JP2023174556A - 後方流動成形の自動制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】素材の回転状態で一部の厚さが変動する製品を生成するため、後方に流動成形する過程において、厚さの変化による長さ偏差を防止することができる後方流動成形の自動制御システムを提供する。【解決手段】後方に流動成形する工程を自動で制御するシステムであって、素材１２を同心に支持するマンドレル１０と、前記マンドレル１０の周辺に複数の成形ローラ２２を配置し、それぞれの成形ローラ２２にモーション機を備えた成形部材２０と、前記素材１２に対応した成形部材２０のモーションに関する信号を検出する検出部材と、前記成形ローラ２２を後方に移送しつつ設定された少なくとも２つの地点で、深さの変動を誘発するように制御するコントローラ４０とを含むことを特徴とする。本発明によれば、被加工物を後方に流動成形する過程において、厚さの変化による長さ偏差を防止して、不良を減らすことができて、特に、多品種少量生産に有利である。【選択図】図１

Description

本発明は、流動成形工程のモニタリングに関し、より具体的には、素材の回転状態で、複数のローラで加圧して移動しつつ、厚さの減少と長さの増加を誘発する後方流動成形の自動制御システムに関する。

通常、流動成形は、マンドレルと共に、その半径方向に移動する複数のローラを基に構成され、回転する素材をそれぞれのローラで加圧した状態で移動しつつ、素材の厚さを減少し、長さを伸ばして、製品（中間品）を形成する。量産工程の自動化制御において、ローラとマンドレルを含む全体構成品の寸法、成形前素材と成形後製品の寸法などを汎用ＣＡＤで作成した後、流動成形ＣＮＣプログラムに変換して行う過程を経る。

しかし、通常適用される後方流動成形でも、工程数が複雑であるため、生産の遅延や成形不良を招きやすい。

これに対する対応策に関して、先行技術文献として、大韓民国公開特許公報第２００９－０１０５５９１号（先行文献１）、大韓民国登録特許公報第０３７５７０２号（先行文献２）などがある。

先行文献１は、フリーフォームをマンドレルに装着して回転させる第１のステップと、フリーフォームの外周面に成形ロールを加圧密着して、フリーフォームをシームレスチューブ形状に流動成形する第２のステップとを含む成形方法において、第２のステップは、成形ロールとマンドレルの中心軸間の垂直距離を調節する中間ステップを更に含み、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）の作動方式を備えたコントロールユニットで制御される。

先行文献２は、圧延ローラがフリーフォームに対して、放射状方向でマンドレルの軸線方向に加圧し、マンドレルに対して、圧延ローラが設定速度で長さ方向に沿って進むことで、フリーフォームの全主面で同時に且つ連続的に厚さを減少する流動成形するステップを含む。これにより、製作機構が簡単であり、スクラップが低減し、生産性と歩留まりを高める効果がある。

しかし、前記した先行文献によると、製品の厚さが変動するように、被加工物に後方成形を適用する場合には、対比し難いという不都合がある。

韓国公開特許第２００９－０１０５５９１号公報 「厚さが変形した圧力容器ライナー及びその成形方法」 （公開日：２００９．１０．０７．） 韓国登録特許第０３７５７０２号公報 「自動車合金ホイール製造用シームレスチューブの製造方法」 （公開日：２００１．０７．１２．）

本発明は、前記のような従来の問題点を改善するためになされたもので、本発明の目的は、素材の回転状態で一部の厚さが変動する製品を生成するため、後方に流動成形する過程において、厚さの変化による長さ偏差を防止することができる後方流動成形の自動制御システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、後方に流動成形する工程を自動で制御するシステムであって、素材を同心に支持するマンドレルと、前記マンドレルの周辺に複数の成形ローラを配置し、それぞれの成形ローラにモーション機を備えた成形部材と、前記素材に対応した成形部材のモーションに関する信号を検出する検出部材と、前記成形ローラを後方に移送しつつ設定された少なくとも２つの地点で、深さの変動を誘発するように制御するコントローラとを含むことを特徴とする。

