JP2002172542A - 多軸同期制御装置および多軸同期制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の回転軸を持つ工作機械において、複数
の回転軸を各回転軸の回転数の応じて適切に主軸と従軸
の関係を制御することのできる多軸同期制御装置および
その方法を提供する。 【解決手段】 複数の回転軸の回転数を監視し、回転数
のフィードバック値が、あらかじめ設定された加工許容
限界値を越えて変動した軸をマスタとし、他の軸をスレ
ーブとして、各軸の回転数を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多軸同期制御装置
および多軸同期制御方法に関し、詳しくは、複数の回転
軸のうちいずれか一つを主軸として他の回転軸を従軸と
して同期させるための多軸同期制御装置および多軸同期
制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、タップやドリルなどの穴あけに用
いられる数値制御工作機では、タップビットやドリルビ
ットなどが装着されている加工軸と、これを送り出す送
り軸を同期させて制御する方法が用いられている。たと
えば、特開平１０−７８８１０号公報や特開平１１−９
０７７２号公報などには、１つの主軸に対して、送り軸
の送り速度、すなわち送り軸を駆動しているモータの回
転速度を同期させることで、より効率の高い加工を行え
るようにしている。

【０００３】また一方では、被工作物に対するタッピン
グやドリル穴あけは、被工作物の同一平面上に対して同
じ方向から加工することが多い。そこで、一度に多数の
加工軸を駆動して加工を行うことで、生産効率の向上を
図ることが可能となる。たとえば、多軸ギアヘッドを用
いた工作機械などを利用して、一度に多軸ヘッドの軸の
数だけタッピングや穴あけ加工することが行われてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな多軸ギアヘッドによる加工の場合、多数の加工軸に
対して送り軸を同期制御する方法は用いられていない。

【０００５】その理由は、たとえば上述したような従来
の同期制御方法を単純に利用することを考えた場合、従
来の同期制御方法はいずれも１つの主軸に対して１つの
従軸を同期させる方法であるため、複数の加工軸のう
ち、どれを主軸にして送り軸を同期させればよいか不明
となり、同期対象が定まらないといった問題がある。

【０００６】また、仮に、複数の加工軸のうち、いずれ
か１つをあらかじめ主軸に決めて、他の加工軸や送り軸
を同期させることも考えられるが、このようにした場
合、被加工物の密度や硬度によって、主軸として決めた
加工軸の回転数が遅くなったり速くなったりした場合
に、送り軸の送り速度がそれに追従して変化するため、
他の加工軸がその送り速度では加工することができなく
なるといった問題が発生する。これはまた、主軸として
決めた以外の加工軸が主軸の動きに追従できなくなった
場合にも、同様に加工することができなくなってしまう
といった問題となる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、複数の回転軸を
持つ工作機械において、複数の回転軸を各回転軸の回転
数の応じて適切に主軸と従軸の関係を制御することので
きる多軸同期制御装置および多軸同期制御方法を提供す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、以下の
構成により達成される。

【０００９】（１）複数の回転軸と、前記複数の回転軸
ごとに回転数指令値を出力する回転数指令手段と、前記
複数の回転軸ごとに実際の回転数を検出する回転数検出
手段と、前記回転数指令手段が出力した各回転軸の回転
数指令値と、前記回転数検出手段が検出した各回転軸の
回転数とを比較して、回転数指令値と回転数との差が所
定範囲から外れている回転軸を主軸とし、他の回転軸を
従軸として、該主軸に該従軸が同期するように前記回転
数指令手段を制御する制御手段と、を有することを特徴
とする多軸同期制御装置。

