JP2019040252A

JP2019040252A - 数値制御装置

Info

Publication number: JP2019040252A
Application number: JP2017159547A
Authority: JP
Inventors: 俊大渡邉; Toshihiro Watanabe
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: DE102018006614B4; US20190064764A1; JP6636998B2; CN109426214B; CN109426214A; DE102018006614A1; US10705502B2

Abstract

【課題】主軸の回転と揺動動作との間に追従誤差が生じる場合においても、切屑の細断能力を維持しつつ揺動切削を行うことが可能な数値制御装置を提供する。【解決手段】数値制御装置１００は、揺動周波数及び揺動振幅の指定を含む揺動指令を位置指令に重畳することで揺動切削を行う数値制御装置１００であって、位置指令を作成する位置指令作成部１１０と、揺動指令を作成する揺動指令作成部１２０と、位置指令と揺動指令とを加算して合成指令を作成する位置速度制御部１３０と、工具の移動又は主軸の回転を制御する電流制御部１４０とを有する。揺動指令作成部１２０は、主軸の実角度及び理想角度を取得及び計算する追従誤差計算部１２３と、実角度及び理想角度に基づいて、揺動周波数又は主軸の回転数を再計算する周波数再計算部１２４とを有し、電流制御部１４０は、再計算された揺動周波数又は主軸の回転数に従って、工具の移動又は主軸の回転を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は数値制御装置に関し、特に切屑の細断能力を維持しつつ揺動切削を行うことが可能な数値制御装置に関する。

工具を切削方向に揺動させることによって切屑を細断する加工方法を揺動切削という。従来の数値制御装置は、加工指令に対して以下の揺動指令を重畳することによって揺動切削を実現している。
揺動指令＝（Ｋ×Ｆ／２）×ｓｉｎ（２π×Ｓ／６０×Ｉ×ｔ）
上式においてＫ×Ｆ／２を揺動振幅、２π×Ｓ／６０×Ｉを揺動周波数という。なおＦは毎回転送り量［ｍｍ／ｒｅｖ］、Ｓは主軸回転数［ｍｉｎ^−１］、ｔは時刻［ｓｅｃ］、Ｋは揺動振幅倍率、Ｉは揺動周波数倍率（１回転あたりの揺動数）を示す。

加工指令に揺動指令（正弦波）を加算すると、工具は送り方向に行きつ戻りつを繰り返しながら加工を進めることになる。この際、１回転目の工具経路と２回転目の工具経路とが重なり、空振りが生じると切屑の細断が起こる。図１は、周波数倍率Ｉ＝４．５（主軸１回転あたり４．５回揺動）、振幅倍率Ｋ＝１．０５のときの工具経路を示す図である。工具位置に着目すると、２回転目において、１回転あたり４．５回ほど、１回転目の工具経路に対する重なりが発生していることがわかる（図中に破線の円で示す）。したがって、この例では２回転目において４．５回ほど切屑が細断される。

特許文献１には、数値制御装置は、ワークが１回転するごとに半周期ズレるような揺動周波数と揺動振幅を設定した揺動指令を加工指令に加算し、揺動切削を行うことによって、工具経路を重複させ、切屑を細断できることが記載されている。

特開２０１７−０５６５１５号公報

しかしながら、特許文献１記載のように揺動切削を行っても、主軸の回転と揺動動作（周波数）との間に追従誤差が生じると、切屑をうまく細断できないことがある。追従誤差は、例えば主軸回転数が変動するときに発生し得る。図２に、主軸回転数が漸増する場合に生じ得る追従誤差の一例を示す。実際の工具経路、及び理想の工具経路（主軸回転数が一定である場合に想定される工具経路）が図中に示されている。もし主軸回転数が一定であれば、特許文献１記載の技術を利用すれば、図中に破線で示すように、１回転目の工具経路と２回転目の工具経路との間で重複が生じ、そこで切屑の細断が行われるはずである。しかし、主軸回転数が徐々に増加する一方で、揺動動作は従前の周波数のまま継続されているような場合には、揺動動作に相対的な遅延が生じ、図中に実線で示すように、１回転目の工具経路と２回転目の工具経路との間で重複が発生せず、結果として切屑の細断が行われなくなってしまう。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、主軸の回転と揺動動作との間に追従誤差が生じる場合においても、切屑の細断能力を維持しつつ揺動切削を行うことが可能な数値制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置は、揺動周波数及び揺動振幅の指定を含む揺動指令を位置指令に重畳することで揺動切削を行う数値制御装置であって、前記位置指令を作成する位置指令作成部と、前記揺動指令を作成する揺動指令作成部と、前記位置指令と前記揺動指令とを加算して合成指令を作成する位置速度制御部と、工具の移動又は主軸の回転を制御する電流制御部とを有し、前記揺動指令作成部は、前記主軸の実角度及び理想角度を取得及び計算する追従誤差計算部と、前記実角度及び前記理想角度に基づいて、前記揺動周波数又は前記主軸の回転数を再計算する周波数再計算部とを有し、前記電流制御部は、再計算された前記揺動周波数又は前記主軸の回転数に従って、前記工具の移動又は前記主軸の回転を制御することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置は、前記揺動指令作成部は、工具経路が重複するよう前記揺動振幅を再計算する振幅再計算部をさらに有し、前記電流制御部はさらに、再計算された前記揺動振幅に従って、前記工具の移動を制御することを特徴とする。

