JP2020032484A

JP2020032484A - 研削装置及びその制御方法

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Publication number: JP2020032484A
Application number: JP2018160030A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井; Takemi Asai; 良明永峯; Yoshiaki Nagamine
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2038-08-29
Also published as: JP7143025B2

Abstract

【課題】研削装置においてチョッピング動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができる技術を提供する。【解決手段】研削装置において、事前にチョッピングの速度と行き過ぎ量の関係を調べておき、そのチョッピング速度に応じて、チョッピングの範囲を先の面から引き離すように機械座標をずらす制御を行うことで、または、チョッピングの先に面がある方向に対するチョッピング範囲の端を面のある方向からずらす制御を行うことで、チョッピング動作を行うときに砥石１００の往復範囲を適正に設定する。【選択図】図９

Description

本発明は、研削装置及びその制御方法に関し、特にチョッピング動作等、砥石を軸方向に高速で往復運動させる機構を備えるジグ研削盤及びその制御方法に関する。

一般に、ジグ研削盤等の研削装置では、チョッピング動作等、砥石を軸方向に高速で往復運動させる機構を備え、研削加工を行うことができる。チョッピング加工について述べれば、砥石軸は偏心させないか、又は主軸回転中心と砥石の外周とが一致するように砥石の半径相当分だけ砥石を上述の切り込みとは逆方向（マイナス方向）偏心させておき、まず、ワークの加工位置（研削点）までの移動は、Ｘ，Ｙ軸送りにより行う。その後、正味切り込み加工分だけ自動で砥石を偏心させ、すなわち自動切り込みを行いつつチョッピング加工を行う。このとき、曲率が一定でないワークの加工面に砥石により切り込む際に、ワークが当接する加工点における法線が、砥石の切り込み方向と常に一致するように、主軸の角度制御（割り出し）を行う。特許文献１乃至３は、かかるジグ研削盤の主要構成を開示している。但し、特許文献３は砥石を上下させる構成は省略している。

特開昭６２−１４０７６３号公報特開平９−１５５６７６号公報特開２００６−１０２８９１号公報

かかるチョッピング動作を行うときにも位置フィードバックを行うことになっているが、フィードバックに利用している位置センサ（リニアスケール等）の先に付いているものが、ある程度の大きさと質量を持っているため、行き過ぎを生じることがある。通常の要求の厳しくない砥石は、研削に使用してよい方向が決められているため、側面を削っている砥石が往復の先にある面を削ることは出来ないし、一般には破裂などを生じる可能性があり危険である。但し、削り残しも嫌われるので、砥石の往復範囲は往復の先にある面までぎりぎりまで近づくように設定される場合が多い。また、従来、一般には停止中（チョッピング動作を行わず）に往復範囲の設定を行うため、実際のチョッピング動作中には接触してしまう可能性がある。

本発明の目的は、研削装置及びその制御方法において、チョッピング動作等の往復運動動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができる技術を提供することにある。

本発明者は、研削装置及びその制御方法において、第一に、事前にチョッピング等の往復運動動作の速度と行き過ぎ量の関係を調べておき，チョッピング等の往復運動動作の速度に応じてチョッピング等の往復運動動作の範囲を先の面から引き離すように機械座標をずらす制御を行うことで、第二に、チョッピング等の往復運動動作の先に面がある方向に対するチョッピング等の往復運動動作の範囲の端を面のある方向からずらす制御を行うことで、第三に、上記２つの制御量をそのほかの軸の座標および速度の状態関係も引数に加えて関数を用いて定義することで、チョッピング等の往復運動動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができることを見出した。

