JP2010155325A - 高精度加工工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の熱変形による加工誤差の補正方法に関し、各国で異なる自然環境の影響を受けやすい工作機械であっても、高精度な加工、安全な作業、不具合の工作機械、安価な機械の技術を得る。
【解決手段】日本工業規格に準じた環境を工作機械内で製作し、工作機械を使用して高精度なワークの加工を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、環境の影響を受けやすい工作機械の熱変形により生ずる加工誤差を補正する方法に関するものである。

工作機械を運転すると、加工熱、軸モータの軸受部の発熱、作動油や切削液の温度上昇などにより、機械温度が上昇し、それに伴う工作機械の各部熱変形がワークの加工精度を低下させる。そこで工作機械の各部の温度を計測し、そのとき加工されたワークの加工誤差を計測することにより、機械温度と加工誤差の関係を求めて、ＮＣ装置の指令値を演算する演算式ないし演算テーブルを作成し、これをＮＣ装置に登録して、ＮＣ装置の指令値を補正することにより、加工誤差が生じないようにしている。

工作機械の熱変形量は、温度に比例すると見做してよいので、一般的には図２に示すように、工作機械のベッド１、主軸台２、刃物台３の要所要所に温度センサｓ１、ｓ２・・・を取付け、各センサの検出値ｔ１、ｔ２・・・に乗ずる係数α１、α２・・・と定数βとを試験加工により決定して、補正値δを次式
δ＝α１ｔ１＋α２ｔ２＋・・・αｎｔｎ＋β
で演算する方法が採用されている。

要求される加工精度が高くなるに従い、より厳密な補正が必要になることは当然で、１μｍ台やｎｍ台の加工精度を実現しようとすると、機械温度を０．０１℃程度の精度で検出して補正を行う必要がある。

更に、「温度」「湿度」、「気圧」は日本工業規格では
標準温度２０℃
標準湿度５８％
標準気圧１０１３ＭＰａ と規定されており、この規格は各国で異なるのは事実である。

また、ｎｍ台の加工しようとすると、事実上、「温度」「湿度」、「気圧」を従って、精度の高い加工を行うためには、高精度でかつ環境に対応したセンサを用いて機械各部の温度検出を行う必要がある。

工作機械業者において、工作機械を保守するために、保守作業員が身動きのとれる領域として通常６００ｍｍ程度の保守領域（Ｌ）が必要となる（図５、図６）。

発明が解決しようとする課題

このような環境を含む検出温度、湿度、気圧によって演算された補正値で補正をすることで、工作機械の加工精度を向上させる。

コストも考慮しながら、作業者の安全を確保する。

工作機械で使用する部材の材質はさまざまで、鉄、アルミのみならず合成樹脂、作動油、切削油剤等を使用しており、これらによる動作不良、水漏れ等の不具合も少なくない。

課題を解決するための手段

この発明は、上記問題を解決するためになされたもので、環境の影響を受けやすい場合でも、ワークの加工誤差を高い精度で補正することができる技術手段を得ることを課題としている。

詳細な説明で使用する記号の一覧表を示す。

この発明の工作機械における熱変形誤差の補正方法は、工作機械の前記外装部に取付けた温度センサＵ１、Ｕ２…湿度センサＶ１Ｖ２…、気圧センサＷ１Ｗ２…と工作機械に取付けた複数の温度センサＴ１、Ｔ２…、湿度センサＨ１、Ｈ２…、気圧センサＡ１、Ａ２…の検出値ｔ１、ｔ２、ｈ１、ｈ２、ａ１、ａ２から補正値δを演算して、当該演算値でＮＣ装置の指令値を補正する工作機械における熱変形誤差の補正方法において、隣接設定値εを登録し、所定の時間間隔毎に演算した補正値δの値と前回の補正値δｆの値との差が前記隣接設定値を超えているときは、前回補正値δｆに隣接設定値を加えた値δｆ＋εを補正値とすることを特徴とすることにより、上記課題を解決したものである。

請求項２の発明に係る熱変形誤差の補正方法は、上記方法に加えて更に、補正値の最大値δｍａｘと最小値δｍｉｎとを登録し、演算した補正値δが当該最大値より大きいか又は最小値より小さいときは、当該最大値又は最小値を補正値とするというものである。

また請求項３の発明に係る熱変形誤差の補正方法は、上記請求項２記載の補正方法において、基準温度ｔ０を登録し、所定時間間隔で計測した２４時間分の検出温度の平均値と、前記基準温度の差δｔを用いて演算した環境係数ιで前記補正値又は最大値及び最小値を更に補正するというものである。

