JP7000616B1 - 曲率半径計測システムおよびそれを用いたベンディングロール - Google Patents

Abstract

【課題】曲率半径計測システムを用いて効率よく高精度で成形作業を行うことができるベンディングロールを提供する。【解決手段】円弧状の金属板Ｗの板厚ｔと、曲げ成形中の（実際に曲げ成形を受けている部位の）内円弧長Ｌ３と、その内円弧長Ｌ３に対応する成形中の外円弧長Ｌ４と、その外円弧長Ｌ４に対応する成形後（スプリングバック後）の外円弧長Ｌ２とを測定し、その測定結果から成形後の内円弧長Ｌ１を（Ｌ３＋Ｌ４－Ｌ２）として算出したうえ、成形後の曲率半径ｒ＝（Ｌ１・ｔ）／（Ｌ２－Ｌ１）を算出する曲率半径計測システムを用い、ベンディングロールで金属板Ｗを曲げ成形しながら、その曲率半径ｒを計測し、その計測結果に基づいて上ロール１の上下方向位置を調整する制御を行うことにより、効率よく高精度で成形作業を行えるようにした。【選択図】図４

Description

本発明は、円弧状に形成された板状部の曲率半径を計測する曲率半径計測システムと、それを用いて金属板の曲げ成形を行うベンディングロールに関する。

ベンディングロールは、上ロールとこれに平行な一対の下ロールとを備え、上ロールと各下ロールの間で金属板を挾持した状態で、各下ロールを回転駆動することにより、金属板を往復移動させながら曲げ成形する装置である。

このようなベンディングロールでは、金属板の曲げ成形の途中で、一旦成形を中断して金属板の曲率半径を測定し、その測定結果が目標範囲に入っていない場合は、後続の成形作業における上ロール位置等の設定値を補正して、成形終了後に所望の曲率半径を有する円弧状またはパイプ状の製品が得られるようにしている。

ここで、成形途中での金属板の曲率半径の測定は、従来、作業者が製品の目標曲率半径を有する円弧状のＲゲージを金属板の内側面または外側面に当接させて行うことが多く、この測定作業が成形作業全体の効率を低下させる一因となっている。

これに対し、例えば特許文献１では、計測対象物品の板厚および凹円弧面と凸円弧面の互いに対応する部位の円周方向に沿った長さ（円弧長）を測定し、その測定結果から幾何学的に板状部の曲率半径を算出する曲率半径計測システムが提案されている。

そして、この曲率半径計測システムを用いたベンディングロールでは、金属板の曲げ成形を行いながら金属板の曲率半径の計測を行い、その計測結果に基づいて後続の曲げ成形の制御を行うことにより、曲率半径の測定作業を自動化して成形作業全体の効率を向上させることができる。

特開２０２０－５１８３２号公報

しかしながら、上述した従来の曲率半径計測システムは、計測対象物品の凹円弧面および凸円弧面の円弧長を計測ローラ等の距離センサで測定することになるため、ベンディングロールに用いる場合には次のような難点がある。

すなわち、ベンディングロールにおいて、成形途中の金属板の凹円弧面および凸円弧面の円弧長を測定する距離センサを設置するには、金属板の凹円弧面の内側と凸円弧面の外側で距離センサを金属板の成形による形状の変化に対応する位置に移動させて支持する支持機構が必要となる。そして、特にその凹円弧面の内側の距離センサは、金属板の幅方向の外側から支持機構で支持することになるため、その距離センサと支持機構を含む測定装置の構造が複雑で高コストのものとなるし、耐久性やメンテナンス性も低くなりやすい。

ここで、金属板の凹円弧面の円弧長を測定する距離センサとして上ロールを用いれば、上記のような測定装置の問題は生じない。しかし、その場合には、金属板の曲げ成形中の（実際に曲げ成形を受けている部位の）円弧長を測定して曲率半径を算出するので、曲げ成形後のスプリングバックによる曲率半径の変化を考慮せずに後続の曲げ成形の制御を行うことになり、製品の曲げ精度が低下してしまう。

そこで、本発明は、ベンディングロールに用いるのに適した曲率半径計測システムを提供することを第１の課題とし、その曲率半径計測システムを用いて効率よく高精度で成形作業を行うことができるベンディングロールを提供することを第２の課題とする。