即ち、本発明の第一の様相によれば、砥石を高速で往復運動させる機構を備える研削装置において、事前に砥石を高速で往復運動させる動作の速度と行き過ぎ量の関係を調べておき、前記往復運動動作の速度に応じて前記往復運動動作の範囲を先の面から引き離すように機械座標をずらす制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の第二の様相によれば、砥石を高速で往復運動させる機構を備える研削装置において、事前に砥石を高速で往復運動させる動作の速度と行き過ぎ量の関係を調べておき、前記往復運動動作の速度に応じて前記往復運動動作の先に面がある方向に対する前記往復運動動作の範囲の端を面のある方向からずらす制御を行うことを特徴とする。

更に、本発明の第三の様相によれば、前記第一又は第二の様相の制御量をそのほかの軸の座標および速度の状態関係も引数に加えて関数を用いて定義することを特徴とする。

本発明によれば、研削装置及びその制御方法において、チョッピング動作等の往復運動動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができる。

本発明が適用される研削装置の一例としてのジグ研削盤を示す斜視図である。図１に示した研削装置(ジグ研削盤)におけるＵ軸送り装置と砥石軸周辺の拡大図である。図１に示した研削装置(ジグ研削盤)の制御系の概略を示すブロック図である。従来例の問題点を説明するための第１の図である。従来例の問題点を説明するための第２の図である。従来例の問題点を説明するための第３の図である。従来例の問題点を説明するための第４の図である。従来例の問題点を説明するための第５の図である。本発明の第１及び第２の実施形態の主要構成を説明するための図である。本発明の第１の実施形態における砥石の往復範囲を設定する処理のフローチャートである。本発明の第２の実施形態における砥石の往復範囲を設定する処理のフローチャートである。本発明の第３の実施形態における砥石の往復範囲を設定する処理のフローチャートである。本発明の第３の実施形態の変形例における砥石の往復範囲を設定する処理のフローチャートである。本発明の第２の実施形態における砥石の往復範囲を設定する機能ブロック図である。本発明の第２の実施形態の変形例における砥石の往復範囲を設定する機能ブロック図である。

図１は、本発明が適用される研削装置の一例を示す斜視図、図２は、そのＵ軸送り装置と砥石軸周辺の拡大図である。本発明が適用される研削装置１０は、図１に示すように、ベッド１２上にテーブル送り装置３６およびテーブル３０がレール１６を介してＹ軸方向（前後方向）へ移動可能に支持されている。コラム１４はベッド１２に固定されているが、前述の通り、送り装置３６との間にはレール１６に沿った方向に相対運動を与えることができる。ベッド１２の後部には図示しない送り装置３６移動用モータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してテーブル送り装置３６がレール１６に沿って前後移動されるようになっている。コラム１４にはヘッド１８がＷ軸方向に移動可能（昇降可能）に支持され、そのヘッド１８の先端には砥石軸２０が設けられており、砥石軸２０の先端には、砥石１００（図２参照）が取付けられる。コラム１４の上部には図示しないヘッド昇降用モータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してヘッド１８が昇降されるようになっている。ヘッド１８の後部には砥石軸（回転用）モータ２４（図２参照）が配設され、このモータにより砥石軸２０が回転されるようになっている。ヘッド昇降用モータには、図示しない計測手段を構成するエンコーダが付設される。このほかの砥石軸を除く直線軸および回転軸には図示しない場合にもエンコーダおよびモータを備え送り量ないし回転量が算出・制御できるようになっている。このエンコーダから出力されるデータによりヘッド１８の昇降量、及び図示しないワークに対する切り込み量が算出される。Ｗ軸方向に平行にＺ軸が設けられており、Ｗ軸のヘッドの動き、Ｃ軸回転およびＵ軸直線運動を妨げることなくＺ軸運動を与えることができる。

