JP2015223684A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】工具が磨耗しても、加工するワークの内面の径を補償することが可能な工作機械を提供する。
【解決手段】工作機械１は、工具２を保持し当該工具２と共に回転軸ｒの周りで回転可能な工具ホルダ５０であって、中空空間５４を有する工具ホルダ５０と、工具ホルダ５０を回転可能且つワーク５の内面５ａに対して相対移動可能に支持する駆動部４０と、工具ホルダ５０の中空空間５４に設けられ、レーザ光を放出し当該レーザ光を用いてワーク５の内面５ａとの距離に関する情報を取得する変位計６０と、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報に基づいて駆動部４０を制御して、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正する制御部７０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は工作機械に関する。

高出力の次世代蒸気タービンには、７００℃超級の蒸気温度に耐える材料での製品開発が所望されている。このため、タービンの構成機器で高温蒸気に直接晒されるタービンロータ、ケーシングなどの製品は、合金鋼から耐熱合金に変更して製造する必要がある。インコネル材に代表される耐熱合金の熱伝導率は１０〜２０（Ｗ／（ｍ・ｋ））程度であり、合金鋼に主として含まれる鉄の熱伝導率と比較して３倍程度低い。このため、切削加工時に工具の刃先に加工に伴い生じる熱が篭り易く、工具の刃先と工具の他の部分との間の温度差により熱亀裂や工具磨耗が発生し易い。とりわけ、コンタリング加工においては、耐熱合金を長時間にわたり切削加工し続けるため、工具の磨耗の進行状況に応じてワークの内面の径が減寸し易い。このため、加工後に寸法を計測し、寸法公差を満たさない場合には補正加工をさらに行っている。

特開２０１２−１８３６０８号公報

本発明が解決しようとする課題は、工具が磨耗しても、加工するワークの内面の径を補償することが可能な工作機械を提供することである。

本発明の実施の形態による工作機械は、工具を保持し当該工具と共に前記回転軸の周りで回転可能な工具ホルダであって、中空空間を有する工具ホルダと、前記工具ホルダを回転可能且つ前記ワークの内面に対して相対移動可能に支持する駆動部と、前記工具ホルダの前記中空空間に設けられ、レーザ光を放出し当該レーザ光を用いて前記ワークの内面との距離に関する情報を取得する変位計と、前記変位計により取得された前記ワークの内面との距離に関する情報に基づいて前記駆動部を制御して、前記工具の前記ワークの内面からの距離を補正する制御部と、を備える。

本発明の実施の形態による工作機械によれば、変位計により取得されたワークの内面との距離に関する情報に基づいて駆動部を制御することができる。このため、取得されたワークの内面との距離から特定されるワークの内面の径が、目的とするワークの内面の径からずれてしまっても、工具のワークの内面からの距離を補正することができる。これにより、加工するワークの内面の径を目的とするワークの内面の径に近づけることができる。この結果、工具が磨耗しても、加工するワークの内面の径を補償することが可能となる。

第１の実施の形態による工作機械の構成の一例を示す概略斜視図。 図１に示す工作機械の概略縦断面図。 図２に示す工作機械の変位計及びミラーを拡大して示す概略拡大縦断面図。 図１に示す工作機械の制御部による制御の一例を示すフローチャート。 コンタリング加工において、変位計がワークの内面との距離を特定する方法について説明するための模式図。 第２の実施の形態による工作機械の構成の一例を示す概略縦断面図。 図６に示す工作機械の制御部による制御の一例を示すフローチャート。 第３の実施の形態による工作機械の構成の一例を示す概略縦断面図。 図８に示す工作機械の制御部による制御の一例を示すフローチャート。 第４の実施の形態による工作機械の制御部による制御の一例を示すフローチャート。 第５の実施の形態による工作機械の構成の一例を示す概略縦断面図。

≪第１の実施の形態≫
以下、図１乃至図５を参照して、第１の実施の形態による工作機械１について説明する。図１は、第１の実施の形態による工作機械１の構成の一例を示す概略斜視図である。図１に示す工作機械１は、工具２と共に回転する工具ホルダ５０をワーク５の内面５ａに対して相対移動させることにより、ワーク５の内面５ａを所望に加工可能な工作機械である。このような加工の一例として、コンタリング加工やヘリカル加工が挙げられる。コンタリング加工とは、典型的には、回転軸ｒの周りで工具２と共に回転する工具ホルダ５０を、回転軸ｒに直交する平面内に規定される円形の経路に沿って移動させた後、回転軸ｒ方向に送る加工を繰り返すことにより行われる（図５参照）。ヘリカル加工とは、典型的には、回転軸ｒの周りで工具２と共に回転する工具ホルダ５０を、当該回転軸ｒを基準とする螺旋状の経路に沿って移動させることにより行われる。なお、以下の説明では、回転軸ｒの延びる方向をＺ軸方向、鉛直方向をＹ軸方向、Ｚ軸方向及びＹ軸方向の両方に直交する方向をＸ軸方向として説明する。

工作機械１により加工されるワーク５は、例えば蒸気タービンに用いられるタービンロータやケーシングに代表される大型の被切削物が挙げられる。こられの被切削物に用いられる材料としては、特に限定されないが、近年７００℃超級の蒸気温度に耐える材料が所望されていることから、例えば耐熱合金が用いられる。とりわけ、ワーク５が耐熱合金からなる場合、背景技術の欄で説明したように、工具が摩耗し易く、加工するワーク５の内面５ａの径が、目的とするワークの内面の径からズレ易くなる。そこで、本実施の形態の工作機械１は、以下に説明するようにして、工具２が磨耗しても、加工するワーク５の内面５ａの径を補償する工夫がなわれている。

図１に示すように、工作機械１は、建物の床面に設置される本体部１０と、当該本体部１０に支持され、ワーク５を保持するワーク保持部２０と、を備えている。このうち、本体部１０は、建物の床面に設置されるベッド１１と、ベッド１１から鉛直方向Ｙ上方に向かって延びる支柱１２と、を有している。このうち、ベッド１１は、水平面に沿った平板状の形状を有している。支柱１２は、ベッド１１に固定され、ワーク保持部２０を支持している。

