JP2010257388A

JP2010257388A - 旋盤及び旋盤における刃物台位置の補正方法

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Publication number: JP2010257388A
Application number: JP2009109410A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Arai; 智則荒井; Takeshi Hasuno; 剛蓮野
Original assignee: Nakamura Tome Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Nakamura Tome Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP5517483B2

Abstract

【課題】高い加工精度を得るために、刃物台の位置を補正する技術に関し、複数の刃物台を備えた旋盤において、一方の刃物台に搭載した工具による加工に他の刃物台の位置や移動速度に関係する加工誤差が生ずるのを防止する。
【解決手段】ベッド上を少なくとも互いに直交する２方向に移動位置決めされる少なくとも２個の刃物台を備え、その一方の刃物台の主軸との相対位置を、当該２個の刃物台の他方の刃物台の位置情報に関連して、より好ましくは、位置情報と移動速度情報とに関連して補正する位置補正手段を備えている。位置補正手段は、各刃物台の各所定位置毎に、一方（自分自身）及び他方の刃物台に与えるべき補正値を登録したテーブルを含むデータベースと、テーブルから補正値を読み取って必要な補間演算をし更に所定の変化率で補正値を変化させながら出力する補正値出力手段とで構成することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、高い加工精度を得るために、旋盤の主軸と刃物台の相対位置関係を補正する技術に関するもので、２個以上の刃物台を備えた旋盤における上記技術に関するものである。

工作機械自体の誤差や変形は、当該工作機械で加工されるワークの加工精度に反映される。工作機械自体の誤差としては、構成部材の加工誤差や組立誤差があり、変形としては、据付面の誤差や自重及び加工反力による弾性変形、寸法や形状の経年変化、熱変形などがある。旋盤は主軸に把持されたワークを当該主軸に対して相対移動する刃物台に装着した工具で加工する工作機械であり、上記誤差や変形が主軸と刃物台の相対位置関係を変化させるときに、当該変形や誤差がワークの加工精度に影響を与える。

ワークの加工精度を上げるためには、工作機械自体の誤差や変形を最小にする必要があるが、これを０にすることは不可能である。そのため、高精度加工を目的とした工作機械は、工作機械自体に誤差や変形があっても、それらが加工精度に反映されないように主軸と刃物台の位置関係を補正する各種の補正手段を備えている。その典型的なものは、工作機械の熱変形を補正する補正手段でベッドや刃物台に温度センサを取り付け、これによって検出される工作機械の各部の温度に基づいて、主軸と刃物台間の位置関係に与える影響を演算や実測値から求め、その影響を打ち消すように刃物台の位置を補正することで、工作機械の熱変形による加工誤差を補正する。

旋盤では、ワークの加工に際して、刃物台が主軸に対してＺ方向（主軸の軸線方向）及びこのＺ方向と直交するＸ方向（工具の切り込み送り方向）に移動する。この移動を案内するガイドに加工誤差や組立誤差があれば、刃物台の位置によって加工誤差が変化する。また、刃物台には自重があり、これを支えている前記ガイドは、ベッド（フレーム）に固定されており、ベッドは、外力（刃物台の自重はベッドに作用する外力である）の大きさやその作用する位置により、異なる形に弾性変形するので、ベッドの弾性変形に起因する加工誤差も刃物台の位置によって変化することとなる。

刃物台の位置に関連付けて、主軸と当該刃物台の位置関係を補正する補正は、ピッチエラー補正と呼ばれており、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１では、刃物台を第１の位置にして加工を行ったときの加工誤差と、第１の位置から離れた第２の位置で加工を行ったときの加工誤差とを計測して、この２個の計測値からワークを加工するときの刃物台の位置における誤差を直線補間により求めて、この誤差を打ち消す方向及び量の補正値を当該刃物台の送りモータに与えることにより、刃物台の位置に関連して変化するワーク加工誤差の補正を行う技術が提案されている。

特開２００２−１２０１２７号公報

特許文献１に記載された技術は、刃物台を案内するガイドの狂いによって生ずるワークの加工誤差を補正することを主眼とするもので、刃物台の位置によってベッドの形状が変化するというベッドの弾性変形に起因する加工誤差については考慮されていない。一般にベッドの弾性変形は、熱変形や経年変化に比べて小さく、刃物台の重量などによる弾性変形がワークの加工精度に影響を及ぼさないようにベッドの剛性を十分に高くするという思想が工作機械を設計する上での常識と考えられているからである。

