JP5345600B2 - 回転面板をクイルに装着する工作機械のｎｃ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転面板をクイルに装着する工作機械のＮＣ制御方法および装置に係り、特に、回転面板のスライダを半径方向に送りながらテーパー穴等の加工を行うためのＮＣ制御方法に関する。

例えば、横中ぐり盤で、テーパー穴加工や曲面穴加工を行う場合には、回転面板と呼ばれるアタッチメントをクイルに取り付けている。テーパー穴加工では、穴の径が変化するために、工具を半径方向に送らなければならないからである。

この種の回転面板では、主軸の半径方向にスライドするスライダが設けられており、バイトはこのスライダに取り付けられている。回転面板の内部には、スライダを半径方向に移動させる動力を伝達する機構が組み込まれている。従来の回転面板としては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。

クイルの中で主軸が軸方向に移動する横中ぐり盤のような工作機械では、クイルを軸方向に送る軸（Ｚ軸）と、中ぐり軸である主軸を軸方向に送る軸（Ｗ軸）という平行な２軸をもっているという主軸頭独特の構造に関係して、回転面板を利用した加工では、どのようにして工具に半径方向の移動と軸方向の移動を与えるかという、横中ぐり盤特有の問題点がある。

図４は、クイルを送るＺ軸と平行な方向にテーブルを送るＶ軸送り機構を備えたテーブルを用いて、加工物にテーパー穴を加工する従来例を示す。

図４において、参照番号１０は、横中ぐり盤のコラムである。１２は主軸頭である。コラム１０は、図面に垂直な前後方向（Ｘ軸）に移動可能であり、主軸頭１２は、上下方向（Ｙ軸）に移動可能にコラム１０に取り付けられている。

主軸頭１２には、クイル１４が水平方向に移動自在に設けられている。このクイル１４には、フライス軸１６と主軸１８が組み込まれている。クイル１４を軸方向に移動させるのがＺ軸送り機構である。このＺ軸送り機構は、Ｚ軸送りサーボモータ１９と、ボールネジ２０と、クイル１４に固定されたボールナット２１から構成されており、Ｚ軸送りサーボモータ１９の回転を歯車伝動機構でボールネジ２０に伝動し、ボールナット２１によってクイル１４の軸方向の運動に変換している。

同様に、中ぐり軸である主軸１８を軸方向に移動させるがＷ軸送り機構である。このＷ軸送り機構は、Ｗ軸送りサーボモータ２２と、ボールネジ２３と、主軸１８を支持する軸受２４に固定されたボールナット２５から構成されている。

回転面板３０はクイル１４の先端に装着されている。回転面板３０の端面には、スライダ３２が半径方向に移動可能に取り付けられている。スライダ３２の先端部には、バイト３４が装着されている。

回転面板３０の内部には、ボールねじ機構と、かさ歯歯車を組み合わせたスライダ送り機構が組み込まれており、Ｗ軸送り機構による主軸１８の直線送り運動をスライダ３２の半径方向の直線送り運動に転換されるようになっている。

なお、図４において、参照番号２７は、主軸１８を回転駆動する主軸モータである。主軸１８はフライス軸１６と一体で回転し、フライス軸１６から回転面板３０に回転が伝達される。

このような横中ぐり盤では、テーパー穴加工を加工物１００に行おうとすると、Ｚ軸で回転面板３０を送っても、通常のＮＣ制御ではＷ軸を移動できないため、テーパー穴加工ができなかった。

これは、次のようなクイル１４と主軸１８との関係に理由があるからである。
クイル１４の送り量をｚ、主軸１８の送り量をｗにして加工プログラムを実行すると、Ｚ軸とＷ軸とは相互に独立しているため、クイル１４を送り量ｚだけ移動させる間、主軸１８を指令された送り量ｗで移動させる位置制御が行われる。ところが、クイル１４をＺ軸で移動しても、主軸１８の方はクイル１４とはいっしょに移動しない。クイル１４と主軸１８の相対的な位置関係が変化してしまい、主軸１８をＷ軸で指令した送り量ｗだけ送っても、その移動量分だけスライダ３２を移動させることはできなくなってしまう。

このため、図４に示したような横中ぐり盤で回転面板加工を行う場合には、Ｚ軸でクイル１４を送る替わりに、Ｖ軸移動機能付きのテーブル４０を用いて加工している。このテーブル４０では、Ｖ軸送りサーボモータ４１によって、テーブル側に固定されているボールナット４２に螺合しているボールネジ４３を回転させ、テーブル４０をＺ軸と平行な方向に送ることができる。

