JP3788539B2 - 自由曲線部材のサイクル加工装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内面及び外面形状が所定の自由曲線で表される中空円筒形部材の内面及び/又は外面をこの中空部材の回転に同期させて切削加工する加工装置に関し、特には被加工材の支持装置の剛性を高めることを可能とする自由曲線部材のサイクル加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンのピストンリングは外周が一部切断されて隙間を有するリング形状をしており、このピストンリングをピストンの上部溝に嵌める時には、前記隙間部の開きを縮めてシリンダ内に挿入し、この後ピストンリングの弾性力によってシリンダ内壁に密着させている。このようなピストンリングは、従来から、中空の円筒形状の被加工材の内面及び外面を所定の曲面に精密加工した後に、前記隙間部を切断して製造される場合が多い。
【0003】
図7は、ピストンリングの内面及び外面を加工する前の被加工材と加工後のリング形状を表した図である。同図において、被加工材1はほぼ円筒形状を成した中空の素材であり、所望のピストンリング溝幅に対応した所定高さL1 の複数のリング材2が積み重ねられている。そして、この被加工材1の両端面(図示では、上下端面)側に支持装置を設け、この支持装置によって両端面から被加工材1に所定の大きさのクランプ力をかけながら被加工材1を支持している。さらに、被加工材1の中空部には内面を切削する工具4が、また、被加工材1の外側には外面を切削する工具5が配設されている。被加工材1を前記支持装置によって支持した状態で回転軸Oを中心に図示で例えば矢印13方向に回転させると共に、この回転に同期させて前記工具4、5を矢印11方向に往復駆動し、かつ、被加工材1の軸心方向(図示で、例えば矢印12方向)に駆動することによって、複数個のリング3が製作される。
【0004】
リング3は略ハート形の形状をしているが、その外周の凹部に相当する部分Pが切断され、除去されてピストンリングが完成する。このとき、上記切断された部分Pがピストンリングの前記隙間部となる。そして、このピストンリングは前述のようにピストンに嵌められた状態でシリンダ内壁に密着して密封性を保持できることが要求されるので、その内面及び外面の切削加工精度を高くしなければならない。
【0005】
従来、このようなピストンリングの精密切削加工のために、種々の加工機械が提案されている。
例えば、特公平6−75814号公報には、リニアモータによって被加工材に対して接近又は離れる方向(前述の矢印11方向)に直線駆動されるキャリジに切削用の工具を取り付けると共に、前記リニアモータをコンピュータによってNCサーボ制御することにより、例えばピストンのような被加工材のスカート外周を切削加工するNC制御旋盤が開示されている。そして、前記キャリジの往復動は例えばローラ等からなる回転部材が複数組配設された案内装置によって案内され、かつ、水平方向及び垂直方向に抑制されており、また、これらの案内装置は前記キャリジの移動方向に対して横方向に移動するのを偏倚装置によって阻止されている。したがって、この案内装置及び偏倚装置によって被加工材を切削している間に工具に生じる反力を支持するので、ガタツキやブレが全く無い状態でキャリジを往復動させることでき、精度良く切削加工できるようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ピストンリングは前述のような理由により加工精度が非常に重要視されており、内面及び外面のそれぞれの精度、さらに内面と外面の同心度及び加工時の位相等に関する精度が要求されている。しかしながら、上記のような従来のNC制御旋盤によってピストンリングのような非円形部材を加工する場合には外面のみの加工しかできないので、両面を同時にNC加工できない。そして、外面加工後に内面を加工する場合には、前述のように外周面の凹部に相当する部分Pを先に切断した後、このリングの切断されたP部の隙間を縮めた状態で内面を真円加工するようにしている。したがって、ピストンリング加工時の生産性が非常に悪くなると共に、内面と外面の前記同心度の精度が十分に満たされない可能性があるという問題がある。
【0007】
また、一方、NC制御を行う場合、切削加工時の工具4、5の駆動軸の定常位置偏差が所定量発生するので、この位置偏差を無くし、ピストンリングのような非円形の被加工材1の回転軸と工具駆動軸とを同期させる、すなわち、位相を合わせる必要がある。このために、従来、外面をNC加工する場合には、図8に示すように、被加工材1の切削する外面の反対側の面(図示では、内面)に近い部分を支持装置6によってクランプし、工具5を切削開始位置の手前から被加工材1の軸心方向に沿って接近し、この接近(アプローチ)の間に被加工材1の回転に同期させるようにしていた。つまり、ピストンリングの本加工7に入る前に、支持装置6の近傍の支持装置エリア8でのアプローチにおいて、工具駆動軸の学習機能により前記位置偏差εを無くするようにしている。このとき、支持装置6の被加工材1の端面を支持する支持部の半径方向の長さδ1 は、前記学習が完了するまでの前記位置偏差εの最大値だけ工具5がずれたときでも支持装置6に干渉しないように設定されている。したがって、工具駆動軸の最大位置偏差が大きい場合、支持部の長さδ1 を小さくしなければならないので、支持部の剛性が低下し、この結果加工精度をさらに向上することが困難となっている。
【0008】
また、さらに、生産性向上を図るために、内面及び外面を同時にNC加工する場合には、図9に示すように、支持装置6は被加工材1の両端面の中央部のみをクランプし、両端面の内面及び外面に近い部分には上記と同様に位置偏差εを学習補正するときのアプローチのために所定距離だけ支持装置6との非接触部を確保する必要がある。このとき、支持部材6の支持部の半径方向の長さδ2 は、前記と同様に前記学習が完了するまでに前記最大位置偏差値だけ両工具4、5がずれたときでも支持装置6に干渉しないように設定しなければならない。したがって、支持装置6の上記長さδ2 が、前記外面のみをNC加工する場合における前記長さδ1 に比べて小さくなってしまう。このため、クランプ力を受ける面積が少なくなり、もっと大きな応力が支持部にかかり、支持装置6の寿命が低下する。また、支持装置6のクランプ状態での剛性が小さくなるので、加工時に高速回転させると被加工材1が不安定に微振動して所定の加工回転速度の確保が困難となり、また、加工時の反力の影響を受け易くなって加工精度を満足できないという問題がある。さらに、支持装置6が被加工材1を支持している端部の側端面と被加工材1の側面との距離L2 が大きいので、被加工材1の加工終端部(つまり下方から上方へ加工する場合は、上端部)において「こば欠け」や「かえり」等の不具合が発生し易く、生産性が低下する。
