JP2020199611A - 工作機械および工作機械の制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】切削加工時間を短縮することができる工作機械を提供する。【解決手段】切削工具によりワークの切削加工を行う工作機械10であって、切削加工前のワークの形状を加工前形状として取得する加工前形状取得部14と、切削加工後のワークの目標形状を取得する目標形状取得部18と、加工前形状と目標形状との差分形状を取得する差分形状取得部20と、差分形状のみに対して切削加工を行うように加工パスを設定する加工パス設定部26と、を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、切削工具によりワークの切削加工を行う工作機械および工作機械の制御方法に関する。
従来から、加工前のワークの形状と、ワークの目標形状との形状誤差量を算出して、算出した形状誤差量が許容値内になるまでワークの加工を行う加工装置がある(例えば、下記特許文献1)。
特開2005−122332号公報
切削工具の摩耗を抑制するために、切削工具のワークへの切り込み量を小さくすると、切削加工時間が長くなる問題がある。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、切削加工時間を短縮することができる工作機械および工作機械の制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様は、切削工具によりワークの切削加工を行う工作機械であって、切削加工前の前記ワークの形状を加工前形状として取得する加工前形状取得部と、切削加工後の前記ワークの目標形状を取得する目標形状取得部と、前記加工前形状と前記目標形状との差分形状を取得する差分形状取得部と、前記差分形状のみに対して前記切削加工を行うように加工パスを設定する加工パス設定部と、を有する。
本発明の第2の態様は、切削工具によりワークの切削加工を行う工作機械の制御方法であって、切削加工前の前記ワークの形状を加工前形状として取得する加工前形状取得ステップと、切削加工後の前記ワークの目標形状を取得する目標形状取得ステップと、前記加工前形状と前記目標形状との差分形状を取得する差分形状取得ステップと、前記差分形状のみに対して前記切削加工を行うように加工パスを設定する加工パス設定ステップと、を有する。
本発明により、切削加工時間を短縮することができる。
工作機械のブロック図である。 プローブが切削加工前のワークの上面を走査している状態を示す模式図である。 各測定点の位置を示す図である。 ワークの目標形状を示す図である。 ワークの上面の加工前形状と目標形状とを示す図である。 差分形状を示す図である。 加工平面を示す図である。 加工パス設定処理の流れを示すフローチャートである。 加工平面を示す図である。 ワークの上面の加工前形状と目標形状とを示す図である。
〔第1の実施の形態〕
[工作機械の構成]
図1は、本実施の形態の工作機械10のブロック図である。工作機械10は、プローブ12、加工前形状取得部14、目標形状記憶部16、目標形状取得部18、差分形状取得部20、加工平面設定部22、加工領域設定部24、加工パス設定部26、送り速度設定部28および加工機30を有している。
プローブ12は、切削加工前のワークWの上面を走査して、ワークWの高さを測定する。図2は、プローブ12が、切削加工前のワークWの上面を走査している状態を示す模式図である。プローブ12は、ワークWの上面を移動しながら各測定点PにおいてワークWの上面の高さ(Z座標)を測定する。測定点Pは、ワークWの上面において、Y方向に所定間隔(ステップ)で設けられ、X方向にも所定間隔(ピッチ)で設けられる。ステップおよびピッチの大きさは、後に、加工前形状取得部14において取得されるワークWの加工前形状Saに対して求められる精度に応じて適宜設定される。なお、プローブ12はワークWの上面に接触することでワークWの上面の高さを測定する測定器であるが、プローブ12に代えて非接触でワークWの上面の高さを測定する測定器を用いてもよい。
加工前形状取得部14は、プローブ12により測定されたワークWの上面の高さの情報から、切削加工前のワークWの上面の形状をモデル化し、加工前形状Saとして取得する。図3は、各測定点Pの位置を示す図である。図3は、図2に示すY=Ya上の各測定点Pの位置を示している。加工前形状取得部14は、各測定点Pを結んでワークWの上面の形状のモデルを作成し、作成されたモデルを加工前形状Saとして取得する。
