(57)【要約】【課題】旋削加工におけるコストの増加を抑制しつつ、旋削加工の加工精度を向上することができる旋削加工システムを提供すること。【解決手段】タービンロータ１を旋削加工する際に用いられる旋削加工システム１００であって、タービンロータ１の表面位置を計測する変位センサ６と、変位センサ６の計測結果から雑音成分を除去する雑音除去処理を行って補正後計測結果を算出し、被加工物の旋削加工の目標値として予め設定した設計値と補正後計測結果とに基づいて旋削指令信号を生成する制御装置８と、制御装置８からの旋削指令信号に基づいて、タービンロータ１の表面を旋削する旋削工具４の位置を制御する旋削装置９とを備える。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を旋削加工する際に用いられる旋削加工システムであって、
前記被加工物の表面位置を計測する変位センサと、
前記変位センサの計測結果から雑音成分を除去する雑音除去処理を行って補正後計測結果を算出し、前記被加工物の旋削加工の目標値として予め設定した設計値と前記補正後計測結果とに基づいて旋削指令信号を生成する制御装置と、
前記制御装置からの旋削指令信号に基づいて、前記被加工物の表面を旋削する旋削工具の位置を制御する旋削装置と
を備えたことを特徴とする旋削加工システム。
【請求項２】
請求項１記載の旋削加工システムにおいて、
前記制御装置は、
前記被加工物を静止させた状態で、前記旋削加工における前記被加工物の回転軸方向に前記変位センサを移動させながら表面位置を計測することで取得した、前記被加工物の表面粗さに係る計測結果である表面粗さ計測結果と、
前記被加工物を予め定めた速度で回転させた状態、かつ、前記旋削工具を前記被加工物の表面に接触させない状態で、前記変位センサにより表面位置を計測することで取得した、前記被加工物の回転による表面位置の変化に係る計測結果である第一表面計測結果と、
前記被加工物を前記第一表面計測結果を取得した場合とは異なる速度で回転させた状態、かつ、前記旋削工具を前記被加工物の表面に接触させない状態で、前記変位センサにより表面位置を計測することで取得した、前記被加工物の回転による表面位置の変化に係る計測結果である第二表面計測結果とを予め有し、
前記雑音除去処理において、
前記表面粗さ計測結果から得られる前記被加工物の表面位置の変化をそれぞれ除いた前記第一表面計測結果と前記第二表面計測結果とを比較することで取得した、前記旋削加工における前記被加工物の回転時に生じる機械振動に係る情報である機械振動情報を用いて、前記前記変位センサの検出結果から雑音成分を除去することを特徴とすることを特徴とする旋削加工システム。
【請求項３】
請求項１記載の旋削加工システムにおいて、
前記被加工物の表面の前記変位センサによる計測対象となる部位に圧縮空気を吹き付ける空気ノズルをさらに備えたことを特徴とする旋削加工システム。
【請求項４】
請求項１記載の旋削加工システムにおいて、
前記被加工物の表面温度を計測する温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記補正後計測結果に加え、前記温度センサの計測結果と前記被加工物の線膨張率とから得られる前記被加工物の膨張量に基づいて、前記旋削指令信号を生成することを特徴とする旋削加工システム。
【請求項５】
請求項１記載の旋削加工システムにおいて、
前記変位センサとして、前記被加工物の回転方向の異なる位置の前記被加工物の表面位置をそれぞれ計測する第一変位センサと第二変位センサの２つの変位センサを備え、
前記制御装置は、前記補正後計測結果に加え、前記第一変位センサと前記第二変位センサの計測結果から得られる前記被加工物の回転における偏心量に基づいて、前記旋削指令信号を生成することを特徴とする旋削加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物を旋削加工する際に用いられる旋削加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、被加工物に対する旋削加工（例えば、ＮＣ旋削加工）では、例えば、粗加工処理工程、中加工処理工程、仕上げ加工処理工程のような複数の処理工程に分けて加工処理を行っている。一方、旋削加工の際には被加工物に対して種々の外乱（外的要因）が作用するため、予め定めた加工条件に応じて旋削加工を行ったとしても被加工物の仕上がりが設計通りになるとは限られず、加工精度が所望の精度とならないことが考えられる。このため、旋削加工においては、各工程が終了する毎に被加工物の寸法を計測して、計測結果に応じて加工条件を補正する必要がある。
【０００３】
