JP2016189039A - 数値制御装置と制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の加工能力を向上できる数値制御装置と制御方法を提供する。【解決手段】数値制御装置のＣＰＵは、重切削モードの時（Ｓ１１：ＹＥＳ）、被削材の加工中に主軸実回転速度を検出する（Ｓ１２）。検出結果が所定回転速度以下の時（Ｓ１３：ＹＥＳ）、加工負荷が大きいので、重切削の状態である。ＣＰＵはＸ軸モータとＹ軸モータの速度ループ積分ゲイン（Ｋｖｉ）を、基準Ｋｖｉから重切削Ｋｖｉに変更する（Ｓ１４）。Ｋｖｉは、テーブルを駆動するＸ軸モータとＹ軸モータを制御するサーボパラメータの一つである。重切削Ｋｖｉは基準Ｋｖｉよりも値が小さい。Ｋｖｉを小さくすることで、テーブルの振動周波数特性が変化し、重切削時に発生する振動は小さくなる。故に数値制御装置はサーボエラーを発生することなく加工を継続できるので加工能力を向上できる。【選択図】図８

Description

本発明は、数値制御装置と制御方法に関する。

工作機械は工具を装着する主軸を回転し被削材を加工する。鉄等の硬い被削材の荒加工は重切削加工である。重切削加工を行う時、高速加工に比べ加工負荷は増大する。故に作業者は工作機械の最大切削能力を考慮する必要がある。最大切削能力は、びびり振動の発生、モータのトルクオーバー、主軸回転速度の大きな変化等で決定する。エンドミルを使用した加工等では工具は断続的に被削材を削るので、最大切削能力が低いと負荷変動が発生し、主軸回転速度も変動する。数値制御装置は主軸回転速度を一定になるように制御し、指令回転数から閾値を超えて大きくずれた時は、異常な状態であると判断し、サーボエラー等を表示して工作機械を停止する。特許文献１に記載の主軸駆動機構は、高速回転用モータと高トルクの低速回転用モータを備え加工内容によって使用するモータを変更している。

特開平１１−９９４３３号公報

特許文献１に記載の主軸駆動機構は、高速回転用モータと低速回転用モータ、更に使用するモータを切り替えるクラッチ機構を備えるので、部品費用の増加、機械の大型化等の問題点があった。また、サーボエラーが発生しないような閾値に変更すると、工具の回転と送り速度の関係は大きく変化するので、切削負荷が更に大きくなったり加工面の面粗さが悪くなる可能性があった。

本発明の目的は、工作機械の加工能力を向上できる数値制御装置と制御方法を提供することにある。

本発明の請求項１に係る数値制御装置は、工具を装着し且つ回転する主軸と、被削材を固定するテーブルと、前記主軸又は前記テーブルを相対的に移動する移動機構を駆動するサーボモータとを備え、前記主軸と共に回転する工具で前記被削材を切削する工作機械の動作を制御する数値制御装置において、前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段の検出結果が所定回転速度以下の時、前記サーボモータの制御方式を決定するサーボパラメータの速度ループに関するゲインを変更する変更手段とを備えたことを特徴とする。数値制御装置は、例えば鉄等の硬い被削材の荒加工を行う時、加工負荷が大きくなるので、工作機械に大きな振動を生じ、且つ主軸の回転速度は大きく変動する。主軸の回転速度が所定回転速度以下に低下すると、工作機械は重切削の状態であり、主軸が停止する可能性がある。数値制御装置はサーボパラメータの速度ループに関するゲインを変更することで、工作機械固有の振動周波数特性を変えることができる。故に数値制御装置は重切削時に発生する振動を小さくでき、主軸を停止することなく、加工を継続できる。故に数値制御装置は加工能力を向上できる。

請求項２に係る数値制御装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記速度ループに関するゲインは、速度ループ積分ゲインであり、前記変更手段は、前記速度ループ積分ゲインを基準値よりも小さくすることを特徴とする。数値制御装置は、速度ループ積分ゲインを基準値よりも小さくすることで、工作機械に生じる振動を小さくできる。

請求項３に係る数値制御装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記速度ループに関するゲインは、速度ループ比例ゲインであり、前記変更手段は、前記速度ループ比例ゲインを基準値よりも小さくすることを特徴とする。数値制御装置は、速度ループ比例ゲインを基準値よりも小さくすることで、工作機械に生じる振動を小さくできる。

請求項４に係る数値制御装置は、請求項１から３の何れか一つに記載の発明の構成に加え、前記変更手段が前記速度ループに関するゲインを前記基準値よりも小さく変更した後で、前記回転速度が前記所定回転速度を超えているか判断する第二判断手段と、前記第二判断手段が前記回転速度が前記所定回転速度を超えていると判断した時、前記速度ループに関するゲインを前記基準値に復帰する復帰手段を備えたことを特徴とする。主軸の回転速度が所定回転速度より低くならないような切削負荷が小さな加工の時、数値制御装置は速度ループに関するゲインを基準値に復帰できる。故に数値制御装置はサーボモータの剛性を向上し且つ応答性を向上できるので、加工精度に影響を及ぼすことなく、加工能力を向上できる。

