JP5673855B2

JP5673855B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP5673855B2
Application number: JP2013544186A
Authority: JP
Inventors: 努大坪; 篤中川
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2032-10-09
Also published as: EP2781303A4; KR101533303B1; US20140249664A1; CN103945981B; EP2781303A1; EP2781303B1; KR20140078705A; WO2013073317A1; JPWO2013073317A1; US9658610B2; CN103945981A

Description

関連出願

この出願は、２０１１年１１月１６日出願の特願２０１１−２５０５９２の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

この発明は、旋盤、マシニングセンタ、研削盤、ドリル等の工作機械に関し、特にその熱変位補正に関する。

旋盤等の工作機械において、刃物台の送りや、主軸移動型旋盤における主軸台の送りの制御には、フィードバック制御系のあるクローズドループ制御が用いられる。通常は、サーボモータに付属のパルスコーダを利用したセミクローズドループ方式が採られるが、高精度な位置決めのために、刃物台等の位置をリニアエンコーダ等の直線位置検出手段で直接に読み取って制御するフルクローズドループ方式が採用されることがある。

また、工作機械では、切削熱や機械運転に伴う各部位の発熱のために、ベッドや他の部位の熱膨張、熱変形が生じる。このような熱膨張，熱変形は、加工精度の低下に繋がる。冷却装置を装備してその対策とするものもあるが、熱膨張を十分に抑えるには、冷却装置が大掛かりとなり、また冷却だけでは加工精度を確保することができない。

そのため、従来より、温度を計測することで、機械全体の熱変位を推測し、工具の切り込み量等の熱変位補正を行なうものが種々提案されている。しかし、温度から変位を推測する場合、温度から変位に計算する段階で時間遅れ等の複雑な計算が必要となる。温度変化には種々の要因があり、温度の計測値から精度良く熱変位補正を行うことが難しい。そのため、リニアスケール等で実際の熱変位を計測し、補正するものも提案されている。

例えば特許文献１に記載の工作機械は、図８に示すように、主軸台５１がベッド５２上に位置固定され、刃物台５３を搭載した送り台５４が主軸半径方向（Ｘ軸方向）に移動可能に設けられた旋盤であり、主軸台５１に取付けられ主軸半径方向に延びるスケール５５を、送り台５４に取付けられた読取部５６で読み取ることにより、刃物台５３の主軸半径方向における位置を計測する。この刃物台５３の主軸半径方向位置の計測値は、熱変位等により変化する。そこで、計測値に応じて刃物台５３の工具５７の切り込み量等を補正することで、常に適正な加工精度を確保する。

特開２００２−１４４１９１号公報

特許文献１のように、主軸台５１と送り台５４との相対位置だけを計測するのでは、送り台５４に対する刃物台５３の熱変位が生じた場合に、主軸軸心と工具の間の距離に誤差が生じる。

従来のフルクローズドループ方式の制御は、例えば刃物台移動型の旋盤では、刃物台の移動をリニアエンコーダ等の直線位置計測器で直接に読み取って制御を行うが、直線位置計測器の取付箇所に熱変位が生じた場合、高精度な制御が行えなくなる。そのため熱変位補正を行う手段を別に設ける必要がある。

ワークの加工寸法は、ワーク中心と工具の刃先との間の距離によって定まるため、この距離を直接に検出できれば、精度良く加工することができる。しかし、ワーク中心と工具の刃先との間の距離を直接に計測することは、計測手段がワークや工具に干渉することになるため、実現することができない。

この発明の目的は、ワーク中心と工具の刃先間の変位を、直接に計測する形態にできるだけ近い形態で計測できて、加工精度の向上を図ることができる工作機械を提供することである。

この発明のレーザ加工機を実施形態に用いた符号を付して説明する。この発明の工作機械は、ワークを支持するワーク支持手段と工具を支持する工具支持手段とを、固定基台上に互いに切り込み方向に沿って相対的に進退可能に設置し、前記ワーク支持手段と工具支持手段とを相対的に進退させる移動機構を設けた工作機械において、
前記ワーク支持手段の中心相当位置（Ｘｗ）と工具支持手段の刃先相当位置（Ｘｔ）との間の前記切り込み方向の距離であるワーク中心・刃先間距離（Ｌ）の変位量を計測する変位計測手段（３０）を設け、
この変位計測手段（３０）は、前記ワークおよび工具が相対移動する加工移動領域（Ｅ）を避けた前記ワーク支持手段の中心相当位置（Ｘｗ）と刃先相当位置（Ｘｔ）間の連続した経路（Ｃ）上に設けられてこの連続した経路（Ｃ）の変位量（ΔＬ，ΔＬ１，ΔＬ２）を計測することにより、前記ワーク中心・刃先間距離（Ｌ）の変位量（ΔＬ）を計測することを特徴とする。

なお、上記の「ワーク支持手段の中心相当位置（Ｘｗ）」とは、変位量の計測方向において、ワーク支持手段の中心と見なせる位置であり、変位量の計測方向と直交する方向に対して離れていても良い。しかし、ワーク支持手段の中心相当位置（Ｘｗ）は、変位量の計測方向にはワーク支持手段の中心にあって、かつワーク支持手段上にあるか、またはワーク支持手段と一体に前記直交方向に移動する部材上にある。また、「刃先相当位置（Ｘｔ）」とは、変位量の計測方向において、多少の位置の違いあっても良いが、刃先の位置に近くて、熱変位の影響については刃先位置を計測するのと同等に扱える位置を言う。

