JP2020009248A - 工作機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】揺動切削に起因する工作機械の負荷の増加を低減す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２０は、工具１１を送る複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２を備え、工具１１を揺動させながらワークＷの加工を行う工作機械の制御装置２０であって、加工条件に基づいて揺動指令を作成する揺動指令作成部２３と、揺動指令および移動指令に基づいて工具１１を揺動させながらワークＷの加工を行う制御部２６とを備え、揺動指令作成部２３は、加工条件が複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２のうちの１つの送り軸Ｍ１の補間動作による加工を示す場合には、加工経路に沿う方向に工具１１を揺動させるように揺動指令を作成し、加工条件が複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２の同時補間動作による加工を示す場合には、加工経路に対して揺動方向を変更するように揺動指令を変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、揺動切削を行う工作機械の制御装置に関する。

工作機械の切削工具によりワークを加工する際に切屑が連続して発生すると、切屑が切削工具に絡まる場合がある。このような場合には、切屑を切削工具から除去するために工作機械を停止させる必要があり、時間がかかって生産効率が低下する。さらに、切屑によって、ワークが損傷する可能性があり、ワークの品質が低下する場合がある。
このような欠点を避けるために、加工方向に切削工具とワークとを相対的に揺動させることにより切屑を細断する揺動切削が知られている（例えば特許文献１〜３等参照）。揺動切削を行う工作機械の制御装置は、加工方向に切削工具またはワークを送る送り軸のサーボモータに対して正弦波状の送り指令を与えることにより、加工方向に切削工具とワークとを相対的に揺動させている。

特許第５０３３９２９号公報 特許第５１３９５９２号公報 特許第５５９９５２３号公報

例えば、所望のワーク加工形状が円筒形または円柱形の場合、加工方向に切削工具またはワークを送る送り軸は１軸（例えば、後述のＺ軸）のみである。一方、例えば、所望のワーク加工形状が円錐形または円錐台形（すなわち、テーパ形状）である場合、または円弧形状を含む場合、加工方向に切削工具またはワークを送る送り軸は複数軸（例えば、後述のＺ軸およびＸ軸）となる。この場合、複数軸が同時に揺動することで工作機械の負荷が大きくなり、その負荷に耐えうる機械にするにはコストがかかるという問題がある。

本発明は、揺動切削に起因する工作機械の負荷の増加を低減する工作機械の制御装置を提供することを目的とする。

（１） 本発明に係る工作機械の制御装置（例えば、後述の工作機械の制御装置２０）は、ワーク（例えば、後述のワークＷ）および工具（例えば、後述の工具１１）を相対的に回転させる主軸（例えば、後述の主軸Ｍ０）と前記ワークおよび前記工具を相対的に送る複数の送り軸（例えば、後述の送り軸Ｍ１，Ｍ２）とを備え、加工により生じる切屑を細断するために、前記主軸と前記送り軸との協調動作により、前記工具および前記ワークを相対的に揺動させながら前記ワークの加工を行う工作機械（例えば、後述の工作機械１０）の制御装置であって、加工条件に基づいて揺動指令を作成する揺動指令作成部（例えば、後述の揺動指令作成部２３）と、前記揺動指令および移動指令に基づいて、前記工具および前記ワークを相対的に揺動させながら前記ワークの加工を行う制御部（例えば、後述の制御部２６）とを備え、前記揺動指令作成部は、前記加工条件が前記複数の送り軸のうちの１つの送り軸の補間動作による加工を示す場合には、加工経路に沿う方向に前記工具および前記ワークを相対的に揺動させるように前記揺動指令を作成し、前記加工条件が前記複数の送り軸の同時補間動作による加工を示す場合には、加工経路に対して揺動方向を変更するように前記揺動指令を変更する。

（２） （１）に記載の工作機械の制御装置において、前記揺動指令作成部は、揺動振幅倍率および前記移動指令に基づいて揺動振幅を計算する揺動振幅計算部（例えば、後述する揺動振幅計算部２３１）と、前記揺動振幅に基づいて前記揺動指令を計算する揺動指令計算部（例えば、後述する揺動指令計算部２３３）と、を備えてもよい。

（３） （２）に記載の工作機械の制御装置において、前記揺動振幅計算部は、前記加工条件および機械条件に基づいて前記揺動振幅倍率を計算してもよい。

（４） （３）に記載の工作機械の制御装置において、前記加工条件は、前記ワークのテーパ又は円弧のための前記複数の送り軸の補間動作による加工を示す情報、および前記ワークのテーパ角度を含んでもよく、前記機械条件は、前記工具の角度を含んでもよい。

（５） （２）に記載の工作機械の制御装置は、複数の前記揺動振幅倍率と前記ワークの複数のテーパ角度とが関連付けされた情報を予め記憶する記憶部を更に備えてもよく、前記揺動振幅計算部は、前記情報における前記ワークのテーパ角度に対応する前記揺動振幅倍率を取得してもよい。

