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高速高精度５軸加工のための最適ブロック長プログラミング法

【執筆】東京農工大学大学院工学府 機械システム工学専攻　教授 笹原弘之／大学院研究生 大槻俊明

　コンピューター数値制御（ＣＮＣ）工作機械による３軸の微小線分指令での曲線加工において、従来はトレランス（弦誤差）を大きめ（５マイクロ―１０マイクロメートル程度、マイクロは１０００万分の１）に設定しブロック長（セグメント長）を長くすることが、コーナでの減速回数を減らし（精度は低下するが）高速加工になると考えられていた。しかし、この数年、ＣＮＣのブロック処理時間に基づいてトレランス（弦誤差）を適切に小さくし、またはブロック長（セグメント長）を適切に短くし、プログラミングするのが、高速かつ高精度加工のために良いとの研究が進んでいる。ブロック処理時間とはＣＮＣが１ブロック解読してモータ制御を行うまでの時間であり、指令速度に対してこの時間で各ブロックが処理されるような適切なトレランスやブロック長にすることにより、コーナでの方向変化角が小さくなり減速が抑制され、かつ目標経路に近づき、より高速高精度な加工となる。特に近年はＣＮＣのブロック処理時間は１０年前に比べると数分の１に高速化しているので、このブロック処理時間に基づくプログラミング法は注目されてきている。

　本編では、工具先端点（ＴＣＰ）制御による直進３軸と旋回２軸の同時５軸加工においても、同定されたブロック処理時間に基づく最適ブロック長によってプログラムを作成することで、高速高精度加工が実現することを示す。

ＣＮＣブロック処理時間（Ｔｂ）

　前述のように、ブロック処理時間とはＣＮＣが１ブロック解読してモータ制御を行うまでの時間である。微小線分を連続指令したプログラムを使用し、指令速度を少しずつ変更して空運転を行い、運転時間を測定する。その運転時間とプログラム経路長から実速度を得る。少しずつ変更した指令速度と対応する実速度をグラフ化することにより、ブロック処理時間を同定する①。ここでは、対象ＣＮＣにおいてＴＣＰ制御による同時５軸加工でのブロック処理時間は、Ｔｂ＝０・６５０ミリ秒と同定されていることを前提とする①。

加工方法とプログラミング方法

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　図１のようにＢ、Ｃ軸でテーブルを旋回しながら同時５軸でＴＣＰ制御によって直方体のワーク上平面を加工した。ワークに対する加工経路は上面の短辺に平行な２５ミリメートルの直線であり、切り込み量０・１ミリメートルでの一方向切削を、ピックフィード０・１５ミリメートルで長辺方向に５ミリメートル繰り返すことで、平面が加工される。Ｒ２のボールエンドミルを用いた。旋回軸Ｂ、Ｃ軸については、ワーク上の各直線加工経路のＴＣＰ指令位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に対応して、図１に示すようにＢＣ座標系で（１５、０）を中心とする反時計回りの円上の位置となるように指令した。

　各加工経路のプログラミング方法について、ケース（Ａ）として、各ブロックのＴＣＰ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）指令のブロック長が、式１で計算されるＴｂとＦによる最適ブロック長Ｌｂｍ（＝０・０３２５ミリメートル）となるようにプログラミングした。送り速度はＦ２０００とした。ｋは安全係数であり、ｋ＝１・５とした。

　比較のため、ケース（Ｂ）として、ＴＣＰ経路のトレランスが５マイクロメートルとなる従来法（いわゆるリニアライゼーション）の微小線分指令によるプログラムも作成した。

速度と加工精度の改善

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　図２に加工したワーク上面写真を示す。目視によっても、最適ブロック長プログラミングによるケース（Ａ）では全体が平滑だが、トレランス５マイクロメートルのケース（Ｂ）では中央付近にうねりが見える。

　図３に、ケース（Ａ）、（Ｂ）における加工経路１パスの各軸モータフィードバック位置から計算したＴＣＰの速度波形を示す。ケース（Ａ）（実線）では概ね指令速度、毎分２０００ミリメートルが得られている。ケース（Ｂ）（破線）では中間部分で大きく減速している。

　したがって、ケース（Ａ）が（Ｂ）より高速である。

ワーク上面ほぼ中央付近の０・９ミリ×４・４ミリメートルの領域をレーザー顕微鏡で測定した。図４にケース（Ａ）、（Ｂ）の高さ画像、断面曲線、うねりのＷａ、Ｗｚのグラフと数値を示す。ケース（Ａ）では概ね滑らかである。ケース（Ｂ）では、高さ画像、断面曲線においてうねりが見られ、Ｗａ、Ｗｚとも大きい。したがって、ケース（Ａ）の方が（Ｂ）より加工面の精度が高い。

　図５に、ケース（Ａ）、（Ｂ）について、加工経路１パスに対応するＸ、Ｙ軸の指令機械位置（小さい●、ブロックごとＴＣＰ指令位置をＸ、Ｙ軸機械位置に変換した位置）と、一定サンプリング周期１０ミリ秒でのフィードバック位置（大きい〇）を示す。ＴＣＰ指令経路のトレランスが５マイクロメートルであるケース（Ｂ）では、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸はＢ、Ｃ軸の動きに対応して運動するため指令機械位置ごとの方向変化角が大きくなっている。その結果、１０ミリ秒毎のフィードバック位置が密集しており、速度が低下していることがわかる。フィードバック位置も多角形的経路となっており、速度と精度は低下している。ケース（Ａ）では、指令機械位置の間隔は小さく連続的で減速が抑制される。フィードバック位置の変化も滑らかで連続的であり、指令速度から減速せず、高速かつ高精度となる。

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　同時５軸加工においても、同定されたＣＮＣのブロック処理時間に基づく最適ブロック長でＴＣＰ経路をプログラミングすることにより、より高速高精度な加工が実現できることを示した。このように、ブロック処理時間に基づくプログラミング法は、３軸加工だけでなく５軸加工においても、従来の「トレランスを設定しその範囲内でできるだけ長いブロックを作成する」という考えを覆す優れたプログラミング法と考えている。

　ただし、ブロック処理時間に基づくプログラミング法では、ＣＡＭ演算時間が増える、プログラム容量が大きくなるという側面もある。そのため、実用化に向けて、３軸加工および５軸加工に対し、「ブロック処理時間に基づくプログラミングを行うＣＡＭ」、さらに「ブロック処理時間に基づくプログラミングと従来法プログラミングを必要に応じて使い分けるＣＡＭ」などの開発が望まれる。

（参考文献）

①大槻俊明、笹原弘之、高速高精度５軸加工のための最適ブロック長プログラミング法（第３報）、２０２３年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集、（２０２３）、ｐｐ．３４６―３４７．