JPH0938804A - 工作機械 - Google Patents
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Abstract
をワークに対して高速で送り、且つ切削工具がワークの
端面を突っ切って削り始めたり削り終わったりする場合
に、削り不良を発生させない工作機械を提供すること。 【解決手段】加工開始タイミングTS や加工終了タイミ
ングをそれぞれ含む所定長さの時間領域での送り速度
を、残りの時間領域での送り速度よりも遅くした。 【効果】削り始めや削り終わりにおいて、磁気軸受スピ
ンドルの回転軸を径方向に変位させる外力の変化率が小
さくなるので、回転軸の目標位置からの径方向への位置
ずれ量を許容範囲内に収めることができる。削り不足や
削り過ぎ等の削り不良の発生を防止できる。
Description
れるスピンドルとワークを相対運動させ、切削工具をワ
ークに対して所定の送り方向に送ることによって、ワー
クに加工を施すための工作機械に関する。
記工作機械のスピンドルとして、切削工具を高速回転さ
せ得る磁気軸受スピンドルを備えたものが広く採用され
ている。係る磁気軸受スピンドルは、本体と、この
本体を貫通し切削工具に回転力を伝達する回転軸と、
この回転軸を磁気力により非接触で径方向に支持する電
磁石と、回転軸の径方向位置を検出する位置検出セン
サと、この位置検出センサからの出力信号に基づいて
得られた回転軸の径方向位置と回転軸の本体に対する径
方向の目標位置との偏差(回転軸の目標位置からの径方
向への位置ずれ量)を求め、この偏差を打ち消して回転
軸を目標位置に維持するべく、電磁石の磁気力を制御す
る磁気力制御手段とを含んでいる。
る加工時間の短縮化を達成するため、上記磁気軸受スピ
ンドルを備えた工作機械において、磁気軸受スピンドル
とワークを相対運動させ、加工時に切削工具をワークに
対して所定の送り方向に高速度(例えば、10〜15m
/min)で送り込む能力を有するサーボモータを採用
したものが普及しつつある。
機能を具備した工作機械を用いた加工例を示している。
同図では、ワーク2を移動させることによって、エンド
ミルからなる切削工具1を、ワーク2に対して送り方向
Mに沿って一定の高速度で送り、上記送り方向Mと交差
するワーク2の一端面2a側から他端面2b側へ切削工
具1を突っ切らせて、ワーク2の被切削面2cの加工を
行なう。Lは、切削工具1がトレースすべき加工ライン
であり、Fは切削工具1が受ける外力である。
示すように上記一端面2aへ突っ込む際には、零から急
激に増大する外力Fの変化を受け、また、図10
(d),(e)及び(f)に示すように他端面1bを突
き抜ける際に、急激に減少して零となる外力Fの変化を
受ける。この外力Fの変化率は、送り速度が大きいほど
大きい。
加工をしようとした場合、加工初期では、切削工具1
が、磁気軸受スピンドルの本体に対して、被切削面2c
への切り込み量を減じる方向(図において下方)へ急激
に位置ずれし(図10(a)及び(b)参照)、加工終
期では、切削工具1が、上記切り込み量を増大する方向
(図において上方)へ急激に位置ずれする(図10
(d),(e)及び(f)参照)ことになる。なお、図
10(c)に示す加工中期では、外力Fが略一定とな
り、切削工具1は略加工ライン上を移動する。
ずれを零にするべく働く磁気力を発生させるが、この磁
気力の発生を、上記のような急激な位置ずれの変化に対
して、遅れなく追従させることができなかった。このた
め、加工初期及び加工終期において、上記の加工ライン
Lからの位置ずれ量eが図11に示すように許容範囲Q
を超えてしまい、このため、図10(f)に示すよう
に、加工初期では許容レベルを超えた削り不足2dを生
じ、加工終期では許容レベルを超えた削り過ぎ2eを生
じていた。
あり、ワークの端面を突っ切って削り始めたり削り終わ
ったりする際に削り不良を発生させることなく、且つ高
速でワークを加工することができる工作機械を提供する
ことを目的とする。
の、本発明に係る課題解決手段は、筒状の本体、この本
体を貫通して切削工具に回転力を伝達する回転軸、この
回転軸を磁気力により非接触で径方向に支持する電磁
石、前記回転軸の径方向位置を検出する位置検出セン
