(57)【要約】【課題】  工作機械に熱変位が発生しても、ワークの加工寸法のバラツキを抑制することのできる加工方法を提供する。【解決手段】  工作機械として、砥石１３を装着する砥石台１５がワーク支持装置１２の長手方向にトラバース可能な研削盤１０において、研削盤１０のワーク支持装置１２に備えられた複数の測定基準面２４，２５を測定して、制御装置３５により研削盤１０の熱による変位量を導き、その変位量に基づいてワークＷの加工補正を行ってワークＷを加工する。【選択図】        図１
2005305589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械及び該工作機械のワーク支持装置に支持されたワークの少なくとも一方に備えられた複数の測定基準面を測定して前記工作機械の熱による変位量を導き、該変位量に基づいてワークの加工補正を行ってワークを加工することを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記工作機械は、
工具を装着する工具装置が前記ワーク支持装置の長手方向に移動可能とされているものであることを特徴とする請求項２に記載の加工方法。
【請求項３】
ベッドと、
該ベッド上に載置されワークを支持するワーク支持装置と、
該ワーク支持装置の長手方向に移動可能に前記ベッド上に載置され、工具を装着する工具装置とを具備する工作機械であって、
前記ワーク支持装置及び該ワーク支持装置に支持されたワークの少なくとも一方に備えられた複数の測定基準面と、
前記工具装置に設けられ前記測定基準面を測定する測定装置と、
該測定装置の測定結果を基に前記ベッドの熱による変位量を導いてワークの加工補正を行う制御装置とをさらに備えることを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークの加工方法及び工作機械に関するもので、特に、工作機械に熱変位が発生しても、ワークの加工寸法のバラツキを抑制することのできる加工方法及び工作機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、工作機械を用いてワークの複数箇所を加工する場合、工作機械の各部位の温度が不均一の状態であると、工作機械に歪みが発生して、ワークと工具との位置関係が変位し、ワークの加工寸法にバラツキが発生し不具合の原因となっていた。
【０００３】
詳述すると、工作機械に熱変位が発生していると、図２（ａ）に示すように、例えば、工作機械としての研削盤の砥石１３によりワークＷの加工箇所Ｗ１，Ｗ２を同一寸法に加工するために、砥石１３の送り量が同じであっても、その熱変位により加工箇所Ｗ１の寸法Ｄａ１に対して、加工箇所Ｗ２の寸法Ｄａ２の方が大きくなり不具合となっていた。
【０００４】
そして、特に、工場などの始業時や、連休明けなどの場合、工作機械が冷えているので、熱変位が発生し易い状態となっており、不具合が発生し易くなっていた。
【０００５】
ところで、工作機械として、例えば、ワークの加工箇所を直接測定できる定寸装置などを全ての加工箇所に設けていない工作機械の場合、定寸装置で測定しながら加工する箇所については所望の加工寸法を得ることができるのに対して、定寸装置の無い加工箇所では、工作機械の熱変位の分だけ加工寸法が大きくなったり、小さくなったりする問題があった。
【０００６】
そこで、工作機械に、加工箇所を直接測定する定寸装置などを全ての加工箇所に設けることで、ワークの加工寸法にバラツキが発生するのを抑制していた。或いは、暖機運転などして工作機械の熱変位が安定するまで加工しないようにしたり、工作機械を恒温室内に設置するなどして、工作機械の温度を一定に保ち歪みによる熱変位の発生を抑制したりすることが行われていた。
【０００７】
上記の背景技術は、一般的な事項であり、本願出願人は、出願時において、この背景技術を特定する記載がなされた文献を特に知見していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、工作機械にワークの全ての加工箇所に対応するように複数の定寸装置を設けるようにすると、工作機械のコストが高くなると共に、定寸装置を設置するスペースが必要となり、工作機械が大型化するという問題があった。
