JP4081593B2 - 長尺材の曲げ加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は管材、棒材、型材等の長尺材を湾曲形状に曲げるのに好適な長尺材の曲げ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、長尺材を湾曲に曲げる曲げ加工装置としては、特公昭５８−４３１６５号公報に記載のモール曲げ装置がある。このモール曲げ装置は自動車の窓枠用モール等の各種断面の帯状材料の曲げ製品を湾曲に形成するもので、材料を挿通させる隙間を形成した複数のローラーを有する位置決め用ガイドと、該位置決めガイドから送出された材料を挿通させる隙間を形成した複数のローラーを有する曲げ用ガイドと、曲げ用ガイドを傾斜自在に自在継機構により支持する外枠と、外枠を位置決め用ガイドからの材料送出方向を軸として回動させる回動板機構と、回動板機構を位置決め用ガイドからの材料送出方向に垂直な面で移動させるよう搭載するＸ−Ｙスライド機構と、制御用コンピュータとを備えている。このモール曲げ装置は、回動板機構で材料にねじりを加えることにより、非対称の横断面形状をもつ材料で起きる捩り歪みを矯正できる利点があるが、曲げ用ガイドが外枠、回動板機構及びＸ−Ｙスライド機構の各可動要素の組み合わせにより支持されているために複雑な構造になり、また材料の曲げ反力が、曲げ用ガイドから外枠、回動板機構及びＸ−Ｙスライド機構の各要素に直列的に伝達され、各要素がすべて材料の曲げ反力に耐える強度、剛性を必要とするために、装置が大きくなるという問題があった。
【０００３】
また、別の曲げ加工装置として特公平５−１２０４７号公報に記載の押し通し曲げ加工装置がある。この押し通し曲げ加工装置は、管材、形材または中実材の曲げ加工を行なうもので、材料を挿通させるガイドシリンダとガイドシリンダから出た材料を挿通させるダイスと、ガイドシリンダの中心軸とダイスの中心軸とを相対的にずらせる手段とからなる。また、特公平７−１１０３８２号公報には、上記特公平５−１２０４７号公報に記載の押し通し曲げ加工装置を改造した装置が記載されている。この改造型押し通し曲げ加工装置は、従来のようにガイドシリンダの中心軸と型穴の中心軸とを相対的にずらせる機構に加えて、ダイスの外周側面を球面状に形成しその球面部を受ける軸受けを設けるなどにより、ダイスの中心軸を材料の曲がり進行方向に自在に傾斜させる傾斜機構を設けたものである。この傾斜機構により、従来より曲げ半径を小さくかつ精度のよい曲げ加工を可能とした。しかしながら、上記押し通し曲げ加工装置及び改造型押し通し曲げ加工装置は、ダイスをその中心軸に対して回転しないので、材料にねじりを加えられず、帯材の捩り曲げ加工ができないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、特公昭５８−４３１６５号公報に記載のモール曲げ装置は、回動板機構により非対称横断面形状の材料の捩り歪みを矯正できる利点があるが、曲げ用ガイドが外枠、回動板機構及びＸ−Ｙスライド機構の各可動要素の直列的な組み合わせのため、複雑な構造になり、また材料の曲げ反力が曲げ用ガイドから外枠、回動板機構及びＸ−Ｙスライド機構の各可動要素に順に伝達され、各要素が材料の曲げ反力に耐える強度、剛性を必要とするため、装置が大きくなるという問題があった。また、特公平５−１２０４７号公報および特公平７−１１０３８２号公報に記載の各押し通し曲げ加工装置は、ダイスがその中心軸に対して回転しないので、材料にねじりを加えられないという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題を解決して、構造が簡単で剛性が高く、かつ対称横断面形状を有する管材、棒材等はもとより、捩りを必要とするような帯材をも曲げ加工できる長尺材の曲げ加工装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の長尺材の曲げ加工装置は、長尺材を湾曲状に曲げる曲げ加工ヘッドと、この曲げ加工ヘッドに長尺材を供給する材料供給装置と、曲げ加工ヘッド及び材料供給装置を制御する制御系とを備える装置であって、曲げ加工ヘッドは、材料供給装置に固定されたベース板と、ベース板の中心部に直立して設けられ材料供給装置から供給される長尺材が挿通されるガイド穴を有するガイドパイプと、ガイドパイプから前方に送り出される長尺材を挿通させながら曲げ力を加えるためのダイスを中心部に設けた可動板と、ベース板と可動板との間に渡って設置された油圧シリンダ及びこの油圧シリンダ両端に設けられた自在継手からなる６つの伸縮装置とから構成され、これら６つの伸縮装置は、略トラス状になるよう自在継手を両板面周縁部に結合して、油圧シリンダの伸縮によってベース板に設定されたＸＹＺ座標に対する可動板の並進３自由度及び回転３自由度の運動を行なうパラレルリンク機構を形成することを特徴とする。そして制御系は、ベース板に対する可動板の位置および傾斜、および可動板の中心軸回り捩り角を設定することにより、各油圧シリンダの長さを調節する。
