JP5851436B2 - 加工装置及び加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械加工において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な加工装置及び加工方法に関するものであり、特に、加工時の切削抵抗もしくは研削抵抗などの加工負荷に起因する加工ずれ等を補正する手段を備えた高精度な加工装置及び加工方法に関するものである。

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、その影響で加工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していたため、加工時間が長くなるという課題があった。

そこで、この課題を解決するために、例えば、特許文献１の高精度加工装置では、加工負荷として加工工具を回転させる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を測定、測定結果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。

特開２０００−２８０１１２号公報

しかしながら、特許文献１の高精度加工装置においては、機械加工時の加工負荷の変化がワーク高さの変化によるものなのか、削り代の変化によるものなのかを区別できないという問題があり、このため、加工時における工具の撓み量を正確に推定することができず、加工後の形状精度には限界があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、加工条件から決まる加工工具がワークに接触する長さを考慮した削り代の変化だけによる加工工具の撓み量を推定することにより、より高精度な形状精度を得ることができる高精度な加工装置及び加工方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の加工装置は、被加工物であるワークを保持するワークスピンドルと、加工工具を保持するとともに前記加工工具を回転させる工具スピンドルと、前記ワークの被加工面に対する前記工具スピンドルの回転軸の角度を調整するアクチュエータと、前記ワークの粗加工を行う加工時に前記工具スピンドルに供給される電気量を計測する計測器と、前記電気量と前記加工工具の前記ワークに対する当接長に依存する前記加工工具の撓み量との相関データが記憶された記憶部と、前記記憶部に記憶された前記相関データに基づいて、前記加工工具の撓み量を推定し、前記加工工具の撓み量によって生じる前記ワークの被加工面の角度ずれを相殺できるように前記ワークの被加工面に対する前記工具スピンドルの回転軸の角度データを演算する演算部と、前記ワークの仕上げ加工を行う加工時に、前記演算された前記工具スピンドルの回転軸の角度データに基づいて、前記アクチュエータを駆動させることにより前記工具スピンドルの回転軸の角度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の加工方法は、ワークスピンドルに保持された被加工物であるワークの被加工面に対して加工工具が保持された工具スピンドルの回転軸の位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記工具スピンドルに供給される電気量を計測しながら、前記加工工具にて前記ワークの粗加工を行う加工工程と、前記粗加工の加工工程において、前記電気量と前記加工工具の前記ワークに対する当接長に依存する前記加工工具の撓み量との相関データから前記加工工具の撓み量を推定する撓み量推定工程と、前記加工工具の撓み量によって生じる前記ワークの被加工面の角度ずれを相殺できるように前記ワークの被加工面に対する前記工具スピンドルの回転軸の角度を調整し、前記加工工具にて前記ワークの仕上げ加工を行う加工工程と、からなることを特徴とするものである。

本発明の加工装置及び加工方法によれば、工具スピンドルに供給される電気量を計測する計測器を備えており、加工工具のワークに対する当接長と電気量に依存する加工工具の撓み量との相関データから加工時の加工工具の撓み量を推定し、ワークの被加工面の角度ずれが相殺されるようにワークの被加工面に対する工具スピンドルの回転軸の角度を調整することにより、より高精度な形状精度を得ることができる。

実施の形態１に係る高精度加工装置の概略の構成を示す斜視図である。 実施の形態１に係る高精度加工装置の動作を説明するための上面図である。 実施の形態１に係る高精度加工装置の要部側面図である。 実施の形態１における加工負荷に対する加工工具の撓みの状態を示す図である。 実施の形態１におけるスピンドル電流と加工工具の撓み量との相関関係（その１）を示す図である。 実施の形態１におけるスピンドル電流と加工工具の撓み量との相関関係（その２）を示す図である。 実施の形態１における加工工具のワークに対する当接長と加工工具の撓み量の変化率との相関関係を示す図である。 実施の形態１に係る加工方法の作業手順を示すフローチャートである。 実施の形態１における工具スピンドルの回転軸の角度と変位センサの変位量との関係を示す図である。 実施の形態１におけるワークの被加工面の角度ずれを補正するため工具スピンドルの回転軸の角度を変化させた状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る加工装置及び加工方法について図１〜図１０を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る加工装置本体部の概略の構成を示す斜視図であり、図２は、加工装置の概略を示す上面図であり、図３は、加工装置本体部の要部側面図である。また、図４は、加工負荷に対する加工工具の撓みの状態を示す図である。図５は、スピンドル電流と加工工具の撓み量との相関関係（その１）を示す図であり、図６は、スピンドル電流と加工工具の撓み量との相関関係（その２）を示す図である。図７は、加工工具のワークに対する当接長と加工工具の撓み量の変化率との相関関係を示す図である。図８は、実施の形態１に係る加工方法の作業手順を示すフローチャートである。図９は、工具スピンドルの角度と変位センサの変位量との関係を示す図である。図１０は、ワークの被加工面の角度ずれを補正するため工具スピンドルの回転軸の角度を変化させた状態を示す図である。

