JP4157246B2

JP4157246B2 - 加工装置

Info

Publication number: JP4157246B2
Application number: JP2000067021A
Authority: JP
Inventors: 友也加藤; 寿宏米津
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2001259965A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工装置に関する。特に、主軸に保持された工作物を、それぞれ独立して移動する複数の加工手段によって加工する加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
主軸に工作物を保持し、工具を保持する工具台を主軸の回転に同期して移動（前進あるいは後進移動等）させることによって工作物の輪郭を加工する加工装置として、カム研削盤、クランクピン研削盤等が知られている。
クランクピン研削盤の研削動作を図５に示す。クランクシャフトは、ジャーナルが主軸Ｐに取り付けられている。これにより、主軸Ｐの回転によって、ジャーナルを中心にクランクシャフトのクランクピンが主軸Ｐの回りに円軌跡Ｃに沿って回転する（図５では、矢印ｅで示す反時計回転方向）。また、砥石は砥石台に保持されている。砥石台を移動させることによって、砥石を図５に示す矢印ｆ方向（図５の左右方向）に前進移動あるいは後退移動（進退移動）させることによって、砥石１４によりクランクピンの外周面を研削して輪郭を加工する。
【０００３】
ここで、クランクピンの図５に示す矢印ｆ方向の進退移動量は、主軸Ｐの回転位相角に応じて変化する。例えば、クランクピンが、主軸Ｐの回転位相角が０度の位置（図５のＡに示す位置）から、主軸Ｐが角度θだけ回転した回転位相角がθ度の位置（図５のａに示す位置）まで回転する間では、クランクピンの矢印ｆ方向の進退移動量はＸ１である。なお、本明細書では、主軸Ｐの中心とクランクピンの中心とを結ぶ線が砥石の移動方向（矢印ｆ方向）と平行な位置で、砥石に近い側の位置を回転位相角が０度の位置、砥石から遠い側の位置を回転位相角が１８０度の位置という。一方、クランクピンが、主軸Ｐの回転位相角が９０度の位置（図５のＢに示す位置）から、主軸Ｐが角度θだけ回転した回転位相角が（９０＋θ）度の位置（図５のｂに示す位置）まで回転する間では、クランクピンの矢印ｆ方向の進退移動量はＸ２である。
このため、砥石によってクランクピンを確実に研削するためには、砥石、従って砥石を保持している砥石台の進退移動量をクランクピンの回転位置に応じて制御する必要がある。通常は、主軸Ｐの回転位相角に同期させて砥石台の進退移動量を制御している。例えば図５に示すように、主軸Ｐの回転位相角が０度の時には砥石を１４で示す位置に移動させ（砥石とクランクピンとの接触点はＡ１）、回転位相角がθ度の時には砥石を１４’の位置に移動させ（砥石とクランクピンとの接触点はａ１）、回転位相角が９０度の時には１５で示す位置に移動させ（砥石とクランクピンとの接触点はＢ１）、回転位相角が（９０＋θ）度の時には１５’で示す位置に移動させる（砥石とクランクピンとの接触点はｂ１）。
また、加工開始時、加工終了時、主軸の回転速度変更時等において主軸Ｐの回転速度を変更する場合には、研削精度を低下させることなく、短時間で研削を行えるようにするために、回転速度変更（加減速制御）を開始する位置を考慮している。例えば、主軸Ｐの回転位相角が０度あるいは１８０度の位置で加減速制御を開始するようにしている。主軸Ｐの回転位相角が０度あるいは１８０度の付近では、砥石台の進退移動量が小さいため、主軸Ｐの加速度を大きく設定することができる。これにより、研削時間を短くすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の砥石によって異なる回転位置にあるクランクピンを同時に研削する双頭型クランクピン研削盤（ツインヘッドクランクピン研削盤）においては、複数のクランクピンが、同時に主軸の回転位相角が０度あるいは１８０度の位置、すなわち同時に進退移動量が最も小さい回転位置にあるとは限らない。例えば、図５に示すように、クランクピンＡとクランクピンＢの位置が主軸Ｐに対して回転位相角で９０度離れている場合には、一方のクランクピンＡが回転位相角０度の位置にあっても、他のクランクピンＢは回転位相角が９０度の位置にある。複数のクランクピンが回転位相角で９０度離れている場合に、各砥石（砥石台）の位置が主軸の回転位相角に応じてどのように変化するかを図６（ａ）に示す。
