マシニングセンタのガラススケールの熱膨張に関する…

質問

マシニングセンタのガラススケールの熱膨張に関する質問

大学院生のものです、どうぞよろしくお願いします。
共同研究で、マシニングセンタの加工精度向上技術の開発をやっています。
特に熱との関係の究明など・・・・

温度が変化すると、機械は当然姿勢変化、膨張などが発生します。ワークも同じです。各原因を一つずつ究明して、補正値として高精度加工を行いたいです。
方法としては、強制的に機械の温度を変化させ（約10℃）、機械の姿勢変化など研究しています。
使用している機械はガラススケールでフィードバックして、送り精度を決めます。（特製）ガラスですから、膨張率はとても小さいはずです。機械もワークも膨張しても、問題がないはずです。
そうして、10℃を温度変化させて、機上測定装置による測定を行いました。結果は、ワークのX軸方向の幅（相対座標による計算）は計算通り膨張しました（S55C、線膨張係数約12^10(-6)）。でもY軸方向の幅はほとんど膨張しない、ちょっと考えられません。　
＊：
１、ワークは正方形なものです、X,Yは同じ膨張発生します。
２、クランパの締め力は膨張に影響ないように工夫しています。
３、主軸頭の倒れの影響を防ぐために、測定の前、心出しのやり直しと相対座標から幅を計算する。
４、機上測定装置の精度は修正しました、かなりいい精度をなっています。

そうしたら、問題はガラススケールではないかなぁと思っています。問題は出る前にはずっとガラススケールの膨張率が小さいだと思います。調べによる、ガラススケールの膨張率は調整できるらしいです。ほとんど膨張しないほうと機械に合わせて膨張する2タイプがあるらしいです。実際の状況はなんですか？
詳しい方がございましたら、ぜひよろしく御願致します。（かなり悩んでいます；；）

回答No.6

noname#230359

たぶん　熱以前に　精度の問題があると思う

>>ワークは正方形なものです、X,Yは同じ膨張発生します。

と書いてあるので側面削りだと思います
この場合　側面を削るため　機械の構造上　横に逃げるので精度が出ません
いろんな力が複雑に絡んでる

また、あわせ面がたくさんあり　0にはできないから
焼きバメのミーリングチャックは　コレット　部分のあわせをなくしただけ（それでも効果はあるけど）

実験方法を　Z軸だけに絞った方がいいです
Z軸は　上記の問題が発生しないので　熱膨張　と　回転軸の触れだけになります

回転軸の触れは　同径のものなら無視できます

現実の問題として
主軸の温度により工具長が変わることはしられていますので
普通は主軸を伸ばしきって加工するんですけどね

回答No.5

noname#230359

※機械の構造
※スケールの取付方法
※ワークの取付方法
※測定室の環境
※素材の均一性

考えれば色々と疑問点がある

個々に評価の妥当性を検証する必要があると思う。

（一例）
○Ｙ軸のボールネジがダブルアンカー方式でねじの伸びを相殺している？
○機械の上面と床との温度差
○その他・・・・

通常 機械は２０度で精度が管理されます。
当然 慣らし運転後に精度の調整(補正）がなされる。
機械本体に付加される温調装置そのものも発熱要因となる。

この文面だけでは正確な解答は期待できないと思う。

失礼、勘違いの点が・・・・
＞Ｙ軸のボールネジがダブルアンカー方式でねじの伸びを相殺している？
スケールフィードバックでしたね。

回答No.4

noname#230359

ワークだと表面粗さが問題になるのでブロックゲージを使われたほうがいいかと。　Ｘ軸測定Ｙ軸測定とで固定しなおさないといけないですが。

ブロックゲージだと信用できるので、各温度での測定値を記録すればいいかと。

お礼

ご回答どうもありがとうございます。
使用しているワークは高精度な基準面を作りました。粗さには問題がないと思います。

回答No.3

noname#230359

機械に搭載するスケールは２種類あります。
１．低膨張率タイプ
２．膨張率を鉄に近づけたタイプ

どちらもガラスを使用した光学スケールです。

１の場合、スケールからのフィードバック（距離の正確さ）は信用できるが、
機械（鉄部品）との取付の関係は信頼できない。
（温度上昇で鉄（スケールの取り付けられているベース）はのびるが、
スケールガラスがのびない為、スケールを歪ませる。または、これを
回避する為、ガラスの把持が弱い）

