JP2019025617A - 工作機械における工具切込方向の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】旋削工具や切込量の大小等にかかわらず、且つ生産効率を低下させることなく、容易にびびり振動の抑制効果を得る。
【解決手段】工作機械１の制御装置１３は、工具１１の振動を測定する振動センサ２１と、切込方向制御部１６により切込方向を変更し、変更した切込方向の設定値及び振動センサ２１で測定される振動の大きさの履歴から、振動が最小となる最適切込方向を検出する最適切込方向検出部２４と、を備え、切込方向制御部１６は、最適切込方向検出部２４によって検出された最適切込方向に工具１１を位置決めする。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械を用いた旋削加工において、ワークに対する工具の切込方向を制御する制御装置及び制御方法に関する。

工作機械を用いた旋削加工を行う際、ワークの剛性が低い場合や工具の剛性が低い場合には、びびり振動と呼ばれる振動がしばしば発生する。このびびり振動は、加工面にびびりマークと呼ばれる周期的な模様を発生させ、仕上げ面性状や加工精度の劣化を引き起こす。こうしたびびり振動を抑制する手段として、ワーク固定手段の変更によるワーク剛性の改善、刃物台の設計変更による工具剛性の改善、切込量の低減等が挙げられる。

しかし、ワーク固定手段の変更や刃物台の設計変更による剛性の改善については、手段の検討及び部品の作成に高度な専門知識と時間及び費用とを要するため、容易に実施することができない。また、切込量の低減については、実施は容易であるものの、生産効率の低下に繋がる。
そこで、特許文献１には、加工プログラムの切込量データに従って旋削加工がなされるときに工具がワークに加える背分力の絶対値が規定値以下（このましくは０）となるアプローチ角を算出して旋削加工を実行することで、びびり振動を抑えて旋削加工精度を高めようとする発明が開示されている。

特許第５７６６８９５号公報

上記特許文献１の発明においては、旋削工具として丸駒チップのインサートを使用すると、アプローチ角を変更しても背分力が変化しないため、びびり振動の抑制効果が期待できない。また、ワイパーチップを使用する場合、アプローチ角を変更すると目的の表面粗さが得られなくなる。さらに、溝入れ加工ではアプローチ角を変更できない等、加工によっては適用できない場合がある。
一方、旋削工具にかかわらず、切込量の小さい加工ではアプローチ角を変更しても背分力が殆ど変化しないため、やはりびびり振動の抑制効果は期待できない。
そして、ここでは刃物台をＢ軸周りに旋回させるため、段付きワークを加工する場合、刃物台がワークと干渉してアプローチ角の変更ができない場合が生じる。

そこで、本発明は、旋削工具や切込量の大小等にかかわらず、且つ生産効率を低下させることなく、容易にびびり振動の抑制効果を得ることができる工作機械における工具切込方向の制御装置及び制御方法を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、互いに直交する３つの直進軸と、工具の回転角度位置を変更及び保持可能な工具回転軸と、ワークを回転させるワーク回転軸と、旋削加工を行う際に、少なくとも２つの直進軸と工具回転軸とを制御して工具のワークへの切込方向を変更する切込方向制御手段と、を備えた工作機械に設けられ、工具の切込方向を制御する装置であって、
工具及び／又はワークの振動を測定する振動検出手段と、切込方向制御手段により切込方向を変更し、変更した切込方向の設定値及び振動検出手段で測定される振動の大きさの履歴から、振動が最小となる最適切込方向を検出する最適切込方向検出手段と、を備え、切込方向制御手段は、最適切込方向検出手段によって検出された最適切込方向に工具を位置決めすることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、切込方向制御手段は、切込方向の変更を連続的に行うことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、ワーク回転軸の負荷を監視する加工負荷監視手段を備え、最適切込方向検出手段は、最適切込方向を検出する際、加工負荷監視手段により得られる負荷が切込方向の変更開始時の値から所定の割合又は所定の値以上異なる場合、当該場合に測定された振動の大きさの履歴を除外することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、互いに直交する３つの直進軸と、工具の回転角度位置を変更及び保持可能な工具回転軸と、ワークを回転させるワーク回転軸と、旋削加工を行う際に、少なくとも２つの直進軸と工具回転軸とを制御して工具のワークへの切込方向を変更する切込方向制御手段と、工具及び／又はワークの振動を測定する振動検出手段と、を備えた工作機械において、工具の切込方向を制御する方法であって、
切込方向制御手段により切込方向を変更し、変更した切込方向の設定値及び振動検出手段で測定される振動の大きさを記憶する切込方向変更ステップと、
設定値及び振動の大きさの履歴から、振動が最小となる最適切込方向を検出する最適切込方向検出ステップと、
切込方向制御手段により、検出された最適切込方向に工具を位置決めする位置決めステップと、を実行することを特徴とする。

