JP5636841B2

JP5636841B2 - 加工方法およびｎｃプログラム作成装置

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Publication number: JP5636841B2
Application number: JP2010213458A
Authority: JP
Inventors: 尚大谷; 中野　浩之; 浩之中野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: JP2012068918A

Description

本発明は、少なくとも回転駆動軸を備える工作機械による加工方法、および、当該工作機械に適用されるＮＣプログラム作成装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、等高線加工を行い、凹部を形成することが記載されている。このような加工は、直交３軸の駆動軸を有し、回転駆動軸を有しない工作機械において実現できる。この場合、被加工物をテーブル上に固定しておき、テーブルと工具との相対位置を直交３軸の駆動軸を動作させることにより行われる。

特開平１１−１２３６３１号公報（図６）

ところで、例えば５軸工作機械（回転駆動軸を有する工作機械）を用いて、上述したような直交３軸工作機械（回転駆動軸を有しない工作機械）において加工が可能な被加工物を加工する場合、通常、直交３軸工作機械における動作と同様の動作を５軸工作機械にて実行させている。つまり、回転駆動軸を有するにも関わらず、回転駆動軸を用いることなく、直交３軸の駆動軸のみを用いて被加工物の加工を行っている。

また、工作機械において、それぞれの直進駆動軸の剛性は、同一ではない。そのため、例えば、Ｘ軸方向に移動させて加工した場合の加工精度と、Ｙ軸方向に移動させて加工した場合の加工精度とは、異なるおそれがある。ここで、駆動軸の剛性とは、工具が被加工物により当該駆動軸の駆動方向に力（切削抵抗）を受けた場合に、当該駆動方向における工具と被加工物との相対変位量の関係を意味する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、それぞれの直進駆動軸の剛性の相違による加工精度への影響を低減することで、加工精度を向上することができる加工方法およびその加工方法を実現することができるＮＣプログラム作成装置を提供することを目的とする。

（加工方法に関する発明）
（請求項１）本発明に係る加工方法は、剛性が異なる複数の直進駆動軸と一以上の回転駆動軸を有する工作機械による加工方法であって、機械座標系における基準直線方向を設定する基準直線方向設定工程と、被加工物を工具により加工する際に、前記回転駆動軸による回転動作を行うことにより、機械座標系における前記直進駆動軸による移動方向を前記基準直線方向に一致させて加工する加工工程とを備え、前記基準直線方向は、複数の前記直進駆動軸のうち前記剛性が相対的に高い前記直進駆動軸の方向ベクトルの大きさが、前記剛性が相対的に低い前記直進駆動軸の方向ベクトルの大きさより大きくなる方向に設定されている。

（請求項２）本発明において、剛性の異なる前記複数の直進駆動軸は、回転工具の回転軸にそれぞれ直交するＸ軸およびＹ軸であり、前記基準直線方向は、Ｘ軸方向ベクトルの大きさとＹ軸方向ベクトルの大きさを、設定された比率とした方向としてもよい。

（請求項３）本発明において、前記基準直線方向は、複数の前記直進駆動軸のうち前記剛性が相対的に高い前記直進駆動軸の駆動軸方向に一致させるように設定されているとよい。

（ＮＣプログラム作成装置に関する発明）
（請求項４）本発明に係るＮＣプログラム作成装置は、剛性が異なる複数の直進駆動軸と一以上の回転駆動軸を有する工作機械に適用され、前記直進駆動軸および前記回転駆動軸を実行するためのＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成装置であって、機械座標系における基準直線方向を設定する基準直線方向設定手段と、被加工物を工具により加工する際に、前記回転駆動軸による回転動作を行うことにより、機械座標系における前記直進駆動軸による移動方向を前記基準直線方向に一致させるように、前記ＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成手段とを備え、前記基準直線方向は、複数の前記直進駆動軸のうち前記剛性が相対的に高い前記直進駆動軸の方向ベクトルの大きさが、前記剛性が相対的に低い前記直進駆動軸の方向ベクトルの大きさより大きくなる方向に設定されている。

