JP2005074569A - プログラム、コンピュータ装置、多軸加工機、ｎｃプログラムの生成方法、ワークの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 びびり振動を回避し、高精度でしかも効率のよい加工を行える加工条件を速やかに設定することができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】 加工ツールのびびり振動限界だけでなく、ワークのびびり振動限界を求め、これに基づいて加工条件およびＮＣパスを生成するようにした。また、ワークのびびり振動限界は、有限要素法によってシミュレーションにより求めるようにした。また、切削が困難な場合や、加工条件が十分に高くない場合には、ワークを複数のセクションに分割し、それぞれのセクションでびびり振動限界チャートの作成を行い、加工条件の設定を行うようにした。加えて、原形状態のワークでも、切削が可能か否かを検討し、切削が困難な場合や、加工条件が十分に高くない場合には、原形状態のワークの寸法を、当初の設計寸法から自動的に修正することもできる。
【選択図】図６

Description

本発明は、マシニングセンタ等の多軸加工機等でワークを加工するためのＮＣプログラムを生成するに際して用いて好適な、プログラム、コンピュータ装置、ＮＣプログラムの生成方法等に関する。

従来より、各種部品の加工に、ＮＣ(Numerical Control)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、加工工具と、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。
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。

ところで、このような加工機では、使用する工具の固有振動数により、特定の周波数(
工具回転数)において工具が共振してびびり振動が生じることがある。びびり振動が生じ
ると、工具の短寿命化を招いたり、ワーク表面の加工精度に悪影響を及ぼすため、作動中の工具(加工機)の振動を測定し、びびり振動が生じている場合には運転条件を変更することが行われている(例えば、特許文献１参照。)。
またこのような点に関し、工具の共振が発生する周波数の整数分の１毎に、切り込み量の限界(これを安定限界と称する)が高くなることが既に知られている(例えば、非特許文
献１参照。)。

特許第３１１７８８７号公報 Y. Altintas, E. Shamoto et al. "Analytical Prediction of Stability Lobes in Ball End Milling" Journal of Manufacturing Science and Engineering, American Society of Mechanical Engineers, November 1999, Vol.121, PP. 586-592

しかしながら、上記したような従来の技術には以下に示すような問題が存在する。
上記したような加工機において、例えばタービンブレードの切削加工を行うことがあるが、近年、タービンの性能向上に伴い、タービンブレードは３次元的に捩れた形状となり、しかも薄肉化が進んでいる。しかも、タービンブレードは、このような加工機で加工するワークとしては大型であり、ワークをセットするワーク台からのオーバーハング寸法が非常に大きくなっている。
このようなタービンブレードを加工する場合、工具のみならず、加工対象となるタービンブレード自体にもびびり振動が生じることがあり、これにより、ワーク表面の加工精度に悪影響を及ぼしたり、加工効率の低下を招く原因となる。

このため、びびり振動が生じないような加工条件を見出す必要があるが、これには、加
工条件を様々に設定して試作を繰り返す、いわゆるトライアンドエラーの必要があり、加工条件の設定までに時間を要し、試作コストの上昇を招くことになる。しかも、このようなトライアンドエラーには、経験に基づく勘のようなものも要求され、経験が乏しい場合には、上記問題はさらに顕著なものとなってしまう。

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、びびり振動を回避し、高精度でしかも効率のよい加工を行える加工条件を速やかに設定することができる技術を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明のプログラムは、複数の作動軸を有した多軸加工機を制御するＮＣプログラムを生成するためのコンピュータ装置で実行されるプログラムであって、ワークを多軸加工機の加工ツールで加工する際にワークに生じるびびり振動の限界を事前に算出する処理と、求められたびびり振動の限界に基づき、多軸加工機でワークを加工する際の加工条件を設定する処理と、設定された加工条件を含むＮＣプログラムを生成する処理と、をコンピュータ装置に実行させることを特徴とする。
ここで、ワークの設計データに基づき、有限要素法等の数値構造解析法による解析を行うことでワークに生じるびびり振動の限界を算出することができる。つまり、ワークに生じるびびり振動の限界を、コンピュータ装置によるシミュレーションで求めるのである。
加工条件を設定する処理では、ワークに生じるびびり振動の限界だけでなく、ワークを加工する際に加工ツールに生じるびびり振動の限界に基づき、加工条件を設定することが好ましい。
そして、加工効率が低すぎたり、加工条件が低すぎる場合等、所定のレベル以上の加工条件が設定できないときには、ワークを複数のセクションに分割し、ワークのセクション毎にびびり振動の限界を算出し、算出されたセクション毎のびびり振動の限界に基づき、多軸加工機でワークを加工する際の加工条件を設定することもできる。この場合、設定される加工条件は、セクション毎に異ならせてもよいし、ワーク全体で共通の加工条件とすることもできる。
また、それでも所定のレベル以上の加工条件が設定できないときには、ワークを分割するセクション数をさらに増やし、同様の検討を行うのが好ましい。

