JP3809081B2 - チューブ・ハイドロフォーミング装置及びチューブ・ハイドロフォーミング方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブ・ハイドロフォーミング装置及びチューブ・ハイドロフォーミング方法に関する。
【０００２】
【技術的背景】
成形加工の一形態として、チューブ・ハイドロフォーミングが提案されている。チューブ・ハイドロフォーミングの手順の一例を以下に略示する。
成形を行うダイに、成形対象である素管（チューブ・ブランク）を装着する。ダイは、素管を装着する第１空間と、第１空間に連通する第２空間とを有している。素管は、ダイの第１空間の外周側に配置される。次に、素管内に流体を流入させて内圧を作用させる。すると、素管の所定部が第２空間へと張り出すように変形する。このように素管を変形させることで、所望する形状の成形品を得る。
素管に内圧を作用させるのと同時に、素管の軸方向片側又は両側に配置された押込み力付与部によって、素管に軸方向の押込み力を作用させて、素管を変形させる場合もある。
上記のようなチューブ・ハイドロフォーミングによって成形された製品が、自動車部品等に採用され始めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
チューブ・ハイドロフォーミングは、比較的新しい技術であり、種々の技術的課題が残されている。
例えば、加工中に素管が座屈して、素管の所定部が第２空間へとスムーズに張り出さないことがある。座屈が生じると、所望の形状が得られなくなる。
このような素管の座屈が生じないように、素管に付与する力を減らすまたは内圧を増加させるなど、試行錯誤を重ねているのが現状である。素管に付与する力を減らせば、座屈は生じにくくなるものの、十分な変形量が得られない。また、生産性も低下する。さらに、素管に付与する内圧または力が大きすぎると、加工中に素管が破断してしまうことがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、熟練者でなくても所望の形状の成形品を得ることができるチューブ・ハイドロフォーミング装置及びチューブ・ハイドロフォーミング方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的を達成するために、本発明は、加工対象物である素管を装着される第１空間及び前記第１空間の外周側に配置されるとともに前記第１空間に連通する第２空間を有するダイと、前記素管内に流体を流入させて内圧を作用させる内圧付与手段と、実加工時に前記素管の前記第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量を計測する計測手段と、前記素管に付与する力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す目標加工曲線のデータと、前記素管に実際に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す実測加工曲線と前記目標加工曲線との偏差に関連付けされた評価関数から得られる評価関数データとを含むファジー制御用基礎データを記憶する記憶手段と、実加工時に前記素管に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を前記計測手段を用いて実測データとして取得するとともに、前記記憶手段からファジー制御用基礎データを読み出し、読み出された基礎データに含まれる目標加工曲線のデータと前記実測データとの偏差に関連付けた実時間評価データを求め、求めた実時間評価データと読み出された前記基礎データに含まれる評価関数データとに基づいて前記内圧付与手段をフィードバック制御する制御手段とを備えたことを特徴とするチューブ・ハイドロフォーミング装置である。
上述のチューブ・ハイドロフォーミング装置は、前記素管の軸方向片側又は両側に配置されて前記素管に軸方向の押込み力を作用させる押込み力付与手段を更に備えて、前記制御手段によって、前記求めた実時間評価データと読み出された基礎データに含まれる評価関数データとに基づいて前記内圧付与手段及び押込み力付与手段の少なくとも一方をフィードバック制御することが好ましい。
【０００５】
本発明においては、素管を実際に加工する場合に、計測手段を用いて、前記素管の前記第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量とをリアルタイムで計測し、この測定データを取得する。そして、前記記憶手段から、読み出されたファジー制御用基礎データと前記実測データとを用いて内圧や押込み力あるいは押込み変位をフィードバック制御する。
具体的には、読み出された基礎データに含まれる目標加工曲線のデータと、実測されたデータとの偏差に関連付けた実時間評価データをリアルタイムで求める。そして、求めた実時間評価データと、ファジー制御用基礎データに含まれる前記評価関数とに基づき、内圧や押込み力あるいは押込み変位をフィードバック制御する。
本発明によれば、実加工時に第２空間へと張り出す素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量を計測することで、チューブ・ハイドロフォーミングにフィードバック制御を適用したので、熟練者でなくても、座屈や破断を回避しつつ所望の成形品を得ることができる。
【０００６】
また、前記ファジー制御用基礎データは、素管の種別及び加工条件毎にデータベース化され、前記制御手段は、上記データベースから素管の種別及び加工条件に適合するファジー制御用基礎データを読み出し、上記フィードバック制御を行うことが好ましい。
このように、素管の種別及び加工条件毎にファジー制御用基礎データをデータベース化しておくことにより、素管の種別が異なった場合でも、またその加工条件が異なった場合でも、最適なファジー制御基礎データを選択し、当該種別及び加工条件に合わせた最適なフィードバック制御を行うことができる。特に、多品種少量生産を行う場合に、これらの製品をその品質を損なうことなく効率よく生産することが可能となる。
上述のチューブ・ハイドロフォーミング装置により実行されている方法も本発明である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、チューブ・ハイドロフォーミング装置の要部を示す概念図である。図中、左側に、加工前の素管２０の様子が示され、右側に、加工中の素管２０の様子が示されている。
チューブ・ハイドロフォーミング装置は、ダイ１０と、内圧付与部（図示せず）と、押込み力付与部１２と、センサ群（図示せず）とを備えている。
ダイ１０は、素管２０を装着される第１空間１０ａと、素管２０の所定部を張り出させるための第２空間１０ｂとを有している。第２空間１０ｂは、第１空間１０ａの外周側に配置されるとともに第１空間１０ａに連通している。ここでは、第２空間１０ｂが、第１空間１０ａの延びる方向（図では横方向）に対して垂直な方向（図では縦方向）に延びている。また、第１空間１０ａと第２空間１０ｂとの接続箇所の角部が、所定の半径Ｒ（例えばＲ１０ｍｍ）で丸められている。
成形対象の素管の形態としては、上述の円筒状のもの以外にも、角筒状のもの等であってもよい。
ダイの形態は、図示の形態に限定されるものではない。例えば、第２空間の延びる方向が、第１空間の延びる方向に対して鋭角又は鈍角を形成するように、傾斜していてもよい。第２空間が、第１空間の外周にリング状に配置されていてもよい。また、第２空間は複数でもよく、さらに、第１空間や第２空間が段差を有していてもよい。
