JP6179109B2 - 測定方法および研削盤 - Google Patents

Description

本発明は、測定方法および研削盤に関するものである。

研削加工においては、所望の直径寸法を得るために、研削中に被加工部の直径を定寸装置で測定して、目標寸法に到達したら加工を停止することが行われている。定寸装置の測定精度を高精度に保つために、定寸装置への通電の発熱による起動時の測定値の変動（ドリフト）が、安定した後に測定を開始する必要があり、起動時に長い暖機運転時間を要している。熱の影響を低下させることで暖機運転時間を短くするため、差動トランスを用いた定寸装置においては、差動トランスを構成するコイルや部材を特殊な材質で製作した定寸装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１１３２０３号公報

定寸装置を特殊な材質で製作しても、熱の影響を完全に無くすことは困難であり、また、定寸装置のコストが高くなる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、通常の測定装置を用いても、暖機運転無し、もしくは短い暖機運転時間で、所望の測定精度が得られる測定方法および研削盤を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、所定の長さの工程時間で繰り返される主工程の内で、測定装置を前記工程時間より短い測定時間だけ起動して物理量を測定することである。

さらに請求項１に係る発明の特徴は、前記測定装置により同一物理量を測定したときの測定値の変動量であるドリフトを取得するため、前記測定装置の起動後におけるドリフトの時系列の変動であり、ドリフトが時間経過とともに増加する起動ドリフトと、前記測定装置の停止後におけるドリフトの時系列の変動であり、ドリフトが時間経過とともに減少する停止ドリフトを、取得するドリフト取得工程と、
前記起動ドリフトにおける前記測定時間の範囲内のドリフトの最小値および最大値と、前記停止ドリフトにおける前記工程時間から前記測定時間を差引いた時間である停止時間の範囲内のドリフトの最小値および最大値が、同じである所望の大きさのドリフトの区間である測定ドリフト区間を、決定するドリフト区間決定工程を備え、
前記測定装置を、起動ドリフトにおける起動から前記測定ドリフト区間の開始時刻までの時間に相当する暖機時間だけ、暖機運転した後、前記測定装置による測定を開始し、前記測定ドリフト区間に対応する前記測定時間の測定と、前記ドリフト区間に対応する前記停止時間の停止を交互に繰り返すことである。

請求項２に係る発明の特徴は、所定の長さの工程時間で繰り返される主工程の内で、測定装置を前記工程時間より短い測定時間だけ起動して物理量を測定する測定方法であって、
前記測定装置により同一物理量を測定したときの測定値の変動量であるドリフトを取得するため、前記測定装置の起動後におけるドリフトの時系列の変動であり、ドリフトが時間経過とともに増加する起動ドリフトと、前記測定装置の停止後におけるドリフトの時系列の変動であり、ドリフトが時間経過とともに減少する停止ドリフトを、取得するドリフト取得工程と、
前記起動ドリフトにおける前記測定時間の範囲内のドリフトの最小値および最大値と、前記停止ドリフトにおける前記工程時間から前記測定時間を差引いた時間である停止時間の範囲内のドリフトの最小値および最大値が、同じである所望の大きさのドリフトの区間である測定ドリフト区間を、決定するドリフト区間決定工程と、
前記起動ドリフトと、前記停止ドリフトと、前記測定ドリフト区間を用いて時系列のドリフト変動曲線を得るドリフト変動曲線取得工程と、
前記時系列のドリフト変動曲線において、前記測定装置を起動して時間ｔｓ経過した時の予測ドリフトを、主工程中の起動ドリフトの上昇量と、停止ドリフトの下降量が等しくなる回数まで繰り返し求め、主工程の各順番に対する予測ドリフトとして記憶部に記録する予測ドリフト記録工程を備え、
実際の主工程において、前記測定装置を起動してから前記時間ｔｓ経過した時に測定して実測値を得、得た実測値に主工程の順番に対応する前記記録部に記録された前記予想ドリフトを加えて補正することである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項１または請求項２に係る発明において、前記主工程が研削加工工程であり、前記測定装置が定寸装置であり、前記物理量が工作物寸法であることである。

