JP3136851B2 - ねじ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、数値制御工作機械にお
けるねじ加工装置に関し、特に、短い加工時間で安定し
たタッピング加工を行うことのできるねじ加工装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、タッピング加工において、その加
工時間を短縮化することが強く要求されている。特に、
アルミニウム等の金属をタッピング加工する場合には、
単に加工時間の短縮化のみならず、高い加工精度が要求
されるため主軸の回転速度とＺ軸の送り速度を精確に同
期させなければならない。そのために、従来のフローテ
ィングタッパを使用したタッピング加工に替え、例え
ば、Ｚ軸移動の指令パルスから主軸回転の指令パルスを
生成することにより主軸とＺ軸を同期させるねじ加工装
置が、特開昭６３−２５１１２１号公報に開示されてい
る。また、主軸回転の指令パルスからＺ軸移動の指令パ
ルスを生成することにより主軸とＺ軸を同期させるねじ
加工装置が、特開昭６４−５８４２５号公報に開示され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のタッピング加工においては、図５に示すように、主軸
モータ及び送りモータの駆動開始後設定速度に到達する
までに要する時間Ｔは、設定速度の高低にかかわらず絶
えず一定値を用いていたため、設定速度の高低によって
不都合が生じていた。

【０００４】例えば、この時間Ｔが大きい場合（図５
（Ａ）参照）には、タッピング加工を低速Ｌで行う際加
速度が小さくなるため設定速度Ｌに到達するまでの時間
が長く必要となり、その結果加工時間が長くなるという
問題があった。一方、この時間Ｔが小さい場合（図５
（Ｂ）参照）には、タッピング加工を低速Ｌで行う際に
はモータの性能を最大限活用することができるため良好
であるが、高速Ｈで行う際にはモータの容量を越えた負
荷が課せられることがあり、オーバーシュート等の不具
合が発生するという問題があった。

【０００５】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、加工速度の高低にかかわらず短
い加工時間で安定したタッピング加工を行うことのでき
るねじ加工装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、図１に例示するように、主軸を回転させ
る主軸モータＭ１と主軸に沿って主軸を送る送りモータ
Ｍ２とを同期させてタッピング加工動作を行うねじ加工
装置において、予め設定された主軸モータＭ１の最高回
転速度とその速度に達するに要する最小時間とを用いて
主軸モータＭ１の最大加速度を演算する主軸最大加速度
演算手段Ｍ３と、予め設定された送りモータＭ２の最高
回転速度とその速度に達するに要する最小時間とを用い
て送りモータＭ２の最大加速度を演算する送り最大加速
度演算手段Ｍ４と、上記主軸モータＭ１の最大加速度と
上記送りモータＭ２の最大加速度のうち、いずれか小さ
い方を選択する選択手段Ｍ５と、上記選択手段Ｍ５によ
り選択された最大加速度に基づいて、上記主軸モータＭ
１の回転速度又は上記送りモータＭ２の送り速度を制御
する加減速制御手段Ｍ６と、を備えたことを要旨とす
る。

【０００７】

【作用】上記の構成を有する本発明のねじ加工装置で
は、主軸最大加速度演算手段Ｍ３及び送り最大加速度演
算手段Ｍ４がそれぞれの最大加速度を演算し、選択手段
Ｍ５が主軸最大加速度と送り最大加速度のうちいずれか
小さい方を選択し、加減速制御手段Ｍ６がその選択され
た加速度によって送りの送り速度と主軸の回転速度のい
ずれか又は両方を制御する。例えば、主軸モータＭ１の
回転速度を制御した場合には、制御された回転速度に送
りモータＭ２の送り速度を同期させることによりタッピ
ング加工を行う。逆に、送りモータＭ２の送り速度を制
御した場合には、制御された送り速度に主軸モータＭ１
の回転速度を同期させることによりタッピング加工を行
う。また、主軸モータＭ１の回転速度と送りモータＭ２
の送り速度を同時に制御しつつ、タッピング加工を行っ
てもよい。

