JP2015022566A - 工作機械及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具のチッピングの発生をより抑えて工具の寿命を延長させることができる工作機械、工作機械の制御方法を提供する。【解決手段】工作物に加工を行う工具が取り付けられた主軸を回転駆動する回転駆動手段と、工具を工作物に対して相対的に移動させる移動手段と、を有し、回転駆動手段を制御して、主軸の回転速度を調整可能な回転速度調整手段を設けた工作機械であって、回転駆動手段によって主軸が回転駆動して、工具で工作物に対する加工を開始したことを判断する加工開始判断手段を備え、回転速度調整手段は、加工開始判断手段によって加工の開始を判断したことを条件として、主軸の回転速度を、予め設定した所定の回転速度に低下させてから指数関数的に上昇させて低下させる前の回転速度に到達させる。【選択図】図３

Description

この発明は、工作物に加工を行う工具が取り付けられた主軸の回転速度を所定の回転速度に調整可能な工作機械、前記工作機械の制御方法に関する。

例えば特許文献１には、工作物に加工を行う工具が取り付けられた主軸を回転駆動する回転駆動手段と、前記工具を前記工作物に対して相対的に移動させる移動手段とを備えた工作機械であって、工具によって工作物を加工する１工程内において、工具で工作物に対する加工を開始してから所定の期間である加工開始期間に、主軸の回転速度を最終的な回転速度まで１次関数的に徐々に上昇させたり、工具の移動速度を最終的な移動速度まで１次関数的に徐々に上昇させるように制御することが開示されている。特許文献１の工作機械のように、主軸の回転速度を最終的な回転速度まで１次関数的に徐々に上昇させると、主軸の回転速度を急激に最終的な回転速度へ上昇させる場合と比較して、工作物への加工中に工具に加わる衝撃を緩和できるため、工具のチッピングの発生を抑制することが期待できる。

特開２００４−３２２２４６号公報

しかしながら、上記のように主軸の回転速度を最終的な回転速度まで１次関数的に徐々に上昇させた場合でも、例えば工作物が難削材であるために、工具によって難削材に重切削を行う必要がある場合には、工具に加わる衝撃力をより小さくできないことから、工具のチッピングの発生を十分に抑制できず、工具の寿命が短くなることが懸念されていた。

この発明は、このような状況に鑑み提案されたものであって、工具のチッピングの発生をより抑えて工具の寿命を延長させることができる工作機械、前記工作機械の制御方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明に係る工作機械は、工作物に加工を行う工具が取り付けられた主軸を回転駆動する回転駆動手段と、前記工具を前記工作物に対して相対的に移動させる移動手段と、を有し、前記回転駆動手段を制御して、前記主軸の回転速度を調整可能な回転速度調整手段を設けた工作機械であって、前記回転駆動手段によって前記主軸が回転駆動して、前記工具で前記工作物に対する加工を開始したことを判断する加工開始判断手段を備え、前記回転速度調整手段は、前記加工開始判断手段によって前記加工の開始を判断したことを条件として、前記主軸の回転速度を、予め設定した所定の回転速度に低下させてから下に凸であって上昇率が漸次大きくなる曲線状に上昇させて前記低下させる前の回転速度に到達させることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記回転速度調整手段は、前記所定の回転速度に低下させた前記主軸の回転速度を、指数関数的に上昇させて該低下させる前の回転速度に到達させることを特徴とする。

請求項３の発明に係る工作機械の制御方法は、工作物に加工を行う工具が取り付けられた主軸を回転駆動し、前記工具を前記工作物に対して相対的に移動させて、前記主軸の回転速度を調整可能な工作機械の制御方法であって、前記主軸が回転駆動して、前記工具で前記工作物に対する加工を開始したことを判断する加工開始判断ステップと、前記加工開始判断ステップによって前記加工の開始を判断したことを条件として、前記主軸の回転速度を、予め設定した所定の回転速度に低下させてから下に凸であって上昇率が漸次大きくなる曲線状に上昇させて前記低下させる前の回転速度に到達させる回転速度調整ステップと、を実行することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３において、前記回転速度調整ステップは、前記所定の回転速度に低下させた前記主軸の回転速度を、指数関数的に上昇させて該低下させる前の回転速度に到達させることを特徴とする。

