マシニングセンタの熱変形が要因となる加工形状誤差の解析

• Project/Area Number: 16H00358
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 工学Ⅰ(機械系)B
• Research Institution: Kagoshima National College of Technology
• Principal Investigator: 山下 俊一 鹿児島工業高等専門学校, 技術室, 技術職員
• Project Period (FY): 2016
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥550,000 (Direct Cost: ¥550,000); Fiscal Year 2016: ¥550,000 (Direct Cost: ¥550,000)
• Keywords: 熱変位 / マシニングセンタ / 位置補正制御

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、切削加工の工作機械として広く流通しているC型構造のマシニングセンタの熱影響で生じる加工誤差を修正するために、本研究が提案する熱変位補正法の補正効果を高めることで、安価な工作機械でも寸法精度の高い加工を実現することである。
本研究が提案する熱変位補正は、機械構造部の温度測定箇所から加工位置の熱変位分を重回帰分析によって換算し、その分を補正する手法であり、その精度を高めるには熱変位量と相関の高い温度測定箇所を抽出する必要がある。
CAE解析では、熱源温度が上昇するに伴って、工作機械構造が熱変形する状態変化を把握し、その構造変形が加工位置誤差に及ぼす影響について検討した。その結果、各軸方向の熱膨張成分に加えて、ヘッドとコラムの変形による主軸傾斜が位置誤差に影響することが分かった。
そのことを検証するために温度と変位の関係を調べるための測定実験を行い、実験から得られたデータによって、主軸傾斜と相関の高い温度測定位置を抽出した。この温度測定位置に軸方向の熱変位に相関の高い温度測定位置を加えることによって、位置補正精度が向上することがこの実験によって明らかになった。また、回転停止時と主軸傾斜による変位量の変化を比較するとその応答は早いことが分かった。
この実験結果で得られた測定温度位置から熱変位量を算出するための熱係数を求めた回帰式によって、主軸傾斜による変位差を加えた補正量を概ね予測できることが分かった。
最後に、穴あけによる補正効果を検証する加工実験で、位置精度が向上したことを確認し、傾斜に影響する温度箇所を従来の温度測定箇所に加えることによって、位置精度が向上することが分かった。
本研究の成果をリアルタイムに熱変位補正を行う実用化レベルの研究に反映することで、更に位置精度が高められることを確認することができた。