WO2011007810A1 - 曲げ部材の製造方法及び製造装置 - Google Patents

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WO2011007810A1
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manipulator
metal material
bending
high temperature
dimensional
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PCT/JP2010/061918
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Inventor
富澤 淳
直明 嶋田
桑山 真二郎
三郎 井上
学 岡久
佑輔 木下
崇 巣山
Original Assignee
住友金属工業株式会社
住友鋼管株式会社
株式会社安川電機
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    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a bending member manufacturing method and a manufacturing apparatus. Specifically, the present invention relates to a manufacturing method and a manufacturing apparatus for manufacturing a bending member by performing two-dimensional or three-dimensional bending on a long metal material having a closed cross section.
  • Bending members Metal strength members, reinforcement members or structural members (hereinafter referred to as “bending members”) that have a bent shape and are used in automobiles and various machines are required to have high strength, light weight, and small size. Bending members have been produced so far, for example, by welding of pressed products, punching of thick plates, and forging. The weight reduction and miniaturization of the bending member achieved by these manufacturing methods have reached the limit.
  • Non-Patent Document 1 In recent years, it has been actively studied to manufacture a bending member by a so-called tube hydroforming method (see, for example, Non-Patent Document 1). On page 28 of Non-Patent Document 1, there are various problems in tube hydroforming methods such as the development of materials that will be used as raw materials and the expansion of the degree of freedom of shapes that can be formed. Therefore, further technological development of tube hydroforming methods Is required.
  • Patent Document 1 discloses a technique for bending a metal tube while performing heat treatment.
  • Patent Document 2 discloses a technique for manufacturing a curved spiral member having an irregular cross section.
  • Patent Document 3 discloses a bending apparatus using high-frequency induction heating.
  • Patent Document 4 discloses a bending device for a metal member.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram showing an outline of the bending apparatus 0.
  • the support means 2 supports the steel pipe 1 so as to be movable in the axial direction.
  • the feeding device 3 includes, for example, a ball screw as a component. The feeding device 3 feeds the steel pipe 1 from the upstream side toward the downstream side.
  • the induction heating coil 5 is disposed downstream of the support means 2.
  • the induction heating coil 5 rapidly inductively heats the steel pipe 1 to a partially quenchable temperature range.
  • the water cooling device 6 is disposed downstream of the high frequency heating coil 5.
  • the water cooling device 6 rapidly cools the steel pipe 1. Thereby, the temperature of the steel pipe 1 becomes a quenchable temperature only between the induction heating coil 5 and the water cooling device 6 (hereinafter, the quenchable temperature part of the steel pipe 1 is referred to as a “high temperature part”).
  • the movable roller die 4 is movably disposed downstream of the water cooling device 4.
  • the movable roller die 4 has at least one pair of roll pairs 4a.
  • the roll pair 4 a can be supported while feeding the steel pipe 1.
  • the movable roller die 4 moves in a two-dimensional or three-dimensional direction. Thereby, the high temperature part of the steel pipe 1 is given a bending moment and is bent. In this way, the bending member 8 is manufactured with high work efficiency while ensuring sufficient bending accuracy.
  • the present applicant has disclosed an apparatus for manufacturing a bending process in which the bending apparatus is improved by Japanese Patent Application No. 2008-276494.
  • a long metal material having a closed cross-sectional shape is fed in the longitudinal direction and supported at the first position.
  • the metal material is partially heated at a second position downstream of the first position in the metal material feeding direction.
  • the portion heated at the second position of the metal material is cooled at the third position downstream of the second position in the feeding direction.
  • a metal material forms a high temperature part in the part which exists between the 2nd position and the 3rd position.
  • the metal material is gripped by the gripping means in a region downstream of the third position in the metal material feeding direction.
  • the gripping means is disposed by being inserted inside the tip portion of the metal material, or is disposed in contact with the outer surface of the tip portion of the metal material.
  • the position of the gripping means is changed to a two-dimensional or three-dimensional direction in a work space including a space on the upstream side of the feeding direction from the third position.
  • the high temperature portion is bent by being given a bending moment.
  • the feed direction of the metal material 9 as a raw material is the axial direction of the metal material 9 and is not changed during the bending process in any of the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 5 as well as the manufacturing apparatus. For this reason, the installation space of the apparatus for performing a bending process becomes large, and a bending apparatus enlarges. The reason will be specifically described below.
  • the feeding device 10 feeds the metal material 9 in the axial direction.
  • the heating and cooling device 11 rapidly heats and cools the metal material 9.
  • the gripping means 12 is supported by, for example, an articulated industrial robot 14.
  • the gripping means 12 moves in a two-dimensional or three-dimensional direction as indicated by a broken line arrow.
  • the high temperature part of the metal material 9 is given a bending moment. In this way, the bending member 13 is manufactured.
  • the gripping means 12 Since the gripping means 12 inevitably moves in a wide range in order to manufacture the bending member 13, the length of the manipulator of the industrial robot 14 that supports the gripping means 12 (hereinafter referred to as “arm length”) is long. There must be. For this reason, a bending apparatus enlarges.
  • the gripping means 12 needs to move in a wide speed range. Accordingly, the manipulator of the industrial robot 14 operates in a wide speed range from high speed to low speed. For this reason, since the change of the operation speed of the manipulator of the industrial robot 14 becomes large, vibration during the operation of the manipulator of the industrial robot 14 is likely to occur, and the dimensional accuracy of the bending member 13 decreases. Although the vibration of the manipulator of the industrial robot 14 is suppressed by setting the operation speed low, the productivity of the manufacturing apparatus is lowered.
  • the first object of the present invention is to (a) suppress the size of the manufacturing apparatus and the equipment cost by suppressing the operating range of the gripping means in the bending apparatus proposed by Japanese Patent Application No. 2008-276494, for example. And (b) By suppressing the moving speed of the gripping means, both the change in the operating speed of the arm of the industrial robot that supports the gripping means and the vibration during the operation are suppressed.
  • the second object of the present invention is to provide a bending member manufacturing method and manufacturing apparatus capable of manufacturing a bending member having excellent dimensional accuracy with high productivity and low cost while reducing the size of the entire apparatus. That is.
  • the present invention is a method for producing a bending member, characterized by satisfying the following conditions 1 to 6 and bending a hollow metal material having a closed cross section.
  • Condition 1 The first manipulator grips the first portion located on the first end side of the metal material.
  • Condition 2 the second manipulator heats and cools the region between the first portion of the metal material and the second portion located on the second end side of the metal material. Support a high temperature part generating mechanism that generates a partial high temperature part.
  • Condition 3 The third manipulator grips the second part.
  • Condition 4 The first manipulator operates intermittently in the axial direction in the first portion of the metal material and / or in the two-dimensional or three-dimensional direction in which a bending moment can be applied to the high temperature part.
  • Condition 5 The third manipulator operates intermittently in the axial direction in the second portion of the metal material and / or in the two-dimensional or three-dimensional direction in which a bending moment can be applied to the high temperature portion.
  • Condition 6 By satisfying Condition 4 and Condition 5, a bending moment is applied to the high temperature part while moving the high temperature part generation mechanism relative to the metal material in the axial direction.
  • the first manipulator operates in the direction of twisting the metal material around its axis and / or the third manipulator operates in the direction of twisting the metal material around its axis.
  • the present invention includes a twisting process in which a hollow and straight metal material having a closed cross section is twisted about its axis.
  • the first manipulator operates continuously in the axial direction in the first portion of the metal material
  • the third manipulator does not operate in the axial direction in the second portion of the metal material
  • the high temperature part generating mechanism changes the arrangement angle in accordance with the change in the displacement direction of the first part. In this case, it is more desirable that the arrangement position of the high temperature part generating mechanism is changed to a position approaching the first part.
  • the second manipulator when the third manipulator moves in a two-dimensional or three-dimensional direction and / or when the first manipulator moves in a two-dimensional or three-dimensional direction, the second manipulator It is desirable to move the generating mechanism along the axial direction of the metal material.
  • the high temperature part generating mechanism has a heating means for heating the metal material and a cooling means for forming the high temperature part by cooling the metal material heated by the heating means.
  • the first manipulator is arranged at the first position
  • the heating means is arranged at a second position downstream of the first position in the axial direction of the metal material
  • the cooling means is arranged in the axial direction of the metal material. It is desirable that the third manipulator is disposed at a fourth position downstream of the third position in the axial direction of the metal material.
  • the present invention includes the following first manipulator, second manipulator, and third manipulator, and is bent into a hollow metal material having a closed cross section by satisfying the following conditions 1 to 3. It is a manufacturing apparatus for manufacturing a bending member by performing.
  • First manipulator gripping a first portion located on the first end side of the metal material.
  • Second manipulator part of this region by heating and then cooling the region between the first part in the metal material and the second part located on the second end side of the metal material To support a high temperature part generating mechanism that forms a typical high temperature part.
  • Condition 1 The first manipulator operates intermittently in the axial direction in the first portion of the metal material and / or in the two-dimensional or three-dimensional direction in which a bending moment can be applied to the high temperature part.
  • Condition 2 The third manipulator operates intermittently in the axial direction in the second portion of the metal material and / or in the two-dimensional or three-dimensional direction in which a bending moment can be applied to the high temperature part.
  • Condition 3 By satisfying Condition 1 and Condition 2, a bending moment is applied to the high temperature part while moving the high temperature part generation mechanism relative to the metal material in the axial direction.
  • the present invention provides a feeding means that is arranged at a first position so as to be movable in a two-dimensional or three-dimensional direction and can feed a hollow metal material having a closed cross section while changing its feeding direction.
  • a heating means that is disposed at a second position downstream of the first position with respect to the feeding direction of the metal material and that heats a part or all of the fed metal material, and a second with respect to the feeding direction of the metal material.
  • a cooling unit that is disposed at a third position downstream of the position and cools a portion of the metal material that is heated by the heating unit, and a fourth downstream of the third position in the metal material feeding direction.
  • a bending moment is given to the heated part of the metal material together with the feeding means,
  • a bending device for bending the material into a desired shape wherein the heating device and the cooling device are arranged at different angles according to a change in the feeding direction of the metal material by the feeding device. It is a manufacturing apparatus of the bending member characterized by having the function to change.
  • the heating means and the cooling means have a function of changing their arrangement positions to positions close to the positions of the feeding means.
  • the feeding means is supported by the first manipulator
  • the heating means and the cooling means are supported by the second manipulator
  • the bending means is supported by the third manipulator.
  • the first manipulator is a manipulator of a first industrial robot of vertical articulated type
  • the second manipulator is a manipulator of a second industrial robot of vertical articulated type
  • the third manipulator is a manipulator of a vertical industrial joint type third industrial robot
  • the first manipulator and the third manipulator are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-27283. It is desirable that the manipulator is an arm-type first industrial robot and the second manipulator is a vertical articulated second industrial robot manipulator.
  • the third manipulator further suppresses the decrease in dimensional accuracy of the metal material by supporting the metal material that has been subjected to the bending process, or (D) performs the bending process. It is desirable to provide a fourth manipulator that suppresses a decrease in dimensional accuracy of the metal material by supporting the broken metal material.
  • the fourth manipulator is preferably a vertical articulated fourth industrial robot manipulator.
  • the number of axes of the vertical articulated industrial robot is preferably 5 or more.
  • the feeding direction on the entry side (material supply side) of the metal material is not limited to the axial direction and can be changed. That is, the incident angle of the metal material can be changed, and the arrangement angle of the heating means and the cooling means is changed according to the change of the incident angle of the metal material.
  • the operating range of the bending means constituted by an industrial robot is narrowly suppressed.
  • the apparatus can be made compact and the equipment cost can be reduced.
  • the operation speed of the industrial robot is suppressed, a change in the operation speed and vibration during operation can be suppressed.
  • a bending member having excellent dimensional accuracy is manufactured with high productivity and at low cost.
  • the apparatus can be made compact and the equipment cost can be reduced by minimizing the operating range of the gripping means in the invention proposed in Japanese Patent Application No. 2008-276494 as much as possible while reducing the installation space of the entire apparatus. It is possible to suppress the change in the operation speed and the vibration during the operation by suppressing the operation speed of the gripping means as much as possible. For this reason, according to the present invention, a bending member having excellent dimensional accuracy can be manufactured with high productivity and while suppressing an increase in equipment cost as much as possible.