そのため、複数の刃物台を備えた旋盤においても、個々の刃物台について、主としてガイドや送りねじの精度を補正するためのピッチエラー補正は行われているが、複数の刃物台の内の１個の刃物台で行う加工の加工精度が他の刃物台の位置によってどのような影響を受けるかということや、それをどのようにして補正するかということについては、従来殆ど考慮されてこなかった。

一方、旋盤に求められる加工精度の向上、重切削や高速加工の要求に伴う刃物台の大型化、機械の設置面積の低減や価格低減の要求に起因する機械フレームの小型化などが行われている。

このような工作機械を取り巻く背景の中で、複数の刃物台を備えた旋盤、特にその複数の刃物台の内の１つが大型の回転工具を取り付けるための刃物台であったり、当該刃物台に装着する工具の交換装置が搭載されている刃物台であったり、大型の工具タレットを搭載した刃物台であったり、大きくオーバーハングした状態でベッドに取り付けられている刃物台であったりしたときに、当該刃物台の位置や移動速度によって他の刃物台に装着した工具による加工の加工誤差が変化することが認められた。

そこでこの発明は、複数の刃物台を備えた旋盤において、その内の１個の刃物台に搭載した工具で行った加工に他の刃物台の位置や移動速度に関係する加工誤差が生ずるのを防止することを課題としている。

この発明の刃物台位置の補正方法は、ベッド上を少なくとも互いに直交する２方向に移動位置決めされる少なくとも２個の刃物台４、５を備えた旋盤に適用される刃物台位置の補正方法である。この発明では、２個の刃物台の少なくとも一方の刃物台４の主軸２、３に対する相対位置を、他方の刃物台５の位置情報に関連して補正する。

すなわちこの発明の旋盤は、ベッド上を少なくとも互いに直交する２方向に移動位置決めされる少なくとも２個の刃物台４、５を備え、当該２個の刃物台の一方の刃物台４の主軸２、３との相対位置を、当該２個の刃物台の他方の刃物台５の位置情報に関連して補正する位置補正手段を備えている。

この発明のより好ましい補正方法では、２個の刃物台の少なくとも一方の刃物台４の主軸２、３に対する相対位置を、他方の刃物台５の位置情報と移動速度情報とに関連して補正する。従って、好ましいこの発明の旋盤は、ベッド上を少なくとも互いに直交する２方向に移動位置決めされる少なくとも２個の刃物台４、５を備え、当該２個の刃物台の一方の刃物台４の主軸２、３との相対位置を、当該２個の刃物台の他方の刃物台５の位置情報と移動速度情報とに関連して補正する位置補正手段を備えている。

この発明の旋盤における前記位置補正手段は、各刃物台４、５の各所定位置毎に、一方（自分自身）及び他方の刃物台に与えるべき補正値を登録したテーブルを含むデータベース１４と、各刃物台４、５の位置情報ないし移動先情報を受取って当該位置ないし移動先の位置に対応する前記テーブル上の位置から補正値を読み取って必要な補間演算をし更に所定の変化率で補正値を変化させながら出力する補正値出力手段１５と、出力された補正値を用いて現に加工を行っている刃物台の移動位置の基準となる座標原点をシフトさせる座標原点シフト手段１３とで構成することができる。

各刃物台の位置情報と共に移動速度情報にも基づいて補正を行うときは、上記データベース１４を、各刃物台の各所定移動速度毎に、一方（自分自身）及び他方の刃物台に与えるべき補正値を登録したテーブルを含んだデータベースとすることもできるが、位置情報に基づいて求めた補正値を速度情報に基づいて増減するという方法で補正を行うのが簡便である。

すなわち、データベース１４に、各刃物台４、５の所定の複数の各移動速度毎に、補正対象となる刃物台に与える補正値を増減させる増減データを登録した第２のテーブルを含ませ、補正値出力手段１５を、各刃物台の移動速度情報を受取って当該移動速度情報に対応する増減データを前記第２のテーブルから読取って、当該増減データで位置情報から求めた補正値を増減させる構成とする。

