JP3558508B2 - Ｎｃ工作機械の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＣ工作機械の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタや旋盤などの工作機械において、切削工具と被加工物とを相対移動させて被加工物を切削加工する際に、刃物と被加工物との間にいわゆるビビリ（ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ） が発生することがある。
ビビリは、一定の規則性をもったうねりが刃物と被加工物との間に発生する自励振動である。
このビビリが発生すると、徐々に機械の振動が増加し、この振動によって被加工物の切削面が不良となってしまったり、駆動系に過大な負荷がかかったりするため、好ましくない。
【０００３】
一般的に、上記のビビリの有する振動周波数は、工作機械、切削工具および被加工物などを含む機械系のもつ固有周波数に応じた大きさとなる。
例えば、フライス加工のように切削工具を主軸に取り付けて回転させる場合には、主軸の回転速度が上記の機械系の固有周波数に接近したような場合などにビビリが増大する。
また、切削工具に対する被加工物の送り速度をある速度にしたような場合にも、ビビリが誘発される。
従来においては、ビビリが発生した場合あるいはビビリが発生すると予想される場合には、作業者が経験的にビビリが抑制される程度まで主軸の回転速度を低下させたり、切削工具に対する被加工物の送り速度を低下させたりしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のビビリを抑制するために、主軸の回転数のみまたは送り速度のみを変更すると、主軸の回転数または送り速度の変更前と変更後では、切削面の状態も変わってしまう。
例えば、フライスやエンドミルなどの複数の刃を有する切削工具では、主軸の回転速度および送り速度のいずれか一方が変更されると、一刃当たりの被加工物に対する送り量が変更されることになり、切削面の状態にバラツキが生じ、同一の被加工物において切削面の品位にバラツキが生じることになる。
また、従来においては常に、加工中にビビリが発生しないかを作業者が監視して、主軸の回転速度および送り速度を作業者が決定する必要があるため、加工の自動化が難しかった。
【０００５】
本発明は、かかる従来の不利益を解消すべくなされたものであって、ＮＣ工作機械における切削工具と被加工物との間に発生するビビリ振動の抑制が可能で、切削面の状態を均一に近づけることが可能で、加工の自動化を可能とするＮＣ工作機械の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、工具または被加工物を回転させる主軸と、前記被加工物と前記工具とを相対移動させる送り軸とを有するＮＣ工作機械の制御装置であって、前記主軸の回転速度および前記送り軸の送り速度を変化させることにより、前記工具による前記被加工物の加工により前記工具と前記被加工物との間に発生する振動を抑制する振動抑制手段と、前記工具による前記被加工物の加工による前記主軸および送り軸にかかる負荷を、前記主軸の回転速度と前記送り軸の送り速度を変化させることにより予め定められた範囲に収める負荷一定範囲制御手段と、を有し、前記振動抑制手段および前記負荷一定範囲制御手段は、前記主軸の回転速度および前記送り軸の送り速度を一定に保ちながら前記主軸の回転速度および送り軸の送り速度を変化させる手段を有する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
第１実施形態
ＮＣ装置の説明
図１は、本発明が適用されたＮＣ装置の構成を示す説明図である。なお、ＮＣ装置ＮＣは主軸およびＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸の送り軸を制御可能なものとして説明する。
図１において、本実施形態に係るＮＣ装置１は、ＮＣプログラム解析・指令分配部４と、補助制御部６と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各サーボ制御部１２〜１４と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各軸サーボドライバ１５〜１７と、主軸制御部２１と、主軸ドライバ２２とを有している。
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸サーボドライバ１５〜１７には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸サーボモータ１８〜２０が接続されている。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸サーボモータ１８〜２０には、例えば光学式のロータリエンコーダなどの回転位置検出器１８ａ〜２０ａが備わっている。
主軸ドライバ２２には、主軸モータ２３が接続されている。主軸モータ２３には、例えばタコジェネレータ、光学式エンコーダなどの回転速度検出器２３ａが備わっている。
また、補助制御部６には、振動検出器３１および起動停止スイッチ３３が接続されている。
【００１７】
ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４は、ＮＣプログラム３５を解析（解読）処理して軌跡データを各送り軸の移動すべき位置指令に変換するとともに、必要な制御情報、たとえば送り速度Ｆや加速度情報などをブロック単位（コード単位）で出力する。また、ＮＣプログラム３５において指定された主軸モータ２３の回転速度Ｓや加速度情報などを制御情報としてブロック単位で出力する。
【００１８】
補助制御部６は、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４から出力されたブロック単位の制御情報を所定の形態に変更または新たな制御情報を付加して出力する。なお、補助制御部６の詳しい処理内容は後述する。
【００１９】
ＮＣプログラム３５は、一般的には、ＣＡＤシステムや自動プログラミングシステムによって作成され、所定の記憶媒体を介して、または、通信手段によってＮＣ装置１にダウンロードされる。
【００２０】
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各サーボ制御部１２〜１４は、位置ループ、速度ループおよび電流ループから構成される。
位置ループは、たとえば、ブロック単位の制御情報である、たとえば位置指令（移動量）を受けて、これらを単位時間あたりの位置指令に換算し、この単位時間当たりの位置指令と各サーボモータ１８〜２０の回転位置を検出する回転位置検出器１８ａ〜２０ａからの位置フィードバック信号との偏差に比例動作を施して（位置ループゲインをかける）、これを速度ループに対する速度指令として出力する。
速度ループは、たとえば、前記速度指令と回転位置検出器１８ａ〜２０ａからの位置フィードバック信号のサンプリング時間毎の差分値（速度フィードバック信号）との偏差に比例動作および積分動作を施してトルク指令とし、これを電流ループに出力する。
電流ループは、たとえば、各軸サーボモータ１８〜２０の駆動電流から換算した各サーボモータ１８〜２０の出力トルク信号と上記トルク指令との偏差に比例動作を施して電流指令とし、これを各軸サーボドライバ１５〜１７に所定の電気信号に変換して出力する。
各軸サーボ制御部１２〜１４は、本実施形態ではソフトウエアによって実現されるが、ハードウエアによっても実現可能である。
【００２１】
各軸サーボドライバ１５〜１７は、各軸サーボ制御部１２〜１４からの電流指令を増幅した駆動電流を各軸サーボモータ１８〜２０に出力する。
各軸サーボモータ１８〜２０は、各軸サーボドライバ１５〜１７の出力する駆動電流に応じて駆動される。
【００２２】
各軸サーボモータ１８〜２０に備わった回転位置検出器１８ａ〜２０ａは、各軸サーボモータ１８〜２０の回転量に応じた検出パルスを各軸サーボ制御部１２〜１４に対して出力する。
回転位置検出器１８ａ〜２０ａとしては、例えば、インクリメンタル方式のロータリエンコーダまたはアブソリュート方式のロータリエンコーダを用いることができる。インクリメンタル方式のロータリエンコーダを用いた場合には、当該ロータリエンコーダは１回転毎の位置信号を回転パルス信号として出力することから、回転パルス信号の数を各軸サーボ制御部１２〜１４において管理することにより、各軸サーボモータ１８〜２０の絶対位置が管理できる。
以上のような構成により、各軸サーボモータ１８〜２０の回転位置制御が可能となる。
【００２３】
主軸制御部２１は、速度ループおよび電流ループから構成される。すなわち、主軸制御部２１は、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４から得られた主軸モータ２３の回転速度指令と回転速度検出器２３ａからの回転速度信号との偏差を算出し、これに比例動作および積分動作を施してトルク指令とし、これを電流ループに出力する。
