JP5800884B2 - 面取り加工を行う工作機械および面取り加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、マシニングセンタの加工装置に関する。

従来、ある直線移動軸に固定された主軸と２軸以上の直線移動軸を有する加工ワークを固定するためのテーブルを備え、これらの主軸とテーブルを制御するＮＣ装置を備える工作機械において、加工ワークのコーナーの面取り加工を行う場合、図７に示すように工具軸方向の直線移動軸を固定した状態で工具軸方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面の直線移動軸（Ｘ軸，Ｙ軸）の動作により加工を行う。

最大の工具直径φ６．０ｍｍで４５°の面取り工具２を用いて、加工ワーク３に１．０ｍｍの面取り加工を行う場合の加工条件を設定する（図７（１））。設定された加工条件に従って加工ワーク３に面取り加工を行う（図７（２），図７（３））。図７（２）に示されるように、面取り部５，６，７において、面取り工具２の実際に切削に使用される切れ刃の部位は、工具直径φ３．０ｍｍの箇所である（図７（４））。

特許第３１７３８０８号

背景技術で説明した加工方法では、面取り工具の刃は常に同じ箇所（面取り加工領域８）で加工することになり、一部分だけ工具磨耗が進む（図７（４））。そのため、使用している面取り工具２の切れ刃が寿命に達した際、まだ使用できる刃の部分がある状態でも、加工ワーク３の加工に使用している加工プログラムでは使用できなくなるため、プログラムまたは工具長補正値と工具径補正値の修正などが必要になり大量生産する部品などで高効率な自動化は出来ない。

このように、背景技術で説明した手法では、熟練したプログラム作成者による煩雑化したプログラムを作成する必要があり、形状変更や工具材質又はコーティング変更による寿命値の変化によって大幅なプログラム変更が必要となり、工具寿命を向上させることが出来るが汎用性に欠けた手法である。

このことから、図８，図９と図１０に示すように、設定した寿命回数によって工具長と工具径をプログラム内で変更し、加工ワーク３に対する切れ刃の接触位置を変えることで、面取り工具一本の使用回数を延長させる工具寿命向上の手法がとられることがある。

図８（１）には、加工回数が＜１＞寿命回数以下の場合、面取り工具２の面取り加工領域８の工具直径はφ５．０ｍｍである。図８（２）には、加工回数が＜２＞寿命回数以下の場合、面取り工具２の面取り加工領域８の工具直径はφ３．０ｍｍである。図８（３）には、工具直径がφ５．０ｍｍとφ３．０ｍｍの面取り加工領域８が図示されている。

図９に示すように、面取り加工を行うための加工プログラム（Ｏ０００１）内に加工回数を累積する計算式（♯６００＝♯６００＋１）と、予め設定した工具寿命回数と加工回数とを比較し、工具長補正値及び工具径補正値を加工プログラム内で変更する計算式と（条件分岐＜１＞と条件分岐＜２＞）、工具径補正値の変更による加工品質の変化がないように、加工周速を一定化させるため変更された工具径をもとに、工具を装着する主軸の回転数と送り速度を再設定する計算式を挿入することで（Ｎ００１，Ｎ００２）、面取り工具の使用回数を増加させ工具一本の工具寿命を向上させることが可能である。

しかしながら、前記図８，図９と図１０に示す手法は熟練したプログラム作成者によるプログラム作成が必要であり、加工品質の安定化に加工条件を変更しているため加工時間が一定せず、形状や工具などの変更によってプログラミング熟練者によるプログラム変更が必要となり、汎用性に欠けた手法である。

一方、特許文献１には、少なくとも３軸制御が可能な工作機械において、先端に円弧上に刃先が形成された工具を加工中に加工ワークに対して工具姿勢を変化させることで切れ刃全体を一様に使用することで、工具寿命を向上させる装置が開示されている。しかし、特許文献１に開示される技術では、先端が円弧状の刃先を備えた工具を用いる加工に限られており、さらに、加工中に加工ワークに対する姿勢を変化させる回転軸を備えた工作機械に限定されてしまう問題がある。

