JP2013123758A - 機械剛性測定方法および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】加工中に機械剛性を測定できる工作機械を提供する。
【解決手段】円筒の加工部を備えた工作物Ｗを回転支持して砥石車７を半径方向に切込む加工方法において、工作物の回転方向の所定の角度上の第1加工点を加工中の法線加工抵抗力である法線力Ｆ_１と、法線力Ｆ_１の測定後に工作物が１８０°以上かつ３６０°未満回転した時に測定された第1加工点を含む工作物の直径Ｄ_１と、第1加工点が加工除去され所定の角度上に第２加工点を形成する時の法線力Ｆ_２を測定する。法線力Ｆ_２を測定後に前記工作物が１８０°未満回転した時の第２加工点を含む前記工作物の直径Ｄ_２と、法線力Ｆ_１測定時の砥石車７の切込み位置Ｘ_１と、法線力Ｆ_２測定時の砥石車７の切込み位置である第２工具位置Ｘ_２と、を用いて機械剛性ｋｍを式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２）により演算する。
【選択図】図４

Description

本発明は、円筒加工部を加工中に、工具と工作物の支持系を含む工具と工作物間の剛性である機械剛性を測定する機械剛性測定方法および工作機械に関するものである。

研削盤においては、工作物を高精度かつ高能率に研削することを目的として、法線研削抵抗による工作物と砥石車の相対的な撓み量を考慮して砥石車の切込み速度や切込み量を制御することが行われている。この撓み量を推定するためには砥石車と工作物間の剛性である機械剛性と法線研削抵抗を測定できればよい。法線研削抵抗は砥石車の送りモータの電流の測定や、負荷センサを備えることで短時間に研削中に測定することが可能である。
一方、機械剛性の測定については、研削の有無を判定するＡＥセンサを備えた研削盤において、所定の砥石切込み位置における研削時の研削抵抗を測定し、この位置から砥石車を研削が行われない最小位置まで後退させ、その後退量をこの時の工作物の撓みであるとして、先の法線研削抵抗とこの撓みを用いて機械剛性を演算により求めている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−９３７８７号公報

従来技術では、撓みの測定において研削中に砥石を後退することが必要であり、研削時間が長くなる。
また、後退中にも工作物を研削するため、研削抵抗を測定した時より工作物半径が減少してしまう。この減少分だけ撓みが小さく測定される可能性があり、機械剛性の値に誤差が生じる恐れがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、加工中に機械剛性を測定できる工作機械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、円筒の加工部を備えた工作物を前記円筒の軸心の周りに回転支持して工具を前記円筒の半径方向に切込む工作機械を用いて前記加工部を加工しながら、前記工具と前記工作物及び前記工作機械を含む剛性である機械剛性ｋｍを測定する機械剛性測定方法において、
前記加工部の回転方向の所定の角度上の第1加工点を加工中の法線加工抵抗力である第１法線力Ｆ_１と、この時の前記工具の切込み方向の位置である第１工具位置Ｘ_１を測定する第1測定工程と、
前記第1測定工程を実施後に前記第1加工点を含む前記工作物の直径である第1直径Ｄ_１を測定する第1直径測定工程と、
前記第1加工点が加工除去され前記所定の角度上に第２加工点を形成する時の法線研削抵抗力である第２法線力Ｆ_２と、この時の前記工具の切込み方向の位置である第２工具位置Ｘ_２を測定する第２測定工程と、
前記第２測定工程を実施後に前記第２加工点を含む前記工作物の直径である第２直径Ｄ_２を測定する第２直径測定工程と、
前記第１工具位置Ｘ_１と前記第２工具位置Ｘ_２の差、前記第１法線力Ｆ_１と前記第２法線力Ｆ_２の差、および前記第1直径Ｄ_１と前記第２直径Ｄ_２の差を用いて、機械剛性ｋｍを演算する剛性演算工程を備えることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記第1測定工程を実施後に前記工作物が１８０°以上かつ３６０°未満回転した時に、前記第1直径測定工程を実施し、
前記第２測定工程を実施後に前記工作物が１８０°未満回転した時に、前記第２直径測定工程を実施し、
前記剛性演算工程において、機械剛性ｋｍを式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２）により演算することである。

