JP2005211969A - スピニング加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】十分に高い応答性を有するローラ工具の押し付け力制御を行うことが可能であって、非軸対称形状の製品を加工する場合に成形型の半径方向長さが高速で変化してもローラ工具が成形型に倣ってワークを加圧することができるスピニング加工装置を提供する。
【解決手段】互いに交差した少なくとも２台のリニアモータ６、８でローラ工具５を駆動し、リニアモータ６、８の発生推力を調節することによって、ローラ工具５の送り変位およびローラ工具５がワーク１に与える押し付け力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピニング加工装置に関するものである。

スピニング加工装置は、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、ローラ工具でワークを成形型に押し付けて成形加工を行う装置である。

一般にスピニング加工装置は、成形型およびワークを回転させるための主軸と、ローラ工具を駆動してワークを成形型に押し付けるための複数（通常は２台）の互いに交差した直動アクチュエータから構成される。

従来のスピニング加工装置においては、ローラ工具を駆動するための直動アクチュエータとして、油圧シリンダや、サーボモータで回転駆動されたボールねじ機構が使用される。またそれらの直動アクチュエータの制御則としては位置制御あるいは速度制御が用いられている。

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、成形型とローラ工具の間の隙間である。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り、製品の品質に大きく影響する。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。

そのために、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。

一方、製品形状が複雑な場合や素材を段階的に変形する多サイクル絞りスピニングにおいては、製品の肉厚分布を正確に予測することは困難である。以上の理由により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。

こうした問題を解決して成形型とローラ工具の精密な相対位置合わせを不要とし、正確な製品肉厚が不明でも成形型とローラ工具の間の適正な隙間を実現するために、本発明者は、ローラ工具のワークに対する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発明している（特許文献１参照）。

一方、スピニング加工では成形型およびワークを回転させながら加工するため、一般には成形型回転軸方向へのローラ工具のある送り変位に対して、成形型半径方向のローラ工具位置はほぼ一定に保たれる。

そのため従来は、回転軸に直交する断面形状が回転軸を中心とする円形となる軸対称形状の製品しか加工することができなかった。回転軸に直交する断面形状が多角形・楕円など円形ではない製品を加工することができれば、成形可能な製品の多様化をはかりスピニング加工の用途が拡大できると考えられる。

この解決手段として、ローラ工具を油圧シリンダにより一定の力でワークに押し付けることによってローラ工具を成形型に倣わせ、断面が円形以外の製品を加工する方法が提案されている（特許文献２参照）。

また、本発明者は、ローラ工具に装着した力センサからのフィードバック信号によりローラ工具の押し付け力を制御し、成形型の断面形状に倣ってワークを成形する方法を考案している（特許文献３参照）。
特願２００３−１３４１７号 特許１７３２９２４号（特公平４−２２６４８号公報） 特願２００３−４０９５６３号

以上の特許文献１〜３では、共通してローラ工具による押し付け力の制御を用いている。しかしローラ工具の駆動に油圧シリンダやボールねじ機構を用いた従来の構成のスピニング加工装置では、シリンダとピストン間の摺動摩擦、作動油の配管系での流体抵抗、サーボ弁の応答性、ボールねじの摩擦およびバックラッシュ、モータとボールねじ間の継手の弾性などのために、十分に高い応答性を有した力制御を構成することが困難である。

特に、回転軸に直交する断面形状が円形でない製品を加工する場合には、成形型の半径方向長さの変化に油圧シリンダやボールねじの伸縮の応答が追いつくように、成形型およびワークの回転速度を通常よりも低く抑える必要があり、加工速度が低下する原因となる。

本発明は、ローラ工具の押し付け力制御を行うスピニング加工における上記問題点を解決することを目的とするものであり、十分に高い応答性を有する力制御を行うことが可能であって、回転軸に直交する断面形状が円形ではない製品を加工する場合に成形型の半径方向長さが高速で変化してもローラ工具が成形型に倣ってワークを加圧することができるスピニング加工装置を提供することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、回転する成形型に板材のワークをローラ工具で押し付けて成形加工を行うスピニング加工装置において、互いに交差した少なくとも２台のリニアモータで前記ローラ工具を駆動し、前記リニアモータの発生推力を調節することによって、前記ローラ工具の送り変位および前記ローラ工具が前記ワークに与える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装置を提供する。

本発明のスピニング加工装置では、前記ローラ工具の取付部に力センサを備え、前記ローラ工具に作用する加工力を前記力センサにより検出し、前記加工力の検出値に基づいて前記ローラ工具を駆動するリニアモータの発生推力を決定する構成としてもよい。

以上の構成による本発明によれれば次のような効果が生じる。
（１）応答性が十分に高いローラ工具の押し付け力制御を行うことが可能となる。
（２）回転軸に直交する断面形状が円形ではない製品を加工する場合に成形型の半径方向長さが高速で変化してもローラ工具が成形型に倣ってワークを加圧することができる。

したがって、成形型の回転数を極端に下げることなく、ローラ工具によってワークを適切な力で成形型に押し付けることができ、品質の高い製品を短時間で加工できる。

本発明に係るスピニング加工装置を実施するための最良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。

図１は、本発明のスピニング加工装置の実施例を示す。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。ローラ工具５は、固定子６ａおよび可動子６ｂから構成される前後方向リニアモータ６で駆動される前後方向直動テーブル７によって、成形型３の半径方向に前進あるいは後退するように構成されている。

