JPH04372331A - クランプによるワーク変形を補正した機械加工方法及びこの方法を実施するｎｃ工作機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＮＣ工作機械における
治具クランプによるワーク変形を補正した機械加工方法
に関し、特に、中空形状や撓み易い形状の被加工ワーク
をワークテーブル上で治具によってクランプしたときに
発生するワークの変形量を機械加工の開始前に自動検出
してＮＣ制御装置に取り込み、機械加工の実行に際して
ＮＣプログラムにおける加工部位の座標値データをこの
取り込んだ変形量の検出値分だけプログラム補正するこ
とにより、高精度の自動機械加工がＮＣ工作機械の自動
的な自己修正機能を伴って実施されるようにした機械加
工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に機械加工を実施する際には、工具
の切削力に耐えてワークの位置ずれが起きないように被
加工ワークをワークテーブル面に強固に固定することが
必要とされる。このために、一般に被加工ワークの固定
は、複数のクランプ治具を用いてこれらの治具とワーク
テーブルとの間又は治具相互間でワークをクランプする
ことにより行なわれる。このためワークが中空形状や撓
み易い形状を有している場合には、クランプした際のク
ランプ力によってワークに変形が生じる場合がある。Ｎ
Ｃ工作機械によって自動加工を行なう際に、この治具ク
ランプによるワークの変形は、結果として加工精度に悪
影響を及ぼす。すなわちＮＣ工作機械においては、あら
かじめ記憶されたＮＣプログラムに従ってワークの自動
加工を遂行するため、クランプ時にワークに変形が生じ
ると、ＮＣプログラムで指定された加工部位の座標値と
実際に加工すべきワーク上の加工部位との間にずれが生
じ、加工を実施した結果、所望の部品形状、加工精度が
得られないことになる。このような不具合を回避するた
め従来は加工しようとするワークの形状に応じて、治具
を係合させる位置やクランプ力を適正に調整する方法が
一般的であった。すなわち、治具のクランプ力を大きく
しても変形が生じないような材質及び形状のワークに対
しては、安定した加工を行なうに十分な力でワークを固
定することができるが、変形の生じやすい例えば小形薄
肉形状のワークに対しては、加工精度を確保するために
加工可能な限界までクランプ力を小さくするなど、ワー
クごとにクランプ位置、クランプ力等をあらかじめ決定
しかつ調整することにより所要の加工精度を得ようとし
ていたのである。また、１つのワーク上での加工部位の
移動の間に、次の加工部位における変位が大きい場合に
はクランプ位置をこの変位が小さくなるような位置へ移
動させてから次の加工部位の加工を実施する方法も行な
われていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、クランプ
治具でクランプすることによって生じるワークの変形は
、自動加工における加工精度を低下させる要因であるが
、逆に安定した加工を実施するためには、切削力に耐え
得る力でワークを固定することが不可欠であり、特に今
日のように小形で薄肉なワークを精密に加工する要請が
増加してくると、双方の要求を満たす状態でワークをク
ランプすることは極めて困難となっている。また、マシ
ニングセンタにおけるＡＴＣ（自動工具交換）やロボッ
トの採用によるワークのローディング、アンローディン
グを含めて単位ワーク当りの加工時間の短縮及び多種類
のＮＣ加工工程の段取りの省力化を達成しようとする際
に、治具によるワークのクランプ位置を加工工程中に変
更させたりワークごとにクランプ力を調整することは人
為的作業の介入を要するために機械加工の自動化を妨げ
ることとなり、事実上実施不可能になる。

【０００４】本発明は、このような問題点を解決するた
めに鋭意工夫改善したものであり、その目的とするとこ
ろは、ＮＣ工作機械においてクランプ治具のクランプ力
により被加工ワークがある程度変形した状態でも、その
変形量を見出して補正を行うことによりＮＣによる自動
化、省力化を妨げることなく高精度のＮＣ加工を達成可
能とする機械加工方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、クランプ用治具のクランプ力によるワー
クの変形量を加工前に機械が自動的に検出できようにし
て、この変形量を補正値としてＮＣプログラムに設定さ
れた加工部位の座標値データに遂次取り込んでこのデー
タを補正し、補正後の座標データに基づいてＮＣ加工を
実施する過程を繰り返すことにより、ＮＣ工作機械によ
る所望の高精度の機械加工方法を提供するものである。

