ロボットチューブ曲げとは何ですか?

ロボットのチューブ曲げ 産業用ロボット アームと CNC (コンピューター数値制御) チューブ曲げ機械を深く統合し、手動介入なしでチューブの供給、位置決め、クランプ、曲げ、アンロードを自動的に実行できる完全自動システムを形成します。 ロボットはチューブを扱い、高精度でチューブのグリップ、方向付け、再位置決めを行います。一方、CNC 曲げ機は、プリセットされたダイスと圧力ツールを使用して実際の成形操作を実行し、必要な曲げ角度、半径、および 3 次元形状を実現します。

実際には、ロボットによるチューブ曲げにより、従来の手動または半自動のチューブ曲げ作業が完全に自動化された生産セルに変わります。この産業用ロボットの柔軟な多軸動作 (通常は 6 自由度) により、さまざまな直径、壁の厚さ、長さのチューブを扱い、連続する曲げの間で再配置したり、手動操作では一貫して達成するのが非常に困難または不可能である複雑な複数平面の形状に適応したりすることができます。このシステムは、治具の素早い交換、並行した複数の金型の取り付け、複数の曲げ形状のプログラム可能な実行をサポートしており、自動車、航空宇宙、HVAC、医療機器、構造物製造業界における大量かつ高精度のチューブ製造の基礎となっています。

ロボットによるチューブ曲げの仕組み: 完全なプロセス

ロボットのチューブ曲げとは何かを理解するには、チューブ加工サイクル全体を通じてロボットと曲げ機械システムがどのように相互作用するかを理解する必要があります。このプロセスでは、ハードウェア (ロボット、曲げ機械、ツーリング、コンベア) とソフトウェア (ロボット プログラム、CNC 曲げプログラム、同期制御) をシームレスな自動ワークフローに統合します。

ステップ 1: 自動チューブの供給と装填

通常、直線の長さ 3 ～ 6 メートルの生チューブストックは、ロボット作業セルに隣接するフィードコンベア、バンドルラック、またはマガジンシステムに積み込まれます。産業用ロボットは、専用設計のアーム端ツール (EOAT) (特定のチューブ直径に合わせて構成されたグリッパーまたはチャック) を使用して、フィード ステーションから個々のチューブをピックアップします。視覚システムまたは機械式停止センサーは、ロボットがグリップする前にチューブの位置を確認し、供給位置のわずかな変動に関係なく、各チューブが正しくピックされることを保証します。

ステップ 2: チューブの位置決めと初期クランプ

ロボットはチューブを曲げ機械に運び、機械のクランプおよび曲げツールセット内にチューブを正確に配置します。チューブは、最初の曲げの正しい挿入深さと回転方向を確立するために、基準ストップに対して、またはコレット チャック内に配置されます。曲げ機はチューブをしっかりとクランプし、加圧ダイ、曲げダイ、ワイパー ダイがチューブの周囲に密着します。最初の曲げが実行される間、ロボットはグリップを解放するか、制御された支持位置を維持します。

ステップ 3: CNC 制御による曲げ

チューブが曲げ加工機のツールセットにクランプされている状態で、CNC システムは曲げ操作を実行します。つまり、定義された中心の周りで曲げダイを回転させ、曲げ半径の周りで指定された角度までチューブを引っ張ります。曲げプログラムは材料のスプリングバック動作を考慮しており、工具が解放された後にチューブを正確に指定された角度に戻すわずかなオーバーベンドを事前にプログラムします。 最新の CNC チューブ ベンダーは、曲げ角度を公差 ±0.1°、曲げ位置 (YBC 値 - 送り長さ Y、曲げ角度 B、回転 C) を ±0.2 mm 以内に制御します。 、複雑なチューブアセンブリに必要な幾何学的精度を実現します。

ステップ 4: 曲がりの間でロボットの位置を変更する

各曲げが完了すると、曲げ機械はチューブを解放し、ロボット (または機械自体のチューブ送り軸) が次の曲げのためにチューブの位置を変更します。この再位置決めには、チューブを正しい送り長さ (Y 軸) だけ前進させ、それ自体の軸 (C 軸) を中心に正しい角度位置まで回転させ、チューブの再位置決め時にチューブの以前に曲げられた部分が機械構造とツールセットを通過することを確認することが含まれます。このロボットの 6 軸の器用さにより、曲げ機の形状に沿って事前に曲げられたセクションを備えたチューブを操作することができます。これは、複雑な多平面のチューブ形状にとって重要な機能です。

