JP2005293226A - 工作機械の送り速度設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マシン追従限界を加味した上で切削体積制御本来の送り速度にできるだけ近い送り速度の設定を行うことで、加工精度維持と加工効率向上とを両立して達成する。
【解決手段】 ワーク形状情報および加工経路情報に基づいて、加工経路における工具の所定単位当りの加工量が目標加工量となるように工具の初期送り速度を求め、工作機械において加工条件に関連させて設定した複数の要求追従精度を保つ加工経路の各折れ角に対応する送り速度限界値を設定し、各折れ角部分において、初期送り速度と送り速度限界値とを比較し、初期送り速度が送り速度限界値を越えるときには、当該折れ角直前部分での送り速度を送り速度限界値に設定するとともに、工具の回転速度を初期送り速度と送り速度限界値との差に対応して低下させた所定値に設定し、初期送り速度が送り速度限界値以下のときには、送り速度を初期送り速度に設定する。
【選択図】図１８

Description

この発明は、例えば切削加工等に使用する工作機械における送り速度の設定方法に関する。

例えば、プレス用やダイカスト用の金型の成形面などを切削加工する場合、エンドミル等の切削工具を用いて荒加工及び仕上げ加工の切削加工が行われる。特に、仕上げ加工では、形状及び寸法や表面粗さ等について非常に高い精度が求められる。このような切削加工等に使用する工作機械において、工具の送り速度を如何に適正に設定するかは重要である。
図２１は、エンドミルＴｍを用いて行う平面加工の一例を説明するための平面説明図である。この図から良く分かるように、工具Ｔｍの送り速度を大きく設定するほど、送り粗さが大きくなり加工面の仕上げ精度は低下する。従って、仕上げ精度を維持する観点からは、送り速度が低いほうが好ましい。しかしながら、送り速度が低いほど加工効率が低下し、加工時間が長くなる。また、送り速度が過度に低い場合には、加工箇所での温度上昇が顕著になるので、工具寿命の低下を招き、極端な場合には切削刃の焼き付きが生じるという問題もある。

切削加工等に使用する工作機械において工具の送り速度を設定する方法としては、工具の切削刃に過大な負荷が掛かることを防止する等の観点から、切削負荷が最も大きくなる箇所での送り速度を切削負荷限界値とし、この限界値をそのまま送り速度として一律に設定する方法が知られている。
しかしながら、このように切削負荷限界値を一律の送り速度として設定したのでは、加工効率の向上を図ることは難しい。

この問題に関して、例えば特許文献１には、工具の切削刃に過大な負荷が掛かることを防止しながら加工効率の向上を図るために、工具の１回転に伴う１刃当りの切削量（１刃１回転当りの切削体積量）が一定の目標切削体積量となるように送り速度を制御する、所謂、切削体積制御が提案されている。
尚、切削負荷限界との対比を特に意識したものではないが、特許文献２には、加工形状の変化による工具への負荷変動に応じて、送り速度等の切削条件を変化させるように制御することが開示されている。

図２２は、この切削体積制御における送り速度の推移を示すグラフである。このグラフから明らかなように、切削体積制御（実線曲線参照）を適用することにより、切削負荷限界値を一律の送り速度として設定した場合（１点鎖線直線参照）に比して、切削負荷が最も大きくなる一部の箇所を除いては、送り速度を大きく高めることができ、大幅な加工効率の向上を図ることが可能になる。
特開２００２−２００５４０号公報 特開平８−２４９０４２号公報

ところで、工具の進行方向（送り方向）は予め設定された切削加工の加工経路に従って変化し、その変化時に折れ角を伴って方向が変わる場合が多々ある。このように工具の送り方向が変えられる場合、送り速度が早過ぎると折れ角部をオーバランし、或いは遅過ぎるとショートカットになり、加工精度を維持する上で支障が生じる。従って、各工作機械には、このような送り方向の変化に追従して所期の加工精度を維持できるように、各工作機械には、加工条件に関連させて、送り方向変化への追従限界に対応した送り速度限界値（所謂、マシン追従限界）が設定されている。この場合、マシン追従限界は、送り方向が最も大きく変化する場合を想定して決められるのが一般的である。
そして、通常、このマシン追従誤差が最大となる箇所での送り速度をマシン追従限界値とし、この限界値をそのまま送り速度として一律に設定される。