上記第１の課題を解決するために、本発明は、所定方向の断面が一定の板厚で、曲げ成形により円弧状に形成された板状部を有する物品について、その所定方向断面での板状部の曲率半径を計測する曲率半径計測システムにおいて、前記板状部の所定方向の断面における板厚ｔを測定するとともに、曲げ成形中の凹円弧面上の任意の２つの第３基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_３と、前記各第３基準点のそれぞれと板厚方向で対向する凸円弧面上の２つの第４基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_４と、曲げ成形後の凸円弧面上の２つの第２基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_２とを同一タイミングで測定し、その測定結果から、前記各第２基準点のそれぞれと板厚方向で対向する凹円弧面上の２つの第１基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_１を（Ｌ_３＋Ｌ_４－Ｌ_２）として算出したうえ、（Ｌ_１・ｔ）／（Ｌ_２－Ｌ_１）を算出して前記板状部の曲げ成形後の凹円弧面の曲率半径とする構成を採用した。

すなわち、本発明の曲率半径計測システムは、計測対象物品の曲げ成形中の（実際に曲げ成形を受けている部位の）凹円弧面および凸円弧面の円弧長と曲げ成形後（スプリングバックが生じた後）の凸円弧面の円弧長を測定して、曲げ成形後の凹円弧面の円弧長を算出することにより、曲げ成形後の曲率半径を計測できるようにしたものであり、曲げ成形後の凹円弧面の円弧長を測定するための測定装置を必要としないので、従来の曲率半径計測システムよりもベンディングロールに用いるのに適したものとなっている。

そして、第２の課題を解決するために、本発明は、上ロールと、前記上ロールの下方の前後両側に配された一対の下ロールとを備え、前記上ロールと各下ロールの間で金属板を挾持した状態で、前記各下ロールを回転駆動することにより、金属板を往復移動させながら曲げ成形するベンディングロールにおいて、前記金属板の曲げ成形を行いながら、上記構成の曲率半径計測システムを用いて成形途中の金属板の曲率半径を計測し、その計測結果に基づいて、後続の成形作業における前記上ロールと各下ロールの相対位置を制御するようにした。

上記の構成によれば、成形途中でのＲゲージを用いた測定作業をなくして、効率よく高精度で成形作業を行うことができる。また、従来の曲率半径計測システムを用いる場合に比べて、全体の構造が簡単で低コストのものとなるし、円弧長を測定する測定装置の耐久性やメンテナンス性の問題も生じにくい。

また、上記構成のベンディングロールにおいては、前記曲率半径計測システムとして、前記２つの第３基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_３を前記上ロールを用いて測定し、前記２つの第４基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_４を、前記一対の下ロール間で金属板に接触する第１計測ローラを用いて測定し、前記２つの第２基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_２を、前記下ロールの一つを挟んで前記第１計測ローラと対向する位置で金属板に接触する第２計測ローラを用いて測定するものを採用することができる。

本発明の曲率半径計測システムは、計測対象物品の曲げ成形中の凹円弧面および凸円弧面の円弧長と曲げ成形後の凸円弧面の円弧長を測定し、その測定結果から曲げ成形後の曲率半径を算出するものであり、曲げ成形後の凹円弧面の円弧長を測定するための測定装置を必要としないので、特にベンディングロールに対して効果的に適用できる。

また、本発明のベンディングロールは、金属板の曲げ成形を行いながら上記の曲率半径計測システムによる計測を行い、その計測結果に基づいて後続の曲げ成形の制御を行うようにしたものであるから、曲げ成形の途中でＲゲージを用いた測定を行う場合よりも効率よく高精度で成形作業を行うことができるし、従来の曲率半径計測システムを用いる場合に比べて、全体の構造が簡単で低コストであり、円弧長を測定する測定装置の耐久性やメンテナンス性の面でも有利である。

実施形態のベンディングロールの正面図 図１の右側面図 図１の左側面図 図１のベンディングロールにおける実施形態の曲率半径計測システムによる測定作業の概略説明図 図４の測定作業を行う測定装置の説明図 実施形態の曲率半径計測システムを用いたベンディングロールの制御方法のフローチャート

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。このベンディングロールは、図１乃至図３に示すように、上ロール１と、上ロール１の下方の前後両側に上ロール１と平行に配された一対の下ロール２と、各下ロール２を回転駆動するモータ（図示省略）を内蔵したモータケース３と、上ロール１の両端部を支持する左右の上部フレーム４、５と、各下ロール２の両端部を支持する下部フレーム６とを備えている。また、各下ロール２は、その軸方向中央部を下方の前後両側から図示省略したバックアップロールに支持されている。そして、上ロール１を成形条件に応じた前後方向位置に移動させ、上ロール１と各下ロール２の間で金属板を挾持した状態で、各下ロール２を回転駆動することにより、金属板を往復移動させながら曲げ成形するようになっている。なお、図１乃至図３では、後述する曲率半径計測システムの測定装置は図示を省略している。