請求項1に係る発明によれば、測定装置の暖機時間を短くでき、主工程の工程時間の中で測定装置の起動時間の占める割合を小さくでき、しかも所望の値以内のドリフトで測定できる測定方法を提供できる。

請求項２に係る発明によれば、測定装置の暖機をしなくても、所望の値以内の精度で測定できる測定方法を提供できる。

請求項３に係る発明によれば、定寸装置の暖機時間を短くしても、所望の値以内のドリフトで工作物径を測定できる測定方法を提供できる。

本実施形態の研削盤の全体構成を示す平面図である。 測定装置のドリフトを示すグラフである。 測定装置を起動後停止したときのドリフトの変化を示すグラフである。 第１の実施形態における、ドリフトの変化を示すグラフである。 第２の実施形態における、起動時間と停止時間の関係を示す図である。 第２の実施形態における、ドリフトの変動を示すグラフである。 第３の実施形態における、補正値の求め方を示す図ある。 第４の実施形態における、研削工程を示す図である。 第４の実施形態における、研削工程を示すフローチャート図である。 本実施形態の変形態様の制御を示すブロック図である。

はじめに、一般的な測定装置の起動時の測定精度に関する特性について以下に説明する。
測定装置が起動されると、測定装置の各構成部に通電され、電気抵抗による発熱により環境温度より各構成部の温度が上昇し、温度上昇に伴う構成部の出力特性の変化が生じる。結果として、時間経過と共に測定値が変動する事象が起き、この変動量をドリフトと称する。

本発明の実施形態を、研削盤において工作物径を定寸装置（測定装置）で測定する事例で説明する。
図１に示すように、研削盤１は、ベッド２を備え、ベッド２上にＸ軸方向に往復可能な砥石台３（切込み送り装置）と、Ｘ軸に直交するＺ軸方向に往復可能なテーブル４を備えている。砥石台３は砥石車７を回転自在に支持し、砥石車７を回転させる砥石軸モータ（図示省略する）を備えている。
テーブル４上には、工作物Ｗの一端を把持して回転自在に支持し主軸モータ（図示省略する）により回転駆動される主軸５と、工作物Ｗの他端を回転自在に支持する心押台６を備えており、工作物Ｗは主軸５と心押台６により支持されて、研削加工時に回転駆動される。テーブル４の砥石車７に対向する位置には、工作物Ｗの直径を測定する定寸装置１０が設置されている。

この研削盤１は、制御装置３０を備えており、制御装置３０の機能的構成として、砥石台３の送りを制御するＸ軸制御部３０１、テーブル４の送りを制御するＺ軸制御部３０２、砥石車７の回転を制御する砥石車制御部３０３、主軸の回転を制御する主軸制御部３０４、定寸装置１０を制御する定寸装置制御部３０５、プログラムやデータを記録する記録部３０６、各種の演算をする演算部３０７などを具備している。

図２に、定寸装置１０を用いて、同一寸法を測定した場合のドリフトの変化を示す。曲線ａは、定寸装置１０を起動後のドリフトの時系列の変動を示した起動ドリフトで、時間と共にドリフトが大きくなり、その増加度合いは時間の経過とともに減少して、一定の時間が経過するとほぼ一定の値に収束する。また、収束した状態で定寸装置１０を停止し所定の時間経過した後に定寸装置１０を起動して測定することを、経過時間を変えて繰り返すと、図２の曲線ｂに示すような、曲線ａの上下を反転させたようにドリフトが変動する停止ドリフトを得られる。
そのため、定寸装置１０を所定の時間起動した後に停止すると、図３に示すように、ドリフトは起動中には曲線ａ上を移動して増大し、停止後には曲線ｂ上を移動して減少するように変動する。

