住友重機械技報 196
No.

2018

産業車両特集論文・報告 フィールドビューモニター２の開発

１－単眼カメラの画像認識による油圧ショベルの周辺確認サポート機能－

清田芳永，大槻俊介，相澤

技 術 解 説 ICT施工対応油圧ショベル SH200-７ MG・MC仕様

晋，李

丹亭

泉川岳哉

７

ホイール式アスファルトフィニッシャ HA60W-10

馬場信行

11

350 tづりクローラクレーン SCX3500-３

星野浩之

13

バッテリ式フォークリフトの旋回速度制御

鈴木雄士

17

非平衡分子動力学法による超音速ノズル流と凝集の解析

松村裕也

19

論文・報告

STAF
（Steel Tube Air Forming）
プロセスの開発

石塚正之，清水

慧

23

196

2018

Development of Field View Monitor２
T / P APERS －Assisting function for safety check around hydraulic excavator using real-time image recognition with monocular cameras－

1

Sumitomo Heavy Industries
Technical Review

No.

Special Issue for Industrial Vehicles
Yoshihisa KIYOTA, Shunsuke OTSUKI, Susumu AIZAWA, Danting LI-７ MG/MCT/INVITATIONS Hydraulic Excavator for ICT Construction SH200
Wheeled Paver HA60W-10

Takeya IZUMIKAWA

Nobuyuki BABA

Crawler Crane SCX3500-３
Hiroyuki HOSHINO

Safety Turn Control of Battery Forklift
Yushi SUZUKI

T / PAPERS

Supersonic Nozzle Flow and Condensation Analysis by Non-equilibrium Molecular Dynamics
Yuya MATSUMURA

Development of STAF（Steel Tube Air Forming）Process
Masayuki ISHIZUKA, Satoshi SHIMIZU

７
11
13
17

19
23

Special Issue for Industrial Vehicles

産業車 両 特 集

産業車両特集

論文・報告

フィールドビューモニター２の開発

フィールドビューモニター２の開発－単眼カメラの画像認識による油圧ショベルの周辺確認サポート機能－
Development of Field View Monitor２－Assisting function for safety check around hydraulic excavator using real-time image recognition with monocular cameras－

●清

田

芳

永＊

Yoshihisa KIYOTA

大

槻

俊

介＊

Shunsuke OTSUKI

相

澤

晋＊

Susumu AIZAWA李丹Danting LI亭＊

油圧ショベルのフィールドビューモニター２
Field View Monitor２ on hydraulic excavator

油圧ショベルに搭載した３台の単眼カメラの画像をリ
アルタイムで認識し，人らしい像があればモニタ表示と音で知らせるフィールドビューモニター（FVM：Field
View Monitor）
２を開発した。すでに，標準装備のFVMは３台の単眼カメラの画像をリアルタイムに合成してモニタ表示し，油圧ショベルの後方270 °をひと目で確認できる機能であり，直感的な分かりやすさやNETIS VE登録により好評を得た。画像認識機能の追加により，オペレ
ータにモニタ確認のきっかけを与え，より確実な周辺確認をサポートする。

１

1

まえがき

We developed a function for real-time image
recognition using three monocular cameras equipped
on a hydraulic excavator. This function creates arectangular bounding box around any recognizedhuman-like shape, and gives a warning sound. The
current FIELD VIEW MONITOR (FVM) system, which
is offered as part of the standard equipment, is able todisplay real-time stitched 270-degree video taken by
the three monocular cameras at the back of hydraulicexcavator on the monitor. This system earns a good
reputation among customers for providing operatorswith an easy and intuitive safety confirmation method,and for registering in NETIS VE. We believe that
adding our new image recognition function to the FVM
system will offer more reliable safety confirmation, byfurther providing operators with the timing of checking
the monitor.

従来機能であるFVM⑴は，油圧ショベルの後方，右側方，左側方に広角・高感度でダイナミックレンジが広い単眼カメ

油圧ショベルは，人と比べて大型で重量が大きく動きも速ラを３台搭載している。それらの画像をリアルタイムで合成い。周辺に作業者や障害物が混在する現場では，安全を確保

し，運転室内のモニタに表示することにより油圧ショベルのすべく確実な周辺確認が求められる。しかしながら，車体の後方270 °をひと目で確認できる。図１に，カメラ配置と合

左前方にある運転室からは，エンジンフードやカウンタウエ

成画像の事例を示す。

イトが視界を遮り，特に車体後方と右側方にオペレータから

FPGAによるパイプライン処理で，フレームレートが低下

直接目視できない死角が多くなることから，ミラーやカメラすることなく画像を合成表示する。車体のごく近傍から地平で周辺確認を可能にする必要がある。

線の上空までカバーし大型の物体でも全体を映し出せること＊技術本部

住友重機械技報 No.196 2018

論文・報告３方向の車載カメラ

図１

従来機能であるFVM
Current FVM

図２

画像上の人の見かけ変化
Changes in human appearance in camera images

フィールドビューモニター２の開発

合成画像の事例と，旋回動作を伴う油圧ショベルに好適な円形画像が特長と

目標２：３方向のカメラ画像を毎秒10回以上認識してあげられる。2011年に油圧ショベルのオプションとして

目標３：小型で安価な車載装置

販売を開始し，後に標準装備とした。直感的な分かりやすさ

高価な３Dセンサなどを用いず，単眼カメラのみによりロと，NETIS VE登録
（登録No. KT-110057-VE）
により好評をーコストで簡便なシステム構成としながら，FVMの合成画得ている⑵。

像がカバーする範囲全体を画像認識することを目的としていしかしながら，オペレータによってミラーやモニタ確認のタイミングや頻度が異なることから，たとえば作業に集中しる。
本報では，設定した目標を実現するに当たっての技術課題てモニタから目を離している間に，周辺の作業者が油圧ショと解決方策および実際の動作事例を紹介する。

ベルに接近してしまうという状況が想定される。そこで，カ2.2

メラ画像から人らしい像を認識してモニタ表示と音で知らせ（1）画像認識による人らしさ評価ることでオペレータに周辺確認のきっかけを与える機能を開
発した。

２
2.1

開発における目標および技術課題
目標

技術課題
・課題１：画像上での人の見かけ変化
背景と服装の色のコントラスト，上半身と下半身で色が異なる服装，携行品，カメラに対する位置や向き，
ポーズなど，画像上の人の見かけは多様に変化する。
また，人の身長よりも高い油圧ショベルの車体上面に開発に当たっては，次の３項目を目標とした。

カメラを設置するので，人がカメラに接近した場合と目標１：画像認識のみによる人らしさ評価

離れた場合では，像の大きさだけでなく，頭と体の比
住友重機械技報 No.196 20182

論文・報告フィールドビューモニター２の開発

注目領域

車体の像による遮蔽
画像範囲外

画素情報の欠損

図３

視野の端での画素欠落
Example of missing pixels at corner of image

トラッキング（左）注目領域リスト

カメラ
（左）

情報共有
カメラ
（後方）

画像
取得

注目領域
スクリーニング

注目領域
切出し

絞り込まれた注目領域リスト
カメラ
（右）

図４

人らしさ評価部分画像

画像認識処理情報共有
トラッキング（右）画像認識処理の全体構成
Overall structure of image recognition system率など見かけが大きく変化する。図２に，画像の例を

機械学習で人らしさの評価モデルを獲得するには，人示す。本開発では認識する人を歩行者に限定したが，とそれ以外の正解を付与した大量の教師画像が必要とな

それでもあらゆる見かけの変化を想定して人らしさをる。そこで，油圧ショベルの使用現場を模擬した環境に数値化するアルゴリズムの手動設計は困難である。

レーザセンサとカメラを設置し，レーザセンサで人の位

・課題２：広角カメラ画像の歪み

3

トラッキング（後方）置を計測しながらカメラ画像を収集した。そして人の位

後方カメラと側方カメラの境界部も隙間なくカバー

置の計測結果にもとづき，カメラ画像上に注目領域を設すべく広角カメラを採用し，車体のごく近傍から遠方定し，画像を切り出してデータベースに格納した。さらまでをカバーすることを目的として斜め下向きに設置に，カメラに対する人の位置，撮影日時，背景や天候，する。これにより視野の左右端では物体の像が傾いて注目領域が画像範囲外や車体の像に及んだ範囲，切出し

映り，視野の下端に車体の像が映りこむ場合がある。

元のカメラ画像も併せてデータベースに格納した。

図３に，画像の例を示す。人らしさを評価すべく像をこのデータベースから，カメラとの距離がごく近い範囲む注目領域を設定すると，一部が画像範囲外や車体

囲とそれ以外の範囲に分けて無作為にサンプルを抽出し，の像に及び，画像情報が欠損する。

さらに画像範囲外の画素や，車体の像にかかった画素の

目標１の，「画像認識のみによる人らしさ評価」を達

割合が大きいサンプルを除外して人の教師画像とした。

成するには，これらの技術課題を解決する必要がある。

これは画像範囲外の画素や車体の像を，人らしさの特徴

本開発ではその解決に向け，機械学習による評価モデル

として学習させないことを目的としている。

を採用した。

なお人以外の教師画像は，人が映っていない画像に任意
住友重機械技報 No.196 2018

論文・報告表１
画像合成制御メンテナンス
画像合成

画像取得

画像取得 呼出し

画像認識

トラッキング

FPGA部

マイコン部
プログラマブルSoC

図５

フィールドビューモニター２の開発

システムの概略仕様
System outline specifications

カメラ画像入力

信号形式

NTSC

画像合成出力

信号形式

NTSC

トラッキング出力

通信方式

CAN

CPU

デュアルコア 800MHz

RAM

2048MB DDR３L SDRAM

画像合成処理メモリ

64Mbit SDR-SDRAM

外形寸法
（mm）

215×128×36

プログラマブル SoC

車載ユニットプログラマブルSoCを用いたシステム化
Systematization using programmable SoCの注目領域を設定し，無作為に抽出したものである。
人の教師画像の収録に当たっては，服装や背景の組合
わせを増やすよう心がけたが限度がある。そこで，機械

布にもとづいて特徴ベクトル変換し，機械学習モデルで評価する。機械学習モデルは，軽量なランダムフォレス
トである。

学習の前処理として輝度勾配方向の分布にもとづく特徴

注目領域切出し処理は，注目領域スクリーニング処理

ベクトル変換を行い，それを84分割した部分特徴ベクトが絞り込んだ注目領域内の画素を抽出し，大きさを統一

ルごとに正規化することで，背景と服装のコントラスト，

した部分画像に正規化する。

上半身と下半身で色が異なる服装などの影響を受けにく

人らしさ評価処理は，注目領域切出し処理が生成した

くした。機械学習は，正規化した部分特徴ベクトルを選部分画像に対し，課題1，２で説明した人らしさ評価モ

択して最大99回のロジスティック回帰を行うアンサンブ

デルを適用し，閾値と比較して人らしいかどうかを判定

ル学習である。

する。

（2）画像認識処理と全体構成
・課題３：画像認識処理サイクルの高速化と安定化

トラッキング処理は，画像認識処理が人らしいと判定した注目領域の位置，時刻およびカメラIDを入力し，人計算回数が多い画像認識処理を安定した時間サイクの移動とカメラの移動の想定範囲内で人らしさ判定の継ルで実行し続ける必要がある。FPGAでハード化して続性を評価し，人らしさ判定継続中の対象の位置情報を処理時間のばらつきを低減するが，ローコストな FPGA