請求項１の発明に係る工作機械及び請求項３の発明に係る工作機械の制御方法によれば、工具による工作物への加工を開始した直後には、前記工具が取り付けられた主軸の回転速度を所定の回転速度に低下させることで、工作物への加工中に工具に加わる衝撃を緩和できる。よって、工具にチッピングが発生することを抑制できる。さらには工作物への加工を開始してから主軸の回転速度を低下させる前の回転速度に到達させるまでにも、主軸の回転速度の急激な上昇を抑えることで工具に加わる衝撃を緩和できるため、工具にチッピングが発生することを抑制できる。その結果、工具の寿命を延ばすことが可能になる。
請求項２及び４の発明によれば、所定の回転速度に低下させた主軸の回転速度を該低下させる前の回転速度に到達させるまでは、主軸の回転速度の急激な上昇を抑えることができる。これにより、主軸の回転速度を低下させる前の回転速度に到達させるまでに、工具に加わる衝撃を緩和することで、工具にチッピングが発生することを抑制できる。

本発明の実施形態のマシニングセンタの概略構成図である。 同マシニングセンタにおいて主軸の回転速度を指数関数的に上昇させる処理に関するフローチャートである。 切削距離に対して漸増調整時の主軸回転速度が始動時の主軸回転速度へ到達する度合を示すグラフである。 切削回数に対するチッピングの大きさの程度を示すグラフである。

本発明の実施形態を図１ないし図４を参照しつつ説明する。図１に示すようにマシニングセンタ１は、基台２と、テーブル３と、コラム４と、主軸頭５と、制御装置６とを備えている。なお、マシニングセンタ１は本発明の工作機械の一例である。

基台２の上面には、テーブル３と第１駆動モータ８とが設けられている。第１駆動モータ８の回転軸には、基台２の前後方向（Ｙ方向）に延びるボールねじ９が同心で連結されている。さらに、テーブル３に固定されたナット部材（図示せず。）は、ボールねじ９と螺合している。第１駆動モータ８の駆動によってボールねじ９が回転すると、前記ナット部材がＹ方向に移動する。これに伴って、テーブル３をＹ方向へ移動させることができる。このテーブル３の上面には、工作物Ｗが着脱自在に固定される。

また、基台２の上面でテーブル３の後方位置（図１の左側）にコラム４が立設されている。コラム４の前面（図１の右側）には、コラム４の正面視で左右方向（Ｘ方向）に延びる駆動軸１１が回転可能に保持されている。この駆動軸１１は、図示しない第２駆動モータの回転軸と同心で連結されている。そしてサドル１２を駆動軸１１の前側（図１の右側）に配置して、サドル１２に固定されたナット部材（図示せず。）を駆動軸１１に螺合させている。さらにテーブル３の上方でサドル１２には、工具１４を装着する工具主軸１３を下向きに支持した主軸頭５が設けられている。主軸頭５には、工具主軸１３を回転させる主軸モータＭが組み込まれている。加えて、この主軸頭５に固定されたナット部材（図示せず。）を、サドル１２の上下方向（Ｚ方向）に延びるボールねじ１５と螺合させている。そしてこのボールねじ１５は、サドル１２に固定された第３駆動モータ１６の回転軸と同心で連結されている。本マシニングセンタ１では、前記第２駆動モータの駆動によって駆動軸１１が回転すると、サドル１２のナット部材がＸ方向に移動する結果、サドル１２と共に工具１４を、Ｘ方向に移動させることができる。一方、第３駆動モータ１６の駆動によってボールねじ１５が回転すると、主軸頭５のナット部材がＺ方向に移動する結果、主軸頭５に設けた工具１４を、Ｚ方向に移動させることができる。工具１４で工作物Ｗに切削加工を行う場合には、主軸モータＭで工具主軸１３を回転させて、工具１４を回転させながらＺ方向に移動させて工作物Ｗに切り込むと共に、該工具１４をＸ方向へ移動させると共にテーブル３をＹ方向に移動させる。なお、第１及び第３駆動モータ８，１６、第２駆動モータ、ボールねじ９，１５及び駆動軸１１、テーブル３と主軸頭５とサドル１２との各ナット部材は、本発明の移動手段の一例である。また、主軸モータＭは本発明の回転駆動手段の一例である。