（６） （１）から（５）のいずれかに記載の工作機械の制御装置において、前記揺動指令作成部は、前記加工条件が前記複数の送り軸の同時補間動作による加工を示す場合には、前記複数の送り軸のうちの１つの送り軸の送り方向に前記工具および前記ワークを相対的に揺動させるように前記揺動指令を変更してもよい。

（７） 本発明に係る他の工作機械の制御装置（例えば、後述の工作機械の制御装置２０）は、ワーク（例えば、後述のワークＷ）および工具（例えば、後述の工具１１）を相対的に回転させる主軸（例えば、後述の主軸Ｍ０）と前記ワークおよび前記工具を相対的に送る複数の送り軸（例えば、後述の送り軸Ｍ１，Ｍ２）とを備え、加工により生じる切屑を細断するために、前記主軸と前記送り軸との協調動作により、前記工具および前記ワークを相対的に揺動させながら前記ワークの加工を行う工作機械（例えば、後述の工作機械１０）の制御装置であって、加工条件に基づいて揺動指令を作成する揺動指令作成部（例えば、後述の揺動指令作成部２３）と、前記揺動指令および移動指令に基づいて、前記工具および前記ワークを相対的に揺動させながら前記ワークの加工を行う制御部（例えば、後述の制御部２６）とを備え、前記揺動指令作成部は、前記加工条件が前記複数の送り軸のうちの１つの送り軸の補間動作による加工を示す場合には、加工経路に沿う方向に前記工具および前記ワークを相対的に揺動させるように前記揺動指令を作成し、前記加工条件が前記複数の送り軸の同時補間動作による加工を示す場合には、揺動を停止するように前記揺動指令を変更する。

本発明によれば、揺動切削に起因する工作機械の負荷の増加を低減する工作機械の制御装置を提供することができる。

本実施形態に係る制御装置を備えた加工システムを示す図である。 本実施形態に係る制御装置、特に揺動指令作成部および制御部のより具体的な構成例を示すブロック図である。 送り量と回転角度との関係を示す図である。 ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合に、加工方向でないＺ方向のみに揺動させる場合の送り軸（Ｚ軸）の揺動振幅倍率の計算方法を説明するための図である。 図４の加工方向でないＺ方向のみに揺動させる場合の各送り軸（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動幅と、加工方向に揺動させる場合の各送り軸（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動幅とを比較するための図である。 ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合に、Ｚ軸方向から少し傾いた加工方向でない方向に揺動させる場合の各送り軸（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動振幅倍率の計算方法を説明するための図である。 図６のＺ軸方向から少し傾いた加工方向でない方向に揺動させる場合の各送り軸（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動幅と、加工方向に揺動させる場合の各送り軸（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動幅とを比較するための図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本実施形態に係る制御装置を備えた加工システムを示す図である。図１に示す加工システム１は、工作機械１０と、工作機械１０を制御する制御装置２０とを備える。

工作機械１０は工具１１を有する。工具１１は、例えば円筒形、円柱形、円錐形、または円錐台形などを有するワークを切削加工する。図１の例では、工具１１は、ワークＷの外周面を切削加工する。図１の例では、ワークＷの回転軸となる該ワークの中心軸線をＺ軸、Ｚ軸に対して垂直な軸線をＸ軸としている。
工作機械１０は、Ｚ軸に沿う方向の形状が直線状に限られず、円弧状であるワークの加工も可能である。また、工作機械１０は、ワークの外周面に限られず、円筒形のようなワークの内周面の加工も可能である。また、工作機械１０は、切削加工に限られず、研削や研磨など加工も可能である。

工作機械１０は、主軸Ｍ０と、主軸Ｍ０と協調動作する少なくとも２つの送り軸Ｍ１、Ｍ２とを有する。主軸Ｍ０はスピンドルモータまたはサーボモータを含み、送り軸Ｍ１、Ｍ２はサーボモータを含む。主軸Ｍ０および送り軸Ｍ１、Ｍ２は、制御装置２０によって制御される。
主軸Ｍ０は、ワークＷを該ワークの中心軸線（Ｚ軸）まわりに回転させる。送り軸Ｍ１は、Ｚ軸方向（第一方向）に工具１１を送ることとＺ軸方向に工具１１を往復運動、すなわち揺動させることの両方を行うことができる。送り軸Ｍ２は、Ｘ軸方向（第二方向）に工具１１を送ることとＸ方向に工具１１を往復運動、すなわち揺動させることの両方を行うことができる。

円柱形または円筒形のワークを旋削加工する場合、ワークＷを該ワークの中心軸線（Ｚ軸）まわりに回転するとともに、工具１１はワークの外周面の母線に沿うＺ軸方向（この場合の加工方向）のみに送られる。

