927 小 特 集 FA(フ 計 測 と 制 御 Vol.22, No.11 [ ァ ク トリ ー オ ー トメ ー シ ョ ン) (昭和58年11月) 《解 ] 説》 工 作 機 械 と 運 転 監 視 多 表1 1. 島 康 夫＊ 工作機械進歩発展の主要テ ーマ 工 作 機 械 の基 本 特 性 工 作機 械 に要 求 され る最 も基 本 的 な機 能 は,素 材 の 不 要 な 部 分 を 除 去 し所 望 の 形 状 に 加 工 す る こ とに あ り,工 作 機 械 に 対 す る一般 的 要求 事 項 は つ ぎの3つ に 絞 られ る. (1) 作業 者 の 熟練 とは で き るだ け 無 関 係 に,工 作 物 の 形 状精 度,寸 法精 度 お よ び 表面 あ ら さを い つ で も許 容 範 囲 内 に仕 上 げ る こ とが で きな けれ ば な らない. (2) 切 削 速 度 お よ び 切 削 量 は材 料 お よび 工 具 の 最 近 の 進 歩 に適 合 す る よ う に し,高 い 生 産 性 を 確 保 す る機 械 で な けれ ば な らな い ば か りで な く,短 期 工 作 機 械 に必 要 な 静 剛 性,動 剛 性 は,切 削 時 の 負 荷 間 に陳 腐 化 しな い 設 計 で,将 来 の 技 術 の 進 歩 に も 容 量,所 要 の 加 工 精 度,表 面 あ ら さを 決 定 す るた め, 対 処 で き る もの で あ る こ と. 対 象 加 工 方 法 に最 適 な 構 造 と構 造 物 の材 質,切 (3) り くず の 形 状 と量 に つ い て も考 慮 の 対 象 とな る. 作 業 能 率 を あ げ る うえ で,技 術 的 に も経 済 的 に も高 い効 率 を 維 持 で き る機 械 で あ り,か つ 操 作 切 削 抵 抗 は工 具 寿 命 お よ び工 具 摩 耗 に よ って 変 化 し 工 作 機 械 各 部 の 固 有 振 動 数,送 上 安 全 で あ る こ と. 工 作 機 械 の主 要 構 成 要 素 は形 式 に関 係 な く共 通 で 摩 擦 抵 抗 の 減 少,バ り系 と駆 動 系 の 剛 性 ・ ック ラ ッシ ュな どは,加 速,減 速 主軸系 時 や 速 度 に比 例 した力 の 変 化 と し てサ ー ボ系 に対 す る 送 り系,位 置 決 め サ ー ボ系 外 乱 とな るた め,サ ー ボ 系 の 感 度,安 定 性,応 答 性, 工作物支持系 精 度 が 工 作 機 械 の 特 性 を 左 右 す る こ と に な る. 工具支持系 工 作 機 械 の 歴 史 は,よ 構成 要 素 の結 合 部,案 内接 触 部 り高 い 加 工 精 度 で 能 率 よ く部 品 を 加 工 す る とい う 目的 に そ って 進 歩 して きた とい っ て も よ く,常 に高 精 度 化,高 速 化,強 力 化 お よび 自動 制 御系 ベ ッ ド,コ ラム,サ ドル は工 作 機 械 の 骨 格 と して機 化 の4つ の テ ー マが そ れ ぞ れ 工 作 機 械 の 進 歩,発 展 の 械 の 剛 性 を 決 定す る重 要 な部 分 で,一 般 に鋳 鉄 製 の 箱 柱 とな っ て い る. 形 構 造 が主 流 で あ る が,最 近 は鋼 板 溶 接 構 造 の も の も 表1に 工 作 機 械 進 歩,発 展 の 主 要 テ ー マ と そ の 効 採 用 され て い るほ か,一 部 に は レジ ンコ ンク リー ト製 果,目 的,向 上 手 段 につ い て示 す. の ベ ッ ドも 実 用 化 され て い る. 2. 加 工精 度 に 及 ぼ す 工 作 機 械 の 特 性 ＊ 三 井 精 機 工 業(株) キ ー ワ ー ド:ブ system),イ ロ ッ ク ア ン ド ビ ル ド方 式(block ン プ ロ セ ス 計 測(inprocess イ ン タ プ ロ セ ス 計 測(interprocess ス トプ ロ セ ス 計 測(postprocess 測 お よ び 位 置 補 正 装 置(automatic compensation and 工 作 機 械 自身 の 母 性 的 特 性 はつ ぎ の3つ が あ り, build measurement), measurement),ポ measurement),自 measuring (1) 静的安定性 (2) 動的安定性 (3) 熱 的 安定 性 動 計 and これ らが 切 削系 の 主 要 構 成 要 素 と加 工 精 度 の 誤 差 の 要 system) 23- 928 昭 和58年11月 計 表2 測 と 御 第22巻 第11号 切削系 の主要構成要素 と加工精度の語差要因1) 因 と密 接 な 関 係 にあ る. 