JP6048657B2 - ウォータージェット加工方法とウォータージェット加工装置 - Google Patents

Description

本発明はウォータージェット加工方法とウォータージェット加工装置に関し、より詳しくは、研磨材を混入させた高圧水をノズル噴射孔から被加工物に向けて噴射して該被加工物を切断するようにしたウォータージェット加工方法とウォータージェット加工装置に関する。

従来、研磨材を混入させた高圧水をノズル噴射孔から被加工物に向けて噴射して該被加工物を切断するようにしたウォータージェット加工装置は、既に周知である。
上記ノズル噴射孔は真円に形成されているが、該ノズル噴射孔に研磨材を混入させた高圧水を流通させているうちにノズル噴射孔の真円度が徐々に損なわれ、通常は楕円状に変形されて加工精度を低下させることになる（特許文献１の従来技術参照）。

特開昭６３−９９２００号公報

従来、加工精度の低下による不良品の発生を防止するために、所要の加工時間が経過したらノズルを交換するようにしており、当該加工時間は安全を見積もって短めに設定されているので、不経済となっていた。
また上記特許文献１では、回転機構を設けてノズルを回転させることにより、ノズル噴射孔の真円度が悪くなっても当該ノズルを継続して使用できるようにしたものであるが、その反面、装置が複雑化し、回転機構のメインテナンスも必要となるなどの欠点があった。
本発明は、上述した事情に鑑み、極めて容易にノズル噴射孔の真円度を測定することができるようにし、それにより各ノズルを許容範囲の限界まで使用できるようすることにより、経済性に寄与できるようにしたウォータージェット加工方法とウォータージェット加工装置とを提供するものである。

すなわち請求項１の発明は、研磨材を混入させた高圧水をノズル噴射孔から被加工物に向けて噴射して該被加工物を切断するウォータージェット加工方法において、
予め設定された基準図形を切断する工程と、切断加工されたワークの加工形状を認識する工程と、認識された加工形状と上記基準図形の差分を算出するとともに、算出された差分の大きさが所定のしきい値を上回る場合にノズル噴射孔の真円度が異常と判定する工程とを有することを特徴とするものである。
また請求項４の発明は、研磨材を混入させた高圧水をノズル噴射孔から被加工物に向けて噴射する加工ヘッドと、上記加工ヘッドと被加工物とを相対移動させる移動手段と、上記加工ヘッドにより加工された被加工物の加工形状を認識する形状認識手段と、加工経路を記憶した記憶部を有するとともに上記形状認識手段と上記移動手段とを制御する制御手段とを備え、上記加工ヘッドと被加工物とを上記加工経路に沿って相対移動させることにより被加工物を加工するウォータージェット加工装置において、
上記制御手段は、予め設定された基準図形を作成する加工経路を記憶しており、当該加工経路に沿って上記加工ヘッドと被加工物とを相対移動させるとともに、上記形状認識手段により加工した被加工物の加工形状を認識させるようになっており、
また上記制御手段は、上記ノズル噴射孔の真円度が異常であるか否かを判定する判定部を有しており、該判定部は、上記形状認識手段により認識された加工形状と上記基準図形の差分を算出し、算出された差分の大きさが所定のしきい値を上回る場合にノズル噴射孔の真円度に異常があると判定することを特徴とするものである。

本発明によれば、予め設定された基準図形を切断するとともに、切断加工されたワークの加工形状を認識し、認識された加工形状と上記基準図形の差分の大きさが所定のしきい値を上回る場合にノズル噴射孔の真円度が異常と判定するものであるから、その異常判定を自動的に極めて容易に実行することができる。
これによりノズル交換の必要性を一義的に判定できるので、加工不良を防止しながらノズルをその寿命の限界まで使用することができ、したがって早めにノズルを交換する場合に比較して、経済性を向上させることができる。

