JP2006289390A - 多軸微細加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 製品の製作に当たって高精度で且つ良好な仕上げを実現できるパラレルリンクを用いた多軸微細加工方法及び装置を提供すること。
【解決手段】 多軸微細加工方法として、パラレルリンクに連結しているパンチを任意の位置、角度で動かし、パンチとダイスの間に置かれている板材をダイスに対して押し付け加工する方法において、ダイスの上に板材を載置し、ダイスを交換することなく、パンチを加工条件に応じてパラレルリンクにより並進運動や揺動運動を行わせ、或いはパンチを逐次交換して加工する。かかる動作を実現するために、各種作業状況を検出しその検出結果に応じたパラレルリンク機構の制御およびパンチの作動制御を行う多軸微細加工装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多軸微細加工方法及び装置、特にパラレルリンクを用いた多軸微細加工方法及び装置に関するものである。

近年、デジタルカメラ筐体等、短サイクルの商品開発において、短納期・低価格に加え、差別化のためデザイン性への要求が強まっている。従来において、デジタルカメラ筐体等を製作するための加工装置としては、各種のプレス装置とか、或いは精密絞り加工機がある。プレス装置としては、現状は雄・雌金型を用いた多工程プレス成形・熟練工の手仕上げで対応している。また、加工機の加工動作部分に設けられた工具の運動の自由度を確保しつつ、製品の加工を行う装置としては、特開２００３−１６８６５５号公報に記載の加工機がある。
特開２００３−１６８６５５号公報

しかしながら、プレス装置を使う場合は、プレスを行った後、熟練工の手仕上げ が必要であり、最終的には人手に頼らざるを得ないため、コスト、及び作業速度の 点で問題がある。また、プレス技術は、製品の精度を出すのに難点があるという問 題がある。

一方精密絞り加工の一種として実用化が進む逐次（インクリメンタル）加工法は 、金型が片側で済み、コスト面で優れているという利点がある。しかし、この製作 方法では、シャープな輪郭線等、微細なデザイン性の要求に応えることが難しく、 例えば図９に示すように、工具１により板材２の加工を行ったときに、成形された 板材２が金型（雌型）であるダイス３に密着せず、板材２とダイス３との間に隙間 ４ができるという不具合がある。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、製品の製作に 当たって高精度で且つ良好な仕上げを実現できるパラレルリンクを用いた多軸微細 加工方法及び装置を提供することである。本発明は、熟練工仕上げの技のＣＡＭ化 を目指すもので、加工機としては自由度の高い逐次加機に、オンマシンでの仕上げ 加工を融合させることを狙いとする。

上記目的を達成するために本発明では、多軸微細加工方法として、パラレルリンクに連結しているパンチを任意の位置、角度で動かし、パンチとダイスの間に置かれている板材をダイスに対して押し付け加工する方法において、１個のダイスの上に板材を載置し、ダイスを交換することなく、パンチを加工条件に応じてパラレルリンクにより揺動させ、或いは逐次交換して加工することを特徴とする。

かかる加工方法を実施するに当たって、本発明ではパンチにロードセルを配置して、当該パンチに加わる力Ｆを検出し、パンチの位置Ｘを逆運動計算により求め、前記パンチに加わる力Ｆとパンチの位置Ｘとから、平均的なばね定数Ｋ＝Ｆ／Ｘ或いは、各時点におけるばね定数ΔＫ＝ΔＦ／ΔＸの値を求め、Ｋ、或いはΔＫが小さくなる点を求めて加工中における板材の弾性域／塑性域の進行を推定する加工方法を提案している。

また、本発明では、本発明の加工方法を実施するに当たって、パンチに加わる力ＦをＦ＝０からＦ＝Ｆｍａｘと交互に力を印加してパンチの動きにより板材の変形を求め、塑性変形レベルを推定しつつ加工を遂行する加工方法を提案している。

本発明によれば、ダイスを使用した製品加工において、ダイスの形状に合ったシャープな輪郭線等、微細なデザイン性の要求に応えることができる。

また本発明によれば、製品加工において熟練工仕上げに近い精度及び仕上がりを実現することができる。

また、本発明によれば、自由度の高い逐次加工タイプの多軸微細加工装置に、オンマシンでの仕上げ加工を融合させ多機能化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態となるパラレルリンクを用いた多軸微細加工装置の全体構成を示す斜視図、図２は図１に示された多軸微細加工装置の要部である加工ヘッド部分を拡大して示す斜視図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態の多軸微細加工装置は、大別して、装置全体を支持するフレーム構造体１１と、フレーム構造体１１の内部の下部位置に配置された基台１２と、フレーム構造体１１の内部において基台１２に対向して配置された加工ヘッド１３と、加工ヘッド１３を基台１２に対して昇降運動させるとともに加工ヘッド１３を自由度６で駆動させる駆動機構１４と、加工ヘッド１３及び駆動機構１４を制御する制御系（図示なし）とから構成される。

