JP7233791B1 - 切削装置および位置関係特定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、実施形態1の切削装置1aの概略構成を示す。切削装置1aは、切削工具20と被削材30の相対的な位置関係を特定することを目的として、本格的な切削加工の開始前に切削工具20と被削材30とを接触させ、相対的な位置関係を導出する機能を有する。
処理部105は、1つの電圧パルスP1から、切削工具20の最外周点の回転軌跡円に被削材30が達した位置を特定できる。図3を参照して、処理部105は、切削工具20と被削材30とが最初に接触したときに、切削工具20の刃先が被削材30の被接触面に切り込んだ深さ(最大深さ)dを導出することで、切削工具20の最外周点の回転軌跡円に被削材30が達した位置を特定できる。
R:工具刃先半径、d:切り込んだ深さ、θ:片側接触角度、とすると、直角三角形から、
cosθ=(R-d)/R
したがって、切り込んだ深さdは、
d=R(1-cosθ)
接触角度区間2θは、
2θ=2cos-1{(R-d)/R}
と算出される。
処理部105は、複数の電圧パルスP1~P10から、切削工具20の最外周点の回転軌跡円に被削材30が達した位置を特定できる。実施形態1では、10個の電圧パルスを用いるが、それ以外の複数の電圧パルスを用いてよい。
図8は、各時間区間について算出したデューティ比を、時間t1~t20上に×印でプロットした図である。処理部105は、第1切れ刃に関して算出した複数のデューティ比と第2切れ刃に関して算出した複数のデューティ比を統計処理して、それぞれのデューティ比の変化を曲線近似し、近似した回帰曲線(回帰式)がゼロクロスする時間(デューティ比が0となる時間)を求める。
R:工具刃先半径、d:切り込んだ深さ、θ:片側接触角度、R’:被削材曲率半径とする。
cosθ=(R-d1)/R
したがって、
d1=R(1-cosθ)
工具側の直角三角形の底辺と、被削材側の直角三角形の底辺が等しいことから、
R2-(R-d1)2=R’2-(R’-d2)2
これをd1について解くと、d=d1+d2であることから、
d1=(2dR’-d2)/(2(R+R’-d))
したがって、
R(1-cosθ)=(2dR’-d2)/2(R+R’-d)が成立し、接触角度区間2θは、
図11は、実施形態2の切削装置1bの概略構成を示す。切削装置1bは、切削工具20と被削材30の相対的な位置関係を特定することを目的として、本格的な切削加工の開始前に切削工具20と被削材30とを接触させ、相対的な位置関係を導出する機能を有する。実施形態2の切削装置1bにおいて、実施形態1の切削装置1aと同じ符号で示す構成は、切削装置1aにおける構成と同じまたは同様の構造および機能を有する。
図14は、各時間区間について算出したデューティ比を、回転周期Tに対応する時間t1~t10上に×印でプロットした図である。処理部105は、複数の時間区間のデューティ比を統計処理して、デューティ比の変化を曲線近似し、近似した回帰曲線(回帰式)がゼロクロスする時間(デューティ比が0となる時間)を求める。
(R+e-d)2=(e+x)2+y2
同様に、直角三角形ABDから、
R2=x2+y2
この2つの式を連立してxを解くと、
x=R-d+(d2-2dR)/(2e)
したがって、接触角度区間2θは、
図17は、実施形態3の切削装置1cの概略構成を示す。切削装置1cは、切削工具20と被削材30の相対的な位置関係を特定することを目的として、本格的な切削加工の開始前に切削工具20と被削材30とを接触させ、相対的な位置関係を導出する機能を有する。実施形態3の切削装置1cにおいて、実施形態1の切削装置1aと同じ符号で示す構成は、切削装置1aにおける構成と同じまたは同様の構造および機能を有する。
図20(b)は、運動軌跡の別の例を示す。図20(b)に示す運動軌跡は、切削工具20が半円軌跡運動と直線軌跡運動とを交互に繰り返して被削材30に接近する軌跡である。
図20(c)は、運動軌跡の別の例を示す。図20(c)に示す運動軌跡は、切削工具20が複数の直線軌跡を繋げた三角形軌跡運動を繰り返して被削材30に接近する軌跡である。