第１の実施形態について以下に説明する。これは定寸装置１０の暖機運転をしないで、主工程の継続時間である時間ｔ_０の周期で繰り返される主工程の中で、定寸装置１０を測定時間ｔ_１だけ起動して測定する測定方法である。
この場合のドリフトの変化は図４に示すようになる。最初の主工程において定寸装置１０を起動して測定をすると、図２の曲線ａの起動直後から時間がｔ_１経過した時点までの区間の曲線である曲線ａ_１のように、ドリフトが増大し時間ｔ_１経過後にドリフトＤａ_１に達する。次に定寸装置１０をｔ_２＝ｔ_０−ｔ_１の停止時間だけ間停止すると、図２の曲線ｂのドリフトがＤａ_１に相当する点から時間がｔ_２経過した時点までの区間の曲線である曲線ｂ_１のように、ドリフトは減少しその減少量はＤｂ_１となる。
次の主工程において、定寸装置１０をｔ_１の間起動すると、図２の曲線ａのドリフトがＤａ_１−Ｄｂ_１に相当する点から曲線ａ_２のようにドリフトは増大しその増大量はＤａ_２となる。次に定寸装置１０をｔ_２の間停止すると、図２の曲線ｂのドリフトがＤａ_１＋Ｄａ_２−Ｄｂ_１に相当する点から、曲線ｂ_２のようにドリフトは減少しその減少量はＤｂ_２となる。
ここで、曲線ａは時間の経過と共に増加度合いが漸減する曲線であるためＤａ１＞Ｄａ２であり、曲線ｂは時間の経過と共に減少度合いが漸減する曲線であるためＤｂ１＜Ｄｂ２である。
このため、図４に示すように、主工程をｎ回繰返すと、曲線ａ_ｎの増加量Ｄａ_ｎと曲線ｂ_ｎの減少量Ｄｂ_ｎが等しくなり、ドリフトが一定の範囲で変動するｎが存在する。この時の最大のドリフトＤｍはＤｍ＝Ｄａ_１＋Ｄａ_２＋・・・＋Ｄａ_ｎ−Ｄｂ_１−Ｄｂ_２−・・・−Ｄｂ_{(ｎ−１）}となる。Ｄｍの値は、Ｄａ_１からＤａ_ｎの値が小さくＤｂ_１からＤｂ_{(ｎ−１）}の値が大きいと小さくなる、すなわち、定寸装置１０の測定時間ｔ_１を短くして、停止時間ｔ_２を長くすると、最大のドリフトＤｍは小さくなる。この時の、定寸装置１０の測定誤差は最大ドリフトＤｍ以下となるので、Ｄｍの値が測定の許容誤差以内となるように測定時間ｔ_１と停止時間ｔ_２を設定すれば、定寸装置１０の暖機運転をしなくても所定の精度で測定が可能となる。

第２の実施形態について以下に説明する。これは定寸装置１０の暖機運転を所定時間行い、時間ｔ_０の工程時間の周期で繰り返される主工程の中で、定寸装置１０を測定時間ｔ_１だけ起動して測定する測定方法である。
暖機運転の時間設定について、図５、図６に基づき説明する。図５は、起動ドリフトを示す曲線ａと停止ドリフトを示す曲線ｂを同一グラフに表したもので、主工程の工程時間がｔ_０、定寸装置１０の測定時間がｔ_１、定寸装置１０の停止時間がｔ_２＝ｔ_０−ｔ_１、定寸装置１０の所望の大きさのドリフトを許容測定誤差であるＥとする。
はじめに、ドリフトの変動が許容測定誤差Ｅとなる範囲を決める。
次に、図５において、許容測定誤差Ｅの幅を備えた水平な２本の平行線を設定し、この平行線と曲線ａが交わる２点の間の時間を測定時間ｔ_１をとして求め、この平行線と曲線ｂが交わる２点の間の時間を停止時間ｔ_２として求める。次に、測定時間ｔ_１と停止時間ｔ_２を加算した値が工程時間ｔ_０となるドリフトの区間である測定ドリフト区間を求めると、曲線ａと曲線ｂの交点を通る直線Ｌに対し上下方向で対称な位置に２つの測定ドリフト区間が決まる。直線Ｌより下に位置する測定ドリフト区間では、測定時間ｔ_１が停止時間ｔ_２より短くなり、直線Ｌより上に位置する測定ドリフト区間では、測定時間ｔ_１Ｈが停止時間ｔ_２Ｈより長くなる。
次に、直線Ｌより下に位置する測定ドリフト区間における測定時間ｔ_１が、実際に必要な測定時間より長いかどうか判定し、長ければこの測定時間ｔ_１と停止時間ｔ_２の組合せを採用する。直線Ｌより下に位置する区間における測定時間ｔ_１が、実際に必要な測定時間より短ければ、直線Ｌより上に位置する測定ドリフト区間における起動時間ｔ_１Ｈと停止時間ｔ_２Ｈの組合せを採用する。
暖機運転時間ｔ_Ｄは、曲線ａにおける原点から測定時間ｔ_１もしくはｔ_１Ｈの開始までの時間とする。

