JPH0725015B2 - 切削加工機械における送り速度制御装置 - Google Patents

切削加工機械における送り速度制御装置

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JPH0725015B2
JPH0725015B2 JP3111787A JP3111787A JPH0725015B2 JP H0725015 B2 JPH0725015 B2 JP H0725015B2 JP 3111787 A JP3111787 A JP 3111787A JP 3111787 A JP3111787 A JP 3111787A JP H0725015 B2 JPH0725015 B2 JP H0725015B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は切削加工機械における送り速度の制御装置、
特に荒切削、仕上げ切削の両方を含む場合の送り速度制
御の改善に関する。
[従来の技術] プレス金型などを対象とした切削加工機械においては、
切削から刃具交換、段取りなどへのNC化の拡大によっ
て、長時間連続無人運転が行なわれるようになってい
る。そして、このような連続無人運転による切削加工の
効率化のためには、一型当たりの加工に必要な時間を短
縮する必要がある。この効率化の手法として、次のよう
なことが行なわれている。
刃具が実際に被切削材料の切削を行っている時間(実
切削時)と、実際には切削を行っていない時間(空切削
時)の別を検出し、空切削時には送り速度を速くし、加
工時間を短縮する 切削加工機械において刃具を回転させる主軸モータの
電流値を検出し、この電流値の変化によって被切削材の
送り速度を制御し、加工時間を短縮する なお、実切削、空切削の判定をAEセンサを用いて行うこ
とは、例えば特開昭61−159354号公報、特開昭57−1734
62などに提案されている。
[発明が解決しようとする問題点] このような従来の技術では次のような問題点があった。
主軸電流センサを利用する方法では、主軸モータの回
転慣性が大きいことから微小な負荷の識別ができない。
このため、荒切削、仕上げ切削の混在するプレス金型な
どの切削加工においては、空切削、実切削の識別及び仕
上げ切削時の負荷変動の識別が大変困難である。
AEセンサは一般にその周波数特性がフラットでない帯
域で使用されており、またその特性が十分には明らかに
されていないため、負荷変動の識別には使用されず、空
切削と実切削の識別などのオン・オフ信号としてのみ利
用されていた。
この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たものであって、荒切削、実切削の混在する切削加工機
械の長時間連続無人運転における加工時間を大幅に短縮
できる切削加工機械における送り速度制御装置を提供す
ることを目的とする。
[問題点を解決するための手段] この発明の切削加工機械における送り速度制御装置は、
被切削材を刃具によって荒切削及び仕上げ切削する金型
切削加工機械において、被切削材と刃具とを相対的に移
動させる送り装置と、上記刃具を回転させる主軸モータ
の電流を検出する主軸電流センサと、上記切削加工機械
に取付けられたAEセンサと、このAEセンサによって得ら
れた検出値から所定の周波数帯域のAEセンサ出力値を取
出すバンドパスフィルタと、このAEセンサ出力値と主軸
電流センサからの主軸電流値の両方が入力され空切削と
実切削の識別にはAEセンサ出力値を用い実切削時におけ
る荒切削時の送り速度制御には主軸電流値を用い実切削
時における仕上げ切削時にはAEセンサ出力値を用いて上
記送り装置を制御する送り速度コントローラとを有する
ことを特徴とする。
[作用] このような切削加工機械における送り速度制御装置は、
次のように動作する。
被切削材と刃具は、送り装置によって相対的に移動され
る。そして、この移動を行いながら回転する刃具によっ
て被切削材の切削を行う。この時、刃具を回転させる主
軸モータの電流値は主軸電流センサによって検出され、
切削加工時に発生されるAEはAEセンサによって検出され