このように実施形態3において、運動制御部101は、切削工具20に所定の軌跡に沿った運動を与えつつ、切込み方向に送り運動を与えることで、切削工具20を被削材30に接触させる。
図22は、実施形態4の切削装置1dの概略構成を示す。切削装置1dは、チャック31を介して主軸10に取り付けられた被削材30を回転させて、回転する被削材30に切削工具20の刃を切り込ませる旋盤またはターニングセンターである。実施形態4では、主軸10、チャック31、被削材30、切削工具20、工具固定部82および工具台83が、導電体であり、切削工具20の刃が切削点50で被削材30を切削する。なお別の例で切削装置1dは、主軸10に取り付けられた切削工具20を回転させて、回転する切削工具20の刃を被削材30に切り込ませるフライス盤であってもよく、または他の種類の工作機械であってもよい。実施形態4の切削装置1dにおいて、実施形態1の切削装置1aと同じ符号で示す構成は、切削装置1aにおける構成と同じまたは同様の構造および機能を有する。
本開示のある態様の切削装置は、切削工具または被削材の一方に回転運動または所定の軌跡に沿った運動を与えつつ、切削工具と被削材とが接触する方向に切削工具を被削材に対して相対的に移動させる運動制御部と、切削工具と被削材との接触の有無を示す信号を取得する取得部と、取得部により取得された信号から、切削工具と被削材とが接触している区間を特定して、特定した区間から、切削工具と被削材の相対的な位置関係を特定する処理部と、を備える。
Claims (17)
- 切削工具または被削材の一方に回転運動または所定の軌跡に沿った運動を与えつつ、前記切削工具と前記被削材とが接触する方向に前記切削工具を前記被削材に対して相対的に移動させる運動制御部と、
前記切削工具と前記被削材との接触の有無を示す信号を取得する取得部と、
前記取得部により取得された信号から、前記切削工具と前記被削材とが接触を開始してから接触を終了するまでの区間を特定して、特定した区間から、前記切削工具と前記被削材の相対的な位置関係を特定する処理部と、を備え、
前記切削工具と前記被削材との接触の有無を示す信号は、時間の経過とともに変化する電気信号であって、パルス状の電気信号を含む、
ことを特徴とする切削装置。 - 前記処理部は、特定した区間から、前記切削工具の刃先が前記被削材に切り込んだ深さを導出し、導出した深さを用いて前記切削工具と前記被削材の相対的な位置関係を特定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の切削装置。 - 前記処理部は、運動周期に対する区間の割合を算出し、算出した割合を用いて切り込んだ深さを導出する、
ことを特徴とする請求項2に記載の切削装置。 - 前記処理部は、前記切削工具と前記被削材とが最初に接触したときの区間から、前記切削工具と前記被削材の相対的な位置関係を特定する、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の切削装置。 - 前記運動制御部は、
前記切削工具または前記被削材の一方である第1部材が取り付けられた主軸の回転を制御する主軸制御部と、
前記第1部材と、前記切削工具または前記被削材の他方である第2部材との間の相対的な移動を制御する移動制御部と、を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の切削装置。 - 前記処理部は、前記取得部により取得された信号の時系列データから、前記第1部材と前記第2部材とが接触している区間を特定して、特定した複数の区間から、前記第1部材の最外周点の回転軌跡円に前記第2部材が達した位置を特定する、
ことを特徴とする請求項5に記載の切削装置。 - 前記処理部は、前記主軸の回転周期に対する区間の割合を算出し、複数の区間に対して算出した割合を用いて、前記第1部材の最外周点の回転軌跡円に前記第2部材が達した位置を特定する、
ことを特徴とする請求項6に記載の切削装置。 - 前記処理部は、複数の区間に対して算出した割合を回帰分析して求めた回帰曲線を用いて、前記第1部材の最外周点の回転軌跡円に前記第2部材が達した位置を特定する、
