JP5855840B2 - ２主軸対向ｎｃ旋盤及び防振加工方法 - Google Patents

Description

この発明は、旋盤でワークを加工する際にワークの振動によって所望の加工が不可能ないし困難になるのを防止する手段に関するもので、特に、同一軸線上で近接離隔自在に対向する２本の主軸を備えたＮＣ旋盤における上記手段に関するものである。

旋盤でワークを加工するときにワークが振動して所望の加工ができなくなることがある。この現象は、通常ワークが細長いときに生じ、ワークの振動のために刃物に所望の切り込みを与えることができなくなったり、加工したワークの表面にワークの振動に起因するしま模様が表れたりする。

従来はこのようなときにワークの振動を防止する手段として、ステディレストと呼ばれる加工治具でワークを支持する方法が採用されている。ステディレストを用いる加工方法は、ワークの振動を防止する点では極めて有効であるが、ステディレストで支持している部分は加工できないとか、ステディレストの製作・調整や加工中の段取り替えが煩雑になるという欠点がある。

そこで本願出願人は、２主軸対向旋盤におけるワークの加工において、ワークの両端を第１主軸と第２主軸とで把持して第２主軸を所定量後退させることにより、ワークに軸力（軸方向の張力）を付与してワークを加工する防振加工方法を提案した（特許文献１、２）。ワークに軸力を付与することによってワークの剛性が高まり、ワークの振動は抑止されるため、ステディレストを用いないで加工できるワークの範囲を拡大できる。

特開平３−２８７３０１号公報 特開平５−２４５７４０号公報

ワークは、その加工箇所、加工工程の別、加工面精度の相違などに応じて、刃物（バイト）及び主軸回転数を変えて、複数工程で加工される。同じワークであっても、振動が生ずるかどうかは、工程毎に異なることは勿論、同じ工程中であっても刃物とワークとの位置関係などによって逐次変化する。

従来の防振加工方法では、もっとも振動が起こりやすい状態に対応する軸力をワークに付与する必要があった。ワークは、軸力が付与されると軸方向ひずみが生じ、振動が生じやすい細長いワークは、軸力によるワークの軸方向ひずみも大きくなるから、軸方向寸法の加工精度に悪影響を与える。また、必要以上の軸力が付与された状態が長く継続すると、主軸軸受の発熱も大きくなり、機械温度が上昇して、機械やワークの熱変形による加工誤差も増大する。

これらの問題を避けようとすると、ワークに付与する軸力を低くせざるを得ず、従って従来の技術では、防振に必要な軸力をワークに付与することができなくなり、振動を防止できなくなる事態が往々にして生じていた。

この発明は、特許文献１、２で提案した技術を改良することにより、２主軸対向旋盤を用いたワークの加工において、防振加工中にワークに必要以上の軸力が付与されるのを防止して、ワークのひずみや軸受の発熱を抑制しつつ、加工中におけるワークの振動を防止することができる技術手段を得ることを課題としている。

この発明の２主軸対向ＮＣ旋盤は、同一の主軸軸線上で対向する２本の主軸１Ｌ、１Ｒと、２本の主軸の少なくとも一方の移動側主軸１Ｒを主軸軸線方向に移動及び位置決めする主軸送りモータ３と、刃物台５及びこれを送る工具送りモータ７ｚ、７ｘとを備えている。この発明の２主軸対向ＮＣ旋盤は、更に、ワーク加工中の加工負荷を逐次検出する負荷検出手段と、検出された加工負荷に基づいて加工中のワークに付与する軸力ないし軸方向変位（以下、単に「変位」という。）を演算する演算手段３１と、演算された軸力ないし変位をワークに付与するように前記主軸送りモータ３を逐次駆動する主軸送り手段２８とを備えている。

負荷検出手段としては、主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒ及び工具送りモータ７ｚ、７ｘの負荷トルクを検出するトルク検出手段を用いることができる。

ワーク４５に与える軸力ないし変位の演算は、加工プログラムに演算式を記述して行うこともできるが、種々のワークを加工する汎用の旋盤では、プログラムの作成が非常に煩雑になる。また、加工中の振動は、旋盤自体の剛性や刃物の剛性とも無関係ではないので、演算した値と実際に必要な軸力ないし変位との誤差が大きくなる恐れがあり、演算に時間がかかって加工負荷の変化に追従できない恐れも生ずる。そのため上記演算手段としては、ワークの種類毎に予め試験加工により定めた係数及び定数と検出した加工負荷の値とを用いて軸力ないし変位を演算する演算式をそれぞれの旋盤のＮＣ装置に登録して用いるのが、演算速度や他種類のワークに対応できる点で、実用的である。