る。そして、AEセンサの検出値は、バンドパスフィルタ
によって所定の周波数帯域のAEセンサ出力値に変換され
る。主軸電流センサで得られた主軸電流値及び上記AEセ
ンサ出力値は、送り速度コントローラに入力される。送
り速度コントローラは、AEセンサ出力値を用いて荒切削
と実切削の識別を行う。また、荒切削時の実切削時には
主軸電流値を用い、仕上げ切削時の実切削時にはAEセン
サ出力値を用いて送り速度を制御する。
[実施例] 次に、この発明の一実施例について図面に基づいて説明
する。
第1図は、この発明に係る切削加工機械における送り速
度制御装置を有するシステムの全体構成を示したもので
ある。被切削材10は、テーブル12上に載置固定されてい
る。刃具14は、機枠(図示せず)などに固定された主軸
頭16を介し主軸モータ18の出力軸に接続されている。送
りモータ20はテーブル12を1軸(図中X軸,前後)方向
に、主軸頭16を2軸(図中Y,Z軸、左右上下)方向に移
動させるものである。そして、テーブル12にはAEセンサ
22、主軸モータ18には主軸電流センサ24が取付けられて
いる。AEプロセッサ26は、AEセンサ22で得られた交流波
形のAE検出信号aを信号処理し、直流波形のAEセンサ出
力値bに変換するものである。送り速度コントローラ28
には、AEプロセッサ26からのAEセンサ出力値b、主軸電
流センサ24からの主軸電流値c及びマシンコントローラ
30からの刃具情報などが入力され、送り速度係数kを出
力するものである。マシンコントローラ30は、NCコント
ローラ32からの刃具情報などが入力され、これを自動刃
具交換装置(ATC)へ出力する。また、マシンコントロ
ーラ30は、送り速度コントローラ28からの送り速度係数
kのNCコントローラ32への伝達も行う。NCコントローラ
32は軌跡情報、送り指令値、刃具情報などを含むNCプロ
グラムが入力され、これをマシンコントローラ30、送り
モータサーボユニット34へ供給するものである。また、
NCコントローラ32は、マシンコントローラ30から入力さ
れた送り速度係数kをNCプログラム中の送り指令値に乗
算して得た速度指示値vを送りモータサーボユニット34
に供給する。送りモータサーボユニット34は、この速度
指示値vに基づいて、送りモータ20の速度を制御する。
このような切削加工システムでは、NCプログラムがNCコ
ントローラ32に供給されると、これに基づいて所定の切
削加工が行なわれるが、送りモータ20によるテーブル12
の送り速度は、AEセンサ出力値b、主軸電流値cによっ
て変更される。
ここで、まずAEセンサ22によるAE検出信号aについて説
明する。AEセンサ22で検出するAEとは、アコースティッ
ク・エミッション(Acoustic Emission)の略で、「固
体の変型及び破壊にともなって開放されるエネルギーが
音響パルスとなり、伝播する現象」である。ここで、被
切削材が刃具によって切削される時のAE発生の原因とし
ては、被切削材亀裂、せん断面における被切削材の塑成
変型、被切削材と刃具との摩擦、切屑の破断、切屑と被
切削材や刃具との衝突、刃具と被切削材の衝突により発
生する弾性波、刃具と被切削材間のびびり等が考えられ
る。そして、このような原因で発生するAEがAEセンサ22
で検出される。このAEセンサ22で得られたAE検出信号a
は、その振動に応じて上下を繰返し、振幅が振動の大き
さを表わすものである。第2図A、BにこのAE検出信号
aの周波数解析の結果の一例を示す。ここで、第2図A
は実切削時、第2図Bは空切削時のものである。このよ
うに実切削時のAE検出信号aには50〜80kHzの周波数帯
域にピークがあり、空切削時には50kHz以下の周波数帯
域にピークがある。これより、切削によって発生するAE
は、周波数が50〜80kHzの帯域にあることが分る。ま
た、空切削時のピークはテーブルの送りなどによって生
じるものである。また、AEセンサ22で得られたAE検出信
号aは、刃具が被切削材に衝突する頻度に応じ振幅の極
大を断続的に繰返す交流波形の信号となる。例えば、2
枚刃の刃具を1000rpmで回転させる場合ならば、1分間2
000回の極大値を有する交流波形になる。
