JP2017196728A

JP2017196728A - 加工装置

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Publication number: JP2017196728A
Application number: JP2017069703A
Authority: JP
Inventors: 博樹野中; Hiroki Nonaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP6693457B2; CN107443136B; CN107443136A

Abstract

【課題】従来よりも加工工具の位置決め精度を向上させることができる加工装置を提供する。【解決手段】回転工具２ｂと、該回転工具２ｂの外周に設けられた加工工具２と前記回転工具２ｂを回転自在に支持する主軸頭３とを備えた加工装置１である。加工装置１は、主軸頭３を回転工具２ｂの回転軸Ｒと垂直な方向に移動させる駆動部と、回転軸Ｒに垂直な平面における主軸頭３の位置を測定する位置センサ７と、主軸頭３の位置に基づいて加工工具２を回転工具２ｂの回転軸Ｒに垂直な方向に移動させるように駆動部６を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象物に真円形状や非真円形状の曲面を加工する加工装置に関する。

従来からホーニング盤又は中ぐり盤に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１は、非円筒状の中ぐり面を生じさせる機械として、以下の構成を有する機械を開示している（同文献、請求項１等を参照）。

同文献に記載された機械は、往復運動可能であり、かつ回転駆動される機械スピンドルを備えている。機械スピンドルは、少なくとも１個の加工用工具が接続可能であり、加工用工具に送り手段を介して動作が伝達される。送り動作は、方向転換後に加工用工具を加工すべき中ぐり面に半径方向に送る。さらに、前記送り手段の送り動作に微細送りのための手段の送り動作が重ねられ、非円筒状の中ぐり面を生じさせる。

同文献の機械において、微細送りのための手段は、機械スピンドルに割り当てられた工具取付ユニット内に配置されており、かつ、軸に平行に作動するリニアドライブによって形成されている。リニアドライブの作動装置は、送り棒に作用する。送り棒は、加工用工具と送り動作の方向転換のための手段とを備え、工具取付ユニットに交換可能に接続可能な工具ユニット内に配置されている。

より具体的には、加工工具に設けられた楔形の送り面と、送り棒の先端に設けられた楔形の送り面との摺動によって、送り棒の軸方向の送り動作が加工工具の半径方向への送り動作に変換される（同文献、請求項１５、段落００３５、及び図５等を参照）。

特表２０１０−５３３５９７号公報

前記特許文献１に記載された機械は、リニアドライブによる軸方向の送り動作を、半径方向への送り動作に方向転換するための手段として、送り棒と加工用工具に設けられた楔形の送り面からなる動力伝達機構を用いている。このような機械的な動力伝達機構は、構成部材が摺動して摩耗等が生じ、加工工具の位置決め精度を低下させる虞がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも加工工具の位置決め精度を向上させることができる加工装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の加工装置は、回転工具と、該回転工具の外周に設けられた加工工具と、前記回転工具を回転自在に支持する主軸頭と、を備えた加工装置であって、前記主軸頭を前記回転工具の回転軸と垂直な方向に移動させる駆動部と、前記回転軸に垂直な平面における前記主軸頭の位置を測定する位置センサと、前記主軸頭の前記位置に基づいて前記加工工具を前記回転工具の回転軸と垂直な方向に移動させるように前記駆動部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

より具体的には、前記加工装置の一形態である非真円加工装置は、加工工具と該加工工具を回転させる主軸頭とを備え、前記加工工具を非真円の工具回転軌跡に沿って移動させる非真円加工装置であって、前記主軸頭を前記加工工具の回転軸と垂直な方向に移動させるピエゾアクチュエータと、前記回転軸に垂直な平面における前記主軸頭の位置を測定する位置センサと、前記主軸頭の前記位置に基づいて前記加工工具を前記工具回転軌跡に沿って移動させるように前記ピエゾアクチュエータを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の加工装置は、加工対象物に真円形状又は非真円形状の面を加工する装置であり、例えば、エンジンのシリンダブロック等の加工対象物に対し、ボーリング加工又はホーニング加工を行うボーリング加工機又はホーニング加工機として用いることができる。加工工具としては、ボーリング加工用の切削工具や、ホーニング加工用の研削工具等を用いることができる。