ベッド上を移動する主軸３を備えた旋盤においては、当該主軸の位置及び移動速度が前記一方の刃物台に搭載した工具で行う加工の加工精度に影響を及ぼすことがあり得る。このような場合には、当該移動する主軸の主軸台３１を他方の刃物台とみなして上記方法を適用することができる。

また、上記他方の刃物台５の重量に比べて、当該刃物台に装着される工具重量の割合が大きいときは、当該刃物台にどの工具が装着されているかにより、補正値を変更するのが望ましい。この補正値の変更は、前述した刃物台の移動速度による補正値の変更と同様な手段、すなわち、装着される工具の重量に応じて補正値を増減させる増減データを登録した第３のテーブルを設けて補正値を増減するという手段で行うのが、制御手続を簡易化して制御のレスポンスを向上させる点で好ましい。

なお、他方の刃物台にどの工具が装着されたかは、旋盤の制御器に登録されているツールデータと直前に行われた工具交換で、どの工具が装着されたかにより、位置補正手段に自動的に認識させることができる。手動で工具交換を行った場合など、上記の自動認識ができないときは、手作業で工具の種類ないし工具の重量を入力して認識させる。

この発明により、刃物台の位置や速度によって工作機械自体が弾性変形することにより生ずる加工誤差が補正され、より高い精度で加工を行うことが可能になる。特に、大型の回転工具が装着される刃物台を備えた複合旋盤における加工精度の向上に有効である。

この発明に係る旋盤の要部を示したブロック図図１の旋盤における補正手続の全体の流れを示すフローチャート

次に図面を参照して、この発明の具体的な実施形態を説明する。図１は、この発明に係る２主軸対向旋盤の一例を示したブロック図である。図の２主軸対向旋盤は、ベッドに固定された主軸台に軸支された左主軸２と、左主軸２と同一主軸軸線ａ上で対向するようにベッドに主軸軸線方向に移動位置決め自在に装着した主軸台に軸支された右主軸３と、Ｚ方向及びＸ方向にそれぞれ独立して位置決めされる第１と第２の刃物台４、５を備えている。第１の刃物台４と第２の刃物台５は、主軸軸線ａを挟んで対向配置されている。

第１刃物台４は、ベッドにＺ方向にして装架された第１Ｚ送りねじ４１に螺合する第１Ｚ移動台（図示せず）に搭載され、第１Ｚ送りねじ４１を正逆転駆動する第１Ｚ送りモータ４２によってそのＺ方向の移動位置が設定される。また、第１刃物台４は、前記第１Ｚ移動台にＸ方向にして装架された第１Ｘ送りねじ４３に螺合して、この第１Ｘ送りねじ４３を正逆転駆動する第１Ｘ送りモータ４４によってそのＸ方向の移動位置が設定される。

第２刃物台５は、ベッドにＺ方向にして装架された第２Ｚ送りねじ５１に螺合する第２Ｚ移動台（図示せず）に搭載され、第２Ｚ送りねじ５１を正逆転駆動する第２Ｚ送りモータ５２によってそのＺ方向の移動位置が設定される。また、第２刃物台５は、前記第２Ｚ移動台にＸ方向にして装架された第２Ｘ送りねじ５３に螺合して、この第２Ｘ送りねじ５３を正逆転駆動する第２Ｘ送りモータ５４によってそのＸ方向の移動位置が設定される。

右主軸３の主軸台３１は、ベッドにＺ方向にして装架された主軸送りねじ３２に螺合して、この主軸送りねじ３２を正逆転駆動する主軸送りモータ３３により、Ｚ方向に移動位置決めされる。

第１刃物台４には、主軸軸線ａ側に向けて第１工具４５が装着されている。第２刃物台５には、主軸軸線ａ側に向けて第２工具５５が装着されている。図には示してないが、例えば第１刃物台４には、工具交換装置が搭載されて、当該工具交換装置により、図示しない工具マガジンに収容した工具の１つが第１工具４５として適時交換して装着される。また、例えば第２工具５５は、第２刃物台５に搭載した図示しない工具タレットを介して第２刃物台５に装着されている。第１刃物台４及び第２刃物台５は、前記Ｚ及びＸ方向と直交するＹ方向にも移動位置決めされる刃物台とすることができるが、通常、Ｚ方向やＸ方向の移動量に比べてＹ方向の移動量は小さいので、刃物台４、５のＹ方向の移動位置による補正は、この実施例の旋盤では行っていない。