【０００８】本発明のねじ加工装置では、選択手段Ｍ５
により小さい方の最大加速度を選択しているため、主軸
モータＭ１及び送りモータＭ２のいずれに対してもモー
タの容量を越えて負荷を与えるというおそれがない。従
って、タッピング加工の設定速度が高速の場合でもオー
バーシュート等は防止される。また、タッピング加工の
設定速度が低速の場合でも最大加速度を用いているた
め、設定速度に到達するまでの所要時間が従来に比べて
短縮化され、その結果加工時間が短縮化される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面に
基づいて具体的に説明する。図２は本発明に係るねじ加
工装置の実施例を示すブロック図である。ねじ加工装置
の機械本体１はたて型のタップ盤をなすものであり、基
台２に直立配置したコラム３にスライダ４を介して主軸
ヘッド５が上下に摺動自在に支持され、主軸ヘッド５は
ボールねじ６に係合されている。ボールねじ６は、ＡＣ
サーボモータからなる送りモータ７に連結されて回転駆
動され、主軸ヘッド５を昇降する。送りモータ７には、
回転位置を検出するパルスゼネレータ９が設けられてい
る。このパルスゼネレータ９は、主軸ヘッド５の送り位
置を検出する。

【００１０】主軸１１は、主軸ヘッド５に回転自在に軸
支され、ＡＣサーボモータからなる主軸モータ１２によ
り回転駆動される。主軸モータ１２には、回転位置を検
出するパルスゼネレータ１４が設けられている。このパ
ルスゼネレータ１４は主軸１１の回転位置を検出する。

【００１１】タップ工具１５は、タッパを介することな
く直接主軸１１の下端に取付けられ、下孔１６の開けら
れた被加工物１７にねじ加工を施す。次に、主軸ヘッド
５を上下する送り系（Ｚ軸と称する）の制御回路につい
て説明する。

【００１２】数値制御装置２０は、図２に示すように、
演算器２２、パルス分配回路２３、主軸加速度演算回路
２４、Ｚ軸加速度演算回路２５、比較回路２６、加減速
制御回路２７、偏差カウンタ２８，２９、Ｚ軸パルス変
換回路３１，３２、加算器３３を備えている。この数値
制御装置２０は、入力装置２１から入力されたデータに
基づき各処理を実行し、Ｚ軸サーボアンプ３４及び主軸
サーボアンプ３５に出力する。

【００１３】演算器２２は、入力装置２１から入力され
たデータに基づき、Ｚ軸の送り速度Ｆ、タッピング加工
すべきねじのピッチＰ、主軸の最高回転速度Ｓｍ、Ｚ軸
の最高移動速度Ｚｍ、主軸の最高回転速度に達するに要
する最小時間Ｓｔ、Ｚ軸の最高速度に達するに要する最
小時間Ｚｔをそれぞれ所定の回路に出力する。尚、最小
時間Ｓｔ及びＺｔは、それぞれ主軸モータ１２及び送り
モータ７の容量に依存して決定される値である。また、
主軸の最高回転速度Ｓｍは、Ｚ軸の移動速度に同期すべ
く補正され、Ｚ軸の最高移動速度Ｚｔと共にパルス／秒
として出力される。

【００１４】パルス分配回路２３は、演算器２２から入
力されたＺ軸の送り速度Ｆに基づき、Ｚ軸の移動を行う
ための分配パルスＰｚを加減速制御回路２７に出力す
る。主軸加速度演算回路２４は、本発明の主軸最大加速
度演算手段に相当し、演算器２２から入力された主軸の
最高回転速度Ｓｍを最小時間Ｓｔで除した値である主軸
の最大加速度Ａｓを、比較回路２６に出力する。

