(57)【要約】【課題】回転加工を行うワークの回転中心を確実に加工することのできる回転体加工方法を提供する。【解決手段】ワークの３次元形状から、前記ワークの回転中心を算出する段階と、  前記ワークの一端を回動自在に保持し、前記ワークの他端を移動させることで前記算出した回転中心に前記ワークの位置合わせを行う段階と、を有することを特徴とする回転体加工方法。【選択図】図２
2007264749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの３次元形状から、前記ワークの回転中心を算出する段階と、
前記ワークの一端を回動自在に保持し、前記ワークの他端を移動させることで前記算出した回転中心に前記ワークの位置合わせを行う段階と、
を有することを特徴とする回転体加工方法。
【請求項２】
前記ワークの回転中心を算出する段階は、
前記ワークの３次元形状を測定した結果を取り込んで、コンピュータの記憶手段に記憶する段階と、
前記ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションにより作成する段階と、
前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して前記記憶した前記ワークの３次元形状から余分な部分を取り除く段階と、
前記余分な部分を取り除いた形状から回転中心を算出する段階と、
を有することを特徴とする請求項１記載の回転体加工方法。
【請求項３】
前記回転中心を算出する段階は、
（ａ）前記余分な部分を取り除いた形状の回転体としてのモーメントを前記回転中心からの距離に応じて配分する段階と、
（ｂ）前記配分したモーメントの重心位置に前記回転中心を近づける段階と、を有し、
前記重心位置と前記近づけた回転中心との関係があらかじめ決められたしきい値以下となるまで、前記（ａ）の段階および前記（ｂ）の段階を繰り返し実行することを特徴とする請求項２記載の回転体加工方法。
【請求項４】
ワークの両端を支持するワーク支持手段と、
前記ワークの３次元形状から前記ワークの回転中心を算出する回転中心算出手段と、を有し、
前記ワーク支持手段は、
前記ワークの一端を支点として回動自在に軸支する第１のチャックと、
前記ワークの他端を軸支して、前記支点を中心にして前記ワークを回動させるように移動自在な第２のチャックと、を有して、前記第２のチャックを移動させて、前記回転中心算出手段により算出された前記回転中心となるように前記ワークを位置合わせすることを特徴とする回転体加工装置。
【請求項５】
前記回転中心算出手段は、
前記ワークの回転加工後の出来上がり形状をシミュレーションし、前記シミュレーションによる出来上がり形状に対して３次元形状測定手段により得られた前記ワークの３次元形状から余分な部分を取り除き、前記余分な部分を取り除いた形状から回転中心を算出することを特徴とする請求項４記載の回転体加工装置。
【請求項６】
前記回転中心算出手段は、
前記余分な部分を取り除いた形状の回転体としてのモーメントを前記回転中心からの距離に応じて配分し、配分したモーメントの重心位置に前記回転中心を近づけることで、前記回転中心を算出することを、前記重心位置と前記近づけた回転中心との関係があらかじめ決められたしきい値以下となるまで繰り返し実行することを特徴とする請求項５記載の回転体加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体加工方法および回転体加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、クランクシャフトなどの複雑な形状の物体の回転加工には、まず、被加工物体であるワークの回転中心を求めてから位置決めして、回転加工することが必要である。回転中心を求めずに回転加工を行うと、仕上げ加工後さらに物体のバランスを取るための加工が追加で必要となる。
【０００３】
そこで、従来このような追加の加工を省くために、ワーク、たとえば鍛造後のクランクシャフトなどの場合、そのワークの代表的な部分を計測して、あらかじめ回転中心を予測するための変換式に測定値を入れることで回転中心を求めていた（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０９−１７４３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法では、回転加工するための中心位置を求めることはできても、その中心位置にこれから加工するワークを正確に位置決めするための手法が考慮されていない。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、回転加工を行うワークの回転中心を成果かうに位置決めすることのできる回転加工装置を提供することである。
