JP2016175167A

JP2016175167A - 工作機械、その工具回転装置及び主軸熱変位補正方法

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Publication number: JP2016175167A
Application number: JP2015058837A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井; Takemi Asai
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2015-03-22
Filing date: 2015-03-22
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2035-03-22
Also published as: JP6553906B2

Abstract

【課題】工作機械、又はその工具回転装置において、より低コストで高性能な軸方向変位補正機能を奏する技術を提供する。【解決手段】回転軸に取り付けられ該回転軸により回転される工具を有する工具回転装置における回転軸の軸方向変位を非接触で検出する変位計を備え、該変位計の出力に対し、所定の１次遅れ要素１０、２０、３０の組み合わせにより、工具回転装置に起因する変位を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械、その工具回転装置及び主軸熱変位補正方法に関し、特に、回転工具を使用する切削及び研削・研磨を行う工作機械において工具回転軸の回転軸方向の熱変位を補正する装置及び方法に関する。尚、回転軸方向もしくは旋回軸方向とは、ある直線軸回りに、物体が回転する場合にその軸を回転軸方向と呼ぶように定義する。

一般に、回転工具を使用する切削等を行う工作機械においては、工具の回転速度など運転状態を変化させると回転モータや回転体を回転自由に支持する軸受の発熱状態及び軸受の接触角などが変化し、工具の刃先位置が変位してしまう。このうち、特に、発熱状態の変化については、変化からの整定時間が数十分からときに数時間と長くなりがちである（例えば、非特許文献１参照）。

そこで、従来、一般には、工具回転状態の変化から加工開始までの時間をとる、いわゆる暖機運転を行う、または、粗加工と仕上げ加工の回転数などを近いものにし、仕上げ加工には変位の影響が小さくなるような工夫をする等の対策が取られている。

一方、暖機運転などの時間を許容できない場合には、変位分を補正により抑制する方法が採用される（例えば、特許文献１参照）。即ち、この特許文献１記載の従来例（第１の従来例）では、工作機械の複数部位の温度と工作物の加工寸法を測定し、測定した複数部位の温度の変化と工作物の加工寸法の変化の相関関係を重回帰分析により求め、この重回帰分析により得られた相関関係値が所定値より高い工作機械の部位を選択し、選択された工作機械の部位の温度の変化と工作物の加工寸法の変化の関係式を重回帰分析から求め、この関係式から工作物の加工寸法を予測し、予測された工作物の加工寸法に基づいて工作機械の送り量を補正するようにしている。しかし現実には熱以外の要素でも変位することがありその変位成分については対処されない問題がある。また、工具軸に内蔵し回転体の変位を測定する非接触変位計も市販されており、工作機械によってはその様な変位計の出力をもとに自動で変位分をオフセットして補償する機能を有するものもある（第２の従来例）。

斉ほか，"主軸高速回転に伴う工作機械の熱変位の測定法"，精密工学会誌Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．３（１９９９）３９６．

特開平８−１４１８８３

しかしながら、例えば、上述した第２の従来例のように変位計を内蔵した工具軸回転装置においても、変位を内蔵する位置によっては、例えば、ヘッドの位置を基準にした回転体の変位を把握し処理することができるに過ぎず、そのようなヘッドを支える機構にも変位を生じる場合には、工作機械主軸回りの変位の正確な把握とその補正処理は困難であった。このため、工作機械主軸回りの変位の正確な把握とその補正処理も可能にする、より高性能な変位補償機能を奏する装置或いは方法の開発が待たれていた。

更に、上述した第２の従来例のように変位計を使用する場合、比較的大きな変位を生じる回転軸に関しては測定レンジの大きな変位計を使用しなければならず、補正の分解能も維持しようとすると、高分解能のアナログデジタル変換器（ＡＤＣｏｎｖｅｒｔｏｒ）が必要となるので、高コストとなるという問題があった。このため、より低コストで上記と同等の機能が得られる技術の開発が待たれていた。

本発明は、以上のような事情から為されたものであり、その目的は、工作機械向けの工具回転装置において、より低コストで高性能な軸方向変位補正機能を奏する技術を提供することにある。

