WO2023181476A1 - 被加工物の加工方法および被加工物の加工システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for machining a workpiece and a system for machining a workpiece, and particularly to a method for machining a workpiece by correcting the contour of a tool.
- a workpiece processing system has a processing machine (NC machine tool) that processes the workpiece while moving a tool relative to the workpiece using an NC program. (NC machining system) is known.
- Patent Document 1 is listed as a document showing the conventional technology.
- Patent Document 2 proposes a technique for correcting the position of a held tool by incorporating an arithmetic expression for calculating the position of the held tool into an NC program.
- a tool has a contour error (difference between the ideal tool contour shape and the actual tool contour shape).
- contour error difference between the ideal tool contour shape and the actual tool contour shape.
- Patent Document 2 According to the technique proposed by the present applicant for correcting the position of a held tool by incorporating an arithmetic expression for calculating the position of a held tool into an NC program (Patent Document 2), errors caused by the tool can be eliminated. I can do it.
- the machined shape of the machined workpiece is measured on or off the NC machine tool, and the 3D model is corrected using CAD based on the measurement results.
- the only way to make corrections was to modify the NC program in CAM based on the modified 3D model.
- the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a method for processing a workpiece and a workpiece in which the workpiece can be machined with high precision by correcting machining errors without re-creating the NC program.
- the purpose is to provide a processing system for
- One aspect of the present invention includes a workpiece holding means for holding a workpiece, a tool holding means for holding a tool for machining the workpiece held by the workpiece holding means, and a tool holding means for holding the workpiece held by the workpiece holding means.
- a method for machining a workpiece carried out by a machining system comprising: moving means for moving the tool relative to the workpiece in order to perform machining with the tool held by the tool holding means; A first step of determining a first error, which is a contour error of the tool determined from the outer shape of the tool measured by the method, and machining determined from the shape of the machined surface of the workpiece measured by a second measuring device.
- the NC program is a method of machining the workpiece in which the position of the tool is corrected based on a composite error obtained by adding the second error to the first error.
- Another aspect of the present invention is a workpiece processing system for carrying out the above-described workpiece processing method.
- the present invention it is possible to correct machining errors without re-creating the NC program, and the workpiece can be machined with high precision.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a processing system that performs a method for processing a workpiece according to an embodiment of the present invention.
- 1 is a diagram showing a workpiece and a tool in a workpiece processing machine according to an embodiment of the present invention.
- FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a contour error (first error) of a tool in a processing machine for a workpiece according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a contour error (first error) of a tool in a processing machine for a workpiece according to an embodiment of the present invention.
- 1 is a schematic diagram of a workpiece three-dimensional measuring device configured with a touch sensor on an NC machine tool.
- FIG. 2 is a schematic diagram of a three-dimensional workpiece measuring device that measures the machined shape of a workpiece 5 outside the NC machine tool.
- 2 is a flowchart showing a processing procedure of a processing machine for a workpiece in the processing system shown in FIG. 1.
- FIG. 3 is an explanatory diagram showing a first tool error shape due to a tool contour error.
- FIG. 3 is an explanatory diagram showing a machining range of a workpiece that changes depending on the radius of a circular arc of a tool and the radius of a circular arc of a surface to be machined of a workpiece.
- 6 is a schematic diagram illustrating how the shape of a machined surface of a workpiece is measured by the work three-dimensional measuring device configured with the touch sensor shown in FIG. 5.
- FIG. 3 is an explanatory diagram showing a composite tool shape obtained by overlapping and synthesizing a first tool error shape and a second tool error shape.
- a processing system 1 that performs a method for processing a workpiece according to an embodiment of the present invention will be described.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a processing system 1 that performs a method for processing a workpiece according to an embodiment of the present invention.
- a machining system 1 includes an NC machine tool 2 such as a machining center as a processing machine.
- a workpiece 5 is processed.
- This NC machine tool 2 includes a workpiece holding section 7 and a tool holding section 9, and the tool holding section 9 is moved in a predetermined direction by a moving section (moving means) 11.
- a control section 13 (control device) is connected to the NC machine tool 2, and the control section 13 is equipped with a PC 33a or a PC 33 and a CAM 39 for creating an NC program used in the control section 13.
- the operation of the NC machine tool 2 is controlled by the control unit 13 based on the NC program created by the CAM 39.
- This NC machine tool 2 further includes a tool shape measuring device 31 and a three-dimensional workpiece measuring device 32. Note that the tool shape measuring device 31 and the three-dimensional workpiece measuring device 32 will be explained in detail later.
- workpiece three-dimensional measuring device 32 will be described in an embodiment in which the measurement is performed on the NC machine tool 2, it may be one that performs the measurement outside the NC machine tool 2, as will be described later.
- the present invention eliminates errors caused by the tool (contour error of the tool itself) and The gist is to process a workpiece by correcting errors caused by elements other than tools.
- errors caused by elements other than the tool include errors caused by the shape of the workpiece, errors caused by individual differences in processing machines, and the like.
- the error due to the shape of the workpiece refers to the error caused by the cutting resistance changing depending on the shape of the workpiece and the machining allowance of the tool being different.
- the cutting resistance is small because the tool contacts at one point on a straight line.
- the cutting resistance increases. In this case, the cutting resistance changes between the straight line part and the corner part, and the amount of relief of the tool changes at the corner part, resulting in uncut parts.
- Errors caused by individual differences in processing machines refer to errors caused by differences in the movement locus of the tool due to the unique characteristics of the processing machines. Differences appear in the movement of the processing machine depending on parameters such as the gain of the servo motor. In particular, in processing machines, the trajectory of the tool may be corrected so that the tool moves smoothly, rather than precisely along designated points on the code defined in the NC program. At this time, if there is a difference in the movement of the processing machine, a difference will occur in the movement locus of the tool. In addition, the tool position may be offset from its original position due to mechanical deflection caused by the surrounding environment (such as a high-temperature environment) or the influence of the processing machine itself (such as heat generation). Even in such a case, a difference occurs in the movement locus of the tool.
- errors caused by elements other than tools include errors that occur accidentally such as disturbances, but in this specification, errors caused by machining errors caused by the shape of the workpiece and individual differences in processing machines are included. Assume reproducible errors such as processing errors.
- a first tool error shape including an error caused by the tool 3 measured by the tool shape measuring device 31 is obtained, and a first tool error shape including an error caused by the tool 3 measured by the workpiece three-dimensional measuring device 32 is obtained.
- this correction of the shape of the tool 3 is performed by a technique of incorporating an arithmetic expression for calculating the position of the tool 3 into the NC program and correcting the position of the tool 3.
- the workpiece holding section 7 is configured to hold the workpiece 5.
- the tool holding section 9 is configured to hold the tool 3.
- the workpiece 5 held by the workpiece holding part 7 is machined by the tool 3 held by the tool holding part 9 .
- An example of processing is cutting.
- FIG. 2 is a diagram showing the workpiece 5 and tool 3 in the NC machine tool 2 according to the embodiment of the present invention.
- a ball end mill will be exemplified as the tool 3.
- a cutting edge is provided on the outer periphery of the tool 3.
- one predetermined direction in space is the X direction (X-axis direction; lateral direction), and another predetermined direction in space, which is perpendicular to the X direction, is the Y direction (Y-axis direction; front and rear direction). direction).
- the direction perpendicular to the X direction and the Y direction is the Z direction (Z-axis direction; vertical direction).
- the X direction and the Y direction are the horizontal direction
- the Z direction is the vertical direction, but the invention is not limited thereto.
- the X direction or the Y direction may be the vertical direction, or the X direction, the Y direction, and the Z direction may be oblique with respect to the horizontal direction or the vertical direction.
- the tool 3 includes a cylindrical base end 15 and a hemispherical tip 17.
- the outer diameter of the proximal end 15 and the diameter of the distal end 17 match each other, and the distal end 17 is attached to one end of the proximal end 15 in the extending direction of the central axis C1. .
- the central axis of the distal end portion 17 and the central axis C1 of the proximal end portion 15 coincide with each other.
- a ball end mill is used as the tool 3, but it is not limited to this, and other tools such as a radius end mill (an end mill with a flat bottom and rounded corners) may also be used. good.
- the center of the circular end surface of the distal end portion 17 (the end surface adhering to the circular end surface of the base end portion 15) is defined as the center C2 of the distal end portion 17.
- This center C2 exists on the central axis C1 of the tool 3.
- the cutting edge of the tool 3 is formed at the outer periphery of the tip 17 and at the end of the base 15 (the end on the tip 17 side).
- the tool 3 is configured such that the other end of the proximal end 15 engages with the tool holder 9 and is held by the tool holder 9.
- the tool 3 held by the tool holder 9 rotates (rotates around the central axis C1 as the center of rotation) to cut the workpiece 5 with its cutting edge.
- the moving unit 11 is configured to move the tool 3 relative to the work 5 in order to process the work 5 with the tool 3. That is, the tool 3 may be configured to move relative to the work 5, or the work 5 may be configured to move relative to the tool 3.
