JP7211777B2

JP7211777B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP7211777B2
Application number: JP2018221005A
Authority: JP
Inventors: 陽介鈴木
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: JP2020082136A

Description

本明細書は、素材を切削加工する切削機構を備えた工作機械を開示する。

切削機構を有した工作機械、いわゆる切削加工機では、素材を切削加工することで製品を製造する。ここで、こうした切削加工に用いられる素材の中には、内部欠陥を有するものがある。例えば、大型製品では、鋳物を素材として用いる場合が多いが、かかる鋳物では、その内部に鋳巣と呼ばれる空洞が生じやすいことが知られている。

鋳巣は、鋳物の内部に発生するため、外部から視認できない。そのため、鋳巣に気づかないまま切削加工してしまった後、加工面に鋳巣が現れて、鋳巣の存在に気づくことがあった。この場合、切削加工で得られた加工物は、製品としての基準を満たさないため、せっかくの切削加工が無駄となる。

そこで、加工前に素材の内部欠陥を非破壊検査器等を用いて検査することが考えられる。しかし、この場合、素材の検査装置への搬送、検査装置での素材の検査、素材の検査装置から工作機械への搬送といった作業が必要となり、余計な工程、手間が生じていた。特に、鋳物は、大型製品で用いられることが多いが、かかる大型製品用の素材を、搬送することは、作業者にとって大きな負担であった。

そこで、一部では、工作機械に、素材の内部欠陥を検出する検出装置を設けることが提案されている。例えば、特許文献１には、工作機械の一種である旋盤に、チルドロール（素材）における鋳造欠陥（鋳巣）の有無を検査する超音波探傷手段を設けることが開示されている。この旋盤では、超音波探傷手段により鋳造欠陥が検出されれば、当該鋳造欠陥の外壁にチョークでマーキングを施していた。かかる特許文献１の技術によれば、機械加工ライン上にて鋳造欠陥の検査が行なわれるので、加工と検査が簡単に切り替えられる。

特開昭６１－１７５５６３号公報特開平６－７１０号公報特開２００８－１５１７１０号公報

しかしながら、特許文献１では、内部欠陥の検出については、検討されているものの、検出された内部欠陥の修復については、十分に検討されていない。そのため、特許文献１の技術では、素材に内部欠陥が検出された場合には、当該素材を廃棄したり、当該欠陥を修復できる他の装置に搬送したりする必要があった。結果として、特許文献１では、鋳物のように内部欠陥が生じる可能性がある素材を切削加工して製品を製造する際の効率を十分に向上できなかった。

なお、特許文献２には、カップ型カッタを用いる工作機械に、ワークを非接触で測定する非接触測定装置を設けることで、ワークをチャックから外すことなく検査できるようにし、検査結果によっては、そのまま、カップ型カッタで修正加工を行う技術が開示されている。しかし、この特許文献２の技術は、あくまで、加工後のワーク表面の状態を検査して修正する技術であり、素材の内部欠陥に対応できる技術ではない。

また、特許文献３には、完成した鋳造製品を切削する工程と、切削した平面を非接触で三次元に計測する構成と、を繰り返し行なうことで鋳造製品の肉厚を検査する方法が開示されている。しかし、この特許文献３は、完成した製品を切削（破壊）して肉厚を検査するものであり、鋳造製品の内部欠陥を修復することはもちろんのこと、内部欠陥を検出することについてすら、開示されていない。

以上の通り、従来は、素材の内部欠陥の検出と修復を行なえる工作機械はなかった。結果として、内部欠陥が生じやすい素材を用いる場合の、製品製造効率を十分に向上できなかった。

そこで、本明細書では、内部欠陥が生じやすい素材を用いる場合において、製品製造効率を向上できる工作機械を開示する。

本明細書で開示する工作機械は、素材から製品を製造するために前記素材を切削加工する切削機構を備えた工作機械であって、前記素材の内部欠陥を、当該素材を破壊することなく検出する非破壊検査器と、前記素材を保持するワーク保持装置と、前記素材を切削加工する工具を保持する工具保持装置と、を有する前記切削機構であって、前記非破壊検査器で検出された内部欠陥の修復のために前記素材の少なくとも一部を切削除去する切削機構と、前記素材のうち前記切削除去された箇所に材料を補填または前記切削除去された箇所周辺の材料を攪拌することで修復する欠陥修復器と、前記非破壊検査器と、前記切削機構と、前記欠陥修復器と、の駆動を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、検出された前記内部欠陥のうち、前記製品の外表面と重複する内部欠陥、および、前記製品の内部に埋没するとともに製品の強度を低下させると判断される内部欠陥のみを、前記切削機構および前記欠陥修復器を用いて修復させ、前記製品と重複しない内部欠陥、および、前記製品の内部に埋没するとともに製品の強度を低下させないと判断される小さな内部欠陥は、修復させない、ことを特徴とする。

