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「鋼板の自動3次元曲げ加工システムの開発」の報告書

 事業名 鋼板の自動3次元曲げ加工システムの開発
 団体名 シップ・アンド・オーシャン財団  


■事業の内容

本事業は、船舶の船首、船尾部の曲がり外板製作工程において、作業員の勘と手作業に頼る鋼板の3次元曲げ加工作業を自動化し、今後の曲げ加工技術を維持・向上させることを目的とするもので、本年度は3ケ年計画の最終年度として、開発装置の総仕上げを兼ねて、特に現場適用を想定し、以下の項目について実施した。
(1)自動加熱曲げ装置の開発(運転実験、データ収集)
 平成5年度で製作した自動加熱曲げ装置を用いて、平成6年度と同様、実験部材と相似形のモックアップ材及びテストピースで長期加熱運転実験を行い、加熱曲げのデータ収集及び現場適用を想定した装置の改良を行った。また、収集したデータから加熱条件と変形の相関を求め、各パラメータの改正、設定を行った。
[1] 実験データ収集
a.板厚毎の色変形、収縮量収集
 平成6年度に引き続き、板厚12〜25mmの小型試験片において、各加熱パターン毎に加熱実験を行い、収縮量、各変形が最大となる加熱速度を求めた。更に、初期変形を与えた鋼板に対する加熱曲げ、オフセットクランプによる外力を与える加熱曲げ実験を行った。
b.実験部材及び相似形部材の加熱実験
 実験部材及び相似形部材に対し、現場作業員によりオフラインティーチングし、自動加熱曲げ実験を行い、操作性、機能拡大についての改良を行った。又、大型試験材(実船材)で四周を支持し、自重撓みを加えての加熱方法の実験を行った。
[2] 解析、パラメータ設定
 [1]で収集した実験データを板圧、色変形量、パターン別にまとめ、変数による算式化が可能となるよう解析し、定数、係数を改正、設定した。また、板厚毎の色変形、収縮量や実験部材および相似形部材の始終端処理実験で得られた加熱装置の最適動作をまとめ、パターンプログラムの改正、設定を行った。
[3] データベースへのデータ収納、まとめ
 [1]、[2]の実験結果より集めた諸データより、実用性の高いものを選択し、データベースへ約150件収納し、実験結果をデータ集としてまとめた。
(2)自動計測装置の開発(運転実験、データ収集)
 自動計測装置を用いて、実船部材と相似形のモックアップ材及びテストピースで長期計測運転実験を行い、計測データの収集、及び現場適用を想定した装置の改良を行うと共に、収集したデータを解析、各パラメータの設定を行った。
[1] 実験データ収集
 (1)−[1]、[2]の実験で使用した試験片をすべて計測し、計測値表示データを収集した。また、実船部材適応時に生じた不具合、機能拡大要求について改良を加えた。
[2] 解析、パラメータ設定
 収集したデータより、変形量、計測線、計測点の相関関係を求め、フェアカーブ算出式、部材端部形状表示について定数、係数の改正を行った。
(3)自動曲げ加工制御システムの開発(設計、製作)
 既に製作済みの制御システムを曲げ材に対して、一連の手順で自動運転させ、システムの正常動作、現場設備としての適用実験、改良を行った。
[1] 生産設計情報の入力実験
 生産設計情報より、部材形状(展開形状)、曲げ型形状(基準線上の当て型形状)を実験材で実験材で作成入力させ、情報の受け渡し〜実験値との対比迄一連の動作確認を行い、結果をまとめた。
[2] オフラインティーチング実験及びまとめ
 加熱、計測の一連動作を現場作業員によりグラフィック上でオフラインティーチングし、自動運転を行って現場設備としての適応性を確認した。確認の結果、不具合、機能拡大要求部を改良した。
(4)自動曲げ制御用データベースの開発(設計、製作)
 (1)から(3)で収納したデータによる最適加熱条件の的確推測、高精度自動加熱曲げ加工の確認、現場適用を想定した改良を行った。
[1] データ入出力実験
 (1)から(3)の実績データの入出力に必要な検索データの入力を実績データ毎に行い、登録した。又、これらのランダムに登録された実績データから求めるデータ検索・出力の性能確認実験を行い、結果をまとめた。
[2] 自動加熱データ推測実験
 実船部材、相似形部材を用意し、過去の実績データをシステムヘ転送して加熱部・経路のオペレーション実験を反復し、その効果、適用方法について結果をまとめた。
(5)曲げ加工周辺装置の開発(設計)
 曲げ加工材に対して外力を自動的に加えながら加熱自動運転ができるオフセット定盤・ランプ等周辺のプロトタイプ機を製作し、自動加熱曲げ加工制御装置と結合運転実験を行い、その効果を確認して結果をまとめた。
[1] プロトタイプ機の製作
 自動オフセット定盤、クランプ装置の基本設計に対して油圧機器、制御機器類、加圧力センサー等の機器選定を行い、プロトタイプ機を製作、自動曲げ加工制御システムと連結させ、装置の動作、能力の確認を行った。
[2] 実験データ収集まとめ
 加熱、計測実験に自重撓みと横押し(外力)を追加し、加熱条件による変形量を測定、データを収集、変形加速効果について解析した。また、加熱中に鋼板の凹部に溜まった冷却水の除去方法と装置の設計、製作を行い、その効果を確認した。さらに、実験データをまとめ、周辺装置を評価し、各装置の現場適用のためのレイアウト構想図と実験結果より得られた推定能率、全体効果をまとめた。
■事業の成果

