JP4799411B2 - Nc工作機械における真円加工方法および真円加工装置 - Google Patents

Nc工作機械における真円加工方法および真円加工装置 Download PDF

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Description

本発明は、NC工作機械においてコンタリング加工を用いてワークに真円加工を行う場合の真円加工方法および真円加工装置に関する。
NC(Numerical Control)工作機械では、ワークに真円の切削加工をする場合に、コンタリング加工が用いられることがある。コンタリング加工は、主軸に装着した砥石をワークの穴に挿入し、砥石を回転させながら穴の輪郭に沿って移動させることにより、穴内壁に研削を施すものである。
従来では、切削加工した穴が真円になっているかどうかを、特開昭61−209857号公報(図1)に示されるボールバータイプの測定アームを使って真円度誤差を測定したり、特開平4−240051号公報(図1)に示されるような測定装置で真円度誤差を測定することにより判定していた。この誤差には、工作機械の送り速度および送り方向の変化に伴う送り軸駆動系の弾性変化に起因する位置誤差や、主軸を担持するスライド等の移動体のローリング・ピッチング・ヨーイング動作に起因する位置誤差や、サーボモータの追随遅れ等に起因する位置誤差等がある。
従来は、この位置誤差を補正するため、送り軸駆動系の剛性をアップしたり、サーボモータ系の追随遅れの解消を図っていたが、これらの方法では真円の精度を確保することは難しかった。また、主軸を担持するスライド等の移動体のローリング・ピッチング・ヨーイング動作に起因する位置誤差を解消することは非常に難しかった。
本発明の課題は、ワークの加工位置がどの位置にあっても、NC工作機械の送り速度および送り方向の変化に伴う送り軸駆動系の弾性変化に起因する位置誤差や、主軸を担持するスライド等の移動体のローリング・ピッチング・ヨーイング動作に起因する位置誤差による精度低下をなくし、真円の加工精度を容易に確保できるようにすることにある。また、本発明の他の課題は、サーボモータの追随遅れ等に起因する位置誤差の影響を解消することにある。
本発明では、主軸の加工軌跡を複数の測定ポイント(例えば1573ポイント)に分割して、真円の中心から各測定ポイントの主軸の加工軌跡までの長さを、例えばボールバータイプの測定アームを使って測定し、この測定値と真円の半径長とを比較して、各測定ポイントにおける主軸の加工軌跡の真円からのずれ量(伸び/縮み量)を演算する。そして、このずれ量に基づき、各測定ポイントにおける主軸の加工軌跡を補正するための補正値を演算し、この補正値をNC加工プログラムに組み込み、当該加工プログラムに従って主軸の動きを制御することにより真円加工を行う。
本発明では、加工軌跡の真円からのずれ量を真円の半径方向に真円に対して対称に転写して転写位置を求め、この転写位置の位置データに基づいて前記補正値を算出することができる。具体的には、各測定ポイント間の転写位置の差分から得られる各座標軸ごとのインクリメンタル量、または、各測定ポイントにおける転写位置の各座標軸ごとのアブソリュート値を補正値とすることができる。
図1は、本発明の第1実施形態のハードウエア構成図である。 図2は、真円とボールバーによる測定結果との関係を説明する図である。 図3は、本発明の第1実施形態における位置誤差の補正を説明する図である。 図4は、本発明の第1実施形態のフローチャートである。 図5は、本発明の第1実施形態におけるNCパートプログラムの作成例を説明する図である。 図6は、本発明の第1実施形態における測定データと処理データの例を示した図である。 図7は、本発明の第2実施形態のハードウエア構成図である。 図8は、本発明の第2実施形態における位置誤差の補正を説明する図である。 図9は、本発明の第2実施形態のフローチャートである。 図10は、本発明の第2実施形態におけるNCパートプログラムの作成例を説明する図である。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態のハードウエア構成図である。CPU1は、ROM2に格納されたシステムプログラムに従って数値制御装置CNC全体を制御する。3はデータを一時的に記憶するRAMである。