JP2692376B2 - カム研削盤 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、内燃機関の動弁機構に用いるカム等のカ
ム面を研削するカム研削盤に関する。

従来の技術 この種のカム研削盤において、所望のカムプロフィー
ルに応じて、被加工物を装着する主軸の回転角と、被加
工物のカム面を研削する砥石車の送り量との関係を示す
制御データを予めメモリに記憶しておき、加工時に主軸
回転角を逐次検出し、前記制御データからその主軸回転
角に対する砥石車送り量を求め、砥石車送り量を制御す
ることにより、高精度のカム研削を行うことができる数
値制御式のものがある。

このような数値制御式のカム研削盤では、たとえば特
開平２−30466号公報に見られるように、砥石車をボー
ルねじにより往復移動する砥石台上に取り付け、前記制
御データに基づいてボールねじをサーボモータで回転駆
動することにより、砥石車の送り位置をフィードバック
制御する。

また、主軸の回転速度が一定であると、カム面の研削
点移動速度が主軸回転角により変動し、研削加工上好ま
しくないので、前記研削点移動速度が略一定になるよう
に主軸回転速度を制御するため、同様に主軸の回転速度
もサーボモータでフィードバック制御される。

発明が解決しようとする課題 上述のように、砥石車の送り位置や主軸の回転速度を
フィードバック制御する従来のカム研削盤では、各フィ
ードバックループにおいて個別に追従遅れが生じるた
め、その相互の追従遅れにより砥石車の送り位置と主軸
回転角の同期がずれるが、生産性を向上するため、切り
込み量を大きくしたり、加工速度を高速化すると、その
追従遅れが大きくなり、加工精度の低下を招く問題があ
った。

たとえば、第10図に示すように、砥石車の送り位置の
目標位置（指令値）が実線Ａで、追従遅れ（矢印で示
す）によりその実際の送り位置が破線Ｂであったとする
と、第11図に示すようなプロフィール誤差が生じること
になる。

なお、この追従遅れが各フィードバックループにおい
て相互に関係なく発生するのみならず、そのときの切り
込み量等の加工条件に左右されるため、予め追従遅れ量
を見越して前記制御データを補正しておくことは極めて
難しい。また、追従遅れ量を小さくすることは、サーボ
ゲインを大きくすることによりある程度まで可能である
が、サーボゲインをあまり大きくすると制御系が不安定
になり、かえって加工精度が悪化するので、限度があ
る。

課題を解決するための手段 この発明に係るカム研削盤は、上記の問題点を解決す
るために、被加工物を装着した主軸を回転させる主軸用
サーボモータと、被加工物のカム面を研削する砥石車を
前記主軸に対し交差する方向に相対移動させる砥石送り
用サーボモータと、所望するカムプロフィールに応じ予
め記憶した主軸回転角と砥石車送り量との関係を示す制
御データに基づき各研削加工動作における主軸回転位置
および砥石車送り位置の各目標値を設定し、その各目標
値に基づいて前記主軸用サーボモータと前記砥石送り用
サーボモータとをフィードバック制御する制御装置とを
備え、複数回の研削加工動作で前記カム面を前記所望カ
ムプロフィールに加工するカム研削盤において、前記各
目標値とそれらの各実際値との各偏差に基づき次回の研
削加工動作の前記各目標値をそれぞれ補正する学習手段
を前記制御装置に備え、研削加工動作途中で主軸回転速
度および砥石車送り速度が通常速度より減速状態にある
間は前回の研削加工動作における前記各偏差を主軸回転
速度指令値および砥石車送り速度指令値に応じてそれぞ
れ補正した後、その偏差補正値に基づき前記目標値の補
正を行うことを特徴とするものである。

