JP2005088172A - 工作機械の変位量確認用加工方法及び変位量確認用工作物 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱等による変位の評価を容易に行う。
【解決手段】 Ｚ軸に直交する上面を有する工作物１に対し、エンドミル４によって溝２の加工を、Ｚ軸方向への切込量を所定ピッチ（１μｍ）で変えながらそのピッチ毎に加工箇所を順番に移動させて複数回列状に行い、さらにその列加工を、工作機械の温度を変化させながら所定時間（ｔ０〜ｔ６）毎に、互いに平行となるように複数回行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フライス盤、マシニングセンタ、複合加工旋盤などの工作機械において、加工時の工作機械の変位を求める加工方法に関するものであり、特に詳しくは加工時における工作機械の変位量を容易に確認する加工方法、及びこの加工方法により得られる変位量確認用工作物に関する。

フライス盤、マシニングセンタ、複合加工旋盤などの工作機械で、フライス、エンドミルなど回転工具を用いて加工を行う場合、回転工具がワークを切削する際の発熱や、工作機械各部を動作させるモータや送りネジなど駆動系の発熱、或いは気温の変化などにより、工作機械各部が熱変形を起こす。こうした熱変位は、工具とワークとの相対位置を変化させることになるため、加工中に工作機械に熱変位が生じると、ワークの加工精度が悪化してしまう。
これに対し従来より、工作機械各部を冷却して機械の温度をコントロールしたり、気温を管理した部屋の中においたり、充分な暖機運転により予め熱変位させた状態で工具とワークの位置関係を設定したり、或いは熱変位を実験から予測して、工作機械の動作指令値に補正を加えるなどを行っている。
この内、工作機械や気温をコントロールする方法では複雑で高価な設備を要し、また設置スペースなども必要となる。暖気を行う方法では充分な暖気を行ってもその後熱変位が生じてしまう、などの問題があり、近年では、熱変位を実験結果から予測してこれを補正する技術の研究が盛んに行われ、実用化されている。
このような場合、熱変位を実測、或いは実験結果から予測するためには、実験などの段階で熱変位を正確に評価する必要がある。

熱変位量を測定するには、例えば以下の３つの方法が知られている。
１つ目は図６に示すように、主軸にテストバー１０を装着してテーブルからダイヤルゲージをテストバーに当てて時間経過と共にその測定をするものである。なお、ダイヤルゲージに代えて非接触センサーを用いることもある。図６において矢印Ａ、Ｂ、Ｃはテーブル上からテストバー１０上にダイヤルゲージもしくは非接触変位センサーを設置する位置である。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に時間経過とともに測定して、テーブルに対する変位が判る。
その他、非接触センサを用いたものとしては、特許文献１に開示の技術も存在している。

２つ目は図７及び図８に示すように、ボールエンドミルにより縦方向と横方向との溝切削を行い、時間経過と共に溝切削を逐一増やしていく方法で、一方向の溝に対して他方の溝は必ず交わる経路とし、その溝底に顕れた溝幅の状態から変位を読み取るものである。
図７においては、横溝Ａの加工と同時に溝Ｂを加工し、その後、時間経過とともに溝Ｃ、Ｄ、Ｅ・・と逐一加工していく。溝Ａに対してＣ，Ｄは深さが深く、Ｅは元に戻っている。Ｆは逆に浅くなっている、ボール径が一緒であることから、図８に示す幅ａからＺの基準位置からの変位を幾何学的に求めることができる。

３つ目は図９に示すように、時間経過と共にワークＷの平面上にフラットエンドミル１１で一定の深さの溝切削もしくは片肉切削を行い、加工底面の高さの差から熱変位を測定するものである。
このようにフラットエンドミル１１で溝切削または片肉切削を時間経過と共に逐次行い、底面の高さを測定することでＺ軸の熱変位を測定すれば、一定の溝深さを指示したときの実際測定値との差から変位量が測定できることになる。

特開平５−９２３５３号公報

しかしながら、図６に示す方法では、測定データを元に作成したグラフデータとなり、直接熱変位を表現できない。
図７及び図８に示す方法では、切削ワークを直接視認できるものの、数値的なものは別途計算する必要があり、測定の為にはスケールのついた顕微鏡などが必要となって容易ではない。
図９に示す方法では、切削ワークを見ても加工底面からの高さは測定しないと判らない。
すなわち、何れの測定方法においても、工作物を見てそのまま数値評価できるものではなかったのである。

