JP7098926B2

JP7098926B2 - 加工方法及び加工装置

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Publication number: JP7098926B2
Application number: JP2017245801A
Authority: JP
Inventors: 博樹野中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: US20190193168A1; CN110014176A; JP2019111599A; US11077503B2; CN110014176B

Description

本発明は、加工対象物に円形状の穴を加工する加工方法および加工装置に関する。

従来から加工対象物の弾性変形を考慮した、円形状の穴の加工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、加工対象物に対して円形状の穴を加工することができる装置として、以下の構成を有する装置を開示している。

同文献に記載された加工装置は、往復運動可能であり、かつ回転駆動される加工ヘッドを備えている。加工ヘッドは、円筒形状のアーバーと、アーバーの外周面に突没可能に設けられた切削バイトと、アーバーの内部に収容されるシャフトと、を備えている。切削バイトは、アーバーの回転軸に垂直な方向に延びるアーバーの先端の貫通孔に挿入され、付勢手段により、シャフトに向かって付勢されている。シャフトには、切削バイトを突出する方向に押圧するカムが設けられており、アーバーに対するシャフトの角度を変化させることで、カムの周縁のうち切削バイトに当接する部分が変化し、切削バイトのアーバーの外周面からの突出量が変化する。アーバー及びシャフトを同期して回転させつつ、アーバーの回転角の位相に対してシャフトの回転角の位相を進角化または遅角化することにより、切削バイトのアーバーの外周面からの切削バイトの突出量を調整し、加工対象物に真円あるいは非真円形状の穴を加工することができる。

更に、同加工装置は、加工負荷データ取得部と加工形状予測部とを含んで構成される制御装置を備えている。加工負荷データ取得部は、切削バイトが加工対象物を加工する際に加工対象物を押圧する力を加工負荷データとして取得する。加工形状予測部は、加工負荷データ取得部が取得した加工負荷データに応じた弾性変形量を加工負荷変形量対応テーブルから読み出し、加工目標形状にこの弾性変形量を加味して加工した際の加工形状を予測する。また、同加工装置は、加工形状予測部が予測した加工形状を目標円形状に対して反転させた反転形状が加工されるように、切削バイトの突出量を調整する。これにより、加工後の弾性変形による目標円形状からのずれを相殺し、加工対象物に対して目標円形状の穴を加工する。

特許第６０２９７６１号

加工対象物の弾性変形量は、加工対象物によって異なり、更に切削バイトの刃先が接触する部分によっても異なる。従って、加工負荷変形量対応テーブルに、切削バイトの刃先が接触する円周上の部分毎に加工負荷と弾性変形量との関係を規定しておく必要がある。更に、加工形状を予測する際、取得した加工負荷データを加工負荷変形量対応テーブルと照合する必要がある。そのため、上記特許文献１に記載された加工装置は、加工後の弾性変形による目標円形状からのずれを相殺し、加工対象物に対して目標円形状の穴を加工する際、時間が掛かる虞があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、加工後の弾性変形による目標円形状からのずれを低減し、加工対象物に対して目標円形状の穴を加工する際に必要な時間を短縮することが可能な加工方法および加工装置を実現する。

本発明の一態様に係る加工方法は、加工対象物に円形状の穴を加工する加工方法であって、加工対象物の穴の形状を取得する穴形状取得工程と、前記穴形状取得工程で取得した穴の形状を目標円形状に対して反転した反転形状を取得する反転形状取得工程と、前記反転形状取得工程で取得した反転形状に基づいて、前記穴を加工する反転形状加工工程と、を備える。

この加工方法は、反転形状加工工程において、穴形状取得工程で取得した穴形状の目標円形状に対する反転形状に基づいて、加工対象物に穴を加工する。これにより、加工負荷変形量対応テーブルを用いることなく、加工後の弾性変形による目標円形状からのずれを低減し、加工対象物に対して目標円形状の穴を加工することができ、加工時間を短縮することができる。

