(57)【要約】【課題】必要以上に長い暖機運転を行うことなく、主軸の熱変位を安定させ、工作機械の加工効率及び加工精度を向上させる。【解決手段】主軸１５の暖機運転中に、主軸１５に装着された工具Ｔの刃先位置を検出し、検出した工具Ｔの刃先位置の変化量が予め設定された許容範囲内に収まったときに、主軸１５の暖機運転を終了する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具とワークとを相対移動させて前記ワークを加工する工作機械の制御方法であって、
前記工具を装着した主軸を所定の回転条件で回転させ前記主軸の暖機運転を開始するステップと、
前記主軸の暖機運転中に前記主軸に装着した工具の刃先位置を測定するステップと、
前記主軸の暖機運転中に測定した前記工具の刃先位置の変化量又は変化率が予め設定された範囲内になったとき前記主軸の暖機運転を終了するステップと、
を含むことを特徴とした工作機械の制御方法。
【請求項２】
前記主軸の暖機運転中に前記主軸に装着した工具の刃先位置を測定するステップは、前記主軸の暖機運転中の予め決められた時間間隔で前記主軸に装着した工具の刃先位置を測定し記憶するステップを含んで成る請求項１に記載の工作機械の制御方法。
【請求項３】
前記主軸の暖機運転中に測定した前記工具の刃先位置の変化量又は変化率が予め設定された範囲内に収まったとき前記主軸の暖機運転を終了するステップは、前記主軸の暖機運転中に測定し記憶した値から前記工具刃先位置の変化量または変化率を演算し、演算結果から前記主軸の暖機運転を終了するステップを含んで成る請求項１又は２に記載の工作機械の制御方法。
【請求項４】
前記記憶した工具の刃先位置から暖機運転経過時間に対する前記主軸の変位の変化傾向を演算し、演算結果から前記主軸の暖機運転中の工具の刃先位置の測定時間間隔を決定するステップを含む請求項２又は３に記載の工作機械の制御方法。
【請求項５】
前記主軸の暖機運転を開始するステップの前記主軸の所定の回転条件は、加工に使用する回転速度又は予め決められた回転速度である請求項１に記載の工作機械の制御方法。
【請求項６】
工具とワークとを相対移動させて前記ワークを加工する工作機械において、
前記工具を装着した主軸を所定の回転条件で回転させ前記主軸の暖機運転を行う主軸暖機運転制御手段と、
前記主軸に装着した工具の刃先位置を予め決められた時間間隔で測定、演算し記憶する工具刃先位置測定演算手段と、
前記主軸の暖機運転中に求めた前記工具の刃先位置の変化量又は変化率に基づいて、前記主軸の暖機運転を終了するか否かを判断する判断手段と、
を具備することを特徴とした工作機械。
【請求項７】
前記工具刃先位置測定演算手段は、記憶した工具の刃先位置から暖機運転経過時間に対する前記主軸の変位の変化傾向を演算し、演算結果から前記主軸の暖機運転中の工具の刃先位置の測定時間間隔を決定する手段を含んで成る請求項６に記載の工作機械。
【請求項８】
前記工具刃先位置測定演算手段は、工具刃先をセンサの検出部に接触させることで刃先位置を検出する測定手段、または少なくとも１本の光線若しくは帯状の光線を投光する投光部と前記光線を受光する受光部とが対向配置されて成り前記光線を工具刃先が遮光したときの受光状態により刃先位置を検出する測定手段のいずれかを用いる請求項６又は７に記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無駄時間のない適切な主軸の暖機運転を行うことができる工作機械の制御方法及び工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械の主軸装置では、主軸を回転させる主軸モータが、または主軸の回転によって主軸の軸受部分が発熱し、この熱により主軸が熱変位を起こすことが知られている。この熱変位は、特に、主軸の始動時や回転開始時のように主軸の温度変化が激しいときに顕著である。
【０００３】
こうした熱変位は、主軸に保持されている工具の刃先位置の変動を招くことから、加工精度に悪影響を与える。
【０００４】