そこで、本発明は、熱等による変位の評価が切削完了と同時に容易に行える変位量確認用加工方法及び、この方法により得られる変位量確認用工作物を提案することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転工具軸に直交する平面を有する工作物の前記平面に対し、工作機械に装着した回転工具によって所定形状の加工を、回転工具軸方向への切込量を所定ピッチで変えながら加工箇所を順番に移動させて複数回列状に行い、さらにこの列加工を、所定時間毎に、各列が互いに平行となるように複数回繰り返して行うことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の目的に加えて、所定時間毎の変位量の変化をより容易に確認可能とするために、各列加工を工作機械の温度を連続的に変化させながら行うものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２の目的に加えて、熱変位補正機能を備えた工作機械において、当該機能の有効性をより明確にするために、同一の温度状態でこの熱変位補正機能をＯＮにした状態とＯＦＦにした状態とに分けて夫々列加工を行うものである。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の変位量確認用加工方法により得られる変位量確認用工作物である。
なお、本発明において、回転工具軸方向への切込量の変化は、工作物に接触しない＋（プラス）側の数値も含む。

請求項１及び４に記載の発明によれば、所定条件下で工作機械に生じる熱変位を、加工完了と同時に加工跡の有無によって明確に認識できる。特に、所定形状の列加工を場所を変えて順番に行うので、加工跡が棒グラフ状になり、工作物を視認した際の理解が容易となる。
さらに、所定時間毎の列加工を互いに平行となるように行うので、所定時間毎の熱変位量の変化についても容易に理解できる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、温度変化により生じる熱変位を、加工完了と同時に加工跡の有無によって明確に認識できる。特に、この列加工が所定時間毎に行われているから、時間毎の熱変位量の変化についても容易に理解できる。
そして、所定時間毎に工作機械温度を変化させる手法と列加工の結果とを比較検討するなどにより、対象となる工作機械の熱変位の特性などを確認することが容易となる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、熱変位補正機能のＯＮ／ＯＦＦそれぞれについて熱変位量の変化が容易に理解でき、発生する熱変位と、それを補正する熱変位補正機能の有効性とが一目瞭然となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
《形態１》
図１は本発明の変位量確認用加工方法により加工された変位量確認用工作物（以下単に「工作物」という。）１の説明図で、上側がＸ−Ｙの上面で示す平面図、下側が列ｔ０の加工部分の断面図である。図２は図１円形部分での加工状態を示す説明図、図３は工作物の一部斜視図である。
工作物１は、四角板状を呈し、Ｚ軸と直交する平面となる上面には、エンドミル４により溝２，２・・（実線で示す四角）がＸ、Ｙ夫々の方向に形成されている。なお、同図に２点鎖線で示す四角３，３・・は、エンドミル４がその上を加工するように移動したが実際には加工されなかった部分を示している。

図１において一番上の列の溝２，２・・を切削する際のエンドミル４の切り込み深さ（Ｚ軸）は、−１０μｍで一定としたもので、２列目以降の溝の有無の確認の目安となっている。２列目（図中左側にｔ０を記載）より下の溝２，２・・は、図中上側に記載されているように、右方向へ移動する度に１μｍごとＺ方向に上げて切削している。すなわち、工作物１の上面高さをＺ＝０として、Ｚ指令が、−３〜＋５となる高さで、各ピッチ毎に切削箇所を移動させながら９回切削する列加工を行ったものである。但し、ここでは、一つの列内での溝２は殆んど同時期に切削を行うが、Ｙ軸方向の各列ごとでは、以下に示すように、所定の時間をおいて同様の列加工を、最初の切削箇所をＹ方向に整列させて、各列が互いに平行となるように行っている。

まず、ｔ０の列加工は、スタート時、すなわち熱変位が生じていない状態での切削で、これがＺ軸０μｍ位置で辛うじて溝２が見え、それより左側（主軸位置がマイナス、すなわちＺ−）では加工跡（溝２）が残るが、それより右側では加工跡が残っていない（四角３）。
上記ｔ０での列加工の後、図４に示すように、時間の経過と共に工作機械の温度が上昇、一定、下降するように室温を変化させる。これは、マシニングセンタ等の工作機械を恒温室等の温度を管理できる状況に設置することで実現可能である。

こうしてまず３列目の列加工ｔ１では、室温が変化しており、この影響を受け主軸はＺ方向へ−（マイナス）に変位している。そのため、ｔ０の時と同じＺ指令で列加工を行った結果、＋１μｍより以下で溝２が切削されているが、それより右側では加工跡が残っていない。
次の列加工ｔ２はさらに室温が変化しているが、この時は主軸はＺ方向に２μｍ変化している。よって、この状態での列加工では＋２μｍ以下で溝２が切削されている。
続いて単位時間を経過させた列加工ｔ３〜ｔ４はさらに室温変化しているが、工作機械の熱変位はｔ２の時と同じ状態を維持しているため、加工跡もｔ２の時と同じ状態となっている。
ｔ５は室温変化が元に戻り始めたため、Ｚ方向に変化も元に戻り始めている。この状態での列加工の結果、ｔ１と同じ熱変位となっている。
ｔ６は室温が元に戻った為、Ｚ方向の変位も元に戻り、スタート時ｔ０と同じ加工結果となり、溝２は０μｍ以下の位置でのみ加工されている。