【０００９】
また、ワークを加工する際に、定寸装置にマスターをセットして所定の定寸信号を記憶させる必要があるが、定寸装置の数が多くなると、その作業にかかる時間が長くなり、工作機械の稼働率が低下する問題があった。
【００１０】
さらに、工作機械の熱変位が安定するまで加工しないようにした場合、始業後所定時間は、ワークを加工することができないので、効率の悪いものとなっていた。また、恒温室などを用いた場合、工作機械の設置による設備にかかるコストが増大すると共に、そのランニングコストも高くなる問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、工作機械に熱変位が発生しても、ワークの加工寸法のバラツキを抑制することのできる加工方法及び工作機械の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明に係る加工方法は、「工作機械及び該工作機械のワーク支持装置に支持されたワークの少なくとも一方に備えられた複数の測定基準面を測定して前記工作機械の熱による変位量を導き、該変位量に基づいてワークの加工補正を行ってワークを加工する」方法とするものである。
【００１３】
ここで、「工作機械」としては、コンピュータを用いた数値制御による研削盤，旋盤，フライス盤などを例示することができ、工具の自動交換機能などを備えたマシニングセンタなども含まれる。
【００１４】
また、「測定基準面」としては、工作機械のベッドやワーク支持装置などに備えることが望ましく、特に、ワーク支持装置に支持されたワークの加工箇所近傍に備えることが望ましい。また、複数の測定基準面のうち二つの測定基準面の一方と他方との距離としては、例えば、ワークの全長の１．５倍以内、１．２倍以内などが望ましく、さらには、ワークの全長以下であっても良いが０．５倍以上とすることが望ましい。さらに、予め所定の仕上げ面を備えたワークについてはその仕上げ面を測定基準面としても良い。
【００１５】
さらに、「変位量を導く」方法としては、測定結果を基に所定の計算式（一次式、二次式など）に代入することで、各加工位置での変位量を導く方法や、予め工作機械の熱変位特性が判っている場合は、その変位特性をテーブルのような形で制御装置などの記憶手段に記憶して、測定結果を基に記憶手段から変位量を抽出して導く方法などを例示することができる。
【００１６】
本発明の加工方法によると、工作機械でワークを加工する際に、加工前に予め複数の測定基準面を測定し、その測定結果を基に熱変位量を導き、その変位量に基づいて加工補正を行ってワークを加工するもので、これにより、工作機械に熱変位が発生していても、ワークの複数箇所の加工寸法のバラツキを可及的に抑制することができる。
【００１７】
また、始業時や連休明けなど工作機械に熱変位が発生していても、不具合なくワークの加工を行うことができるので工作機械の暖機運転などの必要が無く稼働時間を高めることができると共に、工作機械を恒温室などに設置する必要がないので、設備の設置や維持にかかるコストを抑制することができる。
【００１８】
さらに、ワークの加工箇所の数だけ定寸装置を複数備える必要がないので、定寸装置が少なくて済み工作機械のコストを低減させることができる。また、定寸装置の取付けスペースが少なくて済むので工作機械を小型化することが可能となる。さらに、定寸装置が少なくて済むので、定寸信号を記憶させる手間を減らすことができその時間を短縮することができる。
【００１９】
本発明に係る加工方法は、上記に加えて、「前記工作機械は、工具を装着する工具装置が前記ワーク支持装置の長手方向に移動可能とされているものである」方法とすることもできる。
【００２０】
ところで、従来の工作機械は、ワーク支持装置の長手方向に対して工具装置を移動不能に固定し、ワーク支持装置をその長手方向に移動（トラバース）させるタイプのものが知られているが、ワーク支持装置をトラバースさせるため工作機械が大型化していた。そこで、ワーク支持装置をトラバースさせる代わりに工具装置をトラバースさせることで、小型の工作機械としたものが提案されている。しかしながら、この工作機械では、定寸装置を設けていないワークの加工箇所の加工寸法にバラツキが発生する問題があった。
