JP6381689B2

JP6381689B2 - 曲面を有するワークの加工方法および加工装置

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Publication number: JP6381689B2
Application number: JP2017002828A
Authority: JP
Inventors: 泰徳増宮; 恭平鈴木; 前田　淳一; 淳一前田; 大貴加藤
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: JP2018112893A

Description

本発明は、ワークの加工面の曲率の変化に合わせて、高効率、高精度に加工する曲面を有するワークの加工方法および加工装置に関する。

曲率が変化する曲面を加工する場合、加工中に加工負荷が増減する。例えば、スクロール形圧縮機のスクロールは、中央部分の曲率が外周部分の曲率よりも大きくなっている。そのため、エンドミルとワークとを渦巻線に沿って相対移動させ、エンドミルの側面の切刃を用いてスクロールの側面を加工する場合、中央部分のスクロールを加工するときには、スクロールの外周部分を加工するときよりも、非常に大きな負荷が工具およびワークに作用する。そのため、加工中に工具が中心軸線に対して横方向に変形し（倒れ）たり、ワークの加工面がスクロール壁のように薄い場合には、加工中にワークが変形して加工精度が低下する。

特許文献１には、曲率が変化する曲面を加工する際に、切削前の最大切りくず厚さと切削円弧長が送り経路の全域に亘って常に一定の値となるように送り経路を作成するようにした工具送り経路の作成方法が記載されている。

特開２００３−１７０３３３号公報

特許文献１の発明では、切削前の最大切りくず厚さと切削円弧長が一定となるように工具経路（送り経路）を生成するので、曲率が大きく変化する加工面を切削する場合には、同じ加工部位を複数回なぞるように工具経路を生成しなければならず、かえって加工効率が低下してしまう可能性がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、工具経路を変更することなく、曲率の変化に追従して送り速度を変化させて曲面を加工するワークの加工方法および加工装置を提供することを目的としている。

上述の課題を解決するために本発明によれば、回転工具とワークとを相対移動させ、曲率が変化する曲面を有したワークを加工する加工方法において、前記回転工具とワークとが接する加工点における加工面の曲率、切込み厚さおよび前記回転工具の工具径に基づき、曲率によって変化する切削抵抗パラメータを曲率が０の場合について演算し、前記切削抵抗パラメータを現在の加工点での曲率について演算し、現在の加工点における前記切削抵抗パラメータの値に対する曲率が０の場合の前記切削抵抗パラメータの割合で送り速度を決定するようにした加工方法が提供される。

また、本発明によれば、回転工具とワークとを相対移動させ、曲率が変化する曲面を有したワークを加工する工作機械において、前記回転工具とワークとが接する加工点における加工面の曲率、切込み厚さおよび前記回転工具の工具径に基づき、曲率によって変化する切削抵抗パラメータを曲率が０の場合について演算し、前記切削抵抗パラメータを現在の加工点での曲率について演算し、現在の加工点における前記切削抵抗パラメータの値に対する曲率が０の場合の前記切削抵抗パラメータの割合で送り速度を決定する制御装置を具備する工作機械が提供される。

本発明によれば、工具経路を変更することなく、加工面の曲率、切込み厚さおよび前記回転工具の工具径に基づき速度を決定したので、加工点における曲率の変化に追従して送り速度を変化させて曲面を加工することが可能となる。また、これにより、工具の倒れやワークの加工部位の変形が防止され加工精度を高めることが可能となる。更に、加工面の曲率、切込み厚さおよび前記回転工具の工具径という幾何学的条件に基づき速度を決定しているので、加工負荷を予め実験により或いは加工中にリアルタイムで測定する必要がない。

