JP2009538744A - 旋削加工を制御する方法、および旋削加工に適したｎｃ機械 - Google Patents

Abstract

切れ刃（１６）を備える工具（１０）が工作物（１８）に作用する、旋削加工に適している現代の機械は、工具がそれを中心として全体として回転可能であるところのＢ回転軸と、回転時に工具が独自の軸を中心として回転するＣ回転軸とを有する。ソフトウェアは、従来、このような回転軸の提供に足並みを揃えることができていない。そこで、それぞれ０°の回転に相当する回転軸の基本位置を基準とする工具のジオメトリーとポジションを設定する入力データに応じて機械に対する制御命令を生成するソフトウェアが利用される。そしてこのソフトウェアに、特定の量（切れ刃姿勢、主切込み方向、取付具角、逃げ角）を算出するソフトウェアが増設される。そしてこれらの量から、基本ソフトウェアのための入力データが導き出される。工具が回転すると、ジオメトリーの違う新たな工具が用意されたというシミュレーションが、計算ステップによって行われる。基本ソフトウェアは、工作物の正しい加工が行われるように、工具に対する制御命令を提供することができる。

Description

本発明は、切れ刃を備える工具が工作物に作用する、制御装置によって数値制御される機械、特に旋盤による旋削加工を制御する方法に関するものであり、工具がそれを中心として全体として回転可能であるところの第１の（Ｂ）回転軸が用意されると共に、回転時に工具が独自の軸を中心として回転する第２の（Ｃ）回転軸が用意されている。本発明は、請求項４の前提項に記載されている、制御装置によって数値制御される旋削加工に適した機械も対象としている。

旋盤または一般的に旋削加工に適している機械（フライス機械であってもよい）は、切れ刃を備える工具を全体として回転させる手段を有する場合がますます増え（Ｂ回転軸）、一部では、独自の軸を中心として回転させる手段がさらに追加されている（Ｃ回転軸）。

旋削加工における制御の技術的発展は、このような回転軸の提供に必ずしも足並みを揃えることができていない。前述した回転軸を有さない旋削加工に適した機械では、入力データとして工具の形状（ジオメトリー）とそのポジション／位置を必要とするソフトウェアを利用できるのに対して、前述した両方の回転軸を有する機械にはそのようなソフトウェアは存在しない。そこで従来技術では、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ／ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇすなわちコンピュータ支援式の設計もしくは製造）を用いてデータが前処理され、個々のサイクル（数値制御式の機械作業における加工ステップ）が準備される。

数値制御式の機械の制御装置で、回転軸を中心とする回転も考慮することができるならば、そのほうが望ましいはずである。

欧州特許出願公開第１２１７４８１Ａ１号明細書には、工具の回転角に依存して、その移動の値が２つの座標方向で算出されて表示される、裁断機械のための制御装置が記載されている。

欧州特許出願公開第１２３５１２５Ａ２号明細書には、切れ刃エッジから回転軸までの工具の長さが工具の回転のときに考慮される、裁断機械のための制御装置が記載されている。

本発明の課題は、制御装置が全面的に制御命令を生成し、その際に両方の回転軸を中心とする回転を考慮するように改良されている冒頭に述べた分野の旋削加工を制御する方法、もしくは請求項４の前提項に記載された旋削加工に適した機械を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の構成要件を備える方法によって解決され、および、請求項４に記載の構成要件を備える旋削加工に適した機械によって解決される。

すなわち、本発明による方法は次のステップを含む。
ａ）工具のジオメトリーとポジションを回転軸の基本位置を基準として設定する入力データに応じて機械に対する制御命令を生成するソフトウェアを制御装置に用意し、
ｂ）回転軸が基本位置にあるときの工具の切れ刃姿勢、主切込み方向、逃げ角、取付具角を制御装置によって判定または設定し、
ｃ）回転軸を中心とする回転によって工具を任意の加工位置へ移し、回転軸の基本位置と比較したときの回転軸を中心とする回転角を判定し、
ｄ）加工位置にある工具の切れ刃姿勢、主切込み方向、逃げ角、取付具角を制御装置により算出し、
ｅ）加工位置にある現実の工具を基本位置にある改変された（仮想の）工具へと再定義することで、ステップｄ）で算出したデータを、ステップａ）で用意したソフトウェアに対する入力データへと制御装置により換算し、
ｆ）ステップａ）で用意されたソフトウェアによって加工位置にある工具に対する制御命令を生成する。

