JP2019141947A - タップ加工の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工時の主軸の回転速度が比較的低速に設定されている場合でも、タップ加工全体のサイクルタイムを短縮することができる工作機械の制御装置を提供する。【解決手段】工作機械の制御装置であって、タップ加工プログラムＰに基づき主軸指令及び送り軸指令を作成する数値制御部１６と、主軸指令に従って主軸の回転動作を制御する主軸制御部１８と、主軸の回転位置を検出する回転検出部２０と、送り軸指令に従って、回転位置に基づき送り軸１４の送り動作を制御する送り軸制御部２２と、を具備し、数値制御部１６は、戻り動作の指令として、主軸１２の加工時の最高回転速度に依存せず且つ加工時の最高回転速度よりも高速な戻り時速度指令値を主軸指令に含める。【選択図】図１

Description

本発明は、主軸と送り軸との同期運転によりタップ加工を行う工作機械の制御装置に関する。

主軸と送り軸との同期運転によりタップ加工を行う工作機械においては、加工精度を維持しつつもサイクリタムを短縮することが求められる。例えば、特許文献１には、「例えばこのタッピングは、主軸の回転速度２０００ｒｐｍにて所定のＺ軸深さまで行う。そして、雌ねじが切削された後は、この２０００ｒｐｍにタップ戻し比率を乗じた回転数、例えば比率が２００％であれば、主軸を４０００ｒｐｍで逆回転させる。」と記載されている。

特開平０４−０９３１１４号公報

タップ加工を行う工作機械では、タップ工具への負荷等が考慮され加工時の主軸の回転速度は比較的低速に設定されるのが一般的である。タップ工具への負荷等が考慮され加工時の主軸の回転速度が比較的低速に設定されている場合でも、タップ加工全体のサイクルタイムを短縮することが望まれる。

本開示の一態様は、主軸と送り軸の同期運転を制御する工作機械の制御装置であって、タップ加工プログラムに基づき主軸指令及び送り軸指令を作成する数値制御部と、前記主軸指令に従って前記主軸の回転動作を制御する主軸制御部と、前記主軸の回転位置を検出する回転検出部と、前記送り軸指令に従って、前記回転位置に基づき前記送り軸の送り動作を制御する送り軸制御部と、を具備し、前記数値制御部は、目標ねじ深さから加工開始位置に戻る戻り動作の指令として、前記主軸の加工時の最高回転速度に依存せず且つ前記加工時の前記最高回転速度よりも高速な戻り時速度指令値を前記主軸指令に含める、制御装置である。

上記態様によれば、加工時の主軸の最高回転速度によらず、主軸の戻り動作を高速化することが可能となる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

第１実施形態に係る工作機械の制御装置の構成を表す機能ブロック図である。 第１実施形態に係るタップ加工制御動作を表すフローチャートである。 第１実施形態におけるタップ加工制御動作における動作パターンを表すグラフである。 タップ加工プログラムによるユーザ指定の戻り時最高回転速度を反映できるように構成されたタップ加工制御動作を表すフローチャートである。 第２実施形態に係るタップ加工制御動作を表すフローチャートである。 主軸モータの速度−加速度特性曲線を表すグラフである。 第２実施形態におけるタップ加工制御動作における動作パターンを表すグラフである。 第３実施形態に係る工作機械の制御装置の構成を表す機能ブロック図である。 第３実施形態に係るタップ加工制御動作を表すフローチャートである。 第３実施形態におけるタップ加工制御動作における動作パターンを表すグラフである。

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る工作機械の制御装置１０の構成を表す機能ブロック図である。制御装置１０は、主軸１２と送り軸１４との同期運転によりタップ加工を行う工作機械（例えば旋盤、ボール盤、マシニングセンタ等）において、送り軸１４が、タップ加工プログラムＰで指定されるねじピッチを考慮しながら、主軸１２の回転動作に追従するように動作する同期運転を制御するものである。図示しないが、主軸１２は、ワークや工具を把持する把持部を加工に必要な速度で回転運動させるサーボモータ等の駆動装置に設けられる制御軸である。図示しないが、送り軸１４は、ワークや工具を支持する支持部を加工に必要な速度で送り運動させるサーボモータ等の駆動装置に設けられる制御軸である。例えば、旋盤では、主軸１２で回転するワークに対して工具を送り軸１４で直線送りしたり、主軸１２で回転するワークを工具に対して送り軸１４で直線送りしたりすることができる。また、ボール盤では、主軸１２で回転する工具をワークに対して送り軸１４で直線送りしたり、主軸１２で回転する工具に対してワークを送り軸１４で直線送りしたりすることができる。いずれの場合にも、動作中の加減速トルクに比較的余裕の有る送り軸１４が、動作中の加減速トルクに比較的余裕の無い主軸１２に追従するように動作することで、同期誤差を低減して加工精度を向上させることができる。なお、本実施形態及び後述する各実施形態において、工作機械の構成は特に限定されない。

制御装置１０は、タップ加工プログラムＰに基づき主軸指令ＣＳ及び送り軸指令ＣＦを作成する数値制御部１６と、主軸指令ＣＳに従って主軸１２の回転動作を制御する主軸制御部１８と、主軸１２の回転位置を検出する回転検出部２０と、送り軸指令ＣＦに従って、回転検出部２０が検出した回転位置に基づき送り軸１４の送り動作を制御する送り軸制御部２２とを備える。数値制御部１６は、タップ加工プログラムＰを解釈するプログラム解釈部２４と、プログラム解釈部２４の解釈に従い主軸指令ＣＳを作成して、主軸制御部１８に主軸指令ＣＳを送る主軸指令出力部２６と、プログラム解釈部２４の解釈に従い送り軸指令ＣＦを作成して、送り軸制御部２２に送り軸指令ＣＦを送る送り軸指令出力部２８とを備える。数値制御部１６は、公知のＣＮＣ装置のハードウェア構成を有することができる。なお、制御装置１０に関する上述の基本的な構成についての説明は、後述の他の実施形態においても同様に適用されるものとする。

