JP3788539B2 - 自由曲線部材のサイクル加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内面及び外面形状が所定の自由曲線で表される中空円筒形部材の内面及び／又は外面をこの中空部材の回転に同期させて切削加工する加工装置に関し、特には被加工材の支持装置の剛性を高めることを可能とする自由曲線部材のサイクル加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンのピストンリングは外周が一部切断されて隙間を有するリング形状をしており、このピストンリングをピストンの上部溝に嵌める時には、前記隙間部の開きを縮めてシリンダ内に挿入し、この後ピストンリングの弾性力によってシリンダ内壁に密着させている。このようなピストンリングは、従来から、中空の円筒形状の被加工材の内面及び外面を所定の曲面に精密加工した後に、前記隙間部を切断して製造される場合が多い。
【０００３】
図７は、ピストンリングの内面及び外面を加工する前の被加工材と加工後のリング形状を表した図である。同図において、被加工材１はほぼ円筒形状を成した中空の素材であり、所望のピストンリング溝幅に対応した所定高さＬ1 の複数のリング材２が積み重ねられている。そして、この被加工材１の両端面（図示では、上下端面）側に支持装置を設け、この支持装置によって両端面から被加工材１に所定の大きさのクランプ力をかけながら被加工材１を支持している。さらに、被加工材１の中空部には内面を切削する工具４が、また、被加工材１の外側には外面を切削する工具５が配設されている。被加工材１を前記支持装置によって支持した状態で回転軸Ｏを中心に図示で例えば矢印１３方向に回転させると共に、この回転に同期させて前記工具４、５を矢印１１方向に往復駆動し、かつ、被加工材１の軸心方向（図示で、例えば矢印１２方向）に駆動することによって、複数個のリング３が製作される。
【０００４】
リング３は略ハート形の形状をしているが、その外周の凹部に相当する部分Ｐが切断され、除去されてピストンリングが完成する。このとき、上記切断された部分Ｐがピストンリングの前記隙間部となる。そして、このピストンリングは前述のようにピストンに嵌められた状態でシリンダ内壁に密着して密封性を保持できることが要求されるので、その内面及び外面の切削加工精度を高くしなければならない。
【０００５】
従来、このようなピストンリングの精密切削加工のために、種々の加工機械が提案されている。
例えば、特公平６−７５８１４号公報には、リニアモータによって被加工材に対して接近又は離れる方向（前述の矢印１１方向）に直線駆動されるキャリジに切削用の工具を取り付けると共に、前記リニアモータをコンピュータによってＮＣサーボ制御することにより、例えばピストンのような被加工材のスカート外周を切削加工するＮＣ制御旋盤が開示されている。そして、前記キャリジの往復動は例えばローラ等からなる回転部材が複数組配設された案内装置によって案内され、かつ、水平方向及び垂直方向に抑制されており、また、これらの案内装置は前記キャリジの移動方向に対して横方向に移動するのを偏倚装置によって阻止されている。したがって、この案内装置及び偏倚装置によって被加工材を切削している間に工具に生じる反力を支持するので、ガタツキやブレが全く無い状態でキャリジを往復動させることでき、精度良く切削加工できるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ピストンリングは前述のような理由により加工精度が非常に重要視されており、内面及び外面のそれぞれの精度、さらに内面と外面の同心度及び加工時の位相等に関する精度が要求されている。しかしながら、上記のような従来のＮＣ制御旋盤によってピストンリングのような非円形部材を加工する場合には外面のみの加工しかできないので、両面を同時にＮＣ加工できない。そして、外面加工後に内面を加工する場合には、前述のように外周面の凹部に相当する部分Ｐを先に切断した後、このリングの切断されたＰ部の隙間を縮めた状態で内面を真円加工するようにしている。したがって、ピストンリング加工時の生産性が非常に悪くなると共に、内面と外面の前記同心度の精度が十分に満たされない可能性があるという問題がある。
【０００７】
また、一方、ＮＣ制御を行う場合、切削加工時の工具４、５の駆動軸の定常位置偏差が所定量発生するので、この位置偏差を無くし、ピストンリングのような非円形の被加工材１の回転軸と工具駆動軸とを同期させる、すなわち、位相を合わせる必要がある。このために、従来、外面をＮＣ加工する場合には、図８に示すように、被加工材１の切削する外面の反対側の面（図示では、内面）に近い部分を支持装置６によってクランプし、工具５を切削開始位置の手前から被加工材１の軸心方向に沿って接近し、この接近（アプローチ）の間に被加工材１の回転に同期させるようにしていた。つまり、ピストンリングの本加工７に入る前に、支持装置６の近傍の支持装置エリア８でのアプローチにおいて、工具駆動軸の学習機能により前記位置偏差εを無くするようにしている。このとき、支持装置６の被加工材１の端面を支持する支持部の半径方向の長さδ1 は、前記学習が完了するまでの前記位置偏差εの最大値だけ工具５がずれたときでも支持装置６に干渉しないように設定されている。したがって、工具駆動軸の最大位置偏差が大きい場合、支持部の長さδ1 を小さくしなければならないので、支持部の剛性が低下し、この結果加工精度をさらに向上することが困難となっている。
【０００８】
また、さらに、生産性向上を図るために、内面及び外面を同時にＮＣ加工する場合には、図９に示すように、支持装置６は被加工材１の両端面の中央部のみをクランプし、両端面の内面及び外面に近い部分には上記と同様に位置偏差εを学習補正するときのアプローチのために所定距離だけ支持装置６との非接触部を確保する必要がある。このとき、支持部材６の支持部の半径方向の長さδ2 は、前記と同様に前記学習が完了するまでに前記最大位置偏差値だけ両工具４、５がずれたときでも支持装置６に干渉しないように設定しなければならない。したがって、支持装置６の上記長さδ2 が、前記外面のみをＮＣ加工する場合における前記長さδ1 に比べて小さくなってしまう。このため、クランプ力を受ける面積が少なくなり、もっと大きな応力が支持部にかかり、支持装置６の寿命が低下する。また、支持装置６のクランプ状態での剛性が小さくなるので、加工時に高速回転させると被加工材１が不安定に微振動して所定の加工回転速度の確保が困難となり、また、加工時の反力の影響を受け易くなって加工精度を満足できないという問題がある。さらに、支持装置６が被加工材１を支持している端部の側端面と被加工材１の側面との距離Ｌ2 が大きいので、被加工材１の加工終端部（つまり下方から上方へ加工する場合は、上端部）において「こば欠け」や「かえり」等の不具合が発生し易く、生産性が低下する。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、内面及び／又は外面が自由曲線によって形成された非円形曲線を有する中空円筒形状の被加工材の内面及び／又は外面を高精度で、かつ、高速に加工できる自由曲線部材のサイクル加工装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材１をこの被加工材１の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材１を円筒の芯を軸としてその軸回りのＣ軸方向に回転させるＣ軸駆動手段５４と、被加工材１の中空部に挿入され、かつ、内面を切削加工する工具４が取着されたボーリングバー９３と、ボーリングバー９３を被加工材１に対して接近する又は離れる方向のＵ軸方向に直線駆動する内面加工駆動手段９８と、外面を切削加工する工具５を被加工材１に対して接近する又は離れる方向のＸ軸方向に直線駆動する外面加工駆動手段７８と、被加工材１を軸心方向のＺ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段３４とを備え、前記Ｃ軸の回転角度に同期させてＸ軸及びＵ軸の駆動を制御し、被加工材１の内外面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、予め被加工材１の基準軌跡データに基づいて、Ｃ軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材１の基準軌跡１５に漸次接近させるアプローチサイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値を演算する位置指令値演算部１０１と、この演算された各位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部１０２と、実加工作業時に、Ｃ軸の回転角度に同期して前記記憶されたＸ軸及びＵ軸の位置指令値を同時に出力する位置指令出力部１０３と、このＸ軸及びＵ軸の位置指令値、並びにＸ軸位置センサ７６及びＵ軸位置センサ９５からの検出値に基づいてＸ軸及びＵ軸の位置偏差値をそれぞれ演算するＸ軸位置偏差演算部１１０及びＵ軸位置偏差演算部１２０と、この演算されたＸ軸位置偏差値及びＵ軸位置偏差値に基づいて、Ｃ軸の回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、Ｘ軸及びＵ軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、Ｘ軸及びＵ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつＣ軸の回転に同期してこの記憶したＸ軸及びＵ軸の位置偏差値の補正指令値を出力するＸ軸学習制御部１１１及びＵ軸学習制御部１２１と、Ｘ軸学習制御部１１１及びＵ軸学習制御部１２１からの各補正指令値、並びにＸ軸位置偏差演算部１１０及びＵ軸位置偏差演算部１２０からのＸ軸及びＵ軸の位置偏差値を各軸ごとに加算し、各加算値を対応する前記外面加工駆動手段７８及び前記内面加工駆動手段９８に速度指令として同時に出力するＸ軸加算部１１２及びＵ軸加算部１２２とを備えた構成としている。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明と略同様であるが、Ｕ軸のみをＣ軸と同期させて駆動する、つまり内面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項１の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部１０１と位置指令値記憶部１０２と位置指令出力部１０３とがＵ軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記Ｕ軸位置偏差演算部１２０と前記Ｕ軸学習制御部１２１と前記Ｕ軸加算部１２２とによって前記内面加工駆動手段９８にＵ軸速度指令が出力される構成としている。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１記載の発明と略同様であるが、Ｘ軸のみをＣ軸と同期させて駆動する、つまり外面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項１の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部１０１と位置指令値記憶部１０２と位置指令出力部１０３とがＸ軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記Ｘ軸位置偏差演算部１１０と前記Ｘ軸学習制御部１１１と前記Ｘ軸加算部１１２とによって前記外面加工駆動手段７８にＸ軸速度指令が出力される構成としている。
