JP6604154B2

JP6604154B2 - クランプ装置

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Publication number: JP6604154B2
Application number: JP2015223849A
Authority: JP
Inventors: 直哉畠山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2035-11-16
Also published as: JP2017087388A

Description

本発明は、クランプ装置に関し、例えば、ワークに対して加工を施す時に、ワークをクランプするクランプ装置に関する。

機械加工方法であって、被加工ワークをワークテーブル上で治具によりクランプした際に生じる加工部位の変位を加工前に検出し、この変位量を用いてNCプログラムの加工部位の座標値データを補正して加工を実施する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１では、変位量を、ワークテーブル上に被加工ワークを置いた時の加工部位の座標値（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）と、ワークテーブル上で被加工ワークをクランプした時の加工部位の座標値（Ｘ_２、Ｙ_２、Ｚ_２）とを用いて算出している。

特開平４−３７２３３１号公報

しかしながら、特許文献１では、ワークが変形した状態で加工を行っているため、加工前にNCプログラムをワークの変位量を用いて補正しても、ワークの変形量に対して補正が対応できない場合は加工精度が悪化することになる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ワーク全体に対するクランプ力を維持しつつ、クランプ時のワークの変形量を極力抑えられて加工精度を向上させることができるクランプ装置を提供する。

本発明の一態様に係るクランプ装置は、ワークをクランプするクランプ部を複数有するクランプ装置であって、前記ワークの加工基準部の形状情報を計測する計測部と、計測された前記加工基準部の前記形状情報を反映した前記ワークの前記形状情報と、予め記憶された前記ワークの特性情報と、予め記憶されたクランプ情報と、に基づいて、前記ワークの加工部の変形量を算出する変形量算出部と、前記クランプ部のクランプ力の合計が所定値以上であり、かつ、前記変形量が最小になるように前記クランプ部の前記クランプ力を算出するクランプ力算出部と、を有する。このような構成とすることにより、ワーク全体に対するクランプ力を維持しつつ、クランプ時のワークの変形量を極力抑えられて加工精度を向上させることができる。

本発明により、ワーク全体に対するクランプ力を維持しつつ、クランプ時のワークの変形量を極力抑えられて加工精度を向上させることができるクランプ装置を提供する。

実施形態１に係るクランプ装置を例示した図である。実施形態１に係るクランプ装置の動作を例示したフローチャート図である。実施形態１に係るクランプ装置において、基準受け治具に載置したワークを例示した図である。（ａ）は、図３のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は、実施形態１に係るクランプ装置において、基準受け治具に載置したワークをクランプした状態を例示した図であり、（ｃ）は、単純支持ばりにおける変形を例示した図である。実施形態２に係るクランプ装置を例示した図である。実施形態３に係るクランプ装置を例示した図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施形態１）
実施形態１に係るクランプ装置を説明する。まず、クランプ装置の構成を説明する。
図１は、実施形態１に係るクランプ装置を例示した図である。図１に示すように、クランプ装置１は、計測部１０と、変形量算出部２０と、クランプ力算出部３０と、複数のクランプ部６０を有している。計測部１０は、例えば、加工機４０に設けられている。変形量算出部２０、クランプ力算出部３０及び複数のクランプ部６０は、加工機４１に設けられている。加工機４１は、加工機４０を用いた加工工程の次の加工工程で用いる加工機である。

計測部１０は、ワーク運搬装置７０によって支持されたワーク５０の形状を計測する。計測部１０は、例えば、非接触の三次元形状測定器である。計測部１０は、ワーク５０に対してレーザを照射する。そして、ワーク５０に対する照射光と、ワーク５０からの反射光との位相差より、非接触でワーク５０の形状を計測する。また、計測部１０は、ワーク５０の加工基準部５１の形状情報を計測する。加工基準部５１は、ワーク５０を加工する際の加工基準となる部分である。加工基準部５１の形状情報には、加工基準部５１の形状の他、加工基準の寸法及び幾何公差、加工基準部５１の形状と加工基準の寸法及び幾何公差とのズレ等を含んでいる。計測部１０は、変形量算出部２０と、例えば信号線１１を介して接続されている。計測部１０は、計測された加工基準部５１の形状情報を反映したワーク５０の形状情報を変形量算出部２０に対して出力する。

