JPS63502415A - 金属切削用ｃｎｃ工作機械の切削プロセス制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 金属切削用ＣＮＣ工作機械の切削 プロセス制御システム 肢査分立 本発明は光学電子機器工学及びデータ処理測定技術に関し、詳細にはＣＮＣ（コ ンピュータ数値制御）金属切削用工作機械の切削プロセス制御システムに関する ものである。

狂米技街 従来機械と冶具と工具と加工素材とから成る系列を制御するための装置（ＳＵ、 Ａ、７７２７３０）は当該技術分野において公知である。上記系列は長尺の供給 駆動装置と比較器と負のフィードバック制御通信チャンネルから成り、上記制御 装置は工具と加工素材間の相対位置を修正しかつ除去される切削層の厚みを補正 するように設計されている。

しかしながら、その金属加工操作は機械と始具と工具と加工素材から成る系列に おける個々の部材に生ずる弾性変形を直接的な制御因子として制御するのみであ って、工具の摩耗作用や工具取付台のサーボ駆動系における運動学的誤差を考慮 していない。その上加工素材表面の加工粗さを調整制御できないので、上記機械 加工作業は加工部品の品質にまでは対処できない。

最も近似した先行技術として一つの切削プロセス制御装置（ＳＯ，Ａ、１０７６ ８５９）があり、該装置は工具の運動領域内において金属切削用の工作機械上に 光学的変換器が設置されている。

この光学的変換器はレーザ光線と、該レーザ光線の光路内に配置された狭隘な視 野スリットをもつ薄膜と、加工素材の回転軸線を含む平面内に延びる規準半平面 と、１個のフーリエレンズと、電子的インタフェースユニットとから成り、上記 インタフェースユニットは一つの受像器とＣＮＣ装置の入口部に接続されたアナ ログ−デジタル変換器を含んで構成されている。

上記切削プロセス制御装置は切削工具の摩耗寸法量を計測し、上記工具の摩耗数 値により工具取付台を移動させて工具の横送りを効果的に行ない、上述した摩耗 量に見合せてこれを自動的に補正できるように設計されている。しかしながらこ の装置は制御さるべき工具取付台のサーボ移動系に如何なる機械運動学的誤差も 生じないように設計されたものであるから、加工部品表面の粗さを制御するよう になっていない。

この場合は上記工具取付台の位置を工具の摩耗量に応じて単に制御しているにす ぎない。

木見亙■皿丞 本発明は金属切削用ＣＮＣ工作機械における切削プロセス制御システムを提供す るものであるが、該システムは工具の運動領域において金属切削用の工作機械上 に装備された光学的変換器を具備し、該変換器はレーザ光源と、レーザ光線光路 の回転軸線を含む平面内に含まれた規準半平面と、フーリエレンズと、受像器並 びにＣＮＣ装置の入力部に結合されたアナログ−デジタル変換器とを含む一連の 回路により形成されているものにおいて、本発明によれば、上記光学的変換器は 金属切削用工作機械の工具取付台上に設けられ、かつ上記規準半平面を加工素材 に関して工具の模状切削刃先の反対側の側部に配置し、加工素材の輪郭外形表面 の境界を光学的透明スリットにより限定する。上記規準半平面の長さは２モード 伝播のレーザ光線ビームの通過半径に等しい。また上記電子的インクエフエース ユニットは受像器とアナログ−デジタル変換器間に連結された記憶素子とスイッ チ回路とから成る一連の回路系、並びに上記受像器の出力部に連結された微分回 路と、上記記憶素子とスイッチ回路の各々に連結と共に上記された各出力部をも つパルス成形器とから成る一連の回路系を含んで形成される。

本発明は、製品直径誤差を最高２ミクロン（ρ）とする連続的制御作用により製 造された部品の品質を向上せしめることが可能であり、その表面粗さに対する制 御は２ミクロンから４０ミクロンの微小起伏範囲内で機械加工される。該工作機 械にプログラム化された数値制御系の速度もまた制御指令形成速度の増大化によ り改善される。更に電子的インタフニーもまた可能になる。これらの利点は柔軟 性ある自動生産体制の下で金属切削用工作機械のプロセス制御切削システムの採 用を可能にしている。

゛・パ　ス　の　なｉ゛■ 本発明を以下添付図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係る金属切削用ＣＮＣ工作機械の切削プロセス制御システムに ついてのブロック線図を示し、第２図は本発明による規準半面により限定された 計測スリット並びに加工素材の輪郭外形表面の上部平面図を示し、第３図は本発 明に係るインタフェースユニットの電気回路図を示し、 第４図は本発明に係るもので、上記インタフェースユニットの種々の点における 電圧波形を示す。