【0009】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、内面及び/又は外面が自由曲線によって形成された非円形曲線を有する中空円筒形状の被加工材の内面及び/又は外面を高精度で、かつ、高速に加工できる自由曲線部材のサイクル加工装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材1をこの被加工材1の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材1を円筒の芯を軸としてその軸回りのC軸方向に回転させるC軸駆動手段54と、被加工材1の中空部に挿入され、かつ、内面を切削加工する工具4が取着されたボーリングバー93と、ボーリングバー93を被加工材1に対して接近する又は離れる方向のU軸方向に直線駆動する内面加工駆動手段98と、外面を切削加工する工具5を被加工材1に対して接近する又は離れる方向のX軸方向に直線駆動する外面加工駆動手段78と、被加工材1を軸心方向のZ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段34とを備え、前記C軸の回転角度に同期させてX軸及びU軸の駆動を制御し、被加工材1の内外面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、予め被加工材1の基準軌跡データに基づいて、C軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材1の基準軌跡15に漸次接近させるアプローチサイクルでのX軸及びU軸の位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのX軸及びU軸の位置指令値を演算する位置指令値演算部101と、この演算された各位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部102と、実加工作業時に、C軸の回転角度に同期して前記記憶されたX軸及びU軸の位置指令値を同時に出力する位置指令出力部103と、このX軸及びU軸の位置指令値、並びにX軸位置センサ76及びU軸位置センサ95からの検出値に基づいてX軸及びU軸の位置偏差値をそれぞれ演算するX軸位置偏差演算部110及びU軸位置偏差演算部120と、この演算されたX軸位置偏差値及びU軸位置偏差値に基づいて、C軸の回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、X軸及びU軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、X軸及びU軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつC軸の回転に同期してこの記憶したX軸及びU軸の位置偏差値の補正指令値を出力するX軸学習制御部111及びU軸学習制御部121と、X軸学習制御部111及びU軸学習制御部121からの各補正指令値、並びにX軸位置偏差演算部110及びU軸位置偏差演算部120からのX軸及びU軸の位置偏差値を各軸ごとに加算し、各加算値を対応する前記外面加工駆動手段78及び前記内面加工駆動手段98に速度指令として同時に出力するX軸加算部112及びU軸加算部122とを備えた構成としている。
【0011】
請求項3に記載の発明は、請求項1記載の発明と略同様であるが、U軸のみをC軸と同期させて駆動する、つまり内面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項1の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部101と位置指令値記憶部102と位置指令出力部103とがU軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記U軸位置偏差演算部120と前記U軸学習制御部121と前記U軸加算部122とによって前記内面加工駆動手段98にU軸速度指令が出力される構成としている。
【0012】
請求項5に記載の発明は、請求項1記載の発明と略同様であるが、X軸のみをC軸と同期させて駆動する、つまり外面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項1の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部101と位置指令値記憶部102と位置指令出力部103とがX軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記X軸位置偏差演算部110と前記X軸学習制御部111と前記X軸加算部112とによって前記外面加工駆動手段78にX軸速度指令が出力される構成としている。
【0013】
請求項1、3、5に記載の発明によると、被加工材の回転に同期させて内面及び/又は外面を切削加工するとき、アプローチサイクル中に被加工材の基準軌跡上の加工開始位置まで工具を漸次接近させている。そして、このアプローチサイクル中に、X軸及び/又はU軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶することによって、内面加工するU軸及び/又は外面加工するX軸の位置偏差値を学習によって零に収束させているので、加工開始位置近傍での位置偏差を非常に小さくできる。これによって、被加工材の支持装置の回転半径方向の厚さを大きくできるので、支持装置の剛性が非常に向上する。この結果、支持装置の寿命を向上でき、また被加工材を高速回転させたときでも加工精度を向上できる。さらに、被加工材の両端部での「こば欠け」や「かえり」等の不具合を防止して、生産性を向上できる。
【0014】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、前記位置指令値演算部 (101) を、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのX軸及びU軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にX軸及びU軸を移動させる位置指令値を演算するように構成している。