目標形状記憶部16は、CADやNCプログラムから切削加工後のワークWの目標形状Sbの座標を読み込んで記憶している。目標形状取得部18は、目標形状記憶部16から切削加工後のワークWの目標形状Sbを取得する。図4は、ワークWの目標形状Sbを示す図である。図4は、Y=Ya上のワークWの上面の目標形状Sbを示している。説明を簡単にするため、本実施の形態では、ワークWの上面の目標形状Sbは、X方向に平行は面として説明するが、ワークWの上面の目標形状Sbは湾曲した平面であってもよい。
差分形状取得部20は、ワークWの加工前形状Saと目標形状Sbとから差分形状Scを取得する。図5は、ワークWの上面の加工前形状Saと目標形状Sbとを示す図である。図5は、Y=Ya上のワークWの上面の加工前形状Saおよび目標形状Sbを示している。図5に示すように、ワークWの上面の加工前形状Saと目標形状Sbとが重なり合う部分がある。差分形状取得部20は、ワークWの上面の目標形状Sbを、加工前形状Saと重なり合わない位置までZ方向に移動させて目標形状Sb´とする。差分形状取得部20は、ワークWの上面の加工前形状Saと移動後の目標形状Sb´との差分(図5のハッチング部分)を、差分形状Scとして取得する。
加工平面設定部22は、差分形状Scに基づきワークWの目標形状Sb´に平行な1以上の加工平面Fを設定する。図6は差分形状Scを示す図である。図6は、Y=Ya上の差分形状Scを示している。差分形状Scの最大高さをHmaxとする。加工平面設定部22は、差分形状ScのZ方向負側からZ方向正側に向かって切削工具の切り込み量ΔC毎に加工平面Fを設定する。加工平面Fの数は、差分形状Scの最大高さHmaxと切削工具の切り込み量ΔCで割った商に1を加えた数となる。
加工領域設定部24は、各加工平面Fと差分形状Scが重なる部分を加工領域Rとして設定する。図7は、加工平面Fを示す図である。図7は、図6における加工平面Faを示している。図7に示すように、加工平面Fa上に加工領域Ra、加工領域Rbおよび加工領域Rcが設定される。
加工パス設定部26は、各加工領域R上に、切削工具がワークWを切削しながら通過する加工パスTを設定する。図7に示すように、加工パス設定部26は加工平面Fa上において、加工領域Ra〜Rcにのみ加工パスTを設定する。換言すると、加工パス設定部26は加工平面Fa上において、加工領域Ra〜Rc以外の箇所には加工パスTを設定しない。図7に示す各加工パスTを示す矢印の近傍の数字は、切削工具の送り回数を示す。図7に示すように、同一の加工平面Fa上に複数の加工領域Ra〜Rcがある場合には、加工パス設定部26は、一の加工領域R(例えば、加工領域Ra)における切削加工が終了したのちに、他の加工領域R(例えば、加工領域Rb)において切削加工を行うように加工パスTを設定する。換言すると、加工パス設定部26は、1回の切削工具の送りにより、1つの加工領域Rにおいて切削加工を行うように加工パスTを設定する。
送り速度設定部28は、切削工具が加工パスT上を移動するときの切削工具の送り速度を切削送りに設定する。また、送り速度設定部28は、各回の切削工具の送りが開始される前に、切削工具が加工パスT間を移動するときの切削工具の送り速度を早送りに設定する。
加工機30は、ワークWを切削する切削工具と、ワークWを切削工具に対して相対移動させるテーブルとを有する。加工機30は、100nm以下の指令に基づいてワークWの切削加工を行う。加工機30は、フライス加工、または、平削り加工を行う。
加工前形状取得部14、目標形状取得部18、差分形状取得部20、加工平面設定部22、加工領域設定部24、加工パス設定部26、送り速度設定部28は、図示しない記憶媒体に記憶されているプログラムがプロセッサで実行されることにより実現される。目標形状記憶部16は、記憶媒体により実現される。
[加工パス設定処理]
図8は、工作機械10において行われる加工パス設定処理の流れを示すフローチャートである。加工パス設定処理は、ワークWの切削加工が行われる前に実行される。
ステップS1において、加工前形状取得部14はワークWの加工前形状Saを取得して、ステップS2へ移行する。
ステップS2において、目標形状取得部18はワークWの目標形状Sbを取得して、ステップS3へ移行する。
ステップS3において、差分形状取得部20は差分形状Scを取得して、ステップS4へ移行する。
