JP4266791B2 - 機械加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、数値制御工作機械によりワークに切削加工、研削加工等を施す機械加工方法に関し、特に先端に円弧状切刃を有するボールエンドミルやボール砥石等の工具を用い、回転送り軸を含む４軸制御加工を行う際の加工時間を短縮できる機械加工方法に関する。

金型等の３次元の凹形状、凸形状をしたワークを、先端に円弧状切刃を有するボールエンドミルやボール砥石等のいわゆるボールカッタ（以下単に工具という）を用いて機械加工を行う際、工具を回転させてワークと工具とをＸ、Ｙ、Ｚの直動送り軸により相対送り動作を行わせるとともに、Ａ、Ｂ又はＣの回転送り軸によりワークと工具との相対姿勢を変更して加工することが一般に行われている。ワークと工具との相対姿勢を変更するのは、工具を極力突き出し長さを短くして主軸に装着させ、ワークの立壁の奥深くを加工しても工具とワークとが干渉しないようにするためや、工具の回転周速の大きい部分で加工が行えるように、工具をワークに対して寝かせる姿勢にするためである。

特許文献１には、回転送り軸を含む数値制御工作機械の主軸に工具を装着してワークを機械加工する場合、ワークの形状データと工具まわりの形状データとから、ワークと工具とが干渉しない範囲内で、できるだけ工具を寝かせた姿勢で加工する、つまり工具の回転周速の大きい部分で加工を行うことができる機械加工方法が開示されている。
また、特許文献２には、図２及び図３に示すように、主軸１とテーブル３との間で、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対送り動作を行わせる直動送り軸と、主軸１にＣ軸方向の回転送り動作を行わせる回転送り軸と、主軸１に取付けられ、工具５の先端円弧中心７がＣ軸の回転中心線９上に位置するように工具５を傾けて回転主軸１１に装着したアングル主軸１３とを有する数値制御工作機械により、ワークＷを機械加工することが開示されている。

特許第２８４５７１０号公報 特開２００３−２０５４３２号公報

従来、上述のアングル主軸頭１３を用いて、図３のようにワークＷを等高線に沿って加工する場合、コーナ部つまり工具５の送り方向が変わるとき、図９（ａ）に示すようにＡ点でＸ軸の送りを止め、工具５の姿勢を９０°転回し、その後Ｙ軸の送りを開始するように送り軸制御を行っている。このときのＸ軸、Ｙ軸、Ｃ軸の各送り速度Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｃのタイムチャートが図９（ｂ）に示されている。Ｘ軸の送り速度Ｖｘは、指令速度から減速されＡ点で零となり、次いでＣ軸の送り速度Ｖｃが、零から加速、定速、減速を経て零になり、次いでＹ軸の送り速度Ｖｙが、零から加速して指令速度になる。Ｃ軸が９０°転回して工具５の姿勢が変更される時間Ｔ₀の間は、加工されておらず、無駄時間になっている。
特許文献１には、ワークと工具とが干渉しない範囲で、できるだけ工具を寝かせた姿勢で加工することが開示されているが、コーナ加工部や円弧加工部等工具の送り方向の変わるとき、工具姿勢をどのように制御するかについては開示されていない。

本発明は前述の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、工具姿勢の変更を伴い工具の送り方向を変えてワークを加工するときの加工時間を短縮することができる機械加工方法を提供することである。

