JPWO2019044911A1 - 振動切削装置および接触検出プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
工具交換時など、切削工具11が新たに振動装置10に取り付けられたとき、移動制御部30が高い移動精度(加工精度)を出すためには、刃先位置の正確な座標値が特定されている必要がある。振動の制御状況を示す状況値である電力Pl,Pb、共振周波数fのうち、特にたわみ振動の消費電力Pbは、Y軸方向(切削方向)の力の増加に応答するため、切削工具11と被削材6との接触に対して高い感度で増加する。そこで以下の例では消費電力Pbの変化(上昇)を利用して接触検出を行うことを示すが、他の状況値、たとえば共振周波数fの変化を利用して接触検出を行うことも可能である。
切削工具:単結晶ダイヤモンド(ノーズ半径0.8mm)
ワークW:焼き入れ綱 53HRC
振動条件:17kHz 10μm(p−p)
のもとで実施された。
振動制御部21が振動装置10を楕円振動させ、移動制御部30が切り込み量を漸増するように振動装置10を切り込み方向に動かして、監視部27が、たわみ振動の消費電力Pbを計測した。実験では、ラインLaでワークWの切削を行っておき、続いてラインLaよりも工具刃先を1.5μm下げたラインLbでワークWを切削して、監視部27が、このときの制御状況値を記録した。なお、この実験では、切削工具11の保護の観点からワークWを切削方向に送り運動させて切削したが、ワークWを送り運動させなくても、接触検知を行うことは可能である。
図7では、時間t1からΔPbが上昇し、時間t2でΔPbの上昇が終了している測定結果が得られている。このことは時間t1の近傍で工具刃先がワークWに接触して切削を開始し、時間t2の近傍でワークWの右端までの切削が終了して、工具刃先が負荷から解放されたことを意味している。位置関係導出部28は、時間t1近傍における消費電力変化を直線(曲線)近似して、近似した回帰直線(曲線)がゼロクロスする位置(t1’)を求める。位置関係導出部28は、求めた時間t1’を移動制御部30に提供すると、移動制御部30は、時間t1’における振動装置10の制御位置座標を、位置関係導出部28に返す。この制御位置座標は、切削工具11とワークWとの接触位置を示すものであり、したがって位置関係導出部28は、接触位置を特定できる。
平均値M: −0.00096872[W]
標準偏差σ: 0.0033
信頼区間95%: ±2σ=±0.0066
と求められた。
y=14.975x−0.0025
として求められている。なお、この例では回帰直線を求めているが、多次関数である回帰曲線を求めてもよい。本実験において、接触位置の検知誤差epは、図示されるように、0.6μmであることが導出された。なお、位置検知誤差を小さくするためには、サンプリング周期を短くしてサンプリング数を増やし、移動平均を行えばよい。
図11は、切削工具と被削材回転中心との相対的な位置関係を定める手法を説明するための図である。以下では、被削材6の回転軸中心A(x,y)を算出する手法を説明する。この例で被削材6は、一度旋削加工された状態にある。なお被削材6は、鋭利な工具切れ刃の欠損防止の観点から主軸2aにより回転されていることが好ましいが、回転されていなくてもよい。
なお、被削材6の回転半径は、以下のように求められる。
実施例1で位置関係導出部28は、切削工具11と、旋削加工後の被削材6との接触を検知して、その接触位置を特定した。実施例2で位置関係導出部28は、切削工具11と被削材6を取り付ける部品に設けられた基準面との接触を検知して、部品基準面に対する切削工具11の相対的な位置を特定してもよい。部品の例としては、たとえば被削材6を支持する主軸2aであってよく、切削工具11を主軸2aの端面や周面に設けられた基準面に接触させることで、位置関係導出部28は、切削工具11と主軸2aとの接触位置を特定し、これによって切削工具11と、被削材6の取付面や回転中心などとの相対的な位置関係を導出してもよい。
ここで位置関係導出部28は、基準面1に対して工具刃先の接触検知を行うことで、ワークWの長さ方向(図の左右方向)の工具刃先原点(ワークWの取付面すなわちワークWの左端の面に対する工具刃先の相対位置)を正確に知ることができる。これによりワークWの端面(図の右端の面)を加工する際に、ワークWの長さ(左右方向の長さ)を正確に仕上げることができる。