ステップS4において、加工平面設定部22は加工平面Fを設定して、ステップS5へ移行する。
ステップS5において、加工領域設定部24は加工領域Rを設定して、ステップS6へ移行する。
ステップS6において、加工パス設定部26は各加工領域R上に加工パスTを設定して、ステップS7に移行する。
ステップS7において、送り速度設定部28は、切削工具が加工パスT上を移動するときの切削工具の送り速度、および、切削工具が加工パスT間を移動するときの切削工具の送り速度を設定して、ステップS8へ移行する。
ステップS8において、加工パス設定部26は各加工領域R上の加工パスTを加工機30に出力し、送り速度設定部28は切削工具の送り速度を加工機30に出力して、加工パス設定処理を終了する。
[作用効果]
切削工具の切り込み量を大きく設定するほど切削加工時間を短くできるが、切削工具の摩耗が促進され、切削工具の使用可能期間は短くなる。一方、切削工具の切り込み量を小さく設定すると切削工具の摩耗が抑制されて切削工具の使用可能期間を長くできるが、切削加工時間は長くなる。特に、本実施の形態の工作機械10の加工機30は、100nm以下の指令に基づいてワークWの切削加工を行う超精密加工機であり、切削工具の切り込み量を大きく設定することができず、切削加工時間が長くなる。そのため、切削工具の切り込み量を小さく設定しつつ、切削加工時間を短縮化することが求められる。
加工パスTは、ワークWの目標形状Sbと平行な加工平面F上に設定される。しかし、ワークWの加工前形状Saは目標形状Sbと平行ではないため、切削工具が加工平面Fを全面に渡って切削しようとしても、実際にはワークWの切削を行っていない状態が多く発生する。この状態は、切削工具の切り込み量が小さいほど多く発生する。切削工具がワークWの切削を行っていない場合でも、切削工具の送り速度は切削送りに設定されるため、切削加工時間が長くなる。
そこで、本実施の形態の工作機械10では、切削加工前のワークWの加工前形状Saと、切削加工後のワークWの目標形状Sbとの差分形状Scのみに対して切削加工を行うように加工パスTを設定する。これにより、切削工具が切削送りで送られているにも関わらず、
ワークWの切削を行っていない状態を避けることができ、切削加工時間を短縮することができる。
また、本実施の形態の工作機械10では、各加工平面Fと差分形状Scとが重なる部分を加工領域Rとして設定し、各加工平面F上の加工領域Rにのみ加工パスTを設定する。これにより、切削工具が加工パスTに沿って切削送りで送られていたとしても実際にはワークWの切削を行っていない状態が発生することがなく、切削加工時間を短縮することができる。
また、本実施の形態の工作機械10では、同一の加工平面F上に一の加工領域Rと他の加工領域Rとがある場合には、一の加工領域Rにおける切削加工が終了した後に、他の加工領域Rにおいて切削加工を行うように、加工パスTを設定する。これにより、切削工具が加工パスTに沿って切削送りで送られていたとしても実際にはワークWの切削を行っていない状態が発生することがなく、切削加工時間を短縮することができる。
〔第2の実施の形態〕
本実施の形態の工作機械10は、加工パス設定部26および送り速度設定部28において行われる処理が、第1の実施の形態の工作機械10と一部相違する。
図9は、加工平面Fを示す図である。図9は、図6における加工平面Faを示している。図9に示すように、加工平面Fa上に加工領域Ra、加工領域Rbおよび加工領域Rcが設定される。
加工パス設定部26は、各加工領域R上に、切削工具がワークWを切削しながら通過する加工パスTを設定する。図9に示すように、加工平面Fa上において、加工領域Ra〜Rcにのみ加工パスTが設定される。図9に示す各加工パスTを示す矢印の近傍の数字は、切削工具の送り回数を示す。図9に示すように、同一の加工平面Fa上において、切削工具の送り方向に隣り合う加工領域Raと加工領域Rbがある場合には、加工パス設定部26は、1回の切削工具の送りにより、加工領域Ra、および、加工領域Rbにおいて切削加工を行うように、加工パスTを設定する。
送り速度設定部28は、切削工具が加工パスT上を移動するときの切削工具の送り速度を切削送りに設定する。また、送り速度設定部28は、各回の切削工具の送りが開始される前に、切削工具が加工パスT間を移動するときの切削工具の送り速度を早送りに設定する。さらに、送り速度設定部28は、図9に示すように、1回の切削工具の送りの途中で切削工具が加工パスT間を移動するときの切削工具の送り速度を早送りに設定する。
