JP6629012B2 - 加熱炉用のワーク搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は加熱炉用のワーク搬送装置に関するものである。

加熱炉での熱処理工程を伴う製造プロセスでは、その直前の工程の設備からワーク（加工対象）を加熱炉内に投入する作業や、加熱炉内のワークを取り出してその直後の工程の設備まで運ぶ作業が必要となる。これに関連する技術が例えば下記の特許文献１〜３に記載されている。このような搬送作業は、例えば、アームの先端にワークを載せるためのフォークを取り付けたロボットを用いて行うことができ、このフォークを炉内に差し入れたり炉内から引き出したりすることによって行うことができる。ワークはフォークの上に乗せられて加熱炉を含む設備間を移動する。

特開２０１４−０７７５６７号公報 特開２００８−２９１２８４号公報 特開２０１２−０８４６３７号公報

上述のようなワークの搬送作業において、フォークは炉内の高温雰囲気で熱せられたワークを乗せるため、フォークの上面側が特に熱により膨張し、結果的に図８に示すように先端部分が下方に撓む傾向にある。さらにこのフォークの撓み量はフォーク材料内の熱伝導によって時々刻々と変化しうる。例えば、先端が一旦垂れ下がったフォークでも、高温のワークの搬送を繰り返すうちにフォークの上面から下面に向かって熱が伝わっていくと下面側も膨張し、再び撓みが直線に近い形状まで回復することもある。

このようにフォークが変形するとその上に載せられたワークの位置も変わるため、図８の中段右側に示すように次の設備へのワークの受け渡しが失敗する可能性があるという問題が生じる。例えば、受け渡しの際にワークが目標とする位置に来ないと、ワークを受け取る掴み装置がワークをうまく掴めないことがある。またフォークの変形が大きくなるとフォークが加熱炉などの設備構成部材と接触し、フォークや設備が損傷する可能性があるという問題点もある。このようなことが起きると製造ラインを停止して作業員が対応に当たる必要が生じるため、製造プロセスの効率が低下する。しかし上記の特許文献１〜３に開示されている技術ではこれらの問題への対策が講じられていない。本発明は以上のような問題の少なくともひとつを抑制することを課題とする。

本発明のひとつの形態としての加熱炉用のワーク搬送装置は、加熱炉に出入りしワークを上に載せて搬送することのできる搬送器と、搬送器の移動を制御する手段と、加熱炉の熱によって変形した搬送器の変形量を測定する手段と、搬送器の変形量に基づいて搬送器の姿勢の補正量を決定する手段とを備えており、次工程設備へのワークの受け渡し時に、補正された姿勢を実現するように搬送器を移動するよう構成される。

好ましい形態として、搬送器の先端部の垂れ下がり量が測定され、搬送器の載置面の高さと角度の少なくとも一方が補正されるよう構成することもできる。

好ましい形態として、アームに搬送器が取り付けられたロボットと、搬送器の所定の部位が特定の位置に来たことを検知できるセンサーとを備えており、搬送器がセンサーに検知されたときの搬送器の姿勢をもとに搬送器の変形量が測定されるよう構成することもできる。

好ましい形態として、ワークが搬送器によって加熱炉から取り出されるたびに搬送器の変形量が測定されて姿勢が補正されるよう構成することもできる。

好ましい形態として、ワークが次工程設備に受け渡された後にセンサーで搬送器を検知するよう構成することもできる。

上記のような本発明の形態によれば、加熱された高温のワークを乗せることにより搬送器が変形しても、変形量を測定し、これに基づいて搬送器の姿勢を補正できる。したがって次工程の設備にワークを受け渡す際に適切な姿勢をとることができ、受け渡しの失敗を抑制することができる。また、加熱炉に搬送器を差し入れてワークを出し入れする際に搬送器が加熱炉の構成部材とぶつかりにくいため、搬送器や加熱炉の損傷を抑制することができる。

加熱炉の正面図である。 加熱炉内のワーク受け台の断面図である。 本発明の実施例としての搬送装置の全体構成を示す概要図である。 ワークを載せて運ぶためのフォークを示す上面図である。 フォークに載ったワークを取り上げる掴み装置を示す上面図である。 掴み装置がフォークからワークを受け取る様子を示す側面図である。 掴み装置がフォークからワークを受け取る様子を斜め上から見た斜視図である。 フォークの垂れを補正しない場合と本発明の実施例に従って補正した場合とを比較する説明図である。 本発明の実施例に従って熱により変形したフォークの変形量を測定する原理の説明図である。 本発明の実施例としての、ロボットアームに取り付けられたフォークの動きを制御する流れ図である。

