55

ＮＣ旋盤スライドの高速化及び位置決め精度向上の研究
森本研究室 Ｂ４ 中村 直弥
１．緒言
送り系を設計するにあたって各部品メーカーの推奨データを用いても所望の性能が得られるとは限らないため，送り駆動系と位置決め実験と制御シミュレーションを組み合わせることにより，各部の制御パラメータを同定し，同定した制御パラメータを用いて高速・高精度化を測る際の設計指針を作成することを目的としている．

0.90.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.00.1

エンコーダ(摩擦あり)
エンコーダ(摩擦なし)

0.2

0.3

0.4

0.5

Time s

図３ エンコーダ出力
Position mm

３．エンコーダ出力とテーブル動作
図３にエンコーダ出力の摩擦ありと摩擦なしの結果です．エンコーダの摩擦ありが摩擦なしよりも立ち上がりが遅いのは摩擦によって動くのを抑えられているためです．標準偏差で摩擦ありの場合は 21.5μm，摩擦なしは 26.8μm のばらつ
きがありました．図４はテーブル動作の動きとなっておりこれもエンコーダと同じく摩擦のありと摩擦なしの結果です．テーブルの場合は摩擦ありが 20.8μm で摩擦無なしが 31.9μm となりました．

Position mm

Position mm

２．送り駆動系の摩擦モデル
図１に示すのは送り駆動系の摩擦モデルです。入力信号はτですが、値は特に関係なく，エンコーダの動作と連動できるように入力し 図１ 摩擦モデルのブロック線図ています．行きと帰りでの摩擦を制御するた
40
エンコーダ摩擦トルク35めに図１の左から２つめの「Ｓｉｇｎ」ブロ30ックを用いている．また，摩擦トルクを表わすた
2520めに一次遅れ系と伝達関数を用いて摩擦トルク15を再現しています．エンコーダの摩擦トルクを表105わしたのを図２に示します．また，テーブルが動00.1
0.20.30.40.5
作した際に発生する摩擦力もエンコーダの摩擦Time s
トルクに使用されているブロック線図と同様の
図２ エンコーダ摩擦トルク1.1モデルを使用している．
1.0

1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.1

テーブル(摩擦あり)
テーブル(摩擦なし)

0.2

0.3

0.4

Time s

参考文献
図４ テーブルの動作
著 佐藤隆太，堤正臣，AC サーボモータ直動転
がり案内を用いた送り駆動系の数学モデル，精密工学会誌，71,5(2005)，633．

0.5

56

多軸工作機械の精度評価と姿勢制御
森本研究室

B4 多田真士 B4 室市悠介

１．目的
近年，多軸マシニングセンタの出現により 3 次元自由曲面等の複雑な加工が可能となっている．そのことから，多軸制御のため各軸の誤差が累積し精度に影響する．
本研究では，マシニングセンタの各軸を独立して動作させて工作物を加工し，3 次元測定機により間接的に測定を行い，その評価結果を用いて精度補償を行う．
図 1 ヘールバイト固定冶具
5

イトにより主軸を回転させずに外乱による加工誤差要因を抑えた溝加工を行う方法を考案した．
このヘールバイトをマシニングセンタに取り付けるための固定冶具を図 1 に示すように製作した．

10μm切削2μm切削①2μm切削②

4Displacement µm

２．主軸静止状態における工作物加工方法の提案
性能評価を行うために，回転工具により工作物を加工した場合，加工による熱や振動が発生し工作精度に影響し，暖機運転に時間がかかる．そこで，ヘールバ

32105500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

9500

10000

Feed mm/min

図 2 変形量の変化
表面粗さ①
表面粗さ②62，図 3 に示す．選定した結果，切削速度は 6500mm/minとし，切込み量は 2μm とした．

Displacement µm

３．幾何学的精度評価用加工条件の選定
ヘールバイトを使用し最良常態で加工をするために，
4切削速度を変化させ変形量と表面粗さの測定結果を図25500

6000

6500

70007500

80008500

9000

Feed mm/min

図 3 表面粗さ
４．幾何学的精度評価用工作物の提案
マシニングセンタの精度を測定する工作物を考案した．
この工作物はヘールバイトで溝加工することにより，マシニングセンタの各軸（X，Y，Z，A，C 軸）の誤差を 3 次元測定機により間接的に測定できるものとなっている．その結果に基づき精度補正を行う．
図 4 設計した工作物

