JP2013202745A - 工作機械の制御方法、及び工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな機構を追設することなく、アタッチメントの破損を防止する。
【解決手段】工作機械本体５と、工作機械本体５に対して移動自在に支持されるラムと、ラムに駆動回転可能に支持される主軸と、ラムの先端部に着脱可能であり、主軸の回転に応じて回転する駆動軸と、駆動軸に設けられた工具とを有するアタッチメント８と、加工データに基づいて数値制御を行うＮＣ装置２１と、を有し、被工作物の機械加工を行う工作機械の制御方法であって、工具の直径、切り込み量、及び送り量からなる加工条件、ラムの突き出し量、アタッチメントの形状、被工作物の材質、からなる情報に基づいて、アタッチメントにかかる応力が、アタッチメントの許容応力よりも大きくなった場合、ラムの突き出し量、送り量のうち少なくとも一方を減少させる工作機械の制御方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、アタッチメントを有する工作機械の制御方法及び工作機械に係り、特にアタッチメントの破損を防止することができる工作機械の制御方法、及び工作機械に関するものである。

従来、被工作物に対して加工を施す工作機械では、加工用の切削工具等を備えたアタッチメントが工作機械本体に対して着脱可能となっているものが知られている。このアタッチメントは、加工用の工具を回転させたり、被工作物の形状に合わせて向きを変更したりできる構造を有している（例えば、特許文献１参照）。

アタッチメントは、様々な加工パターンへの対応を可能にする一方で、工具の突き出し量の長短による剛性変化、加工条件の違いによる切削抵抗変化、モーメント変化などにより、アタッチメントを構成する強度部材の強度限界を超えた運転条件に陥り損傷に至る可能性がある。
さらに，切削抵抗が増加することでアタッチメントが取付位置でずれ，加工面品位を落とすことがある。

また、アタッチメントは突き出し量の長短、ガタ要素の多少に起因する剛性変化や加工条件（切削抵抗の大小、向き、周波数等）の組合せによりびびり振動が発生する。その結果、加工面品位の低下やその条件での加工が出来ないといった事態を招く可能性がある。

特許文献２に記載の工作機械では、アタッチメントが取り付けられるラムストックにダンパを設け、このダンパの固有振動数を調整することによりツール振動の低減を図っている。

特開平６−３０４８４３号公報 特開２００９−１９０１４１号公報

しかしながら、特許文献２に記載の工作機械では、調整機構や駆動源の追設が必要であり、装置が大型化・高コスト化してしまう点が課題である。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、新たな機構を追設することなく、アタッチメントの破損を防止する工作機械の制御方法、及び工作機械を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の工作機械の制御方法は、工作機械本体と、前記工作機械本体に対して移動自在に支持されるラムと、前記ラムに駆動回転可能に支持される主軸と、前記ラムの先端部に着脱可能であり、前記主軸の回転に応じて回転する駆動軸と、該駆動軸に設けられた工具とを有するアタッチメントと、加工データに基づいて数値制御を行うＮＣ装置と、を有し、被工作物の機械加工を行う工作機械の制御方法であって、前記工具の直径、切り込み量、及び送り量からなる加工条件、前記ラムの突き出し量、前記アタッチメントの形状、前記被工作物の材質、からなる情報に基づいて、前記アタッチメントにかかる応力が、前記アタッチメントの許容応力よりも大きくなった場合、前記ラムの突き出し量、前記送り量のうち少なくとも一方を減少させることを特徴とする。

上記構成によれば、アタッチメントにかかる応力が許容応力よりも大きくなった場合に、加工条件を緩和して切削抵抗を低減することによって、アタッチメントの破損を防止することができる。また、このような加工条件の調整を試削り等を用いることなく、加工中に自動で行えることから、生産性向上を図ることが可能となる。また、機械的に追加部分無く、制御方法の変更のみで実現されるため、低コストでアタッチメントの破損を防止することができる。

上記工作機械の制御方法において、前記工具の直径と、前記送り量と、前記被工作物の材質の比切削抵抗との積から算出される切削抵抗と、前記ラムの突き出し量と、前記アタッチメントの形状より算出される断面二次モーメントと、の関数から算出される前記アタッチメントにかかる応力が、前記アタッチメントの許容応力よりも大きくなった場合、前記ラムの突き出し量と前記送り量のうち少なくとも一方を減少させることが好ましい。