請求項５に係る制御方法は、工具を装着し且つ回転する主軸と、被削材を固定するテーブルと、前記主軸又は前記テーブルを相対的に移動する移動機構を駆動するサーボモータとを備え、前記主軸と共に回転する工具で前記被削材を切削する工作機械の動作を制御する数値制御装置の制御方法において、前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出工程と、前記回転速度検出工程での検出結果が所定回転速度以下の時、前記サーボモータの制御方式を決定するサーボパラメータの速度ループに関するゲインを変更する変更工程とを備えたことを特徴とする。数値制御装置は上記工程を実行することで、請求項１に記載の効果を得ることができる。

工作機械１の斜視図。 工作機械１と数値制御装置３０の電気的構成を示すブロック図。 駆動回路５３Ａの構成を示すブロック図。 Ｙ軸テーブル１２の加工時の振動周波数特性を示す図表。 Ｙ軸テーブル１２固有の振動周波数特性を示す図表。 ＮＣプログラムＰ１の図。 主処理の流れ図。 Ｋｖｉ制御処理の流れ図。 基準Ｋｖｉと重切削Ｋｖｉの夫々で加工した時の最大加工能力を示す図表。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。以下説明は、図中に矢印で示す左右、前後、上下を使用する。工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は、夫々、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。図１に示す工作機械１は主軸９に装着した工具４を回転し、テーブル１３上面に保持した被削材３に切削加工を施す機械である。数値制御装置３０（図２参照）は工作機械１の動作を制御する。

図１を参照し、工作機械１の構造を簡単に説明する。工作機械１は、基台２、コラム５、主軸ヘッド７、主軸９、テーブル装置１０、工具交換装置２０、制御箱６、操作パネル１５（図２参照）等を備える。基台２は金属製の略直方体状の土台である。コラム５は基台２上部後方に立設する。主軸ヘッド７はコラム５前面に沿ってＺ軸方向に移動可能に設ける。主軸ヘッド７は内部に主軸９を回転可能に支持する。主軸９は主軸ヘッド７下部に装着穴（図示略）を有する。主軸９は該装着穴に工具４を装着し、主軸モータ５２（図２参照）の駆動で回転する。主軸モータ５２は主軸ヘッド７に設ける。主軸ヘッド７はコラム５前面に設けたＺ軸移動機構（図示略）でＺ軸方向に移動する。数値制御装置３０はＺ軸モータ５１の駆動を制御することで、主軸ヘッド７をＺ軸方向に移動制御する。

テーブル装置１０は、Ｙ軸移動機構（図示略）、Ｙ軸テーブル１２、Ｘ軸移動機構（図示略）、テーブル１３等を備える。Ｙ軸移動機構は基台２上面前側に設け、一対のＹ軸レール、Ｙ軸ボール螺子、Ｙ軸モータ５４（図２参照）等を備える。一対のＹ軸レールとＹ軸ボール螺子はＹ軸方向に延びる。一対のＹ軸レールは上面にＹ軸テーブル１２をＹ軸方向に案内する。Ｙ軸テーブル１２は略直方体状に形成し、底部外面にナット（図示略）を備える。該ナットはＹ軸ボール螺子に螺合する。Ｙ軸モータ５４がＹ軸ボール螺子を回転すると、Ｙ軸テーブル１２はナットと共に一対のＹ軸レールに沿って移動する。故にＹ軸移動機構はＹ軸テーブル１２をＹ軸方向に移動可能に支持する。

Ｘ軸移動機構はＹ軸テーブル１２上面に設け、一対のＸ軸レール（図示略）、Ｘ軸ボール螺子（図示略）、Ｘ軸モータ５３（図２参照）等を備える。Ｘ軸レールとＸ軸ボール螺子はＸ軸方向に延びる。テーブル１３は平面視矩形板状に形成し、Ｙ軸テーブル１２上面に設ける。テーブル１３は底部にナット（図示略）を備える。該ナットはＸ軸ボール螺子に螺合する。Ｘ軸モータ５３がＸ軸ボール螺子を回転すると、テーブル１３はナットと共に一対のＸ軸レールに沿って移動する。故にＸ軸移動機構はテーブル１３をＸ軸方向に移動可能に支持する。故にテーブル１３は、Ｙ軸移動機構、Ｙ軸テーブル１２、Ｘ軸移動機構により、基台２上をＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能である。

工具交換装置２０は主軸ヘッド７の前側に設け、円盤型の工具マガジン２１を備える。工具マガジン２１は外周に複数の工具（図示略）を放射状に保持し、工具交換指令が指示する工具を工具交換位置に位置決めする。工具交換指令はＮＣプログラムで指令する。工具交換位置は工具マガジン２１の最下部位置である。工具交換装置２０は主軸９に装着する工具４と工具交換位置にある工具とを入れ替え交換する。

