JP2007505751A - 同心度修正を有する研削盤 - Google Patents

Abstract

工具研削盤は機械制御ユニットを有し、当該機械制御ユニットは、例えば、トレーサ（９）と測定モジュールとを備える適当な測定機器を用いて、最初にワークピース受け器の理想的な受け器軸（Ｃ）に関するぶれを決定する。ブランク（７）又はワークピースの研削機械加工において、このぶれは考慮され且つ補償される。すなわち、ワークピースが正確に意図された寸法で且つ同心で機械加工されるような方法で、研削工具は揺れ動くワークピースをトレースさせられる。

Description

研削盤、特に工具研削盤では、高い正確性を今日では達成しなければならず、関連する全ての機械要素の精度に関して、特にワークピースの案内及びベアリングに加え研削ヘッドの案内及びベアリングに関して、厳しい要求が成される。この点において、不正確なチャックは相当な問題を示す。

これを出発点として、本発明の目的は、簡単且つ高信頼な方法で非常に正確な同心度を有して工具を作ることが可能である研削盤、特に工具研削盤を作り出すことにある。

この目的は、請求項１及び８により、クランプされたワークピースによって定義される座標系に基づいて必要とされる研削機械加工を実施する研削盤で達成される。これは、工具座標で直接加工することによってか、又は、好ましくは、最初に測定によってワークピース座標系の配置及び方位を決定し、その後このワークピース座標系を機械座標系に運動変換（kinematic transformation）を用いて換算することによってかのどちらかでなすことができる。運動変換のために、ワークピースの方位と機械座標系内のワークピースの座標系とから得られた変換マトリクスが用いられる。結果として、機械制御ユニットは、機械座標系におけるワークピースの事実上任意の方位差を考慮に入れる。例えば、機械座標が、研削砥石（grinding wheel）とワークピースの間の相対動作を特徴付ける直交座標ｘ、ｙ、ｚに加え、研削ヘッド及び／又はワークピースホルダーが旋回させられる一本以上の旋回軸とを含む場合は、その時は、機械座標に加えて、クランプされたワークピースの長軸方向に関してワークピース受け器の回転を示すワークピース受け器の受け器軸が用いられる。こうして、最も一般的な場合における機械座標系は、六つの自由度、すなわち、三本の直線軸と二本の旋回軸に加え、一本の回転軸とを有する。この最後の軸は、受け器軸によって形成される。

工具座標系は、例えば、直交座標系又は極座標系である。この系は、少なくとも一本の軸が好ましくは円筒状ブランクの対称軸を形成するように構成される。この座標方向（ワークピース軸とも呼ばれる）は、最初の測定ステップで決定される。これは、機械座標系において適当な測定機器、例えば、光学測定機器や機械式トレーサーを用いてなされ、当該測定機器は、受け器軸まわりのワークピース受け器の一回以上の回転の間に、概して当初は円筒形であるブランクをその外装面上でトレースする。存在する揺れ動き動作（tumbling motion）が記録される。ブランクがとる軌道から、ワークピース軸の配置を受け器軸に対して計算することができる。受け器軸とワークピース軸とは、互いに交差する必要はない。受け器軸に対するワークピース軸の配置は、二つのベクトルｘ_０、ｒ_０によって決定される。二つのベクトルは、互いに対する二つの軸の偏心度とミスアライメントを特徴付ける。