好ましくは、前記穴形状取得工程は、前記反転形状加工工程において用いる加工装置に備わった加工工具の位置情報に基づいて穴の形状を取得する。

この加工方法は、穴形状取得工程において、穴形状を取得するのに加工装置が備える加工工具を用いる。これにより、反転形状加工工程前に同加工工具を用いて粗加工を行う場合、穴形状取得工程と粗加工工程を同時に行うことができ、加工時間を短縮することができる。

本発明の一態様に係る加工装置は、加工工具と、前記加工工具を回転させる回転装置と、前記加工工具の回転角度を取得する回転角度センサと、前記加工工具を前記加工工具の回転軸と垂直な方向に移動させる駆動装置と、前記加工工具の前記加工工具の回転軸と垂直な平面における位置情報を取得する位置センサと、前記回転装置を制御するとともに、前記回転角度センサの取得する回転角度と前記位置センサの取得する位置情報に基づいて、前記駆動装置を制御する駆動制御部を含む制御装置と、を備える加工対象物に穴を加工する加工装置であって、前記制御装置は、加工対象物の穴形状を取得する穴形状取得部と、前記穴形状取得部で取得した穴形状を目標円形状に対して反転した反転形状を取得する反転形状取得部と、を含み、前記駆動制御部は前記反転形状取得部が取得した反転形状に基づいて前記駆動装置を制御する。

この加工装置は、穴形状取得部が取得した穴形状の目標円形状に対する反転形状に基づいて、駆動装置を制御して、加工工具により加工対象物に穴を加工することができる。これにより、加工負荷変形量対応テーブルを用いることなく、加工後の弾性変形による目標円形状からのずれを低減し、加工対象物に対して目標円形状の穴を加工することができ、加工時間を短縮することができる。

好ましくは、前記穴形状取得部は、前記位置センサの取得する位置情報に基づいて、加工対象物の穴形状を取得する。

この加工装置は、穴形状取得部が加工工具を用いて穴形状を取得する。これにより、反転形状に基づく加工を行う前に同加工工具を用いて粗加工を行う場合、穴形状の取得と粗加工とを同時に行うことができ、加工時間を短縮することができる。

好ましくは、前記加工工具が一端部に設けられ、前記回転装置が他端部に設けられた回転工具と、前記回転工具を回転自在に支持する軸頭と、を備え、前記駆動装置が、前記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ことで、前記加工工具を前記加工工具の回転軸と垂直な方向に移動させる。

この加工装置は、駆動装置を制御することによって、加工工具の回転軸と垂直な方向における軸頭の位置を制御し、更には加工工具の回転軸と垂直な方向における加工工具の位置を制御することができる。これにより、回転工具に対してカムが設けられたシャフトの相対角度を制御することによって、加工工具の回転軸と垂直な方向における回転工具に設けられた加工工具の位置を制御する上記特許文献１のような加工装置と異なり、加工工具に対するカムの接触力変動に伴う加工工具の位置の変動がないため、加工対象物の加工精度が向上する。

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。本発明の一実施形態に係る円形穴加工装置の処理の流れを示すフローチャート。本発明の一実施形態に係る円形穴加工装置による加工前から加工後までの加工対象物の断面図。本発明の一実施形態に係る円形穴加工装置の処理の流れを示すフローチャートの変形例。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

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、加工工具２と、該加工工具２が外周に設けられた回転工具２ｂと、回転工具２ｂを回転自在に支持する軸頭３と、回転工具２ｂを回転させるモータ（回転装置）３２と、前記加工工具２を前記加工工具２の回転軸と垂直な方向に移動させる駆動装置６と、駆動装置６から受ける荷重を取得する荷重センサ７と、前記加工工具２の位置を取得する位置センサ８と、前記モータ３２を制御するとともに前記位置センサ８の取得した前記加工工具２の位置に基づいて前記駆動装置６を制御する制御装置９と、を備える。この構成により、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、加工対象物である加工対象物Ｗに真円形状又は非真円形状の面を加工することができる。

加工工具２は、回転工具２ｂの端部に設けられている。また、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、加工対象物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。