上記工作機械の制御方法において、前記主軸の回転速度及び工具の刃数より算出される切削抵抗の周波数と、前記アタッチメントの形状より算出される前記アタッチメントの共振周波数と、が等しい場合、前記主軸の回転速度を変更することが好ましい。

上記構成によれば、主軸の回転速度を変更して切削抵抗の周波数とアタッチメントの共振周波数とを異ならせることによって、制御方法の変更のみでびびりの発生を防止することができる。

また、本発明は、上記いずれかに記載の工作機械の制御方法を実現する制御装置を備えた工作機械を提供する。

上記工作機械において、前記アタッチメントに設けられ、前記アタッチメントの形状情報が記憶された固体識別手段と、前記ラムに設けられ、前記固体識別手段から情報を受信する固体識別情報受信部と、をさらに備え、前記アタッチメントを前記ラムに取り付けることによって、前記アタッチメントの形状情報が前記制御装置及び前記ＮＣ装置に送信されることが好ましい。

上記構成によれば、固体識別手段にアタッチメントを構成する機械要素の情報が入力され、これらの情報がアタッチメントをラムに取り付けるだけで、ＮＣ装置や制御装置に送信されることによって、オペレータによる作業によってアタッチメントの情報を切り替える必要がなくなる。

本発明によれば、アタッチメントにかかる応力が許容応力よりも大きくなった場合に、加工条件を緩和して切削抵抗を低減することによって、アタッチメントの破損を防止することができる。また、このような加工条件の調整を試削り等を用いることなく、加工中に自動で行えることから、生産性向上を図ることが可能となる。また、機械的に追加部分無く、制御方法の変更のみで実現されるため、低コストでアタッチメントの破損を防止することができる。

本発明の第一実施形態に係る工作機械の概略斜視図である。 工作機械のラム及びアタッチメントを示す断面図である。 工作機械の制御方法を説明するフローチャートである。 切削抵抗調整機能が参照するグラフである。 本発明の第二実施形態に係る工作機械のラム及びアタッチメントを示す断面図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の工作機械の制御方法が適用される工作機械１は、被工作物の機械加工を行う門型工作機械（マシニングセンタ）であって、工作機械本体５と、工作機械本体５にＺ軸方向に沿って移動自在に支持されるラム７と、ラム７の先端部に着脱可能に取り付けられたアタッチメント８と、を備えている。

工作機械本体５は、ベッド２と、ベッド２上に配置され、Ｘ軸方向に沿い移動可能なテーブル３と、テーブル３を跨ぐように配置されている門型のコラム４（支持体）と、コラム４上をＹ軸方向に沿って移動可能なサドル６と、を備えており、このテーブル３上に図示しない被工作物を固定することができる。

テーブル３には、ねじ部（図示せず）が形成されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた送り軸（図示せず）が螺合しており、この送り軸にサーボモータ（図示せず）が接続されている。テーブル３は、サーボモータの回転駆動によってＸ軸方向の移動および位置決めが行われる。

コラム４には、Ｙ軸方向にクロスレール１３が取り付けられており、このクロスレール１３上をサドル（被駆動部）６が移動することにより、サドル６がＹ軸方向に沿い移動可能とされている。ラム７は、サドル６にＺ軸方向に沿い移動可能に取り付けられている。切削加工等を行うアタッチメント８は、ラム７の先端に取り付けられている。

また、工作機械１は、ＮＣ装置２１（図３参照）によって数値制御されるものである。ＮＣ装置２１は、予め設定されたＮＣプログラムデータ（加工データ）に基づいて、コラム４、サドル６、ラム７、主軸９などを数値制御可能である。

図２に示すように、ラム７は、ケーシング１２と、ケーシング１２の内部に鉛直方向に延在し、ラム７に駆動回転可能に支持される主軸９と、主軸９を回転可能に支持する軸受１０と、主軸９の周囲に配置され、主軸９を回転駆動させるスピンドルモータ１１と、を有している。主軸９は、少なくとも下部が中空形状とされており、任意のアタッチメント８を装着することができる。