先に述べた通り、ベッド１２上にはレール１６を介してＸ軸送り装置３６が載っている。このＸ軸送り装置３６はレール１６の方向に沿ってＹ方向に前後直線運動できるように構成されている。このＸ軸送り装置３６の上に更に図示しないレールを介してテーブル３０が支持されている。このテーブル３０はＸ軸送り装置３６に対して左右方向に直線運動できるように構成されている。その上面には図示しないワークが着脱可能に設置固定されるようになっている。当然ながらベッド１２にはＸ軸送り装置３６を移動する用のモータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してＸ軸送り装置３６がレール１６に沿って移動されるようになっている。テーブル３０についても同様に図示しないモータおよびボールネジ等を介してＸ軸送り装置３６上を動くようになっている。そして、上記砥石軸回転用モータ２４により砥石軸２０が回転された状態で、上記ヘッド昇降用モータによりヘッド１８（砥石軸２０）が下降されて、砥石軸２０の先端に取り付けられた砥石１００がテーブル３０上のワークの面に接触させられる。テーブル３０は上述の2つのモータでＸ−Ｙ方向に自由に可動させられる。これにより、ワークの表面が砥石１００にて研削されるようになっている。尚、研削装置１０は、砥石１００とワークとの接触検知手段としての図示しないＡＥ（アコースティックエミッション）センサをワーク側に備えている。そして、ＡＥセンサによりワークと砥石１００との接触を検知したら、スキップ信号により砥石１００の送りを止めることができるように構成されている。

図１に示す工作機械（研削装置）１０は、以上に述べたように、少なくともＸ−Ｙ−Ｚの三軸の同時制御ができるＣＮＣ制御の工作機械（研削装置）であり、更に、砥石軸２０という回転軸と軸方向が平行な駆動軸（回転軸又は直線駆動軸）を有している。即ち、工作機械（研削装置）１０は、ヘッド１８の下部にＵ軸送り装置４０を有しており、このＵ軸送り装置４０は、砥石軸２０と、その上部の円盤体２７を含む直線送り機構であり、砥石軸２０とその上部の円盤体２７を、その時のＣ軸の角度位置に応じて所定のストロークの範囲内で直線移動させる装置であり、この直線移動方向をＵ軸（方向）と定義している。即ち、図１に示す工作機械（研削装置）１０では、ヘッド１８は、Ｚ軸方向に直線移動（上下移動）できる。Ｚ軸との区別のため、Ｗ軸送り装置と呼称する。また、ヘッド１８に対して、Ｕ軸送り装置４０をＺ軸直線移動とＺ軸周り旋回（Ｃ軸と呼称する）に旋回させることができる。Ｕ軸送り装置４０は、砥石軸２０をＵ軸方向に直線移動させることができる。図２及び図３を参照して、工作機械（研削装置）１０の駆動軸制御を更に具体的に述べれば、工作機械（研削装置）１０では、Ｕ軸の直線送り機構はＣ軸の回転側に載っている。砥石軸（Ｕ軸）の送り指令によって、Ｕ軸送り装置４０をＵ軸の方向に沿って直線移動させることができる。Ｃ軸の回転指令によって砥石軸の中心ごと回転する。更に、このＣ軸装置は、Ｚ軸装置で鉛直方向に直線移動させることができる。

図３は、図１に示したジグ研削盤の制御系の概略を示すブロック図である。本実施形態に係るジグ研削盤は、制御系として、制御装置３００と、入出力装置３１０と、各軸モータ３２０及びそれぞれのモータドライバ３３０、砥石回転モータ１０２Ａと砥石モータインバータ１０２invを有している。制御装置３００は、コンピュータ数値制御部（ＣＮＣ）３０２と、プログラマブルコントローラ３０４と、I/O（入出力）モジュール３０６を有している。本実施形態に係るジグ研削盤の制御系には、入出力装置３１０として、キーボード、各種スイッチ、温度センサ等と、スキップ信号に関わるツールセッタ、ＡＥセンサ等も有している。