内圧付与部としては、圧縮空気、水、油等の流体を用いて素管に内圧を作用させるものであればよい。押込み力付与部としては、エアシリンダや油圧シリンダ等のシリンダ・アクチュエータを用いたもの等がある。センサ群は、接触子を用いた機械的な変位センサや、レーザ変位センサ等の非接触変位センサ等の変位を測定できるものである。
【０００８】
図１に示したダイでは、第１空間１０ａ及び第２空間１０ｂが、それぞれ円筒状に形成されている。第１空間１０ａの直径Ｄ１は、素管２０の外径より若干大きいが、素管２０の外径とほぼ同等である。例えば、第１空間１０ａの直径Ｄ１及び第２空間１０ｂの直径Ｄ２を、素管の直径と同等の４０〜５０ｍｍ程度にすることができる。素管２０の材質としては、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）を採用でき、素管２０の肉厚は０．８ｍｍ程度とすることができる。
【０００９】
内圧付与部（図示せず）は、素管２０内に高圧の流体（例えば水）を流入させて内圧を作用させる。押込み力付与部１２は、素管２０を軸方向に押し縮めるような押込み力を付与する。押込み力付与部１２は、素管２０の両側に配置されるタイプでもよい。
内圧付与部で素管２０に流体により内圧をかけつつ、押込み力付与部１２により素管２０を軸方向に押し込むと、素管２０の所定部が第２空間１０ｂへと張り出す。正常にチューブ・ハイドロフォーミングが行われた際には、張出し量の最大値ΔＨは、第２空間１０ｂの中央部付近で計測される。すなわち、素管２０の張り出した部分は、その中央部が最も高く、周縁部が最も低くなる。
センサ群（図示せず）は、素管２０の第２空間１０ｂへと張り出した部分の、中央部の高さ（張出し量）と周縁部の高さとを計測する。
【００１０】
図２は、素管２０の第２空間１０ｂに張り出した部分における、中央部の高さＲｃと、周縁部の高さＲｂとの差ΔＲ（＝Ｒｃ−Ｒｂ）を示す図である。
正常にチューブ・ハイドロフォーミングが行われた際には、ΔＲは正の値となり、押込み量ΔＬが大きくなるにつれて、ΔＲ及びΔＨも大きくなる。一方、ΔＲが負の値となる（図２参照）と、押込み量ΔＬがある程度大きくなった時点で素管２０が座屈する。座屈は、押込み力が強すぎるときに生じる傾向がある。
【００１１】
図３は、素管の第２空間へと張り出す部分の張出し量の最大値（ΔＨ）と、素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との差（Ｒｃ−Ｒｂ＝ΔＲ）との関連付けで、目標加工曲線と実測加工曲線を示している。目標加工曲線は、例えば、所定の設定条件（例えば、板厚不変、体積一定等）に基づいた有限要素解析法（ＦＥＭ）により求められるもので、実測加工曲線は、実測により求められるものである。この実測曲線は、例えば、軸方向の押込み力をパラメータとし、パラメータを加減して実測を繰り返すことで、複数の実測加工曲線が求められる。
図３では、ΔＲとともにΔＨがスムーズに増加する場合（目標加工曲線）のときより押込み力が強くなると、矢印Ａで示すように、ΔＲが目標加工曲線ほど増加しない曲線（実測加工曲線）に従うようになり、さらに押込み力が強すぎると素管２０が座屈することを示している。
【００１２】
本実施の形態の特徴は、素管２０の実際の加工時に、センサ群を用いて、ΔＲ及びΔＨをリアルタイム測定し、この測定値に基づきファジー推論の手法を用いて、押込み力Ｆをフィードバック制御することにある。
特に、本実施の形態では、予め素管２０の種類及び加工条件毎に、ファジー制御用基礎データを作成してこれをデータベース化して記憶しておき、実際に加工する素管２０の種類及び加工条件に合わせて最適なファジー制御用基礎データを読み出し、これを利用して素管２０に座屈や破断を発生させることなく、効率良くチューブ・ハイドロフォーミングを実現するように、押込み力Ｆをフィードバック制御する。
特に、本実施の形態の手法では、成形品の多品種少量生産を行う場合でも、使用する素管２０の種別及び加工条件に適合したファジー制御用基礎データを用いることにより、この多品種少量生産を品質を維持しつつ高い生産効率で実現可能である。
【００１３】
以下に、本実施の形態のファジー制御のための原理を説明する。
まず、加工対象物である素管（以下、ブランクともいう）２０の種別及び加工条件を変えながら、加工対象物の種別及び加工条件毎にファジー制御用基礎データを求め、これをデータベース化する手法について説明する。次に、このデータベースを用い、実際に加工対象物を加工成形する手法について説明する。
【００１４】
（データベースの構築）
第１段階
まず、対象となる種別のブランク２０に対して、その板厚、体積を一定と仮定する。そして、チューブ・ハイドロフォーミング時のブランク２０のΔＨ及びΔＲを変数として、有限要素解析（ＦＥＭ）の手法を用い、図３に示したような目標加工曲線を求める。
【００１５】
第２段階
次に、ブランク２０を一定の押込み力Ｆで実際にチューブ・ハイドロフォーミングし、このときのΔＨとΔＲとの関連付けを表す実測加工曲線を求める。この実測加工曲線は、押込み力Ｆをパラメータとして複数求める。
押込み力Ｆを高くすればするほど、実測加工曲線は、目標加工曲線から離れていく。
【００１６】
第３段階
図３に示すように、前記第１段階で求めた目標加工曲線と、第２段階で求めた実測加工曲線との偏差φを、座屈の危険度を示す第１の評価関数φとして求める。
そして、この評価関数φの最小値をφａとして求め、実測加工曲線に従ってΔＲを大きくしてみたときに、ブランク２０に座屈が発生する座屈発生ポイントの位置における評価関数φを、φｂとして求める。
本実施の形態において、この第１の評価関数φから得られるφａ、φｂを第１の評価関数データと定義する。
このようにして求めた第１の評価関数データφａ、φｂに基づき、図４（ａ）に示す座屈危険度を評価するための入力側メンバーシップ関数μφを生成し、このメンバーシップ関数μφを用いて後述する座屈の評価を行う。
【００１７】
第４段階
さらに、評価の信頼性を向上させるために、前述した第３段階で求めた第１の評価関数φの微分値φ’を第２の評価関数として求め、さらにその微分値φ’の最小値φ’ａ及び最大値φ’ｂを求め、これらを第２の評価関数データと定義する。
そして、このようにして求めた第２の評価関数データφ’ａ、φ’ｂに基づき、図４（ｂ）に示す座屈危険度を評価するための入力側メンバーシップ関数μφ’を生成し、これを用いて座屈の評価を行う。
評価関数φが大きくなるほどこの危険度が増加し、φｂと一致するときが、危険度最大となる。逆にφａと一致する場合は、危険度が最小となる。
また、φの微分成分φ’は、加工中の押し込み力が座屈危険度の高い方向（φｂ方向）あるいは低い方向（φａ方向）のいずれの方向に変化しているかを表しており、φ’がφ’ｂと一致するときは危険度最大となり、φ’ａと一致するときが危険度最小となる。
これら図４（ａ）に示すメンバーシップ関数と、図４（ｂ）に示すメンバーシップ関数を組み合わせた評価を行うことにより、本実施の形態では、実加工時におけるブランク２０の座屈の危険度をより正確に評価することができる。
【００１８】
第５段階
以上のように、第１〜第４段階で求めた目標加工曲線、第１の評価関数φ、その最小値φａ及び最大値φｂを表す第１の評価関数データ、第２の評価関数φ’、その最小値φ’ａ及び最大値φ’ｂを表す第２の評価関数データ、これら第１及び第２の評価関数データからそれぞれのメンバーシップ関数μφ、μφ’を生成するためのデータを、ファジー制御用基礎データとして、ブランク２０の種別及び加工条件に関連付けてデータベース化する。
