JP2012056066A - ねじ切り制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 主軸回転速度に同期して送り軸を移動させるねじ切りにおいて、ねじ切り加工中にびびりが発生すると、ねじ山を傷めることとなる。主軸回転速度を変化させることでびびりを抑制することができるが、主軸回転速度を変化させると主軸と送り軸の位相誤差が発生してしまうため、ねじ切り切削中は主軸回転速度の変更はできなかった。そのため、ねじ切り切削中に主軸回転速度の変更を可能とする技術が求められていた。
【解決手段】 ねじ切り指令時に、主軸回転指令から送り軸の速度を作成し、主軸と送り軸の時定数と加減速タイプ、位置ループゲインを同一とすることで主軸回転速度を変化に対する主軸と送り軸の位相誤差をなくし、ねじ切り切削中に主軸回転速度の変更を可能とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、主軸の回転に同期して送り軸を制御することにより、送り軸で駆動されるねじ切り工具を移動させてねじ切り加工を行うねじ切り制御方法及びその装置に関するものである。

数値制御(Numerical Control;以下ＮＣという)装置を用いたねじ切り加工は、主軸に設けられたチャックでワークを固定した状態で主軸を回転させるとともに、サーボモータを駆動してねじ切り工具を送る送り軸を制御し、ねじ切り工具を送り軸方向（Ｚ軸方向）に送ることで実現される。この時、送り軸（サーボモータ）は主軸の回転に同期して工具を送ることで、所望するねじが加工される。

まず、このねじ切り制御の従来技術について、図９を用いて説明する。
回転する主軸の速度は、主軸速度作成部２０３にて、ＮＣ加工プログラムで指令された主軸回転速度指令Ｓと、ＮＣ加工プログラムで指令された主軸回転速度を変更するため作業者より適宜入力される主軸オーバライド２０２とをかけ合わせることで作成される。この作成された主軸回転速度は、主軸速度加減速処理部２０４にて主軸の加減速がかけられ、主軸制御部２０５で主軸モータ２０６を制御する。主軸モータ２０６にはエンコーダが取り付けられており、ねじ切り送り作成部２０８にて、エンコーダからのフィードバック回転位置データとＮＣ加工プログラムのプログラム解析部２０７で解析したピッチＰとを乗算することにより、送り速度Ｆを作成する。なお、単位時間当たりのエンコーダからの主軸のフィードバック回転位置データの増分値をΔＳとすると、送り軸の速度は、Ｆ = Ｐ × ΔＳとなる。

この送り速度に、送り速度加減速処理部２０９にてサーボの加減速がかけられ、サーボ制御部２１０で、サーボモータ２１１を制御することにより、ねじ切り工具をＺ軸方向に移動させてねじを切る工具を移動させる送り軸を制御する。また、ねじ切りでは主軸の回転位置(位相)に対して送り軸が何度も同じねじ溝の経路を通る必要があるため、主軸の１回転毎に発生する１回転信号（Ｚ相信号）を基準にして送り軸の移動が始まる。

ところで、このねじ切り加工時にびびりが発生した場合、送り軸の切削速度を変化させることでびびりの発生を抑制することができる。主軸回転速度から送り軸の速度を算出するねじ切りにおいては、主軸回転速度を変更することで送り軸の切削速度を変更することができる。通常、主軸回転速度は、主軸オーバライドにより変更できる。
しかし、主軸回転速度が変化すると、主軸の回転位置(位相)に対して送り軸の位置が以前のねじ溝の経路からずれてしまう。ねじ加工は主軸の回転位置(位相)に対して送り軸が何度も同じ経路を通る必要があるため、主軸の回転位置(位相)に対する送り軸の位相誤差（ずれ）が発生すると、ねじ精度の低下を招いてしまう。なお、この位相誤差は主軸回転速度及び送り軸速度が変化した時の加減速時に発生する。このため、ねじ切り切削中は、例えば主軸オーバライドは１００％固定もしくは変更できないなど、主軸速度の変更は実質的に行うことができなかった。

このような問題に対して、ねじ切り加工を開始した後のねじ切削途中に主軸回転数を変化させたとき、ネジ切削時の主軸位置と送り軸位置との相対位相誤差を算出し、該相対位相誤差量を主軸位置に対し誤差補償した擬似主軸位置に基づいて送り軸の移動量を算出することにより、主軸と送り軸の位相誤差を補正する方法が提案されている（特許文献１参照）。

