JPH0469198A - ウォータジェット切断の精密形状切断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 開示技術は高圧の噴流水でプラスチック、ゴム。

ＦＲＰや金属材料等の被切断材を比較的厚板のものまで
、高精度、且つ、高能率に切断加工を行うウォータジェ
ット切断、又は、高圧の噴流水に珪砂。

ガーネットサンドやアルミナ等の研削砥粒を混合したア
ブレイシブタイプのウォータジェットによるネットシエ
イプ、或いは、ニアネットシエイプ切断加工する技術分
野に属する。

〈要旨の概要〉 而して、この出願の発明は高圧水のウォータジェット自
身により、更には所定の研削砥粒を混合したアブレイシ
ブタイプのウォータジェットにより金属材料等の被切断
材を高精度に切断するウォータジェット切断の精密形状
切断方法に関する発明であり、特に、寸法精度をより向
上させ、高速切断が可能で、経済的に安定し、切断効率
を上げることが出来るようにしたウォータジェット切断
の精密形状切断方法に係る発明である。

く従来技術〉 周知の如く、近代社会はざまざまな機械、電気等の各種
装置に負うところが大でおり、これらの機械装置はざま
ざまの研究改良が加えられて、ますます複雑、且つ精密
にされており、したかって、かかる装置設備の製造２組
立ても複雑な様相を有するようになってきている。

而して、これらの装置設備の製造、保守点検整備はそれ
らの機能が経時的に変らず、維持されるようにされねば
ならないために、その精密さの度合は、ますま￥厳しく
求められるようになってきている。

そして、これらの機械設備等のユニットや部品は多くの
切断、切削加工面を有しており、しかも、耐久性が大き
く求められていることからそれらの加工面、切削面の精
密さはますます強く求められてきている。

しかも、これらの要求に応えるために新素材の研究開発
も強く求められ、切削加工、切断剥離等の技術も新しい
局面を迎えようとしている。

而して、旧来技術における切断剥離、加工切削の手段は
カッター等による機械的な手段やカスバーナー　アーク
等による熱溶断、更には、プラズマ等による物理的切断
等も開発されているが、要求される複雑形状部分の切削
切断や分子結合状態の剥離切削等による要求条件のオー
ダーが厳しくなり、母材変質を避けるために、又、非接
触的な加工を求められる等の点から、上述旧来的技術手
段はざまざまなネックがあって、実使用にそぐわない面
がでてきており、これを対処する数百キロ、数千キロ（
およ、５（ような高圧状態のビーム状のウォータジェッ
トを用いて、塗装の切削剥離、材料の切断加工等を行う
ウォータジェットによる切断技術がクローズアップされ
、木材２合成樹脂材は勿論のこと、金属材料に対する使
用も可能になるようになってさまざまな研究開発改良が
なされ、実用化されるに至っているが、高圧のウォータ
ジェットを用いるために、ハードウェアやソフトウェア
にさまざまな解決されるべきな問題が多く横たわってい
る。

かかるつを−タジェットによる切断加工は、加工時に熱
の発生等がほとんどないため、被切断材の変質や変形を
伴うことなく極めて平滑な切断面が設計通りに得られる
利点がある。

したがって、所謂ネットシェイプ、或いは、ニアネット
シエイプの加工には非常に有望な切断加工法であり、旧
くから各種の研究、開発がなされ、一部かなりの程度の
実用化に至っている。

しかしながら、実状においてはウォータジェット切断、
就中、アブレイシブタイプのウォータジェット切断は、
従来、高精度を要求される切断にはあまり利用されてい
なかった。

蓋し、例えば、アブレイシブタイプのウォータジェット
による切断が遊離砥粒による噴流加工であることから、
噴流径が無視出来ないことにより切断中心（ノズル中心
）と実際の切断線が一致し難い難点があり、又、ノズル
摩耗のために時間によって切断線が変動する不都合さが
あり、又、切断溝幅が一般に表裏で異なるため、切断面
にテーパ状の所謂面倒れがつく不都合があり、加えて、
下面部の切断前縁が引きするような状態で上面よりも遅
れるため（切断遅れ）、曲線切断においては、切断下部
が扇形に拡大して曲率半径が大きくなる等の切断誤差に
つながる好ましくない特性を有するためである。

ここで、ウォータジェット切断における切断誤差の発生
要因について説明すると、第１２図は切断溝幅に基づく
切断誤差要因を示すものであり、被切断材１に対する実
際の切断は切断中心線（切断予定線）　２に対してノズ
ル中心３を切断幅Ｗの１〆２だけずらして行なわれるが
、ウォータジェット切断、特に、アブレイシブタイプの
場合はノズルと噴流径が比較的大きいため、切断幅は無
視出来ないものである。