【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は、ワークの３次元形状から、前記ワークの回転中心を算出する段階と、前記ワークの一端を回動自在に保持し、前記ワークの他端を移動させることで前記算出した回転中心に前記ワークの位置合わせを行う段階と、を有することを特徴とする回転体加工方法である。
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は、ワークの両端を支持するワーク支持手段と、前記ワークの３次元形状から前記ワークの回転中心を算出する回転中心算出手段と、を有し、前記ワーク支持手段は、前記ワークの一端を支点として回動自在に軸支する第１のチャックと、前記ワークの他端を軸支して、前記支点を中心にして前記ワークを回動させるように移動自在な第２のチャックと、を有して、前記第２のチャックを移動させて、前記回転中心算出手段により算出された前記回転中心となるように前記ワークを位置合わせすることを特徴とする回転体加工装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、３次元形状を測定して得られた形状と、仮想的に作成した出来上がり形状とを比較することで、回転加工の際の回転中心を求めて、求めた回転中心にワークを位置合わせすることとしたので、確実にワークの回転バランスを取った加工を行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
本実施形態では、まず、回転体の回転中心を算出方法について説明し、その後、回転体加工装置について説明する。
【００１１】
図１は、本発明を適用して、回転体の回転中心を算出し、回転体の加工を行うためのシステムを説明するためのブロック図である。
【００１２】
このシステムは、ワークである粗材（加工前ワーク）を３次元計測するための３次元測定機１と、測定された３次元形状とワークの仕上げ加工後の出来上がり形状から、回転中心を予測するコンピュータ２と、ワークを固定して加工を行う回転体加工装置３とからなる。ここでコンピュータ２は回転中心算出手段となり、このコンピュータ２が後述する手順に基づいて作成されたプログラムを実行することで回転体加工中心である回転中心が算出されることになる。
【００１３】
３次元測定機１は、市販されている３次元測定機１を用いることができ、特に限定されない。たとえば、ＣＴスキャナ、レーザ式や超音波式の非接触デジタイザなど、ワークを一定間隔でくまなく計測できるものが好ましい。計測間隔はワークの大きさにもよるが、たとえば長さ５０ｃｍ程度最大径１０ｃｍ程度のクランクシャフトの場合、０．１ｍｍ間隔程度で計測できるものがよい。もちろんさらに大きなワークの場合には、測定間隔は適宜大きくてもよい。
【００１４】
コンピュータ２は、回転中心算出手段となるもので、後述する処理手順によってワークの回転中心を求める。このようなコンピュータは、たとえばパソコンやワークステーションなどを用いることができる。
【００１５】
回転体加工装置３は、本発明を適用したものであり、ワーク（ここでは鍛造後のクランクシャフト）１００を、軸方向の両端であるフロントＦ側とリアＲ側で保持し、それぞれの側を左右（Ｘ方向）、上下（Ｙ方向）に移動可能となっていて、軸支した状態でワーク１００を回転させて切削加工意を行う工作機械である（図３参照）。
【００１６】
このために、回転体加工装置３は、基台１０３上に、フロント側チャック１０１（第１のチャック）と、リア側チャック１０２（第２のチャック）を備えている（詳細後述）。
【００１７】
図２は、コンピュータ２により回転中心を求めるための処理手順を示すフローチャートである。
【００１８】
ここでは、ワークとして鍛造後のクランクシャフトを例に説明する。図３は、ワーク１００であるクランクシャフトを示す斜視図である。
【００１９】
図示するようにクランクシャフトは様々な方向にカウンタウェイトやバランスウェイトが設けられているため、バランスのとれた回転中心がどこにあるかわからない。また、鍛造後の粗材（加工前ワーク）は、鍛造だけでは形成しきれない肉付きがあるため、そのような部分を、回転中心を位置決めした状態で回転加工することで仕上げている。図に示した矢印Ａは回転中心となる位置である。この回転中心は、本実施形態の方法によって加工後の出来上がり回転体としてのバランスのとれた位置として求められる。
【００２０】
以下この回転中心を求めるための処理手順を説明する。
【００２１】