以下で詳細に説明するように、第１実施形態に係る制御装置１０は、タップ加工の戻り時に、タップ加工プログラムによって指定された主軸の加工時の速度指令に依存しない、主軸モータの無負荷時の許容最高回転速度を目標速度として主軸を制御するように構成されている。

数値制御部１０は、タップ加工プログラムＰを解釈し、加工開始位置（回転位置）から目標ねじ深さ（回転位置）に至る間の主軸１２の加工時最高回転速度Ｖ０を取得し、この加工時最高回転速度Ｖ０を、加工時の目標速度として主軸制御部１８に指令する。また、このとき数値制御部１０は、タップ加工プログラムＰに含まれるタップ加工動作条件（ねじピッチ、ねじ深さ等）から、加工開始位置から目標ねじ深さに至る主軸の総回転量Ｓ０を取得し、この総回転量Ｓ０を主軸制御部１８への主軸指令ＣＳに含めることができる。一例として、タップ加工プログラムＰが、主軸１２の加工時最高回転速度Ｖ０を３０００／ｍｉｎとして、ねじピッチ１．２５ｍｍ、ねじ深さ３０ｍｍの雌ねじを加工する指令を含む場合、加工開始位置から目標ねじ深さに至る間の主軸１２の総回転量Ｓ０は、３０÷１．２５＝２４（ｒｅｖ）となるから、主軸指令出力部は、Ｖ０＝３０００（ｍｉｎ^-1）とＳ０＝２４（ｒｅｖ）とを主軸指令ＣＳに含める。

主軸制御部１８は、回転検出部２０が検出した主軸１２の回転位置（フィードバック値。以下、「回転位置ＦＢＳ」と記す。）を用いて、一般的なフィードバック制御により主軸１２の回転動作を制御する。送り軸制御部２２は、送り軸１４の送り位置のフィードバック値に加えて、主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、フィードバック制御により主軸１２の動作に追従する送り軸１４の送り動作を制御する。なお回転検出部２０は、主軸１２の駆動装置の動作位置を検出するエンコーダ等の位置検出器（図示せず）の出力から、回転位置ＦＢＳを取得することができる。

図１に示されるように、数値制御部１６は記憶部２５を有する。記憶部２５には、主軸モータの無負荷時の許容最高回転速度である、主軸の戻り時最高回転速度Ｖｒが格納されている。数値制御部１６は、目標ねじ深さから工具を引き抜くための戻り動作時の主軸の目標速度として、戻り時最高回転速度Ｖｒを主軸制御部１８へ指令する。ここで指令される戻り時最高回転速度Ｖｒは、加工動作時（切削動作時）の主軸の速度指令に依存しない、主軸モータの無負荷時の許容最高回転速度であることに注目する必要がある。

図２は、第１実施形態に係るタップ加工制御動作を表すフローチャートである。図２のタップ加工制御動作は、制御装置１０による制御の下で実行される。タップ加工制御動作が開始されると、数値制御部１６は、タップ加工プログラムＰを解釈して加工時最高回転速度Ｖ０と総回転量Ｓ０とを取得し、これらの値を主軸制御部１８に指令する（ステップＳ１）。加工時最高回転速度Ｖ０と総回転量Ｓ０を受け取った主軸制御部１８は、加工時最高回転速度Ｖ０を目標速度として加工動作を開始する（ステップＳ２）。ここで、図３に、Ｖ０、Ｓ０にしたがって主軸制御部１８が主軸制御を実行する場合の動作パターン（主軸回転速度の推移）の例を示す。図３において、縦軸は主軸回転速度を表し、横軸は時間を表している。ｔ０からｔ３に至る加工時の動作において、主軸制御部１８は、加工時最高回転速度Ｖ０に向けて一定の加速度Ａ０で主軸モータを加速させる。加工時最高速度Ｖ０は切削動作における工具への負荷等を考慮し比較的低い値に設定されているため、典型的には、図３に示されるように加工開始後の比較的短い時間で主軸回転速度が加工時最高速度Ｖ０に到達し、平坦部分（回転速度一定の部分）が比較的長い動作パターンとなることが理解される。

時間ｔ１において回転速度がＶ０に達すると、主軸制御部１８は、Ｖ０を維持しつつ、加速時と絶対値が同じ減速度（−Ａ０）で主軸１２をＶ０から減速させた場合に総回転量Ｓ０に到達する時間ｔ２を算出する。なお、図３の動作パターンにおけるｔ０−ｔ３間の台形状の部分の面積が、総回転量Ｓ０に対応している。したがって、主軸制御部１８は、図３の動作パターンにおけるｔ０−ｔ３間の台形状の部分の面積が総回転量Ｓ０と等しくなるように、減速開始の時間ｔ２を決定することができる。主軸制御部１８は、時間ｔ２から、加速時と絶対値が同じ減速度（−Ａ０）で主軸１２を減速させ、時間ｔ３において目標ねじ深さ（総回転量Ｓ０）に到達させる。

なお、加工時の加速度Ａ０としては、主軸モータの速度−加速度特性曲線に基づいて決定する方法、数値制御部１６にタップ加工プログラム等から入力される値を用いる方法等、様々な手法をとり得る。第１実施形態では、加工時の加速度Ａ０の指定についてはいずれの方法を用いても良い。

主軸制御部１８が主軸１２の加工開始位置から目標ねじ深さまでの回転動作を制御する間、送り軸制御部２２は、主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、送り軸１４を主軸１２の動作に追従するように制御して送り動作を行わせる。