そしてクイル１４を加工に必要な位置で固定し、スライダ３２の送りはＷ軸で指令し、Ｖ軸で指令してテーブル４０で送って、加工物１００にテーパー穴加工や円筒穴加工、曲面穴加工等の加工を行っている。

他方、Ｖ軸移動機能付きのテーブルを用いずに、テーパー穴加工等の回転面盤加工を実現できるように、図５に示すように、ラム４６にＷ軸送り機構を組み付けた横中ぐり盤もある。

この図５の例では、ラム４６と主軸１８とを、相対的に移動させる位置制御が可能になっている。この場合は、ラム４６といっしょに主軸１８も移動していくため、主軸１８をＷ軸で指令して送り量ｗだけ送れば、その送り量分だけスライダ３２を移動させることができる。図４の場合とは異なって、ラム４６のＺ軸送りと、主軸１８のＷ軸送りだけで、加工物Ｗにテーパー穴加工等の加工を行うことができる。

この他、Ｗ軸の替わりに、回転面板の内部にスライダ送り専用の送り機構をもった制御軸（Ｕ軸）を付加し、Ｚ軸とＵ軸の制御によりテーパー穴加工を行う従来技術も知られている。

特開平１０−２９１１０８号公報

従来の横中ぐり盤で、回転面板を利用した加工を実施する場合、上述したように、クイルに回転面板を取り付けただけでは、テーパー穴加工や曲面穴加工を行うことができず、Ｖ軸移動機構付きの複雑なテーブルを用いたり、ラムにＷ軸送り機構を組み入れた複雑な機械を使わなければならなかった。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、クイルを送るＺ軸送り機構と、主軸を送るＷ軸送り機構が主軸頭に単独で組み付けられた簡易な構造の工作機械であっても、クイルに回転面板を取り付けるだけで、加工物にテーパー穴加工や曲面穴加工などの加工を従来の加工プログラムでの指令の仕方で行えるようにした回転面板をクイルに装着した工作機械のＮＣ制御方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、
回転面板がクイルに装着された工作機械におけるＮＣ制御方法であって、
前記クイルの内部には、回転自在に支持されたフライス軸と、前記フライス軸の内部に軸方向に移動可能な中ぐり軸とが組み込まれ、前記クイルを軸方向に送るＺ軸送り機構と、前記中ぐり軸を送るＷ軸送り機構とが、それぞれ独立して主軸頭に設置され、前記クイルと中繰り軸とが独立にそれぞれ移動する工作機械を用い、
前記回転面板には、工具が装着されたスライダが半径方向に移動可能に取り付けられ、前記Ｗ軸送り機構による前記中ぐり軸の直線運動を前記スライダの半径方向の直線運動に転換するスライダ送り機構が設けられた回転面板を用い、前記回転面板を前記クイルの先端に装着し、
前記クイルを送るＺ軸の移動量をｚ、前記中ぐり軸を移動させて前記スライダを半径方向に送るＷ軸の移動量をｗとして、前記回転面板を用いた穴加工での軸移動の指令コードを記述したブロックを含む加工プログラムを数値制御装置に入力し、
数値制御装置内部で前記軸移動の指令コードを含むブロックを解析するときに、Ｚ軸の移動量をｚ＝ｚ、Ｗ軸の移動量をｗ＝（ｚ＋ｗ）に変換して解析し、
変換後のＺ軸移動量ｚ、Ｗ軸移動量（ｚ＋ｗ）に基づいてＺ軸、Ｗ軸のそれぞれの実際の移動量指令値を演算し、移動量の指令をそれぞれＺ軸サーボ制御部、Ｗ軸サーボ制御部に出力することを特徴とするものである。

本発明によれば、クイルを送るＺ軸送り機構と、主軸を送るＷ軸送り機構が主軸頭に単独で組み付けられた簡易な構造の工作機械であっても、クイルに回転面板を取り付けるだけで、加工物にテーパー穴加工や曲面穴加工などの加工を行うことができる。

本発明が適用される横中ぐり盤を示す側面図である。 同中ぐり盤の駆動系統および制御系統を示す図である。 数値制御装置における加工プログラムのブロックを解析・実行処理する手順を示すフローチャートである。 回転面板が取り付けられる従来の工作機械を示す側面図である。 回転面板が取り付けられる従来の工作機械のラムを示す断面図である。