特許第３９２６７３９号公報

しかし、前記は特許第３９２６７３９号公報に記載の発明は、主軸のフィードバック位置に対して位相誤差量を補償した擬似主軸位置から送り速度を作成するため、送り軸の移動には少なからず主軸に対して時間遅れが発生してしまう。そのため、この発明で提案された技術であっても、主軸オーバライドを変えた瞬間は微小の送り軸の遅れが発生し、ねじの精度が悪くなる課題があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、ねじ切り加工を開始した後のねじ切削途中に主軸回転数を変化させたとしても、ねじの加工精度が悪くならないねじ切り制御方法及びその装置を得ることを目的としている。

この発明に係るねじ切り制御方法は、主軸速度指令から主軸の回転に同期させる送り軸の移動量を算出するとともに、主軸と送り軸の時定数、加減速タイプ及び位置ループゲインを同一にしてねじ切り加工を行うものである。

またこの発明に係るねじ切り制御方法は、ねじ切り加工中の主軸回転速度変更時に、速度の変動領域に応じて多段の加減速を行うものである。

またこの発明に係るねじ切り制御装置は、主軸の回転に同期してねじ切り工具を移動させることによりねじ切り加工を行うねじ切り制御装置において、主軸速度指令から主軸の回転に同期させる送り軸の移動量を算出する手段と、主軸と送り軸の時定数及び加減速タイプを同一に設定する手段と、主軸と送り軸の位置ループゲインを同一に設定する手段とを具備してなるものである。

またこの発明に係るねじ切り制御装置は、ねじ切り切削中の主軸回転速度変更時に、速度の変動領域に応じて多段の加減速を行うものである。

この発明によれば、ねじ切り加工を開始した後のねじ切削途中に主軸回転数を変化させたとしても、ねじの加工精度が悪くならず、ひいてはねじ切り加工を開始した後のねじ切削途中に主軸回転数を変化させることが出来る。

また、また主軸を多段加減速制御しているため、主軸速度の立ち上がりが速くなり、ひいては応答性が向上する。

この発明の実施例１に係るＮＣ装置を示すブロック図である。 この発明の実施例１に係るＮＣ装置で作成される主軸速度波形を示す図である。 この発明の実施例１に係るＮＣ装置で作成される送り軸速度波形を示す図である。 ねじ切り制御の演算遅れ時間を説明するための図である。 加減速時の遅れを説明するための図である。 モータの追従遅れを説明するための図である。 この発明の実施例２に係るＮＣ装置の多段加減速の一例を示す図である。 この発明の実施例２に係るＮＣ装置の多段加減速を行うときの動作を示すフローチャートである。 従来のねじ切り制御の一例を示すブロック図である。

実施例１．
以下この発明の実施例１を、図１〜図６を用いて説明する。なおこの実施例は、ＮＣ装置にねじ切り制御方法及びその装置を適用した例である。
即ち、図１はこの発明の実施例１に係るＮＣ装置を示すブロック図で、図において、１０３はＮＣ加工プログラムで指令された主軸回転速度指令Ｓと、ＮＣ加工プログラムで指令された主軸回転速度を変更するため作業者より適宜入力される主軸オーバライド１０２とをかけ合わせることで、主軸回転速度指令Ｆを作成する主軸速度作成部である。なお、主軸速度は、実際には主軸速度作成部１０３にて単位時間当たりの主軸位置の変化量ΔＳ（単位時間当たりの主軸角度の変化量）に変換される。１０４は主軸速度作成部１０３にて作成された主軸速度に対し、パラメータ設定された加減速時定数ｔ１に基づいて、直線の傾きデータが得られるよう加減速処理を行う主軸速度加減速処理部である。

１１２は主軸速度加減速処理部１０４にて加減速処理されたものに対し、加減速フィルタを掛けることにより、例えばＳ字型のデータが得られるよう加減速処理を行う主軸速度加減速処理部、１１３は主軸の位置ループゲインが、送り軸（ねじ切り工具をＺ軸方向に移動させてねじを切る工具を移動させるための軸）の位置ループゲインと同一となるよう調整するねじ切り用主軸制御パラメータ変更部、１０５は主軸速度加減速処理部１１２からの出力に基づいて主軸モータ１０６を位置制御する主軸制御部、１０６は主軸を回転させる主軸モータで、エンコーダが取り付けられており、このエンコーダの検出データを主軸制御部１０５にフィードバックすることにより、主軸制御部１０５にて位置制御される。