ワーク保持部２０は、加工対象となるワーク５を本体部１０に対して精度良く位置決めする。ワーク保持部２０としては、本工作機械１の分野においてそれ自体既知のワーク保持部を使用することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図２は、図１に示す工作機械１の要部を示す概略縦断面図である。図２に示すように、工作機械１は、工具２を保持し当該工具２と共に回転軸ｒの周りで回転可能な工具ホルダ５０と、工具ホルダ５０を回転可能且つワーク５の内面５ａに対して相対移動可能に支持する駆動部４０と、をさらに備えている。このうち、駆動部４０は、工具ホルダ５０を保持し当該工具ホルダ５０と共に回転可能な主軸４１と、主軸４１を本体部１０に対して可動に支持する並進駆動部４２と、並進駆動部４２を覆う筐体４３と、を有している。を有している。

図１に示すように、並進駆動部４２は、ベッド１１から鉛直方向Ｙ上方に延び出し、支柱１２とＺ軸方向に対向している。並進駆動部４２は、主軸４１を本体部１０に対して並進移動させるように構成されている。本実施の形態において、並進駆動部４２は、主軸４１をＸ軸方向に移動させるＸ方向移動手段（不図示）と、主軸４１をＹ軸方向に移動させるＹ方向移動手段（不図示）と、主軸４１をＺ軸方向に移動させるＺ方向移動手段（不図示）と、を含んでいる。

並進駆動部４２に可動に支持された主軸４１は、回転軸ｒに沿って延びており、工具ホルダ５０が回転軸ｒの延びる方向に沿って挿入されている。主軸４１は、不図示の駆動源によって、回転軸ｒを中心として自転する。したがって、主軸４１が自転すると、主軸４１に保持された工具ホルダ５０も主軸４１と共に回転軸ｒを中心として自転するようになっている。

工具ホルダ５０は、主軸４１から回転軸ｒの延びる方向つまりＺ軸方向に沿って軸状に延び出している。軸状の工具ホルダ５０は、工具２を所定の角度で保持する先端部５１と、主軸４１内に挿入された基端部５３と、先端部５１と基端部５３との間を延びる胴部５２と、を含んでいる。工具２は、先端部５１から回転軸ｒに直交する方向に延び出している。一例として、工具２は、旋削チップからなる。

図２に示す例では、工具ホルダ５０は、先端部５１から胴部５２に掛けて略円筒状の形状を有し、胴部５２の中間部分に段差５２ａが形成されている。一方、工具ホルダ５０の基端部５３は、回転軸ｒの延びる方向に沿って、先端部５１から離間する側つまり主軸４１側に向かうにつれて先細になっている。

図２に示すように、工具ホルダ５０は、回転軸ｒの延びる方向つまり回転軸ｒの軸方向に沿って延びる中空空間５４を胴部５２内に有している。図２に示す例では、中空空間５４は、工具ホルダ５０の胴部５２に回転軸ｒの軸方向に沿って延びる溝を設けることにより形成されている。したがって、工具ホルダ５０の胴部５２には、回転軸ｒの軸方向に沿って延びる開口が形成され、中空空間５４は、胴部５２に形成された開口に連通して、工具ホルダ５０の外部に繋がっている。

図３に、図２に示す胴部５２に形成された開口５２ｂ付近が拡大して示されている。図３に示すように、工具ホルダ５０の撓みや変形を抑制する観点から、胴部５２に形成された開口５２ｂは、蓋部材５０ｂにて塞がれている。この蓋部材５０ｂは、蓋部材５０ｂと共に工具ホルダ５０の外形をなすホルダ本体部材５０ａに取り付けられている。蓋部材５０ｂの一部に、後述する変位計６０からのレーザ光を透過させるための窓５０ｃが形成されている。なお、図３に示す例では、中空空間５４は、工具２の基端部から回転軸ｒの軸方向に関して５ｍｍずれた位置まで形成されている。言い換えると、中空空間５４は、先端部５１と胴部５２との境界となる位置から、回転軸ｒの軸方向に関して５ｍｍずれた位置まで形成されている。

この工具ホルダ５０の中空空間５４に、変位計６０及びミラー６４が収容されている。変位計６０は、レーザ光を放出し当該レーザ光を用いてワーク５の内面５ａとの距離に関する情報を取得するようになっている。工作機械１において、ワーク５の位置及び変位計６０の位置は、予め精度良く把握することができる。したがって、変位計６０によってワーク５の内面５ａとの距離に関する情報を取得することにより、当該計測位置におけるワーク５の内面５ａの径の大きさを特定することもできる。

本実施の形態の変位計６０は、被計測対象物の表面のうちの計測対象となる位置との距離を計測する非接触式の変位計である。このような変位計として、例えば分光干渉式レーザ変位計が挙げられる。分光干渉式レーザ変位計によれば、計測対象となる位置との距離をｍｍオーダーに対して百分台まで計測することが可能である。図３に示すように、分光干渉式レーザ変位計からなる変位計６０は、各波長帯域に属する光を含むレーザ光を投射する投光部６１と、投光部６１から投射されるレーザ光と当該レーザ光がワーク５から反射されてなる反射光との干渉光を受光する受光部６２と、を有している。そして、分光干渉式レーザ変位計は、受光部６２にて受光された干渉光の各波長帯域に属する光の強度（振幅）の変化に基づいて、被計測対象物との距離を特定する。典型的には、受光部６２は、例えば回折格子からなる分光器で干渉光を分光し、分光された各波長帯域の光をＣＣＤの各画素で受光する。ＣＣＤの各画素で受光された光の受光波形から、光強度スペクトル分布が得られる。この光強度スペクトル分布を波形解析することにより、変位計６０とワーク５の内面５ａとの距離を計測することができる。