【0015】
請求項4に記載の発明は、請求項2記載の発明と略同様であるが、U軸のみをC軸と同期させて駆動する、つまり内面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項2の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部101と位置指令値記憶部102と位置指令出力部103とがU軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記U軸位置偏差演算部120と前記U軸学習制御部121と前記U軸加算部122とによって前記内面加工駆動手段98にU軸速度指令が出力される構成としている。
【0016】
請求項6に記載の発明は、請求項2記載の発明と略同様であるが、X軸のみをC軸と同期させて駆動する、つまり外面のみを加工するサイクル加工装置を構成している。すなわち、請求項2の発明に対して異なるのは、位置指令値演算部101と位置指令値記憶部102と位置指令出力部103とがX軸のみの処理を行い、この処理結果に基づいて、前記X軸位置偏差演算部110と前記X軸学習制御部111と前記X軸加算部112とによって前記外面加工駆動手段78にX軸速度指令が出力される構成としている。
【0017】
請求項2、4、6に記載の発明によると、アプローチ中及び切削加工中に、X軸及び/又はU軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶することによって、内面加工するU軸及び/又は外面加工するX軸の位置偏差値を学習によって零に収束させており、切削完了後の逃げサイクル時には、この学習した状態でC軸回転に同期させながらU軸及び/又はX軸が被加工材から漸次逃げるようにしている。したがって、逃げサイクルに入る時に、U軸及び/又はX軸を停止させずに、かつ、急激な加速度変化が無く滑らかに駆動できるので、U軸及び/又はX軸の駆動手段に過大な負荷がかからない。よって、U軸及び/又はX軸の駆動手段の小型化、及びサイクル加工時間の短縮化を図ることが可能となる。
【0018】
請求項7に記載の発明は、請求項1〜6のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部101が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具4又は前記工具5を螺旋状の軌跡を描いて被加工材1の基準軌跡15に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記U軸、X軸及びZ軸の位置指令値を演算することを特徴としている。
【0019】
また、請求項8に記載の発明は、請求項1〜6のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部101が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具4又は前記工具5を被加工材1の軸心方向に直交する平面で渦巻き状の軌跡を描いて被加工材1の基準軌跡15に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記U軸、X軸及びZ軸の位置指令値を演算することを特徴としている。
【0020】
請求項7又は8に記載の発明によると、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのU軸及びX軸の軌跡は、被加工材の回転に同期しながら基準軌跡に対して螺旋状に、あるいは渦巻き状に漸次接近するようにしている。したがって、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのU軸及び/又はX軸の位置指令値は、切削加工時のU軸及び/又はX軸の位置指令値に対して所定の微小移動量ずつ減少又は増加させることによって作成できる。この結果、アプローチサイクルあるいは逃げサイクルでのU軸及び/又はX軸の位置指令値の演算が非常に容易となる。さらに、微小移動量ずつ移動させているので、アプローチサイクルあるいは逃げサイクル時にU軸及び/又はX軸に大きな加速度が発生するのを防止できる。
【0021】
請求項9に記載の発明は、請求項1、2、3又は4に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記内面加工駆動手段98がリニアモータを備え、このリニアモータによって前記ボーリングバー93を直線駆動している。
【0022】
請求項9に記載の発明によると、内面を加工する工具を支持するボーリングバーをリニアモータによって直線駆動する。ここで、被加工材の回転に同期して工具の往復駆動を高速で応答性良く制御する必要があるが、このような場合には通常、負荷イナーシャを駆動モータのイナーシャより極力小さくしなければならない。本発明では、駆動モータをリニアモータとしたので、駆動モータ部を小型化したままで負荷イナーシャを駆動モータのイナーシャより小さくすることができ、よって加工時の剛性を確保できるような大重量のボーリングバー及びU軸スライドの往復駆動を高速で応答性良く制御することができる。
【0023】
請求項10に記載の発明は、請求項1に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記アプローチサイクルで学習によってX軸及びU軸の位置偏差値を零に収束させるときの前記Z軸位置範囲が、前記支持装置が位置する範囲であることを特徴としている。
【0024】
請求項10に記載の発明によると、切断開始する前に被加工材にアプローチする際、支持装置が位置するZ軸方向範囲からアプローチを開始し被加工材の切削開始位置までアプローチしながら、学習によってX軸及びU軸の位置偏差値を零に収束させるようにしている。よって、アプローチ完了後に、被加工材のZ軸方向の駆動に大きな加速度の変化を発生させることなくスムーズに被加工材の切削加工に移行できる。この結果、Z軸駆動モータ等を小型化できると共に、被加工材の加工開始時のZ軸停止が必要無くなり、加工時間を短縮化できる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明に係わる自由曲線部材のサイクル加工装置を詳細に説明する。