まず、回転体加工装置３にワークを固定する（Ｓ０）。ワークの固定は、回転体加工装置３に、とりあえず見た目で回転中心と思われるところをクランクシャフトのフロント側とリア側を固定する。固定の際、回転中心（Ｚ軸方向）を図３に示したフロントＦ側とリアＲ側のそれぞれにおいてＸ−Ｙ座標上の原点（０点）とする。
【００２２】
次に、ワーク全体を所定間隔で３次元測定する（Ｓ１）。測定結果はコンピュータ２に取り込み、さらに面付けを行ってコンピュータ２の記憶手段に記憶させる（Ｓ２）。ここで記憶手段は、たとえばコンピュータ２内のハードディスクである。
【００２３】
その後、切削工具の切削軌跡をコンピュータ２によりシミュレーションして、回転加工後の仮想の出来上がり形状を求める（Ｓ３）。切削工具は、被加工物体（ここではクランクシャフトのワーク）を回転させながら、その回転に合わせて切削深さを調整することで、被加工物体を加工して最終的な形状に仕上げてゆく。切削深さは被加工物体の回転中心に対して、被加工物体の設計形状からあらかじめ決められている。したがって、切削工具の軌跡をシミュレーションすることにより出来上がり形状がわかるのである。
【００２４】
なお、ここで、切削工具の軌跡をシミュレーションすることにより出来上がり形状を作成しているのは、精度として実際に切削された後の形状と同様のものが仮想的に得られるためである。もちろん、同程度の精度の出来上がり形状が得られるのであれば、設計図などから比較対象とする出来上がり形状を作成してもよい。
【００２５】
続いてコンピュータ２は、シミュレーション出来上がり形状から、３次元計測結果の形状を引き算する（Ｓ４）。この形状の引き算によりシミュレーションによる出来上がり形状に対して測定により得られた３次元形状の余分な部分が取り除かれて実際に加工された後の形状が予測されることになる（これにより得られた形状を出来上がり予測形状と称する）。
【００２６】
その後、余分な部分を取り除いた出来上がり予測形状から回転体としての回転中心を求める。
【００２７】
回転中心を求めるためには、まず、回転の中心軸に対するバランス計算を実行する（Ｓ５）。
【００２８】
バランス計算は、全体のバランスに影響のある部分のみを抜き出して計算すればよい。
【００２９】
図４は、クランクシャフトにおけるバランス計算に必要な部分を抜き出したモデル形状を示す図面である。
【００３０】
クランクシャフトの場合、回転中心から一定距離で円柱形状に加工する部分はバランス計算に影響しないので省くことになる。したがって、図に示すように、クランクシャフトのカウンタウェイトやバランスウェイトなどの部分のみを抜き出した形状があればよいことになる。
【００３１】
バランス計算は、クランクシャフトの複数のカウンタウェイトやバランスウェイトなどの重心位置をモーメントとして前後のバランス位置に振り分けることとした。
【００３２】
図５は、ワークのモーメントを前後のバランス位置に振り分ける方法を説明するための説明図である。
【００３３】
図示するように、カウンタウェイトやバランスウェイトの重心位置を中心位置Ｃ（図では線分Ｃ）からのベクトルＷ１で表し、その長さＷＲ１をとすると、振り分け量は、フロントＦ側がＷＲ１×ａ１／Ｌ、リアＲ側がＷＲ１×ｂ１／Ｌとなる。実際には、後述するように、回転中心を求める際にＸ−Ｙ座標を用いるため、フロントＦ側、リアＲ側ともに、ＸおよびＹ方向の座標値からＷＲｘおよびＷＲｙを求めておいて、それぞれフロントＦ側がＷＲ１ｘ×ａ／Ｌ、ＷＲ１ｙ×ａ／ＬとリアＲ側がＷＲ１ｘ×ｂ／Ｌ、ＷＲ１ｙ×ｂ／Ｌを求めることになる。
【００３４】
なお、Ｗ２についても同様であり、さらに図６はＷ１およびＷ２の２つを示したが、実際には、複数のカウンタウェイトやバランスウェイトの数だけぞれぞれモーメントを振り分けることになる。
【００３５】
このようにして複数のモーメントを振り分けたＸ−Ｙ座標位置を狙い目の中心位置Ｘ，Ｙとする。
【００３６】
そして、バランス計算で求めた狙い目の中心位置Ｘ，Ｙとなるように回転中心を算出する（Ｓ６）。
【００３７】
図６は、回転中心の算出方法を説明する説明図である。
【００３８】
回転中心は、先のバランス計算に必要な部分を抜き出したモデル形状を図６に示すように回転軸方向から串刺した方向から見てその重量中心を計算する。この値をｘ，ｙとする。なお、図において中心位置が２つあるのは、フロント側から見た中心と、リア側から見た中心を同一面内に重ねたためである。つまり、図４において、軸の中心をＺ軸方向とすると、Ｘ−Ｙ平面において、クランクシャフトの中心位置がフロント側とリア側とで異なるためである。図においてフロント側中心位置をＦｃ、リア側中心位置をＲｃとして示す。また、各線は図４において抜き出したそれぞれの部分の外形線である。
【００３９】