図１に示すように、加工装置本体部１は、被加工物であるワーク２を保持するワークスピンドル３と、ワークスピンドル３をＹ軸方向に移動させるＹ軸移動台４と、加工工具５を保持するとともに加工工具５を回転軸６Ｃを中心にして回転させる工具スピンドル６と、工具スピンドル６を支える工具スピンドルホルダ７と、工具スピンドルホルダ７を載置し、Ｘ軸面上で旋回可能な旋回台８と、旋回台８をＸ軸方向に移動させるＸ軸移動台９と、旋回台８をボールネジ１０を介して旋回駆動させるアクチュエータであるモータ１１と、Ｘ軸移動台９に設けられ、旋回台８を旋回させる旋回ガイド１２（１２ａ，１２ｂ）と、旋回台８の変位量を検出する変位センサ１３と、旋回台８をＺ軸方向に移動させるＺ軸移動台１４と、旋回台８とＸ軸移動台９およびＺ軸移動台１４を載置する架台１５と、により構成されている。

また、図２に示すように、加工装置１００には、工具スピンドル６に供給される電気量である電流Ｉ（以下、スピンドル電流と称する。）を計測する電流計１９と、加工工具５のワーク２に対する当接長Ｌ１とスピンドル電流Ｉに依存する加工工具の撓み量δとの相関データが記憶された記憶部１６と、ワーク２の粗加工を行う加工時における加工工具の撓み量δを推定し、ワーク２の被加工面２Ｓの角度ずれ（直角度α）が相殺されるようにワーク２の被加工面２Ｓに対する工具スピンドル６の回転軸６Ｃの角度θを演算する演算部１７と、ワーク２の仕上げ加工を行う加工時に、演算された工具スピンドル６の回転軸６Ｃの角度θに基づいて、モータ１１による工具スピンドル６の回転軸６Ｃを角度θに制御する制御部１８と、電流計１９により計測されたスピンドル電流Ｉを変換する電流信号変換部２０と、変位センサ１３により計測された旋回台８の変位量を変換する変位量信号変換部２１と、からなる制御装置５０と、により構成され、さらに、負荷に応じて工具スピンドル６の回転速度、トルクを調整するため必要な電気量を供給するインバータ６０が接続されている。

加工時において、ワーク２は、ワークスピンドル３に固定され、回転軸３Ｃを中心にして回転される。また、加工工具５は、インバータ６０により工具スピンドル６を介して回転軸６Ｃを中心にして回転される。ワーク２に対して加工工具５をＸ軸移動台９、Ｙ軸移動台４、Ｚ軸移動台１４を使って、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に相対的に移動させることで、ワーク２を任意の形状に加工することができる。工具スピンドルホルダ７が載置された旋回台８の下には、旋回ガイド１２ａ，１２ｂが配置されている。この旋回ガイド１２は、加工点Ａを通るＹ軸方向の軸を中心とする円弧の形状をしている。モータ１１を駆動させることで、ボールネジ１０を介して旋回台８が旋回され、工具スピンドルホルダ７が旋回ガイド１２ａ，１２ｂに沿って回転し、これによりワーク２に対して工具スピンドル６の回転軸６Ｃを角度θにＸ軸面上で調整される。