そこで、本発明の目的は、少なくとも直線移動軸３軸を有し、加工ワークのコーナーの面取り加工における面取り工具の工具寿命を長くすることが可能な、面取り加工を行う工作機械および面取り加工方法を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、少なくとも３つの直線移動軸と、前記少なくとも３つの直線移動軸を制御する数値制御装置を備え、加工プログラムにより平面上のコーナー面取り加工を行う工作機械において、面取り工具により加工する面取り量と、前記面取り工具の工具情報を記憶する記憶手段と、前記加工プログラムを解析する解析手段と、前記解析された加工プログラムの加工距離の合計を算出する総加工距離算出手段と、前記面取り工具の加工領域を変化させながら面取り加工するために、前記算出された総加工距離と前記工具情報と前記面取り工具の加工開始点からの距離に基づいて工具半径補正量および工具軸補正量を算出する面取り加工補正量算出手段と、前記算出された工具半径補正量および工具軸補正量にもとづいて前記面取り工具の加工開始点からの距離に応じて工具半径補正及び工具軸補正を行う面取り加工補正手段と、を備えたことを特徴とする面取り加工を行う工作機械である。

請求項２に係る発明は、前記少なくとも３つの直線移動軸は、主軸を移動させる直線移動軸と、加工ワークを固定するためのテーブルを移動させる２つ以上の直線移動軸であることを特徴とする請求項１に記載の面取り加工を行う工作機械である。
請求項３に係る発明は、前記少なくとも３つの直線移動軸は、加工ワークを固定するためのテーブル又は主軸を固定するための主軸頭を移動させる３つ以上の直線移動軸であることを特徴とする請求項１に記載の面取り加工を行う工作機械である。
請求項４に係る発明は、前記面取り加工補正手段は、前記面取り加工補正に加え、前記記憶された面取り工具の工具情報から該算出された工具半径補正量により周速を一定とするための加工条件を算出する基準加工条件算出手段と、該算出された加工条件にもとづいて加工条件を変更することを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の工作機械である。

請求項５に係る発明は、少なくとも３つの直線移動軸と、前記少なくとも３つの直線移動軸を制御する数値制御装置を備え、加工プログラムにより平面上のコーナー面取り加工を行う工作機械において、面取り工具により加工する面取り量と、前記面取り工具の工具情報を記憶するステップと、前記加工プログラムを解析するステップと、該解析された加工プログラムの加工距離の合計を算出するステップと、前記面取り工具の加工領域を変化させながら面取り加工するために、前記算出された総加工距離と前記工具情報と前記面取り工具の加工開始点からの距離に基づいて工具半径補正量および工具軸補正量を算出するステップと、前記算出された工具半径補正量および工具軸補正量にもとづいて前記面取り工具の加工開始点からの距離に応じて工具半径補正及び工具軸補正を行うステップと、
を備えたことを特徴とする面取り加工方法である。

請求項６に係る発明は、前記少なくとも３つの直線移動軸は、主軸を移動させる直線移動軸と、加工ワークを固定するためのテーブルを移動させる２つ以上の直線移動軸であることを特徴とする請求項５に記載の面取り加工方法である。
請求項７に係る発明は、前記少なくとも３つの直線移動軸は、加工ワークを固定するためのテーブル又は主軸を固定するための主軸頭を移動させる３つ以上の直線移動軸であることを特徴とする請求項５に記載の面取り加工方法である。
請求項８に係る発明は、前記面取り加工補正手段は、前記面取り加工補正に加え、前記記憶された面取り工具の工具情報から該算出された工具半径補正量により周速を一定とするための加工条件を算出するステップと、該算出された加工条件にもとづいて加工条件を変更することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の面取り加工方法である。

本発明により、少なくとも直線移動軸３軸を有し、加工ワークのコーナーの面取り加工における面取り工具の工具寿命を長くすることが可能な、面取り加工を行う工作機械および面取り加工方法を提供できる。