加工に際しては、加工しようとするワーク４５の両端を対向する主軸１Ｌ、１Ｒで把持し、前記演算手段でその時々の加工負荷に基づいて演算した軸力ないし変位がワーク４５に作用するように主軸送りモータ３を制御して、ワーク４５内に引張応力を付与した状態で加工する。

加工中のワークに引張り方向の軸力を付与することにより、ワークの見かけ上の剛性が高くなる。ワークの長さが長いときは、加工負荷がかからなくても振動が生ずることがあり、また、刃物がワークを切り込み始めるときのワークの逃げを防止するために、上記演算手段は、加工負荷を検出しないときにも軸力ないし変位をゼロでない値として算出する演算手段を用いるのが好ましい。

加工中のワーク４５に生じさせる軸力ないし変位は、加工精度に影響を及ぼすような変形をワークに生じさせない限度において高めに設定するのが良いが、加工によるワーク４５の熱膨張も考慮する必要があり、チャック爪のすべりを生じない範囲の力でなければならない。これらの点を考慮すれば、上記演算手段は、軸力ないし変位を予め設定された最大値を超えない値として算出することが好ましい。これは、ワーク毎に軸力を演算する演算式と共に軸力の最大値を設定する最大軸力設定手段を設けることにより容易に実現できる。

加工負荷は、主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒのトルク検出で検出される主分力Ｆｔのみの検出でも良いか、主分力並びにＺ軸方向及びＸ軸方向の分力Ｆｚ、Ｆｘのそれぞれを変数として軸力ないし変位を演算する演算手段を登録し、加工中に加工負荷の主分力Ｆｔ、Ｚ軸方向分力Ｆｚ及びＸ軸方向分力Ｆｘを個別に逐次検出して演算することにより、ワークの形状や切削位置に対応したより高度な防振加工を実現できる。Ｚ軸方向分力Ｆｚ及びＸ軸方向分力Ｆｘは、工具送りモータ７ｚ、７ｘのトルクを検出することにより、検出できる。

工具の切り込みを大きくすると加工中のワークの振動が起こり、切り込みを小さくすると振動が起こらなくなることからも理解されるように、加工中のワークの振動の発生と加工負荷とには大きな相関関係がある。この発明により、２主軸対向ＮＣ旋盤を用いたワークの防振加工において、必要以上の軸力がワークに付与される事態を防止でき、加工精度の低下や機械の発熱を抑制しつつ、ワーク加工中に生ずる振動を有効に防止することができる。また、一時的に重切削が行われる場合など、防振に必要な大きな軸力が一時的に付与されて防振加工が行われるので、加工能率の向上を図ることができる。

また、検出された加工負荷を変数とする演算式をワークの種類及び工程毎に登録して加工中のワークに与える軸力ないし変位を演算すれば、加工負荷の変動に追従可能で、かつ他種類のワークの防振加工を、それぞれのワーク及び旋盤に最適な状態で行うことができるという効果がある。

この発明の２主軸対向ＮＣ旋盤の要部の一例を模式的に示すブロック図 加工負荷の説明図 軸力付与手順を示すフローチャート

図１はこの発明の２主軸対向ＮＣ旋盤の要部の一例を模式的に示すブロック図である。図の例では、固定側の左主軸１Ｌと軸方向移動可能な右主軸１Ｒとを備えた２主軸対向ＮＣ旋盤を例にしている。固定側主軸１Ｌは、旋盤のフレーム（ベッド）と実質上一体の固定主軸台２Ｌに軸着されて定位置に保持されている。移動側主軸１Ｒは、主軸の軸線方向（Ｚ軸方向）に移動可能な移動主軸台２Ｒに軸着されて固定側主軸１Ｌと対向している。移動主軸台２Ｒには、主軸送りモータ（サーボモータ）３で正逆方向に回転駆動される送りねじ４が螺合しており、主軸送りモータ３の回転により移動側主軸１Ｒは固定側主軸１Ｌに対して近接離隔する。

固定側主軸１Ｌと移動側主軸１Ｒの間には、タレット６を備えた刃物台５が配置されている。２主軸対向旋盤には、通常、２〜４個の刃物台が設けられるのが普通であるが、図はそのうちの１個の刃物台のみが示されている。刃物台５は、旋盤の主軸方向（Ｚ軸方向）の工具送りモータ７ｚ及び送りねじ８ｚ並びに工具切り込み方向（Ｘ軸方向）の工具送りモータ７ｘ及び送りねじ８ｘにより、主軸方向及び工具の切り込み送り方向（Ｘ軸方向）に移動及び位置決め自在である。