  • the present invention it is possible to supply a metal strength member, a reinforcing member or a structural member having a bent shape, for example, for automobiles with excellent dimensional accuracy and low cost.
  • FIG. 1 (a) to 1 (d) are explanatory views showing the state of manufacturing a bending member with the manufacturing apparatus according to the present invention over time.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a situation where the feeding means and the bending means are supported by the two manipulators of the dual-arm industrial robot and the heating and cooling means are supported by the articulated industrial robot.
  • FIG. 3A shows an effector when the first manipulator grips the first portion located on the side of the first end of the steel pipe, or the third manipulator has the second end of the steel pipe.
  • FIG. 3B is an explanatory view schematically showing a long chuck as an effector in the case of gripping a second portion located on the side of the part, and FIG. 3B is a short chuck as an effector in this case FIG.
  • FIG. 3C is an explanatory view schematically showing a long chuck as an effector in this case.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing that the chuck can reduce the bending load.
  • FIG. 5 (a) is an explanatory view showing an extracted type of chuck that is disposed outside the steel pipe and abuts against the outer surface of the steel pipe to grip the tip of the steel pipe
  • FIG. 5C is an explanatory view showing a type of chuck that is inserted into the inner surface of the steel pipe and abuts against the inner surface of the steel pipe to grip the tip of the steel pipe
  • FIG. 5C is an explanatory view showing various chucks. is there.
  • FIG. 5 (a) is an explanatory view showing an extracted type of chuck that is disposed outside the steel pipe and abuts against the outer surface of the steel pipe to grip the tip of the steel pipe
  • FIG. 5C is an explanatory view showing a type of chuck that is inserted into the inner surface of the steel pipe and
  • FIG. 6 is an explanatory view schematically showing an example of a chuck used for the first manipulator or the third manipulator.
  • FIG. 7 is an explanatory view schematically showing an example of a chuck used for the first manipulator or the third manipulator.
  • 8 (a) to 8 (c) schematically show an enlargement mechanism of the outer method of the chuck that is inserted into the steel pipe and abuts against the inner surface of the steel pipe to grip the tip of the steel pipe.
  • FIG. 9A is an explanatory view schematically showing a configuration example of a chuck suitable for use in the manufacturing apparatus of the present invention
  • FIG. 9B shows a chuck of a comparative example
  • FIG. 9A is an explanatory view schematically showing a configuration example of a chuck suitable for use in the manufacturing apparatus of the present invention
  • FIG. 9B shows a chuck of a comparative example
  • FIG. Shows a chuck according
  • FIG. 10 is an explanatory view showing a configuration of a sleeve-type chuck with a slit, which is suitable for use in the bending apparatus of the present invention.
  • FIG. 11 (a) is an explanatory view showing the configuration of a hydraulic sleeve-type chuck suitable for use in the bending apparatus of the present invention, and
  • FIG. 11 (b) is an explanatory view showing a modification thereof. is there.
  • FIG. 12 is an explanatory view showing a mechanism for making the inside of the steel pipe positive pressure.
  • FIG. 3 is an explanatory view showing the shape of a part manufactured in Example 1.
  • 3 is a graph showing the results of Example 1.
  • 3 is a graph showing the results of Example 1.
  • 3 is a graph showing the results of Example 1.
  • FIG. 18 (a) is an explanatory view showing an outline of the shape of the bending member manufactured in Example 2, and FIG. 18 (b) shows the case where the bending member is manufactured while moving only the first manipulator in the axial direction of the steel pipe.
  • FIG. 18 (c) is a graph showing the displacement, X-direction acceleration, and Y-direction acceleration of the first to third manipulators together, and FIG. 18 (c) shows the first and third manipulators in the axial direction and bending direction of the steel pipe.
  • 6 is a graph collectively showing displacement, X-direction acceleration, and Y-direction acceleration of the first to third manipulators when the bending member is manufactured while moving to the position.
  • FIG. FIGS. 20 (a) to 20 (d) are explanatory views showing the situation of manufacturing a bending member according to the invention proposed in Japanese Patent Application No. 2008-276494 over time.
  • the “hollow metal material having a closed cross section” in the present invention is a steel pipe
  • the present invention is equally applicable to a hollow metal material having a closed cross section other than a steel pipe.
  • FIGS. 1 (a) to 1 (d) are explanatory views showing the state of manufacturing the bending member 21 with the manufacturing apparatus 20 of the present invention over time.
  • the manufacturing apparatus 20 includes a feeding unit 22, a high temperature part generating mechanism 23 that generates a high temperature part by heating and cooling the steel pipe 25, and a bending unit 24.
  • the feeding means 22 is arranged at the first position A so as to be movable in a two-dimensional or three-dimensional direction.
  • the feeding means 22 sends the steel pipe 25 while changing its feeding direction.
  • the feeding means 22 bends the steel pipe 25 into a desired shape by giving a bending moment to the high temperature portion of the steel pipe 25 together with the bending means 24 described later.
  • the feeding means 22 is supported by the first manipulator 27. Thereby, space saving of the feeding means 22 is achieved, and space saving of the material supply device is also achieved.
  • the first manipulator 27 is preferably a vertical articulated manipulator, or one of the two-arm manipulators disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2008-272883.
  • FIG. 2 shows a feed means 22 supported by two vertical articulated first manipulators 27 of a double-arm industrial robot 26, a bending means 24 supported by a third manipulator 28, and six axes. It is explanatory drawing which shows the condition where the high temperature part generation
  • the second has a seven-axis first manipulator 27 and a seven-axis third manipulator 28.
  • the first manipulator 27 and the third manipulator 28 are each provided on a base (not shown) having a turning axis that can turn around an axis perpendicular to the fixed surface.
  • the industrial robot 26 has 15 degrees of freedom as a whole.
  • the industrial robot 26 operates the feeding means 22 and the bending means 24 supported by the manipulators 27 and 28, respectively, with six degrees of freedom of three translational axes and three rotational axes. Thereby, the industrial robot 26 can process a complicatedly shaped bending member having a three-dimensional shape. Furthermore, since the manipulators 27 and 28 each have seven axes, the industrial robot 26 can fold the manipulators 27 and 28 in a compact manner in addition to the above-described six degrees of freedom, thereby supplying the steel pipe 25 as a material. Can be done in a small space.
  • the vertical articulated manipulator has a first axis to a sixth axis.
  • the first axis pivots the upper arm in a horizontal plane.
  • the second axis pivots the upper arm back and forth.
  • the third axis pivots the forearm up and down.
  • the fourth axis rotates the forearm.
  • the fifth axis turns the wrist up and down.
  • the sixth axis rotates the wrist.
  • a seventh axis for turning the upper arm may be provided.
  • Each axis is driven by an AC servo motor.
  • the number of axes of this vertical articulated industrial robot need not be 6 or 7, but may be 5 axes. In short, the vertical articulated industrial robot only needs to have the number of axes capable of performing operations necessary for machining.
  • an appropriate effector for gripping the feeding means 22, the high temperature part generating mechanism 23, and the bending means 24 is provided at the tip of the wrist of the industrial robot. The effector will be described later.
  • the first manipulator 27 grips the first portion located on the first end side of the steel pipe 25.
  • the high temperature part generating mechanism 23 is disposed at a second position B downstream of the first position A in the feed direction of the steel pipe 25.
  • the high temperature part generating mechanism 23 includes a heating unit and a cooling unit.
  • the heating means heats part or all of the steel pipe 25.
  • the cooling means is disposed at a third position C downstream of the second position B in the feed direction of the steel pipe 25.
  • the cooling means cools the portion of the steel pipe 25 heated by the heating means.
  • the high temperature part generating mechanism 23 is shown as an integral unit, but it goes without saying that the heating means and the cooling means are independent devices.
  • the heating means heats part or all of the steel pipe 25 to be fed.
  • a heating means a high-frequency heating device having a heating coil arranged around the steel pipe 25 is used. Since the high-frequency heating coil is well known to those skilled in the art, further description of the heating means is omitted.
  • the cooling means cools the portion heated by the heating means in the steel pipe 25.
  • a cooling means a water cooling device having a cooling water injection nozzle disposed away from the outer surface of the steel pipe 25 is used. Since such a cooling water injection nozzle is well known to those skilled in the art, further explanation regarding the cooling means is omitted.
  • the high temperature part generating mechanism 23 is supported by an appropriate moving mechanism. Thereby, the high temperature part generation
  • the bending member 21 can be manufactured, changing the arrangement
  • the high temperature part generating mechanism 23 can manufacture the bending member 21 while changing its arrangement position to a position approaching the position of the feeding means 22. That is, the high temperature part generating mechanism 23 has a function of changing its arrangement position to a position approaching the feeding means 22. For this reason, the manufacturing apparatus 20 can save space. Although depending on the shape of the product, for example, the installation space of the manufacturing apparatus 20 can be reduced to about 1/2 to 2/3 by moving the high temperature portion generating mechanism 23 in the axial direction.
  • the high temperature part generating mechanism 23 is supported by the second manipulator 29a.
  • the third manipulator 29a is desirably a manipulator of a vertical articulated second industrial robot, and the number of axes of the vertical articulated industrial robot is desirably 5 or more. .
  • the second manipulator 29a supports the high temperature part generating mechanism 23.
  • the high temperature part generating mechanism 23 heats and cools the area between the first part of the steel pipe 25 and the second part located on the second end side of the steel pipe 25, thereby cooling a part of this area. A partial high-temperature part is formed.
  • the bending means 24 is disposed at a fourth position D downstream of the third position C in the feed direction of the steel pipe 25.
  • the bending means 24 is arranged so as to be movable in a two-dimensional or three-dimensional direction.
  • the bending means 24 holds at least one portion of the steel pipe 25 to be fed.
  • the bending means 24, together with the feeding means 22, gives a bending moment to the high temperature portion of the steel pipe 25, and bends the steel pipe 25 into a desired shape.
  • the bending means 24 is constituted by the third manipulator 28 in order to improve space saving.
  • the third manipulator 28 is a manipulator of a vertical articulated third industrial robot, or the other manipulator of the above-described dual-arm first industrial robot. Is desirable.
  • the third manipulator 28 can further support the steel pipe 25 that has been subjected to bending processing, and thereby may be configured to suppress a decrease in dimensional accuracy of the steel pipe 25.
  • a fourth manipulator that suppresses a decrease in the dimensional accuracy of the steel pipe 25 by supporting the bent steel pipe 25 may be provided.
  • the fourth manipulator is preferably a manipulator of a vertical articulated fourth industrial robot, and the number of axes of the vertical articulated industrial robot is preferably 5 or more.
  • the third manipulator 28 grips the second portion located on the second end side of the steel pipe 25. The effector will be described below.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram schematically showing the long chuck
  • FIG. 3B is an explanatory diagram schematically showing the short chuck 31
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the elongate chuck
  • Each of the chucks 30 to 32 is an effector in the case where the first manipulator 27 grips the first portion located on the first end portion side of the steel pipe 25, or the steel pipe 25 by the third manipulator 28. It is an effector in the case of hold
  • Each of the chucks 30 to 32 is formed of a cylindrical body for gripping the first portion or the second portion of the steel pipe 25.
  • the chuck 30 is disposed outside the steel pipe 25.
  • the chuck 30 grips the distal end portion of the steel pipe 25 by contacting the outer surface 25 b of the steel pipe 25.
  • the chuck 30 is configured such that its inner diameter can be enlarged and reduced by an appropriate mechanism described later.
  • the chuck 31 and the chuck 32 are both inserted into the steel pipe 25 and installed.
  • the chucks 31 and 32 hold the tip of the steel pipe 25 by contacting the inner surface of the steel pipe 25.
  • the chucks 31 and 32 are configured such that their outer diameters can be expanded by an appropriate mechanism described later.
  • Each of the chucks 30 to 32 appropriately hold the tip of the steel pipe 25 fed in the axial direction. For this reason, the manufacturing apparatus 20 bends the steel pipe 25 with sufficient processing accuracy.