本発明によれば、主軸の回転と揺動動作との間に追従誤差が生じる場合においても、切屑の細断能力を維持しつつ揺動切削を行うことが可能な数値制御装置を提供することができる。

従来の揺動切削の原理を説明する図である。従来の揺動切削において追従誤差により生じ得る問題を説明する図である。数値制御装置１００の構成を説明するブロック図である。追従誤差計算部１２３、周波数再計算部１２４の動作を説明する図である。振幅再計算部１２５の動作を説明する図である。実施例１の動作を説明する図である。実施例２の動作を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図３は、本発明の実施の形態にかかる数値制御装置１００を機能面から説明したブロック図である。数値制御装置１００は、加工プログラムに従って位置指令すなわち工具の移動指令を作成する位置指令作成部１１０、揺動指令を作成する揺動指令作成部１２０、位置指令と揺動指令とを加算して合成指令を作成する位置速度制御部１３０、合成指令に従ってスピンドルモータやサーボモータを駆動するために電流制御を行う電流制御部１４０を有する。

従来の電流制御部は、工具の位置を動かすサーボモータのみを制御することが典型的であるが、本実施の形態の電流制御部１４０は、主軸を回転させるスピンドルモータを制御することがある。また従来の数値制御装置では、サーボモータからの位置フィードバックを受けて位置偏差の補正を行うことがあるが、本実施の形態でも同様に位置偏差の補正を実施することができる。

揺動指令作成部１２０は、揺動切削を行うために適切な揺動周波数を計算する周波数計算部１２１、同じく揺動振幅を計算する振幅計算部１２２、スポンドルモータ及びサーボモータからのフィードバックに基づいて追従誤差を計算する追従誤差計算部１２３、追従誤差に応じて周波数を補正する周波数再計算部１２４、追従誤差に応じて振幅を補正する振幅再計算部１２５を有する。周波数再計算部１２４、振幅再計算部１２５は、追従誤差が生じても工具経路の重複が生じるよう周波数又は振幅を補正するので、切屑の細断が継続される。

図３及び図４を用いて、数値制御装置１００の動作について説明する。なお、本実施の形態では従来の揺動切削とは異なる処理について主に説明し、公知の処理については適宜説明を省略又は簡略化することとする。

まず位置指令作成部１１０は、加工プログラムを解釈して位置指令を作成する。揺動指令作成部１２０は揺動指令を作成する。ここで周波数計算部１２１及び振幅計算部１２２は、例えば特許文献１記載の公知技術に従って、切屑の細断を行うために適切な揺動周波数及び揺動振幅を決定する。位置速度制御部１３０は、位置指令と揺動指令とを加算して合成指令を作成する。電流制御部１４０は、合成指令に従ってサーボモータを制御し、工具を動作（送り及び揺動）させる。

追従誤差計算部１２３は、スピンドルモータからの位置（角度）フィードバックを受け、主軸が１回転したこと（すなわち実際の回転角（以下、実角度）が３６０度となったこと）を検出する。また追従誤差計算部１２３は、サーボモータからの位置及び速度フィードバックを受け、主軸が１回転した時点における工具の実際の位置（以下、実位置）又は実際の速度（以下、実速度）を取得する。そして追従誤差計算部１２３は、工具の実位置又は実速度に対応する主軸の理想的な角度（以下、理想角度）を計算する。

図４を用いて説明する。例えばいま、Ｉ＝２．５（主軸１回転あたり２．５回揺動）で揺動指令が作成されているものとする。ここで主軸が約１回転した時点（実角度＝３７０度）において、図中の黒点にあたる工具の実位置が取得された。この実位置に相当する主軸角度は、合成指令に鑑みて３４０度と計算されるものとする。この３４０度を理想角度という。このように、実角度と理想角度との間に差がある場合、追従誤差が生じる。

