CN115297994A - 机床的控制装置、控制方法 - Google Patents

机床的控制装置、控制方法 Download PDF

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Abstract

相对于时间(t)，以连结刀具(T)与工件(W)的中心的直线距离为l+al(1‑cos(Mωt))的方式振动，或者在垂直方向上以alsin(Mωt)振动，或者以其组合振动。(ω)是工件的角速度，(M)是多边形的面数，(a)是调整参数。如此，通过进行振动，能够调整加工面的凹凸。

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，存在通过使刀具与工件以恒定的比率旋转将工件加工成多边形(polygon)的形状的多边形加工。在多边形加工中，刀具刀尖相对于工件描绘椭圆轨道。当变更工件与刀具的旋转比以及刀具的个数时，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13A表示以工件中心为原点时的刀具相对于工件的移动路径。在该例子中，工件与刀具的旋转比为1：2，刀具个数为2个。刀具T1相对于工件的移动路径是轨道1，刀具T2相对于工件的移动路径是轨道2。在工件旋转一周的期间，2个刀具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13B是旋转比率为1：2且刀具为3个的情况。在该情况下，当3个刀具在工件的周围描绘椭圆轨道且刀具沿着该轨道切削工件时，在工件表面形成六边形。
多边形加工以椭圆的组合制作多边形，因此切削面成为平缓的曲线，不适合需要高平面度那样的高精度的加工。与利用铣床等的多边形加工相比，多边形加工的优点在于加工时间短。多边形加工用于实际使用中即使不高精度也不妨碍的部件(螺栓的头部、螺丝刀的刀头等)的加工。
作为提高多边形加工的平面度的方法，存在刀具直径的大径化。然而，刀具机构的大小存在极限。以往，作为使刀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纳部位，在收纳部位收纳切削刀片，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，还存在移动旋转轴而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虚拟直线的方向偏移，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，虽然能够使切割器主体的大小小型化，但由于刀具从切割器主体突出，因此刀具直径并不变小。
在专利文献2中，为了将工件加工成自由形状，需要与第一主轴和第二主轴的相位差匹配的主轴的移动这样的复杂控制。
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控制装置，其对在工件表面形成多边形的多边形加工进行控制，具备：工件指令生成部，其生成工件的角速度的指令；刀具指令生成部，其生成刀具的角速度的指令；以及振动生成部，其生成使工件与刀具的相对位置振动的振动分量。
本发明的另一方式是一种控制方法，其对使工件和刀具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，以如下方式进行控制：生成工件的角速度的指令；生成刀具的角速度的指令；生成使工件与刀具的相对位置振动的振动分量；以生成的角速度使工件和刀具旋转，并且使工件与刀具的相对位置振动。
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是使刀具沿X轴方向振动的数值控制装置的框图。
图3是说明以往的多边形加工的图。
图4是表示本公开中的刀具的X轴方向的振动的图。
图5A是表示基于以往的多边形加工的加工面的平面度的图。
图5B是表示基于X轴方向的振动的加工面的平面度的变化的图。
图6是使刀具沿Y轴方向振动的数值控制装置的框图。
图7是表示本公开中的刀具的Y轴方向的振动的图。
图8是说明使刀具沿Y轴方向振动时的刀具刀尖的位置的图。
图9A是表示基于以往的多边形加工的加工面的平面度的图。
图9B是表示基于Y轴方向的振动的加工面的平面度的变化的图。
图10A是表示在X轴方向的振动中将调整参数a设定为0.06时的加工面的形状的图。
图10B是表示在X轴方向的振动中将调整参数a设定为0.15时的加工面的形状的图。
图11A是表示在Y轴方向的振动中将调整参数a设定为0.12时的加工面的形状的图。
图11B是表示在Y轴方向的振动中将调整参数a设定为0.18时的加工面的形状的图。