  • Each of the chucks 30 to 32 has a tube end seal mechanism that contacts a seal surface formed on the tube end portion, or an inner surface seal mechanism that contacts a seal surface formed on the inner surface of the tube. Accordingly, the chucks 30 to 32 seal the steel pipe 25 by directly contacting the pipe end portion or the pipe inner surface of the steel pipe 25.
  • the temperature of the steel pipe 25 is appropriately raised by the high temperature portion generating mechanism 23. For this reason, the manufacturing apparatus 20 can bend the steel pipe 25 with sufficient processing accuracy.
  • the chuck 30 is composed of a long cylindrical body. For this reason, the chuck 30 can suppress the bending load W to be small, and the interference between the first manipulator 27 and the third manipulator 28 with the devices installed in the periphery can be reduced from the vicinity of the distal end portion of the steel pipe 25. Even when it is started, it can be prevented.
  • the chuck 31 is composed of a short cylindrical body. It becomes possible to quench the steel pipe 25 from the end of the steel pipe 25. Product yield is improved. Further, the chuck 32 is constituted by a long cylindrical body. For this reason, the chuck 32 can suppress the bending load W to be small, and the interference of the first manipulator 27 and the third manipulator 28 with the devices installed in the periphery can be bent from the vicinity of the distal end portion of the steel pipe 25. Even when it is started, it can be prevented. Further, since the chuck 32 can quench the steel pipe 25 from the end of the pipe, the yield of the product can be improved.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing that the chucks 30 and 32 can suppress the bending load W to be small.
  • symbol W in FIG. 4 shows a bending load.
  • a symbol M indicates a moment necessary for bending the steel pipe 25.
  • Reference numeral 11 denotes the chuck length.
  • Reference numeral 12 denotes a chucking margin.
  • reference numeral l 3 indicates the distance to the start of the bending from the end of the steel pipe 25.
  • L the longer L is, the smaller W can be.
  • the allowable load of the bending machine is limited, it is possible to shorten l 3 by increasing l 1 .
  • the moment required when bending a steel pipe 25 having an outer diameter of 25 mm and a wall thickness of 1.0 mm under the condition of a curvature radius of 200 mm is about 36 N ⁇ m.
  • the allowable bending load is 500 N
  • W 1440N> 500N
  • W 720N> 500N.
  • FIG. 5A is an explanatory view showing the chuck 33 extracted
  • FIG. 5B is an explanatory view showing the chuck 34 extracted.
  • the chuck 33 is disposed outside the steel pipe 25 and grips the tip of the steel pipe 25 by contacting the outer surface of the steel pipe 25.
  • the chuck 34 is installed by being inserted into the steel pipe 25 and holds the tip of the steel pipe 25 by contacting the inner surface of the steel pipe 25.
  • the chuck 34 is preferable to the chuck 33 because it can easily determine the center position of the steel pipe 25 and can easily obtain a gripping force due to the tension in the circumferential direction of the steel pipe 25.
  • FIG. 5C is an explanatory view showing various chucks 35 to 43.
  • the chucks 35 and 36 are disposed outside the steel pipe 25 and abut against the outer surface of the steel pipe 25.
  • the chucks 37 and 38 are installed by being inserted into the steel pipe 25 and abut against the inner surface of the steel pipe 25.
  • the chucks 39 and 40 are disposed outside the steel pipe 25 and are in contact with the outer surface of the steel pipe 25 and are also inserted into the steel pipe 25 and are in contact with the inner surface of the steel pipe 25.
  • the chucks 41 to 43 are all square tube chucks. Even in the case of a square tube, in order to obtain a sufficient holding force and securely hold the square tube, the chucks 41 to 43 are installed by being inserted into the inside of the square tube, and on either the inner surface or the inner corner of the steel tube. It is desirable that they also contact each other.
  • FIG. 6 is an explanatory view schematically showing an example of the chuck 44 used in the first manipulator 27 or the third manipulator 28.
  • Reference numeral 45 in FIG. 6 indicates a cylinder.
  • FIG. 6 shows a case where the steel pipe 25 is bent while being quenched from the vicinity of the front end portion thereof.
  • the chuck 44 is a long chuck having an outer diameter that substantially matches the outer diameter of the steel pipe 25.
  • FIG. 7 is an explanatory view schematically showing an example of the chuck 46 used for the first manipulator 27 or the third manipulator 28.
  • FIG. 7 shows a case where the steel pipe 25 is bent while quenching to the vicinity of the rear end thereof. Also in this case, it is desirable that the chuck 46 is a long chuck having an outer diameter of a dimension that approximately matches the outer diameter of the steel pipe 25.
  • FIGS. 8 (a) to 8 (c) are explanatory views schematically showing an external enlargement mechanism of the chucks 48, 49 and 48-1.
  • the chucks 48, 49, 48-1 are all inserted and installed inside the steel pipe 25, and grip the tip of the steel pipe 25 by abutting against the inner surface of the steel pipe 25.
  • the chuck 48 includes a shaft 51 and an opening / closing bar 52 inside the cylindrical main body 50.
  • the shaft 51 is arranged so as to be pulled out and pulled out by a cylinder or the like (not shown).
  • the open / close bar 52 is disposed at the tip of the shaft 51.
  • Four chuck claws 53 are positioned on the oblique side of the opening / closing bar 52 so as to be positioned in the axial direction of the main body 50.
  • the chuck pawl 53 moves in the radial direction, thereby increasing or decreasing the outer method of the chuck 48.
  • the chuck 49 includes a shaft 51 and a conical bar 54 inside the cylindrical main body 50.
  • the shaft 51 is arranged so as to be pulled out and pulled out by a cylinder or the like (not shown).
  • the conical bar 54 is disposed at the tip of the shaft 51.
  • a large number of segments 55 and elastic claw 56 are arranged on the hypotenuse of conical bar 54.
  • the chuck 48-1 is a modification of the chuck 48, and the open / close bar 52 of the chuck 48 has a tapered shape.
  • the tapered opening / closing bar 52 increases the cross-sectional area of the joint with the shaft 51, so that the strength of the opening / closing bar 52 is increased.
  • the chuck pawl 53 desirably has a dovetail groove extending in the axial direction of the main body 50 in order to reliably perform unclamping.
  • the material of the chuck claws 53 and the open / close bar 52 include austenitic stainless steel or tool steel.
  • Austenitic stainless steel is suitable because it is a non-magnetic material and is difficult to be induction-heated, but is slightly inferior in wear resistance (scratch resistance) and seizure resistance.
  • tool steel is excellent in cold durability. Although tool steel is a magnetic material and is easily affected by induction heating, there is no practical problem unless induction heating is performed to the vicinity of the chuck claw 53.
  • the main body 50 is preferably a non-magnetic material such as austenitic stainless steel.
  • FIG. 9A is an explanatory view schematically showing a configuration example of a chuck 57 suitable for use in the manufacturing apparatus 20 of the present invention
  • FIG. 9B shows a chuck 58 of a comparative example
  • (C) shows the chuck 57 of the present invention.
  • the chuck 58 includes constituent members 57 a and 57 b and an insulating member 59.
  • the structural members 57a and 57b are divided into a plurality (two in the illustrated example) in the circumferential direction.
  • the insulating member 59 is disposed between two constituent members 57a and 57b disposed adjacent to each other.
  • the insulating member 59 is made of, for example, polytetrafluoroethylene.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing a configuration of a sleeve-type chuck 60 with a slit, which is suitable for use in the bending apparatus of the present invention.
  • the chuck 60 includes a shaft 51 and an opening / closing bar 52 inside the cylindrical main body 50.
  • the shaft 51 is arranged so as to be pulled out and pulled out by a cylinder (not shown).
  • the open / close bar 52 is disposed at the tip of the shaft 51.
  • a sleeve 61 having a slit 62 and a seal ring 63 are positioned and arranged in the axial direction of the main body 50.
  • the sleeve 61 with the slit is elastically deformed by the shaft 51 moving in the axial direction of the main body 50, and is expanded or contracted. Thereby, the outer method of the chuck 60 is increased or decreased.
  • the sleeve 61 Since the sleeve 61 has a plurality of slits 62, even if it is made of metal, it can be elastically deformed with a small force and is not easily heated by induction heating. In addition, it can fully prevent that the sleeve 61 is induction-heated only by comprising the sleeve 61 with a nonmagnetic material.
  • the slit 62 is desirably provided when the strength of the sleeve 61 is sufficiently secured.
  • FIG. 11A is an explanatory view showing a configuration of a hydraulic sleeve-type chuck 70 suitable for use in the bending apparatus of the present invention
  • FIG. 11B shows a modified example 70-1. It is explanatory drawing shown.
  • a flow path 72 of the high-pressure liquid 71 generated using a high-pressure pump (not shown) is formed inside the chuck 70.
  • a sleeve 73 made of an elastic body is provided on the outer periphery of the tip of the main body of the chuck 70.
  • the sleeve 73 is bulged and deformed by flowing the high-pressure liquid 71 through the flow path 72. Since the chuck 70 can reduce the outer diameter of the tip of the main body, it can also be used for a small-diameter inner diameter chuck.
  • the sleeve 73 is preferably made of a heat resistant metal.
  • the cylinder 74 In the chuck 70-1, the cylinder 74 generates the high-pressure liquid 71.
  • cross-sectional area A 1 of the operation of the cylinder 74 is larger than the cross-sectional area A 2 of the flow path 72, the pressure P 2 of the passage 72, even when the working pressure P 1 of the cylinder 74 is small, increased.
  • FIG. 12 is an explanatory view showing a mechanism for making the inside of the steel pipe 25 positive pressure. If the material of the seal member at the pipe end of the steel pipe 25 is a soft material such as rubber, the durability of the seal member may be insufficient. Moreover, when the material of the seal member is a metal material, it may not be possible to prevent water from entering the steel pipe 25.
  • the feed side chuck 76 is used as a mechanism for making the inside of the steel pipe 25 a positive pressure.
  • the feed side chuck 76 incorporates a flow path 75 for supplying compressed air or compressed inert gas in the open / close bar. It is desirable that the compressed air or the compressed inert gas is supplied into the steel pipe 25 through the flow path 75 of the feed side chuck 76 and ejected from the side where the outlet side chuck 77 is arranged. Thereby, since the inside of the steel pipe 25 is maintained at a positive pressure, it is possible to completely prevent the cooling water from the cooling device 14 from entering the inside of the steel pipe 25.
  • the chuck described above can be processed when gripping the inner surface of a workpiece having a polygonal cross-sectional shape such as a quadrangle, or the inner surface of a workpiece having an irregular cross-sectional shape having corners. By holding the chuck so that the chuck comes into contact with each corner of the inner peripheral surface of the material, the gripping force can be increased and the core of the workpiece can be reliably put out.
  • the manufacturing apparatus 20 is configured as described above. Next, a situation in which the bending member 21 is manufactured by the manufacturing apparatus 20 will be described. As shown in FIG. 1A, while the steel pipe 25 is fed by the feeding means 22, the steel pipe 25 is partially heated and cooled rapidly by the high temperature portion forming mechanism 23, and the steel pipe 25 is gripped by the bending means 24.
  • the position of the feeding means 22 is changed two-dimensionally or three-dimensionally and the position of the bending means 24 is changed two-dimensionally or three-dimensionally as indicated by a broken line arrow in FIG. Furthermore, the arrangement angle of the high temperature part generating mechanism 23 is changed according to the change of the feeding direction of the steel pipe 25 by the feeding means 22. In this way, the first bending process is performed on the steel pipe 25 as shown in FIG.
  • the feed direction on the entry side (material supply side) of the steel pipe 25 is not limited to the axial direction and can be changed. That is, the incident angle of the steel pipe 25 can be freely changed, and the arrangement angle of the high temperature portion generating mechanism 23 is changed according to the change of the incident angle of the steel pipe. For this reason, it becomes possible to suppress the operating range of the bending means 24 supported by the third manipulator.
  • the arrangement position of the high temperature part generating mechanism 23 is changed to a position approaching the position of the feeding means 22, and further to FIGS. 1 (c) and 1 (d).
