JP6721307B2 - 複数軸を備えた工作機械の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数軸の協調動作によりワークを切削加工する工作機械の制御装置に関する。特に、本発明は、回転対称ワークの外周面または内周面を工具により切削加工する工作機械の制御装置に関する。

工作機械の工具によりワークを加工する際に切屑が連続して発生すると、切屑が工具に絡まる場合がある。このような場合には、切屑を工具から除去するために工作機械を停止させる必要があり、時間がかかって生産効率が低下する。さらに、切屑によって、ワークが損傷する可能性があり、ワークの品質が低下する場合がある。

このような欠点を避けるために、従来技術では、特許文献１および特許文献２に開示されるように切屑を細分化させる振動切削が導入されている。特許文献１および特許文献２においては振動切削情報テーブルを予め作成し、振動切削情報テーブルに記載された条件に従って振動切削を行うようにしている。

特許第５０３３９２９号公報 特許第５１３９５９２号公報

しかしながら、従来技術では振動切削情報テーブルを予め作成する必要があり、このことは煩雑であり時間もかかる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、テーブルを作成することなしに、切屑を細分化できる細断条件を加工条件から実際の切削加工に作成することのできる工作機械の制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、回転対称ワークの外周面または内周面を工具により切削加工する工作機械の制御装置であって、前記ワークおよび前記工具を前記ワークの回転軸線回りに相対的に回転させる主モータと、前記ワークの前記外周面または内周面の母線に沿って前記工具および前記ワークを相対的に送出す少なくとも一つの補助モータと、前記ワークおよび前記工具の相対的な回転速度ならびに前記工具および前記ワークを相対的に送出す送り速度に基づいて、前記少なくとも一つの補助モータの加工指令を作成する加工指令作成部と、前記回転速度および前記送り速度に基づいて、前記ワークの回転軸線回りにおける前記回転速度に対して非同期になるように且つ前記工具が前記ワークを断続切削するように、前記少なくとも一つの補助モータの揺動指令を作成する揺動指令作成部と、前記加工指令に前記揺動指令を加算する加算部と、前記揺動指令が加算された後で、前記加工指令に基づいて前記少なくとも一つの補助モータを制御する制御部とを具備し、前記揺動指令作成部は、前記回転速度に基づいて、前記ワークまたは前記工具が一回転する毎に半周期ずつズレるように前記揺動指令の揺動周波数を作成すると共に、前記送り速度に基づいて前記揺動指令の揺動振幅を作成し、前記制御部は、前記ワークおよび前記工具の一周期分の位置偏差を学習し補正量とすることで、前記揺動指令による周期的な位置偏差の増加を抑制するようにした、制御装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記揺動指令作成部は、前記少なくとも一つの補助モータのトルクが所定値を越えないように、前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記揺動指令作成部は、学習制御の制御帯域に基づいて、学習が収束するように前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成し、前記学習帯域は前記揺動指令の揺動周波数に依存する。
４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記揺動指令作成部は、前記工具が前記ワークを加工することにより生じる切屑の所望長さに基づいて前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する。

１番目の発明においては、回転軸線回りにおける回転速度に対して非同期になるように揺動指令の揺動周波数が決定され、工具がワークを断続切削可能なように揺動指令の揺動振幅が決定される。そして、そのような揺動指令が加算された加工指令に従ってモータを駆動してワークを切削加工している。このため、テーブルを作成することなしに、ワークが細分化される細断条件を実際の切削加工に作成することができる。さらに、揺動指令の揺動周波数がワークまたは工具が一回転する毎に半周期ずつズレるので、揺動振幅を最小にできる。その結果、断続切削を効率的に実施することができる。さらに、学習制御が適用されるので、揺動指令に対する追従性を高められる。
２番目の発明においては、揺動指令を加算した後の加工指令に基づいて少なくとも一つの補助モータを駆動する際に、モータのトルクが飽和するのを避けられる。
３番目の発明においては、さらに適切な揺動指令を求めることができる。
４番目の発明においては、短い切屑が要求される場合にはワークが傷付くのを避けられ、長い切屑が要求される場合にはトルクを抑えて工具へかかる負荷を低減することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。

