JP2007264746A - 回転体加工中心算出方法、回転体加工中心算出プログラム、および回転体加工中心算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転加工を行うワークの回転中心を的確に求めることのできる回転体加工中心算出方法を提供する。
【解決手段】加工前ワークの３次元形状を測定する段階と、ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションにより作成する段階と、前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して前記測定により得られた前記加工前ワークの３次元形状から余分な部分を取り除く段階と、前記余分な部分を取り除いた形状の回転中心を算出する段階と、を有することを特徴とする回転体加工中心算出方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転体加工中心算出方法、回転体加工中心算出プログラム、および回転体加工中心算出装置に関する。

たとえば、クランクシャフトなどの複雑な形状の物体の回転加工には、まず、被加工物体であるワークの回転中心を求めてから位置決めして、回転加工することが必要である。回転中心を求めずに回転加工を行うと、仕上げ加工後さらに物体のバランスを取るための加工が追加で必要となる。

そこで、従来このような追加の加工を省くために、ワーク、たとえば鍛造後のクランクシャフトなどの場合、そのワークの代表的な部分を計測して、あらかじめ回転中心を予測するための変換式に測定値を入れることで回転中心を求めていた（たとえば特許文献１参照）。
特開平０９−１７４３８２号公報

しかしながら、従来の方法では、回転加工するための中心位置を求めることはできても、その中心位置にこれから加工するワークを性格に位置決めするための手法が考慮されていない。

そこで、本発明の目的は、回転加工を行うワークの回転中心を成果かうに位置決めすることのできる回転加工装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、加工前ワークの３次元形状を測定する段階と、ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションにより作成する段階と、前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して前記測定により得られた前記加工前ワークの３次元形状から余分な部分を取り除く段階と、前記余分な部分を取り除いた形状の回転中心を算出する段階と、を有することを特徴とする回転体加工中心算出方法である。

また上記目的を達成するための本発明は、加工前ワークの３次元形状を測定した結果を取り込んで、コンピュータの記憶手段に記憶する段階と、ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションにより作成する段階と、前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して前記記憶した前記加工前ワークの３次元形状から余分な部分を取り除く段階と、前記余分な部分を取り除いた形状から回転中心を算出する段階と、をコンピュータに実行させるための回転体加工中心算出プログラムである。

また上記目的を達成するための本発明は、加工前ワークの３次元形状を測定する３次元形状測定手段と、ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションし、前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して前記３次元形状測定手段により得られた前記加工前ワークの３次元形状から余分な部分を取り除き、前記余分な部分を取り除いた形状から回転中心を算出する回転中心算出手段と、を有することを特徴とする回転体加工中心算出装置である。

本発明によれば、３次元形状を測定して得られた形状と、仮想的に作成した出来上がり形状とを比較することで、回転加工の際の回転中心を求めているため、精度よく回転中心を得ることができ、実際の加工後においてもバランスの再調整を行うことなく使用することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明を適用した回転体の回転中心を算出するためのシステムを説明するためのブロック図である。

このシステムは、ワークである粗材（加工前ワーク）を３次元計測するための３次元測定機１と、測定された３次元形状とワークの仕上げ加工後の出来上がり形状から、回転中心を予測するコンピュータ２と、ワークを固定して切削加工を行う切削加工機械３とからなる。ここでコンピュータ２は回転中心算出手段となり、このコンピュータ２が後述する手順に基づいて作成されたプログラムを実行することで回転体加工中心である回転中心が算出されることになる。

３次元測定機１は、市販されている３次元測定機１を用いることができ、特に限定されない。たとえば、ＣＴスキャナ、レーザ式や超音波式の非接触デジタイザなど、ワークを一定間隔でくまなく計測できるものが好ましい。計測間隔はワークの大きさにもよるが、たとえば長さ５０ｃｍ程度最大径１０ｃｍ程度のクランクシャフトの場合、０．１ｍｍ間隔程度で計測できるものがよい。もちろんさらに大きなワークの場合には、測定間隔は適宜大きくてもよい。

コンピュータ２は、回転体加工中心算出装置となるものであり、後述する処理手順によってワークの回転中心を求める。このようなコンピュータは、たとえばパソコンやワークステーションなどを用いることができる。

切削加工機械３は、ワーク（ここでは鍛造後のクランクシャフト）１００を、軸方向の両端であるフロントＦ側とリアＲ側で保持し、それぞれの側を左右（Ｘ方向）、上下（Ｙ方向）に移動可能となっていて、軸支した状態でワーク１００を回転させて切削加工を行う工作機械である（図３参照）。

