(57)【要約】【課題】短時間で被加工物の加工精度を予測すること。【解決手段】工具の切削条件及び材料特性と被加工物の材料特性とに基づいて工具の切削力を算出し、工具の切削条件及び材料特性と被加工物の材料特性と加工装置と工具とを一体としたときの振動特性とに基づいて該切削条件におけるコンプライアンスを算出し、工具の切削力とコンプライアンスとに基づいて無負荷時における工具の変位量を算出し、工具の切削力とコンプライアンスと無負荷時のける工具の変位量とに基づいて加工装置の主軸に工具を装着した状態におけるＸ軸及びＹ軸方向の被加工物の加工点近傍における工具の先端の変位量を夫々算出し、該算出したＸ軸方向の変位量ＸとＹ軸方向の変位量Ｙとの差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜を算出し、該算出した差分の絶対値に基づいて被加工物の加工精度を算出する。【選択図】図２
2018128962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工装置の主軸に装着した工具により被加工物の加工を行った場合の該被加工物の加工精度を予測する加工精度予測方法であって、
前記工具の切削条件と、前記被加工物の材料特性と、前記工具の材料特性と、に基づいて、前記工具の切削力を算出するステップと、
前記工具の切削条件と、前記被加工物の材料特性と、前記工具の材料特性と、前記加工装置と前記工具とを一体としたときの振動特性と、に基づいて、該切削条件におけるコンプライアンスを算出するステップと、
前記算出した工具の切削力と、前記コンプライアンスと、に基づいて、無負荷時における前記工具の変位量を算出するステップと、
前記算出した工具の切削力と、前記コンプライアンスと、前記無負荷時のける工具の変位量と、に基づいて、前記加工装置の主軸に前記工具を装着した状態におけるＸ軸及びＹ軸方向の、前記被加工物の加工点近傍における前記工具の先端の変位量を夫々算出し、該算出したＸ軸方向の変位量ＸとＹ軸方向の変位量Ｙとの差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜を算出するステップと、
該算出した差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜に基づいて、前記被加工物の加工精度を算出するステップと、
を含む、
ことを特徴とする加工精度予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物の加工精度を予測する加工精度予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
主軸に装着した工具を用いて加工を行い、加工時に発生したびびり振動を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０２３１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記方法においては、加工条件を何度も変えて、実際にびびり振動が抑制されたかを確認する必要が生じる。同様に加工精度を予測する場合も、加工条件などを何度も変え、多くの時間を要する虞がある。
【０００５】
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、短時間で被加工物の加工精度を予測できる加工精度予測方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
加工装置の主軸に装着した工具により被加工物の加工を行った場合の該被加工物の加工精度を予測する加工精度予測方法であって、
前記工具の切削条件と、前記工具の材料特性と、前記被加工物の材料特性と、に基づいて、前記工具の切削力を算出するステップと、
前記工具の切削条件と、前記被加工物の材料特性と、前記工具の材料特性と、前記加工装置と前記工具とを一体としたときの振動特性と、に基づいて、該切削条件におけるコンプライアンスを算出するステップと、
前記算出した工具の切削力と、前記コンプライアンスと、に基づいて、無負荷時における前記工具の変位量を算出するステップと、
前記算出した工具の切削力と、前記コンプライアンスと、前記無負荷時における工具の変位量と、に基づいて、前記加工装置の主軸に前記工具を装着した状態におけるＸ軸及びＹ軸方向の、前記被加工物の加工点近傍における前記工具の先端の変位量を夫々算出し、該算出したＸ軸方向の変位量ＸとＹ軸方向の変位量Ｙとの差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜を算出するステップと、
該算出した差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜に基づいて、前記被加工物の加工精度を算出するステップと、
を含む、
ことを特徴とする加工精度予測方法