工作機械が、非破壊検査器と欠陥修復器とを備えるため、素材の内部欠陥の検査および修復と、切削機構を用いた製品加工と、が連続して行える。また、内部欠陥の修復に際しては、素材の付与箇所の切削除去が必要になるが、この切削除去に工作機械の切削機構を用いることができるため、効率的に内部欠陥を修復できる。結果として、内部欠陥が生じやすい素材を用いる場合において、製品製造効率を向上できる。また、不要な内部欠陥については、除去、修復の作業が不要となるため、全体としての作業時間を短縮できる。

この場合、前記制御装置は、前記非破壊検査器による欠陥検出結果と、欠陥検出時における前記非破壊検査器の位置および姿勢と、を関連付けて欠陥情報として記憶してもよい。

かかる構成とすることで、内部欠陥の位置およびサイズを把握でき、内部欠陥周辺の除去および内部欠陥の修復を効率的に行なうことができる。

また、この場合、前記制御装置は、センサを用いて前記素材を測定した測定結果または予め記憶された前記素材のＣＡＤデータに基づいて前記素材の外形情報を取得し、前記外形情報と前記欠陥情報とに基づいて欠陥修復のための前記切削機構および前記欠陥修復器の駆動プログラムを生成してもよい。

制御装置において、欠陥修復のための切削機構および欠陥修復器の駆動プログラムを生成することで、内部欠陥の修復等をより効率的に行なえる。

また、前記制御装置は、前記素材に対する製品形状の相対位置をずらすことで前記内部欠陥が製品表面に露出することが防止できる場合は、当該内部欠陥を補修することなく、前記素材に対する前記製品形状の相対位置をずらして前記切削機構に製品加工を実行させてもよい。

かかる構成とすることで、修復対象の内部欠陥を低減でき、除去、修復に要する時間を短縮でき、全体としての作業時間を短縮できる。

また、さらに、加工室内に設けられ、関節接合された複数のアームを有するロボットを備え、前記非破壊検査器は、前記ロボットのエンドエフェクタとして前記ロボットに取り付けられていてもよい。

かかる構成とすることで、より多様な位置から素材を検査できるため、内部欠陥をより確実に検出できる。

また、前記非破壊検査器は、超音波探傷機または放射線透過試験機であってもよい。かかる構成とすることで、素材に悪影響を与えることなく、内部欠陥を検出できる。

また、前記欠陥修復器は、積層造形機、溶接機、摩擦攪拌改質機の少なくとも一つを含んでもよい。かかる構成とすることで、除去箇所を確実に補修できる。

また、前記工具保持装置は、転削用工具を回転保持する工具主軸を含み、前記欠陥修復器は、前記転削用工具の代わりに、前記工具主軸に取り付けられた攪拌用工具で、前記素材の摩擦攪拌改質を行なう摩擦攪拌改質機を含んでもよい。

かかる構成とすることで、攪拌用工具を回転保持する装置を別途設ける必要がないため、工作機械全体の小型化、低コスト化が可能となる。

本明細書で開示する工作機械によれば、内部欠陥が生じやすい素材を用いる場合において、製品製造効率を向上できる。

工作機械の概略的な正面図である。工作機械の概略的な構成を示すブロック図である。素材の一例を示す図である。図３Ａの素材の切削除去する様子を示す図である。図３Ｃの素材を修復する様子を示す図である。素材の一例を示す図である。図４Ａの素材の切削除去する様子を示す図である。図４Ｃの素材を修復する様子を示す図である。素材の一例を示す図である。図５Ａの素材の切削除去する様子を示す図である。図５Ｃの素材を修復する様子を示す図である。素材を検査、除去、修復する流れを示すフローチャートである。内部欠陥の評価の流れを示すフローチャートである。素材の一例を示す図である。図８Ａの素材において製品形状の基準点をずらした様子を示す図である。