とりわけ、本実施の形態において、変位計６０は、回転軸ｒ上に配置され、当該回転軸ｒに沿ってレーザ光を放出するようになっている。より詳細には、変位計６０の投光部６１及び受光部６２の中心が、回転軸ｒ上に配置されている。変位計６０から回転軸ｒに沿って投射されたレーザ光は、ミラー６４によってワーク５に向けて反射させられる。図２に示す例では、ミラー６４は、変位計６０と回転軸ｒの軸方向に離間して配置され、且つ、回転軸ｒ上に位置している。そして、ミラー６４は、回転軸ｒに沿って放出されたレーザ光の進行方向を、回転軸ｒに直交する方向に変更するようになっている。なお、上述のように、工具ホルダ５０の外形をなす蓋部材５０ｂの一部に、変位計６０からのレーザ光を透過させるための窓５０ｃが形成されている。したがって、変位計６０から回転軸ｒに沿って放出されたレーザ光は、ミラー６４によって反射された後、窓５０ｃを透過してワーク５の内面５ａに到達する。そして、ワーク５の内面５ａにて反射されたレーザ光は、投射光と逆の経路を辿って変位計６０の受光部６２に向かう。

ところで、図３に示す例では、変位計６０及びミラー６４は、回転軸ｒの軸方向に長手方向をもつ板状のブラケット６５に固定されている。板状のブラケット６５は、一対のボルト６６を介してホルダ本体部材５０ａに固定されている。一例として、各ボルト６６は、ブラケット６５に設けられた不図示の雌ネジ孔と、ホルダ本体部材５０ａに設けられた不図示の雌ネジ孔と、に螺合している。

また、図２に示すように、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報は、電圧量として、工具ホルダ５０の基端部５３と駆動部４０の並進駆動部４２とに設けられたスリップリング６７に送られる。スリップリング６７とは、静止体と回転体との間で電気信号の伝達を行うことができるように構成された伝達素子である。したがって、スリップリング６７によれば、回転する工具ホルダ５０内に設けられた変位計６０からの電気信号を、並進駆動部４２側に伝達することができる。スリップリング６７に伝達された電圧は、アンプ６８を通過しＡ／Ｄ変換ユニット６９によりアナログデータに変換される。Ａ／Ｄ変換ユニット６９にて変換されたアナログデータは、その後数値化された位置情報として制御部７０に送られる。

制御部７０は、ワーク５の内面５ａを所望の形状に加工するよう、主軸４１の回転と並進駆動部４２の各軸方向への移動量とを調整して、工具２をワーク５の内面５ａに対して所望の位置に送る制御を行う。さらに、本実施の形態の制御部７０は、変位計６０により取得された前記距離に関する情報に基づいて駆動部４０を制御して、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正するようになっている。つまり、制御部７０は、工具２の刃先２ａがワーク５の内面５ａと接触する位置、さらに言い換えると、工具２の刃先２ａがワーク５の内面５ａを削る量を、ワーク５の内面５ａの径を実測した計測結果に基づいて調整することができる。

本実施の形態の制御部７０は、工具２のワーク５の内面５ａからの距離の補正量を演算するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）７１と、ＰＬＣ７１にて演算された補正量にも基づいて、主軸４１及び並進駆動部４２に指令を送るＮＣコントローラ７２と、を含んでいる。

このような制御部７０による制御の一例について図４を参照して説明する。図４は、制御部７０による制御の一例を示すフローチャートである。なお、図４では、予めある程度の精度でワーク５に形成された下穴を拡径して、所望の内径を得る加工を想定している。

図４に示すように、先ず、目的とするワーク５の内面５ａの直径Ｄの値と、工具ホルダ５０に取り付けられた工具２の刃先２ａと回転軸ｒとの距離Ｒａの値と、を制御部７０に入力する（ＳＴＥＰ０）。上述のように、ワーク５の位置及び変位計６０の位置は予め精度良く把握することができるため、目的とするワーク５の内面５ａの直径Ｄから、変位計６０にて計測されるべきワーク５の内面５ａとの距離の理論値Ｓｏも算出することができる。

次に、制御部７０のＰＬＣ７１が、目的とするワーク５の内面５ａの直径Ｄと、工具２の刃先２ａと回転軸ｒとの距離Ｒａと、からコンタリング半径Ｒを算出する（ＳＴＥＰ１）。ここで、コンタリング半径Ｒとは、目的とするワーク５の内面５ａの直径Ｄを得るために、工具２の回転中心となる回転軸ｒがワーク５の内面５ａの中心位置から離れるべき距離に想到する。工具２は回転軸ｒを中心として回転するため、コンタリング半径Ｒは、目的とするワーク５の内面５ａの半径Ｄ／２から、工具２の刃先２ａと回転軸ｒとの距離Ｒａを引いて導かれる（図５に示す幾何学的関係を参照）。したがって、下記に示す式（１）によりコンタリング半径Ｒを算出することができる。
Ｒ＝Ｄ／２−Ｒａ ‥（１）

続いて、算出されたコンタリング半径Ｒに基づいてプログラム半径Ｒρを決定する（ＳＴＥＰ２）。プログラム半径Ｒρとは、加工時に回転軸ｒを円形の経路Ｃ１（図５）に沿って移動させるときの、当該円形の経路Ｃ１の半径をいう。具体的には、変位計６０にて取得されるワーク５の内面５ａとの距離に基づいて決定される半径補正値Ｒｏを用いて下記に示す式（２）によりプログラム半径Ｒρを決定することができる。
Ｒρ＝Ｒ＋Ｒｏ ‥（２）
なお、初期状態においては、理想的な条件と仮定して、半径補正値Ｒｏ＝０とする（ＳＴＥＰ０参照）。

次に、図５に示すようにして工作機械１がコンタリング加工を行う（ＳＴＥＰ３）。図５は、工作機械１がコンタリング加工を行う様子を示す模式図である。図５に示すように、制御部７０のＮＣコントローラ７２が、回転軸ｒがワーク５の内面５ａの中心位置Ｘからプログラム半径Ｒρとなる経路に沿って移動するように、駆動部４０を制御して工具ホルダ５０をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。これにより、回転軸ｒが当該回転軸ｒに直交する平面内に規定される円形の経路Ｃ１に沿って移動し、当該回転軸ｒを中心として回転する工具２がワーク５の内面５ａを円形に加工していく。なお、図５において、回転軸ｒを中心として回転する工具２の刃先２ａが通る円形の経路Ｃ２を二点鎖線で示してある。