さらに図１に示すように制御装置６は、演算装置２０と、記憶装置２１と、主軸トルク測定装置２２と、主軸回転速度調整装置２３と、駆動モータ制御装置２４とを備えている。演算装置２０には、記憶装置２１が接続されている。この記憶装置２１には、工具主軸１３に装着可能な各種の工具１４の半径データ、工具主軸１３の閾値トルクデータ、工具１４にチッピングが発生することを抑制することを目的として主軸モータＭの回転速度を制御する指令回転速度を算出する計算式、主軸モータＭの始動時に該主軸モータＭの回転速度を制御する指令回転速度データ、第１及び第３駆動モータ８，１６、第２駆動モータの回転速度をそれぞれ制御する指令回転速度データ、ＮＣプログラムがそれぞれ記憶されている。前記閾値トルクデータは、後述するように、工具１４で工作物Ｗに対する切削加工を開始したか否かを検出するために用いられる。

さらに、演算装置２０には主軸トルク測定装置２２が接続されており、この主軸トルク測定装置２２は、主軸頭５内で工具主軸１３の外側に配置されている。一例としてこの主軸トルク測定装置２２は、工具１４による工作物Ｗへの切削加工中に、該主軸トルク測定装置２２のコイルに発生する起電力に基づいて、工具主軸１３に加わるトルクを測定する。そして演算装置２０は、主軸トルク測定装置２２から工具主軸１３の測定トルクデータを受信可能としている。

加えて、演算装置２０には主軸回転速度調整装置２３が接続されており、この主軸回転速度調整装置２３は、主軸モータＭに接続されている。演算装置２０は、後述するように測定トルクデータが閾値トルクデータを上回ると判断した場合に、記憶装置２１に記憶された計算式を用いて主軸モータＭの回転速度を制御する指令回転速度を算出する。主軸回転速度調整装置２３は、演算装置２０からこの指令回転速度に応じた回転速度指令を受信すると、主軸モータＭに該回転速度指令を送信する。

さらに加えて、演算装置２０には駆動モータ制御装置２４が接続されており、この駆動モータ制御装置２４は、第１及び第３駆動モータ８，１６、上記の第２駆動モータに接続されている。ＮＣプログラムに基づいて工具１４で工作物Ｗに切削加工を行う際に、駆動モータ制御装置２４は、演算装置２０から記憶装置２１に記憶された指令回転速度データを受信する。この駆動モータ制御装置２４は、指令回転速度データを受信すると、該指令回転速度データに応じた回転速度指令を第１及び第３駆動モータ８，１６、第２駆動モータに送信する。これにより、第１駆動モータ８等の回転軸が所定の速度で回転する結果、工具１４をＸ方向やＺ方向に移動させたり、テーブル３をＹ方向に移動させる。

次に、工具１４による工作物Ｗへの切削距離が工具１４の半径を下回る範囲で、制御装置６により工具主軸１３の回転速度を調整する方法を図２のフローチャートに基づいて説明する。制御装置６の電源が投入されると演算装置２０は、工具半径取得処理（Ｓ１）を実行する。この工具半径取得処理（Ｓ１）では、工具主軸１３に装着した工具１４の半径データを記憶装置２１から取得する処理を実行する。

工具半径取得処理（Ｓ１）の後には、演算装置２０は主軸トルク取得処理（Ｓ２）を実行する。この主軸トルク取得処理（Ｓ２）では、記憶装置２１に記憶された主軸モータＭの始動時の指令回転速度データに応じた回転速度指令に基づき、主軸モータＭによって所定の回転速度で回転させた工具１４で工作物Ｗに切削加工を行う際に、主軸トルク測定装置２２によって測定した工具主軸１３の測定トルクデータを取得する処理を実行する。

