JP7085074B1 - ワーク径の測定方法および工作機械 - Google Patents

Abstract

工作機械の主軸の旋回軸と中心軸が一致するように支持された円筒形ワークの外周面上において、旋回軸と直交する第１方向の座標が極大もしくは極小となる点Ｐの座標を測定する工程と、旋回軸からの第１方向における距離Ｄ１が既知である基準点Ｑと点Ｐとの第１方向における距離Ｄ２を算出する工程と、距離Ｄ１と距離Ｄ２から円筒形ワークのワーク径を算出する工程と、を有する、ワーク径の測定方法。

Description

本発明は、ワーク径の測定方法および工作機械に関する。

複合加工機、タレット式旋盤などの工作機械では、例えば下刃物台に装着された切削工具により主軸に装着された円筒形ワークに切削加工が施される。円筒形ワークの場合、研削状態を判定するためにワークの外径が随時測定される。主軸に装着された円筒形ワークのワーク径は、接触式の位置検出センサを用い、ワークの外周に沿う３点の座標を測定することで算出することができる。

例えば、特許文献１は、２つの測定子を基準位置に位置させた状態で、第３の測定子を所定位置から、それと前記２つの測定子が前記ワ－クの内周面又は外周面に当接するまで移動させ、前記第３の測定子の移動距離から求められる補正値を実測値に乗ずることにより前記円形ワ－クの内径又は外径を算出することを特徴とする円形ワ－クの内外径測定方法を提案している。

特開２０００－１１７６２９号公報

しかし、２つの測定子および第３の測定子を用いる場合、測定子の数が多く、操作が煩雑である。一方、工具主軸（第１刃物台）もしくは刃物台（第２刃物台）に接触式センサを取り付け、ワークの外周に沿う３点の座標を測定することも可能である。しかし、測定精度を確保するには３点の相互間の距離が近すぎないことが必要である。そのような３点の座標を測定する場合、工具主軸もしくは下刃物台の移動距離が長くなるため、測定時間も長くなり非効率である。また、工具主軸と特に下刃物台は、移動できるストローク長が制限されるため、精度よくワーク径を測定できる対象が制限される。

上記に鑑み、本発明の一側面は、工作機械の主軸の旋回軸と中心軸が一致するように支持された円筒形ワークの外周面上において、前記旋回軸と直交する第１方向の座標が極大もしくは極小となる点Ｐの座標を測定する工程と、前記旋回軸からの前記第１方向における距離Ｄ１が既知である基準点Ｑと、前記点Ｐと、の前記第１方向における距離Ｄ２を算出する工程と、前記距離Ｄ１と前記距離Ｄ２から、前記円筒形ワークのワーク径を算出する工程と、を有する、ワーク径の測定方法に関する。

本発明の別の側面は、旋回軸を有する主軸と、前記旋回軸と中心軸が一致するように支持された円筒形ワークの外周面上において、前記旋回軸と直交する第１方向の座標が極大もしくは極小となる点Ｐの座標と、前記旋回軸からの前記第１方向における距離Ｄ１が既知である基準点Ｑの座標とを算出するセンサと、前記点Ｐの座標および前記基準点Ｑの座標から、前記点Ｐと前記基準点Ｑとの前記第１方向における距離Ｄ２を算出し、前記距離Ｄ１と前記距離Ｄ２から、前記円筒形ワークのワーク径を算出する演算部と、を具備する、工作機械に関する。

本発明に係る上記側面によれば、速やかに精度よくワーク径を測定することができる。

本実施形態に係る工作機械の一例の構成を示す正面図である。 図１の工作機械のワークと主軸と第１および第２刃物台とをＺ方向から見た概念図である。 円筒形ワークの外周面上において旋回軸と直交するＸ方向の座標が極小となる点Ｐの座標を測定する工程を示す図である。 別の円筒形ワークの外周面上において旋回軸と直交するＸ方向の座標が極小となる点Ｐの座標を測定する工程を示す図である。 別の実施形態に係る工作機械の一例の構成を示す正面図である。

以下、工作機械とは、例えば、旋盤、固定工具を用いた旋削機能と回転工具を用いたミーリング機能とを有する複合加工機、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に加え、２つ以上の旋回軸により制御される５軸加工機、付加加工が可能なＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（ＡＭ）機などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

