JP2009113138A - 工作機械のワーク加工方法及び挙動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】必要以上に暖機運転を行うことを確実に防止するとともに、作業者によらず熱変位が確実に安定した状態でワークの加工を開始して加工精度を確保することが可能な工作機械のワーク加工方法及び挙動計測装置を提供する。
【解決手段】工作機械のワーク加工方法を、主軸に装着された工具の先端の位置を連続的に測定する第一の工程（ステップＳ４）と、測定結果に基づいて工具の先端位置の変位量を算出する第二の工程（ステップＳ５）と、変位量が予め設定された許容変位量内にある時間を監視する第三の工程（ステップＳ８）と、変位量が許容変位量内にある時間が、予め設定された範囲時間より短い場合は暖機運転を継続し、範囲時間に達した場合は暖機運転を終了する第四の工程（ステップＳ９）と、暖機運転が終了した場合にワークの加工を開始する第五の工程（ステップＳ１０）とから構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械のワーク加工方法及び挙動計測装置に関する。

工作機械においては、主軸の回転やワークと工具の位置を相対変位させる軸送りに伴うモータ等の発熱、及び、工作機械の設置箇所における環境温度の変化などにより、主軸等の工作機械を構成する部材が熱変位を生じると、例えば、主軸の軸方向に熱変位が生じた場合は工具がワークを加工する深さが変化する等、ワークと工具との相対位置にずれが生じ加工誤差となるという問題があった。

上述したような加工誤差は、特に回転による主軸の熱変位の影響が大きいことから、従来、加工精度を維持するために主軸を空で運転するいわゆる暖機運転を主軸の熱変位が安定するまで行い、主軸の熱変位が安定するのを待った上で、ワークの加工を開始するという方法が行われている。

なお、上述した暖機運転を行う時間、即ち暖機運転を開始してから主軸が発熱し該主軸の熱変位が安定するまでにかかる時間は、機械周囲の環境やそれまでの運転状況などによっても異なるため、熟練した作業者が経験に基づいて判断する、又は、主軸の熱変位の速度に関わらず予め一定の時間を設定する等としていた。そのため、主軸の熱変位が安定する前に加工を開始する、又は、必要以上に長い時間暖機運転を行う可能性があり、加工効率の低下に繋がる虞があるという問題があった。

このような問題に対し、下記特許文献１には、工作機械に工具長計測装置を設け、所定時間おきに工具の刃先の位置を測定し、測定した工具の刃先位置の変化量が許容値以内となったら暖機運転を終了するようにしたものが開示されている。

特開２００４−２６１９３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、所定時間ごとに断続的に工具の刃先の位置を測定し、直前に測定した結果と比較して工具の刃先位置の変化量が許容値以内か否かを判定する構成であり、例えば、ワークと工具先端との相対位置が、単純な一方向への変化（一次関数的な変化）ではなく、波形状のように複雑に変化しているような場合、測定の時間間隔によってはワークと工具先端との相対位置が安定する前であって該相対位置が波形状のように複雑に変化している状態において、所定時間前に検出した値と同一の値（例えば、波形状の山と山等）を検出してしまい、誤って安定したと判断してしまう虞があった。また、工具の刃先位置は主軸の軸方向以外の方向へも変形することが考えられるが、主軸の軸方向以外の方向への変形については検出できないという問題があった。そのため、加工精度の低下や、加工効率の低下を招く可能性があった。

このようなことから本発明は、必要以上に暖機運転を行うことを防止するとともに、作業者によらず主軸等の熱変位が確実に安定した状態でワークの加工を開始して加工精度を確保することが可能な工作機械のワーク加工方法及び挙動計測装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る工作機械の加工方法は、ワークと工具を相対変位させて前記ワークの加工を行う工作機械のワーク加工方法であって、主軸に装着された工具の先端の位置を連続的に測定する第一の工程と、測定結果に基づいて順次工具の先端位置の変位量を算出する第二の工程と、前記変位量が、温度変化に伴って移動する工具先端の位置が安定したか否かを判断するために予め設定された許容変位量内にある時間を監視する第三の工程と、前記変位量が許容変位量内にある時間が、温度変化に伴って移動する工具先端の位置が安定したか否かを判断するために予め設定された時間である前記範囲時間より短い場合は暖機運転を継続する一方、前記変位量が許容変位量内にある時間が前記範囲時間に達した場合は暖機運転を終了する第四の工程と、前記第四の工程において暖機運転が終了した場合に前記ワークの加工を開始する第五の工程とを含むことを特徴とする。