ステップＳ３において加工時の動作が完了すると、数値制御部１６は、記憶部２５に記憶された戻り時最高回転速度Ｖｒを主軸制御部１８に指令する（ステップＳ４）。数値制御部１６から戻り時最高観点速度Ｖｒを受け取った主軸制御部１８は、戻り時最高回転速度Ｖｒを目標速度として主軸の戻り動作を開始する（ステップＳ５）。図３の動作パターンにおける時間ｔ３〜ｔ５の部分は、戻り時の動作を示している。主軸制御部１８は、戻り時最高回転速度Ｖｒに向けて主軸１２を例えば加工時の加速度（Ａ０）と同じ加速度で逆回転させ、主軸１２の回転量が総回転量Ｓ０の半分に到達したタイミングで（時間ｔ４）、主軸モータを加速時と同じ絶対値の減速度（−Ａ０）で減速させる。それにより、時間ｔ５において主軸は加工開始時の位置まで戻ることとなる。主軸が加工開始位置まで戻ると、本加工制御動作は終了する（ステップＳ６）。なお、図３に例示した戻り動作では、ｔ３からｔ５に至る三角形状の動作パターンの面積が総回転量Ｓ０に対応している。したがって、主軸制御部１８は、図３の動作パターンにおけるｔ３−ｔ５間の三角形状の部分の面積が総回転量Ｓ０と等しくなるように、減速開始の時間ｔ４を決定することができる。

図３における戻り時の動作では、戻り時最高観点速度Ｖｒを目標速度として加速する制御が行われるので、典型的には、図３のように、主軸回転速度が戻り時最高観点速度Ｖｒに達する前の速度で減速に転じて総回転量に到達する三角形の動作パターンで制御を行うことが可能である。このような三角形の動作パターンでの制御を実現することにより、速度が一定となるような動作（すなわち、台形の動作パターン）となることを回避することができ、加速度一定の場合において主軸１２を目標ねじ深さの位置から動作開始位置まで最速レベルで戻すことが可能となる。すなわち、加工されたタップ軌跡で工具を引き抜く戻り動作の速度を最大限に高め、タップ加工の全体のサイクルタイムを高速化することが可能となる。

主軸制御部１８が主軸１２の目標ねじ深さから加工開始位置までの回転動作を制御する間、送り軸制御部２２は、主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、送り軸１４を主軸１２の動作に追従するように制御して送り動作を行わせる。

工具のイナーシャや剛性に鑑みてタップ加工プログラムＰによって比較的低速の主軸の戻り時最高回転速度がユーザ指定されている場合もある。このような場合には、タップ加工プログラムＰでユーザ指定された比較的低速の戻り時最高回転速度（以下、戻り時最高回転速度Ｖｒ’と記す）を反映できるように制御する構成としても良い。図４は、図２のタップ加工制御動作の変形例として、タップ加工プログラムＰにおいて比較的低速の戻り時最高回転速度Ｖｒ’がユーザ指定されている場合に、ユーザ指定の戻り時最高回転速度Ｖｒ’を反映可能とする制御を表すフローチャートである。図４のタップ加工制御動作においては図２のタップ加工制御動作のステップと同一のステップには同一の符号を用いその説明は省略することとする。

図４のタップ加工制御動作では、加工時の動作として第１実施形態（図２）のタップ加工制御動作におけるステップＳ１〜Ｓ３と同じ制御が行われる。主軸１２が目標ねじ深さに到達し加工時動作が完了すると（ステップＳ３）、数値制御部１６は、タップ加工プログラムＰにより戻り時最高回転速度Ｖｒ’が指定されているか否かを判定する（ステップＳ１１）。タップ加工プログラムＰにより戻り時最高回転速度Ｖｒ’が指定されている場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、数値制御部１６は、記憶部２５に記憶された戻り時最高回転速度Ｖｒがタップ加工プログラムＰで指定された戻り時最高回転速度Ｖｒ’より大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。タップ加工プログラムＰにより戻り時最高回転速度Ｖｒ’が指定されていない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、数値制御部１６は戻り時最高回転速度Ｖｒを主軸制御部１８に指令する（ステップＳ４）。

戻り時最高回転速度Ｖｒが加工プログラムで指定された戻り時最高回転速度Ｖｒ’より大きい場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、タップ加工プログラムＰは戻り時の目標速度として主軸モータの無負荷時の許容最高回転速度より低い速度を指定していることなる。この場合は、数値制御部１６は、タップ加工プログラムＰによる戻り時最高回転速度Ｖｒ’を主軸制御部１８に指令する（ステップＳ１３）。数値制御部１６から戻り時最高回転速度Ｖｒ’を受け取ると、主軸制御部１８は、戻り時最高回転速度Ｖｒ’を目標速度として戻り動作を制御する（ステップＳ１４）。なお、ステップＳ１４での戻り動作の制御は、図２のステップＳ５での戻り動作時の目標速度であるＶｒをＶｒ’に置き換えた動作に相当し基本的な制御は同様である。

他方、戻り時最高回転速度Ｖｒが加工プログラムで指定された戻り時最高回転速度Ｖｒ’以下である場合（Ｓ１２：ＮＯ）、数値制御部１６は戻り時最高回転速度Ｖｒを主軸制御部１８に指令する（ステップＳ４）。戻り時最高回転速度Ｖｒを受け取ると、主軸制御部１８は、戻り時最高回転速度Ｖｒを目標速度として戻り動作を制御する（ステップＳ５）。この場合の動作制御は、図２のステップＳ５での戻り動作時の動作と同じである。主軸１２が加工開始位置に戻ると、本タップ加工制御動作は終了する（ステップＳ６）。

主軸制御部１８が主軸１２の加工時及び戻り時の回転動作を制御する間、送り軸制御部２２は、主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、送り軸１４を主軸１２の動作に追従するように制御して送り動作を行わせる。

図４のタップ加工制御動作によれば、比較的低速の戻り時最高回転速度Ｖｒ’がユーザ指定されている場合にはそれを反映して戻り動作を実行させることができると共に、ユーザ指定がない場合には上述の図２のタップ加工制御動作による効果を得ることができる。

第２実施形態
図５は、第２実施形態に係るタップ加工制御動作を表すフローチャートである。なお、図５のタップ加工制御動作は、図１に示したハードウェア構成を有する制御装置１０によって実行される。図５のタップ加工制御動作においては図２のタップ加工制御動作のステップと同一のステップには同一の符号を用いその説明は省略する。

