JP2005507788A - 温度補整されたワークスピンドルを有する機械 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの回転する工具を用いて工作物を加工する機械は軸（５）を有するワークスピンドルを有し、該軸（５）の温度が少なくとも１つの温度センサ（２６）により監視されている。その際、温度は無接触で検出される。センサ（２６）は有利には放射熱に敏感なセンサであって、軸（５）から放出された放射熱を検出する。機械（１）の制御装置（３５）は軸（５）の温度変化によってもたらされる軸の温度膨張を、位置決め駆動装置の制御に際して考慮する。位置決め駆動装置は軸（５）により保持された工具（６）を工作物（２）に対し位置決めするために役立つ。これにより、機械（１）の温度及び温度変化、全体として冷却媒体の温度変化と加工個所にて変換された出力により起因する工具（６）と軸（５）との温度変化に無関係である加工精度が達成される。

Description

【０００１】
本発明は回転する工具、たとえば自転又は公転する工具を有する機械に関する。
【０００２】
工作物を精密加工するため、特に研削するためには作業結果に所望された精度に相当する精度で、ワークスピンドルに保持された研削工具を提供する必要がある。ワークスピンドルは通常、単数又は複数の位置決め装置を介し機械フレームに支承されている。位置決め装置はワークスピンドルの位置を検出する。機械フレームの温度変化に起因する位置決め不精度を排除するためには、機械フレームにはしばしば温度センサが備えられ、該温度センサの信号が位置決め駆動装置の制御に役立つ制御ユニットにより考慮される。しかしこれでは工具、例えば研削工具の作用個所とワークスピンドルの不動な支承部との間の温度変化によってもたらされる不精度を捉えることはできない。したがってこのような場合には研削工具をしばしば測定器へ移動させ、機械を新たに校正することが必要である。このためには多くの加工時間が費やされる。
【０００３】
前記事実に基づき本発明の課題は回転する工具で工作物を加工するための機械を改良して、高められた加工精度及び／又は改善された時間効率が得られるようにすることである。
【０００４】
本発明の前記課題は請求項１に記載した機械によって解決された。本発明の機械は無接触で働く温度検出装置を有し、この温度検出装置が軸の温度を表示する信号を発生させる。この場合温度は軸の１個所で検出される。したがってワークスピンドルの長さの変化をもたらすワークスピンドルの軸の温度変化は、工具又は工作物を位置決めする場合に制御装置により考慮される。これは交番する軸温度をもたらす加工過程に際して特に有意義である。例えば交番する軸温度は異なるエネルギー変換を有する加工過程が互いに交番すると発生する。例えば機械が調整され、この機械での研削過程が比較的に短く、測定を目的として再三中断されると、スピンドル温度は比較的に強く変動し、平均して低くなる。これに対し機械が生産中に一杯に使用されると、スピンドル温度は上昇する。この場合には温度差は１０ｋの値を越えることがある。この温度変化はμｍ範囲にある軸の長さ変化を生ぜしめる。制御装置はこの軸の長さ変化を検出し、長さ変化を補整する。その際、制御装置は制御値から設定値を形成する場合に長さ変化を考慮する。例えば軸の長さを１μｍ増大させる温度上昇が検出されると、ワークスピンドルの長手方向に関するワークスピンドルの位置決めに関する設定値は同じ値だけ、すなわち１μｍだけ反対方向に補整され、つまり減少される。この過程は連続的に行なわれ、例えば１０分の数ミリセコンドの時間周期で連続的に繰り返される。このような形式で短期的な温度変化が検出され、該温度変化が有効になる前に排除される。したがって軸の温度の補整は制御の過程で行なわれる。測定された温度は制御装置に所属する記憶装置内に存在する関係表を介して長さ変化に変換される。この関係表は工具から惹き起こされる長さ変化を付加的に検出するために工具に関連して変化させることができる。関係表の代りに、測定された温度上昇又は変化から長さの増分又は変化を計算する計算式を使用することもできる。
