JP5748545B2 - 金属加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属加工装置に関し、具体的には、閉断面を有する長尺の金属製の素材に曲げ加工を行って屈曲した金属部材を製造するための金属加工装置とに関する。

周知のように、自動車や各種機械に用いられる、屈曲した形状を有する金属製の強度部材、補強部材又は構造部材には、高強度、軽量かつ小型であること等が求められる。従来から、この種の曲げ部材は、例えば、プレス加工品の溶接、厚板の打ち抜き、さらには鍛造等により製造されてきた。しかし、これらの製造方法により製造される曲げ部材の軽量化及び小型化には限界があり、その実現は容易なことではない。

近年では、例えば非特許文献１に開示されるように、いわゆるチューブハイドロフォーミングによりこの種の曲げ部材を製造することも積極的に検討されている。非特許文献１の２８頁にも記載されているように、チューブハイドロフォーミング工法は、素材となる材料の開発や成形可能な形状の自由度の拡大等といった様々な問題があり、今後より一層の開発が必要である。

一方、これまでにも金属管に曲げ加工を行って、所望の形状を有する曲げ部材を製造するための発明が多数提案されている。
特許文献１には、金属管等を熱処理しながら曲げ加工する発明が開示され、特許文献２には、湾曲した異形断面らせん条材を製造する発明が開示され、特許文献３には、押し曲げ方式の高周波加熱ベンダーに係る発明が開示され、特許文献４には、金属部材の曲げ加工装置に係る発明が開示されている。

本出願人も、先に、特許文献５により、金属加工方法及び金属加工装置を開示した。図８は、この金属加工装置０の概略を示す説明図である。
図８に示すように、金属加工装置０は、基本的に、支持手段２によりその軸方向へ移動自在に支持された鋼管１を上流側から下流側へ向けて、例えばボールネジを用いた送り装置３により送りながら、支持手段２の下流で曲げ加工を行う曲げ加工方法を用いて屈曲した金属部材８を製造する。すなわち、支持手段２の下流で誘導加熱コイル５により鋼管１を部分的に急速に加熱するとともに誘導加熱コイル５の下流に配置される水冷装置６により鋼管１を急冷することによって、鋼管１に部分的に、鋼管１の軸方向へ相対的に移動する高温部１ａを形成する。そして、鋼管１を送りながら支持可能であるロール対４ａを少なくとも一組有する可動ローラーダイス４を例えば産業用ロボットのマニピュレータにより支持し、可動ローラーダイス４の位置を二次元又は三次元で変更することにより高温部１ａに曲げモーメントを付与することによって、曲げ加工を行う。このため、この発明によれば、十分な曲げ加工精度を確保しながら高い作業能率で金属部材８を製造することができる。

さらに、本出願人は、特許文献６により、鋼管を長手方向へ送る送り機構と、鋼管を送りながら支持する第１の支持機構と、送られる鋼管の一部又は全部を加熱する加熱機構と、送られる鋼管における加熱機構により加熱された部分を冷却する冷却機構と、送られる鋼管の少なくとも一箇所を支持しながら二次元又は三次元の方向へ移動することによって、鋼管における加熱された部分に曲げモーメントを与えて、鋼管を所望の形状に曲げ加工する第２の支持機構と、鋼管の変形を防止する変形防止機構とを備える金属加工装置を開示した。送り機構は、軸数が７軸の垂直多関節ロボットである第１の産業用ロボットにより構成される。

この金属加工装置によれば、金属部材の製造にかかる装置全体の設置スペースの小型化を図りながら、特に把持手段の動作範囲を可及的抑制することによって装置のコンパクト化及び設備コストの抑制と、把持手段の動作速度を可及的抑制することによる動作速度の変化及び動作時の振動の抑制とを図ることができる。

特開昭５０−５９２６３号公報 特許第２８１６０００号明細書 特開２０００−１５８０４８号公報 特許第３１９５０８３号明細書 特開２００７−８３３０４号公報 特開２０１１−６４１号公報

自動車技術 Ｖｏｌ・５７，Ｎｏ・６，２００３ ２３〜２８頁

以上説明した金属加工装置や金属加工方法は、自動車部品の製造に広く用いられているプレス成形とは異なり、被成形材と接触し成形するための金型を用いるものではないため、一般にダイレス成形と呼ばれる。

ダイレス成形は、形状が異なる製品を製造する場合であっても、それに応じた専用の金型を製作する必要がなく、例えば特許文献６により開示された曲げ加工装置の場合には、第１のマニュピュレ一タや第１のマニピュレータに支持される可動ローラーダイスの移動の軌道を変更するだけで、異なる形状の複数種の製品の製造が可能であることから、多種の金型を準備する必要がないという利点を有する。

しかしながら、ダイレス成形は、一般的に、被成形材が金型によって拘束される成形に比較すると、被成形材の拘束面積が少ないために生産される製品の加工精度のばらつきが大きく、軌道修正が必要になるという課題を有する。特に、三次元で複雑な動きを伴い、さらに大きな可搬重量と加工力とが要求され、かつ、１ｍｍ以下の加工精度を要求されるような熱間三次元曲げ加工装置では、特殊な制御手段による軌跡修正が必要である。