また、１０７はＮＣ加工プログラムを解析するプログラム解析部、１０８は主軸速度作成部１０３及び主軸速度加減速処理部１０４で作成された主軸回転速度指令Ｆと、ＮＣ加工プログラムのプログラム解析部２０７で解析したピッチＰとを乗算することにより、送り軸速度Ｆ（＝Ｐ × Ｓ）を作成するねじ切り送り作成部である。なお、送り軸速度Ｆは、主軸速度が実際には主軸速度作成部１０３にて単位時間当たりの主軸位置の変化量ΔＳ（単位時間当たりの主軸角度の変化量）に変換されるので、実際にはΔＳ×Ｐの送り軸速度である。
１０９はねじ切り送り作成部１０８にて作成された送り軸速度に対し、主軸の加減速パターンと同一の加減速パターンが得られるよう、加減速フィルタを掛けることにより加減速処理を行う送り速度加減速処理部、１１４は送り軸の位置ループゲインが、主軸の位置ループゲインと同一となるよう調整するねじ切り用送り軸制御パラメータ変更部、１１０は送り軸速度加減速処理部１０９からの出力に基づいてサーボモータ１１１をサーボ制御する主軸制御部、１１１は送り軸を回転させるサーボモータで、エンコーダが取り付けられており、このエンコーダの検出データをサーボ制御部１１０にフィードバックすることにより、サーボ制御部１１０にてサーボ制御される。

なお、この実施例にあっては、ねじ切り送り作成部１０８が、主軸速度指令から主軸に同期させる送り軸の移動量を算出する手段を、送り速度加減速処理部１０４、１１２、１０９が、主軸と送り軸の加減速時定数及び加減速タイプを同一に設定する手段を、ねじ切り用主軸制御パラメータ変更部１１３及びねじ切り用送り軸制御パラメータ変更部１１４が、主軸と送り軸の位置ループゲインを同一に設定する手段を構成している。

以上のように、この実施例にあっては、主軸のフィードバックデータからねじ切り送り速度を作成するのではなく、主軸回転速度指令からねじ切りの送り速度を作成するよう構成されている。また、主軸と送り軸の加減速時定数や加減速フィルタ(加減速タイプ)として同一のものを採用しており、更に主軸と送り軸の位置ループゲインとして同一のゲインとなるように、ねじ切り用主軸制御パラメータ変更部１１３及びねじ切り用送り軸制御パラメータ変更部１１４にて調整している。

次にこのように構成されたＮＣ装置の作用効果について説明する。
即ち、主軸速度の変化で位相誤差を発生させる要因として３つの要因が存在する。
１つ目の要因としては、演算遅れ時間によって発生する位相誤差がある。従来のねじ切りは、上述したように、主軸モータ２０６のエンコーダのフィードバックデータΔＳとピッチＰとから送り軸の速度を作成している。また、ＮＣとアンプ間は通信単位時間あたりデータをやり取りしているため、実際に主軸モータ２０６の速度が変更されてから、その速度の変更がサーボモータ２１１に反映されるには、図４に示すように、ＮＣとアンプ間の通信単位時間の数回分のズレが生じる事となる。その結果、主軸と送り軸の位相誤差が発生してしまう。

ところが、この実施例では、主軸のフィードバック位置データからねじ切り送り速度を作成するのではなく、主軸速度作成部１０３と主軸速度加減速処理部１０４で作成された主軸回転速度指令から、ねじ切り送り作成部１０８で送り軸の指令を作成しているため、主軸の速度変更指令と送り軸の速度変更指令は同じタイミングとなる。
このため、主軸に対する送り軸の演算遅れ時間はなくなり、ひいては位相誤差は発生しなくなる。

また主軸速度の変化で位相誤差を発生させる２つ目の要因としては、主軸と送り軸の加減速時定数や加減速フィルタ(加減速タイプ)の違いで速度の加減速時に発生する位相誤差がある。速度が変更された場合、設定されている加減速フィルタ(加減速タイプ)、加減速時定数の時間で、変更された速度に達するため、それにより遅れが発生する。主軸と送り軸の加減速時定数や加減速フィルタ(加減速タイプ)が違うと、加減速の遅れ量も違うため、主軸と送り軸の位相誤差が発生し同期が崩れてしまう。このことを図５で説明すると、加減速フィルタ(加減速タイプ)が直線で加減速時定数tの場合は、速度変化ΔＳによる加減速の遅れ量ｄ1は、ｄ１ = ΔＳ × t / ２となり、加減速時定数により、遅れ量が変化してしまうことがわかる。

