JP5416198B2 - 非真円形穴加工方法および非真円形穴加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、非真円形穴加工方法および非真円形穴加工装置に関する。詳しくは、既に形成された断面非真円形状の穴と同一形状の穴を、ワークに形成する非真円形穴加工方法および非真円形穴加工装置に関する。

従来より、自動車の製造工程では、エンジンのシリンダブロックのボアを切削加工し、その後、シリンダヘッドやクランクケース等をシリンダブロックに組み付けることが行われる。
ここで、ボアに収容されるピストンは断面真円形状であるため、ボアの断面形状が真円に近い状態になるように切削加工している。

ところが、シリンダブロックのボアを断面真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。

そこで、シリンダブロックのボアを加工する際、シリンダヘッドを模したダミーヘッドを取り付けてボアの加工を行い、ボアの加工が終了すると、ダミーヘッドを取り外していた。
しかしながら、シリンダブロックのボア加工の都度、ダミーヘッド等の取り付け、取り外しを行うと、生産性が大幅に低下する、という問題がある。

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真円形状に加工する。

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。

その後、生成したＮＣデータに基づいて、ダミーヘッドを装着せずに、未加工のシリンダブロックのボーリング加工を行って、非真円形状のボアを形成する。
このようにすれば、シリンダブロックにダミーヘッドを取り付けずにボアを加工しても、シリンダヘッドを装着すると、ボアが真円形状となる。

特開２００７−３１３６１９号公報

しかしながら、シリンダブロックからダミーヘッドを取り外した際のボア変形量は、必ずしも均一ではないため、各測定点でのボアの断面形状は互いに異なる。よって、各測定点での断面形状をそのままＮＣデータに変換すると、データ量が膨大となってデータを処理しきれず、工作機械の加工速度が低下する。
さらに、実測した断面形状には高次のノイズが含まれるので、このノイズを含んでＮＣデータを生成すると、工作機械のモータが振動する、という問題がある。この問題を解決するため、データをフィルタリングする必要があるが、フィルタリング方式によっては、カットオフ周波数付近で位相がずれてしまい、加工精度が低下するおそれがある。

本発明は、高速かつ高精度でワークを加工できる非真円形穴加工方法および非真円形穴加工装置を提供することを目的とする。

本発明の非真円形穴加工方法は、加工するワークの形状データを周波数解析し、当該０次からｎ次（ｎは自然数）までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出する分析形状パラメータ算出工程と、前記分析形状パラメータを、加工装置の電子記憶媒体に記憶させる分析形状パラメータ記憶工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の非真円形穴加工方法は、既に形成された断面非真円形状の穴の形状を測定し、既に形成されかつ測定されたこの穴と同一形状の他の穴を、ワークに形成する非真円形穴加工方法であって、前記既に形成された穴の軸線上に複数の測定点（例えば、後述の測定点Ｍ１〜Ｍ４）を設定し、前記複数の測定点それぞれでの当該穴の内径形状を測定して、内径形状データとして取得する内径形状データ取得工程と、前記内径形状データを周波数解析し、当該０次からｎ次（ｎは自然数）までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出する分析形状パラメータ算出工程と、前記分析形状パラメータを、加工装置の電子記憶媒体に記憶させる分析形状パラメータ記憶工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の非真円形穴加工方法は、シリンダブロック（例えば、後述のシリンダブロック６０）に形成された断面非真円形状のボア（例えば、後述のボア６１）と同一形状のボア（例えば、後述のボア６１Ａ）を、他のシリンダブロック素材（例えば、後述のシリンダブロック６０Ａ）に形成する非真円形穴加工方法であって、製品シリンダヘッドを模したダミーヘッド（例えば、後述のダミーヘッド７０）を前記シリンダブロック素材に装着して、ボーリング加工によりボアを形成し、ボアを形成した後に、前記シリンダブロックから前記ダミーヘッドを取り外す準備工程と、前記ボアの軸線上に複数の測定点（例えば、後述の測定点Ｍ１〜Ｍ４）を設定し、前記複数の測定点それぞれでの前記ボアの内径形状を測定して、内径形状データとして取得する内径形状データ取得工程と、前記内径形状データを周波数解析し、当該０次からｎ次（ｎは自然数）までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出する分析形状パラメータ算出工程と、前記分析形状パラメータを、加工装置の電子記憶媒体に記憶させる分析形状パラメータ記憶工程と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、内径形状データを周波数解析し、０次からｎ次までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出したので、従来に比べて、データ量を大幅に低減できるから、高速でワークを加工できる。
また、高次のノイズを含む複雑な内径形状データの中から低次の周波数成分のみを抽出して、この抽出した低次の周波数成分のみで分析形状パラメータを生成したので、高次のノイズを除去して非常にシャープなフィルタ効果を有するとともに、位相が崩れるのを抑制できる。ここで、位相が崩れるとは、図１２のボード線図に示すように、加工ヘッドに接続されたシャフトについて、先端側つまり加工ヘッド側の位相が、基端側つまり駆動側の位相よりも遅れることである。よって、この分析形状パラメータに基づいて加工装置を駆動すると、振動を低減できるから、高精度でワークを加工できる。