従って、上述の切削体積制御を適用した場合でも、このマシン追従限界によって送り速度が制限されるので、切削体積制御の本来の利得が十分に生かすことができないという問題があった。
図２３は、マシン追従限界によって制限された切削体積制御における送り速度の推移を示すグラフである。このグラフから明らかなように、切削体積制御（破線曲線参照）を適用しても、一定に設定されたマシン追従限界（１点鎖線直線参照）によって送り速度が制限されるので、実際の送り速度（実線曲線参照）は、一部の領域を除いては、切削体積制御の本来の高い送り速度を実現できず、加工効率向上効果は大きく抑制されたものとならざるを得ないのが実情であった。

そこで、この発明は、マシン追従限界を加味した上で、切削体積制御の本来の送り速度にできるだけ近い送り速度の設定を行えるようにすることで、加工精度の維持と加工効率の向上とを両立して達成できるようにすることを目的としてなされたものである。

このため、本願発明に係る工作機械の送り速度設定方法は、ワーク形状情報および加工経路情報に基づいて、上記加工経路における工具の所定単位当りの加工量が目標加工量となるように、上記工具の初期送り速度を求め、工作機械において加工条件に関連させて設定した複数の要求追従精度を保つ加工経路の各折れ角に対応する送り速度限界値を設定し、上記加工経路の各折れ角部分において、上記初期送り速度と上記送り速度限界値とを比較し、上記初期送り速度が上記送り速度限界値を越えるときには、当該折れ角直前部分での送り速度を上記送り速度限界値に設定するとともに、工具の回転速度を上記初期送り速度と送り速度限界値との差に対応して低下させた所定値に設定し、上記初期送り速度が上記送り速度限界値以下のときには、送り速度を上記初期送り速度に設定する、ことを特徴としたものである。

この場合において、上記加工条件は荒加工条件および仕上げ加工条件であり、各加工条件に応じて異なる要求追従精度の各折れ角に対応した送り速度限界値を設定することが、より好ましい。

本願発明に係る工作機械の送り速度設定方法によれば、予め要求追従精度に対応させて設定した送り速度限界値と初期送り速度とを各折れ角部分で比較し、初期送り速度が上記送り速度限界値を越えるときには、当該折れ角直前部分での送り速度を上記送り速度限界値に設定し、上記初期送り速度が上記送り速度限界値以下のときには、送り速度を上記初期送り速度に設定することにより、各折れ角部分での加工精度の確保と、上記初期送り速度の適用領域の拡大による加工効率の向上とを、両立して達成することが可能になる。
この場合、上記折れ角直前部分での送り速度を上記送り速度限界値に設定した際には、工具の回転速度を上記初期送り速度と送り速度限界値との差に対応して低下させた所定値に設定するので、送り速度を低下させることによる当該切削箇所での昇温を抑制し、工具寿命に悪影響を及ぼすことが回避できる。

この場合において、上記加工条件は荒加工条件および仕上げ加工条件であり、各加工条件に応じて異なる要求追従精度の各折れ角に対応した送り速度限界値を設定することにより、仕上げ加工および荒加工のそれぞれについて、加工精度の確保と加工効率の向上とを、両立して達成することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態の送り速度設定方法の説明に先立って、所謂、切削体積制御による送り速度の設定方法の概略を説明する。
図１〜図８は、本実施形態に係る切削体積制御を説明するための説明図で、図１は切削体積制御が適用される被加工物（ワーク）の被加工部をモデル化した加工前ソリッドＳａの説明図、図２はワークを加工する加工工具としてのエンドミルＴｍとその加工経路を示す説明図、図３は上記加工経路を拡大して示す説明図、図４は上記加工経路の一部に構成点Ｐｃを追加した状態を示す説明図、図５（ａ）〜（ｃ）は構成点間の送り設定方法を説明する一連の説明図、図６は加工後ソリッドＳｂの説明図、図７は切削体積制御を適用して送り速度が設定されたエンドミルの加工経路を示す説明図、また、図８は上記切削体積制御を説明するためのフローチャートである。