9500

10000

57

新しい構造を持つ NC 工作機械に関する研究
森本研究室 B4 内水智也 B4 呉山幸司
１．目的
工作機械フレーム構造に中空パイプによるトラス構造を採用し，さらに，熱変位補償と振動制御を同時に可能とする新しい工作機械構造を開発する．機械構造のなかでも剛性を確保しつつ計量化を実現でき，省スペースも同時に可能となるトラス構造に着目して，これを工作機械に適用することを目指す．
２．トラス構造
工作機械の構造にパイプを基本要素にしたトラス構造を用いることにより，外力および熱による変形がパイプ軸方向を主とした変形となるように設計することにより，変形の簡易化と制御の容易さを両立させることを考える．

スピンドル

ステージ

３．制御方法
熱変形補償
熱変形による中心部の移動は，加工誤差の主要因となる．開発した工作機械の場合，パイプに熱刃物台源を与えると，パイプ軸方向に変位することが確認されたので，パイプ部に別の熱源を設置し，これを用いて新たな熱変形を発生させることにより熱変位の制御を行う．
振動補償
スピンドルなどの振動は，加工精度に大きく影響する．パイプに振動を与えるとパイプ軸方向に振動が発生することからスピンドルの振動に対して，圧電素子によりを用いて逆位相の振 F y動を与えることにより振動制御を行う．

図 1 プロトモデル

Fz

熱源
熱源

Fx

加振源

ペルチェ素子
ペルチェ素子

圧電素子

図2 圧電素子，ペルチェ素子

58

リニアモータ駆動 NC 旋盤の性能評価
森本研究室

B4 久保典之B4 稲木理人

１．概要・目的
リニアモータを使用した工作機械では，高速・高加速

非円形工作物度運動が可能であり，生産性の向上や，非円形輪郭加工を実現できる可能性がある．生産性の向上や今後複雑な輪郭形状の部品を生産するためには旋削加工に置き換えることが不可欠であると考えられる．
そこで私達は，リニアモータ駆動 NC 旋盤による非円形加工実現のための，旋盤の性能評価や旋盤の性能に合致したプログラムを作成する研究を行っている．またバイト

NC 旋盤のイメージを図１に示す．
図１．旋盤のイメージ
２．専用 CAM システムの開発
複雑な輪郭形状になれば，切削点位置 X,Y,Z を同期させる必要がある．また，リニアモータ NC旋盤の性能に合わせたプログラムを作成する必要がある．そこで，CAM に頼らず IGES データから座標点を読み取り，整理し独自のプログラム作成方法を研究した．

不要情報

座標点情報

図２．IGES データ

２－１．IGES データの読み取り
通常は 3DCAD データとして使用する IGES デー
タをワードやメモ帳で座標点データとして開いたものを図２に示す．この状態では不要な情報と混在するため座標点のみを洗い出し整理した．
２－２．工作物の稜線座標のスプライン処理

図３．稜線のスプライン処理

整理した座標点は間隔が不均一であるため送り量間隔で座標を作成する必要がある．そこでスプラインを処理し，送り量間隔で座標点を作成した．これを図３に示す．また，図４より元データとの誤差もないことがわかる．各稜線の座標点を集めプログラムを完成させた．
図３．元データとの誤差

59

高速管理車輌の高速管理車輌の動作状況モニタリング
動作状況モニタリングのモニタリングの研究
森本研究室 Ｂ４ 長谷川拓哉
1．
．概要・
概要・目的
高速道路のように走行パターンがある程度限定されている状況においても、燃料消費量の改善は重要な課題であり、特に、２年から３年の間に 20 万 km 近くを走行する管理車輌の燃料消費量を抑制することは、単に経費節減のみならず、地球環境への負荷低減につながる。
よって、高速道路の管理車輌の燃料状況をモニタリングし、運転状況を把握し、燃料消費を抑える運転パターンを決定する。また、中回転域以下でエンジン制御用コンピュータにデータを教示することによりさらに燃料消費を抑え、燃料向上を達成する。
そこで、各種データを走行中にモニタリングすることにより、操作者ごとに異なる運転パターンを評価し、燃料消費が少ない走行パターンを求め、操作者に教示するシステムを開発する。
2．
．管理車輌車種での管理車輌車種での走行実験での走行実験
管理車輌に使用されているエクストレイルでの走行実験を行い、燃料消費が少ない走行パターンを求めた。現在の巡回時の速度 80km/h の実験結果を図１に示し、実験の際に最も燃料消費が少なかった速度90km/h の結果を図２に表す。
今回、測定に使用した装置で車速を測ったところ、 図 1．80km/h の実験結果スピードメータに表示される速度と実際に走行している速度に 10km/h 近い誤差が生じていることが分かった。つまり、80km/h で走行していても、実際は70km/h で走行していることになる。
80km/h では、速度維持が難しく維持しようとすると余計に燃料を使用してしまう。90km/h では、速度維持が容易のために燃料噴射に無駄が少ない。
3．
．標識装置の標識装置の解析
現在使用されている標識装置の形状での空気抵抗などを調べるために標識装置の解析を行った。
解析した結果、標識装置内部で渦が発生していることが分かり、そこの抵抗が走行に悪影響を及ぼしていることが分かる。標識装置の空気の流れを表したものを図 3 に示す。

