JP2004330368A - 切削抵抗検出方法及び切削抵抗による加工制御方法並びに制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】主軸モータ、工具を送る運動軸モータの電流値より主分力Ft、切削抵抗の各運動軸方向分力Fx,Fyを求める。工具1の半径Rと加工物2への切込み量Iより切削関与角αenを求める。各軸分配移動量ΔX,ΔYより移動方向角βを求める。主分力Ft と切削抵抗の各運動軸方向分力Fx,Fyの内1番大きい軸切削抵抗、切削関与角αen、移動方向角βにより、工具移動の接線方向切削抵抗Fm、法線方向切削抵抗Fsを求める。外乱の影響が少ない主分力Ftと1番大きい軸切削抵抗に基づいて前記切削抵抗Fm,Fsを求めるから、これらを精度高く求めることができる。工具移動の接線方向切削抵抗Fm、法線方向切削抵抗Fsを制御することにより、加工精度向上させ、工具寿命を長くすることができる。
【選択図】 図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械に関し、切削抵抗の検出、該検出された切削抵抗に基づく制御方法及び制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
工作機械において、切削加工中に、主軸や運動軸にかかる負荷をモニタリングして、加工異常や工具摩耗、工具寿命等を検出したり、さらに、検出負荷に基づいて運動軸の送り速度を減速制御して切削加工を制御する方法や、検出負荷が設定基準値を超えるような場合にはアラームを出力して機械停止を行うように制御する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この負荷を検出するには、主軸や運動軸を駆動するモータの駆動電流を検出し、この検出駆動電流に基づいて負荷を求める方法が知られている(例えば特許文献2参照)。又、主軸や運動軸を駆動するモータの制御系に外乱推定オブザーバを組み込み負荷トルクを推定する方法も知られている(特許文献1、特許文献3参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−76144号公報
【特許文献2】
特開平8−323585号公報
【特許文献3】
特開平7−51976号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
エンドミル加工においても、加工中の切削抵抗をモニタリングして、工具摩耗の検出、適応制御による加工精度・加工効率の向上など多くの制御が可能になり、加工の合理化が図れる。エンドミル加工では数十Nといった小さな切削抵抗をモニタリングする必要がある。最近のデジタル制御技術の発展により、主軸モータの電流値を用いてかなり小さい切削抵抗をもモニタリングできるようになっているが、エンドミル加工の制御で重要な工具移動接線方向切削抵抗、工具移動法線方向切削抵抗に分けて検出することはできない。工具を送る運動軸のサーボモータの駆動電流よりこの切削抵抗を工具移動接線方向切削抵抗、工具移動法線方向切削抵抗に分けてモニタリングすることも、一般のマシニングセンタ等の工作機械においては極めて困難であった。その原因は、加工物と工具を相対移動させるための案内とボールネジ系の摩擦抵抗が数百Nあるので、これが外乱となり、運動量の大きい軸はともかく、運動量の小さい軸のサーボモータの駆動電流値からはその方向に作用する小さな切削抵抗を検出することは非常に困難であった。そこで、本発明は、エンドミル加工において、主軸モータの電流値と運動軸モータの電流値とを合わせ用いて、切削抵抗を検出すること、検出された切削抵抗に基づく加工制御方法、及び制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本願請求項1に係わる発明は、エンドミル工具による加工における切削抵抗の検出方法であって、主軸モータ、運動軸のモータの電流値、エンドミル工具の半径値及び切削関与角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とするものである。請求項2に係わる発明は、請求項1の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成し、該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
請求項3に係わる発明は、請求項1の記載の切削抵抗検出方法で切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求め、該工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および/または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
請求項4に係わる発明は、請求項1の記載の切削抵抗検出方法で、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および/または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
【0007】
請求項5に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、求めた主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の1番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を検出するものである。
