JP2004148422A

JP2004148422A - 多軸加工装置、多軸加工装置での加工方法、プログラム

Info

Publication number: JP2004148422A
Application number: JP2002314369A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Yasuda; 千秋安田; Katsuya Yamashita; 勝也山下; Shinichiro Kajii; 紳一郎梶井; Junji Inoue; 淳司井上; Toshio Yokomoto; 俊雄横本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】高い加工精度を確保することのできる多軸加工装置、多軸加工装置での加工方法等を提供することを目的とする。
【解決手段】５軸加工機１０では、加工時に加工ツールＴとワークＷとの間の切削力によって生じるブロック５やテーブル４の変形を変位検出センサ４２、４３で検出し、コントローラ４０の演算部４６にて、切削力による変形を補償するようにした。このときに、変位検出センサ４２、４３は、加工時に加工ツールＴとワークＷとの間の切削力に起因してブロック５やテーブル４に作用する応力が集中する箇所に設置するのが好ましい。さらに熱変形補償機構５０により、加工時に発生する熱変形に対する補償も行うようにしても良い。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マシニングセンタ等の多軸加工装置、多軸加工装置での加工方法等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、各種部品の加工に、ＮＣ制御のマシニングセンタが多用されている。このようなマシニングセンタでは、加工ツールと、加工対象となるワークをセットするワーク台とが、相対的に３軸方向に移動する、いわゆる３軸加工機が一般的となっている。
しかしながら、このような３軸加工機では、例えばタービンのブレードや金型等、３次元曲面を有する部品の加工を行えないため、近年では、４軸、５軸の加工機が実用化されつつある。
【０００３】
このような多軸の加工機においては、ワークの加工精度は、加工ツールとワーク台にセットされるワークとの相対位置関係の精度によって決まる。
このため、ワーク台や加工ツールを保持するチャック部をはじめとし、加工機全体が非常に高剛性となっているのは周知の通りである。
それでも、加工時にツールとワークとの摩擦によって生じる熱の影響により、熱変形が生じ、加工ツールとワーク台にセットされるワークとの間に誤差が生じてしまう問題があった。
【０００４】
これを解決するため、ツールを保持するツール台に検出体を設け、この検出体を、ワークや、ワークを支持する部材に向けて無負荷で接近させ、このときの位置指令と位置フィードバック信号との差（位置偏差）が増大したときに、そのときの位置指令と位置偏差に基づいて、熱変形による誤差を補正するという技術がある（例えば、特許文献１参照。）。
また、加工機の熱変形による応力が集中する箇所に歪みゲージを取り付け、その検出値から熱変形による誤差を補償するという技術が既に提供されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−５５４１５号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献２】
特開２０００−３２６１８１号公報（第２−３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、タービンのブレードや金型を加工する５軸の加工機においては、３軸、４軸の加工機と共通する熱変形による問題のほかに、構造的に、加工時に加工ツールとワークの間に生じる切削力によって変形の影響を受けやすいという、特有の問題を有している。
【０００７】
図２および図４に示すように、５軸の加工機１は、ベース２上に、鉛直軸回りに回動する回転機構３を介してテーブル４が設けられ、このテーブル４の一端に設けられたブロック５に、水平軸回りに回動する回転機構６を介して、ワークＷを保持するワーク保持部７が設けられた構成となっている。そして、ワーク保持部７に保持されるワークＷに対向するよう、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能な加工ツール保持部８が配置されている。
ワーク保持部７は、テーブル４の回転軸Ｐｖに対し、側方にオフセットしている。さらに、このワーク保持部７は、テーブル４の上面に対し、上方にオフセットしている。