図２は、本発明を適用して、このコンピュータ２により回転中心を求めるための処理手順を示すフローチャートである。

ここでは、ワークとして鍛造後のクランクシャフトを例に説明する。図３は、ワーク１００であるクランクシャフトを示す斜視図である。

図示するようにクランクシャフトは様々な方向にカウンタウェイトやバランスウェイトが設けられているため、バランスのとれた回転中心がどこにあるかわからない。また、鍛造後の粗材（加工前ワーク）は、鍛造だけでは形成しきれない肉付きがあるため、そのような部分を、回転中心を位置決めした状態で回転加工することで仕上げている。図に示した矢印Ａは回転中心となる位置である。この回転中心は、本実施形態の方法によって加工後の出来上がり回転体としてのバランスのとれた位置として求められる。

以下この回転中心を求めるための処理手順を説明する。

まず、回転加工を行う切削加工機械３にワークを固定する（Ｓ０）。ワークの固定は、切削加工機械３に、とりあえず見た目で回転中心と思われるところをクランクシャフトのフロント側とリア側を固定する。固定の際、回転中心（Ｚ軸方向）を図３に示したフロントＦ側とリアＲ側のそれぞれにおいてＸ−Ｙ座標上の原点（０点）とする。

次に、ワーク全体を所定間隔で３次元測定する（Ｓ１）。測定結果はコンピュータ２に取り込み、さらに面付けを行ってコンピュータ２の記憶手段に記憶させる（Ｓ２）。ここで記憶手段は、たとえばコンピュータ２内のハードディスクである。

その後、切削工具の切削軌跡をコンピュータ２によりシミュレーションして、回転加工後の仮想の出来上がり形状を求める（Ｓ３）。切削工具は、被加工物体（ここではクランクシャフトのワーク）を回転させながら、その回転に合わせて切削深さを調整することで、被加工物体を加工して最終的な形状に仕上げてゆく。切削深さは被加工物体の回転中心に対して、被加工物体の設計形状からあらかじめ決められている。したがって、切削工具の軌跡をシミュレーションすることにより出来上がり形状がわかるのである。

なお、ここで、切削工具の軌跡をシミュレーションすることにより出来上がり形状を作成しているのは、精度として実際に切削された後の形状と同様のものが仮想的に得られるためである。もちろん、同程度の精度の出来上がり形状が得られるのであれば、設計図などから比較対象とする出来上がり形状を作成してもよい。

続いてコンピュータ２は、シミュレーション出来上がり形状から、３次元計測結果の形状を引き算する（Ｓ４）。この形状の引き算によりシミュレーションによる出来上がり形状に対して測定により得られた３次元形状の余分な部分が取り除かれて実際に加工された後の形状が予測されることになる（これにより得られた形状を出来上がり予測形状と称する）。

その後、余分な部分を取り除いた出来上がり予測形状から回転体としての回転中心を求める。

回転中心を求めるためには、まず、回転の中心軸に対するバランス計算を実行する（Ｓ５）。

バランス計算は、全体のバランスに影響のある部分のみを抜き出して計算すればよい。

図４は、クランクシャフトにおけるバランス計算に必要な部分を抜き出したモデル形状を示す図面である。

クランクシャフトの場合、回転中心から一定距離で円柱形状に加工する部分はバランス計算に影響しないので省くことになる。したがって、図に示すように、クランクシャフトのカウンタウェイトやバランスウェイトなどの部分のみを抜き出した形状があればよいことになる。

バランス計算は、クランクシャフトの複数のカウンタウェイトやバランスウェイトなどの重心位置をモーメントとして前後のバランス位置に振り分けることとした。

図５は、ワークのモーメントを前後のバランス位置に振り分ける方法を説明するための説明図である。

図示するように、カウンタウェイトやバランスウェイトの重心位置を中心位置Ｃ（図では線分Ｃ）からのベクトルＷ１で表し、その長さＷＲ１をとすると、振り分け量は、フロントＦ側がＷＲ１×ａ１／Ｌ、リアＲ側がＷＲ１×ｂ１／Ｌとなる。実際には、後述するように、回転中心を求める際にＸ−Ｙ座標を用いるため、フロントＦ側、リアＲ側ともに、ＸおよびＹ方向の座標値からＷＲｘおよびＷＲｙを求めておいて、それぞれフロントＦ側がＷＲ１ｘ×ａ／Ｌ、ＷＲ１ｙ×ａ／ＬとリアＲ側がＷＲ１ｘ×ｂ／Ｌ、ＷＲ１ｙ×ｂ／Ｌを求めることになる。

