JP7375382B2 - 歯車加工装置及び歯車加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、歯車加工装置及び歯車加工方法に関する。

近年、コストの面から高速加工可能な歯車加工装置が望まれており、特許文献１に記載のようなスカイビング加工が可能な歯車加工装置が知られている。スカイビング加工とは、歯切り工具の中心軸線と工作物の中心軸線とを傾斜させた状態（歯車加工における交差角を有する状態）とする。そして、歯切り工具及び工作物をそれぞれの中心軸線周りに同期回転させながら、歯切り工具を工作物の中心軸線方向に相対移動する加工である。

特開２０１２－１７１０２０号公報

上述の歯車加工装置では、歯切り工具及び工作物の回転制御を高精度にしても、加工される歯車の歯の歯すじにうねりが発生する場合がある。

本発明は、加工される歯車の歯の歯すじのうねりを抑制できる歯車加工装置及び歯車加工方法を提供することを目的とする。

本発明の歯車加工装置は、工作物と歯切り工具とを同期回転させながら、前記工作物の回転軸線方向に前記歯切り工具を前記工作物に対して相対移動させることにより、前記工作物に歯車の歯を加工する歯車加工装置であって、前記工作物を回転可能に支持する工作物主軸と、前記歯切り工具が装着される回転可能な工具主軸と、前記工作物主軸の回転を制御する工作物主軸制御部と、前記工具主軸の回転を制御する工具主軸制御部と、を備え、前記工作物主軸制御部及び前記工具主軸制御部の少なくとも一方は、前記工作物主軸制御部及び前記工具主軸制御部による制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合に、予め記憶されている補正量であって、前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量に基づいて、前記工作物主軸及び前記工具主軸の少なくとも一方の回転を補正し、前記補正量は、予め測定される前記装置固有の同期誤差に基づいて算出されると共に、前記歯車加工装置に予め記憶されている。

本発明の歯車加工方法は、工作物を回転可能に支持する工作物主軸と歯切り工具が装着される回転可能な工具主軸とを同期回転させながら、前記工作物の回転軸線方向に前記歯切り工具を前記工作物に対して相対移動させることにより、前記工作物に歯車の歯を加工する歯車加工方法であって、前記工作物主軸及び前記工具主軸の回転を制御する回転制御工程と、前記回転制御工程における制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合に、予め記憶されている補正量であって、前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量に基づいて、前記工作物主軸及び前記工具主軸の少なくとも一方の回転を補正する回転補正工程と、を備え、前記補正量は、予め測定される前記装置固有の同期誤差に基づいて算出されると共に、前記各工程を行う歯車加工装置に予め記憶されている。

本発明の歯車加工装置及び歯車加工方法によれば、工作物主軸及び工具主軸の制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差に応じた補正量に基づいて、工作物主軸及び工具主軸の少なくとも一方の回転を補正しているので、加工される歯車の歯の歯すじのうねりを抑制でき、歯車加工において加工する歯車の加工精度を高めることができる。

本発明の実施形態における歯車加工装置の斜視図である。 図１の歯車加工装置においてスカイビング加工を行う際の歯切り工具を拡大した一部断面図である。 歯車加工装置の第一実施形態及び第一実施形態の変形例の制御装置のブロック図である。 第一実施形態の制御装置により実行される歯車加工処理のフローチャートである。 第一実施形態の変形例の制御装置により実行される歯車加工処理のフローチャートである。 スカイビング加工を行う際の歯切り工具と工作物との動作を示す図である。 制御装置で制御される工作物主軸の回転速度を正弦波で変動させるときのグラフである。 制御装置で制御される工具主軸の回転速度を工作物主軸の回転速度と同期させるときのグラフである。 工作物主軸と工具主軸の回転速度同期誤差の変動を示すグラフである。 歯車の歯の歯すじに発生するうねりと歯すじ誤差を示す図である。 工作物主軸の回転速度の第一、第二、第三の補正量を説明するためのグラフである。 第一、第二の補正量で補正後の工作物主軸と工具主軸の回転速度同期誤差の変動を示すグラフである。 第一、第二の補正量で補正後の歯車の歯の歯すじに発生するうねりと歯すじ誤差を示す図である。 第一、第二、第三の補正量で補正後の工作物主軸と工具主軸の回転速度同期誤差の変動を示すグラフである。 第一、第二、第三の補正量で補正後の歯車の歯の歯すじに発生するうねりと歯すじ誤差を示す図である。 工具主軸を回転させるときの工具主軸回転速度の安定判別を説明するための図である。 第二実施形態においてホブ加工を行う際の歯切り工具と工作物との動作を示す図である。 歯切り工具及び工作物の回転速度の別例の変動を示すグラフである。

＜１．第一実施形態＞
（１－１．歯車加工装置の概略構成）
本発明に係る第一実施形態の歯車加工装置の概略構成について図１を参照して説明する。図１に示すように、歯車加工装置１は、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）と２つの回転軸（Ａ軸及びＣ軸）を駆動軸として有するマシニングセンタである。歯車加工装置１は、ベッド１０と、コラム２０と、サドル３０と、工具主軸４０と、テーブル５０と、チルトテーブル６０と、工作物主軸７０と、制御装置１００と、を主に備える。

ベッド１０は、床上に配置される。このベッド１０の上面には、コラム２０が設けられる。コラム２０は、ベッド１０内に収容されるＸ軸モータ２１及びＸ軸モータ２１に連結されるボールねじ２２により、Ｘ軸線方向（水平方向）へ移動可能に設けられる。さらに、コラム２０の側面には、サドル３０が設けられる。

