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矢石製品マトリックス——工具編
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2020
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第17回全国百佳優秀自動車部品サプライヤー表彰リスト
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五軸加工の全知識
あなたは本当に5軸加工を十分に理解していますか？5軸加工の全知識を徹底解説！ 近年、5軸連動NCマシニングセンタはさまざまな分野でますます広く活用されるようになっています。実際の現場では、異形で複雑な部品の高効率・高品質加工という難題に直面した際、5軸連動技術は間違いなくこの種の課題を解決する重要な手段です。多くのメーカーが高効率・高品質な加工を実現するために、5軸設備の導入を検討する傾向にあります。しかし、果たしてあなたは本当に5軸加工について十分に理解しているのでしょうか？ 01 5軸工作機械の機械構造形式 5軸加工を真に理解するためには、まず5軸工作機械とは何かをきちんと把握する必要があります。5軸工作機械（5 Axis Machining）とは、その名のとおり、X、Y、Zの3本の一般的な直線軸に加えて、さらに2本の回転軸を備えた工作機械のことです。A、B、Cの3つの回転軸のうち、2本はそれぞれ異なる運動方式を採用しており、各種製品の技術的要件を満たすように設計されています。 一方、5軸マシニングセンタの機械設計においては、工作機械メーカーは常に新たな運動モードの開発に取り組み、多様な要求に対応しています。現在市場に出回っているさまざまな5軸工作機械を見ると、その機械構造は多岐にわたりますが、主に以下のいくつかの形式に分類されます： 1. 2つの回転座標が直接工具軸の方向を制御する（ダブルポーリングヘッド形式）。 2. 2つの座標軸が工具先端に配置されているが、回転軸は直線軸と垂直ではない（フロントドロップ型ポーリングヘッド形式）。 3. 2つの回転座標が空間の回転を直接制御する（ダブルターンテーブル形式）。 4. 2つの座標軸が作業台に配置されているが、回転軸は直線軸と垂直ではない（フロントドロップ型作業台形式）。 5. 2つの回転座標のうち1つは工具に、もう1つはワークに作用する（ポーリング＋ターン形式）。 *用語：回転軸が直線軸と垂直でない場合、その軸は「フロントドロップ型」軸とみなされます。 これらの構造を持つ5軸工作機械を見てみると、5軸工作機械がどのような動きをするのか、またどのように動くのかがお分かりいただけると思います。しかし、これほど多様な工作機械の構造ですが、実際に加工を行う際にはいったいどのような特長を発揮するのでしょうか？また、従来の3軸工作機械と比べてどのような優位性があるのでしょうか？次に、5軸工作機械の優れた点を見ていきましょう。 5軸加工の数々のメリット 5軸工作機械の特長について語る際には、まず従来の3軸設備と比較する必要があります。生産現場では3軸加工設備が一般的で、立型、横型、ガントリー型などさまざまな形式があります。代表的な加工方法としては、エンドミルによる端面加工や側面加工、ボールエンドミルによる形状追従加工などがあります。しかし、どの形式や方法であっても共通しているのは、加工中は工具軸の向きが常に一定であり、工作機械はX、Y、Zの3本の直線軸の補間によってのみ工具が空間直交座標系内で移動できるという点です。そのため、以下のような製品に対しては、3軸工作機械では加工効率が低く、加工面の品質が悪化するだけでなく、場合によっては加工自体が不可能になるという欠点が露呈します。 3軸NC加工設備と比較すると、5軸連動NC工作機械には以下のメリットがあります： 1. 工具の最適な切削状態を維持し、切削条件を改善する 上図をご覧ください。左の図では、3軸での切削方式において、切削工具が先端やワークの端部へ移動するにつれて、切削状態が徐々に悪化していきます。ここで最適な切削状態を保つためには、作業台を回転させる必要があります。さらに、不規則な平面を完全に加工するためには、作業台を何度も異なる方向に回転させなければなりません。このことからもわかるように、5軸工作機械ではボールエンドミルの中心点における線速度がゼロになることを回避でき、より優れた表面品質を得ることができます。 2. 工具の干渉を効果的に回避する 上図のように、航空宇宙分野で使用されるインペラ、ブレード、一体型ブレードディスクなどの部品については、3軸設備では干渉の問題により加工要件を満たすことができません。一方、5軸工作機械であればこの問題をクリアできます。さらに、5軸工作機械ではより短い工具を使用して加工できるため、システム剛性が向上し、工具の数を減らして専用工具の製作を避けることができます。つまり、企業経営者にとっては、工具コストの面でも5軸工作機械の方が費用を節約できるということになります！ 3. 装着回数を減らし、一度の装着で5面加工を完了する 上図をご覧いただくと、5軸マシニングセンタでは基準変換を減らし、加工精度を向上させることができることがわかります。実際の加工では、一度の装着だけで加工精度が確保されやすくなります。