【００１５】Ｚ軸加速度演算回路２５は、本発明の送り
最大加速度演算手段に相当し、演算器２２から入力され
たＺ軸の最高移動速度Ｚｍを最小時間Ｚｔで除した値で
あるＺ軸の最大加速度Ａｚを、比較回路２６に出力す
る。比較回路２６は、本発明の選択手段に相当し、主軸
の最大加速度ＡｓとＺ軸の最大加速度Ａｚとを比較して
いずれか小さい方を加速度Ａとして加減速制御回路２７
に出力する。ここで、いずれか小さい方を選択するの
は、主軸モータ１２と送りモータ７とを同期運転してい
るため、いずれかのモータの容量を越えることのないよ
うに負荷を与える必要があるからである。

【００１６】加減速制御回路２７は、本発明の加減速制
御手段に相当し、パルス分配回路２３から入力された分
配パルスＰｚ、及び、比較回路２６から入力された加速
度Ａによって、後述する加減速制御を行い、偏差カウン
タ２８に出力パルスＱｚを出力する。

【００１７】偏差カウンタ２８は、加減速制御回路２７
から入力された出力パルスＱｚによってカウントアップ
され、後述の帰還パルスによってカウントダウンされ
る。従って、偏差カウンタ２８の内部には出力パルスＱ
ｚと帰還パルスの差分があり、これを図示されていない
ＤＡコンバータでアナログ指令信号に変換し、Ｚ軸サー
ボアンプ３４に出力する。Ｚ軸サーボアンプ３４は、送
りモータ７を回転制御する。送りモータ７は、ボールね
じ６に結合されており、これによって、主軸１１がＺ軸
方向に移動する。送りモータ７に結合されたパルスゼネ
レータ９は、送りモータ７の回転に応じて帰還パルスを
発生する。尚、図２においては速度帰還ループは省略し
てある。これらは公知の方法で速度帰還ループを構成し
ている。

【００１８】一方、主軸１１の回転速度をＺ軸の移動速
度に同期させるために、Ｚ軸パルス変換回路３１は、Ｚ
軸の偏差カウンタ２８の出力パルスをタッピング加工す
べきねじのピッチＰによって主軸パルスに変換し、加算
器３３に出力する。また、Ｚ軸パルス変換回路３２は、
Ｚ軸のパルスゼネレータ９の帰還パルスをタッピング加
工すべきねじのピッチＰによって主軸パルスに変換し、
偏差カウンタ２９に送られる。偏差カウンタ２９は、Ｚ
軸の帰還パルスによってカウントアップされ、後述の主
軸の帰還パルスによってカウントダウンされる。従っ
て、偏差カウンタ２９の内部にはＺ軸と主軸の帰還パル
スの差分があり、これを加算器３３に出力する。そし
て、加算器３３の出力を図示されていないＤＡコンバー
タでアナログ指令信号に変換し、主軸サーボアンプ３５
に出力する。主軸サーボアンプ３５は、主軸モータ１２
を回転制御する。主軸モータ１２は、主軸１１に結合さ
れており、これによって、主軸１１が回転する。主軸モ
ータ１２に結合されているパルスゼネレータ１４は、主
軸モータ１２の回転に応じて帰還パルスを発生する。
尚、図２においては速度帰還ループは省略してある。こ
れらは公知の方法で速度帰還ループを構成している。

【００１９】尚、主軸加速度演算回路２４、Ｚ軸加速度
演算回路２５、比較回路２６等の各回路や偏差カウンタ
２８，２９を設ける代わりに、これらをコンピュータの
機能として実現してもよい。次に、加減速制御回路２７
について図３及び図４に基づいて詳細に説明する。図３
は加減速制御をコンピュータの機能として実現したフロ
ーチャートである。

【００２０】加減速制御回路２７では、所定の周期ごと
にこの処理が繰り返し実行される。第ｎ番目の処理を実
行するときの分配パルスをＰｚ（ｎ）、出力パルスをＱ
ｚ（ｎ）、比較回路２６から入力される最大加速度をＡ
（定数）とする。まず、ステップ１１０では加速、定
速、減速状態のいずれかを判断する。具体的には、Ｐｚ
（ｎ）とＱｚ（ｎ−１）の大小比較を行い、Ｐｚ（ｎ）
＞Ｑｚ（ｎ−１）ならば加速、Ｐｚ（ｎ）＝Ｑｚ（ｎ−
１）ならば定速、Ｐｚ（ｎ）＜Ｑｚ（ｎ−１）ならば減
速と判断する。