サドル３０は、コラム２０内に収容されるＹ軸モータ１１（図３参照）及びＹ軸モータ１１に連結されるボールねじ（図示省略）によりＹ軸線方向（鉛直方向）に移動可能に設けられる。工具主軸４０は、サドル３０内に収容されるエンコーダ（図示省略）を有する工具主軸用モータ４１（図３参照）によりＺ軸線回りに回転可能に設けられる。工具主軸４０の先端には、歯切り工具４２（スカイビングカッタ）が装着され、歯切り工具４２は、工具主軸４０の回転に伴って回転する。

ここで、図２を参照しながら、歯切り工具４２（スカイビングカッタ）について説明する。図２に示すように、歯切り工具４２は、外周面に複数の切れ刃４２ａを備えるスカイビングカッタであり、各々の切れ刃４２ａの端面は、すくい角γを有するすくい面を構成する。各々の切れ刃４２ａのすくい面は、歯切り工具４２の中心軸線を中心としたテーパ状としてもよく、切れ刃４２ａごとに異なる方向を向く面状に形成してもよい。

図１に示すように、ベッド１０の上面には、テーブル５０が設けられる。テーブル５０は、ベッド１０内に収容されるＺ軸モータ１２（図３参照）及びＺ軸モータ１２に連結されるボールねじ（図示省略）によりＺ軸線方向（水平方向）に移動可能に設けられる。テーブル５０の上面には、チルトテーブル６０を支持するチルトテーブル支持部６１が設けられる。そして、チルトテーブル支持部６１には、チルトテーブル６０がＡ軸線（Ｘ軸線と平行）回りに揺動可能に設けられる。

チルトテーブル６０の底面には、工作物主軸７０及びエンコーダ（図示省略）を有する工作物主軸用モータ７１が設けられる。工作物主軸７０は、工作物主軸用モータ７１によりＡ軸線に直交するＣ軸線回りに回転可能に設けられる。工作物主軸７０の先端には、工作物Ｗが保持され、工作物Ｗは、工作物主軸７０の回転に伴って回転する。

（１－２．制御装置の構成）
制御装置１００の具体的構成について説明する。図３に示すように、制御装置１００は、工作物主軸制御部１１０と、工具主軸制御部１２０と、直動制御部１３０を備える。この制御装置１００は、スカイビング加工により工作物Ｗに歯車を加工する。具体的には、図６に示すように、制御装置１００は、チルトテーブル６０をＡ軸線回りに揺動させることにより、工作物Ｗの回転軸線Ｃを、歯切り工具４２の回転軸線Ｏに対して傾斜させる。この工作物Ｗの回転軸線Ｃに対する歯切り工具４２の回転軸線Ｏの傾斜角度を交差角δと称す。

そして、工作物主軸制御部１１０は、工作物主軸用モータ７１を駆動制御し、工作物主軸７０（工作物Ｗ）の回転速度Ｓｗを制御する。工具主軸制御部１２０は、工具主軸用モータ４１を駆動制御し、工具主軸４０（歯切り工具４２）の回転速度Ｓｔを制御する。直動制御部１３０は、Ｙ軸モータ１１及びＺ軸モータ１２をそれぞれ駆動制御し、歯切り工具４２の工作物Ｗに対する工作物Ｗの回転軸線（中心軸線Ｃ）方向への送り速度、すなわち本例ではＺ軸線方向のテーブル５０（工作物Ｗ）の送り速度Ｖｚ（以下単に、Ｚ軸送り速度Ｖｚという）及びＹ軸線方向のサドル３０（歯切り工具４２）の送り速度Ｖｙ（以下単に、Ｙ軸送り速度Ｖｙという）を合成した送り速度Ｖｚ＋ｙ（以下単に、送り速度Ｖｚ＋ｙという）を制御する。

また、切削速度Ｓｔ－ｗは、歯車加工に要する加工時間（サイクルタイム）、歯切り工具４２の諸元、工作物Ｗの材質、及び工作物Ｗに形成する歯車のねじれ角等に基づいて設定される。すなわち、切削速度Ｓｔ－ｗは、歯車加工を行う際の加工能率及び歯切り工具４２の工具寿命等を勘案し、最適な速度に設定される。スカイビング加工においては、切削速度Ｓｔ－ｗを速くするほど、加工能率が向上する一方、面性状等の品質が低下する傾向がある。

ここで、解決課題で述べたように、歯車加工装置１では、工作物主軸７０（工作物Ｗ）及び工具主軸４０（歯切り工具４２）の回転制御を高精度にしても、加工される歯車の歯の歯すじにうねりが発生する場合がある。本発明者は、この歯すじのうねりの発生が、工作物主軸制御部１１０及び工具主軸制御部１２０による制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差によることを見出した。

そこで、工作物主軸制御部１１０及び工具主軸制御部１２０は、工作物主軸制御部１１０及び工具主軸制御部１２０による制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合に、当該装置固有の同期誤差に応じた補正量に基づいて、工作物主軸７０及び工具主軸４０の回転の補正をそれぞれ行うようにする。なお、工作物主軸７０及び工具主軸４０の回転の補正は何れか一方のみでもよい。

また、直動制御部１３０においても、歯すじのうねりの発生に対する影響は工作物主軸制御部１１０及び工具主軸制御部１２０ほど大きくないが、直動制御部１３０による制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合がある。そこで、直動制御部１３０は、上記装置固有の同期誤差が存在する場合に、当該装置固有の同期誤差に応じた補正量に基づいて、直動制御部１３０のＺ軸送り（直動）及びＹ軸送り（直動）の補正をそれぞれ行うようにしてもよい。なお、直動制御部１３０は、Ｚ軸送り（直動）及びＹ軸送り（直動）の補正は何れか一方のみでもよい。