一方、円錐形または円錐台形、或いは円弧形のワークのように外径がＺ軸方向において異なるワークを旋削加工する場合、ワークＷが該ワークの中心軸線（Ｚ軸）まわりに回転するとともに、工具１１はワークの外周面の母線に沿う斜方向（Ｚ軸方向およびＸ軸方向の合成方向）（この場合の加工方向）に送られる。この場合、工具１１をワークＷの外周面の母線に沿って斜め方向に送るために、少なくとも２つの送り軸Ｍ１、Ｍ２が必要とされる。送り軸Ｍ１と送り軸Ｍ２の両方を制御することにより、工具１１はワークＷの外周面の母線に沿って斜め方向に送られる。

制御装置２０は、バスを介して互いに接続された、ＲＯＭ（read only memory)やＲＡＭ（random access memory）などのメモリ、ＣＰＵ（control processing unit）、および通信制御部を備えたコンピュータを用いて構成されている。さらに、制御装置２０は、位置指令作成部２２、揺動指令作成部２３（後述する図２の揺動振幅計算部２３１、揺動周波数計算部２３２、および揺動指令計算部２３３を含む）、制御部２６（後述する図２の加算器２４、減算器２５、学習制御器２７、および位置速度制御器２８を含む）、および記憶部２９を備え、それら各部の機能もしくは動作は、上記コンピュータに搭載されたＣＰＵ、メモリ、および該メモリに記憶された制御プログラムが協働することにより達成されうる。

記憶部２９には、ワークＷの加工条件などが記憶されている。ワークＷの加工条件には、ワークＷの中心軸線まわりにおけるワークＷおよび工具１１の相対的な回転速度、工具１１およびワークＷの相対的な送り速度、および、送り軸Ｍ１，Ｍ２の位置指令などが含まれる。

制御装置２０にはＣＮＣ(Computer Numerical Controller)、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等の上位コンピュータ（不図示）が接続されており、前述した回転速度や送り速度などは上位コンピュータから記憶部２９に入力されてもよい。また、記憶部２９や位置指令作成部２２は制御装置２０内ではなく、上記の上位コンピュータに備えられていてもよい。

また、記憶部２９は工作機械１０に実行させる加工プログラムを記憶しており、制御装置２０内のＣＰＵ（不図示）が、その加工プログラムから前述の回転速度および送り速度を加工条件として読みだして位置指令作成部２２や制御部２６に出力するようになっていてもよい。

位置指令作成部２２は、ワークＷの中心軸線まわりにおけるワークＷおよび工具１１の相対的な回転速度ならびに工具１１およびワークＷの相対的な送り速度に基づいて、送り軸Ｍ１，Ｍ２の位置指令（移動指令）を作成する機能を有している。この位置指令は、工具１１およびワークＷをワークＷの外周面の母線に沿う方向（加工方向）に相対的に送るときの目標位置を制御部２６に対して指示する指令となるものである。

揺動指令作成部２３は、前述した回転速度および送り速度に基づいて、前述した回転速度に対して正の非整数倍の揺動周波数になるように且つ工具１１がワークＷを断続切削するように、送り軸Ｍ１の揺動指令を作成する。揺動指令は、前述した中心軸線まわりにおける回転速度に対して非同期になるように作成された周期的な指令であり、揺動周波数と揺動振幅とを含んでいる。後述する揺動指令の式（１）におけるＳ／６０×Ｉの項による値が揺動周波数に相当し、式（１）におけるＫ×Ｆ／２の項による値が揺動振幅に相当する。揺動指令作成部２３の詳細は後述する。

なお、上記の断続切削とは、工具１１が周期的にワークＷに接触およびワークＷから離間しながらワークＷを切削加工することを意味し、揺動切削または振動切削ともいう。また、図１においてはワークＷが回転すると共に工具１１がワークＷに対して揺動するようになっているが、工具１１がワークＷの中心軸線まわりに回転すると共にワークＷが工具１１に対して揺動する構成であってもよい。また、図１において一つの送り軸Ｍ１，Ｍ２によりワークＷの送り動作と揺動動作の両方を行っているが、ワークＷの送り動作と揺動動作のそれぞれを別々の送り軸で行う構成であってもよい。

制御部２６は、前述の位置指令と送り軸Ｍ１，Ｍ２の実位置との差である位置偏差に前述の揺動指令を加算して得られる合成指令（例えば位置指令値）に基づいて、トルク指令を作成して送り軸Ｍ１，Ｍ２を制御する機能を有する。送り軸Ｍ１，Ｍ２の実位置は、その送り軸Ｍ１，Ｍ２に搭載されたエンコーダ等の位置検出部（不図示）により得られる位置フィードバック値に相当する。

