WO2016194079A1

WO2016194079A1 - 加工装置

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Publication number: WO2016194079A1
Application number: PCT/JP2015/065665
Authority: WO
Inventors: 顕二西川; 靖佐野
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-12-08
Also published as: JP6235167B2; JPWO2016194079A1

Abstract

被削材（２７）を固定して切削加工する加工装置であって、被削材（２７）を把持する把持部（２６）と、把持部（２６）を移動させる可動部（２３）と、可動部（２３）を駆動して、把持部（２６）による把持力を調整する駆動部（２５）と、把持部（２６）による把持力をモニタリングするセンサ（２４）と、を有し、切削加工中の被削材の変形量が所定の範囲内に維持されるように、被削材の切削加工中の予測形状に応じた把持力を算出する把持力シミュレーション部（１３２）を有する演算部（１４１）と、把持力シミュレーション部（１３２）で算出された把持力の設定値に基づいて駆動部（２５）を制御し、把持部（２６）による把持力を制御する把持力制御部（１３４）を有する制御部（１４２）と、を有する加工装置である。

Description

加工装置

　本発明は、加工装置に関する。

　切削加工を行う加工装置では、加工処理後に所望の形状の製造物を得るため、所定の切削条件で加工したときに得られる製造物の形状を予測する手法が検討されている。例えば特許文献１には、切削加工後の３次元形状データを算出する際に、粗材に発生している内部応力を入力することで、切削時における内部応力の解放に伴う粗材の変形を考慮した形状予測を行うことが可能な形状予測装置が開示されている。

特許第４５８２０６７号公報

　切削加工では治具により、加工対象物（以下、被削材と示す。）が固定されるため、治具による把持力が被削材を変形させる。特に切削加工中は、被削材が徐々に除去されるため、被削材の形状は随時変形し、把持力による被削材の変化量は増大する傾向にある。

　しかしながら、特許文献１の形状予測装置は、被削材の内部応力が解放される、切削加工工程の後の３次元形状データの算出を対象としており、被削材に加わる治具の把持力の影響は考慮されていない。このため、特許文献１の技術では、把持力による形状変化の影響が加味されない分、加工後の形状を高精度に予測できないという問題がある。

　本発明の目的は、治具による把持力の影響を考慮し、所望の加工精度を得られる加工装置を提供することにある。

　本発明に係る加工装置の好ましい実施形態としては、被削材を固定して切削加工する加工装置であって、前記被削材を把持する把持部と、前記把持部を移動させる可動部と、前記可動部を駆動して、前記把持部による把持力を調整する駆動部と、前記把持部による把持力をモニタリングするセンサと、を有し、切削加工中の被削材の変形量が所定の範囲内に維持されるように、被削材の切削加工中の予測形状に応じた把持力を算出する把持力シミュレーション部を有する演算部と、前記把持力シミュレーション部で算出された前記把持力の設定値に基づいて前記駆動部を制御し、前記把持部による把持力を制御する把持力制御部を有する制御部と、を有することを特徴とする。

　本発明によれば、治具による把持力の影響を考慮した切削加工が可能であり、所望の加工精度を得られる加工装置を実現することができる。

実施例１の加工装置の構成を示す斜視図である。図１に示す加工装置の把持部２６に被削材２７が固定されている例を示す図である。図１に示す加工装置のＡ－Ａ線による断面の一部を示す図である。図１に示す加工装置の把持部２６に被削材２７が固定されている状態を説明するための、Ａ－Ａ線による断面の一部を示す図である。図１に示す加工装置による切削加工中の状態を説明するための、Ａ－Ａ線による断面の一部を示す図である。図１に示す加工装置の把持部２６に被削材２７が固定されている状態を説明するための、Ａ－Ａ線による断面の一部を示す図である。実施例１の加工装置の機能ブロック図である。実施例１の加工装置の切削加工処理を示すフローチャートである。図８のステップ４を詳細に説明するフローチャートである。ステップ５１の解析により得られた把持力と応力値との関係をグラフ化した図である。図８のステップ５を詳細に説明するためのフローチャートである。図８のステップ７を詳細に説明するためのフローチャートである。ステップ７５で得られたモデル変形量の解析結果の一例を示す図である。図１３に示す解析データに基づいて得られた加工時間と把持力設定値との関係を示す図である。図８のステップ８及ぶステップ３を詳細に説明するためのフローチャートである。実施例２の加工装置の構成を示す斜視図である。図１６に示す加工装置の把持部１０２に被削材１０６が固定されている例を示す図である。実施例３の加工装置の構成を示す斜視図である。図１８に示す加工装置による加工処理の例を説明する図である。図１９に示す加工装置で加工処理を継続したときの、被削材１１５の変形状態を示す図である。