制御箱６は数値制御装置３０(図２参照）を格納する。数値制御装置３０は、Ｚ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４を夫々制御し、テーブル１３上に保持した被削材３と主軸９に装着した工具４を相対移動することで各種加工を被削材３に施す。各種加工とは、例えばドリル、タップ等を用いた穴空け加工、エンドミル、フライス等を用いた側面加工等である。

操作パネル１５は、例えば工作機械１を覆うカバー（図示略）の外壁に設ける。操作パネル１５は入力部１６と表示部１７(図２参照）を備える。入力部１６は各種情報、操作指示等の入力を受け付け、後述する数値制御装置３０に出力する。表示部１７は後述する数値制御装置３０からの指令に基づき、各種画面を表示する。

図２を参照し、数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を説明する。数値制御装置３０と工作機械１は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、記憶装置３４、入出力部３５、駆動回路５１Ａ〜５５Ａ等を備える。ＣＰＵ３１は数値制御装置３０を統括制御する。ＲＯＭ３２は、後述する主プログラム、Ｋｖｉ制御プログラムを含む各種プログラム等を記憶する。主プログラムは、後述する主処理(図７参照）を実行するものである。主処理は、ＮＣプログラムを１行ずつ読み込んで各種動作を実行する。ＮＣプログラムは各種制御指令を含む複数行で構成し、工作機械１の軸移動、工具交換等を含む各種動作を行単位で制御するものである。Ｋｖｉ制御プログラムは、後述するＫｖｉ制御処理（図８参照）を実行するものである。ＲＡＭ３３は各種情報を一時的に記憶する。記憶装置３４は不揮発性であり、ＮＣプログラム、後述するサーボパラメータ等の各種データを記憶する。ＣＰＵ３１は作業者が操作パネル１５の入力部１６で入力したＮＣプログラムに加え、外部入力で読み込んだＮＣプログラム等を記憶装置３４に記憶できる。

駆動回路５１ＡはＺ軸モータ５１とエンコーダ５１Ｂに接続する。駆動回路５２Ａは主軸モータ５２とエンコーダ５２Ｂに接続する。駆動回路５３ＡはＸ軸モータ５３とエンコーダ５３Ｂに接続する。駆動回路５４ＡはＹ軸モータ５４とエンコーダ５４Ｂに接続する。駆動回路５５Ａは工具マガジン２１を駆動するマガジンモータ５５とエンコーダ５５Ｂに接続する。Ｚ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、マガジンモータ５５は何れもサーボモータである。駆動回路５１Ａ〜５５ＡはＣＰＵ３１から指令を受け、対応する各モータ５１〜５５に駆動電流を夫々出力する。駆動回路５１Ａ〜５５Ａはエンコーダ５１Ｂ〜５５Ｂからフィードバック信号を受け、位置と速度のフィードバック制御を行う。入出力部３５は操作パネル１５の入力部１６と表示部１７に夫々接続する。

図３を参照し、Ｘ軸モータ５３の駆動回路５３Ａの構成を説明する。駆動回路５１Ａ〜５４Ａの構成は同一であるので、駆動回路５１Ａ，５２Ａ，５４Ａの構成の説明は省略する。Ｘ軸モータ５３のエンコーダ５３Ｂは、Ｘ軸モータ５３の現在位置情報を位置フィードバック信号Ｓｂとして数値制御装置３０に出力する。数値制御装置３０はＮＣプログラムから取得した制御指令に基づき、位置指令Ｓａを生成し、駆動回路５３Ａに出力する。

駆動回路５３Ａは、位置指令Ｓａに従い、Ｘ軸モータ５３が動作するようにＸ軸モータ５３に出力する駆動電流を制御する。具体的には、駆動回路５３Ａの加算器６２は、位置指令Ｓａと実際の位置の信号である位置フィードバック信号Ｓｂの位置偏差Ｓｅを算出し、該位置偏差Ｓｅに位置ループゲインＫｐを乗ずることで速度指令Ｓｆを算出する。

加算器６３は、上記速度指令Ｓｆと実際の速度、即ち位置フィードバック信号Ｓｂを微分回路６４で微分して得た速度Ｓｇとの速度偏差Ｓｈを算出する。加算器６６は、速度偏差Ｓｈに速度ループ比例ゲインＫｖｐを乗ずることで得た電流指令（比例）Ｓｉと、上記速度偏差Ｓｈを積分回路６５で積分してその積分結果に速度ループ積分ゲインＫｖｉを乗ずることで得た電流指令（積分）Ｓｊを加算し、電流指令Ｓｋを算出する。電流制御部６７は算出した電流指令Ｓｋに基づき、Ｘ軸モータ５３の通電制御を行う。電流制御部６７は、Ｘ軸モータ５３の電流情報、即ち、Ｘ軸モータ５３のトルク情報Ｔ（ｎ）を数値制御装置３０に出力する。

次に、サーボパラメータの速度ループに関するゲインを説明する。上述の通り、送り軸であるＸ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１は何れもサーボモータである。サーボモータの制御方式はセミクローズドループ制御である。セミクローズドループ制御は入力パルスとエンコーダからフィードバックするパルスの差を監視する制御方式である。慣性負荷の大きさに応じて最適なセミクローズドループ制御を行う為、数値制御装置３０はゲイン調整を行う。ゲイン調整は負荷慣性モーメントの大きさに合わせて応答性を調整することを意味する。