そこで、始動時や工具交換後などに加工を開始するに先立って、経験に基づいて定められた時間、主軸を回転させる暖機運転を行い、主軸の熱変位がほぼ安定してから、工具長又は工具刃先位置を検出し、加工を開始する方法がとられることが一般的であった。また、工具長又は工具刃先位置の検出時の主軸の温度が当該工具による加工開始時の主軸の温度とほぼ等しくなるように、主軸を冷却するための潤滑液温度調節装置を制御し、工具長又は工具刃先位置の検出時と加工開始時とにおける主軸の熱変位をほぼ等しくすることで、主軸の熱変位の影響を低減させる工作機械の制御方法がとられることもあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２６７３４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような暖機運転の間や工具長又は工具刃先位置の検出時と加工開始時とにおける主軸の温度をほぼ等しくする温度調節の間は、加工を行うことができない一方、工具交換、工具長の検出又はワークの形状測定等のためには主軸の回転を停止させる必要があり、そのたびに暖機運転や温度調節を行わなければならないことから、暖機運転や温度調節は加工効率を低下させる要因となっていた。
【０００７】
これを解決する方法として、特開平１１−１１００２１号公報や特開平１１−９９４４８号公報に記載されているように、次に行う加工の加工条件に基づいて、主軸の冷却に使用される冷却液の循環やその温度を制御し、より短時間で主軸の熱変位を安定させ、予め設定されたタイミングで工具長の測定を行う又は加工を開始させる精密加工方法がある。
【０００８】
しかしながら、上記方法では、主軸の熱変位が安定したであろうタイミングを予測しているに過ぎず、主軸の熱変位が実際に安定しているか否かを確認してはおらず、主軸の熱変位が加工精度に与える影響を十分に除去することは困難であった。一方、主軸の熱変位が安定したことを確実にするためには、加工を開始させるタイミングを遅めに設定せざるを得ず、加工に直接寄与しない無駄な時間が長くなる傾向がある。
【０００９】
よって、本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解消して、必要以上に長い暖機運転を行うことなく、主軸の熱変位を安定させ、工作機械の加工効率及び加工精度を向上させることができる工作機械の制御方法及び工作機械を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的に鑑み、加工条件に基づいて主軸を回転させながら、主軸に装着された工具の刃先位置を測定、演算し、工具の刃先位置が安定してから加工を開始するようにしている。
【００１１】
すなわち、本発明は、工具とワークとを相対移動させて前記ワークを加工する工作機械の制御方法であって、前記工具を装着した主軸を所定の回転条件で回転させ前記主軸の暖機運転を開始するステップと、前記主軸の暖機運転中に前記主軸に装着した工具の刃先位置を測定するステップと、前記主軸の暖機運転中に測定した前記工具の刃先位置の変化量又は変化率が予め設定された範囲内になったとき前記主軸の暖機運転を終了するステップとを含む工作機械の制御方法を提供する。
【００１２】
また、本発明は、工具とワークとを相対移動させて前記ワークを加工する工作機械において、前記工具を装着した主軸を所定の回転条件で回転させ前記主軸の暖機運転を行う主軸暖機運転制御手段と、前記主軸に装着した工具の刃先位置を予め決められた時間間隔で測定、演算し記憶する工具刃先位置測定演算手段と、前記主軸の暖機運転中に求めた前記工具の刃先位置の変化量又は変化率に基づいて、前記主軸の暖機運転を終了するか否かを判断する判断手段とを具備する工作機械を提供する。
【００１３】