このように、上記形態１の変位量確認用加工方法及び工作物１によれば、工作物１の上面に対し、エンドミル４によって溝加工を、Ｚ軸方向への切込量を所定ピッチ（１μｍ）で変えながらそのピッチ毎に加工箇所を順番に移動させて複数回実施する列加工を行い、この列加工を、工作機械の温度を変化させながら所定時間毎に、各列が互いに平行となるように複数回行うようにしたことで、温度変化により生じる熱変位を、加工完了と同時に溝２の有無によって明確に認識できる。特に、所定形状の列加工をＺ軸方向に徐変した指令値により順番に行うので、時間経過に応じた熱変位量が溝２によって棒グラフ状になり、工作物１を視認した際の理解が容易となる。また、所定時間毎に工作機械温度を変化させる手法と列加工の結果とを比較検討するなどにより、対象となる工作機械の熱変位の特性などを確認することが容易となる。
そして、ここでは、各列加工の最初の加工箇所を、列加工の方向と直交する方向へ整列させているから、所定時間毎の熱変位量の変化がより容易に理解できるようになっている。

なお、上記形態では、各列の四角の数は−３〜＋５μｍと９個のデータから構成されているが、精度によってはこれより増減することは可能である。また、列加工はｔ０〜ｔ６と７列実施しているが、室温変化による違いをもっと正確に見るために、同様の時間間隔のまま、計測時間を増やしたり、列加工の間隔を縮めて加工回数を増やすことも可能で、室温変化の態様も適宜変更できる。さらに、Ｘ方向の四角でのＺ方向の切り込みの変化量を１μｍピッチとしているが、工作機械の熱変位特性や、変化させる室温の幅に合わせて、これより大きくすることも小さくすることも可能である。

また、溝の形状を○形状にしても良いし、その他の図形、数値文字、マーク、あるいはこれらの組合わせでも良いし、各形状を一種類に統一せずにバラバラでも良く、ＮＣプログラムで作成できる形状であれば適宜変更して差し支えない。また、上記形態では所定のピッチ毎に形状を分けているが、例えば複数のピッチ・加工箇所に跨る直線等の形状を加工するようにしても良く、この場合にはピッチ・加工箇所を細分化することにより、連続したピッチの変化が滑らかな一本の形状（例えば直線）に加工することができる。さらに、数値とＺ方向のピッチを一致させて、数値が残っている部位から熱変位が直接わかるように関連づけた方法でも構わない。その他、切削工具としては、フラットエンドミルを使わずにラジアスエンドミルあるいはボールエンドミルを使用しても構わない。ボールエンドミル使用時は切り込み深さによって、切削される図形の線幅が異なるのでさらにＺ方向の表示分解能力を上げることも可能である。

一方、上記形態では、室温を変化させて熱変位を生じさせているが、工作機械の温度を変化させる手法としては、単位時間間隔の間に、実際の生産活動としての工作物（例えば金型）を列加工する、または所定のプログラムを用意して主軸・送り軸を定期的に動作させるいわゆる空運転を行うことによって、切削点・主軸や送り軸のモータ・送り軸など発熱による工作機械自身の温度変化をさせたりすることもでき、またこれらを室温の制御と組み合わせて行うようにしても良い。

《形態２》
次に、本発明の他の形態を説明する。なお、形態１と同じ符号は同じ構成部を示すため、重複する説明は省略する。
工作機械には、例えば本件出願人の先願である特開２００３−３９２７８号公報に開示のように、機械各部の温度を測定する温度検出部と、温度検出部により測定された温度に対応した熱変位補正量を推定する補正量推定部と、補正量推定部からの熱変位補正量に基づく軸補正座標を演算し補正対象軸に補正指令を出力する加工制御部とを備えて、工作機械の温度に基づいて熱変位を自動的に補正する機能が備えられているものが多い。この場合、工作機械の熱変位量を確認するだけでなく、この熱変位補正機能の特性も確認することがある。よって、形態１で説明した熱変位量確認方法を熱変位補正のＯＮ／ＯＦＦごとに行えば、両者が比較可能となって熱変位補正機能の特性が確認できる。

具体的には、形態１と同様に、右へ移動するたびに１μｍずつＺ方向に上げて一列に溝２を９個切削する列加工を、図４のように時間の経過と共に加工機の温度が上昇、一定、下降するよう温度変化させて、所定時間毎に７列行うものであるが、その際、所定時間（ｔ０〜ｔ６）毎に、図５に示すように、板状体の工作物１ａの上面に、熱変位補正のＯＦＦ（左）とＯＮ（右）との状態とに分けて夫々列加工を複数回行うものである。