第２の発明に係る工作機械の加工方法は、第１の発明において、前記工具の先端の位置を２次元的又は３次元的に測定することを特徴とする。

第３の発明に係る工作機械の加工方法は、第１又は第２の発明において、前記第二の工程と前記第三の工程の間に、前記工具の先端位置の変位量を算出したのち、前記工具の先端位置の計測を開始してから予め設定した最大計測時間内である場合に前記工具の先端位置の計測を継続し、前記工具の先端位置の計測を開始してから予め設定した最大計測時間を経過した場合は前記工具の先端位置の計測を終了する工程を含むことを特徴とする。

第４の発明に係る工作機械の挙動計測装置は、ワークと工具の相対位置を制御して前記ワークの加工を行う工作機械の挙動計測装置であって、工具先端位置を連続的、且つ２次元的又は３次元的に測定する計測手段と、前記計測手段によって測定した結果に基づき前記工具先端位置の変位を演算し、演算によって算出された変位が予め設定された許容変位量以内にある状態を維持した時間を監視し、前記工具先端位置の変位が前記許容変位量以内にある状態を維持した時間が予め設定された許容変位継続時間内である場合に暖機運転を継続し、前記工具先端位置の変位が前記許容変位量以内にある状態を維持した時間が前記許容変位継続時間を経過した場合に暖機運転を終了する制御手段とを具備することを特徴とする。

第５の発明に係る工作機械の挙動計測装置は、第４の発明において、前記計測手段が前記工具先端位置を一定時間間隔で連続的に撮像する撮像手段であり、前記制御手段が、前記撮像手段によって撮像された画像に基づいて前記工具の先端位置の変位を算出することを特徴とする。

第６の発明に係る工作機械の挙動計測装置は、第４の発明において、前記計測手段がレーザ干渉計であることを特徴とする。

上述した第１の発明に係る工作機械の挙動計測方法によれば、ワークと工具を相対変位させてワークの加工を行う工作機械のワーク加工方法であって、主軸に装着された工具の先端の位置を連続的に測定する第一の工程と、測定結果に基づいて順次工具の先端位置の変位量を算出する第二の工程と、変位量が、温度変化に伴って移動する工具先端の位置が安定したか否かを判断するために予め設定された許容変位量内にある時間を監視する第三の工程と、変位量が許容変位量内にある時間が、温度変化に伴って移動する工具先端の位置が安定したか否かを判断するために予め設定された時間である範囲時間より短い場合は暖機運転を継続する一方、変位量が許容変位量内にある時間が範囲時間に達した場合は暖機運転を終了する第四の工程と、第四の工程において暖機運転が終了した場合にワークの加工を開始する第五の工程とを含むようにしたため、必要以上に暖機運転を行うことを防止することができるとともに、熱変位が確実に安定した状態でワークの加工を開始することができるため、加工精度を向上させることができる。

また、第２の発明に係る工作機械の挙動計測方法によれば、工具の先端の位置を２次元的又は３次元的に測定するようにしたため、工具の軸方向の熱変位に限らず、工作機械全体の熱変位を考慮してワークの加工を行うことができ、加工精度をより向上させることができる。

また、第３の発明に係る工作機械の挙動計測方法によれば、第二の工程と第三の工程の間に、工具の先端位置の変位量を算出したのち、工具の先端位置の計測を開始してから予め設定した最大計測時間内である場合に工具の先端位置の計測を継続し、工具の先端位置の計測を開始してから予め設定した最大計測時間を経過した場合は工具の先端位置の計測を終了する工程を含むようにしたため、最大計測時間を経過しても工具の先端の位置が安定しない場合は何らかの問題が発生したとみなして暖機運転を終了することができ、必要以上に暖機運転を行うことを防止することができる。

また、第４の発明に係る工作機械の挙動計測装置によれば、ワークと工具の相対位置を制御してワークの加工を行う工作機械の挙動計測装置であって、工具先端位置を連続的、且つ２次元的又は３次元的に測定する計測手段と、計測手段によって測定した結果に基づき工具先端位置の変位を演算し、演算によって算出された変位が予め設定された許容変位量以内にある状態を維持した時間を監視し、工具先端位置の変位が許容変位量以内にある状態を維持した時間が予め設定された許容変位継続時間内である場合に暖機運転を継続し、工具先端位置の変位が許容変位量以内にある状態を維持した時間が許容変位継続時間を経過した場合に暖機運転を終了する制御手段とを具備するようにしたため、必要以上に暖機運転を行うことを防止するとともに確実に安定した状態でワークの加工を開始することができ、暖機運転を含む加工時間の短縮、及び加工精度の確保が可能となる。

