JP4517677B2 - 研削装置 - Google Patents

Description

本発明は機上で工作物の真円度を正確に求めることのできる研削装置に関する。

一般に、円筒状の工作物の研削加工においては、加工途中若しくは加工終了時に加工した研削箇所の寸法から真円度を求め、その真円度の結果をもとに不良品の判定や研削条件の変更、砥石車の切り込み量の補正等が行われている。

その際、従来は、工作物を一旦機械から取り外し、作業者が機外の真円度測定器まで運んで真円度を測定して、得られた真円度の結果をもとにして不良品の判定や補正データの作成等を行っていた。

しかしながら、上述のように機外で測定する方法は、作業に多大な時間を要してしまうため、機械の生産性が低下するという問題があった。

そこで、最近では、機上に設置された定寸装置によって、加工途中若しくは加工が終了した工作物の寸法を機上で測定し、その測定結果をもとに真円度の算出や不良品の判定、補正データの作成等が行われるようになった。その結果、工作物を機外に取り外して測定する手間が省けたので、真円度不良の判定を直ちに行うことができるようになり、また、得られた真円度をもとに直ちに補正データを作成することができるようになり、機械の生産性が向上した。

しかしながら、機上に設置された定寸装置によって、加工途中若しくは加工を終了した工作物の寸法を測定する場合、工作物に付着したクーラントや細かい切屑、また機械の動作による振動やノイズ等の外乱により測定を精度良く行うことができないことがある。その結果、真円度を正確に求めることができず、真円度不良ではない工作物を誤って真円度不良と判定したり、或いは、誤った補正データを作成する可能性があった。

本発明は、以上のような問題を解決することを目的としており、機上で工作物の真円度を正確に求めることのできる研削装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載の発明は、砥石車を支承して回転駆動する砥石台と、工作物を支持して回転駆動する主軸と、前記砥石台を進退移動する送り装置と、研削途中若しくは研削終了後の前記工作物の外径寸法を工作物を回転させながら連続的に測定する定寸装置とを備え、前記砥石車を前記工作物に対して接近離間する方向に相対移動させて前記工作物を研削する研削装置において、前記定寸装置によって測定される工作物の複数回転分の測定データを記憶する測定データ記憶手段と、前記記憶した測定データを前記工作物の１回転毎についてフーリエ変換を行い、該フーリエ変換によって変換された各１回転分変換データについて次数毎にコヒーレンスを算出するコヒーレンス算出手段と、前記コヒーレンス算出手段によって算出した前記各１回転分の次数毎のコヒーレンスと予め設定した所定値とをそれぞれ比較して、該コヒーレンスが所定値未満の前記次数の変換データを除去し、コヒーレンスが所定値以上の前記次数の変換データを前記複数回転分について次数毎に平均化する変換データ平均化手段と、前記変換データ平均化手段によって平均化された変換データについてフーリエ逆変換を行い前記測定データの正規データを算出する正規データ算出手段と、前記正規データ作成手段によって作成された正規データより真円度を算出する真円度算出手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明の請求項１によれば、定寸装置によって測定された工作物の複数回転分の測定データを１回転毎にフーリエ変換して、各１回転分変換データについて次数毎にコヒーレンスを算出して、該コヒーレンスが所定値未満の前記次数の変換データを除去し、コヒーレンスが所定値以上の前記次数の変換データを前記複数回転分について次数毎に平均化し、平均化された変換データについてフーリエ逆変換を行い前記測定データの正規データを算出するようにしたので、測定値の信頼性が向上し、工作物の真円度を正確に求めることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１及び図２に示すように、研削装置１０のベッド１１上には左右方向（Ｚ方向）移動可能に案内支持した工作物テーブル１２が設置されている。

