(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動工具刃先が所定の振動数、振幅で振動し、円筒状被削材の外周振動切削を行う切削加工において、前記被削材の基準面の変動を渦電流型センサにより検知し前記渦電流型センサから得られる時系列データｘi から時間−被削材変位の２次元データを得、ついでその時間−被削材変位の２次元データから、工具移動距離―変位の２次元データを得、ついで工具の仮想逃げ角を保ったまま移動した時、工具切れ刃直線ＡＢによって前記工具移動距離―変位の２次元データを切除したデータを推定加工面プロファイルデータとし、その推定加工面プロファイルデータのピークトゥピーク値から仮想的に真円度の推定値ｓｒを求め被削材真円度推定値とすることを特徴とする被削材真円度の推定方法。
【請求項２】
振動工具刃先が所定の振動数、振幅で振動し、円筒状被削材の外周振動切削を行う切削加工機に使用する被削材真円度の推定装置であって、前記被削材の基準面の変動を検知する渦電流型センサと，このセンサからの信号をもとに被削材の真円度の推定を行う演算手段と，この演算手段で得た結果を出力する出力手段とを備え，前記演算手段は、前記センサからの時系列データｘi から時間−被削材変位の２次元データを得る手段と、前記時間−被削材変位の２次元データから、工具移動距離―変位の２次元データを得る手段と、工具の仮想逃げ角を保ったまま移動した時、工具切れ刃直線ＡＢによってプロファイルデータを切除した推定加工面プロファイルデータをうる手段と、前記推定加工面プロファイルデータのピークトゥピーク値から仮想的に真円度の推定値ｓｒを求める手段とを備えていることを特徴とする被削材真円度の推定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は切削加工や被削材の真円度を実時間で推定する方法およびその装置に関するものであり、特に振動切削において被削材を加工中、その被削材の振動変位から加工後の真円度を簡易推定する被削材真円度の推定方法およびその装置に関するものである。
本発明は、機械加工分野において広く利用されている旋盤などの切削加工装置に実装することができ、さらには超音波加工などの特殊加工分野にも適用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の触針式真円度測定器は測定の際に被削材を加工装置から取り外し、オフラインで測定する必要がある。即ち、目標とする真円度が達成されていることを確認するには、加工後において測定するしかない。加工部品を大量に生産する場合、抜き取り検査を行って確認する程度ですべての製品について真円度を確認するケースは少ない。また被削材の材質が変更された場合、新たにトライアルアンドエラーで加工条件を決定し直す必要があるが、現状では加工条件を変化させるたびに装置を停止させ被削材を取り外して真円度を確認しなければならず、多大な時間を要する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、振動切削加工中の被削材の振動変位から加工後の真円度を簡易推定する被削材真円度の推定方法およびその装置を提供し、上記問題点を解決することを目的とする。
本発明は、入力した振動変位データの時間軸を工具移動距離に換算し、これを理想加工面プロファイルデータとし、さらに角度θの切れ刃を持つ工具の先端が理想加工面プロファイル上を動くと仮定し、切れ刃直線に接触した部分を削除したデータを推定加工面プロファイルデータとし、この推定加工面プロファイルデータのピークトウピーク値を測定して被削材の真円度を推定するものである。
この発明により、加工中の被削材の真円度を装置を停止することなく実時間で推定することが可能となった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
振動工具刃先が所定の振動数、振幅で振動し、円筒状被削材の外周振動切削を行う切削加工において、前記被削材の基準面の変動を渦電流型センサにより検知し前記渦電流型センサから得られる時系列データｘi から時間−被削材変位の２次元データを得、ついでその時間−被削材変位の２次元データから、工具移動距離―変位の２次元データを得、ついで工具の仮想逃げ角を保ったまま移動した時、工具切れ刃直線ＡＢによって前記工具移動距離―変位の２次元データを切除したデータを推定加工面プロファイルデータとし、その推定加工面プロファイルデータのピークトゥピーク値から仮想的に真円度の推定値ｓｒを求め被削材真円度推定値とすることを特徴とする被削材真円度の推定方法である。