加工条件を設定する処理では、求められたびびり振動の限界を下回る範囲内で、ワークに対する加工ツールでの単位時間当りの加工量が最大となる加工条件を設定するのが良い。これにより、効率の高い加工条件を設定できる。
この他、多軸加工機で加工されるワークの原形形状でのびびり振動の限界を求め、これに基づいて設定できるワークの加工条件が、予め決めたレベル以上とならないときには、ワークの原形形状の寸法を変更することもできる。これにより、ワークの原形形状(の寸
法)を設計寸法から自動的に修正することができる。

また、ワークに生じるびびり振動の限界を算出する処理では、ワークを複数のセクションに分割して、セクション毎にびびり振動の限界を算出し、加工条件を設定する処理では、求められたセクション毎のびびり振動の限界に基づき、加工条件をセクション毎に設定することもできる。
つまり、前記したように、所定のレベル以上の加工条件が設定できないときにセクションに分割するのではなく、当初からセクションに分け、セクション毎に加工条件を設定することもできるのである。

本発明は、複数の作動軸を有した多軸加工機を制御するＮＣプログラムを生成するためのコンピュータ装置、つまりＣＡＭ(Computer-Aided Manufacturing)端末等として捉えることもできる。この場合、このコンピュータ装置は、多軸加工機の加工ツールで加工する
際にワークに生じるびびり振動の限界を算出する算出部と、算出部で求められたびびり振動の限界に基づき、ワークを加工する際の加工条件を設定する加工条件設定部と、設定された加工条件を含むＮＣプログラムを生成するプログラム生成部と、を備えることを特徴とする。
加工条件設定部は、ワークに生じるびびり振動の限界と、ワークを加工する際に加工ツールに生じるびびり振動の限界とに基づき、加工条件を設定することも有効である。

本発明は、複数の作動軸を有した多軸加工機として捉えることもできる。この多軸加工機は、加工すべきワークを保持するワーク保持部と、ワーク保持部に保持されたワークを加工するための加工ツールと、を備え、加工ツールで加工する際にワークに生じるびびり振動の限界に基づいて設定された加工条件を含むＮＣプログラムにより、コントローラで複数の作動軸を作動させることで、ワーク保持部に保持されたワークに対し加工ツールを相対移動させる。

本発明は、複数の作動軸を有する多軸加工機を制御するＮＣプログラムをコンピュータ装置で生成する方法とすることもできる。この方法は、多軸加工機で加工されるワークを加工する際にワークに生じるびびり振動の限界をコンピュータ装置で算出するステップと、求められたびびり振動の限界に基づき、加工条件をコンピュータ装置で設定するステップと、設定された加工条件を含むＮＣプログラムをコンピュータ装置で生成するステップと、を含む。

さらに本発明は、複数の作動軸を有する多軸加工機でワークを加工する方法とすることもできる。その場合、ワークを加工する際の加工条件を含むＮＣプログラムを生成するステップと、そのＮＣプログラムに基づき、複数の作動軸を作動させることでワークに対し加工ツールを相対移動させ、ワークを加工ツールで加工するステップと、を含む。そして、生成されるＮＣプログラムに含まれる加工条件は、多軸加工機の加工ツールでワークを加工する際にワークに生じるびびり振動の限界に基づいて設定されていることが特徴となる。

本発明によれば、びびり振動を回避し、高精度でしかも効率のよい加工を行える加工条件の設定を容易に行うことが可能となる。

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に示すように、５軸加工機(多軸加工機)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。

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。

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。

さて、このような５軸加工機１０は、予めコントローラ４０に入力されたＮＣプログラムに基づき、コントローラ４０で、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ことで、加工ツールＴでワークＷを所定形状、所定寸法に加工する。
このようなＮＣプログラムは、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位置座標を定義するＮＣパスと、加工ツールＴによる加工条件(加工ツールＴの回転速度と加工
ツールＴの切り込み量)とを含むもので、ワークＷの設計に用いるＣＡＤ(Computer-Aided
Design)／ＣＡＭ(Computer-Aided Manufacturing)システムによって生成することができる。

