JP5480165B2 - 多様な曲率半径で細長いワークピースを連続して曲げるロール曲げ機械を検査し、制御する方法、およびそのように制御した機械 - Google Patents

Description

本発明は、多様な曲率半径で細長いワークピースを連続して曲げるロール曲げ機械を検査し、制御する方法に関する。さらに、本発明は、そのように制御したロール曲げ機械に関する。

東京(日本)の三菱電機に付与された特許文献１には、ピラミッド型のロール曲げ装置が記載され、この装置は、ワークピースの曲率半径を測定するように適合された曲率測定ユニットを有し、このユニットは、プローブホルダに取り付けられた少なくとも3つのプローブを備え、プローブのうち少なくとも1つは、直線変位によって対応する電気出力信号を生じる移動プローブであり、残りのプローブは静止プローブである。曲率測定ユニットの駆動シリンダによって、プローブホルダを、プローブが全てワークピースの表面と確実に接触するまで、ワークピースに向かって動かし、その状態で、電気出力信号を測定値として計算表示ユニットに印加し、この値は、操作者によってコンピュータに入力値として供給される。このコンピュータによって、ワークピースに所望される曲率半径が得られるのに必要となる機械の頂部ローラの移動距離を計算する。

さらに、チェゼーナ(イタリア)のPromau s.r.l.に付与された特許文献２には、鉄板を曲げるロール曲げ装置が記載され、この装置は、ロール曲げ装置から出るワークピースに3点機械式感知装置を使用している。この装置によって、機械が鉄板に付与している半径を検査することが可能になり、必要な補正を行うために1人の介在で済むことになる。

ボーレンゲ(スウェーデン)のORTIC AB名義の欧州特許出願EP1644140号明細書には、並置された3台のレーザ送信型非接触距離計を用いること、細長いワークピースの曲げ表面までの距離を測定すること、距離計と、測定した距離との間の固定距離に基づいて、実際の曲率半径を計算すること、および計算した実際の半径と、所望の半径との関係に応じて曲げ装置を調整することによって、細長いワークピースを所定の半径に連続して曲げる工程を監視し制御する方法が記載されている。

上述の引用文献では、細長いワークピースのある区間の実際の半径を測定するが、測定したワークピース区間とは異なるワークピース区間が曲げられている間に、機械が補正または調整されることが明白である。しかし、所定の固定した半径で曲げ加工を行いたい場合は、ワークピースの第1の曲げ区間だけが、所望の曲げ半径とは異なる実際の曲げ半径のものとなることが暗示され得るため、この方法で満足となり得る。この場合、その第1の曲げ区間が無駄になるという損害が生じ得る。

一方、多様な曲率半径で細長いワークピースを曲げたい場合、例えば、固定した半径を有するワークピース区間が、異なる半径の連続によって分離される場合、または全体として、連続して変動する半径を有する曲げ区間では、機械が加工しているその時点の、またはその直後の、細長いワークピースの曲げ区間の半径に近い曲率半径を有する区間の半径を測定するとより有利である。

米国特許第4,761,979号明細書 欧州特許第477752号明細書

http://en.wikipedia.org/wiki/Spline_interpolation

したがって、本発明の主な目的は、既に形成された実際の曲げ区間の実際の曲率半径ではなく、機械によって形成されつつある曲げ区間の曲率半径を測定することである。

本発明の別の目的は、機械、一般にはワークピースが機械から出る第3のローラによる曲げ変形点に最も近い点で、曲率半径を測定することである。

したがって、本発明の第1の態様は、多様な曲率半径で細長いワークピースを連続して曲げる、一連の曲げ加工用駆動ローラを使用したロール曲げ機械を検査し、制御する方法であって、
前記一連の曲げ加工用駆動ローラの下流に位置し、1台の距離計の方向にある、1点における細長いワークピースの距離を測定する段階であって、距離測定を実施して、前記1点と、距離計の固定位置との間の距離を連続した時点で得る段階と、
細長いワークピースの各曲げ区間の曲率半径を計算する段階と、
計算した曲率半径を、長さ計器によって細長いワークピースに対して同心状に測定した位置および長さを有する、前記曲げ区間の所望の曲率半径と比較し、前記計算した曲率半径と、前記所望の曲率半径との間の差を求める段階と、
前記計算した曲率半径と、前記所望の曲率半径との間の前記差をなくすために、上流ローラが受けるべき位置変化を計算する段階と、
前記計算した位置変化に基づいて、前記上流ローラを操作する段階とを含む、方法を提供する。