主軸頭は、回転工具を回転させる主軸と、この主軸を回転自在に支持する軸受と、主軸を回転させるモータと、このモータの回転角度を計測するエンコーダとを備えることができる。より具体的には、主軸頭は、例えば、加工工具を回転させる主軸と、該主軸を回転自在に支持する軸受と、該軸受を収容して保持する軸頭ケースと、前記主軸を回転させるモータと、該モータの回転角度を計測するエンコーダとを備えることができる。

駆動部は、ピエゾアクチュエータ又は磁歪部材によって構成されていてもよい。また、駆動部は、回転工具の回転軸に垂直な２方向以上において、主軸頭に対向させて配置されていてもよい。より具体的には、主軸頭を加工工具の回転軸と垂直な方向に移動させるピエゾアクチュエータ又は磁歪部材は、例えば、回転軸に垂直でかつ互いに垂直なＸ軸方向とＹ軸方向の２方向において、主軸頭の軸頭ケースに対向する位置に、それぞれ配置することができる。なお、ピエゾアクチュエータ又は磁歪部材は、回転軸に垂直な３方向以上において主軸頭に対向させて配置してもよい。

駆動部を構成するピエゾアクチュエータ又は磁歪部材は、回転軸に垂直な各方向において、主軸頭の軸頭ケースを介して互いに対向するように配置することができる。この場合、加工装置は、ピエゾアクチュエータ又は磁歪部材の伸長動作と収縮動作との間の駆動力の差とヒステリシスを考慮して互いに対向するアクチュエータ又は磁歪部材を駆動させる差分回路を備えることができる。

加工工具の回転軸に垂直な平面における主軸頭の位置を測定する位置センサとしては、例えば接触式又は非接触式の変位センサを用いることができる。非接触式の変位センサとしては、特に限定されないが、例えば、静電容量センサ、レーザ変位計、超音波式変位計、渦電流式変位センサ、画像センサ等を用いることができる。また、ピエゾアクチュエータ又は磁歪部材内部にひずみゲージ等のセンサを組み込んで位置を測定することもできる。

例えばピエゾアクチュエータ又は磁歪部材を用いた駆動部を制御する制御部は、例えば、ＣＰＵ等の演算装置、メモリやハードディスク等の記憶装置、該記憶装置に記憶されたプログラム、センサ等の外部機器との間の信号の入出力を行う入出力部等を備えることができる。また、制御部は、さらに、キーボード等の入力インタフェース、モニタ等の表示装置を備えたパーソナルコンピュータによって構成してもよい。

制御部は、例えば、主軸頭の位置と加工工具の回転軸すなわち回転工具の回転軸の位置との関係、加工工具の回転軸すなわち回転工具の回転軸の位置及び回転角度と刃先等の加工部の位置との関係、加工部の位置の目標値としての真円又は非真円の工具回転軌跡等を、予め記憶装置に記憶しておくことができる。

制御部は、加工工具の回転角度における主軸頭の目標位置に基づいて駆動部を制御することができる。より具体的には、制御部は、例えば、記憶装置に記憶されたプログラムに基づき、記憶装置に記憶された工具回転軌跡に沿って加工工具の加工部を移動させるための、加工工具の回転角度と主軸頭の位置との関係を算出する。制御部は、算出した加工工具の回転角度と主軸頭の位置との関係を満たすように、エンコーダから入力された加工工具の回転角度に応じて、ピエゾアクチュエータ又は磁歪部材の伸長量及び収縮量を制御し、主軸頭を加工工具の回転軸すなわち回転工具の回転軸に垂直な方向に随時移動させる。なお、制御部は、予め、加工工具の回転角度と主軸頭の位置を示したデータシートを記憶装置に記憶しておき、記憶部に記憶された加工工具の回転角度と主軸頭の位置を順次出力するようにしてもよい。

このように、制御部は、加工工具を回転させて加工対象物を加工するときに、駆動部に用いられるピエゾアクチュエータ又は磁歪部材を制御して主軸頭に外力を作用させ、工具回転軌跡を真円から逸脱させて非真円の工具回転軌跡を生成し、加工対象物に非真円の穴加工を行う。すなわち、制御部は、主軸頭を固定して加工工具を回転させたときの真円の工具回転軌跡と、目標とする非真円の工具回転軌跡との差である逸脱量を満足するように、駆動部のピエゾアクチュエータ又は磁歪部材を駆動させて主軸頭を移動させる。