前述の目的を達成するため、主軸とテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対送り動作を行わせる直動送り軸と、前記主軸にＣ軸方向の回転送り動作を行わせる回転送り軸と、前記主軸に取付けられ、先端に円弧状切刃を有する工具の円弧中心が前記Ｃ軸の回転中心線上に位置するように前記工具を傾けて回転可能に装着したアングル主軸頭とを有する数値制御工作機械の前記テーブルにワークを固定し、前記直動送り軸による前記工具の送り動作と前記回転送り軸による前記工具の姿勢変更動作とを伴って前記ワークを加工する機械加工方法において、前記工具の送り軌跡でＣ軸を回転させても干渉が起こらない最大の角度をＣ軸の許容重畳値として予め計算し重畳動作制御部に入力し、前記重畳動作制御部は、各送り軸に移動指令を分配する補間演算部の前に設けられた補間前の加減速制御部に、予め数値制御装置に入力されているＣ軸の通常の加速度より大きな加速度を補間前のＣ軸加速度として設定するとともに、前記補間演算部の後に設けられたＣ軸の補間後の加減速制御部に、前記Ｃ軸の許容重畳値と前記補間前のＣ軸加速度とに基づき決まる該補間前のＣ軸加速度より小さな加速度を補間後のＣ軸加速度として設定し、ＮＣプログラムが実行されると、前記補間前の加減速制御部及び前記補間演算部により前記補間前のＣ軸加速度を加味した加減速指令が生成されて各送り軸に移動指令が分配され、前記工具の姿勢変更があったとき、前記補間後の加減速制御部によってＣ軸のみに前記補間後のＣ軸加速度を加味した加減速指令が生成され、前記工具の送り軸動作に前記工具の姿勢変更動作が重畳する機械加工方法が提供される。
工具の姿勢変更動作を工具の送り動作に重畳させることにより、加工に寄与しない工具の姿勢変更動作だけの時間がなくなる、又は少なくなり、実質的に加工時間が短縮される。

数値制御工作機械の数値制御装置に出力する数値制御プログラムは、工具姿勢変更を工具の送り動作に重畳させない、従来の思想で作成したもので良く、数値制御装置の働きにより、工具の送り方向が変わった後の工具の送り動作に工具の姿勢変更動作が自動的に重畳するように制御される。これにより工具の姿勢変更動作だけの時間が少なくなる。

以上説明したように本発明によれば、金型などの３次元の凹形状や凸形状をしたワークのコーナ加工部や円弧加工部等工具の送り方向の変わるとき、工具の姿勢変更動作を工具の送り動作に重畳させることにより、加工に寄与しない工具の姿勢変更動作だけが行われる時間がなくなるか、又は従来より少なくなり、実質的にワークの加工時間が短縮される。金型などを細かいピックフィードで仕上げ加工する場合、何回もコーナ加工部や円弧加工部を通過し、合計の時間短縮効果は大きい。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の機械加工方法を実施するための構成ブロック図、図２は、本発明の機械加工で用いるアングル主軸頭の正面図、図３は、図２のアングル主軸頭を用いてワークを機械加工している様子を示した斜視図、図４は、数値制御プログラム（以下ＮＣプログラムという）により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる制御のフロー図、図５は、数値制御装置の重畳動作制御部により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる制御のフロー図、図６は、ＮＣプログラム及び数値制御装置の重畳動作制御部により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる制御のフロー図、図７（ａ）は、ＮＣプログラムにより工具姿勢変更を工具移動に重畳させる機械加工の様子を示した説明図、図７（ｂ）は、そのときのＸ軸、Ｙ軸、Ｃ軸の送り速度を示したタイムチャート、図８（ａ）は、数値制御装置の重畳動作制御部により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる機械加工の様子を示した説明図、図８（ｂ）は、そのときのＸ軸、Ｙ軸、Ｃ軸の送り速度を示したタイムチャート、図９（ａ）は、工具姿勢変更を工具移動に重畳させない、従来の機械加工の様子を示した説明図、図９（ｂ）は、そのときのＸ軸、Ｙ軸、Ｃ軸の送り速度を示したタイムチャートである。

本発明で用いる数値制御工作機械は、図２及び図３に示すように、主軸１とテーブル３との間でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対送り動作を行わせる直動送り軸と、主軸１にＺ軸と平行な中心線９まわりのＣ軸方向の回転送り動作を行わせる回転送り軸と、主軸１に取り付けられ、先端に円弧状切刃を有する工具５の円弧中心７が中心線９上に位置するように工具５を傾けて回転主軸１１に装着したアングル主軸頭１３とを有する。そしてワークＷをテーブル３上に固定し、上方からアングル主軸頭１３を近づけて工具５を回転させ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｃ軸の４軸制御を行ない、ワークＷを所望形状に加工する。直動送り軸は工具を移動し、回転送り軸は工具の姿勢を変更する。