請求項３に係る発明の特徴は、円筒の加工部を備えた工作物を前記円筒の軸心の周りに回転支持して工具を前記円筒の半径方向に切込み前記加工部を加工する工作機械において、
前記加工部の直径寸法を測定する工作物径測定装置と、
法線加工抵抗力を測定する法線抵抗測定装置と、
前記法線抵抗測定装置により測定された前記工作物の回転方向の所定の角度上の第1加工点を加工中の法線加工抵抗力である第１法線力Ｆ_１と、前記第1法線力Ｆ_１の測定後に前記工作物が１８０°以上かつ３６０°未満回転した時に前記工作物径測定装置により測定された前記第1加工点を含む前記工作物の直径である第1直径Ｄ_１と、前記第1加工点が加工除去され前記所定の角度上に第２加工点を形成する時に前記法線抵抗測定装置により測定された法線加工抵抗力である第２法線力Ｆ_２と、前記第２法線力Ｆ_２測定後に前記工作物が１８０°未満回転した時に前記工作物径測定装置により測定された前記第２加工点を含む前記工作物の直径である第２直径Ｄ_２と、前記第1法線力Ｆ_１測定時の前記工具の切込み方向の位置である第１工具位置Ｘ_１と、前記第２法線力Ｆ_２測定時の前記工具の切込み方向の位置である第２工具位置Ｘ_２と、を用いて機械剛性ｋｍを式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２）により演算する剛性演算手段と、
前記機械剛性ｋｍが所定の閾値の範囲から外れた場合に異常信号を発信する異常発信手段を備えることである。

請求項1及び請求項２に係る発明によれば、工作物を加工中に加工を中断することなく機械剛性を測定することができる。

請求項３に係る発明によれば、工作物を加工中に加工を中断することなく機械剛性を測定することができ、機械剛性が所定の閾値の範囲から外れた場合に異常信号を発信することで、工作物の間違いや、工作機械の工作物支持系および工具支持系の異常を検知できる工作機械を実現できる。

本実施形態の研削盤の全体構成を示す概略図である。 図１のＢ矢視図である。 本実施形態の研削工程を示すフローチャートである。 本実施形態の機械剛性測定の概念を示す概念図である。 本実施形態の機械剛性測定工程を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、工具として砥石車を用いた円筒研削盤の実施例に基づき説明する。
図１に示すように、円筒研削盤１は、ベッド２を備え、ベッド２上に砥石台３をＸ軸方向に往復可能に支持し送り用のモータ８により駆動する砥石台送り装置１３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は砥石軸回転モータ（図示省略する）により回転駆動される。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、主軸の回転位相を検出する位相検出器９を備えた主軸５と、工作物Ｗの他端を回転自在に支持する心押し台６が設置されている。工作物Ｗは主軸５と心押し台６により支持されて、研削加工時に回転駆動される。工作物Ｗの加工部の直径を測定する工作物径測定装置１０がテーブル上に設置されている。
図２に示すように、工作物径測定装置１０は、テーブルに固定されたベース１１に保持された直径測定装置本体１０１と、直径測定装置本体１０１に係合し工作物Ｗの軸心に対して１８０°対向して配置された接触子１０２ａ、１０２ｂで構成されている。ここでは、接触子１０２ａ、１０２ｂの対向方向はＸ軸に直交する位置に配置されている。

この円筒研削盤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の位置をモータ８の回転位相から検出しながら制御するＸ軸制御部３１、テーブル４の送りを制御するＺ軸制御部３２、主軸５の回転を制御する主軸制御部３３、工作物径測定装置１０を制御する測定装置制御部３４、記録部３５１を内蔵し機械剛性を演算する演算部（剛性演算手段）３５、異常信号を発信する異常発信部（異常発信手段）３６などを具備している。Ｘ軸制御部３１の機能として研削時に砥石車７に作用する法線研削抵抗力をモータ８の電流値から測定する法線抵抗測定部（法線抵抗測定装置）３１１を備えている。