以下、本発明による回転面板をクイルに装着する工作機械のＮＣ制御方法の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明によるＮＣ制御方法が適用される横中ぐり盤の全体構成を示す。
図１において、参照番号１０は、横中ぐり盤のコラムを示している。参照番号１２は主軸頭である。コラム１０は、図面に垂直な前後方向（Ｘ軸）に移動可能であり、主軸頭１２は、案内面にそって上下方向（Ｙ軸）に移動可能にコラム１０に取り付けられている。

主軸頭１２には、クイル１４が左右水平方向に移動自在に設けられている。このクイル１４の内部には、フライス軸１６と中ぐり軸である主軸１８とが組み込まれている。クイル１４を軸方向に移動させる送り機構がＺ軸送り機構である。このＺ軸送り機構は、Ｚ軸送りサーボモータ１９と、ボールネジ２０と、クイル１４に固定されたボールナット２１から構成されており、Ｚ軸送りサーボモータ１９の回転を歯車伝動機構１７で減速してボールネジ２０に伝動し、ボールナット２１によってクイル１４の軸方向の直線運動に変換している。

同様に、中ぐり軸である主軸１８を軸方向に移動させる軸がＷ軸送り機構である。このＷ軸送り機構は、Ｗ軸送りサーボモータ２２と、ボールネジ２３と、主軸１８を支持する軸受２４に固定されたボールナット２５から構成されている。Ｗ軸送りサーボモータ２２の回転は、歯車伝動機構２６によって減速されてボールネジ２３に伝動され、ボールナット２５によって主軸１８の軸方向の直線運動に転換される。これによって主軸１８は、フライス軸１６の内周面を摺動しながら軸方向に移動することができる。

主軸頭１２には、主軸１８を回転駆動する主軸モータ２７が設置されている。主軸モータ２７から伝動歯車機構２８を介して回転が主軸１８に伝動されると、主軸１８はフライス軸１６と一体で回転する。フライス軸１６の先端には次に説明する回転面板３０が連結されており、フライス軸１６から回転面板３０に回転が伝動される。

そこで、回転面板３０の構成について説明する。
回転面板３０はクイル１４の先端に装着されるアタッチメントである。この回転面板３０は、ハウジング３１と端面３３を含む。この端面３３には、スライダ３２がクイル１４の半径方向に移動可能に取り付けられている。スライダ３２の先端部には、バイト３４が装着されている。

回転面板３０のハウジング３１の内部には、ボールねじ機構とかさ歯歯車を組み合わせたスライダ送り機構が次のように組み込まれている。この場合、中ぐり軸である主軸１８の先端からは、第１のボールネジ３５が軸方向に延びており、この第１のボールネジ３５は、かさ歯歯車３６と一体のボールナット３７に螺合している。かさ歯歯車３６は、９０℃方向を変えたかさ歯歯車３８に噛み合っており、このかさ歯歯車３８には、第２のボールネジ３９が連結されている。この第２のボールネジ３９は、スライダ３２に固定されたボールナット４４に螺合している。したがって、Ｗ送り機構による主軸１８の直線送り運動は、その移動量に等しいスライダ３２の半径方向の直線送り運動に転換されるようになっている。

なお、加工物１００は、テーブル５０の上に載せられている。この実施形態では、テーブル５０の位置は固定されている。

次に、図２には、回転面板３０を駆動する駆動系統とともに数値制御装置の制御系統が示されている。

図２において、参照番号６０は、数値制御装置を示し、６２は加工プログラムを示す。
数値制御装置６０は、加工プログラム６２を処理するために、加工プログラム解析部、実行部等を備えている。加工プログラム解析部は、加工プログラム６２を１ブロックずつ読み出して、そのブロックのコード内容を解析するとともに、実行部で処理可能なデータを作成し、そのデータを解析済みバッファに転送する。

実行部は、解析済みバッファから取り出したデータからＣＰＵの基本サンプリング時間あたりの各軸の移動量を計算し、各軸移動量から各軸の移動目標位置を更新し、この移動目標位置のデータをそれぞれＺ軸サーボ制御部６４、Ｗ軸サーボ制御部６６に送る。Ｚ軸サーボ制御部６４、Ｗ軸サーボ制御部６６は、各軸のサーボモータ１９、２２に取り付けた位置検出器から位置をフィードバックしながらモータサーボモータ１９、２２に指令を与え、フィードバック位置制御を行うことになる。