工作機械の主軸は、ワークを把持するチャックなどの治具を具備する。主軸は、ワークをＺ方向に対応する旋回軸まわりに回転させる。工作機械は、主軸を１つと心押台とを有してもよく、第１主軸と第２主軸の２つの主軸を有してもよい。第１主軸と第２主軸の旋回軸は一致させられる。

主軸とは、ワークに回転を与える旋回軸Ｃｃ、モータ、変速機などを具備する構造体である。

刃物台とは、回転工具が装着される工具主軸（第１刃物台）、固定工具が装着される下刃物台（第２刃物台）などの総称である。刃物台は、切削工具（バイト）を取り付ける構造体であり、フラット型、櫛刃型、タレット型などがある。工具主軸は、Ｚ方向に対応する旋回軸を有する「主軸」とは別の構造体である。

ワークとは、切削加工が施される対象であり、ワーク径とは、円筒形ワークの中心軸に対して垂直な断面の直径（もしくは半径）をいう。

本発明の実施形態に係るワーク径Ｒの測定方法（以下、「ワーク径測定方法」もと称する。）は、（i）工作機械の主軸の旋回軸Ｃｃと中心軸が一致するように支持された円筒形ワークの外周面上において、旋回軸と直交する第１方向の座標が極大もしくは極小となる点Ｐの座標を測定する工程（以下、「座標測定工程」とも称する。）を有する。

点Ｐは、ワークのワーク径Ｒを測定したい対象部分の外周面上の点であり、ワークの中心軸に垂直な平面とワークの外周面との交線が描く円（以下、「円Ｃｗ」と称する。）上の点である。また、点Ｐは、ワークの中心軸を通る第１方向の直線と円Ｃｗとの交点に相当する。座標測定工程は、例えば、接触式または非接触式センサを用いて、ワークの外周面上の円Ｃｗに沿って点Ｐの近傍の座標を連続的に算出する工程であってもよい。

座標を連続的に算出する円Ｃｗの円弧の中心角θは、第１方向の座標が極大もしくは極小となる点Ｐを検出するために十分な大きさであればよく、例えば５０度以下、もしくは３０度以下であってもよい。接触式のセンサであれば、そのような円弧に沿ってセンサの端子を沿わせながら連続的に座標を算出することで点Ｐを検出できる。座標の算出は、センサおよび工作機械に関連付けられた演算部で行い得る。

旋回軸Ｃｃと直交する第１方向は、いずれの方向でもよいが、方向を特定しやすい点で鉛直方向（すなわちＸ方向）または水平方向（すなわちＹ方向）であってもよい。

例えば、点Ｐの座標は、Ｘ方向の座標が極小となる座標であってもよい。この場合、点Ｐは、ワークのワーク径を測定したい対象部分の最も下端における点と一致する。最も下端における点は、ワークの下方に位置するセンサを用いて迅速かつ容易に測定できる。連続的に座標を算出する円弧は、ワークの下方から点Ｐを跨ぐように選択される。

あるいは、点Ｐの座標は、Ｘ方向の座標が極大となる座標であってもよい。この場合、点Ｐは、ワークのワーク径を測定したい対象部分の最も上端における点と一致する。最も上端における点は、例えば、工具主軸に装着されたセンサを用いて測定できる。連続的に座標を算出する円弧は、ワークの上方から点Ｐを跨ぐように選択される。

あるいは、点Ｐの座標は、Ｙ方向の座標が極小または極大となる座標であってもよい。この場合、点Ｐは、ワークを正面から見て、ワーク径を測定したい部分の最も前端または後端における点と一致する。

次に、ワーク径測定方法は、基準点Ｑと点Ｐとの第１方向における距離Ｄ２を算出する工程を有する。基準点Ｑは、主軸の旋回軸Ｃｃからの第１方向における距離Ｄ１が既知の点であればよい。例えば、点Ｐの算出に用いるセンサを移動させ、基準点Ｑの座標を算出し、点Ｐの座標と基準点Ｑの座標から距離Ｄ２を算出する。