  • the position of the feeding means 22 is changed two-dimensionally or three-dimensionally and the position of the bending means 24 is changed two-dimensionally or three-dimensionally. In this way, the steel pipe 25 is bent a second time.
  • the first manipulator 27 can give a bending moment to the axial direction in the first portion of the steel pipe 25 and / or the high temperature portion formed in the steel pipe 25.
  • the second manipulator 29a operates continuously or intermittently in the axial direction in the high temperature portion of the steel pipe 25.
  • the position of the feeding means 22 supported by the first manipulator 27 is changed after the arrangement position of the high temperature part generating mechanism 23 is changed to a position approaching the position of the feeding means 22, and the second time.
  • a bending moment can be applied to the high temperature portion while moving the high temperature portion in the axial direction of the steel pipe 25.
  • the operation range of the bending means 24 supported by the third manipulator 28 can be suppressed.
  • the bending means 24 can be supported by an industrial robot having the third manipulator 28 with a short reach length. It is possible to suppress a change in the operation speed by suppressing the operation speed of the robot as much as possible and to suppress vibrations during the operation, whereby the bending member 21 with excellent dimensional accuracy can be produced with high productivity and low cost. Can be manufactured.
  • the first manipulator 27 is caused to move in the direction of twisting the steel pipe 25 around its axis, and / or the third manipulator 28 is twisted around the axis of the steel pipe 25.
  • the steel pipe 25 may be rotated around its axis and relatively twisted. As a result, twisting is possible, which is desirable for obtaining a product having a twisted portion.
  • the first manipulator 27 and the third manipulator 28 during the bending process can simultaneously rotate the steel pipe 25 around the axis in the same direction, the first manipulator 27 and the third manipulator 28 operating ranges can be suppressed, preferably minimized.
  • the steel pipe 25 is moved around the axis of the first manipulator 27.
  • the second manipulator 29a and the third manipulator 28 are synchronized to match the respective operation directions and operation speeds, thereby increasing the dimensional accuracy of the bending member 21 obtained. Desirable for.
  • the apparatus can be made compact by suppressing the operating range of the gripping means 24 in the invention proposed in Japanese Patent Application No. 2008-276494 as much as possible.
  • An excellent bending member 21 can be manufactured with high productivity and an increase in equipment cost as much as possible.
  • the feeding means 22 was supported by an articulated industrial robot having a six-axis manipulator.
  • the bending means 24 was supported by an articulated industrial robot having a seven-axis manipulator.
  • the high temperature part generating mechanism 23 was supported by an articulated industrial robot having a six-axis manipulator. Only the angle of the high temperature part generating mechanism 23 was changed according to the change of the feeding direction of the feeding means 22.
  • the feeding means in the comparative device is a type in which the feeding device on the entry side drives a ball screw by a servo motor, the feeding operation is only in the axial direction of the square tube, and the installation position of the high temperature part generating mechanism is fixed did. Further, the bending means was supported by an articulated industrial robot having a seven-axis manipulator.
  • FIG. 14 is a graph showing the results of the comparative example
  • FIG. 15 is a graph showing the results of the present invention.
  • the lateral speed of the robot (exit robot) supporting the bending means in each of the present invention and the comparative examples is illustrated.
  • FIG. 16 is a graph showing a comparison
  • FIG. 17 is a graph showing the robot trajectories.
  • the feeding direction of the square tube is indicated by the X axis
  • the bending direction (lateral direction) perpendicular thereto is indicated by the y axis.
  • the present embodiment further suppresses the vibration generated in the steel pipe during the bending process as compared with the first embodiment, thereby manufacturing a bending member having higher dimensional accuracy.
  • the third manipulator is a two-dimensional or three-dimensional one. The first manipulator does not move in the axial direction when moving in the direction and / or the third manipulator moves in the axial direction when the first manipulator moves in the two-dimensional or three-dimensional direction Do not do.
  • the third manipulator that moves in the two-dimensional or three-dimensional direction impedes the movement of the first manipulator in the axial direction, thereby causing vibrations that occur in the steel pipe during bending, two-dimensional, or three-dimensional. Any vibration generated in the steel pipe during bending is significantly suppressed by inhibiting the movement of the third manipulator in the axial direction by the first manipulator moving in the direction of.
  • FIG. 18 (a) is an explanatory view showing an outline of the shape of the bending member manufactured in Example 2, and FIG. 18 (b) shows the case where the bending member is manufactured while moving only the first manipulator in the axial direction of the steel pipe.
  • FIG. 18 (c) is a graph showing the displacement, X-direction acceleration, and Y-direction acceleration of the first to third manipulators together, and FIG. 18 (c) shows the first and third manipulators in the axial direction and bending direction of the steel pipe.
  • 6 is a graph collectively showing displacement, X-direction acceleration, and Y-direction acceleration of the first to third manipulators when the bending member is manufactured while moving to the position.
  • the second manipulator is operated and heated and cooled while the steel pipe is held by the first manipulator and the third manipulator. 23 is moved in the axial direction (X direction) of the steel pipe.
  • the first manipulator and the third manipulator are simultaneously moved in the bending direction (here, the Y direction) during bending, and a bending moment is applied to the steel pipe.
  • the second manipulator changes the position and direction of the high temperature part generating mechanism 23 along the shape of the bent steel pipe.