図２はアタッチメントの一例として、ライトアングルヘッドと呼ばれる工具の回転軸を９０°回転させるアタッチメントを示している。アタッチメント８は、ケーシング１４と、ケーシング１４の内部に鉛直方向に延在する駆動軸１５と、駆動軸１５を回転可能に支持する軸受１６と、駆動軸１５の下端に取り付けられたベベルギア（傘歯車）からなる伝達機構１７と、伝達機構１７を介して取り付けられた工具１８と、を有している。工具１８は、例えばエンドミルやドリルである。
伝達機構１７は、ベベルギアなどの傘歯車によって構成されており、これにより、工具１８の軸方向が、主軸９及び駆動軸１５の軸方向と直交するようにしている。

駆動軸１５は、その上方がテーパ形状となっているとともに、主軸９の下方は、駆動軸１５のテーパ部１５ａに対応したテーパ穴９ａを有している。アタッチメント８は、下方より駆動軸１５を主軸９に挿入した状態で、駆動軸１５の上端がラム７側に設けられたクランプ１９によって把持されることにより固定されるようになっている。即ち、アタッチメント８は、ラム７に着脱自在であり、被工作物に対する加工に応じて交換可能となっている。

次に、本実施形態の工作機械１の作用について説明する。
図３のフローチャートに示すように、まず、被工作物の目標形状が決定される。即ち、ＣＡＤデータが作成される。
次に、加工プログラム生成手段２２によって加工プログラムが生成される。加工プログラムとは、工具の先端位置や姿勢を時刻暦で記載したプログラムであり、工具の形状や、加工条件（切り込み量、送り速度、及び主軸９の回転速度）に基づいて生成される。

生成された加工プログラムはＮＣ装置２１に送信され、ＮＣ装置２１において、機械指令値に変換される。機械指令値は工作機械本体５に送信され、アタッチメント８及び工具１８の位置、姿勢、回転速度などが制御され、被工作物が加工される。

次に、本実施形態の工作機械の制御装置２０について説明する。
制御装置２０は、切削抵抗の許容値超過監視する切削抵抗調整機能２３と、切削時のびびり発生を防止するびびり防止機能２４と、を有しており、ＮＣ装置２１から工作機械本体５に送信される機械指令値を変更する指令を出力するものである。

まず、切削抵抗調整機能２３について説明する。
切削抵抗調整機能２３は、以下の三つの手段を用いて切削抵抗Ｆを算出するためのパラメータを推定・算出し、切削抵抗Ｆを調整する機能である。
まず、第一の手段は、切削抵抗Ｆを推定する手段（切削抵抗推定手段２５）である。切削抵抗推定手段２５による切削抵抗Ｆの推定のロジックを以下、説明する。
旋盤加工の場合、切削抵抗Ｆは、被工作物の径をｄ［ｍｍ］、工具一回転当たりの送り量をｆ［ｍｍ／ｒｅｖ］、被工作物の材質のパラメータである比切削抵抗をＫｓ［Ｎ／ｍｍ^２］とすると、以下の数式（１）にて算出される。
Ｆ［Ｎ］ ＝ ｄ×ｆ×Ｋｓ ・・・ （１）
数式（１）の被工作物の径をエンドミル径に置き換えることによって、切削抵抗Ｆを推定することができる。

第二の手段は、ラム７の断面二次モーメントＩを推定する手段（モーメント推定手段２６）である。
モーメント推定手段２６は、ＮＣ装置２１に記憶されたアタッチメント８の形状を含むアタッチメント８を構成する機械要素の情報を用いて、アタッチメント８の断面二次モーメントを算出する。この際、アタッチメント８の形状を中空の円柱体と仮定する。この円柱体の外径をＤ［ｍｍ］、内径をｄ［ｍｍ］とすると、断面二次モーメントＩは、以下の数式（２）にて算出される。
Ｉ＝π（Ｄ^４−ｄ^４）／６４ ・・・ （２）

第三の手段は、ラム突き出し量Ｌ１を検知する手段（突き出し量検知手段２７）である。
突き出し量推定手段は、ＮＣ装置の指令値より読み取られることによって検知される。

切削抵抗調整機能２３は、まず、以上の三つの手段によって得られた値を元に、アタッチメント８にかかる応力σを算出する。
アタッチメント８にかかるモーメントＭは、切削抵抗推定手段２５によって推定された切削抵抗Ｆと、突き出し量検知手段によって検知されたラム突き出し量Ｌ１との積によって算出される。円柱体のアタッチメント８の半径Ｒの円断面の形状として、モーメント推定手段によって推定された断面二次モーメントＩを用いると、アタッチメント８にかかる応力σは、以下の数式（３）にて算出される。
σ ＝ Ｍ×Ｒ／Ｉ
＝ Ｆ×Ｌ１×Ｒ／Ｉ ・・・ （３）