第１３図は切断面の面倒れに基づく切断誤差要因を示す
ものであり、被切断材１の切断溝のノズル４の軸線５に
対する幅は板厚方向に必ずしも一定ではなく、切断面に
面倒れを有する場合が多い。

この面倒れ角度軍は板厚と切断速度に依存してあり、第
１４図（上面１′、下面１’　）に示す様に、切断速度
Ｕが（ｕｌく・・・くｕ５）が充分低速（例えば、Ｕ＋
　）の場合は、切断幅は上面１′側より下面１′側の方
が大きくなり、高速（例えば、ＵＳ　）の場合はこの逆
となる。この中間の速度（例えば、Ｌ１２　）において
は上下面の切断幅が−致し、切断面の倒れ角東がＯとな
るが、この速度Ｕは金属のような延性材料で、切断限界
速度の１７１０〜１／２０であり、石材、セラミックス
等の脆性材料では更に低速側におる。

第１５図は切断遅れに基づく誤差要因を示しており、切
断現象的に下面１″側の切断前縁は上面１′側より若干
遅れて進行して切断遅れが生じ、ドラグライン６として
現れ、該切断遅れは被切断材１の板厚、並びに、切断速
度の増加と共に顕著となる。

これによる切断誤差は厚板の被切断材１を小さな曲率半
径Ｒで高速に切断した場合に顕著に現れる。

純粋に切断遅れのみによる切断誤差Δは第１６図からも
分る通り次式で与えられる（尚、Ａは上面１′側の噴流
中心、Ｂは下面１″側の噴流中心、０は曲率半径Ｒの中
心、δは時間遅れ）。

而して、このような切断面の倒れや切断遅れ等の切断誤
差は、切断速度に大きく依存しており、特に、切断速度
を上げて高能率裡に切断しようとする場合により顕著な
影響を及ぼすようになる。

したがって、現在のウォータジェット技術により可能な
限り高精度の切断を行おうとする場合、速度を遅くして
切断する態様が一般に用いらていれるが、これは切断限
界速度に比較して（例えば、金属材料の場合は前記した
如＜　１／１０〜１７２０程度等と）極端に低速であり
、非常に効率か悪い欠点がある。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記切断誤差を積極的に補正する対処手段が切断溝幅Ｗ
に対しては行なわれている。即ち、切断中心（ノズル中
心３）を切断溝幅Ｗに対して１／２だけスクラップ側に
移動して設定する手段であり、この場合、切断溝幅Ｗは
切断条件が一定の場合は摩耗するノズル４の径にのみ依
存するため、過賞の時間間隔で補正を変更すれば良い。

この際、高度な制御が可能なＮＣ（或いは、ＣＮＣ）シ
ステムを用いればこれらの補正を自動的に行える場合も
ある。

ざりながら、該種対処手段は被切断材が薄板の切断加工
等に対してはある程度有効ではあるが、厚板になると前
述した如く切断面の倒れ、切断遅れ等の影響が大となっ
て、切断溝幅の補正のみでは所定の寸法精度を確保する
ことか困難である難点があり、その可能な条件範囲が著
しく限定される不都合さがある。

上述のようにウォータジェットによる切断加工は噴流加
工の一種であることから、第一に高速で加工すると切断
幅が板厚方向に面倒れを有し、表裏面で寸法差を生じる
。

又、切断遅れのために曲線切断の場合には、切断上部が
扇状に拡大して曲率が大きくなり、寸法精度か悪くなる
等のため、現状ではあまり精密な切断加工の用途には利
用されていない限界がある。

第二にウォータジェットによる切断を行う切断加工装置
は高圧を加えた水を細径のノズルより超音速等の高速で
吹き出すため摩耗を受は易く、特に、高速噴流に研削材
を添加して切断能力を高めるアブレイシブタイプのウォ
ータジェット切断では、研削材を高速噴流に混合、加速
を行うアブレイシブノズル部の摩耗が大きく、このため
、該アブレイシブノズルの摩耗の進行に伴って、切断幅
。

テーパ角、切断遅れが増大し、切断精度が経済的に劣化
することから長時間の安定した連続的な切断が不可能で
あり、又、精度を維持するためにはアブレイシブノズル
を交換する頻度を高くする必要があり、多大な労力を要
し、メンテナンスが煩瑣で稼動率の低下を招来している
デメリットがある。

〈発明の目的〉 この出願の発明の目的は上述従来技術に基づくアブレイ
シブタイプ等のウォータージェットによる精密切断の問
題点を解決すべき技術的課題とし、被切断材の材質、板
厚にかかわりなく、設計通りの精密切断が安定状態で高
い効率で行えるようにして製造産業における加工技術利
用分野に益する優れたウォータジェット切断の精密形状
切断方法を提供せんとするものである。

