(57)【要約】【課題】生産性を低下させることなく、工作機械、特に旋盤の熱変形に基づく加工誤差をより適切に補正することができる技術手段を提供する。【解決手段】主軸に取り付けられているワークチャック４の外周５と、刃物台１４、２４の工具取付位置７に取り付けた接触検出センサ３ａないし検出棒３ｂとを接触させ、接触検出時における刃物台１４、２４の座標から主軸と刃物台の工具取付位置との相対位置関係の変化を検出して、刃物台１４、２４の位置に対する補正値を求めている。接触検出センサ３ａを用いる代わりに高精度に加工した検出棒を用いて刃物台送りモータに与える位置指令とフィードバック信号との差信号である位置偏差の立ち上がりを検出することで、検出棒３ｂとチャック外周５との接触を検出することができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
刃物台の工具取り付け位置に装着した接触検出センサないし検出棒とワークを把持するチャックの外周の定位置との接触を検出したときの刃物台の座標の基準座標からの差を変数として含む演算式により演算した補正値で刃物台に与える位置指令を補正することを特徴とする、工作機械の加工誤差の補正方法。
【請求項２】
前記検出棒が、金属丸棒であり、当該検出棒とワークチャックの外周の接触が、刃物台の送りモータに与える位置指令と当該送りモータから返されるフィードバック信号との差信号である位置偏差の急激な上昇を検知することによって検出する、請求項１記載の工作機械の加工誤差の補正方法。
【請求項３】
接触検出センサないし検出棒とワークチャックの外周との接触が、当該ワークチャックを装着した主軸を予め定めた位相で停止させた状態で行われる、請求項１又は２記載の工作機械の加工誤差の補正方法。
【請求項４】
前記演算式が、前記接触検出センサないし検出棒とワークチャックの外周との接触検出を行う際の機械の各部に装着した温度センサの検出温度とを含む演算式である、請求項１、２又は３記載の工作機械の加工誤差の補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械の熱変形によるワークの加工誤差を補正する手段に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工作機械でワークを加工すると、機械の運転に伴って生ずる発熱により、機械各部の温度が変化し、それに伴う機械各部の熱変形の変化により、加工されるワークの加工精度が変化（一般的には低下）する。
【０００３】
この機械自体の経時的な温度変化による加工精度の変化を補正するために、機械の各所に温度センサを取り付け、各センサの検出温度に実験により求めた係数を乗じた演算式により補正値を求めて、この補正値で刃物台の移動位置などを補正して加工を行うということが行われている。
【０００４】
例えば、旋盤の本体にｎ個の温度センサをそれぞれ適切と考えられる箇所に取り付け、種々のワークを加工した際の加工精度のデータと加工中に検出された各温度センサの検出温度のデータとを用いて、
Δｘ＝ａ1xｔ1＋ａ2xｔ2＋ａ3xｔ3＋・・・＋ａnxｔn
Δｙ＝ａ1yｔ1＋ａ2yｔ2＋ａ3yｔ3＋・・・＋ａnyｔn
Δｚ＝ａ1zｔ1＋ａ2zｔ2＋ａ3zｔ3＋・・・＋ａnzｔn
のような計算式でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の補正値Δｘ、Δｙ、Δｚを求め、加工プログラムで指定されるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の刃物台の位置をその時々に演算された補正値で補正して加工を行うのである。
【０００５】
なお、上式中
ｔ1，ｔ2，ｔ3・・・ｔnは機械に設けたｎ個の温度センサの検出温度、
ａ1x，ａ2x，ａ3x・・・ａnx、ａ1y，ａ2y，ａ3y・・・ａny及びａ1z，ａ2z，ａ3z・・・ａnは、それぞれの温度センサの検出温度に乗ずるＸ、Ｙ及びＺ軸方向の係数で、実際にワークの加工を行って求めた値である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−５５４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