これらのオフセット寸法は、その加工機１で加工可能なワークＷの大きさによって決まるものであり、加工可能なワークＷが大きければ大きいほど、これらのオフセット寸法も大きくなる。
【０００８】
このように、ワーク保持部７がベース２に対して側方および上方にオフセットして、いわばオーバハングした状態となっているため、ワーク保持部７で保持したワークＷに対し、加工ツール保持部８に保持された加工ツールＴからの切削力が作用すると、テーブル４の回転機構３の回転軸Ｐｖから側方にオーバハングした部分の変形、ブロック５のテーブル４から上方にオーバハングした部分の変形により、加工ツールＴとワークＷとの間の相対位置関係に誤差が生じてしまうことになる。特に、タービンのブレードのように長大なワークＷの場合には、切削力によってワーク保持部７に作用するモーメントも大きくなるため、この誤差はより顕著となる。
【０００９】
このような問題は、当然のことながらワークＷの加工中に生じるのであり、上記特許文献１に示したような、ワークＷの加工中以外に補正を行うような技術では、何ら問題を解決することができない。
【００１０】
上記のような理由から、特にサブミクロンオーダという高い加工精度が要求される金型の３次元加工や、大型のタービンブレード等の３次元加工を行うには、従来の５軸の加工機では、要求される加工精度が確保できず、汎用性の高い加工機ではなく専用機を用いるしかない、という問題があった。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、より高い加工精度を確保することのできる多軸加工装置、多軸加工装置での加工方法等を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明の多軸加工装置は、４軸以上の作動軸を有するもので、ワーク回転部にて、加工対象のワークを保持し、このワークを少なくとも１方向の軸線周りに回転させる一方、ツール作動部にて、ワークを加工する加工ツールを保持し、この加工ツールを２方向以上に作動させる。そして、コントローラでは、ワーク回転部およびツール作動部の作動を制御する。加工ツールでワークを切削等の加工を行う際には切削力等の加工力が生じ、ワーク回転部とツール作動部との相対位置関係の誤差が生じる。コントローラでは、この誤差を補償することで、多軸加工装置の加工精度を高めるのである。
ワーク回転部とツール作動部との相対位置関係の誤差は、ワーク回転部の作動軸または固定部からオーバハングした部分において顕著であるため、この部分の変形を検出するのが精度の面から好ましい。このため、ワーク回転部の作動軸または固定部からオーバハングした部分の変形を検出するセンサをさらに備え、コントローラにおいて、センサの検出信号に基づいて誤差を補償するのが良い。さらに、センサは、ワーク回転部において、変形による応力が集中する箇所に設けるのが好ましい。センサとしては、歪みゲージ等を適宜用いることができる。
また、センサの検出信号によって得られるワーク回転部の変形による誤差と、その誤差に対応する補償量とを関連付けた補償用データを格納した補償用データ格納部を備えておき、コントローラでは、センサの検出信号と補償用データとに基づいてワークの加工用プログラムを補正し、ワーク回転部およびツール作動部の作動を制御することもできる。
【００１２】
本発明は、複数の作動軸を有する多軸加工装置での加工方法としても捉えることができる。この加工方法は、加工ツールでワークを切削するときの切削力によって生じる多軸加工装置の変形をセンサ等で検出するステップと、検出された変形に基づき、加工ツールでワークを加工するための制御用の数値データを補正するステップと、補正された数値データに基づいて加工ツールでワークを加工するステップと、を有することを特徴とする。そして、変形を検出するステップでは、ワークを保持するワーク保持部のオーバハングした部分の変形を検出する。
【００１３】
また、本発明は、複数の作動軸を有する多軸加工装置を制御するコントローラにて実行されるプログラムとして捉えることもできる。このプログラムでは、加工ツールでワークを切削するときの切削力によって生じる多軸加工装置の変形に応じ、センサ等から出力される信号を受ける処理と、この信号に基づき、加工ツールでワークを加工するための制御用の数値データを補正する処理と、加工ツールでワークを加工するため、補正された数値データに基づいて加工ツールおよびワークの動作を制御する処理と、を有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１、図２は、本実施の形態における５軸加工機の構成を説明するための図である。