【０００５】
基本的には本発明の思想は、工作物を切削加工するどの機械でも使用することができる。特に有利であることは、本発明の思想が付加的に電蝕加工のために装備された研削機にて使用可能であることである。電蝕加工は例えば分あたり２００回転の比較的に低い回転数で行なわれるのに対し、研削過程は例えば３０００回転の著しく高い回転数で、しかも工具と工作物とが直接的に接触して行なわれるので比較的に多くの熱が発生させられる。この場合には軸の温度検出と補整は特に高い加工精度をもたらす。
【０００６】
軸における温度検出は有利には放射熱に対して敏感な温度センサで無接触で行なわれる。無接触の検出は機械の運転中に迅速でかつ正確な形式で温度の測定を保証する。この場合、センサは軸の１区分がセンサの検出領域を完全に占めるように装備されていると有利である。これによって、放射熱に対し敏感なセンサは軸の円筒形の区分の平均温度を検出する。有利にはセンサによって検出された軸区分は作業工具と軸の軸方向位置を決定する軸受装置との間に位置している。これによりセンサは長さ変化が補整されていないと加工精度を損なう軸領域も検出する。
【０００７】
有利な実施例では軸固定された軸受装置の両側で軸の温度を検出する２つの温度センサが設けられている。この実施例においては軸が両端にて少なくとも１つの工具を保持することができかつ両方の異なる長さの軸区分の温度膨張が補整され得るという利点を有している。さらにこの場合には両方のセンサが異なる温度を表示すると軸における温度分布を推量することができ、これにより長さ変化の補整を一層精密化することができる。例えば最も簡単な場合にはこれを直線的な近似で行なうことができる。両方のセンサが同じ温度を表示すると、軸は全体として統一的な（高められた）温度にあると仮定する。この仮定から出発し、測定された温度は補整されるべき、発生する長さの増加の算出のため又はその他の決定のために関与させられる。しかし、例えば一方のセンサが比較的に高い温度を表示しかつ他方のセンサが比較的に低い温度を表示すると、軸に沿って例えばコンスタントな温度勾配が存在することを推量することができる。この場合にはこの温度勾配に基づき長さの変化が算出されるか又は決定される。
【０００８】
又、検出領域にある軸区分に弱反射性の表面を設けること、例えば表面被覆層を設けることが有利であることが判明した。例えば軸は防銹加工することができる。この防銹加工は有害な光反射を回避し、確実な温度検出を可能にする。この場合には軸の１つの円筒領域又は軸全体を防銹加工することも、単に軸の部分的領域につや消しされた表面又は黒化された表面又は防銹加工された表面又は他の被覆された表面を設けることもできる。例えば軸に、軸が回転するとセンサの視界（検出領域）を通過する長手方向ストライプが付けられていることができる。
【０００９】
これはセンサが温度の高さを周波数で示す交番信号を放出するという利点を有している。これによりセンサ自体の老化又は温度変化によって生じる同相成分又はドリフト効果は簡単な形式で濾外される。
【００１０】
付加的に機械は機械フレームの温度変化を検出しかつ補整するために温度センサを機械フレームに備えることができる。軸の温度補整と関連して特に高い精度が得られる。
【００１１】
本発明の更なる詳細は図面又は明細書本文又は従属請求項に開示してある。図面には本発明の１実施例が示されている。
【００１２】
図１には研削機械として構成された機械１が示されている。この機械は工具２、例えばドリル、フライス及びそれに類似したものを加工するために用いられる。したがって工具２はここでは工作物である。この工作物を加工するためには１例である図示の機械ではワークスピンドル４を有する組合わされた研削兼浸食ヘッド３が用いられている。この研削兼浸食ヘッド３には軸５、工具６，７，８，９が所属している。工具６，７，８，９は研削工具、浸食工具又はそれに類似したものであることができる。