以上のような時間設定をしたときのドリフトの変動は図６に示すようになり、暖機運転時間ｔ_Ｄだけ暖機運転した後の主工程におけるドリフトの変動は、許容測定誤差Ｅ内に納まる。定寸装置１０を連続起動して測定し、測定誤差を許容測定誤差Ｅ内に納めるための暖機運転時間はｔ_ＤＪ必要であるが、本実施形態によれば数分の1の暖機運転時間ｔ_Ｄで、同等の精度の測定が可能となる。このため、短時間で測定を開始でき起動時のロスタイムを低減できる。

第３の実施形態について以下に説明する。これは時間ｔ_０の周期の工程時間で繰り返される主工程の中で、定寸装置１０の暖機運転をしないで、ドリフトが増大する初期の主工程においては、実測値に対して演算により求めた主工程毎の予測ドリフトだけ補正することで、測定精度を確保する測定方法である。
はじめに、定寸装置１０の測定時間ｔ_１と停止時間ｔ_２は第２の実施形態の方法により設定する。
次に、予測ドリフトを以下の方法で求める。測定時間ｔ_１と停止時間ｔ_２が決まれば、起動ドリフトの曲線ａと停止ドリフトの曲線ｂを用いて、図７に示す時系列のドリフト変動曲線が得られる。図７において、定寸装置１０を起動して時間ｔｓ経過後のＰ点で測定を実施する場合、最初の主工程における予測ドリフトはＤｐ_１となり、２回目の主工程における予測ドリフトはＤｐ_２となる。同様にして、以降の主工程における測定時の予測ドリフトを、主工程中のドリフトの上昇量と下降量が等しくなる第ｎ回の主工程まで求める。この予測ドリフトＤｐ_１からＤｐ_ｎまでの値を各順番の主工程に対する予測ドリフトの値として記録部３０６に記録する。
実際の主工程においては、定寸装置１０を起動してから時間ｔｓ経過後に測定を実施し、ここで得られた実測値に対して該当する主工程の順番に対応する記録部３０６に記録された上記予測ドリフトにより補正を加えた値を測定値とする。
この測定方法によれば、暖機運転をしなくても正確な測定値を得ることが可能となる。

第４の実施形態について以下に説明する。これは、研削工程時間の周期で繰り返す研削工程の中で定寸装置１０を複数回の副測定時間だけ起動して測定を行う方法である。
図８は研削工程のＸ軸位置（砥石車７の切込み位置）を時系列で示したサイクル線図で、送り速度の大きな順に粗研削工程、精研削工程、微研削工程と称する切込み工程と、真円度精度を向上するための切込みを停止して研削するスパークアウト工程からなる。各工程の切換は工作物Ｗの研削径により行う、これは、研削盤１の各部の熱変位や砥石車７の切れ味の変動のため、同一の砥石切込み位置においても工作物Ｗの研削径が異なるためである。
このため、従来は常に定寸装置１０を起動して工作物径を測定し、所定の工作物径に達したときに送り速度を変更して工程を切り替えていた。定寸装置１０を連続して起動しているため、研削盤起動初期のドリフトが一定になるまで暖機運転を行っていた。