【０００６】すなわち本発明によれば、ＮＣ工作機械で
所定のＮＣプログラムに従って加工される被加工ワーク
をワークテーブルに治具によって所定の加工姿勢でクラ
ンプし、上記クランプされた被加工ワークの加工部位及
びこの加工部位近傍の所定位置のいずれかにおける変位
量を、ＮＣ工作機械の直交３軸座標系と同一座標系にお
ける各軸方向成分量として検出かつ算出し、上記算出さ
れた変位量の各軸方向成分量を、上記ＮＣプログラムの
各ブロックにおける指定加工部位の座標値データの各軸
座標値に取り込んでこれらの指定加工部位の座標値デー
タをあらかじめ補正し、上記補正された加工部位の座標
値データに基づいてＮＣ加工を各プログラムブロックご
とに実施する、ことを特徴とするクランプによるワーク
変形を補正した機械加工方法が提供される。

【０００７】また、本発明の好適な実施態様によれば、
上記クランプされた被加工ワークの加工部位及び加工部
位近傍の所定位置のいずれかにおける変位量を検出かつ
算出するステップは、ＮＣ工作機械の加工主軸先端に取
着されたタッチプローブによって上記治具によるワーク
クランプ実施前の被加工ワークの加工部位又は加工部位
近傍の所定位置の座標値をあらかじめ測定し、次いで上
記治具によるワーククランプ実施後の同一部位の座標値
を測定し、両者の座標値の差をＮＣ制御器内で求めるこ
とから構成される。

【０００８】

【作用】本発明の加工方法においては、被加工ワークを
ワークテーブル上で治具によりクランプした際に生じる
加工部位の変位を、加工を実施する前に加工部位又は加
工部位近傍の所定位置において検出する。この変位量は
、直交３軸座標系の各軸方向成分量として算出され、こ
れをＮＣプログラムに指定された加工部位の座標値デー
タの各軸座標値に加算して加工部位座標値データを補正
する。この補正された加工部位座標値データに基づきＮ
Ｃ加工を実施することにより、クランプ力により変形し
た被加工ワークに対して所望の精度を有する機械加工が
実施可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明を好適な実
施例により詳細に説明する。なお、ここでは本発明によ
る加工方法を立形ＮＣボール盤に適用した例を示すが、
クランプ治具を用いて被加工ワークをワークテーブル上
にクランプする必要がある他のあらゆるＮＣ工作機械に
対して本発明が適用可能であることは言うまでもない。

【００１０】まず図２を参照すると、本発明の実施例に
よる加工方法を適用する周知の立形ＮＣボール盤１０（
以下、ボール盤１０という）が示されている。ボール盤
１０は、床面に設置されるベッド１２上にコラム１４を
立設し、このコラム１４には主軸頭１６を上下方向（Ｚ
軸方向）にＺ軸送りモータＭＺ　の駆動によって送り移
動可能に架設した構造を有する。主軸頭１６はその前方
下端部に、縦方向（Ｚ軸方向）に軸心を有した加工主軸
１８を、軸受手段を介して回転可能に支持し、この加工
主軸１８が主軸モータＭｓ　の駆動によって回転してそ
の先端に保持した工具（図示せず）により穴あけ加工を
実施する。

【００１１】また、コラム１４を立設したベッド１２上
にはサドル２０を、コラム１４に対して前後水平方向す
なわち上記Ｚ軸に直交するＹ軸方向に図示しない送りモ
ータの駆動により送り移動可能に設置する。さらにサド
ル２０の上面にはワークテーブル２２を、コラム１４に
対して左右水平方向すなわち上記Ｚ軸及びＹ軸の両軸に
直交するＸ軸方向に図示しない送りモータの駆動により
送り移動可能に設置する。これにより加工主軸１８とワ
ークテーブル２２とは、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及
びＺ軸で構成された３次元の直交３軸座標系において、
コラム１４を介して相対的に送り移動可能となっている
。