【００１３】
請求項１、３、５に記載の発明によると、被加工材の回転に同期させて内面及び／又は外面を切削加工するとき、アプローチサイクル中に被加工材の基準軌跡上の加工開始位置まで工具を漸次接近させている。そして、このアプローチサイクル中に、Ｘ軸及び／又はＵ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶することによって、内面加工するＵ軸及び／又は外面加工するＸ軸の位置偏差値を学習によって零に収束させているので、加工開始位置近傍での位置偏差を非常に小さくできる。これによって、被加工材の支持装置の回転半径方向の厚さを大きくできるので、支持装置の剛性が非常に向上する。この結果、支持装置の寿命を向上でき、また被加工材を高速回転させたときでも加工精度を向上できる。さらに、被加工材の両端部での「こば欠け」や「かえり」等の不具合を防止して、生産性を向上できる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、前記位置指令値演算部 (101) を、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にＸ軸及びＵ軸を移動させる位置指令値を演算するように構成している。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２記載の発明と略同様であるが、Ｕ軸のみをＣ軸と同期させて駆動する、つまり内面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項２の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部１０１と位置指令値記憶部１０２と位置指令出力部１０３とがＵ軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記Ｕ軸位置偏差演算部１２０と前記Ｕ軸学習制御部１２１と前記Ｕ軸加算部１２２とによって前記内面加工駆動手段９８にＵ軸速度指令が出力される構成としている。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項２記載の発明と略同様であるが、Ｘ軸のみをＣ軸と同期させて駆動する、つまり外面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項２の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部１０１と位置指令値記憶部１０２と位置指令出力部１０３とがＸ軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記Ｘ軸位置偏差演算部１１０と前記Ｘ軸学習制御部１１１と前記Ｘ軸加算部１１２とによって前記外面加工駆動手段７８にＸ軸速度指令が出力される構成としている。
【００１７】
請求項２、４、６に記載の発明によると、アプローチ中及び切削加工中に、Ｘ軸及び／又はＵ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶することによって、内面加工するＵ軸及び／又は外面加工するＸ軸の位置偏差値を学習によって零に収束させており、切削完了後の逃げサイクル時には、この学習した状態でＣ軸回転に同期させながらＵ軸及び／又はＸ軸が被加工材から漸次逃げるようにしている。したがって、逃げサイクルに入る時に、Ｕ軸及び／又はＸ軸を停止させずに、かつ、急激な加速度変化が無く滑らかに駆動できるので、Ｕ軸及び／又はＸ軸の駆動手段に過大な負荷がかからない。よって、Ｕ軸及び／又はＸ軸の駆動手段の小型化、及びサイクル加工時間の短縮化を図ることが可能となる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部１０１が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具４又は前記工具５を螺旋状の軌跡を描いて被加工材１の基準軌跡１５に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記Ｕ軸、Ｘ軸及びＺ軸の位置指令値を演算することを特徴としている。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部１０１が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具４又は前記工具５を被加工材１の軸心方向に直交する平面で渦巻き状の軌跡を描いて被加工材１の基準軌跡１５に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記Ｕ軸、Ｘ軸及びＺ軸の位置指令値を演算することを特徴としている。
【００２０】
請求項７又は８に記載の発明によると、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのＵ軸及びＸ軸の軌跡は、被加工材の回転に同期しながら基準軌跡に対して螺旋状に、あるいは渦巻き状に漸次接近するようにしている。したがって、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのＵ軸及び／又はＸ軸の位置指令値は、切削加工時のＵ軸及び／又はＸ軸の位置指令値に対して所定の微小移動量ずつ減少又は増加させることによって作成できる。この結果、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのＵ軸及び／又はＸ軸の位置指令値の演算が非常に容易となる。さらに、微小移動量ずつ移動させているので、アプローチサイクルあるいは逃げサイクル時にＵ軸及び／又はＸ軸に大きな加速度が発生するのを防止できる。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、請求項１、２、３又は４に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記内面加工駆動手段９８がリニアモータを備え、このリニアモータによって前記ボーリングバー９３を直線駆動している。
【００２２】
請求項９に記載の発明によると、内面を加工する工具を支持するボーリングバーをリニアモータによって直線駆動する。ここで、被加工材の回転に同期して工具の往復駆動を高速で応答性良く制御する必要があるが、このような場合には通常、負荷イナーシャを駆動モータのイナーシャより極力小さくしなければならない。本発明では、駆動モータをリニアモータとしたので、駆動モータ部を小型化したままで負荷イナーシャを駆動モータのイナーシャより小さくすることができ、よって加工時の剛性を確保できるような大重量のボーリングバー及びＵ軸スライドの往復駆動を高速で応答性良く制御することができる。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記アプローチサイクルで学習によってＸ軸及びＵ軸の位置偏差値を零に収束させるときの前記Ｚ軸位置範囲が、前記支持装置が位置する範囲であることを特徴としている。
【００２４】
請求項１０に記載の発明によると、切断開始する前に被加工材にアプローチする際、支持装置が位置するＺ軸方向範囲からアプローチを開始し被加工材の切削開始位置までアプローチしながら、学習によってＸ軸及びＵ軸の位置偏差値を零に収束させるようにしている。よって、アプローチ完了後に、被加工材のＺ軸方向の駆動に大きな加速度の変化を発生させることなくスムーズに被加工材の切削加工に移行できる。この結果、Ｚ軸駆動モータ等を小型化できると共に、被加工材の加工開始時のＺ軸停止が必要無くなり、加工時間を短縮化できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明に係わる自由曲線部材のサイクル加工装置を詳細に説明する。
本発明に係わる自由曲線部材のサイクル加工装置の機構的な構成は、本発明者が既に特願平８−２４９５７２（整理番号Ｐ６０７７０）によって特許出願したところの「非円形曲線を有するワークの加工装置」に記載された加工装置と同様の構成をしているが、ここでは、簡単にこの構成について説明する。図１は本発明のサイクル加工装置の正面図を示し、また図２は図１における側面図を示している。
【００２６】
同図において、ベッド２１の上部の略中央後部にコラム２２が設置されており、このコラム２２の前方にはコラム２２の前面に布設されたガイドレール３３によって被加工材１の軸心方向（Ｚ軸方向）に移動自在に支承されたＺ軸スライド３２が配設されている。ここで、ガイドレール３３は、例えばボール式リニアガイド等より構成される。また、コラム２２の上部には例えばサーボモータ等からなるＺ軸モータ３１が配設されており、このＺ軸モータ３１によってＺ軸スライド３２は上下駆動されるようになっている。Ｚ軸モータ３１には、Ｚ軸スライド３２のＺ軸方向の位置を検出する、例えばエンコーダ等からなるＺ軸位置センサ３５が設けられている。また、Ｚ軸位置センサ３５の位置検出信号は後述するようにＺ軸速度変換部１４４を介してＺ軸速度アンプ部１４３にフィードバックされ、このＺ軸速度アンプ部１４３は後述の制御器２５からの速度指令とこのフィードバック速度信号との差が小さくなるようにＺ軸モータ３１を制御している。なお、上記のＺ軸速度アンプ部１４３とＺ軸モータ３１とＺ軸位置センサ３５とＺ軸速度変換部１４４とによって軸心方向駆動手段３４を構成している。
【００２７】
また、Ｚ軸スライド３２内には被加工材１をクランプして支持する支持装置が配設されており、この支持装置は、上下方向に離間し、かつ、互いに対向した位置に配設された上部ワーク支持手段５２と下部ワーク支持手段５３とから構成されている。この両支持手段は図示しないギア列等の駆動伝達手段によって同方向へ同期して回転可能に支承されており、コラム２２の上部に設置された例えばサーボモータ等からなるＣ軸モータ５１によって上記駆動伝達手段を介して同期回転されるようになっている。Ｃ軸モータ５１には上部ワーク支持手段５２及び下部ワーク支持手段５３のＣ軸方向の回転位置を検出する、例えばエンコーダ等からなるＣ軸位置センサ５５が設けられている。そして、Ｚ軸と同様にして、後述するＣ軸速度アンプ部１３３及びＣ軸速度変換部１３４を備えており、これらのＣ軸速度アンプ部１３３とＣ軸モータ５１とＣ軸位置センサ５５とＣ軸速度変換部１３４とによってＣ軸駆動手段５４を構成している。
【００２８】
また、上記上部ワーク支持手段５２は上下動可能に支承されると共に、Ｚ軸スライド３２の上部に設けられた図示しない油圧シリンダによって上下移動されるようになっている。この油圧シリンダの伸縮によって、上部ワーク支持手段５２の下部に設けられた上部クランプヘッド５２ａと、下部ワーク支持手段５３の上部に設けられた下部クランプヘッド５３ａとの間に被加工材１をクランプできるようになっている。
【００２９】
また、コラム２２のほぼ中間部には、被加工材１の外面を加工する外面加工手段７０が配設されている。外面加工手段７０は、先端部に取着された工具５を支持する工具支持手段７２と、コラム２２に取着されるとともに、前記工具支持手段７２を水平方向で、かつ、被加工材１に対して接離方向（Ｘ方向）へ移動可能に案内するＸガイド手段７３と、このＸガイド手段７３にカバー７４を介して取着された、例えばサーボモータ等からなるＸ軸モータ７１と、Ｘ軸モータ７１の回転力を前記工具支持手段７２の移動方向に伝達する例えばボールスクリュー等からなる伝達手段７５とを備えている。また、Ｘ軸モータ７１には、Ｘ軸方向の工具５の位置を検出する例えばエンコーダ等からなるＸ軸位置センサ７６が取着されている。さらに、前記Ｚ軸と同様にして、後述するＸ軸速度アンプ部１１３及びＸ軸速度変換部１１４を備えており、これらのＸ軸速度アンプ部１１３とＸ軸モータ７１とＸ軸位置センサ７６とＸ軸速度変換部１１４とによって外面加工駆動手段７８を構成している。そして、このＸ軸モータ７１の回転によって、前記工具支持手段７２をＸ方向に移動して工具５で被加工材１の外面を切削加工できるようになっている。
