技術 加工方法および加工装置

実施例

0017

（１．加工装置の機械構成）
加工装置１の一例として、５軸マシニングセンタを例に挙げ、図１および図２を参照して説明する。つまり、当該加工装置１は駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）および２つの回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）を有する加工装置である。

図１

0018

図１および図２に示すように、加工装置１は、ベッド１０と、コラム２０と、サドル３０と、回転主軸４０と、テーブル５０と、チルトテーブル６０と、ターンテーブル７０と、タッチセンサ８０と、制御装置９０とから構成される。なお、図示省略するが、ベッド１０と並んで既知の自動工具交換装置が設けられている。この自動工具交換装置は、例えば、加工装置１において前加工および後加工が行われる場合、前加工後に前加工用の工具を後加工用の工具に自動的に交換する装置である。

図１

0019

ベッド１０は、ほぼ矩形状からなり、床上に配置される。ただし、ベッド１０の形状は矩形状に限定されるものではない。このベッド１０の上面には、コラム２０が摺動可能な一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂが、Ｘ軸方向（水平方向）に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。さらに、ベッド１０には、一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂの間に、コラム２０をＸ軸方向に駆動するための、図略のＸ軸ボールねじが配置され、このＸ軸ボールねじを回転駆動するＸ軸モータ１１ｃが配置されている。

0020

コラム２０の底面には、一対のＸ軸ガイド溝２１ａ，２１ｂがＸ軸方向に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。コラム２０は、ベッド１０に対してＸ軸方向に移動可能なように、一対のＸ軸ガイド溝２１ａ，２１ｂが一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂ上にボールガイド２２ａ，２２ｂを介して嵌め込まれ、コラム２０の底面がベッド１０の上面に密接されている。

0021

さらに、コラム２０のＸ軸に平行な側面（摺動面）２０ａには、サドル３０が摺動可能な一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂがＹ軸方向（鉛直方向）に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。さらに、コラム２０には、一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂの間に、サドル３０をＹ軸方向に駆動するための、図略のＹ軸ボールねじが配置され、このＹ軸ボールねじを回転駆動するＹ軸モータ２３ｃが配置されている。

0022

コラム２０の摺動面２０ａに対向するサドル３０の側面３０ａには、一対のＹ軸ガイド溝３１ａ，３１ｂがＹ軸方向に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。サドル３０は、コラム２０に対してＹ軸方向に移動可能なように、一対のＹ軸ガイド溝３１ａ，３１ｂが一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂに嵌め込まれ、サドル３０の側面３０ａがコラム２０の摺動面２０ａに密接されている。

0023

回転主軸４０は、サドル３０内に収容された主軸モータ４１により回転可能に設けられ、工具４２を支持している。工具４２は、回転主軸４０の先端に固定され、回転主軸４０の回転に伴って回転する。また、工具４２は、コラム２０およびサドル３０の移動に伴ってベッド１０に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する。なお、工具４２としては、例えば、ホブ、エンドミル、ドリル、タップ等である。

0024

さらに、ベッド１０の上面には、テーブル５０が摺動可能な一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂがＸ軸方向と直交するＺ軸方向（水平方向）に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。さらに、ベッド１０には、一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂの間に、テーブル５０をＺ軸方向に駆動するための、図略のＺ軸ボールねじが配置され、このＺ軸ボールねじを回転駆動するＺ軸モータ１２ｃが配置されている。

0025

テーブル５０は、ベッド１０に対してＺ軸方向に移動可能なように、一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂ上に設けられている。テーブル５０の上面には、チルトテーブル６０を支持するチルトテーブル支持部６３が設けられている。そして、チルトテーブル支持部６３には、チルトテーブル６０が水平方向のＡ軸回りで回転（揺動）可能に設けられている。チルトテーブル６０は、テーブル５０内に収容されたＡ軸モータ６１により回転（揺動）される。

0026

チルトテーブル６０には、ターンテーブル７０がＡ軸に直角なＣ軸回りで回転可能に設けられている。ターンテーブル７０には、工作物Ｗがチャッキングされる。ターンテーブル７０は、工作物ＷとともにＣ軸モータ６２により回転される。

0027

タッチセンサ８０は、サドル３０の前面に設けられ、サドル３０の移動に伴って移動可能となっている。タッチセンサ８０には、下方向（Ｙ軸方向）に延びるプローブ８１が設けられている。プローブ８１が工作物Ｗ等に接触することにより、接触信号を制御装置９０に出力するようになっている。

