CN115279547A - 机床的控制装置、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明将在工具对加工面中心进行切削的时刻成为极大的振动分量asin(Mωt)(M是面数)叠加于工具的基准角速度2ω。越接近加工面中心则工具轴的角速度越快，并在加工面中心成为最大。通过调整振动成分asin(Mωt)的调整参数a，能够调整加工面的平面度。

Description

机床的控制装置、控制方法

技术领域

本发明涉及进行多边形加工的机床的控制装置、控制方法。

背景技术

以往，存在通过使工具和工件以一定的比率旋转，来将工件加工为多边形(多边形：polygon)的形状的多边形加工。在多边形加工中，工具刀尖对工件描绘椭圆轨道。若变更工件与工具的旋转比以及工具的个数，则椭圆的相位、个数发生变化，能够将工件加工成四边形、六边形等多边形。

图8A表示以工件中心为原点时的工具相对于工件的移动路径。在该例子中，工件与工具的旋转比为1∶2，工具个数为2个。工具T1相对于工件的移动路径是轨道1，工具T2相对于工件的移动路径是轨道2。在工件旋转1周的期间，2个工具T1、T2在工件的周围描绘椭圆的轨道1、轨道2，在工件表面形成四边形。图8B是旋转比率为1:2且工具为3个的情况。在该情况下，3个工具在工件的周围描绘椭圆轨道，若工具沿着该轨道切削工件，则在工件表面形成六边形。

多边形加工以椭圆的组合生成多边形，因此切削面成为平缓的曲线，不适合需要高平面度的高精度加工。多边形加工的优点是，与利用铣床等的多边形加工相比，加工时间短。多边形加工用于加工在实际应用中即使不是高精度也不会发生故障的部件(螺栓的头部、螺丝刀的刀头等)。

作为提高多边形加工的平面度的方法，有工具直径的大径化。然而，工具机构的大小存在极限。以往，作为使工具主体小径化的技术，已知有如下技术：在切割器主体上设置切削刀片的收容部位，在收容部位收容切削刀片，使用固定用螺栓和定位用螺栓来调整切削刀片的位置。例如，参照专利文献1。

另外，还存在通过移动旋转轴来自由地加工工件的技术。例如，在专利文献2中，使第一主轴和第二主轴以不同的转速旋转，在每个第一周期基于相位差，使第一主轴和第二主轴向假想直线的方向偏移，从而对工件表面自由地进行加工。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-140482号公报

专利文献2：日本特开2015-79348号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1中，虽然能够使刀具主体的大小小型化，但由于工具从刀具主体突出，因此工具直径并不因此变小。

在专利文献2中，为了将工件加工成自由形状，需要进行与第一主轴和第二主轴的相位差一致的主轴的移动这样复杂的控制。

在多边形加工领域中，期望不变更机床的机构而对加工面进行整形的技术。

用于解决课题的手段

本发明的一个方式是一种对在工件表面形成多边形的多边形加工进行控制的控制装置，该控制装置具备：工件指令生成部，其生成工件的角速度的指令；工具指令生成部，其生成工具的角速度的指令，所述控制装置调整工件的角速度和工具的角速度或者其中任一方，来对工具相对于工件的角速度进行增减。

本发明的另一方式是一种对使工件与工具同时旋转而在所述工件表面形成多边形的多边形加工进行控制的控制方法，该控制方法对工件的角速度以及工具的角速度或者其中任一方进行调整，以使工具相对于工件的角速度增减，生成工件的角速度的指令，生成工具的角速度的指令。

