JP2004223558A

JP2004223558A - スピニング加工方法および装置

Info

Publication number: JP2004223558A
Application number: JP2003013417A
Authority: JP
Inventors: Hirohiko Arai; 裕彦荒井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: JP3870262B2

Abstract

【課題】成形型と加工ローラの間の適正な隙間が得られ、品質の高い製品が加工する。
【解決手段】成形型３の側面の接線方向に関しては位置制御あるいは速度制御により加工ローラ５の位置あるいは送り速度を制御し、成形型３側面の法線方向に関しては力制御により加工ローラ５の押し付け力を制御してワーク１のスピニング加工を行う。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピニング加工の方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スピニング加工は、成形型に板材または管材のワークをセンタリングして成形型とともに回転させ、それを加工ローラで押し付けて成形加工を行う方法である。金属を素材とする製品の成形加工法として、家庭用容器、装飾工芸品、照明器具、通信（パラボラアンテナなど）、ボイラ、タンク、ノズル、エンジン部品、タイヤホイール等の部品、製品の製造に広く用いられている。
【０００３】
従来のスピニング加工装置においては、位置制御あるいは速度制御された複数のアクチュエータによって駆動される加工ローラを用いてワークを成形型に押し付けることにより、成型加工を行う。
【０００４】
スピニング加工における種々の加工条件のうち、加工装置の制御という観点から特に設定が難しいのは、成形型と加工ローラの間の隙間である。隙間は成形後の製品肉厚にしたがって正確に制御する必要がある。
【０００５】
隙間は製品の品質に大きく影響する。隙間が大きすぎる場合、加工中フランジにしわが発生しやすく、製品が成形型に密着しないため精度が悪化する。また隙間が小さすぎる場合、加工力が著しく大きくなり、材料の流れによって製品が歪む場合もある。特に薄い板を加工する場合、適切な隙間の許容範囲は非常に狭くなる。
【０００６】
そのために、あらかじめ成形型に対するローラの相対位置を精密に位置合わせしておかなくてはならない。また成形型の断面形状も正しく把握する必要がある。さらに、加工力が加わった状態でローラの目標経路を正確に追従しなくてはならない。装置の剛性が低い場合は、加工力による装置のたわみにより設定したとおりの隙間が実現できない恐れもある。
【０００７】
しごきスピニングにおいては、製品形状が単純な場合、成型後の肉厚は比較的簡単に予測できる。しかし製品形状が複雑で側面の傾きが不規則に変化する場合などは、肉厚分布を正確に予測することは難しい。
【０００８】
また、１パスのしごきスピニングではなく、素材を段階的に変形して成形型に沿う形状に成型する多サイクル絞りスピニングにおいては、最終的な肉厚分布の予測はさらに困難になる。隙間の設定は現場の作業者の経験にかなり依存し、試験的な成形により隙間調整を行うことも多い。
【０００９】
ところで、図５（ａ）に示すように、ロードセル９により加工ローラ３に作用する加工力を検出し、加工ローラ３の軌跡データを補正する方法は、公知である（特許文献１参照。）
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１２６８２６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に係る方法では、加工力の検出にロードセルを用いているため、１方向の力しか検出できないので、成形型３側面の法線方向が加工の進行にしたがって大きく変化する場合には、ロードセル９で検出される力ＦＬは加工ローラ５を成形型３に押し付ける法線方向の力成分ＦＹと大きく異なったものとなり、この結果、必ずしも正確に軌跡データの補正ができるものではない。
【００１２】
本発明の目的は、成形型と加工ローラの精密な相対位置合わせが不要で、正確な製品肉厚が不明でも成形型と加工ローラの間の適正な隙間を実現できるスピニング加工方法および装置を提供することである。
【００１３】
具体的には、さきに述べたような成形型と加工ローラの隙間の問題は、加工ローラを位置制御あるいは速度制御するために生ずる。製品の目標形状は素材を成形型に密着させることで得られるから、成形型とローラの間に製品肉厚分の隙間を設けるのではなく、適切な力でワークを成形型に押し付けてやることにより解決する方法及び装置を実現することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、成形型側面の接線方向に関しては位置制御あるいは速度制御により加工ローラの位置あるいは送り速度を制御し、成形型側面の法線方向に関しては力制御により加工ローラの押し付け力を制御することを特徴とするスピニング加工方法を提供する。
【００１５】
加工ローラに装着した多軸力センサにより前記加工ローラに作用する加工力の成形型側面に対する法線方向成分を検出することを特徴とする。
【００１６】
加工ローラを複数の電気式アクチュエータで駆動し、前記アクチュエータの駆動電流あるいは電流指令値に基づいて前記加工ローラに作用する加工力の成形型側面に対する法線方向成分を推定することを特徴とする。
【００１７】
本発明は上記課題を解決するために、成形型側面の接線方向に関しては、位置制御あるいは速度制御により加工ローラの位置あるいは送り速度を制御し、成形型側面の法線方向に関しては力制御により加工ローラの押し付け力を制御する制御装置を設けたことを特徴とするスピニング加工装置を提供する。
【００１８】