図１（ａ）、図２に示すように、５軸加工機（多軸加工装置）１０は、ワークベンチ２０と、加工ヘッド（ツール作動部）３０と、これらワークベンチ２０および加工ヘッド３０の動作を制御するコントローラ４０とから構成されている。
ワークベンチ２０は、ベース２上に、テーブル４を鉛直軸Ｐｖ回りに回動させる回転機構（ワーク回転部）３を有している。これによりテーブル４は、鉛直軸Ｐｖ回り、つまり水平面内で回動可能（図２中Ａ方向）となっている。このテーブル４上には、その回転軸からオフセットした位置に、上方に延びるブロック５が一体に設けられている。このブロック５には、テーブル４の中心部側に臨むよう、ワークＷを保持するワーク保持部７が備えられている。このワーク保持部７は、ブロック５に備えられた回転機構（ワーク回転部）６により、水平軸回り、つまり鉛直面内で回動可能（図２中Ｂ方向）となっている。
【００１５】
加工ヘッド３０は、ワーク保持部７に保持されるワークＷに対向するよう、加工ツール保持部８が配設され、この加工ツール保持部８は、図示しない駆動機構により、例えばＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能となっている。この加工ツール保持部８は、いわゆるスピンドルであり、保持した加工ツールＴをその軸線回りに回転させることができるようになっている。
これにより５軸加工機１０は、加工ツール保持部８がＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能で、ワーク保持部７がＡ方向およびＢ方向に回動可能であり、これによって、加工ツール保持部８に保持される加工ツールＴとワーク保持部７に保持されるワークＷとの間で、合計５軸の動作が可能となっている。
【００１６】
ところで、図１、図２の例では、加工ヘッド３０側がＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動可能で、ワークベンチ２０側がＡ方向およびＢ方向に回動可能な構成としたが、例えばＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向のうちの１軸方向の移動について、加工ヘッド３０側ではなく、ワークベンチ２０側が動作する構成とすることも可能である。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、コントローラ４０は、加工ツール保持部８のＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向への動作と、回転機構３、６によるワーク保持部７のＡ方向、Ｂ方向の回動を制御するための数値制御装置４１を備える。
さらに、このコントローラ４０は、加工に際して加工ツールＴとワークＷとの間の切削力によって生じる加工誤差を補償するため、変位検出センサ（センサ）４２、４３、シグナルコンディショナ４４、ローパスフィルタ（図中ＬＰＦと表記）４５、演算部４６、データ記憶部（補償用データ格納部）４７、を備える。
【００１８】
変位検出センサ４２は、加工ツールＴとワークＷとの間の切削力によってブロック５に生じる歪みを検出するもので、例えば歪みゲージが好適である。この変位検出センサ４２は、テーブル４から上方にオーバハングしているブロック５に対し、切削力によって生じる応力が大きな箇所、例えばブロック５のテーブル４に対する固定部近傍に設置するのが好ましい。
また、変位検出センサ４３は、主に加工ツールＴとワークＷとの間の切削力の影響による、回転機構３からオーバハングした部分であるテーブル４の変位を検出するもので、例えば歪みゲージが好適である。変位検出センサ４３として歪みゲージを用いる場合、図１（ｂ）に示すように、回転機構３の周囲の例えば３箇所に設置し、２方向の変位を検出できるようにするのが好ましい。
図１（ａ）に示したように、変位検出センサ４２、４３から出力されるセンサ信号は、シグナルコンディショナ４４にて、センサ信号を演算部４６等で読み込めるように変換され、さらにローパスフィルタ４５にて検出に不要なノイズ成分を除去した後、演算部４６に入力される。
【００１９】
演算部４６では、入力されたセンサ信号に基づき、加工ツールＴとワークＷとの相対位置の誤差に対応した補償値を数値制御装置４１に入力する。データ記憶部４７には、例えばＦＥＭ解析によって予め得ておいた、検出された応力（センサ信号値）と、テーブル４およびブロック５の撓み量（加工ツールＴとワークＷとの相対位置の誤差）と、撓み量に対応した補償値との関係を示す関数に基づいたチャートのデータ（補償用データ）が格納されている。演算部４６では、データ記憶部４７を参照し、得られたセンサ信号値から、補償値を得て、これを数値制御装置４１に入力するのである。
