JP7313765B2

JP7313765B2 - ロボット用アーム製造方法およびロボット用アーム

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Publication number: JP7313765B2
Application number: JP2019180110A
Authority: JP
Inventors: 健一郎安部; 昌宏森岡; 一隆中山; 康豊大木; 圭一土屋
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2023-07-25
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP2021053676A; CN112570542A; US20210094095A1; DE102020124838A1

Description

本開示は、アーム状構造体の製造方法およびアーム状構造体に関するものである。

一般に、産業用ロボットのアームは、軽量化を図りながら強度を保持するために、アルミニウム合金等の金属を鋳造することにより構成されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３－０１８０５８号公報

金属を鋳造する場合、鋳造湯流れを確保可能な最小限の厚さのキャビティを用意する必要があり、得られる鋳造品の十分な薄肉化が困難である。したがって、鋳造による場合よりも十分な薄肉化を図り、軽量のアーム状構造体を製造することが望まれている。

本開示の一態様は、金属製のパイプ材がキャビティ内に配置された金型を閉じた状態で、前記パイプ材の内部に液体を供給して加圧することにより、膨張した前記パイプ材の外面を前記キャビティの内面に押し付けることによって、ロボット用アームの外形を有するアーム前駆部材を成形し、成形された該アーム前駆部材の少なくとも一端を加工して、被駆動体に取り付けるためのフランジ部を形成することにより前記ロボット用アームを製造し、前記アーム前駆部材または前記ロボット用アームの壁面の一部を切断して作業用開口を形成するロボット用アーム製造方法である。

本開示の一実施形態に係るアーム状構造体の製造方法により製造されるアーム状構造体の一例を示す斜視図である。図１のアーム状構造体を製造するための第１形状の原材料を示す縦断面図である。図１のアーム状構造体の製造途中で形成される第２形状の第１中間部材を示す縦断面図である。図１のアーム状構造体の製造方法に使用される開かれた状態の第１金型を説明する縦断面図である。図４の第１金型を閉じた状態を示す縦断面図である。図５の第１金型のキャビティ内に原材料を収容した状態を示す縦断面図である。図４の第１金型を用いたバルジ曲げ加工を説明する縦断面図である。図４の第１金型の上側可動型を交換した後のバルジ曲げ加工を説明する縦断面図である。図４の第１金型を用いたバルジ曲げ加工により形成された第１中間部材の両端を切断した状態を説明する縦断面図である。図９により形成された第２中間部材を第２金型のキャビティ内に収容して行うバルジ成形を説明する縦断面図である。図１０の第２金型のキャビティ内において第２中間部材をバルジ成形により膨張させた状態を説明する縦断面図である。図１１のバルジ成形により得られた第３中間部材の両端を切断した状態を説明する縦断面図である。図１２により成形された第３中間部材の両端にフランジ部を形成する曲げ加工を説明する縦断面図である。図１３により成形されたフランジ部に穿孔し、両肩部に作業用開口を形成して形成された図１のアーム状構造体を示す縦断面図である。図１のアーム状構造体の変形例を示す縦断面図である。図１のアーム状構造体の他の変形例を示す拡大斜視図である。図１のアーム状構造体の他の変形例を示す拡大縦断面図である。

本開示の一実施形態に係るアーム状構造体１およびアーム状構造体１の製造方法について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るアーム状構造体１の製造方法は、例えば、図１に示されるアーム状構造体１を製造する方法である。

本実施形態に係るアーム状構造体１は、アルミニウム合金等の金属により一体的に構成されており、例えばロボットアームである。このアーム状構造体１は、横断面形状が滑らかに変化する外面形状を有するパイプ状部分（パイプ材）２の両端に、パイプ状部分２の中心軸に平行な同一平面上に配置されるフランジ面３をそれぞれ備える円環状の一対のフランジ部４を備えている。

フランジ部４は、中央に開口する中央孔５を有し、中央孔５の周囲に、周方向に間隔をあけて配置された複数の貫通孔６を備えている。フランジ部４の中央孔５は、パイプ状部分２の内部の中空部に連通している。これにより、一方のフランジ部４の中央孔５を経由してケーブル等の線条体をパイプ状部分２に通し、他方のフランジ部４の中央孔５から取り出す経路に沿って線条体を配線することができる。