加工ローラに装着した多軸力センサにより前記加工ローラに作用する加工力の成形型側面に対する法線方向成分を検出する制御装置を設けたことを特徴とする。
【００１９】
加工ローラを複数の電気式アクチュエータで駆動し、前記アクチュエータの駆動電流あるいは電流指令値に基づいて前記加工ローラに作用する加工力の成形型側面に対する法線方向成分を推定する制御装置を設けたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスピニング加工方法および装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係るスピニング加工方法を行う装置の概略図である。ワーク１は、芯押棒２によって成形型３にセンタリングされ、主軸モータ４によって成形型３とともに回転する。加工ローラ５はボールねじや油圧シリンダなどで駆動される直動テーブル６によってワーク１の回転半径方向に前進あるいは後退する。また直動テーブル６は直動テーブル７によってワーク１の回転軸心の長手方向に前進あるいは後退する。
【００２２】
直動テーブル６、７は、それぞれ送り量を検出するエンコーダ・ポテンショメータなどの変位センサを備えるものとする。また加工ローラ５と直動テーブル６の間には多軸力センサ８を備え、加工ローラ５がワーク１に加える加工力を検出できる。加工ローラ５によりワーク１を成形型３に押し付け、初期形状である平板１ａから最終的には成形型に沿った形状１ｂにワーク１を加工する。
【００２３】
図２に加工ローラ５に作用する力の関係を示す。加工ローラ５に作用する力Ｆは、成形型３の側面に対する法線方向の力ＦＹと接線方向の力ＦＸに分解される。本発明では、法線方向の力ＦＹがワーク１に対する目標押し付け力ＦＹｄと等しくなるように加工ローラ５を力制御する。また加工ローラ５の接線方向の変位Ｘが、所定のワーク形状を得るように予め決められた目標位置Ｘｄに追従するように加工ローラ５を位置制御する。なお変位Ｘは加工開始点Ｏから加工ローラ５が接線方向に沿って進んだ経路の長さを表し、Ｘｄはその目標値である。
【００２４】
本発明に係る加工装置における制御を行う制御装置として、具体的には、コンピュータが利用されるが、その制御の内容を図３によって説明する。多軸力センサ８によって加工ローラ５に作用する加工力Ｆを検出し、力座標変換により成形型３側面に対する法線方向の成分ＦＹを求める。法線方向成分の実測値ＦＹと加工ローラ５の押し付け力の目標値ＦＹｄとの偏差を抽出し、力制御則と駆動力座標変換に基づいて、法線方向の力制御のための直動テーブル６、７の駆動力Ｔｆを計算する。
【００２５】
一方、直動テーブル６、７の変位センサ信号ｑを位置座標変換し、成形型３の側面に対する接線方向に関する加工ローラ５の実測位置Ｘを求める。加工ローラ５の目標位置Ｘｄと実測位置Ｘとの偏差を抽出し、位置制御則と駆動力座標変換に基づいて、接線方向の位置制御のための直動テーブル６、７の駆動力Ｔｐを計算する。上記の法線方向の力制御のための駆動力Ｔｆと、接線方向の位置制御のための駆動力Ｔｐとを加算し、直動テーブル６、７に分配する。
【００２６】
以上により加工ローラ５は成形型３側面の接線方向には目標位置指令Ｘｄに従って運動しつつ、成形型３側面の法線方向には適正な目標押し付け力ＦＹｄでワーク１を成形型３に押し付け、成形型３と加工ローラ５の間に適切な隙間を保ちながらスピニング加工を行うことができる。
【００２７】
直動テーブル６、７がモータなどの電気式アクチュエータで駆動される場合、その駆動力はモータ電流に比例する。その場合は図４に示すように、直動テーブル６、７のモータ電流Ｉまたはその指令値Ｉｄから加工ローラ５に作用する加工力Ｆを推定することが可能である。この推定値を用いれば、力センサを用いることなく同様の効果を持つ制御が可能である。
【００２８】
なお、前述のとおり、先行発明である特許文献１に係る発明では、ローラの軌跡データを補正するために、加工ローラに作用する加工力の検出にロードセルを用いているため、１方向の力しか検出できない。そのため、図５（ａ）に示すように、成形型３側面の法線方向が加工の進行にしたがって大きく変化する場合には、ロードセル９で検出される力ＦＬは加工ローラ５を成形型３に押し付ける法線方向の力成分ＦＹと大きく異なったものとなる。
【００２９】
しかしながら、本発明の方法及び装置によれば、図５（ｂ）のように成形型３側面に対する法線方向の力成分ＦＹを多軸力センサ８によって常に正しく検出し、それに基づいて加工ローラ５を成形型３に押し付ける力を制御することができる。
【００３０】
以上、本発明に係るスピニング加工方法及び装置を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施の態様があることは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上の構成による本発明によれば次のような効果が生じる。
（１）成形型と加工ローラの相対位置を精密に較正する必要がなくなる。
（２）成形型法線方向の押し付け力に関しては加工装置の剛性に関係なく同じ設定値を用いることができる。
（３）成型後の正確な製品肉厚を知る必要がない。
（４）成形型と加工ローラの間の適正な隙間が得られ、品質の高い製品が加工できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスピニング加工装置の概略図を示す
【図２】加工ローラに作用する加工力を説明する図である。
【図３】本発明に係るスピニング加工装置及び加工方法で成形加工中における制御の概要を説明する図である。
【図４】力センサを用いない制御方法を示す図である。
【図５】力の検出方法の比較を説明する図である。
【符号の説明】
１ワーク
１ａワーク初期形状
１ｂワーク最終形状
２芯押棒
３成形型
４主軸モータ
５加工ローラ
６、７直動テーブル
８力センサ
９ロードセル