【００２１】
そして、本願発明者及び出願人らは、その原因が主に工作機械の熱変位によるものであることを知見した。この工作機械の熱変位量としては、機械の大きさや形状などによっても異なるが、５０μｍ程度は容易に変位しており、加工公差が２０μｍ程の精密加工を行うための工作機械では、その加工精度を維持することはできなかった。そこで、本発明の加工方法によると、工具装置がワーク支持装置の長手方向に移動可能な工作機械に本発明の加工方法を採用するものであり、上記と同様の効果が得られる他に、小型の工作機械を提供することが可能となる。
【００２２】
本発明に係る工作機械は、「ベッドと、該ベッド上に載置されワークを支持するワーク支持装置と、該ワーク支持装置の長手方向に移動可能に前記ベッド上に載置され、工具を装着する工具装置とを具備する工作機械であって、前記ワーク支持装置及び該ワーク支持装置に支持されたワークの少なくとも一方に備えられた複数の測定基準面と、前記工具装置に設けられ前記測定基準面を測定する測定装置と、該測定装置の測定結果を基に前記ベッドの熱による変位量を導いてワークの加工補正を行う制御装置とをさらに備える」構成とするものである。
【００２３】
本発明の工作機械によると、ワーク支持装置及びワークの少なくとも一方に複数の測定基準面を備えて、その測定基準面を工具装置に設けられた測定装置で測定し、その測定結果を基に制御装置において熱変位量を導いてワークの加工補正を行うことができるもので、これにより、上記と同様の効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２４】
上述の通り、本発明によれば、工作機械に熱変位が発生しても、ワークの加工寸法のバラツキを抑制することのできる加工方法及び工作機械を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明に係る最良の実施形態であるワークの加工方法及び工作機械について図１および図２に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の加工方法を適用した工作機械としての数値制御研削盤の構成を模式的に示すと共に、熱変位した状態を示す平面図であるり、図２（ａ）は従来の加工方法による不具合を示す説明図であり、（ｂ）は本発明の加工方法による効果を示す説明図である。
【００２６】
図１に示すように、工作機械としての研削盤１０は、数値制御によりワークＷを研削加工するものであり、ベッド１１と、ベッド１１上に載置されワークＷを支持するワーク支持装置１２と、砥石１３を装着する装着軸１４を有した砥石台１５と、砥石台１５をワーク支持装置１２の長手方向に移動させるトラバース装置１６とから構成されている。なお、砥石台１５とトラバース装置１６は、本発明の工具装置に相当している。
【００２７】
ワーク支持装置１２は、ワークＷの一端側を支持しワークＷを回転駆動するサーボモータ１７を有した主軸台１８と、ワークＷの他端側を支持する芯押台１９と、主軸台１８と芯押台１９とが載置されるテーブル２０とから構成されている。ワークＷは、主軸台１８の主軸２１に設けられたセンタ２２と、芯押台１９に設けられたセンタ２３とで挟持されることで支持されている。なお、図示は省略するが、主軸台１８には、ワークＷの回転方向の位置決めをする位置決めピンが備えられている。
【００２８】
このワーク支持装置１２には、主軸台１８と芯押台１９の砥石台１５と対向する側面に夫々測定基準面２４，２５が設けられている。また、ワークＷの加工箇所を測定する定寸装置２６がテーブル２０に一つ立設されている。
【００２９】
トラバース装置１６は、ワーク支持装置１２の長手方向、すなわち、ワーク支持装置１２に支持されたワークＷの回転軸の方向と略並行な方向に延びる案内面２７及び送り螺子２８と、送り螺子２８を回転駆動するサーボモータ２９と、送り螺子２８と螺合すると共に案内面２７上を案内されるスライダ（図示しない）とを備え、サーボモータ２９により送り螺子２８を回転駆動させることにより、スライダが案内面２７上を案内されるようになっている。