ここで、機械剛性について説明する。
機械剛性とは工具支持系、工作物支持系を含む工具と工作物の間の剛性のことであり、円筒研削盤１においては図２に示すように、砥石車７の研削作用点から、砥石台３、砥石台送り装置１３、ベッド２、テーブル４、主軸５および心押し台６（図２では図示せず）を経由して、工作物Ｗの研削作用点までの間の剛性である。砥石車７と工作物Ｗを相互の間に力が作用しないように接触した状態から砥石車をＶだけ切込んだ場合に、接触力Ｆが発生し、工作物Ｗと砥石車７は相対的にＴだけ撓む。この時接触点で工作物Ｗと砥石車７の消耗（工作物７の除去や砥石車の摩耗など）がない場合はＶ＝Ｔとなり、除去がＵあればＶ＝Ｔ＋Ｕとなる。機械剛性は撓みＴと接触力Ｆの比例定数のことであり、機械剛性をｋｍとするとｋｍ＝Ｆ／Ｔと表せる。
ここで、撓みＴと接触力Ｆに変動がある場合を考え、撓みＴの変動差ΔＴをΔＴ＝Ｔ_１−Ｔ_２、力Ｆの変動差ΔＦをΔＦ＝Ｆ_１−Ｆ_２とすると、差についても比例するので、ｋｍ＝ΔＦ／ΔＴとなる。

以下に、本研削盤１において、研削中に機械剛性を測定し、機械剛性に異常があった場合に研削を中止し異常処置を行う研削工程について説明する。
はじめに、メイン工程について図３のフローチャートに基づき説明する。主軸５と砥石車７を回転させた状態で、砥石台３を早送りで前進させて、砥石車７を工作物Ｗに接近させる（Ｓ１）。所定の砥石台送り速度で工作物Ｗの全周が研削されるように粗研削を開始する（Ｓ２）。機械剛性測定工程（詳細は後に説明）を実施する（Ｓ３）。測定した機械剛性が所定の閾値以内であるか判定する。閾値以内であれば粗研削を継続し、閾値から外れていればステップＳ９へ移動する（Ｓ４）。粗研削工程を終了する（Ｓ５）。中仕上研削工程を実施する（Ｓ６）。仕上げ研削工程を実施する（Ｓ７）。砥石台を早送り後退させる（Ｓ８）。異常発信部３６から剛性異常信号を発信する（Ｓ９）。

機械剛性測定について、図４の機械剛性測定の概念図に基づき説明する。図４（ａ）に点Ａ（第１加工点）が研削されている状態を示す。点Ｏは撓み（撓みは工作物Ｗと砥石車７の双方に生じその和が相対撓みとなるが、砥石車７に撓みが無く工作物Ｗのみが相対撓み分だけ撓むとしても効果は同じであるので、以下の説明では工作物Ｗのみが撓むとして記述する）の無いときの工作物Ｗの回転中心であり、点Ｏｔは研削時の工作物Ｗの回転中心である。点Ｏと点Ｏｔの距離が第１法線力Ｆ_１が作用したときの撓み量Ｔ_１であり、点Ｏと砥石車７の表面位置の距離が砥石車７の切込み位置（第１工具位置）Ｘ_１である。この時の工作物の点Ａにおける半径をＲ_１とするとＲ_１＝Ｔ_１＋Ｘ_１となる。
図４（ｂ）に、工作物Ｗが２７０°回転し点Ａが工作物測定装置１０の接触子１０２ａと接触したときに工作物直径（第１直径）Ｄ_１を測定する状態を示す。

