JP5278758B2 - カム駆動装置及び加工方法 - Google Patents
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Description
ところが、所望の楕円形状を含む非真円形状を高速に加工することは、従来では、難しいので、略真円形状に加工していた。
なお、シリンダブロックのボアを断面所望の楕円形状に加工したとしても、シリンダヘッドやクランクケース等が組み付けられると、ボアの形状が変形してしまう。このようにボアが変形すると、エンジンの使用時におけるボアとピストンとの摺動抵抗が増加する要因になり、エンジンが所望の性能を発揮できないおそれがある。
この問題を解決するため、以下のような手法が提案されている(特許文献1参照)。
すなわち、まず、ダミーヘッドをシリンダブロックに装着して、工作機械によりボアを断面所望の楕円形状を含む非真円形状や、略真円形状を含む断面所望の理想円形状に加工する。次に、シリンダブロックからダミーヘッドを取り外す。すると、ダミーヘッドの組付けによる応力が解消されるので、ボアの形状が変形して断面非真円形となる。この断面非真円形状のボアの全体形状を測定して、NCデータを生成しておく。このNCデータは、具体的には、ダミーヘッドを取り外して断面非真円形状となったボアに対して、ボアの軸線に沿って所定間隔おきに測定点を設定し、各測定点でのボアの断面形状を測定したものである。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、非真円形穴の内周面を高精度に加工できるカム駆動装置及び加工方法を提供することを目的とする。
また上記発明において、第1及び第2回転軸の回転速度を同期させる場合、第1回転軸の回転速度に第2回転検出手段の分解能を乗算するとともに、第2回転軸の回転速度に第1回転検出手段の分解能を乗算し、両者の差分から速度誤差を算出し、該速度誤差を第1又は第2回転軸の回転速度の指令値に加えて回転制御することで、第1回転検出手段の分解能と、第2回転検出手段の分解能とが異なる場合でも、これら分解能比を考慮して、分解能を合わせることができる。これにより、第1及び第2回転軸の間の速度誤差を正確に求めることができ、両者を正確に同期させることができる。
また上記発明において、カムを真円形状とすることで、カムの製造コストを抑えることができる。
また上記加工方法においては、加工装置を制御するための加工用情報を、CAEシステムにおいて、コンピュータ上の仮想空間上にて、理想的な形状をしたボアがあけられた被組付け部材を対象に、前記被組付け部材に組付け部材が組み付けられたときに、当該ボアにおける断面所望の理想形状が変形して、組付けた後のボアがどのような形状になるのかがシミュレートされ、そのシミュレートされた形状により生成されたデータに基づいて生成された情報とすることで、組付け部材が組付けられた被組付け部材に実際に断面所望の理想形状のボアをあけ、組付け部材を取り外した後のボアの形状を測定せずとも、組付け部材に被組付け部材を組付けたときに断面所望の理想形状となるボアの形状のデータを得ることができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る非真円形穴加工装置1の概略構成図である。
非真円形穴加工装置1は、例えば、ワークとしての自動車エンジンのシリンダブロックのボアに加工ヘッド10を挿入し、ボーリング加工を行う。この非真円形穴加工装置1は、加工ヘッド10を回転させる回転駆動機構20と、この回転駆動機構20を進退させる進退機構30と、これらを制御する制御装置(カム駆動装置)40と、ワークのボアの内径形状を測定する真円度測定器51と、この真円度測定器51の測定結果を解析して制御装置40に出力する上位コンピュータ52と、を備える。
シャフトモータ24には、シャフト22の回転速度および回転角を検出する第2ロータリエンコーダ241が設けられている。
この進退機構30によれば、進退モータ32を駆動することにより軸部31が回転し、回転駆動機構20を進退させることができる。