同じ工作機械であっても、旋回軸Ｃｃの位置は、温度、湿度などの様々な要因により時間とともに変動する。一方、旋回軸Ｃｃの位置の変動は、例えば、主軸の変動と連動しているため、主軸自体を構成する部材上の点は、旋回軸Ｃｃに対してほとんど変動しない。そのような旋回軸Ｃｃに対して位置がほとんど変動しない点を基準点Ｑとして設定すると、第１方向における旋回軸Ｃｃと基準点Ｑとの距離Ｄ１は常に一定である。予め距離Ｄ１を測定し、工作機械に関連付けられた記憶部に記憶しておくことで、Ｄ１は既知の値となる。基準点Ｑは、例えば、ワークを把持する主軸のチャック上に設けられた点であってもよい。例えば、点Ｑは、旋回軸Ｃｃに垂直な平面とチャックの外周面との交線が描く円（以下、「円Ｃｚ」と称する。）上の点である。

基準点Ｑの座標の算出は、点Ｐの座標の算出の前に行ってもよく、後で行ってもよい。例えば、最初に基準点Ｑの座標を測定しておけば、点Ｐの座標の算出と距離Ｄ２の算出を迅速に行うことができる。また、基準点Ｑの座標を一度測定すれば、その後、複数回のワーク径の測定において同じ座標を利用できる。つまり、最初にセンサで基準点Ｑの座標を算出する校正を行えば、その後は、点Ｐの座標を算出するだけで、複数回のワーク径の測定が可能である。

なお、Ｚ方向から見たときに、基準点Ｑは、点Ｐおよび旋回軸と同一直線上になくてもよいが、点Ｐ、基準点Ｑおよび旋回軸が同一直線上にあることで、センサの移動距離を短くでき、より効率的にワーク径を測定できる。すなわち、点Ｐが、Ｘ方向の座標が極小となる座標である場合、点Ｑは、円Ｃｚ上のＸ方向の座標が極小となる点（例えば、チャックの最も下端における点）であることが好ましい。点Ｐが、Ｘ方向の座標が極大となる座標である場合、点Ｑは、円Ｃｚ上のＸ方向の座標が極大となる点（例えば、チャックの最も上端における点）であることが好ましい。

次に、ワーク径測定方法は、距離Ｄ１と距離Ｄ２から、円筒形ワークのワーク径を算出する工程を有する。そのような計算は、工作機械に関連付けられた演算部で行い得る。

点Ｐの座標および基準点Ｑの座標を検出するセンサは、工作機械の内部または外部の何れの箇所に取り付けられてもよい。点Ｐの座標および基準点Ｑの座標を検出するセンサは同じであってもよい。センサは、例えば、旋回軸と直交する平面内を移動可動な構造体に取り付けられる。そのような構造体は、例えば、複合加工機、旋盤などの工作機械が具備する第１刃物台または第２刃物台であり得る。第１刃物台は、工具主軸であり得るし、第２刃物台は、タレットなどの下刃物台であり得る。構造体は、振れ止め、心押台などでもよい。

振れ止めとは、研削盤、旋盤などに固定されたワークを半径方向に支持する構造体である。心押台とは、ワークを安定させるためにワークに押しつける部材を具備する構造体である。

センサが、工具主軸に装着される場合、例えば、ＡＴＣ（自動工具交換装置）による工具とセンサとの交換動作を行えばよい。ただし、交換動作には一定の時間を要する。一方、センサが、タレットなどの下刃物台に装着される場合、ＡＴＣによる交換動作を行う必要がない。タレットに予め工具とセンサを装着しておけば、タレットを回転させるだけで、工具とセンサとをチェンジすることができる。

通常、下刃物台は、Ｘ方向（鉛直方向）およびＹ方向（水平の前後方向）のストロークが小さく、移動できる距離が限られている。しかし、点Ｐの座標を算出するために連続的に算出される円Ｃｗの円弧の中心角θは、十分に小さい。よって、下刃物台の移動のストロークが小さくても全く問題がない。

本発明の実施形態に係る工作機械は、上記ワーク径測定方法の実施に適した工作機械であり、旋回軸を有する主軸と、センサと、演算部とを具備する。センサは、接触式でも非接触式でもよい。センサは、Ｚ方向に対応する旋回軸Ｃｃと中心軸が一致するように支持された円筒形ワークの外周面上において、旋回軸Ｃｃと直交する第１方向の座標が極大もしくは極小となる点Ｐの座標を算出する。また、センサは、旋回軸Ｃｃからの第１方向におけるＤ１が既知である基準点Ｑの座標を算出する。演算部は、点Ｐおよび基準点Ｑの座標から、点Ｐと基準点Ｑとの第１方向における距離Ｄ２を算出する。演算部は、更に、距離Ｄ１と距離Ｄ２から円筒形ワークのワーク径Ｒを算出する。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るワーク径測定方法および工作機械の実施形態について更に具体的に説明する。なお、各図面において、工作機械の各構成部品の形状または特徴を明確にするため、これらの寸法を相対的なものとして図示するが、必ずしも実物の縮尺比で表したものではない。また、各図面において同一の構成部品には同一の符号を用いて示す。

