(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
円筒の加工部を備えた工作物を前記円筒の軸心の周りに回転支持して工具を前記円筒の半径方向に切込む工作機械を用いて、前記加工部を加工しながら前記工具の加工作用部における実切込み量を測定する実切込み量測定方法において、
前記軸心に直交する軸線と前記加工部表面との交点の一方である測定開始点と他方である測定終了点の距離である開始直径D0を測定する開始径測定工程と、
前記測定開始点が前記加工作用部を通過し、かつ前記測定終了点が前記加工作用部を通過する前に、前記測定終了点を含む前記加工部の直径である終了直径D1を測定する終了径測定工程と、
前記測定開始点が加工された時の実切込み量Uを式U=|D0−D1|を用いて演算する実切込み量演算工程を備える実切込み量測定方法。
前記加工工程において、前記加工部の回転方向の位置に対応する前記実切込み量Uの相互差から前記加工部の振れを演算し、振れを除去するような工具切込み制御を行う、請求項3に記載の加工方法。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
1回転毎の工作物径の測定値から実切込み量U
Jを算出する場合は、1回目の測定における工作物直径をD
J0とし工作物が1回転した後の工作物直径をD
J1とすると式U
J=(D
J0−D
J1)/2により実切込み量U
Jを算出する。これは、工作物1回転中には工作物の全周が加工されるため測定直径における両端で工作物が除去され、この両端での実切込み量U
Jが等しいとの前提によるものである。しかし、切込み速度が変動したり、加工抵抗が変動している場合は1回転中でも実切込み量が変動しており、平均値を用いた実切込み量には誤差が含まれる。このため、この値を用いた加工工程の制御においてもこの誤差が影響して、十分な効果が得られない恐れがある。
【0005】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、加工部位の正確な実切込み量を簡易に加工中に測定し、これを用いて加工工程を制御する工作機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の特徴は、円筒の加工部を備えた工作物を前記円筒の軸心の周りに回転支持して工具を前記円筒の半径方向に切込む工作機械を用いて、前記加工部を加工しながら前記工具の加工作用部における実切込み量を測定する実切込み量測定方法において、
前記軸心に直交する軸線と前記加工部表面との交点の一方である測定開始点と他方である測定終了点の距離である開始直径D
0を測定する開始径測定工程と、
前記測定開始点が前記加工作用部を通過し、かつ前記測定終了点が前記加工作用部を通過する前に、前記測定終了点を含む前記加工部の直径である終了直径D
1を測定する終了径測定工程と、
前記測定開始点が加工された時の実切込み量Uを式U=|D
0−D
1|を用いて演算する実切込み量演算工程を備えることである。
【0007】
請求項2に係る発明の特徴は、請求項1に係る発明において、前記開始径測定工程の終了時から前記工作物が180°回転した時に前記終了径測定工程を実施することである。
【0008】
請求項3に係る発明の特徴は、円筒の加工部を備えた工作物を前記円筒の軸心の周りに回転支持して工具を前記円筒の半径方向に切込み前記加工部を加工する加工方法において、
前記軸心に直交する軸線と前記加工部表面との交点の一方である測定開始点と他方である測定終了点の距離である開始直径D
0を測定する開始径測定工程と、
前記測定開始点が前記
工具の加工作用部を通過し、かつ前記終了点が前記加工作用部を通過する前に、前記測定終了点を含む前記加工部の直径である終了直径D
1を測定する終了径測定工程と、
前記測定開始点が加工された時の実切込み量Uを式U=|D
