JP2019149047A

JP2019149047A - 制御装置

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Publication number: JP2019149047A
Application number: JP2018033840A
Authority: JP
Inventors: 将司安田; Shoji Yasuda
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-09-05
Also published as: CN110196570A; US10814398B2; US20190265677A1; JP2022060273A; DE102019001235A1

Abstract

【課題】切屑を分断しながらねじ切り加工をする機能を有する制御装置を提供する。【解決手段】回転しているワークに工具を押し当てて移動させることで前記ワークにねじ切り加工を行う工作機械を加工プログラムに従って制御する制御装置１０は、加工プログラムにおいて指令される切上げ・切込み運動の動作条件を解析する切上げ・切込み運動動作条件解析手段２８と、切上げ・切込み運動動作条件解析手段２８によって解析した動作条件に基づいて作成する切上げ・切込み運動を前記旋削加工に挿入する切上げ・切込み運動挿入手段２９と、を有する。切上げ・切込み運動挿入手段２９は、ねじ溝切削方向に沿って、切込み動作と、前記工具をワークの径方向に切上げることにより切屑を分断する切上げ動作と、直前の前記切上げ動作の開始位置まで前記工具を前記ワークと干渉しないようにアプローチさせる動作と、からなるサイクルを繰り返し実行する。【選択図】図４

Description

本発明は制御装置に関し、特に切屑を分断しながらねじ切り加工をする機能を有する制御装置に関する。

従来のねじ切り旋削加工では、ワークに対して工具が一方向に切込みを続けるため、加工時に発生する切屑が分断されずに工具の移動に従って連続的に発生し、切屑を取り除かずに加工を続けると、切屑が工具に絡まる問題や、切屑がワークに接触してワークに傷がつくという問題があった。

また、加工中は工具とワークが常時接触しており、工具とワークの間に冷却液が効率よく循環しないため、摩擦による工具寿命の低下や、発熱による工具刃先の変形に伴う加工精度の低下が問題となっていた。

このような従来から知られている問題を解決するために、様々な手法が提案されている。例えば特許文献１には、切屑を細断しながらねじ切り加工を実現する技術が開示されている。図１及び図２に示すように、１回目の切込み加工において、往復運動の復動の開始から切込み加工が開始されるよう往復運動させ、切削工具の往復振動の復動時に切削工具の先端をワークの外周面まで到達させる。これにより切削工具の先端がワークの外周面まで到達する部分で、切屑が分断される。２回目の加工においては、１回目の切込む加工の切込み時の位相に対して２回目の切込み加工時の位相を変え、２回目の切込み加工における復動時の切削工具の軌跡を１回目の切込み加工における切削工具の軌跡の位置まで到達させるように制御する。

国際公開第２０１６／０５６５２６号特開２０１５−２２５５１８号公報

特許文献１記載のねじ切り手法には次のような問題点がある。
図３に示すようにワーク径の深さ方向に工具を押し込んで切削する箇所が生じるため、チップに悪影響が生じる。また、切屑を分断するために工具を振動させるため、駆動機構を中心とした機械的ダメージが生じたり、機械全体が振動することによる騒音の発生や加工精度の悪化をもたらす可能性がある。さらに、工具をワーク径方向に振動させるため、絶えず切削負荷が変化し、仕上げ形状の悪化及びチップへの悪影響に繋がる。また、切削中の追従誤差及びバックラッシのため、指令通りに工具を振動させることができず、切屑分断できない場合がある。これを解消するために、必ず切屑分断ができるような大きな振動振幅を設定すると、上述の他の問題が発生しやすくなる。

このような問題点を解決しうる手法として、特許文献２記載のように切上げ・切込み運動によって切屑を分断しながら加工する手法がある。しかしながら特許文献２では、当該手法を特にねじ切り加工に最適化する方法が検討されていない。