制御ユニットは、これらベクトルを考慮に入れて、ブランクの位置を機械座標系に換算し、構成要素、すなわち、研削盤のワークピースホルダー又は研削ヘッドの様々な動作方向（軸）と関連する適当な制御モータを起動させる際にこれを考慮に入れる。別個の軸の別個の制御モータの動作のための現在及び予め決定されたコマンドを改変するような方法で、これを考慮に入れることをなすことができる。しかしながら、制御モータに対する別個の制御コマンドを作るときに、ワークピースの揺れ動き動作を前もって考慮に入れるような方法でなすこともできる。これは、ベクトルｘ_０、ｒ_０を考慮に入れて、機械座標系の位置ＰＭへのワークピース座標系の位置ＰＷの運動変換を換算する変換規則Ｔ（ＰＭ＝Ｔ（ＰＷ））を設定することによってなすことができる。その後今度は、新しい変換Ｔ_ｎｅｗ（Ｔ、ｘ_０、ｒ_０）が、ワークピース座標系の位置ＰＷを機械座標系の位置ＰＭに換算する（複製する）ために用いられる。ＰＭ＝Ｔ_ｎｅｗ（ＰＷ）。ベクトルｘ_０、ｒ_０は、受け器軸まわりの受け器の回転を示す機械座標系の座標Ｃに依存することに留意する必要がある。

ベクトルｘ_０、ｒ_０の決定は、好ましくは、いまだ機械加工していないブランクで各機械加工作業の初めにされる。したがって、各機械加工作業用に、別個の変換規則Ｔ_ｎｅｗ（Ｔ、ｘ_０、ｒ_０）が設定される。こうして、別個のブランク用に、異なったチャックを用いることが可能となり、チャックの精度はもはや重要ではない。こうして、非常に安価なチャックを用いてでさえ、非常に精密に機械加工される工具を作り出すことが可能であり、その研削された切削縁及び他の機能面は、工具軸に可能な限り最良な方法で位置される。工具軸は、ブランクの所定の工具シャフトによって定義される。後者は、円筒形又は円錐形の形状であることができる。たとえワークピースが実質的に精度を欠くチャックで研削されても、正確なチャックの正確な同心度が保証される。

本発明の有利な実施形態の更なる詳細が、図、明細書及び請求項から明らかになろう。本発明の一つの例示的な実施形態が図に示される。

図１に、工具研削盤１が概略図で示される。工具研削盤は、研削ヘッド３と工具ホルダー４を担持する機械フレーム２を具備する。図１に概略的に矢印で示されるように、工具ホルダー４と研削ヘッド３とは、３つの座標方向Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて互いに対して調整可能である。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に対応する案内と、これらの方向に工具ホルダー４又は研削ヘッド３を動かすための別様には示されてない駆動機構とは、「軸」又は「ＣＮＣ軸」としてここでは表される。更に、工具ホルダー４は、垂直軸Ｂのまわりに旋回可能に支持されている。更に、工具ホルダー４は、ワークピース受け器５を有し、当該受け器は、受け器軸Ｃのまわりで回転可能である。全ての方向Ｘ，Ｙ，Ｚに沿う動作、及び、軸Ｂ、Ｃまわりの動作がモニターされる。言い換えれば、図５に概略的に示されるように、機械制御ユニット６によって、制御／調整される。

研削ヘッド３は、ワークピース受け器５に保持されるブランク７から、所望のワークピース（例えばドリル又はフライス等）を作り出すために利用される。ブランク７は、好ましくは、円筒体である。図３に示すように、ブランクは、概して受け器軸Ｃと完全に同軸ではない状態でワークピース受け器５にクランプされる。それどころか、円筒形ブランク７の対称軸、言い換えればワークピース軸Ｄは、受け器軸Ｃから外れる。概して、偏差は確率論的であり、偏差が大きくなればなるほど、ワークピース受け器５の精度は低くなる。受け器軸Ｃとワークピース軸Ｄとは、互いに交差する必要は全く無い。すなわち、それらは互いに対してねじれ位置をとることができる。受け器軸Ｃのまわりをブランク７が回転する際に、ブランク７は揺れ動き動作を行う。