この歯車加工装置１の制御装置１００によれば、工作物主軸７０及び工具主軸４０の制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差に応じた補正量に基づいて、工作物主軸７０及び工具主軸４０の少なくとも一方の回転を補正しているので、加工される歯車の歯の歯すじのうねりを抑制でき、歯車加工において加工する歯車の加工精度を高めることができる。

（１－３．制御装置による歯車加工処理）
次に、制御装置１００により実行される歯車加工処理（歯車加工方法）について図を参照して説明する。なお、歯車加工処理を実行するにあたり、工作物主軸７０には、工作物Ｗが保持され、工具主軸４０には、歯切り工具４２が装着されているものとする。また、工作物Ｗの回転軸線Ｃに対する歯切り工具４２の回転軸線Ｏの傾斜角度は、交差角δに設定され、歯切り工具４２は、工作物Ｗの加工開始位置に位置決めされているものとする。

また、工具主軸制御部１２０には、予め測定される工具主軸制御部１２０による制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差に応じた補正量が記憶されているものとする。直動制御部１３０には、予め測定されるＺ軸送りの制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差に応じた補正量が記憶されているものとする。

工具主軸制御部１２０は、装置固有の同期誤差に応じた補正量により工具主軸４０の回転を補正し、工具主軸４０を一定の回転速度Ｓｔで回転制御する（図４のステップＳ１、回転制御工程、回転補正工程）。そして、工作物主軸制御部１１０は、工具主軸４０の回転に同期するように工作物主軸７０を一定の回転速度Ｓｗで回転制御する（図４ステップＳ２、回転制御工程）。そして、直動制御部１３０は、装置固有の同期誤差に応じた補正量によりＺ軸送りを補正し、Ｚ軸送りに同期するようにＹ軸送りを制御して、歯切り工具４２の工作物Ｗに対する工作物Ｗの回転軸線（中心軸線Ｃ）方向への送りを制御する（図４ステップＳ３、直動制御工程、直動補正工程）。

以上の処理により、歯切り工具４２は、工作物Ｗに噛合しながら、工作物Ｗに連続的な歯車加工を行い、工作物Ｗに歯面形状を加工する（図４のステップＳ４）。そして、一の工作物Ｗの歯車加工が完了したか否かを判断し（図４のステップＳ５）、一の工作物Ｗの歯車加工が完了したら、次の工作物Ｗの歯車加工の有無を確認する（図４のステップＳ６）。そして、次の工作物Ｗの歯車加工が有るときは、ステップＳ４に戻って上述の処理を繰り返し、次の工作物Ｗの歯車加工が無いときは、全ての処理を終了する。

（１－４．第一実施形態の変形例）
上述の制御装置１００では、工作物主軸７０を一定の回転速度Ｓｗで回転制御するとともに、工具主軸４０を一定の回転速度Ｓｔで回転制御している。しかし、本発明者は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗ（平均工作物主軸回転速度Ｓｗａ）及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔ（平均工作物主軸回転速度Ｓｔａ）を正弦波で変動させる制御を行うことで、工作物Ｗに発生するびびり振動の増幅が抑制されることを見出した。これは、歯切り工具４２が工作物Ｗに接触する周期が不規則となるためである。その結果、工作物Ｗに対する歯切り工具４２の切込量を大きく設定することができ、工作物Ｗに形成された加工面の面性状の向上と加工能率の向上との両立を図れる。

しかし、工作物主軸７０及び工具主軸４０の回転速度Ｓｗ，Ｓｔのみを変動させた場合、歯切り工具４２の切れ刃４２ａの実切込深さ（切削長さ）が変動し、工具寿命は工作物主軸７０及び工具主軸４０の回転速度Ｓｗ，Ｓｔが一定の場合と比較して短くなる傾向にあることが判明した。この工具寿命が問題になる場合は、工具主軸４０の回転速度Ｓｔを変動させるとともに、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗを工具主軸４０の回転速度Ｓｔと同期させ、さらに、送り速度Ｖｚ＋ｙを工具主軸４０の回転速度Ｓｔと同期させることで、工具寿命を向上できることを見出した。これは、歯切り工具４２の切れ刃４２ａの実切込深さが一定となるためである。

この変動制御においても、前述した実施形態の制御と同様に、工作物主軸制御部１１０及び工具主軸制御部１２０は、装置固有の同期誤差が存在する場合に、装置固有の同期誤差に応じた補正量に基づいて、工作物主軸７０及び工具主軸４０の回転の補正をそれぞれ行うようにする。なお、工作物主軸７０及び工具主軸４０の回転の補正は何れか一方のみでもよい。また、前述した実施形態の制御と同様に、直動制御部１３０は、上記装置固有の同期誤差が存在する場合に、装置固有の同期誤差に応じた補正量に基づいて、Ｙ軸送り（直動）及びＺ軸送り（直動）の補正をそれぞれ行うようにしてもよい。なお、直動制御部１３０は、Ｚ軸送り（直動）及びＹ軸送り（直動）の補正は何れか一方のみでもよい。