  • the high temperature part generating mechanism 23 and the steel pipe are moved by moving the high temperature part generating mechanism 23 in the axial direction of the steel pipe without sending the steel pipe held by the first manipulator and the third manipulator in the axial direction. Bending is performed while relatively moving the position in the axial direction. Thereby, the acceleration in the X direction of the steel pipe itself becomes substantially zero, and when the bending stress is applied by the first manipulator and / or the third manipulator, the fluctuation of the acceleration in the X direction is suppressed, and the vibration is suppressed. Reduced.
  • the operation of the first manipulator in the axial direction is not hindered by the third manipulator that moves in the two-dimensional or three-dimensional direction compared to the first embodiment,
  • the vibration of the steel pipe is suppressed, the X-direction acceleration and the Y-direction acceleration of the first to third manipulators are both extremely small, and the dimensional accuracy of the manufactured bending member is improved.

Abstract

 (a)第1の位置に配置されて,閉じた断面を有する中空の金属材(25)をその長手方向へ送る送り手段(22)を構成する第1のマニピュレータと,(b)金属材の送り方向について第1の位置よりも下流の第2の位置に配置されて,送られる金属材の一部または全部を加熱する加熱手段(23),および,第2の位置よりも下流の第3の位置に配置されて,送られる金属材における加熱手段により加熱された部分を冷却する冷却手段を支持する第2のマニピュレータと,(c)第3の位置よりも下流の第4の位置に配置されて,送られる金属材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とによって,金属材における加熱された部分に曲げモーメントを与えて,金属材を曲げ加工する第2の支持手段(24)を構成する第3のマニピュレータとを備える曲げ加工装置。

Description

曲げ部材の製造方法及び製造装置
 本発明は、曲げ部材の製造方法及び製造装置に関する。具体的には、本発明は、閉断面を有する長尺の金属製の素材に二次元または三次元の曲げ加工を行って曲げ部材を製造するための製造方法及び製造装置に関する。
 屈曲した形状を有し、自動車や各種機械に用いられる金属製の強度部材、補強部材又は構造部材(以下「曲げ部材」という)は、高強度、軽量かつ小型であることを要求される。曲げ部材は、例えば、プレス加工品の溶接、厚板の打ち抜き、さらには鍛造によって、これまで製造されてきた。これらの製造方法により達成される曲げ部材の軽量化および小型化は、限界に達している。
 近年、いわゆるチューブハイドロフォーミング工法によって曲げ部材を製造することが、積極的に検討される(例えば非特許文献1参照)。非特許文献1の28頁には、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課題がチューブハイドロフォーミング工法に存在するため、チューブハイドロフォーミング工法のいっそうの技術開発が必要であること、が記載される。
 一方、真っ直ぐな金属管に曲げ加工を行って曲げ部材を製造する技術がこれまでに多数開示される。
 特許文献1には、金属管を熱処理しながら曲げ加工する技術が開示される。特許文献2には、異形断面を有する湾曲したらせん条材を製造する技術が開示される。特許文献3には、高周波誘導加熱を利用する曲げ装置が開示される。特許文献4には、金属製の部材の曲げ加工装置が開示される。
 本出願人は、特許文献5により、金属材の曲げ加工方法及び曲げ加工装置を開示した。図19は、この曲げ加工装置0の概略を示す説明図である。
 図19に示すように、支持手段2は、鋼管1をその軸方向へ移動自在に支持する。送り装置3は、例えばボールネジを構成要素として備える。送り装置3は、鋼管1を上流側から下流側へ向けて送る。
 誘導加熱コイル5は、支持手段2の下流に配置される。誘導加熱コイル5は、鋼管1を部分的に焼入れ可能温度域に急速に誘導加熱する。水冷装置6は、高周波加熱コイル5の下流に配置される。水冷装置6は鋼管1を急冷する。これにより、鋼管1の温度は、誘導加熱コイル5と水冷装置6との間のみにおいて、焼入れ可能温度となる(以下、鋼管1の焼入れ可能温度部を「高温部」という)。
 可動ローラダイス4は、水冷装置4の下流に移動自在に配置される。可動ローラダイス4は、ロール対4aを少なくとも一組有する。ロール対4aは、鋼管1を送りながら支持可能である。可動ローラダイス4は、二次元又は三次元の方向へ移動する。これにより、鋼管1の高温部は、曲げモーメントを付与されて曲げ加工される。このようにして、曲げ部材8が、十分な曲げ加工精度を確保しながら高い作業能率で、製造される。
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
自動車技術 Vol.57,No.6,2003 23~28頁
 本出願人は、曲げ加工装置を改良した曲げ加工の製造装置を、特願2008-276494号により開示した。
 閉じた断面形状を有する長尺の金属材が、その長手方向へ送られるとともに、第1の位置において支持される。金属材は、金属材の送り方向について第1の位置よりも下流の第2の位置において部分的に加熱される。金属材の第2の位置において加熱された部分は、上記送り方向について第2の位置よりも下流の第3の位置において、冷却される。これにより、金属材は、第2の位置と第3の位置との間に存在する部分に、高温部を形成される。
 金属材は、金属材の送り方向について第3の位置よりも下流の領域で、把持手段によって把持される。把持手段は、金属材の先端部の内部に挿入して配置されるか、あるいは、金属材の先端部の外面に当接して配置される。
 把持手段の位置が、第3の位置よりも前記送り方向の上流側の空間を含むワークスペース内において、二次元または三次元の方向へ変更される。これにより、高温部は、曲げモーメントを付与されて曲げ加工される。
 図20(a)~図20(d)は、この製造装置を用いて曲げ部材13を製造する状況を経時的に示す説明図である。
 素材である金属材9の送り方向は、この製造装置のみならず特許文献1~5により開示されたいずれの技術においても、金属材9の軸方向であって、曲げ加工の間は変更されない。このため、曲げ加工を行うための装置の設置スペースが広大化するとともに、曲げ加工装置が大型化する。この理由を、以下に具体的に説明する
 図20(a)~図20(d)に示すように、送り装置10は金属材9をその軸方向へ送る。加熱および冷却装置11は金属材9を急速に加熱および冷却する。把持手段12は、例えば多関節型の産業用ロボット14により支持される。把持手段12は、破線矢印で示すように、二次元または三次元の方向へ移動する。金属材9の高温部は曲げモーメントを与えられる。このようにして、曲げ部材13は製造される。
 把持手段12は、曲げ部材13を製造するために、不可避的に広い範囲で移動するため、把持手段12を支持する産業用ロボット14のマニピュレータの長さ(以下、「アーム長」という)は長くなければならない。このため、曲げ加工装置が大型化する。
 また、把持手段12は、広範な速度域で移動する必要がある。これに伴って、産業用ロボット14のマニピュレータは高速から低速まで広範な速度域で動作する。このため、産業用ロボット14のマニピュレータの動作速度の変化が大きくなるので、産業用ロボット14のマニピュレータの動作時の振動が発生し易くなるとともに、曲げ部材13の寸法精度が低下する。産業用ロボット14のマニピュレータの振動は、動作速度を低く設定することによって抑制されるが、製造装置の生産性が低下する。
 さらに、この製造装置では、金属材9の供給装置の設置スペースを広く確保する必要もある。
 本発明の第1の目的は、(a)例えば特願2008-276494号により提案した曲げ加工装置における把持手段の動作範囲を抑制することによって、製造装置の小型化および設備コストを抑制すること、及び(b)把持手段の移動速度を抑制することによって、把持手段を支持する産業用ロボットのアームの動作速度の変化および動作時の振動を、いずれも抑制することである。
 本発明の第2の目的は、装置全体の小型化を図りながら、寸法精度が優れた曲げ部材を高い生産性でかつ低コストで製造することができる曲げ部材の製造方法および製造装置を提供することである。
 本発明は、下記条件1~6を満足して、閉断面を有する中空の金属材に曲げ加工を行うことを特徴とする曲げ部材の製造方法である。
条件1:第1のマニピュレータが、金属材の第1の端部の側に位置する第1の部分を把持すること。
条件2:第2のマニピュレータが、金属材における第1の部分、及び金属材の第2の端部の側に位置する第2の部分の間の領域を加熱した後に冷却することによってこの領域の一部に部分的な高温部を発生する高温部発生機構を支持すること。
条件3:第3のマニピュレータが、第2の部分を把持すること。
条件4:第1のマニピュレータが金属材の第1の部分における軸方向、及び/又は、高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作すること。
条件5:第3のマニピュレータが金属材の第2の部分における軸方向、及び/又は、高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作すること。
条件6:条件4及び条件5を満足することによって、高温部発生機構を金属材に対して軸方向へ相対的に移動させながら、曲げモーメントが高温部に付与されること。
 本発明では、第1のマニピュレータが金属材をその軸回りにねじる方向へ動作すること、及び/又は、第3のマニピュレータが金属材をその軸回りにねじる方向へ動作することが望ましい。本発明には、閉断面を有する中空かつストレート形状の金属材をその軸回りにねじるねじり加工を行うことも包含される。
 これらの本発明では、第1のマニピュレータが金属材の第1の部分における軸方向へ連続的に動作すること、第3のマニピュレータが金属材の第2の部分における軸方向へ動作しないこと、及び高温部発生機構が、第1の部分の変位方向の変更に応じて、配置角度を変更することが望ましい。この場合、高温部発生機構が、第1の部分に接近する位置へ配置位置を変更されることがさらに望ましい。
 本発明では、第3のマニピュレータが2次元又は3次元の方向へ動作する際、及び/又は、第1のマニピュレータが2次元又は3次元の方向へ動作する際に、第2のマニピュレータが高温部発生機構を金属材の軸方向に沿って移動させることが望ましい。
 これらの本発明では、高温部発生機構が、金属材を加熱する加熱手段と、この加熱手段により加熱された金属材を冷却することによって高温部を形成する冷却手段とを有することが望ましい。
 本発明では、第1のマニピュレータが第1の位置に配置され、加熱手段が金属材の軸方向について第1の位置よりも下流の第2の位置に配置され、冷却手段が金属材の軸方向について第2の位置よりも下流の第3の位置に配置され、かつ、第3のマニピュレータが金属材の軸方向について第3の位置よりも下流の第4の位置に配置されることが望ましい。
 別の観点からは、本発明は、下記第1のマニピュレータ、第2のマニピュレータ及び第3のマニピュレータを備え、下記条件1~3を満足することによって、閉断面を有する中空の金属材に曲げ加工を行って曲げ部材を製造するための製造装置である。
第1のマニピュレータ:金属材の第1の端部の側に位置する第1の部分を把持すること。
第2のマニピュレータ:金属材における第1の部分、及び金属材の第2の端部の側に位置する第2の部分の間の領域を加熱した後に冷却することによってこの領域の一部に部分的な高温部を形成する高温部発生機構を支持すること。
第3のマニピュレータ:第2の部分を把持すること、
条件1:第1のマニピュレータが金属材の第1の部分における軸方向、及び/又は、高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作すること。
条件2:第3のマニピュレータが金属材の第2の部分における軸方向、及び/又は、高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作すること。
条件3:条件1及び条件2を満足することによって、高温部発生機構を金属材に対して軸方向へ相対的に移動させながら、曲げモーメントが高温部に付与されること。
 また、本発明は、第1の位置に二次元または三次元の方向へ移動自在に配置されて、閉じた断面を有する中空の金属材を、その送り方向を変更しながら送ることができる送り手段と、金属材の送り方向について第1の位置よりも下流の第2の位置に配置されて、送られる金属材の一部または全部を加熱する加熱手段と、金属材の送り方向について第2の位置よりも下流の第3の位置に配置されて、送られる金属材における加熱手段により加熱された部分を冷却する冷却手段と、金属材の送り方向について第3の位置よりも下流の第4の位置に二次元または三次元の方向へ移動自在に配置されて、送られる金属材の少なくとも一箇所を把持することによって、送り手段とともに、金属材における加熱された部分に曲げモーメントを与えて、金属材を所望の形状に曲げ加工する曲げ手段とを備え、金属材を素材とする製造装置であって、加熱手段および冷却手段が、送り手段による金属材の送り方向の変更に応じて、配置角度を変更する機能を有することを特徴とする曲げ部材の製造装置である。
 本発明では、加熱手段および冷却手段が、その配置位置を、送り手段の位置に接近する位置へ変更する機能を有することが望ましい。