また位置関係導出部28は、基準面2に対して、実施例1と同様にY軸位置が異なる3点(直径が既知であれば2点でよい)で工具刃先の接触検知を行うことで、ワークWの半径方向の工具刃先原点(ワークWの回転中心に対する工具刃先の相対位置)を正確に知ることができる。これによりワークWの円筒面を加工する際に、ワークWの直径を正確に仕上げることができる。
つまり、記号yの上にキャレット(ハット)を付したものと、同じ記号yの横にキャレットを付したものとは、同一の変数を示す。実施例でキャレット付きの記号は、求めるべき変数であることを意味する。なおキャレットを上に付した記号は数式中で使用され、キャレットを横に付した記号は文章中で使用される。また異なる実施例の図面で重複して用いられている記号は、それぞれの実施例の理解のために利用されることに留意されたい。
実施例1で、制御部20は、旋削加工後の、換言すると前加工された被削材6上の3点の座標値をもとに、切削工具11と被削材6の回転中心との相対的な位置関係を特定している。実施例3では、制御部20は、刃先の原点設定用に高精度に加工された既知形状をもつ物体を利用して、切削工具11と既知形状をもつ物体との相対的な位置関係を定めて、切削工具11の刃先に関する情報を特定する。以下、切削工具11の刃先に関する情報を特定するために用いる物体を「基準ブロック」と呼ぶ。制御部20は、基準ブロックに切削工具11の刃先を接触させることで刃先位置を同定するため、その前提として、少なくとも接触しにいく基準ブロックの形状を把握している。
図15は、刃先11aと基準ブロック40の既知形状部分とが1点で接触した様子を示す。上記したように刃先11aは一定の曲率を有し、ノーズ半径R^の円弧面をもつ。なおノーズ半径R^は未知である。一方で基準ブロック40は、形状が既知である部分で刃先11aと接触する。実施例3で形状が既知であるとは、位置関係導出部28が、刃先11aが接触する可能性のある箇所の形状を認識していることを意味する。
実施例4でも、制御部20は、刃先の原点設定用に高精度に加工された既知形状をもつ物体(基準ブロック40)を利用して、切削工具11と基準ブロック40との相対的な位置関係を定めて、切削工具11の取付位置に関する情報を特定する。
図20は、刃先11aと基準ブロック40の既知形状部分とが1点で接触した様子を示す。刃先11aは一定の曲率を有し、ノーズ半径R^の円弧面をもつ。ノーズ半径R^は未知である。基準ブロック40は、形状が既知である部分で刃先11aと接触する。なお形状が既知であるとは、位置関係導出部28が、刃先11aが接触する可能性のある箇所の形状を認識していることを意味する。
図22は、基準ブロック40の既知形状の部分を、切削工具11の刃先11aに接触させた状態を示す。位置関係導出部28は、このときのz座標値を取得することで、刃先の先端点を特定する。
切削工具11に取付誤差がある場合、切削加工後の被削材6は、本来予定していた形状と異なる形状をもつことになる。そのため実施例5では、実際に旋削加工した被削材6の加工面と、理想的に旋削加工された場合の被削材6の加工面(つまり設計上の加工面)との差分を利用して、工具中心の取付誤差(Δx^,Δy^、Δz^)を特定する。工具中心の取付誤差を特定できれば、特定した取付誤差を補正した切削工具11の送り経路を算出できる。実施例5において移動制御部30は、切削加工後の被削材6に対し、切削加工の際には利用しなかった移動方向の送り機構7による送り機能を利用して振動装置10を相対移動させて、切削工具11が少なくとも2つの位置で接触したときの座標値をもとに、工具刃先の取付誤差を特定する。
図23(b)は、ZX平面における取付誤差(Δx^,Δz^)を示す。C2は、理想的な工具中心位置を、C1は、誤差を含んだ工具中心位置を示す。図23(c)は、XY平面における取付誤差(Δx^,Δy^)を示す。
図中、□は円筒面上の点を表現しており、
点1:(Rw+Δx^,Δy^)
点2:(Rw+Δx^−Δx1,−ΔY+Δy^)
点3:(Rw+Δx^−Δx2,−2ΔY+Δy^)
となる。Δx1、Δx2は、移動制御部30により検出される値である。
実施例6では、刃先11aの形状崩れを測定する手法を説明する。
実施例3でも説明したように、刃先11aには、凹凸が存在していることがある。そこで以下では、刃先の形状が転写される前加工面の凸凹を測定して、加工面の凸凹から、工具刃先の形状誤差を特定する手法を示す。実施例6では、刃先の形状くずれ以外の形状誤差要因による形状誤差を推定し得る場合に、切削加工の際には利用しなかった移動方向の送り機構7による送り運動が正確であるものとして前加工面の形状を1つの刃先点を利用して測定するため、推定した前加工面上の各点の位置と、検出される位置との差分によって、工具刃先の形状誤差が特定される。 実施例6において移動制御部30は、切削加工後の被削材6に対し、切削加工の際には利用しなかった移動方向の送り機構7による送り機能を利用して振動装置10を相対移動させて、切削工具11が少なくとも2つの位置で接触したときの座標値をもとに、工具刃先の取付誤差を特定する。