この構成によると、前記変位計測手段（３０）は、ワーク支持手段の中心相当位置（Ｘｗ）と刃先相当位置（Ｘｔ）間の連続した経路（Ｃ）上にあってこの連続した経路（Ｃ）の変位量（ΔＬ，ΔＬ１，ΔＬ２）を計測する。このため、迂回した経路上での計測とはなるが、工作機械の制御上の限度を考慮した実質上、ワーク中心と工具の刃先間の変位量を直接に計測する場合と同等の計測が行える。このように、主軸軸心に直交する方向のワーク中心と工具の刃先間の変位量を、直接に計測する場合と同等に計測できるため、切り込み方向についての加工精度を向上させることができる。

また、前記の変位量を計測する前記の連続した経路（Ｃ）は、加工のための前記ワーク支持手段と工具支持手段の相対移動によって前記ワークおよび前記工具が相対移動する加工移動領域（Ｅ）を避けた経路であるため、ワークや工具との干渉を避けて、変位計測手段（３０）を配置することができる。

前記制御装置による変位計測手段（３０）の計測値を用いた前記移動機構の位置制御は、例えば、前記変位計測手段（３０）の計測値を用いて、移動量または原点位置等の補正を行う。このように補正を行う場合に、変位計測手段（３０）による変位量の計測値を用いるため、温度計測値から熱変位補正を行うものと異なり、精度の良い補正が簡単な演算で済む。なお、前記変位計測手段（３０）が、ある程度長い距離の計測が行えて位置検出を行うものである場合は、補正演算によらずに、変位計測手段（３０）の計測値を直接に用いてフィードバック制御するようにしても良い。

この発明において、前記変位計測手段（３０）は、前記固定基台よりも熱膨張係数の低い低熱膨張材からなり前記連続した経路（Ｃ）上に位置して前記固定基台に設置された基準フレームと、切り込み方向に延びるスケールおよびこのスケールを読む読取ヘッドを有しこれらスケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームに設けられた直線位置検出手段とを有していてもよい。すなわち、上記の「加工移動領域（Ｅ）を避けた前記ワーク支持手段の中心相当位置（Ｘｗ）と刃先相当位置（Ｘｔ）間の連続した経路（Ｃ）上」という構成を、「前記連続した経路（Ｃ）上に位置して前記固定基台に設置された基準フレーム」という構成によって具現化する。なお、前記直線位置検出手段は、直線方向の位置を検出する検出手段のことである。前記熱膨張係数は線膨張係数と同義である。

固定基台よりも熱膨張係数の低い低熱膨張材からなる基準フレームを前記連続した経路（Ｃ）上に配置し、この基準フレームに直線位置検出手段を設置するため、ワーク表面と工具の刃先間の変位量を、直接に計測する形態に近い形態で計測することが、簡易な構成で実現可能となる。直線位置検出手段が、上記のようなスケールおよびこのスケールを読み取る読取りヘッドからなる場合に、上記のようにスケールおよび読取りヘッドを設置することで、上記の温度計測値による熱変位補正手段を設けることなく、熱変位にかかわらずに高精度にワーク支持手段と工具支持手段間の相対位置の移動制御が行えて、制御系が簡素にでき、かつ加工精度の向上が図れるという効果が実現される。また、工作機械において一般的に用いられる直線位置検出手段を用いて、この発明の上記各効果を得ることができる。

前記基準フレームを設ける場合に、基準フレームが、前記ワーク支持手段の中心の軸心に沿う方向に延びる軸心方向フレーム部と前記軸心と直交する方向に延びる直交方向フレーム部とを有し、前記直線位置検出手段として、前記ワーク支持面の中心相当位置（Ｘｗ）と前記基準フレームとの間の変位量を計測するワーク側の直線位置検出手段と、前記刃先相当位置（Ｘｔ）と前記基準フレームとの間の変位量を計測する工具側の直線位置検出手段とを有するものとしても良い。

この場合、ワーク中心と工具の刃先間の変位量（ΔＬ）を、直接に計測する形態に近い形態で計測することができる、より具体的な構成となる。すなわち、ワーク側の直線位置検出手段および工具側の直線位置検出手段を設け、ワーク支持手段の中心相当位置（Ｘｗ）の変位量（ΔＬ１）と刃先相当位置（Ｘｔ）の変位量（ΔＬ２）との両方を計測して制御に用いるため、ワーク支持手段に支持されたワークと工具支持手段に設置された工具の刃先との間の距離を、精度良く検出することができる。

また、ワーク側の直線位置検出手段および工具側の直線位置検出手段は、固定基台に設置された低熱膨張材からなる検出手段支持枠に設置し、かつ共通の検出手段支持枠に設置したため、前記固定基台や移動機構の熱変位に係わらずに、ワーク側の直線位置検出手段と工具側の直線位置検出手段の検出値から、ワークと工具刃先間の距離を精度良く検出できる。すなわち、理想的には、熱変形しない検出手段支持枠および直線位置検出手段で、移動や熱変形後のワーク位置と工具位置を検出することになり、ワークと工具刃先間の距離を精度良く検出できる。そのため、ワーク側の直線位置検出手段および工具側の直線位置検出手段の両方の検出値を用いて前記移動機構を制御する制御装置を設けたことで、温度計測による煩雑な熱変位補正を行うことなく、精度良く加工することができ、制御系も簡素になる。

このワーク側の直線位置検出手段と工具側の直線位置検出手段とを設ける構成は、工作機械のワーク支持手段と工具支持手段との各種の相対移動の形式に応じて、次のように実現される。

その一つは、主軸移動型の工作機械において、前記工具支持手段が前記固定基台上に位置固定に設置され、前記ワーク支持手段が、前記固定基台上で前記軸心と直交する方向に移動する送り台上に、前記軸心に沿う方向に移動可能に設置され、前記ワーク側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記直交方向フレーム部に設けられ、他方が前記送り台に設けられ、前記工具側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの軸方向フレーム部に設けられ、他方が前記工具支持手段に設けられたものである。この構成の場合、主軸移動型の工作機械において、ワーク表面と工具の刃先間の変位量を、直接に計測する形態にできるだけ近い形態で計測できて、加工精度の向上を図ることができる。