[作用効果]
本実施の形態の工作機械10では、同一の加工平面F上において切削工具の送り方向に隣り合う一の加工領域Rと他の加工領域Rとがある場合には、1回の切削工具の送りにより、一の加工領域R、および、他の加工領域Rにおいて切削加工を行うように、加工パスTを設定する。これにより、切削工具の送り回数を削減することができ、切削加工時間を短縮することができる。
本実施の形態の工作機械10では、1回の切削工具の送りにより、一の加工領域R、および、他の加工領域Rにおいて切削加工を行う場合には、一の加工領域Rにおける加工パスTと、他の加工領域Rにおける加工パスTとの間の切削工具の送り速度を早送りに設定する。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
〔第3の実施の形態〕
本実施の形態の工作機械10は、差分形状取得部20において行われる処理が、第1の実施の形態および第2の実施の形態の工作機械10と一部相違する。
差分形状取得部20は、ワークWの加工前形状Saと目標形状Sbとから差分形状Scを取得する。図10は、ワークWの上面の加工前形状Saと目標形状Sbとを示す図である。図10は、Y=Ya上のワークWの上面の加工前形状Saおよび目標形状Sbを示している。図10に示すように、ワークWの上面の加工前形状Saと目標形状Sbとが重なり合う部分がある。差分形状取得部20は、ワークWの上面の目標形状Sbを、加工前形状Saと重なり合わない位置まで移動させて目標形状Sb´とする。第1の実施の形態および第2の実施の形態では、差分形状取得部20は、目標形状SbをZ軸方向にのみ移動させていた。本実施の形態では、差分形状取得部20は、差分形状Scの体積が最小となるように目標形状Sbを移動させる。差分形状取得部20は、目標形状Sbの移動応じて、新たな座標系X´Y´Z´を設定する。以降の各処理は、新たな座標系X´Y´Z´を基準として行われる。
[作用効果]
本実施の形態の工作機械10は、差分形状Scの体積が最小となるように、加工前形状Saに対して目標形状Sbを移動させる。これにより、加工前形状Saから切削加工により除去する体積が小さくなるため、切削加工時間を短縮することができる。
〔他の実施の形態〕
上記の第1の実施の形態〜第3の実施の形態では、ワークWの上面を切削加工することを前提として説明したが、ワークWの側面を切削加工するものについても、同様にして適用することができる。
また、第1の実施の形態〜第3の実施の形態の工作機械10の加工機30は、100nm以下の指令に基づいてワークWの切削加工を行う超精密加工機であった。100nmよりも大きい値の指令に基づいてワークWの切削加工を行う加工機を有する工作機械においても、第1の実施の形態〜第3の実施の形態で説明した処理を同様に適用することができる。
〔実施の形態から得られる技術的思想〕
上記実施の形態から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。
切削工具によりワークの切削加工を行う工作機械(10)であって、切削加工前の前記ワークの形状を加工前形状として取得する加工前形状取得部(14)と、切削加工後の前記ワークの目標形状を取得する目標形状取得部(18)と、前記加工前形状と前記目標形状との差分形状を取得する差分形状取得部(20)と、前記差分形状のみに対して前記切削加工を行うように加工パスを設定する加工パス設定部(26)と、を有する。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械であって、前記目標形状に平行な1以上の加工平面を設定する加工平面設定部(22)と、各加工平面と前記差分形状とが重なる部分を加工領域として設定する加工領域設定部(24)と、を有し、前記加工パス設定部は、各加工平面上の前記加工領域にのみ前記加工パスを設定してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械であって、前記加工パス設定部は、同一の加工平面上に一の加工領域と他の加工領域とがある場合には、前記一の加工領域における前記切削加工が終了した後に、前記他の加工領域において前記切削加工を行うように、前記加工パスを設定してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械であって、前記加工パス設定