工具送りモータ７ｚ、７ｘはサーボモータで、加工プログラム２１の工具送り指令がＮＣ装置２２の位置カウンタ２３及びサーボ装置９ｚ、９ｘを介して工具送りモータ７ｚ、７ｘに与えられている。工具送りモータ７ｚ、７ｘは、パルスエンコーダ１０ｚ、１０ｘを備えており、ＮＣ装置２２から与えられる位置指令ａｚ、ａｘとパルスエンコーダ１０ｚ、１０ｘで検出された位置フィードバック信号ｂｚ、ｂｘの差信号（位置偏差）ｃｚ、ｃｘが差分検出器２５から補償回路２６に与えられている。そして、この位置偏差ｃｚ、ｃｘに基づいて補償回路２６から出力される速度指令と微分器２４からの速度フィードバック信号との差信号がパワーアンプ２７に与えられ、パワーアンプ２７は、工具送りモータ７ｚ、７ｘの負荷トルクに応じた値の電流を工具送りモータ７ｚ、７ｘに供給している。

従って、ＮＣ装置は、自身が出力している位置指令ａｚ、ａｘと工具送りモータの位置フィードバック信号ｂｚ、ｂｘとを比較することにより、これらのモータの負荷トルクから刃物台５に作用している加工負荷のＺ軸方向分力Ｆｚ及びＸ軸方向分力Ｆｘを検出することができる。

なお、工具をＺ軸方向に移動して加工を行っているときは、Ｘ軸方向分力Ｆｘが加工負荷の背分力、Ｚ軸方向分力Ｆｚが送り分力となる。また、工具をＸ軸方向に送って加工を行っているときは、Ｚ軸方向分力Ｆｚが背分力、Ｘ軸方向分力Ｆｘが送り分力となる。

また、図ではＺ軸方向の工具送りモータのサーボ装置９ｚについて、その内部構成を記載してないが、Ｘ軸方向の工具送りモータ７ｘのサーボ装置９ｘと同じである。

主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒには、送りモータ７ｚ、７ｘと同様な制御により主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒの速度を制御するパルスエンコーダ１０Ｌ、１０Ｒ及び主軸モータ制御装置１２Ｌ、１２Ｒが設けられており、ＮＣ装置は、主軸モータ制御装置１２Ｌ、１２Ｒへの指令信号とフィードバック信号との差信号ｃｒ、ｃｌにより、加工負荷の主分力Ｆｔ（図２参照）を逐次検出することができる。

主軸送りモータ３は、工具送りモータ７ｚ、７ｘに設けたと同様なサーボ装置９ａを介して制御されている。サーボ装置９ａには、ＮＣ装置２２の主軸送り手段２８から位置指令ａが与えられている。主軸送りモータ３はパルスエンコーダ１０ａを備えており、ＮＣ装置２２から与えられた位置指令ａとパルスエンコーダ１０ａで検出された位置フィードバック信号ｂの差信号（位置偏差）ｃが差分検出器２５から補償回路２６に与えられている。そしてこの位置偏差ｃに基いて補償回路２６から出力される速度指令と微分器２４からの速度フィードバック信号との差信号とがパワーアンプ２７に与えられ、パワーアンプ２７は主軸送りモータ３の負荷トルクに応じた値の電流を主軸送りモータ３に供給している。

パワーアンプ２７から出力される電流の最大値は、最大電流設定器２９によって制限されており、その制限値はＮＣ装置２２に登録した演算手段３１の最大軸力設定手段３２で指令されている。

ＮＣ装置２２の演算手段３１には、防振加工時にワークに付与する軸力を演算する演算式４１と、この演算で使用する係数及び定数をワークの種類毎に登録するテーブル４２が登録されている。登録する係数と定数は、加工しようとするワークについて、加工実績や試験加工に基づいて決定されたものである。新しい種類のワークを加工するときは、そのワークに対する係数と定数の組をテーブル４２に追加登録する。

