JP2008062351A - 加工原点設定方法及びその方法を実施するための工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、コストをかけずに回転工具と被削材の加工原点を容易かつ正確に設定するための加工原点設定方法及びその方法を実施するための工作機械を提供する。
【解決手段】回転工具１２と被削材２０とが接する加工原点を設定する機能を有する工作機械であって、回転工具１２を回転させる主軸５と、主軸５の回転を検知するセンサ６と、被削材２０を保持するワークテーブル７と、回転工具１２の切れ刃先端が被削材２０の外面に接触した状態で、主軸５に回転工具１２を回転させない程度の負荷トルクを印加する駆動源８と、主軸５に負荷トルクが印加された状態で、切れ刃先端が外面から離れる方向に動くように、主軸５又はワークテーブル７の何れか一方がジョグ送りされ、センサ６により主軸５の回転が検知されたときの座標を加工原点として設定する加工原点設定部１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転工具と被削材の加工開始位置を設定するための加工原点設定方法及びその方法を実施するための工作機械に関するものである。

一般に、切削工具を使用して被削材の加工を行う場合には、切削工具と被削材の少なくとも一方を交換する毎に、切削工具と被削材の接触開始点、すなわち、被削材の被加工面上に存在する切削工具の切れ刃の加工原点を設定する必要がある。殊に、エンドミルなどの回転工具を使用して金型の加工を行う場合には、ミクロンレベルないしはそれ以上のナノレベルの加工精度（寸法精度、仕上面精度など）が要求されることもあり、より高精度に加工原点を設定する必要がある。

しかしながら、工具と被削材の加工原点を設定する作業は、送り軸をジョブ送りしながら慎重に操作する必要があるため、非常に時間がかかるという問題があった。また、この作業には経験や勘が必要となるため、作業の標準化を図ることが難しく、作業能率を高めるには限界があった。

この作業を自動化し、短い時間で能率良く加工原点の設定を行う一つの方法として、特許文献１で開示されている方法があるが、この方法ではセンサを含む特別な測定装置が必要とされ、コストが高くなるという問題があった。また、この方法では、工具の回転軸に対して直角方向にセンシング面が設定されるものであるため、工具の回転軸方向の位置を検出することはできるものの、回転軸に対して直角方向、すなわち、工具の半径方向の位置を検出することができないものであった。また、この方法は、外径が１００μｍ以下の微小径工具に主として適用されるものであり、測定方法の適用範囲が制限されるという問題があった。

また、従来の他の方法の一例として、マイクロスコープを有する専用の工具検知装置を使用する方法がある。この工具検知装置では、工具の位置は検知できるものの、ワークの位置を検知できないという問題があった。また、刃先の鋭い工具では正確に刃先の先端位置を検知できないという問題があった。すなわち、マイクロスコープを用いた場合、刃先とワークの距離を測定し、工具をギリギリまで近づけることができるが、マイクロスコープの焦点距離の関係で、加工段取りによっては刃先が見えないことがあった。

特開２００４−９８２１３号公報

本発明は、コストをかけずに回転工具と被削材の加工原点を容易かつ正確に設定するための加工原点設定方法及びその方法を実施するための工作機械を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、回転工具と被削材とが接する加工原点を設定するための加工原点設定方法であって、回転工具の切れ刃先端をワークテーブルに固定された被削材の外面に接触させた状態で、回転工具を保持する負荷トルクの調整が可能な構造をもつ主軸に回転工具を回転させない程度の負荷トルクを印加し、主軸に負荷トルクが印加された状態で、切れ刃先端が外面から離れる方向に動くように、ワークテーブル又は主軸の何れか一方を回転工具の軸方向又は軸直角方向の何れか一方の送り軸方向にジョグ送りし、主軸が回転する瞬間の座標をジョグ送りした送り軸方向の加工原点として設定する加工原点設定方法を提供する。

前記加工原点設定方法において、回転工具の切れ刃は、半径方向外側に位置する外周切れ刃領域とこの外周側切れ刃領域に交差して軸方向先端側に位置する正面側切れ刃領域との間でコーナ切れ刃領域を有し、コーナ切れ刃領域を被削材の被削面に交差する側面に接触させることもできる。

