JP5962247B2

JP5962247B2 - 工具先端位置補正装置

Info

Publication number: JP5962247B2
Application number: JP2012139354A
Authority: JP
Inventors: 康匡桜井; 岩井　英樹; 英樹岩井; 雄二佐々木; 主洋大西
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: JP2014000662A

Description

本発明は、主軸に取り付けられた工具ホルダに保持されている工具の先端位置を補正する装置に関する。

例えば、特許文献１には、工具ホルダが取り付けられる主軸のテーパ部が主軸の回転に伴う遠心力により膨張し、工具ホルダが引き込まれることにより生じる工具の先端位置を補正する方法が記載されている。この補正方法は、先ず、主軸のテーパ部の温度上昇値と工具ホルダの引き込み量との対応関係を予め求めておく。次に、主軸のテーパ部の温度上昇値を算出し、上述の対応関係から工具ホルダの引き込み量を算出する。そして、算出した工具ホルダの引き込み量だけ工具先端の位置指令値を補正する。

また、特許文献２には、主軸に取り付けられた工具の先端位置を補正する方法が記載されている。この補正方法は、先ず、主軸を最高回転数で回転および停止させたときの工具先端の変位の経時変化を実測する。次に、この実測値に基づいて、主軸の回転開始時および回転停止時の工具先端の変位を、主軸等の発熱による伸長に基づく変位を表す関数および工具ホルダの引き込みに基づく変位を表す関数で表す。そして、実際の加工時には、主軸の回転数に対して各関数に補正係数を乗じて工具先端の位置指令値を補正する。

特開２０１０−１７２９８１号公報特開２００７−７７５２号公報

特許文献１に記載の工具先端位置補正方法では、工具ホルダの引き込みに基づく変位のみが補正され、主軸等の発熱による伸長に基づく変位が補正されていないため、主軸に取り付けられた工具の先端位置の補正に誤差が生じるおそれがある。一方、特許文献２に記載の工具先端位置補正方法では、主軸等の発熱による伸長に基づく変位および工具ホルダの引き込みに基づく変位が補正されるため、特許文献１に記載の工具先端位置補正方法よりも補正の精度は向上する。しかし、一般的に、工具ホルダは主軸の回転に伴う遠心膨張により径方向に伸びて軸方向に縮むが、かかる遠心膨張に基づく変位に関して考慮されていないため、主軸に取り付けられた工具の先端位置の補正には誤差が生じるおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、主軸に取り付けられた工具の先端位置を高精度に補正することができる工具先端位置補正装置を提供することである。

（請求項１）本発明の工具先端位置補正装置は、回転工具を工具ホルダを介して保持して回転駆動される主軸と、前記主軸における前記主軸の基準位置に対する前記工具ホルダの基準位置の変位を測定する変位測定手段と、前記主軸の回転に伴う前記工具ホルダの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位を表す関係式を記憶する記憶手段と、前記主軸の回転数および前記記憶手段から読み出した前記関係式に基づいて、前記工具ホルダの変位を算出する変位算出手段と、前記変位測定手段で測定した変位および前記変位算出手段で算出した変位に基づいて、前記主軸の基準位置に対する前記工具の先端位置の補正量を算出する補正量算出手段と、を備え、前記主軸は、テーパ部と、前端面部とを備え、前記工具ホルダは、前記主軸の前記テーパ部に密着するテーパスリーブと、前記テーパスリーブの前記回転工具側に設けられ、前記主軸の前端面部に密着する後端面部を備えるフランジと、を備える二面拘束型である。

（請求項２）前記記憶手段は、前記工具ホルダの種類毎に前記関係式を記憶しているようにしてもよい。

（請求項１）これにより、主軸の発熱による伸長に基づく変位は実測により補正され、工具ホルダの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位は関数で表して補正されるため、工具先端の位置指令値を高精度に補正することができ、加工精度を向上させることができる。そして、工具ホルダの引き込みが無くなり、工具ホルダの変位要因が弾性要素のみとなるため、工具先端の位置指令値をさらに高精度に補正することができる。

（請求項２）工具ホルダの形状は工具によって種々存在するため、複数の工具を用いた加工において工作物の加工精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態：工具先端位置補正装置を備えた主軸装置の主要部の概略縦断面図である。本発明の実施の形態：工具先端位置補正装置の概略ブロック図である。工具先端位置補正装置の動作を説明するためのフローチャートである。主軸の回転に伴う工具ホルダの変位の経時変化を示す図である。種類が異なる工具ホルダの形状例を示す図である。

