JP2016182653A - 工作機械及びこの工作機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ回転目の切削工具の振動軌跡とｎ＋１回転目の切削工具の振動軌跡との関係なく、ワークから生じる切屑を順次確実に分断して切削加工後のワークの外観不良を低減する工作機械及びこの工作機械の制御装置を提供すること。【解決手段】切削工具１３０の振動一往復の往動時の移動経路Ｐ１と復動時の移動経路Ｐ２との間に、切削工具１３０の往動状態と復動状態とを反転させるループ状の反転経路Ｐ３を設け、両移動経路Ｐ１、Ｐ２が反転経路Ｐ３を介して互いに交差するように、振動制御手段（Ｃ１）が、切削工具１３０を振動させる構成とした工作機械１００とその制御装置Ｃ。【選択図】図３

Description

本発明は、切削加工時の切屑を順次分断しながらワークの加工を行う工作機械及びこの工作機械の制御装置に関する。

従来、ワークを保持するワーク保持手段と、前記ワークを切削加工する切削工具を保持する刃物台と、前記ワーク保持手段と前記刃物台との相対移動によって、前記ワークに対して前記切削工具を所定の加工送り方向に送り動作させる送り手段と、前記切削工具が前記加工送り方向に沿って往復振動しながら加工送り方向に送られるように、前記ワーク保持手段と前記刃物台とを相対的に振動させる振動手段と、前記ワークと前記切削工具を相対的に回転させる回転手段とを備えた工作機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この工作機械の制御装置は、前記回転手段と、前記送り手段と、前記振動手段とを駆動制御し、前記ワークと前記切削工具との相対回転と、前記ワークに対する前記切削工具の前記加工送り方向への前記往復振動を伴う送り動作とによって前記工作機械に、前記ワークの加工を実行させる。

特許５０３３９２９号公報（段落００４９参照）

しかしながら、上述した従来の工作機械は、前記ワークの加工の際、前記往復振動におけるワークｎ回転目の往動時の切削加工部分とｎ＋１回転目の復動時の切削加工部分とを重複させるため、ｎ回転目の切削工具の振動軌跡とｎ＋１回転目の切削工具の振動軌跡の位相をずらす必要があった。
そのためｎ回転目の往動時とｎ＋１回転目の復動時で形成される切削加工部分の幅が変わり、ワークから生じる切屑が一定幅で分断されず、切削加工後のワークの外観不良が発生するという問題があった。

そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、ｎ回転目の切削工具の振動軌跡とｎ＋１回転目の切削工具の振動軌跡の位相をずらさなくても、ワークから生じる切屑を一定幅で順次確実に分断して切削加工後のワークの外観不良を低減する工作機械及びこの工作機械の制御装置を提供することである。

本請求項１に係る発明は、ワークを保持するワーク保持手段と、前記ワークを切削加工する切削工具を保持する刃物台と、前記ワーク保持手段と前記刃物台とを所定の加工送り方向に沿って相対的に往復振動させる振動手段と、前記ワークと前記切削工具とを相対的に回転させる回転手段と、前記振動手段による往復振動を制御する振動制御手段とを備え、前記回転手段による前記ワークと前記切削工具との相対回転と、前記振動制御手段による、前記ワークに対する前記切削工具の前記加工送り方向に沿った往復振動によって、前記切削工具でワークを切削加工する工作機械であって、前記切削工具の振動一往復の往動時の移動経路と復動時の移動経路との間に、前記切削工具の往動状態と復動状態とを反転させるループ状の反転経路を設け、前記両移動経路が前記反転経路を介して互いに交差するように、前記振動制御手段が、前記切削工具を振動させる構成としたことにより、前述した課題を解決するものである。