不揮発性メモリ9には、電源切断後も保持すべきパートプログラム、パラメータ、ピッチ誤差補正量および工具補正量等が格納されている。この不揮発性メモリ9としては、図示されていないバッテリによってバックアップされたCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)が使用される。操作表示ユニット4内のCRT制御回路5は、ディジタル信号を表示用の信号に変換し、表示装置6に与える。表示装置6には、CRTあるいは液晶表示装置が使用される。この表示装置6の画面には、作業のメニューやデータが表示される。キーボード7は、アドレスキー、数値キー等からなり、これらのキーを使用してデータを入力する。PMC(プログラマブル・コントローラ)11は、バス13経由で受けたM機能信号等をシーケンス・プログラムで処理して所定の制御信号を出力し、工作機械16を制御する。また、PMC11は、工作機械16側からの入力信号を受けてシーケンス・プログラムで処理を行い、バス13を経由して、CPU1に必要な入力信号を転送する。軸制御回路10は、CPU1からの軸の移動指令を受けて、軸を移動させるための指令をサーボアンプ12に出力する。サーボアンプ12は、この移動指令を受けて、工作機械16のサーボモータを駆動する。以上述べた各構成要素は、バス13によって互いに結合されている。
14は、ボールバーを用いて工作機械16におけるコンタリング加工の誤差を測定する計測器である。計測器14で測定したデータは、パーソナルコンピュータ(以下、「PC」という。)15にテキストファイルとして蓄積される。すなわち、PC15では、テキストエディタ15Aを使って、測定したボールバーの伸び/縮みのずれ量を表計算用のプログラム(以下、「表計算ソフト」という。)15Bのファイルにコピーし、これに基づいて補正データを演算する。この演算処理の詳細については後述する。
図2は、真円とボールバーによる測定結果との関係を説明する図である。図2(a)において、破線はコンタリング加工する真円20であり、実線は真円20に対して半径方向のずれを測定する装置のひとつであるボールバー(図示しない)で測定した主軸の軌跡21である。図2(a)では、主軸の軌跡21が真円20からずれており、凸状部分22と凹状部分23とが、真円20に対する形状誤差である。凸状部分22は+の誤差であり、凹状部分23は−の誤差となる。したがって、図2(b)に示すように、凸状部分22を矢印のように引っ込め、凹状部分23を矢印のように飛び出るように補正することで、図(c)に示す真円20となるように加工を行なうことができる。
この補正につき、図3を参照して説明する。以下では、真円20の円周方向の測定ポイントを1573箇所と仮定する。計測器14は、各測定ポイントにつき、約0.228°(360°/1573)ごとに、ボールバーで真円との半径方向のずれ、すなわち真円に対する伸び/縮み量を測定する。図3において、符号20で示す鎖線は、主軸(図示しない)が真円加工をしたと仮定した場合の軌跡である。符号21で示す実線は、主軸が動いて切削加工するときの実際の軌跡、すなわちボールバーが測定した軌跡である。
凸状部分22に関し、真円20の中心24(ボールバーの固定中心点)と真円20上の測定ポイント25とを結び、その延長線26がボールバーで測定された主軸の軌跡21と交わるポイントを27とする。このとき、ポイント25−27間の長さD1が真円20からのずれ(伸び量)となる。そして、ポイント27を真円20に対して半径方向の対称位置へ転写した位置、すなわち、延長線26上においてポイント25からDT1=D1だけ中心24側へ戻った位置をポイント28(転写位置)としたとき、ポイント24−28間の長さが補正長となる。SP1〜SP4は、延長線26が真円20と交わる点を表している。
また、凹状部分23に関し、真円20の中心24と真円20上の測定ポイント25とを結び、その延長線26がボールバーで測定された主軸の軌跡21と交わるポイントを27Aとする。このとき、ポイント25−27A間の長さD2が真円20からのずれ(縮み量)となる。そして、ポイント27Aを真円20に対して半径方向の対称位置へ転写した位置、すなわち、延長線26上においてポイント25からDT2=D2だけ中心24と反対側へ進んだ位置をポイント28A(転写位置)としたとき、ポイント24−28A間の長さが補正長となる。
