JPH02167651A - 工作機械の相対変位補償方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、工作機械、特に旋盤における熱による零点
移動を補償する方法およびそのための装置に関するもの
である。

工作機械、特に旋盤は機構の熱膨張を受け、それにより
、たとえば主軸（工作物）、工具測定装置および工具ホ
ルダの零点位置が、相互にずれることになる。そして種
々のずれにより、工作物に対する工具位置が不適切な状
態になってしまう。

これにより約１００μｍ、場合によってはそれを越える
位置誤差が生じる。

これは機械の操作者に、工具位置を繰返し再調整するこ
とを強要し、付加的なキャリパ測定およびテストカット
が必要になり、また必要により、過去の経験からのデー
タが計算に入れられなければならない。

キャリブレーション（校正）のために通常利用されるセ
ットマスター（基準型〉は、工作機械の主軸に対して所
望精度をもって作動しなければならないのであるが、こ
れには比較的多くの組付は作業（組付けの変更および位
置・決め）と、時間のかかるキャリブレーション作業が
必要であり、そのすべてについて、関連の誤差の発生源
が伴っている。

西独国特許第３５３０５６７号明細書には、工具位置を
機械的に検出する方法および装置が開示されている。そ
の明細書によれば、旋盤に直接取１寸けられる基準コラ
ム装置が、チャックに基準リング〈基準領域〉を配置す
る必要性を除去するとしており、また該基準コラム装置
に関連する基準コラムは、工作物に対してキャリブレー
ションされた位置となるように、工作機械に弾性的に配
置されるとしている。この槽底において、基準コラムに
超音波振動を与えることができ、対応の各旋盤のタレッ
トに配置された加速度計が、機械的センサとして機能す
る工具が基準コラムと接触する時、基準コラムの振動に
応答する。この後、加速度計の出力信号は、回転カップ
リングによりタレットから伝達され、調整され、そして
数値制御ユニットに送られて、キャリブレーションに、
あるいは機械工作される部片の計測に利用される。

前述の楕或は、あらゆる位置におけるテストカットを測
定するために、各工具を利用すると共に他の装置は利用
しないことにより、テストカットの測定を改善させよう
とするものである。しかし工作物の測定において、所期
の改善は、不動の零点位置が実在するとの仮定の上に立
っているため、工具チップ位置の修正は、熟移動により
もたらされる誤差により妨げられ、したがってこの解決
法はテストカットの必要性を除去することはできない。

この発明によれば、前述した従来技術の欠点が除去され
ると共に、熱によりもたらされる零点移動を補償する極
めて単純な方法が提供され、機械工作サイクルにおいて
、操作者の介在の必要性を実質的に除去する。

この発明の主目的は、工作物を所定位置にクランプした
後、工具ホルダに把持された機械式工作物センサを、機
械工作又は予備加工される工作物の実際の位置に対して
、機械的な接触により位置的に調整することと、機械式
工具センサに連結された工具測定装置の零点移動の調整
を、位置的に調整された機械式工作物センサを介して行
うようにしたこととを特徴とする工作物の零点移動補償
方法を提供することにある。

従って、この発明の方法においては、絶対静止零点、即
ち絶対静止基準面は存在しておらず、したがって「絶対
的に正しい」位置に対する修正は行われない、その代わ
りとして、この発明は、主軸、工具測定装置および工具
ホルダ間に相対的関係を構成することに基づいている。

言いかえると、それが各機械移動量を測定し、かつ修正
するということである。

したがって、この発明は、３０μｍ程度の製造許容範囲
内で再調整を行うために操作者の介在を必要としない、
自動制御機械工作サイクルを提供する。

したがって、この発明によれば、テストカットが必要で
あるという従来の欠点が除去されると共に、前記テスト
カットを測定し、付随する誤差による工作物の廃棄また
は再工作する必要性が除去される。

したがって、この発明により、加工中の工作物、あるい
は加工後の工作物が実質的にセットマスターを構成する
。よって、この発明の特徴は、熱による構成要素の移動
（周囲条件）によりもたらされる零点移動が、金属が実
際に切削される前に検出され、かつ修正され得る点にあ
る。

この発明の方法は各機械工作過程においてランダムに適
用され、または繰返されることから、工作物に対する機
械工作作業に関連するとともに、零点移動の原因になる
温度効果も、継続的に考慮され得る。