なお、Ｗ２についても同様であり、さらに図６はＷ１およびＷ２の２つを示したが、実際には、複数のカウンタウェイトやバランスウェイトの数だけぞれぞれモーメントを振り分けることになる。

このようにして複数のモーメントを振り分けたＸ−Ｙ座標位置を狙い目の中心位置Ｘ，Ｙとする。

そして、バランス計算で求めた狙い目の中心位置Ｘ，Ｙとなるように回転中心を算出する（Ｓ６）。

図６は、回転中心の算出方法を説明する説明図である。

回転中心は、先のバランス計算に必要な部分を抜き出したモデル形状を図６に示すように回転軸方向から串刺した方向から見てその重量中心を計算する。この値をｘ，ｙとする。なお、図において中心位置が２つあるのは、フロント側から見た中心と、リア側から見た中心を同一面内に重ねたためである。つまり、図４において、軸の中心をＺ軸方向とすると、Ｘ−Ｙ平面において、クランクシャフトの中心位置がフロント側とリア側とで異なるためである。図においてフロント側中心位置をＦｃ、リア側中心位置をＲｃとして示す。また、各線は図４において抜き出したそれぞれの部分の外形線である。

そして求めたｘ，ｙの位置を先に求めたＸ，Ｙの位置に近づける。これをフロント側とリア側の両方について行う。そうするとＸ，Ｙを求めたときの中心位置Ｃの位置が違ってくるので、再度モーメントとの振り分けを行って、Ｘ，Ｙの値を計算し直す。そして、再び中心位置Ｃを再計算されたＸ，Ｙに近づける。すなわち、計算としては、下記（１）式の値が最も小さくなるまで、繰り返しＸ，Ｙの再計算を行うことになる。

（（Ｘ−ｘ）^２＋（Ｙ−ｙ）^２）^{（１／２）}…（１）
ただし、実際には、（１）式の値が最も小さくなるまで計算するのは無限の計算の繰り返しになる可能性があるため、実験計画法などにより徐々に中心位置ｘ，ｙの値を変更してゆき、最終的にあらかじめ決められたしきい値以下となればそのときのｘ，ｙの値を回転中心と決定すればよい。したがってしきい値以下となるまでステップＳ５およびＳ６の処理を繰り返し実施することとなる。

なお、このときのしきい値は、たとえば、実際の製品によってモーメントの距離ＷＲとその製品の中心位置Ｃ（実際の製品では軸穴が開いている位置の中心となる）とを求めて、（１）式の値を取り、その値をしきい値とすればよい。

そして、（１）式の値がしきい値以下となれば（Ｓ７：Ｙｅｓ）、最後に、３次元計測で得られた形状を求めた中心位置により回転させて、切削工具の切削軌跡と重ね合わせて、切削可能か否かを判断して（Ｓ８）終了する。ここでの判断は、３次元計測で得られた形状の方が切削工具の切削軌跡の形状より少なくなっている部分があれば切削不能と判断することになる。なお、切削不能となった場合にはその旨をコンピュータのディスプレイなどに表示する（Ｓ１０）。

Ｓ８において、異常がなければ、求めた中心位置となるように、ワークを固定している切削加工機械３のフロント側とリア側の位置を最終的に得られたｘ，ｙの位置となるように調整する（Ｓ９）。これにより、クランクシャフトの実際の加工後の出来上がり形状がバランスのとれたものとなる。

以上説明した本実施形態によれば、３次元形状を測定して得られた形状と、コンピュータ内において仮想的に作成した切削加工後の形状とを比較することで、回転加工の際の回転中心を求めているため、精度よく回転中心を得ることができ、実際の加工後においてもバランスの再調整を行うことなく使用することが可能となる。

なお、以上説明した本実施形態では、３次元形状の測定を切削加工機械にセットした後に行っているが、この３次元形状の測定は、切削加工機械にセットする前に実施してもよい。

本発明は、鍛造品、プレス加工品など様々なワークを仕上げ加工する際の中心位置出しに好適である。

本発明を適用した回転体加工中心を算出するためのシステムを説明するためのブロック図である。 本発明を適用して、このコンピュータにより回転中心を求めるための処理手順を示すフローチャートである。 クランクシャフトを示す斜視図である。 クランクシャフトにおけるバランス計算に必要な部分を抜き出したモデル形状を示す図面である。 ワークのモーメントを前後のバランス位置に振り分ける方法を説明するための説明図である。 回転中心の算出方法を説明する説明図である。

符号の説明

１…３次元測定機、
２…コンピュータ、
３…切削加工機械。

Claims (15)