このようにして転写したポイントをつなぐと、2点鎖線で示す転写線29が得られる。この転写線29が補正後の主軸の加工軌跡となる。
補正データに基づいて主軸を駆動するには、測定ポイント間の転写位置の差分(補正長のX軸成分の差分およびY軸成分の差分)を求め、これをX軸、Y軸のインクリメンタル量としてNCパートプログラムに組み込む。そして、PMC11により不揮発性メモリ9内のNCパートプログラムを起動させ、軸制御回路10、サーボアンプ12を介して主軸のX軸方向、Y軸方向の動きを制御すると、主軸の動きが補正されて真円の加工ができる。この場合、主軸に代えてテーブルの動きを制御するようにしてもよい。
次に、図4のフローチャートを参照して、本発明の真円加工方法をさらに詳細に説明する。最初に、ブロック40で示すように、ボールバー(図示しない)を工作機械16の主軸(図示しない)に取り付ける。続いて、ブロック41において、G02/G03のプログラムに従ってNC運転を行う。G02はデータを採取するための時計回りの円弧運転指令、G03は同じく反時計回りの円弧運転指令である。次のブロック42では、計測器14は、プログラムに従って円弧の各角度(測定スタート位置からの角度)でのボールバーの伸び/縮み量(ΔRn)を記憶する。この伸び/縮み量は、各測定ポイントにおける凸状部分22または凹状部分23の測定値(中心24からの距離)と真円20の半径長との差である。また、このときのサンプリング回数Sは、S=1573である。サンプリング回数分のボールバーの伸び/縮み量を取得した後、繰り返し回数nがサンプリング回数Sに達するまで、以下のブロック43〜47の処理を繰り返す。
ブロック43では、補正後のボールバー長さRCnを次式で計算する。
RCn=R−ΔRn
ここで、Rは真円20の半径長、ΔRnは上述した伸び/縮み量である。
ブロック44では、補正後のボールバー長さをX軸成分RCXnとY軸成分RCYnに分解する。この場合の計算式は、次のようになる。
RCXn=RCn*COS(θn)
RCYn=RCn*SIN(θn)
ここで、各角度は(360°/S)*nで表される。nは任意の測定ポイントの番号である。また、θnは各角度をラジアンに変換した値であって、測定ポイントのスタート位置からの角度である。
ブロック45では、補正後のX軸成分RCXn、Y軸成分RCYnのインクリメンタル移動量ΔXn、ΔYnを計算する。この場合の計算式は、次のようになる。
ΔXn=RCXn―RCXn−1
ΔYn=RCYn―RCYn−1
ブロック46では、各ポイントのX軸インクリメンタル量ΔXnとY軸インクリメンタル量ΔYnから作成したG01(直線補間プログラム)の連続ブロックのNCパートプログラムを作成する。
以上のようにして、ブロック43からブロック46までの処理を繰り返し、判定47において処理がS回繰り返された判定されると、ブロック48で示すように、ブロック46で作成したG01の連続ブロックのNCパートプログラムに従って、工作機械16のNC運転を行う。これにより、サーボアンプ12を介して主軸のX軸方向とY軸方向の動きが制御され、ワークに対する真円加工が行なわれる。
図6は、測定データと処理データの例を示した図である。図6を参照して、上述した処理の補足説明をする。
欄61は、ボールバーで測定された各ポイントのずれ量(真円の半径長に対する増減量)を表しており、PC15内のテキストファイルから表計算ソフト15Bにコピーされたデータである。ここでは、真円の半径長を100mmと仮定している。欄62は、上記ずれ量に基づき前述の位置転写を行なった場合の各ポイントの補正長(中心24から転写位置までのバーの長さ)を表している。この補正長は、ずれ量が縮み量(マイナス値)の場合は、その絶対値が真円の半径長に加算された値となり、ずれ量が伸び量(プラス値)の場合は、その値が真円の半径長から減算された値となる。欄63は、真円を1573分割することによって決まる各測定ポイントの番号を表している。欄64は、測定を開始したポイントから任意のポイントnまでの角度(°)を表している。欄65は、その角度をラジアンに変換した値(θn)を表している。欄66は、補正後のボールバーの長さにCOS(θn)を乗じたX軸方向の長さを表しており、欄67は、補正後のボールバーの長さにSIN(θn)を乗じたY軸方向の長さを表している。欄68は、インクリメンタル量への変換量(X軸)を表しており、欄69は、インクリメンタル量への変換量(Y軸)を表している。これらのインクリメンタル量への変換量は、各ポイントごとの転写後(補正後)のバー長さをX軸成分およびY軸成分に変換してその差分を計算することにより求められる。これらのインクリメンタル量をNC指令単位のミクロンに丸めることによって、欄70および欄71に示すNCパートプログラム作成のためのインクリメンタル移動量ΔXn、ΔYnが得られる。