以下、揺動指令作成部２３について詳細に説明する。図３は、送り量と回転角度との関係を示す図である。図３における横軸はワークＷの回転角度を示し、縦軸は加工方向（すなわち、図１のワークＷの外周面の母線に沿った方向）における工具１１の送り量を示している。図３には斜方向に延びる複数の直線状破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…が示されている。図３から分かるように、破線Ｃ１と縦軸との間の交点の縦軸座標は、次の破線Ｃ２の開始点における縦軸座標に相当する。同様に、破線Ｃ２と縦軸との間の交点の縦軸座標は、次の破線Ｃ３の開始点における縦軸座標に相当する。これらの複数の直線状破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…は揺動指令が無い場合においてワークＷにおける工具１１の軌跡を示している。一方、図３に示される曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３…は、揺動指令がある場合においてワークＷ上における工具１１の軌跡を示している。つまり、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３等は、揺動指令が加算される前の位置指令（元の指令値）のみを示し、曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３等は、揺動指令が加算された後の位置指令を示しているものとする。よって、曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３により表される各位置指令に余弦波状の揺動指令を加算して得られる指令を示している。

また、曲線Ａ１はワークＷの第一回転目における工具１１の軌跡であり、曲線Ａ２はワークＷの第二回転目における工具１１の軌跡であり、曲線Ａ３はワークＷの第三回転目における工具１１の軌跡である。簡潔にする目的で、ワークＷの第四回転目以降の工具１１の軌跡は図示を省略している。

揺動指令作成部２３は以下のようにして揺動指令を作成する。揺動指令作成部２３は、位置指令作成部２２によって作成された送り軸Ｍ１，Ｍ２の位置指令である破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の各々を基準軸線とする曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３のような指令を作成するため、余弦波状の揺動周波数を決定する。後述する式（１）におけるＳ／６０×Ｉの項による値が揺動周波数となる。

上記の揺動周波数を決定する場合、図３に示されるように、或る破線、例えば破線Ｃ２を基準軸線とする余弦波状の曲線Ａ２の初期位相は、一つ前の破線、例えば破線Ｃ１を基準軸線とする余弦波状の曲線Ａ１に対して半周期ズレるのが好ましい。その理由は、半周期ズレた場合には、揺動指令の揺動振幅を最小限にでき、その結果、最も効率的に切屑を細断できるためである。

揺動指令作成部２３は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の各々を基準軸線とする曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３のような指令を作成するため、前述した揺動指令の揺動振幅を決定する。後述する式（１）におけるＫ×Ｆ／２の項による値が揺動振幅となる。図３に示される曲線Ａ１と曲線Ａ２とは、回転角度が約０度の箇所Ｂ１と回転角度が約２４０度の箇所Ｂ２とにおいて互いに重なっている。図３から分かるように箇所Ｂ１、Ｂ２においては破線Ｃ１に対する曲線Ａ１の最大値は、破線Ｃ２に対する曲線Ａ２の最小値よりも大きい。言い換えれば、揺動指令作成部２３は、前の曲線Ａ１と後の曲線Ａ２とが部分的に互いに重なるように揺動振幅を決定するのが望ましい。なお、曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３においては、送り速度が一定のため、各揺動指令の揺動振幅もすべて同じとなる。

この重なり箇所Ｂ１、Ｂ２においては、工具１１が曲線Ａ２の軌跡で加工しているときにワークＷから離間するので、ワークＷは加工されない。本実施形態においては、このような重なり箇所Ｂ１、Ｂ２が周期的に発生するので、いわゆる断続切削を行うことができる。図３に示される例においては、曲線Ａ２に従った動作により切屑が箇所Ｂ１、Ｂ２においてそれぞれ発生することとなる。つまり、第二回転目の曲線Ａ２においては二つの切屑が発生する。このような断続切削が周期的に行われるので振動切削が可能となる。

さらに、破線Ｃ３に対して形成される曲線Ａ３は曲線Ａ１と同じ形状である。曲線Ａ２と曲線Ａ３とは、回転角度が約１２０°の箇所Ｂ３と約３６０°の箇所Ｂ４において重なっている。曲線Ａ３に従った動作により切屑が箇所Ｂ３、Ｂ４においてそれぞれ発生することとなる。つまり、第三回転目の曲線Ａ３においては二つの切屑が発生する。以降、ワーク一回転毎に二つの切屑が発生する。ただし、一回転目では切屑は発生しない。