- the control unit 13 is configured to control the moving unit 11 based on an NC program and move the tool 3 with respect to the workpiece 5.
- the NC machine tool 2 for the workpiece 5 includes a bed 19, a table 21, a column 23, a spindle support 25, a spindle housing 27, and a spindle 29.
- the table 21 is supported by the bed 19 via a linear guide bearing (not shown), and is moved (positioned) relative to the bed 19 in the X direction by an actuator such as a linear motor (not shown). It has become.
- the column 23 is provided integrally with the bed 19.
- the main shaft support 25 is supported by the column 23 via a linear guide bearing (not shown), and is moved relative to the column 23 in the Y direction by an actuator such as a linear motor (not shown).
- the main shaft housing 27 is supported by the main shaft support 25 via a linear guide bearing (not shown), and can be moved relative to the main shaft support 25 in the Z direction by an actuator such as a linear motor (not shown). ing.
- the spindle 29 is supported by the main shaft casing 27 via bearings, and is rotated about the center axis C1 (a common center axis with the tool 3 extending in the Z direction) by an actuator such as a motor (not shown). It is rotatable relative to the housing 27.
- a tool holder 9 is provided on the spindle 29, and a workpiece holder 7 is provided on the upper surface of the table 21. This allows the tool 3 to move relative to the workpiece 5 in the X, Y, and Z directions.
- the NC program includes an arithmetic expression (for example, a mathematical expression using four arithmetic operations) for calculating the position of the tool 3 (coordinates with respect to the workpiece 5).
- an arithmetic expression for example, a mathematical expression using four arithmetic operations
- the present invention combines a first tool error shape described below and a second tool error shape described later, and calculates the corrected position coordinates when the tool 3 moves based on the synthesized tool error shape. is determined by the solution of the above arithmetic expression.
- the position of the tool 3 is corrected using the normal vector V1 of the tool 3 to the machining surface at the machining point T1 (details will be described later) and the contour error between the tool 3 and the machining surface.
- the three-dimensional position of the tool 3 is corrected in at least one of the X direction, Y direction, and Z direction (determined by the form of the normal vector V1).
- the contour error of the tool 3 is determined in advance by the tool shape measuring device 31 shown in FIG. 1 before the main machining of the workpiece 5 is performed.
- the tool shape measuring device 31 is installed at a predetermined position of the NC machine tool 2. Then, by positioning the tool 3 at a position where the shape of the tool 3 can be measured with the tool shape measuring device 31 (laser, camera, etc.) and rotating the tool 3 (rotating around the central axis C1), 3 is measured on the machine (on the machine of the NC machine tool 2).
- the tool shape measuring device 31 laser, camera, etc.
- the difference between the measured outer shape of the tool 3 and the ideal outer shape of the tool 3 (the outer shape of the tool 3 with no shape error) (the difference between each part of the tool 3) is calculated based on the contour error of the tool 3 itself (the first error).
- FIG. 3 is a diagram illustrating the tool contour error (first error) in the workpiece processing machine according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 3(a) What is shown by a broken line in FIG. 3(a) is the ideal outer shape of the tool 3, and what is shown by a solid line in FIG. 3(a) is the outer shape of the actual tool 3 with a shape error.
- the tool is not rotated around the central axis C1.
- the tool 3 shown by the solid line in FIG. 3(a) is located very slightly to the right with respect to the central axis C1.
- FIG. 3(b) What is shown with a broken line in FIG. 3(b) is the outline of the ideal tool 3, and what is shown with a solid line in FIG. 3(b) is the actual tool 3 with a shape error (the solid line in FIG. 3(a) This is the external shape of the tool 3) shown when it is rotated around the central axis C1.
- the outer shape of the tool 3 shown by the solid line in FIG. 3(b) is naturally symmetrical with respect to the central axis C1. If the workpiece 5 is machined using the tip 17 of the tool 3, the contour error of the tool 3 is an arc of 1/4 of the tip 17 (i.e., an angle of 90°), as shown in FIG. range).
- FIG. 4 is a diagram illustrating the tool contour error (first error) in the workpiece processing machine according to the embodiment of the present invention.
- the tool shape measuring device 31 for example, the device shown in Japanese Patent Application Laid-open No. 63-233403 can be cited.
- a second tool error shape based on machining errors such as uncut parts of the workpiece 5, for example, measured by the workpiece three-dimensional measuring device 32 is determined. I will explain about it.
- FIG. 5 is a schematic diagram of a workpiece three-dimensional measuring device configured with a touch sensor on an NC machine tool.
- the three-dimensional workpiece measuring device 32 is composed of a touch sensor generally called a touch probe.
- This touch sensor 32 is provided separately from the tool 3 in the spindle housing 27 of the spindle support 25 of the NC machine tool 2, and can be replaced with the tool 3.
- the touch sensor 32 is adapted to measure the dimensions of the machined surface of the workpiece 5 machined by the NC machine tool 2 .
- This workpiece 5 is the same workpiece (sample) as the workpiece 5 that will be processed in the main processing from now on. Therefore, the machined surface of the workpiece 5 is the same as the machined surface performed by the main process.
- the PC 33a uses predetermined software to determine the measurement points (design values), shape errors, and Obtain the normal vector etc. of the measurement point.
- a touch sensor that measures the machined shape of the workpiece 5 on the NC machine tool 2 is used as the workpiece three-dimensional measuring device 32.
- a three-dimensional workpiece measuring device 51 that measures the machined shape of the workpiece 5 outside the NC machine tool 2.
- FIG. 6 is a schematic diagram of a three-dimensional workpiece measuring device 51 that measures the machined shape of the workpiece 5 outside the NC machine tool 2.
- this three-dimensional workpiece measuring device 51 includes a table 53 for placing a workpiece 5 processed by the NC machine tool 2 in a predetermined position, and an upper part of the workpiece 5 placed on the table 53.
- the shape sensor 55 measures the machined surface of the machined workpiece 5. By moving the shape sensor 55 vertically and horizontally with respect to the fixedly installed workpiece 5, the machined surface of the workpiece 5 is measured. It is designed to be measured.
- the workpiece three-dimensional measuring device 51 outside the NC machine tool 2 calculates the measurement point (design value), shape error, and method of the measurement point based on the data of the measured dimensions of the processing surface of the processing workpiece 5. Line vectors etc. are obtained and sent to the PC 33a.
- the machined shape of the workpiece 5 is measured outside the NC machine tool 2, and the measurement point (design value), shape error, normal vector of the measurement point, etc. are obtained from the three-dimensional workpiece.
- a measuring device 51 is required.
- FIG. 7 is a flowchart of the processing procedure of the workpiece by the processing machine according to the embodiment of the present invention.
- step S11 in FIG. 7 an NC program for machining the workpiece 5, that is, three-dimensional coordinates of the machining path by the tool 3, is generated based on a commercially available CAM.
- a ball end mill is used as the tool 3.
- step S12 a correction vector (normal vector) is added to the NC program, and in step S13, the control unit 13 of the NC machine tool 2 is made to read the NC program.
- a correction vector normal vector
- steps S11 to S13 is performed by the PC 33a or the PC 33 and CAM 39 that creates the NC program.
- the position of the tool 3 is corrected using the normal vector to the machining surface at the machining point of the tool 3 and the contour error with respect to the tool 3.
- the three-dimensional position of the tool 3 is corrected in at least one of the X direction, Y direction, and Z direction (determined in the form of a normal vector).
- step S14 the shape of the tool 3 for machining the workpiece 5 is measured by a tool shape measuring device 31 using a laser or the like, and a first error, which is a contour error of the tool 3, is determined from the shape of the tool 3.
- a first tool error shape is obtained from the first error (first step).
- the first tool error shape means the contour shape of the tool 3 including the first error.
- the tool shape measuring device 31 is installed at a predetermined position on the NC machine tool 2, and positions the tool 3 at a position where it can be measured by the tool shape measuring device 31 (laser, camera, etc.). By rotating the tool 3 (rotating around the central axis C1), the outer shape of the tool 3 is measured on the machine (on the machine of the NC machine tool 2).
- the difference (difference for each part of the tool 3) between the measured outer shape of the tool 3 and the ideal outer shape of the tool 3 (the outer shape of the tool 3 with no shape error) is determined, and the contour error of the tool 3 (the first error).
- the ideal outer shape of the tool 3 is stored in the control unit 13 as outer shape data, and is defined from the shape and dimensions of the tool 3.
- FIG. 8 is an explanatory diagram showing a first tool error shape due to tool contour error. As described above, for example, if the contour error of the tool 3 is measured at every minute angle of 0.1°, a finely wavy contour error CV1 as shown by the curve in FIG. 8(a) is obtained.