■を　る　のち工 金属切削用のＣＮＣ工作機械例えばＣＮＣ装置を装備した旋盤に対する切削プロ セス制御システムは金属切削用工作機械の工具取付台１　（第１図）を具備する 。

該取付台ｌ上には光学的変換器２を担持し、該変換器２は単−個のインタフェー スユニット３を介して金属切削用工作機械のサーボ駆動系７に接続されたそれ自 体のインタフェースユニット６を有するＣＮＣ装置５の処理部４の入力部に連結 される。この工作機械は素材９を機械加工するために切削工具８を取付けた工具 取付台１が移動するように設計される。

光学的変換器２はコヒーレントな放射光線ビーム１０’の発生源であるレーザ発 生源１ｏと、レーザ光線の光路上に配置された変向プリズム１１と、上記プリズ ム１１の出口に設けた狭隘な視野のスリット薄膜１２と、規準半生面１３とから 成る。該規準半生面１３は保持具１４内に取付けられ、加工素材９の回転軸線１ ５を含む一平面（図示の点線）内に延びて光学的に、透明なスリット１６を加工 素材の外形表面７に対し限定する。上記光学的透明スリット１６は素材９に関し て同一平面内に位置す′る工具８の模状切削刃先の先端８′の反対側に形成され る。レーザー光線ビーム１０′の光路方向内にある規準土平面１３の下流側に角 柱形変向プリズム１８と平面状焦点をもつフーリエレンズ１９が直列配置に設け られ、上記フーリエレンズ１９の焦点平面内には電子回路インタフェースユニッ ト３の受像器２０が配置される。上記受像器２０は充電結合の光検出器の単一座 標線のまわりに設置される。この受像器２０の一つの出力部は記憶素子２１と微 分回路２２との入力部に並列に結線される。記憶素子２１の出力部はスイッチ回 路２３を経て、アナログ−デジタル変換器２４の一人力部に結線されかつ上記微 分回路２２の出力部はの別の各入口部に結線される。受像器２０の他の出力部は 微分回路２２とパルス成形部２５の残りの各入力部とへ並列結合で接続されかつ 受像器２０の残りの出力部はアナログ−デジタル変換器２４の他の入力部に結線 されている。そしてこの変換器２４の出力部はＣＮＣ装置５のプロセッサ４０入 力部へ結線される。

第２図は計測スリット１６をレーザ光線ビーム１０′の方向から視た平面図で、 このスリット１６は規準半生面１３と加工素材の輪郭外形表面１７により限定さ れる。それ故計測スリット１６の幅ａは規準半生面１３から素材９の外形表面に 至る距離に等しい。規準半生面１３の幅すは計測スリット１６の長さに等しくか つレーザ光線ビーム１０′　（第１図）の咬取り半径ωに等しい。

第３図は電子的インタフェースユニット３の電気回線図を示す。受像器２０のビ デオ信号出力部２６は微分回路２２のスイッチ２８のＸ入力部に結線されると同 時に記憶素子２１のスイッチ回路２９のＸ入力部に結線される。受像器２０のビ デオ信号掃引クロックの出力部３０はアナログ−デジタル変換器２４のトリガ入 力部に結線され、かつ受像器２０の光検出器の質問パルス出力部３１はパルス成 形器２５のＴ形フリップ・フロップ回路のＣ入力部並びに微分回路２２のＥ入力 部に結線される。上記スイッチ回路２８の出力部は抵抗３３゜３４を経て演算増 巾器３５の正入力部に結線され、演算増巾器３５の出力部は該増巾器の負入力部 に結線されると共に容量３６を介して抵抗３３と３４の中間接合部に結線されて いる。

その上、演算増巾器３５の出力部は抵抗３７、ダイオード３８、抵抗３９と容１ ｉ４０を含むＲＣ回路とを経て比較器４１の正入力部に結線され、かつ抵抗４２ を経て比較器４１の負入力部に結線される。スイッチ回路２８の出力部は容量４ ３を介して電子的インタフェースユニット３の共通母線に結線されるが、同様に して演算増巾器３５の正出力部は容量４４を介して、上記共通母線に結線すると 共に比較器４１の負入力部は抵抗４５を通して共通母線に結線され、更にその比 較器４１の出力部は容量４６を、介してそれぞれインタフェースユニット３の共 通母線に結線される。比較器４１の出力部のはＴ形フリフブ・フロップ回路３２ のＲ入力部に結線されると共に別のフリップ・フロップ回路４７のＳ入力部に結 線され、該フリップ・フロップ回路４７のＲ入力部はＴ形フリップ・フロップ回 路３２の非返還出力部へ結線されると共に他の出力部は回路３２のＤ入力部に接 続される。