【００１２】なお、図２に示したボール盤１０は、ＮＣ
プログラムに従って送り動作等の種々のＮＣ加工におけ
る制御動作を遂行するＮＣ装置２４を備える。工具の位
置座標、送り速度、回転速度等の指令情報を数値化して
示すＮＣプログラム２６は一般にＮＣテープに作成した
上で入力される。また、図示されていないがボール盤１
０は自動工具交換装置（ＡＴＣ装置）を備え、工具マガ
ジンに収容された複数の工具から所望の工具を上記ＮＣ
プログラム２６における工具交換プログラムに従って、
加工主軸１８に自動的に着脱、交換できるようになって
いる。工具マガジン内には種々の工具とともに、一般に
被加工ワークの加工基準点等の面位置測定に使用される
タッチプローブ２８（図３）が収容され、自動工具交換
装置によって同様に加工主軸１８に着脱可能となってい
る。

【００１３】上記のボール盤１０によってワークに穴あ
け加工を施す際には、図３に示したように、被加工ワー
クＷをクランプ治具３０によりワークテーブル２２上で
強固にクランプする。図３の例では、治具３０はワーク
テーブル２２上に固定される基台３０１　、ワークＷに
当接する爪３０２　、及びこの爪３０２　を基台３０１
　に取着するねじ３０３により構成され（図３（ａ）参
照）、加工時の切削力に対抗し得る保持力でワークＷを
クランプできるようになっている。 したがって、例えば図示のような内部中空形状のワーク
Ｗを図示のようにしてクランプすると、ワークＷは治具
３０のクランプ力によって図３（ｂ）にやや強調図示す
るように変形する。この状態で加工を実施すると、ＮＣ
プログラムにおける加工部位の座標値と実際に加工すべ
きワークＷ上の加工部位の実際の座標値との間に上記変
形に起因したずれが生じるため、加工精度が低下すると
いうのが従来のＮＣ工作機械の課題であった。そこで本
発明では、上記のずれ、すなわちワークＷの加工部位に
おけるクランプ力による変位量を加工前に算出し、この
変位量を補正値としてＮＣプログラムの加工位置座標デ
ータを補正した後、この補正座標に基づいてＮＣ加工を
実施する方法を提供する。以下、本発明の２つの実施例
を、図１のブロック図及び図４〜図６のフローチャート
を用いて説明する。

【００１４】図１に示したように、本発明による加工方
法を実施するためのＮＣ装置２４は、工具の動作モード
、移動位置、送り速度等のＮＣ指令データを備えたＮＣ
プログラム２６を入力するための入力部３２と、この入
力部３２から入力されるＮＣ指令データに基づき位置決
めや補間等の演算を実施する演算制御部３４と、演算結
果や制御プログラムを記録する記憶部３６と、演算結果
に基づいて各軸の送り駆動モータや主軸モータを制御す
るサーボ制御部３８とを少なくとも備えた周知のＮＣ装
置である。そして本発明を実施するにあたり、ワークテ
ーブル上で治具によりクランプされたワークの加工部位
における変位量を算出するとともに、この変位量を補正
値として、記憶部３６に記録されているＮＣプログラム
２６の指定による加工部位座標値データを補正する補正
演算部４０をさらに備える。上記のワーク変位量を算出
するためのデータは、本発明の好適な一実施例によれば
、加工主軸に取着したタッチプローブ２８を用いて、ワ
ークの加工部位座標値をクランプの前後すなわち変位前
と変位後とで測定することによって得られる。以下、図
４及び図５を合わせて参照して、本発明の一実施例によ
る加工方法の一連のプロセスを説明する。