　以下、実施例を図面を用いて説明する。

　図１は、実施例１の加工装置の構成を示す斜視図である。図１では、中空の円盤状の被削材を加工する例を示す。

　ベース２１は、略円筒形状を有しており、工作機械の内部、又は加工対象物が設置される位置に据え付けられる。ベース２１には、その外周面上に端面が設けられるように、レール２２が複数個均等な間隔で固設されている。図１では、３個のレール２２がベース２１に設けられている例を示す。

　レール２２には、それぞれ、ベース２１の外周側の位置にガイド２３が備え付けられている。ガイド２３は、ベース２１の中心側に向けて、レール２２上を半径方向（被削材の固定方向）に移動可能な機構となっている。ガイド２３の移動は、汎用のスクロールチャックのようなチャックハンドルで調整するようにしてもよく、油圧により調整してもよい。

　ガイド２３には、ベース２１の中心方向に把持部２６が附設されており、ガイド２３の移動に伴い、把持部２６が移動されるように構成されている。把持部２６は、爪状の突起部を有しており、この突起部で、被削材２７の中空部を把持することで、ベース２１上に固定する。

　ガイド２３と把持部２６との間には、圧力センサ２４及びアクチュエータ２５が、互いに隣接して設置されている。すなわち、把持部２６は、圧力センサ２４及びアクチュエータ２５を介してガイド２３に固定されている。

　アクチュエータ２５はベース２１半径方向へのガイド２３の変位を生じさせるものであり、ガイド２３の変位により、把持部２６が半径方向に移動することで、把持部２６による把持力が調整される。圧力センサ２４は、把持部２６による把持力をモニタリングする。

　圧力センサ２４としては、例えばロードセルを用いることができる。また、アクチュエータ２５としては、例えばピエゾアクチュエータを用いることができる。

　図２に、被削材２７が把持部２６により固定されている例を示す。図２では、中空部を有する円盤状の被削材２７を、その内径側から、把持部２６の突起部で把持する例を示す。実施例１の加工装置は、不図示の回転駆動機により、ベース２１を回転させることで、被削材２７を回転させるように構成されている。

　図３は、図１に示す加工装置のＡ－Ａ線による断面の一部を示す図である。図３に示すように、ガイド２３、圧力センサ２４、アクチュエータ２５、把持部２６が、ベース２１の外周面側からこの順で、ガイド２３と圧力センサ２４、圧力センサ２４とアクチュエータ２５、アクチュエータ２５と把持部２６とが互いに隣接するように設けられている。

　後述するように、把持部２６は被削材２７を固定するが、図３では、アクチュエータ２５がガイド２３を駆動しておらず、把持部２６が被削材２７を固定していない状態、すなわち、被削材２７に把持部２６による把持力が加えられていない状態を示している。

　図４に、被削材２７が把持部２６により固定されている状態を示す。
図４では、ベース２１外周方向（図５中矢印方向）へのガイド２３の移動に伴い、把持部２６がベース２１外周方向に移動することで、被削材２７の内径部分が把持部２６により把持されている。このとき、被削材２７には、把持部２６からの把持力３０が加わることで、被削材２７は変形量３１をもって変形する。

　図５は、図１に示す加工装置による切削加工中の状態を説明するための、Ａ－Ａ線による断面の一部を示す図である。図５に示すように、切削工具４０は、被削材２７の加工面に接触しつつベース２１の半径方向４１に移動することで、被削材２７を切削加工する。図５に示す例では、不図示の回転駆動機によりベース２１（図１参照。）が回転駆動されることで、ベース２１上に固定された被削材２７が回転し、加工面が切削加工される例を示す。

　切削加工が進行すると、被削材２７の形状が変化し、例えば図５に示すように、その厚さが薄くなる。被削材の厚さが薄くなると、その剛性が低下するため、把持部２６による把持力４２を、切削開始時点の把持力３０から一定としたまま切削加工を継続すると、被削材２７の変形量は変形量４３となり、図４の変形量３１から増加する。このように、変形量が増加した状態で切削加工を継続すると、加工終了後の被削材２７の形状や厚さが、予定した形状や厚さからずれた状態となり、所望の加工精度を得られない。

　そこで、図６に示すように、被削材２７に対する把持力を、把持力４４のように弱めて切削加工を行う。この場合、被削材２７の変形量４５は、図５に示す状態での変形量４３と比較して減少する。この状態で切削加工を行うことで、所望の加工精度を得ることが可能となる。

　被削材２７に対する把持力の調整は、具体的には、アクチュエータ２５によりガイド２３を駆動し、把持部２６の位置を調整することで、行うことができる。

　次に、実施形態に係る加工装置について、図７を参照してさらに説明する。図７に示すように、加工装置は、演算部１４１、制御部１４２、加工装置本体１４３、記憶部１４４及び入力部１４５を有している。