また、振動工具刃先が所定の振動数、振幅で振動し、円筒状被削材の外周振動切削を行う切削加工機に使用する被削材真円度の推定装置であって、前記被削材の基準面の変動を検知する渦電流型センサと，このセンサからの信号をもとに被削材の真円度の推定を行う演算手段と，この演算手段で得た結果を出力する出力手段とを備え，前記演算手段は、前記センサからの時系列データｘi から時間−被削材変位の２次元データを得る手段と、前記時間−被削材変位の２次元データから、工具移動距離―変位の２次元データを得る手段と、工具の仮想逃げ角を保ったまま移動した時、工具切れ刃直線ＡＢによってプロファイルデータを切除した推定加工面プロファイルデータをうる手段と、前記推定加工面プロファイルデータのピークトゥピーク値から仮想的に真円度の推定値ｓｒを求める手段とを備えていることを特徴とする被削材真円度の推定装置である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一例としての振動工具系を示す図、図２は被削材の支持方法を示す図、図３は被削材変位測定系を示す図である。
図１において、１は振動源である電歪振動子、２は縦振動ホーン、３はホーン端面、４は振動工具、５は上下に設置した１組のコの字形工具押さえ金具、６が工具ホルダ、７は被削材、８は工具押さえ金具を締めつけ固定するための締めつけネジ、９はホーン端面と振動工具シャンク部とを結合するねじ、１０は振動モードである。
【０００６】
振動源である電歪振動子１は、振動数はｆ＝２０ｋＨｚで縦振動し、この振動振幅を縦振動ホーン２により拡大し、ホーン端面３と振動工具４のシャンク部を締結したねじ９を介して、振動エネルギーを振動工具シャンクに伝達できるようになっている。振動工具４は図示のように、上下に設置した１組のコの字形工具押さえ金具５により工具ホルダ６に締めつけネジ８により固定される。このとき振動工具４のシャンク部の振動を妨げないように、工具押さえ金具５を振動工具４に生じる振動モード１０の節部に設置する。
以上の機構により、振動工具刃先が所定の振動数、振幅で振動する。そして上述した振動工具系を、施盤の刃物台上に水平に固定し、円筒状被削材の外周振動切削を行う構成となっている。
【０００７】
図２において、被削材７は被削材締め付けカラー１３、ナット１２により被削材ホルダ１４に固定される。被削材ホルダ１４は切り割を有したホルダチャック１５に突き出し長さ５０ｍｍでねじ締結してある。被削材ホルダ１４には基準面１６を設けており、この基準面１６の変動（被削材の振動変位）を渦電流形センサ１１で測定する。センサ１１は施盤から隔離して設置した除振盤上に固定し、施盤から発生する外乱振動の伝達を防いでいる。
【０００８】
上記被削材の加工時における変位測定系を図３に示す。
図中、１１は図２に示す基準面１６にクリアランスをもって配置された渦電流形センサであり、２１はＡ／Ｄコンバータ、２２は演算手段を構成するコンピュータである。コンピュータ（演算手段）内にはセンサからの時系列データｘi から時間−被削材変位の２次元データ（ｉ・Δｔ，ｘi ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１）を得る手段と、前記時間−被削材変位の２次元データから、工具移動距離―変位の２次元データ（ｉ・Δｌ，ｘi ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１）を得る手段と、工具の仮想逃げ角を保ったまま移動した時、工具切れ刃直線ＡＢによってプロファイルデータを切除した推定加工面プロファイルデータをうる手段と、前記推定加工面プロファイルデータのピークトゥピーク値から仮想的に真円度の推定値ｓｒを求める手段とが備えられている。また、図１に示す電歪振動子１から振動工具４の励振信号を取り出し、これをＴＴＬ信号に変換しトリガ信号として用いる。この操作により工具振動数と同期した離散化を行い、被削材の変位データ列を得ることができる構成となっている。