直動テーブル７は、固定子８ａおよび可動子８ｂから構成される横方向リニアモータ８で駆動される横方向直動テーブル９によって成形型３の回転軸方向に前進あるいは後退する。各リニアモータ６、８は、可動子６ｂ、８ｂの直線変位量を検出するエンコーダなどの変位センサを備えるものとする。

ローラ工具５は、力センサ１０を備え、ワーク１に加える加工力を検出できる。ローラ工具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３に沿った形状１ｂにワーク１を加工することができる。

図２に、本発明のスピニング加工装置の制御のための構成、及び成形加工中における制御動作の概要を示す。力センサ１０によってローラ工具５に作用する加工力Ｆを検出し、この加工力Ｆを加工制御装置１３に入力し、一方、リニアモータ６、８の変位センサ信号ｑも加工制御装置１３に入力し、加工制御装置１３ではリニアモータ６、８で発生すべき推力を計算し、リニアモータ６、８を制御する構成となっている。

加工制御装置１３は、専用機としてもよいがコンピュータを利用してもよい。加工制御装置１３の構成をその機能をもって、以下説明する。

図２において、力センサ１０によってローラ工具５に作用する加工力Ｆを検出し、この加工力Ｆが加工制御装置１３に入力され、加工制御装置１３において、力座標変換により成形型３の側面に対する押し付け方向の分力ＦＹを求める。

押し付け方向の分力の実測値ＦＹと、予め設定されたローラ工具５の押し付け力の目標値ＦＹｄとの偏差を抽出し、力制御則と推力座標変換に基づいて、押し付け方向の力制御のためにリニアモータ６、８で発生すべき推力Ｔｆをそれぞれ計算する。

一方、リニアモータ６、８の変位センサ信号ｑを位置座標変換し、ローラ工具５の送り方向に関する実測位置Ｘを求める。指定された送り速度に従って変化するローラ工具５の目標位置Ｘｄと実測位置Ｘとの偏差を抽出し、位置制御則と推力座標変換に基づいて、送り方向の位置制御のためにリニアモータ６、８で発生すべき推力Ｔｐをそれぞれ計算する。

上記の、押し付け方向の力制御のための推力Ｔｆと、送り方向の位置制御のための推力Ｔｐとを加算し、サーボアンプ１１、１２に推力の指令値として与える。各サーボアンプは推力の指令値に応じた巻線電流をそれぞれリニアモータ６、８に出力する。

以上によりローラ工具５は送り方向には目標位置指令Ｘｄに従って運動しつつ、押し付け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、スピニング加工を行うことができる。

なお、ローラ工具５の送り方向及び押し付け方向は、図２に示すように、それぞれ成形型３の回転軸方向及び半径方向に一致させても良いし、あるいは、成形型側面の接線方向及び法線方向としても良い（参照文献１参照）。これらの方向の取り方は座標変換（力座標変換、位置座標変換、推力座標変換）の計算によって自在に選択できる。

また、リニアモータは摩擦抵抗による推力の損失がきわめて低く、減速機構を持たないため駆動対象の側から見た実効慣性も小さい。したがってローラ工具の力センサを省略し開ループの力制御を構成することも可能である。

その場合は図３に示すように、ローラ工具５の押し付け力の目標値ＦＹｄを、押し付け方向の力制御のためにリニアモータ６、８で発生すべき推力Ｔｆに直接座標変換する。この制御則を用いれば、力センサを用いることなくほぼ同様の効果を持つ加工装置が構成できる。

リニアモータ（リニアサーボモータ）は巻線電流に応じた推力を発生し、発生した推力をボールねじのような伝達機構を介することなく直接に駆動対象へ及ぼすことができる。また摺動部分を持たないため摩擦抵抗は直線ガイド機構におけるリニアベアリングによるもののみであり、油圧シリンダやボールねじ機構と比して摩擦による推力の損失が非常に小さい。

さらに市販の製品でも最大速度５ｍ／秒、最大加速度３０Ｇに及ぶ性能のものがあり、油圧シリンダやボールねじ機構よりも高速の動作が可能である。したがってスピニング加工装置において、ローラ工具を駆動するための直動アクチュエータとしてリニアモータを用いれば、応答性のきわめて優れたローラ工具の押し付け力制御を構成することが可能である。

以上、本発明に係るスピニング加工装置を実施するための最良の形態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。

本発明に係るスピニング加工装置は、以上のような構成であるから、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、タイヤホイールなどの部品・製品の製造に広く適用可能である。

本発明のスピニング加工装置の実施例を説明する図である。 本発明のスピニング加工装置の実施例の特に制御のための構成、及び成形加工中における制御動作の概要を示す。 本発明のスピニング加工装置の実施例において、力センサを用いない装置構成を示す図である。

符号の説明

１ ワーク
２ 芯押棒
３ 成形型
４ 主軸モータ
５ ローラ工具
６ 前後方向リニアモータ
７ 前後方向直動テーブル
８ 横方向リニアモータ
９ 横方向直動テーブル
１０ 力センサ
１１、１２ サーボアンプ
１３ 加工制御装置

Claims (2)

1. 回転する成形型に板材のワークをローラ工具で押し付けて成形加工を行うスピニング加工装置において、
   互いに交差した少なくとも２台のリニアモータで前記ローラ工具を駆動し、前記リニアモータの発生推力を調節することによって、前記ローラ工具の送り変位および前記ローラ工具が前記ワークに与える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装置。
2. ローラ工具の取付部に力センサを備え、前記ローラ工具に作用する加工力を前記力センサにより検出し、前記加工力の検出値に基づいて前記ローラ工具を駆動するリニアモータの発生推力を決定することを特徴とする請求項１のスピニング加工装置。