【００１３】
研削兼浸食ヘッド３は位置決め装置１１を介し機械フレーム１２に保持される。この位置決め装置１１には例えば水平方向位置決め装置１４が所属しており、該水平方向位置決め装置１４は水平方向案内装置１５と該水平方向案内装置１５に支承された往復台１６と所属の駆動装置とから構成されている。水平方向位置決め装置１４は研削兼浸食ヘッド３をＺ方向に位置決めするために役立つ。
【００１４】
往復台６は鉛直方向位置決め装置１７を有し、この鉛直方向位置決め装置１７にも案内及び駆動装置並びに適当な位置センサが所属している。この鉛直方向位置決め装置は研削兼浸食ヘッド３をＹ軸方向に位置決めするために役立つ。
【００１５】
さらに機械フレームの上には工具２のためのチャック装置１８が支承されている。この場合、チャック装置１８は別の水平方向位置決め装置１９でＸ方向で位置決め可能に保持されていることができる。さらに別の図示されていない旋回又は回転位置決め装置が設けられ、研削兼浸食ヘッド３並びに工具２を３つの直線案内方向Ｘ，Ｙ，Ｚで相互にかつ１つ、２つ又は３つの旋回方向で相互に位置決めされ得るように構成されていることができる。
【００１６】
研削兼浸食ヘッド３は図２においては特別に断面して示されている。研削兼浸食ヘッド３の基体２１は２つの軸受座２２，２３を有し、該軸受座２２，２３がそれぞれ１つの軸受装置２４，２５を保持している。軸受装置２４は軸５を回転可能ではあるが軸方向には移動しないように支承する転がり軸受である。しかし軸受装置２５は軸５を回転可能にかつ少なくともわずかに軸方向に移動可能に支承する転がり軸受である。これらの軸受は図示されていないシール装置で外部に向かってシールされている。このシール装置には場合によっては、外へ向けられた空気流を発生させる図示されていない遮断空気供給装置が所属していることができる。前記の如き空気流は基体２１と軸受装置２４，２５とを軸１５よりも低温に保つ。
【００１７】
研削工具には通常は運転中に冷却潤滑媒体が供給される。この冷却潤滑媒体は研削工具の強すぎる加熱の阻止を目的としている。作業日の経過で温度がはっきりと変化することのある冷却潤滑媒体は研削工具及びその他の機械部分にて通常は比較的に大きな温度勾配もしくは温度差を生ぜしめる。これにより、軸３の温度は、軸受装置２４，２５と基体２１との温度とははっきりと異なることができる。研削工具だけではなく軸にも当たる冷却潤滑媒体流が接続又は遮断されるか又は単に変化させられると、これは比較的に短期的に軸５の温度変化をもたらす。
【００１８】
基体２１は放射熱に対し敏感な温度センサ２６を保持している。この温度センサ２６は図２に破線で示された検出領域２７を有している。温度センサ２６は検出領域２７内で放射熱を、ひいては軸区分２８から発せられた放射熱を検出する。温度センサ２６は検出領域２７内にある軸区分２８が軸受装置２４と工具６又は７との間に位置するように配置されている。回転する軸の直接的な温度検出によって軸のきわめて短期な温度変化、例えば冷却潤滑媒体に起因する温度変化が検出され、後で説明するように即座に調整される。
【００１９】
必要な場合には、基体２１には別の温度センサ３１が設けられることができる。この温度センサ３１の検出領域３２は軸区分３３により占められる。この場合、温度センサ３１は、該温度センサ３１が軸の温度を軸受装置２４，２５の間で又は図示の如く軸受装置２５と最も近い工具８との間で検出するように配置されていることができる。
【００２０】
付加的に基体の温度を検出する温度センサ３４が設けられていることができる。又、別の温度センサが機械フレーム１２に取付けられ、機械フレームの温度変化、ひいては寸法変化を検出できるようになっていることもできる。
【００２１】