本発明に係わる自由曲線部材のサイクル加工装置の機構的な構成は、本発明者が既に特願平8−249572(整理番号P60770)によって特許出願したところの「非円形曲線を有するワークの加工装置」に記載された加工装置と同様の構成をしているが、ここでは、簡単にこの構成について説明する。図1は本発明のサイクル加工装置の正面図を示し、また図2は図1における側面図を示している。
【0026】
同図において、ベッド21の上部の略中央後部にコラム22が設置されており、このコラム22の前方にはコラム22の前面に布設されたガイドレール33によって被加工材1の軸心方向(Z軸方向)に移動自在に支承されたZ軸スライド32が配設されている。ここで、ガイドレール33は、例えばボール式リニアガイド等より構成される。また、コラム22の上部には例えばサーボモータ等からなるZ軸モータ31が配設されており、このZ軸モータ31によってZ軸スライド32は上下駆動されるようになっている。Z軸モータ31には、Z軸スライド32のZ軸方向の位置を検出する、例えばエンコーダ等からなるZ軸位置センサ35が設けられている。また、Z軸位置センサ35の位置検出信号は後述するようにZ軸速度変換部144を介してZ軸速度アンプ部143にフィードバックされ、このZ軸速度アンプ部143は後述の制御器25からの速度指令とこのフィードバック速度信号との差が小さくなるようにZ軸モータ31を制御している。なお、上記のZ軸速度アンプ部143とZ軸モータ31とZ軸位置センサ35とZ軸速度変換部144とによって軸心方向駆動手段34を構成している。
【0027】
また、Z軸スライド32内には被加工材1をクランプして支持する支持装置が配設されており、この支持装置は、上下方向に離間し、かつ、互いに対向した位置に配設された上部ワーク支持手段52と下部ワーク支持手段53とから構成されている。この両支持手段は図示しないギア列等の駆動伝達手段によって同方向へ同期して回転可能に支承されており、コラム22の上部に設置された例えばサーボモータ等からなるC軸モータ51によって上記駆動伝達手段を介して同期回転されるようになっている。C軸モータ51には上部ワーク支持手段52及び下部ワーク支持手段53のC軸方向の回転位置を検出する、例えばエンコーダ等からなるC軸位置センサ55が設けられている。そして、Z軸と同様にして、後述するC軸速度アンプ部133及びC軸速度変換部134を備えており、これらのC軸速度アンプ部133とC軸モータ51とC軸位置センサ55とC軸速度変換部134とによってC軸駆動手段54を構成している。
【0028】
また、上記上部ワーク支持手段52は上下動可能に支承されると共に、Z軸スライド32の上部に設けられた図示しない油圧シリンダによって上下移動されるようになっている。この油圧シリンダの伸縮によって、上部ワーク支持手段52の下部に設けられた上部クランプヘッド52aと、下部ワーク支持手段53の上部に設けられた下部クランプヘッド53aとの間に被加工材1をクランプできるようになっている。
【0029】
また、コラム22のほぼ中間部には、被加工材1の外面を加工する外面加工手段70が配設されている。外面加工手段70は、先端部に取着された工具5を支持する工具支持手段72と、コラム22に取着されるとともに、前記工具支持手段72を水平方向で、かつ、被加工材1に対して接離方向(X方向)へ移動可能に案内するXガイド手段73と、このXガイド手段73にカバー74を介して取着された、例えばサーボモータ等からなるX軸モータ71と、X軸モータ71の回転力を前記工具支持手段72の移動方向に伝達する例えばボールスクリュー等からなる伝達手段75とを備えている。また、X軸モータ71には、X軸方向の工具5の位置を検出する例えばエンコーダ等からなるX軸位置センサ76が取着されている。さらに、前記Z軸と同様にして、後述するX軸速度アンプ部113及びX軸速度変換部114を備えており、これらのX軸速度アンプ部113とX軸モータ71とX軸位置センサ76とX軸速度変換部114とによって外面加工駆動手段78を構成している。そして、このX軸モータ71の回転によって、前記工具支持手段72をX方向に移動して工具5で被加工材1の外面を切削加工できるようになっている。
【0030】
また、ベッド21の上部で、かつ、コラム22の前方には、被加工材1の内面を加工する内面加工手段90が配設されている。内面加工手段90は、被加工材1の中空部に配設され、かつ、上端部に取着された工具4を支持するボーリングバー93と、このボーリングバー93を支持するU軸スライド92と、このU軸スライド92を水平方向で、かつ、被加工材1に対して接離方向(U軸方向)へ移動可能に支持するガイドレール94と、前記U軸スライド92をガイドレール94上でU軸方向に駆動する例えばリニアモータ等からなるU軸モータ91とを備えている。また、ガイドレール94の近傍にはU軸スライド92の位置を検出するU軸位置センサ95が設けられており、このU軸位置センサ95は例えばリニアスケール等で構成されている。さらに、前記Z軸と同様にして、後述するU軸速度アンプ部123及びU軸速度変換部124を備えており、これらのU軸速度アンプ部123とU軸モータ91とU軸位置センサ95とU軸速度変換部124とによって内面加工駆動手段98を構成している。また前記ボーリングバー93の上端部、すなわち、工具4の位置が被加工材1の中空部内に入るように設定されている。そして、U軸モータ91を駆動することによって、U軸スライド92をU軸方向に移動でき、工具4で被加工材1の内面を切削加工できるようになっている。
【0031】
図3に、本発明に係わるサイクル加工装置の各軸制御のハード構成ブロック図を示している。
同図において、X軸位置センサ76、U軸位置センサ95、C軸位置センサ55及びZ軸位置センサ35の各検出位置信号は制御器25に入力されている。制御器25は例えばマイクロコンピュータ等のコンピュータ装置を中心として構成されており、本サイクル加工装置の各軸制御の中枢機能を担っている。制御器25は予め演算して記憶している各軸の位置指令値と、上記各位置センサから入力した位置データとに基づいて各軸の速度指令値を演算し、対応する各軸速度アンプに出力する。X軸速度アンプ77、U軸速度アンプ96、C軸速度アンプ56及びZ軸速度アンプ36は、それぞれ前記各速度指令値を受けて対応するX軸モータ71、U軸モータ91、C軸モータ51及びZ軸モータ31の速度を制御している。
【0032】