他の一つは、前記ワーク支持手段が前記固定基台上に位置固定に設置され、前記工具支持手段が、前記固定基台上で前記軸心と直交する方向に移動する送り台上に、前記軸心に沿う方向に移動可能に設置され、前記ワーク側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記直交方向フレーム部に設けられ、他方が前記ワーク支持手段に設けられ、前記工具側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記軸心方向フレーム部に設けられ他方が前記工具支持手段に設けられたものである。この構成の場合、工具移動型の工作機械において、ワーク中心と工具の刃先間の変位量を、直接に計測する形態にできるだけ近い形態で計測できて、加工精度の向上を図ることができる。

さらに他の一つは、前記ワーク支持手段が前記固定基台上に前記軸心と直交する方向に移動自在に設置され、前記工具支持手段が、前記固定基台上で主軸軸心に沿う方向に移動自在に設置され、前記ワーク側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記直交方向フレーム部に設けられ、他方が前記ワーク支持手段に設けられ、前記工具側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記軸心方向フレーム部に設けられ他方が前記工具支持手段に設けられたものである。この構成の場合、主軸が主軸軸心と直交する方向に移動する、主軸，工具双方工具移動型の工作機械において、ワーク中心と工具の刃先間の変位量を、直接に計測する形態にできるだけ近い形態で計測できて、加工精度の向上を図ることができる。

さらに他の一つは、前記ワーク支持手段が前記固定基台上に主軸軸心に沿う方向に移動自在に設置され、前記工具支持手段が、前記固定基台上で前記軸心と直交する方向に移動自在に設置され、前記ワーク側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記直交方向フレーム部に設けられ、他方が前記ワーク支持手段に設けられ、前記工具側の直線位置検出手段は、記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームに設置され他方が前記工具支持手段に設けられたものである。この構成の場合、主軸が主軸軸心に沿う方向に移動する、主軸，工具双方工具移動型の工作機械において、ワーク中心と工具の刃先間の変位量を、直接に計測する形態にできるだけ近い形態で計測できて、加工精度の向上を図ることができる。

この発明において、前記移動機構を制御する制御装置を設け、この制御装置は、前記ワーク支持手段と工具支持手段とを前記軸心と直交する方向に相対的に進退させるモータを制御するＸ軸の移動制御手段と、加工プログラムの移動命令の指令値により前記Ｘ軸の移動制御手段へ指令値を与える演算制御部とを有し、前記演算制御部に、前記変位計測手段（３０）の変位量の計測値によって前記Ｘ軸の移動制御手段へ与える指令値を補正する補正手段を有するものとしても良い。この構成の場合、前記変位計測手段（３０）の計測値は補正に用いるため、変位計測手段（３０）は短いもので済み、そのため安価で高精度の変位計測手段（３０）を入手して用いることができる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
（Ａ）はこの発明の第１実施形態に係る工作機械おける工作機械本体の平面図と制御装置の概念構成のブロック図とを組み合わせた説明図、（Ｂ）はその一部の説明図である。同工作機械本体の斜視図である。同工作機械の変位計測手段の部分拡大平面図である。同工作機械の工作機械本体の平面図である。この発明の第２実施形態に係る工作機械の工作機械本体の平面図である。この発明の第３実施形態に係る工作機械の工作機械本体の平面図である。この発明の第４実施形態に係る工作機械の工作機械本体の平面図である。従来の工作機械における工作機械本体の平面図である。

この発明の第１実施形態を図１（Ａ）および（Ｂ）ないし図４と共に説明する。この工作機械は数値制御式の工作機械であり、機械部分である工作機械本体１と、この工作機械本体１を制御する制御装置２とで構成される。工作機械本体１は、主軸移動型の旋盤であり、固定基台であるベッド３上に送り台４を介して設置された主軸台５に、主軸６が回転自在に支持され、ベッド３上に刃物台７が、支持台２６を介して設置されている。支持台２６は、ベッド３に固定して設置されている。刃物台７はタレットからなり、支持台２６に回転割出可能に支持されている。前記主軸６および主軸台５によりワーク支持手段２１が構成される。前記刃物台７および支持台２６により、工具支持手段２２が構成される。

送り台４は、ベッド３に設けられたＸ軸案内９上を、主軸６の軸心Ｏに対して直交する水平な主軸半径方向（Ｘ軸方向）に移動自在に設置され、ベッド３上に設置されたサーボモータ１０とその回転出力を直線動作に変換する送りねじ機構１１とからなるＸ軸移動機構１２によって左右に進退駆動される。前記送りねじ機構１１は、ねじ軸とナットとからなる。図２のように、主軸台５は、送り台４上に設けられたＺ軸案内１３上に主軸軸心方向（Ｚ軸方向）に移動自在に設置され、送り台４上に設置されたサーボモータ１４とその回転出力を直線動作に変換する送りねじ機構１５（図１（Ａ））からなるＺ軸移動機構１６によって前後に進退駆動される。前記送りねじ機構１５は、ねじ軸とナットとからなる。主軸６の回転駆動は、主軸台５に内蔵の主軸モータ（図示せず）よって行われる。主軸６の前端にはチャック１７が着脱可能に設けられている。チャック１７は、チャック半径方向に移動する複数のチャック爪１７ａにより、ワークＷを把持可能である。

