(57)【要約】【課題】  金属構造体の衝撃塑性加工処理を安定して得る。【解決手段】衝撃塑性加工を施す装置であって、衝撃塑性加工を施す加工手段と、衝撃塑性加工手段を所定の位置および姿勢に保持する保持手段と、前記衝撃塑性加工手段における先端工具の振動を測定する測定手段と、前記振動の周期を解析する解析手段と、前記先端工具の位置および姿勢を変更する制御手段を備えることを特徴とする金属構造体の衝撃塑性加工装置。【選択図】  図１
2006095598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃塑性加工を施す装置であって、
衝撃塑性加工を施す衝撃塑性加工手段と、前記衝撃塑性加工手段を所定の位置および姿勢に保持する保持手段と、前記衝撃塑性加工手段における先端工具の振動を測定する測定手段と、前記振動の周期を解析する解析手段と、前記周期の解析結果に基づいて前記先端工具の位置および姿勢を変更する制御手段を備えることを特徴とする金属構造体の衝撃塑性加工装置。
【請求項２】
前記測定手段は、前記衝撃塑性加工手段内に取り付けられ、衝撃塑性加工を与える振動体と外装との間の変位、荷重、加速度の何れか1又は２以上を測定する機能を有することを特徴とする請求項１記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置。
【請求項３】
前記測定手段は、前記衝撃塑性加工手段に供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、前記衝撃塑性加工手段から返送される電圧、電流の何れか1又は２以上を測定する機能を有することを特徴とする請求項１記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置。
【請求項４】
前記保持手段は、前記先端工具の位置を決める直交３座標および姿勢を決める３角度の何れか１つ以上を保持する機能を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置。
【請求項５】
前記解析手段は、衝撃塑性加工を与える振動体と外装との間の変位、荷重、加速度の何れか1又は２以上に基づいて前記振動の周期を解析する機能を有することを特徴とする請求項１、２、４の何れか１項に記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置。
【請求項６】
前記解析手段は、前記衝撃塑性加工手段に供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、前記衝撃塑性加工手段から返送される電圧、電流の何れか1又は２以上に基づいて前記振動の周期を解析する機能を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記先端工具の位置を決める直交３座標および姿勢を決める３角度の何れか１つ以上を予め設定した範囲内で制御する機能を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置。
【請求項８】
複数の装置が通信可能に接続されている衝撃塑性加工システムであって、
前記装置のうち少なくとも１つの装置は、請求項１〜７の何れか１項に記載の衝撃塑性加工装置からなることを特徴とする金属構造体の衝撃塑性加工システム。
【請求項９】
コンピュータが衝撃塑性加工を制御する方法であって、
先端工具の初期位置、姿勢および移動条件をコンピュータに入力する入力ステップと、前記先端工具の位置および姿勢の変更許容範囲並びに振動周期許容範囲をコンピュータに入力する入力ステップと、前記先端工具の初期位置および姿勢となるように前記先端工具の初期位置および姿勢を保持して衝撃塑性加工を開始する処理開始ステップと、前記先端工具の位置および姿勢の変更許容範囲に前記先端工具の位置および姿勢をコンピュータが制御する制御ステップと、前記先端工具の振動周期を計測する計測ステップと、前記振動周期許容範囲の入力に基づいて振動周期が許容範囲内かどうかをコンピュータが判定する判定ステップと、先端工具を移動させる移動ステップと、前記移動条件に基づいて次加工へ移行するかどうかをコンピュータが判定するステップと、衝撃塑性加工をコンピュータが終了させる終了ステップを含むことを特徴とする金属構造体の衝撃塑性加工方法。
【請求項１０】
請求項１〜７の何れか１項に記載の衝撃塑性加工装置の機能をコンピュータに実現させるためのプログラム。
【請求項１１】
請求項８記載の衝撃塑性加工システムの機能をコンピュータに実現させるためのプログラム。
【請求項１２】
請求項９に記載の衝撃塑性加工方法の処理ステップをコンピュータに実現させるためのプログラム。
【請求項１３】
請求項１０〜１２の何れか１項に記載のプログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な、金属構造体の衝撃塑性加工に使用する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車、船舶、橋梁、建設機械、建築構造物、海洋構造物、貯槽、ペンストック等に利用される金属構造体の衝撃塑性加工装置、システム、方法並びにそれらを実施するための処理ステップを格納したプログラム及び記憶媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼構造物に代表される金属構造体は素材である金属に切断・プレス・溶接・打抜きなど種々の加工が加えられ、加工された部位は主に構造的原因から疲労破壊などの起点になることが多い。このような部位の耐久性を向上させることを目的に、これまでショットピーニング、レーザーピーニング、ウォータージェットピーニング、ハンマピーニング、ニードルピーニング、ワイヤピーニング、超音波衝撃処理などの衝撃塑性加工方法が用いられてきている。
【０００３】
金属構造体に塑性変形を与えるエネルギ媒体が装置から噴射して離れてしまうショットピーニング、レーザーピーニング、ウォーターピーニングを除くと、ハンマーピーニング、ニードルピーニング、ワイヤーピーニング、超音波衝撃処理の各方法は、装置内の振動体により励振された先端工具が金属構造体と衝突を繰り返す加工方法であるが、工具と金属構造体の処理開始前の接触状態が不適切な場合には先端工具の振動が金属構造体を塑性変形させるほど十分でないかあるいは不規則な場合が多く、効果的な衝撃塑性加工を安定して得る方法・装置の出現が切望されている。
【０００４】
このような状況のもと、超音波衝撃処理においてはレーザー変位計などを用いて処理部の形状を測定する方法、金属表面の組織を観察する方法、硬さを測定する方法を備えて十分な超音波衝撃処理が施されていることを判定する疲労強度向上方法が特許文献１に開示されている。また超音波衝撃処理装置における超音波変換器からの電圧信号をもとに工具の振動を制御する方法が特許文献２に開示されている。
【０００５】
またさらに先端工具が金属構造体と衝突を繰り返す加工方法では無いが、レーザーピーニングにおいて閉じ込め媒質層の厚みを試験片の裏面から超音波変換器を用いて測定する工程と、閉じ込め媒質の流量およびノズル位置の再設定を行う工程と、レーザーピーニングの継続を判定する工程を含むレーザーピーニング方法が特許文献３に開示されている。