部は、同一の加工平面上において前記切削工具の送り方向に隣り合う一の加工領域と他の加工領域とがある場合には、1回の前記切削工具の送りにより、前記一の加工領域および前記他の加工領域において前記切削加工を行うように、前記加工パスを設定してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械であって、1回の前記切削工具の送りにより、前記一の加工領域および前記他の加工領域において前記切削加工を行う場合には、前記一の加工領域における前記加工パスと、前記他の加工領域における前記加工パスとの間の前記切削工具の送り速度を早送りに設定する送り速度設定部(28)を有してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械であって、前記差分形状取得部20は、前記差分形状の体積が最小となるように、前記加工前形状に対して前記目標形状を移動させてもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械であって、100nm以下の指令に基づいて前記ワークの前記切削加工を行う加工機(30)を有してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
切削工具によりワークの切削加工を行う工作機械(10)の制御方法であって、切削加工前の前記ワークの形状を加工前形状として取得する加工前形状取得ステップと、切削加工後の前記ワークの目標形状を取得する目標形状取得ステップと、前記加工前形状と前記目標形状との差分形状を取得する差分形状取得ステップと、前記差分形状のみに対して前記切削加工を行うように加工パスを設定する加工パス設定ステップと、を有する。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械の制御方法であって、前記目標形状に平行な1以上の加工平面を設定する加工平面設定ステップと、各加工平面と前記差分形状とが重なる部分を加工領域として設定する加工領域設定ステップと、を有し、前記加工パス設定ステップは、各加工平面上の前記加工領域にのみ前記加工パスを設定してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械の制御方法であって、前記加工パス設定ステップは、同一の加工平面上に一の加工領域と他の加工領域とがある場合には、前記一の加工領域における前記切削加工が終了した後に、前記他の加工領域において前記切削加工を行うように、前記加工パスを設定してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械の制御方法であって、前記加工パス設定ステップは、同一の加工平面上において前記切削工具の送り方向に隣り合う一の加工領域と他の加工領域とがある場合には、1回の前記切削工具の送りにより、前記一の加工領域および前記他の加工領域において前記切削加工を行うように、前記加工パスを設定してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械の制御方法であって、1回の前記切削工具の送りにより、前記一の加工領域および前記他の加工領域において前記切削加工を行う場合には、前記一の加工領域における前記加工パスと、前記他の加工領域における前記加工パスとの間の前記切削工具の送り速度を早送りに設定する送り速度設定ステップを有してもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
上記の工作機械の制御方法であって、前記差分形状取得ステップは、前記差分形状の体積が最小となるように、前記加工前形状に対して前記目標形状を移動させてもよい。これにより、切削加工時間を短縮することができる。
10…工作機械 14…加工前形状取得部
18…目標形状取得部 20…差分形状取得部
22…加工平面設定部 24…加工領域設定部
26…加工パス設定部

Claims (13)

  1. 切削工具によりワークの切削加工を行う工作機械であって、
    切削加工前の前記ワークの形状を加工前形状として取得する加工前形状取得部と、
    切削加工後の前記ワークの目標形状を取得する目標形状取得部と、
    前記加工前形状と前記目標形状との差分形状を取得する差分形状取得部と、
    前記差分形状のみに対して前記切削加工を行うように加工パスを設定する加工パス設定部と、
