JP2007175804A

JP2007175804A - 工作機械の制御装置

Info

Publication number: JP2007175804A
Application number: JP2005375553A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Kawai; 知彦河合; Kenzo Ebihara; 建三蛯原; Takeshi Oki; 武大木
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12
Also published as: US20070145932A1; EP1803530A2; CN1990177A

Abstract

【課題】超精密加工を行う工作機械において、回転速度に応じて生じる主軸の変位を補正して高精度の加工ができる。
【解決手段】主軸１に取り付けられた工具２は、主軸１の取り付け精度や、重量バランスの影響で、主軸１を高速で回転させると、その切削位置が変位する。主軸１に取り付けた工具先端位置を非接触型の変位測定器６ｘ，６ｙ，６ｚでＸ、Ｙ、Ｚ方向の変位を測定し、主軸の回転速度に対応させて補正量を取得し（１２）、記憶装置１３に記憶する。加工時には、主軸速度に応じて、補正量を読み出し、プログラム指令値を補正して加工する。高速回転で、工具の切削位置が変位してもプログラム指令値が補正されて加工されるから、高精度の超精密加工ができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、超精密工作機械の制御装置に関する。特に回転軸の高速回転時の刃先位置補正に関する。

工具を使用し続けると摩耗が生じる。この工具の摩耗を無視して加工を続けると、加工精度が低下する。そのため、工具径や工具端面の位置を測定し、工具補正量を求め、工具径設定値や加工条件を補正する方法が従来から採用されている。
この工具径や工具端面の位置を測定する方法としては、工具の回転を停止させた状態で、測定する方法や回転させて測定する方法が採用されている。

例えば、非接触検出器を用いて、主軸を回転させた状態で該主軸に取付けた基準工具の半径値Ｘ₀、および加工工具の半径値ｘ₀を検出して記憶しておき、所定数加工後に、主軸を回転させた状態で基準工具の半径値Ｘ_iと加工工具の半径値ｘｉを測定し、加工前後の基準工具の検出半径値の差ＡＸ_i＝Ｘ_i−Ｘ₀、加工工具の検出半径値の差Ａｘ_i＝ｘ_i−ｘ₀を求め、さらに、この２つの検出半径値の差より工具摩耗量ＡＴ_i＝Ａｘ_i−ＡＸ_iを求め、その積算値ＡＳと工具寿命判定値ａを比較して、工具補正値を出力するようにした発明が知られている（特許文献１参照）。

又、切削工具の周面に測定装置の測定子を接触させて、切削工具の回転振れを測定し、この測定値がしきい値以下になるまで、切削工具の交換処理を繰り返し、しきい値以下となると加工を行い、定期的に、測定装置の測定子を切削工具の周面及び端面に接触させてその摩耗を検出し、その摩耗量に応じて加工条件を変更するか、工具寿命を判断するようにした発明も知られている（特許文献２参照）。

又、工具１回転による切削位置の変動を検出し補正値を求めるものも知られている。例えば、特許文献３には、エンドミルの周面にＸ軸センサを接触させて該エンドミルを低速で回転させて、振れの最大値を求めて、この最大値に基づいてＸ軸補正値を求め、又、エンドミルの端面にＺ軸センサを接触させて該エンドミルを低速で回転させて、振れの最大値を求めて、この最大値に基づいてＺ軸補正値を求めるようにした発明が記載されている。

特公昭６３−５０１４０号公報特許第２８４３４８８号公報特許第３１６２９３６号公報

上述したように、従来工具径等を測定し工具径補正を行う目的は、工具が摩耗することから発生する工具の径自体の変化から、加工精度が低下することを防止するためのものであった。又、特許文献３に記載された発明では、工具の１回転内での振れや工具取り付け誤差を補正するために工具径等を測定するものである。

一方、超精密な加工を行う工作機械で、主軸を高速回転させ、該主軸に工具や加工対象のワークを取り付けて加工する場合、工具の摩耗や１回転内の振れによらず、切削位置が変位する。

