JP6467208B2 - Ｎｃ工作機械、その円ないし球面加工方法及び加工プログラム - Google Patents

Description

この発明は、直交２軸方向に刃物台を同期移動して当該刃物台に装着された工具の刃先を円運動（円弧補間動作）させることにより、円ないし球面の加工を行う方法並びに当該方法で使用するＮＣ工作機械及び加工プログラムに関するもので、高精度の円ないし球面加工を実現する技術に関するものである。

刃物台を直交する２軸方向、例えば旋盤におけるＺ−Ｘ、又はＺ−Ｙ軸方向の２軸方向に所定の位置関係を保つように同期移動して、当該刃物台に装着した工具の刃先に円運動をさせることにより、当該２軸と平行な平面内での円加工や旋削による球面加工を行う技術は公知である。

各軸方向の刃物台の移動は、サーボモータで回転駆動される送りネジを介して行われている。送りネジは、刃物台に固定したナットに嵌合している。送りネジは精密に加工されるが、軸方向のピッチ誤差、すなわち送りネジ１回転当りの刃物台の移動量の誤差をネジの全長に亘って完全にゼロにすることは不可能である。

そこで実際の工作機械では、機械を組み立てた後で、送りネジの回転角とそのときの刃物台の位置とを所定の間隔、例えば刃物台が１０ｍｍ移動する毎に測定し、理論上の移動位置と測定された移動位置との間の誤差を補正するピッチ誤差の補正値をＮＣ装置に設定しておき、ワークの加工に際しては、加工プログラムで指令される刃物台の移動先位置を、その移動先位置におけるピッチ誤差の補正値で補正して刃物台を移動させることにより、送りネジのピッチ誤差に基づく加工誤差の発生を防止している。

また、送りネジは、機械のフレームに固定した軸受及び刃物台に固定したナットと回転可能に嵌合しているので、その嵌合部には、回転を可能にするための遊隙が存在する。刃物台が連続して一方向に移動しているときは、この遊隙は嵌合部の背面、すなわち送り負荷によって押し付けられている面の反対側の面の背隙となっているので、ワークの加工誤差に影響を生じない。しかし、刃物台の送り方向が反転したときには、送りネジが刃物台のナットを押す方向が反転し、背隙が生ずるネジ山の面も反対側の面へと移動するので、遊隙分の送り誤差が発生する。

そこで実際の工作機械では、機械を組み立てたあと、刃物台を正転したときと逆転したときとの送りネジの回転角と刃物台の位置の測定値から嵌合部の遊隙に基づく刃物台の位置の誤差を測定して背隙誤差の補正値としてＮＣ装置に設定し、刃物台の送り方向が反転したときに、その反転後の刃物台の移動先位置の指令値を設定した背隙毎の補正値で補正することにより、送りネジの背隙に起因するワークの加工誤差を防止するようにしている。

なお、ピッチ誤差の補正値を送りネジの正転と逆転の両方で設定することもでき、この場合には、背隙の補正が反転時に正転側のピッチ誤差の補正値から反転側のピッチ誤差の補正値に切り換えることによって補正できるので、背隙誤差の補正値の設定は不要である。

また、直交２主軸方向の同期移動により、円加工を行う場合の機械精度の測定及び補正方法としては、円の中心となる位置に正確に加工されたボールの台座を磁石などで固定し、このボールと刃物台の工具刃先位置に設置した同様なボールとを伸縮量を正確に計測できるバー（ボールバー）で連結して、刃物台を円運動させたときのバーの伸縮量を測定することにより、円運動の機械精度を計測し、その計測値に基づいて前述した送りネジのピッチ誤差の補正値を修正して、より正確な円加工や球面加工を可能にすることが行われている。

上記のような機械精度の補正手段を備えた工作機械で、刃物台の直交２軸方向の同期移動による円弧補間動作で真円加工を行う場合、上述したピッチ誤差の補正等がそれなりに有効である。しかし、真円度は、機械及びワークの加工位置や切削速度によっても変化するので、高い真円度が要求された場合、上記の補正のみでは十分な精度が達成できない。

例えば、上記のような補正手段を備えた旋盤で人工骨端部の球面の旋削加工を行い、加工された球面を３次元測定器で測定すると、加工球面の真球からの偏倚（形状の崩れ）により、要求された真円度を実現することが困難であった。

一方、前述したボールバーを用いた機械精度の計測では、予め決められた機械の位置でかつ決められた切削速で計測を行い、補正値を設定しなければならないが、計測に熟練と手間を要するため、充分な加工精度を実現するには多大な困難が伴う問題があった。