　記憶部１４４は、各加工条件と被削材の変形量との関係を示すデータ１３０を記憶している。

　演算部１４１は、入力部１４５から入力される指令に従って、種々の演算を実行し、演算結果を制御部１４２に出力する。また、演算部１４１は、記憶部１４４が記憶しているデータやプログラムを読出し、読みだしたデータやプログラムを利用した演算を実行する。

　演算部１４１は、各加工条件下で被削材に付与される加工応力と、この加工応力が付与された被削材の変形量との関係に基づいて、切削加工中の被削材の変形量が所定の範囲内となる加工条件範囲を算出する加工条件シミュレーション部１３１と、切削加工中の被削材の変形量が所定の範囲内に維持されるように、被削材の切削加工中の予測形状に応じた把持力を算出する把持力シミュレーション部１３２を備えている。演算部１４１は、さらに、センサ２４によりモニタリングされた把持力の値を参照し、把持部２６による把持力が把持力シミュレーション部１３２で算出された設定値となるように、把持部２６の移動量を算出する把持部移動量算出部１３６を備えている。

　制御部１４２は、演算部１４１から得られた演算結果に基づき、加工装置本体１４３の各部を制御する。　
　制御部１４２は、加工条件シミュレーション部１３１で算出された加工条件範囲に基づいて、加工条件を制御する加工条件制御部１３３と、把持力シミュレーション部１３２で算出された把持力の設定値に基づいて、把持部２６による把持力を制御する把持力制御部１３４と、を備えている。

　把持力制御部１３４では、具体的には、把持部２６による把持力が把持力シミュレーション部１３２で算出された設定値となるように、把持部移動量算出部１３６で算出された移動量の値に基づいて、アクチュエータ２５を制御して把持部２６を移動させることで、把持部２６による把持力を制御する。

　図１で示す加工装置においては、加工条件制御部１３３は、具体的には、回転駆動機１３５の動作を制御する回転駆動機制御部及び切削工具４０の動作を制御する加工具制御部を備えている。なお、後述する図１８～２０に示す構成の加工装置では、加工条件制御部１３３は、切削工具１２１の動作を制御する加工具制御部を備えている。

　以下に、加工装置における加工制御について、図８に示すフローチャートを用いて説明する。

　まず、ステップ１で、プロセスを開始する。次に、ステップ２で、被削材を把持部２６で固定して、ベース２１上に設置する。加工工程前の被削材の変形を防止するため、ステップ２（被削材の設置段階）では、被削材に対する把持力を加えなくてもよい。

　次に、ステップ３で加工処理が開始されるが、その前に、ステップ４～８で、加工処理における各種条件設定、すなわち、把持力の設定及び加工条件範囲の設定を行う。

　まず、ステップ４では、演算部１４５は、把持力シミュレーション部１３１により、切削加工時に被削材を安定して把持できる、把持力の上限値と下限値を設定する。次いで、ステップ５では、演算部１４１は、加工条件シミュレーション部１３１により、加工条件範囲を設定する。ステップ５では、被削材を安定的に把持して切削加工を行うことが可能であり、かつ被削材の変形量が所望の範囲内に維持される加工条件範囲を設定する。ステップ４及びステップ５は、後に詳述する。次に、ステップ６では、ステップ５で設定した加工条件範囲から、加工条件を設定する。

　次に、ステップ７では、演算部１４１は、把持力シミュレーション部１３２により、加工工程中の把持力の値を設定する。ステップ７では、切削加工中の被削材の変形量が所定の範囲内に維持されるように、加工段階に応じた把持力を算出し、設定する。ステップ７は、後に詳述する。

　すなわち、図３～５で説明したように、切削加工の進行に伴って、被削材の形状が変化するため、切削開始時点から一定の把持力で切削加工を行うと、被削材の形状変化（厚さの低減）に伴い、被削材の変形量が増大し、加工精度が低下する。このため、ステップ７では、切削加工中における被削材の変形量が、所定の加工精度を得られる範囲内となるように、把持力の値を、加工段階に応じて設定する。

　次に、ステップ８では、演算部１４１は、加工条件シミュレーション部１３１及び把持力シミュレーション部１３２で設定した把持力及び加工条件を確認する。確認の結果問題が無ければ、設定した条件を制御部１４２（加工条件制御部１３３、把持力制御部１３４）に出力し、ステップ３の加工処理に進む。一方、例えばステップ６で設定された加工条件が、ステップ７で設定された把持力に適合しない等、問題がある場合には、再度ステップ４に戻り、把持力の設定及び加工条件範囲の設定を行う。

　ステップ３の加工処理が終了すると、ステップ９では、把持部２６で固定されている被削材の変形量を測定する。測定は、レーザによる変位測定により行ってもよく、タッチプローブによる接触式計測機を用いて行ってもよい。

　また、変形量の測定と併せて、加工処理後の被削材に生じている応力を計算により算出し、算出された応力値が、塑性変形に達する値か否かを確認する。応力値が、塑性変形が生じ得る値に達していた場合には、ステップ８に戻り、把持力の調整を行う。このとき、応力値の計算は、例えば有限要素法等を用いた解析ソフトにより行ってもよい。また、計算による算出に限られず、Ｘ線照射により被削材の応力を測定するようにしてもよい。