図１（Ａ）の刃物台７は、支持台２６に対してＸ軸方向に沿う水平な回転中心軸Ｔ回りに回転自在であり、外周部に円周方向に並ぶ複数の工具取付部（図示せず）を有している。回転中心軸Ｔは、刃物台中心軸となる。各工具取付部に、工具ホルダ１８ａを介してバイトや回転工具等の工具１８が取付けられる。刃物台７は、軸受８を介して支持台２６に回転自在に支持された中空軸７ｃの先端に固定されており、割出用モータ（図示せず）で中空軸７ｃを回転させることにより、任意の工具取付部が主軸６に対向する位置に旋回割出しされる。刃物台７は、その正面形状が、図２に示すような円形状であっても、また多角形状であっても良い。なお、図１（Ａ），図２では、工具１８は一部の工具取付部に取付けられたもののみを示し、他は図示を省略してある。

図１（Ａ）において、この実施形態の工作機械は、前記基本構造の工作機械本体１に、ワーク支持手段２１の中心相当位置Ｘｗと工具支持手段２２の刃先相当位置Ｘｔとの間の、主軸軸心Ｏに直交する方向（Ｘ方向）の距離であるワーク中心・刃先間距離Ｌの変位量ΔＬ（図示せず）を計測する変位計測手段３０を設けたものである。ワーク支持手段２１のワーク支持面２１ａは、図示の例では主軸６に設けられたチャック１７のワーク着座面である。この例では、ワーク支持面２１ａの中心は、ワーク支持手段２１の変位量計測方向（この例ではＸ軸方向）の中心となる。

ワーク支持手段２１の中心相当位置Ｘｗは、変位量の計測方向（この例ではＸ軸方向）において、ワーク支持手段２１の中心と見なせる位置であり、変位量の計測方向と直交する方向である上下方向又は前後方向に対して離れていても良い。このワーク支持手段２１の中心相当位置Ｘｗは、変位量の計測方向（Ｘ軸方向）にはワーク支持手段２１の中心にあって、かつワーク支持手段２１上であるか、またはワーク支持手段２１と一体に前記直交方向（Ｘ軸方向）に移動する部材上の位置である。この実施形態では、ワーク支持手段２１の中心相当位置Ｘｗは、図２のように、送り台４の前面（Ｚ軸方向の刃物台７側の面）における主軸軸心Ｏと同じＸ軸方向位置である。

また、刃先相当位置Ｘｔは、変位量の計測方向において、多少の位置の違いあっても良いが、工具１８の刃先の位置に近くて、熱変位の影響については刃先位置を計測するのと同等に扱える位置であり、この実施形態では、タレットからなる刃物台７の前面（Ｘ軸方向の送り台７側の面）位置とされている。刃先相当位置Ｘｔと実際の刃先位置と間のＸ軸方向の距離Ｌ０（図３）は、例えば固定値として演算する。

図１（Ｂ），図４に斜線を施した範囲（加工移動領域）Ｅは、加工のためのワーク支持手段２１と工具支持手段２２の相対移動によってワークＷおよび工具１８が相対移動する領域である。変位計測手段３０は、前記ワーク支持手段２１の中心相当位置Ｘｗと刃先相当位置Ｘｔ間の連続した経路Ｃ上に設けられ、この連続した経路Ｃの変位量を計測することにより、前記ワーク中心・刃先間距離Ｌの変位量ΔＬを計測する。経路Ｃは、前記加工移動領域Ｅを避けた領域を通る。この経路Ｃは、平面視で後述の基準フレーム４０上に沿う経路であり、経路部分Ｃ１〜Ｃ３からなる。変位計測手段３０は、低熱膨張材の基準フレーム４０と、この基準フレーム４０に設けられたワーク側（直交方向）および工具側（軸心方向）の直線位置検出手段３１，３２とで構成される。

基準フレーム４０の材質は、ベッド３よりも熱膨張係数の低い材料である低熱膨張材、例えばインバー（不変鋼とも言う）等の合金材料、特にスーパーインバーやステンレスインバー等の合金材料からなる。基準フレーム４０は、インバーの他に、インバーと同等以下の熱膨張係数の合金材料でも、セラミックス等であっても良い。

基準フレーム４０は、固定基台であるベッド３に、基準フレーム４０の一部となる１箇所の取付部で固定して設置される。具体的には、基準フレーム４０は、ベッド３の上面に下端が固定された１本の支柱部４０ｃを有し、この支柱部４０ｃの下端が前記取付部を構成する。上記「１箇所の」とは、ある程度の範囲を持っていても、分岐された２つの部分等であっても良く、基準フレーム４０の全体として、両端固定のような複数箇所ではなく、概念的に１点支持と見なせる箇所で固定されていることを言う。また、基準フレーム４０のベッド３への固定箇所は１箇所であることが望ましいが、基準フレーム４０に対するベッド３０の熱伸縮等を阻害しないスライド構造等で他の箇所が支持されていても良い。

基準フレーム４０は、主軸軸心Ｏに沿う方向に延びる軸心方向フレーム部４０ａと、主軸軸心Ｏに対して直交する方向に延びる直交方向フレーム部４０ｂとを有し、平面視でＬ字状である。これら、軸心方向フレーム部４０ａおよび直交方向フレーム部４０ｂは、前記支柱部４０ｃから片持ち状に延びるように設けられている。軸心方向フレーム部４０ａは、タレットからなる刃物台７の回転中心の高さで、支持台２６の背面（後面）側に位置している。直交方向フレーム部４０ｂは、送り台４の高さ位置で、送り台４の前面に近づけて配置されている。軸心方向フレーム部４０ａのＺ軸方向中間部と支柱部４０ｃの下部とは、補強用の斜材部４０ｅにより連結されている。基準フレーム４０は、その全体が前記低熱膨張材で構成されている。

