JP6587842B2 - 曲面切削装置 - Google Patents

Description

本発明は、凹面や凸面等の曲面をバイトにより切削するための曲面切削装置に関するものである。

この種の切削装置が特許文献１に開示されている。この特許文献１の装置はバイトによってワークの被切削面に対して玉型加工を実行するものであって、バイトはＸ軸方向に、ワークはＺ軸方向にそれぞれ移動されるという例が開示されている。

特開２００３−２３１００１号公報

特許文献１の装置においては、ワークの被切削面が曲面である場合に、その曲面を高精度に仕上げるための手段は開示されていない。従って、特許文献１の構成においては、曲面上の切削加工を高精度に行なうことが困難である。

本発明の目的は、曲面上の切削加工を高精度に行なうことができる曲面切削装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、曲面よりなるワークの被切削面をバイトによって切削するための曲面切削装置であって、前記バイトのすくい面が切削点を通る法線上に位置する状態において前記すくい面がバイトの切削方向と直交する面内に位置するように制御する制御手段を設け、前記ワークを第１軸方向に移動可能に支持するとともに、その第１軸と直交する第２軸を中心に回転可能に支持し、前記バイトを前記第１軸及び前記第２軸と直角な第３軸方向に移動可能に、かつ前記第２軸と平行な第４軸方向に移動可能に支持し、さらに、前記バイトを前記第１軸と平行な第５軸を中心に回動可能に、かつ前記第３軸と平行な第６軸を中心に回動可能にするとともに、前記バイトをその先端の刃先を通る第７軸を中心に回動可能にし、前記バイトは、そのすくい面及び刃先が前記第７軸上に位置し、前記制御手段は、前記バイトが前記第６軸を中心に回動しない状態で、かつ前記バイトが前記曲面の切削点を通る法線上に位置する状態において、前記第５軸から前記バイトの刃先までの距離の長さをＨ，前記第５軸を中心とした前記バイトの刃先の角度をＢとし、前記第７軸を中心とした前記バイトの刃先の角度をＡとし、前記第２軸の回転中心と前記角度Ｂ＝０の状態における前記バイトの刃先の位置が一致する点を原点とし、その原点から前記第３軸方向の位置をＸ、前記第１軸方向の位置をＹ、前記第３軸，前記第１軸，前記第４軸の駆動速度をそれぞれＶ _Ｘ ，Ｖ _Ｙ ，Ｖ _Ｚ とし、前記第５軸，前記第２軸の角速度をそれぞれＶ _Ｂ ，Ｖ _Ｃ とした場合において、
以上の式に基づいて前記バイトのすくい面の角度を調節することを特徴とする。

このように構成すれば、ワークの切削中において、バイトのすくい面が切削加工点における法線上においてバイト切削方向と直交する面内に位置するため、曲面の位置や形状に関わらず、高精度切削加工が可能になる。

本発明によれば、バイトによってワークの曲面を高精度に切削できる効果がある。

曲面切削装置の斜視図。 曲面切削装置の一部正面図。 切削ヘッドの斜視図。 曲面切削装置の電気的構成を示すブロック図。 曲面切削装置の切削状態を示す説明図。 同じく曲面切削装置の切削状態を示す説明図。 すくい面と切削進行方向との関係を示す説明図。 すくい面とＡ軸との関係を示す説明図。 同じくすくい面とＡ軸との関係を示す説明図。 曲面切削装置の動作を示すフローチャート。

以下、本発明を具体化した曲面切削装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１，図２及び図４に示すように、装置の機台１１上には移動台１２が支持されており、この移動台１２は図４に示すＹ軸モータ１３により水平な第１軸としてのＹ軸方向に往復移動される。移動台１２上にはテーブル１４が支持されており、このテーブル１４はＣ軸モータ１５により第２軸としての鉛直なＣ軸の周りにおいて回転される。

