JP5374235B2 - 傾斜した回転軸上の加工基準点の測定に用いられる回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具、および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、傾斜して固定された回転軸を持つ４軸加工機において、ワークの加工基準点を測定するワーク取り付け機構及び測定治具、並びにワークの加工基準点の測定方法に関する。

ターボチャージャのインペラ（羽根車）のようなワーク（図１参照）１０は、ハブ面１１、メインブレード１２、およびスプリッタブレード１３を有し、一体削り出し構造として成形される。そして、メインブレード１２やスプリッタブレード１３は、中心軸直角断面のいずれにおいても同一形状をなすように設計され、ハブ面１１に等間隔で各ブレードが配置されている。

インペラのようなワーク１０は、高効率・高性能化が進み、形状の複雑化・多様化が進み、インペラのブレード（翼）の形状は三次元的にねじれた構造となっている。また、隣接するブレードが覆いかぶさっている。そのため、１方向（例えばＺ軸方向）からだけでは刃物の刃先が届かないアンダーカットの部分が存在するため、刃先が届き加工できる向きになるようにワーク１０を傾けて加工する必要がある。

従来はＸ，Ｙ，Ｚ軸の直交３軸に加え、ワークを傾けるためには回転軸（たとえばＣ軸）及び傾斜軸（例えばＢ軸）を有する５軸加工機を使用して加工しているが、ワークの形状によっては傾斜軸を傾斜させた位置で固定し回転軸のみでワークを回転させるだけで加工できる形状も存在する。直交３軸に回転軸のみを有した４軸加工機は５軸加工機よりも安価になり、設備投資及び加工製品価格を低く抑える効果がある。

図３は、４軸加工機の要部外観図である。４軸加工機はＸ軸，Ｙ軸として表される水平２軸とＸ軸，Ｙ軸に垂直なＺ軸の直線３軸の可動軸を有する。載置台３６には傾斜台３４が取り付けられており、回転テーブル２０は傾斜台３４に固定されている。回転テーブル２０には、回転軸中心２８を中心軸として回転する回転テーブルの取り付け面盤（以下、「円盤」という）２２を備えている。回転軸中心２８は水平軸であるＸ軸に対して傾斜している。円盤２２にはワーク素材Ｗを取り付けるワーク固定金具２６がボルト２４によって取り付けられている。そして、ワーク固定金具２６にはワーク１０が取り付けられる。ワーク素材Ｗは主軸頭３２に取り付けられた工具３０によって切削され、ワーク１０であるインペラが作成される。工具３０としてはエンドミルカッタを用いることで、インペラのブレードの加工が可能である。以降、円盤２２、ボルト２４、およびワーク固定金具２６からなる機構をワーク取り付け機構２１と称する。

図４は、図３で説明した４軸加工機の側面図であり、回転軸が傾斜して固定された状態と傾斜角θを説明する図である。回転テーブル２０は傾斜台３４に固定されている。回転テーブル２０の円盤２２の回転軸中心２８は、水平軸の１つであるＸ軸に対して傾斜角θだけ傾斜している。ワーク固定金具２６が取り付けられた円盤２２は回転軸中心２８を中心軸として回転する。ワーク固定金具２６の一端部にはワーク素材Ｗが取り付けられる。そして、ワーク素材Ｗを４軸加工機により加工しワーク１０であるインペラが得られる。

ところで、このような回転形状のワーク１０の加工プログラムを作成する場合には、例えばワークの回転軸をＺ軸に平行にし（図２参照）、ワークの回転中心軸上にプログラム基準点のＸＹ原点をとり、回転中心軸上の任意の点をＺ原点にすることが多い（図２参照）。そのため、ワーク素材Ｗの上面や下面にプログラム基準点のＸ，Ｙ，Ｚ原点を取ることが多いが，ワーク内部や外部の点でも良い。

このようなワーク１０を加工するには、ワーク素材Ｗを加工機に設置した後、プログラム作成時に決めたプログラム基準点となる加工基準点の座標を測定する必要がある。通常は、ワークをプログラム作成時の姿勢に固定し、加工機上で測定プローブやダイヤルゲージなどの測定器具を使用して加工基準点を測定する。