本発明者は、上述した低コストで高性能な軸方向変位補正機能を奏する技術の可能性について様々な観点から鋭意研究した結果、変位のうち熱に関する部分が１次遅れ要素の直列結合のように作用することに着眼し、変位を計測した信号に対し、かかる１次遅れ要素の直列結合を用いた信号処理（後述する図１のブロック線図に示す）を施すことにより、高性能な軸方向の変位補正が可能となることを見出した。

即ち、本発明では、回転軸と、該回転軸に取り付けられ該回転軸により回転される工具とを有する工具回転装置と、該工具回転装置における前記回転軸の軸方向変位を非接触で検出する変位計を備え、該変位計の出力に対し、所定の１次遅れ要素の組み合わせにより、前記工具回転装置に起因する変位を推定するように構成されていることを特徴とする工作機械が得られる。

また、前記工作機械において、更に、前記変位計のプローブが対向する意図的に振れや穴を設けたターゲット部と、前記変位計の出力を変換するアナログデジタル変換機と、デジタルローパスフィルタを有するようにしても良い。

更に、本発明では、前記ターゲット部の意図的に設けた穴をバランス調整用に利用する工具回転装置として構成することも可能である。即ち、本発明の工具回転装置は、回転軸と、該回転軸の軸方向の変位を非接触で検出する変位計と、該変位計のプローブが対向する意図的に振れや穴を設けたターゲット部と、前記変位計の出力に対し所定の１次遅れ要素の組み合わせによる信号処理を行うデジタル乃至アナログの計算機、出力をデジタル変換するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、デジタルローパスフィルタを有する。

前記所定の１次遅れ要素の組み合わせによる信号処理は、デジタル変換した後に行っても良いことは言うまでもない。

また、振れや穴を設けたターゲット部を使用しないで、振れのないターゲット部を使用する構成も可能である。これにより、コストを無視することになるが、シンプルな構成を実現できる。

更に、前記変位計のターゲット部の穴を、ねじ穴にして止めねじを残す回転体のバランス調整用の穴として利用することもできる。ここで、「バランス調整用の穴として利用する」という意味について簡単に説明する。従来、研削装置の砥石フランジに設けた修正面に錘を取り付けることで、砥石の回転の不釣り合い（アンバランス）を修正することが行われている。例えば、研削装置の使用時、フランジに砥石を取り付ける際、その砥石を静バランス台に載せ、周方向に質量の不均一がある場合には重い（質量の大きい）側が遠心力により僅かに外側に来るように回るので、その不均一をキャンセルするようにフランジに修正用の錘を取り付けるようにしている。即ち、「バランス調整用の穴として利用する」とは、そのようなバランス調整の一形態として、フランジの周縁部に全周方向に沿って等間隔に複数の穴を設け、これら複数の穴のうち任意の穴にネジ等の修正用の錘を固定することで、その静的な不釣り合いを修正することを意味している。このように、本発明によれば、変位計のターゲットとなる部品に意図的な振れ成分及び穴を設け、ＡＤＣ入力後のデジタル信号に対しデジタルのローパスフィルタを設けることにより、ＡＤＣの分解能不足の補償への影響を低減できるが、この穴にネジ等の修正用の錘を固定することで、その静的な不釣り合いを修正する回転体のバランス調整用の穴として利用することもできる。

前記所定の１次遅れ要素の組み合わせによる信号処理及びデジタルローパスフィルタは演算に対応したＰＬＣや特別な信号処理ハードウェアを用意してもよいし、数値制御コンピュータ（ＣＮＣ）のソフトウェアプログラムにより構成しても良い。

尚、本発明は、必ずしも変位の補償をする必要はなく、変位の安定を推定する用途に利用しても良い。

本発明によれば、工作機械の工具回転装置において、回転状態変化後の軸方向の変位をより高精度にもしくは低コストに補正することができる。また、変位計のターゲットとなる部品に意図的な振れ成分及び穴を設け、アナログデジタル変換器に入力後のデジタル出力信号に対しデジタルのローパスフィルタを設けることにより、前記アナログデジタル変換器の分解能が不足することによる変位補償への影響を低減することができる。

変位信号に施す信号処理を表すブロック線図である。変位計ターゲットの加工例と変位計設置の例である。図２の変位計ターゲットとローパスフィルタの効果の例である。本発明の適用例を説明する図である。本発明の適用例を説明する図である。