本請求項２に係る発明は、請求項１に記載された工作機械の構成に加えて、前記振動制御手段が、前記切削工具の前記加工送り方向に沿った前回の前記反転経路と次回の前記反転経路とを重ねるように振動制御する構成としたことにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本請求項３に係る発明は、請求項２に記載された工作機械の構成に加えて、前記振動制御手段が、前記切削工具の前記加工送り方向に沿った前記反転経路を前記相対回転の回転位相に同期した所定の位置に設けるように振動制御する構成であることにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された工作機械の構成に加えて、前記ワークに対する前記切削工具の送り量に比例して前記往復振動の振幅を設定する振幅設定手段が、前回の前記反転経路と次回の前記反転経路とが重なるように前記振動制御手段と連係している構成としたことにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本請求項５に係る発明は、ワークを保持するワーク保持手段と、前記ワークを切削加工する切削工具を保持する刃物台と、前記ワーク保持手段と前記刃物台とを所定の加工送り方向に沿って相対的に往復振動させる振動手段と、前記ワークと前記切削工具とを相対的に回転させる回転手段とを備えた工作機械に設けられ、前記ワークに対する切削工具の加工送り方向への往復振動を伴う送り動作と、前記ワークと前記切削工具との相対回転とによって、前記工作機械にワークの加工を実行させる制御装置であって、前記切削工具の振動一往復の往動時の移動経路と復動時の移動経路との間に、前記切削工具の往動状態と復動状態とを反転させるループ状の反転経路を設け、前記両移動経路が前記反転経路を介して互いに交差するように、前記振動手段を制御する構成としたことにより、前述した課題を解決するものである。

本請求項１に係る発明の工作機械によれば、ループ状の反転経路を介することで前回の復動時の切削済みの部分に次回の往動時の切削が含まれ、振動切削中に切削工具がワークを切削しない所謂、空振り動作が生じるため、前回の切削加工部分と次回の切削加工部分の位相をずらすことなく、ワークから生じる切屑を順次確実に分断し、外観不良を低減することができる。

本請求項２に係る発明の工作機械によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、必ず前回転目（ｎ回転目）の切削加工部分と次回転目（ｎ＋１回転目）の切削加工部分とが重なるため、未加工部分の発生を回避するとともに、切削部分の幅を均一化することができる。

本請求項３に係る発明の工作機械によれば、請求項２に係る発明が奏する効果に加えて、切削部分の幅がさらに均一になるため、ワーク加工面上に切削部分の幅が不均一であることによって生じる外観不良を低減することができる。

本請求項４に係る発明の工作機械によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る発明が奏する効果に加えて、往復振動の振幅を変更しても、切削部分の幅の均一性が保持されるため、ワーク加工面の切削部分の幅が不均一であることによって生じる外観不良を低減することができる。

本請求項５に係る発明の工作機械の制御装置によれば、工作機械の制御装置において、請求項１に係る発明が奏する効果と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例の工作機械の概略を示す図。 本発明の実施例の切削工具とワークとの関係を示す概略図。 本発明の実施例の主軸ｎ回転目、ｎ＋１回転目、ｎ＋２回転目の切削工具の先端軌跡を示す図。

本発明の工作機械及びこの工作機械の制御装置は、切削工具の振動一往復の往動時の移動経路と復動時の移動経路との間に、切削工具の往動状態と復動状態とを反転させるループ状の反転経路を設け、両移動経路が反転経路を介して互いに交差するように、振動制御手段が、切削工具を振動させる構成としたことにより、前回と次回の切削工具の先端軌跡の位相をずらさなくてもワークから生じる切屑を順次確実に分断するものであれば、その具体的な実施態様は、如何なるものであっても構わない。

図１は、本発明の実施例の制御装置Ｃを備えた工作機械１００の概略を示す図である。
工作機械１００は、回転手段としての主軸１１０と、刃物台としての切削工具台１３０Ａとを備えている。
主軸１１０の先端にはワーク保持手段としてのチャック１２０が設けられている。
チャック１２０を介して主軸１１０にワークＷが保持される。
主軸１１０は、図示しない主軸モータの動力によって回転駆動されるように主軸台１１０Ａに支持されている。