- first tool error shape CV2 When filtering is performed to remove high frequency components from the curve (contour error CV1) shown in FIG. 8(a), a contour error CV2 which is wavy to some extent as shown by the curve in FIG. 8(b) is obtained. As described below, the contour shape of the tool 3 including the contour error CV2 shown by the curve in FIG. 8(b) is used as the first tool error shape for correction (hereinafter referred to as "first tool error shape CV2”) ).
- FIG. 9 is a diagram showing the machining range of the workpiece that changes depending on the radius of the arc of the tool 3 and the radius of the arc of the workpiece surface.
- the shape of the tool 3 for machining the workpiece 5 is measured by the tool shape measuring device 31 using a laser or the like, the first error is determined from the shape of the tool 3, and the first error is determined from the first error. Even if the error shape is obtained, errors (machining errors) caused by elements other than the tool 3 may occur if only the tool correction based on the first tool error shape is performed.
- step S15 In order to deal with such machining errors, in the present invention, the processes from step S15 described below are performed.
- step S15 in FIG. 7 in order to remove machining errors caused by elements other than the tool 3, the machining error determined from the shape of the machined surface of the machined workpiece 5 measured by the workpiece three-dimensional measuring device 32 is calculated using the tool 3.
- a second error converted into a contour error of No. 3 is obtained, and a second tool error shape is obtained from the second error (second step).
- the second tool error shape means the contour shape of the tool 3 including the second error.
- the contour error of the tool 3 is determined from the shape of the machined surface of the workpiece 5 measured by the three-dimensional workpiece measuring device 32, and a second tool error shape including the second error, which is the contour error of the tool 3, is determined. I will explain this in detail.
- test machining is performed on the test workpiece 5.
- the moving unit 11 moves the tool 3 relative to the test workpiece 5 based on the NC program.
- the NC program corrects the position of the tool 3 based on the correction amount of the NC program as described later. That is, the NC program corrects the position of the tool 3 based on the first tool error shape CV2 including the first error.
- the machining error of the workpiece 5 due to the contour error of the tool 3 is corrected, the tool 3 is operated, and the test workpiece 5 is machined.
- the shape of the machined surface of the machined test workpiece 5 is measured by a workpiece three-dimensional measuring device 32 composed of a touch sensor on the NC machine tool 2.
- the shape of the machined surface of the test workpiece 5 is measured by bringing the tip of the touch sensor 32 into contact with the machined surface of the test workpiece 5 machined by the NC machine tool 2.
- this test work 5 is the same as the work 5 for main processing (test piece) that will be subjected to main processing from now on. Therefore, the machined surface of the test workpiece 5 is also the same as the machined surface of the workpiece 5 for main processing performed by the main processing.
- the touch sensor 32 By bringing the tip of the touch sensor 32 into contact with the machined surface of the test workpiece 5, the touch sensor 32 measures the shape of the machined surface of the test workpiece 5.
- the measurement data is sent to and stored in the PC 33a that creates an NC program used by the control unit 13.
- the PC 33a uses predetermined software to obtain measurement points (design values), shape errors, normal vectors of the measurement points, etc. based on the measured dimension data of the machined surface of the test workpiece 5.
- the PC33a uses measurement software for machine tools developed by 3D measuring machine manufacturer Hexagon, etc. to approach and measure the measurement point from the perpendicular vector direction from CAD, realizing advanced on-machine measurement. Then, the measurement point (design value), shape error, normal vector of the measurement point, etc. are obtained.
- the PC 33a calculates the ideal workpiece after machining from the measurement points (design values), shape errors, and normal vectors of the measurement points of the test workpiece 5 obtained using the measurement software for machine tools described above. By comparing it with a CAD model showing the shape, it is calculated and determined what part of the machining surface 5a of the test workpiece 5 has a machining error.
- FIG. 10 is a schematic diagram showing how the shape of the processed surface 5a of the workpiece 5 is measured by the workpiece three-dimensional measuring device 32 composed of the touch sensor shown in FIG.
- FIG. 10 as an example of a machining error, there is an uncut portion of 2 ⁇ m on the 45° surface of the machined surface 5a of the test workpiece 5.
- the machined surface 5a of the test workpiece 5 is measured using the workpiece three-dimensional measuring device 32 composed of a touch sensor on the NC machine tool 2, and the measured surface 5a is measured using the PC 33a.
- the measurement points design values
- shape errors normal vectors of the measurement points, etc. were obtained using predetermined software on the PC 33a.
- the shape of the machined surface of the test workpiece 5 is measured using the workpiece three-dimensional measuring device 51 described above, and from the measurement data, the measurement point (design value), shape error, It is also possible to obtain the normal vector of the measurement point.
- the PC 33a calculates which part of the machining surface 5a of the test workpiece 5 has a machining error. From the calculated data, the PC 33a extracts a tool contour shape including the contour error of the tool 3 determined to cancel the machining error of the machining surface 5a of the workpiece 5 as a second tool error shape 3a1.
- FIG. 11 shows the second tool contour shape including the correction value of the tool 3 when there is a 2 ⁇ m uncut surface on the 45° vicinity of the machined surface 5a of the workpiece 5 as a machining error illustrated in FIG. It is a schematic diagram showing a tool error shape.
- the solid line shows the tool contour shape
- the dotted line shows the tool contour shape including correction values.
- the second tool error shape 3a1 is such as to cancel it out.
- the second tool error shape 3a1 has a concave shape that cancels out a 2 ⁇ m uncut surface on a surface in the vicinity of 45° of the machined surface 5a of the test workpiece 5.
- the second tool error shape will be a convex shape that cancels out the overcutting.
- step S16 the control unit 13 synthesizes the first tool error shape CV2 and the second tool error shape 3a1 to create a composite tool error shape (CV2+3a1) (fourth step).
- a first tool error shape CV2 including the tool contour error (first error) shown in FIG. 8 and a second tool error shape CV2 including the tool 3 contour error (second error) shown in FIG. 3a1 are superimposed and synthesized to obtain a composite tool error shape (CV2+3a1) as shown in FIG. That is, the composite tool error shape (CV2+3a1) is a tool error shape that includes a composite error obtained by adding the second error to the first error.
- transition points X1 and X2 at which the second tool error shape 3a1 shifts to a concave shape that cancels out the uncut portion are determined, and the contour between the transition points X1 and X2 in the first tool error shape CV2 is determined. , a composite tool shape is obtained in place of the concave shape of the second tool error shape 3a1.
- FIG. 12 is an explanatory diagram showing a composite tool error shape (CV2+3a1) obtained by overlapping and synthesizing the first tool error shape CV2 and the second tool error shape 3a1.
- the contour error of the tool 3 is a 1/4 arc (i.e., the angle is 90°), as shown in FIG. range), the left and right sides are the same.
- the contour error of the tool 3 will be an arc of 1/4 of the tip 17 on either side (i.e., within a range of 90 degrees). ).
- step S16 the correction amount of the NC program is determined based on the composite tool shape (CV2+3a1) obtained by overlapping and synthesizing the first tool error shape CV2 and the second tool error shape 3a1 as shown in FIG. is calculated, and the correction amount is set in the memory of the control unit 13 or the like.
- the NC program includes an arithmetic expression (for example, a mathematical expression using four arithmetic operations) for calculating the position of the tool 3 (coordinates with respect to the workpiece 5). That is, the position coordinates when the tool 3 moves are determined by the solution of the arithmetic expression.
- an arithmetic expression for example, a mathematical expression using four arithmetic operations
- the NC program uses an arithmetic expression to remove the machining error of the workpiece 5 due to the contour error of the tool 3, as well as the machining error caused by elements other than the tool, and adjusts the tool 3 according to the correction amount. is configured to correct the position of.
- the measured tool contour values are stored in variables and calculations are performed during machining, so once an NC program is created, it can be used forever. Furthermore, since the arithmetic expressions of the NC program are calculated by the control unit 13, a dedicated device is not required.
- the process of obtaining the composite tool shape (CV2+3a1) is executed in the PC 33a.
- step S17 main processing using the tool 3 is started in the NC machine tool 2.
- the moving unit 11 moves the tool 3 to the workpiece 5 for main processing based on the NC program (third step).
- the NC program corrects the position of the tool 3 based on the correction amount of the NC program. That is, the NC program corrects the position of the tool 3 based on a tool error shape that includes a composite error obtained by adding the second error to the first error. In this way, the machining error of the workpiece 5 due to the contour error of the tool 3 and the machining error of the workpiece 5 due to factors other than the tool 3 can be corrected, the tool 3 can be operated, and the workpiece 5 can be machined.
- the arithmetic expression for calculating the position (coordinate values) of the tool 3 is incorporated into the NC program, so that the tool can be easily replaced or worn out. This eliminates the need to re-create the NC program each time.
- the amount of wear on the tool 3 from the start to the end of machining the workpiece 5 by the tool 3 can be calculated.
- the NC program is corrected by taking into account the shape of the tool 3 that changes due to the amount of wear, and the workpiece 5 is machined with higher precision. You can do it as well.