図１〜図３は、この主軸の高速回転時の変位を説明する説明図である。図１〜３において、主軸１は軸受３によって回転自在に固定され、該主軸１には工具又はワークが取り付けられている。この図１〜３では工具２を取り付けた例を示している。主軸１が回転していない状態では、図１に示すように、工具２の中心軸は主軸１の中心軸４と一致している。しかし、主軸が高速回転すると、図２に破線で示すように、主軸１の中心軸４が符号４’及び破線で示すように変位したり（この変位した主軸を１’、工具を２’として表している）、図３に破線で示すように主軸１が傾き振れが生じ、工具のラジアル方向、スラスト方向の位置が変位し、刃先位置が変位する。

この高速回転軸に取り付けられた工具や被加工物のワークが、高速回転に伴って変位する原因は、主軸（回転軸）の取り付け精度や、主軸（回転軸）の重量バランスの影響が高速回転に伴って現れたものである。
従来この高速回転に伴う主軸の変位（工具やワークの変位）の測定は、回転軸に取り付けられたものがワークで円柱であれば、その円柱の回転面にセンサ等を接触させてその変位を測定している。

又、主軸（回転軸）に工具が取り付けられているものであれば、図４に示すように、ワーク５に工具２の刃先２ａを切り込むことによって、そのときの刃先２ａの位置によって回転軸（主軸１）の回転に伴う変位を測定している。

しかし、この方法では、主軸（回転軸）の高速回転に伴う変位を測定することは困難な作業である。また、本願発明者等は、回転軸（主軸）の回転速度に応じて、この回転軸（主軸）に取り付けた工具やワークの等の変位量が異なることを発見した。そのため、高精度の加工を行うには、回転速度に応じてこの工具やワーク等の変位量を補正する必要がある。

そこで、本発明の目的は、超精密加工を行う工作機械において、回転速度に応じて生じる主軸の変位を補正できる制御装置を提供することにある。

本発明は、主軸の回転によって回転される工具又は被加工物のスラスト方向又はラジアル方向の少なくとも一方の回転に伴う変位量を非接触型の変位計測器で静止状態から最高回転速度まで測定する測定装置と、該測定装置で回転速度に対するスラスト方向又はラジアル方向の少なくとも一方の前記変位量を測定し補正量を求め、該回転速度毎の補正量を記憶する記憶装置を備え、主軸の回転速度に応じて前記補正量で加工プログラムの指令を補正して加工を行うことによって高精度の加工ができるようにした工作機械の制御装置である。特に、被加工物に対して工具を相対移動させる送り軸の方向に合わせた方向の変位量を、前記変位測定器で測定し、各送り軸方向の補正量を求めるようにした。

工具又は被加工物が高速で回転し、その位置が変位しても、その変位を補正して加工ができるので、高精度の精密加工ができる。

以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図５は、本発明の一実施形態において、主軸の高速回転時の主軸の変位、振れに伴って該主軸に取り付けられた工具やワーク等の回転体の変位を補正するための補正量を取得するときの構成を説明する要部ブロック図である。この実施形態では、主軸に取り付けられる回転体が工具の例を示している。

工作機械を制御する数値制御装置等の制御装置１０には、本発明と関連して、補正量取得手段１２及び求められた補正量を記憶する補正量記憶手段１３が設けられている。

補正量を取得する際には、工具をワークに対して相対移動させる送り軸のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に合わせて、その方向の変位を測定する非接触型の変位測定器を工具２の回りに配置する。まず、軸受３で回転自在に支持された主軸１に取り付けられた工具２（又はワーク）に対して、主軸１を回転させたときの工具２のラジアル方向である直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置変位（周面位置）を検出するために非接触型の変位測定器６ｘ、６ｙのセンサ部を工具の先端周面に近接させて配置し、さらに、工具２のスラスト方向位置（Ｚ軸方向）の変位（工具の端面位置の変位）を検出する非接触型の変位測定器６ｚのセンサ部を工具２の端面に近接させて配置する。
図５では、Ｙ軸方向から見た工具２と非接触型の変位測定器６ｘ，６ｙ，６ｚの関係を表している。又、図６は、Ｚ軸方向から見た工具２と非接触型の変位測定器６ｘ，６ｙ，の関係を表している。図６に示すように、主軸（回転軸）の回転速度（工具の回転速度）に応じて工具２のラジアル方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）の変位量εｘ，εｙは変化し、刃先位置が変位する。又、図示していないが、工具２の端面位置であるスラスト方向（Ｚ軸方向）の変位量εｚも回転速度に応じて変化する。この変位量εｘ，εｙ，εｚを非接触型の変位測定器６ｘ，６ｙ，６ｚで測定するものである。

