JPH05285792A - 超音波を利用した数値制御機械加工の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ミクロン単位で位置制御できる数値制御工作
機械を用いても、実際には工具摩耗や工作機械の熱変形
などがあるため、数値制御指令通りの加工精度が得られ
ないのが現状である。また、切削加工などでは工具を工
作物へ近づけ接触した位置を正確に検出，測定すること
は工具の破損を防止し加工能率を向上させる上で必要で
ある。そこで、本発明では、工具が工作物へ接近したと
き、その距離を超音波で測定し、また工作物に工具が接
触したときを加工により発生する振動から測定し、更
に、加工された工作物の寸法を加工中に測定し、その寸
法をフィ−ドバックして工具位置を補正して加工精度を
向上させる方法を開発することを目的とする。 【構成】 工作物と工具の接近距離を超音波で測定した
り、加工が開始するときを加工時に発生する振動から測
定し、また、加工寸法を超音波の伝播時間から直接測定
し、さらに、加工時に発生する振動から加工点の位置を
測定し、工具の破損を防止し加工誤差を補正してＮＣ機
械加工ができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、数値制御（以下、ＮＣ
という）工作機械による加工中、現在の加工寸法等を超
音波を利用して測定することにより、ＮＣ装置側に設定
されている加工位置の補正をする制御方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】金属工作物のマシニングセンタ−，フラ
イス盤，平面研削盤などによるＮＣ機械加工において
は、機械加工がＮＣ装置に設定されたプログラムに従っ
て自動的に進められるため、加工中に工作機械が熱変形
を生じたり、工具が摩耗したり、或は、加工時に加わる
負荷によって工作機械が歪んだりすることに起因して加
工誤差が生じることがある。このような加工誤差に対応
するためには、加工中に実際の加工寸法を測定すること
がきわめて重要である。このため、現状では加工された
寸法を一の加工工程と次の加工工程の間において測定す
る方法が用いられている。しかし、この方法は測定手段
として工作機械に取付けられているスケ−ルが用いられ
ているが、スケ−ル自体が熱変形や機械的変形による誤
差を含むため、必ずしも正確な加工寸法が測定できてい
る訳ではない。

【０００３】また、ＮＣ機械加工においては、工具を工
作物へ接近させるとき、工作物の寸法を正確に把握して
いないと過切込みを起こすことがあり、また、例えば研
削加工においては砥石の破損が生じることがあるため、
加工不良を惹起するのみならず工具の損傷を招くという
問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題に鑑み、加工中に工作物の加工寸法等を直接測定
し、加工精度を向上させ、また、工具が工作物へ近づく
とき、工具が工作物に接触するまでの工具（又は工作
物）の移動距離や工具が工作物に接触したことを検知し
て、工具破損を未然に防止し、しかも、加工精度や加工
能率を向上させることのできる制御方法を提供すること
を課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
を目的としてなされた本発明の構成は、ＮＣ制御による
金属等の機械加工中、または、加工終了後に超音波振動
を加工された面へ直接照射するか、又は、加工中に加工
点で発生する振動（アコ−スティック・エミッション：
ＡＥ信号）を検出して、加工量、即ち、加工寸法を実測
し、この実測寸法とＮＣ装置側に設定されている加工寸
法を比較することにより、加工誤差を補正することを特
徴とするものである。

【０００６】また、工具を工作物へ近づけて行くとき加
工点に発生する振動をとらえ、工具と工作物が接触する
ときを検出し、また、工具と工作物間の隙間に研削液や
切削液がある場合は、超音波により工具と工作物の隙間
を測定して、工具の工作物への接近速度等を制御して工
具の破損を防止することを特徴とするものである。