【０００６】
また超高圧ウォーターピーニングにおいて加工物に十分な塑性変形を与えるためのノズルと加工物との距離を制御する手段を備えたピーニング方法および装置が特許文献４に示されている。また同じくウォータージェットピーニングにおいてノズルに取り付けた衝撃パルス検知センサもしくは水中音響検知センサからの出力に基づいてノズルの振動周波数特性を解析する手段と、この周波数特性と予め設定されている周波数特性最適値の偏差を求める手段と、周波数特性最適値になるようにノズルと加工面の距離もしくは水の噴射圧力を制御する手段とを有するウォータージェットピーニング装置が特許文献５に開示されている。
【０００７】
以後本発明における衝撃塑性加工とは、ハンマーピーニング、ニードルピーニング、ワイヤーピーニング、超音波衝撃処理のように先端工具が加工物に繰返し衝突して塑性変形を与えるタイプの加工を意味し、ショットピーニング、レーザーピーニング、ウォーターピーニングのように加工物に接触する物体が噴射されて加工後に飛散してしまうものは含まない。
また超音波衝撃処理とは、超音波発生機から発生した数十KHzの超音波振動をピン等の先端工具を介して加工物に押し当てて、塑性変形を与えることにより表面形状の改善および残留応力の緩和・再配置等を行う処理である。
【０００８】
【特許文献１】特開2003-113418号公報
【特許文献２】米国特許6289736号公報
【特許文献３】特開2001-174245号公報
【特許文献４】特開平11-333724号公報
【特許文献５】特開平6-47668号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術のうち、特許文献１では超音波衝撃処理が施されていることを判定する方法が開示されているが、いずれも超音波衝撃処理の終了後、加工部に対して形状測定、組織観察などを行って塑性変形や圧縮残留応力の存在を確認する方法であり、先端工具の振動をオンラインで測定し、先端の位置や姿勢を制御する本発明の方法や装置とは異なる発明である。
【００１０】
また特許文献２では超音波変換器からの電圧出力をもとに発振機へのフィードバックを行う制御方法が開示されているが、やはり先端工具の振動を測定して先端の位置や姿勢を制御する本発明の方法や装置とは異なる発明である。
【００１１】
またさらに特許文献３はレーザーピーニングにおける加工物の振動状態を加工物の裏面から超音波計測器により測定し、閉じ込め媒質の流量やノズル位置を制御する方法であるが、本発明は、加工物に塑性変形を与える先端工具の振動を測定して先端工具の位置や姿勢を制御しており、振動測定の対象やフィードバックする因子が異なる点でこれらは異なる発明である。
【００１２】
特許文献４では十分な塑性変形を与えているかどうかを測定および判定する方法についての具体的な記述が無いが、特許文献４および特許文献５ではいずれもウォータージェットピーニングに関する記述であり、特許文献５ではノズルの振動および／または周囲に存在する水中の振動を音響センサにより測定している。これに対して本発明は加工物と接触する先端工具の振動を、振動体を受けるばねと外装の間に設置した測定器で測定することにより衝撃塑性加工装置の位置や姿勢を制御しており、異なる発明である。
【００１３】
本発明は、衝撃塑性加工の振動を安定して得るための装置、システム、方法、プログラムおよび記憶媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、
（１）  衝撃塑性加工を施す装置であって、
衝撃塑性加工を施す衝撃塑性加工手段と、前記衝撃塑性加工手段を所定の位置および姿勢に保持する保持手段と、前記衝撃塑性加工手段における先端工具の振動を測定する測定手段と、前記振動の周期を解析する解析手段と、前記周期の解析結果に基づいて前記衝撃塑性加工手段の先端工具の位置および姿勢を変更する制御手段を備えることを特徴とする金属構造体の衝撃塑性加工装置、
【００１５】
（２）  前記測定手段は、前記衝撃塑性加工手段内に取り付けられ、衝撃塑性加工を与える振動体と外装との間の変位、荷重、加速度の何れか1又は２以上を測定する機能を有することを特徴とする上記（１）記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置、
【００１６】
（３）  前記測定手段は、前記衝撃塑性加工手段に供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、前記衝撃塑性加工手段から返送される電圧、電流の何れか1又は２以上を測定する機能を有することを特徴とする上記（１）記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置、
【００１７】
（４）  前記保持手段は、前記先端工具の位置を決める直交３座標および姿勢を決める３角度の何か１つ以上を保持する機能を有することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置、
【００１８】
（５）  前記解析手段は、衝撃塑性加工を与える振動体と外装との間の変位、荷重、加速度の何れか1又は２以上に基づいて前記振動の周期を解析する機能を有することを特徴とする上記（１）、（２）、（４）の何れかに記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置、
【００１９】
（６）  前記解析手段は、衝撃塑性加工手段に供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、衝撃塑性加工手段から返送される電圧、電流の何れか1又は２以上に基づいて前記振動の周期を解析する機能を有することを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置、
【００２０】
（７）  前記制御手段は、先端工具の位置を決める直交３座標および姿勢を決める３角度の何れか１つ以上を予め設定した範囲内で制御する機能を有することを特徴とする上記（１）〜（６）の何れかに記載の金属構造体の衝撃塑性加工装置、
【００２１】
（８）  複数の装置が通信可能に接続されている衝撃塑性加工システムであって、前記複数の装置のうち少なくとも１つの装置は、上記（１）〜（７）の何れかに記載の衝撃塑性加工装置からなることを特徴とする金属構造体の衝撃塑性加工システム、
【００２２】
（９）  コンピュータが衝撃塑性加工を制御する方法であって、
先端工具の初期位置、姿勢および移動条件をコンピュータに入力する入力ステップと、前記先端工具の位置および姿勢の変更許容範囲並びに振動周期許容範囲をコンピュータに入力する入力ステップと、前記先端工具の初期位置および姿勢となるように前記先端工具の初期位置および姿勢を保持して衝撃塑性加工を開始する処理開始ステップと、前記先端工具の位置及び姿勢の変更許容範囲に前記先端工具の位置および姿勢をコンピュータが制御する制御ステップと、前記先端工具の振動周期を計測する計測ステップと、前記振動周期許容範囲の入力に基づいて振動周期が許容範囲内かどうかをコンピュータが判定する判定ステップと、先端工具を移動させる移動ステップと、前記移動条件に基づいて次加工へ移行するかどうかをコンピュータが判定するステップと、衝撃塑性加工の終了ステップが終了させる終了ステップを含むことを特徴とする金属構造体の衝撃塑性加工方法、