このような加工条件の補正に係る技術として、例えば、特許文献１には、被加工物を旋削加工する際に用いられる旋削加工システムであって、前記被加工物を旋削加工する都度前記被加工物の外形寸法を計測して計測値を求める計測手段と、前記計測値を少なくとも前記被加工物に付着した油膜に応じて規定された油膜補正値で補正して補正後旋削指令値を生成する指令値生成手段とを有し、前記補正後旋削指令値に応じて前記被加工物を旋削する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１３６３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
被加工物の加工精度を計測する際の外乱としては、被加工物の温度や被加工物に付着した油膜の他に、被加工物に付着した切屑、被加工物の機械加工による振動（機械振動）などがある。したがって、このような外乱も考慮して被加工物の計測を行わないと、計測結果を高精度に補正することができず、被加工物を設計通りに加工することが困難となる。
【０００６】
上記従来技術においては、レーザ光照射で被加工物の外形を計測する際に、被加工物に付着した油膜や被加工物の温度膨張、表面粗さなどの影響を考慮して加工条件を補正しているが、他の外乱である機械振動や切屑の影響を考慮していないため、高い計測精度を得ることが困難であった。
【０００７】
機械振動や切屑の影響を排除するために、旋削加工を一旦停止して被加工物を静止させた状態とし、被加工物に付着した切屑を除去してからオペレータによって外形寸法を計測することも考えられるが、旋削加工における外形寸法の計測には高い熟練度が必要である上に、オペレータによる計測では計測精度のばらつきを抑制することができず、計測精度が低下してしまうおそれがある。また、旋削加工を一旦停止しての計測と旋削加工を再開とを繰り返す必要があるため、不可避的に旋削加工時間が長くなってしまい、加工コストが増加してしまうという問題もある。
【０００８】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、旋削加工におけるコストの増加を抑制しつつ、旋削加工の加工精度を向上することができる旋削加工システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、被加工物を旋削加工する際に用いられる旋削加工システムであって、前記被加工物の表面位置を計測する変位センサと、前記変位センサの計測結果から雑音成分を除去する雑音除去処理を行って補正後計測結果を算出し、前記被加工物の旋削加工の目標値として予め設定した設計値と前記補正後計測結果とに基づいて旋削指令信号を生成する制御装置と、前記制御装置からの旋削指令信号に基づいて、前記被加工物の表面を旋削する旋削工具の位置を制御する旋削装置とを備えたものとする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、旋削加工におけるコストの増加を抑制しつつ、旋削加工の加工精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態に係る旋削加工システムの全体構成を概略的に示す図である。
【図２】旋削加工システムを被加工物であるタービンロータの軸方向から見た図である。
【図３】表面粗さ計測結果の取得に係るタービンロータの表面計測の様子を示す図である。
【図４】旋削工具によるタービンロータの旋削加工の様子を示す図である。
【図５】旋削加工システムによる旋削加工処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】旋削加工システムによる旋削加工処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】表面粗さ計測結果の取得に係る信号処理の様子を示す図である。
【図８】第一表面計測結果及び第二表面計測結果の取得に係る信号処理の様子を示す図である。
【図９】第一表面計測結果及び第二表面計測結果の取得に係る信号処理の様子を示す図である。
【図１０】第一表面計測結果及び第二表面計測結果の取得に係る信号処理の様子を示す図である。
【図１１】第一表面計測結果及び第二表面計測結果の取得に係る信号処理の様子を示す図である。
【図１２】補正後計測結果の旋削加工による変化を示す図である。
【図１３】第２の実施の形態に係る旋削加工システムを被加工物であるタービンロータの軸方向から見た図である。
【図１４】タービンロータの偏心の様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１〜図１２を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態に係る旋削加工システムの全体構成を概略的に示す図である。また、図２は、旋削加工システムを被加工物であるタービンロータの軸方向から見た図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本実施の形態においては、旋削加工システム１００による旋削加工の対象となる被加工物として円筒回転体であるタービンロータ１を例示して説明する。また、タービンロータ１が軸受２上に、円筒回転体としての中心軸が水平となるように設置された場合を考えるとき、タービンロータ１の軸方向にｘ軸、ｘ軸に垂直となる水平方向であってｘ軸の正方向を向いて左向きにｙ軸、ｘ軸及びｙ軸に垂直となる鉛直上向きにｚ軸をそれぞれ設定する。