図５のタップ加工制御動作では、加工時の動作として第１実施形態（図２）のタップ加工制御動作におけるステップＳ１〜Ｓ３と同じ制御が行われる。主軸が目標ねじ深さに到達し加工時動作が完了すると（ステップＳ３）、数値制御部１６は、戻り時速度ｖ_c及び加速度ａ_cを以下で説明するように計算し、それらの値ｖ_c，ａ_cを速度指令、加速度指令として主軸制御部１８に指令する（ステップＳ４ａ）。なお、戻り時速度ｖ_cは、戻り時最高回転速度Ｖｒ以下となるように決定する。

図６は、主軸モータの速度−加速度特性曲線を表す。図６において、横軸、縦軸は、それぞれ主軸モータの速度、加速度を表している。なお、図６の速度−加速度特性曲線を表すデータは、数値制御部１６の記憶部２５内に予め格納されていても良く、或いは、制御装置１６に対してユーザ入力される構成であっても良い。加速度一定で戻り時動作を制御する場合、図７に示すように一定速度区間が生じない動作（三角形の動作パターン）が最速動作となる。図７の動作パターンにおける最高回転速度をｖ_c、加速度をａ_cとする。また、タップ加工動作条件として、目標ねじ深さ×ねじピッチから求まる戻り時の主軸１２の総回転量をＳ₀とする。この場合、図７の最速動作では、以下の関係式が成立している。なお、下記関係式において、ｔは速度０の状態から速度ｖ_cに到達するまでの時間（速度ｖ_cから速度０に戻るまでの時間）、Ｓ₀は主軸の総回転量である。

（１／２）ａ_cｔ²＝Ｓ₀／２ ・・・（１）
ａ_cｔ＝ｖ_c ・・・（２）

上記数式（１）、（２）からａ_c、ｖ_c、Ｓ₀の関係は以下となる。

ｖ_c ²／ａ_c＝Ｓ₀ ・・・（３）

数値制御部１６は、図６の速度−加速度特性曲線から上記数式（３）を満たす速度Ｖ_c、加速度ａ_cを決定する。ただし、ｖ_c≦Ｖ_rを条件とする。例えば、図６の速度−加速度特性曲線上の点Ｐｃが、上記数式（３）を満たす速度ｖ_c、加速度ａ_cとして決定される。

上記制御により戻り時最高回転速度Ｖｒを目標速度として、加速度一定場合における最速の戻り動作を実現することができる（ステップＳ５ａ）。また、それによりタップ加工の全体のサイクルタイムを最大限に高速化することが可能となる。

主軸制御部１８が主軸１２の加工時及び戻り時の回転動作を制御する間、送り軸制御部２２は、主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、送り軸１４を主軸１２の動作に追従するように制御して送り動作を行わせる。

第３実施形態
図８は、第３実施形態に係る制御装置１０ａの構成を表すブロック図である。図８において、図１の第１実施形態に係る制御装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態において、主軸指令出力部２６ａは、タップ加工の開始に先立ち、プログラム解釈部２４が解釈したタップ加工プログラムＰの指令値から、加工開始位置（回転位置）から目標ねじ深さ（回転位置）に至る間の主軸１２の総回転量Ｓ０と最高回転速度Ｖ０とを取得して、これら総回転量Ｓ０と最高回転速度Ｖ０とを主軸指令ＣＳとして主軸制御部１８ａに送る。例えば、第１実施形態の場合と同様に、タップ加工プログラムＰが、主軸１２の最高回転速度Ｖ０を３０００／ｍｉｎとして、ねじピッチ１．２５ｍｍ、ねじ深さ３０ｍｍの雌ねじを加工する指令を含む場合、主軸指令出力部２６は、Ｖ０＝３０００（ｍｉｎ^-1）とＳ０＝２４（ｒｅｖ）とを主軸制御部１８に通知する。

主軸制御部１８ａは、回転検出部２０が検出した主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、一般的なフィードバック制御により主軸１２の回転動作を制御する。送り軸制御部２２は、送り軸１４の送り位置のフィードバック値に加えて、主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、フィードバック制御により主軸１２の動作に追従する送り軸１４の送り動作を制御する。

主軸制御部１８ａは、主軸指令出力部２６ａから送られた最高回転速度Ｖ０（ｍｉｎ^-1）を目標値として、加工開始位置から目標ねじ深さに向かって主軸１２を最大能力で加速回転させる初期動作制御部３０と、最大能力での加速回転中に回転位置ＦＢＳに基づき最大加速度Ａ０（ｍｉｎ^-1／ｓ）を検出する最大加速度検出部３２と、主軸指令出力部２６から送られた総回転量Ｓ０（ｒｅｖ）と回転位置ＦＢＳとに基づき、現在位置（回転位置）から目標ねじ深さに至るまでの主軸１２の残回転量Ｓｒ（ｒｅｖ）を検出する残回転量検出部３４と、回転位置ＦＢＳに基づき主軸１２の現在速度Ｖｃ（ｍｉｎ^-1）を検出する現在速度検出部３６と、最大能力での加速回転の後に、最大加速度Ａ０と残回転量Ｓｒと現在速度Ｖｃとに基づき、主軸１２を最大能力で減速回転させて目標ねじ深さに到達させる位置決め動作制御部３８とを備える。本実施形態では、位置決め動作制御部３８は、主軸１２を最大能力で減速回転させるとともに目標ねじ深さで停止させるように構成できる。

図９は、第３実施形態に係るタップ加工制御動作を表すフローチャートである。なお、図９のタップ加工制御動作は、図８に示したハードウェア構成を有する制御装置１０ａによって実行される。

ステップＳ１０１で、数値制御部１６ａは主軸制御部１８ａに、主軸１２の総回転量Ｓ０と加工時最高回転速度Ｖ０とを指令する。ステップＳ１０２で、主軸制御部１８ａ（初期動作制御部３０、最大加速度検出部３２、残回転量検出部３４）は、加工開始位置から、加工時最高回転速度Ｖ０を目標速度として主軸１２を、駆動源（主軸モータ）の許容電流を最大限に利用した最大能力で加速回転させてタップ加工を実行する。その間、主軸制御部１８ａは、最大加速度Ａ０を検出するとともに、現在位置からの残回転量Ｓｒを逐次検出する（ステップＳ１０３）。検出した残回転量Ｓｒは、検出の都度、主軸制御部１８ａが数値制御部１６ａに通知する。