本発明に基づく制御装置を含むシステムの図である。 本発明に基づく制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に基づく制御装置を含む他のシステムの図である。 円筒形ワークと工具とを示す図である。 円錐台形ワークと工具とを示す他の図である。 送り量と回転角度との関係を示す図である。 送り量と回転角度との関係を示す他の図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく制御装置を含むシステムの図である。図１に示されるように、システム１は、工作機械１０と、工作機械１０を制御する制御装置２０とを含んでいる。工作機械１０は工具１１を有しており、工具１１は、回転対称なワークＷ、例えば円筒形、円錐形、または円錐台形などのワークの外周面または内周面を切削加工する。図１に示される例においては、工具１１は円筒形ワークＷの外周面を切削加工するものとする。また、図１などにおいては、ワークの中心回転軸線をＺ軸、Ｚ軸に対して垂直な軸線をＸ軸としている。

図１には円筒形のワークＷが示されている。工作機械１０の主モータＭ０はワークＷをその中心回転軸線回りに回転させる。さらに、工作機械１０の補助モータＭ１は工具１１をワークＷの母線に沿って送出す。なお、後述するように、二つ以上の補助モータＭ１、Ｍ２が工具１１をワークＷの母線に沿って送出す構成であってもよい。

主モータＭ０および補助モータＭ１、Ｍ２はサーボモータであるのが好ましい。そして、補助モータＭ１、Ｍ２は主モータＭ０と協調動作しつつ工具１１を送出してワークＷを切削加工するものとする。なお、主モータＭ０および補助モータＭ１、Ｍ２必要トルクは、切削負荷を除けばイナーシャと指令の角加速度より推定できるが、トルクを検出するための検出器Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２がそれぞれ備えられていても良い。

制御装置２０はデジタルコンピュータであり、ワークＷの加工条件を含む加工条件記憶部２９を有している。ワークＷの加工条件は、ワークＷの回転速度および工具１１の送り速度を含んでいる。さらに、制御装置２０は、回転軸線回りにおけるワークＷおよび工具１１の相対的な回転速度ならびに工具１１およびワークＷを相対的に送出す送り速度に基づいて、少なくとも一つの補助モータＭ１の加工指令を作成する加工指令作成部２２を含んでいる。

さらに、制御装置２０は、前述した回転速度および送り速度に基づいて、回転軸線回りにおける回転速度に対して非同期になるように且つ工具１１がワークＷを断続切削するように、少なくとも一つの補助モータＭ１の揺動指令を作成する揺動指令作成部２３を有している。揺動指令は揺動周波数と揺動振幅とを含んでいる。

なお、断続切削とは、工具１１が周期的にワークＷに接触およびワークＷから離間しながらワークＷを切削加工することを意味し、揺動切削または振動切削ともいう。また、図１においてはワークＷが回転すると共に工具１１がワークＷに対して揺動するようになっているが、工具１１が回転すると共にワークＷが工具１１に対して揺動する構成であってもよい。

さらに、制御装置２０は、加工指令に揺動指令を加算する加算部２４と、揺動指令が加算された後で、加工指令に基づいて少なくとも一つの補助モータＭ１を制御する制御部２６とを含んでいる。後述するように、制御部２６は、ワークＷおよび工具１１の回転速度と揺動指令の揺動周波数に基づいて学習制御を行うものとする。

図２は本発明に基づく制御装置の動作を示すフローチャートである。はじめに、図２のステップＳ１１において、加工指令作成部２２は、加工条件記憶部２９に記憶されたワークＷの回転速度および工具１１の送り速度に基づいて、補助モータＭ１の加工指令を作成する。

さらに、ステップＳ１２においては、揺動指令作成部２３は、前述した回転速度および送り速度に基づいて揺動指令を作成する。図１に示される例においては、工具１１は回転軸線のみに沿って揺動するので、補助モータＭ１のためだけの揺動指令が作成される。