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、切屑を分断しながらねじ切り加工をする機能を有する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制御装置は、回転しているワークに工具を押し当てて移動させることで前記ワークにねじ切り加工を行う工作機械を加工プログラムに従って制御する制御装置であって、前記加工プログラムにおいて指令される切上げ・切込み運動の動作条件を解析する切上げ・切込み運動動作条件解析手段と、前記切上げ・切込み運動動作条件解析手段によって解析した動作条件に基づいて作成する切上げ・切込み運動を前記旋削加工に挿入する切上げ・切込み運動挿入手段と、を有し、前記切上げ・切込み運動挿入手段は、ねじ溝切削方向に沿って、切込み動作と、前記工具をワークの径方向に切上げることにより切屑を分断する切上げ動作と、直前の前記切上げ動作の開始位置まで前記工具を前記ワークと干渉しないようにアプローチさせる動作と、からなるサイクルを繰り返し実行することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる制御装置は、前記切上げ・切込み運動挿入手段は、前記切上げ動作の開始位置から、１回前の前記切上げ動作の前記工具と前記ワークが離れた位置の軸方向の座標値に達するまでの間の切削量が一定となる経路で、前記切上げ動作を実行することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる制御装置は、前記切上げ・切込み運動挿入手段は、前記切込み動作の開始位置から、前記切上げ動作の終了位置までの経路長が所定の許容長さを超えない経路で、前記切込み動作及び前記切上げ動作を実行することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる制御装置は、前記切上げ・切込み運動挿入手段は、前記ワークに予め定められた不干渉領域と、前記切込み動作の経路、前記切上げ動作の経路又は前記アプローチ動作の経路とが干渉する場合、前記切込み動作の経路、前記切上げ動作の経路又は前記アプローチ動作の経路を変更するか、前記切込み動作、前記切上げ動作又は前記アプローチ動作を中断するか、又は前記サイクルの挿入位置を変更することを特徴とする。

本発明によれば、切屑を分断しながらねじ切り加工をする機能を有する制御装置を提供することが可能である。

切屑を細断しながらねじ切り加工を行う従来技術を示す図である。切屑を細断しながらねじ切り加工を行う従来技術を示す図である。従来技術の問題点を示す図である。制御装置１０のハードウェア構成を示すブロック図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動を説明する図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動を説明する図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動を説明する図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動を説明する図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動を説明する図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動を説明する図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動を説明する図である。制御装置１０の機能構成を示すブロック図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み挿入処理を示すフローチャートである。制御装置１０が実行するアプローチ動作を説明する図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動の一例を示す図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動の一例を示す図である。制御装置１０が実行する切上げ・切込み運動の一例を示す図である。

本発明の実施の形態にかかる制御装置１０の構成について説明する。

図４は制御装置１０の概略ブロック図である。制御装置１０は、プロセッサ（ＣＰＵ）１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、ＣＭＯＳメモリ１４、表示制御回路１５、操作盤１６、主軸制御回路１７、軸制御回路１８〜２０、スピンドルアンプ２１、軸サーボアンプ２２〜２４、バス２５を備えている。ＣＰＵ１１はＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムをバス２５を介して読み出し、該システムプログラムに従って制御装置１０全体を制御する。ＲＡＭ１３は一時的な計算データや表示データ及び入力手段（図示せず）を介して入力された各種データを一時的に格納する。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集機能や各種システムプログラムが予め格納されている。ＣＭＯＳメモリ１４は図示しないバッテリでバックアップされ、制御装置１０の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。ＣＭＯＳメモリ１４中には、加工プログラムなどが記憶される。

主軸制御回路１７は、主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ２１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ２１はスピンドル速度信号を受けて、主軸モータ４１を指令された回転速度で回転させる。ポジションコーダ４２は、主軸モータ４１の回転に同期して帰還パルスを主軸制御回路１７にフィードバックし速度制御を行う。

軸制御回路１８〜２０は、切込み動作を行う軸への移動指令を受けて軸サーボアンプ２２〜２４に出力する。軸サーボアンプ２２〜２４はこの指令を受けて、旋盤加工機械４０の制御軸モータ４３〜４５を駆動する。制御軸モータ４３〜４５は位置・速度検出器（図示せず）を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置、速度のフィードバック信号を軸制御回路１８〜２０にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、この位置・速度フィードバック制御については記載を省略している。