（１．主軸装置の機械構成）
本実施形態による工具先端位置補正装置を備えた主軸装置の一例として、マシニングセンタ等の工作機械に備えられた主軸装置を例に挙げ、図１を参照して説明する。なお、図１においては、主軸装置１における主軸基準位置Ｐｓ（主軸１２の変位を測定する際の基準となる位置）よりも回転工具Ｔ側の前側部のみを示す。この主軸装置１は、内周部に収容空間１１１を有する略円筒状の主軸ハウジング１１と、収容空間１１１内に配設された主軸１２と、この主軸１２の前側部を軸承する二対の第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２と、主軸１２の熱変位を測定する変位測定装置１４と、主軸１２の回転制御や後述する回転工具Ｔの先端位置を補正して回転工具Ｔを位置決め制御する制御装置１５等とを備えて構成される。なお、主軸１２の後側部は、図略の一対の後側転がり軸受で軸承されている。

主軸１２の回転軸中心には、ロッド１６が収容される軸線方向に延びるロッド孔１２１が形成されている。ロッド孔１２１は、主軸１２を軸線方向に貫通しており、前端には回転工具Ｔを把持した工具ホルダＨが取付けられるテーパ部１２２が形成されている。工具ホルダＨには、テーパ部１２２と密着可能なテーパスリーブＨａと、テーパスリーブＨａの後部から軸線方向に突設したプルスタッドＨｂと、テーパスリーブＨａの前部に設けられたフランジＨｃと、フランジＨｃの前部に設けられた工具把持部Ｈｄ等とが形成されている。この工具ホルダＨは、所謂二面拘束型のホルダである。すなわち、プルスタッドＨｂを主軸１２の後方へ引張ることにより、テーパスリーブＨａがテーパ部１２２に密着するとともに、フランジＨｃの後端面部が主軸１２の前端面部に密着して二面拘束される。

ロッド１６は、ロッド孔１２１内に軸線方向に移動可能に収容されている。ロッド１６の前端には、コレット１６１が装着されている。コレット１６１は、半径方向に拡縮可能に設けられており、工具ホルダＨのプルスタッドＨｂを把持可能に形成されている。ロッド１６は、図略のバネにより主軸１２に対して後方に常時付勢されている。そして、主軸１２の後方には、図略の油圧シリンダが設けられている。油圧シリンダのピストンが後方に移動してピストンとロッド１６との係合が解除されると、ロッド１６はバネの付勢力により主軸１２に対し後退し、工具ホルダＨのテーパスリーブＨａがテーパ部１２２に密着するとともに、フランジＨｃの後端面部が主軸１２の前端面部に密着するので、工具ホルダＨは主軸１２に固定される。ピストンが前方に移動してピストンとロッド１６とが係合されると、ロッド１６はバネの付勢力に抗して主軸１２に対し前進し、コレット１６１は拡径して工具ホルダＨのプルスタッドＨｂの把持を解除する。

第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２は、アンギュラーコンタクト軸受であり、収容空間１１１内の前方側にて軸線方向に並設され、主軸１２の回転工具Ｔ側である前側部の所定の軸方向位置に位置決め固定されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２は、回転工具Ｔによるラジアル方向およびアキシャル方向の加工負荷を受けるため、並びに最高回転時の主軸１２の負荷を受けるため主軸１２の前側部を軸承する。

変位測定装置１４は、低熱膨張係数の材料でなるバー１４１と、このバー１４１に取り付けられたセンサ１４２等とを備えて構成される。バー１４１は、主軸１２の軸線と平行に配置され主軸１２の前側部方向に延びるように、バー１４１の一端が主軸基準位置Ｐｓに固定されている。センサ１４２は、例えば、渦電流センサであり、センサ１４２の先端のセンサ部が主軸１２の前端外周に設けられている円環溝１２３の工具基準位置Ｐｔ（工具ホルダＨの変位を測定する際の基準となる位置）となる端面に近接するように、センサ１４２の後端がバー１４１の自由端に取り付けられている。

主軸ハウジング１１の後側部の内周面には、図略の電動モータのステータが取り付けられている。ステータの半径方向内方には、主軸１２の外周面に形成された電動モータのロータが対向して設けられている。電動モータに電力が供給されることによって、主軸１２はロータとともに回転する。主軸１２の回転数は、回転数検出装置２５（図２参照）により検出される。