前記機台１１の上方にはコラム１６を介して水平方向に延びるクロスビーム１７が架設されている。クロスビーム１７には移動体１８が支持されており、この移動体１８はＸ軸モータ１９により前記Ｙ軸と直角をなす第３軸としての水平なＸ軸方向に往復移動される。移動体１８には昇降体２０が支持されており、この昇降体２０はＺ軸モータ２１により第４軸としての鉛直なＺ軸方向に昇降される。

図２〜図４に示すように、昇降体２０には切削ヘッド２２が支持されており、この切削ヘッド２２はＢ軸モータ２３により前記Ｙ軸と平行な、かつ水平な第５軸としての軸２４の周りにおいて回転される。この軸２４をＢ軸とする。

図２及び図３に示すように、前記切削ヘッド２２のフレーム３０にはヘッド本体３２が支持されており、このヘッド本体３２はＤ軸モータ３３により前記Ｂ軸と直角な第６軸としての軸３１の周りにおいて回転される。この軸３１をＤ軸とする。

図２及び図３に示すように、ヘッド本体３２には前記Ｄ軸の延長方向から見てＤ軸と直交する方向に延びるバイト軸３４が支持されており、このバイト軸３４はＡ軸モータ３５により自身の軸線であって、第７軸であるバイト３６の刃先３６２を通るＡ軸を中心に３６０度の範囲内で回転される。この回転により、後述のバイト３６のすくい面３６１の向きが変更される。

図９に示すように、前記フレーム３０はリニアモータ３７によってＡ軸方向に往復移動されるとともに、バイト３６のＡ軸方向の位置が調節される。バイト軸３４の下端にはバイト３６が着脱可能に装着される。そして、図６〜図９に示すように、前記リニアモータ３７により、バイト３６がワーク１００の表面の被切削面１０１に接触される。バイト３６は、そのすくい面３６１及び刃先３６２が前記Ａ軸上に位置する。

従って、テーブル１４上のワーク１００は、Ｙ軸モータ１３によって水平なＹ軸方向に移動されるとともに、Ｃ軸モータ１５により鉛直なＺ軸線と平行なＣ軸の周りにおいて回転される。この回転は、切削位置を移動するためのもので、低速回転である。また、バイト３６は、Ｘ軸モータ１９によって水平なＸ軸方向に移動されるとともに、Ｚ軸モータ２１により鉛直方向に昇降される。また、バイト３６はＢ軸モータ２３によりＹ軸と平行なＢ軸の周りに回転され、Ｄ軸モータ３３によりＢ軸と直角なＤ軸の周りに回転される。そして、前記のように、バイト３６はそのすくい面３６１がＡ軸上においてその向きが変更される。

従って、ワーク１００とバイト３６とはＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向に相対移動可能である。また、バイト軸３４，すなわちバイト３６は、図７に示すワーク１００の被切削面１０１に対してＡ，Ｂ，Ｄの３軸方向に移動可能である。そして、被切削面１０１の曲面形状に従って、被切削面１０１の切削加工点においてバイト３６のすくい面３６１が法線Ｌ上の位置に配置される。加えて、バイト３６は後述の制御装置５１の作用により、すくい面３６１が切削進行方向に対して直角をなすように、つまり切削進行方向の前方を向くように維持される（図７参照）。

制御手段及び演算手段を構成する制御装置５１は、ＣＰＵ（中央処理装置）等よりなる制御部５２と、記憶部５３とを備えている。そして、制御装置５１は、前記Ｙ軸モータ１３，Ｃ軸モータ１５，Ｘ軸モータ１９，Ｚ軸モータ２１，Ｂ軸モータ２３，Ｄ軸モータ３３，Ａ軸モータ３５，リニアモータ３７の各動作を制御する。

前記記憶部５３には、図９に示すプログラムや、後述の数式データ等、各種のデータが記憶されている。そして、制御部５２の制御のもとに、前記プログラムが実行される。
次に、実施形態の曲面切削装置の作用を説明する。