数値制御装置６０では、テーパー穴加工を実施するにあたり、例えば次のようなＧコードが設定されている。なお、Ｇコードの番号は説明の便宜上から仮に設定したものであり、これに限定されるものではない。
Ｇ５００
このＧコードは、数値制御装置６０のブロック解析での演算モードをデフォルトの標準演算モードから回転面板３０を用いた穴加工での演算モードへ切り換えることを指定するＧコードである。

Ｇ５０１
このＧコードは、数値制御装置６０のブロック解析での演算モードを元の標準演算モードに指定するＧコードである。

テーパー穴加工を実施するときの軸移動のプログラムは、次のようなブロックで構成される。

・
Ｇ５００ …（ａ）
Ｇ０１Ｚｚ Ｗｗ Ｆｆ …（ｂ）
・
・
・
・

まず、ブロック（ａ）では、ブロック解析での演算モードを標準演算モードから図３のフローチャートに示される演算モードに切り替える。ブロック（ｂ）が軸移動の指令であり、直線補間のＧ０１を使って、Ｚ軸の移動量ｚ、Ｗ軸の移動量ｗ、送り速度Ｆをｆで指定している。

以下、図３を参照しながら、加工プログラムのブロックを解析・実行するときの処理内容について説明する。

まず数値制御装置６０は、記憶装置に格納されている加工プログラムを１ブロックずつ読み出す（ステップＳ１０）。ブロック（ａ）では、Ｇ５００という標準演算モードから回転面板加工用の演算モードへの切り換えが指定されているので（ステップＳ１１のｙｅｓ）、このブロックを実行して演算方式が切り換わる（ステップＳ１２）。

次に、ブロック（ｂ）を読み出すと（ステップＳ１０）、ステップＳ１３に進んでブロックの解析を開始し、Ｚ軸の移動量ｚはそのままにして「ｚ＝ｚ」とし、Ｗ軸の移動量ｗについては、「ｗ＝ｚ＋ｗ」に変換する（ステップＳ１４）。
次に、解析結果として演算されたＺ軸移動量ｚ、Ｗ軸移動量（ｚ＋ｗ）、送り速度ｆなどのデータは、解析済みバッファを経由して実行部に転送される（ステップＳ１５）。実行部は、解析済みバッファから取り出したデータからＣＰＵの基本サンプリング時間あたりのＺ軸とＷ軸の実際の移動量を計算し、Ｚ軸サーボ制御部６４、Ｗ軸サーボ制御部６６に分配する（ステップＳ１６）。

Ｚ軸サーボ制御部６４、Ｗ軸サーボ制御６６は、各軸のサーボモータ１９、２２、…に取り付けた図示しない位置検出器から位置をフィードバックしながらサーボモータ１９、２２、…に指令を与える。

この結果、クイル１４は移動量ｚで送られ、主軸１８は移動量（ｚ＋ｗ）で送られることになる。つまり、クイル１４が移動量ｚだけ移動する間、主軸１８は指令された移動量ｗではなく、クイル１４の移動量分を加えた（ｚ＋ｗ）を移動させる位置制御が行われることになる。この場合は、クイル１４に主軸１８を追随させた上で、主軸１８をクイル１４に対して相対的な送り量で送ることができるので、Ｚ軸方向にクイル１４を送りながら、かつＷ軸の送り量ｗ分だけスライダ３２を半径方向に移動させつつ加工物１００に対するテーパー穴加工を行うことができる。

以上は、テーパー穴加工を例に挙げて説明したが、同じようにして、回転面板３０を使用した円筒穴加工や、曲面穴加工も行うことができる。

円筒穴加工の場合には、テーパー穴加工でｗ＝０の特別な場合であるから、
Ｇ０１Ｚｚ Ｆｆ
というようにプログラムすればよい。

また、曲面穴加工の場合は、円筒穴加工のＺ軸とＷ軸の直線補間を円弧補間にすればよいから、円弧補間のＧコードを使って
Ｇ１７Ｇ０２Ｚｚ Ｗｗ Ｆｆ
というようにプログラムすればよい。
なお、本実施形態のような横中ぐり盤では、クイル１４に回転面板３０を取り付けない状態でも、さまざまな加工が行われる。