特に機械式工具センサのための工具の交換およびその逆
作業が、機械により自動的に行われることから、操作者
が介在することなく補償が達成される。

この発明の別の目的および利点は、以下の添付図面に沿
っての詳細な説明から明らかとなろう。

この発明は、特に軸対称の構成要素またはｔｉ戊槽構造
物対する、ｔｌ［工作作業の最適化に関し、その場合、
軸対称の構造物は、たとえば各内部または外部輪郭ある
いは軸対称四部、により表現される。機械工作される構
成要素は、たとえば、この要素に単に円筒形内部凹所が
８！械工作する場合、総体的に任意の輪郭（外部寸法）
を有することができる。

第１図は、たとえば、円筒形凹部を同軸に有する円筒形
要素１を製造する場合について示したものである。ここ
では要素１が、チャック（図示しない〉を用いて旋盤主
軸２に回転しないように確実に把持されているものとさ
れる。要素１の中心線は主軸２の回転軸線と一致し、そ
れはＡにより示されている。

第１図において、符号３は機械の一部を構成する工具ホ
ルダ、符号４は工具測定装置、符号５は、ブロックで概
略的に示される機械制御ユニットを表している。

たとえば、凹部（第１図）の各内壁ｌ′を機械工作しよ
うとする場合は、金属切削工具６（第２図）が工具ホル
ダ３にクランプされる。ここで、工具３のチップ形状は
７で示すものとする。第３図において、回転（Ｆおよび
Ｇ方向）する回転マガジン８が機械に関連して利用され
、マガジン８から各局部的機械工作作業に適する工具（
ここでは６．６′、６″、６″′により個々に概略的に
示す）が、自動的に呼び出されると共に、工具ホルダ３
により収り上げられて、工作物に提供される。

そのため工具ホルダ３は、たとえば、キャリッジ９によ
り、機械の基台１０に固定されたレール１１に沿って摺
動く矢印Ｂ）され、たとえば工具６を取り上げ、それか
ら後退（矢印Ｒ）して、それを工作物に提供することが
でき、あるいはそれを適切な位置まで摺動させることが
でき、そこでマガジン８が、たとえば補完運動、たとえ
ば回転Ｇ、を行うことができる。

この発明に影響を与える基本的問題は、たとえば第１図
および第３図に概略的に示されるタイプの旋盤が、機械
システムの熱膨張を受けることであり、それにより各零
点Ｐ、（主軸２および要素１）。

Ｐ２（工具ホルダ３）、およびＰ、（測定装置４）の移
動がもたらされることである。この発明の本質的形態に
おいては、各測定装置４および関連する機械式工具セン
サＴ２を付加したものが、この発明による補償方法に必
要とされ、これについては以下で詳説する。

したがって、コンピュータによる機械制御装置５に入力
されたプリセット値から開始する場合、零点位置ＰＩ、
　Ｐ２それ自体、あるいはそれら相互間のわずかな位置
変化も、相対位置に、そして機械工作において誤差をも
たらし、これらの誤差はこの発明の方法により、比較的
簡単な方法で補償される。第１図のＤｌおよびＤ２は、
機械工作される要素１のそれぞれ内径および外径（プロ
グラムされた径）を示しており、機械システムで熱によ
る移動ないしはずれが生じることにより、不適切な寸法
（実際値）に機械工作されることになり、したがって、
零点移動（工具ホルダ３の零点Ｐ２）により、工具ホル
ダ３と工具６をプラスしたものと工具チップ７との、機
械工作径り１、Ｄ２（実際値〉に対する選択位置くセッ
ト位置）を、再調整することが必要になる。相対熱移動
量が第２図に概略的に、水平方向、すなわち工具６（チ
ップ７）の位置と工作物（要素ｌ）との間が△Ｘにより
示される。第２図の△ｙは、軸線Ａ方向における、すな
わち要素■の軸線方向寸法（実際値）の変動に対する、
工具６（工具チップ７）の位置の相対軸線方向熱移動量
を示しており、これは要素１の機械工作または製造にお
いて考慮されなければならない。