この切削体積制御による送り速度の設定方法について、図８のフローチャートを参照しながら説明する。
システムがスタートすると、まず、ステップ＃５１でデータ入力が行われる。このステップ＃５１で入力されるデータは、切削体積制御が適用される被加工物（ワーク）の被加工部をモデル化した加工前ソリッドＳａ（図１参照）と、ワークを加工する加工工具としてのエンドミルＴｍとその加工経路（図２参照）と、条件テーブルデータである。

図１に示されるように、上記加工前ソリッドＳａは四角柱状のはりＨの集まりとして形成されたもので、上記エンドミルＴｍは、このソリッドＳａを上方から平面加工する。
また、上記条件テーブルデータとしては、工具の直径，首下長さ，刃長，刃数、１刃当りの加工体積、最大および最小送り、工具回転数、計算区間、送り変化率などが挙げられる。尚、本実施形態では、好ましくは、送り変動は指定単位で変更することができるようになっている。

次に、ステップ＃５２で、条件テーブルの指定区間で加工する体積を計算する。具体的には、１指定区間で工具形状とはりとの交点を求め、１はり分の体積減少を加算し、１区間体積を求める。この指定区間は、図３に例示されるように、加工経路の構成点Ｐｃの間を区切るようにして設定されるものである。
そして、ステップ＃５３で、所定の計算式（Ｆ＝Ｖ＊Ｓ＊Ｅ＊Ｌ／Ｘ）を用いて、１刃当りの加工体積が指定体積になる送り速度Ｆが求められる。

更に、ステップ＃５４で、エンドミルＴｍの先端の折損を防止するために、加工経路の垂直移動部に構成点Ｐｃを追加する。図４は、このように垂直移動部に構成点Ｐｃが追加された加工経路を示している。
次に、ステップ＃５５で、加工機械（工作機械）の制御を滑らかなものとするために、指定単位で送り値を丸める処理が行われる。この場合、送り値が小さい領域については送り変化量を小さく設定する一方、送り値が大きい領域については送り変化量を大きくするように設定される。

図５（ａ）〜（ｃ）は構成点間の送り設定方法を説明するものであるが、図５（ａ）に示される２個の構成点Ｐｃの間の加工経路について、送り値が小さい場合には、図５（ｂ）に示されるように、複数の指定区間に区切り、隣り合う指定区間での送り値の変化が一定以下となるように設定される。また、送り値が大きい場合には、図５（ｃ）に示されるように、途中に構成点Ｐｃを追加し、隣り合う指定区間での送り値の変化が一定（例えば変化量１０％）以上とるように設定される。

そして、ステップ＃５６で、以上のような切削体積制御を適用して設定された加工後ソリッドＳｂ（図６参照）及び切削体積制御を適用して送り速度が設定されたエンドミルの加工経路が、データとして出力されるようになっている。

次に、本実施形態に係る送り速度設定方法について、図９〜図１２のフローチャートを参照しながら説明する。
システムがスタートすると、まず、ステップ＃１で加工マシンの入力を行う。ここでは、例えば図１３に例示されるような最高回転数や最高切削送り速度などの仕様を備えた２種類のマシンＡ及びマシンＢのうち、何れか（例えばマシンＡ）が選択され入力される。次に、ステップ＃２で、被削材の入力を行う。つまり、加工対象ワークの材料を入力する。ここでは、例えば図１４に例示されるように、被削材Ａおよび被削材Ｂの２種類の材料が用意されており、このうちの何れか（例えば被削材Ｂ）が選択され入力される。
更に、ステップ＃３で、切削体積制御用のソリッドを入力する。つまり、前述の図８におけるステップ＃５１で説明したような、切削体積制御用のソリッドＳａ（図１参照）が入力される。

次に、ステップ＃４で、ＮＣデータを切削順に入力する。ここでは、例えば、ツール（工具）名，加工工程名，品質タイプ，工具半径，刃数などのＮＣデータ情報およびＮＣコードなどのＮＣデータが入力される。ここでは、例えば図１５に示されるように、品質タイプとしてＡ，Ｂ２種類の品質タイプと、加工工程としてＡ（荒），Ｓ（仕上げ）の２種類の加工工程が用意されており、これらの種類ごとに、何れかが選択され入力される。
次に、ステップ＃５で、ＮＣデータ情報からツール名，加工工程名，品質タイプが読み出される。そして、ステップ＃６で、ツール名，加工工程名，被削材名を元に基本条件情報（図１４参照）から、回転数上限値，回転数下限値，１刃切削量，送り上限値，送り下限値が読み出される。また、ステップ＃７で、加工マシン名を元に加工マシン情報（図１３参照）から、マシン最高回転数，最高切削送り速度が読み出される。