【００１９】
以上のように、第１〜第５の段階の処理を繰り返して行い、各種材料のブランク２０毎に、その加工条件を変えて、ファジー制御用基礎データを求め、このようにして求めたデータに基づきデータベースを予め構築する。
【００２０】
（ファジー推論規則）
次に、前述したように求めたブランク２０の種別及び加工条件毎に対応付けられたファジー制御用基礎データを用い、実際の加工時に、押込み力Ｆをフィードバックするためのファジー推論規則について説明する。
【００２１】
第１段階
前述のデータベースから、実際に加工するブランク２０の種別及び加工条件に対応付けられたファジー制御用基礎データを読み出し、図５（ａ）（図４（ａ）、（ｂ））に示す第１の評価関数に基づくメンバーシップ関数μφと、第２の評価関数に基づく入力側メンバーシップ関数μφ’を用意する。
【００２２】
第２段階
ブランク２０を、その加工条件に従って図１に示すように実際にチューブ・ハイドロフォーミングする際に、ΔＲを算出するために図２に示す中央部の高さ（張り出し量）Ｒｃと周縁部の高さＲｂををリアルタイム測定する。
そして、図１に示す張出し量ΔHを測定し、この測定値ΔHに対応付けられた目標加工曲線におけるΔRと、実測により得られたΔRとの偏差φを第１の実時間評価データとして求める。
さらに、この第１の実時間評価データφの微分値φ’を第２の実時間評価データとして求める。
【００２３】
第３段階
図５（ｂ）には、このようにして求めた実時間評価データφ、φ’から、押込み力付与部１２の押込み力Ｆの変化量ΔＦを推定する、ｉｆ−ｔｈｅｎルールが示されている。図５（ｂ）において、左側のｉｆ（φ、φ’）は、このファジー推論規則の入力条件を表し、右側のｔｈｅｎ（ΔＦ）はその出力を表しており、その値は、具体的には図５（ｃ）の出力制御用メンバーシップ関数の出力に反映される。
例えば、実測により求められた第１、第２の実時間評価データが図４に示すようなφ、φ′である場合を想定する。この場合、図５（ｂ）に示すｉｆ−ｔｈｅｎルールの入力側メンバーシップ関数の面積を求める。具体的には、図６に示すように、実時間評価データφ、φ’によって特定される入力側メンバーシップ関数μφ、μφ’の三角形９１、三角形９２、三角形９３、三角形９４の面積をＡφＬ、ＡφＳ、Ａφ’Ｌ、Ａφ’Ｓとして求める。
【００２４】
第４段階
次に、前述したように求めた各三角形の面積である各部分ファジー集合（ＡφＬ、ＡφＳ、Ａφ’Ｌ、Ａφ’Ｓ）の面積を算出し、ｉｆ−ｔｈｅｎルールに従って、図に示すように、出力値決定用のメンバーシップ関数に代入する。
すなわち、図６に示す入力側メンバーシップ関数の面積を図７に示す出力側メンバーシップ関数に代入する。図７において、出力値決定用メンバーシップ関数のΔＦＬＬ、ΔＦＬＳ、ΔＦＳＬ、ΔＦＳＳの代入エリアは、台形９６、台形９７、台形９８、台形９９で示す領域となる。これら各領域９６、９７、９８、９９の面積は、ＡＬＬ、ＡＬＳ、ＡＳＬ、ＡＳＳである。
具体的には、以下の式で表される。
ＡＬＬ＝ＡφＬ＋Ａφ’Ｌ
ＡＬＳ＝ＡφＬ＋Ａφ’Ｓ
ＡＳＬ＝ＡφＳ＋Ａφ’Ｌ
ＡＳＳ＝ＡφＳ＋Ａφ’Ｓ
【００２５】
次に、出力値決定用のメンバーシップ関数に代入された部分ファジー集合（領域９６〜９９の面積）から重心法により押込み力の制御値ΔＦを求める。
本実施の形態では、図７に示す出力値決定用メンバーシップ関数の各領域９６〜９９の面積ａ、重心ｇを求め、次式に基づきこの重心位置Ｇをフィードバック制御される押込みＦの可変量ΔＦとして演算により求める。
ΔＦ＝Σａｎｇｎ／Σａｎ
（Σａｎ＝ＡＬＬ∪ＡＬＳ∪ＡＳＬ∪ＡＳＳ）
なお、ａｎは出力値決定用メンバーシップ関数の部分ファジー集合を任意に分割した領域の面積、ｇｎはその領域の重心を示す。
【００２６】
第５段階
このようにして求めたΔＦは、ブランク２０を実際にチューブ・ハイドロフォーミングしているときに、座屈を引き起こすことのない最適な押込み力Ｆを得るための変化量を表す。
【００２７】
従って、このようにして、リアルタイムでファジー推論された変化量ΔＦ分だけ、押込み力付与部１２の押込み力Ｆをフィードバック制御することにより、座屈を発生させることなく最適な押込み力で効率良くチューブ・ハイドロフォーミングができる。
【００２８】
図８には、前述した原理を用い、押込み力Ｆをフィードバック制御するための構成の機能ブロック図が示されている。
本実施の形態のチューブ・ハイドロフォーミング装置は、各種部分における計測を行うセンサ群６０と、各種部分を駆動するアクチュエータ群７０と、制御部５０と、記憶部４０とを含んで構成される。制御部５０および記憶部４０は、コンピュータ・システムに実装されている。
【００２９】
前記センサ群６０は、Ｒｃ測定センサ６２、Ｒｂ測定センサ６４、ΔＨ測定センサ６６及びその他のセンサを含んで構成される。Ｒｃ測定センサ６２にΔＨ測定センサ６６とを同一のセンサとすることもできる。
アクチュエータ群７０は、各部を駆動する複数のアクチュエータを含んで構成され、具体的には、内圧付与部からの流体による内圧の発生や、押込み力付与部による押込み力Ｆを発生させる。これらのアクチュエータ群７０は制御部により制御されるように構成されている。
記憶部４０には、前述した、加工対象物であるブランク２０の種別及び加工条件毎に作成されたファジー制御用基礎データがデータベース化して記憶されている。
制御部５０は、実際のブランク２０の加工時に、当該ブランク２０の種別及び加工条件に適合するファジー制御用基礎データを、記憶部４０に記憶されたデータベースから読み出す基礎データ読出部５２と、この読み出したファジー制御用基礎データと、前記センサ６２〜６６によりリアルタイム測定されるΔＲ及びΔＨとに基づき、押込み力Ｆを計算する実時間評価データ演算部５４と、計算された押込み力Ｆに従って、アクチュエータ群７０を駆動するアクチュエータ駆動部５６とで構成されている。この制御部５０により、当該ブランク２０の種別及び加工条件に適合するファジー制御用基礎データを、記憶部４０に記憶されたデータベースから読み出して、前述したファジー推論の手法に従ってフィードバック制御する。
【００３０】
図９には、本実施の形態のチューブ・ハイドロフォーミング装置の動作フローチャートが示されている。
本実施の形態を用いて、図１に示すように、ブランク２０を加工する場合には、まず、オペレータが、加工に先立って加工対象物となるブランク２０の種別（例えば、材料）を指定するとともに（ＳＴ１１０）、当該ブランク２０の加工条件を指定する（ＳＴ１１１）。
このような種別及び加工条件の入力は、例えば、制御部５０が実装されているコンピュータ・システムのディスプレイ上に選択画面として表示し、オベレータはこれを適宜画面上において選択して行うように構成することができる。
ブランク２０の種別及び加工条件が入力されると、制御部５０は基礎データ読出部５２により、これら種別及び加工条件に適合したファジー制御用基礎データを記憶部４０のデータベースから読み出す（ＳＴ１１２）。
【００３１】
このような一連の処理が終了すると、制御部５０は、内圧負荷を開始させ（ＳＴ１１３）、押込み力負荷を開始させ（ＳＴ１１４）、ファジー推論処理を行い（ＳＴ１１６）、押込み力の変化量ΔＦをフィードバック制御する（ＳＴ１１７）という一連の処理を、加工終了と判断する（ＳＴ１１５）まで繰り返して行う。
この一連の処理（ＳＴ１１３〜ＳＴ１１７）を行うことにより、制御部５０が、フィードバック制御として機能し、アクチュエータ群７０を駆動する。