 これらの本発明では、送り手段が第1のマニピュレータにより支持され、加熱手段および冷却手段が第2のマニピュレータにより支持されるとともに、曲げ手段が第3のマニピュレータにより支持されることが望ましい。
 この場合に、(A)第1のマニピュレータが垂直多関節型の第1の産業用ロボットのマニピュレータであり、第2のマニピュレータが垂直多関節型の第2の産業用ロボットのマニピュレータであるとともに、第3のマニピュレータが垂直多関節型の第3の産業用ロボットのマニピュレータであること、又は(B)第1のマニピュレータおよび第3のマニピュレータが例えば特開2008-272883号公報等により開示された双腕型の第1の産業用ロボットのマニピュレータであるとともに、第2のマニピュレータが垂直多関節型の第2の産業用ロボットのマニピュレータであることが、それぞれ望ましい。
 これらの本発明では、さらに、(C)第3のマニピュレータが、曲げ加工を行われた金属材を支持することによって金属材の寸法精度の低下を抑制すること、又は(D)曲げ加工を行われた金属材を支持することによって金属材の寸法精度の低下を抑制する第4のマニピュレータを備えることが、それぞれ望ましい。第4のマニピュレータが垂直多関節型の第4の産業用ロボットのマニピュレータであることが望ましい。
 これらの本発明では、垂直多関節型の産業用ロボットの軸数が5以上であることが望ましい。
 これらの本発明では、さらに、加熱手段の入側に配置されて、金属材をこの加熱手段に案内する支持手段を備えることが望ましい。
 これらの本発明によれば、素材である金属材の入側(材料の供給側)の送り方向がその軸方向には限定されず変更自在である。すなわち、金属材の入射角度が変更自在であるとともに、この金属材の入射角度の変更に応じて加熱手段および冷却手段の配置角度が変更される。これにより、例えば産業用ロボットにより構成される曲げ手段の動作範囲が狭く抑制される。
 このため、アーム長がより短い産業用ロボットを選定できるために装置のコンパクト化および設備コストの抑制が図られる。また、この産業用ロボットの動作速度が抑制されるので、動作速度の変化および動作時の振動の抑制が図られる。これらにより、寸法精度が優れた曲げ部材が高い生産性でかつ低コストで製造される。
 本発明によれば、装置全体の設置スペースの小型化を図りながら、特に特願2008-276494号により提案した発明における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およ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および動作時の振動の抑制とを図ることができる。このため、本発明によれば、寸法精度が優れた曲げ部材を高い生産性でかつ、設備コストの上昇を可及的に抑制しながら、製造できる。
 このため、本発明によれば、例えば自動車用の、屈曲した形状を有する金属製の強度部材、補強部材または構造部材を、優れた寸法精度で、かつ低コストで供給できるようになる。
図1(a)~図1(d)は、本発明に係る製造装置により曲げ部材を製造する状況を、経時的に示す説明図である。 図2は、双腕型の産業用ロボットの二本のマニピュレータにより送り手段、曲げ手段を支持するとともに、多関節型の産業用ロボットにより加熱および冷却手段を支持する状況を示す説明図である。 図3(a)は、第1のマニピュレータによって鋼管の第1の端部の側に位置する第1の部分を把持する場合における効果器、若しくは、第3のマニピュレータが、鋼管の第2の端部の側に位置する第2の部分を把持する場合における効果器としての長尺のチャックを模式的に示す説明図であり、図3(b)は、この場合における効果器としての短尺のチャックを模式的に示す説明図であり、図3(c)は、この場合における効果器としての長尺のチャックを模式的に示す説明図である。 図4は、チャックが曲げ荷重を小さくすることができることを示す説明図である。 図5(a)は、鋼管の外部に配置されて鋼管の外面に当接することによって鋼管の先端部を把持する型式のチャックを抽出して示す説明図であり、図5(b)は、鋼管の内部に挿設されて鋼管の内面に当接することによって鋼管の先端部を把持する型式のチャックを抽出して示す説明図であり、図5(c)は、各種のチャックを示す説明図である。 図6は、第1のマニピュレータ又は第3のマニピュレータに用いるチャックの一例を模式的に示す説明図である。 図7は、第1のマニピュレータ又は第3のマニピュレータに用いるチャックの一例を模式的に示す説明図である。 図8(a)~図8(c)は、いずれも、鋼管の内部に挿入されて鋼管の内面に当接することによって鋼管の先端部を把持するチャックの外法の拡大機構を模式的に示す説明図である。 図9(a)は、本発明の製造装置に用いるのに好適なチャックの構成例を模式的に示す説明図であり、図9(b)は比較例のチャックを示し、図9(c)は本発明例のチャックを示す。 図10は、本発明の曲げ加工装置に用いるのに好適な、スリット付きのスリーブ方式のチャックの構成を示す説明図である。 図11(a)は、本発明の曲げ加工装置に用いるのに好適な、液圧式のスリーブ方式のチャックの構成を示す説明図であり、図11(b)はその変形例を示す説明図である。 図12は、鋼管の内部を正圧にする機構を示す説明図である。 実施例1で製造した部品の形状を示す説明図である。 実施例1の結果を示すグラフである。 実施例1の結果を示すグラフである。 実施例1の結果を示すグラフである。 実施例1の結果を示すグラフである。 図18(a)は実施例2で製造した曲げ部材の形状の概略を示す説明図であり、図18(b)は第1のマニピュレータのみ鋼管の軸方向へ移動しながら曲げ部材を製造した時の第1~第3のマニピュレータの変位、X方向加速度及びY方向加速度をまとめて示すグラフであり、図18(c)は第1~第3のいずれのマニピュレータをも鋼管の軸方向及び曲げ方向へ移動しながら曲げ部材を製造した時の第1~第3のマニピュレータの変位、X方向加速度及びY方向加速度をまとめて示すグラフである。 特許文献1により開示された曲げ加工装置の構成を模式的に示す説明図である。 図20(a)~図20(d)は、特願2008-276494号により提案した発明により曲げ部材を製造する状況を経時的に示す説明図である。
0 曲げ加工装置
1 鋼管
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 高周波加熱コイル
6 水冷装置
8 曲げ部材
9 金属材
10 送り装置
11 加熱および冷却装置
12 把持手段
13 曲げ部材
14 産業用ロボット
20 本発明に係る製造装置
21 曲げ部材
22 送り手段
23 高温部発生機構
24 曲げ手段
25 鋼管
26 双腕型の産業用ロボット
27 第1のマニピュレータ
28 第3のマニピュレータ
29 産業用ロボット
29a 第2のマニピュレータ
 以降の説明では、本発明における「閉じた断面を有する中空の金属材」が鋼管である場合を例にとる。本発明は、鋼管以外の、閉じた断面を有する中空の金属材にも等しく適用される。
 図1(a)~図1(d)は、本発明の製造装置20により曲げ部材21を製造する状況を、経時的に示す説明図である。製造装置20は、送り手段22と、鋼管25を加熱及び冷却して高温部を発生する高温部発生機構23と、曲げ手段24とを備える。
 [送り手段22]
 送り手段22は、第1の位置Aに二次元または三次元の方向へ移動自在に配置される。送り手段22は、鋼管25をその送り方向を変更しながら送る。送り手段22は、後述する曲げ手段24とともに、鋼管25の高温部に曲げモーメントを与えることによって、鋼管25を所望の形状に曲げ加工する。
 送り手段22は、第1のマニピュレータ27により支持される。これにより、送り手段22の省スペース化が図られるとともに、材料供給装置の省スペース化も図られる。第1のマニピュレータ27は、垂直多関節型のマニピュレータであるか、または、例えば特開2008-272883号公報等により開示された双腕型のマニピュレータの一方のマニピュレータであることが望ましい。
 図2は、双腕型の産業用ロボット26の二本の垂直多関節型の第1のマニピュレータ27により送り手段22を支持し、第3のマニピュレータ28により曲げ手段24を支持するとともに、6軸の垂直多関節型の産業用ロボット29の第2のマニピュレータ29aにより高温部発生機構23を支持する状況を示す説明図である。
 図2に示す双腕型の産業用ロボット26は、7軸の第1のマニピュレータ27と、同じく7軸の第3のマニピュレータ28とを有する。第1のマニピュレータ27、及び第3のマニピュレータ28は、それぞれ、固定面に対して垂直な軸回りに旋回可能な旋回軸を有する基台(図示しない)に設けられる。産業用ロボット26は、全体として15軸の自由度を有する。
 産業用ロボット26は、各マニピュレータ27,28により支持される送り手段22及び曲げ手段24を、いずれも、並進3軸及び回転3軸の6自由度で動作させる。これにより、産業用ロボット26は、3次元形状の複雑な形状の曲げ部材を加工することができる。さらに、産業用ロボット26は、各マニピュレータ27,28が7軸を有するので、上述の6自由度に加えてマニピュレータ27、28をコンパクトに折り畳むことができ、これにより、素材である鋼管25の供給を小さなスペースで行うことができる。
 なお、垂直多関節型のマニピュレータとは、第1軸~第6軸を有する。第1軸は、上腕を水平面内で旋回させる。第2軸は、上腕を前後に旋回させる。第3軸は、前腕を上下に旋回させる。第4軸は、前腕を回転させる。第5軸は、手首を上下に旋回させる。第6軸は、手首を回転させる。さらに、必要に応じて、第1軸~第6軸に加えて、上腕を旋回させる第7軸を有してもよい。各軸はACサーボモーターにより駆動される。
 この垂直多関節型の産業用ロボットの軸数は6または7である必要はなく、5軸であってもよい。要するに、垂直多関節型の産業用ロボットは、加工に必要な動作を行うことができる軸数を有していればよい。
 なお、産業用ロボットの手首の先端には、送り手段22、高温部発生機構23、曲げ手段24を把持するための適当な効果器(エンドエフェクタ)が設けられる。効果器については、後述する。
 このように、第1のマニピュレータ27が、鋼管25の第1の端部の側に位置する第1の部分を把持する。
 [高温部発生機構23]
 高温部発生機構23は、鋼管25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。高温部発生機構23は、加熱手段と冷却手段とを有する。加熱手段は、鋼管25の一部または全部を加熱する。冷却手段は、鋼管25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に配置される。冷却手段は、鋼管25における加熱手段により加熱された部分を冷却する。
 説明を簡略化するため、この説明では、高温部発生機構23を一体的に示すが、加熱手段および冷却手段が独立した装置であることはいうまでもない。
 加熱手段は、送られる鋼管25の一部または全部を加熱する。加熱手段として、鋼管25の周囲に離れて配置される加熱コイルを有する高周波加熱装置を用いる。高周波加熱コイルは当業者にとっては周知慣用であるので、加熱手段に関するこれ以上の説明は省略する。
 冷却手段は、鋼管25における加熱手段より加熱された部分を冷却する。冷却手段として、鋼管25の外面に離れて配置される冷却水噴射ノズルを有する水冷装置を用いる。このような冷却水噴射ノズルは当業者にとっては周知慣用であるので、冷却手段に関するこれ以上の説明は省略する。
 高温部発生機構23は、適当な移動機構により支持される。これにより、高温部発生機構23は、送り手段22による鋼管25の送り方向の変更に応じて、配置角度を変更する機能を有する。このため、製造装置20では、送り手段22による鋼管25の送り方向の変更に応じて、高温部発生機構23の配置角度を変更しながら、曲げ部材21を製造することができる。
 また、高温部発生機構23は、その配置位置を、送り手段22の位置に接近する位置へ変更しながら、曲げ部材21を製造することができる。すなわち、高温部発生機構23は、その配置位置を送り手段22に接近する位置へ変更する機能を有する。このため、製造装置20は、省スペース化が図られる。製品の形状にもよるが、例えば、高温部発生機構23を軸方向へ移動することにより、製造装置20の設置スペースを約1/2~2/3に抑制することができる。
 高温部発生機構23は、第2のマニピュレータ29aにより支持される。これにより、製造装置20の省スペース化が図られる。具体的には、第3のマニピュレータ29aは、垂直多関節型の第2の産業用ロボットのマニピュレータであることが望ましく、垂直多関節型の産業用ロボットの軸数は5以上であることが望ましい。
 このように、第2のマニピュレータ29aが、高温部発生機構23を支持する。高温部発生機構23は、鋼管25における第1の部分、及び鋼管25の第2の端部の側に位置する第2の部分の間の領域を加熱した後に冷却することによってこの領域の一部に部分的な高温部を形成する。
 [曲げ手段24]
 曲げ手段24は、鋼管25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。曲げ手段24は、二次元または三次元の方向へ移動自在に配置される。曲げ手段24は、送られる鋼管25の少なくとも一箇所を把持する。曲げ手段24は、送り手段22とともに、鋼管25の高温部に曲げモーメントを与え、鋼管25を所望の形状に曲げ加工する。
 曲げ手段24は、第3のマニピュレータ28により構成されることが、省スペース性を高めるために望ましい。具体的には、第3のマニピュレータ28は、垂直多関節型の第3の産業用ロボットのマニピュレータであるか、または、上述した双腕型の第1の産業用ロボットの他方のマニピュレータであることが望ましい。
 この第3のマニピュレータ28は、さらに、曲げ加工を行われた鋼管25を支持することができ、これにより、鋼管25の寸法精度の低下を抑制するように構成してもよい。これとは異なり、曲げ加工を行われた鋼管25を支持することによって鋼管25の寸法精度の低下を抑制する第4のマニピュレータを備えるようにしてもよい。この第4のマニピュレータは垂直多関節型の第4の産業用ロボットのマニピュレータであることが望ましく、垂直多関節型の産業用ロボットの軸数は5以上であることが望ましい。
 このように、第3のマニピュレータ28が、鋼管25の第2の端部の側に位置する第2の部分を把持する。
 以下、効果器を説明する。
 図3(a)は、長尺のチャック30を模式的に示す説明図であり、図3(b)は、短尺のチャック31を模式的に示す説明図であり、図3(c)は、長尺のチャック32を模式的に示す説明図である。チャック30~32は、いずれも、第1のマニピュレータ27によって鋼管25の第1の端部の側に位置する第1の部分を把持する場合における効果器、若しくは、第3のマニピュレータ28によって鋼管25の第2の端部の側に位置する第2の部分を把持する場合における効果器である。
 チャック30~32は、いずれも、鋼管25の第1の部分又は第2の部分を把持するための筒状体からなる。
