JP2011515230A - 工作機械における振れ補償 - Google Patents

Abstract

工作物保持装置による軸方向及び／又は径方向の振れを決定し、且つ歯車の機械切削中、そのような振れを補償する方法であって、軸方向及び／又は径方向の振れ補償が、各個々の歯溝の機械切削中に実行される、方法。

Description

本出願は、その全体の開示が参照によって本明細書に組み込まれる、２００８年３月１４日出願の、米国特許仮出願第６１／０６９，４１３号の利益を主張するものとする。

本発明は、工作物保持装置による、機械、特に歯車製造機械における振れを決定し、歯車を機械切削する際にそのような振れを補償することを対象とする。

歯車、特にかさ歯車の製造では、創成プロセス及び非創成プロセスの２種類のプロセスが、一般的に使用されている。

創成プロセスは、正面フライス削り（間欠割出し）及び正面ホブ切り（連続割出し）の２つの種類に分類することができる。創成正面フライス削りプロセスでは、回転工具が、被加工物内に所定の深さで送られる。この深さに到達すると、工具及び被加工物は、次いで、被加工物が論理創成歯車と噛み合って回転しているかのように、創成転がりとして知られている所定の相対転がり運動で互いに転がされ、論理創成歯車の歯は、工具の加工素材除去面によって表される。歯の輪郭形状は、創成転がり中、工具及び被加工物の相対運動によって形成される。

創成正面ホブ切りプロセスでは、工具及び被加工物は、調時関係で回転し、工具が深く送られ、それによってすべての歯溝を工具の１回の押込みで形成する。全深さに到達すると、創成転がりが開始される。

非創成プロセス、すなわち間欠割出し又は連続割出しは、被加工物上の歯の輪郭形状を、工具上の輪郭形状から直接生成するものである。工具は被加工物内に送られ、工具上の輪郭形状が、被加工物に付与される。創成転がりは使用されないが、論理「クラウン歯車」の形態の論理創成歯車の概念が、非創成プロセスに適用可能である。クラウン歯車は、その歯面が、非創成プロセスにおいて被加工物の歯面を補完する論理歯車である。したがって、工具上の切刃は、非創成型被加工物上で歯面を形成する際の論理クラウン歯車の歯を表す。

歯車を製造するための機械上では、歯の間隔偏差を解消するために、１つ又は複数の補償を実施することができる。間隔偏差は、工具の摩耗、工具、工作物及び機械の構成要素の温度変化によって引き起こされ得る。これらは、工具と工作物の間の関係に影響を及ぼし、それによって、これらは、３つの種類にグループ化される（正面フライス削りのみ、すなわち間欠割出しに適用する）、すなわち、
・即効的効果−歯車上の溝の合計数（たとえば３５個の溝）のうち最初の数個の溝のみ（たとえば最初の３つの溝）が影響される。
・中期的効果−歯車の１回転中、最初から最後の溝までの溝が影響される。
・長期的効果−一連の製造シフト中、被加工物の溝の間隔特性が影響される。

被加工物は、工作物保持装置を介して機械のワーク・スピンドルに、回転しない配向状態で連結されているので、スピンドルの振れ及び工作物保持具と機械スピンドルの間の振れは、先に述べた間隔誤差に対する無作為な関係を有する。これは、歯車製造機械内のワーク・スピンドルの回転停止位置が、概ね無作為であるためである。かさリング歯車溝の最初の溝が、切削機械上において９時の位置で切削される場合、どのような間隔補償も、その位置における絶対的なスピンドル配向に基づく。一般的に、絶対的なワーク・スピンドル回転角度は、部分ごとに異なる。間隔変動の即効的、中期的、及び／又は長期的効果に対処する補償は、スピンドル又は工作物保持具の振れに起因する成分に影響を及ぼさない。反対に、スピンドル又は工作物保持具の振れは、間隔誤差補償の結果に悪影響を及ぼす。

振れは、１回転した際（３６０°）の、ある部分の表面の所望の形態又は配向からの偏差として定義することができる。２つの種類の振れは、一般的に、（１）被加工物又は工具など本体の回転軸に対して垂直な方向の偏差である径方向の振れ、及び（２）回転軸に沿った、被加工物又は工具など本体の回転が平面から逸脱する量である軸方向の振れと称される。