【００３２】
図１０は、前述したファジー推論（ＳＴ１１６）の詳細を表すフローチャートである。この一連の処理は、制御部５０が有する、実時間評価データ演算部５４により行われる。
まず、センサ群６０からＲｃ，Ｒｂ，ΔＨのリアルタイム測定値を取得し（ＳＴ１３０）、目標加工曲線と実測データとの偏差から第１、第２の実時間評価データφ、φ’を算出する（ＳＴ１３１）。そして、実時間評価データφ、φ’を入力側のメンバーシップ関数μφ、μφ’の入力値として用い、入力側メンバーシップ関数の部分ファジー集合の面積ＡφＬ、ＡφＳ、Ａφ’Ｌ、Ａφ’Ｓを求める（ＳＴ１３２）。
そして、図５（ｂ）に示すｉｆ−ｔｈｅｎルールに基づく判断処理を行い（ＳＴ１３３）、この判断ルールに従って前述した入力側メンバーシップ関数の各部分ファジー集合の面積（ＡφＬ、ＡφＳ、Ａφ’Ｌ、Ａφ’Ｓ）を、図７に示すように、出力側メンバーシップ関数に代入する処理を行う（ＳＴ１３４）。
図７に示す出力値決定用メンバーシップ関数の代入面積の重心位置Ｇを特定し、この重心位置Ｇを、押込み力の変化量ΔＦとして求める（ＳＴ１３５）。
【００３３】
【実施例】
図１に示したようなチューブ・ハイドロフォーミング装置を用いて、上述のようなフィードバック制御に基づく押込み力で素管を変形させた場合（実施例）と、フィードバック制御を行わずに一定速度の押込み力で素管を変形させた場合（比較例）とを比較する実験を行った。なお、内圧は、両者とも、同様に線形増加させた。素管の材質はＳＵＳ３０４、Ｌ＝１００ｍｍ、肉厚＝０．８ｍｍであり、ダイの寸法はＤ１＝Ｄ２＝４２．７ｍｍ、Ｒ＝１０ｍｍであった。
結果を図１１のグラフに示す。
【００３４】
図１１において、下側の「座屈」と書かれた領域は、内圧Ｐが低いのに対して押込み量ΔＬが大きすぎて座屈する可能性が高いことを示し、上側の「破断」と書かれた領域は、内圧Ｐを高くしても変形量が大きいため破断する可能性が高いことを示している。
実施例では、最初、押込み速度を低減して、座屈発生を回避していることがわかる。結局、実施例では、押込み量ΔＬをかなり大きくするまで破断が生じなかった。
図１２の棒グラフに示すように、実施例は、比較例に対しておよそ１４０％のΔＨを達成できた。
【００３５】
なお、本発明は前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。例えば、内圧に対してフィードバック制御することもできる。また、押込み力あるいは押込み変位だけでなく、内圧もフィードバック制御することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熟練者でなくても所望の形状の成形品を得ることができるチューブ・ハイドロフォーミング装置及びチューブ・ハイドロフォーミング方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態であるチューブ・ハイドロフォーミング装置の要部断面図である。
【図２】 座屈が生じる様子を説明する図である。
【図３】 目標加工曲線、実測加工曲線を示すグラフである。
【図４】 入力側メンバーシップ関数の説明図である。
【図５】 （ａ）は、入力側メンバーシップ関数の説明図であり、（ｂ）は、ファジー推論のｉｆ−ｔｈｅｎルールの説明図であり、同図（ｃ）は、出力側メンバーシップ関数の説明図である。
【図６】 実評価データを入力した際における破断危険度を評価する入力側メンバーシップ関数の説明図である。
【図７】 入力側メンバーシップ関数の面積を代入した、破断危険度を評価する出力側メンバーシップ関数の説明図である。
【図８】 本実施の形態の一例を示すブロック図である。
【図９】 本実施の形態の動作の一例を示すフローチャート図である。
【図１０】 本実施の形態のファジー推論の動作フローチャート図である。
【図１１】 実施結果を示すグラフである。
【図１２】 実施結果を示す棒グラフである。
【符号の説明】
１０ ダイ
１０ａ 第１空間
１０ｂ 第２空間
１２ 押込み力付与部
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブ・ハイドロフォーミング装置及びチューブ・ハイドロフォーミング方法に関する。
【０００２】
【技術的背景】
成形加工の一形態として、チューブ・ハイドロフォーミングが提案されている。チューブ・ハイドロフォーミングの手順の一例を以下に略示する。
成形を行うダイに、成形対象である素管（チューブ・ブランク）を装着する。ダイは、素管を装着する第１空間と、第１空間に連通する第２空間とを有している。素管は、ダイの第１空間の外周側に配置される。次に、素管内に流体を流入させて内圧を作用させる。すると、素管の所定部が第２空間へと張り出すように変形する。このように素管を変形させることで、所望する形状の成形品を得る。
素管に内圧を作用させるのと同時に、素管の軸方向片側又は両側に配置された押込み力付与部によって、素管に軸方向の押込み力を作用させて、素管を変形させる場合もある。
上記のようなチューブ・ハイドロフォーミングによって成形された製品が、自動車部品等に採用され始めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
チューブ・ハイドロフォーミングは、比較的新しい技術であり、種々の技術的課題が残されている。
例えば、加工中に素管が座屈して、素管の所定部が第２空間へとスムーズに張り出さないことがある。座屈が生じると、所望の形状が得られなくなる。
このような素管の座屈が生じないように、素管に付与する力を減らすまたは内圧を増加させるなど、試行錯誤を重ねているのが現状である。素管に付与する力を減らせば、座屈は生じにくくなるものの、十分な変形量が得られない。また、生産性も低下する。さらに、素管に付与する内圧または力が大きすぎると、加工中に素管が破断してしまうことがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、熟練者でなくても所望の形状の成形品を得ることができるチューブ・ハイドロフォーミング装置及びチューブ・ハイドロフォーミング方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的を達成するために、本発明は、加工対象物である素管を装着される第１空間及び前記第１空間の外周側に配置されるとともに前記第１空間に連通する第２空間を有するダイと、前記素管内に流体を流入させて内圧を作用させる内圧付与手段と、実加工時に前記素管の前記第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量を計測する計測手段と、前記素管に付与する力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す目標加工曲線のデータと、前記素管に実際に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す実測加工曲線と前記目標加工曲線との偏差に関連付けされた評価関数から得られる評価関数データとを含むファジー制御用基礎データを記憶する記憶手段と、実加工時に前記素管に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を前記計測手段を用いて実測データとして取得するとともに、前記記憶手段からファジー制御用基礎データを読み出し、読み出された基礎データに含まれる目標加工曲線のデータと前記実測データとの偏差に関連付けた実時間評価データを求め、求めた実時間評価データと読み出された前記基礎データに含まれる評価関数データとに基づいて前記内圧付与手段をフィードバック制御する制御手段とを備えたことを特徴とするチューブ・ハイドロフォーミング装置である。