しかし、この変動制御においては、工作物Ｗを含む第一回転体（工作物Ｗ及び工作物主軸７０の回転部分）の質量と歯切り工具４２を含む第二回転体（歯切り工具４２及び工具主軸４０の回転部分）の質量とは、同一ではない。そのため、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗ及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔが変動したとき、第一回転体の第一慣性モーメントと第二回転体の第二慣性モーメントとが異なる。そして、第一、第二回転体の第一、第二慣性モーメントの相違に起因して、図８に示すように、工作物主軸７０と工具主軸４０の回転位相の同期誤差Δθが発生する。この回転位相の同期誤差Δθは次式（１）で表される。なお、式中のθｗは、工作物主軸回転位相、θｔは、工具主軸回転位相、Ｚｔは、歯切り工具４２の工具刃数、Ｚｗは、工作物Ｗに加工する歯車の歯数である。その結果、図１１に示すように、加工される歯車の歯Ｇの歯すじＧｚに歯すじ誤差εのうねりが発生し、歯車加工精度が悪化するおそれがあった。

また、送り速度Ｖｚ＋ｙと工具主軸４０の回転速度Ｓｔとの間にも同期誤差が発生する場合があり、この点でも歯車加工精度が悪化するおそれがあった。工作物主軸７０と工具主軸４０の回転位相の同期誤差Δθが発生する理由としては、工作物Ｗを含む第一回転体（工作物Ｗ及び工作物主軸７０の回転部分）の質量と歯切り工具４２を含む第二回転体（歯切り工具４２及び工具主軸４０の回転部分）の質量とは、同一ではない。そのため、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗ及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔが変動したとき、第一回転体の第一慣性モーメントと第二回転体の第二慣性モーメントとが異なるからである。

また、送り速度Ｖｚ＋ｙと工具主軸４０の回転速度Ｓｔとの間に同期誤差が発生する理由としては、工作物Ｗを含む第一移動体（工作物Ｗ、工作物主軸７０及びテーブル５０等）の質量と歯切り工具４２を含む第二移動体（歯切り工具４２、工具主軸４０及びサドル３０等）の質量とは、同一ではない。そのため、送り速度Ｖｚ＋ｙ及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔが変動したとき、第一移動体の第一慣性力と第二移動体の第二慣性力とが異なるからである。

そこで、先ず、工具主軸制御部１２０は、第一回転体の第一慣性モーメントと第二回転体の第二慣性モーメントに基づいて、工作物主軸７０における回転速度Ｓｗの変動周期に応じた補正量を算出するようにしている。さらに、直動制御部１３０は、第一移動体の第一慣性力と第二移動体の第二慣性力に基づいて、送り速度Ｖｚ＋ｙ、本例では、Ｙ軸送り速度Ｖｙの変動周期に応じた補正量及びＺ軸送り速度Ｖｚの変動周期に応じた補正量をそれぞれ算出するようにしている。

具体的には、工具主軸制御部１２０は、工具主軸用モータ４１を駆動制御し、工具主軸４０の回転速度Ｓｔ（式（１）参照）を変動させる。工作物主軸制御部１１０は、工作物主軸用モータ７１を駆動制御し、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗ（式（２）参照）を工具主軸４０の回転速度Ｓｔに同期させて変動させる。

工具主軸４０の回転速度Ｓｔは、次式（２）で表される。なお、式中のＳｔａは、工具主軸４０の平均回転速度（平均工具主軸回転速度）、Ａｔは、工具主軸４０の変動振幅、ｆｈは、回転変動の変動周波数、ｔは、時間である。工作物主軸７０の回転速度Ｓｗは、次式（３）で表される。なお、式中のＳｗａは、工作物主軸７０の平均回転速度（平均工作物主軸回転速度）である。

また、Ｚ軸送り速度Ｖｚは、次式（４）で表される。なお、式中のＶｚａは、平均Ｚ軸送り速度である。Ｙ軸送り速度Ｖｙは、次式（５）で表される。なお、式中のＶｙａは、平均Ｙ軸送り速度である。

工具主軸制御部１２０は、工作物Ｗを含む第一回転体の第一慣性モーメントと歯切り工具４２を含む第二回転体の第二慣性モーメントに基づいて、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗの変動周期に応じた補正量を算出する。つまり、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗの変動周期に応じた補正量に含まれる第一の補正量として、先ず、図１０に示すように、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗの図示破線で示す周期的な変動における振幅を微調整するための振幅補正量ΔＡｗ－ｔを算出する。この補正を行うことで、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗは、図示一点鎖線で示す周期的な変動になる。

具体的には、工具主軸制御部１２０は、工具主軸制御部１２０に予め記憶されている第一回転体の第一慣性モーメントと第二回転体の第二慣性モーメントとの差Ｉｗ－ｔ、工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動振幅Ａｔ及び変動周波数ｆｈに基づいて、次式（６）で表される工作物主軸７０の変動振幅の振幅補正量ΔＡｗ－ｔを求める。なお、式中のＣｗｔは、歯切り工具４２基準の工作物Ｗに関する定数であり、工具主軸制御部１２０に予め記憶されている。また、同様な変数を三角関数に用いた式にて振幅補正量ΔＡｗ－ｔを求めることもできる。

さらに、工具主軸制御部１２０は、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗの変動周期に応じた補正量に含まれる第二の補正量として、図１０に示すように、第一回転体における加減速タイミングの微小な時間ずれ、つまり、第一回転体における加減速に起因するオフセット時間補正量Ｐｗを算出する。この補正を行うことで、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗは、図示二点鎖線で示す周期的な変動になる。

具体的には、工具主軸制御部１２０は、工具主軸制御部１２０に予め記憶されている第一回転体の第一慣性モーメントと第二回転体の第二慣性モーメントとの差Ｉｗ－ｔ、工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動周波数ｆｈに基づいて、次式（７）で表される第一回転体における加減速に起因するオフセット時間補正量Ｐｗを求める。なお、式中のＣｗは、第二回転体基準の第一回転体に関する定数であり、工具主軸制御部１２０に予め記憶されている。また、同様な変数を三角関数に用いた式にてオフセット時間補正量Ｐｗを求めることもできる。

