JP5029800B2

JP5029800B2 - クランクシャフトの高周波焼入れ方法及び高周波焼入れ装置

Info

Publication number: JP5029800B2
Application number: JP2006174005A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎今村; 大明川島; 明彦篠原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: JP2008001956A

Description

本発明は、クランクシャフトの高周波焼入れ方法及び高周波焼入れ装置に関し、特に、ジャーナル中心を回転中心として回転させたクランクシャフトのピンを加熱コイルによって高周波焼入れする方法の改良、及び該クランクシャフトの高周波焼入れ方法に用いられる高周波焼入れ装置に関する。

従来、クランクシャフトのピンを高周波焼入れする場合、クランクシャフトを、ジャーナル中心を回転中心として所定方向へ回転させ、加熱コイルを、該クランクシャフトのピンのジャーナル中心回りの円軌道動作に追従させていた。一般に、高周波焼入れ装置では、加熱コイルとトランス（高周波変流器）とがコイルユニットとして一体に構成されるため、重量物であるトランスをピンの円軌道動作に追従させる必要がある。このため、従来の高周波焼入れ装置では、トランスをピンの動作に追従させる機構（例えば、特許文献１参照。）、延いては設備全体が大型化し、設備コスト及び製造コストを増大させている。また、従来の高周波焼入れ装置では、コイルユニットをピンの動作に追従させる機構（以下、追従機構と称する）を、ピンの偏心量（ジャーナル中心からピンの軸心までの距離）が異なる複数種のクランクシャフトに対応させることが難しく、汎用化が極めて困難である。

そこで、本出願人は、クランクシャフトの両端部を一対の多関節ロボットアームの各ハンド部によって把持し、各ロボットアームの手首を旋回させて該クランクシャフトをジャーナル中心を回転中心として所定方向へ回転させながら、各ハンド部を円軌道で動作させることにより、クランクシャフトを焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として回転させる（以下、クランクシャフトをピン中心で回転させると称する）ことを試みた。これが実用化されれば、高周波焼入れ時にコイルユニットを固定することができ、上記追従機構を廃止して高周波焼入れ装置を小型化、且つ汎用化することが可能になる。ところで、汎用ロボットアームを円軌道で動作させる場合、ロボットコントローラのティーチング機能を用いて該円軌道（ピン中心）を多点教示し、これら教示点をリンク補間することで円軌道を確保するのが一般である。

しかしながら、多点教示には多大な時間と手間とを要し、また、教示精度の影響で教示点に修正が生じた場合、その修正にはさらなる時間を要するため、実用化に向けてティーチング作業を効率化させる必要がある。また、上述したように、多点教示に基づく各ロボットアームの動作の円軌道は、一教示点の姿勢から次の教示点の姿勢へ最短距離で移行するリンク補間であるため、その軌道は正規の円軌道に対して内回りする傾向にある。このため、実用化に向けて一対のロボットアームの動作精度を高める必要がある。さらに、一対のロボットアームを用いた当該システムの実用化には、高周波焼入れ中のクランクシャフトの熱膨張によるピンの位置ずれ（変位）を対策する必要がある。
特開２００４−２２５０９２号公報

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、第１の目的は、設備の小型化と汎用化とを両立することが可能なクランクシャフトの高周波焼入れ方法を提供することにある。
また、第２の目的は、設備の小型化と汎用化とを両立することが可能なクランクシャフトの高周波焼入れ装置を提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載のクランクシャフトの高周波焼入れ方法は、クランクシャフトの両端部を一対のロボットアームのハンド部によって把持すると共に、該クランクシャフトの焼入れの対象となるピンを加熱コイルに配設された少なくとも３個のガイドチップに接触させ、この状態で、前記各ロボットアームの手首を旋回させながら、前記各ハンド部を円軌道で動作させることにより、前記クランクシャフトを前記焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として回転させ、前記焼入れの対象となるピンを高周波焼入れすることを特徴とするクランクシャフトの高周波焼入れ方法。