ステップ 5: アンロードと部品の移動

プログラム内のすべての曲げが完了すると、ロボットは完成した曲げチューブ アセンブリをピックアップし、アンロード コンベア、部品ラックに移すか、次の処理ステーション (溶接、バリ取り、検査) に直接移送します。完成した部品は、3D ビジョン システムを使用してインラインで、または三次元測定機を使用して定期的に品質チェックポイントに照らして確認され、次のブランク チューブからサイクルが再開されます。

ロボットチューブ曲げシステムの主要コンポーネント

完全なロボットのチューブ曲げセルには、完全に自動化された高精度のチューブ成形を実現するために、調整された同期で動作する必要があるいくつかの主要なサブシステムが統合されています。各コンポーネントは、システム全体の機能において特定の重要な役割を果たします。

産業用ロボットの役割: 鍵となる多軸の柔軟性

産業用ロボットは、ロボットのチューブ曲げを従来の自動チューブ曲げと根本的に区別する要素です。標準的な CNC チューブ ベンダーは曲げ動作自体を自動化しますが、依然として機械的なチューブ供給軸に依存しており、チューブの位置決めの柔軟性は限られています。 6 軸産業用ロボットの統合により、この機能が置き換えられ、劇的に拡張されます。

6 つの自由度で無制限のチューブ形状を実現

6 軸産業用ロボット アームは、エンド エフェクター (グリッパー) を作業領域内の任意の点に任意の向きで移動できます。この機能は、必要な任意の位置と角度でチューブを曲げ機械に提供する機能に直接変換されます。これは、異なる回転方向で連続的な曲げが発生する複雑な多平面のチューブ形状や、成長するチューブの曲げ部分を衝突することなく曲げ機械構造の周りで操作する必要がある場合に重要です。

複雑な 3 次元形状で 5 つ以上の曲がりがあるチューブ用 自動車の燃料ライン アセンブリ、油圧ブレーキ チューブ、HVAC マニホールド チューブなど、ロボットの 6 軸の柔軟性は便利なだけでなく不可欠です。ロボットのオフライン プログラミング ソフトウェアは、衝突チェックを含む完全な曲げシーケンスをシミュレートし、各曲げ間のロボットの経路を最適化して、手動による介入や経路修正のための機械のダウンタイムなしで、曲げられたチューブがすべての障害物を確実にクリアできるようにします。

複数製品の柔軟性を実現するクイック治具交換

ロボットチューブ曲げシステムは、さまざまな直径、肉厚、曲げ半径のチューブを加工するために、アーム先端グリッパーや曲げ機械の工具セットなどの治具を迅速に交換できます。ロボットの手首にある自動工具交換装置により、アーム先端工具 (EOAT) を 60 秒以内に交換できます。曲げ工作機械の変更も同様に、クイックリリース ダイ マウンティング システムによって加速されます。この迅速な切り替え機能は、単一のロボットのチューブ曲げセルで加工できることを意味します。 シフトごとに 10、20、またはそれ以上の異なるチューブ部品番号 — 専用のハードツールを備えた機械では実現できない柔軟性。

長さの変化に対応するために調整可能なグリップ位置

ロボットは、チューブの長さに沿ってグリップ位置を調整して、各曲げのてこの作用を最適化し、成形中にチューブのたわみを引き起こす可能性のあるオーバーハングを最小限に抑え、チューブが曲げ機に正しく提供されるのを妨げる事前に曲げられた部分のグリップを回避できます。ロボットのオフライン ソフトウェアでプログラムされたこのインテリジェントなグリップ位置調整は、長い部品や複雑な部品の曲げ精度を大幅に向上させる、微妙ですが重要な機能です。

ロボットチューブ曲げシステムで使用される曲げ方法の種類

ロボットチューブ曲げシステムは単一の曲げ方法に限定されません。ロボットをさまざまなタイプの曲げ機械と統合して、特定の材料、形状、および品質要件に適したさまざまな成形特性を実現できます。

