JP2001259915A - 楕円形状等の非円形形状の加工方法と加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 先に加工した形状を測定することで得られた
標準形状からのズレを工具半径の変化に起因するズレと
熱変位に起因するズレとに分離しなくても補正できると
ともに、補正量が工作物の回転角度によらずに一様な値
とできる加工技術を実現する。 【課題を解決するための手段】 第１軸Ｃの回りに工作
物Ｗを回転させる工程、その第１軸に直交する第２軸
（Ｘ）に沿って工具Ｔと工作物Ｗを相対移動させる工
程、その第１軸と第２軸に直交する第３軸（Ｙ）に沿っ
て工具Ｔと工作物Ｗを相対移動させる工程を備え、前記
３工程を複合して実施することで加工点６での接線８を
前記第３軸（Ｙ）に平行に維持する。この関係で加工す
ると、先に加工した形状が標準形状からずれているのに
対してＸ軸座標を一様に補正することでそのズレが補償
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転する工作物に対
して工具が相対的に移動しながら加工する技術に関す
る。特に工作物の回転中心からの距離が回転角度に応じ
て変化する形状に加工するのに適した加工技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば楕円形状や偏心円等、回転中心か
らの距離が回転角度に応じて変化する形状に加工する必
要がしばしば存在する。図６はベーンコンプレッサのハ
ウジングとなる部材６１に楕円形状のボア６２を加工す
る従来の加工技術を示す。従来の加工技術では、工作物
６１を回転中心軸６３の回りに回転させながら工具６４
で加工する。工具６４は工作物６１の回転中心軸６３
（以下Ｃ軸という）に直交する軸（以下Ｘ軸という）６
５に沿って移動する。工作物６１のＣ軸６３回りの回転
角度と工具６４のＸ軸６５に沿った座標とを同期して制
御することで、工作物６１に楕円形状等の回転角度に応
じてＣ軸６３からの距離が変化する形状６２が加工され
る。この加工技術は２軸の制御によって意図した形状に
加工できるために、広く用いられている。

【０００３】従来の加工技術では、図６（Ｂ）に良く示
されるように、Ｃ軸６３からの距離が回転角度に応じて
変化する形状６２に加工する場合、工具６４の半径がゼ
ロでないために、加工点６６が工具６４の移動軸（Ｘ
軸）６５から外れることになり、工作物６１の回転角度
に対応して工具６４の中心６７のＸ軸座標を計算する過
程の随所で工具半径を考慮することが必要となる。

【０００４】通常は工具６４としてエンドミルや回転砥
石が使用される。これらの工具は多数の工作物６１を加
工している内に工具半径が変化することがある。工具半
径が小さくなれば加工されるボア６２の形状も小さくな
る。さらに、工具６４と工作物６１をＸ軸６５に沿って
相対移動させるＸ軸移動機構は時に加熱され、熱変位に
起因する誤差がＸ軸座標に入り込むことがある。