0028

制御装置９０は、主軸モータ４１を制御して、工具４２を回転させ、Ｘ軸モータ１１ｃ、Ｚ軸モータ１２ｃ、Ｙ軸モータ２３ｃ、Ａ軸モータ６１およびＣ軸モータ６２を制御して、工作物Ｗと工具４２とをＸ軸方向、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、Ａ軸回りおよびＣ軸回りに相対移動することにより、工作物Ｗの前加工および後加工を行う。例えば、前加工として前加工用の工具４２であるホブにより工作物Ｗの歯切り加工を行い、その後に後加工として後加工用の工具４２であるエンドミルにより歯面の面取り加工を行う。この制御装置９０は、前加工と後加工との間において後述する方法により歯面の位置合わせおよび位相割出しを正確に且つ簡易行うことができる。よって、前加工と後加工との位置ずれが発生しないため、加工精度を向上させることができる。さらに、前加工と後加工との間で工作物Ｗを脱着する必要がなく、後加工のための段取り時間を短縮させることができる。

0029

（２．制御装置の構成）
図２に示すように、制御装置９０は、Ｘ軸駆動制御部９１と、Ｙ軸駆動制御部９２と、Ｚ軸駆動制御部９３と、Ａ軸駆動制御部９４と、Ｃ軸駆動制御部９５と、主軸駆動制御部９６と、位置演算部９７と、位置測定部９８と、位相演算部９９と、記憶部１００と、加工制御部１０１とを備えて構成される。ここで、各部９１〜１０１は、それぞれ個別のハードウエアによる構成することもできるし、ソフトウエアによりそれぞれ実現する構成とすることもできる。

0030

Ｘ軸駆動制御部９１は、Ｘ軸モータ１１ｃと接続され、コラム２０をサドル３０と共にＸ軸方向に駆動制御する。Ｙ軸駆動制御部９２は、Ｙ軸モータ２３ｃと接続され、サドル３０を回転主軸４０およびタッチセンサ８０と共にＹ軸方向に駆動制御する。Ｚ軸駆動制御部９３は、Ｚ軸モータ１２ｃと接続され、テーブル５０をＺ軸方向に駆動制御する。Ａ軸駆動制御部９４は、Ａ軸モータ６１と接続され、チルトテーブル６０をＡ軸回りで回転（揺動）させる。Ｃ軸駆動制御部９５は、Ｃ軸モータ６２と接続され、ターンテーブル７０をＣ軸回りで回転させる。主軸駆動制御部９６は、主軸モータ４１と接続され、回転主軸４０を回転させる。

0031

位置演算部９７は、前加工における工作物Ｗと前加工用の工具４２との相対位置に基づいて、後加工における工作物Ｗと後加工用の工具４２との相対位置を算出する。位置測定部９８は、詳細は後述するが、図６（Ｂ）に示すように、後加工における工作物Ｗの基準位置Ｍ２と工作物Ｗの回転軸（Ｃ軸）における基準位置ＢａとのＣ軸における位相ずれ（第１位相ずれ角α＋第２位相ずれ角β）を算出するため、工作物Ｗの所定位置を測定する。位相演算部９９は、測定した工作物Ｗの所定位置に基づいて、上記Ｃ軸における位相ずれを算出する。記憶部１００には、例えば、前加工における工作物Ｗと前加工用の工具４２との相対位置等の前加工および後加工に必要な情報が記憶されている。加工制御部１０１は、工作物Ｗに対し前加工用の工具４２を相対移動および相対回転させることにより前加工を行い、また上記Ｃ軸における位相ずれに基づいて、工作物Ｗの後加工用の工具４２に対する位相割出しを行い、また算出した工作物Ｗと後加工用の工具４２との相対位置に基づいて、工作物Ｗに対し後加工用の工具４２を相対移動および相対回転させることにより後加工を行うよう、Ｘ軸駆動制御部９１、Ｙ軸駆動制御部９２、Ｚ軸駆動制御部９３、Ａ軸駆動制御部９４、およびＣ軸駆動制御部９５を制御する。

0032

（３．制御装置による加工制御動作）
次に、前加工として前加工用の工具４２であるホブにより工作物Ｗに対しはす歯の歯切り加工を行い、その後に後加工として後加工用の工具４２であるエンドミルによりはす歯の歯面の面取り加工を行う場合の制御装置９０による加工制御動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。図４（Ａ）に示すように、前加工としてＣ軸を鉛直状態からＡ軸回りではす歯のヘリカル角度で設定される所定角度θ傾けた状態に回転し、Ｃ軸を割出しつつ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を同時制御することによってホブ４２ａにより工作物Ｗに対しはす歯の歯切り加工を行う（ステップＳ１）。歯切り加工が完了したら、図４（Ｂ）に示すように、Ｃ軸を所定角度θ傾けた状態からＡ軸回りで所定角度−θ戻して鉛直に向ける。そして、後加工としてはす歯の歯面の面取り加工を行うためのエンドミル４２ｂに工具交換する（ステップＳ２）。