【００３０】
砥石台１５は、トラバース装置１６のスライダに取付けられ、トラバース装置１６の案内面２７の延びる方向に対して直角方向に延びる案内面３０及び送り螺子３１と、送り螺子３１を回転駆動するサーボモータ３２と、送り螺子３１と螺合すると共に案内面３０上を案内され、砥石１３を装着する装着軸１４を有した軸頭３３とを備えている。なお、図示は省略するが軸頭３３には、装着軸１４を回転駆動する駆動モータが備えられている。
【００３１】
また、砥石台１５には、ワーク支持装置１２と対向する側に、測定基準面２４，２５を測定するための測定装置３４が備えられている。この測定装置３４は、その先端部に測定基準面２４，２５などが触れると所定の信号を発する公知のタッチセンサとされている。
【００３２】
この砥石台１５は、そのサーボモータ３２により送り螺子３１を回転駆動させることで軸頭３３をワーク支持装置１２に接近或いは離反する方向（図中Ｘ軸方向）に移動することができると共に、トラバース装置１６のサーボモータ２９によりワーク支持装置１２の長手方向（図中Ｚ軸方向）に移動（トラバース）することができる。
【００３３】
この研削盤１０には、上記のサーボモータなどを数値制御するための制御装置３５がさらに備えられている。この制御装置３５は、研削盤１０を操作するための操作部（図示しない）、操作部からの指示などに基づいてサーボモータなどを制御する中央演算装置（図示しない）、ワークＷの加工プログラムや各種制御プログラムなどを格納する記憶手段３６、制御内容などを表示する表示手段（図示しない）、などから構成されている。
【００３４】
この制御装置３５は、サーボモータなどの駆動部の他に、定寸装置２６や測定装置３４などとも接続されている。また、その記憶手段３６には、サーボモータなどの制御プログラムの他に、測定装置３４などからの信号を基に熱変位量を導いて加工データを補正する補正プログラムなども記憶されている。
【００３５】
次に、本実施形態の研削盤１０の作用について図１および図２を基に説明する。まず、ワーク支持装置１２の主軸台１８と芯押台１９との間にワークＷを位置させ、夫々のセンタ２２，２３によりワークＷを支持させる。なお、本例では、ワークＷとしてカムシャフトを例に、そのジャーナルの加工について説明する。また、予め定寸装置２６にマスターをセットして、制御装置３５にワークＷのジャーナルの仕上がり寸法Ｄｂ１（図２（ｂ）参照）となる定寸信号を記憶させておく。
【００３６】
そして、制御装置３５により、サーボモータ２９，３２を制御して、砥石台１５の測定装置３４により、主軸台１８の測定基準面２４を測定する。詳述すると、測定基準面２４の凡その位置は予め判っているので、まず、サーボモータ２９により砥石台１５をＺ軸方向にトラバースさせて、測定基準面２４に測定装置３４の測定部が掛かるように位置させる。続いて、サーボモータ３２により砥石台１５の軸頭３３すなわち測定装置３４の測定部を測定基準面２４に近づく方向に移動させて、測定基準面２４のＸ軸方向の位置を測定する。
【００３７】
測定基準面２４の位置を測定したら、制御装置３５は、そのＸ軸，Ｚ軸方向の位置を記憶手段３６に記憶させた上で、サーボモータ３２を逆回転させて測定装置３４の測定部を測定基準面２４から遠ざける。そして、今度は、芯押台１９の測定基準面２５に測定装置３４の測定部が掛かるように、サーボモータ２９を回転駆動させて砥石台１５をＺ軸方向にトラバースさせた後に、サーボモータ３２により測定装置３４の測定部を測定基準面２５に接触させて、測定基準面２５のＸ軸方向の位置を測定し、測定基準面２５のＸ軸，Ｚ軸方向の位置を記憶手段３６に記憶する。
【００３８】
なお、制御装置３５では、測定装置３４により測定基準面２４，２５を測定する際に、その測定部が測定基準面２４，２５の近くまでは高速で送り、その後、測定基準面２４，２５に接触して測定信号を発するまで低速で送るようにサーボモータ２９を制御することで、測定にかかる時間を短縮するようにしている。
【００３９】