【０００５】図６の（Ｃ）と（Ｄ）は工具半径の変化に
抗して同一形状６２に加工するために必要な工具中心の
Ｘ軸座標の補正量を示している。（Ｃ）において、Ｔｂ
は工具半径が大きい状態、Ｔａは工具半径が小さくなっ
た状態を示す。工具半径の変化量ΔＸ１だけ、工具中心
６７のＸ軸座標を補正すると、工具半径が大きい場合の
加工点６６−２と工具半径が小さい場合の加工点６６−
１が同一位置となる。（Ｃ）に示されるように、加工点
６６での接線６８が工具の移動軸（Ｘ軸）６５に直交す
る場合、工具中心のＸ軸座標を工具半径の変化分だけ補
正すればよいことが確認される。これに対して、（Ｄ）
に示されているように、加工点６６での接線６８が工具
の移動軸（Ｘ軸）６５に対して斜交する場合、工具半径
の変化によって加工点のＸ軸座標が変化することから
（工具半径が大きい場合の加工点６６−２と、工具半径
が小さい場合の加工点６６−１では位置が相違し、Ｘ軸
座標が相違する）、工具中心６７のＸ軸座標の補正量Δ
Ｘ３を工具半径の変化分ΔＸ１以上にしなければならな
い。明らかに、工具半径が変化すると、その変化に抗し
て同一形状に加工するのに要する工具中心６７のＸ軸座
標の補正量は工作物６１の回転角度に応じて変化させな
ければならないことが確認される。一方、図６の（Ｅ）
と（Ｆ）は、Ｘ軸移動機構が熱変位して誤差を生じた場
合を示している。図示の場合、動作プログラム上でのＸ
軸座標がＸcであるにもかかわらず、熱変位によって実
際のＸ軸座標がＸｄになる場合を示す。この場合は明ら
かに、工作物の回転角度にかかわらず、熱変位量ΔＸ２
に等しい量だけ工具中心のＸ軸座標を補正すればよいこ
とがわかる。従来の加工技術によると、工具半径の変化
分を補償するために必要な補正量と、熱変位を補償する
ために必要な補正量を別々に算出しなければならない。
また、工具半径の変化分を補償するために必要な補正量
は、工作物の回転角度ごとに細かく算出しなければなら
ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】先に加工された工作物
の形状を測定して標準加工形状からのズレを算出し、こ
のズレに基づいて次の加工時に必要な補正をすることが
できるはずである。しかしながら、従来の加工技術で
は、必要な補正量を算出するにあたって、工具半径の変
化に起因して生じたズレと、熱変位に起因して生じたズ
レとに分離し、それぞれに対して必要な補正量を算出し
なければならない。ここで問題なのは、先に加工された
工作物の形状を測定して標準加工形状からのズレを算出
することはできても、それを工具半径の変化に起因して
生じたズレと熱変位に起因して生じたズレとに分離する
ことができないことである。このために、従来の加工技
術では、先に加工された形状を測定してその後の加工に
際して補正する方式が取れない。本発明の一つの目的
は、先に加工した形状を測定して得られたズレを、工具
半径の変化に起因するズレと熱変位に起因するズレとに
分離しなくても補正量を算出できる加工技術を実現する
ことである。

【０００７】Ｘ軸移動機構を工夫することで熱変位量を
事実上無視できる程度に小さくすることも不可能ではな
いであろう。この場合前記した第１の問題は生じない。
しかしながら、依然として工具半径の変化分を補正する
処理は必要とされる。この場合、先に説明したように、
工具中心のＸ軸座標の補正量を工作物の回転角度に応じ
て算出しなければならず、その計算に要する計算量が多
い。このために、先に加工した形状を測定し、その測定
結果に基づいて補正量を算出し、次の加工に際しては補
正量を加味して加工するサイクルにおいて、補正量の算
出処理の間は次の加工が開始できないという問題が現
れ、生産性が損なわれる。本発明の他の一つの目的は、
補正量が工作物の回転角度によらず、一様な値とできる
加工技術を実現することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段と作用】本発明に係わる加
工方法は、第１軸（Ｃ軸）の回りに工作物を回転させる
工程と、その第１軸に直交する第２軸（Ｘ軸）に沿って
工具と工作物を相対移動させる工程と、その第１軸と第
２軸に直交する第３軸（Ｙ軸）に沿って工具と工作物を
相対移動させる工程を備えており、前記３工程を複合し
て実施することで加工点での接線を前記第３軸（Ｙ軸）
に平行に維持することを特徴とする。また、本発明に係
わる加工装置は、第１軸（Ｃ軸）の回りに工作物を回転
させる手段と、その第１軸に直交する第２軸（Ｘ軸）に
沿って工具と工作物を相対移動させる手段と、その第１
軸と第２軸に直交する第３軸（Ｙ軸）に沿って工具と工
作物を相対移動させる手段と、前記３手段を複合して制
御することで加工点での接線を前記第３軸（Ｙ軸)に平
行に維持する制御手段とを有する。