制御装置１５は、電動モータを制御して、主軸１２（回転工具Ｔ）を回転させ、図略の工作機械のＸ軸、Ｚ軸、Ｙ軸、Ｂ軸モータ等を制御して、工作物と回転工具ＴとをＸ軸、Ｚ軸、Ｙ軸方向およびＢ軸回りに相対移動することにより、工作物の加工を行う。また、制御装置１５は、回転工具Ｔの先端位置の補正を行う工具先端位置補正装置２０を備えている。ただし、工具先端位置補正装置２０は、制御装置１５の内部に備えるものに限られず、外部装置として適用することもできる。

（２．工具先端位置補正の説明）
次に、工具先端位置補正装置２０による工具先端位置の補正について説明する。課題で説明したように、工具先端位置を補正する際には、主軸１２の発熱による伸長に基づく変位、工具ホルダＨの引き込みに基づく変位、並びに工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位を考慮する必要がある。これらの変位のうち、工具ホルダＨの引き込みに基づく変位については、本実施形態においては二面拘束型のホルダを用いるため無視することができる。

主軸１２の発熱による伸長に基づく変位は、変位測定装置１４により求めることができる。すなわち、低熱膨張係数の材料でなるバー１４１に固定されているセンサ１４２からの検出信号を受信することにより、主軸基準位置Ｐｓから工具基準位置Ｐｔまでの主軸１２の回転に伴う主軸１２の発熱による伸長に基づく変位δａを求めることができる。なお、回転工具Ｔ自体の変位は、回転工具Ｔの長さが工具ホルダＨの長さに対し十分短いため、本実施形態では無視することができる。

工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位は、主軸１２の回転との関係をモデル化することにより求めることができる。すなわち、図４の実測データに示すように、主軸１２の回転に伴う工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位δｂは、主軸１２の回転開始時点ｔｓの直後において遠心膨張により低下し、その後は発熱により急激に上昇し、主軸１２の回転が所定回転数に達した時点ｔｅ以降は一定値を推移する。この変位を表す関係式は、主軸１２の回転数をステップ状に変化させたとき、次式（１）に示すように表すことができる。
δｂ＝ｆ（Ｎ，Ｌ，Ｒ）（Ａ（１−ｅ^-1/t）−Ｃ）・・・（１）
ここで、ｆ（Ｎ，Ｌ，Ｒ）は、Ｎ，Ｌ，Ｒの関数であり、Ｎは、主軸１２の回転数、Ｌは、工具ホルダＨの長さ、Ｒは、工具ホルダＨの径である。Ａは、発熱による伸長に関わる係数、Ｃは、遠心膨張に関わる係数である。

以上から、最終的な主軸１２の変位δは、主軸１２の回転に伴う主軸１２の発熱による伸長に基づく変位δａと、主軸１２の回転に伴う工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位δｂとの和で表すことができる。なお、工具ホルダＨの形状は、回転工具Ｔによって種々存在する。例えば、図５に示すように、工具ホルダＨ１，Ｈ２を比較した場合、テーパスリーブＨａおよびプルスタッドＨｂは同一形状であるが、回転工具Ｔ１，Ｔ２の各径および各長さが異なる（ｒ１＞ｒ２，ｗ１＞ｗ２）ため、フランジＨｃ１，Ｈｃ２および工具把持部Ｈｄ１，Ｈｄ２の各径（ｄ１１＞ｄ１２，ｄ２１＞ｄ２２）および各長さ（ｗ１１＞ｗ１２，ｗ２１＞ｗ２２）が異なる形状となっている。このため、工具ホルダＨの種類毎に関係式（１）を用意しておくことにより、複数の回転工具Ｔを用いた加工において工作物の加工精度を向上させることができる。

（３．工具先端位置補正装置の構成）
次に、工具先端位置補正装置２０について、図２を参照して説明する。工具先端位置補正装置２０は、変位測定部２１と、記憶部２２と、変位算出部２３と、補正量算出部２４とを備えて構成される。ここで、変位測定部２１と、記憶部２２と、変位算出部２３と、補正量算出部２４は、それぞれ個別のハードウエアによる構成することもできるし、ソフトウエアによりそれぞれ実現する構成とすることもできる。

変位測定部２１は、変位測定装置１４のセンサ１４２からの検出信号を受信することにより、主軸基準位置Ｐｓから工具基準位置Ｐｔまでの主軸１２の回転に伴う主軸１２の発熱による伸長に基づく変位δａを測定する。
記憶部２２には、工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位を表す関係式（１）が記憶されている。

変位算出部２３は、主軸１２の回転数、工具ホルダＨの長さおよび径、並びに記憶部２２に記憶されている関係式に基づいて、工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位δｂを算出する。
補正量算出部２４は、変位測定部２１で測定した主軸１２の回転に伴う主軸１２の発熱による伸長に基づく変位δａと、変位算出部２３で算出した工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位δｂとの和δａ＋δｂを主軸基準位置Ｐｓに対する回転工具Ｔの先端位置の補正量として算出する。