機械１は図３に概略的に示された制御装置３５の制御作用下にある。制御装置３５は入力インタフェース３６を介して研削兼浸食ヘッド３で実施しようとする運動についてのデータを受取る。これらのデータは位置決め装置１１，１７及び１９の距離と目的点についての情報を含む機械制御指示の形で与えられる。
【００２２】
出力側で制御装置３５は位置決め装置１４，１７，１９のための制御装置３７を制御する。これらの位置決め装置１４，１７，１９はそれぞれセンサ３８を備え、これらのセンサ３８は各位置決め位置を検出し実際値インタフェース３９を介して制御装置に知らせる。
【００２３】
制御装置３５は処理ブロック４１を有し、該処理ブロック４１に温度信号インタフェース４２を介し、すべての温度信号が供給される。特に温度信号インタフェース４２は温度センサ２６と温度センサ３１とに接続されている。
【００２４】
処理ブロック４１は相関表４３又は軸区分２８の検出された温度値を軸受装置２４と工具６又は７との間の全軸区分の対応する温度膨張に変換する適当な計算モジュールを有している。換言すれば相関表４３は軸区分２８の検出された温度値に基づき工具６と工具７の温度による変動を決定する。相応して相関表４３は温度センサ３１から送られた温度信号に基づき軸受装置２４と工具８もしくは９との間の温度による膨張を算出するか又は決定することができる。軸５の各軸区分の長さ変化が前述の如く決定されることにより、処理ブロック４１において入力インタフェース３６を介して受取った制御値で前記長さ変化がＺ−位置決め値に＋−を正しく加算（つまり加算又は減算）されることで、前記長さ変化が考慮される。これにより処理ブロック４１は入力インタフェース３６にて受取られた制御値が修正された制御値を成す設定値に変換される。いまや設定値はコンパレータブロック４４にてセンサ３８で測定された位置と比較される。相応する偏差Δ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は駆動装置３７を制御する制御ブロック４５に与えられる。
【００２５】
図２には工具７の間ｌ_１が温度δ_１から温度δ_２への温度変化Δδで変化することが示されている。軸５の長さ変化Δｌは同時に値ｌ_１から値ｌ_２への変化である。もっとも簡単な場合、制御装置３５は長さ変化Δｌと温度変化Δδとの間に直線的な関係を示す。
【００２６】
Δｌ＝ｌ_２−ｌ_１
Δδ＝δ_２−δ_１
Δｌ〜ｌ_１・Δδ
材料に関連した比例係数αを用いると
Δｌ〜ｌ_１（δ_２−δ_１）＝α
ｌ_２＝ｌ_１（１＋α・Δδ）
となる。
【００２７】
これまで記載した機械１は以下の通り働く：
本発明による処置の有効性を明らかにするために、図４において概略的に示された工具２には電蝕と研削とが行なわれることを前提条件とする。工具２はアクティブな領域にダイヤモンドに似た炭素から成る薄い板４６を有している。この板４６は工具鋼から成る工具体４７に固定されている。このような工具２は切刃がμｍ精度まで仕上げられる精密工具である。板４６は所望の精度で工具体４７に固定されることはできない。したがって機械１が引受ける後加工が必要である。明らかにするために工具２は図５と図６においてはその先端部を拡大して、対称軸線４８に対して平行な方向から見て示されている。
【００２８】
図５によればプレート４６は当初過剰寸法を有し、該過剰寸法は一点鎖線で示されている。この過剰寸法は研削方法では合理的に除去することはできない。この場合には浸食工具、例えば工具９がプレート４６の扁平側に対しわずかな間隔をおいて位置決めされるように研削兼浸食ヘッドがプレート４６の扁平側に接近させられる。次いで工具９がわずかな回転数、例えば１分当たり２００回転で回転させられかつ適当な流れが工具２と工具９との間を流されることで電蝕による切除過程が実施される。本発明を明確にするためにはまず、センサ２６，３１を用いた温度補整が働かないものと仮定する。軸５の回転と機械１にて変換された出力全搬とに基づき軸５の長さの増加をもたらす温度を軸５が有するようになる。この場合の軸５の長さの増加は図７に曲線Ｉで示されている。浸食加工が継続している間（これは数時間にも及ぶことがある）、前記値は大きくは変化しない。