サーボモータの制御はサーボパラメータで決定する。サーボパラメータは、数値制御装置３０に接続するサーボモータの制御方式を決定するパラメータで、軸毎に設定する。各パラメータは基準値を持ち、各軸の制御条件に合わせて変更する。サーボパラメータはゲイン調整のパラメータを含む。ゲイン調整のパラメータは、速度ループに関するゲインを含む。速度ループに関するゲインは、上述した速度ループ比例ゲイン、速度ループ積分ゲイン（速度ループ積分時定数）等である。速度ループに関するゲインを変更すると、サーボモータの応答性（周波数特性）は変化する。

速度ループ比例ゲインは、全ての周波数帯にわたって応答性を変化する。速度ループ比例ゲインを大きくすると、サーボ剛性は高くなり且つ応答性は向上する。サーボ剛性とは、サーボモータ停止時に保持トルクを発生し、外力による移動を防止する性質である。速度ループ比例ゲインを小さくすると、サーボ剛性は低くなり且つ応答性は低下する。速度ループ積分ゲインは、低い周波数での応答性を変化する。速度ループ比例ゲインと同様に、速度ループ積分ゲインを大きくすると、サーボ剛性は高くなり且つ応答性は向上する。速度ループ積分ゲインを小さくすると、サーボ剛性は低くなり且つ応答性は低下する。

本実施形態の数値制御装置３０は、送り軸であるＸ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１について、輪郭精度を要求する通常切削時は応答性の高い速度ループ積分ゲインを設定し、鉄等の硬い材料の荒加工のような重切削時は通常切削時に比べて小さい重切削用の速度ループ積分ゲインに設定する。輪郭精度を要求する加工は、例えば切削経路中のコーナ部である。以下説明は、速度ループ積分ゲインを単にＫｖｉと呼ぶ。

図４を参照し、工作機械１の被削材３加工時の振動周波数特性を説明する。本実施形態は工作機械１の加工時の振動周波数特性を解析する為、被削材３の加工試験を行った。試験条件は以下の通りである。図１に示す如く、テーブル１３上面に１００ｋｇの被削材３を固定する。工具４はエンドミルを使用する。Ｙ軸テーブル１２の振動周波数特性を解析する為、加速度ピックアップ（図示略）はＹ軸テーブル１２側面に取り付ける。加速度ピックアップはＹ軸テーブル１２の加速度と振動を測定するセンサである。Ｙ軸テーブル１２は重量のあるテーブル１３を上面に支持するので、テーブル１３よりも大きな負荷がかかる。故に加工時のＹ軸テーブル１２の振動周波数の変動はテーブル１３よりも大きくなるので、本実施形態はＹ軸テーブル１２の振動周波数を解析することで、工作機械１の振動周波数特性を確認した。

更に本実施形態は、送り軸であるＸ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１のＫｖｉについて、通常切削時に使用するＫｖｉ（以下基準Ｋｖｉと呼ぶ）と、重切削時に使用するＫｖｉ（以下重切削Ｋｖｉと呼ぶ）を夫々用意する。基準Ｋｖｉの一例は２００Ｈｚ、重切削Ｋｖｉの一例は８３Ｈｚである。重切削Ｋｖｉは、基準Ｋｖｉよりも小さいゲインである。加工試験では、工具４に対しテーブル１３をＹ軸方向に移動することで被削材３のエンドミル加工を行った。エンドミル加工は基準Ｋｖｉを設定した場合と重切削Ｋｖｉを設定した場合の二回行った。そして、夫々の加工中にＹ軸テーブル１２に生じる振動を加速度ピックアップで測定し、測定した振動データをＦＦＴ解析した。

図４に示す図表は、Ｙ軸テーブル１２の振動周波数特性を示し、縦軸に振動の大きさ［ｍ／ｓ］、横軸に振動周波数［Ｈｚ］を示す。（１）線は、基準Ｋｖｉで加工した時の振動周波数特性を示す。（２）線は、重切削Ｋｖｉで加工した時の振動周波数特性を示す。何れの振動周波数特性においても、Ｙ軸方向に４０〜５０Ｈｚ付近の大きな振動振幅を確認できた。即ち４０〜５０Ｈｚ付近でＹ軸テーブル１２は大きく振動する。更に４０〜５０Ｈｚ付近にて、基準Ｋｖｉを設定した時と、重切削Ｋｖｉを設定した時とでは、重切削Ｋｖｉを設定した時の方が振動振幅の大きさは小さくなった。尚、（１）線と（２）線で６０Ｈｚ付近に生じた振動振幅は、工具の刃が被削材３に当たる時に発生するものである。