　次いで、ステップ１０で、加工処理の工程の確認を行う。加工処理の最終工程まで実行されたことが確認された場合には、次のステップ１１に進む。一方、まだ実行されていない加工処理がある場合には、ステップ３に戻り、次の加工処理を行う。

　ステップ１１では、加工処理後の被削材の形状測定を行う。形状測定は、レーザを用いた変位測定により行ってもよく、タッチプローブによる接触式計測機を用いて行ってもよい。

　加工処理後の被削材が所望の加工精度を得られていれば、ステップ１４に進み、全工程が終了する。一方、加工処理後の被削材の変形が大きく、所望の加工精度を得られていない場合には、ステップ１２にて、修正加工処理を行う。その後、ステップ１３にて、さらに形状測定を行う。所望の加工精度が得られるまで、このルーチンを繰り返す。

　以下に、図８に示すフローのステップ４、ステップ５、ステップ６、ステップ７及びステップ８を詳細に説明する。図９は、図８のステップ４を詳細に説明するフローチャートである。ステップ４は、切削加工時に被削材を安定して把持できる、把持力の範囲を設定するステップである。

　まず初めに、ステップ５０では、演算部１４１には、入力部１４５により、被削材のモデルデータ（形状、サイズ、材質）が入力される。被削材のモデルデータは、例えばＣＡＤで作成したものが、入力部１４５から入力される。

　次に、ステップ５１では、把持力シミュレーション部１３２は、ステップ５０で入力されたモデルデータについて、把持力が付与されたときの状態を解析する。具体的には、把持力が付与されたときに、被削材に生じる応力値や変形量を算出する。解析には、例えば有限要素法等を用いた汎用の解析ソフトを用いて行ってもよい。これにより、被削材に付与される把持力に対する、応力値や変形量の解析データが得られる。

　次に、ステップ５２では、ステップ５１で得られた解析データを用いて、切削加工時に被削材の安定的な把持が可能となる把持力の範囲（把持力の最大値及び最小値）を設定する。

　図１０に、把持力範囲の設定に用いられる解析データのグラフの一例を示す。図１０のグラフは、ステップ５１の解析により得られた結果をグラフ化したものであり、被削材に対して付与された把持力と応力値との関係を示している。

　図１０の例では、外径１００ｍｍ、内径４３ｍｍ、厚さ５ｍｍの材料Ａ（ステンレス同等材）を用いた円盤素材を、図１の加工装置の把持部２６で把持して把持力を付与したときに、円盤素材に生じる応力を有限要素法を用いて解析した解析結果である。

　切削加工では、加工中に被削材が常に変形し続ける状態となると、安定した切削加工を行えなくなる。このため、所望の加工精度を得るためには、被削材の降伏点以下の把持力で、把持することが必要となる。

　図１０に示されるように、材料Ａの降伏点に対応する把持力は、約４２００Ｎであり、把持力が４２００Ｎを超えると、円盤素材に生じる応力が材料Ａの降伏点を上回り、塑性変形が発生することが予測される。このため、図１０に示す例では、ステップ５２において、把持力の最大値を例えば４２００Ｎと規定することができる。
最大把持力の設定が終わると、次に、ステップ５（図８参照。）に該当する、加工条件範囲の設定に移る。

　図１１は、図８のステップ５を詳細に説明するためのフローチャートである。ステップ５は、（１）被削材を安定的に把持して切削加工を行うことが可能であり、（２）かつ被削材の変形量が所望の範囲内に維持される加工条件範囲を設定するステップである。

　まず、ステップ６０では、加工条件シミュレーション部１３１は、種々の加工条件下で切削加工を行ったときに、切削工具４０及び被削材に加わる切削力を算出する。この計算結果に基づいて、各加工条件と切削力との関係を示すデータを得る。

　例えば旋削加工の場合、加工条件のパラメータは、送り速度（ｍｍ／ｒｅｖ）、切込み量（ｍｍ）、切削速度（ｍ／ｍｉｎ）の３種類がある。ここで、切削力とは、被削材に切削工具を接触させて切削加工を行っているときに、切削工具４０に加わる力である。

　切削力の計算は種々の方法により行うことができるが、例えば切削加工解析ソフトを用いて行ってもよい。

　次に、ステップ６１では、加工条件シミュレーション部１３１は、被削材を安定的に把持して切削加工を行うことができる加工条件範囲（第１の加工条件範囲）の設定を行う。

　具体的には、ステップ６１では、前述のステップ５２で算出された、把持力範囲を参照し、この把持力範囲で許容される切削力範囲に対応する加工条件範囲を、ステップ６０で得られたデータ（各加工条件と切削力との関係を示すデータ）を用いて特定して、第１の加工条件範囲を設定する。