主軸の暖機運転中に工具の刃先位置を検出し、その工具刃先位置の変化が予め設定された許容範囲内に収まったことを確認することにより、暖機運転において主軸の熱変位が実際に安定し、暖機運転の必要がなくなったと判断することができる。よって、主軸の熱変位が確実に安定してから加工を行えるので、加工中に主軸の熱変位による工具刃先位置の変動を低減させることが可能となる。また、暖機運転中に工具刃先位置を検出しているので、無駄な暖機運転を行う必要がなくなり、暖機運転時間の短縮が可能となる。
【００１４】
工具刃先位置の検出の際に、非接触式の測定手段を用いれば、主軸を回転させているときに主軸の回転を停止させることなく工具の刃先位置の検出を行うことができる。したがって、主軸を停止させることによって主軸が温度低下し、検出時の主軸の熱変位量が回転中の主軸の熱変位量から変動することを回避することができ、回転している主軸の正確な熱変位を検出することが可能となる。
【００１５】
さらに、非接触センサ、好ましくは帯状の測定領域を有する光学式の測定手段を用いれば、主軸の位置を移動させることなく、工具刃先位置の変化を検出することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
まず、図１を参照して、本発明によるＮＣ工作機械１１の全体構成を説明する。ＮＣ工作機械１１の工作機械本体部は、主軸頭１３に回転可能に支持された主軸１５と、ワーク（不図示）を載置、固定するテーブル１７とを備え、ＮＣ装置１９からの軸移動指令に基づいて、Ｘ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺにより、主軸頭１３及び主軸１５とテーブル１７とをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交３軸方向に相対移動できるように構成されている。
【００１８】
図１のＮＣ工作機械１１では、Ｘ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ及びＺ軸送りモータＭＺによって主軸頭１３をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動させることにより、主軸頭１３に支持された主軸１５とテーブル１７とを直交３軸方向に相対移動させているが、Ｘ軸送りモータＭＸによってテーブル１７をＸ軸方向に移動させ、Ｙ軸送りモータＭＹ及びＺ軸送りモータＭＺによって主軸頭１３をＹ軸方向及びＺ軸方向に移動させるようにするなど、他の構成をとることも可能である。ここで、Ｘ軸及びＹ軸は主軸１５の回転軸線と垂直な平面内の直交する２つの軸方向を指し、Ｚ軸は主軸１５の回転軸線と平行な軸方向を指す。
【００１９】
そして、主軸１５の先端に装着された工具Ｔを回転させながらワークに切り込み、主軸１５とテーブル１７とを相対移動させることにより工具ＴとワークとをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に相対移動させて、ワークを所望される形状に加工する。
【００２０】
ＮＣ装置１９は、加工プログラムなどの各種プログラムを格納しており、格納されているプログラムを解析し、プログラムに従って逐次移動指令を生成し、この移動指令に従ってＸ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺを駆動する。
【００２１】
また、ＮＣ工作機械１１の機械本体部には、任意の瞬間のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り軸の座標値を読み取る位置読取手段２１が設けられており、位置読取手段２１によって読み取られたテーブル１７に対する主軸頭１３の相対位置は逐次ＮＣ装置１９へフィードバックされる。図１の実施形態では、位置読取手段２１として、デジタルスケールを使用しているが、Ｘ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺにそれぞれ取り付けられたエンコーダなど適宜の装置を使用することも可能である。
【００２２】
さらに、ＮＣ工作機械１１は、テーブル１７上の加工の妨げとならない位置に設けられた工具刃先位置検出装置２３と、ＮＣ装置１９を介して暖機運転の制御を行う制御装置２５とを備える。