少なくとも３つの直線移動軸を備えた工作機械を制御する数値制御装置を説明するブロック図である。 切れ刃全体を使用した面取り加工軌跡の例を説明する図である。 指令された移動指令に対して、工具半径値を可変させる動作を説明する図である。 切れ刃全体を使用した面取り加工プログラムのフォーマットを説明する図である。 図４の加工プログラムを説明する図である。 図５の切れ刃全体を使用した面取り加工プログラムＯ０００２のフローチャートである。 従来の一般的なコーナー面取り加工の例を説明する図である。 マクロプログラムによる高効率Ｃ１．０ｍｍ面取り加工の例を説明する図である。 図８に例示されるコーナー面取り加工を実行するマクロプログラムの例を説明する図である。 図９のマクロプログラムのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、従来技術の説明と同じ構成または類似の構成については、同じ符号を用いて説明する。
図１は少なくとも３つの直線移動軸を備えた工作機械を制御する数値制御装置（ＣＮＣ）を説明するブロック図である。数値制御装置１０は工作機械を制御しワークの加工を行う装置である。ＣＰＵ１１は数値制御装置１０を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムを、バス２０を介して読み出し、該システムプログラムにしたがって数値制御装置全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データおよび表示器／ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種データが格納される。ＳＲＡＭメモリ１４は、数値制御装置１０の電源がＯＦＦされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。ＳＲＡＭメモリ１４内には、インタフェース１５を介して読み込まれた加工プログラムや表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラムなどが記憶される。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成および編集のために必要とされる編集モードの処理や自動運転のための処理を実施するための各種システムプログラムがあらかじめ書き込まれている。

各軸の軸制御回路３０〜３２はＣＰＵ１１からの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアンプ４０〜４２に出力する。サーボアンプ４０〜４２はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。各軸のサーボモータ５０〜５２は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０〜３２にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図８では、位置・速度のフィードバックについては省略している。

サーボモータ５０〜５２は、工作機械のＸ，Ｙ，Ｚ軸を駆動するものである。スピンドル制御回路６０は主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はスピンドル速度信号を受けて、主軸モータ（ＳＭ）６２を指令された回転速度で駆動する。速度検出器６３はスピンドル制御回路６０にフィードバックし、速度制御を行う。以上のような数値制御装置１０の構成は従来の数値制御装置の構成と変わりなく、この数値制御装置１０によって３軸加工機が駆動制御される。

数値制御装置１０が制御する３つの直線移動軸は、例えば、面取り加工を行う工作機械の主軸を移動させる直線移動軸（Ｍ（Ｚ））と、加工ワークを固定するためのテーブルを移動させる２つの直線移動軸（Ｍ（Ｘ），Ｍ（Ｙ））である。２つの直線移動軸によって加工ワークを載置するテーブルを２軸方向に移動することができる。また、主軸を固定し、３つの直線移動軸によって加工ワークを載置するテーブルを３次元方向に移動するか、加工ワークを載置するテーブルを固定し、３つの直線移動軸によって主軸を３次元方向に移動してもよい。なお、数値制御装置１０では３つの直線移動軸を制御する例が記載されているが、４つ以上の直線移動軸を制御するものであってもよい。

ここで、数値制御装置１０によって制御される工作機械を用いた加工ワークのコーナーの面取り加工を説明する。図２に示すようにある直線移動軸（Ｚ軸）に固定された主軸に面取り工具を装着した状態で、面取り工具を装着した直線移動軸（Ｚ軸）を面取り加工する加工位置に位置決めした後、工具軸方向に垂直な平面上の直線移動軸（Ｘ軸，Ｙ軸）の位置決めにより面取り加工を行う。

そこで、図２のように、使用する面取り工具の工具情報をもとに加工プログラム内の加工経路に合わせて面取り工具を装着した直線移動軸と工具軸方向に垂直な平面の直線移動軸を同時補正することで、一回の面取り加工で面取り工具の切れ刃全体を使用することができるため、工具寿命を向上させることが可能となる。