【００１６】
図１において、旋削加工システム１００は、タービンロータ１の表面位置を計測する変位センサ６と、タービンロータ１の表面温度を計測する温度センサ７と、変位センサ６や温度センサ７の計測結果などに基づいて旋削指令信号を生成する制御装置８と、制御装置８からの旋削指令信号に基づいて、タービンロータ１の表面を旋削する旋削工具４の位置を制御する旋削装置９と、タービンロータ１の表面の変位センサ６による計測対象となる部位に圧縮空気を吹き付ける空気ノズル５とを備えている。
【００１７】
タービンロータ１は、軸受２上に中心軸が水平となるように設置されており、図示しない駆動装置によって、中心軸回りの回転方向３に沿って（すなわち、ｘ軸方向を向いてｚ軸方向からｙ軸方向側に回転する反時計回りに）回転駆動可能となっている。旋削加工システム１００では、制御装置８で生成される旋削指令信号によって、回転駆動されるタービンロータ１と旋削装置９の旋削工具４との距離および位置を調整することでタービンロータ１の旋削加工を行う。なお、タービンロータ１に対する各構成の位置は図１等に限定するものではないが、本実施の形態においては例えば、タービンロータ１の中心軸からｙ軸負方向の位置に旋削工具４を、上方（ｚ軸正方向）に空気ノズル５、変位センサ６、及び、温度センサ７などをそれぞれ配置している。空気ノズル５は、タービンロータ１の回転方向３に沿って変位センサ６の上流側に隣接した配置されており、回転によって変位センサ６の計測位置に到達する直前のタービンロータ１の表面に圧縮空気を吹き付けて油や屑を飛ばすことで除去する。
【００１８】
図５及び図６は、旋削加工システムによる旋削加工処理の処理手順を示すフローチャートである。
【００１９】
図５に示すように、制御装置８によって制御される旋削加工処理は、粗加工を行う旋削加工処理（粗加工処理：ステップＳ１００）と、中加工を行う旋削加工処理（中加工処理：ステップＳ２００）と、仕上げ加工を行う旋削加工処理（仕上げ加工処理：ステップＳ３００）とから構成されている。各旋削加工処理は、より後段の処理になるほど要求される精度が段階的に上がっていくものおの、内部手順はそれぞれ同様となっている。したがって、ここでは、１つの旋削加工処理（例えば、ステップＳ１００に示した粗加工処理）について代表して説明する。
【００２０】
図６に示すように、ステップＳ１００の旋削加工処理では、制御装置８は、まず、予めタービンロータ１の旋削加工の目標値として設定されて図示しない記憶部に記憶された設計値（設定加工条件）を読み込む（ステップＳ１１０）。設定加工条件の読み込み後は、設定加工条件に基づいて旋削指令信号を生成して旋削装置９に出力することで、通常回転（後述）で回転動作しているタービンロータ１に対する旋削工具４の位置を制御して旋削加工を開始する。
【００２１】
続いて、温度センサ７からの計測結果を読み込み（ステップＳ１２０）、設定加工条件に対してタービンロータ１の熱による膨張を考慮した補正（線膨張補正）を行う（ステップＳ１３０）。線膨張補正とは、設定加工条件を熱膨張分だけ補正することにより、旋削加工処理後の被加工物が旋削加工処理前の温度に戻ったときに、補正前の設定加工条件で設定した外形寸法となるように調整するものである。
【００２２】
線膨張補正では、旋削加工処理の前に予め測定されて記憶部に記憶されたタービンロータ１の表面の温度ｔ０と、旋削加工処理中の温度ｔ１（リアルタイム温度）とを用いる。例えば、粗加工処理の設定加工条件として、タービンロータ１の外形寸法ｄ０が設定されているとする。一方、被加工物であるタービンロータ１の熱膨張による寸法変化値Δｄは、膨張係数αを用いて、下記の（式１）により表される。
Δｄ＝（ｔ１−ｔ０）×ｄ０×α  ・・・（式１）
例えば、大きさが１００×１００×１００（ｍｍ）のＰＴＦＥ樹脂（polytetrafluoroethylene樹脂、線膨張係数：（１０＾（−４））／℃）で作成された物体がｔ０＝１５℃からｔ１＝２５℃まで温度変化したときの寸法変化値Δｄは、Δｄ＝（１０＾（−４））×１００×（２５−１５）＝０．１（ｍｍ）となるため、物体の寸法は１００．１×１００．１×１００．１（ｍｍ）となる。したがって、制御装置８においては、読み込んだ設定加工条件に算出した寸法変化値Δｄを加算する補正を行う。
【００２３】
続いて、制御装置８は、変位センサ６の計測結果を読み込み（ステップＳ１４０）、タービンロータ１の回転時に生じる機械振動を補正する振動補正を行う（ステップＳ１５０）。ステップＳ１５０の振動補正は、変位センサ６から読み込んだ計測結果から雑音成分を除去する雑音除去処理を行って補正後計測結果を算出する処理である。
【００２４】