作用 学習手段は、主軸回転位置のフィードバックループに
おいて検出される主軸回転位置の目標値と実際値の偏差
に基づいて補正値を設定し、その補正値で次回の研削加
工動作における砥石車送り位置の目標値を補正する。ま
た、砥石車送り位置のフィードバックループにおいて検
出される砥石車送り位置の目標値と実際値の偏差に基づ
いて補正値を設定し、その補正値で次回の研削加工動作
における砥石車送り位置の目標値を補正する。ただし、
たとえば研削加工動作途中で停止指令があり、主軸回転
速度および砥石車送り速度が通常速度から減速され、加
工動作が完全に停止されるまでの減速期間の間は、前回
の研削加工動作で検出された主軸回転位置の偏差および
砥石車送り位置の偏差を主軸回転速度指令値および砥石
車送り速度指令値に応じてそれぞれ補正する。そして、
その各補正偏差値に基づいて、主軸回転位置の目標値お
よび砥石車送り位置の目標値の補正を行う。

実施例 第２図は、この発明に係るカム研削盤の一実施例の概
略構成を示す斜視図である。

第２図において、１はテーブル２上の主軸台３に固設
され、被加工物４を装着する主軸５を回転駆動する主軸
用サーボモータを示す。主軸用サーボモータ１にはパル
スジェネレータ６が取り付けられており、主軸用サーボ
モータ１の回転速度は、このパルスジェネレータ6,パル
スジェネレータ６の位置検出パルスが与えられるコント
ロールユニット7,コントロールユニット７から速度指令
が与えられるサーボアンプ８によって形成される閉ルー
プによってフィードバック制御される。

９は図外のベッド上に固設され、砥石台10を前記主軸
５の回転軸線に直交するＸ方向に移動するボールねじ11
を回転駆動する砥石車送り用サーボモータを示す。砥石
送り用サーボモータ９の回転位置は、この砥石送り用サ
ーボモータ９に取り付けたパルスジェネレータ12,パル
スジェネレータ12の位置検出パルスが与えられるコント
ロールユニット7,コントロールユニット７から速度指令
が与えられるサーボアンプ13によって形成される閉ルー
プによってフィードバック制御される。

砥石台10には、砥石車14とこの砥石車14を回転駆動す
るモータ50とが設けられており、コントロールユニット
７の制御により、砥石車送り用サーボモータ９の回転駆
動で砥石車14が第３図に示すように主軸５の回転に同期
してＸ方向に前後移動し、被加工物４のカム面51が研削
される。

次に、第１図のコントロールユニット７の機能ブロッ
ク図を参照し、前記各サーボモータ1,9のフィードバッ
ク制御について詳細に説明する。コントロールユニット
７は、主軸用サーボモータ制御部15,砥石送り用サーボ
モータ制御部16,基準時刻発生器17および加減速制御部3
0で概略構成されている。

主軸用サーボモータ制御部15の制御データ記憶器18に
は、予め所望のカムプロフィールに応じて、研削点移動
速度が略一定になるように主軸回転速度を制御するため
の主軸制御データが記憶されている。この主軸制御デー
タは、基準時刻発生器17で発生される各基準時刻（たと
えば1ms毎の時刻）における主軸回転位置の目標値（主
軸回転速度の目標値を積分した値）で記憶されている。
この目標値は、制御データ取出器19により基準時刻発生
器17で発生される基準時刻に従って周期的に（たとえば
1ms毎）読み出され、加算器20に与えられる。

加算器20ではその読み出された目標値が後述する学習
補正値の加算により補正され、その補正目標値が減算器
21に与えられる。また、パルスジェネレータ６の位置検
出パルスが位置カウンタ22に与えられており、位置カウ
ンタ22では位置検出パルスの計数により主軸回転位置の
現在値（実際値）が求められ、その現在値が減算器21に
与えられる。

減算器21では前記補正目標値から前記現在値を減算
し、その偏差が求められる。この偏差が与えられる速度
指令設定器23では、偏差に所定のゲインを乗じてサーボ
アンプ８に出力する速度指令が設定される。この速度指
令により、サーボアンプ８で主軸用サーボモータ１に与
えられる電流値が設定され、主軸用サーボモータ１の回
転速度、すなわち主軸５の回転速度が制御される。

