JP2012194792A

JP2012194792A - 数値制御工作機械

Info

Publication number: JP2012194792A
Application number: JP2011058331A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sugie; 正行杉江
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: JP5616262B2

Abstract

【課題】ＮＣ制御軸であるＺ軸（第１軸移動体）に対して同期制御されないＸ軸（第２軸移動体）を備えた数値制御工作機械において、Ｚ軸のサーボ遅れに伴う加工形状誤差を解消し、加工精度を高める。
【解決手段】ワーク１０をテーブル１１に保持し、テーブル１１のＸ軸位置をＸ軸駆動機構１２により制御する。砥石２０を砥石主軸頭２１に支持し、砥石主軸頭２１のＺ軸位置をＺ軸サーボ機構２２により制御する。クラウニングデータ記憶部５は、テーブル１１のＸ軸位置に対応する砥石主軸頭２１のＺ軸位置を定義した加工形状データを記憶する。Ｘ軸仮想位置演算部６は、Ｚ軸のサーボ加減速時間中におけるテーブル１１の移動距離を算出し、この移動距離をテーブル１１の現在位置に加算した地点にＸ軸仮想位置を求める。クラウニング制御部４は、Ｘ軸仮想位置に対応する砥石主軸頭２１のＺ軸位置を加工形状データより求め、Ｚ軸補間演算部３を介してＺ軸サーボ機構２２に提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＣ制御される第１軸移動体に工具を支持し、第１軸移動体に対して同期制御されない第２軸移動体にワークを保持した数値制御工作機械に関する。

従来、図６に示すような数値制御平面研削盤５１が知られている。この平面研削盤５１は、ＮＣ制御されるＺ軸（第１軸移動体）と、Ｚ軸に対して同期制御されないＸ軸（第２軸移動体）とを備えている。ワーク１０は第２軸移動体であるテーブル１１に保持され、テーブル１１がＸ軸駆動機構１２の油圧シリンダ１３によりＸ軸方向に駆動される。砥石２０は第１軸移動体である砥石主軸頭２１に支持され、砥石主軸頭２１がＺ軸サーボ機構２２のサーボモータ２３により送りネジ２４を介してＺ軸方向に駆動される。プログラム解析部２は加工プログラム中のＺ軸位置指令をＺ軸補間演算部３に提供し、Ｚ軸補間演算部３がＺ軸モータ駆動部２６を介してサーボモータ２３を制御する。

サーボモータ２３にはエンコーダ２５が付設され、砥石主軸頭２１の位置検出信号をＺ軸位置検出部２７を介してＺ軸モータ駆動部２６にフィードバックする。加減速定数記憶部２８にはサーボモータ２３の加減速定数が予め設定・記憶されていて、Ｚ軸モータ駆動部２６が加減速定数記憶部２８から読み出した加減速定数とＺ軸位置検出部２７から入力した砥石主軸頭２１の現在位置とに基づいてサーボモータ２３の回転数および位置を制御する。

一方、プログラム解析部２は、加工プログラム中からクラウニング制御指令を解析すると、この指令をクラウニング制御部４を介しテーブル駆動制御部１５に提供し、テーブル駆動制御部１５がテーブル油圧駆動部１６を介して油圧シリンダー１３を制御する。テーブル１１にはリニアスケール１４が設けられ、テーブル１１の位置検出信号をＸ軸位置検出部１７を介してクラウニング制御部４に提供する。

クラウニングデータ記憶部５には、ワーク１０のクラウニング形状データが予め設定・記憶されている。クラウニング制御部４は、クラウニングデータ記憶部５からクラウニング形状データを読み出し、Ｘ軸位置検出部１７から得たテーブル１１の現在位置に対応するクラウニング量を算出し、砥石主軸頭２１の位置フィードバックループに加算してＺ軸位置検出部２７に提供する。