また、制御部は、前記主軸頭の目標位置と、前記主軸頭の実際の位置との差分を用いてフィードバック制御を行うことができる。より具体的には、制御部は、例えば記憶装置に記憶されたプログラムに基づき、算出した主軸頭の目標位置と、位置センサから入力された主軸頭の実際の位置との差分を用いて、フィードバック制御を行うことができる。これにより、制御部は、位置センサによって計測された主軸頭の位置に基づいて、加工工具を工具回転軌跡に沿って移動させるように、ピエゾアクチュエータを制御することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の加工装置によれば、制御部によってピエゾアクチュエータ又は磁歪部材を用いた駆動部を制御して主軸頭を移動させることで、目標とする真円や非真円の工具回転軌跡に沿って加工工具を移動させることができる。したがって、加工工具を半径方向に移動させる従来のような動力伝達機構を用いる必要がなく、従来よりも加工工具の位置決め精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る加工装置の模式的な斜視図。図１に示す加工装置のブロック図。図１に示す加工装置の工具回転軌跡の一例を示す平面図。楕円形の工具回転軌跡と加工工具の変位量との関係を示す平面図。四角形の工具回転軌跡と加工工具の変位量との関係を示す平面図。図４及び図５に示す加工工具の変位量と刃先回転角度との関係を示すグラフ。真円加工されたボアと非真円加工されたボアを示す概念図。真円加工されたボアと非真円加工されたボアを示す概念図。目標とする非真円形状の一例を示すモデル。図８に示す非真円形状の高さＨ１における平断面図。図８の各高さでの加工工具の変位量と刃先回転角度との関係を示すグラフ。図１に示す加工装置による真円加工又は非真円加工の一例を示すフロー図。

以下、図面を参照して本発明の加工装置の一実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る加工装置１の模式的な斜視図である。図２は、図１に示す加工装置１のブロック図である。

本実施形態の加工装置１は、回転工具２ｂと、該回転工具２ｂの外周に設けられた加工工具２と、該回転工具２ｂを回転自在に支持する主軸頭３とを備え、加工工具２を真円又は非真円の工具回転軌跡に沿って移動させ、加工対象物であるワークＷに真円形状又は非真円形状の面を加工する装置である。

加工工具２としては、ボーリング加工用の切削工具や、ホーニング加工用の研削工具等を用いることができる。すなわち、加工装置１は、例えば、ワークＷとしてのシリンダブロックのボアに、ボーリング加工又はホーニング加工を行うボーリング加工機又はホーニング加工機として用いることができる。

主軸頭３は、例えば、軸頭ケース３１と、モータ３２と、該モータ３２の回転角度を計測するエンコーダ３３とを備えている。主軸頭３は、軸頭ケース３１がフレキシブルカップリング４を介して取付ベース５に固定され、フレキシブルカップリング４によって取付ベース５から吊り下げられた状態で支持されている。フレキシブルカップリング４は、主軸頭３が主軸の軸方向に垂直な方向へ移動するのを許容するように変形する。モータ３２は、取付ベース５によって支持されている。

図示は省略するが、主軸頭３は、さらに、軸頭ケース３１の内部に収容されて軸頭ケース３１によって保持された軸受と、該軸受によって軸頭ケース３１の内部で回転自在に支持された主軸とを備えている。主軸は、一端がモータ３２の駆動軸に接続され、他端が加工工具２に接続され、モータ３２の駆動軸の回転によって回転して加工工具２を回転工具２ｂの回転軸Ｒ周りに回転させる。

加工装置１は、さらに、ピエゾアクチュエータ又は磁歪部材によって構成された駆動部６と、位置センサ７と、制御部８（図２参照）と、を備えている。磁歪部材としては、例えば、テルビウム、ディスプロシウム、鉄からなる単結晶超磁歪材料を用いることができる。ここで、磁歪とは、磁性材料が外部からの磁界の影響で弾性変形する物理現象であり、ピエゾアクチュエータに匹敵するほど、応答速度が高速で大きな力を生じさせることができ、耐久性が高いという特徴がある。なお、超磁歪材料とは、例えば磁歪が２０００ｐｐｍ程度であり、従来の磁歪材料と比較して磁歪が二桁程度大きいものをいう。

