JP4371033B2

JP4371033B2 - 非真円工作物研削用データ作成方法及び非真円工作物研削盤

Info

Publication number: JP4371033B2
Application number: JP2004290281A
Authority: JP
Inventors: 明斉藤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: JP2006106959A

Description

本発明は、カム等の非真円工作物（以下、単に「カム」ともいう。）を加工する非真円工作物研削盤に関する。
本発明は、

従来、数値制御装置により主軸軸線と交差する方向の砥石車の送りを主軸回転に同期して制御し、カム等の非真円工作物を研削加工する方法が知られている。近年、カムの形状はエンジンの高性能化に伴い、その形状への要求が複雑かつ高精度になり、図１０に示すような凹部Ａを有するようなカムＷの需要が多くなってきた。このような凹部Ａを有するようなカムＷを研削する場合、その凹部Ａに接触可能な径の小さい砥石車Ｇを用いる必要がある。

ここで、カム研削用の研削盤は、リフトデータを元に所望のリフト角のカムを研削している。ここで、リフトデータとは、エンジン設計の際に求められるデータで、カムの回転角に対するバルブのリフト量を規定したものである（例えば、カム角度３０°でリフト量０，カム角度３１°でリフト量１mm等）。

特許文献１には、大径砥石車と小径砥石車とで効率的に非真円工作物を研削する非真円工作物研削盤が開示されている。特許文献２には、アンギュラ砥石台を用いて非真円工作物を研削する非真円工作物研削盤が開示されている。
特開２００２−７９４５１号公報特開平８−４２３９０６号公報

凹部Ａを有するカムＷを研削し得る小径砥石車は、従来のカム研削用の砥石車と比べて径が小さいため、研削加工効率が悪く、また、砥石寿命も短くなって、カムの加工費用を押し上げる原因となっていた。

このため、従来の大径の砥石車を可能な範囲用いて粗研削を行い、最後に小径の砥石車で仕上げることを検討した。即ち、最終の形状とは異なる粗研削用の加工データを作成することを試みた。しかし、上述したように、カム研削用の研削盤は、リフトデータを元に直接研削を行っているため、粗研削専用の加工データを作るためには、リフトデータを変更して専用のリフトデータを作成する必要がある。このリフトデータ自体、直接形状を規定しているものではないため、これを変更して所望の粗研削専用のリフトデータを作成するには、トライ、エラーを繰り返すこととなるので人手と時間が異常に掛かり、困難を極める。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、大径の砥石車で非真円工作物の凹部を粗研削するデータを作成できる非真円工作物研削用データ作成方法、及び、非真円工作物研削盤を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、外周面に凹部を有する非真円工作物を研削するための非真円工作物研削用データ作成方法であって：
非真円工作物の外周面に仕上げ研削用のオフセットを与えるステップと、
非真円工作物の凹部を２点で特定するステップと；
特定した２点で凹部に砥石半径に対応する円弧を設けるステップと；
設けた円弧と、非真円工作物の前記オフセットが与えられた外周面とを滑らかに繋ぐ曲線を設けるステップとからなることを技術的特徴とする。

請求項１の非真円工作物研削用データ作成方法及び請求項４の非真円工作物研削盤では、非真円工作物の凹部を２点で特定し、特定した２点で凹部に砥石半径に対応する円弧を設ける。これにより大径の砥石車で非真円工作物の凹部を粗研削できるデータを作成可能なため、研削効率が上がるとともに、砥石車の寿命を延ばすことが可能になる。また、該円弧と非真円工作物の前記オフセットが与えられた外周面とを曲線で滑らかに繋いであるので、小径の砥石車で仕上げ研削する際にも砥石車を滑らかに送ることができ、無理なく所望の非真円工作物形状に仕上げることが可能である。

請求項２では、曲線を規定するための複数の点で、円弧の接線角度と等しくなるようにするため、円弧側から砥石車が送られる際に、砥石車を滑らかに送ることができ、無理なく所望の非真円工作物形状に仕上げることが可能である。

請求項３では、決定した曲線がＳ字状になるかを判断し、Ｓ字状になる場合には、所定区間を広げて再度曲線を規定する複数の点を求めるため、曲線がうねらず、砥石車を滑らかに送ることができ、無理なく所望の非真円工作物形状に仕上げることが可能である。