実施例における演算式４１は、ワークに付与する軸力Ｐを
Ｐ＝Ａ×Ｆｔ＋Ｂ×Ｆｚ＋Ｃ×Ｆｘ＋Ｄ
で演算している。ここで、
Ｆｔ：切削負荷の主分力
Ｆｚ：切削負荷のＺ軸方向分力
Ｆｘ：切削負荷のＸ軸方向分力
Ａ：係数（主分力用）
Ｂ：係数（Ｚ軸方向分力用）
Ｃ：係数（Ｘ軸方向分力用）
Ｄ：係数（切片）
である。切削負荷の主分力Ｆｔは、主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒのトルクにより逐次検出することができ、切削負荷のＺ軸方向分力Ｆｚ及びＸ軸方向分力Ｆｘは、前述した工具送りモータ７ｚ、７ｘに与える指令信号ａｚ、ａｘとフィードバック信号ｂｚ、ｂｘにより逐次検出することができる。また、係数ＡないしＤは、ワークの材質、長さ、径、把握力、把握冶具の状態（爪やコレットの形状や把握代）、使用する工具の材質、工具の取付状態（バイト形状や突出長）、切削速度、切込深さなどにより変化する値であり、ワーク毎に予め実験して決定し、下表のようなテーブル４２として演算手段３１に登録する。

ＮＣ装置２２には、主軸送りモータのサーボ装置から位置偏差ｃを取得する位置偏差検出手段３３、取得した位置偏差ｃから検出されるワークの軸力と演算手段３１で演算された軸力とを比較する比較手段３４及び比較手段３４の判定結果に基づいて移動主軸台２Ｒの送り指令を出力する主軸送り手段２８とを備えている。主軸送り手段２８は、軸力の検出値が演算値より大きいときには移動側主軸１Ｒが固定側主軸１Ｌに接近する方向の移動指令をサーボ装置９ａに与え、軸力の検出値が演算値より小さいときには移動側主軸１Ｒが固定側主軸１Ｌから離隔する方向の移動指令をサーボ装置９ａに与える。

この発明の２主軸対向ＮＣ旋盤は、図３に示す手順により、防振加工工程を含むワークの加工を行う。ＮＣ装置には複数の加工プログラムが登録され、各加工プログラムには、当該プログラムで加工するワークの各部分についての旋削粗加工、旋削仕上げ加工、回転工具による孔明け加工など、多数の加工工程（ブロック）が記述されている。ＮＣ装置２２は、指定された加工プログラムを順に選択して、各プログラムに記述された工程を順に読み込んでワークを連続的に加工する。防振加工を行うかどうかは、各加工プログラムの各工程毎に指定され、読み込んだ工程に防振加工が指定されていれば、ＮＣ装置は制御を防振加工モードに設定（ＯＮ）し、防振加工が指定されていなければ、防振加工モードの設定を解除（ＯＦＦ）する。

図３の手順は、ワークの加工動作と並行して実行され、ワークの加工が開始されると同時に図３の手順が実行される。この発明の防振加工は、ワークを両端を把持した状態で行われる。読み込んだ工程の加工が両持ち加工でないとき（ワークのロードアンロードなどでの待機時を含む）は、ステップ５１で分岐して、何もしないで当該ステップと加工終了の判断ステップ５６のループを繰り返す。また、両持ち加工であっても、防振加工モードに切り替わっていなければ、ステップ５２で分岐して、ステップ５１、５２から加工終了の判断ステップ５６のループを繰り返す。

制御が防振加工モードに設定された状態で両持ち加工を行うときは、ステップ５３で、ワーク番号で指定されているワークの種類に対応するパラメータ（上記実施例における係数Ａ〜Ｄ）をテーブル４２からメモリに読み込む。そしてステップ５４で、当該時点で検出されている加工負荷と読み込んだパラメータを用いて、ワークに付与する軸力ないし変位を演算し、演算された軸力ないし変位をワークに付与するように、主軸送りモータ３に送り指令を与える。

すなわち、主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒ及び工具送りモータ７ｚ、７ｘの位置偏差ないし出力トルクから加工負荷の主分力Ｆｔ、Ｚ軸方向分力Ｆｚ及びＸ軸方向分力Ｆｘを求め、これらの値とメモリに記憶した係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いて軸力Ｐを演算する。この演算結果は、比較手段３４により、その時点で検出した主軸送りモータ３の位置偏差ｃから求められる軸力と比較され、演算した軸力Ｐの方が大きければ、主軸送り手段２８により、主軸送りモータ３に移動側主軸１Ｒを固定側主軸１Ｌから離隔させる方向の移動指令を与える。一方、位置偏差ｃから検出した軸力が演算された軸力Ｐより大きければ、主軸送り手段２８は、主軸送りモータ３に移動側主軸１Ｒが固定側主軸１Ｌに接近する方向の移動指令を与える。演算された軸力と検出した軸力が同じ（両者の差が設定されたしきい値以下）であれば、その時点の移動側主軸１Ｒの位置を保持する。