【００３０】
また、ベッド２１の上部で、かつ、コラム２２の前方には、被加工材１の内面を加工する内面加工手段９０が配設されている。内面加工手段９０は、被加工材１の中空部に配設され、かつ、上端部に取着された工具４を支持するボーリングバー９３と、このボーリングバー９３を支持するＵ軸スライド９２と、このＵ軸スライド９２を水平方向で、かつ、被加工材１に対して接離方向（Ｕ軸方向）へ移動可能に支持するガイドレール９４と、前記Ｕ軸スライド９２をガイドレール９４上でＵ軸方向に駆動する例えばリニアモータ等からなるＵ軸モータ９１とを備えている。また、ガイドレール９４の近傍にはＵ軸スライド９２の位置を検出するＵ軸位置センサ９５が設けられており、このＵ軸位置センサ９５は例えばリニアスケール等で構成されている。さらに、前記Ｚ軸と同様にして、後述するＵ軸速度アンプ部１２３及びＵ軸速度変換部１２４を備えており、これらのＵ軸速度アンプ部１２３とＵ軸モータ９１とＵ軸位置センサ９５とＵ軸速度変換部１２４とによって内面加工駆動手段９８を構成している。また前記ボーリングバー９３の上端部、すなわち、工具４の位置が被加工材１の中空部内に入るように設定されている。そして、Ｕ軸モータ９１を駆動することによって、Ｕ軸スライド９２をＵ軸方向に移動でき、工具４で被加工材１の内面を切削加工できるようになっている。
【００３１】
図３に、本発明に係わるサイクル加工装置の各軸制御のハード構成ブロック図を示している。
同図において、Ｘ軸位置センサ７６、Ｕ軸位置センサ９５、Ｃ軸位置センサ５５及びＺ軸位置センサ３５の各検出位置信号は制御器２５に入力されている。制御器２５は例えばマイクロコンピュータ等のコンピュータ装置を中心として構成されており、本サイクル加工装置の各軸制御の中枢機能を担っている。制御器２５は予め演算して記憶している各軸の位置指令値と、上記各位置センサから入力した位置データとに基づいて各軸の速度指令値を演算し、対応する各軸速度アンプに出力する。Ｘ軸速度アンプ７７、Ｕ軸速度アンプ９６、Ｃ軸速度アンプ５６及びＺ軸速度アンプ３６は、それぞれ前記各速度指令値を受けて対応するＸ軸モータ７１、Ｕ軸モータ９１、Ｃ軸モータ５１及びＺ軸モータ３１の速度を制御している。
【００３２】
図４は本発明に係わるサイクル加工装置の各軸制御の機能構成ブロック図を示しており、同図に基づいて機能構成を説明する。
位置指令値演算部１０１は、予め加工開始前に、被加工材１の内面及び／又は外面の自由曲線を表す基準軌跡データに基づいて、後述の手順により所定時間毎のＵ軸及びＸ軸の微小移動（以後、ブロックと言う）の位置指令値を時系列的に演算しておく。すなわち、各軸の位置及び速度の制御は、コンピュータの所定時間毎の周期演算処理によって、各ブロックでの各軸の微小移動を連続的に制御して行われるが、本実施形態においては、高速加工時の上記周期演算処理時間を短縮するために、加工開始する前に加工時のＵ軸及びＸ軸の上記周期時間毎に対応する軌跡データを演算しておき、この軌跡データに基づいて上記周期時間毎の微小移動量を演算している。なお、この軌跡データには、被加工材１へのアプローチ時の軌跡データと、実際に被加工材１を切削加工する時の軌跡データと、加工完了後に被加工材１から逃げる時の軌跡データとが含まれている。そして、演算されたこの位置指令値は位置指令値記憶部１０２に出力される。なお、Ｃ軸及びＺ軸は予め設定された所定速度で駆動され、Ｕ軸及びＸ軸はこのＣ軸に同期して駆動される。
【００３３】
位置指令値記憶部１０２では、Ｕ軸及びＸ軸に対応して演算された上記位置指令値が時系列的に記憶される。そして実際の加工時には、位置指令出力部１０３はこの記憶されたＵ軸及びＸ軸の位置指令値を前記所定周期時間毎に読み出し、対応する各位置偏差演算部に時系列的に出力する。
【００３４】
Ｘ軸位置偏差演算部１１０は、この所定周期時間毎に入力したＸ軸位置指令値と、Ｘ軸位置センサ７６から入力したＸ軸位置データとを比較し、両者の差、つまりＸ軸位置偏差を演算して出力する。このＸ軸位置偏差は、Ｘ軸学習制御部１１１とＸ軸加算部１１２に入力される。
【００３５】
Ｘ軸学習制御部１１１は、Ｘ軸が被加工材１の前記基準軌跡をサイクリックに繰り返して移動し、被加工材１を加工する際に、このサイクリック加工で繰り返される位置指令値に対する周期的な外乱（再現性のある外乱）による位置偏差を小さい値に収束させることができる。ここでは、ピストンリングのような自由曲線を有する部材を所定速度で回転させながら、この回転に同期させて上記自由曲線に沿ってＸ軸を移動させているので、Ｘ軸の位置偏差値は上記所定のサイクル時間（１回転に要する時間）毎に周期的に変動することになる。この周期的な変動は再現性があるので、被加工材１の１回転毎に前記位置偏差値の大きさを学習しながら小さくするようにしている。すなわち、前記Ｘ軸位置偏差が零になるようにこのＸ軸位置偏差の補正指令値を演算して出力すると共に、演算した上記補正指令値をこのときの対応する処理周期時間毎に記憶する。この補正指令値は、前回のサイクルでの同じ処理周期時間における前記補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算される。
【００３６】
また、Ｘ軸加算部１１２は、前記Ｘ軸位置偏差演算部１１０からのＸ軸位置偏差値と、前記Ｘ軸学習制御部１１１からのＸ軸補正指令値とを入力して加算し、この加算データをＸ軸速度アンプ部１１３に速度指令として出力する。Ｘ軸速度アンプ部１１３はこの加算データの大きさに基づいてＸ軸モータ７１を駆動して速度を制御しており、上記加算データと後述するＸ軸速度変換部１１４からの速度フィードバック値との偏差が小さくなるようにＸ軸モータ駆動指令を演算して出力している。Ｘ軸位置センサ７６はＸ軸モータ７１の位置データを前記Ｘ軸位置偏差演算部１１０及びＸ軸速度変換部１１４に出力しており、また、Ｘ軸速度変換部１１４はこの位置データに基づいて時間に対する位置変化率を演算し、Ｘ軸速度フィードバック値として出力する。
【００３７】
また、上記Ｘ軸と同様に、Ｕ軸に関してもサイクリックに加工している時の位置偏差が零に収束するように学習しながら位置偏差の補正指令値を演算し、Ｕ軸モータ９１を制御している。すなわち、Ｘ軸と同様に、Ｕ軸位置偏差演算部１２０と、Ｕ軸学習制御部１２１と、Ｕ軸加算部１２２と、Ｕ軸速度アンプ部１２３と、Ｕ軸速度変換部１２４とを備えている。
【００３８】
また、Ｃ軸とＺ軸に関しては、上記のような学習機能を備えておらず、通常の位置及び速度フィードバック制御が行われている。つまり、Ｃ軸においては、Ｃ軸位置偏差演算部１３０と、Ｃ軸速度アンプ部１３３と、Ｃ軸速度変換部１３４とを備え、Ｚ軸においてはＺ軸位置偏差演算部１４０と、Ｚ軸速度アンプ部１４３と、Ｚ軸速度変換部１４４とを備えている。これらの機能は前述のＸ軸の対応する各機能部と同様であり、相当する軸の処理を行う。
【００３９】
さて、本発明に係わるサイクル加工装置においては、被加工材１へのアプローチ時の軌跡データ、切削加工時の軌跡データ、及び、加工完了後に被加工材１から逃げる時の軌跡データは、被加工材１の本来の基準軌跡データから求められている。ここでは、図５及び図６に基づいて外面加工でのアプローチ時の軌跡データを作成する手順を説明する。図５及び図６はアプローチ時の外面加工用の工具５の軌跡を示しており、図５はその平面図、図６はその斜視図を表している。
同図において、基準軌跡１５は被加工材１を切削加工して製作されたリング３の外面の軌跡を表している。位置１５ａはこの基準軌跡１５上にあるアプローチ完了位置であり、また、位置１４は基準軌跡１５から平面視で所定距離（逃げ量Ｅ）離れ、かつ、上記アプローチ完了位置１５ａよりも加工時のＺ軸移動方向と反対方向に所定距離だけ離れたアプローチ開始位置である。同図のように、外面加工時のアプローチは、アプローチ開始位置１４から螺旋状に基準軌跡１５に漸近して行き、アプローチ完了位置１５ａで基準軌跡１５上に到達するようにしている。このとき、Ｚ軸方向の位置は、アプローチ開始位置１４からアプローチ完了位置１５ａへ（加工時のＺ軸移動方向に）所定時間に所定距離漸次移動するようになっている。
【００４０】
この外面加工アプローチ時の螺旋状の軌跡データは、前記位置指令値演算部１０１によって、以下のような手順で演算される。すなわち、被加工材１の基準軌跡データに基づいて各軸のブロック毎の位置指令値が周期処理の時系列的に演算される。
1)まず、被加工材１の前記基準軌跡データを図示しない基準軌跡データ入力装置から読み込む。この基準軌跡データ入力装置は例えば専用の自動プログラマや通常のコンピュータ等で構成することができ、被加工材１の内面及び外面の形状を表すプロフィルデータをベースにして基準軌跡データを作成し、データ通信又はフロッピーディスク等を介して送信する。ここで、この基準軌跡データは、基準軌跡１５上の任意の点１５ｂをＣ軸の回転中心軸Ｏを中心にした極座標（ｒ，θ）によって表したとき、前記所定周期時間（ここでは、所定周期時間以内に回転するＣ軸角度Δθ値に相当する）毎の各ブロックＢn に対応する極座標（ｒn ，θn ）によって表されている。なお、ｎは１〜「３６０°／Δθ」までの自然数であり、「ｎ＝１」のときは「θ＝０°」（Ｃ軸の基準角度位置）とする。
【００４１】
2)次に、アプローチ開始位置１４の基準軌跡１５に対する逃げ量Ｅを演算する。この逃げ量Ｅは、数式「Ｅ＝ｅ1 ＋ｅ2 」によって求められる。ここで、ｅ1 はアプローチ時の最大位置偏差値を表しており、アプローチ開始初期で、かつ、未だ学習機能による位置偏差の減少がなされていない時のＸ軸位置偏差値によって実測される。また、ｅ2 は被加工材１のリフト量と呼ばれるもので、基準軌跡１５の基準軌跡データの最大半径ｒ1 と最小半径ｒ2 とから数式「ｅ2 ＝ｒ1 −ｒ2 」に基づいて算出される。このリフト量ｅ2 は、Ｃ軸の回転とＸ軸の移動とが完全に同期してない状態でアプローチしている場合に工具５と上部ワーク支持手段５２又は下部ワーク支持手段５３とが干渉しないように考慮したものである。したがって、最大位置偏差値ｅ1 とリフト量ｅ2 とを共に考慮して逃げ量Ｅを設定しているので、学習開始時で、かつ、Ｃ軸の回転とＸ軸の移動とが同期してない時でも工具５が上記支持手段に干渉することが無くなり、安全性を向上できる。
【００４２】
3)アプローチサイクル時の移動量データを作成する。すなわち、この移動量データは、図５に示したように平面視で上記の逃げ量Ｅだけ基準軌跡１５から離れたアプローチ開始位置１４から螺旋状に基準軌跡１５に漸近して行き、アプローチ完了位置１５ａで基準軌跡１５上に到達するように演算される。このときの逃げ量Ｅを漸次減少させるための各ブロックＢn 毎の微小移動量Δｒn は、数式「Δｒn ＝Ｅ／（Ｃ×Ｍ）」で演算される。なお、ＣはＣ軸１回転当たりのブロック数で、Ｍはアプローチサイクル時のサイクル数（つまり、Ｃ軸回転数）で表される。このサイクル数Ｍは、このアプローチサイクルの間に前記学習制御機能によってＸ軸位置偏差が零に収束するのに足りる充分な時間を与えるような値に設定される。さらに、前記読み込んだ基準軌跡データ（ｒn ，θn ）に基づく本来の微小移動量と上記微小移動量Δｒn とを加算した実際の移動量から算出される速度変化率、すなわち、このときの発生加速度が所定値以上である場合には、この発生加速度を抑えるために、上記サイクル数Ｍを増やして再度演算し直す。また、アプローチ完了時の位置が確実に基準軌跡１５上にあるように、上記微小移動量Δｒn が合わせ込まれる。そして、上記で求めた微小移動量Δｒn と、基準軌跡データ（ｒn ，θn ）に基づく本来の微小移動量とを加算し、アプローチサイクル時の移動量データを作成する。これにより、工具５が各ブロック毎に所定の微小移動量Δｒn ずつＸ軸方向から基準軌跡１５に漸近して行く。
