JP2012228744A - 工作機器の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】うねり高さにおける加工精度を高精度に行うことができる工作機器の制御装置を提供する。
【解決手段】複数の刃を有する切削工具２０３を回転させるとともに移動することにより被加工物１を加工する工作機器の制御装置１００であって、切削工具２０３の工具径および刃数の工具形状情報と、被加工物１の加工における切削工具２０３の回転軸Ｚの回転数および移動速度の加工条件情報と、切削工具２０３を工作機器２００に設置した状態での回転振れ量情報とを用いて、被加工物１の加工におけるうねり高さを予測するうねり高さ演算部１０３を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、切削工具によって被加工物を加工する工作機器の制御装置に係り、特に、うねり高さにおける加工精度を向上することができるものである。

従来の切削加工では、切削工具を被加工物に対して相対的に近づけ、接触させることで被加工物の一部を除去し、所定の形状を得ることを目的としている。切削工具の中でも、側面と底面に刃を持つエンドミルは様々な加工形状に対応することができ、様々な部品の加工に用いられている。しかし、エンドミル加工においては回転振れの影響により加工精度が低下する場合がある。この問題を解決するべく下記に示すような種々の発明がなされている。例えば、従来の回転工具の異常検出方法および装置として、回転工具の振れを検出し、工具寿命や表面粗さの低下を防止している（例えば、特許文献１参照）。また他の従来の工作機器の制御装置として、エンドミルの回転振れが工具軸方向の加工精度に与える影響を事前予測することを特徴とした加工方法および加工装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−１７４３８３号公報 特開２０１０−２４０８０２号公報

従来の工作機器の制御方法は、工具回転振れが工具寿命や工具軸方向の加工精度に与える影響を考慮していたが、工具進行方向の加工精度、特にうねり高さの事前予測は行っておらず、工具進行方向の加工精度の予測を十分な精度で行うことはできないという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、うねり高さにおける加工精度を高精度に行うことができる工作機器の制御装置を提供することを目的とする。

この発明の工作機器の制御装置は、
複数の刃を有する切削工具を回転させるとともに移動することにより被加工物を加工する工作機器の制御装置であって、
前記切削工具の工具径および刃数の工具形状情報と、
前記被加工物の加工における前記切削工具の回転軸の回転数および移動速度の加工条件情報と、
前記切削工具を前記工作機器に設置した状態での回転振れ量情報とを用いて、
前記被加工物の加工におけるうねり高さを予測するうねり高さ演算部を備えたものである。

また、この発明の工作機器の制御装置は、
複数の刃を有する切削工具を回転させるとともに移動することにより被加工物を加工する工作機器の制御装置であって、
前記切削工具の工具径および刃数の工具形状情報と、
前記切削工具を前記工作機器に設置した状態での回転振れ量情報と、
前記被加工物の加工においてあらかじめ設定されている許容うねり高さ情報と、
前記被加工物の加工においてあらかじめ決定されている前記切削工具の回転軸の回転数または移動速度の加工条件情報とを用いて、
前記被加工物の加工において上記許容うねり高さを満たす前記切削工具の移動速度または回転軸の回転数の加工条件を設定する加工設定部を備えたものである。

この発明の工作機器の制御装置は、
複数の刃を有する切削工具を回転させるとともに移動することにより被加工物を加工する工作機器の制御装置であって、
前記切削工具の工具径および刃数の工具形状情報と、
前記被加工物の加工における前記切削工具の回転軸の回転数および移動速度の加工条件情報と、
前記切削工具を工作機器に設置した状態での回転振れ量情報とを用いて、
前記被加工物の加工におけるうねり高さを予測するうねり高さ演算部を備えたので、
切削工具の回転振れ量の影響を考慮して加工精度を予測できるため、うねり高さにおける加工精度の予測を高精度に行うことができる。

また、この発明の工作機器の制御装置は、
複数の刃を有する切削工具を回転させるとともに移動することにより被加工物を加工する工作機器の制御装置であって、
前記切削工具の工具径および刃数の工具形状情報と、
前記切削工具を工作機器に設置した状態での回転振れ量情報と、
前記被加工物の加工においてあらかじめ設定されている許容うねり高さ情報と、
前記被加工物の加工においてあらかじめ決定されている前記切削工具の回転軸の回転数または移動速度の加工条件情報とを用いて、
前記被加工物の加工において上記許容うねり高さを満たす前記切削工具の移動速度または回転軸の回転数の加工条件を設定する加工設定部を備えたので、
切削工具の回転振れ量の影響を考慮して加工条件を設定できるため、うねり高さにおける加工精度を高精度に行うことができる。

