平成19年4月開かれた、北海道立林産試験場(旭川市西神楽1線10号、浅井定美場長(当時)、電話0166-75-4233)主催の平成18年度研究成果発表会(7月既報)での、委託元(有)村口産業と同林試技術部機械科研究主任・橋本裕之氏の「チップソーを用いたCNC木工旋盤による3次元加工」について、もっと詳しく知りたい欲求から、このほど林試を訪ねた。
 
養豚から製材業、そしてクラフト工房に
 このCNC旋盤開発の糸口となった拒コ口産業(青森県下北郡風間浦村大字易国間字大川目6-7、村口要太郎社長、電話0175-35-2147)は、元は養豚業であったが周囲に住宅が増えたことで環境等の問題が発生、やむなく事業の閉鎖に迫られた。それを契機に地元の特産であるヒバの有効利用を、とはじめ製材業に思い切って転進した。
 ヒバの製材で山には切り落とした枝や、工場からは端材が多く出るが、それらの多くは燃料用に使われてしまう。それでは勿体ない、と現在の工房では枝や端材から靴ベラや傘の取っ手を手作りで生産販売しているが、ここにきて林地残材・間伐材利用の関心の高まりと同時に注文も増え始めて、さらに生産性を高めたい、ついてはいい機械が欲しいが市場には該当する機械は無い、ということで同林試が委託の相談を受け、漸く試作機に漕ぎ着けたもの。
 プログラム開発に時間
 委託を受けた林試の橋本氏は「まず研究期間は平成18年4月から1ヵ年としスタートした。機械そのものの原型はできていたので、ポイントはCAD上で作られた形或いは手作りの形を、コンピュータに入力して加工機を動かすための計算プログラムの開発に時間を要した」という。しかし「機械が高額になってはいけない、チップソーは市販のもので利用できるか、などコストの面からも有効でなければならない」と開発の意図を説明してくれた。また、地元北海道の事業所に開発協力の意向を呼びかけたが、手を上げてくれるところがなかった、と残念そう。
 仕上げなどに課題
 今後の課題として、加工表面の鋸刃マークを最終仕上げでどうするのか、刃物についても研究の余地がある、道内で市場向けに機械を生産できるメーカーがあるのか、機械価格を約300万円ベースとする機械設備に対投資効果が得られるのか、などが残されている。なお、委託者である村口産業では自社に必要とする技術、機械ができればそれで良い、あとはこの機械を用いて物作りをしたいところがあれば使って欲しいとしている。

  1.緒言
 刃物にチップソーを用いた木工旋盤のCAMソフトを開発したことで木工旋盤による3次元加工が可能になった。更に既存の3D−CADやNCソフトを組み合わせたことでCNC木工旋盤システムとなり非円形断面でしかも湾曲した形状の加工も可能になった。
2.仕様・特徴
 CNC木工旋盤システムの仕様を表1に、外形図を図1に示す。旋盤を構成する3軸(Z軸、X軸、C軸)はサーボモーターで同時制御されている、チップソーは入手しやすい市販品を用いている。開発したCAMソフトで扱える3次元データにはSTL形式を採用した。これにより実物の原型を3次元形状測定することで得られる形状データからも加工が行える。従って、コンピュータによる3次元モデルからでも、原型からでも加工ができる。また、STL形式さえ出力できれば3D−CGソフトからでも3D−CADソフトからでも加工できる(図2参照)。加工時間は材料1回転あたりのチップソーの送り量が0.5mmの場合、例えば人の脚型(全長9.7cm)で約5分(写真1参照)である。
3.CAMソフト
 旋盤のC軸に取り付けられた材料に対しチップソーを用いて3次元加工を行う際に必要なCAMソフトの概念を図3に示す。CAMソフトでは、チップソーが3次元形状の表面を転がるように運動すると仮定してチップソーの中心位置(X座標)を算出し、C軸座標とZ軸座標およびGコードを生成してファイルに記録した。その際、チップソーの半径や厚み、そして先端の形状を考慮した。記録されたファイルをNCソフトに読み込ませると加工ができる状態になる。
4.今後の課題
 チップソーは薄い円盤状であることから、切削抵抗による面外方向へのたわみが加工精度の悪化を招く。例えば、球体を加工した場合、Z軸に直角な断面での真円度は良好であっても、X−Z平面に平行な断面における真円度は悪化することになる。対策としてはチップソーの厚さを増やす、もしくは半径を小さくするなど、切削抵抗に対する剛性の向上が考えられる。
 また、加工精度に影響を与える他の要因にC軸用サーボモーターのサーボ剛性が挙げられる。加工時間を短縮しようとすると加工速度を高速化する必要があるが、それに伴いサーボモーターでは加減速時の指令に対する追従誤差が大きくなるため加工精度は低下する。特にC軸はチャックやベアリング等の大きな慣性を持つ部品で構成されているため指令値に対する追従性に関しては不利な構造である。対策としては、バックラッシュの小さい減速機を介在させることで見かけの慣性を軽減させ加減速時の追従性を確保することなどが必要と考える。
 更に、カッターマークが残るため仕上げ工程に長時間を要することがコスト上の問題となっており、これの対策が必要である。