変形量算出部２０は、計測部１０が出力したワーク５０の形状情報を受信する。変形量算出部２０は、計測された加工基準部５１の形状情報を反映したワーク５０の形状情報と、予め記憶されたワーク５０の特性情報と、予め記憶されたクランプ情報と、に基づいて、ワーク５０の加工部の変形量を算出する。予め記憶されたワーク５０の特性情報とは、例えば、ヤング率、ポアソン比等のワーク５０の機械的特性を含んでいる。また、予め記憶されたクランプ情報とは、例えば、クランプ力、クランプする位置等の情報を含んでいる。ワーク５０の特性情報及びクランプ情報は、予め、例えば、記憶装置（図示せず）に記憶されている。

クランプ力算出部３０は、変形量算出部２０と、例えば、信号線２１を介して接続されている。クランプ力算出部３０は、クランプ力を算出する。クランプ力算出部３０は、クランプ部６０のクランプ力の合計が所定値以上であり、かつ、変形量が最小になるようにクランプ部６０のクランプ力を算出する。所定値とは、例えば、ワーク５０を加工する際の切削力である。例えば、クランプ力の合計が、加工中の切削力に耐えられる力以上にする。

クランプ部６０は、ワーク５０をクランプする。クランプ部６０は、加工機４１内に複数個、配置されている。

加工機４０及び加工機４１は、ワーク５０に対して所定の加工を行う。加工機４１には、基準受け治具５２が設けられている。基準受け治具５２及び複数のクランプ部６０により、ワーク５０をクランプする。ワーク運搬装置７０は、ワーク５０を加工機４０から加工機４１に運搬する。

次に、クランプ装置１の動作について説明する。
図２は、実施形態１に係るクランプ装置の動作を例示したフローチャート図である。図１及び図２のステップ１に示すように、計測部１０は、ワーク５０の加工基準部５１の形状情報を計測する。計測部１０は、加工機４０内における加工が終了したとき、加工機４０内において、ワーク５０の加工基準部５１の形状情報を計測する。例えば、計測部１０は、ワーク５０に対するレーザ照射により、非接触でワーク５０の形状を計測する。計測部１０は、ワークの形状情報に、計測された加工基準部５１の形状情報を反映させる。計測部１０は、ワーク５０の形状情報を変形量算出部２０に対して出力する。

次に、図２のステップ２に示すように、変形量算出部２０は、ワーク５０の加工部の変形量を算出する。図３は、実施形態１に係るクランプ装置において、基準受け治具に載置したワークを例示した図であり、図４（ａ）は、図３のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は、実施形態１に係るクランプ装置において、基準受け治具に載置したワークをクランプした状態を例示した図であり、（ｃ）は、単純支持ばりにおける変形を例示した図である。

図３及び図４（ａ）に示すように、例えば、ワーク５０としてプラネタリキャリア５３を基準受け治具５２に載置する。プラネタリキャリア５３は、変速機のプラネタリギアを構成する部品である。プラネタリキャリア５３は、半径が異なる円筒状の部品が中心軸を一致させて積み重ねた形状となっている。

図３、図４（ａ）及び（ｂ）の説明の便宜上、プラネタリキャリア５３を基準受け治具５２に載置した状態において、ＸＹＺ直交座標系を導入する。プラネタリキャリア５３の円筒の中心軸方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向のうち、一方、例えば上方を＋Ｚ軸方向、その反対方向の下方を−Ｚ軸方向とする。Ｚ軸方向に直交する面内における一方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向のうち、一方を＋Ｘ軸方向、その反対方向を−Ｘ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とする。＋Ｚ軸方向から＋Ｘ軸方向にネジを回転させたときにネジが進む方向を＋Ｙ軸方向、その反対方向を−Ｙ軸方向とする。

図３、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、プラネタリキャリア５３は、例えば、上方から円筒５５、円筒５６及び円筒５７が積み重なって形成されている。円筒５６は、円筒５５及び円筒５７よりも半径が大きくなっている。円筒５６は、円筒５６と円筒５７とを連結する円板状の延在部５６ａを有している。延在部５６ａの下面が加工基準部５１、すなわち、加工する際の加工基準となっている。基準受け治具５２上には、延在部５６ａが配置されている。円筒５５の側壁は厚くなっており、上方から見て円筒５５の端面、すなわち、プラネタリキャリア５３の上面５３ａは円環状になっている。