この発明は、刃物台の直交２主軸方向の円弧補間動作により行われる円加工ないし球面加工において、当該円加工や球面加工の位置で発生している移動位置の誤差により、真円度や真球度が低下するのを防止して、より高精度の円加工や球面加工を可能にする技術手段を提供することを課題としている。

この発明は、刃物台２の直交２軸方向（例えば旋盤におけるＺとＸ又はＺとＹ方向）の位置を円弧補間コード（一般的にはＧ０２とＧ０３）で同期制御して刃物台２に装着した工具７の刃先８に円（楕円も含む。）運動をさせるＮＣ工作機械における円ないし球面の加工に関する発明である。

この発明のＮＣ工作機械の円ないし球面加工方法では、まず機械精度の測定に基づいてＮＣ装置１０に背隙誤差の補正値とピッチ誤差の補正値を設定して、加工プログラムの円弧補間動作によりテストワークの円ないし球面加工を行う。次に、加工したテストワークの円ないし球面を３次元測定器で計測し、より正確な真円に加工するための、その円ないし球面加工中にのみ使用する補正値（以下、「円加工補正値」と言う。）を求める。

円加工補正値には、各円ないし楕円加工毎に個別の、刃物台の移動方向が反転する箇所で生ずる段差を補正する反転補正値、直交２軸それぞれの軸方向の潰れを補正する径補正値、両軸の二等分方向の潰れを補正する斜め楕円補正値などを必要に応じて含めることができる。

そして、求めた円加工補正値を記述した円加工補正値設定コード（例えばＧ１００）と当該補正値の使用を取り消す解除コード（例えばＧ１０１）とを、テストワークの加工に用いた加工プログラム中の対応する円弧補間コード（例えばＧ０２やＧ０３）の前後に挿入した加工プログラムでワークの加工を行う。

加工プログラムに記述された円弧補間コード毎に、当該コードで加工された円ないし球面を計測して得られた円加工補正値設定コードと解除コードとを挿入して、加工プログラムでテスト加工を行ったワークと同一形状のワークを加工すれば、テストワークの円筒面ないし球面に生じていた真円からの局部的な偏倚が円加工補正値設定コードで設定された補正値分だけ低減されるので、より高い精度の円加工及び球面加工を実現できる。

この発明の円加工方法を実施する工作機械のＮＣ装置１０は、上記の円加工補正値設定コード及び解除コードで呼び出される円加工補正値設定手段１６及び円加工補正の解除手段１７並びに円加工補正値設定コードに記述された円加工補正値を用いて補正を行う円加工補正手段１８と、円加工補正値設定コードに記述された円加工補正値を記憶するメモリ１９とを備えている。

この発明は、従来の機械精度の計測に基づく補正値の設定に加えて、テストワークの加工精度を計測して円ないし楕円加工毎に当該加工時にのみ用いる局部的な補正値を設定するので、ワーク毎の加工位置や加工速度などの影響を含む補正値を設定することができ、より正確な円や球面の加工を行うことができる。

また、加工プログラムに局部的な形状誤差を補正する補正値を記述したコードとその解除コードとを挿入するだけで加工誤差の補正ができるので、補正値の設定及び変更が容易であり、円ないし球面加工箇所が何箇所もある場合でも、それぞれの円弧に対して最適な補正値の設定が可能である。

旋盤の要部を示すブロック図 計測したテストワークの円加工部分を誇張して例示した線図 円加工補正値設定コードと解除コードの動作を示すフローチャート 円加工補正値設定時の補正手順を示すフローチャート ピッチ誤差の補正を示す説明図

以下、旋盤でワークの先端に球面を加工する場合を例にして、この発明の実施形態を説明する。図１は、旋盤の要部を示すブロック図である。ワークｗは、基端を旋盤の主軸チャック１に把持されて主軸軸線ａ回りに回転する。刃物台２は、Ｚ軸送りモータ３で正逆回転するＺ軸送りネジ４及びＸ軸送りモータ５で正逆回転するＸ軸送りネジ６により、直交するＺ軸及びＸ軸方向に移動位置決め可能である。

Ｚ軸送りモータ３及びＸ軸送りモータ５を制御するＮＣ装置１０は、加工プログラム１１と、コード解析手段１２と、補正手段１３とを備えている。補正手段１３は、背隙補正メモリ１４と、ピッチ誤差補正メモリ１５とを含んでいる。

背隙補正メモリ１４には、Ｚ軸及びＸ軸のそれぞれについて、刃物台２の送り方向が反転したときに、送りネジ４、６の背隙（バックラッシュ）に起因して、その反転後の移動先位置に生ずる誤差を補正する補正値が設定されている。補正手段１３は、刃物台位置の指令信号により送り方向の反転を検出したとき、その反転後の移動先位置を背隙補正メモリ１４に設定された補正値で補正する。