【００２３】
（１０）  上記（１）〜（７）の何れかに記載の衝撃塑性加工装置の機能をコンピュータに実現させるためのプログラム、
【００２４】
（１１）  上記（８）記載の衝撃塑性加システムの機能をコンピュータに実現させるためのプログラム、
【００２５】
（１２）  上記（９）に記載の衝撃塑性加工方法の処理ステップをコンピュータに実現させるためのプログラム、
【００２６】
（１３）  上記（１０）〜（１２）の何れかに記載のプログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な、金属構造体の衝撃塑性加工に使用する記憶媒体、
にある。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の方法、装置、システム、プログラムおよび記憶媒体は、金属構造体に衝撃塑性加工を施す際に、先端工具の振動を安定して得ることが可能であり、その工業的意味は大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
本発明は、例えば図1に示すような衝撃塑性加工システム100に適用される。
＜衝撃塑性加工システム100の全体構成＞
本発明の形態の衝撃塑性加工システム100は図1に示すように、衝撃塑性加工装置112、振動を測定するための測定器120、測定器の出力信号を受信して周期を測定する周波数解析装置121、測定された周期と予め入力しておいた周期の適正範囲と比較して装置の位置および姿勢の継続もしくは変更信号を出す制御装置122、装置の位置および姿勢の制御信号を受ける衝撃塑性加工装置の保持機械125が配線を通じて接続された構成となっている。
【００２９】
先端工具の振動周期は加工状態によって異なるが、十分な衝撃塑性加工が行われているかどうかを判定できるパラメータである。すなわち周期が適正範囲を上回る場合には、先端工具が加工物から離れすぎて接触が不十分な場合、あるいは先端工具が加工物に安定して接触せず横滑りしてしまう場合などが考えられ、先端工具を加工物に近づける、あるいは移動方向と直角方向の角度を増やすあるいは減らす、あるいはこれらを組み合わせる、といった制御を行うことにより周期を適正範囲内に短くすることが可能となり、十分な衝撃塑性加工を行うことが出来る。
【００３０】
また先端工具の周期が適正範囲を下回る場合には、先端工具が加工物と振動子の間で固定されてしまい振動子の周期がそのまま先端工具の周期になっている場合が考えられ、そのような場合には例えば先端工具を加工物から遠ざける、あるいは移動方向と直角方向の先端工具の角度を増やすあるいは減らす、あるいはこれらの組み合わせの制御によりこの場合も周期を適正範囲内に長くすることが可能であり、同様に十分な衝撃塑性加工を行うことが出来る。
【００３１】
＜衝撃塑性加工装置112の構成および動作の概要＞
衝撃塑性加工装置112は、空気圧、超音波などをエネルギ源とするハンマーピーニング装置、ワイヤーピーニング装置、ニードルピーニング装置、超音波衝撃処理装置などであり、電源及び制御装置111と衝撃塑性加工装置本体110から構成され、さらに本体110は電源及び制御装置111からの電気および制御信号により、振動体104が振動し、振動伝達部103を介して先端工具102に振動が伝わり、加工物130に衝撃荷重を与える。
【００３２】
この衝撃加工装置110は外装105において保持機械125の保持部124により保持され、その先端は目的の位置および姿勢にくるようになっている。この先端工具102の振動は直接測定することは困難であるが、衝撃塑性加工装置内の振動系103、104と外装105をつなぐばね106の振動として伝わることを見出し、衝撃塑性加工装置の外装105との間に振動を測定する測定器120を配置することにより先端工具の振動状況を測定することが可能となる。
【００３３】
＜振動測定器120の構成および動作の概要＞
振動測定器120は衝撃塑性加工装置内の振動系103、104と外装105との間の振動が測定できれば特に規定すべきものではなく、振動系と外装の間の変位を測定する測定器であっても、振動系と外装の間にばねを介してばねに生じる荷重、ばねと外装との変位、又はばねが伸び縮みする際の加速度を測定する測定器であっても差し支え無い。またここで測定対象とする先端工具102の振動とは、衝撃塑性加工装置の振動系103、104から発振される振動そのものではなく、発振された振動を加工部130に与えようと接触した結果、加工物130と振動系103の間で衝突しながら往復する先端工具102の振動を意味する。特に超音波衝撃処理の場合には、本体の振動体は数十ｋHzの周波数で連続的に振動しているが、先端工具は離散的なインパルスの振動が主になって加工部に塑性変形を与えるため、この振動を安定して発生させることが十分な衝撃塑性加工のために重要である。
【００３４】
＜周期解析装置121の構成および動作の概要＞
振動測定器120の出力信号は振動の周期を解析する解析装置121に転送される。周期解析装置121における周期の決定方法は特に規定するものではなく、予め定めた計測時間のデータをもとに、予め設定したレベルを信号がクロスする周期を求める方法や、信号の時系列データを周波数解析して主要な周波数から周期を求める方法であっても差し支え無い。
【００３５】
なお、ここで振動の周期とは、先端工具102が塑性変形を与えるために加工物130に衝突してから次の衝突までの時間のことであり、先端工具102が加工物130に衝突する際には先端工具102が振動系103から離れているためその瞬間を検知することは困難であるが、先端工具102が加工物103に衝突した反動で跳ね返り、次に振動系103に戻って衝突したときの衝撃が振動系103を介してばね106に伝わるため、ばね106が伸びていた状態から縮むときに生じる変位、あるいはばね106が縮むことにより発生する荷重、あるいはばね106が縮む運動の際に生じる加速度を測定することにより、衝突の有無およびその時間間隔、すなわち振動周期を検出することが可能となる。
【００３６】
したがって荷重、変位、加速度のいずれか１以上の時系列データについて、例えば荷重であれば5kgf、変位であれば0.5mm、加速度であれば500m/s等の数値を予め入力しておき、その値を超えた時から再びその値を超える時までの時間を振動の周期として求めることが出来る。また荷重、変位、加速度の時系列データを市販のFFTアナライザー等に入力し、その結果算出される周波数成分のうち、振幅の最も大きな周波数成分を選び、その周波数の逆数をとって振動周期としてもよい。求められた周期データは衝撃塑性加工装置の先端工具の位置および姿勢を制御するために制御装置122に転送される。
【００３７】
＜位置姿勢制御装置122の構成および動作の概要＞
保持機械125の位置姿勢を制御する装置122では、予め入力された周期の許容範囲と比較され、衝撃塑性加工装置の現在の位置および姿勢を継続あるいは変更するための信号が保持機械125の制御部123に転送される。制御方法の例としては、周期が許容範囲より長い場合には、先端工具が加工物から離れ過ぎている、あるいは先端工具と加工物の接触角度が不適切で横滑りするなどの現象が考えられるため、［１］先端工具を加工物に近づける、［２］先端工具の位置はそのままで移動方向と直角方向の角度を増減させる、［３］［１］と［２］を併用するなどが考えられる。また周期が許容範囲より短い場合には、先端工具が振動子と加工物の間に挟まって振動子と一体となって振動子の周期で振動している現象が考えられるため、［４］先端工具を遠ざける、［５］先端工具の位置はそのままで移動方向と直角方向の角度を増減させる、［６］［４］と［５］を併用するなどの制御が考えられる。これらの制御信号が位置姿勢制御装置122から、保持機械の制御部123に転送される。