このように本発明は、全面的に新しいソフトウェアを提供するのではない。むしろ既存のソフトウェアが活用される。回転軸の基本位置を基準として定義される入力データを利用するソフトウェアは、回転軸の位置を全く顧慮しないソフトウェアに他ならない。ステップｄ）で算出されるデータが、ステップｂ）で判定された（もしくは同じく算出された）データと対比されることにより、換算ステップｅ）が可能となる。このとき、いわば「新たな」工具が定義され、すなわち、現実の工具が改変された工具へと仮想的に換算され、この場合、改変された工具は基本位置の視点から設定されている。換言すると、回転軸を中心とする回転は、入力データに関して言えば工具の変化をもたらすものであり、すなわち工具のジオメトリーとポジションが変化する。このようにして、回転を入力データへマッピングすることが可能となり、それにより、回転軸を中心とする回転を想定していない、ステップａ）で用意されるソフトウェアを利用することができる（ステップｆ））。

例えば基本位置としていわゆる姿勢２（図２参照）が定義され、その際に使用される姿勢の名称は、数値制御式の機械で標準化されている姿勢名称であるのがよい。

１つの好ましい実施形態では、入力データは、特にジオメトリーに関する入力データは、工具の長さを含む。このような工具の長さは、入力データとして利用される長さである。このとき切れ刃は面取りされているが、計算に利用されるべき切れ刃としては、面取りのないモデル的な切れ刃が使用されるものと想定される。長さは、モデル的な切れ刃を対象とするものである。加工位置のときの切れ刃姿勢が基本位置のときの切れ刃姿勢と異なっているときは、長さの計算にあたって、ステップｅ）に準じて切れ刃の面取りが考慮される。その理由は、モデル的な切れ刃は工具の姿勢に応じて変わるため、モデル的な切れ刃によって定義される長さも変更せざるを得ないからである。

旋削加工に適した本発明の機械は、制御ユニットに、
ａ）第１および第２の回転軸を備えていない機械について工具のジオメトリーとポジションを設定する入力データから制御命令を生成することができる基本ソフトウェアが格納され、
ｂ）回転軸のための制御ソフトウェアが格納され、
ｃ）工具の切れ刃姿勢、主切込み方向、逃げ角、取付具角を、回転軸の回転によって定義される任意の加工位置で算出することができ、これを基本ソフトウェアのための入力データへと換算することができる、増設されたソフトウェアが格納されていることを特徴としている。
以上の記載は、制御ユニットがどのように作動しなければならないかを示している。基本ソフトウェアそれ自体は、両方の回転軸を中心とする回転が考慮されない、従来技術で周知となっているソフトウェアである。このソフトウェアに、回転軸を中心として回転したときも加工ステップが正しく実行されるように、入力データを基本ソフトウェアに提供する特別なソフトウェアが増設されている。回転軸の本来の回転のために、制御ソフトウェアが用意されている。

次に、本発明について、特に本発明のために必要となる概念規定について、図面を参照しながら詳しく説明する。

本発明は、一般に、図１に示す構造を備える機械を対象とするものである。すなわちシャンク１２を備える工具１０と、切れ刃１６を有するチップ１４が工作物１８を加工する。このような機械は旋盤であってよい。現代のフライス機械も同じ機能性を有し、すなわち旋削加工を行うのに適している。旋盤では、工具１０がそれを中心として全体的に、すなわちシャンク１２と共に回転可能であるところの第１の回転軸、いわゆるＢ回転軸が用意されている。図１には、工具がβ＝３０°の角度だけＢ回転軸を中心として回転した加工位置が図示されている。さらに、それ自体を中心とする工具の回転を可能にする第２の回転軸、いわゆるＣ回転軸が用意されている。図示されているのは、回転角γ＝０°であるＣ回転軸の基本位置を占めている加工位置である。

