三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012) 工作機械特集

技 術 論 文11

撮像式工具測定システムを利用した高精度加工
Precision Machining by Optical Image Type Tool Measurement System

佐 藤 欣 且 *1
Yoshikatsu Sato

近年の要求精度の高まりと生産拠点のグローバル化から，オペレータの技量に頼ることなく安定して精度の出せる機械とアプリケーションが求められ，三菱重工ではそれらを実現する技術を追求してきた．独自に開発した“撮像式工具測定システム”は，これまでオペレータが経験と勘によって行ってきた機械暖機運転，工具測定，加工といったプロセスを自動的に最適化し実行することができる．機械本体の精度の安定性とユーザ目線のアプリケーションにより，高付加価値化，短納期対応，品質の安定化など製造業の最新のニーズにこたえる．

|1. はじめに製造業のグローバル化が進む中，国内においてはより高付加価値や短納期，海外においては品質の安定化や生産性が求められ，加工設備に対しては高速・高精度や安定性・再現性の高さといった機械の基本性能のみならず，機上測定などの周辺アプリケーションの高度化の要求も高まっている．
当社においても，それらの要求にこたえるため小型精密加工機“μＶ１”（図１，表１）に独自開発した“撮像式工具測定システム”を搭載し，様々な高精度加工・測定に取り組んでいる．本稿では，それらの特徴と事例について紹介する．
表１ 主仕様移動量

テーブル

主軸送り速度自動工具

図１ 機械概観

交換装置

機械
サイズ

*1 工作機械事業本部技術部主席技師

Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸mm

450×350×300

主軸端面～テーブル上面mm

150～450

作業面広さmm

500×400

最大ワークサイズmm

500×500×200

最大積載質量（等分布）

kg

125

上面

Ｔ溝幅mm

14形状

ピッチmm

100

床面からテーブル上面mm

850

回転速度

min-1

400～40 000

主軸テーパ穴HSK-E32

早送り速度mm/min

15 000

切削送り速度mm/min

1～15 000

収納本数本

18，30（オプション）

最大工具径mm

最大工具長さmm

φ40130高さmm

2 355幅×奥行mm

1 920×2 054

質量kg

5 500

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)12|2. 小型精密加工機“μＶ１”の特徴
高精度加工の阻害要因として，加工機の熱変位がまず挙げられ，特に最大の発熱源である主軸の熱変位はその中で大きなウェイトを占める．μＶ１の主軸は，最高回転速度 40000ｍｉｎ-1 であるが，剛性を確保するためエア軸受などの非接触ではなく，転がり軸受を採用している．この転がり軸受の高速回転中の摩擦と圧力によって高熱が発生するため，いかにその熱を抑制，除去するかがポイントとなる．
一般的な主軸においては主軸のケーシングである外側のジャケットに冷却液を通しているのみであるが，μＶ１の主軸は，高速で回転する主軸の内部をも冷却し，また軸受を当社独自の方式で特殊潤滑することにより，発生した熱を強制的にすばやく除去している（図２）．これにより最高回転速度 40000min-1 においても熱変位を極限まで抑え，変位がサチュレートしてからの安定性と，主軸回転・停止による繰り返しの再現性の高さを実現した（図３）．
主軸の安定性と繰り返しの再現性は，加工精度のみならず，機上測定の精度や信頼性の向上のベースにもなっている．

図２ μＶ１主軸冷却方式

図３ 主軸熱変位量の推移|3. 撮像式工具測定システムの特徴
高精度加工には，工具測定やワーク測定といった機上測定が不可欠であるが，その測定誤差は直接加工誤差に影響するため，機械精度と同等に重要な要因である．しかしながら従来は測定器メーカの製品をそのまま搭載し，その運用はユーザに任せていたというのが実情であった．
当社では，これらを踏まえてユーザ目線に立ち，機上測定のアプリケーションも独自に開発することとした．新たに開発した撮像式工具測定システムは，従来の工具測定装置における種々の問題点を解決している．従来の工具測定装置には，センサに工具を接触させて測定する“接触式”とレーザを工具で遮光させることで測定する“レーザ式”とがある．それぞれに特徴はあるが，主に下記に示す問題があった．
① 接触式
・特にφ１mm 以下などの小径工具において接触の衝撃による折損が発生する．
・センサの測定面の損耗による誤差が発生する．
・工具を停止させて測定するため，測定後の回転による熱変位等の誤差が発生する．
② レーザ式（図４）・レーザを当てるポイントと真の工具先端とのずれによる誤差がある．
・レーザの遮光率で判断するため，工具先端の形状の差による誤差がある．
・レーザ光より細い工具は遮光が不十分のため測定できない．

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図４ 従来のレーザ式工具測定装置

また，運用上の問題として，前項で述べたような機械の熱変位によって測定誤差を生じてしまう場合がある．レーザ式では，工具を回転させながら測定することができるが，レーザの ON／OFF信号を利用した瞬間的な測定しかできないため，例えば機械が熱変位している最中に測定すると，その後の残りの熱変位分がそのまま加工誤差となる．そのため十分に暖機運転をしてから工具測定を実施するのが通例となっているが，十分な暖機運転とはどれ位なのか，また，接触式では工具測定のために一旦主軸を停止させるが，その場合の瞬間的な熱変位量はいくら位なのかなど，実際の運用にはオペレータの経験と勘といった技量に依存しているところが大きい．
撮像式工具測定システムにおいては，高解像度の CCD カメラを用い，工具を非接触で，点ではなく面として測定することで，従来の工具測定装置が持つ問題点を解消した．測定の構成を
図５に示す．