プラネタリキャリア５３をクランプする際には、上面５３ａに配置するクランプ部（図示せず）と、加工基準部５１に接する基準受け治具５２との間でクランプする。クランプ位置は、例えば、上面５３ａにおける円環に沿って等間隔に配置された位置６１、位置６２、位置６３及び位置６４の４か所である。プラネタリキャリア５３の加工部は、例えば、円筒５５の上面から下面まで貫通する貫通孔及び円筒５５の上面である。加工部となる貫通孔及び上面を、加工孔７１及び加工面５４という。基準受け治具５２にワーク５０を載置した場合に、計測部１０で計測した加工基準部５１における加工基準からのずれがあると、図４（ａ）に示すように、加工基準部５１と基準受け治具５２との間に隙間７２が発生する。これにより、計測部１０で計測されたズレと実際のズレとを確認することができる。

各位置６１〜６４をクランプ部によってクランプすると、図４（ｂ）に示すように、ワーク５０が変形する。変形量算出部２０は、計測された加工基準部５１の形状情報を反映したワーク５０の形状情報と、予め記憶されたワーク５０の特性情報と、予め記憶されたクランプ情報と、に基づいて、ワーク５０の加工部（加工面５４及び加工孔７１）の変形量を算出する。

ここで、ワーク５０の形状を、例えば、単純支持ばり７３に例えて、ワーク５０の加工部の変形量を算出する方法を説明する。図４（ｃ）に示すように、単純支持ばり７３の形状をしたワーク５０が、基準受け治具５２に載置されて、位置６１にクランプ部６０によりクランプされる場合を説明する。この場合に、位置６１の近傍における加工面５４の変形量δＡｓは、以下の式を用いて算出する。

ここで、Ｆは、クランプ力を示し、ワーク５０を実際にクランプするときに用いる力である。Ｅはヤング率であり、材料特有の値である。４８は、単純支持ばりの場合に特有な係数である。長さＬは、基準受け治具５２間の距離である。断面２次モーメントＩは、以下の式から導かれる。

ここで、幅ｂは、ワーク５０の幅である。高さｈは、基準受け治具５２の上面からクランプ部６０が接触する面までの高さである。このように、変形量算出部２０は、ワーク５０の形状情報（長さＬ、幅ｂ、高さｈ）、ワークの特性情報（ヤング率Ｅ）及びクランプ情報（クランプする位置、係数４８、クランプ力Ｆ）に基づいて、上記（１）式及び（２）式を用いてワーク５０の加工面５４の変形量δＡｓを算出する。

図３に示すように、クランプする位置が位置６１〜６４の４か所の場合には、各クランプする位置におけるクランプ力Ｆ１〜Ｆ４による変形量δＡｓ１〜δＡｓ４を足し合わせたものが変形量δＡｓとなる。

また、加工孔７１における変形量δＡｈも同様に、クランプ力Ｆ１〜Ｆ４による変形量δＡｈ１〜δＡｈ４を足し合わせたものとなる。このようにして、変形量算出部２０は、ワーク５０の加工部の変形量を算出する。なお、変形量δＡｈ及び変形量δＡｓは、クランプ力Ｆ１〜Ｆ４に従属するものとなっている。

次に、図２のステップＳ３に示すように、クランプ力算出部３０は、変形量δＡｈ及び変形量δＡｓ（δＡｈ＋δＡｓ）が、最小になるように各クランプ部のクランプ力Ｆ１〜Ｆ４を算出する。クランプ力算出部は、例えば、有限要素法等のシミュレーションを用いて、変形量（δＡｈ＋δＡｓ）が最小になるように各クランプ部６０のクランプ力Ｆ１〜Ｆ４を算出する。このとき、クランプ部６０のクランプ力の合計が所定値以上になるようにする。

所定値は、加工中の切断力に耐えられる力である。加工中の切削力は加工部位等によって異なっている。加工中の切断力以上を満足させながら、変形量（δＡｈ＋δＡｓ）を最小にするようなクランプ力Ｆ１〜Ｆ４を算出する。なお、本実施形態では、加工面５４及び加工孔７１の加工としているが、これに限らない。１個所や複数個所の加工を行う場合には、それらの和が最小になるようにクランプ力を算出する。また、クランプ部が４つとは限らない。５か所以上または３か所以下の時は、各クランプ部６０に対するクランプ力Ｆを算出する。