以下、図面を参照して工作機械１０の構成について説明する。図１は、工作機械１０の構成を示す概略正面図である。また、図２は、工作機械１０の構成を示すブロック図である。この工作機械１０は、素材１０２を、指定の製品形状に切削加工して、製品を製造する切削加工機である。以下では、工作機械１０を、転削加工を行うマシニングセンタ、特に、大型製品の加工に適した門形マシニングセンタとして説明する。ただし、本明細書で開示する技術は、切削機構を有するのであれば、マシニングセンタに限らず他の工作機械に適用されてもよい。したがって、本明細書で開示する技術は、マシニングセンタの他、旋削加工を行う旋盤や、研削加工を行う研削盤、およびこれらを組み合わせた複合加工機などに適用されてもよい。

工作機械１０には、素材１０２を切削加工する切削機構１２が設けられている。切削機構１２は、素材１０２を保持するテーブル１６と、工具１００を保持する工具主軸１４と、を有している。工具主軸１４は、工具保持装置として機能するもので、転削用工具１００を回転保持する。この工具主軸１４は、ラム１８により昇降自在に保持されており、ラム１８は、サドル２０により保持されている。サドル２０は、水平方向（Ｙ方向）に延びるクロスレール２２に沿って移動可能であり、クロスレール２２は、コラム２３に沿って昇降自在となっている。テーブル１６は、ワーク保持装置として機能するもので、素材１０２が載置、固定される。このテーブル１６は、地面に固定設置されたベッド１７で支えられており、水平方向（Ｘ方向）に移動可能となっている。

製品を加工する際には、工具１００を高速回転させながら、素材１０２に対して相対移動させることで、素材１０２を切削加工する。ここで、素材１０２、特に、大型製品で用いる素材１０２の中には、内部欠陥を有するものが知られている。例えば、大型製品では、鋳物を素材１０２として用いることが多い。しかし、この鋳物は、その製造過程で、内部に空洞、いわゆる、鋳巣が生じることがある。かかる鋳巣は、外部からは視認できないため、製品加工前に認識できないことが多い。そのため、鋳巣に気づかないまま切削加工してしまった後、加工面に鋳巣が現れて、鋳巣の存在に気づくことがあった。この場合、加工されたものは製品としての基準を満たさないため、せっかくの切削加工が無駄となる。

そこで、従来から、加工前に素材１０２の内部欠陥を検査することが考えられる。しかし、従来、内部欠陥を検出する欠陥検査装置（例えば非破壊検査器）は、工作機械１０の外部に設けられていたため、内部欠陥の有無を検査するためには、素材１０２の欠陥検査装置への搬送、欠陥検査装置での素材１０２の検査、素材１０２の欠陥検査装置から工作機械１０への搬送といった作業が必要となり、余計な工程、手間が生じていた。特に、鋳物は、大型製品で用いられることが多いが、かかる大型製品用の素材１０２を、搬送することは、作業者にとって大きな負担であった。そのため、従来は、複数の素材１０２全てについて欠陥検査を行なわず、一部だけを抜き取り検査することが多かった。しかし、内部欠陥（鋳巣）の発生箇所や形状は、固体によって違うため、抜き取り検査では、上述したような問題を防止できなかった。また、従来では、検査によって、無視できない内部欠陥が見つかった場合には、その素材１０２を廃棄するしかなく、素材１０２の無駄が生じていた。結果として、従来では、内部欠陥が生じる可能性がある素材（例えば鋳物等）を用いて製品を製造する際の生産効率が低かった。

そこで、本明細書で開示する工作機械１０では、製品の生産効率をより向上するために、切削機構１２に加えて、更に、内部欠陥を検出する非破壊検査器２８と、内部欠陥を修復する欠陥修復器３０と、を設けている。

非破壊検査器２８は、素材１０２の内部にある欠陥、例えば、鋳巣を検出するものである。かかる非破壊検査器２８としては、例えば、超音波探傷機や放射線透過試験機を用いることができる。こうした非破壊検査器２８は、移動機構２４に取り付けられている。移動機構２４は、非破壊検査器２８の位置および姿勢を変更するもので、本例では、互いに関節接合された複数のアームを有した多関節型のロボット２６である。非破壊検査器２８は、このロボット２６のエンドエフェクタとして、アームの端部に取り付けられている。このように、非破壊検査器２８をロボット２６に取り付けることで、非破壊検査器２８の位置および姿勢を自由に変更でき、素材１０２を様々な位置および向きから検査することができる。さらに、本例では、このロボット２６を、工具主軸１４に設置している。かかる構成とすることで、ロボット２６、ひいては、非破壊検査器２８の可動範囲を広げることができ、より様々な位置から欠陥を検出できる。