アーバ11の先端側には、アーバ11の回転軸に交差する方向に延びる貫通孔111が形成されている。切削バイト13は、棒状であり、該切削バイト13を収納する収納孔として機能する貫通孔111に挿入されて、図示しない付勢手段により、シャフト12に向かって付勢されている。
図2中、カム121の回転中心からカム121の周縁のうちシャフト12から最も遠い部分に至る直線を、カム121の基準線Qとし、切削バイト13の中心軸を通る直線を、切削バイト13の基準線Rとする。そして、カム121の基準線Qと切削バイト13の基準線Rとの成す角度を、カム角度とする。
カム121の半径をCrとし、カム121の中心から回転中心までのオフセット寸法をCoとすると、カム121の回転中心から切削バイト13の基端縁までの最大寸法L1および最小寸法L2は、以下の式(1)、(2)で表される。
L2=Co×cos(α+β)+Cr…(2)
図3中実線で示すように、切削バイト13の突出量は、カム角度の変化に対して、非線形つまり円弧状に変化する。一方、図3に破線で示すように、理想的なカムでは、切削バイトの突出量は直線状(リニア)に変化する。よって、切削バイトの突出量を直線状(リニア)に変化させた場合に比べて、切削バイト13の突出量の誤差は、カム角度α(初期角度)とカム角度(α+β)との中間付近で最も大きくなる。
具体的には、突出量(△t)と、カム角度の指令値(α+△β)とが対応付けられた突出量カム角度対応テーブル90(図1参照)を生成して、予め主制御装置41のメモリ91に記憶させておき、後述の同期コントローラ42により、この指令値(α+△β)を呼び出せるようにする。なお、突出量カム角度対応テーブル90は、主制御装置41のメモリ91に限らず、例えば同期コントローラ42に記憶させてもよく、また、上位コンピュータ52から入力されてもよい。
この制御装置40は、主制御装置41、同期コントローラ42、第1サーボアンプ43、第2サーボアンプ44、および第3サーボアンプ45を備える。
前記同期コントローラ42は、ワークのボアに対する切削バイト13の向き(すなわちアーバ21の回転角)と、ワークのボアに対する切削バイト13の軸線上の位置(すなわち進退機構30の軸部31の回転角)とに応じて指令信号を出力する。これにより、第2サーボアンプ44を介してシャフトモータ24を駆動し、切削バイト13の突出寸法(すなわちアーバ11の外周面からの切削バイト13の突出量)を調整する。
マップとは、パラメータを配列したものである。すなわち、上述のマップは、図15に示すように、加工ヘッド10の進退方向の位置(すなわち切削バイト13のワークのボアに対する軸線上の位置)毎に、アーバ21の回転角および切削バイト13の突出量との関係を示すボアの断面2次元データを求め、軸線方向に配列したものである。
このとき、第2サーボアンプ44により、第2ロータリエンコーダ241で検出したシャフト22の回転速度および回転角(具体的には、単位時間当たりのロータリエンコーダが発生するパルス数、すなわち、サンプリング時間のパルス数)に応じて、シャフトモータ24をフィードバック制御する。
図4は、同期コントローラ42の動作を示すブロック線図である。
アーバ21とシャフト22とを完全に同期させる場合、まず、アーバ21の回転速度に、シャフト22の回転速度を検出する第2ロータリエンコーダ241の分解能(PG2)を乗算するとともに、シャフト22の回転速度に、アーバ21の回転速度を検出する第1ロータリエンコーダ252の分解能(PG1)を乗算し、両者の差分を算出する。
このような乗算を行ったのは、第1ロータリエンコーダ252の分解能(PG1)と、第2ロータリエンコーダ241の分解能(PG2)とが異なるので、これら分解能比を考慮して、分解能を合わせるためである。
次に、アーバ21の回転速度からフィード・フォワード量を求めて、速度誤差および位置誤差を加算して、シャフトモータ24への速度指令とする。
すると、アーバとカムとの位相差が保持されて、切削バイト13の突出量は一定となる。
また、マップアドレス変換器は、アーバ21の回転速度と回転角を取得すると、アーバ21の回転位置を求める。