主軸台１１０Ａは、工作機械１００のベッド側に、Ｚ軸方向送り機構１６０によって主軸１１０の軸線方向となるＺ軸方向に移動自在に搭載されている。
主軸１１０は、主軸台１１０Ａを介してＺ軸方向送り機構１６０によって、前記Ｚ軸方向に移動する。
Ｚ軸方向送り機構１６０は、主軸１１０をＺ軸方向に移動させる主軸移動機構を構成している。

Ｚ軸方向送り機構１６０は、前記ベッド等のＺ軸方向送り機構１６０の固定側と一体的なベース１６１と、ベース１６１に設けられたＺ軸方向に延びるＺ軸方向ガイドレール１６２とを備えている。
Ｚ軸方向ガイドレール１６２に、Ｚ軸方向ガイド１６４を介してＺ軸方向送りテーブル１６３がスライド自在に支持されている。
Ｚ軸方向送りテーブル１６３側にリニアサーボモータ１６５の可動子１６５ａが設けられ、ベース１６１側にリニアサーボモータ１６５の固定子１６５ｂが設けられている。

Ｚ軸方向送りテーブル１６３に主軸台１１０Ａが搭載され、リニアサーボモータ１６５の駆動によってＺ軸方向送りテーブル１６３が、Ｚ軸方向に移動駆動される。
Ｚ軸方向送りテーブル１６３の移動によって主軸台１１０ＡがＺ軸方向に移動し、主軸１１０のＺ軸方向への移動が行われる。

切削工具台１３０Ａには、ワークＷを旋削加工するバイト等の切削工具１３０が装着されている。
切削工具台１３０Ａは、工作機械１００のベッド側に、Ｘ軸方向送り機構１５０及び図示しないＹ軸方向送り機構によって、前記Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向と、前記Ｚ軸方向及びＸ軸方向に直交するＹ軸方向とに移動自在に設けられている。
Ｘ軸方向送り機構１５０とＹ軸方向送り機構とによって、切削工具台１３０Ａを主軸１１０に対して前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させる刃物台移動機構が構成されている。

Ｘ軸方向送り機構１５０は、Ｘ軸方向送り機構１５０の固定側と一体的なベース１５１と、ベース１５１に設けられたＸ軸方向に延びるＸ軸方向ガイドレール１５２とを備えている。
Ｘ軸方向ガイドレール１５２に、Ｘ軸方向ガイド１５４を介してＸ軸方向送りテーブル１５３がスライド自在に支持されている。

Ｘ軸方向送りテーブル１５３側にリニアサーボモータ１５５の可動子１５５ａが設けられ、ベース１５１側にリニアサーボモータ１５５の固定子１５５ｂが設けられている。
リニアサーボモータ１５５の駆動によってＸ軸方向送りテーブル１５３が、Ｘ軸方向に移動駆動される。
なお、Ｙ軸方向送り機構は、Ｘ軸方向送り機構１５０をＹ軸方向に配置したものであり、Ｘ軸方向送り機構１５０と同様の構造であるため、構造についての詳細な説明は割愛する。

図１においては、図示しないＹ軸方向送り機構を介してＸ軸方向送り機構１５０を前記ベッド側に搭載し、Ｘ軸方向送りテーブル１５３に切削工具台１３０Ａが搭載されている。
切削工具台１３０Ａは、Ｘ軸方向送りテーブル１５３の移動駆動によってＸ軸方向に移動し、Ｙ軸方向送り機構が、Ｙ軸方向に対して、Ｘ軸方向送り機構１５０と同様の動作をすることによって、Ｙ軸方向に移動する。

なお、図示しないＹ軸方向送り機構を、Ｘ軸方向送り機構１５０を介して前記ベッド側に搭載し、Ｙ軸方向送り機構側に切削工具台１３０Ａを搭載してもよく、Ｙ軸方向送り機構とＸ軸方向送り機構１５０とによって切削工具台１３０ＡをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる構造は従来公知であるため、詳細な説明及び図示は割愛する。