サ、及びこの位置検出センサからの出力信号を処理して
前記回転軸の前記本体に対する目標位置からの径方向へ
の位置ずれ量を求め、この位置ずれ量を打ち消して前記
回転軸を前記目標位置に維持するべく、前記電磁石の磁
気力を制御する磁気力制御手段を含む磁気軸受スピンド
ルと、この磁気軸受スピンドルとワークを相対運動させ
るためのサーボモータを含み、切削工具をワークに対し
て所定の送り方向に送る送り手段とを備えた工作機械に
おいて、予め設定された速度データに基づいて前記サー
ボモータの回転数を制御する送り制御手段を含み、前記
速度データは、前記送り方向と交差するワークの端面を
切削工具が突っ切って通過する時点を含む所定長さの時
間領域での送り速度が、前記時間領域での前記位置ずれ
量が予め定める許容範囲内に収まるように、加工時の残
りの時間領域での送り速度よりも低く設定されているも
のである。
端面を突っ切って削り始めたり削り終わったりする時間
領域での送り速度を、残りの時間領域での送り速度より
も遅くしたので、上記削り終わり等の時間領域において
切削工具に働く外力の変化率を小さくすることができる
結果、切削工具の位置ずれ量の変化率を小さくすること
ができる。このように位置ずれ量の変化率が小さい場合
には、位置ずれ量の変化に見合う磁気力を大幅な遅れな
く発生することができるので、位置ずれ量を許容範囲内
に抑えることができる。その結果、削り不足や削り過ぎ
の発生を防止できる。また、上記残りの時間領域での送
り速度は十分に速くしておけば良いので、全体としての
加工速度としては高速を維持できる。
図面に基づき詳細に説明する。図1は本発明の一実施形
態に係る工作機械の全体構成を示す概略図である。同図
を参照して、本実施形態の工作機械は、例えばエンドミ
ル等の切削工具10とワーク20との相対位置関係を変
化させることによって、ワーク20に加工を施すための
ものであって、切削工具10を含む切削装置30と、
ワーク20を切削工具10に向かって送り出す送り手
段としての送り装置40と、数値化された加工指令デ
ータに基づいて送り装置40の送り動作を制御する送り
制御手段としてのNC装置50とを備えている。
向に沿って立設された基台31と、この基台31の上
部に固定されたテーブル32と、このテーブル32
に、切削工具10をワーク20に対して上方から臨ませ
るようにして取り付けられた磁気軸受スピンドル33と
を備えており、磁気軸受スピンドル33によって切削工
具10を高速回転させるようになっている。
された基台41と、この基台41に軸受42を介して
支持された送りねじ43と、この送りねじ43に螺合
されたナット44と、このナット44に連結部材45
を介して結合されており、ワーク20が載置されるテー
ブル46と、送りねじ43と継手を介して出力軸47
aが連結されたサーボモータ47と、このサーボモー
タ47の回転速度ωを検出する回転速度検出器48と、
サーボモータ47の回転角度θを検出する回転角度検
出器49とを備えており、サーボモータ47により送り
ねじ43を正逆回転させることによってテーブル46を
Z軸方向に沿って前進・後退させるようになっている。
6を高速度(例えば、10〜15m/min)で送り込
む能力を有している。回転速度検出器48及び回転角度
検出器49は、それぞれ、サーボモータ47に直接取り
付けられており、各検出器48,49の出力信号ω、θ
はNC装置50に与えられる。
断側面図である。同図を参照して、磁気軸受スピンドル
33は、その外形を構成する筒状の本体331内に、
先端部332aが本体331から下方へ突出しており、
先端部332aに装着された切削工具10に回転力を伝
達する回転軸332と、この回転軸332の軸方向略
中央部に配置されており、回転軸332を高速回転させ
る高周波モータ333と、この高周波モータ333に
隣接して配置されており、回転軸332に固定された回
転ディスク334を介して回転軸332を磁気力により
軸方向に非接触で支持するアキシャル電磁石335と、
高周波モータ333及び回転ディスク334を挟んだ
両側に一対が配置されており、それぞれ、回転軸332
を磁気力により径方向に非接触で支持するラジアル電磁
石336と、回転軸332の先端部332aに連続し
て形成された段部332b近傍に配置されており、回転