その後、制御部７０のＰＬＣ７１が、変位計６０にて取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報を実測値Ｓ１として取得する（ＳＴＥＰ４）。図５に示すように、変位計６０の投光部６１及び受光部６２の中心は、回転軸ｒ上に位置している。このため、変位計６０の投光部６１及び受光部６２は、円形の経路Ｃ１に沿って移動していくことになる。また、変位計６０は主軸４１と共に自転する工具ホルダ５０内に設けられているため、工具ホルダ５０から回転軸ｒに直交する方向に投射される変位計６０からのレーザ光は、ワーク５の内面５ａの周方向における各位置に到達する。このため、変位計６０にて取得されるワーク５の内面５ａとの距離に関する情報は、工具ホルダ５０の自転する位相に応じて種々の値を取り得る。また、変位計６０とワーク５の内面５ａとの間に、飛散した切屑等の異物が介在した場合、変位計６０が異物との距離を誤検知してしまうおそれもある。そこで、本実施の形態では、制御部７０は、変位計６０により取得された距離に関する情報のノイズを無視するフィルタリング機能を有している。

具体的には、先ず、制御部７０は、変位計６０によって取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報のうち、ワーク５の内面５ａの周方向に沿ってずれた複数の領域における距離に関する情報を抽出するようになっている。図５に示すコンタリング加工においては、主軸４１及び回転軸ｒが当該回転軸ｒに直交する平面内に規定される円形の経路Ｃ１に沿って移動する間に、ワーク５の内面５ａ上の複数の領域における距離に関する情報を抽出する。そして、ワーク５の内面５ａ上の各領域において、変位計６０にて計測される距離Ｓのうちの最小の値を抽出する。一例として、ワーク５の内面５ａの周方向に沿って９０°ずれた４つの領域における距離に関する情報を抽出し、各領域において、変位計６０にて計測される距離Ｓのうちの最小の値を抽出する。

次に、抽出した複数の距離に関する情報からワーク５との距離を特定する。本実施の形態においては、ワーク５の内面５ａ上の各領域毎に抽出された最小の値のうち、計測されるべきワーク５の内面５ａとの距離の理論値Ｓｏから大きくずれた前記最小の値を無視する。変位計６０が異物との距離を計測した場合、計測されるべきワーク５の内面５ａとの距離の理論値Ｓｏよりも大幅に小さい値を示すからである。あるいは、ワーク５の内面５ａ上の各領域毎に抽出された最小の値から平均値を算出し、当該平均値から大きくずれた前記最小の値を無視してもよい。本実施の形態では、このようにしてフィルタリングして残った複数の値のうちの最小の値を、ワーク５の内面５ａとの距離の実測値Ｓ１として採用する。

図４に戻って、続いて、変位計６０にて取得された実測値Ｓ１と、理論値Ｓｏと、を対比して、半径補正値Ｒｏを算出する（ＳＴＥＰ５）。理論値Ｓｏと実測値Ｓ１との差は、目的とするワーク５の内面５ａの半径Ｄ／２と加工されたワーク５の内面５ａの実際の半径との差に想到する。したがって、一例として、下記に示す式（３）により半径補正値Ｒｏを決定することができる。
Ｒｏ＝Ｓｏ−Ｓ１ ‥（３）
なお、理論値Ｓｏと実測値Ｓ１とに差が生じる主な要因として、工具２の刃先２ａの摩耗や、ワーク５及び工具２の熱膨張が考えられる。

次に、ＰＬＣ７１は、半径補正値Ｒｏと許容値Ｒ１とを対比する（ＳＴＥＰ６）。上述のように、半径補正値Ｒｏは、加工されたワーク５の内面５ａの実際の半径と、目的とするワーク５の内面５ａの半径Ｄ／２と、の差に想到するため、半径補正値Ｒｏが許容値Ｒ１以下つまりＲｏ≦Ｒ１の場合には、加工されたワーク５の内面５ａの実際の径が許容される大きさに形成されていると判断されるため、加工を終了する。一方、半径補正値Ｒｏが許容値Ｒ１よりも大きいつまりＲｏ＞Ｒ１の場合には、加工されたワーク５の内面５ａの実際の半径が、目的とするワーク５の内面５ａの半径Ｄ／２よりも小さいと判断される。このため、制御部７０は、加工されるワーク５の内面５ａの半径が目的とするワーク５の内面５ａの半径Ｄ／２に近づくように、言い換えると、実測値Ｓ１と理論値Ｓｏとの差が小さくなるように、駆動部４０を制御して、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を自動で補正するようになっている。図４に示す例では、ＳＴＥＰ２に戻り、式（２）によりプログラム半径Ｒρを補正する。その後、再びＳＴＥＰ３乃至６が行われる。

一例として、目的とするワーク５の内面５ａの直径Ｄ＝φ１００とし、工具２の刃先２ａと回転軸ｒとの距離Ｒａ＝２５とし、変位計６０にて計測されるべきワーク５の内面５ａとの距離の理論値Ｓｏ＝１０とし、許容値Ｒ１＝０．０１とする。この場合、式（１）からコンタリング半径Ｒ＝２５となり、式（２）から初期状態においてプログラム半径Ｒρ＝Ｒ＝２５となる。このとき、変位計６０にて取得された実測値Ｓ１＝９．９９とすると、式（３）から半径補正値Ｒｏ＝０．０１となる。この場合、半径補正値Ｒｏ≦Ｒ１を満たすため加工を終了する。半径補正値Ｒｏ＝０．０１から、加工されたワーク５の内面５ａの径は９９．８と判断される。