出力するソフトウェアである。出力する位置情報は対象

では乗算器や内部メモリなどのリソース制限が厳しい。

を囲む矩形であるが，前述の注目領域とは異なるように

・課題４：注目領域の高密度な配置

あらかじめ計算したものであり，視野の端や移動中の人

人らしさを評価する注目領域は，検出範囲を限定しもうまく囲むことができる。また，対象が複数のカメラてもカメラ１台当たり数千箇所が必要である。だが，の視野をまたいで移動する場合を想定し，隣接するカメ

これらのすべてについて人らしさを評価すると，計算ラ間で対象の情報を共有する機能を備え，さらには対象量が多すぎて目標処理周期を達成できない。

が複数ある場合に各カメラからの距離が近い順に選択す

目標２の「３方向のカメラ画像を毎秒10回以上認識」

る機能も備えている。ヒストグラムフィルタ⑶を応用しを達成するには，これらの技術課題を解決しなければな

た軽量なアルゴリズムで，ソフトウェア処理でも全体のらない。本開発では，図４に示す構成を採用した。
注目領域は，カメラに対する人の位置ごとに，画像上で人を囲む矩形をあらかじめ計算したものである。

画像認識サイクルに影響を与えない。
（3）システム構成とハードウェア
・課題５：基板面積の縮小
従来機能の画像合成モジュール，前述の画像認識処

画像認識処理は，カメラ画像から抽出したグレースケ
ール画像を入力し，人らしいと判断した注目領域の情報

理モジュールを実行するFPGAと，前述のトラッキンを出力するFPGAモジュールである。３台のカメラから

グソフトウェアを実行するCPUを，それぞれ個別に搭の画像を時分割で入力してFPGAモジュールを共有する

載すると基板面積が拡大して高価になり，装置外形もことで，FPGAリソースの消費を削減した。注目領域ス

大きくなり車載しづらくなる。

クリーニング処理，注目領域切出し処理，人らしさ評価

目標３の「小型で安価な車載装置」を達成するには ，処理を備えている。
注目領域スクリーニング処理は，視野内の注目領域をすべて入力し，注目領域を切り出すことなく，簡易な画

この課題を解決しなければならない。本開発では，図５に示す構成を採用した。表１に，構成の概略仕様を示す。

像認識で候補を絞り込む。ここでの画像認識は，注目領プログラマブルSoCは，FPGA部とCPUおよび各種ペ

域に人らしい像があると仮定して，その一部分を輝度分

リフェラルインターフェースを有するマイコン部を同一
住友重機械技報 No.196 20184

論文・報告フィールドビューモニター２の開発

車体から0.5〜2.0 mの範囲内（後方は4.0 mまで）

図６

多様な見かけ変化への対応
Example of dealing with various appearance changes

図８

視野の端での認識結果
Example of recognition results at boundary of ２ cameras

チップ内に納めたものである。
FPGA部には，画像合成モジュールおよびそれを制御

認識範囲に隙間がないことの検査
Recognition range (shown in light points) with no gaps within
２-meter line

を含め，隙間なく人らしい像をトラッキングできることが分かる。

するモジュールと，画像認識モジュールおよびそこにグ

図８に，隣接カメラ間の境界部に沿って人を歩行接近させレースケール画像を供給する画像取得モジュールを一体たときのトラッキング出力をモニタ表示した事例を示す。広化した。マイコン部には，画像取得モジュールを呼び出

角カメラの画像歪みに対応し，視野の端付近で像が倒れて見すソフトウェア，トラッキングソフトウェアおよび各える場合でも，人らしい像があればモニタ表示できることがFPGAモジュールやソフトウェアを設定し，調整するメ分かる。

ンテナンスソフトウェアをインストールした。

３

図７

動作の事例

図６に，カメラに対する人の向きや距離，服装や背景の種類がさまざまである場合のトラッキング出力をモニタ表示した事例を示す。画像上での見かけの変化によらず，人らしい像があればモニタ表示できていることが分かる。

従来機能であるFVMの合成画像上にトラッキング出力を表示した事例を図９に示す。油圧ショベルの後方270 °をひと目で周辺確認できるだけでなく，人らしい像があればモニタ表示と同時に音でも知らせ，周辺確認のきっかけとすることができる。
図10は，人ではないものを人らしいと判定した時のトラッキング出力をモニタ表示したものである。この誤認は，単眼

図７は，油圧ショベルの周辺におおむね格子状の検査位置

カメラ画像のみで奥行き情報を利用できないことと，機械学を設定し，各検査位置に一定の滞留時間で人を立たせ，その習モデルによる人らしさ評価のみで，人体を構成する腕，脚 ，ときのトラッキング出力の頻度を濃淡画像にしたものである。

体および頭などの有無や，形状までは評価していないことに色が明るい点ほど，連続して人らしいと判定し続けたことをよる。

意味する。隣接カメラ間の境界部，油圧ショベルのごく近傍
5

住友重機械技報 No.196 2018

論文・報告図９

画像認識結果を合成画像上へ表示した例
Example of displaying recognition results on top of stitched image

図10

人ではないが人らしいと判定した例
Example of recognizing background as human by mistake４むすび（1）油圧ショベルに搭載した単眼カメラの画像を認識し，人らしい像があればモニタ表示と音で知らせることで，フィールドビューモニター２の開発(3) Sebastian Thrun, Wolfram Burgard, Dieter Fox, Probabilistic
Robotics, The MIT Press.
※「FVM」は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

オペレータに周辺確認のきっかけを与えるFVM２を開発し実用化した。
（2）FVM２は，住友建機株式会社が油圧ショベルの一部機種の標準装備として販売を開始した。
（3）実際にFVM２を実現場で使用している顧客からは，「音で気付き，表示で確認できるのは，注意喚起となり非常に良い」，「人を囲う枠の表示は分かりやすくて良い」などの好評を得ている。
（参考文献）(1) 清田芳永, 因藤雅人, 加藤英彦, フィールドビューモニターシステムの開発 − 映像合成による油圧ショベルの周囲確認支援システム−, 住友重機械技報, No.179, 2012, p.5.
(2) 新技術情報提供システム(New Technology Information System:
NETIS), http://www.netis.mlit.go.jp/NetisRev/NewIndex.asp, 2018年８月現在.

住友重機械技報 No.196 20186

産業車両特集

技術解説

ICT施工対応油圧ショベル SH200 -７ MG・MC仕様

ICT施工対応油圧ショベル SH200-７ MG・MC仕様
Hydraulic Excavator for ICT Construction SH200-７ MG/MC
●泉

川

岳

哉＊

Takeya IZUMIKAWA

SH200 -７ ３DMC仕様
SH200-７ ３DMC overview

１

はじめに

２

システムの概要

住友建機株式会社では，特定特殊自動車排出ガスの規制等

図１に，ICT油圧ショベルSH200-７ MG・MC仕様の機器に関する法律（オフロード法）
2014年基準に適合し，また国土構成を示す。Trimble社製Earthworksシステムを搭載し，住交通省が推進するi-ConstructionをはじめとするICT施工に対友建機のシステムと融合することでMG・MCの機能を実現し応可能なICT油圧ショベルSH200-７のMG（マシンガイダン

ている。

ス）
・MC
（マシンコントロール）仕様を開発した。本報ではその概要について紹介する。

ショベルの本体とブーム，アームおよびバケットリンクに設置されたIMU（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）

国土交通省では，土工における調査・測量，設計，施工おによりショベルの姿勢を高精度に検知する。３D仕様では，よび検査のプロセスにおいてICTや３次元データを活用し，

GNSS（Global Navigation Satellite System）
アンテナと通信生 産 性 の 向 上 や 魅 力 あ る 建 設 現 場 の 実 現 を 目 指 す i-

機器が搭載され，衛星測位情報と補正情報によりショベル本

Constructionを進めており，ICT土工の施工件数は着実に増体の絶対的な位置を検知する。ICTコントローラは各IMUと加している。ただ，施工現場の規模や作業内容によっては，

３D機器からの情報により作業機の位置を算出し，さらに設

２次元のシステムでも安全性と生産性の向上は可能であり，定されている施工目標面とバケット爪先との距離情報を算出

必ずしも３次元データの活用が必要なわけではない。

する。その結果はショベルコントローラに入力され，モニタ

住友建機では，さまざまな現場や顧客のニーズに応えるべ

ディスプレイにガイダンス情報として表示される。オペレー

く，小規模な現場でも導入が容易な２DMG仕様，作業機をタはこのガイダンス情報を確認しながらショベルを操作する

半自動制御することによりオペレータの負担を軽減し，効率

ことで，設定されている施工目標面どおりに施工することが的に作業ができる２DMC仕様，さらにi-Constructionに対応可能となる。

可能な３DMG，３DMC仕様と，４種類のICT油圧ショベル

施工目標面の情報はモニタディスプレイにより設定するこを開発した。各仕様はMGからMCへ，２Dから３Dへそれぞとが可能で，２D仕様であれば，深さと勾配，３D仕様ではれアップグレードすることも可能であり，さらにSH200-７

設計データにもとづいて設定することが可能である。施工目

標準仕様からのアップグレードも可能である。

標面は操作レバーに設置されている専用スイッチでも設定できる。

7＊住友建機株式会社

住友重機械技報 No.196 2018

技術解説

ICT施工対応油圧ショベル SH200 -７ MG・MC仕様

３D専用パーツ

共用パーツ

ショベルモニタ

ショベルコントローラ

無線機・ゲートウェイ

GNSS 受信機

ICTモニタ

MC専用パーツ

バケット
傾斜センサ

図１

ブーム・アーム
傾斜センサ

ICT コントローラ（車体傾斜センサ）

MCバルブ

SWユニットMG・MC仕様の機器構成図
MG・MC configuration diagram

MC仕様では，ICTコントローラはバケット爪先距離情報

れたレバースイッチ（図４，図５）で操作することができる。

から作業機を半自動制御する指令値を算出し，MCバルブを操作レバーは，通常のショベルと操作感が変わらないように制御することでMC機能を実現する。MC半自動制御により，標準仕様の油圧ショベルと同一のものを使用している。レバオペレータはアームを操作するだけで施工目標面どおりに施ースイッチは，ショベルの操作を妨げず，かつスイッチ操作