機械のワーク・スピンドルが、部品ごとに機械切削プロセスの開始時に常に同じ回転位置に配向される場合、機械切削された歯車を測定することにより、径方向及び軸方向の振れの一部を捕捉することができる。しかし、たとえばドライ切削において、これは、（中期的効果は、溝から溝の工作物温度の上昇によって引き起こされるという前提、及び最高温度を有する最後の溝は、残りの溝（たとえば３４個）が切削された時間中に冷却する時間を有した最初の溝に隣接するという事実に基づいて）最初から最後の歯まで一次傾斜関数などによって補償される。温度効果並びにスピンドル及び工作物保持具の振れが混ざったもののそのような複合補償は、部分的にしか成功し得ず、ほとんどの場合、有意な歯の間隔誤差の削減には至らない。

歯車の研削において、間隔誤差補償は、一般的に、（軸方向及び径方向の作用位置に対して重ね合わされた）２つの傾斜内の即効的効果及び中期的効果に対処する。この補償は、２つのドレッシング間の研削ホイールの摩耗の影響を最小限に抑える。機械の温度補償は、一般に、独立的に行われ、個々の機械設計に応じて関連する機械軸に対処する。説明したようなホイール摩耗の補償は、工作物保持具及びスピンドルの振れを補償するように適合されていない。

非配向型のスピンドル及び工作物保持具構成の場合、工作物保持固定具が、ワーク・スピンドル上で取り外され、装着して戻されるたびに、工作物保持固定具とスピンドルの間の配向は異なり、これが、スピンドルと工作物保持具の間の回転配向に位相変動を引き起こし、この位相変動が、当該作業に関して事前に求められた間隔誤差補償を適用しようとする試みを妨げると考える必要がある。

工作物保持固定具の機械のワーク・スピンドルへの配向された（調節された）位置決めを有する配向型のスピンドルの場合、工作物保持具の機械ワーク・スピンドルの先細部内への着座は、工作物保持具が取り外され、再装着されるたびに異なると考える必要がある。この違いは、工作物保持具が配向された（調節された）位置にある場合は増大さえする。数ミクロンだけの小さい違いは、歯の間隔結果に悪影響を及ぼす。一部の歯の間隔誤差補償は、単一又は複数の傾斜関数を使用する、或いは溝ごとに個々に求められる。

工作物保持具の振れは、最初から最後の溝までの正弦曲線の歯の間隔誤差（径方向の振れ）、又は最初から最後の溝までの正弦曲線の溝の深さ変動（軸方向の振れ）をもたらす。

工作物保持固定具を歯車製造機械に装着した後、（主に径方向の）振れが、インジケータを用いて測定される。多くの場合、工作物保持具は、一部又は全体の振れを相殺するために、ワーク・スピンドルに対するより最適な相対角度を見出すように約９０°から１８０°回転される。今日の間隔誤差補償のいずれの方法も、２種類の振れを捕捉するように適合されておらず、それらを低減又は解消するように適合されてもいない。

米国特許仮出願第６１／０６９，４１３号 米国特許第６，７１２，５６６号

本発明は、工作物保持装置による軸方向及び／又は径方向の振れを決定し、且つ歯車の機械切削中、そのような振れを補償する方法であって、軸方向及び／又は径方向の振れ補償が、各個々の歯溝の機械切削中に実行される、方法を対象とする。

機械上で工作物保持装置の９時の位置にある軸方向及び径方向の振れのインジケータを示す図である。 工作物保持装置の１回転の間の測定された軸方向の振れの例を示す図である。 図２の測定された軸方向の振れを理想的な正弦関数に変換した図である。 工作物保持装置の１回転の間の測定された径方向の振れの例を示す図である。 図４の測定された径方向の振れを理想的な正弦関数に変換した図である。

次に、本発明の好ましい実施例を、本発明をほんの一例として表す添付の図を参照して論じる。

工作物保持固定具を歯車製造機械のワーク・スピンドルに装着した後、機械式インジケータを使用した径方向及び正面（軸方向）の振れの確認が、通常、実施される。許容できない径方向の振れの場合、よい機械セットアップのやり方は、連結ボルトを取り外し、工作物保持具を先細部から緩め、これを１８０°（或いはボルト穴パターンに応じて約１８０°）回転させることである。再度、保持ボルトに適切なトルクを与えた後、振れの確認が繰り返される。満足な結果でない場合、ボルトは再度取り外され、工作物保持具は、先細部から緩められ、次いで、工作機械スピンドルと工作物保持ユニットの間の最適な組合せを見つけるために、ボルト穴パターンに応じて９０°）に時計方向又は反時計方向に回転される。