電流ループは、たとえば、主軸モータ２３の駆動電流から換算した主軸モータ２３の出力トルク信号と上記トルク指令との偏差に比例動作を施して電流指令とし、これを主軸ドライバ２２に出力する。
主軸制御部２１は、本実施形態ではソフトウエアによって実現されるが、ハードウエアによっても実現可能である。
主軸ドライバ２２は、たとえば、ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータ回路による電流制御回路を有しており、主軸制御部２１から出力される電流指令に従って主軸モータ２３の速度制御を行う。
なお、本実施形態では、主軸制御部２１がＮＣ装置１の内部に設けられている構成の場合について説明したが、本発明は主軸制御部２１がＮＣ装置１とは別に設けられている場合であっても適用可能である。
【００２４】
振動検出器３１は、主軸モータ２３によって駆動される工具と被加工物との間に発生する振動を検出する。
振動検出器３１には、たとえば、加速度センサ、ＡＥ（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサ、音センサなどを用いることが可能である。
起動・停止スイッチ３３は、ＮＣ装置１に具備された作業者によって操作されるスイッチである。
【００２５】
図１に示したＮＣ装置１の各機能は、たとえば、図２に示すような構成のハードウエアによって実現される。
図２において、マイクロプロセッサ４１は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ） ４２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ） ４３、インターフェース回路４４，４５，４６、グラフィック制御回路４７、表示装置４８、キーボード４９、ソフトウエアキー５０等とバスを介して接続されている。
マイクロプロセッサ４１は、ＲＯＭ４２に格納されたシステムプログラムにしたがって、ＮＣ装置１全体を制御する。
【００２６】
ＲＯＭ４２には、上記したＮＣプログラム解析・指令分配部４、補助制御部６、各軸サーボ制御部１２〜１４、主軸制御部２１などを実現するプログラムや、ＮＣ装置１全体を制御するためのプログラムが格納される。
ＲＡＭ４３は、ＲＯＭ４２に格納されたプログラムがダウンロードされたり、各種のＮＣプログラム、データなどが格納される。
【００２７】
グラフィック制御回路４７は、ディジタル信号を表示用の信号に変換し、表示装置４８に与える。
表示装置４８には、例えば、ＣＲＴ表示装置や液晶表示装置が使用される。表示装置４８は、ソフトウェアキー５０またはキーボード４９を用いて作業者が対話形式で加工プログラムを作成していくときに、形状、加工条件および生成された加工プログラム等を表示する。
作業者は、表示装置４８に表示される内容（対話形データ入力画面）にしたがってデータを入力することができる。
表示装置４８の画面には、その画面で受けられる作業またはデータがメニュー形式で表示される。メニューのうちどの項目を選択するかは、メニューの下のソフトウエアキー５０を押すことにより行う。
キーボード４９は、ＮＣ装置１に必要なデータを入力するのに使用される。
上述した、起動停止スイッチ３３は、たとえば、ソフトウエアキー５０またはキーボード４９によって実現される。
【００２８】
インターフェース回路４４は、マイクロプロセッサ４１から出力された位置指令等の制御指令を所定の信号に変換して各軸サーボドライバ１５〜１７に出力する。
また、インターフェース回路４４は、各軸サーボモータ１８〜２０に備わった位置検出器１８ａ〜２０ａからの検出パルスを逐次カウントし、このカウント値をマイクロプロセッ４１に出力する。
インターフェース回路４５は、マイクロプロセッサ４１から出力された速度指令等の制御指令を所定の信号に変換して主軸ドライバ２２に出力する。
インターフェース回路４６は、振動検出器３１の検出したアナログ信号をディジタル信号に変換して、マイクロプロセッサ４１に出力する。
【００２９】
ＮＣ工作機械の一例
ここで、上述したＮＣ装置１の補助制御部６を詳述する前に、本実施形態のＮＣ装置が適用されうるＮＣ工作機械としてのマシニングセンタの一例について説明する。
図３は、本実施形態のＮＣ装置が適用されうるマシニングセンタの一例を示す構成図である。
図３に示すマシニングセンタは、いわゆる門型のマシニングセンタであって、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７に、クロスレール３７上を移動可能に支持された可動部材５４を介して主軸台５５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。
【００３０】
可動部材４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しない雌ねじ部が形成されており、これにボールねじ６１がねじ込まれている。ボールねじ６１の端部には、Ｙ軸サーボモータ１９が設けられており、ボールねじ６１はＹ軸サーボモータ１９によって回転駆動される。
ボールねじ６１の回転駆動によって、可動部材５４はＹ軸方向に移動可能となり、これによって主軸台５５のＹ軸方向の移動が行われる。
【００３１】
さらに、可動部材５４には、鉛直方向に方向に図示しない雌ねじ部が形成されており、これにボールねじ６２がねじ込まれている。ボールねじ６２の端部には、Ｚ軸サーボモータ２０が設けられている。Ｚ軸サーボモータ２０によってボールねじ６２が回転駆動され、これにより可動部材５４に移動可能に設けられた主軸台５５のＺ軸方向の移動が行われる。
【００３２】
主軸台５５内には、主軸モータ３１が内蔵され、主軸モータ３１は、主軸台５５の先端に設けられるエンドミルなどの工具Ｔを回転駆動する。
主軸５５の下方には、Ｘ軸テーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられており、Ｘ軸テーブル３５には、ボールネジおよび雌ねじ等から構成される送り機構を介してＸ軸サーボモータ１８が接続されている。
Ｘ軸テーブル３５は、Ｘ軸サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動が行われる。
【００３３】
上記のＸ，Ｙ，Ｚ軸サーボモータ１８，１９，２０の駆動制御は、上述したＮＣ装置１によって行われる。
また、門型コラム３８には、図示しない雌ねじ部がそれぞれ形成されており、これにねじ込まれるボールねじ３２ａをクロスレール昇降用モータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
さらに、工具Ｔは自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９によって種々のものに交換可能になっており、各種アタッチメントの交換も自動交換装置（ＡＡＣ）４０によって種々のものに交換可能になっている。
主軸台５５には、上述した振動検出器３１が設置されており、工具Ｔによる加工中にビビリ振動が発生した場合には、ビビリ振動を検出可能となっている。
【００３４】
次に、上述したＮＣ装置１およびマシニングセンタによる被加工物の切削加工の一例について説明する。
図４は、エンドミルＴによって被加工物Ｗの上端面を仕上げ切削している様子を示す図であって、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。
図４に示す被加工物Ｗは、支柱部Ｒ１とこの支柱部Ｒ１に連続して形成された鍔部Ｒ２とを有するものである。
このような形状の被加工物Ｗの鍔部Ｒ２の上端面Ｆｗを回転するエンドミルＴによって仕上げ切削するには、エンドミルＴを、Ｚ軸方向に所定の切り込み量でエンドミルＴをＸ−Ｙ平面上で一定の送り速度で移動させることにより行う。
【００３５】
このとき、エンドミルＴが上端面Ｆｗ上で位置ＰＡ のように被加工物Ｗの鍔部Ｒ２上に位置する状態と、位置ＰＢ のように被加工物Ｗの支柱部Ｒ１上に位置する状態が発生する。
上述の形状の被加工物Ｗでは、鍔部Ｒ２の機械的剛性は、支柱部Ｒ１に比較して低い。したがって、エンドミルＴが鍔部Ｒ２上に位置する場合と、支柱部Ｒ１上に位置する場合とでは、切削時に発生するビビリ振動の周波数は異なる。
このため、たとえば、エンドミルＴが被加工物Ｗの鍔部Ｒ２上から支柱部Ｒ１上へ移動したり、支柱部Ｒ１上から鍔部Ｒ２へ移動したような場合には、急にビビリ振動の振幅が大きくなることがある。
これは、エンドミルＴの回転速度が、エンドミルＴや被加工物Ｗを含む切削系の固有周波数に近づくためと考えられる。
図４に示した被加工物Ｗの形状は、単なる一例であり、被加工物Ｗが複雑な形状になるほど上述のようなビビリ振動が発生しやすくなる。
【００３６】
従来においては、ビビリ振動が急に大きくなった場合には、作業者がエンドミルＴの回転速度を低下させて、切削系の固有周波数から離すことによりビビリ振動を抑制していた。