振動補正では、予め取得した、タービンロータ１の表面粗さに係る計測結果（表面粗さ計測結果）と、異なる回転速度におけるタービンロータ１の回転による表面位置の変化に係る計測結果（第一表面計測結果、第二表面計測結果）とから算出した、タービンロータ１の回転時に生じる機械振動に係る情報（機械振動情報）を用いて補正後計測結果を算出する。
【００２５】
図３は、表面粗さ計測結果の取得に係るタービンロータの表面計測の様子を示す図である。また、図７は、表面粗さ計測結果の取得に係る信号処理の様子を示す図である。
【００２６】
図３に示すように、表面粗さ計測結果は、タービンロータ１を静止させた状態で、旋削加工におけるタービンロータ１の回転軸方向に変位センサ６を移動させながら表面位置を計測することで取得する。より詳細には、図７に示すように計測結果の生データ７１にノイズ除去の処理を行って処理後データ７２を取得し、その後、フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことで、表面粗さ計測結果として表面粗さに係る周波数特性７３を取得する。生データ７１に対するノイズ除去の処理方法としては、例えば、フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いる方法や、平均移動フィルタ、メディアンフィルタを用いる方法がある。図７からは、周波数７３ａが表面粗さに起因する周波数であることがわかる。算出した表面粗さ計測結果は、図示しない記憶部に記憶される。
【００２７】
図８〜図１１は、第一表面計測結果及び第二表面計測結果の取得に係る信号処理の様子を示す図である。
【００２８】
まず、タービンロータ１を予め定めた速度（ここでは、通常回転と称する）で回転させた状態、かつ、旋削加工を行わない状態（すなわち、旋削工具４をタービンロータ１の表面に接触させない状態）で、変位センサ６により表面位置を計測して図８に示すような計測結果の生データ８１を取得する。また、生データ８１を取得した場合とは異なる速度（ここでは、より速い速度で回転する回転大と称する）でタービンロータを回転させた状態、かつ、旋削加工を行わない状態（すなわち、旋削工具４をタービンロータ１の表面に接触させない状態）で、変位センサ６により表面位置を計測して図９に示すような計測結果の生データ９１を取得する。
【００２９】
続いて、表面粗さ計測結果の取得時と同様に、生データ８１，９１に対してノイズ除去の処理を行って処理後データ８２，９２を取得し、その後、フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことで、図１０及び図１１に示す周波数特性８３，９３（第一表面計測結果、第二表面計測結果）を取得する。図１０及び図１１の周波数特性において、周波数７３ａは表面粗さに起因する周波数であり、また、周波数１０ａはタービンロータ１の回転数に依存しない、すなわち、通常回転（図１０）の場合と回転大（図１１）の場合とで共通する周波数に生じるピークであり、機械に固有の振動周波数であることが分かる。一方、周波数８２ａと周波数９２ａはタービンロータ１の回転数に依存する、すなわち、回転数によって異なるため、タービンロータ１の回転駆動に起因する振動の周波数であることがわかる。
【００３０】
そして、上記のような周波数特性８３（第一表面計測結果）と周波数特性９３（第二表面計測結果）との比較結果に基づいて、周波数８２ａ、すなわち、タービンロータ１の通常回転時の回転動作に起因する周波数の振動（計測結果）のみを通すバンドパスフィルタ、言い換えると、周波数１０ａ，７３ａ，９２ａを除去するバンドパスフィルタを作成する。ここで、図１０及び図１１に一例としてバンドパスフィルタ１０ｂを図示する。なお、変位センサ６と同様の変位センサを用いて軸受２の振動周波数を計測し、計測結果から得られる周波数特性に、すなわち、軸受２に固有の振動の周波数を除去するように上記のバンドパスフィルタ１０ｂを作成することで、タービンロータ１の通常回転時の回転動作に起因する周波数をより精度良く取得することができる。
【００３１】
図４は、旋削工具によるタービンロータの旋削加工の様子を示す図である。ステップＳ１５０の振動補正（雑音除去処理）が終了すると、続いて、振動補正を行った変位センサ６の計測結果（補正後計測結果）に基づいて旋削工具４のタービンロータ１に対する切込み量ｄ１（図４参照）を算出し（ステップＳ１６０）、切込み量ｄ１とステップＳ１３０で線膨張補正を行った設定加工条件とを比較し（ステップＳ１７０）、比較結果が予め定めた所定の範囲内であるかどうかを判定する（ステップＳ１８０）。ステップＳ１８０での判定結果がＮＯの場合には、判定結果がＹＥＳになるまでステップＳ１２０〜Ｓ１７０の処理を繰り返す。また、ステップＳ１８０での判定結果がＹＥＳの場合には、旋削加工処理（ステップＳ１００：粗加工処理）を終了する。
【００３２】