図５は、本実施の形態における切上げ・切込み運動を説明する図である。回転軸Ｃ周りに回転しているワークに対して、Ｚ方向に移動する工具を接触させてねじ切り旋削加工を行うと、ワークが削れて切屑が発生する。このような切削加工の加工動作中に、Ｘ−ねじ溝切削方向平面における工具の切上げ・切込み運動を挿入することで、切屑を分断すると共に、冷却液を工具とワークの間に循環させる。

図６は、Ｘ−ねじ溝切削方向平面における切上げ・切込み運動を示す拡大図である。切上げ・切込み運動は、典型的には円運動である。この円運動は工具の軌跡が円で表される動きであり、円運動の半径を任意に設定することで定義される。このような切上げ・切込み運動を、切込み開始点をねじ溝切削方向に少しずつずらしながら繰り返し実行することで、ねじ溝を切削していく。

図７Ａ乃至図７Ｅは、Ｘ−ねじ溝切削方向平面における切上げ・切込み運動の進行を時系列で示した図である。まず図７Ａに示すように、工具が切込み開始位置までアプローチする。次に図７Ｂに示すように、工具がワークに対する切込みを開始する。所定長の切込みを行ったなら、図７Ｃに示すような切上げ動作を開始する。図７Ｄ及び図７Ｅに示すように、ワークの端面まで切上げ動作を行うことで、切屑を分断する。外ねじの加工であれば、切上げ動作はワークの外径よりも外側に工具を逃がす動作となる。内ネジの加工であれば、切上げ動作はワークの内径よりも内側に工具を逃がす動作となる。切上げ動作が終了したならば、図１０に示すように次回の切込み動作の開始位置まで、ワークと工具とが干渉しないようにアプローチを行う。

なお、切上げ動作の軌跡は、必ずしも上述の例のように円弧である必要はない。例えば切上げ動作を直線状に実行し、工具軌跡が切上げと切込みを二辺とする三角形で表される動きとすることもできる。この場合、切上げ・切込み角度、切上げ・切込み量を任意に設定することでこの動きを定義できる。また、任意の曲線で切上げ動作を定義しても構わない。

図８は、本実施の形態の制御装置１０の機能構成を示すブロック図である。
制御装置１０のＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラム読み出して実行することにより、プログラム解析手段２６、補間手段２７、切上げ・切込み運動動作条件解析手段２８、切上げ・切込み運動挿入手段２９として動作する。プログラム解析手段２６はＣＭＯＳメモリ１４から読み出した加工プログラムを解析し、解析データを出力する。プログラム解析手段２６が加工プログラムの中に切上げ・切込み運動動作条件指令ブロックを認識すると、切上げ・切込み運動動作条件解析手段２８が動作し、当該切上げ・切込み運動動作条件指令ブロックを解析して切上げ・切込み運動の解析データを作成し、プログラム解析手段２６へ出力する。補間手段２７は、プログラム解析手段２６から取得した解析データに基づいて制御軸へ出力するための旋削加工移動指令を作成して出力する。また、切上げ・切込み運動を動作させるタイミングにおいて切上げ・切込み運動挿入手段２９が動作し、切上げ・切込み運動挿入手段２９は切上げ・切込み運動指令を作成して補間手段２７へと出力する。そして、当該切上げ・切込み運動指令に基づいて軸制御が行われることで切上げ・切込み運動の挿入が実現される。この切上げ・切込み運動指令は、図６に示すような円運動指令であっても良く、任意の直線又は曲線状の運動指令であっても良い。

図９は、補間手段２７の切上げ・切込み挿入処理を説明するフローチャートである。
図９のフローチャートにおいて、切上げ・切込み運動実行中フラグｅｘｅｃ＿ｆは現在切上げ・切込み運動を実行中であるか否かを示すフラグである。また、時間カウンタｃｎｔ＿ｔは前回切上げ・切込み運動を実行してからの時間を示すカウンタであり、切上げ・切込み運動挿入間隔ｉｎｓ＿ｔは、切上げ・切込み運動の挿入間隔を示している。