請求項6に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、移動量が1番大きい運動軸のモータの電流値より切削抵抗の該運動軸方向分力を求め、求めた主分力と運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を検出するものである。
請求項7に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、該各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求めるものである。
【0008】
請求項8に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【0009】
請求項9に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成する手段と、該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【0010】
請求項10に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、該切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【0011】
請求項11に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求める手段と、該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【0012】
そして、請求項12に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び/又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の1番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。又、請求項13に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び/又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、主分力と移動量が1番大きい運動軸の運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。さらに、請求項14に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び/又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。
【0013】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理から説明する。図1は、加工物2に対してスクエアエンドミル工具1により切り込み量Iで切削加工している状態を表す図である。主軸(工具)は正回転し(図1において時計方向周り)、切削方法はダウンカットを示している。
スクエアエンドミル工具1が加工物2を切削する際に関与する部分を示す切削関与角αen(正方向にとり、単位はラジアン)は、工具1の半径Rと切込み量Iより、次の式を演算して求めることができる。
【0014】
αen=cos−1((R−I)/R) …(1)
又、ボールエンドミルによる加工の場合には、図2、図3に示すように、切削関与角αenは次式によって求められる。
【0015】
αen=cos−1((R*sin(θ)−I)/(R*sin(θ)))…(2)
すなわち、図2はボールエンドミル工具1により加工物2を切削している状態を表す斜視図であり、図3はその正面図である。この場合も工具半径をR、切込み量をIとする。又、工具軸方向切込み量をJとする。図3に示すように、加工物2を切削しているボールエンドミル工具1の先端部分を示す先端切削関与角θは、次の3式で求められる。
【0016】
θ=cos−1((R−J)/R) …(3)
又、図2に示すように、切削している部分の工具半径R’は、R’=Rsin(θ)となるから、切削関与角αenは、スクエアエンドミル工具1における切削関与角αenを求める1式の半径Rの代わりにR’(=Rsin(θ))を代入した上記2式によって求められることになる。
【0017】
図4は、主軸モータの電流値、工具1を送る運動軸(X軸、Y軸)を駆動するモータの電流値及び切削関与角αen等に基づいて、切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsを求める原理説明図である。
【0018】
この工作機械の座標系を図4に示すようにX−Yとし、切削の基準座標系をFt0−Fn0とする。加工物2に対するエンドミル工具(スクエアエンドミル工具,ボールエンドミル工具)1の移動方向角β(単位:ラジアン)は、X軸方向の運動軸への補間データΔXとY軸方向の運動軸への補間データΔYにより、次の式を演算して求めることができる。
【0019】
β=tan−1(ΔY/ΔX) …(4)
但し、この補間データより求められる移動方向角βは0〜πまでで、ΔY<0のときには、この移動方向角βは、補間データより求めたβにπを加算したもの(β=β+π)となる。
【0020】
又、切削関与角αenは上述したように、工具半径R、切込み量I、さらには工具軸方向切込み量Jによって、1式又は2式によって求められるものであり、CAMの段階において決定されており、加工プログラムに記載しておいてもよく、又は、加工プログラムで指定された工具の半径R、切込み量I,Jに基づいて、算出してもよい。そして、求められた切削関与角αenより切削点角γは次の5式で求められる。
【0021】