なお、ロボット２６に取り付けられるエンドエフェクタは、適宜、交換されてもよい。したがって、素材１０２の内部欠陥を検査する際には、ロボット２６にエンドエフェクタとして非破壊検査器２８を装着し、素材１０２の外形形状を測定する際には、ロボット２６にエンドエフェクタとして、接触式または非接触式の三次元測定器を装着するようにしてもよい。

また、本例では、非破壊検査器２８を、移動機構２４、具体的には、ロボット２６に取り付けているが、素材１０２の内部欠陥を検出できるのであれば、非破壊検査器２８は、位置および姿勢が固定でもよい。

欠陥修復器３０は、切削機構１２を協働して、内部欠陥箇所を修復する。すなわち、後に詳説するが、制御装置３２は、非破壊検査器２８により素材１０２の内部に看過できない欠陥が見つかった場合、内部欠陥の発生箇所周辺を、切削機構１２により切削除去する。欠陥修復器３０は、この切削除去された箇所に材料を補填、または、切削除去された箇所周辺の材料を攪拌することで修復する。かかる欠陥修復器３０としては、例えば、材料を層状に積み重ねて成形する積層造形機、材料を溶融して接合させる溶接機、母材に高速回転させた攪拌用ツールを押し付けることで周辺の材料を攪拌する摩擦攪拌改質器などを用いることができる。

欠陥修復器３０は、素材１０２に対して移動可能に設けられている。例えば、欠陥修復器３０は、工具主軸１４とは独立して移動できる移動体２９に取り付けられてもよい。また、別の形態として、欠陥修復器３０は、工具１００に代わって工具主軸１４に取り付けられてもよい。

制御装置３２は、各種演算を行なうＣＰＵと、各種プログラムやデータを記憶するメモリ３６と、を有したコンピュータである。この制御装置３２は、さらに、通信機能を有しており、他の装置との間で各種データ、例えば、加工プログラム（ＮＣプログラム）等を授受できる。この制御装置３２は、例えば、工具１００や素材１０２の位置を随時演算する数値制御装置を含んでもよい。また、制御装置３２は、単一の装置でもよいし、複数の演算装置を組み合わせて構成されてもよい。

制御装置３２は、製品形状を得るために、切削機構１２で素材１０２を切削加工する際に、テーブル１６や工具主軸１４の駆動を制御する。また、制御装置３２は、後述するように、素材１０２の内部欠陥の検出、除去、修復を行なうために、非破壊検査器２８、切削機構１２、欠陥修復器３０の駆動制御も行なう。この欠陥の検出、除去、修復に関わるデータの授受について図２を参照して説明する。なお、以下では、切削機構１２による切削加工のうち、素材１０２から内部欠陥を除去するための切削加工を「除去加工」と呼び、素材１０２から製品形状を生成するための切削加工を「製品加工」と呼び、両者を区別する。

制御装置３２には、予め、製品加工プログラムが入力される。製品加工プログラムは、製品加工を行う際の工具１００および素材１０２の移動軌跡等を含むＮＣプログラムである。また、制御装置３２には、製品形状を示す製品ＣＡＤデータも予め入力される。この製品加工プログラムや製品ＣＡＤデータは、外部機器で予め生成され、制御装置３２に入力される。

また、制御装置３２は、内部欠陥の検出に先立って、素材１０２の外形を示す外形情報４０を取得する。制御装置３２は、この外形情報４０を、例えば、素材１０２の形状を示すＣＡＤデータを読み込むことで取得してもよい。また、別の形態として、制御装置３２は、工作機械１０に設けられた外形センサ３８での検出結果に基づいて、外形情報４０を取得してもよい。外形センサ３８は、素材１０２の外形を検出できるのであれば特に限定されない。したがって、外形センサ３８は、接触して物体の外形を計測するタッチプローブ式の三次元測定機でもよいし、レーザや超音波を利用して非接触で物体の外形を計測する非接触式の三次元測定機でもよい。

制御装置３２は、得られた外形情報４０に基づいて、非破壊検査器２８の移動ルートを決定する。すなわち、素材１０２の内部欠陥を検出するためには、移動機構２４を駆動して、非破壊検査器２８を様々な位置および姿勢に変化させる必要がある。制御装置３２は、非破壊検査器２８やロボット２６が素材１０２と干渉することなく、非破壊検査器２８が素材１０２の全範囲について欠陥検出でき得る、移動ルートを外形情報４０に基づいて算出する。