本発明は、長尺の素材の軸方向へ移動する高温部を部分的に形成するための高温部形成機構と、高温部を境として素材の一方の端部側及び／又は他方の端部側を支持しながら予め設定された目標移動軌跡に基づいて移動するとともに各関節部それぞれの減速機を備える産業用ロボットのマニピュレータと、産業用ロボットが素材を曲げ加工又はせん断加工する際の負荷に応じた、減速機の歯面の撓み成分及びバックラッシュ成分を検出することによってこのマニピュレータの撓みを測定する撓み測定装置と、マニピュレータを、予め設定した目標移動軌跡に基づいて移動させて高温部に曲げモーメント又は剪断力を与えるとともに、撓み測定装置によるマニピュレータの撓みと目標移動軌跡とに基づいて、移動時におけるマニピュレータの軌道の測定値あるいは推定値と、目標移動軌跡との偏差が予め定めた閾値を超える場合には、長尺の素材の次以降の長尺の素材の加工における目標移動軌跡を修正して設定する制御装置とを備えることを特徴とする金属加工装置である。

本発明によれば、ダイレス成形であっても、製造される曲げ部材の加工精度のばらつきをきわめて小さく抑制することが可能になる。さらに、加工機のメンテナンスも容易である。

図１は、本発明の金属加工装置の構成の一部を簡略化及び省略して概念的に示す斜視図である。 図２は、第１の産業用ロボット、第２の産業用ロボットおよび第３の産業用ロボットの構成例を示す説明図である。 図３は、本発明の金属加工方法の概略を示すフロー図である。 図４は、本発明の金属加工方法の概略を示すフロー図である。 図５は、第２の産業用ロボットの関節部の減速機のモータ側と出側とに変位計を備える状況を概念的に示す説明図である。 図６は、第２の産業用ロボットの関節部の動作を模式的に示す説明図である。 図７は、第２の産業用ロボットの一つの関節を抜き出してサーボフィードバックを構成した説明図である。 図８は、特許文献５により開示された曲げ加工装置の概略を示す説明図である。

以下、本発明を、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の金属加工装置１０の構成の一部を簡略化及び省略して概念的に示す斜視図である。なお、図１に示す、第１の産業用ロボット１８〜第３の産業用ロボット２８を含む合計６基の産業用ロボットは、いずれも、マニピュレーター等を概念化および簡略化して示す。

金属加工装置１０は、送り機構１１、第１の支持機構１２、加熱機構１３、及び冷却機構１４からなる高温部形成機構４０と、第２の産業用ロボット２７を備える第２の支持機構１５と、第３の産業用ロボットを備える変形防止機構１６とを備えるので、これらの構成要素を順次説明する。

［送り機構１１］
送り機構１１は、鋼管１７をその長手方向へ送る。送り機構１１は、第１の産業用ロボット１８により構成される。

以降の説明では、第１の産業用ロボット１８や第３の産業用ロボット２８にも、第２の産業用ロボット２７と同様のロボットを用いた場合を例にとる。
図２は、第１の産業用ロボット１８、第２の産業用ロボット２７および第３の産業用ロボット２８（以下、「各産業用ロボット１８、２７、２８」と略記する）の構成例を示す説明図である。

各産業用ロボット１８、２７、２８は、いずれも、いわゆる垂直多関節ロボットである。各産業用ロボット１８、２７、２８は、いずれも、第１軸〜第６軸を有する。
第１軸は、上腕１９を水平面内で旋回させる。第２軸は、上腕１９を前後に旋回させる。第３軸は、前腕２０を上下に旋回させる。第４軸は、前腕２０を回転させる。第５軸は、手首２０ａを上下に旋回させる。さらに、第６軸は、手首２０ａを回転させる。

各産業用ロボット１８、２７、２８は、必要に応じて、第１軸〜第６軸に加えて、上腕１９を旋回させる第７軸を有してもよい。第１軸〜第７軸は、いずれも、ＡＣサーボモーターにより駆動される。

各産業用ロボット１８、２７、２８それぞれの軸数は、６または７である必要はなく、５であってもよい。これらの産業用ロボットの軸数は、加工に必要な動作を行うことができる軸数であればよい。

各産業用ロボット１８、２７、２８は、他の汎用の産業用ロボットと同様に、いずれも、各軸の動作を総合的に制御するコントローラー２１と、動作を教示するための入力装置２２とを備える。

効果器（エンドエフェクタ）２４が、第１の産業用ロボット１８の手首２０ａの先端に設けられる。効果器２４は、第１の産業用ロボット１８の側方近傍に配置されたパレットに収容された鋼管１７を把持すること、および、把持した鋼管１７を第１の支持機構１２および加熱機構１３にそれぞれ設けられた貫通孔に貫通させることを行うために用いられる。

効果器２４は、鋼管１７の後部外面を掴む方式でもよいし、あるいは、鋼管１７の後部内部に挿入する方式でもよい。図１に示す効果器２４は、鋼管１７の後部内部に挿入される凸部を先端に有する方式の効果器である。

効果器２４は、曲げ加工の素材の後部の形状や寸法に応じて適宜変更されて、用いられる。金属加工装置１０は、第１の産業用ロボット１８の近傍に配置された段替え用ツール置き台３０を備える。自動交換機能を有する交換用効果器２４−１が段替え用ツール置き台３０に載置される。加工素材が鋼管１７以外の他の素材１７−１（図示例は四角形の横断面を有する角管）に変更される場合、第１の産業用ロボット１８が旋回し、効果器２４を交換用効果器２４−１に交換する。これにより、効果器２４の交換が極めて迅速に行われる。