軸頭３は、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、軸頭３がそ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。取付ベース５はモータ３２を支持する。また、軸頭３は内部に図示しない軸受が固設されており、回転工具２ｂを回転自在に支持する。

モータ３２の駆動軸は、回転工具２ｂの加工工具２が設けられている端部とは別の端部に接続されている。モータ３２の駆動軸の回転によって加工工具２を回転工具２ｂの回転軸Ｒ周りに回転させる。モータ３２にはエンコーダ（回転角度センサ）３３が設けられており、エンコーダ３３によってモータ３２の駆動軸の回転角度を取得することができる。

駆動装置６は、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３と隣接し、軸頭３に対向して配置されている。より具体的に、駆動装置６は、加工工具２の回転軸Ｒと垂直な平面上かつＸ軸方向とＹ軸方向において、軸頭３の両側に１つずつ、合計４つ配置されている。

また、駆動装置６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。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。

荷重センサ７は、駆動装置６に対向して軸頭３の外周に設けられている。より具体的に、荷重センサ７は、加工工具２の回転軸Ｒと垂直な平面上かつＸ軸方向とＹ軸方向において、軸頭３の両側に１つずつ、合計４つ配置されている。

また、荷重センサ７は、駆動装置６から受ける荷重を測定することができる。例えば、荷重センサ７は、力に比例して変形する起歪体と、起歪体に固定されるゲージと、を備える。起歪体に荷重が掛かると、起歪体およびゲージが変形し、変形に比例してゲージの電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を測定することによって、荷重を測定することができる。

位置センサ８は、荷重センサ７に対向して駆動装置６の上方に配置されている。より具体的に、位置センサ８は、加工工具２の回転軸Ｒと垂直な平面上かつＸ軸方向とＹ軸方向において、軸頭３の片側に１つ、合計２つ配置されている。なお、位置センサ８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た実際の軸頭３の移動量を検出するようにしてもよい。

また、位置センサ８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、駆動装置６が内部に有する歪ゲージ等を用いることができる。位置センサ８は、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向における軸頭３までの距離を計測し、計測した距離（ＸＹ平面における軸頭３の位置）を取得することができる。

制御装置９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、制御装置９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。

また、制御装置９は、図２に示すように、駆動制御部９１と、穴形状取得部９２と、反転形状取得部９３と、を含む。駆動制御部９１は、駆動装置６と、モータ３２と、エンコーダ３３と、荷重センサ７と、位置センサ８と、反転形状取得部９３と、に接続している。また、穴形状取得部９２は、エンコーダ３３と、位置センサ８と、反転形状取得部と、に接続している。反転形状取得部９３は、穴形状取得部９２と、駆動制御部９１と、に接続している。

穴形状取得部９２は、エンコーダ３３から入力されたモータ３２の駆動軸の回転角度を取得する。更に、制御装置９の記憶装置に予め記憶している、モータ３２の駆動軸の回転角度と加工工具２の刃先２ａの回転角度の関係に基づいて、加工工具２の回転角度を取得する。穴形状取得部９２は、位置センサ８から入力されたＸＹ平面における軸頭８の位置を取得する。更に、制御装置９の記憶装置に予め記憶している、ＸＹ平面における軸頭８の位置とＸＹ平面における加工工具２の刃先２ａの位置の関係に基づいて、ＸＹ平面における加工工具２の刃先２ａの位置を取得する。穴形状取得部９２は、これら取得した加工工具２の刃先２ａの回転角度およびＸＹ平面における位置に基づいて、加工対象物Ｗの穴の形状を取得することができる。

反転形状取得部９３は、後述の方法により穴形状取得部９２から入力された加工対象物Ｗの穴形状を予め入力された目標加工形状に対して反転した形状を取得する。

駆動制御部９１は、制御信号を駆動装置６やモータ３２へ出力する。この制御信号は、エンコーダ３３から入力されたモータ３２の駆動軸の回転角度の情報や、位置センサ７から入力されたＸＹ平面における軸頭３の位置の情報や、荷重センサ８から入力された駆動装置６から受ける荷重の情報や、反転形状取得部９２から入力された反転形状の情報等に基づいて設定される。