である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、短時間で被加工物の加工精度を予測できる加工精度予測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る加工装置の概略的構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る加工精度予測装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図３】周波数とコンプライアンスとの振動特性図の一例を示す図である。
【図４】（ａ）Ｘ軸方向のコンプライアンスの一例を示す図である。（ｂ）Ｙ軸方向のコンプライアンスの一例を示す図である。
【図５】コンプライアンスと無負荷主軸変位量との関係式の係数を算出する方法を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る加工精度予測方法のフローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る加工装置の概略的構成を示す図である。本実施形態に係る加工装置１００は、主軸１０２に装着した工具１０１を回転させて被加工物Ｘの加工を行う。本発明の一実施形態に係る加工精度予測装置１は、その加工装置１００の工具１０１により被加工物の加工を行った場合の該被加工物の加工精度を予測する。
【００１０】
加工精度予測装置１は、例えば、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１ａ、ＣＰＵ１ａによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１ｃなどからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ１ａ、メモリ１ｂ及びインターフェイス部１ｃは、データバス１ｄを介して相互に接続されている。
【００１１】
加工装置１００は、例えば、上方に設けた主軸頭に回転自在な主軸１０２を設け、その主軸１０２に取り付けた工具１０１によって下方の加工テーブル上にセットされた被加工物Ｘを加工する構成である。
【００１２】
なお、本実施形態において、加工装置１００と加工精度予測装置１とは別体として構成されているが、これに限定されず、例えば、加工精度予測装置１は、加工装置１００の制御装置と一体で構成されていてもよい。
【００１３】
図２は、本発明の一実施形態に係る加工精度予測装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る加工精度予測装置１は、切削力算出部２と、振動特性算出部３と、コンプライアンス算出部４と、工具変位量算出部５と、精度算出部６と、を備えている。
【００１４】
切削力算出部２は、加工装置１００の工具１０１の切削条件と、工具１０１の材料特性と、被加工物の材料特性と、に基づいて、周知のＣＡＥ（Computer Aided Engineering）や切削力算出式を用いて、工具１０１の切削力を算出する。例えば、工具１０１の切削条件は、工具１０１の回転数、送り量、取り代、刃数（工具刃数）などを含む。工具１０１の材料特性は、工具１０１のヤング率、応力ひずみ線図、熱特性などを含む。被加工物の材料特性は、被加工物のヤング率、応力ひずみ線図、熱特性などを含む。上記切削条件及び材料特性は、例えば、メモリ１ｂになどに予め設定されている。
【００１５】
振動特性算出部３は、加工装置１００の主軸１０２の振動特性モデルと、工具１０１のＣＡＥモデルと、被加工物の材料特性と、に基づいて、加工装置１００と工具１０１とを一体としたときの振動特性（以下、装置工具振動特性）を算出する。
【００１６】
装置工具振動特性は、例えば、図３に示すような横軸を主軸１０２の周波数（Ｈｚ）とし、縦軸を主軸１０２のコンプライアンス（μｍ／Ｎ）とした、周波数とコンプライアンス（変位／力であり、動剛性の逆数）との関係を示す振動特性図である。
なお、上記振動特性モデル、及びＣＡＥモデルは、例えば、メモリ１ｂになどに予め設定されている。
【００１７】
コンプライアンス算出部４は、メモリ１ｂに記憶された工具１０１の切削条件と、メモリ１ｂに記憶された被加工物の材料特性と、メモリ１ｂに記憶された工具１０１の材料特性と、振動特性算出部３により算出された装置工具振動特性と、に基づいて、その切削条件におけるコンプライアンスを算出する。
【００１８】
例えば、コンプライアンス算出部４は、加工装置１００が穴あけ加工を行う場合、切削条件（主軸１０２の回転数、工具刃数）に基づいて、下記式を用いて周波数（回転数）を算出する。
周波数＝主軸の回転数×工具刃数／６０
【００１９】
コンプライアンス算出部４は、算出した周波数と、振動特性算出部３により算出された装置工具振動特性と、に基づいて、Ｘ軸及びＹ軸方向のコンプライアンスをそれぞれ算出する。図４（ａ）及び（ｂ）は、上述のようにして、算出したＸ軸及びＹ軸方向のコンプライアンスの一例を示す図である。周波数は８３．３Ｈｚであり、その周波数における、Ｘ軸方向のコンプライアンスは、０．２３μｍ／Ｎであり（図４（ａ））、Ｙ軸方向のコンプライアンスは、０．２１μｍ／Ｎである（図４（ｂ））。