この発明の実施の形態１の工作機器の制御装置の構成を示す図である。 図１に示した工作機器の制御装置に用いる工作機器の構成を示した図である。 図２に示した工作機器の切削工具の加工におけるうねり高さの状態を示した図である。 図２に示した工作機器の切削工具の加工におけるうねり高さの状態の具体例を示した図である。 この発明の実施の形態１における１刃あたりの送り量と被加工物のうねり高さとの関係を説明するための図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における工作機器の制御装置の構成を示すブロック図で、図２は図１に示した工作機器の制御装置に用いる工作機器の構成を示した図、図３は図２に示した工作機器の切削工具の加工におけるうねり高さの状態を示した図、図４は図２に示した工作機器の切削工具の加工におけるうねり高さの状態の具体例を示した図、図５はこの発明の実施の形態１における１刃あたりの送り量と被加工物のうねり高さとの関係を説明するための図である。

図において、工作機器の制御装置１００は、入力部１０１と、記憶部１０２と、うねり高さ演算部１０３と、比較判定部１０４と、記憶部１０５と、表示部１０６と、加工設定部１０７とを備えている。そして、入力部１０１は、工作機器の制御装置１００に切削工具２０３の工具径および刃数の工具形状情報と、被加工物１の加工における切削工具２０３の回転軸Ｚの回転数および移動速度の加工条件情報と、切削工具２０３を工作機器２００に設置した状態での回転振れ量情報と、あらかじめ設定されている許容うねり高さなどの情報を入力する。記憶部１０２は、入力部１０１に入力された各情報を記憶する。うねり高さ演算部１０３は、記憶部１０２から各情報、切削工具２０３の工具径および刃数の工具形状情報と、被加工物１の加工における切削工具２０３の回転軸Ｚの回転数および移動速度の加工条件情報と、切削工具２０３を工作機器２００に設置した状態での回転振れ量情報とを取り出して、演算処理することでうねり高さδを予測演算する。比較判定部１０４は、うねり高さ演算部１０３により予測演算されたうねり高さδと、あらかじめ設定された許容うねり高さδｓとを比較し、比較結果がδ＞δｓの場合は加工不可の結果を、δ≦δｓの場合は加工可能の結果を、表示部１０６および記憶部１０５に送信する。

加工設定部１０７は、記憶部１０２から各情報、切削工具２０３の工具径および刃数の工具形状情報と、切削工具２０３を工作機器２００に設置した状態での回転振れ量情報と、被加工物１の加工においてあらかじめ設定されている許容うねり高さ情報と、被加工物１の加工においてあらかじめ決定されている切削工具２０３の回転軸Ｚの回転数または移動速度の加工条件情報と取り出して、被加工物１の加工において許容うねり高さを満たす切削工具２０３の移動速度または回転軸Ｚの回転数の加工条件を設定し、その結果を表示部１０６および記憶部１０５に送信する。表示部１０６は比較判定部１０４の判定結果、加工設定部１０７からの加工条件を表示する。記憶部１０５は比較判定部１０４の判定結果、加工設定部１０７からの加工条件を記憶する。

工作機器２００は複数の刃を有する切削工具２０３を主軸２０１のホルダ２０２に装着して、切削工具２０３を回転軸Ｚにて回転させるとともに平面的（２次元的）に移動することにより被加工物１を加工するものである。そして、切削工具２０３には、回転軸Ｚを手動もしくは低速で回転させることで刃毎の先端部の径方向の位置情報を取得し、各刃の先端の径方向の位置情報の最大値εと最小値−εを回転振れ量として計測する接触式の変位センサ２０４が、各刃の刃先に接触させ配設されている。尚、変位センサ２０４は、接触式以外の他の、非接触式の変位センサ、例えばレーザ式のエッジ検出装置を使用してもよく、この測定はオペレータによる手動測定、工作機器２００に設定されている自動測定装置などを用いて行うことができる。

次に、上記のように構成された実施の形態１の工作機器の制御装置の動作について説明する。まず、うねり高さ予測演算に必要な回転振れ量について説明する。回転振れとは、複数の刃を有する切削工具２０３、例えばエンドミルについて、工作機器２００に取り付けた状態で回転させた場合に生じる、刃毎の工具径方向の突き出しのばらつきのことである。回転振れが生じる原因としては主として３つあり、切削工具２０３の製作時に発生した切削工具２０３自体のばらつきによる振れ、工作機器２００の主軸２０１の振れ、工作機器２００にホルダ２０２を介して切削工具２０３を設置する際に発生する振れである。回転振れが小さい方が望ましい場合がほとんどであるが、切削工具２０３の形状のばらつき、工作機器２００の老朽化、ホルダ２０２の劣化や取り付け誤差などにより回転振れの低減は困難である。

