JP5929065B2

JP5929065B2 - Ｎｃデータ補正装置

Info

Publication number: JP5929065B2
Application number: JP2011203929A
Authority: JP
Inventors: 松永　茂; 茂松永; 俊之沖田; 良太棚瀬
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2031-09-19
Also published as: JP2013063491A

Description

本発明は、主軸により回転される工具を用いて工作物を加工するＮＣ工作機械における、加工中のびびり振動の発生を防止するものであり、びびり振動が発生しないようにＮＣデータを補正するＮＣデータ補正装置に関するものである。

回転する工具を用いた加工においてびびり振動を防止するために、びびり振動安定限界線図を用いて、工具回転軸方向の工作物に対する工具の切込み深さである軸切込み深さと主軸回転速度を変更して、びびり振動の発生しない加工条件を設定することが行われている。びびり振動安定限界線図は工具の回転半径方向の工作物に対する切込み深さである半径切込み深さを所望の一定値としたときの主軸回転速度に対するびびり振動発生限界の軸切込み深さを示す図であり、びびり振動安定限界線図のびびり振動の発生しない領域である安定領域に含まれる軸切込み深さと主軸回転速度の組合せを選定することで容易に適切な加工条件を設定できる。びびり振動安定限界線図は、工具を含む主軸系の質量、減衰係数、剛性と比切削抵抗をパラメータとする計算式で求められる。（たとえば非特許文献１）

「神戸製鋼技報２００１年Ｖｏｌ．５１Ｎｏ．３」、ｐ．２０〜ｐ．２２

金型などの加工では、軸切込み深さを一定として工具回転軸に直交する平面内で工具を移動させて工作物を加工する等高線加工が賞用されている。この場合に、従来のびびり振動安定限界線図を用いて加工条件を設定すると、全ての工具経路の中でびびり振動の発生し易い部分の軸切込み深さ（一番小さな軸切込み深さ）により全体の軸切込み深さが決められることになる。このため、びびり振動の発生に対して切削能率に余裕のある加工部位では工具の回転半径方向の工作物に対する切込み深さである半径切込み深さを大きくすることで加工能率を大きくしている。この場合、半径切込み深さの設定値は作業者の経験や実加工の試行に基づき設定されているため、半径切込み深さの設定に時間を要し、びびり振動の発生に対して余裕のある設定をするため工作機械の能力を充分に発揮できない恐れがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、軸切込み深さを一定とする等高線加工において、半径切込み深さを補正して、加工能率が大きくてびびり振動の発生しないＮＣデータを作成できるＮＣデータ補正装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための請求項１に係る発明の特徴は、主軸に装着した回転する工具により工作物を切削する工作機械のＮＣデータを補正するＮＣデータ補正装置であって、
前記ＮＣデータと工作物の加工前形状データを用いて、前記ＮＣデータに示された工具経路の形状の曲率半径が同一である区分毎に区切られた前記ＮＣデータの一部であるデータ区分における、前記工具の同一の刃先が前記工作物に連続的に加工作用をする前記工具の回転角度である工具接触角度を演算する工具接触角度演算手段と、
工具回転軸方向の前記工具の前記工作物への切込み深さである所定の軸切込み深さと、所定の主軸回転速度から、びびり振動発生限界の前記工具接触角度である限界工具接触角度を演算する限界工具接触角度演算手段と、
前記所定の軸切込み深さと前記所定の主軸回転速度を備えるＮＣデータにおける前記工具接触角度演算手段により演算された工具接触角度が、前記限界工具接触角度より大きいか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段で工具接触角度が前記限界工具接触角度より大きいと判定されたデータ区分である不安定ＮＣデータ区分がある場合は、前記不安定ＮＣデータ区分のＮＣデータにおける前記工具の回転半径方向の切込み深さである半径切込み深さを減じて、前記工具接触角度が前記限界工具接触角度より小さくなる補正半径切込み深さを備えた複数の補正ＮＣデータに分割する工具経路補正手段と、を備えることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、所定不安定ＮＣデータ区分の補正ＮＣデータの前記補正半径切込み深さが、前記所定不安定ＮＣデータ区分のＮＣデータにおける半径切込み深さを２以上の整数で除した値であることである。