前記各上部フレーム４、５は略門型に形成されており、それぞれの脚部が下部フレーム６の上面に設けられた軸受部６ａと下部フレーム６の前後面に固定された支持板７との間に配され、その軸受部６ａおよび前後の支持板７とともに前後方向に延びる支軸８を通されている。その支軸８は下部フレーム６の軸受部６ａおよび支持板７に固定されており、各上部フレーム４、５の脚部は支軸８に対して摺動可能となっている。

これにより、図１における左側の上部フレーム４は、前後移動可能で、かつ、成形後の金属板を取り出すときに、上ロール１の一端部から離れて左側へ回動する（転倒する）転倒フレームとなっている。一方、図１における右側の上部フレーム５は、上ロール１の他端部が軸方向外側へ延長されているので、上ロール１の他端部から離れて回動することはできず、前後移動のみが可能となっている。

また、各上部フレーム４、５の上端部には油圧シリンダ９がロッド９ａを下方に向けた姿勢で取り付けられ、そのロッド９ａの下端が上ロール１の端部を回転自在に支持する軸受１０に接続されており、両油圧シリンダ９の作動によって上ロール１が昇降するようになっている。なお、上ロール１の上昇は、上ロール１の他端部の延長部分１ａを跨ぐ状態で下部フレーム６に固定された門型のストッパ１１によって規制されている。

前記下部フレーム６は、その一端面の下部に、２段式の油圧シリンダ１２の閉塞側端部が回動可能に取り付けられている。そして、その油圧シリンダ１２の２段目のロッド１２ａの先端が転倒フレームとしての上部フレーム４に回動可能に接続されており、曲げ成形完了後の製品を取り出す際に、油圧シリンダ１２が回動しながら伸縮することにより、上部フレーム４の転倒・復元動作が行われるようになっている。

このベンディングロールは上記の構成であり、成形作業を行いながら本発明の実施形態の曲率半径計測システムによる計測を行い、その計測結果に基づいて後続の成形作業における上ロール１の上下方向位置を制御して、成形終了後に所望の曲率半径を有する製品が得られるようにしている。

実施形態の曲率半径計測システムは、図４に示すように、成形対象である金属板Ｗの円弧方向の断面における板厚ｔを測定するとともに、曲げ成形中の（実際に曲げ成形を受けている部位の）凹円弧面上の２つの第３基準点Ｃ、Ｃ’の間の円周方向に沿った長さ（内円弧長）Ｌ_３と、各第３基準点Ｃ、Ｃ’のそれぞれと板厚方向で対向する凸円弧面上の２つの第４基準点Ｄ、Ｄ’の間の円周方向に沿った長さ（外円弧長）Ｌ_４と、曲げ成形後の凸円弧面上の２つの第２基準点Ｂ、Ｂ’の間の円周方向に沿った長さ（外円弧長）Ｌ_２とを同一タイミングで測定し、その測定結果から各第２基準点Ｂ、Ｂ’のそれぞれと板厚方向で対向する凹円弧面上の２つの第１基準点Ａ、Ａ’の間の円周方向に沿った長さ（内円弧長）Ｌ_１を算出したうえ、金属板Ｗの曲げ成形後の凹円弧面の曲率半径ｒを算出するものである。

すなわち、このような曲げ成形においては、成形後のスプリングバックによって、内円弧長が延びる分だけ外円弧長が縮む（Ｌ_１－Ｌ_３＝Ｌ_４－Ｌ_２）と考えられるので、曲げ成形後の内円弧長Ｌ_１を（Ｌ_３＋Ｌ_４－Ｌ_２）として算出することができる。そして、曲げ成形後の凹円弧面の曲率半径ｒについては、幾何学的にＬ_１／Ｌ_２＝ｒ／（ｒ＋ｔ）が成り立つので、曲率半径ｒを（Ｌ_１・ｔ）／（Ｌ_２－Ｌ_１）として算出することができる。

ここで、金属板Ｗの板厚ｔは、成形作業を開始する前に測定工具や公知の板厚計を用いて測定すればよい。また、曲げ成形中の内円弧長Ｌ_３は上ロール１を距離センサとして測定でき、曲げ成形中の外円弧長Ｌ_４および曲げ成形後の外円弧長Ｌ_２の測定には、所定の経路に沿った距離を測定する公知の距離センサを含む測定装置を用いることができる。