この場合、加工ヘッド（例えば、後述の加工ヘッド１０）の駆動周波数と当該加工ヘッドのゲインおよび位相遅れとの関係をプロットしたボード線図を生成し、当該ボード線図をボード線図マップとして加工装置の電子記憶媒体に記憶するボード線図記憶工程と、前記加工ヘッドの使用駆動周波数の０次からｎ次までの周波数成分を求め、前記ボード線図に基づいて、当該周波数成分毎のゲインおよび位相遅れを誤差パラメータとして算出する誤差パラメータ算出工程と、前記分析形状パラメータ算出工程で算出した０次からｎ次までの周波数成分の振幅値および位相値を、前記誤差パラメータ算出工程で算出した周波数成分毎のゲインおよび位相遅れで補正して合成した後に反転させて、当該反転させたデータの振幅を前記加工ヘッドに突没可能に設けられた加工工具の突出量とし、当該突出量と前記加工工具の回転角との関係を示す突出量マップを生成する合成内径形状マップ生成工程と、前記突出量マップに従って前記加工工具を突出させて、未加工のワークにボーリング加工を施すボーリング工程と、を備えることが好ましい。

この場合、前記ｎ次は、４次であることが好ましい。

この発明によれば、ボード線図からゲインおよび位相遅れを求めて、誤差パラメータとする。そして、この誤差パラメータを用いて、０次からｎ次までの周波数成分の振幅値および位相値を補正した。よって、加工ヘッドの機械的特性を考慮して、ボーリング加工できる。

この場合、前記形状データは、コンピュータ上の仮想空間にて、理想的な形状のワークを生成し、その後、当該ワークの温度を変化させて、当該ワークの理想的な形状からの変化をシミュレートし、このシミュレートした形状に基づいて生成したデータであることが好ましい。

この発明によれば、実際にワークの温度を変化させてワークの形状を測定することなく、ワークの形状データを得ることができる。

本発明の非真円形穴加工装置（例えば、後述の非真円形穴加工装置１）は、加工するワークの形状データを周波数解析し、当該０次からｎ次（ｎは自然数）までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出する分析形状パラメータ算出手段（例えば、後述の上位コンピュータ５２）と、前記分析形状パラメータ算出手段で算出された分析形状パラメータを記憶する分析形状パラメータ記憶手段（例えば、後述の上位コンピュータ５２）と、を備えることを特徴とする。

本発明の非真円形穴加工装置は、既に形成された断面非真円形状の穴の形状を測定し、既に形成されかつ測定されたこの穴と同一形状の他の穴を、ワークに形成する非真円形穴加工装置であって、前記既に形成された穴の軸線上に複数の測定点を設定し、前記複数の測定点それぞれでの当該穴の内径形状を測定して、内径形状データとして取得する内径形状データ取得手段（例えば、後述の真円度測定器５１）と、前記内径形状データを周波数解析し、当該０次からｎ次（ｎは自然数）までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出する分析形状パラメータ算出手段と、前記分析形状パラメータ算出手段で算出された分析形状パラメータを記憶する分析形状パラメータ記憶手段と、を備えることを特徴とする。

この場合、加工ヘッドの駆動周波数と当該加工ヘッドのゲインおよび位相遅れとの関係をプロットしたボード線図を、ボード線図マップとして記憶するボード線図記憶手段（例えば、後述の上位コンピュータ５２）と、前記加工ヘッドの使用駆動周波数の０次からｎ次までの周波数成分を求め、前記ボード線図に基づいて、当該周波数成分毎のゲインおよび位相遅れを誤差パラメータとして算出する誤差パラメータ算出手段（例えば、後述の同期コントローラ４２）と、前記分析形状パラメータ算出手段で算出した０次からｎ次までの周波数成分の振幅値および位相値を、前記誤差パラメータ算出手段で算出した周波数成分毎のゲインおよび位相遅れで補正して合成した後に反転させて、当該反転させたデータの振幅を前記加工ヘッドに突没可能に設けられた加工工具の突出量とし、当該突出量と前記加工工具の回転角との関係を示す突出量マップを生成する合成内径形状マップ生成手段（例えば、後述の同期コントローラ４２）と、前記突出量マップに従って前記加工工具を突出制御する加工工具制御手段（例えば、後述の同期コントローラ４２）と、を備えることが好ましい。