本実施形態では、研削工程中における定寸装置１０の起動時間を短くするために、粗研削工程と精研削工程においては、短い副測定時間だけ定寸装置を起動して工作物径を測定し、その測定値に基づき次の工程への切り替え位置を決定するものである。
予め、粗研削時の副測定時間ｔ_１ａ、精研削時の副測定時間ｔ_１ｓ、微研削時の最終測定時間ｔ_１ｂと各種の研削データを記録部３０６に記録する。さらに、測定時間ｔ_１を式ｔ_１＝ｔ_１ａ＋ｔ_１ｓ＋ｔ_１ｂにより算出した値を用いて、第２実施形態に示した方法により求めた暖機時間ｔ_Ｄも記録部３０６に記録する。
次に、研削盤１を起動した時に、砥石車７を回転させると共に、定寸装置１０の暖機運転をｔ_Ｄの時間実施した後に、研削工程を実行する。
研削工程の詳細を、図９のフローチャートに基づき以下に説明する

工作物Ｗを搬入し、主軸５を回転させる（Ｓ１）。砥石台３を早送りで砥石車７が工作物Ｗに接近するまで前進させる（Ｓ２）。定寸装置１０を工作物Ｗの測定部に挿入する（Ｓ３）。砥石台３を粗研削送り速度で、図８のＸ軸位置のＸ_１まで切込む（Ｓ４）。定寸装置１０を起動し工作物径Ｄｗａを測定後、定寸装置１０を停止する。この時の副測定時間はｔ_１ａとする（Ｓ５）。粗研削終了位置Ｘａを式Ｘa＝（Ｄｗａｒ（粗研理論径）−Ｄｗａ（実測径））／２＋Ｘａｒ（理論粗研終了位置）により演算部３０７で演算し、その値を記録部３０６に記録する。（Ｓ６）。砥石台３を粗研削送り速度でＸaの位置まで切込む（Ｓ７）。砥石台３を精研削送り速度でＸ軸位置のＸ_２まで切込む（Ｓ８）。定寸装置１０を起動し工作物径Ｄｗｓを測定後、定寸装置１０を停止する。この時の副測定時間はｔ_１ｓとする（Ｓ９）。精研削終了位置Ｘｓを式Ｘｓ＝（Ｄｗｓｒ（精研理論径）−Ｄｗｓ（実測径））／２＋Ｘｓｒ（理論粗研終了位置）により演算部３０７で演算し、その値を記録部３０６に記録する（Ｓ１０）。砥石台３を精研削送り速度でＸｓの位置まで切込む（Ｓ１１）。砥石台３を微研削送り速度で切込み開始すると共に、定寸装置１０を起動し工作物径を連続して測定する。工作物径の測定値が仕上寸法（Ｄｗｅ）に達した時に、砥石台３の微研削送りを停止する（Ｓ１２）。定寸装置１０を起動から時間が最終測定時間ｔ_１ｂだけ経過したら停止すると共に、所定の時間スパークアウト研削を行う（Ｓ１３）。砥石台３を早送りで後退させると共に、定寸装置１０を後退させる（Ｓ１４）。主軸５を停止し、工作物Ｗを搬出する（Ｓ１５）。

上記の方法で研削加工時の送り速度を切り替えると、研削工程中における定寸装置１０を起動する時間である測定時間を短くすることができる。暖機時間は、研削工程中に占める定寸装置１０の測定時間の比率が小さいほど短くできるので、本実施形態のような研削工程を用いると、暖機運転時間が短くても所望の精度で測定できる研削盤を提供できる。