发明效果

根据本发明的一个方式，能够不变更机床的机构而对加工面进行整形。

附图说明

图1是本公开中的数值控制装置的硬件结构图。

图2是本公开中的数值控制装置的框图。

图3是对以往的多边形加工进行说明的图。

图4是表示本公开中的角速度的振动的图。

图5A是表示以往的多边形加工中的加工面的形状的图。

图5B是表示将调整参数a设定为0.1时的加工面的形状的图。

图6A是表示将调整参数a设定为0.3时的加工面的形状的图。

图6B是表示将调整参数a设定为0.5时的加工面的形状的图。

图7是表示本公开的多边形加工方法的流程图。

图8A是对在以往的多边形加工中在工件表面形成四边形的情况下的工具的轨道进行说明的图。

图8B是对在以往的多边形加工中在工件表面形成六边形的情况下的工具的轨道进行说明的图。

具体实施方式

以下，示出本公开的数值控制装置100的一例。如图1所示，数值控制装置100具备对数值控制装置100进行整体控制的CPU111、记录程序、数据的ROM112、以及用于暂时展开数据的RAM113，CPU111经由总线120读出记录在ROM112中的系统程序，并按照系统程序对数值控制装置100的整体进行控制。

非易失性存储器114例如通过未图示的电池进行备份等，即使数值控制装置100的电源断开也能够保持存储状态。在非易失性存储器114中存储有经由接口115、118、119从外部设备72读入的程序、经由输入部30输入的用户操作、从数值控制装置100的各部、机床200等取得的各种数据(例如设定参数、传感器信息等)。

接口115是用于与数值控制装置100和适配器等外部设备72连接的接口115。从外部设备72侧读入程序、各种参数等。另外，在数值控制装置100内编辑的程序、各种参数等能够经由外部设备72存储于外部存储单元。PMC116(可编程机器控制器)通过内置于数值控制装置100的时序程序，在与机床200或机器人、安装于该机床200或该机器人的传感器等这样的装置之间，经由I/O单元117进行信号的输入输出并进行控制。

在显示部70中显示表示机床200的操作画面、机床200的运转状态的显示画面等。输入部30由MDI、操作盘、触摸面板等构成，将作业者的操作输入传递给CPU111。

伺服放大器140控制机床200的各轴。伺服放大器140接收来自CPU111的轴的移动指令量，并驱动伺服电动机150。伺服电动机150内置有位置速度检测器，将来自该位置速度检测器的位置速度反馈信号反馈给伺服放大器140，并进行位置速度的反馈控制。在伺服电动机150中安装有工具轴。在刀具主体上安装有多个用于进行多边形加工的工具T。

主轴放大器161接受针对机床200的主轴164的主轴旋转指令，并驱动主轴电动机162。主轴电动机162的动力经由齿轮传递至主轴164，主轴164以所指令的旋转速度旋转。在主轴164上结合有位置编码器163，位置编码器163与主轴164的旋转同步地输出反馈脉冲，该反馈脉冲由CPU111读取。

在主轴164上安装有工件W。主轴164与工具轴的轴向平行，主轴164与工具轴以规定的旋转比旋转。若主轴164与工具轴同时旋转，则安装于工具轴的工具T对工件表面进行切削，在工件表面形成多边形。

图2是具备多边形加工的调整功能的数值控制装置100的框图。该框图内的功能由CPU111执行ROM112等存储装置中记录的程序来实现。

数值控制装置100具备多边形加工控制部10。多边形加工控制部10具备：工件指令生成部11，其生成工件轴的旋转指令；以及工具指令生成部12，其生成工具轴的旋转指令。

工件指令生成部11生成主轴164的旋转指令。工件指令生成部11生成使主轴164以恒定的角速度ω旋转的指令，并输出至主轴放大器161。主轴放大器161按照来自工件指令生成部11的指令来控制主轴电动机162。主轴电动机162使主轴164以恒定的角速度ω旋转。由此，安装于主轴164的工件W以恒定的角速度ω旋转。

工具指令生成部12具备振动成分生成部13和振动成分叠加部14。振动成分生成部13生成叠加于工具T的角速度的振动成分。具体的计算方法将在后面叙述，振动成分由工件W与工具T的相位、工件W与工具T的旋转比、工件W与工具T的角速度、工具T的个数等决定。振动成分叠加部14计算将振动成分生成部生成的振动成分叠加于工具T的基准角速度的校正角速度。在后述的例子中，工具T的基准角速度为2ω，振动成分为asin(Mω)(M为多边形的面数)。