本発明の一実施例を示す正面図。 加工ノズル２の断面図。 加工テーブル５１を示す平面図。 制御手段１２の構成を示す構成図。 本発明方法のステップ図。 切断加工状態を説明するための平面図。 本発明の第２実施例を説明するための平面図。 本発明の第３実施例を説明するための平面図。 本発明の第４実施例を説明するための平面図。

以下図示実施例について説明すると、図１において、ウォータージェット加工装置１は、加工ヘッド２に高圧配管３を介して高圧水を供給する高圧水供給手段４と、上記加工ヘッド２に研磨材ホース６を介して研磨材を供給する研磨材供給手段７とを備えており、上記加工ヘッド２で高圧水に研磨材が混入されてから、該高圧水がノズル８を介して加工テーブル５１に支持されるワーク９に噴射されるようになっている。
上記加工ヘッド２は、移動手段１１によりワーク９に対して水平面内で直交するＸ−Ｙ方向と、上下のＺ方向とに相対移動できるようになっており、図示実施例では、上記移動手段１１は加工ヘッド２を図１の左右方向であるＸ方向に移動させるＸ方向移動手段１１Ａと、ワーク９を紙面と垂直な方向であるＹ方向に移動させるＹ方向移動手段１１Ｂと、加工ヘッド２を上下方向であるＺ方向に移動させるＺ方向移動手段１１Ｃとを備えている。
上記高圧水供給手段４、研磨材供給手段７および移動手段１１は、制御手段１２によってその作動が制御されるようになっている。

図２に示すように、上記加工ヘッド２は上下方向に延びる筒状のハウジング１５を備えており、このハウジング１５の軸部上方に高圧水供給管１６を取り付けて、該高圧水供給管１６を上述した高圧配管３を介して高圧水供給手段４に連通させてある。
また上記ハウジング１５の中間高さ位置には横方向に伸びる研磨材の供給ポート１７を形成してあり、この供給ポート１７は上述した研磨材ホース６を介して研磨材供給手段７に連通させてある。
さらに上記ハウジング１５の軸部下方に筒状のノズルボディ１８を設けてあり、このノズルボディ１８内にウェアインサート１９を設けるとともに、該ウェアインサート１９の下方に上記ノズル８を取り付けてある。

上記ウェアインサート１９はその内部に分岐通路１９ａ、１９ｂを備えており、一方の分岐通路１９ａはノズルボディ１８の軸部に形成した通路１８ａ、高圧水供給管１６とノズルボディ１８との間に挟持したオリフィス２０、および上記高圧水供給管１６と高圧配管３とを介して高圧水供給手段４に連通している。
他方の分岐通路１９ｂはノズルボディ１８の側部に形成した通路１８ｂ、および上記供給ポート１７と研磨材ホース６とを介して研磨材供給手段７に連通している。
そして一方の分岐通路１９ａに供給された上記高圧水供給手段４からの高圧水に、他方の分岐通路１９ｂに供給された研磨材供給手段７からの研磨材が混合され、研磨材が混合された高圧水は上記ウェアインサート１９からノズル８のノズル噴射孔８ａに流入して、ここから上記ワーク９に向けて噴射されるようになっている。

図１において、上記加工ヘッド２にはレーザ距離計２１を設けており、該レーザ距離計２１による計測結果は上記制御装置１２に入力されて、上記ノズル８の下端面とワーク９の表面との間の距離を精密に計測できるようにしてある。
また上記加工ヘッド２には、ウォータージェット加工装置１によって加工された加工形状を認識する形状認識手段としての撮影手段２２を設けてあり、該撮影手段２２によって撮影された加工形状は上記制御装置１２に入力されるようになっている。