請求項1に係る発明によれば、等高線加工において、ＮＣデータ区分毎に工具接触角度が、限界工具接触角度より大きいか否かを判定することで、びびり振動発生が予測される不安定ＮＣデータ区分を特定し、工具経路補正手段により不安定ＮＣデータ区分の半径切込み深さを小さくしてびびり振動の発生しないＮＣデータを作成することができる。このため、大きな半径切込み深さを設定した高能率のＮＣデータを補正して、びびり振動が発生しない最大の加工能率を備えたＮＣデータを設定することが可能で、加工時間が短縮できる。

請求項２に係る発明によれば、不安定ＮＣデータ区分のＮＣデータをびびり振動の発生しない最少数の補正ＮＣデータに分割することができる。このため、不安定ＮＣデータ区分を最短時間で加工できる。

本実施形態の工作機械の概要を示す図である。本実施形態の工具接触角度を示す図である。ＮＣデータを修正する工程を示す工程図である。主軸系のコンプライアンスの周波数応答を示す図である。工具経路を示す図である。補正工具経路を示す図である。変形態様の補正工具経路を示す図である。びびり振動安定限界角度線図を示す図である。

以下、本発明のＮＣデータ補正装置を工作機械に組み込んだ実施形態について説明する。
図１において、工作機械１は、ベッド２上にＺ軸方向へ前後進するコラム３と、コラム３によりＹ軸方向へ上下可動に支持された主軸６と、Ｚ軸とＹ軸に直角な方向であるＸ軸方向（紙面に垂直な方向）に移動可能なテーブル４を備え、テーブル４上には工作物Ｗが固定されている。主軸６は回転自在に保持されモータ８により回転駆動されるスピンドル７を備え、スピンドル７の先端には工具５が装着されている。工具５と工作物Ｗは、図示しない送り装置によりＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の相対運動が可能で、この相対運動により加工が行われる。

ＮＣ制御装置９は、ＮＣデータ補正装置９１、図示されない入力装置により入力されたＮＣデータやＮＣ制御プログラム、比切削抵抗Ｋ_ｆ、主軸系の質量ｍ、減衰係数ｃ、剛性ｋの値などを記録しておくデータ記録部９２、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の送りを制御する駆動軸制御装置９３等を備えている。ＮＣデータ補正装置９１は限界工具接触角度演算手段９１１、工具経路形状と半径切込み深さから工具接触角度を演算する工具接触角度演算手段９１２、工具接触角度がびびり振動を発生させる限界工具接触角度より大きいか否かを判定する判定手段９１３、びびり振動が発生する工具経路の部分の半径切込み深さを減少させる工具経路補正手段９１４を備えている。
ここで、図２において、工具接触角度とはΘであり、加工中に工具５の１つの刃先５ａが工作物に連続的に加工作用をする工具５の回転角度である。また、工具経路とは工具の回転中心の移動する経路のことでありＮＣデータにはこの経路が記述されている。工具刃先経路とは工作物の加工表面における工具刃先の包絡線のことで工具経路に工具の回転半径の値ｒをオフセットして一義的に得られる。以下の説明では、工具経路番号と工具刃先経路番号は同一であるとして説明する。

