JP2022042825A - Machine tool control device - Google Patents

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浩平 西村
Kohei Nishimura
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Okuma Corp
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Abstract

To provide a control device capable of suppressing geometric shape errors caused by workpiece deformation when a machine tool is used to machine a workpiece without requiring measurement of the amount of deformation of the workpiece or tool in advance and prior registration of the material characteristics of the workpiece or tool to the control unit.SOLUTION: A control device 14 of a lathe 17 monitors a processing load determined by power supplied to a motor 6 and the rotational speed of the motor 6 when machining a workpiece 3 with a small geometric shape error, and compensates for a position of a tool 16 in an infeed direction so that the cutting force on the workpiece 3 is constant on the basis of processing load and rotational speed thereof. Therefore, according to the control device 14, even if the static rigidity of the workpiece 3 decreases with machining, the deterioration of the geometric shape caused by the deformation of the workpiece 3 due to the machining load can be suppressed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ＮＣ工作機械を制御して加工負荷によるワークの変形に起因するワーク形状の誤差を抑制するための工作機械の制御装置に関する。 The present invention relates to a machine tool control device for controlling an NC machine tool to suppress a work shape error caused by deformation of the work due to a machining load.

工作機械を用いてワークの加工を行う場合、加工負荷によりワークや機械構造が弾性変形することにより目的のワーク形状を得ることができない場合がある。そのようなワーク形状の誤差を抑制する手段として、特許文献１には、リアルタイムでモニタした加工負荷とワークの変形量とからワークの材料特性を算出し、予測するスプリングバック量に基づき加工負荷を補正する技術が開示されている。また、特許文献２には、データベースを用いて工作機械の運動機構部の性能を解析し、その解析結果に基づいて運動機構部の動作量を補正する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、データベースを用いて送り速度を指標として回転工具の変形を予測し、工具変形量の予測値に基づいて工具の切込量を補正する技術が開示されている。加えて、特許文献４には、加工負荷が許容範囲内でない場合に工具の切込量を補正する技術が開示されている。 When machining a work using a machine tool, it may not be possible to obtain the desired work shape due to elastic deformation of the work or machine structure due to the machining load. As a means for suppressing such an error in the shape of the work, Patent Document 1 describes the material characteristics of the work from the machining load monitored in real time and the deformation amount of the work, and calculates the machining load based on the predicted springback amount. The technique for correction is disclosed. Further, Patent Document 2 discloses a technique of analyzing the performance of the motion mechanism unit of a machine tool using a database and correcting the amount of motion of the motion mechanism unit based on the analysis result. Further, Patent Document 3 discloses a technique of predicting the deformation of a rotary tool using a feed rate as an index using a database and correcting the cutting amount of the tool based on the predicted value of the tool deformation amount. In addition, Patent Document 4 discloses a technique for correcting the cutting amount of a tool when the machining load is not within the allowable range.

特開平６－７９３５７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-79357 特開２００３－１０８２０６号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-108206 特開平８－２５７８７５号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-257875 特開２０００－１０５６０６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-10506

しかしながら、特許文献１の補正方法は、ワークのスプリングバック量を予測するために、ワークの弾性定数や復元直線といった材料特性を算出する必要があったため、予め実際に加工を行い、変形量を測定する必要があった。そのため、材質の異なるワークを加工する際に予め加工を行って変形量を測定しなければならず、変形量の同定に手間がかかる、という不具合があった。 However, in the correction method of Patent Document 1, in order to predict the springback amount of the work, it is necessary to calculate the material properties such as the elastic constant of the work and the restoration straight line, so that the actual processing is performed in advance and the deformation amount is measured. I had to do it. Therefore, when machining a workpiece made of a different material, it is necessary to perform machining in advance to measure the amount of deformation, and there is a problem that it takes time and effort to identify the amount of deformation.

また、特許文献２の補正方法は、ワークが変形しない場合に関しては、運動機構部の動作量を補正することにより精度よく加工することが可能であるものの、ワークが変形する場合に関しては、ワーク変形量について補正をすることができなかった。そのため、切削負荷によりワークが変形する場合には、必ずしも目的とする形状を得ることができない、という不具合があった。 Further, in the correction method of Patent Document 2, when the work is not deformed, it is possible to perform accurate processing by correcting the amount of movement of the motion mechanism portion, but when the work is deformed, the work is deformed. The amount could not be corrected. Therefore, when the work is deformed by the cutting load, there is a problem that the desired shape cannot always be obtained.

一方、特許文献３の補正方法は、たわみ量を算出するための工具のヤング率、断面二次モーメント、突出し長さ、比切削抵抗等のデータから送り速度と工具の変形量とを対応させたデータを、予め制御装置に登録しておく必要があった。そのため、工具およびワーク、または両者の組み合わせに応じたデータの収集に時間と労力とを要する上、登録した物性値に誤差がある場合には補正量と実際の変形量との間に誤差が生じる、という不具合があった。 On the other hand, in the correction method of Patent Document 3, the feed rate and the deformation amount of the tool are made to correspond from the data such as Young's modulus of the tool for calculating the amount of deflection, the moment of inertia of area, the protrusion length, and the specific cutting resistance. It was necessary to register the data in the control device in advance. Therefore, it takes time and labor to collect data according to the tool and work, or a combination of both, and if there is an error in the registered physical property value, an error occurs between the correction amount and the actual deformation amount. There was a problem called.