工することが可能となる。

がしやすい位置に取り付けられている。２DMG仕様の操作

2.1 モニタディスプレイ
（図２，図３）

レバーには，基準点の設定やガイダンスモードと測量モード

２DMG仕様では，ショベルの標準モニタでガイダンス情報の確認や設定を行うことができる。ライトバーやバケットの切替えなどのスイッチが，２DMC仕様には半自動制御の
ON/OFFスイッチが取り付けられている。

爪先距離などのガイダンス情報は色分けされ，大きく表示す

半自動制御については，安全性を考慮して半自動制御スイることで視認性を向上させている。また，バケット爪先で指ッチをON操作している時のみ作動し，オペレータが危険回定した任意の２点間の距離を測定できる測量モードも搭載さ

避操作などの通常操作を行うときにはスイッチを放すだけでれており，掘削作業以外でも出来形や構造物のおおよその高直ちにOFFになるよう設定されている。半自動制御スイッチ

さや角度のチェックなどをショベルから降りずに行うことがは，レバーの握り方が異なるさまざまなオペレータが容易にできる。

操作できるように位置調整が可能なトリガタイプとなっていガイダンス情報と併せてカメラ画像も同時表示可能であり，リヤカメラ画像やショベルの周囲270 °を映し出すFVM（フる。
2.3 ３D機器

ィールドビューモニター）画像だけでなくショベル周辺の人

３D仕様で使用するGNSSアンテナはカウンタウエイト上に対するお知らせ機能付き周囲監視装置FVM２画像も同時に，無線機はキャブ後方に設置されている。これらの機器は，に確認でき，ガイダンス使用中も安全に作業を行うことがで作業機の位置算出精度や，低緯度衛星からの受信性能およびきる。

ブーム姿勢による衛星測位や無線通信への影響を考慮し設置MC仕様や３D仕様ではICT専用の10インチタッチパネルモ
ニタが追加され，設計データを含むより多くの情報を確認・設定することができる。設計データ上に平面図の画像を重ねて表示することが可能となっており，施工の状況をより把握しやすくなっている。この場合もショベルの標準モニタではカメラ画像，FVMおよびFVM２の画像が確認可能である。
2.2 レバースイッチ
使用頻度の高いMG・MC機能は，操作レバーに取り付けらされている。
２D仕様機には３D機器の後付けを容易に可能にすべく，各機器の近傍に接続用のコネクタが準備されている。

３

MC 仕様の半自動制御

MC仕様機では，施工目標面にバケットの爪先が沿うように半自動制御を行うことでオペレータの負担を軽減し，効率良く操作ができるようになる。
住友重機械技報 No.196 2018

8

技術解説

図２

２DMGモニタ表示例
２DMG monitor display example

図３

２DMC・３DMCモニタ表示例
２DMC・３DMC monitor display example

MC仕様機に搭載された半自動制御について次に示す。
3.1 油圧システム概要

9

ICT施工対応油圧ショベル SH200 -７ MG・MC仕様

り作業量を優先する場合は速く，精度を優先する場合はゆっくりとレバーを操作することで，荒掘削から整地作業まで直SH200-７では低燃費と高作業量を両立した新油圧システ

感的な操作で効率良く作業を行うことができる。また，オペム「SIH：Sα」を搭載しており，フル電子制御化された油レータが危険回避操作などのレバー操作を行った場合は，半圧ポンプによる緻密な流量コントロールを可能にするととも自動制御よりオペレータの操作が優先されるように制御されに，電子制御を組み合わせた大容量コントロールバルブによる。

り，作業に応じた最適油圧制御を実現している。

3.2 ブーム半自動制御

SIH：Sαでは，オペレータのレバー操作によるパイロッ

ICTコントローラは，ショベルの姿勢とオペレータの操作

ト圧力や，シリンダ圧力情報を圧力センサより検出し，現在

状況からバケットの爪先が施工目標面に沿うようにブームの

油圧ショベルが行っている作業内容を，ショベルコントロー

半自動制御を行う。半自動制御はブームの上げ下げの両方にラにて把握することが可能である。動作に合わせて油圧ポン

対して行われ，作業機の遠方から手前側まで幅広い範囲の整プ馬力設定および流量制御の最適化を図り，重負荷作業時の地作業をアームレバー操作のみで行うことができる。ブーム

力強さ，整地作業時のスムーズな作業性および燃料消費の改半自動制御は，アーム操作だけでなくバケット操作に対して善を実現している。

も行われる。バケット単独掘削時でもバケット操作が止まる

MC仕様機では，新油圧システムのSIH：SαとTrimble社

ことなく施工目標面に沿うようブームが半自動制御される。

製のEarthworksシステムを融合させることで，標準機と変わ半自動制御は，レバーに装着されている半自動スイッチがらないスムーズな作業性と低燃費性能を両立した半自動制御

ONの状態で，施工目標面とバケットの爪先の距離が所定のを実現している。MCの半自動制御状態においてもオペレー範囲にあるときのみ作動し，オペレータが意図せずに半自動

タはレバー操作量に応じた速度で作業機を操作でき，精度よ制御が作動することを防止している。
住友重機械技報 No.196 2018

技術解説

図４

２DMGレバースイッチ
２DMG lever switch

図５

ICT施工対応油圧ショベル SH200 -７ MG・MC仕様

２DMC・３DMCレバースイッチ
２DMC・３DMC lever switch

ブーム半自動制御

アームレバー操作

バケット半自動制御

図６MC仕様の半自動制御
SH200-７MC semi-automatic control

3.3 バケット半自動制御
ブームの半自動制御時にバケットの底面角度が施工目標面

４

おわりに

に対し平行状態を保持するよう，バケット角度の半自動制御

i-Constructionが目指している生産性と安全性の向上に着

が行われる
（図６）
。これにより，オペレータはアームレバー

目して開発したSH200-７MG・MC仕様について紹介してきの操作のみで法面成形作業を行うことができる。

た。分かりやすいガイダンス表示，測量モードやお知らせ機

バケット角度の半自動制御は，バケット底面角度と施工目

能付き周囲監視装置FVM２が表示可能なモニタ，作業性を標面とがほぼ平行状態となる所定の条件を満たした場合に作損なわず効率良く操作することが可能なレバースイッチ，ス

動し，掘削作業中などのバケット角度が施工目標面と平行でムーズな操作性と低燃費性能を両立させた半自動制御により，ない場合には作動しないので，通常のショベルと同様に掘削

生産性や安全性が向上し，さらにはオペレータの疲労軽減が作業を行うことができる。法面から小段を連続的に成形する期待できる。今後もさらなる生産性と安全性の向上をめざしような場合でも，施工目標面の変化点でオペレータがバケッて新しい技術開発を進めていきたい。

ト底面角度をほぼ平行に合わせることで，連続的なバケット
角度の半自動制御を行うことができる。

※「FVM」は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

また，半自動制御されるバケット底面角度は施工目標面に対して上下調整することが可能となっている。硬い土質での爪先を立てた掘削や，柔らかい土質でのバケット底面を押し付けながらの成形など，作業に合わせて調整を行うことができる。
住友重機械技報 No.196 201810

産業車両特集

技術解説

ホイール式アスファルトフィニッシャ HA60W-10

ホイール式アスファルトフィニッシャ HA60W-10
Wheeled Paver HA60W-10
●馬

場

信

Nobuyuki BABA

行＊

表１

主要仕様
Main specifications

全長

mm

全幅

mm

2 490

mm

2 575
（キャノピなし）/
3 640（キャノピ付き）

寸
全高
法

6 955

ガス加熱 13 860（TV＊仕様）/13 490（V＊＊仕様）

質量（標準仕様）

kg

舗装幅

m

2.3～6.0
（無段階）

舗 舗装厚
装
舗装速度
能
力 締固方式mm

10～300

電気加熱

m/min

１～20

ー

TV仕様/V仕様

ホッパ容量t

メーカー 型式

ー

11
いすゞ

エ
L
ン 総排気量ジ 定格出力（ネット） kWン
最大トルク（ネット） N・m

図１

１

＊ TV：タンパ＆バイブレータ

ホイール式アスファルトフィニッシャ HA60W-10
Wheeled paver HA60W-10

４JJ１X

2.999
86/2 200（r/min）
375/1 800
（r/min）＊＊ V：バイブレータ

搭載するなど，利便性・安全性をより改善した。また，

はじめにオプション装置についても，３つのカメラ映像を合成しアスファルトフィニッシャは道路舗装工事に使用される建て周囲270°が監視できるFVM（フィールドビューモニタ

設機械で，アスファルト混合物を規定の幅・厚さで敷きならー）のほか，FRPキャノピの準備・収納操作をハンドポ

し，締め固め，道路の舗装を連続的に行う機械である。そのンプによるポンピングから油圧シリンダによる昇降にす

機種構成は，最大施工幅が4.5 m未満のミニ，4.5～6.0 mの中ることで省力化を図った。

型およびそれ以上の大型に分類される。また，走行方式でホ（3）クリードには，2.3～6.0 mまで無段階で伸縮できる利

イール式とクローラ式に分類される。

便性により高い評価を得ているJ・Paver方式を採用した 。

本報では，中型に分類される最大施工幅6.0 mのホイール式

加熱方式は，ガス加熱仕様と電気加熱仕様をラインナッ

アスファルトフィニッシャを特定特殊自動車排出ガスの規制プしており，ガス加熱仕様ではサイドプレートに熱風が等に関する法律（オフロード法）
2014年基準に対応させるべく通過するダクトを設け，電気加熱仕様ではオプションでモデルチェンジした HA60W-10について述べる。

ヒータ付きサイドプレートが選択できることにより，端

２

製品の特長

図１にHA60W-10の外観を，表１に主要仕様を示す。
現在，国内で高い評価を得ているHA60W-10型は，旧型に比べ環境性能，利便性および安全性を進化させ市場投入した 。
特長を次に示す。

11

14 130（TV仕様）/13 780（V仕様）

部までの仕上がり性向上を図った。

３

環境性能を向上させる技術（排ガス規制対応）（1）尿素SCR（Selective Catalytic Reduction）
システム
（後
処理装置）
近年，環境性能への要求は高まる一方であり，建設（1）コモンレールによる高圧多段噴射，EGR（排気ガス再機械に多く採用されているディーゼルエンジンでは，