このようなAEセンサ22で得られたAE検出信号aは、AEプ
ロセッサ26に入力され、第3図に示されるような処理が
行なわれる。つまり、AE検出信号aは、増幅比が20〜40
dB程度の間で数段階切換え可能なプリアンプ(AMP)に
よって増幅される。そして、ロウパスフィルタ(LPF)
で80kHz以上の信号がカットされ、ハイパスフィルタ(H
PF)で50kHz以下の信号がカットされ、50k〜80kHzの信
号のみが取出される。そして、この特定周波数の信号は
中間アンプ(AMP)でもう一度増幅された後、両波検波
(検波)される。この検波された信号はピークホールド
回路(ピークホールド)に入力され、ここで極大値が順
次ホールドされる。以上の処理値は平滑回路(平滑)で
平滑化処理された後、直流波形のAEセンサ出力値bとし
て、送り速度コントローラ28に入力される。
また、主軸電流センサ24は、主軸モータ18の電流値を主
軸電流値cとして送り速度コントローラ28に供給する。
第4図に平板状の被切削材10を切削した場合のAEプロセ
ッサ26の出力値であるAEセンサ出力値b及び主軸電流セ
ンサ24の出力値である主軸電流値cの一例を示す。第4
図Aから明らかなようにAEセンサ出力値bは、刃具が被
切削材に接触し始めた時及び刃具が被切削材から離れる
時に大きくなる。つまり、この信号は切削開始時と終了
時に極大となる。このため、空切削と実切削の変化に対
する応答が非常に良く、この識別に非常に適しているこ
とが分る。また、第4図Bから主軸電流は、空切削、実
切削に変更に対しての応答は非常に悪く、この識別に適
していないことが分る。
また、第4図Aに示すように平板状の被切削材の場合
は、AEセンサ出力値bは実切削時においてその負荷の大
きさに対応している。そこで、切削負荷とAEセンサ出力
値bの関係を第5図に示す。これは平板状の被切削材を
直径10mmのボールエンドミルで切削したものである。こ
のように送り速度が200〜1000mm/minの例を示すと、切
込み量が大きい程AEセンサ出力値bも大きくなる。ま
た、切込み量が0.5〜2.0mmの例を示すと送り速度が大き
くなるにつれてAEセンサ出力値bも大きくなる。これよ
り、AEセンサ出力値bは切込み量及び送り速度に対し、
正の相関があることが分る。これは、切込み量、送り速
度の増加にともないAEの発生規模が増加するためと考え
られ、適当な信号処理を行えばAEセンサ出力値bを送り
速度制御に利用できること分る。このような特性は、周
波数解析によって被切削材の材質に応じたAEの周波数を
調査し、これによって取出す周波数帯域を決定すること
によって得られる。この例における50k〜80kHzという周
波数帯域は被切削材が鋳鉄製の場合の一般的値であり、
例えば鉄鋼材の場合数kHz〜20kHzの範囲が選ばれる。こ
のAEプロセッサ26におけるロウパスフィルタ及びハイパ
スフィルタで構成されたバンドパスフィルタの上下限周
波数についてもNCプログラムに含ませておき、被切削材
の材質に応じて自動的に設定されるようにしてもよい。
送り速度コントローラ28には、このようにして得られた
AEセンサ出力値b及び主軸電流値cが入力される他、マ
シンコントローラ30から刃具の類別情報が入力される。
そして、送り速度コントローラ28は、この刃具情報によ
って、AEセンサ出力値bあるいは主軸電流値cと比較す
る設定値を呼出す。ここで、設定値は刃具の種類によっ
てあらかじめセットされている上限値、下限値、空切削
判定値などからなり、送り速度コントローラ28に内蔵さ
れているメモリ、例えばバブルメモリなどの不揮発性メ
モリに記憶されており、随時呼出される。なお、刃具の
種類によって、現在の切削が荒切削であるか、仕上げ切
削であるかの判定を行えるが、この種別を独立の情報と
してもよい。更に、AEセンサ出力値b又は主軸電流値c
の大きさを常時監視しておき、適正な大きさの値が得ら
れた方の値を自動的に採用するようにしてもよい。
切削加工は、通常空切削から始まる。このため、送り速
度コントローラ28は最初の状態として、AEセンサ出力値
bを所定のノイズレベル以上の所定の空切削判定値と比
較する。最初は空切削であるので、AEセンサ出力値bは