【００４３】
なお、上記Ｘ軸のアプローチの場合と同様にして、工具４による内面加工アプローチ時の螺旋状の軌跡データ、すなわち、Ｕ軸の移動量データを作成することができる。
また、基準軌跡１５に沿った被加工材１の切削加工が完了した後、工具４、５を被加工材１から所定距離離れた位置に退避させるようにしている。この逃げサイクル時のＸ軸及びＵ軸の移動量データは、前述のアプローチサイクル時と同様の手順で作成される。すなわち、加工完了位置に到達したら、基準軌跡１５から逃げる方向に（Ｘ軸の場合には被加工材１の外側に、またＵ軸の場合には内側に）基準軌跡データ（ｒn ，θn ）に対して漸次前記微小移動量Δｒn ずつ移動するように移動量データを作成することができる。
【００４４】
また、以上の説明では、アプローチサイクル又は逃げサイクルでの内面加工用の工具４及び外面加工用の工具５の軌跡が螺旋状になるように作成しているが、本発明はこの軌跡に限定するものではなく、工具４及び工具５が滑らかに漸次基準軌跡１５に対して接近あるいは逃げるようにすればよい。例えば、アプローチサイクル又は逃げサイクルでは、Ｚ軸方向の移動は行わずにＵ軸及びＸ軸の軌跡が上記螺旋状軌跡と同様になるように、すなわち、Ｚ軸方向に直交する平面内の渦巻き状軌跡となるようにしてもよい。
【００４５】
以上説明したように、外面及び内面の切削加工時のアプローチサイクルにおいて、被加工材１から所定距離離れた位置から被加工材１の端部の切削開始位置まで被加工材１の回転に同期して漸次螺旋状に又は渦巻き状に基準軌跡１５に接近させている。このとき、工具５、４が切削開始位置に到達する前に、学習機能によって各軸の位置偏差量を零に収束させるので、切削開始位置近傍での位置偏差を小さくできる。これによって、上部ワーク支持手段５２及び下部ワーク支持手段５３の支持部の半径方向の長さδ2 を長くでき、よって、支持部の剛性が高められる。この結果、上記支持手段の耐久性を向上でき、また、Ｃ軸回転による被加工材１の微振動が無くなるので加工条件のアップ（高速切削）及び加工精度の向上が可能となる。また、上部ワーク支持手段５２及び下部ワーク支持手段５３でのクランプ力を強化できるので、切削時の反力に対して充分な抗力が得られて加工精度を向上でき、被加工材１の終端部での「こば欠け」や「かえり」等の不具合を無くして生産性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるサイクル加工装置の正面図を示す。
【図２】本発明に係わるサイクル加工装置の側面図を示す。
【図３】本発明に係わるサイクル加工装置の制御ハード構成ブロック図を示す。
【図４】本発明に係わるサイクル加工装置の制御機能構成ブロック図を示す。
【図５】本発明に係わるサイクル加工装置の外面加工アプローチ時の工具軌跡の平面図を示す。
【図６】本発明に係わるサイクル加工装置の外面加工アプローチ時の工具軌跡の斜視図を示す。
【図７】本発明に係わるピストンリングの加工前後のリング形状を示す。
【図８】従来技術に係わるピストンリング外面のみＮＣ加工する時の支持装置説明図である。
【図９】従来技術に係わるピストンリング内外面を同時にＮＣ加工する時の支持装置説明図である。
【符号の説明】
１…被加工材、２…リング材、３…リング、４、５…工具、６…支持装置、７…本加工、８…支持装置エリア、１１、１２、１３…矢印、１４…アプローチ開始位置、１５…基準軌跡、１５ａ…アプローチ完了位置、２１…ベッド、２２…コラム、２５…制御器、３１…Ｚ軸モータ、３２…Ｚ軸スライド、３３…ガイドレール、３４…軸心方向駆動手段、３５…Ｚ軸位置センサ、３６…Ｚ軸速度アンプ、５１…Ｃ軸モータ、５２…上部ワーク支持手段、５２ａ…上部クランプヘッド、５３…下部ワーク支持手段、５３ａ…下部クランプヘッド、５４…Ｃ軸駆動手段、５５…Ｃ軸位置センサ、５６…Ｃ軸速度アンプ、７０…外面加工手段、７１…Ｘ軸モータ、７２…工具支持手段、７３…Ｘガイド手段、７４…カバー、７５…伝達手段、７６…Ｘ軸位置センサ、７７…Ｘ軸速度アンプ、７８…外面加工駆動手段、９０…内面加工手段、９１…Ｕ軸モータ、９２…Ｕ軸スライド、９３…ボーリングバー、９４…ガイドレール、９５…Ｕ軸位置センサ、９６…Ｕ軸速度アンプ、９８…内面加工駆動手段、１０１…位置指令値演算部、１０２…位置指令値記憶部、１０３…位置指令出力部、１１０…Ｘ軸位置偏差演算部、１１１…Ｘ軸学習制御部、１１２…Ｘ軸加算部、１１３…Ｘ軸速度アンプ部、１１４…Ｘ軸速度変換部、１２０…Ｕ軸位置偏差演算部、１２１…Ｕ軸学習制御部、１２２…Ｕ軸加算部、１２３…Ｕ軸速度アンプ部、１２４…Ｕ軸速度変換部、１３０…Ｃ軸位置偏差演算部、１３３…Ｃ軸速度アンプ部、１３４…Ｃ軸速度変換部、１４０…Ｚ軸位置偏差演算部、１４３…Ｚ軸速度アンプ部、１４４…Ｚ軸速度変換部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内面及び外面形状が所定の自由曲線で表される中空円筒形部材の内面及び／又は外面をこの中空部材の回転に同期させて切削加工する加工装置に関し、特には被加工材の支持装置の剛性を高めることを可能とする自由曲線部材のサイクル加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンのピストンリングは外周が一部切断されて隙間を有するリング形状をしており、このピストンリングをピストンの上部溝に嵌める時には、前記隙間部の開きを縮めてシリンダ内に挿入し、この後ピストンリングの弾性力によってシリンダ内壁に密着させている。このようなピストンリングは、従来から、中空の円筒形状の被加工材の内面及び外面を所定の曲面に精密加工した後に、前記隙間部を切断して製造される場合が多い。
【０００３】
図７は、ピストンリングの内面及び外面を加工する前の被加工材と加工後のリング形状を表した図である。同図において、被加工材１はほぼ円筒形状を成した中空の素材であり、所望のピストンリング溝幅に対応した所定高さＬ1 の複数のリング材２が積み重ねられている。そして、この被加工材１の両端面（図示では、上下端面）側に支持装置を設け、この支持装置によって両端面から被加工材１に所定の大きさのクランプ力をかけながら被加工材１を支持している。さらに、被加工材１の中空部には内面を切削する工具４が、また、被加工材１の外側には外面を切削する工具５が配設されている。被加工材１を前記支持装置によって支持した状態で回転軸Ｏを中心に図示で例えば矢印１３方向に回転させると共に、この回転に同期させて前記工具４、５を矢印１１方向に往復駆動し、かつ、被加工材１の軸心方向（図示で、例えば矢印１２方向）に駆動することによって、複数個のリング３が製作される。
【０００４】
リング３は略ハート形の形状をしているが、その外周の凹部に相当する部分Ｐが切断され、除去されてピストンリングが完成する。このとき、上記切断された部分Ｐがピストンリングの前記隙間部となる。そして、このピストンリングは前述のようにピストンに嵌められた状態でシリンダ内壁に密着して密封性を保持できることが要求されるので、その内面及び外面の切削加工精度を高くしなければならない。
【０００５】
従来、このようなピストンリングの精密切削加工のために、種々の加工機械が提案されている。
例えば、特公平６−７５８１４号公報には、リニアモータによって被加工材に対して接近又は離れる方向（前述の矢印１１方向）に直線駆動されるキャリジに切削用の工具を取り付けると共に、前記リニアモータをコンピュータによってＮＣサーボ制御することにより、例えばピストンのような被加工材のスカート外周を切削加工するＮＣ制御旋盤が開示されている。そして、前記キャリジの往復動は例えばローラ等からなる回転部材が複数組配設された案内装置によって案内され、かつ、水平方向及び垂直方向に抑制されており、また、これらの案内装置は前記キャリジの移動方向に対して横方向に移動するのを偏倚装置によって阻止されている。したがって、この案内装置及び偏倚装置によって被加工材を切削している間に工具に生じる反力を支持するので、ガタツキやブレが全く無い状態でキャリジを往復動させることでき、精度良く切削加工できるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ピストンリングは前述のような理由により加工精度が非常に重要視されており、内面及び外面のそれぞれの精度、さらに内面と外面の同心度及び加工時の位相等に関する精度が要求されている。しかしながら、上記のような従来のＮＣ制御旋盤によってピストンリングのような非円形部材を加工する場合には外面のみの加工しかできないので、両面を同時にＮＣ加工できない。そして、外面加工後に内面を加工する場合には、前述のように外周面の凹部に相当する部分Ｐを先に切断した後、このリングの切断されたＰ部の隙間を縮めた状態で内面を真円加工するようにしている。したがって、ピストンリング加工時の生産性が非常に悪くなると共に、内面と外面の前記同心度の精度が十分に満たされない可能性があるという問題がある。
【０００７】
また、一方、ＮＣ制御を行う場合、切削加工時の工具４、５の駆動軸の定常位置偏差が所定量発生するので、この位置偏差を無くし、ピストンリングのような非円形の被加工材１の回転軸と工具駆動軸とを同期させる、すなわち、位相を合わせる必要がある。このために、従来、外面をＮＣ加工する場合には、図８に示すように、被加工材１の切削する外面の反対側の面（図示では、内面）に近い部分を支持装置６によってクランプし、工具５を切削開始位置の手前から被加工材１の軸心方向に沿って接近し、この接近（アプローチ）の間に被加工材１の回転に同期させるようにしていた。つまり、ピストンリングの本加工７に入る前に、支持装置６の近傍の支持装置エリア８でのアプローチにおいて、工具駆動軸の学習機能により前記位置偏差εを無くするようにしている。このとき、支持装置６の被加工材１の端面を支持する支持部の半径方向の長さδ1 は、前記学習が完了するまでの前記位置偏差εの最大値だけ工具５がずれたときでも支持装置６に干渉しないように設定されている。したがって、工具駆動軸の最大位置偏差が大きい場合、支持部の長さδ1 を小さくしなければならないので、支持部の剛性が低下し、この結果加工精度をさらに向上することが困難となっている。
【０００８】