送りモータ４２、４４、５２、５４及び３３は、旋盤の制御器１１のＮＣ制御部１２に登録されて実行されている加工プログラムにより、その回転方向と回転速度が制御されている。ＮＣ制御部１２から指令される各刃物台４、５の位置は、それぞれの刃物台について設定された座標４６、５６の座標原点ｏからの距離によって設定される。なお、図の座標４６、５６は、座標軸の方向を示したもので、座標の原点位置を示したものではない。

ワークの加工形状は、各刃物台４、５に装着された工具４５、５５の刃先と当該刃物台と協働してワークを加工する主軸２、３の相対位置関係で決定されるところ、各刃物台４、５に対する工具４５、５５の刃先の位置は、工具毎に異なっている。そこで、ＮＣ制御部１２に、加工に使用する工具の刃先と刃物台（実際には刃物台の工具装着部）との位置関係を含むツールデータを登録して、工具の交換やタレットの割出角が変更される毎に、当該ツールデータに基づいて、ＮＣ制御部から出力される刃物台の位置が工具刃先の位置と対応する位置となるように、ＮＣ制御部の座標原点シフト手段１３が、それぞれの刃物台の移動位置の原点となる座標原点を移動（シフト）させている。

旋盤の制御器１１には、補正量データベース１４と補正プログラム（補正値出力手段）１５が登録され、補正プログラム１５は、ＮＣ制御部１２から刃物台４、５の座標情報と移動速度情報を受け取り、補正情報をＮＣ制御部１２に出力する。また、補正プログラム１５は、受け取った座標情報及び速度情報に基づいて、補正量データベース１４を検索し、データベースに登録されている補正データないし増減データを受け取る。

補正量データベース１４に登録するテーブルの例が表１〜表５に示されている。

表１と表２は、第１刃物台４に装着した工具で左主軸２に把持されたワークを加工するときに用いるテーブルである。表１には、自分自身の位置（座標）に対する第１刃物台４（自分自身）のＸ座標の補正量が、第１刃物台４がＺ方向に−４００〜４００ｍｍの範囲で、かつＸ方向に−２００〜２００ｍｍの範囲で動いたときの、１００ｍｍ毎の位置における第１刃物台４のＸ座標の補正量が、ミクロン単位で登録されている。また、表２には、第２刃物台５の位置（座標）に対する第１刃物台４のＸ座標の補正量が、第２刃物台５がＺ方向に−４００〜４００ｍｍの範囲で、かつＸ方向に−２００〜２００ｍｍの範囲で動いたときの、１００ｍｍ毎の位置における第１刃物台４のＸ座標の補正量が、ミクロン単位で登録されている。なお表２及び表４の「・・・」と記した欄は、数値の記載を省略した欄で、実際には何らかの数値が登録される。

表３と表４は、第１刃物台４に装着した工具で右主軸３に把持されたワークを加工するときに用いるテーブルである。表３には、自分自身の位置（座標）に対する第１刃物台４（自分自身）のＸ座標の補正量が、第１刃物台４がＺ方向に−４００〜４００ｍｍの範囲で、かつＸ方向に−２００〜２００ｍｍの範囲で動いたときの、１００ｍｍ毎の位置における第１刃物台４のＸ座標の補正量が、ミクロン単位で登録されている。また、表４には、第２刃物台５の位置（座標）に対する第１刃物台４のＸ座標の補正量が、第２刃物台５がＺ方向に−４００〜４００ｍｍの範囲で、かつＸ方向に−２００〜２００ｍｍの範囲で動いたときの、１００ｍｍ毎の位置における第１刃物台４のＸ座標の補正量が、ミクロン単位で登録されている。

表５は、各刃物台の移動速度による補正量の重み付けを登録したテーブルで、適宜設定した速度毎に補正量に与える重み付けが％表示で登録されている。登録された補正量の値は、個々の機械について実際に加工したワークの寸法を計測することによって得られた値である。