そして求めたｘ，ｙの位置を先に求めたＸ，Ｙの位置に近づける。これをフロント側とリア側の両方について行う。そうするとＸ，Ｙを求めたときの中心位置Ｃの位置が違ってくるので、再度モーメントとの振り分けを行って、Ｘ，Ｙの値を計算し直す。そして、再び中心位置Ｃを再計算されたＸ，Ｙに近づける。すなわち、計算としては、下記（１）式の値が最も小さくなるまで、繰り返しＸ，Ｙの再計算を行うことになる。
【００４０】
（（Ｘ−ｘ）２＋（Ｙ−ｙ）２）（１／２）…（１）
ただし、実際には、（１）式の値が最も小さくなるまで計算するのは無限の計算の繰り返しになる可能性があるため、実験計画法などにより徐々に中心位置ｘ，ｙの値を変更してゆき、最終的にあらかじめ決められたしきい値以下となればそのときのｘ，ｙの値を回転中心と決定すればよい。なお、このときのしきい値は、たとえば、実際の製品によってモーメントの距離ＷＲとその製品の中心位置Ｃ（実際の製品では軸穴が開いている位置の中心となる）とを求めて、（１）式の値を取り、その値をしきい値とすればよい。
【００４１】
そして、（１）式の値がしきい値以下となれば（Ｓ７：Ｙｅｓ）、最後に、３次元計測で得られた形状を求めた中心位置により回転させて、切削工具の切削軌跡と重ね合わせて、切削可能か否かを判断して（Ｓ８）終了する。ここでの判断は、３次元計測で得られた形状の方が切削工具の切削軌跡の形状より少なくなっている部分があれば切削不能と判断することになる。なお、切削不能となった場合にはその旨をコンピュータのディスプレイなどに表示する（Ｓ１０）。
【００４２】
Ｓ８において、異常がなければ、求めた中心位置となるように、ワークを固定している切削加工機械３のフロント側とリア側の位置を最終的に得られたｘ，ｙの位置となるように調整する（Ｓ９）。これにより、クランクシャフトの実際の加工後の出来上がり形状がバランスのとれたものとなる。
【００４３】
図７は、回転体加工装置３のチャック部分の詳細を示す図面であり、（ａ）はフロント側チャック１０１を示し、（ｂ）はリア側チャック１０２を示す。
【００４４】
また図８は、ワークをチャックした状態を説明するための説明図である。
【００４５】
この回転体加工装置３のチャック部分は、一方が２点支持、他方が４点支持となるようにしている。本実施形態では、フロント側チャック１０１を２点支持とし、リア側チャック１０２を４点支持としている。もちろん逆であってもよい。
【００４６】
そして、リア側チャック１０２は、ワークを４点支持した状態で、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動可能となっている。一方、フロント側チャック１０１は、ワークを軸支した状態でチャック自体が移動する必要はない。
【００４７】
リア側チャック１０２の移動手段としては、図示しないが、たとえばリア側チャック１０２全体をＸ軸方向させるためのボールねじ機構と、Ｙ軸方向させるためのボールねじ機構などを備えていればよい。
【００４８】
フロント側チャック１０１のチャック部１１１は、逆楔形形状をしており、ワークにチャック部１１１が完全に密着するのではなく、リア側がＸ軸および／またはＹ軸方向に移動させられた場合に、フロント側の中心位置Ｆｃ（図８参照）を支点として回動可能となっている。このため、回動しやすいようにフロント側チャック１０１は、２点支持としているものである。
【００４９】
一方、リア側チャック１０２のチャック部１２１は、ワークが脱落することなく、ワークを保持して回動させることができるように、４点支持としているのである。
【００５０】
これにより、図８に示すように、ワーク１００は、リア側チャック１０２の動きにより、フロント側の中心位置Ｆｃを支点として、矢印ＡおよびＢ方向に回動自在となっている。また、このリア側チャック１０２の動きにより、図示Ｃを中心としたワーク全体を回転させることが可能となる。なお、図示Ｃを中心としたワーク全体を回転範囲は、リア側チャック１０２の動作範囲によって規定される。
【００５１】
このような回転体加工装置３を用いて、先に説明したように最終的に得られた回転中心ｘ，ｙでのワークの位置合わせが行われる。
【００５２】
この位置合わせは、まず、フロント側チャック１０１の中心位置Ｆｃと、中心位置算出の際に用いたフロント側座標系の原点と一致させるように座標系の位置合わせを行うと共に、この座標系の位置合わせを行った分だけリア側においても座標系の移動を行う。
【００５３】
たとえば、フロント側の求められた中心位置がコンピュータ内の座標系においてｘ，ｙ＝１、２であったとする。そうすると回転体加工装置３のフロント側の座標系合わせのためには、このフロント側の求められた中心位置の座標値をｘ−１、ｙ−２とすればよい。これで、フロント側の求められた中心位置が、回転体加工装置３のフロント側の座標系の原点Ｆｃの位置と一致する。そしてこれに合わせるためにリア側の求められた中心位置ｘ，ｙもｘ−１、ｙ−２とすればよい（いうまでもないが、ここで示した「１、２」などの数値は、本実施形態を説明するためのものであって、本発明を限定するものではない。また実際の運用に当たっては、コンピュータ２および回転体加工装置３において用いられている座標値が用いられることになる）。