図１に破線で示すように、もう１基の第１の産業用ロボット１８−１が、第１の産業用ロボット１８とともに配置されていてもよい。第１の産業用ロボット１８による鋼管１７の送り作業中に、第１の産業用ロボット１８−１が、他の素材１７−１をパレット２３から拾い上げ、他の素材１７−１を後述する第１の支持機構１３に形成された貫通孔に通す。第１の産業用ロボット１８−１は、適当な効果器を他の素材１７−１の後端に配置されて、待機する。第１の産業用ロボット１８による鋼管１７の送り作業が終了すると、他の素材１７−１のパスラインに合わせて、後述する加熱コイル支持ロボット３２による加熱コイル１３ａの設置位置、および第２の支持機構１５による可動ローラーダイス２５の設置位置がいずれも変更される。これにより、第１の産業用ロボット１８−１が他の素材１７−１の送り作業を直ちに開始することができる。このため、金属加工装置１０の生産タクトが短縮される。

第１の産業用ロボット１８−１は、上述した第１の産業用ロボット１８と同様に、いわゆる垂直多関節ロボットであり、第１軸〜第６軸を有し、必要に応じて第７軸を有してもよい。第１軸〜第７軸はＡＣサーボモーターにより駆動される。

第１の産業用ロボット１８が、パレット２３からの鋼管１７の移載およびセットを行うので、金属加工装置１０のサイクルタイムが短縮され、これにより、金属加工装置１０の生産性が高められる。

なお、送り機構１１として、例えばボールネジを用いた周知慣用の送り装置を用いてもよい。

［第１の支持機構１２］
第１の支持機構１２は、支持台３１に搭載される。第１の支持機構１２は、第１の位置Ａに固定して配置される。第１の支持機構１２は、鋼管１７を送りながら支持する。第１の支持機構１２は、曲げ加工装置０と同様に、ダイスにより構成される。ダイスは、送り機構１１により送られる素材を送りながら支持可能である複数のロール１２ａ〜１２ｆを有する。

鋼管１７は、ロール１２ａ，１２ｂとロール１２ｄ，１２ｅとにより送られる。他の素材１７−１は、ロール１２ｂ，１２ｃとロール１２ｅ，１２ｆとにより送られる。すなわち、鋼管１７のパスラインがロール１２ａ，１２ｂとロール１２ｄ，１２ｅとにより形成されるとともに、他の素材１７−１のパスラインがロール１２ｂ，１２ｃとロール１２ｅ，１２ｆとにより形成される。

複数のロール１２ａ〜１２ｆの設置数や形状、さらにはダイス内での配置は、搬送される素材１７、１７−１の形状や寸法等に応じて、適宜設定される。
このようなダイスは当業者にとっては周知慣用であるので、第１の支持機構１２に関する説明は省略する。

［加熱機構１３］
加熱機構１３は、鋼管１７の送り方向について第１の位置Ａよりも下流の第２の位置Ｂに配置される。加熱機構１３は、加熱コイル支持ロボット３２により支持されて、配置される。加熱機構１３は、送られる鋼管１７の一部または全部を加熱する。

加熱機構１３は、誘導加熱装置により構成される。誘導加熱装置は、鋼管１７の周囲に離れて配置される加熱コイル１３ａを有する。この加熱コイル１３ａは、当業者にとっては周知慣用である。

加熱コイル支持ロボット３２は、上述した第１の産業用ロボット１８と同様に、いわゆる垂直多関節ロボットであり、第１軸〜第６軸を有し、必要に応じて第７軸を有してもよい。第１軸〜第７軸はＡＣサーボモーターにより駆動される。

他の素材１７−１を加熱する場合、段替え用加熱コイル置き台３３が加熱コイル支持ロボット３２の近傍に配置される。自動交換機能付きの交換用加熱コイル１３ｂが、置き台３３に載置される。素材が鋼管１７以外の他の素材１７−１に変更される場合、加熱支持ロボット３２が旋回し、加熱コイル１３ａを加熱コイル１３ｂに交換する。これにより、加熱コイル１３ｂは極めて迅速に交換される。

加熱機構１３に関するこれ以上の説明は省略する。

［冷却機構１４］
冷却機構１４は、鋼管１７の送り方向について第２の位置Ｂよりも下流の第３の位置Ｃに固定して配置される。冷却機構１４は、送られる鋼管１７における加熱機構１３により加熱された部分を冷却する。これにより、冷却機構１４は、鋼管１７の長手方向の一部に鋼管１７の長手方向へ移動する高温部１７ｂを形成する。高温部１７ｂの変形抵抗は大幅に低下する。

冷却機構１４は、例えば、鋼管１７の外面に離れて配置される冷却媒体噴射ノズル１４ａ、１４ｂを有する。冷却水が冷却媒体として例示される。この冷却媒体噴射ノズル１４ａ、１４ｂは、当業者にとっては周知慣用であるので、冷却機構１４に関する説明は省略する。