以下に、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムによるＮＣプログラムの生成について説明する。
本実施の形態では、上記のような５軸加工機１０において、ワークＷとして、図３(ａ)に示すような形状のタービンブレードＷ１を、図３(ｂ)に示すような形状のブロック材Ｗ０から削り出す。
図４に示すものは、タービンブレードＷ１の設計、およびタービンブレードＷ１をブロック材Ｗ０から削り出すためのＮＣプログラムの生成に用いられるＣＡＤ／ＣＡＭシステム５０の構成を示すものである。
ＣＡＤ／ＣＡＭシステム５０は、ワークステーション等のコンピュータ装置６０に、ＣＡＤプログラム・ＣＡＭプログラムをインストールすることで実現される。
このようなＣＡＤ／ＣＡＭシステム５０は、ワークＷの設計支援を行なうＣＡＤ部５１と、ＣＡＤ部５１で設計されたワークＷの設計データに基づき、５軸加工機１０においてワークＷを加工するための最適な加工条件およびＮＣパスを生成するＣＡＭ部５２と、ＣＡＭ部５２でＮＣプログラムを生成するにあたり必要な情報を外部から入力するための入力部５３と、ＣＡＭ部５２で生成されたＮＣプログラムを出力する出力部５４と、を備えている。
入力部５３としては、キーボードやマウス等の他、外部の測定装置等からの出力信号を受け取るインターフェイス等がある。出力部５４としては、各種記憶メディアへのデータ書き込みを行うドライブ等の他、５軸加工機１０のコントローラ４０にデータ(ＮＣプロ
グラム)を転送するためのインターフェイス等がある。

ＣＡＭ部５２は、有限要素法解析部５５と、ＮＣプログラム生成部(算出部、加工条件
設定部)５６とを備える。
有限要素法解析部５５は、ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ(商品名：エムエスシーソフトウェア
株式会社製)、ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ(商品名：エムエスシーソフトウェア株式会社製)
やＡＮＳＹＳ(商品名：アンシスジャパン株式会社取り扱い)といった解析ソフトウェアを用い、有限要素法解析を行う。本実施の形態では、この有限要素法解析部５５において、ＣＡＤ部５１から出力されるワークＷの設計データに基づき、ワークＷの動剛性の解析を行う。
ＮＣプログラム生成部５６は、後に詳述するように、加工ツールＴの動剛性計測結果と、有限要素法解析部５５で解析されたワークＷの動剛性解析結果に基づき、５軸加工機１０において加工ツールＴでワークＷを加工する際のびびり振動限界チャートを作成し、これに基づき、最適な加工条件を設定するとともにＮＣパスを生成し、ＮＣプログラムを生成する。

ここで、ＮＣプログラム生成部５６における、加工条件およびＮＣパスを含んだＮＣプログラムの生成方法について説明する。
ＮＣプログラム生成部５６で、加工条件の設定およびＮＣパスの生成を行うには、まず、加工ツールＴの動剛性を計測する。これには、図５に示すように、加工ツールＴを５軸加工機１０の加工ツール保持部８にセットした状態で、力ゲージを備えるハンマを有した加振器７０で加工ツールＴの先端部を加振し、このときに加工ツールＴの先端部に生じる加速度を加速度センサ７１で検出し、その検出信号をＦＦＴ(Fast Fourier Transform)アナライザ７２で解析する。これにより、ＦＦＴアナライザ７２では、加工ツールＴの動剛性を計測できる。

さて、オペレータにより、ＮＣプログラム生成部５６に対し、ＮＣプログラムを生成するためのコマンドが入力部５３から入力されると、ＮＣプログラム生成部５６では、以下に示すようなＮＣプログラムの生成処理を開始する。
図６に示すように、ＮＣプログラム生成部５６では、ＦＦＴアナライザ７２における加工ツールＴの動剛性の計測データを、入力部５３を介して受け取る(ステップＳ１０１)。
また、ＣＡＤ部５１からは、ワークＷの設計データを受け取る。この設計データには、最終的なワークＷの形状(タービンブレードＷ１：以下、これを最終形状と適宜称する)の設計データと、ワークＷを削り出す前のブロック材Ｗ０の寸法データとが含まれる。
設計データを受け取ると、ＮＣプログラム生成部５６は、有限要素法解析部５５に対し、ワークＷの最終形状における動剛性の計算を要求する。
この要求を受けた有限要素法解析部５５では、ワークＷの最終形状における動剛性を、有限要素法によって計算する(ステップＳ１０２)。その計算結果は、ＮＣプログラム生成部５６に受け渡す。