本発明の方法の第１の実施形態では、細長いワークピースの各曲げ区間の曲率半径の計算を、曲げるべき細長いワークピースに対する、前記一連の曲げ加工用ローラの少なくとも１つの位置変化と、距離計によって測定した距離変化とに基づいて実施する。具体的には、前記細長いワークピースを曲げる曲線が、３次多項式関数の連続によって画定され、前記関数が、少なくとも３つの点を数学的に画定する必要がある自然３次スプラインであり、前記少なくとも３つの点が、曲げるべき細長いワークピースに対する、位置が可変なローラの位置変化と、距離計によって測定した距離変化と、に基づいて得られ、両者が２つの点を構成し、第３の点が、先行する検出に対して測定した曲率の変化、または弦の角度係数の変化としてデカルト座標内において得られる。

本発明の方法の第2の実施形態では、細長いワークピースの各曲げ区間の曲率半径の前記計算は、前記少なくとも3つの連続した時点の間に形成される曲げ区間の中間曲率半径の計算であり、前記中間半径は、前記少なくとも3つの時点の第1の時点の曲げ部半径と、前記少なくとも3つの時点の最後の時点の曲げ部半径との間に含まれる。

第2の態様では、本発明は、多様な曲率半径で細長いワークピースを連続して曲げるための、一連の曲げ加工用駆動ローラを使用した機械であって、
前記一連の曲げ加工用ローラの下流に位置する細長いワークピースの距離を測定する1台の距離計と、
とりわけ距離計に結合され、連続した時点での前記距離の測定に基づいて、曲げ区間の半径を計算し、前記曲げ区間において計算した曲率半径を所望の曲率半径と比較するコンピュータとを備え、
このコンピュータはまた、細長いワークピースに同心状に、前記曲げ区間の長さを測定する長さ計器にも結合され、
このコンピュータはまた、一連の曲げ加工用駆動ローラのローラを、長さ計器によって、前記曲げ区間の前記測定した曲率半径と、所望の曲率半径との差に基づいて調整するために操作するように適合された操作手段にも結合されている、機械を提供する。

より正確な補正値が得られる利点に加えて、特に多様な曲率半径を有する曲げ区間を得るための曲げ操作に関して、本発明による方法および機械は、先行技術に比べて、レーザ送信器などの距離計が3台必要となるのではなく、1台だけでよいという利点を有する。したがって、それに伴うコスト削減が達成される。

さらに、3点接触距離計に関して、様々な利点があるが、その最も重要な利点は、精度が増すことであり、これは、測定が1点で、かつ1方向において実施されるからである。

本発明の好ましい実施形態を添付の図面と共に参照しながら、本発明を説明する。

本発明に従って、多様な曲率半径で細長いワークピースを連続して曲げるロール曲げ機械を検査し、制御する方法を実施したロール曲げ機械の極めて概略的な部分側面図である。 図1の改変形態の機械の具体的な拡大詳細図である。

まず図1を参照すると、例として本発明を実施した機械は、ピラミッド状曲げ成形機であり、一連の3つの駆動ローラ1、2、および3を備え、そのうちの少なくとも1つは変形ローラである。曲げるべき細長いワークピース、例えばパイプTを、矢印Fで示す方向に沿って駆動ローラに通す。説明の便宜上、ローラ1および3はそれらの定位置に固定し、ローラ2はその垂直位置において調整可能であり、このローラ2は、垂直方向の反作用制御(retroactive control)に基づいて機械により動かすことによって制御することができる。エンコーダ4が、垂直方向に調整可能なローラ2に連結され、一連のローラ1、2、および3を通るチューブTの変位を測定するエンコーダが、5として示されている。

例えばレーザ送信器を含む、定位置に固定された非接触距離計が、全体として6で示され、この距離計により、機械から出た曲げ部までの距離dがわかる。非接触距離計として、以下でレーザ計器6と呼ぶこの計器の照準方向yを、便宜的にシートの水平面に対して垂直に示す。しかし、照準方向は、ローラ3から出るパイプの半径に依存して選択することもでき、好ましくはローラ3からの出口点にできる限り近く接近するために、例えば、図1のy'で示す線に沿って選択することもできる。