以上のように、本実施の形態の工作機械１は、工具２を保持し当該工具２と共に回転軸ｒの周りで回転可能な工具ホルダ５０であって、中空空間５４を有する工具ホルダ５０と、工具ホルダ５０を回転可能且つワーク５の内面５ａに対して相対移動可能に支持する駆動部４０と、工具ホルダ５０の中空空間５４に設けられ、レーザ光を放出し当該レーザ光を用いてワーク５の内面５ａとの距離に関する情報を取得する変位計６０と、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報に基づいて駆動部４０を制御して、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正する制御部７０と、を備える。このような形態によれば、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報に基づいて駆動部４０を制御することができる。このため、取得されたワーク５の内面５ａとの距離から特定されるワーク５の内面５ａの径が、目的とするワーク５の内面５ａの径Ｄからずれてしまっても、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正することができる。これにより、加工するワーク５の内面５ａの径を目的とするワーク５の内面５ａの径Ｄに近づけることができる。この結果、工具２が磨耗しても、加工するワーク５の内面５ａの径を補償することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、変位計６０は、回転軸ｒに沿ってレーザ光を放出するようになっており、工作機械１は、工具ホルダ５０の中空空間５４に設けられ、変位計６０から回転軸ｒに沿って放出されたレーザ光を、ワーク５に向けて反射させるミラー６４をさらに備えている。このような形態によれば、変位計６０の投光部６１及び受光部６２を、回転軸ｒと平行な工具ホルダ５０の長手方向に向けて配置することができるため、変位計６０の設置の点で有益となる。

また、本実施の形態によれば、制御部７０は、変位計６０によって取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報のうち、ワーク５の内面５ａの周方向に沿ってずれた複数の領域における距離に関する情報を抽出した後、抽出した複数の領域における距離に関する情報からワーク５との距離を特定し、特定されたワーク５との距離に基づいて前記駆動部を制御して、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正するようになっている。このような形態によれば、変位計６０とワーク５の内面５ａとの間に異物が介在した場合であっても、異物によるノイズを無視し、ワーク５の内面５ａとの距離を精度良く特定することが可能となる。

≪第２の実施の形態≫
次に、図６及び図７を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は、第２の実施の形態による工作機械１の構成の一例を示す概略縦断面図であり、図７は、図６に示す工作機械１の制御部７０による制御の一例を示すフローチャートである。図６及び図７を参照して説明する第２の実施の形態は、工作機械１が記憶部７５をさらに備える点で異なるが、その他の構成は、第１の実施形態と同様に構成することができる。第２の実施の形態に関する以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した第１の実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の第１の実施の形態における対応する構成要素に対して用いた符号と同一の符号を用いることとし、重複する説明を省略する。

図６に示すように、本実施の形態の工作機械１は、記憶部７５をさらに備えている。記憶部７５は、工具２の種類とワーク５の種類との組み合わせ毎に、工具２の温度αと工具２の熱膨張との関係を記録したデータを予め記憶する。工具２の種類として、工具２をなすチップの材種毎に分類する例が挙げられる。本実施の形態では、工具２の種類として、超硬合金、セラミック、ＣＢＮ等を採用している。一方、ワーク５の種類として、ワーク５の材料毎に分類する例が挙げられる。本実施の形態では、ワーク５の種類として、合金鋼、インコネル材に代表される耐熱合金鋼等を採用している。

さらに、この工具２の種類とワーク５の種類との組み合わせ毎に、工具２の温度と工具２の熱膨張との関係を記録したデータが予め作製される。一例として、前記データは、各組み合わせ毎に、工具２の温度が１００℃〜１０００℃の範囲で、５０℃ずつずらして工具２の熱膨張量Ｒ’を記録することにより作製されてもよい。あるいは、前記データは、各組み合わせ毎に、工具２の温度が１００℃〜１０００℃の範囲で、５０℃ずつずらして熱膨張係数ｋの値を記録することにより作製されてもよい。さらに別の例として、前記データは、各組み合わせ毎に、工具２の温度と工具２の熱膨張係数ｋとの関係を規定する関数を記録することにより作製されてもよい。

さらに、本実施の形態の記憶部７５は、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報も記憶するようになっている。そして、記憶部７５に記憶された情報は、情報伝達部７８によって作業者に伝えられる。本実施の形態の情報伝達部７８は、記憶部７５に記憶された情報を表示する表示部からなる。ただし、情報伝達部７８の形態は、記憶部７５に記憶された情報を作業者に伝えることができる形態のものであれば種々の形態のものを採用することができる。他の例として、情報伝達部７８は、記憶部７５に記憶された情報を印刷する印刷装置であってもよい。

これら記憶部７５に記憶されたデータは、制御部７０による制御に利用される。制御部７０は、記憶部７５に記憶されたデータから抽出した工具２の熱膨張に関する情報にも基づいて、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正するようになっている。以下、図７に示すフローチャートを参照して、制御部７０による制御の一例について説明する。なお、以下の説明では、図４に示すフローチャートにおける制御部７０の制御と略同様なＳＴＥＰについての詳細な説明は、省略する。

図７に示すように、先ず、図４に示すフローチャートのＳＴＥＰ０を行う。

次に、制御部７０は、切削時間に基づいて工具２の温度αを演算する（ＳＴＥＰ１ａ）。切削時間とは、工具２でワーク５の内面５ａを加工している時間をいう。次に、制御部７０は、記憶部７５に記憶された前記データから、演算された工具２の温度αにおける工具２の熱膨張に関する情報を抽出する（ＳＴＥＰ１ｂ）。本実施の形態では、制御部７０は、演算された工具２の温度αに最も近い温度における工具２の熱膨張量Ｒ’の値を抽出する。

続いて、制御部７０は、図４に示すフローチャートのＳＴＥＰ１〜６を行う。ただし、ＳＴＥＰ２にて決定されるプログラム半径Ｒρは、式（２）の代わりに下記に示す式（４）を用いて決定される。
Ｒρ＝Ｒ＋Ｒｏ−Ｒ’ ‥（４）
式（４）を用いることにより、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報に加えて、記憶部７５に記憶されたデータから抽出した工具２の熱膨張に関する情報にも基づいて、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正することが可能となる。