まず、図１乃至図３を参照して、本発明の概要を説明する。本発明は、変位のうち熱に関する部分が１次遅れ要素の直列結合のように作用することを利用するものであり、変位を計測した信号に対し、かかる１次遅れ要素の直列結合を用いた信号処理（図１のブロック線図に示す）を施すことにより、高性能な軸方向の変位補正を可能とすることを特徴とする。図１は、本発明の特徴である信号処理、即ち、変位を表す信号に対して行う１次遅れ要素の直列結合を用いた信号処理を示すブロック線図、図２は、変位計のターゲットの加工例と変位計の設置例を示す図、図３は、図２の変位計ターゲットとローパスフィルタの効果を説明するための図である。

図１に示すように、本発明では、変位を表す信号ΔＺｓｅｎｓｅ（ｔ）に対して、１次遅れ要素の直列結合を用いた信号処理を行うことにより、処理結果を表す出力信号ΔＺｅｓｔ（ｔ）を得る。尚、図１中の係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４は、熱変位に対する補正係数であり、これらＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４の一部は０にすることも可能である。また、図１に示す例では、３段の信号処理システムを構成しているが、更に多段に構成しても良い。また補正係数は正の値である必要はない。

また、本発明では、変位計により熱変位を計測するターゲットには、工作物（加工物）であれば制約は無いが、図２（a）に示すように、変位計のターゲットに加工を施すのが好適である。即ち、図２（a）に示す例では、変位計のターゲットである環状の工作物３００の外縁部に周方向に沿って等間隔に複数の穴２９９を加工している。このターゲットである環状の工作物３００を図２（c）に示すように設置し、これに対し変位計のプローブ３０１を同図に示すように設ける。図２（c）には、本発明が適用される工作機械の主軸まわりの断面の上側半分が示されており、工具クランプ装置３１１、変位計のプローブ３０１、及び環状の工作物３００の図２（a）における矢視Ａ−Ａ断面等が示されており、工具クランプ装置３１１の左側に工具を固定して工具回転を行う機構部部分を含んでいる。

同図に示すように、変位計は、そのプローブ３０１が環状の工作物３００の穴２９９の位置に対応するように設置されている。変位計のプローブ３０１には、センサケーブル３０１cを介して、図２（b）に示すように、コントローラ３０２、アナログ入力モジュール３０３、プログラマブルコントローラ３０４が接続されており、最終段のプログラマブルコントローラ３０４は、更に、数値制御コンピュータ（ＣＮＣ）１０７に接続されている。そして、変位計のプローブ３０１の検出した信号は、コントローラ３０２で電圧に変換されて出力され、更に、アナログ入力モジュール３０３によってデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、プログラマブルコントローラ３０４に入力されると、プログラマブルコントローラ３０４のプログラムでデジタルフィルタを通過し、信号処理が行われる。プログラマブルコントローラ３０４で信号処理までされた値をＣＮＣ１０７に転送し、作業者（図示せず）に通知もしくは通知せずに自動で工作機械のＺ軸方向にオフセットを与え、これにより、Ｚ軸方向の変位分の補正が完了する。

尚、ターゲットである環状の工作物３００において、変位計のプローブ３０１が対向する部分に、意図的に穴２９９を設け、また、ターゲット３００と変位計の出力を変換するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）とデジタルローパスフィルタを設けることにより、後述するＡＤＣの分解能不足に起因する補償への影響を低減することができる。このように、本発明では、変位計のターゲットとなる部品に意図的な振れ成分及び穴を設け、ＡＤＣ入力後のデジタル信号に対しデジタルのローパスフィルタを設けることにより、ＡＤＣの分解能不足の補償への影響の低減を図る。穴の並ぶ位置はプローブの対向する範囲にずれなく配置しても良いし、ずらしても良い。大きくずらして僅かな信号変化が変位計出力に現れる程度とすることでローパスフィルタの設計は楽になる。

図３は、多少の振れ成分がある信号と全く振れ成分のない信号をローパスフィルタ（ＬＰＦ）に通過させた様子を表す。図３（a）は、ノイズのみを表し、図３（b）は、制御された振れ成分とノイズを加算した信号がＬＰＦを通過した場合を表している。このように、意図的な振れ成分とローパスフィルタの組み合わせは分解能不足を隠す効果がある。