また、さらに、生産性向上を図るために、内面及び外面を同時にＮＣ加工する場合には、図９に示すように、支持装置６は被加工材１の両端面の中央部のみをクランプし、両端面の内面及び外面に近い部分には上記と同様に位置偏差εを学習補正するときのアプローチのために所定距離だけ支持装置６との非接触部を確保する必要がある。このとき、支持部材６の支持部の半径方向の長さδ2 は、前記と同様に前記学習が完了するまでに前記最大位置偏差値だけ両工具４、５がずれたときでも支持装置６に干渉しないように設定しなければならない。したがって、支持装置６の上記長さδ2 が、前記外面のみをＮＣ加工する場合における前記長さδ1 に比べて小さくなってしまう。このため、クランプ力を受ける面積が少なくなり、もっと大きな応力が支持部にかかり、支持装置６の寿命が低下する。また、支持装置６のクランプ状態での剛性が小さくなるので、加工時に高速回転させると被加工材１が不安定に微振動して所定の加工回転速度の確保が困難となり、また、加工時の反力の影響を受け易くなって加工精度を満足できないという問題がある。さらに、支持装置６が被加工材１を支持している端部の側端面と被加工材１の側面との距離Ｌ2 が大きいので、被加工材１の加工終端部（つまり下方から上方へ加工する場合は、上端部）において「こば欠け」や「かえり」等の不具合が発生し易く、生産性が低下する。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、内面及び／又は外面が自由曲線によって形成された非円形曲線を有する中空円筒形状の被加工材の内面及び／又は外面を高精度で、かつ、高速に加工できる自由曲線部材のサイクル加工装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材１をこの被加工材１の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材１を円筒の芯を軸としてその軸回りのＣ軸方向に回転させるＣ軸駆動手段５４と、被加工材１の中空部に挿入され、かつ、内面を切削加工する工具４が取着されたボーリングバー９３と、ボーリングバー９３を被加工材１に対して接近する又は離れる方向のＵ軸方向に直線駆動する内面加工駆動手段９８と、外面を切削加工する工具５を被加工材１に対して接近する又は離れる方向のＸ軸方向に直線駆動する外面加工駆動手段７８と、被加工材１を軸心方向のＺ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段３４とを備え、前記Ｃ軸の回転角度に同期させてＸ軸及びＵ軸の駆動を制御し、被加工材１の内外面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、予め被加工材１の基準軌跡データに基づいて、Ｃ軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材１の基準軌跡１５に漸次接近させるアプローチサイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値を演算する位置指令値演算部１０１と、この演算された各位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部１０２と、実加工作業時に、Ｃ軸の回転角度に同期して前記記憶されたＸ軸及びＵ軸の位置指令値を同時に出力する位置指令出力部１０３と、このＸ軸及びＵ軸の位置指令値、並びにＸ軸位置センサ７６及びＵ軸位置センサ９５からの検出値に基づいてＸ軸及びＵ軸の位置偏差値をそれぞれ演算するＸ軸位置偏差演算部１１０及びＵ軸位置偏差演算部１２０と、この演算されたＸ軸位置偏差値及びＵ軸位置偏差値に基づいて、Ｃ軸の回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、Ｘ軸及びＵ軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、Ｘ軸及びＵ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつＣ軸の回転に同期してこの記憶したＸ軸及びＵ軸の位置偏差値の補正指令値を出力するＸ軸学習制御部１１１及びＵ軸学習制御部１２１と、Ｘ軸学習制御部１１１及びＵ軸学習制御部１２１からの各補正指令値、並びにＸ軸位置偏差演算部１１０及びＵ軸位置偏差演算部１２０からのＸ軸及びＵ軸の位置偏差値を各軸ごとに加算し、各加算値を対応する前記外面加工駆動手段７８及び前記内面加工駆動手段９８に速度指令として同時に出力するＸ軸加算部１１２及びＵ軸加算部１２２とを備えた構成としている。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明と略同様であるが、Ｕ軸のみをＣ軸と同期させて駆動する、つまり内面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項１の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部１０１と位置指令値記憶部１０２と位置指令出力部１０３とがＵ軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記Ｕ軸位置偏差演算部１２０と前記Ｕ軸学習制御部１２１と前記Ｕ軸加算部１２２とによって前記内面加工駆動手段９８にＵ軸速度指令が出力される構成としている。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１記載の発明と略同様であるが、Ｘ軸のみをＣ軸と同期させて駆動する、つまり外面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項１の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部１０１と位置指令値記憶部１０２と位置指令出力部１０３とがＸ軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記Ｘ軸位置偏差演算部１１０と前記Ｘ軸学習制御部１１１と前記Ｘ軸加算部１１２とによって前記外面加工駆動手段７８にＸ軸速度指令が出力される構成としている。
【００１３】
請求項１、３、５に記載の発明によると、被加工材の回転に同期させて内面及び／又は外面を切削加工するとき、アプローチサイクル中に被加工材の基準軌跡上の加工開始位置まで工具を漸次接近させている。そして、このアプローチサイクル中に、Ｘ軸及び／又はＵ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶することによって、内面加工するＵ軸及び／又は外面加工するＸ軸の位置偏差値を学習によって零に収束させているので、加工開始位置近傍での位置偏差を非常に小さくできる。これによって、被加工材の支持装置の回転半径方向の厚さを大きくできるので、支持装置の剛性が非常に向上する。この結果、支持装置の寿命を向上でき、また被加工材を高速回転させたときでも加工精度を向上できる。さらに、被加工材の両端部での「こば欠け」や「かえり」等の不具合を防止して、生産性を向上できる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、前記位置指令値演算部 (101) を、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にＸ軸及びＵ軸を移動させる位置指令値を演算するように構成している。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２記載の発明と略同様であるが、Ｕ軸のみをＣ軸と同期させて駆動する、つまり内面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項２の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部１０１と位置指令値記憶部１０２と位置指令出力部１０３とがＵ軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記Ｕ軸位置偏差演算部１２０と前記Ｕ軸学習制御部１２１と前記Ｕ軸加算部１２２とによって前記内面加工駆動手段９８にＵ軸速度指令が出力される構成としている。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項２記載の発明と略同様であるが、Ｘ軸のみをＣ軸と同期させて駆動する、つまり外面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項２の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部１０１と位置指令値記憶部１０２と位置指令出力部１０３とがＸ軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記Ｘ軸位置偏差演算部１１０と前記Ｘ軸学習制御部１１１と前記Ｘ軸加算部１１２とによって前記外面加工駆動手段７８にＸ軸速度指令が出力される構成としている。
【００１７】
請求項２、４、６に記載の発明によると、アプローチ中及び切削加工中に、Ｘ軸及び／又はＵ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶することによって、内面加工するＵ軸及び／又は外面加工するＸ軸の位置偏差値を学習によって零に収束させており、切削完了後の逃げサイクル時には、この学習した状態でＣ軸回転に同期させながらＵ軸及び／又はＸ軸が被加工材から漸次逃げるようにしている。したがって、逃げサイクルに入る時に、Ｕ軸及び／又はＸ軸を停止させずに、かつ、急激な加速度変化が無く滑らかに駆動できるので、Ｕ軸及び／又はＸ軸の駆動手段に過大な負荷がかからない。よって、Ｕ軸及び／又はＸ軸の駆動手段の小型化、及びサイクル加工時間の短縮化を図ることが可能となる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部１０１が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具４又は前記工具５を螺旋状の軌跡を描いて被加工材１の基準軌跡１５に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記Ｕ軸、Ｘ軸及びＺ軸の位置指令値を演算することを特徴としている。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部１０１が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具４又は前記工具５を被加工材１の軸心方向に直交する平面で渦巻き状の軌跡を描いて被加工材１の基準軌跡１５に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記Ｕ軸、Ｘ軸及びＺ軸の位置指令値を演算することを特徴としている。
【００２０】
請求項７又は８に記載の発明によると、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのＵ軸及びＸ軸の軌跡は、被加工材の回転に同期しながら基準軌跡に対して螺旋状に、あるいは渦巻き状に漸次接近するようにしている。したがって、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのＵ軸及び／又はＸ軸の位置指令値は、切削加工時のＵ軸及び／又はＸ軸の位置指令値に対して所定の微小移動量ずつ減少又は増加させることによって作成できる。この結果、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのＵ軸及び／又はＸ軸の位置指令値の演算が非常に容易となる。さらに、微小移動量ずつ移動させているので、アプローチサイクルあるいは逃げサイクル時にＵ軸及び／又はＸ軸に大きな加速度が発生するのを防止できる。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、請求項１、２、３又は４に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記内面加工駆動手段９８がリニアモータを備え、このリニアモータによって前記ボーリングバー９３を直線駆動している。