 チャック30は、鋼管25の外部に配置される。チャック30は、鋼管25の外面25bに当接することによって鋼管25の先端部を把持する。チャック30は、その内径が後述する適宜機構によって拡大及び縮小自在に構成される。
 チャック31やチャック32は、いずれも、鋼管25の内部に挿入して設置される。チャック31、32は、鋼管25の内面に当接することによって鋼管25の先端部を把持する。チャック31、32は、その外径が後述する適宜機構によって拡大自在に構成される。
 これらのチャック30~32は、軸方向に送られる鋼管25の先端部を適正に保持する。このため、製造装置20は、十分な加工精度で鋼管25に曲げ加工を行う。
 チャック30~32は、いずれも、管端部に形成されるシール面に接触する管端シール機構、または管内面に形成されるシール面に接触する内面シール機構を有する。これにより、チャック30~32は、鋼管25の管端部または管内面に直接当接することによって鋼管25を封止する。チャック30~32が鋼管25の内部への水の侵入を防止するため、高温部発生機構23による鋼管25の昇温が適正に行われる。このため、製造装置20は、十分な加工精度で鋼管25に曲げ加工を行うことができる。
 チャック30は、長尺の筒状体により構成される。このため、チャック30は、曲げ荷重Wを小さく抑制できるとともに、周辺に設置された装置との第1のマニピュレータ27及び第3のマニピュレータ28の干渉を、曲げ加工が鋼管25の先端部の近傍から開始される場合においても、防止できる。
 チャック31は、短尺の筒状体により構成される。鋼管25の焼入れを鋼管25の管端部から行うことが可能になる。製品の歩留りが向上する。
 さらに、チャック32は、長尺の筒状体により構成される。このため、チャック32は、曲げ荷重Wを小さく抑制できるとともに、周辺に設置された装置との第1のマニピュレータ27及び第3のマニピュレータ28の干渉を、曲げ加工が鋼管25の先端部の近傍から開始される場合においても防止できる。さらに、チャック32は、鋼管25の焼入れをその管端部から行うことができるので、製品の歩留りを向上できる。
 図4は、チャック30、32が曲げ荷重Wを小さく抑制することができることを示す説明図である。
 図4中の符号Wは曲げ荷重を示す。符号Mは鋼管25の曲げに必要なモーメントを示す。符号lはチャック長さを示す。符号lはチャック代を示す。さらに、符号lは鋼管25の端部から曲げ加工の開始点までの距離を示す。
 曲げ荷重は、W=M/L=M/(l+l)として規定される。Lが長い程Wを小さくすることができる。一方、製品の歩留りを向上するために、鋼管25の端部近傍から曲げ加工を開始すること、すなわちlを小さくすることが好ましい。曲げ加工機の許容荷重が制限される場合、lを長くすることによってlを短くすることができる。
 例えば、外径25mm、肉厚1.0mmの鋼管25に曲率半径200mmの条件で曲げ加工を行う場合に必要となるモーメントは、約36N・mとなる。
 曲げ許容荷重が500Nであると、
 L=dの場合にはW=1440N>500Nとなり、またL=2dの場合にはW=720N>500Nとなる。いずれの場合にも曲げ加工を行うことができない。これに対し、L=3dの場合にはW=480N>500Nとなり、L=4dの場合にはW=360N>500Nとなり、さらに、L=5dの場合にはW=288N>500Nとなるので、いずれの場合にも曲げ加工を行うことができる。
 以上の理由により、上述した条件ではL≧3dの関係を満足することが望ましい。
 図5(a)は、チャック33を抽出して示す説明図であり、図5(b)は、チャック34を抽出して示す説明図である。
 チャック33は、鋼管25の外部に配置されて鋼管25の外面に当接することによって鋼管25の先端部を把持する。チャック34は、鋼管25の内部に挿入して設置されて鋼管25の内面に当接することによって鋼管25の先端部を把持する。
 チャック34は、チャック33よりも、鋼管25の中心位置を決定し易いとともに鋼管25の周方向の張力によって把持力も得易いために、望ましい。
 図5(c)は、各種のチャック35~43を示す説明図である。
 チャック35、36は、鋼管25の外部に配置され、かつ鋼管25の外面に当接する。
 チャック37、38は、鋼管25の内部に挿入して設置され、かつ鋼管25の内面に当接する。
 チャック39、40は、鋼管25の外部に配置され、かつ鋼管25の外面に当接するとともに鋼管25の内部にも挿入して設置され、かつ鋼管25の内面に当接する。
 チャック41~43は、いずれも、角管用のチャックである。角管であっても充分な保持力を得て角管を確実に把持するために、チャック41~43は角管の内部に挿入して設置され、かつ鋼管の内面及び内側角部のいずれにも当接することが、望ましい。
 以上の各種チャックは、いずれも、その中心軸が鋼管25の中心軸と略一致するように配置されることが、高い加工精度を得るために望ましい。
 図6は、第1のマニピュレータ27又は第3のマニピュレータ28に用いるチャック44の一例を模式的に示す説明図である。図6中の符号45はシリンダを示す。
 図6は、鋼管25がその前端部の近傍から焼入れながら曲げ加工される場合を示す。この場合、チャック44は、鋼管25の外径と略一致する寸法の外径を有する長尺のチャックであることが望ましい。
 図7は、第1のマニピュレータ27又は第3のマニピュレータ28に用いるチャック46の一例を模式的に示す説明図である。
 図7は、鋼管25がその後端部の近傍まで焼入れながら曲げ加工を行われる場合を示す。この場合にも、チャック46は、鋼管25の外径と略一致する寸法の外径を有する長尺のチャックであることが望ましい。
 図8(a)~図8(c)は、いずれも、チャック48、49、48-1の外法の拡大機構を模式的に示す説明図である。チャック48、49、48-1は、いずれも、鋼管25の内部に挿入して設置されて、鋼管25の内面に当接することによって鋼管25の先端部を把持する。
 チャック48は、その円筒状の本体50の内部に、シャフト51及び開閉バー52を備える。シャフト51は、図示しないシリンダ等によって出し引き自在に配置される。開閉バー52は、シャフト51の先端に配置される。4つのチャック爪53が、開閉バー52の斜辺に、本体50の軸方向について位置決めされて配置される。シャフト51が本体50の軸方向へ移動することによってチャック爪53が径方向へ移動し、これにより、チャック48の外法が増加又は減少する。
 チャック49は、その円筒状の本体50の内部に、シャフト51及び円錐バー54を備える。シャフト51は、図示しないシリンダ等によって出し引き自在に配置される。円錐バー54は、シャフト51の先端に配置される。多数のセグメント55と、弾性体爪56とが、円錐バー54の斜辺に配置される。シャフト51が本体50の軸方向へ移動することによってセグメント55が径方向へ移動し、これにより、チャック49の外法が増加又は減少する。
 チャック48-1は、チャック48の変形例であって、チャック48の開閉バー52が先細形状を有する。先細形状の開閉バー52は、シャフト51との接合部の断面積を増加するので、開閉バー52の強度が高められる。
 チャック爪53は、アンクランプを確実に行うために、本体50の軸方向へ延設されるアリ溝を有することが望ましい。
 チャック爪53、開閉バー52の材質は、オーステナイト系ステンレス鋼又は工具鋼が例示される。オーステナイト系ステンレス鋼は、非磁性体であるので誘導加熱され難いため好適であるが、耐摩耗性(耐傷付き性)及び耐焼き付き性が若干劣る。一方、工具鋼は、冷間での耐久性に優れる。工具鋼は、磁性体であり、誘導加熱の影響を受け易いものの、チャック爪53の近傍まで誘導加熱しなければ実用上問題ない。なお、本体50は、オーステナイト系ステンレス鋼等の非磁性体であることが望ましい。
 図9(a)は、本発明の製造装置20に用いるのに好適なチャック57の構成例を模式的に示す説明図であり、図9(b)は比較例のチャック58を示し、図9(c)は本発明例のチャック57を示す。
 図9(a)および図9(c)に示すように、チャック58は、構成部材57a、57bと、絶縁部材59とを有する。構成部材57a、57bは、その周方向に複数(図示例は二つ)に分割される。絶縁部材59は、隣り合って配置される二つの構成部材57a、57bの間に配置される。絶縁部材59は、例えばポリテトラフルオロエチレン等からなる。
 図9(b)に示すように、チャック57の複数の構成部材57a、57bの間に絶縁部材59を介在させることによって、構成部材57a、57bを流れる電流が打ち消し合う。これにより、高周波加熱コイル33による誘導電流が構成部材57a、57bを一周してチャック58が加熱されることが防止される。
 図10は、本発明の曲げ加工装置に用いるのに好適な、スリット付きのスリーブ方式のチャック60の構成を示す説明図である。
 チャック60は、その円筒状の本体50の内部に、シャフト51及び開閉バー52を有する。シャフト51は、図示しないシリンダ等によって出し引き自在に配置される。開閉バー52は、シャフト51の先端に配置される。開閉バー52の斜辺には、スリット62を有するスリーブ61と、シールリング63とが、本体50の軸方向について位置決めされて配置される。スリット付きのスリーブ61が、シャフト51が本体50の軸方向へ移動することによって弾性変形し、拡径又は縮径する。これにより、チャック60の外法が増加又は減少する。
 スリーブ61は、スリット62を複数有するので、金属製であっても小さな力で弾性変形することができるとともに誘導加熱により昇温され難い。
 なお、スリーブ61が非磁性体により構成されることだけによっても、スリーブ61が誘導加熱されることを充分に防止できる。スリット62は、スリーブ61の強度が充分に確保される場合に設けることが望ましい。
 図11(a)は、本発明の曲げ加工装置に用いるのに好適な、液圧式のスリーブ方式のチャック70の構成を示す説明図であり、図11(b)はその変形例70-1を示す説明図である。
 図示しない高圧ポンプを用いて発生させた高圧液体71の流路72が、チャック70の内部に形成される。また、弾性体からなるスリーブ73がチャック70の本体先端の外周に設けられる。スリーブ73は、流路72に高圧液体71を流すことによって膨出変形する。チャック70は、本体先端の外径を小さくすることができるので、小径の内径チャックにも用いることができる。スリーブ73は耐熱金属製であることが望ましい。
 チャック70-1では、シリンダ74が高圧液体71を発生する。シリンダ74の作動部の断面積Aが流路72の断面積Aよりも大きいことによって、流路72の圧力Pは、シリンダ74の作動圧Pが小さい場合にも、高められる。
 図12は、鋼管25の内部を正圧にする機構を示す説明図である。
 鋼管25の管端のシール部材の材質が例えばゴムのような軟らかい材質であると、シール部材の耐久性が不足する場合がある。また、シール部材の材質が金属材料であると、鋼管25の内部への水の侵入を防止できない場合がある。
 そこで、送り側チャック76が、鋼管25の内部を正圧にする機構として、用いられる。送り側チャック76は、圧縮空気または圧縮不活性ガスを供給するための流路75を開閉バーに内蔵する。圧縮空気または圧縮不活性ガスが、送り側チャック76の流路75を介して鋼管25の内部に供給され、出側チャック77が配置される側から、噴出する機構とすることが望ましい。これにより、鋼管25の内部が正圧に保たれるので、冷却装置14からの冷却水が鋼管25の内部に浸入することを完全に防止できる。
 鋼管25の内部に窒素ガス等の不活性ガスを供給することが、鋼管25の内部の酸化を抑制するために、望ましい。
 以上説明したチャックは、例えば四角形等の多角形の横断面形状を有する被加工材の内面や、角部を有する異形の横断面形状を有する被加工材の内面を把持する場合には、被加工材の内周面の各角部にチャックが当接するようにして把持することにより、把持力を高めることができるとともに、被加工材の芯を確実に出すことができる。
 製造装置20は、以上のように構成される。次に、製造装置20により、曲げ部材21を製造する状況を説明する。
 図1(a)に示すように、送り手段22により鋼管25を送りながら、高温部形成機構23により鋼管25を部分的に急速に加熱及び冷却し、鋼管25を曲げ手段24により把持する。
 この際、図1(a)中に破線矢印で示すように、送り手段22の位置を二次元又は三次元で変更するとともに曲げ手段24の位置を二次元又は三次元で変更する。さらに、高温部発生機構23の配置角度を、送り手段22による鋼管25の送り方向の変更に応じて、変更する。このようにして、図1(b)に示すように、鋼管25に一回目の曲げ加工を行う。
 これによれば、鋼管25の入側(材料の供給側)の送り方向がその軸方向には限定されず変更自在である。すなわち、鋼管25の入射角度が変更自在であるとともに、高温部発生機構23の配置角度がこの鋼管の入射角度の変更に応じて変更される。このため、第3のマニピュレータにより支持される曲げ手段24の動作範囲を抑制することが、可能になる。
 次に、図1(b)に示すように、高温部発生機構23の配置位置を、送り手段22の位置に接近する位置へ変更し、さらに、図1(c)および図1(d)に示すように送り手段22の位置を二次元又は三次元で変更するとともに曲げ手段24の位置を二次元又は三次元で変更する。このようにして、鋼管25に二回目の曲げ加工を行う。
 このように、(i)第1のマニピュレータ27が鋼管25の第1の部分における軸方向、及び/又は、鋼管25に形成される高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作し、(ii)第3のマニピュレータ28が鋼管25の第2の部分における軸方向、及び/又は、高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作し、さらに、(iii)第2のマニピュレータ29aが、鋼管25の高温部における軸方向へ連続的又は断続的に動作する。
 これによれば、高温部発生機構23の配置位置を、送り手段22の位置に接近する位置へ変更してから第1のマニピュレータ27により支持される送り手段22の位置を変更して二回目の曲げ加工を行うことによって、高温部を鋼管25の軸方向へ移動させながら曲げモーメントを高温部に付与することができる。これにより、第3のマニピュレータ28により支持される曲げ手段24の動作範囲を抑制することができる。
 このため、製造装置20によれば、リーチ長の短い第3のマニピュレータ28を有する産業用ロボットにより曲げ手段24を支持することができるので、装置のコンパクト化及び設備コストの抑制と、この産業用ロボット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、これにより、寸法精度が優れた曲げ部材21を高い生産性でかつ低コストで製造することができるようになる。
 製造装置20において、曲げ加工時に、第1のマニピュレータ27に鋼管25をその軸回りにねじる方向への動作を行わせること、及び/又は、第3のマニピュレータ28に鋼管25をその軸回りにねじる方向への動作を行わせることによって、鋼管25をその軸周りに回転させ、相対的にねじり回転を行わせるようにしてもよい。これにより、ねじれ加工が可能になるので、ねじれ加工部を有する製品を得られるために望ましい。