また、特許文献４の補正方法は、粗加工のように重切削を行い加工負荷が許容値を超えた場合などに、負荷が適正値となるように切込量を変更することは可能であるものの、ワークの変形量に応じた切り込みの変更量を求める手段がないため、ワークの変形量だけ切込量を補正することができなかった。 Further, in the correction method of Patent Document 4, it is possible to change the depth of cut so that the load becomes an appropriate value when the machining load exceeds the permissible value by performing heavy cutting as in rough machining. However, since there is no means for obtaining the change amount of the cut according to the deformation amount of the work, the cut amount cannot be corrected by the deformation amount of the work.

すなわち、加工負荷によるワークの変形量を補正するための上記特許文献１～４の如き従来の方法では、予め材料特性を調査し、加工負荷から変形量を予測する必要があったため、加工を行う前の準備に時間を要していた上、比切削抵抗などの物性値に誤差が存在する場合には、補正量に誤差を生じてしまう虞があった。 That is, in the conventional method for correcting the deformation amount of the work due to the machining load, it is necessary to investigate the material characteristics in advance and predict the deformation amount from the machining load, so that the machining is performed. In addition to the time required for the previous preparation, if there is an error in the physical property values such as the specific cutting resistance, there is a risk that an error will occur in the correction amount.

本発明は、以上の背景を鑑みてなされたものであり、予め材料特性および加工負荷とワークの変形量との関係をデータベースに登録する必要がなく、所望するワークの幾何学的精度を得ることが可能な工作機械の制御装置（数値制御装置）を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above background, and it is not necessary to register the relationship between the material properties and the machining load and the deformation amount of the work in the database in advance, and the desired geometrical accuracy of the work can be obtained. It is an object of the present invention to provide a control device (numerical control device) for a machine tool capable of performing the above.

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具又はワークを装着して回転または直進させるための駆動軸を備えており、その駆動軸を駆動させる駆動装置に供給する電力により加工負荷を検知する工作機械において、工具又はワークの切込方向における位置を補正するための制御装置であって、加工中の切削力を同定する切削力同定演算部と、その切削力同定演算部によって求められる切削開始から一定時間経過後までの切削力と現在の切削力との差が予め設定された閾値以下となるように、工具又はワークの切込方向における位置を補正するための補正量を算出する切込補正量演算部とを有していることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is provided with a drive shaft for mounting a tool or a work to rotate or move straight, and by power supplied to a drive device for driving the drive shaft. A control device for correcting the position of a tool or workpiece in the cutting direction in a machine tool that detects a machining load, a cutting force identification calculation unit that identifies the cutting force during machining, and a cutting force identification calculation unit. Correction amount for correcting the position of the tool or workpiece in the cutting direction so that the difference between the cutting force from the start of cutting to the lapse of a certain period of time and the current cutting force is equal to or less than a preset threshold value. It is characterized by having a cut correction amount calculation unit for calculating.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記切削力同定演算部は、切削時の電力に基づいて算出するモータトルクから、回転軸の回転速度が一定の回転速度に達した後から直進軸動作開始前までの間の電力値により算出する非切削状態でのモータトルクと、回転速度変化の勾配により算出する加減速に要するモータトルクとを差し引くことにより切削トルクを算出し、その切削トルクと加工径により切削力を算出することを特徴とするものである。 The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the cutting force identification calculation unit changes the rotational speed of the rotating shaft to a constant rotational speed from the motor torque calculated based on the electric power at the time of cutting. The cutting torque is calculated by subtracting the motor torque in the non-cutting state calculated from the power value between the time it reaches and before the start of operation of the straight shaft and the motor torque required for acceleration / deceleration calculated from the gradient of the rotational speed change. However, it is characterized in that the cutting force is calculated from the cutting torque and the machining diameter.

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記切削力同定演算部は、切削前の非切削状態でのモータトルク波形の近似曲線を用いて、切削開始後の非切削状態でのモータトルクを予測することを特徴とするものである。 The invention according to claim 3 is the invention according to claim 2, wherein the cutting force identification calculation unit uses an approximate curve of a motor torque waveform in a non-cutting state before cutting to perform non-cutting after the start of cutting. It is characterized by predicting the motor torque in a state.

請求項４に記載の発明は、請求項１～３のいずれかに記載の発明において、前記切削力同定演算部は、切削開始から一定時間経過後の切削力を同定する際に、少なくとも主軸回転周期（主軸が１回転するのに要する時間）経過後のモータに供給する電力値により切削力を同定することを特徴とするものである。 The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the cutting force identification calculation unit at least rotates the spindle when identifying the cutting force after a lapse of a certain time from the start of cutting. It is characterized in that the cutting force is identified by the power value supplied to the motor after the lapse of a period (time required for one rotation of the spindle).

請求項１に係る工作機械の制御装置によれば、予め実施するワーク又は工具の変形量の測定や、ワーク又は工具の材料特性の制御装置への登録を行う必要がなく、モータに供給する電力により求める加工負荷とモータの回転速度のみをモニタし、ワークの切削量が一定となるように切込方向における位置を補正することにより、加工負荷によるワークの変形に起因する幾何学的形状の誤差を抑制することが可能になる。 According to the machine tool control device according to claim 1, it is not necessary to measure the deformation amount of the work or tool and register the material characteristics of the work or tool in the control device in advance, and the power supplied to the motor. By monitoring only the machining load and the rotational speed of the motor obtained by Can be suppressed.