- the first tool error shape CV2 including the tool contour error shown in FIG. 8 and the second tool error shape 3a1 including the tool 3 contour error shown in FIG. 11 are superimposed.
- a composite tool error shape (CV2+3a1) as shown in FIG. 12 the change of the tool 3 from the first transition point X1 to the second transition point X2 of the second tool error shape 3a1 shown in FIG.
- the contour was replaced with the wavy contour error CV2 shown by the curve in FIG. 8(b) to obtain a composite tool error shape (CV2+3a1) as shown in FIG. 12, but the following is not limited to this. You can also synthesize it like this.
- the part corresponding to the surface in the vicinity of 45° of the machined surface 5a of the workpiece 5 includes the contour error of the tool 3 shown in FIG.
- the tool error shape 3a1 of 2 may be added to obtain a composite tool error shape (CV2+3a1).
- a touch sensor is installed on the NC machine tool 2 as a means of measuring the shape of the machined surface of the workpiece 5 and obtaining the measurement point (design value), shape error, normal vector of the measurement point, etc. from the measurement data.
- the PC 33a uses predetermined software on the PC 33a to determine measurement points (designed workpiece 3 to obtain the measurement point (design value), shape error, normal vector of the measurement point, etc. outside the NC machine tool 2.
- the dimension measuring device 51 is used, the present invention is not limited to this, and measures the shape of the machined surface of the workpiece 5, and obtains the measurement point (design value), shape error, normal vector of the measurement point, etc. from the measurement data. Any form is fine as long as it is possible.
- the test workpiece 5 prior to main machining, the test workpiece 5 is machined to correct the machining error of the workpiece 5 due to the contour error of the tool 3 and the machining error of the workpiece 5 due to elements other than the tool 3.
- the outline of the processing method according to this embodiment is as follows.
- step S14 in FIG. 7 Before test machining, measure the shape of the tool 3 to obtain a first tool error shape (step S14 in FIG. 7). (2) Perform test machining on the test workpiece 5. (3) Measure the machined surface of the test workpiece 5 to obtain a second tool error shape (step S15 in FIG. 7). (4) The first tool error shape and the second tool error shape are combined to obtain a composite tool error shape, and a correction amount is calculated from this composite tool error shape and set in the control unit 13 (see FIG. 7). Step S16). (5) Processing is performed on the workpiece 5 for main processing using the calculated correction amount (step S17 in FIG. 7).
- the processing method according to this embodiment may be implemented during main processing without performing test processing.
- the machining method according to the present embodiment is performed during the first machining of the workpiece 5 for main machining.
- the outline of the processing method in this case is as follows.
- steps (2) to (5) above may be performed for each processing, or the steps (2) to (5) above may be carried out periodically when the number of processing reaches a certain number. ) may be carried out.
- the main processing includes a plurality of steps such as rough processing, semi-processing, and finishing processing, it is preferable to measure the machined surface of the workpiece 5 for main processing after the final finishing step.
- the machined surface of the workpiece 5 for main processing if there is no machining error or the machining error is smaller than the reference value for determining the quality of machining, then (4) to (5) You may skip this step.
- the correction of machining errors is reflected when performing main machining.
- the main machining in (5) is performed on a workpiece 5 for main machining that is different from the test workpiece 5 whose machined surface was measured and the second tool error shape was obtained in (3).
- the correction of machining errors may be reflected at the time of main machining for the next workpiece 5 for main processing, or It may also be reflected at the time of corrective machining of the workpiece 5.
- the main machining in (5) in the latter method involves creating a new workpiece for main machining, which is different from the workpiece 5 for main machining whose machined surface was measured and the second tool error shape was obtained in (3). 5, or may be performed on the main machining workpiece 5 whose machined surface was measured in (3) to obtain the second tool error shape.
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Abstract