0−D
1|を用いて演算する実切込み量演算工程と、
前記実切込み量Uを用いて加工動作を制御する加工工程を備えることである。
【0009】
請求項4に係る発明の特徴は、請求項3に係る発明において、前記加工工程において、前記加工部の回転方向の位置に対する前記実切込み量Uの相互差から前記加工部の振れを演算し、振れを除去するような工具切込み制御を行うことである。
【0010】
請求項5に係る発明の特徴は、円筒の加工部を備えた工作物を前記円筒の軸心の周りに回転支持して工具を前記円筒の半径方向に切込む工作機械において、
前記加工部の直径寸法を測定する工作物径測定装置と、
前記工作物径測定装置により測定した前記軸心に直交する軸線と前記加工部表面との交点の一方である測定開始点と他方である測定終了点の距離である開始直径D
0と、前記工作物径測定装置により前記測定開始点が前記
工具の加工作用部を通過し、かつ前記終了点が前記加工作用部を通過する前に測定した、前記測定終了点を含む前記加工部の直径である終了直径D
1と、式U=|D
0−D
1|を用いて実切込み量Uを演算する実切込み量演算装置を備えることである。
【発明の効果】
【0011】
請求項1に係る発明によれば、加工部の所望の測定開始点の加工前後における測定終了点を含む直径を比較することで、所望の測定開始点の加工時の実切込み量を正確に測定することができる。
【0012】
請求項2に係る発明によれば、開始直径D
0の測定と終了直径D
1の測定を同一の工作物径測定装置を用いて測定できる。このため、工作物径測定装置の装置差による測定誤差を排除できる。
【0013】
請求項3に係る発明によれば、加工動作を正確な実切込み量Uを用いて制御できる加工工程を備えるので、誤差の少ない加工工程で構成される加工方法を実現できる。
【0014】
請求項4に係る発明によれば、加工部の回転方向の位置に対する前記実切込み量Uの相互差から前記加工部の振れを演算するので、振れを加工中に測定できる。振れ測定による余分な時間をとること無しに、振れを除去するような工具切込み制御を行う加工方法を実現できる。
【0015】
請求項5に係る発明によれば、加工部の所望の測定開始点における実切込み量を正確に測定することができる工作機械を実現できる。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態を、工具として砥石車を用いた円筒研削盤の実施例に基づき、
図1〜
図7を参照しつつ説明する。
図1に示すように、円筒研削盤1は、ベッド2を備え、ベッド2上にX軸方向に往復可能に支持され送り用のモータ8により駆動される砥石台3と、X軸に直交するZ軸方向に往復可能なテーブル4を備えている。砥石台3は砥石車7を回転自在に支持し、砥石車7は砥石軸回転モータ(図示省略する)により回転駆動される。テーブル4上には、工作物Wの一端を把持して回転自在に支持し主軸モータ(図示省略する)により回転駆動され、主軸の回転位相を検出する位相検出器9を備えた主軸5と、工作物Wの他端を回転自在に支持する心押し台6が設置されている。工作物Wは主軸5と心押し台6により支持されて、研削加工時に回転駆動される。工作物Wの加工部の直径を測定する工作物径測定装置10がテーブル上に設置されている。
図2に示すように、工作物径測定装置10は、テーブルに固定されたベース11に保持された直径測定装置本体101と、直径測定装置本体101に係合し工作物Wの軸心に対して180°対向して配置された接触子102a、102bで構成されている。ここでは、接触子102a、102bの対向方向はX軸に直交する位置に配置されている。
【0018】