請求項２の発明に係る熱変形誤差の補正方法は、上記方法に加えて更に、補正値の最大値δｍａｘと最小値δｍｉｎとを登録し、演算した補正値δが当該最大値より大きいか又は最小値より小さいときは、当該最大値又は最小値を補正値とするというものである。

また請求項３の発明に係る熱変形誤差の補正方法は、上記請求項２記載の補正方法において、基準温度ｖ０を登録し、所定時間間隔で計測した２４時間分の検出温度の平均値と、前記基準温度の差δｔを用いて演算した季節変動値γで前記補正値又は最大値及び最小値を更に補正するというものである。

また請求項４の発明に係る熱変形誤差の補正方法は、上記請求項３記載の補正方法において、基準温度ｕ０、基準湿度ｖ０、基準気圧ｗ０を登録し、所定時間間隔で計測した２４時間分の検出温度の平均値と、前記基準温度の差δｔを用いて演算した環境係数ιで前記補正値又は最大値及び最小値を更に補正するというものである。

また請求項５の発明に係る外装部は、外部からの影響を遮断するとともに、主軸の回転による前記加工ワーク、前記加工用刃具が飛散することによる作業者の安全を確保するためのものである。

発明を実施するための形態

以下、前述した演算式で補正値δを演算する場合を例にして、この発明の実施形態を説明する。機械の運転を開始してから、所定時間（例えば３時間）毎に温度センサｓ１、ｓ２・・・の検出値ｔ１、ｔ２…、ｈ１、ｈ２…ａ１、ａ２…、が読み込まれて、ＮＣ装置５のメモリ１７に記録される。ＮＣ装置５には、隣接設定値ε、補正値の最大値δｍａｘ、補正値の最小値δｍｉｎ及び基準温度ｔ０、ｈ０、ａ０のパラメータ１５が設けられており、試験加工などのデータに基づいてこれらの値が予め登録されている。また、図には示してないが、検出値ｔ１、ｔ２・・・から補正値δを演算するのに使用する係数α１、α２・・・及びβも試験加工の結果に基づき、予めＮＣ装置５に登録されている。ＮＣ装置の補正手段１６は、適時メモリ１７に記録された最新の温度データに基づき、次式
δ＝α１ｔ１＋α２ｔ２＋・・・αｎｔｎ＋β
δ’＝α１ｈ１＋α２ｈ２＋・・・αｎｈｎ＋β’
δ”＝α１ａ１＋α２ａ２＋・・・αｎａｎ＋β”
により、補正値δ、δ’、δ”を演算する。この補正値を経時的にプロットした例を図１に示す。
ここで破線上に示した補正値δａ及びδｂは、外乱のためにいずれかの温度センサの検出値が大きく変動したために、演算された補正値δが大きく変動したことを示している（図では誇張して描かれている）。
ここで破線上に示した補正値δａ’及びδｂ’は、外乱のためにいずれかの湿度センサの検出値が大きく変動したために、演算された補正値δ‘が大きく変動したことを示している（図では誇張して描かれている）。
ここで破線上に示した補正値δａ”及びδｂ”は、外乱のためにいずれかの気圧センサの検出値が大きく変動したために、演算された補正値δが大きく変動したことを示している（図では誇張して描かれている）。
上記請求項３記載の補正方法において、基準温度ｕ０、基準湿度ｖ０、基準気圧ｗ０を登録し、所定時間間隔で計測した２４時間分の検出温度の平均値と、前記基準温度の差δｔを用いて演算した外乱変動値ιで前記補正値又は最大値及び最小値を更に補正するというものである。

この発明の方法では、演算された補正値δと、前回の補正値δｆとを比較し、その偏差が隣接設定値εを超えているときは、前回の補正値δｆに隣接設定値εを加えた値を新たな補正値として設定する。これにより図１に破線イで示した補正値の大きな変動がキャンセルされて、図に実線ロ上の補正値δａ’、δｂ’で示すように、補正値の大きな変動を回避できる。

ＮＣ装置５は、設定された補正値で刃物などの原点はかえずに、位置座標を補正する。実行されている加工プログラム６から、例えば刃物台３の移動指令が出力されたとき、ＮＣ装置５は、補正された位置座標として刃物台３の位置を制御する。従って、図１に破線イやハで示されているような過大な補正値で指令値が補正されることによって生ずる加工精度の逆方向への変動を防止することができる。

