JP4713202B2 - Multi-axis micromachining method and apparatus - Google Patents
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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。 The present invention relates to a multiaxis micromachining method and apparatus, and more particularly to a multiaxis micromachining method and apparatus using a parallel link.
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。
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。 However, when using a press machine, after finishing the press, manual finishing by skilled workers is necessary, and ultimately, there is a problem in terms of cost and work speed because it is necessary to rely on human hands. In addition, there is a problem that the press technology has a difficulty in obtaining the accuracy of the product.
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。
On the other hand, a sequential (incremental) processing method that has been put to practical use as a kind of precision drawing has the advantage that the mold is only required on one side and is excellent in cost. However, with this manufacturing method, it is difficult to meet demands for fine design characteristics such as sharp outlines. For example, as shown in FIG. There is a problem in that a gap 4 is formed between the
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。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide a multi-axis micro-machining method and apparatus using a parallel link capable of realizing high-precision and good finishing in the manufacture of products. It is to be. The present invention is aimed at CAM for skilled worker finishing techniques, and aims to fuse on-machine finishing with a sequential machine with a high degree of freedom.
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。 In order to achieve the above object, in the present invention, as a multi-axis micromachining method, the punch connected to the parallel link is moved at an arbitrary position and angle, and the plate material placed between the punch and the die is moved with respect to the die. In the method of pressing, the plate material is placed on one die, and the punch is swung by a parallel link according to the processing conditions, or sequentially replaced without changing the die. Features.
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。 In carrying out such a processing method, in the present invention, a load cell is arranged in the punch, the force F applied to the punch is detected, the position X of the punch is obtained by reverse motion calculation, and the force F applied to the punch and the position of the punch are determined. From X, the average spring constant K = F / X or the value of the spring constant ΔK = ΔF / ΔX at each time point is obtained, and the point at which K or ΔK becomes small is obtained to determine the elastic range / A processing method to estimate the progress of the plastic zone is proposed.
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。 Further, in the present invention, when performing the processing method of the present invention, the force F applied to the punch is alternately applied from F = 0 to F = Fmax, and the deformation of the plate material is obtained by the movement of the punch. We propose a machining method that performs machining while estimating the above.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the product process using a die | dye, it can respond to the request | requirement of fine design properties, such as a sharp outline matched with the shape of a die | dye.
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。 Further, according to the present invention, it is possible to realize accuracy and finish close to skilled worker finishing in product processing.
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。 In addition, according to the present invention, it is possible to achieve multi-functionality by integrating on-machine finishing with a multi-axis micromachining apparatus of a sequential machining type with a high degree of freedom.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of a multi-axis micromachining apparatus using a parallel link according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a machining head which is a main part of the multi-axis micromachining apparatus shown in FIG. It is a perspective view which expands and shows a part.
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。
As shown in FIG. 1, the multi-axis micromachining apparatus according to the embodiment of the present invention is roughly divided into a
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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。
As shown in more detail in FIG. 2, the
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。 There are various examples of the 6-axis parallel link mechanism other than those shown in FIGS. 1 and 2. For example, a 6-axis parallel link motion base manufactured by Tokyo Seimitsu Keiki Co., Ltd. driven by a hydraulic cylinder system is used. You can also The 6-axis parallel link motion base is a product name.
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。
Further, in the
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。 The operation of the multi-axis micromachining apparatus using the parallel link having such a configuration will be described below.
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。
First, the operation of the 6-axis parallel link mechanism will be schematically described. For example, the state shown in FIG. 1 is a state in which the
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。 The operation of processing a product using the motion of the parallel link mechanism as described above will be described below. 3 to 8 show the operation when the plate material is squeezed and applied to a die in the present embodiment. FIG. 3 is a perspective view showing a plate material (Blank) used for the above-mentioned drawing process. FIG. 4 is a perspective view showing a die as a female die used for the squeezing process. FIG. 5 is a perspective view showing the state of the operation of the tool during the machining operation in the drawing process. FIG. 6 is a perspective view showing a state in which the tool is changed during the processing in the same processing. FIG. 7 is a perspective view showing a state in which the tool is further replaced with another one during the processing operation in the same processing. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state in which the forming process is executed without a gap at the corner portion of the die by the narrowing process of the present invention.
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。
In FIG. 3, various materials such as aluminum, stainless steel, and copper are used as the material of the
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。 In this way, by performing processing by the multi-axis micromachining apparatus using the parallel link according to the present embodiment, in the present invention, as shown in FIG. Processing is executed, sharp outlines can be displayed on the product, and fine design requirements can be met.
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。
In driving the
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。 Further, in the present embodiment, when performing the processing method of the present invention, the force F applied to the punch is alternately applied from F = 0 to F = Fmax, and the deformation of the plate material is determined by the movement of the punch, Machining can also be performed while estimating the plastic deformation level.
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。 By using the technology as described above, a so-called one-stop order can be made for a processing company in a small-lot, low-volume prototype production business, and the efficiency of processing work can be improved. In addition, the number of mold manufacturing steps can be reduced as much as possible, and the finishing / correcting process can be changed from manual finishing to machining, resulting in a significant productivity improvement. Further, in detecting the force F and the like, not only the machining status and machining results are detected from the actual machine, but also physical quantities (reaction force and displacement) from the machining model built on the computer. It can also be used as a machining simulator by sending the result directly to the machining device and presenting the control amount to enhance the realistic feeling of the operation or reflecting the skill of skilled workers by delicate manual work .
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。 As an actual processing machine facility for realizing this, a multi-axis fine processing apparatus (incremental processing machine) using a parallel link mechanism having a high degree of freedom and a high moving speed is suitable.
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。 In product processing using dies, it is possible to meet the demands for fine design such as sharp outlines that match the shape of the dies. In addition, it is possible to achieve accuracy and finish close to skilled worker finishing in product processing, and to achieve multi-functionality by combining on-machine finishing processing with a multi-axis fine processing device of sequential processing type with a high degree of freedom. Can do.
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
DESCRIPTION OF
Claims (1)
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し、
前記パンチによる加工に際して、
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して加工し、次に、
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て加工することを特徴とする多軸微細加工方法。 In the method of moving the punch connected to the parallel link at an arbitrary position and angle and pressing the plate material placed between the punch and the die against the die,
A plate material is placed on one die, and without changing the die, the punch is swung by a parallel link according to the processing conditions, or sequentially replaced and processed .
When processing with the punch,
Place a load cell on the punch, detect the force F applied to the punch,
Find the position X of the punch by reverse motion calculation,
From the force F applied to the punch and the position X of the punch, an average spring constant
K = F / X
Alternatively, the spring constant at each time point
ΔK = ΔF / ΔX
The value of is calculated, the point where K or ΔK becomes small is calculated, the progress of the elastic region / plastic region of the plate material during processing is estimated, and then,
A multi-axis micro-machining method characterized in that a force F applied to the punch is alternately applied from F = 0 to F = Fmax, the deformation of the plate is obtained by the movement of the punch, and the plastic deformation level is estimated to perform the machining. .
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