〈課題を解決するための手段・作用〉 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とするこの出
願の発明の構成は前述課題を解決するために、被切断材
に対し切断形状に対して切断中心を切断溝幅Ｗの１７２
だけ法線方向外側に設定（切断幅補正）し、併せて、ノ
ズルの軸線方向を切断方向と直角な方向に切断面の面倒
れを補正するに必要な角度だけ傾斜（切断面倒れ補正）
させ、加えて、ノズルの軸線方向を切断方向に切断遅れ
を補正するに必要な角度だけ傾斜（切断遅れ補正）させ
、これらの補正手段を切断速度、板厚、ノズル摩耗を考
慮して同時に所定に組合せて、ノズル位置、並びに、姿
勢を三次元的に制御することによって被切断材の板厚方
向にも−様な所定の寸法。

形状の切断を得るようにした技術的手段を講じたもので
ある。

尚、上記補正量は被切断材の材質、板厚と圧力。

ノズル径、スタンドオフ距離（被切断材とノズルとの距
離）、更に、アブレイン１タイプの場合には研磨材の種
類０粒度、供給量等の切断パラメータの影響を考慮する
ものであるが、通常は圧力。

ノズル径、スタンドオフ距離、研磨材関係等のパラメー
タは切断対象の被切断材のワークによて決定され、切断
中は一定値に保持される場合が多いので、切断箇所に応
じて変化させる必要のあるパラメータは切断速度のみで
ある。

したがって、通常の切断においては、切断箇所の板厚に
よって決まる切断速度とノズル摩耗量のみから補正値を
決定することが出来る。又、被切断材を二次元的に切断
する場合には、二次元図形データと５軸加工用座標デー
タとは比較的単純な座標変換式によって対応させられる
ので、複雑な５軸加工等を意識することなく、２軸加工
のイメージで高精度加工を行うことが出来る。

〈実施例〉 次に、この出願の発明の実施例を第１〜１１図に従って
説明すれば以下の通りである。

この出願の発明によるウォータジェット切断を行うには
、通常、５軸以上の自由度を有する加工機が必要であり
、第１〜５図に示す実施例においては同時５軸制御によ
るシステム態様を示している。位置制御はＸ、Ｙ、２３
軸を基本軸とする直交型の座標系でノズル軸線の姿勢制
御は爪軸（Ｘ軸回り回転）とＣ軸（Ｚ軸回り回転）の２
軸の回転軸径で行う。

第２図、及び、第３図に示す態様は当該実施例における
加工ヘッドを示してあり（Ｒは位置制御点、Ｐは工具先
端位置、ＨはＣ軸回転半径、Ｌは爪軸回転半径、Ｑは六
輪回転中心）、該加工ヘッドは図示するように回転指令
しても、ヘッドの先端位置が変化しないゼロオフセット
式か（この場合、Ｐ点とＲ点は一致する）、回転指令す
るとヘッドの先端位置も変化してヘッドの姿勢制御とヘ
ッド先端位置制御とは干渉するものの、機構が単純であ
り、姿勢領域も広いオフセット式かのいずれかが採用可
能なものである。

そして、被切断材１のワークの切断形状に対し切断溝幅
Ｗに対し切断中心を１７２だけ法線外にオフセットし、
又、ノズル４の軸線を面倒れ補正角だけ直角方向に傾斜
させ、併せて、ノズル軸線を切断遅れ角だけ傾斜させ、
これらを三次元的に組合せ補正する。

第４図は上述システムを使用してノズル軸線５を姿勢制
御する場合の前進角（切断遅れ補正角）α、並びに、テ
ーパ補正角βと姿勢制御角φ、Ｔとの関係を示している
。角度φは被切断材のワーク平面（ｘｙ平面）に於ける
切断線の接線と同平面に対するノズル４の軸線５の投影
線とがなす角度であり、これはノズル４の軸線５のＣ軸
（Ｚ軸回り）回転角である。角度γはワーク平面とノズ
ル軸線５のなす角度である。

第５図に示す様にφ、Ｔはα、βによって比較的単純な
次の式で表わされる。

ゼロオフセット式加工ヘッドの場合は上記φ。

γを直接回転指令して姿勢制御出来る（尚、φとγとの
相互干渉は考慮する必要がある）。

第５図はオフセット式加工ヘッドにおける座標変換態様
を示している。この場合の座標変換式は、二次元（準二
次元を含む）ワーク平面上のノズル４の先端位置Ｐと位
置制御点Ｒの三次元座標との変換式のことであり、ワー
ク平面上のノズル４の先端位置を切断線の外側法線方向
に切断溝幅Ｗの約１７２ずらした位置に設定し、この点
の座標を（Ｘ、Ｖ）とすると、位置制御点Ｒの座標（Ｘ
。