以下に、図３の工程図に基づき実施形態のＮＣデータ補正装置９１がＮＣデータを補正する手順を説明する。
はじめに、補正対象となるＮＣデータ、加工前工作物形状および、あらかじめ測定した、所定の工具を用いて工作部Ｗを切削したときの比切削抵抗Ｋ_ｆと、所定の工具を主軸に装着した主軸系の質量ｍ、減衰係数ｃ、剛性ｋの値をデータ記録部９２へ記録する。これらの測定は公知の測定方法で測定可能である。たとえば、主軸系の質量ｍ、減衰係数ｃ、剛性ｋについては、図４に示すように、加振テストにより測定したコンプライアンスの周波数応答の最大ピークに対して、最適フィッティングする伝達関数φ（ｓ）＝１／（ｍｓ^２＋ｃｓ＋ｋ）の質量ｍ、減衰係数ｃ、剛性ｋから求めることができる（Ｓ１）。ＮＣデータの工具経路と加工前工作物形状から決まる軸切込み深さとＮＣデータに指示された主軸回転速度における限界工具接触角度Θ_Ｇを、比切削抵抗Ｋ_ｆと、主軸系の質量ｍ、減衰係数ｃ、剛性ｋの値と、たとえば２０１０年３月４日、日本機械学会Ｎｏ．１０−２４講習会−生産加工基礎講座−実習で学ぼう「切削加工、びびり振動の基礎知識」、講習会テキスト、ｐｐ、１−１２に示されるようなびびり安定限界の求め方を用いて演算する（Ｓ２）。ＮＣデータのデータ区分の総数Ｎを記録するとともに、ＮＣデータ区分番号のカウンターＣ０を１とする。ここで、ＮＣデータ区分番号とは、ＮＣデータにより定まる工具経路の直線部または一定の曲率半径を備えた曲線部毎に区切られたＮＣデータ区分毎に１から最終のＮまで順番に付与された番号である（Ｓ３）。ＮＣデータ区分番号Ｃ０の工具経路Ｋ_Ｃ０による工具刃先経路Ｐ_Ｃ０おける工具接触角度Θ_Ｃ０を以下の式で演算する。図５において、工具の回転半径をｒ、点ｍから点ｎまでの工具刃先経路Ｐ_Ｃ０の曲率半径をＲ_Ｃ０、加工前工作物形状の表面ｆからの半径切込み深さをｔとすると、幾何学的な関係から工具接触角度Θ_Ｃ０はΘ_Ｃ０＝ｃｏｓ^−１（ｔ^２-２・Ｒ_Ｃ０・ｔ−２・ｒ^２＋２・Ｒ_Ｃ０・ｒ）／（２（Ｒ_Ｃ０−ｒ）ｒ）となる（Ｓ４）。工具接触角度Θ_Ｃ０が限界工具接触角度Θ_Ｇより大きいか否かを判定する。Θ_Ｃ０＞Θ_ＧであればステップＳ６へ移動し、そうでないならステップＳ１２へ移動する（Ｓ５）。

補正ＮＣデータの補正回数のカウンターＣ１を２とする（Ｓ６）。工具刃先経路Ｐ_Ｃ０おける半径切込み深さｔを１／Ｃ１にした補正ＮＣデータを作成する。図６にＣ１＝２の例を示す、工具刃先経路Ｐ_Ｃ０の曲率半径Ｒ_Ｃ０に対してｔ／２小さな曲率半径Ｒ_Ｃ０１を備えた点ｏから点ｑまでの工具刃先経路Ｐ_Ｃ０１をなす補正工具経路Ｋ_Ｃ０１を作成し工具経路補正手段９１４に記録する（Ｓ７）。補正工具刃先経路Ｐ_Ｃ０１における工具接触角度Θ_Ｈを演算する。図６において、工具の回転半径をｒ、補正工具刃先経路Ｐ_Ｃ０１の曲率半径をＲ_Ｃ０１、半径切込み深さをｔ／２とすると、幾何学的な関係から工具接触角度Θ_Ｈは式Θ_Ｈ＝ｃｏｓ^−１（ｔ^２／４-Ｒ_Ｃ０１・ｔ−２・ｒ^２＋２・Ｒ_Ｃ０１・ｒ）／（２（Ｒ_Ｃ０１−ｒ）ｒ）を用いて演算できる（Ｓ８）。工具接触角度Θ_Ｈが限界工具接触角度Θ_Ｇより大きいか否かを判定する。Θ_Ｈ＞Θ_ＧであればステップＳ１０へ移動し、そうでないならステップＳ１１へ移動する（Ｓ９）。補正回数のカウンターＣ１に１を加算した後にステップＳ７へ移動する（Ｓ１０）。ＮＣデータ区分番号Ｃ０における半径切込み深さｔを１／Ｃ１にしたＣ１個の補正工具経路からなる補正ＮＣデータを、新たなＮＣデータ区分番号Ｃ０のＮＣデータとしてデータ記録部に記録する（Ｓ１１）。データ区分番号のカウンターＣ０に１を加算する（Ｓ１２）。全てのデータ区分の判定は終了したか確認する。具体的には、データ区分番号のカウンターＣ０の値が最終のＮ以上であればすべてのＮＣデータ区分の判定が終了したので終了し、そうでないならステップＳ４へ移動する（Ｓ１３）。