図4は本発明に係わるサイクル加工装置の各軸制御の機能構成ブロック図を示しており、同図に基づいて機能構成を説明する。
位置指令値演算部101は、予め加工開始前に、被加工材1の内面及び/又は外面の自由曲線を表す基準軌跡データに基づいて、後述の手順により所定時間毎のU軸及びX軸の微小移動(以後、ブロックと言う)の位置指令値を時系列的に演算しておく。すなわち、各軸の位置及び速度の制御は、コンピュータの所定時間毎の周期演算処理によって、各ブロックでの各軸の微小移動を連続的に制御して行われるが、本実施形態においては、高速加工時の上記周期演算処理時間を短縮するために、加工開始する前に加工時のU軸及びX軸の上記周期時間毎に対応する軌跡データを演算しておき、この軌跡データに基づいて上記周期時間毎の微小移動量を演算している。なお、この軌跡データには、被加工材1へのアプローチ時の軌跡データと、実際に被加工材1を切削加工する時の軌跡データと、加工完了後に被加工材1から逃げる時の軌跡データとが含まれている。そして、演算されたこの位置指令値は位置指令値記憶部102に出力される。なお、C軸及びZ軸は予め設定された所定速度で駆動され、U軸及びX軸はこのC軸に同期して駆動される。
【0033】
位置指令値記憶部102では、U軸及びX軸に対応して演算された上記位置指令値が時系列的に記憶される。そして実際の加工時には、位置指令出力部103はこの記憶されたU軸及びX軸の位置指令値を前記所定周期時間毎に読み出し、対応する各位置偏差演算部に時系列的に出力する。
【0034】
X軸位置偏差演算部110は、この所定周期時間毎に入力したX軸位置指令値と、X軸位置センサ76から入力したX軸位置データとを比較し、両者の差、つまりX軸位置偏差を演算して出力する。このX軸位置偏差は、X軸学習制御部111とX軸加算部112に入力される。
【0035】
X軸学習制御部111は、X軸が被加工材1の前記基準軌跡をサイクリックに繰り返して移動し、被加工材1を加工する際に、このサイクリック加工で繰り返される位置指令値に対する周期的な外乱(再現性のある外乱)による位置偏差を小さい値に収束させることができる。ここでは、ピストンリングのような自由曲線を有する部材を所定速度で回転させながら、この回転に同期させて上記自由曲線に沿ってX軸を移動させているので、X軸の位置偏差値は上記所定のサイクル時間(1回転に要する時間)毎に周期的に変動することになる。この周期的な変動は再現性があるので、被加工材1の1回転毎に前記位置偏差値の大きさを学習しながら小さくするようにしている。すなわち、前記X軸位置偏差が零になるようにこのX軸位置偏差の補正指令値を演算して出力すると共に、演算した上記補正指令値をこのときの対応する処理周期時間毎に記憶する。この補正指令値は、前回のサイクルでの同じ処理周期時間における前記補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算される。
【0036】
また、X軸加算部112は、前記X軸位置偏差演算部110からのX軸位置偏差値と、前記X軸学習制御部111からのX軸補正指令値とを入力して加算し、この加算データをX軸速度アンプ部113に速度指令として出力する。X軸速度アンプ部113はこの加算データの大きさに基づいてX軸モータ71を駆動して速度を制御しており、上記加算データと後述するX軸速度変換部114からの速度フィードバック値との偏差が小さくなるようにX軸モータ駆動指令を演算して出力している。X軸位置センサ76はX軸モータ71の位置データを前記X軸位置偏差演算部110及びX軸速度変換部114に出力しており、また、X軸速度変換部114はこの位置データに基づいて時間に対する位置変化率を演算し、X軸速度フィードバック値として出力する。
【0037】
また、上記X軸と同様に、U軸に関してもサイクリックに加工している時の位置偏差が零に収束するように学習しながら位置偏差の補正指令値を演算し、U軸モータ91を制御している。すなわち、X軸と同様に、U軸位置偏差演算部120と、U軸学習制御部121と、U軸加算部122と、U軸速度アンプ部123と、U軸速度変換部124とを備えている。
【0038】
また、C軸とZ軸に関しては、上記のような学習機能を備えておらず、通常の位置及び速度フィードバック制御が行われている。つまり、C軸においては、C軸位置偏差演算部130と、C軸速度アンプ部133と、C軸速度変換部134とを備え、Z軸においてはZ軸位置偏差演算部140と、Z軸速度アンプ部143と、Z軸速度変換部144とを備えている。これらの機能は前述のX軸の対応する各機能部と同様であり、相当する軸の処理を行う。
【0039】
さて、本発明に係わるサイクル加工装置においては、被加工材1へのアプローチ時の軌跡データ、切削加工時の軌跡データ、及び、加工完了後に被加工材1から逃げる時の軌跡データは、被加工材1の本来の基準軌跡データから求められている。ここでは、図5及び図6に基づいて外面加工でのアプローチ時の軌跡データを作成する手順を説明する。図5及び図6はアプローチ時の外面加工用の工具5の軌跡を示しており、図5はその平面図、図6はその斜視図を表している。
同図において、基準軌跡15は被加工材1を切削加工して製作されたリング3の外面の軌跡を表している。位置15aはこの基準軌跡15上にあるアプローチ完了位置であり、また、位置14は基準軌跡15から平面視で所定距離(逃げ量E)離れ、かつ、上記アプローチ完了位置15aよりも加工時のZ軸移動方向と反対方向に所定距離だけ離れたアプローチ開始位置である。同図のように、外面加工時のアプローチは、アプローチ開始位置14から螺旋状に基準軌跡15に漸近して行き、アプローチ完了位置15aで基準軌跡15上に到達するようにしている。このとき、Z軸方向の位置は、アプローチ開始位置14からアプローチ完了位置15aへ(加工時のZ軸移動方向に)所定時間に所定距離漸次移動するようになっている。
【0040】
この外面加工アプローチ時の螺旋状の軌跡データは、前記位置指令値演算部101によって、以下のような手順で演算される。すなわち、被加工材1の基準軌跡データに基づいて各軸のブロック毎の位置指令値が周期処理の時系列的に演算される。