1. 加工前ワークの３次元形状を測定する段階と、
   ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションにより作成する段階と、
   前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して前記測定により得られた前記加工前ワークの３次元形状から余分な部分を取り除く段階と、
   前記余分な部分を取り除いた形状の回転中心を算出する段階と、
   を有することを特徴とする回転体加工中心算出方法。
2. 前記回転中心を算出する段階は、
   前記余分な部分を取り除いた形状の回転体としてのモーメントを前記回転中心からの距離に応じて配分する段階と、
   前記配分したモーメントの重心位置に前記回転中心を近づける段階と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の回転体加工中心算出方法。
3. 前記回転体のモーメントを前記回転中心からの距離に応じて配分する段階と前記配分したモーメントの重心位置に前記回転中心を近づける段階とは、
   前記重心位置と前記近づけた回転中心との関係があらかじめ決められたしきい値以下となるまで繰り返し実行することを特徴とする請求項２記載の回転体加工中心算出方法。
4. 前記回転中心を算出する段階の後、
   さらに、算出した回転中心により前記加工前ワークを回転させて前記回転加工が可能か否かを判定する段階を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転体加工中心算出方法。
5. 前記ワークの回転加工後の出来上がり形状を前記シミュレーションにより作成する段階は、
   前記ワークを回転加工する切削工具の切削軌跡を前記シミュレーションすることにより作成することを特徴とする請求項１記載の回転体加工中心算出方法。
6. 加工前ワークの３次元形状を測定した結果を取り込んで、コンピュータの記憶手段に記憶する段階と、
   ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションにより作成する段階と、
   前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して前記記憶した前記加工前ワークの３次元形状から余分な部分を取り除く段階と、
   前記余分な部分を取り除いた形状から回転中心を算出する段階と、
   をコンピュータに実行させるための回転体加工中心算出プログラム。
7. 前記回転中心を算出する段階は、
   前記余分な部分を取り除いた形状の回転体としてのモーメントを前記回転中心からの距離に応じて配分する段階と、
   前記配分したモーメントの重心位置に前記回転中心を近づける段階と、
   を有することを特徴とする請求項６記載の回転体加工中心算出プログラム。
8. 前記回転体のモーメントを前記回転中心からの距離に応じて配分する段階と前記配分したモーメントの重心位置に前記回転中心を近づける段階とは、
   前記重心位置と前記近づけた回転中心との関係があらかじめ決められたしきい値以下となるまで繰り返し実行することを特徴とする請求項６記載の回転体加工中心算出プログラム。
9. 前記回転中心を算出する段階の後、
   さらに、算出した回転中心により前記加工前ワークを回転させて前記回転加工が可能か否かを判定する段階をコンピュータに実行させるための請求項６〜８のいずれか一つに記載の回転体加工中心算出プログラム。
10. 前記ワークの回転加工後の出来上がり形状を前記シミュレーションにより作成する段階は、
    前記ワークを回転加工する切削工具の切削軌跡を前記シミュレーションすることにより作成することを特徴とする請求項５記載の回転体加工中心算出プログラム。
11. 加工前ワークの３次元形状を測定する３次元形状測定手段と、
    ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションし、前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して前記３次元形状測定手段により得られた前記加工前ワークの３次元形状から余分な部分を取り除き、前記余分な部分を取り除いた形状から回転中心を算出する回転中心算出手段と、
    を有することを特徴とする回転体加工中心算出装置。
12. 前記回転中心算出手段は、
    前記回転体のモーメントを前記回転中心からの距離に応じて配分し、配分したモーメントの重心位置に前記回転中心を近づけることで、前記回転中心を算出することを特徴とする請求項１１記載の回転体加工中心算出装置。
13. 前記回転中心算出手段は、
    前記回転体のモーメントを前記回転中心からの距離に応じて配分し、配分したモーメントの重心位置に前記回転中心を近づけることで、前記回転中心を算出することを、前記重心位置と前記近づけた回転中心との関係があらかじめ決められたしきい値以下となるまで繰り返し実行することを特徴とする請求項１２記載の回転体加工中心算出装置。
14. 前記回転中心算出手段は、
    さらに、算出した回転中心により前記加工前ワークを回転させて前記回転加工が可能か否かを判定することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一つに記載の回転体加工中心算出装置。
15. 前記回転中心算出手段は、前記シミュレーションによる出来上がり形状を、前記ワークを回転加工する切削工具の切削軌跡を前記シミュレーションすることにより作成することを特徴とする請求項１１記載の回転体加工中心算出装置。

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