ステップＳ１０４では、主軸制御部１８ａは、最大加速度Ａ０、残回転量Ｓｒを用いて目標ねじ深さまでの位置制御を行う。以下に、典型的な位置制御の動作例を説明する。主軸制御部１８ａ（現在速度検出部３６）は、最大能力での加速回転中に現在速度Ｖｃを逐次検出し、検出の都度、現在速度Ｖｃが最高回転速度Ｖ０に到達していないか否かを判断する。ＶｃがＶ０に到達していない場合、主軸制御部１８ａは、残回転量Ｓｒが総回転量Ｓ０の１／２以下になっているか否かを判断する。現在速度Ｖｃが最高回転速度Ｖ０に達する前にＳｒがＳ０の１／２以下になった場合、主軸制御部１８ａは、主軸１２を、駆動源の許容電流を最大限に利用した最大能力で減速回転させてタップ加工を継続実行する。

ここで図１０を参照すると、典型的な動作例として、現在速度Ｖｃが最高回転速度Ｖ０に到達する前に残回転量Ｓｒが総回転量Ｓ０の１／２になった場合の、主軸１２の動作が、速度−時間曲線で示されている。図１０において、Ｖｂは、始動から速度Ｖｂまでは一定トルクでの加速（つまり一定加速度）が可能な回転速度（例えばサーボモータの基底速度）として、主軸１２に予め設定されたものであって、例えば制御装置１０ａの記憶部２５に制御用パラメータの１つとして格納できるものである。

ステップＳ１０２における主軸１２の最大能力の加速回転は、図１０の時間Ｔ１及びＴ２で実行され、時間Ｔ１の一定加速度の間に最大加速度Ａ０が検出される。主軸１２の回転速度がＶｂを超えると、サーボモータの特性により主軸１２の加速度は最大加速度Ａ０から漸減する（図６参照）。残回転量Ｓｒが総回転量Ｓ０の１／２になった（つまり加工開始からの回転量が総回転量Ｓ０の１／２になった）時点Ａで、主軸１２の動作は加速回転から減速回転に変わり、時間Ｔ３で、主軸１２の最大能力での減速回転が実行される。時間Ｔ３では、点Ａから速度Ｖｂを目標値として主軸１２を減速回転させるが、この間、例えばサーボモータの特性により、主軸１２の減速度は漸増する。最大能力での減速回転中も、主軸制御部１８ａ（残回転量検出部３４、現在速度検出部３６）は、主軸１２の現在位置からの残回転量Ｓｒ及び現在速度Ｖｃを逐次検出する。

引き続いて、主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）は、逐次検出されている残回転量Ｓｒ（ｒｅｖ）と現在速度Ｖｃ（ｍｉｎ^-1）とを監視して、現在速度Ｖｃ（ｍｉｎ^-1）から最大加速度Ａ０（ｍｉｎ^-1／ｓ）に対応する最大減速度Ａ０（負の値）で減速したときにＳｒ＝０となる（つまり目標ねじ深さに到達する）ことが予測される時点Ｂ（図１０）の位置を、Ｓｒ＝０の点から見た残回転量Ｓｒ（負の値）の絶対値として、下記の式により求める。
公式：（Ｖｃ／６０）²＝２×｜Ａ０｜／６０×｜Ｓｒ｜から、
｜Ｓｒ｜＝Ｖｃ²／｜Ａ０｜／１２０

ここで、本実施形態では、点Ｂから主軸１２を一定の最大減速度Ａ０で減速することを前提とする。したがって点Ｂでは、主軸１２の現在速度ＶｃはＶｂに達しているものとする。つまり点Ｂの位置｜Ｓｒ｜は、
｜Ｓｒ｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０｜／１２０として求めることができる。

また、本実施形態では、主軸１２の加速に必要なトルク（以下、加速トルク）と減速に必要なトルク（以下、減速トルク）とは互いに等しいものとする。一般に、主軸１２の回転中は機械構造上の負荷（抵抗）が発生し、加速トルクは減速トルクよりも大きくなるので、加速トルクと減速トルクとが等しい場合には、同じ速度変化で比較すると最大能力での加速時間が最大能力での減速時間よりも長くなる。したがって実際には、主軸１２は、点Ａから減速した後に時間Ｔ２よりも短い時間で速度Ｖｂに到達し、このときの位置｜Ｓｒ｜は、
｜Ｓｒ｜＞Ｖｃ²／｜Ａ０｜／１２０
であって、その後に一定速度Ｖｂで極少時間だけ回転することにより、
｜Ｓｒ｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０｜／１２０の点Ｂに到達することになる（図１０）。

再び図１０を参照すると、ステップＳ１０４において、主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）は、主軸１２の現在位置における残回転量の絶対値｜Ｓｒ｜が、｜Ｓｒ｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０｜／１２０を満たしているか否か（つまり主軸１２の回転位置が点Ｂに到達したか否か）を判断する。｜Ｓｒ｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０｜／１２０を満たしている場合、主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）は、主軸１２を最大減速度Ａ０で減速回転してＳｒ＝０の点（つまり目標ねじ深さ）に到達させるための指令（一実施形態では、目標ねじ深さで停止させるための指令）を作成し、この指令により主軸１２を位置制御する。｜Ｓｒ｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０｜／１２０を満たしていない場合は、この等式が満たされるまで判断を繰り返す。主軸１２は、主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）からの指令に従い、点Ｂから目標ねじ深さに向かって最大減速度Ａ０で減速回転してタップ加工を実行し、Ｓｒ＝０になった時点で目標ねじ深さに到達する（一実施形態では、目標ねじ深さで停止する）（ステップＳ１０５）。このように、点Ｂから目標ねじ深さに到達するまでの時間Ｔ４では、主軸制御部１８は主軸１２を位置制御することになる。