【００３８】
位置および姿勢を決めるためのパラメータは、空間の位置を決める直交する３座標Ｘ、Ｙ、Ｚおよび姿勢を決めるための各座標との角度θx、θy、θz等であり、これらのパラメータについて予め設定しておいた範囲内で少なくとも一つ以上のパラメータの数値を変更することにより制御する。また振動周期が許容範囲内になった場合には、例えば連続した溶接ビードなど加工物130の処理すべき加工部に沿って加工しながら移動するように制御する。またさらに、例えば溶接部が途中で折れ曲がっているなどのために次ステップの移動条件に移る場合には、まず次ステップのスタート地点で初期位置および初期姿勢の状態で振動周期を測定し、許容範囲より長い場合には先端工具を加工物に近づけるか角度を変化させる制御を行い、また許容範囲より短い場合には先端工具を遠ざけるか角度を変化させる制御を周期が許容範囲に収まるまで繰返し行った後、加工物に沿った次ステップの移動を開始するように制御する。なお位置および姿勢を決めるにはこの周期解析装置121および位置および姿勢を制御する装置122の機能は一つの解析・制御装置で実行しても差し支え無い。
【００３９】
＜保持機械125の構成および動作の概要＞
位置および姿勢を制御する装置122から転送された先端工具を加工部に近づける・遠ざける、あるいは角度を変えるなどの信号は制御部123で受信され、保持部124などを動かして衝撃塑性加工装置110の先端工具の加工物との距離または先端工具の角度が変更される。その結果として先端工具102の振動周期が変化し、その変化した周期を許容範囲と比較して、許容範囲より長い場合には例えば先端工具を加工物に近づけるあるいは移動方向と垂直な面内で角度を変える信号が出され、許容範囲より短い場合には例えば先端工具を加工物から遠ざけるあるいは移動方向と直角な面内で角度を変える等の信号が出されて、これらの信号に従い制御部が先端工具の位置および姿勢が再度調整され、適切な振動周期が得られるまで続けられる。
【００４０】
振動周期が許容範囲内に収まった場合には位置姿勢制御装置122からの信号により処理すべき加工部に沿って衝撃塑性加工装置の先端工具を移動させる。次ステップの移動条件に移る際にも、先端工具の振動周期が許容範囲に収まるまで位置姿勢制御装置122からの信号により位置および姿勢を変更し、その後次ステップの移動条件に従って移動する。
【００４１】
なお本発明の構成例においては、振動周期を許容範囲に収めることを目的として位置姿勢制御装置122から衝撃塑性加工装置の電源・制御装置112へ振動状態を変化させる制御信号を送信する制御形態については特に触れていないが、このような制御形態が重複する場合でも本発明の効果を阻害するものではない。
また本発明は、例えば図５に示すような別の衝撃塑性加工システム101に適用される。
【００４２】
＜衝撃塑性加工システム101の全体構成＞
本発明の別の形態である衝撃塑性加工システム101は図５に示すように、衝撃塑性加工装置112、衝撃塑性加工装置112の電源・制御装置111から衝撃塑性加工装置本体110に供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、衝撃塑性加工装置本体110から返送される電圧、電流のいずれか１または２以上の周期を測定して解析する電気・空気測定・周期解析装置131、測定された周期と予め入力しておいた周期の適正範囲と比較して装置の位置および姿勢の継続又は変更の信号を出す制御装置122、装置の位置および姿勢の制御信号を受ける衝撃塑性加工装置の保持機械125が配線を通じて接続された構成となっている。
【００４３】
先端工具の振動周期は加工状態によって異なるが、十分な衝撃塑性加工が行われているかどうかを判定できるパラメータであるが、先端工具の振動周期は、衝撃塑性加工装置本体に供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、衝撃塑性加工装置本体110から返送される電圧、電流の何れか１又は２以上の変動周期と相関のあることを見出した。
【００４４】
すなわち衝撃塑性加工装置本体に供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、衝撃塑性加工装置本体110から返送される電圧、電流の何れか１又は２以上の変動周期が適正範囲を下回る場合には、先端工具の振動周期が適正範囲よりも長いことを意味し、先端工具が加工物から離れすぎて接触が不十分な場合、あるいは先端工具が加工物に安定して接触せず横滑りしてしまう場合などが考えられ、この対策として、先端工具を加工物に近づける、先端工具の移動方向と直角方向の角度を増やす若しくは減らす、又はこれらを組み合わせる、といった制御を行うことにより振動周期を適正範囲内に短くすることが可能となり、十分な衝撃塑性加工を行うことが出来る。
【００４５】
また衝撃塑性加工装置本体に供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、衝撃塑性加工装置本体110から返送される電圧、電流の何れか１又は２以上の変動周期が適正範囲を上回る場合には、先端工具の振動周期が適正範囲よりも短いことを意味し、先端工具が加工物と振動子の間で固定されてしまい振動子の周期がそのまま先端工具の周期になっている場合が考えられ、そのような場合には例えば先端工具を加工物から遠ざける、先端工具の移動方向と直角方向の先端工具の角度を増やす若しくは減らす、又はこれらの組み合わせの制御によりこの場合も振動周期を適正範囲内に長くすることが可能であり、同様に十分な衝撃塑性加工を行うことが出来る。
【００４６】
＜衝撃塑性加工装置112の構成および動作の概要＞
衝撃塑性加工装置112は、図１の衝撃塑性加工システム100の衝撃塑性加工装置112と同じであり、繰り返しを避けるため説明を省略する。
【００４７】
＜電気・空気測定・周期解析装置131の構成および動作の概要＞
衝撃塑性加工装置112の電源・制御装置111から衝撃塑性加工装置112に供給される電気・空気などのエネルギーは、電気・空気測定・周期解析装置131を通るため、供給される電圧、電流、空気圧、空気流量、返送される電圧、電流の何れか１又は２以上が電気・空気測定・周期解析装置131で測定される。電気・空気測定・周期解析装置131における周期の決定方法は特に規定するものではなく、予め定めた計測時間のデータをもとに、予め設定したレベルを信号がクロスする時間を求めることにより周期を求める方法や、信号の時系列データを周波数解析して主要な周波数から周期を求める方法であっても差し支え無い。
【００４８】
なお、ここでいう周期とは供給電圧や電流の周期、供給している空気の圧力や流量の変動周期、供給を中断している際に返送される電圧や電流の周期のことであり、これらの周期は衝撃塑性加工装置112の適正な動作と密接に関係しており、供給電圧や電流の周期、供給空気の圧力や流量の変動周期、供給を中断している際に返送される電圧や電流の周期を測定することにより、先端工具102が加工物130に繰り返し衝突しているかどうかおよびその時間間隔、すなわち先端工具の振動周期を検出することが可能となる。