図１０のステップ（以下、Ｓと略称する）１においてワーク１００の例えば球面である曲面の切削が開始されると、図５及び図６に示すように、バイト３６は切削加工点を通る法線Ｌ上に保持される。Ｓ２においてバイト３６の角度，すなわち法線Ｌの位置が変化されると、Ｓ３においては、バイト３６のすくい面３６１の切削進行方向における向きが設定される。

すなわち、図８に示すように、第５軸としてのＢ軸（軸２４）の回転中心からバイト３６の刃先までの距離の長さを「Ｈ」とする。また、Ｂ軸を中心としたバイト３６の刃先３６２の角度を「Ｂ」とする。また、Ａは第７軸としてのＡ軸を中心としたバイト３６の刃先３６２の角度を示す。Ｘは図１に示した第３軸方向であるＸ方向の位置で第２軸であるＣ軸の回転中心とＢ＝０の状態におけるバイト３６の刃先３６２の位置が一致する点を原点とする。Ｙは第１軸方向であるＹ方向の位置、Ｖ_Ｘ・Ｖ_Ｙ・Ｖ_Ｚは図１に示したＸ（第３軸）・Ｙ（第１軸）・Ｚ（第４軸）軸の駆動速度、Ｖ_Ｂ・Ｖ_Ｃは図１に示したＢ（第５軸）・Ｃ（第２軸）軸の角速度である。

すなわち
Ｂ軸回転中心〜工具先端の高さ（距離）・・・Ｈ
Ａ軸回転中心〜工具先端の偏芯・・・０
Ａ軸の原点はＸ＋方向
Ｂ軸の原点は真下方向
Ｘ,Ｙの原点はＢ＝0において工具先端がＣ軸回転中心と一致する場所
Ｚ,Ｃ軸の原点は任意
工具の速度：ｖ_tool
ｖ_toolX＝ｖ_Ｘ−Ｈｖ_ＢcosＢ
ｖ_toolY＝０
ｖ_toolZ＝ｖ_Ｚ＋Ｈｖ_ＢsinＢ
ワークの速度：ｖ_work
ｖ_workX＝Ｒv_ＣsinC´＝Ｙｖ_Ｃ
ｖ_workＹ＝ｖ_Ｙ＋Ｒｖ_ccosＣ´＝ｖ_Ｙ＋（Ｘ−ＨsinＢ）ｖ_Ｃ
ｖ_workＺ＝０
ただし、Ｃ軸と工具先端の距離（Ｒ） Ｒ²＝(Ｘ−ＨsinＢ)²＋Ｙ²
Ｃ軸から見た工具先端の方向 tanＣ´＝Ｙ／（Ｘ−ＨsinＢ）
工具とワークの速度差：Ｖ
Ｖ_Ｘ＝ｖ_toolX−ｖ_workX＝ｖ_Ｘ−Ｈｖ_BcosＢ−Ｙv_Ｃ
Ｖ_Y＝ｖ_toolY−ｖ_workY＝−ｖ_Ｙ−（Ｘ−ＨsinＢ）v_Ｃ
Ｖ_Z＝ｖ_toolZ−ｖ_workZ＝ｖ_Ｚ＋Ｈｖ_ＢsinＢ
Ｙ軸をＹ´軸、Ａ軸回転軸をＺ´軸と直交系（Ｂだけ傾いた座標系）での速度差：Ｖ´
Ｖ´_Ｘ＝Ｖ_ＸcosＢ−Ｖ_ＺsinＢ
＝(ｖ_Ｘ−Ｈｖ_BcosＢ−Ｙｖ_Ｃ)cosＢ−(ｖ_Ｚ＋Ｈｖ_BsinＢ)sinＢ
＝(ｖ_Ｘ−Ｙｖ_Ｃ)cosＢ−ｖ_ＺsinＢ−Ｈｖ_Ｂ
Ｖ´_Ｙ＝Ｖ_Ｙ
＝−ｖ_Ｙ−(Ｘ−ＨsinＢ)v_Ｃ
Ｖ´_Ｚ＝Ｖ_ＺcosＢ＋Ｖ_ＸsinＢ
＝使わないので省略
Ａ軸を法線とする面内での速度ベクトルの方向
tanＡ＝−Ｖ´_Ｙ／Ｖ´_Ｘ
よって、