ＮＣプログラム生成部５６では、ステップＳ１０１で受け取った加工ツールＴの動剛性の計測データと、ステップＳ１０２で計算されたワークＷの最終形状における動剛性の計算結果に基づき、びびり振動限界チャートを作成する(ステップＳ１０３)。これには、例えば、前記非特許文献１に記載された手法が適用できる。
図７は、作成されたびびり振動限界チャートの一例を示すものである。この図７に示すように、加工ツールＴの動剛性の計測データに基づき、加工ツールＴのびびり振動限界線Ｃ１と、最終形状のワークＷの動剛性の計算結果に基づく最終形状のワークＷのびびり振動限界線Ｃ２は、加工ツールＴの回転数と、ワークＷに対する加工ツールＴの１回転あたりの切り込み量との関係で示され、びびり振動限界線Ｃ１とびびり振動限界線Ｃ２は、加工ツールＴとワークＷの動剛性が異なることから互いにずれている。そして、このびびり振動限界チャートにおいて、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２を重ね合わせた部分よりも上側が、不安定、つまりびびり振動が発生する領域であり、下側(図７の斜線範囲)が、安定、つまりびびり振動が発生しない領域である。したがって、ワークＷを加工する際には、加工ツールＴの回転数と、ワークＷに対する加工ツールＴの１回転あたりの切り込み量が、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２よりも下側となるような加工条件である必要がある。

続いて、ＮＣプログラム生成部５６では、作成されたびびり振動限界チャートに基づき、ワークＷの切削が可能であるか否かを判定する(ステップＳ１０４)。つまり、安定して加工を行える、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２を重ね合わせた部分よりも下側(図７の斜線
範囲)の領域が狭すぎ、設定できる加工条件(回転数、切り込み量)が低く、効率が非常に
悪い場合等、予め設定したしきい値をクリアできない場合には、ワークＷの切削は不可であると判定するのである。
これには、単位時間にワークＷを切削することのできる量である除去量Ｚが、予め設定したしきい値をクリアできるか否かで判定することができる。ここで、除去量Ｚは、加工ツールＴの回転数をＲ、１回転あたりの加工ツールＴの切り込み量をΔσとすると、
Ｚ＝Ｒ × Δσ
で求めることができる。

その結果、ワークＷの切削が可能であると判定された場合、続いて、ＮＣプログラム生成部５６では、有限要素法解析部５５に対し、ワークＷの原形形状(ブロック材Ｗ０)における動剛性の計算を要求する。
この要求を受けた有限要素法解析部５５では、ワークＷの原形形状における動剛性を、有限要素法によって計算する(ステップＳ１０５)。その計算結果は、ＮＣプログラム生成部５６に受け渡す。

ＮＣプログラム生成部５６では、ステップＳ１０１で受け取った加工ツールＴの動剛性の計測データと、ステップＳ１０５で計算されたワークＷの原形形状における動剛性の計算結果に基づき、ステップＳ１０３と同様にしてびびり振動限界チャートを作成する(ス
テップＳ１０６)。
そして、ＮＣプログラム生成部５６では、作成されたびびり振動限界チャートに基づき、ワークＷの切削が可能であるか否かを判定する(ステップＳ１０７)。この場合も、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２を重ね合わせた部分よりも下側(図７の斜線範囲)の領域が狭すぎ、設定できる加工条件(除去量Ｚ)が、予め設定したしきい値をクリアできない場合には、ワークＷの切削は不可であると判定する。

その結果、切削が可能であると判定された場合、まずはブロック材Ｗ０から最終的なタービンブレードＷ１に至る前段階の粗切削を行うための加工条件およびＮＣパス(以下、
粗削り用ＮＣパスと適宜称する)をＮＣプログラム生成部５６で生成する(ステップＳ１０８)。このとき、加工条件は、切削加工が可能な条件範囲、つまり図７の斜線範囲内で、
除去量Ｚが最大となる、回転数および切り込み量の組み合わせを選定すればよい。

続いて、ＮＣプログラム生成部５６では、有限要素法解析部５５に対し、生成した粗削り用ＮＣパスに基づきブロック材Ｗ０から粗切削を行った状態のワークＷにおける動剛性の計算を要求する。
図８に示すように、この要求を受けた有限要素法解析部５５では、粗切削を行った状態のワークＷにおける動剛性を、有限要素法によって計算する(ステップＳ１０９)。その計算結果は、ＮＣプログラム生成部５６に受け渡す。