【００１０】（２）前記制御手段は、前記所定範囲を回
転数の変化にあわせて再計算することを特徴とする多軸
同期制御装置。

【００１１】（３）前記回転軸のうち、少なくとも１つ
は他の回転軸を同一方向へ移動させるための送り軸であ
ることを特徴とする多軸同期制御装置。

【００１２】（４）前記回転軸のうち、前記送り軸以外
の軸は、同期制御の加工軸であることを特徴とする多軸
同期制御装置。

【００１３】（５）前記同期制御の加工軸は、タッピン
グ用の加工軸であることを特徴とする多軸同期制御装
置。

【００１４】（６）複数の回転軸の回転数を監視し、設
定された所定範囲を越えて回転数が変動した軸を主軸と
し、他の軸を従軸として各軸の回転数を制御することを
特徴とする多軸同期制御方法。

【００１５】

【発明の効果】上記のように構成された本発明は、請求
項ごとに以下のような効果を奏する。

【００１６】請求項１記載の本発明によれば、複数の回
転軸の回転数を検出して、各軸ごとに所定範囲から外れ
た軸があった場合に、その回転軸を主軸にし、他の軸を
従軸とするようにしたので、回転数の変動した軸に合わ
せて他の軸を同期させることができるようになる。

【００１７】請求項２記載の本発明によれば、主軸を決
定する際に用いる所定範囲を回転数の変化に合わせて再
計算することとしたので、回転軸ごとに回転数の高低に
応じて主軸に切り替わる許容範囲を変えることができ
る。

【００１８】請求項３記載の本発明によれば、複数の回
転軸のうち、少なくとも一つの回転軸を送り軸とするこ
とで、他の複数の軸を、主軸に設定された軸の動作に合
わせて同一方向へ送り出すことができるようになる。

【００１９】請求項４記載の本発明によれば、複数の回
転軸のうち、送り軸以外の軸を同期制御の加工軸とする
ことで、複数の加工軸の動作と送り動作を同期させるこ
とが可能となる。

【００２０】請求項５記載の本発明によれば、同期制御
の加工軸をタッピング加工に用いる加工軸とすること
で、タッピングのように加工する軸の回転数と送り軸ピ
ッチを同期させる加工において、複数のタッピングを行
う加工軸と送り軸の送りピッチを同期させることが可能
となる。

【００２１】請求項６記載の本発明によれば、複数の回
転軸の回転数を検出して、所定範囲を越えて回転数が変
動した軸を主軸にし、他の軸を従軸とするようにしたの
で、回転数の変動した軸に合わせて他の軸を同期させる
ことができるようになる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下添付した図面を参照して本発
明の一実施の形態を説明する。

【００２３】図１は、本発明を適用する多軸工作機械の
概略構成図であり、図２はこの工作機械の各軸を同期制
御する多軸同期制御装置であるコントローラの機能を説
明するためのブロック図である。

【００２４】多軸工作機械１０は、第１〜第３加工軸１
１、１２、１３と、第１〜第３加工軸をそれぞれ独立に
速度制御する加工軸制御アンプ１４と、第１〜第３加工
軸１１、１２、１３を一度に同一方向へ移動させるため
の送り軸１５と、この送り軸１５の速度制御を行う送り
軸制御アンプ１６と、からなる。加工軸制御アンプ１４
と送り軸制御アンプ１６は、第１〜第３加工軸１１、１
２、１３と送り軸１５からなる複数の回転軸を同期制御
するための多軸同期制御装置であるコントローラ１に接
続されている。

【００２５】第１〜第３加工軸１１、１２、１３は、い
ずれも独立に回転するモータ（不図示）によって回転
し、このモータの回転数を検出するためのエンコーダ
（不図示）が設けられている。これら加工軸１１、１
２、１３は、ワーク１００の同一面を同じ方向に加工、
たとえばタッピング加工を行うためのものである。

【００２６】加工軸制御アンプ１４は、各加工軸の回転
数をコントローラ１から与えられる速度指令値と、エン
コーダからの速度フィードバック値を比較して、各加工
軸のモータ回転数が速度指令値となるように、モータ電
力を供給する。各エンコーダからの信号は、各アンプを
通してコントローラ１へ伝達されている。