請求項２に係る工作機械の制御装置は、切削力同定演算部が切削時の消費電力に基づくモータトルクから非切削状態でのモータトルクと加減速に要するモータトルクとを差し引いた切削トルクに基づいて切削力を算出するため、切込方向における位置をより正確に補正することができ、加工負荷によるワークの変形に起因する幾何学的形状の誤差を非常に低いレベルまで抑制することができる。 The machine tool control device according to claim 2 is based on the cutting torque obtained by subtracting the motor torque in the non-cutting state and the motor torque required for acceleration / deceleration from the motor torque based on the power consumption during cutting by the cutting force identification calculation unit. Since the cutting force is calculated, the position in the cutting direction can be corrected more accurately, and the geometrical shape error caused by the deformation of the work due to the machining load can be suppressed to a very low level.

請求項３に係る工作機械の制御装置は、切削力同定演算部が非切削状態でのモータトルク波形の近似曲線を用いて切削開始後の非切削状態でのモータトルクを予測するため、切込方向における位置を非常に正確に補正することができ、加工負荷によるワークの変形に起因する幾何学的形状の誤差をきわめて低いレベルまで抑制することができる。 In the machine tool control device according to claim 3, the cutting force identification calculation unit predicts the motor torque in the non-cutting state after the start of cutting by using the approximate curve of the motor torque waveform in the non-cutting state. The position in the direction can be corrected very accurately, and the error of the geometric shape caused by the deformation of the work due to the machining load can be suppressed to an extremely low level.

請求項４に係る工作機械の制御装置は、切削力同定演算部が少なくとも主軸回転周期経過後のモータへの供給電力値により定常状態の切削力を同定するため、切込方向における位置をより正確に補正することができ、加工負荷によるワークの変形に起因する幾何学的形状の誤差を非常に低いレベルまで抑制することができる。 In the machine tool control device according to claim 4, the cutting force identification calculation unit identifies the cutting force in a steady state by the value of the power supplied to the motor at least after the lapse of the spindle rotation cycle, so that the position in the cutting direction is more accurate. It is possible to suppress the error of the geometric shape caused by the deformation of the work due to the machining load to a very low level.

工作機械の制御装置の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the control device of a machine tool. 主軸のトルクの変化の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the change of the torque of a spindle. 長尺なワークを切削する様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state of cutting a long work. 主軸のトルクの変化の一例（実測値）を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example (measured value) of the change of the torque of a spindle. 制御装置が搭載される工作機械の変更例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the modification example of the machine tool on which the control device is mounted.

以下、本発明の実施形態の一例を図面にもとづき詳細に説明する。 Hereinafter, an example of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

＜工作機械の構成＞
図１は本発明に係る工作機械の制御装置の一例を示す説明図である。工作機械である旋盤１７は、主軸１、チャック２、心押４、エンコーダ５、モータ（駆動装置）６、主軸台７等によって構成されている。そして、当該旋盤１７は、主軸１に取り付けられたチャック２、および、チャック２と対向する心押４によってワーク３を把持し、そのワーク３に対して、刃物台１５に装着された工具１６によって切削加工を施すことができるようになっている。また、主軸１を回転可能に支持する主軸台７内には、主軸１を回転させるためのモータ６と、主軸１の回転速度を検出するためのエンコーダ５とが内蔵されている。さらに、旋盤１７には、エンコーダ５によって主軸１の回転速度を監視するとともに、主軸１の回転速度を制御するための主軸制御部８が設けられている。 <Machine tool configuration>
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a control device for a machine tool according to the present invention. The lathe 17, which is a machine tool, is composed of a spindle 1, a chuck 2, a tailstock 4, an encoder 5, a motor (driving device) 6, a headstock 7, and the like. Then, the lathe 17 grips the work 3 by the chuck 2 attached to the spindle 1 and the tail pusher 4 facing the chuck 2, and the work 3 is gripped by the tool 16 mounted on the tool post 15. It can be machined. Further, a motor 6 for rotating the spindle 1 and an encoder 5 for detecting the rotation speed of the spindle 1 are built in the headstock 7 that rotatably supports the spindle 1. Further, the lathe 17 is provided with a spindle control unit 8 for monitoring the rotation speed of the spindle 1 by the encoder 5 and controlling the rotation speed of the spindle 1.