また、第５の発明に係る工作機械の挙動計測装置によれば、計測手段が工具先端位置を一定時間間隔で連続的に撮像する撮像手段であり、制御手段が、撮像手段によって撮像された画像に基づいて工具の先端位置の変位を算出するようにしたため、工具の刃先の位置の軸方向に直交する方向に対する変位についても計測することができ、より加工精度を向上させることができる。

また、第６の発明に係る工作機械の挙動計測装置によれば、計測手段をレーザ干渉計としたため、工具の刃先の位置の軸方向に直交する方向に対する変位についても計測することができ、より加工精度を向上させることができる。

以下、図１乃至図３を用いて本発明の一実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る工作機械の挙動計測の概略を表すブロック図、図２は本実施形態による工具位置計測の流れを示すフローチャート、図３は主軸の回転に伴う工具とテーブルの相対変位と時間との関係を示すグラフである。

図１に示すように、工作機械１は、ベッド１１、コラム１２、テーブル１３、サドル１４、主軸頭１５、及び主軸１６等から構成される。詳しくは、工作機械１本体を構成するベッド１１上にコラム１２及びテーブル１３が配設されている。コラム１２には、左右方向（図１中、紙面に垂直な方向。以下、ｘ軸方向という）に沿って移動可能な状態でサドル１４が支持され、該サドル１４に、後述する工具１７の軸方向（図１中、上下方向。以下、ｚ軸方向という）に沿って移動可能な状態で主軸頭１５が支持されている。主軸頭１５には主軸１６が回転可能に支持され、該主軸１６に工具１７が装着されている。また、テーブル１３はコラム１２の前方に、前後方向（ｘ軸方向およびｚ軸方向に垂直な方向。以下、ｙ軸方向という）に沿って移動可能な状態で支持されている。

テーブル１３、サドル１４、主軸頭１５は、それぞれサーボモータ１８ａ，１８ｂ，１８ｃによってｙ軸方向、ｘ軸方向、ｚ軸方向に沿って移動し、また、主軸１６は図示しないモータの駆動に伴って軸線の周りで回転するように構成されている。主軸１６を回転させるモータ、及び、サーボモータ１８ａ，１８ｂ，１８ｃの駆動は、各々ＮＣ装置１９からの指令に基づいて制御される。ＮＣ装置１９は、各種プログラムを備えて主軸１５の回転やサーボモータ１８ａ，１８ｂ，１８ｃの駆動等の制御を行う部分である。

このように、ＮＣ装置１９からの指令によってテーブル１３、サドル１４、主軸頭１５の移動を制御することにより、テーブル１３上に載置・固定される図示しないワークと工具１７との相対位置を変化させることによりワークの加工を行う。

さらに、本実施形態においては、工作機械１の挙動計測を、テーブル１３上に載置された計測手段としての計測装置２１を用いて行う。計測装置２１は、例えば、工具１７の先端を一定時間間隔で連続的に撮像するカメラ等の撮像手段を備え、主軸の熱変位等による工具１７の刃先の位置とテーブル１３（又はワーク）との相対位置の変化を連続的、且つ、２次元的又は３次元的に計測することが可能なものである。

また、該計測装置２１は制御手段としての測定制御部２２を介してＮＣ装置１９に接続されている。測定制御部２２は、少なくとも、計測装置２１によって撮像された画像から工具１７の先端部分の形状を数値化し、工具１７の先端位置の変化を算出する等の画像処理機能、及び、工具１７の先端位置の変化が後述する許容精度以内にある状態を維持した時間を監視する機能を備え、ＮＣ装置１９からの指令に基づいて計測装置２１に対して工具位置計測開始を指示する、又は工具先端位置の計測結果に基づいてＮＣ装置１９及び該計測装置２１に工具位置計測の終了を出力するというように、計測装置２１による工具位置計測に関する制御を行う部分である。