そして、ステップ＃８で、マシン最高送り速度よりも送り速度上限値の方が大きいか否かが判定され、これがＹＥＳの場合には、マシン最高送り速度を上限値に設定する（ステップ＃９）。ＮＯの場合には、更に、ステップ＃１０で、マシン回転数よりも回転数上限値の方が大きいか否かが判定され、これがＹＥＳの場合には、マシン回転数をベース回転数に設定し（ステップ＃１２）、ＮＯの場合には、回転数上限値をベース回転数に設定する(ステップ＃１１)。

その後、ステップ＃１３で、加工工程名，品質タイプを元に品質情報（図１５参照）から、送り粗さが読み出される。また、ステップ＃１４で、ＮＣデータ情報から工具半径および刃数が読み出される。更に、ステップ＃１５で、送り粗さ，工具径，回転数から、粗度保証送り速度値が計算される。この計算は、次式（１）を式（２）に代入することで行われる。これにより、送り粗さに対応した送り速度が得られる。
ｆ＝２×√｛Ｒ^２−（Ｒ−ｈ）^２｝…（１）
Ｆ＝ｆ×ｔ×Ｎ…（２）
ここに、ｈは送り粗さ（ｍｍ），Ｒは工具半径（ｍｍ），ｆは１刃送り（ｍｍ/刃），ｔは刃数，Ｎは回転数（ｒｐｍ），Ｆは送り速度（ｍｍ）である。

次に、ステップ＃１６で、送り上限値よりも粗度保証送り速度の方が大きいか否かが判定され、これがＮＯの場合には、粗度保証送り速度を送り上限値に設定する（ステップ＃１７）。一方、ＮＯの場合には、ステップ＃１８で、１刃切削体積，送り上限値／下限値，ベース回転数，体積制御用ソリッドを元に、図８のフローチャートに基づいて説明した前述の体積制御を行い、可変送りデータをＮＣデータへ織り込み、加工後ソリッド（図６参照）を出力する。

続いて、ステップ＃１９で、加工工程名，品質タイプを元に品質情報（図１５参照）から、マシン追従精度が読み出され、ステップ＃２０でＮＣコードが順次読み込まれる。そして、ＮＣコード中にＳコード（つまり、仕上げ加工工程のコード）が含まれている場合には、Ｓ値を読み込んで初期回転数に設定する（ステップ＃２１，＃２２）。また、ＮＣコード中にＦコード（つまり、前述の切削体積制御で織り込まれた送り速度のコード）が含まれている場合には、Ｆ値を読み込んで初期送り速度に設定する（ステップ＃２３，＃２４）。更に、ステップ＃２５で、ＸＹＺコードが含まれているか否かが判定され、これがＹＥＳの場合には、そのＸＹＺコードを読み込んでＮＣ座標系に設定される（ステップ＃２６）。

そして、ステップ＃２７で、初期送り速度が送り速度下限値か否かが判定され、ＮＯの場合には、ＮＣ座標値から加工経路における折れ角が計算される（ステップ＃２８）。また、ステップ＃２９で、加工マシン名，マシン追従精度を元に追従性情報から、追従送り限界速度を読み出す。ここに、図１６に例示されるように、各マシン毎に、要求される追従精度に応じて、各折れ角範囲に対して送り速度限界値が定められており、図１５に示された品質タイプ及び加工工程（荒または仕上げ）に応じた要求マシン追従精度が選択され、そして、計算された折れ角に応じて、追従限界送り値が読み出される。

