JP6576758B2 - 切削装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
そのため、例えば特許文献1には、切削加工中に工具の切削力を検出し、その切削力に応じて、工具保持具を主軸の軸心の回りと、主軸の回転軸心と直角方向の軸の回りに回転させ、背分力が小さくなるように、工具のすくい角と横すくい角を調整することが開示されている。
また、切削加工前に、予め背分力が小さくなるように被加工材に対する工具のアプローチ角を設定しても、切削加工中に工具の磨耗や溶着など、何らかの変化が生じて背分力が増加した場合や、被加工材等に起因する加工条件の変更等による背分力の増加に、速やかに対応することができないという問題があった。
を目的とする。
その場合、PID演算によって上記アプローチ角の変更量を算出することができる。
上記工具の刃先のノーズRの中心を軸として、上記工具を上記平面内で回転させることによって上記アプローチ角を調整するのが望ましい。
上記制御手段は、上記工具の刃先のノーズRの中心を軸として上記工具が回転して上記アプローチ角が変化するように、上記回転手段による上記回転テーブルの回転量及び上記工具台移動手段による上記工具台の上記第1の方向と上記第2の方向の各移動量を制御するのが望ましい。
それによって、被加工材の切削加工中のたわみや変形を抑えることができ、高精度な切削加工が可能になる。
まず、この発明による切削装置の一実施形態の概略構成を図1によって説明する。この切削装置1は自動旋盤を想定しており、その装置本体である加工部10には、図示を省略したベッドに設置された主軸台に、主軸11が回転自在に支持されている。その主軸11は、主軸モータを含む回転駆動機構によって回転駆動される。
その工具台15内には、回転テーブル14を工具台15に対してワーク2の軸線Lを含む上記平面に沿って回転させる回転手段と、工具13がワーク2を切削加工中に受ける背分力を検出する背分力検出手段とを備えている。
その工具台15は、ワーク2の軸線Lに沿う第1の方向であるZ方向と、上記平面に沿い且つ軸線Lに直交する第2の方向であるX方向とに移動させる工具台移動手段であるX−Zステージ16に搭載されている。これらの回転テーブル14と工具台15とX−Zステージ16とによって、工具13のアプローチ角を調整可能な工具保持機構17を構成している。
この切削装置1はさらに、上述した工具保持機構を制御してアプローチ角を調整するための制御手段20を備えている。
この制御手段20は、工具13によるワーク2の切削加工中、背分力検出手段である動
力計によって検出される背分力の値が常にゼロに近づくように、工具台15内の回転手段及び工具台移動手段であるX−Zステージ16を制御して、工具13のワーク2に対するアプローチ角を調整する。そのために、この制御手段20はアプローチ角変更量算出部21と、座標変換部22を有している。
アプローチ角変更量算出部21には角度制限値が入力され、工具13の回転範囲を規制する。座標変換部22には、工具13の刃先位置情報が入力される。
図2Aに示すように、チャック12によってワーク2を保持した主軸が、矢示A方向に回転する。工具13はワーク2の回転の軸線に略直交する方向から、その刃先13aをワークに押し当てて切削加工を行う。その際、工具13にはワーク2の径方向(矢示B方向)に背分力が作用する。この背分力が作用する方向、すなわちワークの軸線に直交する方向に対して、軸線Lを含む平面内で工具13がワーク2に当接する方向の傾きをアプローチ角と称する。
工具13を矢示Cで示すように回動させると、アプローチ角θが正又は負の値になる。
図2Bに示すように、工具13を後端部がチャック12から遠ざかるように回動させると、アプローチ角θが負の値になる。
逆に、図2Cに示すように、工具13を後端部がチャック12に近づくように回動させると、アプローチ角θが正の値になる。
図4に示すように、ワーク2を切削加工中の工具13のアプローチ角を、0°の状態から矢示Dで示すように正方向へθだけ変更するものとする。この場合、回転テーブル14を矢示E方向に角度θ回転させるだけでは、工具13が回転テーブル14の回転中心(位置P1)を中心に図4で角度θだけ右旋回転し、刃先13aがワーク2の切削点から離れてしまう。