しかしながら、エンドミルＴの回転速度を低下させる際に、エンドミルＴのＸ軸、Ｙ軸方向の送り速度は変更していなかった。
このため、エンドミルＴの回転速度の変更前と変更後ではエンドミルＴによる被加工物Ｗの切削面の状態が異なり、切削面の品質を一定にすることが難しく、均一にしたいという課題があった。
【００３７】
本発明の制御方法
ここで、上述の問題を解決するために、本実施形態に係るＮＣ装置１の行う制御について説明する。
エンドミルＴを所定の送り軸方向に送りながら被加工物Ｗの切削加工を行なっている際に、ビビリ振動が発生または増大した場合に、これを抑制するために、図６に示すように、エンドミルＴ（主軸モータ２３）の回転速度Ｓを、所定の値まで低下させる。これと同時に、切削中に駆動している送り軸の送り速度ＦをエンドミルＴの回転速度Ｓとの比を一定に保つように低下させる。
なお、図６は、主軸制御部２１および各軸サーボ制御部１２〜１４における速度指令パターンを示している。
【００３８】
図６に示す例では、主軸モータ２３の回転速度Ｓおよび送り速度Ｆを時刻ｔ１ において５０％まで低下させ、時刻ｔ２ において変更前の送り速度Ｆに復帰させている。
このような制御によって、エンドミルＴの回転速度が切削系の有する固有周波数から離隔されるため、ビビリ振動が抑制される。
これに加えて、エンドミルＴの回転速度Ｓと送り軸の送り速度Ｆとの比が一定に保たれているため、エンドミルＴの一刃当たりの被加工物Ｗに対する送り量が回転速度Ｓおよび送り速度Ｆの速度の変更前と変更後とで同じに保たれる。
この結果、エンドミルＴの回転速度の変更前と変更後とで、エンドミルＴによる被加工物Ｗの切削面の状態は略同様とすることができ、被加工物Ｗの切削面の品質を一定にすることが可能となる。
【００３９】
また、他の制御方法として、エンドミルＴを所定の送り軸方向に送りながら被加工物Ｗの切削加工を行なっている際に、ビビリ振動が発生または増大した場合に、これを抑制するために、例えば図７に示すように、主軸モータ２３の回転速度Ｓを正弦波状に変調させることにより、ビビリ振動を抑制することも可能である。
例えば、主軸モータ２３を駆動する回転速度Ｓを２０００ｒｐｍとし、送り軸の送り速度Ｆを１０００ｍｍ／ｍｉｎとしている場合に、２０００ｒｐｍの回転速度指令に振幅が±２００ｒｐｍで周期Ｔの正弦波指令を付加するとともに、１０００ｍｍ／ｍｉｎの送り速度指令に振幅が±１００ｍｍ／ｍｉｎで周期Ｔの正弦波指令を付加する。なお、各々の正弦波指令は位相が等しくなるように送り速度指令および回転速度指令に付加する。
これにより、主軸モータ２３の回転速度Ｓと駆動される送り軸の送り速度Ｆとの比は常に一定となる。
なお、送り軸の位置ずれを防ぐために、送り速度指令および回転速度指令に付加する正弦波指令の積分値が零になるように、正弦波指令の長さは常に一周期の整数倍とする。また、正弦波指令の周期および振幅の情報は、たとえば、予めＮＣ装置１における所定のパラメータで指定しておくことが可能である。
この結果、エンドミルＴの回転速度の変調前と変調後とで、エンドミルＴによる被加工物Ｗの切削面の状態は略同様とすることができ、被加工物Ｗの切削面の品質を一定にすることが可能となる。
【００４０】
また、図６および図７の時間ｔ２ の決定方法は、たとえば、予めＮＣ装置１における所定のパラメータにおいて設定された時間を経過すると回転速度Ｓおよび送り速度Ｆの変調を停止したり、振動が所定の大きさよりも低下した場合に回転速度Ｓおよび送り速度Ｆの変調を停止したり、ＮＣプログラムのブロック毎の処理が完了したら回転速度Ｓおよび送り速度Ｆの変調を停止するなど、種々考えられる。
さらに、本発明では、図６および図７の時間ｔ２ を設定せずに、所定の加工が終了するまで、回転速度Ｓおよび送り速度Ｆを変調したままとすることも可能である。
【００４１】
補助制御部の説明
ここで、図５は、ＮＣ装置１の補助制御部６の構成を示す説明図である。
図５において、補助制御部６は、制御情報変更部６ａと、データ記憶部６ｂと、入力部６ｃとを有している。
【００４２】
制御情報変更部６ａは、上述した切削加工中のビビリ振動を抑制し、かつ切削面の品質を一定に保つための制御情報を、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４から出力されたブロック単位の制御情報を変更補正または新たに制御情報を付加して各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に出力する。
【００４３】
データ記憶部６ｂは、制御情報変更部６ａにおける制御情報の変更補正または新たに制御情報を付加するのに必要なデータを保持している。
【００４４】
入力部６ｃは、起動停止スイッチ３３から制御信号３３ｓが入力されると、これに応じて制御情報変更部６ａへの起動信号ＳＴ１がオン状態となる。したがって、作業者が起動停止スイッチ３３を適宜操作することにより、入力部６ｃから出力される起動信号６ｓはオン／オフする。
また、入力部６ｃには、振動検出器３１の検出信号３１ｓが入力される。
たとえば、図８に示すように、ビビリ振動が増大して振動検出器３１の検出信号３１ｓの振幅が所定のしきい値Ｖｔｈの範囲を越えると、入力部６ｃは制御情報変更部６ａへの起動信号ＳＴ１をオン状態とする。
【００４５】
ここで、補助制御部６の処理内容を、図９に示すフローチャートに基づいて説明する。
まず、制御情報変更部６ａはＮＣプログラム解析処理・指令分配部４からのブロック単位の制御情報を取得する（ステップＳ１）。
制御情報変更部６ａに入力されるＮＣプログラム解析処理・指令分配部４からのブロック単位の制御情報は、たとえば、Ｘ〜Ｚ軸の各送り軸の送り量（移動量）、送り速度Ｆ、主軸モータ２３の回転速度Ｓなどである。この制御情報は、直線切削送りの指令コードなどのコード単位（ブロック単位）にＮＣプログラム解析処理・指令分配部４から出力される。
【００４６】
次いで、制御情報変更部６ａでは、入力部６ａからの起動信号ＳＴ１がオンしているか否かを判断する（ステップＳ２）。
入力部６ａからの起動信号ＳＴ１がオフ状態に有る場合には、予め作成されたＮＣプログラムの指令に従う通常の制御モードとして、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４からの制御情報をそのまま各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に出力する（ステップＳ４）。
【００４７】
入力部６ａからの起動信号ＳＴ１がオン状態に有る場合、すなわち、振動検出器３１によってしきい値Ｖｔｈ以上の振動が検出された場合、あるいは、エンドミルＴを所定の送り軸方向に送りながら被加工物Ｗの切削加工を行なっている際に、ビビリ振動が発生または増大し、起動停止スイッチ３３を作業者が操作してオンした場合には、制御情報変更部６ａへの起動信号ＳＴ１はオン状態となり、振動抑制制御モードが実行される（ステップＳ３）。
図６に示した制御を行う場合には、入力部６ｃから起動信号ＳＴ１が入力されると、送り速度Ｆおよび回転速度Ｓをデータ記憶部６ｂに予め記憶された速度低下率、たとえば５０％に基づいて低下させ、これらの制御情報を各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に送出する。
【００４８】
各軸サーボ制御部１２〜１４では、変更後の送り速度Ｆと移動量とに基づいて、単位時間あたりの移動指令（速度指令）を算出する。
このとき、単位時間あたりの移動指令が急激に変化すると、ＮＣ工作機械に衝撃を与えるおそれがあるため、図６に示すように、所定の時間の間に一定の割合で減速されるようにする。なお、変更前の速度まで加速する際にも同様に所定の時間の間に一定の割合で増速されるようにする。
送り速度Ｆが１０００ｍｍ／ｍｉｎから半分の５００ｍｍ／ｍｉｎに変更されると、単位時間あたりの移動指令は変更前の半分となる。
【００４９】
同時に、主軸制御部２１では、変更後の回転速度Ｓに基づいて、主軸モータ２３を回転させる速度指令を算出する。
主軸制御部２１は、各軸サーボ制御部１２〜１４の場合と同様に、速度指令が急激に変化すると、ＮＣ工作機械に悪影響を与えるおそれがあるため、図６に示すように、所定の時間の間に減速されるようにする。なお、変更前の速度まで加速する際にも同様に所定の時間の間に一定の割合で増速されるようにする。
【００５０】
また、たとえば、図７に示した制御を行う場合には、付加する正弦波指令の周期および振幅の情報を各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に送出する。すなわち、変更前の速度指令に付加する正弦波指令を作成するための情報を制御情報に付け加えて、各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に送出する。
なお、正弦波指令の周期および振幅の情報は、予めＮＣ装置１における所定のパラメータで指定しておくことも可能である。