本発明者は、そのような直感的振れの低減にかかる時間が相当なものであり、それにもかかわらず、結果は部分的な成功でしかないということを発見した。その上、正面の振れには、通常、上記で説明した手順によって影響を及ぼすことはできない。

被加工物スピンドル４及び工作物保持装置６を有する、歯車の切削又は研削機械などの機械の被加工物スピンドル筺体２を示す図１を参照して、発明者は、工作物保持具をスピンドルに一度組み付け、（１）インジケータ１０又は機械に組み込まれた測定プローブを用いて軸方向の振れの測定値を、及び／又は（２）インジケータ１２又は機械に組み込まれた測定プローブを好ましくは９時の位置にして径方向の振れの測定値をとることを提案する。９時の位置は、切削又は研削においてほとんどの非創成型かさリング歯車の材料除去が行われる場所である。創成型のかさピニオン及び歯車は、９時の位置又はその非常に近い位置にその中心転がり位置を有する（図１）。２つのインジケータ１０、１２が示されているが、適切な測定場所に配置可能な単一のインジケータもまた企図される。

創成プロセスにおける転がり開始から転がり終了までの位置の範囲は、８時の位置から１０時の位置までの扇形（angular segment）にわたり得るので、たとえば、創成かさ歯車にとっては、約９時の位置である転がりの範囲の中心上に振れ測定の基礎を置くこともまた、適している。しかし、転がりの切削範囲の実際の中心が、近似された９時の位置の代わりに決定及び使用されることが好ましい。

軸方向の振れの場合（「ａ」に配置されたインジケータ１０）、真の振れは、回転の角度に応じて、正弦曲線のインジケータ読み取りを生じさせるため、高低点が見出される。この測定がインジケータを使用して手動で行われる場合、測定地点は、かさ歯車又はピニオンの正面幅の中心にあるべきである。機械スピンドルは、好ましくは、ジョギング式（ｊｏｇｇｉｎｇ）又は類似の方法などによるセットアップ・モードで回転される。最高のインジケータ読み取り点、図２内のＡ_最大では、スピンドルの回転は停止され、ワーク・スピンドルの絶対角度位置、α_ｃ最大が記録される。同様に、最低の指示の読み取り点、図２内のＡ_最小では、スピンドルの回転は停止され、被加工物スピンドルの絶対角度位置、α_ｃ最小が記録される。

最大及び最小の振幅のインジケータの読み取り値は、それらの対応するワーク・スピンドル角度位置と共に機械コントロール機器に入力される。制御ソフトウエアのサブルーチンは、以下の入力値を処理する。
Ａ_最大＝最大インジケータ読み取り値
Ａ_最小＝最小インジケータ読み取り値
α_ｃ最大＝Ａ_最大点におけるワーク・スピンドル角度位置
α_ｃ最小＝Ａ_最小点におけるワーク・スピンドル角度位置

３６０°の周期を有する正弦関数を確立するために、最初に、高低点の対応する角度の差から１８０°を引いたものが、何らかの所定の限界値、

（たとえばΔＴ_ｍ＝３０°、したがってΔＴ_ｍ／２＝３０／２＝１５°）を下回るかを決定するために確認が行われる。

式中、

図２は、真の軸方向の振れ関数を示している。図３内の関数は、真の振れ関数を理想的な正弦関数に変換したものである。図３の図の横座標は、Ａ_最大とＡ_最小の間の中間に見出される。図３の座標系の開始における作用回転角度の値（α_ｃｏ）は、以下の式で求められる。

軸方向の補償関数ΔＡ_軸方向が算出される。
ΔＡ_軸方向＝ａｓｉｎ（ｂ＋ｃα_ｃｉ）（５）
式中、

Ａ_最大＝最大インジケータ読み取り値
Ａ_最小＝最小インジケータ読み取り値
ｂ＝−α_ｃｏ（位相変動）（７）
ｃ＝１（１周期各３６０°）（８）
α_ｃｉ＝溝の角度位置Ａ軸。
上記の方法は、正弦関数を確立するために好ましいが、正弦関数を確立する他の方法、たとえば測定された調和関数と精密な正弦関数の間の最良の近似値を定義する最小２乗誤差法などもまた企図される。

この補正の精度を向上させるために、（工作物保持具によって与えられた）測定の半径を、以下によって、被加工物（リング歯車又はピニオン）の平均半径に関連付けることができる。
Ａ^＊ _最大＝［Ｒ_平均歯車／Ｒ_{工作物保持具}］×Ａ_最大（９）
Ａ^＊ _最小＝［Ｒ_平均歯車／Ｒ_{工作物保持具}］×Ａ_最小（１０）
式中、
Ｒ_平均歯車＝被加工物の平均半径、及び
Ｒ_{工作物保持具}＝工作物保持具の平均半径。
方程式（９）及び／又は（１０）の結果を、上記の方程式（６）に入力することができる。