記載の図による機械は、データを制御し、処理する中央コンピュータ7をさらに備え、そのタスクは、機械の動きと、ビデオ装置8を介して図形的に描き込むことができる曲げ図と、の間の対応付けを行うことであり、ビデオ装置8は、「タッチスクリーン」型のものでも可能である。こうした対応付けは、デジタルアナログ装置I/Oおよび信号調整器によって行い、この信号調整器は、機械の様々な機械式、油圧式、および電子式構成部品から到達したデジタルアナログ信号をフィルタリングし、安定させる機能を有する。これらの構成部品は既知であり、本明細書では説明しないか、または極めて概略的に説明する。

油圧シリンダ9、および比例弁10は、ローラ2を変位させるシステムの部品であり、このシステムは、エンコーダ5によって得られるパイプの水平方向の動きを、エンコーダ4によって検出することに依存して、かつ、エンコーダ4、エンコーダ5、およびレーザ計器6によって曲げ部を検出することに依存して、コンピュータ7によって制御される。

この機械は、いかなる停止も反作用(retroaction)もなく手動で作動させることができる。

この場合、図形式/数式設計から、例えば、円、楕円など、既知の幾何学的な原曲線によって曲線を描画することによって、パイプまたはバーなどの細長いワークピースで得たい所定の曲げを表す関数が得られる。この関数から、曲げ部の全長、小区間または曲線弧の長さ、および対応する曲率半径値が得られる。

例えば、楕円では、周辺長は以下の式、YNOT (Roger Maertens, 2000)P=4(a^y+b^y)^1/y、但しy=logn(2)/logn(π/2)で計算される。他の原曲線では計算がより複雑となり、例えばスプライン関数では、各多項式の定義の区間ごとに計算を行わなければならない。それによって、例えば、所望の曲げワークピースを得るために必要となる材料バーの長さを決定することができる。実現可能な一例として楕円を以下で使用するが、その理由は、楕円は、円の極端な単純性と、他の原曲線の計算の複雑性との中間物であるからである。

以下では、所望の曲げ部の一部分である弧長を計算する。こうした長さを、「制御点(control point)」と呼ぶ。接触円の半径の値は、各制御点に伴う。楕円の例を作成する場合、(この場合、2つの角度間の円弧の計算は、以下の積分を解くシンプソン法を用いて選択した):
R=半長軸
r=半短軸
Δφ=(φ_2--φ₁)+20;
y1=√[(R sin φ₁)²+(r cos φ₁)²]
y2=√[(R sin (φ₁+Δφ))²+(r cos (φ₁+Δφ))²]
y3=√[(R sin (φ₁+2×Δφ))²+(r cos (φ₁+2×Δφ))²]
・・・
y21=√[(R sin (φ₁+20×Δφ))²+(r cos (φ₁+20×Δφ))²]
P=(Δφ÷3)×(y₁+4y₂+2y₃+4y₄+2y₅+・・・+2y₁₉+4y₂₀+y₂₁)=φ₁とφ₂との間の弧長
となる。

各円弧、すなわち曲線区間に対して、以下の式によって半径を得なければならないが、角度に関してもやはり以下の通りに関連がある。
(R²*sin²(φ)+r²*cos²(φ))^3/2/(R*r)

次いで、バーを曲げるべき長さ方向に、同じバーから得たい、曲げ区間または楕円の円弧に等しい区間をトレースする。楕円の対応する曲線区間の半径は、バーの各区間に伴う。操作中、機械の中央ローラ2を低くし、バーの各範囲が対応する曲率半径に関連する高さに到達するようにバーを動かす。したがって、この工程は、楕円の全周に及ぶまで続けることになる。

中央ローラ2の高さ変化、およびレーザ計器6の測定の両方に基づいた本発明による反作用を使用すると、連続検出によって、曲げ部に属する連続点が構築される。

曲げ部は、３次多項式関数の連続によって画定される。かかる関数、すなわち自然３次スプラインでは、数学的に画定すべき点が少なくとも３点必要となる。これらの点は、中央ローラの位置変化、およびレーザ測定の両方から得られる。次いで、２点が定まると、第３の点は、先行する検出に対して測定した曲率の変化、または弦の角度係数の変化として、デカルト座標内において得られることになる。スプライン関数の計算工程により、連続点のうち、端点における２次導関数の値をゼロにするという制約を固定することによって一義的な解が保証される（とりわけ、パイプの接続部がこうした点上にあることに関連する）。本明細書で使用する測定方法によって、単一の検査点から始めて、多様な半径円弧を正確に測定し、検査することが可能となる。（非特許文献１、特に、「３次スプライン補間(cubic spline interpolation)」、「３次スプラインによる極小化(minimality of the cubic splines)」、および「自然３次スプラインを用いた補間(interpolation using natural cubic splines)」の段落を参照されたい。)