循環システム），可変容量ターボ，尿素SCRシステム（後互いにトレードオフの関係にあるPM（粒子状物質）と，処理装置）を採用した最新型のエンジンを搭載すること

NOx（ 窒素酸化物）の両方を低減することが課題となっで，厳しいオフロード法2014年基準に対応している。

ている。コモンレールによる高圧多段噴射などにより（2）本体仕様は，従来機から採用されている７型ワイドカ

PMの低減が進んだが，オフロード法2014年基準では

ラー液晶モニタ，GPSと携帯通信網を利用した稼動管理

NOxの規制値が厳しくなった。これに対応すべく採用

システム（G@Nav），モニタでの緊急操作に加え，運転されたのが尿素SCRシステム（図２）である。酸化触媒

席周りの視認性向上，付属装備品の準備・収納の容易化 ，によるHC（炭化水素），CO（一酸化炭素），PMの浄化に

施工速度に連動するタンパ回転数自動設定モードを新規加え，排気ガス中へ尿素水を噴射し生成されたアンモ＊住友建機株式会社

住友重機械技報 No.196 2018

技術解説

SCR触媒
NOx（窒素酸化物）を浄化

後段酸化触媒
余剰アンモニア排出防止ホイール式アスファルトフィニッシャ HA60W-10

クリーンな排出ガス

アンモニア生成排気の流れ
前段酸化触媒HC（炭化水素）, CO（一酸化炭素）,
PM（粒子状物質）を浄化

図２

尿素水噴射装置
尿素水（AdBlue）噴霧

合成前
図は説明用に強調されたイメージです。

尿素SCRシステム
Selective catalytic reduction system

図３

FVMの表示例FVM example

ニアとNOxを反応させて無害な窒素と水に還元してい確認することを可能とした（図３）。これにより，機械周る。

辺の死角を大幅に削減し安全性を向上させた。

（2）尿素水の保管

FVMは，従来機において世界で初めてアスファルト

上記の尿素SCRシステムにおいて，尿素水は燃料の軽フィニッシャに採用した機能であるが，海外メーカーで油と同様に消費されることから，アスファルトフィニッ

も同様のシステムが採用され始めている。今回は合成処

シャには尿素水を保管するタンクが設置されている。し理の見直しやカメラ画像の鮮明化を行い，さらなる安全

かしながら，尿素水は寒冷時に凍結してしまうのでホース内で凍結しないようエンジン停止時にタンクへ吸い戻

４

合成後性の向上を狙った。
（2）視認性の向上

したり，樹脂製のタンクを使用して体積の膨張にも対応

運転席の前にエンジンを搭載し，さらにその前にホッすることができる構造としている。また，エンジン冷却パが設置されている構造のアスファルトフィニッシャで水を通す際，尿素水ホース近傍やタンク内を経路とする

は，排ガス後処理装置などによりエンジン部分に障害物ことで，尿素水の解凍や再凍結の防止も行っている。

が増えると，前方視界の妨げとなってしまう。この課題に対し，内部の機器配置を見直すなどして，作業装置や利便性を向上させる機能および技術（1）IoT，ICT技術
アスファルトフィニッシャにおいても，従来機より前面の状況の視認性を確保した。

６

おわりに

GPSと携帯通信網を利用した稼動管理システム（G@Nav）

今回，特定特殊自動車排出ガスの規制等に関する法律（オを採用するなど情報技術を活用しているが，今後労働力フロード法）2014年基準に対応すべくモデルチェンジした最の確保が課題となる建設現場では，ICTの活用により生大施工幅 6.0 mのアスファルトフィニッシャについて，産性向上を目指す取り組み（i-Construction）が進められ（1）製品の特長ている。これに対応して建設機械メーカーは，センサメ（2）環境性能を向上させる技術（排ガス規制対応）

ーカーなどと共同開発を行っており，当社においても順（3）利便性を向上させる機能・技術

次対応を拡大中である。

（4）安全性を向上させる機能・技術（2）速度に連動するタンパ回転数自動設定モードを紹介した。

従来は熟練した作業者が手動により設定していたタン
パ回転数を，施工速度に連動させて自動的に設定する新機能を採用し利便性を向上させた。

５※「FVM」は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。
「G@Nav」および「J･Paver」は，住友建機株式会社の登録商標です。

安全性を向上させる機能・技術（1）FVM
FVMは，油圧ショベルの後方および周辺監視用に開発した画像合成技術で，アスファルトフィニッシャ用に搭載できるよう開発されたものである。機械の前方および左右の３つのカメラ映像を，１つの映像に合成して表示することで，ホッパ内の合材量や周辺の安全を同時に
住友重機械技報 No.196 201812

産業車両特集

技術解説

350 t つりクローラクレーン SCX3500 -３

350 tつりクローラクレーン SCX3500-３
Crawler Crane SCX3500 -３
●星

野

浩

之＊

Hiroyuki HOSHINO

主要緒元
Main specifications

表１

クレーン仕様タワー仕様

t×m

180×10.0

100×12.4

基本ブーム長さ（上部ブーム付き）

m

24

−

最長ブーム長さ

m

72

−

タワー長さ

m

−

24〜60

タワージブ長さ

m

−

24〜60

タワー＋タワージブ最長

m

−

60＋60

フロント/リヤ

m/min

110

110

ブーム起伏

m/min

34×２本

34×２本

タワージブ起伏

m/min

−

55

min−1

0.86

0.86

km/h

0.9/0.45

0.9/0.45%（度）

30（17）

30（17）

最大つり上げ荷重 × 半径

ロープ
速度＊

旋回速度
走行速度

高/ 低＊

登坂能力

カミンズ QSL９（オフロード法2014年基準適合）

エンジン名称
kW/min−1（PS/min−1）

定格出力

t

全装備質量

152（1.55）
タワー＋タワージブ最長（）（ 100 t &15 tフック付き ）（320
24 mブーム
180 tフック付き

360
タワー＋タワージブ最長
100 t &15 tフック付き

kPa（kgf/cm 2）

接地圧272/2 000（370/2 000）
135（1.38）
24 mブーム
180 tフック付き

）（

）

【注】
＊は負荷により速度変化する

図１

１

SCX3500 -３（CR36 m）

はじめにストがカウンタウエイトからはみ出してしまう。本機は ，住友重機械建機クレーン株式会社は，企業ビジョンにある標準仕様ではライブマストがはみ出して後端半径は8.3 m「安心」をキーワードに，環境性能の向上やライフサイクルとなるが，ペンダントを短くした後方小旋回仕様ではカ

コストのミニマム化を目指して，2012年５月に発売した最大

ウンタウエイトからのはみ出しはなくなり，クラス最小

つり上げ能力120 tのクローラクレーンSCX1200-３を皮切りの6.8 mとすることができる（図２）。後方小旋回仕様を選にシリーズ化を進めてきた。

択した場合，ペンダントへの作用力が大きくなることか

今回紹介するのは，そのコンセプトを継承し，シリーズ最ら若干の性能低下と最長タワーの引起こしが不可といっ

大 機 種 と し て2016年 ２ 月 に 販 売 を 開 始 し た350 tつ り のた仕様上の制限が発生するが，狭隘地で稼働できるだけ

SCX3500-３である。最大つり上げ能力350 tというクラスは，でなく，機械後部上方での干渉を気にせず，前方のつりクローラクレーンのなかで200 tクラスの中型機と500 t超の大荷に集中して旋回操作が可能となる。

型機の間を埋めるクラスで，大型機の性能と中型機の汎用性が同時に求められる。

２

主要緒元

図１にSCX3500-３の外観を，表１に主要緒元を示す。

３

製品の特長

3.1

コンパクトな機械（1）後方小旋回仕様
従来のライブマストでブームを起伏させる構成のクレ13ーンの場合，ブームを最上限まで起伏させるとライブマ＊住友重機械建機クレーン株式会社

なお，ブームとライブマストに設置されている角度計
で相対角を監視することで，標準仕様と後方小旋回仕様の誤設定を防止し安全性を高めている。
（2）前後分割型メインフレーム
本機は，輸送規制に対応しつつ，分解・組立て性能を向上させるべく高張力鋼をフレーム類に採用し，メインフレームを前後に分割することが可能な構造とした。前後フレームの結合部はフック＆ピンジョイント式を採用
し，分解・組立て性を向上させている（図３）。
また，前後を分解することで輸送時の全長が短くなり，
住友重機械技報 No.196 2018

技術解説

図３

図２

標準仕様と後方小旋回仕様
Standard and short tail swing radius specifications

図４

本体トレーラ積載姿勢
Stowage diagram of base machine

3.2

350 t つりクローラクレーン SCX3500 -３

前後分割型メインフレーム
Front-rear split frame

図５

クイックドローによる組立て
Assembly by quick draw system

トレーラからのはみ出しがなくなることで輸送時の安全重がかかってしまうことがあった。本機では，リヤポス性が向上している（図４）。さらに輸送高さの制限内で各

トバックストップに長いストロークの油圧シリンダを採フレームの断面高さを大きくとり，軽量ながら高剛性で用し，外部油圧源を使用してリヤポストの引起こしとリ

操作性の良いフレームを実現している。

ヤポストペンダントの緊張を自力で行えるようにして，分解・組立て性の向上

組立て時間の短縮と安全性の向上を図った（図６）。

（1）クイックドロー（自力着脱装置）
オプションで設定したクイックドローは，重量がかさ

3.3

安全性・操作性の向上（1）大型ディスプレイ

むクローラ，ロアウエイト，下部ブームを自力で着脱す

過負荷防止装置には，優れた視認性と作業視界を両立ることができるので，その間，組立て用の補助クレーン

させた大型ディスプレイを新たに採用した。従来よりもは，車輌からの荷降ろしや組立てに必要なほかの作業を大型化したディスプレイは，表示項目の多様化に対応し同時進行でき，効率的に作業が行える（図５）。

つつ，必要な情報をシンプルに画面表示し，確実な情報

また，補助クレーンにおいてつり上げが必要となる最大重量物は，ベースカウンタウエイトの20 tとなり，65 t伝達を実現するとともにディスプレイの視認性と作業視界の確保を両立させた（図７）。

ラフテレーンクレーンで分解・組立てが行えることからまた，最大44通りの警報や予報をオペレータや周囲に配車手配が容易となり，分解・組立て作業に要するコス

音声で知らせ，注意を喚起して事故を低減させるボイス

トの低減も図ることができる。さらに，各部材取付け位

アラームを標準装備した。具体的な警報や予報を音声で置での旋回角度と作業半径を記憶しておくことで，作業行うことで，より分かりやすく的確に安全確保を促して時間の短縮と安全性の向上が図れる。

いる。

（2）油圧式リヤポストバックストップ（2）旋回角度制限装置

ラフィングタワークレーンの組立てにおいて，最も手狭い現場や障害物の多い現場，また，線路際での施工間のかかる作業はフロント・リヤポストの組付けである。

などでは旋回範囲が制限されることがある。このような従来は，補助クレーンを用いてリヤポストの引起こしを場合に対応すべくオプションで旋回角度制限装置を準備行っていたが，このとき，補助クレーンの巻上げ・旋回している。

操作と組立て機のジブ起伏ロープの巻取り・繰出し操作

本機能を有効にすると，下部走行体と上部走行体とのの同調が取れないと補助クレーンに意図しない横引き荷

相対位置
（角度）
が検出され，上部旋回体が下部旋回に対住友重機械技報 No.196 2018

14

技術解説

図６

リヤポストの自力引起こし
Self raise of rear post

図７

ディスプレイ表示内容
Contents of moment limiter display

してどの位置にあるかがディスプレイに表示される。

またサービスブレーキ的な使い方だけでなく，決まっ

旋回範囲制限機能では，「警報型」と「停止型」とをた旋回位置での繰返し作業などにも有効である。旋回停選択できる。あらかじめセットした旋回位置に近付くと ，止時の逆ノッチ操作の代替として使うことによってポン警報型では警報を発してオペレータに注意を促し，停止