（４．工具先端位置補正装置（制御装置）による処理）
次に、工具先端位置補正装置２０（制御装置１５）による処理について、図３を参照して説明する。なお、主軸１２の回転に伴う工具ホルダＨの変位を表す関係式（１）は、予め求められて工具先端位置補正装置２０の記憶部２２に記憶されているものとする。図３に示すように、主軸１２を回転させ（ステップＳ１）、主軸１２の回転に伴う主軸１２の変位を測定する（ステップＳ２）。具体的には、制御装置１５は、電動モータを制御して主軸１２を回転させる。そして、工具先端位置補正装置２０の変位測定部２１は、変位測定装置１４のセンサ１４２から検出信号を受信し、主軸１２の発熱による伸長に基づく主軸基準位置Ｐｓに対する工具基準位置Ｐｔの変位δａを測定する。

そして、関係式（１）に基づいて、主軸１２の回転に伴う工具ホルダＨの変位を算出する（ステップＳ３）。具体的には、工具先端位置補正装置２０の変位算出部２３は、主軸１２の回転数、工具ホルダＨの長さおよび径、並びに記憶部２２に記憶されている関係式（１）に基づいて、工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位δｂを算出する。

そして、主軸１２の回転に伴う主軸１２の変位および工具ホルダＨの変位に基づいて回転工具Ｔの先端位置の補正量を算出する（ステップＳ４）。具体的には、工具先端位置補正装置２０の変位補正量算出部２４は、変位測定部２１から主軸１２の回転に伴う主軸１２の発熱による伸長に基づく変位δａを読み出すとともに、変位算出部２３から工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位δｂを読み出し、それらの変位δａ，δｂを加算して主軸基準位置Ｐｓに対する回転工具Ｔの先端位置の補正量として算出する。

そして、算出した回転工具Ｔの先端位置の補正量に基づいて、回転工具Ｔの先端位置の指令値を補正し（ステップＳ５）、処理を終了する。具体的には、制御装置１５は、加算した変位δａ＋δｂに基づいて回転工具Ｔの先端位置の指令値を補正し、工作機械のＸ軸、Ｚ軸、Ｙ軸、Ｂ軸モータ等を制御して、工作物と回転工具ＴとをＸ軸、Ｚ軸、Ｙ軸方向およびＢ軸回りに相対移動することにより、工作物の加工を行う。

（５．工具先端位置補正による効果）
上述したように、主軸１２の発熱による伸長に基づく変位δａは実測により補正され、工具ホルダＨの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位δｂは関数で表して補正されるため、回転工具Ｔの先端の位置指令値を高精度に補正することができ、加工精度を向上させることができる。また、二面拘束型の工具ホルダＨを用いているため、工具ホルダＨの引き込みが無くなり、工具ホルダＨの変位要因が弾性要素のみとなり、回転工具Ｔの先端の位置指令値をさらに高精度に補正することができる。

１…主軸装置、１２…主軸、１４…変位測定装置、１５…制御装置、２０…工具先端位置補正装置、２１…変位測定部、２２…記憶部、２３…変位算出部、２４…補正量算出部、２５…回転数検出装置、Ｈ…工具ホルダ、Ｔ…回転工具。

Claims

回転工具を工具ホルダを介して保持して回転駆動される主軸と、
前記主軸における前記主軸の基準位置に対する前記工具ホルダの基準位置の変位を測定する変位測定手段と、
前記主軸の回転に伴う前記工具ホルダの発熱による伸長および遠心膨張に基づく変位を表す関係式を記憶する記憶手段と、
前記主軸の回転数および前記記憶手段から読み出した前記関係式に基づいて、前記工具ホルダの変位を算出する変位算出手段と、
前記変位測定手段で測定した変位および前記変位算出手段で算出した変位に基づいて、前記主軸の基準位置に対する前記工具の先端位置の補正量を算出する補正量算出手段と、
を備え、
前記主軸は、テーパ部と、前端面部とを備え、
前記工具ホルダは、前記主軸の前記テーパ部に密着するテーパスリーブと、前記テーパスリーブの前記回転工具側に設けられ、前記主軸の前端面部に密着する後端面部を備えるフランジと、を備える二面拘束型である、
工具先端位置補正装置。
前記記憶手段は、前記工具ホルダの種類毎に前記関係式を記憶している請求項１に記載の工具先端位置補正装置。