図 2．90km/h の実験結果

図 3．標識装置周辺の空気の流れ4040
摩擦モデル，一次遅れ系と伝達関数付加

3530

一次遅れ系

25伝達関数

Position mm

Position mm

35201510500.10.20.30.4

25201510

初期の摩擦トルク-50.030500.1

0.50.2Time s

0.30.40.5

Time s

いつまでも摩擦が働いてしまう

一次遅れ系を加えることによって，最大摩擦の位置を調整できる．
伝達関数を加えたことによって，徐々に摩擦を小さくすることが可能
摩擦の開始時間はステップで調整している．

ステップ入力で摩擦の開始時間を調整していたのを入力データと連動して摩擦力を加えられるように「Ｒｅｌａｙ１，Ｓｉｇｎ」を加えた．

40
エンコーダ摩擦トルク

Position mm

30

摩擦ON/OFF 摩擦正負を決める

20100-10-20-30-40
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.1

Position mm

Position mm

Time s

エンコーダ(摩擦あり)
エンコーダ(摩擦なし)

0.2

0.3

0.4

0.5

1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.00.1

エンコーダの摩擦ありが摩擦なしよりも立ち上がりが遅いのは摩擦によって動くのを抑えられているためです．標準偏差で摩擦ありの場合は９．６１μｍ，摩擦なしは６８．９μｍのばらつきがありました．テーブルの場合は摩擦ありが２２．１μｍで摩擦無しが８８．９μｍとなりました．

テーブル(摩擦あり)
テーブル(摩擦なし)

0.2

0.30.4

Time sTime s

エンコーダ動作

テーブル動作0.5

近年，多軸マシニングセンタの出現により３次元自由曲面等の複雑な加工が可能となっている．しかし，多軸制御のため各軸の誤差が累積し精度に影響する．
本研究では回転軸（A，C軸）の精度評価方法確立と，それに基づく精度評価を行い，マシニングセンタの精度補償に応用することを目的とする．

・切削装置の切削装置の特性
主軸静止による切削の利点
熱の発生減少振動の発生減少
暖機運転時間減少
・ヘールバイト条件選定
ヘールバイト条件選定

図1 ヘールバイト固定冶具
実験結果である図2，図3より切削速度は6500mm/minとする.
510μm切削
2μm切削①2μm切削②

Displacement µm

Displacement µm

432105500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

90009500

10000

Feed mm/min

図2 加工時の工具変位量

Z

表面粗さ①
表面粗さ②6425500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

9500

10000

Feed mm/min

図3 加工面表面粗さ①各軸（X，Y，Z，A，C）の幾何学的誤差を測定するために切削を行う．
②切り込み深さは，2μmで切削する．

CA

X

Y

図4 工作物形状A③３次元測定機により工作物測定し，各軸誤差成分を同定する．

C④測定結果に基づき精度補償する．

緒言
工作機械フレーム構造に中空パイプによるトラス構造を採用し，さらに，熱変位補償と振動制御を同時に可能とする新しい工作機械構造を開発する．機械構造のなかでも剛性を確保しつつ計量化を実現でき，省スペースも同時に可能となるトラス構造に着目して，これを工作機械に適用する．

プロトモデル

熱変形解析

パイプとパイプを連結させた直方体の構造物をベース台に連結しており，さらに，剛性を高めるためピローボ
ルを用いΦ3のパイプを連結させトラス構造としている．
パイプとパイプの連結には，15個のジョイントを設け接着構造としている．この構造物上には，ステージを設け，スピンドルと刃物台を取り付けている．

実験結果においてｘ、ｙ、ｚ軸方向の熱変位を検討
Ｘ軸

Ｙ軸

直接精度に影響するステージがある
ため熱変形制御する必要なし

スピンドル(モータ回転速度 30000min-1)
被削材

Ｚ軸

Cosエラーのため，ほとんど影響しない

刃物台の熱変位において，最も重要な変位方向はｘ方向である．また，ペルチェ素子の出力から30μmの熱変形を制御できると推測されるので解析結果の軸中心変形を制御できると考えられる．
表2 軸中心変位ｘ
セン サ ー1