（請求項５）本発明において、前記ＮＣプログラム作成手段は、前記被加工物のＣＡＤデータに基づいて前記ＮＣプログラムを作成するようにしてもよい。

（請求項６）本発明において、前記ＮＣプログラム作成装置は、既存のＮＣプログラムを解析する解析手段をさらに備え、前記ＮＣプログラム作成手段は、前記解析手段により解析された前記既存のＮＣプログラムを、機械座標系における前記直進駆動軸による移動方向を前記基準直線方向に一致させるように変換して新たな前記ＮＣプログラムを作成するようにしてもよい。

（請求項１）本発明に加工方法によれば、回転駆動軸の回転動作を利用することにより、機械座標系における直進駆動軸による移動方向を基準直線方向に一致させることができる。つまり、直進駆動軸による移動方向において、それぞれの直進駆動軸の方向ベクトルの大きさ比率が常に一定となる。従って、被加工物の加工精度が安定した状態にできる。例えば、機械座標系において、工作機械の移動体を、Ｘ軸方向のみに移動した後にＹ軸方向に移動するということがなくなり、Ｘ軸方向の動作による加工精度とＹ軸方向の動作による加工精度とが相違するとしても、この影響を受けない。さらに、相対的に剛性の高い直進駆動軸の駆動割合が大きくなる。これにより、単位時間当たりの加工体積（「加工能率」とも称する。）を大きくすることができ、加工能率を大きくしたとしても安定した加工精度を得ることができる。

（請求項２）本発明によれば、Ｘ軸の剛性とＹ軸の剛性とが異なる場合に、上記効果を奏する。
（請求項３）本発明によれば、相対的に剛性の大きな直進駆動軸によって加工することになるため、より加工能率を高くすることができる。

（請求項４）本発明にＮＣプログラム作成装置によれば、回転駆動軸の回転動作を利用することにより、機械座標系における直進駆動軸による移動方向を基準直線方向に一致させることができる。つまり、直進駆動軸による移動方向において、それぞれの直進駆動軸の方向ベクトルの大きさ比率が常に一定となる。従って、被加工物の加工精度が安定した状態にできる。さらに、相対的に剛性の高い直進駆動軸の駆動割合が大きくなる。これにより、単位時間当たりの加工体積（「加工能率」とも称する。）を大きくすることができ、加工能率を大きくしたとしても安定した加工精度を得ることができる。

（請求項５）本発明によれば、いわゆるＣＡＭ装置に適用できる。ＣＡＭ装置に適用した場合に、ＣＡＭ装置によって作成されるＮＣプログラムを工作機械にて実行すると、上記効果を発揮する。
（請求項６）本発明によれば、既に作成されているＮＣプログラムを変換して、上記効果を得ることができるＮＣプログラムを新たに作成することができる。これにより、既に作成されたＮＣプログラムを利用することができ、上述した加工精度の安定化の効果を発揮することができる。

５軸立形マシニングセンタを側面から見た図である。第一実施形態：ＮＣプログラム作成装置の機能ブロック図である。従来の加工工程を示す図である。第一実施形態の加工工程を示す図である。第一実施形態の変形態様としての自由曲面形状の加工面を対象とした場合の図である。第二実施形態：ＮＣプログラム作成装置の機能ブロック図である。

＜第一実施形態＞
（マシニングセンタの機械構成）
対象となる工作機械について、図１を参照して説明する。当該工作機械として、５軸立形マシニングセンタを例に挙げて説明する。５軸立形マシニングセンタとは、機械設置面に対して垂直な方向に回転工具の回転軸が向くように構成されたマシニングセンタである。そして、被加工物Ｗを載置する回転テーブル２２が、Ａ軸（Ｘ軸回りの回転軸）およびＣ軸（Ｚ軸回りの回転軸）に回転動作する。