図４（ｃ）に、工作物Ｗが３６０°回転し、切込み位置（第２工具位置）Ｘ_２において第２法線力Ｆ_２が作用し、点Ａ部が実切込み量Ｕだけ研削除去され、点Ｂ（第２加工点）が研削される状態を示す。この時の工作物の点Ｂにおける半径をＲ_２とするとＲ_２＝Ｔ_２＋Ｘ_２となる。
図４（ｄ）に、工作物Ｗが４５０°回転し点Ｂが工作物測定装置１０の接触子１０２ｂと接触したときに工作物直径（第２直径）Ｄ_２を測定する状態を示す。
図４（ａ）、（ｃ）からＲ_１＝Ｒ_２＋Ｕであり、工作物直径Ｄ_１の値から工作物直径Ｄ_２の値を差引くことで点Ａと点Ｂの距離すなわち実切込み量Ｕの測定ができ、Ｕ＝Ｄ_１−Ｄ_２となる。Ｒ_１＝Ｒ_２＋ＵであるからＲ_１＝Ｔ_１＋Ｘ_１＝Ｒ_２＋Ｕ＝Ｔ_２＋Ｘ_２＋Ｕとなり、撓みＴの変動差ΔＴはΔＴ＝Ｔ_１−Ｔ_２＝Ｘ_２＋Ｕ−Ｘ_１となる。Ｕ＝Ｄ_１−Ｄ_２なので、ΔＴ＝Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２となる。また、法線力の差ΔＦはΔＦ＝Ｆ_１−Ｆ_２である。
機械剛性ｋｍはｋｍ＝ΔＦ／ΔＴなので、ΔＦ、ΔＴを置き換えると、式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２）により機械剛性を演算できる。

機械剛性測定工程について、図５のフローチャートと図４の機械剛性測定の概念図に基づき説明する。
図４（ａ）に示すように、第１測定工程として、第１加工点である点Ａを研削中の、法線研削抵抗力である第１法線力Ｆ_１と、この時の砥石車７の切込み位置Ｘ_１を、測定し記録部３５１に記録する。第１法線力Ｆ_１はこの時にモータ８に流れる電流から法線抵抗測定部（法線抵抗測定装置）３１１で測定され、切込み位置Ｘ_１はモータ８の回転位相からＸ軸制御部３１で検出される（Ｓ２０）。主軸５を駆動して、点Ａが工作物径測定装置１０の接触子１０２ａと接触するように工作物を２７０°回転させる（Ｓ２１）。第１直径測定工程として、図４（ｂ）に示すように、点Ａの位置の工作物直径（第１直径）Ｄ_１を、工作物径測定装置１０により測定し記録部３５１に記録する（Ｓ２２）。主軸５を駆動して、点Ａが研削作用部に位置するように工作物Ｗを９０°回転させる（Ｓ２３）。図４（ｃ）に示すように、第２測定工程として、点Ａが研削作用部において研削除去され点Ｂを研削中の、法線研削抵抗力である第２法線力Ｆ_２とこの時の砥石車７の切込み位置Ｘ_２を、測定し記録部３５１に記録する（Ｓ２４）。主軸５を駆動して、点Ｂが工作物径測定装置１０の接触子１０２ｂと接触するように工作物Ｗを９０°回転させる（Ｓ２５）。第２直径測定工程として、図４（ｄ）に示す位置で、工作物直径Ｄ_２を工作物径測定装置１０により測定し記録部３５１に記録する（Ｓ２６）。剛性演算工程として、演算部３５で機械剛性ｋｍを式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２）により演算し、記録部３５１内の機械剛性の値を上書きする。（Ｓ２７）。

以上のように、本発明の機械剛性測定方法および加工方法を用いると、研削中に研削を中断することなく機械剛性を正確に測定できる。
また、この機械剛性の測定値に基づき、工作物の搬入間違いや、心押し台や主軸の破損および砥石車支持系異常による剛性の変化を検出することができ、それらに起因する不良品の発生を防止できる研削盤を実現できる。

（その他の実施形態）
上記事例では本発明を円筒外径の研削に適用した例について説明したが、内面研削や、工具として切削工具を用いた加工にも適用できる。
また、工作物径測定装置１０を用いて、第１直径Ｄ_１測定後に工作物が１８０°回転した時に第２直径Ｄ_２を測定し、機械剛性ｋｍを式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２）により演算したが、第１直径Ｄ_１測定後に工作物が３６０°回転した時に第２直径Ｄ_２を測定し、機械剛性ｋｍを式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋（Ｄ_１−Ｄ_２）／２）により演算してもよい。