また、本発明は、回転工具と被削材とが接する加工原点を設定する機能を有する工作機械であって、回転工具を回転させる主軸と、主軸の回転を検知するセンサと、被削材を保持するワークテーブルと、回転工具の切れ刃先端が被削材の外面に接触した状態で、主軸に回転工具を回転させない程度の負荷トルクを印加する駆動源と、主軸に負荷トルクが印加された状態で、切れ刃先端が外面から離れる方向に動くように、主軸又はワークテーブルの何れか一方がジョグ送りされ、センサにより主軸の回転が検知されたときの座標を加工原点として設定する加工原点設定部と、を備えた工作機械を提供する。

前記工作機械において、加工原点は、回転工具と被削材の相対的な位置関係を示す加工基準座標であり、加工原点設定部が加工原点を修正する機能を有することができる。

前記工作機械において、負荷トルクが、駆動源とこの駆動源を制御する制御装置との間で電気信号により調整されることができる。

本発明によれば、回転工具の軸方向に所定の切り込みを与えながら、回転工具を軸直角方向に送って３次元切削を行う場合において、回転工具の軸方向で回転工具と被削材の加工原点を求めるときは、回転工具の切れ刃を被削材の側面（被削面に交差する面）に接触させた状態で、回転工具を回転させない程度の弱い負荷トルクを主軸に印加し、回転工具の切れ刃が被削面から垂直に離れる方向に動くように、テーブル又は主軸の何れか一方をジョグ送りして、負荷トルクにより主軸が回転する瞬間の座標を加工原点として設定する。一方、回転工具の軸直角方向で回転工具と被削材の加工原点を求めるときは、回転工具の切れ刃を被削面に接触させた状態で、回転工具を回転させない程度の弱い負荷トルクを主軸に印加し、回転工具の切れ刃が被削面から垂直に離れる方向に動くように、テーブル又は主軸の何れか一方をジョグ送りして、主軸が回転するときの座標を加工原点として設定する。

このようにして、回転工具の軸方向と軸直角方向の相互に直交する２方向で加工原点を求めることができる。したがって、新たな設備を設けることなく、既存の設備を用いて、回転工具と被削材の加工原点を容易かつ正確に求めることができる。

また、本発明の工作機械の加工原点設定部が加工開始位置を自動的に修正する機能を有することで、回転工具及び被削材の交換時や１パス加工終了時の被削材の寸法などに応じて、加工原点をオフセットして新たな加工原点とすることができる。

また、本発明は、エアタービンモータや電気モータを駆動源として回転する主軸を備えた工作機械に適用することができ、主軸がエアタービンモータを駆動源とする場合は、エアタービンモータに供給される圧縮空気の圧力を電気信号により制御することで、回転工具と被削材の接触時に印加される負荷トルクを制御することができる。主軸が電気モータを駆動源とする場合は、モータに供給される電流を電気信号により制御することで、回転工具と被削材の接触時に印加される負荷トルクを制御することができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る工作機械の一実施形態を示す構成図である。図２は、工作機械の概要を示す側面図であり、主軸が上下方向に配置されたいわゆる縦型の工作機械を示す。これらの図に示すように、本実施形態の工作機械１は、ベッド２と、ベッド２から垂直に起立するコラム３と、コラム３の上部に設けられて上下動する主軸ヘッド４と、主軸ヘッド４に回転可能に設けられた主軸５と、主軸５の回転を検知するセンサ６(図１）と、ベッド２上で水平方向に移動可能に支持され、治具などにより被削材２０を板面上でクランプするワークテーブル７と、主軸５を回転駆動するスピンドルモータ８（駆動源）と、主軸ヘッド４とワークテーブル７を上下方向（Ｚ方向）と水平方向（Ｘ−Ｙ２軸方向）にそれぞれ駆動する複数の送り軸駆動モータ（駆動源）９と、スピンドルモータ８及び複数の送り軸駆動モータ９を駆動制御するコントローラ１０と、を備えている。

主軸５は、エンドミル、カッタ、ドリルなどの回転工具の軸部をクランプすると共に、これらの回転工具１２をスピンドルモータ８により所定の回転数及びトルクで回転させる。主軸５の回転を検知するセンサ６には、主軸５の図示しないベアリングに組み込まれた磁気センサや種々のセンサを用いることができる。なお、スピンドルモータとして電気モータが用いられる場合には、センサをエンコーダとすることもできる。