【００２１】そして、ステップ１１０で加速と判断され
ると、Ｑｚ（ｎ）←Ｑｚ（ｎ−１）＋Ａを行い（ステッ
プ１２０）、処理を終える。また、ステップ１１０で定
速と判断されると、Ｑｚ（ｎ）←Ｐｚ（ｎ）を行う（ス
テップ１３０）、処理を終える。

【００２２】更に、ステップ１１０で減速と判断される
と、Ｑｚ（ｎ）←Ｑｚ（ｎ−１）−Ａを行う（ステップ
１４０）、処理を終える。図４は、このようにして加減
速制御された速度パターン図である。図４（Ａ）はタッ
ピング加工の設定速度が高速のとき、また、図４（Ｂ）
はタッピング加工の設定速度が低速のときの分配パルス
Ｐｚ（ｎ）及び出力パルスＱｚ（ｎ）を図示したもので
ある。

【００２３】図４（Ａ）は、Ｐｚ（ｎ）＝Ｈ（ｎ＝１〜
ｓ、Ｈは高速の設定速度），Ｐｚ（ｎ）＝０（ｎ＞ｓ）
とし、ｎ＝ｔにてＱｚ（ｔ）＝Ｐｚ（ｔ）となる場合に
ついて図示したものである。従って、ｎ＝１〜ｔではＱ
ｚ（ｎ−１）＜Ｐｚ（ｎ）であるので、ステップ１１０
で加速と判断され、ステップ１２０でＱｚ（ｎ）←Ｑｚ
（ｎ−１）＋Ａが実行される。また、ｎ＝（ｔ＋１）〜
ｓではＱｚ（ｎ−１）＝Ｐｚ（ｎ）であるので、ステッ
プ１１０で定速と判断され、ステップ１３０でＱｚ
（ｎ）←Ｐｚ（ｎ）が実行される。更に、ｎ＝（ｓ＋
１）〜（ｓ＋ｔ）ではＱｚ（ｎ−１）＜Ｐｚ（ｎ）であ
るので、ステップ１１０で減速と判断され、ステップ１
４０でＱｚ（ｎ）←Ｑｚ（ｎ−１）−Ａが実行される。

【００２４】このとき、加速度Ａは、主軸モータ１２と
送りモータ７のいずれか小さい容量の最大加速度である
ため、送りモータ７の容量を越えることはないし、ま
た、送りモータ７と同期させている主軸モータ１２の容
量を越えることもない。従って、オーバーシュート等の
不具合が発生するおそれはない。

【００２５】図４（Ｂ）は、Ｐｚ（ｎ）＝Ｌ（ｎ＝１〜
ｕ，Ｌは低速の設定速度（Ｌ＜Ｈ）），Ｐｚ（ｎ）＝０
（ｎ＞ｕ）とし、ｎ＝ｖにてＱｚ（ｖ）＝Ｐｚ（ｖ）と
なる場合について図示したものであり、図４（Ａ）とほ
ぼ同様であるため、その説明は省略する。但し、Ｑｚ
（ｎ）が設定速度Ｌに到達するまでの時間は、設定速度
Ｈに到達するまでの時間（図３（Ａ）参照）と比べて短
縮化される。このため、加工時間の短縮化が図られる。

【００２６】本実施例の効果について以下に述べる。 主軸モータ１２又は送りモータ７のいずれか小さい方
の最大加速度Ａに基づいてタッピング加工が行われるた
め、タッピング加工の設定速度が高速の場合でもモータ
の容量を越えて駆動されることがなくオーバーシュート
等を防止できる。また、タッピング加工の設定速度が低
速の場合でも設定速度に到達するまでの所要時間が短縮
化されるため加工時間が短縮化される。 特に、ねじのピッチＰが大きいときには、主軸モータ
１２の回転速度が低速でも送りモータ７の送り速度が高
速となるが、こうした場合でも、本発明のねじ加工装置
によれば、オーバーシュート等の不具合を防止でき、ま
た加工時間を短縮化することができる。 また、最大加速度Ａを用いて加減速制御を行っている
ため、処理自体が簡素であり、処理速度を十分速くする
ことができる。