この円筒研削盤1は制御装置30を備えており、制御装置30の機能的構成として、砥石台3の送りを制御するX軸制御部31、テーブル4の送りを制御するZ軸制御部32、主軸5の回転を制御する主軸制御部33、工作物径測定装置10を制御する測定装置制御部34、記録部351を内蔵し実切込み量や振れ量を演算する演算部35などを具備している。X軸制御部31の機能として研削時に砥石車7に作用する法線研削抵抗力をモータ8の電流値から測定する法線研削抵抗測定部311を備えている。
【0019】
砥石車7の工作物Wに対する実切込み量の測定について、加工位置における工作物Wの軸心に垂直な断面を示す
図3に基づき説明する。
図3(a)において、研削作用位置で砥石車に接触している工作物Wの点Aを工作物Wの測定開始点A(測定開始点)とし、この位置における工作物Wの位相を0°とする。
図3(b)に示すように、測定開始点Aと工作物回転軸心に対して180度対向する工作物Wの表面位置の点Bを測定終了点B(測定終了点)とする。開始径測定工程は、工作物Wが270°回転し、測定開始点Aが接触子102aと接触し、測定終了点Bが接触子102bと接触した時に実施され、工作物直径D
0(開始直径D
0)を測定する工程である。
図3(c)に示すように、工作物Wが360°回転すると、測定開始点Aの部位は砥石車7により研削される。終了径測定工程は、
図3(d)に示すように、工作物Wが450°回転し、測定終了点Bが接触子102aと接触した時に工作物直径D
1(終了直径D
1)を測定する工程である。以上の一連の測定により、測定開始点Aを研削する前と研削後における工作物径を測定でき、工作物直径D
0の値から工作物直径D
1の値を差引くことで、測定開始点Aが研削された量、すなわち砥石車7の工作物Wに対する実切込み量Uの測定ができ、U=D
0−D
1となる。
【0020】
ここで、研削時の実切込み量Uと、工作物Wの撓みTと、工作物Wと砥石車7に作用する力の関係を説明する。
研削が可能になるためには、砥石車7が工作物Wに所定の力で押付けられる必要があり、この押付け力Fは、砥石車7が工作物Wに押付けられて工作物Wと砥石車7の相対撓みTが発生した時に、砥石車7と工作物Wの間のばね定数である機械剛性kmと撓みTの積で求められる力Pから砥石車7が工作物に食い込むために必要な力F
0を差し引いた力になる。すなわち、F=P−F
0=T×km−F
0が成り立つ。押付け力Fの強さに応じて実切込み量Uの大きさが決まり、極端に砥石車が磨耗した場合などを除いた通常の研削においては、押付け力Fは実切込み量Uに比例することが知られており、この比例定数を研削剛性kgとすると、F=U×kgが成り立つ。
ここで、撓みと実切込みに変動がある場合を考え、撓みTの変動差ΔTをΔT=T
1−T
2、実切込み量Uの変動差ΔUをΔU=U
1−U
2、力Fの変動差ΔFをΔF=F
1−F
2とする。F
1=T
1×km−F
0でありF
2=T
2×km−F
0なのでΔF=F
1−F
2=(T
1×km−F
0)−(T
2×km−F
0)=(T
1−T
2)km=ΔT×kmとなる。また、力Fと実切込み量Uは比例するのでその差についても比例し、ΔF=ΔU×kgとなる。結局、ΔF=ΔT×km=ΔU×kgとなり、ΔT=ΔU×kg/kmが成り立つ。
【0021】
次に、撓みTと振れIRの関係について説明する。ここで、振れとは、工作物Wの回転中心から加工部表面までの半径を外周の所定の位相C1毎に測定したときに、半径の最小値Rminに対する各位相における半径値R
C1の差のことであり、位相C1における振れIR
C1はIR
C1=R
C1−Rminとなる。最大半径Rmaxとの差を最大振れTIRと称しTIR=Rmax−Rminである。
図4に示すように、砥石車7を工作物Wに押付け、その時の工作物Wの回転中心を点Pとし、砥石車7の表面と撓みの無い時の工作物Wの回転中心である点Oの距離Lを一定とする。
図4(a)の位相Ckにおける工作物Wの砥石車7に接触する部位の半径Rminが最小半径とする。位相Ckにおける撓みT
CkはT