駆動部６は、主軸頭３の主軸及び回転工具２ｂの回転軸Ｒすなわち加工工具２の回転軸Ｒと垂直な方向において、軸頭ケース３１に隣接し、軸頭ケース３１に対向する位置に配置されている。より具体的には、主軸頭３の主軸及び加工工具２の回転軸Ｒと垂直で、かつ互いに垂直なＸ軸方向とＹ軸方向の２方向において、それぞれ、軸頭ケース３１の両側に１つずつ、合計４つの駆動部６が配置されている。

各駆動部６は、伸長時に軸頭ケース３１に対して、それぞれＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、及びＹ軸負方向へ力を加えるように、軸頭ケース３１に隣接して配置されている。また、各駆動部６は、内部に歪ゲージを有しており、それぞれ制御部８に接続されている。これにより、各駆動部６は、それぞれ、歪ゲージの出力に基づいて制御部８によって制御されて、主軸頭３を加工工具２の回転軸Ｒと垂直な方向、すなわち、Ｘ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、及びＹ軸負方向に移動させる。なお、駆動部６は、差分制御で動作させることができる。ここで、差分制御とは、片側の駆動部６が例えば１０μｍ伸長するときに反対側の駆動部６が例えば１０μｍ収縮するように制御する制御方法である。

位置センサ７は、主軸頭３の主軸及び加工工具２の回転軸Ｒと垂直な方向において、軸頭ケース３１に隣接し、軸頭ケース３１に対向する位置に配置される。より具体的には、主軸頭３の主軸及び加工工具２の回転軸Ｒと垂直で、かつ互いに垂直なＸ軸方向とＹ軸方向の２方向において、それぞれ、軸頭ケース３１の片側に１つずつ、合計２つの位置センサ７が配置されている。位置センサ７は、実際に駆動部６が制御部８による指示どおりに伸縮したことをモニタリングしている。位置センサ７は、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ一対ずつ互いに対向するように配置され、熱膨張による寸法増加分を相殺して実際の軸頭ケース３１の移動量を検出するようにしてもよい。各位置センサ７は、それぞれ制御部８に接続されている。

位置センサ７としては、例えば接触式又は非接触式の変位センサを用いることができる。非接触式の変位センサとしては、特に限定されないが、例えば、静電容量センサ、レーザ変位計、超音波式変位計、渦電流式変位センサ、画像センサ、駆動部６が内部に有する歪ゲージ等を用いることができる。各位置センサ７は、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向における主軸頭３の軸頭ケース３１までの距離を計測し、計測した距離に基づいて、加工工具２の回転軸Ｒと垂直なＸＹ平面における主軸頭３の位置を測定し、測定した主軸頭３の位置を制御部８に対して出力する。

制御部８は、例えば、ＣＰＵ等の演算装置、メモリやハードディスク等の記憶装置、該記憶装置に記憶されたプログラム、センサ等の外部機器との間の信号の入出力を行う入出力部等を備えることができる。また、制御部８は、さらに、キーボード等の入力インタフェース、モニタ等の表示装置を備えたパーソナルコンピュータによって構成してもよい。

制御部８は、図２に示すように、例えばモータ３２に接続され、モータ３２に対して制御信号を出力する。また、制御部８は、モータ３２の回転角度を計測するエンコーダ３３に接続され、エンコーダ３３からモータ３２の駆動軸の回転角度が入力される。また、制御部８は、位置センサ７に接続され、位置センサ７によって測定されたＸＹ平面における主軸頭３の位置が入力される。さらに、制御部８は、駆動部６に接続され、駆動部６に対して制御信号を出力する。

図３は、図１に示す加工装置１の工具回転軌跡Ｔの一例を示す平面図である。
図示の例において、実線で示す加工工具２は、例えばボーリング加工用の切削工具である。駆動部６を駆動させず、ＸＹ平面における主軸頭３の位置を固定した状態で、加工工具２を回転軸Ｒ周りに回転させると、加工工具２の加工部である刃先２ａは、２点鎖線で示す真円の工具回転軌跡Ｔｃに沿って移動する。この真円の工具回転軌跡Ｔｃを、実線で示す楕円形の非真円の工具回転軌跡Ｔに沿って移動させるためには、加工工具２の回転角度に応じて、ＸＹ平面における加工工具２の回転軸Ｒの位置を移動させる必要がある。