図５を参照し、工作機械１固有の振動周波数特性を説明する。本実施形態は、工作機械１固有の振動周波数特性を確認する為、加速度ピックアップ（図示略）をＹ軸テーブル１２に取り付けた状態で、基準Ｋｖｉと重切削Ｋｖｉに設定を夫々変えて、ハンマリング試験（加振試験）を行った。ハンマリング試験では、ハンマ（図示略）で対象のＹ軸テーブル１２に対してＹ軸方向に打撃を加え、Ｙ軸テーブル１２に生じる振動を加速度ピックアップで計測し、ＦＦＴ解析でＹ軸テーブル１２固有の振動周波数特性を解析した。

図５に示す図表は、Ｙ軸テーブル１２固有の振動周波数特性を示し、縦軸に振動の大きさ［ｍ／ｓ／Ｎ］、横軸に振動周波数［Ｈｚ］を示す。（３）線は、基準Ｋｖｉ設定時のＹ軸テーブル１２固有の振動周波数特性を示す。（４）線は、重切削Ｋｖｉ設定時のＹ軸テーブル１２固有の振動周波数特性を示す。何れの振動周波数特性においても、Ｙ軸方向に４０〜５０Ｈｚ付近の大きな振動振幅を確認できた。４０〜５０Ｈｚ付近の大きな振動振幅は、Ｙ軸テーブル１２固有の振動周波数であり、工作機械１固有の振動周波数である。故に上記加工試験とハンマリング試験は、被削材３加工時の振動周波数特性と、工作機械１固有の振動周波数特性は相互に一致することを実証した。

重切削時は通常切削時に比べて加工負荷が増大するので、主軸回転速度は著しく変動する。上記加工試験とハンマリング試験の結果より、エンドミル加工等の断続切削において、主軸回転速度を変動する成分は、切削周波数（回転周波数の整数倍）以外に、工作機械１固有の振動周波数の成分を含むことがわかった。工作機械１固有の振動周波数の成分は工作機械１の剛性を向上することで小さくできるが、部品費用の増加と設計工数の増加という問題を生じる可能性があるので好ましくない。

前者の加工試験は、送り軸のＫｖｉを変更することで、加工中に生じた４０〜５０付近の振動振幅の大きさが変化することを確認した。本実施形態は、後述するＫｖｉ制御処理（図８参照）を実行し、通常切削時は基準Ｋｖｉに設定し、重切削を検出した時は重切削Ｋｖｉに設定を変更することで、４０〜５０Ｈｚ付近の大きな振動振幅を低減し、以下のように加工能力の向上を試みた。

図７を参照し、ＣＰＵ３１が実行する主処理を説明する。作業者は操作パネル１５の入力部１６を用いて、記憶装置３４に記憶する複数のＮＣプログラムの中から一のＮＣプログラムを選択し、選択したＮＣプログラムの加工開始を指示する。ＣＰＵ３１は入力部１６から加工開始指示を受け付けると、ＲＯＭ３２に記憶する主プログラムを読み込み、本処理を実行する。本実施形態は、図６に示すＮＣプログラムＰ１を実行する時を例に説明する。

図６に示す如く、ＮＣプログラムＰ１のＮ０１行目は、主軸９を１０００ｒｐｍで回転する制御指令である。Ｍ３は主軸回転指令である。Ｓは主軸回転速度（ｒｐｍ）を設定する指令である。Ｎ０２行目のＭ１４１は、通常モードから重切削モードに切り替えて設定する制御指令である。通常モードは送り軸のＫｖｉを基準Ｋｖｉに常時設定する制御方式であり、重切削モードは、現在の主軸回転速度（以下主軸実回転速度と呼ぶ）の変動に基づき、送り軸のＫｖｉを基準Ｋｖｉから重切削Ｋｖｉに変更する制御方式である。尚、本実施形態の数値制御装置３０は、主軸実回転速度が主軸指令回転速度に対し５０％を下回る時、サーボエラーを表示部１７に表示し、主軸９を停止するように工作機械１を制御する。ＣＰＵ３１は現在設定中のモード情報をＲＡＭ３３に記憶する。モード情報は制御方式の種類の情報である。ＣＰＵ３１はデフォルトで通常モードに設定する。

Ｎ０３行目は、アブソリュート指令で主軸９をＸ＝１００の位置まで送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎで切削送りする制御指令である。Ｎ０４行目のＭ１４２は、重切削モードを解除して通常モードに戻す制御指令である。Ｎ０５行目のＭ３０はＮＣプログラムを終了する終了指令である。尚、作業者は、操作パネル１５の入力部１６で基準Ｋｖｉと重切削Ｋｖｉを夫々変更できる。本実施形態は、送り軸の基準Ｋｖｉと重切削Ｋｖｉを記憶装置３４に予め記憶し、現在設定中のＫｖｉをＲＡＭ３３に記憶する。基準Ｋｖｉは基準値である。