【０００９】上記方法と装置によると、工作物の加工面
と工具外周の接点、即ち加工点と工具中心を結ぶ線分は
常に第２軸（Ｘ軸）に平行に維持される。このために、
工具半径の変化分を補正する際には、工具中心の第２軸
（Ｘ軸）に沿った座標に対して工具半径の変化分を補正
すればよく、工作物の回転角度ごとに異なる補正量を算
出する必要がない。同様に、工具中心の第２軸（Ｘ軸）
に沿った座標に熱変位の影響が現れても、工具中心の第
２軸（Ｘ軸）に沿った座標に対して熱変位分を補正すれ
ばよい。即ち、工具半径の変化分の補正も、熱変位に対
する補正も、ともに共通的に工具中心の第２軸（Ｘ軸）
に沿った座標に対して直接的に施せばよい。このため
に、先に加工した形状を測定してその後の加工に際して
補正するに際して、先に加工した形状の測定結果から、
工具半径の変化に起因する分と熱変位に起因する分とに
分ける必要がなく、両者が複合して現れたズレ分をその
まま補正すればよいことになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】最初に、本発明の実施形態のいく
つかの特徴を列挙する。 （形態１） 請求項１または２において、先に加工した
工作物を測定し、この測定結果と理想形状とを比較して
加工誤差を求め、この加工誤差に基づいて次の工作物の
加工に際して第２軸方向での工具と工作物の相対移動を
補正する。この形態において、工作物の測定は加工装置
の機上で実施しても機外で実施しても良い。また、工作
物の測定は工作物の輪郭の少なくても１箇所で測定すれ
ば足り、例えば、工作物が楕円形状の場合、その短径又
は長径の一方を測定すれば足りる。 （形態２） 形態１において、工具はエンドミルであ
り、工作物はベーンコンプレッサのハウジングであり、
加工する形状は楕円である。この形態によって、高性能
なベーンコンプレッサを安定的に製造することが可能と
なる。 （形態３） 形態１において、工作物の回転中心軸とエ
ンドミルの回転中心軸は平行に維持される。 （形態４） 形態１において、工具がＸ軸に沿って移動
し、工作物をＣ軸回りに回転させる部材がＹ軸に沿って
移動する。

【００１１】

【実施例】図５は、本発明の加工装置の一つの実施例を
示しており、ベッド１０を備えている。ベッド１０上に
は紙面垂直方向に伸びる第２軸（Ｘ軸）案内台１１が固
定されており、その案内台１１によって工具主軸台テー
ブル１４が第２軸（Ｘ軸）に沿って移動可能となってい
る。案内台１１にはサーボモータ１３が取り付けられて
おり、工具主軸台テーブル１４はそのサーボモータ１３
によって第２軸（Ｘ軸）に沿って移動される。また、サ
ーボモータ１３にはエンコーダ１２が取り付けられてお
り、そのエンコーダ１２によって工具主軸台テーブル１
４のＸ軸座標が検出可能となっている。工具主軸台テー
ブル１４上に工具主軸台１５が固定され、工具主軸台１
５に工具主軸１６が回転可能に支持されている。工具主
軸台１５には工具主軸１６を高速回転させる工具主軸モ
ータが収容されている。工具主軸１６の先端に工具（こ
の場合はエンドミル）Ｔが取り付けられている。工具主
軸台１５にはクーラントノズル１７が固定されている。
工具Ｔは第２軸（Ｘ軸）に沿ってサーボモータ１３で移
動され、そのＸ軸座標がエンコーダ１２で検出される。

【００１２】ベッド１０上には紙面内で水平方向に伸び
る第１軸（Ｚ軸）案内台１８が固定されており、その案
内台１８によってコラム２１が第１軸（Ｚ軸）に沿って
移動可能となっている。案内台１８にはサーボモータ２
０が取り付けられており、コラム２１はそのサーボモー
タ２０によって第１軸（Ｚ軸）に沿って移動される。ま
た、サーボモータ２０にはエンコーダ１９が取り付けら
れており、そのエンコーダ１９によってコラム２１のＺ
軸座標が検出可能となっている。

【００１３】コラム２１には紙面内垂直方向に伸びる図
示されない第３軸（Ｙ軸）案内台が固定されており、そ
の案内台によって工作物主軸台２４が第３軸（Ｙ軸）に
沿って移動可能となっている。コラム２１にはサーボモ
ータ２３が取り付けられており、工作物主軸台２４はサ
ーボモータ２３によって第３軸（Ｙ軸）に沿って移動さ
れる。またサーボモータ２３にはエンコーダ２２が取り
付けられており、そのエンコーダ２２によって工作物主
軸台２４のＹ軸座標が検出可能となっている。工作物主
軸台２４には工作物主軸２５を第１軸（Ｚ軸）に平行な
第１軸（Ｃ軸）の回りに回転させるサーボモータ２８が
収容されている。工作物主軸２６の先端に工作物（この
場合はベーンコンプレッサのハウジング）１を固定する
チャック２６が取り付けられている。サーボモータ２８
にはエンコーダ２７が取り付けられており、そのエンコ
ーダ２７によって工作物Ｗの回転角度が検出可能となっ
ている。