ワークテーブル７は、空気軸受けとリニアモータの組み合わせからなる相互に直交する２組の送り機構によって、水平面内を互いに直交するＸ−Ｙ２軸方向に移動することができるようになっている。ワークテーブル７の送り速度は任意に設定可能であり、切削送りモード、早送りモード、ジョグ送りモードの各モードにおいてミクロン単位、又はナノ単位で移動させることができる。なお、ワークテーブル７の送り速度を高める場合などには、送り機構をリニアモータによる機構とすることもできる。

主軸ヘッド４の送り機構も、ワークテーブル７の送り機構と同様の構成とすることができる。主軸ヘッド４は、送り機構によって、上下方向に移動することができるようになっている。主軸ヘッド４も選択された各送りモードにおいてミクロン単位、又はナノ単位で移動することができる。

ワークテーブル７及び主軸ヘッド４を駆動する個々の送り軸駆動リニアモータ９には、例えばリニアスケールで制御されるリニアモータが用いられる。リニアモータは、リニアスケール読み取りヘッドにより移動変位が検出され、それを速度情報として利用し、リニアモータ出力軸の精度が保証されるようになっている。

主軸５を回転させるスピンドルモータ８には、主軸５内の図示しないタービンブレードに圧縮空気を供給する圧縮空気供給装置１４と、圧縮空気の圧力を減圧する減圧弁１５と、圧力を制御する圧力制御弁１６とを有するエアタービンモータが用いられている。減圧弁１５は、圧力源の発生圧力が所定の圧力よりも高い場合、供給圧力を所定の圧力以下に押さえるために用いられる弁であって、入力された圧力を一定圧以下に調圧して出力する弁である。圧力制御弁１６は、コントローラ１０からの電気信号により電磁力を制御して、弁の開度を調整する電磁弁である。これにより、所定のトルクでモータ８が安定して回転するように制御されるようになっている。

コントローラ１０は、プロセッサ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等で構成されたデジタルサーボ回路を有しており、通信線を介してスピンドルモータ８や複数の送り軸駆動モータ９、図示しないプログラマブルコントローラや操作盤や周辺装置などに電気的に接続されて、種々の機能が発揮されるようになっている。本発明に係る工作機械１のコントローラ１０は、回転工具１２と被削材２０の加工基準座標としての加工原点を設定する機能を有する加工原点設定部１１を備えている。この加工原点設定部１１は、後述するように、回転工具１２の切れ刃１３が被削材２０に接触した状態で、主軸５に微小な負荷トルクが印加され、主軸ヘッド４又はワークテーブル７のいずれかがジョグ送りされ、切れ刃１３先端が被削材２０から離れて主軸５が回転を始める瞬間の座標を加工原点として設定する手段である。

次に、本実施形態の工作機械１を用いて加工原点を設定する方法について説明する。図３は加工原点を設定する方法のフローチャートを示し、図４及び図５は回転工具１２と被削材２０の接触した状態の概念図を示し、図６及び図７は回転工具１２と被削材２０の離れた状態の概念図を示している。図４〜図７で示される主軸５は、縦型の工作機械１で上下方向に配置された主軸であり、図２と同様である。

図示される回転工具１２は、正面切削用の工具であり、１枚刃を有するボディ１２ｂと、柄部１２ａとからなっている。切れ刃１３は、半径方向外側に位置する外周切れ刃領域１３ａと、この外周側切れ刃領域１３ａに交差して軸方向先端側に位置する正面側切れ刃領域１３ｂと、外周側切れ刃領域１３ａと正面側切れ刃領域１３ｂの間に位置するコーナ切れ刃領域１３ｃとを有し、ボディ１２ｂの下面から下向きに突出している。コーナ切れ刃領域１３ｃは、主切れ刃として作用する領域であり、所定のコーナ半径で形成された弧状の切れ刃領域である。コーナ切れ刃領域１３ｃのコーナ半径の大きさは、理論的な仕上げ面あらさを決定する。なお、ボディ１２ｂが円周方向に略等ピッチで配置された多刃の切れ刃を有する場合は、多数の切れ刃の中で最も下向きに突出する切れ刃を対象にして加工原点を設定する。