このような場合には、一方のクランクピンＡが回転位相角０度あるいは１８０度の位置にある時に主軸Ｐの回転速度を変更すると、他方のクランクピンＢを研削する砥石は、主軸Ｐの回転速度変更直後から高速での進退移動が必要となる。例えば、図６（ｃ）に示すように、主軸Ｐの回転速度を主軸の回転位相が０度の位置で開始する場合、回転位相が０度の位置にあるクランクピンを研削している第２砥石（第２砥石台）の進退移動量は少なくてよいが、回転位相が９０度の位置にあるクランクピンを研削している第１砥石（第１砥石台）の進退移動量は多くする必要がある。すなわち、主軸の回転変更開始直後における、第２砥石台の加速度は小さくてよいが、第１砥石台の加速度は大きくする必要がある（図６のＱ参照）。この時、第１砥石台の最大加速度を越えた加減速指令が出力されると、第１砥石台によるクランクピンに対する同期精度が悪化し、研削精度が悪化する。また、第１砥石台の目標進退位置と検出進退位置との位置偏差が過大となって閾値を越えると、異常と判断し、停止してしまう。
このような問題点を防止する方法としては、移動能力（最大加速度）の高い砥石台を使用することが考えられる。しかしながら、この方法は、加工装置全体の価格が高くなる。また、位置偏差過大による異常停止を防止する方法としては、閾値を大きくする方法が考えられる。しかしながら、この方法は、研削精度が悪化する。
このため、従来は、主軸の目標回転速度あるいは加速度を低く設定し、砥石台の主軸に対する同期精度を確保している。しかしながら、この方法は、主軸の回転速度あるいは加速度を低く設定するため、研削時間が長くなる。
そこで、本発明は、安価に、加工精度を低下させることなく、短時間に加工を行うことができる加工装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの加工装置である。
請求項１に記載の加工装置では、主軸の回転速度を変更する場合には、２つの砥石台が各々の移動能力の範囲内で移動できるように主軸の加速度が制御される。これにより、主軸の加速度を最適な加速度に設定することができるため、安価に、加工精度を低下させることなく、短時間でクランクシャフトのクランクピンの加工を行うことができる。
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの加工装置である。
請求項２に記載の加工装置を用いれば、砥石台の最大加速度の範囲内で砥石台を加減速できるように主軸の加速度を制御するため、主軸の加速度をより最適に制御することができる。
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの各装置である。
請求項３に記載の加工装置では、主軸の最大加速度で主軸が目標回転速度に到達するまでの時間と、各砥石台の最大加速度で各砥石台が主軸の目標回転速度に対応する目標移動速度に到達するまでの時間の中で最も長い時間を選択し、選択した最も長い時間と主軸の目標回転数とに基づいて主軸の加速度を算出する。これにより、主軸の最適な加速度を容易に算出することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の加工装置を、双頭型クランクピン研削盤（ツインヘッドクランクピン研削盤）として構成したものである。
図１に示す双頭型クランクピン研削盤は、ベッド１上に第１テーブル６及び第２テーブル７が設けられている。第１テーブル６は、ベッド１に設けられた案内レール２上に送りねじ３によりＺ軸方向（図１で左右方向）に移動自在に設けられている。第２テーブル７は、案内テーブル２上に送りねじ４によりＺ軸方向に移動自在に設けられている。また、第１テーブル６には、第１砥石１４を回転可能に保持する第１砥石台８が、送りねじ１２によりＺ軸方向と直交するＸ軸方向（図１では上下方向）に移動自在に設けられている。第２テーブル７には、第２砥石１５を回転可能に保持する第２砥石台９が、送りねじ１３によりＸ軸方向に移動自在に設けられている。