ここで、上述の工作物主軸７０の変動振幅の振幅補正量ΔＡｗ－ｔ及び第一回転体における加減速に起因するオフセット時間補正量Ｐｗで工作物主軸７０の変動振幅を補正すると、図１１に示すように、工作物主軸７０と工具主軸４０の回転位相の同期誤差Δθは、図８に示す補正前の回転位相の同期誤差Δθよりも改善される。しかし、図１２に示すように、歯車の歯Ｇの歯すじＧｚに歯すじ誤差εｃのうねりは、図９に示す補正前の歯すじ誤差εのうねりより多少改善される程度（εｃ＜ε）で、歯すじ誤差のうねりの許容範囲内に入っていない。

そこで、さらに、工具主軸制御部１２０は、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗの補正量に含まれる第三の補正量として、前述した実施形態の制御と同様の装置固有の同期誤差に応じた補正量で工作物主軸７０の変動振幅を補正することで、歯すじ誤差のうねりが改善されることを見出した。つまり、図１０に示すように、第一回転体における時間的な極僅かな誤差、つまり、第一回転体における回転速度制御周期より短い時間の装置固有のオフセット時間補正量ΔＰｗを算出する。

上述の第一回転体における回転速度制御周期より短い時間の装置固有のオフセット時間補正量ΔＰｗで工作物主軸７０の変動振幅を補正すると、図１３に示すように、工作物主軸７０と工具主軸４０の回転位相の同期誤差Δθは、図１１に示す振幅補正量ΔＡｗ－ｔ及びオフセット時間補正量Ｐｗで補正したときの回転位相の同期誤差Δθと比較して僅かに大きくなるが、図１４に示すように、歯車の歯Ｇの歯すじＧｚに歯すじ誤差εｃｃのうねりは、図１２に示す振幅補正量ΔＡｗ－ｔ及びオフセット時間補正量Ｐｗで補正したときの歯すじ誤差εｃのうねりよりも小さくなって（εｃｃ＜εｃ）、許容範囲内に入るようになる。

この装置固有のオフセット時間補正量は、例えばエンコーダの測定タイミングのずれを補正するものであり、工具主軸回転速度制御部１２０及び工作物主軸回転制御部１１０の制御周期によるが、一般的に制御指令は、回転速度制御部同等の時間補正はできない。このため、回転速度指令値の回転位相値に時間補正相当の補正を行うようにする。この補正を行うことで、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗは、図１０の実線で示す周期的な変動になる。

具体的には、工具主軸制御部１２０は、工具主軸制御部１２０に予め記憶されている工作物主軸７０の極僅かな時間ずれΔＴｗ及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動周波数ｆｈに基づいて、次式（８）で表される第一回転体における回転速度制御周期より短い時間の装置固有のオフセット時間補正量ΔＰｗを求める。

直動制御部１３０は、上述の工具主軸制御部１２０と同様な処理を行う。つまり、直動制御部１３０は、工作物Ｗを含む第一移動体の第一慣性力の代替値に当たるＺ軸モータ１２に連結されたボールネジのＺ軸慣性モーメントと歯切り工具４２を含む第二移動体の第二慣性力の代替値に当たるＹ軸モータ１１に連結されたボールネジのＹ軸慣性モーメントに基づいて、Ｚ軸送り速度Ｖｚの補正量及びＹ軸送り速度Ｖｙの補正量を算出する。つまり、直動制御部１３０は、Ｚ軸送り速度Ｖｚの変動周期に応じた補正量に含まれるものとして、先ず、Ｚ軸送り速度Ｖｚの周期的な変動における振幅を微調整する振幅補正量を算出する。

具体的には、直動制御部１３０は、直動制御部１３０に予め記憶されているＺ軸慣性モーメントとＹ軸慣性モーメントとの差Ｉｚ－ｙ、工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動振幅Ａｔ（＝Ａｙ：Ｙ軸の変動振幅）及び変動周波数ｆｈに基づいて、次式（９）で表されるＺ軸の変動振幅の振幅補正量ΔＡｚ－ｙを求める。なお、式中のＣｚｔは、歯切り工具４２基準のＺ軸に関する定数であり、直動制御部１３０に予め記憶されている。また、同様な変数を三角関数に用いた式にて振幅補正量ΔＡｚ－ｙを求めることもできる。

さらに、直動制御部１３０は、Ｚ軸の送り速度Ｖｚの補正量に含まれるものとして、第一移動体における加減速タイミングの微小な時間ずれ、つまり、第一移動体における加減速に起因するオフセット時間補正量を算出する。このオフセット時間補正量は、加工前の工具主軸４０の空転及びＺ軸の空送りの状態のときに、同期変動指令による工具主軸４０の回転位相とＺ軸の位置をそれぞれ測定し、工具主軸４０の回転位相に対するＺ軸の時間ずれ（最大工具主軸回転速度、最小工具主軸回転速度、平均工具主軸回転速度に至るタイミング）に相当する。

具体的には、直動制御部１３０は、直動制御部１３０に予め記憶されているＺ軸慣性モーメントと第二回転体の第二慣性モーメントとの差Ｉｚ－ｔ及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動周波数ｆｈに基づいて、次式（１０）で表される第一移動体における加減速に起因するオフセット時間補正量Ｐｚを求める。なお、式中のＣｚは、第一移動体に関する定数であり、直動制御部１３０に予め記憶されている。また、同様な変数を三角関数に用いた式にてオフセット時間補正量Ｐｚを求めることもできる。

