JP2012206188A - 高精度加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切削抵抗もしくは研削抵抗などの加工負荷に起因する工具の撓みを解消し、高精度加工を行うことができる高精度加工装置を提供する。
【解決手段】円柱形状の加工面を有し加工面を回転軸２４にて回転する工具４を備え、ワーク１に工具４の円柱形状の加工面を回転させながら当接させて加工を行う高精度加工装置において、ワーク１に対して工具４の回転軸２４を水平方向に旋回する旋回駆動モータ５と、旋回駆動モータ５の非加工時の出力値および加工時の出力値を取得するトルクセンサ１７、旋回駆動モータ５の非加工時の出力値と加工時の出力値とから工具４の回転軸２４に対する撓み量を算出して、撓み量を解消するための旋回の旋回量を決定する演算部１４と、工具４の回転軸２４が旋回の旋回量と成るように旋回駆動モータ５を制御する制御部１６とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、短時間で高精度な直角度、真直度、円筒度、平面度等の形状精度を得る高精度加工装置に関するものであり、特に、切削抵抗もしくは研削抵抗などの加工負荷に起因する工具の撓みを精度良く補正し加工精度を向上するものである。

従来の高精度加工装置は、駆動モータからの発熱、テーブルの摺動面からの摩擦熱、加工点から発生する切削熱などにより熱変形が生じ、寸法精度が悪化するという問題点があった。また、工具が誤って主軸軸心に対して斜めにチャッキングされたり、工具のチャック部分と切れ歯部分の外径に偏心があったり、工具が偏心してチャッキングされたりした場合、工具が回転したときの切れ歯部分の外径の包絡線は、工具の外径と振れ量の和となり、加工される溝幅は工具の振れ量に相当する加工誤差が生じるという問題点があった。

そこで従来の高精度加工装置では、回転中の工具の位置を加工機に設置された測定器により測定し、ワークを基準とした相対位置の変化を得ることで熱変位による誤差をも含んだ見かけ上の工具の外径を算出し、この見かけ上の工具の外径をＮＣ制御部に入力することで、ＮＣ制御部内の工具座標をインラインで補正し、高精度な寸法精度を得ているものである（例えば、特許文献１参照）。

また、加工時間を短縮するため加工速度を上げると、加工負荷が増大し、その影響で工具に撓みが発生する。そのため高精度な形状精度が必要なワークに対しては、加工速度を下げて加工していたため、加工時間が長くなるという問題点があった。そこで従来の高精度加工装置は、スピンドル主軸のモータ電流、もしくはスピンドル主軸の動力から工具の撓み量を推定し、工具の撓み量に応じてスピンドル主軸をワークに対して傾けることで、短時間で高精度な形状精度を得ているものである（例えば、特許文献２参照）。

特許第４１７２４５０号公報 特許第３７５３８８６号公報

従来の前者の高精度加工装置の加工方法にあっては、ワークの寸法精度を改善するためのものであり、ワークの直角度や円筒度、平面度などの形状精度を改善できないといった問題点があった。また、後者の高精度加工装置にあっては、工具の撓み量をスピンドル主軸のモータ電流、もしくはスピンドル主軸の動力から推定する。このスピンドル主軸のモータ電流、もしくはスピンドル主軸の動力は、加工負荷のうち工具の接線方向に働く主分力に応じて変化する。工具の径方向に働き、工具の撓みの原因である背分力を直接測定しているため工具の撓み量の推定精度が悪く、加工負荷の変動に対応できないといった問題点があった。

この発明は前記のような課題を解決するためになされたものであり、工具の撓みを精度良く測定し、加工精度を向上することができる高精度加工装置を提供することを目的とする。

この発明は、
円柱形状の加工面を有し前記加工面を回転軸にて回転する工具を備え、ワークに前記工具の円柱形状の加工面を回転させながら当接させて加工を行う高精度加工装置において、
前記ワークに対して前記工具の回転軸を水平方向に旋回する旋回駆動モータと、
前記旋回駆動モータの非加工時の出力値および加工時の出力値を取得するセンサと、
前記旋回駆動モータの非加工時の出力値と前記加工時の出力値とから前記工具の回転軸に対する撓み量を算出して、前記撓み量を解消するための前記旋回の旋回量を決定する演算部と、
前記工具の回転軸が前記旋回の旋回量となるように前記旋回駆動モータを制御する制御部とを備えたものである。