　なお、所定の把持力範囲で許容される切削力範囲は、例えば、各把持力で許容される切削力に関するデータを予め記憶部１４４に記憶しておき、このデータを読み出すことで特定することができる。

　次に、ステップ６４では、加工条件シミュレーション部１３１は、ステップ６１で設定した第１の加工条件範囲において、切削加工に伴う被削材の変形量が所望の範囲内に維持される加工条件範囲（第２の加工条件範囲）の設定を行う。

　すなわち、切削加工では、被削材の加工面に付与された加工応力が、残留応力として被削材に残ることで、切削加工後の変形要因となる。切削加工に伴って生じる加工応力は、切削加工時の加工条件に依存する。このため、例えば上記した送り速度（ｍｍ／ｒｅｖ）、切込み量（ｍｍ）、切削速度（ｍ／ｍｉｎ）等の各加工条件と、この加工条件下で被削材に付与される加工応力に伴う被削材の変形量との関係を、種々検討して予めデータベース１３０に蓄積し、記憶部１４４に記憶させておく。

　例えば実施例１のように、円盤状の被削材を回転させて切削加工する場合には、被削材の変形量は、例えば図４で示すような、回転の軸方向の変形が支配的となる。本実施例では、このような軸方向の変形量を被削材の変形量とする。

　加工条件シミュレーション部１３１は、記憶部１４４に記憶されているデータベース１３０を参照して、切削加工中の被削材の変形量が所望の範囲内となる加工条件範囲を、ステップ６１で設定した第１の加工条件範囲内において探索して、第２の加工条件範囲を設定する。

　次に、ステップ６２では、加工条件シミュレーション部１３１は、第２の加工条件範囲の設定時（ステップ６４）に基準とした被削材の変形量が、所望の加工精度を満足するか否かを確認するとともに、ステップ６４で設定した第２の加工条件範囲が、ステップ６１で設定した第１の加工条件範囲を満たすか否かを確認する。

　基準とした被削材の変形量が所望の加工精度を満たしていない場合、又は第２の加工条件範囲が第１の加工条件範囲を満たしていない場合には、ステップ６４に戻り、再度第２の加工条件範囲の設定を行う。

　ステップ６２で、第２の加工条件範囲の設定時に基準とした被削材の変形量が、所望の加工精度を満足し、かつ第２の加工条件範囲が第１の加工条件範囲を満たすことを確認した場合には、ステップ６に進む。

　ステップ６では、上記したように、ステップ６２で確認した第２の加工条件範囲から加工条件が選択され、加工条件が決定される。演算部１４１には、選択した設定値が、入力部１４５により入力される。

　図１２は、図８のステップ７を詳細に説明するためのフローチャートである。　
　ステップ７は、上記したように、切削加工中の被削材の変形量が所定の範囲内に維持されるように、各加工段階に応じた把持力を算出し、設定するステップである。

　まず、ステップ７０では、演算部１４１には、入力部１４５により、切削加工前の被削材のモデルデータ（形状、サイズ、材質）が入力される。次いで、ステップ７１では、演算部１４１には、入力部１４５により、切削加工終了後の被削材のモデルデータが入力される。モデルデータは、切削加工前、切削加工後のいずれについても、例えばＣＡＤ等で作成したものを、入力部１４５から入力することができる。

　次いで、ステップ７２では、把持力シミュレーション部１３２は、ステップ７０で入力したモデルが、ステップ７１で入力したモデルに至るまでの、切削加工中のモデルの変形量を算出する。

　ステップ７２では、まず、把持力シミュレーション部１３２は、入力部１４５から入力された情報に基づき、計算ステップ数、すなわち、変形量算出の計算を実行するステップ数を設定する（ステップ７３）。

　次いで、ステップ７４では、把持力シミュレーション部１３２は、切削加工中の加工途中モデルを作成する。加工途中モデルは、ステップ７３で設定したステップ数に対応する、切削加工の各段階における被削材の予測形状モデルである。加工途中モデルの作成は、例えばＣＡＭや切削シミュレータ等を用いて行ってもよい。これにより、ステップ７３で設定したステップ数に対応する各段階での加工途中モデルが得られる。

　次いで、ステップ７５では、把持力シミュレーション部１３２は、ステップ７４で作成した各段階の加工途中モデルについて、それぞれの予測形状状態での変形量（例えば図４に示す変形量３１）を算出する。変形量の算出は、例えば有限要素法解析を用いて行うことができる。

　図１３は、ステップ７５で得られたモデル変形量の解析結果の一例を示す。図１３の解析結果は、外径１００ｍｍ、内径４３ｍｍの材料Ａ（ステンレス同等材）で形成した円盤素材を、図１の加工装置の把持部２６により、１００Ｎの把持力で把持して切削加工を行ったときの、被削材のモデル変形量推移の解析結果である。

