複合加工機による高精度加工技術に関する研究
Studies on High Accurate Machining by Integrated Machine Tools

各種工作機械の運動精度評価事例
Case Studies of Accuracy Testing on Various Machine Tools

加藤明・鈴木好明
Akira Kato and Yoshiaki Suzuki
複合旋盤、NC フライス盤およびワイヤーカット放電加工機について、ボールバーによる円運動精度試験を行い、機器による差異を評価した。その結果、機器の組立精度や送り機構の種類が運動精度に影響することが分かった。

1. はじめに示す。

金属加工用の工作機械は、加工方法や作業内容、操作方法、軸構成などにより、多岐に分類されていボールバー
工 作 機 械 トランスデューサ
主軸等工作機械る。JIS B0105１）によると、例えば穴加工に使用されテーブル等るボール盤も、数値制御ボール盤や多軸ボール盤な鋼球

ど 8 通りの分類がある。
これらの工作機械の中には、円運動が可能な種類の装置も多い。そのため、部品測定データの形状によっては、いくつかの加工機の中から、使用する加工機を選定することとなる。この場合は、記録用ＰＣ

図１ ボールバーシステム概念図

一般的に加工精度やコストが考慮されるが、加工精度に大きく影響する加工機の運動精度に関しては、同一の測定方法による装置の種類の差違を評価した例が少ないため、十分な考慮がなされていないのが現状である。そこで、ここでは複合旋盤、NC フライス盤およびワイヤーカット放電加工機について、円運動精度測定を行い、工作機械の種類による運動

図２ ボールバーシステム外観精度の差異について調べた。

表１ ボールバーシステムの仕様
トランスデューサ長

2. 各種工作機械の運動精度評価
2.1 運動精度測定機器
運動精度測定には、レニショー（株）製 QC10 ボ

分解能
トランスデューサ精度
最大サンプリングキャリブレータ精度

ボール中心間 約 50mm
(スモールサークルキット使用時)
0.0001 mm±0.0005 mm
250 点／秒±0.001 mmールバーシステム（スモールサークルキット付き）を用いた。ボールバーシステムとは、両端に直径 102.2 運動精度測定の方法

mm の鋼球が取り付けられているトランスデューサ

2.2.1 運動精度測定平面

を、測定対象とする工作機械の主軸やテーブル等に複合旋盤では YZ 平面について、NC フライス盤と取り付け、工作機械を円運動させたときの鋼球間距

ワイヤーカット放電加工機では XY 平面について測離の変化を記録することで工作機械の運動精度を評定を実施した。ここで、複合旋盤は旋削主軸を Z 軸価するものである。
図１に測定概念図を示す。
また、とするため、YZ 平面は NC フライス盤の XY 平面に

２）

図２に測定装置の外観を、表１に測定装置仕様を相当している。なお、本研究では X 軸が鉛直方向より 30 度傾斜した複合旋盤を用いた。
2.2.2 測定用治具の固定方法

表２ 鋼球保持用治具の仕様
治具名

全長(mm)

特徴

トランスデューサ両端の鋼球は、鋼球保持用治具

A45mm

長さ 45mm〜50mm 調整可能

B50mm

角度±15 度調整可能A、B および C を用いて測定対象装置に取り付けた。

C30mm

M8 ネジ穴あり

表 2 に治具の仕様を、図３に治具の外観を示す。鋼
球保持用治具の固定方法は次のとおりである。
1) 複合旋盤
工具主軸の工具ホルダに直径 36 mm の鋼棒を取り付けた（鋼棒の突出長さ 110 mm）。鋼棒先端に磁石により鋼球保持用治具 A を取り付けた。
また、主軸と心押台により固定した直径 40 mmの鋼棒(チャック−センター間距離 300 mm)の治具 A

治具 B

治具 C

図３ 鋼球保持用治具

一部を、鋼棒の外周から中心に向かって 10 mmの深さに平面に削り、この平面に磁石により鋼球保持用治具 B を取り付けた。
2) NC フライス盤
主軸には複合旋盤と同様の方法で、鋼球保持用治具Ａを取り付けた。また、鋼球保持用治具 B(A)装置外観(B)測定風景
図４ 複合旋盤をテーブルに取り付けた。
3) ワイヤーカット放電加工機
上ガイド付近に鋼球保持用治具 C をボルトにより取り付けた。また、テーブル上に厚さ 3 mmの鋼板を設置し、この上に固定用治具 B を取り付けた。
2.2.3 運動精度測定条件
運動半径については、複合旋盤の Y 軸ストローク(A)装置外観(B)測定風景図５ ＮＣフライス盤

が 160 mm であることとボールバーシステムの寸法を考慮し、半径 50 mm とした。
送り速度については、ワイヤーカット放電加工機の送り速度の上限である 360 mm/min、およびその1/10 の速度である 36 mm/min で行った。
円運動の方向は、時計回りおよび反時計回りとし、それぞれ 3 回の測定を行った。
また、測定を行った工作機械の外観と測定風景を
図４〜６に示す。
2.3 運動精度測定結果
2.3.1 複合旋盤の測定結果
複合旋盤の測定結果例を図７に示す。真円度は約(A)装置外観(B)測定風景図６ ワイヤーカット放電加工機

0.007 mm であった。図を見ると、右上の方向に 45度の角度で軌跡が歪んでいることが解る。このような結果は、Y 軸と Z 軸の直角度に誤差がある場合生じると考えられる。測定対象装置は、静的精度試験