【００２２】
請求項９に記載の発明によると、内面を加工する工具を支持するボーリングバーをリニアモータによって直線駆動する。ここで、被加工材の回転に同期して工具の往復駆動を高速で応答性良く制御する必要があるが、このような場合には通常、負荷イナーシャを駆動モータのイナーシャより極力小さくしなければならない。本発明では、駆動モータをリニアモータとしたので、駆動モータ部を小型化したままで負荷イナーシャを駆動モータのイナーシャより小さくすることができ、よって加工時の剛性を確保できるような大重量のボーリングバー及びＵ軸スライドの往復駆動を高速で応答性良く制御することができる。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記アプローチサイクルで学習によってＸ軸及びＵ軸の位置偏差値を零に収束させるときの前記Ｚ軸位置範囲が、前記支持装置が位置する範囲であることを特徴としている。
【００２４】
請求項１０に記載の発明によると、切断開始する前に被加工材にアプローチする際、支持装置が位置するＺ軸方向範囲からアプローチを開始し被加工材の切削開始位置までアプローチしながら、学習によってＸ軸及びＵ軸の位置偏差値を零に収束させるようにしている。よって、アプローチ完了後に、被加工材のＺ軸方向の駆動に大きな加速度の変化を発生させることなくスムーズに被加工材の切削加工に移行できる。この結果、Ｚ軸駆動モータ等を小型化できると共に、被加工材の加工開始時のＺ軸停止が必要無くなり、加工時間を短縮化できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明に係わる自由曲線部材のサイクル加工装置を詳細に説明する。
本発明に係わる自由曲線部材のサイクル加工装置の機構的な構成は、本発明者が既に特願平８−２４９５７２（整理番号Ｐ６０７７０）によって特許出願したところの「非円形曲線を有するワークの加工装置」に記載された加工装置と同様の構成をしているが、ここでは、簡単にこの構成について説明する。図１は本発明のサイクル加工装置の正面図を示し、また図２は図１における側面図を示している。
【００２６】
同図において、ベッド２１の上部の略中央後部にコラム２２が設置されており、このコラム２２の前方にはコラム２２の前面に布設されたガイドレール３３によって被加工材１の軸心方向（Ｚ軸方向）に移動自在に支承されたＺ軸スライド３２が配設されている。ここで、ガイドレール３３は、例えばボール式リニアガイド等より構成される。また、コラム２２の上部には例えばサーボモータ等からなるＺ軸モータ３１が配設されており、このＺ軸モータ３１によってＺ軸スライド３２は上下駆動されるようになっている。Ｚ軸モータ３１には、Ｚ軸スライド３２のＺ軸方向の位置を検出する、例えばエンコーダ等からなるＺ軸位置センサ３５が設けられている。また、Ｚ軸位置センサ３５の位置検出信号は後述するようにＺ軸速度変換部１４４を介してＺ軸速度アンプ部１４３にフィードバックされ、このＺ軸速度アンプ部１４３は後述の制御器２５からの速度指令とこのフィードバック速度信号との差が小さくなるようにＺ軸モータ３１を制御している。なお、上記のＺ軸速度アンプ部１４３とＺ軸モータ３１とＺ軸位置センサ３５とＺ軸速度変換部１４４とによって軸心方向駆動手段３４を構成している。
【００２７】
また、Ｚ軸スライド３２内には被加工材１をクランプして支持する支持装置が配設されており、この支持装置は、上下方向に離間し、かつ、互いに対向した位置に配設された上部ワーク支持手段５２と下部ワーク支持手段５３とから構成されている。この両支持手段は図示しないギア列等の駆動伝達手段によって同方向へ同期して回転可能に支承されており、コラム２２の上部に設置された例えばサーボモータ等からなるＣ軸モータ５１によって上記駆動伝達手段を介して同期回転されるようになっている。Ｃ軸モータ５１には上部ワーク支持手段５２及び下部ワーク支持手段５３のＣ軸方向の回転位置を検出する、例えばエンコーダ等からなるＣ軸位置センサ５５が設けられている。そして、Ｚ軸と同様にして、後述するＣ軸速度アンプ部１３３及びＣ軸速度変換部１３４を備えており、これらのＣ軸速度アンプ部１３３とＣ軸モータ５１とＣ軸位置センサ５５とＣ軸速度変換部１３４とによってＣ軸駆動手段５４を構成している。
【００２８】
また、上記上部ワーク支持手段５２は上下動可能に支承されると共に、Ｚ軸スライド３２の上部に設けられた図示しない油圧シリンダによって上下移動されるようになっている。この油圧シリンダの伸縮によって、上部ワーク支持手段５２の下部に設けられた上部クランプヘッド５２ａと、下部ワーク支持手段５３の上部に設けられた下部クランプヘッド５３ａとの間に被加工材１をクランプできるようになっている。
【００２９】
また、コラム２２のほぼ中間部には、被加工材１の外面を加工する外面加工手段７０が配設されている。外面加工手段７０は、先端部に取着された工具５を支持する工具支持手段７２と、コラム２２に取着されるとともに、前記工具支持手段７２を水平方向で、かつ、被加工材１に対して接離方向（Ｘ方向）へ移動可能に案内するＸガイド手段７３と、このＸガイド手段７３にカバー７４を介して取着された、例えばサーボモータ等からなるＸ軸モータ７１と、Ｘ軸モータ７１の回転力を前記工具支持手段７２の移動方向に伝達する例えばボールスクリュー等からなる伝達手段７５とを備えている。また、Ｘ軸モータ７１には、Ｘ軸方向の工具５の位置を検出する例えばエンコーダ等からなるＸ軸位置センサ７６が取着されている。さらに、前記Ｚ軸と同様にして、後述するＸ軸速度アンプ部１１３及びＸ軸速度変換部１１４を備えており、これらのＸ軸速度アンプ部１１３とＸ軸モータ７１とＸ軸位置センサ７６とＸ軸速度変換部１１４とによって外面加工駆動手段７８を構成している。そして、このＸ軸モータ７１の回転によって、前記工具支持手段７２をＸ方向に移動して工具５で被加工材１の外面を切削加工できるようになっている。
【００３０】
また、ベッド２１の上部で、かつ、コラム２２の前方には、被加工材１の内面を加工する内面加工手段９０が配設されている。内面加工手段９０は、被加工材１の中空部に配設され、かつ、上端部に取着された工具４を支持するボーリングバー９３と、このボーリングバー９３を支持するＵ軸スライド９２と、このＵ軸スライド９２を水平方向で、かつ、被加工材１に対して接離方向（Ｕ軸方向）へ移動可能に支持するガイドレール９４と、前記Ｕ軸スライド９２をガイドレール９４上でＵ軸方向に駆動する例えばリニアモータ等からなるＵ軸モータ９１とを備えている。また、ガイドレール９４の近傍にはＵ軸スライド９２の位置を検出するＵ軸位置センサ９５が設けられており、このＵ軸位置センサ９５は例えばリニアスケール等で構成されている。さらに、前記Ｚ軸と同様にして、後述するＵ軸速度アンプ部１２３及びＵ軸速度変換部１２４を備えており、これらのＵ軸速度アンプ部１２３とＵ軸モータ９１とＵ軸位置センサ９５とＵ軸速度変換部１２４とによって内面加工駆動手段９８を構成している。また前記ボーリングバー９３の上端部、すなわち、工具４の位置が被加工材１の中空部内に入るように設定されている。そして、Ｕ軸モータ９１を駆動することによって、Ｕ軸スライド９２をＵ軸方向に移動でき、工具４で被加工材１の内面を切削加工できるようになっている。
【００３１】
図３に、本発明に係わるサイクル加工装置の各軸制御のハード構成ブロック図を示している。
同図において、Ｘ軸位置センサ７６、Ｕ軸位置センサ９５、Ｃ軸位置センサ５５及びＺ軸位置センサ３５の各検出位置信号は制御器２５に入力されている。制御器２５は例えばマイクロコンピュータ等のコンピュータ装置を中心として構成されており、本サイクル加工装置の各軸制御の中枢機能を担っている。制御器２５は予め演算して記憶している各軸の位置指令値と、上記各位置センサから入力した位置データとに基づいて各軸の速度指令値を演算し、対応する各軸速度アンプに出力する。Ｘ軸速度アンプ７７、Ｕ軸速度アンプ９６、Ｃ軸速度アンプ５６及びＺ軸速度アンプ３６は、それぞれ前記各速度指令値を受けて対応するＸ軸モータ７１、Ｕ軸モータ９１、Ｃ軸モータ５１及びＺ軸モータ３１の速度を制御している。
【００３２】
図４は本発明に係わるサイクル加工装置の各軸制御の機能構成ブロック図を示しており、同図に基づいて機能構成を説明する。
位置指令値演算部１０１は、予め加工開始前に、被加工材１の内面及び／又は外面の自由曲線を表す基準軌跡データに基づいて、後述の手順により所定時間毎のＵ軸及びＸ軸の微小移動（以後、ブロックと言う）の位置指令値を時系列的に演算しておく。すなわち、各軸の位置及び速度の制御は、コンピュータの所定時間毎の周期演算処理によって、各ブロックでの各軸の微小移動を連続的に制御して行われるが、本実施形態においては、高速加工時の上記周期演算処理時間を短縮するために、加工開始する前に加工時のＵ軸及びＸ軸の上記周期時間毎に対応する軌跡データを演算しておき、この軌跡データに基づいて上記周期時間毎の微小移動量を演算している。なお、この軌跡データには、被加工材１へのアプローチ時の軌跡データと、実際に被加工材１を切削加工する時の軌跡データと、加工完了後に被加工材１から逃げる時の軌跡データとが含まれている。そして、演算されたこの位置指令値は位置指令値記憶部１０２に出力される。なお、Ｃ軸及びＺ軸は予め設定された所定速度で駆動され、Ｕ軸及びＸ軸はこのＣ軸に同期して駆動される。
【００３３】
位置指令値記憶部１０２では、Ｕ軸及びＸ軸に対応して演算された上記位置指令値が時系列的に記憶される。そして実際の加工時には、位置指令出力部１０３はこの記憶されたＵ軸及びＸ軸の位置指令値を前記所定周期時間毎に読み出し、対応する各位置偏差演算部に時系列的に出力する。
【００３４】
Ｘ軸位置偏差演算部１１０は、この所定周期時間毎に入力したＸ軸位置指令値と、Ｘ軸位置センサ７６から入力したＸ軸位置データとを比較し、両者の差、つまりＸ軸位置偏差を演算して出力する。このＸ軸位置偏差は、Ｘ軸学習制御部１１１とＸ軸加算部１１２に入力される。
【００３５】
Ｘ軸学習制御部１１１は、Ｘ軸が被加工材１の前記基準軌跡をサイクリックに繰り返して移動し、被加工材１を加工する際に、このサイクリック加工で繰り返される位置指令値に対する周期的な外乱（再現性のある外乱）による位置偏差を小さい値に収束させることができる。ここでは、ピストンリングのような自由曲線を有する部材を所定速度で回転させながら、この回転に同期させて上記自由曲線に沿ってＸ軸を移動させているので、Ｘ軸の位置偏差値は上記所定のサイクル時間（１回転に要する時間）毎に周期的に変動することになる。この周期的な変動は再現性があるので、被加工材１の１回転毎に前記位置偏差値の大きさを学習しながら小さくするようにしている。すなわち、前記Ｘ軸位置偏差が零になるようにこのＸ軸位置偏差の補正指令値を演算して出力すると共に、演算した上記補正指令値をこのときの対応する処理周期時間毎に記憶する。この補正指令値は、前回のサイクルでの同じ処理周期時間における前記補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算される。
【００３６】
また、Ｘ軸加算部１１２は、前記Ｘ軸位置偏差演算部１１０からのＸ軸位置偏差値と、前記Ｘ軸学習制御部１１１からのＸ軸補正指令値とを入力して加算し、この加算データをＸ軸速度アンプ部１１３に速度指令として出力する。Ｘ軸速度アンプ部１１３はこの加算データの大きさに基づいてＸ軸モータ７１を駆動して速度を制御しており、上記加算データと後述するＸ軸速度変換部１１４からの速度フィードバック値との偏差が小さくなるようにＸ軸モータ駆動指令を演算して出力している。Ｘ軸位置センサ７６はＸ軸モータ７１の位置データを前記Ｘ軸位置偏差演算部１１０及びＸ軸速度変換部１１４に出力しており、また、Ｘ軸速度変換部１１４はこの位置データに基づいて時間に対する位置変化率を演算し、Ｘ軸速度フィードバック値として出力する。