一方、砥石送り用サーボモータ制御部16の制御データ
記憶器38には、予め前記所望カムプロフィールに応じ
て、砥石車14のＸ方向位置（以下、砥石車送り位置とす
る）を制御するための砥石送り制御データが記憶されて
いる。

この砥石送り制御データは、第４図に示すように、基
準時刻発生器17で発生される各基準時刻における砥石車
送り位置の目標値（前記制御データ記憶器18に記憶した
同時刻における目標主軸回転位置に対応する値）で記憶
されている。なお、第４図では、カム面51のベースサー
クル部を研削するときの送り位置を「０」においてい
る。この目標値は、前述の制御データ取出器19の主軸制
御データの読み出しに同期して、制御データ取出器39に
より基準時刻発生器17で発生される基準時刻に従って周
期的に読み出され、加算器40に与えられる。

加算器40ではその読み出された前記目標値に後述する
学習補正値が加算され、前記目標値が補正される。その
補正目標値は減算器41に与えられ、パルスジェネレータ
12の位置検出パルスが与えられる位置カウンタ42の出力
である砥石車送り位置の現在値（実際値）との偏差が求
められる。

この偏差が与えられる速度指令設定器43では、偏差に
所定のゲインを乗じてサーボアンプ13に出力される速度
指令が設定される。この速度指令により、サーボアンプ
13で砥石送り用サーボモータ９に与えられる電流値が設
定され、砥石送り用サーボモータ９の回転位置、すなわ
ち砥石車送り位置が制御される。

上述のように、この実施例では主軸用サーボモータ制
御部15の加算器20および砥石送り用サーボモータ制御部
16の加算器40において、各目標値に対して学習値を加算
し、各目標値を補正する。以下、この各目標値の補正に
ついて説明する。

主軸用サーボモータ制御部15では、位置カウンタ22の
出力である主軸回転位置の現在値が減算器24に与えられ
ており、減算器24では、その主軸回転位置の現在値と制
御データ取出器19から与えられる主軸回転位置の目標値
との偏差が所定周期（各基準時刻毎）で求められる。そ
して、その偏差が学習補正値設定値25に与えられ、学習
補正値設定器25ではその偏差に適宜な学習関数を作用さ
せて学習補正値が求められる。

その各基準時刻毎に求められた学習補正値は、一研削
加工動作の間（主軸５が１周する間）、学習補正値記憶
器26に逐次記憶される。なお、学習補正値記憶器26で
は、一度学習補正値が記憶された後は、一研削加工動作
毎にその学習補正値に新しい学習補正値が加算される形
で、更新記憶される。そして、次の研削加工動作のとき
に、学習補正値取出器27により基準時刻に応じて読み出
され、乗算器28に与えられる。乗算器28では後述するよ
うに加減速制御部30から与えられる乗数（０〜1.0）が
学習補正値に乗じられ、その結果得られる補正値が加算
器20に与えられる。なお、後述するように停止指令や再
始動指令で主軸回転速度が通常速度より減速された状態
にあるとき以外、つまり通常速度にあるときは、乗数は
「1.0」に設定され、学習補正値記憶器26から読み出さ
れた学習補正値がそのまま加算器20に与えられる。

一方、砥石送り用サーボモータ制御部16においても、
同様に位置カウンタ42の出力である砥石車送り位置の現
在値が減算器44に与えられており、減算器44では、その
砥石車送り位置の現在値と制御データ取出器39から与え
られる砥石車送り位置の目標値との偏差が各基準時刻毎
に求められる。そして、その偏差が学習補正値設定器45
に与えられ、学習補正値設定器45ではその偏差に適宜な
学習関数を作用させて学習補正値が求められる。