機械制御ユニット６は、測定モジュール８を有し、当該測定モジュールには、ブランク７の位置を検知することができる１個以上の測定トレーサ９（図３）又は他の測定手段が一部として存在する。トレーサ９が用いられる場合は、それらは、例えばブランク７の一回以上の回転中に、例えば様々な位置でブランクの円周乃至外周、言い換えればその外装面でブランクをトレースするために利用される。例えば、ブランクの円周上の３箇所以上の位置で、いずれの場合も、一のトレース操作から別のトレース操作までブランクが受け器軸Ｃまわりで一定の角度量について回転させられ、その後、再びトレースされることを設けることで、ブランクをトレースすることが可能である。トレース操作が複数回転以上で行われる場合には、周期がブランクの複数回転にまたがり、例えば駆動ギア又はボールベアリングに由来する周期誤差をも検知することができる。測定モジュール８は、得られた新しい測定位置に基づいてワークピース軸Ｄの配置について決定を下す評価プログラムも含む。トレース操作は、図３で点線によって示されるように、受け器軸Ｃに関して軸方向に互いから離れて間隔をあけられた複数の場所で実行される。

測定モジュール８は、得られた測定値に基づいて、ブランク７が受け器軸Ｃに対して保有するミスアライメントと偏心度とについて決定を下すためにも用いられる。図４に大きく誇張されて示されるように、偏心度とミスアライメントとをベクトルｘ_０、ｒ_０によって示すことができる。ブランク７は、受け器軸Ｃに対してねじれ方式で調整される。同心誤差は、ブランク７又はなにか他のワークピースの中心軸と平行に配置される方向ベクトルｒ_０と、理想位置からのワークピースのオフセットを示す更なるベクトルｘ_０とによって示される。測定モジュール８によって確かめられたベクトルｘ_０、ｒ_０は、計算モジュール１１に転送され、そこで、ワークピース又はブランク７の座標は、ワークピース特有の座標系から機械座標系Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｂ、Ｃに換算される。いかなる揺れ動き動作も起こらない場合、言い換えれば、ベクトルｒ_０が、受け器軸Ｃと同一方向を有する時で、且つ、ベクトルｘ_０が消滅する（ゼロになる）時は、工具座標系の所与の位置ＰＷが機械座標系の位置ＰＭに換算される通常の変換Ｔだけでなく、変換Ｔ_ｎｅｗもまたベクトルｘ_０、ｒ_０を考慮に入れる（Ｔ_new（Ｔ、ｘ_０、ｒ_０））。機械制御ユニット６で走るプログラムによって構成される計算モジュールは、制御モジュール１２から、軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｂ、Ｃと関連する別個の案内モータ用の位置決めコマンドとみなすことができるデータ又はコマンドを受け取る。これらの制御コマンドは、計算モジュール１１で改変され、修正制御コマンドとして駆動機構１４に送信される。

ここまで記載されている工具研削盤は、以下の通りに機能する。

ワークピースを機械加工するために、言い換えれば、ブランク７から工具を作り出すために、最初に、ブランク７はワークピース受け器５にクランプされ、そこで測定される。これを受けて、計算モジュール１１は、ブランク７を受け器軸Ｃのまわりで段階的に増加しながら回転させるように、工具ホルダー４の適切な駆動機構を最初に起動させる。研削ヘッド３に接続させられるか又は何か他の方法で案内されるトレーサ９は、同軸位置における様々な場所でブランク７の外装面をトレースし、対応する測定値を計算モジュール１１に提供する。少なくとも一回、好ましくは複数回のブランク７の回転の後で、ブランク７をその円周に沿って再びトレースするために、トレーサ９は、軸方向に調整される。これを受けて、計算モジュール１１は、ブランク７を段階的に増加して前方へ回転させる。必要であれば、ブランク７を更なる場所でトレースすることもできる。

いったんブランク７の少なくとも２つの軸方向に離れて間隔をあけられた環状領域をトレースすると、その後そこから、測定モジュール８又は計算モジュール９は、ブランク７の偏心度とミスアライメントを特徴付けるベクトルｘ_０、ｒ_０を計算する。その後、二つのベクトルｘ_０、ｒ_０は、たった今測定されたワークピース又はブランク７のためにいつでも使えるように個々に保たれ、更に、ワークピース関連座標を機械関連座標へ変換するために用いられる。