上記第２の目的を達成するために、本発明のうち請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載のクランクシャフトの高周波焼入れ方法に用いられる高周波焼入れ装置であって、一対のハンド部によって前記クランクシャフトの両端部を把持する一対のロボットアームと、加熱コイルに配設されて前記クランクシャフトの焼入れの対象となるピンに接触される少なくとも３個のガイドチップと、を具備し、前記一対のロボットアームは、前記焼入れの対象となるピンに前記各ガイドチップが接触された状態で、前記各ロボットアームの手首を旋回させながら、前記各ハンド部を円軌道で動作させることにより、前記クランクシャフトを前記焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として回転させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の高周波焼入れ装置において、クランクシャフトを各ハンド部によって把持すると共に、該クランクシャフトの焼入れの対象となるピンを加熱コイルに配設された各ガイドチップに接触させた状態を、ロボット制御装置に一対のロボットアームの基準姿勢として教示するティーチング手段と、クランクシャフトを焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として所定角度位相ずつ回転させた時の各段階における一対のロボットアームの各姿勢を、一対のロボットアームの基準姿勢に基づく演算によって教示する演算教示手段と、を具備することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の高周波焼入れ装置において、演算教示手段を用いて作成された一対のロボットアームの動作プログラムに基づいて、クランクシャフトを焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として回転させた時のピンの変位を測定する第１の変位測定手段と、該第１の変位測定手段の測定結果に基づいて動作プログラムを補正するプログラム補正手段と、を具備することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の高周波焼入れ装置において、加熱コイルを変位可能に支持するフローティング機構と、高周波焼入れ時における加熱コイルの変位を測定する第２の変位測定手段と、該第２の変位測定手段の測定結果に基づいて一対のロボットアームの動作を修正する動作修正手段と、を具備することを特徴とする。

したがって、請求項１及び２に記載のクランクシャフトの高周波焼入れ方法及び高周波焼入れ装置では、一対のロボットアームによってクランクシャフトを焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として所定方向へ回転させるため、高周波焼入れ時に加熱コイルを固定することが可能になる。
請求項３に記載の高周波焼入れ装置では、ティーチング手段を用いて一対のロボットアームの基準姿勢をロボット制御装置に教示させると、クランクシャフトを焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として所定角度位相づつ回転させた時の各段階における一対のロボットアームの各姿勢が演算教示手段によってロボット制御装置に自動的に教示される。
請求項４に記載の高周波焼入れ装置では、クランクシャフトを実際に回転させた時のピンの変位に基づいて一対のロボットアームの動作プログラムが補正される。
請求項５に記載の高周波焼入れ装置では、高周波焼入れ時における加熱コイルの変位に基づいて一対のロボットアームの動作が修正される。

設備の小型化と汎用化とを両立することが可能なクランクシャフトの高周波焼入れ方法及び高周波焼入れ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１〜４に示されるように、本高周波焼入れ装置１では、一対のロボットアーム２，３の各ハンド部８，９によってクランクシャフト４の両端部を把持し、該クランクシャフト４における焼入れの対象となるピン５を加熱コイル６に挿入し、該ピン５と加熱コイル６とのギャップを該加熱コイル６に配設された各ガイドチップ１１によって一定に保持しながら、該クランクシャフト４を該ピン５の軸心C1を回転中心として所定方向へ回転させることにより、該ピン５が高周波焼入れされる。これにより、本高周波焼入れ装置１では、高周波焼入れ時に加熱コイル６を固定することが可能になり、従来の高周波焼入れ装置における追従機構（ピン５の動作に加熱コイル６及びトランス７を追従させる機構）を廃止することができ、設備が小型化、且つ汎用化される構造になっている。なお、以下、クランクシャフト４が焼入れの対象となるピン５の軸心C1を回転中心として回転することを、クランクシャフト４がピン中心C1で回転すると称する。