【００２７】また、第１〜第３加工軸１１、１２、１３
は、可動台２０に設けられており、送り軸の動きにより
ワーク１００方向へ移動される。

【００２８】送り軸１５は、可動台２０をワーク１００
方向へ送り移動させるためのものであり、送り軸モータ
２１と、このモータ２１によって回転するボールネジ２
２からなる。ボールネジ２２は、可動台２０底部分に刻
まれたギア溝（不図示）と噛み合い、ボールネジ２２が
回転することで可動台２０がワーク方向へ前進または後
退する。送り軸モータ２１には、エンコーダ（不図示）
が設けられており、このモータ２１の回転数を検出す
る。

【００２９】送り軸制御アンプ１６は、送り軸モータ２
１の回転数をコントローラ１から与えられる速度指令値
と、エンコーダからの速度フィードバック値を比較し
て、送り軸モータ２１の回転数が速度指令値となるよう
に、送り軸モータ２１に電力を供給する。また、エンコ
ーダからの信号はコントローラ１へ伝達される。

【００３０】コントローラ内部は、図２に示すように、
各加工軸および送り軸ごとに共通の構成として、各軸の
回転位置を指令するための目標パルス作成部３１、４
１、５１、６１と、各軸に設けられているエンコーダか
ら出力されたパルスと目標パルスを比較する比較器３
２、４２、５２、６２と、各軸の回転数のずれ量が所定
値から外れているか否かを判定する偏差判定部３３、４
３、５３、６３と、各軸の回転速度を指令する指令値作
成部３４、４４、５４、６４と、を有し、さらに各偏差
判定部３３、４３、５３、６３の判定結果から主軸を決
定する主軸決定部７０からなる。

【００３１】目標パルス作成部３１、４１、５１、６１
は、主軸決定部７０によって主軸とされるか従軸とされ
るかによって動作が異なり、主軸として決定された場合
には、あらかじめ決められている加工位置となるよう
に、パルス信号を発生する。一方、従軸として決定され
た場合には、主軸として決定されている軸の目標パルス
に従って動作すべき目標パルスを発生する。

【００３２】この目標パルス作成部３１、４１、５１、
６１は、主軸の動作量にあわせて従軸の動作量を決める
ためのもので、たとえばタッピング加工を例に説明する
と、タッピングでは、タップを加工する加工軸の回転に
合わせて、ネジピッチ分送り軸を送り出さなければなら
ないので、この送り量を主軸となる加工軸の回転量に合
わせるため（たとえば加工軸１回転に対し１ピッチ分送
り出す）、それぞれ目標パルスが決定されている。これ
は、他の加工軸についても同様で、たとえばタップ径が
同じ加工軸では、同じ回転量となるように、異なるタッ
プ径であれば、それぞれのタップ径に合わせて、たとえ
ば主軸に対して従軸となった加工軸のタップ径が小さけ
れば、主軸の回転量よりもタップ径に合わせて、より多
く回転するように目標パルスが作成される。

【００３３】比較器３２、４２、５２、６２は、各軸の
エンコーダから出力されているエンコーダパルスと、目
標パルスとを比較して、その差分信号を出力する。

【００３４】偏差判定部３３、４３、５３、６３は、各
軸において加工が可能な回転数が、加工許容限界値とし
て設定されていて、比較器３２、４２、５２、６２から
出力された差分信号と加工許容限界値とを比較して、差
分信号が加工許容限界値を越えた場合には、その旨を主
軸決定部７０へ伝達する。

【００３５】加工許容限界値は、従軸となった回転軸に
おいては回転指令値にあわせて再計算される。これは、
回転数が低下または増加した分だけ、許容値の範囲を上
げ下げするものである。

【００３６】また、本実施の形態では、偏差判定部３
３、４３、５３、６３に加工許容限界値のほかに、さら
に加工停止限界値を設定している。これは、加工許容限
界値よりもさらに大きく回転数が変動した場合に備え
て、すべての加工軸と送り軸を停止させるための回転数
を決めたものである。