フランジ部４に設けられた複数の貫通孔６に通したボルトを、ロボットを構成する他部材（被駆動体）、例えば、減速機の出力軸に締結することにより、アーム状構造体１を簡易に減速機に固定することができる。
このアーム状構造体１には、フランジ部４の中心軸方向にフランジ部４と対向する肩部（壁面）を切り取って形成された作業用開口７が設けられている。この作業用開口７を経由して、ボルトの締結および線条体の配線作業等を容易に行うことができる。

本実施形態に係るアーム状構造体１の製造方法について、以下に説明する。
本実施形態に係るアーム状構造体１の製造方法は、まず、図２に示される直管状（第１形状）の原材料２１を用意し、第１金型３０を用いたバルジ成形によって曲げ加工を施すことにより、図３に示されるクランク状（第２形状）の第１中間部材（原材料）２２を形成する。

第１金型３０は、例えば、図４に示されるように、直管状の原材料２１を収容可能な水平方向に延びる円柱状のキャビティ３１を画定する上型３２および下型３３を備えている。また、第１金型３０は、キャビティ３１の一端側からキャビティ３１内に挿入されキャビティ３１の長さ方向に移動可能に支持されるプランジャ３４と、キャビティ３１の他端側からキャビティ３１内に挿入され長さ方向に移動可能なステム３５とを備えている。

上型３２と下型３３とは、キャビティ３１の中心軸を含む水平な分割面３２ａ，３３ａによって分割可能である。上型３２には、その長さ方向の中央位置に昇降可能な上側可動型３６が設けられている。下型３３にも、その長さ方向の中央位置に昇降可能な下側可動型（パンチ）３７が設けられている。

図５に示されるように、上型３２に対して上側可動型３６、下型３３に対して下側可動型３７をそれぞれ円形状のキャビティ３１が形成される位置まで移動した状態で、上型３２および下型３３の分割面３２ａ，３３ａを密着させ、プランジャ３４およびステム３５の一部を上型３２と下型３３との間に配置する。これにより、上型３２と下型３３との間には、直管状の原材料２１をぴったりと収容可能な円柱状のキャビティ３１が形成される。

プランジャ３４はこの状態でのキャビティ３１にぴったりと嵌合する円柱状に形成され、原材料２１の一端を軸方向に加圧しながらキャビティ３１内を長さ方向に移動することができる。
ステム３５も、この状態でのキャビティ３１にぴったりと嵌合する円筒状に形成され、原材料２１の他端を軸方向に加圧しながらキャビティ３１内を長さ方向に移動することができる。

ステム３５には長さ方向に沿って貫通する貫通孔３５ａが設けられている。この貫通孔３５ａに、図示しない配管を接続することにより、貫通孔３５ａを経由して原材料２１内部に、配管から高圧の液体Ｌを供給することができる。また、ステム３５同様に、プランジャ３４に貫通孔を設けてもよい。

図６に示されるように、上側可動型３６および下側可動型３７をキャビティ３１が形成できる状態へ移動し、上型３２と下型３３との間に直管状の原材料２１を収容し、上型３２および下型３３の分割面３２ａ，３３ａを密着させる。そして、キャビティ３１の両端からプランジャ３４およびステム３５を挿入してプランジャ３４およびステム３５の先端を原材料２１の両端に突き当てる。この状態で、ステム３５の貫通孔３５ａを経由して高圧の液体Ｌを原材料２１の内部に供給して充填する。

そして、図７および図８に示されるように、プランジャ３４およびステム３５を相互に近接する方向に移動させつつ、上側可動型３６および下側可動型３７を同期して移動させる。これにより、第１金型３０内の原材料２１が第１形状から第２形状に滑らかに変形させられ、第１中間部材２２（原材料）を構成する。第２形状は、第１形状の原材料２１の両端を同軸に維持したまま相互に近接させ、かつ、長さ方向の中央部分のみを鉛直上方、もしくは鉛直下方にスライドさせたクランク形状である。

なお、バルジ成形の途中において上側可動型３６、もしくは下側可動型３７を図８に示されるようにＲ面を有するものに交換することにより、図３に示されるような角部に滑らかなＲ面を有するクランク状の第１中間部材２２を構成することができる。

