JP2013146838A - 高精度加工方法および高精度加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工状態における加工負荷の大きさだけの測定を行い、高精度な形状精度を得ることができる高精度加工方法を提供する。
【解決手段】１パス目の加工においては、ワーク１と工具４との相対角度を一定に保った状態にて行い、１パス目の加工中における加工場所ごとの測定加工負荷値を取得し、加工における理想的な理想加工負荷値と１パス目の加工にて取得した測定加工負荷値とを比較し、理想加工負荷値と測定加工負荷値との負荷比率から１パス目の加工時の工具４の撓み量を推定し、工具４の撓み量を相殺するために加工場所ごとのワーク１と工具４との理想相対角度を決定し、２パス目の加工においては、ワーク１および工具４にて理想相対角度を用いて加工を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、短時間で高精度な直角度、真直度、円筒度、平面度等の形状精度を得る高精度加工を行うための高精度加工方法および高精度加工装置に係り、特に切削抵抗もしくは研削抵抗などの加工負荷に起因する工具の撓み等の補正に関するものである。

従来の高精度加工装置は、加工時間を短縮するため加工速度を上げると、加工負荷が増大し、その影響で工具に撓みが発生する。そのため高精度な形状精度が必要なワークに対しては、加工速度を下げて加工を行っていたため、加工時間が長くなるという問題点があった。そこで従来の高精度加工装置では、スピンドル主軸のモータ電流、もしくはスピンドル主軸の動力から工具の撓み量を推定し、工具の撓み量に応じてスピンドル主軸をワークに対して傾けることで、短時間で高精度な形状精度を得ている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２８０１１２号公報

従来の高精度加工装置は、加工位置が変化することによって生ずる加工負荷の大きさと、スピンドル主軸をワークに対して傾けることで変化する加工負荷の大きさとを分離できず、工具の撓み量の推定精度が悪いという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、加工状態による加工負荷の大きさだけの測定を行い、高精度な形状精度を得ることができる高精度加工方法および高精度加工装置を提供することを目的とする。

この発明の高精度加工方法は、
固定保持または回転させながら保持されるワークを、
前記ワークの対向する位置で工具スピンドルに保持されて回転する工具にて前記ワークとの相対角度を旋回用モータで調整しながら加工を行う高精度加工方法において、
１パス目の加工においては、前記ワークと前記工具との相対角度を一定に保った状態にて行い、前記１パス目の加工中における加工場所ごとの測定加工負荷値を取得する第１工程と、
加工における理想的な理想加工負荷値と前記１パス目の加工にて取得した前記測定加工負荷値とを比較し、前記理想加工負荷値と前記測定加工負荷値との負荷比率から前記１パス目の加工時の前記工具の撓み量を推定し、前記工具の撓み量を相殺するために加工場所ごとの前記ワークと前記工具との理想相対角度を決定する第２工程と、
２パス目の加工においては、前記ワークおよび前記工具にて前記理想相対角度を用いて加工を行う第３工程とを備えたものである。

また、この発明の高精度加工装置は、
ワークを固定保持または回転させながら保持する保持部と、
前記ワークを加工する工具と、
前記工具を前記ワークの対向する位置で保持して回転する工具スピンドルと、
前記工具の前記ワークに対する相対角度を調整する旋回用モータとを備えた高精度加工装置において、
前記加工において前記工具スピンドルと前記旋回用モータとの制御を行う制御部を備え、
前記制御部は、前記ワークと前記工具との相対角度を一定に保った状態にて加工を制御し、この加工中における加工場所ごとの測定加工負荷値を取得し、加工における理想的な理想加工負荷値と前記測定加工負荷値とを比較し、前記理想加工負荷値と前記測定加工負荷値との負荷比率から前記工具の撓み量を推定し、前記工具の撓み量を相殺するために加工場所ごとの前記ワークと前記工具との理想相対角度を決定し、前記ワークおよび前記工具の加工を前記理想相対角度となるように制御するものである。

この発明の高精度加工方法は、
固定保持または回転させながら保持されるワークを、
前記ワークの対向する位置で工具スピンドルに保持されて回転する工具にて前記ワークとの相対角度を旋回用モータで調整しながら加工を行う高精度加工方法において、
１パス目の加工においては、前記ワークと前記工具との相対角度を一定に保った状態にて行い、前記１パス目の加工中における加工場所ごとの測定加工負荷値を取得する第１工程と、
加工における理想的な理想加工負荷値と前記１パス目の加工にて取得した前記測定加工負荷値とを比較し、前記理想加工負荷値と前記測定加工負荷値との負荷比率から前記１パス目の加工時の前記工具の撓み量を推定し、前記工具の撓み量を相殺するために加工場所ごとの前記ワークと前記工具との理想相対角度を決定する第２工程と、
２パス目の加工においては、前記ワークおよび前記工具にて前記理想相対角度を用いて加工を行う第３工程とを備えたので、
加工状態による測定加工負荷値の大きさだけの測定を行い、高精度な形状精度を得ることができる。