工作物テーブル１２は、ベッド１１に設けたエンコーダ５１付きのサーボモータ５０によって制御駆動され、Ｚ軸送りねじ装置４８を介してZ方向に移動する。サーボモータ５０は、数値制御装置３０にインターフェース３４を介して接続される駆動回路３９により制御される。エンコーダ５１はサーボモータ５０の回転角度を介して工作物テーブル１２の移動位置を検出し、この検出値は数値制御装置３０に入力される。

また、工作物テーブル１２上には、主軸１５を軸承する主軸台１４と心押台１６が左右方向に対向して同軸的に設けられ、工作物Ｗは主軸１５と心押台１６に設けたセンタ１５ａ，１６ａにより両端が支持されている。

主軸１５は、主軸台１４に内蔵されたエンコーダ５３付きサーボモータ５２によって回転駆動され、工作物Ｗは主軸１５と共に回転される。サーボモータ５２は数値制御装置３０にインターフェース３４を介して接続される駆動回路３８により制御される。エンコーダ５３は、サーボモータ５２の回転角度を検出し、この検出値は数値制御装置３０に入力される。

また、ベッド１１上には、Ｚ方向と直交する水平なＸ方向に移動可能に砥石台１３が案内支持され、この砥石台１３にはＣＢＮ砥石等の砥石車１７が主軸１５と平行な砥石軸により軸承され、砥石台１３に内蔵されたモータ１８により回転駆動される。

砥石台１３は、ベッド１１に設けたエンコーダ５５付きのサーボモータ５４によって制御駆動され、Ｘ軸送りねじ装置４９を介してＸ方向に移動する。サーボモータ５４は、数値制御装置３０にインターフェース３４を介して接続される駆動回路３７により制御される。エンコーダ５５はサーボモータ５４の回転角度を介して砥石台１３の移動位置を検出し、この検出値は数値制御装置３０に入力される。

また、工作物テーブル１２上には定寸装置２０が設置されている。定寸装置２０には、工作物Ｗの外周部に係合するための上下一対の測定子２１を有する測定部２２を備えている。測定部２２は、その本体内に図略の差動トランスを備え、測定信号（アナログ信号）を生成して数値制御装置３０に出力する。以上の構成の定寸装置２０により工作物Ｗの寸法を連続的に測定することができる。なお、測定部２２はシリンダ２３により「待機位置」から「測定位置」との間で移動できるように構成されている。「測定位置」とは工作物Ｗの外径寸法を測定する位置であり、「待機位置」とは測定子２１を工作物Ｗの外周部から離間させて、Ｘ軸方向に工作物Ｗから遠ざかる方向に移動させた位置である。

数値制御装置３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）３１、メモリ３２、インタフェース３３、３４、Ａ−Ｄコンバータ３５から構成されている。前記定寸装置２０によって出力された測定信号（アナログ信号）はＡ−Ｄコンバータ３５によってディジタル信号に変換される。そして、このディジタル信号に変換された測定データにもとづいてＣＰＵ３１が後述する工作物Wに関する周波数解析（フーリエ変換・フーリエ逆変換）やコヒーレンス、真円度の算出等を行う。なお、インタフェース３３には、制御データ等を入力するキーボード等の入力装置４０が接続されている。また、メモリ３２は、工作物Ｗを加工するための加工プログラム、定寸装置２０によって測定された測定データ及びその他のデータ等を格納する。

以上のような構成の研削装置１０において、工作物Wの真円度算出方法について図３のフローチャートをもとに説明する。なお、以下の説明では研削が終了した工作物を測定する場合を例に挙げて説明する。