1)まず、被加工材1の前記基準軌跡データを図示しない基準軌跡データ入力装置から読み込む。この基準軌跡データ入力装置は例えば専用の自動プログラマや通常のコンピュータ等で構成することができ、被加工材1の内面及び外面の形状を表すプロフィルデータをベースにして基準軌跡データを作成し、データ通信又はフロッピーディスク等を介して送信する。ここで、この基準軌跡データは、基準軌跡15上の任意の点15bをC軸の回転中心軸Oを中心にした極座標(r,θ)によって表したとき、前記所定周期時間(ここでは、所定周期時間以内に回転するC軸角度Δθ値に相当する)毎の各ブロックBn に対応する極座標(rn ,θn )によって表されている。なお、nは1〜「360°/Δθ」までの自然数であり、「n=1」のときは「θ=0°」(C軸の基準角度位置)とする。
【0041】
2)次に、アプローチ開始位置14の基準軌跡15に対する逃げ量Eを演算する。この逃げ量Eは、数式「E=e1 +e2 」によって求められる。ここで、e1 はアプローチ時の最大位置偏差値を表しており、アプローチ開始初期で、かつ、未だ学習機能による位置偏差の減少がなされていない時のX軸位置偏差値によって実測される。また、e2 は被加工材1のリフト量と呼ばれるもので、基準軌跡15の基準軌跡データの最大半径r1 と最小半径r2 とから数式「e2 =r1 −r2 」に基づいて算出される。このリフト量e2 は、C軸の回転とX軸の移動とが完全に同期してない状態でアプローチしている場合に工具5と上部ワーク支持手段52又は下部ワーク支持手段53とが干渉しないように考慮したものである。したがって、最大位置偏差値e1 とリフト量e2 とを共に考慮して逃げ量Eを設定しているので、学習開始時で、かつ、C軸の回転とX軸の移動とが同期してない時でも工具5が上記支持手段に干渉することが無くなり、安全性を向上できる。
【0042】
3)アプローチサイクル時の移動量データを作成する。すなわち、この移動量データは、図5に示したように平面視で上記の逃げ量Eだけ基準軌跡15から離れたアプローチ開始位置14から螺旋状に基準軌跡15に漸近して行き、アプローチ完了位置15aで基準軌跡15上に到達するように演算される。このときの逃げ量Eを漸次減少させるための各ブロックBn 毎の微小移動量Δrn は、数式「Δrn =E/(C×M)」で演算される。なお、CはC軸1回転当たりのブロック数で、Mはアプローチサイクル時のサイクル数(つまり、C軸回転数)で表される。このサイクル数Mは、このアプローチサイクルの間に前記学習制御機能によってX軸位置偏差が零に収束するのに足りる充分な時間を与えるような値に設定される。さらに、前記読み込んだ基準軌跡データ(rn ,θn )に基づく本来の微小移動量と上記微小移動量Δrn とを加算した実際の移動量から算出される速度変化率、すなわち、このときの発生加速度が所定値以上である場合には、この発生加速度を抑えるために、上記サイクル数Mを増やして再度演算し直す。また、アプローチ完了時の位置が確実に基準軌跡15上にあるように、上記微小移動量Δrn が合わせ込まれる。そして、上記で求めた微小移動量Δrn と、基準軌跡データ(rn ,θn )に基づく本来の微小移動量とを加算し、アプローチサイクル時の移動量データを作成する。これにより、工具5が各ブロック毎に所定の微小移動量Δrn ずつX軸方向から基準軌跡15に漸近して行く。
【0043】
なお、上記X軸のアプローチの場合と同様にして、工具4による内面加工アプローチ時の螺旋状の軌跡データ、すなわち、U軸の移動量データを作成することができる。
また、基準軌跡15に沿った被加工材1の切削加工が完了した後、工具4、5を被加工材1から所定距離離れた位置に退避させるようにしている。この逃げサイクル時のX軸及びU軸の移動量データは、前述のアプローチサイクル時と同様の手順で作成される。すなわち、加工完了位置に到達したら、基準軌跡15から逃げる方向に(X軸の場合には被加工材1の外側に、またU軸の場合には内側に)基準軌跡データ(rn ,θn )に対して漸次前記微小移動量Δrn ずつ移動するように移動量データを作成することができる。
【0044】
また、以上の説明では、アプローチサイクル又は逃げサイクルでの内面加工用の工具4及び外面加工用の工具5の軌跡が螺旋状になるように作成しているが、本発明はこの軌跡に限定するものではなく、工具4及び工具5が滑らかに漸次基準軌跡15に対して接近あるいは逃げるようにすればよい。例えば、アプローチサイクル又は逃げサイクルでは、Z軸方向の移動は行わずにU軸及びX軸の軌跡が上記螺旋状軌跡と同様になるように、すなわち、Z軸方向に直交する平面内の渦巻き状軌跡となるようにしてもよい。
【0045】
以上説明したように、外面及び内面の切削加工時のアプローチサイクルにおいて、被加工材1から所定距離離れた位置から被加工材1の端部の切削開始位置まで被加工材1の回転に同期して漸次螺旋状に又は渦巻き状に基準軌跡15に接近させている。このとき、工具5、4が切削開始位置に到達する前に、学習機能によって各軸の位置偏差量を零に収束させるので、切削開始位置近傍での位置偏差を小さくできる。これによって、上部ワーク支持手段52及び下部ワーク支持手段53の支持部の半径方向の長さδ2 を長くでき、よって、支持部の剛性が高められる。この結果、上記支持手段の耐久性を向上でき、また、C軸回転による被加工材1の微振動が無くなるので加工条件のアップ(高速切削)及び加工精度の向上が可能となる。また、上部ワーク支持手段52及び下部ワーク支持手段53でのクランプ力を強化できるので、切削時の反力に対して充分な抗力が得られて加工精度を向上でき、被加工材1の終端部での「こば欠け」や「かえり」等の不具合を無くして生産性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるサイクル加工装置の正面図を示す。
【図2】本発明に係わるサイクル加工装置の側面図を示す。
【図3】本発明に係わるサイクル加工装置の制御ハード構成ブロック図を示す。
【図4】本発明に係わるサイクル加工装置の制御機能構成ブロック図を示す。
【図5】本発明に係わるサイクル加工装置の外面加工アプローチ時の工具軌跡の平面図を示す。
【図6】本発明に係わるサイクル加工装置の外面加工アプローチ時の工具軌跡の斜視図を示す。
【図7】本発明に係わるピストンリングの加工前後のリング形状を示す。
【図8】従来技術に係わるピストンリング外面のみNC加工する時の支持装置説明図である。
【図9】従来技術に係わるピストンリング内外面を同時にNC加工する時の支持装置説明図である。
【符号の説明】