【０００７】
上記のように構成された長尺材の曲げ加工装置により長尺材を曲げる場合、長尺材の先端が可動板に設けたダイスに達するまで長尺材をベース板のガイド穴から可動板のダイスへと挿入し、所望の長尺材の曲げ半径（ρ）にしたがって、ガイド穴の軸心に対するダイスの中心点のずれ（ａ）、ガイド穴の軸心に沿ってガイドパイプの前面からダイスの中心点に至る距離（ｂ）、ガイド穴横断面に対するダイス横断面の傾斜角（α）、可動板のダイス軸心回り捩り角（θ）の曲げ加工パラメータを制御系により設定する。制御系がそれらパラメータにしたがい６つの伸縮装置を伸縮することにより曲げ加工ヘッドをセットした状態で、長尺材を材料供給装置により曲げ加工ヘッドに押し進める。かくして、長尺材は、その外周面をガイド穴及びダイスの２個所で拘束されてそれらの間で曲げ半径（ρ）に曲げられ、かつダイスで捩り角（θ）に加工される。
【０００８】
この曲げ加工ヘッドは、ベース板、可動板及び両板間を接続する６つの伸縮装置から構成されるので、構造が簡単であり、また可動板は板周縁部に固定された６つの伸縮装置により支持されるので、剛性の高いものとなる。この曲げ加工ヘッドによれば、ガイド穴の軸心に対するダイスの中心点のずれ（ａ）、ガイド穴の軸心に沿ってガイドパイプの前面からガイド穴の軸心に至る距離（ｂ）、ガイド穴の軸心と直交する面に対するダイスの傾斜角（α）の３パラメータをセットすることにより、対称断面を有する管、棒等の長尺材を曲げ加工でき、さらにこれら３パラメータに可動板の型穴軸心回り回転角（θ）のパラメータを加えることにより、曲げ加工時に捩りを必要とするような帯材を加工できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態となる長尺材の曲げ加工装置（以下、単に曲げ加工装置という）の全体構成図、図２は曲げ加工ヘッドの構成図、図３は曲げ加工ヘッドを構成する６軸パラレルリンクモーションベースにおける伸縮装置の配置を説明する図、図４は６軸パラレルリンク機構の動作を説明する図、図５は長尺材の曲げ加工パラメータを説明する図、図６は捩り曲げ加工した帯材を示す図である。
【００１０】
図１に示すように、本発明の実施の形態の曲げ加工装置は、大別して、曲げ加工ヘッド２と、曲げ加工ヘッド２に長尺材を供給する材料供給装置３と、曲げ加工ヘッド２及び材料供給装置３を制御する制御系（図示なし）とから構成される。
【００１１】
曲げ加工ヘッド２は、図１、２に示すように、長尺材１を挿通させるガイド穴５ａを形成したガイド５及びガイド５を前端に取り付けた支持パイプ６ａからなるガイドパイプ６を中心部に直立して設けたベース板７と、ガイドパイプ６の前方にガイドパイプ６から送り出された長尺材１に曲げ力を加えるダイス８を中心部に設けた可動板９と、ベース板７と可動板９間に渡って設置された６本の伸縮装置１２とから構成されている。そして各伸縮装置１２は油圧シリンダ１０及びその両端に設けられた自在継手１１からなり、各油圧シリンダ１０一端の自在継手１１はベース板７前面周縁部に取り付けられ、他端の自在継手１１は可動板９後面周縁部に取り付けられている。可動板９の外形サイズは、長尺材１が曲がるときに干渉しないように、ベース板７に比して小さくするとよい。曲げ加工ヘッド２は、伸縮装置１２の伸縮によって、ベース板７に対する可動板９の並進３自由度と回転３自由度の合計６自由度の運動を行なう６軸パラレルリンク機構となっている。この曲げ加工ヘッド２は、６軸パラレルリンク機構にガイドパイプ６とダイス８を設けたものである。ここでは６軸パラレルリンク機構として東京精密測器（株）製の６軸パラレルリンクモーションベースを用いた。なお６軸パラレルリンクモーションベースは商品名である。油圧シリンダー１０には、シリンダー長を検出するポテンショメータ２６や作動油を制御するサーボ弁２７が取り付けられている。