　図１３に示すグラフでは、モデル（被削材）の厚さと変形量との関係を示している。図１３に示されるように、モデル（被削材）の厚さが薄くなるに従い、その変形量は増加している。

　次いで、ステップ７６では、把持力シミュレーション部１３２は、把持力の設定を行う。具体的には、把持力シミュレーション部１３２は、ステップ７５で得られた各被削材厚さでの変形量の解析データから、所定の変形量が維持される把持力の値を算出する。

　図１４は、図１３において示す解析データを換算して、切削加工中の被削材の変形量が所定の範囲内となる把持力の値を算出して得られた解析データを示すグラフである。図１４では、加工処理時間と把持力との関係を示している。

　図１４において、把持力の値８１は、ステップ４（図８参照。）で設定した把持力最大値であり、値８２は、ステップ４で設定した把持力最小値である。ステップ３では、図１４のグラフに示される値に沿って把持力を調整し、切削加工を行う。

　すなわち、切削加工では、加工が進行するに伴い被削材の厚さが薄くなるため、例えば本実施例の円盤状素材の切削加工では、図１３に対応させて、図１４に示すように、加工の進行に伴い把持力を弱めるように設定する。このように設定することで、切削加工中の被削材は、その変形量が、図６に示すように抑制される。このため、所望の加工精度で切削加工を行うことができる。

　図１５は、図８のステップ８及ぶステップ３を詳細に説明するためのフローチャートである。図１５では、図８に示すステップ８及びその前段階に該当するステップと、ステップ３とを含めたフローを示している。図１５に示すフローは、ステップ７５で設定した把持力の設定値となるよう把持部２６を調整し、被削材に把持力を付与するステップである。

　まず初めに、ステップ９０では、演算部１４１は、ステップ７６（図１２参照。）で設定した、各モデル形状段階での把持力の設定値を呼び出す。次いで、ステップ９１では、把持部移動量算出部１３６は、ステップ９０で呼び出した把持力を発生させるために必要とされる把持力の移動量を算出する。

　次いで、ステップ９２では、演算部１４１は、加工直前における把持力と加工条件の確認を行う。なお、ステップ９２は、図８のステップ８に該当する。確認の結果、問題有りと判断した場合には、ステップ４以降のステップ（図８参照。）に戻り、再度加工条件範囲の設定又は把持力の設定を行う。確認の結果、問題無しと判断した場合には、ステップ９３に進み、加工処理を開始する（図８のステップ３に該当。）。

　具体的には、演算部１４１は、ステップ９１で算出された把持部２６の移動量を、把持力制御部１３４に指示する。把持力制御部１３４は、演算部１４１からの指示に基づき、アクチュエータ２５を駆動し、把持部２６を移動させる。把持部２６の移動により、把持部２６による把持力が調整される。

　また、演算部１４１は、ステップ６で設定した加工条件を、加工条件制御部１３４（具体的には、回転駆動機制御部、加工具制御部）に指示する。加工条件制御部１３４の回転駆動機制御部及び加工具制御部は、それぞれ、演算部１４１からの指示に基づき、回転駆動機１３５、切削工具４０の動作を制御する。

　加工処理が開始されると、把持部２６による把持力は、圧力センサ２４によりモニタリングされる。圧力センサ２４でモニタリングされた把持力は、演算部１４１に送られ、各加工段階に応じた把持力で切削加工が行われるように、把持部移動量算出部１３６での把持部２６の移動量の調整に反映される。加工処理が終了すると、図８のステップ９以降に進む。

　図１３の解析で採用した円盤素材（外径１００ｍｍ、内径４３ｍｍの材料Ａ（ステンレス同等材））について、把持力を約４０ｋＮとして、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み量０．５ｍｍの加工条件で、素材端面を厚さ５ｍｍから３ｍｍに旋盤加工したところ、切削加工中に把持力の調整を行うことなく、切削開始時点での把持力を維持したまま加工を行った場合には、素材の最大変形量は、約０．９ｍｍとなった。

　本実施例では、把持部２６による把持力を調整しながら切削加工を行うため、被削材の変形を抑制した状態で、切削加工することができる。このため、上記と同じ円盤素材を切削加工対象として、同一の加工条件下で、把持力シミュレーション部１３２で得られた設定値に基づき把持部２６による把持力を調整しながら切削加工を行ったところ、把持力の調整を行わなかった場合（最大変形量約０．９ｍｍ）と比較して、素材の変形量が約９０％以上抑制されることが、有限要素法による解析の結果確認できた。

　次に、図１６及び図１７を用いて、実施例２について説明する。図１６は、実施例２の加工装置の構成を示す斜視図である。実施例２では、円盤状の被削材を、その外径側から把持する加工装置の例を示す。

　図１６に示すように、ベース１００は、実施例１と同様、略円筒形状を有しており、その外周面上に端面が設けられるように、３個のレール１０１が均等な間隔で固設されている。

