JP2018161735A - 工作機械の制御装置および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】振動切削加工において、切削油を入り込みやすくする工作機械の制御装置および工作機械を提供する。【解決手段】ワークと切削工具との相対的な回転と、ワークの切削送り方向へのワークと切削工具との相対的な移動と、所定位置を回転中心とした、ワークの切削送り方向への該ワークに対する前記切削工具の前進と後退による揺動とを制御する制御手段（制御部１８１で例示）により、ワークを振動切削加工する工作機械の制御装置１８０である。制御手段は、回転中心からワークに対して引いた切削送り方向に対する垂線を、切削工具の揺動範囲を二等分する中心線よりも切削工具の揺動範囲の最前進位置側となるように設定して切削工具を揺動させる揺動調整手段（振動調整部１９１で例示）を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、工作機械の制御装置および工作機械に関する。

工具でワークを旋削する場合、いわゆる流れ形の連続的な切屑が生成されて周囲に排出される。この連続的な切屑がワークや工具に巻きつくと、ワークや工具の損傷を招く。そのため、例えば特許文献１には、ワークを工具に対して往復移動（揺動）させ、切屑を分断した切粉の状態で排出可能な振動切削加工の手法が開示されている。

実開昭４８−９８７７９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の手法では、切削工具による振り角の中心線を、回転中心からワークに引いた切削送り方向に対する垂線に一致させることが開示されている。ワークの加工精度の向上や工具寿命の向上を図るには、ワークと切削工具との間に切削油を入り込みやすくすることが望まれる。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、振動切削加工において、切削油を入り込みやすくする工作機械の制御装置および工作機械を提供することを目的とする。

本発明は、第１に、ワークと切削工具との相対的な回転と、該ワークの切削送り方向への該ワークと前記切削工具との相対的な移動と、所定位置を回転中心とした、前記ワークの切削送り方向への該ワークに対する前記切削工具の前進と後退による揺動とを制御する制御手段により、前記ワークを振動切削加工する工作機械の制御装置あって、前記制御手段は、前記回転中心から前記ワークに対して引いた切削送り方向に対する垂線を、前記切削工具の揺動範囲を二等分する中心線よりも前記切削工具の揺動範囲の最前進位置側となるように設定して前記切削工具を揺動させる揺動調整手段を有することを特徴とする。

第２に、前記揺動調整手段は、前記垂線を、前記切削工具の前記揺動範囲の角度のうち、非切削時の半分の角度だけ、前記中心線よりも前記切削工具の揺動範囲の最前進位置側となるように設定することを特徴とする。

第３に、前記揺動調整手段は、前記垂線を、前記切削工具の前記揺動範囲の角度のうち、切削時の角度の中心となるように設定することを特徴とする。

第４に、上記いずれかの工作機械の制御装置を備えた工作機械であることを特徴とする。

本発明は以下の効果を得ることができる。
（１）回転中心からワークに対して引いた切削送り方向に対する垂線を、切削工具による振り角の中心線よりも切削工具の最前進位置寄りにずらしており、切削工具の後退時には工具先端とワークとの隙間を大きくすることができる。この隙間を利用して切削油の入り込みを促進できるので、ワークの加工精度の向上、および工具寿命の向上を図ることができる。

（２）回転中心からワークに対して引いた切削送り方向に対する垂線を、切削工具の揺動範囲の角度のうち非切削時の半分の角度だけ、振り角の中心線よりも最前進位置寄りにずらせば、切削工具の前進時にワークとの隙間を小さくしつつ、切削工具の後退時にはワークとの隙間を大きくすることができる。この結果、ワークの加工精度の向上、および工具寿命の向上をより一層達成できる。

（３）回転中心からワークに対して引いた切削送り方向に対する垂線を、切削工具の揺動範囲の角度のうち切削時の角度の中心となるように設定すれば、切削工具の前進時にワークとの隙間を小さくしつつ、切削工具の後退時におけるワークとの隙間を大きくすることができる。この結果、ワークの加工精度の向上、および工具寿命の向上をより一層達成できる。