また、この発明の高精度加工装置は、
ワークを固定保持または回転させながら保持する保持部と、
前記ワークを加工する工具と、
前記工具を前記ワークの対向する位置で保持して回転する工具スピンドルと、
前記工具の前記ワークに対する相対角度を調整する旋回用モータとを備えた高精度加工装置において、
前記加工において前記工具スピンドルと前記旋回用モータとの制御を行う制御部を備え、
前記制御部は、前記ワークと前記工具との相対角度を一定に保った状態にて加工を制御し、この加工中における加工場所ごとの測定加工負荷値を取得し、加工における理想的な理想加工負荷値と前記測定加工負荷値とを比較し、前記理想加工負荷値と前記測定加工負荷値との負荷比率から前記工具の撓み量を推定し、前記工具の撓み量を相殺するために加工場所ごとの前記ワークと前記工具との理想相対角度を決定し、前記ワークおよび前記工具の加工を前記理想相対角度となるように制御するので、
加工状態による測定加工負荷値の大きさだけの測定を行い、高精度な形状精度を得ることができる。

この発明の実施の形態１の高精度加工方法を示すフローチャートである。 図１に示した高精度加工方法を実施する高精度加工装置の構成を示す斜視図である。 図２に示した高精度加工装置の構成を示す上面図である。 図２に示した高精度加工装置の構成を示す側面図である。 図２における高精度加工装置の加工負荷の影響を受けて撓んだ工具の状態を示す図である。 図２における高精度加工装置の工具の旋回量と変位センサの変位量との関係を示す図である。 図２における高精度加工装置の工具の撓み量に応じて工具スピンドルを旋回させた時の図である。 この発明の実施の形態２における高精度加工装置の構成を示す上面図である。 この発明の実施の形態３における高精度加工装置の構成を示す上面図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における高精度加工方法を示すフローチャート、図２は図１に示した高精度加工方法を実施するための高精度加工装置の構成を示した斜視図、図３は図２に示した高精度加工装置の構成を示す上面図、図４は図２に示した高精度加工装置の構成を示す側面図である。図において、被加工物としてのワーク１と、このワーク１を固定するとともにＣ軸方向に回転させる保持部としてのワークスピンドル２と、ワーク１を加工するための工具４と、インバータ１８により工具４を回転させる工具スピンドル３と、工具スピンドル３のホルダとしてのスピンドルホルダ８とを備える。

そして、ワーク１と工具４との相対的な位置関係をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に相対的に駆動するＸＹＺ調整部としてのＸＹＺテーブル１００を有し、このＸＹＺテーブル１００を駆動することによりワーク１を任意の形状に加工することができる。そして、ＸＹＺテーブル１００のＸ軸方向のテーブル上に旋回ガイド９を介して載置された旋回ベース７を有し、この旋回ガイド９は、加工点を通るＹ軸方向の軸を中心とする円弧の形状を有している。そして、旋回ベース７上にスピンドルホルダ８が載置されている。そして、旋回ベース７、スピンドルホルダ８、工具スピンドル３、工具４は旋回ガイド９に沿ってＢ軸方向にボールネジ６を介して旋回させる旋回用モータ５と、旋回ベース７の旋回量を測定する変位センサ１０とを備えている。

さらに、ワーク１の工具４の加工において、旋回用モータ５のモータドライバ１１の制御を行う制御部１６を備える。そして、制御部１６は、ワーク１と工具４との相対角度を一定に保った状態にて加工を制御し、この加工中における加工場所ごとの測定加工負荷値としての工具スピンドル３の消費電流値を測定する電流計１７から消費電流値を入力する電流計用信号変換器１５と、加工における理想的な理想加工負荷値としての工具スピンドル３の消費電流値のデータを格納するとともに、上記測定加工負荷値を格納するデータセンタ部１３と、データセンタ部１３に格納された理想加工負荷値と測定加工負荷値とを比較し、理想加工負荷値と測定加工負荷値との負荷比率から工具４の撓み量を推定し、工具４の撓み量を相殺するために加工場所ごとのワーク１と工具４との理想相対角度を演算する演算部１４と、変位センサ１０からの信号を変換する変位センサ用信号変換器１２とを備える。尚、制御部１６は、図示にて接続関係は省略しているものの、ワーク１の加工における、インバータ１８の制御、および、ＸＹＺテーブル１００の制御を行うものである。