工作機械で加工されるワークの種類、その加工手順、環境温度などは多種多様で、経時的にも変化する。そのため、上述のようにして機械各部の温度から補正値を演算して加工を行っても、機械の熱変形に起因する加工誤差を完全に補正することは不可能である。一方、生産性と加工精度の向上は、工作機械に求められる一般的な要求であり、常に更なる向上が求められている。
【０００８】
この発明は、生産性を低下させることなく、工作機械、特に旋盤における機械の熱変形に基づく加工誤差をより適切に補正することができる技術手段を提供することにより、ワークの加工精度を更に向上させることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、旋盤の主軸と刃物台の工具取付位置との相対位置関係の変化を適時計測することにより、ワークの径方向の加工誤差をより的確に補正することができるようにしたものである。この発明では、主軸に取り付けられているワークチャック４の外周５と、刃物台１４、２４の工具取付位置７に取り付けた接触検出センサ３ａないし検出棒３ｂとを接触させ、その接触検出時における刃物台１４、２４の座標から主軸と刃物台の工具取付位置との主軸直角方向の相対位置関係の変化を検出し、その検出値を含む演算に基づいて加工プログラムから指令される刃物台１４、２４の位置に対する補正値を求めている。
【００１０】
接触検出センサ３ａとしては、一般的にタッチセンサと呼ばれている周知のセンサを使用することができる。また、このようなセンサを用いる代わりに高精度に加工した検出棒（好ましくは高精度の加工が容易な丸棒）を用いて特許文献１などで提案されている位置偏差、すなわち刃物台送り時に刃物台送りモータに与える位置指令と刃物台送りモータから返されるフィードバック信号との差信号である位置偏差の立ち上がりを検出することで、検出棒３ｂとチャック外周５との接触を検出することができる。後者の手段によれば、高価な接触検出センサを用いないで、この発明を実施することができる。
【００１１】
チャック外周の真円度の誤差に基づく検出誤差を避けるために、主軸を予め定めた所定の位相で停止して、接触検出センサ３ａないし検出棒３ｂを接触させるのが好ましい。また、チャックの外周に切削油や切粉が付着して検出誤差が生ずるのを避けるために、２箇所以上の主軸停止位相を設定し、第１の停止位相における検出値がしきい値を超えたときに次候補として定めた停止位相で主軸を停止して検出を行うという制御も可能である。
【００１２】
この発明は、主軸に取り付けたワークチャックの外周５と刃物台の工具取付位置７との主軸直角方向の寸法の変化を検出して補正をするものであるから、機械の熱変形に基づくワークの径方向の加工誤差を補正するものである。刃物台のＺ軸方向の位置によって主軸直角方向の熱変形も変化するので、一般的には、検出したチャック外周と刃物台の工具取付位置との相対位置関係の変化を含む演算式で補正値を演算すべきである。すなわち、従来公知の演算式に本発明の方法で検出したチャック外周と刃物台の工具取付位置との主軸直角方向の位置関係の変化を変数δとして含む項を含ませた演算式で補正値を演算する。
【発明の効果】
【００１３】
ワークの加工誤差は、機械自体の熱変形による主軸中心と工具刃先との相対位置関係の変化により生ずる。旋削加工時の主軸回転に伴う主軸軸受けの温度上昇は、機械を熱変形させる主要な熱源の一つである。主軸を軸支している主軸台１８、２８は、ベッド１１、２１上面が立ち上がっており、主軸軸受けの発熱により主軸台１８、２８の立ち上がり方向の熱変形が大きくなる。
【００１４】
主軸台１８、２８が工具の切り込み方向（旋盤のＸ軸方向）と直交する方向に立ち上がっている構造では、主軸台１８、２８の立ち上がり方向の変位がワークの径方向の加工誤差に与える影響は小さい。しかし、図２、図５に示すような主軸台１８、２８の立ち上がり方向が工具の切り込み方向Ｘと同方向ないし斜めに交叉する構造の旋盤においては、主軸台の立ち上がり方向の変位が加工誤差に直接影響する。
【００１５】
また、刃物台１４、２４がＹ軸方向にも移動して平面加工、溝加工、孔開け加工などを行う複合旋盤では、刃物台１４、２４の立ち上がり方向の変位がＹ軸方向の加工誤差に大きく影響する。
【００１６】