前記各直線位置検出手段３１，３２は、いずれも、主軸軸心Ｏに直交する方向（Ｘ軸方向）に延びる第１および第２スケール３１ａ，３２ａと、この第１および第２スケール３１ａ，３２ａを読み取る第１および第２読取ヘッド３１ｂ，３２ｂとでなる。第１および第２スケール３１ａ，３２ａは、検出可能な目盛を設けた部材である。各直線位置検出手段３１，３２は、光学式の検出手段と磁気式の検出手段とのいずれであっても良いが、この例では光学式の検出手段とされている。

ワーク側の直線位置検出手段３１は、第１スケール３１ａが直交方向フレーム部４０ｂに設けられ、第１読取ヘッド３１ｂが送り台４の前面における前記ワーク支持面２１ａの中心相当位置Ｘｗに設置されている。第１スケール３１ａは、直交方向フレーム部４０ｂに直接に目盛りを施したものであっても、また目盛りが形成された目盛り形成部材（図示せず）を直交方向フレーム部４０ｂに貼り付けたものであっても良い。目盛り形成部材を用いる場合、熱膨張係数が基準フレーム４０と同等の材料とされる。第１スケール３１ａの長さは、熱変位等によるワーク中心・刃先間距離Ｌの変位量ΔＬの計測時に、その変位量が計測できる長さであれば良く、したがって短いものであっても良い。変位量ΔＬの計測を行う箇所が、主軸直交方向（Ｘ軸方向）の複数箇所である場合は、第１スケール３１ａの長さは、それら複数箇所に渡る長さとされるか、または変位量ΔＬが計測可能な長さである短いものを複数箇所に分けて設けられる。

なお、第１スケール３１ａは上記のように短いもので良いため、送り台４に第１スケール３１ａを設け、直交方向フレーム部４０bに第１読取ヘッド３１ｂを設けても良い。この他に、第１スケール３１ａは、送り台４の移動範囲の全域に渡って設けたものであっても良く、その場合、Ｘ軸方向の位置制御をフルクローズド制御とできるが、長尺を計測できるワーク側の直線位置検出手段３１は高精度なものが得難く、コストや精度面から、第１スケール３１ａは変位量ΔＬが計測可能な範囲で短いものが好ましい。

工具側の直線位置検出手段３２は、第２スケール３２ａが工具支持手段２２に設けられ、第２読取ヘッド３２ｂが基準フレーム４０の軸心方向フレーム部４０ａに設けられている。工具側の直線位置検出手段３２も、光学式と磁気式のいずれの位置センサであって良いが、この例では光学式の位置センサが用いられている。

工具側の直線位置検出手段３２は、具体的には次のように設けられる。第２スケール３２ａは、刃物台７に固定された軸部材３２ａａの先端部に設けられている。軸部材３２ａａは、刃物台７の中空軸７ｃ内に挿通されて基端部が刃物台７の回転部分の前板部７ｄ（図３）に回転中心軸Ｔと同心に固定され、先端部が中空軸７ｃから突出している。この突出した先端部に第２スケール３２ａが設けられている。軸部材３２ａａは、基準フレーム４０と同じかまたは同程度の熱膨張係数の材料からなり、基端の固定部分以外は工具支持手段２２に対して軸方向に非拘束である。第２スケール３２ａは、軸部材３２ａａの周方向の一部かまたは全周に渡って目盛りが設けられる。第２読取りヘッド３２ｂには、図示の例では、軸部材３２ａａが挿通自在に設けられているが、軸部材３２ａａの一部の面に対向するように設けられたものであっても良い。

図１（Ａ）において、制御系を説明する。制御装置２は、コンピュータ式の数値制御装置およびプログラマブルコントローラからなり、プログラム記憶手段４１に記憶された加工プログラム４２を、ＣＰＵ（中央処理装置）等からなる演算制御部４３で実行することにより、工作機械本体１の各部を制御する。制御装置２は、演算制御部４３の他にＸ軸の移動制御手段４４とＺ軸の移動制御手段４５を有し、かつシーケンス制御部（図示せず）を有する。加工プログラム４２は、ＮＣコード等により記述されたＸ軸移動命令Ｒｘ、およびＺ軸移動命令Ｒｚや、各部のシーケンス制御命令（図示せず）を有しており、演算制御部４３は各命令を記述順に読み出す。その読み出されたシーケンス制御命令は、前記シーケンス制御部に転送され、シーケンス制御部によって制御が実行される。

演算制御部４３は、加工プログラム４２におけるＸ軸移動命令Ｒｘを、Ｘ軸移動制御手段４４にＸ軸の位置指令として与え、Ｚ軸移動命令Ｒｚを、Ｚ軸移動制御手段４５にＸ軸の位置指令として与える。後述の補正手段４７を機能させる場合は、補正後の位置指令を与える。

Ｘ軸の移動制御手段４４およびＺ軸の移動制御手段４５は、それぞれＸ軸およびＺ軸のサーボコントローラからなり、演算制御部４３から与えられたＸ軸およびＺ軸の指令位置となるように、Ｘ軸サーボモータ１０およびＺ軸サーボモータ１４を制御する。このときＸ軸，Ｚ軸の移動制御手段４４，４５は、Ｘ軸サーボモータ１０およびＺ軸サーボモータ１に付属のパルスコーダまたはエンコーダからなる位置検出器１０ａ，１４ａの位置検出値を用い、セミクローズループ制御となるフィードバック制御を行う。

演算制御部４３には、読み取り制御手段４６および補正手段４７が設けられている。
読み取り制御手段４６は、Ｘ軸サーボモータ１０の位置検出器１０ａで検出される位置が定められた検出位置にあり、かつ検出時として定められた時に、前記各直線位置検出手段３１，３２の第１および第２読取ヘッド３１ｂ，３２ｂの検出値を読み取る手段である。前記の「定められた検出位置」は、読み取り制御手段４６に任意に定めておけば良いが、例えば、主軸６のチャック１７で支持されたワークＷを工具１８によって加工できる位置に、工具１８が主軸６に対して位置する範囲内の位置で、任意に定めた位置である。