上記の事例では、実測により求める停止ドリフトの事例で示したが、停止ドリフトの各経過時刻におけるドリフトを、起動ドリフトの収束値から対応する各経過時刻における起動ドリフトの値を差引いて演算した停止ドリフトを用いてもよい。
また、定寸装置１０全体を起動・停止したが、図１０に示すように、差動トランス１０１を用いた定寸装置１０においてドリフトが大きい差動トランス１０１のみを印加制御部１０２により起動・停止してもよい。
研削工程において、粗研削工程の終了位置と精研削の終了位置を演算により求める事例で示したが、所定の研削工程の終了が予測される時刻の前後の時間帯に定寸装置を起動して、工作物径の実測値が理論値と一致したら研削工程を終了してもよい。
定寸装置を用いた寸法測定の例を示したが、通電によりその測定値にドリフトが生じる測定装置を用いた、質量測定、力測定、速度測定などのあらゆる測定方法に適用できる。

Ｗ：工作物 ３：砥石台 ４：テーブル ５：主軸 ７：砥石車 １０：定寸装置 ３０：制御装置 ３０１：Ｘ軸制御部 ３０２：Ｚ軸制御部 ３０３：砥石車制御部 ３０４：主軸制御部 ３０５：定寸装置制御部 ３０６：記録部 ３０７：演算部

Claims (3)

1. 所定の長さの工程時間で繰り返される主工程の内で、測定装置を前記工程時間より短い測定時間だけ起動して物理量を測定する測定方法であって、
   前記測定装置により同一物理量を測定したときの測定値の変動量であるドリフトを取得するため、前記測定装置の起動後におけるドリフトの時系列の変動であり、ドリフトが時間経過とともに増加する起動ドリフトと、前記測定装置の停止後におけるドリフトの時系列の変動であり、ドリフトが時間経過とともに減少する停止ドリフトを、取得するドリフト取得工程と、
   前記起動ドリフトにおける前記測定時間の範囲内のドリフトの最小値および最大値と、前記停止ドリフトにおける前記工程時間から前記測定時間を差引いた時間である停止時間の範囲内のドリフトの最小値および最大値が、同じである所望の大きさのドリフトの区間である測定ドリフト区間を、決定するドリフト区間決定工程を備え、
   前記測定装置を、起動ドリフトにおける起動から前記測定ドリフト区間の開始時刻までの時間に相当する暖機時間だけ、暖機運転した後、前記測定装置による測定を開始し、前記測定ドリフト区間に対応する前記測定時間の測定と、前記ドリフト区間に対応する前記停止時間の停止を交互に繰り返す測定方法。
2. 所定の長さの工程時間で繰り返される主工程の内で、測定装置を前記工程時間より短い測定時間だけ起動して物理量を測定する測定方法であって、
   前記測定装置により同一物理量を測定したときの測定値の変動量であるドリフトを取得するため、前記測定装置の起動後におけるドリフトの時系列の変動であり、ドリフトが時間経過とともに増加する起動ドリフトと、前記測定装置の停止後におけるドリフトの時系列の変動であり、ドリフトが時間経過とともに減少する停止ドリフトを、取得するドリフト取得工程と、
   前記起動ドリフトにおける前記測定時間の範囲内のドリフトの最小値および最大値と、前記停止ドリフトにおける前記工程時間から前記測定時間を差引いた時間である停止時間の範囲内のドリフトの最小値および最大値が、同じである所望の大きさのドリフトの区間である測定ドリフト区間を、決定するドリフト区間決定工程と、
   前記起動ドリフトと、前記停止ドリフトと、前記測定ドリフト区間を用いて時系列のドリフト変動曲線を得るドリフト変動曲線取得工程と、
   前記時系列のドリフト変動曲線において、前記測定装置を起動して時間ｔｓ経過した時の予測ドリフトを、主工程中の起動ドリフトの上昇量と、停止ドリフトの下降量が等しくなる回数まで繰り返し求め、主工程の各順番に対する予測ドリフトとして記憶部に記録する予測ドリフト記録工程を備え、
   実際の主工程において、前記測定装置を起動してから前記時間ｔｓ経過した時に測定して実測値を得、得た実測値に主工程の順番に対応する前記記録部に記録された前記予想ドリフトを加えて補正する測定方法。
3. 前記主工程が研削加工工程であり、前記測定装置が定寸装置であり、前記物理量が工作物寸法である請求項１または請求項２に記載の測定方法。

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