次に、マップアドレス変換器は、上述のマップを参照して、アーバ21の回転角に応じた切削バイト13の突出量データを呼び出して、前回のデータとの差分を抽出し、この差分を変化量(すなわち速度)として、シャフトモータ24の回転速度指令に加算する。
シリンダブロック60からダミーヘッド70を取り外すと、ダミーヘッド70による押圧力が除去されるため、ボア61のダミーヘッド側の内径形状は、図7(b)に示すように、楕円形に変形する。また、ボルト穴72のねじ山とボルト71のねじ山との間に作用する応力が除去されるため、ボア61のクランクシャフト側の内径形状は、図7(c)に示すように、四角形に変形する。
換言すれば、シリンダヘッドをシリンダブロックに組み付ける際のシリンダブロックのボアの変形を解消するように断面非真円形状の穴を形成するには、0次〜4次までの周波数分析を行えばよく、データ量も少なくて済む。
なお、本実施形態では4次の周波数解析までの例を示したが、穴の形状に応じて50次でも、100次でも、更に高次でもよい。例えば、断面非真円形状の穴の形状の1周分を1°毎に通常のNCデータ形式で表現する場合、720個のパラメータが必要になるが、50次の曲線データ形式で表現する揚合、101個のパラメータでよい。すなわち、半径誤差(0次)、50個のn次振幅および、50個のn次位相である。このように、50次までの周波数解析を実行しても、曲線データ形式で記憶することで、データ量を低減でき、データ処理を高速化できる。
シリンダブロック素材にダミーヘッドを装着してボーリング加工を行い、その後、ダミーヘッドを取り外してボアの内径形状を測定する例を示したが、また例えば図1に示すように、CADシステム53において、コンピュータ上の仮想空間に、シリンダブロックのボアが断面所望の楕円形状に形成された3次元モデルを作製する。その後、CAEシステム54において、コンピュータ上の仮想空間上にて、前記CADシステム53で作製した、ボアが断面所望の楕円形状に形成された3次元モデルのシリンダブロックに3次元モデルのシリンダヘッドを組み付ける。3次元モデルの、シリンダブロックにシリンダヘッドを組み付けることにより、当該ボアにおける断面所望の楕円形状が変形して、組み付けた後のボアがどのような形状になるのかを、CAEシステム54でシミュレートする。そうすることにより、実際にシリンダブロック素材にダミーヘッドを装着してボーリング加工を行ってダミーヘッドを取り外して実際にボアの内径形状を測定することに代わることができる。
ステップS5において、内径形状データに基づいて周波数解析を行い、分析内径形状パラメータを算出する。
次に、ステップS6において、算出した分析内径形状パラメータを非真円形穴加工装置1の同期コントローラ42に入力して、合成内径形状マップを生成する。
ステップS8において、ダミーヘッド70と異なり、実際の製品として用いられる製品シリンダヘッド80を用意し、図6(c)に示すように、ボーリング加工が施された新たなシリンダブロック60Aに、製品シリンダヘッド80をボルト81により装着する。すると、シリンダブロック60Aのボア61Aの内径形状は、シリンダブロック60のボア61と同様の断面所望の楕円形状となる。
ステップS11(S4)では、例えば、全気筒について、真円度測定器51により、ボアの軸線上に所定間隔おきに4つの測定点M1〜M4を設定し、各測定点M1〜M4でのボアの内径形状を測定する。
具体的には、全気筒について、空気マイクロセンサ、近接センサ、レーザセンサなどのセンサをボアに挿入し、回転させながら軸線に沿って移動して、各測定点でのボアの内径形状を測定して、内径形状データとする。
なお、所定間隔おきに測定した例を示したが、非等間隔、例えば、シリンダブロックのシリンダヘッド側の数箇所や、逆に、シリンダブロックのクランクシャフト側の数箇所を測定してもよい。
図9に示すように、各測定点M1〜M4でのボアの内径形状R1〜R4は、互いに異なり、楕円形、三角形〜四角形状や、偏心した真円など、非真円形状となっている。
図10および図11では、ボアの変形量をゼロとした場合のボアの内周面の位置を基準線L0とし、この基準線L0よりも△Lだけ内側をL1とし、基準線L0よりも△Lだけ外側をL2とする。