を例えば位置P2へ移動させる必要がある。
切削点がずれないようにするためには、工具13を、図5に示す刃先13aのノーズRの中心Qを軸(回転中心)として、ワーク2の軸線を含む平面内で回転させるのが望ましい。
位置P1の座標を(x,z)、位置P2の座標を(x′,z′)とすると、移動後の位置P2の座標は次式によって算出できる。
(x′,z′)=(x・cosθ+z・sinθ+R(1−cosθ−sinθ),
x・sinθ+z・cosθ+R(1−cosθ−sinθ)
この式において、θは回転テーブル14の回転角度、Rは工具13のノーズRの中心Qからの半径である。
この座標の差x′−xだけX方向へ、z′−zだけZ方向へ、X−Zステージ16を移動させる。実際にはこれだけではなく、ワーク2の切削による送り移動を加えて、X−Zステージ16を移動させる必要がある。
工具のセッティング時に、アプローチ角θ=0におけるX方向及びZ方向の刃先13aの位置と、ノーズRのR値(半径)を設定する。例えば、X方向は径の分かっている被加工材(ワーク2)で、Z方向は被加工材の端面の位置で合わせる。
なお、Z方向の移動は、主軸11によりワーク2側を軸線方向に移動させてもよい。
これは、被加工材がS45C(機械構造用炭素鋼)で、加工条件が、切削速度:100m/min、切込量:1.0mm、送り速度0.03mm/revの場合の例を示す。
この図6に示すように、アプローチ角と背分力とは略比例関係にある。この例ではアプローチ角が0°から−20°の負の角度範囲で、背分力が8Nから−8Nまで変化し、アプローチ角が−9°程度のときに背分力が0(ゼロ)になっている。背分力がマイナスになると、工具がワークに引き寄せられるような力が作用することになる。
アプローチ角と背分力との関係は、被加工材の材料や工具の種類、および加工条件などによって異なるが、いずれにしてもこれに類似した相関関係が認められる。
図1に示した制御手段20は、マイクロコンピュータ(以下、CPUと略称する)を備えており、そのCPUによって、アプローチ角変更量算出部21及び座標変換部22の機能を果す。
準備工程では、切削装置1の図示していない操作盤から作業者が加工に必要な情報を入力する。
ステップS2では、工具情報を入力する。すなわち、工具の前述したノーズR(半径R)と、旋回可能角度(アプローチ角の変更可能範囲)等を入力する。
ステップS3では、工具の刃先の先端位置を設定する。すなわち、回転テーブルの旋回角度0°(アプローチ角0°)での刃先位置として、ノーズRの中心の座標を設定する。
このステップS1〜S3は任意の順番で行うことができ、並行して行ってもよい。
この加工工程の処理は、図1における制御手段20(主にCPU)が加工部10を制御して実行する。
ステップS4で、CPUは主軸11を回転させて切削を開始する。そして、ステップS5で背分力を測定する。それは、工具台15内に設けた動力計によって測定させる。
ステップS7では、算出したアプローチ角変更量(変更角度)を、X−Zステージ16の移動座標と、回転テーブル14の旋回角度に変換する。
その後、ステップS9で所定量切削したか否かを判断し、所定量切削したら切削を終了するが、所定量切削するまでは、ステップS5へ戻って、ステップS5〜S9の処理を繰り返す。それによって、切削加工中常に、測定させる背分力がゼロに近づくように、工具のアプローチ角を調整し続ける。
したがって、切削方向や切削条件が変わったりしても、背分力を常にゼロ又はゼロに近い状態で切削加工を行うことができる。
これは、図1における制御手段20に相当する部分である。
制御部25はPID制御、すなわち比例制御と積分制御と微分制御を組み合せたフィードバック制御を行う。
しかし、様々な被加工材料や加工条件で切削加工を行う場合は、アプローチ角と背分力との関係が変わるため、PID制御のような制御方法で、アプローチ角の変更量を設定する。
P(比例)I(積分)D(微分)のそれぞれのパラメータを別途設定できるようにすることによって、最適な制御条件をマニュアルで設定することもできる。
また、背分力検出手段は工具台15に限らず、回転テーブル14に備えてもよい。