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。駆動装置６を駆動させ、ＸＹ平面における軸頭３の位置を保持した状態で、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、制御装置９の記憶装置は、ＸＹ平面における軸頭８の位置とＸＹ平面における加工工具２の刃先２ａの位置の関係、モータ３２の駆動軸の回転角度と加工工具２の刃先２ａの回転角度の関係等を記憶している。制御装置９は、記憶装置に記憶されたプログラムに基づき、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、モータ３２の駆動軸の回転角度とＸＹ平面における軸頭３の位置との関係を算出する。

さらに、駆動制御部９１は、記憶装置に記憶されたプログラムに基づき、算出したモータ３２の駆動軸の回転角度とＸＹ平面における軸頭３の位置との関係を満たすように、エンコーダ３３から入力されたモータ３２の駆動軸の回転角度に応じて、駆動装置６の伸長量及び収縮量を算出する。そして、駆動制御部９１は、算出した伸長量及び収縮量に応じた制御信号を駆動装置６へ出力する。

これにより、駆動制御部９１は、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、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、駆動装置６を制御する。なお、制御装置９は、駆動装置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装置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、制御装置９は、加工工具２を回転させて加工対象物Ｗを加工するときに、駆動装置６を制御して軸頭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、加工対象物Ｗに非真円の穴加工を行う。すなわち、制御装置９は、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、駆動装置６を駆動させて軸頭３を移動させる。

以下、図面を参照して本発明の加工方法の一実施形態を説明する。図４は本発明の一実施形態に係る加工方法のフローチャートを示している。図５は本発明の一実施形態に係る円形穴加工装置による加工前から加工後までの加工対象物の断面図を示している。また、図５の(a)は図４のステップＳＴ１の後に起きたスプリングバック後の加工対象物Ｗの断面図を、図５の（ｂ）は図４のステップＳＴ４の後に起きるスプリングバック前の加工対象物Ｗの断面図を、図５の（ｃ）は図４のステップＳＴ４の後に起きたスプリングバック後の加工対象物Ｗの断面図を示している。また、図５のＳ１～Ｓ３は加工対象物Ｗの穴形状を、Ｔ０は第一の目標加工形状である真円を、ΔＴはＳ１とＴ０の差分を示している。

図４のステップＳＴ１～ステップＳＴ４は加工装置１を用いて実施される。ステップＳＴ１の粗ボーリング工程にて、加工対象物Ｗに穴を加工する。ステップＳＴ１の粗ボーリング工程では、制御装置９の駆動制御部９１がモータ３２と駆動装置６とを制御し、ＸＹ平面における軸頭３の位置を保持した状態でモータ３２および加工工具２を回転軸Ｒ周りに回転させる。これにより、加工対象物Ｗに真円形状の穴が形成される。

しかしながら、加工対象物Ｗは部位によって剛性が異なるため、ＳＴ１の粗ボーリング工程における加工後に、図５の（ｂ）のＳ１で示されるように、剛性の低い部分が弾性変形（スプリングバック）し、加工穴が非真円形状となることがある。

そこで、図４のステップＳＴ２の中仕上げボーリングおよび穴形状取得工程にて、加工対象物Ｗに加工を行うとともに、加工穴の形状を取得する。ステップＳＴ２の中仕上げボーリングおよび穴形状取得工程では、まず、駆動制御部９１により、モータ３２を駆動させるとともに、駆動装置６を一定トルクで駆動するように制御する。具体的には、駆動装置６の目標トルクと、荷重センサ７から入力された駆動装置６から受けた実際の荷重との差分がゼロに近づくように、駆動装置６をフィードバック制御する。この時、穴形状取得部９２により、加工工具２の刃先２ａの回転角度およびＸＹ平面における位置に基づいて、加工対象物Ｗの穴形状を取得する。

ステップＳＴ３の反転形状取得工程では、反転形状取得部９３により、ステップＳＴ２の中仕上げボーリングおよび穴形状取得工程において取得した加工対象物Ｗの穴形状を制御装置９に予め入力された第一の目標加工形状Ｔ０に対して反転した形状を取得する。