次に、ステップ＃３０で、初期送り速度が追従限界送り値よりも大きいか否かが判定され、ＹＥＳの場合には、更に、ステップ＃３１で、追従送り限界値が送り速度下限値以上であるか否かが判定され、これがＹＥＳの場合には、追従送り限界値を変更送り値に設定する（ステップ＃３２）。その後、ステップ＃３３で、加工マシン名を元に、追従情報（図１６参照）から、各マシンに設定された減速度を読み出す。そして、ステップ＃３５で、マシンの減速度から減速開始位置を計算し、その座標を定める。
一方、ステップ＃３１での判定結果がＮＯの場合には、ステップ＃３４で、送り速度下限値を変更送り値に設定した後、ステップ＃３５が実行される。このステップ＃３５を実行し終えると、ステップ＃３６で、初期送り速度値が変更送り値に置き換えられる。

図１７（ａ）及び（ｂ）は折れ角部を含む加工経路を模式的に示す説明図で、図１７（ａ）は本実施形態の送り速度設定を行った後の加工経路を示し、図１７（ｂ）は本実施形態の送り速度設定を行う前の（つまり、通常の切削体積制御により送り速度が設定された）加工経路を示している。
これらの図に示すように、上記加工経路は、構成点Ｐ１からスタートし、第１の折れ角部（構成点Ｐ２）及び第２の折れ角部（構成点Ｐ３）を経て構成点Ｐ４まで至る経路である。上記第１の折れ角部Ｐ２では４５度の折れ角で加工送り方向が変化し、上記第１の折れ角部Ｐ２では９０度の折れ角で加工送り方向が変化するように設定されている。

本実施形態の送り速度設定を行う前では（図１７（ｂ）参照）、通常の切削体積制御に基づいて送り速度が設定されており、第１の折れ角部Ｐ２では、折れ角が比較的小さいので、マシン追従限界値以上の送り速度で支障なく方向変換が行えるが、第２の折れ角部Ｐ３では、折れ角が大きいので、送り速度がマシン追従限界値で制限されることになる。
そこで、本実施形態では、第２の折れ角部Ｐ３の所定距離手前（減速開始点：構成点Ｐ３’）で減速し、この減速開始点Ｐ３’から第２の折れ角部Ｐ３までの限られた距離のみをマシン追従限界値で送るようにすることで、マシン追従限界を加味した上で、切削体積制御の本来の送り速度にできるだけ近い送り速度の設定を行えるようにし、加工精度の維持と加工効率の向上とを両立して達成できるようにしたものである。

上記ステップ＃３６を実行し終えると、ステップ＃３７で、初期回転数，初期送り速度値，刃数から、初期１刃当り送り量が計算される。また、ステップ＃３８で、この初期１刃当り送り量，上記変更送り値，刃数から、変更回転数が求められる。
そして、ステップ＃３９で、変更回転数が回転数下限値以上であるか否かが判定され、これがＹＥＳの場合には、この変更回転数がそのままコードに追加される（ステップ＃４１）。ＮＯの場合には、回転数下限値を変更回転数に設定（ステップ＃４０）した後、この変更回転数がコードに追加される。

この回転数の変更は、送り速度を低下させた場合に、この送り速度が過度に低いと、加工箇所での温度上昇が顕著になるので、工具寿命の低下を招き、極端な場合には切削刃の焼き付きが生じる惧れがあることに鑑み、工具の回転速度を上記初期送り速度と送り速度限界値との差に対応して低下させた所定値に設定するものである。

上記ステップ＃４１を実行し終えた場合、或いは、上記ステップ＃２５，＃３０での判定結果がＮＯの場合、上記ステップ＃２７での判定結果がＹＥＳの場合には、ステップ＃４２で、ＮＣコードが残っているか否かが判定される。この判定結果がＹＥＳの場合には、設定が完了していないので、ステップ＃２０に戻り、それ以降の各ステップを再度実行する。ＮＯの場合には、ステップ＃４３で、ＮＣデータが残っているか否かが判定され、ＮＯの場合には設定を終了する。ＹＥＳの場合には、ステップ＃４４で、加工後ソリッドを体積制御用のソリッドに設定した上で、ステップ＃４に戻り、それ以降の各ステップを再度実行するようになっている。