零点位置Ｐ１、　Ｐ２およびｈ（第１図〉の熱による移
動を補償するため、機械式工作物センサＴ、（第１図）
が自動的に工具ホルダ３に挿入されて、工具６が置換さ
れ（この場合、要素１は主軸２に把持された状態にある
）、そこでは機械式工作物センサＴ１はプリセット位置
（第４図において、プリセット値−０とも呼ばれる）に
あることになる、この機械式工作物センサＴ、は、たと
えば、工具ホルダ３の新しいプリセット値−１を保持し
ながら、現在の、あるいは前に機械工作された凹部の各
内を１′に機械的に接触することにより、実際に存在す
る零点位置Ｐ、にキャリブレーションされる（第４図参
照）。この後、機械式工具センサＴ２を備える工具測定
装Ｗ４が、前取てＨｌに：ＦＩ整された機械式工作物セ
ンサＴ１を介して、新しいプリセット値−１□（第４図
参照〉に調整される。このａ後の零点調整において、機
械式工作物センサＴ１は工具ボルダ３により、矢印Ｅの
方向に、かつ軸線Ａに平行に凹部の内壁１′から移動さ
れ、それから矢印Ｒ（第２図参照）の方向に機械式工具
センサＴ２（機械的接触）に向けて移動される。前述の
調整過程は、１００μｍまで、おそらくはそれを越える
大まかなマイクロメートルのレンジで位置的誤差を補償
するために、各機械式センサＴ１、Ｔ２を正確に調整移
動する場合に、ランダムに、必要により２回あるいはそ
れ以上繰返される。

正確な調整のためには、小型の電気・機械式駆動装置が
工具ホルダ３に、そして機械式工具センサＴ２を包含す
る測定装ｒ！１．４またはアーム１２（第３図）に、オ
プションとして組み込まれ得る。

第３図において、アーム１２は中立位置から、たとえば
作動位置へ旋動することができ、この作動位置において
機械式工具センサＴ２は、要素１（工作物）及び主軸２
の上方の平行位置にあり、したがって機械式工作物セン
サＴ、の妨害を受けることなく、矢印Ｒ方向く工具ホル
ダの移動方向）において接触が行われる。

工具測定装置４と機械式工具センサＴ２の零点位置Ｐ３
がれ、に調整された後、機械式工作物センサＴ、が、一
般的原理として前述したように、工具マガジン８の工具
６．６′、６″　（第３図〉と自動的に交換される。機
械工作が開始される前に、新しく交換された工具６．６
′、６″′等は工具ホルダの移動方向Ｒに、作動位置に
ある機械式工具センサＴ２まで移動・され、熱による位
置変動（妨害変数２＝第４図）について修正されるため
に、８！械式工具センサＴ２の位置−ｗ２を介して、交
換された工具がＴ、に対して調整される。

前述の状態において、マガジン８には、単一または複数
の機械式工作物センサＴ１および前述の工具６．６’　
１等が交換のために適切に選択され、あるいは準備され
るよう、所定通り装填されていることは容易に理解され
よう。

第１図の概略的配置図に示されるように、工具測定装置
４は信号伝達ライン（信号矢印Ｓ）を介して、機械制御
装置５に連結されている。装置４は基本的に、一方では
、受信したセット位Ｍ（古いプリセット値Ｔ２）の関数
として測定した変数を発し、他方では、受信した（新し
いプリセット値Ｗ＋）実際の位置（実際値）の関数とし
て測定した変数を発信する。

第１図の概略的な信号矢印Ｓｔは、機械制御装置５およ
び工具ホルダ３間の電気油圧式リンクを示しており、そ
こではたとえば、工具ホルダ３の位置的調整のための制
御装置５からの電気出力信号を、適切なフィードバック
要素を介して、工具ホルダ３の油圧作動に転換できるよ
うになっている。信号矢印Ｓｔはさらに、それぞれ「古
い」プリセット位置阿。および「新しい」プリセット位
置ｌｉｔ、を与えるため、工具ホルダ３／機械制御装置
５におけるフィードバック（コンピュータの助けによる
〉作用を概略的に示している（第４図参照）。