【００４９】
したがって供給電圧や電流の周期、供給空気の圧力や流量の変動周期、供給を中断している際に返送される電圧や電流の周期のいずれか１以上の時系列データについて、例えば電圧の周期であれば１００Ｖ、電流であれば１Ａ、空気圧であれば５kgf/cm2等の数値を予め入力しておき、その値を超えた時から再びその値を超える時までの時間を振動の周期として求めることが出来る。さらに電圧、電流については、供給電圧、供給電流のみならず、電気によって励起される振動体１０４の振動が逆に電圧および／または電流を返送するため、これらの返送電圧および／または返送電流の周期を測定することにより、衝撃塑性加工装置112の正常な動作、ひいては先端工具102の振動周期を検出することが可能となる。
求められた変動周期データは衝撃塑性加工装置の先端工具の位置および姿勢を制御するために制御装置122に転送される。
【００５０】
＜位置姿勢制御装置122の構成および動作の概要＞
保持機械125の位置姿勢を制御する装置122では、予め入力された周期の許容範囲と比較され、衝撃塑性加工装置の現在の位置および姿勢を継続又は変更するための信号が保持機械125の制御部123に転送される。位置姿勢制御装置122は、図１の衝撃塑性加工システム100の位置姿勢制御装置122と同じであり、繰り返しを避けるため説明を省略する。なお位置および姿勢を決めるにはこの電気・空気測定・周期解析装置131、並びに位置および姿勢を制御する装置122の機能は一つの解析・制御装置で実行しても差し支え無い。
【００５１】
＜保持機械125の構成および動作の概要＞
保持機械125は、図１の衝撃塑性加工システム100の保持機械125と同じであり、繰り返しを避けるため説明を省略する。
【００５２】
なお本発明の構成例においては、振動周期を許容範囲に収めることを目的として位置姿勢制御装置122から衝撃塑性加工装置の電源・制御装置112へ振動状態を変化させる制御信号を送信する制御形態については特に触れていないが、このような制御形態が重複する場合でも本発明の効果を阻害するものではない。
【００５３】
＜衝撃塑性加工システム100の全体動作＞
図2は、本衝撃塑性加工システム100の全体動作をフローチャートで示したものである。
まず、衝撃塑性加工装置112の先端工具102の初期位置、初期姿勢を位置・姿勢制御装置122に設定する。この時、加工物130の加工すべき位置の情報に合わせて工具の移動条件も設定する。先端工具の位置の条件設定については保持機械の制御種類によって異なるが、例えばNC制御機械のように直交座標での加工部の位置のX、Y、Z、およびX軸、Y軸、Z軸とのなす角θx、θy、θzを具体的に入力することにより先端工具をその位置に移動するタイプの保持機械であれば、機械の原点を基準にしたX、Y、Z、角θx、θy、θzの値をX＝Y＝Z=0、θx=θz＝45°、θy＝90°のように設定する。
【００５４】
またその移動方向、例えばY方向、および移動速度を10cm/分のように入力する。またティーチングロボットのような場合には具体的な座標数値を与える代わりに加工すべき位置および姿勢に先端工具を予め動かしてその位置および姿勢および移動方向、ならびに次ステップの位置および姿勢および移動方向を覚えこませ、移動速度を別途入力することによって初期位置・姿勢および移動条件を入力する場合も考えられる。
【００５５】
次に先端工具の振動周期の許容範囲、ならびに位置および姿勢を決める座標および角度のパラメータの変更範囲を同じく位置・姿勢制御装置122に設定する。振動周期の許容範囲は衝撃塑性加工装置112の出力や加工物130の大きさ等に依存し、同様の装置および加工物で実施した適切な加工時の振動周期の測定結果を元に決定することが望ましいが、一例としてハンマーピーニングの場合には0.003〜0.03秒、超音波衝撃処理の場合には0.0002〜0.005秒のように設定する。
【００５６】
また先端工具の位置および姿勢のパラメータの変更範囲についても、衝撃塑性加工装置内のばね106の定数や加工物130の剛性などに大きく依存するため、同様の装置および加工物で実施した適切な加工時の振動周期の測定結果を元に決定することが望ましいが、例えば位置X、Y、Zの変更範囲を±5mm、角θx、θy、θzの変更範囲を±10°のように設定する。
【００５７】
次に衝撃塑性加工装置112のうち電源・制御装置111が起動して衝撃塑性加工装置本体110の振動体104が振動を開始し、振動伝達部103を通じて先端工具102が振動を開始する。
引き続いて、上記の初期位置および姿勢の設定値、すなわちX＝Y＝Z＝0、θx＝θz＝45°、θy＝90°、に基づいて位置・姿勢制御装置122より保持機械125の制御部123に信号が伝達され、保持機械125が先端工具102の位置および姿勢を初期設定の状態に移動させる。このとき先端工具102が加工物130と接触を開始する。
【００５８】
次に衝撃塑性加工装置本体110内に設置された振動測定器120により先端工具102の振動が測定され、測定器の測定結果は振動周期解析装置121に転送される。振動周期解析装置121では振動測定器の測定結果を元に振動周期が求められる。
【００５９】
さらに求められた振動周期は位置・姿勢制御装置122において振動周期の許容範囲と比較され、その偏差に応じて位置・姿勢を決める座標および角度パラメータの一つ以上が選択され、許容範囲で変更するように保持機械125の制御部123に信号が転送される。具体的には、振動周期が許容範囲より大きい場合には加工部に工具先端を近づけるように制御するため、工具先端と加工物との距離を近づけるように例えば許容範囲±5mmの範囲内でX、Y、Zを1mmずつ減らす信号が転送される。また角度を変える制御も考えられ、例えば工具の移動方向をY方向とすると、Y方向と垂直な面内の角度θxを許容範囲の±10°の範囲内で2°ずつ変化させる信号が転送される。
【００６０】
振動周期が許容範囲より小さい場合には、先端工具と加工物の距離を遠ざけるように例えば許容範囲±5mmの範囲でX、Y、Zを1mmずつ増やす信号や、Y方向と垂直な面内の角度θxを許容範囲の±10°の範囲内で2°ずつ変化させる信号が順次あるいは組合せて転送される。
【００６１】
この信号の通りに保持機械125は先端工具102の位置および姿勢を変更する。このような先端工具102の位置および姿勢の変更、先端工具の振動測定、振動周期の解析、振動周期の許容範囲との比較ならびに位置および姿勢の再変更のループは、振動周期が許容範囲外である限り続けられる。
【００６２】
振動周期が許容範囲内に収まると、先端工具102は振動しながら加工部130の処理すべき部分に沿って移動を開始する。移動が終了すると、次に処理すべき加工部がある場合には先端工具102を次の処理部の初期位置および初期姿勢に移動する信号が位置・姿勢制御装置122より出され、同様に振動測定器102による先端工具の振動測定、周期解析装置121による振動周期の解析、位置・姿勢制御装置122による振動周期の許容範囲との比較ならびに位置および姿勢の再変更のループが、その振動周期が許容範囲内に収まるまで繰り返されたのち、先端工具が振動しながら次の処理部を処理する。処理すべき加工部がすべて処理された時点で衝撃塑性加工装置の振動が停止し、本発明のシステムが動作を終了する。