次に、図４に示す加工負荷に対する加工工具の撓みの状態を示す図を用いて、加工時における加工負荷Ｆと加工工具の撓み量δとの関係について説明する。加工中、加工工具５上の加工点Ａに加工負荷Ｆが加わっている。加工工具の長さをＬ、加工工具５の先端から加工点Ａまでの距離（以下、加工工具のワークに対する当接長と称する。）をＬ１、ＬとＬ１との差をＬ２とする。加工工具５の縦弾性係数をＥ、断面二次モーメントをＭとすると、加工工具の撓み量δは、片持ち梁における撓みの式（１）から
δ＝Ｆ×Ｌ２^３／（３×Ｅ×Ｍ）×（１＋（３×Ｌ１）／（２×Ｌ２）） ・・（１）
と表すことができる。ここで、Ｌ１、Ｌ２は加工条件により、Ｅは加工工具５の材質により、Ｍは加工工具５の断面形状により、決まる数値である。これより、加工工具５の撓み量δは加工負荷Ｆに比例することが分かる。

ここで、加工負荷Ｆが変動する主な要因としては、ワーク２とワークスピンドル３の芯ズレに起因するワーク２の振れや、加工工具５と工具スピンドル６との芯ズレに起因する加工工具５の振れ、加工前のワーク２の形状精度や加工に伴う加工工具５の状態の変化が挙げられる。このような要因で加工負荷Ｆが変動すれば、加工工具５の撓み量δも変動する。その結果、加工されたワーク２の被加工面２ＳのＹ軸に対する直角度の精度（目的とする被加工面２Ｄに対して直角度αを持った被加工面２Ｓとなる。）が悪化する。さらに、ワーク２の被加工面２Ｓの外周上の位置により加工負荷Ｆが変動することで、加工中の加工工具５の撓み量δが変動する。その結果、加工する位置によりワーク２の被加工面２Ｓの直角度αが変化し、ワーク２の被加工面２Ｓにうねりが生じる。

続いて、変化する加工負荷Ｆに応じて工具スピンドル６の回転軸６ＣのＸ軸面上での旋回量（角度θ）を調整することで、ワーク２の被加工面２Ｓの直角度αを補正する加工方法について説明する。しかし、加工負荷Ｆを加工中に直接測定することは困難であるので、加工負荷Ｆと相関関係があるスピンドル電流Ｉを計測し、加工工具５の撓み量δに相当するワーク２の被加工面２Ｓの直角度αを推定する方法について説明する。

まず、加工中のスピンドル電流Ｉと、加工工具の撓み量δ（ワーク２の被加工面２Ｓの直角度αに相当する。）との相関関係を調べた結果を図５、図６に示す。図５に、加工工具のワークに対する当接長Ｌ１を１５．２ｍｍとした場合のスピンドル電流Ｉ（Ａ）と加工工具の撓み量δ（μｍ）との関係を、図６に、加工工具のワークに対する当接長Ｌ１を３４．２ｍｍとした場合のスピンドル電流Ｉ（Ａ）と加工工具の撓み量δ（μｍ）との関係を示す。これらのグラフより、削り代の変化や砥石状態の変化によりスピンドル電流Ｉ（Ａ）が変化し、スピンドル電流Ｉ（Ａ）に比例して加工工具の撓み量δ（μｍ）が変化している。また、これら２つのグラフを比較することで、加工工具のワークに対する当接長Ｌ１によって、スピンドル電流の単位電流（Ａ）当たりの加工工具の撓み量の変化率δ／Ｉ（μｍ／Ａ）（被加工面２Ｓの直角度の変化率に相当する。）が異なっている、つまり、グラフの傾きが異なっている。このことは、図７に示すように、加工工具の撓み量の変化率δ／Ｉ（μｍ／Ａ）が、加工工具のワークに対する当接長Ｌ１（ｍｍ）に依存していることを意味している。

つまり、加工工具の撓み量の変化率δ／Ｉ（μｍ／Ａ）と、被加工面２Ｓの外周上のそれぞれの位置におけるスピンドル電流Ｉ（Ａ）を乗算することで、ワーク２の被加工面２Ｓの外周上での加工位置における加工面の直角度αを推定することができる。例えば、加工工具のワークに対する当接長Ｌ１が２５ｍｍの場合、加工工具の撓み量の変化率δ／Ｉは、１．９μｍ／Ａである。したがって、ある加工位置におけるスピンドル電流Ｉが３Ａであれば、この位置での被加工面の直角度α（＝δ）は、５．７μｍであると推定することができる。