表１〜５は、第１刃物台４に対する補正量を登録したテーブルである。第２刃物台５に搭載した工具でワークを加工するときにも同様な補正が必要であれば、第２刃物台５のＸ方向の位置を補正するための表１〜５と同様なテーブルを登録する。刃物台が３個以上あって、第３刃物台や第４刃物台についても同様な補正を行うのであれば、それらの刃物台についても表１〜表５と同様なテーブルを登録する。

補正プログラム１５は、ＮＣ制御部１２から与えられる各刃物台４、５の位置情報と移動速度情報からワークの加工を現に行っている刃物台に対する補正量を演算する。例えば第１刃物台４がＺ＝−３００ｍｍ、Ｘ＝−１００ｍｍの位置で左主軸に把持されたワークを加工しており、第２刃物台がＺ＝３００ｍｍ、Ｘ＝−２００ｍｍの位置にあり、第１刃物台４の移動速度が３０００ｍｍ／ｍｉｎであり、第２刃物台５が停止しているときの、第１刃物台４の補正量は、表１から第１刃物台４の位置に基づく補正量が８ミクロン、表２から第２刃物台５の位置に基づく補正量が３ミクロン、表５から第１刃物台の移動速度に基づく重み付けが８０％、第２刃物台の移動速度に基づく重み付けが１００％であるから、８×０．８＋３×１＝９．４ミクロンの座標シフト信号がＮＣ制御部１２に出力される。ＮＣ制御部１２はこの信号を受けて第１刃物台４の移動基準となる座標ｏの原点をＸ方向に９．４ミクロンシフトさせる。

刃物台がテーブルに登録された位置の中間の位置にあるときは、その位置を登録されている座標に近似して補正量を求めるか、補間演算によって求める方法が有効である。ここで近似するとは、例えば表１のＺ座標−３００ｍｍ、Ｘ座標−１００ｍｍの欄を、Ｚ座標−３５０〜−２５０ｍｍ、Ｘ座標−１５０〜−５０ｍｍの範囲にあるときの補正量とみなして８を補正量とするなどである。表５についても同様に、速度２０００〜４０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲のものについて、速度が３０００ｍｍ／ｍｉｎの重み付け量８０％を用いるのである。

補間する場合は、例えば第１刃物台のＺ座標が−２５０ｍｍ、Ｘ座標が−５０ｍｍであれば、表１のＸ＝−１００で、Ｚ＝−３００と−２００の中間の７．５を読み、Ｘ＝０で、Ｚ＝−３００と−２００の中間の５．５を読み、７．５と５．５の中間の６．５とするなどである。

表２〜表４及び表５についても同様に、位置や速度をテーブルに登録されている値に近似するか、あるいは上記のような補間演算でＮＣ制御部１２に与える座標のシフト値を求める。

刃物台の位置や速度を補正量テーブルに登録された値に近似して補正量を求めた場合は、登録された位置や速度の中間の位置で補正量がミクロン単位で変化することとなる。例えば、表１のテーブルの登録値を用いて第１刃物台４の位置の補正を行っているときに、Ｘ＝−１００ｍｍの位置でＺ方向に２５０ｍｍの位置を通過すると補正量が１ミクロン変化する。この補正量をそのままＮＣ制御部に与えると、Ｚ＝２５０ｍｍの位置でワークに条痕が発生する危険がある。この条痕を避けるためには、補正量が階段状に変化したとき、その変化量を刃物台の移動距離に対応する予め定めた変化率で徐々に変化させながら新しい補正量に設定されるようにする。

補正量を補間によって求めるときは、このような配慮は不要と考えられるが、何らかの原因で補正量が急激に変化したときのために、許容する最大の変化率を設定して、テーブルから求めた変化率がこの変化率を越えたときに登録された最大の変化率で補正量を変化させるようにするのが望ましい。