回転軸と傾斜軸を有する５軸加工機の場合は、傾斜軸を傾けて、例えば回転中心軸をＺ軸に平行に傾け、回転軸でワークを回転させてワークをプログラム作成時と同じ姿勢にすることができる。この状態で測定プローブやダイヤルインジケータなどによりワーク外周とワーク端面を測定することにより、回転中心上の加工基準点のＸＹＺ座標を測定することが可能である。

特許文献１には、旋回可能な２軸（Ａ，Ｂ軸）を有し、Ａ，Ｂ軸０度の位置でワーク加工基準点を測定し、Ａ，Ｂ軸割出し後のワーク加工基準点座標値を算出する演算手段を備えた５軸加工機の技術が開示されている。また、特許文献２には、５軸制御マシニングセンタなどの多軸工作機械において、旋回テーブルに球などの基準体を設置して、傾斜軸（旋回軸）を２箇所以上の任意に位置に旋回させて基準体を測定し、傾斜軸（旋回軸）中心位置を把握する技術が開示されている。

特開平２−２７９２４９号公報 特開２００７−４４８０２号公報

しかし、傾斜軸が固定されて動かない４軸加工機で加工する場合、プログラム作成時の姿勢にすることができないため、加工基準点の測定が困難になる。Ｙ方向は５軸加工機での測定と同様ワークの外周を測定プローブなどで測定しその中点として測定可能だが、Ｘ方向Ｚ方向の測定が困難である。

そこで本発明の目的は、加工時に回転軸を０度より大きく９０度より小さい任意の角度に傾斜して固定した状態で加工する工作機械において、回転軸が傾斜した状態で加工基準点の３次元位置を測定可能な回転テーブルのワーク取り付け機構又は測定治具、および測定方法を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、加工時に回転軸を０度より大きく９０度より小さい任意の角度に傾斜して固定した状態で加工する工作機械の回転軸に取り付ける回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具であって、傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる面と、傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる面を有することを特徴とする回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具である。
請求項２に係る発明は、請求項１における傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる面と加工基準点との距離がゼロまたは既知である回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具である。

請求項３に係る発明は、請求項１における傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる壁面が対向面をなす壁面で、対向面間の中心を通る線を延長した点と加工基準点との距離がゼロまたは既知である回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具である。
請求項４に係る発明は、請求項１における傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる面と加工基準点との距離がゼロまたは既知である回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具である。

請求項５に係る発明は、請求項１から４における回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具の少なくともいずれか１つを使用し、傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる面の鉛直方向位置を求め、傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる面の水平方向位置を求め、該鉛直方向位置および該水平方向位置に基づき加工基準点の座標値を求めることを特徴とする加工基準点を測定する方法である。

傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる面と、傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる壁面を有する回転テーブル、又は測定治具を使用することにより、回転軸が傾斜して固定された場合でもプローブやダイヤルゲージ等の簡便な測定装置でも回転軸中心線上に存在する加工基準点の３次元座標（ＸＹＺ軸）が測定可能となる。

ワークの一例であるインペラの外観斜視図である。 インペラの素材であるワーク素材の外観斜視図である。 ４軸加工機の要部外観図である。 回転軸が傾斜して固定された状態と傾斜角θを説明する図である。 ４軸加工機を制御する４軸加工機用数値制御装置の概略ブロック図である。 傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる円錐面と、円錐面に鉛直となる対向面をなす壁面を有する測定治具１を説明する図である。 測定治具１を傾斜軸に固定した状態を説明する図である。 測定治具１と加工基準点との関係を説明する図である。 測定プローブで水平となる面（円錐面）を測定することにより水平となる面のＺ軸座標値を求めることを説明する図である。 測定プローブで鉛直となる面（溝壁面）を測定することにより片側の壁面のＸ座標値を求めることを説明する図である。 傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる平面と、平面に鉛直となる壁面を有する測定治具２を説明する図である。 測定治具２と加工基準点との関係を説明する図である。 傾斜して取り付けた時に水平となる円錐面と、円錐面に鉛直となる対向面をなす壁面を有する回転テーブルを説明する図である。 傾斜して取り付けた時に水平となる円錐面と、円錐面に鉛直となる対向面をなす壁面を有するワーク固定治具を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明の第１の実施形態について説明する。
図６は、傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる円錐面と、円錐面に鉛直となる対向面をなす壁面を有する第１の測定治具を説明する図である。図６（ａ）は第１の測定治具の外観斜視図である。図６（ｂ）は第１の測定治具の回転軸に垂直な方向から第１の測定治具を見た側面図であり、図６（ｃ）は第１の測定治具の回転中心軸を含む切断面の形状である。