上記各ロボットアーム２，３には、６軸多関節型の汎用ロボットが用いられ、該一対のロボットアーム２，３は単一のロボットコントローラ１７（ロボット制御装置）によって制御される。また、図５に示されるように、本高周波焼入れ装置１は、一方のロボットアーム２のハンド部８に、環状に配設された３本の把持爪によってクランクシャフト４の一端を把持するチャック機構が構成されると共に、図６に示されるように、他方のロボットアーム３のハンド部９に、該クランクシャフト４の他端を支持するテールストック式（差込み式）のサポート機構が構成される。そして、本高周波焼入れ装置１では、クランクシャフト４が各ロボットアーム２，３の各ハンド部８，９によって把持された状態で（ハンド部９はサポートのみ）、各ロボットアーム２，３の手首を旋回させると、該クランクシャフト４がジャーナル中心C0（図３参照）を回転中心に所定方向へ回転される。この状態で、ロボットコントローラ１７の制御に基づいて、各ハンド部８，９を円軌道で動作させることにより、図４に示されるように、該クランクシャフト４がピン中心C1で回転される構造になっている。

図３に示されるように、本高周波焼入れ装置１は、上記加熱コイル６に、クランクシャフト４のピン５が挿入されるピン挿入部１０が設けられ、該ピン挿入部１０に、セラミックスによって構成された３個の上記ガイドチップ１１が配設される。そして、該ピン挿入部１０に挿入されたピン５の外周面に各ガイドチップ１１を接触させることにより、該ピン５とコイル本体との間に一定のギャップが確保される構造になっている。図７及び図８に示されるように、本高周波焼入れ装置１は、上記加熱コイル６がトランス７に脱着可能に設けられてコイルユニットが構成されており、該コイルユニットがフローティング機構を介してコイルユニット支持台１２に取付けられる。また、上記フローティング機構は、トランス７が固定されるベースプレート１３が、ベアリングユニット１６を介して中間プレート１５に支持されると共に、該中間プレート１５が、直動ガイド１４を介して上記コイルユニット支持台１２に支持される。これにより、本高周波焼入れ装置１では、加熱コイル６が、一対のロボットアーム２，３によって把持されたクランクシャフト４に対して、Ｙ方向（図７における左右方向）及びＺ方向（図７における上下方向）へ変位可能な構造になっている。

なお、上記フローティング機構は、ばねのばね力によって、加熱コイル６がＹ方向及びＺ方向の各変位可能範囲の中間位置に保持される。また、本高周波焼入れ装置１は、上記フローティング機構に、加熱コイル６のＹ方向及びＺ方向への変位を検出する各変位センサ（第２の測定手段）を備え、クランクシャフト４をピン中心C1で回転させた時の各変位センサの検出結果に基づいて、ロボットコントローラ１７の動作プログラムがオンラインで補正されて一対のロボットアーム２，３の動作が修正される構造（動作修正手段）になっている。ここで、図１に示される符号１８は高周波発振器、符号１９は、加熱コイル６並びに各ハンド部８，９と共に、クランクシャフト４の形状（種類）に応じて選択される焼入れ液ジャケットである。

次に、一対のロボットアーム２，３の円軌道動作を、該一対のロボットアーム２，３（ロボットコントローラ１７）に教示させる方法を説明する。まず、一対のロボットアーム２，３の相互のＸ軸を同一直線上に設定し、一方のロボットアーム２のハンド部８（チャック機構）と他方のロボットアーム３のハンド部９（サポート機構）とを心出し、次に、該一対のロボットアーム２，３によって、治具に載置されたクランクシャフト４の両端部を把持する。そして、該クランクシャフト４を、焼入れの対象となるピン５の軸心C1の回りに基準角度位相に位置決めさせる（図３参照）と共に、該クランクシャフト４の焼入れの対象となるピン５を加熱コイル６のピン挿入部１０に挿入し、該ピン５を各ガイドチップ１１に接触させる。そして、この状態、即ち一対のロボットアーム２，３が基準姿勢の状態におけるジャーナル中心C0の位置を、ロボットコントローラ１７（ロボット制御装置）のティーチング機能（ティーチング手段）を用いて、一対のロボットアーム２，３（ロボットコントローラ１７）に教示点P0として教示する。