この５軸立形マシニングセンタは、直交する３つの直進駆動軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）と、２つの回転駆動軸（Ａ，Ｃ軸）を有する。５軸立形マシニングセンタは、ベッド１０の上面にチルトテーブル２１が設けられている。チルトテーブル２１は、ベッド１０に対してＡ軸の回転動作を行う。このチルトテーブル２１の上には、被加工物Ｗを載置する回転テーブル２２が設けられている。回転テーブル２２は、チルトテーブル２１に対してＣ軸の回転動作を行う。つまり、回転テーブル２２は、ベッド１０に対して、Ａ軸およびＣ軸の回転動作を行う。

また、ベッド１０の上面のうちチルトテーブル２１が載置される位置とは異なる位置に、Ｙ軸方向に移動可能なサドル３０が配置されている。さらに、このサドル３０の上面に、Ｘ軸方向に移動可能なコラム４０が配置されている。つまり、コラム４０は、ベッド１０に対してＸ軸方向に移動可能であると共に、Ｙ軸方向に移動可能である。このコラム４０のうち回転テーブル２２側には、主軸頭５０がＺ軸方向に移動可能に配置されている。主軸頭５０には例えばボールエンドミルなどの回転工具６０がＺ軸回りに回転可能に支持されている。つまり、回転工具６０は、回転テーブル２２に載置された被加工物Ｗに対して、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能である。

このような構成からなる５軸立形マシニングセンタでは、Ｘ軸の剛性は、Ｙ軸の剛性に比べて低い。ここで、駆動軸の剛性とは、回転工具６０が被加工物Ｗにより当該駆動軸の駆動方向に力（切削抵抗）を受けた場合に、当該駆動方向における回転工具６０と被加工物Ｗとの相対変位量の関係を意味する。例えば、駆動軸の剛性が高い場合には、その駆動軸の駆動方向に回転工具６０が被加工物Ｗにより力を受けた場合に、当該駆動方向おける回転工具６０と被加工物Ｗとの相対変位量は小さくなる。逆に、駆動軸の剛性が低い場合には、その駆動軸の駆動方向に回転工具６０が被加工物Ｗにより力を受けた場合に、当該駆動方向おける回転工具６０と被加工物Ｗとの相対変位量は大きくなる。上述した５軸立形マシニングセンタにおいては、例えば、Ｘ軸方向の剛性とＹ軸方向の剛性との比率は、１：３などとする。

（ＣＡＭ装置の構成）
次に、ＣＡＭ装置１００（本発明の「ＮＣプログラム作成装置」に相当する）について、図２を参照して説明する。ＣＡＭ装置１００は、上述した５軸立形マシニングセンタなどに適用され、当該５軸立形マシニングセンタの各直進駆動軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）の直進動作および各回転駆動軸（Ａ，Ｃ軸）の回転動作を実行するためのＮＣプログラムを作成する。

ＣＡＭ装置１００は、図２に示すように、基準直線方向設定部１０１と、ＮＣプログラム作成部１０２とを備えて構成される。基準直線方向設定部１０１は、作業者の入力によって、機械座標系における基準直線方向を設定する。基準直線方向は、機械座標系における直進駆動軸による移動方向の基準をなすものである。

基準直線方向は、以下のように、種々設定することができる。例えば、第一の例として、基準直線方向は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のうち剛性の高い方の軸方向に設定される場合がある。ここでは、Ｙ軸方向の剛性がＸ軸方向の剛性よりも高いため、基準直線方向はＹ軸方向に設定する。

第二の例として、基準直線方向は、Ｘ軸方向のベクトルの大きさとＹ軸方向のベクトルの大きさの任意の比により設定される場合がある。例えば、Ｘ軸方向のベクトルの大きさとＹ軸方向のベクトルの大きさの比を１：３とした方向に、基準直線方向を設定する。ここでは、相対的に剛性の高いＹ軸方向のベクトルの大きさの比率を大きくしている。なお、この比を０：１に設定した場合が、上述した第一の例の場合となる。

ＮＣプログラム作成部１０２は、素材形状および製品形状（加工後形状）に関するＣＡＤデータ、基準直線方向設定部１０１により設定された基準直線方向、加工条件、工作機機械情報を入力する。加工条件は、送り速度、切込量、工具種類などの情報である。工作機械情報は、対象となる工作機械（本実施形態においては、５軸立形マシニングセンタ）の機械構成に関する情報である。