【００５１】
上述のような動作を完了したら、再度ステップＳ１に戻って、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４からのブロック単位の制御情報を取得する。
【００５２】
本実施形態では、振動抑制制御モードの起動は、入力部６ｃからの起動信号ＳＴ１によって行われるが、振動抑制制御モードの終了は、起動停止スイッチ３３を操作する場合には、起動停止スイッチ３３をオフすることによって行うことができる。
一方、振動検出器３１による振動検出によって振動抑制制御モードが起動された場合には、振動抑制制御モードの終了は、たとえば、一指令コード（ブロック）の実行が完了したら振動抑制制御モードを終了させ、予め作成されたＮＣプログラムに従う通常の制御モードに復帰させる構成とすることができる。
また、データ記憶部６ｃに予め設定された数の指令コードが実行されたら、通常の制御モードに復帰させたり、予め設定した時間が経過すると通常の制御モードに復帰させたりすることも可能であり、種々の態様が考えられる。
【００５３】
さらに、振動抑制制御モードを起動および停止する方法として、予めＮＣプログラムにおいて振動抑制制御モードの起動および停止を指示しておくことも可能である。
すなわち、振動抑制制御モードを起動および停止させる指令コード（たとえば、ＧコードやＭコード）を予め指定しておき、補助制御部６の制御情報変更部６ａでは、この指令コードを認識して図６や図７において説明した振動抑制制御を実行する構成とすることも可能である。
【００５４】
また、本実施形態では、主軸の回転速度Ｓおよび送り軸の送り速度Ｆの変調方法としては、図６および図７において説明したように、速度を低下させる方法、速度を正弦波状に変調させる方法について示したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、ビビリ振動が発生または増大した場合には、主軸の回転速度が機械系（切削系）の有する固有周波数から離間すればよく、たとえば、主軸の回転速度および送り軸の送り速度をさらに増加させてもよい。
また、主軸の回転速度Ｓおよび送り軸の送り速度Ｆの変調方法は、ＮＣ装置において設定されたパラメータによって予め設定する構成とすることも可能である。
【００５５】
以上のように、本実施形態によれば、振動検出器３１をＮＣ工作機械に設けたビビリ振動の発生を検出し、補助制御部６の有する振動抑制制御モードを自動的に起動できるため、加工の自動化が可能となる。
また、起動停止スイッチ３３を作業者が操作するのみで、補助制御部６の有する振動抑制制御モードの起動停止を行うことができるため、作業者は主軸および送り軸の速度調節が不要となり作業が簡略化される。
さらに、本実施形態によれば、補助制御部６の有する振動抑制制御モードを予め作成されたＮＣプログラムにおいて指定された指令コードによって起動停止することができるため、被加工物Ｗの切削加工においてビビリ振動の発生が予想される領域での振動抑制を予め自動的に行うことが可能となる。
【００５６】
なお、本実施形態では、本発明の適用対象としてマシニングセンタの場合について説明したが、これ以外にも、主軸によって被加工物Ｗを回転させ、工具を送り制御するＮＣ旋盤などにも適用可能である。
【００５７】
第２実施形態
図１０は、本発明が適用されたＮＣ装置の第２の実施形態の構成を示す説明図であり、図１１は図１０における補助制御部の内部構成を示す説明図である。
図１０に示すＮＣ装置は、補助制御部６に各軸サーボモータ１８〜２０および主軸モータ２３を流れる駆動電流値Ｉｆ，Ｉｓがフィードバックされる構成となっている。
すなわち、各軸サーボモータ１８〜２０および主軸モータ２３を流れる駆動電流は、各軸サーボドライバ１５〜１７および主軸ドライバ２２において検出され、補助制御部６にフィードバックされ、図１１に示すように、補助制御部６の制御情報変更部６ａに駆動電流値Ｉｆ，Ｉｓがそれぞれ読み込まれる。
【００５８】
また、補助制御部６は第１の実施形態において説明した機能に加えて、いわゆる適応制御機能を有している。
すなわち、補助制御部６は、各軸サーボモータ１８〜２０および主軸モータ２３にかかる負荷トルクが予め設定された範囲から外れる場合には、各軸サーボモータ１８〜２０または主軸モータ２３にかかる負荷トルクが所定の範囲に収まるように各軸サーボモータ１８〜２０または主軸モータ２３の速度を、予めＮＣプログラムで指定された主軸の回転速度Ｓや送り軸の送り速度Ｆを基準にして変更可能な適応制御機能を有している。
【００５９】
このような適応制御機能を有することによって、たとえば切削加工時に過大な負荷が主軸モータ２３や各軸サーボモータ１８〜２０にかかるのを防止することが可能になる。
同時に、加工時の主軸モータ２３や各軸サーボモータ１８〜２０にかかる負荷トルクが予め定められた負荷トルクの範囲に収まるように主軸の回転速度Ｓまたは送り軸の送り速度Ｆを増減することにより、加工時間を短縮することができる。
なお、このような適応制御を実現する適応制御アルゴリズムについては、既に種々提案されており、ここでは説明を省略する。
【００６０】
しかしながら、上述の適応制御機能によって、加工時の負荷トルクが許容する負荷トルクの範囲に収まるように、主軸の回転速度Ｓまたは送り軸の送り速度Ｆを独立に変更すると、上述したビビリ振動の場合と同様に、エンドミルＴの回転速度の変更前と変更後または送り速度Ｆの変更前と変更後では被加工物Ｗの切削面の状態が異なり、切削面の品質が一定とならない。
【００６１】
そこで、本実施形態では、補助制御部６の制御情報変更部６ａは、適応制御機能を起動させた際に、主軸の回転速度Ｓと送り軸の送り速度Ｆとの比を一定に保ちながら変更する。
すなわち、主軸モータ２３にかかる負荷トルクが予め定めた範囲に無い場合、または、各軸サーボ１８〜２０にかかる負荷トルクが予め定めた範囲に無い場合、主軸モータ２３または各軸サーボ１８〜２０の速度を変更して負荷トルクを予め定めた範囲に収める際に、主軸の回転速度Ｓと送り軸の送り速度Ｆとの比を一定に保ちながら同時に変更する。速度の変更量は、例えば、適応制御アルゴリズムによって算出することができる。
この結果、エンドミルＴの回転速度Ｓおよび送り軸の送り速度Ｆの変更前と変更後とで、エンドミルＴによる被加工物Ｗの切削面の状態は略同様とすることができ、被加工物Ｗの切削面の品質を一定にすることが可能となる。
【００６２】
なお、上述した主軸の回転速度Ｓと送り軸の送り速度Ｆとの比は、ＮＣプログラムにおいて指定された回転速度Ｓと送り速度Ｆとの比とすることができ、また、補助制御部６のデータ記憶部６ｂに予め設定しておくことも可能である。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、ＮＣ工作機械における切削工具と被加工物との間に発生するビビリ振動の抑制が可能であるとともに、切削面の状態を均一にでき、加えて、加工の自動化が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用されたＮＣ装置の一実施形態の構成図である。
【図２】図１の補助制御部の内部構成を示す説明図である。
【図３】本実施形態のＮＣ装置が適用されうるマシニングセンタの一例を示す構成図である。
【図４】エンドミルによって被加工物の上端面を仕上げ切削している様子を示す図であって、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図５】ＮＣ装置の補助制御部の構成を示す説明図である。
【図６】振動抑制制御モードにおける制御方法の一例を示す説明図である。
【図７】振動抑制制御モードにおける制御方法の他の例を示す説明図である。
【図８】補助制御部における入力部の振動検出方法の一例を示す説明図である。
【図９】補助制御部における処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明が適用されたＮＣ装置の第２の実施形態の構成を示す説明図である。
【図１１】図１０に示す補助制御部の内部構成を示す説明図である。
【符号の説明】
２…ＮＣ装置
４…ＮＣプログラム解析処理・指令分配部
６…補助制御部
１２〜１４…各軸サーボ制御部
１５〜１７…各軸サーボドライバ
１８〜２０…各軸サーボモータ
２１…主軸制御部
２２…主軸ドライバ
２３…主軸モータ
３１…振動検出器
３３…起動停止スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＣ工作機械の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタや旋盤などの工作機械において、切削工具と被加工物とを相対移動させて被加工物を切削加工する際に、刃物と被加工物との間にいわゆるビビリ（ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ） が発生することがある。