1…被加工材、2…リング材、3…リング、4、5…工具、6…支持装置、7…本加工、8…支持装置エリア、11、12、13…矢印、14…アプローチ開始位置、15…基準軌跡、15a…アプローチ完了位置、21…ベッド、22…コラム、25…制御器、31…Z軸モータ、32…Z軸スライド、33…ガイドレール、34…軸心方向駆動手段、35…Z軸位置センサ、36…Z軸速度アンプ、51…C軸モータ、52…上部ワーク支持手段、52a…上部クランプヘッド、53…下部ワーク支持手段、53a…下部クランプヘッド、54…C軸駆動手段、55…C軸位置センサ、56…C軸速度アンプ、70…外面加工手段、71…X軸モータ、72…工具支持手段、73…Xガイド手段、74…カバー、75…伝達手段、76…X軸位置センサ、77…X軸速度アンプ、78…外面加工駆動手段、90…内面加工手段、91…U軸モータ、92…U軸スライド、93…ボーリングバー、94…ガイドレール、95…U軸位置センサ、96…U軸速度アンプ、98…内面加工駆動手段、101…位置指令値演算部、102…位置指令値記憶部、103…位置指令出力部、110…X軸位置偏差演算部、111…X軸学習制御部、112…X軸加算部、113…X軸速度アンプ部、114…X軸速度変換部、120…U軸位置偏差演算部、121…U軸学習制御部、122…U軸加算部、123…U軸速度アンプ部、124…U軸速度変換部、130…C軸位置偏差演算部、133…C軸速度アンプ部、134…C軸速度変換部、140…Z軸位置偏差演算部、143…Z軸速度アンプ部、144…Z軸速度変換部。
Claims (10)
- 中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材(1) をこの被加工材(1) の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材(1) を円筒の芯を軸としてその軸回りのC軸方向に回転させるC軸駆動手段(54)と、被加工材(1) の中空部に挿入され、かつ、内面を切削加工する工具(4) が取着されたボーリングバー(93)と、ボーリングバー(93)を被加工材(1) に対して接近する又は離れる方向のU軸方向に直線駆動する内面加工駆動手段(98)と、外面を切削加工する工具(5) を被加工材(1) に対して接近する又は離れる方向のX軸方向に直線駆動する外面加工駆動手段(78)と、被加工材(1) を軸心方向のZ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段(34)とを備え、前記C軸の回転角度に同期させてX軸及びU軸の駆動を制御し、被加工材(1) の内外面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、
予め被加工材(1) の基準軌跡データに基づいて、C軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材(1) の基準軌跡(15)に漸次接近させるアプローチサイクルでのX軸及びU軸の位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのX軸及びU軸の位置指令値を演算する位置指令値演算部(101) と、
この演算された各位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部(102) と、
実加工作業時に、C軸の回転角度に同期して前記記憶されたX軸及びU軸の位置指令値を同時に出力する位置指令出力部(103) と、
このX軸及びU軸の位置指令値、並びにX軸位置センサ(76)及びU軸位置センサ(95)からの検出値に基づいてX軸及びU軸の位置偏差値をそれぞれ演算するX軸位置偏差演算部(110) 及びU軸位置偏差演算部(120) と、
この演算されたX軸位置偏差値及びU軸位置偏差値に基づいて、C軸の回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、X軸及びU軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、X軸及びU軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつC軸の回転に同期してこの記憶したX軸及びU軸の位置偏差値の補正指令値を出力するX軸学習制御部(111) 及びU軸学習制御部(121) と、
X軸学習制御部(111) 及びU軸学習制御部(121) からの各補正指令値、並びにX軸位置偏差演算部(110) 及びU軸位置偏差演算部(120) からのX軸及びU軸の位置偏差値を各軸ごとに加算し、各加算値を対応する前記外面加工駆動手段(78)及び前記内面加工駆動手段(98)に速度指令として同時に出力するX軸加算部(112) 及びU軸加算部(122) とを備えたことを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 前記位置指令値演算部 (101) は、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのX軸及びU軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にX軸及びU軸を移動させる位置指令値を演算することを特徴とする請求項1に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置。
- 中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材(1) をこの被加工材(1) の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材(1) を円筒の芯を軸としてその軸回りのC軸方向に回転させるC軸駆動手段(54)と、被加工材(1) の中空部に挿入され、かつ、内面を切削加工する工具(4) が取着されたボーリングバー(93)と、ボーリングバー(93)を被加工材(1) に対して接近する又は離れる方向のU軸方向に直線駆動する内面加工駆動手段(98)と、被加工材(1) を軸心方向のZ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段(34)とを備え、前記C軸の回転角度に同期させてU軸の駆動を制御し、被加工材(1) の内面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、
予め被加工材(1) の基準軌跡データに基づいて、C軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材(1) の基準軌跡(15)に漸次接近させるアプローチサイクルでのU軸位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのU軸位置指令値を演算する位置指令値演算部(101) と、