［第２の支持機構１５］
第２の支持機構１５は、鋼管１７の送り方向について第３の位置Ｃよりも下流の第４の位置Ｄに配置される。第２の支持機構１５は、送られる鋼管１７の少なくとも一箇所を支持しながら二次元または三次元の方向へ移動する。これにより、第２の支持機構１５は、鋼管１７の高温部１７ｂ（位置Ｂ〜Ｃ間に存在する部分）に曲げモーメント又は剪断モーメントを与え、鋼管１７を所望の形状に曲げ加工又は剪断加工する。

第２の支持機構１５は、曲げ加工装置０と同様に、可動ローラーダイス２５により構成される。可動ローラーダイス２５は、鋼管１７を送りながら支持可能であるロール対２５ａ、２５ｂを少なくとも一組有する。

可動ローラーダイス２５は、第２の産業用ロボット２７により支持される。第２の産業用ロボット２７はＣＰ型のプレイバックロボットである。ＣＰ型のプレイバックロボットは、隣接する教示点の間の多数に細分化された軌跡と、これらの多数に細分化された軌跡の通過時刻とを連続的に記憶可能である。

第２の産業用ロボット２７は、上述した第１の産業用ロボット１８と同様に、いわゆる垂直多関節ロボットであり、第１軸〜第６軸を有し、必要に応じて第７軸を有してもよい。第１軸〜第７軸は、ＡＣサーボモーターにより駆動される。

グリッパー２７ａが、可動ローラーダイス２５を保持するための効果器（エンドエフェクタ）として、第２の産業用ロボット２７の手首２０ａの先端に設けられる。効果器は、グリッパー２７ａ以外の型式のものでもよい。

可動ローラーダイス２５は、第２の産業用ロボット２７を含む複数基の産業用ロボットにより、支持されていてもよい。これにより、各産業用ロボットの負荷が軽減されるので、可動ローラーダイス２５の移動軌跡の精度が向上する。

［変形防止機構１６］
変形防止機構１６は、鋼管１７の送り方向について第４の位置Ｄよりも下流の第５の位置Ｅに配置される。変形防止機構１６は、送られる鋼管１７が自重や冷却により発生する応力によって変形することを防止する。

第３の産業用ロボット２８が変形防止機構１６として用いられる。
第３の産業用ロボット２８は、上述した第１の産業用ロボット１８や第２の産業用ロボット２７と同様に、いわゆる垂直多関節ロボットであり、第１軸〜第６軸を有し、必要に応じて第７軸を有してもよい。第１軸〜第７軸はＡＣサーボモーターにより駆動される。

鋼管１７の外面を掴むグリッパー２９が、鋼管１７の先端部１７ａを保持するための効果器（エンドエフェクタ）として、第３の産業用ロボット２８の手首２０ａの先端に設けられる。

効果器は、グリッパー２９以外の型式の効果器（例えば、鋼管１７の開口に挿入するもの）を用いてもよいことはいうまでもない。例えば、段替え用ツール置き台３４が第３の産業用ロボット２８の近傍に配置される。鋼管１７の内部に挿入する型式の交換用グリッパー２９−１がこの置き台３４に載置される。素材が鋼管１７以外の他の素材１７−１に変更される場合、第３の産業用ロボット２８が旋回してグリッパー２９をグリッパー２９−１に交換する。これにより、グリッパー２９−１が極めて迅速に交換される。

ハンドリングロボット３７が第３の産業用ロボット２８の下流に配置される。ハンドリングロボット３７は、手首２０ａの先端に把持部３６を有する。把持部３６は、曲げ加工を終了した曲げ加工品３５を保持する。ハンドリングロボット３７はＣＰ型のプレイバックロボットである。

ハンドリングロボット３７は、上述した第１の産業用ロボット１８と同様に、いわゆる垂直多関節ロボットであり、第１軸〜第６軸を有し、必要に応じて第７軸を有してもよい。第１軸〜第７軸はＡＣサーボモーターにより駆動される。

ハンドリングロボット３７は、曲げ加工を終了した曲げ加工品３５を保持する。ハンドリングロボット３７は、保持した曲げ加工品３５を製品置き台３８に移載する。
金属加工装置１０は、曲げ加工又は剪断加工を、温間または熱間で行うことが望ましい。温間とは、常温に比べて金属材料の変形抵抗が低下する温度域であり、例えば、ある金属材料ではおよそ５００℃から８００℃の温度域である。熱間とは、常温に比べて金属材料の変形抵抗が低下し、かつ、金属材料の焼入れ可能な温度域であり、例えば、ある鉄鋼材料では８７０℃以上の温度域である。

曲げ加工又は剪断加工が熱間で行われる場合、鋼管１７は、鋼管１７が焼入れ可能な温度域に加熱された後に所定の冷却速度で冷却することによって、焼入れ処理される。また、曲げ加工又は剪断加工が温間で行われる場合、熱歪み等の加工に伴う鋼管１７の歪みの発生が、防止される。

金属加工装置１０が、鋼管１７を二次元または三次元に曲げる曲げ加工又は剪断加工を行うと、送り機構１１が第１の産業用ロボット１８を有するために、以下に列記する効果が得られる。