【００２７】尚、本発明は、上記実施例に何ら限定され
ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種
々の態様で実施できることはいうまでもない。例えば、
本実施例では送りモータに主軸モータを追従させること
により同期運転を行ったが、この逆、即ち、主軸モータ
の速度を加減速制御回路で制御しつつ送りモータをこの
主軸モータに追従させることにより同期運転を行っても
よい。また、送りモータと主軸モータの両方を制御して
もよい。

【００２８】また、本実施例では加速度Ａを一定値とし
て取り扱うことにより直線型の加減速制御を行ったが、
加速度Ａを外部から入力あるいは内部に記憶された変数
として取り扱うことにより例えば指数関数型あるいは s
in関数型等の任意の関数の加減速制御を行うことも可能
である。この場合、モータの容量特性からみて加速度が
一定の場合よりも瞬間的にならば大きな加速度を設定す
ることができるため、加工時間は一層短縮化されること
になる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明のねじ加工装置によれば、加工速度の高低にかか
わらず短い加工時間で安定したタッピング加工を行うこ
とができる。

【００３０】即ち、タッピング加工の設定速度が低速の
場合、その設定速度に到達するに要する時間は、主軸モ
ータ又は送りモータの最大加速度を用いて制御している
ため、短縮化される。また、タッピング加工の設定速度
が高速の場合、モータの容量を越えて駆動するおそれが
ないため、オーバーシュート等の不具合が発生すること
がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を例示するブロック図である。

【図２】 本実施例のブロック図である。

【図３】 本実施例の加減速制御回路のフローチャート
である。

【図４】 本実施例の速度パターン図であり、（Ａ）は
タッピング加工の設定速度が高速のとき、（Ｂ）はタッ
ピング加工の設定速度が低速のときの速度パターン図で
ある。

【図５】 従来技術の速度パターン図であり、（Ａ）は
モータの駆動開始後設定速度に到達するまでに要する時
間Ｔが大きいとき、（Ｂ）は時間Ｔが小さいときの速度
パターン図である。

【符号の説明】

１・・・機械本体、 ２・・・基
台、３・・・コラム、 ４・・
・スライダ、５・・・主軸ヘッド、
７・・・送りモータ、９・・・パルスゼネレータ、
１１・・・主軸、１２・・・主軸モータ、
１４・・・パルスゼネレータ、１５
・・・タップ工具、 ２０・・・数値
制御装置、２１・・・入力装置、
２２・・・演算器、２３・・・パルス分配回路、
２４・・・主軸加速度演算回路、２５・・・Ｚ
軸加速度演算回路、 ２６・・・比較回路、２
７・・・加減速制御回路、 ２８，２９・
・・偏差カウンタ、３１，３２・・・Ｚ軸パルス変換回
路、 ３３・・・加算器、３４・・・Ｚ軸サーボアン
プ、 ３５・・・主軸サーボアンプ、

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸を回転させる主軸モータと主軸に沿
   って主軸を送る送りモータとを同期させてタッピング加
   工動作を行うねじ加工装置において、 予め設定された主軸モータの最高回転速度とその速度に
   達するに要する最小時間とを用いて主軸モータの最大加
   速度を演算する主軸最大加速度演算手段と、 予め設定された送りモータの最高回転速度とその速度に
   達するに要する最小時間とを用いて送りモータの最大加
   速度を演算する送り最大加速度演算手段と、 上記主軸モータの最大加速度と上記送りモータの最大加
   速度のうち、いずれか小さい方を選択する選択手段と、 上記選択手段により選択された最大加速度に基づいて、
   上記主軸モータの回転速度又は上記送りモータの送り速
   度を制御する加減速制御手段と、 を備えたことを特徴とするねじ加工装置。