プ負荷を低減でき，作動油温上昇を抑制して省燃費にも型では旋回速度を自動的に落としセット位置で停止する

貢献することができる。

（図８）。つり荷の重さや旋回速度によって旋回慣性力

3.4

が異なるが，どのような条件下でも荷ぶれの小さいスム

環境への対応（1）ECOモード

ーズな停止ができるように旋回時の圧力，旋回角度およつり荷が軽負荷のときに，低いエンジン回転でも高速

び旋回速度を検出し，それらをフィードバックさせて減でフックの巻上げ・巻下げ，ブームの起伏および走行が速制御を行うことを可能とした。

できる機能，ECOモード（図10）を標準装備した。たと（3）旋回ブレーキ装置

15350 t つりクローラクレーン SCX3500 -３

えば，タワー作業時にはつり荷がないまま高楊程操作をタワーなど長尺仕様での作業時に，横風や地盤の傾斜行うことがあるが，そのような場合でもエンジン回転をといった現場の条件によってはブレーキ解除と同時に旋上げずに高速巻上げ・巻下げができることから作業性が回が流されるなど，難しい操作を要求される場合がある 。

向上し，騒音が抑制され，さらには燃費を低減すること

本機では，足踏みペダルを使って旋回の油圧リリーフ圧もできる。

力を増減し，踏み加減によって旋回ブレーキ力を制御す

また，このECOモードはウインチレバーを高速側にることができる旋回ブレーキ装置をオプション設定した入れた場合にのみ作動するようになっているので，イン（図９）。手で行う旋回操作を足（ペダル）によるブレー

チング時など微操作が必要なときには通常の感覚のまま

キ操作で補佐することで，旋回操作のインチング性を向で操作できるという優れた特長がある。この特長により，上させている。

ECOモードに入れておけば，エンジン回転や負荷など
住友重機械技報 No.196 2018

技術解説

350 t つりクローラクレーン SCX3500 -３

左：ブーム起伏ペダル

右：旋回ブレーキ操作ペダル

図８

旋回制限範囲のイメージ
Image of swing restriction

図９

旋回ブレーキ操作ペダル
Swing brake pedal

図 10

ECOモードECO mode

図 11

ECOモードスイッチ
ECO mode switchの条件がそろったときに自動的に作動することで高速作業も微速作業も自然に行うことができ，オペレータに負担をかけない。
旋回グリップにはON/OFFスイッチ（図11）を設けることで，作動および解除をいつでも可能とした。

４

おわりに

（1）標準仕様に加え，後方小旋回仕様を設定することでクラス最小の後端半径6.8 mを実現した。
（2）自力分解・組立て装置を充実させ，小型の補助クレーンでの分解・組立てを可能とした。
（3）大型ディスプレイの採用や旋回角度制限装置，旋回ブ
レーキなどを設定し，作業時の安全性を向上させた。
（4）負荷が小さい場合，低いエンジン回転数でも高速作業が可能なECOモードにより騒音の抑制や燃費の低減を実現した。
今後ますます強まる安全性向上への要求や，新しい工法・施工技術に対応すべく，顧客ニーズを反映したより良い製品を開発していく所存である。

住友重機械技報 No.196 201816

産業車両特集

技術解説

バッテリ式フォークリフトの旋回速度制御

バッテリ式フォークリフトの旋回速度制御
Safety Turn Control of Battery Forklift
●鈴

木

雄

Yushi SUZUKI

士＊

旋回速度制御Safety turn control

１

はじめに

住友ナコ フォークリフト株式会社は，長時間稼働の実現，御することにより荷物にかかる横加速度を低減させるモードである。

旋回時の安定性の向上および安全装置の充実をコンセプトと図１に示す通り，90 °旋回やUターンのように舵角が大きした新型バッテリ式フォークリフトFB0.9～3.5 tを2016年６

い領域では，角度が大きくなるにつれて最大車速が小さくな

月より販売している。

るように制限を設けた。また，現在の車速が制限値より大きコンセプトの一つである旋回時の安定性の向上については，

い場合は，回生ブレーキを働かせることによって自動で制限

旋回時の荷崩れ防止を目的として，新たに旋回速度制御シス値以下になるようにした。なお，舵角が比較的小さい領域でテムを搭載した。これにより，走行旋回時の荷物ズレ量は従は，車速の大小にかかわらず荷崩れしにくいことから，車速来車と比べ1/4にまで抑えることが可能となった。

に制限を設けないことで作業効率の維持を図った。

本報では，車両挙動を自動制御し，旋回時の荷物ズレ量の低減を実現した旋回速度制御システムを紹介する。

２

旋回速度制御システムの概要

車両旋回時の荷物ズレ量を低減させるには，荷物にかかる横加速度を一定量以下に制限する必要がある。

17

くなる。速度制御モードは，タイヤの舵角に応じて車速を制2.2

トルク制御モード

トルク制御モードは，旋回中のトルクを制御することによって荷物にかかる横加速度を低減させるモードである。本システムは，速度制御モードと同様にタイヤの舵角に応じてトルクを制御し，主にハンドルを切った状態で発進したときの荷崩れを抑える働きを担う。

本システムは，車速センサ，タイヤ角センサおよび車両挙

図２に示す通り，舵角が小さい領域ではトルクの制限を設動を制御するソフトウェアから構成されており，２つの制御

けず，舵角が大きい領域では角度が大きくなるにつれて最大モードを備えている。一つは主に車両走行中の荷物ズレ量をトルクが小さくなるように制限を設けた。

低減させる「速度制御モード」，もう一つは主に車両発進時

また，本モードは車速が極低速時には作動しないようにしの荷物ズレ量を低減させる「トルク制御モード」である。そている（特許出願中）。この機能は，舵角が大きい状態で発進

れぞれのモードについて，その機能を紹介する。

する場合，トルクに制限がかかっているとスムーズに発進で2.1きない可能性があることから，それを防ぐことを目的として速度制御モード

荷物にかかる横加速度は，車速が一定の時にはタイヤの舵いる。荷崩れの恐れがない極低速時には本モードを作動させ角が大きくなるほど（旋回半径が小さくなるほど）
大きくなる。

ないようにすることで，作業効率を下げずに荷崩れ抑制の効また，舵角（旋回半径）
が一定の時は車速が早くなるほど大き果を十分に得ることができる。

＊住友ナコ フォークリフト株式会社

住友重機械技報 No.196 2018

技術解説

車速制限値 VLトルク（％）

車速 V（km/h）

最大速度
Y１
Y２

−θ３−θ２100速度制御モード
Speed control mode

トルク制限値 TLX

θ２ θ３ 舵角θ
（°
）

−θ５

図２

停止

図１

−θ１ 直進 θ１

バッテリ式フォークリフトの旋回速度制御−θ４ 直進θ４

θ５ 舵角θ
（°）

トルク制御モード
Torque control mode

荷物ズレ量（mm）

（mm）
50

前

荷物ズレ量

40
30

内輪の半径 R

20
10

荷物４個 ×２段
発進

図４
図３

０

パレット

荷物ズレ量の測定方法
Measuring method of load slippage

図５

従来モデル 新型モデル

A社

B社

荷物ズレ量の測定結果
Measurement results of load slippage

試験パターン
Test pattern

速度制御モードとトルク制御モードはそれぞれ別々に制御

さらに，自動で制御されることにより，オペレータ自身にしているが，荷崩れ抑制と作業効率のバランスを考慮して舵加わる横加速度や，ブレーキ操作の頻度も低減させることが角に応じた速度制限値とトルク制限値を最適値に設定してあでき，作業時の疲労軽減にも貢献することができる。

ることにより，誰が運転しても同様の効果が得られる。また ，また，本システムでは回生ブレーキを使って車速を減速さ作業内容や荷物に応じて速度およびトルク制限値の設定を任せるので，旋回時にエネルギーが回収でき，省エネルギー効意に変更することができる。

果も期待できる。

３

旋回速度制御システムの効果

本システムの荷物ズレ量の低減効果を①～④の手順で試験

４

おわりに

新型バッテリ式フォークリフトの新機能として旋回速度制し，確認した。なお，本来の運搬作業では操作時にアクセル

御システムを搭載した。

を離したり，メカニカルブレーキをかけて減速してから旋回（1）本システムは，車両走行中の荷物ズレ量を低減させる

するのが一般的だが，今回は本システムの効果を確認すべく「速度制御モード」と，車両発進時の荷物ズレ量を低減

あえて直進走行時と同じ速度で旋回することとした。

させる「トルク制御モード」から構成され，それぞれ最① フォークリフトに所定の荷物（４個×２段）を積む。
② 一定速で直進走行をした後，減速をせずに90 °旋回（旋
回半径 R）する（図３）。
③ 再度直進走行へ戻した後，ゆっくり停止したときの荷物ズレ量を測定する（図４）。
④ これを従来モデルおよび他社の同格の車両でも実施し，荷物ズレ量を比較する（図５）。

大車速あるいは最大トルクに制限をかける機能とした。
旋回半径が小さくなるにつれてその制限を厳しくすることで，運搬中の荷物にかかる横加速度を適切に低減させ ，荷物ズレ量を抑える制御を実現した。
（2）効果を確認する試験では，荷物ズレ量が従来モデルの車両と比較して約1/4に低減できるという結果が得られ ，本システムが荷崩れの防止に大きく貢献することが分か

荷物ズレ量は，従来モデルでは40 mmであったが，本シスった。また，オペレータの作業時の疲労軽減や，回生ブテム搭載の新型モデルでは11 mmとなり，約1/4になったこと

レーキを使うことで省エネルギーにも効果があることがが分かる。これは，旋回時に自動で回生ブレーキがかかることで車速が抑えられ，荷物にかかる横加速度が低減したことによると言える。
他社の車両の荷物ズレ量は，A社 36 mm，B社 45 mmであり，分かった。
今後も，さらなる荷物ズレ量低減やオペレータの疲労軽減を実現することで，誰でも安心かつ安全に運転できるフォー
クリフトの開発に貢献していきたい。

２社と比較しても約1/4程度に抑えることができ，本システ
ムが荷物ズレ量の低減に十分な効果があることが分かった 。
住友重機械技報 No.196 201818

論文・報告非平衡分子動力学法による超音速ノズル流と凝集の解析

非平衡分子動力学法による超音速ノズル流と凝集の解析
Supersonic Nozzle Flow and Condensation Analysis by Non-equilibrium Molecular Dynamics
●松

村

裕

也＊

Yuya MATSUMURA

MD法によるラバルノズル超音速流解析
Analysis of supersonic flow through Laval nozzle by molecular dynamics