次に、図５を用いて工具４の撓み量Ｙと、加工負荷値Ｆとの関係について説明する。尚、図５は加工負荷値Ｆの影響を受けて撓んだ工具４の状態を示す図である。そして加工中、工具４上の加工点には加工負荷値Ｆが加わっているものとする。
そして、
工具長をＬ、
工具先端から加工点までの距離をＬ１、
ＬとＬ１との差をＬ２、
工具４の縦弾性係数をＥ、
断面２次モーメントをＩとすると、
工具４の撓み量Ｙは、
片持ち梁における撓みの式から
Ｙ＝（Ｆ×Ｌ２^３／（３×Ｅ×Ｉ））×（１＋（３×Ｌ１）／（２×Ｌ２））・・・式（１）
で表すことができる。
ここでＬ１、Ｌ２は加工条件により、
Ｅは工具４の材質により、
Ｉは工具４の断面形状により、それぞれ予め決まっている数値である。
これより、工具４の撓み量Ｙは加工負荷値Ｆに比例することが分かる。

ここで、加工負荷値Ｆが変動する要因として、ワーク１とワークスピンドル２との芯ズレに起因するワーク１の振れや、工具４と工具スピンドル３との芯ズレに起因する工具４の振れ、加工前のワーク１の形状精度や加工による工具４の状態の変化が挙げられる。このような要因で加工負荷値Ｆが変動すれば、工具４の撓み量Ｙも変動する。その結果、ワーク１の直角度が悪化する。さらにワーク１の加工場所ごとに加工負荷値Ｆが変動することで、加工中の工具４の撓み量Ｙが変動する。その結果、加工場所ごとにワーク１の直角度が変化し、ワーク１の加工面にうねりが生じる。

本実施の形態１においては、変化する加工負荷値Ｆに応じて工具スピンドル３の旋回量（ワーク１と工具４との相対角度）を調整して加工する高精度加工方法について説明する。まず、図５に示すように、加工の１パス目を工具スピンドル３の旋回量を一定に保ち工具３とワーク１との相対角度が一定に保った状態で加工を行う。この時、スピンドル３の中心軸が高精度加工装置のＺ軸方向に平行であっても、平行でなくても良い。そしてこの時、測定加工負荷値として工具スピンドル３の消費電流値を、電流計１７を用いて測定する（図１のステップＳ１）。そして、予め定めたサンプリングタイムごとに消費電流値を測定し、当該消費電流値を測定した時のワーク１の加工場所と合わせてデータセンタ部１３に記憶する。

そして、データセンタ部１３には予め加工におけるワーク１の加工形状の図面スペックを満たす理想的な理想加工負荷値で加工した場合の、工具スピンドル３の消費電流値と、この時のワーク１の直角度、すなわち工具４の撓み量Ｙとが保存されている。１パス目の加工終了後、データセンタ部１３に保存している理想加工負荷値で加工した場合の工具スピンドル３の消費電流値（理想加工負荷値に対応）と、１パス目の加工中に測定した消費電流値（測定加工負荷値に対応）とを演算部１４にて比較する。すなわち、理想的な理想加工負荷値での加工と比較して消費電流値が多ければ、測定加工負荷値が大きいことを意味し、逆に消費電流値が少なければ、測定加工負荷値Ｆが小さいことを意味する。このように消費電流値を比較することで、負荷比率を算出する（図１のステップＳ２）。

次に、上記式（１）より工具４の撓み量Ｙは加工負荷値Ｆに比例するので、理想的な加工負荷値Ｆで加工した場合の工具スピンドル３の消費電流値に対する、上記ステップＳ２で算出した負荷比率から、工具４の撓み量Ｙを演算部１４にて推定する（図１のステップＳ３）。そして、２パス目の加工においては、１パス目の加工における工具４の撓み量を相殺するように、工具スピンドル３を旋回させ工具４とワーク１ながら加工する。ここで工具４の旋回量について説明する。この工具４の旋回量は、旋回ベース７の旋回量を取得する変位センサ１０の変位量を用いて制御している。

ここで図６に基づいて、工具４の旋回量と変位センサ１０の変位量との関係を示す。旋回中心から工具４の先端までの距離と、旋回中心から変位センサ１０の位置までの距離の比が１：５の場合、ステップＳ３で推定した工具４の撓み量Ｙと同じだけ工具４の先端を動かすためには、変位センサ１０の変位量が（５×撓み量Ｙ）になるように動かせば良い。このように、１パス目で測定した全ての消費電流値に対して、工具スピンドル３の旋回量の目標値となる変位センサ１０の変位量すなわち、ワーク１と工具４との理想相対角度を演算部１４にて決定する（図１のステップＳ４）。