ロータリードローベンディング(RDB)

ロボットのチューブ曲げシステムで最も一般的で正確な曲げ方法。チューブは回転する曲げダイにクランプされ、曲げの外側をサポートする圧力ダイと、壁の崩壊を防ぐチューブ内側のオプションのマンドレルによってガイドされ、ダイが回転するにつれてその周りに引っ張られます。回転絞り曲げにより、肉厚の薄化を最小限に抑え、優れた断面形状を維持しながら、狭い曲げ半径 (一部の用途ではチューブ直径の 1 倍と同じくらい狭い) を実現します。 これは、自動車、航空宇宙、医療機器用途におけるチューブの精密曲げの標準的な方法です。 、機械の能力に応じて、4 mm から 200 mm 以上のチューブ直径を曲げることができます。

圧縮曲げ

圧縮曲げでは、チューブは固定された曲げダイに対して保持され、スライド圧力ダイがチューブをダイの周りで押します。このより簡単で低コストの方法は、厳しい公差や薄肉が必要ない用途の軟鋼およびアルミニウム管に適しています。ロボットと圧縮曲げ機械の統合は、寸法精度よりもスループットと柔軟性が重要な一般的な製造および構造用途で一般的です。

ロールベンディング

ロール曲げでは、3 つ以上のロールを使用して、チューブ、プロファイル、セクションに大きな半径の曲げを段階的に形成します。ロボットとロール ベンダーの統合により、ロールを通して長いチューブまたはセクションを連続的に供給および位置変更することができ、複雑な螺旋またはらせん形状や大きな半径の建築チューブ曲線が可能になります。用途としては、手すり、構造用曲面部材、大口径配管システムなどがあります。

押し曲げと自由曲げ

プッシュ曲げ (フリーフォームまたは 3D フリーベンディングとも呼ばれます) では、チューブの空間経路を制御しながら、移動する曲げダイまたはガイド ノズルを通してチューブを押すことにより、ロボット自体が送りと曲げの両方を実行します。このアプローチにより、フォーム固有の専用ツールを必要とせずに、連続的に変化する半径の曲げ (離散的な一定の半径の曲げではなく) や非常に複雑な 3D ジオメトリを作成できます。プッシュベンディングシステムは、プロトタイピングや複雑な建築および自動車の排気形状アプリケーションに特に価値があります。

ロボットチューブを手動および半自動で曲げる主な利点

大量生産におけるロボットチューブ曲げシステムの採用は、ロボットを統合しない手動曲げや従来の半自動 CNC 曲げと比較して十分に実証された一連の性能上の利点によって推進されています。

• 再現性と精度: 産業用ロボットは、±0.05 mm 以上の再現性 (ISO 9283 規格) でプログラムされた位置を繰り返します。 CNC 曲げ機械の精度と組み合わせることで、ロボットによるチューブ曲げは、一貫した曲げ角度精度 ±0.1° と部品間の位置精度 ±0.2 mm を達成します。これは、生産シフト全体にわたって手作業で維持できる精度をはるかに超えています。
• スループットと生産速度: ロボット システムは、疲労、休憩、シフト変更を行わずに継続的に動作します。 1 日 3 交代で稼働するロボット曲げセルは、次のことを達成します。 1 シフト手動操作の有効生産時間の 3 倍 追加のシフトごとに人件費が増加することはなく、曲げ部品あたりの量のコストが大幅に削減されます。
• オペレーターの疲労に関連する欠陥の排除: 手動でのチューブ曲げの品質は、オペレーターが疲れるにつれて低下します。グリップの一貫性、荷重位置、反応速度はすべて、長い生産シフトを通じて変化します。ロボット システムはシフトの 1 時間目と 10 時間目で同一のパフォーマンスを維持し、手動操作でスクラップややり直しを発生させるシフト終了後の品質低下を排除します。
• 複雑な複数平面のジオメトリの処理: 複雑な 3D チューブ形状、特に複数の平面に多数の密集した曲がりがある形状を手動で処理するには、優れたオペレータ スキルが必要であり、非常にエラーが発生しやすくなります。ロボットのプログラムされた動作は、最初の部分からこれらのジオメトリを確実かつ一貫して処理します。
• 作業者の安全性の向上: チューブの取り扱いは肉体的に負担が大きく、チューブの端からの切断、曲げ工作機械による圧挫傷、繰り返しの重量物持ち上げによる人間工学的な傷害のリスクが伴います。ロボットの自動化により、オペレーターが曲げプロセスに直接触れることがなくなり、チューブ製造作業における負傷率が大幅に減少します。
• スクラップと材料廃棄物の削減: 正確なロボットの位置決めと正確な CNC 曲げの組み合わせにより、初品の故障率と工程内スクラップが削減されます。自動車用チューブ製造の研究によると、ロボット曲げセルは通常、 スクラップ率は0.5%未満 複雑な部品の手動または半自動操作の場合は 3 ～ 8% です。
• 再プログラミングによる複数製品の柔軟性: 別の真空管部品に変更するには、プログラムのリコールと (必要な場合) 工具の変更のみが必要で、このプロセスは数分で完了できます。自動車の燃料ラインを曲げる同じロボット セルを、追加の専用機器への資本投資をせずに、HVAC 冷媒チューブや構造用手すりコンポーネントを曲げるように再プログラムすることができます。