図７はクラウニング量の算出方法を示す。図７（ａ）は、Ｘ軸方向のワーク長さをＰＬ、Ｚ軸方向のクラウニング最大値をＰＤとするクラウニング形状曲線を例示する。図７（ｂ）は、この曲線をワークのＸ軸位置とＺ軸のクラウニング量との関係で示す。ここで、クラウニング形状曲線が放物線である場合、ワークのＸ軸位置Ｘpに対応するＺ軸クラウニング量ＰＤnは、下記の式（１）で算出することができる。

ＰＤn＝ＰＤ−（４×ＰＤ）／（Ｌ×Ｌ）×（Ｘp−Ｘn）×（Ｘp−Ｘn） …式（１）
Ｌ：ワーク長さ
ＰＤ：ワーク中心位置のクラウニング量
Ｘn：ワーク中心位置座標

従って、式（１）より求めたクラウニング量ＰＤnをＺ軸の位置指令値に加算することによって、ワークＷの加工面にクラウニング形状を加工することができる。なお、特許文献１には、歯車研削盤において、歯車の歯幅方向に複数の分割点を設定し、分割点ごとにクラウニング量を算出し、分割点とクラウニング量との関係を示すデータ表を用いて、歯面にクラウニング形状を加工する技術が記載されている。

特開２００３−２４５８２４号公報

ところが、従来の数値制御平面研削盤５１によると、ワークのＸ軸位置に対応するクラウニング量をＺ軸の位置指令値に加算しているため、Ｚ軸サーボ機構２２におけるフィードバック制御の遅れ（以下、サーボ遅れ）によってクラウニング形状に位相遅れが発生する。Ｘ軸とＺ軸が共にＮＣ制御軸であれば、Ｚ軸のサーボ遅れをＸ軸の位置指令値によって補正可能であるが、Ｘ軸が非ＮＣ制御軸であってＺ軸に同期しない工作機械の場合は、Ｘ軸のＮＣ制御によってＺ軸の誤差を補正することができない。

図８に従来の平面研削盤５１による位相遅れを例示する。実線はワーク１０を実際に加工して得たクラウニング形状を示し、破線が目的とするクラウニング形状を示す。図８（ａ）に示すように、テーブル１１がＸ軸プラス方向に移動するとき、Ｚ軸のサーボ遅れに伴い、クラウニング形状にＸ軸プラス方向の位相遅れＴが発生する。図８（ｂ）に示すように、テーブル１１がＸ軸マイナス方向に移動するときには、サーボ遅れによってクラウニング形状にＸ軸マイナス方向の位相遅れＴが発生する。どちらの方向の位相遅れＴも、テーブル１１の移動速度が速くなるほど増加する。

この位相遅れを解消するために、従来、特許文献１と類似する修正表を用いてＺ軸の送りを補償する方法も提案されている。この修正表には、Ｘ軸の複数ポイントにＺ軸のクラウニング補償値が設定されている。そして、テーブルの移動方向に応じ２つの修正表を使用し、Ｚ軸の送りを制御する。しかし、この方法によると、テーブルの速度が変わると位相誤差も変化するため、テーブル速度に応じて複数の修正表を用意する必要があった。

本発明の目的は、ＮＣ制御軸である第１軸に対して同期制御されない第２軸を備えた数値制御工作機械において、第１軸のサーボ遅れによる加工形状誤差を解消し、加工精度を高めることができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ＮＣ制御される第１軸移動体に工具を支持し、第１軸移動体に対して同期制御されない第２軸移動体にワークを保持した数値制御工作機械において、第２軸移動体の位置に対する第１軸移動体の位置を定義した加工形状データを記憶する記憶手段と、第１軸移動体のサーボ加減速時間中における第２軸移動体の移動距離を算出し、該移動距離を第２軸移動体の現在位置に加算した地点に第２軸仮想位置を求める演算手段と、第２軸仮想位置に対する第１軸移動体の位置を加工形状データより求めて第１軸移動体の補間演算部に提供する制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の別の数値制御工作機械は、演算手段が第１軸移動体の制御遅れ時間中における第２軸移動体の移動距離を算出し、この移動距離を第２軸移動体の現在位置に加算した地点に第２軸仮想位置を求めることを特徴とする。