【０００７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図に拠り説明する。
図１はエンドミルによるフライス加工に本発明方法を適
用した一例のブロック図、図２は平面研削盤による研削
加工に本発明方法を適用した一例のブロック図、図３は
本発明方法により測定した実際の工具と工作物の隙間と
ＮＣデ−タの隙間との関係を示す線図、図４はＮＣ装置
の表示による工具の移動量（推定加工量）と実測加工量
との関係を示した線図、図５は超音波による加工寸法の
測定態様の一例を模式的に示した正面図、図６は図５の
測定において検出された加工寸法の変化を示す線図、図
７は加工時における超音波振動波形を計測した波形図、
図８は位相差により加工点を求める方法を説明するため
模式的に示した工作物の断面図である。

【０００８】図１又は図２に示す機械加工において、工
具１は工作物２に対して離接を繰返しながら切削又は研
削加工を行なっている。これらの機械加工において、図
１のＮＣフライス盤にあっては、工作物２の側面、又は
下面若しくはテ−ブル３の下面における加工点の下面に
対応した部位に超音波受信子５を取付け、また、図２の
平面研削盤では、電磁チャック４又はテ−ブルにおける
工作物２の下面に超音波受信子５を取付けて本発明によ
る工具１と工作物との距離を検出してみた。図２におい
て、テ−ブルに工作物が固定されているときは、テ−ブ
ル下面に前記受信子５を配置してもよい。なお、図１，
図２において、工具１はＮＣ装置６によって切込み送り
用のモ−タ７が制御されているほか、他の駆動源（例え
ば主軸等）もこのＮＣ装置６によって制御されている。

【０００９】しかして、工具１は上記の送りモ−タ７に
よって工作物２に接近させられて所定の切込み量の送り
によって工作物２に当接し、所要時間の切削又は研削加
工がなされ、このあと工具１が工作物２から離反し、次
の切込み送りがなされるという加工パタ−ンが、図３に
示されるようなパタ−ンの超音波信号のプロットで現わ
れた。図１，図２において、８は超音波レシ−バ／トラ
ンスミッタ、９はオシログラフ、10はペンレコ−ダであ
り、超音波信号はオシログラフ９又はペンレコ−ダ10に
現われる。

【００１０】従って、このようにして工具１と工作物２
の位置関係を常時監視しておけば、工具１と工作物２と
の実際の距離、或は、その工具１の送りによる距離の変
化を経時的に捉えることができるので、この検出数値
を、ＮＣ装置６側の設定数値と経時的に比較演算するこ
とにより、ＮＣ装置６側の設定数値を補正し乍らＮＣ機
械加工を制御することが可能になる。

【００１１】また、工作物２に対して、超音波送受信子
５'を図１，図２において先に述べた受信子５と同様の
位置に設け、超音波振動を付与して各境界面からの反射
波形を超音波レシ−バ／トランスミッタ８等により検出
することにより、工作物２のその時点での加工量（加工
深さ）を測定することができる。このようにしてある時
点での実際の加工量と、ＮＣ装置６側に設定されている
その時点までの工具１の送り量とを検出対比してみたと
ころ、図４に示すような線図が得られた。

【００１２】図４において、×印のプロットはＮＣ装置
６側に設定されている工具の送り量、○印のプロットは
上記手法により測定した工作物の実際の加工量（加工深
さ）であって、両者は加工時間が長くなる程かい離す
る。

【００１３】図５に示した実際の加工寸法の測定では、
図６に示すように加工距離が長くなることによって工具
１（エンドミル）が摩耗及び熱変形し、これに加えて工
作機械側が熱変形するため、工具１のＮＣによる切込み
では、所期の加工深さ（加工量）が得られないことを示
している。本発明では、この実際の加工量とＮＣ装置側
の工具１の切込み量（推定量）との差を補正値として工
具１の切込みを補正制御することにより、より正確なＮ
Ｃ機械加工を容易に実現することができる。このため、
本発明では一例としてオシログラフ９に入力する超音波
信号を演算処理部11に供給し、この処理部11において補
正信号を形成し、補正部12からＮＣ装置６の設定信号の
補正信号を供給するようにする。