上述のチューブ・ハイドロフォーミング装置は、前記素管の軸方向片側又は両側に配置されて前記素管に軸方向の押込み力を作用させる押込み力付与手段を更に備えて、前記制御手段によって、前記求めた実時間評価データと読み出された基礎データに含まれる評価関数データとに基づいて前記内圧付与手段及び押込み力付与手段の少なくとも一方をフィードバック制御することが好ましい。
【０００５】
本発明においては、素管を実際に加工する場合に、計測手段を用いて、前記素管の前記第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量とをリアルタイムで計測し、この測定データを取得する。そして、前記記憶手段から、読み出されたファジー制御用基礎データと前記実測データとを用いて内圧や押込み力あるいは押込み変位をフィードバック制御する。
具体的には、読み出された基礎データに含まれる目標加工曲線のデータと、実測されたデータとの偏差に関連付けた実時間評価データをリアルタイムで求める。そして、求めた実時間評価データと、ファジー制御用基礎データに含まれる前記評価関数とに基づき、内圧や押込み力あるいは押込み変位をフィードバック制御する。
本発明によれば、実加工時に第２空間へと張り出す素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量を計測することで、チューブ・ハイドロフォーミングにフィードバック制御を適用したので、熟練者でなくても、座屈や破断を回避しつつ所望の成形品を得ることができる。
【０００６】
また、前記ファジー制御用基礎データは、素管の種別及び加工条件毎にデータベース化され、前記制御手段は、上記データベースから素管の種別及び加工条件に適合するファジー制御用基礎データを読み出し、上記フィードバック制御を行うことが好ましい。
このように、素管の種別及び加工条件毎にファジー制御用基礎データをデータベース化しておくことにより、素管の種別が異なった場合でも、またその加工条件が異なった場合でも、最適なファジー制御基礎データを選択し、当該種別及び加工条件に合わせた最適なフィードバック制御を行うことができる。特に、多品種少量生産を行う場合に、これらの製品をその品質を損なうことなく効率よく生産することが可能となる。
上述のチューブ・ハイドロフォーミング装置により実行されている方法も本発明である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、チューブ・ハイドロフォーミング装置の要部を示す概念図である。図中、左側に、加工前の素管２０の様子が示され、右側に、加工中の素管２０の様子が示されている。
チューブ・ハイドロフォーミング装置は、ダイ１０と、内圧付与部（図示せず）と、押込み力付与部１２と、センサ群（図示せず）とを備えている。
ダイ１０は、素管２０を装着される第１空間１０ａと、素管２０の所定部を張り出させるための第２空間１０ｂとを有している。第２空間１０ｂは、第１空間１０ａの外周側に配置されるとともに第１空間１０ａに連通している。ここでは、第２空間１０ｂが、第１空間１０ａの延びる方向（図では横方向）に対して垂直な方向（図では縦方向）に延びている。また、第１空間１０ａと第２空間１０ｂとの接続箇所の角部が、所定の半径Ｒ（例えばＲ１０ｍｍ）で丸められている。
成形対象の素管の形態としては、上述の円筒状のもの以外にも、角筒状のもの等であってもよい。
ダイの形態は、図示の形態に限定されるものではない。例えば、第２空間の延びる方向が、第１空間の延びる方向に対して鋭角又は鈍角を形成するように、傾斜していてもよい。第２空間が、第１空間の外周にリング状に配置されていてもよい。また、第２空間は複数でもよく、さらに、第１空間や第２空間が段差を有していてもよい。
内圧付与部としては、圧縮空気、水、油等の流体を用いて素管に内圧を作用させるものであればよい。押込み力付与部としては、エアシリンダや油圧シリンダ等のシリンダ・アクチュエータを用いたもの等がある。センサ群は、接触子を用いた機械的な変位センサや、レーザ変位センサ等の非接触変位センサ等の変位を測定できるものである。
【０００８】
図１に示したダイでは、第１空間１０ａ及び第２空間１０ｂが、それぞれ円筒状に形成されている。第１空間１０ａの直径Ｄ１は、素管２０の外径より若干大きいが、素管２０の外径とほぼ同等である。例えば、第１空間１０ａの直径Ｄ１及び第２空間１０ｂの直径Ｄ２を、素管の直径と同等の４０〜５０ｍｍ程度にすることができる。素管２０の材質としては、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）を採用でき、素管２０の肉厚は０．８ｍｍ程度とすることができる。
【０００９】
内圧付与部（図示せず）は、素管２０内に高圧の流体（例えば水）を流入させて内圧を作用させる。押込み力付与部１２は、素管２０を軸方向に押し縮めるような押込み力を付与する。押込み力付与部１２は、素管２０の両側に配置されるタイプでもよい。
内圧付与部で素管２０に流体により内圧をかけつつ、押込み力付与部１２により素管２０を軸方向に押し込むと、素管２０の所定部が第２空間１０ｂへと張り出す。正常にチューブ・ハイドロフォーミングが行われた際には、張出し量の最大値ΔＨは、第２空間１０ｂの中央部付近で計測される。すなわち、素管２０の張り出した部分は、その中央部が最も高く、周縁部が最も低くなる。
センサ群（図示せず）は、素管２０の第２空間１０ｂへと張り出した部分の、中央部の高さ（張出し量）と周縁部の高さとを計測する。
【００１０】
図２は、素管２０の第２空間１０ｂに張り出した部分における、中央部の高さＲｃと、周縁部の高さＲｂとの差ΔＲ（＝Ｒｃ−Ｒｂ）を示す図である。
正常にチューブ・ハイドロフォーミングが行われた際には、ΔＲは正の値となり、押込み量ΔＬが大きくなるにつれて、ΔＲ及びΔＨも大きくなる。一方、ΔＲが負の値となる（図２参照）と、押込み量ΔＬがある程度大きくなった時点で素管２０が座屈する。座屈は、押込み力が強すぎるときに生じる傾向がある。
【００１１】
図３は、素管の第２空間へと張り出す部分の張出し量の最大値（ΔＨ）と、素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との差（Ｒｃ−Ｒｂ＝ΔＲ）との関連付けで、目標加工曲線と実測加工曲線を示している。目標加工曲線は、例えば、所定の設定条件（例えば、板厚不変、体積一定等）に基づいた有限要素解析法（ＦＥＭ）により求められるもので、実測加工曲線は、実測により求められるものである。この実測曲線は、例えば、軸方向の押込み力をパラメータとし、パラメータを加減して実測を繰り返すことで、複数の実測加工曲線が求められる。
図３では、ΔＲとともにΔＨがスムーズに増加する場合（目標加工曲線）のときより押込み力が強くなると、矢印Ａで示すように、ΔＲが目標加工曲線ほど増加しない曲線（実測加工曲線）に従うようになり、さらに押込み力が強すぎると素管２０が座屈することを示している。
【００１２】
本実施の形態の特徴は、素管２０の実際の加工時に、センサ群を用いて、ΔＲ及びΔＨをリアルタイム測定し、この測定値に基づきファジー推論の手法を用いて、押込み力Ｆをフィードバック制御することにある。