（ａ）鋼管１７の種類に応じて不可避的に行われる段取替えが、簡単かつ迅速に行われる。このため、金属加工装置１０のサイクルタイムの増加が防止され、金属加工装置１０の生産性が高まる。また、鋼管１７のパスラインが変更される場合に不可避的に行われる段取替えが簡単かつ迅速に行われる。このため、金属加工装置１０の生産の自由度および生産性がいずれも高まる。さらに、鋼管１７を収容するパレット２３が、第１の産業用ロボット１８の動作範囲内に設置される。

（ｂ）送り機構１１を構成する第１の産業用ロボット１８が、ハンドリングロボットとしても用いられる。このため、この第１の産業用ロボット１８が、素材１７を所定の位置にセットした後に直ちに素材１７をその軸方向へ送ることができるため、金属加工装置１０のサイクルタイムが短縮される。

（ｃ）第１の産業用ロボット１８の動作タイミングと、例えば、第２の産業用ロボット２７、加熱コイル支持ロボット３２、第３の産業用ロボット２８等の他の装置の動作タイミングとを、一致させることが容易になる。このため、曲げ加工又は剪断加工部品３５の寸法精度の向上を図ることが、鋼管１７の送り速度を自在に変更すること（例えば、曲げ部材における曲げ部分の送り速度を低下すること等）によって可能になるとともに、第１の産業用ロボット１８の起動の際のスタートタイミングと、例えば、第２の産業用ロボット２７、加熱コイル支持ロボット３２、第３の産業用ロボット２８等の他の装置の起動の際のスタートタイミングとを、一致させることが容易になる。

（ｄ）第１の産業用ロボット１８が送り機構１１に用いられるので、金属加工装置１０全体の設置スペースが、第１の産業用ロボット１８が例えば第１の支持機構１２にできるだけ近接して配置されることによって抑制され、これにより、金属加工装置１０の設置場所の制限が抑制される。

（ｅ）第１の産業用ロボット１８が送り機構１１の構成要素として用いられるので、例えば、（１）鋼管１７が溶接鋼管である場合に、鋼管１７に存在する溶接ビード位置が曲げ加工に不具合を生じない位置になるように鋼管１７を軸回りに回転させてから、鋼管１７を金属加工装置１０にセットする動作、（２）鋼管１７のセット時の芯ずれを調整する動作、（３）鋼管１７の送り経路を調整する動作、（４）鋼管１７に微小な繰り返し振動を与えることによって第１の支持機構１２や第２の支持機構１５の摩擦係数を低下する動作、さらには（５）鋼管１７の芯ずれを修正してスティックスリップ現象の発生を未然に防止する動作といった、送り動作以外の動作も行うことができる。このため、金属加工装置１０の生産の自由度が高まる。

なお、第１の産業用ロボット１８が溶接ビード位置を変更する動作が行う場合、周知慣用の溶接ビード位置検出装置が第１の産業用ロボット１８に設けられる。鋼管１７の回転角度は溶接ビード位置検出装置の検出値により演算により設定されるようにしてもよい。

（ｆ）第１の産業用ロボット１８は、生産実績が高い汎用の産業用ロボットにより構成可能であるので、良好なメンテナンス性が得られるとともに、補修や清掃に要する時間や工数が抑制される。

（ｇ）第１の産業用ロボット１８は、第１の支持機構１２の取付け向きに応じて、鋼管１７の送り軌道を微修正できるので、曲げ加工又は剪断加工部品３５の寸法精度が向上する。

以上説明したように、金属加工装置１０は、送り機構１１、第１の支持機構１２、加熱機構１３、及び冷却機構１４からなる高温部形成機構４０と、第２の産業用ロボット２７を備える第２の支持機構１５と、軌跡測定装置と、制御装置とを備える。

略述すると、高温部形成機構４０は、略述すると、長尺の素材である鋼管１７の軸方向へ移動する高温部１７ｂを部分的に形成する。例えば第１の産業用ロボット１８を用いた送り機構１１が、第１の支持機構１２によりその軸方向へ移動自在に支持される鋼管１７を、上流側から下流側へ向けて送る。そして、第１の支持機構１２の下流で加熱機構（誘導加熱コイル）１３が鋼管１７を部分的に例えば焼入れが可能な温度域（Ａｃ_３点以上）に急速に加熱するとともに、加熱機構１３の下流に配置される冷却機構１４が鋼管１７に冷却水を吹き付けて鋼管１７を急冷することによって、加熱機構（誘導加熱コイル）１３による鋼管１７の加熱位置と冷却水の鋼管１７への吹き付け位置との間に、鋼管１７の軸方向へ移動するＡｃ_３点以上の温度の高温部１７ｂを形成する。このように、高温部形成機構４０は、長尺の素材である鋼管１７の軸方向へ移動する高温部１７ｂを部分的に形成するための、送り機構１１、第１の支持機構１２、加熱機構１３、及び冷却機構１４からなる。

第２の産業用ロボット２７は、高温部１７ｂを境として鋼管１７の一方の端部側及び／又は他方の端部側を支持しながら移動するマニピュレータを備える。これらマニピュレータは、鋼管１７を送りながら支持可能であるロール対２５ａ、２５ｂを少なくとも一組有する可動ローラーダイス２５を把持しながら、可動ローラーダイス２５の位置を二次元又は三次元で変更することによって鋼管１７の高温部１７ｂに曲げモーメント又は剪断モーメントを付与する。このようにして、第２の産業用ロボット２７は、曲げ加工又は剪断加工部品３５を製造する。