まず、工作物Wの研削加工が終了すると（ステップ１００）、砥石台１３を後退させるとともに、定寸装置２０をＸ軸方向に前進させて定寸装置２０の測定子２１が工作物Ｗの外周面に当接させる（ステップ１１０）。定寸装置２０の測定子２１が当接されると、工作物Ｗは主軸１５によって所定回転数で回転され、工作物Wの回転位相に対応する測定データのサンプリングを行い、数値制御装置３０のＡ−Ｄコンバータ３５によってディジタル信号に変換されて、メモリ３２に記憶される（ステップ１２０）。なお、本実施形態においては、例として工作物Ｗの三回転分の測定データのサンプリングし、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような測定結果が得られたとする。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ工作物一回転目に測定した測定データ（図４（ａ））と工作物二回転目に測定したデータ（図４（ｂ））、工作物三回転目に測定した測定データ（図４（ｃ））を極座標で示したものである。なお、今後の説明では、工作物一回転目に測定した測定データをｐ_１（ｔ）、工作物二回転目に測定したデータをｐ_２（ｔ）、工作物三回転目に測定した測定データをｐ_３（ｔ）とする。

続いて、メモリ３２に記憶された工作物Ｗの複数回転分の測定データについて、工作物一回転数毎の測定データをそれぞれ抽出して周波数解析（フーリエ変換）を行う（ステップ１３０）。

すなわち、本実施形態では、メモリ３２に記憶されている工作物三回転分の測定データを、工作物一回転目に測定した測定データｐ_１（ｔ）、工作物二回転目に測定したデータｐ_２（ｔ）、工作物三回転目に測定した測定データｐ_３（ｔ）ごとに抽出し、それぞれの工作物Ｗの回転毎の測定データについてフーリエ変換を行う。

その結果、各測定データは時間領域から周波数領域のデータに変換され、空間周波数に対して実部と虚部からなる値で表される。ここで、空間周波数ωにおけるフーリエ変換された値をＰ（ω）とし、工作物一回転目に測定したデータｐ_１（ｔ）をフーリエ変換した値のうち空間周波数ωにおける値をＰ_１（ω）とすると、Ｐ_１（ω）は
Ｐ_１（ω）＝ａ_１（ω）＋ｂ_１（ω）ｉ （式１）
となる。ここで、ａ_１（ω）はＰ_１（ω）の実部、ｂ_１（ω）はＰ_１（ω）の虚部を表す。同様に、工作物二回転目に測定したデータをフーリエ変換した値のうち空間周波数ωにおける値をＰ_２（ω）とすると、Ｐ_２（ω）は
Ｐ_２（ω）＝ａ_２（ω）＋ｂ_２（ω）ｉ （式２）
となる。また、工作物三回転目に測定したデータをフーリエ変換した値のうち空間周波数ωにおける値をＰ_３（ω）とすると、Ｐ_３（ω）は
Ｐ_３（ω）＝ａ_３（ω）＋ｂ_３（ω）ｉ （式３）
となる。

なお、今後の説明では上記のＰ_１（ω）、Ｐ_２（ω）、Ｐ_３（ω）を変換データと呼ぶ。また、空間周波数ωは、山数、若しくは、次数といった用語で表現することがあり、今後の説明では次数（山数）ωと表記する。

続いて、ステップ１３０にて求めた工作物Ｗの回転毎にフーリエ変換された変換データについてコヒーレンスを求める。（ステップ１４０）
さて、ここで、ステップ１４０の具体的な説明に移る前にコヒーレンスについて説明する。コヒーレンスとは２つの信号の間の相関度合いを表す値であって０から１の間の値をとる。今、ある入力信号ｘに対する出力信号ｙのコヒーレンスをγとすると、コヒーレンスγは以下の（式４）で表すことができる。

ここで、|＜Ｓ_ｘｙ(ω)＞_Ｍ|は入力信号ｘと出力信号ｙのＭ回平均のクロスパワースペクトルを表し、＜Ｓ_ｘｘ(ω)＞_Ｍは入力信号ｘのＭ回平均のパワースペクトルを表し、＜Ｓ_ｙｙ(ω)＞_Ｍは出力信号ｙのＭ回平均のパワースペクトルを表す。