上記同様に湿度、気圧も日本を含めた各国の基準値に準ずるように補正する。

演算された補正値δを最大値δｍａｘ及び最小値δｍｉｎと比較して、補正値の最大値及び最小値をこの設定値の範囲内にするような処理を行った場合、環境温度の季節変動などによって補正値δの最大値と最小値とが過度に制限されることが起こり得る。この問題を避けるには、登録された基準温度ｔ０と検出された１日分の環境温度の平均値との差から、環境係数（外乱環境係数）ιを演算して、補正値δ又は設定された最大値δｍａｘ及びδｍｉｎを修正する処理を行う。

補正値δを上述した演算式で演算する場合を例にして、当該補正値δの環境係数ιによる修正の例を以下に説明する。

この場合の補正値δは、次式
δ＝α１ｔ１＋α２ｔ２＋・・・αｎｔｎ＋β＋ι
で与える。係数α１、α２・・・及びβは、前記登録された値を用い、季節係数ιは次のようにして求める。即ち、連続運転時における１日分のデータ、例えば３時間毎に環境温度ｔｅの取り込みを行っているとすれば、連続した８つの環境温度の検出値、ｔｅ１、ｔｅ２・・・ｔｅ８からその平均値ｔａｖを次式
ｔａｖ＝（ｔｅ１＋ｔｅ２＋・・・ｔｅ８）／８
で求め、この平均環境温度ｔａｖと登録された基準温度ｔ０との差δｔを
δｔ＝ｔａｖ−ｔ０
で計算し、環境係数ιを次式
ι＝（α１＋α２＋・・・αｎ）×δｔ
のような演算処理で求める。この演算は、環境温度、環境湿度、環境気圧の基準値からの変動がそのまま各温度センサの検出値ｔ１、ｔ２・・・の偏差になるとの仮定に基づいているが、補正値の演算としては、実用上十分である。そして、このような温度係数を加味した演算式で補正値δを計算し、前述した実施例と同様に補正値δと前回値δｆの差が隣接設定値εを超えたときの置換処理、及び補正値δが最大値δｍａｘ又はδｍｉｎを超えたときの当該最大値又は最小値との置換処理を行って、指令値の補正を行う。

環境係数ιを加味して補正値δを演算したときは、環境温度が基準温度より低いときには、補正値δが小さくなり、高いときには、補正値δが大きくなる。そのため、環境温度の変動によって、補正値δの最大値と最小値とが過度に制限されるのを防止することができる。

なお、上記の例では、環境係数ιで補正値δを修正するようにしているが、補正値δの演算には環境係数ιを含ませないで、登録された最大値δｍａｘ及び最小値δｍｉｎに環境係数ιを加えたものを当該時点での最大値及び最小値として用いることにより、同様な作用効果を達成することができる。

また請求項４の発明に係る熱変形誤差の補正方法は、上記請求項３記載の補正方法において、基準温度ｔ０を各国、各工場で登録し、所定時間間隔で計測した２４時間分の検出温度の平均値と、前記基準温度の差δｔを用いて演算した環境係数ιで前記補正値又は最大値及び最小値を更に補正するものである。

また請求項５の発明に係る外装部は、加工ワークやツールが主軸の回転によりワークの保持部や刃先が飛散しても突き抜けない構造をもつ工作機械についてである。

近年、工作機械業界では、被削材の多様化、加工ワークの高精度化により主軸の高速化が進んでいる。
しかし、主軸の高速化により、加工ワーク、若しくは保持用の爪、又はツール若しくは、ツール先端のチップが飛散すると、人体に及ぼす影響は否めない場合がある。
そこで、請求項５の発明に係る外装部は、加工ワークやツールが主軸の回転によりワークの保持部や刃先が飛散しても突き抜けない構造とすることで、人への安全確保を達成することができる。

また、工作機械業界では上記安全の確保のために、外装部材を２重３重にすることで作業者の確保に取り組んでいる。
しかし、部材を２重３重にすることは、部材業者においては煩雑な作業が発生するため効率が良くなく、コストに影響することが少なくない。
そこで、請求項５にかかる発明は図３及び図５のように外装部材を安全カバーとして使用することで、コストの低減を達成することができる。

更に、工作機械業界では機械からクーラントが漏れることによる不具合が絶えない。図３及び図４のように床との設置方法を工夫することで、クーラント漏れによる不具合が減少する。

更に、工作機械業界では機械に作動油を使用することが少なくない。作動油は前記温度、湿度、気圧の変化により硬くなったり、柔らかくなったりもする。本発明により作動油による不具合を軽減することができる。