スイッチ回路２９の出力部はアナログ−デジタル変換器２４のデータ入力部に結 線されかつ容ｉ４８を介して電子的インタフェースユニット３の共通母線に接続 される。スイッチ回路３２のスイッチ４９のＸ入力部はスイッチ回路２９の出力 部に結線されると共にそのＥ入力部はインバータ５０を介して比較器４１の出力 部のに結線される。アナログ−デジタル変換器２４のデータ入力部はスイッチ４ ９のＸ入力部に接続する。更にフリップ・フロップ回路４７の出力部はアンドゲ ート５１とインバータ５２を介してスイッチ回路２９に結線される、アンドゲー ト４１の第２人力部はＴ形フリップ・フロップ回路３２のＣ入力部に結線される 。

第４図はこのユニットの作動を説明するために電子的インタフェースユニットの 成る点における電圧波形を示す。時間ｔは秒単位で横軸上にとり、電圧Ｖは縦軸 にとられる。　電気的線図中における各点はそれぞれの回路素子に生ずるものと して同じ様に描かれる。

ＣＮＣ工作機械の切削プロセス制御系の作動を以下説明する。

素材９が工作機械内に緊締して固定され、切削工具８の横送りが工具取付台１に より進められ、希望する素材直径値が得られるように機械加工作業が進められる 。ＣＮＣ装置５内にプログラムされた一定時間の経過後に、上記工具９は加工素 材の表面から遠ざけられ、光学的に透明な約５０ミクロンから１０００ミクロン 幅の計測スリット１６（第２図）が素材の外形表面１７と規準土平面１３との間 に形成されるような距離に動かされる。工具取付台１の横送り量は工作機械のサ ーボ駆動系７の機構部により計測される。計測スリット１６の実際の幅ａはＣＮ Ｃ装置５のプスセッサ４におけるビデオ信号に対するデジタル処理操作により受 像器２０の出力信号を照合して確認される。加工された素材の長手方向に沿う各 希望直径値からの偏差は素材９の外形表面に対し工具取付台１を介して規準半生 面１３を軸線方向に移動させることにより計測される。樽形とか、テーパ形とか 或いはその他の素材表面の外形寸法の偏差は素材９に沿う工具取付台１の移動運 動中にスリット１６の輻ａに比例的な変化を生ずるようになる。

上記規準半平面柑１３を素材９の外形表面に沿って動かすとき、光学的変換装置 ２の光学系は受像器２０内に計測スリット１６の回折像（パターン）を現出する 。

透明スリット１６の回折像の照度分布についてｆｙ　＝０なる座標軸に沿うその 断面は次のように示される。

ただし、ａは透明計測スリット１６の幅であり、Ａは素材９の外形表面１７の粗 さをｒｍｓ高さで表わしたもの、Ｃｒｍ５は自乗平均の２乗根で粗さの表示単位 ）ｂはレーザ発生源１０の放射ビーム１０′の咬取り半径値ωに等しい計測スリ ット１６の長さであり、Ｅｏは透明スリット１６の照度であり、ｆｘは受像器２ ０内の回折像の平面内における三次元周波数を示す。

上記（１）式の解析は透明スリット１６の回折パターンにおける照度分布が光線 束の等間隔配置の最高点を現出し、該最高点間の間隔距離Ｘｆが計測スリット１ ６の幅ａに逆比例し、ただし、λはレーザ光線の波長を示し ｌはフーリエレンズ１９から受像器２０までの距離を表わす。

上記個々の最高点の振幅Ｅｍは素材９の外形表面１７の粗さ値Ａにより決定され かつ次のように表示される。

ただし、ｍは最高点の序数を表わす。

上記（３）式の解析は素材外形表面１７の粗さＡの零からの増大と共に計測スリ ット６の回折像の凡ての最高点の振幅Ｅｍは減少し、従ってパターン像のコント ラストは減小する。