（４）ワークの加工精度の向上、および工具寿命の向上を図ることが可能な工作機械を提供することができる。

本発明の一実施例による工作機械の概略を示す図である。 切削工具とワークとの関係を示す概略図である。 切削工具の往復移動および位置を説明する図である。 主軸のｎ回転目、ｎ＋１回転目、ｎ＋２回転目の各回転時の刃先経路の関係を示す図である。 制御装置の構成図である。 切削工具の刃先経路と揺動範囲の関係を示す図である。 切削幅、非切削幅の算出を説明する図である。 前進位置角度および後退位置角度の算出を説明する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の工作機械の制御装置および工作機械について説明する。図１に示すように、工作機械１００は、主軸１１０と、ワークＷを振動切削加工（以下、加工と称する）するバイト等の切削工具１３０と、制御装置１８０とを備えている。
主軸１１０の先端にはチャック１２０が設けられており、ワークＷはチャック１２０を介して主軸１１０に保持されている。主軸１１０は、主軸台１１０Ａに回転自在に支持され、例えば主軸台１１０Ａと主軸１１０との間に設けられた主軸モータ（例えばビルトインモータ）の動力によって回転する。

切削工具１３０は切削工具台１３０Ａに装着されている。
工作機械１００のベッドには、Ｚ軸方向送り機構１６０、Ｘ軸方向送り機構１５０、Ｂ軸回動機構１７０が設けられている。
Ｚ軸方向送り機構１６０は、ベッドと一体のベース１６１と、Ｚ軸方向送りテーブルをスライド自在に支持するＺ軸方向ガイドレールとを備えている。Ｚ軸方向送りテーブルが、リニアサーボモータ（いずれも図示省略）の駆動によって図示のＺ軸方向（ワークＷの回転軸線方向に一致する）に沿って移動すると、切削工具台１３０ＡがＺ軸方向に移動する。

Ｘ軸方向送り機構１５０は、例えばＺ軸方向送り機構１６０を介して工作機械１００のベッドに搭載されており、Ｘ軸方向送りテーブルをスライド自在に支持するＸ軸方向ガイドレールを備えている。Ｘ軸方向送りテーブルが、リニアサーボモータ（いずれも図示省略）の駆動によって図示のＺ軸方向に対して直交するＸ軸方向に沿って移動すると、切削工具台１３０ＡがＸ軸方向に移動する。

Ｂ軸回動機構１７０は、例えばＺ軸方向送り機構１６０、Ｘ軸方向送り機構１５０を介して工作機械１００のベッドに搭載されており、Ｂ軸回動テーブルを回転自在に支持するベースを備えている。Ｂ軸回動テーブルが、リニアサーボモータ（いずれも図示省略）の正逆転駆動によって、所定の回転中心（例えば図２にＢで示す）の回りを揺動すると、切削工具台１３０Ａが、ＸＺ平面内で切削送り方向（例えばＺ軸方向）に沿って前進と後退を繰り返す。

なお、Ｙ軸方向送り機構を工作機械１００に設けてもよい。Ｙ軸方向は図示のＺ軸方向およびＸ軸方向に直交する方向である。Ｙ軸方向送り機構もリニアサーボモータによって駆動可能なＹ軸方向送りテーブルを有する。Ｙ軸方向送り機構をＺ軸方向送り機構１６０、Ｘ軸方向送り機構１５０を介して工作機械１００のベッドに搭載し、Ｙ軸方向送りテーブルに切削工具台１３０Ａを搭載すると、切削工具１３０をＺ軸方向、Ｘ軸方向に加えてＹ軸方向にも移動させることができる。Ｚ軸方向送り機構１６０、Ｘ軸方向送り機構１５０をＹ軸方向送り機構を介して工作機械１００のベッドに搭載してもよい。