主軸制御部１８ａが主軸１２の加工開始位置から目標ねじ深さまでの回転動作を制御する間、送り軸制御部２２は、主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、送り軸１４を主軸１２の動作に追従するように制御して送り動作を行わせる。数値制御部１６ａは、主軸制御部１８ａが加工開始位置から目標ねじ深さまでの回転動作を制御する間、主軸制御部１８ａから通知される残回転量Ｓｒを監視して、残回転量Ｓｒが第１の所定値（零に近い極小値）以下になったときに、タップ加工が目標ねじ深さに達したと判断しても良い。

タップ加工が目標ねじ深さに達した後、ステップＳ１０６〜Ｓ１１０で戻り動作が実行される。ステップ１０６では、数値制御部１６ａは、プログラム解釈部２４が解釈したタップ加工プログラムＰの指令値から、目標ねじ深さから戻り完了位置に至る間の主軸１２の総回転量Ｓ０′を取得する。そして、数値制御部１６ａは、総回転量Ｓ０′と、記憶部２５に記憶されている戻り時最高回転速度Ｖｒとを主軸指令ＣＳとして主軸制御部１８ａに送る。なお、戻り完了位置は、加工開始位置と同一であってもよいし、加工開始位置と異なっていてもよい。戻り完了位置が加工開始位置と同一の場合、総回転量Ｓ０′は切削時の総回転量Ｓ０と等しくなる。

ステップＳ１０７で、主軸制御部１８ａ（初期動作制御部３０、最大加速度検出部３２、残回転量検出部３４）は以下の制御を行う。初期動作制御部３０は、戻り時最高回転速度Ｖｒを目標速度として目標ねじ深さから戻り完了位置に向かって主軸１２を、駆動源の許容電流を最大限に利用した最大能力で加速逆回転させて戻り動作を実行する。最大加速度検出部３２は、最大能力での加速逆回転中に回転位置ＦＢＳに基づき逆回転の最大加速度Ａ０′を検出する。残回転量検出部３４は、総戻り回転量Ｓ０′と回転位置ＦＢＳとに基づき、現在位置から戻り完了位置に至るまでの主軸１２の残戻り回転量Ｓｒ′を逐次検出する（ステップＳ１０８）。検出した残戻り回転量Ｓｒ′は、検出の都度、主軸制御部１８ａが数値制御部１６ａに通知する。

ステップＳ１０９では、主軸制御部１８ａは、最大加速度Ａ０、残回転量Ｓｒを用いて加工開始位置までの位置制御を行う。ここでは、典型的な動作の一例として、以下のような位置制御が行われる。主軸制御部１８ａ（現在速度検出部３６）は、最大能力での加速逆回転中に回転位置ＦＢＳに基づき逆回転の現在速度Ｖｃ′を逐次検出し、検出の都度、現在速度Ｖｃ′が戻り時最高回転速度Ｖｒに到達していないか否かを判断する。Ｖｃ′がＶｒに到達していない場合、主軸制御部１８ａは、残戻り回転量Ｓｒ′が総戻り回転量Ｓ０′の１／２以下になっているか否かを判断する。現在速度Ｖｃ′が戻り時最高回転速度Ｖｒに到達する前にＳｒ′がＳ０′の１／２以下になった場合、主軸制御部１８ａは、主軸１２を、駆動源の許容電流を最大限に利用した最大能力で減速逆回転させて戻り動作を継続実行する。

また、ステップＳ１０９で、主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）は、主軸１２の現在位置における残戻り回転量Ｓｒ′の絶対値｜Ｓｒ′｜が、｜Ｓｒ′｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０′｜／１２０を満たしているか否かを判断する。｜Ｓｒ′｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０′｜／１２ ０を満たしている場合、主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）は、主軸１２を最大減速度Ａ０′で減速逆回転してＳｒ′＝０の点（つまり戻り完了位置 ）で停止させるための指令を作成し、この指令により主軸１２を位置制御する。｜Ｓｒ′｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０′｜／１２０を満たしていない場合は、この等式が満たされるまで判断を繰り返す。主軸１２は、主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）からの指令に従い、戻り完了位置に向かって最大減速度Ａ０′で減速逆回転して戻り動作を実行し、Ｓｒ′＝０になった時点で停止する（ステップＳ１１０）。

主軸制御部１８ａが主軸１２の目標ねじ深さから戻り完了位置までの逆回転動作を制御する間、送り軸制御部２２は、主軸１２の回転位置ＦＢＳを用いて、送り軸１４を主軸１２の動作に追従するように制御して逆送り動作を行わせる。数値制御部１６ａは、主軸制御部１８ａが目標ねじ深さから戻り完了位置までの逆回転動作を制御する間、主軸制御部１８ａから通知される残戻り回転量Ｓｒ′を監視して、残戻り回転量Ｓｒ′が第２の所定値（零に近い極小値）以下になったときに、戻り動作が完了して工具がワークから引き抜かれたと判断しても良い。

上記した主軸１２の戻り動作は、図１０に示す加工動作と同様の速度−時間曲線で表すことができる。図１０に示すように、目標ねじ深さに到達した瞬間、主軸１２の現在速度Ｖｃは零になるが、さらに主軸１２は、主軸制御部１８（位置決め動作制御部３８）からの指令に従い、最大減速度Ａ０を維持して逆回転の加速度Ａ０を生じ、現在速度Ｖｃ（負の値）を徐々に増加させる加速逆回転により、時間Ｔ７に渡って、目標ねじ深さから点Ｃに向かう戻り動作を遂行する。