【００２０】
工具変位量算出部５は、切削力算出部２により算出された工具１０１の切削力と、コンプライアンス算出部４により算出されたコンプライアンスと、に基づいて、無負荷時における工具１０１の変位量（以下、無負荷工具変位量）を算出する。
【００２１】
例えば、工具変位量算出部５は、振動特性算出部３により算出された装置工具振動特性（振動特性図）に基づいて、コンプライアンスの最大値及び最小値を含む複数の周波数（主軸１０２の回転数）を選定する。
【００２２】
工具変位量算出部５は、選定した各回転数における、無負荷時の主軸１０２の変位量（以下、無負荷主軸変位量）を算出する。工具変位量算出部５は、例えば、主軸１０２に取付けられた加速度センサにより検出された加速度値に基づいて、無負荷主軸変位量を算出する。
【００２３】
工具変位量算出部５は、算出した無負荷主軸変位量と、その無負荷主軸変位量に対応する周波数のコンプライアンスと、に基づいて、最小二乗法などを用いて（図５）、コンプライアンスＣと無負荷主軸変位量Ｌとの関係式Ｌ＝ａＣの係数ａを算出する。なお、係数ａは、例えば、工具１０１に依存する係数であり、予めメモリ１ｂなどに設定されていてもよい。
【００２４】
ここで、下記関係が成立する。
無負荷主軸変位量＝ａ×コンプライアンス    （１）式
工具変位量＝コンプライアンス×工具の切削力＋無負荷工具変位量    （２）式
主軸変位量＝ｉ×工具変位量    （３）式
主軸変位量＝無負荷主軸変位量＋切削力主軸変位量（４）式
【００２５】
なお、加工中の主軸変位量は、主軸１０２や工具１０１のアンバランスによる遠心力等に起因した無負荷主軸変位量と、被加工物と工具１０１が接して発生する切削力に起因した切削力主軸変位量の和である、という考えから上記（４）式が成立する。
上記（１）乃至（４）式から下記（５）式が導出できる。
ｉ＝切削力主軸変位量／（コンプライアンス×工具の切削力）      （５）式
【００２６】
上記ｉは、例えば、加工装置１００の主軸１０２の剛性、工具１０１の剛性、主軸１０２の回転数に基づいた係数である。上記主軸変位量は、工具１０１が被加工物に当たる前に空転している時の工具１０１の変位量であり、主軸１０２に取付けられた加速度センサにより検出された加速度値に基づいて、算出される。
【００２７】
工具変位量算出部５は、切削力算出部２により算出された工具１０１の切削力と、コンプライアンス算出部４により算出されたコンプライアンスと、に基づいて、上記（２）式、（３）式、及び（５）式を用いて、無負荷工具変位量を算出する。
【００２８】
精度算出部６は、切削力算出部２により算出された工具１０１の切削力と、コンプライアンス算出部４により算出されたコンプライアンスと、工具変位量算出部５により算出された無負荷工具変位量と、に基づいて、下記式を用いて、加工装置１００の主軸１０２に工具１０１を装着した状態におけるＸ軸及びＹ軸方向の、加工点の近傍（加工点から所定距離）における工具先端の変位量（以下、工具先端変位量）を算出する。
工具先端変位量＝コンプライアンス×工具の切削力＋無負荷工具変位量
【００２９】
精度算出部６は、算出したＸ軸方向の工具先端変位量ＸとＹ軸方向の工具先端変位量Ｙとの差分の絶対値Ｚ＝｜Ｘ−Ｙ｜（以下、差分絶対値Ｚ）を算出する。精度算出部６は、算出した差分絶対値Ｚと、差分絶対値Ｚと被加工物の加工精度Ｐとの関係を示す関数Ｐ＝ｆ（Ｚ）と、に基づいて、被加工物の加工精度Ｐを算出する。
【００３０】
上記関数Ｐ＝ｆ（Ｚ）は、例えば、ユーザが、予め設定した複数の差分絶対値の条件で加工を行ったときの被加工物の各加工精度を計測し、差分絶対値と被加工物の加工精度との関係を関数化したものである。関数Ｐ＝ｆ（Ｚ）は、メモリ１ｂなどに予め設定されている。このように、差分絶対値（工具先端変位量）と被加工物の加工精度との関係を予め求めることができる。
【００３１】
ところで、従来、被加工物の加工精度を予測する場合、例えば、加工条件などを何度も変え、多くの時間を要する虞がある。
【００３２】
これに対し本実施形態に係る加工精度予測装置１において、切削力算出部２は、工具１０１の切削条件と、工具１０１の材料特性と、被加工物の材料特性と、に基づいて、工具１０１の切削力を算出する。コンプライアンス算出部４は、算出された工具１０１の切削条件と、工具１０１の材料特性と、被加工物の材料特性と、装置工具振動特性と、に基づいて、該切削条件におけるコンプライアンスを算出する。工具変位量算出部５は、算出されたコンプライアンスと、算出された工具１０１の切削力と、に基づいて、無負荷工具変位量を算出する。精度算出部６は、算出された工具１０１の切削力と、コンプライアンスと、無負荷工具変位量と、に基づいて、加工装置１００の主軸１０２に工具１０１を装着した状態におけるＸ軸及びＹ軸方向の、被加工物の加工点近傍における工具先端変位量を夫々算出し、該算出したＸ軸方向の工具先端変位量ＸとＹ軸方向の工具先端変位量Ｙとの差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜を算出し、該算出した差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜に基づいて、被加工物の加工精度を算出する。