同時に、5軸マシニングセンタでは工程チェーンの短縮と設備数の削減により、治具や金型の数、工場の占有面積、設備の保守費用も減少します。つまり、より少ない治具、より狭い工場面積、そして低い保守費用で、より高効率で高品質な加工を実現できるのです！ 図のように、5軸工作機械では工具の側面刃による切削が可能で、加工効率がさらに向上します。 5. 生産工程チェーンを短縮し、生産管理を簡素化する 5軸NC工作機械による一貫加工は、生産工程チェーンを大幅に短縮し、生産管理や計画・スケジュールの調整を簡素化することができます。ワークが複雑になればなるほど、従来の分散型の生産プロセスに比べてその優位性は顕著になります。 6. 新製品の研究開発期間を短縮する 航空宇宙や自動車などの分野に属する企業では、新製品の部品や成形金型の形状が非常に複雑で、精度要求も非常に高いことが多くあります。そのため、高い柔軟性、高い精度、高い統合性、そして一貫加工能力を備えた5軸NCマシニングセンタは、新製品の研究開発過程における複雑な部品の加工に関する精度と期間の問題をうまく解決し、研究開発期間を大幅に短縮して新製品の成功率を高めることができます。 以上のように、5軸工作機械には実に多くの優れた点がありますが、5軸工作機械の工具姿勢制御、NCシステム、CAMプログラミングおよび後処理は、3軸工作機械に比べてはるかに複雑です！さらに、5軸工作機械といえば、必ず真偽の問題がつきまといます。真偽の5軸の最大の違いはRTCP機能にあることは誰もが知っていますが、そもそもRTCPとは何なのか、どのように生まれ、どのように活用されるのか？ここでは、工作機械の構造とプログラミング・後処理の両方を踏まえながら、RTCPの実態を具体的に見ていきましょう。 03 RTCPについて RTCPとは、高級な5軸NCシステムにおいて、Rotated Tool Center Point、つまり私たちがよく言う「工具先端追従機能」のことを指します。5軸加工では、工具先端の軌跡や工具とワーク間の姿勢を追求する際に、回転運動に伴って工具先端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工具先端と一致しないため、NCシステムは制御点を自動的に修正して、工具先端が指令どおりの軌跡で動くように保たなければならないのです。業界では、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、厳密にはRTCP機能はダブルポーリングヘッド構造に適用されるもので、ポーリングヘッドの回転中心点を利用して補正を行うものです。一方、RPCP機能に類似するものは主にダブル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座標の変化を補正するものです。結局のところ、これらの機能はすべて同じ目的を持ち、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あります。そのため、本文では便宜上、これらの一連の技術を総称してRTCP技術と呼びます。 では、RTCP機能はどのようにして生まれたのでしょうか？数年前、5軸工作機械が市場に普及し始めた頃、RTCPの概念は工作機械メーカーによって大々的に宣伝されました。当時はRTCP機能が単なる技術のためのテクノロジーとして喧伝され、多くの人々がその技術そのものに熱心になり、過剰に宣伝する傾向がありました。しかし実際にはRTCP機能はまったく逆で、単なる優れた技術であるだけでなく、顧客に利益をもたらし価値を創出することができる素晴らしい技術なのです。RTCP技術を搭載した工作機械（つまり国内でいう「真の5軸工作機械」）では、作業者はワークを正確にターンテーブルの回転中心線に合わせる必要がなく、適当に装着しても工作機械が自動的にずれを補正してくれるので、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。さらに、後処理もシンプルで、工具先端の座標とベクトルを出力するだけで済みます。前述したように、機械構造の面では、5軸NC工作機械にはダブルポーリングヘッド、ダブルターンテーブル、ポーリング＋ターンといった構造があります。 以下では、ダブルターンテーブル式の高級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。 5軸工作機械では第4軸と第5軸の概念を定義します：ダブルターンテーブル構造の場合、第4軸の回転は第5軸の姿勢に影響を与え、第5軸の回転は第4軸の姿勢には影響しません。第5軸は第4軸上の回転座標となります。 さて、定義の説明が終わったところで、具体的な仕組みについてご説明します。上図をご覧ください。工作機械の第4軸はA軸、第5軸はC軸です。ワークはC軸のターンテーブルに載せられています。第4軸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軸の姿勢にも影響が及びます。同様に、ターンテーブルに乗せたワークについても、工具の中心で切削するようにプログラミングを行った場合、回転座標の変化によって必然的に直線軸X、Y、Zの座標が変化し、相対的なずれが生じます。