【０００９】
上記構成からなる真円度測定方法について説明する。
図４に本発明の測定方法のフローチャートを示す。
図に示すようにステップ１において、
渦電流形センサからの時系列データｘi から時間−被削材変位の２次元データ（ｉ・Δｔ，ｘi ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１）を得る。
【００１０】
ステップ２において、
前記時間−被削材変位の２次元データから、後述する式（１）より工具移動距離―変位の２次元データを得る。これを理想加工面プロファイルデータと定義する。
【００１１】
ステップ３において、
ここでθを工具の仮想逃げ角と定義する。工具が仮想逃げ角θを保ったまま移動した時、工具切れ刃直線ＡＢによってプロファイルデータを切除したデータを推定加工面プロファイルデータとする。
【００１２】
ステップ４において、
推定加工面プロファイルデータのピークトゥピーク値から仮想的に真円度の推定値ｓｒを式（５）から求め推定値として用いる。
【００１３】
以下各ステップで実行するプログラム（アルゴリズム）の詳細を説明する。
１．理想加工面プロファイルの作成
図２、図３に示す渦電流形センサ１１からの時系列データｘi から時間−被削材変位の２次元データ（ｉ・Δｔ，ｘi ）  （ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１）を得る。ここでＮ：サンプリング数、Δｔ：サンプリング間隔〔ｓ〕、である。被削材振動変位により切り込み深さが変化し、加工面円周方向に凹凸ができると仮定する。
【００１４】
Δｔ〔ｓ〕間に振動工具４が移動する距離をΔｌ〔ｍｍ〕とすると
Δｌ＝ｖ・Δｔ＝〔πｄｎ／６０〕・Δｔ                （１）
となる。ここで切削速度ｖ：切削速度〔ｍｍ／ｓ〕、ｄ：被削材直径〔ｍｍ〕、ｎ：主軸回転数〔ｒｐｍ〕である。
【００１５】
式（１）より工具移動距離―変位の２次元データを得る。
（ｉ・Δｌ，ｘi ）  （ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１）
単純に工具が被削材の変動をそのまま加工面に転写すると仮定すれば、このデータは加工面円周方向のプロファイルを表していると考えられる。したがって、（ｉ・Δｌ，ｘi ）  （ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１）
を理想加工面プロファイルデータと定義する。
【００１６】
２．仮想逃げ角
実在の工具には刃先先端の丸み等があり、切削時に加工表面を押しならしていると考えられる。この現象を考慮し、最も単純な仮定として図５に示す角度θ、すくい角０度の切れ刃を持つ工具を想定する。ここでθを仮想逃げ角と定義する。工具が仮想逃げ角θを保ったまま移動する。刃先点Ａが理想加工面プロファイルデータで構成した曲線上を図左から図右へ移動するとき、切れ刃直線ＡＢの図左への延長線より上に存在するプロファイルデータは切除されると想定し、この操作により得られるデータを推定加工面プロファイルデータと定義する。
【００１７】
３．真円度の簡易推定
前記推定加工面プロファイルデータは、次のアルゴリズムにより計算することができる。
即ち、図６に示すように、理想加工面プロファイル上の各データ点（ｉ・Δｌ，ｘi ）から図左への半直線を角度θで引くとき、ｌ＝ｉ・Δｌ（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−２）との交点の最小値ｃｘi は次式で与えられる。
【００１８】
【数１】
0003749159.tif 000002
【００１９】
ｃｘi ＝ｙi −ｉ・Δｌ・ｔａｎθ                        （３）
（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−２）
次式よりｘi とｃｘi を比較し、推定加工面プロファイルデータ（ｉ・Δｌ，ｓｘi ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−２）を得る。
【００２０】
【数２】
0003749159.tif 000003
【００２１】
