JP2007293715A - 工作機械におけるワークの切削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の運転方法に関し、工具がワークに食い付くときのピーク負荷による工具の折損を防止し、送り速度を低くすることによって生ずる加工時間の無駄をなくす。
【解決手段】工具送りモータ４のトルクを定常トルクより低い値に制限して、すなわち、工具の送り力を低くして、定常送り速度で工具をワークに接近させ、工具とワークとの接触が検出されたときに、トルク制限を外すとともに工具送り速度を低くして工具をワークに食い付かせ、そのあと低くした工具送り速度を定常送り速度に戻す。トルク制限は、モータに供給する電流値を制限することによって行われる。工具とワークとの接触の検出は、工具送りモータの電流値の変化や、工具送りモータの制御系に生ずる位置偏差の変化によって検出する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、工作機械で主として金属ワークの切削加工、特に、ワークに対する工具の送り速度を速くしたり工具の切込み深さを深くすることによってワーク表面からの材料の除去量を大きくする、重切削を行う際に好適な、工作機械の運転方法に関するものである。

工作機械を用いた切削加工において、ワークに対する工具の切込み深さや送り速度を大きくして重切削加工を行えば、ワーク表面からの単位時間当たりの材料除去量を多くすることができるから、より能率の良い加工が実現できる。しかし、重切削加工は、ワークから工具に作用する切削反力が大きくなる分だけ工具や工具送りモータに作用する負荷が増大する。

工作機械におけるワークの切削は、工具をワークに早送り速度で接近させ、工具がワークに接触する（食い付く）直前で工具の送り速度（ワークに対する相対送り速度を言う。）を切削時の送り速度（以下、「定常送り速度」と言う。）に切換え、工具を所定の切削終了位置まで送ることによって行われる。

早送りでワークに接近した後、定常送り速度でワークに向けて送られる工具とワークとが接触する瞬間に、それまで無負荷で送られてきた工具刃先とワーク端面との衝突により、工具や工具送りモータにピーク負荷が作用する。

図４は、このことを示した図で、同図の（ａ）は図の矢印Ａ方向に送られてきた工具２がワーク１を所定距離旋削加工したときの状態を示している。このとき、同図（ｂ）のように、工具２を定常送り速度Ｖｃの一定速度で送ると、工具２や工具送りモータに掛かる負荷（切削反力によって工具に作用する応力及び工具送りモータに作用するトルク）が同図（ｃ）に示すように変化する。すなわち、工具２がワーク１に接触する前の無負荷状態での負荷Ｔａから切削時の負荷Ｔｃに変化するが、両者の間の工具２の刃先２ａがワーク１の端部１ａに接触した（食い付いだ）ときに、切削負荷Ｔｃより大きなピーク負荷Ｔｐが発生する。このピーク負荷Ｔｐが工具２の機械的強度を超えていると、工具２がワーク１に食い付いたときに、工具２が折損するということが起こる。

このピーク負荷による工具折損のおそれがあるとき、従来は、図５に示すように、早送り速度でワークに接近した工具をその定常送り速度Ｖｃより遅い接近速度Ｖａでワークに所定距離Ｄだけ食い込ませた後、工具速度を定常送り速度Ｖｃに戻すという加工方法が採用されていた。この方法によれば、工具の刃先２ａがワークの端部１ａに接触したときのピーク負荷Ｔｐを定常送り速度での切削時の負荷Ｔｃ近くまで低くすることができ、ピーク負荷Ｔｐによる工具２の折損を回避することができる。
特開平５‐３０１１４７号公報