この発明の高精度加工装置は、
円柱形状の加工面を有し前記加工面を回転軸にて回転する工具を備え、ワークに前記工具の円柱形状の加工面を回転させながら当接させて加工を行う高精度加工装置において、
前記ワークに対して前記工具の回転軸を水平方向に旋回する旋回駆動モータと、
前記旋回駆動モータの非加工時の出力値および加工時の出力値を取得するセンサと、
前記旋回駆動モータの非加工時の出力値と前記加工時の出力値とから前記工具の回転軸に対する撓み量を算出して、前記撓み量を解消するための前記旋回の旋回量を決定する演算部と、
前記工具の回転軸が前記旋回の旋回量となるように前記旋回駆動モータを制御する制御部とを備えたので、
切削抵抗もしくは研削抵抗などの加工負荷に起因する工具の撓みを、背分力に対する反力を測定して解消しているので、高精度加工を行うことができる。

この発明の実施の形態１の高精度加工装置の構成を示す斜視図である。 図１に示した高精度加工装置の構成を示す上面図である。 図１に示した高精度加工装置の構成を示す側面図である。 図１に示した高精度加工装置の工具の先端の旋回量と変位センサの変位量との関係を説明するための模式図である。 図１に示した高精度加工装置の工具とワークとの加工負荷の関係を説明するための工具の回転軸方向から見た模式図である。 図１に示した高精度加工装置における加工負荷の関係を説明するための上方から見た模式図である。 高精度加工装置の背分力の影響を受けて撓んだ工具の状態を示す図である。 この発明の実施の形態１における高精度加工装置の工具の撓み量に応じて工具を旋回させた状態を示す図である。 図１に示した高精度加工装置の背分力と背分力に対する反力との関係を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態２の高精度加工装置の構成を示す上面図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における高精度加工装置の構成を斜視図、図２は図１に示した高精度加工装置の構成を示す上面図、図３は図１に示した高精度加工装置の構成を示す側面図、図４は図１に示した高精度加工装置の工具の先端の旋回量と変位センサの変位量との関係を説明するための模式図、図５は図１に示した高精度加工装置の工具とワークとの加工負荷の関係を説明するための工具の回転軸方向から見た模式図、図６は図１に示した高精度加工装置における加工負荷の関係を説明するための上方から見た模式図、図７は高精度加工装置の背分力の影響を受けて撓んだ工具の状態を示す図、図８はこの発明の実施の形態１における高精度加工装置の工具の撓み量に応じて工具を旋回させた状態を示す図、図９は図１に示した高精度加工装置の背分力と背分力に対する反力との関係を説明するための模式図である。

図において、高精度加工装置は短時間で高精度な直角度、真直度、円筒度、平面度等の形状の加工を行うものであり、ワーク１を加工する工具４と、ワーク１と工具４との相対距離を変更するために、ワーク１の厚み方向であるＺ軸に相対的に移動可能なＺ軸テーブル２０と、Ｚ軸に直行し工具４の送り方向であるＸ軸に相対的に移動可能なＸ軸テーブル２１と、Ｚ軸およびＸ軸にそれぞれ直行するＹ軸に相対的に移動可能なＹ軸テーブル２２と、ワーク１に対して工具４の回転軸２４を水平方向に旋回する旋回駆動モータ５と、
旋回駆動モータ５により駆動するボールネジ６と、旋回駆動モータ５の非加工時の出力値および加工時の出力値を旋回駆動モータ５の出力値として出力トルクを検出するセンサとしてのトルクセンサ１７と、Ｙ軸テーブル２２に載置され、ワーク１を保持して中心軸２３にて回転するワークスピンドル２と、ワーク１と対向する位置で工具４を保持して回転軸２４にて回転する工具スピンドル３とを備える。