フレーム構造体１１は、天井を形成する天板１５と、ベースを形成する底板１６と、天板１５及び底板１６間において上下方向に延びて差し渡され両板１５，１６を固定する複数の支柱１７とにより構成されている。支柱１７は板状構造を有しており、本実施の形態においては６個の支柱１７が立設されている。各支柱１７の内側の面には加工ヘッド１３を駆動させる駆動機構１４が取り付けられている。

基台１２は、底板１６の上に設置された固定ベース１８と、固定ベース１８の上に載置された可動ベース１９と、可動ベース１９を固定ベース１８に対して水平方向に移動させるベース移動機構２０とから構成されている。可動ベース１９はベース移動機構２０により可動ベース１９を一方向（Ｘ方向）およびこれに直角の方向（Ｙ方向）へ移動可能になっている。可動ベース１９の上面部分には雌型の金型であるダイス２１が設置されている。

加工ヘッド１３は、図１、図２に示すように、駆動機構１４によって操作される可動板２２と、可動板２２の中心部下面に取り付けられ被加工材料に加工を施すパンチ、すなわち工具２３と、一端が駆動機構１４に連結され他端が可動板２２に連結されて駆動機構１４からの動力を可動板２２に伝達する６本のリンク棒２４とから構成されている。可動板２２は円板状の構造を有している。

駆動機構１４は、図２においてより詳細に示されるように、支柱１７の内面に上下方向に延びて設けられたガイドレール２５と、ガイドレール２５に可動連結されたスライダ２６と、ガイドレール２５とスライダ２６の間に設けられてスライダ２６をガイドレール２５に対して移動させる駆動モータ（図示してない）とから構成される。スライダ２６は各支柱１７に設けられており（したがって、合計６個）、各スライダ２６には上述のリンク棒２４（６本）のそれぞれの一端が連結されている。リンク棒２４の他端は可動板２２の上面において、ほぼ１２０度の等角度間隔をおいた位置に、隣り合う２本ずつのリンク棒２４が対応するように連結されており、可動板２２と各リンク棒２４との連結部分にはユニバーサルジョイント２７が設けられて自在運動ができるようになっている。スライダ２６と各リンク棒２４との連結部分にもまたユニバーサルジョイント２８が設けられて自在運動ができるようになっている。加工ヘッド１３は、駆動機構１４の動力がリンク棒２４により可動板２２に伝達されることによって、水平面（仮に、基準面とする）に対し可動板２２の並進３自由度と回転３自由度の合計６自由度の運動を行なう６軸パラレルリンク機構となっている。この加工ヘッド１３は、６軸パラレルリンク機構に工具２３を設け、ダイス２１に対面させたものである。

６軸パラレルリンク機構の事例としては図１及び図２に示したもの以外にも各種あるが、例えば、油圧シリンダー方式により駆動する東京精密測器（株）製の６軸パラレルリンクモーションベースを用いることもできる。なお６軸パラレルリンクモーションベースは商品名である。

さらに加工ヘッド１３において、可動板２２の工具２３取り付け部分には、当該工具を可動板２２に取り付けるためのチャック２９と、製品の加工に当たって工具２３を動作させる工具作動部材３０とが取り付けられている。工具作動部材３０は、工具２３を回転運動させたり、或いは振動動作により工具に並進運動やたたき運動させたりすることができる。

かかる構成を有するパラレルリンクを用いた多軸微細加工装置の動作について以下説明する。

まず、６軸パラレルリンク機構の動作を概略的に説明すると、例えば図１に示された状態は、加工ヘッド１３の可動板２２が所定の高さ位置で水平の姿勢で保持されている状態を示す。この状態から、駆動機構１４を作動させてすべてのスライダ２６を下降させると加工ヘッド１３は図１に示された姿勢を保ったまま下降し、工具２３はダイス２１に到達する。図２はそのような運動により、工具２３がダイス２１に到達した状態を示す図である。他方、図１に示された状態おいて、駆動機構１４の作動を制御して、各スライダ２６に上昇、下降動作を別々に与えると、可動板２２は上述したように６自由度の運動を行なう。例えば、図１において手前に位置する２本のリンク棒２４（２４ａ、２４ｂとしてある）に対応するスライダ２６を下降させ、他のリンク棒２４（２４ａ、２４ｂ以外の４本）に対応するスライダ２６を下降させないでおけば、可動板２２は手前側から奥側へ向けてせり上がった傾斜姿勢となる。これにより可動板２２に取り付けられた工具２３は垂直下方向きから斜め下方向きに向きを変える。このとき、リンク棒２４ａ、２４ｂ以外の４本のリンク棒２４に上昇運動を行わせると、可動板２２に傾斜姿勢をすばやくとらせることができる。そして、６個のスライダに各種の動作を行わせることにより、可動板２２、ひいては工具２３に各種の運動を行わせることができる。