切削抵抗調整機能２３は、このσの値をアタッチメント８を構成する機械要素の情報より算出されるアタッチメント８の許容応力σｒ以下にするように、切削抵抗Ｆ、又はラム突き出し量Ｌ１を調整する。即ち、以下の数式（４）を満たすようにＦ又はＬ１を調整する。
Ｆ×Ｌ１×Ｒ／Ｉ ＜σｒ ・・・ （４）

具体的には、切削抵抗Ｆが小さくなるように送り量ｆを減少させるか、又はラム突き出し量Ｌ１を減少させる。
なお、数式（４）をグラフ化すると、図４に示すような切削抵抗許容値を示すグラフとなる。即ち、ラムの突き出し量Ｌ１と、切削抵抗Ｆは反比例の関係にある。

例えば、ラムの突き出し量Ｌ１と、切削抵抗Ｆにより算出される値が、許容応力を超えているか否かがこのグラフより判定される。
ここで、このグラフは、工具突き出し量Ｌ２に応じて図４の矢印Ｂで示す方向に変化する。即ち、工具突き出し量Ｌ２が小さい場合は、許容応力σｒは大きくなり、工具突き出し量Ｌ２が大きい場合は、許容応力σｒは小さくなる。

なお、工具突き出し量Ｌ２は、図２に示すように、アタッチメント８の形状データＬ３及び工具の取り付け長さＬ４から求めることができる。これらのデータ・情報はＮＣ装置に持たせておく。

次に、びびり防止機能２４について説明する。びびり防止機能２４は、切削抵抗Ｆの周波数によりびびりが発生する条件を推定し、その条件を回避するように主軸９の回転速度を調整する機能である。

切削力の周波数ｆｍ［Ｈｚ］は、主軸９の回転速度をＳ［ｒｅｖ／分］、工具１８の刃数をＴとすると、以下の数式（５）により算出することができる。
ｆｍ ＝ Ｓ×Ｔ／６０ ・・・ （５）
例えば、主軸９の回転速度を１０００ｒｅｖ／分、刃数３枚のフライスを使用した場合、
ｆｍ ＝ １０００×３／６０ ＝ ５０［Ｈｚ］
となる。

びびり防止機能２４は、切削抵抗Ｆの周波数ｆｍがアタッチメント８の共振周波数と等しいときに、びびりが発生すると判断し、加工条件を変更する指令を出力する。アタッチメント８の共振周波数は、アタッチメント８を構成する機械要素の情報より算出される

例えば、アタッチメント８の共振周波数が５０Ｈｚであり、刃数３枚のフライスを１０００ｒｅｖ／分で回転させた場合、びびり防止機能２４はびびりが発生すると判断する。びびりが発生すると判断すると、びびり防止機能２４は、切削力の周波数ｆｍを例えば１０Ｈｚ増加させてびびり回避を行う。即ち、主軸９の回転速度は、１．２倍（＝（５０Ｈｚ＋１０Ｈｚ）／５０Ｈｚ）とする指令を出力する。

上記実施形態によれば、切削抵抗調整機能２３を用いて、アタッチメント８にかかる応力σが許容応力σｒよりも大きくなった場合に、加工条件を緩和して切削抵抗Ｆを低減することによって、アタッチメント８の破損を防止することができる。また、加工を停止することなく加工条件の緩和のみによって工具１８の過負荷状態を回避するため、加工時間の短縮を図ることが可能となる。また、機械的に追加部分無く、制御方法の変更のみで実現されるため、低コストでアタッチメント８の破損を防止することができる。

また、びびり防止機能２４を用いて、主軸９の回転速度を変更して切削抵抗Ｆの周波数とアタッチメント８の共振周波数とを異ならせることによって、制御方法の変更のみでびびりの発生を防止することができる。

（第二実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、アタッチメント８を構成する機械要素の形状情報を取得する手段として、アタッチメント８にＩＣタグ３０（固体識別手段）が取り付けられており、ラム７にＩＣタグ３０からの情報を受信するＩＣタグリーダ３１（固体識別情報受信部）が取り付けられている。