その各基準時刻毎に求められる学習補正値は、一研削
加工動作の間、学習補正値記憶器46に記憶され、次の研
削加工動作に入ると、学習補正値取出器47により、基準
時刻に従って読み出され、乗算器48に与えられる。この
砥石送り用サーボモータ制御部16においても、学習補正
値記憶器46では一度学習補正値が記憶された後は、一研
削加工動作毎にその学習補正値に新しい学習補正値が加
算される形で、更新記憶される。乗算器48では後述する
ように加減速制御部30から与えられる乗数（０〜1.0）
が前記学習補正値に乗じられ、その結果得られる学習補
正値が加算器40に与えられる。なお、砥石車送り速度が
通常速度のときは、乗数は「1.0」に設定され、学習補
正値記憶器46から読み出された学習補正値がそのまま加
算器40に与えられる。

加減速制御部30は、緊急停止／始動スイッチ31（第２
図では図示を省略している）の操作により停止指令およ
び再始動指令が与えられると、上述の乗算器28,48なら
びに基準時刻発生器17と学習補正値設定器25,45を制御
する。緊急停止／始動スイッチ31は、研削加工動作途中
に何らかの理由で加工動作を緊急停止させるとき停止指
令を出力し、またはその停止状態から加工動作を再開さ
せるとき再始動指令を出力する。加減速制御部30は、停
止指令が与えられると、予め定めた速度パターンに従っ
て主軸回転速度および砥石車送り速度が減速され加工動
作が停止されるように、基準時刻発生器17に対して基準
時刻の発生周期を徐々に長くし最終的に時刻発生を停止
する指令を与えるとともに、各学習補正値設定器25,45
に対して学習補正値設定動作を停止させる指令を与え
る。この指令で各目標値の補正および学習補正値記憶器
27,47の学習補正値の更新記憶が停止される。そして、
前記減速パターンによる各基準時刻の主軸回転速度（指
令値）および砥石車送り速度（指令値）に基づいて各乗
算器28,48に与える乗数を設定する。つまり、乗算器28
に与えられる乗数は前記主軸回転速度に比例して設定さ
れ、乗算器48に与えられる乗数は前記砥石車送り速度の
二乗に比例して設定される。

また、再始動指令が与えられたときは、予め設定され
た加速パターンに従って主軸回転速度および砥石車送り
速度が通常速度に復帰するように、基準時刻発生器17に
対して基準時刻の発生を開始させた後その発生周期を徐
々に短くし通常周期にする制御指令を与えるとともに、
前記所定期間後に学習補正値設定器25,45に対して学習
補正値設定動作を開始させる指令を与える。そして、停
止指令時と同様に、加速パターンによる主軸回転位置
（指令値）および砥石車送り位置（指令値）各乗算器2
8,48に与える乗数を演算する。

ここで、加減速制御部30における前記乗数の設定につ
いて詳細に説明する。まず、主軸回転位置の制御では、
主軸回転位置がP_(t)、ゲイン（速度指令設定器23で設定
されるゲイン）がG_cとすると、追従遅れによる定常偏差
ε_(t)は、次の第１式で表される。

つまり、定常偏差ε_(t)は主軸回転速度Ｖに比例する。
たとえば、第６図に示すように主軸回転速度がＶで、そ
のときの定常偏差ε（第６図では、実線が目標値、破線
が実際値）であったとすると、第７図に示すように主軸
回転速度がV/2に減速されると、定常偏差ε/2になる。

したがって、前回の研削加工動作ではある基準時刻の
主軸回転速度がＶであって、今回の研削加工動作の同基
準時刻の主軸回転速度がV/2であったとすると、学習補
正値（前回の研削加工動作における偏差に基づき設定さ
れた値）を1/2に設定すれば、今回の研削加工動作では
定常偏差が生じなくなる。すなわち、主軸回転位置の制
御では、上述のように乗数を主軸回転速度に比例して設
定すればよいことになる。