ワークの切削を図４で説明した方法で加工する場合、工具の折損を避けるためには、工具の定常送り速度Ｖｃをピーク負荷Ｔｐで工具破損が起こらない程度に低くする必要があり、加工時間が長くかかる。また、図５で説明した方法で加工を行うと、定常送り速度Ｖｃを工具やワークの材質によって決定される許容切削速度まで上げることができるので、図４の方法に比べて加工時間を短くすることができる。しかし、工具の早送りがワークの手前で終了した後、工具がワークに所定距離Ｄだけ食い込むまでの区間は、定常送り速度Ｖｃより遅い速度Ｖａで工具送りを行うため、この区間の工具送りに時間がかかり、加工時間が長くなる。特にワークの加工形状が複雑で、工具のワークに対する食い付きが頻繁に行われる加工においては、全体の加工時間に対して工具が定常送り速度より遅い速度Ｖａで移動している時間の割合が大きくなるので、加工時間に大きな無駄が生ずることになる。

この発明は、工具がワークに食い付くときのピーク負荷による工具の折損を防止しながら、工具がワークに食い付くときの工具の送り速度を低くすることによって生ずる加工時間の無駄をなくし、切削加工におけるワークの加工時間を短縮することを可能にする技術手段を得ることを課題としている。

この発明は、工具送りモータ４のトルクを定常トルク（指令された加工条件での加工時に作用するトルク）より低い値Ｍａに制限して、すなわち、工具２の送り力を低くして、定常送り速度Ｖｃで工具２をワーク１に接近させ、工具２とワーク１との接触が検出されたときに、トルク制限を外すとともに工具送り速度を低くして工具２をワーク１に食い付かせ、そのあと低くした工具送り速度Ｖｓを定常送り速度Ｖｃに戻すという加工方法を提供することにより、上記課題を解決したものである。

工具の定常送り速度Ｖｃは、工具の種類やワークの材質、要求される加工面精度などによって決まる許容送り速度ないしこれに近い速度に設定されるのが普通である。この発明の方法で工具２をワーク１に接近させるときの速度は、必ずしも定常速度Ｖｃと同じである必要はなく、加工条件やトルク制限の程度との関係で、定常送り速度Ｖｃより遅い速度に設定するのが好ましい場合もあり得る。

工具送りモータ４のトルク制限は、通常、モータ４に供給する電流値を制限することによって行われる。工具２とワーク１との接触の検出は、工具送りモータ４の電流値の変化や、工具送りモータ４の制御系に生ずる位置偏差の変化によって検出することができる。

位置偏差δは、制御器から送られてくる位置信号（目標値の信号）ａと、実際の工具の位置ないしモータの回転角ｂとの間に生ずる偏差である。ＮＣ工作機械の工具送りモータ４として使用されているサーボモータの負荷トルクに急激な変化があると、この位置偏差δが大きく変動する。工具とワークとの接触は、この位置偏差δの変化によって正確に検出することができる。

工具２がワーク１に食い付いたあと、定常送り速度への復帰を開始する区間Ｄはできるだけ短くし、工具がワークに食い付いたあと速やかに定常送り速度に復帰させるのが好ましい。定常送り速度への復帰は、一回で行うことも複数回で行うこともでき、また連続的に速度を上げる方法で行うこともできる。

本願の請求項１の発明に係る工作機械におけるワークの切削加工方法は、工具送りモータ４にトルク制限をかけてワーク１に接近させ、工具２とワーク１の接触を検知したときに工具送り速度を減速すると共に上記のトルク制限を解除し、そのあと工具２を所定距離送ったあと工具送り速度を加工プログラムで指定された切削時の送り速度Ｖｃとすることを特徴とする加工方法である。

本願の請求項２のワークの切削加工方法は、上記請求項１記載の加工方法において、工具２をワーク１に接近させるときの工具送り速度を、加工プログラムで指定された切削時の工具送り速度Ｖｃとすることを特徴とするものである。

また、本願の請求項３記載のワークの切削加工方法は、上記請求項１又は２記載の加工方法において、工具２とワーク１の接触を、工具送りモータ４に与える指令値ａとそのフイードバック信号ｂとの差信号である位置偏差δの増大を検出することによって検知することを特徴とするものである。

この発明によれば、工具がワークへの接近を開始してからワークに接触するまでの間の工具の送り速度を加工に最適な定常送り速度Ｖｃに維持することができ、工具送り速度を低下させる区間を工具がワークに接触した後の短い区間のみにすることができるから、加工時間を短縮することが可能で、特に工具のワークへの食い付きが幾度も行われるような複雑な加工形状のワークの加工時間を大幅に短縮することができる。