ここで、図３は本発明に基づく制御装置を含む他のシステムの図である。図３に示される例においては、円錐台形のワークＷが配置されている。この場合には、工具１１はワークＷの母線に沿って斜方向に揺動してワークＷの外周面を切削加工するようになっている。工具１１はＸ方向およびＺ方向の合成方向に移動するので、工具１１を移動させるために二つの補助モータＭ１、Ｍ２が必要とされる。この場合には、ステップＳ１２においては、二つの補助モータＭ１、Ｍ２のための揺動指令がそれぞれ作成されるものとする。なお、さらに多数の補助モータにより工具１１を送出す構成であってもよい。

また、図４Ａは円筒形ワークと工具とを示す、図１とは異なる図である。図４Ａにおいては、工具１１が円筒形ワークＷの内周面を加工するようになっている。この場合には、単一の補助モータＭ１で十分であり、ステップＳ１２においては補助モータＭ１のためだけの揺動指令が作成される。

これに対し、図４Ｂは円錐台形ワークと工具とを示す図である。図４Ｂにおいては工具１１が円錐台形ワークＷの内周面を加工するようになっている。このような場合には、前述したように二つの補助モータＭ１、Ｍ２が必要とされ、ステップＳ１２においては、二つの補助モータＭ１、Ｍ２のための揺動指令がそれぞれ作成される。

以下においては、図１に示されるように工具１１が円筒形ワークＷの外周面を切削加工する場合について説明する。ただし、以下の説明は、図３、図４Ａおよび図４Ｂに示される場合にも概ね同様であることが理解されるだろう。

図５は送り量と回転角度との関係を示す図である。図５における横軸はワークＷの中心回転軸線、つまりＺ軸に相当し、縦軸はワークＷの回転角度を示している。図５には斜方向に延びる複数の直線状破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…が示されている。図５から分かるように、破線Ｃ１と横軸との間の交点の横軸座標は、次の破線Ｃ２の開始点における横軸座標に相当する。同様に、破線Ｃ２と横軸との間の交点の横軸座標は、次の破線Ｃ３の開始点における横軸座標に相当する。従って、これら複数の直線状破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…は揺動指令が無い場合においてワークＷ上における工具１１の軌跡を示すのが分かるであろう。

また、図５に示される曲線Ａ１、Ａ２は、揺動指令がある場合においてワークＷ上における工具１１の軌跡を示している。なお、図５に示される工具の曲線Ａ１、Ａ２は指令値であるものとする。

また、図５における曲線Ａ１はワークＷの第一回転目における工具１１の軌跡であり、曲線Ａ２はワークＷの第二回転目における工具１１の軌跡である。簡潔にする目的で、ワークＷの第三回転目以降の工具１１の軌跡は図示を省略している。これら曲線Ａ１、Ａ２は破線Ｃ１、Ｃ２を基準軸線とする正弦波に横軸方向の送り量を加算したものである。従って、本発明においては揺動指令は回転速度に対して非同期になる。

図２のステップＳ１２において、揺動指令作成部２３は以下のようにして揺動指令を作成する。はじめに、揺動指令作成部２３は送り速度に基づいて破線Ｃ１を決定する。次いで、破線Ｃ１を基準軸線とする正弦波の揺動周波数を決定する。この場合には所定値を揺動周波数としてよい。なお、破線Ｃ２、Ｃ３を基準とする正弦波は破線Ｃ１を基準とする正弦波と同じ揺動周波数を有するものとする。

図５から分かるように、破線Ｃ１を基準軸線とする正弦波は初期位相を有さない。これに対し、破線Ｃ２以降を基準軸線とする正弦波は初期位相を有する。図５に示されるように、或る破線、例えば破線Ｃ２を基準軸線とする正弦波の初期位相は、一つ前の破線、例えば破線Ｃ１を基準軸線とする正弦波に対して半周期（１８０度）ズレるのが好ましい。その理由は、半周期ズレた場合には、揺動指令の揺動振幅を最小限にでき、その結果、最も効率的に切屑を細断できるためである。なお、破線Ｃ２を基準軸線とする正弦波の初期位相が１８０度以外の他の値であってもよい。