この場合、前記ｎ次は、４次であることが好ましい。

この発明によれば、上述の効果と同様の効果がある。

本発明によれば、内径形状データを周波数解析し、０次からｎ次までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出したので、従来に比べて、データ量を大幅に低減できるから、高速でワークを加工できる。
また、高次のノイズを含む複雑な内径形状データの中から低次の周波数成分のみを抽出して、この抽出した低次の周波数成分のみで分析形状パラメータを生成したので、高次のノイズを除去して非常にシャープなフィルタ効果を有するとともに、位相が崩れるのを抑制できる。よって、この分析形状パラメータに基づいて加工装置を駆動すると、振動を低減できるから、高精度でワークを加工できる。

本発明の一実施形態に係る非真円形穴加工装置の概略構成図である。 前記実施形態に係る非真円形穴加工装置のカムの突出量を示す模式図である。 前記実施形態に係る非真円形穴加工装置のカム角度と切削バイトの突出量との関係を示す図である。 前記実施形態に係る非真円形穴加工装置の同期コントローラの動作を示すブロック線図である。 前記実施形態に係る非真円形穴加工装置を用いてシリンダブロックのボアをボーリング加工する手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る非真円形穴加工装置を用いてボーリング加工されるシリンダブロックを示す断面図である。 前記実施形態に係るシリンダブロックの変形した状態を説明するための図である。 前記実施形態に係る非真円形穴加工装置のボア内径形状の測定からボーリング加工までの詳細な手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係るシリンダブロックの測定点で測定したボアの内径形状を示す模式図である。 前記実施形態に係るシリンダブロックの１つの測定点で測定したボアの内径形状を示す断面図である。 前記実施形態に係るシリンダブロックの１つの測定点で測定したボアの内径形状を、回転軸を横軸として表した図である。 前記実施形態に係る非真円形穴加工装置のボード線図である。 前記実施形態に係るシリンダブロックのボアの内径形状を構成する周波数成分を示す図である。 前記実施形態に係る非真円形穴加工装置により生成した突出量マップを用いた比例補間処理を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
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。
また、上位コンピュータ５２には、ワークのシミュレーション解析を行うＣＡＥシステム５４、および、ワークの設計を行うＣＡＤシステム５３が接続されている。

回転駆動機構２０は、円筒形状のアーバ２１と、アーバ２１の内部に収納されたシャフト２２と、アーバ２１を回転駆動するアーバモータ２３と、シャフト２２を回転駆動するシャフトモータ２４と、アーバモータ２３を収容するハウジング２５と、を備える。
ここで、アーバ２１の回転軸とシャフト２２の回転軸とは、同軸である。

ハウジング２５には、アーバモータ２３のほか、アーバ２１を回転可能に保持するベアリング２５１と、アーバ２１の回転速度および回転角を検出する第１ロータリエンコーダ２５２と、進退機構３０が螺合されるナット部２５３と、が設けられている。

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。

進退機構３０は、送りねじ機構であり、ねじが刻設された軸部３１と、この軸部３１を回転駆動する進退モータ３２と、軸部３１の回転速度および回転角を検出する第３ロータリエンコーダ３３と、を備える。軸部３１は、ハウジング２５のナット部２５３に螺合されている。
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。

加工ヘッド１０は、アーバ２１に一体に連結される円筒形状のアーバ１１と、アーバ１１の内部に収納されてシャフト２２に一体に連結されるシャフト１２と、アーバ１１の外周面に突没可能に設けられた切削バイト１３と、を備える。

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、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に示すように、シャフト１２には、切削バイト１３を突出する方向に押圧するカム１２１が設けられている。
カム１２１は、例えば、真円形状であり、シャフト１２は、この真円形の中心からずれた位置に設けられている。これにより、シャフト１２の回転中心からカム１２１の周縁までの距離は、連続的に変化する。
なお、カム１２１の形状は、真円形状に限らないが、コストを低減するため、真円形状が好ましい。