数値制御式の機械では、通常、８つの切れ刃姿勢が定義される（９番目の切れ刃姿勢がある場合もあるが、これはいずれの加工位置にも対応しない）。これら８つの切れ刃姿勢が、工作物１８の座標系と対照させて図２に示されている。図示されているのは座標系のｘ軸とｙ軸である。この座標系を基準として、主切込み方向も定義される。主切込み方向とは、切れ刃１６もしくは場合により工具１０全体が運動する方向である。図２に示す主切込み方向１は−ｘ方向の運動に相当し、主切込み方向２は＋ｘ方向の運動に相当し、図２に示す主切込み方向３は−ｚ方向の運動に相当し、主切込み方向４は＋ｚ方向の運動に相当している。

次に、本発明で使用する上記以外の量である取付具角と逃げ角について、図３を参照して説明する。図示されているのは、切れ刃姿勢３のときの切れ刃１６を備える工具チップ１４である。主切込み方向は−ｚ方向である。取付具角は、切れ刃１６すなわちチップ１４と、主切込み方向により定義される線との間の角度である。逃げ角は、チップ１４と逆の主切込み方向との間の角度であり、すなわち本例ではチップ１４と＋ｚ軸の間の角度である。チップ角は、取付具角および逃げ角と合わせて１８０°をなす。本発明では、特許請求の範囲において逃げ角と取付具角の算定について記載されている。その場合、チップ角が測定され、取付具角または逃げ角のいずれか一方だけが求められ、もう一方の角度は自動的に同時に定義されて計算可能となるような場合も、同時に含意されている。

図４Ａから図４Ｈは、本発明で求められる４つの量すなわち姿勢、主切込み方向、逃げ角、および取付具角を、Ｂ回転軸（図１の角度β）とＣ回転軸（図１の角度γ）を中心とするさまざまな回転角について図解している。

両方の回転軸を中心とする回転角が＝０である場合では（図４Ａ）、切れ刃姿勢２、主切込み方向２、９３°の取付具角、および５２°の逃げ角が得られる。

Ｂ回転軸を中心とする回転が０°位置を生じさせ（もしくはいかなる回転も導入されておらず）、Ｃ回転軸によって１８０°の回転が行われた場合では（図４Ｂ）、切れ刃姿勢３、−ｘ方向への主切込み方向、９３°の取付具角、および５２°の逃げ角が得られる。

図４Ｃは、Ｂ回転軸によって９０°の回転が行われ、Ｃ回転軸を中心とする０°の回転が定義されている状況を図解している。この場合では、切れ刃姿勢３、主切込み方向−ｚ、９３°の取付具角、および５２°の逃げ角が得られる。

図４Ｄは、Ｂ回転軸を中心として９０°の回転が導入されると共に、Ｃ回転軸を中心として１８０°の回転が導入されている場合を図解している。この場合には切れ刃姿勢４、主切込み方向として＋ｚ方向、９３°の取付具角、および５２°の逃げ角が得られる。

図４Ｅは、Ｂ回転軸が３０°だけ回転し、Ｃ回転軸が０°位置にとどまっている状況を図解している。この場合には切れ刃姿勢７、主切込み方向＋ｘ、６３°の取付具角、および８２°の逃げ角が得られる。

図４Ｆは、Ｂ回転軸によって３０°の回転が行われると共に、Ｃ回転軸によって１８０°の回転が行われた場合を図解している。切れ刃姿勢３、主切込み方向として方向＋ｘ、２８°の取付具角、および１１７°の逃げ角が得られる。

図４Ｇは、Ｂ回転軸によって６０°の回転が行われ、Ｃ回転軸は０°位置に保たれる場合を図解している。この場合には切れ刃姿勢３、主切込み方向として−ｚ方向、１２３°の取付具角、および２２°の逃げ角が得られる。

図４Ｈは、Ｂ回転軸を中心として６０°の回転が行われると共に、Ｃ回転軸が１８０°の回転を行っている状況を図解している。切れ刃姿勢８、主切込み方向として−ｚ方向、７８°の取付具角、および５７°の逃げ角が得られる。