γ=β−{(π/2)−αen} …(5)
そして、主分力(主軸回転方向の接線方向の切削抵抗)Ftは、主軸電流値Asと工具半径Rを含む係数Kt(R)から次の6式より求めることができる。
【0022】
Ft=Kt(R)*As …(6)
又、切削抵抗ベクトルFのX軸方向分力(X軸方向切削抵抗)、Y軸方向分力(Y軸方向切削抵抗)Fx,Fyは、それぞれ各運動軸X,Yのサーボモータの電流値Avx,Avyと各軸のボールネジのピッチPx,Pyを含む係数Kx(Px),Ky(Py)によって、次の7、8式によって求めることができる。
【0023】
Fx = Kx(Px)*Avx …(7)
Fy = Ky(Py)*Avy …(8)
ここで、主分力(主軸回転方向の接線方向の切削抵抗)Ft及び背分力(主軸回転方向の法線方向の切削抵抗)Fnを求めることは、切削抵抗ベクトルFを(γ+π/2)(単位:ラジアン)だけ逆回転させて、工具回転方向の逆方向への接線方向軸Ft0、その工具中心への法線方向軸Fn0を座標軸とする基準座標系(Ft0,Fn0)に変換することであるので、(Fx,Fy)を(γ+π/2)(単位:ラジアン)だけ逆回転させた、次の9式の関係式が成り立つ。
【0024】
【数1】
【0025】
さらに、切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fm、工具移動法線方向切削抵抗Fsは、(Ft,Fn)を切削関与角αenだけ回転することによって、次10式のように求めることができる。
【0026】
【数2】
【0027】
したがって、9式、10式から次の11式の関係式も成り立つ。
【0028】
【数3】
【0029】
本発明は、切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsを求めるものであるが、移動方向角βは補間データから求められ、切削関与角αen、切削点角γは加工プログラムに記述されたデータより求められるものであるから、運動軸のX軸,Y軸の駆動電流を検出し7,8式によって、切削抵抗ベクトルFのX軸,Y軸方向分力Fx,Fyを求め、11式の演算を行うことによって、切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsを求めることができる。
【0030】
しかし、前述したように、運動軸X,Y軸にかかる負荷は、案内やボールネジの摩擦抵抗を含むものであるから、検出精度が落ちる。一方、主分力(主軸回転方向の接線方向の切削抵抗)Ftは、6式に示すように、主軸モータの駆動電流値Asによって求められる。主軸モータの回転出力トルクは、主軸を介して該主軸に取り付けられているエンドミル工具1を回転させるものであり、伝動経路には摩擦抵抗等は少なく、主軸モータの駆動電流値(出力トルク)は切削抵抗Ftによって生じる電流値を運動軸の場合よりもより正確に表し、この主軸モータの駆動電流値によって求められる主分力(主軸回転方向の接線方向の切削抵抗)Ftは、精度の高い接線方向の切削抵抗を表している。
【0031】
そこで、切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsを求めるには、より精度の高い主分力Ftを用いるようにする。9式より、主分力Ftと切削抵抗ベクトルFのX軸方向分力Fx又はY軸成分Fyのどちらか一方が分かれば、(Ft,Fn)が求まり、この(Ft,Fn)を10式に代入することによって、(Fm,Fs)すなわち切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsが求まる。よって、より精度高く求めるために、7式、8式で求めた切削抵抗ベクトルFのX軸,Y軸方向分力Fx,Fyの内、絶対値の大きい方を使用する。若しくは、X軸,Y軸のうち移動量の大きい軸に対応する軸方向分力Fx又はFyを使用する。さらには、7式、8式で求められる切削抵抗ベクトルFのX軸方向分力Fx又はY軸成分Fyを用いて11式により切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fmを求め(一般に、工具移動接線方向切削抵抗Fmの方が工具移動法線方向切削抵抗Fsより大きい値となることから、誤差を少なくするために11式から求められる工具移動接線方向切削抵抗Fmを採用する)、この工具移動接線方向切削抵抗Fmと1式で求めた主分力Ftを用いて10式より工具移動法線方向切削抵抗Fsを求める。
【0032】
以上まとめると、
(a)6式で求めた主分力Ftと、7式,8式で求めたX軸,Y軸方向分力Fx,Fyの内、絶対値の大きい方を使用して9式、10式より、工具移動接線方向切削抵抗Fm、工具移動法線方向切削抵抗Fsを求める。
(b)6式で求めた主分力Ftと、7式,8式で求めた切削抵抗のX軸,Y軸方向分力Fx,Fyの内、X軸,Y軸の移動量(ΔX,ΔY)が大きい方を使用して9式、10式より、工具移動接線方向切削抵抗Fm、工具移動法線方向切削抵抗Fsを求める。
(c)7式,8式で求めた切削抵抗のX軸,Y軸方向分力Fx,Fyより11式で切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fmを求め、該工具移動接線方向切削抵抗Fmと6式で求めた主分力Ftにより10式により工具移動法線方向切削抵抗Fsを求める。
こうして検出された切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsを使用して以下のように各種切削加工制御が可能になる。
【0033】
(i)切削抵抗ベクトルFを一定以下になるように制御する。