【００３３】
これにより、事前に設定された工具１０１の切削条件、被加工物の材料特性、装置工具振動特性などに基づいて被加工物の加工精度を容易に予測できる。したがって、加工条件などを変える必要がないため、短時間で被加工物の加工精度を予測できる。
【００３４】
図６は、本実施形態に係る加工精度予測方法のフローを示すフローチャートである。
切削力算出部２は、メモリ１ｂに記憶された加工装置１００の工具１０１の切削条件と、被加工物の材料特性と、工具１０１の材料特性と、に基づいて、ＣＡＥや切削力算出式などを用いて、工具１０１の切削力を算出する（ステップＳ１０１）。
【００３５】
振動特性算出部３は、メモリ１ｂに記憶された加工装置１００の主軸１０２の振動特性モデルと、工具１０１のＣＡＥモデルと、被加工物の材料特性と、に基づいて、装置工具振動特性を算出する（ステップＳ１０２）。
【００３６】
コンプライアンス算出部４は、メモリ１ｂに記憶された工具１０１の切削条件と、メモリ１ｂに記憶された被加工物の材料特性と、工具１０１の材料特性と、振動特性算出部３により算出された装置工具振動特性と、に基づいて、その切削条件におけるコンプライアンスを算出する（ステップＳ１０３）。
【００３７】
工具変位量算出部５は、切削力算出部２により算出された工具１０１の切削力と、コンプライアンス算出部４により算出されたコンプライアンスと、に基づいて、無負荷工具変位量を算出する（ステップＳ１０４）。
【００３８】
精度算出部６は、切削力算出部２により算出された工具１０１の切削力と、コンプライアンス算出部４により算出されたコンプライアンスと、工具変位量算出部５により算出された無負荷工具変位量と、に基づいて、加工装置１００の主軸１０２に工具１０１を装着した状態におけるＸ軸及びＹ軸方向の、加工点近傍における工具先端変位量（Ｘ、Ｙ）を算出する（ステップＳ１０５）。
【００３９】
精度算出部６は、算出したＸ軸方向の工具先端変位量ＸとＹ軸方向の工具先端変位量Ｙとの差分絶対値Ｚ＝｜Ｘ−Ｙ｜を算出する（ステップＳ１０６）。
【００４０】
精度算出部６は、算出した差分絶対値Ｚと、メモリ１ｂに設定された関数Ｐ＝ｆ（Ｚ）と、に基づいて、被加工物の加工精度Ｐを算出する（ステップＳ１０７）。
【００４１】
以上、本実施形態に係る加工精度予測方法において、工具１０１の切削条件と、被加工物の材料特性と、工具１０１の材料特性と、に基づいて、工具１０１の切削力を算出し、工具１０１の切削条件と、被加工物の材料特性と、工具１０１の材料特性と、装置工具振動特性と、に基づいて、該切削条件におけるコンプライアンスを算出し、算出した工具１０１の切削力と、コンプライアンスと、に基づいて、無負荷工具変位量を算出し、算出した工具１０１の切削力と、コンプライアンスと、無負荷工具変位量と、に基づいて、加工装置１００の主軸１０２に工具１０１を装着した状態におけるＸ軸及びＹ軸方向の、被加工物の加工点近傍における工具先端変位量を夫々算出し、該算出したＸ軸方向の工具先端変位量ＸとＹ軸方向の工具先端変位量Ｙとの差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜を算出し、該算出した差分の絶対値｜Ｘ−Ｙ｜に基づいて、被加工物の加工精度を算出する。
【００４２】
これにより、事前に設定された工具１０１の切削条件、被加工物の材料特性、装置工具振動特性などに基づいて被加工物の加工精度を容易に予測できる。したがって、加工条件などを変える必要がないため、短時間で被加工物の加工精度を予測できる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００４４】
例えば、上記実施形態において、加工精度予測装置１は、振動特性算出部３を有しない構成であってもよい。この場合、装置工具振動特性は、例えば、加工精度予測装置１のメモリ１ｂなどに予め設定されていてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  加工精度予測装置、２  切削力算出部、３  振動特性算出部、４  コンプライアンス算出部、５  工具変位量算出部、６  精度算出部、１００  加工装置、１０１  工具、１０２  主軸
【図１】
2018128962.tif 000003
【図２】
2018128962.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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