次に、回転振れ量の測定方法について説明する。図２に示すように、工作機器２００に主軸２０１を介してホルダ２０２および切削工具２０３が取り付けられている。この切削工具２０３の刃先に接触式の変位センサ２０４を接触させ、主軸を手動もしくは低速で回転させることで刃毎の先端部の径方向の位置情報を取得し、各刃先端の径方向の位置情報の最大値εと最小値−εを回転振れとして計測する。尚、回転振れ量は、切削工具２０３の高さ方向の全ての位置において検出して、一番大きな回転振れ量を基準として行う場合と、一般的に切削工具２０３においてその先端側の回転揺れ量が一番大きいと考えられるため、その先端の回転揺れ量を検出して基準として行う場合となどが考えられる。

次に、被加工物１の加工面１ａ（または、被加工物１の上面を指す）のうねり高さについて説明する。図３に示すように、複数の刃Ａ〜Ｆを有する切削工具２０３（例えば、エンドミル）によって形成される被加工物１の加工面１ａは、各刃Ａ〜Ｆの先端の軌跡３０１により形成される。切削工具２０３の半径（工具径）をＲ、１刃あたりの送り量をｆとするとき、刃Ａと刃Ｂとの軌跡３０１の接続部には突起状の加工面１ａが形成される。その高さｔａは、ｆ^２／（８×Ｒ）にて計算される。そして、図３（ａ）に示すように、切削工具２０３の回転振れが０の場合には、このｔａがうねり高さとして加工面１ａに残る。
また、図３（ｂ）に示すように切削工具２０３の回転振れ量が±εの場合にはうねり高さは増加し、被加工物１の加工面１ａは、各刃Ａ〜Ｆの先端の軌跡３０１ａにより形成される。よって、実質うねり高さｔ＝ｔａ＋２εとなる。

１刃あたりの送り量ｆは、一般的に、切削工具２０３の回転数Ｓ（ｒｐｍ）、切削工具２０３の移動における送り速度Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）、切削工具２０３の刃数ｚとすると、ｆ＝Ｆ／Ｓ／ｚにて計算することができる。但し、１刃あたりの送り量ｆが小さい場合には、隣接する刃によってうねり高さの頂点となる部分が一部除去されるため、切削工具２０３の回転振れ量に比べうねり高さは小さくなり、１刃あたりの送り量ｆに応じて実質うねり高さｔはｔａ〜ｔａ＋２εの間で変化するものである。その変化量は、刃先の軌跡３０１を計算機などによって描画することで求めることが可能である。

次に、この刃先の軌跡３０１の計算方法について説明する。図４において、切削工具２０３の半径（工具径）Ｒ、刃数Ｎについて、回転振れ量が最も小さい、すなわち回転振れ量が−εの刃を刃Ａとし、加工の送り方向の順に刃Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆとする（図４では、刃数を一例とし「６」とした）。よって、被加工物１の加工面１ａは、各刃Ａ〜Ｆの先端の軌跡３０１ｂにより形成される。この際の、ＸＹの関係を図に示したものとするとき、刃番ｎ番（Ａ→１番、Ｂ→２番、Ｃ→３番、Ｄ→４番、Ｅ→５番、Ｆ→６番）の刃先の軌跡３０１ｂは、
ｘ＝Ｒｃｏｓθ＋ｎｆ＋εｘ
ｙ＝Ｒｓｉｎθ＋εｙ
にてそれぞれ表される。
ここで、
εｘ＝εｓｉｎ（２πｎ／Ｎ）
εｙ＝−εｃｏｓ（２πｎ／Ｎ）
であり、θに０〜２π（ｒａｄ）を代入することで各刃Ａ〜Ｆの刃先の軌跡３０１ｂを得ることができる。

次に、切削工具２０３の１回転分の送り量の範囲でｘを順に変化させていき、それぞれのｘの位置に対する各刃のｙの値を比較し、最も小さい値をプロットした結果が被加工物の加工面１ａのプロファイルとなる。このプロファイル上の最大値と最小値との差がうねり高さｔとなる。上記の計算結果の一例として、切削工具２０３の回転振れ量が１０μｍのときの、１刃あたりの送り量ｆと実質うねり高さｔ、または、うねり高さｔａとの関係を図５に示す。工具径は２０ｍｍ、刃数は６枚の切削工具２０３として超硬エンドミルで、被加工物はＳ５５Ｃ（炭素鋼）、回転数は１２００ｒｐｍとした場合の、回転揺れ考慮ありの予測値と、回転揺れ考慮なしの予測値と、実測値との関係を示す。図から明らかなように、回転揺れ考慮ありの予測値と、実測値とはほぼ同様の関係を得るものである。これに対し、回転揺れ考慮なしの予測値と、実測値とは大きく異なり、回転揺れ量を考慮にいれずに加工を行うと加工精度が低下することが明らかである。