そして、例えば、ある入力信号と出力信号のコヒーレンスを求めた際、空間周波数ω_１においてコヒーレンスが１となった場合は、入力信号と出力信号とが空間周波数ω_１において一致していることを意味しており、２つの信号が空間周波数において相関関係があることを示している。また、空間周波数ω_２においてコヒーレンスが０となった場合は、入力信号と出力信号とが空間周波数ω_２において全く一致していないことを示しており、相関関係がないことを示している。

したがって、コヒーレンスを求めることによって、空間周波数内に全く関係のない無関係な信号（例えば系内部で発生しているノイズ、系の非直線性または系の時間遅延等）が含まれているかどうかを調べることができる。

さて、本実施形態の説明にもどり、図３のステップ１４０のコヒーレンスの算出について図５のフローチャートにより詳細に説明する。まず、本実施形態においては、ステップ１３０において求めた工作物Ｗの三回転分の測定データのフーリエ変換された変換データＰ_１（ω）、Ｐ_２（ω）、Ｐ_３（ω）について、工作物一回転目の測定データをフーリエ変換した変換データＰ_１（ω）を入力としてＰ_２（ω）及びＰ_３（ω）を出力とした時のコヒーレンスγ_１（ω）を求める（ステップ１４２）。次に、工作物二回転目の測定データをフーリエ変換した変換データＰ_２（ω）を入力としてＰ_１（ω）及びＰ_３（ω）を出力とした時のコヒーレンスγ_２（ω）を求める（ステップ１４２）。そして、最後に、工作物三回転目の測定データをフーリエ変換した変換データＰ_３（ω）を入力としてＰ _１ （ω）及びＰ _２ （ω）を出力とした時のコヒーレンスγ_３（ω）を求める（ステップ１４３）。そして、このステップ１４１からステップ１４３を全ての次数について行う。

図６はステップ１４０によって算出したコヒーレンスγ_１（ω）、γ_２（ω）、γ_３（ω）の結果を示したものである。図６は、縦軸にコヒーレンスをとり、横軸に次数（山数）をとり、２０次までのコヒーレンスを求めた結果を示している。図６に示すとおり、コヒーレンスγ_１（ω）、γ_２（ω）、γ_３（ω）は３次を境にして、それ以降急激に低下していることがわかる。

さて、次のステップでは、ステップ１４０で求めたコヒーレンスγ_１（ω）、γ_２（ω）、γ_３（ω）についてある所定値を設けて、コヒーレンスが所定値以上であるものについてその入力側の変換データを平均化する処理を行う（ステップ１５０）。

ここで、図３のステップ１５０の詳細について図７のフローチャートにより詳細に説明する。まず、次数ωについて、コヒーレンスγ_１（ω）、γ_２（ω）、γ_３（ω）がそれぞれ所定値以上であるか否かを判定する（ステップ１５２〜１５４）。なお、ここでは所定値を０．９５と設定するが、この値は任意に設定することができる。そして、コヒーレンスの値が０.９５以上であったものについてはその入力側の変換データを平均化する。

例えば、次数ωにおいて、コヒーレンスγ１（ω）、γ２（ω）、γ３（ω）のすべての値が０．９５以上であった場合には、変換データＰ１（ω）、Ｐ２（ω）、Ｐ３（ω）を平均化する。また、コヒーレンスγ１（ω）が０.９５未満で、コヒーレンスγ２（ω）、γ３（ω）が０．９５以上であった場合には、変換データＰ１（ω）は除去し、変換データＰ２（ω）、Ｐ３（ω）を平均化する。

本実施形態では、図６に示すように、コヒーレンスγ１（ω）、γ２（ω）、γ３（ω）は２次、３次については全て０.９５以上となっているが４次以降について０．９５未満となっているので、２次及び３次におけるフーリエ変換されたＰ１（ω）、Ｐ２（ω）、Ｐ３（ω）を平均化し、４次以降についてはそれぞれの信号に相関がないとして除去する。なお、今後の説明では平均化した変換データをＰｔ（ω）とする。