空切削判定値より小さく、空切削であることが識別され
る。そして、空切削時に対応する送り速度係数kが呼出
される。空切削の場合の送り速度係数kは例えば2.0と
いう1.0以上の値が採用される(最高速度係数)。この
送り速度係数kはマシンコントローラ30を経て、NCコン
トローラ32に入力され、ここでNCプログラムに含まれて
いる送り指令値に乗算され、送り速度指示値vとされ
る。つまり、送り指令値の2倍の値が送り速度指示値v
として送りモータサーボユニット34に供給され、送りモ
ータ20がテーブル12を送り指令値の2倍の速度で送る。
次に、AEセンサ出力値bが所定の空切削判定値を上回
り、実切削が開始されたことを検知した時は、この送り
コントローラ28で行う比較の対象が変更される。つま
り、その時の切削が荒切削である場合には、主軸電流値
cによって、その時の切削負荷を検知し、送り速度が適
当な速度になるような信号を出力する。つまり、主軸電
流値cが所定の上限値より大きい場合は、切削負荷が高
いのであるから、主軸電流値cが上限値よりも小さくな
るまで送り速度係数kを徐々に小さな値にしていく。ま
た、主軸電流値cが下限値より小さい場合は、切削負荷
が小さいのであるから、主軸電流値cが下限値よりも大
きくなるまで送り速度係数kを徐々に大きな値にしてい
く。
このようにして、荒切削の実切削時には主軸電流値cを
利用して、送り速度が制御され、常に最適の負荷で切削
が行なわれる。なお、送り速度係数kは通常0.5〜2.0の
範囲で変更を行い、それ以上の変更は行なわないように
なっている。これは、大幅な変更が切削加工の他の要素
(刃具の摩耗・欠損、切削面精度・粗度)に、悪影響を
及ぼさないようにとの配慮からである。例えば送り速度
が余り速いと負荷が急激に高くなった時、制御遅れによ
って刃具の損傷が起きる場合がある。このような場合、
最高速度を刃具の強度、制御遅れ時間に対応して設定し
ておけば、刃具の損傷を防止できる。次に、AEセンサ出
力値bが所定の空切削判定値を下回った時は、空切削に
移行したことが識別され、送り速度コントローラ28から
は空切削時の送り速度係数kである2.0(最高速度係
数)が出力され、送り速度がこれに対応する高速とされ
る。
また仕上げ切削ときには、実切削時の切削負荷の検出に
もAEセンサ出力値bが利用される。つまり、仕上げ切削
時は、切込み量が微小であり、切削負荷が比較的小さ
い。このため、主軸電流は切削負荷に十分応答せず、こ
れを切削負荷の検出手段として利用することができな
い。そして、AEセンサ出力値bは仕上げ切削時のような
負荷の小さいときには、上記第4図及び第5図に示した
ように、切削負荷に対し良い応答を示すからである。こ
の制御の方法は、主軸電流の場合と同様である。つま
り、あらかじめ記憶されている仕上げ切削時における上
限値及び下限値とAEセンサ出力値bを比較し、上限値を
越えた場合には送り速度係数kを上げ、下限値を下回っ
た場合には送り速度係数kを下げる。
次に、第6図に基づいて特定形状の被切削材を用いて実
際に切削加工を行った場合の動作を説明する。第6図A
に、この加工に使用した被切削材10の形状が示されてい
る。このように、3段の階段状の形状をしており、段差
はそれぞれ0.4mmである。刃具は直径10mmのボールエン
ドミルで、第1段に対する切込み量0.4mm、送り速度指
令値200mm/minで図面の左方向から右方向に水平に相対
的に移動する。このため、切込み量は0.4、0.8、1.2、
0.8、0.4mmの順で変化する。空切削時にはAEセンサ出力
値bは空切削、実切削の識別をする空切削判定値より十
分低く、空切削であることが識別される。このため、送
り速度係数kはその最高値2.0に設定され、送り速度指
示値vは送り速度指令値の2倍の速度に設定される。次
に、AEセンサ出力値bから実切削に入ったことが識別さ
れると送り速度係数kは一旦1.0に設定され、NCプログ
ラムに折込まれた送り速度指令値で切削が行われるよう
にする。その後、AEセンサ出力値bが下限値を下回って
いる場合、送り速度係数kは上昇し、この例では1段目
の切削においては実切削時の最高値である1.5まで上昇