この手法は、２つの測定値のみによる溝ごとの補償を可能にするために有用である測定関数を歪曲しない。補償は、溝の機械切削中、溝ごとの中心転がり位置（創成型）、又は押込み位置（非創成型）に対して、作用軸の角度位置α_ｃｉが、式（５）に入力され、得られるΔＡ_軸方向が、補正符号を用いて軸方向のワーク・スピンドル方向に配向された機械軸（たとえば米国特許第６，７１２，５６６号に示されるＸ軸など）に加算されるように実行される。さまざまな機械構造の場合、補償値は、軸方向の作用軸方向の補償を達成するために、２つ以上の成分に分けることができる。

測定関数を歪曲しない手法はまた、たとえば、工作物保持具の正面又は径方向の着座面が歪曲した正弦形状を有する場合、完全に平坦（且つ無限剛性）である被加工物は、工作物保持具上への軸方向のクランプ締めにより、誤りを平均化し、関数を歪曲しないという観点から非常に有用である。無限剛性の被加工物は、クランプ締めの正弦の振れ関数をもたらす。したがって、歪曲されない正弦関数と異なる関数は、振れ補正の有意性及び精度を低減する。

補正値ΔＡの算出及び加算は、最も好ましくは、溝ごとに個々に行われる。（機械切削の開始時の）配向されたワーク・スピンドル位置の場合、割出しごとの値ΔＡを、機械切削前に事前に算出し保存することができ、それにより、機械切削プロセス中のリアルタイムのプロセッサ時間が節減される。

径方向の振れ補償の場合、図１内の「ｒ」に配置されたインジケータ１２が使用される。スピンドルは、ジョグ（ｊｏｇ）式モードで回転され、インジケータの最大読み取り値（高点）が、対応するワーク・スピンドル回転角度と共に記録され、これらはコントロール機器のスクリーン上に表示され得る。また、最小のインジケータ読み取り値（低点）が、対応する角度ワーク・スピンドル位置と共に記録される。

図４は、角度ワーク・スピンドル位置上の、測定された真の径方向の振れを示している。３６０°の周期を有する正弦関数を確立するために、最初に、１８０°に対する高低点の対応する角度間の差が、何らかの所定の限界値、

（たとえばΔＴ_ｍｒ＝３０°、したがってΔＴ_ｍｒ／２＝３０／２＝１５°、通常、

に関して上記で説明したものと同じ限界値、すなわちこの例では１５°）を下回るかを決定するために確認が行われる。

式中、

図５に示す真の正弦関数が算出される。
ΔＲ_径方向＝ｄｓｉｎ（ｅ＋ｆα_ｃｒｉ）（１４）
式中、

Ｒ_最大＝最大インジケータ読み取り値
Ｒ_最小＝最小インジケータ読み取り値
ｅ＝−α_ｃｒｏ（位相変動）（１６）

ｆ＝１（１周期各３６０°）（１８）
α_ｃｒｉ＝溝の角度位置Ａ軸

２重正弦関数の場合、又はワーク・スピンドル１回転あたり１周期で明確に繰り返さないファジーインジケータの読み取りの場合、手動の測定は、（径方向並びに軸方向の）適切な補償には適さない。

補償は、溝の機械切削中、溝ごとの押込み位置（非創成型）に関する中心転がり位置（創成型）に対して、作用軸の角度位置α_ｃｒｉが、方程式（１４）に入力され、得られるΔＲ_径方向が、補正符号を用いて、水平の径方向のワーク・スピンドル方向に配向された機械軸（たとえば米国特許第６，７１２，５６６号に示されるＺ軸など）に加算されるように実行される。異なる機械構造の場合、補償値は、水平に配向された径方向の作用軸方向の補償を達成するために、２つ以上の成分に分けることができる。

補正値ΔＲの算出及び加算は、最も好ましくは、溝ごとに個々に行われる。（機械切削の開始時の）配向されたワーク・スピンドル位置の場合、割出しごとの値ΔＲを、機械切削前に事前に算出し保存することができ、それにより、機械切削プロセス中のリアルタイムのプロセッサ時間が節減される。