本発明の数値制御工作機械によれば、第２軸移動体の現在位置よりも進んだ地点に第２軸仮想位置を求め、この仮想位置に対応する位置指令値を第１軸移動体の補間演算部に提供し、第１軸のサーボ遅れによる加工形状誤差を解消し、ワークを高精度に加工できる。また、第２軸仮想位置を演算によって求めているので、第２軸移動体の速度が変わった場合でも、第２軸の位置指令値を簡単に修正することもできる。

本発明の実施例１を示す数値制御平面研削盤のブロック図である。図１のＸ軸仮想位置演算部による処理を示すフローチャートである。実施例１の作用効果を確認するクラウニング曲線図である。本発明の実施例２を示す数値制御平面研削盤のブロック図である。図４のＸ軸仮想位置演算部による処理を示すフローチャートである。従来の数値制御平面研削盤を示すブロック図である。ワークのＸ軸位置とＺ軸のクラウニング量との相関図である。従来の平面研削盤による加工形状誤差を示すクラウニング曲線図である。

以下、本発明を平面研削盤に具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３は、実施例１の数値制御平面研削盤の構成と作用を示す。図４、図５は、実施例２の数値制御平面研削盤の構成と作用を示す。どちらの平面研削盤も、従来と同様に、ＮＣ制御されるＺ軸（第１軸移動体）と、Ｚ軸に対して同期制御されないＸ軸（第２軸移動体）とを備えている。なお、従来と同一の構成要素については、図面に同一の符号が付されている。

図１に示すように、実施例１の数値制御平面研削盤１は、ワーク１０を保持する第２軸移動体としてのテーブル１１と、テーブル１１を駆動するＸ軸駆動機構１２と、砥石２０を支持する第１軸移動体としての砥石主軸頭２１と、砥石主軸頭２１を制御するＺ軸サーボ機構２２とを備え、砥石２０によりワーク１０にクラウニング形状を加工する。

Ｘ軸駆動機構１２には、テーブル１１を駆動する油圧シリンダ１３と、テーブル１１のＸ軸位置を検出するリニアスケール１４と、油圧シリンダ１３の油圧駆動回路を備えたテーブル油圧駆動部１６と、テーブル油圧駆動部１６を電気的に制御するテーブル駆動制御部１５と、リニアスケール１４からテーブル１１の現在位置信号を入力するＸ軸位置検出部１７とが設けられている。

Ｚ軸サーボ機構２２には、砥石主軸頭２１を駆動するサーボモータ２３および送りネジ２４と、砥石主軸頭２１のＺ軸位置を検出するエンコーダ２５と、サーボモータ２３の電気駆動回路を備えたＺ軸モータ駆動部２６と、サーボモータ２３の加減速定数を記憶する加減速定数記憶部２８と、エンコーダ２５から砥石主軸頭２１の現在位置信号を入力するＺ軸位置検出部２７とが設けられている。

数値制御平面研削盤１の制御系には、加工プログラムを解析するプログラム解析部２と、ＮＣ制御軸であるＺ軸の補間演算を行うＺ軸補間演算部３と、ワーク１０のクラウニング形状データを予め設定・記憶するクラウニングデータ記憶部５と、テーブル１１のＸ軸仮想位置を求めるＸ軸仮想位置演算部６と、クラウニングデータ記憶部５からクラウニング形状を読み出し、Ｘ軸仮想位置演算部６から得られたＸ軸位置におけるクラウニング量を算出してＺ軸補間演算部３へ送出するクラウニング制御部４とが設けられている。