次に、図４に示されるように、基準角度位相にあるジャーナル中心C0（教示点P0）を基点として、クランクシャフト４をピン中心C1で回転させた時の、該ジャーナル中心C0の２２．５°の角度位相毎の各位置（各教示点P1〜P15）を、ＣＡＥシステム（演算教示手段）を用いてＣＡＥ教示、即ち演算処理によって割出して一対のロボットアーム２，３（ロボットコントローラ１７）に教示させる。次に、これにより得られた一対のロボットアーム２，３の動作プログラムを実行して実際にクランクシャフト４をピン中心C1で回転させる。そして、この時の焼入れの対象となるピン５（軸心C1）のＹ方向及びＺ方向の変位を各変位センサ（第１の変位測定手段）によって測定し、該測定結果に基づいて動作プログラムを補正する（プログラム補正手段）。

ここで、一対のロボットアーム２，３は教示点P0〜P15のリンク補間によって円軌道で動作することから、クランクシャフト４を比較的速い速度で回転させた場合、その軌道が正規の円軌道に対して内回りになる傾向にあるが、本高周波焼入れ装置１では、動作プログラムを補正して一対のロボットアーム２，３の内回り動作を修正することにより、一対のロボットアーム２，３の円軌道の動作精度、延いてはクランクシャフト４のピン中心C1での回転精度が確保される構造になっている。なお、クランクシャフト４をピン中心C1で回転させる時の回転方向は、より高い回転精度が得られる方向に適宜設定すればよい。

次に、本高周波焼入れ装置１を用いた高周波焼入れ方法を説明する。まず、一対のロボットアーム２，３によって、治具に載置されたクランクシャフト４の両端部を把持し、該クランクシャフト４の焼入れの対象となるピン５を加熱コイル６のピン挿入部１０に挿入して該ピン５を各ガイドチップ１１に接触させる。なお、この状態では、一対のロボットアーム２，３が基準姿勢となる。この状態で、各ロボットアーム２，３の手首を旋回させてクランクシャフト４をジャーナル中心C0（図３参照）を回転中心に所定方向へ回転させながら各ハンド部８，９を円軌道で動作させる、すなわち、各ロボットアーム２，３の手首の旋回による動作と各ロボットアーム２，３自体の円軌道による動作との協働により、クランクシャフト４をピン中心C1で所定方向へ回転させながら、該ピン５を加熱コイル６によって加熱し、該クランクシャフト４を所定回転数（または所定時間）回転させることで該ピン５の高周波焼入れが完了する。ここで、高周波焼入れ時におけるクランクシャフト４の熱膨張の影響で、ピン中心C1（焼入れの対象となるピン５の軸心C1）が半径方向へ変位するが、本高周波焼入れ装置１では、フローティング機構によって、該ピン中心C1の変位に応じて加熱コイル６（コイルユニット）を変位させることにより、該ピン中心C1の変位が吸収される。

また、高周波焼入れ時におけるクランクシャフト４の熱膨張によるピン中心C1の変位に伴う加熱コイル６のＹ方向及びＺ方向への変位が、フローティング機構の各変位センサ（第２の変位測定手段）によって測定され、該各変位センサの検出結果に基づいて、ロボットコントローラ１７の動作プログラムがオンラインで補正されて一対のロボットアーム２，３の動作（円軌道の動作）が修正される（動作修正手段）。なお、クランクシャフト４に複数本のピン５がある場合、各ピン５の高周波焼入れが順次行われる。