図６（ａ）〜（ｃ）に図示されているように、第１の測定治具１は、中心軸１ｅを有する略円柱形状をなし、外周面に周状に溝部１ａが設けられている。溝部１ａは、壁面１ｂ、円錐面１ｃ、および壁面１ｄとから形成されている。符号１ｆは第１の測定治具１をワーク固定金具２６（図３，図４参照）に取り付ける取り付け面である。

第１の測定治具１の姿勢を中心軸１ｅが水平になるようにした時、溝部１ａの壁面１ｂ，１ｄは鉛直方向に対して所定角度傾斜している。また、円錐面１ｃは、取り付け面１ｆと反対方向に仮想上の頂点を有する円錐の一部分である。

第１の測定治具１は、図７に図示されるように、４軸加工機の回転テーブル２０の円盤２２にボルト２４で固定されたワーク固定金具２６に、回転軸中心２８（図３，図４参照）と中心軸１ｅとが同軸となるように、取り付けられる。回転軸中心２８は水平方向に対して角度θ傾斜していることから、中心軸１ｅも水平方向に対して角度θ傾斜する。

図８は、図７に図示される第１の測定治具１がワーク固定金具２６に取り付けられた部位を拡大して説明する図である。図８には、第１の測定治具１と加工基準点との関係が示されている。第１の測定治具１は、取り付け面１ｆをワーク固定金具２６のワーク取り付け面に固定する。第１の測定治具１の円錐面１ｃは、傾斜した回転軸に取り付けられた時に母線が水平となり、また、円錐面１ｃに対して垂直な面である壁面１ｂ，１ｄは、鉛直方向に平行となるように、壁面１ｂ，１ｄと円錐面１ｃが形成されている。符号１ｇは加工基準点を表す。また、符号１ｈは溝部１ａの溝中心線を表す。符号１ｉは壁面１ｂと壁面１ｄとの距離を表し、符号１ｊは加工基準点１ｇと円錐面１ｃの距離を表し、符号１ｋは加工基準点１ｇと溝部１ａの溝中心の距離を表す。なお、壁面１ｂ，１ｄが鉛直方向に平行か、円錐面１ｃが水平であるかは、第１の測定治具１の中心軸１ｅを含む切断面において鉛直方向上方側の母線（輪郭線）に基づく。

図９は、測定プローブで水平となる面（円錐面）を測定することにより水平となる面のＺ軸座標値を求めることを説明する図である。第１の測定治具１がワーク固定金具２６に取り付けられた状態では、前述のとおり円錐面１ｃは水平となり、壁面１ｂ，１ｄは鉛直方向に平行となる。測定プローブ８により水平となる円錐面１ｃの鉛直方向の位置（Ｚ軸方向）であるＺ軸座標値を求める。図９では、測定プローブ８の先端球を円錐面１ｃの符号１ｍで示される位置に接触させ、Ｚ軸座標値を測定している。そして、この円錐面との距離１ｊが既知である加工基準点１ｇのＺ軸座標値を計算で求めることができる。

図１０は、測定プローブで垂直となる面（溝壁面）を測定することにより片側の壁面のＸ座標値を求めることを説明する図である。測定プローブ８を用いて鉛直方向に平行な面である壁面１ｂ，１ｄの水平方向であるＸ軸方向の位置を測定することができる。