その後、図２に示すように、ブランク７が研削機械作業で機械加工される場合で、例えば、円筒面が作り出される場合は、その際には、図２が示すように研削ヘッド３がブランク７に持ってこられる。円筒面を作り出すために、ブランク７は、受け器軸Ｃまわりで回転させられる一方で、研削砥石１５はそれにかみ合う。ブランク７のぶれ（wobble runout）は、事前の測定操作で決定され、機械制御ユニット６でメモリーに格納される。制御ユニットは、研削ヘッド３を始動する際に今ではぶれを考慮に入れているので、研削ヘッドは、図２の矢印１６で示されるように、往復運動を行う。研削砥石１５とブランク７の円周との間の接点で示されるブランク７の円が、そのワークピース軸Ｄに対して同心で配置されるように、本動作は適合させられる。したがって、ワークピース受け器１５の側で不正確にクランプしているにもかかわらず、ワークピース軸Ｄに対して同心で、且つ、寸法的に正確な円筒面をブランク７上に作り出すことが可能である。

他の表面（フランク、使用面、切削縁等）もワークピース軸Ｄの配置に対して対称的に且つ正確に作り出すことができる。

工具研削盤１は機械制御ユニット６を有し、当該機械制御ユニットは、例えば、トレーサ９と測定モジュール８とを備える適当な測定機器を用いて、最初にワークピース受け器の理想的な受け器軸Ｃに関するぶれを決定する。ブランク７又はワークピースの研削機械加工において、このぶれは考慮され且つ補償される。すなわち、ワークピースが正確に意図された寸法で且つ同心で機械加工されるような方法で、研削工具は揺れ動くワークピースをトレースさせられる。

工具研削盤の極めて概略化した図解である。 工具ホルダーと研削ヘッドとの上面図である。 初めの測定の間の工具ホルダーとクランプされたブランクとの概略図である。 機械座標系と機械座標系内のブランクの位置との概略的で、誇張された図である。 図１の研削盤の機械コントローラーのブロック回路図である。

符号の説明

１ 工具研削盤
３ 研削ヘッド
５ ワークピース受け器
６ 機械制御ユニット
７ ブランク
８ 測定モジュール
９ トレーサ
１１ 計算モジュール
１４ 駆動機構
１５ 研削砥石

Claims (14)