クラウニング形状データはワーク１０の加工形状であって、テーブル１１のＸ軸位置に対応する砥石主軸頭２１のＺ軸位置を定義している。Ｘ軸仮想位置演算部６は、Ｘ軸位置検出部１７からテーブル１１のＸ軸検出位置を入力するとともに、Ｚ軸サーボ機構２２の加減速定数記憶部２８から加減速定数を読み出し、図２に示す演算処理によってテーブル１１のＸ軸仮想位置を求める。

すなわち、図２のフローチャートにおいて、Ｘ軸仮想位置演算部６は、まず、今回のＸ軸検出位置（Ｘｎ）から前回のＸ軸検出位置（Ｘｎ−１）を減算し、減算結果を位置検出のサンプリング時間で除算することにより、テーブル１１の速度（Ｖ）を求める（Ｓ１１）。次に、加減速定数記憶部２８からＺ軸の加減速定数であるサーボ加減速時間（Ｔｓ）を読み込む（Ｓ１２）。

続いて、テーブル速度（Ｖ）とサーボ加減速時間（Ｔｓ）を乗算し、Ｚ軸のサーボ加減速時間中におけるテーブル１１の移動距離（ΔＬ）を算出する（Ｓ１３）。そして、今回のＸ軸検出位置（Ｘｎ）にテーブル１１の移動距離（ΔＬ）を加算した地点にＸ軸仮想位置（Ｘｎ’）を求める（Ｓ１４）。その後、求めたＸ軸仮想位置（Ｘｎ’）をクラウニング制御部４へ送り出す（Ｓ１５）。

上記のように構成された数値制御平面研削盤１において、プログラム解析部２が加工プログラム中のクラウニング制御指令を解析すると、クラウニング制御部４は、クラウニングデータ記憶部５からクラウニング形状データを読み出し、Ｘ軸仮想位置演算部６から入力したテーブル１１のＸ軸仮想位置に対応する砥石主軸頭２１の位置つまりＺ軸のクラウニング量を算出し、算出結果をＺ軸補間演算部３に提供する。

Ｚ軸補間演算部３は、クラウニング制御部４から提供されたクラウニング量をＺ軸の補間演算結果に重畳させ、その値をＺ軸の位置指令値としてＺ軸モータ駆動部２６に出力する。そして、Ｚ軸モータ駆動部２６が加減速定数記憶部２８の加減速時間に基づいてサーボモータ２３を制御し、テーブル駆動制御部１５がクラウニング制御部４の指令に基づいて油圧シリンダ１３を制御する。これにより、ワーク１０と砥石２０が時間同期して制御され、クラウニング形状データで指定されたＸ軸およびＺ軸位置に制御される。

従って、実施例１の数値制御平面研削盤１によれば、テーブル１１の現在位置よりも進んだ地点にＸ軸仮想位置を求め、この仮想位置に対応する位置指令値をＺ軸サーボ機構２２に提供し、Ｚ軸のサーボ遅れによる加工形状誤差を解消して、高精度のクラウニング加工を行うことができる。また、Ｘ軸仮想位置を演算により求めているので、テーブル１１の速度が変わった場合でも、Ｚ軸の位置指令を簡単に修正することもできる。

上述した作用効果を図３に基づいて確認する。図３において、横軸はＸ軸、縦軸はＺ軸、ＰＬはＸ軸方向のワーク長さ、ＰＤはＺ軸方向のクラウニング最大値、ＴはＺ軸の制御遅れ時間をそれぞれ示す。また、実線はクラウニング制御部４からＺ軸サーボ機構２２に提供されたクラウニング形状データに基づく指令値を示し、破線は制御遅れ時間Ｔだけ遅れて加工された実際のクラウニング形状を示す。

図３（ａ）に示すように、テーブル１１がＸ軸プラス方向に移動するときは、クラウニング形状が制御遅れ時間Ｔに相当するＸ軸仮想位置から指令されることにより、実際に得られるクラウニング形状が位相誤差の無い形状となる。図３(ｂ)に示すように、テーブル１１がＸ軸マイナス方向に移動するときも、同様に、実際に得られるクラウニング形状が位相誤差の無い形状となる。