まず、測定プローブ８を用いて、壁面１ｂのＸ軸座標値を測定する。測定して得られた座標値をＸ１ｂとする。次に、対向する壁面である壁面１ｄのＸ軸座標値を測定する。測定して得られた座標値をＸ１ｄとする。なお、図１０では、測定プローブ８の先端球を壁面１ｄの１ｎの位置に接触させて、壁面１ｄのＸ座標値を測定している。
そして、溝部１ａの溝部中心のＸ座標値は、（Ｘ１ｄ＋Ｘ１ｂ）／２により算出することができる。そして、溝部中心の位置と加工基準点との距離１ｋが既知である加工基準点１ｇのＸ座標値を計算で求めることができる。

なお、片側の溝壁面（１ｂまたは１ｄ）と加工基準点１ｇの距離が既知の場合は、対向面ではなく片側の溝壁面（１ｂまたは１ｄ）を測定することだけでも、加工基準点のＸ座標値を求めることができる。また、第１の測定治具１の中心軸１ｅ周りである全外周部に溝部１ａが形成されているが、Ｚ軸座標値およびＸ軸座標値を測定可能な領域のみに形成するだけでもよい。

また、加工基準点のＹ軸座標値については５軸加工機での測定と同様に、第１の測定治具１の外周のＹ方向の２点を測定プローブ８などで測定し、その中点座標として測定可能である。第１の測定治具１に替えてワーク素材Ｗの外周のＹ方向の２点を測定することによって行うこともできる。他の実施形態も同様の方法によりＹ軸座標値を求めることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１１は、傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる平面と、平面に鉛直となる壁面を有する第２の測定治具を説明する図である。第２の測定治具２は、傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる平面２ｃと、平面２ｃに垂直となる壁面２ｂ，２ｄを持った治具である。第２の測定治具２は、円盤状の基部と該基部の一面から突出した壁状の平板からなる。該平板は、傾斜した時に水平となる平面２ｃと、平面２ｃに垂直な壁面２ｂ，２ｄを持つ孔２ａを有する。孔２ａの側面である壁面２ｂ，２ｄは、第２の測定治具２が傾斜した回転軸に取り付けられた時に鉛直方向に平行な面となる。なお、孔２ａは、貫通孔としてもよいし、有底の穴形状としてもよい。また、孔または孔の側面の形状は、断面が円形状に限定されるものではなく、一側面がＸ軸方向に垂直な面を構成する断面矩形状のものでもよい。

図１２は、第２の測定治具２と加工基準点との関係を説明する図である。第１の測定治具１と同様に、水平となる平面２ｃと加工基準点２ｇとの距離２ｊは既知であるので、平面２ｃのＺ座標値を求めることで、加工基準点２ｇのＺ座標値を求めることができる。また、加工基準点２ｇのＸ座標値についても第１の測定治具１における加工基準点１ｇのＸ座標値を求めることと同様に、鉛直方向に平行となる壁面２ｂ，２ｄのＸ方向のＸ座標値を求めることで、計算できる。なお、符号２ｈは、孔２ａの中心線を表し、第１の測定治具１の溝部中心線１ｈに相当する。符号２ｋは、孔２ａの中心線から加工基準点２ｇまでのＸ軸方向の距離を表す。距離２ｋは既知の値である。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、回転テーブル２０が有するワーク取り付け機構２１を用いる形態である。
図１３は、傾斜して取り付けた時に水平となる円錐面と、円錐面に鉛直となる対向面をなす壁面を有する回転テーブルを説明する図である。図１３（ａ）は、回転テーブル２０のワーク取り付け機構２１の構成部材である円盤２２に、円錐面と円錐面に垂直となる壁面を設けた形態を説明する図である。以下、この形態の円盤２２を測定用円盤３という。図１３（ａ）に示されるように、円盤２２に替えて測定用円盤３を回転テーブル２０の回転円盤として用いる。図１３（ｂ）は円盤３の一部を拡大して説明する図である。