ロボット２６（移動機構２４）には、各アームの移動量（回転量）を検出するセンサ３９が設けられている。このセンサ３９の検出値は、随時、制御装置３２に送られる。制御装置３２は、これらの検出値に基づいて、現時点での非破壊検査器２８の位置および姿勢を算出する。

また、非破壊検査器２８での検出結果も、制御装置３２に送られる。制御装置３２は、この欠陥検出結果と、欠陥検出時の非破壊検査器２８の位置および姿勢と、を関連付けて欠陥情報４２として記憶する。

内部欠陥を除去および修復する際、制御装置３２は、得られた欠陥情報４２および外形情報４０に基づいて、除去用加工プログラムＰ１および修復用加工プログラムＰ２を生成する。除去用加工プログラムＰ１は、内部欠陥周辺を除去するために必要な切削機構１２の駆動プログラム（ＮＣプログラム）である。また、修復用加工プログラムＰ２は、除去箇所を修復するために必要な欠陥修復器３０の駆動プログラムである。切削機構１２および欠陥修復器３０が、これらのプログラムＰ１，Ｐ２に従い駆動することで、素材１０２の内部欠陥が除去、修復される。

次に、素材１０２の内部欠陥１０４の検査、除去、修復の様子について図３～図５を参照して説明する。図３Ａは、内部に、四つの内部欠陥１０４ａ～１０４ｄを有した素材１０２のイメージ図である。図３Ａにおいて二点鎖線は、製品外形を示している。図３Ａの例では、素材１０２の内部には、製品と重複しない位置にある内部欠陥１０４ａと、製品表面と重複する位置にある内部欠陥１０４ｂと、製品の内部に位置する小さな内部欠陥１０４ｃと、製品の内部に位置する大きな内部欠陥１０４ｄと、が存在する。

こうした内部欠陥のうち、製品と重複しない位置にある内部欠陥１０４ａは、放置しておいても、製品加工の過程で除去されるため、問題ない。また、製品の内部に位置する欠陥のうち、小さな内部欠陥１０４ｃも、製品の品質に大きな悪影響を及ぼさないため、放置しておいても問題ない。一方、製品表面と重複する内部欠陥１０４ｂは、製品が形成されると外部に露出し、製品としての価値を著しく低下させる。また、製品の内部であっても、大きな内部欠陥１０４ｄは、製品の強度を低下させるおそれがある。

ただし、こうした内部欠陥１０４ａ～１０４ｄは、いずれも、素材１０２の内部に隠れているため、目視できない。そこで、本例では、製品加工に先立って、こうした内部欠陥１０４の有無を、検出し、必要に応じて修復する。具体的には、制御装置３２は、ロボット２６および非破壊検査器２８を駆動して、内部欠陥１０４の位置およびサイズを検出する。続いて、制御装置３２は、検出された内部欠陥１０４を評価し、修復の要否を判断する。この判断基準としては、種々考えられるが、例えば、製品の外表面と重複する内部欠陥１０４ｂ、および、製品の内部かつ基準以上の大きさの内部欠陥１０４ｄを、修復対象として判断するようにしてもよい。

修復対象の内部欠陥１０４が特定できれば、制御装置３２は、切削機構１２を駆動して、当該修復対象の内部欠陥１０４を切削除去する。本例では、内部欠陥１０４ｂと内部欠陥１０４ｄとが修復対象となるため、図３Ｂに示すように、内部欠陥１０４ｂ，１０４ｄを除去できる高さ位置まで素材１０２を切削除去する。

修復対象の内部欠陥１０４ｂ，１０４ｄが除去できれば、続いて、制御装置３２は、欠陥修復器３０を駆動して、切削除去した箇所を修復する。図３の例では、欠陥修復器３０として積層造形機５０を用いる。積層造形機５０は、切削除去した箇所に材料を積層していくことで、除去箇所を修復する。なお、このとき、切削除去した箇所全てに材料を補填する必要はなく、図３Ｃに示すように、製品形成に必要な箇所にのみ、材料を補填すればよい。

また、上述の説明では、修復対象の内部欠陥１０４と同じ高さ位置の材料を全て切削除去しているが、内部欠陥１０４の周辺箇所のみを切削除去してもよい。すなわち、図４Ａに示すように、製品表面に内部欠陥１０４が存在する場合、図４Ｂに示すように、当該内部欠陥１０４の周辺のみを切削除去してもよい。また、欠陥修復器３０として、溶接機５２を用いてもよい。この場合、図４Ｃに示すように、切削除去された箇所は、溶接機５２により肉盛り溶接されることで修復される。