主軸１１０の回転、および、Ｂ軸回動機構１７０、Ｚ軸方向送り機構１６０、Ｘ軸方向送り機構１５０やＹ軸方向送り機構（以下、Ｂ軸回動機構１７０等と称する）の移動は、制御装置１８０で制御される。制御装置１８０は、主軸モータを駆動してワークＷを切削工具１３０に対して図２の矢印方向に回転させ、Ｚ軸方向送り機構１６０を駆動して切削工具１３０をワークＷに対して図２のＺ軸の正方向に移動させ、Ｂ軸回動機構１７０を駆動して切削工具１３０をワークＷに対して図２のＺ軸の正方向および負方向に揺動させる。

切削工具台１３０Ａが移動できるように説明したが、本発明はこの例に限定されない。主軸台１１０Ａを図２のＺ軸の負方向に移動できるようにする、あるいは、主軸台１１０ＡをＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動可能にしてもよい。もしくは、主軸台１１０Ａと切削工具台１３０Ａの両方が移動できるようにしてもよい。
Ｂ軸回動機構１７０等にリニアサーボモータを用いた例を挙げて説明したが、公知のボールネジとサーボモータを用いてもよい。

図２では、例えば、ワークＷが切削工具１３０に対して回転し、切削送り方向がＺ軸方向と平行であり、正方向に進行する場合を示し、切削工具１３０がワークＷに対してＺ軸方向に移動し、かつ、回転中心Ｂに対してＺ軸方向に揺動する例を示している。
制御装置１８０は、切削工具１３０をＺ軸の正方向に向けて所定の前進量で移動（往動）させた後、切削工具１３０をＺ軸の負方向に向けて所定の後退量で移動（復動）させる。これにより、図３に示すように、切削工具１３０をワークＷに対して前進量と後退量との差（進行量）だけ送ることができる。

詳しくは、ワークＷは、主軸モータにより、所定の方向に回転される。一方、切削工具１３０は、Ｚ軸方向送り機構１６０によりＺ軸の正方向に送られながら、Ｂ軸回動機構１７０によりＺ軸の正方向への往動とＺ軸の負方向への復動とを繰り返しており、ワークＷの１回転分、すなわち、主軸位相０°から３６０°まで変化する間の上記進行量の合計が送り量になる。

これにより、ワークＷの周面は、切削工具１３０によって正弦曲線状に加工される。図４は、ワークＷが１回転する間に切削工具１３０が往復移動する回数（回転毎の振動回数Ｄともいう）が３．５（回／ｒ）の例を示す。
切削工具１３０で加工された、主軸１１０のｎ（ｎは１以上の整数）回転目におけるワークＷの周面形状（図４に実線で示す）と、主軸１１０のｎ＋１回転目におけるワークＷの周面形状（図４に破線で示す）とは、振動の位相が反転しており、主軸位相方向（図４のグラフの横軸方向）でずれている。詳しくは、各正弦曲線状の波形が逆になっているので、同じ主軸位相において、図４に破線で示したワークＷの周面形状の谷の最低点（切削工具１３０における山の最高点）の位置が、図４に実線で示したワークＷの周面形状の山の最高点（切削工具１３０における谷の最低点）の位置に対向している。

この結果、切削工具１３０の刃先軌跡は、今回の往復動時の加工部分と次回の復往動時の加工部分とが重複し、例えば主軸１１０のｎ＋１回転目におけるワークＷの周面形状に、主軸１１０のｎ回転目におけるワークＷの周面形状が含まれるので、切削工具１３０にはワークＷを加工しない空振り動作が生じる。この空振り動作時に、ワークＷから生じた切屑は分断されて切粉（chips）になる。このように、工作機械１００は切粉を生成しながらワークＷの外形を加工する。

回転毎の振動回数Ｄは、例えば１．１や１．２５（回／ｒ）等とすることができ、また１（回／ｒ）よりも小さな値に設定することもできる。振動回数Ｄを１（回／ｒ）よりも小さな値、例えば０．５に設定した場合、主軸１１０がＺ軸方向で１往復する間に、主軸１１０は２回転する。

図５に示されるように、制御装置１８０は、制御部１８１、入力部１８２、記憶部１８３を有し、これらはバスを介して接続される。
制御部１８１は、ＣＰＵ等からなり、各モータの作動を制御するモータ制御部１９０と、Ｚ軸方向送り機構１６０の送りやＢ軸回動機構１７０の揺動を設定する振動調整部１９１とを備える。なお、制御部１８１が本発明の制御手段に相当し、振動調整部１９１が本発明の揺動調整手段に相当する。