ＮＣプログラム生成部５６では、ステップＳ１０１で受け取った加工ツールＴの動剛性の計測データと、ステップＳ１０９で計算された粗切削を行った状態のワークＷにおける動剛性の計算結果に基づき、ステップＳ１０３と同様にしてびびり振動限界チャートを作成する(ステップＳ１１０)。
そして、ＮＣプログラム生成部５６では、作成されたびびり振動限界チャートに基づき、ワークＷの切削が可能であるか否かを判定する(ステップＳ１１１)。この場合も、びびり振動限界線Ｃ１、Ｃ２を重ね合わせた部分よりも下側(図７の斜線範囲)の領域が狭すぎ、設定できる加工条件(除去量Ｚ)が、予め設定したしきい値をクリアできない場合には、ワークＷの切削は不可であると判定する。

その結果、切削が可能であると判定された場合、粗切削を行った状態のワークＷから、いわゆる中仕上げ等、第二次切削を行うための加工条件およびＮＣパスをＮＣプログラム
生成部５６で生成する(ステップＳ１１２)。このときも、最適な加工条件としては、切削加工が可能な条件範囲、つまり図７の斜線範囲内で、除去量Ｚが最大となる、回転数および切り込み量の組み合わせを選定すればよい。

この後は、必要に第三次切削、第四次切削等、必要とされる次数までの加工工程について、上記ステップＳ１０９〜Ｓ１１２と同様にして、ＮＣプログラム生成部５６にてＮＣプログラムを生成していき、最終的に、所定の次数の加工条件およびＮＣパスが生成された時点で、粗切削用から最終的な次数までの加工条件およびＮＣパスを合成し、ブロック材Ｗ０からタービンブレードＷ１を削り出すためのＮＣプログラムを生成する。生成されたＮＣプログラムは、５軸加工機１０のコントローラ４０に導入するため、出力部５４から出力される(ステップＳ１１９)。

さて、上記したような一連の処理において、ステップＳ１０７で、原形形状のワークＷ(ブロック材Ｗ０)において切削可能か否かを判定した結果、切削不可能であると判定された場合は、原形形状のワークＷにおいてびびり振動が生じる限界を高めるため、図３(ｂ)に示した原形形状のワークＷ(ブロック材Ｗ０)の肉厚ａまたはｂを、予め設定しておいた所定寸法だけ増加させる(ステップＳ１２０)。そして、ステップＳ１０５に戻り、再度、原形形状のワークＷ(ブロック材Ｗ０)について、びびり振動限界チャートを再作成して、切削可能か否かを判定する(ステップＳ１０６、Ｓ１０７)。最終的に、ステップＳ１０７にて、切削が可能と判定されるまで、原形形状のワークＷ(ブロック材Ｗ０)の肉厚ａまたはｂを増やしていき、切削が可能と判定された時点で、ステップＳ１０８に進む。
つまりこれにより、当初設計された原形形状のワークＷ(ブロック材Ｗ０)の寸法では、びびり振動が生じたり、十分な効率を有した加工条件を設定できない場合に、原形形状のワークＷ(ブロック材Ｗ０)の寸法を自動的に修正するのである。

また、上記一連の処理において、ステップＳ１０４、Ｓ１１１にて、ワークＷの切削が不可能であると判定された場合は、図９に示す処理を行う。
ワークＷの切削が不可能であると判定された場合、最終形状のワークＷ(タービンブレ
ードＷ１)をブロック材Ｗ０から一気に削り出すのではなく、図３(ｃ)に示すように、複
数のセクションに分割して、工程を分けて削り出す。
これにはまず、分割するセクション数Ｎをあらかじめ設定した初期値に設定する(ステ
ップＳ１３０)。本実施の形態では、分割するセクション数Ｎの初期値をＮ＝３とする。
続いて、ブロック材Ｗ０の全長(タービンブレードＷ１の長さ方向において)をＬとすると、ブロック材Ｗ０の先端からＬ／Ｎ(ここではＮ＝３)まで切削した状態におけるワークＷの動剛性を求めるため、ＮＣプログラム生成部５６では、有限要素法解析部５５に対し、計算を要求する。この要求を受けた有限要素法解析部５５では、ブロック材Ｗ０の先端からＬ／Ｎ(ここではＮ＝３)までの第１セクションを切削した状態におけるワークＷの動剛性を、有限要素法によって計算する(ステップＳ１３１)。その計算結果は、ＮＣプログラム生成部５６に受け渡す。

ＮＣプログラム生成部５６では、ステップＳ１０１で受け取った加工ツールＴの動剛性の計測データと、ブロック材Ｗ０の先端からＬ／Ｎ(ここではＮ＝３)までの第１セクションを切削した状態におけるワークＷの動剛性の計算結果に基づき、上記ステップＳ１０３と同様にして、びびり振動限界チャートを作成する(ステップＳ１３２)。
続いて、ＮＣプログラム生成部５６では、作成されたびびり振動限界チャートに基づき、ワークＷの切削が可能であるか否かを判定する(ステップＳ１３３)。