図10及び図11に示すように、測定したボアの内径形状には、△L程度の凹凸があり、さらに、高次のノイズが含まれていることが判る。
ここで、振幅A0は、基準線である真円に対する半径の誤差を表し、振幅A1は、基準線である真円からの偏心を表し、振幅A2は、楕円形状の成分を表し、振幅A3は、三角形状の成分を表し、振幅A4は、四角形状の成分を表す。また、P0は不要である。
このボード線図は、シャフトモータ24から切削バイト13の先端までのねじり剛性による特性を示すものであり、以下の手順で作成される。
すなわち、シャフトモータ24に対して一定の周波数および振幅の正弦波信号を与える。そして、第2ロータリエンコーダ241により、シャフト22の基端側の回転角を検出し、図示しないセンサにより、切削バイト13の先端の変位を検出する。これら2つの出力をフーリエ変換し、各周波数成分について、シャフトモータ24に対する切削バイト13の先端側の振幅比および位相差を求めて、プロットする。
よって、駆動機構の応答性の限界を考慮すると、切削加工するのに必要かつ最小の値として、k=4が実用的であることが判る。
ステップS13では、上位コンピュータ52により、図12のボード線図に基づいて、ゲイン・位相についてのゲイン・位相マップを生成し、このゲイン・位相マップを同期コントローラ42に出力する。
ステップS14では、上位コンピュータ52により、1つの気筒についての分析内径形状パラメータ(An,Pn)を同期コントローラ42に出力する。
よって、この場合、切削バイトの突出量は約27°遅れて、約2倍(106/20≒2、20Log10(2)≒6dB)の振幅で動作することになるため、振幅補正Δa4=0.5、位相補正Δp4=+27として、4次の分析内径形状パラメータを補正する。同様に、3次〜1次の分析内径形状パラメータの補正を行う。
ステップS17では、同期コントローラ42により、フーリエ逆変換したデータを、図3のカム誤差マップにより修正し、切削バイト13の突出量に変換して、回転角と切削バイト13の突出量との関係を表す突出量マップ(合成内径形状マップ)を生成する。
これは、図15(a)に示すように、突出量マップの切削バイト13の先端の軌跡をR1A〜R4Aとすると、実際の切削バイト13の軌跡Sは、螺旋状であり、この軌跡S同士の間隔は、軌跡R1A〜R4Aの間隔よりも狭くなるため、詳細な突出量マップが必要になるのである。
点S1を通る直線Vを引き、この直線Vと各軌跡R1A、R2Aとの交点を点V1、V2とする。
さらに、点V1と点V2との高さ方向の間隔をΔZ、点V1と点V2との水平方向の間隔をΔRとし、点V2から点S1まで高さ方向の間隔をδzとし、点V2から点S1までの水平方向の間隔をδrとして、以下の式(9)に従って、点S1の位置を求める。
ステップS20では、同期コントローラ42により、切削バイト13の突出量に従って、突出量(△t)と、カム角度の指令値(α+△β)とが対応付けられた上述の突出量カム角度対応テーブル90に基づいて、アーバ21に対してシャフト12、22の位相を進角化または遅角化させながら非真円形加工する。
ステップS21は、全気筒について加工が完了したか否かを判定し、この判定がYESの場合は終了し、NOの場合はステップS14に戻る。
また、カム121の回転により切削バイト13の突出量を調整する機構を採用したため、加工ヘッド10の構成を簡単なものとできる。
この構成により、第1ロータリエンコーダ252の分解能と第2ロータリエンコーダ241の分解能とが異なる場合でも、これら分解能比を考慮して分解能を合わせることができる。これにより、アーバ11及びシャフト22の間の速度誤差が正確に求められるため、両者の回転を正確に同期させることができる。
例えば、非真円形穴加工装置1が工具として切削バイト13を備え、非真円形穴の内周面を切削加工する構成を例示したが、工具の種類は、これに限らない。すなわち、工具を穴の径方向に没突させて行われる加工の工具であれば、例えば研磨加工具などの任意の工具及び加工に本発明を適用することができる。
また、シリンダブロックのようにワークが回転しないものの穴の加工を示したが、例えば、ワークが回転しないもので、非真円形穴加工装置1における、外周の収納孔を形成した固定された筒部材の場合であっても、工具を孔の径方向に没突させて行われる加工の工具であれば、本発明を適用することができる。