このようにして揺動周波数と揺動振幅とを定めることにより、制御部２６内の揺動指令作成部２３は揺動指令を作成する。
例えば、揺動指令は、次式（１）のように表される。

式（１）において、Ｋは揺動振幅倍率、ＦはワークＷの一回転当たりの工具１１の移動量、すなわち毎回転送り量［mm/rev］、ＳはワークＷの中心軸線まわりの回転速度[min^-1],or [rpm]、Ｉは揺動周波数倍率、である。ここで、前述の揺動周波数は式（１）におけるＳ／６０×Ｉの項に相当し、前述の揺動振幅は式（１）におけるＫ×Ｆ／２の項に相当する。但し、揺動振幅倍率Ｋは１以上の数とし、揺動周波数倍率Ｉはゼロより大きい非整数とする（例えば０．５、０．８、１．２、１．５、１．９、２．３、又は２．５、…等の正の非整数）。揺動振幅倍率Ｋおよび揺動周波数倍率Ｉは定数である（図３の例では、Ｉは１．５である）。
揺動周波数倍率Ｉを整数としない理由は、ワークＷの中心軸線まわりの回転数と全く同じになる揺動周波数の場合には、前述した重なり箇所Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４等を発生させることができず、揺動切削による切屑の細断効果が得られなくなるからである。

また、式（１）によると、揺動指令は、位置指令を示す各破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を基準軸線とする余弦波に対して（Ｋ×Ｆ／２）の項がオフセット値として減じられた指令となっている。このため、位置指令に揺動指令を加算して得られる合成指令値に基づく工具１１の位置軌跡を、工具１１の加工方向において位置指令による位置を上限として制御することができる。そのため、図３の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３等を＋方向（すなわち、工具１１の加工方向）において超えないようになっている。
さらに、式（１）で表されるような揺動指令とすることで、図３の曲線Ａ１から分かるように、工具１１の加工開始点（横軸の０°の位置）で工具１１の送り方向に初めから大きな揺動が出ないようにしている。
なお、揺動周波数と揺動振幅とを定める際に調整される各パラメータ（式（１）におけるＫ、Ｉ）の初期値は、工作機械１０の稼働前に記憶部２９に記憶されているものとする。ワークＷの回転速度（Ｓ）は、記憶部２９に加工条件として事前に記憶されている。毎回転送り量Ｆは、その回転速度（Ｓ）と位置指令作成部２２が作成した位置指令とから求められる。

図２は、制御装置２０、特に揺動指令作成部２３および制御部２６のより具体的な構成例を示すブロック図である。図２に示された制御装置２０は、記憶部２９と、位置指令作成部２２と、揺動指令作成部２３と、制御部２６とを備える。記憶部２９と位置指令作成部２２は、制御装置２０に接続されたＮＣ装置等の上位コンピュータ（不図示）に備えられてもよい。

揺動指令作成部２３は、加工条件に基づいて揺動指令を作成および変更する。
一般に、ワーク加工形状が円筒形、円柱形の場合、ワークＷの外周面の母線に沿う送り軸Ｍ１（Ｚ軸）方向である加工方向に沿って、揺動が行われる。
一方、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合、一般に、ワークＷの外周面の母線に沿う斜め方向、すなわち送り軸Ｍ１（Ｚ軸）方向と送り軸Ｍ２（Ｘ軸）方向との合成方向である加工方向に沿って、揺動が行われる。この場合、送り軸Ｍ１，Ｍ２で同時に揺動を行うことにより、工作機械の負荷が大きくなる。

そこで、本実施形態では、ワーク加工形状が円筒形、円柱形の場合、すなわち加工条件が複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２のうちの１つの送り軸Ｍ１のみの補間動作による加工を示す場合には、揺動指令作成部２３は、上述同様に、加工経路に沿う方向、すなわち加工方向（Ｚ軸方向）に工具１１およびワークＷを相対的に揺動させるように揺動指令を作成する。
一方、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合、すなわち加工条件が複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２の同時補間動作による加工を示す場合には、加工経路に沿う方向に対して揺動方向を変更するように（例えば、加工経路の接線方向に対して方向を変更してもよい）、揺動指令を変更する。例えば、送り軸Ｍ２を揺動させた方が機械の負荷がより大きくなる場合には、送り軸Ｍ２の揺動が小さくなるように揺動方向を変更することで、機械全体としての負荷を小さくすることができる。
揺動指令作成部２３は、揺動振幅計算部２３１と、揺動周波数計算部２３２と、揺動指令計算部２３３とを備える。

揺動振幅計算部２３１は、加工条件および機械条件に基づいて各送り軸Ｍ１，Ｍ２（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動振幅倍率Ｋを計算し、これらの揺動振幅倍率Ｋおよび移動指令に基づいて各送り軸Ｍ１，Ｍ２（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動振幅Ｋ×Ｆ／２を計算する。
ここで、加工条件は、ワークＷのテーパ又は円弧のための複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２の補間動作による加工を示す情報、およびワークＷのテーパ角度θ１（図４および図６参照）を含む。機械条件は、工具１１の角度θ２、すなわちワークＷの中心軸（Ｚ軸）に対する切り込み角度θ２（図４および図６参照）を含む。加工条件および機械条件は、例えば記憶部２９に予め記憶されていてもよいし、加工プログラムから取得されてもよい。移動指令は、ワークＷの一回転当たりの工具１１の移動量Ｆ、すなわち毎回転送り量Ｆ［mm/rev］を含む。