切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsより、次の12式の演算を行うことによって合成切削抵抗Fcを求め、該合成切削抵抗Fcを設定した一定値Fc0、又はそれ以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御する。
Fc=√(Fm2+Fs2) …(12)
又、ボールエンドミルの場合は、切削抵抗のZ軸方向分力(Z軸方向切削抵抗)Fzを、運動軸Zのサーボモータの電流値AvzとZ軸のボールネジのピッチPzを含む係数Kz(Pz)から、次の13式によって求め、合成切削抵抗Fcを14式で求め、該合成切削抵抗Fcを設定した一定値Fc0、又はそれ以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御することもできる。
Fz = Kz(Pz)*Avz …(13)
Fc=√(Fm2+Fs2+Fz2) …(14)
合成切削抵抗Fcは工具に対する合成切削抵抗を意味するものであるから、この合成切削抵抗Fcが常に適切に設定した一定値Fc0、又はそれ以下に制御することによって、
・工具寿命を延ばすことができる。
・熱の発生を抑え、熱変位による加工誤差を小さくする。
等の効果を達成することができる。
【0034】
(ii)工具移動法線方向切削抵抗Fsを制御する。
工具進行方向垂直方向の切削抵抗である工具移動法線方向切削抵抗Fsが常に一定値Fs0、又はそれ以下となるように送り速度および/または主軸速度を制御する。
工具移動法線方向切削抵抗Fsは、工具進行方向垂直方向に作用する力であり、エンドミル工具1を加工面垂直方向から倒す(傾ける)原因となる。エンドミル工具1が倒れて(傾いて)加工が行われると、加工面はその倒れ分加工精度が低下する。よって、工具移動法線方向切削抵抗Fsを一定値、又は一定値以下に制御することによって、倒れが一定以下となることにより、加工形状精度の低下を防止することができる。
【0035】
(iii)切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Fmを制御する。
工具進行方向の切削抵抗である工具移動接線方向切削抵抗Fmが設定された一定値Fm0又は該一定値Fm0以下となるように送り速度および/または主軸速度を制御する。
工具進行方向の切削抵抗の大/小により生じる加工むらを改善することができ、加工むらに原因する加工面品位の低下を防止することができる。
【0036】
なお、図1、図2および図4では、主軸(工具1)は正回転、切削方法はダウンカット、工具1が移動する例で説明したが、主軸逆回転、および/または、切削方法はアップカット、および/または、テーブル移動する場合も上述したと同様に適用できるものである。また、運動軸としてX軸,Y軸のみの移動に着目したが、任意の軸の移動を対象にすることも可能である。
【0037】
次に、上述した主軸モータを駆動するモータの電流値より求めた切削抵抗がどの程度正確に検出できるかを、スクエアエンドミル工具を用いて検証した。
図5は試験装置の概要を示す図である。
運動軸X軸、Y軸の切削抵抗の測定用に高感度な圧電素子を用いた工具動力計4を用い、この工具動力計4上に設置した加工物2をスクエアエンドミル工具1で切削する。この図5に示す例では、工具1が取り付けられた主軸6が直交するX,Y,Z軸方向に移動し、かつ主軸モータ5で工具1は駆動され回転する。なお、符号7は主軸アンプであり、該主軸アンプ7より主軸のモータ電流値Asを検出した。
【0038】
動力計4により検出された切削抵抗をFdx,Fdyとし、9式の(Fx,Fy)に代入し、切削関与角αen、を用いて次の15式により接線方向の切削抵抗Fdtを求める。
Fdt=cos(−γ−π/2)*Fdx−sin(−γ−π/2)*Fdy …(15)
そして、求めた接線方向の切削抵抗Fdt に工具1の半径Rを乗じて(Fdt*R)「動力計によるトルク値(切削抵抗値)」を得る。又、主軸モータ電流Asから6式によって導かれるFtを「主軸モータ電流による接線方向の切削抵抗値」とし、両者を比較することによって、主軸モータ電流Asから6式によって導かれるFtがどの程度信頼性あるものであるかを検証した。その結果を図7に示す。
【0039】
加工1は、図6(a)に示すように、主軸正回転させながら、加工物2に対して工具1をX軸マイナス方向(180度方向)に移動させ、ダウンカット(工具は正回転、加工物2は工具進行方向右側)による加工であり、工具半径R=0.005mを用いた加工である。
又、加工物2は、図6(b)に示すように、加工1と同一の工具を用い、主軸正回転させながら、X軸、Y軸マイナス方向(225度方向)に移動させ、ダウンカット(工具は正回転、加工物2は工具進行方向右側)による加工である。そして送り速度、切込み量を変えて測定したものである。
【0040】
この図7の比較表が示すように、「動力計によるトルク値(切削抵抗値)Fdt*R」と6式から求めた「主軸モータ電流による切削抵抗値Ft 」はよく一致しており、6式によるFtは本発明における計算値として十分使用できる。さらに、(a)〜(c)に示した方法によりFm,Fsが計算できるため、精度の高い工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsを9式〜11式によって得ることができる。
【0041】
図8は本発明の一実施形態の制御装置の機能ブロック図である。NCプログラムB1に記述されたプログラム情報を読込み(B2)、その情報が移動指令であれば、該情報を解析し(B3)、補間処理を行って(B4)、各運動軸のサーボ制御部30に出力する。サーボ制御部30は、指令された移動指令と位置・速度検出器60からの位置、速度フィードバック信号に基づいて、位置、速度ループ制御を行い、さらには、図示しない電流検出器からのフィードバック信号に基づいて電流ループ制御を行い、運動軸のサーボモータ50をサーボアンプ40を介して駆動制御する。又、プログラム情報が主軸への回転指令であれば指令された回転速度指令を主軸制御部70に出力し、主軸制御部70は、指令された回転速度とポジションコーダ73からの速度フィードバック信号に基づいて速度ループ制御を行い、主軸アンプ71を介して主軸モータ72を指令回転速度で駆動制御する。