Claims

成形型側面の接線方向に関しては位置制御あるいは速度制御により加工ローラの位置あるいは送り速度を制御し、成形型側面の法線方向に関しては力制御により加工ローラの押し付け力を制御することを特徴とするスピニング加工方法。
加工ローラに装着した多軸力センサにより前記加工ローラに作用する加工力の成形型側面に対する法線方向成分を検出することを特徴とする請求項１記載のスピニング加工方法。
加工ローラを複数の電気式アクチュエータで駆動し、前記アクチュエータの駆動電流あるいは電流指令値に基づいて前記加工ローラに作用する加工力の成形型側面に対する法線方向成分を推定することを特徴とする、請求項１記載のスピニング加工方法。
成形型側面の接線方向に関しては、位置制御あるいは速度制御により加工ローラの位置あるいは送り速度を制御し、成形型側面の法線方向に関しては力制御により加工ローラの押し付け力を制御する制御装置を設けたことを特徴とするスピニング加工装置。
加工ローラに装着した多軸力センサにより前記加工ローラに作用する加工力の成形型側面に対する法線方向成分を検出する制御装置を設けたことを特徴とする請求項４記載のスピニング加工装置。
加工ローラを複数の電気式アクチュエータで駆動し、前記アクチュエータの駆動電流あるいは電流指令値に基づいて前記加工ローラに作用する加工力の成形型側面に対する法線方向成分を推定する制御装置を設けたことを特徴とする請求項４の記載のスピニング加工装置。