以上に述べたようなパラレルリンク機構の運動を利用して製品を加工する動作について以下説明する。図３乃至図８は本実施の形態において板材をダイスに当ててしぼり加工するときの動作を示す。図３は、上記しぼり加工に用いられる板材（Ｂｌａｎｋ）を示す斜視図である。図４は同しぼり加工に用いられる雌型金型としてのダイスを表す斜視図である。図５は同しぼり加工において加工作業中での工具の動作の様子を示す斜視図である。図６は同しぼり加工において加工作業の途中で工具を取り替えて作業する様子を示す斜視図である。図７は同しぼり加工において加工作業の途中でさらに工具を別のものに取り替えて作業する様子を示す斜視図である。図８は本発明のしぼり加工によりダイスのコーナー部において隙間なく成形加工が実行された様子を示す断面図である。

図３において、板材３１の材料としてはアルミニウム、ステンレス、銅などの各種材料が用いられる。ダイス２１には、図４に示されるように、製作される製品の形状に対応する型３２が形成され、板材３１が押し込まれる凹部３３が形成されている。そして、ダイス２１の上に板材３１を載置し駆動機構１４を作動させると、図５に示すように、加工ヘッド１３の可動板２２に取り付けられた工具２３が板材３１を押し付けながら工具作動部材３０により矢印Ａ方向に回転せしめられ且つ矢印Ｂ方向に移動せしめられる。これにより板材３１はダイス２１の凹部３３内へと成形されながら入り込んで行く。板材３１がダイスの型にほぼ合致するようになるまで成形されたところで、工具２３を、図６に示されるように、より精密な加工が行える別の工具２３ａに取り替え、矢印Ｂ方向に移動させることにより板材３１はダイス２１に形成された型３２に対してより一層忠実な形状に成形される。さらに、図７に示されるように、工具２３を、さらに別の精密な加工が行える工具２３ｂに取り替えるとともに、矢印Ｂ方向に移動させながら工具作動部材３０により矢印Ｃ方向に振動させ、たたき作動を行わせることにより板材３１はダイス２１に形成された型３２に対してほぼ完璧な形状に成形される。この動作は、一連のしぼり加工作業のうちの仕上げ加工において実行されると効果がある。

このように、本実施の形態に係るパラレルリンクを用いた多軸微細加工装置により加工を行うことにより、本発明では図８に示されるように、しぼり加工によりダイスのコーナー部においては隙間なく成形加工が実行され、製品にシャープな輪郭線を現出させることができ、また微細なデザイン性の要求に応えることができる。

上記駆動機構１４、或いは工具作動部材３０駆動するに当たっては、制御装置は各種制御動作を行う。上記実施の形態では、例えば工具としてのパンチにロードセルを配置して、パンチに加わる力Ｆを検出し、パンチの位置Ｘを逆運動計算により求め、前記パンチに加わる力Ｆとパンチの位置Ｘとから、平均的なばね定数Ｋ＝Ｆ／Ｘ或いは、各時点におけるばね定数ΔＫ＝ΔＦ／ΔＸの値を求め、Ｋ、或いはΔＫが小さくなる点を求めて加工中における板材の弾性域／塑性域の進行を推定することもできる。

また、本実施の形態においては、本発明の加工方法を実施するに当たって、パンチに加わる力ＦをＦ＝０からＦ＝Ｆｍａｘと交互に力を印加してパンチの動きにより板材の変形を求め、塑性変形レベルを推定しつつ加工を遂行することもできる。

上記のような技術を使うことにより、加工業者にとって多品種少量の試作品製作事業において、いわゆるワンストップ受注が可能となり、加工作業の効率化を増進させることができる。また、金型製作工数をできるだけ減じ、仕上げ・修正工程も手仕上げから、機械加工に変更することができるようになり、大きな生産性向上がもたらされる。また、上記力Ｆなどを検出するに当たって、加工状況や加工結果を実際に加工している装置から検出するのみならず、計算機上に構築した加工モデルから物理的な量（反力や変位量）として演算により求め、その結果を加工装置へ直接送って制御量を提示し，操作の臨場感を高めたり，微妙な手作業による熟練工の技を反映することにより、加工シミュレータとして活用することもできる。

これを実現するための実加工機設備としては、自由度が高く、移動速度の大きい、パラレルリンク機構による多軸微細加工装置（インクリメンタル加工機）が適している。

ダイスを使用した製品加工において、ダイスの形状に合ったシャープな輪郭線等、微細なデザイン性の要求に応えることができる。また、製品加工において熟練工仕上げに近い精度及び仕上がりを実現することができるとともに、自由度の高い逐次加工タイプの多軸微細加工装置に、オンマシンでの仕上げ加工を融合させ多機能化を図ることができる。