図１は、本実施形態に係る工作機械の一例の構成を示す正面図である。図２は、図１の工作機械のワークと主軸と第１および第２刃物台とをＺ方向から見た概念図である。

図１、２に示されるように、工作機械１００は、それぞれ旋回軸を有する第１主軸１１０と、第１主軸１１０と対向する位置に配置された第２主軸１２０とを具備する。第１主軸１１０および第２主軸１２０は、それぞれ円筒形ワークＷの中心軸方向の一端および他端を把持するチャックを具備する。図２では、第１主軸１１０もしくは第２主軸１２０が具備するチャックの位置を破線で示す。各主軸は、ワークＷを旋回軸まわりに回転させる。ここでは、第２主軸１２０を具備する工作機械１００を示すが、工作機械は、第２主軸の代わりに、例えば、心押台を有してもよい。ワークＷの上方には、ＸＹＺ方向に三次元的に移動可能な工具主軸１３０（第１刃物台）が設けられている。また、ワークＷの下方には、タレット１４０（第２刃物台）が設けられている。すなわち、工作機械１００は、タレット１４０に固定された工具による旋削機能と、工具主軸１３０に装着された回転工具によるミーリング機能とを有する複合加工機である。タレット１４０には、接触式センサ２００が装着されている。第１主軸１１０、第２主軸１２０、工具主軸１３０およびタレット１４０は、それぞれフロアに設置されたベッド（図示せず）に設置されている。

ベッドには、タレット１４０をＸＹＺの３方向に移動させるための移動機構（ガイドレール、ボールネジなど）が設けられている。接触式センサ２００の端子２１０は、タレット１４０をＸ方向およびＹ方向に移動させることで、ワークＷの周面に沿って移動する。

図３、４は、円筒形ワークＷの外周面上において旋回軸Ｃｃと直交するＸ方向の座標が極小となる点Ｐの座標を測定する工程を示す図である。図３では、第１および第２主軸１１０、１２０が具備するワークを把持するための円形のチャックよりもワークＷが小径である。図４では、ワークＷはチャックよりも大径である。

第１および第２主軸１１０、１２０の旋回軸は、円筒形ワークＷの中心軸と一致する。円Ｃｗは、ワークＷの中心軸に垂直な平面とワークの外周面との交線が描く円である。破線で示される円Ｃｚは、旋回軸Ｃｃに垂直な平面とチャックの外周面との交線が描く円である。点Ｐは、円Ｃｗ上の点であり、Ｘ方向の座標が極小となるワークの最も下端における点である。接触式センサ２００は、点Ｐを跨ぐように、中心角θの円弧に沿って移動し、点Ｐの近傍の座標を連続的に検出する。検出された座標は、所定の演算部によってパラメータとして算出される。

基準点Ｑ１、Ｑ２は、円Ｃｚ上の点である。旋回軸Ｃｃから基準点Ｑ１、Ｑ２までのＸ方向およびＹ方向における距離Ｄ１は既知である。距離Ｄ１は、温度、湿度などの条件が異なる場合でもほとんど変動しない。チャック径は温度変化により僅かに変動し得るが無視できるレベルである。なお、基準点Ｑ２と点ＰとのＸ方向における距離は、仮に、チャック径が大きく変動したとしても変動しない。Ｚ方向から見たとき、基準点Ｑ１は、点Ｐおよび旋回軸Ｃｃと同一直線上にある。

まず、センサ２００で基準点Ｑの座標を検出し、演算部で検出された座標のパラメータを算出する。その後、点Ｐの座標を検出し、演算部で座標のパラメータを算出する。算出されたそれぞれのパラメータから演算部により距離Ｄ２が算出される。