前記刃物台移動機構（Ｘ軸方向送り機構１５０とＹ軸方向送り機構）と前記主軸移動機構（Ｚ軸方向送り機構１６０）とが協動し、Ｘ軸方向送り機構１５０とＹ軸方向送り機構によるＸ軸方向とＹ軸方向への切削工具台１３０Ａの移動と、Ｚ軸方向送り機構１６０による主軸台１１０Ａ（主軸１１０）のＺ軸方向への移動によって、切削工具台１３０Ａに装着されている切削工具１３０は、ワークＷに対して相対的に任意の加工送り方向に送られる。

前記主軸移動機構と前記刃物台移動機構とから構成される送り手段により、切削工具１３０を、ワークＷに対して相対的に任意の加工送り方向に送ることによって、図２に示すように、ワークＷは、切削工具１３０により任意の形状に切削加工される。

なお、本実施形態においては、主軸台１１０Ａと切削工具台１３０Ａの両方を移動するように構成しているが、主軸台１１０Ａを工作機械１００のベッド側に移動しないように固定し、刃物台移動機構を、切削工具台１３０ＡをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させるように構成してもよい。
この場合、前記送り手段が、切削工具台１３０ＡをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させる刃物台移動機構から構成され、固定的に位置決めされて回転駆動される主軸１１０に対して、切削工具台１３０Ａを移動させることによって、切削工具１３０をワークＷに対して加工送り動作させることができる。

また、切削工具台１３０Ａを工作機械１００のベッド側に移動しないように固定し、主軸移動機構を、主軸台１１０ＡをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させるように構成してもよい。
この場合、前記送り手段が、主軸台１１０ＡをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させる主軸台移動機構から構成され、固定的に位置決めされる切削工具台１３０Ａに対して、主軸台１１０Ａを移動させることによって、切削工具１３０をワークＷに対して加工送り動作させることができる。
また、本実施例では、切削工具１３０に対してワークＷを回転させる構成としたが、ワークＷに対して切削工具１３０を回転させる構成としてもよい。

主軸１１０の回転、Ｚ軸方向送り機構１６０、Ｘ軸方向送り機構１５０、Ｙ軸方向送り機構は、制御装置Ｃが有する制御部Ｃ１によって駆動制御される。
制御部Ｃ１は、各送り機構を振動手段として、各々対応する移動方向に沿って往復振動させながら、主軸台１１０Ａ又は切削工具台１３０Ａを各々の方向に移動させるように制御する振動制御手段を備えている。

各送り機構は、制御部Ｃ１の制御により、主軸１１０又は切削工具台１３０Ａを、１回の往復振動において、所定の前進量だけ前進（往動）移動してから所定の後退量だけ後退（復動）移動し、その差の進行量だけ各移動方向に移動させ、協動してワークＷに対して切削工具１３０を加工送り方向に送る。
工作機械１００は、Ｚ軸方向送り機構１６０、Ｘ軸方向送り機構１５０、Ｙ軸方向送り機構により、切削工具１３０が加工送り方向に沿った往復振動しながら、主軸１回転分、すなわち、主軸位相０°から３６０°まで変化したときの前記進行量の合計を送り量として、加工送り方向に送られることによって、ワークＷの加工を行う。

ワークＷが回転した状態で、主軸台１１０Ａ（主軸１１０）又は切削工具台１３０Ａ（切削工具１３０）が、例えばＺ軸方向およびＹ軸方向（ワーク外周の接線方向）の２軸方向に往復振動しながら移動し、切削工具１３０によって、ワークＷを所定の形状に外形切削加工する場合、ワークＷの周面は、図３に示すように切削される。
図３に示されるように、ワークＷの１回転当たりの主軸台１１０Ａ（主軸１１０）又は切削工具台１３０Ａの振動数Ｎが、３．０回（振動数Ｎ＝３．０）を例に、Ｚ軸方向を加工送り方向として説明する。
なお切削工具１３０の先端軌跡の下端を通過する仮想線（１点鎖線）において、主軸位相０°から３６０°まで変化したときの位置の変化量（傾き）が、前記送り量を示す。