加工システム(1)が実行する被加工物(5)の加工方法は、工具形状測定装置(31)により測定された工具(3)の外形から求められる工具の輪郭誤差である第1の誤差を求める第1工程と、ワーク3次元測定装置(32、51)により測定された被加工物(5)の加工面の形状から求められる加工誤差を工具の輪郭誤差に変換した第2の誤差を求める第2工程と、所定のNCプログラムに基づいて、移動手段が被加工物に対し工具(3)を移動する第3工程と、を有している。第3工程において、NCプログラムは、第1の誤差に第2の誤差を加算した合成誤差に基づいて、工具(3)の位置を補正する。
Description
本発明は、被加工物の加工方法および被加工物の加工システムに係り、特に、工具の輪郭補正をして被加工物を加工するものに関する。
従来、NCプログラム(プログラム)によって、被加工物(ワーク)に対して工具(ツール)を相対移動しつつ、被加工物に加工を施す加工機(NC工作機械)を有する被加工物の加工システム(NC工作システム)が知られている。
従来のNC工作システムでは、たとえば、エンドミル等の工具を回転しつつ、NCプログラムに含まれている具体的な数字(小数等の数値)に応じて、工具を相対移動し被加工物の加工を行っている。ここで、従来の技術を示す文献として特許文献1を掲げる。
また、本出願人は、保持済み工具の位置を算出するための演算式をNCプログラムに組み込んで保持済み工具の位置を補正する技術を提案している(特許文献2)。
ところで、工具には輪郭誤差(理想的な工具の輪郭形状と実際の工具の輪郭形状との差)が存在する。超精密加工をする工作機械では、被加工物の形状誤差要因のうちの多くをエンドミル等の工具の輪郭誤差が占めている。
本出願人提案の保持済み工具の位置を算出するための演算式をNCプログラムに組み込んで保持済み工具の位置を補正する技術(特許文献2)によれば、工具に起因する誤差は取り切ることができる。
しかしながら、工具以外の要素に起因する加工誤差を補正することは出来なかった。
通常、工具以外の要素に起因する加工誤差を補正する場合、NC工作機械の機上もしくは機外で加工済ワークの加工形状を測定し、その測定結果からCADにて3Dモデルを修正し、その修正した3Dモデルに基づいてCAMにてNCプログラムを修正して補正を行うしか無かった。
しかしながら、上記3Dモデルの修正には、多大な作業が要求されると共に、多くの時間も必要とされる問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、NCプログラムを作り直すことなく加工誤差を補正して、被加工物を精度良く加工することができる被加工物の加工方法および被加工物の加工システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、被加工物を保持する被加工物保持手段と、前記被加工物保持手段で保持された被加工物を加工する工具を保持する工具保持手段と、前記被加工物を前記工具保持手段で保持された工具で加工するために、前記被加工物に対し前記工具を移動する移動手段と、を有する加工システムが実行する被加工物の加工方法において、第1の測定装置により測定された前記工具の外形から求められる工具の輪郭誤差である第1の誤差を求める第1工程と、第2の測定装置により測定された前記被加工物の加工面の形状から求められる加工誤差を工具の輪郭誤差に変換した第2の誤差を求める第2工程と、所定のNCプログラムに基づいて、前記移動手段が前記被加工物に対し前記工具を移動する第3工程と、を有し、前記第3工程において、前記NCプログラムは、前記第1の誤差に前記第2の誤差を加算した合成誤差に基づいて、前記工具の位置を補正する被加工物の加工方法である。
本発明の別の態様は、上述した被加工物の加工方法を実行するための被加工物の加工システムである。
本発明によれば、NCプログラムを作り直すことなく加工誤差を補正でき、被加工物を精度良く加工することができるという効果を奏する。
本発明の実施形態に係る被加工物の加工方法を行う加工システム1について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る被加工物の加工方法を行う加工システム1の概略構成図である。
図1に示すように、加工システム1は、加工機としてマシニングセンタ等のNC工作機械2を有しており、このNC工作機械2では、工具3(加工工具:例えば、ボールエンドミル)を用い、被加工物(ワーク)5を加工する。
このNC工作機械2は、被加工物保持部7と工具保持部9とを備え、工具保持部9は、移動部(移動手段)11により、所定方向へ移動されるようになっている。
NC工作機械2には、制御部13(制御装置)が接続され、制御部13には、制御部13にて使用されるNCプログラムを作成するPC33aもしくはPC33およびCAM39が備えられ、PC33aもしくはPC33およびCAM39で作成されたNCプログラムに基づいて制御部13によりNC工作機械2の動作が制御される。
このNC工作機械2は、さらに、工具形状測定装置31およびワーク3次元測定装置32を有している。なお、工具形状測定装置31およびワーク3次元測定装置32については後で詳しく説明する。
また、ワーク3次元測定装置32については、NC工作機械2の機上で測定する実施形態で説明するが、後述するようにNC工作機械2の機外で測定するものでも良い。
そして、本発明は、工具(保持済み工具)の位置を算出するための演算式をNCプログラムに組み込んで工具の位置を補正する技術により、工具に起因する誤差(工具そのものの輪郭誤差)、および工具以外の要素に起因する誤差を補正して被加工物(ワーク)の加工をすることを要旨とする。
ここで、工具以外の要素に起因する誤差としては、ワークの形状に起因する誤差、加工機の個体差に起因する誤差などが挙げられる。
ワークの形状に起因する誤差とは、ワークの形状によって切削抵抗が変わり、工具の加工代が相違することで生じる誤差をいう。例えば、四角形状のポケット加工では、直線部では工具が一点で接触するために切削抵抗は小さい。一方、コーナー部においては工具の接触点が増えるため、切削抵抗が大きくなる。この場合、直線部とコーナー部とでは切削抵抗が変わり、コーナー部では工具の逃げ量が変化し、削り残しが発生するといった如くである。
加工機の個体差に起因する誤差とは、加工機固有の特性によって工具の移動軌跡が相違することで生じる誤差をいう。サーボモータのゲインなどのパラメータによって加工機の動きに差が現れる。特に、加工機では、NCプログラムに規定されるコード上の指定点に沿って正確に移動するのではなく、滑らかに動くように工具の移動軌跡が補正されることがある。このとき、加工機の動きに差があると、工具の移動軌跡に相違が発生する。加えて、周囲環境(高温環境など)や加工機自身の影響(例えば発熱)による機械的な撓みなどが原因で工具位置が本来の位置からオフセットしてしまうことがある。このような場合にも、工具の移動軌跡に相違が発生する。
なお、工具以外の要素に起因する誤差には、外乱などの偶発的に発生する誤差も含まれるが、本明細書では、ワークの形状に起因する加工誤差や、加工機の個体差に起因する加工誤差といった再現性のある誤差を想定する。
すなわち、実施形態に係るNC工作機械2では、工具形状測定装置31により計測した工具3に起因する誤差を含む第1の工具誤差形状を取得し、ワーク3次元測定装置32によって測定した、工具3以外の要素に起因する誤差を打ち消すような第2の工具誤差形状を取得し、上記第1の工具誤差形状と上記第2の工具誤差形状とを合成し、その合成した工具誤差形状に基づいて、工具3に起因する誤差および工具3以外の要素に起因する誤差を取除くように工具3の形状を補正してワークの加工をするようにしている。
なお、この工具3の形状補正は、工具3の位置を算出するための演算式をNCプログラムに組み込んで工具3の位置を補正する技術により行われる。
図1において、被加工物保持部7は、ワーク5を保持するように構成されている。工具保持部9は、工具3を保持するように構成されている。工具保持部9で保持されている工具3により、被加工物保持部7で保持されているワーク5が加工される。加工の一例としては、切削加工である。
図2は、本発明の実施形態に係るNC工作機械2におけるワーク5と工具3とを示す図である。以下の説明では、工具3としてボールエンドミルを例示する。工具3の外周には、切れ刃が設けられている。
ここで、空間における所定の一方向をX方向(X軸方向;横方向)とし、空間における所定の他の一方向であってX方向に対して直交する方向をY方向(Y軸方向;前後方向)とする。また、X方向とY方向とに対して直交する方向をZ方向(Z軸方向;上下方向)する。なお、この定義では、X方向とY方向とが水平方向であってZ方向が上下方向になるがこれに限定されるものではない。X方向もしくはY方向が上下方向となってもよいし、X方向、Y方向、Z方向が、水平方向や上下方向に対して斜めになっていてもよい。
さらに説明すると、図2に示すように、工具3は、円柱状の基端部15と半球状の先端部17とを備えて構成されている。基端部15の外径と先端部17の直径とはお互いが一致しており、基端部15の中心軸C1の延伸方向の一方の端に、先端部17がくっついた形状になっている。なお、先端部17の中心軸と基端部15の中心軸C1とはお互いが一致している。
この実施形態では、工具3としてボールエンドミルを挙げて説明しているが、これに限定されず、ラジアスエンドミル(底面が平らで角部にRが付いたエンドミル)等他の工具を使用しても良い。
ここで、先端部17の円形の端面(基端部15の円形の端面にくっついている端面)の中心を、先端部17の中心C2とする。この中心C2は、工具3の中心軸C1上に存在している。
工具3の切れ刃は、先端部17の外周と基端部15の端部(先端部17側の端部)とに形成されている。工具3は、基端部15の他方の端部が工具保持部9に係合して工具保持部で保持されるようになっている。
そして、工具保持部9で保持されている工具3は、回転(中心軸C1を回転中心にして自転)することで、切れ刃でワーク5を切削加工するようになっている。
移動部11は、ワーク5を工具3で加工するために、ワーク5に対して工具3を相対的に移動するように構成されている。すなわち、ワーク5に対して工具3が移動するように構成されていてもよいし、工具3に対してワーク5が移動するように構成されていてもよい。
制御部13は、NCプログラムに基づいて移動部11を制御し、ワーク5に対し工具3を移動するように構成されている。
さらに説明すると、図1で示すように、ワーク5のNC工作機械2は、ベッド19とテーブル21とコラム23と主軸支持体25と主軸筐体27とスピンドル29と備えて構成されている。