【００５４】
このようにしてコンピュータ２内のフロント側およびリア側のそれぞれ座標系と、回転体加工装置３におけるフロント側およびリア側のそれぞれ座標系を合わせることができる。そして、この座標合わせによって、フロント側の回転中心は先に算出された回転中心に一致したことになる。
【００５５】
そこで、座標合わせ後のリア側の座標値を用いて、回転体加工装置３のリア側チャック１０２を移動させる。これによりリア側も前述のようにして求められた回転中心の位置に位置合わせされることになる。
【００５６】
なお、このような座標変換と位置調整はコンピュータ２からの制御によってリア側のチャック１０２を移動させるボールねじ機構を動作させて、自動的に位置合わせを行うようにすると便利である。もちろん、コンピュータに示されたフロント側とリア側の回転中心座標を読み取って摺動により回転体加工装置３のリア側のチャック１０２を移動させて位置合わせを行う世にしてもよい。
【００５７】
以上のようにして回転中心の位置合わせを行った後、ワーク１００の両端（フロント側およびリア側）に、図８に示したＺ軸方向に中心穴あけ加工を行うことで、ワーク１００に対して中心位置出しの穴あけを行うことができる。これにより形成された中心穴は、ワーク１００を回転体として切削加工を行った後の出来上がり形状におけるバランスのとれた中心位置となる。
【００５８】
また、回転体として切削加工をこの回転体加工装置３においてそのまま行ってもよいし、また、中心穴あけ加工後、さらにこの中心穴を他の工作機械などで軸支して別途切削加工を行うようにしても出来上がりの形状は、回転体としてバランスのとれた形状に仕上がる。
【００５９】
以上説明した本実施形態によれば、３次元形状を測定して得られた形状と、コンピュータ内において仮想的に作成した切削加工後の形状とを比較することで、回転加工の際の回転中心を求めて、求めた回転中止に値にワークの位置合わせを行うこととしたので、精度よく回転中心を得ることができ、ワークの加工後においてもバランスの再調整を行うことなく使用することが可能となる。
【００６０】
また、本実施形態による回転体加工装置は、ワークの一端を回動可能に軸支した状態で、まずこちら側の回転中止にちと求めた回転中心位置の座標系を合わせて、それに応じて他端側の座標を合わせた上で、他端側の位置合わせを行うようにしたので、一方のチャック（本実施形態ではフロント側チャック）は、ワークの一端を回動可能に軸支できるものであればよいので、装置構成が簡単である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、鍛造品、プレス加工品など様々なワークを仕上げ加工する際の中心位置出しに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明を適用した回転体加工中心を算出するためのシステムを説明するためのブロック図である。
【図２】本発明を適用して、このコンピュータにより回転中心を求めるための処理手順を示すフローチャートである。
【図３】クランクシャフトを示す斜視図である。
【図４】クランクシャフトにおけるバランス計算に必要な部分を抜き出したモデル形状を示す図面である。
【図５】ワークのモーメントを前後のバランス位置に振り分ける方法を説明するための説明図である。
【図６】回転中心の算出方法を説明する説明図である。
【図７】回転体加工装置のチャック部分の詳細を示す図面であり、（ａ）はフロント側チャック１０１を示し、（ｂ）はリア側チャック１０２を示す。
【図８】ワークをチャックした状態を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１…３次元測定機、
２…コンピュータ、
３…回転体加工装置。
【図１】
2007264749.tif 000003
【図２】
2007264749.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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【図７】
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【図８】
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