本発明によれば、旋削加工中に自動的に最適切込方向を探索して工具の位置決めを行うことができる。よって、容易にびびり振動を抑制することができる。また、変更するのは切込方向のみであるため、生産効率を低下させることがない上、工具の種類や切込量の大小にかかわらず常にびびり振動の抑制効果を得ることができる。

工作機械の工具切込方向の制御装置のブロック図である。 工具切込方向の制御方法のフローチャートである。 切込方向の変更状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の工具切込方向の制御装置の一例を示すブロック図である。図において、１は、周知の構成からなる工作機械であり、ベッド２には、ワーク回転軸としての主軸３が回転可能に支持されて、主軸モータ４によって、主軸３に固定されたテーブル５を回転可能としている。ベッド２には、コラム６がベッド２に沿って前後へスライド可能に立設されて、コラム６の前面で上下移動可能に設けたクロススライド７に沿って、サドル８が左右方向へスライド可能となっている。サドル８には、刃物台９が固定され、刃物台９に工具回転軸としてのＭ軸１０が回転可能に支持されて、Ｍ軸１０に工具１１を取り付け可能となっている。Ｍ軸１０は、周知の構成により回転及び回転位置の割出しが可能となっている。

よって、この工作機械１では、コラム６、クロススライド７、サドル８をそれぞれ駆動させる３つの直交する送り軸を制御することで、テーブル５上に取り付けられて回転するワーク１２に対して、工具１１を径方向に送り、且つ回転軸方向に送ることにより、旋削加工を行うことができる。

１３は、工具切込方向の制御装置で、ここではＮＣ装置内に設けられる。この制御装置１３は、加工プログラムや後述する最適切込方向の探索開始指令等を入力する入力部１４と、主軸モータ４や送り軸の制御に係る数値制御情報を保持し、入力部１４に入力された指令に基づいて数値制御情報を出力する数値制御情報実行部１５と、数値制御情報実行部１５からの数値制御情報に基づいて、主軸モータ４を制御する主軸制御部１７、送り軸を制御する送り軸制御部１８、Ｍ軸１０を制御するＭ軸制御部１９をそれぞれ制御して切込方向を決定する切込方向制御手段としての切込方向制御部１６とが設けられている。また、主軸制御部１７が保持するトルク指令値を用いて所定のサンプリング周期で加工負荷の平均値を演算する加工負荷監視手段としての加工負荷監視部２０が設けられている。

さらに、刃物台９には、振動検出手段としての振動センサ２１が設けられ、制御装置１３には、振動センサ２１で測定した振動波形をフーリエ変換して振動振幅を演算する振動量演算部２２が設けられている。２３は記憶部で、記憶部２３には、入力部１４を介して入力された加工プログラムやその他の指令、数値制御情報実行部１５が保持する数値制御情報、加工負荷監視部２０で演算された加工負荷の平均値、振動量演算部２２で演算された振動振幅等が記憶可能となっている。
そして、２４は、最適切込方向検出手段としての最適切込方向検出部で、この最適切込方向検出部２４は、記憶部２３に記憶されたＭ軸１０の角度位置と刃物台９の振動振幅の値とを参照して、振動振幅の値が最小となる切込方向を検出して数値制御情報実行部１５へ出力する。