ピッチ誤差補正メモリ１５には、Ｚ軸及びＸ軸のそれぞれについて、図５に示すように、送りネジ４、６の予め定めた所定間隔ｂ（例えばｂ＝１０ｍｍ）毎の刃物台２の位置と送りモータ３、５の回転角とを計測して、送りネジ４、６の軸方向に分布するネジピッチの誤差（ピッチエラー）ｐ１、ｐ２、ｐ３・・・を補正する補正値が設定されている。補正手段１３は、刃物台位置の指令信号で指定されたＺ軸及びＸ軸方向の刃物台２の移動先位置を、ピッチ誤差補正メモリ１５に設定された補正値を用いて補正する。

前述したように、ピッチ誤差の補正値は、送りモータの正転時と逆転時との両方において計測して設定する場合があり、その場合には、背隙誤差の補正値を設定する必要はない。

上記の背隙誤差の補正値及びピッチ誤差の補正値、又は正逆送り方向のピッチ誤差の補正値は、旋盤の出荷時及び使用後の必要となったときに、機械制度を計測して設定される機械毎に個別の補正値であり、既存技術である。高精度加工が要求されるワークの円加工や球面加工において、要求される加工精度を達成できなかったとき、従来は、前述したボールバーなどを用いて円弧補間（コードＧ０２、Ｇ０３）動作時の機械制度を測定して、背隙誤差の補正値やピッチ誤差の補正値を変更してテスト加工をする必要があり、作業が繁雑でかつそのような作業によって要求された加工精度が達成されるという保証もなかった。

次に、球面加工を例にして、ＮＣ装置１０に上記のような補正手段１３を備えた旋盤におけるこの発明の実施形態を説明する。ＮＣ装置１０には、円加工補正値設定コード（例えばＧ１００）及び当該設定の解除コード（例えばＧ１０１）で呼び出される円加工補正値設定手段１６（図３(a)）及び解除手段１７（図３(b)）と、円加工補正手段１８（図４）を登録し、円加工補正値設定コードＧ１００に記述した円加工補正値を記憶するメモリ領域１９を設ける。

円加工補正値設定手段１６は、ステップ２１で円加工補正フラグをＯＮ（有効）にし、ステップ２２で円加工補正値設定コードＧ１００に記述された円加工補正値をメモリ領域１９に登録して終了し、加工プログラムに戻る。解除手段は、ステップ２３で円加工補正フラグをＯＦＦ（無効）にして終了し、加工プログラムに戻る。

円加工補正フラグがＯＮに設定されている状態で、加工プログラム１１の円弧補間コードが読み込まれると円加工補正手段１８が実行される。

円加工補正手段１８は、ステップ３１でどの平面における加工かが判別される。実施例はＺ−Ｘ平面であり、ステップ３２で機械座標（刃物台の座標）が読み込まれる。現在座標と移動先座標との比較により送り方向の反転が検出（ステップ３３）されたときは、ステップ３４、３５で、背隙補正メモリ１４に設定された背隙補正値とメモリ領域１９に設定された反転補正値を取得する。

そして、ステップ３６で読み込んだＺ−Ｘ座標位置におけるピッチ誤差の補正値をピッチ誤差補正メモリ１５から取得し、ステップ３７で径補正値と斜め楕円補正値をメモリ領域１９から取得する。そして、ステップ３８で、取得した補正値を読み込まれている機械座標に基づいてＺ軸及びＸ軸方向の補正量に振り分け、ステップ３９で振り分けた補正量に対応する補正パルスを出力する。以上の処理を円加工が終了（ステップ４０）するまで繰り返す。

なお、円加工補正値設定コードでＸ−Ｙ、Ｙ−Ｚ平面が指定されたときは、それぞれの平面で上記と同様の処理を行う。また、円加工補正フラグがＯＦＦの状態で円弧補間コードを読み込んだときは、補正手段１３による従来と同様に背隙補正とピッチ誤差の補正が行われる。

次に上記の制御手段を備えた旋盤におけるこの発明の円ないし球面加工方法を説明する。まず、従来方法によって作成した加工プログラムに従ってテストワークを加工する。加工したテストワークは、機械精度の測定結果に基づいて設定された背隙誤差の補正値及びピッチ誤差の補正値を用いて補正された指令信号に基づいて加工される。

次に、加工されたテストワークの球面を３次元測定器で測定して、Ｚ−Ｘ平面での真円度を低下させている局部的な偏倚がどの位置でどの程度発生しているかを計測する。その計測結果に基づいて、Ｘ軸方向の反転補正値、Ｚ及びＸ軸方向の径補正値及び斜め楕円補正値を算出する。そして、それらの円加工補正値を記述した円加工補正値設定コードＧ１００とその補正を取り消す解除コードＧ１０１を対象とする円弧補間コードＧ０２、Ｇ０３の前後に挿入して、その後のワークに対する球面加工を行う。