特に、本実施の形態では、予め素管２０の種類及び加工条件毎に、ファジー制御用基礎データを作成してこれをデータベース化して記憶しておき、実際に加工する素管２０の種類及び加工条件に合わせて最適なファジー制御用基礎データを読み出し、これを利用して素管２０に座屈や破断を発生させることなく、効率良くチューブ・ハイドロフォーミングを実現するように、押込み力Ｆをフィードバック制御する。
特に、本実施の形態の手法では、成形品の多品種少量生産を行う場合でも、使用する素管２０の種別及び加工条件に適合したファジー制御用基礎データを用いることにより、この多品種少量生産を品質を維持しつつ高い生産効率で実現可能である。
【００１３】
以下に、本実施の形態のファジー制御のための原理を説明する。
まず、加工対象物である素管（以下、ブランクともいう）２０の種別及び加工条件を変えながら、加工対象物の種別及び加工条件毎にファジー制御用基礎データを求め、これをデータベース化する手法について説明する。次に、このデータベースを用い、実際に加工対象物を加工成形する手法について説明する。
【００１４】
（データベースの構築）
第１段階
まず、対象となる種別のブランク２０に対して、その板厚、体積を一定と仮定する。そして、チューブ・ハイドロフォーミング時のブランク２０のΔＨ及びΔＲを変数として、有限要素解析（ＦＥＭ）の手法を用い、図３に示したような目標加工曲線を求める。
【００１５】
第２段階
次に、ブランク２０を一定の押込み力Ｆで実際にチューブ・ハイドロフォーミングし、このときのΔＨとΔＲとの関連付けを表す実測加工曲線を求める。この実測加工曲線は、押込み力Ｆをパラメータとして複数求める。
押込み力Ｆを高くすればするほど、実測加工曲線は、目標加工曲線から離れていく。
【００１６】
第３段階
図３に示すように、前記第１段階で求めた目標加工曲線と、第２段階で求めた実測加工曲線との偏差φを、座屈の危険度を示す第１の評価関数φとして求める。
そして、この評価関数φの最小値をφａとして求め、実測加工曲線に従ってΔＲを大きくしてみたときに、ブランク２０に座屈が発生する座屈発生ポイントの位置における評価関数φを、φｂとして求める。
本実施の形態において、この第１の評価関数φから得られるφａ、φｂを第１の評価関数データと定義する。
このようにして求めた第１の評価関数データφａ、φｂに基づき、図４（ａ）に示す座屈危険度を評価するための入力側メンバーシップ関数μφを生成し、このメンバーシップ関数μφを用いて後述する座屈の評価を行う。
【００１７】
第４段階
さらに、評価の信頼性を向上させるために、前述した第３段階で求めた第１の評価関数φの微分値φ’を第２の評価関数として求め、さらにその微分値φ’の最小値φ’ａ及び最大値φ’ｂを求め、これらを第２の評価関数データと定義する。
そして、このようにして求めた第２の評価関数データφ’ａ、φ’ｂに基づき、図４（ｂ）に示す座屈危険度を評価するための入力側メンバーシップ関数μφ’を生成し、これを用いて座屈の評価を行う。
評価関数φが大きくなるほどこの危険度が増加し、φｂと一致するときが、危険度最大となる。逆にφａと一致する場合は、危険度が最小となる。
また、φの微分成分φ’は、加工中の押し込み力が座屈危険度の高い方向（φｂ方向）あるいは低い方向（φａ方向）のいずれの方向に変化しているかを表しており、φ’がφ’ｂと一致するときは危険度最大となり、φ’ａと一致するときが危険度最小となる。
これら図４（ａ）に示すメンバーシップ関数と、図４（ｂ）に示すメンバーシップ関数を組み合わせた評価を行うことにより、本実施の形態では、実加工時におけるブランク２０の座屈の危険度をより正確に評価することができる。
【００１８】
第５段階
以上のように、第１〜第４段階で求めた目標加工曲線、第１の評価関数φ、その最小値φａ及び最大値φｂを表す第１の評価関数データ、第２の評価関数φ’、その最小値φ’ａ及び最大値φ’ｂを表す第２の評価関数データ、これら第１及び第２の評価関数データからそれぞれのメンバーシップ関数μφ、μφ’を生成するためのデータを、ファジー制御用基礎データとして、ブランク２０の種別及び加工条件に関連付けてデータベース化する。
【００１９】
以上のように、第１〜第５の段階の処理を繰り返して行い、各種材料のブランク２０毎に、その加工条件を変えて、ファジー制御用基礎データを求め、このようにして求めたデータに基づきデータベースを予め構築する。
【００２０】
（ファジー推論規則）
次に、前述したように求めたブランク２０の種別及び加工条件毎に対応付けられたファジー制御用基礎データを用い、実際の加工時に、押込み力Ｆをフィードバックするためのファジー推論規則について説明する。
【００２１】
第１段階
前述のデータベースから、実際に加工するブランク２０の種別及び加工条件に対応付けられたファジー制御用基礎データを読み出し、図５（ａ）（図４（ａ）、（ｂ））に示す第１の評価関数に基づくメンバーシップ関数μφと、第２の評価関数に基づく入力側メンバーシップ関数μφ’を用意する。
【００２２】
第２段階
ブランク２０を、その加工条件に従って図１に示すように実際にチューブ・ハイドロフォーミングする際に、ΔＲを算出するために図２に示す中央部の高さ（張り出し量）Ｒｃと周縁部の高さＲｂををリアルタイム測定する。
そして、図１に示す張出し量ΔHを測定し、この測定値ΔHに対応付けられた目標加工曲線におけるΔRと、実測により得られたΔRとの偏差φを第１の実時間評価データとして求める。
さらに、この第１の実時間評価データφの微分値φ’を第２の実時間評価データとして求める。
【００２３】
第３段階
図５（ｂ）には、このようにして求めた実時間評価データφ、φ’から、押込み力付与部１２の押込み力Ｆの変化量ΔＦを推定する、ｉｆ−ｔｈｅｎルールが示されている。図５（ｂ）において、左側のｉｆ（φ、φ’）は、このファジー推論規則の入力条件を表し、右側のｔｈｅｎ（ΔＦ）はその出力を表しており、その値は、具体的には図５（ｃ）の出力制御用メンバーシップ関数の出力に反映される。
例えば、実測により求められた第１、第２の実時間評価データが図４に示すようなφ、φ′である場合を想定する。この場合、図５（ｂ）に示すｉｆ−ｔｈｅｎルールの入力側メンバーシップ関数の面積を求める。具体的には、図６に示すように、実時間評価データφ、φ’によって特定される入力側メンバーシップ関数μφ、μφ’の三角形９１、三角形９２、三角形９３、三角形９４の面積をＡφＬ、ＡφＳ、Ａφ’Ｌ、Ａφ’Ｓとして求める。
【００２４】
第４段階
次に、前述したように求めた各三角形の面積である各部分ファジー集合（ＡφＬ、ＡφＳ、Ａφ’Ｌ、Ａφ’Ｓ）の面積を算出し、ｉｆ−ｔｈｅｎルールに従って、図に示すように、出力値決定用のメンバーシップ関数に代入する。
すなわち、図６に示す入力側メンバーシップ関数の面積を図７に示す出力側メンバーシップ関数に代入する。図７において、出力値決定用メンバーシップ関数のΔＦＬＬ、ΔＦＬＳ、ΔＦＳＬ、ΔＦＳＳの代入エリアは、台形９６、台形９７、台形９８、台形９９で示す領域となる。これら各領域９６、９７、９８、９９の面積は、ＡＬＬ、ＡＬＳ、ＡＳＬ、ＡＳＳである。
具体的には、以下の式で表される。
ＡＬＬ＝ＡφＬ＋Ａφ’Ｌ
ＡＬＳ＝ＡφＬ＋Ａφ’Ｓ
ＡＳＬ＝ＡφＳ＋Ａφ’Ｌ
ＡＳＳ＝ＡφＳ＋Ａφ’Ｓ
【００２５】
次に、出力値決定用のメンバーシップ関数に代入された部分ファジー集合（領域９６〜９９の面積）から重心法により押込み力の制御値ΔＦを求める。
本実施の形態では、図７に示す出力値決定用メンバーシップ関数の各領域９６〜９９の面積ａ、重心ｇを求め、次式に基づきこの重心位置Ｇをフィードバック制御される押込みＦの可変量ΔＦとして演算により求める。
ΔＦ＝Σａｎｇｎ／Σａｎ