当然ながら、他の任意の曲線と同様に、この工程では、2次導関数における2つの制約に加えて、連続測定によって与えられる少なくとも3つの点が必要となる。この加工工程終了時には、n個の点を通る曲線が、極めて正確かつ完全に構築される。したがって、本方法は、3点円弧計を用いた測定方法と混同されるはずはない。

徐々に構築される多項式から、曲線の所定点xの曲率半径を計算することができる。各区間において、曲率半径または接触円の半径を以下の式によって計算する。

さらに、x値に関する曲率半径値が分かると、曲線を一義的に画定することができ、その2次導関数の符号は変化しないが、機械動作では、凹凸の変化が生じることはない。

このようにして、初期の図形設計によって得られた加工物に匹敵する結果が得られる。

これは、加工中でも、最終的な結果でも可能である。加工中のバーから得られる半径値を、初期の図形設計の曲線区間の半径と比較すれば十分である。これらの値が合致する場合、曲線は、設計に正確に作成されつつあるが、そうでない場合には、差を計算し、前記差に基づいて、中央ローラの溝について新たな高さを再度計算する。

図2を参照すると、図1の機械が建設的に改変されたその一部分が、詳細に示されている。非接触距離計6の代わりに、接触距離計11が使用されている。この接触距離計は、任意の既知の型のもの、例えばトレーサポイントもしくはエンコーダ、または一連の駆動ローラの下流で、加工中のパイプTの距離を連続して測定するために使用することができるものであれば、他のものでもよい。接触距離計11は、固定点から単一の方向に沿ってパイプTの距離を検出することが可能であれば十分である。この方向は、最も適切な形で選択することができ、例えば図示のように方向yまたはy'に沿って選択することができる。

本発明の実施形態、またはその改変形態で説明し、記載してきた本発明による機械は、本発明の方法の変形形態に従って操作することができる。この変形形態によれば、細長いワークピースの各曲げ区間の曲率半径の計算を実施して、少なくとも3つの連続した時点の間に形成される曲げ区間の中間曲率半径を得、この中間曲率半径は、少なくとも3つの時点の第1の時点の曲率半径と、前記少なくとも3つの時点の最後の時点の曲率半径との間にある。この方法は、円弧計器を用いた方法に似ているが、一方向への単一のレーザ計器またはトレーサポイント計器によって実施される。

上述の測定および反作用方法は、以下のように応用することができる。

単一の測定点が分かると、形成された曲げの向き、および使用する材料を変更した場合に行うべきいかなる補正、または加工段階中に生じる機械的改変も、ともに正確に測定することができる。

本方法によって、使用する材料の弾性特性のため生じる誤差、および異なる構成部品を使用した場合に生じるいかなる電気機械的変動も、ともに補償することが可能となる。

弾性挙動に応じた比例係数、この係数は、予備設定段階で計算しておくが、こうした比例係数を使用することによって、システムの全体的な精度が上がる。

レーザ計器によって制御する細長いワークピースの適合手順によって、製造時の材料の無駄が自動的に減少することになる。この同じ手順によって、作業者が材料を適合させる長さを自主的に決定することができるようになる。機械で加工する材料の位置決めのため生じる全ての誤差がなくなるなることは明白である。

さらに、読出点が1点であるため、機械を遙かに操作しやすくなる。

本方法によって、非常に長い弧を得るために複数の連続したパイプを加工することが可能となる。

前述の説明では、本方法を実施するように考案された機械は、頂部駆動ローラが変形ローラである、ピラミッド状リングローラである。あるいは、変形ローラは、機械出口のローラである。

他の改変形態および変更が可能であり、それらは全て添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲内に含まれることを理解されたい。

1、2、3 駆動ローラ
4、5 エンコーダ
6 非接触距離計
7 中央コンピュータ
8 ビデオ装置
9 油圧シリンダ
10 比例弁
11 接触距離計

Claims (8)