図２（１）には、面取り工具２を用いて加工ワーク３に面取り加工を行う際に、面取り部５は、工具直径がφ２．５ｍｍからφ３．７ｍｍに変化するようにして加工し、面取り部６は、工具直径がφ３．７ｍｍからφ４．３ｍｍに変化するようにして加工し、面取り部７は、工具直径がφ４．３ｍｍからφ５．５ｍｍに変化するようにして加工する。図２（２）は面取り部５の面取り加工を正面から見た図である。面取り工具２の工具半径を可変とすることで、面取り加工領域が面取り工具２の切れ刃全体に亘るようにできる。
また、図３のように、面取り加工時に接触している工具径に合わせて回転数と送り速度を各移動軸の移動と同時に可変し、常に加工周速を一定化させることにより、安定した加工品質での加工が可能となる。

上記の加工を実現するため、図４，図５に示すように各直線移動軸を同時補正と加工周速一定化するために必要な情報をＮＣ装置（数値制御装置１０）に記憶させる必要がある。必要な情報は、Ｇ：工具径補正の方向の情報及び工具軸方向の情報、Ｃ：面取り量の情報、Ｄ：開始工具径の情報、Ｅ：最終工具径の情報、Ｒ：先端角度（面取り角度）の情報、Ｓ：基準回転数の情報、Ｆ：基準送り速度の情報、の合計８個の情報である。

図４，図５では、必要な情報を面取り加工軌跡の前に、予め面取り加工プログラムフォーマットとして定義されたプログラムコード（１．）をＧコード指令することで、工具情報をＮＣ装置（数値制御装置１０）に記憶させると同時に機能ＯＮの役割を担い、面取り加工軌跡（２．）指令終了後に機能ＯＦＦのＧコードを挿入する。図４は、面取り加工プログラムにＧコード指令される面取り加工プログラムのフォーマットのプログラムコード（１．）が示されている。それぞれのＧコードは、図示されたとおりの指令を意味する。なお、この指令は一例にすぎない。

図４，図５により記憶された工具情報と機能ＯＮにより、図６に示すようにプログラム（Ｏ０００２）上で指令した面取り加工軌跡（２．）を先読みすることで、指令された工具軸方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ軸とＹ軸が張る平面）の直線移動軸（Ｘ軸，Ｙ軸）の合計移動量である総加工軌跡（３．）Ｌを算出する。

記憶された工具情報のＤ、開始工具径とＥ、最終工具径、及び、総加工軌跡Ｌ（３．）から総加工軌跡（３．）Ｌを基準とした単位工具半径補正量（４．）ｒ_Ｌを算出する。
単位工具半径補正量（４．）ｒ_Ｌと総加工軌跡（３．）Ｌを基準とした、各移動ブロックの移動時の加工現在位置Ｌ_ｔから可変工具半径補正量（５．）ｒを算出する。このとき加工現在位置Ｌ_ｔの範囲は０≦Ｌ_ｔ≦Ｌとする。

加工現在位置Ｌ_ｔの変化によって可変工具径補正量（５．）ｒは可変するため、基準回転数のままでは周速が変化し、加工品質に偏りが発生する。そこで、開始工具径Ｄと基準回転数Ｓと基準送り速度Ｆから、基準切削条件（６．）である基準周速Ｖ_０と基準送りｆ_０を算出する。

また、可変工具半径補正量（５．）ｒは可変によって面取り量が変化するため、工具軸方向への補正が必要となる。単位工具半径補正量（５．）ｒ_Ｌと、加工現在位置Ｌ_ｔ、記憶された開始工具径Ｄ、工具先端角Ｒから可変工具軸補正量（７．）ｈを算出する。

可変工具半径補正量（５．）ｒと基準切削条件（６．）と可変工具軸補正量（７．）ｈから、指令された平面上の各直線移動軸の移動指令に合わせて平面上では可変工具半径補正量（５．）ｒの補正を行い、平面に垂直な工具軸方向では可変工具軸補正量（７．）ｈの補正を同時に行い、且つ可変工具半径補正量（５．）ｒの変化に対して安定した加工品質を得るための周速一定化に基準切削条件（６．）による回転数と送り速度の可変によって加工を行うことで工具寿命の向上が図れる。