したがって段階的に要約して説明すると、この発明の補
償方法の順序は、以下の通りである。

まず、機械式工作物センサＴ、を工具ホルダ３に自動的
に装填する。

次に、工作物（要素１）に機械的に接触させることによ
り、その実際の零点移動量に関連して、機械式工作物セ
ンサＴ１をキャリブレーションまたは調整する。

そして、前以て調整された機械式工作物センサＴ、を介
して、それに記録された熱による（ｉ立向偏差に関して
工具測定装置４の零点位置を調整する。

次いで１、工具ホルダ３上の機械式工作物センサＴ１を
工具６に自動的に交換する。

更に、熱による位置的偏差に関して前以て修正された工
具測定装置４により、工具６を調整する。

そして、プログラム化された機械工作サイクルを継続す
る。

この発明を、第４図の概略的制御図と共に第１図および
第２図を参照して詳細に説明する。第■図および第２図
において、旧を、工作物に対する工具６の位置に関する
９機械制御装置５からの古いプリセット値とすると、第
４図において、妨害変数２（熱移動量ΔＸ、Δｙ）は、
工作物（要素１）の零点Ｐ１の位置を、機械制御装置５
からの古いプリセット値阿。に対して移動させる。たと
えば、要素１（工作物）の凹部の各内壁１′と機械的に
接触することにより、工具ホルダ３上の機械式工作物セ
ンサＴ１は零位置の実際値を検出し、したがって工作物
の零点Ｐ、の移動された位置（実際値）を確認し、この
情報はｙになる。この情報ｙ（実際値〉は、この機械に
関連するデータ処理システム（コンピュータ）のキャリ
ブレーション・ソフトウェアに送られ、入力情報ｙが、
値ｙ　＝妨害変数Ｚ（熱移動量）により修正された実際
値に、処理される。前述の信号フローにより、修正され
た実際値ｙ＊は付加点Ｐ＾を介して機械制御装置５にフ
ィードバックされ、片寄りｅから計算されて、原プリセ
ット値または古いプリセット値−０を介して新しいプリ
セット値１１１１（第２図参照）が形成される。

新しい値−３は工具ホルダ３の制御のための制御値であ
る。工具ホルダ３の新しいプリセット値Ｈ，を、たとえ
ば、機械工作のために機械式工作物センサＴ１と交換さ
れた単一または複数の工具６，６′６″等について（機
械式工作物センサＴ、を介して機械式工具センサＴ２に
連結された（ＴＩ／Ｔ２接触）工具測定装置４の前述の
零点調整（Ｐ１）により〉確保するために、Ｗ、が、機
械に組み込まれた特別のキャリブレーション・ソフトウ
ェアにより、機械式工具センサＴ２の位置に対する原プ
リセット値に適用され、それから新しいプリセット値１
’１ｗ２が、機械式工具センサＴ２の位置に対して決定
される。前記調整は任意の時期に行われ、かつ所定の経
験的に引出されたしきい値に交差された場合に直ちに、
妨害変数２が（熱移動量）の関数としてトリガーされる
。妨害変数２が存在しない場合は、規定および実際値は
適合しＣＨｏ＝ｙ＝ｙ　　、または−。−一、または−
ｗ２）、シたがって、−０は当然、修正する必要はない
。

第５図に示されるものは、機械−電気式工作物センサＴ
１により要素１を検出および測定する装置である。前記
工作物センサＴ、は、第１図および第３図に示される旋
盤の工具ホルダ３の所定位置に、容易にクランプされ得
ると共に、ワイヤーまたは非ワイヤー（遠隔計測式）連
結により、データ発振機としての工具測定装置４に連結
される０機械式センサシステムは、自動工具交換装置に
おける自動使用にも適切な方法で作動されることが好ま
しい、ここでは作動信号は、第５図に２重矢印Ｆで示さ
れる機械式工作物センサＴ、の機械的たわみにより発信
され、この場合、センサＴ１よ要素ｌと接触する時、所
定角度だけたわみを生じる。ここで要素１が旋盤の主軸
上に確実に把持され、所定時間の経過後に、調整・キャ
リブレーション組合せ処理を行う前に、熱効果により△
Ｘだけ移動されたとすると、センサのたわみ、またはｖ
１１重工作物センサＴ１の点にあける球体９のたわみは
、要求により、そしてセンサＴ１の長さおよび弾性モジ
ュラスの関数として、測定値に修正値を適用することに
より修正され得る。機械式工具センサＴ２（第１図）は
同一または類似形態で設計することができる。

