JP2016157216A - スカイビング加工における工具補正機能を有する数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スカイビング加工において、ワークの回転軸に対し垂直方向（Ｘ軸方向）への工具の傾きがある場合であっても、切り込み量が一定になるように切削経路を制御することが可能な数値制御装置を提供すること。【解決手段】本発明の、スカイビング加工制御を行う数値制御装置は、工具の傾きや形状に基づいて作成された工具データを記憶する工具データ記憶部と、加工プログラムから指令ブロックを読み出して解析し、工具の指令経路を示す指令データを生成して出力する加工プログラム解析部と、指令データに基づいて補間処理を実行し、補間周期毎の補間データを生成して出力する補間部と、指令ブロックがスカイビング加工を指令するブロックである場合、工具データ記憶部に記憶された工具データに基づいて指令経路を補正する補正データを生成し、補間部が出力する補間データに合わせて補正データを出力する補正部と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、数値制御装置に関し、特にスカイビング加工における工具補正機能を有する数値制御装置に関する。

旋削機械におけるスカイビング加工では、ＹＺ平面においてワークの回転軸線に対して斜めに配置された直線刃を備えた工具を使用して、Ｚ軸及びＹ軸を移動させながら加工を行う（特許文献１参照）。

本加工において所要の形状どおり加工するためには、図１０（ａ）に示す工具の場合、ＺＸ平面において工具の直線刃が回転軸線（Ｚ軸線）に対して図１０（ｂ）のように平行に取り付けられていることが必要となるが、図１０（ｃ）のように工具が平行に取り付けられていない場合には、切削開始位置と終了位置で加工品の径が一定とならない。この場合、一旦切削した後に加工品を計測し、その結果を基に加工プログラムを修正するなどのオペレータに負荷がかかる。

特許第３９８４０５２号公報

ＺＸ平面において、工具の直線刃が回転軸線（Ｚ軸線）に対して平行な場合、図１１に示すように、Ｚ軸およびＹ軸を移動させながら旋削しても工具の位置によらず切削量は一定となる。
これに対し、ＺＸ平面において、工具の直線刃が回転軸線（Ｚ軸線）に対して平行でない場合、例えば、図１２に示すように、進行方向に対し回転軸線側に傾いていると、工具が移動するにつれ、切削量が増え切削負荷が大きくなり、加工面精度にバラつきが生じる。また、切削開始位置と終了位置で加工品の径が異なってしまう。

そこで本発明の目的は、ワークの回転軸に対し垂直方向（Ｘ軸方向）への工具の傾きがある場合であっても、切り込み量が一定になるように切削経路を制御することが可能な数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、加工プログラムに基づいて、回転するワークの回転対称面を工具により切削加工するスカイビング加工を行う工作機械を制御する数値制御装置において、前記工具の傾きまたは形状の少なくとも１つに基づいて作成された工具データを記憶する工具データ記憶部と、前記加工プログラムから指令ブロックを読み出して解析し、前記指令ブロックにより指令される前記工具の指令経路を示す指令データを生成して出力する加工プログラム解析部と、前記指令データに基づいて補間処理を実行し、補間周期毎の補間データを生成して出力する補間部と、前記指令ブロックがスカイビング加工を指令するブロックである場合、前記工具データ記憶部に記憶された工具データに基づいて前記指令経路を補正する補正データを生成し、前記補間部が出力する補間データに合わせて前記補正データを出力する補正部と、を備えたことを特徴とする数値制御装置である。

本願の請求項２に係る発明は、前記工具の傾きまたは形状を計測するセンサの出力に基づいて工具データを生成し、前記工具データを前記工具データ記憶部に記憶する工具データ作成部を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。

本願の請求項３に係る発明は、前記工具データは、前記工具の刃先の切削開始点の座標値と、少なくとも１以上の前記切削開始点とは異なる刃先の点の座標値とを含み、前記補正部は、前記工具の刃先の切削開始点の座標値と、前記切削開始点とは異なる刃先の点の座標値との差分に基づいて前記補正データを生成する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置である。

本願の請求項４に係る発明は、前記補正部は、前記工具データに基づいて算出された工具の刃先の傾きに基づいて前記ワークと前記工具の刃先が垂直に接する切削点の位置を補正する補正量を算出し、前記補正量に基づいて生成された補正データを前記補間部が出力する補間データに合わせて出力する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置である。