    を有する、工作機械。
  2. 請求項1に記載の工作機械であって、
    前記目標形状に平行な1以上の加工平面を設定する加工平面設定部と、
    各加工平面と前記差分形状とが重なる部分を加工領域として設定する加工領域設定部と、
    を有し、
    前記加工パス設定部は、各加工平面上の前記加工領域にのみ前記加工パスを設定する、工作機械。
  3. 請求項2に記載の工作機械であって、
    前記加工パス設定部は、同一の加工平面上に一の加工領域と他の加工領域とがある場合には、前記一の加工領域における前記切削加工が終了した後に、前記他の加工領域において前記切削加工を行うように、前記加工パスを設定する、工作機械。
  4. 請求項2に記載の工作機械であって、
    前記加工パス設定部は、同一の加工平面上において前記切削工具の送り方向に隣り合う一の加工領域と他の加工領域とがある場合には、1回の前記切削工具の送りにより、前記一の加工領域および前記他の加工領域において前記切削加工を行うように、前記加工パスを設定する、工作機械。
  5. 請求項4に記載の工作機械であって、
    1回の前記切削工具の送りにより、前記一の加工領域および前記他の加工領域において前記切削加工を行う場合には、前記一の加工領域における前記加工パスと、前記他の加工領域における前記加工パスとの間の前記切削工具の送り速度を早送りに設定する送り速度設定部を有する、工作機械。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の工作機械であって、
    前記差分形状取得部20は、前記差分形状の体積が最小となるように、前記加工前形状に対して前記目標形状を移動させる、工作機械。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の工作機械であって、
    100nm以下の指令に基づいて前記ワークの前記切削加工を行う加工機を有する、工作機械。
  8. 切削工具によりワークの切削加工を行う工作機械の制御方法であって、
    切削加工前の前記ワークの形状を加工前形状として取得する加工前形状取得ステップと、
    切削加工後の前記ワークの目標形状を取得する目標形状取得ステップと、
    前記加工前形状と前記目標形状との差分形状を取得する差分形状取得ステップと、
    前記差分形状のみに対して前記切削加工を行うように加工パスを設定する加工パス設定ステップと、
    を有する、工作機械の制御方法。
  9. 請求項8に記載の工作機械の制御方法であって、
    前記目標形状に平行な1以上の加工平面を設定する加工平面設定ステップと、
    各加工平面と前記差分形状とが重なる部分を加工領域として設定する加工領域設定ステップと、
    を有し、
    前記加工パス設定ステップは、各加工平面上の前記加工領域にのみ前記加工パスを設定する、工作機械の制御方法。
  10. 請求項9に記載の工作機械の制御方法であって、
    前記加工パス設定ステップは、同一の加工平面上に一の加工領域と他の加工領域とがある場合には、前記一の加工領域における前記切削加工が終了した後に、前記他の加工領域において前記切削加工を行うように、前記加工パスを設定する、工作機械の制御方法。
  11. 請求項9に記載の工作機械の制御方法であって、
    前記加工パス設定ステップは、同一の加工平面上において前記切削工具の送り方向に隣り合う一の加工領域と他の加工領域とがある場合には、1回の前記切削工具の送りにより、前記一の加工領域および前記他の加工領域において前記切削加工を行うように、前記加工パスを設定する、工作機械の制御方法。
  12. 請求項11に記載の工作機械の制御方法であって、
    1回の前記切削工具の送りにより、前記一の加工領域および前記他の加工領域において前記切削加工を行う場合には、前記一の加工領域における前記加工パスと、前記他の加工領域における前記加工パスとの間の前記切削工具の送り速度を早送りに設定する送り速度設定ステップを有する、工作機械の制御方法。
  13. 請求項8〜12のいずれか1項に記載の工作機械の制御方法であって、
    前記差分形状取得ステップは、前記差分形状の体積が最小となるように、前記加工前形状に対して前記目標形状を移動させる、工作機械の制御方法。
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