第５図により説明した機械式センサの形態に関して、信
号伝達経路および装置は、誘導性のもの、あるいはＩＲ
輻射に基づくものとすることができる。

これらは技術的な問題であるから、ここでは詳細に説明
することは省略する。

この発明の方法は、ｔＲ械工作作業中の任意の時期に、
主軸に対する工作物の組付けの変更または再キャリブレ
ーションを必要としないで適用することができ、これは
ユニットまたは多量生産の両方において、極めて狭い誤
差範囲における作業を可能にしている。したがってこの
発明は、最も厳密な品質要件を満足すると共に、機械の
利用性を改善する低コストで、融通性のある方法を提供
している。この発明の別の重要な利点は、組１＝Ｆけ時
間を大きく減少できることである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、旋盤、制御装置および測定装置を示すと共に
、主軸、工具と工具ホルダ、および工作物測定装置のそ
れぞれの零点位置を示す概略図、第２図は、工具が第１
プリセット位置く古いセット位置−０）および熱移動を
考慮した工具ホルダの新しいプリセット値１ｆＦ（新し
いセット位ｆｗ＋　）において把持されている第１図の
工具ホルダを示す一部破断側面図、第３図は、工具マガ
ジン、および機械式工具センサを中立および作動位置に
移動するために用いられるアームを詳細に示す、第１図
および第２図の旋盤の一部の平面図、第４図はこの発明
の方法を示す制御ブロック図、第５図は、要素上での関
連センサのたわみ原理と共に、ＩＲ域工作される要素（
工作物）の一部に対する機械式工作物センサの位置を示
す概略図である０図中、１・・・工作物（要素）　３・
・・工具ホルダ４・・・工具測定装置　　５・・制御装
置６・・・工具　　　　　　Ｔ１・・・機械式工作物セ
ンサ丁、・・・機械式工具センサ ｂ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工作物に対する工具のプログラム位置と実際の位置
   との間の変化を検出しかつ修正するために機械式センサ
   が用いられている自動制御工作機械、特に旋盤において
   、工具ホルダ（３）に配置された工具（６）に対して、
   機械工作すべく保持された工作物（１）の熱による零点
   移動を補償する零点移動補償方法において、工作物（１
   ）を所定位置にクランプした後、工具ホルダ（３）に把
   持された機械式工作物センサ（Ｔ＿１）を、機械工作又
   は予備加工される工作物（１）の実際の位置に対して、
   機械的な接触により位置的に調整することと、機械式工
   具センサ（Ｔ＿２）に連結された工具測定装置（４）の
   零点移動の調整を、位置的に調整された機械式工作物セ
   ンサ（Ｔ＿１）を介して行うようにしたこととを特徴と
   する工作物の零点移動補償方法。 ２、古いプリセット値（Ｗ＿０）にある工具ホルダ（３
   ）に、機械式工作物センサ（Ｔ＿１）を自動装填するこ
   とと、 機械式工作物センサ（Ｔ＿１）を工作物（１）に機械的
   に接触させることにより検出された零点（Ｐ＿１、Ｐ＿
   ２）の移動に応答して、工具ホルダ（３）の新しいプリ
   セット値（Ｗ＿１）に対して機械式工作物センサ（Ｔ＿
   １）をキャリブレーションまたは調整することと、新し
   いプリセット値（Ｗ＿１）に調整された機械式工作物セ
   ンサ（Ｔ＿１）を、機械式工具センサ（Ｔ＿２）に機械
   的に接触させることにより検出された新しいプリセット
   値（Ｗ＿Ｗ＿２）に対して、機械式工具センサ（Ｔ＿２
   ）を位置的に調整することと、 工具ホルダ（３）上の機械式工作物センサ（Ｔ＿１）を
   工具（６′）に自動交換することと、 前記工具（６′）を、新しいプリセット値（Ｗ＿Ｗ＿２
   ）に調整された機械式工具センサ（Ｔ＿２）に機械的に
   接触させることにより、該工具を位置的に調整すること
   と、 プログラムされた機械工作サイクルを継続することと、 から成るを特徴とする請求項１記載の工作物の零点移動
   補償方法。 ３、機械式工具センサ（Ｔ＿２）が、工作機械の基台（
   １０）に枢動可能に配置されたアーム（１２）に配置さ
   れ、機械式工具センサ（Ｔ＿２）を、工作機械の主軸（
   ２）の一側における中立位置から、主軸（２）または工
   作物（１）の上方の点における接触／測定位置（センサ
   Ｔ＿１、Ｔ＿２）へ移動させることができるようになっ
   ていることを特徴とする、工作機械、特に旋盤で請求項
   １または２記載の零点移動補償方法を実施するための工
   作物の零点移動補償装置。 ４、工具測定装置（４）が、機械式工具センサ（Ｔ＿２
   ）を包含するアーム（１２）に配置されていることを特
   徴とする、請求項１または２記載の零点移動補償方法を
   実施するための工作物の零点移動補償装置。 ５、モータで駆動される回転マガジン（８）が工作機械
   の基台（１０）に配置されて、回転軸の回りの位置的調
   整を行うと共に、工具（６、６′、６″、６″′）およ
   び単一または複数の機械式工作物センサ（Ｔ＿１）を保
   持することを特徴とする、請求項１または２記載の零点
   移動補償方法を実施するための工作物の零点移動補償装
   置。 ６、工具ホルダ（３）がキャリッジ（９）により、工作
   機械の基台（１０）に取り付けられたレール（１１）上
   に配置されて、マガジン（８）に向かう方向（Ｂ）また
   は工作物（１）に向かう方向（Ｒ）、および延長された
   機械式工具センサ（Ｔ＿２）に向かう方向に、それぞれ
   移動されるようにしたことを特徴とする、請求項１また
   は２記載の零点移動補償方法を実施するための工作物の
   零点移動補償装置。