以上のような送り速度の設定を行うことにより、図１８において実線曲線で示されるような実送り特性が得られる。この場合、「体積制御」を示す破線曲線と「追従性一定値」を示す１点鎖線直線とで得られるように、切削体積制御（破線曲線参照）を適用しても、一定に設定されたマシン追従限界（１点鎖線直線参照）によって送り速度が制限されることが抑制される。
すなわち、予め要求追従精度に対応させて設定した送り速度限界値と初期送り速度とを各折れ角部分で比較し、初期送り速度が上記送り速度限界値を越えるときには、当該折れ角直前部分での送り速度を上記送り速度限界値に設定し、上記初期送り速度が上記送り速度限界値以下のときには、送り速度を上記初期送り速度に設定することにより、各折れ角部分での加工精度の確保と、上記初期送り速度の適用領域の拡大による加工効率の向上とを、両立して達成することが可能になる。

また、図１９及び図２０は、仕上げ加工と荒加工とについて、本実施形態に係る送り速度設定を行った場合の送り速度の推移をそれぞれ例示するグラフである。これの図からも明らかなように、本実施形態の送り速度設定を行うことにより、仕上げ加工および荒加工の何れにおいても、マシン追従限界を加味した上で、切削体積制御の本来の送り速度にできるだけ近い送り速度の設定が行え、加工精度の維持と加工効率の向上とを両立して達成できるのである。

尚、本発明は、以上の実施態様に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更や改良を加え得るものであることは言うまでもない。

本発明の実施形態に係る切削体積制御が適用されるワークの被加工部をモデル化した加工前ソリッドの説明図である。 上記ワークを加工するエンドミルとその加工経路を示す説明図である。 上記加工経路を拡大して示す説明図である。 上記加工経路の一部に構成点を追加した状態を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は一つの構成点間の送り設定方法を説明する一連の説明図の一部である。 加工後ソリッドの説明図である。 上記切削体積制御を適用して送り速度が設定されたエンドミルの加工経路を示す説明図である。 上記切削体積制御を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態に係る送り速度設定方法を説明するためのフローチャートの一部である。 上記送り速度設定方法を説明するための上記フローチャートの一部である。 上記送り速度設定方法を説明するための上記フローチャートの一部である。 上記送り速度設定方法を説明するための上記フローチャートの一部である。 加工マシン情報の一例を示す説明図である。 切削加工の基本条件情報の一例を示す説明図である。 切削加工の品質情報の一例を示す説明図である。 加工マシンの減速度情報および追従精度情報の一例を示す説明図である。 （ａ）は本実施形態の送り速度設定を行った後の加工経路を示す説明図であり、（ｂ）は本実施形態の送り速度設定を行う前の加工経路を示す説明図である。 本実施形態の送り速度設定を行った場合の加工効率向上効果を示す送り速度推移グラフである。 本実施形態の送り速度設定を行った場合の仕上げ加工における送り速度の推移を示すグラフである。 本実施形態の送り速度設定を行った場合の荒加工における送り速度の推移を示すグラフである。 エンドミルを用いて行う平面加工の一例を説明するための平面説明図である。 この切削体積制御における送り速度の推移を示すグラフである。 マシン追従限界によって制限された切削体積制御における送り速度の推移を示すグラフである。

符号の説明

Ｐ２，Ｐ３ 折れ角部
Ｔｍ エンドミル

Claims (2)

1. ワーク形状情報および加工経路情報に基づいて、上記加工経路における工具の所定単位当りの加工量が目標加工量となるように、上記工具の初期送り速度を求め、
   工作機械において加工条件に関連させて設定した複数の要求追従精度を保つ加工経路の各折れ角に対応する送り速度限界値を設定し、
   上記加工経路の各折れ角部分において、上記初期送り速度と上記送り速度限界値とを比較し、
   上記初期送り速度が上記送り速度限界値を越えるときには、当該折れ角直前部分での送り速度を上記送り速度限界値に設定するとともに、工具の回転速度を上記初期送り速度と送り速度限界値との差に対応して低下させた所定値に設定し、
   上記初期送り速度が上記送り速度限界値以下のときには、送り速度を上記初期送り速度に設定する、
   ことを特徴とする工作機械の送り速度設定方法。
2. 上記加工条件は荒加工条件および仕上げ加工条件であり、各加工条件に応じて異なる要求追従精度の各折れ角に対応した送り速度限界値を設定することを特徴とする請求項１記載の工作機械の送り速度設定方法。
   

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