そして、ＮＣプログラム作成部１０２は、これらの情報に基づいて、ＮＣプログラムを作成する。特に、ＮＣプログラム作成部１０２は、Ａ，Ｃ軸による回転動作を行うことにより、機械座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ軸による移動方向を基準直線方向に一致させて加工するようなＮＣプログラムを作成する。このＮＣプログラムにより実行される加工工程について、図３および図４を参照して、詳細に説明する。

（加工工程の説明）
図３には、従来の加工工程を示し、図４には、本実施形態による加工工程を示す。ここで、説明を容易にするために、図３および図４に示す加工工程では、直方体の被加工物Ｗの外周をエンドミル６０により加工する場合とする。

まずは、従来の加工工程について、図３を参照して説明する。図３の第一工程にて示すように、回転テーブル２２を回転動作させることにより、被加工物Ｗの側面の法線方向がＸ軸方向またはＹ軸方向に一致する状態にしておく。この状態で、被加工物Ｗの角部Ｐ１点から、エンドミル６０をＹ軸方向へ移動させることにより被加工物Ｗの側面Ｗ１を加工する。

続いて、図３の第二工程にて示すように、被加工物Ｗの角部Ｐ２点から、エンドミル６０をＸ軸方向へ移動させることにより被加工物Ｗの側面Ｗ２を加工する。続いて、図３の第三工程にて示すように、被加工物Ｗの角部Ｐ３点から、エンドミル６０をＹ軸方向へ移動させることにより被加工物Ｗの側面Ｗ３を加工する。続いて、図３の第四工程にて示すように、被加工物Ｗの角部Ｐ４点から、エンドミル６０をＸ軸方向へ移動させることにより被加工物Ｗの側面Ｗ４を加工する。このように、チルトテーブル２１も回転テーブル２２も回転動作をさせずに、直進駆動軸（Ｘ，Ｙ軸）の直進動作のみにより加工を行っている。

次に、本実施形態による加工工程について、図４を参照して説明する。ここで、図４に示す実施形態は、基準直線方向をＹ軸方向とした場合としている。図４の第一工程にて示すように、回転テーブル２２を回転動作させることにより、被加工物Ｗの側面の法線方向がＸ軸方向またはＹ軸方向に一致する状態にしておく。この状態で、被加工物Ｗの角部Ｐ１点から、エンドミル６０をＹ軸方向へ移動させることにより被加工物Ｗの側面Ｗ１を加工する。続いて、図４の第二工程にて示すように、回転テーブル２２をＣ軸に９０°回転させる。具体的には、図４の左回りに回転させる。この状態では、被加工物Ｗの側面Ｗ２がＹ軸方向に平行となる。続いて、図４の第三工程にて示すように、被加工物Ｗの角部Ｐ２点から、エンドミル６０をＹ軸方向へ移動させることにより被加工物Ｗの側面Ｗ２を加工する。

続いて、図４の第四工程にて示すように、回転テーブル２２をＣ軸に９０°回転させる。この状態では、被加工物Ｗの側面Ｗ３がＹ軸方向に平行となる。続いて、図４の第五工程にて示すように、被加工物Ｗの角部Ｐ３点から、エンドミル６０をＹ軸方向へ移動させることにより被加工物Ｗの側面Ｗ３を加工する。続いて、図４の第六工程にて示すように、回転テーブル２２をＣ軸に９０°回転させる。この状態では、被加工物Ｗの側面Ｗ４がＹ軸方向に平行となる。続いて、図４の第七工程にて示すように、被加工物Ｗの角部Ｐ４点から、エンドミル６０をＹ軸方向へ移動させることにより被加工物Ｗの側面Ｗ４を加工する。