次いで、揺動指令作成部２３は前述した正弦波の振幅（揺動振幅）を決定する。図５に示される曲線Ａ１と曲線Ａ２とは、回転角度が９０度の箇所Ｂ１と回転角度が２７０度の箇所Ｂ２とにおいて互いに重なっている。図５から分かるように箇所Ｂ１、Ｂ２においては曲線Ａ１の破線Ｃ１からの最大値は、曲線Ａ２の破線Ｃ２からの最小値よりも大きい。言い換えれば、揺動指令作成部２３は、前の曲線Ａ１と後の曲線Ａ２とが部分的に互いに重なるように揺動振幅を決定する。なお、破線Ｃ２、Ｃ３を基準とする正弦波は破線Ｃ１を基準とする正弦波と同じ揺動振幅を有するものとする。

この重なり箇所Ｂ１、Ｂ２においては工具１１がワークＷから離間するのでワークＷは加工されない。本発明においては、このような重なり箇所が周期的に発生するので所謂、断続切削を行うことができる。図５に示される例においては、曲線Ａ２に従った動作により切屑が箇所Ｂ１、Ｂ２においてそれぞれ発生することとなる。つまり、第二回転目の曲線Ａ２においては二つの切屑が発生する。そして、本発明では、このような断続切削が周期的に行われるので振動切削が可能となる。

なお、破線Ｃ３周りに形成される曲線Ａ３（図５には示さない）は曲線Ａ１と同じ形状である。従って、曲線Ａ２と曲線Ａ３とは、回転角度が１８０度の箇所において重なり、この箇所において切屑が発生することとなる。従って、第三回転目の曲線Ａ３においては一つの切屑が発生する。以降、偶数回転目では二つの切屑が発生し、奇数回転目では一つの切屑が発生する。ただし、一回転目では切屑は発生しない。

このようにして揺動揺動周波数と揺動振幅とを定めることにより、揺動指令作成部２３は揺動指令を作成する（ステップＳ１２）。次いで、ステップＳ１３において、この揺動指令は図１に示される加算部２４を通じて加工指令に加算される。なお、図５に示される曲線Ａ１、Ａ２は揺動指令が加算された後の加工指令を示している。

次いで、図２のステップＳ１４において制御部２６は加工指令に基づいて主モータＭ０および補助モータＭ１をそれぞれ制御する。このため、本発明では、従来技術のように振動切削情報のテーブルを予め作成する必要はなく、ワークＷの加工条件から、ワークＷを実際に切削加工する前にワークＷの細断条件を決定できる。

ところで、図６は送り量と回転角度との関係を示す、図５と同様な他の図である。図６には、指令値の曲線Ａ１、Ａ２に加えて、実位置の曲線Ａ１’、Ａ２’が示されている。図６に示されるように曲線Ａ１、Ａ２に対応した指令値に基づいて主モータＭ０および補助モータＭ１を駆動したとしても、実位置の曲線Ａ１’、Ａ２’は曲線Ａ１、Ａ２に完全には追従しない場合がある。図６に示される例では、指令値の曲線Ａ１、Ａ２と実位置の曲線Ａ１’、Ａ２’とが互いに離間しているので、断続切削が起きず、その結果、切屑が良好に形成されない。

このため、本発明では、図２のステップＳ１５に示されるように、学習制御を用いて揺動指令への追従性を向上させる。学習制御は「繰返しパターンの決まった周期指令」への追従性を向上する制御方式であり、１周期目より２周期目、２周期目より３周期目……と周期が進むにつれて位置偏差を減少させることができる。具体的には、ワークＷおよび工具１１の１周期分の位置偏差を学習し補正量とすることで、揺動指令による周期的な位置偏差の増加を抑制する。なお、揺動指令を学習の対象とするため、学習帯域は揺動指令の揺動周波数に依存することとなる。

その結果、実位置の曲線Ａ１’、Ａ２’は、指令値の曲線Ａ１、Ａ２に次第に近づくようになり、最終的には指令値の曲線Ａ１、Ａ２に一致する。指令値の曲線Ａ１、Ａ２は箇所Ｂ１、Ｂ２を有するので、断続切削が確実に起こり、細断化された切屑を確実に形成できるようになる。