上述のように、ＳＴＥＰ６において、半径補正値Ｒｏが許容値Ｒ１よりも大きい場合には、加工されたワーク５の内面５ａの実際の径が、目的とするワーク５の内面５ａの径Ｄよりも小さいと判断される。このため、制御部７０は、加工されるワーク５の内面５ａの径が目的とするワーク５の内面５ａの径Ｄに近づくように、駆動部４０を制御して、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を自動で補正するようになっている。図９に示す例では、ＳＴＥＰ１ａに戻り、再び切削時間に基づいて工具２の温度を演算する。その後、再びＳＴＥＰ１ｂ乃至ＳＴＥＰ６が行われる。

一例として、工具２の種類を超硬合金とし、ワーク５の種類をインコネル材とした場合、或る切削時間から特定される温度における記憶部７５に記憶された熱膨張量Ｒ’は０．００１である。この場合、プログラム半径Ｒρに工具２の熱膨張量Ｒ’を考慮しなかった場合、目的とするワーク５の内面５ａの半径Ｄ／２が０．００１大きくなる。したがって、制御部７０は、コンタリング半径Ｒから０．００１を引いて得られたプログラム半径Ｒρとなる円形の経路Ｃ１に沿って工具ホルダ５０が移動するように、駆動部４０に指令を送ることになる。

以上のように、本実施の形態によれば、工具２の種類とワーク５の種類との組み合わせ毎に、工具２の温度と工具２の熱膨張との関係を記録したデータを予め記憶した記憶部７５を備え、制御部７０は、切削時間に基づいて工具２の温度を演算し、記憶部７５に記憶された前記データから、演算された工具２の温度における工具２の熱膨張に関する情報を抽出することができるようになっており、制御部７０は、抽出された工具２の熱膨張に関する情報にも基づいて工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正する。このような形態によれば、工具２の磨耗に加えて工具２の熱膨張をも考慮して、加工するワーク５の内面５ａの径を補償することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、工作機械１は、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報を記憶する記憶部７５と、記憶部７５に記憶された情報を作業者に伝える情報伝達部７８と、を備える。このような形態によれば、記憶部７５に記憶された情報を情報伝達部７８から伝えられた作業者は、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離から、加工されたワーク５の内面５ａの径を特定することができる。したがって、作業者がワーク５の内面５ａの径を加工後に実測しなくても、ワーク５の内面５ａの径を知ることができる。このため、作業負荷を軽減することができる。また、ワーク５の内面５ａを加工している間の、ワーク５の内面５ａの径に関する情報を記録することができるため、加工品質の保証の点でも有益となる。

≪第３の実施の形態≫
次に、図８及び図９を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８は、第３の実施の形態による工作機械１の構成の一例を示す概略縦断面図であり、図９は、図８に示す工作機械１の制御部７０による制御の一例を示すフローチャートである。図８及び図９を参照して説明する第３の実施の形態は、工作機械１が非接触式温度計８０をさらに備え、制御部７０による制御の一部が異なるが、その他の構成は、第２の実施形態と同様に構成することができる。

図８に示すように、工具ホルダ５０の中空空間５４に非接触式温度計８０が設けられている。非接触式温度計８０は、工具２及びワーク５の温度を計測するためのものである。本実施の形態の非接触式温度計８０は、いわゆる放射温度計にて構成されている。放射温度計からなる非接触式温度計８０は、工具２及びワーク５の表面から放出される赤外線放射エネルギーを赤外線センサにより検知することにより、工具２及びワーク５の表面の温度を計測することができる。とりわけ、非接触式温度計８０は、工具２の刃先２ａと、ワーク５の内面５ａのうちの工具２の刃先２ａに対面する部分を計測することができることが好ましい。このような観点から、非接触式温度計８０の正面が、工具２の刃先２ａに向くように配置されている。

非接触式温度計８０にて計測された温度に関する情報は、スリップリング６７、アンプ６８及びＡ／Ｄ変換ユニット６９を介して、制御部７０に送られる。制御部７０は、この非接触式温度計８０により計測された工具２及びワーク５の温度に基づいて工具２の熱膨張を特定し、特定された工具２の熱膨張にも基づいて工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正するようになっている。

一方、本実施の形態の記憶部７５は、工具２の種類とワーク５の種類との組み合わせ毎に、工具２の温度α及びワーク５の温度βと工具２の熱膨張との関係を記録したデータを予め記憶している。記憶部７５に記憶するデータは、上述した第２の実施の形態と略同様なため、ここでは詳細な説明を省略する。

以下、図９に示すフローチャートを参照して、記憶部７５に記憶されたデータを利用した制御部７０による制御の一例について説明する。なお、以下の説明では、図７に示すフローチャートにおける制御部７０の制御と略同様なＳＴＥＰについての詳細な説明は、省略する。

図９に示すように、先ず、図７に示すフローチャートのＳＴＥＰ０を行う。次に、制御部７０は、非接触式温度計８０にて計測された工具２及びワーク５の温度を読み込む（ＳＴＥＰ１ｃ）。次に、制御部７０は、記憶部７５に記憶された前記データから、取得された工具２の温度α及びワーク５の温度βにおける工具２の熱膨張に関する情報を抽出する（ＳＴＥＰ１ｃ）。本実施の形態では、制御部７０は、取得された工具２の温度α及びワーク５の温度βに最も近い温度における工具２の熱膨張量Ｒ’の値を記憶部７５から抽出する。

続いて、制御部７０は、図７に示すフローチャートのＳＴＥＰ１〜６を行う。このような工程によれば、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報に加えて、非接触式温度計８０にて計測された工具２及びワーク５の温度に関する情報にも基づいて、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を補正することができる。

ＳＴＥＰ６において、半径補正値Ｒｏが許容値Ｒ１よりも大きい場合には、加工されたワーク５の内面５ａの実際の径が、目的とするワーク５の内面５ａの径Ｄよりも小さいと判断される。このため、制御部７０は、加工されるワーク５の内面５ａの径が目的とするワーク５の内面５ａの径Ｄに近づくように、駆動部４０を制御して、工具２のワーク５の内面５ａからの距離を自動で補正するようになっている。図９に示す例では、ＳＴＥＰ１ｃに戻り、再び非接触式温度計８０にて計測された工具２及びワーク５の温度を読み込む。その後、再びＳＴＥＰ１ｄ乃至ＳＴＥＰ６が行われる。