図１２は、補正後計測結果の旋削加工による変化を示す図である。前述のように、所定のノイズ処理を行った変位センサ６からの計測結果に対してバンドパスフィルタ１０ｂを適用することで補正後計測結果１２が得られる。また、補正後計測結果１２に平均化処理を行うことで、タービンロータ１の真のデータに最も近いと期待される表面位置の変位量（切込み量ｄ１）のデータ１２ａが得られる。図１２に示すように、旋削加工が進むにつれて、変位センサ６の計測結果である変位量も増加していく。
【００３３】
以上のように構成した本実施の形態における旋削加工処理においては、ステップＳ１５０で示したように、振動補正において、変位センサ６から読み込んだ計測結果に上記で生成したバンドパスフィルタを適用して雑音成分を除去する雑音除去処理を行うことで、タービンロータ１の回転駆動に起因する振動（すなわち、表面位置の変動）を精度良く補正後計測結果に反映することができ、この雑音除去処理で得られた補正後計測結果に基づいて旋削指令信号を生成するので、旋削加工の加工精度を向上することができる。また、旋削加工処理においてタービンロータ１の回転動作を中途で停止する必要が無いため、旋削加工におけるコストの増加を抑制することができる。
【００３４】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１３及び図１４を参照しつつ説明する。
【００３５】
本実施の形態は、第１の実施の形態において１つの変位センサを用いて計測を行ったのに対し、被加工物（タービンロータ）の周方向の異なる位置にそれぞれ配置された複数（例えば２つ）の変位センサの計測結果を用いて被加工物の偏心量を算出するように構成したものである。
【００３６】
図１３は、本実施の形態に係る旋削加工システムを被加工物であるタービンロータの軸方向から見た図である。また、図１４は、タービンロータの偏心の様子を模式的に示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００３７】
被加工物の重心(質量の中心)と剛心(剛性の中心)との位置が異なる（距離がある）ことを被加工物の偏心という。重心は、空間的広がりをもって分布する質量に対して働く重力の合力の作用点、すなわち、重さの中心であるが、ここでは、被加工物に働く重力が一様であるとして、重心を質量の中心と同じものと考える。また、剛心は、被加工物の強さの中心のことをいい、質量の中心である重心とは異なるものである。被駆動物が動く際（つまり、タービンロータ１が回転動作する際）には、回転力は重心に最も強く作用するが、強さの中心である剛心との位置が異なる場合には、図１３に示すように偏心動作を行う。
【００３８】
そこで、本実施の形態の旋削加工システム１００Ａにおいては、図１３に示すように、変位センサとして、タービンロータ１の回転方向３の異なる位置の表面位置をそれぞれ計測する第一変位センサ６ａと第二変位センサ６ｂの２つの変位センサを備え、制御装置８は、補正後計測結果に加え、第一変位センサ６ａと第二変位センサ６ｂの計測結果から得られるタービンロータ１の回転における偏心量に基づいて、旋削指令信号を生成する。具体的には、タービンロータ１の周方向の鉛直上方位置に第一変位センサ６ａを、水平方向であって旋削工具４と対向する位置に第二変位センサ６ｂを、それぞれ、空気ノズル５及び温度センサ７とともに設置して、それぞれにおいてタービンロータ１の表面位置の計測結果を取得する。
【００３９】
図１４に示すように、各変位センサ６ａ，６ｂの計測結果に対して第１の実施の形態と同様に雑音除去処理を行った場合、タービンロータ１の１回転分のデータを拡大してみると、データ２２のようになる。タービンロータ１の偏心のため、タービンロータ１の計測箇所と変位センサ６ａ，６ｂとが離れた時はデータ２２の山となり、変位センサ６ａ，６ｂと近づいた時はデータ２２の谷となる。このときのデータ２２の山の高さ２２ａ，２２ｂ（又は、谷の深さ）がタービンロータ１の偏心量となる。
【００４０】
その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００４１】
以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
また、タービンロータ１の周方向の２方向から変位センサ６ａ，６ｂによって偏心量を計測するので、タービンロータ１の偏心方向を明確に計測することができる。
【００４３】
＜付記＞
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１…タービンロータ（被加工物）、２…軸受、３…回転方向、４…旋削工具、５…空気ノズル、６…変位センサ、６ａ…第一変位センサ、６ｂ…第二変位センサ、７…温度センサ、８…制御装置、９…旋削装置、１０ｂ…バンドパスフィルタ、１２…補正後計測結果、１００，１００Ａ…旋削加工システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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