振动分量叠加部14计算对基准角速度叠加了振动成分后的校正角速度。工具指令生成部12将校正角速度输出给伺服放大器140。伺服放大器140按照来自工具指令生成部12的指令来控制伺服电动机150。伺服电动机150使工具T以校正角速度旋转。

此外，基准角速度是指在以往的多边形加工中使工具T旋转的调整前的工具角速度。在以往的多边形加工中，以恒定的角速度使工具T旋转。在本公开中，通过对基准加速度叠加振动成分，使工具T的旋转速度变化，来调整加工面的平面度。

[以往的多边形加工]

首先，对以往的多边形加工进行说明。

在以往的多边形加工中，工具轴与工件轴的角速度是恒定的。在以下的说明中，将工件轴与工具轴的旋转比设为1∶2。即，如果工件轴的角速度为ω，则工具轴的角速度为其2倍的2ω。在以旋转比1∶2安装了2个工具t1、t2的情况下，在工件W旋转一周的期间，2个工具t1、t2对工件表面进行2次切削，在工件表面形成四边形。此外，若将工具T增加至3个，则在工件W旋转一周的期间，3个工具对工件表面进行2次切削，在工件表面形成六边形。

参照图3，对固定于工件W的XY正交坐标系上的工具刀尖的轨道进行说明。原点O是工件中心。将工件W与工具T的中心间距离设为1，将工件半径设为r。当工件W以角速度ω顺时针旋转时，工具T的中心P以点O为中心在半径l的圆周上以角速度ω移动。由于工具T以角速度ω(工具角速度2ω-工件角速度ω)逆时针旋转，因此工具刀尖相对于工件中心的位置Q(x，y)相对于时间t如下变化。

[数学式1]

x＝l cos(-ωt)+r cos(ωt)

y＝l sin(-ωt)+r sin(ωt)

若进一步将工具编号设为n(＝1，…，N；N是工具个数)，则各工具的相位错开2π/n，因此各工具的轨迹如下。

[数学式2]

工具T为2个，因此工具t1与工具t2的轨迹(x1，y1)(x2，y2)分别如下。

[数学式3]

x₁＝l cos(ωt)+r cos(ωt)

y₁＝-l sin(ωt)+r sin(ωt)

x₂＝l cos(ωt)+r cos(ωt+π)

y₂＝-l sin(ωt)+r sin(ωt+π)

[振动成分的生成]

工具指令生成部12生成使振动分量叠加于基准角速度而得到的校正后的角速度(以下，称为校正角速度)。

本公开中的振动成分是指asin(Mωt)。M是多边形的面数，振动成分以工件W的面数倍的频率振动。a为调整参数。通过变更调整参数a，振动成分的调整量发生变化。若使调整参数a增减，则如后所述，加工面的凹凸发生变化。在想要将加工面设为平面的情况下，选择使凹凸消失的调整参数a。调整参数a可以由工程师手动设定，也可以通过数值解析导出使加工面不会凹陷的最大的值。

参照图4，示出了工具T的角速度的振动与工件W的旋转之间的关系。在该图中，3个工具t1、t2、t3安装于刀具主体。然后，工件W和工具T以1∶2的旋转比旋转，在工件W旋转1周的期间，3个工具t1、t2、t3分别切削工件W两次，形成六边形。如图4所示，基准角速度ω恒定，校正角速度以ω为中心进行振动。校正角速度的相位在工具t1、t2、t3到达加工面中心的时刻成为极大。校正角速度的振动范围为ω-a至ω+a。校正角速度的振动频率是工件轴的旋转频率的面数倍。在图4的例子中，在工件W旋转1周的期间，校正角速度振动6次。