ＩＣタグ３０には、びびり発生や構成要素の破損の判定に用いる、アタッチメント８の曲げ剛性、ねじり剛性、固有振動数などの情報が書き込まれている。なお、同じ種類のアタッチメント８であっても機械のばらつきがあるため、剛性値などは、それぞれ固有の値が書き込まれている。

ＩＣタグ３０及びＩＣタグリーダ３１は、アタッチメント８をラム７に取り付けることによって、ＩＣタグリーダ３１がＩＣタグ３０の情報を読み取り可能となるような位置に配置されている。

上記実施形態の作用について説明する。
アタッチメント８をラム７に取り付けると、ＩＣタグ３０に書き込まれたアタッチメント８の上記情報がＩＣタグリーダ３１によって読み取られ、ＮＣ装置２１及び制御装置２０に送信される。情報は、モーメント推定手段２６などに送信される。

モーメント推定手段２６は、この情報に基づきアタッチメント８の断面二次モーメントＩを算出し、この値が切削抵抗調整機能２３によって参照され、切削抵抗が調整される。あるいは、この情報に基づきアタッチメント８の共振周波数が計算され、この値がびびり防止機能２４によって参照され、びびりが回避される。

上記実施形態によれば、ＩＣタグ３０にアタッチメント８を構成する機械要素の情報が入力され、これらの情報がアタッチメント８をラム７に取り付けるだけで、ＮＣ装置２１や制御装置２０に送信されることによって、オペレータ（作業者）による作業によってアタッチメント８の情報を切り替える必要がなくなる。
なお、固体識別手段はＩＣタグに限ることはなく、例えば、磁気を用いて通信するタグや、バーコードのようなマーキングを利用することもできる。

１ 工作機械
５ 工作機械本体
７ ラム
８ アタッチメント
９ 主軸
１５ 駆動軸
１８ 工具
２０ 制御装置
２１ ＮＣ装置
３０ ＩＣタグ（固体識別手段）
３１ ＩＣタグリーダ（固体識別情報受信部）
Ｆ 切削抵抗
Ｉ 断面二次モーメント
Ｌ１ ラムの突き出し量

Claims (5)

1. 工作機械本体と、
   前記工作機械本体に対して移動自在に支持されるラムと、
   前記ラムに駆動回転可能に支持される主軸と、
   前記ラムの先端部に着脱可能であり、前記主軸の回転に応じて回転する駆動軸と、該駆動軸に設けられた工具とを有するアタッチメントと、
   加工データに基づいて数値制御を行うＮＣ装置と、
   を有し、被工作物の機械加工を行う工作機械の制御方法であって、
   前記工具の直径、切り込み量、及び送り量からなる加工条件、
   前記ラムの突き出し量、
   前記アタッチメントの形状、
   前記被工作物の材質、
   からなる情報に基づいて、
   前記アタッチメントにかかる応力が、前記アタッチメントの許容応力よりも大きくなった場合、前記ラムの突き出し量、前記送り量のうち少なくとも一方を減少させることを特徴とする工作機械の制御方法。
2. 前記工具の直径と、前記送り量と、前記被工作物の材質の比切削抵抗との積から算出される切削抵抗と、
   前記ラムの突き出し量と、
   前記アタッチメントの形状より算出される断面二次モーメントと、
   の関数から算出される前記アタッチメントにかかる応力が、前記アタッチメントの許容応力よりも大きくなった場合、
   前記ラムの突き出し量と前記送り量のうち少なくとも一方を減少させることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の制御方法。
3. 前記主軸の回転速度及び工具の刃数より算出される切削抵抗の周波数と、
   前記アタッチメントの形状より算出される前記アタッチメントの共振周波数と、
   が等しい場合、前記主軸の回転速度を変更することを特徴とする請求項２に記載の工作機械の制御方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の工作機械の制御方法を実現する制御装置を備えた工作機械。
5. 前記アタッチメントに設けられ、前記アタッチメントの形状情報が記憶された固体識別手段と、
   前記ラムに設けられ、前記固体識別手段から情報を受信する固体識別情報受信部と、をさらに備え、
   前記アタッチメントを前記ラムに取り付けることによって、前記アタッチメントの形状情報が前記制御装置及び前記ＮＣ装置に送信されることを特徴とする請求項４に記載の工作機械。

Images