また、学習制御を行うための学習帯域には上限があり、上限を超えた場合、学習は収束せず位置偏差が残ってしまう。結果、切屑が良好に形成されないことになる。従って、本発明においては、学習制御を実施することが可能な範囲内で、最適な揺動周波数および揺動振幅を求める必要がある。
具体的には、トルクの低減手法と同様、後述するように切屑の長さを調整する（長くする）ことで、揺動指令の揺動周波数を低く抑えることができ、学習帯域に収めることができる。もちろん、加工条件の変更が可能であるなら、送り速度を低減しても良い。

また、本発明においては、最適な揺動周波数および揺動振幅を求めているので、必要トルクを最小化できる。
一方、必要最小化できたとしても、トルク飽和は起こりえる現象であり避ける必要がある。さらに、学習制御を適用するとトルクは増大し、より飽和しやすい傾向にある。従って、本発明においては、トルク飽和を起こさない範囲内で、最適な揺動周波数および揺動振幅を求める必要がある。
具体的には、後述するように切屑の長さを調整する（長くする）ことで、揺動指令の揺動周波数を低く抑えることができ必要トルクを低減できる。もちろん、加工条件の変更が可能であるなら、送り速度を低減しても良い。

ところで、揺動振幅は可能な限り小さいのが好ましく、揺動周波数が低い場合には、より長い切屑が形成される。その際、主モータＭ０および補助モータＭ１、Ｍ２に要求されるトルクも小さくて済む。これに対し、揺動周波数が高い場合には、切屑の長さは短くなり、主モータＭ０および補助モータＭ１、Ｍ２に要求されるトルクも大きくなる。

操作者が所望長さの切屑を望んでいる場合には、操作者は切屑の所望の長さを揺動指令作成部２３に入力する。これにより、揺動指令作成部２３は切屑の所望長さに基づいて揺動周波数と揺動振幅とを作成する。例えば短い切屑が要求される場合にはワークＷが傷付くのを避けられ、長い切屑が要求される場合にはトルクおよび学習帯域を抑えて工具１１へかかる負荷を低減できるとともに学習を収束しやすくする。

典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１ システム
１０ 工作機械
１１ 工具
２０ 制御装置
２２ 加工指令作成部
２３ 揺動指令作成部
２４ 加算部
２６ 制御部
２９ 加工条件記憶部
Ｍ０ 主モータ
Ｍ１、Ｍ２ 補助モータ
Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２ トルク検出器
Ｗ ワーク

Claims (1)

1. 回転対称ワーク（Ｗ）の外周面または内周面を工具（１１）により切削加工する工作機械（１０）の制御装置（２０）であって、
   前記ワークを前記ワークの回転軸線回りに回転させる主モータ（Ｍ０）と、
   前記ワークの前記外周面または内周面の母線に沿って前記工具を送出す少なくとも一つの補助モータ（Ｍ１、Ｍ２）と、
   前記ワークの回転速度ならびに前記工具を送出す送り速度に基づいて、前記少なくとも一つの補助モータの加工指令を作成する加工指令作成部（２２）と、
   前記ワークの回転速度ならびに前記工具を送出す送り速度に基づいて、正弦波の揺動周波数と揺動振幅とを定めることにより、前記工具が前記ワークを断続切削するように、前記少なくとも一つの補助モータの揺動指令を作成する揺動指令作成部（２３）と、
   前記加工指令に前記揺動指令を加算して制御指令を作成する加算部（２４）と、
   制御指令に基づいて前記少なくとも一つの補助モータを制御する制御部（２６）とを具備し、
   前記揺動指令作成部は、前記ワークが一回転する毎に、前記揺動指令の初期位相が半周期ずつズレるように前記揺動指令を作成し、
   前記制御部は、前記ワークの一周期分の揺動指令の位置偏差を学習し補正量とすることで、前記揺動指令による周期的な位置偏差の増加を抑制するようにしており、
   前記揺動指令作成部は、前記少なくとも一つの補助モータのトルクが所定値を越えないように、または、学習制御の制御帯域の範囲内で学習が収束するように、前記工具が前記ワークを加工することにより生じる、操作者が入力した切屑の長さに基づいて、前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する制御装置。

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