ことを特徴とする請求項7に記載の切削装置。 - 前記処理部は、複数の区間の長さにもとづいて、前記第1部材の最外周点の回転軌跡円に前記第2部材が達した位置を特定する、
ことを特徴とする請求項6に記載の切削装置。 - 前記処理部は、複数の区間の長さを回帰分析して求めた回帰曲線を用いて、前記第1部材の最外周点の回転軌跡円に前記第2部材が達した位置を特定する、
ことを特徴とする請求項9に記載の切削装置。 - 前記処理部は、前記切削工具が前記被削材に接触する角度区間と、前記切削工具が前記被削材に切り込んだ深さとの関係を示す関係式を用いて、前記第1部材の最外周点の回転軌跡円に前記第2部材が達した位置を特定する、
ことを特徴とする請求項6から10のいずれかに記載の切削装置。 - 前記処理部は、前記主軸に取り付けられた前記第1部材の偏心量を導出する、
ことを特徴とする請求項6に記載の切削装置。 - 前記主軸を収容し、前記主軸を回転可能に支持する静圧軸受を有する主軸ハウジングと、
前記第1部材と前記第2部材との間に交流電圧を印加する電圧印加部と、
前記第1部材と前記第2部材との接触の有無を示す電気信号を測定して、前記取得部に供給する測定部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の切削装置。 - 切削工具と被削材の相対的な位置関係を特定する方法であって、
前記切削工具または前記被削材の一方に回転運動または所定の軌跡に沿った運動を与えるステップと、
前記切削工具と前記被削材とが接触する方向に前記切削工具を前記被削材に対して相対的に移動させるステップと、
前記切削工具と前記被削材との接触の有無を示す信号を取得するステップと、
取得した信号から、前記切削工具と前記被削材とが接触を開始してから接触を終了するまでの区間を特定するステップと、
特定した区間から、前記切削工具と前記被削材の相対的な位置関係を特定するステップと、を含み、
前記切削工具と前記被削材との接触の有無を示す信号は、時間の経過とともに変化する電気信号であって、パルス状の電気信号を含む、
位置関係の特定方法。 - 被削材に対して切削工具を相対的に移動させる送り機構と、
前記送り機構を制御して、前記切削工具または前記被削材の一方に所定の軌跡に沿った運動を与えつつ、前記切削工具と前記被削材とが接触する方向に前記切削工具を前記被削材に対して相対的に移動させる運動制御部と、
前記切削工具と前記被削材との接触の有無を示す信号を取得する取得部と、
前記取得部により取得された信号から、前記切削工具と前記被削材とが接触したタイミングまたは前記切削工具と前記被削材とが接触した状態から離れたタイミングを特定して、特定したタイミングにおける前記切削工具と前記被削材の相対的な位置関係を特定する処理部と、を備え、
前記切削工具と前記被削材との接触の有無を示す信号は、時間の経過とともに変化する電気信号であって、パルス状の電気信号を含む、
ことを特徴とする切削装置。 - 前記運動制御部は、前記切削工具の刃先が前記被削材に接触してから離れるまでの間、前記送り機構を制御して、前記切削工具または前記被削材の一方に所定の軌跡に沿った運動を与え続ける、
ことを特徴とする請求項15に記載の切削装置。 - 切削工具と被削材の相対的な位置関係を特定する方法であって、
送り機構を制御して、前記切削工具または前記被削材の一方に、所定の軌跡に沿った運動を与えるステップと、
前記送り機構を制御して、前記切削工具と前記被削材とが接触する方向に前記切削工具を前記被削材に対して相対的に移動させるステップと、
前記切削工具と前記被削材との接触の有無を示す信号を取得するステップと、
取得した信号から、前記切削工具と前記被削材とが接触したタイミングまたは前記切削工具と前記被削材とが接触した状態から離れたタイミングを特定するステップと、
特定したタイミングにおける前記切削工具と前記被削材の相対的な位置関係を特定するステップと、を含み、
前記切削工具と前記被削材との接触の有無を示す信号は、時間の経過とともに変化する電気信号であって、パルス状の電気信号を含む、
位置関係の特定方法。
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