主軸トルク取得処理（Ｓ２）の後に演算装置２０は、記憶装置２１から閾値トルクデータを読み出して、主軸トルク取得処理（Ｓ２）によって取得した測定トルクデータと閾値トルクデータとを対比して、測定トルクデータが閾値トルクデータを上回るか否かを判断する（Ｓ３）。工具１４で工作物Ｗに切削加工を行っておらず、Ｓ３で、測定トルクデータが閾値トルクデータを下回ると判断した場合には、主軸トルク取得処理（Ｓ２）に戻る。一方、主軸モータＭによって所定の回転速度で回転させた工具１４で工作物Ｗに対する切削加工を開始して、Ｓ３で、測定トルクデータが閾値トルクデータを上回ると判断した場合には、演算装置２０は主軸回転速度変更処理（Ｓ４）を実行する。演算装置２０は、Ｓ５において切削距離が工具１４の半径を上回ると判断するまで主軸回転速度変更処理（Ｓ４）を繰り返し実行する。本実施形態では、Ｓ３において、測定トルクデータが閾値トルクデータを上回ると判断した場合に、工具１４で工作物Ｗに対する切削加工を開始したと判断することで、正確な加工開始点から主軸回転速度変更処理（Ｓ４）を実行できる。

主軸回転速度変更処理（Ｓ４）では、記憶装置２１に記憶された下記の式（１）を用い、切削距離が工具１４の半径を上回るまで主軸モータＭの回転速度を制御する指令回転速度Ｓ_Ｃを順次算出する処理を実行する。そして演算装置２０は、切削距離が前記半径を上回るまで前記指令回転速度Ｓ_Ｃに応じた指令回転速度データを主軸回転速度調整装置２３に順次送信する処理を実行する。
Ｓ_Ｃ＝Ｓ_０×｛０．８＋０．２×ｅｘｐ［−７．５×（ｒ−Ｌ）／ｒ］｝［ｍｉｎ^−１］・・・（１）
ここで、Ｓ_０は工具主軸１３の指令回転速度［ｍｉｎ^−１］、ｒは工具１４の半径［ｍｍ］、Ｌは切削距離［ｍｍ］

主軸回転速度変更処理（Ｓ４）では主軸回転速度調整装置２３が、演算装置２０から順次受信する指令回転速度データに応じた回転速度指令を主軸モータＭに順次供給する。この指令回転速度データに応じた指令回転速度Ｓ_Ｃは、工具１４による工作物Ｗへの切削加工を開始した直後は工具主軸１３の指令回転速度Ｓ_０の８０パーセントになって、切削距離（Ｌ）の増加に従って指数関数的に漸次大きくなり、切削距離（Ｌ）が工具１４の半径（ｒ）と等しくなった時点で指令回転速度Ｓ_０の１００パーセントにあたる値に到達する。このため主軸モータＭは、指令回転速度Ｓ_Ｃに応じた回転速度指令によって、図３に示すように、前記切削加工を開始した直後に工具主軸１３の回転速度を始動時の８０パーセントに低下させてから指数関数的に上昇させた後、切削距離（Ｌ）が前記半径（ｒ、この例では２５ｍｍ）と等しくなった時点で工具主軸１３の回転速度を前記始動時の１００パーセントにあたる値に到達させる。ここでは、工具主軸１３の回転速度を始動時の８０パーセントに低下させてから指数関数的に上昇させるようにすることを指数関数制御と呼ぶ。このような指数関数制御を行って、前記切削加工を開始した直後に工具１４を装着した工具主軸１３の回転速度を始動時の８０パーセントに低下させると、切削加工中に工具１４に加わる衝撃を緩和できる。よって、工具１４にチッピングが発生することを抑制できる。さらには、切削加工を開始してから工具主軸１３の回転速度を始動時の回転速度に到達させるまでにも、工具主軸１３の回転速度の急激な上昇を抑えることで、工具１４に加わる衝撃を緩和できる。これによっても、工具１４にチッピングが発生することを抑制できる。なお、演算装置２０及び主軸回転速度調整装置２３は、本発明の回転速度調整手段の一例であり、工具主軸１３の始動時の回転速度の８０パーセントは本発明の所定の回転速度の一例である。また、主軸回転速度変更処理（Ｓ４）は本発明の回転速度調整ステップの一例である。