【００２０】
数値制御装置４１では、予め登録された加工用の数値制御データ（ワークの加工用プログラム、制御用の数値データ）に、演算部４６から入力された補償値を加味し、これに基づいて加工ツール保持部８のＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向への動作と、回転機構３、６によるワーク保持部７のＡ方向、Ｂ方向の回動を数値制御する。
【００２１】
本実施の形態において、５軸加工機１０は、加工時における加工ツールＴとワークＷとの間に生じる摩擦熱の影響によるブロック５やテーブル４の熱変形に起因する、加工ツールＴとワークＷとの間の相対位置の誤差を補償する熱変形補償機構５０を備えることもできる。
このような熱変形補償機構５０は、ブロック５とテーブル４の、温度変化と、加工ツールＴとワークＷの間の相対位置の変位量と、の相関が高い箇所、例えば図１に示す箇所等に変位検出センサ５１、５２を設け、これら変位検出センサ５１、５２にて、ブロック５とテーブル４の熱変形を検出する。そして、コントローラ４０にて、変位検出センサ５１、５２からのセンサ信号値に基づき、熱変形による誤差を補償するのである。
【００２２】
この熱変形補償機構５０においても、変位検出センサ５１、５２のセンサ信号は、シグナルコンディショナ４４、ローパスフィルタ４５を介して演算部４６に入力され、演算部４６にて、予めデータ記憶部４７に記憶されているチャートのデータから、センサ検出値に対応する、熱変形による影響を補正するための補償値を得て、これを数値制御装置４１に入力するようになっている。
【００２３】
上述した５軸加工機１０は、加工時に加工ツールＴとワークＷとの間の切削力によって生じるブロック５やテーブル４の変形を変位検出センサ４２、４３で検出し、コントローラ４０の演算部４６にて、切削力による変形を補償するようにした。
これにより、構造上、ワーク保持部７が、テーブル４の回転軸Ｐｖに対し側方にオフセットし、さらにテーブル４の上面に対して上方にオフセットしてしまう５軸加工機１０において、加工精度を従来よりも大幅に高めることが可能となる。
その結果、従来では専用機で加工せざるを得なかった金型やタービン等の３次元曲面の加工に、５軸加工機１０を用いることが可能となる。
【００２４】
このときに、変位検出センサ４２、４３は、加工時に加工ツールＴとワークＷとの間の切削力に起因してブロック５やテーブル４に作用する応力が集中する箇所に設置するようにしたので、切削力によるブロック５やテーブル４の変形を感度良く検出することができる。
【００２５】
さらに上記５軸加工機１０では、熱変形補償機構５０により、加工時に発生する熱変形に対する補償も行うようにしたので、より一層、加工精度を実現することができる。
【００２６】
なお、上記実施の形態では、変位検出センサ４２をブロック５に、変位検出センサ４３を回転機構３に設けるようにし、また変位検出センサ４２に歪みセンサを、変位検出センサ４３に歪みゲージを用いる構成としたが、これに限るものではなく、設置箇所やセンサの種類等は、適宜他のものとすることができる。ただし、あくまでも加工時の切削力に起因する変形を検出できるような設置箇所、センサを採用するのが好ましい。
また、上記実施の形態では、熱変形補償機構５０をさらに備える構成としたが、熱変形を補償できるのであれば、適宜他の構成を採用しても何ら差し支えはない。また、熱変形補償機構５０を省略する構成とすることも、もちろん可能である。
【００２７】
さらに、上記実施の形態では、５軸の加工機として図１に示したような５軸加工機１０を例に挙げたが、これに限るものではなく、図３に示すような５軸加工機（多軸加工装置）６０にも、本発明を同様に適用することができる。
図３に示す５軸加工機６０は、ベース６１に、水平軸Ｐｈ回りに回動可能な回転機構（ワーク回転部）６２を介してテーブル６３が設けられ、このテーブル６３上に鉛直軸回りに回動可能な回転機構６４を介してワーク台６５が設けられた構成となっている。このような５軸加工機６０は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に作動する加工ツール保持部８をさらに備え、これによって合計５軸の動作が可能な構成となっている。