本発明により、工具に傾きがある場合であっても、切削量を一定になるように、数値制御装置が工具の取り付け角度を基にＸ軸の移動をさせるため、オペレータによる加工プログラムの修正が不要となり、その結果、オペレータは工具の取り付け角度を意識せず、加工プログラムを作成できる。また、工具の取り付け角度による影響を確認するテスト加工も不要となり、加工開始位置から終了位置まで切削量を一定にするための作業を短縮できる。

本発明のスカイビング加工における工具指令経路の補正の概念を説明する図である。 本発明のスカイビング加工における工具の刃先の傾きに基づく工具指令経路の補正の概念を説明する図である。 本発明のスカイビング加工における工具の刃先形状に基づく工具指令経路の補正の概念を説明する図である。 本発明の実施形態１における数値制御装置の機能ブロック図である。 本発明の工具の刃先の傾きに基づく工具データの作成方法を説明する図である。 本発明の工具の刃先形状に基づく工具データの作成方法を説明する図である。 本発明の工具の刃先形状に基づく工具指令経路の補正の具体例を示す図である。 本発明の実施形態１における数値制御装置上で実行される処理のフローチャートである。 本発明の実施形態２における工具の刃先の傾きに基づく切削点の補正方法を説明する図である。 スカイビング加工における工具の傾きについて説明する図である。 スカイビング加工における工具が傾いていない場合の切削結果を示す図である。 スカイビング加工における工具が傾いている場合の切削結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
本発明では、旋削機械におけるスカイビング加工において、ワークの回転軸に対し垂直方向（Ｘ軸方向）への工具の傾きにより切り込み量が変化する場合、図１に示すように、切り込み量が一定になるにようにＸ軸方向に工具の指令経路を補正する数値制御装置を提供する。

より具体的には、本発明の数値制御装置は、加工前にタッチセンサ等による計測で得られた工具切れ刃の取り付け角度（切れ刃両端のＸ軸方向のずれ）を基に、加工時の工具の移動に併せて、Ｘ軸方向へ工具を移動させることで、切削量が一定となるように工具の移動経路を制御する。即ち、図２（ａ）に示すように、Ｘ軸方向において工具切れ刃の両端にずれが生じている場合、図２（ｂ）に示すように、該ずれに基づいて、加工時の工具の移動に併せて本来の指令経路に対してＸ軸方向へ工具を移動させる補正した工具の指令経路を生成する。

また、図３（ａ）のように工具の切れ刃が磨耗により非線形状となっているような場合においても、図３（ｂ）に示すようにタッチセンサなどの計測点を複数設けることで切れ刃の形状を測定し、測定した結果に基づいて図３（ｃ）のように切れ刃の形状に合わせて補正した工具指令経路に沿ってＸ軸方向へ工具を移動させることもできる。

＜実施形態１＞
本実施形態では、本発明の基本的な構成備えた数値制御装置を説明する。
図４は本発明の一実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。本発明の数値制御装置１は、加工プログラム解析部１０、補間部１１、サーボ制御部１２、補正部１３、工具データ作成部１４、工具データ記憶部１５を備える。

加工プログラム解析部１０は、図示しないメモリに記憶された加工プログラムの指令ブロックを順次読出し、読み出した指令ブロックを解析する。解析した結果、読み出したブロックが通常の指令である場合には通常通り解析結果に基づいて指令データを生成して補間部１１へと出力し、読み出したブロックがスカイビング工具を選択している切削送りの加工ブロックである場合には、当該指令ブロックによる指令経路を補正するように補正部１３へ指令する。

補間部１１は、加工プログラム解析部１０が出力した指令データに基づいて、指令経路上の点を補間周期で補間計算した補間データ（指令パルス）を生成し、サーボ制御部１２へ出力する。
サーボ制御部１２は、補間部１１から入力された補間データに基づいてサーボモータ２を駆動し、ワークと工具を相対的に移動させる。

補正部１３は、工具データ記憶部１５から工具データを取得し、該工具データと、加工プログラム解析部１０からの指令とに基づいて後述する補正処理を実行して補正パルスを生成し、該補正パルスを補間部１１が出力する補間データと合わせてサーボ制御部１２へ出力する。

工具データ作成部１４は、加工プログラムに記載された工具交換指令や、オペレータによる操作盤からの操作指令により動作し、旋削機械に取付けられている工具の傾きや形状をセンサ３から取得し、工具データを作成する。作成した工具データは工具データ記憶部１５に記憶する。