補間手段２７は、切上げ・切込み運動実行中フラグｅｘｅｃ＿ｆを参照し、現在切上げ・切込み運動を実行中であるかどうかを判定する（Ｓ５０１）、現在切上げ・切込み運動の実行中ではない場合、時間カウンタｃｎｔ＿ｔのカウントを増加させる（Ｓ５０２）。そして、時間カウンタｃｎｔ＿ｔの値が、切上げ・切込み運動挿入間隔ｉｎｓ＿ｔの値よりも小さいか否かを判定し（Ｓ５０３）、小さい場合には旋削加工移動指令に元づく軸制御を継続する（Ｓ５０４）。

Ｓ５０３において、時間カウンタｃｎｔ＿ｔの値が、切上げ・切込み運動挿入間隔ｉｎｓ＿ｔの値よりも大きい場合には、切上げ・切込み運動実行中フラグｅｘｅｃ＿ｆをオンにし（Ｓ５０５）、切上げ・切込み運動挿入指令に基づいて切上げ・切込み運動挿入処理を実行する。その後、切上げ・切込み運動の終了判定を行い（Ｓ５０６）、切上げ・切込み運動がまだ処理していない場合は切上げ・切込み運動実行中フラグｅｘｅｃ＿ｆを維持して補間手段２７の処理を終了し、切上げ・切込み運動が終了した場合は、切上げ・切込み運動実行中フラグｅｘｅｃ＿ｆと時間カウンタｃｎｔ＿ｔの値をクリアして、補間手段２７の処理を終了する。

なお、Ｓ５０１において現在切上げ・切込み運動を実行中であると判定された場合は、切上げ・切込み運動を継続する。

このような補間手段２７の処理が、制御装置１０上で繰り返し実行されることで、切削加工移動指令に基づく切削加工動作に対する切上げ・切込み運動挿入処理が実行される。

［切削経路の最適化］
ねじ切り加工における切上げ・切込み運動を、負荷軽減やサイクルタイム短縮等の観点から最適化するための方策を幾つか開示する。次に示す処理はいずれも、加工プログラムにおいて定義された切上げ・切込み運動の経路に従って、切上げ・切込み運動動作条件解析手段２８が切上げ・切込み運動の動作条件を解析し、切上げ・切込み運動挿入手段２９が切上げ・切込み運動を挿入することにより実現可能である。

１．切上げ時の切削負荷（切削量）を一定化する切削経路
チップにかかる切削負荷（切削量）が許容範囲内での最大の切削負荷（切削量）で一定となるような切削経路を作成することにより、加工時間を短縮することが可能である。すなわち図１１に示すように、切上げ開始位置から、１回前の切上げ動作の終了位置のワークの長さ方向の座標値に達するまでの間における切削量が毎回一定となるような切削経路を生成する。

図１２に示すように、工具の径は刃先ほど細く根本ほど太いため、ワークの径方向により深い位置においては、工具とワークとの接触面積がより大きくなり、切削負荷（切削量）もより大きくなる。したがって、切上げ加工時は、ワークの径の外周に逃げるにつれて切り込み量を厚くすることで切削量が毎回同じになるように工具経路を生成することができる。

２．生成される切屑の長さが、許容長さを超えないような切削経路
本実施の形態により生成される切屑の長さは、図１３に示すように、切込み開始位置から切上げ動作の終了位置までの加工経路の距離とほぼ一致するはずである。切上げ動作完了後のアプローチ動作は、切上げ動作とは反対方向に軸を移動させることになり、このとき緩やかな加減速を伴う。したがって、加工全体で切上げ・切込み運動のサイクルの回数が多いほど加減速の無駄な時間が増える。加工時間を短縮するには、許容できる範囲内で最も長い切削距離で切込みや切上げ加工をして、切上げ・切込み運動のサイクル数を少なくすることが望まれる。しかし、切屑が長すぎると、工具に切屑が絡みついたり、ワークに傷がついたりする原因となる。

このような問題を避けるため、切屑の長さが許容長さを超えないような措置を施すことが適切である。具体的には、切屑の許容長さを予め設定し、切込み開始位置から切上げ動作の終了位置までの距離が当該許容長さを越えないよう、工具経路を生成することができる。許容長さは、例えばワークの外周１周乃至半周程度に設定することが適当である。