【００１５】図４及び図５において、まず前準備として
、ボール盤１０のＮＣ装置２４にＮＣプログラム２６を
入力するとともに、ワークテーブル２２上の所定位置に
ワークＷを加工時の姿勢で置き、ＮＣ装置２４のスター
トボタンを押す。これによりボール盤１０の加工作業が
開始されるが、本発明ではまず最初にステップ４１で自
動工具交換装置により加工主軸１８にタッチプローブ２
８を取着する。ここでワークテーブル２２上の治具３０
を開放し（ステップ４２）、ワークＷを変形のない状態
にする（図３（ａ）参照）。次いでステップ４３で、加
工主軸１８に取着したタッチプローブ２８を、ＮＣプロ
グラム３２の加工部位座標値データ（　ＸＰ，　ＹＰ，
　ＺＰ　）　に基づきワークＷ上の加工部位へまずＸ軸
方向から接近させ（すなわちＸ軸及びＹ軸の送り駆動モ
ータを作動させて加工主軸１８をＹ＝ＹＰ　の線上でＸ
＝ＸＰ　の点へ向けて移動させ）、加工位置へ到達でき
るか否かを判定する（移動方向は正負いずれでも良い）
。ここで本実施例ではＮＣボール盤による穴あけ加工を
想定しているため、加工位置はワークＷの端面に無くし
かも一般に加工面は加工主軸の送り方向すなわちＺ軸方
向に直交するＸ−Ｙ平面にある。したがって上記の方法
ではタッチプローブ２８を正確に加工部位へ到達させる
ことは事実上不可能であり、このため所定の交差２αを
設定して、タッチプローブ２８がワークＷに当接した位
置の座標が交差範囲内（すなわち上記ステップ４３では
Ｘｐ　−α≦Ｘ≦Ｘｐ　＋α）にあれば加工部位へ到達
できたと判定する。このようにして加工部位へＸ軸方向
から接近可能と判定された場合は、ステップ４４でタッ
チプローブ２８がワークＷに当接（スイッチＯＮ）した
位置で加工主軸１８の送り移動を停止させる。他方、加
工部位へＸ軸方向から接近不可能と判定された場合は、
ステップ４５でタッチプローブ２８をＹ軸方向へややず
らして同様にＸ軸方向からワークＷに接近させ、加工部
位近傍でワークＷに当接（スイッチＯＮ）した位置で加
工主軸１８の送り移動を停止させる。こうしてタッチプ
ローブ２８がＯＮして移動が止まった時点で、ステップ
４６でこのときのＸ座標値Ｘ１　をＮＣ装置２４の記憶
部３６に記録する。同様にして、ステップ４７〜５０で
加工部位又は加工部位近傍の１地点におけるＹ座標値Ｙ
１　を測定かつ記録し、ステップ５１〜５４で同じくＺ
座標値Ｚ１　を測定かつ記録する。

【００１６】ここまでの各ステップで、ワークテーブル
２２上で治具３０によってクランプする前の変形のない
ワークＷにおける加工部位又はその近傍の１地点の位置
座標値（Ｘ１，　Ｙ１，　Ｚ１）　が測定かつ記録され
たことになる。そこで次にワークＷを、ワークテーブル
２２上の同一位置かつ同一姿勢で治具３０により強固に
クランプする（ステップ５５）。続いてステップ５６で
、上記のクランプ前に測定した加工部位座標値（Ｘ１，
　Ｙ１，　Ｚ１）　に基づき、タッチプローブ２８をま
ずＸ軸方向からこの測定位置へ接近させ（すなわちＸ軸
及びＹ軸の送り駆動モータを作動させて加工主軸１８を
Ｙ＝Ｙ１　の線上でＸ＝Ｘ１　の点へ向けて移動させ）
、タッチプローブ２８がワークＷに当接（スイッチＯＮ
）した位置で加工主軸１８の送り移動を停止させる。そ
してステップ５７でこのときのＸ座標値Ｘ２　をＮＣ装
置２４の記憶部３６に記録する。同様にして、ステップ
５８，５９でクランプ後の加工部位又は加工部位近傍の
１地点におけるＹ座標値Ｙ２　を測定かつ記録し、ステ
ップ６０，６１で同じくＺ座標値Ｚ２　を測定かつ記録
する。

