抗する対抗力を発生させる対抗力発生手段と、
前記押圧力の反力によって自走車体に作用する転倒モーメントに抗する対抗モーメントを発生させる対抗モーメント発生手段と、
を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
前記対抗力発生手段は、被接合物の側壁部の表面に吸着可能な吸着パッドと、この吸着パッドに負圧を作用させる負圧発生手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記対抗力発生手段は、自走車体が自走する自走路を構成するフロア面に固定されたガイド部材と、自走車体に装備されてガイド部材に係合する１又は複数の被ガイド輪とを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
前記対抗モーメント発生手段は、前記吸着パッドと、前記負圧発生手段とを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
前記対抗モーメント発生手段は、前記ガイド部材と、前記１又は複数の被ガイド輪とを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
前記対抗モーメント発生手段は、自走車体とその装備品の自重及び鉛直下向きに発生する接合反力によって前記対抗モーメントの一部を発生するように構成されたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
前記自走車体は、被接合物側の２個の内側車輪と被接合物と反対側の２個の外側車輪とを有し、前記対抗力発生手段は、外側車輪よりも内側車輪を小径に構成することにより前記対抗力の一部を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−６１４７９（Ｐ２００９−６１４７９Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３２４９１（Ｐ２００７−２３２４９１）
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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