工作機械を制御する数値制御装置等の制御装置１０と非接触型の変位測定器６ｘ、６ｙ，６ｚとを入出力インタフェース１１を介して接続する。又、主軸の回転速度を検出する速度検出器７は従来と同様に入出力インタフェースを介して制御装置１０に接続されている。

そこで、主軸１に負荷をかけることなく、制御装置１０は主軸１を駆動する主軸モータ（図示せず）に所定速度の速度指令を順次変更しながら主軸１及び工具２を回転させ、補正量取得手段１２は、各回転速度における変位測定器６ｘ，６ｙ，６ｚで検出される変位量を入出力インタフェース１１を介して取得し、補正量を求め、かつ入出力インタフェース１１を介して入力される速度検出器７で検出される速度に対応して該補正量を補正量記憶手段１３に記憶する。
こうして、補正量記憶手段１３には、主軸１の回転速度に対応して工具２のラジアル方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）の補正量と、スラスト方向（Ｚ軸方向）の補正量が記憶されることになる。

図７は、加工を行うときの制御装置１０の機能ブロック図である。従来の数値制御装置と比較し、移動指令補正手段１５が設けられている点が相違するものである。
プログラム解読手段１４は、加工プログラムを解析し、実行データを作成する。移動指令補正手段１５は、指令された主軸１の速度に対する補正量を補正量記憶手段１３から読み出し、プログラムで指令された移動指令に対して補正する。分配処理手段１６は、補正された移動指令により分配処理を行い各軸のサーボ制御部に出力する。

図８は、制御装置１０のプロセッサが実行する図５の機能ブロック図で示した補正量取得処理のフローチャートである。
主軸１に負荷をかけない状態とし、図５，図６に示すように非接触型の変位測定器６ｘ，６ｙ，６ｚを工具の回りに配置し、補正量取得指令を制御装置１０に指令する。制御装置１０のプロセッサは、まず、初期速度Ｖ０を主軸への速度指令Ｖｃとし（ステップａ１）、該速度指令を主軸制御回路に出力し、主軸を該速度指令Ｖｃの速度で回転させる（ステップａ２）。主軸速度を検出する速度検出器７からの速度フィードバック値Ｖｆが指令速度Ｖｃに達するまで待ち（ステップａ３）、速度フィードバック値Ｖｆが指令速度Ｖｃに達すると、非接触型の各変位測定器６ｘ，６ｙ，６ｚの出力を読み、補正量εｘ，εｙ，εｚを算出する（ステップａ４）。そして、現在速度Ｖｆ＝Ｖｃと該速度に対応させて補正量εｘ，εｙ，εｚを記憶手段に記憶する（ステップａ５）。

次に指令速度Ｖｃを所定量α増大させ（ステップａ６）、該増大させた速度指令が指令できる最大値Ｖmaxを超えているか判断し（ステップａ７）、超えてなければ、ステップａ２に戻り、ステップａ２以下の処理を行う。このようにして、各主軸速度毎に、その速度のときの補正量εｘ，εｙ，εｚが記憶手段に記憶される。速度指令Ｖｃが最高速度Ｖmaxを超えると当該処理を終了する。

図９は、この補正量を用いて移動指令を補正しながら加工するときの制御装置の処理フローチャートである。
制御装置１０のプロセッサは、加工プログラムより１ブロックを読み出し（ステップｂ１）、該ブロックの指令に主軸速度指令があるか判断し（ステップｂ２）、主軸速度指令があると、その指令の主軸速度に対応する補正量εｘ，εｙ，εｚを記憶手段から読み出し、レジスタＲ（ｘ），Ｒ（ｙ），Ｒ（ｚ）に格納し（ステップｂ３）、当該ブロックで指令された主軸速度指令を含む指令を従来と同様に実行し（ステップｂ５）、ステップｂ１に戻る。

一方、読み出したブロックに主軸速度指令がなければステップｂ４に進み、指令が移動指令か判断し（ステップｂ４）、移動指令でなければ該ブロックで指令された指令を従来と同様に実行し（ステップｂ５）、ステップ１に戻る。
移動指令であると、レジスタＲ（ｘ），Ｒ（ｙ），Ｒ（ｚ）に記憶する補正量εｘ，εｙ，εｚに基づいて、指令されたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の指令に対する移動指令値を補正し（ステップｂ６）、この補正された指令値を出力して分配処理してステップ１に戻る。なお、現在の主軸速度に対応する主軸速度が記憶装置に記憶されていない場合は、記憶手段に記憶する現在主軸の前後の主軸速度と補正量に基づいて補間して、現在主軸速度に対する補正量を求めて指令値を補正する。
以下、プログラム終了指令が読み込まれるまで、この処理が実行されることになる。