図４Ａから図４Ｈを基準として求められる角度量は、特定の位置について、例えば図４Ａの基本位置（切れ刃姿勢２）について、一度求めておけば、基本的に計算可能である。本発明では、工作物１８の視点から見た仮想的な工具を算出するために、その都度４つの量が用いられる。工具１０がさまざまな位置へ動くという事実は、特定の１つの視点から見ると、その度ごとに「新たな」工具が用意されるという具合に解釈することができる。図４Ａの基本位置についてプログラミングされたソフトウェは必然的にこの視点をとるが、図４Ｂから図４Ｈに対応するそれ以外の位置は想定していない。その都度工具を再定義してやれば、このソフトウェアを用いてさらに作業を進めることができる。換言すると、工具に関連するソフトウェアの入力データが変化する。この入力データは、図４Ａから図４Ｈに示す量である切れ刃姿勢、主切込み方向、取付具角、および逃げ角を用いて、公知である工具のジオメトリーと組み合わせて算出することができる。それにより、図４Ａに相当する基本位置を対象とするソフトウェアを、図４Ｂから図４Ｈに対応する位置のときでも、工具１０に対する制御信号を生成するために利用することができる。

工具のジオメトリーを求めるときには、次のようなディテールが一定の役割を果たす。すなわち、切れ刃１６は一般に面取りされている。しかし計算は、それがあたかも面取りされていない理想的な切れ刃であるかのように、その都度行われる。切れ刃基準点がその都度求められる。

図５は、切れ刃姿勢３のときの工具の特定の位置について、切れ刃基準点を示している（図５の左側部分）。

図５の中央部分では、図５の左側の図面半分に比べて若干の回転が行われ、ただし切れ刃姿勢３は変わらずに保たれている。図５の中央の図面部分に示されている新たな切れ刃基準点（実線参照）は、実線によって図示されている仮想的な輪郭が、図５の左側の図面部分における回転前と同じ向きに保たれるように定義されている。従って以前の切れ刃基準点は、点線で図示されているように、一緒には回転しない。

そして図５の右側の図面部分は、図５の左側の図面部分と比べたときの工具１０の根本的な回転を示している。ここでは切れ刃姿勢が変化し、すなわち切れ刃姿勢３から切れ刃姿勢８へと回転している。切れ刃基準点は全く別様に定義され、すなわち本来の面取りされた輪郭（図５の右側の図面部分参照）で定義され、それに対して以前の切れ刃基準点は破線で示されている。このように切れ刃基準点がある場所は、切れ刃姿勢が変わることことによって変化する。定義の仕方も変化する。従って、特に切れ刃姿勢が変わると、ジオメトリー定義のときに一定の役割を果たす工具の仮想的な長さも変わる。上に説明したように、図４Ａに示す基本状態に合わせて作成されたソフトウェアを使用して、回転した工具を、この基本状態の視点から、変化したジオメトリーを有する新たな工具として記述すれば、このような長さ変化を考慮に入れることができる。

本発明は、旋削加工に適してはいるがＢ回転軸およびＣ回転軸を有さない機械向けに想定されているソフトウェアを、Ｂ回転軸およびＣ回転軸を中心とする回転自体が考慮されるべき場合にも適用する可能性を提供するものである。

そのとき従来のソフトウェアは基本ソフトウェアとして利用され、基本ソフトウェア向けの入力データを適合化するソフトウェアがこれに増設される。所与のジオメトリーを有する工具は回転したとみなされるのではなく、基本ソフトウェアの視点からすると、これは別の工具である。図４Ａから図４Ｈに図解するデータである切れ刃姿勢、主切込み方向、取付具角度、および逃げ角の入力データへの換算は、増設されたソフトウェアによって行われる。