   チップソーを用いたCNC木工旋盤の開発

北海道立林産試験場 橋本裕之
           拒コ口産業 村口要太郎
橋本裕之氏と
林試ロビーの
展示風景

旋盤にセットされた脚形とCADソフト図
(図は林試提供)

取材協力:北海道立林産試験場
出典資料:(社)日本木材加工技術協会
            第25回年次大会講演要旨集

3 CAMソフトの概念

 「3Dターニングマシン」(チップソーを用いたCNC旋盤)
北海道林産試・開発から旭川機械工業・製品への軌跡を追う
日本木工機械展2017で栄えの技術優秀賞で結実

 林産・林業・森林と名の付く試験場や研究センター(所)は全国各地にある。国立
では林野庁所管の森林総合研究所(つくば市)をはじめとして都道府県や大学にも
存在している。大まかに分ければ@林業に関する研究を行う機関。A野生鳥獣の
保護や、外来有害獣の駆除、県立公園の管理、樹木の病気に関する周知なども行
っている。さて、今回は普段から研究成果を伝えてくれる(地独)北海道立総合研究
機構林産試験場(北海道・旭川市=及川弘二場長)の技術部製品開発グループ・
橋本裕之氏が、「平成18年度研究成果発表会」で課題「チップソーを用いたCNC
木工旋盤による3次元加工」について発表した。このCNC木工旋盤をもっと詳しく
知りたいと、ヒバの林地残材や端材の有効利用を願っていた青森県風間浦村の
村口産業の村口要太郎社長から委託相談があった。 
 委託を受けた橋本氏は2008(平成19)年4月から研究期間を一ヵ年としてスタート
した。翌2009(平成20)年の春に試作モデルが完成した。編集子はこのCNC木工
旋盤に興味を持って林試を訪ねたのが同年8月のことだった。

CNC木工旋盤試作モデルと
加工サンプル

写真1 人の脚形(写真:林試提供)

 上記のCNC木工旋盤を市場向けに技術移転を受けて共同開発したメーカーが、
旭川機械工業株式会社(旭川市永山北7丁目1番の11、関山憲充社長)で、製品は
2015(平成17)年4月に「3Dターニングマシン」の名で販売を開始した。

開発の経緯を語る関山真教氏

 3Dターニングマシンを開発した旭川機械工業梶i旭川市永山北3条7丁目1-11、関山憲充社長、TEL0166-48-7261)を訪ねて、常務取締役の関山真教氏に話を聞いた。
 当社は1947(昭和22)年の創業です。当初は主に水産加工機械のメーカーとしてスタートしました。長年に亘り自社生産の機械も多くありますが、一方で地元のユーザーから特殊な機械の製作依頼を受けて考案製作する、いわゆるオーダーメイドの機械装置を多く手掛けています。
 今回の3Dターニングマシンは、自社から発信する機械開発を考えていたところ、(地独)北海道立総合研究機構森林研究本部林産試験場、菊池伸一場長(当時)で、研究開発したチップソーとルーターの高速回転と主軸の回転で、木材などを簡単に三次元加工できるCNC旋盤をモデルに市場用に向けて共同で開発した機械です。特にソフトデータも普及している3プリンターのイメージで、倣いモデルが無くても非対称の加工物が容易にできます。

3Dターニングマシン3DT-SD50の主な特徴
・STL(三次元CADデータ)データを入力すれば加工プロクラムは自動作成されるので、熟練の技術を必要とせずに簡単に複雑な切削造形物の製作ができる。
・加工例:八角形の器の場合、加工する木材の外周面はチップソー、内面の加工はルーター切削で非円形に加工できる。
・加工時間は形状によって異なるが、1個当たり約3分〜15分。

図 2 

図2 加工までのフロー

制作:2009年10月

期待を担って飛翔を!

図 1 外形図

加工中のキノコ
八角形の器

左チップソー・右ルータ軸
加工中のワイングラス

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2016年会員制DIY工房 「TechShop Tokyo 」 に納入した実機

2017年日本木工機械展で技術優秀賞受賞

 こうして同機は、29年10月27日から4日間「ポートメッセなごや」で開催された日本木工機械展/ウッドエコテック2017において「3Dターニングマシン」が栄えある『技術優秀賞』を受賞している。このことは、林試・橋本氏の研究成果が大きく結実したことになり、業界人としても喜びを共有したい。

                                                                     Woodfast '17-11