JP2006305691A

JP2006305691A - Ｎｃプログラム作成方法

Info

Publication number: JP2006305691A
Application number: JP2005132781A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Kobayashi; 謙介小林
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】事前の捨て加工を不要とし、工具位置合わせ誤差量による旋回軸角度の補正を行うことなく高精度な機械加工を行うことのできるＮＣプログラムを得るための手法を提供する。
【解決手段】まず、工具６の旋回中心軸の位置と工具６の接触点との間のずれの量を工具位置合わせ誤差量として測定する。この工具位置合わせ誤差量がゼロとしたときに工具６の接触点の軌跡が被加工物２２についての所望の形状と一致するように超精密加工用旋盤１を動作させる初期ＮＣプログラムを作成しておく。前述した測定の結果である工具位置合わせ誤差量と被加工物２２についての所望の形状を表わしている関数とより、当該初期ＮＣプログラムに対する補正情報を生成し、この補正情報に基づいて初期ＮＣプログラムを補正して当該補正後のＮＣプログラムを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は加工技術に関し、特に、軸対称形状の工作物を加工するために使用されるＮＣ（Numerical Control ：数値制御）プログラムの作成技術に関する。

軸対称形状の被加工物を機械加工するために、工作物回転軸と、当該工作物回転軸に直交する軸と、これらの２軸で定義される平面に垂直である旋回中心軸との３軸を同時制御することの可能な超精密加工機がよく用いられる。超精密加工機はＮＣプログラムによる制御の下で動作させるのが一般的である。

超精密加工機の動作制御を行うためのＮＣプログラムの作成は、一般に以下の手順で行われる。
まず、この旋回中心軸の位置に工具の接触点の位置合わせを行う。そして、工作物の所望の形状と工具の形状とに基づいて、工具の接触点の軌跡が所望の被加工物形状に一致するように上記３軸の位置を制御するＮＣプログラムを作成する。ここで、作成したＮＣプログラムを超精密加工機で実行させて加工を実際に行う。この実際の加工結果から形状誤差データを取得し、このデータから工具位置合わせ誤差量を求める。そして、その誤差量を減少させるようにＮＣプログラムを補正する。この一連の作業を繰り返し行うことで目標の形状精度を達成できるＮＣプログラムを得る。

ＮＣプログラムの作成手法に関し、例えば特許文献１には、被加工物の回転軸からの任意の距離の形状誤差量を、工具位置合わせの誤差と当該被加工物の回転軸からの任意の距離との関数として表現し、加工した被加工物の形状誤差データをこの関数式に代入して重回帰分析を行うことによって工具位置合わせの誤差量を求め、得られた工具位置合わせ誤差量に基づいて補正を行うことで目標のＮＣプログラムを得るという技術が開示されている。
特開平６−１３４６５３号公報

しかし、上掲した特許文献１に開示されている技術では以下のような問題点がある。
すなわち、この技術では、実際に加工を行うことによって得られた被加工物の加工面の形状誤差データを基にして工具位置合わせ誤差量を得るため、事前の捨て加工を行う必要があり、工数の増大や砥石表面状態劣化による工具成形頻度の増大といった問題がその捨て加工によって発生する。

また、この技術では、工具位置合わせの誤差が原因ではない形状誤差と工具位置合わせ誤差が原因である形状誤差とを正確に区別することができないため、正確な工具位置合わせ誤差量を得ることが困難であるという問題も有している。

更に、この方法では、工具位置合わせ誤差成分が被加工物の母線上の各点における法線方向のみになるように旋回軸角度を補正するため、図６Ａに示すような深い凹面形状の加工を行う場合や図６Ｂに示すような平面につながる凸形状の加工を行う場合に、図６Ｃ及び図６Ｄに示すように、工具１００と被加工物２００との干渉を招くおそれがある。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、事前の捨て加工を不要とし、工具位置合わせ誤差量による旋回軸角度の補正を行うことなく高精度な機械加工を行うことのできるＮＣプログラムを得るための手法を提供することである。