ビビリは、一定の規則性をもったうねりが刃物と被加工物との間に発生する自励振動である。
このビビリが発生すると、徐々に機械の振動が増加し、この振動によって被加工物の切削面が不良となってしまったり、駆動系に過大な負荷がかかったりするため、好ましくない。
【０００３】
一般的に、上記のビビリの有する振動周波数は、工作機械、切削工具および被加工物などを含む機械系のもつ固有周波数に応じた大きさとなる。
例えば、フライス加工のように切削工具を主軸に取り付けて回転させる場合には、主軸の回転速度が上記の機械系の固有周波数に接近したような場合などにビビリが増大する。
また、切削工具に対する被加工物の送り速度をある速度にしたような場合にも、ビビリが誘発される。
従来においては、ビビリが発生した場合あるいはビビリが発生すると予想される場合には、作業者が経験的にビビリが抑制される程度まで主軸の回転速度を低下させたり、切削工具に対する被加工物の送り速度を低下させたりしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のビビリを抑制するために、主軸の回転数のみまたは送り速度のみを変更すると、主軸の回転数または送り速度の変更前と変更後では、切削面の状態も変わってしまう。
例えば、フライスやエンドミルなどの複数の刃を有する切削工具では、主軸の回転速度および送り速度のいずれか一方が変更されると、一刃当たりの被加工物に対する送り量が変更されることになり、切削面の状態にバラツキが生じ、同一の被加工物において切削面の品位にバラツキが生じることになる。
また、従来においては常に、加工中にビビリが発生しないかを作業者が監視して、主軸の回転速度および送り速度を作業者が決定する必要があるため、加工の自動化が難しかった。
【０００５】
本発明は、かかる従来の不利益を解消すべくなされたものであって、ＮＣ工作機械における切削工具と被加工物との間に発生するビビリ振動の抑制が可能で、切削面の状態を均一に近づけることが可能で、加工の自動化を可能とするＮＣ工作機械の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、工具または被加工物を回転させる主軸と、前記被加工物と前記工具とを相対移動させる送り軸とを有するＮＣ工作機械の制御装置であって、前記主軸の回転速度および前記送り軸の送り速度を変化させることにより、前記工具による前記被加工物の加工により前記工具と前記被加工物との間に発生する振動を抑制する振動抑制手段と、前記工具による前記被加工物の加工による前記主軸および送り軸にかかる負荷を、前記主軸の回転速度と前記送り軸の送り速度を変化させることにより予め定められた範囲に収める負荷一定範囲制御手段と、を有し、前記振動抑制手段および前記負荷一定範囲制御手段は、前記主軸の回転速度および前記送り軸の送り速度を一定に保ちながら前記主軸の回転速度および送り軸の送り速度を変化させる手段を有する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
第１実施形態
ＮＣ装置の説明
図１は、本発明が適用されたＮＣ装置の構成を示す説明図である。なお、ＮＣ装置ＮＣは主軸およびＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸の送り軸を制御可能なものとして説明する。
図１において、本実施形態に係るＮＣ装置１は、ＮＣプログラム解析・指令分配部４と、補助制御部６と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各サーボ制御部１２〜１４と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各軸サーボドライバ１５〜１７と、主軸制御部２１と、主軸ドライバ２２とを有している。
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸サーボドライバ１５〜１７には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸サーボモータ１８〜２０が接続されている。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸サーボモータ１８〜２０には、例えば光学式のロータリエンコーダなどの回転位置検出器１８ａ〜２０ａが備わっている。
主軸ドライバ２２には、主軸モータ２３が接続されている。主軸モータ２３には、例えばタコジェネレータ、光学式エンコーダなどの回転速度検出器２３ａが備わっている。
また、補助制御部６には、振動検出器３１および起動停止スイッチ３３が接続されている。
【００１７】
ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４は、ＮＣプログラム３５を解析（解読）処理して軌跡データを各送り軸の移動すべき位置指令に変換するとともに、必要な制御情報、たとえば送り速度Ｆや加速度情報などをブロック単位（コード単位）で出力する。また、ＮＣプログラム３５において指定された主軸モータ２３の回転速度Ｓや加速度情報などを制御情報としてブロック単位で出力する。
【００１８】
補助制御部６は、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４から出力されたブロック単位の制御情報を所定の形態に変更または新たな制御情報を付加して出力する。なお、補助制御部６の詳しい処理内容は後述する。
【００１９】
ＮＣプログラム３５は、一般的には、ＣＡＤシステムや自動プログラミングシステムによって作成され、所定の記憶媒体を介して、または、通信手段によってＮＣ装置１にダウンロードされる。
【００２０】
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各サーボ制御部１２〜１４は、位置ループ、速度ループおよび電流ループから構成される。
位置ループは、たとえば、ブロック単位の制御情報である、たとえば位置指令（移動量）を受けて、これらを単位時間あたりの位置指令に換算し、この単位時間当たりの位置指令と各サーボモータ１８〜２０の回転位置を検出する回転位置検出器１８ａ〜２０ａからの位置フィードバック信号との偏差に比例動作を施して（位置ループゲインをかける）、これを速度ループに対する速度指令として出力する。
速度ループは、たとえば、前記速度指令と回転位置検出器１８ａ〜２０ａからの位置フィードバック信号のサンプリング時間毎の差分値（速度フィードバック信号）との偏差に比例動作および積分動作を施してトルク指令とし、これを電流ループに出力する。
電流ループは、たとえば、各軸サーボモータ１８〜２０の駆動電流から換算した各サーボモータ１８〜２０の出力トルク信号と上記トルク指令との偏差に比例動作を施して電流指令とし、これを各軸サーボドライバ１５〜１７に所定の電気信号に変換して出力する。
各軸サーボ制御部１２〜１４は、本実施形態ではソフトウエアによって実現されるが、ハードウエアによっても実現可能である。
【００２１】
各軸サーボドライバ１５〜１７は、各軸サーボ制御部１２〜１４からの電流指令を増幅した駆動電流を各軸サーボモータ１８〜２０に出力する。
各軸サーボモータ１８〜２０は、各軸サーボドライバ１５〜１７の出力する駆動電流に応じて駆動される。
【００２２】
各軸サーボモータ１８〜２０に備わった回転位置検出器１８ａ〜２０ａは、各軸サーボモータ１８〜２０の回転量に応じた検出パルスを各軸サーボ制御部１２〜１４に対して出力する。
回転位置検出器１８ａ〜２０ａとしては、例えば、インクリメンタル方式のロータリエンコーダまたはアブソリュート方式のロータリエンコーダを用いることができる。インクリメンタル方式のロータリエンコーダを用いた場合には、当該ロータリエンコーダは１回転毎の位置信号を回転パルス信号として出力することから、回転パルス信号の数を各軸サーボ制御部１２〜１４において管理することにより、各軸サーボモータ１８〜２０の絶対位置が管理できる。
以上のような構成により、各軸サーボモータ１８〜２０の回転位置制御が可能となる。
【００２３】
主軸制御部２１は、速度ループおよび電流ループから構成される。すなわち、主軸制御部２１は、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４から得られた主軸モータ２３の回転速度指令と回転速度検出器２３ａからの回転速度信号との偏差を算出し、これに比例動作および積分動作を施してトルク指令とし、これを電流ループに出力する。
電流ループは、たとえば、主軸モータ２３の駆動電流から換算した主軸モータ２３の出力トルク信号と上記トルク指令との偏差に比例動作を施して電流指令とし、これを主軸ドライバ２２に出力する。
主軸制御部２１は、本実施形態ではソフトウエアによって実現されるが、ハードウエアによっても実現可能である。
主軸ドライバ２２は、たとえば、ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータ回路による電流制御回路を有しており、主軸制御部２１から出力される電流指令に従って主軸モータ２３の速度制御を行う。