1. 研削盤（１）、特に工具研削盤であって、
   細長く回転対称なブランク（７）又はワークピース（７）を収容するために配置されたワークピース受け器（５）を有し、
   所定の受け器軸（Ｃ）まわりにワークピース受け器（５）を回転させるために配置された回転位置決め機器を有し、且つ、ワークピース受け器（５）に接続される回転位置検知機器を有し、
   回転駆動機構を備えて、且つ、少なくとも一つの研削工具（１５）を担持する研削ヘッド（３）を有し、
   研削工具（１５）とブランク（７）又はワークピース（７）との間で相対動作を生じさせるために、ワークピース受け器（５）及び／又は研削ヘッド（３）に接続される位置決め機器（１４）を有し、
   受け器軸（Ｃ）に関するブランク（７）又はワークピース（７）の偏心度及びミスアライメントを決定するために配置された測定機器（８、９）を有し、
   回転位置決め機器、回転位置検知機器、位置決め機器（１４）及び測定機器（８、９）に接続され、且つ、偏心度及びミスアライメントを考慮に入れて、位置決め機器（１４）用に制御コマンドを決定する計算モジュール（１１）を有する機械制御ユニット（６）を有する、
   研削盤。
2. 測定機器（８、９）は、少なくとも一つの測定トレーサ（９）を具備し、当該測定トレーサで、ブランク（７）又はワークピース（７）は、軸方向に互いから離れて間隔をあけられた複数の場所でトレースされることを特徴とする請求項１に記載の研削盤。
3. 測定機器（８、９）は、少なくとも一つの測定トレーサ（９）を具備し、当該測定トレーサで、ブランク（７）又はワークピース（７）は、円周方向に互いから離れて間隔をあけられた複数の場所でトレースされることを特徴とする請求項１に記載の研削盤。
4. ブランク又はワークピース（７）の偏心度及びミスアライメントを測定するために、ブランク又はワークピースは段階的に増加しながら回転させられ、その過程で、第一軸位置で最初にトレースされ、その後少なくとも一つの他の軸位置でトレースされることを特徴とする請求項１に記載の研削盤。
5. 計算モジュール（１１）は、受け器軸（Ｃ）からのワークピース軸（Ｄ）の偏差量と受け器軸（Ｃ）に対するワークピース軸（Ｄ）の方位とを特徴付ける二つのベクトル（ｘ_０、ｒ_０）を、得られた測定値から決定することを特徴とする請求項１に記載の研削盤。
6. 計算モジュールは、座標変換の間に、ワークピース座標を機械座標へ換算し、この変換ではベクトル（ｘ_０、ｒ_０）を考慮に入れることを特徴とする請求項５に記載の研削盤。
7. 偏心度とミスアライメントとの決定は、ワークピース又はブランク（７）がワークピース受け器（５）にクランプされる各クランプ操作の後でベクトルの決定に基づいてなされることを特徴とする請求項１に記載の研削盤。
8. 研削盤、特に工具研削盤（１）を制御するための方法であって、
   細長く回転対称なブランク（７）又はワークピース（７）を収容するために配置されたワークピース受け器（５）を有し、
   所定の受け器軸（Ｃ）まわりにワークピース受け器（５）を回転させるために配置された回転位置決め機器を有し、且つ、ワークピース受け器（５）に接続される回転位置検知機器を有し、
   回転駆動機構を備えて、且つ、少なくとも一つの研削工具（１５）を担持する研削ヘッド（３）を有し、
   研削工具（１５）とブランク（７）又はワークピース（７）との間で相対動作を生じさせるために、ワークピース受け器（５）及び／又は研削ヘッド（３）に接続される位置決め機器（１４）を有し、
   受け器軸（Ｃ）に関するブランク（７）又はワークピース（７）の偏心度及びミスアライメントを決定するために配置された測定機器（８、９）を有し、
   回転位置決め機器、回転位置検知機器、位置決め機器及び測定機器に接続され、且つ、偏心度及びミスアライメントを考慮に入れて、位置決め機器（１４）用に制御コマンドを決定する計算モジュール（１１）を有する機械制御ユニット（６）を有する、
   方法。
9. 測定機器は、少なくとも一つの測定トレーサを具備し、当該測定トレーサで、ブランク又はワークピースは、軸方向に互いから離れて間隔をあけられた複数の場所でトレースされることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 測定機器は、少なくとも一つの測定トレーサを具備し、当該測定トレーサで、ブランク又はワークピースは、円周方向に互いから離れて間隔をあけられた複数の場所でトレースされることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. ワークピースの偏心度及びミスアライメントを測定するために、ワークピースは段階的に増加しながら回転させられ、その過程で、第一軸位置で最初にトレースされ、その後少なくとも一つの他の軸位置でトレースされることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 計算モジュールを用いて、受け器軸からのワークピース軸の偏差量と受け器軸に対するワークピース軸の方位とを特徴付ける二つのベクトル（ｘ_０、ｒ_０）を、得られた測定値から決定することを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 計算モジュールは、座標変換の間に、ワークピース座標を機械座標へ換算し、この変換ではベクトル（ｘ_０、ｒ_０）を考慮に入れることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 偏心度とミスアライメントとの決定は、ワークピース又はブランクがワークピース受け器にクランプされる各クランプ操作の後でベクトルの決定に基づいてなされることを特徴とする請求項８に記載の方法。

Images