つまり、エンドミル６０による被加工物Ｗの加工は、エンドミル６０のＹ軸方向への移動のみにより行っている。つまり、エンドミル６０により被加工物Ｗを加工する際に、５軸マシニングセンタの直進駆動軸の移動方向を基準直線方向に一致するようにしている。このように、加工する際に、直進駆動軸の移動方向を常に一定の方向とすることにより、安定した加工精度を得ることができる。つまり、図４に示す例においては、Ｙ軸の剛性が被加工物Ｗの加工精度に影響に及ぼすが、Ｘ軸の剛性は加工精度に影響を及ぼさない。

特に、相対的に剛性の高いＹ軸により加工を行うことで、単位時間当たりの加工体積（加工能率）をより大きくすることができる。つまり、加工精度を安定化させつつ、加工時間を短縮できる。

＜第一実施形態の変形態様＞
図４においては、基準直線方向をＹ軸方向とした場合について説明したが、基準直線方向をＸ軸方向とすることもできる。ただし、この場合には、加工能率を大きくすることができるという効果は奏しない。また、基準直線方向を、Ｙ軸方向のベクトル成分（ベクトルの大きさ）とＸ軸方向のベクトル成分（ベクトルの大きさ）を設定された比率とした方向とすることもできる。特に、Ｙ軸方向のベクトル成分がＸ軸方向のベクトル成分より大きいほど、加工能率を大きくできる。また、図４においては、説明を容易にするために、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｃ軸の動作のみを行う場合について説明した。これに限られるものではなく、Ｚ軸およびＡ軸の動作を含む場合にも、実質的に同様に適用できる。

また、図４においては、チルトテーブル２１および回転テーブル２２を固定した状態で、平面形状の被加工物Ｗの加工面を加工する場合について説明した。この他に、自由曲面形状の被加工物Ｗの加工面を加工する場合にも適用できる。この場合、いわゆる同時５軸加工と称される、直進駆動軸と回転駆動軸を同時に動作させながら行う被加工物Ｗの加工となる。この場合について、図５を参照して説明する。図５の曲線は、被加工物Ｗの加工面である自由曲面形状である。また、基準直線方向は、Ｙ軸方向とする。

図５（ａ）に示すように、Ａ，Ｃ軸を回転動作させることによりＴ１点の接線方向がＹ軸方向に一致するように被加工物Ｗの姿勢を移動させた状態で、Ｔ１点を加工する。そして、図５（ｂ）に示すように、Ａ，Ｃ軸を回転動作させることによりＴ２点の接線方向がＹ軸方向に一致するように被加工物Ｗの姿勢を移動させた状態で、Ｔ２点を加工する。また、図５（ｃ）に示すように、Ａ，Ｃ軸を回転動作させることによりＴ３点の接線方向がＹ軸方向に一致するように被加工物Ｗの姿勢を移動させた状態で、Ｔ３点を加工する。なお、Ｔ１点とＴ２点の間、および、Ｔ２点とＴ３点の間は、それぞれの加工点に応じて、当該加工点の接線方向がＹ軸方向に一致するように被加工物Ｗの姿勢を移動させた状態で、当該加工点を加工する。

このように、加工点に応じて回転駆動軸の回転動作を行って被加工物Ｗの姿勢を移動させることにより、直進駆動軸の移動方向を常にＹ軸方向とすることができる。これにより、自由曲面形状の加工面を加工する際においても、安定した加工精度を得ることができる。さらに、相対的に剛性の高いＹ軸方向の移動により加工を行うことで、加工能率を高くすることができる。

＜第二実施形態＞
本実施形態のＮＣプログラム作成装置について、図６を参照して説明する。第一実施形態は、ＣＡＤデータからＮＣプログラムを作成する際に、基準直線方向を用いていた。一方、本実施形態においては、既に作成されているＮＣプログラムを、基準直線方向を考慮したＮＣプログラムに変換する処理を行う。ここで、説明の容易化のため、既に作成されているＮＣプログラムは、図３のように加工を行うＮＣプログラムとする。