图12是表示本公开的多边形加工方法的流程图。
图13A是说明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刀具的轨道的图。
图13B是说明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刀具的轨道的图。
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具备整体地控制数值控制装置100的CPU111、记录程序和数据的ROM112、用于临时展开数据的RAM113，CPU111经由总线120读出记录在ROM112中的系统程序，按照系统程序来控制数值控制装置100的整体。
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的电源断开也保持存储状态。在非易失性存储器114中存储经由接口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。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内编辑后的程序、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的序列、程序，在与机床200、机器人、安装于该机床200或该机器人的传感器等的装置之间，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输给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，驱动伺服电动机。机床200至少包括刀具旋转用伺服电动机151、Z轴用伺服电动机152、X轴用伺服电动机153(或Y轴用伺服电动机154)。刀具旋转用伺服电动机151、Z轴用伺服电动机152、X轴用伺服电动机153(或Y轴用伺服电动机154)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，进行位置/速度的反馈控制。
数值控制装置100在机床200中设定了虚拟的坐标系。在以下的说明中，将工件W的中心轴作为Z轴，将连结工件中心与刀具中心的轴作为X轴，将与X轴正交的轴作为Y轴进行说明。
本公开的机床200至少具备使刀具T(刀具轴)旋转的刀具旋转用伺服电动机151、使刀架(以下，作为刀具T进行说明)沿Z轴方向移动的Z轴用伺服电动机152、以及使刀具T沿X轴方向移动的X轴用伺服电动机153。
主轴放大器161接收对机床200的主轴164的主轴旋转指令，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以所指示的旋转速度旋转。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与刀具轴的轴向平行，主轴164与刀具轴以规定的旋转比旋转。当主轴164与刀具轴同时旋转时，安装于刀具轴的刀具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。框图内的功能通过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具备生成工件轴的旋转指令的工件指令生成部11、生成刀具轴的旋转指令的刀具指令生成部12以及生成刀具T的移动指令的移动指令生成部13。
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。
刀具指令生成部12生成刀具T的旋转指令。刀具指令生成部12生成使刀具T以恒定的角速度旋转的指令，并输出至伺服放大器140。伺服放大器140按照来自刀具指令生成部12的指令来控制刀具旋转用伺服电动机151。刀具旋转用伺服电动机151按照伺服放大器140的控制使刀具T以恒定的角速度旋转。刀具T的角速度由工件W与刀具T的旋转比决定，在后述的例子中，刀具T的角速度为2ω。
移动指令生成部13生成刀具T的移动指令。移动指令同步控制刀具T的Z轴方向的移动和X轴方向的移动。Z轴方向的指令是进给指令。Z轴用伺服电动机152使刀具T以从移动指令生成部13指示的进给速度移动。
振动分量生成部14生成刀具T的X轴方向的振动分量。X轴用伺服电动机153按照振动分量生成部14所生成的振动指令使刀具T在X轴方向上振动。本公开的数值控制装置100通过使刀具T沿X轴方向振动，使工件W与刀具T的X轴方向的相对距离变化，调整加工面的平面度。
以下，与以往的多边形加工相比较，说明本公开的多边形加工。