　レール１０１には、それぞれベース１００の中心側の位置にガイド１０５が備え付けられている。ガイド１０５は、ベース１００の外周面側に向けて、レール１０１上を半径方向（被削材の固定方向）に移動可能な機構となっている。ガイド１０５の移動方法は、実施例１と同様、チャックハンドルによる調整や、油圧による調整を採用することができる。

　ガイド１０５には、ベース１００の外周方向に把持部１０２が附設されており、ガイド１０５の移動に伴い、把持部１０２が移動されるように構成されている。把持部１０２は、それぞれ突起部を有しており、この突起部により被削材１０６の外径端部を把持することで、円盤状の被削材をベース１００上に固定する。

　把持部１０２とガイド１０５との間には、アクチュエータ１０３及び圧力センサ１０４が、互いに隣接して設置されている。すなわち、把持部１０２は、アクチュエータ１０３及び圧力センサ１０４を介してガイド１０５に固定されている。アクチュエータ１０３及び圧力センサ１０４の機能及び種類は、実施例１のアクチュエータ２５及び圧力センサ２４と同様であり、その説明を省略する。

　実施例２では、把持部１０２とアクチュエータ１０３とが隣接しており、ガイド１０５と圧力センサ１０４とが隣接している形態を示しているが、アクチュエータ１０３と圧力センサ１０４は、その位置が反対でも良い。

　図１７に、被削材１０６が把持部１０２により固定されている例を示す。実施例２の加工装置は、実施例１と同様、不図示の回転駆動機により、ベース１００を回転させることで、被削材１０６を回転させるように構成されている。

　実施例２の加工装置も、実施例１の加工装置と同様、演算部１４１、制御部１４２、記憶部１４４、入力部１４５（図７参照。）を有しており、実施例１で説明したのと同様にして、加工条件範囲の設定及び制御並びに把持力設定及び制御が行われる。これらの設定プロセス及び制御プロセスは、実施例１と同様に行われるため、その説明は省略する。

　実施例２の加工装置によれば、加工段階に応じた把持力の設定を行いながら、切削加工を行うことができるため、加工処理中の被削材の変形量の増大を抑制することができ、所望の加工精度での切削加工を行うことができる。

　次に、図１８～２０を用いて、実施例３について説明する。図１８は、実施例３の加工装置の構成を示す斜視図である。実施例３では、ブロック状の被削材の転削加工について説明する。

　ベース１１０は、略矩形の底面を有しかつ中央に凹部を有して構成されており、工作機械の内部、又は加工対象物が設置される位置に据え付けられる。ベース１１０には、凹部の略中央に、被削材１１５を把持する把持部１１３が設けられている。

　把持部１１３は、被削材１１５の固定方向に移動可能に設けられたロッド１１１の端部に固定されており、ロッド１１１の移動に伴い、ベース１１０上を移動する。

　ロッド１１１は、ベース１１０の側壁１１０ａを貫通するように設けられており、ロッド１１１の貫通側端部に、駆動装置１１２が固定されている。

　駆動装置１１２は、ロッド１１１を図１７中ｘ方向に駆動するものであり、ロッド１１１が移動することで、把持部１１３がベース１１０上をｘ軸方向に移動する。把持部１１３は、被削材１１５を、駆動装置１１２の設置領域と対向する側のベース１１０の側壁１１０ｂに押し付けるようにして、把持部１１３と側壁１１０ｂとの間で挟持することで、被削材１１５を、ベース１１０上に固定する。

　駆動装置１１２としては、例えば回転運動を生じさせるサーボモータを用いることができ、その場合には、ロッド１１１は、ボールねじを用いることができる。把持部１１３だけでは、被削材１１５を確実に固定できない場合には、把持部１１３と被削材１１５との間、及び被削材１１５とベース１１０の側壁１１０ｂとの間に、それぞれ当て板１１４、１１７を挟むようにしてもよい。

　図１８において、当て板１１７とベース１１０の側壁１１０ｂとの間には、圧力センサ１１６が設置されている。圧力センサ１１６は、把持部１１３による把持力をモニタリングする。

　図１９は、図１８に示す加工装置による加工処理の例を説明する図である。図１９に示すように、被削材１１５は、切削工具１２１により切込み量１２２の分だけ切削される。このときの被削材１１５の変形量１２３を図２０に示す。

　切削加工の進行に伴い、被削材１１５は、徐々にその形状が変化し、全体の厚さが薄くなる。このとき、切削開始時点での把持力を維持したまま、一定の把持力で切削加工を継続した場合、図２０に示すように、被削材１１５の変形量１２３が増加する。このように、変形量が増加した状態のまま、さらに切削加工を継続すると、所望の加工精度を得られない場合がある。このため、把持部１１３による被削材１１５に対する把持力を、駆動装置１１２により調整しながら、切削加工を行う。

