ニュースセンター
ニュースセンター
5軸マシニングセンタのRTCPボールジョイント測定器／検査棒の応用
RTCPとは、高級な5軸NCシステムにおいて、Rotated Tool Center Point、すなわち一般に「刃先追従機能」と呼ばれる機能を指します。5軸加工では、刃先の軌跡および工具とワークとの姿勢を厳密に制御する際に、回転運動に伴って刃先に付加的な動きが生じます。NCシステムの制御点はしばしば刃先と一致しないため、NCシステムは自動的に制御点を補正し、刃先が指令どおりの定められた軌跡で運動することを保証します。業界内では、この技術をTCPM、TCPC、あるいはRPCPといった名称で呼ぶこともあります。実際にはこれらの呼称が示す機能の定義はいずれもRTCPと類似しており、厳密に言えばRTCP機能は二重ポーリングヘッド構造において、ポーリングヘッドの回転中心点を用いて補償を行うものであるのに対し、RPCPに類する機能は主として二重ターンテーブル形式の工作機械に適用され、ワークの回転に起因する直線軸の座標変化を補償するものです。いずれの機能も最終的には同じ目的、すなわち工具の中心点と工具とワーク表面との実際の接触点を一定に保つことに帰着します。
公開日:
2023-06-27
RTCPとは、高級な5軸NCシステムにおいて、Rotated Tool Center Point、すなわち一般に「刃先追従機能」と呼ばれる機能を指します。
レニシャウ（Renishaw）ボールジョイント測定器 ディーボルト（Diebold）ボールヘッド検査棒
RTCP機能は、根本的には補間計算のフローを変更することに主な目的がある。
五軸加工において、工具先端点の軌跡および工具とワークとの姿勢を追従させる際には、回転運動に伴って工具先端点に付加的な運動が生じます。CNCシステムでは、制御点と工具先端点が必ずしも一致しないことが多いため、CNCシステムは制御点を自動的に補正して、工具先端点が指令どおりの所定軌跡に沿って運動するようにします。業界内では、この技術をTCPM、TCPC、あるいはRPCPといった名称で呼ぶこともあります。実際には、これらの呼称が示す機能の定義はいずれもRTCPと類似しており、厳密な意味で言えば、RTCP機能は二重ポーリングヘッド構造において、ポーリングヘッドの回転中心点を用いて補償を行うものであるのに対し、RPCPに類する機能は主として二重ターンテーブル形式の工作機械に適用され、ワークの回転によって生じる直線軸の座標変化を補償するものです。結局のところ、これらの機能は目的は異なっていても、最終的には工具中心点と工具とワーク表面との実際の接触点を一定に保つという共通の目標を持っています。
RTCP技術を搭載した工作機械（いわゆる業界でいう「真の5軸工作機械」）では、作業者はワークを回転台の回転中心線に厳密に合わせる必要がなく、任意の方法でチャック固定を行っても、工作機械が自動的に偏移を補正するため、補助時間が大幅に短縮され、同時に加工精度も向上します。また、後処理の作成も非常に簡便で、工具先端点の座標とベクトルを出力するだけで済みます。機械構造としては、5軸NC工作機械には主に二重ポーチヘッド型、二重回転台型、およびポーチヘッド1つと回転台1つの組み合わせ型といった構成があります。
ここでは、デュアルターンテーブルを採用した高級5軸NCシステムを例に挙げて、RTCP機能について詳しくご紹介します。
五軸工作機械において、第四軸および第五軸の概念を定義する。二重回転テーブル構造では、第四軸の回転は第五軸の姿勢に影響を及ぼすが、第五軸の回転は第四軸の姿勢には影響しない。第五軸は、第四軸上における回転座標である。
上図に示すとおり、工作機械の第4軸はA軸、第5軸はC軸です。ワークはC軸ターンテーブル上に配置されています。第4軸であるA軸が回転すると、C軸がA軸に取り付けられているため、C軸の姿勢も影響を受けます。同様に、ターンテーブル上に載せたワークに対して工具中心で切削加工をプログラムする場合、回転座標の変化によって直線軸X・Y・Zの座標が必然的に変化し、相対的な位置ずれが生じます。この位置ずれを除去するためには、工作機械側で補正を行う必要がありますが、RTCPはまさにこの補正を不要にするために設けられた機能です。
では、工作機械はこのずれをどのように補償するのでしょうか。次に、このずれがどのように生じるのかを分析していきます。