そのために、例えば、制御部８の記憶装置に、予め、主軸頭３の位置と加工工具２の回転軸Ｒの位置との関係、加工工具２の回転角度及び回転軸Ｒの位置と刃先２ａの位置との関係、刃先の位置の目標値としての非真円の工具回転軌跡Ｔ等を記憶しておく。制御部８は、例えば記憶装置に記憶されたプログラムに基づき、記憶装置に記憶された非真円の工具回転軌跡Ｔに沿って加工工具２の刃先２ａを移動させるための、加工工具２の回転角度と主軸頭３の位置との関係を算出する。

さらに、制御部８は、例えば記憶装置に記憶されたプログラムに基づき、算出した加工工具２の回転角度と主軸頭３の位置との関係を満たすように、エンコーダ３３から入力された加工工具２の回転角度に応じて、駆動部６の伸長量及び収縮量を算出する。そして、制御部８は、算出した伸長量及び収縮量に応じた制御信号を駆動部６へ出力する。

これにより、制御部８は、主軸頭３を加工工具２の回転軸Ｒに垂直な方向に随時移動させ、予め設定され記憶装置に記憶された工具回転軌跡Ｔに沿って加工工具２を移動させるように、駆動部６を制御する。なお、制御部８は、駆動部６の伸長動作と収縮動作との間の駆動力の差とヒステリシスを考慮して互いに対向する駆動部６を駆動させる差分回路を備えることができる。

このように、制御部８は、加工工具２を回転させてワークＷを加工するときに、駆動部６を制御して主軸頭３に外力を作用させ、工具回転軌跡Ｔｃを真円から逸脱させて非真円の工具回転軌跡Ｔを生成し、ワークＷに非真円の穴加工を行う。すなわち、制御部８は、主軸頭３を固定して加工工具２を回転させたときの真円の工具回転軌跡Ｔｃと、目標とする非真円の工具回転軌跡Ｔとの差である逸脱量δを満足するように、駆動部６を駆動させて主軸頭３を移動させる。

さらに、制御部８は、位置センサ７から入力された主軸頭３の位置に基づいて、予め設定され記憶装置に記憶された工具回転軌跡Ｔに沿って加工工具２を移動させるように、駆動部６を制御する。すなわち、制御部８は、例えば記憶装置に記憶されたプログラムに基づいて、算出した主軸頭３の目標位置と、位置センサ７から入力された主軸頭３の実際の位置との差分を用いて、フィードバック制御を行う。

以下、非真円の工具回転軌跡と、加工工具２の回転角度及びＸＹ平面における変位量との関係について、図４から図６を用いてより詳細に説明する。

図４は、楕円形の工具回転軌跡Ｔｏと加工工具２の変位量δｘ，δｙとの関係を示す平面図である。図５は、四角形の工具回転軌跡Ｔｓと加工工具２の変位量δｘ，δｙとの関係を示す平面図である。図６は、図４及び図５に示す各工具回転軌跡Ｔｏ，Ｔｓに対する加工工具２の刃先回転角度θと変位量δｘ，δｙとの関係を示すグラフである。

なお、図６において、実線は、図４に示す楕円の工具回転軌跡Ｔｏに対する加工工具２の刃先回転角度θとＸ軸方向の変位量δｘを示し、一点鎖線は、同軌跡に対する加工工具２の刃先回転角度θとＹ軸方向の変位量δｙを示している。また、図６において、破線は、図５に示す四角形の工具回転軌跡Ｔｓに対する加工工具２の刃先回転角度θとＸ軸方向の変位量δｘを示し、二点鎖線は、同軌跡に対する加工工具２の刃先回転角度とＹ軸方向の変位量δｙを示している。

図４に示す楕円形の工具回転軌跡Ｔｏに沿って加工工具２の刃先２ａを移動させるためには、Ｘ軸方向に対向する一対の駆動部６と、Ｙ軸方向に対向する一対の駆動部６を制御部８によって制御して伸長又は収縮させる。そして、図６の実線及び一点鎖線で示すように、加工工具２の刃先回転角度θに応じて、加工工具２のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位量δｘ，δｙを変化させる。これにより、図４に示す楕円形の工具回転軌跡Ｔｏに沿って加工工具２の刃先２ａを移動させることができる。