このカム１２１の周縁には、切削バイト１３の基端縁が当接する。したがって、アーバ１１に対するシャフト１２の角度を変化させることで、カム１２１の周縁のうち切削バイト１３に当接する部分が変化し、切削バイト１３のアーバ１１の外周面からの突出量が変化する。

図２（ａ）は、カム１２１の突出量がｔである状態を示す模式図であり、図２（ｂ）は、切削バイト１３の突出量がゼロである状態を示す模式図である。
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。

切削バイト１３の突出量がｔとなる状態では、カム角度はαである。このαを初期角度とする。一方、切削バイト１３の突出量がゼロとなる状態では、カム角度は（α＋β）である。
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。

Ｌ１＝Ｃｏ×ｃｏｓ（α）＋Ｃｒ ・・・（１）
Ｌ２＝Ｃｏ×ｃｏｓ（α＋β）＋Ｃｒ ・・・（２）

以上より、カム角度のストロークはβ（揺動角）となり、切削バイト１３の突出量のストロークはｔとなり、以下の式（３）が成立する。

ｔ＝Ｌ１−Ｌ２＝Ｃｏ×{ｃｏｓ（α）−ｃｏｓ（α＋β）} ・・・（３）

この式（３）に基づいて、カム角度と切削バイト突出量との関係を図３に示す。
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中破線で示すように、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。

したがって、切削バイト１３をΔｔだけ突出させたい場合には、この突出量（Δｔ）に対応するカム角度（α＋Δβ）を、カム角度の指令値とする。これにより、容易に突出量を直線状（リニア）に変化させることができる。
具体的には、例えば、突出量（Δｔ）と、カム角度の指令値（α＋Δβ）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＋Δβ）を呼び出せるようにする。なお、これに限らず、突出量カム角度対応テーブル９０を、同期コントローラ４２自体に記憶させてもよいし、また、上位コンピュータ５２から同期コントローラ４２に出力させてもよい。

図１に戻って、制御装置４０は、アーバ２１およびシャフト２２を同期して回転させつつ、アーバ２１の回転角の位相に対してシャフト２２の回転角の位相を進角化または遅角化することにより、切削バイト１３のアーバ１１の外周面からの切削バイト１３の突出量を調整することができる。
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。

主制御装置４１は、上位コンピュータからの出力に従って、第１サーボアンプ４３および第３サーボアンプ４５を介して、アーバモータ２３および進退モータ３２を駆動し、ワークに対する切削バイト１３の切削速度および軸線上の位置を制御する。すなわち、主制御装置４１は、いわゆるＮＣ（数値）制御装置と同様の動作をする装置である。この主制御装置４１は、突出量カム角度対応テーブル９０を記憶したメモリ９１を備えている。

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。

具体的には、アーバ２１の回転角および加工ヘッド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）と、切削バイト１３の突出量との関係を示すマップが、上位コンピュータからの出力に基づいて生成され、このマップは、同期コントローラ４２により、当該同期コントローラ４２内のメモリに記憶される。
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１４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。

そして、同期コントローラ４２は、第１ロータリエンコーダ２５２で検出したアーバ２１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）、ならびに、第３ロータリエンコーダで検出した軸部３１の回転角（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）に基づいて、前記同期コントローラ４２内のメモリに記憶された、切削バイト１３の突出量の関係を示すマップを参照して、第２サーボアンプ４４を介して、シャフトモータ２４を駆動する。
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。

以上の同期コントローラ４２によるシャフト２２の制御について、図４を参照しながら説明する。
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、算出した差分を速度誤差として算出するとともに、この速度誤差を積分して位置誤差とする。
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。

一方、アーバ２１とシャフト２２との位相をずらす場合、まず、加工ヘッド１０を進退させる軸部３１の回転角を取得すると、制御装置により、加工ヘッド１０の進退方向の位置（すなわち切削バイト１３のボアに対する軸線上の位置）が算出されて、マップ切替え器にて、この算出された加工ヘッド１０の進退方向の位置に応じて、上述のアーバ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マップ（ボアの２次元断面データ）を切り替える。
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。

次に、以上のように構成される非真円形穴加工装置１を用いて、自動車エンジンのシリンダブロックのボアをボーリング加工する手順について、図５のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１において、図６（ａ）に示すように、シリンダブロック素材であるシリンダブロック６０に、ダミーヘッド７０をボルト７１により装着する。ダミーヘッド７０は、製品シリンダヘッドを模した形状および材質からなり、中央部には、非真円形穴加工装置１の加工ヘッド１０が挿入可能な孔が形成されている。