次に、このように形成された第１中間部材２２の両端を、図９に示すように切り落とすことにより、Ｕ字状に湾曲し、同一方向に開口する両端を有する第２中間部材（原材料）２３を製造する。
そして、このように構成された第２中間部材２３から、第２金型（金型）４０を用いたバルジ成形を行うことにより、第３中間部材２４を成形する。

第２金型４０は、図１０に示されるように、第２中間部材２３の外形よりも大きなキャビティ４１を形成可能な上型および下型４３と、キャビティ４１の両端に配置された２つのステム４４，４５とを有している。図１０および図１１において、上型（図示略）および下型４３は、図面の紙面の法線方向に積層され、その間にキャビティ４１が形成されるようにしてもよい。また、図１０および図１１においては、下型４３を図面に記載しており、下型４３に対して上型は紙面の法線方向に分離されるようになっている。
この第２金型４０のキャビティ４１内に第２中間部材２３を収容して、図１０に示されるように第２金型４０を閉じ、第２中間部材２３の両端にそれぞれステム４４，４５を嵌合させて両端を密封しつつ、ステム４４，４５の貫通孔４４ａ，４５ａを経由して内部に高圧の液体Ｍを供給する。

そして、液体Ｍによって第２中間部材２３を膨張させる方向に加圧しつつ、ステム４４，４５をキャビティ４１内に押し込むことにより、図１１に示されるように、膨張させた第２中間部材２３の外面を、キャビティ４１の内面に押し付ける。これにより、第３中間部材２４が形成される。

次いで、図１２に示されるように、このように形成された第３中間部材２４の両端を切り落とすことにより、パイプ状部分２の長手方向と平行な面上に位置する一対の開口部２６を有するアーム前駆部材２５を形成する。そして、図１３に示されるように、アーム前駆部材２５の両端を径方向内方に１回折り曲げ、その後径方向外方に１回折り曲げる。これにより、アーム前駆部材２５の各開口部２６から内側に突出するように、中央孔５を有する円環状のフランジ部４を形成する。

そして、円環状のフランジ部４に、周方向に間隔をあけて複数の貫通孔６を形成する。また、アーム前駆部材２５の開口部２６に対面する壁面、すなわち、両端のフランジ部４の中央孔５の中心軸方向に対向する位置の肩部を切り取って、図１４に示されるように、作業用開口７を形成する。これにより、図１に示されるアーム状構造体１が製造される。

このように、本実施形態に係るアーム状構造体１の製造方法によれば、バルジ成形によって、パイプ状の原材料２１，２２，２３，２４を膨張させてアーム状構造体１を製造する。これにより、鋳造による場合と比較して、薄肉（例えば、厚さ２～３ｍｍ）の均一な肉厚を有するアーム状構造体１を簡易に製造することができるという利点がある。なお、
上記のバルジ成形に関しては、熱間・冷間いずれの加工法も含まれる。

また、直管状の原材料２１をバルジ成形によって曲げ加工した後、クランク形状のパイプ状の第２中間部材２３をバルジ成形によって膨張させる。これにより、一部品で製造することができ、表面に段差のない、滑らかな曲面形状を有するアーム状構造体１を製造することができる。滑らかな曲面形状は、作業者が接触する可能性のある協働ロボット用のアーム状構造体に適している。

また、フランジ部４が、アーム前駆部材２５の各開口部２６から内側に突出するように形成されるため、アーム状構造体１の外部に突起物を有しない協働ロボットに適したアームを提供することができる。
また、作業用開口７がアーム前駆部材２５の開口部２６に対面する壁面に設けられているため、線条体の配線作業等を良好に行える組立作業性に優れたアームを提供することができる。

なお、本実施形態においては、直管状の原材料２１をクランク形状のパイプ状に湾曲させる方法にもバルジ成形を利用したので、肉厚の変動を抑えつつ、比較的小さい曲げ半径で曲げ加工を行うことができる。これに代えて、第２金型４０によって第３中間部材２４を成形する際に、他の方法によってクランク形状のパイプ状に形成した第２中間部材２３を原材料として用いてもよい。

