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MC・NC工作機械
5軸制御工作機械を利用した加工の自動化および効率化の取り組みが注目されている。5軸制御工作機械は、直進駆動3軸に回転駆動2軸を加えた工作機械であり、工具の位置・姿勢を自由に制御することができる。5軸制御工作機械と制御する数値制御(NC)装置、NCプログラムを生成するCAMソフトウエア、特殊工具等の要素技術を高度に連携させることにより、オーバハング部や自由曲面を有する複雑な形状の加工や、多工程連続加工の自動・無人化など、さまざまな高付加価値加工を実現することができる。
工具形状データフォーマットに基づいた指令点の計算
汎用的なボールエンドミルの場合、切削点と指令点の位置関係は、工具姿勢によらず常に一定であるため、切削点を加工面の法線ベクトル方向へオフセットすることで指令点を求めることができる。
一方、バレル工具の場合、切削点と指令点の位置関係が工具姿勢によって変化してしまうため、工具形状を反映した正確な指令点の座標を算出する必要がある。あらゆる形状のバレル工具に対応するためには、汎用的な単一の計算式に基づいて司令点を算出できることが望ましい。本研究室では、多数の直線および円弧を組み合わせることによって、あらゆるバレル工具の形状を定義することができるデータフォーマットを提案し、さらに提案した工具形状データフォーマットに基づいた司令点の算出方法を開発した。
まず、図3(a)に示すように、工具の先端点を原点、工具軸方向をYt軸とする工具座標系Xt-Ytを定義する。次に、n個の切れ刃rn(n=0、1、…、n-1)と各切れ刃Yの正接角Ψn(n=0、1、…、n+2)、底面の直径dbを工具情報として与える。
続いて、Xt-Yt平面上に、与えられたrn、Ψn、dbに基づいて、直線と正接円弧を用いて工具の輪郭線を定義する。同時に、各切れ刃rnの円弧中心On(n=0、1、…、n-1)を計算し、工具形状情報として格納する。
工具軸ベクトルTは、切削点における法線ベクトルを角度θ傾斜,角度φ回転させることによって容易に求めることができる。指令点Oについては、図3(b)に示すように、使用する切れ刃の情報と傾斜角θより、旋回角φ=0としたときの工具中心点Oθを求める。Oθを法線ベクトルn周りに角度φ回転させた後、切削点の座標Pを平行移動させることによって、工具経路として出力する指令点Oを得る。
ケーススタディーとして、OSG製の異形工具PolyBall「PFB120-PB-ST」を用いた加工に対する工具経路を生成した。この工具は、図4に示すように、コーナー半径(R)24とR1・2の切れ刃部が交互に配置された複雑な形状を持つ。
加工対象形状として、図5(a)に示すようなR24円弧の断面を持つS字カーブの溝形状の加工を考えた。この溝形状は、R24の切れ刃を持つPolyBallの工具姿勢を適切に制御すれば、理論的にピックフィード方向の粗さをゼロにすることができる。
溝の中央部で計算されたC-Spaceを図5(b)に示す。
傾斜角θが約3分のπ以上となる範囲が干渉領域として計算され、工具が傾斜することで干渉が生じることが示されている。また、この工具は加工に用いるR24と加工に不適切なR1・2の切れ刃部が交互に配置されているため、C-Space上には各切れ刃に対応する領域がしま状に現れる。干渉領域とR1・2の領域を取り除いて得られた自由領域内から1点を選択することにより、R24の切れ刃で加工面に接する干渉のない工具姿勢を得ることができる。