次に、ステップＳ２において、シリンダブロック６０を所定の位置に配置し、非真円形穴加工装置１により、ボア６１を所望の真円度に加工する。

次に、ステップＳ３において、シリンダブロック６０から、ボルト７１の締付けを解除して、ダミーヘッド７０を取り外す。すると、図６（ｂ）に示すように、シリンダブロック６０のボア６１の内径が、図６（ａ）の状態から多少変形することになる。これは、ダミーヘッド７０の組付けによる応力が解除されるからである。

具体的には、図７（ａ）に示すように、シリンダブロック６０には、４つのボア６１が一直線上に並んで形成されている。各ボア６１の周囲には、ボルト７１が螺合されるボルト穴７２が形成されている。
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。

よって、以下、ボアの内径形状を周波数解析するステップ（分析内径形状パラメータ算出工程）においては、４次までの周波数解析をする例を記載した。これは、４次までの周波数解析であればシリンダブロックのボアの変形をほぼ再現できるからである。
すなわち、４次成分は四角形状の成分を表し、３次成分は三角形状の成分を表し、２次成分は楕円形状の成分を表すので、０次〜４次までの周波数解析を行って余弦波で表し、これら余弦波を合成することで、シリンダブロックのボアの変形を再現でき、高次のノイズを除去できる。

また、断面２次元形状（Ｘ_Ｉ，Ｙ_Ｉ）を、通常のＮＣデータ形式で点群（Ｘ_Ｉ，Ｙ_Ｉ）として記憶すればデータ量が膨大になるが、本発明のように余弦波を用いて曲線デ一タ形式で記憶することで、データ量をかなり低減できデータ処理を高速化できる。
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場合、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。

そこで、ステップＳ４において、ダミーヘッド７０を取り外した後のシリンダブロック６０のボア６１の軸線上の所定間隔おきに内径形状を測定し、上位コンピュータ５２に内径形状データとして記憶する。

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。

そして、ステップＳ７において、先ず、既にボーリング加工を行ったシリンダブロック６０とは別の、新たなシリンダブロック素材であるシリンダブロック６０Ａを所定の位置に配置する。次いで、同期コントローラ４２の制御下に、生成された合成内径形状マップに基づいたボーリング加工をシリンダブロック６０Ａに施す。

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と同様の真円度となる。

次に、上述のステップＳ４のボア内径形状の測定からステップＳ７のボーリング加工までの詳細な手順について、図８のフローチャートを参照しながら説明する。

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は、各測定点Ｍ１〜Ｍ４で測定したボアの内径形状Ｒ１〜Ｒ４を示す模式図である。
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は、測定点Ｍ１〜Ｍ４のうちの１つ、ここでは、測定点Ｍ２で測定したボアの内径形状Ｒ２を示す断面図である。図１１は、図１０のボアの内径形状Ｒ２を、回転角を横軸として表した図である。
図１０および図１１中、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ΔＬだけ内側をＬ１とし、基準線Ｌ０よりもΔＬだけ外側をＬ２とする。
図１０および図１１に示すように、測定したボアの内径形状には、ΔＬ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。

ステップＳ１２では、上位コンピュータ５２により、各測定点Ｍ１〜Ｍ４のボアの内径形状を周波数解析することで、真円に対する誤差のｎ次成分を抽出し、それぞれの振幅および位相を求めて、振幅・位相についての分析内径形状パラメータ（Ａ_ｎ，Ｐ_ｎ）を生成する。

具体的には、以下の式（４）〜（７）に従って、基準線Ｌ０からの突出量を角度θの関数ｘ（θ）で表し、以下の式に従ってフーリエ変換を行い、ｎ次成分の振幅Ａ_ｎおよび位相Ｐ_ｎを求める。
ここで、振幅Ａ_０は、基準線である真円に対する半径の誤差を表し、振幅Ａ_１は、基準線である真円からの偏心を表し、振幅Ａ_２は、楕円形状の成分を表し、振幅Ａ_３は、三角形状の成分を表し、振幅Ａ_４は、四角形状の成分を表す。また、Ｐ_０は不要である。

これらｎ次成分の分析内径形状パラメータ（Ａ_ｎ，Ｐ_ｎ）を、フーリエ逆変換して、基準線Ｌ０からの突出量を角度θの関数Ｔ（θ）で表すと、式（８）のようになる。

次に、式（８）中のｋ値を、図１２に示す非真円形穴加工装置１のボード線図に従って、以下の手順で求める。
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。