＜制御装置の構成＞
上記した旋盤１７には、制御装置１４が搭載されている。当該制御装置１４には、旋盤１７全体の挙動を制御する工作機械制御部９、回転速度の変更の指示等を行うための入力手段１０、加工プログラム等を記憶する記憶部１１、切削力を同定するための切削力同定演算部１２、その切削力同定演算部１２の演算結果に基づいて切込方向における位置を補正するための切込補正量演算部１３等が設けられている。そして、工作機械制御部９は、上記した主軸制御部８、入力手段１０、記憶部１１等と接続されており、主軸制御部８を介してワーク３の回転速度を制御するようになっている。また、工作機械制御部９は、刃物台１５に固定された工具１６を回転中のワーク３の周面に切り込ませる加工動作や、ワーク３及び／又は工具１６を回転軸方向及び／又は径方向へ送る加工動作等についても、周知の構成により制御するようになっている。 <Control device configuration>
The control device 14 is mounted on the lathe 17 described above. The control device 14 identifies a machine tool control unit 9 that controls the behavior of the entire lathe 17, an input means 10 for instructing a change in rotation speed, a storage unit 11 that stores a machining program, and a cutting force. A cutting force identification calculation unit 12 for performing the cutting force identification calculation unit 12, a cutting force correction amount calculation unit 13 for correcting the position in the cutting direction based on the calculation result of the cutting force identification calculation unit 12, and the like are provided. The machine tool control unit 9 is connected to the spindle control unit 8, the input means 10, the storage unit 11, and the like described above, and controls the rotation speed of the work 3 via the spindle control unit 8. .. Further, the machine tool control unit 9 performs a machining operation of cutting the tool 16 fixed to the tool post 15 into the peripheral surface of the rotating work 3, and the work 3 and / or the tool 16 in the rotation axis direction and / or diameter. The machining operation to be sent in the direction is also controlled by a well-known configuration.

上記した旋盤１７では、記憶部１１に記憶されている加工プログラムにしたがい、主軸制御部８による制御の下、モータ６へ電力を供給して主軸１を所定の回転速度で回転させるとともに、工具１６をワーク３の表面に切り込ませる等してワーク３への加工が行われる。また、工作機械制御部９は、上記した切削力同定演算部１２と切込補正量演算部１３とが接続されており、切削加工中、常に切削力を算出し、算出した切削力と切削開始時に算出した切削力との差が予め設定した閾値以下になるように、切込方向における工具１６の位置を常に補正しながらワーク３への切削を実行させる。 In the lathe 17 described above, according to the machining program stored in the storage unit 11, electric power is supplied to the motor 6 to rotate the spindle 1 at a predetermined rotation speed under the control of the spindle control unit 8, and the tool 16 is used. Is cut into the surface of the work 3 and the like is processed into the work 3. Further, the machine tool control unit 9 is connected to the above-mentioned cutting force identification calculation unit 12 and the cutting correction amount calculation unit 13, and constantly calculates the cutting force during cutting, and the calculated cutting force and the cutting start. The work 3 is cut while constantly correcting the position of the tool 16 in the cutting direction so that the difference from the cutting force calculated at that time is equal to or less than a preset threshold value.

＜制御装置の作動内容＞
次に、制御装置１４の切削力同定演算部１２により算出した切削力を用いて、切込補正量演算部１３により切込方向における位置を補正する具体的な手段について説明する。 <Operation details of the control device>
Next, a specific means for correcting the position in the cutting direction by the cutting correction amount calculation unit 13 will be described using the cutting force calculated by the cutting force identification calculation unit 12 of the control device 14.

制御装置１４の切削力同定演算部１２は、非切削時の主軸１にかかるトルクを算出するための非切削時主軸トルク演算手段、主軸１の加減速に要するトルクを算出するための加減速時主軸トルク演算手段、ワーク３の切削時におけるトルクを算出するための切削トルク演算手段、および、ワーク３の切削時における切削力を算出するための切削力演算手段として機能するようになっている。 The cutting force identification calculation unit 12 of the control device 14 is a non-cutting spindle torque calculation means for calculating the torque applied to the spindle 1 during non-cutting, and during acceleration / deceleration for calculating the torque required for acceleration / deceleration of the spindle 1. It functions as a spindle torque calculation means, a cutting torque calculation means for calculating the torque when the work 3 is cut, and a cutting force calculation means for calculating the cutting force when the work 3 is cut.

制御装置１４は、主軸制御部８による制御の下、モータ６に供給される電力値とエンコーダ５により算出される主軸１の回転速度とに基づいて、下式（１）を用いて主軸１にかかるトルク（主軸トルク）を検出する（算出する）。図２は、算出される主軸トルクの変化の様子（一加工例）を示したものである。 Under the control of the spindle control unit 8, the control device 14 uses the following equation (1) to attach the spindle 1 to the spindle 1 based on the power value supplied to the motor 6 and the rotation speed of the spindle 1 calculated by the encoder 5. The torque (spindle torque) is detected (calculated). FIG. 2 shows a state of change in the calculated spindle torque (one machining example).

Figure 2022042825000002
Figure 2022042825000002

主軸１が回転を開始すると、切削力同定演算部１２は、主軸１の回転速度が目標値に達してから送り軸動作又は切削を開始するまでの時間における非切削時の主軸トルクの値を検出する（算出する）。その後、切削力同定演算部１２は、切削開始前後の主軸トルクの差異（変動）により切削開始時の切削トルクを検出する（算出する）。 When the spindle 1 starts rotating, the cutting force identification calculation unit 12 detects the value of the spindle torque during non-cutting in the time from when the rotation speed of the spindle 1 reaches the target value to when the feed shaft operation or cutting is started. (Calculate). After that, the cutting force identification calculation unit 12 detects (calculates) the cutting torque at the start of cutting based on the difference (variation) in the spindle torque before and after the start of cutting.