図４のように床との設置方法を工夫することで、クーラント漏れによる不具合が減少する。

前記安全の確保のために、外装部材を２重３重にすることで作業者の確保に取り組んでいる。
しかし、部材を２重３重にすることは、部材業者においては煩雑な作業が発生するため効率が良くなく、コストに影響することが少なくない。
そこで、請求項５にかかる発明は外装部材を安全カバーとして使用することで、コストの低減を達成することができる。

熱変形誤差の補正方法は、上記請求項３記載の補正方法において、基準温度ｔ０を各国、各工場で登録し、所定時間間隔で計測した２４時間分の検出温度の平均値と、前記基準温度の差δｔを用いて演算した外乱変動値ιで前記補正値又は最大値及び最小値を更に補正するものである。

発明の効果

以上説明した発明により、自然環境における工作機械の温度変化による補正値を演算するために取付けたセンサの環境等による変動によって、補正値が逆方向に働いて、一時的にワークの加工精度を低下させるという問題を回避することができる。
また、外装部を工夫することで、作業者の安全を確保することができる。
さらに、鉄、アルミ、作動油、切削油剤、樹脂等、さまざまな材料を安定した状態で使用することで、作業者における不具合を回避することができる。
併せて、工作機械のメンテナンスの領域を確保することで、メンテナンス者が容易に保守が可能となる。
最後に、体積の大きい恒温工場の設備が必要となくなり、コストダウンに寄与できる。

旋盤を例にした温度、湿度、気圧センサの配置とＮＣ装置の制御の例を示す模式的なブロック図 温度、湿度、気圧における、経過時間（横軸）と補正値（縦軸）との関係の一例を従来技術の場合を破線で示し、実施例の場合を実線で示したグラフ 二重構造例の工作機械を示した外観図 クーラント漏れを考慮した床との設置方法を示した断面図 保守領域（Ｌ）の例を示す断面図 保守領域（Ｌ）の例を示す断面図

符号の説明

ｓ１、ｓ２、ｓ３…温度、湿度、気圧センサ
ｔ１、ｔ２、ｔ３…温度センサの検出値
δ補正値
ε隣接設定値
δｍａｘ補正値の最大値
δｍｉｎ補正値の最小値

Claims (5)

1. 工作機械に取り付けた断熱構造を有した外装部に、複数個の温度センサ（Ｕ１、Ｕ２・・・）、湿度センサ（Ｘ１、Ｘ２）、気圧センサ（Ｚ１、Ｚ２）の検出値（ｕ１、ｕ２・・・）、（ｘ１、ｘ２・・・）（ｚ１、ｚ２）から補正値（ι）を演算し、工作機械本体に、複数個の温度センサ（Ｔ１、Ｔ２・・・）、湿度センサ（Ｈ１、Ｈ２）、気圧センサ（Ａ１、Ａ２）の検出値（ｕ１、ｕ２・・・）、（ｘ１、ｘ２・・・）（ｚ１、ｚ２）から補正値（δ）を演算し、当該演算値でＮＣ装置の指令値を補正する当該演算値でＮＣ装置の指令値を補正する工作機械における熱変形誤差の補正方法において、隣接設定値（ε）を登録し、所定の時間間隔毎に演算した補正値（δ）の値と前回の補正値（δｆ）の値との差が前記隣接設定値を超えているときは、前回補正値（δｆ）に隣接設定値を加えた値（δｆ＋ε）を補正値とすることを特徴とする、工作機械における熱変形誤差の補正方法。
2. 補正値の最大値（δｍａｘ）と最小値（δｍｉｎ）とを登録し、演算した補正値（δ）が当該最大値より大きいか又は最小値より小さいときは、当該最大値又は最小値を補正値とすることを特徴とする、請求項１記載の熱変形誤差の補正方法。
3. 基準温度（ｔ０）、基準湿度（ｈ０）基準気圧（ａ０）を登録し、所定時間間隔で計測した２４時間分の検出温度の平均値と、前記基準温度、基準湿度、基準圧力の差（δｔ）（δｈ）、（δａ）を用いて演算した環境係数（ι）で前記補正値又は最大値及び最小値を更に補正することを特徴とする、請求項２記載の熱変形誤差の補正方法。
4. 前記外装部には温度、湿度、気圧を調整可能な装置を有する請求項１の工作機械
5. 外装部は、加工ワークやツール主軸の回転によりワーク保持部や刃先が飛散しても突き抜けない構造をもつ請求項１記載の工作機械。

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