【００６３】
また本発明のシステムは1組の振動周期解析装置および位置姿勢制御装置により、複数組の衝撃塑性加工装置、振動測定器、保持機械を制御することが可能である。
上述のように本発明によれば、金属構造体の衝撃塑性加工処理において先端工具の振動周期を測定することにより、適切な衝撃塑性加工位置および姿勢に制御することが出来る。
【００６４】
＜衝撃塑性加工システム101の全体動作＞
本衝撃塑性加工システム101の全体動作は、図５に示す衝撃塑性加工システム100と同じであるが、先端工具の振動許容範囲の設定、先端工具振動測定、振動周期解析のみが異なる。他のフローは繰り返しを避けるため説明を省略する。
【００６５】
先端工具の振動許容範囲の設定フローにおいては、先端工具の振動周期を検出するための供給電圧・供給電流、供給空気圧・供給空気流量、返送電圧・返送電流の何れか１又は２以上の変動周期の許容範囲、ならびに位置および姿勢を決める座標および角度のパラメータの変更範囲を同じく位置・姿勢制御装置122に設定する。供給電圧・供給電流、返送電圧・返送電流、供給空気圧・供給空気流量の何れか１又は２以上の変動周期の許容範囲は衝撃塑性加工装置112の出力や加工物130の大きさ等に依存し、同様の装置および加工物で実施した適切な加工時において供給電圧・供給電流、返送電圧・返送電流、供給空気圧・供給空気流量の何れか１又は２以上の変動周期および工具先端の振動周期を測定し、これらの関係を予め求めておいて適切な範囲を決定することが望ましいが、一例としてハンマーピーニングの場合には供給空気圧の変動周期として0.003〜0.03秒、超音波衝撃処理の供給電圧の場合には0.01ミリ秒〜0.1ミリ秒のように設定する。
【００６６】
先端工具振動測定フローでは、衝撃塑性加工装置本体110に供給される電圧、電流、返送される電圧、電流、供給される空気圧、空気流量の何れか１又は２以上が電気・空気測定・周期解析装置131により測定され、同装置内でこれらの値の変動周期が解析される。
【００６７】
さらに求められた変動周期は位置・姿勢制御装置122において変動周期の許容範囲と比較され、その偏差に応じて位置・姿勢を決める座標および角度パラメータの一つ以上が選択され、許容範囲で変更するように保持機械125の制御部123に信号が転送される。
【００６８】
また本発明のシステムは1つの位置姿勢制御装置により、複数組の衝撃塑性加工装置、電気・空気測定・周期解析装置、保持機械を制御することが可能である。
【００６９】
上述のように本発明によれば、金属構造体の衝撃塑性加工処理において振動体のエネルギーである電気の供給電圧、供給電流、返送電圧、返送電流、供給空気圧、供給空気流量のいずれか１つ以上の変動周期を測定することにより、先端工具の振動周期を適正範囲に保つことができ、その結果適切な衝撃塑性加工位置および姿勢に制御することが出来る。
【００７０】
また、本発明の目的は、本実施形態の測定器、解析装置、制御装置の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記憶した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成されることは言うまでもない。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が本実施の機能を実現することとなり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
【００７１】
プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、ＲＯＭ、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＲ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリーカード、ＤＶＤ等を用いることができる。
【実施例１】
【００７２】
耐久性が問題となる自動車部品を簡略化した図３に示す部分モデル試験体について振動測定器を有する本発明を適用した。部分モデル試験体は縦300mm、横150mm、高さ30mmの鋼製部材の上面にコの字形断面の付加物（縦、横、高さとも70mm）がアーク溶接により取り付けられている。コの字形断面の付加物に荷重が加わった場合にその止端から疲労亀裂が発生する可能性が高く、従ってコの字形を形成する三辺の外側の隅肉溶接について衝撃塑性加工を施した。
【００７３】
衝撃塑性加工方法にはハンマーピーニングおよび超音波衝撃処理の2種類を用い、ハンマーピーニングは直径18mmの先端工具を用いて空気圧６kgf/cm2の条件で、超音波衝撃処理は直径3.5mmの先端工具を用いて振動子の周波数27kHzの条件で振動を付与した。ハンマーピーニング装置および超音波衝撃処理装置の中には外装とばねとの間に先端工具の振動を測定するため、応答周波数が数Hz〜数十kHzの加速度センサを振動測定器として取り付けた。この加速度センサの出力から10秒間をサンプリングし、周波数分析機能を有する振動周期解析装置を用いてパワースペクトル（周波数と振幅の２乗の関係）を求め、この中から振幅の最も大きな周波数を抽出してその逆数の周期を求め、周期を発信する回路およびプログラムを振動周波数解析装置であるコンピュータに組み込んだ。
【００７４】
次に発信された周期を受信し、予め入力した周期の許容範囲内かどうか判定したのち、以下の制御をするソフトウェアを組み込んだコンピュータを位置・姿勢制御装置とした。
すなわち、振動周期が許容範囲より長ければ［１］まず先端工具を現在よりもＡmmだけ加工物に近づけるように信号を出す、［２］周期が未だ許容範囲より長ければ移動方向と垂直な面内の角度をＢ°ずつ増やしていく信号を角度の許容範囲まで出す、［３］それでも許容範囲より長ければ移動方向と垂直な面内の角度をＢ°ずつ減らしていく信号を許容範囲まで出す、［４］再び［１］に戻りさらに加工物に近づけて［２］および［３］の制御を行うことを、先端工具の位置の許容範囲まで行う。
【００７５】
逆に周期が許容範囲より短ければ［１］まず先端工具を現在よりもＡmmだけ加工物に遠ざけるように信号を出す、［２］周期が未だ許容範囲より短ければ移動方向と垂直な面内の角度をＢ°ずつ増やしていく信号を角度の許容範囲まで出す、［３］それでも許容範囲より短ければ移動方向と垂直な面内の角度をＢ°ずつ減らしていく信号を許容範囲まで出す、［４］再び［１］に戻り加工物より遠ざけて［２］および［３］の制御を行うことを、先端工具の位置の許容範囲まで行う。
【００７６】
周期の許容範囲は、ハンマーピーニングに対しては0.003〜0.03秒、超音波衝撃処理の場合には0.0002〜0.005秒とした。また位置および姿勢を示す座標および角度のパラメータは直交座標X、Y、Z、およびそれぞれの軸とのなす角θx、θy、θzを選択し、これらのパラメータの変動許容範囲は、ハンマーピーニングについては直交座標X、Y、Zについて±10mm、角θx、θy、θzについて±15°、超音波衝撃処理については直交座標X、Y、Zについて±5mm、角θx、θy、θzについて±10°とした。
【００７７】