図１２のボード線図によれば、５００Ｈｚ付近では、共振周波数が存在し、位相が大きくずれて、挙動が不安定になることが判る。よって、使用可能な周波数領域は、２００〜３００Ｈｚ付近までになる、と判断できる。
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。

よって、式（８）中において、ｋ＝４として、Ａ_１×ｃｏｓ（θ＋Ｐ_１）、Ａ_２×ｃｏｓ（２θ＋Ｐ_２）、Ａ_３×ｃｏｓ（３θ＋Ｐ_３）、Ａ_４×ｃｏｓ（４θ＋Ｐ_４）の４つの周波数の波形をプロットすると、図１３のようになる。

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（Ａ_ｎ，Ｐ_ｎ）を同期コントローラ４２に出力する。

ステップＳ１５では、同期コントローラ４２により、ゲイン・位相マップを参照して、使用回転数に応じた誤差パラメータ（Δａ_ｎ，Δｐ_ｎ）を求める。

つまり、図１２のボード線図に示すように、使用可能領域内でシャフトモータ２４を駆動しても、ゲインおよび位相がずれて、加工誤差が生じてしまう。そこで、使用回転域でのｎ次周波数を求め、そこからゲインと位相遅れを求めて、誤差パラメータ（Δａ_ｎ，Δｐ_ｎ）を求める。

例えば、図１２から、シャフトモータ２４の回転数を３０００ｒｐｍとすると、４次成分の周波数は、３０００／６０×４＝２００Ｈｚとなり、ゲインは＋６ｄＢ程度、位相は−２７°程度と読み取れる。
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（１０^６／２０≒２、２０Ｌｏｇ_１０（２）≒６ｄＢ）の振幅で動作することになるため、振幅補正Δａ_４＝０．５、位相補正Δｐ_４＝＋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Ｓ１６では、同期コントローラ４２により、分析内径形状パラメータ（Ａ_ｎ，Ｐ_ｎ）を誤差パラメータ（Δａ_ｎ，Δｐ_ｎ）で補正し、フーリエ逆変換する。
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。

ステップＳ１８では、同期コントローラ４２により、切削バイト１３の突出量マップに基づいて、比例補間処理により、ボーリング加工するための詳細な突出量マップを生成する。
これは、図１４（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。

具体的には、例えば、図１４（ｂ）に示すように、互いに上下に隣り合う軌跡Ｒ１Ａ、Ｒ２Ａの間に位置する軌跡Ｓ上の点Ｓ１の位置を求める。
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。

ΔＲ：δｒ＝ΔＺ：δｚ ・・・（９）

ステップＳ１９では、同期コントローラ４２により、アーバ２１の回転角度および加工ヘッド１０の進退方向の位置に基づいて、記憶したマップに従い、切削バイト１３の突出量を求める。
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、アーバ２１とシャフト１２、２２との位相を調整し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。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）従来では、例えば、１度ステップのＸ−Ｙテーブルでボアの形状を加工しようとすると、１つのボアの形状につき、３６０ラインのＧコード命令が必要になる。
しかしながら、本発明では、Ａ０〜Ａ４、Ｐ１〜Ｐ４の合計９個のパラメータで１つのボアの形状を表現できるので、従来に比べて、データ量を大幅に低減できるから、高速でボアをボーリング加工できる。
また、高次のノイズを含む複雑な内径形状データの中から低次の周波数成分のみを抽出して、この抽出した低次の周波数成分のみで分析内径形状パラメータを生成したので、高次のノイズを除去して非常にシャープなフィルタ効果を有するとともに、位相が崩れるのを抑制できる。よって、この分析内径形状パラメータに基づいて非真円形穴加工装置１を駆動すると、振動を低減できるから、高精度でワークを加工できる。

（２）Ａ０〜Ａ４、Ｐ１〜Ｐ４を個別に編集することで、非真円形穴加工装置１による加工形状を自由に調整できる。

（３）測ピッチを加工ピッチよりも大きく設定し、測定ピッチで測定したボアの形状データに基づいて、比例補間処理により、加工ピッチでの突出量マップ（合成内径形状マップ）を生成した。よって、データ量をさらに低減できるうえに、加工にかかる時間や労力を削減できる。
例えば、エンジンのボア長が１００〜１５０ｍｍ程度で、加工ピッチを０．１ｍｍとし測定ピッチを５ｍｍとすると、加工ピッチでボアの形状を測定した場合に比べて、データ量を１／５０にできる。