また、欠陥修復器３０として、図５に示すように、摩擦攪拌改質器５４を用いてもよい。摩擦攪拌改質器５４は、素材の表面材料を、攪拌して改質するものである。具体的には、摩擦攪拌改質器５４は、先端にプローブ５５ａと呼ばれる小突起を有する円柱状の攪拌用工具５５を、高速回転させながら素材表面に押し付け、プローブ５５ａを材料中に圧入する。素材１０２は、プローブ５５ａの側面および攪拌用工具５５の肩部下面との摩擦熱により加熱されて塑性変形抵抗を失い、攪拌用工具５５の回転に引きずられる形で材料流動を起こし、攪拌される。摩擦攪拌改質で内部欠陥１０４を修復する場合には、図５Ｂに示すように、プローブ５５ａが内部欠陥１０４箇所に到達できるように、内部欠陥１０４の真上まで材料を切削除去する。その後、図５Ｃに示すように、攪拌用工具５５を高速回転させつつ、内部欠陥１０４周辺に攪拌用工具５５を押し当てて、内部欠陥１０４周辺の材料を攪拌する。

なお、摩擦攪拌改質器５４は、工具主軸１４と独立して設けられてもよいが、工具主軸１４を利用するものでもよい。すなわち、上述の説明から明らかな通り、攪拌用工具５５の保持装置は、当該攪拌用工具５５を高速回転できるとともに、素材材料の塑性変形抵抗に耐えられる程度の高い剛性を有することが求められる。このような保持装置は、大型で高価になりやすいが、工具主軸１４は、こうした条件を満たしている。そのため、工具主軸１４に、転削用工具１００に替えて、攪拌用工具５５を取り付けて、摩擦攪拌改質を行なうようにすれば、摩擦攪拌改質用の工具保持装置を別途設ける必要がなく、スペースやコストを低減できる。

次に、内部欠陥１０４の修復の流れについて図６、図７を参照して説明する。図６は、内部欠陥１０４の修復の流れを示すフローチャートであり、図７は、欠陥の評価処理の流れを示すフローチャートである。

制御装置３２は、製品加工の開始前に、図６に示す処理を実行する。具体的には、制御装置３２は、まず、製品加工前の素材１０２の外形を示す外形情報４０を取得する（Ｓ１０）。この外形情報４０は、予めＣＡＤデータとして取得してもよいし、外形センサでの検出結果に基づいて算出してもよい。

次に、制御装置３２は、得られた外形情報４０に基づいて、非破壊検査器２８の移動ルートを算出する（Ｓ１２）。すなわち、非破壊検査器２８およびロボット２６を、素材１０２に干渉させることなく、素材１０２全体を非破壊検査器２８で検査できる移動ルートを求める。移動ルートが得られれば、内部欠陥１０４の検査を行なう（Ｓ１４）。具体的には、制御装置３２は、非破壊検査器２８を、移動ルートに従い移動させて、素材１０２表面に近接させつつ、非破壊検査器２８から検出信号（超音波、放射線、レーダーなど）を送受させる。非破壊検査器２８による検出結果は、随時、制御装置３２に送られる。制御装置３２は、この検出の際、ロボット２６から送られる移動量（各アームの回転量）に基づいて、非破壊検査器２８の位置（検出位置）を随時、算出する。制御装置３２は、この得られた検出結果と、検出位置と、を対応付けた情報を欠陥情報として記憶する（Ｓ１６）。

欠陥情報が得られれば、続いて、制御装置３２は、各内部欠陥１０４について、修復が必要か否か、評価する（Ｓ１８）。この内部欠陥１０４の評価のために、制御装置３２は、まず、製品ＣＡＤデータと、外形情報４０と、欠陥情報４２と、を読み込む（図７、Ｓ３０）。そして、欠陥情報４２から内部欠陥１０４の位置およびサイズを求める。素材１０２に欠陥がある場合、制御装置３２は、一つの内部欠陥１０４が、製品と重複する位置にあるか否かを判断する（Ｓ３４）。すなわち、制御装置３２は、外形情報４０と製品ＣＡＤデータとに基づいて、素材１０２のうち製品となる範囲を特定する。また、制御装置３２は、外形情報と欠陥情報４２とに基づいて、内部欠陥１０４の素材１０２に対する位置を特定する。制御装置３２は、この特定された位置が、製品となる範囲と重複しているか否かを判断する。