尚、１刃あたりの送り量ｆが０．１ｍｍ以下の範囲では予測値（回転揺れ考慮あり）と、実測値ともにうねり高さが小さく、互いに非常に近い値となっている。これに対し、１刃あたりの送り量ｆが大きい領域では予測値（回転揺れ考慮あり）と実測値との差が若干異なる値になっている。これは１つの刃による被加工物１の除去厚みが増加したためであり、刃先の軌跡どおりに被加工物１がせん断されなくなったことによる誤差である。

次に、工作機器の制御装置１００において、被加工物１を加工条件において加工可能か否かの判定を行う場合について説明する。まず、回転振れ量が最も大きくなる回転振れ量±εを前述の回転振れ量の測定方法に基づいて事前に測定する。そして、切削工具２０３の工具径および刃数の工具形状情報と、被加工物１の加工における切削工具２０３の回転軸Ｚの回転数および移動速度の加工条件情報と、切削工具２０３を工作機器２００に設置した状態での上記に示したように測定した回転振れ量情報と、被加工物１の加工においてあらかじめ設定されている許容うねり高さｔｓとを入力部１０１に例えばオペレータが入力する。次に、入力された情報は記憶部１０２に記憶される。次に、記憶された各情報に基づいて、上記に示したようにうねり高さ演算部１０３にて実質うねり高さｔを演算して予測する。次に、比較判定部１０４は、演算により求めた実質うねり高さｔと許容うねり高さｔｓとを比較し、ｔ＞ｔｓとなった場合は加工不可と判定し、ｔ≦ｔｓとなった場合は加工可能と判定する。そして、記憶部１０５に判定結果を記録するともに、表示部１０６に判定結果を表示する。

また、上記においては、加工条件の加工可能か否かを判定する場合について説明したが、逆に、加工条件を許容うねり高さを満足するように設定することも可能である。加工設定部１０７は、切削工具２０３の工具径および刃数の工具形状情報と、切削工具２０３を工作機器２００に設置した状態での回転振れ量情報と、被加工物１の加工においてあらかじめ設定されている許容うねり高さ情報と、被加工物１の加工においてあらかじめ決定されている切削工具２０３の回転軸Ｚの回転数または移動速度の加工条件情報とを、記憶部１０２から抽出して、各情報から上記に示したように、被加工物１の加工において許容うねり高さｔｓを満たす切削工具２０３の移動速度または回転軸の回転数の加工条件を設定する。そして、記憶部１０５に加工条件を記録するともに、表示部１０６に加工条件を表示する。

上記に示した実施の形態１の工作機器の制御装置によれば、回転揺れ量を加味したうねり高さを予測することができ、また、この予測により、加工可能か否かの判定を行うことができるので、加工前に許容うねり高さを超えるか否かを予測することで、加工後の不良発生を抑制でき、うねり高さにおける加工精度の予測を高精度に行うことができ、それに伴い、うねり高さにおける加工精度を向上することができる。また、回転揺れ量を加味し許容うねり高さを満足するように加工条件を設定することができるので、加工後の不良発生を抑制し、うねり高さにおける加工精度を高精度にて行うことができ、加工時間が最短となる加工条件が設定することが可能となる。また、工作機器の老朽化、劣化などにおける回転振れ量を加味することができるため、加工精度を高精度に保持したまま、工作機器の高寿命化を図ることができる。

１ 被加工物、１００ 工作機器の制御装置、１０３ うねり高さ演算部、
１０４ 比較判定部、１０７ 加工設定部、２００ 工作機器、２０１ 主軸、
２０３ 切削工具、Ｚ 回転軸。

Claims (3)

1. 複数の刃を有する切削工具を回転させるとともに移動することにより被加工物を加工する工作機器の制御装置であって、
   前記切削工具の工具径および刃数の工具形状情報と、
   前記被加工物の加工における前記切削工具の回転軸の回転数および移動速度の加工条件情報と、
   前記切削工具を前記工作機器に設置した状態での回転振れ量情報とを用いて、
   前記被加工物の加工におけるうねり高さを予測するうねり高さ演算部を備えたことを特徴とする工作機器の制御装置。
2. 前記予測演算部により算出されたうねり高さと、前記被加工物の加工においてあらかじめ設定されている許容うねり高さとを比較して、加工可能かを判定する比較判定部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の工作機器の制御装置。
3. 複数の刃を有する切削工具を回転させるとともに移動することにより被加工物を加工する工作機器の制御装置であって、
   前記切削工具の工具径および刃数の工具形状情報と、
   前記切削工具を前記工作機器に設置した状態での回転振れ量情報と、
   前記被加工物の加工においてあらかじめ設定されている許容うねり高さ情報と、
   前記被加工物の加工においてあらかじめ決定されている前記切削工具の回転軸の回転数または移動速度の加工条件情報とを用いて、
   前記被加工物の加工において上記許容うねり高さを満たす前記切削工具の移動速度または回転軸の回転数の加工条件を設定する加工設定部を備えたことを特徴とする工作機器の制御装置。

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