その結果、切削が可能と判定されれば、ブロック材Ｗ０の先端からＬ／Ｎ(ここではＮ
＝３)までの第１セクションを切削するための加工条件およびＮＣパスをＮＣプログラム
生成部５６は生成する。このときも、最適な加工条件としては、切削加工が可能な条件範
囲、つまり図７の斜線範囲内で、除去量Ｚが最大となる、回転数および切り込み量の組み合わせを選定すればよい。
また、切削が不可能であると判定された場合は、ブロック材Ｗ０を分割して加工するセクション数Ｎを１増やす(Ｎ＝Ｎ＋１)(ステップＳ１３４)。そして、ステップＳ１３１に戻り、びびり振動限界チャートを再作成して切削可能か否かを再判定する(ステップＳ１
３２、Ｓ１３３)。ステップＳ１３３にて、切削が可能と判定されるまで、ブロック材Ｗ
０を分割して加工するセクション数Ｎ(ＮはステップＳ１３４で設定された数)を増やしていき、切削が可能と判定された時点で、ブロック材Ｗ０の先端からＬ／Ｎまでの第１セクションを切削するための加工条件およびＮＣパスをＮＣプログラム生成部５６で生成する(ステップＳ１３５)。

次に、ＮＣプログラム生成部５６では、ブロック材Ｗ０の先端からＬ／Ｎの位置から、２Ｌ／Ｎの位置までの第２セクションについての検討を行う。これには、ブロック材Ｗ０の先端から２Ｌ／Ｎまで切削した状態におけるワークＷの動剛性を求めるため、ＮＣプログラム生成部５６では、有限要素法解析部５５に対し、計算を要求する。この要求を受けた有限要素法解析部５５では、ブロック材Ｗ０の先端から２Ｌ／Ｎまでを切削した状態におけるワークＷの動剛性を、有限要素法によって計算する(ステップＳ１３６)。その計算結果は、ＮＣプログラム生成部５６に受け渡す。

ＮＣプログラム生成部５６では、ステップＳ１０１で受け取った加工ツールＴの動剛性の計測データと、ブロック材Ｗ０の先端から２Ｌ／Ｎまでを切削した状態におけるワークＷの動剛性の計算結果に基づき、上記ステップＳ１０３と同様にして、びびり振動限界チャートを作成する(ステップＳ１３７)。
続いて、ＮＣプログラム生成部５６では、作成されたびびり振動限界チャートに基づき、ワークＷの切削が可能であるか否かを判定する(ステップＳ１３８)。

その結果、切削が可能と判定されれば、ブロック材Ｗ０の先端からＬ／Ｎの位置から２Ｌ／Ｎまでの第２セクションを切削するための加工条件およびＮＣパスをＮＣプログラム生成部５６は生成する(ステップＳ１３９)。このときも、最適な加工条件としては、切削加工が可能な条件範囲、つまり図７の斜線範囲内で、除去量Ｚが最大となる、回転数および切り込み量の組み合わせを選定すればよい。
また、切削が不可能であると判定された場合は、ステップＳ１３４に戻り、ブロック材Ｗ０を分割して加工するセクション数Ｎを１増やし(Ｎ＝Ｎ＋１)、第１セクションから検討をやり直す。

そして、ステップＳ１３８にて、切削が可能と判定され、第２セクションを切削するための加工条件およびＮＣパスをＮＣプログラム生成部５６が生成した後は、最終の第Ｎセクションまで、ステップＳ１３６〜Ｓ１３９の、セクション毎のＮＣプログラム作成を繰り返す。
最終の第Ｎセクションまで、セクション毎の加工条件およびＮＣパスが作成された時点で、全セクションの加工条件およびＮＣパスを合成し、ワークＷの切削が不可能であると判定されたステップＳ１０４、Ｓ１１１に対応した、粗切削あるいはそれ以降の次数の加工工程において、ブロック材Ｗ０から先端から基端まで加工を行うための加工条件およびＮＣパスを含むＮＣプログラムを生成する(ステップＳ１４０)。

ＮＣプログラム生成部５６では、上記のようにして、最終形状のワークＷ(タービンブ
レードＷ１)を加工するための加工条件およびＮＣパスを含んだＮＣプログラムを生成す
る。そして、生成されたＮＣプログラムは、出力部５４から、オンライン、あるいは各種記憶メディアに書き込まれることで出力される。
出力されたＮＣプログラムは、５軸加工機１０のコントローラ４０に読み込まれ、５軸
加工機１０では、このＮＣプログラムに基づいて加工ツールＴによるワークＷの加工を行うことで、ブロック材Ｗ０から最終形状のタービンブレードＷ１を削り出す。