軸332の軸方向位置を検出するアキシャル方向位置検
出センサ337と、ラジアル電磁石336の近傍に配
置されており、回転軸332の径方向位置を検出するラ
ジアル方向位置検出センサ338とを備えている。
って、両電磁石335,336への通電が遮断されるに
伴って両電磁石335,336の各磁気力が失われたと
きに、回転軸332をタッチダウンさせるためののであ
る。高周波モータ333、両電磁石335,336、両
位置検出センサ337,338及びタッチダウン軸受3
39は、それぞれ、本体331に固定されている。
ラジアル方向位置検出センサ338の各出力信号は、図
3に示すコントローラ100に与えられる。図3は磁気
軸受スピンドルの電気的構成を示すブロック図である。
同図を参照して、磁気軸受スピンドル33は、高周波モ
ータ333の駆動、並びにアキシャル電磁石335及び
ラジアル電磁石336の各磁気力を制御するコントロー
ラ100をさらに備えている。
33を駆動させる高周波モータドライバ110と、ア
キシャル方向位置検出センサ337の出力信号Sa を入
力として回転軸332を本体331に対する軸方向目標
位置ha0に維持するべく、アキシャル電磁石335の磁
気力を制御すると共に、ラジアル方向位置検出センサ3
38の出力信号Sr を入力として回転軸332を本体3
31の径方向目標位置hr0に維持するべく、ラジアル電
磁石336の磁気力を制御する磁気力制御手段としての
磁気力制御部120とを備えている。
1、処理回路122及び電磁石ドライバ123を備えて
いる。位置検出回路21は、アキシャル方向位置検出セ
ンサ337からの出力信号Sa に基づいて回転軸332
の軸方向位置ha を求め、これを処理回路122に与え
る。処理回路122は、回転軸332の軸方向目標位置
ha0を記憶しており、この軸方向目標位置ha0と軸方向
位置ha とを付き合わせて軸方向偏差(回転軸332の
軸方向目標位置ha0からの軸方向への位置ずれ量)δh
a を求め、この軸方向偏差δha を増幅して電磁石ドラ
イバ123に与える。電磁石ドライバ123は、軸方向
偏差δha を打ち消す分の励磁電流iaをアキシャル電
磁石335に与える。このように、アキシャル電磁石3
35が励磁される結果、回転軸332は軸方向目標位置
ha0に維持される。また、位置検出回路121は、ラジ
アル方向位置検出センサ338からの出力信号Sr に基
づいて回転軸332の径方向位置hr を求め、これを処
理回路122に与える。処理回路122は、回転軸33
2の本体331に対する径方向目標位置hr0を記憶して
おり、この径方向目標位置hr0と径方向位置hr とを付
き合わせて径方向偏差(回転軸332の径方向目標位置
hr0からの径方向への位置ずれ量)δhr を求め、この
径方向偏差δhr を増幅して電磁石ドライバ123に与
える。電磁石ドライバ123は、径方向偏差δhr を打
ち消す分の励磁電流ir をラジアル電磁石336に与え
る。このように、ラジアル電磁石336が励磁される結
果、回転軸332は径方向目標位置hr0に維持される。
ク図である。同図を参照して、NC装置50は、演算
処理の中枢を司るCPU51と、このCPU51の制
御動作プログラムを格納しているROM52と、CP
U51が制御動作を行う際にデータが一時的に書き込ま
れたり、その書き込まれたデータが読み出されるRAM
53と、サーボモータ47の駆動を制御するサーボモ
ータドライバ54と、回転速度検出器48からの出力
信号ωに基づいてテーブルの送り速度Vを求める送り速
度検出回路55と、回転角度検出器49からの出力信
号θに基づいてテーブルの送り位置Pを求める送り位置
検出回路56とを備えている。
求められた送り速度V、及び送り位置検出回路56で求
められた送り位置Pがそれぞれ与えられており、この送
り速度V及び送り位置Pに基づき、CPU51はサーボ
モータドライバ54を介してサーボモータ47の回転数
を制御する。次いで、上記工作機械の送り動作について
説明する。加工の態様は、ワーク20を移動させること
によって、図5に示すように、エンドミルからなる切削
工具1を、ワーク20に対して送り方向Mに沿って送
り、この送り方向Mと直交するワーク20の一端面20
a側から他端面20b側へ切削工具10を突っ切らせ