さらに、直動制御部１３０は、Ｚ軸の送り速度Ｖｚの補正量に含まれるものとして、第一移動体における時間的な極僅かな誤差、つまり、前述した実施形態の制御と同様の第一移動体における送り速度制御周期より短い時間の装置固有のオフセット時間補正量を算出する。この装置固有のオフセット時間補正量は、工具主軸回転速度制御部１２０及び工作物主軸回転制御部１１０の制御周期によるが、一般的に制御指令は、回転速度制御部同等の時間補正はできない。このため、送り速度指令値に時間補正相当の補正を行うようにする。

具体的には、直動制御部１３０は、直動制御部１３０に予め記憶されているＺ軸の極僅かな時間ずれΔＴｚ及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動周波数ｆｈに基づいて、次式（１１）で表される第一移動体における送り速度制御周期より短い時間の装置固有のオフセット時間補正量ΔＰｚを求める。

また、直動制御部１３０は、Ｙ軸の送り速度Ｖｙの補正量に含まれるものとして、第二移動体における加減速タイミングの微小な時間ずれ、つまり、第二移動体における加減速に起因するオフセット時間補正量を算出する。

具体的には、直動制御部１３０は、直動制御部１３０に予め記憶されているＹ軸慣性モーメントと第二回転体の第二慣性モーメントとの差Ｉｙ－ｔ及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動周波数ｆｈに基づいて、次式（１２）で表される第二移動体における加減速に起因するオフセット時間補正量Ｐｙを求める。なお、式中のＣｙは、第二移動体に関する定数であり、直動制御部１３０に予め記憶されている。また、同様な変数を三角関数に用いた式にてオフセット時間補正量Ｐｙを求めることもできる。

さらに、直動制御部１３０は、Ｙ軸の送り速度Ｖｙの補正量に含まれるものとして、第二移動体における時間的な極僅かな誤差、つまり、前述した実施形態の制御と同様の第二移動体における送り速度制御周期より短い時間の装置固有のオフセット時間補正量を算出する。この装置固有のオフセット時間補正量は、工具主軸回転速度制御部１２０及び工作物主軸回転制御部１１０の制御周期によるが、一般的に制御指令は、回転速度制御部同等の時間補正はできない。このため、送り速度指令値に時間補正相当の補正を行うようにする。

具体的には、直動制御部１３０は、直動制御部１３０に予め記憶されているＹ軸の極僅かな時間ずれΔＴｙ及び工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動周波数ｆｈに基づいて、次式（１３）で表される第一移動体における送り速度制御周期より短い時間の装置固有のオフセット時間補正量ΔＰｙを求める。

上述の歯車加工装置１によれば、加工される歯車の歯Ｇの歯すじＧｚのうねりをさらに抑制できるので、歯車加工において加工する歯車の加工精度を大幅に高めることができる。そして、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗを工具主軸４０の回転速度Ｓｔと同期させて変動させているとともに、送り速度Ｖｚ＋ｙを工具主軸４０の回転速度Ｓｔと同期させて変動させている。これにより、歯切り工具４２の切れ刃４２ａの実切込深さを一定にすることができ、歯切り工具４２の長寿命化を図ることができる。

（１－５．第一実施形態の変形例による歯車加工処理）
次に、第一実施形態の変形例による歯車加工処理（歯車加工方法）について図を参照して説明する。なお、歯車加工処理を実行するにあたり、工作物主軸７０には、工作物Ｗが保持され、工具主軸４０には、歯切り工具４２が装着されているものとする。また、工作物Ｗの回転軸線Ｃに対する歯切り工具４２の回転軸線Ｏの傾斜角度は、交差角δに設定され、歯切り工具４２は、工作物Ｗの加工開始位置に位置決めされているものとする。

工具主軸制御部１２０は、工具主軸４０の回転速度Ｓｔを正弦波で変動させて工具主軸４０を空転させる（図５のステップＳ１１）。そして、工具主軸４０の回転速度Ｓｔが、安定しているか否か判別する（図５のステップＳ１２）。この処理は、図１５に示すように、工具主軸４０の平均工具主軸回転速度Ｓｔａが、目標中心速度の±２０％内に入っている場合に安定と判別する。

工具主軸制御部１２０は、工具主軸４０の回転速度Ｓｔが安定したら、工作物主軸制御部１１０に同期回転指令を入力する。工作物主軸制御部１１０は、工具主軸制御部１２０により設定された工具主軸４０の回転速度Ｓｔに同期するように、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗを設定して工作物主軸７０を空転させる（図５のステップＳ１３）。そして、直動制御部１３０は、送り速度Ｖｚ＋ｙが工具主軸４０の回転速度Ｓｔの変動周波数と同期するように、Ｚ軸送り速度Ｖｚ及びＹ軸送り速度Ｖｙをそれぞれ設定してＺ軸及びＹ軸を空送りする（図５のステップＳ１４）。

そして、工具主軸制御部１２０は、工作物主軸７０における回転速度Ｓｗの変動周期に応じた補正量を算出し（図５のステップＳ１５）、直動制御部１３０は、Ｚ軸送り速度及びＹ軸送り速度の変動周期に応じた補正量をそれぞれ算出する（図５のステップＳ１６）。工作物主軸制御部１１０は、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗを次式（１４）に示すように変動周期に応じた補正量で補正する（図５のステップＳ１７、回転補正工程）。直動制御部１３０は、Ｚ軸送り速度及びＹ軸送り速度を次式（１５）及び次式（１６）に示すように変動周期に応じた補正量でそれぞれ補正する（図５のステップＳ１８）。