以上のように、主軸速度指令が変化すれば、その主軸速度指令に応じた補正量εｘ，εｙ，εｚがレジスタＲ（ｘ），Ｒ（ｙ），Ｒ（ｚ）に格納され、この格納された補正量εｘ，εｙ，εｚに基づいて各移動指令値が補正されることから、主軸、工具の変位、振れに伴う切削位置の変位を補正して、高精度の加工が実現できる。

なお、上述の実施形態では、加工を行うときに指令する移動指令を補正するようにしたが、加工を行わずに加工プログラムを読み込んで移動指令を補正量で補正し、修正された加工プログラムを得るようにしてもよいものである。
又、上述した実施形態では、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３つ軸方向の変位を測定し、補正量を求めて、該補正量に基づいて移動指令を補正しながら加工を行う例を述べたが、加工によっては、被加工物のワークに対して工具が相対的に１つの方向にしか移動しない場合や、２つの方向にしか移動しない場合には、その移動する方向にのみ補正量を取得してその移動量を補正すればよいものである。

さらに、上述した実施形態では、回転軸としての主軸に工具を取り付けて加工を行う場合（フライス加工等）の例を記載したが、主軸にワークを取り付けて加工を行う旋盤加工に対しても本発明は適用できるものである。
例えば図１０に示すように、フレネルレンズの加工等に最適である。図１０において、主軸１には、フレネルレンズを形成するワーク５が取り付けられ、主軸１の回転によってワーク５も回転する。一方、工具２を主軸の軸方向（Ｚ軸方向）に切り込みを与えてワークの端面に加工を行う。そして、Ｚ軸方向と直交するＸ軸方向又はＹ軸方向に工具２を移動させて、ワーク５の端面に溝加工を行い、フレネルレンズの加工を行う。この時、主軸１（ワーク５）の回転速度に応じて、工具２のＺ軸、Ｘ軸又はＹ軸の移動指令を補正することによって、高精度のフレネルレンズの加工ができる。

主軸の回転が停止している状態の説明図である。主軸が高速で回転し回転中心が変位したときの説明図である。主軸が高速で回転し主軸が傾き振れが生じる状態を示す説明図である。主軸の高速回転に伴う主軸に取り付けた工具の位置変位を測定する従来の測定方法の説明図である。本発明の一実施形態における補正量取得時における工作機械の制御装置の機能ブロック図と、工具と非接触型の変位測定器の配置関係を示す説明図で、主軸の軸線に対して垂直方向から見た図である。本発明の一実施形態における工具と非接触型の変位測定器の配置関係を示す説明図で、主軸の軸線方向から見た図である。同実施形態において、高速回転に伴い生じる主軸の変位に対して補正を行いながら加工を行うときの工作機械の制御装置の機能ブロック図である。同実施形態における工作機械の制御装置が行う補正量取得時の処理フローチャートである。同実施形態における工作機械の制御装置が行う加工時の処理フローチャートである。本発明をフレネルレンズの加工に適用したときの説明図である。

符号の説明

１主軸
２工具
３軸受
４主軸の中心軸
５ワーク
６ｘ，６ｙ，６ｚ非接触型の変位測定器
１０制御装置

Claims

主軸の回転によって回転される工具又は被加工物のスラスト方向又はラジアル方向の少なくとも一方の回転に伴う変位量を非接触型の変位計測器で静止状態から最高回転速度まで測定する測定装置と、該測定装置で回転速度に対するスラスト方向又はラジアル方向の少なくとも一方の前記変位量を測定し補正量を求め、該回転速度毎の補正量を記憶する記憶装置を備え、主軸の回転速度に応じて前記補正量で加工プログラムの指令を補正することを特徴とした工作機械の制御装置。
被加工物に対して工具を相対移動させる送り軸の方向に合わせた方向の変位量を、前記変位測定器で測定し、各送り軸方向の補正量を求める請求項１に記載の工作機械の制御装置。