ｙ、ｚ、φ、γ）は次式で与えられる。

ｘ＝　−Ｈｃｏｓ（ｅ＋φ）＋Ｌｃｏｓ７−５ｉｎ（θ
＋φ）＋Ｘｙ＝　　−Ｈ５ｉｎ（ｅ　　十φ）−ＬＣＯ
３７”　　−ｃｏｓ（ｅ　　＋φ）＋ｙｘ＝　　Ｌｓｉ
ｎγ 第６図は切断幅補正、第７図は切断面倒れ（テーパ角）
補正、第８図は切断遅れ補正法を示している。第９図は
これらの補正効果を模式的に示したものである。図に示
す様に補正には結果として、切断前縁形状が被切断材の
板厚中央部で張り出した状態となり、この部分が切断進
みδ′となって誤差を生じるが、第１０図に於ける比較
に示す様に、この切断進みδ′による誤差は切断遅れδ
によるそれと比較して無視出来る程度に小ざい。

第１１図はこの出願の発明の他の実施例を示すものであ
り、当該実施例は６自由度の多関節ロボットを使用した
場合の態様である。位置、並びに、姿勢に対する指令の
方法は上述実施例の直交型の場合と異なるが、ノズル軸
線の姿勢制御角は同じである。

尚、上述各実施例ではこの出願の発明の典型的な実施例
のみを示したが、この出願の発明の本質はノズル先端の
位置制御とノズル軸線の姿勢制御とを併用することによ
って切断誤差を補正し、高精度、且つ、高能率なウォー
タジェット切断を可能とするものであり、この出願の発
明の精神に包含される切断法はすべてこの出願の発明の
技術的範囲に属するものである。

〈発明の効果〉 以上、この出願の発明によれば、ウォータジェットによ
る被切断材の切断面の面倒れ、並びに、切断遅れのない
高精度の切断加工が可能であるので、切断後、後加工な
しの製品化が可能となり、製品に対する信頼性が高まる
という優れた効果が奏される。

又、仕上げ加工の程度を少なくすることが出来るため、
工数が削減され、それだけ効率が上がり、歩留りも向上
する効果があり、ｈ口えて、切断速度も従来態様と比較
して向上するので生産コストの低減が可能である利点が
ある。

又、ノズル摩耗による切断精度の劣化を制御によって補
償することが出来るので、ノズル交換に伴って発生する
位置ずれヤ生産ラインの停止がなく、長時間安定した切
断が可能であることから施設の稼動効率が向上するとい
う効果も秦される。

【図面の簡単な説明】

第１〜１０図はこの出願の発明の１実施例の説明図であ
り、第１図はその全体ブロック線図、第２図、及び、第
３図は同装置の加工ヘッドの模式図、第４図は前進角、
テーパ補正角とそれに対するノズル軸線の姿勢制御角と
の関係を示す模式斜視図、第５図は第３図に示すオフセ
ット式加工ヘッドにおけるノズル先端から位置制御点へ
の座標変換の模式図、第６図は切断溝幅の補正模式図、
第７図は切断面の倒れ補正模式図、第８図は切断遅れ補
正模式図、第９図はこれらの補正効果の定量的表示図、
第１０図は補正によって発生する切断進みによる誤差と
初期の切断遅れによる誤差の関係図、第１１図は他の実
施例の機構図であり、第１２図は切断溝幅に起因する切
断誤差要因模式図、第１３図は切断面の倒れによる切断
誤差要因模式図、第１４図は切断速度と切断溝幅形状模
式図、第１５図は切断遅れ現象模式図、第１６図（よそ
れによる切断誤差の定量的模式図である。 １・・・被切断材 ３・・・ノズル中心位置 ５・・・ノズル軸線 ２・・・切断中心線 ４・・・ノズル ６・・・ドラグライン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ウォータジェット切断に際し精密切断用のノズル
   の位置、及び、姿勢の最適自動制御を行うウォータジェ
   ット切断の精密形状切断方法において、切断溝幅補正に
   対する位置制御と、切断面の面倒れ補正、並びに、切断
   遅れ補正に対するノズル軸線の姿勢制御とを三者併行的
   に組合せることを特徴とするウォータジェット切断の精
   密形状切断方法。
2. （２）上記各補正量を切断箇所の板厚、並びに、形状に
   対応して可変制御するようにしたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のウォータジェット切断の精密形
   状切断方法。
3. （３）使用するノズルの摩耗程度に応じて、上記各補正
   量を所定に可変制御するようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１、２項いづれか記載のウォータジェッ
   ト切断の精密形状切断方法。