このずれを解消するためには、工作機械が必ず補正を行う必要があり、RTCPはまさにこの補正をなくすために生まれた機能なのです。 では、工作機械はどのようにしてこのずれを補正するのでしょうか？次に、このずれがどのようにして生じるのかを分析してみましょう。 前述の通り、回転座標の変化によって直線軸座標にずれが生じることがわかっています。そこで、回転軸の回転中心を分析することが非常に重要になってきます。ダブルターンテーブル構造の工作機械の場合、C軸、つまり第5軸の制御点は通常、工作機械の作業台面の回転中心に位置します。一方、第4軸の制御点は通常、第4軸の軸線の中点を選択します。 NC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軸とC軸が0の位置）、第4軸の制御点を原点とする第4軸の回転座標系における第5軸の制御点の位置ベクトル[U,V,W]を知る必要があります。さらに、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。ダブルターンテーブル式の工作機械の場合、例えば下図のような状況になります。 ここまでお話しすると、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ミングされた位置に保つことを可能にしていることがお分かりいただけると思います。このような場合、プログラミングは独立しており、工作機械の動作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、工作機械の動作や工具の長さを気にする必要はなく、考慮すべきは工具とワーク間の相対的な動きだけです。あとは制御システムが残りの作業を自動的に完了してくれるのです。例を挙げてみましょう： 上図のように、RTCP機能がない場合、制御システムは工具の長さを考慮しません。工具は回転軸の中心を中心に回転します。工具先端はその位置から移動し、もはや固定されなくなります。 上図のようにRTCP機能が有効な状態では、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、Y、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。 一方、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、直線軸の座標偏移問題をどのように解決しているのでしょうか。現在、国内の多くの5軸CNC工作機械およびシステムはいわゆる「偽5軸」に該当します。この「偽5軸」とは、実際にはRTCP機能を搭載していない工作機械を指します。真偽の5軸かどうかは、外観や5軸の連動の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、主軸の振れ長や回転テーブルの位置を考慮に入れる必要があります。そのため、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プログラミングとポストプロセッサ技術に頼り、事前に工具パスを十分に計画しておく必要があります。 同じ部品でも、工作機械や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スをやり直さなければなりません。さらに、偽5軸工作機械ではワークを装着する際に、そのワークがテーブルの回転中心に正確に配置されていることを確保する必要があります。これは作業者にとって、大量の装着・位置合わせの時間を要することを意味し、しかも精度が保証されません。分度加工を行う場合でさえ、偽5軸は非常に手間がかかります。これに対し、真5軸では座標系を1つ設定し、一度だけツールアライメントを行えば、加工を完了することができます。 下図は、NXのポストプロセッサエディタでの設定例を用いて、偽5軸における座標変換を説明しています。 上図のように、偽5軸ではポストプロセッサ技術によって、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の座標偏移を補正しています。生成されるCNCプログラムのX、Y、Z軸は単なるプログラム上の接近点にとどまらず、X、Y、Z軸における必要な補正も含まれています。このような処理の結果、加工精度が不足し、生産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します。また、各工作機械ごとに回転パラメータが異なるため、それぞれに対応したポストプロセス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きます。さらに、偽5軸で生成されたプログラムは修正が不可能であり、手作業による5軸プログラミングを実現することはほぼ不可能です。加えてRTCP機能がないため、5軸の高度な機能（例えば5軸工具補正機能など）も利用できません。実際には、5軸工作機械とはあくまで加工結果を実現するための道具であり、真偽の区別はありません。重要なのは、私たちの加工プロセスに基づいてどの方式で加工を行うかを決定することであり、相対的に見れば、真5軸工作機械の方がコストパフォーマンスが高いと言えます。
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