そして、１パス目で消費電流値を測定したワーク１の加工場所ごとに、工具スピンドル３の旋回量の目標値（理想相対角度に対応）が得られる。図７に、２パス目の加工の様子を示す。加工の２パス目において、１パス目で消費電流値（測定加工負荷値）を測定したワーク１の加工場所ごとに、ステップＳ４で決定した旋回量だけ工具スピンドル３を旋回させながら工具４を旋回させ、工具４とワーク１とを理想相対角度となるように設定して、この関係にて工具４にてワーク１を加工することで、加工負荷値Ｆが変動しても、常に高精度な加工形状精度を得ることができる（図１のステップＳ５）。そして、当該ワーク１の加工は、２パス目の加工で終了する（図１のステップＳ６）。

上記のように構成された実施の形態１の高精度加工方法および高精度加工装置によれば、測定加工負荷値の大きさを測定する工程と、測定加工負荷値の大きさに応じてワークと工具との理想相対角度を変化させる工程とを分離したので、加工状態による測定加工負荷値の大きさだけの測定が可能となり、高精度な形状精度を得ることができる。

また、測定加工負荷値を、工具スピンドルの消費電流値として直接測定するので、測定精度が向上する。

実施の形態２．
上記実施の形態１においては、ワーク１を回転させて加工する構成および方法について示したが、これに限られることはなく、例えば、図８に示すようにワーク１が回転しないような保持部２０によってワーク１が固定保持される高精度加工装置においても、上記実施の形態１と同様に行うことができ、同様の効果を奏することが可能である。

実施の形態３．
上記各実施の形態１においては、測定加工負荷値の測定方法として、工具スピンドルの消費電流値から測定する方法を示したが、これに限られることはなく、例えば、図９に示すように、測定加工負荷値の測定方法として、旋回用モータ５の消費電流値を測定する方法を用いることも考えられる。よって、旋回用モータ５の消費電流値を、電流計１７を用いて測定することで、測定器としての電流計１７を制御部１６周辺に配置することが可能となり、インバータやドライブユニットなどノイズの発生源となり得る機器が多く存在する加工機近傍への測定器の設置が不要となる。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ ワーク、２ ワークスピンドル、３ 工具スピンドル、４ 工具、
５ 旋回用モータ、１６ 制御部、１７ 電流計、２０ 保持部、
１００ ＸＹＺテーブル。

Claims (5)

1. 固定保持または回転させながら保持されるワークを、
   前記ワークの対向する位置で工具スピンドルに保持されて回転する工具にて前記ワークとの相対角度を旋回用モータで調整しながら加工を行う高精度加工方法において、
   １パス目の加工においては、前記ワークと前記工具との相対角度を一定に保った状態にて行い、前記１パス目の加工中における加工場所ごとの測定加工負荷値を取得する第１工程と、
   加工における理想的な理想加工負荷値と前記１パス目の加工にて取得した前記測定加工負荷値とを比較し、前記理想加工負荷値と前記測定加工負荷値との負荷比率から前記１パス目の加工時の前記工具の撓み量を推定し、前記工具の撓み量を相殺するために加工場所ごとの前記ワークと前記工具との理想相対角度を決定する第２工程と、
   ２パス目の加工においては、前記ワークおよび前記工具にて前記理想相対角度を用いて加工を行う第３工程とを備えた高精度加工方法。
2. 前記測定加工負荷値は、前記工具スピンドルの消費電流値からうるか、または、前記旋回用モータの消費電流値からうる請求項１に記載の高精度加工方法。
3. ワークを固定保持または回転させながら保持する保持部と、
   前記ワークを加工する工具と、
   前記工具を前記ワークの対向する位置で保持して回転する工具スピンドルと、
   前記工具の前記ワークに対する相対角度を調整する旋回用モータとを備えた高精度加工装置において、
   前記加工において前記工具スピンドルと前記旋回用モータとの制御を行う制御部を備え、
   前記制御部は、前記ワークと前記工具との相対角度を一定に保った状態にて加工を制御し、この加工中における加工場所ごとの測定加工負荷値を取得し、加工における理想的な理想加工負荷値と前記測定加工負荷値とを比較し、前記理想加工負荷値と前記測定加工負荷値との負荷比率から前記工具の撓み量を推定し、前記工具の撓み量を相殺するために加工場所ごとの前記ワークと前記工具との理想相対角度を決定し、前記ワークおよび前記工具の加工を前記理想相対角度となるように制御する高精度加工装置。
4. 前記制御部は、前記測定加工負荷値を、前記工具スピンドルの消費電流値からうるか、または、前記旋回用モータの消費電流値からうる請求項３に記載の高精度加工装置。
5. 前記ワークと前記工具との相対位置を調整するＸＹＺ調整部を備え、
   前記制御部は、前記加工において前記ＸＹＺ調整部を制御する請求項３または請求項４に記載の高精度加工装置。

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