以下、図２に示すフローチャートに基づいて本実施形態に係る工具１７の先端位置の挙動計測の流れを説明する。

図２に示すように、新たな工具を用いてワークの加工を行う場合、まず、機械本体の発熱や機械の設置箇所における環境温度の変化等によってテーブル１３との相対位置が変化する工具１７の先端位置に対し、該工具１７の先端位置の変化が安定したか否かを判断するための判定値の設定を行う（ステップＳ１）。本実施形態では、このような判定値として、許容精度、範囲時間、及び最大計測時間の設定を行う。

許容精度及び範囲時間は工作機械１の熱変位が安定し工具１７の先端位置の変位が終了したか否かを判定するための値である。許容精度は工具１７の先端位置とテーブル１３との所定時間内における相対変位の許容値であり、相対変位が該許容精度以下である場合に工具１７の状態が安定しているとみなされる。また、範囲時間は工具１７の先端位置の変化量が前述した許容精度内である状態を維持する時間であり、許容精度を該範囲時間（例えば５分間）維持したときに工具１７の変位が安定したとみなされる。

また、最大計測時間は工具１７の先端位置が何らかの原因で安定しないような場合に、計測を終了するまでの時間である。

ステップＳ１において判定値の設定が終了したら、工具１７の交換等により主軸１６へ必要な工具１７を装着し（ステップＳ２）、続いて主軸１６の回転、即ち、暖機運転を開始する（ステップＳ３）。そして、測定制御部２２を介してＮＣ装置１９から計測装置２１に指示を送り、計測装置２１による工具１７の先端位置の計測（工具位置計測）の開始、即ち本実施形態においては工具１７の先端の撮像を開始する（ステップＳ４）。なお、工具１７の先端は、一定時間間隔で連続的に撮像するものとする。

続いて、例えば計測装置２１によって撮像された工具１７の形状及び位置を数値化し、連続する２枚の画像データを順次比較・解析して、機械本体の発熱及び環境温度の変化に伴う工具先端位置の移動量を算出する（ステップＳ５）。次に、計測時間が設定最大計測時間内であるか否かの判定を行い（ステップＳ６）、設定最大計測時間を超過している場合（ＮＯ）は、アラームとして機械１を停止させる又は警告音を鳴らす等の処理を行う（ステップＳ７）。

一方、計測時間が設定最大計測時間内である場合（ＹＥＳ）は、設定範囲時間中、工具１７の先端位置が許容精度以内を維持しているか否か、換言すると、工具先端位置の変化量が設定許容精度以内である状態が設定範囲時間継続しているか否かの判定を行う（ステップＳ８）。そして、判定の結果、工具１７の先端位置の変化量が設定許容精度以内である状態が、設定範囲時間継続していない場合（ＮＯ）は暖機運転を継続してステップＳ５に戻る。

一方、工具１７の先端位置の変化量が設定許容精度以内である状態が、設定範囲時間継続している場合（ＹＥＳ）は工具１７の先端位置が安定したとみなして工具位置計測を終了し（ステップＳ９）、暖機運転を終了するとともにワーク加工を開始する（ステップＳ１０）。

図３に、工具１７の先端位置の挙動の一例を示す。工作機械１においては、主軸１６の回転やテーブル１３、サドル１４、主軸頭１５を移動させる軸送り等に伴う主軸頭１５やサーボモータ１８ａ，１８ｂ，１８ｃの発熱、また、工作機械１を設置している箇所の環境温度の変化等により工作機械１を構成するベッド１１、コラム１２、サドル１４、主軸頭１５、主軸１６等において熱変位を生じることにより、図３に示すように、工具１７の先端位置とワークとの相対位置はｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向でそれぞれ変化し、且つ、安定するまでの時間も各々の軸方向で異なることが考えられるが、本実施形態に係る工作機械の挙動計測方法によれば、計測装置２１において工具１７の先端位置を連続的に、且つ２次元的又は３次元的に計測し、工具１７の先端位置の変化量が許容精度内である状態が設定範囲時間継続した場合に、機械の挙動が安定したと判断して暖機運転を終了する構成としたため、機械の周辺の環境温度やそれまでに行っていた工作機械の運転状況によって、主軸１６や工具１７の熱変位が安定するまでの時間に差異がある場合であっても、その時々の状況に応じて機械の挙動が安定したか否かを効率よくかつ確実に検出することができ、機械の挙動が安定する前にワークの加工を開始したり、無駄な暖機運転を行うことを防止して、図３に示すように工具とテーブルの相対変位が確実に安定した状態であって無駄な暖機運転を行うことなくワークの加工を開始することができるため、従来に比較して加工精度及び加工効率を向上させることができる。