【0042】
一方、工具径(指令工具によって求められる工具径)R,切込み量I,工具軸方向切込み量Jのプログラム情報が読み込まれると、これらの情報は記憶される。又、補間処理(B4)によって得られたX,Y軸への移動指令量ΔX,ΔY、及びサーボ制御部で求められている運動軸X,Y軸を駆動するモータの駆動電流Avx,Avy及び主軸モータの駆動電流Asを読み取り(B6)、これらの情報R,I,J,ΔX,ΔY,Avx,Avyに基づいて、上述した1式〜11式により、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Fm、工具移動法線方向切削抵抗Fsを求め、求めた工具移動接線方向切削抵抗Fm、工具移動法線方向切削抵抗Fsより、上述した(i)〜(iii)の制御しようとする事項に応じて、運動軸の送り速度のオーバライド値、主軸回転速度に対するオーバライド値を算出する(B8、B7)。そして、送り速度のオーバライド値は、プログラムB1で指令された送り速度に対して求めたオーバライド値を乗じて、送り速度を算出し(B5)、補間処理部(B4)では該送り速度で補間処理を行う。又、主軸制御部70は、求められた主軸オーバライド値をプログラム指令された主軸速度に乗じて新たな主軸速度を求めて、該主軸速度になるように制御する。
これにより、上述した(i)〜(iii)の制御の目的を達成させるものである。
【0043】
図9は、本発明を実施する一実施形態の制御装置10のハードウエアの要部ブロック図である。
CPU11は制御装置10を全体的に制御するプロセッサである。CPU11は、フラッシュメモリ12に格納されたシステムプログラムをバス20を介して読み出し、DRAM13に格納し、該DRAM13に格納された該システムプログラムに従って制御装置全体を制御する。該DRAM13には一時的な計算データや表示データ及び表示器/MDIユニット80を介してオペレータが入力した各種データも格納される。Back−upメモリ14は図示しないバッテリでバックアップされ、制御装置10の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。Back−upメモリメモリ14中には、インターフェイス15を介して読み込まれた加工プログラムや表示器/MDIユニット80を介して入力された加工プログラム等が記憶される。また、フラッシュメモリ12には、上述した切削抵抗に基づく加工制御方法を実施する各種システムプログラムがあらかじめ書き込まれている。
【0044】
インターフェイス15は、制御装置10と外部機器との接続を可能とするものである。外部機器からは加工プログラム等が読み込まれる。PMC(プログラマブル・マシン・コントローラ)16は、制御装置10に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置にI/Oリンク17を介して信号を出力し制御する。
【0045】
表示器/MDIユニット80は液晶やCRT等のディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インターフェイス18は表示器/MDIユニット80のキーボードからの指令,データを受けてCPU11に渡す。インターフェイス19に接続された操作盤81には手動パルス発生器や各種スイッチ等が設けられている。
【0046】
各運動軸X,Y,Zの軸制御回路30〜32はCPU11からの各運動軸の移動指令を受けて、位置、速度、電流のループ制御を行い各運動軸の駆動指令をサーボアンプ40〜42に出力する。サーボアンプ40〜42はこの指令を受けて、各運動軸のサーボモータ50〜52を駆動する。各運動軸のサーボモータ50〜52は位置・速度検出器60〜62を内蔵し、この位置・速度検出器60〜62からの位置、速度フィードバック信号をサーボアンプ40〜42を介して軸制御回路30〜32にフィードバックし、軸制御回路30〜32は移動指令とこのフィードバック信号に基づいて位置・速度のループ制御を行う。又、図示していないが、サーボアンプ40〜42から駆動電流のフィードバックがなされており、軸制御回路30〜32はこの電流フィードバック信号により電流ループ制御をも実施している。なお、この軸制御回路30〜32フィードバックされてくる駆動電流のフィードバック信号は、読み出され本発明の切削抵抗の算出に利用される。
【0047】
また、主軸制御回路70は主軸回転指令を受け、主軸アンプ71に主軸速度信号を出力する。主軸アンプ71は主軸速度信号を受けて、主軸モータ72を指令された回転速度で回転させる。ポジションコーダ73は、主軸モータ72の回転に同期して帰還パルスを主軸制御回路70にフィードバックし、速度制御を行う。さらに、主軸制御回路70は、主軸アンプから主軸モータの駆動電流のフィードバックを受けて電流ループ制御をも行っている。そして、本発明に関係して、この主軸モータ72の駆動電流のフィードバック信号は読み出され切削抵抗による加工制御に利用される。
【0048】
上述した制御装置10のハードウェア構成は従来から公知の数値制御装置の構成と同一であり、相違する点は、切削抵抗による加工制御のプログラムがフラッシュメモリ12に格納されている点である。
【0049】
図10は、本実施形態の制御装置が所定周期(分配周期)毎に実施する切削抵抗による加工制御方法による処理フローチャートである。