Ｗ：工作物 ３：砥石台 ４：テーブル ５：主軸 ６：心押し台 ７：砥石車 ８：モータ ９：位相検出器 １０：工作物径測定装置 １３：砥石台送り装置 ３０：制御装置 ３５：演算部 ３６：異常発信部 １０２ａ、１０２ｂ：接触子

Claims (3)

1. 円筒の加工部を備えた工作物を前記円筒の軸心の周りに回転支持して工具を前記円筒の半径方向に切込む工作機械を用いて前記加工部を加工しながら、前記工具と前記工作物及び前記工作機械を含む剛性である機械剛性ｋｍを測定する機械剛性測定方法において、
   前記加工部の回転方向の所定の角度上の第1加工点を加工中の法線加工抵抗力である第１法線力Ｆ_１と、この時の前記工具の切込み方向の位置である第１工具位置Ｘ_１を測定する第1測定工程と、
   前記第1測定工程を実施後に前記第1加工点を含む前記工作物の直径である第1直径Ｄ_１を測定する第1直径測定工程と、
   前記第1加工点が加工除去され前記所定の角度上に第２加工点を形成する時の法線研削抵抗力である第２法線力Ｆ_２と、この時の前記工具の切込み方向の位置である第２工具位置Ｘ_２を測定する第２測定工程と、
   前記第２測定工程を実施後に前記第２加工点を含む前記工作物の直径である第２直径Ｄ_２を測定する第２直径測定工程と、
   前記第１工具位置Ｘ_１と前記第２工具位置Ｘ_２の差、前記第１法線力Ｆ_１と前記第２法線力Ｆ_２の差、および前記第1直径Ｄ_１と前記第２直径Ｄ_２の差を用いて、機械剛性ｋｍを演算する剛性演算工程を備える機械剛性測定方法。
2. 前記第1測定工程を実施後に前記工作物が１８０°以上かつ３６０°未満回転した時に、前記第1直径測定工程を実施し、
   前記第２測定工程を実施後に前記工作物が１８０°未満回転した時に、前記第２直径測定工程を実施し、
   前記剛性演算工程において、機械剛性ｋｍを式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２）により演算する請求項１に記載の機械剛性測定方法。
3. 円筒の加工部を備えた工作物を前記円筒の軸心の周りに回転支持して工具を前記円筒の半径方向に切込み前記加工部を加工する工作機械において、
   前記加工部の直径寸法を測定する工作物径測定装置と、
   法線加工抵抗力を測定する法線抵抗測定装置と、
   前記法線抵抗測定装置により測定された前記工作物の回転方向の所定の角度上の第1加工点を加工中の法線加工抵抗力である第１法線力Ｆ_１と、前記第1法線力Ｆ_１の測定後に前記工作物が１８０°以上かつ３６０°未満回転した時に前記工作物径測定装置により測定された前記第1加工点を含む前記工作物の直径である第1直径Ｄ_１と、前記第1加工点が加工除去され前記所定の角度上に第２加工点を形成する時に前記法線抵抗測定装置により測定された法線加工抵抗力である第２法線力Ｆ_２と、前記第２法線力Ｆ_２測定後に前記工作物が１８０°未満回転した時に前記工作物径測定装置により測定された前記第２加工点を含む前記工作物の直径である第２直径Ｄ_２と、前記第1法線力Ｆ_１測定時の前記工具の切込み方向の位置である第１工具位置Ｘ_１と、前記第２法線力Ｆ_２測定時の前記工具の切込み方向の位置である第２工具位置Ｘ_２と、を用いて機械剛性ｋｍを式ｋｍ＝（Ｆ_１−Ｆ_２）／（Ｘ_２−Ｘ_１＋Ｄ_１−Ｄ_２）により演算する剛性演算手段と、
   前記機械剛性ｋｍが所定の閾値の範囲から外れた場合に異常信号を発信する異常発信手段を備える工作機械。

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