なお、本実施形態では、主軸制御部２１がＮＣ装置１の内部に設けられている構成の場合について説明したが、本発明は主軸制御部２１がＮＣ装置１とは別に設けられている場合であっても適用可能である。
【００２４】
振動検出器３１は、主軸モータ２３によって駆動される工具と被加工物との間に発生する振動を検出する。
振動検出器３１には、たとえば、加速度センサ、ＡＥ（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサ、音センサなどを用いることが可能である。
起動・停止スイッチ３３は、ＮＣ装置１に具備された作業者によって操作されるスイッチである。
【００２５】
図１に示したＮＣ装置１の各機能は、たとえば、図２に示すような構成のハードウエアによって実現される。
図２において、マイクロプロセッサ４１は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ） ４２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ） ４３、インターフェース回路４４，４５，４６、グラフィック制御回路４７、表示装置４８、キーボード４９、ソフトウエアキー５０等とバスを介して接続されている。
マイクロプロセッサ４１は、ＲＯＭ４２に格納されたシステムプログラムにしたがって、ＮＣ装置１全体を制御する。
【００２６】
ＲＯＭ４２には、上記したＮＣプログラム解析・指令分配部４、補助制御部６、各軸サーボ制御部１２〜１４、主軸制御部２１などを実現するプログラムや、ＮＣ装置１全体を制御するためのプログラムが格納される。
ＲＡＭ４３は、ＲＯＭ４２に格納されたプログラムがダウンロードされたり、各種のＮＣプログラム、データなどが格納される。
【００２７】
グラフィック制御回路４７は、ディジタル信号を表示用の信号に変換し、表示装置４８に与える。
表示装置４８には、例えば、ＣＲＴ表示装置や液晶表示装置が使用される。表示装置４８は、ソフトウェアキー５０またはキーボード４９を用いて作業者が対話形式で加工プログラムを作成していくときに、形状、加工条件および生成された加工プログラム等を表示する。
作業者は、表示装置４８に表示される内容（対話形データ入力画面）にしたがってデータを入力することができる。
表示装置４８の画面には、その画面で受けられる作業またはデータがメニュー形式で表示される。メニューのうちどの項目を選択するかは、メニューの下のソフトウエアキー５０を押すことにより行う。
キーボード４９は、ＮＣ装置１に必要なデータを入力するのに使用される。
上述した、起動停止スイッチ３３は、たとえば、ソフトウエアキー５０またはキーボード４９によって実現される。
【００２８】
インターフェース回路４４は、マイクロプロセッサ４１から出力された位置指令等の制御指令を所定の信号に変換して各軸サーボドライバ１５〜１７に出力する。
また、インターフェース回路４４は、各軸サーボモータ１８〜２０に備わった位置検出器１８ａ〜２０ａからの検出パルスを逐次カウントし、このカウント値をマイクロプロセッ４１に出力する。
インターフェース回路４５は、マイクロプロセッサ４１から出力された速度指令等の制御指令を所定の信号に変換して主軸ドライバ２２に出力する。
インターフェース回路４６は、振動検出器３１の検出したアナログ信号をディジタル信号に変換して、マイクロプロセッサ４１に出力する。
【００２９】
ＮＣ工作機械の一例
ここで、上述したＮＣ装置１の補助制御部６を詳述する前に、本実施形態のＮＣ装置が適用されうるＮＣ工作機械としてのマシニングセンタの一例について説明する。
図３は、本実施形態のＮＣ装置が適用されうるマシニングセンタの一例を示す構成図である。
図３に示すマシニングセンタは、いわゆる門型のマシニングセンタであって、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７に、クロスレール３７上を移動可能に支持された可動部材５４を介して主軸台５５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。
【００３０】
可動部材４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しない雌ねじ部が形成されており、これにボールねじ６１がねじ込まれている。ボールねじ６１の端部には、Ｙ軸サーボモータ１９が設けられており、ボールねじ６１はＹ軸サーボモータ１９によって回転駆動される。
ボールねじ６１の回転駆動によって、可動部材５４はＹ軸方向に移動可能となり、これによって主軸台５５のＹ軸方向の移動が行われる。
【００３１】
さらに、可動部材５４には、鉛直方向に方向に図示しない雌ねじ部が形成されており、これにボールねじ６２がねじ込まれている。ボールねじ６２の端部には、Ｚ軸サーボモータ２０が設けられている。Ｚ軸サーボモータ２０によってボールねじ６２が回転駆動され、これにより可動部材５４に移動可能に設けられた主軸台５５のＺ軸方向の移動が行われる。
【００３２】
主軸台５５内には、主軸モータ３１が内蔵され、主軸モータ３１は、主軸台５５の先端に設けられるエンドミルなどの工具Ｔを回転駆動する。
主軸５５の下方には、Ｘ軸テーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられており、Ｘ軸テーブル３５には、ボールネジおよび雌ねじ等から構成される送り機構を介してＸ軸サーボモータ１８が接続されている。
Ｘ軸テーブル３５は、Ｘ軸サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動が行われる。
【００３３】
上記のＸ，Ｙ，Ｚ軸サーボモータ１８，１９，２０の駆動制御は、上述したＮＣ装置１によって行われる。
また、門型コラム３８には、図示しない雌ねじ部がそれぞれ形成されており、これにねじ込まれるボールねじ３２ａをクロスレール昇降用モータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
さらに、工具Ｔは自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９によって種々のものに交換可能になっており、各種アタッチメントの交換も自動交換装置（ＡＡＣ）４０によって種々のものに交換可能になっている。
主軸台５５には、上述した振動検出器３１が設置されており、工具Ｔによる加工中にビビリ振動が発生した場合には、ビビリ振動を検出可能となっている。
【００３４】
次に、上述したＮＣ装置１およびマシニングセンタによる被加工物の切削加工の一例について説明する。
図４は、エンドミルＴによって被加工物Ｗの上端面を仕上げ切削している様子を示す図であって、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。
図４に示す被加工物Ｗは、支柱部Ｒ１とこの支柱部Ｒ１に連続して形成された鍔部Ｒ２とを有するものである。
このような形状の被加工物Ｗの鍔部Ｒ２の上端面Ｆｗを回転するエンドミルＴによって仕上げ切削するには、エンドミルＴを、Ｚ軸方向に所定の切り込み量でエンドミルＴをＸ−Ｙ平面上で一定の送り速度で移動させることにより行う。
【００３５】
このとき、エンドミルＴが上端面Ｆｗ上で位置ＰＡ のように被加工物Ｗの鍔部Ｒ２上に位置する状態と、位置ＰＢ のように被加工物Ｗの支柱部Ｒ１上に位置する状態が発生する。
上述の形状の被加工物Ｗでは、鍔部Ｒ２の機械的剛性は、支柱部Ｒ１に比較して低い。したがって、エンドミルＴが鍔部Ｒ２上に位置する場合と、支柱部Ｒ１上に位置する場合とでは、切削時に発生するビビリ振動の周波数は異なる。
このため、たとえば、エンドミルＴが被加工物Ｗの鍔部Ｒ２上から支柱部Ｒ１上へ移動したり、支柱部Ｒ１上から鍔部Ｒ２へ移動したような場合には、急にビビリ振動の振幅が大きくなることがある。
これは、エンドミルＴの回転速度が、エンドミルＴや被加工物Ｗを含む切削系の固有周波数に近づくためと考えられる。
図４に示した被加工物Ｗの形状は、単なる一例であり、被加工物Ｗが複雑な形状になるほど上述のようなビビリ振動が発生しやすくなる。
【００３６】
従来においては、ビビリ振動が急に大きくなった場合には、作業者がエンドミルＴの回転速度を低下させて、切削系の固有周波数から離すことによりビビリ振動を抑制していた。
しかしながら、エンドミルＴの回転速度を低下させる際に、エンドミルＴのＸ軸、Ｙ軸方向の送り速度は変更していなかった。
このため、エンドミルＴの回転速度の変更前と変更後ではエンドミルＴによる被加工物Ｗの切削面の状態が異なり、切削面の品質を一定にすることが難しく、均一にしたいという課題があった。
【００３７】
本発明の制御方法
ここで、上述の問題を解決するために、本実施形態に係るＮＣ装置１の行う制御について説明する。