制御部１８１は、記憶部１８３の例えばＲＯＭに格納されている各種プログラムやデータをＲＡＭにロードし、各種プログラムを実行することにより、モータ制御部１９０、振動調整部１９１を介して、工作機械１００の動作を制御することができる。
切削工具１３０の往復移動は、所定の指令周期Ｔに基づく振動周波数ｆで実行される。なお、振動周波数ｆは振動回数Ｄと主軸１１０の回転数Ｒから決定される。

制御部１８１が、例えば入力部１８２の入力値あるいは加工プログラムに基づいて所定の振動波形を得ることができる。詳しくは、図６に示す、ワークＷが１回転する間に切削工具１３０が往復移動する回数（回転毎の振動回数Ｄ）が１．５（回／ｒ）の例を用いて説明する。切削工具１３０は、Ｚ軸方向に送られつつ、回転中心Ｂを基準として最前進位置Ｅと最後退位置Ｇとの間を振り子のように動作する。切削工具１３０の前進（ＧからＥへ）と後退（ＥからＧへ）によって、Ｚ軸方向に沿って前後に往復移動するので、主軸１１０（ワークＷ）のｎ回転目の加工領域（図６に実線で示す）、ｎ＋１回転目の加工領域（図６に破線で示す）、ｎ＋２回転目の加工領域（図６に１点鎖線で示す）が得られる。

Ｚ軸方向において、最前進位置Ｅと最後退位置Ｇとの距離が、振動波形の振幅Ｑ＊Ｆであり、Ｑは振幅送り比率（無次元数）であり、Ｆは送り量（ｍｍ／ｒ）である。
切削工具１３０の前進時と後退時にワークＷと切削工具１３０の接触している期間が、例えば、図６に破線で示したｎ＋１回転目の加工領域と図６に１点鎖線で示したｎ＋２回転目の加工領域とが重複しない期間（ワークＷの削り時；領域２００で示す）に該当する。このワークＷの削り時は、主軸位相θ１からθ３までに相当し、切削工具１３０が最前進位置Ｅに到達すると、工具位置Ｚ２になる。

一方、切削工具１３０の前進時と後退時にワークＷと切削工具１３０の接触していない期間が、例えば、図６に破線で示したｎ＋１回転目の加工領域と図６に１点鎖線で示したｎ＋２回転目の加工領域とが重複する期間（切削工具１３０の空振り時；領域２０１で示す）に該当する。この切削工具１３０の空振り時は、主軸位相θ３からθ５までに相当し、切削工具１３０が最後退位置Ｇに到達すると、工具位置Ｚ４になる。

振動調整部１９１は、上記のような切削工具１３０の刃先経路と揺動範囲との関係に基づき、ワークＷの加工精度の向上や工具寿命の向上を図るために、切削工具１３０の揺動範囲の振幅中心位置Ｃを、切削工具１３０の回転中心ＢからワークＷに引いた切削送り方向に対する垂線の足Ｈとは異なる位置に設定している。

詳しくは、図６で説明した切削工具１３０の刃先経路について、まず、図６に１点鎖線で示したｎ＋２回転目の加工領域と図６に破線で示したｎ＋１回転目の加工領域との交点になる主軸位相θ１、θ３、θ５を求める。
ここで、送り量Ｆの大きさを考慮すると、波形の右上がりの傾きは無視できるので、図６で説明した波形は、図７に当該波形（１点鎖線で示す）や１周前波形（破線で示す）で表されるような、傾きの無い水平方向に進む波形に近似できる。また、計算を容易にするために、振動波形は、主軸位相０°の場合に切削工具１３０が最後退位置Ｇに到達しているものと考える。

図６に１点鎖線で示したｎ＋２回転目の加工領域を基準の振動波形とする（図７に当該波形で示す）。このｎ＋２回転目の加工領域と図６に破線で示したｎ＋１回転目の振動波形（図７に１周前波形で示す）の加工領域に着目し、当該波形を左辺に、１周前波形を右辺にそれぞれ表すと、当該波形と１周前波形との交点は数１から求められる。