また、上述のようにして製造されたアーム状構造体１に、例えば、Ｔ６処理のような熱処理を少なくとも部分的に施すことにしてもよい。これにより、さらに強度の高い薄肉軽量金属からなるアーム状構造体１を製造することができる。
また、本実施形態においては、材料特性および塑性加工の際に生じた特性の変化を、加工工程に適した状態にする為の熱処理を原材料２１、第一中間部材２２、第二中間部材２３、第三中間部材２４およびアーム前駆部材２５に施してもよい。

また、本実施形態においては、アーム前駆部材２５の両端を径方向に２回折り曲げることによりフランジ部４を形成したが、これに代えて、１回または３回以上折り曲げてもよい。また、図１５に示されるように、環状の補強部材８をリベット等によって接合することにより、フランジ部４の強度を向上してもよい。
また、本実施形態においては、フランジ部４は、図１２および図１３に示されるように、各開口部２６から内方に突出するように設けるものを例示したが、これに代えて、各開口部２６から外方に突出するように設けてもよい。

また、本実施形態においては、２つのフランジ部４を有するアーム状構造体１を例示したが、これに限定されるものではなく、単一のフランジ部４を有するアーム状構造体１に適用してもよい。また、アーム状構造体１の長さ方向に平行なフランジ面３を有する場合を例示したが、アーム状構造体１の長さ方向に交差する方向に延びるフランジ部４を有する場合に適用してもよい。

また、本実施形態においては、図１６に示されるように、フランジ部４の取付面の裏面とパイプ状部分２の両端における壁面内面、具体的には作業用開口７とフランジ部４との間の内表面とに跨る補強リブ９を備えていてもよい。これにより、パイプ状部分２とフランジ部４とをより強固に固定することができる。

また、本実施形態においては、フランジ部４として、図１３に示されるように、アーム前駆部材２５の両端を径方向外方に折り曲げて対向する面を接触させて形成したものを例示したが、これに代えて、図１７に示されるように、アーム前駆部材２５の両端を径方向外方に折り曲げて対向する面を所定距離Ｘ離間した状態で形成したものを採用してもよい。これにより、貫通孔６に貫通させたボルトによってアーム状構造体１を他部材に取り付けるときに、ボルト締結に伴って上記距離Ｘを短縮させ、フランジ部４にばね座金と同様の緩み止め機能を奏させることができる。
上記実施形態および変形例に関し、以下の付記を開示する。
（付記１）
金属製のパイプ材がキャビティ内に配置された金型を閉じた状態で、前記パイプ材の内部に液体を供給して加圧することにより、膨張した前記パイプ材の外面を前記キャビティの内面に押し付けることによって、アーム状構造体の外形を有するアーム前駆部材を成形し、
成形された該アーム前駆部材の少なくとも一端を加工して、被駆動体に取り付けるためのフランジ部を形成することにより前記アーム状構造体を製造するアーム状構造体の製造方法。
（付記２）
前記パイプ材が、直管状の原材料を前記キャビティ内に配置した第１金型を閉じた状態で、前記原材料の内部に前記液体を供給して加圧しつつ、前記第１金型の前記キャビティの形状を変形させて、前記原材料の両端を同一方向に湾曲させることにより形成される付記１に記載のアーム状構造体の製造方法。
（付記３）
前記フランジ部が、前記アーム前駆部材の端部を全周にわたって径方向に１回以上折り曲げることにより、中央孔を有する環状に形成される付記１または付記２に記載のアーム状構造体の製造方法。
（付記４）
前記フランジ部が、前記アーム前駆部材の端部を径方向内方に折り曲げることにより形成される付記３に記載のアーム状構造体の製造方法。
（付記５）
前記フランジ部が、折り曲げられた前記アーム前駆部材の端部に環状の補強部材を接合して構成される付記３または付記４に記載のアーム状構造体の製造方法。
（付記６）
前記フランジ部の取付面の裏面と前記アーム前駆部材または前記アーム状構造体の壁面内面とに跨る補強リブを備える付記１から付記５のいずれかに記載のアーム状構造体の製造方法。
（付記７）
前記アーム前駆部材または前記アーム状構造体の壁面の一部を切断して作業用開口を形成する付記２に記載のアーム状構造体の製造方法。
（付記８）
強度を向上するための熱処理を前記アーム状構造体の少なくとも一部に施す付記１から付記７のいずれかに記載のアーム状構造体の製造方法。
（付記９）
材料特性の変化を適した状態にするための熱処理を前記アーム状構造体に施す付記１から付記８のいずれかに記載のアーム状構造体の製造方法。
（付記１０）
一対の開口部を有するパイプ状部分と、
該パイプ状部分の各前記開口部から内方に突出するように設けられたフランジ部とを備え、
一対の前記開口部は前記パイプ状部分の長手方向と平行な面上に位置し、
前記パイプ状部分および前記フランジ部が一体成形されているアーム状構造体。
（付記１１）
前記パイプ状部分の前記開口部に対面する壁面に作業用開口が設けられている付記１０に記載のアーム状構造体。
（付記１２）
前記フランジ部は、前記パイプ状部分の折り曲げにより、対向する面が所定距離離間した状態で形成され、前記フランジ部を他部材に取り付けるときに離間した前記面同士が接近する付記１０に記載のアーム状構造体。