図３

図４

0033

ここで、工作物Ｗに対しはす歯の歯切り加工を行い、その後に工作物Ｗを着脱することなくワンチャックではす歯の歯面の面取り加工を高精度に行うには、歯部の位置座標を正確に求める必要がある。そこで、面取り加工の基準位置（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，Ａ軸の各座標）および面取り加工の基準位相（面取り加工の基準位置のＣ軸の座標）を求める。面取り加工の基準位置（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，Ａ軸の各座標）は、歯切り加工で用いた座標を変換することにより求めることができる。しかし、面取り加工の基準位相（面取り加工の基準位置のＣ軸の座標）は、歯切り加工で用いた座標からは分からないため、工作物Ｗをタッチセンサ８０により測定することにより求める。

0034

先ず、面取り加工の基準位置（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，Ａ軸の各座標）を求める。具体的には、図４（Ａ）に示す予め記憶されている歯切り加工における工作物Ｗの回転軸（Ｃ軸）における基準位置Ｂｇ（ｘｇ，ｙｇ，ｚｇ）、角度θおよび回転中心Ｔ（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）に基づいて、図４（Ｂ）に示す面取り加工における工作物Ｗの回転軸（Ｃ軸）における基準位置Ｂａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）を次式（１）により算出する（ステップＳ３）。ここで、〔Ｍ〕は、三角関数等の回転マトリックスを表す。

図４

0035

次に、面取り加工の基準位相（面取り加工の基準位置のＣ軸の座標）を求める。具体的には、図５（Ａ）に示すように、工作物Ｗの歯面Ｇにおける歯厚方向および歯幅方向の中央の点をＭ１、該歯面Ｇと工作物Ｗの上端面Ｓｕとの境界線における歯幅方向の中央の点を面取り加工における工作物Ｗの基準位置Ｍ２としたとき、先ず、図６（Ａ）に示すように、工作物Ｗの点Ｍ１と工作物Ｗの回転軸（Ｃ軸）における基準位置ＢａとのＣ軸における位相ずれを第１位相ずれ角度αとして求め、次に、図６（Ｂ）に示すように、面取り加工における工作物Ｗの基準位置Ｍ２と工作物Ｗの点Ｍ１とのＣ軸における位相ずれを第２位相ずれ角度βとして求める。そして、工作物Ｗを第１位相ずれ角度αおよび第２位相ずれ角度βの和の角度で回転することにより、面取り加工の基準位相（面取り加工の基準位置のＣ軸の座標）を求める。

0036

そこで、先ず、図５（Ｂ）に示すように、点Ｍ１を通るＹ軸方向の直線Ｖと工作物Ｗの上端面Ｓｕおよび下端面Ｓｄとの交点Ｑ１，Ｑ２にタッチセンサ８０のプローブ８１を接触させ、交点Ｑ１，Ｑ２のＹ軸座標位置ｙｑ１、ｙｑ２を求める。そして、次式（２）により点Ｍ１のＹ軸座標位置ｙｍ１を求め、点Ｍ１と工作物Ｗの上端面Ｓｕとの距離Ｌを算出する。
ｙｍ１＝ｙｑ１−Ｌ・・・（２）
（なお、Ｌ＝（ｙｑ１−ｙｑ２）／２）

0037

次に、図５（Ｃ）に示すように、点Ｍ１を通るＺ軸方向の直線Ｈと歯面Ｇの両側縁との交点Ｑ３，Ｑ４にタッチセンサ８０のプローブ８１を接触させ、交点Ｑ３，Ｑ４のＺ軸座標位置ｚｑ３、ｚｑ４を求める。そして、図６（Ａ）に示すように、工作物Ｗの半径をｄとしたとき、次式（３）により点Ｍ１での第１位相ずれ角度αを算出する（ステップＳ４）。
α＝ｓｉｎ−１（ｚｑ３＋ｚｑ４）／２ｄ・・・（３）

0038

ここで、交点Ｑ３，Ｑ４のＸ軸座標位置は、歯面Ｇがインボリュート曲線の曲面に形成されているため正確には等しくなく、式（３）により算出した第１位相ずれ角度αは仮の値である。そこで、Ｃ軸を第１位相ずれ角度αだけ回転させたら（ステップＳ５）、第１位相ずれ角度αが０になったか否かを判断し（ステップＳ６）、第１位相ずれ角度αが０になっていないときは、ステップＳ３に戻って第１位相ずれ角度αを再度算出し、Ｃ軸を第１位相ずれ角度αだけ再度回転させるという処理を繰り返すことで第１位相ずれ角度αを０に収束させる。

0039

ステップＳ６において、第１位相ずれ角度αが０になったときは、図６（Ｂ）に示すように、ステップＳ４で求めた点Ｍ１と工作物Ｗの上端面Ｓｕとの距離Ｌを用いて、第２の位相ずれ角度βを次式（４）により算出する（ステップＳ７）。なお、Ｐは、はす歯のヘリカル角度、Ｔは、歯数、Ｑは、モジュールである。
β＝Ｌ・ｓｉｎＰ／πＴＱ・・・（４）