溝部３ａは、傾斜して取り付けた時に水平となる円錐面３ｃと、円錐面に鉛直となる対向面をなす壁面３ｂ，３ｄからなる。第１の測定治具１や第２の測定治具２と同様に、加工基準点３ｇと水平になる円錐面３ｃとの距離３ｊ、加工基準点３ｇ溝部３ａの中心軸線３ｈとの距離３ｋは既知であるので、水平となる円錐面３ｃのＺ軸方向のＺ座標値と、壁面３ｂ，３ｄのＸ軸方向のＸ座標値をそれぞれ求めることによって、加工基準点の座標値を求めることができる。なお、壁面３ｂまた壁面３ｄのいずれか一方からの加工基準点３ｇまでの距離が既知であれば、距離が既知である壁面のＸ座標値を求める。

第１の測定治具１や第２の測定治具２はワークＷの加工を実行する際には取り外されるが、傾斜軸に取り付けられた円盤３に水平となる円錐面３ｃおよび垂直となる壁面３ｂ，３ｄを設けた本発明のこの実施形態は、取り外す手間がない。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、回転テーブル２０が有するワーク取り付け機構２１を用いる形態である。
図１４は、傾斜して取り付けた時に水平となる円錐面と、円錐面に鉛直となる対向面をなす壁面を有するワーク固定金具を説明する図である。傾斜して取り付けた時に水平となる円錐面４ｃと、円錐面に鉛直となる対向面をなす壁面４ｂ，４ｄを有するワーク固定金具２６を以降、測定用ワーク固定金具４という。測定用ワーク固定金具４においても、第１の測定治具１、第２の測定治具２、円盤３と同様に、加工基準点４ｇと水平となる円錐面４ｃまでの距離４ｊ、壁面４ｂ，４ｄの中心線と加工基準点４ｇとの距離も既知であることから、水平面となる円錐面４ｃのＺ座標値を求め、鉛直方向に平行な面となる壁面４ｂ，４ｄのＸ方向のＸ座標値Ｘ４ｂ、Ｘ４ｄを求める。なお、壁面４ｂまた壁面４ｄのいずれか一方からの加工基準点４ｇまでの距離が既知であれば、距離が既知である壁面のＸ座標値を求める。

本発明の第１の実施形態や第２の実施形態の測定治具を回転テーブルのワーク取り付け機構に取り付けて加工基準点の測定を容易に実施できる。また、本発明の第３の実施形態および第４の実施形態は、回転テーブル２０（図３参照）が備えるワーク取り付け機構２１を加工基準点の測定用手段として用いることができるようにしたものである。これによって、加工基準点を測定するための治具の取替え作業を行う必要がない。

１ 第１の測定治具
１ａ 溝部
１ｂ 壁面
１ｃ 円錐面
１ｄ 壁面
１ｅ 中心軸
１ｆ 取り付け面
１ｇ 加工基準点
１ｈ 溝中心線
１ｉ 壁面間距離
１ｊ Ｚ軸方向距離
１ｋ Ｘ軸方向距離
２ 第２の測定治具
Ｗ ワーク素材
１０ ワーク
１１ ハブ面
１２ メインブレード
１３ スプリッタブレード
２０ 回転テーブル
２１ ワーク取り付け機構
２２ 円盤
２４ ボルト
２６ ワーク固定金具

Claims (5)

1. 加工時に回転軸を０度より大きく９０度より小さい任意の角度に傾斜して固定した状態で加工する工作機械の回転軸に取り付ける回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具であって、
   傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる面と、
   傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる面を有することを特徴とする回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具。
2. 請求項１における傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる面と加工基準点との距離がゼロまたは既知である回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具。
3. 請求項１における傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる壁面が対向面をなす壁面で、対向面間の中心を通る線を延長した点と加工基準点との距離がゼロまたは既知である回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具。
4. 請求項１における傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる面と加工基準点との距離がゼロまたは既知である回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具。
5. 請求項１から４における回転テーブルのワーク取り付け機構または測定治具の少なくともいずれか１つを使用し、
   傾斜した回転軸に取り付けた時に水平となる面の鉛直方向位置を求め、
   傾斜した回転軸に取り付けた時に鉛直となる面の水平方向位置を求め、
   該鉛直方向位置および該水平方向位置に基づき加工基準点の座標値を求めることを特徴とする加工基準点を測定する方法。