[第１実施形態]
図１は、本発明の第１実施形態に係る研削盤２０を示している。研削盤２０はベッド２２を有し、ベッド２２上には、工作物テーブル２３がＺ軸方向（トラバース軸）に移動可能に設置され、この工作物テーブル２３は、サーボモータ２４および該サーボモータ２４により回転される送りねじ（図示せず）によってＺ軸方向に移動される。本実施形態では、２台の研削盤にて粗研削、仕上げ研削をするものとするが、砥石径が異なるのみで同じ機械構成を取るので、研削盤２０は、粗研削を行う分のみを説明する。

工作物テーブル２３上には、主軸台２５および心押台２６が左右に対向設置されており、この主軸台２５と心押台２６との間には、主軸台２５の主軸２５ａに設けたチャック２５ｂと心押台２６に設けたセンタ２６ａとによりカムシャフト５２の両端が支持されている。主軸２５ａは、主軸モータ２５Ｍにより回動される。

図１において、砥石台２７は、ベッド２２上に工作物テーブル２３の移動方向と直角なＸ軸方向（切り込み方向）に移動可能に設置されており、ベッド２２に固定されたサーボモータ２８および該サーボモータ２８により回転される送りねじ（図示せず）によりＸ軸方向に移動される。砥石台２７には、カムシャフト５２を研削する砥石車２９と砥石車２９を駆動するインバータモータ３０とが取り付けられている。数値制御装置１００が駆動装置１０２を介して上記各モータ２４、２５Ｍ、２８、３０を制御する。

図２に図１中のカムシャフト５２を拡大して示す。カムシャフト５２には、複数のカム５０が設けられている。図１中に示す砥石車２９と対向する位置には、カムシャフト５２のカム５０を測定するための接触子４２Ｕを備える定寸装置４０が配置されている。

図３に図２中のカム５０のＢ−Ｂ断面を示す。図３中で、加工前カム形状Ｊ、最終カム形状Ｋ１と、粗加工カム形状Ｋ２とを示している。最終カム形状Ｋ１は、凹部Ａ１を有している。同様に、粗加工カム形状Ｋ２も凹部Ａ２を有している。ここで、第１実施形態の研削盤２０は、大径の砥石車２９により、粗加工カム形状Ｋ２まで研削する。上述した粗加工カム形状Ｋ２の凹部Ａ２は、大径の砥石車２９により研削できる形状、即ち、砥石車２９の曲率半径に等しいか、やや大きくなっている。即ち、粗加工カム形状Ｋ２は、上述した最終カム形状Ｋ１とは異なる形状になっている。この第１実施形態の研削盤２０により粗研削が終了して、粗加工カム形状Ｋ２まで加工されたカム５０は、仕上げ研削用の小径の砥石車を備える次工程の研削盤により最終カム形状Ｋ１まで研削する。

カム加工用のデータは、カムの回転角に対するバルブのリフト量を規定したリフトデータが用いられ、該リフトデータにより最終カム形状Ｋ１が決まっている。このため、第１実施形態の研削盤２０は、最終カム形状Ｋ１に基づき、粗加工カム形状Ｋ２にカムを研削するためのリフトデータ（以下、粗加工リフトデータと称する）を作成する。以下、該研削盤２０の数値制御装置１００による粗加工リフトデータの制作について、図３〜図９を参照して説明する。

図９は、数値制御装置１００による粗加工リフトデータの制作処理を示すフローチャートである。
数値制御装置１００は、先ず、リフトデータを入力し（Ｓ１２）、オフセットを設定する（Ｓ１４）。ここで言うオフセットとは、図４中に示す実線（外周面）Ｋ２’のように、最終カム形状Ｋ１に上述した仕上げ研削用の研削盤で研削するための取りしろ含んだ形状を意味する。ここで、リフトデータは、上述したように中心Ｃからのカム角度と、バルブのリフト量（即ち、中心Ｃからの距離）を定めた連続する点を意味し、図中でポイントＰ１〜Ｐ１３として模式的に表す。なお、リフトデータは、本来的には最終カム形状Ｋ１を規定する点であるが、図４中では以降の説明の便宜上、オフセットされた実線Ｋ２’上に描いてある。

数値制御装置１００は、凹部分を検出する（Ｓ１６）。ここでは、連続する３点（例えば、ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３）を比較し、内側の点（ポイントＰ２）が外側（ポイントＰ１、Ｐ３）よりもへこんでいる場合を凹部と認識し、これを続けることで、凹部分を検出する。ここでは、ポイントＰ２からポイントＰ１２までを凹部として検出したものとして説明を続ける。