制御ピッチＡおよびＢはハンマーピーニングの直交座標についてはＡ=2mm、角度についてはＢ=3°、超音波衝撃処理の直交座標についてはＡ=1mm、角度についてはＢ=2°とした。また先端工具の移動条件は図４に示す位置を処理するための条件を入力した。まず初期の移動方向はY方向とし、初期位置はコの字溶接部の溶接始端とし、初期姿勢はθx=θz=45°、θy=90°とし、これらを予め位置・姿勢制御装置であるコンピュータにインプットした。さらに工具移動条件として、最初の移動方向であるY方向に70mmだけ10cm/秒の速度で移動したのち、次にθx=90°、θy=θz=45°の初期姿勢で-X方向に向かって76mmだけ10cm/秒の速度で移動し、最後にθx=135°、θy=90°、θz=45°の初期姿勢で-Y方向に向かって70mmだけ10cm/秒の速度で移動する条件を入力した。
【００７８】
また、コンピュータと超音波衝撃処理装置の電源はケーブルにて接続し、これら超音波衝撃処理装置の振動開始・停止の命令が伝わるように工夫した。
【００７９】
保持機械については、NC機械を用いて位置・姿勢制御装置であるコンピュータからの制御信号を受けて動くようになっており、ハンマーピーニング装置および超音波衝撃処理装置の外装を保持するようホルダーを取り付けた。
【００８０】
これら加工物である部分モデル試験体、衝撃塑性加工装置であるハンマーピーニングおよび超音波衝撃処理装置、振動測定器である加速度センサ、振動周期解析装置、位置・姿勢制御装置であるコンピュータ、保持機械であるNC機械を準備して通信可能なように接続した。
【００８１】
続いて動作状況をハンマーピーニングの場合について述べる。本システムを起動すべく、まずハンマーピーニングの電源が投入されて振動が開始され、続いて位置・姿勢制御装置からの信号が発信され、保持機械が初期位置・姿勢に制御された。初期位置および姿勢では先端工具が加工物からやや離れ気味であったため十分な塑性加工が与えられず、したがって振幅の最も大きな周波数は1〜5Hzの範囲にあったため、振動周期は0.2〜１秒と長かった。このため、先端工具の座標X、Y、Zをいずれも2mm近づけたが、さらに周期が改善されなかったため角度を許容範囲内の±15°まで各ピッチで周期を調べたが改善されなかった。結局、先端工具を６mm近づけた状態で周波数が100Hz、すなわち振動周期が0.01秒まで短くなったため、工具をY方向に70mmだけ移動した。
【００８２】
第二ステップでも初期位置・姿勢で周波数が1〜2Hzの範囲、すなわち振動周期が0.5〜１秒と長かったため、先端工具の座標X、Y、Zを10mm近づけた状態で周波数が約70Hz、すなわち振動周期が0.015秒まで短くなった。これにより先端工具の移動が始まり、溶接線に沿って76mmの処理を行った。
【００８３】
さらに第三ステップでも先端工具の座標を10mm近づけたところで周波数が50Hz、すなわち振動周期が0.02秒まで短くなったため先端工具の移動が始まり、溶接線に沿って70mmの処理を行い、コの字形溶接部の処理が終了した。溶接線全線に渡り良好な衝撃塑性加工部が得られた。
【００８４】
次に超音波衝撃処理の場合については、ハンマーピーニングと同じく、本システムを起動すべく、まず超音波衝撃処理の電源が投入されて振動が開始され、続いて位置・姿勢制御装置からの信号が発信され、保持機械が初期位置・姿勢に制御された。初期位置および姿勢では先端工具が加工物に近すぎたため工具先端が振動する余裕が無く、周波数は20kHzとなり、したがって振動周期は超音波振動の周期に近い0.00005秒と非常に短かった。このため、先端工具の座標X、Y、Zをいずれも1mm遠ざけたが、さらに周期が改善されなかったので角度を許容範囲内の±10°まで各ピッチで周期を調べたが改善されなかった。結局先端工具を3mm遠ざけた状態で周波数が1000Hzまで下がり、すなわち振動周期が0.001秒まで長くなったため、工具移動を開始し、Y方向に70mmだけ移動した。
【００８５】
第二ステップでも初期位置・姿勢で周波数が約13kHz、すなわち振動周期が0.00006秒と非常に短かったため、先端工具の座標X、Y、Zを3mm遠ざけた結果、周波数は700Hzまで下がり、振動周期が0.0015秒まで長くなり、先端工具の移動が始まり、溶接線に沿って76mmの処理を行った。
【００８６】
第三ステップでは先端工具が加工物から離れ気味になったため逆に周波数は10Hzと低く、すなわち周期は0.01秒と長くなり、工具先端を3mm近づけた結果、周波数は1000Hzまで上がり、すなわち振動周期は0.001秒まで短くなり工具移動が始まって70mmの溶接部処理が終了した。いずれの処理部分も良好な衝撃塑性加工が得られた。
このように本発明により良好な衝撃塑性加工処理を安定して得ること出来た。
【実施例２】
【００８７】
実施例１と同じ図３の試験体について、供給及び返送の電気・空気測定・周期測定装置を有する本発明を適用した。衝撃塑性加工は、実施例１と同じくコの字形を形成する三辺の外側の隅肉溶接について施した。
【００８８】
衝撃塑性加工方法にはハンマーピーニングおよび超音波衝撃処理の2種類を用い、ハンマーピーニングは直径18mmの先端工具を用いて供給空気圧６kgf/cm2の条件で、超音波衝撃処理は直径3.5mmの先端工具を用いて振動子の周波数27kHzの条件で振動を付与した。ハンマーピーニング装置本体および超音波衝撃処理装置本体とこれらの電源・制御装置との間に、ハンマーピーニングの場合には空気圧測定・周期解析装置を、超音波衝撃処理の場合には、電圧測定・周期解析装置を連結した。空気圧測定・周期解析装置では、供給空気圧を圧力センサが5秒間のサンプリングを行い、周波数分析機能を有する周期解析装置を用いてパワースペクトル（周波数と振幅の２乗の関係）を求め、この中から振幅の最も大きな周波数を抽出してその逆数の周期を求め、周期を発信する回路およびプログラムを空気圧測定・周期解析装置であるコンピュータに組み込んだ。また超音波衝撃処理における返送電圧の測定・周期解析装置では、発信電圧の合間に0.1ミリ秒の発信停止期間を設け、この間の返送電圧を測定する回路を組み込み、その電圧の周期を求め、周期を発信する回路およびプログラムを電圧測定・周期解析装置であるコンピュータに組み込んだ。
【００８９】
次に発信された変動周期を受信し、予め入力した変動周期の許容範囲内かどうか判定したのち、以下の制御をするソフトウェアを組み込んだコンピュータを位置・姿勢制御装置とした。
【００９０】
すなわち、変動周期が許容範囲より短ければ［１］まず先端工具を現在よりもＡmmだけ加工物に近づけるように信号を出す、［２］周期が未だ許容範囲より短ければ移動方向と垂直な面内の角度をＢ°ずつ増やしていく信号を角度の許容範囲まで出す、［３］それでも許容範囲より短ければ移動方向と垂直な面内の角度をＢ°ずつ減らしていく信号を許容範囲まで出す、［４］再び［１］に戻りさらに加工物に近づけて［２］および［３］の制御を行うことを、先端工具の位置の許容範囲まで行う。
【００９１】
逆に変動周期が許容範囲より長ければ［１］まず先端工具を現在よりもＡmmだけ加工物に遠ざけるように信号を出す、［２］周期が未だ許容範囲より長ければ移動方向と垂直な面内の角度をＢ°ずつ増やしていく信号を角度の許容範囲まで出す、［３］それでも許容範囲より長ければ移動方向と垂直な面内の角度をＢ°ずつ減らしていく信号を許容範囲まで出す、［４］再び［１］に戻り加工物より遠ざけて［２］および［３］の制御を行うことを、先端工具の位置の許容範囲まで行う。
