リニアモータを用いた鍛金プレス成形に関する研究
長岡技術科学大学
助教

工学部

機械系

田中秀岳

（平成 21 年度一般研究開発助成 AF-2009028）
キーワード：CAD/CAM，鍛金，インクリメンタルフォーミング，リニアモータ
著者らはインクリメンタルフォーミングと同

１．緒言
現在，板材のプレス加工は自動車の車体パネル様に，ハンマリングによる逐次塑性変形を３軸の等から，身近な日用品に至るまで幅広い工業製品

工作機械あるいは産業用ロボットと局所打撃変の製造に，安価で大量に生産できる方法として広形を行う専用工具によって自動化する研究[3]をく利用されている．このプレス加工は一方で専用進めている．の金型やプレスに際し大きな加工圧力をもつ大先行研究においてはハンマの動きを自動化する型の工作設備が必要といった点から，多品種少量電動のハンマリングユニットを開発し適用した．

生産や試作品の迅速成形には不向きであり現在

これは DC モータ駆動のカム機構によって連続的も熟練工の手作業に頼っているのが現状である．にハンマリング動作を行うものであった．しかし，そこで近年，注目されているのが，インクリメンハンマリング速度は使用しているばね定数に依タルフォーミング（逐次成形加工）であり，数々存するため，任意のハンマ速度を再現することがの成形技術開発[1]や研究[2]が進められている．

不可能であった．そのため，常に一定のハンマ速一方，塑性加工には衝撃力を利用したハンマリ度で加工するため，人間の腕による鍛金のように，ング方式と呼ばれるものがあり，これは伝統的にハンマを振り下ろす速度を調節しながらの加工工芸品の分野で見られる手作業による鍛金作業ができなかった．

が知られている（図１）．この方式では熟練技能

本研究では先行研究での電動ハンマリングユを駆使して，フレキシビリティの高い形状を形づニットに代わるものとしてリニアシャフトモーくることができる反面，職人芸的な要素が強いたタに着目し，速度制御可能なリニアサーボハンマめ，その技術の習得には長い年月を必要とする．

リングユニットを開発して２軸の産業用ロボットに搭載した．
産業用ロボットは通常，ティーチングプレイバッ
クと呼ばれる教示によって動作するが，この方式
では人間の手による複雑な動きを再現することは困難である．そこで近年では，工作物の CADデータから生成される加工対象面の情報をもとにロボット動作プログラムを生成し，面取り，溶接などの加工を行い，ティーチングレス化を実現している研究[4]も存在する．しかし，鍛金加工ではその加工対象面が逐次変形しているため，人の手による加工の場合，その経験に頼った技法であ

図１

鍛金－ 271 －り，熟練工は工作物に対して様々な角度から適切るハンマリングの方法は静的な油圧力による方な打撃を行っている．そのため，工作物の CAD法であった．一方，著者らによる先行研究では電データによる加工を行う際にもその点を留意す

動ハンマリングユニットによる動的な打撃力にる必要がある．

よる方法であったが，鍛金加工の自動化を行う上本報では，対象工作物を定義した CAD データでの単純化のため，図２に示すように，DC モーから加工対象面の塑性変形に対応した工具経路

タによって回転するカムがハンマを持ち上げ，カを生成する鍛金加工用 CAM システムを開発した．

ムが外れるとスプリングによる加速落下を行う

そして得られた工具経路から，人間に近いハンマ機構であり，ハンマは下端のストッパによって静リング動作を再現できるリニアサーボハンマリ止する下死点を持った構造であった．工作物とのングシステムを構築し実験を行い，有効性を確認

位置関係により，変形量はハンマ下死点で制限さしたので報告する．

れており，人間による鍛金加工の成形原理とは異２．インクリメンタル鍛金加工なっていた．また，ハンマの速度はカムの寸法と２・１

スプリングのばね定数に依存し，常に一定の速度成形の基本原理

ハンマリングによる鍛金加工は，時間的に離散化した局所変形の集積による逐次成形であり，加でのハンマリングであり，任意のハンマ速度に調整することは困難であった．

工力は衝撃力を利用する．そのためハンマリング

実際の人間による鍛金加工では，ハンマの動きによる逐次成形法は他のインクリメンタルフォは下死点に拘束されておらず，ハンマの持つ運動ーミング成形法等に比べ大きなフレキシビリテ

エネルギーはすべて工作物の変形に費やされる．

ィを有している．

作業者はハンマの下死点を制御できないが，ハン基本的な成形原理は手作業での鍛金加工と同マの速度を微調整することによって，任意の変形じく，被加工材に汎用工具を用いて塑性変形を与量を工作物に与えることができ，工作物全体の変え，目的の形状に成形する方法である．手作業で形の進行状態や局部的な変形状態を考慮し，ハンの鍛金加工では主に金槌と当て金を用いて加工マの速度を調節することで破断避けながら任意を行うのが普通であるが，この場合，固定されたの形状に成形を行うことができる．