素材加工物の分断、素材加工物のマッピング、又は逃げ面の形態測定に使用することができる測定プローブを有する機械上では、図２及び図４のグラフを確立し、これらを何らかの配列として保存するために、軸方向の振れ及び径方向の振れを全自動で測定し、数百又は数千もの振れの読み取り値を角度ワーク・スピンドル位置に関連付けることが可能である。（機械切削の開始時の）配向されたワーク・スピンドル位置の場合、歯車の溝ごとに補正の軸方向値及び径方向値を保存することだけが必要となる。

自動測定の場合、（たとえば正弦又は別の形の）振れ関数の種類及び（３６０°のワーク・スピンドル回転又はこの複数回の）周期長さは、許容可能であり、振れ補正の精度及び関数に何ら影響を及ぼさない。

本発明の方法は、ピニオン及びリング歯車に適用可能である。連続割出し（正面ホブ切り）の場合、上記の論議によって算出された調和的な位相配向された正弦関数を用いた軸補償もまた可能である。図３及び５の関数は、適切な機械軸に適用され、被加工物の回転ごとに繰り返される。モデム、すなわち高度な動的制御システムが、制御システムのＲＰＭ限界値までのそのような補償に対応することができる。

本発明を好ましい実施例を参照して説明してきたが、本発明は、その詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、付属の特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、主題が関係する当業者に明白になるであろう改変形態を含むことを意図する。

Claims (15)

1. 歯車製造機械の被加工物スピンドル上に配置された工作物保持装置の振れを補償する方法であって、前記歯車製造機械が、コンピュータで制御された複数の運動軸を備える、方法において、
   前記工作物保持装置の前記振れを決定するステップと、
   前記被加工物スピンドルに対する前記振れの角度配向を決定するステップと、
   機械切削される歯車被加工物の各歯溝の場所の補償量を決定するステップであって、前記補償量が、前記振れ及び前記各歯溝の前記スピンドル上の前記歯車被加工物の歯溝回転位置に基づいており、前記補償量が、前記被加工物に対する工作物保持具の振れの効果を溝ごとに補償するために、前記各歯溝の機械切削中の前記運動軸の１つ又は複数に沿った前記歯車被加工物の相対移動量である、ステップとを含む、方法。
2. 前記工作物保持装置の前記振れを前記決定するステップが、少なくとも１つの軸方向及び径方向の振れを測定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記工作物保持装置の前記振れを前記決定するステップが、最大の振れ量及び最小の振れ量を特定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記補償量が、前記最大及び最小の振れ量、並びに前記各歯溝の前記スピンドル上の前記歯車被加工物の歯溝回転位置に基づいて決定され、前記補償量が、前記被加工物に対する工作物保持具の振れの効果を溝ごとに補償するために、前記各歯溝の前記運動軸の１つ又は複数に沿った前記歯車被加工物の機械切削中の相対移動量である、請求項３に記載の方法。
5. 角度差が、前記最大振れ量と前記最小振れ量の間で決定され、前記角度差が、所定の差の限界値と比較され、前記方法が、前記角度差が前記所定の差の限界値を下回る場合、中断される、請求項３に記載の方法。
6. 前記振れを決定する前記ステップが、少なくとも１つの測定インジケータを用いて前記振れを測定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記振れを決定する前記ステップが、少なくとも１つの機械に組み込まれた測定プローブを用いて前記振れを測定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記測定するステップが、前記工作物保持装置上で、８時の位置と１０時の位置の間で行われる、請求項２に記載の方法。
9. 前記測定するステップが、前記工作物保持装置上で、約９時の位置で行われる、請求項８に記載の方法。
10. 前記最大振れ量及び前記最小振れ量が、平均被加工物半径を前記工作物保持装置の半径で割った比で掛けることによって調整される、請求項３に記載の方法。
11. 歯車被加工物の各歯溝の前記補償を決定するステップに続いて、複数の被加工物が、単一割出しプロセスによって機械切削され、前記補償運動が各被加工物に対して繰り返される、請求項１に記載の方法。
12. 歯車被加工物の各歯溝の前記補償を決定するステップに続いて、複数の被加工物が、連続割出しプロセスによって機械切削され、前記補償運動が前記被加工物の各回転に対して繰り返される、請求項１に記載の方法。
13. 前記歯車被加工物が、リング歯車及びピニオンのうち一方を備える、請求項１に記載の方法。
14. 前記振れが、正弦関数として表される、請求項１に記載の方法。
15. 歯車被加工物の各歯溝に対する前記補償を決定するステップに続いて、複数の被加工物が、創成型又は非創成型プロセスのうち一方によって機械切削される、請求項１に記載の方法。

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