振动成分asin(Mωt)是在工具T对加工面中心进行切削的时刻成为极大的正弦波。若在基准角速度上叠加振动成分，则工具轴的角速度越接近加工面中心则越快，在加工面中心成为最大。在本公开的多边形加工中，通过对基准角速度叠加振动成分，能够调整在加工面中心附近的切削速度，从而能够使加工面的形状变化。

工具的个数能够任意变更。将工具的个数设为N。通常，由于工件W与工具T的旋转比为1∶2，因此加工面数M与工具的刃数N的关系为M＝2N，振动成分为asin(2Nωt)。振动成分是以工具轴的基准角速度ω的加工面数倍振动的振幅a的正弦波。振动成分在各工具T对加工面中心进行切削时成为最大值a。将工具T的个数设为N时的各工具n(n＝1、2、…)的轨迹如下。

[数学式4]

在使用2个工具(工具t1、工具t2)的情况下，工具t1与工具t2的轨迹(x1，y1)、(x2，y2)如下。

[数学式5]

x₁＝l cos(ωt)+r cos(ωt+asin(2Nωt))

y₁＝-lsin(ωt)+r sin(ωt+a sin(2Nωt))

x₂＝l cos(ωt)+r cos(ωt+a sin(2Nωt)+π)

y₂＝-l sin(ωt)+r sin(ωt+a sin(2Nωt)+π)

图5所示的图表是以N＝2、1＝10、r＝5、a＝0.1、ω＝20π/3(＝200rpm)计算上述公式的结果。由此可见，与以往的多边形加工(图5A)相比，在本公开的多边形加工(图5B)中，四边形的加工面的平面度得到了提高。加工面的平面度能够通过对调整参数a的值进行调整而变化。调整参数a可以由工程师手动设定，也可以通过数值解析导出使加工面不会凹陷的最大的值。

[加工面的变形]

在图6所示的多边形加工中，以N＝2、1＝10、r＝5、a＝0.1、ω＝20、π/3(＝200rpm)进行计算。若变更a的值，则加工面变形。

图6A表示a＝0.3时的加工形状。若增大a的值，则会变成加工面中心凹陷的形状。如图6B所示，若进一步增大a的值(a＝0.5)，则加工面中心进一步凹陷。若提高调整参数a的值，则在加工面中心附近的工具T相对于工件W的角速度变快，加工面的凹陷变大。相反，若降低调整参数的值，则在加工面中心附近的工具T相对于工件W的角速度变慢，加工面的凹陷变小。若将调整参数a设为零，则成为以往那样平缓地膨胀的形状。这样，通过使工具相对于工件的角速度增减，能够调整工件的表面形状。

如以上说明的那样，本公开的数值控制装置100通过将工具刀尖在加工面的中心成为极大的振动成分叠加于基准角速度，来加快在加工面的中心附近的角速度，提高加工面的平面度。通过变更振动成分的调整参数a，不仅能够调整加工面的平面度，还能够在加工面上形成凹陷。

[加工面的调整方法]

参照图7的流程图，对本公开的多边形加工的调整方法进行说明。首先，将工件W和工具T安装于机床200，将工件W的旋转中心与工具旋转的中心的距离(l)、工具半径(r)、工件W的旋转速度(ω)、工具的个数(N)输入至数值控制装置100(步骤S1)。至此为止是与通常的多边形加工相同的作业。

接着，设定调整参数a(步骤S2)。机床200的工程师在一边观察上述数学式的图表等一边确认加工面的平面度的基础上，将适当的调整参数a设定给数值控制装置。调整参数a可以由工程师手动设定，也可以通过数值解析导出使加工面不会凹陷的最大的值。

当机床200的操作员指示开始多边形加工时(步骤S3)，工件指令生成部向主轴放大器161输出工件W的旋转指令(步骤S4)。主轴电动机162按照主轴放大器161的控制，使工件W以恒定的角速度ω旋转(步骤S5)。同时，振动成分生成部13生成振动成分(步骤S6)，振动成分叠加部14将振动成分生成部13生成的振动成分叠加在基准角速度上(步骤S7)。工具指令生成部12将在基准加速度上叠加了振动成分的校正角速度输出给伺服放大器(步骤S8)。