ここで、図４乃至図８を参照しつつ、改めて従来例の問題点を分かり易く説明しておく。ジグ研削盤でチョッピング動作を行いながらワークを研削する場合を例に挙げる。図４は、砥石アーバー４２とその先端に取付けられた砥石１００を示している。即ち、図４に示すように、砥石１００の側面１００aは削ることが出来る面として形成されている一方、その底面１００bは削ることが出来ない面として形成されている。このように、砥石１００の側面１００a側（方向）だけ使用して良い、というように研削に使用してよい方向が決められているため、図５に示すように、ワークＷの側面Ｗaを削っている砥石１００が往復の先にある面Wbを削ることは出来ないし、一般には破裂などを生じる可能性があり危険である。但し、削り残しも嫌われるので、砥石１００の往復範囲Ｒは、往復の先にある面Ｗｂまでぎりぎりまで近づくように設定される場合が多い。そこで、図５に示すように、図示のような形状のワークＷを削る場合には、Ｚ軸方向のチョッピング動作の往復範囲Ｒの上限Ｕと下限Ｌが設定されるが、前述した砥石１００の底面１００b側に空隙（削り残し）Ｓが生じる。

そこで、図６に示すように、例えば、角の削り残しが、ワークで加工した部品同士の組合せ時に邪魔になる場合等には、下加工において角を逃がす研削逃げＥを設けることもある。しかしながら、例えば、図７に示すように、Ｚ軸制御は、ヘッド１８の上の方の位置検出器（図示せず）の信号を用いて行われるので、その先にある物体の長さの変化は考慮していない状況がある。そのため、図８に示すように、往復の時の速度が速くなると、慣性により上述したチョッピング動作の往復範囲Ｒの下限Ｌと上限Ｕが、微小に下・上にそれぞれ移動してしまう。

そこで、以上の問題点を解消し、チョッピング動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができる研削装置及びその制御方法として、図９乃至図１４を参照して第１乃至第３の実施形態を説明する。即ち、図９に示すように、第１の実施形態では、事前に非接触変位計を用いて、チョッピングの往復速度と行き過ぎ量の関係を調べておく、即ち、設定した往復範囲と実際の往復範囲の差を評価しておく。そして、チョッピング速度に応じて、ワークＷの面Ｗｂに接近する限度（設定）だけを内側にずらす、即ち、チョッピングの範囲を先の面から引き離すように機械座標をずらす制御を行う。これにより、チョッピング動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができる。

また、図９に示すように、第２の実施形態では、事前に非接触変位計を用いて、チョッピングの往復速度と行き過ぎ量の関係を調べておく、即ち、設定した往復範囲と実際の往復範囲の差を評価しておく。そして、チョッピング速度に応じて、Ｚ軸の往復範囲全体をワークＷの面Ｗｂに接近する側から逆方向にずらす。即ち、チョッピングの先に面がある方向に対するチョッピング範囲の端を面のある方向からずらす制御を行う。これにより、チョッピング動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができる。

更に、第３の実施形態では、上記2つの制御量をそのほかの軸の座標および速度の状態関係も引数に加えて関数を用いて定義することで、チョッピング動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができる。

即ち、第１及び第２の実施形態における行き過ぎ量の推定において、速度Ｚと行き過ぎ量εの関係を一変数多項式近似で表現して推定を行う。即ち、速度Ｚと行き過ぎ量εの関係を下記の数式（１）で定義する。

例えば、下記の数式（２）の一変数多項式近似で表現する。

数式（２）において、ａiは、定数であり、使わない項に対する係数として０の値をとる場合もあり得る。

また、計算機の計算を要するのが制御装置等の負荷の関係で憚られる場合には、速度と行き過ぎ量の関係を下記の表１のように表現して推定を行っても良い。

上記の第３の実施形態では、厳密には、Ｚ,Ｕ,Ｗ,Ｃの位置及び速度に応じて行き過ぎ量が変化するので、Ｚ,Ｕ,Ｗ,Ｃの座標および速度と行き過ぎ量εの関係を、下記の数式（３）のように、多変数多項式近似で表現することで、上述した第１又は第２の実施形態の制御を行うようにする。