具体的には、ワーク加工形状が円筒形、円柱形の場合、すなわち加工条件が複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２のうちの１つの送り軸Ｍ１のみの補間動作による加工を示す場合には、揺動振幅計算部２３１は、加工経路に沿う方向、すなわち加工方向（ワークの外周面の母線に沿うＺ軸方向）に工具１１およびワークＷを相対的に揺動させるように、送り軸Ｍ１（Ｚ軸）のみの揺動振幅倍率Ｋを計算し、この揺動振幅倍率Ｋに基づいて送り軸Ｍ１（Ｚ軸）のみの揺動振幅Ｋ×Ｆ／２を計算する。より具体的には、揺動振幅計算部２３１は、所定の揺動振幅倍率Ｋに基づいて、揺動振幅Ｋ×Ｆ／２を計算する。

一方、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合、すなわち加工条件が複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２の同時補間動作による加工を示す場合には、加工経路に対して揺動方向を変更するように、すなわち加工方向（ワークの外周面の母線に沿うＺ軸方向とＸ軸方向との合成方向）でない方向に工具１１およびワークＷを相対的に揺動させるように、各送り軸Ｍ１，Ｍ２（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動振幅倍率Ｋを計算し、これらの揺動振幅倍率Ｋに基づいて各送り軸Ｍ１，Ｍ２（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動振幅Ｋ×Ｆ／２を計算する。

図４は、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合に、加工方向でないＺ方向のみに揺動させる場合の送り軸Ｍ１（Ｚ軸）の揺動振幅倍率Ｋの計算方法を説明するための図である。図４において、ＦはワークＷの一回転当たりの工具１１の移動量、すなわち毎回転送り量［mm/rev］、θ１はワークＷのテーパ角度[rad]、θ２は工具１１の角度[rad]、Ｋは揺動振幅倍率[倍]、αはマージンである。
例えば、図４の矢印部分の揺動振幅倍率Ｋは、次式（２）のように表される。

なお、図４および図５では、マージンα＝０としている。

これにより、図５に示すように、加工方向に揺動した場合のＺ軸方向の揺動幅（破線矢印）およびＸ軸方向揺動幅（破線矢印）と比較して、Ｚ軸方向の揺動幅（実線矢印）は少し増加するが、Ｘ軸方向の揺動幅（実線矢印）は０であるので、複数の送り軸の総揺動幅が低減される。そのため、工作機械全体の負荷が低減される。

図４に示すように、１軸揺動にて切屑を細断するためには、ワークのテーパ角度θ１および工具の角度θ２により必要な揺動振幅倍率Ｋが変わる。最大の揺動振幅倍率を固定で設定してもよいが、ワークのテーパ角度が小さいほど揺動振幅が大きくなるため、負荷が大きくなり、それに耐えうる機械にするにはコストがかかる。
なお、ワーク加工形状が円弧の場合、切り込み角度に応じてワークのテーパ角度θ１が変わるものとして揺動振幅倍率を変更すればよい。

また、図６は、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合に、Ｚ軸方向から少し傾いた加工方向でない方向に揺動させる場合の各送り軸Ｍ１，Ｍ２（Ｚ軸、Ｘ軸）の揺動振幅倍率Ｋの計算方法を説明するための図である。図６において、Ｆｚ、ＦｘはＺ軸又はＸ軸のワークＷの一回転当たりの工具１１の移動量、すなわち毎回転送り量［mm/rev］、θ３はＺ軸方向からの傾き角度[rad]、Ｋｚ、ＫｘはＺ軸又はＸ軸の揺動振幅倍率[倍]、αｚ、αｘはＺ軸又はＸ軸のマージンである。

例えば、毎回転送り量Ｆの場合の最小揺動幅Ａは、次式（３）のように表される。

これにより、例えば、各Ｚ軸およびＸ軸の揺動振幅倍率Ｋｚ，Ｋｘは、次式（４）および次式（５）のように表される。

式（４）においてθ３＝０とすると、Ｚ軸方向のみに揺動する式（２）と同一となる。
なお、図６および図７では、マージンαｚ＝０，αｘ＝０としている。

これにより、図７に示すように、加工方向に揺動した場合のＺ軸方向の揺動幅（破線矢印）およびＸ軸方向揺動幅（破線矢印）と比較して、Ｚ軸方向の揺動幅Ａｚ（実線矢印）は少し増加するが、Ｘ軸方向の揺動幅Ａｘ（実線矢印）は減少する。Ｘ軸方向の揺動の方が機械に与える影響が大きい場合、工作機械全体の負荷が低減される。