２の場合、温度でガラスが伸びるため、フィードバック（距離の
正確さ）は信頼できないが、取付がしっかりしている。距離の正確さは
信頼できないが、短時間の任意の同じポイントでの繰り返し性は信頼できる。

１は振動などが無い、測定器のような環境、２は劣悪な環境でも強い
工作機械の様な感じと思って頂ければよろしいと思います。

工作機械では、熱膨張を「メカ的に相殺させる」機構を取り入れています。
加工ポイント（例えば、テーブルと主軸先端の距離）において、
上昇温度と距離の変位が計算通りならない場合、（思ったよりも変位が
少ない場合）は、この機構（構造）がしっかり機能していると考えられ
ます。・・・とすれば、低膨張ガラスを使用しなくても、繰り返し
再現性を得られる、安価なガラススケールでもOKと言うことになります。

それと・・・スケールの伸びを気にするくらい、
「スケール読みとりヘッドの位置変化」も気にしてください。
ヘッドが取り付いている部品も伸び縮みして、スケール読みとりに
影響しますから。

あなたの研究テーマは奥が深い。頑張ってください。

お礼

ご回答どうもありがとうございます。
メーカに問い合わせしました。やはり＜膨張率を鉄に近づけたタイプ＞のスケールをしようしました。
ですから、問題発生原因がわかりました。どうもありがとうございます。

回答No.2

noname#230359

石英等のガラスは、鉄鋼の約1/10の線膨張係数です。
さて、絶対値での計測では、線膨張係数が小さい方が望ましいですが、
機械が鉄鋼製で、加工ワークも鉄鋼製なら、スケールも鉄鋼製が望ましいと考えます。
同じ熱膨張で相似となるので、温度毎の測定値も鉄鋼製の計測器で測れば、誤差が少なく
なります。
但し、恒温室で高性能加工を行なう場合には、石英等のガラス（鉄鋼の約1/10の線膨張係数）
を使用した方が良いのですかね。
御免なさい、専門家で無いので…。

URLが表示できてないみたいです。再度
http://www.iwataglass.com/glass.htm
を確認下さい。“特殊ガラス ”を。
さて、石英ガラスの線膨張係数は、5.4×10^-7( ℃-1)です。
パイコールガラス（7900）は、8×10^-7( ℃-1)で、
パイレックスガラス（7740）は、32.5×10^-7( ℃-1)です。
パイレックスガラス（7740）一般的理科用ガラスです。

小生は、金属（主に鉄鋼）の線膨張係数の
約1/10倍が、石英ガラスを代表とするガラス類
約10倍が、樹脂類
と覚えています。
ガラスや樹脂類の中には、それに該当する物ではない物もありますが、
設計をする上で目安にして、熱膨張対策の計画をします。

参考URL：

http://www.iwataglass.com/produce/indet_top_2.gif

お礼

ご回答ありがとうございます。
原因は膨張率高いガラススケールを使用したため・・・・
ちなみに膨張率は約　8*10^(-6)です。金属とそんなに変わりはありません。悔しいです。

回答No.1

noname#230359

様々な要因が挙げられるとは思いますが、文面上で気になった１点だけ。

機械全体が均一に温度上昇しているか？　不均一なら歪みが生じる。
機械の何点かを表面温度計などで計測するだけでは不充分。サーモグラフィでも調べたい。

ガラススケールの熱膨張率はメーカに聞けば回答得られるはず。

お礼

ご回答どうもありがとうございます。
メーカに問い合わせしました。やはり＜膨張率を鉄に近づけたタイプ＞のスケールを使用しました。
問題発生原因がわかりました。どうもありがとうございます。