図5は、NCパートプログラムの作成例を説明する図である。計測器14のボールバーシステムにより、1573に分割した各測定ポイントにつき、主軸51の動きに対する真円からの伸び/縮みのずれ量を測定し、測定データを図1のPC15内のテキストファイルに蓄積する。PC15は、測定データを表計算ソフト15Bにコピーして演算処理し、図6の欄70、71に示したX軸、Y軸の各インクリメンタル移動量のデータ53を算出する。このデータ53はNCパートプログラムに組み込まれ、作成されたNCパートプログラムは、メモリカード等の転送手段を介して、図1の不揮発性メモリ9に転送される。PMC11から起動がかかると、ブロック処理55において、不揮発性メモリ9内のNCパートプログラム54のデータをCPU1が一文字づつ読み込んでデータ解析し、サーボアンプ12に送るデータの前処理を実行する。そして、CPU1は、補間処理56において一定周期ごとの補間データを作成し、この補間データをサーボアンプ12に送り、主軸51のX軸方向およびY軸方向の動きを制御する。
NCパートプログラム54では、G91(インクリメンタル指令)、G01(直線補間)、F1500(送り速度)により、主軸51のX軸方向およびY軸方向の動きがプログラムされている。
このように、第1実施形態では、計測器14にボールバーを用い、主軸の加工軌跡21を複数の測定ポイント(本例では1573ポイント)に分割して、真円の中心24から各測定ポイントの主軸の加工軌跡21までの長さを測定し、この測定値と真円20の半径長とを比較して各測定ポイントにおける真円20からのずれ量D1,D2を演算する。そして、このずれ量D1,D2を真円20の半径方向に真円に対して対称に転写して転写位置28,28Aを求め、各測定ポイント間の転写位置の差分(補正長のX軸成分の差分およびY軸成分の差分)から得られるX軸インクリメンタル量およびY軸インクリメンタル量によって、ずれ量D1,D2を補正している。このため、X軸、Y軸の加工位置、加工半径、加工送り速度の制約にとらわれず、真円の加工を行うことができる。
第1実施形態によれば、工作機械の送り速度および送り方向の変化に伴う送り軸駆動系の弾性変化に起因する機械的位置誤差や、主軸を担持するスライド等の移動体のローリング・ピッチング・ヨーイング動作に起因する位置誤差の影響を受けないで真円加工ができる。真円度を良くするためにNCの補正機能を使ってパラメータ調整を行う方法では、適切なパラメータ値を決めるのが難しいが、本実施形態によれば、このような問題点も解消できる。
以上述べた例においては、ずれ量を補正するための補正値として、X軸インクリメンタル量、Y軸インクリメンタル量をNC加工プログラムに組み込んだが、補正値として、X軸アブソリュート値、Y軸アブソリュート値をNC加工プログラムに組み込んでもよい。X軸アブソリュート値、Y軸アブソリュート値は、測定スタート位置のアブソリュート座標にX軸、Y軸インクリメンタル量ΣΔXn、ΣΔYnを加算することにより求めることができる。
なお、以上の説明では、主軸がX軸−Y軸平面で動く場合を例に挙げたが、主軸の動きはX軸−Y軸平面に限らず、例えばX軸−Z軸平面での動きであってもよい。また、加工精度を上げるためには、測定ポイントを増やせばよいことは言うまでもなく、測定ポイント数は真円の要求加工精度により可変となることも言うまでもない。
[第2実施形態]
次に、ずれ量を測定する手段として倣いプローブを用いた第2実施形態について説明する。図7は、第2実施形態のハードウエア構成図である。図7では、数値制御装置CNCにマクロエグゼキュータ17が設けられており、また、計測器14の出力がPMC11へ与えられるようになっている。計測器14は倣いプローブを備えている。