以上のように、本発明のＮＣデータ補正装置９１を用いて、大きな半径切込み深さを設定した高能率の等高線加工用ＮＣデータの、ＮＣデータ区分毎に工具接触角度が限界工具接触角度を超えてか否かを判定し、びびり振動発生が予測される不安定ＮＣデータ区分の半径切込み深さを１／Ｃ１に小さくしたびびり振動の発生しない補正ＮＣデータを自動で作成することがでる。このため、びびり振動が発生しない最大の加工能率を設定することが可能で、加工時間が短縮できる。

上記の説明では、不安定ＮＣデータ部のみの工具刃先経路Ｐ_Ｃ０を補正したが、不安定ＮＣデータ部の直前のＮＣデータ部の工具刃先経路Ｐ_Ｃ０−１を含めて補正してもよい。これは、図５に示すように、工具刃先経路Ｐ_Ｃ０−１の終了端部ｍにおいては、工具接触角度Θ_Ｃ０が限界工具接触角度Θ_Ｇより大きくなるため、びびり振動が時間経過につれて成長して悪影響を及ぼす恐れがあるためである。具体的には、図７に示すように工具刃先経路Ｐ_Ｃ０−１の終了点を工具接触角度Θ_Ｃ０−１が限界工具接触角度Θ_Ｇと等しい点である点ｕに変更し、工具刃先経路Ｐ_Ｃ０の開始点を点ｕに変更する。補正工具刃先経路Ｐ_Ｃ０の最初の工具刃先経路を点ｕから点０を経由して点ｑまでとし、最後の工具刃先経路を点ｕから点ｍを経由して点ｎまでとする。
また、主軸回転速度はあらかじめ設定された所定の主軸回転速度を用いてＮＣデータ補正工程内で限界工具接触角度Θ_Ｇを演算したが、図８に示すびびり振動安定限界角度線図をあらかじめ作成してデータ記録部へ記録しておき、安定限界がピークとなる位置の主軸回転速度を選択するようにしてもよい。このびびり振動安定限界角度線図は横軸に主軸回転速度、縦軸に工具接触角度を表し、主軸回転速度に対応したびびり振動が発生する限界の限界工具接触角度Θ_Ｇの点群をプロットしたものである。

５：工具Ｗ：工作物６：主軸９：ＮＣ制御装置９１：ＮＣデータ補正装置９１１：限界工具接触角度演算手段９１２：工具接触角度演算手段９１３：判定手段９１４：工具経路補正手段

Claims

主軸に装着した回転する工具により工作物を切削する工作機械のＮＣデータを補正するＮＣデータ補正装置であって、
前記ＮＣデータと工作物の加工前形状データを用いて、前記ＮＣデータに示された工具経路の形状の曲率半径が同一である区分毎に区切られた前記ＮＣデータの一部であるデータ区分における、前記工具の同一の刃先が前記工作物に連続的に加工作用をする前記工具の回転角度である工具接触角度を演算する工具接触角度演算手段と、
工具回転軸方向の前記工具の前記工作物への切込み深さである所定の軸切込み深さと、所定の主軸回転速度から、びびり振動発生限界の前記工具接触角度である限界工具接触角度を演算する限界工具接触角度演算手段と、
前記所定の軸切込み深さと前記所定の主軸回転速度を備えるＮＣデータにおける前記工具接触角度演算手段により演算された工具接触角度が、前記限界工具接触角度より大きいか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段で工具接触角度が前記限界工具接触角度より大きいと判定されたデータ区分である不安定ＮＣデータ区分がある場合は、前記不安定ＮＣデータ区分のＮＣデータにおける前記工具の回転半径方向の切込み深さである半径切込み深さを減じて、前記工具接触角度が前記限界工具接触角度より小さくなる補正半径切込み深さを備えた複数の補正ＮＣデータに分割する工具経路補正手段と、を備えるＮＣデータ補正装置。
所定不安定ＮＣデータ区分の補正ＮＣデータの前記補正半径切込み深さが、前記所定不安定ＮＣデータ区分のＮＣデータにおける半径切込み深さを２以上の整数で除した値である、請求項１に記載のＮＣデータ補正装置。