当て金に重ねる被加工材とハンマの両方を正確

人間による鍛金加工の原理に立ち返ると，よりにコントロールしなければならないため，自動化成形性を向上させるためにはハンマ速度の制御を行うことは困難である．

が必要である．そこで，本研究では，より人間に本研究では伝統工芸に見られる鍛金や彫金のよる鍛金加工の原理に近い動作を行うためリニ技法の一つである脂台(やにだい)を用いた打出しアシャフトモータによる速度制御可能なハンマに着目し，脂台を模した固定冶具を製作した．

リングユニットを構築した．

加工を行う際，工作物である板材を支持枠に固定し，下にサポート材を充填する．これによりハンマによる局部的な衝撃力が素板に作用した時，粘塑性体であるサポート材が板の周辺部を支持し，フレキシブルな当て金として作用するため，局部的な変形を板に与えることができる．
２・２

ハンマリングの方法

インクリメンタル鍛金加工自動化の先行研究[2]においては，工作物である素板に局所変形を与え－ 272 －

図２

電動ハンマリングユニットの原理

３．

リニアモータ鍛金プレス成形装置

速度制御可能なハンマリング動作を行う装置と３・１システム構成

して，リニアシャフトモータを適用し，２軸ロボシステムの概略を図３に，製作したリニアモータットに搭載した．先行研究においては，３自由度鍛金プレス成形装置を図 4 に示す．任意の３次元の場合，直交 3 軸及び電動ハンマリングユニット

CAD システム(本研究では SolidWorks， ソリッの 4 つのアクチュエータで構成されていたが，本ドワークス・ジャパン(株))により工作物の形状定研究で開発したシステムは，直交２軸及び Z 軸方義 を 行 い ，中 間 フ ァ イル フ ォ ー マッ ト で あ る向の位置決めを兼用しているリニアサーボハン

IGES 形式で出力する．定義された３次元モデル

マリングユニットの３つのアクチュエータで構は鍛金加工に対応させた CAM を用いて CAD デ成されている．ハンマの最大速度は約 4m/s であータから加工対象形状に工具経路を生成する．まり，打撃数は最大毎秒約 2 回まで可能である．ハ

た生成された工具経路は動作プログラムとして

ンマには直径 6mm の円筒形工具を用い，円筒の２軸ロボットに転送すると同時に，リニアサーボエッジは応力集中による破断を防ぐ目的で R1．

ハンマリングユニットを動作させる．

0mm に仕上げた．

使用した２軸ロボットは直交２軸 X-Y 産業用ロ３・２リニアサーボハンマリングユニット

ボット(FXYx， ヤマハ発動機(株))で，動作範囲

リニアシャフトモータはモータドライバを介100mm×140mm，最高速度 1．2m/s，位置決めして駆動されるが，高速動作に対応させるため，精度は±0．02mm である．また鍛金加工を行う

モータの制御にはエンジニアリングワークステー シ ョ ン 内 蔵 型 の FPGA カ ウ ン タ ボ ー ド(PCI-7811R， 日本ナショナルインスツルメント(株))を用い，インクリメンタル動作で直接駆動した．２軸ロボットはドライバを介してエンジニアリングワークステーションから RS-232C を用いて動作プログラムを転送した．また，２軸ロボッ
トの動作とリニアサーボハンマリングユニットは同期して動作し，任意の位置に任意の速度でハンマリングによる打撃を与えることが可能である．
４

鍛金加工用 CAM

４・１

図 3 システム構成

Kodatuno

金沢大学のマンマシン研究室で開発されている “ Kodatuno ” (Kanazawa univ ’ s Open

Hammering unit

Developed
600[mm]X-Y robot

Support base
460[mm]Alternative

Trajectory

Utility

Nucleus Object)[5][6]はマルチプラットフォームな オ ー プ ン ソ ー ス CAM カ ー ネ ル で あ る ．
Kodatuno は開発言語として C/C++を用いており，３次元形状を描画するための API として，OpenGL GLUT を使用している．さらに，GUI

400[mm]

図 4 リニアモータ鍛金プレス成形装置外観機能を追加するため，WideStudio を用いている．
これらのインターフェースを用いることによっ－ 273 －

て，マルチプラットフォームな環境が確保されての形状への加工が可能となる．本研究において，いる．Kodatuno は，CAD の中間ファイルフォー

鍛金成形装置用 CAM システムは，Kodatuno をマットである IGES データを読み込むことが可能基にして構築されている．

である．IGES データから読み込まれた全ての要５．

素は NURBS 曲線および NURBS 曲面により描画開発した装置の有用性を確認するため耐久実験，される．Kodatuno に含まれている NURBS 曲線

三角錐，四角錐，六角錐，部分球の成形実験およおよび曲面に対する操作関数および演算関数をび速度実験を行った．また本実験で使用した工作組み合わせることによって，CAM 開発者は各々物は 150[mm]×110[mm]×0．5[mm]のアルミ板の目的に合ったアプリケーションを構築するこ(A1050)を用いた．とが可能である．