図５（ａ）に示すように、ステップＳＴ２の中仕上げボーリングおよび穴形状取得工程において取得した加工対象物Ｗの穴形状Ｓ１は、加工後のスプリングバックにより、目標真円形状Ｔ０に対して差分ΔＴを有する。そこで、図５（ａ）の穴形状Ｓ１において基準線Ｔ０よりもΔＴ内側に位置する部分を基準線Ｔ０に対して反転し、基準線Ｔ０よりもΔＴ外側に位置させる。また、穴形状Ｓ１において基準線Ｔ０よりもΔＴ外側に位置する部分を基準線Ｔ０に対して反転し、基準線Ｔ０よりもΔＴ内側に位置させる。これにより、図５（ｂ）の穴形状Ｓ２のような反転形状を取得することができる。

ステップＳＴ４の反転形状加工工程（仕上げボーリング工程）にて、加工対象物Ｗの穴を更に加工する。ここで、反転形状加工工程の目標加工形状は第二の目標加工形状である穴形状Ｓ２に設定され、駆動制御部９１は、駆動装置６を制御し、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、第二の目標加工形状Ｓ２に沿って加工工具２を移動させる。

以上により、図５（ｃ）に示すように、ステップＳＴ４の反転形状加工工程の加工後にスプリングバックした時の加工対象物Ｗの穴形状Ｓ３を第一の目標加工形状Ｔ０真円に近づけることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。以下（ａ）～（ｃ）にその例を示す。

（ａ）上記実施形態では、加工装置１を用いたが、真円および非真円加工が行える加工装置であれば、例えば、特許文献１に記載される加工装置等を用いて、加工を行っても良い。

（ｂ）上記実施形態では、中仕上げボーリング加工工程と穴形状取得工程をステップＳＴ２で同時に行ったが、図６のように、ステップＳＴ２２の中仕上げボーリング加工工程とステップＳＴ２３の穴形状取得を別々に行っても良い。

（ｃ）上記実施形態では、第一の目標加工形状を真円に設定したが、楕円等の非真円に設定しても良い。

Ｗ …加工対象物
ＳＴ２、ＳＴ２３ …穴形状取得工程
ＳＴ３、ＳＴ２４ …反転形状取得工程
ＳＴ４、ＳＴ２５ …反転形状加工工程（仕上げボーリング工程）
１ …加工装置
２ …加工工具
２ｂ …回転工具
３ …軸頭
３２ …モータ（回転装置）
３３ …エンコーダ（回転角度センサ）
６ …駆動装置
８ …位置センサ
９ …制御装置
９１ …駆動制御部
９２ …穴形状取得部
９３ …反転形状取得部

Claims

加工工具と、
前記加工工具を回転させる回転装置と、
前記加工工具の回転角度を取得する回転角度センサと、
前記加工工具を前記加工工具の回転軸と垂直な方向に移動させる駆動装置と、
前記加工工具の前記加工工具の回転軸と垂直な平面における位置情報を取得する位置センサと、
前記回転装置を制御するとともに、前記回転角度センサの取得する回転角度と前記位置センサの取得する位置情報に基づいて、前記駆動装置を制御する駆動制御部を含む制御装置と、を備える加工対象物に穴を加工する加工装置であって、
前記制御装置は、加工対象物の穴形状を取得する穴形状取得部と、
前記穴形状取得部で取得した穴形状を目標円形状に対して反転した反転形状を取得する反転形状取得部と、を含み、
前記駆動制御部は、前記反転形状取得部が取得した反転形状に基づいて前記駆動装置を制御し、
前記穴形状取得部は、前記位置センサの取得する位置情報に基づいて、加工対象物の穴形状を取得することを特徴とする加工装置。
前記加工工具が一端部に設けられ、前記回転装置が他端部に設けられた回転工具と、
前記回転工具を回転自在に支持する軸頭と、を備え、
前記駆動装置が、前記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ことで、前記加工工具を前記加工工具の回転軸と垂直な方向に移動させることを特徴とする、請求項１に記載の加工装置。