第2実施形態におけるずれ量の補正につき、図8を参照して説明する。図3の場合と同様に、主軸の軌跡21の凸状部分22に関して、位置27が真円20に対して半径方向にD1だけずれており、主軸の軌跡21の凹状部分23に関して、位置27Aが真円20に対して半径方向にD2だけずれている。図3で説明した転写の方法をとると、凸状部分22の位置27を真円20に対して対称に転写した位置は28となり、凹状部分23の位置27Aを真円20に対して対称に転写した位置は28Aとなる。他の測定ポイントについても、同様にして転写位置が求められる。
Xn、Ynは真円20のアブソリュート座標を表している。各測定ポイントSP1〜SP4につき、真円のアブソリュート座標(Xn、Yn)をもとに、X軸ずれ量XEnおよびY軸ずれ量YEnから転写後のアブソリュート座標(XCn、YCn)を求める。そして、各測定ポイント間の転写後のアブソリュート座標(XCn、YCn)の差分を算出することで、X軸、Y軸のインクリメンタル移動量(ΔXn、ΔYn)が求められる。
図9は、第2実施形態のフローチャートを表している。ブロック91では、倣いプローブ(図示しない)を主軸に取り付ける。ブロック92では、G02/G03プログラムに従ってNC運転を行う。前述のように、G02は時計回りの円弧運転指令、G03は反時計回りの円弧運転指令である。ブロック93では、数値制御装置はPMC11を介して一定周期でマスタリングと倣いプローブとのずれ(XEn,YEn)を計測器14から読み込み、メモリ(RAM3または不揮発性メモリ9)に記憶する。同時に、そのときのアブソリュート座標(Xn,Yn)を読み込み、メモリ(RAM3または不揮発性メモリ9)に記憶する。
その後、繰り返し回数nがサンプリング回数S(S=1573)に達するまで、以下のブロック94〜97の処理を繰り返す。この処理はマクロエグゼキュータ17が行う。
ブロック94では、真円のアブソリュート座標Xn、Ynと、X軸ずれ量XEnおよびY軸ずれ量YEnとに基づき、補正後のアブソリュート座標XCn、YCnを次式で計算する。
XCn=Xn−XEn
YCn=Yn−YEn
ブロック95では、補正後のアブソリュート座標からX軸、Y軸のインクリメンタル移動量ΔXn、ΔYnを次式で計算する。
ΔXn=XCn−XCn−1
ΔYn=YCn−YCn−1
ブロック96では、ΔXnおよびΔYnから作成したG01(直線補間プログラム)の連続ブロックのNCパートプログラムを作成する。
以上のようにして、ブロック94からブロック96までの処理を繰り返し、判断97において繰り返し回数nがサンプリング回数Sに達したと判定されると、ブロック98で示すように、ブロック96で作成したG01の連続ブロックのNCパートプログラムに従って、工作機械16のNC運転を行う。これにより、サーボアンプ12を介して主軸のX軸方向とY軸方向の動きが制御され、ワークに対する真円加工が行なわれる。
図10は、第2実施形態におけるNCパートプログラムの作成例を説明する図である。図5の場合と同様に、ブロック54で示すようにNCパートプログラムが作成され、PMC11からの起動がかかると、ブロック処理55において、不揮発性メモリ9内のNCパートプログラム54のデータをCPU1が一文字づつ読み込んでデータ解析し、サーボアンプ12に送るデータの前処理を実行する。そして、CPU1は、補間処理56において一定周期ごとの補間データを作成し、この補間データをサーボアンプ12に送り、主軸51のX軸方向およびY軸方向の動きを制御する。
この第2実施形態のように、計測器14に倣いプローブを用いた場合も、主軸の加工軌跡21を複数の測定ポイント(本例では1573ポイント)に分割して、真円20の中心から各測定ポイントの主軸の加工軌跡21までの長さを測定し、この測定値と真円20の半径長とを比較して各測定ポイントにおける真円20からのずれ量D1,D2を演算する。そして、このずれ量D1,D2を真円20の半径方向に真円に対して対称に転写して転写位置28,28Aを求め、各測定ポイント間の転写位置の差分(X軸アブソリュート座標の差分およびY軸アブソリュート座標の差分)から得られるX軸インクリメンタル量およびY軸インクリメンタル量によって、ずれ量D1,D2を補正している。このため、X軸、Y軸の加工位置、加工半径、加工送り速度の制約にとらわれず、真円の加工を行うことができる。