[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，刀具轴与工件轴的角速度是恒定的。在以下的说明中，将工件轴与刀具轴的旋转比设为1：2。即，当设为工件轴的角速度ω时，刀具轴的角速度为其2倍的2ω。在以旋转比1：2安装了2个刀具t1、t2的情况下，在工件W旋转一周的期间，2个刀具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，当将刀具T增加至3个时，在工件W旋转一周的期间，3个刀具对工件表面进行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正交坐标系上的刀具刀尖的轨道进行说明。原点O是工件中心。将工件W与刀具T的中心间距离设为1，将工件半径设为r。当工件W绕顺时针以角速度ω旋转时，刀具T的中心P以点O为中心在半径1的圆周上以角速度ω移动。由于刀具T以角速度ω(刀具角速度2ω-工件角速度ω)逆时针旋转，因此刀具刀尖相对于工件中心的位置Q(x，y)相对于时间t如以下那样变化。
[数1]
x＝l cos(-ωt)+r cos(ωt)
y＝l sin(-ωt)+r sin(ωt)
而且，当将刀具编号设为n(＝1，……，N；N是刀具个数)时，各刀具的相位错开2π/n，因此各刀具的轨迹如下。
[数2]
Figure BDA0003850654280000061
Figure BDA0003850654280000062
刀具T为2个，因此刀具t1与刀具t2的轨迹(x1，y1)、(x2，y2)分别如下。
[数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)
[第一公开：X轴方向的振动]
在本公开中，使刀具轴和工件轴的两者或任意一方沿Z轴振动。由此，刀具与工件的相对距离(刀具与工件的中心间距离)增减，能够调整工件表面(加工面)的平面度。若通过数学式表达Z轴方向的振动分量，则为al(1-cos(Mωt))。M是多边形的面数，振动分量以工件W的面数倍的频率振动。a为调整参数。当使调整参数a增减时，如后述那样，加工面的凹凸变化。在想要使加工面为平面的情况下，选择不存在凹凸那样的调整参数a。
参照图4，示出振动分量与刀具T的X轴方向的运动的关系。在该图中，3个刀具t1、t2、t3安装于刀具主体。并且，工件W和刀具T以1∶2的旋转比旋转，在工件W旋转1周的期间，3个刀具t1、t2、t3分别对工件W的表面进行2次切削而形成六边形。如图4所示，刀具t1、t2、t3与工件W的中心间距离以1为最小并在从1到l+2al的范围内振动。振动分量的振动频率是工件W的旋转频率的面数倍，在工件W旋转一周的期间振动分量振动6次。振动分量的相位被调整为在刀具t1、t2、t3到达加工面中心时为最小。即，在刀具t1、t2、t3到达加工面中心的时刻，工件W与刀具t1、t2、t3的中心间距离为1。
通常，由于工件W与刀具的旋转比为1∶2，因此当将刀具T的个数设为N时，工件W的面数M＝2N。当使刀具轴以振幅a×1进行振动时，中心间距离以1(1+a(1-cos(2Nωt)))变化。若将工件中心作为XY正交坐标系的原点O并通过数学式表达刀具刀尖的位置，则如下。
[数4]
Figure BDA0003850654280000071
Figure BDA0003850654280000072
在刀具T为2个的情况下，刀具t1与刀具t2的轨迹(x1，y1)、(x2，y2)分别如下。
[数5]
x1＝l(1+a(1-cos(2Nωt)))cos(ωt)+r cos(ωt)
y1＝-l(1+a(1-cos(2Nωt)))sin(ωt)+r sin(ωt)
x2＝l(1+a(1-cos(2Nωt)))cos(ωt)+r cos(ωt+π)
y2＝-l(1+a(1-cos(2Nωt)))sin(ωt)+r sin(ωt+π)
图5所示的图形是以N＝2、l＝10、r＝5、a＝0.03、ω＝20π/3(＝200rpm)计算上述公式的结果。与以往的多边形加工(图5A)相比可知，在本公开的多边形加工(图5B)中四边形的加工面的平面度提高。能够通过对调整参数a的值进行调整来使加工面的平面度变化。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加工面不会凹陷的最大的值。
[第二公开：Y轴方向的振动]
接着，对Y轴方向的振动进行说明。
也可以使刀具轴沿着Y轴振动，使刀具与工件的相对距离增减，调整工件表面(加工面)的平面度。图6的数值控制装置100具备Y轴用伺服电动机154，使刀具T(具体而言，安装有刀具T的刀架)在Y轴方向上振动。
此外，在图6的数值控制装置100中，工件指令生成部11、刀具指令生成部12、主轴放大器161、主轴电动机162、伺服放大器140、刀具旋转用伺服电动机151、Z轴用伺服电动机152与图2的数值控制装置100同样，因此省略说明。