さらに、工具スピンドル３を保持するスピンドルホルダ８と、スピンドルホルダ８が載置されている旋回ベース７と、旋回ベース７の下面に形成されている旋回ガイド９と、Ｘ軸テーブル２１に載置され旋回ガイド９を上面に設置する下部ベース２５と、下部ベース２５と旋回ベース７との相対的な変位量を検出する変位センサ１０と、旋回駆動モータ５を駆動制御するためのモータドライバ１１と、トルクセンサ１７の信号を変換する第１変換器１５と、変位センサ１０の信号を変換する第２変換器１２と、旋回駆動モータ５の非加工時の出力トルクの値を格納するデータセンタ１３と、データセンタ１３に格納された出力トルクの値と加工時の出力トルクの値とから工具４の回転軸２４に対する撓み量を算出して、撓み量を解消するための工具４の回転軸２４の旋回の旋回量を決定する演算部１４と、工具４の回転軸２４が旋回の旋回量となるようにモータドライバ１１を制御して旋回駆動モータ５を駆動する制御部１６とを備える。

工具４は、円柱形状の加工面を有し、加工面が回転軸２４にて工具スピンドル３を介して回転する。そして、ワーク１に工具４の円柱形状の加工面を回転させながら当接させて加工が行われる。そして旋回駆動モータ５の駆動により、加工点Ａと工具４の回転軸２４とを含む平面内において、加工点Ａを中心に旋回を行うために、旋回ガイド９は、加工点Ａを通るＹ軸方向の軸を中心とする円弧形状にて形成されている。よって、旋回駆動モータ５を駆動することで、ボールネジ６を介して旋回ベース７、スピンドルホルダ８、工具スピンドル３、工具４が旋回ガイド９に沿って旋回する。そして、ワーク１に対して工具４を、Ｘ軸テーブル２１、Ｙ軸テーブル２２およびＺ軸テーブル２０を用いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に相対的に駆動することで、ワーク１を任意の形状に加工できる。

上記のように構成された実施の形態１の高精度加工装置の動作について説明する。まず、工具４の先端の旋回量ｈ３について図４に基づいて説明する。工具４の先端の旋回量ｈ３は、変位センサ１０により測定した旋回ベース７の変位量、すなわち変位センサ１０の変位量を、第２変換器１２を介して取得して求めることができる。
すなわち、旋回中心点Ｂから工具４の先端までの距離ｈ１と、旋回中心点Ｂから変位センサ１０の位置までの距離ｈ２の比が例えば１：５の場合、工具４の先端の旋回量ｈ３は変位センサ１０の変位量ｈ４の１／５となり、検出することができる。尚、旋回ベース７の旋回量を検出する例を示したが、スピンドルホルダ８の旋回量から算出することもできる。

次に、加工負荷Ｆについて図５、図６に基づいて説明する。工具４のワーク１に対する加工負荷Ｆは、主分力Ｆｃと背分力Ｆｔとに分解できる。主分力Ｆｃは工具４の加工点Ａにおける接線方向の力であり、工具スピンドル３を回転するために必要な動力の大きさを決める要素である。また、背分力Ｆｔは工具４の加工点Ａにおける径軸方向の力、すなわち工具４をワーク１に押し付けている力であり、工具４が撓む要素である。

次に、工具４の回転軸２４に対する撓み量Ｙと背分力Ｆｔとの関係について図７を用いて説明する。尚、図７から明らかなように、撓み量Ｙとは、工具４の回転軸２４に対する撓み量と同一である。工具４上の加工点Ａに先に示した背分力Ｆｔが加わっている場合、工具４の工具長をＬ、工具４の先端から加工点Ａまでの距離をＬ１、ＬとＬ１との差をＬ２、工具４の縦弾性係数をＥ、断面２次モーメントをＩとすると、工具４の撓み量Ｙは、片持ち梁における撓みの式から、以下に示す式（１）が成り立つ。
Ｙ＝（Ｆｔ×Ｌ２^３／（３×Ｅ×Ｉ））×（１＋（３×Ｌ１）／（２×Ｌ２））
そして、Ｌ１、Ｌ２は加工条件により、Ｅは工具４の材質により、Ｉは工具４の断面形状により、それぞれ予め決まっている数値である。そのため、背分力Ｆｔが分かれば、工具４の撓み量Ｙが推定できる。