前記成形部材は、３つの成形ローラにそれぞれ連結されるモーション機で、個別的な移送及びデプスモーションを誘発する。

前記検出部材は、素材の延伸方向に一側に設置される近位検出器、成形ローラの移送経路の他側に設置される遠位検出器と、成形ローラの半径方向の深さ変位を検出する深さ検出器とを備える。

前記検出部材は、更に、成形ローラを通じて素材に作用する荷重を検出する荷重検出器を備える。

前記コントローラは、ＣＮＣプログラムに連携して、成形ローラの２軸運動を順次実行し、素材の凹部に要求される寸法に合わせて、加工を停止する。

本発明によると、一部の厚さが変動する製品を生成できる。また、本発明によると、被加工物を後方に流動成形する過程において、厚さの変化による長さ偏差を防止して、不良を減らすことができる。特に、多品種少量生産に有利である。

本発明によるシステムを全体的に示す模式図である。 本発明によるシステムに適用される加工原理の模式図である。 本発明によるシステムの制御回路を示すブロック図である。 本発明によるシステムによる加工状態の模式図である。

以下、添付の図面に基づいて、本発明の実施例を詳細に説明する。

本発明は、後方に流動成形する工程を自動で制御するシステムについて提案する。管やカップ形状の素材（被加工物）を投入して、逐次成形するフローフォーミングシステムを対象とするが、これに限定されるものではない。

本発明によると、マンドレル１０が、素材１２を同心に支持する構造をなしている。

図１に示すように、円筒状のマンドレル１０の外周面に、素材１２がロードされた状態を示す。素材１２は、マンドレル１０の一端で着脱可能にクランプされ、マンドレル１０と一体に連動する。マンドレル１０の一端には回転力を付与し、且つ、回転速度の調節が可能な回転駆動機１５が連結される。

また、本発明によると、前記マンドレル１０の周辺に、複数の成形ローラ２２を配置した成形部材２０が、それぞれの成形ローラ２２にモーション機を備えた構造である。

図１において、成形部材２０を構成する成形ローラ２２、モーション機などを示している。成形ローラ２２は、複数構成され、それぞれ後述するモーション機に連結される。成形ローラ２２は、被動的に回転、又は別の動力で強制的回転を具現する。成形ローラ２２が図面符号２２′のように、マンドレル１０の半径方向に近付くと共に、軸方向に移動しつつ、素材１２の厚さと長さ変動が誘発する。

本発明の詳細構成によると、前記成形部材２０は、３つの成形ローラ２２にそれぞれ連結されるモーション機２４、２６で、個別的な移送及びデプスモーションを誘発することを特徴とする。

図１において、マンドレル１０の半径方向に配置される３つの成形ローラ２２がそれぞれ、モーション機２４、２６に連結されて、２軸に運動する状態を示している。第１のモーション機２４は、成形ローラ２２の半径方向運動を誘発する油圧シリンダで構成し、第２のモーション機２６は、成形ローラ２２の軸方向運動を誘発する直線駆動機で構成する。油圧シリンダは、素材と接触し、正確で且つ十分な加圧力を与えるように、サーボ制御可能な油圧駆動式が望ましいが、これに限定されるものではない。直線駆動機は、ＬＭガイド、ラックピニオン、送りねじナットブロックから選択する。いずれの場合でも、モーション機２４、２６は、３つの成形ローラ２２に対する個別のモーション制御が可能である。このような方式によると、素材の物性によらず、形状自由度を高め、成形荷重（エネルギー）を減らすことができる。

一方、図１のような形状に３つの成形ローラ２２が配置される場合、垂直方向の成形ローラ２２は、傾斜方向の成形ローラ２２とモーションのパターンを区別することができる。マンドレル１０の回転方向と速度によって、傾斜方向の２つの成形ローラ２２に対する制御パターンも区別することができる。これは、流動成形に関する３次元解析ではなく、加工ステップで生成・蓄積される情報のＤＢ化により決まる。