分子動力学（MD：Molecular Dynamics）
法は，固相から気相までの物質の変化を扱うことのできる統一手法である。当社は，このMD法の計算効率を飛躍的に高めるくり込み群分子動力学（RMD：Renormalized Molecular
Dynamics）
法⑴を開発した。本報では相転移を伴う流れ
場のRMD解析の端緒として，非平衡MD法による凝集流れの解析を行った。圧力制御による熱浴，符号付距離関数（SDF：Signed Distance Function）
による剛体壁，軸対称境界条件による計算負荷の軽減といった要素技術を開発し，ラバルノズル内のアルゴン超音速流れを解析した。得られた流れ場の分布が，連続体近似による等エントロピー膨張の理論値に沿うことを示した。また，ノズル内で流れ場が気相混合領域となる流入条件によって，ノズル下流で液滴が発生することを確認した。しかしながら，凝集に伴って放出された潜熱の流れ場への影響は見られなかった。今後はRMDを適用し，蒸気タービン
低圧段の湿り蒸気などのマクロスケール解析への展開を

The molecular dynamics (MD) is a unification methodthat is capable of handling the phase change of amatter. We have developed the renormalized molecular
dynamics (RMD) ⑴ which drastically improves thecomputation efficiency of the MD simulation. In thisreport, as a starting point of the RMD analysis of theflow with phase transitions, we analyze the condensing
flow by means of the non-equilibrium molecular
dynamics. A barostat heatbath, a nozzle wall withthe signed distance function, and an axisymmetricboundary condition are developed to analyze thesupersonic argon flow through a Laval nozzle. It isshown that the obtained flow distribution agrees
with the prediction by the isentropic expansion of
the continuum approximation. Also, by applying theinlet condition which yields the gas-liquid coexisting
phase in the nozzle, liquid droplets are observed in thecorresponding region. However, the effect of the latent
heat released by the condensation on the flow field was
not observed. We will apply the RMD to the current
study to aim for the macroscale analysis such as wet
steam of low pressure stages of a steam turbine.

目指す。

１

まえがき

MD法では原理上，固相から気相まで相転移を統一的に，人為的なモデルを導入せずに扱うことが可能である。さらに，

物体が固相から液相，気相へと変化する相転移は，工学的

当社の独自技術であるRMD法は，MD法の特性を維持したまにも重要な現象であるが，既存の手法では解析が困難である

まマクロスケール解析を可能とした。RMD法による相転移ことが知られている。特に数値流体力学（CFD：Computationalを伴う流れ場の解析技術が確立されれば，蒸気タービン低圧

Fluid Dynamics）
で今日，一般的に用いられる連続体近似では ，段の湿り蒸気解析や，冷却塔の熱交換機の性能評価などへの相転移を記述するには何らかのモデルを組み込む必要があり，適用が可能となる。本研究ではこの種のRMD解析の端緒と解析の質がモデルに大きく左右される⑵。

して，まず非平衡MD法による凝集流れ解析の検証を行った。

一方，個々の原子や分子の挙動を運動方程式から求める
19

＊技術本部

住友重機械技報 No.196 2018

論文・報告非平衡分子動力学法による超音速ノズル流と凝集の解析

表１

超音速流解析条件
Supersonic flow conditions

流入熱浴

条件１
自由流出

流入条件

喉部
流れ場
軸対称境界

360.0

220.0

圧力
（Pa）

8.34×106

1.56×107

流出条件

自由流出

ノズル長さ
（m）

4.4×10−7

喉部直径（m）

1.52×10−8

流入口/喉部面積比5.0

流出口/喉部面積比
総粒子数

図１

２
2.1

条件２

温度
（K）

3.0
約 125 000

約 250 000

ラバルノズル概略図
Schematic diagram of Laval nozzle

計算領域の分割⑹である。要素技術の概要を次に示す。

解析手法

2.3

粒子間ポテンシャル

圧力制御

MD法における圧力制御は計算領域の容積を変更する方法

作動流体はアルゴンとした。MD法において不活性ガスは ，が一般的だが⑶ ，本研究では熱浴の容積は一定としたい。そ粒子間相互作用にLennard-Jonesポテンシャルを用いること

こで，熱浴内に粒子を追加または削除することで圧力を一定でその振る舞いをよく再現できることが知られている。

に保つ手法を開発した。追加または削除する粒子数は，圧力Lennard-Jonesポテンシャルは，粒子間距離の関数として次の現在値と目標値の比率から決定される。追加する粒子の座のように表される 。

標はランダムに選択するが，そのままではすでに存在する粒

⑶

φ
（ ）
＝４ε

σ

12

−

σ

子との距離が近すぎ，通常は発生しない大きな斥力によって６計算が破綻する可能性がある。これを回避すべく，粒子を追加する前に目標座標と近傍粒子位置間のポテンシャルエネル

ここでφはポテンシャルエネルギー，rは粒子間距離，ε（1.0σ）としギーを計算し，一定の閾値
（ここではφthreshold＝φはポテンシャル深さ，σは粒子径である。パラメータはアル

た）を超える粒子がある場合は別の座標候補を選定する。

ゴンの値であるε=1.65×10−21J，σ=3.41×10−10 m，質量は

この処理は，ポテンシャルが閾値を超えない座標候補が見つ

m=6.69×10−26 kgを用いた。時間積分は速度ベルレ法で行い ，かるまで繰り返される。温度制御には速度スケーリング法を

時間刻み幅は dt=1.084×10
2.2

−14

sとした。

ラバルノズル

用いた。
2.4

SDFによるノズル壁

凝集流れの例として，ラバルノズルによる超音速流を解析

一般にMD法で剛体と流体の連成を扱う際には，剛体粒子

対象とした。これは収束拡大ノズルとも呼ばれ，断面積が流をバネ状のポテンシャルでつなぎ，剛体粒子と流体粒子の相入口から喉部へと収縮し，そこから流出口へと再度拡大する互作用を計算する。ミクロスケール解析においては，この手形状を持つ。流体は断面積の収束に伴って膨張・加速され，

法は剛体の結晶構造を再現でき，さらに流体との相互作用を喉部で音速に達し，そこから拡大によってさらに膨張・加速

熱伝導なども含め正確に計算できるが，粒子数の増大によるされ超音速流となる。ノズルの断面積が流れ方向に１次元的計算負荷が大きい。一方，本研究はRMDによるマクロスケ

かつ滑らかに変化し，流体が理想気体，非粘性，等エントロール解析を視野に入れていることから，剛体の結晶構造を考

ピーであれば，圧力，温度，マッハ数といった流体特性は断慮する必要はない。これらの理由から，本研究ではノズル壁

面積の１次元関数として表されることが知られている(4)。さの表現にSDFを用い，計算負荷の軽減を行った。SDFとは剛らに，流入条件によってはノズル内で流体が湿り蒸気となり，体までの最短距離を値として持つスカラー場で，粒子計算へ液滴が発生することが実験やCFDで広く確かめられている⑵ 。

の適用は分散要素法で提唱された⑺。計算領域を直交格子に

本研究では，MD法で得られた流れ場を理論値と比較することでMD法の計算結果の妥当性を検証する。また，流入条件

区切り，各格子点から剛体までの最短距離を事前に計算しておく。粒子–壁間の距離は，粒子が所属するセルの格子点のを調整することで，ノズル内に凝集が発生するかを観察する。

値から内挿することで算出される。粒子–壁間の相互作用に

図１に，ノズルの概略を示す。断面が円形のラバルノズル

はLennard-Jonesポテンシャルの斥力項のみを適用し，壁表の一端に熱浴を設置し，もう一端は自由流出境界とする。熱面のスリップ条件を再現した。これはノズル壁から流体への浴の温度と圧力を一定の値に制御することで流入境界条件を作用を小さく抑えることで，流れ場を非粘性に近似させるこ

与え，流れはノズル両端の圧力差によって駆動される。ラバとを目的とする。

ルノズルをMD法で再現し，かつ計算負荷を軽減すべく，本2.5軸対称境界条件

研究では３種類の要素技術を開発した。すなわち圧力制御に

ノズル形状は流れ方向に対して軸対称であり，また断面積

よる熱浴 ⑸ ，SDFによるノズル壁⑹ ，軸対称境界条件によるも緩やかに変化することから，流れ場も同様に軸対称で，強住友重機械技報 No.196 201820

論文・報告実線：理論値

）

：温度

1.0

3.0

）, 温度比（ /

：圧力

0.8

2.5
マッハ数

0.6

圧力比（ /

0.4
0.2
０
０

非平衡分子動力学法による超音速ノズル流と凝集の解析

2.0
1.5
1.0
0.5

100

200

300

０
０

400

100

位置
（nm）

400

300

400

実線：理論値

）

：温度

1.0

3.0

）, 温度比（ /

：圧力

0.8

2.5
マッハ数

0.6

圧力比（ /

0.4
0.2
０
０

2.0
1.5
1.0
0.5

100

200

300

０
０

400

100

位置
（nm）

200
位置（nm）

条件２の流れ場分布
Flow profiles of case２

い旋回流はないものと仮定できる。そこで軸対称境界条件を裂・融合といった動的な変化については追跡や考慮がされて実装し，計算負荷を軽減した。計算領域は円筒軸に沿って分いない。このことから偶然近くに存在する粒子をクラスタと割される。分割された面は周期境界として機能し，境界面か認識する可能性がある（特に，密度の高い条件において可能ら流出した粒子は軸対称の位置から再び計算領域に戻される。

性が高い）。そこで，今回は粒子数が５個以上のもののみを

また，軸対称位置にある粒子やノズル壁との粒子間相互作用

クラスタとみなし，またクラスタ数やサイズのアンサンブルも計算される。分割する大きさは任意だが，分割した領域が平均を取ることで，この誤差を抑えることとした。

小さすぎると実際に領域に存在する粒子数も少なくなり十分な統計量が計算できないことから，本研究では４分割にとどめた。ラバルノズルの計算に適用した場合，全周モデルと４分割モデルの流れ場にほぼ差異が見られないことは検証済み

３3.1

解析結果と考察
解析条件

表１に，解析に用いた２つの条件を示す。条件１は，ノズである。

ルを通してアルゴンが気体の領域にとどまるもので，連続体2.6近似との比較による検証を行う。条件２は，ノズル下流部に粒子クラスタ

MD法による凝集現象の解析には多くの先行研究があるが，その研究のほとんどで複数の粒子が相互作用によって結合しおいてアルゴンが気液混相状態となるもので，凝集現象の観察を試みる。