テーブル21は、図示しないリニアガイドベアリングを介してベッド19に支持されており、図示しないリニアモータ等のアクチュエータにより、X方向でベッド19に対して相対的に移動する(移動位置決めされる)ようになっている。
コラム23はベッド19に一体的に設けられている。主軸支持体25は、図示しないリニアガイドベアリングを介してコラム23に支持されており、図示しないリニアモータ等のアクチュエータにより、Y方向でコラム23に対して相対移動されるようになっている。
主軸筐体27は、図示しないリニアガイドベアリングを介して主軸支持体25に支持されており、図示しないリニアモータ等のアクチュエータにより、Z方向で主軸支持体25に対して相対移動されるようになっている。
スピンドル29は、ベアリングを介して主軸筐体27に支持されており、図示しないモータ等のアクチュエータにより、中心軸(Z方向に延びている工具3と共通の中心軸)C1を回転中心にして主軸筐体27に対し回転自在になっている。
スピンドル29には、工具保持部9が設けられており、テーブル21の上面には、被加工物保持部7が設けられている。これにより、ワーク5に対し工具3がX方向、Y方向、Z方向で相対的に移動するようになっている。
次に、工具形状測定装置31により計測した工具3の輪郭誤差(第1の誤差)を取り除くための第1の工具誤差形状について説明する。
また、NCプログラムには、後述するように、工具3の位置(ワーク5に対する座標)を算出するための演算式(たとえば、四則演算等を用いた数式式)が組み込まれている。
すなわち、本願発明は、以下に説明する第1の工具誤差形状と後述する第2の工具誤差形状とを合成し、その合成した工具誤差形状に基づいて、工具3が移動するときの補正位置座標を、上記演算式の解によって決定するように構成されている。
工具3の位置の補正は、該工具3の加工点T1(詳細は後述する)における加工面に対する法線ベクトルV1と、工具3との輪郭誤差とを用いてなされる。これにより、X方向、Y方向、Z方向のうちの少なくともいずれかの方向(法線ベクトルV1の形態で決まる)で、工具3の三次元的な位置が補正される。
さらに説明すると、工具3の輪郭誤差は、ワーク5を本加工する前に、図1に示す工具形状測定装置31によって、事前に求められる。
工具形状測定装置31は、NC工作機械2の所定の位置に設置されている。そして、工具3の形状を工具形状測定装置31(レーザやカメラなど)で測定可能な位置に工具3を位置させて、工具3を回転(中心軸C1まわりで自転)させておくことで、工具3の外形を機上(NC工作機械2の機上)で測定するようになっている。
この測定した工具3の外形と、理想的な工具3の外形(形状誤差の無い工具3の外形)との差(工具3の部位毎の差)を、工具3そのものの輪郭誤差(第1の誤差)とする。
図3は、本発明の実施形態に係る被加工物の加工機における工具の輪郭誤差(第1の誤差)を説明する図である。
図3(a)に破線で示すものは、理想的な工具3の外形であり、図3(a)に実線で示すものは、形状誤差のある実際の工具3の外形である。図3(a)では、中心軸C1まわりで工具の回転をしていない。また、図3(a)に実線で示す工具3は、中心軸C1に対してごく僅かに右側に偏って位置している。
図3(b)に破線で示すものは、理想的な工具3の外形であり、図3(b)に実線で示すものは、形状誤差のある実際の工具3(図3(a)に実線で示した工具3)を中心軸C1のまわりで回転させたときの外形である。
図3(b)に実線で示す工具3の外形は、当然のことであるが中心軸C1に対して線対称になっている。ワーク5の加工が、工具3の先端部17でされるとすれば、工具3の輪郭誤差は、図4で示すように、先端部17の1/4の円弧(即ち、角度が90°の範囲)で求めればよいことになる。
図4は、本発明の実施形態に係る被加工物の加工機における工具の輪郭誤差(第1の誤差)を説明する図である。
なお、工具形状測定装置31として、たとえば、特開昭63-233403号公報で示されているものを掲げることができる。
また、工具形状測定装置31により計測した工具3の輪郭誤差を取除く処理の詳細については、本出願人による特許6574915号公報に記載されている。
次に、工具3以外の要素に起因する誤差(加工誤差)を取除くために、ワーク3次元測定装置32によって測定した、例えばワーク5の削り残しなどの加工誤差に基づく第2の工具誤差形状について説明する。
まず、NC工作機械2の機上でワーク5の加工形状を測定するワーク3次元測定装置32について説明する。図5は、NC工作機械の機上においてタッチセンサで構成されるワーク3次元測定装置の概略図である。
図1および図5に概略構成を示すように、ワーク3次元測定装置32は、一般的にタッチプローブと呼ばれるタッチセンサで構成される。
このタッチセンサ32は、NC工作機械2の主軸支持体25の主軸筐体27に工具3とは別に備えられ、工具3と入れ替えることができる。タッチセンサ32は、NC工作機械2で加工されたワーク5の加工面の寸法を測定するようになっている。
そして、タッチセンサ32により測定されたワーク5の加工面の形状のデータは、PC33aに送られ記憶される。
このワーク5は、これから本加工によってなされるワーク5と同じもの(サンプル)である。そのため、ワーク5の加工面は、本加工によってなされる加工面と同じとなる。
PC33aでは、後述するように、測定されたワーク5の加工面の寸法のデータに基づき、所定のソフトウェアを使用して、測定されたワーク5の加工面の測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得る。
図5に示した機上のタッチセンサで構成されるワーク3次元測定装置32の場合は、加工されたワーク5を、NC工作機械2の機上から移動すること無く、ワーク5の加工面を測定することができる。
ただし、この場合、NC工作機械2の主軸支持体25の主軸筐体27に工具3とは別にタッチセンサ32を備える機構が必要となる。
なお、上記実施形態では、ワーク3次元測定装置32として、NC工作機械2の機上でワーク5の加工形状を測定するタッチセンサを用いた。しかしながら、他の実施形態としては、NC工作機械2の機外でワーク5の加工形状を測定するワーク3次元測定装置51を用いることもできる。
図6は、NC工作機械2の機外でワーク5の加工形状を測定するワーク3次元測定装置51の概略図である。
図6に示すように、このワーク3次元測定装置51は、NC工作機械2で加工されたワーク5を所定位置に載置するためのテーブル53と、テーブル53に載置されたワーク5の上方に、加工されたワーク5の加工面を測定する形状センサ55とを有しており、固定設置されたワーク5に対して形状センサ55が上下左右に移動することにより、ワーク5の加工面を測定するようになっている。
ここで、NC工作機械2の機外のワーク3次元測定装置51は、測定された加工ワーク5の加工面の寸法のデータに基づき、その測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得て、PC33aへ送るようになっている。
この実施形態の場合、当然ながら、NC工作機械2の機外にワーク5の加工形状を測定して、その測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得るワーク3次元測定装置51が必要となる。
次に、図7を参照して、本発明の実施形態に係る被加工物(ワーク)の加工機による加工処理手順について説明する。
図7は、本発明の実施形態に係る被加工物の加工機による加工処理手順のフローチャートである。
初めに、図7のステップS11において、市販のCAMに基づいて、ワーク5を加工する際のNCプログラム、即ち、工具3による加工パスの3次元座標を生成する。ここでは、工具3として、ボールエンドミルが使用される。
次に、ステップS12において、NCプログラムに、補正ベクトル(法線ベクトル)を付加し、ステップS13において、NC工作機械2の制御部13にNCプログラムを読み込ませる。
このステップS11~S13の処理は、NCプログラムを作成するPC33aもしくはPC33およびCAM39にて行われる。
ここで、工具3の位置の補正は、該工具3の加工点における加工面に対する法線ベクトルと、工具3との輪郭誤差とを用いてなされる。これにより、X方向、Y方向、Z方向のうちの少なくともいずれかの方向(法線ベクトルの形態で決まる)で、工具3の三次元的な位置が補正される。
次に、下記ステップS14~ステップS16において、工具3に起因する、および工具以外の要素に起因する誤差を取除く処理について説明する。
まず、ステップS14において、ワーク5を加工する工具3の形状をレーザなどを用いた工具形状測定装置31で測定し、その工具3の形状から工具3の輪郭誤差である第1の誤差を求め、その第1の誤差から第1の工具誤差形状を得る(第1工程)。第1の工具誤差形状は、第1の誤差を含んだ工具3の輪郭形状を意味する。
すなわち、工具形状測定装置31は、図1に示すように、NC工作機械2の所定の位置に設置され、工具形状測定装置31(レーザやカメラなど)で測定可能な位置に工具3を位置させて、工具3を回転(中心軸C1まわりで自転)させておくことで、工具3の外形を機上(NC工作機械2の機上)で測定する。
この測定した工具3の外形と、理想的な工具3の外形(形状誤差の無い工具3の外形)との差(工具3の部位毎の差)を求め、工具3の輪郭誤差(第1の誤差)とする。理想的な工具3の外形は、外形データとして制御部13に格納されており、工具3の形状及び寸法から定義されている。
図8は、工具の輪郭誤差による第1の工具誤差形状を示す説明図である。上述のように、例えば、細かい角度である0.1°毎に工具3の輪郭誤差を測定すると、図8(a)に曲線で示すような細かく波打った輪郭誤差CV1を得る。
図8(a)に示す曲線(輪郭誤差CV1)に関して高周波数成分を除くフィルタリングをすると、図8(b)に曲線で示すようなある程度波打った輪郭誤差CV2を得る。以下に述べるように、図8(b)に曲線で示す輪郭誤差CV2を含む工具3の輪郭形状を第1の工具誤差形状として用いて補正をする(以下「第1の工具誤差形状CV2」という)。
図9は、工具3の円弧の半径と被加工物の被加工面の円弧の半径とによって変化する、被加工物の加工範囲を示す図である。工具3の円弧の半径とワーク5の被加工面の半径との差の値が小さい場合には、ワーク5と工具3との接触長さ(接触面積)CT3の値が大きくなる。
このように、ワーク5を加工する工具3の形状をレーザなどを用いた工具形状測定装置31で測定し、工具3の形状から第1の誤差を求め、その第1の誤差から第1の工具誤差形状を得ても、この第1の工具誤差形状による工具補正だけでは、工具3以外の要素に起因する誤差(加工誤差)が出てきてしまう場合がある。
そのような加工誤差に対応するため、本発明では、以下に説明するステップS15以降の処理を行う。