その後、主軸台１８のサーボモータ１７により主軸２１、つまりワークＷを回転させると共に、砥石台１５の砥石１３を回転駆動させる。そして、定寸装置２６により測定可能なワークＷの加工箇所Ｗ１を加工できるように、サーボモータ２９により砥石台１５をトラバースさせて、砥石１３がその加工箇所Ｗ１となるＺ軸方向の位置に位置させる。
【００４０】
続いて、サーボモータ３２により砥石１３を加工箇所Ｗ１に接近するようにＸ軸方向に移動させ、加工箇所Ｗ１の加工を開始する。そして、制御装置３５は、加工箇所Ｗ１が加工されて、所定の寸法Ｄｂ１となる定寸信号が定寸装置２６から入力すると、サーボモータ３２の回転を停止してＸ軸方向の送りを停止させ、加工箇所Ｗ１の加工を停止する。この時、制御装置３５は、定寸装置２６からの定寸信号を受取った時のＸ軸方向の位置を記憶手段３６に記憶させる。
【００４１】
その後、サーボモータ３２を逆回転させて、砥石１３を加工箇所Ｗ１から遠ざけると共に、サーボモータ２９により、次の加工箇所Ｗ２を加工するために、予め記憶された距離（Ｌ２）だけ砥石１３（砥石台１５）をＺ軸方向にトラバースさせる。そして、サーボモータ３２により砥石１３を加工箇所Ｗ２に接近するようにＸ軸方向に移動させる。
【００４２】
ところで、このワークＷの加工箇所Ｗ２には、定寸装置２６が備えられていないので、従来の研削盤では、仕上がり位置として、定寸装置２６を備えた加工箇所Ｗ１での仕上がり位置であるＸ軸方向の位置となるまで砥石１３を送るようにしているが、図２（ａ）にも示すように、研削盤１０が熱変位していると、その変位量だけ加工箇所Ｗ２が移動してその仕上がり寸法（Ｄａ２）が、加工箇所Ｗ１の仕上り寸法（Ｄａ１）よりも大きくなっていた。なお、図１および図２では、熱変位の方向として、加工箇所Ｗ２の方が大きくなるような方向を示したが、それとは逆方向に熱変位した場合は、加工箇所Ｗ２の方が小さくなる。
【００４３】
そこで、この研削盤１０は、定寸装置２６が備えられていない加工箇所Ｗ２を加工する際に、制御装置３５において、加工に先立って記憶手段３５に記憶された測定基準面２４，２５のＸ軸方向とＺ軸方向の位置から、それらの間のＸ軸方向の差Ａと、Ｚ軸方向の差Ｌ１を求めて、記憶手段３６に記憶されている、Ｚ軸方向の単位距離ｄＺに対するＸ軸方向の単位距離ｄＸを求める下記計算式（１）に夫々代入する。
ｄＸ＝（Ａ／Ｌ１）×ｄＺ・・・式（１）
【００４４】
そして、この式（１）に、ｄＺとして、加工箇所Ｗ１，Ｗ２のＺ軸方向の距離であるＬ２を代入することで、加工箇所Ｗ２における変位量を導き、その変位量により加工箇所Ｗ１での仕上がり位置であるＸ軸方向の位置を補正し、その補正した仕上がり位置まで、サーボモータ３２により砥石１３をＸ軸方向に送る。これにより、図２（ｂ）に示すように、加工箇所Ｗ２の仕上り寸法Ｄｂ２は、加工箇所Ｗ１の仕上り寸法Ｄｂ１とほとんど同じ寸法となり、加工箇所Ｗ２は、所望の加工寸法に仕上げられる。
【００４５】
なお、ここでは、ワークＷの加工箇所Ｗ１，Ｗ２の仕上り寸法が同じ場合を示したが、夫々の仕上り寸法が異なる場合は、予め設定された送り量に対して熱変位による補正を行うことで、定められた仕上り寸法に加工することが可能となる。
【００４６】
因みに、本例では、ワークＷの全長が約４００ｍｍであり、このときの測定基準面２４，２５間の距離Ｌ１が約６００ｍｍとされており、その比が１．５倍以下となっている。なお、上記では、カムシャフトのジャーナルの加工について説明したが、カムの加工についても同様であり、カムシャフトに代えて、クランクシャフトのジャーナルやクランクピンについても同様の方法で加工するものである。
【００４７】
ところで、制御装置３５は、測定基準面２４，２５の測定を、始業時などの研削盤１０の稼動開始時に行うだけではなく、ワークＷの交換毎、或いは、所定ワーク数や所定時間毎に測定して、研削盤１０の使用に伴って変化する熱変位量に対応できるようになっている。
【００４８】
また、制御装置３５は、研削盤１０の稼動開始から所定時間経過後、或いは、測定基準面２４，２５の測定により得られる研削盤１０の熱変位量が安定または解消したのを認識すると、それ以後は、熱変位量の測定を中止するようになっている。これにより、測定にかかる時間を削減して、研削盤１０の稼働率を向上させるようになっている。