具体的には、主軸６の軸心Ｏと工具１８の刃先の位置とのＸ軸方向の距離Ｌが、主軸６のチャック１７に支持されるワークＷの半径内、またはこの半径に任意の余裕距離を加えた半径内において、任意に定めた位置である。これから加工しようとするワークＷの周面の加工仕上げ径となる位置であっても良い。この任意に定める位置は、固定の値としても良く、または加工プログラム４２や操作盤等からの操作で変えられた値であっても良い。

上記の「検出時として定められた時」は、加工プログラム４２等によって任意に定めれば良いが、例えばワークＷを加工する直前や、一つのワークＷを加工して次のワークＷを加工する間における定められた時である。主軸６にワークＷが支持されている状態で読み取るときは、工具１８がワークＷに干渉しないように、工具１８とワークＷとをＺ軸方向に離した状態、または工具１８がワークＷに接触していないが近接した位置にあるとき、つまり上記の「任意の余裕距離」の範囲にあるときである。

補正手段４７は、加工プログラム４１のＸ軸移動命令で与えられるＸ軸指令値を、両直線位置検出手段３１，３２で検出された変位量ΔＬで補正し、Ｘ軸の移動制御手段４４に与える処理を行う。補正量は、検出された変位量ΔＬ、すなわち両直線位置検出手段３１，３２でそれぞれ検出された変位量ΔＬ１，ΔＬ２の和ΔＬ（＝ΔＬ１＋ΔＬ２）をそのままオフセット値として補正しても良く、検出された変位量ΔＬに定められた係数を掛けた値をオフセット値として補正しても良い。また、各直線位置検出手段３１，３２で変位検出を行ったときの主軸軸心Ｏと工具刃先位置との距離（Ｘ軸サーボモータ１０の位置検出器１０ａで検出した位置）と、ワークＷの加工面の半径との差に応じて、前記の検出された変位量ΔＬに係数を掛けて補正量としても良い。なお、各直線位置検出手段３１，３２で計測される変位量は、例えば、工作機械が常温（摂氏２０度）であるときに、零であるとする。

上記構成の工作機械による加工方法の例を説明する。複数のワークＷの切削加工を順次行う場合、主軸６のチャック１７からワークＷが搬出されて次のワークＷが搬入されるまでの間に、上記の定められた検出位置に刃物台７を主軸６に対して相対移動させ（この例では主軸６が移動）、上記各直線位置検出手段３１，３２で変位量ΔＬの計測を行う。あるいはこれから加工しようとするワークＷが主軸６のチャック１７に把持されている状態で、変位量ΔＬの計測を行う。この計測された変位量ΔＬで、加工時における、加工プログラム４１のＸ軸移動命令ＲｘのＸ軸指令値を補正手段４７により補正し、Ｘ軸方向の切り込みの制御を行う。

この構成の工作機械によると、変位計測手段３０となる各直線位置検出手段３１，３２は、ワーク支持手段２１の中心相当位置Ｘｗと刃先相当位置Ｘｔ間の連続した経路Ｃ上にあってこの連続した経路Ｃの変位量を計測する。このため、迂回した経路上での計測とはなるが、工作機械の構造や制御上の限度を考慮した実質上で、ワークＷの中心と工具１８の刃先間の変位量を直接に計測する場合と同等の計測が行える。このように、主軸軸心Ｏに直交する方向（Ｘ軸方向）のワークＷ表面と工具１８の刃先間の変位量を、直接に計測する場合と同等に計測できるため、切り込み方向についての加工精度を向上させることができる。

また、変位量を計測する連続した経路Ｃは、加工のためのワーク支持手段２１と工具支持手段２２の相対移動によってワークＷおよび工具１８が相対移動する領域である加工移動領域Ｅを避けた領域における経路であるため、ワークＷや工具１８との干渉を避けて、変位計測手段３０を配置することができる。

Ｘ軸の移動制御手段４４による変位計測手段３０の計測値を用いたＸ軸移動機構１２の位置制御は、変位計測手段３０の各直線位置検出手段３１，３２の計測値を単に加算するか、または係数を掛けて値で補正するオフセット補正とされる。そのため、温度計測値から熱変位補正を行うものと異なり、精度の良い補正が簡単な演算で済む。

変位計測手段３０を構成するワーク側の直線位置検出手段３１および工具側の直線位置検出手段３２は、固定基台であるベッド３に１箇所で設置された低熱膨張材からなる共通の基準フレーム４０に設置したため、ベッド３やＸ軸移動機構１２の熱変位に係わらずに、ワーク側の直線位置検出手段３１と工具側の直線位置検出手段３２の検出値から、ワークＷと工具刃先間の距離を精度良く検出できる。すなわち、理想的には、熱変形しない基準フレーム４０および各直線位置検出手段３１，３２で、移動や熱変形後のワーク位置と工具位置を検出することになり、ワークＷと工具刃先間の距離を精度良く検出できる。

そのため、ワーク側の直線位置検出手段３１および工具側の直線位置検出手段３２の両方の検出値を用いてＸ軸指令値を補正する補正手段４７を設けたことで、温度検出値による熱変位補正を行うことなく、精度良く加工することででき、制御系も簡素になる。基準フレーム４０は、ベッド３に１箇所で固定されているため、ワーク支持手段２１と工具支持手段２２間に作用する切削反力等の加工による力を受けず、またベッド３の変形の影響を受けず、そのため加工力で変形せず、これによっても、より精度良く位置検出が行えて、精度良く加工することができる。