また、従来熟練した作業者が経験に基づいて行っていた暖機運転を、作業者によらず効率よく確実に行うことが可能となるため、より利便性が向上する。

なお、上述した実施形態においては、計測装置２１として一定時間間隔で工具１７の先端位置を撮像する撮像手段を用いる例を説明したが、計測装置としては、例えば、主軸１６の軸方向に直交する方向に沿って多数のレーザ光を発信する送信部と、工具１７を挟んで送信部に対向する位置に設けられた受信部とを備え、主軸１６等の熱変位に伴って移動する工具１７がレーザ光を遮断することを利用して受信部において工具１７の位置情報を得る装置、又は、工具１７の先端位置の三軸方向の変位を計測することが可能なレーザ干渉計を用いる等、工具１７の先端位置の変位を２次元的又は３次元的に計測することができるものであればよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。また、工具１７の先端を２次元的に測定する場合は、例えば、工具１７の先端位置の変位が図３のような挙動を示す工作機械であれば、ｙ軸方向およびｚ軸方向の挙動を測定する等、状況に応じて測定する位置を決定するようにすれば好適である。

本発明は、工作機械の挙動計測及び加工方法に適用して好適なものである。

本発明の実施形態に係る工作機械の挙動計測構造を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る工作機械の挙動計測の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る工作機械の挙動計測構造の主軸の回転に伴う工具とテーブルの相対変位と、時間との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 工作機械
１１ ベッド
１２ コラム
１３ テーブル
１４ サドル
１５ 主軸頭
１６ 主軸
１７ 工具
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ サーボモータ
１９ ＮＣ装置
２１ 計測装置
２２ 測定制御部

Claims (6)

1. ワークと工具を相対変位させて前記ワークの加工を行う工作機械のワーク加工方法であって、
   主軸に装着された工具の先端の位置を連続的に測定する第一の工程と、
   測定結果に基づいて順次工具の先端位置の変位量を算出する第二の工程と、
   前記変位量が、温度変化に伴って移動する工具先端の位置が安定したか否かを判断するために予め設定された許容変位量内にある時間を監視する第三の工程と、
   前記変位量が許容変位量内にある時間が、温度変化に伴って移動する工具先端の位置が安定したか否かを判断するために予め設定された時間である前記範囲時間より短い場合は暖機運転を継続する一方、前記変位量が許容変位量内にある時間が前記範囲時間に達した場合は暖機運転を終了する第四の工程と、
   前記第四の工程において暖機運転が終了した場合に前記ワークの加工を開始する第五の工程と
   を含むことを特徴とする工作機械のワーク加工方法。
2. 前記工具の先端の位置を２次元的又は３次元的に測定することを特徴とする請求項１記載の工作機械のワーク加工方法。
3. 前記第二の工程と前記第三の工程の間に、前記工具の先端位置の変位量を算出したのち、前記工具の先端位置の計測を開始してから予め設定した最大計測時間内である場合に前記工具の先端位置の計測を継続し、前記工具の先端位置の計測を開始してから予め設定した最大計測時間を経過した場合は前記工具の先端位置の計測を終了する工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の工作機械のワーク加工方法。
4. ワークと工具の相対位置を制御して前記ワークの加工を行う工作機械の挙動計測装置であって、
   工具先端位置を連続的、且つ２次元的又は３次元的に測定する計測手段と、
   前記計測手段によって測定した結果に基づき前記工具先端位置の変位を演算し、演算によって算出された変位が予め設定された許容変位量以内にある状態を維持した時間を監視し、前記工具先端位置の変位が前記許容変位量以内にある状態を維持した時間が予め設定された許容変位継続時間内である場合に暖機運転を継続し、前記工具先端位置の変位が前記許容変位量以内にある状態を維持した時間が前記許容変位継続時間を経過した場合に暖機運転を終了する制御手段とを具備する
   ことを特徴とする工作機械の挙動計測装置。
5. 前記計測手段が前記工具先端位置を一定時間間隔で連続的に撮像する撮像手段であり、前記制御手段が、前記撮像手段によって撮像された画像に基づいて前記工具の先端位置の変位を算出することを特徴とする請求項４記載の工作機械の挙動計測装置。
6. 前記計測手段がレーザ干渉計であることを特徴とする請求項４記載の工作機械の挙動計測装置。

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