判断の結果、内部欠陥１０４が、製品と重複している場合には、修復不要と判断する（Ｓ４２）。一方、内部欠陥１０４が、製品と重複している場合、制御装置３２は、続いて、当該内部欠陥１０４が、製品表面と重複しているか否かを判断する（Ｓ３６）。製品表面と重複している場合には、当該内部欠陥１０４は、製品加工することで、外部に露出することになる。そのため、内部欠陥１０４の大きさに関わらず、修復必要と判断する（Ｓ４０）。一方、内部欠陥１０４が、製品と重複しているものの、製品表面とは重複していない場合、すなわち、内部欠陥１０４が製品の内部に位置する場合、制御装置３２は、当該内部欠陥１０４のサイズを、予め規定された許容値と比較する（Ｓ３８）。この許容値は、製品に求められる強度基準や重量基準等に基づいて決定することができる。

比較の結果、内部欠陥１０４のサイズが許容値を超えている場合、制御装置３２は、当該内部欠陥１０４が、製品の内部であっても、修復が必要と判断する（Ｓ４０）。一方、内部欠陥１０４のサイズが許容値以下の場合には、当該内部欠陥１０４は、製品の外部に露出しないため、修復不要と判断する（Ｓ４２）。一つの内部欠陥１０４についての評価が完了すれば、次の内部欠陥１０４を同様の手順で評価する。全ての内部欠陥１０４についての評価が完了すれば、ステップＳ２０（図６）に進む。

ステップＳ２０において、制御装置３２は、除去用加工プログラムＰ１と修復用加工プログラムＰ２を生成する。除去用加工プログラムＰ１は、修復が必要な内部欠陥１０４を除去するために必要な切削機構の加工プログラム（ＮＣプログラム）である。また、修復用加工プログラムＰ２は、除去箇所を修復するために必要な欠陥修復器３０の駆動プログラムである。

二つの加工プログラムＰ１，Ｐ２が生成できれば、制御装置３２は、除去用加工プログラムＰ１に基づいて切削機構を駆動し、内部欠陥１０４の周辺を切削除去させる（Ｓ２２）。続いて、制御装置３２は、修復用プログラムＰ２に基づいて欠陥修復器３０を駆動し、除去箇所に材料を補填、または、除去箇所周辺を攪拌して内部欠陥１０４を修復する（Ｓ２４）。

以上の手順で内部欠陥１０４の修復処理は、完了となる。そして、一つの素材１０２について内部欠陥１０４の修復ができれば、制御装置３２は、そのまま、当該素材１０２に対して製品加工を施して、製品を製造する。

つまり、本例によれば、素材１０２の内部欠陥１０４の検出、除去、修復と、製品加工と、を同じ工作機械１０内で連続して行える。その結果、素材１０２を途中で搬送する必要がなく、作業を簡易化できる。また、本例によれば、無視できない内部欠陥１０４が存在する場合には、その場で、内部欠陥１０４を除去、修復する。その結果、内部欠陥１０４が存在した素材１０２も、有効に利用でき、素材１０２の廃棄を効果的に抑制できる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、少なくとも、素材の内部欠陥の箇所を検出する非破壊検査器と、内部欠陥の少なくとも周辺を切削除去する切削機構と、切削除去された箇所を修復する欠陥修復器と、を有するのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、上述載の例では、非破壊検査器２８を移動可能としているが、一箇所で素材１０２全体を検査できるのであれば、非破壊検査器２８を移動させる移動機構２４はなくてもよい。また、移動機構２４は、ロボット２６に限らず、他の機構、例えば、直動移動機構などでもよい。

また、本例では、検出された内部欠陥１０４の修復の要否を、内部欠陥１０４のサイズおよび製品に対する位置に基づいて決定しているが、他の基準に基づいて判断してもよい。例えば、内部欠陥１０４のサイズに関わらず、製品と重複する内部欠陥１０４は、全て、修復対象と判断してもよい。また、別の形態として、一定以上のサイズの内部欠陥１０４は、その位置に関わらず、全て修復対象と判断してもよい。