３．ねじ溝の終端処理
ねじ溝の終端部においては、ねじ溝を徐々に浅くしていく処理が行われる。この終端部において、本来削らずに残すべき領域（以下、不干渉領域という）と、本実施形態の切上げ経路が干渉することがある。この場合、不干渉領域と切上げ経路とが干渉しないよう、切上げ経路を変更することが必要である。具体的には、切上げ経路と不干渉領域とが干渉した場合は、切上げ経路を不干渉領域との境界線に沿うよう変更する。又は、切上げ経路と不干渉領域とが干渉したときに切上げ動作を中断しても良い。或いは、切上げ・切込み加工のサイクルの挿入位置を変更しても良く、サイクルを中断しても良い。

同様の問題は、切込み、切込み開始位置へのアプローチにおいても生じ得る。この場合も、切込み経路やアプローチ経路が不干渉領域と干渉しないよう制御する。具体的には、切込み経路と不干渉領域とが干渉したときに切込み動作を中断し、不干渉領域との境界線に沿って切上げ動作を行っても良い。或いは、切上げ・切込み加工のサイクルの挿入位置を変更しても良く、サイクルを中断しても良い。

なお、本発明は上述の実施の形態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。

１０制御装置
１１プロセッサ（ＣＰＵ）
１２ＲＯＭ
１３ＲＡＭ
１４ＣＭＯＳメモリ
１５表示制御回路
１６操作盤
１７主軸制御回路
１８Ｘ軸制御回路
１９Ｙ軸制御回路
２０Ｚ軸制御回路
２１スピンドルアンプ
２２Ｘ軸サーボアンプ
２３Ｙ軸サーボアンプ
２４Ｚ軸サーボアンプ
２５バス
２６プログラム解析手段
２７補間手段
２８切上げ・切込み運動動作条件解析手段
２９切上げ・切込み運動挿入手段
４０旋盤加工機械
４１主軸モータ
４２ポジションコーダ
４３Ｘ制御軸モータ
４４Ｙ制御軸モータ
４５Ｚ制御軸モータ

Claims

回転しているワークに工具を押し当てて移動させることで前記ワークにねじ切り加工を行う工作機械を加工プログラムに従って制御する制御装置であって、
前記加工プログラムにおいて指令される切上げ・切込み運動の動作条件を解析する切上げ・切込み運動動作条件解析手段と、
前記切上げ・切込み運動動作条件解析手段によって解析した動作条件に基づいて作成する切上げ・切込み運動を前記ねじ切り加工に挿入する切上げ・切込み運動挿入手段と、を有し、
前記切上げ・切込み運動挿入手段は、ねじ溝切削方向に沿って、切込み動作と、前記工具をワークの径方向に切上げることにより切屑を分断する切上げ動作と、直前の前記切上げ動作の開始位置まで前記工具を前記ワークと干渉しないようにアプローチさせる動作と、からなるサイクルを繰り返し実行することを特徴とする
制御装置。
前記切上げ・切込み運動挿入手段は、前記切上げ動作の開始位置から、１回前の前記切上げ動作の前記工具と前記ワークが離れた位置の軸方向の座標値に達するまでの間の切削量が一定となる経路で、前記切上げ動作を実行することを特徴とする
請求項１記載の制御装置。
前記切上げ・切込み運動挿入手段は、前記切込み動作の開始位置から、前記切上げ動作の終了位置までの経路長が所定の許容長さを超えない経路で、前記切込み動作及び前記切上げ動作を実行することを特徴とする
請求項１記載の制御装置。
前記切上げ・切込み運動挿入手段は、前記ワークに予め定められた不干渉領域と、前記切込み動作の経路、前記切上げ動作の経路又は前記アプローチさせる動作の経路とが干渉する場合、前記切込み動作の経路、前記切上げ動作の経路又は前記アプローチさせる動作の経路を変更するか、前記切込み動作、前記切上げ動作又は前記アプローチさせる動作を中断するか、又は前記サイクルの挿入位置を変更することを特徴とする
請求項１記載の制御装置。