図５は、実施形態のベンディングロールにおいて金属板Ｗの円弧長Ｌ_３、Ｌ_４、Ｌ_２を測定する測定装置を示す。曲げ成形中の内円弧長Ｌ_３の測定装置は、上ロール１の軸端部に取り付けられたプーリ１３と、固定側の上部フレーム（図示省略）に取付台１４を介して回転自在に取り付けられたプーリ１５と、両プーリ１３、１５間に巻き掛けられたベルト１６と、上部フレーム側のプーリ１５の回転を検出するパルスエンコーダ１７とを備え、そのパルスエンコーダ１７の検出結果からＬ_３を求めるものである。

曲げ成形中の外円弧長Ｌ_４の測定装置は、下部フレーム６に架台１８を介して取り付けられ、上下方向に伸縮するアクチュエータ（エアシリンダ）１９と、アクチュエータ１９の上端に回転自在に取り付けられた第１計測ローラ２０と、第１計測ローラ２０の回転を検出するパルスエンコーダ２１とを備え、そのアクチュエータ１９で第１計測ローラ２０を一対の下ロール２間で金属板Ｗの凸円弧面に押し付けた状態で、パルスエンコーダ２１の検出結果からＬ_４を求めるものである。

曲げ成形後の外円弧長Ｌ_２の測定装置は、下部フレーム６に下端部を回動可能に取り付けられたアクチュエータ（エアシリンダ）２２と、アクチュエータ２２の上端に回転自在に取り付けられた第２計測ローラ２３と、第２計測ローラ２３の回転を検出するパルスエンコーダ２４とを備えている。パルスエンコーダ２４は、第２計測ローラ２３と連結されるとともに、取付台２５を介して一方の下ロール２の外周に沿って延びる円弧状のローラ支持部材２６に固定されている。そのローラ支持部材２６は、複数のガイドローラ２７を下ロール２の外周面に当接させて回転自在に支持しており、アクチュエータ２２の伸縮に伴って、下部フレーム６に固定されたガイド部材２８に案内されてガイドローラ２７とともに下ロール２の外周に沿って移動するようになっている。これにより、第２計測ローラ２３が常時安定して支持され、アクチュエータ２２が第２計測ローラ２３を下ロール２を挟んで第１計測ローラ２０と対向する位置で金属板Ｗの凸円弧面に押し付けた状態で、パルスエンコーダ２４の検出結果からＬ_２を求めることができる。

この曲率半径計測システムは、上述のように、曲げ成形後の内円弧長Ｌ_１を測定するための測定装置を必要としないので、従来の曲率半径計測システムよりもベンディングロールに用いるのに適したものとなっている。

次に、このベンディングロールでの金属板の成形作業における曲率半径の制御方法について説明する。この実施形態では、金属板の曲げ成形後の曲率半径が目標値となるまで、シーケンサで上ロールの位置を自動で制御するようにしている。

この実施形態の制御方法の具体的な処理手順を図６に示す。この制御方法では、金属板の成形開始前に、予め、成形条件（上ロール位置、下ロール回転距離等）とともに、成形後の凹円弧面の曲率半径の目標値ｒ_０および成形中の内円弧長の測定目標値Ｌ_４０を設定しておく（ステップＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３）。

そして、成形を開始（ステップＳ_４）した後、所定のタイミングで成形中の内円弧長Ｌ_３と外円弧長Ｌ_４および成形後の外円弧長Ｌ_２の測定を同時に開始し、Ｌ_４が測定目標値Ｌ_４０に到達するまで測定を行う（ステップＳ_５、Ｓ_６）。Ｌ_３、Ｌ_４およびＬ_２の測定が終われば、成形後の内円弧長Ｌ_１および成形後の凹円弧面の曲率半径ｒを演算して（ステップＳ_７、Ｓ_８、Ｓ_９）、演算した曲率半径ｒが目標値ｒ_０となっているか否かの判断を行う（ステップＳ_１０）。ここで、曲率半径の目標値ｒ_０は、ある程度の許容範囲を有するものとする。

ステップＳ_１０での判断の結果、曲率半径ｒの値が目標値ｒ_０となっていない場合は、上ロールの上下方向位置の補正量を演算し（ステップＳ_１１）、下ロールの回転距離が設定値に達していなければ上ロールを上下方向に移動させて（ステップＳ_１２、Ｓ_１３）、上記のステップＳ_５～Ｓ_１０を繰り返す。一方、曲率半径ｒが目標値ｒ_０となっている場合にステップＳ_１２で下ロールの回転距離が設定値に達していなければ、上ロールの位置を動かさずにステップＳ_５～Ｓ_１０を繰り返す。そして、曲率半径ｒの値によらずステップＳ_１２で下ロールの回転距離が設定値に達していれば、成形を終了する（ステップＳ_１４）。