なお、工作機械の組立精度に起因して第１および第２主軸１１０、１２０の旋回軸がＺ方向と一致しない場合、そのずれ量を測定し、演算部において各距離を算出する処理に反映するようにしてもよい。

次に、図３の場合、演算部により距離Ｄ１から距離Ｄ２を減じることで、円筒形ワークＷのワーク径Ｒ１が算出される。図４の場合、演算部により距離Ｄ１と距離Ｄ２とを加算することでワーク径Ｒ２が算出される。

図５は、別の実施形態に係る工作機械１００Ｘの一例の構成を示す正面図である。工作機械１００Ｘでは、センサ２００がタレット１４０ではなく、工具主軸１３０に装着されている。センサ２００は、ＡＴＣにより、工具とセンサとを交換することで、工具主軸１３０に装着される。その他の構成は、図１の工作機械１００と同様である。工作機械１００Ｘの場合、点Ｐとして、例えば、Ｘ方向の座標が極大となるワークの最も上端における点を検出してもよい。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

本発明に係るワーク径の測定方法は、旋盤、複合加工機などの工作機械で円筒形ワークの直径もしくは半径を測定する場合に適している。

１００、１００Ｘ：工作機械
１１０：第１主軸
１２０：第２主軸
１３０：工具主軸
１４０：タレット
２００：センサ
２１０：端子
Ｗ：ワーク
Ｒ１、Ｒ２：ワーク径
Ｐ：極大点もしくは極小点
Ｑ：基準点
Ｃｃ：旋回軸
Ｃｗ：ワークＷの中心軸に垂直な平面とワークの外周面との交線が描く円
Ｃｚ：旋回軸Ｃｃに垂直な平面とチャックの外周面との交線が描く円

Claims (9)

1. 工作機械の主軸の旋回軸と中心軸が一致するように支持された円筒形ワークの外周面上において、前記旋回軸と直交し且つ互いに直交する第１方向および第２方向にセンサを移動させて、前記第２方向の座標の変化に対して前記第１方向の座標が極大もしくは極小となる点Ｐの座標を測定する工程と、
   前記旋回軸からの前記第１方向における距離Ｄ１が既知である基準点Ｑと、前記点Ｐと、の前記第１方向における距離Ｄ２を算出する工程と、
   前記距離Ｄ１と前記距離Ｄ２から、前記円筒形ワークのワーク径を算出する工程と、を有する、ワーク径の測定方法。
2. 前記旋回軸に対応するＺ方向から見たときに、前記基準点Ｑが、前記点Ｐおよび前記旋回軸と同一直線上にある、請求項１に記載のワーク径の測定方法。
3. 前記第１方向が、鉛直方向のＸ方向または水平方向のＹ方向である、請求項１または２に記載のワーク径の測定方法。
4. 前記点Ｐの座標が、前記Ｘ方向の座標が極小となる座標である、請求項３に記載のワーク径の測定方法。
5. 前記センサは、前記旋回軸と直交する平面内を移動可動な構造体に取り付けられている、請求項３または４に記載のワーク径の測定方法。
6. 前記構造体が、複合加工機または旋盤の第１刃物台または第２刃物台である、請求項５に記載のワーク径の測定方法。
7. 前記基準点Ｑが、前記ワークを把持する前記主軸のチャック上に設けられている、請求項１～６のいずれか１項に記載のワーク径の測定方法。
8. 旋回軸を有する主軸と、
   前記旋回軸と直交し且つ互いに直交する第１方向および第２方向に移動可能であり、前記旋回軸と中心軸が一致するように支持された円筒形ワークの外周面上において前記第２方向の座標の変化に対して前記第１方向の座標が極大もしくは極小となる点Ｐの座標と、前記旋回軸からの前記第１方向における距離Ｄ１が既知である基準点Ｑの座標とを、算出するセンサと、
   前記点Ｐの座標および前記基準点Ｑの座標から、前記点Ｐと前記基準点Ｑとの前記第１方向における距離Ｄ２を算出し、前記距離Ｄ１と前記距離Ｄ２から、前記円筒形ワークのワーク径を算出する演算部と、を具備する、工作機械。
9. 前記点Ｐの座標の測定は、前記中心軸に垂直な平面と前記外周面との交線に沿って前記センサを移動させることで行われる、請求項１～７のいずれか１項に記載のワーク径の測定方法。

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