1. 多様な曲率半径で細長いワークピースを連続して曲げる、一連の曲げ加工用駆動ローラを使用したロール曲げ機械を検査し、且つ制御する方法であって、
   − 前記一連の曲げ加工用駆動ローラの下流に位置し、１台の距離計の方向にある、１点における前記細長いワークピースの距離を測定する段階であって、前記距離測定を実施して、前記１点と、前記距離計の固定位置との間の距離を連続した時点で得る段階と、
   − 前記細長いワークピースの各曲げ区間の曲率半径を計算する段階と、
   − 前記計算した曲率半径を、長さ計器によって前記細長いワークピースに対して同心状に測定した位置および長さを有する、前記曲げ区間の所望の曲率半径と比較し、前記計算した曲率半径と、前記所望の曲率半径と、の間の差を求める段階と、
   − 前記計算した曲率半径と、前記所望の曲率半径との間の前記差をなくすために、上流ローラが受けるべき位置変化を計算する段階と、
   − 前記計算した位置変化に基づいて、前記上流ローラを操作する段階と、を含み、
   前記細長いワークピースの各曲げ区間の前記曲率半径の前記計算を、曲げるべき前記細長いワークピースに対する、前記一連の曲げ加工用ローラの少なくとも１つの前記位置変化と、前記距離計によって測定した前記距離変化と、に基づいて実施し、
   前記細長いワークピースを曲げる曲線が、３次多項式関数の連続によって画定され、前記関数が、少なくとも３つの点を数学的に画定する必要がある自然３次スプラインであり、前記少なくとも３つの点が、曲げるべき前記細長いワークピースに対する、位置が可変な前記ローラの位置変化と、前記距離計によって測定した距離変化と、に基づいて得られ、両者が２つの点を構成し、第３の点が、先行する検出に対して測定した曲率の変化、または弦の角度係数の変化としてデカルト座標内において得られることを特徴とする、方法。
2. 前記細長いワークピースの各曲げ区間の前記曲率半径の前記計算が、前記少なくとも３つの連続した時点の間に形成される曲げ区間の中間曲率半径の計算であり、前記中間半径が、前記少なくとも３つの時点の第１の時点の曲げ部半径と、前記少なくとも３つの時点の最後の時点の曲げ部半径との間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 多様な曲率半径で細長いワークピース（Ｔ）を連続して曲げるための、一連の曲げ加工用駆動ローラ（１、２、３）を使用した制御機械であって、
   − 前記一連の曲げ加工用ローラの下流に位置する前記細長いワークピース（Ｔ）の距離を測定する１台の非接触距離計（６、１１）と、
   − とりわけ前記距離計（６、１１）に結合され、連続した時点での前記距離の前記測定と、曲げ区間において計算した前記曲率半径と所望の曲率半径との比較と、に基づいて、前記曲げ区間の半径を計算するコンピュータ（７）とを備え、
   前記コンピュータ（７）がまた、前記細長いワークピース（Ｔ）に同心状に、前記曲げ区間の長さを測定する長さ計器（５）にも結合され、
   前記コンピュータ（７）がまた、前記一連の曲げ加工用駆動ローラ（１、２、３）のローラ（２）を、長さ計器（４）によって、前記曲げ区間の前記測定した曲率半径と、前記所望の曲率半径との差に基づいて調整するために操作するように適合された操作手段（９、１０）にも結合されており、
   前記細長いワークピースの各曲げ区間の前記曲率半径の前記計算を、曲げるべき前記細長いワークピースに対する、前記一連の曲げ加工用ローラの少なくとも１つの位置変化と、前記距離計によって測定した距離変化と、に基づいて実施し、
   前記細長いワークピースを曲げる曲線が、３次多項式関数の連続によって画定され、前記関数が、少なくとも３つの点を数学的に画定する必要がある自然３次スプラインであり、前記少なくとも３つの点が、曲げるべき前記細長いワークピースに対する、位置が可変な前記ローラの位置変化と、前記距離計によって測定した前記距離変化と、に基づいて得られ、両者が２つの点を構成し、第３の点が、先行する検出に対して測定した曲率の変化、または弦の角度係数の変化としてデカルト座標内において得られることを特徴とする、機械。
4. 前記距離計（６）が、非接触距離計であることを特徴とする、請求項３に記載の機械。
5. 前記非接触距離計が、単一方向の単一のレーザ送信器を備えた計器であることを特徴とする、請求項４に記載の機械。
6. 前記距離計（１１）が、単一点、かつ単一方向の接触距離計であることを特徴とする、請求項３に記載の機械。
7. 前記長さ計器（４、５）がエンコーダであることを特徴とする、請求項３に記載の機械。
8. 前記距離計（６、１１）が、その測定方向が、前記機械の出口ローラ付近で前記細長いワークピースと交差するように、その定位置に固定されることを特徴とする、請求項３に記載の機械。

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