図７に示す如く、ＣＰＵ３１は入力部１６で選択を受け付けたＮＣプログラムＰ１を読み込み（Ｓ１）、Ｎ０１行目を解釈する（Ｓ２）。ＣＰＵ３１は解釈した１行目にＭ３０が有るか否か判断する（Ｓ３）。Ｎ０１行目はＭ３Ｓ１０００であるので（Ｓ３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は主軸モータ５２を駆動し、主軸９を１０００ｒｐｍで回転する（Ｓ４）。１行目の制御指令実行後、ＣＰＵ３１はＳ２に戻り、Ｎ０２行目を解釈する。Ｎ０２行目はＭ１４１であるので（Ｓ３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は通常モードから重切削モードに切り替えて設定する（Ｓ４）。ＣＰＵ３１はＲＡＭ３３に記憶するモード情報に重切削モードが設定中であることを記憶する。重切削モードを設定すると、ＣＰＵ３１は後述するＫｖｉ制御処理（図８参照）において、主軸実回転数の変動に応じて、送り軸のＫｖｉを基準Ｋｖｉから重切削Ｋｖｉに変更する。Ｎ０２行目の制御指令を実行後、ＣＰＵ３１はＳ２に戻り、Ｎ０３行目を解釈する。

Ｎ０３行目はＧ９０Ｇ０１Ｘ１００．Ｆ５００であるので（Ｓ３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は主軸９をＸ＝１００の位置まで送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎで移動し、被削材３のエンドミル加工を行う（Ｓ４）。Ｎ０３行目の制御指令を実行後、ＣＰＵ３１はＳ２に戻り、Ｎ０４行目を解釈する。Ｎ０４行目はＭ１４２であるので（Ｓ３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は重切削モードを解除して通常モードに戻す（Ｓ４）。ＣＰＵ３１はＲＡＭ３３に記憶するモード情報に通常モードが設定中であることを記憶する。Ｎ０４行目の制御指令を実行後、ＣＰＵ３１はＳ２に戻り、Ｎ０５行目を解釈する。Ｎ０５行目はＭ３０であるので（Ｓ３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は本処理を終了する。

図８を参照し、Ｋｖｉ制御処理を説明する。ＣＰＵ３１は図７の主処理でＮＣプログラムＰ１を実行する時、ＲＯＭ３２からＫｖｉ制御プログラムを読み込み、主処理と並行して本処理を実行する。

ＣＰＵ３１はＲＡＭ３３に記憶するモード情報を参照し、現在設定の制御方式が重切削モードか否か判断する（Ｓ１１）。通常モードである時（Ｓ１１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は現在設定のＫｖｉは、重切削Ｋｖｉか否か判断する（Ｓ１８）。現在設定のＫｖｉが基準Ｋｖｉである時（Ｓ１８：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は現在実行するＮＣプログラムＰ１が終了か否か判断する（Ｓ２０）。ＮＣプログラムＰ１が実行中の時（Ｓ２０：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１１に戻り処理を繰り返す。

現在設定の制御方式が重切削モードである時（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は主軸モータ５２のエンコーダ５２Ｂ（図２参照）から受信する信号に基づき、主軸実回転速度を検出する（Ｓ１２）。ＣＰＵ３１は検出した主軸実回転速度の絶対値が所定回転速度以下か否か判断する（Ｓ１３）。所定回転速度は以下の式で算出する。
所定回転速度＝|主軸指令回転速度|×Ｋｖｉ切替比率÷１００
尚、Ｋｖｉ切替比率は、サーボエラーを発生する５０％よりも高い値に設定するのが好ましく、例えば６０〜７０％にするとよい。Ｋｖｉ切替比率は、操作パネル１５で自由に変更可能である。

ＮＣプログラムＰ１のＮ０１行目のＳ１０００は、主軸指令回転速度を１０００ｒｐｍに設定する。故に所定回転速度は１０００×６０÷１００＝６００ｒｐｍとなる。ＣＰＵ３１は６００ｒｐｍ以下か否か判断する。主軸実回転速度が６００ｒｐｍよりも高い時（Ｓ１３：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は現在設定のＫｖｉは重切削Ｋｖｉか否か判断する（Ｓ１６）。現在設定のＫｖｉが基準Ｋｖｉである時（Ｓ１６：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＮＣプログラムＰ１が終了か否か判断する（Ｓ２０）。ＮＣプログラムＰ１が実行中の時（Ｓ２０：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１１に戻り処理を繰り返す。

主軸実回転速度が６００ｒｐｍ以下の時（Ｓ１３：ＹＥＳ）、加工負荷が大きく工作機械１に振動を生じているので重切削である。故にＣＰＵ３１はＫｖｉを重切削Ｋｖｉに変更する（Ｓ１４）。重切削Ｋｖｉは基準Ｋｖｉよりも小さい値であるので、サーボ剛性が低下して工作機械１に生じる振動は小さくなる。主軸実回転速度は徐々に復帰して上昇する。故に数値制御装置３０はサーボエラーを発生することなく加工を継続できる。また振動が小さくなるので重切削時における被削材３の加工面を良好にできる。

ＣＰＵ３１は別の主軸回転指令を実行か否か判断する（Ｓ１５）。別の主軸回転指令を実行する時（Ｓ１５：ＹＥＳ）、主軸指令回転速度が変更する可能性があるので、ＣＰＵ３１はＫｖｉを基準Ｋｖｉに戻す（Ｓ１７）。例えば別の主軸回転指令で切削負荷の小さい加工を行う時、サーボ剛性が向上し且つ応答性は向上するので、加工精度は向上する。別の主軸回転指令を実行しない時（Ｓ１５：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＮＣプログラムＰ１が終了か否か判断する（Ｓ２０）。ＮＣプログラムＰ１が実行中の時（Ｓ２０：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１１に戻り処理を繰り返す。