このベンディングロールでは、上記の制御方法を成形対象の金属板に対して最初に行う曲げ成形だけなく、続いて行う補正曲げにも適用している。これにより、曲げ成形の途中で従来のＲゲージを用いた測定を行う場合に比べて、効率よく高精度で成形作業を行って成形時間を大幅に短縮することができる。また、従来の曲率半径計測システムを用いる場合に比べて、全体の構造が簡単で低コストであり、円弧長を測定する測定装置の耐久性やメンテナンス性の面でも有利である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、上述した実施形態のベンディングロールでは、曲げ成形中の内円弧長Ｌ_３の測定装置として、プーリとベルトで上ロールから伝達された回転を検出するものを用いたが、これに代えて、上ロールの軸端部の外周面に計測ローラを押し付け、その計測ローラの回転を検出するものを用いることもできる。また、実施形態の曲げ成形中の外円弧長Ｌ_４の測定装置は、エアシリンダからなるアクチュエータで金属板の凸円弧面に押し付けた第１計測ローラの回転を検出するものを用いたが、そのアクチュエータの代わりにスプリングで第１計測ローラを金属板に押し付けるようにしてもよい。

また、実施形態のベンディングロールでは、上ロールの上下方向位置を調整して金属板の曲率半径を制御するようにしたが、下ロールが昇降するタイプ（上ロールは回転のみ）のベンディングロールの場合は、下ロールの上下方向位置を調整すればよい。

さらに、実際の制御においては、製品の曲げ精度を高めるために、曲げ成形後の内円弧長Ｌ_１の計算式に補正係数を導入し、その補正係数を実験的な測定によって調整する方法を採用することもできる。

なお、本発明の曲率半径計測システムは、実施形態のようなベンディングロールで曲げ成形される金属板に限らず、所定方向の断面が一定の板厚で曲げ成形によって円弧状に形成される板状部を有する物品に対して適用可能である。

１ 上ロール
２ 下ロール
４、５ 上部フレーム
６ 下部フレーム
１３、１５ プーリ
１６ ベルト
１７、２１、２４ パルスエンコーダ
１９、２２ アクチュエータ（エアシリンダ）
２０ 第１計測ローラ
２３ 第２計測ローラ
２６ ローラ支持部材
２７ ガイドローラ
２８ ガイド部材
Ｗ 金属板

Claims (3)

1. 所定方向の断面が一定の板厚で、曲げ成形により円弧状に形成された板状部を有する物品について、その所定方向断面での板状部の曲率半径を計測する曲率半径計測システムにおいて、
   前記板状部の所定方向の断面における板厚ｔを測定するとともに、曲げ成形中の凹円弧面上の任意の２つの第３基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_３と、前記各第３基準点のそれぞれと板厚方向で対向する凸円弧面上の２つの第４基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_４と、曲げ成形後の凸円弧面上の２つの第２基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_２とを同一タイミングで測定し、その測定結果から、前記各第２基準点のそれぞれと板厚方向で対向する凹円弧面上の２つの第１基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_１を（Ｌ_３＋Ｌ_４－Ｌ_２）として算出したうえ、（Ｌ_１・ｔ）／（Ｌ_２－Ｌ_１）を算出して前記板状部の曲げ成形後の凹円弧面の曲率半径とすることを特徴とする曲率半径計測システム。
2. 上ロールと、前記上ロールの下方の前後両側に配された一対の下ロールとを備え、前記上ロールと各下ロールの間で金属板を挾持した状態で、前記各下ロールを回転駆動することにより、金属板を往復移動させながら曲げ成形するベンディングロールにおいて、
   前記金属板の曲げ成形を行いながら、請求項１に記載の曲率半径計測システムを用いて成形途中の金属板の曲率半径を計測し、その計測結果に基づいて、後続の成形作業における前記上ロールと各下ロールの相対位置を制御するようにしたことを特徴とするベンディングロール。
3. 前記曲率半径計測システムは、前記２つの第３基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_３を前記上ロールを用いて測定し、前記２つの第４基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_４を、前記一対の下ロール間で金属板に接触する第１計測ローラを用いて測定し、前記２つの第２基準点の間の円周方向に沿った長さＬ_２を、前記下ロールの一つを挟んで前記第１計測ローラと対向する位置で金属板に接触する第２計測ローラを用いて測定するものであることを特徴とする請求項２に記載のベンディングロール。

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