また、図４〜７において、被削材２０は角柱状をなしており、回転工具１２により加工される被削面は上面２１に位置している。上面２１の周囲には、相対向する２組の側面２２が上面２１に直交して形成されている。この回転工具１２を使用した切削加工では、Ｚ軸方向で所定の切り込みが与えられ、Ｘ方向に所定の送り速度で移動して、３次元的に切削加工が行われる。切削による加工代が大きい場合は、切り込みが数回に分けて与えられ、複数のパス回数で被削面が仕上げられる。被削面に高精度の面粗さが要求される場合は、切り込みの浅い仕上げ代を残して回転工具１２による切削を終了し、その後に仕上げ専用の回転工具により仕上げ加工を行うこともできる。

先ず、Ｚ軸方向の加工原点を設定する方法について説明する。図３のステップ１では、ワークテーブル７と主軸ヘッド４をそれぞれ相対的に移動して、回転工具１２の切れ刃１３先端を被削材２０の側面２２に軽く接触させる（図４，５）。この接触状態においては、切れ刃１３のすくい面が被削材２０の側面２２に対向しているものとする。次に、ステップ２において、切れ刃１３のすくい面が被削材２０の側面２２に接する方向に主軸５を回転させ、主軸５に弱い負荷トルクを与えた状態で切れ刃１３先端を側面２２に当接させる。

ステップ３では、切れ刃１３先端が被削材２０の上面２１と同一平面内に位置して回転工具１２が回転を開始する瞬間まで、ステップ２の状態から主軸ヘッド４をジョグ送りにより側面２２に沿ってＺ軸上方に移動する。ステップ４では、回転工具１２が回転を開始したか否かを判断し、回転をしない場合はステップ３に戻り、ジョグ送りを続ける。回転した場合はステップ５に進む。

ステップ５では、回転工具１２の切れ刃１３先端が被削材２０の上面２１と同一平面に位置して（図４，５）、回転を検知するセンサ６により回転工具１２の回転を検知すると、コントローラ１０の加工原点設定部１１に検知信号を出力する。ステップ６では、加工原点設定部１１が検知信号を受信した瞬間の主軸ヘッド４のＺ軸座標をメモリに記憶する。このようにして、回転工具１２の軸方向先端側に位置する切れ刃１３と被削材２０の上面２１とが接する加工原点が設定される。加工原点は、回転工具１２と被削材２０の相対的な位置関係を示す加工基準座標として求められることとなる。

次に、図８〜１１に基づいて、本実施形態の工作機械を用いて加工原点を設定する他の方法について説明する。この例は、主軸２５が水平方向に配置された横型の工作機械を用いている点と、種類の異なる回転工具２６を用いている点で、前述した例と相違している。回転工具２６は、仕上げ用の１枚刃のエンドミルである。また、回転工具２６の軸方向がＹ軸方向になっている点でも、回転工具１２の軸方向がＺ軸方向になっている前述した例と相違している。被削材２０には、前述した例と同様のものが用いられている。

この方法では、図３のステップ１において、回転工具２６の切れ刃２７を被削材２０の上面２１で横に寝かせた状態に接触させる（図８，９）。ステップ２では、切れ刃２７のすくい面が被削材２０の上面２１に接する方向に主軸２５を回転させ、主軸２５に弱い負荷トルクを与えた状態で切れ刃２７先端を上面２１に当接させる。

ステップ３では、切れ刃２７先端が被削材２０の上面２１から離れる瞬間まで、ステップ２の状態からワークテーブル７をジョグ送りによりＺ軸上方に移動する。ステップ４では、回転工具２６が回転を開始したか否かを判断し、回転しない場合はステップ３に戻り、ジョグ送りを続ける。回転した場合はステップ５に進む。

ステップ５では、回転工具２６の切れ刃２７先端が被削材２０の上面２１と同一平面に位置し（図１０，１１）、回転を検知するセンサにより回転工具２６の回転を検知すると、コントローラ１０の加工原点設定部１１に検知信号を出力する。ステップ６では、加工原点設定部１１が検知信号を受信した瞬間の主軸ヘッド４のＺ軸座標をメモリに記憶する。このようにして、回転工具２６の半径方向（軸直角方向）外側に位置する切れ刃２７と被削材２０の上面２１とが接する加工原点が設定される。