次に、図２のステップＳ４に示すように、求めたクランプ力Ｆにより、ワーク５０をクランプする。このとき、加工孔７１及び加工面５４の変形量は最小となっている。
次に、図２のステップＳ５に示すように、実際に加工する。例えば、プラネタリキャリア５３の円筒５５の加工面５４を切削する。または、プラネタリキャリア５３の円筒５５の上面から下面まで貫通する加工孔７１を形成する。加工部の加工終了後、クランプをはずし、次の加工工程に進む。

本実施形態のクランプ装置１によれば、クランプ力Ｆの合計が所定値以上であり、かつ、加工部の変形量が最小になるようにクランプ部６０のクランプ力Ｆを算出している。このため、ワーク５０全体に対するクランプ力Ｆを維持しつつ、クランプ時のワーク５０の変形量を極力抑えられて加工精度を向上させることができる。

特許文献１では、クランプした際に生じる加工部の変位を加工前に検出し、この変位量を用いてNCプログラムの加工部の座標値データを補正し、ワークの加工を実施している。しかしながら、クランプ力Ｆを変形量が最小になるようにしていない。したがって、中空形状等の変形しやすいワークを、大きなクランプ力を用いてクランプした場合には、変形量が大きくなる。よって、変形量に占めるバラツキが大きくなり、ワークの変形量に対して補正が対応できない。これにより、加工精度が悪化する。

本実施形態のクランプ装置１によれば、中空形状などの変形しやすいワーク５０をクランプしたときに発生するワーク５０の変形量を算出し、変形量が最小になるクランプ力でクランプしている。これにより、変形量のバラツキを抑制し、高精度な加工を実現している。また、ワーク５０の加工基準の寸法・幾何公差からのズレも取り込んで変形量を算出している。よって、加工精度を向上させることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２を説明する。本実施形態は、計測部１０が加工機４１の外部に設けられた実施形態である。

図５は、実施形態２に係るクランプ装置を例示した図である。図５に示すように、本実施形態では、ワーク５０は、ワーク運搬装置７４、例えば、ベルトコンベアのようなスライド移動する台の上に載置されて加工機４１に搬送される。本実施形態の計測器１０は、ワーク運搬装置７４の近傍に設けられている。その他の構成は実施形態１と同様である。

本実施形態によれば、ワーク５０搬送中に計測することができるので、計測のためにワーク５０の加工を中断する必要がない。これにより、加工に要する時間を短縮することができる。その他の効果は、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
次に、実施形態３を説明する。本実施形態は、計測部１０が加工機４１の内部に設けられた実施形態である。

図６は、実施形態３に係るクランプ装置を例示した図である。図６に示すように、本実施形態では、計測部１０は、加工機４１の内部に設けられている。その他の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態によれば、加工機４１内でワーク５０の形状情報を計測することができる。よって、クランプ装置３をコンパクトにすることができる。その他の効果は、実施形態１と同様である。

以上、本発明にかかるクランプ装置の実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、本実施形態では、加工部を加工面と加工孔としたが、これに限らない。加工を施す部位であれば、ワークのどの部位を加工部としてもよい。また、ワークの特性情報としてヤング率及びポアソン比と例示したが、これに限らない。ワークの特性情報として、ワークの温度、ワークの材質等、ワークの特性を示す任意の情報を用いてもよい。

１、２、３クランプ装置
１０計測部
１１、２１信号線
２０変形量算出部
３０クランプ力算出部
４０、４１加工機
５０ワーク
５１加工基準部
５２基準受け治具
５３プラネタリキャリア
５４加工面
５５、５６、５７円筒
５６ａ延在部
６０クランプ部
６１、６２、６３、６４位置
７０、７４ワーク運搬装置
７１加工孔
７２隙間
７３単純支持ばり

Claims

ワークをクランプするクランプ部を複数有するクランプ装置であって、
前記ワークの加工基準部の形状情報である第１形状情報を計測する計測部と、
計測された前記加工基準部の前記第１形状情報を反映した前記ワークの形状情報である第２形状情報と、
予め記憶された前記ワークの特性情報と、
予め記憶されたクランプ情報と、に基づいて、前記ワークの加工部の変形量を算出する変形量算出部と、
前記クランプ部のクランプ力の合計が所定値以上であり、かつ、前記変形量が最小になるように前記クランプ部の前記クランプ力を算出するクランプ力算出部と、
を備えたクランプ装置。