【００２９】
浸食加工が終了すると、プレート４６は図６に示された粗い表面を有している。この表面は研削過程で平滑化されなければならない。このためには研削兼浸食ヘッド３は例えば３０００回転の回転数に加速され、研削工具、例えば工具６がプレート４６の扁平側と係合させられ、例えば数分間継続する研削過程が実施される。その際、出力の変換に基づき軸５の温度が上昇するので図７にて時間帯Ａ−Ｂ（曲線区分ＩＩ）で示したようにＺ方向の長さ寸法が増加する。
【００３０】
研削過程が終了すると軸５の温度は曲線区分ＩＩＩに示したように再び低下する。
【００３１】
Ｚ−方向での軸５の長さ変化は工具２における精度の減退をもたらす。したがって軸５の温度がセンサ２６，３１で検出される。わずかな長さ膨張Δ_ｚ１しか示さなかった浸食加工の時間帯の間、膨張は浸食加工の全時間帯に亘ってコンスタントである値に補整される。次いで時点Ａを通過したあとで研削過程が開始されると、軸の増大する温度が検出され、制御値が適当な修正値だけ上昇又は下降させられる。これにより温度に基づく工具の移動が回避され、工具の位置決め位置はコンスタントに維持される。
【００３２】
本発明は組合わされた研削兼浸食機から出発する図示の実施例とは無関係に純然たる研削機においても使用できる。ここでも本発明は冷却−潤滑剤体の温度の変化よってより長い時間帯に亘って発生する可能性のある機械の温度変化が補整されることにより著しい利点をもたらす。
【００３３】
少なくとも１つの公転又は自転する工具で工作物を加工するための機械は軸５を有するワークスピンドルを有し、この軸５の温度が少なくとも１つの温度センサ２６で監視されている。この場合、温度は無接触で検出される。センサ２６は有利には放射熱に敏感なセンサであって、軸５から放出された放射熱を検出する。機械１の制御装置３５は軸の温度変化によって発生させられる軸の温度膨張を位置決め駆動装置の制御に際して考慮する。この位置決め駆動装置は軸５によって保持された工具６を工作物たる工具２に対して位置決めするために役立つ。これにより機械１の温度と温度変化とは無関係である、総じて冷却媒体の温度変化及び加工個所にて変換された出力に起因する工具６と軸５との温度変化とは無関係である加工精度が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
工作物を加工する機械の概略的な正面図。
【図２】
図１による機械のワークスピンドルの概略的な断面図。
【図３】
図１の機械の制御装置を概略的に示した図。
【図４】
図１の機械で加工しようとする工作物である工具を示した図。
【図５】
図４の工具を異なる加工段階で示した図。
【図６】
図４の工具を異なる加工段階で示した図。
【図７】
加工中のワークスピンドルの長さ変化を、温度補整された場合と温度補整されていない場合とを比較して示した線図。
【符号の説明】
１ 機械、 ２ 加工される工具、 ３ 研削兼浸食ヘッド、 ４ ワークスピンドル、 ５ 軸、 ６，７，８，９ 工具、 １１ 位置決め装置、 １２ 機械フレーム、 １４ 水平方向位置決め装置、 １５ 水平方向案内、 １６ 往復台、 １７ 鉛直方向位置決め装置、 １８ チャック装置、 １９ 水平方向位置決め装置、 ２１ 基体、 ２２，２３ 軸受座、 ２４，２５ 軸受装置、 ２６ 温度センサ、 ３１ 温度センサ、 ３２ 検出領域、 ３３ 軸区分、 ３４ 温度センサ、 ３５ 制御装置、 ３６ 入力インタフェース、 ３７ 駆動装置、 ３８ センサ、 ３９ 実際値インタフェース、 ４１ 処理ブロック、 ４２ 温度信号インタフェース、 ４３ 相関表、 ４４ コンパレータブロック、 ４５ 制御ブロック、 ４６ プレート、 ４７ 工具体