１アーム状構造体
２パイプ状部分（パイプ材）
４フランジ部
５中央孔
７作業用開口
８補強部材
２１原材料
２２第１中間部材（原材料）
２３第２中間部材（原材料）
２４第３中間部材
２５アーム前駆部材
２６開口部
３０第１金型
３１キャビティ
４０第２金型（金型）
Ｌ，Ｍ液体
Ｘ所定距離

Claims

金属製のパイプ材がキャビティ内に配置された金型を閉じた状態で、前記パイプ材の内部に液体を供給して加圧することにより、膨張した前記パイプ材の外面を前記キャビティの内面に押し付けることによって、ロボット用アームの外形を有するアーム前駆部材を成形し、
成形された該アーム前駆部材の少なくとも一端を加工して、被駆動体に取り付けるためのフランジ部を形成することにより前記ロボット用アームを製造し、
前記アーム前駆部材または前記ロボット用アームの壁面の一部を切断して作業用開口を形成するロボット用アーム製造方法。
前記パイプ材が、直管状の原材料を前記キャビティ内に配置した第１金型を閉じた状態で、前記原材料の内部に前記液体を供給して加圧しつつ、前記第１金型の前記キャビティの形状を変形させて、前記原材料の両端を同一方向に湾曲させることにより形成される請求項１に記載のロボット用アーム製造方法。
前記フランジ部が、前記アーム前駆部材の端部を全周にわたって前記パイプ材の径方向に１回以上折り曲げることにより、中央孔を有する環状に形成される請求項１または請求項２に記載のロボット用アーム製造方法。
前記フランジ部が、前記アーム前駆部材の端部を前記パイプ材の径方向内方に折り曲げることにより形成される請求項３に記載のロボット用アーム製造方法。
前記フランジ部が、折り曲げられた前記アーム前駆部材の端部に環状の補強部材を接合して構成される請求項３または請求項４に記載のロボット用アーム製造方法。
前記フランジ部の取付面の裏面と前記アーム前駆部材または前記ロボット用アームの壁面内面とに跨る補強リブを備える請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボット用アーム製造方法。
強度を向上するための熱処理を前記ロボット用アームの少なくとも一部に施す請求項１から請求項６のいずれかに記載のロボット用アーム製造方法。
材料特性の変化を適した状態にするための熱処理を前記ロボット用アームに施す請求項１から請求項７のいずれかに記載のロボット用アーム製造方法。
一対の開口部を有するパイプ状部分と、
該パイプ状部分の各前記開口部から内方に突出するように設けられたフランジ部とを備え、
一対の前記開口部は前記パイプ状部分の長手方向と平行な面上に位置し、
前記パイプ状部分および前記フランジ部が一体成形され、
前記フランジ部は、前記パイプ状部分の折り曲げにより、対向する面が所定距離離間した状態で形成され、前記フランジ部を他部材に取り付けるときに離間した前記面同士が接近するロボット用アーム。
前記パイプ状部分の前記開口部に対面する壁面に作業用開口が設けられている請求項９に記載のロボット用アーム。