図２は、補正プログラム１５内で行われる全体の制御を示したフローチャートである。補正プログラム１５は、まず、ＮＣ制御部１２から第１刃物台及び第２刃物台の位置と移動速度を読み込む（ステップ１０１、１０２）。次に第１刃物台に対する補正か第２刃物台に対する補正かを判定し（第１刃物台と第２刃物台が共に加工を行っているときは、この判定が交互に行われるようにする）、それぞれの刃物台について、右主軸のワークを加工中か、あるいは左主軸のワークを加工中かを判定して（ステップ１０３、１０４）、ステップ１０５、１０６、１０７、１０８で前述したような手続で補正量を読み取る。

ここで表１と表２は、ステップ１０５で用いる補正量テーブル、表３、４はステップ１０６で用いる補正量テーブルであり、ステップ１０７、１０８で用いる補正量テーブルは、表１〜表５を参照すれば自明であるので、省略されている。

そして、ステップ１０９、１１０でそれぞれの刃物台の位置の基準となる座標の原点を徐々に変化させてＮＣ制御部１２に出力する。この制御ループを一定の時間間隔で繰り返すことにより、複数の刃物台を備えた旋盤において、各刃物台の位置や速度によって変化する機械の弾性変形に基づく加工誤差を現にその加工を行っている刃物台の位置や速度のみならず、待機中又は同一ワーク、若しくは他のワークを加工している他の刃物台の位置や速度による機械の弾性変形を含めて補正を行うことができ、ワークの加工精度、特に大型の刃物台を含む複数の刃物台を備えた旋盤におけるワークの加工精度を向上させることができる。

２、３主軸
４、５刃物台
１２ＮＣ制御部
１３座標原点シフト手段
１４データベース
１５補正値出力手段
３３主軸送りモータ
４２、４４刃物台４の送りモータ
５２、５４刃物台５の送りモータ

Claims

ベッド上を少なくとも互いに直交する２方向に移動位置決めされる少なくとも２個の刃物台を備えた旋盤において、当該２個の刃物台の一方の刃物台の主軸との相対位置を、当該２個の刃物台の他方の刃物台の位置情報に関連して補正する位置補正手段を備えることを特徴とする、旋盤。
ベッド上を少なくとも互いに直交する２方向に移動位置決めされる少なくとも２個の刃物台を備えた旋盤において、当該２個の刃物台の一方の刃物台の主軸との相対位置を、当該２個の刃物台の他方の刃物台の位置情報と移動速度情報とに関連して補正する位置補正手段を備えることを特徴とする、旋盤。
前記位置補正手段が、前記他方の刃物台が所定の複数位置の各位置にあるときに前記一方の刃物台に与えるべき補正値を登録したテーブルと、前記他方の刃物台の位置情報ないし移動先情報を受取って当該位置ないし移動先の位置に対応する前記テーブル上の位置から前記補正値を読み取る補正値出力手段と、当該補正値を用いて前記一方の刃物台の移動位置の基準となる座標原点をシフトさせる座標原点シフト手段とを備えている、請求項１記載の旋盤。
前記位置補正手段が、前記他方の刃物台が所定の複数の移動速度の各速度で移動しているときに前記一方の刃物台に与える前記補正値の増減データを登録した第２のテーブルを備え、前記補正値出力手段が、前記他方の刃物台の移動速度情報を受取って当該移動速度情報に対応する増減データを前記第２のテーブルから読取って前記補正値を増減させる、請求項２記載の旋盤。
補正値出力手段は、補正値を所定の変化率で変化させながら読取った補正値に設定する、請求項３又は４記載の旋盤。
ベッド上を少なくとも互いに直交する２方向に移動位置決めされる少なくとも２個の刃物台を備えた旋盤における刃物台位置の補正方法において、前記２個の刃物台の少なくとも一方の刃物台の主軸に対する相対位置を、他方の刃物台の位置情報に関連して補正することを特徴とする、旋盤における刃物台位置の補正方法。
前記他方の刃物台の複数の移動位置ごとに当該移動位置に当該刃物台が位置するときに前記一方の刃物台に与える補正データを登録したテーブルを用意し、前記一方の刃物台の位置情報に対応する前記テーブル上の位置から前記補正データを読取りないし補間演算し、当該補正データを用いて、前記一方の刃物台の移動位置の基準となる座標原点を予め定めた変化率でシフトさせる、請求項６記載の旋盤における刃物台位置の補正方法。