JP2021094627A

JP2021094627A - 工作機械の熱変位補正方法

Info

Publication number: JP2021094627A
Application number: JP2019226304A
Authority: JP
Inventors: 国利宮崎; Kunitoshi Miyazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-24

Abstract

【課題】簡単な構成で熱変位の補正が可能な工作機械の熱変位補正方法を提供することを課題とする。【解決手段】第１マスタは駆動部および第２マスタに比べて熱膨張しにくく、プローブを用いて、第１の温度における被加工物の寸法である第１の寸法を測定する工程と、プローブを用いて第１の温度における第１マスタの寸法である第２の寸法を測定する工程と、第２の寸法、および第２の温度における第１マスタの寸法である第３の寸法に基づいて、被加工物の第１の寸法における前記駆動部の熱膨張の影響を補正し、第４の寸法を取得する工程と、第１の温度および前記第２の温度における第２マスタの寸法に基づき、第１の温度と前記第２の温度との間の温度変化量を取得する工程と、温度変化量に基づいて前記第４の寸法における被加工物の熱膨張の影響を補正し、第２の温度における被加工物の寸法を取得する工程と、を有する工作機械の熱変位補正方法。【選択図】図１

Description

本発明は工作機械の熱変位補正方法に関する。

工作機械の駆動部およびワークの熱膨張によって寸法に誤差が発生し、ワークの正確な加工が困難になる。インバー材によって駆動部の熱膨張を補正し、温度センサでワークの温度を測定することで熱膨張を補正する技術がある（例えば特許文献１）。

特開２００６−２１２７６５号公報

しかし従来の技術は温度センサを含むなど、複雑な構成である。そこで、簡単な構成で熱膨張の影響を補正して正確な寸法を得ることが可能な工作機械の熱変位補正方法を提供することを目的とする。

上記目的は、駆動部に取り付けられたプローブと、治具に取り付けられた第１マスタおよび第２マスタと、を具備し、治具に取り付けられた被加工物を加工する工作機械における熱変位補正方法であって、前記第１マスタは前記駆動部および前記第２マスタに比べて熱膨張しにくく、前記プローブを用いて、第１の温度における前記被加工物の寸法である第１の寸法を測定する工程と、前記プローブを用いて前記第１の温度における前記第１マスタの寸法である第２の寸法を測定する工程と、前記第２の寸法、および第２の温度における前記第１マスタの寸法である第３の寸法に基づいて、前記被加工物の前記第１の寸法における前記駆動部の熱膨張の影響を補正し、第４の寸法を取得する工程と、前記第１の温度および前記第２の温度における前記第２マスタの寸法に基づき、前記第１の温度と前記第２の温度との間の温度変化量を取得する工程と、前記温度変化量に基づいて前記第４の寸法における前記被加工物の熱膨張の影響を補正し、前記第２の温度における前記被加工物の寸法を取得する工程と、を有する工作機械の熱変位補正方法によって達成できる。

簡単な構成で熱膨張の影響を補正して正確な寸法を得ることが可能な工作機械の熱変位補正方法を提供できる。

図１は第１実施形態に係る工作機械を例示する模式図である。図２は補正方法を例示するフローチャートである。図３は第２実施形態に係る工作機械を例示する模式図である。図４は第３実施形態に係る工作機械を例示する模式図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の熱変位補正方法について説明する。図１は第１実施形態に係る工作機械１００を例示する模式図であり、治具２４付近を拡大している。図１に示すように、工作機械１００は制御部１０、駆動部１１、主軸２０、プローブ２２、治具２４、マスタ３０および３２を有する。

制御部１０は例えばＣＰＵなどの演算装置、記憶装置などを含むコンピュータであり、駆動部１１および供給部２５を制御し、かつ後述の補正処理を行う。供給部２５は例えばクーラントが流れる通路およびノズルなどを含み、被加工物２６にクーラントを供給する。

駆動部１１はサーボモータ１２および１６、ボールねじ１４および１８を有する。ボールねじ１４および１８は例えば金属で形成され、治具２４上に位置し、それぞれに不図示のナットが螺合されている。ボールねじ１４はＸ軸方向に延伸し、サーボモータ１２に連結されている。ボールねじ１８はＹ軸方向に延伸し、サーボモータ１６に連結されている。Ｘ軸方向のうち一方を＋Ｘ方向、反対側を−Ｘ方向とする。Ｙ軸方向のうち一方を＋Ｙ方向、反対側を−Ｙ方向とする。