実施例5では、切削工具11に取付誤差がある場合に、工具中心の取付誤差(Δx^,Δy^、Δz^)を導出する手法を説明した。実施例7では、切削工具11に取付誤差があるだけでなく、工具の送り方向にも誤差がある場合に、これら誤差を導出する手法を説明する。
図27は、切削工具11をX軸方向およびZ軸方向に動かして球面を前加工したときの様子を示す。この旋削加工では、C軸に対してX軸が直交するべきところ、直交性が崩れていることで、球面に加工誤差が生じている。NC工作機械では、X軸を基準として、球面を加工するためのラインL2となる送り経路を計算していたところ、工具制御用のX軸と被削材6の回転軸となるC軸との直交性が崩れているために、移動制御部30は、実線矢印で送り経路として示す経路で、刃先11aを移動させている。
なお、この手法は、球面以外の面(平面や非球面を含む)に対しても適用可能である。
このように実施例8では、C軸に対するX軸の直交度を推定することで、位置関係導出部28は、被削材6に対する切削工具11の相対移動方向のずれ量を特定できる。
実施例5では、円筒面に刃先11aを接触させたときの座標値を利用して、工具中心の取付誤差(Δx^,Δy^、Δz^)を推定した。実施例9では、前加工された球面に刃先11aを接触させたときの座標値を利用して、工具中心の取付誤差(Δx^,Δy^、Δz^)を推定する手法を説明する。前加工された球面は、たとえば図23に示す被削材6から円筒面を除外したものであってよい。移動制御部30は、送り機構7によるX軸並進方向の送り機能、Z軸並進方向の送り機能およびC軸回転方向の送り機能を利用して、切削工具11により被削材6を前加工する。
P1:(X1−Rcosθ1,0,Z1−Rsinθ1)
となる。
図29は、XY平面に対する工作物中心Ocと接触点を結ぶ線分の角度を示す。ここでP2との線分の角度をθ2、P3との線分の角度をθ3とする。
したがって、P2に接触するための工具中心座標(C2)、P3に接触するための工具中心座標(C3)は、以下のように計算される。
C2:(X2+Rcosθ2,−ΔY,Z1−Rsinθ1+Rsinθ2)
C3:(X3+Rcosθ3,−2ΔY,Z1−Rsinθ1+Rsinθ3)
検出C3:(X3+Δx3+Rcosθ3,−2ΔY,Z1−Rsinθ1+Rsinθ3)
Δx2、Δx3は、検出値である。
検出P2:(X2+Δx2,−ΔY,Z1−Rsinθ1)
検出P3:(X3+Δx3,−2ΔY,Z1−Rsinθ1)
なおz位置の誤差に関して言えば、工具ノーズ半径が加工面半径に対して一般に小さいこと、仮に取付誤差があっても加工点の軌跡形状(XZ面に平行な平面上にある)は取付誤差分平行移動しているだけでY方向に見た曲率は正しい(XY断面をZ方向に見た曲率が誤差を持つ)ことから、x位置に比べてz位置のずれは小さい。したがってz位置のずれは無視できる。
図30(b)は、仮想円の中心座標を原点に戻した座標系を示す。このとき工具取付誤差(Δx^,Δy^)が、下式によって推定される。
(Δx^,Δy^)=(−Δx’,−Δy’)
C2:(X2−Δx^+Rcosθ2,−ΔY,Z1−Rsinθ1+Rsinθ2)
C3:(X3−Δx^+Rcosθ3,−2ΔY,Z1−Rsinθ1+Rsinθ3)
が導き出される。
このように実施例9では、前加工された球面と、目標とする設計加工面との差分を繰り返し計算により収束させることで、工具中心の取付誤差(Δx^,Δy^、Δz^)を特定する。
実施例5〜9では、切削工具11をB軸回転させない旋削加工について説明したが、実施例10では、切削工具11をB軸回転させて、刃先11aの一点のみを使用する加工について説明する。
図31(a)は、加工時に刃先11aの一点が切削に利用される様子を示す。このような加工では、B軸中心OBに対する相対的な工具中心Cの取付位置に誤差があると加工誤差を生じる。
図31(b)は、B軸中心OBと工具中心Cとの間の距離L^と、初期の取付角度θ^を求めるための説明図である。図示されるように移動制御部30は、所定のy座標、z座標で、取付角度を+ΔB、−ΔBだけ変更して、刃先11aの接触点におけるx座標の増分Δx1、Δx2を検出し、これらを用いて次式のように計算を行う。