本発明の態様のひとつであるＮＣプログラム作成方法は、直交する２軸の移動操作と当該２軸で定義される平面に垂直な旋回中心軸まわりの回転操作とが少なくとも可能な軸構成を有する加工機を用い、回転軸対称形状である被加工物を回転させておき、当該被加工物の母線上の各点における法線と工具軸との角度を一定に維持しながら工具の接触点を当該被加工物の母線上に走査させることで形状を創成する加工を当該加工機で行わせるためのＮＣ（数値制御）プログラムを作成する方法であって、当該旋回中心軸の位置と当該工具の接触点との間のずれの量を工具位置合わせ誤差量として測定し、当該工具位置合わせ誤差量をゼロとしたときに当該工具の接触点の軌跡が当該被加工物についての所望の形状と一致するように当該加工機を動作させる初期ＮＣプログラムを作成し、当該測定の結果である工具位置合わせ誤差量と当該被加工物についての所望の形状を表わしている関数とより、当該初期ＮＣプログラムに対する補正情報を生成し、当該補正情報に基づいて当該初期ＮＣプログラムを補正して当該補正後のＮＣプログラムを得る、ことを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、上述した本発明に係るＮＣプログラム作成方法において、当該補正後のＮＣプログラムによる加工において、当該被加工物の回転中心から任意の距離にある当該被加工物表面の各点における法線と工具軸との角度は、当該初期ＮＣプログラムから変化がないようにしてもよい。

また、前述した本発明に係るＮＣプログラム作成方法において、当該測定は、撮像素子を用いて撮像された当該工具の表わされている画像を認識し、旋回中心軸まわりの回転操作を行ったときにおける当該工具の作用点の移動軌跡を、当該画像を用いて記録し、当該画像における当該移動軌跡を表す円の中心位置を旋回中心軸位置として認識し、当該画像における当該工具の作用点と当該画像における旋回中心軸位置とより当該工具位置合わせ量を取得する、ようにしてもよい。

本発明によれば、以上のようにすることにより、事前の捨て加工が不要となり、工具位置合わせ誤差量による旋回軸角度の補正を行うことなく高精度な機械加工を行うことのできるＮＣプログラムを得ることができるようになるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、これより説明する実施形態では、旋回中心軸位置と工具の接触点との誤差量、すなわち工具位置合わせ誤差量をまず求め、所望の形状をあらわす数式と当該工具位置合わせ誤差量とより、被加工物回転軸方向と当該被加工物回転軸が直交する軸方向との補正量を算出する。そして、上記旋回中心軸位置と工具の接触点とのずれ量をゼロとしたときに工具の接触点の軌跡が所望の形状と一致するように作成したＮＣプログラムへこの補正量を重畳させることによって補正ＮＣプログラムを作成する。

まず図１について説明する。同図は、超精密加工用旋盤の構成を示している。この超精密加工用旋盤１は被加工物２２を加工する加工機であり、ＸＺＢ３軸の同時制御が可能なものである。

図１において、Ｂ軸ステージ２３上にはステージ２１が設けられており、このステージ２１上には円柱状の工具６が設置されている。
また、超精密加工用旋盤１には、工具６の画像を撮像するためのカメラ２が備えられている。カメラ２は撮像素子を有しており、工具６が表わされている画像についての画像データを、通信ケーブル３を通して情報処理装置４へ送信する機能を有している。

情報処理装置４は、ごく標準的な構成のもの、すなわち、情報処理装置４全体の動作制御を司るＣＰＵ（中央処理装置）、このＣＰＵによって実行される基本制御プログラムやその実行の際に必要に応じて使用される各種のデータが格納されているＲＯＭ、ＣＰＵが各種の処理を行う際に必要に応じて作業用として使用するＲＡＭ、ＣＰＵによって実行される各種の制御プログラムやその実行の際に必要に応じて使用される各種のデータ及び画像ファイルを格納する磁気ディスク記憶装置、例えばマウス等のポインティングデバイスやキーボート装置などを有して構成されていてそれらに対する操作の内容に対応付けられているユーザからの指示を取得する入力部、例えばＣＤ（Compact Disc）やＭＯ（Magneto Optical ）ディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に記録されている各種のデータを読み取るデータ読取装置、ＣＰＵの指示に応じて所定の画像を表示する表示装置、他の機器との間で各種のデータの授受を行うインタフェース部、などを備えて構成されているものである。

詳細は後述するが、情報処理装置４は、カメラ２から送られてきた画像データを記録する機能と、その画像データで表わされている画像に示されている工具６の接触点１９を認識してその座標値を記録する機能とを有し、更に、その記録した座標値群のうちの任意の複数の座標値より、その座標群を表現する数式１４を最小二乗法により求める第一数式解析機能７、円を表す数式より、その円の半径、中心位置などといった円の情報を求める第二数式解析機能９、及び、工具６の接触点１９と旋回中心軸位置２０との位置関係を求める位置関係算出機能２５を提供する。