また、工具とワークの接触が工具送り力を制限した状態で行われるので、当該接触時に工具に大きなピーク負荷が作用することがなく、従ってこのピーク負荷による工具の破損を回避することができる。

以下、図面を参照して、この発明の好ましい実施形態の例を説明する。図１は、この発明の方法でワークを加工する工作機械（旋盤）の要部とその制御系を示すブロック図で、１はワーク、２は旋削バイト、３は旋削バイト２を保持している刃物台、４は刃物台３を矢印Ａ方向へ送る送りモータ、５は送りモータ４の回転を検出しているエンコーダ、６はＮＣ装置、７は最大電流設定器、８はサーボ制御装置である。

ＮＣ装置６は、加工プログラム９の指令を１ブロックずつ読み込んで解読部１０で各制御軸に与える動作解析を行い、各制御軸の送りモータごとに設けられている軸制御部１１に送りモータ（図では刃物台のＺ軸送りモータとその軸制御部のみが示されている。）に動作指令を与える。軸制御部１１は、与えられた動作指令に対応する位置指令ａをサーボ制御装置８に送り、サーボ制御装置８は、当該位置指令に従って送りモータ４を駆動する。送りモータ４の回転は、エンコーダ５で検出され、それがサーボ制御装置８に位置フィードバック信号ｂとして戻されて、サーボ制御装置８はその差信号（位置偏差δ）が一定になるように送りモータ４を制御している。送りモータ４に与える電流の最大値は、最大電流設定器７で設定される。

図の実施例では、ＮＣ装置６に食い付き制御部１２が設けられ、軸制御部１１の位置指令ａとエンコーダ５で検出されたフィードバック信号ｂとの差信号である位置偏差δが、サーボ制御装置８から食い付き制御部１２に与えらている。解読部１０は、読取ったブロックがワークへの食い付きを伴う切削加工指令のとき、食い付き制御部に動作開始指令を与える。図では食い付き制御部１２をハードウエアのように記載しているが、ＮＣプログラムのＧコードやＭコードに割り当てられたマクロプログラムで実現するのが実際的である。

この指令が与えられると、食い付き制御部１２は、図２に示す制御を行う。この制御で使用する以下のパラメータは、ＮＣ装置のパラメータ設定部に予め登録しておくか、上記ＧコードないしＭコードの引数として食い付き制御部１２に引き渡される。
定常送り速度Ｖｃ
減速送り速度Ｖｓ：ｊ＝Ｖｓ／Ｖｃで定義される減速割合の値ｊで設定することもできる。
減速送り速度を定常送り速度に復帰させるときの回数ｎ
減速送り速度を維持する距離Ｄ
送りモータトルクの制限値Ｍａ：ｋ＝制限値Ｍａ／定常値Ｍｃで定義される割合値ｋで設定することもできる。
工具とワークが接触したと判断する位置偏差δの閾値Ｓ

図２は、この発明の方法による工具食い付き時の制御手順を示すフローチャートである。解読部１０からの指令で制御動作が開始されて工具の接近送りが指令されたとき、食い付き制御部１２は、最大電流設定器７にモータトルク制限を指令し、この指令に従って最大電流設定器７が送りモータ４に与える電流の最大値を低い値Ｍａに設定し、定常送り速度Ｖｃで工具の接近送りを開始する。この接近送り中、位置偏差δの値を監視し、位置偏差が設定された閾値Ｓに達したことが検出されると、食い付き制御部１２は、最大電流設定器７にトルク制限解除指令を出力し、また解読部１０に低速送り指令を出力する。この出力に基づき、最大電流設定器７は、送りモータ４に与える最大電流値の制限を外して定常値Ｍｃとし、解読部１０はプログラム９の指令速度に代えて、食い付き制御部１２から指示された遅い速度Ｖｓでの工具送りを軸制御部１１に伝える。そして、工具が設定された距離ｄだけ送られたら、解読部１０に与える速度指令値を（Ｖｃ−Ｖｓ）／ｎだけ増速し、工具が微小距離ｄ＝Ｄ／ｎだけ進む毎にこの増速指令を繰り返して、工具の送り速度が定常速度Ｖｃに達したら食い付き処理を終了し、加工終了位置まで工具を送り、次のブロックの動作に移る。