揺動周波数計算部２３２は、加工条件に基づいて揺動周波数を計算する。具体的には、揺動周波数計算部２３２は、ワークＷの中心軸線まわりの回転速度Ｓ[min^-1],or [rpm]と揺動周波数倍率Ｉとに基づいて、揺動周波数Ｓ／６０×Ｉを計算する。

揺動指令計算部２３３は、揺動振幅および揺動周波数に基づいて、式（１）より、揺動指令を計算する。

次に、制御部２６は、加算器２４、減算器２５、学習制御器２７、および位置速度制御器２８を備える。
減算器２５は、位置指令作成部２２により作成された位置指令（移動指令）と、送り軸Ｍ１，Ｍ２におけるエンコーダからの位置フィードバック（実位置）との差である位置偏差を求める。加算器２４は、減算器２５から出力された位置偏差と、揺動指令作成部２３により作成された揺動指令とを加算して、合成指令を作成する。

学習制御器２７は、加算器２４から出力された直後の合成指令を入力し、合成指令の補正量が小さくなるように学習制御を行うことにより合成指令の補正量を求めて、位置速度制御器２８に入力される直前の合成指令に加算する。

位置速度制御器２８は、学習制御器２７により補正された合成指令に基づいて、位置制御、速度制御および電流制御を行い、送り軸Ｍ１，Ｍ２におけるサーボモータを駆動制御する。

以上説明したように、本実施形態の工作機械の制御装置２０によれば、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合、加工方向（Ｚ軸方向とＸ軸方向との合成方向）でない方向に揺動させるように揺動指令を自動で変更する。これにより、複数の送り軸の総揺動幅を低減することができ、工作機械全体の負荷を低減することができ、揺動切削に起因する工作機械の負荷の増加を低減することができる。また、負荷が大きい送り軸の揺動を低減することができ、揺動切削に起因する工作機械の負荷の増加を低減することができる。

ところで、工具１１の駆動機構部にバックラッシが在る場合やその駆動機構部の剛性が低い場合には、サーボの応答性を向上させるために制御ゲインを高く設定すると振動が発生し、工具１１の位置精度が安定しないことがある。例えば、図３に示される曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等に対応した指令値に基づいて送り軸Ｍ１，Ｍ２を駆動したとしても、工具１１の実位置は、曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等に完全には追従しない場合がある。この場合、重なり箇所Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４等において工具１１の実位置が曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等のような指令値と一致しないと、断続切削が起きず、その結果、切屑が良好に形成されなくなる。

このため、本実施形態では、学習制御を用いて揺動指令への追従性を向上させる。学習制御は「繰返しパターンの決まった周期指令」への追従性を向上する制御方式であり、１周期目より２周期目、２周期目より３周期目……と周期が進むにつれて位置偏差を減少させることができる。具体的には、ワークＷおよび工具１１の所定数の振動周期分の位置偏差を学習し補正量とすることにより、揺動指令による周期的な位置偏差の増加を抑制する。さらに言えば、例えば、学習の周期には、上述した式（１）の揺動指令の揺動周波数から求まる周期（例えば、１揺動周期＝１／揺動周波数）を使用することができる。制御部２６は、１揺動周期を回転角度での周期に換算し、その回転角度での周期を所定の分割数で分割して求まる各位相にて、合成指令の補正量を求める。制御部２６において、それら位相ごとに合成指令の補正量を求めて学習１周期分記憶し、１学習周期前の各位相での補正量を位相ごとに現在の合成指令に加算することによって、合成指令に含まれる位相偏差をゼロ付近に低減させる。
その結果、工具１１の実位置は、指令値の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等に次第に近づくようになり、最終的には指令値の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等に一致する。この場合には、指令値の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等は前述の重なり箇所Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４等を有することとなるので、断続切削が確実に起こり、細断化された切屑を確実に形成することができる。

（変形例１）
上述した実施形態では、揺動振幅計算部２３１は、加工条件および機械条件に基づいて揺動振幅倍率を計算した。しかし、本発明はこれに限定されず、制御装置２０は、複数の揺動振幅倍率とワークの複数のテーパ角度とが関連付けされたテーブルまたは関数（情報）を記憶部に予め記憶し、揺動振幅計算部２３１は、テーブルまたは関数におけるワークのテーパ角度に対応する揺動振幅倍率を取得してもよい。