以下では本発明の各種実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明のワーク搬送装置は、ワークＷを加熱炉１０に投入したり加熱炉１０から取り出したりするのに適した装置である。加熱炉１０は炉壁内部に熱源（ヒーター）２０を少なくともひとつ備えており、熱源からの熱で高温となった雰囲気を介して、あるいは熱源からの放射熱によってワークを加熱する。熱源は、遠赤外線ヒーターなど、任意の種類のものを用いることができる。

加熱炉１０はさまざまな熱処理のために用いることができ、熱処理の温度や時間は任意である。また、加熱炉での熱処理の前後にはさまざまな工程を連続して行うことができる。例として、加熱炉での熱処理は、例えば温度約７００度以上、時間約１分以上で行うことができる。このような条件で熱処理する場合、加熱炉から取り出した後もワークの温度は相当な高温を保っている。熱処理により柔らかくなった高温の金属ワークは、金型の間に置いて圧力により所望の形状に加工する熱間プレス成形（ホットプレス、ホットスタンプとも呼ばれる）を行うことができる。ワークの素材としては例えば高張力鋼板を用いる。また、金型ではプレスと同時に所望の形状にトリミング加工をすることもできる。熱間プレス加工は、例えば、自動車のＡピラー、Ｂピラー、バンパー補強材など、各種車体構造部品の製造に利用することができる。

加熱炉は、単一の加熱室を備えた単純な炉のほか、図１に示すような多段の加熱炉１０を用いることができる。このような多段式加熱炉の構造は、それぞれ熱源を備えた複数の部屋を単純に積み上げた構造とすることも、図１に示すような一つの大きい部屋を一個以上の熱源２０で複数の加熱領域に仕切った構造とすることもできる。

加熱炉内の各加熱領域には、図１に示すように、熱処理するワークＷを乗せるための受け台３０が設置される。対面する炉壁には、各加熱領域に対するワークの投入口１２と取り出し口１４とが形成される。投入口１２と取り出し口１４にはそれぞれ開閉可能なシャッター１８が備え付けられる。炉壁とシャッターの内側面には少なくとも一層の断熱材が張られ、シャッターを閉じると外界から熱的に遮断された空間が炉内に形成される。熱処理中、各シャッター１８は基本的にワークの投入と取り出しの際にのみ開けられる。

ワークの受け台３０は、例えば、図２に示すように複数本の棒材３２を平行に並べて構成することにより、ワークＷを２本以上の棒材３２にわたって架け渡した状態で支持できるようにする。各棒材３２は例えば金属製の角パイプとする。各棒材３２は両端で台座４０を含む取り付け構造を介して炉壁に固定される。

図３に示すように、本発明の搬送装置１００は、ひとつの実施例として、汎用の産業用搬送ロボット５０と、リミットスイッチや近接センサーなど、物体が特定の位置に来たことを検知できるセンサー９０とを組み合わせて構成することができる。ロボット５０は、例えば、複数の関節を含み多軸回転動作が可能なアーム５４を備えたものである。ロボット５０のアーム５４の先端（ハンド部）には、ワークＷを載せて運ぶための搬送器６０が取り付けられる。センサー９０は炉壁の外表面などロボット５０の台座に対し相対変位のないような箇所に固定しておく。このセンサー９０は、後に説明するように、搬送器６０に載せた高温のワークＷの影響で搬送器６０が撓んだ量を測定するために用いられる。

通常の搬送ロボット５０は、図３に示すように、動作を担う本体（マニピュレータ）５２の他に、この本体５２の各種動作を制御するコントローラー５６と、プログラミング機能を備えたユーザーインターフェイス機器（端末装置）５８を備えている。コントローラー５６は少なくともロボットの本体５２とインターフェイス機器５８とセンサー９０に機能的に接続されるが、作業を連携させるため加熱炉やプレス機にも接続することができる。コントローラー５６は常にロボット本体５２の各関節の角度や座標などによって実際の姿勢を認識しており、そのうえで、使用者がプログラムしたコードに基づいて本体５２のアクチュエータに動作信号を送ることにより、目的とする搬送器６０の姿勢を実現することができる。

搬送器は、例えば、図４に示すように複数の棒材６４を平行に並べて構成した分岐構造をもつフォーク６０とすることができる。図の実施例では長手の基部材６２から一方側に向かって複数の棒材６４を平行に延ばして構成されており、基部材６２の一端でフォーク６０がロボットのアーム５４に装着されている。フォーク６０を構成する各棒材６４は金属製の角パイプとすることができる。