図示しないが、金属加工装置１０は、さらに、軌跡測定装置と制御装置とを備える。
軌跡測定装置は、産業用ロボットによる素材の支持位置の軌跡を測定する。また、制御装置は、産業用ロボットのマニピュレータを、予め設定した目標移動軌跡に基づいて移動させて高温部１７ｂに曲げモーメントを与えるとともに、軌跡測定装置によるマニピュレータの軌道の測定値と目標移動軌跡との偏差を求め、この偏差が予め定めた閾値を超える場合には、長尺の素材１７の次以降の長尺の素材１７’の加工における目標移動軌跡を修正して設定するとともに、偏差が所定の閾値以下の場合には、長尺の素材１７の次以降の長尺の素材１７’の加工における目標移動軌跡に基づく。以下、軌跡測定装置と制御装置を説明する。

長尺の素材１７に、この素材１７の軸方向へ移動する高温部１７ｂを部分的に形成しながら、高温部１７ｂを境として素材１７の一方の端部側及び／又は他方の端部側を支持する第２の産業用ロボット２７のマニピュレータを、予め設定した目標移動軌跡に基づいて移動させて高温部１７ｂに曲げモーメントを与えることによって、金属部材３５を製造するダイレス成形において、製造される金属部材３５の加工精度のばらつきの原因は、主として、可動ローラーダイス２５あるいは、可動ローラーダイス２５を支持する第２の産業用ロボット２７の軌道のばらつきである。

ここで、可動ローラーダイス２５あるいは第２の産業用ロボット２７の軌道ずれの要因としては、
（Ａ）各種加工機あるいは産業用ロボットの熱変形
（Ｂ）産業用ロボットの各軸の減速機の磨耗
（Ｃ）素材１７の寸法（外径寸法、肉厚）のばらつき、素材１７の材料成分（変形抵抗）のばらつき、素材１７の加熱条件（加熱温度）のばらつき、さらには素材１７の冷却条件（冷却温度）のばらつきに起因した加工時の荷重の変化
などが考えられる。

例えば特許文献６により開示されるダイレス成形により金属部材３５を量産する際には、これらの要因に起因して、製造される金属部材３５の加工精度がばらつくおそれがある。

そこで、本発明では、可動ローラーダイス２５あるいは第２の産業用ロボット２７の軌道の、初期設定の軌道データからのずれ（偏差）を計測してこれを監視し、得られた偏差が予め定めた閾値を超える場合には、初期設定の軌道データを補正することによって、金属部材３５の量産時の加工精度のばらつきを最小化する。

以降の説明では、第２の産業用ロボット２７のマニュピュレ一タにより素材１７を把持する場合を例にとるが、基本的には特許文献６により開示されるように可動ローラーダイス２５のような支持装置により素材１７を移動自在に支持する場合であっても、サーボモータと減速機とを組み合わせた機構となるので、同様である。

従来のダイレス成形では、屈曲した金属部材３５の形状が与えられると、幾何学的な関係に基づいて、塑性加工的な補正や弾性力学的な補正を加えた制御ロジックをベースとして、また、必要であれば何回かの確認試験を行うことによって、製造された金属部材３５の形状が目標形状に一致するまで、第２の産業用ロボット２７のマニュピュレ一タ（素材先端のクランプ位置）の移動軌跡の補正を行い、マニュピュレ一タ（素材先端のクランプ位置）の初期の軌道（基準値、目標値）を決定する。この初期の軌道のデータを用いて金属部材３５の生産が開始される。

図３、４は、いずれも、本発明の金属加工方法の概略を示すフロー図である。本発明では、図３に示すように、
（ｉ）マニュピュレ一タ（素材先端のクランプ位置）の軌道を直接測定するか、あるいは、第２の産業用ロボット２７の所定部位の測定により軌道を推定する。
（ｉｉ）上記（ｉ）項で求めた測定値又は推定値と、基準値（初期値、目標値）との偏差差を求める。
（ｉｉｉ）上記（ｉｉ）項で求めた偏差が予め定めた閾値を超える場合には、次材以降における基準値（初期値、目標値）のデータを変更して曲げ加工を行う。なお、偏差は、１回のデータにより求めてもよいし、あるいは複数回の平均値を用いてもよい。

また、本発明では、図４に示すように、
（ｉ）マニュピュレ一タ（素材先端のクランプ位置）の軌道を直接測定するか、あるいは、第２の産業用ロボット２７の所定部位の測定により軌道を推定する。

（ｉｉ）上記（ｉ）項で求めた測定値又は推定値と、基準値（初期値、目標値）との偏差差を求める。
（ｉｉｉ）偏差が予め定めた閾値を超えた場合には、次材以降における基準値（初期値、目標値）のデータの変更、金属部材３５の生産の中止、あるいはアラームの発信を行う。