同様に、図５に示す四角形の工具回転軌跡Ｔｓに沿って加工工具２の刃先２ａを移動させるためには、Ｘ軸方向に対向する一対の駆動部６と、Ｙ軸方向に対向する一対の駆動部６を制御部８によって制御して伸長又は収縮させる。そして、図６の破線及び二点鎖線で示すように、加工工具２の刃先回転角度θに応じて、加工工具２のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位量δｘ，δｙを変化させる。これにより、図５に示す四角形の工具回転軌跡Ｔｓに沿って加工工具２の刃先２ａを移動させることができる。

以上のように、本実施形態の加工装置１は、加工工具２と該加工工具２を回転させる主軸頭３とを備え、加工工具２を非真円の工具回転軌跡Ｔ，Ｔｏ，Ｔｓに沿って移動させる。そのために、加工装置１は、主軸頭３を加工工具２の回転軸Ｒと垂直な方向に移動させる駆動部６と、加工工具２の回転軸Ｒに垂直なＸＹ平面における主軸頭３の位置を測定する位置センサ７と、主軸頭３の位置に基づいて加工工具２を工具回転軌跡Ｔ，Ｔｏ，Ｔｓに沿って移動させるように駆動部６を制御する制御部８と、を備えている。

したがって、本実施形態の加工装置１によれば、加工工具２を回転軸Ｒに垂直な方向に移動させるために、従来のような動力伝達機構を用いる必要がなく、構造を簡素化することができる。また、本実施形態の加工装置１によれば、従来のように動力伝達機構の摺動部が摩耗することもないため、従来よりも加工工具２の位置決め精度を向上させることができる。また、駆動部６としてピエゾアクチュエータ又は磁歪部材を採用することで、駆動部６を小型化しつつ十分な力を発生させることができ、応答速度の高速化が可能になる。

さらに、本実施形態の加工装置１によれば、主軸頭３の位置を位置センサ７によって直接測定することができ、主軸頭３の目標位置と、位置センサ７から入力された主軸頭３の実際の位置との差分を用いて、駆動部６のフィードバック制御を行うことができる。これにより、加工工具２の刃先２ａの変位量δｘ，δｙをより正確に制御することができる。

また、本実施形態の加工装置１によれば、主軸頭３の工具を保持する部分の汎用化が可能であり、加工工具２として汎用工具を用いることができる。また、汎用スピンドル構造で自動工具交換を行うことができ、荒ボーリングと仕上げボーリングを同一工程で行うことができるだけでなく、さらに、フライス、ドリル、タップ等への工具交換も可能になる。

また、本実施形態の加工装置１によれば、加工工具２の工具回転軌跡Ｔ，Ｔｏ，Ｔｓは、駆動部６によって、真円の工具回転軌跡Ｔｃから回転軸Ｒを中心とする径方向において、外側（正方向）にも内側（負方向）にも変位させることができる。換言すると、工具の刃先２ａの直径よりも加工穴を小さくすることや、ワークＷの加工後にリターンマークを付けずに刃先２ａを抜くことも可能になる。さらに、高速応答が可能な駆動部６による工具回転軌跡Ｔ，Ｔｏ，Ｔｓは、楕円だけでなく、四角形やダルマ形状にすることもできる

また、図示は省略するが、本実施形態の加工装置１において、制御部８は、ワークＷを加工工具２の回転軸Ｒ方向へ移動させる送り装置に接続されていてもよい。この場合、制御部８は、送り装置に制御信号を出力して送り装置を制御し、加工工具２の回転と同期させてワークＷを回転軸Ｒ方向に送ることで、ワークＷに対して３次元的に真円形状又は非真円形状のボアを形成することができる。

以下、本実施形態の加工装置１を用いたシリンダブロックの加工例について説明する。

図７Ａおよび図７Ｂは、真円加工されたボアＢｃと非真円加工されたボアＢｎを示す概念図である。図７Ａは３次元的に真円加工されたシリンダブロックのボアＢｃの概念図であり、図７Ｂは本実施形態の加工装置１によって三次元的に非真円加工されたシリンダブロックのボアＢｎの概念図である。