まず、図７（ａ）、（ｂ）を参照して、本発明の機械加工方法を説明する。図３に示すようにワークＷを等高線に沿って加工するときの、ＸＹ平面における工具移動軌跡と工具５との刻々の位置関係は、工具５がＡ点までＸ軸方向に移動しているとき、Ａ点の手前から工具姿勢を徐々に変化させる。Ａ点においては例えば４５°傾けられ、Ｙ軸方向に移動を開始したら、その移動中に残り４５°の工具姿勢の変更を行う。このときのＸ軸速度Ｖｘが定速から減速し零になると、直ちに、Ｙ軸速度Ｖｙは加速し定速になる。Ｃ軸速度Ｖｃは、Ｘ軸速度Ｖｘが零になる手前から加速し、定速を経て、Ｙ軸速度Ｖｙが立上がってから減速し零となる。つまり図９（ｂ）に示した従来の工具姿勢変更に要する時間Ｔ₀だけ加工時間を短縮できることがわかる。

この工具の姿勢変更動作を工具の送り動作に重畳させる制御フローを図１を参照しつつ、図４に基づいて説明する。直動送り軸による工具の移動軌跡をまず生成する（ステップＳ１）。工具の送り方向が変わるのに伴い工具姿勢の変更があるか否かを判断し（ステップＳ２）、工具姿勢変更ありの場合、ＮＣプログラム作成部２１の工具姿勢制御ＮＣプログラム作成部２３で刻々の加工位置に応じた工具姿勢のとり得るＣ軸の回転角度値、つまり許容角度値を計算する（ステップＳ３)。そのためには、加工形状データ、工具５を含むアングル主軸頭１３まわりの形状データが予め工具姿勢制御ＮＣプログラム作成部２３に記憶され、干渉チェック演算が行われる。こうして計算した許容角度値の範囲内で、工具姿勢変更指令を軸移動指令に重畳したＮＣプログラム２５を作成する（ステップＳ４）。この作成したＮＣプログラム２５を数値制御装置２７に送出し、ＮＣプログラム解釈部２９、補間前の加減速制御部３１、補間演算部３３、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｃの各送り軸のサーボ制御部３５、３７、３９、４１を経て、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｃの各送り軸モータ４３、４５、４７、４９を駆動制御する。以上がＮＣプログラムにより工具姿勢を工具移動に重畳させる場合の機械加工方法である。この場合、図１のＣ軸の許容重畳値５１、重畳動作制御部５３、補間後の加減速制御部５５は必要としない。

次に図８（ａ）、（ｂ）を参照して、数値制御装置２７の重畳動作制御部５３により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる場合の機械加工方法を説明する。工具５がＡ点までＸ軸方向に移動しているとき、工具姿勢は変更しない。Ａ点でＸ軸の移動が停止してから工具姿勢が変更を開始し、工具姿勢の変更が完了する前にＹ軸の移動が開始され、その後工具姿勢変更が完了する。そのときのＸ、Ｙ、Ｃ軸の各送り速度Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｃの変化の様子は、図８（ｂ）の実線で描かれているように、Ｘ軸速度Ｖｘが零になったらＣ軸速度Ｖｃが加速し、零になる前にＹ軸速度Ｖｙが加速を開始する。工具５がＸ軸及びＹ軸方向に移動せず、工具姿勢のみが変更される時間はＴ₀より小さいＴ₁である。こうして加工時間が短縮される。