（４）誤差パラメータ（Δａ_ｎ，Δｐ_ｎ）を用いて、分析内径形状パラメータ（Ａ_ｎ，Ｐ_ｎ）を補正したので、加工ヘッド１０の機械的特性を考慮して、ボーリング加工できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本実施形態では、シリンダブロック６０およびダミーヘッド７０を用いて、実際にボアを変形させて、このボアの内径形状を測定したが、これに限らず、ＣＡＤシステム５３およびＣＡＥシステム５４を用いて、仮想空間上でボアを変形させて、ボアの内径形状を算出してもよい。

すなわち、図１に示すように、まず、ＣＡＤシステム５３により、コンピュータ上の仮想空間において、所望の真円度のボアが形成されたシリンダブロックの３次元モデルを生成する。その後、ＣＡＥシステム５４により、コンピュータ上の仮想空間において、ＣＡＤシステム５３で生成したシリンダブロックにシリンダヘッドを組み付けて、シリンダヘッドの押圧力によりシリンダブロックのボアがどのように変形するのかをシミュレートし、この状態で、所望の真円度のボアを加工する。次に、シリンダヘッドを取り外して、ボアの内径形状を算出する。
このようにすれば、実際にシリンダブロックにシリンダヘッドを組み付けて、ボアをボーリング加工して、ダミーヘッドを取り外し、ボアの内径を測定する必要がなくなる。

また、ＣＡＥシステム５４を用いて、コンピュータ上の仮想空間において、ＣＡＤシステム５３で生成したシリンダブロックにシリンダヘッドを組み付けて、このシリンダブロックをエンジン運転時の温度まで加温し、この状態で、所望の真円度のボアを加工して、その後、シリンダヘッドを取り外して、ボアの内径形状を算出してもよい。
このようにすれば、実際にシリンダブロックにダミーヘッドを組み付けて、エンジン運転時の温度まで暖めて、その後、ボアをボーリング加工して、ダミーヘッドを取り外し、ボアの内径を測定する必要がなくなる。
なお、ＣＡＤシステム５３およびＣＡＥシステム５４を用いてボアの内径形状を算出した場合には、このボアの内径形状のデータを、そのまま、内径形状データとして上位コンピュータ５２に記憶させる。

また、本実施形態では、非真円形穴加工装置１に工具として切削バイト１３を設け、この切削バイト１３で非真円形穴の内周面を切削加工したが、工具の種類は、これに限らない。すなわち、研磨加工具など、アーバ２１に突没させて用いる工具であれば、どのようなものでもよい。

また、本実施形態では、ワークであるシリンダブロックを固定し、この状態で、加工ヘッド１０を回転させてボアを加工したが、これに限らない。すなわち、加工ヘッドを回転させずに、ワークであるシリンダブロックを回転させて、ボアを加工してもよい。このような加工にも、本発明を適用することができる。

また、本実施形態では、ワークであるシリンダブロックに形成された穴の内周面を加工したが、これに限らず、ワークの外周面を加工してもよい。すなわち、例えば、エンジンのカムシャフトのカム部およびジャーナル部、ピストン、ロータリーエンジンのロータ、クランクシャフトのピン部およびジャーナル部などが挙げられる。本発明をこれらの加工に適用しても、従来に比べてデータ量を大幅に低減できるから、高速で断面所望の理想形状のワークを加工でき、例えば、熱膨張を考慮した加工を高速で実行できる。

１ 非真円形穴加工装置
１０ 加工ヘッド
４２ 同期コントローラ（合成内径形状マップ生成手段、誤差パラメータ算出手段、加工工具制御手段）
５１ 真円度測定器（内径形状データ取得手段）
５２ 上位コンピュータ（分析形状パラメータ算出手段、分析形状パラメータ記憶手段、ボード線図記憶手段）
６０ シリンダブロック
６０Ａ シリンダブロック
６１ ボア
６１Ａ ボア
７０ ダミーヘッド
Ｍ１〜Ｍ４ 測定点

Claims (6)