【００９２】
変動周期の許容範囲は、ハンマーピーニングにおける供給空気圧に対しては0.003〜0.05秒、超音波衝撃処理における返送電圧の場合には0.038ミリ秒〜0.05ミリ秒とした。また位置および姿勢を示す座標および角度のパラメータは直交座標X、Y、Z、およびそれぞれの軸とのなす角θx、θy、θzを選択し、これらのパラメータの変動許容範囲は、ハンマーピーニングについては直交座標X、Y、Zについて±10mm、角θx、θy、θzについて±15°、超音波衝撃処理については直交座標X、Y、Zについて±5mm、角θx、θy、θzについて±10°とした。
【００９３】
制御ピッチＡおよびＢはハンマーピーニングの直交座標についてはＡ=2mm、角度についてはＢ=3°、超音波衝撃処理の直交座標についてはＡ=1mm、角度についてはＢ=2°とした。また先端工具の移動条件は図４に示す位置を処理するための条件を入力した。まず初期の移動方向はY方向とし、初期位置はコの字溶接部の溶接始端とし、初期姿勢はθx=θz=45°、θy=90°とし、これらを予め位置・姿勢制御装置であるコンピュータにインプットした。さらに工具移動条件として、最初の移動方向であるY方向に70mmだけ10cm/秒の速度で移動したのち、次にθx=90°、θy=θz=45°の初期姿勢で-X方向に向かって76mmだけ10cm/秒の速度で移動し、最後にθx=135°、θy=90°、θz=45°の初期姿勢で-Y方向に向かって70mmだけ10cm/秒の速度で移動する条件を入力した。
また、コンピュータと超音波衝撃処理装置の電源はケーブルにて接続し、これら超音波衝撃処理装置の振動開始・停止の命令が伝わるように工夫した。
【００９４】
保持機械については、NC機械を用いて位置・姿勢制御装置であるコンピュータからの制御信号を受けて動くようになっており、ハンマーピーニング装置および超音波衝撃処理装置の外装を保持するようホルダーを取り付けた。
【００９５】
これら加工物である部分モデル試験体、衝撃塑性加工装置であるハンマーピーニングおよび超音波衝撃処理装置、空気圧・周期解析装置または電圧・周期解析装置、位置・姿勢制御装置であるコンピュータ、保持機械であるNC機械を準備して通信可能なように接続した。
【００９６】
続いて動作状況をハンマーピーニングの場合について述べる。本システムを起動すべく、まずハンマーピーニングの電源が投入されて振動が開始され、続いて位置・姿勢制御装置からの信号が発信され、保持機械が初期位置・姿勢に制御された。初期位置および姿勢では先端工具が加工物からやや離れ気味であったため十分な塑性加工が与えられず、したがって供給空気圧変動における振幅の最も大きな周波数は2〜5Hzの範囲にあったため、変動周期は0.2〜0.5秒と長かった。このため、先端工具の座標X、Y、Zをいずれも2mm近づけたが、さらに変動周期が改善されなかったため角度を許容範囲内の±15°まで各ピッチで周期を調べたが改善されなかった。次に先端工具を４mm近づけた状態で供給空気圧の周波数が40Hz、すなわち変動周期が0.025秒まで短くなったため、工具をY方向に70mmだけ移動した。
【００９７】
第二ステップでも初期位置・姿勢で周波数が1〜4Hzの範囲、すなわち変動周期が0.25〜１秒と長かったため、先端工具の座標X、Y、Zを６mm近づけた状態で周波数が約50Hz、すなわち振動周期が0.02秒まで短くなった。これにより先端工具の移動が始まり、溶接線に沿って76mmの処理を行った。
【００９８】
さらに第三ステップでも先端工具の座標を６mm近づけたところで供給空気圧の変動周波数が20Hz、すなわち変動周期が0.05秒まで短くなったため先端工具の移動が始まり、溶接線に沿って70mmの処理を行い、コの字形溶接部の処理が終了した。溶接線全線に渡り良好な衝撃塑性加工部が得られた。
【００９９】
次に超音波衝撃処理の場合については、ハンマーピーニングと同じく、本システムを起動すべく、まず超音波衝撃処理の電源が投入されて振動が開始され、続いて位置・姿勢制御装置からの信号が発信され、保持機械が初期位置・姿勢に制御された。初期位置および姿勢では先端工具が加工物に近すぎたため工具先端が振動する余裕が無く、返送電圧は小さく、その周波数は200〜500Hzとなり、したがって変動周期は非常に長く2〜5ミリ秒であった。このため、先端工具の座標X、Y、Zをいずれも1mm遠ざけたが、さらに周期が改善されなかったので角度を許容範囲内の±10°まで各ピッチで周期を調べたが改善されなかった。先端工具を2mm遠ざけた状態で周波数が26000Hzまで上がり、すなわち返送伝達周期が0.0385ミリ秒まで短くなったため、工具移動を開始し、Y方向に70mmだけ移動した。
【０１００】
第二ステップでも初期位置・姿勢で周波数が約1kHz、すなわち変動周期が1ミリ秒と非常に長かったため、先端工具の座標X、Y、Zを2mm遠ざけた結果、周波数は25500Hzまで上がり、変動周期が0.00392ミリ秒まで短くなり、先端工具の移動が始まり、溶接線に沿って76mmの処理を行った。
【０１０１】
第三ステップでは先端工具が加工物から離れ気味になったため逆に周波数は27.5kHzと高く、すなわち周期は0.0036ミリ秒と短くなり、工具先端を3mm近づけた結果、返送電圧の周波数は25500Hzまで下がり、すなわち振動周期は0.00392秒まで長くなり工具移動が始まって70mmの溶接部処理が終了した。いずれの処理部分も良好な衝撃塑性加工が得られた。このように本発明により良好な衝撃塑性加工処理を安定して得ること出来た。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の衝撃塑性加工システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の衝撃塑性加工システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施例において本発明を適用する部分モデル試験体を示す斜視図である。
【図４】実施例において本発明を適用する部分モデル試験体の加工位置および先端工具の移動方向を示す平面図である。
【図５】本発明の衝撃塑性加工システムの別の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１０３】
100     衝撃塑性加工システム
102     先端工具
103     振動伝達部
104     振動体
105     外装
106     ばね
110     衝撃塑性加工装置本体
111     衝撃塑性加工装置の電源・制御装置
112     衝撃塑性加工装置
120     振動測定器
121     振動周期解析装置
122     位置・姿勢制御装置
123     保持機械の制御部
124     保持機械の保持部
125     保持機械
130     加工物
131     電気・空気測定・周期解析装置
【図１】
2006095598.tif 000003
【図２】
2006095598.tif 000004
【図３】
2006095598.tif 000005
【図４】
2006095598.tif 000006
【図５】
2006095598.tif 000007