加工負荷Ｆが変動する要因として、ワーク１とワークスピンドル２との芯ズレに起因するワーク１の振れや、工具４と工具スピンドル３との芯ズレに起因する工具４の振れ、加工前のワーク１の形状精度や加工による工具４の状態の変化が挙げられる。このような要因で加工負荷Ｆが変動すれば、それに応じて上記に示した背分力Ｆｔも変動し、工具４の撓み量も変動する。つまり、背分力Ｆｔの影響で工具４が撓み、その結果、ワーク１の直角度が図７に示すように悪化する。また、ワーク１を加工する箇所ごとに背分力Ｆｔが変動するため、工具４の撓み量が変動する。その結果、加工する箇所ごとにワーク１の直角度が変化するので、ワーク１の加工面に図７に示すようなうねりが生じる。

このことを解消するために、本願実施の形態１においては、図８に示すように、工具４をワーク１に押し付ける方向に加工点Ａを中心に工具スピンドル３を旋回させる。このときの工具スピンドル３の旋回量は、工具４の撓み量Ｙが解消するためのもので、工具４の先端が移動する量である。よって、工具４の撓み量Ｙを加工中に検出し、この撓み量Ｙに応じて工具スピンドル３の旋回量を調整する。

しかし、加工中に工具４の撓み量Ｙを直接測定することは、加工負荷による振動や、切削水、研削水による影響、さらにワーク１が通常の測定時と比較して高速に回転していることなどから、困難である。そこで先に示した背分力Ｆｔを測定して検出する。加工中の背分力Ｆｔは、旋回ベース７やボールネジ６を介して旋回駆動モータ５に伝わる。すなわち加工中の旋回駆動モータ５は、工具スピンドル３をその場に保持するための駆動力と、背分力Ｆｔに対する反力Ｆｔ’とを加えた大きさの駆動力を出力している。

そこでまず、工具スピンドル３をその場に保持するための駆動力としての、非加工時の旋回駆動モータ５の出力トルクを、トルクセンサ１７を用いて測定し、第１変換器１５を介してデータセンタ１３に蓄積する。次に、加工中の旋回駆動モータ５の出力トルクをトルクセンサ１７で測定する。
次に、非加工時の出力トルクと加工時の出力トルクとの差を演算部１４にて算出した結果が、背分力Ｆｔに対する反力Ｆｔ’に相当する。この演算を加工中に繰り返すことで、加工している場所に応じて背分力Ｆｔに対する反力Ｆｔ’を得ることができる。

次に、背分力Ｆｔと背分力Ｆｔに対する反力Ｆｔ’との関係について、図９に基づいて説明する。旋回中心点Ｂから加工点Ａまでの距離ｈ５と、旋回駆動モータ５までの距離ｈ６との比が例えば１：５の場合、背分力Ｆｔに対する反力Ｆｔ’の１／５が背分力Ｆｔに相当する。ここで推定した背分力Ｆｔを上記式（１）に代入することで、工具４の撓み量Ｙを算出できる。そして、加工している箇所ごとに背分力Ｆｔに対する反力Ｆｔ’を検出し、工具４の撓み量Ｙも加工している箇所ごとに算出できる。

そして、先に示したように、旋回中心点Ｂから工具４の先端までの距離ｈ１と変位センサ１０までの距離ｈ２の比を１：５とすると、変位センサ１０の変位量が撓み量Ｙの５倍になるよう旋回駆動モータ５を駆動する。この旋回駆動モータ５の駆動量を加工箇所ごとに調整することで、直角度が良好で加工することができ、加工面のうねりが抑えられたワーク１を得ることができる。
尚、本実施の形態１においては、旋回ベース７の変位量を監視するセンサとして変位センサ１０を用いる例を示したが、これに限られることはなく、旋回駆動モータ５にエンコーダを設置し、このエンコーダを用いるようにしても同様に行うことができる。

上記実施の形態１によれば、工具の撓みの原因である背分力に対する反力を測定し、加工中に加工負荷が変動しても、この変動に応じて工具の旋回の旋回量を調整することが可能となり、高精度な形状精度が得られる。また、駆動モータの出力値を出力トルクにより測定しているので、測定精度が向上する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では旋回駆動モータ５の出力値として、出力トルクを用いる例を示しが、これに限られることはなく、図１０に示すように、旋回駆動モータ５へのモータドライバ１１からの出力電力を旋回駆動モータ５の出力値として測定するセンサとしての電力計１８を設置し、この電力計１８を用いて出力電力を検出して上記実施の形態１と同様に行うことが可能であり、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。さらにこの場合、電圧と電流との位相が一致していなくても有効電力を測定できるので、高い測定精度が得られる。また、電力計と旋回駆動モータとを近接して設置する必要がないことから旋回駆動モータ周辺の小型化が可能になる。