まず、運動軸X,YのボールネジピッチPによって決まる7式、8式における係数Kx(Px),Ky(Py)は予めパラメータ設定されている。又、工具1の半径Rによって決まる6式における係数Kt(R)は、使用する工具1に対して予め設定記憶されている。さらに、オーバライドOVRを調整するための抵抗値F0も、上述した(i)〜(iii)の制御に応じて、設定しておく、すなわち、合成切削抵抗Fcが一定値Fc0以下にになるように制御する上記(i)の制御の場合には、この目標とする一定値Fc0を、設定値Fc0として設定しておく。又、上記(ii)の制御の場合で、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗Fsを一定値Fs0以下に制御する場合はこの一定値Fs0を設定する。又、上記(iii)の制御の場合で、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Fmを一定値Fm0以下に制御する場合はこの一定値Fm0を設定しておく。
【0050】
CPU11が加工プログラムを読み込むが、工具半径R、切込み量I、工具軸方向切込み量Jが読み込まれたとき、移動指令の分配処理を行う前の前処理において、読み込んだ工具半径R、切込み量I、工具軸方向切込み量Jに基づいて1式又は2式によって切削関与角αenを算出し記憶しておく。
【0051】
そして、所定周期(分配処理周期)毎、図10の処理を実行する。
まず、前処理段階で求められ記憶されている切削関与角αenを読み込むと共に補間処理によって補間データΔX,ΔYを読み出す(ステップ100,101)。この読み出した補間データΔX,ΔYにより4式の演算(β=tan−1(ΔY/ΔX))を行って移動方向角βを求める。この場合、ΔYが負であれば、πを加算してβ=β+πとする(ステップ102)。
【0052】
次に、移動方向角βと切削関与角αenから5式の演算(γ=β−{(π/2)−αen})を行い切削点角γを求める(ステップ103)。そして、主軸制御回路70、軸制御回路30,31より主軸モータの駆動電流値As及び運動軸のX,Y軸のモータ駆動電流値Avx,Avyを読み込む(ステップ104)。
【0053】
こうして求めた、切削関与角αen,移動方向角β,切削点角γ,主軸モータの駆動電流値As,X,Y軸のモータ駆動電流値Avx,Avyに基づいて、工具移動接線方向切削抵抗Fm又は工具移動法線方向切削抵抗Fs又は合成切削抵抗Fcを求める(ステップ105)。
すなわち、主軸モータの駆動電流値Asと設定されている工具径Rに対応する係数Kt(R)に基づいて6式の演算を行うことによって、主分力(主軸回転方向の接線方向の切削抵抗)Ftを求め、モータ駆動電流値Avx,Avyと設定されている係数Kx(Px),Ky(Py)に基づいて7式、8式の演算を行って、切削抵抗の各運動軸方向分力Fx,Fyを求める。
【0054】
こうして求められた主分力Ft,切削抵抗の各運動軸方向分力Fx,Fyと切削関与角αen,移動方向角β,切削点角γにより、9式から11式を用いて、上述した(a)〜(c)の工具移動接線方向切削抵抗Fm、工具移動法線方向切削抵抗Fsを求める方法により、これら工具移動接線方向切削抵抗Fm、工具移動法線方向切削抵抗Fsを求める。但し、上述した(i)の合成切削抵抗Fcで加工を制御する場合には、工具移動接線方向切削抵抗Fm、工具移動法線方向切削抵抗Fsを共に求めて、12式の演算処理を行うことによって合成切削抵抗Fcを求める。又、上述した(ii)の工具移動法線方向切削抵抗Fsで加工を制御する場合には、工具移動法線方向切削抵抗Fsを求め、(iii)の工具移動接線方向切削抵抗Fmで加工を制御する場合には、工具移動接線方向切削抵抗Fmを求めるだけでよい。
【0055】
次に、こうして求めた合成切削抵抗Fc、工具移動法線方向切削抵抗Fs又は工具移動接線方向切削抵抗Fmと、設定された設定値F0と比較する(ステップ106)。すなわち、(i)の合成切削抵抗Fcによる制御方法の場合には、設定値Fc0と合成切削抵抗Fcを比較し、(ii)の工具移動法線方向切削抵抗Fsによる制御方法の場合には、設定値Fs0と工具移動法線方向切削抵抗Fsを比較し、(iii)の工具移動接線方向切削抵抗Fmによる制御方法の場合には、設定値Fm0と工具移動接線方向切削抵抗Fmを比較する。設定値F0(=Fc0,Fs0,Fm0)方が大きいときには(加工開始時には通常、設定値F0の方が大きい)、オーバライド値OVRを0%とし(ステップ111)、オーバライド処理を行わず、運動軸の送り速度、主軸の回転速度をプログラムで指令された送り速度、主軸回転速度とし、運動軸X,Y及び主軸を制御することになる。
【0056】
一方、合成切削抵抗Fc、工具移動法線方向切削抵抗Fs又は工具移動接線方向切削抵抗Fmがそれぞれの設定値Fc0,Fs0,Fm0を越えたときには、オーバライド値OVRが「0」か判断する(ステップ107)。すなわち、加工を開始してから最初に設定値を超えたか否か判断する。「0」ならばオーバライド値OVRを「100%」として(ステップ108)、ステップ109に進む。又、ステップ107でオーバライド値OVRが「0」でない場合は、そのままステップ109に進む。ステップ109では、設定値F0(=Fc0又はFs0又はFm0)と求めた力F(=Fc又はFs又はFm)の比F0/F(=Fc0/Fc又はFs0/Fs又はFm0/Fm)に現在のオーバライド値OVRを乗じて新たなオーバライド値OVRを求める。
【0057】