さらに、被加工材も円柱状や丸棒状の鋼材に限らず、一部加工した二次加工品等でもよいし、鋼材以外の真鍮やアルミニウム、その他の金属材料でもよい。
また、この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に記載された技術的特徴を有する以外は、何ら限定されるものではないことは言うまでもない。
さらに、以上説明してきた実施形態の構成例、動作例及び変形例等は、適宜変更又は追加したり一部を削除してもよく、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施することも可能であることは勿論である。
12:チャック 13:工具(刃物) 13a:刃先 14:回転テーブル
15:工具台 16:X−Zステージ(工具台移動手段) 17:工具保持機構
20:制御手段 21:アプローチ角変更量算出部 22:座標変換部
25:制御部(PID)
Claims (8)
- 被加工材をその軸線の周りに回転させ、工具の刃先を前記軸線に直交する方向に対してアプローチ角をもって前記被加工材に押し当てて、前記被加工材を切削加工する切削装置の制御方法であって、
前記工具が前記被加工材を切削加工中、継続して、前記工具が受ける背分力を検出し、
検出される背分力の値とゼロ又はゼロに近い背分力目標値との差に基づいて、前記アプローチ角の変更量を算出し、
前記検出される背分力の値が常にゼロに近づくように、前記工具を前記軸線を含む平面内で回転させて、前記変更量だけ前記アプローチ角を調整することを特徴とする切削装置の制御方法。 - 前記検出される背分力の値とゼロ又はゼロに近い背分力目標値との差、及び予め用意された前記アプローチ角と背分力との関係に基づいて、前記アプローチ角の変更量を算出することを特徴とする請求項1に記載の切削装置の制御方法。
- PID演算によって前記アプローチ角の変更量を算出することを特徴とする請求項1に記載の切削装置の制御方法。
- 前記工具の刃先のノーズRの中心を軸として、前記工具を前記平面内で回転させることによって前記アプローチ角を調整することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の切削装置の制御方法。
- 被加工材をその軸線の周りに回転させ、工具の刃先を前記軸線に直交する方向に対してアプローチ角をもって前記被加工材に押し当てて、前記被加工材を切削加工する切削装置であって、
前記工具を前記軸線を含む平面に沿って保持する回転テーブルと、
該回転テーブルを回転可能に支持する工具台と、
前記回転テーブルを前記工具台に対して前記平面に沿って回転させる回転手段と、
前記工具台を前記軸線に沿う第1の方向と、前記平面に沿い且つ前記軸線に直交する第2の方向とに移動させる工具台移動手段と、
前記工具が前記被加工材を切削加工中に受ける背分力を検出する背分力検出手段と、
前記切削加工中、継続して、前記背分力検出手段によって検出される背分力の値とゼロ又はゼロに近い背分力目標値との差に基づいて、前記アプローチ角の変更量を算出し、
前記検出される背分力の値が常にゼロに近づくように、前記回転手段による前記回転テーブルの回転量及び前記工具台移動手段による前記工具台の前記第1の方向と前記第2の方向の各移動量を制御して、前記変更量を達成するように、前記アプローチ角を調整する制御手段と、
を備えたことを特徴とする切削装置。 - 前記制御手段は、前記検出される背分力の値とゼロ又はゼロに近い背分力目標値との差、及び予め用意された前記アプローチ角と背分力との関係に基づいて、前記アプローチ角の変更量を算出することを特徴とする請求項5に記載の切削装置。
- 前記制御手段は、PID演算によって前記アプローチ角の変更量を算出することを特徴とする請求項5に記載の切削装置。
- 前記制御手段は、前記工具の刃先のノーズRの中心を軸として前記工具が回転して前記アプローチ角が変化するように、前記回転手段による前記回転テーブルの回転量及び前記工具台移動手段による前記工具台の前記第1の方向と前記第2の方向の各移動量を制御することを特徴とする請求項5から7のいずれか一項に記載の切削装置。
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