主軸２０はＺ軸方向に延伸し、ボールねじ１４および１８に連結されている。サーボモータ１２が駆動しボールねじ１４が回転することで主軸２０はＸ軸方向に移動し、サーボモータ１６が駆動しボールねじ１８が回転することでＹ軸方向に移動する。図１に示すように主軸２０の下側の先端にプローブ２２が取り付けられている。プローブ２２は主軸２０とともに移動し、被加工物２６およびマスタなどに接触し、これらの寸法を測定する。主軸２０にはプローブ２２に代えて不図示の刃具などを取り付けることができる。主軸２０によって刃具を回転させ、被加工物２６に接触させることで、被加工物２６を加工することができる。

治具２４は例えば矩形の板であり、Ｘ軸方向に延伸する辺およびＹ軸方向に延伸する辺を有する。治具２４の表面には被加工物２６が固定される。被加工物２６は例えば金属などで形成されている。

治具２４の側面それぞれにマスタ３０および３２が取り付けられる。マスタ３０は例えばインバー材などで形成され、極めて熱膨張しにくい。マスタ３２は例えばアルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）などの金属で形成される。マスタ３２、被加工物２６、ボールねじ１４および１８の線膨張係数は、マスタ３０の線膨張係数よりも大きい。マスタ３２の線膨張係数α１および被加工物２６の線膨張係数α２はともに既知である。

治具２４のＸＺ平面に配置されたマスタ３０および３２はＸ軸方向に延伸する。マスタ３０の−Ｘ側の端部付近に穴３１ａが設けられ、＋Ｘ側の端部付近に穴３１ｂが設けられている。マスタ３２の−Ｘ側の端部付近に穴３３ａが設けられ、＋Ｘ側の端部付近に穴３３ｂが設けられている。穴３１ａ、３１ｂ、３３ａおよび３３ｂはＺ軸方向に延伸する。

２つの穴３４は、マスタ３０および３２の−Ｘ側の端部付近に設けられ、Ｙ軸方向に延伸し、マスタ３０および３２を貫通する。穴３４にボルトなどを挿入することでマスタ３０および３２を固定する。マスタ３０および３２の＋Ｘ側端部の付近は固定されない。マスタ３０および３２は治具２４に拘束されていないため、治具２４の熱膨張の影響を受けにくい。マスタ３０および３２の＋Ｘ側の端部はそろっていない。基準温度（第２の温度）におけるマスタ３０の穴３１ａと穴３１ｂ間の寸法Ｌ３、マスタ３２の穴３３ａと穴３３ｂ間の寸法Ｌ７はそれぞれ既知の値である。

被加工物２６を加工する際、供給部２５からのクーラントの供給などにより、温度は基準温度とは異なる温度に変化する。温度変化によってボールねじ１４および１８、被加工物２６が熱膨張する恐れがある。被加工物２６を正確に加工するためには、熱変位の影響を補正して正確な寸法を得ることが重要である。

図２は補正処理を例示するフローチャートであり、被加工物２６の加工前に補正処理が行われる。ここではＸ軸方向の寸法の補正を例とするが、Ｙ軸方向の寸法についても同様に補正処理を行う。治具２４上の温度は基準温度ｔ２とは異なる温度ｔ１（第１の温度）にあるものとする。

図２に示すように、制御部１０は駆動部１１を用いてプローブ２２を移動させ、被加工物２６の端部に接触させ、被加工物２６のＸ軸方向の長さ（寸法Ｌ１、第１の寸法）を測定する（ステップＳ１０）。さらにマスタ３０の穴３１ａおよび３１ｂの内壁にプローブ２２を接触させ、穴３１ａおよび穴３１ｂそれぞれの中心の座標を取得し、穴３１ａ〜３１ｂ間の寸法Ｌ２（第２の寸法）を測定する（ステップＳ１２）。

測定で得られる被加工物２６の寸法Ｌ１は、基準温度ｔ２における寸法Ｌ８に、ボールねじ１４の熱膨張および被加工物２６の熱膨張の影響が加わったものである。制御部１０は、温度ｔ１におけるマスタ３０の寸法Ｌ２、および基準温度ｔ２における寸法Ｌ３（第３の寸法）を用いて、寸法Ｌ１に対するボールねじ１４の熱膨張の影響を補正し、寸法Ｌ４（第４の寸法）を取得する（ステップＳ１４）。マスタ３０は熱膨張しにくいが、ボールねじ１４はマスタ３０に比べて熱膨張しやすい。ボールねじ１４の熱膨張は、マスタ３０の２つの温度における寸法Ｌ２およびＬ３間の変化に影響する。これらの比Ｌ３／Ｌ２を用いて寸法Ｌ１に対するボールねじ１４の熱膨張の影響を補正する。具体的には、以下の数１のように、寸法Ｌ１とＬ３／Ｌ２との積として寸法Ｌ４を得る。