以上の処理により、歯切り工具４２は、工作物Ｗに噛合しながら、工作物Ｗに連続的な歯車加工を行い、工作物Ｗに歯面形状を加工する（図５のステップＳ１９）。そして、一の工作物Ｗの歯車加工が完了したか否かを判断し（図５のステップＳ２０）、一の工作物Ｗの歯車加工が完了したら、次の工作物Ｗの歯車加工の有無を確認する（図５のステップＳ２１）。そして、次の工作物Ｗの歯車加工が有るときは、ステップＳ１９に戻って上述の処理を繰り返し、次の工作物Ｗの歯車加工が無いときは、全ての処理を終了する。また、第一実施形態の変形例では、ＡｚをＡｙ（＝Ａｔ）基準で補正したが、Ａｚ，Ａｙ各々をＡｔ基準で補正することもできる。

＜２．第二実施形態＞
次に、図１６を参照して、第二実施形態について説明する。第一実施形態及び第一実施形態の変形例において、歯切り工具４２がスカイビングカッタであり、歯車加工装置１は、スカイビング加工による歯車加工を行う場合について説明した。これに対し、第二実施形態では、歯切り工具２４２がホブカッタであり、歯車加工装置１が、ホブ加工による歯車加工を行う場合を説明する。なお、上記した第一実施形態と同一の部品には同一の符号を付し、その説明を省略する。

歯車加工装置１は、歯切り工具２４２の回転軸線Ｏと工作物Ｗの回転軸線であるＣ軸とが交差するように、歯切り工具２４２及び工作物Ｗを配置する。なお、図１６には、歯切り工具２４２の回転軸線Ｏと工作物Ｗの回転軸線であるＣ軸とが直交するように、歯切り工具２４２及び工作物Ｗが配置されている。そして、歯車加工装置１は、歯車加工時において、工作物Ｗ及び歯切り工具２４２をそれぞれ回転させながら、歯切り工具２４２を工作物Ｗの中心軸線であるＺ軸方向へ送る（相対移動させる）ことにより、工作物Ｗに歯車を加工する。

この歯車加工においても、第一実施形態及び第一実施形態の変形例の補正を行うことで、加工される歯車の歯Ｇの歯すじＧｚのうねりをさらに抑制できるので、歯車加工において加工する歯車加工精度を大幅に高めることができる。

＜３．その他＞
上記第一実施形態の変形例では、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗを正弦波で変動させる場合について説明したが、図１７に示すように、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗを三角波で変動させてもよい。同様に、工作物主軸７０の回転速度Ｓｗを放物線が波状に変化するように変動させてもよい。

また、上記第一実施形態の変形例では、工作物主軸７０の補正量を算出する構成としたが、工具主軸４０の補正量を算出する構成としてもよい。また、工作物主軸７０及び工具主軸４０の両方の補正量を算出する構成としてもよい。この場合、工作物主軸７０の回転速度補正量と工具主軸４０の回転速度補正量を、５０％対５０％の比率で求め、あるいは、工作物Ｗに加工する歯車の歯数と歯切り工具４２の刃数の比率で求める。

また、上記各実施形態では、歯車加工装置１は、コラム２０がＸ軸線方向へ移動可能な構成を説明したが、コラム２０の代わりにテーブル５０がＸ軸線方向へ移動可能に構成されてもよい。また、テーブル５０がＺ軸線方向へ移動可能な構成を説明したが、テーブル５０の代わりにコラム２０がＺ軸線方向へ移動可能に構成されていてもよい。また、歯車加工装置１として横型のマシニングセンタについて説明したが、縦型のマシニングセンタにも本発明は適用可能である。また、工作機械全般に本発明を適用可能である。

また、上記各実施形態では、回転２軸（工具主軸４０、工作物主軸７０）及び直動２軸（Ｚ軸、Ｙ軸）で加工可能なマシニングセンタにおいて各軸を補正する場合を説明したが、回転２軸（工具主軸４０、工作物主軸７０）及び直動１軸（例えばＺ軸）や、回転２軸（工具主軸４０、工作物主軸７０）及び直動３軸（Ｚ軸、Ｙ軸、Ｘ軸）で加工可能なマシニングセンタにおいて各軸を補正する場合も適用可能である。そして、歯車加工のみならず、バリアブルレシオラックや歯のクラウニングの加工にも適用可能である。

１：歯車加工装置、 ４０：工具主軸、 ４１：工具主軸用モータ、 ４２：歯切り工具、 ７０：工作物主軸、 ７１：工作物主軸用モータ、 １００：制御装置、 １１０：工作物主軸制御部、 １２０：工具主軸制御部、 １３０：直動制御部、 Ｗ：工作物

Claims (7)