このような形態のフォーク６０を用いて加熱炉１０にワークＷを投入するには、まずワークＷを乗せたフォーク６０を炉内に差し込んでから、受け台３０の上方からフォークを下降させていく。このとき受け台３０を構成する棒材３２の間にフォーク６０が入るようにすることで、ワークを受け台３０に移し替えることができる。そして空になったフォーク６０は受け台３０から引き抜くことができる。逆に加熱炉１０からワークＷを取り出すには、受け台３０を構成する棒材３２の間にフォーク６０を差し込んでから上昇させることにより、ワークをフォーク６０の上に載せ取ることができる。フォーク６０を炉内から引き出せばワークを外に取り出すことができる。

多段式加熱炉１０へのワークの投入やそこからのワークの取り出しには通常別個の搬送装置を使用する。しかし目的によってはひとつの搬送装置を両方の目的で用いることもできる。本発明の搬送装置はワークの投入と取り出しのいずれにも適用することができるが、以下では炉内からの取り出し（抽出）に適用した場合の好ましい実施例を説明する。

図５はフォークからワークＷを受け取る掴み装置７０を示しており、図６と図７はフォーク６０が掴み装置７０にワークＷを受け渡すときの状態を示している。フォーク６０によって炉から出されたワークＷは、掴み装置７０によってプレス機８０などの次工程設備へと運ばれる。掴み装置７０はプレス機８０に備え付けられた鉛直・水平の各方向に動かすことのできるローダー８２の先端に設けられる。掴み装置７０は、例えば、鋼板等のワークの縁に噛み付くことのできるＶ字形状の凹部を備えた把持部材７２を複数設けて構成することができる。それぞれの把持部材７２は支点周りに回転できるように掴み装置７０のフレームに取り付けられ、把持部材７２に対し個々に設けたアクチュエータ７４によって回動させられる。複数の把持部材７２でワークＷの周囲に噛み付くことにより、ワークＷをしっかりと掴むことができる。掴み装置７０によりワークＷが掴まれた状態でローダー８２を鉛直方向と水平方向に駆動することにより、ワークＷをプレス機８０の金型まで移動させることができる。ワークＷを金型の定位置に設置するには、掴み装置７０によってワークＷを位置精度良く掴めていることが重要である。

冒頭で述べたように、図８に示したとおり、搬送作業中、フォーク６０は炉内で熱せられたワークを乗せているため、フォーク６０の上面側が特に熱膨張することによって、結果的に先端部分が下方に撓む傾向にある。フォーク６０が撓んでいるとワークを掴み装置７０に受け渡す際に所定の位置に来ないため、ワークの掴みが失敗したり不完全になったりする可能性がある。本発明では、一つの実施例として、センサー９０から得た情報をもとに搬送ロボットのコントローラー５６で以下のようにしてワーク受け渡し時のフォーク６０の姿勢を補正する。

図１０はコントローラー５６によるロボット本体５２の制御の流れを示している。ステップ２０１で加熱炉１０からワークＷを取り出した後、ステップ２０２で掴み装置７０への受け渡し位置までフォーク６０を移動させる。この移動の具体的な経路は多段式加熱炉のどの段から取り出すかにより様々であるが、ワークＷが熱いうちにプレス機８０に受け渡す必要があるため移動は素早く行う必要がある。

掴み装置７０によりワークＷがフォーク６０から持ち去られたら、すぐに次のサイクルに移るのではなく、図１０のステップ２０３として、リミットスイッチなどのセンサー９０によって検知されるまでフォーク６０を下降させる。例として、図９に示すように、リミットスイッチ９０は作動レバーで上方からの入力（叩き）を検知できるような向きに設置しておき、フォーク６０はその先端が確実に作動レバーに当たるように所定の鉛直経路に沿ってまっすぐ下降させる。フォーク６０が撓んでいない場合、フォーク６０の下降中のある時点でリミットスイッチ９０によって検知されるが、この時点でのフォーク６０の高さは基準値としてあらかじめコントローラー５６に記憶させておく。一方、フォーク６０の先端が熱で下方に撓んでいれば検知される時点はその分だけ早まるため、その時点でのフォーク６０の高さは基準値よりも高くなる。この基準値からの高さの差をコントローラー５６で算出することにより、フォーク先端の下方変位量を測定することができる（ステップ２０４）。このようにロボットの姿勢認識機能とリミットスイッチ９０とを組み合わせてフォークの変形量を測定すれば、高価な変位センサーを設けたり複雑な制御を用いたりすることは不要であり、安価に測定を行うことができる。しかしながら、実施例によってはフォーク先端の変位をセンサーによって直接測定することも可能である。