（Σａｎ＝ＡＬＬ∪ＡＬＳ∪ＡＳＬ∪ＡＳＳ）
なお、ａｎは出力値決定用メンバーシップ関数の部分ファジー集合を任意に分割した領域の面積、ｇｎはその領域の重心を示す。
【００２６】
第５段階
このようにして求めたΔＦは、ブランク２０を実際にチューブ・ハイドロフォーミングしているときに、座屈を引き起こすことのない最適な押込み力Ｆを得るための変化量を表す。
【００２７】
従って、このようにして、リアルタイムでファジー推論された変化量ΔＦ分だけ、押込み力付与部１２の押込み力Ｆをフィードバック制御することにより、座屈を発生させることなく最適な押込み力で効率良くチューブ・ハイドロフォーミングができる。
【００２８】
図８には、前述した原理を用い、押込み力Ｆをフィードバック制御するための構成の機能ブロック図が示されている。
本実施の形態のチューブ・ハイドロフォーミング装置は、各種部分における計測を行うセンサ群６０と、各種部分を駆動するアクチュエータ群７０と、制御部５０と、記憶部４０とを含んで構成される。制御部５０および記憶部４０は、コンピュータ・システムに実装されている。
【００２９】
前記センサ群６０は、Ｒｃ測定センサ６２、Ｒｂ測定センサ６４、ΔＨ測定センサ６６及びその他のセンサを含んで構成される。Ｒｃ測定センサ６２にΔＨ測定センサ６６とを同一のセンサとすることもできる。
アクチュエータ群７０は、各部を駆動する複数のアクチュエータを含んで構成され、具体的には、内圧付与部からの流体による内圧の発生や、押込み力付与部による押込み力Ｆを発生させる。これらのアクチュエータ群７０は制御部により制御されるように構成されている。
記憶部４０には、前述した、加工対象物であるブランク２０の種別及び加工条件毎に作成されたファジー制御用基礎データがデータベース化して記憶されている。
制御部５０は、実際のブランク２０の加工時に、当該ブランク２０の種別及び加工条件に適合するファジー制御用基礎データを、記憶部４０に記憶されたデータベースから読み出す基礎データ読出部５２と、この読み出したファジー制御用基礎データと、前記センサ６２〜６６によりリアルタイム測定されるΔＲ及びΔＨとに基づき、押込み力Ｆを計算する実時間評価データ演算部５４と、計算された押込み力Ｆに従って、アクチュエータ群７０を駆動するアクチュエータ駆動部５６とで構成されている。この制御部５０により、当該ブランク２０の種別及び加工条件に適合するファジー制御用基礎データを、記憶部４０に記憶されたデータベースから読み出して、前述したファジー推論の手法に従ってフィードバック制御する。
【００３０】
図９には、本実施の形態のチューブ・ハイドロフォーミング装置の動作フローチャートが示されている。
本実施の形態を用いて、図１に示すように、ブランク２０を加工する場合には、まず、オペレータが、加工に先立って加工対象物となるブランク２０の種別（例えば、材料）を指定するとともに（ＳＴ１１０）、当該ブランク２０の加工条件を指定する（ＳＴ１１１）。
このような種別及び加工条件の入力は、例えば、制御部５０が実装されているコンピュータ・システムのディスプレイ上に選択画面として表示し、オベレータはこれを適宜画面上において選択して行うように構成することができる。
ブランク２０の種別及び加工条件が入力されると、制御部５０は基礎データ読出部５２により、これら種別及び加工条件に適合したファジー制御用基礎データを記憶部４０のデータベースから読み出す（ＳＴ１１２）。
【００３１】
このような一連の処理が終了すると、制御部５０は、内圧負荷を開始させ（ＳＴ１１３）、押込み力負荷を開始させ（ＳＴ１１４）、ファジー推論処理を行い（ＳＴ１１６）、押込み力の変化量ΔＦをフィードバック制御する（ＳＴ１１７）という一連の処理を、加工終了と判断する（ＳＴ１１５）まで繰り返して行う。
この一連の処理（ＳＴ１１３〜ＳＴ１１７）を行うことにより、制御部５０が、フィードバック制御として機能し、アクチュエータ群７０を駆動する。
【００３２】
図１０は、前述したファジー推論（ＳＴ１１６）の詳細を表すフローチャートである。この一連の処理は、制御部５０が有する、実時間評価データ演算部５４により行われる。
まず、センサ群６０からＲｃ，Ｒｂ，ΔＨのリアルタイム測定値を取得し（ＳＴ１３０）、目標加工曲線と実測データとの偏差から第１、第２の実時間評価データφ、φ’を算出する（ＳＴ１３１）。そして、実時間評価データφ、φ’を入力側のメンバーシップ関数μφ、μφ’の入力値として用い、入力側メンバーシップ関数の部分ファジー集合の面積ＡφＬ、ＡφＳ、Ａφ’Ｌ、Ａφ’Ｓを求める（ＳＴ１３２）。
そして、図５（ｂ）に示すｉｆ−ｔｈｅｎルールに基づく判断処理を行い（ＳＴ１３３）、この判断ルールに従って前述した入力側メンバーシップ関数の各部分ファジー集合の面積（ＡφＬ、ＡφＳ、Ａφ’Ｌ、Ａφ’Ｓ）を、図７に示すように、出力側メンバーシップ関数に代入する処理を行う（ＳＴ１３４）。
図７に示す出力値決定用メンバーシップ関数の代入面積の重心位置Ｇを特定し、この重心位置Ｇを、押込み力の変化量ΔＦとして求める（ＳＴ１３５）。
【００３３】
【実施例】
図１に示したようなチューブ・ハイドロフォーミング装置を用いて、上述のようなフィードバック制御に基づく押込み力で素管を変形させた場合（実施例）と、フィードバック制御を行わずに一定速度の押込み力で素管を変形させた場合（比較例）とを比較する実験を行った。なお、内圧は、両者とも、同様に線形増加させた。素管の材質はＳＵＳ３０４、Ｌ＝１００ｍｍ、肉厚＝０．８ｍｍであり、ダイの寸法はＤ１＝Ｄ２＝４２．７ｍｍ、Ｒ＝１０ｍｍであった。
結果を図１１のグラフに示す。
【００３４】
図１１において、下側の「座屈」と書かれた領域は、内圧Ｐが低いのに対して押込み量ΔＬが大きすぎて座屈する可能性が高いことを示し、上側の「破断」と書かれた領域は、内圧Ｐを高くしても変形量が大きいため破断する可能性が高いことを示している。
実施例では、最初、押込み速度を低減して、座屈発生を回避していることがわかる。結局、実施例では、押込み量ΔＬをかなり大きくするまで破断が生じなかった。
図１２の棒グラフに示すように、実施例は、比較例に対しておよそ１４０％のΔＨを達成できた。
【００３５】
なお、本発明は前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。例えば、内圧に対してフィードバック制御することもできる。また、押込み力あるいは押込み変位だけでなく、内圧もフィードバック制御することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熟練者でなくても所望の形状の成形品を得ることができるチューブ・ハイドロフォーミング装置及びチューブ・ハイドロフォーミング方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態であるチューブ・ハイドロフォーミング装置の要部断面図である。
【図２】 座屈が生じる様子を説明する図である。
【図３】 目標加工曲線、実測加工曲線を示すグラフである。
【図４】 入力側メンバーシップ関数の説明図である。
【図５】 （ａ）は、入力側メンバーシップ関数の説明図であり、（ｂ）は、ファジー推論のｉｆ−ｔｈｅｎルールの説明図であり、同図（ｃ）は、出力側メンバーシップ関数の説明図である。
【図６】 実評価データを入力した際における破断危険度を評価する入力側メンバーシップ関数の説明図である。
【図７】 入力側メンバーシップ関数の面積を代入した、破断危険度を評価する出力側メンバーシップ関数の説明図である。