指令された工具軸方向に垂直な平面上の面取り加工において、面取り工具の工具情報をＮＣ装置に記憶させ、プログラム上で指令される加工軌跡を先読みし、記憶された工具情報から各移動ブロックに対する可変工具半径補正量（５．）ｒと基準切削条件（６．）である基準周速Ｖ_０と基準送りｆ_０と可変工具軸補正量（７．）ｈを算出し、指令された平面上の直線移動軸の移動に合わせて可変工具半径補正量（５．）ｒを移動量に加算させ、可変工具半径補正量（５．）ｒの可変に合わせて基準周速Ｖ_０と基準送りｆ_０から回転数と送り速度を可変させ、指令された平面に垂直な工具軸に対して可変工具軸補正量（７．）ｈによる補正を行い面取り量を維持した状態で加工することで、基準周速Ｖ_０と基準送りｆ_０の周速一定化による加工品質の一定化及び、面取り工具の切れ刃全体を使用したことによる工具寿命の向上が可能となる。

ここで図６に示されるフローチャートを各ステップに従って説明する。
●［ステップｓａ０１］工具交換、座標系の設定、工具長補正、主軸回転数の設定を行う。
●［ステップｓａ０２］平面指定による工具軸方向の設定を行う。
●［ステップｓａ０３］Ｇ２５１，Ｇ２５２面取り加工最適化機能ＯＮ、工具情報のＣ：面取り量、Ｄ：開始工具径、Ｅ：最終工具径、Ｒ：工具先端角、Ｓ：基準回転数、Ｆ：基準送り速度を、ＮＣ装置（数値制御装置）に記憶する。
●［ステップｓａ０４］Ｇ２５０面取り加工最適化機能ＯＦＦまでの間の加工軌跡を先読みする。
●［ステップｓａ０５］加工軌跡を先読みして総加工軌跡Ｌを算出する。
（Ｌ＝Ｌ₁＋Ｌ₂＋Ｌ₃＋・・・＋Ｌ_n）
工具情報ＣとＤから単位ｍｍあたりの単位工具半径補正量ｒ_Lを算出する。
（ｒ_L＝（Ｅ―Ｄ）／２Ｌ）
開始工具径Ｄと面取り量Ｃと単位工具半径補正量ｒ_Lと総加工軌跡Ｌを基準とした各移動ブロックの移動時の位置である加工現在位置Ｌ_tから可変工具半径補正量ｒを算出する。
（０≦Ｌｔ≦Ｌ ｒ＝Ｄ／２―Ｃ＋ｒ_L＊Ｌ_t）
周速一定化のため開始工具径Ｄと基準回転数Ｓと基準送り速度Ｆから基準周速Ｖ₀と基準送りｆ₀を算出する。
（Ｖ０＝π＊Ｄ／１０００＊Ｓ，ｆ₀＝Ｆ／Ｓ）
可変工具径補正量ｒの変化に伴い面取り量が変化する。記憶された面取り量Ｃを維持するのに工具軸方向も同時に移動する必要があるため、開始工具径Ｄと単位工具半径補正量ｒ_Lと加工現在位置Ｌ_tと工具先端角Ｒから可変工具軸補正量ｈを算出する。
ｈ＝（Ｄ／２＋ｒ_L ＊Ｌ_t）／ｔａｎ（Ｒ／２）
●［ステップｓａ０６］各移動ブロックの進行方向に対してＧ２５１は反時計周りに９０°（左側）、Ｇ２５２は時計周りに９０°（右側）に可変工具半径補正量ｒを加算する。
各直線移動軸による移動、すなわち加工現在位置移動Ｌ_tの変化に伴い可変工具半径補正量ｒが変化するので、周速一定化のため加工時の可変工具半径補正量ｒと基準周速Ｖ₀と基準送りｆ₀によって回転数Ｓと送り速度Ｆを移動と同時に変化させる。また、記憶された面取り量Ｃを維持するため、可変工具半径補正量ｒの変化に伴い、可変工具軸補正量ｈを各移動ブロックによる直線移動軸の移動と同時に可変させる。