この発明においては、刃物台の工具取付位置７に装着した接触検出センサ３ａないし検出棒３ｂとワークチャック外周５の同一箇所との間隔を直接検出するので、ワークの加工径の誤差やＹ軸方向の加工位置の誤差を高い精度で補正できる。
【００１７】
従って、本発明の手段と従来の補正手段とを併用することで、旋盤におけるワークの加工精度をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１例の旋盤の要部の正面図
【図２】第１例の旋盤の模式的な側面図
【図３】第１例の旋盤における補正値の設定手順を示すフローチャート
【図４】第２例の旋盤の要部の正面図
【図５】第２例の旋盤の模式的な側面図
【図６】第２例の旋盤における補正値の設定手順を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明の実施例を示す図面を参照して、この発明を具体的に説明する。図１及び図２に示す第１実施例の旋盤１は、鉛直方向をＸ軸方向とした旋盤である。
【００２０】
図２において、ベッド１１の上面にＺ軸方向（図２の紙面直角方向）に移動位置決め自在にＺ軸移動台１２が搭載され、当該Ｚ軸移動台にＹ軸方向（図２の左右方向）に移動位置決め自在に背の高いＹ軸移動台１３が搭載され、当該Ｙ軸移動台の前面にＸ軸方向（図２の上下方向）に移動位置決め自在に刃物台１４が搭載され、当該刃物台にＢ軸（Ｙ軸回り）方向に旋回位置決め自在に工具モータ１５が搭載されている。工具モータ１５の回転子軸（工具軸）は、Ｙ軸と直交する方向を向いている。工具（旋削工具及び回転工具）は、図示しない自動工具交換装置により、工具モータ１５の回転子軸の先端に設けた工具チャック１７に装着される。図１に示したタッチセンサ３ａは、工具マガジンに搭載しておいて、適時、工具交換装置により工具チャック１７に装着される。
【００２１】
第１実施例の旋盤の主軸を軸支する主軸台１８は、下方部背面をベッド１１の前面に固定されて上方に立ち上がっている。図には表れていない主軸は、主軸台１８の上部に軸支されている。主軸を回転駆動する主軸モータは、加工プログラムなどから指令された任意の位置で位相（角度位置）を固定することができる。また、工具モータ１５は、少なくとも原点位相で回転子軸を固定可能である。ワークの旋削加工は、原点位相で固定した回転子軸の工具チャック１７に旋削工具を装着して行われる。
【００２２】
主軸を高速回転する旋削加工時の主軸軸受は、ワーク加工時における大きな発熱源の一つである。主軸軸受で発生した熱は、主軸台１８を熱膨張させる。図２に示した構造の旋盤では、主軸台１８の熱膨張による主軸軸心ｃの偏倚方向は、概ね図２に矢印ｄで示した方向になると考えられる。主軸軸心ｃの矢印ｄ方向への変位は、ワークと工具とのＸ軸方向及びＹ軸方向の相対位置関係を変化させる。
【００２３】
旋盤を制御するＮＣ装置には、図３に示す補正値更新手順と刃物台の接触時基準座標、すなわち、基準状態において工具チャック１７に装着したタッチセンサ３ａをワークチャック４の外周５に接触したときの刃物台１４の座標とが登録されている。ワークの加工開始時及び連続自動加工を行う場合の所定のワーク加工数ごとに、図３の補正値の更新手順が呼び出される。
【００２４】
呼び出された補正値更新手順は、自動工具交換装置により、工具チャック１７にタッチセンサ３ａを装着し、主軸を設定された位相で停止し、刃物台を接触検出開始位置に急速接近させる。接触検出開始位置は、タッチセンサ３ａの先端６とワークチャック４の外周５との間に僅かな間隙を隔てた位置として設定された位置である（図１参照）。次にＺ軸及びＹ軸方向の送りモータを停止し、刃物台１４をＸ軸マイナス方向（刃物台が主軸軸心ｃに接近する方向）に低速移動させる。この移動中にタッチセンサ３ａから接触検出信号が出力されたら、そのときの刃物台１４のＸ軸座標を記憶して刃物台１４を停止する。
【００２５】
検出された刃物台１４の座標と記憶している接触時基準座標との差δが予め定めたしきい値以内であれば、その後、刃物台は、工具交換位置に移動し、次の加工のための工具を工具チャック１７に装着する。
【００２６】