ところが、この実施例では、主軸と送り軸に同じ加減速時定数や加減速フィルタ(加減速タイプ)を設定しているため、加減速による位相誤差は発生しなくなる。
このことを図１〜図３を用いて説明すると、主軸オーバライド１０２により主軸速度をＳ１からＳ２に変更する場合、主軸速度作成部１０３で作成される速度データは図２(a)のようなステップでの立ち上がりをする速度データとなる。このデータに対して主軸速度加減速処理部１０４で加減速時定数ｔ１を設定することにより、図２(ｂ)のような直線の傾きのデータを作成している。ねじ切り送り作成部１０８では主軸速度加減速処理部１０４で作成された主軸速度ＳとピッチＰから送り速度を作成し、その送り速度ＦはＦ = Ｐ × Ｓとなり、図３(ｂ)のような送り速度データを作成している。

この送り速度に対して、送り速度加減速処理部１０９で加減フィルタを掛けている。例えば、送り速度加減速処理部１０９にてＳ字型加減速フィルタが設定された場合は、図３(ｃ)のようなＳ字型の加減速データが作成される。この実施例では、加減速時定数や加減速タイプを同一にするため、主軸速度に対して、加減速処理部１１２にて、更に送り軸と同じ加減速フィルタをかける加減速処理を行うことにより、図２(ｃ)のような主軸速度データを作成している。これにより、主軸モータ１０６に出力する指令データ（図２(ｃ)）とサーボモータ１１１に出力する指令データ（図３(ｃ)）とは同じ形となり、加減速時もＦ = Ｐ × Ｓの関係が崩れることはない。これにより、加減速による位相誤差は発生しなくなる。

また主軸速度の変化で位相誤差を発生させる３つ目の要因としては、加減速時の実際の主軸モータとサーボモータの追従遅れによって発生する位相誤差がある。速度変化時、モータに出力される指令の速度は前述のように加減速がかけられている。しかし、モータの実際の動作は、その加減速をかけた指令に対して、図６に示すように更に遅れが生じる。この加減速時の主軸モータとサーボモータの追従遅れ量が違うことによっても、主軸と送り軸の位相誤差が発生し同期が崩れてしまう。ここで、モータの位置ループゲインをＧとするとこのモータの追従遅れ量ｄ２は、直線の加減速フィルタ(加減速タイプ)の場合、
ｄ2 ＝ ΔＳ / Ｇ
となり、モータの追従遅れ量は位置ループゲインによるものだとわかる。

ところが、この実施例では、主軸と送り軸の位置ループゲインを同一としているため、追従遅れによる位相誤差は発生しなくなる。
このことを図１を用いて説明すると、この実施例ではねじ切り指令があった場合、ねじ切り用位置ループゲインは主軸モータ１０６とサーボモータ１１１に対しそれぞれパラメータで設定できるので、ねじ切り用主軸制御パラメータ変更部１１３、ねじ切り用送り軸制御パラメータ変更部１１４にて、主軸モータ１０６とサーボモータ１１１の位置ループゲインが同一のループゲインになるように変更している。そして主軸制御部１０６とサーボ制御部１１１で、この設定されたループゲインに従ってモータ１０６、１１１を制御している。この結果、モータの追従遅れによる誤差をなくすことができ、ひいては位相誤差は発生しなくなる。

実施例２．
次にこの発明の実施例２について、主に図７及び図８を用いて説明する。
即ち、主軸は回転数が高い場合はトルクが小さいため、急激な加速はできない。回転数が高い場合でも追従できるように加減速時定数は設定しないといけないため、主軸の加減速時定数は必然的に大きくなり、速度の変化に対する応答性が悪くなってしまう。
そこでこの実施例２にあっては、ねじ切り時は主軸速度加減速処理部１０４で多段の加減速とすることで、主軸速度の立ち上がりを速くし、応答性を上げている。
図７は多段加減速の主軸速度と加減速時定数との関係を示している。また、図８は図７のように多段の加減速を行うときのフローチャートである。図７において、主軸回転速度が８４内では加減速時定数８１で、主軸回転速度が８４〜８５内では加減速時定数８２で、主軸回転速度が８５〜８６内では加減速時定数８３で加速することができることを示している。ここで、８６は主軸モータの最高回転速度であり、この速度を超えることはない。また、主軸回転速度８４〜８６、加減速時定数８１〜８３はパラメータで設定することができる。