【００２３】
制御装置２５は、図２に示すように、主軸暖機運転制御手段２９、工具刃先位置測定演算手段３１、及び主軸暖機運転判断手段３９を備えて構成される。工具刃先位置測定演算手段３１は、測定制御手段３３、工具刃先位置演算手段３５、記憶手段３７、及び測定時間間隔決定手段４１から成る。
【００２４】
主軸暖機運転制御手段２９は、ＮＣ装置１９から主軸１５の回転指令を受け、暖機運転ＯＮ，ＯＦＦの指令を返送する。工具刃先位置測定演算手段３１の測定制御手段３３は、ＮＣ装置１９へ測定タイミング毎に測定指令を発するとともに、工具刃先位置演算手段３５へ工具刃先位置検出装置２３の検出値に基づいて工具Ｔの刃先位置を演算して求める指令を発する。記憶手段３７は、演算して求めた工具刃先位置を記憶する。測定時間間隔決定手段４１は、記憶した工具刃先位置から暖機運転経過時間に対する主軸の変位の変化傾向を演算し、演算結果から暖機運転中の工具刃先位置の適切な測定時間間隔を決定し、測定制御手段３３へ発する。こうして工具刃先位置測定演算手段３１で求めた工具刃先位置データを主軸暖機運転判断手段３９へ送出すると、主軸暖機運転判断手段３９は、刃先位置の変化量又は変化率を演算し、その値が許容範囲内に収ったことを確認して主軸暖機運転制御手段２９へ暖機運転を終了するか否かの信号を発する。
【００２５】
ＮＣ工作機械１１では、暖機運転の際など工具Ｔの刃先位置を測定するときに、主軸１５とテーブル１７とを相対移動させて、工具刃先位置検出装置２３によって主軸１５に装着された工具Ｔの刃先位置を検出する。詳細には、工具刃先位置検出装置２３の刃先検出位置はテーブル１７に対して予め定められた位置となっていることから、主軸頭１３及びテーブル１７の位置が検出されれば、主軸頭１３と工具刃先位置検出装置２３の検出位置との距離が判明することを利用して、主軸頭１３に対する工具Ｔの刃先位置を演算する。
【００２６】
制御装置２５は、暖機運転の際に、主軸１５を回転させながら、工具刃先位置検出装置２３によって工具Ｔの刃先位置を検出し、工具Ｔの刃先位置の変動、すなわち主軸１５の熱変位が安定したことを確認して暖機運転が終了したと判断する。したがって、本発明のＮＣ工作機械１１は、暖機運転に必要最小限の時間しか要さない一方で、暖機運転終了の後の主軸１５の熱変位を確実に安定させ、加工中に工具Ｔの刃先位置が主軸１５の熱変位により変動する可能性を最小限に抑えることができる。
【００２７】
工具Ｔの刃先位置を検出する方法は、主軸１５を停止させ、すばやく工具刃先を接触式センサの基準位置に接触させることにより刃先位置を検出できる。しかし、工具Ｔの刃先位置を検出する際に、主軸１５を停止させると、主軸１５の温度が低下し、検出時の主軸１５の熱変位量が回転中の主軸１５の熱変位量から変化してしまうので、工具Ｔの刃先位置の検出は主軸１５の回転を停止させることなく行われることが好ましい。この場合、非接触式の工具刃先位置検出装置２３が用いられる。このため、図１に示されている実施形態では、光学式の工具刃先位置検出装置２３が使用されている。しかしながら、非接触式の工具刃先位置検出装置２３として、例えば、静電容量式、渦電流式などの非接触式センサを使用することもできる。
【００２８】
また、工具刃先位置検出装置２３は、１本の光線を用いた光学式センサでも良いが、図１に示されているように、工具Ｔの回転軸線を含む平面に沿って延びる帯状の検出領域を有している光学センサが好ましい。この特徴により、予め定められた位置に配置された主軸頭１３に支持された主軸１５が熱変位を起こし、主軸１５に保持される工具Ｔの刃先位置が変化しても、工具Ｔの刃先の位置の変化を検出することができるという効果を奏する。
【００２９】
次に、図３を参照して、図１に示されているＮＣ工作機械における暖機運転の制御方法を説明する。
【００３０】