さらに図３に示すように、検査用のワーク９は加工テーブル５１上の所定位置にクランプ５２により固定されるようになっている。
上記加工テーブル５１は、その４辺の枠体５３と、加工テーブル５１の長手方向に平行に配置した多数の桟部材５４とを備えており、上記ワーク９は桟部材５４上に載置されるようになっている。
検査用のワーク９は、後述する真円度を測定するための孔３１を穿設できる程度の大きさを有しており、図示実施例では加工テーブル５１の左下の所要位置に位置決めされて上記クランプ５２により固定されるようになっている。
そして孔３１を穿設した後に、該孔３１を上記撮影手段２２によって明瞭に撮影するために、すなわち孔３１を介して該孔３１内に上記桟部材５４が写り込むのを防止するために、ワーク９と桟部材５４との間に背景板５５を挿入することができるようにしてある。
上記背景板５５は、エアシリンダなどの駆動手段５６によって進退制御されるようになっており、背景板５５の前進位置ではワーク９と桟部材５４との間に挿入され、また後退位置ではワーク９と桟部材５４との間から外部に排出されて、上記ウォータージェット加工装置１による孔３１の切断加工を阻害することがないようにしてある。

以上の構成において、ノズル噴射孔８ａの真円度を検査する際には、先ず、検査用のワーク９を加工テーブル５１の左下の所要位置に位置決めしてクランプ５２により固定する。この際には、背景板５５は後退位置に位置されて、ワーク９と桟部材５４との間から外部に排出されている。
上記検査用のワーク９を加工テーブル５１上の所要位置に固定したら、次に、操作員により図４に示す入力手段２４を介して制御装置１２にその旨の指令がなされる。なお、真円度の検査は、毎回の操業前や、所定時間の運転後に自動的に行うようにしてもよい。
制御装置１２に真円度の検査指令が与えられると、制御装置１２は移動手段制御部２５により移動装置１１を制御し、記憶部２６に予め記憶設定された基準図形を作成するための加工経路２７に従ってノズル８を検査用のワーク９に対する所定のスタート位置に位置させるとともに、上記レーザ距離計２１からの信号によりワーク９とノズル８との間隔が精密に所要の間隔となるようにＺ方向移動装置１１Ｃを制御する。
この状態となると、本実施例においては図５、図６に示すように、検査用のワーク９に基準図形が、例えば直径６ｍｍの真円の孔３１が切断加工される。この際には上記加工経路２７に従って、先ず孔３１の中心部分でピアッシング孔が穿設され（図示せず）、これに引き続いて上記孔３１が切断加工されるようになっている。なお、上記孔３１を形成する際に生成される中心部分の円板は、ワーク９を載置するテーブルの桟の隙間から落下するようになる。

図６において、実線で記載された小径の真円３２は、上記ノズル噴射孔８ａの真円度が良好な状態において該ノズル噴射孔８ａから噴射されるウォータージェット流の断面形状を示しており、ノズル噴射孔８ａの真円度が良好な状態においてはウォータージェット流の断面形状も真円３２となっている。ノズル８が新品の場合、上記真円３２の直径は例えば１ｍｍとなっている。
上記真円３２を有するウォータージェット流により真円となっている基準図形に基づいて孔３１が切断加工された状態では、該孔３１も実線で示すように真円となり、したがってその直径Ｒは全ての角度位置で同一となる。
これに対し、想像線で記載された小径の楕円３３は、上記ノズル噴射孔８ａの真円度が悪くなった状態において該ノズル噴射孔８ａから噴射されるウォータージェット流の断面形状を示しており、一般に、ノズル噴射孔８ａの真円度が悪くなるとその形状が楕円となり、これに伴ってウォータージェット流の断面形状も楕円３３となる。また、その楕円３３の短軸における直径は、上記新品の時の真円３２の直径よりも、若干大きくなっている。
断面形状が楕円３３となったウォータージェット流によって上記孔３１を切断加工した場合には、該孔３１は想像線で示すように楕円孔３１’となってしまい、したがってその直径Ｒは測定角度位置によって不一致となる。