エンドミルＴを所定の送り軸方向に送りながら被加工物Ｗの切削加工を行なっている際に、ビビリ振動が発生または増大した場合に、これを抑制するために、図６に示すように、エンドミルＴ（主軸モータ２３）の回転速度Ｓを、所定の値まで低下させる。これと同時に、切削中に駆動している送り軸の送り速度ＦをエンドミルＴの回転速度Ｓとの比を一定に保つように低下させる。
なお、図６は、主軸制御部２１および各軸サーボ制御部１２〜１４における速度指令パターンを示している。
【００３８】
図６に示す例では、主軸モータ２３の回転速度Ｓおよび送り速度Ｆを時刻ｔ１ において５０％まで低下させ、時刻ｔ２ において変更前の送り速度Ｆに復帰させている。
このような制御によって、エンドミルＴの回転速度が切削系の有する固有周波数から離隔されるため、ビビリ振動が抑制される。
これに加えて、エンドミルＴの回転速度Ｓと送り軸の送り速度Ｆとの比が一定に保たれているため、エンドミルＴの一刃当たりの被加工物Ｗに対する送り量が回転速度Ｓおよび送り速度Ｆの速度の変更前と変更後とで同じに保たれる。
この結果、エンドミルＴの回転速度の変更前と変更後とで、エンドミルＴによる被加工物Ｗの切削面の状態は略同様とすることができ、被加工物Ｗの切削面の品質を一定にすることが可能となる。
【００３９】
また、他の制御方法として、エンドミルＴを所定の送り軸方向に送りながら被加工物Ｗの切削加工を行なっている際に、ビビリ振動が発生または増大した場合に、これを抑制するために、例えば図７に示すように、主軸モータ２３の回転速度Ｓを正弦波状に変調させることにより、ビビリ振動を抑制することも可能である。
例えば、主軸モータ２３を駆動する回転速度Ｓを２０００ｒｐｍとし、送り軸の送り速度Ｆを１０００ｍｍ／ｍｉｎとしている場合に、２０００ｒｐｍの回転速度指令に振幅が±２００ｒｐｍで周期Ｔの正弦波指令を付加するとともに、１０００ｍｍ／ｍｉｎの送り速度指令に振幅が±１００ｍｍ／ｍｉｎで周期Ｔの正弦波指令を付加する。なお、各々の正弦波指令は位相が等しくなるように送り速度指令および回転速度指令に付加する。
これにより、主軸モータ２３の回転速度Ｓと駆動される送り軸の送り速度Ｆとの比は常に一定となる。
なお、送り軸の位置ずれを防ぐために、送り速度指令および回転速度指令に付加する正弦波指令の積分値が零になるように、正弦波指令の長さは常に一周期の整数倍とする。また、正弦波指令の周期および振幅の情報は、たとえば、予めＮＣ装置１における所定のパラメータで指定しておくことが可能である。
この結果、エンドミルＴの回転速度の変調前と変調後とで、エンドミルＴによる被加工物Ｗの切削面の状態は略同様とすることができ、被加工物Ｗの切削面の品質を一定にすることが可能となる。
【００４０】
また、図６および図７の時間ｔ２ の決定方法は、たとえば、予めＮＣ装置１における所定のパラメータにおいて設定された時間を経過すると回転速度Ｓおよび送り速度Ｆの変調を停止したり、振動が所定の大きさよりも低下した場合に回転速度Ｓおよび送り速度Ｆの変調を停止したり、ＮＣプログラムのブロック毎の処理が完了したら回転速度Ｓおよび送り速度Ｆの変調を停止するなど、種々考えられる。
さらに、本発明では、図６および図７の時間ｔ２ を設定せずに、所定の加工が終了するまで、回転速度Ｓおよび送り速度Ｆを変調したままとすることも可能である。
【００４１】
補助制御部の説明
ここで、図５は、ＮＣ装置１の補助制御部６の構成を示す説明図である。
図５において、補助制御部６は、制御情報変更部６ａと、データ記憶部６ｂと、入力部６ｃとを有している。
【００４２】
制御情報変更部６ａは、上述した切削加工中のビビリ振動を抑制し、かつ切削面の品質を一定に保つための制御情報を、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４から出力されたブロック単位の制御情報を変更補正または新たに制御情報を付加して各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に出力する。
【００４３】
データ記憶部６ｂは、制御情報変更部６ａにおける制御情報の変更補正または新たに制御情報を付加するのに必要なデータを保持している。
【００４４】
入力部６ｃは、起動停止スイッチ３３から制御信号３３ｓが入力されると、これに応じて制御情報変更部６ａへの起動信号ＳＴ１がオン状態となる。したがって、作業者が起動停止スイッチ３３を適宜操作することにより、入力部６ｃから出力される起動信号６ｓはオン／オフする。
また、入力部６ｃには、振動検出器３１の検出信号３１ｓが入力される。
たとえば、図８に示すように、ビビリ振動が増大して振動検出器３１の検出信号３１ｓの振幅が所定のしきい値Ｖｔｈの範囲を越えると、入力部６ｃは制御情報変更部６ａへの起動信号ＳＴ１をオン状態とする。
【００４５】
ここで、補助制御部６の処理内容を、図９に示すフローチャートに基づいて説明する。
まず、制御情報変更部６ａはＮＣプログラム解析処理・指令分配部４からのブロック単位の制御情報を取得する（ステップＳ１）。
制御情報変更部６ａに入力されるＮＣプログラム解析処理・指令分配部４からのブロック単位の制御情報は、たとえば、Ｘ〜Ｚ軸の各送り軸の送り量（移動量）、送り速度Ｆ、主軸モータ２３の回転速度Ｓなどである。この制御情報は、直線切削送りの指令コードなどのコード単位（ブロック単位）にＮＣプログラム解析処理・指令分配部４から出力される。
【００４６】
次いで、制御情報変更部６ａでは、入力部６ａからの起動信号ＳＴ１がオンしているか否かを判断する（ステップＳ２）。
入力部６ａからの起動信号ＳＴ１がオフ状態に有る場合には、予め作成されたＮＣプログラムの指令に従う通常の制御モードとして、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４からの制御情報をそのまま各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に出力する（ステップＳ４）。
【００４７】
入力部６ａからの起動信号ＳＴ１がオン状態に有る場合、すなわち、振動検出器３１によってしきい値Ｖｔｈ以上の振動が検出された場合、あるいは、エンドミルＴを所定の送り軸方向に送りながら被加工物Ｗの切削加工を行なっている際に、ビビリ振動が発生または増大し、起動停止スイッチ３３を作業者が操作してオンした場合には、制御情報変更部６ａへの起動信号ＳＴ１はオン状態となり、振動抑制制御モードが実行される（ステップＳ３）。
図６に示した制御を行う場合には、入力部６ｃから起動信号ＳＴ１が入力されると、送り速度Ｆおよび回転速度Ｓをデータ記憶部６ｂに予め記憶された速度低下率、たとえば５０％に基づいて低下させ、これらの制御情報を各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に送出する。
【００４８】
各軸サーボ制御部１２〜１４では、変更後の送り速度Ｆと移動量とに基づいて、単位時間あたりの移動指令（速度指令）を算出する。
このとき、単位時間あたりの移動指令が急激に変化すると、ＮＣ工作機械に衝撃を与えるおそれがあるため、図６に示すように、所定の時間の間に一定の割合で減速されるようにする。なお、変更前の速度まで加速する際にも同様に所定の時間の間に一定の割合で増速されるようにする。
送り速度Ｆが１０００ｍｍ／ｍｉｎから半分の５００ｍｍ／ｍｉｎに変更されると、単位時間あたりの移動指令は変更前の半分となる。
【００４９】
同時に、主軸制御部２１では、変更後の回転速度Ｓに基づいて、主軸モータ２３を回転させる速度指令を算出する。
主軸制御部２１は、各軸サーボ制御部１２〜１４の場合と同様に、速度指令が急激に変化すると、ＮＣ工作機械に悪影響を与えるおそれがあるため、図６に示すように、所定の時間の間に減速されるようにする。なお、変更前の速度まで加速する際にも同様に所定の時間の間に一定の割合で増速されるようにする。
【００５０】
また、たとえば、図７に示した制御を行う場合には、付加する正弦波指令の周期および振幅の情報を各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に送出する。すなわち、変更前の速度指令に付加する正弦波指令を作成するための情報を制御情報に付け加えて、各軸サーボ制御部１２〜１４および主軸制御部２１に送出する。
なお、正弦波指令の周期および振幅の情報は、予めＮＣ装置１における所定のパラメータで指定しておくことも可能である。
【００５１】
上述のような動作を完了したら、再度ステップＳ１に戻って、ＮＣプログラム解析処理・指令分配部４からのブロック単位の制御情報を取得する。
【００５２】
本実施形態では、振動抑制制御モードの起動は、入力部６ｃからの起動信号ＳＴ１によって行われるが、振動抑制制御モードの終了は、起動停止スイッチ３３を操作する場合には、起動停止スイッチ３３をオフすることによって行うことができる。
一方、振動検出器３１による振動検出によって振動抑制制御モードが起動された場合には、振動抑制制御モードの終了は、たとえば、一指令コード（ブロック）の実行が完了したら振動抑制制御モードを終了させ、予め作成されたＮＣプログラムに従う通常の制御モードに復帰させる構成とすることができる。