この（１）式の関係が維持されるように演算が実行される。この演算結果に従って、バイト３６の向きを設定すれば、すくい面３６１はワーク１００の被切削面１０１の位置が変更されても、切削進行方向と直角に維持される。

以上のようにして、ワークの被切削面に対する切削位置が変更されても、バイト３６のすくい面３６１が切削進行方向と直交する面内に配置される。従って、被切削面の位置に関わらず、高精度で良好な切れ味を維持できる。

そして、Ｓ４において、加工終了の有無が判別され、加工終了前の場合はＳ１に戻り、加工終了にともない、プログラムが終了される。
従って、本実施形態においては、以下の効果がある。

（１）ワーク１００の被切削面１０１に対する切削位置が変更されても、バイト３６のすくい面３６１が切削進行方向と直交する面内に配置される。従って、被切削面１０１の位置に関わらず、高精度で良好な切れ味を維持できる。

（２）バイト３６のすくい面３６１を切削進行方向と直交する面内に維持するために、バイト３６を前記（１）式に基づいて維持するだけであるから、装置の構成の複雑化や大型化を避けることができる。

（３）バイト３６のすくい面３６１が法線Ｌ上に維持されるため、高精度加工が可能になる。
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のような態様でも具体化できる。

・前記実施形態の曲面切削装置を球面以外の凸状曲面あるいは球面，非球面の凹状曲面の切削において使用すること。この場合も、前記（１）式を用いてバイト３６のすくい面３６１の向きを調節できる。

・バイト３６の位置調節をリニアモータ３７に代えて、サーボモータと、このサーボモータによって作動されるネジ送り機構とを用いること。

３６…バイト、１００…ワーク、１０１…被切削面、３６１…すくい面、３６２…刃先、Ｌ…法線。

Claims (3)

1. 曲面よりなるワークの被切削面をバイトによって切削するための曲面切削装置であって、
   前記バイトのすくい面が前記曲面の切削点を通る法線上に位置する状態において前記すくい面がバイトの切削方向と直交する面内に位置するように制御する制御手段を設け、
   前記ワークを第１軸方向に移動可能に支持するとともに、その第１軸と直交する第２軸を中心に回転可能に支持し、前記バイトを前記第１軸及び前記第２軸と直角な第３軸方向に移動可能に、かつ前記第２軸と平行な第４軸方向に移動可能に支持し、さらに、前記バイトを前記第１軸と平行な第５軸を中心に回動可能に、かつ前記第３軸と平行な第６軸を中心に回動可能にするとともに、前記バイトをその先端の刃先を通る第７軸を中心に回動可能にし、
   前記バイトは、そのすくい面及び刃先が前記第７軸上に位置し、
   前記制御手段は、前記バイトが前記第６軸を中心に回動しない状態で、かつ前記バイトが前記曲面の切削点を通る法線上に位置する状態において、
   前記第５軸から前記バイトの刃先までの距離の長さをＨ，前記第５軸を中心とした前記バイトの刃先の角度をＢとし、前記第７軸を中心とした前記バイトの刃先の角度をＡとし、前記第２軸の回転中心と前記角度Ｂ＝０の状態における前記バイトの刃先の位置が一致する点を原点とし、その原点から前記第３軸方向の位置をＸ、前記第１軸方向の位置をＹ、前記第３軸，前記第１軸，前記第４軸の駆動速度をそれぞれＶ_Ｘ ，Ｖ_Ｙ ，Ｖ_Ｚとし、前記第５軸，前記第２軸の角速度をそれぞれＶ_Ｂ ，Ｖ_Ｃとした場合において、
   以上の式に基づいて前記バイトのすくい面の角度を調節する曲面切削装置。
2. 前記第２軸を鉛直線上に設置した請求項１に記載の曲面切削装置。
3. 前記バイトを前記ワークの上方位置に設けた請求項２に記載の曲面切削装置。