【００１４】この加工機械は、加工開始時にコラム２１
が前進して工作物Ｗを工具Ｔに接触させる。加工中はサ
ーボモータ２８が工作物ＷをＣ軸の回りを回転させ、サ
ーボモータ２３が工作物ＷをＹ軸に沿って移動させ、サ
ーボモータ１３が工具ＴをＸ軸方向に移動させる。ここ
で、Ｃ軸と、Ｘ軸と、Ｙ軸は相互に直交しており、それ
ぞれ、特許請求の範囲の、第１軸、第２軸、第３軸に相
当する。加工終了後にコラム２１が後退して、工作物が
交換される。図示２９は制御装置を示し、それぞれのエ
ンコーダ１２、１９、２２、２７の検出値が入力部３０
に入力され、演算部３１で必要な計算が実施され、出力
部３２が各サーボモータ１３、２０、２３、２８の回転
角度を制御する。制御装置２９はこの他に工具主軸回転
モータに接続されており、これを制御するが、図示の明
瞭化のために配線表示を省略する。

【００１５】図１は、各サーボモータ１３、２３、２８
が制御されることで実現される工作物Ｗと工具Ｔの相対
的位置関係を示す。図６と比較すると明らかに、加工
中、工作物Ｗは第１軸（Ｃ軸）の回りに回転され、工具
Ｔが第２軸（Ｘ軸）に沿って移動され、さらに、工作物
Ｗが第３軸（Ｙ軸）に沿って移動される。即ち、図６に
示した従来の加工技術に比して、制御対象軸数が１だけ
増やされている。そしてこの加工技術では、増加した自
由度を生かして、加工点６での接線８が常にＹ軸（第３
軸）に平行でＸ軸（第２軸）に直交する位置関係を実現
する。

【００１６】図２と図３は、工作物ＷのＣ軸回りの回転
角度と、工作物ＷのＹ軸座標と、工具ＴのＸ軸座標の計
算過程を示し、このようにして計算されるＣ軸回りの回
転角度とＹ軸座標とＸ軸座標に基づいて各サーボモータ
２８、２３、１３の回転角度を制御すると、加工点６で
の接線８が常にＹ軸（第３軸）に平行でＸ軸（第２軸）
に直交する位置関係が実現される。

【００１７】図２のステップＳ２１では、加工後の形状
２を記述する数学的データを入力する。このデータは数
学的に有効なものであればその形式を問わない。ステッ
プＳ２２では、工作物の回転角度をゼロとする。工作物
の回転角度は任意の角度から測定すればよく、図３の
（Ａ）の場合、楕円２の長径３がｘ軸から時計回転方向
にθ０度回転したときに工作物Ｗの回転角度をゼロとす
る例を示している。図２のステップＳ２３の計算では図
３（Ａ）に示す楕円形状を回転させず、代りに、線分４
を反時計方向に回転させながら計算する。この座標系が
ｘ−ｙで示される。

【００１８】ステップＳ２３は、ステップＳ２７と、ス
テップＳ２８からステップＳ２３に戻る処理から明らか
に、繰り返し実行される。ここで、ステップＳ２７での
インクリメントを１度とすると、ステップＳ２３は、θ
を０度、１度、２度、３度、・・・３５９度と変化させ
ながら３６０回繰返される。ステップＳ２３では、その
たびごとに、図３（Ａ）の線分４を回転させながら、楕
円２のｘ座標とｙ座標を計算する。図３(Ａ)は繰り返し
実行回数がｎ回目であることを示している。

【００１９】ステップＳ２４では、隣接する座標算出点
（この場合、回転角度が１度離れた位置）の位置関係か
ら、接線８のｙ軸に対する角度αを計算する。ステップ
Ｓ２５では、図３の（Ｂ）に示すように、（ｘ、ｙ）点
の座標を、ｙ軸から反時計回転方向にα度だけ傾けたＹ
軸を持つＸ−Ｙ座標系での座標（Ｘ、Ｙ）に座標変換す
る。ステップＳ２６では、ステップＳ２５で算出された
Ｘ座標と、Ｙ座標と、その時の工作物の回転角度βを記
憶する。ここで、βはＸ軸と楕円２の長径３のなす角度
であり、α＋θ０である。以上の処理を単位角度だけ増
大させながら、楕円を一周するまで繰返す。ステップＳ
２８でＹＥＳとなったときには、図１の（Ａ）（Ｂ）に
示される加工点６を記述するデータ、即ち、工作物Ｗの
長径４をＸ軸に対してβ度回転させた状態でＸ座標とＹ
座標で記述される加工点で加工すると、その加工点での
接線８がＹ軸に平行でＸ軸に垂直になる位置関係を実現
するデータが得られる。