次に、本実施の形態１に係る加工方法について、図８で示す作業手順を示すフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ１で、加工工具のワークに対する当接長はＬ１と加工工具の撓み量の変化率δ／Ｉとの相関データが記憶部１６に保存されているか否かを照会する。もし、相関データが保存されていない場合には、ステップＳ２に、相関データがある場合には、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ２では、先行加工を行って、加工工具のワークに対する当接長Ｌ１を変化させて、スピンドル電流Ｉと加工工具の撓み量δとの関係を求め、加工工具のワークに対する当接長Ｌ１と加工工具の撓み量の変化率δ／Ｉとの相関データが作成されて記憶部１６に保存される。その後、ステップＳ３に移行する。

次に、ステップＳ３では、粗加工が行われる。ここでは、図４で示す加工負荷Ｆに対して加工工具５が撓んでいる状態で加工が行われることになる。すなわち、ワーク２の回転軸３Ｃに対して工具スピンドル６の回転軸６Ｃが平行となる状態で加工が行われる。加工と同時に、ワーク２の被加工面２Ｓの外周上でのそれぞれの加工位置におけるスピンドル電流Ｉが計測されて記憶部１６に保存される。

続いて、ステップＳ４では、記憶部１６に保存されている加工工具のワークに対する当接長Ｌ１と加工工具の撓み量の変化率δ／Ｉとの相関データとステップＳ３で収集されたスピンドル電流Ｉとを乗算し、ワーク２の被加工面２Ｓの外周上でのそれぞれの加工位置における被加工面２Ｓの直角度α（＝δ）を推定する。

ステップＳ５では、ワーク２の被加工面２Ｓの外周上でのそれぞれの加工位置におけるステップＳ４で推定された直角度αが相殺されるように工具スピンドル６の回転軸６ＣをＸ軸面上でワーク２側に旋回させる角度θを決定する。

さらに、ステップＳ６では、仕上げ加工が行われる。図９に、仕上げ加工におけるワークと加工工具の状態を示す。ここでは、ワーク２の被加工面２Ｓの外周上でのそれぞれの加工位置における被加工面２Ｓの直角度δが相殺されるように、工具スピンドル６の回転軸６Ｃを、ステップＳ５で決定された角度θに従って旋回させながら加工が行われる。これにより、加工工具５も工具スピンドル６の回転軸６Ｃを旋回させることにより旋回される。その旋回される角度θは、変位センサ１３により検出された旋回台８の変位量に基づいて、制御装置５０の制御部１８の指示に従ってワーク２の被加工面２Ｓの外周上でのそれぞれの加工位置に対応して、モータ１１により制御される。これにより、ワーク２の被加工面２Ｓが目的とする被加工面２Ｄとなるように加工が行われる。

図１０に、加工工具５の旋回量ａ１と変位センサ１３の変位量ｂ１との関係を示す。旋回中心Ｃから加工工具５の先端までの距離ａ２と、旋回中心Ｃから変位センサ１３の位置までの距離ｂ２の比が１：５の場合、ステップＳ４で推定された直角度δと同じだけ加工工具５の先端をａ１だけ動かすためには、変位センサ１３の変位量ｂ１が加工工具５の旋回量ａ１×５となるようにモータ１１により工具スピンドル６の回転軸６Ｃを旋回させればよい。工具スピンドル６の回転軸６Ｃを旋回させる角度θは、ワーク２の被加工面２Ｓの外周上でのそれぞれの加工位置に対応して、加工工具５の旋回量ａ１の目標値となる変位センサ１３の変位量ｂ１により制御装置５０の演算部１７にて決定される。仕上げ加工では、ステップＳ５で決定された角度θだけ工具スピンドル６の回転軸６Ｃを旋回させながらワーク２を加工することで、加工負荷Ｆが変動しても、常に高精度な形状精度を得ることができる。

ステップＳ７では、全てのワークの加工が完了していれば、作業を終了し、ワークが残っていればステップＳ３に戻り、同様の作業を繰り返し行う。

このように、実施の形態１における加工装置では、工具スピンドルに供給される電流を計測する電流計を備えており、加工工具のワークに対する当接長と電流に依存する加工工具の撓み量との相関データから加工時の加工工具の撓み量を推定し、ワークの被加工面の角度ずれが相殺されるようにワークの被加工面に対する工具スピンドルの回転軸の角度を調整することにより、より高精度な形状精度を得ることができるという顕著な効果がある。