【００１７】このようにして、ワークＷの加工部位又は
その近傍の１地点におけるクランプ前（すなわち変位前
）及びクランプ後（すなわち変位後）の位置座標値（Ｘ
１，　Ｙ１，　Ｚ１）　及び（Ｘ２，　Ｙ２，　Ｚ２）
　が測定かつ記録されると、ステップ６２で、自動工具
交換装置によりタッチプローブ２８を加工に使用する所
望の工具に交換する。そしてステップ６３で、ＮＣ装置
２４の補正演算部４０が上記のクランプ前後の位置座標
値の差から加工部位又はその近傍におけるワークＷの変
位量を算出し、これを補正値としてＮＣプログラム２８
に指定された加工部位座標値（　ＸＰ，　ＹＰ，　ＺＰ
　）　を補正する。補正後の加工部位座標値（　Ｘｃ，
　Ｙｃ，　Ｚｃ　）　はしたがって次の各式によって求
められる。

【００１８】

【数１】

【００１９】このようにして、ＮＣ装置２４の補正演算
部４０によって補正後の加工部位座標値（　Ｘｃ，　Ｙ
ｃ，　Ｚｃ　）　を算出かつ記憶部３６に記録した後、
ステップ６４で演算制御部３４が補正後の加工部位座標
値（　Ｘｃ，　Ｙｃ，　Ｚｃ　）　に基づいて工具の位
置決め、補間等の演算を行ない、サーボ制御部３８を介
して、Ｘ，　Ｙ，　Ｚ　軸の各送り駆動モータ及び加工
主軸１８の駆動モータＭＳ　を作動し、加工を実施する
。 加工終了後、治具３０を開放してワークＷを取り出すと
、治具３０のクランプにより変形を生じていたにもかか
わらず、所望の加工精度を有した製品が得られる。

【００２０】上記の実施例では、ＮＣボール盤が有する
ワーク面位置測定用のタッチプローブ２８を用いてワー
ク変位量算出用データすなわちクランプ前後の加工部位
又はその近傍地点の座標値を測定し、これに基づいて補
正加工部位座標値を算出する構成としたが、ワーク形状
が複雑でタッチプローブ２８が加工部位に接近できず、
仮に加工部位近傍地点を測定したとしても、得られる変
位量と実際の加工部位の変位量との間の誤差が大きいこ
とが予測される場合には、上記の方法によっても所望の
加工精度を得ることができない。この問題点を取り除く
ためには、例えばワークＷの加工部位の加工面上にタッ
チプローブ２８の当接可能な形状を有した突起物を磁石
等により取着して、できる限り加工部位に近い位置を測
定する方法が考えられる。しかし、この方法ではワーク
に突起物を着脱する際に手作業が介在するため、完全な
自動化の妨げとなってしまう。そこで、以下に図６を参
照して説明するように、ワークをクランプする際の諸デ
ータを入力して所定の演算（例えば有限要素法）により
ワーク変位量を算出するもう１つの実施例を提案するこ
とができる。

【００２１】構造物の所望部位における応力・ひずみ解
析の有効な手段として有限要素法が知られている。有限
要素法は、構造を多数（有限数）の要素に分割して行な
う解析法であり、この解析法を本発明に適用すれば、ワ
ーク寸法や治具のクランプ位置及びクランプ力等のデー
タを用いて所望部位の変位を計算のみによって求めるこ
とができる。この場合図６に示したように、まず前準備
として、ＮＣ装置２４にＮＣプログラム２６を入力する
とともに有限要素法による構造解析に必要な諸データ、
例えばワークの形状及び寸法、ワーク材料物性値、治具
形状、クランプ位置、クランプ力などのデータを入力す
る。そしてワークＷをワークテーブル２２に載置し、治
具３０によりクランプする。ＮＣ装置２４は、まずステ
ップ６５で上記のワーク形状及び寸法データに基づきワ
ーク構造をモデル化し要素分割を行なう。次いでステッ
プ６６でワークの材料物性値、治具クランプによる拘束
条件及びクランプの加圧力等のデータに基づいて、ワー
ク全体又は所望部位の変形状態を計算する。計算により
得られた変形状態から、ステップ６７でＮＣプログラム
２８の指定による加工部位座標値（　ＸＰ，　ＹＰ，　
ＺＰ　）　におけるワークＷの変位量（　Ｘｅ，　Ｙｅ
，　Ｚｅ　）を算出する。そしてステップ６８で、この
変位量を補正値としてＮＣプログラム２８の加工部位座
標値（　ＸＰ，　ＹＰ，　ＺＰ　）　を補正する。補正
後の加工部位座標値（　Ｘｃ，Ｙｃ，　Ｚｃ　）　はし
たがって次の各式によって求められる。