周波数再計算部１２４は、主軸の実角度と理想角度とに基づき揺動周波数を再計算する。例えば次式により揺動周波数倍率Ｉを再計算する。
再計算後の揺動周波数倍率Ｉ＝現在の揺動周波数倍率Ｉ×（理想角度／実角度）
例えば現在の揺動周波数倍率Ｉが２．５、理想角度が３４０度、実角度が３７０度であれば、再計算後の揺動周波数倍率Ｉは
２．５×３４０／３７０＝２．２９７
と計算される。

あるいは、揺動周波数倍率Ｉを調整する代わりに、揺動周波数倍率Ｉは維持したまま主軸回転数Ｓを調整しても良い。例えば次式により主軸回転数Ｓを再計算する。
再計算後の主軸回転数Ｓ＝現在の主軸回転数Ｓ×（理想角度／実角度）
例えば現在の主軸回転数Ｓが２００、理想角度が３４０度、実角度が３７０度であれば、再計算後の主軸回転数Ｓは
２００×３４０／３７０＝１８３．７８
と計算される。

振幅再計算部１２５は、再計算後の周波数を採用したときに、１回転目の工具経路と２回転目の工具経路とが重なるよう振幅を再計算する。

図５を用いて、振幅の再計算を行う意義について説明する。図中の実線は、再計算後の周波数を有する工具経路を示している。追従誤差に起因して重複しなくなった１回転目の工具経路と２回転目の工具経路は、周波数の再計算処理によってある程度接近したが、未だ重複するには至っていない。このような場合、振幅計算部１２２が、例えば図中に示すように振幅を調整するならば、１回転目の工具経路と２回転目の工具経路を重複させることができる（図中に破線の円で示す）。

なお、周波数再計算部１２４による周波数の再計算処理のみで、１回転目の工具経路と２回転目の工具経路が重複することもある。例えば当初から揺動振幅がある程度大きい場合には、周波数の調整のみで足りることがある。このような場合は、振幅再計算部１２５は振幅の再計算を行う必要がない。

振幅再計算部１２５は、例えば次の手順により揺動振幅倍率Ｋを再計算する。振幅再計算部１２５は、主軸２回転分の工具経路を常にバッファ等に記憶する。振幅再計算部１２５は、１回転目の工具経路を示す曲線と２回転目の工具経路を示す曲線とが交点を有するか否かを判定する。交点を有する場合、揺動振幅倍率Ｋを再計算することなく、従前の揺動振幅倍率Ｋを引続き使用する。交点を有しない場合は、２回転目の工具経路を示す曲線について、現在の揺動振幅倍率Ｋを大きくする（例えば現在の揺動振幅倍率Ｋに所定の正の倍率を乗じる）補正を行って、再計算後の揺動振幅倍率Ｋを得る。これにより揺動振幅は大きくなるよう補正される。振幅再計算部１２５は、再計算後の揺動振幅倍率Ｋについても、上述の判定処理以降の処理を、交点を有するようになるまで繰り返し実行する。

なお、１回目の上記判定処理において交点を有すると判定された場合は、現在の揺動振幅倍率Ｋを小さくする（例えば現在の揺動振幅倍率Ｋに所定の負の倍率を乗じる）補正を行っても良い。そして、補正及び判定処理を繰り返し実行することで、交点を有する最小の揺動振幅倍率Ｋが得られる。一般に振幅が大きいほどサーボモータの負荷は大きくなるので、交点を有する最小の揺動振幅倍率Ｋを用いるならば、サーボモータの負荷を最小限に抑制することが可能である。

位置速度制御部１３０は、再計算された揺動周波数及び揺動振幅を含む揺動指令を、位置指令に加算して合成指令を作成する。電流制御部１４０は、合成指令に従ってサーボモータを制御する。

なお、周波数再計算部１２４が周波数倍率Ｉではなく主軸回転数Ｓを調整した場合、位置速度制御部１３０は、再計算された揺動振幅を含む揺動指令を、位置指令に加算して合成指令を作成する。電流制御部１４０は、合成指令に従ってサーボモータを制御する。加えて電流制御部１４０は、再計算された主軸回転数Ｓに従ってスピンドルモータを制御する。