ロボットによるチューブ曲げ加工に依存する産業

ロボットによるチューブの曲げ加工は、製品に曲げられたチューブ アセンブリを使用するあらゆる業界において重要な製造技術です。精度、再現性、柔軟性の組み合わせにより、チューブの形状が製品の性能、安全性、コストに直接影響を与える業界では不可欠なものとなります。

自動車製造

自動車業界は、ロボットによるチューブ曲げ技術の最大のユーザーです。一般的な乗用車には次のものが含まれます。 100 を超える個々の曲がり管コンポーネント — 燃料供給ライン、ブレーキ油圧チューブ、排気システム、エアコン冷媒ライン、パワーステアリングライン、エンジン冷却剤パイプ、シャーシ構造チューブなど。これらのそれぞれには、車両のパッケージングの厳しい制約内に収まり、安全性と性能の要件を満たすために、一貫した形状が必要です。自動車業界の Tier 1 サプライヤーのロボット チューブ ベンディング セルは、通常、部品あたり 15 ～ 40 秒のサイクル タイムを達成し、ジャストインタイムの納品要件をサポートするために 3 シフトの生産スケジュールにわたって継続的に稼働します。

航空宇宙と防衛

航空宇宙用途では、あらゆる管曲げ用途において最高の寸法精度と高品質の文書化が求められます。航空機の油圧システムのチューブ、空圧ライン、燃料システムのチューブ、および環境制御システムのダクトは、すべての部品の完全な材料トレーサビリティと検査文書を備え、すべての形状パラメータで ±0.5 mm よりも厳しい公差を満たす必要があります。 3D 座標測定および検査装置と統合されたロボット曲げシステムは、航空宇宙認証に必要な精密曲げと文書化された品質保証の組み合わせを提供します。

冷暖房空調設備と冷凍設備

HVAC メーカーは、正しい組み立てと漏れのない接合部の形成のために一貫した曲げ形状を必要とする、銅およびアルミニウムの冷媒チューブ、熱交換器接続、エア ハンドリング システム コンポーネントを大量に生産しています。 HVAC 製造におけるロボット曲げセルは通常、大量の比較的単純な 2D チューブ形状を高速で処理します。これにより、形状の複雑さよりもスループットと低スクラップ率が最適化され、消灯製造環境に最適です。

医療機器および医療機器

患者のベッドや車椅子のフレームから手術器具テーブルや画像処理装置の構造に至るまで、医療機器には、正確な組み立て、信頼性の高い機能、規制への準拠のために、一貫した形状を備えた構造チューブアセンブリが必要です。内視鏡コンポーネント、カテーテル製造装置、手術器具のハンドルなどの小径ステンレス鋼管の曲げ加工には、ロボット曲げシステムが適切な汚染制御を提供できる高精度でクリーンルーム対応の加工が求められます。