本発明の加工方法を適用する工作機械の一例を示す略示側面図である。本発明の加工方法を適用する工作機械のための制御装置の一例を示すブロック図である。本発明の加工方法を説明するための略図であり、加工点おける曲面の曲率が無視し得る程度に小さい場合を示す図である。本発明の加工方法を説明するための略図であ、加工点おける曲面の曲率が無視し得る程度に小さくなく、かつ、曲率が正の場合を示す図である。本発明の加工方法を説明するための略図であ、加工点おける曲面の曲率が無視し得る程度に小さくなく、かつ、曲率が負の場合を示す図である。本発明の加工方法により下降されるスクロールを示す略示平面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１において、工作機械１００は、工場の床面に固定される基台となるベッド１０２を具備している。ベッド１０２上にはコラム１０４が立設され、コラム１０４には、Ｚ軸送り機構を介して上下方向（Ｚ軸方向）に、そしてＹ軸送り装置を介して左右方向（Ｙ軸方向、図１の紙面に垂直な方向）に移動可能に主軸頭１０６が支持されている。主軸頭１０６は、鉛直方向の回転軸線Ｏを中心として主軸１０８を回転可能に支持する。主軸１０８の先端には下向きに切削用工具Ｔが取り付けられている。工具Ｔは例えばエンドミルであり、主軸頭１０６内に組み込まれたスピンドルモータ（図示せず）により回転駆動される。ベッド１０２上には、Ｘ軸送り機構を介して前後方向（Ｘ軸方向、図１では左右方向）に移動可能にテーブルベース１１０が支持されている。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り機構は、例えばＸ軸。Ｙ軸、Ｚ軸の各々の方向に延設されたボールねじと、該ボールねじを回転駆動するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸サーボモータとにより構成される。また、該Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸サーボモータには、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り速度を検出するロータリエンコーダのような速度検出器が取付けられている。更に、工作機械１００は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々の座標位置を検出するデジタルスケールのような位置検出器を有している。

テーブルベース１１０には、Ａ軸回転送り機構を介して、Ｘ軸方向の回転軸Ｌｘを中心としてＡ軸方向に揺動可能に傾斜テーブル１１２が取り付けられている。傾斜テーブル１１２には、Ｃ軸回転送り機構を介して、Ｚ軸方向の回転軸Ｌｚを中心としてＣ軸方向に回転可能に回転テーブル１１４が取り付けられている。回転テーブル１１４上には、ワーク固定用治具を介してワークＷが固定されている。Ａ軸、Ｃ軸回転送り機構は、例えばサーボモータと、該サーボモータの回転位置を検出するロータリエンコーダを備えている。

このような工作機械１００の構成によれば、工具ＴとワークＷとを直交３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸，Ｚ軸方向）に相対移動可能で、かつ、ワークＷをＣ軸方向に回転可能である。このため、ワークＷに対して工具Ｔを鉛直方向所定位置にセットした状態で、ワークＷをＣ軸方向に回転させながら、ワークＷに対して工具Ｔを水平方向に相対移動させることで、ワーク表面に所望の曲面を加工することができる。

図６を参照して、本発明の加工方法を適用して加工するワークＷとしてスクロールを加工する場合を説明する。
図６は、ワークＷの一例としてのスクロールの平面図である。図６では、ワーク中心を原点Ｏ₁としたＸ−Ｙ平面上にスクロールが示されている。ワークＷは、例えばコンプレッサの構成部品であり、基部１２０上にスクロール形状の壁部１２２が突設され、壁部１２２に沿って流路が形成されている。なお、基部１２０の形状は、円形、三角形、矩形等いかなるものでもよい。壁部１２２の内壁面１２４および外壁面１２６は、半径ｒ₀の基礎円１２８を有するインボリュート曲線によって定義され、壁部１２２の厚さｔ_wはインボリュート曲線に沿って一定である。

壁部１２２の内壁面１２４および外壁面１２６には、予め加工代が設けられ、この加工代が工具Ｔにより切削され最終形状のスクロールが形成される。スクロール加工を行うにあたっては、まず、ワーク中心（基礎円１２８の中心Ｏ₁）が回転テーブル１１４の回転中心（Ｃ軸）に一致するようにワークＷを回転テーブル１１４にセットする。その後、ＮＣ加工プログラムに従い、ワークＷをＣ軸回りに回転させながら、Ｏ₁を中心とした基礎円１２８に接する直線Ｌ１に沿って工具Ｔを相対移動させる。この際、ワークＷのＣ軸送り量（回転量）と工具ＴのＸ軸方向の送り量の比が中心Ｏ₁からの距離によって変化するように、回転量θと送り量Ｘとを同期させる。これによりＮＣ加工プログラムの構成を簡素化しつつ、スクロールを高速かつ高精度に加工することができる。