主軸１１０の回転によってワークＷを回転させつつ、Ｚ軸方向送り機構１６０によって切削工具１３０を加工送り方向に振動し、加工送り方向の復動から往動に切り替わる際に、Ｙ軸方向送り機構によって、加工送り方向と直交する方向に振動させることにより、切削工具１３０の先端軌跡が往動時に切り替わる前の復動時の切削工具の先端軌跡を横切るループを描くように振動を繰り返す。
すなわち、切削工具１３０の振動一往復の往動時の移動経路Ｐ１と復動時の移動経路Ｐ２との間に、切削工具１３０の往動状態と復動状態とを反転させるループ状の反転経路Ｐ３を設け、両移動経路Ｐ１、Ｐ２が反転経路Ｐ３を介して互いに位置Ｐ４で交差するように、制御部Ｃ１が、切削工具１３０を振動させる。
なお、加工送り方向の復動から往動に切り替わる際には、主軸１１０の回転によるワーク外周の周速度より一瞬速くなるように制御される。

これにより、復動から往動に切り替わる際に、切削工具１３０の先端軌跡がループを描き、復動時の切削部分に直前の往動時の切削済みの部分が含まれ、振動切削中に切削工具１３０が反転経路Ｐ３における符号Ｐ３ａの位置から符号Ｐ３ｂの位置までの移動するときに切削工具１３０がワークＷを切削しない所謂、空振り動作が生じるため、切屑が分断される。
すなわち、ｎ回転目（ｎは１以上の整数）の切削工具１３０の先端軌跡の位相と、ｎ＋１回転目（ｎは１以上の整数）の切削工具１３０の先端軌跡との位相をずらさなくても空振り動作が生じるため、切屑が分断される。
さらに、本実施例では、制御部Ｃ１が、切削工具１３０の加工送り方向に沿った前回の反転経路Ｐ３と次回の反転経路Ｐ３とを重ねるように振動制御している。
これにより、未加工部分の発生が回避されるとともに、切削部分の幅を均一化することができる。

また、振動数Ｎ＝３．０の場合、ｎ＋１回転目（ｎは１以上の整数）の切削工具１３０により旋削されるワーク周面形状の位相の谷の最低点（切削工具１３０によって送り方向に最も切削された点となる点線軌跡の山の頂点）の位置が、ｎ回転目の切削工具１３０により旋削された形状の位相の谷の最低点（実線軌跡の山の頂点）の位置と、主軸位相方向（グラフの横軸方向）で同じになる。
これにより、点線で囲んだ箇所（網掛け箇所）で示す１回の切削部分（１振動で切削される部分）の送り方向の幅が均一になるため、ワーク加工面上に僅かに見える筋状の模様である外観不良を低減することができる。
さらに、本実施例では、制御部Ｃ１が、切削工具１３０の加工送り方向に沿った反転経路Ｐ３を主軸１１０の回転位相に同期した所定の位置に設けるように振動制御している。
これにより、切削部分の幅がさらに均一になる。

また、本実施例では、制御部Ｃ１が、ワークＷに対する切削工具１３０の送り量に比例して加工送り方向の往復振動の振幅を設定する振幅設定手段を備えている。
振幅設定手段は、主軸１１０のｎ回転目のときの切削工具１３０の先端軌跡と主軸１１０のｎ＋１回転目の切削工具１３０の先端軌跡とが交差する、すなわち、ｎ回転目の反転経路Ｐ３とｎ＋１回転目の反転経路Ｐ３とが重なるように、振動制御手段と連係している。
これにより、必ずｎ回転目の切削加工部分とｎ＋１回転目の切削加工部分とが重なる。
さらに、主軸１１０のｎ回転目の切削工具１３０の先端軌跡の位相と、主軸１１０のｎ＋１回転目の切削工具１３０の先端軌跡の位相とが同位相である場合は、必ず１回の切削部分（１振動で切削される部分）の幅が均一になる。
なお、本実施例では、加工送り方向をＺ軸方向としてＺ軸方向およびＹ軸方向に振動させたが、加工送り方向をＸ軸方向（ワーク径方向）としてＸ軸方向およびＹ軸方向に振動させてもよい。