上記孔３１が切断加工されると、次に駆動手段５６によって背景板５５が後退位置から前進位置に移動され、それによって背景板５５がワーク９と桟部材５４との間に挿入されて、孔３１内に桟部材５４などが写り込むのが防止される。この状態となると、撮影手段２２によってワークの加工形状である孔３１の撮影が行われ、その画像は制御手段１２に入力される。
図４に示すように、該制御手段１２は上記ノズル噴射孔８ａの真円度が異常であるか否かを判定する判定部３５を有しており、該判定部３５は、上記撮影手段２２によって撮影された孔３１の画像から、図５、図６に示すように、４５度ずつ４箇所の直径Ｒを算出するようになっている。
つまり本実施例においては基準図形は真円３１となっており、また同一寸法に設定された４５度ずつ４箇所の測定基準箇所を有していて、上記認識された加工形状において上記各基準箇所と対応する箇所の実寸法をそれぞれ測定するようになっている。
そして上記判定部３５は、得られた４つの実寸法としての直径から、最大値Ｒｍａｘと最小値Ｒｍｉｎと平均値Ｒｍｅａｎとを決定し、次に、最大値Ｒｍａｘと最小値Ｒｍｉｎとの差が記憶部２６に記憶された所定の大きさのしきい値αを越えた場合に、ノズル噴射孔８ａの真円度に異常があると判定して、警報手段３６（図４）を作動させるようになっている。

他方、上記判定部３５は、最大値Ｒｍａｘと最小値Ｒｍｉｎとの差が上記しきい値α以下の場合には、上記平均値Ｒｍｅａｎに基づき、加工経路を補正するようになる。例えば、長時間の使用によりノズル噴射孔８ａの直径が大きくなっても、真円度に異常があるほど楕円となっていないような場合である。より具体的には、直径６ｍｍの真円の孔３１を切断加工した筈なのに、実際には例えば６．０２ｍｍの真円の孔３１が得られたような場合である。
この場合には、制御手段１２の加工経路補正部３７により、拡径した０．０２ｍｍの半径分の０．０１ｍｍだけ、真円の場合の加工経路を、切断予定線から離れる方向にずらす補正が行われる。このような補正を行うことにより、次回の作業では直径６ｍｍの真円の孔３１を得ることができるようになる。

なお、上記第１実施例は基準図形を真円としているが、これに限定されるものではない。
例えば図７は、基準図形を正八角形とするとともに、同一寸法に設定された４５度ずつ４箇所の測定基準箇所を設けた第２実施例を示すもので、この場合にはワーク９に正八角形の孔４１を形成して、その孔４１の内径寸法を各測定基準箇所で計測すればよい。
また図８は基準図形を正四角形とするとともに、同一寸法に設定された９０度ずつ２箇所の測定基準箇所を設けた第３実施例を示すもので、この場合にはワーク９に正四角形の孔４２を形成して、その孔４２の内径寸法を各測定基準箇所で計測すればよい。

さらに上述した第１ないし第３実施例においては、上記基準図形は同一寸法に設定された複数の基準箇所を有しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、基準図形はそれぞれ異なる基準寸法に設定された複数の基準箇所を有していても良い。
例えば図９は基準図形を長方形とした第４実施例を示すもので、本第４実施例では異なる基準寸法に設定された２箇所の測定基準箇所を有している。そしてこの場合には、ワーク９に長方形の孔４３を形成して、その孔４３の内径寸法を長辺と短辺との２箇所の測定基準箇所で計測すればよい。
そしてこの場合、判定部３５は、長方形の加工形状において上記各基準箇所と対応する箇所の実寸法から、各基準箇所における加工誤差をそれぞれ算出し、各加工誤差のうちの最大値と最小値の差分を算出すればよい。
このように基準図形としては種々の形状のものを選定することができる。要するに、基準図形と実際の加工形状とを比較して、両者の誤差から最大値と最小値との差を得ることができれば、基準図形としては如何なる形状であっても良い。