次に、ポイントＰ２〜ポイントＰ１２で規定される凹部を砥石車２９と等しい、又は、僅かに大きい曲率半径の円弧Ｒで置き換える（Ｓ１８）。ここでは、先ず、図５中に示すようにポイントＰ２とポイントＰ１２とを結ぶ線分Ｌ１を求め、この線分Ｌ１を２等分する垂線Ｌ２を求める。そして、図６中に示すように、この垂線Ｌ２上に中心を定め、ポイントＰ２とポイントＰ１２とに接するように所定曲率半径の円弧Ｒを描く。

そして、円弧Ｒと、上述したオフセットされた実線Ｋ２’とを滑らかに繋ぐ曲線を設ける（Ｓ２０）。ここでは、図７に示すように、先ず、円弧Ｒの終点となるポイントＰ２から、ポイントＰ１２の反対側へ所定角度θｃ（例えば、カム角度５°）分の区間（ポイントＰ２−ポイントＰ０）を定め、実線Ｋ２’へ曲線Ｒから繋ぐ滑らかな曲線Ｌ３を設ける。同様に、円弧Ｒの始点となるポイントＰ１２から、ポイントＰ２の反対側へ所定角度θｃ（例えば、カム角度５°）分の区間（ポイントＰ１２−ポイントＰ００）を定め、実線Ｋ２’へ曲線Ｒから繋ぐ滑らかな曲線Ｌ４を設ける。

図８に曲線Ｌ３部分を拡大して示す。先ず、ポイントＰ２から区間の終点Ｐ０までの５°分に、０．５°毎に８点の補間点Ｈ１〜Ｈ８（図中には３点の補間点Ｈ１〜Ｈ３み示す）を求める。そして、各補間点Ｈ１〜Ｈ８で、曲線Ｌ３との接線角度θが曲線Ｒの接線角度と等しくなるようにする。

ここで、曲線Ｒ上の点（ｘ_１、ｙ_１）は数１の３次方程式で表すことができ、この点での接線成分（接線角度）は、数２の微係数として求めることができる。

同様に、補間点（ｘ_２、ｙ_２）は数３の３次方程式で表すことができ、この点での接線成分（接線角度）は、数４の微係数として求めることができる。

上記数１〜数４を解く係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを求めることで、各補間点Ｈ１〜Ｈ８で、曲線Ｌ３との接線角度θが曲線Ｒの接線角度と等しくなるようにする。

引き続き、定めた曲線Ｌ３がＳ字状にうねり問題となっていないかを確認する（Ｓ２２）。ここでは、求めた接線を延長し、接線の交点が区間（ポイントＰ２−ポイントＰ０）、区間（ポイントＰ１２−ポイントＰ００）に入っているか否かを求め、入っている場合はうねっていないとし、入っていないときにはうねって問題となると判断する。うねって問題となると判断した際には（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、区間を拡張する（Ｓ２４）。例えば、上述した例では区間をカム角度５°としたが、１°加えて６°にし、Ｓ２０に戻り上記処理を再度行う。

一方、曲線が問題とないと判断した際には（Ｓ２６）、他に凹部が無いかを判断し（Ｓ２６）、有る際にはＳ１８に戻り、上述したと同様な処理を行う。一方、他に凹部が無い際には、上述したオフセットさせた実線Ｋ２’と、曲線Ｒ、曲線Ｌ３、曲線Ｌ４を規定する点（上述したポイント及び補間点）から構成される図３を参照して上述した粗加工カム形状Ｋ２にカムを研削するための粗加工リフトデータを出力して処理を終了する。

研削盤２０は、上述したように、粗加工リフトデータに基づき粗加工カム形状Ｋ２まで加工し、粗研削されたカム５０は、仕上げ研削用の小径の砥石車を備える次工程の研削盤により最終カム形状Ｋ１まで研削される。