て、ワーク20の被切削面20cの加工(いわゆる片面
加工)を行なうものである。 図5の下部に示したスケ
ールは、切削工具10の送り位置を示すものであり、P
0 は切削工具10のホームポジションを示し、Ps は加
工開始位置を示し、PE は加工終了位置を示している。
標とする、送り位置Pと送り速度Vとの関係を数値化し
た加工指令データを、グラフ化したものであり、上記デ
ータに基づいて、NC装置50による送り装置40の送
り制御動作が行なわれる。送り速度Vは、切削工具10
が停止しているホームポジションP0 から、加工開始位
置Ps よりも所定距離だけ反送り方向にある送り位置P
1 までの区間は、送り速度V2 に設定されている。
位置P1 から送り位置P2 までの区間や、加工終了位置
PE を含む、上記送り位置P3 から送り位置P4 までの
区間では、所定の低速の送り速度V1 に設定されてい
る。この送り速度V1 は、予め実施した試験加工に基づ
き、加工初期及び加工終期において、上記径方向偏差
(回転軸332の径方向目標位置hr0からの径方向への
位置ずれ量)δhr が予め定める許容範囲Qに収まるよ
うに設定されている。この送り速度V1 の設定に関して
は、上記の条件(径方向偏差の位置ずれ量が許容範囲Q
内となること)を満たすものの中から、できるだけ速い
ものが選ばれており、これにより、全体としての加工時
間を短くするようにしている。
から送り位置P3 までの区間では、送り速度は、最も速
いVMAX に設定されている。NC装置50に送りの開始
が促されると、まずCPU51は、ROM52に格納さ
れている、送り位置に関する送り速度データの目標値を
読み出し、これらのデータをRAM53に書き込む。一
方、送り位置検出回路56が回転角度検出器49からの
出力信号θに基づいて得た送り位置Pが、CPU51に
与えられ、送り速度検出回路55が回転速度検出器48
からの出力信号ωに基づいて得た送り速度Vが、CPU
51に与えられる。CPU51では、検出された送り位
置において検出された送り速度と、目標の送り速度とを
比較し、目標の送り速度が達成されるように、サーボド
ライバ54を介してサーボモータ47の回転数を制御す
る。これにより、ワーク20を取り付けたテーブル46
が、切削工具10に向かってZ軸方向に前進させられ
る。
て送り装置40の送り制御を行うが、実際の送り速度は
図7に示すような時間的変化をすることになる。すなわ
ち、図6において目標の送り速度が段階的に変化される
送り位置P0 ,P1 ,P2 ,P3 及びP4 において、実
際の送り速度は、ある遅れを持った過渡的な変化(図7
においてa,b,c,d及びeにそれぞれ示す部分の変
化である)をすることになる。図7において、Ts は加
工開始タイミングを示し、図5及び図6での送り位置P
S 通過するタイミングである。TE は加工終了タイミン
グを示し、図5及び図6での送り位置PE を通過するタ
イミングである。
Ts から、送り速度がVMAX の定常状態に入るタイミン
グTK までを加工初期と言い、送り速度が定常状態にあ
る期間(タイミングTK からタイミングTl までの期
間)を加工中期と言い、定常状態を終えるタイミングT
L から加工終了タイミングTE までの期間を加工終期と
言うこととする。
ピンドル33の回転軸332を径方向に変位させる外力
Fは、図8に示すような変化をすることになる。すなわ
ち、外力Fは、加工初期では、零からF1 へと比較的緩
やかに増加し、加工終期では、F1 から零へ緩やかに減
少し、加工中期では、F1 で一定となる。なお、図7及
び図8において、時間軸と平行して送り位置Pのスケー
ルを示した。
20の一端面20aを突っ切って削り始める時間領域、
及びワーク20の他端面20bを突っ切って削り終わる
時間領域において、送り速度Vを遅くした。これによ
り、上記時間領域において切削工具10が受ける外力F
の変化率を小さくできる結果、切削工具10の位置ずれ
量の変化に見合う磁気力を大幅な遅れなく発生できる。
したがって、図9に示すように、加工初期及び加工終期
において、切削工具10の位置ずれ量を許容範囲Q内に
収めることができ、切削工具10を加工ラインLに略沿
わせて送る(図5参照)ことができると共に、加工初期
における削り不足や、加工終期における削り過ぎの発生