主軸１２の点Ｃの位置は任意に設定できる。例えば図１０に示すように、切削動作中に最大減速度Ａ０での減速回転を開始した点Ｂと同じ位置を、点Ｃとすることができる。この場合の点Ｃは、目標ねじ深さから｜Ｓｒ｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０｜／１２０に相当する回転量だけ逆回転した位置となる。この構成によれば、図１０に示すように、加工開始から点Ｂを経て目標ねじ深さに到達するまでの主軸１２の切削動作（時間Ｔ１〜Ｔ４）と、目標ねじ深さから点Ｃを経て戻り完了位置に到達するまでの主軸１２の戻り動作（時間Ｔ７〜Ｔ１０）とを、速度の符号が逆になる以外は実質的に同じ速度−時間曲線で表すことができる。つまり、主軸１２は、時間Ｔ７において、時間Ｔ１の一定の最大加速度Ａ０での加速回転と同様に、一定の加速度Ａ０で加速逆回転する。

図１０に示す例では、主軸１２は、所定の回転位置（点Ｃ）に到達した後に逆回転の現在速度がＶｂ（負の値）を超えるので、最大能力での加速逆回転において、例えばサーボモータの特性により、主軸１２の逆回転の加速度はＡ０から漸減する（時間Ｔ８）。残戻り回転量Ｓｒ′が総戻り回転量Ｓ０′の１／２になった（つまり目標ねじ深さからの回転量が総回転量Ｓ０′の１／２になった）時点Ｄで、主軸１２の動作は加速逆回転から減速逆回転に変わり、時間Ｔ９で、主軸１２の最大能力での減速逆回転が実行される。

次に主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）は、主軸１２の現在位置における残戻り回転量Ｓｒ′の絶対値｜Ｓｒ′｜が、｜Ｓｒ′｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０′｜／１２０を満たしているか否か（つまり主軸１２の回転位置が点Ｅ（図１０）に到達したか否か）を判断する。｜Ｓｒ′｜＝Ｖｂ²／｜Ａ０′｜／１２０を満たしている場合、主軸制御部１８ａ（位置決め動作制御部３８）は、主軸１２を最大減速度Ａ０′（時間Ｔ７における逆回転の加速度Ａ０に対応する値）で減速逆回転してＳｒ′＝０の点（つまり 戻り完了位置）で停止させるための指令を作成し、この指令により主軸１２を位置制御する。主軸１２は、主軸制御部１８（位置決め動作制御部３８）からの指令に従い、戻り完了位置に向かって最大減速度Ａ０′で減速逆回転して戻り動作を実行し、Ｓｒ′＝０になった時点で停止する。

上記実施形態によれば、戻り動作時に主軸モータの無負荷時の許容最高回転速度である戻り時最高回転速度Ｖｒを目標速度として主軸１２を制御することができる。したがって、最速動作で主軸の戻り動作を実行することが可能となる。また、それによりタップ加工の全体のサイクルタイムを最大限に高速化することが可能となる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

上述の実施形態では、戻り時最高回転速度Ｖｒとして主軸モータの無負荷時の許容最高回転速度を適用する構成となっているが、この戻り時最高回転速度Ｖｒとしては、主軸の加工時の最高回転速度には依存せず、且つ加工時の最高回転速度よりも高速の値を用いることによって、戻り動作を高速化することが可能である。

また、本開示の課題を解決するために、以下のような各種の態様とその効果を提供することができる。なお、以下の態様の説明文における括弧内の番号は本開示の図面の参照符号に対応する。

例えば、本開示の第一態様は、主軸（１２）と送り軸（１４）の同期運転を制御する工作機械の制御装置（１０）であって、タップ加工プログラム（Ｐ）に基づき主軸指令及び送り軸指令を作成する数値制御部（１６）と、前記主軸指令に従って前記主軸（１２）の回転動作を制御する主軸制御部（１８）と、前記主軸（１２）の回転位置を検出する回転検出部（２０）と、前記送り軸指令に従って、前記回転位置に基づき前記送り軸（１４）の送り動作を制御する送り軸制御部（２２）と、を具備し、前記数値制御部（１６）は、目標ねじ深さから加工開始位置に戻る戻り動作の指令として、前記主軸（１２）の加工時の最高回転速度に依存せず且つ前記加工時の前記最高回転速度よりも高速な戻り時速度指令値を前記主軸指令に含める、制御装置（１０）である。

上記第一態様によれば、加工時の主軸の最高回転速度によらず、主軸の戻り動作を高速に実行することが可能になる。

また、本開示の第二態様は、上記第一態様の制御装置（１０）であって、前記主軸を駆動する駆動源の無負荷時の許容最高回転速度を記憶する記憶部（２５）を更に備え、前記数値制御部は、前記記憶部（２５）に記憶された前記駆動源の無負荷時の前記許容最高回転速度を、前記戻り時速度指令値として前記主軸指令に含める。

また、本開示の第三態様は、上記第二態様の制御装置（１０）であって、前記数値制御部（１６）は、前記タップ加工プログラム（Ｐ）により前記主軸（１２）の戻り時最高回転速度が指定されているか否かを判定し、前記タップ加工プログラム（Ｐ）により前記主軸（１２）の前記戻り時最高回転速度が指定されている場合で、且つ、前記タップ加工プログラム（Ｐ）により指定された前記戻り時最高回転速度が前記駆動源の無負荷時の前記許容最高回転速度より低い場合に、前記タップ加工プログラム（Ｐ）により指定された前記戻り時最高回転速度を、前記戻り時速度指令値として前記主軸指令に含める。

また、本開示の第四態様は、上記第一態様の制御装置（１０）であって、前記数値制御部（１６）は、タップ加工動作条件および前記主軸を駆動する駆動源の速度−加速度特性から、加速度一定の場合に前記戻り動作が最速となる前記主軸の戻り時速度と戻り時加速度とを求め、前記戻り時速度を前記戻り時速度指令値として前記主軸指令に含めるとともに、前記戻り時加速度を前記主軸指令に含める。