この第2実施形態によっても、工作機械の送り速度および送り方向の変化に伴う送り軸駆動系の弾性変化に起因する機械的位置誤差や、主軸を担持するスライド等の移動体のローリング・ピッチング・ヨーイング動作に起因する位置誤差の影響を受けないで真円加工ができる。真円度を良くするためにNCの補正機能を使ってパラメータ調整を行う方法では、適切なパラメータ値を決めるのが難しいが、本実施形態によれば、このような問題点も解消できる。
第2実施形態においても、第1実施形態の場合と同様、X軸インクリメンタル量、Y軸インクリメンタル量に代えて、X軸アブソリュート値、Y軸アブソリュート値をNC加工プログラムに組み込んでもよい。また、主軸の動きはX軸−Y軸平面に限らず、例えばX軸−Z軸平面での動きであってもよく、主軸の代わりにテーブルが動いてもよい。第2実施形態の場合も、加工精度を上げるためには、測定ポイントを増やせばよいことはいうまでもなく、測定ポイント数は真円の要求加工精度により可変となることもいうまでもない。

Claims (6)

  1. NC加工プログラムによって主軸の動きを制御するNC工作機械でコンタリング加工により真円加工を行う方法において、
    ワークに対して真円加工を行う前に、真円に対する半径方向のずれを測定するための装置を主軸に取り付けた状態で、円弧運転指令に従ってNC運転を行い、
    主軸の加工軌跡を複数の測定ポイントに分割して、主軸が真円加工をしたと仮定した場合の軌跡である真円の中心から各測定ポイントの主軸の実際の加工軌跡までの長さを主軸に取り付けた前記装置で測定し、
    前記装置により測定した測定値と真円の半径長とを比較して、各測定ポイントにおける主軸の加工軌跡の真円からのずれ量を演算し、
    前記ずれ量に基づき、各測定ポイントにおける主軸の加工軌跡を補正するための補正値を演算して、この補正値を前記NC加工プログラムに組み込み、
    前記NC加工プログラムに従って主軸の動きを制御することにより、ワークに対して真円加工を行うことを特徴とするNC工作機械における真円加工方法。
  2. 請求項1に記載の真円加工方法において、
    前記加工軌跡の真円からのずれ量を真円の半径方向に真円に対して対称に転写して転写位置を求め、この転写位置の位置データに基づいて前記補正値を算出することを特徴とする真円加工方法。
  3. 請求項2に記載の真円加工方法において、
    前記補正値は、各測定ポイント間の転写位置の差分から得られる各座標軸ごとのインクリメンタル量、または、各測定ポイントにおける転写位置の各座標軸ごとのアブソリュート値であることを特徴とする真円加工方法。
  4. NC加工プログラムによって主軸の動きを制御するNC工作機械でコンタリング加工により真円加工を行う装置において、
    ワークに対して真円加工を行う前に、真円に対する半径方向のずれを測定するための装置を主軸に取り付けた状態で、円弧運転指令に従ってNC運転を行う手段と、
    主軸の加工軌跡を複数の測定ポイントに分割して、主軸が真円加工をしたと仮定した場合の軌跡である真円の中心から各測定ポイントの主軸の実際の加工軌跡までの長さを主軸に取り付けた前記装置を用いて測定する計測器と、
    前記装置により測定した測定値と真円の半径長とを比較して、各測定ポイントにおける主軸の加工軌跡の真円からのずれ量を演算するとともに、このずれ量に基づき各測定ポイントにおける主軸の加工軌跡を補正するための補正値を演算する演算手段と、
    前記演算手段で演算された補正値が組み込まれたNC加工プログラムに従って主軸の動きを制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段で主軸の動きを制御することにより、ワークに対して真円加工を行うことを特徴とする、NC工作機械における真円加工装置。
  5. 請求項4に記載の真円加工装置において、
    前記演算手段は、前記加工軌跡の真円からのずれ量を真円の半径方向に真円に対して対称に転写して転写位置を求め、この転写位置の位置データに基づいて前記補正値を算出することを特徴とする真円加工装置。
  6. 請求項5に記載の真円加工装置において、
    前記補正値は、各測定ポイント間の転写位置の差分から得られる各座標軸ごとのインクリメンタル量、または、各測定ポイントにおける転写位置の各座標軸ごとのアブソリュート値であることを特徴とする真円加工装置。
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