このような構成を備えた数値制御装置１による、工具の解析からスカイビング加工までの流れを、以下に説明する。
加工プログラムの工具交換指令などにより、手動または自動で旋削機械にスカイビング工具が取り付けられた際に、本実施形態の数値制御装置１では、手動で、または自動的にタッチセンサ等のセンサ３を用いて取付けられたスカイビング工具のＸ軸方向への傾きや形状を計測し、計測結果に基づいて工具データ作成部１４が工具データを作成し、工具データ記憶部１５に記憶する。

工具データ作成の際には、例えば工具の傾きのみを計測する場合、図５（ａ）のように、工具の両端部に位置する２つのタッチセンサを用いる。そして、切削開始点に位置するタッチセンサの計測結果と、他方のタッチセンサの計測結果との差分からΔＸが算出され、センサの配置（予め設定されているか、或いはセンサを駆動するサーボモータの位置により定まる）から求まるセンサ間の距離ΔＹと共に工具データとして工具データ記憶部１５に記憶される（図５（ｂ））。

このように、工具の直線刃の計測点が２点で２点間のＸ軸成分のずれがΔＸの場合、補正部１３は、切削ブロックの切削開始点（ワークと工具が接触する位置（Ｙ軸成分））からＸ軸の移動を開始し、切削終了点（ワークと工具が離れた位置（Ｙ軸成分））通過後にＸ軸の移動を終了してこのときの位置を維持するように補正パルスを補間データに合わせて出力する。このときＸ軸は最大でΔＸだけ移動する。補正部１３は、加工ブロックが終了後、工具を退避させた後、または退避動作と並行して補正パルスをキャンセルし、Ｘ軸を元の位置に戻す。

一方で、工具データ作成の際に、摩耗により非線形状となっている工具の直線刃の形状を計測する場合には、図６（ａ）に示すように、複数のタッチセンサを用いる。そして、切削開始点に位置するタッチセンサの計測結果と、他のタッチセンサとの差分からそれぞれΔＸ₁、Ｘ₂、Ｘ₃、…が算出され、センサの配置（予め設定されているか、或いはセンサを駆動するサーボモータの位置により定まる）から求まる切削開始点側に位置するタッチセンサからの距離ΔＹ₁、Ｙ₂、Ｙ₃、…と共に工具データとして工具データ記憶部１５に記憶される（図６（ｂ））。

このように、工具の直線刃の計測点が複数あり、工具の直線刃のＸ軸成分のずれが、図６のように切削開始点から距離ΔＹ₁のところでΔＸ₁、距離ΔＹ₂のところでΔＸ₂、距離ΔＹ₃のところでΔＸ₃である場合、切削送りのブロックにおける移動量のＹ軸成分をＬｙとすると、補正部１３は、Ｙ軸の移動に併せて図７のようにＸ軸を移動させる補正パルスを補間データに合わせて出力する。即ち、切削開始点からＹ軸をΔＹ₁だけ移動する間にＸ軸をΔＸ₁だけ移動し、次のＹ軸の（ΔＹ₂−ΔＹ₁）の移動においてＸ軸を（ΔＸ₂−ΔＸ₁）移動、次のＹ軸の（ΔＹ₃−ΔＹ₂）の移動においてＸ軸を（ΔＸ₃−ΔＸ₂）移動させるように補正パルスを出力する。

なお、切削送りのブロックにおける移動量のＹ軸成分Ｌｙが、計測点の両端におけるＹ軸成分長（図５におけるΔＹ、図６におけるΔＹ₃）よりも小さい場合には、図７（ｂ）に示すように、Ｘ軸の移動量はΔＸ_eとなる。また、ブロック開始点と切削開始点が同じ場合は、ブロック開始と同時にＸ軸の移動が開始される経路が生成される。

図８は、本実施形態の数値制御装置１上で実行される処理のフローチャートである。本処理は、加工プログラムのブロック毎に実行される。
●［ステップＳ１０１］加工プログラム解析部１０が、加工プログラムから指令ブロックを読み出す。
●［ステップＳ１０２］加工プログラム解析部１０が、ステップＳ１０１で読み出した指令ブロックを解析して指令データを生成し、該指令データに従って該指令ブロックの実行を開始する。

●［ステップＳ１０３］加工プログラム解析部１０は、現在実行している指令ブロックがスカイビング加工指令ブロックであるか否かを判定する。スカイビング加工指令ブロックである場合にはステップＳ１０４へ進み、そうでない場合にはステップＳ２０１に進む。