なお、非切削時の主軸トルクは、温度などの影響を受けて主軸１の回転開始からの時間の経過に伴い低下する場合があるが、そのような事態が想定される場合には、たとえば、指数関数を用いた非切削時のトルク波形の近似曲線を用いて、所定の時間が経過した後の非切削時の主軸トルクを予測し、その予測値を利用しても良い。 The spindle torque during non-cutting may decrease with the passage of time from the start of rotation of the spindle 1 due to the influence of temperature and the like. If such a situation is expected, for example, An approximate curve of the torque waveform at the time of non-cutting using an exponential function may be used to predict the spindle torque at the time of non-cutting after a predetermined time has elapsed, and the predicted value may be used.

そして、切削力同定演算部１２は、切削中においては、常に、下式（２）のように、主軸トルクＴから、切削開始前に検出した非切削時のトルクＴｆ、および、主軸１の加減速に要するトルクＴαを差し引くことにより、切削トルクＴｃを算出する。また、そのように切削トルクＴｃを算出する際には、主軸１の加減速に要するトルクＴαは、主軸１の回転速度を変化させる際の回転速度の勾配ｄＳ／ｄｔと主軸１のイナーシャＪとから、下式（３）を用いて算出される。 Then, during cutting, the cutting force identification calculation unit 12 always uses the spindle torque T, the non-cutting torque T f detected before the start of cutting, and the spindle 1 as shown in the following equation (2). The cutting torque T c is calculated by subtracting the torque T α required for acceleration / deceleration. Further, when calculating the cutting torque T c in this way, the torque T α required for acceleration / deceleration of the spindle 1 is the gradient dS / dt of the rotation speed when changing the rotation speed of the spindle 1 and the inertia of the spindle 1. Calculated from J using the following equation (3).

Figure 2022042825000003
Figure 2022042825000003

Figure 2022042825000004
Figure 2022042825000004

さらに、切削力同定演算部１２は、上記の如く算出された切削トルクＴｃと加工半径との除算により切削力を算出する。そして、制御装置１４においては、その切削力に基づいて、主軸１の送り軸の作動が制御される。 Further, the cutting force identification calculation unit 12 calculates the cutting force by dividing the cutting torque T c calculated as described above from the machining radius. Then, in the control device 14, the operation of the feed shaft of the spindle 1 is controlled based on the cutting force.

上記の如く、制御装置１４が切削開始を検出する際には、上式（２）により算出する切削トルクＴｃが予め設定した閾値以上になった瞬間を切削開始とみなして検出する。なお、かかる切削開始のタイミングは、主軸１への電源投入から所定の時間が経過するまでとし、予め入力手段１０により工作機械制御部９に入力しておくことも可能であるし、切削されるワーク３の形状と加工プログラム（記憶部１１に保存されているもの）から求められる工具軌跡とに基づいて予測されるワーク３と工具１６とが干渉する瞬間とすることも可能である。さらに、ワーク３に旋削加工を施す場合には、切削幅が一定になってから（すなわち、旋削加工が定常状態になってから）切削開始時の切削トルクＴｃを求めることも可能であり、そのような構成を採用する場合には、上述した各方法での切削開始の検出時から主軸１が少なくとも一周期分回転した後（すなわち、主軸回転周期経過後）を旋削加工の定常状態の始まりとみなすことも可能である。 As described above, when the control device 14 detects the start of cutting, the moment when the cutting torque T c calculated by the above equation (2) becomes equal to or higher than the preset threshold value is regarded as the start of cutting and detected. It should be noted that the timing of starting such cutting is from the time when the power is turned on to the spindle 1 until a predetermined time elapses, and it is also possible to input in advance to the machine tool control unit 9 by the input means 10 or to perform cutting. It is also possible to set the moment when the work 3 and the tool 16 interfere with each other, which is predicted based on the shape of the work 3 and the tool locus obtained from the machining program (stored in the storage unit 11). Further, when turning the work 3, it is also possible to obtain the cutting torque T c at the start of cutting after the cutting width becomes constant (that is, after the turning becomes a steady state). When such a configuration is adopted, the steady state of turning starts after the spindle 1 has rotated at least one cycle (that is, after the spindle rotation cycle has elapsed) from the time when the start of cutting by each of the above-mentioned methods is detected. It is also possible to consider it as.

また、上記の主軸１の加減速に要するトルクＴαを算出する場合には、主軸１のイナーシャＪについては、主軸１の回転開始時の角加速度、主軸１の回転開始時の主軸トルクＴｓおよび非切削時のトルクＴｆから、下式（４）により同定することが可能である。 Further, when calculating the torque T α required for acceleration / deceleration of the main shaft 1, regarding the inertia J of the main shaft 1, the angular acceleration at the start of rotation of the main shaft 1 and the main shaft torque T s at the start of rotation of the main shaft 1 And from the torque T f at the time of non-cutting, it is possible to identify by the following equation (4).