この実施形態では以下の効果を奏する。
本高周波焼入れ装置１では、一対の多関節型ロボットアーム２，３によってクランクシャフト４の両端部を把持し、該クランクシャフト４における焼入れの対象となるピン５を加熱コイル６に挿入し、この状態で、該ピン５と加熱コイル６とのギャップをガイドチップ１１によって一定に保持しながら、該クランクシャフト４をピン中心C1で所定方向へ回転させることにより、当該ピン５の高周波焼入れが行われる。
したがって、本高周波焼入れ装置１では、クランクシャフト４をピン中心C1で回転させるので、従来の高周波焼入れ装置のように、ジャーナル中心C0を回転中心として円軌道で回転するピン５に加熱コイル６を追従させなくて済む。これにより、高周波焼入れ時に加熱コイル６を固定することができ、従来の高周波焼入れ装置における追従機構を廃止することで、設備が大幅に小型化される（従来の高周波焼入れ装置と比較して、体積比で約１／５）。また、加熱コイル６等の段替え部品を交換するだけで複数種のクランクシャフト４に対応させることが可能になり、汎用性が向上して設備コスト、延いては製造コストを削減することができる。
また、本高周波焼入れ装置１は、追従機構を備えた従来の高周波焼入れ装置と比較して、クランクシャフト４のピン５に対するコイル押付力を、ピン５と加熱コイル６とのギャップを一定に保持することが可能な最小押付力に設定することができる。これにより、加熱コイル６の剛性を従来よりも低く設定することが可能になり、設備コストを削減することができる。さらに、ガイドチップ１１の磨耗が減少してランニングコストが削減されると共に加熱コイル６の寿命を延ばすことができる。また、高周波焼入れ時のクランクシャフト４の回転速度を高めることが可能になり、工程コスト（製造コスト）を削減することができる。

本高周波焼入れ装置１では、一対のロボットアーム２，３が基準姿勢の状態（クランクシャフト４における焼入れの対象となるピン５が加熱コイル６の各ガイドチップ１１に接触し、且つ該ピン５が軸心C1の回りに基準角度位相に位置決めされた状態）を、ロボットコントローラ１７（ロボット制御装置）のティーチング機能（ティーチング手段）を用いて、教示点P0として一対のロボットアーム２，３（ロボットコントローラ１７）に教示し、該教示点P0を基点として、クランクシャフト４をピン中心C1で回転させた時の、各角度位相における各位置（各教示点P1〜P15）を、ＣＡＥシステム（演算教示手段）を用いてロボットコントローラ１７にＣＡＥ教示する（各教示点P1〜P15を演算処理によって割出してロボットコントローラ１７に教示する）。
したがって、本高周波焼入れ装置１では、全ての教示点（各教示点P0〜P15）をロボットコントローラ１７のティーチング機能を用いて一対のロボットアーム２，３（ロボットコントローラ１７）に教示する場合と比較して、教示精度が高められると共に教示作業を効率化することができる。

また、本高周波焼入れ装置１では、ＣＡＥ教示によって得られた動作プログラムを実行し、クランクシャフト４をピン中心C1で回転させて該クランクシャフト４の回転時におけるピン５の変位（Ｙ方向及びＺ方向）を各変位センサ（第１の変位測定手段）によって測定し、該測定結果に基づいて動作プログラムを補正する（プログラム補正手段）ので、一対のロボットアーム２，３を円軌道で動作させた時の内回り動作が修正され、クランクシャフト４の回転精度が確保される。

本高周波焼入れ装置１では、フローティング機構によって加熱コイル６（コイルユニット）を、クランクシャフト４の焼入れの対象となるピン５に対して変位可能に構成したので、高周波焼入れ時におけるクランクシャフト４の熱膨張によるピン中心C1の半径方向への変位を、該ピン中心C1の変位に応じて加熱コイル６を変位させることで吸収することができる。
また、本高周波焼入れ装置１では、フローティング機構による加熱コイル６（トランス７を含むコイルユニット）の変位が該フローティング機構に設けた各変位センサ（第２の変位測定手段）によって測定され、該各変位センサの検出結果に基づいてロボットコントローラ１７の動作プログラムがオンラインで補正される（動作修正手段）。これにより、高周波焼入れ時にクランクシャフト４の熱膨張によってピン中心C1が半径方向へ変位した場合であっても、一対のロボットアーム２，３の動作（円軌道の動作）が修正されてクランクシャフト４の回転精度が確保される。

なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
本高周波焼入れ装置１を用いて、クランクシャフト４のジャーナル部を高周波焼入れしてもよい。この場合、クランクシャフト４はジャーナル中心C0で回転させればよい。
本高周波焼入れ装置１では、基準角度位相にあるジャーナル中心C0（教示点P0）を基点として、クランクシャフト４をピン中心C1で回転させた時の該ジャーナル中心C0の２２．５°の角度位相毎の各位置（各教示点P1〜P15）をＣＡＥシステムを用いて一対のロボットアーム２，３（ロボットコントローラ１７）にＣＡＥ教示させたが、教示点の数は必要に応じて適宜設定すればよい。

本高周波焼入れ装置の全体図である。本高周波焼入れ装置の説明図で、一対のロボットアームの相互のＸ軸が同一直線上に設定された状態を示す図である。本高周波焼入れ装置の説明図で、基準角度位相に位置決めされたピンが加熱コイルの各ガイドチップに接触された状態を示す図である。本高周波焼入れ装置の説明図で、図３に示される状態からクランクシャフトをピン中心で回転させた時の、各教示点の位置を示す図である。ロボットアームのチャック機構を示す図である。ロボットアームのサポート機構を示す図である。本高周波焼入れ装置のコイルユニット及びフローティング機構を示す側面図である。本高周波焼入れ装置のコイルユニット及びフローティング機構を示す正面図である。

符号の説明

１高周波焼入れ装置、２，３ロボットアーム、４クランクシャフト、５ピン、６加熱コイル、８，９ハンド部、１１ガイドチップ、１７ロボットコントローラ（ロボット制御装置）

Claims

クランクシャフトの両端部を一対のロボットアームのハンド部によって把持すると共に、該クランクシャフトの焼入れの対象となるピンを加熱コイルに配設された少なくとも３個のガイドチップに接触させ、この状態で、前記各ロボットアームの手首を旋回させながら、前記各ハンド部を円軌道で動作させることにより、前記クランクシャフトを前記焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として回転させ、前記焼入れの対象となるピンを高周波焼入れすることを特徴とするクランクシャフトの高周波焼入れ方法。
上記請求項１に記載のクランクシャフトの高周波焼入れ方法に用いられる高周波焼入れ装置であって、
一対のハンド部によって前記クランクシャフトの両端部を把持する一対のロボットアームと、加熱コイルに配設されて前記クランクシャフトの焼入れの対象となるピンに接触される少なくとも３個のガイドチップと、を具備し、
前記一対のロボットアームは、前記焼入れの対象となるピンに前記各ガイドチップが接触された状態で、前記各ロボットアームの手首を旋回させながら、前記各ハンド部を円軌道で動作させることにより、前記クランクシャフトを前記焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として回転させることを特徴とする高周波焼入れ装置。
前記クランクシャフトを前記各ハンド部によって把持すると共に、該クランクシャフトの前記焼入れの対象となるピンを前記加熱コイルに配設された各ガイドチップに接触させた状態を、ロボット制御装置に前記一対のロボットアームの基準姿勢として教示するティーチング手段と、前記クランクシャフトを前記焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として所定角度位相ずつ回転させた時の各段階における前記一対のロボットアームの各姿勢を、前記一対のロボットアームの基準姿勢に基づく演算によって教示する演算教示手段と、を具備することを特徴とする請求項２に記載の高周波焼入れ装置。
前記演算教示手段を用いて作成された前記一対のロボットアームの動作プログラムに基づいて、前記クランクシャフトを前記焼入れの対象となるピンの軸心を回転中心として回転させた時の前記ピンの変位を測定する第１の変位測定手段と、該第１の変位測定手段の測定結果に基づいて前記動作プログラムを補正するプログラム補正手段と、を具備することを特徴とする請求項３に記載の高周波焼入れ装置。
加熱コイルを変位可能に支持するフローティング機構と、高周波焼入れ時における前記加熱コイルの変位を測定する第２の変位測定手段と、該第２の変位測定手段の測定結果に基づいて前記一対のロボットアームの動作を修正する動作修正手段と、を具備することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の高周波焼入れ装置。