1. 既に形成された断面非真円形状の穴の軸線上に設定された複数の測定点それぞれでの当該穴の内径形状を測定して取得した内径形状データを周波数解析し、当該０次からｎ次（ｎは自然数）までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出する分析形状パラメータ算出工程と、
   前記分析形状パラメータを、加工装置の電子記憶媒体に記憶させる分析形状パラメータ記憶工程と、
   加工ヘッドの駆動周波数と当該加工ヘッドのゲインおよび位相遅れとの関係をプロットしたボード線図を生成し、当該ボード線図をボード線図マップとして加工装置の電子記憶媒体に記憶するボード線図記憶工程と、
   前記加工ヘッドの使用駆動周波数の０次からｎ次までの周波数成分を求め、前記ボード線図に基づいて、当該周波数成分毎のゲインおよび位相遅れを誤差パラメータとして算出する誤差パラメータ算出工程と、
   前記分析形状パラメータ算出工程で算出した０次からｎ次までの周波数成分の振幅値および位相値を、前記誤差パラメータ算出工程で算出した周波数成分毎のゲインおよび位相遅れで補正して合成し、当該データの振幅を前記加工ヘッドに突没可能に設けられた加工工具の突出量とし、当該突出量と前記加工工具の回転角との関係を示す突出量マップを生成する合成内径形状マップ生成工程と、
   前記突出量マップに従って前記加工工具を突出させて、未加工のワークにボーリング加工を施すボーリング工程と、を備えることを特徴とする非真円形穴加工方法。
2. シリンダブロックに形成された断面非真円形状のボアの軸線上に設定された複数の測定点それぞれでの前記ボアの内径形状を測定して取得した内径形状データを周波数解析し、当該０次からｎ次（ｎは自然数）までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出する分析形状パラメータ算出工程と、
   前記分析形状パラメータを、加工装置の電子記憶媒体に記憶させる分析形状パラメータ記憶工程と、
   加工ヘッドの駆動周波数と当該加工ヘッドのゲインおよび位相遅れとの関係をプロットしたボード線図を生成し、当該ボード線図をボード線図マップとして加工装置の電子記憶媒体に記憶するボード線図記憶工程と、
   前記加工ヘッドの使用駆動周波数の０次からｎ次までの周波数成分を求め、前記ボード線図に基づいて、当該周波数成分毎のゲインおよび位相遅れを誤差パラメータとして算出する誤差パラメータ算出工程と、
   前記分析形状パラメータ算出工程で算出した０次からｎ次までの周波数成分の振幅値および位相値を、前記誤差パラメータ算出工程で算出した周波数成分毎のゲインおよび位相遅れで補正して合成し、当該データの振幅を前記加工ヘッドに突没可能に設けられた加工工具の突出量とし、当該突出量と前記加工工具の回転角との関係を示す突出量マップを生成する合成内径形状マップ生成工程と、
   前記突出量マップに従って前記加工工具を突出させて、未加工のワークにボーリング加工を施すボーリング工程と、を備えることを特徴とする非真円形穴加工方法。
3. 請求項１から２のいずれかに記載の非真円形穴加工方法において、
   前記ｎ次は、４次であることを特徴とする非真円形穴加工方法。
4. 請求項１に記載の非真円形穴加工方法において、
   前記内径形状データは、コンピュータ上の仮想空間にて、理想的な形状のワークを生成し、その後、当該ワークの温度を変化させて、当該ワークの理想的な形状からの変化をシミュレートし、このシミュレートした形状に基づいて生成したデータであることを特徴とする非真円形穴加工方法。
5. 既に形成された断面非真円形状の穴の軸線上に設定された複数の測定点それぞれでの当該穴の内径形状を測定して取得した内径形状データを周波数解析し、当該０次からｎ次（ｎは自然数）までの周波数成分の振幅値および位相値を分析形状パラメータとして算出する分析形状パラメータ算出する分析形状パラメータ算出手段と、
   前記分析形状パラメータ算出手段で算出された分析形状パラメータを記憶する分析形状パラメータ記憶手段と、
   加工ヘッドの駆動周波数と当該加工ヘッドのゲインおよび位相遅れとの関係をプロットしたボード線図を、ボード線図マップとして記憶するボード線図記憶手段と、
   前記加工ヘッドの使用駆動周波数の０次からｎ次までの周波数成分を求め、前記ボード線図に基づいて、当該周波数成分毎のゲインおよび位相遅れを誤差パラメータとして算出する誤差パラメータ算出手段と、
   前記分析形状パラメータ算出手段で算出した０次からｎ次までの周波数成分の振幅値および位相値を、前記誤差パラメータ算出手段で算出した周波数成分毎のゲインおよび位相遅れで補正して合成し、当該データの振幅を前記加工ヘッドに突没可能に設けられた加工工具の突出量とし、当該突出量と前記加工工具の回転角との関係を示す突出量マップを生成する合成内径形状マップ生成手段と、
   前記突出量マップに従って前記加工工具を突出制御する加工工具制御手段と、を備えることを特徴とする非真円形穴加工装置。
6. 請求項５に記載の非真円形穴加工装置において、
   前記ｎ次は、４次であることを特徴とする非真円形穴加工装置。
   

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