ステップ５１とステップ５６のループを短い時間間隔で繰り返すことにより、加工中の加工負荷が逐次検出されて、当該加工負荷に対応する引張り方向の軸力がワークに与えられ、ワークの振動を適切に防止した状態でワークの加工が継続される。

加工プログラムにワークに付与する最大軸力の制限値が記載されているときは、演算手段３１の最大軸力設定手段３２は、当該軸力に対応する値の電流を制限値として最大電流設定器２９に与える。これにより、主軸送り手段２８から制限された最大軸力以上の軸力を付与するように移動側主軸１Ｒを移動させようとしても、主軸送りモータ３のトルクが制限されて移動させることができなくなり、ワークに過大な軸力が作用するのを防止できる。

防振加工が指定されていない工程を読み込むと、防振加工モードがＯＦＦに切り替えられ、ステップ５５でループから抜け、ワークに軸力ないし変位を付与しない状態での加工ないしワークのロードアンロードなどが実行される。この手順を一連の加工動作の終了信号を受けるステップ５６まで繰り返す。

以上の説明では、演算された軸力をワークに付与するように主軸送りモータを制御する例について説明したが、ワークに付与する軸力と、当該軸力によって生ずるワークの変位（軸方向ひずみ）とは比例関係にあるので、軸力に変えて変位を演算して当該変位を発生させるように主軸送りモータ３を制御するようにしても、上記実施例と同様な防振加工を実現することができる。また、上記実施例の演算式は、軸力を加工負荷の一時関数として演算する式であるが、このような演算式に限定されるものではなく、二乗や平方根、分数などを含む計算式であってもよく、要は加工反力の変化と、加工反力の変化に応じて防振に必要な軸力ないし変位との関係を適切に、かつ簡単な関係で演算することができる演算式を登録する。ここで言う簡単な演算式とは、少ない実験によって使用する係数を定めることができ、かつ短い時間での繰り返し演算が可能な演算式である。

1L,1R 主軸
３ 主軸送りモータ
11L,11R 主軸モータ
28 主軸送り手段
31 演算手段
Ｆｔ 主分力
Ｆｚ Ｚ軸方向分力
Ｆｘ Ｘ軸方向分力

Claims (5)

1. 同一軸線上で近接離隔自在に対向する２本の主軸(1L,1R)及びこれらを駆動する主軸モータ(11L,11R)と、刃物台(5)及びこれを送る工具送りモータ(7z,7x)と、移動側主軸(1R)を前記軸線方向に移動及び位置決めする主軸送りモータ(3)とを備えた２主軸対向ＮＣ旋盤において、
   ワーク加工中の前記主軸モータの負荷トルクを検出する負荷検出手段と、検出された加工負荷に基づいて加工中のワークに付与する軸力ないし軸方向変位を演算する演算手段(31)と、演算された軸力ないし軸方向変位をワークに付与するように前記主軸送りモータ(3)を駆動する主軸送り手段(28)とを備えている、２主軸対向ＮＣ旋盤。
2. 前記演算手段は、加工負荷を検出しないときの軸力ないし軸方向変位をゼロでない値として演算する、請求項１記載の２主軸対向ＮＣ旋盤。
3. 前記演算手段は、軸力ないし軸方向変位を予め設定された最大値を超えない値として演算する、請求項１記載の２主軸対向ＮＣ旋盤。
4. 前記演算手段は、検出された加工負荷の主分力(Ft)、Ｚ軸方向分力(Fz)及びＸ軸方向分力(Fx)のそれぞれを変数として前記軸力ないし軸方向変位を演算する、請求項１記載の２主軸対向ＮＣ旋盤。
5. 請求項１記載の２主軸対向ＮＣ旋盤を用い、
   加工しようとするワークの一端を対向する主軸の一方(1)で把持して加工を行う際に、他方の主軸(3)で当該ワークの他端を把持し、加工中のワークの加工負荷を逐次検出し、検出した加工負荷と当該ワークの種類に対応する前記演算手段とで軸力ないし軸方向変位を演算し、演算した軸力ないし軸方向変位を当該ワークに付与するように前記主軸送りモータを逐次制御しながらワークを加工することを特徴とする、２主軸対向ＮＣ旋盤における防振加工方法。

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