家具、フィットネス機器、消費財

家具のフレーム、自転車のフレーム、ジム用具、ベビーカー、ショッピングカートなどのスチールおよびアルミニウムのチューブ曲げ加工は、ロボット曲げの速度、一貫性、および製品モデル間の素早い切り替えの組み合わせが強力な競争上の優位性をもたらす大量生産用途を代表します。これらの市場における製品形状の多様性と頻繁なモデル変更は、ロボット システムの再プログラム可能性の恩恵を特に受けています。

ロボットによるチューブ曲げと従来の CNC チューブ曲げ: 主な違い

ロボットによるチューブ曲げ加工が独自に提供するものを理解するには、それを従来の CNC チューブ曲げ加工と直接比較することが役立ちます。これは自動化された非ロボット的アプローチであり、その上に構築され拡張されています。

ロボットチューブ曲げシステムのプログラミングとソフトウェア

の知性 ロボットのチューブ曲げ システムは主にそのプログラミングとソフトウェア アーキテクチャに依存します。最新のシステムは、最小限の手動介入で 3D チューブ設計を実行中の生産プログラムに変換するソフトウェア層の階層を使用しています。

CAD/CAM オフライン プログラミング

オフライン プログラミング (OLP) ソフトウェアは、製品 CAD システムから 3D チューブ設計を受け取り、CNC 曲げ機械プログラム (スプリングバック補正付きの YBC 曲げシーケンス) とロボット動作プログラム (ピックアップ、位置決め、曲げ間の再位置決め、アンロード パス) の両方を自動的に生成します。このソフトウェアは、曲げられたチューブ、ロボット アーム、曲げ機械の構造間の衝突検出を含む完全な曲げシーケンスを仮想的にシミュレートし、プログラムが物理システム上で実行される前にロボットのパスを最適化して衝突を排除します。この仮想試運転アプローチにより、物理的なセットアップ時間が大幅に短縮され、複雑な新しい部品に以前必要とされていた試行錯誤のプログラミングが不要になります。

スプリングバック補償アルゴリズム

すべての金属チューブ材料は、曲げツールが解放されると弾性的に戻ります。弾性ひずみ成分が回復するにつれて、チューブの曲げ角度はわずかに増加します。スプリングバックの大きさは、材料の降伏強度、ヤング率、チューブの壁の厚さ、曲げ半径によって異なります。高度な曲げソフトウェアには、スプリングバック後のチューブの最終角度が指定された設計角度と一致するように、プログラムされた曲げ角度を事前補正する材料固有のスプリングバック モデルが組み込まれています。 最新のスプリングバック補償アルゴリズムにより、最終的な曲げ角度精度 ±0.1° ～ ±0.3° を達成 最初の部分を手動で試行錯誤して調整する必要はありません。

ロボットと機械の同期と安全制御

ロボット コントローラと曲げ機械の CNC は、フィールドバスまたはイーサネット インターフェイスを介してリアルタイムで通信し、それぞれの動作を同期させて、ロボットが危険ゾーン内にあるときに曲げ機械がクランプ動作や曲げ動作を開始しないこと、およびアクティブな曲げツールに対してチューブに応力を加えるような動作をロボットが決して行わないことを保証します。ロボットの位置と速度の安全定格の監視 - 通常は、SLS (安全制限速度) および STO (安全トルクオフ) 機能を備えた安全定格 PLC を使用します - 統合されたセルが ISO 10218 (ロボットの安全性) の機械安全要件および関連する地域の機械指令を確実に満たしていることを保証します。

ロボットによるチューブ曲げに対応したチューブの材質と直径

ロボットチューブ曲げシステムは、特定の材料やチューブサイズに限定されません。その柔軟性は非常に広範囲のチューブ材料と寸法に拡張され、チューブ製造業界の全範囲に適用できます。