ここで、例えば図６に示すように、ワークＷを矢印Ｒ１方向に回転させながら、工具ＴをワークＷの外側から直線Ｌ１に沿って矢印Ａ方向（Ｘ軸に沿って正（＋）の方向）に相対移動させ、外壁面１２６を加工したとする。この外壁面１２６の加工に続けて、ワークＷのＣ軸回りの回転方向をＲ１としたまま内壁面１２４を加工するためには、図の点線で示すように、工具Ｔを回転中心Ｏ₁のＹ軸方向反対側に基礎円１２８の半径ｒ₀分だけずらし、基礎円１２８に接する直線Ｌ２に沿って矢印Ａ方向（Ｘ軸に沿って正（＋）の方向）に相対移動させる。この場合には、Ｘ−Ｙ平面の第２象限で外壁面１２６が加工され、Ｘ−Ｙ平面の第４象限で内壁面１２４が加工される。

壁部１２２、特にスクロールの中心部において内壁面１２４を加工する場合、加工すべき曲面の曲率が工具Ｔの半径に対して非常に大きくなり、そのため従来の加工方法では、工具ＴとワークＷとの間の接触角も大きくなり加工負荷が増大する。加工負荷が増大すると、工具Ｔは、その中心軸に対して垂直方向に撓むこととなる。また、図６に示すスクロールのように、ワークＷの加工部位が比較的薄い壁部のような場合には、ワークＷにおいて現に加工されている加工点およびその近傍でワークＷが変形する。こうした工具ＴおよびワークＷの変形により加工精度が低下する。

以下、図２を参照して、このように変化する曲面を加工する際に生じ得る加工精度の低下を防止した本発明の曲面加工方法を実施する制御装置の好ましい実施形態を説明する。
図２において、制御装置１０は、読取解釈部１２、補間部１４、位置制御部１８、速度制御部２２およびサーボアンプ２４を備えたＮＣ装置を主要な構成要素として具備している。

制御装置１０に与えられたＮＣ加工プログラム４０は読取解釈部１２に入力される。読取解釈部１２は、加工プログラムを読取り解釈して動作指令を出力する。この動作指令は、各送り軸、図１の例ではＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸およびＣ軸の回転送り軸の送り量と送り速度とを含んでいる。速度補正部２８は、後述するように、ＮＣ加工プログラム４０に記述されている各送り軸の送り速度を補正した後に動作指令を補間部１４へ出力する。

補間部１４は、速度補正部２８からの動作指令に基づき、各送り軸３２の駆動用サーボモータ３０に対する位置指令ｑｒを出力する。補間部１４から出力された位置指令ｑｒ（モータ回転位置指令）は加算器１６に入力され、該位置指令ｑｒと位置検出器３６が検出した座標値との差分が位置制御部１８に入力される。位置制御部１８は速度指令ωｒ（モータ回転速度指令）を生成する。速度指令ωｒは加算器２０に入力され、該速度指令ωｒと速度検出器３４が検出した速度値との差分が速度制御部２２に入力される。速度制御部２２はトルク指令τを生成する。トルク指令τがサーボアンプ２４に入力される。

サーボアンプ２４は、入力されたトルク指令τに見合ったトルクを発生させるように制御電流をサーボモータ３０に供給する。この供給された電流によりサーボモータ３０が回転駆動され、送り軸３２が駆動される。

速度補正部２８は入力部２６から入力される工具Ｔの工具径を含む工具データと、読取解釈部１２が読み取り解釈したＮＣ加工プログラムに関する情報、特にワークＷの形状データおよび読取解釈部１２からの動作指令に基づいて、ワークＷに加工すべき曲面の変化に追従して最適な送り速度を演算する。なお、入力部２６は、例えば工作機械１００の操作盤（図示せず）に設けられているキーボード（図示せず）やタッチパネル（図示せず）によって形成することができる。ＮＣ加工プログラム４０中に工具データが記述されている場合には、工具データを読取解釈部１２から速度補正部２８へ出力するようにしてもよい。

上述したように、工具Ｔの側面の切刃で加工すべき曲面の曲率が大きくなると切削抵抗が増大し、工具Ｔの倒れやワークＷの変形により加工精度や加工効率が低下する。本発明では、加工すべき曲面の変化する曲率に最適な加工速度を以下に説明するように速度補正部２８においてリアルタイムで演算し、こうした問題を解決している。