図２（ａ）に示すように、素材１２の中間で、一定の長さに亘って厚さが縮小する凹部１２ａを有した形状の製品に形成される状態を示す。前方成形の場合、成形ローラ２２が素材の延伸方向に移送されて、凹部１２ａの形成が容易であるが、マンドレル１０の長さが長くなるので、全体的な外形が増加し、作業性が低下する。これに対して、成形ローラ２２が素材の延伸方向と反対に移送される後方成形の場合、短いマンドレル１０を用いて、加工し易いため、通常適用される。図２に示すように、前方成形の場合、成形ローラ２２の１０００ｍｍ移送が必要であるが、後方成形の場合、５００ｍｍ移送で足りる。

但し、後方成形において、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、規定の厚さ２．０ｍｍの誤差によって、規定長さ１０００ｍｍに誤差が生じる。図２（ｂ）のように、厚さが１．９ｍｍの場合は、長さが長くなって、１００５ｍｍとなり、図２（ｃ）のように、厚さが２．１ｍｍの場合は、長さが短くなって、９９５ｍｍとなって、規定の長さをずらすことになり、不良が発生する虞がある。

また、本発明によると、検出部材３０が、前記素材１２に対応した成形部材２０のモーションに関する信号を検出する構造をなしている。

図３に示すように、検出部材３０が、成形部材２０、コントローラ４０などと連携する状態を示している。量産現場で検出部材３０の稼動は、ＣＮＣプログラムを基に、多数の経路コードを連携して具現される。それにもかかわらず、後方成形の場合、一部の厚さが変動する凹部１２ａを有した製品の成形過程において、厚さ－長さ寸法の調節が容易でない。検出部材３０は、成形ローラ２２のモーションに関する主要物理量を検出して、後述するコントローラ４０によるシミュレーションを助ける。

本発明の詳細構成によると、前記検出部材３０は、素材１２の延伸方向に一側に設置される近位検出器３１と、成形ローラ２２の移送経路の他側に設置される遠位検出器３２と、成形ローラ２２の半径方向の深さ変位を検出する深さ検出器３４とを備えることを特徴とする。

図３において、検出部材３０を構成する近位検出器３１、遠位検出器３２、深さ検出器３４などを示している。一側の近位検出器３１と他側の遠位検出器３２は、フォトセンサなどを用いた非接触方式で延伸する素材１２の端部を検出する。近位検出器３１と遠位検出器３２は、マンドレル１０の軸方向と平行な一直線上で、近位検出器３１が遠位検出器３２より成形ローラ２２に隣接するように配置される。近位検出器３１と遠位検出器３２の離隔した距離差は、製品の凹部１２ａの長さ寸法に該当する。深さ検出器３４は、レーザセンサ、赤外線センサ、超音波センサ、リニアスケール方式などから選択され、マンドレル１０の半径方向にそれぞれの成形ローラ２２の変位を検出する。その他に、成形ローラ２２の軸方向移送距離を検出する変位センサを更に含む。

本発明の詳細構成によると、前記検出部材３０は、成形ローラ２２を通じて、素材１２に作用する荷重を検出する荷重検出器３６を更に備えることを特徴とする。

図３において、検出部材３０を更に構成する荷重検出器３６を例示しているが、これに限定されない。荷重検出器３６は、成形部材２０のモーション機２４、２６に設置され、成形ローラ２２において、素材１２に作用する荷重（圧力）を検出する。荷重検出器３６の検出荷重は、半径方向だけではなく、軸方向も含まれる。その他に、マンドレル１０の回転を検出する回転検出器などを含む。

また、本発明によると、コントローラ４０が、前記成形ローラ２２を後方に移送しつつ設定された少なくとも２つの地点で、深さの変動を誘発するように制御する構造である。

図３及び図４に示すように、コントローラ４０は、マイクロプロセッサ、メモリ、入出力インターフェースを搭載したマイコン回路で構成する。コントローラ４０の入力インターフェースには、近位検出器３１、遠位検出器３２、深さ検出器３４、荷重検出器３６などが選択的に連結される。コントローラ４０の出力インターフェースには、回転駆動機１５、モーション機２４、２６などが連結される。コントローラ４０は、量産現場に投入される諸素材１２の設計／加工データを保存する外部のＤＢサーバ４５と有無線通信で連結される。