Figure 2022042825000005
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また、上記した切削トルクＴｃの算出においては、ワーク３の形状と密度とを用いて計算により求められる数値を予め記憶部１１に登録しておき、加工時にその数値を参酌して主軸１の加減速に要するトルクＴαを算出し、その数値に基づいて切削トルクＴｃを算出することも可能である。一方、主軸１の回転速度の勾配ｄＳ／ｄｔについては、過去の主軸１の回転速度の履歴を記憶部１１に保存しておき、当該履歴に基づいて求められる微小時間の速度変化量から算出することも可能であるし、加工プログラム中の主軸１の回転速度に関する指令および送り軸の半径方向における位置から算出することも可能である。 Further, in the above-mentioned calculation of the cutting torque T c , a numerical value obtained by calculation using the shape and density of the work 3 is registered in the storage unit 11 in advance, and the numerical value is taken into consideration at the time of machining to form the spindle 1. It is also possible to calculate the torque T α required for acceleration / deceleration and calculate the cutting torque T c based on the numerical value. On the other hand, the gradient dS / dt of the rotation speed of the spindle 1 is calculated from the amount of change in speed in a minute time obtained based on the history of the rotation speed of the spindle 1 in the past stored in the storage unit 11. It is also possible to calculate from the command regarding the rotation speed of the spindle 1 in the machining program and the position of the feed shaft in the radial direction.

上記の如き方法によって、切削力同定演算部１２が切削力を算出した後には、切込補正量演算部１３は、切削開始時に算出した切削力から、その時点においてリアルタイムで算出した切削力（すなわち、加工中の任意の時点での切削力）を差し引いた値を評価値とし、最急降下法（関数の傾き（一階微分）のみから関数の最小値を探索する方法）等を用いて当該評価値が予め設定した閾値以下となるように、工具の切込量を補正するための補正値を算出する。そして、制御装置１４は、その補正値に基づいて、工作機械制御部９により送り軸を動作させて、切削開始から切削終了までの切削力が常に一定に保たれるように制御する。 After the cutting force identification calculation unit 12 calculates the cutting force by the above method, the cutting correction amount calculation unit 13 calculates the cutting force in real time from the cutting force calculated at the start of cutting (that is, that is). , The value obtained by subtracting the cutting force at any time during machining) is used as the evaluation value, and the evaluation is performed using the steepest descent method (method of searching for the minimum value of the function only from the slope of the function (first derivative)). A correction value for correcting the cutting amount of the tool is calculated so that the value is equal to or less than a preset threshold value. Then, the control device 14 operates the feed shaft by the machine tool control unit 9 based on the correction value, and controls so that the cutting force from the start of cutting to the end of cutting is always kept constant.

図３は、旋盤１７を用いて長尺なワーク３に切削加工を施す様子を示したものである。また、図４は、一定の回転速度で図３の切削加工を施す際に切込方向における位置の補正を行わない場合に、ワーク３の長手方向の位置（チャックの把持部からの距離）により主軸トルクＴが変化する様子を示したもの（一加工例）である。 FIG. 3 shows a state in which a long work 3 is cut using a lathe 17. Further, FIG. 4 shows the position in the longitudinal direction of the work 3 (distance from the grip portion of the chuck) when the position in the cutting direction is not corrected when the cutting process of FIG. 3 is performed at a constant rotation speed. It shows how the spindle torque T changes (one machining example).

図３の如き長尺なワーク３への切削加工において切込方向における位置の補正を行わない場合には、ワーク３の静剛性が高いチャックの把持部付近では、ワーク３の変形量が小さくなり、ワーク３の静剛性が低い心押４の付近や中央付近では、ワーク３の変形量が大きくなる。しかしながら、制御装置１４によれば、切削力同定演算部１２および切込補正量演算部１３の機能により、ワーク３の変形量に応じた切込方向における位置の補正が可能となる。したがって、制御装置１４によれば、加工負荷による変形をほとんど生じない状態のワーク３（たとえば、十分に径が大きい状態のワーク３）を切削加工する際に、ワーク３の幾何学的精度の良い加工をしておくことによって、以降の切削加工において、ワーク３が加工負荷による変形を生じ易い状態になっても、幾何学的精度の悪化を抑制することが可能になる。 When the position in the cutting direction is not corrected in the cutting process for a long work 3 as shown in FIG. 3, the amount of deformation of the work 3 becomes small in the vicinity of the grip portion of the chuck having high static rigidity of the work 3. In the vicinity of the tailstock 4 where the static rigidity of the work 3 is low or in the vicinity of the center, the amount of deformation of the work 3 becomes large. However, according to the control device 14, the functions of the cutting force identification calculation unit 12 and the cut correction amount calculation unit 13 make it possible to correct the position in the cutting direction according to the deformation amount of the work 3. Therefore, according to the control device 14, when cutting a work 3 in a state where deformation due to a machining load is hardly generated (for example, a work 3 in a state where the diameter is sufficiently large), the geometric accuracy of the work 3 is good. By performing the processing, it is possible to suppress the deterioration of the geometric accuracy even if the work 3 is likely to be deformed due to the processing load in the subsequent cutting processing.

＜制御装置の効果＞
上記したように、旋盤１７の制御装置１４によれば、切削力同定演算部１２によって算出される切削力を一定に保つように切込方向における工具１６の位置が補正されるため、加工負荷とワーク３の変形量との関係を予め制御装置１４に登録する必要なく、ワーク３の変形による除去量（補正量）の過不足を抑制し、高い幾何学的精度を得ることが可能になる。 <Effect of control device>
As described above, according to the control device 14 of the lathe 17, the position of the tool 16 in the cutting direction is corrected so as to keep the cutting force calculated by the cutting force identification calculation unit 12 constant. It is not necessary to register the relationship with the deformation amount of the work 3 in the control device 14 in advance, and it is possible to suppress excess or deficiency of the removal amount (correction amount) due to the deformation of the work 3 and obtain high geometric accuracy.