円加工補正値設定コードＧ１００とその解除コードＧ１０１を挿入した円弧補間コードＧ０２の部分は例えば次のようになる。
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G100 A(平面選択) B(反転補正値) X(Ｘ軸方向の径補正値) Z(Ｚ軸方向の径補正値) C(斜め楕円補正値)
GO2 X1O. Z10. R10
G101
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例えば計測したＺ−Ｘ平面における円の図２のＡの箇所に生じている段差は、反転補正値を設定することによって補正する。図２のＢの箇所に生じている偏倚は、Ｘ軸方向の径補正値を設定することによって補正する。図２のＣの箇所に生じている偏倚は、斜め楕円補正値を設定することによって補正する。図２のＤの箇所に生じている偏倚は、Ｚ軸方向の径補正値を設定することによって補正する。

旋削による球面加工では、通常、平面選択でＺ−Ｘ平面を選択し、反転補正値とＸ軸方向の径補正値が重要で、Ｚ軸方向の径補正値及び斜め楕円補正値は不要であることが多い。補正が不要な欄は０とする。

以上のように、この発明の方法では、加工プログラムに記述する円弧補間コードＧ０２、Ｇ０３の前後に、円加工補正値設定コードＧ１００と解除コードＧ１０１を挿入するという簡単な作業で、実際に加工したテストワークを計測して得られた局部誤差を補正して加工を行うことができる。刃物台の円弧補間動作の途中で円加工補正値の変更が必要なときは、当該円弧補間動作を分割して、それぞれの円弧補間コードの前後に円加工補正値設定コードと解除コードとを挿入してやれば良い。

２ 刃物台
７ 工具
８ 刃先
１０ ＮＣ装置
１１ 加工プログラム
１３ 補正手段
１４ 背隙補正メモリ
１５ ピッチ誤差補正メモリ
１６ 円加工補正値設定手段
１７ 解除手段
１８ 円加工補正手段
１９ 円加工補正値を記憶するメモリ領域
Ｇ０２、Ｇ０３ 円弧補間コード
Ｇ１００ 円加工補正値設定コード
Ｇ１０１ 解除コード

Claims (4)

1. 直交２軸方向の刃物台の位置を同期制御して当該刃物台に装着された工具の刃先を円弧移動させる円加工手段と、刃物台の送り先位置における機械誤差及び送り方向が反転したときに生ずる機械誤差を補正する補正手段とを備えたＮＣ工作機械において、
   当該工作機械の加工動作を制御するＮＣ装置が、加工プログラムの所定のコードで呼び出される円加工補正値設定手段及び当該手段で設定された円加工補正の解除手段と、円加工補正値設定手段で設定された円加工補正値を記憶するメモリ領域と、当該記憶された補正値を用いて補正を行う円加工補正手段とを備えている、ＮＣ工作機械。
2. 刃物台の直交２軸方向の位置を同期制御して当該刃物台に装着した工具の刃先に円ないし楕円運動をさせる工作機械の円ないし球面加工方法において、
   当該工作機械を制御するＮＣ装置に前記刃物台の前記２軸方向の移動領域全体にわたる背隙誤差の補正値とピッチ誤差の補正値とを設定して加工プログラムの円弧補間動作によりテストワークの円ないし球面加工を行い、加工したテストワークの円ないし球面を３次元測定器で測定して真円度を低下させている偏倚の位置と大きさとを計測し、その偏倚を低減する補正値を記述した円加工補正値設定コードと当該補正値の設定を取り消す解除コードとを前記円弧補間コードの前後に挿入した加工プログラムでワークの円ないし球面加工を行う、ＮＣ工作機械の円ないし球面加工方法。
3. 前記円加工補正値設定コードに円加工動作中に刃物台の反転動作が生じたときに使用する反転補正値と、前記２軸の少なくとも一方の軸方向の補正値である径補正値とを記述する、請求項２記載のＮＣ工作機械の円ないし球面加工方法。
4. ワークの加工手順を記述した加工プログラムであって、直交２軸方向の刃物台の同期移動により当該刃物台に装着された工具の刃先を円弧移動して円ないし球面を加工する円弧補間コードを含むＮＣ工作機械の加工プログラムにおいて、前記円弧補間コードの直前と直後とに、反転補正値と前記２軸の少なくとも一方の径補正値とを記述した円加工補正値設定コードと、設定された補正値を取り消す解除コードとを記述した、ＮＣ工作機械の加工プログラム。

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