図７Ａに示すように、シリンダブロックのボアＢｃは、３次元的に真円加工がされた後に、シリンダヘッド等が組み付けられると、組付後に作用する応力等によって真円の円筒形状から非真円の円筒形状へ変形する。さらに、ボアＢｃは、エンジンの運転状態では、シリンダ内の燃焼熱による熱応力等によって、さらに大きく変形した非真円の円筒形状になる。

これに対し、エンジンの運転状態においてシリンダブロックのボアＢｎの形状を可能な限り真円の円筒形状に近付けるために、加工装置１を用いてシリンダブロックのボアＢｎの形状を、図７Ｂに示す非真円の円筒形状に加工することができる。この非真円の円筒形状のボアＢｎは、例えば、真円の円筒形状に加工されたシリンダブロックのボアＢｃに組付時の応力と運転状態の熱応力が作用して変形した形状を反転させた形状にすることができる。

これにより、図７Ｂに示すように、シリンダヘッドの組付時にボアＢｎに作用する応力と、エンジンの運転状態でボアＢｎに作用する熱応力とによって、ボアＢｎの形状をより真円の円筒形状に近付けることができる。これにより、ピストンの摩擦抵抗が低減され、燃費の向上が期待できる。

図８は、本実施形態の加工装置１を用いた加工において目標とする非真円形状Ｆの一例を示すモデルである。より詳細には、この非真円形状Ｆは、エンジンの運転状態におけるシリンダブロックの形状を反転させた非真円の円筒形状である。なお、加工装置１を用いた加工において目標とする形状は、非真円形状Ｆに限定されず、真円形状、すなわち真円の円筒形状であってもよい。

図示の例において、目標とする非真円形状Ｆは、高さ方向において、下部は真円に近い形状を有し、中央部はヘッドボルト締結の影響を相殺するために四角形に近い形状を有し、上部は一方向に傾斜した楕円形に近い形状を有している。これらの形状の間は、滑らかに徐変する必要がある。すなわち、目標とする非真円形状Ｆは、上端から下端まで徐々に形状が変化して滑らかに連続している必要がある。

図９は、図８に示す非真円形状の高さＨ１における平断面図である。図１０は、図８に示す非真円形状Ｆの各高さＨ１〜Ｈ８における加工工具２の変位量δｘ，δｙと刃先回転角度θとの関係を示すグラフである。

図９に示すように、高さＨ１では、傾いた楕円に近い非真円の工具回転軌跡Ｔｆに沿って加工工具２の刃先２ａを移動させる必要がある。そのために、本実施形態の加工装置１は、制御部８によってモータ３２及び駆動部６を制御して、加工工具２の刃先回転角度θに応じて、加工工具２のＸ軸方向の変位量δｘ及びＹ軸方向の変位量δｙを、図１０に示すように変化させる。このとき、加工装置１は、制御部８によって送り装置を制御し、送り装置によってワークＷを加工工具２の回転軸Ｒ方向に送ることで、連続的な螺旋を描くように加工を進める。

同様に、加工装置１は、図８に示す非真円形状Ｆの他の高さ位置Ｈ２〜Ｈ８においても、加工工具２の刃先回転角度θに応じて、加工工具２のＸ軸方向の変位量δｘ及びＹ軸方向の変位量δｙを、図１０に示すように変化させる。これにより、加工装置１は、図８に示す非真円の円筒形状の非真円形状Ｆを加工することができる。

なお、実際には、各高さＨ１からＨ８の間は、徐々に形状が変化して滑らかに連続する。そのため、目標とする非真円形状ＦをワークＷの送りピッチでスライスしたときの非真円の工具回転軌跡Ｔｆを用いて、シリンダブロックのボアに目標とする三次元の非真円形状Ｆを加工することができる。

図１１は、本実施形態の加工装置１による非真円加工の一例を示すフロー図である。より詳細には、図１１は、本実施形態の加工装置１によって、シリンダブロックのボアに、図８に示す非真円の円筒形状を加工するフローを示している。

まず、ステップＳ１において、常温でボアを真円の円筒形状に加工したシリンダブロックを用いてエンジンを組み立てる。次に、ステップＳ２において、組み立てたエンジンをテストベンチで運転する。次に、ステップＳ３において、エンジンの運転時のボアの内径形状を測定する。次に、ステップＳ４において、前のステップＳ３で測定されたボアの内径形状をデータ補間して形状データを作成し、３Ｄモデルを作成する。