移动指令生成部13具备振动分量生成部14。振动分量生成部14生成使刀具T在Y轴方向上振动的分量。Y轴用伺服电动机154按照振动分量生成部14所生成的振动指令使刀具T在Y轴方向上振动。本公开的数值控制装置100通过使刀具T沿Y轴方向振动，使工件W与刀具T的Y轴方向的相对距离变化，调整加工面的平面度。
振动分量是alsin(Mωt)。M是多边形的面数，振动分量以工件W的面数倍的频率振动。a为调整参数。当使调整参数a增减时，如后述那样，加工面的凹凸变化。在想要使加工面为平面的情况下，选择不存在凹凸那样的调整参数a。
参照图7，示出振动分量与刀具T的Y轴方向的运动的关系。在该图中，3个刀具t1、t2、t3安装于刀具主体。并且，工件W和刀具T以1：2的旋转比旋转。刀具T的Y轴分量以工件中心O的Y轴分量为中心以l×a的振幅振动。并且，在刀具t1到达加工面中心时，Y轴方向的位移成为0。同样地，刀具t2、刀具t3到达加工面时，Y轴方向的位移成为0。
将工件W的中心设为XY正交坐标系的原点O时的刀具刀尖Q(x，y)的轨迹能够如下那样地算出。
如图8所示，振动前的刀具T的中心位置P为(lcos(ωt)，-lsin(ωt))。当使刀具T沿Y轴方向振动时，刀具T的中心P在工件W的切线方向上以alsin(2Nωt)振动。若考虑振动分量，则刀具T的中心位置Q如下。
[数6]
Figure BDA0003850654280000091
由于刀具刀尖以刀具中心Q为中心以角速度ω(刀具角速度2ω-工件角速度ω)进行旋转，因此刀具刀尖的轨迹如下。
[数7]
Figure BDA0003850654280000092
Figure BDA0003850654280000093
在刀具T为2个的情况下，刀具t1与刀具t2的轨迹(x1，y1)、(x2，y2)分别如下。
[数8]
x1＝l(cos(ωt)+a sin(2Nωt)sin(ωt))+r cos(ωt+2π)
y1＝-l(sin(ωt)-a sin(2Nωt)cos(ωt))+r sin(ωt+2π)
x2＝l(cos(ωt)+a sin(2Nωt)sin(ωt))+r cos(ωt+π)
y2＝-l(sin(ωt)-a sin(2Nωt)cos(ωt))+r sin(ωt+π)
图9所示的图形是以N＝2、l＝10、r＝5、a＝0.06、ω＝20π/3(＝200rpm)计算上述公式的结果。与以往的多边形加工(图9A)相比，可知在本公开的多边形加工(图9B)中四边形的加工面的平面度提高。能够通过对调整参数a的值进行调整来使加工面的平面度变化。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加工面不会凹陷的最大的值。
[加工面的变形]
图10所示的图形示出了在使刀具T沿X轴方向振动时加工面根据调整参数a的变化如何变化。在N＝2、l＝10、r＝5、ω＝20、π/3(＝200rpm)的条件下使刀具T沿X轴方向振动的情况下，若将调整参数a设定为0.06，则加工面凹陷(图10A)，若将调整参数a设定为0.15，则加工面进一步凹陷(图10B)。
图11所示的图形示出了在使刀具T沿Y轴方向振动时加工面根据调整参数a的变化如何变化。若将调整参数a设定为0.12，则加工面按照出现波纹的方式凹陷(图11A)，若将调整参数a设定为0.18，则进一步凹陷(图11B)。工件W的加工形状根据调整参数a的值而变化。
[加工面的调整方法]
参照图12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和刀具T安装于机床200，将工件W的旋转中心与刀具旋转的中心的距离l、刀具半径r、工件W的旋转速度ω、刀具T的刃数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形等一边确认加工面的平面度的基础上，在数值控制装置中设定适当的调整参数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11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，刀具指令生成部12将刀具轴的旋转指令输出给伺服放大器140(步骤S6)。刀具旋转用伺服电动机151按照伺服放大器140的控制，以恒定的角速度2ω旋转刀具轴(步骤S7)。
振动分量生成部14生成使刀具T在X轴(或Y轴方向)上振动的情况下的振动分量(步骤S8)。移动指令生成部13将刀具T的振动指令输出至伺服放大器140(步骤S9)。