（変形例２）
また、上述した実施形態では、揺動指令作成部２３は、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合、加工方向（Ｚ軸方向とＸ軸方向との合成方向）でない方向に揺動させるように、すなわち揺動方向を変更するように揺動指令を自動で変更した。しかし、揺動指令作成部２３は、これに限定されず、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合、すなわち加工条件が複数の送り軸Ｍ１，Ｍ２の同時補間動作による加工を示す場合には、揺動を停止するように揺動指令を変更してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更および変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、ワークＷが回転すると共に工具１１がワークＷの外周面の母線に沿って揺動する構成を例示したが、本発明はこの構成に限定されない。
本発明に係る工作機械は、ワークＷと工具１１をワークＷの中心軸線まわりに相対的に回転させる主軸Ｍ０と、該中心軸線に沿った加工方向にワークＷと工具１１とを相対的に送る少なくとも二つの送り軸Ｍ１、Ｍ２等とを制御して、ワークＷを加工する構成であればよい。例えば、工具１１がワークＷの中心軸線まわりに回転すると共にワークＷが工具１１に対して揺動する構成、あるいは、ワークＷが回転すると共に工具１１に対してワークＷがワークＷの外周面の母線に沿った方向に揺動する構成が想定されうる。本発明では、工具１１がワークＷの中心軸線まわりに回転してワークＷを切削する加工方法も加工の一種とする。

１ 加工システム
１０ 工作機械
１１ 工具
２０ 制御装置
２２ 位置指令作成部
２３ 揺動指令作成部
２３１ 揺動振幅計算部
２３２ 揺動周波数計算部
２３３ 揺動指令計算部
２４ 加算器
２５ 減算器
２６ 制御部
２７ 学習制御器
２８ 位置速度制御器
２９ 記憶部
Ｍ０ 主軸
Ｍ１，Ｍ２ 送り軸
Ｗ ワーク

Claims (7)

1. ワークおよび工具を相対的に回転させる主軸と前記ワークおよび前記工具を相対的に送る複数の送り軸とを備え、加工により生じる切屑を細断するために、前記主軸と前記送り軸との協調動作により、前記工具および前記ワークを相対的に揺動させながら前記ワークの加工を行う工作機械の制御装置であって、
   加工条件に基づいて揺動指令を作成する揺動指令作成部と、
   前記揺動指令および移動指令に基づいて、前記工具および前記ワークを相対的に揺動させながら前記ワークの加工を行う制御部と、
   を備え、
   前記揺動指令作成部は、
   前記加工条件が前記複数の送り軸のうちの１つの送り軸の補間動作による加工を示す場合には、加工経路に沿う方向に前記工具および前記ワークを相対的に揺動させるように前記揺動指令を作成し、
   前記加工条件が前記複数の送り軸の同時補間動作による加工を示す場合には、加工経路に対して揺動方向を変更するように前記揺動指令を変更する、
   工作機械の制御装置。
2. 前記揺動指令作成部は、
   揺動振幅倍率および前記移動指令に基づいて揺動振幅を計算する揺動振幅計算部と、
   前記揺動振幅に基づいて前記揺動指令を計算する揺動指令計算部と、
   を備える、
   請求項１に記載の工作機械の制御装置。
3. 前記揺動振幅計算部は、前記加工条件および機械条件に基づいて前記揺動振幅倍率を計算する、
   請求項２に記載の工作機械の制御装置。
4. 前記加工条件は、前記ワークのテーパ又は円弧のための前記複数の送り軸の補間動作による加工を示す情報、および前記ワークのテーパ角度を含み、
   前記機械条件は、前記工具の角度を含む、
   請求項３に記載の工作機械の制御装置。
5. 複数の前記揺動振幅倍率と前記ワークの複数のテーパ角度とが関連付けされた情報を予め記憶する記憶部を更に備え、
   前記揺動振幅計算部は、前記情報における前記ワークのテーパ角度に対応する前記揺動振幅倍率を取得する、
   請求項２に記載の工作機械の制御装置。
6. 前記揺動指令作成部は、前記加工条件が前記複数の送り軸の同時補間動作による加工を示す場合には、前記複数の送り軸のうちの１つの送り軸の送り方向に前記工具および前記ワークを相対的に揺動させるように前記揺動指令を変更する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の工作機械の制御装置。
7. ワークおよび工具を相対的に回転させる主軸と前記ワークおよび前記工具を相対的に送る複数の送り軸とを備え、加工により生じる切屑を細断するために、前記主軸と前記送り軸との協調動作により、前記工具および前記ワークを相対的に揺動させながら前記ワークの加工を行う工作機械の制御装置であって、
   加工条件に基づいて揺動指令を作成する揺動指令作成部と、
   前記揺動指令および移動指令に基づいて、前記工具および前記ワークを相対的に揺動させながら前記ワークの加工を行う制御部と、
   を備え、
   前記揺動指令作成部は、
   前記加工条件が前記複数の送り軸のうちの１つの送り軸の補間動作による加工を示す場合には、加工経路に沿う方向に前記工具および前記ワークを相対的に揺動させるように前記揺動指令を作成し、
   前記加工条件が前記複数の送り軸の同時補間動作による加工を示す場合には、揺動を停止するように前記揺動指令を変更する、
   工作機械の制御装置。

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