工作物の近傍にある工具を模式的に示す図であり、両方の回転軸によって可能となる回転が説明されている。 切れ刃姿勢と主切込み方向の定義を図解する図である。 取付具角、チップ角、逃げ角の各用語の定義を図解する図である。 Ｂ回転軸とＣ回転軸を中心として回転したときの、さまざまな回転角の組み合わせについての切れ刃姿勢、切込み方向、取付具角、および逃げ角を図解する図である。 Ｂ回転軸とＣ回転軸を中心として回転したときの、さまざまな回転角の組み合わせについての切れ刃姿勢、切込み方向、取付具角、および逃げ角を図解する図である。 Ｂ回転軸とＣ回転軸を中心として回転したときの、さまざまな回転角の組み合わせについての切れ刃姿勢、切込み方向、取付具角、および逃げ角を図解する図である。 Ｂ回転軸とＣ回転軸を中心として回転したときの、さまざまな回転角の組み合わせについての切れ刃姿勢、切込み方向、取付具角、および逃げ角を図解する図である。 Ｂ回転軸とＣ回転軸を中心として回転したときの、さまざまな回転角の組み合わせについての切れ刃姿勢、切込み方向、取付具角、および逃げ角を図解する図である。 Ｂ回転軸とＣ回転軸を中心として回転したときの、さまざまな回転角の組み合わせについての切れ刃姿勢、切込み方向、取付具角、および逃げ角を図解する図である。 Ｂ回転軸とＣ回転軸を中心として回転したときの、さまざまな回転角の組み合わせについての切れ刃姿勢、切込み方向、取付具角、および逃げ角を図解する図である。 Ｂ回転軸とＣ回転軸を中心として回転したときの、さまざまな回転角の組み合わせについての切れ刃姿勢、切込み方向、取付具角、および逃げ角を図解する図である。 工具の長さを計算するときに考慮されるべき、切れ刃基準点の姿勢依存性を図解する図である。

Claims (4)

1. 切れ刃（１６）を備える工具（１０）が工作物（１８）に作用する、制御装置によって数値制御される機械、特に旋盤による旋削加工を制御する方法であって、工具がそれを中心として全体として回転可能であるところの第１の回転軸（Ｂ回転軸）が用意されると共に、回転時に工具が独自の軸を中心として回転する第２の回転軸（Ｃ回転軸）が用意され、前記方法は、
   ａ）工具のジオメトリーとポジションを回転軸の基本位置を基準として設定する入力データに応じて機械に対する制御命令を生成するソフトウェアを制御装置に用意するステップと、
   ｂ）回転軸が基本位置にあるときの工具の切れ刃姿勢、主切込み方向、逃げ角、取付具角を制御装置によって判定または設定するステップと、
   ｃ）回転軸を中心とする回転によって工具を任意の加工位置へ移し、回転軸の基本位置と比較したときの回転軸を中心とする回転角を判定するステップと、
   ｄ）加工位置にある工具の切れ刃姿勢、主切込み方向、逃げ角、取付具角を制御装置により算出するステップと、
   ｅ）加工位置にある現実の工具を基本位置にある改変された工具へと再定義することで、ステップｄ）で算出したデータを、ステップａ）で用意したソフトウェアに対する入力データへと制御装置により換算するステップと、
   ｆ）ステップａ）で用意されたソフトウェアによって加工位置にある工具に対する制御命令を生成するするステップと
   を有する方法。
2. 基本位置のときの切れ刃姿勢、主切込み方向、逃げ角、取付具角は既知であることを特徴とする（図４Ａ）、請求項１に記載の方法。
3. ステップａ）で用意されるソフトウェアのための入力データとして工具の長さが利用され、加工位置のときの切れ刃姿勢が基本位置のときの切れ刃姿勢と異なっているときには、ステップｅ）における前記長さの算出のときに切れ刃の面取りが考慮されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 切れ刃（１６）を備える工具（１０）が工作物（１８）に作用する、制御装置によって数値制御される旋削加工に適した機械、特に旋盤であって、工具がそれを中心として全体として回転可能であるところの第１の回転軸（Ｂ回転軸）と、回転時に工具が独自の軸を中心として回転する第２の回転軸（Ｃ回転軸）とを備えている、そのような機械において、制御ユニットに、
   ａ）第１および第２の回転軸を備えていない機械について工具のジオメトリーとポジションを設定する入力データから制御命令を生成することができる基本ソフトウェアが格納され、
   ｂ）回転軸のための制御ソフトウェアが格納され、
   ｃ）工具の切れ刃姿勢、主切込み方向、逃げ角、取付具角を、回転軸の回転によって定義される任意の加工位置で算出することができ、これを基本ソフトウェアのための入力データへと換算することができる、増設されたソフトウェアが格納されていること
   を特徴とする機械。

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