【００１２】
図３は６軸パラレルリンクモーションベースにおけるベース板７と可動板９と６つの伸縮装置１２の位置関係を説明する平面図である。図３では６つの伸縮装置１２が同一長さに設定された状態を示し、従ってベース板７と可動板９は面平行であり、各板の中心軸は同一線上にある。ベース板７側の自在継手１１の取り付け位置は、ベース板７の前面と同一平面上でベース板７の中心点を中心として形成される仮想円１４の円周を３等分する点１５それぞれの位置で点１５を挟んで点１５まで等距離でかつ円周上にある２点１６，１６であり、一方、可動板９側の自在継手１１の取り付け位置は、可動板９の後面と同一平面上に可動板９の中心点を中心として形成される仮想円１７の円周を３等分する点１８それぞれで点１８を等距離で挟み該円周上にある２点１９，１９である。そして６つの伸縮装置１２は、ベース板７の３等分点を結ぶ３角形２２と可動板９の３等分点を結ぶ３角形２３が互いに回転角１８０°ずれた状態で、ベース板７と可動板９間で最も近距離にある６対の取り付け位置１６，１９間を渡して略トラス状に設置される。
【００１３】
６軸パラレルリンクモーションベースの動作は、図４（ａ）に示す６軸パラレルリンク機構のモデルによって近似的に説明できる。このモデルは図３に示す６軸パラレルリンクモーションベースにおいて、互いに近接する２つの自在継手の位置１６、１６を１個所に集めて６つの伸縮装置１２をベース板７と可動板９間にピン接合したトラス構造である。６軸パラレルリンク機構のモデルにおいては、ベース板７の前面でガイド穴５ａの中心Ｏ_１を原点としてｘｙｚ直角座標が設定され、ｚ軸をガイド穴５ａの中心軸としている。また可動板９に取り付けたダイス８の中心点Ｏ_２を原点としてｕｖｗ直角座標が設定され、ｗ軸をダイス８の中心軸とし、ｕｖ面はダイス８の型穴８ａ（図５参照）の面と同一面としている。６つの伸縮装置１２を伸縮させることにより、可動板９の中心点、換言すればダイスの中心点Ｏ_２は、ベース板７に設定されｘｙｚ軸の３方向に並進し、また可動板９に設定されたｕｖｗの各軸回りに回転する。かくして可動板９は、ベース板７に対して並進３自由度と回転３自由度の合計６自由度の運動を行なうことになる。図４（ｂ）は可動板９がベース板７に対して移動した状態を示しており、可動板９の原点Ｏ_２の位置がベース板７の原点Ｏ_１に関する位置ベクトルＰで表され、可動板９の姿勢がｕｖｗ各軸回りの回転角の行列Ｒで表されている。この６軸パラレルリンク機構の操作においては、位置ベクトルＰと回転角の行列Ｒから各伸縮装置の長さを求める逆運動学を用いる。
【００１４】
次に図５を参照して長尺材１を曲げ加工するパラメータを説明する。長尺材１は例えば丸材である。曲げ加工ヘッド２において、ガイドパイプ６の軸心からダイス８中心点のずれａ（以下オフセットａという）、ガイド穴５ａ前面からダイス８中心点までの距離ｂ（型間距離ｂ）、ガイドパイプ６の軸心に直交する面に対するダイス８の傾斜角αをパラメータとして設定する。なお、ダイス８は、その中心方向に突起する断面円形の内壁から形成される型穴８ａを有している。ガイド穴５ａ及び型穴８ａは長尺材１の断面外形寸法にクリアランスを加えたサイズに形成されている。さて、丸材の曲げ半径ρとすると、ａ＝ρ（１−ｃｏｓα）、ｂ＝ρｓｉｎαが成立し、ａ，ｂ，αの３変数のうち、１つの値が決まれば、他の２つ値がきまるので、丸材のサイズ、材質（Ａｌ，Ｃｕ，鋼など）等により例えばオフセットａを選択する。実用上は、各種材料を用いて曲げ加工試験を行なった結果にしたがいパラメータを決定することになる。
【００１５】
パラメータａ，ｂ，αは図４（ａ）に示すベース板７上のｘｙｚ座標（原点Ｏ_１）、可動板９上のｕｖｗ座標（原点Ｏ_２）と関連付けられる。ここでは説明を簡単にするために、図４（ａ）の紙面をｙｚの両軸及びｖｗの両軸を含むものとする。可動板９上の原点Ｏ_２について、オフセットａはｘｙｚ座標におけるｙ値で、型間距離ｂはｘｙｚ座標のｚ値からガイドパイプ６の高さｈを減じた数値で、傾斜角αはｘ軸回りの回転角で示すことができる。なおガイドパイプの高さｈはベース板７前面からの高さである。ここでＰ_Ｂは長尺材１の湾曲曲げに必要な力であり、Ｐ_Ｌは長尺材１を押圧する力である。なお、長尺材１のサイズ又は曲げ半径ρに対応してガイドパイプ６の高さｈを大きく変える場合には、ガイドパイプ６とベース板７との間にスペーサまたはシム等を入れる構造を採用するとよい。これは、６軸パラレルリンクモーションベースにおいては、可動板９の傾斜、回転動作範囲があるｚ値で最も大きくなり、それより離れるにしたがい動作範囲が限定されるからである。