以上のように、本実施形態によれば、新たな設備を設けずに、既存の設備で、回転工具１２，２６の軸方向と軸直角方向の相互に直交する２方向で加工原点を容易かつ正確に求めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。本実施形態で使用されている回転工具１２，２６の切れ刃幾何学形状は任意であり、前切れ刃角、横切れ刃、すくい角、逃げ角、切れ刃のコーナ半径などは任意である。また、本実施形態では、加工原点設定部１１が加工原点を設定する手段として説明されているが、切れ刃１３，２７の工具摩耗を考慮して、この加工原点設定部１１に加工原点を自動的にオフセットする機能をもたせることも可能である。

本発明に係る工作機械の一実施形態を示す構成図である。 縦向きのスピンドルを有する縦型の工作機械の概要を示す側面図である。 回転工具と被削材の加工原点を設定する方法のフローチャートを示している。 回転工具の切れ刃先端が被削材の側面に接触し、回転工具の回転が停止している状態を示す概念図である。 図４に示す回転工具と被削材の正面図である。 回転工具の切れ刃先端が被削材の側面から離れた瞬間の状態（回転工具が回転している状態）を示す概念図である。 図６に示す回転工具と被削材の正面図である。 横向きの主軸を有する横型の工作機械が使用され、回転工具の切れ刃先端が被削材上面に接触し、回転工具の回転が停止している状態を示す概念図である。 図８に示す回転工具とワーク正面図である。 横向きの主軸を有する横型の工作機械が使用され、回転工具の切れ刃先端が被削材上面から離れた瞬間の状態（回転工具が回転している状態）を示す概念図である。 図１０に示す回転工具と被削材の正面図である。

符号の説明

１ 工作機械
５，２５ 主軸
３ スピンドルモータ（駆動源）
１０ コントローラ
１１ 加工原点設定部
１２，２６ 回転工具
１３，２７ 切れ刃
２０ 被削材

Claims (6)

1. 回転工具と被削材とが接する加工原点を設定するための加工原点設定方法であって、
   前記回転工具の切れ刃先端をワークテーブルに固定された前記被削材の外面に接触させた状態で、前記回転工具を保持する負荷トルクの調整が可能な構造をもつ主軸に前記回転工具を回転させない程度の負荷トルクを印加し、
   前記主軸に前記負荷トルクが印加された状態で、前記切れ刃先端が前記外面から離れる方向に動くように、前記ワークテーブル又は前記主軸の何れか一方を前記回転工具の軸方向又は軸直角方向の何れか一方の送り軸方向にジョグ送りし、
   前記主軸が回転する瞬間の座標をジョグ送りした前記送り軸方向の前記加工原点として設定する加工原点設定方法。
2. 前記回転工具が一枚刃を有する請求項１に記載の加工原点設定方法。
3. 前記回転工具の切れ刃は、半径方向外側に位置する外周切れ刃領域と該外周側切れ刃領域に交差して軸方向先端側に位置する正面側切れ刃領域との間でコーナ切れ刃領域を有し、該コーナ切れ刃領域を前記被削材の被削面に交差する側面、又は被削面に接触させる請求項１に記載の加工原点設定方法。
4. 回転工具と被削材とが接する加工原点を設定する機能を有する工作機械であって、
   前記回転工具を回転させる主軸と、
   該主軸の回転を検知するセンサと、
   前記被削材を保持するワークテーブルと、
   前記回転工具の切れ刃先端が前記被削材の外面に接触した状態で、前記主軸に前記回転工具を回転させない程度の負荷トルクを印加する駆動源と、
   前記主軸に前記負荷トルクが印加された状態で、前記切れ刃先端が前記外面から離れる方向に動くように、前記主軸又は前記ワークテーブルの何れか一方がジョグ送りされ、前記センサにより前記主軸の回転が検知されたときの座標を前記加工原点として設定する加工原点設定部と、を備えた工作機械。
5. 前記加工原点は、前記回転工具と前記被削材の相対的な位置関係を示す加工基準座標であり、前記加工原点設定部が前記加工原点を修正する機能を有する請求項４に記載の工作機械。
6. 前記負荷トルクが、前記駆動源と該駆動源を制御する制御装置との間で電気信号により調整されることが可能な構造をもつ請求項４に記載の工作機械。

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