１００ ・・・ 工作機械
１１０ ・・・ 主軸
１１０Ａ・・・ 主軸台
１２０ ・・・ チャック
１３０ ・・・ 切削工具
１３０Ａ・・・ 切削工具台
１５０ ・・・ Ｘ軸方向送り機構
１５１ ・・・ ベース
１５２ ・・・ Ｘ軸方向ガイドレール
１５３ ・・・ Ｘ軸方向送りテーブル
１５４ ・・・ Ｘ軸方向ガイド
１５５ ・・・ リニアサーボモータ
１５５ａ・・・ 可動子
１５５ｂ・・・ 固定子
１６０ ・・・ Ｚ軸方向送り機構
１６１ ・・・ ベース
１６２ ・・・ Ｚ軸方向ガイドレール
１６３ ・・・ Ｚ軸方向送りテーブル
１６４ ・・・ Ｚ軸方向ガイド
１６５ ・・・ リニアサーボモータ
１６５ａ・・・ 可動子
１６５ｂ・・・ 固定子
Ｃ ・・・ 制御装置
Ｃ１ ・・・ 制御部
Ｗ ・・・ ワーク

Claims (5)

1. ワークを保持するワーク保持手段と、前記ワークを切削加工する切削工具を保持する刃物台と、前記ワーク保持手段と前記刃物台とを所定の加工送り方向に沿って相対的に往復振動させる振動手段と、前記ワークと前記切削工具とを相対的に回転させる回転手段と、前記振動手段による往復振動を制御する振動制御手段とを備え、
   前記回転手段による前記ワークと前記切削工具との相対回転と、前記振動制御手段による、前記ワークに対する前記切削工具の前記加工送り方向に沿った往復振動によって、前記切削工具でワークを切削加工する工作機械であって、
   前記切削工具の振動一往復の往動時の移動経路と復動時の移動経路との間に、前記切削工具の往動状態と復動状態とを反転させるループ状の反転経路を設け、前記両移動経路が前記反転経路を介して互いに交差するように、前記振動制御手段が、前記切削工具を振動させる構成とした工作機械。
2. 前記振動制御手段が、前記切削工具の前記加工送り方向に沿った前回の前記反転経路と次回の前記反転経路とを重ねるように振動制御する構成とした請求項１に記載の工作機械。
3. 前記振動制御手段が、前記切削工具の前記加工送り方向に沿った前記反転経路を前記相対回転の回転位相に同期した所定の位置に設けるように振動制御する構成とした請求項２に記載の工作機械。
4. 前記ワークに対する前記切削工具の送り量に比例して前記往復振動の振幅を設定する振幅設定手段が、前回の前記反転経路と次回の前記反転経路とが重なるように前記振動制御手段と連係している構成とした請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の工作機械。
5. ワークを保持するワーク保持手段と、前記ワークを切削加工する切削工具を保持する刃物台と、前記ワーク保持手段と前記刃物台とを所定の加工送り方向に沿って相対的に往復振動させる振動手段と、前記ワークと前記切削工具とを相対的に回転させる回転手段とを備えた工作機械に設けられ、
   前記ワークに対する切削工具の加工送り方向への往復振動を伴う送り動作と、前記ワークと前記切削工具との相対回転とによって、前記工作機械にワークの加工を実行させる制御装置であって、
   前記切削工具の振動一往復の往動時の移動経路と復動時の移動経路との間に、前記切削工具の往動状態と復動状態とを反転させるループ状の反転経路を設け、前記両移動経路が前記反転経路を介して互いに交差するように、前記振動手段を制御する構成とした工作機械の制御装置。