そしてＳ５において演算装置２０が、切削距離が工具１４の半径を上回ると判断すると主軸回転速度変更処理（Ｓ４）を終了し、工具主軸１３を始動時の回転速度で回転させながらＮＣプログラムに基づいて工具１４で工作物Ｗに切削加工を行う。本実施形態では、切削距離が工具１４の半径を下回る範囲に限って主軸回転速度変更処理（Ｓ４）を実行しており、切削距離が前記半径と等しくなるまでの時間は、工作物Ｗへの総切削加工時間と比較して極めて短い。したがって、主軸回転速度変更処理（Ｓ４）の実行中に工具主軸１３の回転速度を始動時より低下させても、工作物Ｗの総加工時間は僅かに延びるだけで大幅に延びることはない。

図４には、工具主軸１３の回転速度の制御方法を異ならせて、切削回数に対する工具１４のチッピングの大きさの程度を測定した例を示した。測定条件としては、工作物Ｗをチタン合金、工具１４は直径５０ｍｍのミーリング工具として、切削速度を４５ｍ／ｍｉｎ、送り速度を０．１ｍｍ／刃、工具軸方向の切り込みを１５ｍｍ、工具径方向の切り込みを５０ｍｍ、刃数４枚での溝切削加工を選択した。また、前記回転速度の制御方法としては、上述した指数関数制御、直線制御（図３参照。）、制御無を選択した。直線制御は、溝切削加工を開始した直後に回転速度を始動時の８０パーセントに低下させてから１次関数的に上昇させた後に、切削距離がミーリング工具の半径と等しくなった時点で該回転速度を前記始動時の１００パーセントにあたる値に到達させるものであり、制御無は、溝切削加工を開始した直後から切削距離がミーリング工具の半径と等しくなる時点まで回転速度を始動時の１００パーセントの値に維持するものである。図４に示すようにいずれの制御方法においても、ミーリング工具での切削回数の増加に従って工具のチッピングは大きくなるが、切削回数が１５回になると、指数関数制御でのチッピングの大きさの度合いは、制御無でのチッピングの大きさの１／８、直線制御でのチッピングの大きさの１／３．５であるという測定結果を得た。したがって、３つの制御方法の内で指数関数制御を行うと最もチッピングの発生を抑制できることを確認できた。これは、指数関数制御を行うと、ミーリング工具による工作物Ｗへの切削加工を開始してから暫くは工具主軸１３の回転速度を始動時の８０パーセントから僅かに上昇させるだけであるため、工具主軸１３の回転速度を始動時の回転速度よりも低下させた状態を長くすることでチッピングが発生し難くなるからである。また、ミーリング工具によって難削材に重切削を行う必要がある場合でも、図４の測定結果から指数関数制御を行うと制御無や直線制御の場合と比較して、ミーリング工具のチッピングの発生を抑えることができる。その結果、重切削においてもミーリング工具の寿命を延長できるという利点がある。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態のマシニングセンタ１及びその制御方法では、工具１４による工作物Ｗへの切削加工を開始した直後には、工具１４を装着した工具主軸１３の回転速度を始動時の８０パーセントに低下させることで、切削加工中に工具１４に加わる衝撃を緩和できる。よって、工具１４にチッピングが発生することを抑制できる。さらには、切削加工を開始してから工具主軸１３の回転速度を始動時の回転速度に到達させるまでにも、工具主軸１３の回転速度の急激な上昇を抑えることで工具１４に加わる衝撃を緩和できるため、工具１４にチッピングが発生することを抑制できる。その結果、工具の寿命を延ばすことが可能になる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨を逸脱しない範囲内において構成の一部を適宜変更して実施できる。上述した実施形態では、指数関数制御を行って工具１４にチッピングが発生することを抑制する例を示したが、これに限らない。例えば、チッピングの発生を抑制するために、工具主軸１３の回転速度を、始動時の８０パーセントに低下させてから下に凸であって上昇率が漸次大きくなる２次関数的、３次関数的あるいは双曲線関数的に上昇させて始動時の回転速度の１００パーセントにあたる値に到達させてもよい。このようにすることで、上述した実施形態と同様に、切削加工を開始してから工具主軸１３の回転速度を始動時の回転速度に到達させるまでに、工具主軸１３の回転速度の急激な上昇を抑えることで工具１４に加わる衝撃を緩和できる。よって、工具１４にチッピングが発生することを抑制できる。