以上に述べた本発明によれば、工作機械の工具回転装置において、回転状態の変化後の軸方向の変位をより高精度にもしくは低コストに補正して使用することができる。

以下、図４及び図５を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の工作機械１００は、図４に示すように、各軸の駆動を司るモータドライバ１０１，１０２，１０３，１０４，１０５と、これらモータドライバ１０１，１０２，１０３，１０４，１０５のドライバをそれぞれ制御すると共に各軸の回転数、送り速度等を数値制御するＣＮＣ（コンピュータ数値制御）装置１０７を備えており、このＣＮＣ（コンピュータ数値制御）装置１０７には、その数値制御のためのデータ（加工物の諸元）を、例えば対話形式で入力することが可能な加工プログラムが内蔵されている。即ち、本実施形態の工作機械１００は、図５に示すように、直動Ｘ−Ｙ−Ｚの３軸方向と、回転Ａ及びＣの２（軸）方向（図示せず）から成る５軸の制御が可能であり、工具回転装置１２１を固定された軸頭１２２をＸ軸方向に駆動するモータドライバ１０１、Ｙ軸方向に駆動するモータドライバ１０２，Ａ軸方向に旋回駆動するモータドライバ１０２，ワークテーブル１１２をＺ軸方向に駆動するモータドライバ１０３、Ａ軸（Ｘ軸回り）に回転駆動するモータドライバ１０４、及びＣ軸（Ｚ軸回り）に回転駆動するモータドライバ１０５と、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）装置１０７を備えており、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）装置１０７が、所定の加工プログラムに従って、モータドライバ１０１〜１０５を各軸方向に駆動制御すること等によって、ワークＷが所望の形状に加工され得る。尚、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）装置１０７は、工具の回転速度も制御可能であることは言うまでもない。

この工作機械１００は、例えば、図５のような構造を持ち工具回転軸２０１とＺ軸方向２０２が平行になるように構成されている。各モータドライバはＸ軸モータ１１１，Ｙ軸モータ１１２，Ｚ軸モータ１１３，Ａ軸モータ１１４，Ｃ軸モータ１１５に接続されている。各モータには回転を検出する検出器（図示せず）が設けられており、また必要な精度に応じて各軸に対し角度及び変位の検出器（図示せず）が設けられサーボ制御を行うことができるようになっている。以上の構成を備える工作機械１００は、上述したように、更に、工具回転装置１２１について、工具回転軸２０１と、その回転軸方向の変位を非接触で検出することができるプローブ３０１（図２参照）を含む変位計を有し、変位計の出力に対し図１に示す１次遅れ要素の組み合わせにより、工具回転装置１２１に起因する変位を推定することができる。尚、図５の例では、工具として砥石２０９を有している。

工具回転装置１２１には、図２に示す変位測定用の装置（変位計）のプローブ３０１を内蔵し、その信号はプローブの検出する信号を電圧として出力するコントローラ３０２（図２参照）で電圧に変換した後、アナログ入力モジュール３０３によってデジタル信号に変換する。デジタル信号はプログラマブルコントローラ３０４のプログラムでデジタルフィルタと信号処理とを行う。そして、プログラマブルコントローラ３０４で信号処理までされた値をＣＮＣ１０７に転送し、作業者（図示せず）に通知もしくは通知せずに自動で図５に示すＺ軸方向にオフセットを与える。これにより、Ｚ軸方向の変位分の補正が完了する。

２０１回転軸、２０９工具（砥石）、１２１工具回転装置、
３０１変位計のプローブ、１０、２０、３０１次遅れ要素、
１００工作機械、３００ターゲット（環状の工作物）、２９９穴、
３０３アナログデジタル変換機（アナログ入力モジュール）、
３０４プログラマブルコントローラ（デジタルローパスフィルタ）

Claims

回転軸と、該回転軸に取り付けられ該回転軸により回転される工具とを有する工具回転装置と、該工具回転装置における前記回転軸の軸方向変位を非接触で検出する変位計を備え、該変位計の出力に対し、所定の１次遅れ要素の組み合わせにより、前記工具回転装置に起因する変位を推定するように構成されていることを特徴とする工作機械。
請求項１の工作機械に対し、変位計の測定対象であるターゲットにおける当該変位計のプローブが対向する部分に、意図的に振れや穴を設け、ターゲット部と変位計の出力を変換するアナログデジタル変換機と、デジタルローパスフィルタを追加したことを特徴とする工作機械。
請求項２のターゲットの意図的に設けた穴をバランス調整用に利用することを特徴とする工具回転装置。