さらに、上述した実施例ではいずれも孔３１、４１〜４３を形成してその内径寸法を計測するようにしているが、例えば切り出した円板の外径を測定するようにしても良い。上記実施例では切り出す円板にピアッシング加工が施されることになるが、切り出した円板の外径を測定する場合には、ピアッシングを円板の外部で行うことになり、また円板がテーブル下方に落下しないように桟の配列ピッチを狭くする等の工夫をすることが望ましい。
また上記実施例では形状認識手段として撮影手段２２を用いているが、これに限定されるものではなく、例えばタッチプローブ式の測定手段を用いてもよい。

１ ウォータージェット加工装置 ２ 加工ヘッド
４ 高圧水供給手段 ７ 研磨材供給手段
８ ノズル ８ａ ノズル噴射孔
１１ 移動手段 １２ 制御手段
２１ レーザ距離計 ２２ 撮影手段（形状認識手段）
２６ 記憶部 ２７ 加工経路
３１ 孔（真円） ３１’ 孔（楕円）
４１〜４３ 孔

Claims (6)

1. 研磨材を混入させた高圧水をノズル噴射孔から被加工物に向けて噴射して該被加工物を切断するウォータージェット加工方法において、
   予め設定された基準図形を切断する工程と、切断加工されたワークの加工形状を認識する工程と、認識された加工形状と上記基準図形の差分を算出するとともに、算出された差分の大きさが所定のしきい値を上回る場合にノズル噴射孔の真円度が異常と判定する工程とを有することを特徴とするウォータージェット加工方法。
2. 上記基準図形は、同一寸法に設定された複数の測定基準箇所を有しており、上記認識された加工形状において上記各基準箇所と対応する箇所の実寸法をそれぞれ測定し、各実寸法のうちの最大値と最小値の差分を算出することを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット加工方法。
3. 上記基準図形はそれぞれ異なる基準寸法に設定された複数の測定基準箇所を有しており、
   上記認識された加工形状において上記各基準箇所と対応する箇所の実寸法をそれぞれ測定するとともに、各測定結果に基づき各基準箇所における加工誤差をそれぞれ算出し、各加工誤差のうちの最大値と最小値の差分を算出することを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット加工方法。
4. 研磨材を混入させた高圧水をノズル噴射孔から被加工物に向けて噴射する加工ヘッドと、上記加工ヘッドと被加工物とを相対移動させる移動手段と、上記加工ヘッドにより加工された被加工物の加工形状を認識する形状認識手段と、加工経路を記憶した記憶部を有するとともに上記形状認識手段と上記移動手段とを制御する制御手段とを備え、上記加工ヘッドと被加工物とを上記加工経路に沿って相対移動させることにより被加工物を加工するウォータージェット加工装置において、
   上記制御手段は、予め設定された基準図形を作成する加工経路を記憶しており、当該加工経路に沿って上記加工ヘッドと被加工物とを相対移動させるとともに、上記形状認識手段により加工した被加工物の加工形状を認識させるようになっており、
   また上記制御手段は、上記ノズル噴射孔の真円度が異常であるか否かを判定する判定部を有しており、該判定部は、上記形状認識手段により認識された加工形状と上記基準図形の差分を算出し、算出された差分の大きさが所定のしきい値を上回る場合にノズル噴射孔の真円度に異常があると判定することを特徴とするウォータージェット加工装置。
5. 上記基準図形は、同一寸法に設定された複数の測定基準箇所を有しており、
   上記判定部は、上記認識された加工形状において上記各基準箇所と対応する箇所の実寸法をそれぞれ測定し、各実寸法のうちの最大値と最小値の差分を算出することを特徴とする請求項４に記載のウォータージェット加工装置。
6. 上記基準図形は、それぞれ異なる基準寸法を設定された複数の測定基準箇所を有しており、
   上記判定部は、上記認識された加工形状において上記各基準箇所と対応する箇所の実寸法をそれぞれ測定するとともに、各測定結果に基づき各基準箇所における加工誤差をそれぞれ算出し、各加工誤差のうちの最大値と最小値の差分を算出することを特徴とする請求項４に記載のウォータージェット加工装置。

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