制御部１０はプローブ２２を用いてマスタ３２の穴３３ａ〜３３ｂ間の寸法Ｌ５を測定する（ステップＳ１６）。制御部１０は、温度ｔ１におけるマスタ３０の寸法Ｌ２、および基準温度ｔ２における寸法Ｌ３を用いて、寸法Ｌ５に対するボールねじ１４の熱膨張の影響を補正し、寸法Ｌ６を取得する（ステップＳ１８）。具体的には、以下の数２のように、寸法Ｌ５とＬ３／Ｌ２との積として寸法Ｌ６を得る。

補正後の寸法Ｌ６と寸法Ｌ７との間の変化量Ｌ６−Ｌ７は、温度ｔ１〜ｔ２間におけるマスタ３２の熱膨張量に対応する。そこで制御部１０は、下記の数３に示すように、マスタ３２の寸法の変化量Ｌ６−Ｌ７と基準温度ｔ２における寸法Ｌ７との比を、マスタ３２の線膨張係数α１で割ることにより、温度ｔ１と基準温度ｔ２との間の温度変化量Δｔを算出する（ステップＳ２０）。

制御部１０は、被加工物２６の寸法Ｌ４に対する被加工物２６の熱膨張の影響を補正し、寸法Ｌ８を取得する（ステップＳ２２）。具体的には、以下の数４のように、被加工物２６の線膨張係数α２と温度変化量Δｔとの積を含む係数で、寸法Ｌ４を割ることで寸法Ｌ８を算出する。

以上で補正の処理は終了する。工作機械１００は補正後の寸法Ｌ８に基づき、被加工物２６を加工する。被加工物２６の寸法は一端から他端までの長さとしたが、他の部位の寸法でもよい。

第１実施形態によれば、温度センサを用いずに、ボールねじ１４および被加工物２６それぞれの熱膨張の影響を補正する。したがって簡単な構成で被加工物２６の基準温度における正確な寸法Ｌ８を得ることができる。詳細には、マスタ３０の寸法Ｌ２およびＬ３を用いて、被加工物２６の寸法Ｌ１に対するボールねじ１４の熱膨張の影響を補正し、寸法Ｌ４を得る（図２のステップＳ１０〜Ｓ１４）。

マスタ３０に比べて熱膨張しやすいマスタ３２の２つの温度における寸法Ｌ６およびＬ７に基づき温度変化量Δｔを得る（ステップＳ１６〜Ｓ２０）。温度変化量Δｔに基づき、寸法Ｌ４における被加工物２６の熱膨張の影響を補正し、正確な寸法Ｌ８を得る（ステップＳ２２）。寸法Ｌ８に基づき工作機械１００を用いて被加工物２６を精度高く加工することができる。

被加工物２６、マスタ３０および３２は治具２４に取り付けられるため、これらは同じ雰囲気中にある。クーラントの供給などで被加工物２６の温度が変化する際、マスタ３０および３２の温度が被加工物２６の温度と同程度になる。つまりマスタ３２の寸法から得られる温度変化量Δｔは、被加工物２６の温度変化量と同程度である。したがって温度変化量Δｔに基づいて被加工物２６の寸法を補正することができる。なお、温度変化によって寸法と同様に位置も変化することがある。第１実施形態の補正処理により、寸法だけでなく位置の補正を行ってもよい。

マスタ３０はボールねじおよびマスタ３２に比べて極めて熱膨張しにくく、例えばインバー材で形成されてもよいし、インバー材以外の低膨張材で形成されてもよい。マスタ３２に比べて極めて熱膨張しにくいマスタ３０の寸法を用いることで、ボールねじ１４の熱変位による誤差を補正した寸法Ｌ４を得ることができる（図２のステップＳ１０〜Ｓ１４）。