される。そして、この速度で2段目の切削に入る。する
と負荷が上がるため、AEセンサ出力値bは上限値を越
え、送り速度計数は0.9程度まで減少される。そして、A
Eセンサ出力値bは設定値の上限値と下限値の間にな
る。次に、刃具が3段目に入ると、AEセンサ出力値bが
再度上限値を越えるため、送り速度係数kは減少され
る。そして、最低値である0.5に設定される。刃具がさ
らに移動し負荷が徐々に上昇した場合にも、送り速度制
御が負荷に追従して同様に行なわれる。
また、送り速度コントローラによって実切削であること
が識別されている場合、この実切削時間をタイマ(図示
せず)でカウントするようになっている。そして、この
時間は刃具ごとに積算される。刃具ごとの耐用時間は分
かっているため、この実切削時間がこの耐用時間に達し
た場合には、マシンコントローラ30よりATC(Automatic
Tool Changer)に指令が発せられ、刃具の交換が自動
的に行なわれる。
この実施例の装置によれば、次のような効果が得られ
る。
空切削、実切削の識別を行い、空切削時には送り速度
が最高速度に設定されるので、空切削時送り時間の短縮
ができる。
実切削時においては、刃具情報によって荒切削と仕上
げ切削との識別が行なわれる。そして、荒切削時には主
軸電流値の大小によって送り速度が制御され、AEセンサ
出力値によって送り速度が制御される。このため、荒切
削、仕上げ切削の混在するプレス金型などの切削におい
ても常に的確な送り速度制御が行える。
AEセンサの検出値をバンドパスフィルタによって、特
定周波数帯域のものとするので、切削負荷に応じた信号
を安定して取出すことができる。
このバンドパスフィルタによって取出す周波数帯域
は、被切削材の種類によって変更するようにしたので、
常に最適な切削が行える。
[発明の効果] 以上のように、この発明の切削加工機械における送り速
度制御装置によれば、荒切削、仕上げ切削の混在するプ
レス金型に切削加工においても実切削に刃具の負荷に応
じた最適な送り速度にでき、空切削時には所定の高速度
にできるので、切削加工機械の長時間連続無人運転が効
率的に行えるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明に係る切削加工機械の送り速度制御
装置の一例のシステムの概要を示す全体構成図、 第2図はAEセンサ出力値の周波数特性を示す波形図、 第3図はAEプロセッサの内容を示す構成図、 第4図は被切削材切削時におけるAEセンサ出力値及び主
軸電流値の一例を示す波形図、 第5図は切り込み量及び送り速度に対するAEセンサの出
力値を示した特性図、 第6図は切削加工時の被切削材の形状、AEセンサ出力値
及び送り速度を示した説明図である。 10……被切削材、12……テーブル、14……刃具、18……
主軸モータ、20……送りモータ、22……AEセンサ、24…
…主軸電流センサ、26……AEプロセッサ、28……送り速
度コントローラ、30……マシンコントローラ、32……NC
コントローラ、34……送りモータサーボユニット。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被切削材を刃具によって荒切削及び仕上げ
    切削する切削加工機械において、 被切削材と刃具とを相対的に移動させる送り装置と、 上記刃具を回転させる主軸モータの電流値である主軸電
    流値を検出する主軸電流センサと、 上記切削加工機械に取付けられたAEセンサと、 このAEセンサによって得られた検出値から所定の周波数
    帯域の信号であるAEセンサ出力値を取出すバンドパスフ
    ィルタと、 このAEセンサ出力値と主軸電流値の両方が入力され、空
    切削と実切削の識別にはAEセンサ出力値を用い、実切削
    時における荒切削時の送り速度制御には主軸電流値を用
    い、実切削時における仕上げ切削時にはAEセンサ出力値
    を用いて上記送り装置を制御する送り速度コントローラ
    と、 を有することを特徴とする切削加工機械における送り速
    度制御装置。
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