たクラスタの追跡および観察を行っている⑻⑼。粒子間結合

それぞれの条件において，まず5.0 nsまで計算して定常状の定義もいくつか提唱されているが，本研究では粒子間距離

態とし，続く2.0 nsで流れ場のアンサンブル平均を取った。

がある一定の値以下となる粒子の集合をクラスタとして定義

ノズルを軸方向に24の小領域に分割し，その内部で温度や圧する手法を用い，この距離を1.5σと設定した 。注意する点

力を計算することで流れ場の分布を算出した。

として，粒子間距離によるクラスタの検知は，あくまである

3.2⑽

瞬時の位置をもとにしたもので，個々のクラスタの成長や分21300

条件１の流れ場分布
Flow profiles of case１

図２

図３

200
位置（nm）

解析結果：非凝集流れ

図２に，条件１の圧力および温度とマッハ数の流れ方向に
住友重機械技報 No.196 2018

論文・報告クラスタ平均サイズ

10

（a）

８

領域内の全粒子

６
４

（b）

２
０
０

図４

粒子数100個以上のクラスタのみ
100

200
位置（nm）

300

400

図５

ノズル流れのスナップショット
Snapshots of nozzle flow

クラスタ平均サイズ分布
Distribution of average size of clusters

対する分布を示す。圧力と温度は流入条件でそれぞれ規格化してある。黒点は本研究の計算結果，実線は等エントロピー
膨張による理論値⑷を表す。音速は静温度よりに ＝ γ

４

γ=1.67とR=208.0をそれぞれ用いた。マッハ数，圧力，温度解析が可能であることが確認された。
（2）長さスケールの違いにより，潜熱の流れ場への影響はのいずれも理論値と高い精度で一致しており，MD法によって超音速流を適切に再現できることが確認された。

確認されなかった。
（3）RMD法の適用により，気液相転移を伴う流れ場のマク解析結果：凝集流れ

図３に，条件２の凝集流れの計算結果を示す。圧力や温度

むすび（1）非平衡MD法による超音速流と凝集流れの再現およびよって求め，比熱比と気体定数にはアルゴンの物性値である

3.3

非平衡分子動力学法による超音速ノズル流と凝集の解析

ロスケール解析が可能となる。
（4）蒸気タービン低圧段の湿り蒸気解析といった，相転移は理論値と比較的精度良く一致しているが，特にノズル下流を伴う困難な問題への展開を目指す。

域の温度に，条件１よりも大きな乖離が見られる。一方，マッハ数の理論値との乖離は下流に行くほど大きくなる傾向が見られた。理論と一致しない理由として，凝集流れは理論式の前提条件である理想気体ではないことがまず考えられる。
また，粒子クラスタを伴う流れ場は，局所的にも非一様性が高く，統計的に正確な値が求めにくいという点もあげられる。
図４に，条件２の平均クラスタサイズ（クラスタを構成する粒子の数）の分布を示す。ノズル出口に向かうにつれ，ク（参考文献）(1)

市嶋大路, シミュレーション方法 シミュレーションプログラム 及びシミュレーション装置, 特開2016-218767.
(2)

J.Starzmann, Results of the international wet steam modelling

project, Wet Steam Conference, 2016.
(3)

J.M.Thijssen, Computational Physics, Cambridge University Press,

2nd edition, 2007.
(4)

J.D.Anderson, Jr., Fundamentals of Aerodynamics, McGraw-Hill,

4th edition, 2007.

ラスタサイズが増加していることが確認できる。図５
（a）は

(5)

熱浴の圧力制御方法, 特願2017-165035.

流れ全体の，図５（b）は同じ瞬間の粒子数100以上のクラスタ(6)円筒型周期境界と符号付距離関数による流体/剛体連成解析手法, 特のみを表示したスナップショットである。同様に，ノズル出口近傍でより大きなクラスタの存在が観察される。ノズル下流になるほど粒子密度が低いことを考慮すれば，こういった
大きなクラスタの存在は偶然生じたものではなく粒子同士が相互作用によって結合している，すなわち凝集が発生していることを示している。
ラバルノズルを用いた凝集実験では，凝集の発生する領域
で温度と圧力が不連続的に上昇することが知られている。これは凝集によって潜熱が場に放出されることで生じる現象で ，CFDでも使用する蒸気モデルが適切であれば，同様の現象が

願2017-204856.
(7)

M.Sakai, How should the discrete element method be applied inindustrial systems? : A review, KONA Powder and Particle Journal,
33, 2016.
(8)

K.Yasuoka and M.Matsumoto, Molecular dynamics ofhomogeneous nucleation in the vapor phase. I. Lennard-Jones
fluid, J. of Chemical Physics, 109 (19), 1998.
(9)

R.Angelil, J. Diemand, K.K.Tanaka, and H.Tanaka, Propertiesof liquid clusters in large-scale molecular dynamics nucleation
simulations, J. of Chemical Physics, 140, 074303, 2014.
(10)

F.H.Stillinger Jr., Rigorous basis of the Frankel-band theory of

association equilibrium, J.of Chemical Physics, 38 (1486), 1963.

再現される⑵。しかしながら本研究では，図３に見られるとおり温度と圧力の不連続上昇は確認されなかった。この原因として考えられるのはスケールの違いである。一般にラバル
ノズルの実験やCFD解析はマクロスケールを対象に行われるが，MD法を用いた本研究では計算領域がnmのオーダーである。このことから，潜熱の影響が十分に表れるだけの時間的・空間的な幅がなかったものと推測される。
住友重機械技報 No.196 201822

論文・報告STAF（Steel Tube Air Forming）
プロセスの開発

STAF（Steel Tube Air Forming）
プロセスの開発
Development of STAF
（Steel Tube Air Forming）
Process
●石

塚

正

之＊

清

Masayuki ISHIZUKA

水慧＊＊

Satoshi SHIMIZUSTAF試作機
STAF prototype machine

自動車業界において燃費向上およびCO2ガス削減は重要な課題の一つとなっている。これらの達成には車両の軽量化が有効な手段であることから，その検討および実施がなされている。車両の軽量化を実現するに当たり，衝突に対する安全性を兼ね備えていることも必要であり ，それを踏まえた開発が求められている。
本報では車両の軽量化と衝突安全性の課題を解決すべ
く，高強度・高剛性の自動車部品を形成することができるSTAF（Steel Tube Air Forming）
プロセスについて述べる。STAFプロセスは，直接通電による急速加熱とダイ
クエンチングが可能なガスブロー成形により，閉断面を連続的に変化させた1 500 MPa級の引張強度を有する部

In the automotive industry, improving fuel efficiency
and reducing CO 2 gas are one of the important
issues. Since lightweight is an effective means for the
purposes, it has been developed and carried out. It isnecessary to realize the lightweight of automobile parts
with safety against collision.
In this report, a novel forming technology, STAF
(Steel Tube Air Forming) process, will be introduced.
The process enables to form TS (Tensile Strength)-1 500MPa grade material into a tubular component
with a continuously varying closed cross-section byusing the current rapid resistance heating, the gas-blow
forming, and the die-quenching in a press mold. STAF
process is expected to form automobile parts with highstrength and rigidity in one-pack process.

材の成形技術である。

１

23

まえがき

化も期待できる。
こうした状況のなか，当社では自動車の骨格部品の軽量化

自動車業界における燃費向上およびCO2ガス排出量の削減に着目し，材料の高強度および高剛性を同時に確保する構造

は，近年における重要課題の一つとしてあげられる。自動車

部材とその製造方法を検討してきた。図１に，当社におけるの軽量化が必須となるなか，衝突に対する安全性を確保しな開発のコンセプトを示す。図１には強度と剛性との関係を示

がら軽量化を実現すべく，自動車分野の各社においてさまざし，各製法による断面を併記している。自動車部材の材料自まな取組みがなされている。その有効な手段として，従来の体の強度は， 現状技術ではホットプレスプロセスの一つでスチールからアルミニウムなどの異種材料への置換とマルチあるホットスタンピングプロセスを用いることで，1 500～

マテリアル化による部材軽量化が検討され実施されている。

1 800 MPaを確保できている。しかしながらホットスタンピ

また，構造材としての観点から高強度と高剛性を兼ね備えた

ングプロセスによる自動車部材の成形は，通常，板材を目的部材を得ることができれば，現状より素材の厚さを薄くする形状とした後にスポット溶接などにて２部品を接合して部品ことが可能となり，部材の断面を小さくすることによる軽量としている。このことから，閉断面構造を有する部品と比較＊技術本部＊＊産業機器事業部

住友重機械技報 No.196 2018

論文・報告（MPa）
スポット溶接なので剛性が低い 1 800

ホットスタン
ピングプロセス

高強度①プリフォーム用プレス

1 500

④高圧ガス
コンプレッサ

STAF
プロセス
1 180

STAF
（Steel Tube Air Forming）
プロセスの開発③通電加熱装置②油圧サーボプレス⑤レーザ加工機（切断・穴あけ）

材料ストック

高剛性

冷間プレス
プロセス

スポット溶接

図１

980

ハイドロ
フォーミング
プロセス

590

別途フランジの接合が必要

開発のコンセプト
Concept for STAF development

成形品冷却コンベア⑥搬送用ロボット

図２

STAF製造装置概要
Overview of STAF product machine

して剛性は低くなることが予想される。一方，閉断面構造を

試作機は①以外の②～⑤の装置より構成され，実サイズの自得ることができるハイドロフォーミングプロセスは，パイプ

動車骨格部材を作製することが可能となる。

内部に高圧媒体を注入し目的形状に成形する。これにより高STAFプロセスの装置における特長は，加熱用の炉が不要

い剛性を得られるが，高圧媒体での成形には限界があるのでであることから，加熱炉を必要とするプロセスに比べてスペ

材料自体の強度は1 200 MPa程度までの範囲であり，それ以ースを大幅に削減できることである。一方，加熱炉を使用せ上の強度を得るのは困難となっている。そこで当社は，ホッずに焼入れし，高強度部材を得る報告はすでになされている 。

トスタンピングプロセスによる1 500 MPaに近い材料自体のたとえば， Mn-B鋼の板材を通電加熱しホットスタンピング

引張強度を有し，ハイドロフォームプロセスによる閉断面構するプロセス⑴，あるいはMn-B鋼のパイプを高周波加熱しガ造に加え，剛性を高めることに寄与するフランジを有する部

スブロー成形するプロセス⑵があげられる。また，アルミの材を得ることが可能となるプロセスの開発に取り組むことと鋼管をSTAFプロセスと同様に通電加熱しガスブロー成形すした。開発したのは，図１におけるSTAFプロセスで，熱間る製法⑶についての報告もなされている。これらの報告はス

ブロー成形技術の一つである。

チールパイプを通電加熱してガスブロー成形するSTAFプロ

本報では新規製造プロセスであるSTAF設備について報告

セスとは異なる。また，STAFプロセスは熱間ブロー成形でするとともに，STAFプロセスにより作製した部材の評価結あることから大型プレスは必要なく，ブロー圧に耐え得る果について述べる。