図５ 撮像式工具測定システムにおける測定の構成

また，カメラで連続的にデータを収集し，機械や工具の状態の変化を時間的なスパンを持って測定することにより，機械や工具の熱変位がサチュレートして安定したことを把握する“サチュレート判定機能”を付加した．概念を図６に示す．この機能により，従来オペレータの技量によっていた，暖機運転，測定，加工のプロセスをシステムが自動で最適化して実行することが可能となった．

図６ 従来方式と撮像式工具測定システムの測定概念の違い

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)14|4. 高精度加工事例
前項で述べたような従来の工具測定装置の問題が，実加工上に表れる例として，金型加工，特に直彫り加工などが挙げられる．直彫り加工では，一つの金型を加工するのに径や形状の異なる複数の工具を用いる場合が多く，それぞれの工具における加工条件も異なる．この場合，工具形状の違いによる測定誤差や主軸回転速度の違いによる熱変位のサチュレート時間の差に起因する測定誤差などによって，複数工具間の加工面高さの不一致が発生し，その修正のための手仕上げやミガキに時間を要したり，最悪の場合ワークを破棄して再製作せざるを得ないこともある．
また，加工が長時間に及ぶ場合も多いため，加工中の工具摩耗，機械の発熱や機械周囲温度変化の影響による機械や工具，ワーク等の熱変位なども加工精度の誤差要因となる．
撮像式工具測定システムを用いてこれらの問題を解消できるのかを検証するため，テストワー
クを考案して加工を実施した．加工条件を表２に示すが，６種類の径及び形状の異なる工具を異なる回転数で，タイル状に同一高さを狙って加工した．それぞれの工具について加工前や加工中に工具長測定を行い，複数工具の工具長の差，工具摩耗，主軸熱変位をキャンセルするようにし，“サチュレート判定”を用いて自動で熱変位の安定した状態で加工した．
表２ ワーク加工条件
工具種類

主軸回転速度（min-1)①Ｒ３ボールエンドミル

16 000②φ２フラットエンドミル

20 000③Ｒ２ボールエンドミル

26 000④φ１フラットエンドミル

32 000⑤Ｒ0.5 ボールエンドミル

40 000⑥φ0.3 フラットエンドミル

40 000

工具番号

また，加工中数回ワーク基準面高さ測定を入れて，ワーク側の熱変位も自動でキャンセルさせたが，この際ワーク高さ測定に使用するプローブの長さを都度撮像式工具測定システムにて機上測定している．従来ワーク測定及び工具測定においては，プローブ長や工具長測定装置の高さ，機械原点の主軸とテーブル間の距離などは固定値として扱い，その数値を用いてワーク高さや工具長を算出している．しかしながら機械の発熱や機械周囲温度の影響によって当然これらの寸法も熱変位するので，測定誤差が生じる．そこで前述のようにプローブ長を工具測定装置にて測定することによってそれらの誤差を相対的にキャンセルさせた．従来の工具測定装置では，プローブ長を正確に測定することが困難であったが，撮像式工具測定システムによりこれが可能となった．
実際にワーク加工した時のプローブ長，ワーク基準面高さ，工具長及び機械周囲温度の測定値を図７に示す．ワーク加工には合計４日間かかっているが，連続で加工したのではなく，１日約８～10 時間加工後機械の電源を落とし，翌日機械の電源を入れて加工の続きを再開している．
機械周囲温度の変化が最大５℃もあり，プローブ長測定値は大きく変化しているが（プローブ自身の熱変位のみならず機械や工具測定装置の熱変位も合算されて現れる），これを固定値としていた従来の方法では，この数値分の誤差が発生していたことになる．もちろん今回はテストということで，あえて加工を中断して機械電源を切り，その都度ワークの基準高さ測定を入れているため，その測定誤差の影響を大きくしており，１つのワーク加工としては実際と異なるが，多数ワーク加工やワークの再段取り・再加工の際には，ワーク測定の誤差が各々の加工の相互誤差として表れるため，これをキャンセルできることの意味は大きい．

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)15

図７ ワーク加工時の測定値

加工後のワークの上面の段差を測定した結果を図８に示す．６種類全ての工具の加工面のあるラインにおいて段差が少なく，撮像式工具測定システムによる誤差抑制の効果を確認することができた．実際に既納入ユーザにおいて，自動ワーク交換後，本方法を用いて測定を実施し，加工精度２μm を実現しているとの評価を得ている．

図８ 加工後のワーク上面の段差を測定した結果|5. まとめ
小型精密加工機“μＶ１”による“撮像式工具測定システム”を用いた高精度の加工事例を紹介した．従来，オペレータの技量に依存していた暖機運転，測定，加工というプロセスを自動的に最適化して実行し，これまで困難であった複数工具による高精度加工を実現することができた．
今後も市場のニーズにこたえるべく，更なる機械や機上測定などのアプリケーションの高度化を追求し，製造業の発展に貢献できるよう努める所存である．