この時、コントローラ４０が成形ローラ２２の深さ変動を誘発する座標として、前記図２の凹部１２ａに対応する図３のａ地点とｂ地点を含む。

一方、コントローラ４０は、近位検出器３１と遠位検出器３２の位置変動を誘発するように、それぞれの位置調節器４１、４２に搭載する。位置調節器４１、４２は、第２のモーション機２６の直線駆動機と同様な方式で構成する。製品の凹部１２ａの長さ寸法に対応して、近位検出器３１と遠位検出器３２の位置変動が可能である。

本発明の詳細構成によると、前記コントローラ４０は、ＣＮＣプログラムと連携して、成形ローラ２２の２軸運動を順次実行し、素材１２の凹部１２ａに要求される寸法に合わせて、加工を停止することを特徴とする。

図３及び図４において、コントローラ４０は、ＣＡＤ／ＣＡＭプログラムを用いて、成形ローラ２２の移動座標を反映するように変換されたＣＮＣ加工プログラムを、メモリに保存し行う。 図３（ａ）のように、成形ローラ２２により後方成形が開始され、且つ、素材１２の厚さ縮小に延伸して、その端部が近位検出器３１に至ると、成形ローラ２２が設定深さに下降して、凹部１２ａを形成し始める。以後、図３（ｂ）のように、素材１２の端部が遠位検出器３２に到達すると、直ぐ成形ローラ２２が上昇し、以後、設定経路に仕上げ加工を経て、終了する。素材１２の凹部１２ａが正常に成形された後に、一端又は両端を切断して、製品を完成する。

このような量産現場の加工情報が、コントローラ４０を経てＤＢサーバ４５に蓄積されるので、多品種少量生産でも、工程管理にかかる手間を減らして、不良を減らし、生産性を向上できる。

本発明は、前記した実施例に限定されるものではなく、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく、様々に修正及び変形できることは、当該技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。そこで、このような変形例又は修正例は、本発明の特許請求の範囲に属すべきであるといえる。

１０： マンドレル
１２： 素材
１２ａ： 凹部
１５： 回転駆動機
２０： 成形部材
２２： 成形ローラ
２４： 第１のモーション機
２６： 第２のモーション機
３０： 検出部材
３１： 近位検出器
３２： 遠位検出器
３４： 深さ検出器
３６： 荷重検出器
４０： コントローラ
４１、４２： 位置調節器
４５：ＤＢサーバ

Claims (5)

1. 後方に流動成形する工程を自動で制御するシステムであって、
   素材（１２）を同心に支持するマンドレル（１０）と、
   前記マンドレル（１０）の周辺に複数の成形ローラ（２２）を配置し、それぞれの成形ローラ（２２）にモーション機を備えた成形部材（２０）と、
   前記素材（１２）に対応した成形部材（２０）のモーションに関する信号を検出する検出部材（３０）と、
   前記成形ローラ（２２）を後方に移送しつつ設定された少なくとも２つの地点で、深さの変動を誘発するように制御するコントローラ（４０）と、を含むことを特徴とする後方流動成形の自動制御システム。
2. 前記成形部材（２０）は、３つの成形ローラ（２２）にそれぞれ連結されるモーション機（２４、２６）で、個別的な移送及びデプスモーションを誘発することを特徴とする請求項１に記載の後方流動成形の自動制御システム。
3. 前記検出部材（３０）は、素材（１２）の延伸方向に一側に設置される近位検出器（３１）、成形ローラ（２２）の移送経路の他側に設置される遠位検出器（３２）と、成形ローラ（２２）の半径方向の深さ変位を検出する深さ検出器（３４）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の後方流動成形の自動制御システム。
4. 前記検出部材（３０）は、更に、成形ローラ（２２）を通じて素材（１２）に作用する荷重を検出する荷重検出器（３６）を備えることを特徴とする請求項１に記載の後方流動成形の自動制御システム。
5. 前記コントローラ（４０）は、ＣＮＣプログラムに連携して、成形ローラ（２２）の２軸運動を順次実行し、素材（１２）の凹部（１２ａ）に要求される寸法に合わせて、加工を停止することを特徴とする請求項１に記載の後方流動成形の自動制御システム。

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