1 000 tf程度のプレス能力を有するプレス装置で十分であるこ

２
2.1

装置構成
STAF 製造プロセスの構成

図２に，STAF製造装置概要を示す。STAFプロセスの主要装置は，とも特長の一つである。
2.2構成装置に要求される性能

STAFプロセスにおける構成装置である，前述の ①～⑥について，それぞれ必要とされる性能について示す。①のプリ
フォーミング用のプレスは， STAF成形における金型形状に①プリフォーム用プレス

合わせて素材となるパイプの長手方向に湾曲させる，あるい②STAF成形用の油圧サーボプレス

は断面形状を真円ではなく楕円などにフォーミングさせて，③通電加熱装置

その後のSTAF成形をしやすくすることを目的としている。

④ガスブロー用の高圧ガスコンプレッサ

このことから大型プレスは必要なく，200 tf程度のプレスで⑤切断および穴あけ用のレーザ加工機

十分である。②のSTAF成形用の油圧プレスは，通電加熱お⑥搬送用ロボット

よび高圧ガスブローと連動させて，金型の位置を精度良く停から構成されている。なお，①は，必要とする形状によりベ止させることが求められる。これによりサーボプレスが必要

ンディング装置のような代替装置でもよく，あるいは不要ととなるが，鍛造プレスのような大型のプレスは必要としない 。

なることもある。

STAF試作機においては，表２の形状を対象に，パイプ内の本研究ではステップを踏んで開発を進めた。まず，第１ス

ブロー圧に耐え，また，金型の途中停止位置制御が可能なテップとしてSTAFプロセスを実証すべく，約600 mmの製品

800 tfの油圧サーボプレスを用いている。③の通電加熱用装長さが確保できるテスト機を開発した。テスト機は②，③，

置は，５秒前後で素材となるパイプを約900 ℃まで加熱する④の装置で構成される。テスト機により高強度・高剛性の部

条件で検討し，パイプの長さ，外径および肉厚に応じた通電材が確保できることを実証した後，第２ステップとして約電流の選定が必要であり，それにより電源性能が決定される。

1 600 mmの製品長さが確保できる試作機を開発した。表１に

STAF試作機においては，自動車骨格パーツのほとんどの部

試作機の主仕様を，表２に試作機で成形可能な形状を示す。

材の成形が可能となるよう，表２に示すように，素材長さ約
住友重機械技報 No.196 201824

論文・報告表１

STAF（Steel Tube Air Forming）
プロセスの開発

STAF試作機仕様
Specifications of STAF prototype machine

表２

能力
（tf）

800

最大パイプ外径
（mm）

150

100
（加圧領域）

最小パイプ外径
（mm）

50

製品全長
（mm）

〜約1 600（パイプ径150 mmのときは最大1 500 mm）

ストローク
（mm）
デーライト
（mm）

600
（アプローチ）
1 740

STAF試作機における成形可能な形状
Formable shape in STAF prototype machine

ベッド上面寸法（mm）

L1 900×W1 600

パイプ
（素材）
長
（mm）

750〜1 930

フットプリント（mm）

L4 950×W4 800×H7 500

製品肉厚
（mm）

1.0〜2.0

重量
（t）

85

最小曲率半径
（mm）

150

通電電流
（kA）

18

最小曲がり角度（°）

120〜180高圧ガス発生能力（NL/min）

8 770

材質

Mn-B鋼

材料ストックプリフォーム

温度
（ ℃）

Ⅰ）材料
セット

900 ℃

パイプ温度

100 ℃以下Ⅱ）加熱

加熱

ブロー成形＋焼入れ
時 間（ 秒 ）

Ⅲ）成形

図４
Ⅳ）焼入れ

図３

切断・穴あけ800 tf プレス（STAF プロセス）

STAFプロセスによる成形の概要
Forming outline of STAF process

1 930 mm，外径150 mmのパイプまでを対象として，それに応プロセスが完了する。

じた電源容量とした。④のガスブロー用の高圧ガスコンプレ

図４に，STAFプロセスにおける一連のサイクルタイムをッサは，約900 ℃まで加熱したパイプ内に高圧ガスを供給す示す。通電加熱を開始してから，ブロー成形と焼入れを経て ，るのに必要であり，最大圧30 MPaまで昇圧可能な仕様としトータルで30秒前後のサイクルタイムを目標としている。生た。⑤切断および穴あけ用のレーザ加工機は，STAF成形後産性をさらに上げるには，部材の複数個成形も考えられ，今の部品の両端切断および穴あけ用に設置している。⑥搬送用後の課題となっている。

のロボットは，各装置間における搬送に用いる。
2.3

25

STAFプロセスのサイクルタイム
Cycle time for STAF process

STAF プロセスによる成形概略

３

STAF成形部材

STAFプロセスは，加熱から焼入れまでを金型内ですべて第１ステップのSTAFテスト機により成形した部材の一例

完了するワンパック加工が可能であることを特長としている。

を図５に示す。成形には，長さ814 mm，外径60.5 mm，肉厚

図３に，STAFプロセスによる成形の概要を示す。ホットプ

1.6 mmおよび1.2 mmのMn-B鋼パイプを用いた。得られた成形

レスプロセスなどの従来の焼入れを伴うプロセスでは，対象部材の両端を切断して約400 mmの長さにした後に塗装した 。

素材を炉で加熱した後，金型にセットし成形・焼入れを行う

図５の上段は全体写真およびその断面写真，下段は部材ののが一般的であるが，STAFプロセスでは，まず，Ⅰ）金型

長手方向中央部で切断した断面写真である。上段の全体写真と素材となるパイプとが接触しないように金型内にセットし，は，長手方向がストレートの部材および湾曲した部材，下段

Ⅱ）金型内で通電によりパイプを所定温度まで加熱した後，の断面写真は，両サイドに角度を付けないフランジを設けた通電を完了させる。次に，Ⅲ）完全に金型を閉じない半開き

部材，角度を付けたフランジを設けた部材，片側のみにフラの状態で瞬時に高圧エアをパイプ内に注入してフランジを張ンジを設けた部材に加え，成形前のパイプについて示していり出させる。その後，金型を完全に閉じると同時に，フランる。得られた成形部材は，すべて閉断面構造となっており，

ジを張り出させたときよりもさらに高圧なエアを注入して拡ビッカース硬さで均一にHV450以上，引張強度に換算して管させ，金型に素材を密着させることで目的形状に成形する 。

1 500 MPa以上という結果が得られた。なお，これら形状のⅣ）金型を閉めた状態で保持して金型冷却により焼入れし，異なる成形部材は，通電加熱用電極および高圧ガス供給部に最終部品を得る。このⅠ）～Ⅳ）の各工程により一連のSTAFすべて同一部品を用い，金型のみを変更して成形している。
住友重機械技報 No.196 2018

論文・報告STAF（Steel Tube Air Forming）
プロセスの開発①肉厚 1.2 mm

肉厚 1.6 mm

1 560 mm

肉厚 1.6 mm②肉厚 1.4 mm
肉厚 1.2 mm

920 mm
素材パイプ（肉厚 1.6mm）

肉厚 1.6 mm③肉厚 1.2 mm

1 070 mm
肉厚 1.2 mm
肉厚 1.6 mm

図５

４

図６

STAF試作機による成形部材
Parts fabricated by STAF prototype machine

STAFテスト機による成形部材
Parts fabricated by STAF test machine

STAF試作機

代表図（P23写真）に示されるSTAF試作機は，2018年９月以上であることから，高強度・高剛性の部材が得られる
可能性を示した。
（3）第２ステップでは，テスト機をスケールアップして，に完成した。

自動車部材の実機サイズが製作可能な試作機を開発した。

現在，試作機では実サイズの自動車骨格を模擬した部材を製STAF試作機では，素材長さ約1 930 mm，外径150 mmの作し，その性能評価を行っている。図６に，STAF試作機にパイプまでを対象として，実際に基本形状成形体，Aピ

より作製した部材を示す。①は基本形状であり，長手方向はラー模擬成形体，バンパービーム模擬成形体を作製して曲がりがなくストレートで，肉厚は1.2 mm，長さは1 560 mm

評価した。

である。②はAピラーを模擬した形状であり，長手方向に最（4）その評価結果は，テスト機による成形体と同様に，ビ小半径で1 500 mmに湾曲させており，肉厚は1.4 mm，長さはッカース硬さで均一にHV450以上，引張強度に換算して920 mmである。断面形状は，両サイドにフランジを設けてい

1 500 MPa以上となった。

るが角度を付けており，長手方向に断面形状を徐々に変化さ

今後は製造プロセスの開発を継続して進め，自動車骨格部せている。③はバンパービームを模擬した形状であり，長手材により近い形状，長さの作製実証を行い，採用されるよう方向に最小半径で約3 000 mmに湾曲させており，肉厚は図っていきたい。

1.2 mmで長手方向に徐々に断面形状を変化させている。
STAF試作機にて作製した部材は，STAFテスト機にて作製（参考文献）

した部材と同様にビッカース硬さで均一にHV450以上，引張(1) 牧清二郎, 濱本篤, 森謙一郎：通電加熱プレスクエンチした高張力鋼

強度に換算して1 500 MPa以上という結果となった。

５

むすび（1）自動車の燃費向上およびCO 2 ガス排出量の削減を目的に，安全性を確保した自動車の軽量化が期待できる
STAFプロセスにおいて，各構成装置に必要とされる性能の検討を行った。
（2）STAFプロセスを実証すべく構成装置のなかで最低限必要なプレス装置，通電加熱装置，高圧ガスコンプレッ
サおよびタンクユニットを準備して第１ステップとし，板の硬さおよび引張特性, 材料試験技術, 53-1(2008), 20-24.
(2) N.Pierschel, A.Paul, K.Silbermann F.Schieck and W.Drossel,
Theoretical and experimental investigations on press hardening oftubes in hot metal gas forming, Proceedings of ４th International
conference, Hot sheet metal forming of high-performance steel,p.397-406 (2013).
(3) T.Maeno, K.Mori, K.Adachi, Gas forming of ultra-high strength
steel hollow part using air filled into sealed tube and resistanceheating, Journal of Materials Processing Technology 214 (2014) 97–
105.
※「STAF」は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

テスト機を開発して部材作製と評価を行った。テスト機により作製した部材は，長手方向に連続した閉断面を有し，ビッカース硬さより換算した引張強度は1 500 MPa
住友重機械技報 No.196 201826

住友重機械技報第196 号発行に当たり

住友重機械技報第196 号をお届け致します。

本誌は，当社が常々ご指導いただいている方々へ，最近の新製品，新技術をご紹介申し上げ，
より一層のご理解とご協力をいただくよう編集したものです。
本誌の内容につきましては，さらに充実するよう努めたいと考えますが，なにとぞご意見キ

賜りたく，今後ともよろしくご支援下さるよう，お願い申し上げます。

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トのうえ，FA X でお知らせいただきたくお願い申し上げます。また，読後感や不備な点を簡単

リに裏面用紙にご記入願えれば幸いに存じます。

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2018 年 10 月

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