ＮＣ工作機械１１では、ＮＣ工作機械１１を始動させたときや工具Ｔの交換を行ったときなど、主軸１５を停止状態から回転状態に移行させるとき、加工を開始するに先立って、主軸１５の暖機運転を行う。このために、制御装置２５は、ＮＣ装置１９を介して、Ｘ軸送りモータＭＸ、Ｙ軸送りモータＭＹ、Ｚ軸送りモータＭＺを駆動させて、主軸頭１３及びそれに支持される主軸１５とテーブル１７とを予め定められた相対位置に移動させ、主軸１５に装着された工具Ｔの刃先を工具刃先位置検出装置２３の検出領域内に配置させる。そして、主軸頭１３とテーブル１７とをこの相対位置に配置した状態で、ＮＣ装置１９から指令された、当該工具を使用する加工において設定される加工条件の回転速度で主軸１５を回転させ、主軸暖機運転制御手段２９が主軸１５の暖機運転を開始させる（ステップＳ１）。
【００３１】
次に、測定制御手段３３は、暖機運転中に、主軸１５に装着された工具Ｔの刃先位置を工具刃先位置検出装置２３によって検出し、その検出値に基づいて工具刃先位置演算手段３５で工具Ｔの刃先位置を演算させる（ステップＳ２）。このとき演算された工具Ｔの刃先位置は、記憶手段３７に記憶される（ステップＳ３）。さらに、予め設定された時間間隔を経た後、再度、ステップＳ２と同様にして、工具Ｔの刃先位置を演算し（ステップＳ４）、演算した工具Ｔの刃先位置を記憶手段３７に記憶する（ステップＳ５）。なお、ステップＳ５は省略することも可能である。
【００３２】
次に、主軸暖機運転判断手段３９は、現在測定された工具Ｔの刃先位置と記憶手段３７に記憶された前回の演算における工具Ｔの刃先位置とから、工具Ｔの刃先位置の変化量を求め（ステップＳ６）、求めた工具Ｔの刃先位置の変化量と予め設定された変化量の許容値とを比較する（ステップＳ７）。
【００３３】
工具Ｔの刃先位置の変化量が許容値以上であるとき、すなわち工具Ｔの刃先位置の変化量が許容範囲を超えているとき、主軸１５の熱変位が安定していないと判断して、ステップ４に戻り、工具Ｔの刃先位置の演算を継続する（ステップＳ７のＮＯ）。一方、工具Ｔの刃先位置の変化量が予め設定された許容値以下であるとき、すなわち工具Ｔの刃先位置の変化量が予め設定された許容範囲内に収まったとき、主軸１５の熱変位が安定したと判断する。主軸の熱変位が安定すると、もはや暖機運転の必要性はなくなるので、主軸暖機運転判断手段３９は、暖機運転を終了させてもよいと判断し、主軸暖機運転制御手段２９に暖機運転終了を指令し、ＮＣ装置１９に加工を開始させる（ステップＳ７のＹＥＳ）。工具刃先位置の変化量に代えて変化率を用いることもできる。
【００３４】
このように、暖機運転中に主軸１５に装着された工具Ｔの刃先位置を検出しているので、主軸１５の熱変位が実際に安定したことを確認できると共に、主軸１５の熱変位が安定した瞬間を検知できるので、無駄な暖機運転を行うことを回避することができる。測定時間間隔決定手段４１で決定した適切な測定時間間隔を用いれば、暖機運転時間を最小にできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、主軸に装着された工具刃先位置の変動を暖機運転中に検出することにより、主軸の熱変位が安定したことを確認できるので、加工中の主軸の熱変位の影響を低減させることができ、加工精度の向上を図ることができる。また、主軸の熱変位が安定した瞬間を検知できるので、暖機運転に要する時間を最小限に抑えることが可能となり、加工効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による工作機械の要部構成図及びブロック図である。
【図２】図１に示されている制御装置の一実施形態を表わすブロック図である。
【図３】図１に示されている工作機械における暖機運転の制御方法を示しているフローチャートである。
【符号の説明】
１１…ＮＣ工作機械
１５…主軸
２３…工具刃先位置検出装置
２５…制御装置
２９…主軸暖機運転制御手段
３１…工具刃先位置測定演算手段
３３…測定制御手段
３５…工具刃先位置演算手段
３７…記憶手段
３９…主軸暖機運転判断手段
Ｔ…工具
【図１】
2004261934.tif 000003
【図２】
2004261934.tif 000004
【図３】
2004261934.tif 000005