この他に、この情報処理装置４は、所望の加工形状を表わしている関数ｚ＝ｆ（ｘ）より、旋回中心軸位置２０と工具６の接触点１９とのずれ量をゼロとしたときに工具６の接触点の軌跡が当該所望の加工形状と一致するように超精密加工用旋盤１を制御するためのＮＣプログラムを作成する初期ＮＣプログラム作成機能２８、及び、前述した位置関係算出機能２５を使用して求めた工具位置合わせ誤差量と、所望の加工形状を表わしている関数ｚ＝ｆ（ｘ）と、初期ＮＣプログラム作成機能２８により作成された初期ＮＣプログラムとより、この工具位置合わせ誤差量の下で工具の接触点の軌跡が当該所望の加工形状と一致するように超精密加工用旋盤１を制御するためのＮＣプログラムを作成する補正ＮＣプログラム作成機能２９を提供する。

なお、上述した各種の機能は、当該各機能を情報処理装置４に行わせるためのプログラムを予め作成しておき、情報処理装置４の有する不図示のＣＰＵにこのプログラムを実行させることによって、情報処理装置４で提供される。

以下、図２に示すフローチャートに沿って、本実施形態に係るＮＣプログラムの作成の手順を説明する。なお、以下の説明では、図３、図４、及び図５を適宜参照する。
まず、Ｓ１０１において、カメラ２は、工具６の画像を撮像して当該画像を表しているデータを取得し、通信ケーブル３を通して情報処理装置４へ送信する。

情報処理装置４は、カメラ２から送られてきた画像データを記録すると、Ｓ１０２において、画像データで表わされている画像に示されている工具６の接触点１９を認識する処理を行う。

ここで、Ｓ１０３において、Ｂ軸ステージ２３を駆動して工具６を旋回中心軸（Ｂ軸）の周りに旋回させる。この旋回の様子をカメラ２で逐次撮像し、得られた画像から、この旋回によって移動する工具６の接触点１９の軌跡を表わす座標値群を記録する処理がＳ１０４において情報処理装置４により行われる。

Ｓ１０５では、情報処理装置４は、以上のようにして記録された座標値群から任意の複数の座標値を抽出し、続いて第一数式解析機能７を実行して、抽出された座標値から当該座標値群で形成される円を表わしている数式を求める処理が行われる。

Ｓ１０６では、情報処理装置４は第二数式解析機能９を実行し、前ステップの手順において求められた数式から、当該数式で表わされている円の中心位置を求める処理が行われる。そして、続くＳ１０７において、情報処理装置４は、この中心位置、すなわち、工具６の接触点１９の軌跡を表わす円の中心位置を、図３に示すように、旋回中心軸位置２０として認識する処理が行われる。

Ｓ１０８では、情報処理装置４は位置関係算出機能２５を実行し、工具６の接触点１９と旋回中心軸位置２０との距離を、図４に示すように、Ｘ軸方向とＺ軸方向との２軸方向に分けてそれぞれΔｘ及びΔｚとして算出する処理が行われる。

次に、Ｓ１０９では、情報処理装置４は初期ＮＣプログラム作成機能２８を実行し、所望の加工形状を表わしている関数ｚ＝ｆ（ｘ）より初期ＮＣプログラムを作成する処理が行われる。

その後、Ｓ１１０では、情報処理装置４は補正ＮＣプログラム作成機能２９を実行し、Ｓ１０８の手順において算出されたΔｘ及びΔｚと、所望の加工形状を表わしている関数
ｚ＝ｆ（ｘ）と、Ｓ１０９の手順において作成された初期ＮＣプログラムとより、後述するようにしてＸ軸方向の座標ｘ_iにおける補正量Ｘ_i及びＺ_iを算出して補正情報を生成し、初期ＮＣプログラムに対しこの補正情報に基づいた補正を施して補正ＮＣプログラムを作成する処理が行われる。

以上の手順によって、所望のＮＣプログラムが作成される。
ここで、上述したＳ１１０の手順における初期ＮＣプログラムに対する補正量の算出法について説明する。

図４に示すように、Ｂ軸の角度が０のときにおける工具６の接触点１９と旋回中心軸位置２０との距離をΔｘ及びΔｚとして表わすものとし、このときのΔｘとΔｚとのなす角
をθとする。