【００３７】なお、加工許容限界値および加工停止限界
値の値を回転数に対してどの程度の範囲とするかは、加
工軸の径や加工するワークの材質などによって異なるの
で、あらかじめ実験で求めたり、これまで経験値などを
加味して決めることになる。また、本実施の形態では、
図から分かるように、比較器３２、４２、５２、６２か
らの差分信号を用いているため、加工許容限界値および
加工停止限界値としては、回転数の絶対値ではなく、ど
の程度までずれた場合に加工許容限界または停止限界と
するかをパルス数の差として規定している。

【００３８】指令値作成部３４、４４、５４、６４は、
主軸決定部７０によって主軸とされるか従軸とされるか
によって動作が異なり、主軸として決定された場合に
は、自分の指令値に基づいてモータ電力を供給する。一
方、従軸と決定された場合には、主軸に決定されている
軸の速度指令値に対して、所定の速度比となるように回
転数を決定する。通常、タッピング加工やドリル加工の
場合には、加工する穴径が細いほど、その送り量に対す
る回転数が速くなる。

【００３９】次に、上述のように構成された本実施形態
における多軸同期制御装置の作用を説明する。

【００４０】図３は、コントローラ１の動作を説明する
ためのフローチャートであり、図４は上述した各加工軸
および送り軸の回転数変化を示す図面である。

【００４１】まず、工作機械の動作開始と共に、コント
ローラ１内の主軸決定部７０が最初に主軸にする軸を設
定する（Ｓ１）。これは複数の軸の中から最初に主軸と
して設定するものを決めるための処理で、基本的にはど
の軸を初期主軸としてもよいが、ここでは、あらかじめ
各軸に設定されている回転数の中で、最も速いものを初
期主軸に設定する。

【００４２】続いて、各軸に対する速度指令値が各軸の
指令値作成部３４、４４、５４、６４から出力される
（Ｓ２）。

【００４３】続いて、コントローラ１は、各軸のエンコ
ーダからのフィードバック値を監視し（Ｓ３）、各軸の
偏差判定部３３、４３、５３、６３において、加工許容
限界値を越えたか否かが判断される（Ｓ４）。

【００４４】この判断の結果、どこかの軸が加工許容限
界値を越えた場合には（Ｓ４、ＹＥＳ）、続いて、加工
停止限界値を越えたか否かを判断する（Ｓ１１）。ここ
で、加工停止限界値を越えた場合には、すべての軸を停
止して（Ｓ１２）、処理を終了する。一方、加工停止限
界値を越えていなければ、主軸決定部７０が加工許容限
界値を越えた軸を主軸とするように、主軸決定部７０に
おいて切り替えが行われる（Ｓ１３）。主軸切り替え後
は、ステップＳ２へ戻り処理を継続する。

【００４５】前記ステップＳ４において、判断の結果、
いずれの軸も加工許容限界値を越えていなければ（Ｓ
４、ＮＯ）、同期制御を実施する（Ｓ５）。

【００４６】続いて、加工完了か否かが判断されて、完
了していれば、そのまま処理を終了し、完了していなけ
れば、ステップＳ２へ戻り処理を継続する。

【００４７】以上の処理により、主軸の切り替えを行っ
た例を図４を参照して説明する。

【００４８】図４に示した例では、図４Ａに示す第１加
工軸の速度が初期回転数として最も速いので、加工の初
めこれが主軸（マスタ）に決定される。その他の軸は、
従軸（スレーブ）となる。