そして、現在プログラムで指令されている送り速度にこの新たに求めたオーバライド値OVRを乗じて、切削抵抗を一定値以下に保持するように制御された送り速度を求める。そしてこの求められた送り速度により、運動軸X,Yへの補間処理を行い移動指令を軸制御回路30,31に出力し、サーボモータ50,51を制御する。又は、プログラム指令の主軸回転速度にオーバライド値OVRを乗じて新たな主軸回転速度を求め、この主軸回転速度を主軸制御回路70に指令して、主軸モータ72を制御する。さらには、プログラムされた送り速度、主軸回転速度にオーバライド値OVRを乗じて、新たな送り速度、主軸回転速度を求め、運動軸X,Yのサーボモータ50,51、主軸モータ72を制御する。
【0058】
【発明の効果】
本発明は、エンドミル加工において、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を検出することができるので、検出した工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗により各種目的に応じた加工制御ができる。工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成した合成切削抵抗を求めて、該合成切削抵抗を一定値以下に制御することにより、工具寿命を延ばすことができ、又、熱の発生を抑え、熱による加工誤差を小さくすることができる。さらに、工具移動法線方向切削抵抗を一定値以下に制御することによって、工具の倒れ(工具軸の傾き)を小さくし、工具倒れによる加工誤差を小さくすることができ加工形状精度を向上させることができる。
さらに、工具移動接線方向切削抵抗を一定値以下に制御することによって、加工むらなくし、加工面の品質低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明するためのスクエアエンドミルによる切削加工状態を表す斜視図である。
【図2】本発明の原理を説明するためのボールエンドミルによる切削加工状態を表す斜視図である。
【図3】図2における正面図である。
【図4】本発明における切削抵抗ベクトルFの工具移動接線方向切削抵抗Fmと工具移動法線方向切削抵抗Fsを求める原理説明図である。
【図5】本発明により求める切削抵抗の精度を検証するための試験装置の概要を示す図である。
【図6】実験装置により実施した加工例の説明図である。
【図7】実験結果を表す図である。
【図8】本発明の一実施形態の機能ブロック図である。
【図9】本発明の一実施形態の制御装置のハードウェアの要部ブロック図である。
【図10】同一実施形態における切削抵抗による加工制御方法の処理フローチャートである。
【符号の説明】
1 エンドミル工具
2 加工物
10 制御装置
αen 切削関与角
β 移動方向角
γ 切削点角
Fx X軸方向分力(X軸方向切削抵抗)
Fy Y軸方向分力(Y軸方向切削抵抗)
Ft 主分力(主軸回転方向の接線方向の切削抵抗)
Fn 背分力(主軸回転方向の法線方向の切削抵抗)
Fm 工具移動接線方向切削抵抗
Fs 工具移動法線方向切削抵抗
R 工具半径
I 切込み量
J 工具軸方向切込み量
Claims (14)
- エンドミル工具による加工において、主軸モータ、運動軸のモータの電流値、エンドミル工具の半径値、および切削関与角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とする切削抵抗検出方法。
- 請求項1の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成し、該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御するエンドミル工具による加工の制御方法。
- 請求項1の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および/または主軸速度を制御するエンドミル工具による加工の制御方法。
- 請求項1の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および/または主軸速度を制御するエンドミル工具による加工の制御方法。
- 請求項1の切削抵抗検出方法または請求項2乃至4の内のいずれか1項に記載のエンドミル工具による加工の制御方法において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、求めた主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の1番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とする切削抵抗検出方法。
- 請求項1の切削抵抗検出方法または請求項2乃至4の内のいずれか1項の記載のエンドミル工具による加工の制御方法において、主軸モータの電流値より主分力を求め、移動量が1番大きい運動軸のモータの電流値より切削抵抗の該運動軸方向分力を求め、求めた主分力と運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とする切削抵抗検出方法。
- 請求項1の切削抵抗検出方法または請求項2乃至4の内いずれか1項の記載のエンドミル工具による加工の制御方法において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、該各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求めることを特徴とする切削抵抗検出方法。
- エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、
主軸モータの電流値を検出する手段と、
検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、
各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、
検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、
工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、
切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、
主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置。 - エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、
主軸モータの電流値を検出する手段と、
検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、
各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、
検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、
工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、
切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、
主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、
切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成する手段と、
該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置。 - エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、
検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、
各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、
検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、
工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、
切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、
主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、
該切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置。 - エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、
検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、
各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、
検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、
工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、
切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、
主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求める手段と、
該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および/または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置。 - 前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び/又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段は、主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の1番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を求める請求項8乃至11の内いずれか1項に記載のエンドミル工具による加工の制御装置。
- 前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び/又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段は、主分力と移動量が1番大きい運動軸の運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び/又は工具移動法線方向切削抵抗を求める請求項8乃至11の内いずれか1項に記載のエンドミル工具による加工の制御装置。
- 前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び/又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段は、各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求める請求項8乃至11の内いずれか1項に記載のエンドミル工具による加工の制御装置。
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