【００１６】
材料供給装置３は、図１に示すように、曲げヘッド２の後部に固定された枠体２５と該枠体２５に設置された油圧シリンダ２４から構成され、油圧シリンダ２４により長尺材１の後端を定速で押し進めて、長尺材１を曲げヘッド１のガイド穴５ａを通じてフィードする。油圧シリンダ２４の先端部には長尺材１の終端を固定するくぼみ又はクランプを設けている。油圧シリンダ２４とガイドパイプ６との間には、長尺材の挫屈を防止するため、必要に応じてガイドローラを設置するとよい。
【００１７】
制御系はパーソナルコンピュータにより構成されている。パーソナルコンピュータは、加工パラメータ（ａ，ｂ，α，θ）の入力値から各伸縮装置１２の長さを計算し、サーボ弁２７を通じて油圧シリンダ１０を作動して、曲げ加工ヘッド２の可動板９の位置、姿勢を制御し、また材料供給装置の油圧シリンダ２４による長尺材のフィード速度も制御する。加工パラメータ（ａ，ｂ，α，θ）は、長尺材の形状、サイズ、材質等により相違するので、予め実験により求めて記憶しておく。
【００１８】
本発明の曲げ加工装置で加工する長尺材は、円形、楕円形、角形断面の管材、棒材や型材の他、帯材がある。図６に示すように、帯材を板圧方向にある半径で曲げるとともに捩りを加えることにより、螺旋状に加工することができる。また横断面が湾曲状又は山形で左右非対称の帯材を曲げる場合に、曲げによって生じる捩り歪みを、ねじりを与えることにより、矯正することが可能となる。非対称の帯材の曲げ製品は、例えば自動車の窓枠である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、長尺材の曲げ加工装置は、その曲げ加工ヘッドをガイドパイプを有するベース板、ダイスを有する可動板及び両板間を接続する６つの伸縮装置から構成したので、構造が簡単で剛性の高い装置とすることができ、管材、棒材などを精度良く曲げることができ、また可動板がダイスの軸心回りに回転するように構成したので、曲げ時に捩りを必要とする帯材にも適用することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態となる長尺材の曲げ加工装置の全体構成図である。
【図２】曲げ加工ヘッドの構成図である。
【図３】曲げ加工ヘッドを構成する６軸パラレルリンクモーションベースにおける伸縮装置の配置を説明する図である。
【図４】６軸パラレルリンク機構の動作を説明する図である。
【図５】長尺材の曲げ加工パラメータを説明する図である。
【図６】捩り曲げ加工した帯材を示す図である。
【符号の説明】
１ 長尺材
２ 曲げ加工ヘッド
３ 材料供給装置
４ 制御装置
５ ガイド
５ａ ガイド穴
６ ガイドパイプ
６ａ 支持パイプ
７ ベース板
８ ダイス
８ａ 型穴
９ 可動板
１０ 油圧シリンダ
１１ 自在継手
１２ 伸縮装置
２４ 油圧シリンダ
２５ 枠体
２６ ポテンショメータ
２７ サーボ弁

Claims (2)

1. 長尺材を湾曲状に曲げる曲げ加工ヘッドと該曲げ加工ヘッドに長尺材を供給する材料供給装置と前記曲げ加工ヘッド及び前記材料供給装置を制御する制御系とを備える長尺材の曲げ加工装置において、
   前記曲げ加工ヘッドは、前記材料供給装置に固定されたベース板と、該ベース板の中心部に直立して設けられ前記材料供給装置から供給される長尺材が挿通されるガイド穴を有するガイドパイプと、該ガイドパイプから前方に送られる長尺材を挿通させながら曲げ力を加えるためのダイスを中心部に設けた可動板と、前記ベース板と前記可動板との間に渡って設置された油圧シリンダ及び該油圧シリンダ両端に設けられた自在継手からなる６つの伸縮装置とから構成され、
   前記６つの伸縮装置は、略トラス状になるよう前記自在継手を両板面周縁部に結合して、前記油圧シリンダの伸縮によって前記ベース板に設定されたＸＹＺ座標に対する前記可動板の並進３自由度及び回転３自由度の運動を行なうパラレルリンク機構を形成することを特徴とする長尺材の曲げ加工装置。
2. 前記制御系は、前記ベース板に対する前記可動板の位置および傾斜、および前記可動板の中心軸回り捩り角を設定することにより、前記各油圧シリンダの長さを調節することを特徴とする請求項１記載の長尺材の曲げ加工装置。

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