刃物台(最小送り量 10μm)

ステージ(最小送り量 10μm)

セン サ ー2ｙｚ-1 .135 × 1 0-６-1.9 24× 10-0.1 07× 10-6-89.2 2× 10-65 .544 × 1 0 - 63 .731 × 1 0 - 6振動制御 図1 プロトモデル
スピンドルなどによる振動は，加工精度に大きく影響する．スピンドルの振動に対して，圧電素子により逆位相の振動を与えることにより振動制御を行う．

熱源

センサー1センサー1FzFx

加振源

Fy

センサー2センサー2圧電素子

図2 圧電素子
スピンドル振動同位相
逆位相同位相＋逆位相同位相＋

0.5=

0.00.20.40.6

Time s0.8

1.00.5
0.0
-0.5

-0.5
逆位相

-1.0

Frequency Hz

0.0-0.5

Frequency Hz

1.00.50.0

熱変形制御

振動なし

1.0

1.0

Frequency Hz

圧電素子の振動

図3 非定常解析による熱合成変位(50℃の場合)-1.00.00.20.40.6

Time s0.8-1.0

1.00.00.20.40.60.8

熱変形による中心移動は，加工誤差の主要な原因になる．
パイプに熱源を与えるとパイプ軸方向に変形することが確認されたので，パイプ内に新たに姿勢制御用熱源(ペルチェ素子)を与えることにより熱変形補償制御を行う．

1.0

Time s表1 固有振動

共振周波数 Hz 刃物台に対するスピンドルの位相
1567.3
同位相1622.9
同位相
2123.1
逆位相2405
逆位相2468.8逆位相
刃物台に対するスピンドルの位相が逆位相であれば，びびり振動が発生し，同位相であれば，加工精度に影響しない．

熱源
熱源

ペルチェ素子
ペルチェ素子

図4 ペルチェ素子
ペルチェ素子カムなど非円形形状の加工は現在研削加工されている．これをリニアモータ駆動旋盤で旋削加工することにより，加工時間の短縮，より複雑な形状の加工物の加工を目指す．そのために必要なNCデータの作成を行う．

Z軸

X軸

カム図面
カム図面

Z軸

座標データ
座標データ

データ間隔がががが 不均 一

X軸

IGESデータ
データ

曲線作成に
曲線作成に使われるスプライン補間
スプライン補間により補間により座標データ
座標データからデータからカムからカムのカムの稜線を稜線を再現
スプライン曲線
スプライン曲線

スプライン曲線
スプライン曲線から曲線から座標から座標を座標を等分割

加工テスト
テストへ
へ
加工テスト

付加

準備機能データ
準備機能データ
X軸切
軸切り
軸切り込み量
Z軸送
軸送り
軸送り位置
主軸回転位置G機能
機能 X軸軸Z軸
軸 主軸

管理車輌は，２年から３年の間に20万万km近近くを走行する．その燃料消費量を抑制することは，単に経費節減のみならず，地球環境への負荷低減につながる．
よって，高速道路の管理車輌の燃料状況をモニタリングし，運転状況を把握し，燃料消費燃料消費を燃料消費を抑える運転える運転パターン
運転パターンをパターンを決定する決定する．
する．また，中回転域以下でエンジン制御用コンピュータにデータを教示することによりさらに燃料消費を抑え、燃料向上を達成させる．
管理車輌に使用されている車種
で実験を行い，燃料消費が少ない走行パターンを求めた．各条件での燃料消費量は図1に示す．

速度 km/h
80901000～100への全開加速

エアコンON/OFF

2WD/4WD図1．各条件の燃料消費量

図2．80km/hの実験結果

図3.90km/hの実験結果

現在使用されている標識装置の形状での空気抵抗などを調べるために標識装置の解析を行った．解析した結果、標識装置
標識装置内部で内部で渦が発生していることが分かり，そこの抵抗が進行方向発生と逆方向に191N 約20km/hの力が発生しているので走行に悪影響を及ぼしていることが分かった．標識装置の空気の流れを表したものを図5に示す．

図4より，100km/hは加速
加速
時に燃料を燃料を長い時間噴射する
時間噴射するのするで，燃料を最も多く消費する結果となった．

図4.100km/hの実験結果

図5．標識装置周辺の空気の流れ