また、旋盤では、切り込み方向の加工精度と送り方向の加工精度のうち、切り込み方向の寸法に、より高い精度が求められる。この実施形態の場合、ワーク側の直線位置検出手段３１および工具側の直線位置検出手段３２が、いずれも主軸中心軸Ｏに直交する方向（Ｘ軸方向）の位置を検出するものであるため、高精度化の要求の強い切り込み方向の位置制御が高精度に行える。切り込み方向と送り方向の両方を、基準フレーム４０に直線位置検出手段を設けて検出することは、構成が複雑になって困難な場合があるが、この実施形態では切り込み方向のみを各直線位置検出手段３１，３２で検出し、送り方向につてはサーボモータ１４に付属の位置検出器１４ａを用いて制御しているため、構成の複雑化を回避して必要な精度を満足することができる。なお、この実施形態では、Ｚ軸方向の熱変位補正は不要であるが、適宜のリニアライズ手段や、補正手段を追加して設けても良い。

また、この実施形態では、変位計測手段３０は補正に用いるようにしたため、変位計測手段３０で用いてフルクローズド制御するものと異なり、変位計測手段３０となる各直線位置検出手段３１，３２が短いもので済む。そのため、安価で高精度の各直線位置検出手段３１，３２を入手して用いることができる。

上記実施形態では、主軸移動型の旋盤に適用した場合につき説明したが、図５に示す刃物台移動型の旋盤や、図６，図７にそれぞれ示す主軸・刃物台双方移動型の旋盤にもこの発明を適用することができる。なお、以下の各実施形態において、図１〜図４に示した第１実施形態と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。

図５は、刃物台移動型の旋盤である工作機械で適用した第２実施形態である。この実施形態では、ワーク支持手段２１が固定基台であるベッド３上に位置固定に設置され、工具支持手段２２が、ベッド３上で主軸軸心Ｏと直交する方向（Ｘ軸方向）に移動する送り台２７上に、主軸軸心Ｏに沿う方向に移動可能に設置されている。ワーク側の直線位置検出手段３１は、前記第１スケール３１ａが基準フレーム４０の直交方向フレーム部４０ｂに設けられ、第１読取ヘッド３１ｂがワーク支持手段２１に設けられている。工具側の直線位置検出手段３２は、第２読取ヘッド３２ｂが基準フレーム４０の軸心方向フレーム部４０ａの先端に設けられ、第２スケール３２ａが工具支持手段２２に設けられている。

この構成の場合、刃物台移動型の工作機械において、変位計測手段によりワーク中心と工具１８の刃先間の変位量を、直接に計測する形態にできるだけ近い形態で計測できて、加工精度の向上を図ることが実現される。

図６は、主軸・刃物台双方移動型で主軸６が主軸軸心Ｏと直交する方向（Ｘ軸方向）に移動する旋盤からなる工作機械に適用した第３実施形態である。この実施形態ではワーク支持手段２１の主軸台５が固定基台であるベッド３上に主軸軸心Ｏと直交する方向に移動自在に設置され、工具支持手段２２は、ベッド３上で主軸軸心Ｏに沿う方向に移動自在に設置されている。ワーク側の直線位置検出手段３１は、第１スケール３１ａが基準フレーム４０の直交方向フレーム部４０ｂに設けられ、第１読取ヘッド３１ｂがワーク支持手段２１に設けられている。工具側の直線位置検出手段３２は、第２読取ヘッド３２ｂが基準フレーム４０の軸心方向フレーム部４０ａに設けられ、第２スケール３２ａが工具支持手段２２に設けられている。この構成の場合も、工具側の直線位置検出手段３２における第２読取ヘッド３２ｂは、刃物台７のＺ軸方向移動を妨げないように、第１スケール３１ａと共に軸心方向フレーム部４０ａに沿って移動自在なように、案内レール２９によって案内される。

この構成の場合、主軸６が主軸軸心Ｏと直交する方向に移動する、主軸・工具双方工具移動型の工作機械において、ワーク中心と工具１８の刃先間の変位量を、直接に計測する形態にできるだけ近い形態で計測できて、加工精度の向上を図ることが実現される。

図７は、主軸・刃物台双方移動型で主軸６が主軸軸心Ｏに沿う方向（Ｚ軸方向）に移動する旋盤からなる工作機械に適用した第４実施形態である。この実施形態では、ワーク支持手段２１の主軸台５が固定基台であるベッド３上に主軸軸心Ｏに沿う方向（Ｚ軸方向）に移動自在に設置され、工具支持手段２２が、ベッド３上で主軸軸心Ｏと直交する方向（Ｘ軸方向）に移動自在に設置されている。ワーク側の直線位置検出手段３１は、第１スケール３１ａが基準フレーム４０の直交方向フレーム部４０ｂに設けられ、第１読取ヘッド３１ｂがワーク支持手段２１に設けられている。工具側の直線位置検出手段３２は、第２読取ヘッド３２ｂが基準フレーム４０に設置され第２スケール３２ａが工具支持手段２２に設けられている。

この構成の場合、主軸６が主軸軸心Ｏに沿う方向に移動する、主軸・工具双方工具移動型の工作機械において、ワーク中心と工具１８の刃先間の変位量を、直接に計測する形態にできるだけ近い形態で計測できて、加工精度の向上を図ることが実現される。