重切削モードで重切削Ｋｖｉを設定した状態で、引き続き加工が継続する時（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は主軸実回転速度を再検出する（Ｓ１２）。検出した主軸実回転速度が所定回転速度を超えた時（Ｓ１３：ＮＯ）、切削負荷が小さくなるので、現在の切削状態は重切削ではなくなる。故に現在設定のＫｖｉが重切削Ｋｖｉである時（Ｓ１６：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は基準Ｋｖｉに戻す（Ｓ１７）。サーボ剛性が向上し且つ応答性は向上するので、加工精度は向上する。ＣＰＵ３１はＮＣプログラムＰ１が終了か否か判断する（Ｓ２０）。ＮＣプログラムＰ１が実行中の時（Ｓ２０：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１１に戻り処理を繰り返す。

ＮＣプログラムＰ１のＮ０４行目で重切削モードが解除した時（Ｓ１１：ＮＯ）、ＣＰＵ３１は現在設定のＫｖｉは重切削Ｋｖｉか否か判断する（Ｓ１８）。現在設定のＫｖｉが重切削Ｋｖｉであるので（Ｓ１８：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は基準Ｋｖｉに戻し（Ｓ１９）、ＮＣプログラムＰ１が終了か否か判断する（Ｓ２０）。ＮＣプログラムＰ１が終了した時（Ｓ２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は本処理を終了する。

図９を参照し、基準Ｋｖｉを設定した時の最大加工能力と、重切削Ｋｖｉを設定した時の最大加工能力を説明する。図９は下側の横軸に振動周波数［Ｈｚ］、上側の横軸に主軸回転速度［ｒｐｍ］を示し、左側の縦軸に振動の大きさ［ｍ／ｓ／Ｎ］を示し、右側の縦軸に最大加工能力［ｍｍ］を示す。（３）線と（４）線は、図５に示すものと同じである。（５）線は基準Ｋｖｉを設定時の最大加工能力、（６）線は重切削Ｋｖｉを設定時の最大加工能力を夫々示す。最大加工能力は、被削材３をエンドミル加工した時にサーボエラーを発生しない最大切削幅（ａｅ）として測定した。図９の最大加工能力を示す右側の縦軸は、上から下に向かって最大切削幅が大きくなることを示す。

図９に示す如く、最大加工能力は基準Ｋｖｉ設定時に比べ、重切削Ｋｖｉ設定時の方が大きいことが実証された。振動振幅の大きい４０〜５０Ｈｚ付近においても、重切削Ｋｖｉ設定時の方が最大加工能力は大きいことから、主軸実回転速度が大きく低下する重切削時に、Ｋｖｉを基準Ｋｖｉから重切削Ｋｖｉに変更することで、工作機械１に生じる振動を小さくでき、且つ硬い材料等を良好に切削できることが実証された。

以上説明にて、テーブル装置１０は本発明の移動機構に相当し、図８のＳ１２の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の回転速度検出手段に相当し、Ｓ１４の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の変更手段に相当する。ＣＰＵ３１が実行するＳ１２の工程は本発明の回転速度検出工程に相当し、ＣＰＵ３１が実行するＳ１４の工程は本発明の変更工程に相当する。

以上説明の如く、本実施形態の数値制御装置３０は、被削材を切削する工作機械１の動作を制御する。工作機械１は、主軸９、テーブル装置１０、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４を備える。主軸９は工具４を装着し且つ回転する。テーブル装置１０はＸ軸移動機構とＹ軸移動機構を備え、テーブル１３を主軸９に対して相対的にＸ軸方向とＹ軸方向に移動する。Ｘ軸モータ５３とＹ軸モータ５４は、Ｘ軸移動機構とＹ軸移動機構を駆動するサーボモータである。数値制御装置３０は、主軸９の主軸実回転速度を検出する。検出結果が所定回転速度以下の時、Ｘ軸モータ５３とＹ軸モータ５４のＫｖｉを重切削Ｋｖｉに変更する。数値制御装置３０はＫｖｉを重切削Ｋｖｉに変更することで、テーブル１３の振動周波数特性を変化できる。数値制御装置３０は重切削時に発生する振動を軽減できるので、サーボエラーを発生することなく加工を継続できる。故に数値制御装置３０は加工能力を向上できるので、より多くの体積を切削でき、生産性を向上できる。