このような５軸加工機６０においては、回転機構６２の回転軸Ｐｈに対しテーブル６３がオフセット（オーバハング）しており、このテーブル６３上のワーク台６５に切削力が作用するので、特にこのテーブル６３に切削力に起因する変形が生じやすい。このため、この変形を、上記実施の形態と同様、変位検出センサ４２で検出し、これに基づく補償制御を図１に示したのと同様の構成のコントローラ４０にて実行すれば良い。
【００２８】
また、５軸の加工機に限らず、オーバハングを有する構造であるがゆえに加工時に切削力の影響によって変形が生じ、これに起因する加工精度の低下が起こってしまう加工機であれば、例えば４軸の加工機にも本発明を適用することができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、切削力に起因して生じる加工ツールとワークとの相対位置の誤差を検出し、その誤差を補償して加工を行うことが可能となる。これにより、構造上、オーバハングする部分を有する為に加工精度を高めることが困難であった多軸の加工機において、加工精度を従来よりも大幅に高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における５軸加工機の構成を示す図である。
【図２】５軸加工機の斜視図である。
【図３】他の５軸加工機の例を示す図である。
【図４】従来の５軸加工機において切削力による変形が生じている状態を示す図である。
【符号の説明】
３、６、６２…回転機構（ワーク回転部）、４、６３…テーブル、５…ブロック、７…ワーク保持部、８…加工ツール保持部、１０、６０…５軸加工機（多軸加工装置）、２０…ワークベンチ、３０…加工ヘッド（ツール作動部）、４０…コントローラ、４１…数値制御装置、４２、４３…変位検出センサ（センサ）、４６…演算部、４７…データ記憶部（補償用データ格納部）、５０…熱変形補償機構、６５…ワーク台、Ｔ…加工ツール、Ｗ…ワーク

Claims

４軸以上の作動軸を有する多軸加工装置であって、
加工対象のワークを保持し、当該ワークを少なくとも１方向の軸線周りに回転させるワーク回転部と、
前記ワークを加工する加工ツールを保持し、当該加工ツールを２方向以上に作動させるツール作動部と、
前記ワーク回転部および前記ツール作動部の作動を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記加工ツールで前記ワークを加工するときに生じる加工力による、前記ワーク回転部と前記ツール作動部との相対位置関係の誤差を補償することを特徴とする多軸加工装置。
前記ワーク回転部の作動軸または固定部からオーバハングした部分の変形を検出するセンサをさらに備え、
前記コントローラは、前記センサの検出信号に基づき、前記ワーク回転部の変形による誤差を補償することを特徴とする請求項１に記載の多軸加工装置。
前記センサは、前記ワーク回転部において、前記変形による応力が集中する箇所に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の多軸加工装置。
前記センサの検出信号によって得られる前記ワーク回転部の変形による誤差と、その誤差に対応する補償量とを関連付けた補償用データを格納した補償用データ格納部をさらに備え、
前記コントローラは、前記センサの検出信号と、前記補償用データ格納部に格納された前記補償用データとに基づいてワークの加工用プログラムを補正して、前記ワーク回転部および前記ツール作動部の作動を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の多軸加工装置。
複数の作動軸を有する多軸加工装置にて、加工ツールでワークを切削するときの切削力によって生じる、前記多軸加工装置の変形を検出するステップと、
前記検出された変形に基づき、前記加工ツールで前記ワークを加工するための制御用の数値データを補正するステップと、
補正された前記数値データに基づいて前記加工ツールで前記ワークを加工するステップと、
を有することを特徴とする多軸加工装置での加工方法。
前記変形を検出するステップでは、前記ワークを保持するワーク保持部のオーバハングした部分の変形を検出することを特徴とする請求項５に記載の多軸加工装置での加工方法。
複数の作動軸を有する多軸加工装置を制御するため、当該多軸加工装置のコントローラにて実行されるプログラムであって、
加工ツールでワークを切削するときの切削力によって生じる、前記多軸加工装置の変形に応じて出力される信号を受ける処理と、
前記信号に基づき、前記加工ツールで前記ワークを加工するための制御用の数値データを補正する処理と、
前記加工ツールで前記ワークを加工するため、補正された前記数値データに基づいて前記加工ツールおよび前記ワークの動作を制御する処理と、
を有することを特徴とするプログラム。