そして、本測定方法では前記推定加工面プロファイルデータのピークトゥピーク値から仮想的に真円度の推定値ｓｒを下記式（５）から求め、これを推定値ｓｒとして用いる。
【００２２】
【数３】
0003749159.tif 000004
【００２３】
以下、上記方法による被削材真円度の実験結果を説明する。
実験結果
種々の切削速度に対する真円度の推定
切削速度を変化させて振動切削実験を行ったときの被削材変位の変化を図７に示す。各点は、各々１秒間分の測定データのピークトゥピーク値を示す。サンプリング数は２００００点である。
【００２４】
【数４】
0003749159.tif 000005
【００２５】
図７に示した２１個のデータ点を、以後（ｘp-p ）j （ｊ＝１，２，３，・・・，２１）と表記する。
ｖ≦８８．６ｍ／ｍｉｎおよびｖ＝９４．０ｍ／ｍｉｎでは（ｘp-p ）j ＜５μｍ程度であり、振動切削効果が得られている。しかしｖ＝９６．７ｍ／ｍｉｎで（ｘp-p ）j は４６．９μｍに増加し、それ以降２４．２〜４０．４μｍと高い値を示している。ｖ≧９６．７ｍ／ｍｉｎではでは、系に激しいびびり振動が生じている。即ち、この範囲では振動切削条件が満たされていない。
激しいびびり振動状態への変化点はｖ＝９６．７ｍ／ｍｉｎであり、線形理論で求めた臨界切削速度ｖc ＝１１３．１ｍ／ｍｉｎよりも低い値を示している。この理由として、工具振幅ａの測定誤差などが考えられる。
以上から図７には、振動切削効果が得られる場合と、びびり振動が生じる場合の双方のデータが含まれていることが確認される。
【００２６】
簡易推定法
図８（ａ）にｖ＝１０２．１ｍ／ｍｉｎの場合の振動波形の一部を示す。このとき、系にはびびり振動が生じている。横軸は時間ｔ〔ｍｓ〕、縦軸は被削材変位ｘi 〔ｍｍ〕、図中の表示点数は７００点である。図８（ａ）の振動波形の基本振動数は約４００Ｈｚであり、工具支持系の固有振動数に近い値を示している。
【００２７】
式（１）により図８（ａ）変位時系列データを、図８（ｂ）の理想加工面プロファイルデータに変換する。更に図８（ｂ）に前記簡易推定法を適用し、図８（ｃ）の推定加工面プロファイルデータを得る。図８（ｃ）の破線部は図８（ｂ）理想加工面プロファイルデータを示しており、理想加工面プロファイルを仮想工具で切除して推定加工面プロファイルを得る、という前記計算法が正しく行われていることが確認できる。図８（ｃ）の縦軸ｓｘi から得られる真円度の推定値は、式（５）よりｓｒ＝２３．３μｍとなる。
【００２８】
仮想逃げ角の決定
図７に示した２１個のデータの各々について求めた真円度の実測値ｒj （ｊ＝１，２，３，・・・，２１）、真円度の推定値をｓｒj （ｊ＝１，２，３，・・・，２１）とし、これらの誤差をδｒj とする。
【００２９】
δｒj ＝ｒj −ｓｒj                         （７）
次に真円度の実測値ｒj のピークトゥピークをｒp-p,δｒj の絶対値の平均をａδｒとする。
【００３０】
【数５】
0003749159.tif 000006
【００３１】
【数６】
0003749159.tif 000007
【００３２】
仮想逃げ角θはａδｒ／ｒp-p を最小とするものを選ぶ。図９にθを変化させたときのａδｒ／ｒp-p の値を図示する。θ＝０．１度のときａδｒ／ｒp-p は最小値０．１３４を取る。このときのθを推定のための最適値とみなし、以後、真円度の推定にはθ＝０．１ｄｅｇ＝π／１８００ｒａｄを用いる。
【００３３】
４．推定結果
図１０に真円度の実測値ｒj と求めた推定値ｓｒj （ｊ＝１，２，３，・・・，２１）を示す。図中の白丸が推定値ｓｒj 、黒丸が実測値ｒj である。両者を比較すると、真円度の推定値ｓｒj が実測値ｒj の変化に良く追従していることがわかる。この結果は即ち、本推定法が振動切削効果の得られた場合と加工面が悪化した場合の両方に適用可能であることを示している。
【００３４】
図１０と図７を比較すると、振動切削効果の得られているｖ≦８８．６ｍ／ｍｉｎおよびｖ＝９４．０ｍ／ｍｉｎにおいて、ｓｒj ／（ｘp-p ）j ＝０．９１〜１．００であり、ｓｒj と（ｘp-p ）j は近い値を示す。それ以外のびびり振動発生時のデータではｓｒj ／（ｘp-p ）j ＝０．４７〜０．９０となる。即ち今回提案した簡易推定法は、単に（ｘp-p ）j を一律に縮小して真円度の推定値ｓｒj を得るのではなく、観測データｘi の波形形状に応じて推定値ｓｒj を変化させていることがわかる。