一例として、工具２の種類を超硬合金とし、ワーク５の種類をインコネル材とし、非接触式温度計８０にて計測された工具２の温度αが１０００℃であったとする。記憶部７５に記憶された工具２の温度αにおける熱膨張量Ｒ’の値は０．００１である。この場合、プログラム半径Ｒρに工具２の熱膨張量Ｒ’を考慮しなかった場合、目的とするワーク５の内面５ａの半径Ｄ／２が０．００１大きくなる。したがって、制御部７０は、コンタリング半径Ｒから０．００１を引いて得られるプログラム半径Ｒρとなる円形の経路Ｃ１に沿って工具ホルダ５０が移動するように、駆動部４０に指令を送ることになる。

以上のように、本実施の形態によれば、工具ホルダ５０の中空空間５４に設けられた非接触式温度計８０をさらに備え、非接触式温度計８０は、工具２及びワーク５の温度α、βを計測するようになっており、制御部７０は、非接触式温度計８０により計測された工具２及びワーク５の温度α、βに基づいて工具の熱膨張を特定し、特定された工具２の熱膨張にも基づいて工具２のワーク５の内面からの距離を補正する。このような形態によれば、工具２の磨耗に加えて工具２の温度に基づく熱膨張をも考慮して、加工するワーク５の内面５ａの径を補償することが可能となる。

≪第４の実施の形態≫
次に、図１０を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１０は、第４の実施の形態による工作機械１の制御部７０による制御の一例を示すフローチャートである。図１０を参照して説明する第４の実施の形態は、工作機械１が記憶部７５をさらに備え、制御部７０による制御の一部が異なるが、その他の構成は、第１の実施形態と同様に構成することができる。

本実施の形態の工作機械１は、制御部７０による補正前の駆動部４０による前記工具ホルダの制御位置を記憶する記憶部７５を備えている。つまり、記憶部７５は、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離に関する情報に基づいて補正する前の、駆動部４０による並進駆動部４２の指令位置を記憶する。本実施の記憶部７５は、図６に示す記憶部７５と同様にして制御部７０に接続されている。

以下、図１０に示すフローチャートを参照して、制御部７０による制御の一例について説明する。なお、以下の説明では、図４に示すフローチャートにおける制御部７０の制御と略同様なＳＴＥＰについての詳細な説明は、省略する。

図１０に示すように、先ず、図４に示すフローチャートのＳＴＥＰ０乃至ＳＴＥＰ５を順に行っていく。次に、制御部７０のＰＬＣ７１は、ＳＴＥＰ５において算出された半径補正値Ｒｏと、許容値Ｒ１よりも大きい摩耗限界閾値ｍ１と、を対比する（ＳＴＥＰ６ａ）。上述のように、半径補正値Ｒｏは、理論値Ｓｏと実測値Ｓ１との差を表し、この差は、主に工具２の刃先２ａの摩耗によるものと考えられる。したがって、半径補正値Ｒｏが摩耗限界閾値ｍ１以上つまりＲｏ≧ｍ１の場合には、工具２の刃先２ａが摩耗限界量を超えたと判断されるため、主軸４１の回転を停止させる。主軸４１の回転の停止に伴い、制御部７０は、主軸４１の回転を停止させたことを知らせる警報を作業者に発する。また、このとき、記憶部７５は、制御部７０による補正前の駆動部４０による工具ホルダ５０の制御位置に関する情報を記憶する。

その後、制御部７０は、この主軸４１の回転を停止させた後に工具２を交換した情報を受取ると、記憶部７５から、主軸４１の回転を停止させたときの、前記補正前の駆動部４０による工具ホルダ５０の制御位置に関する情報を読み込む。これにより、工具２を交換する前の状態から継続してワーク５の内面５ａの加工を再開することができる。

一方、半径補正値Ｒｏが摩耗限界閾値ｍ１よりも小さいつまりＲｏ＜ｍ１の場合には、ＳＴＥＰ６に進む。

一例として、変位計６０にて計測されるべきワーク５の内面５ａとの距離の理論値Ｓｏを１００とする。工具２の刃先２ａの磨耗が進行し、ワーク５の内面５ａの径が０．０１ｍｍテーパ状になると、変位計６０にて計測されるワーク５の内面５ａとの距離の実測値Ｓ１が９９．９９となる。この場合、ＳＴＥＰ６ａにより工具２の刃先２ａが０．０１ｍｍ磨耗していると判断される。摩耗限界閾値ｍ１＝０．０１ｍｍとすると、工具２の使用限界に達していると判断され、主軸４１の回転が停止する。そして、アラームが鳴り周囲の作業者に瞬時に知らせることができる。

このような本実施の形態によれば、制御部７０は、変位計６０にて計測されるべきワーク５の内面５ａとの距離の理論値Ｓｏと、変位計６０により取得されたワーク５の内面５ａとの距離の実測値Ｓ１と、を対比して、これらのズレから工具２の摩耗限界閾値ｍ１を超えたと判断したときに、主軸４１の回転を停止させるようになっている。このような形態によれば、工具２の使用限界を自動で判別することができるため、ワーク５の内面５ａを安定した精度で加工することに寄与する。

また、本実施の形態によれば、工作機械１は、制御部７０による補正前の駆動部４０による工具ホルダ５０の制御位置に関する情報を記憶する記憶部７５を備え、制御部７０は、主軸４１の回転を停止させた後に工具２を交換した情報を受取ると、記憶部７５から、主軸４１の回転を停止させたときの、前記補正前の駆動部４０による工具ホルダ５０の制御位置に関する情報を読み込むようになっている。この場合、摩耗した工具２を交換した場合であっても、制御部７０は、工具２を交換する前の位置に工具２の刃先２ａを位置決めすることができる。このため、工具２を交換する前の状態から継続してワーク５の内面５ａの加工を再開することができ、生産効率を向上させることに寄与する。