において、Y 軸と Z 軸の直角度が 0.004 mm／100 mmであり、この度の測定結果と良く一致していた。
図 7(a)を見ると各軸と軌跡の交点付近では、Y 軸のマイナス側を除いて、突起が観察される。この突起は軸の反転時にサーボによる修正が不十分であることから生じる反転突起と考えられる。サーボのゲイン調整によっては機械の振動を生じることもあるため、一般的にユーザー側での調整は困難である。
しかし、送り速度を 36 mm/min とすると（図７(b)）
反転突起の大きさが半減した。このように反転突起は送り速度によって変化するため、仕上げ加工では反転突起が少ない送り速度で加工すること必要であ(a) 送り速度 360 mm/minることが分かる。
また、図７(a)、(b)より Y 軸のプラス側を除いて、バックラッシの影響と考えられる段差が観察される。
送り速度を変えても段差がほぼ同一であることから、バックラッシは送り速度に影響されないことが分かる。なお、一般的にバックラッシに対しては、バックラッシ補正が行われるが、測定結果の段差は約0.001 mm と微少であり、ボールバーシステムのトランスデューサ精度が±0.0005 mm であることを考慮すると、補正の必要性は低いと考えられる。
また、Y 軸のプラス側では、段差が現れないのは、この工作機械の Y 軸が鉛直より 60 度傾いていることから、Y 軸プラス側の反転ではバックラッシの影響が小さくなるためと考えられる。
2.3.2 NC フライス盤の測定結果
NC フライス盤の測定結果を図８に示す。真円度は約 0.020 mm であった。この測定では、各軸と軌跡の交点での段差の原因であるバックラッシが X 軸は約 0.05 mm、Y 軸では約 0.011 mm 観察された。また、反転突起は測定軌跡上では小さく観察された。
この測定結果を基にバックラッシ補正を行い、再度精度測定を行った。補正後の測定結果を図９に示す。この図より、バックラッシ補正の効果で、象限切り替え時の段差が減少したことが分かる。真円度は約 0.013 mm に向上した。さらに、バックラッシ補正前は軌跡に小さく現れた反転突起が、補正後は(b) 送り速度 36 mm/min
図７ 複合旋盤の円運動精度測定結果例大きく現れていることが分かる。バックラッシが大きいと、軌跡の同じ位置に存在する反転突起の情報が十分現れない場合があると考えられる。
また、図７と図８を比較すると、図８では軌跡の曲線に不均一な凹凸の成分が加わっていることが分かる。この凹凸は、工作機械の運動が滑らかに行われていないためと推測され、滑り案内面の潤滑が不足していると考えられる。
2.3.3 ワイヤーカット放電加工機の測定結果
ワイヤーカット放電加工機の測定結果を図 10 に(a) 送り速度 360 mm/min(a)

送り速度 360 mm/min(b) 送り速度 36 mm/min(b) 送り速度 36 mm/min
図８ NC フライス盤円運動精度測定結果例(バックラッシ補正前)示す。真円度は約 0.003 mm であった。
測定したワイヤーカット放電加工機は、リニアモ

図９ NC フライス盤円運動精度測定結果例(バックラッシ補正後)ーカット放電加工機の実加工領域は、高速域でも数十 mm/min 程度であり、実加工では反転突起によるータ駆動のため、バックラッシは生じない構造であ加工品の影響は無いと思われる。

り、測定結果においても、バックラッシがある場合2.3.4 工作機械の種類による測定結果の差違に生じる段差は現れなかった。

本研究では、ワイヤーカット放電加工機の運動精また、微小な反転突起が観察されるが、ワイヤー度が高いことが示された。これは、リニアモータ駆カット放電加工機の実加工速度は、高速な場合でも動のためバックラッシが生じない機構であることが数十 mm/min 程度であり、今回の測定条件の送り速大きい。また、ワイヤーカット放電加工機は、複合度は非常に高速なため、サーボの応答が遅れたため旋盤などの切削加工機器に比べて装置が軽量であると思われる。また、図 10(b)のように送り速度を 36ことから、慣性モーメントが小さく、位置決めの制mm/min とすると、反転突起は無くなった。ワイヤ御が行いやすいと考えられる。

モーメントを生じるため、運動精度ではワイヤーカット放電加工機に劣ることとなった。しかし、複雑形状の加工が高能率に可能であるという装置の特性を考慮すると、測定結果の運動精度は良好であったと言える。

3. おわりに３種類の工作機械について円運動精度測定を行い、以下のことがわかった。
1) 機械の直角度などの組立精度が運動精度に影響を与える。
2) リニアモータ駆動装置は、バックラッシが無いことなどから、運動精度が高い。
(a) 送り速度 360 mm/min

3) 複合旋盤は、複雑形状の高能率加工が可能である装置でありながら、運動精度は良好である。

文 献
1) JIS B 0105 工作機械-名称に関する用語, 日本規格協会, p.4-5 (1993).
2) QC10 ボールバーシステムカタログ, レニショー,
p.5 (2008).

(b) 送り速度 36 mm/min
図 10 ワイヤーカット放電加工機の円運動精度測定結果例

NC フライス盤については、真円度がバックラッシ補正後も他の 2 機種に比べて劣っていた。本研究で測定対象とした NC フライス盤は制御分解能が0.001 mm であり、0.0001 mm の分解能であるワイヤーカット放電加工機や、表示上は 0.001 mm ながら内部では 0.0001 mm の分解能により演算を行っている複合旋盤に比べ、演算精度が劣っていることも一因と考えられる。
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