第１実施形態の非真円工作物研削用データ作成方法及び研削盤２０では、カム５０の凹部Ａを２点（ポイントＰ２−ポイントＰ１２）で特定し、特定した２点で凹部Ａに砥石半径に対応する円弧Ｒを設ける。これにより大径の砥石車２９でカム５０の凹部Ａを粗研削できるデータを作成可能なため、研削効率が上がるとともに、砥石車の寿命を延ばすことが可能になる。また、該円弧Ｒとカム５０のオフセットが与えられた外周面Ｋ２’とを曲線Ｌ３，Ｌ４で滑らかに繋いであるので、小径の砥石車で仕上げ研削する際にも砥石車を滑らかに送ることができ、無理なく所望のカム形状に仕上げることが可能である。

第１実施形態では、曲線Ｌ３、Ｌ４を規定するための複数の補間点Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３で、円弧Ｒの接線角度θと等しくなるようにするため、円弧Ｒ側から砥石車２９が送られる際に、砥石車２９を滑らかに送ることができ、無理なく所望のカム形状に仕上げることが可能である。

更に、第１実施形態では、決定した曲線がＳ字状になるかを判断し（Ｓ２２）、Ｓ字状になる場合には（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、所定区間を広げて再度曲線を規定する複数の補間点を求めるため、曲線がうねらず、砥石車を滑らかに送ることができ、無理なく所望のカム形状に仕上げることが可能である。

なお、上述した実施形態では、補間点で接線角度を一定にすることで滑らかな曲線Ｌ３、Ｌ４を求めたが、接線角度を一定範囲内にすることで滑らかな曲線を求めることができる。更に、円弧Ｒと、オフセットが与えられた外周面Ｋ２’での接線角度をそれぞれ求め、円弧Ｒから外周面Ｋ２’への接線角度の変化がなめらかに起こるように、徐々に接線角度を円弧Ｒから外周面Ｋ２’に近づけて行くように補間点を求めることも可能である。一方、曲線での砥石車の加速度を求め、加速度変化を小さくするように曲線を求めることもできる。さらには、区間に多数の点を設けて、最小二乗法により砥石車の加速度変化を最小にする点を選択することも可能である。

上述した実施形態では、２台の研削盤で粗研削、仕上げ研削を行ったが、大径の砥石車と小径の砥石車とを備える１台の研削盤で最終形状まで加工することも可能である。また、カム５０研削について説明したが、本発明の非真円工作物研削用データの作成方法及び非真円工作物研削盤は、非真円形形状の研削部位を有する種々の工作物に適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る研削盤の構成を示す構成図である。図１中のカムシャフトを拡大して示す説明図である。図２中のカムのＢ−Ｂ断面図である。加工データの作成方法を説明するためのカムの模式図である。加工データの作成方法を説明するためのカムの模式図である。加工データの作成方法を説明するためのカムの模式図である。加工データの作成方法を説明するためのカムの模式図である。図７中の曲線Ｌ３を拡大して示す模式図である。数値制御装置１００による粗加工リフトデータの制作処理を示すフローチャートである。凹部を有する非真円工作物の研削状況の説明図である。

符号の説明

２０研削盤
２５主軸台
２７砥石台
２８サーボモータ
２９砥石車
４０定寸装置
５０カム
５２カムシャフト
１００数値制御装置
Ｃ軸心
Ｒ円弧
Ｌ３、Ｌ４曲線

Claims

外周面に凹部を有する非真円工作物を研削するための非真円工作物研削用データ作成方法であって：
非真円工作物の外周面に仕上げ研削用のオフセットを与えるステップと、
非真円工作物の凹部を２点で特定するステップと；
特定した２点で凹部に砥石半径に対応する円弧を設けるステップと；
設けた円弧と、非真円工作物の前記オフセットが与えられた外周面とを滑らかに繋ぐ曲線を設けるステップとからなることを特徴とする非真円工作物研削用データ作成方法。
前記滑らかに繋ぐ曲線を設けるステップでは、前記凹部を特定する２点からそれぞれ、反対側に所定の区間を設け、区間内に前記曲線を規定するための複数の点を取り、それぞれの点で、上記円弧の接線角度と等しくなるようにすることを特徴とする請求項１の非真円工作物研削用データ作成方法。
前記決定した曲線がＳ字状になるかを判断し、Ｓ字状になる場合には、前記所定区間を広げて再度曲線を規定する複数の点を求めることを特徴とする請求項２の非真円工作物研削用データ作成方法。
請求項１〜請求項３のいずれか１の非真円工作物研削用データ作成方法により非真円工作物研削用の形状データを求めることを特徴とする非真円工作物研削盤。