2 断面
10 加工ヘッド
11 アーバ(第1回転軸)
12 シャフト(第2回転軸)
13 切削バイト(工具)
30 進退機構
40 制御装置(カム駆動装置)
41 主制御装置(制御手段)
42 同期コントローラ
60 シリンダブロック
61 ボア
70 ダミーヘッド
80 製品シリンダヘッド
90 突出量カム角度対応テーブル
91 メモリ
111 貫通孔(収納孔)
121 カム
241 第2ロータリエンコーダ(第2回転検出手段)
252 第1ロータリエンコーダ(第1回転検出手段)
Claims (6)
- 筒部材と、該筒部材内に設けた回転軸とを備え、これら筒部材および回転軸を非円形穴に進退させ、前記筒部材の外周の収納孔に突没自在に設けた工具を、前記回転軸の軸上に設けたカムのカムプロファイルに従い、前記収納孔から突出させて、非円形穴の内周面を加工する加工装置に設けられ、
前記カムの回転角と、前記回転角により得られる工具の突出量とを対応付けたデータを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶したデータに従い、前記筒部材に対して前記回転軸を進角化または退角化させる制御手段とを備えたことを特徴とするカム駆動装置。 - 第1回転軸と、該第1回転軸内に設けた第2回転軸とを備え、これら回転軸を非円形穴に進退させ、第1回転軸の外周の収納孔に突没自在に設けた工具を、第2回転軸の軸上に設けたカムのカムプロファイルに従い、前記収納孔から突出させて、非円形穴の内周面を加工する加工装置に設けられ、
前記カムの回転角と、前記回転角により得られる工具の突出量とを対応付けたデータを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶したデータに従い、前記第1回転軸の位相に対して前記第2回転軸の位相を進角化または遅角化させる制御手段とを備えたことを特徴とするカム駆動装置。 - 前記第1回転軸の回転速度を検出する第1回転検出手段と、
前記第2回転軸の回転速度を検出する第2回転検出手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記第1及び第2回転軸の回転速度を同期させる場合、前記第1回転軸の回転速度に前記第2回転検出手段の分解能を乗算するとともに、前記第2回転軸の回転速度に前記第1回転検出手段の分解能を乗算し、両者の差分から速度誤差を算出し、該速度誤差を前記第1又は第2回転軸の回転速度の指令値に加えて回転制御する
ことを特徴とする請求項1に記載のカム駆動装置。 - 前記カムを真円形状としたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載のカム駆動装置。
- 第1回転軸と、該第1回転軸内に設けた第2回転軸とを備え、これら回転軸を非円形穴に進退させ、第1回転軸の外周の収納孔に突没自在に設けた工具を、第2回転軸の軸上に設けたカムのカムプロファイルに従い、前記収納孔から突出させて、非円形穴の内周面を加工するとともに、
前記カムの回転角と、前記回転角により得られる工具の突出量とを対応付けたデータに従い、前記第1回転軸の位相に対して前記第2回転軸の位相を進角化または遅角化させることを特徴とする加工方法。 - 前記収納孔から前記工具を突出させて非円形穴の内周面を加工する際の、加工装置を制御するための加工用情報は、
CAEシステムにおいて、コンピュータ上の仮想空間上にて、理想的な形状をしたボアがあけられた被組付け部材を対象に、前記被組付け部材に組付け部材が組み付けられたときに、当該ボアにおける断面所望の理想形状が変形して、組付けた後のボアがどのような形状になるのかがシミュレートされ、そのシミュレートされた形状により生成されたデータに基づいて生成された情報であることを特徴とする請求項5に記載の加工方法。
Priority Applications (4)
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