この場合の工具の姿勢変更動作を工具の送り動作に重畳される制御フローを図１を参照しつつ図５に基づいて説明する。この場合はＮＣプログラム作成部２１、工具姿勢制御ＮＣプログラム作成部２３は必要としない。図９に示す、工具姿勢変更を工具移動に重畳させない従来の方式で作成したＮＣプログラムをＮＣプログラム解釈部２９で解釈する（ステップＳ１１）。一方、ワークＷを加工する場合、あらゆる位置でＣ軸を回転させても干渉が起こらない最大の角度をＣ軸の許容重畳値５１として予め計算しておき、重畳動作制御部５３に入力する（ステップＳ１２）。重畳動作制御部５３は、補間前の加減速制御部３１に設定されるＣ軸加速度として、実際よりも大きな加速度を設定する（ステップＳ１３）。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の各加速度値は、通常通り実際の値が設定される。
重畳動作制御部５３は、Ｃ軸の許容重畳値５１と補間前のＣ軸加速度に基づき、補間後の加減速制御部５５に設定するＣ軸加速度を演算する（ステップＳ１４）。この補間後のＣ軸加速度は補間前のＣ軸加速度より小さい値である。重畳動作制御部５３は、求めた補間後のＣ軸加速度を補間後の加減速制御部５５に設定する（ステップＳ１５）。

補間前の加減速制御部３１にて、補間前のＣ軸加速度を加味した加減速指令を生成する（ステップＳ１６）と、図８（ｂ）の一点鎖線に示すようにＣ軸速度Ｖｃの加減速が急峻となり、Ｘ軸が停止してからＹ軸が移動を開始するまでの時間が、従来の時間Ｔ₀より短い時間Ｔ₁となるように準備される。そして補間演算部３３で補間演算が実行され（ステップＳ１７）、各送り軸に移動指令が分配される。工具の送り方向が変わるのに伴いＣ軸の移動指令があるか否かが判断され（ステップＳ１８）、ありと判断された場合は、Ｃ軸についてのみ補間後の加減速制御部５５にて補間後のＣ軸加速度に基づき、Ｃ軸動作指令に対して加減速制御をかける（ステップＳ１９）。するとＣ軸の速度Ｖｃは、図８（ｂ）の実線で示したような加減速パターンとなり、工具５がＹ軸の移動に変わった直後の部分で工具姿勢変更が工具移動に重畳される。この場合は、ＮＣプログラムを作成するとき、工具姿勢変更を工具移動に重畳させることを意識せず、従来の重畳させない場合のプログラミングで良い。あとは重畳動作制御部５３の働きで自動的に重畳動作が行われ、結果としてＮＣプログラミングが容易になる効果もある。

次に図６により、図４と図５の制御を合体した、ＮＣプログラム及び数値制御装置の重畳動作制御部により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる制御フローについて説明する。ＮＣプログラム作成部２１にて工具の移動軌跡を生成する（ステップＳ２１）。また予め計算して求めてあるＣ軸の許容重畳値を重畳動作制御部５３に入力する（ステップＳ２２）。工具５の姿勢変更の有無、つまり工具５の移動方向が変わるか否かの判断をし（ステップＳ２３）、工具姿勢変更ありの場合、工具姿勢制御ＮＣプログラム作成部２３にて、刻々の加工位置に応じたＣ軸の許容角度値を計算する（ステップＳ２４）。求めたＣ軸許容角度値からステップＳ２２で重畳動作制御部５３に入力したＣ軸の許容重畳値５１を引いた値を、本ＮＣプログラム生成で用いるＣ軸許容角度値とする（ステップＳ２５）。このプログラム生成で用いるＣ軸許容角度値の範囲内で、工具姿勢変更指令を軸移動指令に重畳させ、ＮＣプログラムを作成する（ステップＳ２６）。

こうして作成したＮＣプログラム２５を数値制御装置２７に出力すると（ステップＳ２７）、ＮＣプログラム解釈部２９がそのＮＣプログラム２５を解釈する（ステップＳ２８）。一方重畳動作制御部５３は、補間前の加減速制御部３１に設定されるＣ軸加速度として、実際よりも大きな加速度を設定する（ステップＳ２９）。また重畳動作制御部５３は、Ｃ軸の許容重畳値５１と補間前のＣ軸加速度に基づき、加減速制御部５５に設定する補間後のＣ軸加速度を演算する（ステップＳ３０）。補間後のＣ軸加速度は補間前のＣ軸加速度より小さい値である。そして重畳動作制御部５３は、求めた補間後のＣ軸加速度を補間後の加減速制御部５５に設定する（ステップＳ３１）。補間前の加減速制御部３１は、補間前のＣ軸加速度を加味した加減速指令を生成し（ステップＳ３２）、補間演算を実行し（ステップＳ３３）、Ｃ軸の移動指令有無の判断後（ステップＳ３４）、補間後の加減速制御部５５にて、補間後のＣ軸加速度に基づきＣ軸動作指令に対して加減速制御をかける（ステップＳ３５）。これにより工具姿勢変更が工具移動に重畳され、加工時間が短縮される。