＜工作機械の制御装置の変更例＞
本発明に係る工作機械の制御装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、切削力同定演算部、切込補正量演算部等の構成を、本発明の趣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。また、本発明に係る制御装置が搭載される工作機械も、上記実施形態の如き旋盤に何ら限定されず、研削盤やマシニングセンタ等の他の種類の工作機械に変更することも可能である。 <Example of changing the control device of a machine tool>
The machine tool control device according to the present invention is not limited to the embodiment of the above embodiment, and the configuration of the cutting force identification calculation unit, the cut correction amount calculation unit, and the like is within a range that does not deviate from the gist of the present invention. Then, it can be changed as needed. Further, the machine tool on which the control device according to the present invention is mounted is not limited to the lathe as in the above embodiment, and can be changed to another type of machine tool such as a grinding machine or a machining center.

たとえば、制御装置は、上記実施形態の如く、主軸の負荷から切削力を算出するものに限定されず、送り軸の負荷から切削力を算出するもの等に変更することも可能である。 For example, the control device is not limited to the one that calculates the cutting force from the load of the spindle as in the above embodiment, and can be changed to the one that calculates the cutting force from the load of the feed shaft.

また、制御装置は、上記実施形態の如く、加工負荷による変形をほとんど生じない状態のワーク（たとえば、十分に径が大きいワーク）の切削加工時に幾何学的精度の良い加工をしておき、以降の切削加工において、ワークの剛性の低下による加工精度の悪化を抑制するものに限定されず、加工負荷による変形が大きいワーク（たとえば、径が小さいワーク）を加工する場合に、切込量や送り速度の低減等のワークが変形しにくい条件で前加工を施すことよって、ワークの剛性の低下による加工精度の悪化を抑制するもの等でも良い。 Further, as in the above embodiment, the control device performs machining with good geometric accuracy when cutting a workpiece (for example, a workpiece having a sufficiently large diameter) in a state where deformation due to a machining load is hardly generated. In the cutting process, the depth of cut and feed are not limited to those that suppress the deterioration of machining accuracy due to the decrease in the rigidity of the workpiece, and when machining a workpiece that is greatly deformed by the machining load (for example, a workpiece with a small diameter). Pre-machining may be performed under conditions such as a reduction in speed so that the workpiece is not easily deformed, thereby suppressing deterioration of machining accuracy due to a decrease in the rigidity of the workpiece.

加えて、本発明に係る制御装置が搭載される工作機械によって行われる加工の内容も、上記実施形態の如き旋削に何ら限定されず、研削やミーリング加工等の他の各種の加工に変更することが可能である。図５は、工作機械であるマシニングセンタ２１に本発明に係る制御装置を搭載した様子を示すブロック図である。工作機械であるマシニングセンタ２１は、基台であるベッド２２、工具１６を装着可能な主軸２３、主軸２３を支持するためのサドル２４、サドル２４を上下動可能に支持する鉛直状のコラム２５、ワーク３を載置可能なテーブル２６等を備えている。また、主軸２３を回転可能に支持するサドル２４内には、主軸２３を回転させるためのモータ２７と、主軸２３の回転速度を検出するためのエンコーダ２８とが内蔵されている。そして、当該マシニングセンタ２１にも、上記実施形態における旋盤１７と同様な主軸制御部８と制御装置１４とが搭載されている。 In addition, the content of machining performed by the machine tool on which the control device according to the present invention is mounted is not limited to turning as in the above embodiment, and may be changed to other various machining such as grinding and milling. Is possible. FIG. 5 is a block diagram showing a state in which a control device according to the present invention is mounted on a machining center 21 which is a machine tool. The machining center 21 which is a machine tool includes a bed 22 which is a base, a spindle 23 to which a tool 16 can be mounted, a saddle 24 for supporting the spindle 23, a vertical column 25 which supports the saddle 24 so as to be vertically movable, and a work. It is equipped with a table 26 or the like on which the 3 can be placed. Further, in the saddle 24 that rotatably supports the spindle 23, a motor 27 for rotating the spindle 23 and an encoder 28 for detecting the rotation speed of the spindle 23 are built-in. The machining center 21 is also equipped with a spindle control unit 8 and a control device 14 similar to the lathe 17 in the above embodiment.

上記の如きマシニングセンタ２１において制御装置１４によって研削やミーリング加工時の工具１６の切込方向における位置を補正する場合でも、上記実施形態における旋盤１７でのワーク３の切込方向における位置補正の場合と同様に、切削力同定演算部１２によって式（１）～（３）を用いて切削トルクＴｃを算出し、その切削トルクＴｃ（あるいは切削トルクＴｃを加工半径で除した数値）を一定に保つように切込量を調整することによって、加工負荷とワーク３の変形量との関係を予め制御装置１４に登録する必要なく、ワーク３の変形による除去量（補正量）の過不足を抑制し、高い幾何学的精度を得ることが可能になる。なお、そのように本発明に係る制御装置によって工作機械による研削やミーリング加工時の工具の切込方向における位置を補正する場合には、工具が一回転する間にワークへの当接度合いが変化することを考慮して、工具が一回転する間の平均値（あるいは、所定数回転する間の平均値）としての主軸トルク、切削トルク，切削力等に基づいて、工具の切込方向における位置を補正することも可能である。 Even when the control device 14 corrects the position of the tool 16 in the cutting direction during grinding or milling in the machining center 21 as described above, the position is corrected in the cutting direction of the work 3 on the lathe 17 in the above embodiment. Similarly, the cutting force identification calculation unit 12 calculates the cutting torque T c using the equations (1) to (3), and the cutting torque T c (or the value obtained by dividing the cutting torque T c by the machining radius) is constant. By adjusting the depth of cut so as to keep the cutting amount, it is not necessary to register the relationship between the machining load and the deformation amount of the work 3 in the control device 14 in advance, and the excess or deficiency of the removal amount (correction amount) due to the deformation of the work 3 can be prevented. It is possible to suppress and obtain high geometric accuracy. When the control device according to the present invention corrects the position of the tool in the cutting direction during grinding or milling by a machine tool, the degree of contact with the work changes during one rotation of the tool. The position in the cutting direction of the tool based on the spindle torque, cutting torque, cutting force, etc. as the average value during one rotation of the tool (or the average value during a predetermined number of rotations). It is also possible to correct.