　実施例３の加工装置も、実施例１と同様、演算部１４１、制御部１４２、記憶部１４４、入力部１４５を備えており、これにより、把持力の設定及び制御並びに加工条件の設定及び制御を行う。

　すなわち、圧力センサ１１６により、把持部１１３による把持力をモニタリングしつつ、実施例１と同様にして、把持力制御部１３４により、加工状態に応じて駆動装置１１２を制御して、ロッド１１１端部の位置を移動させ、把持部１１３による把持力を調整する。また、加工条件制御部１３３により、切削工具１２１の加工条件を制御して、切削加工を行う。

　実施例３の加工装置によれば、加工段階に応じた把持力の設定を行いながら、切削加工を行うことができるため、加工処理中の被削材の変形量の増大を抑制することができ、所望の加工精度での切削加工を行うことができる。

ベース…２１、１００、１１０、側壁…１１０ａ、１１０ｂ、レール…２２、１０１、ガイド…２３、１０５、圧力センサ…２４、１０４、１１６、アクチュエータ…２５、１０３、把持部…２６、１０２、１１３、被削材…２７、１０６、１１５、ロッド…１１１、駆動装置…１１２、当て板…１１４、１１７、切込み量…１２２、把持力…３０、４２、４４、変形量…３１、４３、４５、１２３、半径方向…４１、切削工具…４０、１２１、１３０…各加工条件と被削材の変形量との関係を示すデータ、１３１…加工条件シミュレーション部、１３２…把持力シミュレーション部、１３３…加工条件制御部、１３４…把持力制御部、１３５…回転駆動機、１３６…把持部移動量算出部、演算部…１４１、制御部…１４２、加工装置本体…１４３、記憶部…１４４、入力部…１４５

Claims

　被削材を固定して切削加工する加工装置であって、
　前記被削材を把持する把持部と、
　前記把持部を移動させる可動部と、
　前記可動部を駆動して、前記把持部による把持力を調整する駆動部と、
　前記把持部による把持力をモニタリングするセンサと、を有し、
　切削加工中の被削材の変形量が所定の範囲内に維持されるように、被削材の切削加工中の予測形状に応じた把持力を算出する把持力シミュレーション部を有する演算部と、
　前記把持力シミュレーション部で算出された前記把持力の設定値に基づいて前記駆動部を制御し、前記把持部による把持力を制御する把持力制御部を有する制御部と、
を有することを特徴とする加工装置。
　前記演算部は、前記センサによりモニタリングされた前記把持力の測定値を参照して、前記把持部による把持力が前記把持力シミュレーション部で算出された設定値となるように、前記把持部を移動させる量を算出する把持部移動量算出部を有することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
　前記演算部は、各加工条件下で前記被削材に付与される加工応力と、該加工応力が付与された前記被削材の変形量との関係に基づいて、切削加工中の前記被削材の変形量が所定の範囲内となる加工条件範囲を算出する加工条件シミュレーション部を有し、
　前記制御部は、前記加工条件シミュレーション部で算出された前記加工条件範囲に基づいて、加工条件を制御する加工条件制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
　前記加工装置は、さらに前記被削材に接触させて切削加工を行う切削工具を有しており、
　前記加工条件制御部は、前記加工条件範囲に従って前記切削工具を制御する加工具制御部を有することを特徴とする請求項３に記載の加工装置。
　前記加工装置は、さらに前記可動部を支持するベースを回転駆動させる回転駆動機を有しており、
　前記加工条件制御部は、前記加工条件範囲に従って、前記回転駆動機を制御する回転駆動機制御部を有することを特徴とする請求項４に記載の加工装置。
　前記把持力シミュレーション部は、
　切削加工が進展する各段階における前記被削材の予測形状を算出した後、
　前記各段階での前記被削材の予測形状についての変形量を算出し、
　算出された前記変形量のデータに基づいて、切削加工中の前記被削材の変形量が所定の範囲内に維持される把持力を算出することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
　前記加工条件シミュレーション部は、
　各加工条件下での切削力を算出し、算出された切削力のデータに基づき、前記把持部による安定した把持状態が維持される第１の加工条件範囲を設定するとともに、
　切削加工時に前記被削材に付与する加工条件と、該加工条件下で前記被削材に付与される加工応力に伴う該被削材の変形量との関係を蓄積したデータベースを参照して、前記変形量が所定の範囲内に維持される加工条件範囲を探索して第２の加工条件範囲を設定することを特徴とする請求項３に記載の加工装置。
　前記把持力シミュレーション部は、前記被削材に付与される把持力と、該把持力が付与された前記被削材の状態変化との関係を解析し、
　前記前記加工条件シミュレーション部は、前記把持力シミュレーション部での解析により得られた解析データに基づき設定された把持力範囲で許容される加工条件の範囲を特定して、前記第１の加工条件範囲を設定することを特徴とする請求項７に記載の加工装置。