先ず、加工すべき曲面の輪郭を関数ｐの時刻ｔ（０≦ｔ≦１）における位置として定義する。

関数ｐを時刻ｔで微分することにより速度ｖが得られる。

速度ｖを時刻ｔで微分することにより加速度ａが得られる。

このとき、曲率ｃは以下の式（４）にて示される。

以下、図３〜図５を参照して、式（４）で求めた曲率ｃに基づき、以下の処理により接触角ｅを求める方法を説明する。なお、図３〜図５は、加工領域におけるワークと工具とをＺ軸方向に略図であり、図３〜図５の紙面がＸ−Ｙ平面となっている。図３〜図５において、設計上の加工面、つまり加工後のワークＷの表面である加工面が曲線Ｓ₀で示され、加工前のワークＷの表面が曲線Ｓ₁で示されている。曲線Ｓ₀と曲線Ｓ₁との間の距離Ｒcは加工代（切込み厚さ）となっている。図３〜図５において、Ｘ軸に沿って正（＋）の領域が未加工領域であり、負（−）の領域が加工済領域である。つまり、工具ＴはワークＷに対してＸ軸に沿って正（＋）の方向に相対移動している。更に、図３〜図５では工具Ｔは、半径（＝工具径）Ｒ_tの円Ｃ_tで示されており、円Ｃ_tの中心Ｏ、つまり工具Ｔの回転軸線Ｏを原点（０、０）とする。

図３は、加工面の曲率ｃの絶対値が十分に小さく、ワークＷの加工面を平面で近似できる場合を示している。図３において、加工済ワークＷの表面（加工面）を表す曲線Ｓ₀は点Ｄ（０、−Ｒ_t）で円Ｃ_tと接触しＸ軸方向に延びる直線となっている。ここで、「十分に小さい曲率ｃ」は、工作機械１００の速度補正部２８（ＮＣ装置）の演算性能にもよるが、例えば１０^-6とすることができる。また、円Ｃ_rと直線Ｓ₁との交点をＰ_cとする。本例では、∠Ｐ_cＯＤを工具ＴとワークＷとの間の接触角と定義する。

図４は加工面の曲率ｃの絶対値が十分に小さくなく、かつ、曲率ｃが正の場合を示している。図４において、円Ｃ₀はＹ軸上で円Ｃ_tおよび曲線Ｓ₀に接し、曲率半径ｒ＝１／｜ｃ｜と、中心（０、ｒ−Ｒ_t）とを有する円である。円Ｃ_rは、円Ｃ₀と同じ中心（０、ｒ−Ｒ_t）および円Ｃ₀に対して加工代Ｒcだけ小さな半径を有した円である。円Ｃ_rと円Ｃ_tとの交点をＰ_cとする。本例では、∠Ｐ_cＯＤを工具ＴとワークＷとの間の接触角と定義する。

図５は加工面の曲率ｃの絶対値が十分に小さくなく、かつ、曲率ｃが負の場合を示している。図５において、円Ｃ₀はＹ軸上で円Ｃ_tおよび曲線Ｓ₀に接し、曲率半径ｒ＝１／｜ｃ｜と、中心（０、−ｒ−Ｒ_t）とを有する円である。円Ｃ_rは、円Ｃ₀と同じ中心（０、−ｒ−Ｒ_t）および円Ｃ₀に対して加工代Ｒcだけ大きな半径を有した円である。円Ｃ_rと円Ｃ_tとの交点をＰ_cとする。本例では、∠Ｐ_cＯＤを工具ＴとワークＷとの間の接触角と定義する。

図４、５において、接点Ｄは工具Ｔの切刃の先端とワークＷの表面とが接する加工点を表しており、円Ｃ₀は、加工点における工具Ｔ（円Ｃ_t）と局所的な加工面Ｓ₀を表しており、円Ｃ_rは加工点における加工面Ｓ₀に対して加工代を有したワークＷの未加工表面を表している。図４の例では、曲率が大きくなると接触角∠Ｐ_cＯＤは小さくなるが、図５の例では、曲率が大きくなると接触角∠Ｐ_cＯＤは大きくなる。