Ck=Rmin−Lにより求められ、
図4(b)の位相C1における撓みT
C1はT
C1=R
C1−Lにより求められる。ここで、位相C1における撓みT
C1と位相Ckにおける撓みT
Ckの差をΔT
C1とするとΔT
C1=T
C1−T
Ck=(R
C1−L)−(Rmin−L)=R
C1−Rminとなる。結局、IR
C1=R
C1−Rmin=ΔT
C1となり振れIR
C1と撓みの差ΔT
C1は等しくなり、撓みの差を測定すれば振れを測定でき、撓みの差を低減できれば振れを低減できることになる。
以上のことを研削中にあてはめると、先に説明したように、撓みの差ΔTは実切込み量Uの差であるΔUを用いてΔT=ΔU×kg/kmと表される。この関係は工作物の1回転中の各位相についても成り立つので、位相C1における関係をΔT
C1=ΔU
C1×kg/kmと表すことができる。
結局、IR
C1=ΔT
C1=ΔU
C1×kg/kmとなり、実切込み量Uの各位相間における変動量ΔU
C1を測定すれば、振れIRを求めることができる。
【0022】
機械剛性kmと研削剛性kgはあらかじめ試験により測定しておく。たとえば機械剛性kmの測定は、砥石車7の回転を停止させた状態で砥石車7と工作物Wを接触させその時のモータ8の電流値A
0を記録し、砥石台3を所定量Vg切込み後停止させた時のモータ8の電流値A
1を記録する。この場合の機械剛性kmは、モータの推力定数をCとすると、km=C×(A
1−A
0)/Vgで算出できる。研削剛性kgの測定は、先に述べた実切込み量測定方法により砥石車7を所定の切込み速度で切込み研削中の実切込み量Uを測定し、その時のモータ8の電流値A
3を記録する。次に、研削をしないで同じ切込み速度で切込み中のモータ8の電流値A
2を記録する。この場合の研削剛性kgはkg=C×(A
3−A
2)/Uで算出できる。
【0023】
ここで、従来の振れ除去研削について説明する。先に述べたように、工作物の振れとは、工作物を所定の回転基準により回転させたときに回転位相に対応して生じる工作物の表面の半径位置の変動のことであり、半径変動や軸の曲りにより生じ、クランクシャフトなどの複雑な形状の工作物では軸の曲りの影響により大きな振れが生じる。加工部位の振れは取り代の変動となり振れの大きい部位は取り代が大きくなる。一定の切込み速度で研削する場合の振れの減少度合いは、初期の最大振れ量をTIR
0、n回転後の最大振れ量をTIR
nとすると、研削剛性kgと機械剛性kmを用いてTIR
n=TIR
0×(1−km/kg)
nと表される。通常の研削においてはkm<kgであり、径に対して長さが長い工作物においては、kmはkgの数分の1以下であるため、振れの除去に必要な回転回数が多くなる。この場合、振れ止め装置を設置してkmを大きくすることが行われている。
【0024】
以下に、本研削盤1において、研削中に実切込み量Uを測定し、測定したUの値を用いて工作物Wの振れを短時間に除去する研削工程について説明する。
はじめに、メイン工程について
図5のフローチャートに基づき説明する。機械剛性kmと研削剛性kgはあらかじめ記録部351に記録しておき、主軸5と砥石車7を回転させた状態で、砥石台3を早送りで前進させて、砥石車7を工作物Wに接近させる(S1)。所定の砥石台送り速度で工作物Wの全周が研削されるように粗研削を実施する(S2)。中仕上げ研削工程を開始し、所定の回転数(3〜5回転が好適)工作物Wを回転する(S3)。振れ測定工程(詳細は後に説明)を実施し工作物Wの位相に対する振れ量を測定する(S4)。中仕上げ研削工程を終了する(S5)。振れ補正研削工程(詳細は後に説明)を実施し振れを除去する(S6)。仕上げ研削工程を実施する(S7)。砥石台を早送り後退させる(S8)。
【0025】
工作物Wの円周の5°毎の位置における振れを測定する振れ測定工程について、
図6のフローチャートに基づき説明する。