この演算されたU軸位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部(102) と、
実加工作業時に、C軸の回転角度に同期して前記記憶されたU軸位置指令値を出力する位置指令出力部(103) と、
このU軸位置指令値、及びU軸位置センサ(95)からの検出値に基づいてU軸位置偏差値を演算するU軸位置偏差演算部(120) と、
この演算されたU軸位置偏差値に基づいて、C軸回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、U軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、U軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつC軸の回転に同期してこの記憶したU軸位置偏差値の補正指令値を出力するU軸学習制御部(121) と、
U軸学習制御部(121) からの前記補正指令値、及びU軸位置偏差演算部(120)からのU軸位置偏差値を加算し、この加算値を前記内面加工駆動手段(98)に速度指令として出力するU軸加算部(122) とを備えたことを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 前記位置指令値演算部 (101) は、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのU軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にU軸を移動させる位置指令値を演算することを特徴とする請求項3に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置。
- 中空円筒形状で、かつ、内面及び外面が非円形の被加工材(1) をこの被加工材(1) の両端面で支持する支持装置と、この支持装置により支持された状態で被加工材(1) を円筒の芯を軸としてその軸回りのC軸方向に回転させるC軸駆動手段(54)と、外面を切削加工する工具(5) を被加工材(1) に対して接近する又は離れる方向のX軸方向に直線駆動する外面加工駆動手段(78)と、被加工材(1) を軸心方向のZ軸方向に直線駆動する軸心方向駆動手段(34)とを備え、前記C軸の回転角度に同期させてX軸の駆動を制御し、被加工材(1) の外面を切削加工する自由曲線部材のサイクル加工装置において、
予め被加工材(1) の基準軌跡データに基づいて、C軸の所定回転角度毎の各ブロックに対応して、被加工材(1) の基準軌跡(15)に漸次接近させるアプローチサイクルでのX軸位置指令値を演算すると共に、切削加工サイクルでのX軸位置指令値を演算する位置指令値演算部(101) と、
この演算されたX軸位置指令値を前記各ブロックに対応して記憶する位置指令値記憶部(102) と、
実加工作業時に、C軸の回転角度に同期して前記記憶されたX軸位置指令値を出力する位置指令出力部(103) と、
このX軸位置指令値、及びX軸位置センサ(76)からの検出値に基づいてX軸位置偏差値を演算するX軸位置偏差演算部(110) と、
この演算されたX軸位置偏差値に基づいて、C軸回転に同期した位置偏差値を零に収束させるように、X軸に関して被加工材のアプローチサイクルを繰り返し移動する際に、X軸の位置偏差値の補正指令値を前回のサイクルでの同じ処理周期時間における補正指令値及び位置偏差値の大きさに基づいて演算するとともに、この演算された補正指令値を対応する処理周期時間毎に記憶し、かつC軸の回転に同期してこの記憶したX軸位置偏差値の補正指令値を出力するX軸学習制御部(111) と、
X軸学習制御部(111) からの前記補正指令値、及びX軸位置偏差演算部(110)からのX軸位置偏差値を加算し、この加算値を前記外面加工駆動手段(78)に速度指令として出力するX軸加算部(112) とを備えたことを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 前記位置指令値演算部 (101) は、前記アプローチサイクルおよび前記切削加工サイクルでのX軸の位置指令値に加えて、切削完了後の逃げサイクルで被加工材 (1) から漸次逃がす方向にX軸を移動させる位置指令値を演算することを特徴とする請求項5に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部(101) が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具(4) 又は前記工具(5) を螺旋状の軌跡を描いて被加工材(1) の基準軌跡(15)に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記U軸及び/又はX軸の位置指令値を演算することを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記位置指令値演算部(101) が、前記アプローチサイクルあるいは逃げサイクルで、前記工具(4) 又は前記工具(5) を被加工材(1) の軸心方向に直交する平面で渦巻き状の軌跡を描いて被加工材(1) の基準軌跡(15)に対して漸次接近させる、あるいは、逃がすように、前記U軸及び/又はX軸の位置指令値を演算することを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 請求項1、2、3又は4に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記内面加工駆動手段(98)がリニアモータを備え、このリニアモータによって前記ボーリングバー(93)を直線駆動することを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。 - 請求項1に記載の自由曲線部材のサイクル加工装置において、
前記アプローチサイクルで学習によってX軸及びU軸の位置偏差値を零に収束させるときの前記Z軸位置範囲が、前記支持装置が位置する範囲であることを特徴とする自由曲線部材のサイクル加工装置。
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