【００２０】実際の加工時には、図１（Ｃ）に示される
ところから明らかに、算出されたＸ軸座標から工具半径
をオフセットしたＸ軸座標に工具中心を位置させながら
加工する。このようにすると、図１（Ａ）から（Ｃ）に
示されるように、加工点６での接線８がＹ軸に平行でＸ
軸に垂直に維持しながら加工が継続される。

【００２１】加工中に工具半径が縮小すると、加工され
る楕円形状が小さくなる。この場合、加工された楕円形
状２の短径と長径を測定し、小さくなった分だけＸ軸座
標のオフセット量を小さくすれば良い。従来の技術のよ
うに、工作物の回転角度に応じて補正量を計算する必要
がない。

【００２２】この方式によると、加工された楕円形状が
小さくなった原因が工具半径の変化に起因せず、熱変化
に起因するものであっても、結果的には正しく補正さ
れ、次に加工される形状は標準形状に復帰する。図１
（Ｃ）と（Ｄ）に示されるように、どちらの原因に起因
して加工形状が標準形状からずれても、それを補正する
手法が同一であることから、どちらの原因によって生じ
たズレかを区分する必要がない。また当然にズレ分ごと
に異なる補正処理をする必要もない。

【００２３】この方式では、多数の工作物を加工する
間、工具半径を直接測定する必要がない。実際に加工さ
れた形状を測定し、標準形状から大きすぎる分、あるい
は、小さすぎる分を単純にＸ軸座標に反映すればよい。
通常の工作物は一定の許容範囲を許す為に、この許容範
囲内で大きすぎる、あるいはこの許容範囲内で小さすぎ
るのに応じて工具中心のＸ軸座標を補正していけば、次
に加工されるものはその許容範囲内でさらに標準形状に
近いものとなり、許容範囲内の製品を加工しつづけるこ
とができる。

【００２４】上記では工作物の内径を楕円形状に加工す
る場合について例示したが、本発明の技術はこれに限ら
れない。図４（Ａ）は、工作物の内面を部分楕円Ａと部
分円弧Ｂが組み合わされた複合形状に加工する場合を例
示している。図４（Ｂ）は、工作物Ｗの外形を工具Ｔで
非円形形状に加工する場合を例示している。いずれの場
合にも、工作物の回転とＸ軸方向の移動を組合せた２軸
制御で加工できるものであるが、さらにＹ軸方向の移動
を利用することによって、加工点での接線が常時Ｘ軸に
直交する関係を維持しながら加工することが可能とな
る。このために、工具半径の変化やＸ軸移動機構の熱変
位を補正する処理がＸ軸座標の増減処理だけですみ、そ
の処理が短時間ですみ、かつ、工具半径の変化によるも
のとＸ軸移動機構の熱変位によるものとを区分する必要
がなく、結果的にいずれのものによるにせよ正しく補正
することができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明の加工方法と加工装置によると、
先に加工した形状を測定し、標準形状からのズレに応じ
て第２軸（Ｘ軸）座標を補正するだけでズレが補償され
ることになり、良質な加工を高効率で持続することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の加工技術によると、加工形状のズレ
を補償するのに必要な補正量が一定の値を持つＸ軸座標
だけですむことを説明する図。

【図２】 加工点での接線がＹ軸に平行を保つ加工点を
実現する工作物回転角度と加工点の第２軸座標と第３軸
座標を算出する処理手順を示す図

【図３】 図２の処理内容を示す図

【図４】 本実施例の加工技術が好適に利用される形状
例を示す図。

【図５】 本実施例の加工装置を示す図。

【図６】 従来の加工技術を示す図。

フロントページの続き (72)発明者 中野 浩之 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 山田 良彦 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 時信 好典 群馬県新田郡尾島町大字世良田3000番地 株式会社ゼクセル尾島工場内 Ｆターム(参考） 3C022 BB00

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１軸の回りに工作物を回転させる工
   程、その第１軸に直交する第２軸に沿って工具と工作物
   を相対移動させる工程、その第１軸と第２軸に直交する
   第３軸に沿って工具と工作物を相対移動させる工程を備
   え、前記３工程を複合して実施することで加工点での接
   線を前記第３軸に平行に維持する加工方法。
2. 【請求項２】 第１軸の回りに工作物を回転させる手
   段、その第１軸に直交する第２軸に沿って工具と工作物
   を相対移動させる手段、その第１軸と第２軸に直交する
   第３軸に沿って工具と工作物を相対移動させる手段、前
   記３手段を複合して制御することで加工点での接線を前
   記第３軸に平行に維持する制御手段とを有する加工装
   置。