実施例11では、走査線加工による前加工面を利用して、まずC軸回転中心の誤差を同定する。実施例11においても、前加工面に対して刃先11aを複数点で接触させて、理想プロファイルとの差分を導出することで、工具中心から見た相対的なC軸回転中心位置の誤差を同定する。
図33(a)は、加工時の刃先11aの様子を示す。図33(a)で、点線は加工時の工具中心のピック送りプロファイルを、実線は前加工面プロファイルを表現する。理想的な工具中心のピック送りプロファイルおよび前加工面プロファイルは、既知である。
図33(b)は、C軸(ここでは工具側にC軸が取り付けられている)を加工時の姿勢から90度回転した後、前加工面に対して複数の点で刃先11aを接触させている様子を示す。図33(b)で、実線は接触点をつないだ接触面プロファイルを表現する。
図34(a)は、加工時の刃先11aの様子を示す。図34(a)で、点線は加工時の工具中心の切削運動プロファイルを、実線は前加工面プロファイルを表現する。理想的な工具中心の切削運動プロファイルおよび前加工面プロファイルは、既知である。
図34(b)は、C軸を加工時の姿勢から90度回転した後、前加工面に対して複数の点で刃先11aを接触させている様子を示す。図34(b)で、実線は接触点をつないだ接触面プロファイルを表現する。
図35は、刃先形状誤差を測定する手法を示す。移動制御部30が、C軸を加工時の姿勢から90度回転させて、前加工面上で刃先11aを、同じ刃先位置が接触するように曲線に沿って複数点で接触させる。図35は、破線が示す尾根に沿って刃先のZ方向最下点で前加工面に接触する様子を表現している。位置関係導出部28は、各接触点における計算上の接触位置と検出された接触位置のずれ量から、実施例6と同様にして、刃先形状の崩れを測定する。
実施例12では、等高線加工による前加工面を利用して、C軸回転中心の誤差を同定する。この場合、位置関係導出部28は、実施例9で説明したようにC軸とZ軸の位置を変えずに、XY位置を変えて接触した2点以上の座標値を利用することで、C軸回転中心と刃先11aのxy相対位置を同定できる。
実施例13では、直線切れ刃を転写した加工面を利用して、工具の取付角度とB軸回転中心位置を同定する手法を説明する。
図36は、直線切れ刃である刃先11aが加工している様子を示す。以下、工具の取付角度によって決まる既加工面の微細溝の主な傾斜面の傾きφ^、B軸回転中心と刃先先端との距離であるL^、Z軸に対する傾きとなるβ^を同定する手法を説明する。傾きφ^は、−X軸から反時計回りを正とした角度であり、傾きβ^は、−Z軸からの角度とする。
図37は、同定手法を説明するための図である。移動制御部30は、任意の角度θ1で、刃先11aを前加工面とP1で接触させ、P1のz位置であるz1を検出する。移動制御部30は、同じ姿勢のまま、刃先11aを前加工面とDXずらしたP2で接触させ、P2のz位置であるz2を検出する。
これにより、dz=z2−z1とすると、
φ^=atan(dz/|DX|)
と算出される。この傾き角度が目的形状の傾き角度とずれている場合には、その差分をB軸で補正することでより正確な傾斜面を持つ微細溝加工を最終仕上げで行うことができる。
図39(a)は、B軸をθ1回転させた状態で、傾きφに垂直な方向(Z’軸に平行)に刃先11aを動かして前加工面に接触させた状態を示す。図39(b)は、B軸をθ2回転させた状態で、傾きφに垂直な方向(Z’軸に平行)に刃先11aを動かして前加工面に接触させた状態を示す。θ1、θ2は、反時計回りの角度を正とする。このとき、z値として、それぞれz’1とz’2とが検出される。
Claims (10)
- 切削工具が取り付けられ、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置と、
前記振動装置を対象物に対して相対移動させる送り機構を制御する移動制御部と、
前記振動装置のアクチュエータの振動を制御する振動制御部と、を備え、
前記振動制御部は、振動の制御状況を示す状況値を取得し、状況値の変化にもとづいて切削工具と、対象物との接触を検出する、
ことを特徴とする振動切削装置。 - 前記振動制御部は、状況値として、振動に要する消費エネルギおよび共振周波数の少なくとも1つを取得する、