２ 面取り工具
３ 加工ワーク
４ 加工経路
５，６，７ 面取り部
８ 面取り加工領域

１０ 数値制御装置
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ ＳＲＡＭ
１５ ＩＮＴ
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／Ｏユニット
１８ ＩＮＴ
１９ ＩＮＴ
２０ バス
３０，３１，３２ 軸制御回路
４０，４１，４２ サーボアンプ
５０，５１，５２ Ｚ軸サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ 主軸モータ
６３ 速度検出器

Claims (8)

1. 少なくとも３つの直線移動軸と、前記少なくとも３つの直線移動軸を制御する数値制御装置を備え、加工プログラムにより平面上のコーナー面取り加工を行う工作機械において、
   面取り工具により加工する面取り量と、前記面取り工具の工具情報を記憶する記憶手段と、
   前記加工プログラムを解析する解析手段と、
   前記解析された加工プログラムの加工距離の合計を算出する総加工距離算出手段と、
   前記面取り工具の加工領域を変化させながら面取り加工するために、前記算出された総加工距離と前記工具情報と前記面取り工具の加工開始点からの距離に基づいて工具半径補正量および工具軸補正量を算出する面取り加工補正量算出手段と、
   前記算出された工具半径補正量および工具軸補正量にもとづいて前記面取り工具の加工開始点からの距離に応じて工具半径補正及び工具軸補正を行う面取り加工補正手段と、
   を備えたことを特徴とする面取り加工を行う工作機械。
2. 前記少なくとも３つの直線移動軸は、主軸を移動させる直線移動軸と、加工ワークを固定するためのテーブルを移動させる２つ以上の直線移動軸であることを特徴とする請求項１に記載の面取り加工を行う工作機械。
3. 前記少なくとも３つの直線移動軸は、加工ワークを固定するためのテーブル又は主軸を固定するための主軸頭を移動させる３つ以上の直線移動軸であることを特徴とする請求項１に記載の面取り加工を行う工作機械。
4. 前記面取り加工補正手段は、前記面取り加工補正に加え、前記記憶された面取り工具の工具情報から該算出された工具半径補正量により周速を一定とするための加工条件を算出する基準加工条件算出手段と、該算出された加工条件にもとづいて加工条件を変更することを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の工作機械。
5. 少なくとも３つの直線移動軸と、前記少なくとも３つの直線移動軸を制御する数値制御装置を備え、加工プログラムにより平面上のコーナー面取り加工を行う工作機械において、
   面取り工具により加工する面取り量と、前記面取り工具の工具情報を記憶するステップと、
   前記加工プログラムを解析するステップと、
   該解析された加工プログラムの加工距離の合計を算出するステップと、
   前記面取り工具の加工領域を変化させながら面取り加工するために、前記算出された総加工距離と前記工具情報と前記面取り工具の加工開始点からの距離に基づいて工具半径補正量および工具軸補正量を算出するステップと、
   前記算出された工具半径補正量および工具軸補正量にもとづいて前記面取り工具の加工開始点からの距離に応じて工具半径補正及び工具軸補正を行うステップと、
   を備えたことを特徴とする面取り加工方法。
6. 前記少なくとも３つの直線移動軸は、主軸を移動させる直線移動軸と、加工ワークを固定するためのテーブルを移動させる２つ以上の直線移動軸であることを特徴とする請求項５に記載の面取り加工方法。
7. 前記少なくとも３つの直線移動軸は、加工ワークを固定するためのテーブル又は主軸を固定するための主軸頭を移動させる３つ以上の直線移動軸であることを特徴とする請求項５に記載の面取り加工方法。
8. 前記面取り加工補正手段は、前記面取り加工補正に加え、前記記憶された面取り工具の工具情報から該算出された工具半径補正量により周速を一定とするための加工条件を算出するステップと、
   該算出された加工条件にもとづいて加工条件を変更することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の面取り加工方法。