接触角∠Ｐ_cＯＤにより決定される円弧Ｐ_cＤは、ワークＷに切り込んだ工具Ｔの切刃がワークＷ内を移動する経路を示しているので、接触角∠Ｐ_cＯＤの大きさおよび円弧Ｐ_cＤの長さは切削抵抗を代表するパラメータとなっている。本発明では、時々刻々と変化する曲率によって変化する切削抵抗を代表するパラメータを切削抵抗パラメータとする。扇形Ｐ_cＯＤの面積もまた切削抵抗パラメータである。本発明は、このように切削抵抗そのものを演算または測定するのではなく、切削抵抗パラメータに基づいて工具Ｔの送り速度を決定している。既述の説明から理解されるように、切削抵抗パラメータは、加工点Ｄにおける加工面の曲率ｃ、回転工具Ｔの工具径Ｒ_tおよび切込み厚さＲcによって決定され送り速度には依存しない。

接触角∠Ｐ_cＯＤの値ｅは、２つの円Ｃ_t、Ｃ_rの交点Ｐ_cを演算し、原点Ｏから交点Ｐ_cまでのベクトルと、原点Ｏから交点Ｄまでのベクトルとの内積を演算することによって簡単に求めることができる。最終的に、接触角∠Ｐ_cＯＤは曲率ｃの関数となるので、∠Ｐ_cＯＤ＝ｅ（ｃ（ｔ））とすることができる。速度補正部２８は、曲率ｃ＝０としたときの接触角をｅ（０）、読取解釈部１２からの動作指令に含まれている送り速度をＦbとして、時々刻々と変化する送り速度Ｆを以下の式（５）から演算する。なお、円弧Ｐ_cＤまたはＰ_cＯＤ扇形は接触角∠Ｐ_cＯＤに比例するので、円弧Ｐ_cＤまたはＰ_cＯＤを切削抵抗パラメータとしても最終的に式（５）にたどり着く。

なお、既述の実施形態では、速度補正部２８をＮＣ装置に組み込んで、最適な加工速度をリアルタイムで演算する例を説明したが、ＮＣ加工プログラムを生成するＣＡＭ装置に速度補正部２８と同様の構成要素を組み込み、予めＮＣ加工プログラムに補正後の最適な送り速度を記述するようにしても本発明の加工方法は実施することができる。

１０制御装置
１２読取解釈部
１４補間部
１６加算器
１８位置制御部
２０加算器
２２速度制御部
２４サーボアンプ
２６入力部
２８速度補正部
３０サーボモータ
３２送り軸
３４速度検出器
３６位置検出器
４０加工プログラム
１００工作機械
１０２ベッド
１０４コラム
１０６主軸頭
１０８主軸
１１０テーブルベース
１１２傾斜テーブル
１１４回転テーブル

Claims

回転工具とワークとを相対移動させ、曲率が変化する曲面を有したワークを加工する加工方法において、
前記回転工具とワークとが接する加工点における加工面の曲率、切込み厚さおよび前記回転工具の工具径に基づき、曲率によって変化する切削抵抗パラメータを曲率が０の場合について演算し、前記切削抵抗パラメータを現在の加工点での曲率について演算し、現在の加工点における前記切削抵抗パラメータの値に対する曲率が０の場合の前記切削抵抗パラメータの割合で送り速度を決定することを特徴とした加工方法。
前記切削抵抗パラメータは、加工後のワークの表面と回転工具の切刃の先端が描く円との接点と、前記接点における前記現在の曲率を有し切込み厚さを加味した加工前のワークの局所的な表面を示す円と前記回転工具の切刃の先端が描く円とが交差する交点と、前記回転工具の中心とによって形成される接触角である請求項１に記載の加工方法。
前記切削抵抗パラメータは、加工後のワークの表面と回転工具の切刃の先端が描く円との接点と、前記接点における前記現在の曲率を有し切込み厚さを加味した加工前のワークの局所的な表面を示す円と前記回転工具の切刃の先端が描く円とが交差する交点との間に延びる前記切刃の先端が描く円の円弧の長さである請求項１に記載の加工方法。
回転工具とワークとを相対移動させ、曲率が変化する曲面を有したワークを加工する工作機械において、
前記回転工具とワークとが接する加工点における加工面の曲率、切込み厚さおよび前記回転工具の工具径に基づき、曲率によって変化する切削抵抗パラメータを曲率が０の場合について演算し、前記切削抵抗パラメータを現在の加工点での曲率について演算し、現在の加工点における前記切削抵抗パラメータの値に対する曲率が０の場合の前記切削抵抗パラメータの割合で送り速度を決定する制御装置を具備することを特徴とした工作機械。