ＮＣプログラム変換装置２００（本発明の「ＮＣプログラム作成装置」に相当する）は、ＮＣプログラム解析部２０１と、基準直線方向設定部２０２と、変換部２０３とを備えて構成される。ＮＣプログラム解析部２０１は、既存のＮＣプログラムを入力し、その動作を解析する。例えば、入力されたＮＣプログラムが、図３に示す各工程を順次実行するように動作することを解析する。基準直線方向設定部２０２は、第一実施形態の基準直線方向設定部１０１と同一であるため、説明を省略する。

変換部２０３は、ＮＣプログラム解析部２０１により解析された既存のＮＣプログラムを、５軸立形マシニングセンタのうち機械座標系における直進駆動軸による移動方向を基準直線方向に一致するように変換して新たなＮＣプログラムを作成する。つまり、第一実施形態にて説明した図４に示す各工程を順次実行できるようなＮＣプログラムを作成する。具体的には、既に作成されているＮＣプログラムに対して、図４の第二工程、第四工程、第六工程を実行するためのプログラムを挿入することになる。

本実施形態によれば、既に作成されているＮＣプログラムを変換して、第一実施形態にて記載した効果を得ることができるＮＣプログラムを新たに作成することができる。これにより、既に作成されたＮＣプログラムを利用することができ、加工精度の安定化の効果を発揮することができる。

１０：ベッド、２１：チルトテーブル、２２：回転テーブル、３０：サドル
４０：コラム、５０：主軸頭、６０：回転工具
１００：ＣＡＭ装置、１０１：基準直線方向設定部
１０２：ＮＣプログラム作成部
２００：ＮＣプログラム変換装置、２０１：ＮＣプログラム解析部
２０２：基準直線方向設定部、２０３：変換部

Claims

剛性が異なる複数の直進駆動軸と一以上の回転駆動軸を有する工作機械による加工方法であって、
機械座標系における基準直線方向を設定する基準直線方向設定工程と、
被加工物を工具により加工する際に、前記回転駆動軸による回転動作を行うことにより、機械座標系における前記直進駆動軸による移動方向を前記基準直線方向に一致させて加工する加工工程と、
を備え、
前記基準直線方向は、複数の前記直進駆動軸のうち前記剛性が相対的に高い前記直進駆動軸の方向ベクトルの大きさが、前記剛性が相対的に低い前記直進駆動軸の方向ベクトルの大きさより大きくなる方向に設定されている、加工方法。
請求項１において、
剛性の異なる前記複数の直進駆動軸は、回転工具の回転軸にそれぞれ直交するＸ軸およびＹ軸であり、
前記基準直線方向は、Ｘ軸方向ベクトルの大きさとＹ軸方向ベクトルの大きさを、設定された比率とした方向である、加工方法。
請求項１または２において、
前記基準直線方向は、複数の前記直進駆動軸のうち前記剛性が相対的に高い前記直進駆動軸の駆動軸方向に一致させるように設定されている、加工方法。
剛性が異なる複数の直進駆動軸と一以上の回転駆動軸を有する工作機械に適用され、前記直進駆動軸および前記回転駆動軸を実行するためのＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成装置であって、
機械座標系における基準直線方向を設定する基準直線方向設定手段と、
被加工物を工具により加工する際に、前記回転駆動軸による回転動作を行うことにより、機械座標系における前記直進駆動軸による移動方向を前記基準直線方向に一致させるように、前記ＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成手段と、
を備え、
前記基準直線方向は、複数の前記直進駆動軸のうち前記剛性が相対的に高い前記直進駆動軸の方向ベクトルの大きさが、前記剛性が相対的に低い前記直進駆動軸の方向ベクトルの大きさより大きくなる方向に設定されている、ＮＣプログラム作成装置。
請求項４において、
前記ＮＣプログラム作成手段は、前記被加工物のＣＡＤデータに基づいて前記ＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成装置。
請求項４において、
前記ＮＣプログラム作成装置は、既存のＮＣプログラムを解析する解析手段をさらに備え、
前記ＮＣプログラム作成手段は、前記解析手段により解析された前記既存のＮＣプログラムを、機械座標系における前記直進駆動軸による移動方向を前記基準直線方向に一致させるように変換して新たな前記ＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成装置。