上記の数式（３）で、下記の数（４）をそれぞれ下記の数（５）と置き換えて、下記の数式（６）が得られる。

上記の数式（６）で、下線部は定数であり、使わない項に対する係数として０の値をとる場合もあり得る。

ここで、上記の第３の実施形態において、Ｚ方向は例に過ぎない。即ち、Ｘ，Ｙ，Ｚの組合せで往復動作の方向を設定する場合にも本発明は適用することができる。即ち、上記の第３の実施形態の変形例は、往復が必ずしもＺの方向ではなく、Ｘ，Ｙ，Ｚの同期制御により加工対象に応じて砥石の往復方向を自由に選定できる（研削装置の）場合、Ｘ，Ｙ，Ｚ,Ｕ,Ｗ,Ｃの座標および速度と行き過ぎ量εの関係を、下記の数式（７）のように、多変数多項式近似で表現することで、上述した第１又は第２の実施形態の制御を行うようにする。

上記の数式（７）で、下記の数（８）をそれぞれ下記の数（９）と置き換えて、下記の数式（１０）が得られるので、この数式（１０）のように定義して行き過ぎ量を推定する。

上記の数式（１０）で、下線部、即ち、数（１１）は、それぞれの項の係数（定数）であり、使わない項に対する係数として０の値をとる場合もあり得る。

一方、数（１２）は、Ｗ,Ｃ, Ｕ軸が無い研削装置の場合には、０の値として扱うようにする。

図１０は、本発明の第１の実施形態における砥石の往復範囲を設定する処理のフローチャートである。処理が開始されると（Ｓ１０１）、往復速度を取得し（Ｓ１０２）、速度変化が有るか否かを判定し（Ｓ１０３）、速度に変化があれば（Ｓ１０３でＹＥＳ）、行き過ぎ量を算出する（Ｓ１０４）。この行き過ぎ量を考慮した往復範囲の制限処理を行う（Ｓ１０５）。そして、往復動作が終了するまで監視し（Ｓ１０６）、往復動作が終了すれば（Ｓ１０６でＹＥＳ）、処理を終了する（Ｓ１０７）。往復動作が終了していなければ（Ｓ１０６でＮＯ）、往復速度を取得するＳ１０２の処理に戻る。

図１１は、本発明の第２の実施形態における砥石の往復範囲を設定する処理のフローチャートである。処理が開始されると（Ｓ１１１）、往復速度を取得し（Ｓ１１２）、速度変化が有るか否かを判定し（Ｓ１１３）、速度に変化があれば（Ｓ１１３でＹＥＳ）、行き過ぎ量を算出する（Ｓ１１４）。この行き過ぎ量を考慮した往復範囲の移動処理を行う（Ｓ１１５）。そして、往復動作が終了するまで監視し（Ｓ１１６）、往復動作が終了すれば（Ｓ１１６でＹＥＳ）、処理を終了する（Ｓ１１７）。往復動作が終了していなければ（Ｓ１１６でＮＯ）、往復速度を取得するＳ１１２の処理に戻る。

図１２は、本発明の第３の実施形態における砥石の往復範囲を設定する処理のフローチャートである。処理が開始されると（Ｓ１２１）、上記の数（４）を取得し（Ｓ１２２）、行き過ぎ量を推定する（Ｓ１２３）。行き過ぎ量の推定に変化が有るか否かを判定し（Ｓ１２４）、行き過ぎ量の推定に変化があれば（Ｓ１２４でＹＥＳ）、この変化を考慮した往復範囲の移動処理を行う（Ｓ１２５）。そして、往復動作が終了するまで監視し（Ｓ１２６）、往復動作が終了すれば（Ｓ１２６でＹＥＳ）、処理を終了する（Ｓ１２７）。往復動作が終了していなければ（Ｓ１２６でＮＯ）、上記の数（４）を取得するＳ１２２の処理に戻る。