この場合には、数値制御装置６０での演算モードをデフォルトの標準演算モードに切り替えるＧコードを設定しておけばよい。例えば、Ｇ５０１に標準演算モードを指定するＧコードを割り当て、軸移動の指令の前のブロックにおけばよい。

この標準演算モードでは、軸移動のブロックを解析したときに、Ｚ軸の移動量ｚは「ｚ＝ｚ」とし、Ｗ軸の移動量ｗについても、「ｗ＝ｗ」となることはいうまでもない。

以上のように本実施形態によれば、Ｖ軸の送り機構を付加したテーブルを利用したり、スライダを送るＵ軸送り機構を組み込んだ複雑な回転面板を使用したり、あるいはＺ軸のラムにＷ軸送り機構を組み込んだ複雑な構造の工作機械を使用しないでも、クイル１４を送るＺ軸送り機構と、主軸１８を送るＷ軸送り機構が主軸頭１２に単独で独立に組み付けられた簡易な構造の横中ぐり盤であっても、クイル１４に回転面板３０を取り付けて加工物Ｗにテーパー穴加工や、円筒穴加工、曲面穴加工を行うことができる。

しかも、テーパー穴等の加工に必要な送りを、すべて数値制御装置内部の演算処理で実現することができる上に、加工プログラム自体は、従来の加工プログラムでの指令の仕方と何ら異なるところがないという利点も挙げることができる。

１０…コラム、１２…主軸頭、１４…クイル、１６…フライス軸、１８…主軸（中ぐり軸）、３０…回転面板、３２…スライダ、３４…バイト、５０…テーブル、６０…数値制御装置、１００…加工物

Claims (4)

1. 回転面板がクイルに装着された工作機械におけるＮＣ制御方法であって、
   前記クイルの内部には、回転自在に支持されたフライス軸と、前記フライス軸の内部に軸方向に移動可能な中ぐり軸とが組み込まれ、前記クイルを軸方向に送るＺ軸送り機構と、前記中ぐり軸を送るＷ軸送り機構とが、それぞれ独立して主軸頭に設置され、前記クイルと中繰り軸とが独立にそれぞれ移動する工作機械を用い、
   前記回転面板には、工具が装着されたスライダが半径方向に移動可能に取り付けられ、前記Ｗ軸送り機構による前記中ぐり軸の直線運動を前記スライダの半径方向の直線運動に転換するスライダ送り機構が設けられた回転面板を用い、前記回転面板を前記クイルの先端に装着し、
   前記クイルを送るＺ軸の移動量をｚ、前記中ぐり軸を移動させて前記スライダを半径方向に送るＷ軸の移動量をｗとして、前記回転面板を用いた穴加工での軸移動の指令コードを記述したブロックを含む加工プログラムを数値制御装置に入力し、
   数値制御装置内部で前記軸移動の指令コードを含むブロックを解析するときに、Ｚ軸の移動量をｚ＝ｚ、Ｗ軸の移動量をｗ＝（ｚ＋ｗ）に変換して解析し、
   変換後のＺ軸移動量ｚ、Ｗ軸移動量（ｚ＋ｗ）に基づいてＺ軸、Ｗ軸のそれぞれの実際の移動量指令値を演算し、移動量の指令をそれぞれＺ軸サーボ制御部、Ｗ軸サーボ制御部に出力することを特徴とする回転面板をクイルに装着した工作機械のＮＣ制御方法。
2. 前記加工プログラムのブロックに回転面板を用いた穴加工での軸移動の指令コードが含まれるか否かを判別し、回転面板を用いた穴加工以外の軸移動の指令コードである場合には、Ｚ軸の移動量をｚ＝ｚ、Ｗ軸の移動量をｗ＝ｗとする標準演算モードで当該ブロックを解析することを特徴とする請求項１に記載の回転面板をクイルに装着した工作機械のＮＣ制御方法。
3. 回転面板を用いた穴加工でのブロック解析の演算モードへの切り換えを指定するＧコードと、前記標準演算モードへの切り換えを指定するＧコードと、を設定したことを特徴とする請求項２に記載の回転面板をクイルに装着した工作機械のＮＣ制御方法。
4. 前記回転面板を用いた穴加工は、円筒穴加工、テーパー穴加工、曲面穴加工のうちいずれかの加工であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の回転面板をクイルに装着した工作機械のＮＣ制御方法。

Images