●［ステップＳ１０４］補正部１３は、工具の現在位置が切削開始点から切削終了点の間にあるか否かを判定する。切削開始点から切削終了点の間にある場合にはステップＳ１０５へ進み、そうでない場合にはステップＳ２０１に進む。
●［ステップＳ１０５］補正部１３は、工具データ記憶部１５に記憶された工具データに基づいて、工具のＹ軸の移動に合わせたＸ軸の補正パルス（移動量）を算出する。
●［ステップＳ１０６］補間部１１は、プログラムの指令パルスを出力し、補正部１３は、補間部１１が指令パルスを出力するのに合わせてステップＳ１０５で算出された補正パルスを出力する。

●［ステップＳ１０７］指令ブロックの実行が終了したか否かを判定する。終了した場合にはステップＳ１０８へ進み、終了していない場合にはステップＳ１０３へ戻る。
●［ステップＳ１０８］補正部１３は、ステップＳ１０５で算出した補正パルスをキャンセルし、Ｘ軸を元の位置へ戻す。
●［ステップＳ２０１］補間部１１は、プログラムの指令パルスを出力する。

＜実施形態２＞
スカイビング加工において、図９（ａ）のように工具の直線刃のＸ軸方向への傾きがある場合、図９（ｂ）に示すように、切削点（ワークと工具が垂直に接する点）がＣｒの位置となるため、プログラムで指令したワーク半径にならない。そこで、本実施形態では、このような場合において切削点が図９（ｃ）の補正後の切削点Ｃｒｃとなるように工具の指令経路を補正する手順を示す。

図９（ａ）に示すように、工具の直線刃の傾きのＸ軸成分をＸｔ、Ｙ軸成分をＴｔ、角度をθとする。加工プログラムにより指令した切削点のワーク半径をＲとすると、以下の数１式から補正量ＱｘだけＸ軸を移動させることで、加工後のワークの半径は加工プログラムで指令した半径Ｒとなる。

本実施形態の数値制御装置は、実施形態１の数値制御装置１と同様の構成を備えており、スカイビング加工用の工具が取り付けられると、実施形態１と同様に、センサ３を用いて工具の傾きを計測し、工具データを記憶する。そして、スカイビング工具が選択されている切削送りの加工ブロックにおいて、自動的に、または、手動操作によりワーク半径の補正を指令されている場合に、補正部１３は、工具データ記憶部１５に記憶された工具データに基づいて数１式を用いて補正量Ｑｘを算出し、該算出した補正量Ｑｘの分だけ補正パルスを出力することで、切削点の位置を補正後の切削点Ｃｒｃとなるように補正する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例に限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。
例えば、上記実施形態では工具を計測するセンサとしてタッチセンサを例に挙げているが、これに限定されるものではなく光、超音波による距離センサなど、工具の形状を測定できるセンサであればどのようなものを用いてもよい。

１ 数値制御装置
２ モータ
３ センサ
１０ 加工プログラム解析部
１１ 補間部
１２ サーボ制御部
１３ 補正部
１４ 工具データ作成部
１５ 工具データ記憶部

Claims (4)

1. 加工プログラムに基づいて、回転するワークの回転対称面を工具により切削加工するスカイビング加工を行う工作機械を制御する数値制御装置において、
   前記工具の傾きまたは形状の少なくとも１つに基づいて作成された工具データを記憶する工具データ記憶部と、
   前記加工プログラムから指令ブロックを読み出して解析し、前記指令ブロックにより指令される前記工具の指令経路を示す指令データを生成して出力する加工プログラム解析部と、
   前記指令データに基づいて補間処理を実行し、補間周期毎の補間データを生成して出力する補間部と、
   前記指令ブロックがスカイビング加工を指令するブロックである場合、前記工具データ記憶部に記憶された工具データに基づいて前記指令経路を補正する補正データを生成し、前記補間部が出力する補間データに合わせて前記補正データを出力する補正部と、
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記工具の傾きまたは形状を計測するセンサの出力に基づいて工具データを生成し、前記工具データを前記工具データ記憶部に記憶する工具データ作成部を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記工具データは、前記工具の刃先の切削開始点の座標値と、少なくとも１以上の前記切削開始点とは異なる刃先の点の座標値とを含み、
   前記補正部は、前記工具の刃先の切削開始点の座標値と、前記切削開始点とは異なる刃先の点の座標値との差分に基づいて前記補正データを生成する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置。
4. 前記補正部は、前記工具データに基づいて算出された工具の刃先の傾きに基づいて前記ワークと前記工具の刃先が垂直に接する切削点の位置を補正する補正量を算出し、前記補正量に基づいて生成された補正データを前記補間部が出力する補間データに合わせて出力する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置。