【００３７】
また、上記Ｘ軸と同様に、Ｕ軸に関してもサイクリックに加工している時の位置偏差が零に収束するように学習しながら位置偏差の補正指令値を演算し、Ｕ軸モータ９１を制御している。すなわち、Ｘ軸と同様に、Ｕ軸位置偏差演算部１２０と、Ｕ軸学習制御部１２１と、Ｕ軸加算部１２２と、Ｕ軸速度アンプ部１２３と、Ｕ軸速度変換部１２４とを備えている。
【００３８】
また、Ｃ軸とＺ軸に関しては、上記のような学習機能を備えておらず、通常の位置及び速度フィードバック制御が行われている。つまり、Ｃ軸においては、Ｃ軸位置偏差演算部１３０と、Ｃ軸速度アンプ部１３３と、Ｃ軸速度変換部１３４とを備え、Ｚ軸においてはＺ軸位置偏差演算部１４０と、Ｚ軸速度アンプ部１４３と、Ｚ軸速度変換部１４４とを備えている。これらの機能は前述のＸ軸の対応する各機能部と同様であり、相当する軸の処理を行う。
【００３９】
さて、本発明に係わるサイクル加工装置においては、被加工材１へのアプローチ時の軌跡データ、切削加工時の軌跡データ、及び、加工完了後に被加工材１から逃げる時の軌跡データは、被加工材１の本来の基準軌跡データから求められている。ここでは、図５及び図６に基づいて外面加工でのアプローチ時の軌跡データを作成する手順を説明する。図５及び図６はアプローチ時の外面加工用の工具５の軌跡を示しており、図５はその平面図、図６はその斜視図を表している。
同図において、基準軌跡１５は被加工材１を切削加工して製作されたリング３の外面の軌跡を表している。位置１５ａはこの基準軌跡１５上にあるアプローチ完了位置であり、また、位置１４は基準軌跡１５から平面視で所定距離（逃げ量Ｅ）離れ、かつ、上記アプローチ完了位置１５ａよりも加工時のＺ軸移動方向と反対方向に所定距離だけ離れたアプローチ開始位置である。同図のように、外面加工時のアプローチは、アプローチ開始位置１４から螺旋状に基準軌跡１５に漸近して行き、アプローチ完了位置１５ａで基準軌跡１５上に到達するようにしている。このとき、Ｚ軸方向の位置は、アプローチ開始位置１４からアプローチ完了位置１５ａへ（加工時のＺ軸移動方向に）所定時間に所定距離漸次移動するようになっている。
【００４０】
この外面加工アプローチ時の螺旋状の軌跡データは、前記位置指令値演算部１０１によって、以下のような手順で演算される。すなわち、被加工材１の基準軌跡データに基づいて各軸のブロック毎の位置指令値が周期処理の時系列的に演算される。
1)まず、被加工材１の前記基準軌跡データを図示しない基準軌跡データ入力装置から読み込む。この基準軌跡データ入力装置は例えば専用の自動プログラマや通常のコンピュータ等で構成することができ、被加工材１の内面及び外面の形状を表すプロフィルデータをベースにして基準軌跡データを作成し、データ通信又はフロッピーディスク等を介して送信する。ここで、この基準軌跡データは、基準軌跡１５上の任意の点１５ｂをＣ軸の回転中心軸Ｏを中心にした極座標（ｒ，θ）によって表したとき、前記所定周期時間（ここでは、所定周期時間以内に回転するＣ軸角度Δθ値に相当する）毎の各ブロックＢn に対応する極座標（ｒn ，θn ）によって表されている。なお、ｎは１〜「３６０°／Δθ」までの自然数であり、「ｎ＝１」のときは「θ＝０°」（Ｃ軸の基準角度位置）とする。
【００４１】
2)次に、アプローチ開始位置１４の基準軌跡１５に対する逃げ量Ｅを演算する。この逃げ量Ｅは、数式「Ｅ＝ｅ1 ＋ｅ2 」によって求められる。ここで、ｅ1 はアプローチ時の最大位置偏差値を表しており、アプローチ開始初期で、かつ、未だ学習機能による位置偏差の減少がなされていない時のＸ軸位置偏差値によって実測される。また、ｅ2 は被加工材１のリフト量と呼ばれるもので、基準軌跡１５の基準軌跡データの最大半径ｒ1 と最小半径ｒ2 とから数式「ｅ2 ＝ｒ1 −ｒ2 」に基づいて算出される。このリフト量ｅ2 は、Ｃ軸の回転とＸ軸の移動とが完全に同期してない状態でアプローチしている場合に工具５と上部ワーク支持手段５２又は下部ワーク支持手段５３とが干渉しないように考慮したものである。したがって、最大位置偏差値ｅ1 とリフト量ｅ2 とを共に考慮して逃げ量Ｅを設定しているので、学習開始時で、かつ、Ｃ軸の回転とＸ軸の移動とが同期してない時でも工具５が上記支持手段に干渉することが無くなり、安全性を向上できる。
【００４２】
3)アプローチサイクル時の移動量データを作成する。すなわち、この移動量データは、図５に示したように平面視で上記の逃げ量Ｅだけ基準軌跡１５から離れたアプローチ開始位置１４から螺旋状に基準軌跡１５に漸近して行き、アプローチ完了位置１５ａで基準軌跡１５上に到達するように演算される。このときの逃げ量Ｅを漸次減少させるための各ブロックＢn 毎の微小移動量Δｒn は、数式「Δｒn ＝Ｅ／（Ｃ×Ｍ）」で演算される。なお、ＣはＣ軸１回転当たりのブロック数で、Ｍはアプローチサイクル時のサイクル数（つまり、Ｃ軸回転数）で表される。このサイクル数Ｍは、このアプローチサイクルの間に前記学習制御機能によってＸ軸位置偏差が零に収束するのに足りる充分な時間を与えるような値に設定される。さらに、前記読み込んだ基準軌跡データ（ｒn ，θn ）に基づく本来の微小移動量と上記微小移動量Δｒn とを加算した実際の移動量から算出される速度変化率、すなわち、このときの発生加速度が所定値以上である場合には、この発生加速度を抑えるために、上記サイクル数Ｍを増やして再度演算し直す。また、アプローチ完了時の位置が確実に基準軌跡１５上にあるように、上記微小移動量Δｒn が合わせ込まれる。そして、上記で求めた微小移動量Δｒn と、基準軌跡データ（ｒn ，θn ）に基づく本来の微小移動量とを加算し、アプローチサイクル時の移動量データを作成する。これにより、工具５が各ブロック毎に所定の微小移動量Δｒn ずつＸ軸方向から基準軌跡１５に漸近して行く。
【００４３】
なお、上記Ｘ軸のアプローチの場合と同様にして、工具４による内面加工アプローチ時の螺旋状の軌跡データ、すなわち、Ｕ軸の移動量データを作成することができる。
また、基準軌跡１５に沿った被加工材１の切削加工が完了した後、工具４、５を被加工材１から所定距離離れた位置に退避させるようにしている。この逃げサイクル時のＸ軸及びＵ軸の移動量データは、前述のアプローチサイクル時と同様の手順で作成される。すなわち、加工完了位置に到達したら、基準軌跡１５から逃げる方向に（Ｘ軸の場合には被加工材１の外側に、またＵ軸の場合には内側に）基準軌跡データ（ｒn ，θn ）に対して漸次前記微小移動量Δｒn ずつ移動するように移動量データを作成することができる。
【００４４】
また、以上の説明では、アプローチサイクル又は逃げサイクルでの内面加工用の工具４及び外面加工用の工具５の軌跡が螺旋状になるように作成しているが、本発明はこの軌跡に限定するものではなく、工具４及び工具５が滑らかに漸次基準軌跡１５に対して接近あるいは逃げるようにすればよい。例えば、アプローチサイクル又は逃げサイクルでは、Ｚ軸方向の移動は行わずにＵ軸及びＸ軸の軌跡が上記螺旋状軌跡と同様になるように、すなわち、Ｚ軸方向に直交する平面内の渦巻き状軌跡となるようにしてもよい。
【００４５】
以上説明したように、外面及び内面の切削加工時のアプローチサイクルにおいて、被加工材１から所定距離離れた位置から被加工材１の端部の切削開始位置まで被加工材１の回転に同期して漸次螺旋状に又は渦巻き状に基準軌跡１５に接近させている。このとき、工具５、４が切削開始位置に到達する前に、学習機能によって各軸の位置偏差量を零に収束させるので、切削開始位置近傍での位置偏差を小さくできる。これによって、上部ワーク支持手段５２及び下部ワーク支持手段５３の支持部の半径方向の長さδ2 を長くでき、よって、支持部の剛性が高められる。この結果、上記支持手段の耐久性を向上でき、また、Ｃ軸回転による被加工材１の微振動が無くなるので加工条件のアップ（高速切削）及び加工精度の向上が可能となる。また、上部ワーク支持手段５２及び下部ワーク支持手段５３でのクランプ力を強化できるので、切削時の反力に対して充分な抗力が得られて加工精度を向上でき、被加工材１の終端部での「こば欠け」や「かえり」等の不具合を無くして生産性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるサイクル加工装置の正面図を示す。
【図２】本発明に係わるサイクル加工装置の側面図を示す。
【図３】本発明に係わるサイクル加工装置の制御ハード構成ブロック図を示す。
【図４】本発明に係わるサイクル加工装置の制御機能構成ブロック図を示す。
【図５】本発明に係わるサイクル加工装置の外面加工アプローチ時の工具軌跡の平面図を示す。
【図６】本発明に係わるサイクル加工装置の外面加工アプローチ時の工具軌跡の斜視図を示す。
【図７】本発明に係わるピストンリングの加工前後のリング形状を示す。
【図８】従来技術に係わるピストンリング外面のみＮＣ加工する時の支持装置説明図である。
【図９】従来技術に係わるピストンリング内外面を同時にＮＣ加工する時の支持装置説明図である。
【符号の説明】
１…被加工材、２…リング材、３…リング、４、５…工具、６…支持装置、７…本加工、８…支持装置エリア、１１、１２、１３…矢印、１４…アプローチ開始位置、１５…基準軌跡、１５ａ…アプローチ完了位置、２１…ベッド、２２…コラム、２５…制御器、３１…Ｚ軸モータ、３２…Ｚ軸スライド、３３…ガイドレール、３４…軸心方向駆動手段、３５…Ｚ軸位置センサ、３６…Ｚ軸速度アンプ、５１…Ｃ軸モータ、５２…上部ワーク支持手段、５２ａ…上部クランプヘッド、５３…下部ワーク支持手段、５３ａ…下部クランプヘッド、５４…Ｃ軸駆動手段、５５…Ｃ軸位置センサ、５６…Ｃ軸速度アンプ、７０…外面加工手段、７１…Ｘ軸モータ、７２…工具支持手段、７３…Ｘガイド手段、７４…カバー、７５…伝達手段、７６…Ｘ軸位置センサ、７７…Ｘ軸速度アンプ、７８…外面加工駆動手段、９０…内面加工手段、９１…Ｕ軸モータ、９２…Ｕ軸スライド、９３…ボーリングバー、９４…ガイドレール、９５…Ｕ軸位置センサ、９６…Ｕ軸速度アンプ、９８…内面加工駆動手段、１０１…位置指令値演算部、１０２…位置指令値記憶部、１０３…位置指令出力部、１１０…Ｘ軸位置偏差演算部、１１１…Ｘ軸学習制御部、１１２…Ｘ軸加算部、１１３…Ｘ軸速度アンプ部、１１４…Ｘ軸速度変換部、１２０…Ｕ軸位置偏差演算部、１２１…Ｕ軸学習制御部、１２２…Ｕ軸加算部、１２３…Ｕ軸速度アンプ部、１２４…Ｕ軸速度変換部、１３０…Ｃ軸位置偏差演算部、１３３…Ｃ軸速度アンプ部、１３４…Ｃ軸速度変換部、１４０…Ｚ軸位置偏差演算部、１４３…Ｚ軸速度アンプ部、１４４…Ｚ軸速度変換部。
Claims (10)
- 中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材(1) をこの被加工材(1) の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材(1) を円筒の芯を軸としてその軸回りのＣ軸方向に回転させるＣ軸駆動手段(54)と、被加工材(1) の中空部に挿入され、かつ、内面を切削加工する工具(4) が取着されたボーリングバー(93)と、ボーリングバー(93)を被加工材(1) に対して接近する又は離れる方向のＵ軸方向に直線駆動する内面加工駆動手段(98)と、外面を切削加工する工具(5) を被加工材(1) に対して接近する又は離れる方向のＸ軸方向に直線駆動する外面加工駆動手段(78)と、被加工材(1) を軸心方向のＺ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段(34)とを備え、前記Ｃ軸の回転角度に同期させてＸ軸及びＵ軸の駆動を制御し、被加工材(1) の内外面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、