実施の形態２．
実施の形態２の加工装置では、電気量として電力で工具スピンドル６を制御するもので、実施の形態１の加工装置で使用されていた電流計に替えて、電力計が使用されるものである（図示せず。）。加工装置の工具スピンドル６によっては、加工負荷Ｆに応じて工具スピンドル６の出力を調整する際、電流で調整する領域と、電圧で調整する領域と、電流と電圧の両方で調整する領域とに分けられている場合がある。この様な工具スピンドル６においては、電流だけで工具スピンドル６の出力を調整する領域の範囲外でも、工具スピンドル６を使用する加工を行う場合、電流計１９を電力計に置き換えることで、工具スピンドル６の出力領域に関係なく、工具スピンドル６に供給される電力からワーク直角度αを推定することができる。

このように、実施の形態２における加工装置では、工具スピンドルに供給される電力を計測する電力計を備えており、加工工具のワークに対する当接長と電力に依存する加工工具の撓み量との相関データから加工時の加工工具の撓み量を推定し、ワークの被加工面の角度ずれが相殺されるようにワークの被加工面に対する工具スピンドルの回転軸の角度を調整しながら加工することにより、実施の形態１と同様、より高精度な形状精度を得ることができるという顕著な効果がある。

なお、上記実施の形態では、アクチュエータとしてモータ１１を用い、ボールネジ１０により工具スピンドル６の回転軸６Ｃを調整する場合について述べたが、アクチュエータは油圧シルンダ等をであってもよく、同様の効果を奏し得る。

また、上記実施の形態では、ワークの外側面を加工する場合について述べたが、ワークの管状の内側面を加工する場合等においても、同様の効果を発揮し得る。

また、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、省略したりすることが可能である。

また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１ 加工装置本体部、２ ワーク、３ ワークスピンドル、３Ｃ 回転軸、５ 加工工具、６ 工具スピンドル、６Ｃ 回転軸、８ 旋回台、１１ モータ、１３ 変位センサ、１９ 電流計、１６ 記憶部、１７ 演算部、１８ 制御部、５０ 制御装置、１００ 加工装置。

Claims (6)

1. 被加工物であるワークを保持するワークスピンドルと、
   加工工具を保持するとともに前記加工工具を回転させる工具スピンドルと、
   前記ワークの被加工面に対する前記工具スピンドルの回転軸の角度を調整するアクチュエータと、
   前記ワークの粗加工を行う加工時に前記工具スピンドルに供給される電気量を計測する計測器と、
   前記電気量と前記加工工具の前記ワークに対する当接長に依存する前記加工工具の撓み量との相関データが記憶された記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記相関データに基づいて、前記加工工具の撓み量を推定し、前記加工工具の撓み量によって生じる前記ワークの被加工面の角度ずれを相殺できるように前記ワークの被加工面に対する前記工具スピンドルの回転軸の角度データを演算する演算部と、
   前記ワークの仕上げ加工を行う加工時に、前記演算された前記工具スピンドルの回転軸の角度データに基づいて、前記アクチュエータを駆動させることにより前記工具スピンドルの回転軸の角度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする加工装置。
2. 前記ワークの被加工面のそれぞれの箇所において、前記加工工具の撓み量を推定することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
3. 前記ワークスピンドルは、前記ワークを回転させる機能を有し、前記ワークを回転させて加工することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加工装置。
4. ワークスピンドルに保持された被加工物であるワークの被加工面に対して加工工具が保持された工具スピンドルの回転軸の位置合わせを行う位置合わせ工程と、
   前記工具スピンドルに供給される電気量を計測しながら、前記加工工具にて前記ワークの粗加工を行う加工工程と、
   前記粗加工の加工工程において、前記電気量と前記加工工具の前記ワークに対する当接長に依存する前記加工工具の撓み量との相関データから前記加工工具の撓み量を推定する撓み量推定工程と、
   前記加工工具の撓み量によって生じる前記ワークの被加工面の角度ずれを相殺できるように前記ワークの被加工面に対する前記工具スピンドルの回転軸の角度を調整し、前記加工工具にて前記ワークの仕上げ加工を行う加工工程と、
   からなることを特徴とする加工方法。
5. 前記ワークの被加工面のそれぞれの箇所において、前記加工工具の撓み量を推定することを特徴とする請求項４に記載の加工方法。
6. 前記ワークを前記ワークスピンドルで回転させながら加工することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の加工方法。
   

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