実施の形態３．
上記実施の形態２では旋回駆動モータ５へのモータドライバ１１からの出力電力を計測する例を示したが、これに限られることはなく、旋回駆動モータ５へのモータドライバ１１からの出力電流を旋回駆動モータ５の出力値として、上記実施の形態２の電力計１８と同一の箇所に電力計１８に換えてセンサとしての電流計を設置して出力電流を計測して、上記各実施の形態と同様に行うことが可能であり、上記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。さらにこの場合、出力電流を測定するための電流計が安価であり、コストを低減することができる。また、電流計と旋回駆動モータとを近接して設置する必要がないことから旋回駆動モータ周辺の小型化が可能になる。また、電力計と比較して小型であることから制御部の周辺も小型化が可能になる。

尚、上記各実施の形態では、ワークスピンドル２にてワーク１を回転して加工を行う例を示したが、これに限られることはなく、ワークが回転しないような加工においても上記各実施の形態と同様に行うことができ、同様の効果を奏することができる。

また、上記各実施の形態においては、Ｚ軸テーブル２０、Ｘ軸テーブル２１、Ｙ軸テーブル２２などを備える例を示したがこれに限られることはなく、他の移動手段であっても、上記実施の形態と同様に行うことが可能であり、同様の効果を奏することができる。

１ ワーク、２ ワークスピンドル、３ 工具スピンドル、４ 工具、
５ 旋回駆動モータ、１１ モータドライバ、１４ 演算部、１６ 制御部、
１７ トルクセンサ、１８ 電力計、２０ Ｚ軸テーブル、２１ Ｘ軸テーブル、
２２ Ｙ軸テーブル、２４ 回転軸、Ａ 加工点、Ｂ 旋回中心点。

Claims (6)

1. 円柱形状の加工面を有し前記加工面を回転軸にて回転する工具を備え、ワークに前記工具の円柱形状の加工面を回転させながら当接させて加工を行う高精度加工装置において、
   前記ワークに対して前記工具の回転軸を水平方向に旋回する旋回駆動モータと、
   前記旋回駆動モータの非加工時の出力値および加工時の出力値を取得するセンサと、
   前記旋回駆動モータの非加工時の出力値と前記加工時の出力値とから前記工具の回転軸に対する撓み量を算出して、前記撓み量を解消するための前記旋回の旋回量を決定する演算部と、
   前記工具の回転軸が前記旋回の旋回量と成るように前記旋回駆動モータを制御する制御部とを備えたことを特徴とする高精度加工装置。
2. 前記旋回駆動モータの出力値は、前記旋回駆動モータの出力トルクから得ることを特徴とする請求項１に記載の高精度加工装置。
3. 前記旋回駆動モータの出力値は、前記旋回駆動モータへのモータドライバからの出力電力から得ることを特徴とする請求項１に記載の高精度加工装置。
4. 前記旋回駆動モータの出力値は、前記旋回駆動モータへのモータドライバからの出力電流から得ることを特徴とする請求項１に記載の高精度加工装置。
5. 前記ワークを保持して回転するワークスピンドルと、
   前記ワークと対向する位置で前記工具を保持して前記回転軸にて回転する工具スピンドルとを備え、
   前記ワークと前記工具との相対距離を変更するために、前記ワークの厚み方向であるＺ軸と、前記Ｚ軸に直行し前記工具の送り方向であるＸ軸と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸にそれぞれ直行するＹ軸とを有し、
   前記旋回駆動モータは、加工点と前記工具の回転軸とを含む平面内において、前記加工点を中心に前記旋回を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の高精度加工装置。
6. 前記ワークを保持する保持部と、
   前記ワークと対向する位置で前記工具を保持して前記回転軸にて回転する工具スピンドルとを備え、
   前記ワークと前記工具との相対距離を変更するために、前記ワークの厚み方向であるＺ軸と、前記Ｚ軸に直行し前記工具の送り方向であるＸ軸と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸にそれぞれ直行するＹ軸とを有し、
   前記旋回駆動モータは、加工点と前記工具の回転軸とを含む平面内において、前記加工点を中心に前記旋回を行うこと特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の高精度加工装置。

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