１・・主軸
２・・チャック
３・・ワーク
４・・心押
５・・エンコーダ
６・・モータ
７・・主軸台
８・・主軸制御部
９・・工作機械制御部
１０・・入力手段
１１・・記憶部
１２・・切削力同定演算部
１３・・切込補正量演算部
１４・・制御装置
１５・・刃物台
１６・・工具
１７・・旋盤（工作機械）
２１・・マシニングセンタ（工作機械）
２２・・ベッド
２３・・主軸
２４・・サドル
２５・・コラム
２６・・テーブル
２７・・モータ
２８・・エンコーダ 1 ・ ・ Spindle 2 ・ ・ Chuck 3 ・ ・ Work 4 ・ ・ Pushing 5 ・ ・ Encoder 6 ・ ・ Motor 7 ・ ・ Spindle 8 ・ ・ Spindle control 9 ・ ・ Machine tool control 10 ・ ・ Input means 11 ・・ Memory unit 12 ・ ・ Cutting force identification calculation unit 13 ・ ・ Cut correction amount calculation unit 14 ・ ・ Control device 15 ・ ・ Tool stand 16 ・ ・ Tool 17 ・ ・ Lathe (machine tool)
21 ... Machining center (machine tool)
22 ... Bed 23 ... Main shaft 24 ... Saddle 25 ... Column 26 ... Table 27 ... Motor 28 ... Encoder

Claims (4)

工具又はワークを装着して回転または直進させるための駆動軸を備えており、その駆動軸を駆動させる駆動装置に供給する電力により加工負荷を検知する工作機械において、工具又はワークの切込方向における位置を補正するための制御装置であって、
加工中の切削力を同定する切削力同定演算部と、
その切削力同定演算部によって求められる切削開始から一定時間経過後までの切削力と現在の切削力との差が予め設定された閾値以下となるように、工具又はワークの切込方向における位置を補正するための補正量を算出する切込補正量演算部とを有していることを特徴とする工作機械の制御装置。 In a machine tool that has a drive shaft for mounting a tool or work and rotating or moving straight, and detects a machining load by the electric power supplied to the drive device that drives the drive shaft, in the cutting direction of the tool or work. A control device for correcting the position,
Cutting force identification calculation unit that identifies the cutting force during machining,
The position of the tool or machine tool in the cutting direction is set so that the difference between the cutting force obtained by the cutting force identification calculation unit from the start of cutting to the lapse of a certain period of time and the current cutting force is equal to or less than a preset threshold value. A machine tool control device characterized by having a notch correction amount calculation unit for calculating a correction amount for correction. 前記切削力同定演算部は、
切削時の電力に基づいて算出するモータトルクから、回転軸の回転速度が一定の回転速度に達した後から直進軸の動作開始前までの間の電力値により算出する非切削状態でのモータトルクと、回転速度変化の勾配により算出する加減速に要するモータトルクとを差し引くことにより切削トルクを算出し、その切削トルクと加工径とにより切削力を算出することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の制御装置。 The cutting force identification calculation unit is
From the motor torque calculated based on the power at the time of cutting, the motor torque in the non-cutting state calculated from the power value between the time when the rotation speed of the rotating shaft reaches a certain rotation speed and the time before the start of operation of the straight shaft. The first aspect of claim 1, wherein the cutting torque is calculated by subtracting the motor torque required for acceleration / deceleration calculated from the gradient of the rotation speed change, and the cutting force is calculated from the cutting torque and the machining diameter. Machine tool control device. 前記切削力同定演算部は、
切削前の非切削状態でのモータトルク波形の近似曲線を用いて、切削開始後の非切削状態でのモータトルクを予測することを特徴とする請求項２に記載の工作機械の制御装置。 The cutting force identification calculation unit is
The machine tool control device according to claim 2, wherein the motor torque in the non-cutting state after the start of cutting is predicted by using an approximate curve of the motor torque waveform in the non-cutting state before cutting. 前記切削力同定演算部は、
切削開始から一定時間経過後の切削力を同定する際に、少なくとも主軸回転周期経過後のモータに供給する電力値により切削力を同定することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の工作機械の制御装置。 The cutting force identification calculation unit is
6. Machine tool control device.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024116604A1 (en) * 2022-12-01 2024-06-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Processing machine and control method

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