続いて、ステップ１５０で平均化され変換データＰｔ（ω）に対してフーリエ逆変換を行う（ステップ１６０）。その結果、周波数領域から時間領域のデータに変換された値が得られる。なお、このフーリエ逆変換された値をｐ_ａ（ｔ）とし、今後の説明ではｐ_ａ（ｔ）を正規データと呼ぶ。その後、正規データｐ_ａ（ｔ）をもとに真円度を算出して（ステップ１７０）、不良品の判定や補正データの作成が行われる。

以上、ステップ１００からステップ１７０において処理された結果を図８に示す。図８は、機外の真円度測定器で本実施形態の工作物を測定した結果（ａ）と、機上にて測定された工作物Ｗの全データｐ（ｔ）を各位相毎に平均化した結果（ｂ）と、機上にて測定された全データｐ（ｔ）をステップ１３０からステップ１７０までの処理を行った結果（ｃ）とを極座標で示したものである。

まず、図８（ｂ）に示すとおり、本発明のステップ１３０からステップ１７０の処理を行う前は、工作物にクーラントや細かい切屑、大気中のゴミの付着や機械の動作による振動、ノイズ等の外乱による影響によって、機外で測定した図８（ａ）と比べて工作物を精度良く測定できていないことが分かる。
しかしながら、図８（ｃ）に示すとおり、本発明による処理を行うことによって、機外の真円度測定器で測定した図８（ａ）の結果と略同一の結果が得られることが分かる。

以上の結果より、測定データに信頼性の低いデータが含まれている場合でも、測定データよりコヒーレンスを求めて、コヒーレンスの結果より信頼性の高いデータのみを採用し、信頼性の低いデータを除去することによって、測定データの信頼性が高くなり、工作物Wの真円度を正確に求めることができる。

なお、本実施形態においては、研削後の工作物についての真円度を求めるようにしたが、それに限らず、例えば研削途中の工作物の真円度を測定するようにしてもよい。

本発明の研削装置の平面図を示す図。 本発明の研削装置の側面図を示す図。 本発明のフローチャートを示す図。 ステップ１２０で測定した測定データを示す図 本発明のフローチャートの詳細を示す図。 コヒーレンスの算出結果を示す図 本発明のフローチャートの詳細を示す図。 工作物を機外及び機上で測定した結果を示す図。

符号の説明

１０：研削装置
２０：定寸装置
３０：数値制御装置
γ_１（ω）、γ_２（ω）、γ_３（ω）：次数ωにおけるコヒーレンス
Ｗ：工作物

Claims (1)

1. 砥石車を支承して回転駆動する砥石台と、工作物を支持して回転駆動する主軸と、前記砥石台を進退移動する送り装置と、研削途中若しくは研削終了後の前記工作物の外径寸法を工作物を回転させながら連続的に測定する定寸装置とを備え、前記砥石車を前記工作物に対して接近離間する方向に相対移動させて前記工作物を研削する研削装置において、
   前記定寸装置によって測定される工作物の複数回転分の測定データを記憶する測定データ記憶手段と、
   前記記憶した測定データを前記工作物の１回転毎についてフーリエ変換を行い、該フーリエ変換によって変換された各１回転分変換データについて次数毎にコヒーレンスを算出するコヒーレンス算出手段と、
   前記コヒーレンス算出手段によって算出した前記各１回転分の次数毎のコヒーレンスと予め設定した所定値とをそれぞれ比較して、該コヒーレンスが所定値未満の前記次数の変換データを除去し、コヒーレンスが所定値以上の前記次数の変換データを前記複数回転分について次数毎に平均化する変換データ平均化手段と、
   前記変換データ平均化手段によって平均化された変換データについてフーリエ逆変換を行い前記測定データの正規データを算出する正規データ算出手段と、
   前記正規データ作成手段によって作成された正規データより真円度を算出する真円度算出手段と、を備えたことを特徴とする研削装置。

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