また、データ記憶部６ｃに予め設定された数の指令コードが実行されたら、通常の制御モードに復帰させたり、予め設定した時間が経過すると通常の制御モードに復帰させたりすることも可能であり、種々の態様が考えられる。
【００５３】
さらに、振動抑制制御モードを起動および停止する方法として、予めＮＣプログラムにおいて振動抑制制御モードの起動および停止を指示しておくことも可能である。
すなわち、振動抑制制御モードを起動および停止させる指令コード（たとえば、ＧコードやＭコード）を予め指定しておき、補助制御部６の制御情報変更部６ａでは、この指令コードを認識して図６や図７において説明した振動抑制制御を実行する構成とすることも可能である。
【００５４】
また、本実施形態では、主軸の回転速度Ｓおよび送り軸の送り速度Ｆの変調方法としては、図６および図７において説明したように、速度を低下させる方法、速度を正弦波状に変調させる方法について示したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、ビビリ振動が発生または増大した場合には、主軸の回転速度が機械系（切削系）の有する固有周波数から離間すればよく、たとえば、主軸の回転速度および送り軸の送り速度をさらに増加させてもよい。
また、主軸の回転速度Ｓおよび送り軸の送り速度Ｆの変調方法は、ＮＣ装置において設定されたパラメータによって予め設定する構成とすることも可能である。
【００５５】
以上のように、本実施形態によれば、振動検出器３１をＮＣ工作機械に設けたビビリ振動の発生を検出し、補助制御部６の有する振動抑制制御モードを自動的に起動できるため、加工の自動化が可能となる。
また、起動停止スイッチ３３を作業者が操作するのみで、補助制御部６の有する振動抑制制御モードの起動停止を行うことができるため、作業者は主軸および送り軸の速度調節が不要となり作業が簡略化される。
さらに、本実施形態によれば、補助制御部６の有する振動抑制制御モードを予め作成されたＮＣプログラムにおいて指定された指令コードによって起動停止することができるため、被加工物Ｗの切削加工においてビビリ振動の発生が予想される領域での振動抑制を予め自動的に行うことが可能となる。
【００５６】
なお、本実施形態では、本発明の適用対象としてマシニングセンタの場合について説明したが、これ以外にも、主軸によって被加工物Ｗを回転させ、工具を送り制御するＮＣ旋盤などにも適用可能である。
【００５７】
第２実施形態
図１０は、本発明が適用されたＮＣ装置の第２の実施形態の構成を示す説明図であり、図１１は図１０における補助制御部の内部構成を示す説明図である。
図１０に示すＮＣ装置は、補助制御部６に各軸サーボモータ１８〜２０および主軸モータ２３を流れる駆動電流値Ｉｆ，Ｉｓがフィードバックされる構成となっている。
すなわち、各軸サーボモータ１８〜２０および主軸モータ２３を流れる駆動電流は、各軸サーボドライバ１５〜１７および主軸ドライバ２２において検出され、補助制御部６にフィードバックされ、図１１に示すように、補助制御部６の制御情報変更部６ａに駆動電流値Ｉｆ，Ｉｓがそれぞれ読み込まれる。
【００５８】
また、補助制御部６は第１の実施形態において説明した機能に加えて、いわゆる適応制御機能を有している。
すなわち、補助制御部６は、各軸サーボモータ１８〜２０および主軸モータ２３にかかる負荷トルクが予め設定された範囲から外れる場合には、各軸サーボモータ１８〜２０または主軸モータ２３にかかる負荷トルクが所定の範囲に収まるように各軸サーボモータ１８〜２０または主軸モータ２３の速度を、予めＮＣプログラムで指定された主軸の回転速度Ｓや送り軸の送り速度Ｆを基準にして変更可能な適応制御機能を有している。
【００５９】
このような適応制御機能を有することによって、たとえば切削加工時に過大な負荷が主軸モータ２３や各軸サーボモータ１８〜２０にかかるのを防止することが可能になる。
同時に、加工時の主軸モータ２３や各軸サーボモータ１８〜２０にかかる負荷トルクが予め定められた負荷トルクの範囲に収まるように主軸の回転速度Ｓまたは送り軸の送り速度Ｆを増減することにより、加工時間を短縮することができる。
なお、このような適応制御を実現する適応制御アルゴリズムについては、既に種々提案されており、ここでは説明を省略する。
【００６０】
しかしながら、上述の適応制御機能によって、加工時の負荷トルクが許容する負荷トルクの範囲に収まるように、主軸の回転速度Ｓまたは送り軸の送り速度Ｆを独立に変更すると、上述したビビリ振動の場合と同様に、エンドミルＴの回転速度の変更前と変更後または送り速度Ｆの変更前と変更後では被加工物Ｗの切削面の状態が異なり、切削面の品質が一定とならない。
【００６１】
そこで、本実施形態では、補助制御部６の制御情報変更部６ａは、適応制御機能を起動させた際に、主軸の回転速度Ｓと送り軸の送り速度Ｆとの比を一定に保ちながら変更する。
すなわち、主軸モータ２３にかかる負荷トルクが予め定めた範囲に無い場合、または、各軸サーボ１８〜２０にかかる負荷トルクが予め定めた範囲に無い場合、主軸モータ２３または各軸サーボ１８〜２０の速度を変更して負荷トルクを予め定めた範囲に収める際に、主軸の回転速度Ｓと送り軸の送り速度Ｆとの比を一定に保ちながら同時に変更する。速度の変更量は、例えば、適応制御アルゴリズムによって算出することができる。
この結果、エンドミルＴの回転速度Ｓおよび送り軸の送り速度Ｆの変更前と変更後とで、エンドミルＴによる被加工物Ｗの切削面の状態は略同様とすることができ、被加工物Ｗの切削面の品質を一定にすることが可能となる。
【００６２】
なお、上述した主軸の回転速度Ｓと送り軸の送り速度Ｆとの比は、ＮＣプログラムにおいて指定された回転速度Ｓと送り速度Ｆとの比とすることができ、また、補助制御部６のデータ記憶部６ｂに予め設定しておくことも可能である。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、ＮＣ工作機械における切削工具と被加工物との間に発生するビビリ振動の抑制が可能であるとともに、切削面の状態を均一にでき、加えて、加工の自動化が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用されたＮＣ装置の一実施形態の構成図である。
【図２】図１の補助制御部の内部構成を示す説明図である。
【図３】本実施形態のＮＣ装置が適用されうるマシニングセンタの一例を示す構成図である。
【図４】エンドミルによって被加工物の上端面を仕上げ切削している様子を示す図であって、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図５】ＮＣ装置の補助制御部の構成を示す説明図である。
【図６】振動抑制制御モードにおける制御方法の一例を示す説明図である。
【図７】振動抑制制御モードにおける制御方法の他の例を示す説明図である。
【図８】補助制御部における入力部の振動検出方法の一例を示す説明図である。
【図９】補助制御部における処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明が適用されたＮＣ装置の第２の実施形態の構成を示す説明図である。
【図１１】図１０に示す補助制御部の内部構成を示す説明図である。
【符号の説明】
２…ＮＣ装置
４…ＮＣプログラム解析処理・指令分配部
６…補助制御部
１２〜１４…各軸サーボ制御部
１５〜１７…各軸サーボドライバ
１８〜２０…各軸サーボモータ
２１…主軸制御部
２２…主軸ドライバ
２３…主軸モータ
３１…振動検出器
３３…起動停止スイッチ
Claims (1)
- 工具または被加工物を回転させる主軸と、前記被加工物と前記工具とを相対移動させる送り軸とを有するＮＣ工作機械の制御装置であって、
前記主軸の回転速度および前記送り軸の送り速度を変化させることにより、前記工具による前記被加工物の加工により前記工具と前記被加工物との間に発生する振動を抑制する振動抑制手段と、
前記工具による前記被加工物の加工による前記主軸および送り軸にかかる負荷を、前記主軸の回転速度と前記送り軸の送り速度を変化させることにより予め定められた範囲に収める負荷一定範囲制御手段と、を有し、
前記振動抑制手段および前記負荷一定範囲制御手段は、前記主軸の回転速度および前記送り軸の送り速度を一定に保ちながら前記主軸の回転速度および送り軸の送り速度を変化させる手段を有する
ＮＣ工作機械の制御装置。
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| JP29581597A JP3558508B2 (ja) | 1997-10-28 | 1997-10-28 | Ｎｃ工作機械の制御装置 |
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-
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