まず、スタート時ｔ０における列加工では、工具先端がＺ＝０に合わせてあるため、Ｚ＝０までの４本の溝２が生成され、Ｚ＝１μｍ以降の加工では加工跡は生成されず表面は初期状態のままとなる（右側の５個の四角３）。
ｔ１以降の列加工では、初期状態から温度が上昇するため、機械は熱変位し、例えば工具先端が工作物１ａに近づくよう変形すると、熱変位補正がＯＦＦの状態では、Ｚ＝０指令で加工しても工具は工作物１ａに接触するだけでなく切り込まれる。従って、温度が上昇するに従い、図５の左半分で示すように生成される四角（溝２）は増えてくこととなる。この各列ごとの溝２の数の変化は図１において説明したものと同一である。
一方、熱変位補正をＯＮの状態にして列加工すると、上記機械の熱変位が補正され、温度が上昇しても図５の右半分に示すように生成される溝２の数はスタート時ｔ０から変化しない。

このように上記形態２の熱変位量確認方法及び工作物１ａによれば、温度変化により生じる熱変位を、棒グラフ状の溝２によって明確に認識できるといった形態１と同様の効果を得ることができる。特に、熱変位補正機能をＯＮにした状態と、ＯＦＦにした状態とに分けて夫々列加工を複数回行うようにしたことで、熱変位補正機能のＯＮ／ＯＦＦそれぞれについての熱変位量の変化が、工作物１ａを視認することで容易に理解でき、発生する熱変位と、それを補正する熱変位補正機能の有効性とが一目瞭然となる。
さらにここでは、熱変位補正機能のＯＮ／ＯＦＦ状態共に同じ工作物１ａに対して同一の温度状態で加工するので、熱変位量を確認する対象となっている工作機械が有する熱変位補正機能の性能を把握することが容易となる。

なお、上記形態２では、熱変位ＯＮ／ＯＦＦ各々での加工を同一工作物上に形成しているが、別々の工作物としても良い。また、ｔ０〜ｔ６の各時点で熱変位補正ＯＦＦ（左側）を加工し、続いて熱変位補正機能をＯＮにして右側を加工するようにしているが、これらは同一タイミングで行っても良いし、温度状態とその変化とを同一にすることができれば、別々に行っても良い。すなわち、室温の変化を同じにする、或いは単位時間間隔の間に実際の生産活動として同じ工作物（例えば金型）を加工する、または所定のプログラムを用意して主軸・送り軸を定期的に動作させるいわゆる空運転を行う、またこれらを室温の制御と組み合わせて行う、といった変更実施が可能である。

また、上記形態１，２では、工具と工作物との相対位置の変化を、熱変位を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば工具交換、パレット交換、ロボットによるワーク着脱等、工作機械に工具または工作物を着脱位置決めする動作における繰り返し精度についても、同様に評価できることは言うまでもない。すなわち、工具交換であれば、工具交換時間が所定時間となり、自動工具交換装置を用いて工具交換動作を繰り返し行わせ、主軸に工具が取り付けられた時点で、形態１に示した加工を行わせれば良い。同様に、パレット交換であれば、自動パレット交換装置を用いて工作機械にパレットが取り付けられた時点で、パレット上に固定された工作物１に対し加工を行わせるようにすれば良い。

形態１の工作物の説明図である。 溝の加工状態を示す説明図である。 工作物の一部斜視図である。 時間経過と室温変化とを示すグラフである。 形態２の工作物の説明図である。 従来の熱変位量測定方法を示す説明図である。 従来の熱変位量測定方法を示す説明図である。 従来の熱変位量測定方法を示す説明図である。 従来の熱変位量測定方法を示す説明図である。

符号の説明

１，１ａ・・工作物、２・・溝、３・・四角、４・・エンドミル。

Claims (4)

1. 回転工具軸に直交する平面を有する工作物の前記平面に対し、工作機械に装着した回転工具によって所定形状の加工を、回転工具軸方向への切込量を所定ピッチで変えながら加工箇所を順番に移動させて複数回列状に行い、さらにこの列加工を、所定時間毎に、各列が互いに平行となるように複数回繰り返して行うことを特徴とする工作機械の変位量確認用加工方法。
2. 各列加工を工作機械の温度を連続的に変化させながら行う請求項１に記載の工作機械の変位量確認用加工方法。
3. 工作機械が熱変位を自動的に補正する機能を有しているものにあっては、同一の温度状態でこの熱変位補正機能をＯＮにした状態とＯＦＦにした状態とに分けて夫々列加工を行う請求項２に記載の工作機械の変位量確認用加工方法。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の変位量確認用加工方法により得られる変位量確認用工作物。
   

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