以上の如く構成された制御装置１３による工具切込方向の制御方法を、図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、旋削加工中に、Ｓ１で、オペレータが入力部１４を介して数値制御情報実行部１５に最適切込方向の探索開始指令を入力すると、Ｓ２で、切込方向制御部１６が、送り軸制御部１８とＭ軸制御部１９とを介して、サドル８の送り軸とコラム６の送り軸とによる円弧運動と、Ｍ軸１０の回転運動とを同期させて、図３に示すように、工具１１の刃先位置が常にワーク１２の円周面に対して垂直且つ切込量の設定値が一定である状態で、工具１１の切込方向を、所定の値まで所定の速度で連続的に変更する（切込方向変更ステップ）。図３では、切込方向がＤ１である工具初期位置Ａから、切込方向がＤ２となる移動位置Ｂまで円弧運動させた場合を示している。矢印Ｓはワーク１２の回転方向である。

このとき、記憶部２３では、数値制御情報実行部１５が保持する切込方向を示すＭ軸１０の角度位置と、振動量演算部２２が保持する振動振幅の値とを所定のサンプリング周期で記憶する。
次に、Ｓ３で、最適切込方向検出部２４が、記憶部２３に記憶されたＭ軸１０の角度位置と刃物台９の振動振幅の値とを参照し、振動振幅の値が最小となる最適切込方向を検出する（最適切込方向検出ステップ）。
但し、加工負荷監視部２０によって演算された加工負荷の平均値が、切込方向の変更開始時の値から所定の割合以上変化している場合、或いは所定の値以上の差が生じている場合、最適切込方向検出部２４は、当該変化部分或いは差部分に該当する振動振幅のデータは除外して最適切込方向を検出する。溝などのワーク形状によって制御中に切込態様が変化する場合に起因する一時的な振動振幅の変化を排除するためである。

そして、Ｓ４で、切込方向制御部１６が、数値制御情報実行部１５を介して最適切込方向検出部２４が検出した最適切込方向となるように、サドル８の送り軸とコラム６の送り軸とによる円弧運動と、Ｍ軸１０の回転運動とを同期させて、工具１１を最適切込方向に位置決めする（位置決めステップ）。Ｓ５で加工が終了すると、工具切込方向の制御は終了する。

このように、上記形態の工具切込方向の制御装置１３及び制御方法によれば、最適切込方向の探索開始指令が入力部１４に入力されると、切込方向制御部１６により工具１１の切込方向を変更し、変更した切込方向を示すＭ軸１０の角度位置（切込方向の設定値）と、振動量演算部２２が保持する振動振幅の値（振動の大きさ）とを記憶し、Ｍ軸１０の角度位置と振動振幅の値との履歴から、最適切込方向検出部２４が、振動が最小となる最適切込方向を検出し、検出された最適切込方向に工具１１を位置決めするので、旋削加工中に自動的に最適切込方向を探索して工具１１の位置決めを行うことができる。よって、容易にびびり振動を抑制することができる。また、変更するのは切込方向のみであるため、生産効率を低下させることがない上、工具１１の種類や切込量の大小等にかかわらず常にびびり振動の抑制効果を得ることができる。

なお、本発明に係る制御装置及び制御方法は、上記形態に限定されるものではなく、制御装置や工作機械に係る構成等は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
例えば、上記形態では、工具の振動を間接的に検出するために刃物台の振動を振動センサで測定し、刃物台の振動が最小となるように切込方向を制御しているが、ワークの振動をベッドに設けた振動センサで間接的に測定し、ワークの振動に基づいて最適切込方向を検出するようにしてもよい。また、工具側とワーク側との振動に基づいて最適切込方向を検出してもよい。この場合、各振動センサで測定した振動振幅と所定値との比をそれぞれ比較して、値が大きい方の振動が最小となるように切込方向を制御することが考えられる。また、工具とワークとのどの振動を最小とするかをオペレータが選択して指令できるようにしてもよい。