を防止できる。なお、図9において、位置ずれ量のプラ
ス側は、ワークへの切込み量を増大させる方向である。
送り速度VMAX は、図7に示すように十分に速くしてお
けば良いので、全体としての加工速度は高速を維持でき
る。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、
例えば上記実施形態においては、ワーク20を切削工具
10に向けて送り出す構成について記載したが、本発明
を磁気軸受スピンドル33をワーク20に向けて送り出
す構成の工作機械にも適用できる。加えて、磁気軸受ス
ピンドル33及びワーク20の何れか一方を2軸以上の
制御により、磁気軸受スピンドル33とワーク20を相
対運動させてワーク20に加工を施す工作機械にも適用
できる。
ポジションが、ワーク20に近い送り位置にある場合に
は、非加工時の定常な送り速度V2 に達しないで、ワー
ク20の加工を始めることになるので、この場合、削り
始めに関しては、本発明を適用する必要がなく、削り終
わりのみに適用することになる。さらに、切削工具10
がワーク20の端面を突っ切らずにワーク20の途中位
置から加工を始める場合には、削り終わりのみに本発明
を適用することになる。この例としては、円板状のワー
クの中心から渦巻き状の溝を形成して、円板の周縁部を
突っ切って加工を終了する場合がある。
端面を突っ切らずにワーク20の途中位置で加工を終了
する場合には、削り始めのみに本発明を適用することに
なる。その他、本発明の請求の範囲内での設計変更及び
修正を加え得ることは勿論である。
よると、切削工具がワークの端面を突っ切って削り始め
たり削り終わったりする時間領域において、送り速度を
遅くすることにより、切削工具の位置ずれ量の変化に見
合う磁気力を大幅な遅れなく発生でき、結果として位置
ずれ量を許容範囲内に抑えることができる。これによ
り、上記時間領域での削り不足や削り過ぎの発生を防止
できる。また、残りの時間領域での送り速度は十分に速
くしておけば良いので、全体としての加工速度は高速を
維持できるといった優れた効果がある。
を示す概略図である。
ある。
ク図である。
る。
対位置関係を模式的に示した図である。
標の送り速度との関係を示す図である。
化を示す図である。
化を示す図である。
工の態様を順次に示す、ワークと切削工具の概略図であ
る。
軸の目標位置からの位置ずれ量の時間的変化を示す図で
ある。
Claims (1)
- 【請求項1】筒状の本体、この本体を貫通して切削工具
に回転力を伝達する回転軸、この回転軸を磁気力により
非接触で径方向に支持する電磁石、前記回転軸の径方向
位置を検出する位置検出センサ、及びこの位置検出セン
サからの出力信号を処理して前記回転軸の前記本体に対
する目標位置からの径方向への位置ずれ量を求め、この
位置ずれ量を打ち消して前記回転軸を前記目標位置に維
持するべく、前記電磁石の磁気力を制御する磁気力制御
手段を含む磁気軸受スピンドルと、 この磁気軸受スピンドルとワークを相対運動させるため
のサーボモータを含み、切削工具をワークに対して所定
の送り方向に送る送り手段とを備えた工作機械におい
て、 予め設定された速度データに基づいて前記サーボモータ
の回転数を制御する送り制御手段を含み、 前記速度データは、前記送り方向と交差するワークの端
面を切削工具が突っ切って通過する時点を含む所定長さ
の時間領域での送り速度が、前記時間領域での前記位置
ずれ量が予め定める許容範囲内に収まるように、加工時
の残りの時間領域での送り速度よりも低く設定されてい
ることを特徴とする工作機械。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19673095A JP3423119B2 (ja) | 1995-08-01 | 1995-08-01 | 工作機械 |
US08/827,608 US5879113A (en) | 1995-08-01 | 1997-04-09 | Machine tool |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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