図7のステップS15において、工具3以外の要素に起因する加工誤差を取除くために、ワーク3次元測定装置32によって測定した、加工済のワーク5の加工面の形状から求められる加工誤差を工具3の輪郭誤差に変換した第2の誤差を求め、その第2の誤差から第2の工具誤差形状を得る(第2工程)。第2の工具誤差形状は、第2の誤差を含んだ工具3の輪郭形状を意味する。
以下に、ワーク3次元測定装置32によって測定したワーク5の加工面の形状から工具3の輪郭誤差を求め、この工具3の輪郭誤差である第2の誤差を含む第2の工具誤差形状の求め方について詳しく説明する。
まず、テスト用のワーク5に対してテスト加工を行う。テスト加工の際には、移動部11は、NCプログラムに基づいて、テスト用のワーク5に対し工具3を移動する。このとき、NCプログラムは、後述するようなNCプログラムの補正量に基づいて工具3の位置補正を行う。すなわち、NCプログラムは、第1の誤差を含んだ第1の工具誤差形状CV2に基づいて、工具3の位置を補正する。これにより、工具3の輪郭誤差によるワーク5の加工誤差を補正して工具3を作動させ、テスト用のワーク5が加工される。
図5に示すような、NC工作機械2の機上においてタッチセンサで構成されるワーク3次元測定装置32により、加工されたテスト用のワーク5の加工面の形状を測定する。
すなわち、本加工前に、NC工作機械2によって加工されたテスト用のワーク5の加工面に、タッチセンサ32の先端を接触させて、テスト用のワーク5の加工面の形状を計測する。
ここで、このテスト用のワーク5は、これから本加工に供される本加工用のワーク5と同じもの(テストピース)である。そのため、テスト用のワーク5の加工面も、本加工によってなされる本加工用のワーク5の加工面と同じとなる。
テスト用のワーク5の加工面に、タッチセンサ32の先端を接触させることにより、タッチセンサ32は、テスト用のワーク5の加工面の形状を測定する。測定データは、制御部13にて使用されるNCプログラムを作成するPC33aに送られ記憶される。
PC33aでは、測定されたテスト用のワーク5の加工面の寸法のデータに基づき、所定のソフトウェアを使用して測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得る。
すなわち、PC33aは、例えば、3次元測定機メーカーHexagon等が開発した工作機械向け計測ソフトウェアを用いて、CADから測定ポイントに対する面直ベクトル方向からアプローチを行って計測し、高度な機上計測を実現して、測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得るようにする。
そして、PC33aは、上述した工作機械向け計測ソフトウェアを用いた得られたテスト用のワーク5の測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトルから、加工後の理想的なワークの形状を示すCADモデルと比較して、テスト用のワーク5の加工面5aのどの部分にどの位の加工誤差があるかを計算して求める。
図10は、図5に示すタッチセンサで構成されるワーク3次元測定装置32によりワーク5の加工面5aの形状を測定する様子を示す概略図である。
図10においては、加工誤差としてテスト用のワーク5の加工面5aの45°の面に2μmの削り残しが有ることが例示されている。
なお、本実施形態では、テスト用のワーク5の加工面5aを、NC工作機械2の機上においてタッチセンサで構成されるワーク3次元測定装置32を用いて測定し、PC33aで、その測定されたテスト用のワーク5の加工面の寸法のデータに基づき、PC33a上で所定のソフトウェアを使用して測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得るようにしていた。
しかしながら、NC工作機械2の機外において、前述したワーク3次元測定装置51を用いてテスト用のワーク5の加工面の形状を測定し、その測定データから測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得るようにしても良い。
次に、PC33aは、テスト用のワーク5の加工面5aのどの部分にどの位の加工誤差があるかを計算する。PC33aは、その計算データから、ワーク5の加工面5aの加工誤差を打ち消すように求めた工具3の輪郭誤差を含む工具輪郭形状を、第2の工具誤差形状3a1として抽出する。
図11は、図10に例示した加工誤差としてワーク5の加工面5aの45°の近傍の面に2μmの削り残しが有る場合における工具3の補正値込みの工具輪郭形状としての、第2の工具誤差形状を示す概略図である。図11において、実線は工具輪郭形状を示し、点線は補正値込みの工具輪郭形状を示す。
図11の点線で示すように、点線の補正値込みの工具輪郭形状では、図10に例示した加工誤差としてテスト用のワーク5の加工面5aの45°の近傍の面に2μmの削り残しを打ち消すような第2の工具誤差形状3a1となっている。
ここでは、第2の工具誤差形状3a1は、テスト用のワーク5の加工面5aの45°の近傍の面に2μmの削り残しを打ち消すような凹形状となっている。
すなわち、テスト用のワーク5に削り残しが出来る場合は、工具形状に凹があるのと同じと見做す事が出来る。そこで工具形状の補正値に凹をもうけることで、工具に凹があるとして補正が働くのでワーク5の削り残しが無くなる。
なお、テスト用のワーク5の加工面5aに削り過ぎがある場合、第2の工具誤差形状は、削り過ぎを打ち消すような凸形状となる。
次に、ステップS16において、制御部13は、上記第1の工具誤差形状CV2および第2の工具誤差形状3a1を合成して合成工具誤差形状(CV2+3a1)を作成する(第4工程)。
すなわち、図8に示す工具の輪郭誤差(第1の誤差)を含む第1の工具誤差形状CV2と、図11に示す工具3の輪郭誤差(第2の誤差)を含む第2の工具誤差形状3a1とを重ね合わせて合成し、図12に示すような合成工具誤差形状(CV2+3a1)を得る。すなわち、合成工具誤差形状(CV2+3a1)は、第1の誤差に第2の誤差を加算した合成誤差を含んだ工具誤差形状である。
具体的には、図11に示す第2の工具誤差形状3a1の第1の移行点X1から第2の移行点X2への工具3の輪郭を、図8(b)に曲線CV2で示す波打った輪郭に替えて、図12に示すような合成工具誤差形状(CV2+3a1)を得る。
すなわち、前記第2の工具誤差形状3a1における削り残しを打ち消すような凹形状へ移行する移行点X1およびX2を求め、前記第1の工具誤差形状CV2における前記移行点X1およびX2の間の輪郭を、前記第2の工具誤差形状3a1の凹形状に替えて合成工具形状を得る。
図12は、第1の工具誤差形状CV2と第2の工具誤差形状3a1とを重ね合わせて合成した合成工具誤差形状(CV2+3a1)を示す説明図である。
なお、実際には、図3(b)に実線で示す工具3の形状は、当然のことであるが中心軸C1に対して線対称になっている。
すなわち、工具3の先端部17は、中心軸C1に対して線対称となっているので、工具3の輪郭誤差は、図12に示すように、1/4の円弧(即ち、角度が90°の範囲)で左右同じとなる。
従って、ワーク5の加工が、工具3の先端部17でされるとすれば、工具3の輪郭誤差は、どちらか一方に先端部17の1/4の円弧(即ち、角度が90°の範囲)で求めればよいことになる。
次に、ステップS16において、図12に示すような第1の工具誤差形状CV2と第2の工具誤差形状3a1とを重ね合わせて合成した合成工具形状(CV2+3a1)に基づいて、NCプログラムの補正量を算出し、その補正量を制御部13のメモリ等にセットする。
ここで、NCプログラムには、工具3の位置(ワーク5に対する座標)を算出するための演算式(たとえば、四則演算等を用いた数式式)が組み込まれている。すなわち、工具3が移動するときの位置座標は、演算式の解によって決定されるようになっている。
すなわち、NCプログラムは、工具3の輪郭誤差によるワーク5の加工誤差を取除くと共に、工具以外の要素に起因する加工誤差を取除くために、演算式を用いて、補正量に応じて工具3の位置を補正するように構成されている。
すなわち、具体的な数字を使うと、加工機が変更されたり工具を交換したり工具が摩耗したりしたとき等に、その都度、NCプログラムを作り直さなければいけないが、演算式にすることで、その時々に変化する工具輪郭誤差に随時対処することができる。
また、演算式を用いることで、測定した工具輪郭値を変数に格納しておき、加工時に計算(演算)が行われるので、NCプログラムを一度作成すればその後ずっと利用することができる。また、NCプログラムの演算式の演算を制御部13で行うので、専用の装置が不要になる。
なお、上記演算式を用いての工具の位置の補正については、本出願人による先願である特許第6574915号に詳しく記載されている。
この実施形態の場合、上記合成工具形状(CV2+3a1)を得る処理は、PC33aにおいて実行される。ただし、上記合成処理をPC33a以外のPC33およびCAM39で実行することも可能である。
その後、ステップS17において、NC工作機械2において工具3による本加工を開始する。移動部11は、NCプログラムに基づいて、本加工用のワーク5に対し工具3を移動する(第3工程)。
このとき、NCプログラムは、NCプログラムの補正量に基づいて工具3の位置補正を行う。すなわち、NCプログラムは、第1の誤差に第2の誤差を加算した合成誤差を含んだ工具誤差形状に基づいて、工具3の位置を補正する。こうして、工具3の輪郭誤差によるワーク5の加工誤差および工具3以外の要素に起因するワーク5の加工誤差を補正して工具3を作動させ、ワーク5の加工を実施することができるのである。
この実施形態におけるNC工作機械2によれば、工具3の輪郭誤差を取り除くと共に、さらに、工具3以外の要素に起因する加工誤差を取除くため、非常に正確な加工を達成できる。
また、この実施形態におけるNC工作機械2によれば、NCプログラムに、工具3の位置(座標値)を算出するための演算式が組み込まれているので、工具を交換したり、工具が摩耗したりしたとき等に、その都度、NCプログラムを作り直す必要を無くすことができる。
本発明は前述の発明の実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。
例えば、上述した工具3に起因する誤差および工具3以外の要素に起因する誤差の補正に加えて、工具3によるワーク5の加工を開始してから終了するまでの間の工具3の摩耗量を測定し、上述した工具3以外の要素に起因する加工誤差に加え、この摩耗量に起因して変化する工具3の形状を考慮してNCプログラムを補正し、より高精度なワーク5の加工を行うようにしても良い。