５・１

成形実験

耐久実験

リニアモータ鍛金加工に対応した CAM開発した装置を用いて工作物をハンマ速度 0．

切削加工用 CAM において，生成されたパス上2[m/s]で 9000 回叩く耐久実験を行った．工具経を工具が通過した場合，工具の包絡面が通過した路は中心から外側へ向かう経路との外側から中箇所を全て除去するモデルである．しかし鍛金で心へ向かう経路 2 つのパターンを用意して実験をは，ハンマで加工した箇所が必ずしも想定した通行った．図５(a)に中心から外側へ叩いて成形したりに変形するとは限らない．また，ハンマ速度が薄板を示し，図５(b)に外側から中心へ叩いて成形異なると，同一の工具経路を生成しても成形品のした薄板を示す．図５(a)の板は 9000 回全て叩く

形 状 は 大 きく 変 化 し てし ま う ． よっ て 鍛 金 用ことができた．9000 回叩くまでに費やした時間

CAM では，工具経路の他に，より目標形状に近は約 2 時間半である．図５b)の板は叩いた回数がい加工を行うための各種パラメータを与える必3000 回を過ぎたあたりから破断が確認できた．

要がある．工具経路，ハンマ速度および X-Y ロボ

図５(a)の工作物の深さは 7[mm]であることが確

ット速度を CSV ファイルとして出力し，リニア認でき，図５(b)の工作物の深さは 12[mm]である

サーボハンマリングシステムへ送ることで，任意ことが確認できた．図５(a)，図５(b)の結果によ

４・２り開発した装置が充分動作し，工具経路により工作物の成形性が異なることを確認した．
５・２速度変化実験

開発した装置が指定した速度で鍛金加工が可7[mm]12[mm]能であることを確認するために速度実験を行った．実験条件として加工する形状は三角錐とし，(a)Outward
図５(b)Inward

ハンマの速度は 0．5[m/s]，0．7[m/s]の 2 種類を耐久実験結果用いた．図６(a)に 0．5[m/s]で加工した工作物を示し，図６(b)に 0．7[m/s]で加工した工作物を示す．図６(a)の工作物の深さは 9[mm]であることが確認でき，図６(b)の工作物の深さは 14[mm]で9[mm]14[mm]あることが確認できた．
５・３(a)ハンマ速度 0.5[m/s] (b)ハンマ速度 0.7[m/s]図６

ハンマ速度による成形深さの違い三角錐，四角錐，六角錐，部分球の成形実験

工作物形状が三角錐，四角錐，六角錐，部分球を成形する実験を行った．実験装置に三角錐，四角錐，六角錐，部分球に加工する動作プログラムを－ 274 －

与え鍛金加工を行った．図７に成形した工作物を参考文献示す．例えば，図７(d)の部分球を完成させるまで[1] 松原茂夫，数値制御逐次成形法，塑性と加工，に費やした時間は約 30 分である．加工結果より

vol．35，no．406(1994)，1258-1263．

多角錐，部分球などの比較的単純な形状の加工が[2] 長谷部忠司，島進，ハンマリングによるフレ可能であることが確認できた．

キシブル成形法に関する研究，塑性と加工，６．

vol．35，no．406(1994)，1323-1329．

結論

リニアサーボハンマリングシステムを開発し，以[3] 田中秀岳ほか: 塑性変形型ラピッドプロトタ

下の知見を得た．

イピングの開発研究（CAD データに基づいた

1.

リニアシャフトモータを用いて鍛金加工が鍛金加工の成形特性），日本機械学会論文 C可能であることを実証した．

編，214

2.

3.

開発したリニアサーボハンマリングユニッ[4] 浅川直紀ほか: 産業用ロボットによる面取り

トは指定した速度で加工することができ，速品質のコントロール : 安全性を重視した面度を変化させた結果，成形深さの異なる工作取りの場合，日本機械学会論文 C 編 68(673),物を得た．

2811-2816

六角錐，部分球など比較的単純な形状を加工[5] 熊坂拓也ほか:プラットフォームに依存しないオープン CAD カーネルの開発，2010 年度することができた．

精密工学会春季大会学術講演会後援論文集，
B21，2009[6] http://www-mm ． hm ． t ． kanazawa-u ． ac ．
jp/research/kodatuno/(a) Three-sided pyramid (b) Four-sided pyramid

謝辞
本研究は財団法人天田金属加工機械技術振興財
団 平成 21 年度研究助成(AF-2009028)により遂行された．関係諸氏に謝意を表する．

(c) Six-sided pyramid (d) Partial spherical shell
図 7 様々な形状の成形結果－ 275 －