数１から求めた主軸位相θ１、θ３、θ５が当該波形と１周前波形との交点になる。
求めた主軸位相θ１からθ３までがワークＷの削り時（図６の領域２００）に相当し、主軸位相θ１（θ３）における切削工具１３０の工具位置Ｚ３を求めることができる。そして、工具位置Ｚ３と当該波形とから、最前進位置Ｅにおける切削工具１３０の工具位置Ｚ２を求めることができる。図７に示すように、工具位置Ｚ３からＺ２までの距離が切削時の幅Ａ’であり、切削工具の揺動範囲の角度のうち、切削時の角度に相当する。

一方、求めた交点θ３からθ５までが切削工具１３０の空振り時（図６の領域２０１）に相当し、工具位置Ｚ３と当該波形とから、最後退位置Ｇにおける切削工具１３０の工具位置Ｚ４を求めることができる。図７に示すように、工具位置Ｚ３からＺ４までの距離が非切削時の幅Ａに相当する。なお、非切削時の幅Ａと上記の切削時の幅Ａ’との和が振幅Ｑ＊Ｆになる。

続いて、図８に示すように、回転中心ＢからワークＷに引いた切削送り方向に対する垂線の足Ｈとし、この直線ＢＨと回転中心Ｂから最前進位置Ｅに引いた直線ＢＥとのなす角（以下、前進位置角度と称する）θｆとし、この直線ＢＨと回転中心Ｂから最後退位置Ｇに引いた直線ＢＧとのなす角（以下、後退位置角度と称する）θｂとする。
この場合、振動調整部１９１は、後退位置角度θｂが前進位置角度θｆよりも大きくなるように設定している。

このように、直線ＢＨに対する切削工具１３０の後退時の揺動範囲（後退位置角度θｂ）を、直線ＢＨに対する切削工具１３０の前進時の揺動範囲（前進位置角度θｆ）よりも広くしており、切削工具１３０の後退時（特に図８のＨからＧへ）には工具先端とワークとの隙間を大きくすることができる。この隙間を利用して切削油の入り込みを促進できるので、ワークの加工精度の向上、および工具寿命の向上を図ることができる。
また、切削工具１３０の揺動範囲は、従来技術のようなカムの形状によって決定されず、加工パラメータの入力等によって容易に変更できる。

一方、上記振動調整部１９１の設定内容は、切削工具１３０の振り子角度を二等分する中心線（図８に直線ＢＣで示す）を、上記の直線ＢＨよりも最後退位置Ｇ側にずれた位置に設定していると考えることができる。切削工具１３０の揺動範囲の振幅中心位置Ｃを最後退位置Ｇ寄りにずらせば、切削工具１３０の後退時（特に図８のＨからＧへ）には工具先端とワークとの隙間を大きくすることができるからである。

そして、ワークＷの加工精度を最も良好にするためには、上記の切削時の幅Ａ’に着目すると、直線ＢＨを切削時の幅Ａ’を二等分した位置にすればよい。直線ＢＨが切削時の幅Ａ’の中点を通るように前進位置角度θｆを設定すれば、切削工具１３０の前進時（特に図８のＨからＥへ）にはワークＷとの隙間を小さくしつつ、切削工具１３０の後退時（特に図８のＨからＧへ）におけるワークＷとの隙間を大きくすることができるからである。
上記説明を換言すると、回転中心ＢからワークＷに引いた切削送り方向に対する垂線の足Ｈを、切削工具の揺動範囲の角度（θｆ＋θｂ）のうち、切削時の幅Ａ’の中心の角度となるように設定していることになる。