さらに、上記形態では、加工負荷監視部を設けて所定のサンプリング周期の加工負荷の平均値を演算し、加工負荷の平均値が所定の割合以上変化した場合等には最適切込方向の検出の際に当該振動振幅のデータを無視するようにしているが、加工負荷監視部を省略して、振動振幅のデータを全て参照して最適切込方向を検出することもできる。

そして、上記形態では、最適切込方向を探索する際、切込方向制御部が切込方向を連続的に変更しているが、所定の角度毎に切込方向を断続的に変更して振動振幅データを取得し、最適切込方向を検出するようにしてもよい。
その他、工作機械の構成も上記形態に限らず、立形でなく横形であっても本発明は適用可能である。

１・・工作機械、２・・ベッド、３・・主軸、４・・主軸モータ、５・・テーブル、６・・コラム、８・・サドル、９・・刃物台、１０・・Ｍ軸、１１・・工具、１２・・ワーク、１３・・制御装置、１４・・入力部、１５・・数値制御情報実行部、１６・・切込方向制御部、１７・・主軸制御部、１８・・送り軸制御部、１９・・Ｍ軸制御部、２０・・加工負荷監視部、２１・・振動センサ、２２・・振動量演算部、２３・・記憶部、２４・・最適切込方向検出部、Ｄ１，Ｄ２・・切込方向。

Claims (4)

1. 互いに直交する３つの直進軸と、工具の回転角度位置を変更及び保持可能な工具回転軸と、ワークを回転させるワーク回転軸と、旋削加工を行う際に、少なくとも２つの前記直進軸と前記工具回転軸とを制御して前記工具の前記ワークへの切込方向を変更する切込方向制御手段と、を備えた工作機械に設けられ、前記工具の切込方向を制御する装置であって、
   前記工具及び／又は前記ワークの振動を測定する振動検出手段と、
   前記切込方向制御手段により切込方向を変更し、変更した切込方向の設定値及び前記振動検出手段で測定される振動の大きさの履歴から、前記振動が最小となる最適切込方向を検出する最適切込方向検出手段と、を備え、
   前記切込方向制御手段は、前記最適切込方向検出手段によって検出された最適切込方向に前記工具を位置決めすることを特徴とする工作機械における工具切込方向の制御装置。
2. 前記切込方向制御手段は、切込方向の変更を連続的に行うことを特徴とする請求項１に記載の工作機械における工具切込方向の制御装置。
3. 前記ワーク回転軸の負荷を監視する加工負荷監視手段を備え、前記最適切込方向検出手段は、最適切込方向を検出する際、前記加工負荷監視手段により得られる負荷が切込方向の変更開始時の値から所定の割合又は所定の値以上異なる場合、当該場合に測定された前記振動の大きさの履歴を除外することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械における工具切込方向の制御装置。
4. 互いに直交する３つの直進軸と、工具の回転角度位置を変更及び保持可能な工具回転軸と、ワークを回転させるワーク回転軸と、旋削加工を行う際に、少なくとも２つの前記直進軸と前記工具回転軸とを制御して前記工具の前記ワークへの切込方向を変更する切込方向制御手段と、前記工具及び／又は前記ワークの振動を測定する振動検出手段と、を備えた工作機械において、前記工具の切込方向を制御する方法であって、
   前記切込方向制御手段により切込方向を変更し、変更した切込方向の設定値及び前記振動検出手段で測定される振動の大きさを記憶する切込方向変更ステップと、
   前記設定値及び前記振動の大きさの履歴から、前記振動が最小となる最適切込方向を検出する最適切込方向検出ステップと、
   前記切込方向制御手段により、検出された最適切込方向に前記工具を位置決めする位置決めステップと、を実行することを特徴とする工作機械における工具切込方向の制御方法。

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