なお、図６〜図７の第２および第３実施形態において、第１および第２スケール３１ａ，３２ａと第１および第２読取ヘッド３１ｂ，３２ｂとを設ける箇所は、基準フレーム４０側に設けるかワーク支持手段２１等の被計測側に設けるかを、互いに逆にしても良い。また、変位計測手段３０は、上記各実施形態ではワーク側の直線位置計測手段３１と工具側の直線位置計測手段３２との２つの検出手段で構成したが、例えば、これら２つに、基準フレーム４０の変位を検出する手段を加えるなどして、３つ以上の検出手段で構成してもよく、また変位計測手段３０の全体で検出手段を一つだけとしても良い。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。例えば、上記各実施形態は、タレット型の旋盤に適用した場合につき説明したが、タレット型以外の、例えばくし歯型の旋盤にも適用できる。さらに、旋盤以外の工作機械にも、この発明を適用することができる。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。

１工作機械本体
２制御装置
３ベッド（固定基台）
４送り台
５主軸台
６主軸
７刃物台
１０サーボモータ
１０ａ位置検出器
１１送りねじ機構
１２Ｘ軸移動機構
１４サーボモータ
１４ａ位置検出値
１６Ｚ軸移動機構
１７チャック
１８工具
２１ワーク支持手段
２１ａワーク支持面
２２工具支持手段
３０変位計測手段
３１直交方向の直線位置検出手段（ワーク側の直線位置検出手段）
３２軸心方向の直線位置検出手段（工具側の直線位置検出手段）
３１ａ第１スケール
３１ｂ第１読取ヘッド
３２ａ第２スケール
３２ｂ第２読取ヘッド
３２ａａ軸部材
４０基準フレーム
４０ａ直交方向フレーム部
４０ｂ軸心方向フレーム部
４３演算制御部
４４Ｘ軸移動制御手段
４５Ｚ軸移動制御手段
４６読み取り制御手段
４７補正手段
Ｃ経路
Ｅ領域
Ｌワーク中心・刃先間距離
Ｏ主軸軸心
Ｘｔ刃先相当位置
Ｘｗ中心相当位置
Ｗワーク

Claims

ワークを支持するワーク支持手段と工具を支持する工具支持手段とを、固定基台上に互いに切り込み方向に沿って相対的に進退可能に設置し、前記ワーク支持手段と工具支持手段とを相対的に進退させる移動機構を設けた工作機械において、
前記ワーク支持手段の中心相当位置と工具支持手段の刃先相当位置との間の、前記切り込み方向の距離であるワーク中心・刃先間距離の変位量を計測する変位計測手段を設け、
この変位計測手段は、前記ワークおよび工具が相対移動する加工移動領域を避けた前記ワーク支持手段の中心相当位置と刃先相当位置間の連続した経路上に設けられてこの連続した経路の変位量を計測することにより、ワーク中心・刃先間距離の変位量を計測し、
前記変位計測手段は、前記固定基台よりも熱膨張係数の低い低熱膨張材からなり前記連続した経路上に位置して前記固定基台に設置された基準フレームと、前記切り込み方向に延びるスケールおよびこのスケールを読む読取ヘッドを有しこれらスケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームに設けられた直線位置検出手段とでなる工作機械。
前記基準フレームが、前記ワーク支持手段の中心の軸心に沿う方向に延びる軸心方向フレーム部と前記軸心と直交する方向に延びる直交方向フレーム部とを有し、前記直線位置検出手段として、前記ワーク支持面の中心相当位置と前記基準フレームとの間の変位量を計測するワーク側の直線位置検出手段と、前記刃先相当位置と前記基準フレームとの間の変位量を計測する工具側の直線位置検出手段とを有する請求項１記載の工作機械。
前記工具支持手段が前記固定基台上に位置固定に設置され、前記ワーク支持手段が、前記固定基台上で前記軸心と直交する方向に移動する送り台上に、前記軸心に沿う方向に移動可能に設置され、
前記ワーク側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記直交方向フレーム部に設けられ、他方が前記送り台に設けられ、
前記工具側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記軸心方向フレーム部に設けられ、他方が前記工具支持手段に設けられた請求項２記載の工作機械。
前記ワーク支持手段が前記固定基台上に位置固定に設置され、前記工具支持手段が、前記固定基台上で前記軸心と直交する方向に移動する送り台上に、前記軸心に沿う方向に移動可能に設置され、
前記ワーク側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記直交方向フレーム部に設けられ、他方が前記ワーク支持手段に設けられ、
前記工具側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記軸心方向フレーム部に設けられ他方が前記工具支持手段に設けられた請求項２記載の工作機械。
前記ワーク支持手段が前記固定基台上に前記軸心と直交する方向に移動自在に設置され、前記工具支持手段が、前記固定基台上で前記軸心に沿う方向に移動自在に設置され、
前記ワーク側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記直交方向フレーム部に設けられ、他方が前記ワーク支持手段に設けられ、
前記工具側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記軸心方向フレーム部に設けられ他方が前記工具支持手段に設けられた請求項２記載の工作機械。
前記ワーク支持手段が前記固定基台上に前記軸心に沿う方向に移動自在に設置され、前記工具支持手段が、前記固定基台上で前記軸心と直交する方向に移動自在に設置され、
前記ワーク側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームの前記直交方向フレーム部に設けられ、他方が前記ワーク支持手段に設けられ、
前記工具側の直線位置検出手段は、前記スケールおよび読取ヘッドのいずれか一方が前記基準フレームに設置され他方が前記工具支持手段に設けられた請求項２記載の工作機械。
前記移動機構を制御する制御装置を設け、この制御装置は、前記ワーク支持手段と工具支持手段とを前記軸心と直交する方向に相対的に進退させるモータを制御するＸ軸の移動制御手段と、加工プログラムの移動命令の指令値により前記Ｘ軸の移動制御手段へ指令値を与える演算制御部とを有し、前記演算制御部に、前記変位計測手段の変位量の計測値によって前記Ｘ軸の移動制御手段へ与える指令値を補正する補正手段を有する請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の工作機械。