本発明は、工具移動の軸制御は、加工寸法が指定されているので許容誤差はほとんどとれないが、工具姿勢の軸制御は、理屈上は加工寸法に関係しないので、許容誤差を比較的大きくとれるという思想に基づいてなされたものである。従って、必要な加工精度を維持しつつ、加工時間を短縮できる効果を得られる。

本発明の機械加工方法を実施するための構成ブロック図である。 本発明の機械加工で用いるアングル主軸頭の正面図である。 図２のアングル主軸頭を用いてワークを機械加工している様子を示した斜視図である。 ＮＣプログラムにより工具姿勢変更を工具移動に重畳させる制御のフロー図である。 数値制御装置の重畳動作制御部により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる制御フロー図である。 ＮＣプログラム及び数値制御装置の重畳動作制御部により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる制御のフロー図である。 （ａ）はＮＣプログラムにより工具姿勢変更を工具移動に重畳させる機械加工の様子を示した説明図、（ｂ）はそのときのＸ軸、Ｙ軸、Ｃ軸の送り速度を示したタイムチャートである。 （ａ）は数値制御装置の重畳動作制御部により工具姿勢変更を工具移動に重畳させる機械加工の様子を示した説明図、（ｂ）はそのときのＸ軸、Ｙ軸、Ｃ軸の送り速度を示したタイムチャートである。 （ａ）は、工具姿勢変更を工具移動に重畳させない、従来の機械加工の様子を示した説明図、（ｂ）は、そのときのＸ軸、Ｙ軸、Ｃ軸の送り速度を示したタイムチャートである。

符号の説明

１…主軸
３…テーブル
５…工具
７…円弧中心
９…Ｃ軸の回転中心線
１１…回転主軸
１３…アングル主軸頭
２１…ＮＣプログラム作成部
２７…数値制御装置
３１…補間前の加減速制御部
５３…重畳動作制御部
５５…補間後の加減速制御部
Ｗ…ワーク

Claims (1)

1. 主軸とテーブルとの間でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対送り動作を行わせる直動送り軸と、前記主軸にＣ軸方向の回転送り動作を行わせる回転送り軸と、前記主軸に取付けられ、先端に円弧状切刃を有する工具の円弧中心が前記Ｃ軸の回転中心線上に位置するように前記工具を傾けて回転可能に装着したアングル主軸頭とを有する数値制御工作機械の前記テーブルにワークを固定し、前記直動送り軸による前記工具の送り動作と前記回転送り軸による前記工具の姿勢変更動作とを伴って前記ワークを加工する機械加工方法において、
   前記工具の送り軌跡でＣ軸を回転させても干渉が起こらない最大の角度をＣ軸の許容重畳値として予め計算し重畳動作制御部に入力し、
   前記重畳動作制御部は、各送り軸に移動指令を分配する補間演算部の前に設けられた補間前の加減速制御部に、予め数値制御装置に入力されているＣ軸の通常の加速度より大きな加速度を補間前のＣ軸加速度として設定するとともに、前記補間演算部の後に設けられたＣ軸の補間後の加減速制御部に、前記Ｃ軸の許容重畳値と前記補間前のＣ軸加速度とに基づき決まる該補間前のＣ軸加速度より小さな加速度を補間後のＣ軸加速度として設定し、
   ＮＣプログラムが実行されると、前記補間前の加減速制御部及び前記補間演算部により前記補間前のＣ軸加速度を加味した加減速指令が生成されて各送り軸に移動指令が分配され、前記工具の姿勢変更があったとき、前記補間後の加減速制御部によってＣ軸のみに前記補間後のＣ軸加速度を加味した加減速指令が生成され、前記工具の送り軸動作に前記工具の姿勢変更動作が重畳することを特徴とした機械加工方法。

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