次に、ステップＳ５において、前のステップＳ４で作成した形状データを反転させた反転形状データを作成し、反転３Ｄモデルを作成する。次に、ステップＳ６において、加工工具２の刃先２ａの経路に応じた加工工具２の位置データを、刃先２ａの１回転あたりの送り形状のポイントデータとして抽出する。次に、ステップＳ７において、加工装置１の制御部８に、前のステップＳ５，Ｓ６で作成した反転形状データ及び位置データを入力して非真円加工を実施する。

次に、ステップＳ８において、加工装置１によって加工されたシリンダブロックのボアの内径形状を測定する。次に、ステップＳ９において、前のステップＳ８で測定されたボアの内径形状をデータ補間して形状データを作成し、３Ｄモデルを作成する。次に、ステップＳ１０において、前のステップＳ９で作成された実際のボアの３Ｄモデルと、目標値とする加工形状である反転３Ｄモデルとを比較し、これらの形状が合致しなければ、ステップＳ１１へ進む。ステップＳ１１では、部品データを修正してステップＳ７へ戻る。

一方、ステップＳ１０において、実際のボアの３Ｄモデルと反転３Ｄモデルとが合致すれば、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、シリンダブロックのボア内面に低摩擦化処理を施した後、エンジンを組み立てる。次に、ステップＳ１３において、前のステップＳ１２で組み立てたエンジンをテストベンチで運転する。次に、ステップＳ１４において、エンジンを運転させた実働時のシリンダブロックのボアの内径形状を測定する。

次に、ステップＳ１５において、前のステップＳ１４で測定したシリンダブロックのボアの内径形状が真円の円筒形状であるか否かを判定する。その結果、真円の円筒形状でないと判定した場合は、ステップＳ１６へ進み、部品データを修正してステップＳ５へ戻る。一方、ステップＳ１５における判定の結果、真円の円筒形状であると判定した場合は、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では、エンジンを運転させた実働時に真円の円筒形状となる加工データを確立し、その加工データを用いて非真円の円筒形状のボアを有するシリンダブロックの量産加工を実施する。

以上により、粗材と車種に応じた真円形状又は非真円形状のデータを蓄積し、生産計画に応じて、エンジンを運転させた実働時に真円の円筒形状のボアとなるシリンダブロックを容易に量産加工することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

例えば、駆動部の数は、４つに限定されない。例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向において、それぞれ主軸頭の片側に駆動部を配置し、その反対側にばねを配置し、駆動部の伸長と、ばねの収縮によって主軸頭を移動させるようにしてもよい。また、主軸頭の小型化のために、駆動部を９０°折り返してもよい。また、加工工具を回転させず、ワークを回転させてもよい。また、非真円加工は、ボアの内面だけでなく、ワークの外周面に対しても行うことができる。

１加工装置
２ｂ回転工具
２加工工具
３主軸頭
６駆動部
７位置センサ
８制御部
Ｒ回転軸
Ｔ工具回転軌跡
Ｔｆ工具回転軌跡
Ｔｏ工具回転軌跡
Ｔｓ工具回転軌跡

Claims

回転工具と、該回転工具の外周に設けられた加工工具と、前記回転工具を回転自在に支持する主軸頭と、を備えた加工装置であって、
前記主軸頭を前記回転工具の回転軸と垂直な方向に移動させる駆動部と、
前記回転軸に垂直な平面における前記主軸頭の位置を測定する位置センサと、
前記主軸頭の前記位置に基づいて前記加工工具を前記回転軸に垂直な方向に移動させるように前記駆動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする加工装置。
前記駆動部は、前記回転軸に垂直な２方向以上において、前記主軸頭に対向させて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
前記駆動部は、ピエゾアクチュエータ又は磁歪部材によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
前記制御部は、前記加工工具の回転角度における前記主軸頭の目標位置に基づいて前記駆動部を制御することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
前記制御部は、前記主軸頭の目標位置と、前記主軸頭の実際の位置との差分を用いてフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
前記主軸頭は、前記回転工具を回転させる主軸と、該主軸を回転自在に支持する軸受と、前記主軸を回転させるモータと、該モータの回転角度を計測するエンコーダとを備えることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。