なお、摩耗量に起因して変化する工具3の形状を考慮したNCプログラムの補正については、本出願人による先願である特許第6574915号に詳しく記載されている。
また、上述した実施形態では、図8に示す工具の輪郭誤差を含む第1の工具誤差形状CV2と、図11に示す工具3の輪郭誤差を含む第2の工具誤差形状3a1とを重ね合わせて合成し、図12に示すような合成工具誤差形状(CV2+3a1)を得る場合、図11に示す第2の工具誤差形状3a1の第1の移行点X1から第2の移行点X2への工具3の輪郭を、図8(b)に曲線で示す波打った輪郭誤差CV2に替えて、図12に示すような合成工具誤差形状(CV2+3a1)を得るようにしていたが、これに限定されず、以下のように合成しても良い。
すなわち、図8(b)に曲線で示す波打った輪郭誤差CV2における、ワーク5の加工面5aの45°の近傍の面に相当する部分に、図11に示す工具3の輪郭誤差を含む第2の工具誤差形状3a1を加えて、合成工具誤差形状(CV2+3a1)を得るようにしても良い。
また、ワーク5の加工面の形状を測定し、その測定データから測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得る手段として、NC工作機械2の機上においてはタッチセンサで構成されるワーク3次元測定装置32を用いて測定し、PC33aでは、その測定された加工ワーク5の加工面の寸法のデータに基づき、PC33a上で所定のソフトウェアを使用して測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得るようにし、NC工作機械2の機外においては、その測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得るワーク3次元測定装置51を用いていたが、これに限定されず、ワーク5の加工面の形状を測定し、その測定データから測定点(設計値)、形状誤差、測定点の法線ベクトル等を得ることができればどのような形態でも良い。
上述した実施形態では、本加工に先立ち、テスト用のワーク5を加工して、工具3の輪郭誤差によるワーク5の加工誤差および工具3以外の要素に起因するワーク5の加工誤差を補正している。すなわち、本実施形態に係る加工方法の概略は、以下の通りである。
(1)テスト加工前に工具3の形状を測定して第1の工具誤差形状を得る(図7のステップS14)。
(2)テスト用のワーク5にテスト加工を行う。
(3)テスト用ワーク5の加工面を測定して第2の工具誤差形状を得る(図7のステップS15)。
(4)第1の工具誤差形状と第2の工具誤差形状とを合成して合成工具誤差形状を求め、この合成工具誤差形状から補正量を算出して制御部13にセットする(図7のステップS16)。
(5)算出された補正量を用いて、本加工用のワーク5に加工を行う(図7のステップS17)。
(2)テスト用のワーク5にテスト加工を行う。
(3)テスト用ワーク5の加工面を測定して第2の工具誤差形状を得る(図7のステップS15)。
(4)第1の工具誤差形状と第2の工具誤差形状とを合成して合成工具誤差形状を求め、この合成工具誤差形状から補正量を算出して制御部13にセットする(図7のステップS16)。
(5)算出された補正量を用いて、本加工用のワーク5に加工を行う(図7のステップS17)。
もっとも、本実施形態に係る加工方法は、テスト加工を行うことなく、本加工のなかで実施されてもよい。例えば、本実施形態に係る加工方法は、本加工用のワーク5に対する初回加工時に行われる。この場合における加工方法の概略は、以下の通りである。
(1)本加工前に工具3の形状を測定して第1の工具誤差形状を得る(図7のステップS14に相当)。
(2)本加工用のワーク5に加工を行う。
(3)本加工用のワーク5の加工面を測定して第2の工具誤差形状を得る(図7のステップS15に相当)。
(4)第1の工具誤差形状と第2の工具誤差形状とを合成して合成工具誤差形状を求め、この合成工具誤差形状から補正量を算出して制御部13にセットする(図7のステップS16に相当)。
(5)2回目以降の加工では、算出された補正量を用いて、本加工用のワーク5に対して本加工を行う(図7のステップS17に相当)。
(2)本加工用のワーク5に加工を行う。
(3)本加工用のワーク5の加工面を測定して第2の工具誤差形状を得る(図7のステップS15に相当)。
(4)第1の工具誤差形状と第2の工具誤差形状とを合成して合成工具誤差形状を求め、この合成工具誤差形状から補正量を算出して制御部13にセットする(図7のステップS16に相当)。
(5)2回目以降の加工では、算出された補正量を用いて、本加工用のワーク5に対して本加工を行う(図7のステップS17に相当)。
なお、2回目以降の加工では、加工毎に上記(2)から(5)の工程を実施してもよいし、加工回数が一定数に到達したときに定期的に上記(2)から(5)の工程を実施してもよい。また、本加工が、粗加工、中加工、仕上げ加工といったように複数の工程を含む場合には、最終の仕上げ工程の後に、本加工用のワーク5の加工面を測定することが好ましい。また、本加工用のワーク5の加工面を測定したときに、加工誤差が無い、或いはその加工誤差が加工良否を判断する基準値よりも小さい場合には、(4)から(5)までの工程をスキップしてもよい。
前者に示す、テスト加工を用いて補正を行う方法の場合、加工誤差の補正は、本加工を行う際に反映される。前者の手法における(5)の本加工は、(3)において加工面を測定して第2の工具誤差形状を得たテスト用のワーク5とは異なる本加工用のワーク5に対して行われる。一方、後者に示す、本加工のなかで補正を行う方法の場合、加工誤差の補正は、次の本加工用のワーク5に対する本加工の時に反映されてもよいし、同一の本加工用のワーク5に対する修正加工時に反映されてもよい。すなわち、後者の手法における(5)の本加工は、(3)において加工面を測定して第2の工具誤差形状を得た本加工用のワーク5とは異なる、新たな本加工用のワーク5に対して行われてもよいし、(3)において加工面を測定して第2の工具誤差形状を得た本加工用のワーク5に対して行われてもよい。
1 加工システム
2 NC工作機械
3 工具(ボールエンドミル)
3a1 第2の工具誤差形状
5 被加工物(ワーク)
5a 加工面
7 被加工物保持部
9 工具保持部
11 移動部
13 制御部
31 工具形状測定装置
32、51 ワーク3次元測定装置
33 PC
39 CAM
41、43 加工パス
C1 中心軸
C2 中心
CV1、CV2 輪郭誤差
CV2 第1の工具誤差形状
3a1 第2の工具誤差形状
T1 加工点
X1 第1の移行点
X2 第2の移行点
2 NC工作機械
3 工具(ボールエンドミル)
3a1 第2の工具誤差形状
5 被加工物(ワーク)
5a 加工面
7 被加工物保持部
9 工具保持部
11 移動部
13 制御部
31 工具形状測定装置
32、51 ワーク3次元測定装置
33 PC
39 CAM
41、43 加工パス
C1 中心軸
C2 中心
CV1、CV2 輪郭誤差
CV2 第1の工具誤差形状
3a1 第2の工具誤差形状
T1 加工点
X1 第1の移行点
X2 第2の移行点
Claims (8)
- 被加工物を保持する被加工物保持手段と、
前記被加工物保持手段で保持された被加工物を加工する工具を保持する工具保持手段と、
前記被加工物を前記工具保持手段で保持された工具で加工するために、前記被加工物に対し前記工具を移動する移動手段と、を有する加工システムが実行する被加工物の加工方法において、
第1の測定装置により測定された前記工具の外形から求められる工具の輪郭誤差である第1の誤差を求める第1工程と、
第2の測定装置により測定された前記被加工物の加工面の形状から求められる加工誤差を工具の輪郭誤差に変換した第2の誤差を求める第2工程と、
所定のNCプログラムに基づいて、前記移動手段が前記被加工物に対し前記工具を移動する第3工程と、を有し、
前記第3工程において、前記NCプログラムは、前記第1の誤差に前記第2の誤差を加算した合成誤差に基づいて、前記工具の位置を補正することを特徴とする被加工物の加工方法。 - 請求項1に記載の被加工物の加工方法において、
前記NCプログラムには、前記工具の位置を算出するための演算式が組み込まれており、前記NCプログラムは、前記演算式を用いて、前記工具の位置を補正することを特徴とする被加工物の加工方法。 - 請求項1に記載の被加工物の加工方法において、
前記第1工程は、前記工具の形状を前記第1の測定装置により測定し、この測定した工具の外形と理想的な工具の外形との輪郭誤差を前記第1の誤差として求める処理を含み、
前記第2工程は、前記被加工物の加工面の形状を前記第2の測定装置により測定し、この測定した前記被加工物の加工面の形状と理想的な被加工物の加工面の形状との差である加工誤差を打ち消すような工具の輪郭誤差を前記第2の誤差として求める処理を含むことを特徴とする被加工物の加工方法。 - 請求項3に記載の被加工物の加工方法において、
前記第2の測定装置により測定された前記被加工物の加工面の形状から、測定された前記被加工物の加工面の測定点、形状誤差、測定点の法線ベクトルが得られ、その前記被加工物の加工面の測定点、形状誤差、測定点の法線ベクトルから前記第2の誤差が求められることを特徴とする被加工物の加工方法。 - 請求項3に記載の被加工物の加工方法において、
前記第1工程は、前記第1の誤差を含む工具の輪郭形状を第1の工具誤差形状として抽出する処理をさらに含み、
前記第2工程は、前記第2の誤差を含む工具の輪郭形状を第2の工具誤差形状として抽出する処理をさらに含む、ことを特徴とする被加工物の加工方法。 - 請求項5に記載の被加工物の加工方法において、
前記第1の工具誤差形状および第2の工具誤差形状を合成した合成工具誤差形状に基づいて、前記NCプログラムの補正量を算出する第4工程をさらに有し、
前記第3工程において、前記NCプログラムは、前記補正量に基づいて前記工具の位置補正を行うことを特徴とする被加工物の加工方法。 - 請求項1に記載の被加工物の加工方法において、
前記工具が、前記被加工物を加工するボールエンドミルもしくはラジアスエンドミルであることを特徴とする被加工物の加工方法。 - 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の被加工物の加工方法を実行するための被加工物の加工システム。
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
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ENP | Entry into the national phase |
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