JP2701536B2 - 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、同様に主軸の回転もサ
ーボモータでフィードバック制御されることが多い。

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15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16図に示すようにカム面の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
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
タに基づき前記砥石送り用サーボモータをフィードバッ
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、前記制御データにおける砥石車送り量
と実際の研削加工動作時における砥石車送り量との差を
検出し、この差に基づき次回の研削加工動作で使用する
前記制御データを補正する学習手段と、一研削加工動作
毎に前記差から得られる前記カム面のプロフィール誤差
を波形データとしてとらえ、その波形データにおける所
定の周波数成分の強度が所定値以上になると前記学習手
段の動作を停止させる学習停止手段とを前記制御装置に
設けたことを特徴とするものである。

作用 制御データにおける砥石車送り量と実際の砥石車送り
量との差を求め、その差に基づいて制御データにおける
次回の研削加工動作の砥石車送り量を補正し、次回の研
削加工動作ではその補正制御データに基づき砥石車送り
用サーボモータをフィードバック制御し、被加工物のカ
ム面を所定量ずつ研削する研削加工動作を繰り返す。一
方、一研削加工動作毎に前記差からカム面のプロフィー
ル誤差をカム回転角を変数とする波形データとしてとら
える。そして、フーリエ解析手法等により、その波形デ
ータの周波数成分を求め、予め定めた所定の周波数成分
の強度が所定値以上になると学習手段による制御データ
補正動作を停止させる。なお、学習手段による制御デー
タ補正動作を停止したときの研削加工動作では、たとえ
ば停止前の前記制御データ補正動作による補正量で制御
データにおける次回の研削加工動作の砥石車送り量を補
正し、その補正制御データに基づき砥石車送り用サーボ
モータをフィードバック制御する。

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および学習停止制御
部40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24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25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26に与えられる。

加算器26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27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28の出力
である砥石車送り位置の現在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29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26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30に与えられ
ており、減算器30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器31に与えられ、学習
補正値設定器31で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）、後述する学習停
止制御部40により開閉制御される開閉器38を介して学習
補正値記憶器32に記憶される。そして、次の研削加工動
作のときに、学習補正値取出器33により基準時刻に応じ
て読み出され、加算器20に与えられる。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、開閉器38が
「閉」の間、更新記憶される。

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28の出力である砥石車送り位置の現在値が
減算器34に与えられており、減算34では、その砥石車送
り位置の現在値と制御データ取出器25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35に与えら
れ、学習補正値設定器35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、後述する学習停止制御部40により開閉制
御される開閉器39を介して学習補正値記憶器36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37に
より、基準時刻に従って加算器26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、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、開閉器39が
「閉」の間、更新記憶される。

以上の構成では、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を行わな
いとき、第15図に示すように、主軸回転位置（第15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。

次に、前記開閉器38,39の開閉制御を行う学習停止制
御部40について説明する。この学習停止制御部40では、
プロフィール誤差検出器41により、基準時刻毎に各学習
補正値記憶器32,36からそれぞれ学習補正値が読み出さ
れる。そして、その各学習補正値からカム回転角（主軸
回転角に同じ）を変数とする一研削加工動作毎のカム面
51のプロフィール誤差が求められ、周波数弁別器42に与
えられる。周波数弁別器42では、そのプロフィール誤差
を波形データとしてとらえ、フーリエ変換等の解析手法
によりその波形データにおけるある特定の周波数成分の
強度が検出され、強度比較器43に与えられる。一方、強
度限界値設定器44には予め前記強度の限界値が設定され
ており、強度比較器44では、その強度限界値と、周波弁
別器44から与えられる検出強度とが比較され、その検出
強度が強度限界値を越えると、各開閉器38,39を「開」
にする信号が出力される。

次に、この学習停止制御部40の動作を具体的に説明す
る。

上述の学習補正動作の説明では、プロフィール誤差の
発生原因として、定常誤差を発生させる追従遅れのみを
想定していたが、実際には振動などの外乱によっても少
なからずプロフィール誤差が生じうる。このプロフィー
ル誤差を生じさせる外乱は次のように学習補正動作に影
響を与える。

たとえば、第６図に示すように、カム面51のベースサ
ークル部を研削中の時刻ｔにおいて外乱が生じ、砥石車
送り位置が変動したとすると、第７図に示すようにプロ
フィール誤差が生じる。そうすると、学習補正動作によ
り、次の研削加工動作における砥石車送り位置の補正目
標値はその誤差を打ち消すように第８図に示すように設
定される。

そして、その次の研削加工動作では前記外乱が生じな
かったとすると、第９図に示すように砥石車送り位置が
制御されることになる。その結果、プロフィール誤差は
第10図に示すようになる。そうすると、その誤差により
前回設定された学習補正値がさらに補正され（加算され
る）、その次の研削加工動作では第11図に示すように砥
石車送り位置の補正目標値が設定される。したがって、
その補正目標値による研削加工動作後には、第10図に示
すプロフィール誤差より大きなプロフィール誤差が生じ
ることになる。