表2は 工 作 機 械 の主 要 構 成 要 素 と 誤 差 の 要 因 を 示 す. ハ ー ドウ ェア とし て の機 械 精度 と 安定 性 の 向上 に は 工作 機 械 の 幾 何 学 的 運 動 精度 の 確 保,維 持,位 精 度 向 上 に必 要 な 対 策 が,送 制 置決 め (1) 発 熱 を 極 力 少 な くす る. (2) 発 生 熱 量 をす み や か に 除 去す る. (3) 温 度 変 化 に 鈍 感 な 構 造 とす る. (4) 温 度 状 態 を 機 械 全体 に 均 一 化 す る. 図1に1軸 り駆 動 系 を 含 め た 摺 動 面 の 運 動 と次 元 的 誤 差 要 因,図2に 度 と位 置 決 め 誤 差,図3に の 構成 や 案 内面 の 支 持 剛 性,主 軸 回 転 系 や その 他 各 部 運動精 相 対2軸 間 の 運 動 誤 差 ・直 角 度 を 示 す. の 発 熱 源 に 対 す る熱 変 位 対 策 な ど と共 に総 合 的 に施 さ れ な けれ ば な ら ない. 温 度 対 策 を一 般 論 的 に あ げれ ば つ ぎ の と お り で あ る. 図2 図1 ピ ッ チ ン グ,ヨ ー イ ン グ,ロ ー リン グ の定 義 24- 運動精度と位置決め誤差 図3 相対2軸 間 の 運 動誤差YとXの 直角 が 出て いな い場合EΔ の誤差 を生ず る 多 島:工 作 機 械 と運 転 監視 3. 変 革 を もた らし た. 工 作 機城 の 最 近 の 傾 向 タ ー ニ ン グ セ ン タ ー(TC)やMCと 切 削加 工 に は,旋 盤 の よ うに 加 工 物 を 回 転 させ て 切 削 速 度 を 与 え る方 法 と,フ ラ イス 盤,中 929 呼ば れ るNC 複 合 工 作 機 械 は,従 来 の専 用 機 群 や トラ ン ス フ ァ ライ ン の 構成 に も一 部 と り入 れ られ は じめ て い る. ぐ り盤 の よ う 1968年 にCincinnati に切 削 工 具 を 回 転 さ せ て 切 削 速 度 を与 え る 方 法 が あ られ て きた. が 本 格 的 な シス テ ムの 最 初 とい わ れ,1970年 加 工 方 法 に よ る分 類 a)旋 削 らFMS Manufacturing (Flexible Manufacturing System) 代中ばか System)が 導入 f)放 電 お よ び電 解 加 工 され は じ めて きた.こ の 種 の 加 工 シス テ ムが 実 用 化 さ れ る 当 って 中核 と な る工 作 機 械 と工 具 ツ ー リン グ に よ b)フ ライ ス 削 り g)電 子 ビー ム 加工 c)穴 明け h)レ ーザー加工 る加 工 能 率 向上 と,セ ン サの 発 達,NC装 d)研 削 i)ブ ロー チ加 工 化,マ j)塑 性 加工 御 可 能 レベル と信 頼 性 が 格 段 に 向上 し た こ と と互 い に e)平 削 りお よ び 形削 り 置のCNC イ ク ロ プ ロ セ ッサ に よ る各 種 制 御 の 容 易 化,制 密 接 な 関係 に あ る. 工 作 機 械 の シ ス テ ム化 傾 向 は,工 作 機 械 の分 類 上 も 従 来 は これ ら加 工方 法 に よ り工作 機 械 形 式 は そ れ ぞ れ,フ Mission が 発 表 した り,一 般 的 には 加 工 方 法 に よ り工 作 機 械 の 形 式 が 分 け (1) (Variable Milacron社 VMMS ライ ス 盤,放 電 加工 機 の よ う に○ ○ 盤,○ ○ 加 使 用 目的 に よ り多 様 化 し て い る こと が わか る. 