また、別の形態として、内部欠陥１０４を製品の基準点変更で対処できるか否かに基づいて、修復の要否を判断してもよい。すなわち、図８Ａに示すように、製品表面に内部欠陥１０４が存在する場合でも、図８Ｂに示すように、製品形状の素材１０２に対する基準点を変更すれば、当該内部欠陥１０４を、製品の外側に位置させることが出来る場合がある。かかる場合には、内部欠陥１０４を除去、修復するのではなく、製品形状の素材１０２に対する基準点を変更するようにしてもよい。すなわち、素材１０２に修復されることなく残存した内部欠陥１０４がある場合には、製品表面に、残存した内部欠陥１０４が露出しないように、製品形状の基準点を変更してもよい。かかる構成とすることで、内部欠陥１０４を除去、修復が不要となるため、これらの時間分だけリードタイムを短縮できる。

また、上述の説明では、切削機構１２として、転削加工を行う機構のみを例示したが、切削機構１２は、素材１０２の一部を除去できるのであれば、旋削加工や研削加工用の切削機構でもよい。また、欠陥修復器３０は、欠陥を修復できるのであれば、積層造形機や、溶接機、摩擦攪拌改質器以外の形態でもよい。

１０工作機械、１２切削機構、１４工具主軸、１６テーブル、１７ベッド、１８ラム、２０サドル、２２クロスレール、２３コラム、２４移動機構、２６ロボット、２８非破壊検査器、２９移動体、３０欠陥修復器、３２制御装置、３６メモリ、３８外形センサ、４０外形情報、４２欠陥情報、５０積層造形機、５２溶接機、５４摩擦攪拌改質器、５５攪拌用工具、５５ａプローブ、１００転削用工具、１０２素材、１０４内部欠陥。

Claims

素材から製品を製造するために前記素材を切削加工する切削機構を備えた工作機械であって、
前記素材の内部欠陥を、当該素材を破壊することなく検出する非破壊検査器と、
前記素材を保持するワーク保持装置と、前記素材を切削加工する工具を保持する工具保持装置と、を有する前記切削機構であって、前記非破壊検査器で検出された内部欠陥の修復のために前記素材の少なくとも一部を切削除去する切削機構と、
前記素材のうち前記切削除去された箇所に材料を補填または前記切削除去された箇所周辺の材料を攪拌することで修復する欠陥修復器と、
前記非破壊検査器と、前記切削機構と、前記欠陥修復器と、の駆動を制御する制御装置と、
を備え、前記制御装置は、検出された前記内部欠陥のうち、前記製品の外表面と重複する内部欠陥、および、前記製品の内部に埋没するとともに製品の強度を低下させると判断される内部欠陥のみを、前記切削機構および前記欠陥修復器を用いて修復させ、前記製品と重複しない内部欠陥、および、前記製品の内部に埋没するとともに製品の強度を低下させないと判断される小さな内部欠陥は、修復させない、ことを特徴とする工作機械。
請求項１に記載の工作機械であって、
前記制御装置は、前記非破壊検査器による欠陥検出結果と、欠陥検出時における前記非破壊検査器の位置および姿勢と、を関連付けて欠陥情報として記憶する、
ことを特徴とする工作機械。
請求項２に記載の工作機械であって、
前記制御装置は、センサを用いて前記素材を測定した測定結果または予め記憶された前記素材のＣＡＤデータに基づいて前記素材の外形情報を取得し、前記外形情報と前記欠陥情報とに基づいて欠陥修復のための前記切削機構および前記欠陥修復器の駆動プログラムを生成する、
ことを特徴とする工作機械。
請求項１から３のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記制御装置は、前記素材に対する製品形状の相対位置をずらすことで前記内部欠陥が製品表面に露出することが防止できる場合は、当該内部欠陥を補修することなく、前記素材に対する前記製品形状の相対位置をずらして前記切削機構に製品加工を実行させる、ことを特徴とする工作機械。
請求項２から４のいずれか１項に記載の工作機械であって、さらに、
加工室内に設けられ、関節接合された複数のアームを有するロボットを備え、
前記非破壊検査器は、前記ロボットのエンドエフェクタとして前記ロボットに取り付けられている、
ことを特徴とする工作機械。
請求項１から５のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記非破壊検査器は、超音波探傷機または放射線透過試験機である、ことを特徴とする工作機械。
請求項１から６のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記欠陥修復器は、積層造形機、溶接機、摩擦攪拌改質機の少なくとも一つを含む、ことを特徴とする工作機械。
請求項７に記載の工作機械であって、
前記工具保持装置は、転削用工具を回転保持する工具主軸を含み、
前記欠陥修復器は、前記転削用工具の代わりに、前記工具主軸に取り付けられた攪拌用工具で、前記素材の摩擦攪拌改質を行なう摩擦攪拌改質機を含む、
ことを特徴とする工作機械。