【００４９】
このように、本実施形態の加工方法を適用した研削盤１０によると、研削盤１０に熱変位が発生していても、ワークＷの加工箇所Ｗ１，Ｗ２の加工寸法のバラツキを可及的に抑制することができる。これにより、研削盤１０の暖機運転などの必要が無く稼働時間を高めることができると共に、研削盤１０を恒温室などに設置する必要がないので、設備の設置や維持にかかるコストを抑制することができる。
【００５０】
また、研削盤１０に定寸装置２６が一つしか設けられていなくても、定寸装置２６のない他の加工箇所の加工寸法を所望の寸法に加工することができるので、定寸装置２６を複数設ける場合に比べて研削盤１０のコストを低減させることができる。また、定寸装置２６の取付けスペースが一つで済むので研削盤１０を小型化することが可能となる。さらに、定寸装置２６が一つで済むので、制御装置３５に定寸信号を記憶させる手間を減らすことができその時間を短縮することができる。
【００５１】
以上、本発明を実施するための最良の実施の形態を挙げて説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００５２】
すなわち、本実施形態の加工方法を適用した研削盤１０では、測定基準面２４，２５をワーク支持装置１２に二つ備えたものを示したが、これに限定するものではなく、三つ、四つ、それ以上備えても良い。また、測定基準面２４，２５を備える位置としては、ワーク支持装置１２の他に、ベッド１１に備えたものでも良いし、予め前工程などでワークＷに複数箇所の仕上げ面が形成されている場合（カムやクランクピンを加工する際のカムシャフトやクランクシャフトのジャーナル）は、その仕上げ面を測定基準面としても良く、ワークＷの加工箇所に近接した位置に備えることが望ましい。
【００５３】
さらに、測定基準面２４，２５を備える位置としては、上述した位置を組み合わせたものであっても良い。つまり、例えば、測定基準面の一方をワーク支持装置１２に、他方をワークＷの仕上げ面としても良い。
【００５４】
また、本実施形態では、制御装置３５において熱変位量を導く方法として、所定の一次式に代入するものを示したが、これに限定するものではなく、二次式、或いは、三次式などに代入するものでもよい。また、予め、熱変位特性が判っている場合は、その変位特性をテーブルのような形で記憶手段３６に記憶して、測定結果を基に記憶手段３６から変位量を抽出して導くような方法とすることもできる。或いは、複数の測定基準面間において、夫々異なる計算式やテーブルなどを用いて変位量を導く方法でも良い。
【００５５】
さらに、本実施形態では、工作機械として砥石台１５がトラバースするタイプの研削盤１０を示したが、これに限定するものではなく、例えば、ワーク支持装置がトラバースするタイプの研削盤としても良く、その他に、数値制御による旋盤、フライス盤、さらには、マシニングセンタなどとすることもできる。
【００５６】
また、本実施形態では、工作機械の熱変位量として、二次元方向のみの変位量を測定して補正するものを示したが、これに限定するものではなく、三次元的に測定して、三次元方向の変位量を導いて、補正するものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の加工方法を適用した工作機械としての数値制御研削盤の構成を模式的に示すと共に、熱変位した状態を示す平面図である。
【図２】（ａ）は従来の加工方法による不具合を示す説明図であり、（ｂ）は本発明の加工方法による効果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  研削盤（工作機械）
１１  ベッド
１２  ワーク支持装置
１３  砥石
１４  装着軸
１５  砥石台（工具装置）
１６  トラバース装置（工具装置）
２４  測定基準面
２５  測定基準面
３４  測定装置
３５  制御装置
３６  記憶手段
【図１】
2005305589.tif 000003
【図２】
2005305589.tif 000004