それ故透明計測スリット１６の回折像についてその任意２個の選択された最高点 間の距離を測定することによりその幅ａは式（２）を用いて計算することができ る。即ち加工素材９の直径値が名目的な希望の直径値からずれた偏差値が計測可 能となる。素材９の外形表面１７の粗さＡは式（３）によってめられた透明計測 スリット１６の回折像における任意に選択した２個の最高点の振幅比（レーザ発 振器１０の出力変動を回避するため）を数値計算することにより決定される。

これらの演算操作はＣＮＣ装置５のプロセッサ４により一つのプログラムに従っ て遂行され、このプログラムは受像器２０の出力部において読み出されたビデオ 信号をデジタル処理化して電子的インタフェースユニット３を通りプロセッサ４ に供給するように準備される。アナログ−デジタル変換器２４によるビデオ信号 の読出し速度を高速化するため、該ビデオ信号（第４図の波形ｕ２６）は微分回 路２２におけるスイッチ回路２８のデータ入力部Ｘ並びに記憶回路２１のスイッ チ回路２９のＸ入力部とに同時的に供給される。上記ビデオ信号は透明スリット １６の回折像内における受像器２ｏ上に入射する光線束により変調された振幅変 調パルスが規則正しく繰返される連続形態となる。・該連続状のデータパルス数 は受像器２０における光検出器の数に等しくかつ該パルス振幅は受像器２０の各 光検出器上に入射する光束に比例する。受像器２０の光検出器の質問パルスｕ２ ＋（第４図）はスイッチ回路２８のＥ入力部に送られるが、この質問パルスの両 端は受像器２０の光検出器のビデオ信号パルスｕＺ＆の両端に対応する。それ故 、第４図の波形ｕ！ｌｌでみられるように、スイッチ回路２８の出力部に接続さ れた容量４３上にはビデオ信号の段階状にギザがついた包絡線波形が得られる。

容量３６　、４４および抵抗３３　、３４を有する演算増巾器３５は上記段階状 ビデオ信号を平滑化するために第２次像周波数に対するベターウォース形（Ｂｕ ｔｔｅｒｗｏｒｔｈ４りフィルタを具備する。この演算増巾器３５の出力信号の 波形ｕ３ｓは第４図に示す。

この出力信号波形ｕ３ｓは抵抗３９と容量４０を含みかつ抵抗３７とダイオード ３８から構成された積分回路を経て比較器４１の正入力部に送られ、かつこの平 滑化されたビデオ信号ｕ４２は抵抗４２と４５から成る分割量を経て比較器４１ の負入力部に送られる。第４図の波形ｕ４１でみられる如きパルスの連鎖は比較 器４１の出力部に取出され、この各パルスの端部は信号ｕ２ｓの隣り合う２個の 最高点位置に合致し、その先行端は最高値の位置に対応し、その後続端は最低値 の位置に対応する。パルスｕ４１の先行端はＴ形フリンプ・フロップ回路３２と 他のフリップ・フロップ回路４７を作動せしめる。

これと同時に受像器２０の光検出器の質問パルスｕ３１（第４図の波形ｕｆｆｌ を見よ）はＴ形フリフプ・フロップ回路３２のＣ入力部に送られる。パルスｕａ ＋の先行端及びパルスｕ３１の先行端が到達するとき上記Ｔ形フリフプ・フロッ プ回路３２の非返還出力部には如何なる信号も皆無となり、そして次のパルスｕ ３１が到達したとき一体化された振幅パルスがフリップ・フロップ回路４７を再 始動せしめるために形成される。

フロップ回路４７の出力部に生じ、このパルスはアンドゲート回路５１とインバ ータ５２とを経てスイッチ回路２９のＥ入力部に供給される。光検出器の質問パ ルスｕ３１はアンドゲート回路５１の第２人力部に導びかれてインバータ５２の 出力部において光検出器の質問パルスｕｆｆｌのパルス長に等しい長さのパルス が得られ、これらのパルスの時間位置はビデオ信号ｕＺ＆の最高点位置に対応す る。第４図の波形ｕｚ９にみられる信号パルスは容量４８を介して電子的インタ フェースユニット３の共通母線に結線されたスイッチ回路２９の出力部に形成さ れる。上記の各パルスｕ２．の振幅はビデオ信号ｕ２６の最高点の振幅に等しく その位置も正しく合致し、その長さはスイッチ回路２３により作り出される。こ の信号はアナログ−デジタル変換器２４のデータ入口部に送られ、かつデジタル コードとなってデータプロセッサ４に置かれる。アナログ−デジタル変換器２４ は一度信号パルスｕ２９を読み出したときのみ各パルスの先行端により始動する 。それ故各パルス信号ｕ２．の読み出し振幅はそれと正しく一致するビデオ信号 ｕｚ６の最高点の振幅に対応する。そして２個の隣接する読取り値開の時間間隔 は受像器２０の出力部におけるビデオ信号ｕＺ６の振幅の振動周期に比例する。