これに対して、上記の非切削時の幅Ａに着目すると、回転中心ＢからワークＷに引いた切削送り方向に対する垂線の足Ｈを、切削工具１３０の振幅中心位置Ｃに対して、切削工具の揺動範囲の最前進位置Ｅ側となるように切削工具１３０の送り方向（Ｚ軸の正方向）とは逆向きに、非切削時の幅Ａの半分（つまり、Ａ／２）だけずらせばよい。
つまり、回転中心ＢからワークＷに引いた切削送り方向に対する垂線の足Ｈを、切削工具の揺動範囲の角度（θｆ＋θｂ）のうち、切削工具の揺動範囲を二等分する中心線よりも、非切削時の幅Ａが半分となる角度だけ、最前進位置Ｅ側となるように設定していることになる。

詳しくは、回転中心Ｂと最前進位置Ｅ（最後退位置Ｇ）とを結んだ直線ＢＥ（直線ＢＧ）の長さをＬとすると、図８に示すように、振幅中心位置Ｃが、直線ＢＨからＡ／２だけ最後退位置Ｇ寄りにずれたことになり、前進位置角度θｆは数２、後退位置角度θｂは数３からそれぞれ求めることができる。なお、上記のように、Ｑ＊Ｆ＝Ａ＋Ａ’であることから、数２の（Ｑ＊Ｆ／２−Ａ／２）は切削時の幅Ａ’の半分（つまり、Ａ’／２）に相当する。

この場合に、切削工具１３０の前進時（特に図８のＨからＥへ）におけるワークＷとの隙間Ｇｆは数４、切削工具１３０の後退時（特に図８のＨからＧへ）におけるワークＷとの隙間Ｇｂは数５からそれぞれ求めることができる。

より具体的には、直線ＢＥ（直線ＢＧ）の長さＬが５０（ｍｍ）、振幅Ｑ＊Ｆが０．０６（ｍｍ）、非切削時の幅Ａが０．０１５（ｍｍ）の例を挙げて説明すると、従来技術のように振幅中心位置Ｃが直線ＢＨ上にあった場合には、前進位置角度θｆは０．０３４（ｄｅｇ）、後退位置角度θｂが−０．０３４（ｄｅｇ）となり、切削工具１３０とワークＷとの隙間は０．００９（μｍ）であった。

これに対し、本実施形態の場合には、前進位置角度θｆが０．０１７（ｄｅｇ）となり、切削工具１３０の前進時におけるワークＷとの隙間Ｇｆは０．００２（μｍ）となるので、ワークＷの表面がより微少な凹凸になることが分かる。また、後退位置角度θｂは−０．０５２（ｄｅｇ）となり、切削工具１３０の後退時におけるワークＷとの隙間Ｇｂは０．０２１（μｍ）となるので、切削油の入り込みをより一層促進できることが分かる。

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
１６０ ・・・ Ｚ軸方向送り機構
１６１ ・・・ ベース
１７０ ・・・ Ｂ軸回動機構
１８０ ・・・ 制御装置
１８１ ・・・ 制御部
１８２ ・・・ 入力部
１８３ ・・・ 記憶部
１９０ ・・・ モータ制御部
１９１ ・・・ 振動調整部

Claims (4)

1. ワークと切削工具との相対的な回転と、該ワークの切削送り方向への該ワークと前記切削工具との相対的な移動と、所定位置を回転中心とした、前記ワークの切削送り方向への該ワークに対する前記切削工具の前進と後退による揺動とを制御する制御手段により、前記ワークを振動切削加工する工作機械の制御装置あって、
   前記制御手段は、前記回転中心から前記ワークに対して引いた切削送り方向に対する垂線を、前記切削工具の揺動範囲を二等分する中心線よりも前記切削工具の揺動範囲の最前進位置側となるように設定して前記切削工具を揺動させる揺動調整手段を有する、工作機械の制御装置。
2. 前記揺動調整手段は、前記垂線を、前記切削工具の前記揺動範囲の角度のうち、非切削時の半分の角度だけ、前記中心線よりも前記切削工具の揺動範囲の最前進位置側となるように設定する、請求項１に記載の工作機械の制御装置。
3. 前記揺動調整手段は、前記垂線を、前記切削工具の前記揺動範囲の角度のうち、切削時の角度の中心となるように設定する、請求項１に記載の工作機械の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の工作機械の制御装置を備えた工作機械。