X轴用伺服电动机153(或Y轴用伺服电动机154)按照伺服放大器140的控制，使刀架(刀具T)在X轴方向(或Y轴方向)上振动(步骤S10)。一边使刀具T沿X轴(或Y轴)振动，一边进行多边形加工，由此在工件表面形成调整了平面度的多边形(步骤S11)。
在第一公开中，使多边形加工的刀具轴在X轴方向上振动。以振动范围为从l到l+2al并在刀具刀尖到达加工面中心时为最小的方式使振动的相位匹配。
如此，通过使刀具T在X轴方向上振动，能够调整作为振动范围的系数的调整参数a来调整加工面的凹凸。
在第二公开中，使多边形加工的刀具轴在Y轴方向上振动。以振动范围为从-al到al并在刀具刀尖到达加工面中心时刀具刀尖的Y轴分量为零的方式使振动的相位匹配。如此，通过在Y轴方向上振动，能够调整作为振动范围的系数的调整参数a来调整加工面的凹凸。
在第一公开及第二公开中，使用正弦波作为振动分量，但也可以不是正弦波。另外，在第一公开及第二公开中，将工件W与刀具T的旋转比设为1：2，但能够与旋转比无关地调整加工面的形状。
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的公开，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，采用了将工件轴设为主轴并将刀具轴设为伺服轴的结构，但也可以是2个轴均为主轴的主轴间多边形加工。
另外，在本公开中，使刀具轴在X轴方向(或Y轴方向)上振动，但也可以使工件轴在X轴方向(或Y轴方向)上振动。只要刀具轴与工件轴的相对距离变化，则也可以使工件轴与刀具轴这两者振动。另外，也可以使刀具轴和工件轴在X轴方向和Y轴方向上同时振动。
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，在具有2个刀具的多边形切割器中，当使刀具间的相位差不是180度而是90度时，工件形状不是正四边形而是菱形。如此，通过调整刀具间的相位差，本公开也能够应用于菱形等其他多边形。在这样的形状中，不一定要将使振动分量为最小或为零的位置设为加工面中心，为了提高平面度，适当调整振动分量。
符号说明
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
13 移动指令生成部
14 振动分量生成部
111 CPU
112 ROM
113 RAM
140 伺服放大器
151 刀具旋转用伺服电动机
152 Z轴用伺服电动机
153 X轴用伺服电动机
154 Y轴用伺服电动机
161 主轴放大器
162 主轴电动机
164 主轴。

Claims (7)

1.一种控制装置，其对使工件与刀具同时旋转而在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，
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；以及
刀具指令生成部，其生成所述刀具的角速度的指令，
所述控制装置以能够调整加工面的形状的方式使所述工件与所述刀具的相对距离增减。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
沿着连结所述工件的中心与所述刀具的中心的轴线以及与所述轴线正交的轴线或者任一方的轴线来增减所述刀具与所述工件的相对距离。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，
所述控制装置具备：
振动分量生成部，其生成在所述刀具的刀尖通过所述多边形的加工面中心附近时所述相对距离为最小的振动分量；以及
移动指令生成部，其使用所述振动分量来指示所述相对距离的增减。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，
所述振动分量包含调整参数，通过所述调整参数使所述工件的加工面的形状变化。
5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，
所述振动分量相对于所述工件的角速度以所述多边形的面数倍的频率振动。
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，对使工件和刀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，
所述控制方法以如下方式进行控制：
生成所述工件的角速度的指令；
生成所述刀具的角速度的指令；
生成使所述工件与所述刀具的相对位置振动的振动分量；以及
以生成的所述角速度使所述工件和所述刀具旋转，并且使所述工件与所述刀具的相对位置振动。
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