≪第５の実施の形態≫
次に、図１１を参照して、本発明の第５の実施の形態について説明する。図１１は、第５の実施の形態による工作機械１の構成の一例を示す概略縦断面図である。図１１を参照して説明する第５の実施の形態は、工作機械１が吹付手段９０をさらに備える点で異なるが、その他の構成は、第１の実施形態と同様に構成することができる。

図１１に示すように、本実施の形態の工作機械１は、駆動部４０の筐体４３に取り付けられ、ワーク５の内面５ａに向けてエアーを吹き付ける吹付手段９０をさらに備えている。吹付手段９０は、不図示のエアー供給源から供給されるエアーを、ワーク５の内面５ａに向けて吹き付ける噴射口９１を有している。このような形態によれば、変位計６０とワーク５の内面５ａとの間に、飛散した切屑や切削油等の異物Ｚが進入してしまっても、吹付手段９０から吹き付けられるエアーによって吹き飛ばすことができる。これにより、変位計６０が異物を検知してしまう誤検知を効果的に抑制することが可能となる。

なお、実施の形態は例示であり、発明の範囲はそれに限定されない。

１…工作機械、 ２…工具、 ２ａ…刃先、 ５…ワーク、 ５ａ…内面、 １０…本体部、 １１…ベッド、 １２…支柱、 ２０…ワーク保持部、 ４０…駆動部、 ４１…並進駆動部、 ４２…主軸、 ４３…筐体、 ５０…工具ホルダ、 ５０ａ…ホルダ本体部材、 ５０ｂ…蓋部材、 ５０ｃ…窓、 ５１…先端部、 ５２…胴部、 ５２ａ…段差、 ５２ｂ…開口、 ５３…基端部、 ５４…中空空間、 ６０…変位計、 ６１…投光部、 ６２…受光部、 ６４…ミラー、 ６５…ブラケット、 ６６…ボルト、 ６７…スリップリング、 ６８…アンプ、 ６９…Ａ／Ｄ変換ユニット、 ７０…制御部、 ７１…ＰＬＣ、 ７２…ＮＣコントローラ、 ７５…記憶部、 ７８…情報伝達部、 ８０…非接触式温度計、 ９０…吹付手段、 ９１…噴射口、 ｒ…回転軸、 ｍ１…摩耗限界閾値、 Ｓ１…実測値、 Ｓ１ｏ…理論値、 Ｒρ…プログラム半径、 Ｒ…コンタリング半径、 Ｒｏ…半径補正値、 Ｒａ…工具の刃先と回転軸との距離、 Ｒ’…熱膨張量

Claims (9)

1. 工具を保持し当該工具と共に前記回転軸の周りで回転可能な工具ホルダであって、中空空間を有する工具ホルダと、
   前記工具ホルダを回転可能且つ前記ワークの内面に対して相対移動可能に支持する駆動部と、
   前記工具ホルダの前記中空空間に設けられ、レーザ光を放出し当該レーザ光を用いて前記ワークの内面との距離に関する情報を取得する変位計と、
   前記変位計により取得された前記ワークの内面との距離に関する情報に基づいて前記駆動部を制御して、前記工具の前記ワークの内面からの距離を補正する制御部と、
   を備える、工作機械。
2. 前記変位計は、前記回転軸に沿ってレーザ光を放出するようになっており、
   前記工具ホルダの前記中空空間に設けられ、前記変位計から前記回転軸に沿って放出されたレーザ光を、前記ワークに向けて反射させるミラーをさらに備える、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記制御部は、前記変位計によって取得された前記ワークの内面との距離に関する情報のうち、前記ワークの内面の周方向に沿ってずれた複数の領域における距離に関する情報を抽出した後、抽出した複数の領域における距離に関する情報から前記ワークとの距離を特定し、特定された前記ワークとの距離に基づいて前記駆動部を制御して、前記工具の前記ワークの内面からの距離を補正するようになっている、請求項１または２に記載の工作機械。
4. 前記変位計により取得された前記ワークの内面との距離に関する情報を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された情報を作業者に伝える情報伝達部と、
   を備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の工作機械。
5. 前記工具の種類と前記ワークの種類との組み合わせ毎に、前記工具の温度と前記工具の熱膨張との関係を記録したデータを予め記憶した記憶部を備え、
   前記制御部は、切削時間に基づいて前記工具の温度を演算し、前記記憶部に記憶された前記データから、演算された前記工具の温度における前記工具の熱膨張に関する情報を抽出することができるようになっており、
   前記制御部は、抽出された前記工具の熱膨張に関する情報にも基づいて前記工具の前記ワークの内面からの距離を補正する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の工作機械。
6. 前記工具ホルダの前記中空空間に設けられた非接触式温度計をさらに備え、
   前記非接触式温度計は、前記工具及び前記ワークの温度を計測するようになっており、
   前記制御部は、前記非接触式温度計により計測された前記工具及び前記ワークの温度に基づいて工具の熱膨張を特定し、
   前記制御部は、特定された前記工具の熱膨張にも基づいて前記工具の前記ワークの内面からの距離を補正する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の工作機械。
7. 前記制御部は、前記変位計にて計測されるべき前記ワークの内面との距離の理論値と、前記変位計により取得された前記ワークの内面との距離の実測値と、を対比して、これらのズレから工具の摩耗限界閾値を超えたと判断したときに、前記工具ホルダの回転を停止させるようになっている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の工作機械。
8. 前記制御部による補正前の前記駆動部による前記工具ホルダの制御位置を記憶する記憶部を備え、
   前記制御部は、前記工具ホルダの回転を停止させた後に工具を交換した情報を受取ると、前記記憶部から、前記工具ホルダの回転を停止させたときの前記補正前の前記駆動部による前記工具ホルダーの制御位置を読み込むようになっている、請求項７に記載の工作機械。
9. 前記駆動部の筐体に取り付けられ、前記ワークの内面に向けてエアーを吹き付ける吹付手段をさらに備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の工作機械。

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