この実施例２の場合、主軸速度加減速処理部１０４は図８に示すように動作する。即ち、ステップ１で、ねじ切り指令を参照することによりねじ切り中か否かを判断し、ねじ切り中でない場合には、ステップ３に移行し通常の加減速時定数を設定する。ねじ切り中である場合にはステップ２に移行し、前回の主軸速度が主軸回転速度８４と同一かそれより低いか否かを判断する。ステップ２で、前回の主軸速度が主軸回転速度８４と同一かそれより低い場合、ステップ４に移行して加減速時定数８１を設定し、前回の主軸速度が主軸回転速度８４と同一かそれより高い場合、ステップ５に移行する。ステップ５では、前回の主軸速度が主軸回転速度８５と同一かそれより低いか否かを判断し、前回の主軸速度が主軸回転速度８５と同一かそれより低い場合、ステップ４に移行して加減速時定数８２を設定し、前回の主軸速度が主軸回転速度８５と同一かそれより高い場合、ステップ７に移行して加減速時定数８３を設定する。そしてこれらの加減速時定数を設定後、ステップ８に移行して主軸速度を作成する。

この実施例２によれば、主軸回転速度が８４内では主軸回転速度は低速で回転しているため、トルクが大きく、加減速時定数８１のように短い加減速時定数で比較的急な加速を行う。逆に主軸回転速度が８５〜８６内で高速に回転している場合はトルクが小さいため、加減速時定数８３のように長い加減速時定数で比較的緩やかな加速を行う。このように、多段の加減速とすることで速度領域に適した加減速時定数での加速が可能となり、びびり発生時の主軸速度の変更の応答性を上げることができる。

以上説明したように、これらの実施例によれば、送り軸の指令を、主軸のフィードバック位置データからではなく主軸回転速度指令から作成しているため、主軸に対する送り軸の演算時間遅れ誤差による位相誤差が発生しない。また、ねじ切り指令時に主軸と送り軸の加減速時定数や加減速タイプを同一にしているため、加減速時の指令レベルでの位相誤差が発生しない。また、主軸と送り軸の位置ループゲインを同一にしてモータの追従誤差を同じにしているため、追従誤差による位相誤差が発生しない。
このため、主軸オーバライドにより主軸回転速度を変更した場合でも位相誤差が発生せず、ねじの加工精度が低下することがないため、ねじ切り切削中に主軸回転速度を自由に変更できるようになる。
また主軸を多段加減速制御しているため、主軸速度の立ち上がりが速くなり、ひいては応答性が向上する。

この発明に係るねじ切り制御方法及びその装置は、ねじの加工精度を悪くすることなく、ねじ切り加工を開始した後のねじ切削途中に主軸回転数を変化させたい場合に用いられるのに適している。

１０１ 主軸回転速度、１０２ 主軸オーバライド、１０３主軸速度作成部、１０４ 主軸速度加減速処理部、１０５ 主軸制御部、１０６ 主軸モータ、１０７ プログラム解析部、１０８ ねじ切り送り作成部、１０９ 送り速度加減速処理部、１１０ サーボ制御部、１１１ サーボモータ、１１２ 主軸速度加減速処理部、１１３ ねじ切り用主軸制御パラメータ変更部、１１４ ねじ切り用送り軸制御パラメータ変更部。

Claims (4)

1. 主軸の回転に同期して送り軸を制御することにより、前記送り軸で駆動されるねじ切り工具を移動させてねじ切り加工を行うねじ切り制御方法において、主軸速度指令から主軸の回転に同期させる送り軸の移動量を算出するとともに、主軸と送り軸の時定数、加減速タイプ及び位置ループゲインを同一にしてねじ切り加工を行うことを特徴とするねじ切り制御方法。
2. ねじ切り加工中の主軸回転速度変更時は、速度の変動領域に応じて多段の加減速を行うことを特徴とする請求項１に記載のねじ切り制御方法
3. 主軸の回転に同期してねじ切り工具を移動させることによりねじ切り加工を行うねじ切り制御装置において、主軸速度指令から主軸の回転に同期させる送り軸の移動量を算出する手段と、主軸と送り軸の時定数及び加減速タイプを同一に設定する手段と、主軸と送り軸の位置ループゲインを同一に設定する手段とを具備してなるねじ切り制御装置。
4. ねじ切り切削中の主軸回転速度変更時は、速度の変動領域に応じて多段の加減速を行うことを特徴とする請求項３に記載のねじ切り制御装置。

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