 また、曲げ加工時の第1のマニピュレータ27及び第3のマニピュレータ28に、鋼管25をその軸周りに同じ方向へ回転させる動作を、同時に行わせることによって、第1のマニピュレータ27及び第3のマニピュレータ28の動作範囲を抑制でき、望ましくは最小化することができる。
 第2のマニピュレータ29aが、鋼管25の軸方向に沿って第1のマニピュレータ27から第3のマニピュレータ28へ向かう方向へ移動する場合であって、第1のマニピュレータ27に鋼管25をその軸回りにねじる方向への動作を行わせるときには、第2のマニピュレータ29a及び第3のマニピュレータ28を同期させることによって、それぞれの動作方向及び動作速度を一致させることが、得られる曲げ部材21の寸法精度を高めるために望ましい。
 このようにして、製造装置20の全体の設置スペースの小型化を図りながら、特に特願2008-276494号により提案した発明における把持手段24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24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、動作時の振動の抑制及び生産タクトの短縮とを図ることができ、これにより、寸法精度が優れた曲げ部材21を高い生産性でかつ、設備コストの上昇を可及的に抑制して、製造することができるようになる。
 このため、本発明によれば、例えば自動車用の、屈曲した形状を有する金属製の強度部材、補強部材または構造部材を、優れた寸法精度で、かつ低コストで供給できる。
 さらに、本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。
 図1により示す本発明に係る製造装置20と、特願2008-276494号により提案した発明に係る装置(比較例)とを用いて、角管(外寸法:50mm×25mm、肉厚1.0mm)のストレートパイプを素材として、図13に示す形状の部品を製造した。送り速度は80mm/secとし、加熱温度は最高温度で930℃とした。
 本発明例では、送り手段22を6軸のマニピュレータを有する多関節型の産業用ロボットにより支持した。また、曲げ手段24を7軸のマニピュレータを有する多関節型の産業用ロボットにより支持した。さらに、高温部発生機構23を6軸のマニピュレータを有する多関節型の産業用ロボットにより支持した。高温部発生機構23の角度のみを、送り手段22の送り方向の変更に応じて、変更した。
 一方、比較例の装置における送り手段は、入り側の送り装置は、サーボモータによってボールネジを駆動するタイプとし、送り動作は角管の軸方向のみとするとともに、高温部発生機構の設置位置を固定した。さらに、曲げ手段を、7軸のマニピュレータを有する多関節型の産業用ロボットにより支持した。
 比較例の結果を図14にグラフで示し、本発明の結果を図15にグラフで示し、本発明例および比較例それぞれにおける曲げ手段を支持するロボット(出側ロボット)の横方向の速度を図16にグラフで比較して示し、さらに、このロボットの軌跡を図17にグラフで比較して示す。なお、図14~17のグラフでは、角管の送り方向をX軸で示し、それに垂直な曲げ方向(横方向)をy軸で示す。
 図14~17のグラフから、
(a)本発明により、曲げ手段を支持するロボットの動作範囲が約1/2に抑制されたこと、および
(b)本発明により、曲げ手段を支持するロボットの動作速度の変化が約1/2になり、製品精度に悪影響のある振動が大幅に抑制されたこと
が明らかである。
 本実施例は、実施例1よりもさらに、曲げ加工時に鋼管に発生する振動を抑制し、これにより、さらに高い寸法精度を有する曲げ部材を製造するためのものである。
 本実施例では、本発明における上記条件1~6を満足して、閉断面を有する中空の鋼管に曲げ加工を行って曲げ部材を製造する際に、第3のマニピュレータが2次元又は3次元の方向へ動作する際に第1のマニピュレータが軸方向へは動作しないこと、及び/又は、第1のマニピュレータが2次元又は3次元の方向へ動作する際に第3のマニピュレータが軸方向へは動作しないこととする。
 これにより、2次元又は3次元の方向へ動作する第3のマニピュレータによって第1のマニピュレータの軸方向への動作が阻害されることによって曲げ加工時の鋼管に発生する振動や、2次元又は3次元の方向へ動作する第1のマニピュレータによって第3のマニピュレータの軸方向への動作が阻害されることによって曲げ加工時の鋼管に発生する振動が、いずれも顕著に抑制される。
 図18(a)は実施例2で製造した曲げ部材の形状の概略を示す説明図であり、図18(b)は第1のマニピュレータのみ鋼管の軸方向へ移動しながら曲げ部材を製造した時の第1~第3のマニピュレータの変位、X方向加速度及びY方向加速度をまとめて示すグラフであり、図18(c)は第1~第3のいずれのマニピュレータをも鋼管の軸方向及び曲げ方向へ移動しながら曲げ部材を製造した時の第1~第3のマニピュレータの変位、X方向加速度及びY方向加速度をまとめて示すグラフである。
 図18(b)に示すように、第1のマニピュレータのみ鋼管の軸方向へ移動しながら曲げ部材を製造すると、2次元又は3次元の方向へ動作する第3のマニピュレータによって第1のマニピュレータの軸方向への動作が阻害される。このため、曲げ加工時の鋼管に振動が発生して、第3のマニピュレータのX方向加速度およびY方向加速度がいずれも極めて大きくなり、製造される曲げ部材の寸法精度が低下する。
 これに対し、本実施例では、図18(c)に示すように、まず、第1のマニピュレータ及び第3のマニピュレータにより鋼管を保持した状態で、第2のマニピュレータを動作して加熱および冷却手段23を鋼管の軸方向(X方向)に移動させる。そして、曲げ1~4の部分では、曲げ加工時には第1のマニピュレータ及び第3のマニピュレータを曲げ加工方向(ここではY方向)に同時に移動させ、鋼管に曲げモーメントを与える。このとき、第2のマニピュレータは曲げられた鋼管の形状に沿って高温部発生機構23の位置及び方向を変更させる。
 このように、第1のマニピュレータ及び第3のマニピュレータにより保持された鋼管を軸方向に送ることなく、高温部発生機構23を鋼管の軸方向に移動させることによって、高温部発生機構23と鋼管との位置を軸方向へ相対的に移動させながら曲げ加工を行う。これにより、鋼管自体のX方向の加速度は実質的にゼロとなり、第1のマニピュレータ及び/または第3のマニピュレータにより曲げ応力を付与する際に、X方向への加速度の変動が抑制され、振動が低減される。
 即ち、本実施例では、実施例1と比較して、2次元又は3次元の方向へ動作する第3のマニピュレータによって第1のマニピュレータの軸方向への動作が阻害されなくなるため、曲げ加工時の鋼管の振動が抑制され、第1~第3のマニピュレータのX方向加速度およびY方向加速度がいずれも極めて小さくなり、製造される曲げ部材の寸法精度が向上する。

Claims (18)

  1.  下記条件1~6を満足して、閉断面を有する中空の金属材に曲げ加工を行うことを特徴とする曲げ部材の製造方法;
    条件1:第1のマニピュレータが、前記金属材の第1の端部の側に位置する第1の部分を把持すること、
    条件2:第2のマニピュレータが、前記金属材における前記第1の部分、及び前記金属材の第2の端部の側に位置する第2の部分の間の領域を加熱した後に冷却することによって当該領域の一部に部分的な高温部を発生する高温部発生機構を支持すること、
    条件3:第3のマニピュレータが、前記第2の部分を把持すること、
    条件4:前記第1のマニピュレータが前記金属材の当該第1の部分における軸方向、及び/又は、前記高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作すること、
    条件5:前記第3のマニピュレータが前記金属材の当該第2の部分における軸方向、及び/又は、前記高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作すること、
    条件6:条件4、5を満足することによって、前記高温部発生機構を前記金属材に対して軸方向へ相対的に移動させながら、曲げモーメントが前記高温部に付与されること。
  2.  前記第1のマニピュレータは前記金属材をその軸回りにねじる方向へ動作すること、及び/又は、前記第3のマニピュレータは前記金属材をその軸回りにねじる方向へ動作すること
    を特徴とする請求項1に記載された曲げ部材の製造方法。
  3.  前記第1のマニピュレータは前記金属材の前記第1の部分における軸方向へ連続的に動作すること、
     前記第3のマニピュレータは前記金属材の前記第2の部分における軸方向へ動作しないこと、及び
     前記高温部発生機構は、前記第1の部分の変位方向の変更に応じて、配置角度を変更すること
    を特徴とする請求項1又は請求項2に記載された曲げ部材の製造方法。
  4.  前記高温部発生機構は、前記第1の部分に接近する位置へ配置位置を変更される請求項3に記載された曲げ部材の製造方法。
  5.  前記第3のマニピュレータが前記2次元又は3次元の方向へ動作する際、及び/又は、前記第1のマニピュレータが前記2次元又は3次元の方向へ動作する際に、前記第2のマニピュレータが前記高温部発生機構を前記金属材の軸方向に沿って移動させること
    を特徴とする請求項1又は請求項2に記載された曲げ部材の製造方法。
  6.  前記高温部発生機構は、前記金属材を加熱する加熱手段と、該加熱手段により加熱された金属材を冷却することによって前記高温部を形成する冷却手段とを有する請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載された曲げ部材の製造方法。
  7.  前記第1のマニピュレータは第1の位置に配置され、前記加熱手段は前記金属材の軸方向について前記第1の位置よりも下流の第2の位置に配置され、前記冷却手段は前記金属材の軸方向について前記第2の位置よりも下流の第3の位置に配置され、かつ、前記第3のマニピュレータは前記金属材の軸方向について前記第3の位置よりも下流の第4の位置に配置される請求項6に記載された曲げ部材の製造方法。
  8.  下記第1のマニピュレータ、第2のマニピュレータ及び第3のマニピュレータを備え、下記条件1~3を満足することによって、閉断面を有する中空の金属材に曲げ加工を行って曲げ部材を製造するための曲げ部材の製造装置;
    第1のマニピュレータ:前記金属材の第1の端部の側に位置する第1の部分を把持すること、
    第2のマニピュレータ:前記金属材における前記第1の部分、及び前記金属材の第2の端部の側に位置する第2の部分の間の領域を加熱した後に冷却することによって当該領域の一部に部分的な高温部を形成する高温部発生機構を支持すること、
    第3のマニピュレータ:前記第2の部分を把持すること、
    条件1:前記第1のマニピュレータが前記金属材の当該第1の部分における軸方向、及び/又は、前記高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作すること、
    条件2:前記第3のマニピュレータが前記金属材の当該第2の部分における軸方向、及び/又は、前記高温部に曲げモーメントを付与することができる2次元又は3次元の方向へ断続的に動作すること、
    条件3:条件1及び条件2を満足することによって、前記高温部発生機構を前記金属材に対して軸方向へ相対的に移動させながら、曲げモーメントが前記高温部に付与されること。
  9.  第1の位置に二次元または三次元の方向へ移動自在に配置されて、閉じた断面を有する中空の金属材を、その送り方向を変更しながら送ることができる送り手段と、前記金属材の送り方向について前記第1の位置よりも下流の第2の位置に配置されて、送られる前記金属材の一部または全部を加熱する加熱手段と、前記金属材の送り方向について前記第2の位置よりも下流の第3の位置に配置されて、送られる前記金属材における前記加熱手段により加熱された部分を冷却する冷却手段と、前記金属材の送り方向について前記第3の位置よりも下流の第4の位置に二次元または三次元の方向へ移動自在に配置されて、送られる前記金属材の少なくとも一箇所を把持することによって、前記送り手段とともに、前記金属材における前記加熱された部分に曲げモーメントを与えて、前記金属材を所望の形状に曲げ加工する曲げ手段とを備え、前記金属材を素材とする曲げ部材の製造装置であって、
     前記加熱手段および前記冷却手段は、該送り手段による金属材の送り方向の変更に応じて、配置角度を変更する機能を有すること
    を特徴とする曲げ部材の製造装置。
  10.  前記加熱手段および前記冷却手段は、その配置位置を、前記送り手段の位置に接近する位置へ変更する機能を有する請求項9に記載された曲げ部材の製造装置。
  11.  前記送り手段は第1のマニピュレータにより支持され、前記加熱手段および冷却手段は第2のマニピュレータにより支持されるとともに、前記曲げ手段は第3のマニピュレータにより支持される請求項9または請求項10に記載された曲げ部材の製造装置。
  12.  前記第1のマニピュレータは垂直多関節型の第1の産業用ロボットのマニピュレータであり、前記第2のマニピュレータは垂直多関節型の第2の産業用ロボットのマニピュレータであるとともに、前記第3のマニピュレータは垂直多関節型の第3の産業用ロボットのマニピュレータである請求項11に記載された曲げ部材の製造装置。
  13.  前記第1のマニピュレータおよび前記第3のマニピュレータは双腕型の第1の産業用ロボットのマニピュレータであるとともに、前記第2のマニピュレータは垂直多関節型の第2の産業用ロボットのマニピュレータである請求項11に記載された曲げ部材の製造装置。
  14.  さらに、前記第3のマニピュレータは、曲げ加工を行われた前記金属材を支持することによって該金属材の寸法精度の低下を抑制する請求項11から請求項13までのいずれか1項に記載された曲げ部材の製造装置。
  15.  さらに、曲げ加工を行われた前記金属材を支持することによって該金属材の寸法精度の低下を抑制する第4のマニピュレータを備えることを特徴とする請求項11から請求項14までのいずれか1項に記載された曲げ部材の製造装置。
  16.  前記第4のマニピュレータは垂直多関節型の第4の産業用ロボットのマニピュレータである請求項15に記載された曲げ部材の製造装置。
  17.  前記垂直多関節型の産業用ロボットの軸数は5以上である請求項12から請求項16までのいずれか1項に記載された曲げ部材の製造装置。
  18.  さらに、前記加熱手段の入側に配置されて、前記金属材を該加熱手段に案内する支持手段を備えることを特徴とする請求項9から請求項17までのいずれか1項に記載された曲げ部材の製造装置。
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