【００２２】

【数２】

【００２３】上記の諸演算（有限要素解析を含む）はＮ
Ｃ装置２４の補正演算部４０によって実施され、こうし
て求められた補正後の加工部位座標値（　Ｘｃ，　Ｙｃ
，　Ｚｃ　）　に基づいてステップ６９で加工を実施す
る点は前述のタッチプローブ２８を使用した実施例と同
じである。このようにして、所定の演算を実施するだけ
でワークの変形による加工部位の変位を補正し、所望の
加工精度を有した製品を得ることができる。

【００２４】

【発明の効果】上記のように本発明の加工方法によれば
、ワークテーブル上で治具によりクランプした被加工ワ
ークのクランプによる変形を考慮して、被加工ワーク上
の加工部位又はその近傍の所定位置のクランプ力による
変位量を算出し、この変位量を補正値としてＮＣプログ
ラムに指定された加工部位座標値を補正し、この補正さ
れた加工部位座標値に基づいてＮＣ加工を実施するよう
にしたため、被加工ワークが変形した状態でも所望の製
品形状及び加工精度を得ることができる。このため被加
工ワークの材質や形状にかかわらず、切削力に対抗し得
る力で強固にクランプすることができ、ＮＣ工作機械の
加工能力すなわち加工できるワークの選択幅が拡大する
とともに、作業効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加工方法を実施するための構成要
素間の関連を示すブロック図である。

【図２】本発明を実施するために使用可能な立形ＮＣボ
ール盤の概略図である。

【図３】ワークテーブル上でクランプした被加工ワーク
の変形状態を示す図である。

【図４】本発明の一実施例によるプロセスの前半部分を
示すフローチャートである。

【図５】図４に続くプロセスの後半部分を示すフローチ
ャートである。

【図６】本発明の他の実施例によるプロセスを示すフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１８…加工主軸 ２２…ワークテーブル ２４…ＮＣ装置 ２６…ＮＣプログラム ２８…タッチプローブ ３０…治具 ３４…演算制御部 ４０…補正演算部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＮＣ工作機械で所定のＮＣプログラム
   に従って加工される被加工ワークをワークテーブルに治
   具によって所定の加工姿勢でクランプし、前記クランプ
   された被加工ワークの加工部位及び該加工部位近傍の所
   定位置のいずれかにおける変位量を、ＮＣ工作機械の直
   交３軸座標系と同一座標系における各軸方向成分量とし
   て検出かつ算出し、前記算出された変位量の各軸方向成
   分量を、前記ＮＣプログラムの各ブロックにおける指定
   加工部位の座標値データの各軸座標値に取り込んで該指
   定加工部位の座標値データをあらかじめ補正し、前記補
   正された加工部位の座標値データに基づいてＮＣ加工を
   各プログラムブロックごとに実施する、ことを特徴とす
   るクランプによるワーク変形を補正した機械加工方法。
2. 【請求項２】　　前記クランプされた被加工ワークの加
   工部位及び該加工部位近傍の所定位置のいずれかにおけ
   る変位量を検出かつ算出するステップは、ＮＣ工作機械
   の加工主軸先端に取着されたタッチプローブによって前
   記治具によるワーククランプ実施前の該被加工ワークの
   加工部位又は該加工部位近傍の所定位置の座標値をあら
   かじめ測定し、次いで前記治具によるワーククランプ実
   施後の同一部位の座標値を測定し、両者の座標値の差を
   ＮＣ制御器内で求めるようにする、請求項１記載の機械
   加工方法。