位相をカウントするカウンターC1の値を0に設定する(S20)。位相検出器9により測定された工作物の位相C1における、工作物径測定装置10により測定した工作物の直径を工作物直径D
C1として記録部351に記録する(S21)。主軸5を5°回転させる(S22)。カウンターC1の値に5を加算する(S23)。カウンターC1の値が540以上か否か判定する。C1≧540であればステップS25へ移動し、そうでないならステップS21へ移動する(S24)。実切込み量Uを演算部35において演算する。工作物Wの位相C1における実切込み量U
C1を式U
C1=D
C1−D
C1+180を用いてC1=0〜355について演算し記録部351に記録する(S25)。実切込み量差ΔUを演算部35において演算する。実切込み量U
C1(C1=0〜355)の中の最小の実切込み量であるminUを選定し、式ΔU
C1=U
C1−minUを用いてC1=0〜355について演算し記録部351に記録する(S26)。振れ量IR
C1を式IR
C1=ΔU
C1×kg/kmを用いてC1=0〜355について演算部35において演算し記録部351に記録する(S27)。
【0026】
振れ補正研削工程について
図7のフローチャートに基づき説明する。
工作物Wの回転位相を振れ補正研削開始位置(工作物位相は最小の振れ量minIRの位相Ckで、砥石台位置は中仕上げ研削終了の位置)へ割出す(S30)。振れ補正研削開始位置を基準として、主軸回転と砥石台切込みΔVを同期しながら1回転研削する。工作物の位相C1における砥石台切込みの量であるΔV
C1は式ΔV
C1=IR
C1×(1+kg/km)となる。これは、振れ補正に必要な実切込み量の増加量をΔUs
C1とし、その時の撓み量の増加量をΔTs
C1とすると切込み量の増加量はΔV
C1=ΔUs
C1+ΔTs
C1であり、ΔTs
C1=ΔUs
C1×kg/kmであるからΔV
C1=ΔUs
C1+ΔUs
C1×kg/kmとなる。振れを無くするために必要な実切込み量の増加量ΔUs
C1は、振れ測定工程で測定された振れ量IR
C1であるから、ΔUs
C1を振れ量IR
C1に置き換えて、ΔV
C1=IR
C1+IR
C1×kg/km=IR
C1×(1+kg/km)となる。
これにより、砥石台切込みΔVは振れ補正研削開始位置でΔV
Ck=0となり、工作物Wの回転に連れて徐々に増加しながら最大切込みに達した後に、徐々に減少しながら振れ補正研削開始位置で再びΔV
Ck=0となる(S31)。
【0027】
以上のように、本発明の実切込み量測定方法および加工方法を用いると、振れ止め装置を用いることなく、工作物の振れを1回転で除去することができる。振れ止め装置が不要なため振れ止め装置の調整や工作物毎の変更が不要で、振れ低減に要する研削時間も短縮されるため加工能率の高い研削盤を実現できる。
【0028】
(その他の実施形態)
上記事例では本発明を円筒外径の研削に適用した例について説明したが、内面研削や、工具として切削工具を用いた加工にも適用できる。
また、工作物径測定装置10を1個用いて、はじめに測定した時刻から工作物が180°回転した後の時刻に測定された工作物径の差により実切込み量を演算したが、
図8に示すようにΦの角度差で配置された2個の工作物径測定装置10a、10bを用いて測定してもよい。この場合、工作物径測定装置10aにより直径D
0を測定した時刻から工作物がΦ回転した後に工作物径測定装置10bにより直径D
1を測定し、各々で測定された工作物径の差により実切込み量を演算する。Φを180°より小さく設定しておくことでより短時間に実切込み量を演算でき、研削工程の制御の応答性を速くすることができる。
補正する位相間隔を小さくしたい場合5°より小さい間隔で測定をしてもよいし、測定点の中間の位相においては所望の位相間隔で補間計算することによりΔV
C1を求めてもよい。