伺服电动机150按照来自伺服放大器的控制，使工具T以校正角速度2ω+asin(2Nω)旋转(步骤S9)。通过一边使工具T以校正角速度旋转一边进行多边形加工，能够在工件表面形成调整了平面度的多边形(步骤S10)。

如上所述，在本公开中，将振动成分叠加于多边形加工的工具轴的基准角速度。振动成分在工具刀尖到达加工面的中心时成为极大。若叠加振动成分，则工具刀尖越接近加工面中心，工具轴的旋转速度越快，因此加工面附近的切削距离延长而平面度提高。

多边形加工的表面形状在变更振动成分asin(4ω)的调整参数a的值时发生变化。在想要增大加工面的凹陷的情况下，增大调整参数a的值。

在本公开中，使用了正弦波作为振动成分，但也可以不是正弦波。另外，在本公开中，将工件W与工具T的旋转比设为了1∶2，但即使变更旋转比也能够进行加工面的调整。

以上，对一个实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述公开，能够通过施加适当的变更而以各种方式实施。例如，在本公开中，采用了以工件轴为主轴、以工具轴为伺服轴的结构，但也可以是2轴均为主轴的主轴间多边形加工。

另外，在本公开中，在工具轴上叠加振动成分，使工具T的角速度发生了变化，但未必需要仅在工具轴上叠加振动成分。若工件轴与工具轴的相对角速度振动，则也可以调整工件W的角速度，或者调整工件W与工具T双方的角速度。

在本公开中，对正四边形和正六边形进行了说明，但即使形成的形状不是正多边形，也包含在本公开中。例如，如果使用带有2个工具的多边形切割器，并且将工具间的相位差设为90度而不是180度，则工件形状不是正四边形而是菱形。本公开也能够应用于菱形等其他多边形。

另外，在上述例子中，示出了振动成分在加工面中心成为极大的例子，但为了提高平面度，也可以适当变更振动成分。

附图标记说明

100 数值控制装置

200 机床

10 多边形加工控制部

11 工件指令生成部

12 工具指令生成部

13 振动成分生成部

14 振动成分叠加部

111 CPU

112 ROM

113 RAM

140 伺服放大器

150 伺服电动机

161 主轴放大器

162 主轴电动机

164 主轴

Claims (7)

1.一种控制装置，其对使工具和工件同时旋转而在工件表面形成多边形的多边形加工进行控制，其特征在于，

所述控制装置具备：

工件指令生成部，其生成所述工件的角速度的指令；

工具指令生成部，其生成所述工具的角速度的指令，

所述控制装置调整所述工件的角速度和所述工具的角速度或者其中任一方来，来对所述工具相对于所述工件的角速度进行增减，以便能够调整加工面的形状。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

在所述多边形的加工面的中心附近对所述工具相对于所述工件的角速度进行增减。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

所述控制装置具备：

振动成分生成部，其生成使所述工具相对于所述工件的角速度在所述多边形的加工面的中心附近成为极大的振动成分；

振动成分叠加部，其将所述振动成分叠加于所述多边形加工的调整前的工件角速度或工具角速度。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，

所述振动成分以所述多边形的面数倍的频率相对于所述多边形加工的调整前的工件角速度进行振动。

5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，

所述振动成分包含调整参数，通过所述调整参数使所述加工面的形状变化。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

所述加工面的形状调整使平面度提高。

7.一种多边形加工的控制方法，其对使工件和工具同时旋转而在所述工件的表面形成多边形的多边形加工进行控制，其特征在于，

对所述工件的角速度和所述工具的角速度或者其中任一方进行调整，以使所述工具相对于所述工件的角速度增减，

生成所述工件的角速度的指令，

生成所述工具的角速度的指令。

Images