【図８】 本実施の形態の一例を示すブロック図である。
【図９】 本実施の形態の動作の一例を示すフローチャート図である。
【図１０】 本実施の形態のファジー推論の動作フローチャート図である。
【図１１】 実施結果を示すグラフである。
【図１２】 実施結果を示す棒グラフである。
【符号の説明】
１０ ダイ
１０ａ 第１空間
１０ｂ 第２空間
１２ 押込み力付与部
Claims (6)
- 加工対象物である素管を装着される第１空間及び前記第１空間の外周側に配置されるとともに前記第１空間に連通する第２空間を有するダイと、
前記素管内に流体を流入させて内圧を作用させる内圧付与手段と、
実加工時に前記素管の前記第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量とを計測する計測手段と、
前記素管に付与する力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す目標加工曲線のデータと、前記素管に実際に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す実測加工曲線と前記目標加工曲線との偏差に関連付けされた評価関数から得られる評価関数データとを含むファジー制御用基礎データを記憶する記憶手段と、
実加工時に前記素管に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を前記計測手段を用いて実測データとして取得するとともに、前記記憶手段からファジー制御用基礎データを読み出し、読み出された前記基礎データに含まれる目標加工曲線のデータと前記実測データとの偏差に関連付けた実時間評価データを求め、求めた実時間評価データと読み出された基礎データに含まれる評価関数データとに基づいて前記内圧付与手段をフィードバック制御する制御手段と
を備えたことを特徴とするチューブ・ハイドロフォーミング装置。 - 加工対象物である素管を装着される第１空間及び前記第１空間の外周側に配置されるとともに前記第１空間に連通する第２空間を有するダイと、
前記素管内に流体を流入させて内圧を作用させる内圧付与手段と、前記素管の軸方向片側又は両側に配置されて前記素管に軸方向の押込み力を作用させる押込み力付与手段と、
実加工時に前記素管の前記第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量とを計測する計測手段と、
前記素管に付与する力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す目標加工曲線のデータと、前記素管に実際に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す実測加工曲線と前記目標加工曲線との偏差に関連付けされた評価関数から得られる評価関数データとを含むファジー制御用基礎データを記憶する記憶手段と、
実加工時に前記素管に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を前記計測手段を用いて実測データとして取得するとともに、前記記憶手段からファジー制御用基礎データを読み出し、読み出された基礎データに含まれる目標加工曲線のデータと前記実測データとの偏差に関連付けた実時間評価データを求め、求めた実時間評価データと読み出された基礎データに含まれる評価関数データとに基づいて前記内圧付与手段及び押込み力付与手段の少なくとも一方をフィードバック制御する制御手段と
を備えたことを特徴とするチューブ・ハイドロフォーミング装置。 - 前記記憶手段は、前記素管の種別及び種別に関連付けられた加工条件の少なくとも一方の項目毎にデータベースとして前記ファジー制御用基礎データを記憶しており、
前記制御手段は、前記記憶手段のデータベースから前記素管の項目に適合する前記ファジー制御用基礎データを読み出すことを特徴とする請求項１又は２に記載のチューブ・ハイドロフォーミング装置。 - 加工対象物である素管を装着される第１空間及び前記第１空間の外周側に配置されるとともに前記第１空間に連通する第２空間を有するダイに前記素管を装着し、前記素管に力を付与することで素管を変形させるチューブ・ハイドロフォーミング方法であって、
前記素管に付与する力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張 出し量と周縁部の張出し量との関係を表す目標加工曲線のデータと、前記素管に実際に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す実測加工曲線と前記目標加工曲線との偏差に関連付けされた評価関数から得られる評価関数データとを含むファジー制御用基礎データを記憶しておき、
前記素管内に流体を流入させて内圧を作用させつつ、前記素管の前記第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量とを計測し、
実加工時に前記素管に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を実測データとして取得するとともに、ファジー制御用基礎データを読み出し、読み出された基礎データに含まれる目標加工曲線のデータと前記実測データとの偏差に関連付けた実時間評価データを求め、求めた実時間評価データと読み出された基礎データに含まれる評価関数データとに基づいて前記内圧をフィードバック制御する
ことを特徴とするチューブ・ハイドロフォーミング方法。 - 加工対象物である素管を装着される第１空間及び前記第１空間の外周側に配置されるとともに前記第１空間に連通する第２空間を有するダイに前記素管を装着し、前記素管に力を付与することで素管を変形させるチューブ・ハイドロフォーミング方法であって、
前記素管に付与する力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す目標加工曲線のデータと、前記素管に実際に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を表す実測加工曲線と前記目標加工曲線との偏差に関連付けされた評価関数から得られる評価関数データとを含むファジー制御用基礎データを記憶しておき、
前記素管内に流体を流入させて内圧を作用させるとともに前記素管に軸方向の押込み力を作用させつつ、前記素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量の変形量を計測し、
実加工時に前記素管に付与された力とその力による素管の第２空間へと張り出す部分の、中央部の張出し量と周縁部の張出し量との関係を実測データとして取得するとともに、ファジー制御用基礎データを読み出し、読み出された前記基礎データに含まれる目標加工曲線のデータと前記実測データとの偏差に関連付けた実時間評価データを求め、求めた実時間評価データと読み出された基礎データに含まれる評価関数データとに基づいて前記内圧及び押込み力の少なくとも一方をフィードバック制御する
ことを特徴とするチューブ・ハイドロフォーミング方法。 - 前記素管の種別及び種別に関連付けられた加工条件の少なくとも一方の項目毎にデータベースとして前記ファジー制御用基礎データを記憶しており、前記データベースから前記素管の項目に適合する前記ファジー制御用基礎データを読み出すことを特徴とする請求項４又は５に記載のチューブ・ハイドロフォーミング方法。
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