| 研究課題/領域番号 |
26420044
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
立矢 宏 金沢大学, 機械工学系, 教授 (10216989)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 小形工作機械 / 小形化設計方法 / 動的位置決め補正 / 振動抑制 / 圧電素子 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，汎用機と同等な鋼材切削が卓上サイズで行える小形NCフライス工作機械の開発を目標としている．
前年度までに，高剛性なベース上に小形化したワーク案内面，主軸部などを集積する，ベース共有形小形工作機械の概念を提案して設計を行った．同結果に基づき，今年度は，まず，2軸の小形フライス工作機械を製作した．製作した工作機械のワーク案内部は部品点数が少ないクロスLMガイドからなり，160mm×60mmのストロークを有する．主軸にはモータをスピンドルと一体化した最大回転速度15000rpm，定格トルク0.6Nmの小形モータビルトインスピンドルを用いた．工作機械の寸法は260×500×325mmとなり，目標としている700㎜立方程度の容積を十分満たしている．
次に，以上の工作機械の性能評価を行った．性能評価は汎用機を対象としたJISによる検査法を参考に，真直度，位置決め精度，工作精度を評価した．真直度は，最大振れが3.0ミクロンの高い精度を確認した．位置決め精度に関しては，最大200ミクロンの誤差が発生したが，これは，モータの制御により十分補正可能であると考えている．工作精度に関しては，アルミ材の長方形ブロックを対象に，直径6mm超硬スクエアエンドミルを用い，半径方向切り込み量が0.6mmおよび0.1mmの荒削り加工および仕上げ加工を行った．それぞれの加工での表面あらさを測定した結果，算術平均粗さおよび最大高さが，いずれにおいても0.5および3.0ミクロン前後となり，汎用機と同等な加工精度を有することを確認した．
さらに工作機械のびびり振動を抑制するために，前年度提案した圧電素子による制振方法に関して片持ちはりを用いた実験を行い，減衰比を0.2%から3～4%まで向上させ得ることを確認し，また，減衰比を向上させる適切な電流値，圧電素子の制振対象への押付け量が存在することを明らかにした．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
前年度の設計結果をもとに，実際に小形工作機械の製作を行い，現在のところ2軸ではあるが，目標値である寸法より，かなり小さな試作機を開発することができた．よって，今後，3軸方向目の構造を加えた場合にも，目標寸法を十分に達成し得ると予想している．また，同工作機械を用いて切削試験を行った結果，汎用の工作機械とほぼ同等な，高い加工精度を達成することができ，性能的にも十分要求を満たしていることを確認した．さらに，圧電素子を用いたリニアモータを制振対象物へ断続接触させて減衰能を向上させる振動抑制法に関しても，適切な駆動条件が存在することを明らかにして，その調査方法について方針をたてることができた．よって，順調に研究を進められていると判断する．
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでに製作した小形工作機械は，平面案内テーブルでのみワークを移動させることができる2軸構造となっており，現在のところ，スピンドルは固定されている．そこで今後は，まず，スピンドルを上下動させる駆動軸を加えて当初の目的である３軸加工を可能とする．スピンドル駆動軸に関しては，小形化を図るため，モータビルトインスピンドルをシュパンリングで固定し，スライドシャフトを案内面に用いてボールねじで駆動する予定である．
次に，製作した３軸加工機に関し，静的精度として真直度，位置決め精度を測定する．これらで生じる誤差の多くは，機体の組付けや，駆動部の入出力変位の補正により解決することが可能であるため適切な対策を施す．また，実切削試験を行い表面粗さなど基本的な工作精度を測定し，適切な切削条件を選定するなどして目標値の達成を図る．さらに，切削時に生じる機体の変形や振動による誤差の対策は，本研究で提案する動的な位置決め補償および圧電素子を用いた振動の抑制で対応する．すなわち，動的な位置補償を可能にするため，支持構造などに生じるひずみと，加工部に生じる変位誤差との関係を明らかにして，その結果から，工作機械の弾性変形による誤差をひずみの測定値から実時間で補正する制御系を構築する．振動に関しては，圧電素子を用いたリニアモータを機体に断続接触させることで，その抑制を検討する．
最後に，以上の動的な位置補償を組み込んだ工作機械にて実切削試験を行い，形状精度などを評価することで，本研究成果の妥当性を確認する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初は，小形工作機械に3軸全てを備える予定であったが，まず，2軸の状態での加工能力を評価して，基本構造の妥当性を確認し，問題があれば改良を施すこととしたため，3軸目であるスピンドル駆動軸の部品の購入，制作費を次年度に変更したことが理由である．
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| 次年度使用額の使用計画 |
小形工作機械のスピンドル駆動軸用のモータ，機械部品などを購入するとともに，工作機械の振動抑制のための圧電素子式リニアモータに関して仕様を決定し，購入する．その他，補修部品，計測用のひずみゲージなどを購入する．
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