また、上述した実施形態とは異なり、工具主軸１３の回転速度を、始動時の８０パーセントを下回る適宜の回転速度に低下させてから指数関数的に上昇させるようにしてもよい。さらに、工作物Ｗの総加工時間が著しく延びないようにしつつ、切削距離が工具の半径を上回る範囲でも指数関数制御を行って、チッピングの発生を抑制してもよい。加えて、上述した実施形態とは異なり、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向への送り指令を、工具１４がワーク（工作物Ｗ）に寄り付いたり退避したりする場合に用いる早送り指令から加工時に用いる切削送り指令に切り替えた時点で、工具１４で工作物Ｗに対する切削加工を開始したと判断してもよい。その他にも、工具１４で工作物Ｗに対する切削加工を開始する切削加工開始点を指令する指令コードを有する加工制御プログラムを実行させて、演算装置２０が前記指令コードを解析することで、前記切削加工を開始したと判断してもよい。

１・・マシニングセンタ、８・・第１駆動モータ、９，１５・・ボールねじ、１１・・駆動軸、１３・・工具主軸、１４・・工具、１６・・第３駆動モータ、２０・・演算装置、２３・・主軸回転速度調整装置、Ｍ・・主軸モータ、Ｗ・・工作物。

Claims (4)

1. 工作物に加工を行う工具が取り付けられた主軸を回転駆動する回転駆動手段と、前記工具を前記工作物に対して相対的に移動させる移動手段と、を有し、前記回転駆動手段を制御して、前記主軸の回転速度を調整可能な回転速度調整手段を設けた工作機械であって、
   前記回転駆動手段によって前記主軸が回転駆動して、前記工具で前記工作物に対する加工を開始したことを判断する加工開始判断手段を備え、
   前記回転速度調整手段は、前記加工開始判断手段によって前記加工の開始を判断したことを条件として、前記主軸の回転速度を、予め設定した所定の回転速度に低下させてから下に凸であって上昇率が漸次大きくなる曲線状に上昇させて前記低下させる前の回転速度に到達させることを特徴とする工作機械。
2. 前記回転速度調整手段は、前記所定の回転速度に低下させた前記主軸の回転速度を、指数関数的に上昇させて該低下させる前の回転速度に到達させることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 工作物に加工を行う工具が取り付けられた主軸を回転駆動し、前記工具を前記工作物に対して相対的に移動させて、前記主軸の回転速度を調整可能な工作機械の制御方法であって、
   前記主軸が回転駆動して、前記工具で前記工作物に対する加工を開始したことを判断する加工開始判断ステップと、
   前記加工開始判断ステップによって前記加工の開始を判断したことを条件として、前記主軸の回転速度を、予め設定した所定の回転速度に低下させてから下に凸であって上昇率が漸次大きくなる曲線状に上昇させて前記低下させる前の回転速度に到達させる回転速度調整ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械の制御方法。
4. 前記回転速度調整ステップは、前記所定の回転速度に低下させた前記主軸の回転速度を、指数関数的に上昇させて該低下させる前の回転速度に到達させることを特徴とする請求項３に記載の工作機械の制御方法。

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