予め被加工材(1) の基準軌跡データに基づいて、Ｃ軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材(1) の基準軌跡(15)に漸次接近させるアプローチサイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値を演算する位置指令値演算部(101) と、
この演算された各位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部(102) と、
実加工作業時に、Ｃ軸の回転角度に同期して前記記憶されたＸ軸及びＵ軸の位置指令値を同時に出力する位置指令出力部(103) と、
このＸ軸及びＵ軸の位置指令値、並びにＸ軸位置センサ(76)及びＵ軸位置センサ(95)からの検出値に基づいてＸ軸及びＵ軸の位置偏差値をそれぞれ演算するＸ軸位置偏差演算部(110) 及びＵ軸位置偏差演算部(120) と、
この演算されたＸ軸位置偏差値及びＵ軸位置偏差値に基づいて、Ｃ軸の回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、Ｘ軸及びＵ軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、Ｘ軸及びＵ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつＣ軸の回転に同期してこの記憶したＸ軸及びＵ軸の位置偏差値の補正指令値を出力するＸ軸学習制御部(111) 及びＵ軸学習制御部(121) と、
Ｘ軸学習制御部(111) 及びＵ軸学習制御部(121) からの各補正指令値、並びにＸ軸位置偏差演算部(110) 及びＵ軸位置偏差演算部(120) からのＸ軸及びＵ軸の位置偏差値を各軸ごとに加算し、各加算値を対応する前記外面加工駆動手段(78)及び前記内面加工駆動手段(98)に速度指令として同時に出力するＸ軸加算部(112) 及びＵ軸加算部(122) とを備えたことを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 前記位置指令値演算部 (101) は、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのＸ軸及びＵ軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にＸ軸及びＵ軸を移動させる位置指令値を演算することを特徴とする請求項１に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置。
- 中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材(1) をこの被加工材(1) の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材(1) を円筒の芯を軸としてその軸回りのＣ軸方向に回転させるＣ軸駆動手段(54)と、被加工材(1) の中空部に挿入され、かつ、内面を切削加工する工具(4) が取着されたボーリングバー(93)と、ボーリングバー(93)を被加工材(1) に対して接近する又は離れる方向のＵ軸方向に直線駆動する内面加工駆動手段(98)と、被加工材(1) を軸心方向のＺ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段(34)とを備え、前記Ｃ軸の回転角度に同期させてＵ軸の駆動を制御し、被加工材(1) の内面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、
予め被加工材(1) の基準軌跡データに基づいて、Ｃ軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材(1) の基準軌跡(15)に漸次接近させるアプローチサイクルでのＵ軸位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのＵ軸位置指令値を演算する位置指令値演算部(101) と、
この演算されたＵ軸位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部(102) と、
実加工作業時に、Ｃ軸の回転角度に同期して前記記憶されたＵ軸位置指令値を出力する位置指令出力部(103) と、
このＵ軸位置指令値、及びＵ軸位置センサ(95)からの検出値に基づいてＵ軸位置偏差値を演算するＵ軸位置偏差演算部(120) と、
この演算されたＵ軸位置偏差値に基づいて、Ｃ軸回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、Ｕ軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、Ｕ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつＣ軸の回転に同期してこの記憶したＵ軸位置偏差値の補正指令値を出力するＵ軸学習制御部(121) と、
Ｕ軸学習制御部(121) からの前記補正指令値、及びＵ軸位置偏差演算部(120)からのＵ軸位置偏差値を加算し、この加算値を前記内面加工駆動手段(98)に速度指令として出力するＵ軸加算部(122) とを備えたことを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 前記位置指令値演算部 (101) は、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのＵ軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にＵ軸を移動させる位置指令値を演算することを特徴とする請求項３に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置。
- 中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材(1) をこの被加工材(1) の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材(1) を円筒の芯を軸としてその軸回りのＣ軸方向に回転させるＣ軸駆動手段(54)と、外面を切削加工する工具(5) を被加工材(1) に対して接近する又は離れる方向のＸ軸方向に直線駆動する外面加工駆動手段(78)と、被加工材(1) を軸心方向のＺ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段(34)とを備え、前記Ｃ軸の回転角度に同期させてＸ軸の駆動を制御し、被加工材(1) の外面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、
予め被加工材(1) の基準軌跡データに基づいて、Ｃ軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材(1) の基準軌跡(15)に漸次接近させるアプローチサイクルでのＸ軸位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのＸ軸位置指令値を演算する位置指令値演算部(101) と、
この演算されたＸ軸位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部(102) と、
実加工作業時に、Ｃ軸の回転角度に同期して前記記憶されたＸ軸位置指令値を出力する位置指令出力部(103) と、
このＸ軸位置指令値、及びＸ軸位置センサ(76)からの検出値に基づいてＸ軸位置偏差値を演算するＸ軸位置偏差演算部(110) と、
この演算されたＸ軸位置偏差値に基づいて、Ｃ軸回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、Ｘ軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、Ｘ軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつＣ軸の回転に同期してこの記憶したＸ軸位置偏差値の補正指令値を出力するＸ軸学習制御部(111) と、
Ｘ軸学習制御部(111) からの前記補正指令値、及びＸ軸位置偏差演算部(110)からのＸ軸位置偏差値を加算し、この加算値を前記外面加工駆動手段(78)に速度指令として出力するＸ軸加算部(112) とを備えたことを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 前記位置指令値演算部 (101) は、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのＸ軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にＸ軸を移動させる位置指令値を演算することを特徴とする請求項５に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部(101) が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具(4) 又は前記工具(5) を螺旋状の軌跡を描いて被加工材(1) の基準軌跡(15)に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記Ｕ軸及び／又はＸ軸の位置指令値を演算することを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 請求項１〜６のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部(101) が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具(4) 又は前記工具(5) を被加工材(1) の軸心方向に直交する平面で渦巻き状の軌跡を描いて被加工材(1) の基準軌跡(15)に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記Ｕ軸及び／又はＸ軸の位置指令値を演算することを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 請求項１、２、３又は４に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記内面加工駆動手段(98)がリニアモータを備え、このリニアモータによって前記ボーリングバー(93)を直線駆動することを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 請求項１に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記アプローチサイクルで学習によってＸ軸及びＵ軸の位置偏差値を零に収束させるときの前記Ｚ軸位置範囲が、前記支持装置が位置する範囲であることを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。
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