図１３は、本発明の第３の実施形態の変形例における砥石の往復範囲を設定する処理のフローチャートである。処理が開始されると（Ｓ１３１）、上記の数（８）を取得し（Ｓ１３２）、行き過ぎ量を推定する（Ｓ１３３）。行き過ぎ量の推定に変化が有るか否かを判定し（Ｓ１３４）、行き過ぎ量の推定に変化があれば（Ｓ１３４でＹＥＳ）、この変化を考慮した往復範囲の移動処理を行う（Ｓ１３５）。そして、往復動作が終了するまで監視し（Ｓ１３６）、往復動作が終了すれば（Ｓ１３６でＹＥＳ）、処理を終了する（Ｓ１３７）。往復動作が終了していなければ（Ｓ１３６でＮＯ）、上記の数（８）を取得するＳ１３２の処理に戻る。

図１４は、本発明の第１及び第２の実施形態における砥石の往復範囲を設定する機能ブロック図である。即ち、往復速度による範囲調整機能（本発明の核心部分）１３１が範囲設定１３２を行い、この設定された範囲内で往復制御機能（チョッピング/オシレーション機能）１３３が発動される。この往復制御機能（チョッピング/オシレーション機能）１３３が制御・重畳等１３４を行い、軸制御機能１３５が発動される。この軸制御機能１３５が座標情報・速度情報１３６をフィードバックすることで、往復速度による範囲調整機能（本発明の核心部分）１３１は、その取得した座標情報・速度情報１３６を範囲調整に使用する。尚、これらの機能群は全てＣＮＣ３０２のソフトウェアにあっても良いし、一部の機能がプログラマブルコントローラ３０４等の周辺装置にあっても良い。

図１５は、本発明の第２の実施形態の変形例における砥石の往復範囲を設定する機能ブロック図である。即ち、往復速度による範囲調整機能（本発明の核心部分）１４１が重畳機能１４７を行い、軸制御機能１４５の制御数値に重畳１４８させる。往復制御機能（チョッピング/オシレーション機能）１４３が制御・重畳等１４４を行い、軸制御機能１４５が発動される。この軸制御機能１４５が座標情報・速度情報１４６をフィードバックすることで、往復速度による範囲調整機能（本発明の核心部分）１４１は、その取得した座標情報・速度情報１４６を重畳機能１４７に使用する。尚、これらの機能群は全てＣＮＣ３０２のソフトウェアにあっても良いし、一部の機能がプログラマブルコントローラ３０４等の周辺装置にあっても良い。以上のように、本発明の第２の実施形態の変形例では、往復制御機能（チョッピング/オシレーション機能）１４３の範囲設定を使わずに、軸制御機能１４５の制御数値に重畳１４８させるようにしても良い。

本発明によれば、研削装置及びその制御方法において、チョッピング等の往復運動動作を行うときに砥石の往復範囲を適正に設定することができる。

上述した第１乃至第３の実施形態では、砥石の往復運動動作の例として、チョッピング加工或いはオシレーション加工を例に挙げたが、これらに限られず、特許請求の範囲に記載した範囲内で他の往復運動動作の範囲設定にも適用可能である。

１０ジグ研削盤、１００砥石、Ｗワーク、

Claims

砥石を高速で往復運動させる機構を備える研削装置において、事前に砥石を高速で往復運動させる動作の速度と行き過ぎ量の関係を調べておき、前記往復運動動作の速度に応じて前記往復運動動作の範囲を先の面から引き離すように機械座標をずらす制御を行うことを特徴とする研削装置及びその制御方法。
砥石を高速で往復運動させる機構を備える研削装置において、事前に砥石を高速で往復運動させる動作の速度と行き過ぎ量の関係を調べておき、前記往復運動動作の速度に応じて前記往復運動動作の先に面がある方向に対する前記往復運動動作の範囲の端を面のある方向からずらす制御を行うことを特徴とする研削装置及びその制御方法。
請求項１又は２記載の制御量をそのほかの軸の座標および速度の状態関係も引数に加えて関数を用いて定義することを特徴とする研削装置及びその制御方法。