• 炭素鋼および軟鋼: 最も一般的に加工される材料。チューブ外径は 6 mm ～ 150 mm。壁の厚さは0.5 mmから10 mm。自動車の構造、排気システム、一般的な製造に使用されます
• ステンレス鋼: 軟鋼よりも高い強度とスプリングバック。調整された曲げパラメータが必要です。食品加工装置、医療機器、排気システム、海洋用途で使用
• アルミニウム合金: 軽量で延性がありますが、スプリングバックが大きく、過度の曲げに対する感度が高くなります。自動車フレーム、航空宇宙構造、軽量自転車部品に使用
• 銅: 延性が高く、スプリングバックが少ない。 HVAC 冷媒ライン、配管、熱交換器チューブに一般的に使用されます。チューブ外径は通常 6 ～ 54 mm
• チタン合金: 非常に高い強度とスプリングバック。特殊な工具と非常に正確なスプリングバック補正が必要です。航空宇宙用油圧システムや高級自転車フレームに使用
• 超合金 (インコネル、ハステロイ): 極めて高い強度と耐熱性。工具に対する要求が厳しい。航空宇宙エンジン部品や化学プロセス装置に使用される

ロボット曲げシステムで加工されるチューブの外径 (OD) 範囲は、 4 mm (精密小口径油圧または医療用チューブ) ～ 220 mm 以上 (大型の構造用または産業用配管) 、処理される特定のチューブの寸法に一致するように、適切なロボットの積載量、ツーリング設計、および曲げ機械のトン数が選択されます。

ロボットによるチューブ曲げの品質管理と検査

ロボットチューブ曲げシステムは、生産セルからチューブを取り外さずに部品の形状を検証する自動検査ソリューションとの統合が進んでおり、完成部品の統計的サンプリングではなく、100% の工程内検査が可能になります。

• インライン 3D レーザー スキャン: 曲げ後、ロボットは完成したチューブを 3D レーザー スキャナーに渡し、完全なチューブの形状 (すべての曲げ角度、半径、直線の長さ、曲げ間の距離) を測定し、測定データを CAD の公称形状と比較します。許容範囲外の部品には自動的にフラグが立てられ、不合格ステーションに送られます。許容範囲内の部品は出力コンベアに送られます。
• 適応補正 (閉ループフィードバック): 高度なシステムは、前の部品の検査データを使用して、次の部品の曲げプログラムを自動的に修正します。これにより、生産実行中に部品寸法の進行性ドリフトを引き起こす、段階的な金型の摩耗、材料バッチの変動、機械形状への熱の影響が補正されます。
• 三次元測定機 (CMM) の統合: 航空宇宙および高精度アプリケーションの場合、ロボットはサンプル部品を隣接する CMM に定期的に転送して、図面公差に対する詳細な幾何学的検証を行い、結果は各生産バッチに付随するトレーサビリティ文書用に保存されます。

経済的正当性: ロボットのチューブ曲げが経済的に合理的である場合

ロボットチューブ曲げシステムには多額の資本投資が必要です。ロボット、曲げ機械、工具、ソフトウェア、安全保護を含む完全な統合セルには通常、コストがかかります。 200,000ドルから600,000ドル以上 マシンの能力とシステムの複雑さによって異なります。この投資が経済的に正当化される時期を理解することは、メーカーが情報に基づいて自動化に関する意思決定を行うのに役立ちます。

通常、ロボットのチューブ曲げは、次の場合に最も高い投資収益率を実現します。

• 年間生産量はセルあたり 50,000 ～ 100,000 パーツを超えます。 このような量の場合、手作業で曲げる場合と比較して人件費を節約でき、通常 2 ～ 4 年で回収できます。
• 部品の形状が複雑なので、慎重に手動で位置を変更する必要があります。 手動による再位置決めよりもロボットによるハンドリングの生産性の利点は、手動のサイクル時間が最も長く、スキル要件が最も高い複雑なマルチベンド部品の場合に最も大きくなります。
• 品質の一貫性は非常に重要です。 公差外の部品が下流の組み立て問題や安全上の懸念を引き起こす用途では、ロボット曲げによるスクラップの削減と品質の一貫性の利点により、直接的な労働力の節約を超えた大きな価値が付加されます。
• 複数シフトまたは消灯運転が計画されています。 ロボットセルは長期間無人で動作できるため、投資の生産性と経済的利益が倍増します。
• 熟練したオペレーターの対応には制限があります。 熟練した管曲げオペレーターが不足しているか高価である労働市場では、ロボット自動化がコストと供給側の制約の両方に同時に対処します