フォーク６０が撓むとワーク載置面が傾斜する。図９の右上部は、撓み量を元に載置面の垂れ角度（水平からの傾斜角）を算出するためのひとつのモデルを示す。フォークが熱により撓む部分は必ずしも直線的な形態とはならないが、フォーク６０の先端の垂れ量は長さに比べて小さい（例えば１０ｍｍ程度）ため、直線的であるとみなすことができる。このモデルでは、図から明らかなように、フォーク６０の載置面の基準長さ（例えば図４に示す棒材６４の基部６４ａから先端６４ｂまでの長さ）と先端の垂れ下がり量から単純に三角関数を適用することで載置面の垂れ角度を算出することができる。しかしこの方法はあくまでひとつの例に過ぎず、他のモデルを用いて垂れ角度を見積もることもできる。

図１０に示すように、測定された垂れ量と垂れ角度からフォーク姿勢の補正量を決定し（ステップ２０５）、次回の受け渡し時にはこの補正が反映された姿勢となるようにロボットアーム５４の動作を制御する（ステップ２０２）。フォーク６０の姿勢は高さと角度（向き）を考慮すればよい。例えば、フォーク６０の垂れ角が５度と測定された場合は、フォーク６０の角度を本来の向きから逆方向に５度傾ける修正を行えばよい。フォーク６０の撓みの開始点（図９の三角形の左側の頂点）はロボット５０の関節位置と異なるため、角度だけでなく高さの補正も必要になることがある。したがって、具体的な補正量の計算はフォーク６０などの搬送器の設計に応じて変わってくる。

以上の搬送サイクルは例えば１回当たり１０〜数十秒程度の短時間で行われる。フォーク６０の撓み量はフォーク材料内の熱伝導によって時々刻々と変化しうる。しかし上で述べたような方法を用いれば、測定から補正が実際に反映されるまでの間にほぼサイクル一回分の遅れはあるものの、変化する撓み量に追随しながら常に最適な姿勢でのワーク受け渡しを実現することができる。

図１０の制御の流れはあくまでも一例であり、別の流れも考えられる。たとえば、ワークＷを加熱炉から取り出した後それほどすぐに次工程に受け渡す必要がない場合には、受け渡しの前にセンサーでの検知と補正量の決定を済ませ、同じサイクル内で補正を反映させるようにすることもできる。

以上、本発明の実施例を具体的な構成とともに説明したが、当業者であれば本発明の目的から逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能であることは明らかである。すなわち、本発明の実施例は添付した特許請求の範囲の目的と趣旨に合致するあらゆる置換、改良、変更が含まれるものであることを意図している。本発明の実施例は特定の形態に限定することなく各種の形態で実施することが可能である。

１０ 加熱炉
１８ シャッター
２０ 熱源
５０ ロボット
５２ ロボット本体
５４ アーム
５６ コントローラー
５８ インターフェイス機器
６０ 搬送器（フォーク）
６２ 基部材
６４ 棒材
７０ 掴み装置
８０ プレス機
９０ センサー（リミットスイッチ）
１００ 搬送装置
Ｗ ワーク

Claims (3)

1. 加熱炉用のワーク搬送装置であって、
   加熱炉に出入りしワークを上に載せて搬送することのできる搬送器と、
   アームと、前記搬送器が基部の箇所で取り付けられたハンド部と、前記搬送器の移動を制御する制御手段とを有する汎用ロボットと、
   前記搬送器の先端部が特定の位置に来たことを検知できるセンサーとを備えており、
   前記制御手段は、前記搬送器の先端部が垂れ下がっていない場合にその先端部がセンサーに検知される時点での搬送器の基部の姿勢を記憶しており、この記憶している前記搬送器の基部の姿勢と、前記搬送器の先端部がセンサーに検知された時点であらかじめ前記汎用ロボットの前記制御手段が認識している前記搬送器の基部の姿勢とに基づいて前記搬送器の先端部の垂れ下がり量を測定し、
   前記制御手段は、この測定された搬送器の先端部の垂れ下がり量に基づいて搬送器の基部における載置面の高さと角度の少なくとも一方を含む姿勢の補正量を決定し、
   前記制御手段は、次工程設備へのワークの受け渡し時に、前記決定された補正量に基づき補正された姿勢を実現するように前記搬送器を移動させる、搬送装置。
2. 請求項１の搬送装置であって、ワークが搬送器によって加熱炉から取り出されるたびに搬送器の先端部の垂れ下がり量が測定されて姿勢が補正されるよう構成された搬送装置。
3. 請求項２の搬送装置であって、ワークが次工程設備に受け渡された後にセンサーで搬送器を検知するよう構成された搬送装置。
   
   

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