図３は、この発明の方法によるワーク加工時の挙動を示した図である。同図（ｂ）は、送りモータのトルク制限を示した図で、工具の刃先２ａがワークの端部１ａに接触するまで低い値Ｍａに制限されており、工具とワークとの接触が検出されたときに、定常の（１００％）トルクに復帰している。同図の（ｃ）は、工具の送り速度を示した図で、定常送り速度Ｖｃでワークに接近し、工具２とワーク１との接触が検出されたときに、遅い送り速度Ｖｓに減速した後、設定距離ｄごとにｎ段階（図の例はｎ＝２）で定常送り速度Ｖｃに復帰している。同図（ｄ）は、この間における送りモータ４のトルクを示した図で、工具２がワーク１に接触するまでは、無負荷時の低いトルクＴａで回転しており、接触した瞬間にピークトルクＴｐが発生した後、送り速度を低下したことによる低いトルクＴｓで切込みが行われ、送り速度が段階的に増加するに従ってモータトルクも増加して、定常送り時のトルクＴｃに復帰している。同図（ｅ）は、送りモータ４の位置偏差δを示した図で、工具２がワーク１に接触したときと、送り速度を段階的に復帰させるときとに位置偏差δのピークが現れており、この最初のピーク値の検出により、工具２とワーク１との接触が検出できる。工具とワークの接触は、位置偏差の変化による検出の他、軸トルクやモータ電流値の変化で検出することが可能で、同様な制御を行うことができる。また、図では工具がワークに食い付いた後、送り速度を段階的に増速して定常送り速度に復帰させているが、一段階で復帰させてもよく、徐々に復帰させてもよい。

以上の説明から理解されるように、送りモータのトルクを低く制限して工具を定常送り速度でワークに接近させることにより、工具がワークに接触したときの送りモータのピークトルクを低くすることができ、かつこれに続く遅い速度の工具送りで工具をワークに滑らかに食い付かせて工具に作用する衝撃的な応力を緩和することができる。従って、ワークの折損を生じることなく、かつ工具の低速送りを最小限にして加工を行うことが可能になり、ワークの加工速度を向上させることができる。

工作機械の制御系を模式的に示すブロック図 工具がワークに食い付くときの制御手順を示すフローチャート 工具がワークに食い付くときの工具や位置偏差の挙動を示す説明図 第１従来例のワーク食い付き時の挙動を示す説明図 第２従来例の工具食い付き時の挙動を示す説明図

符号の説明

１ ワーク
２ 工具
４ 工具送りモータ
Ｍａ Ｍａ送りモータトルクの制限値
Ｔａ 無負荷時のトルク
Ｔｃ 定常送り時のトルク
Ｔｐ ピークトルク
Ｔｓ 切込み時のトルク
Ｖｃ 定常送り速度
Ｖｓ 減速送り速度
ａ 指令信号
ｂ フイードバック信号
δ 位置偏差

Claims (3)

1. 工具送りモータにトルク制限をかけてワークに接近させ、工具とワークの接触を検知したときに工具送り速度を減速すると共に上記のトルク制限を解除し、そのあと工具を所定距離送ったあと工具送り速度を加工プログラムで指定された切削時の送り速度とすることを特徴とする、工作機械におけるワークの切削加工方法。
2. 工具をワークに接近させるときの工具送り速度を、加工プログラムで指定された切削時の工具送り速度とする、請求項１記載のワークの切削加工方法。
3. 工具とワークの接触を、工具送りモータに与える指令値とそのフイードバック信号との差信号である位置偏差の増大を検出することによって検知する、請求項１又は２記載のワークの切削加工方法。

Images