次に、本発明の実施例２を図４、図５に基づいて説明する。実施例２の数値制御平面研削盤３１は、Ｘ軸仮想位置を求めるための演算処理において実施例１と相違する。すなわち、Ｘ軸仮想位置演算部３２は、Ｘ軸位置検出部１７からテーブル１１のＸ軸検出位置を入力するとともに、機械定数記憶部３３からＺ軸サーボ機構２２の制御遅れ時間を読み出し、図５に示す演算処理によってテーブル１１のＸ軸仮想位置を求める。

図５のフローチャートにおいて、Ｘ軸仮想位置演算部３２は、まず、実施例１と同様の演算によりテーブル１１の速度（Ｖ）を求める（Ｓ２１）。次に、Ｚ軸サーボ機構２２の制御遅れ時間（Ｔｍ）を読み込み（Ｓ２２）、テーブル速度（Ｖ）と制御遅れ時間（Ｔｍ）との積より、制御遅れ時間中におけるテーブル１１の移動距離（ΔＬ）を算出する（Ｓ２３）。続いて、実施例１と同様の演算によりＸ軸仮想位置（Ｘｎ’）を求め（Ｓ２４）、求めたＸ軸仮想位置（Ｘｎ’）をクラウニング制御部４へ送り出す（Ｓ２５）。

そして、クラウニング制御部４は、クラウニングデータ記憶部５からクラウニング形状データを読み出し、Ｘ軸位置検出部１７から入力したテーブル１１のＸ軸仮想位置に対応するクラウニング量を算出し、砥石主軸頭２１の位置フィードバックループに加算してＺ軸位置検出部２７に提供する。従って、実施例２の数値制御平面研削盤３１によっても、実施例１と同様、Ｚ軸のサーボ遅れによる加工形状誤差を解消し、高精度のクラウニング加工を行うことができる。

１数値制御平面研削盤（実施例１）
４クラウニング制御部
５クラウニングデータ記憶部
６Ｘ軸仮想位置演算部
１０ワーク
１１テーブル（Ｘ軸移動体）
１２Ｘ軸駆動機構
１３油圧シリンダ
２０砥石
２１砥石主軸頭（Ｚ軸移動体）
２２Ｚ軸サーボ機構
２３サーボモータ
３１数値制御平面研削盤（実施例２）
３２Ｘ軸仮想位置演算部

Claims

ＮＣ制御される第１軸移動体に工具を支持し、第１軸移動体に対して同期制御されない第２軸移動体にワークを保持した数値制御工作機械において、
第２軸移動体の位置に対する第１軸移動体の位置を定義した加工形状データを記憶する記憶手段と、第１軸移動体のサーボ加減速時間中における第２軸移動体の移動距離を算出し、該移動距離を第２軸移動体の現在位置に加算した地点に第２軸仮想位置を求める演算手段と、第２軸仮想位置に対する第１軸移動体の位置を前記加工形状データより求めて第１軸移動体の補間演算部に提供する制御手段とを備えたことを特徴とする数値制御工作機械。
ＮＣ制御される第１軸移動体に工具を支持し、第１軸移動体に対して同期制御されない第２軸移動体にワークを保持した数値制御工作機械において、
第２軸移動体の位置に対する第１軸移動体の位置を定義した加工形状データを記憶する記憶手段と、第１軸移動体の制御遅れ時間中における第２軸移動体の移動距離を算出し、該移動距離を第２軸移動体の現在位置に加算した地点に第２軸仮想位置を求める演算手段と、第２軸仮想位置に対する第１軸移動体の位置を前記加工形状データより求めて第１軸移動体の位置フィードバックループに加算する制御手段とを備えたことを特徴とする数値制御工作機械。