ことを特徴とする請求項1に記載の振動切削装置。 - 前記振動制御部は、接触位置を特定する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の振動切削装置。 - 切削工具が取り付けられ、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置と、
前記振動装置を被削材または部品に対して相対移動させる送り機構を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は前記送り機構を制御して前記振動装置を相対移動させて、切削工具が被削材または部品に接触したときの座標値を取得する機能を有し、
前記制御部は、旋削加工後の被削材または被削材の回転中心との相対的な位置関係が既知である基準面に対し、旋削加工の際の切削工具の回転角度位置とは異なる少なくとも2つの位置で、切削工具が接触したときの座標値をもとに、切削工具と被削材の回転中心との相対的な位置関係を定める、
ことを特徴とする振動切削装置。 - 切削工具が取り付けられ、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置と、
前記振動装置を被削材または部品に対して相対移動させる送り機構を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は前記送り機構を制御して前記振動装置を相対移動させて、切削工具が被削材または部品に接触したときの座標値を取得する機能を有し、
前記制御部は、被削材の取付面、被削材の送り運動方向、被削材の回転中心の少なくともいずれかとの相対的な位置関係が既知である基準面における接触位置の座標値をもとに、切削工具と、被削材の取付面、被削材の送り運動方向、被削材の回転中心の少なくともいずれかとの相対的な位置関係を定める、
ことを特徴とする振動切削装置。 - 切削工具が取り付けられ、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置と、
前記振動装置を対象物に対して相対移動させる送り機構を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は前記送り機構を制御して前記振動装置を、既知形状をもつ物体に対して相対移動させて、切削工具の刃先が前記物体の既知形状部分に接触したときの座標値を取得する機能を有し、
前記制御部は、前記切削工具の刃先が前記物体の既知形状部分の少なくとも3つの位置で接触したときの座標値をもとに、前記切削工具の刃先に関する情報を特定する、
ことを特徴とする振動切削装置。 - 前記制御部は、取付位置に関する情報として、工具刃先のノーズ半径、工具刃先の中心座標、工具刃先の形状誤差の少なくとも1つを求める、
ことを特徴とする請求項6に記載の振動切削装置。 - 切削工具が取り付けられ、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置と、
前記振動装置を被削材に対して相対移動させる送り機構を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は前記送り機構を制御して前記振動装置を相対移動させて、切削工具が被削材に接触したときの座標値を取得する機能を有し、
前記制御部は、切削加工後の被削材に対し、切削加工の際には利用しなかった移動方向の前記送り機構による送り機能を利用して前記振動装置を相対移動させて、切削工具が少なくとも2つの位置で接触したときの座標値をもとに、切削工具の取付誤差、工具刃先の形状誤差、被削材に対する切削工具の相対移動方向のずれの少なくとも1つを特定する、
ことを特徴とする振動切削装置。 - 前記制御部は、前記振動装置のアクチュエータの振動を制御し、
前記制御部は、振動の制御状況を示す状況値を取得し、状況値の変化にもとづいて切削工具と、被削材または基準面との接触を検出する、
ことを特徴とする請求項4から8のいずれかに記載の振動切削装置。 - コンピュータに、
切削工具が取り付けられ、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置を対象物に対して相対移動させる送り機構を制御する機能と、
前記振動装置のアクチュエータの振動を制御する機能と、を実現させるためのプログラムであって、
振動制御機能は、振動の制御状況を示す状況値を取得し、状況値の変化にもとづいて切削工具と、対象物との接触を検出する機能を含む、
ことを特徴とするプログラム。
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