本年度は、一昨年度、昨年度に設計、製作した自動加熱曲げ装置、自動計測装置、自動曲げ加工制御システム、自動加熱曲げデータベースを組合せ、一連の自動運転が可能となるべき現場適用を想定した実験を繰り返し、個々の装置について仕上げの改良と確認を行った。またこれらの装置と組み合わせて加熱曲げ加工を促進させるオフセット定盤、クランプ装置を製作、結合させ、その効果について確認を行い、下記の成果を得て、当初の開発目的である作業員の「勘」と「技量」に頼る手作業による3次元曲げ作業のコンピュータ制御技術を用いた、自動、加熱、計測、データベース化を実現した。
(1)自動加熱曲げ装置の開発
[1] 板厚12〜25mmの小型試験片において、各加熱パターン毎に加熱実験を行い、収縮量、角変化が最大となる加熱速度を把握すると共に、一次曲げ(プレス等)後の加熱曲げとして、初期変形を与えた実船部材に対して、繰り返し線状加熱を行い、小型試験片において得られた結果と正しく対応した収縮量を得られた。
[2] 実船部材を行い、現場作業員によりオフラインティーチングして自動加熱曲げ実験を行い、いずれも目的の形状を確認できた。特に、同形状、対称部材においては、全く同様の加熱運転プログラムで再現できることを確認できた。
[3] 大型試験材については、四周を支持し、自重撓み、横荷重を利用して加熱曲げを行うことにより、加工促進効果を確認した。
[4] パターン毎に異なった板厚の変形量をほぼ1本の曲線でまとめるパラメータを設定し、最大角変形を得るための加熱条件を算式化した。又、最適加熱条件の推測に必要な各種形状についてのデータをデータベース化した。
(2)自動計測装置の開発
[1] 形状測定結果と設計データとを対比するシステムを完成させ、曲げ加工材と設計データの位置関係を合致させるアルゴリズムを開発すると共に、加工材の設置状態を精度良くかつ迅速に認識するため、レーザースリット光を利用して、座標回転角と位置合わせを同時に行うことができる装置を開発できた。
[2] 短時間計測や上位設計情報との照合のための高速処理に対応するため、曲げ加工材全面のスキャニングから、指定したフレームライン、基準線の部分計測に変更し、計測点間を補完させる計測方式に変更した。
(3)自動曲げ加工制御システムの開発
[1] 生産設計情報(木型情報)の調査から、本システムの設計情報を部材表面に座標原点のある座標系を使用することを決定した。また、計測結果を計測情報と比較させるため、設計データを等間隔に補完するソフトを製作し、データ入力〜比較表示までの良好な動作を実現した。
[2] 加熱ティーチング、計測ティーチングにおいて、現場の適用性を高めるため、下記の機能を付加し、ティーチングの高速操作を可能とした。
a.加熱ティーチング
(a)マウス操作によるデータ生成
(b)NCプログラムの生成と転送
(c)ウィービング制御の独立化
b.計測ティーチング
(a)部材配置の教示(スリット光制御)
(b)計測走査パターンの自動生成
(c)設計、計測データの比較操作の簡略化
c.全体制御
(a)部材外形・フレームラインの自動生成
(b)中断、再開機能
(c)ファイル名入力
(4)自動曲げ制御データベースの開発
[1] 実船材、相似形部材を選定し、加熱、計測を行い、実績データを登録収納した。
[2] 新規材料に対しての加熱条件について、データベースに登録されている過去の相似、類似形状のデータをデータベースで検索、オフラインティーチングシスナムヘ転送、最適パターンの選択、加熱部の移動、コピー等のNC動作プログラムを発生させる一連の運転実験を行い、現場作業員が推測に必要な過去の計測データと加熱条件(過去の実績)をティーチング時に画面上で表示し、オフラインティーチング作業の容易化を図った。
(5)曲げ加工周辺装置の開発
[1] 曲げ加工材に対して、外力を自動的に加えながら加熱自動運転ができるオフセット定盤、クランプ等周辺装置のプロトタイプ機を下記の仕様により製作し、自動加熱曲げ加工制御装置と結合運転を行い、その良好な動作を確認すると共に、現場適用を想定した設計を行った。
油 圧 機 器     油圧シリンダ
制 御 機 器     エンコーダによるサーボ制御
外部信号接続      パソコンによる数値入出カ
加圧力測定用センサー  ロードセルを各軸受け点に装着
最大能カ(上下)     1トンシリンダ
最大能カ(左右)     5トンシリンダ
ストローク(上下)    300mm
ストローク(左右)    300mm
定盤サイズ       1900×3500mm
鋼板裏面水冷      スプリンクラー散水方式
 又、加熱に使用した冷却水が部材の凹部に溜まり、加熱、計測の自動運転に支障を来すため、自動排水装置を考案し、装着した。
[2] 加熱条件の違いによる変形量を測定し、変形加速についてその効果的な入熱条件を特定した。





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更新日: 2019年7月13日

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