本実施の形態によれば、揺動指令作成部１２０の追従誤差計算部１２３が、主軸の実角度と理想角度を計算し、周波数再計算部１２４及び振幅再計算部１２５が、周波数及び振幅を再計算する。これにより、主軸回転速度が変動し追従誤差が生じたとしても、１回転目の工具経路と２回転目の工具経路が再び重複するよう自動的に調整され、ユーザによるチューニング等を要せずに、切屑の細断能力が維持される。

＜実施例１＞
実施例１として、主軸オーバライドが変更された場合の数値制御装置１００の特徴的な動作について説明する。

例えば図６に示すように、ある時点において主軸オーバライドが１５０％から１００％に変更される例を考える。主軸オーバライドを小さくする変更を行うと、その直後は揺動動作が主軸の回転よりも速くなり、切屑をうまく切断できないことがある。この場合、周波数計算部１２１の追従誤差計算部１２３が追従誤差を検出したならば、周波数再計算部１２４は、揺動周波数倍率Ｉを再計算し、揺動周波数倍率Ｉを小さく補正する処理を行う。なお本実施例では主軸回転数はオーバライドにより規定されるため、主軸回転数Ｓを調整する処理は不適切であるためである。その後、振幅再計算部１２５は必要に応じ揺動振幅倍率Ｋの再計算を行う。

このように本実施例では、主軸回転数の低下に追従して揺動周波数も低下するので、切屑の細断能力が維持される。

＜実施例２＞
実施例２として、周速一定制御と揺動切削とを同時に行う場合の数値制御装置１００の特徴的な動作について説明する。

例えば図７に示すように、テーパ加工を行う場合等に周速一定制御が実施されることがある。周速一定制御とは、単位時間あたりの削り代を一定とするため、主軸回転数を調整する制御である。例えばワークの径が小さくなるほど主軸を早く回すことで、径の大小にかかわらず、工具が単位時間あたりに加工する距離は一定に保つことができる。周速一定制御によって主軸回転数を徐々に大きくするような変更を行うと、揺動動作が主軸の回転に追従できず、切屑をうまく切断できないことがある。この場合、周波数計算部１２１の追従誤差計算部１２３が追従誤差を検出したならば、周波数再計算部１２４は、揺動周波数倍率Ｉを再計算し、揺動周波数倍率Ｉを大きく補正する処理を行う。なお本実施例では主軸回転数は周速一定制御により規定されるため、主軸回転数Ｓを調整する処理は不適切であるためである。その後、振幅再計算部１２５は必要に応じ揺動振幅倍率Ｋの再計算を行う。

このように本実施例では、主軸回転数の上昇に追従して揺動周波数も上昇するので、切屑の細断能力が維持される。

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のみ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、上述の実施の形態では、追従誤差が生じたときにまず周波数再計算部１２４が揺動周波数を再計算し、次いで振幅再計算部１２５が揺動振幅を再計算する例を示した。しかしながら本発明はこれに限定されるものでなく、揺動周波数及び揺動振幅の調整順序は任意である。例えばまず振幅再計算部１２５が揺動振幅を再計算し、次いで周波数再計算部１２４が揺動周波数を再計算しても差し支えない。この際、もし揺動振幅の調整のみで１回転目の工具経路と２回転目の工具経路を重複させられるのであれば、揺動周波数の調整は必ずしも行わなくても良い。

１００数値制御装置
１１０位置指令作成部
１２０揺動指令作成部
１２１周波数計算部
１２２振幅計算部
１２３追従誤差計算部
１２４周波数再計算部
１２５振幅再計算部
１３０位置速度制御部
１４０電流制御部

Claims

揺動周波数及び揺動振幅の指定を含む揺動指令を位置指令に重畳することで揺動切削を行う数値制御装置であって、
前記位置指令を作成する位置指令作成部と、
前記揺動指令を作成する揺動指令作成部と、
前記位置指令と前記揺動指令とを加算して合成指令を作成する位置速度制御部と、
工具の移動又は主軸の回転を制御する電流制御部とを有し、
前記揺動指令作成部は、
前記主軸の実角度及び理想角度を取得及び計算する追従誤差計算部と、
前記実角度及び前記理想角度に基づいて、前記揺動周波数又は前記主軸の回転数を再計算する周波数再計算部とを有し、
前記電流制御部は、再計算された前記揺動周波数又は前記主軸の回転数に従って、前記工具の移動又は前記主軸の回転を制御することを特徴とする
数値制御装置。
前記揺動指令作成部は、工具経路が重複するよう前記揺動振幅を再計算する振幅再計算部をさらに有し、
前記電流制御部はさらに、再計算された前記揺動振幅に従って、前記工具の移動を制御することを特徴とする
請求項１記載の数値制御装置。