次に、軌跡測定装置と制御装置の構成を説明する。
本発明に係る金属加工装置１０は、上述した高温部形成機構４０及び第２の産業用ロボット２７のマニピュレータとともに、第２の産業用ロボット２７による素材１７の支持位置の軌跡を測定する軌跡測定装置と、マニピュレータを、予め設定した目標移動軌跡に基づいて移動させて高温部１７ｂに曲げモーメント又は剪断モーメントを与えるとともに、軌跡測定装置によるマニピュレータの軌道の測定値と目標移動軌跡との偏差を求め、この偏差が予め定めた閾値を超える場合には長尺の素材１７の次以降の長尺の素材１７’の加工における目標移動軌跡を修正して設定する制御装置とを備える。軌跡測定装置としては、レーザやＬＥＤを用いた市販の空間センサーを用いることが例示される。

また、本発明に係る金属加工装置１０は、高温部形成機構４０、及び第２の産業用ロボット２７のマニピュレータとともに、マニピュレータの撓みを測定する撓み測定装置と、マニピュレータを、予め設定した目標移動軌跡に基づいて移動させて高温部１７ｂに曲げモーメントを与えるとともに、撓み測定装置によるマニピュレータの撓みと目標移動軌跡とに基づいて、長尺の素材１７の次以降の長尺の素材の加工における目標移動軌跡を修正して設定する制御装置とを備える。撓み測定装置としては、第２の産業用ロボット２７の各関節に市販の変位計を内臓することが例示される。

図５は、第２の産業用ロボット２７の関節部の減速機のモータ側と出側とに変位計を備える状況を概念的に示す説明図である。
図５に示すように、被駆動体を、減速機を介して駆動するモータ４１と、減速機４５の被駆動体側出力軸に取り付けられ出力軸の回転位置を検出するアブソリュート型エンコーダ４２と、モータ４１の回転位置を、パルスを介して検出するモータ側エンコーダ（インクリメンタル型エンコーダ）４３と、電源投入によりモータ４１を原点方向に動作させ、モータ側エンコーダ４３の基準エンコーダパルスを出力させるパルス出力手段４６と、基準エンコーダパルスの位置におけるアブソリュート型エンコーダ４２の現在値を読み取る現在値読み取り手段４７と、読み取った現在値と予め決められたモータ４１の回転原点位置とからモータ回転数を演算するモータ回転数演算手段と、演算結果に基づき被駆動体４４の位置を検出する被駆動体位置検出手段とを備えており、第２の産業用ロボット２７の関節部の変位を測定することができる。

図６は、第２の産業用ロボット２７の関節部の動作を模式的に示す説明図である。
この撓み測定装置では、
（ｉ）第２の産業用ロボット２７のマニピュレータの変形を測定する。
（ｉｉ）第２の産業用ロボット２７の関節の減速機入り側を基準に取り（０点）、モータ出側の変位を考える。加工時に、加速度や加工力などの外力が作用すると、図６に示すように、第２の産業用ロボット２７の関節には、Ｘ軸周りの回転Ｖｘ、ｙ軸周りの回転Ｖｙ、Ｚ軸周りの回転Ｖｚが発生する。これらを測定する。

例えば６軸ロボットであれば、６軸の各関節とアームの空間位置を考慮して、足し合わせることによって、第２の産業用ロボット２７の先端の軌道を推定することができる。この中で、第２の産業用ロボット２７の関節の減速機のｚ軸周りの回転Ｖｚが最も大きく変化するため、第２の産業用ロボット２７の先端の軌道の推定には、Ｖｚのみを使用しても実用上十分な精度で第２の産業用ロボット２７の軌道を推定することができる。

なお、軌道のモニタリングだけであれば、第２の産業用ロボット２７の先端の軌道に変換しなくとも、直接の計測値の変化の閾値を予め決定しておけばよい。
さらに、第２の産業用ロボット２７が何らかの原因によりワーク等の他の物体に衝突・接触すると、その際の外力によって減速機が回転し、基準位置からのずれが生じることがある。その場合にも、モータ出側のエンコーダにより正確にずれを測定できるため、原点を再計算することにより、迅速な運転再開が可能となる。

さらにまた、長期に加工機を使用していると、他の物体に衝突・接触がなくとも、減速機の磨耗が進行し、バックラッシュ量が大きくなり、そのまま放置すれば製品の加工精度が悪化する。これに対し、本発明によれば、オフラインで各関節の減速機について、所定のパルス数の正転や逆転の動作を行い、モータ出側のエンコーダで出側の動作を測定することにより、バックラッシュ量の大きさを定量的に把握することが可能となる。すなわち、バックラッシュ量を考慮して最適な軌道データの修正を行うことができるだけではなく、バックラッシュ量の大きさを定期的に管理し、減速機の交換タイミングを正確に把握することもできる。

図７は、第２の産業用ロボット２７の一つの関節を抜き出してサーボフィードバックを構成した説明図である。第２の産業用ロボット２７では、各関節に対応して複数個のサーボループから構成される。

軌道指令生成部５１は、ワークである素材１７を曲げ加工する際の第２の産業用ロボット２７の各関節に与える軌道を生成するものであり、生成された軌道は指令作成部５２に払い出される。

指令作成部５２では、軌道指令生成部５１から受信する軌道データに基づいて、セグメントデータを生成し、サーボ制御部５３へ位置指令を送信する。
サーボ制御部５３では、位置指令に基づいて速度フィードバック及び電流フィードバックを行い、各関節に備えられたモータ５４へ駆動電流を送信する。モータ５４の回転角度は、モータ側エンコーダ５５−１で検出され、位置情報として指令作成部５２及びサーボ制御部５３へフィードバックされる。このモータ５４の回転角度は、減速機５６で減速され、減速機５６の出力軸に取り付けられたアーム５７を駆動する。