プロフィール誤差は、このような外乱による誤差と、
追従遅れによる定常誤差とを加算したものと考えられる
が、これらの誤差と研削加工動作回数（上述の学習補正
動作を伴う）との関係を示すと第13図のようになる。つ
まり、学習補正動作を行うと、研削加工動作が繰り返さ
れるに従って、定常誤差は小さくなっていくが、逆に外
乱による誤差は大きくなっていく。

これを本発明者の実験結果で具体的に示しておくと、
第12図のようになる。第12図（２）〜（７）は、所望の
カムプロフィールが第12図（１）に示すようであった場
合の各研削加工動作時のプロフィール誤差を示めす。第
12図（２）は１回目の研削加工動作時のプロフィール誤
差、第12図（３）は２回目の研削加工動作時のプロフィ
ール誤差、第12図（４）は３回目の研削加工動作時のプ
ロフィール誤差、第12図（５）は５回目の研削加工動作
時のプロフィール誤差、第12図（６）は９回目の研削加
工動作時のプロフィール誤差、第12図（７）は17回目の
研削加工動作時のプロフィール誤差をそれぞれ示す。こ
の図に示すように実験結果では、研削加工動作が繰り返
されるにつれ定常誤差が少なくなっていき９回目の研削
加工動作まではプロフィール誤差が小さくなっていく
が、17回目の研削加工動作時には外乱の影響によりプロ
フィール誤差が再び大きくなっている。

したがって、プロフィール誤差が最小になった後の研
削加工動作では、学習補正動作を停止し、最終回の学習
補正動作で設定された学習補正値を制御データ記憶器18
から読み出される各目標値に加算すれば、プロフィール
誤差を最小に抑えることができる。

そこで、第12図に示すように、カム回転角を変数とす
るプロフィール誤差の波形データでは、定常誤差の周波
数が比較的低いのに対し、外乱による誤差の周波数は比
較的高くなるのに注目し、上述の学習停止制御部40では
研削加工動作毎にプロフィール誤差における外乱による
特定周波数成分を抽出し、その成分強度を所定の限界値
と比較することで、プロフィール誤差が最小になって再
び大きくなる研削加工動作時期を検出している。

たとえば、１回目の研削加工動作後のプロフィール誤
差における周波数分布の一例を示すと、第14図（１）の
よう定常誤差が大きく、比較的低周波数の成分強度が大
きいが、プロフィール誤差が最小になると、第12図
（２）に示すように全体的に成分強度が小さくなる。そ
して、さらに学習補正動作を伴って研削動作が行われる
と、外乱による誤差が大きくなって、第14図（３）に示
すように制御周波数（基準時刻による制御周期の逆数）
付近の成分強度が大きくなる。そこで、周波数弁別器42
において、第14図（４）に示すように前記制御周波数前
後の周波数帯域（制御周波数を基本波とする高調波の周
波数を含む帯域）ゲインを高くして、その周波数帯域の
周波数成分強度を検出し、強度比較器43でその成分強度
と限界値とを比較する。そして、その成分強度が限界値
以上にになれば、再びプロフィール誤差が大きくなって
きていると判定し、学習補正動作が停止されるように開
閉器38,39を「閉」にする。

以上のように、この実施例ではプロフィール誤差にお
ける所定の周波数成分の強度が所定限界値を越えるま
で、上述の学習補正動作を行うため、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。

なお、上述の実施例では主軸５の回転速度をフィード
バック制御しているが、この発明では主軸５をモータで
一定速度で回転駆動し、砥石車14の送りのみをフィード
バック制御するようにしてもよい。

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、制御データにおける砥石車送り量と実際
の研削加工動作時における砥石車送り量との差に基づき
次回の研削加工動作で使用する前記制御データを補正す
る動作をプロフィール誤差が最小になるように行うの
で、高速加工時の加工精度を向上することができる。

【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〜第11図は外乱による砥石車送り位置の実際位
置，プロフィール誤差および砥石車送り位置の目標位置
の変化を示すグラフ、第12図は学習補正動作によるプロ
フィール誤差の変化を示す実験データを示すグラフ、第
13図は研削加工動作回数とプロフィール誤差の関係を示
すグラフ、第14図は研削加工動作時のプロフィール誤差
の周波数成分分布の変化を示すグラフ、第15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16図は第15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、20,34……加算器、30,34……減算器、31,35…
…学習補正値設定器、32,36……学習補正値記憶器、33,
37……学習補正値取出器、38,39……開閉器、40……学
習停止制御部、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
   ータに基づき前記砥石送り用サーボモータをフィードバ
   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、 前記制御データにおける砥石車送り量と実際の研削加工
   動作時における砥石車送り量との差を検出し、その差に
   基づき次回の研削加工動作で使用する前記制御データを
   補正する学習手段と、一研削加工動作毎に前記差から得
   られる前記カム面のプロフィール誤差を波形データとし
   てとらえ、その波形データにおける所定の周波数成分の
   強度が所定値以上になると前記学習手段の動作を停止さ
   せる学習停止手段とを前記制御装置に設けたことを特徴
   とするカム研削盤。