検出した座標と接触時基準座標との差δがしきい値を超えているときは、ワークチャック外周の検出対象となる位置に切削液や切粉が付着していると推定して、主軸位相を次候補の主軸位相に変換して再度タッチセンサ３ａとワークチャック外周５との接触検出動作を行う。
【００２７】
ＮＣ装置が内蔵するコンピュータは、検出された刃物台の座標と接触時基準座標との差δと検出手順実行時に検出した機械各部の温度センサの検出温度ｔ1，ｔ2，ｔ3・・・ｔnを用いて新しい補正値Δｘ，Δｙを例えば次式で計算する。
Δｘ＝ａ1xｔ1＋ａ2xｔ2＋ａ3xｔ3＋・・・＋ａnxｔn＋ｂxδ
Δｙ＝ａ1yｔ1＋ａ2yｔ2＋ａ3yｔ3＋・・・＋ａnyｔn＋ｂyδ
【００２８】
ここで、ｔ1，ｔ2，ｔ3・・・ｔn、ａ1x，ａ2x，ａ3x・・・ａnx及びａ1y，ａ2y，ａ3y・・・ａnyは、背景技術の欄で説明した機械各部に設置した温度センサの検出温度と補正値を演算する際にそれらの温度に乗ずる係数であり、ｂx及びｂyは、補正値更新手順で検出された刃物台の座標と接触時基準座標との差δに乗ずるＸ軸方向及びＹ軸方向の係数である。なお、Ｚ軸方向の補正値Δｚは、従来と同じ演算式で求めてやれば良い。
【００２９】
上記のようにして新たな補正値が演算されたら、ＮＣ装置に設定されている補正値を更新して、刃物台１４のＸ軸送りモータ及びＹ軸送りモータ及びＺ軸送りモータに与える指令値を更新後の補正値で補正して、その後の加工を行う。
【００３０】
図４及び図５に示す第２実施例の旋盤２は、いわゆるスラント型のベッド２１とタレット刃物台２４とを備えた旋盤である。図示には表れていない主軸は、鉛直方向に立ち上がる主軸台２８の上部に軸支されている。この第２実施例の旋盤２では、主軸軸受の発熱による主軸台の熱変形は、主軸軸心ｃを図の矢印ｄ方向、すなわち上方向に変位させると考えられる。
【００３１】
第２実施例の旋盤２における刃物台２４は、ベッド２１の上面と平行なＸ軸方向と、図５の紙面直角方向であるＺ軸方向にのみ移動位置決め可能で、Ｙ軸方向の移動手段は備えていない。刃物台のタレット２６の工具取付位置の一箇所７にアングルホルダ２７を介して精密に加工した円形断面の棒材からなる検出棒３ｂが装着されている。
【００３２】
図６は、第２実施例の旋盤における補正値更新手続のフローチャートである。図６の手続が図３の手続と相違は、タッチセンサに代えて円形断面の金属棒材からなる検出棒３ｂを用いていること、検出棒３ｂとワークチャック４の外周５との接触を刃物台２４をＸ軸方向に送る送りモータのサーボ装置の位置偏差を監視することによって検出していること、タレットの割出回転によって検出棒３ｂを選択できること、及びＢ軸及びＹ軸を備えていないことによる相違である。
【００３３】
呼び出された図６の補正値更新手順は、タレット２６を回動して検出棒３ｂを割出し、主軸を設定された位相で停止し、刃物台を接触検出開始位置に急速接近させ、Ｚ軸方向の送りモータを停止し、Ｘ軸送りモータにトルク制限をかけ、当該送りモータに与える位置指令と当該送りモータから返されるフィードバック信号との差信号である位置偏差を監視しながら刃物台２４をＸ軸マイナス方向に低速移動させる。
【００３４】
そして、この低速移動中に位置偏差の立ち上がり（急上昇）が検出されたら、直ちに刃物台を停止し、そのときの刃物台のＸ座標を読み取る。刃物台の座標を読み取った後の手順は、Ｙ軸方向の補正値の演算を行わない点を除き、図３の手順と同じである。そして、新たの補正値を設定した後、タレット２６の回動によって続く工程で使用される工具を割り出してその後の加工を開始する。
【００３５】
この発明を実施する工作機械の例として、２種類の構造の旋盤を例示したが、もちろんこの２種類の構造の旋盤に限られる訳ではなく、ワークを把持して回転するチャックと工具を装着する刃物台とを備えた工作機械であれば、必要に応じてこの発明を採用して加工精度の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００３６】
３ａ  接触検出センサ
３ｂ  検出棒
４  ワークチャック
５  ワークチャックの外周
７  工具取付位置
１４、２４  刃物台
【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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