本発明の実施の形態となるパラレルリンクを用いた多軸微細加工装置の全体構成を示す斜視図である。 図１に示された多軸微細加工装置の要部である加工ヘッド部分を拡大して示す斜視図である。 本発明の実施の形態におけるしぼり加工に用いられる板材を示す斜視図である。 同しぼり加工に用いられる雌型金型としてのダイスを表す斜視図である。 同しぼり加工において加工作業中での工具の動作の様子を示す斜視図である。 同しぼり加工において加工作業の途中で工具を取り替えて作業する様子を示す斜視図である。 同しぼり加工において加工作業の途中でさらに工具を別のものに取り替えて作業する様子を示す斜視図である。 前記実施の形態におけるしぼり加工によりダイスのコーナー部において隙間なく成形加工が実行された様子を示す断面図である。 従来のしぼり加工においてダイスのコーナー部に隙間が形成される成形加工が実行された様子を示す断面図である。

符号の説明

１１ フレーム構造体
１２ 基台
１３ 加工ヘッド
１４ 駆動機構
１５ 天板
１６ 底板
１７ 支柱
１８ 固定ベース
１９ 可動ベース
２０ ベース移動機構
２１ ダイス
２２ 可動板
２３ 工具
２４ リンク棒
２５ ガイドレール
２６ スライダ
２７、２８ ユニバーサルジョイント
２９ チャック
３０ 工具作動部材

Claims (7)

1. パラレルリンクに連結しているパンチを任意の位置、角度で動かし、パンチとダイスの間に置かれている板材をダイスに対して押し付け加工する方法において、
   １個のダイスの上に板材を載置し、ダイスを交換することなく、パンチを加工条件に応じてパラレルリンクにより揺動させ、或いは逐次交換して加工することを特徴とする多軸微細加工方法。
2. パンチにロードセルを配置して、当該パンチに加わる力Ｆを検出し、
   パンチの位置Ｘを逆運動計算により求め、
   前記パンチに加わる力Ｆとパンチの位置Ｘとから、平均的なばね定数
   Ｋ＝Ｆ／Ｘ
   或いは、各時点におけるばね定数
   ΔＫ＝ΔＦ／ΔＸ
   の値を求め、Ｋ、或いはΔＫが小さくなる点を求めて加工中における板材の弾性域／塑性域の進行を推定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の多軸微細加工方法。
3. パンチに加わる力ＦをＦ＝０からＦ＝Ｆｍａｘと交互に力を印加してパンチの動きにより板材の変形を求め、塑性変形レベルを推定することを特徴とする請求項１記載の多軸微細加工方法。
4. フレーム構造体と、フレーム構造体の内部の下部位置に配置された基台と、フレーム構造体の内部において基台に対向して配置された加工ヘッドと、加工ヘッドを基台に対して昇降運動させるとともに加工ヘッドを加工動作させる駆動機構と、加工ヘッド及び駆動機構を制御する制御手段とから構成され、
   基台には雌型金型としてのダイスが設置され、
   加工ヘッドは、駆動機構によって操作される可動板と、可動板の中心部下面に取り付けられ被加工材料に加工を施すパンチと、一端が駆動機構に連結され他端が可動板に連結されて駆動機構からの動力を可動板に伝達する複数のリンク棒とから構成され、
   駆動機構は、フレーム構造体に上下方向に延びて設けられたガイドレールと、ガイドレールに可動連結されたスライダと、ガイドレールとスライダの間に設けられてスライダをガイドレール２５に対して移動させる駆動モータとから構成され、
   前記加工ヘッドおよび駆動機構によりパラレルリンク機構を構成していることを特徴とする多軸微細加工装置。
5. 加工ヘッドにおいて、可動板のパンチ取り付け部分には、当該パンチを可動板に取り付けるためのチャックと、製品の加工に当たってパンチを動作させる工具作動部材とが取り付けられ、工具作動部材は、パンチを回転運動させたり、或いは振動動作により工具に並進運動やたたき運動を行わせることを特徴とする請求項４記載の多軸微細加工装置。
6. パンチにロードセルを配置して、当該パンチに加わる力Ｆを検出し、その検出結果により、制御手段を動作させて加工中における板材の弾性域／塑性域の進行を推定するようにしたことを特徴とする請求項４記載の多軸微細加工装置。
7. 上記パンチに加わる力Ｆなどを検出するに当たって、制御手段としての計算機上に加工モデルを構築し、この加工モデルから物理的な量（反力や変位量）を演算により求め、その結果を駆動機構或いは工具作動部材へ送って制御量を提示し、加工制御を行うことを特徴とする請求項５記載の多軸微細加工装置。
   
   
   

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