前述のとおり、直線軸座標のずれは回転座標の変化に起因することが明らかです。したがって、回転軸の回転中心を正確に解析することが極めて重要となります。デュアルターンテーブル構造の工作機械においては、C軸すなわち第5軸の制御点は通常、工作機械の作業台面の回転中心に設定されます。一方、第4軸については、一般に第4軸の軸線の中点を制御点として選定します。
CNCシステムが5軸制御を実現するためには、第5軸の制御点と第4軸の制御点との間の関係を把握する必要があります。すなわち、初期状態（工作機械のA軸およびC軸の0位置）において、第4軸の制御点を原点とする第4軸回転座標系における第5軸制御点の位置ベクトル［U, V, W］を知る必要があります。同時に、A軸とC軸の軸線間の距離も把握しておく必要があります。二重ターレット式工作機械の場合、その例を下図に示します。
ご覧のとおり、RTCP機能を備えた工作機械では、制御システムが工具の中心を常にプログラムされた位置に保持します。この場合、プログラミングは独立しており、工作機械の運動とは無関係に行われます。工作機械上でプログラミングを行う際には、工作機械の運動や工具長を気にする必要はありません。考慮すべきは、工具とワークピースとの相対運動のみです。残りの作業はすべて制御システムが自動的に実行してくれます。例を挙げると：
上図のとおり、RTCP機能をオフにした状態では、制御システムは工具長を考慮しません。工具は回転軸の中心を中心に回転し、先端はその位置から外れ、もはや固定されなくなります。
上図のとおり、RTCP機能を有効にした状態では、制御システムは工具の向きのみを変更し、工具先端の位置はそのまま維持されます。X軸、Y軸、Z軸における必要な補正運動は自動的に計算されて組み込まれています。
では、RTCP機能を備えていない5軸工作機械およびCNCシステムでは、直線軸の座標オフセット問題はどのように解決されているのでしょうか。現在、国内の多くの5軸CNC工作機械およびCNCシステムはいわゆる「偽5軸」に該当します。ここでいう「偽5軸」とは、すなわちRTCP機能を搭載していない工作機械のことです。「真5軸」か「偽5軸」かは、外観や5軸の連動有無で判断するものではなく、偽5軸であっても5軸連動加工を行うことは可能です。偽5軸と真5軸の主な違いは、真5軸に備わるRTCPアルゴリズムが搭載されていない点にあります。つまり、偽5軸でのプログラミングでは、主軸の振れ長および回転テーブルの位置を考慮しなければなりません。このため、偽5軸のCNCシステムおよび工作機械で加工プログラムを作成する際には、CAMによるプログラミングとポストプロセッシング技術に依存し、あらかじめ切削パスを緻密に計画しておく必要があります。
同じ部品であっても、工作機械や切削工具を交換した場合には、必ずCAMプログラミングとポストプロセッシングをやり直さなければなりません。さらに、疑似5軸工作機械では、ワークをテーブルの回転中心に正確に据え付ける必要があります。これは作業者にとって、多くの装着・位置決め時間を要することを意味し、しかも精度が確保できないという問題があります。分度加工を行う場合でさえ、疑似5軸は非常に手間がかかります。一方、真の5軸では、座標系を1つ設定し、タッピングを1回行うだけで加工を完了できます。
仮想5軸加工は、後処理技術に依拠して工作機械の第4軸と第5軸の中心位置関係を明示し、回転軸による直線軸座標の変位を補償する手法である。これにより生成されるCNCプログラムのX・Y・Z軸データは、単なる到達点のプログラミングにとどまらず、X・Y・Z軸における必要な補償も組み込まれている。しかしこのような処理を行った結果、加工精度が不足し効率が低下するだけでなく、生成されたプログラムは汎用性に乏しく、人件費も大幅に増加する。さらに、各工作機械ごとに旋回パラメータが異なるため、それぞれに対応した後処理ファイルが必要となり、生産現場において大きな不便を招くことになる。また、仮想5軸で生成されたプログラムは修正が不可能であり、手動による5軸プログラミングを実現することはほぼ不可能である。
同時に、RTCP機能を備えていないため、それに由来する多数の五軸高機能——たとえば五軸工具補正機能など——も利用できません。実際のところ、五軸工作機械はあくまで加工結果を実現するためのツールにすぎず、真偽の別はありません。重要なのは、当社の加工プロセスに基づいてどの加工方式を選択するかという点であり、相対的に見れば、真の五軸工作機械の方がコストパフォーマンスに優れています。
RTCP、刃先追従機能、ボールジョイント測定器,、ボールヘッド検査棒、5軸RTCP
最近の動向