これに対し、砥石車送り位置の制御では、第８図に示
すように砥石車送り位置は基準時刻に対して、曲線的に
変化させる必要がある。これは、第８図に示すように半
径の異なる円弧運動を連続させたものといえる。このよ
うに仮定すると、砥石車送り位置の制御では、追従遅れ
による定常偏差εは、次のようにして求めることができ
る。

まず、第９図に示すように、目標位置がr_s、実際位置
がr_n、その追従遅れ量がｌであるとすると、目標位置r_s
は次の第２式で表される。

一方、指令速度（接線速度）ｖは、角速度がωとする
と、次の第３式のようになる。

ｖ＝r_n°ω …（３） また、ゲイン（速度指令設定器43で設定されるゲイン）
がG_pであり、指令速度ｖと実際速度とが一致していると
仮定すると、指令速度ｖは次の第４式でも表される。

ｖ＝G_p°ｌ …（４） これら第２式〜第４式から目標位置r_sは次の第５式の
ようになる。

したがって、半径方向の誤差である（r_s−r_n）である
定常偏差εは次の第６式で表される。

ここで、ゲインG_pが角速度ωに対して十分大きければ、
次の第７式が成り立つ。

よって、定常偏差εは第８式のようになる。

このことから、定常偏差εは指令速度ｖの二乗に比例
することになる。

したがって、前回の研削加工動作ではある基準時刻の
砥石車送り速度がｖであって、今回の研削加工動作の同
基準時刻の主軸回転速度がv/2であったとすると、学習
補正値（前回の研削加工動作における偏差に基づき設定
された値）を1/4に設定すれば、今回の研削加工動作で
は定常偏差が生じなくなる。すなわち、砥石車送り位置
の制御では、上述のように乗数を砥石車送り速度の二乗
に比例して設定すればよいことになる。

この実施例では、加工動作途中での停止および再始動
が行われない場合には、次のように学習補正動作が行わ
れる。たとえば１回目の研削加工動作で学習補正が行わ
れないとき、第10図に示すように、主軸回転位置（第10
図では角度で示す）に対する砥石車送り位置の目標位置
が実線Ａで、追従遅れ（矢印で示す）によりその実際位
置が破線Ｂであったとする。そうすると、学習補正が行
われる２回目の研削加工動作では、第５図に示すよう
に、実線Ｃで示す２回目の研削加工動作における目標位
置に対して前記追従遅れで生じた目標位置と実際位置の
偏差に基づく学習補正値により破線Ｄのようにその目標
位置が補正される。したがって、１回目の研削加工動作
時と同じように２回目の研削加工動作時で追従遅れが生
じたとすると、２回目の研削加工動作のときは上記学習
補正により、主軸回転位置に対する砥石車送り位置の実
際位置がほぼその目標位置に一致するようになる。

したがって、この実施例では、切り込み量を大きくし
たり、加工速度を高速化してもプロフィール誤差が大き
くならないので、加工精度を低下させることなくカム研
削を行うことができ、生産性を向上させることができ
る。

また、緊急停止／始動スイッチ31の操作により、研削
加工動作途中で停止指令が加減速制御部31に与えられた
場合は、上述のように基準時刻の発生周期が徐々に大き
くなっていくため、主軸回転速度および砥石車送り速度
が低下していき、最終的に加工動作が停止するが、この
減速期間では各学習補正値記憶器26,46から読み出され
た各学習補正値に、上述したように主軸回転速度および
砥石車送り速度に応じて設定された各乗数をそれぞれ乗
じた補正値を加算して、各目標値の補正が行われる。

一方、緊急停止／始動スイッチ31の操作により、再始
動指令が加減速制御部30に与えられた場合は、上述のよ
うに基準時刻の発生周期が徐々に小さくなっていくた
め、主軸回転速度および砥石車送り速度が上昇してい
き、最終的に通常速度に復帰するが、この加速期間で
も、同様に各学習補正値記憶器26,46から読み出された
各学習補正値に、上述したように主軸回転速度および砥
石車送り速度に応じて設定された各乗数をそれぞれ乗じ
た補正値を加算して、各目標値の補正が行われる。