本発明は上記実施形態に限らず、各種の変形が可能なことはいうまでもない。上記実施形態は、速度ループに関するゲインの一つである速度ループ積分ゲイン（Ｋｖｉ）について、基準Ｋｖｉと、基準Ｋｖｉよりも小さい重切削Ｋｖｉを夫々設け、主軸実回転速度で重切削を検出した時に、基準Ｋｖｉから重切削Ｋｖｉに変更することで、工作機械１に生じる振動を小さくした。この他に、例えば加工中に重切削を検出した時、速度ループ比例ゲイン（Ｋｖｐ）を変更してもよい。上記の如く、速度ループ比例ゲインを大きくすると、サーボ剛性は高くなり応答性は向上する。速度ループ比例ゲインを小さくすると、サーボ剛性は低くなり応答性は低下する。故に加工中に重切削を検出した時、数値制御装置３０は、速度ループ積分ゲインと同様に、重切削を検出した時は基準値よりも低いゲインに変更すればよい。数値制御装置３０は、速度ループ比例ゲインについて、図８に示すＫｖｉ制御処理と同じ処理を実行すればよい。故に数値制御装置３０は上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

速度ループ積分ゲインは速度ループ積分時定数の値を変更することで速度ループ積分ゲインの値を変更するようにしてもよい。該場合、速度ループ積分ゲインを小さくするには速度ループ積分時定数を大きくすることになる。

上記実施形態の重切削ＫｖｉとＫｖｉ切替比率は、作業者が自由に選択可能なパラメータとして設定してもよい。例えば操作パネル１５で選択可能としてもよい。

上記実施形態は、主処理で実行するＮＣプログラムの中で、Ｍ１４１とＭ１４２を用いて、重切削モードの設定と解除を行うが、それ以外の方法で設定するようにしてもよい。例えば操作パネル１５の入力部１６で、重切削モードの設定と解除を行うようにしてもよい。

上記実施形態は、主軸実回転速度を検出して、現在の加工が重切削か否かを判断するが、例えば主軸トルク値、送り軸（Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１）の回転速度、送り軸トルク値等を検出して、重切削か否かを判断するようにしてもよい。

上記実施形態は、加速度ピックアップをＹ軸テーブル１２の側面に取り付け、Ｙ軸テーブル１２の振動を測定することで、工作機械１の動特性を確認したが、加速度ピックアップをテーブル１３の側面に取り付け、テーブル１３の振動を測定することでも、工作機械１の動特性を確認できる。

上記実施形態は、例えば加工中に重切削を検出した時、送り軸であるＸ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、Ｚ軸モータ５１の三軸のＫｖｉを重切削Ｋｖｉに変更するが、少なくとも一つ以上の送り軸について重切削Ｋｖｉに変更すればよい。

上記実施形態の工作機械１は、工具４を装着する主軸がＺ軸方向に移動可能であり、テーブル１３がＸ軸とＹ軸方向の二軸に移動可能である工作機械である。テーブル１３に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に相対的に移動する工具４の移動機構の仕組みは上記実施形態に限定しない。例えば、主軸がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の三軸に移動可能であり、作業台を固定した工作機械であってもよい。上記実施形態の工作機械１は縦型の工作機械であるが、横型の工作機械であってもよい。

上記実施形態は、エンドミル加工で説明したが、フライス加工等の他の加工方法にも適用可能である。

上記実施形態の駆動回路５１Ａ〜５５Ａは工作機械１に設けているが、駆動回路５１Ａ〜５５Ａを数値制御装置３０に設けてもよい。

１ 工作機械
４ 工具
９ 主軸
１０ テーブル装置
１３ テーブル
３０ 数値制御装置
３１ ＣＰＵ
５１ Ｚ軸モータ
５３ Ｘ軸モータ
５４ Ｙ軸モータ

Claims (5)

1. 工具を装着し且つ回転する主軸と、被削材を固定するテーブルと、前記主軸又は前記テーブルを相対的に移動する移動機構を駆動するサーボモータとを備え、前記主軸と共に回転する工具で前記被削材を切削する工作機械の動作を制御する数値制御装置において、
   前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段の検出結果が所定回転速度以下の時、前記サーボモータの制御方式を決定するサーボパラメータの速度ループに関するゲインを変更する変更手段と
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記速度ループに関するゲインは、速度ループ積分ゲインであり、
   前記変更手段は、前記速度ループ積分ゲインを基準値よりも小さくすること
   を特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記速度ループに関するゲインは、速度ループ比例ゲインであり、
   前記変更手段は、前記速度ループ比例ゲインを基準値よりも小さくすること
   を特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
4. 前記変更手段が前記速度ループに関するゲインを基準値よりも小さく変更した後で、前記回転速度が前記所定回転速度を超えているか判断する第二判断手段と、
   前記第二判断手段が前記回転速度が前記所定回転速度を超えていると判断した時、前記速度ループに関するゲインを前記基準値に復帰する復帰手段を備えたこと
   を特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の数値制御装置。
5. 工具を装着し且つ回転する主軸と、被削材を固定するテーブルと、前記主軸又は前記テーブルを相対的に移動する移動機構を駆動するサーボモータとを備え、前記主軸と共に回転する工具で前記被削材を切削する工作機械の動作を制御する数値制御装置の制御方法において、
   前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出工程と、
   前記回転速度検出工程での検出結果が所定回転速度以下の時、前記サーボモータの制御方式を決定するサーボパラメータの速度ループに関するゲインを変更する変更工程と
   を備えたことを特徴とする制御方法。