このようにすることで、第２の産業用ロボット２７の各関節は、フィードバックループが構成される。
また、減速機５６の出力側には出力側エンコーダ５５−２が取り付けられており、出力側エンコーダ５５−２の回転角度を検出する。出力側エンコーダ５５−２の回転角度は、図示しない減速比に相当する乗算器を介して送信され、モータ側エンコーダ５５−１の値と加減算した偏差を比較演算部５８へ送信する。

このようにすることで、第２の産業用ロボット２７が素材１７を曲げ加工又は剪断加工する際の負荷に応じた減速機５６の歯面の撓み成分及びバックラッシ成分を検出することができる。

また、アーム５７に内蔵された位置センサ５９によりアーム５７の撓み成分を検出し、比較演算部５８へ送信する。このようにすることで、素材１７を曲げ加工する際における、下部アーム及び上部アームの負荷に応じた撓み成分を検出することができる。

減速機５６の偏差、及びアーム５７の偏差は、第２の産業用ロボット２７の手先位置の目標位置との誤差となることから、素材１７を曲げ加工する際における位置決め誤差として検出することができる。

また、比較演算部５８では、減速機５６の偏差、及びアーム５７の偏差を加減算することにより、第２の産業用ロボット２７の動作状態の軌道の各位置において、目標位置との偏差を生成する。

一方、加工された素材１７は形状測定部６０により測定され、測定結果が軌道生成部６１に送信される。軌道生成部６１は、第２の産業用ロボット２７の手先位置の軌道と、素材１７の各部の軌道とを加減算することにより、目標位置との偏差を求め、求めた偏差が予め定めた閾値を超える場合には、新たな軌道を生成する。新たな軌道が軌道生成部６１で生成され、生成された新たな軌道は軌道指令生成部５１へ送信される。このようにして新たな軌道にしたがって素材１７を加工し、偏差を収束させる。

０ 曲げ加工装置
１ 鋼管
１ａ 高温部
２ 支持手段
３ 送り装置
４ 可動ローラーダイス
４ａ ロール対
５ 誘導加熱コイル
６ 水冷装置
８ 曲げ部材
１０ 本発明に係る金属加工装置
１１ 送り機構
１２ 第１の支持機構
１２ａ〜１２ｆ ロール
１３ 加熱機構
１３ａ，１３ｂ 加熱コイル
１４ 冷却機構
１４ａ、１４ｂ 冷却媒体噴射ノズル
１５ 第２の支持機構
１６ 変形防止機構
１７ 鋼管
１７−１ 他の素材
１７ａ 先端部
１７ｂ 高温部
１８、１８−１ 第１の産業用ロボット
１９ 上腕
２０ 前腕
２０ａ 手首
２１ コントローラー
２２ 入力装置
２３ パレット
２４、２４−１ 効果器（エンドエフェクタ）
２５ 可動ローラーダイス
２５ａ、２５ｂ ロール対
２７ 第２の産業用ロボット
２７ａ グリッパー
２８ 第３の産業用ロボット
２９ グリッパー
２９−１ 交換用グリッパー
３０ 段替え用ツール置き台
３１ 支持台
３２ 加熱コイル支持ロボット
３３ 段替え用加熱コイル置き台
３４ 段替え用ツール置き台
３５ 加工品
３６ 把持部
３７ ハンドリングロボット
３８ 製品置き台
４０ 高温部形成機構
４１ モータ
４２ アブソリュート型エンコーダ
４３ モータ側エンコーダ（インクリメンタル型エンコーダ）
４４ 被駆動体
４５ 減速機
４６ パルス出力手段
４７ 現在値読み取り手段
５１ 軌道指令生成部
５２ 指令作成部
５３ サーボ制御部
５４ モータ
５５−１ モータ側エンコーダ
５５−２ 出力側エンコーダ
５６ 減速機
５７ アーム
５８ 比較演算部
５９ 位置センサ
６０ 形状測定部
６１ 軌道生成部

Claims (1)

1. 長尺の素材の軸方向へ移動する高温部を部分的に形成するための高温部形成機構と、
   該高温部を境として前記素材の一方の端部側及び／又は他方の端部側を支持しながら予め設定された目標移動軌跡に基づいて移動するとともに各関節部それぞれの減速機を備える産業用ロボットのマニピュレータと、
   前記産業用ロボットが前記素材を曲げ加工又はせん断加工する際の負荷に応じた、前記減速機の歯面の撓み成分及びバックラッシュ成分を検出することによって前記マニピュレータの撓みを測定する撓み測定装置と、
   該マニピュレータを、予め設定した目標移動軌跡に基づいて移動させて前記高温部に曲げモーメント又は剪断力を与えるとともに、前記撓み測定装置による前記マニピュレータの撓みと前記目標移動軌跡とに基づいて、移動時における前記マニピュレータの軌道の測定値あるいは推定値と、前記目標移動軌跡との偏差が予め定めた閾値を超える場合には、前記長尺の素材の次以降の長尺の素材の加工における前記目標移動軌跡を修正して設定する制御装置とを備えること
   を特徴とする金属加工装置。

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