【００３５】
図１０の各データ点における推定値の誤差δｒj を図１１に示す。誤差の絶対値｜δｒj ｜の最大値はｖ＝９１．３ｍ／ｍｉｎのときの９．８８μｍであり、｜δｒj ｜の平均値ａδｒは３．２２μｍである。なお、振動切削効果の得られているｖ≦８８．６ｍ／ｍｉｎおよびｖ＝９４．０ｍ／ｍｉｎの場合のみであれば、誤差の絶対値｜δｒj ｜の最大値はｖ＝８３．３ｍ／ｍｉｎのときの１．７３μｍ、平均値ａδｒは０．７３２μｍとなる。従って、振動切削効果が得られる範囲で真円度の推定値と実測値が特に良く一致することが分かる。
以上から本発明により精度のよい真円度の推定値を得ることが可能であること、突発的なびびり振動にも対応可能であること、工具刃先が悪化しても利用可能であることが確認できた。
【００３６】
以上本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は一例にすぎず、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で限定的に解釈してはならない。
【００３７】
【発明の効果】
以上の詳細に説明した如く、従来の触針式真円度測定器はオフラインでしか測定できないため、加工面を評価するためには加工→装置の停止→被削材の取り外し→真円度測定（精度の確認）という手順をふむ必要があったが、本発明の真円度推定法を利用すれば加工と精度の確認を同時に実行できるため前述の手順を１ステップで行うことができ、時間とコストの大幅な削減が可能となる。また、これまで抜き取り検査に頼ってきた品質の評価をすべての製品に対して行うことが可能となり、製品の信頼性が向上する。さらに真円度の推定値は加工精度を一定に保つための制御指標や工具交換時期の判断情報としても利用でき、加工技術の自動化に大きく貢献することができる、等々の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例としての振動工具系を示す図である。
【図２】同被削材の支持方法を示す図である。
【図３】同被削材変位測定系を示す図である。
【図４】真円度測定方法のフローチャートである。
【図５】推定加工面プロファイルデータの作成手法を説明する図である。
【図６】推定加工面プロファイルデータをアルゴリズムにより計算する方法を説明する図である。
【図７】切削速度を変化させて振動切削実験を行ったときの被削材変位の変化を示す図である。
【図８】ｖ＝１０２．１ｍ／ｍｉｎの場合の振動波形の一部を示す図である。
【図９】θを変化させたときのａδｒ／ｒp-p の値を示す図である。
【図１０】真円度の実測値ｒj と求めた推定値ｓｒj （ｊ＝１，２，３，・・・，２１）を示す図である。
【図１１】図１０の各データ点における推定値の誤差δｒj を示す図である。
【符号の説明】
１        電歪振動子
２        縦振動ホーン
３        ホーン端面
４        振動工具
５        上下に設置した１組のコの字形工具押さえ金具
６        工具ホルダ
７        被削材
８        締めつけネジ
９        ホーン端面と振動工具シャンク部とを結合するねじ
１０      振動モード
１１      渦電流形センサ
１２      ナット
１３      カラー
１４      被削材ホルダ
１５      ホルダチャック
１６      基準面
２１      Ａ／Ｄコンバータ
２２      コンピュータ
【図１】
0003749159.tif 000008
【図２】
0003749159.tif 000009
【図３】
0003749159.tif 000010
【図４】
0003749159.tif 000011
【図５】
0003749159.tif 000012
【図６】
0003749159.tif 000013
【図７】
0003749159.tif 000014
【図８】
0003749159.tif 000015
【図９】
0003749159.tif 000016
【図１０】
0003749159.tif 000017
【図１１】
0003749159.tif 000018