上述したように、加工ツールＴのびびり振動限界だけでなく、ワークＷのびびり振動限界を求め、これに基づいて加工条件およびＮＣパスを生成するようにしたので、びびり振動が生じない加工条件を自動的に生成することができる。これにより、タービンブレードＷ１のように、びびり振動が生じやすい、加工が困難なワークＷであっても、確実に高精度な加工が行える。
しかも、ワークＷのびびり振動限界は、有限要素法によってシミュレーションにより求めるので、実際に試作を行う必要も無く、当然のことながら最適な加工条件を見出すためのトライアンドエラーや、経験に基づく勘も不要であり、確実に効率の良い加工が行えるＮＣプログラムを得ることができる。

また、検討の過程では、第一次加工工程である粗切削、あるいはそれ以降の次数の加工工程で、切削が困難な場合や、加工条件が十分に高くない場合には、ワークＷを複数のセクションに分割し、それぞれのセクションでびびり振動限界チャートの作成を行い、加工条件の設定を行うようにした。つまり、ブロック材Ｗ０から切削を開始する初期の段階では、削り出されるタービンブレードＷ１がブロック状の剛性が高い部分から突出する寸法が小さいため、びびり振動も起き難いが、最終形状のタービンブレードＷ１に近づくに連れ、びびり振動が生じやすくなる。このため、初期のセクションでは、効率の高い加工条件とし、最終セクションに近づくにつれ、効率を落としつつもびびり振動の生じ難い加工条件とすることができる。
これにより、加工条件を、ワークＷの加工の進度に応じて変更することで、加工が困難な場合にも加工を可能とし、しかも効率を少しでも高めることができる。

加えて、原形状態のワークＷ(ブロック材Ｗ０)でも、切削が可能か否かを検討し、切削が困難な場合や、加工条件が十分に高くない場合には、原形状態のワークＷの寸法を、当初の設計寸法から自動的に修正することができる。
さらに、粗切削、中仕上げ、最終仕上げなど、各加工工程毎に、加工条件、ＮＣパスを設定することができるので、これにより、加工条件、加工効率ともに、最適化を図ることができる。

なお、上記実施の形態では、粗切削、あるいはそれ以降の次数の加工工程で、切削が困難な場合や、加工条件が十分に高くない場合には、ワークＷを複数のセクションに分割し、検討および加工条件の設定を行うようにしたが、ワークＷの加工工程全体、つまり粗切削、あるいはそれ以降の次数の加工工程のそれぞれにおいて、初めからワークＷを複数のセクションに分割し、検討および加工条件の設定を行うようにしてもよい。このようにすれば、より、加工の高効率化を図ることが期待できる。
加えて、上記実施の形態では、ワークＷとして、タービンブレードＷ１を例に挙げたが、その加工対象は、他のいかなるものであってもよい。
また、５軸加工機１０についても、その構成はいかなるものであってもよいし、さらに、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。

本実施の形態における多軸加工機の例を示す正面図である。 多軸加工機の斜視図である。 ワークを示す図であり、(ａ)は最終形状のワーク、(ｂ)は原形形状のワーク、(ｃ)はセクションに分けて加工する場合の加工途中のワークを示すものである。 コンピュータ装置の機能的な構成を示す図である。 加工ツールの動剛性を得るための構成を示す図である。 ＮＣプログラムを生成するための処理の流れを示す図である。 加工中に生じるびびり振動の限界を示す図である。 図６に続く処理の流れを示す図である。 図６、図８に続く処理の流れを示す図である。

符号の説明

７…ワーク保持部、８…加工ツール保持部、１０…５軸加工機(多軸加工機)、４０…コントローラ、５０…ＣＡＤ／ＣＡＭシステム、５１…ＣＡＤ部、５２…ＣＡＭ部、５３…入力部、５４…出力部、５５…有限要素法解析部、５６…ＮＣプログラム生成部(算出部
、加工条件設定部)、６０…コンピュータ装置、Ｃ１、Ｃ２…びびり振動限界線、Ｔ…加
工ツール、Ｗ…ワーク、Ｗ０…ブロック材、Ｗ１…タービンブレード

Claims (12)