ここで、図５に示すように、座標ｘ_iにおけるＢ軸の角度をθ_iとすると、この座標ｘ_iにおける補正量Ｘ_i及びＺ_iは、次式で表わされる。

ここで、θ及びθ_iは、それぞれ

より、

と表わすことができるので、補正量Ｘ_i及びＺ_iは次式で表わされる。

但し、上式において、Ｈ（ｘ）はヘビサイドの階段関数である。
前述したＳ１１０の手順においては、上掲した［数４］式の演算を実行することにより、Δｘ及びΔｚと関数ｚ＝ｆ（ｘ）とから各座標ｘ_iにおける補正量Ｘ_i及びＺ_iを算出することができる。

なお、この補正量の補正を施した補正ＮＣプログラムによる加工を行っても、被加工物２２の回転中心から任意の距離にある被加工物２２表面の各点における法線（図５における二点鎖線）と工具軸（図５における一点鎖線）との角度は、初期ＮＣプログラムから変化がない。

以上のように、本実施形態によれば、捨て加工を行うことなく工具６の位置合わせ誤差量が正確に求まり、その工具６の位置合わせ誤差量から旋回軸角度を補正することなく高精度な機械加工を行うことのできるＮＣプログラムが作成できる。その結果、目標成形面精度を達成するまでの加工回数が減少するので作業工数が削減され、また、工具６の表面の形態劣化が無くなるので工具６の交換頻度が削減され、更には、いわゆる深い凹面形状や平面につながる凸面形状といった形状の高精度加工を達成することができるようになる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

本発明の実施例に使用する超精密加工用旋盤の構成を示す図である。本発明の実施例であるＮＣプログラムの作成方法の手順を示すフローチャートである。工具の接触点の軌跡から旋回中心軸位置を認識する手法を説明する図である。 Δｘ及びΔｚの定義を説明する図である。 θ_i並びにＸ_i及びＺ_iの定義を説明する図である。深い凹面形状の加工を行う様子を示す図である。平面につながる凸形状の加工を行う様子を示す図である。従来技術を適用して図６Ａの加工を行った場合における工具と被加工物との干渉の様子を示す図である。従来技術を適用して図６Ｂの加工を行った場合における工具と被加工物との干渉の様子を示す図である。

符号の説明

１超精密加工用旋盤
２カメラ
３通信ケーブル
４情報処理装置
６工具
７第一数式解析機能
９第二数式解析機能
１９工具の被加工物との接触点
２０工具の旋回中心軸位置
２１ステージ
２２被加工物
２３Ｂ軸ステージ
２５関係位置算出機能
２８初期ＮＣプログラム作成機能
２９補正ＮＣプログラム作成機能
１００工具
２００被加工物

Claims

直交する２軸の移動操作と当該２軸で定義される平面に垂直な旋回中心軸まわりの回転操作とが少なくとも可能な軸構成を有する加工機を用い、回転軸対称形状である被加工物を回転させておき、当該被加工物の母線上の各点における法線と工具軸との角度を一定に維持しながら工具の接触点を当該被加工物の母線上に走査させることで形状を創成する加工を当該加工機で行わせるためのＮＣ（数値制御）プログラムを作成する方法であって、
前記旋回中心軸の位置と前記工具の接触点との間のずれの量を工具位置合わせ誤差量として測定し、
前記工具位置合わせ誤差量をゼロとしたときに前記工具の接触点の軌跡が前記被加工物についての所望の形状と一致するように前記加工機を動作させる初期ＮＣプログラムを作成し、
前記測定の結果である工具位置合わせ誤差量と前記被加工物についての所望の形状を表わしている関数とより、前記初期ＮＣプログラムに対する補正情報を生成し、
前記補正情報に基づいて前記初期ＮＣプログラムを補正して当該補正後のＮＣプログラムを得る、
ことを特徴とするＮＣプログラム作成方法。
前記補正後のＮＣプログラムによる加工において、前記被加工物の回転中心から任意の距離にある当該被加工物表面の各点における法線と工具軸との角度は、前記初期ＮＣプログラムから変化がないことを特徴とする請求項１に記載のＮＣプログラム作成方法。
前記測定は、
撮像素子を用いて撮像された前記工具の表わされている画像を認識し、
旋回中心軸まわりの回転操作を行ったときにおける当該工具の作用点の移動軌跡を、前記画像を用いて記録し、
前記画像における前記移動軌跡を表す円の中心位置を旋回中心軸位置として認識し、
前記画像における前記工具の作用点と当該画像における旋回中心軸位置とより前記工具位置合わせ量を取得する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＣプログラム作成方法。