また、本開示の第五態様は、上記第二態様の制御装置（１０ａ）であって、前記数値制御部（１６ａ）は、前記加工開始位置から前記目標ねじ深さに至る間の前記主軸（１２）の総回転量と加工時最高回転速度とを前記タップ加工プログラム（Ｐ）から取得して、該総回転量と該加工時最高回転速度とを加工動作の前記主軸指令として前記主軸制御部（１８ａ）に送り、前記主軸制御部（１８ａ）は、前記加工時最高回転速度を目標速度として前記加工開始位置から前記目標ねじ深さに向かって前記主軸（１２）を、前記駆動源の許容電流を最大限に利用した最大能力で加速回転させる初期動作制御部（３０）と、前記最大能力での加速回転中に前記回転位置に基づき最大加速度を検出する最大加速度検出部（３２）と、前記総回転量と前記回転位置とに基づき、現在位置から前記目標ねじ深さに至るまでの前記主軸の残回転量を検出する残回転量検出部（３４）と、前記回転位置に基づき前記主軸（１２）の現在速度を検出する現在速度検出部（３６）と、前記最大能力での加速回転の後に、前記最大加速度と前記残回転量と前記現在速度とに基づき、前記主軸（１２）を最大能力で減速回転させて前記目標ねじ深さに到達させる位置決め動作制御部（３８）とを備え、前記戻り動作において、前記初期動作制御部（３０）は、前記駆動源の無負荷時の前記許容最高回転速度を目標速度として前記目標ねじ深さから前記加工開始位置に向かって前記主軸（１２）を、前記駆動源の許容電流を最大限に利用した最大能力で加速逆回転させ、前記最大加速度検出部（３２）は、前記最大能力での加速逆回転中に前記回転位置に基づき前記最大加速度を検出し、前記残回転量検出部（３４）は、前記総回転量と前記回転位置に基づき、現在位置から前記加工開始位置に戻るまでの前記主軸（１２）の残回転量を検出し、前記位置決め動作制御部（３８）は、前記最大能力での加速逆回転の後に、前記最大加速度と前記残回転量と前記現在速度とに基づき、前記主軸（１２）を最大能力で減速逆回転させて前記加工開始位置に到達させる。

１０、１０ａ 制御装置
１２ 主軸
１４ 送り軸
１６、１６ａ 数値制御部
１８、１８ａ 主軸制御部
２０ 回転検出部
２２ 送り軸制御部
２４ プログラム解釈部
２５ 記憶部
２６、２６ａ 主軸指令出力部
２８ 送り軸指令出力部

Claims (5)

1. 主軸と送り軸の同期運転を制御する工作機械の制御装置であって、
   タップ加工プログラムに基づき主軸指令及び送り軸指令を作成する数値制御部と、
   前記主軸指令に従って前記主軸の回転動作を制御する主軸制御部と、
   前記主軸の回転位置を検出する回転検出部と、
   前記送り軸指令に従って、前記回転位置に基づき前記送り軸の送り動作を制御する送り軸制御部と、を具備し、
   前記数値制御部は、目標ねじ深さから加工開始位置に戻る戻り動作の指令として、前記主軸の加工時の最高回転速度に依存せず且つ前記加工時の前記最高回転速度よりも高速な戻り時速度指令値を前記主軸指令に含める、制御装置。
2. 前記主軸を駆動する駆動源の無負荷時の許容最高回転速度を記憶する記憶部を更に備え、
   前記数値制御部は、前記記憶部に記憶された前記駆動源の無負荷時の前記許容最高回転速度を、前記戻り時速度指令値として前記主軸指令に含める、
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記数値制御部は、
   前記タップ加工プログラムにより前記主軸の戻り時最高回転速度が指定されているか否かを判定し、
   前記タップ加工プログラムにより前記主軸の前記戻り時最高回転速度が指定されている場合で、且つ、前記タップ加工プログラムにより指定された前記戻り時最高回転速度が前記駆動源の無負荷時の前記許容最高回転速度より低い場合に、前記タップ加工プログラムにより指定された前記戻り時最高回転速度を、前記戻り時速度指令値として前記主軸指令に含める、請求項２に記載の制御装置。
4. 前記数値制御部は、タップ加工動作条件および前記主軸を駆動する駆動源の速度−加速度特性から、加速度一定の場合に前記戻り動作が最速となる前記主軸の戻り時速度と戻り時加速度とを求め、前記戻り時速度を前記戻り時速度指令値として前記主軸指令に含めるとともに、前記戻り時加速度を前記主軸指令に含める、請求項１に記載の制御装置。
5. 前記数値制御部は、前記加工開始位置から前記目標ねじ深さに至る間の前記主軸の総回転量と加工時最高回転速度とを前記タップ加工プログラムから取得して、該総回転量と該加工時最高回転速度とを加工動作の前記主軸指令として前記主軸制御部に送り、
   前記主軸制御部は、
   前記加工時最高回転速度を目標速度として前記加工開始位置から前記目標ねじ深さに向かって前記主軸を、前記駆動源の許容電流を最大限に利用した最大能力で加速回転させる初期動作制御部と、
   前記最大能力での加速回転中に前記回転位置に基づき最大加速度を検出する最大加速度検出部と、
   前記総回転量と前記回転位置とに基づき、現在位置から前記目標ねじ深さに至るまでの前記主軸の残回転量を検出する残回転量検出部と、
   前記回転位置に基づき前記主軸の現在速度を検出する現在速度検出部と、
   前記最大能力での加速回転の後に、前記最大加速度と前記残回転量と前記現在速度とに基づき、前記主軸を最大能力で減速回転させて前記目標ねじ深さに到達させる位置決め動作制御部とを備え、
   前記戻り動作において、
   前記初期動作制御部は、前記駆動源の無負荷時の前記許容最高回転速度を目標速度として前記目標ねじ深さから前記加工開始位置に向かって前記主軸を、前記駆動源の許容電流を最大限に利用した最大能力で加速逆回転させ、
   前記最大加速度検出部は、前記最大能力での加速逆回転中に前記回転位置に基づき前記最大加速度を検出し、
   前記残回転量検出部は、前記総回転量と前記回転位置に基づき、現在位置から前記加工開始位置に戻るまでの前記主軸の残回転量を検出し、
   前記位置決め動作制御部は、前記最大能力での加速逆回転の後に、前記最大加速度と前記残回転量と前記現在速度とに基づき、前記主軸を最大能力で減速逆回転させて前記加工開始位置に到達させる、請求項２に記載の制御装置。

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