1. 複数の作動軸を有した多軸加工機を制御するＮＣプログラムを生成するためのコンピュータ装置で実行されるプログラムであって、
   前記多軸加工機で加工されるワークを当該多軸加工機の加工ツールで加工する際に前記ワークに生じるびびり振動の限界を算出する処理と、
   求められた前記びびり振動の限界に基づき、前記多軸加工機で前記ワークを加工する際の加工条件を設定する処理と、
   設定された前記加工条件を含むＮＣプログラムを生成する処理と、
   を前記コンピュータ装置に実行させることを特徴とするプログラム。
2. 前記ワークに生じるびびり振動の限界を算出する処理では、前記ワークの設計データに基づき、数値構造解析法による解析を行うことで前記ワークに生じるびびり振動の限界を算出することを特徴とする請求項１に記載のプログラム。
3. 前記加工条件を設定する処理では、前記ワークに生じるびびり振動の限界と、前記ワークを前記加工ツールで加工する際に当該加工ツールに生じるびびり振動の限界とに基づき、前記加工条件を設定することを特徴とする請求項１または２に記載のプログラム。
4. 前記加工条件を設定する処理で所定のレベル以上の加工条件が設定できないとき、
   前記ワークを複数のセクションに分割し、前記ワークのセクション毎にびびり振動の限界を算出する処理と、
   求められたセクション毎の前記びびり振動の限界に基づき、前記多軸加工機で前記ワークを加工する際の加工条件を設定する処理と、
   をさらに前記コンピュータ装置に実行させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプログラム。
5. 前記加工条件を設定する処理では、求められた前記びびり振動の限界を下回る範囲内で、前記ワークに対する前記加工ツールでの単位時間当りの加工量が最大となる加工条件を設定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプログラム。
6. 前記多軸加工機で加工されるワークの原形形状でのびびり振動の限界を求める処理と、
   前記ワークの原形形状でのびびり振動の限界に基づいて設定できる前記ワークの加工条件が、予め決めたレベル以上とならないとき、前記ワークの原形形状の寸法を変更する処理と、
   をさらに前記コンピュータ装置に実行させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のプログラム。
7. 前記ワークに生じるびびり振動の限界を算出する処理では、前記ワークを複数のセクションに分割し、前記ワークのセクション毎にびびり振動の限界を算出し、
   前記加工条件を設定する処理では、求められたセクション毎の前記びびり振動の限界に基づき、前記多軸加工機で前記ワークを加工する際の加工条件を前記セクション毎に設定することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のプログラム。
8. 複数の作動軸を有した多軸加工機を制御するＮＣプログラムを生成するためのコンピュータ装置であって、
   ワークを前記多軸加工機の加工ツールで加工する際に前記ワークに生じるびびり振動の限界を算出する算出部と、
   前記算出部で求められた前記びびり振動の限界に基づき、前記多軸加工機で前記ワークを加工する際の加工条件を設定する加工条件設定部と、
   設定された前記加工条件を含むＮＣプログラムを生成するプログラム生成部と、
   を備えることを特徴とするコンピュータ装置。
9. 前記加工条件設定部は、前記ワークに生じるびびり振動の限界と、前記ワークを前記加工ツールで加工する際に当該加工ツールに生じるびびり振動の限界とに基づき、前記加工条件を設定することを特徴とする請求項８に記載のコンピュータ装置。
10. 複数の作動軸を有する多軸加工機であって、
    加工すべきワークを保持するワーク保持部と、
    前記ワーク保持部に保持された前記ワークを加工するための加工ツールと、
    前記加工ツールで加工する際に前記ワークに生じるびびり振動の限界に基づいて設定された加工条件を含むＮＣプログラムにより、前記複数の作動軸を作動させることで、前記ワーク保持部に保持された前記ワークに対し前記加工ツールを相対移動させるコントローラと、
    を備えることを特徴とする多軸加工機。
11. 複数の作動軸を有する多軸加工機を制御するＮＣプログラムをコンピュータ装置で生成する方法であって、
    ワークを前記多軸加工機の加工ツールで加工する際に前記ワークに生じるびびり振動の限界を前記コンピュータ装置で算出するステップと、
    求められた前記びびり振動の限界に基づき、前記多軸加工機で前記ワークを加工する際の加工条件を前記コンピュータ装置で設定するステップと、
    設定された前記加工条件を含むＮＣプログラムを前記コンピュータ装置で生成するステップと、
    を含むことを特徴とするＮＣプログラムの生成方法。
12. 複数の作動軸を有する多軸加工機でワークを加工する方法であって、
    前記多軸加工機の加工ツールで前記ワークを加工する際に当該ワークに生じるびびり振動の限界に基づいて設定された加工条件を含むＮＣプログラムを生成するステップと、
    前記ＮＣプログラムに基づき、前記複数の作動軸を作動させることで、前記ワークに対し前記加工ツールを相対移動させ、前記ワークを前記加工ツールで加工するステップと、を含むことを特徴とするワークの加工方法。

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