【００１４】図７は加工開始の前後において前記受信子
５又は送受信子５'に得られる超音波振動の波形で、こ
の波形によって、工具１が工作物２に当接した瞬間、つ
まり、加工開始点、加工中、加工終了点を検出すること
ができる。この工具１により工作物２の加工開始する位
置の検出ができることは、工具１と工作物２の相対位置
を検出できることを意味するので、この検出信号を加工
開始に当って工具１の切込み送りを適切な切込み量に制
御する信号として利用し、工具１の破損や加工不良を効
果的に予防することができる。

【００１５】また、上記のような加工開始時を検出する
方法は、図８に示すように送受信子5a，5b，5cを工作物
２に対し振動検出器として２〜３箇所設け、各受信子5a
〜5cに得られる信号を処理することによって、加工点を
検出特定する技術に応用できる。

【００１６】即ち、送受信子5a，5bの検出信号の位相差
Ｐ（時間）＝△Ｌ／Ｖ、ここで、Ｖは工作物の音速であ
る。そして両送受信子5a，5b間の距離をＳとすると、加
工点Ｃの位置は、両受信子5a，5cの中点０から、角度θ
＝cos^-1（ＶＰ／Ｓ）の方向にあることが判る。更に、
送受信子5bと5cからも加工点Ｃの方向が判明するので、
上記２つの方向の交点が加工点Ｃとして求められる。

【００１７】従って、本発明では上記のような方法によ
って加工中における現在の加工点Ｃを求め、この加工点
Ｃに対してセンサ−となる受信子５又は送受信子５'を
工作物２の所定部位に設置することにより、先に述べた
工具１と工作物２との距離や工具１が工作物２に当接す
るとき、或は、加工量などを、より適切かつ正確に測定
することが可能になるのである。

【００１８】

【発明の効果】本発明は以上の通りであって、従来のＮ
Ｃ機械加工においては、工具による加工中に工作物の加
工量や寸法などを測定することができなかったものを、
超音波受信子或は超音波送受信子を用いることによっ
て、加工開始点、或は、現に加工されている加工点、若
しくは工具と工作物の間隙等を、工具による加工が進行
中に測定することができるから、これらの測定値をＮＣ
機械加工における設定加工寸法等の補正のための数値と
することにより、ＮＣの補正制御方法としてきわめて有
用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】エンドミルによるフライス加工に本発明方法を
適用した一例のブロック図。

【図２】平面研削盤による研削加工に本発明方法を適用
した一例のブロック図。

【図３】本発明方法により測定した実際の工具と工作物
の隙間とＮＣデ−タの隙間との関係を示す線図。

【図４】ＮＣ装置の表示による工具の移動量（推定加工
量）と実測加工量との関係を示した線図。

【図５】超音波による加工寸法の測定態様の一例を模式
的に示した正面図

【図６】図５の測定において検出された加工寸法の変化
を示す線図。

【図７】加工時における超音波振動波形を計測した波形
図。

【図８】位相差により加工点を求める方法を説明するた
め模式的に示した工作物の断面図。

【符号の説明】

１ 工具 ２ 工作物 ３ テ−ブル ４ チャック ５ 受信子 ５' 送受信子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 数値制御工作機械による機械加工におい
   て、加工中、工作物を介してその機械加工面へ超音波を
   照射することにより加工寸法を実測し、その実測加工寸
   法と数値制御装置側に設定されている加工寸法とを比較
   し加工誤差を補正して加工を行なうことを特徴とする数
   値制御機械加工の制御方法。
2. 【請求項２】 工作物の機械加工点で発生する超音波振
   動（ＡＥ信号）を複数点で受信し、その位相差から加工
   点の位置を測定して加工寸法を実測し、この実測加工寸
   法と数値制御装置側に設定されている加工寸法と比較し
   て加工誤差を補正して加工を行なうことを特徴とする数
   値制御機械加工の制御方法。
3. 【請求項３】 工作物に照射される超音波、又は、機械
   加工点で発生するＡＥ信号を受信することによって工具
   が工作物へ接近し加工を始める加工始点の検出と工具と
   工作物間の距離を測定し、切込み送り量を制御すること
   を特徴とする数値制御機械加工の制御方法。