1. 工作物と歯切り工具とを同期回転させながら、前記工作物の回転軸線方向に前記歯切り工具を前記工作物に対して相対移動させることにより、前記工作物に歯車の歯を加工する歯車加工装置であって、
   前記工作物を回転可能に支持する工作物主軸と、
   前記歯切り工具が装着される回転可能な工具主軸と、
   前記工作物主軸の回転を制御する工作物主軸制御部と、
   前記工具主軸の回転を制御する工具主軸制御部と、
   を備え、
   前記工作物主軸制御部及び前記工具主軸制御部の少なくとも一方は、前記工作物主軸制御部及び前記工具主軸制御部による制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合に、予め記憶されている補正量であって、前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量に基づいて、前記工作物主軸及び前記工具主軸の少なくとも一方の回転を補正し、
   前記補正量は、予め測定される前記装置固有の同期誤差に基づいて算出されると共に、前記歯車加工装置に予め記憶されている、
   歯車加工装置。
2. 前記工作物主軸制御部は、前記工作物主軸の回転速度を周期的に変動させ、
   前記工具主軸制御部は、前記工具主軸の回転速度を周期的に変動させ、
   前記工作物主軸制御部及び前記工具主軸制御部の少なくとも一方は、前記装置固有の同期誤差に応じた補正量を含む前記回転速度の変動周期に応じた補正量に基づいて、前記工作物主軸及び前記工具主軸の少なくとも一方の回転を補正し、
   前記工作物及び前記工作物主軸の回転部分を有する回転部を第一回転体とし、前記歯切り工具及び前記工具主軸の回転部分を有する回転部を第二回転体とし、前記第一回転体の慣性モーメントを第一慣性モーメントとし、前記第二回転体の慣性モーメントを第二慣性モーメントとしたとき、
   前記回転速度の変動周期に応じた前記補正量は、予め測定される前記装置固有の同期誤差と、前記第一慣性モーメントと、前記第二慣性モーメントと、前記回転速度の変動周期と、に基づいて算出する、
   請求項１に記載の歯車加工装置。
3. 前記歯車加工装置は、さらに、
   前記工作物の回転軸線方向に前記歯切り工具を前記工作物に対して相対移動させる少なくとも２軸の直動を制御する直動制御部、を備え、
   前記直動制御部は、前記直動制御部による制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合に、予め記憶されている補正量であって、前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量に基づいて、前記２軸の少なくとも一方の直動を補正し、
   前記直動制御部による制御周期より短い時間の前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量は、予め測定される前記装置固有の同期誤差に基づいて算出されると共に、前記歯車加工装置に予め記憶されている、
   請求項１に記載の歯車加工装置。
4. 前記歯車加工装置は、さらに、
   前記工作物の回転軸線方向に前記歯切り工具を前記工作物に対して相対移動させる少なくとも２軸の直動を制御して、前記少なくとも２軸の送り速度を周期的に変動させる直動制御部、を備え、
   前記直動制御部は、前記直動制御部による制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合に、予め記憶されている補正量であって、前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量を含む前記送り速度の変動周期に応じた補正量に基づいて、前記２軸の少なくとも一方の直動を補正し、
   前記直動制御部による制御周期より短い時間の前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量は、予め測定される前記装置固有の同期誤差に基づいて算出されると共に、前記歯車加工装置に予め記憶されており、
   前記２軸のうち一方をＹ軸とし、他方をＺ軸としたとき、
   前記歯車加工装置は、前記歯切り工具を前記工作物に対して相対移動させる、Ｙ軸モータと、前記Ｙ軸モータに連結されたボールねじと、Ｚ軸モータと、前記Ｚ軸モータに連結されたボールねじと、を有し、
   前記直動制御部は、前記Ｙ軸モータ及び前記Ｚ軸モータをそれぞれ駆動制御することにより、前記歯切り工具の前記工作物に対する送り速度を制御するよう構成されており、
   前記Ｙ軸モータに連結された前記ボールねじの慣性モーメントをＹ軸慣性モーメントとし、前記Ｚ軸モータに連結された前記ボールねじの慣性モーメントをＺ軸慣性モーメントとしたとき、
   前記直動制御部は、予め測定される前記装置固有の同期誤差と、前記Ｙ軸慣性モーメントと、前記Ｚ軸慣性モーメントと、前記送り速度の変動周期と、に基づいて、前記送り速度の変動周期に応じた前記補正量を算出する、
   請求項２に記載の歯車加工装置。
5. 前記歯切り工具は、スカイビングカッタであり、
   前記歯車加工装置は、前記工作物の回転軸線を前記歯切り工具の回転軸線に対して傾斜させた状態で、前記歯切り工具を前記工作物に対して前記工作物の回転軸線方向に相対移動させることにより、前記工作物に歯車のスカイビング加工を行う、請求項１－４の何れか一項に記載の歯車加工装置。
6. 工作物を回転可能に支持する工作物主軸と歯切り工具が装着される回転可能な工具主軸とを同期回転させながら、前記工作物の回転軸線方向に前記歯切り工具を前記工作物に対して相対移動させることにより、前記工作物に歯車の歯を加工する歯車加工方法であって、
   前記工作物主軸及び前記工具主軸の回転を制御する回転制御工程と、
   前記回転制御工程における制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合に、予め記憶されている補正量であって、前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量に基づいて、前記工作物主軸及び前記工具主軸の少なくとも一方の回転を補正する回転補正工程と、
   を備え、
   前記補正量は、予め測定される前記装置固有の同期誤差に基づいて算出されると共に、前記各工程を行う歯車加工装置に予め記憶されている、
   歯車加工方法。
7. 前記歯車加工方法は、さらに、
   前記工作物の回転軸線方向に前記歯切り工具を前記工作物に対して相対移動させる少なくとも２軸の直動を制御する直動制御工程と、
   前記直動制御工程における制御周期より短い時間の装置固有の同期誤差が存在する場合に、予め記憶されている補正量であって、前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量に基づいて、前記２軸の少なくとも一方の直動を補正する直動補正工程と、を備え、
   前記直動制御工程における制御周期より短い時間の前記装置固有の同期誤差に応じた前記補正量は、予め測定される前記装置固有の同期誤差に基づいて算出されると共に、前記歯車加工装置に予め記憶されている、
   請求項６に記載の歯車加工方法。

Images