【００４９】その後、図４Ｂに示すように、途中で第２
加工軸のフィードバック値が加工許容限界値を越えて低
下すると、その時点でこの第２加工軸が主軸（マスタ）
に切り替わる。これにより他の軸は、図４Ａ、Ｃ、およ
びＤに示すように、切り替え時から後、従軸（スレー
ブ）となり、第２加工軸の回転数の変動に合わせて、指
令値が変更される。一方、主軸とされた第２加工軸の指
令値は、もとの指令値のままである。これは主軸に設定
された軸の場合、もともとその軸に設定されていた回転
数を維持するように動作すればよいので、図４に示した
例では主軸の変更が行われても第２加工軸の指令値は、
そのままとなっている。

【００５０】したがって、第２加工軸の回転数が許容限
界値を越えて変動しても、他の軸の回転数もこの変動に
同期して変化するため、すべての軸が加工不良を起こす
ことなく、良好に加工を継続することができる。

【００５１】以上本発明を適用した実施の形態を説明し
たが、本発明はこのような実施の形態に限定されるもの
ではない。たとえば上述した実施の形態では、複数の回
転軸として、３つの加工軸と１つの送り軸を例に説明し
たが、これらの回転軸の数は、いくつであってもよい。
たとえば複数の加工軸と２つの送り軸を持ち、複数の加
工軸をＸＹ平面において移動させるような工作機械、あ
るいは複数の加工軸と３つの送り軸を持ち、ＸＹＺ空間
において移動させるような工作機械などでも好適に用い
ることができる。

【００５２】また、上述した実施の形態では、各回転軸
の回転数を比較する際に、エンコーダパルスと目標パル
スを用いて比較を行ったが、これは、各回転軸の回転数
を検出するためにパルスエンコーダを用いたためであ
り、これに代えて、エンコーダからのパルス出力を一旦
回転数に変換した後、各軸の回転数と回転数指令値を比
較するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 多軸工作機械の概略構成図である。

【図２】 上記工作機械の各軸を同期制御するコントロ
ーラの機能を説明するためのブロック図である。

【図３】 コントローラの動作を説明するためのフロー
チャートである。

【図４】 各加工軸および送り軸の回転数変化を示す図
面である。

【符号の説明】

１…コントローラ １０…多軸工作機械 １４…加工軸制御アンプ １５…送り軸 １６…送り軸制御アンプ ２０…可動台 ２１…送り軸モータ ２２…ボールネジ ３１、４１、５１、６１…目標パルス作成部 ３２、４２、５２、６２…比較器 ３３、４３、５３、６３…偏差判定部 ３４、４４、５４、６４…指令値作成部 ７０…主軸決定部 １００…ワーク

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の回転軸と、前記複数の回転軸ごと
   に回転数指令値を出力する回転数指令手段と、 前記複数の回転軸ごとに実際の回転数を検出する回転数
   検出手段と、 前記回転数指令手段が出力した各回転軸の回転数指令値
   と、前記回転数検出手段が検出した各回転軸の回転数と
   を比較して、回転数指令値と回転数との差が所定範囲か
   ら外れている回転軸を主軸とし、他の回転軸を従軸とし
   て、該主軸に該従軸が同期するように前記回転数指令手
   段を制御する制御手段と、 を有することを特徴とする多軸同期制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記所定範囲を回転数
   の変化にあわせて再計算することを特徴とする請求項１
   記載の多軸同期制御装置。
3. 【請求項３】 前記回転軸のうち、少なくとも１つは他
   の回転軸を同一方向へ移動させるための送り軸であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の多軸同期制御装
   置。
4. 【請求項４】 前記回転軸のうち、前記送り軸以外の軸
   は、同期制御の加工軸であることを特徴とする請求項３
   記載の多軸同期制御装置。
5. 【請求項５】 前記同期制御の加工軸は、タッピング用
   の加工軸であることを特徴とする請求項４記載の多軸同
   期制御装置。
6. 【請求項６】 複数の回転軸の回転数を監視し、設定さ
   れた所定範囲を越えて回転数が変動した軸を主軸とし、
   他の軸を従軸として各軸の回転数を制御することを特徴
   とする多軸同期制御方法。