透明計測スリット１６の幅ａと加工素材９の外形表面１７の粗さの大きさＡとは 前述した式（２）と（３）相互間の互除法を用いて数値計算されもし加工素材９ の直径が名目的な直径値から外れているならば、上記透明計測スリット１６の幅 ａはそのずれ量に比例して変更され、その偏差値は上記ビデオ信号ｕｚｉ、の平 均振動周期を基礎として前述した互除法により決定される。加工素材９上に希望 する称呼寸法直径を得るためには、切削工具８を固着する工具取付台１を残余の 許容寸法距離だけ移動せしめて実施される。素材９の外形表面１７の粗さＡの増 大とともに、上記ＣＮＣ装置５は加工素材の外形表面１７の品質を改善するため に工具の横送り速度を低下する指令を発するようにする。それ故本発明に係る制 御システムは素材表面の直径寸法値と表面粗さについて製作される部品の品質を 直接的に制御することによりその切削状態の適切な修正作用が効果的に行なわれ る。

従来の技術に対し本発明による切削制御システムの利点は下記の点にある。即ち 工具取付台のサーボ駆動系における機械運動学的な誤差と、機械−治具−工具− 加工素材系における動的歪み変形作用と、切削工具の摩耗並びに切削工具の位置 決め誤差等の影響を加工素材直径の無接触かつ直接的な照合観察過程を通して自 動的に解消することであり、これによって柔軟性ある自動生産体系下において金 属加工素材の旋削加工を実施する場合に部品加工精度を２ミクロンまで向上させ ることが可能となる。その上更に、加工素材表面の仕上げ粗さの制御作用におい て仕上げ粗さを小さくするため切削条件の修正作用も確保される。

庄１」Ｊ冴旧１件 本発明は金属の機械加工に利用できるものでありかつ柔軟性ある自動化された生 産体制下においてＣＮＣによる金属機械加工旋盤に対する切削工程を制御するた めの工作機械工業分野において応用可能である。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 金属切削用ＣＮＣ工作機械の切削プロセス制御システムであって、該切削システ ムは切削工具の運動領域内において金属切削工作機械上に搭載された光学的変換 装置（２）を具備し、該変換装置（２）はレーザ光線源（１０）と、該レーザ光 線から発振する放射ビーム（１０′）の光路内に設置された狭溢な視野スリット 薄膜（１２）と、加工素材（９）の回転軸線（１５）平面内に延びる基準半平面 （１３）と、フーリエレンズ（１９）とにより形成され、かつアナログーデシタ ル変換器（２４）に電気的に接続され更にＣＮＣ装置（５）の入力部に接続され た受像器（２０）を有する電子的インタフェースユニット（３）を具備するもの において； 前記光学的変換装置（２）は前記工作機械の工具取付台上に搭載され、前記規準 半平面（１３）は加工素材（９）に関して工具（８）の楔状切削刃先の先端（８ ′）の反対側に配置されて素材外形表面（１７）に合せて光学的透明スリット（ １６）の境界を限定可能にし、前記規準半平面の長さは２モード発振ビームを生 ずるレーザ光線源からのビーム（１０′）の咬取り半径（ω）に等しく形成され 、これと共に前記電子的インタフェースユニット（３）は記憶素子（２１）と、 スイッチ回路（２３）と、微分回路（２２）及びパルス成形器（２５）を含んで 形成され、前記受像器（２０）の一出力部はアナログーデジタル変換器（２４） の入力部に結線されると共に受像器（２０）の他の出力部は、記憶素子（２１） の入力部及び微分回路（２２）の入力部に結線され、微分回路（２２）の他の入 力部は受像器（２０）の残りの出力部に結線され、かつパルス成形器（２５）の 他の入力部は微分回路（２２）の出力部に結線され、更にパルス成形器（２５） の出力部はスイッチ回路（２３）の残りの入力部に結線され、該スイッチ回路（ ２３）の他の入力部と出力部はそれぞれ記憶素子（２１）の出力部並びにアナロ グーデジタル変換器（２４）の他の入力部に結線されていることを特徴とする金 属切削用ＣＮＣ工作機械の切削プロセス制御システム。