マスタ３２はマスタ３０よりも熱膨張しやすい材料で形成される。マスタ３２の寸法の変化量Ｌ６−Ｌ７を用いて温度変化量Δｔを得ることができる（ステップＳ２０）。マスタ３２は被加工物２６と同じ材料で形成されることが好ましい。マスタ３２の線膨張係数が被加工物２６の線膨張係数に等しいため、補正の精度が向上する。

上記の例では被加工物２６がＡｌなどの金属などで形成され、被加工物２６の線膨張係数は既知であるとした。被加工物２６が複合材で形成され、線膨張係数が不明なこともある。また被加工物２６が温度変化に対して線形に熱膨張しないこともある。こうした場合、あらかじめ被加工物２６の寸法の変化を複数の温度で測定し、温度に対する寸法変化の比率を求めておく。図２のステップＳ２０で温度変化量Δｔに基づき被加工物２６の温度が得られる。温度と被加工物２６の寸法変化の比率から基準温度での寸法Ｌ８を得ることができる。

図１に示すようにＸ軸方向において、マスタ３０の穴３１ａの位置は、マスタ３０の穴３３ａの位置と同じである。一方、穴３１ｂの位置は穴３３ｂの位置とは異なる。マスタ３０の寸法Ｌ２から穴３１ｂと穴３３ｂとの間の距離を減算することで、マスタ３２の寸法Ｌ５を算出してもよい。プローブ２２の位置合わせの工程を省くことができる。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係る工作機械２００を例示する模式図である。図３に示すようにマスタ３２の下にマスタ３０が配置され、マスタ３２の穴３３ａとマスタ３０の穴３１ａとはＺ軸方向において重なる。穴３１ｂは穴３３ｂに重ならず、マスタ３２の外に露出する。マスタ３０および３２はそれぞれ−Ｘ側で治具２４に固定されている。他の構成は図１の例と同じである。

第２実施形態においても図２の補正処理を行う。この結果、ボールねじ１４および被加工物２６の熱膨張の影響を補正し、被加工物２６の基準温度における正確な寸法Ｌ８を得ることができる。図３に示すように穴３１ａと穴３３ａとは同じ位置にあるため、マスタ３０および３２の寸法の測定工程を一部共通化することができる。このため処理が簡略化される。

（第３実施形態）
図４は第３実施形態に係る工作機械３００を例示する模式図である。図４に示すようにマスタ３２の下にマスタ３０が配置される。工作機械３００はプレート４０を有する。プレート４０は例えば金属で形成されたＬ字型の板である。プレート４０は穴４２に挿入されるボルトなどで、治具２４のうちマスタ３０および３２が配置される面に取り付けられる。マスタ３０および３２の一端は溶接などでプレート４０に固定される。他の構成は図３の例と同じであり、穴３１ａと穴３３ａとは重なる。

第３実施形態においても図２の補正処理を行う。穴３１ａと穴３３ａとは同じ位置にあるため、マスタ３０および３２の寸法の測定工程を一部共通化することができる。このため処理が簡略化される。補正処理により、ボールねじ１４および被加工物２６の熱膨張の影響を補正し、被加工物２６の基準温度における正確な寸法Ｌ８を得ることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０制御部
１１駆動部
１２、１６サーボモータ
１４、１８ボールねじ
２０主軸
２２プローブ
２４治具
２５供給部
２６被加工物
３０、３２マスタ
３０ａ、３２ａ、４０ａ面
３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４、４２穴
４０プレート
１００、２００、３００工作機械

Claims

駆動部に取り付けられたプローブと、治具に取り付けられた第１マスタおよび第２マスタと、を具備し、治具に取り付けられた被加工物を加工する工作機械における熱変位補正方法であって、
前記第１マスタは前記駆動部および前記第２マスタに比べて熱膨張しにくく、
前記プローブを用いて、第１の温度における前記被加工物の寸法である第１の寸法を測定する工程と、
前記プローブを用いて前記第１の温度における前記第１マスタの寸法である第２の寸法を測定する工程と、
前記第２の寸法、および第２の温度における前記第１マスタの寸法である第３の寸法に基づいて、前記被加工物の前記第１の寸法における前記駆動部の熱膨張の影響を補正し、第４の寸法を取得する工程と、
前記第１の温度および前記第２の温度における前記第２マスタの寸法に基づき、前記第１の温度と前記第２の温度との間の温度変化量を取得する工程と、
前記温度変化量に基づいて前記第４の寸法における前記被加工物の熱膨張の影響を補正し、前記第２の温度における前記被加工物の寸法を取得する工程と、を有する工作機械の熱変位補正方法。