Claims (19)

1. 少なくとも１つの円運動する工具（２）で工作物（６）を加工するための機械であって、
   保持体（２１）内に回転可能に支承されかつ回転駆動された軸（５）が所属するワークスピンドル（４）を有しており、
   工作物（２）を保持するために装備されたチャック装置（１８）を有しており、
   ワークスピンドル（４）とチャック装置（１８）とを相互に位置決めしかつ移動させる位置決め装置（１１）を有しており、
   軸（５）の少なくとも１個所（２８）における温度を表示する信号を発生させる無接触に働く温度検出装置（２６，３１）を有しており、
   あらかじめ与えられた値から求められた制御値にしたがって少なくとも位置決め装置（１１）を制御する制御装置（３５）を有しており、該制御装置（３５）が前記温度を表示する信号を受取りかつ該信号に基づき制御値をあらかじめ与えられた前記値に変換するために温度検出装置（２６，３１）に接続されていることを特徴とする、温度調整されたワークスピンドルを有する機械。
2. 前記温度検出装置（２６，３１）が軸（５）から放出された熱流を検出する温度センサ（２６）を有している、請求項１記載の機械。
3. 前記温度センサ（２６）が空間的な検出領域（２７）を有し、該検出領域（２７）内で熱流が検出されるようになっており、軸区分（２８）が検出領域（２７）に位置するように前記温度センサ（２６）が配置されている、請求項２記載の機械。
4. 検出領域（２７）内にある軸区分（２８）が軸（５）により保持された作業工具（６）と軸受装置（２４）との間に位置している、請求項３記載の機械。
5. 検出領域（２７）内にある軸区分（２８）が、軸（５）を支承するために設けられた２つの軸受装置（２４，２５）の間に位置している、請求項３記載の機械。
6. 軸を支承するために軸（５）の軸方向運動を許さない固定軸受（２４）と軸の軸方向運動を許す可動軸受（２５）が用いられている、請求項１記載の機械。
7. 前記検出装置に２つの温度センサ（２６，３１）が所属している、請求項２記載の機械。
8. 前記固定軸受（２４）が温度センサ（２６，３１）の間に配置されている、請求項７記載の機械。
9. 軸（５）が少なくとも検出領域（２７）にある軸区分（２８）の領域に弱反射性の表面を有している、請求項３記載の機械。
10. 軸（５）が表面被覆層を備えている、請求項９記載の機械。
11. 前記軸（５）が防銹加工されている、請求項７記載の機械。
12. 位置決め装置（１１）が位置センサ装置（３８）を有し、この位置センサ（３８）によりチャック装置（１８）とワークスピンドル（５）との相対位置が検出可能でかつ位置実際信号が発せられる、請求項１記載の機械。
13. ワークスピンドル（５）の位置が軸方向に移動しない軸受装置（２４）の位置によって決定されている、請求項１２記載の機械。
14. 前記制御装置（３５）がワークスピンドル（５）を前記制御値と位置実際値信号とに従って制御する、請求項１２記載の機械。
15. 前記制御装置（３５）が前記軸受装置（２４）の測定された位置に、前記軸受装置（２４）と工具（６）との間に存在する軸区分の、測定された温度に基づき補整された寸法と工具（６）の寸法を加えることで位置実際信号を決定する、請求項１３記載の機械。
16. 前記制御装置（３５）が付加的に工具（６）の寸法を温度補正する、請求項１記載の機械。
17. 機械フレーム（１２）が温度センサを有し、該温度センサが制御装置と接続されている、請求項１記載の機械。
18. ワークスピンドル（４）が少なくとも１つの研磨工具（６）を保持している、請求項１記載の機械。
19. ワークスピンドル（４）が少なくとも１つの電蝕工具（９）を保持している、請求項１記載の機械。

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