したがって、上記の減速期間や加速期間で主軸回転速
度および砥石車送り速度が通常速度より減速状態にある
間も、定常偏差が生じないように学習補正が適切に行わ
れるため、加工精度が低下することがない。

なお、この発明では、研削加工動作途中における停止
指令や再始動指令に伴う減速期間のみならず、単に加工
速度を一時的に低速するために通常速度より減速される
場合でも、主軸回転速度指令値および砥石車送り速度指
令値に応じて主軸回転位置の偏差および砥石車送り位置
の偏差を補正した後、その各偏差補正値に基づき各目標
値を補正してもよいことはいうまでもない。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明に係るカム研
削盤によれば、主軸回転位置および砥石車送り位置の各
目標値と各実際値の各偏差に応じて次回の研削加工動作
の前記各目標値をそれぞれ補正するので、高速加工時の
加工精度を向上することができる。また、研削加工動作
途中での停止指令あるいはその停止からの再始動指令な
どにより主軸回転速度および砥石車送り速度が通常速度
より減速状態にある間は、その各速度に応じて各偏差を
補正した後、その偏差補正値に基づき目標値の補正を行
うので、その期間における加工精度の低下が防止され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例におけるコントロールユニ
ットの機能を示すブロック図、第２図はその一実施例の
全体構成を簡略的に示す斜視図、第３図はカム面と砥石
車を拡大して示す説明図、第４図は砥石車送り位置と基
準時刻との関係を示すグラフ、第５図は学習補正した場
合の砥石車送り位置と主軸回転角の関係を示すグラフ、
第６図および第７図は主軸回転速度と偏差の関係を示す
グラフ、第８図および第９図は砥石車送り位置の制御に
おける定常偏差を説明するためのグラフ、第10図は学習
補正しない場合の砥石車送り位置と主軸回転角の関係を
示すグラフ、第11図は第10図に関連してプロフィール誤
差を示すグラフである。 １…主軸用サーボモータ、４…被加工物、５…主軸、6,
12…パルスジェネレータ、７…コントロールユニット、
8,13…サーボアンプ、９…砥石送り用サーボモータ、11
…ボールねじ、10…砥石台、14…砥石車、17…基準時刻
発生器、20,40…加算器、24,44…減算器、25,45…学習
補正値設定器、26,46…学習補正値記憶器、27,47…学習
補正値取出器、28,48…乗算器、30…加減速制御部、51
…カム面。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加工物を装着した主軸を回転させる主軸
   用サーボモータと、被加工物のカム面を研削する砥石車
   を前記主軸に対し交差する方向に相対移動させる砥石送
   り用サーボモータと、所望するカムプロフィールに応じ
   予め記憶した主軸回転角と砥石車送り量との関係を示す
   制御データに基づき各研削加工動作における主軸回転位
   置および砥石車送り位置の各目標値を設定し、その各目
   標値に基づいて前記主軸用サーボモータと前記砥石送り
   用サーボモータとをフィードバック制御する制御装置と
   を備え、複数回の研削加工動作で前記カム面を前記所望
   カムプロフィールに加工するカム研削盤において、 前記各目標値とそれらの各実際値との各偏差に基づき次
   回の研削加工動作の前記各目標値をそれぞれ補正する学
   習手段を前記制御装置に備え、研削加工動作途中で主軸
   回転速度および砥石車送り速度が通常速度より減速状態
   にある間は前回の研削加工動作における前記各偏差を主
   軸回転速度指令値および砥石車送り速度指令値に応じて
   それぞれ補正した後、その偏差補正値に基づき前記目標
   値の補正を行うことを特徴とするカム研削盤。