工 機 な ど,加 工 方 法 に よ り直 接 的 に 分 類 され て きた. 4. しか し大 量 生 産 に対 す る トラ ンス フ ァラ イ ンの 応 用 は,個 々 の 汎 用 機 や 万 能 機 を 遠 ざ け,構 成 ユ ニ ッ トの 工 作 機 械 の運 転 監 視 工 作 機 械 の 運 転 監 視 と 自動 制 御 に 関 して必 要 な 諸 機 組 合 せ に よ る 特 殊 目的 機 械,専 用 工 作 機 械 を 出 現 さ 能 をMCで せ,主 要 ユ ニ ッ トを 徹 底 して 標 準 化 し,目 的 に 応 じて ま と め た 例 を 表3に 示 す. 分 解 再 組 立 て が で き る ブ ロ ック ア ン ドビル ト方 式 の 工 以 下,表3の 中 か ら代 表 的 な 機 能 に つ い て 記 す. 一 般 に 加 工 プ ロセ ス に お け る計 測 に は 作 機 械 を 増 大 させ,か な り高 度 な 自動 化 の 実 績 と大 き 1) イ ン プ ロ セ ス計 測 な効 果 をあ げた. 一 方 ,1959年 に 出現 した マ シ ニ ン グ セ ン タ ー(MC) 2) イ ン タ プ ロ セス 計 測 3) ポ ス トプ ロ セス 計 測 は1980年 代 に入 って 急 激 に 市 場 設 置 台 数 が 増 加 し, 従 来 の 中 ぐり盤,フ 削加 工 に お いて は,排 出切 粉 な ど に よ る ール 盤 な ど の 加 工分 測 定 環 境 の点 か らイ ン プ ロセ ス 計測 は 現 状 で は 困難 で りか らの 自動 化,省 人 化,加 工 物 の あ り,ポ ス トプ ロセ ス計 測 で は 結果 が工 程 の あ とに な 多 様 化 対 応 の要 求 に こた え,機 械 工 場 ライ ン構成 に も り問 題 が あ るた め,現 状 で は イ ン タ プ ロセ ス 計 測 が最 野 を と り込 み,お ラ イ ス盤,ボ が あ るが,切 表3 無人運転MCに 25- 必要な諸機能 930 昭 和58年11月 図4 計 測 と 制 御 第22巻 第11号 温度-補 正機能 図6 実用 的な切削状態監視 セ ンサ に よ る位 置 決 め 精 度 の変 化 を 温 度-補 正 値 デ ー タテ ー ブル(図4)と し,NCの る方 式 の ほ か,タ 補 正(図5)の 補 正 機 能 に よ り精 度 補 正 す ッチ プ ロー ブ に よ る 自動 計 測 と位 置 機 能 も実 用 化 され て い る. 最 後 に現 在 実 用 的 と思 わ れ る切 削状 態 監 視 セ ンサ の 図5 代 表例 を図6に 示 す. 自動計測位置補正 これ らの セ ン サ は,各 種 加工 工 程 で 常 時 監 視 の 目的 も適 して い ると い え る.測 定 項 目 と して は, で 使 用 され る もの で あ り,機 械 各 構 造 部 へ の 組 込 み が 1)真 内 度,同 心度 2)加 工 穴 ピッチ 容 易 で,安 定 性 の あ る こと が 要 求 され,そ の 評 価 項 目 3)内 外径寸法精度 4)加 工 面深 さ を列挙す ると これ らの 測 定 値 に 対 す る補 正 動 作 と して は, 1)工 具長 補 正,2)工 具 位 置補 正,3)直 1)安 定性,2)SN比,3)感 径補正 度,6)再 な ど で,測 定 手 段 と して 各 種 の タ ッチ プ ロー ブや 接 触 幅,10)耐 式 が ほ とん どで,接 点 式 と ア ナ ロ グ式 が あ り,位 置 寸 法 の 測定 基準 と し てNC位 線 性,8)ヒ ノ イズ性,11)耐 参 クパ ル ス を そ の ま ま利 用 す る方 法 と測 定 用 の 検 出ス ケ ー ル を 別 に用 い る方 式 が あ る. <工 作機 械 温 度 の測 定 と精 度 補 正> セ ミク ロー ズ ル ー プ 系 に お け る ボ ール ネ ジの発 熱 に 械温 度 変 化 な ど 26- 考 答 速 度,5)精 ス テ リシス,9)帯 振 性,12)耐 が そ れ ぞ れ あ げ られ る.(昭 置決 め 系 の フ ィー ドバ ッ よ る伸 長,主 軸 の 発 熱 に よ る変 位,機 現 性,7)直 度,4)応 和58年9月12日 文 域 蝕 性, 受付) 献 1) 岩田一明:工 作機械 の 新技術 に 関 す る 講 習 会,3月 2) 3) (1978) 伊東 誼:最 近の工作機械技術,マ シニス ト, (1980) 安井外代:最 近のマ シニ ングセ ンタ,機 械の研究 (1983)
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