また、ベッド１上には、工作物であるクランクシャフトＷを支持する、心押し台１７及び主軸台１８が設けられている。主軸台１８には、工作物であるクランクシャフトＷの軸端をチャック等によって支持する主軸を回転駆動するための、エンコーダ１８Ｅ付きの主軸サーボモータ１８Ｍが設けられている。一方、心押し台１７は、そのセンターによりクランクシャフトＷの軸端を支持するように構成されている。クランクシャフトＷは、クランクピンＣＰ（イ）〜ＣＰ（ニ）を有している。
【０００７】
第１テーブル６をＺ軸方向に移動させるための送りねじ３の端部には、エンコーダ７０付きの第１Ｚ軸サーボモータ６０が設けられている。第２テーブル７をＺ軸方向に移動させるための送りねじ４の端部には、エンコーダ７２付きの第２Ｚ軸サーボモータ６８が設けられている。また、第１砥石台８をＸ軸方向に移動させるための送りねじ１２の端部には、エンコーダ５０付きの第１Ｘ軸サーボモータ４４が設けられている。第２砥石台９をＸ軸方向に移動させるための送りねじ１３の端部には、エンコーダ５２付きの第２Ｘ軸サーボモータ４８が設けられている。
第１砥石台８、第２砥石台９には、それそれ第１砥石１４、第２砥石１５が回転可能に保持されている。第１砥石台８、第２砥石台９には、それぞれ第１砥石１４、第２砥石１５駆動用の駆動モータが内蔵されている。
【０００８】
次に、図１に示した双頭型クランクピン研削盤の制御装置のブロック図を図２に示す。
制御装置は、数値制御装置７８を備えている。数値制御装置７８は、第１砥石制御用ＣＰＵ８０、第２砥石制御用ＣＰＵ９０、ＲＯＭ１０９、ＲＡＭ１１１等を有している。これらの装置は、バス８８を介して相互に接続可能に構成されている。
また、バス８８には、インターフェース１０１を介して、ＣＲＴ等の表示手段１０３やテンキー等の入力手段１０５等を有する入出力装置１０７が接続されている。
ＲＯＭ１０９には、システム制御プログラム等が記憶される。ＲＡＭ１１１には、クランクピンＣＰ（イ）〜クランクピンＣＰ（ニ）の加工プログラム、主軸の目標回転速度等が記憶される。
【０００９】
第１砥石制御用ＣＰＵ８０には、インターフェース８２を介して、第１Ｘ軸サーボモータ用制御回路８４、第１Ｚ軸サーボモータ用制御回路８６が接続されている。
第１Ｘ軸サーボモータ用制御回路８４には、第１Ｘ軸サーボモータ４４が接続されている。第１Ｘ軸サーボモータ４４に設けられているエンコーダ５０は、第１Ｘ軸サーボモータ用制御回路８４に接続されている。これにより、第１砥石台８のＸ軸方向の位置制御系が構成されている。
第１Ｚ軸サーボモータ用制御回路８６には、第１Ｚ軸サーボモータ６０が接続されている。第１Ｚ軸サーボモータ６０に設けられているエンコーダ７０は、第１Ｚ軸サーボモータ用制御回路８６に接続されている。これにより、第１砥石台８のＺ軸方向の位置制御系が構成されている。
また、第２砥石制御用ＣＰＵ９０には、インターフェース９２を介して第２Ｘ軸サーボモータ用制御回路９４、第２Ｚ軸サーボモータ用制御回路９６、主軸サーボモータ用制御回路９８が接続されている。
第２Ｘ軸サーボモータ用制御回路９４には、第２Ｘ軸サーボモータ４８が接続されている。第２Ｘ軸サーボモータ４８に設けられているエンコーダ５２は、第２Ｘ軸サーボモータ用制御回路９４に接続されている。これにより、第２砥石台のＸ軸方向の位置制御系が構成されている。
第２Ｚ軸サーボモータ用制御回路９６には、第２Ｚ軸サーボモータ６８が接続されている。第２Ｚ軸サーボモータ６８に設けられているエンコーダ７２は、第２Ｚ軸サーボモータ用制御回路９６に接続されている。これにより、第２砥石台９のＺ軸方向の位置制御系が構成されている。
主軸サーボモータ用制御回路９８には、主軸サーボモータ１８Ｍが接続されている。主軸サーボモータ１８Ｍに設けられているエンコーダ１８Ｅは、主軸サーボモータ用制御回路９８に接続されている。これにより、主軸サーボモータの回転速度制御系が構成されている。
【００１０】
次に、本実施の形態の双頭型クランクピン研削装置の動作を説明する。
先ず、主軸の加速度を算出する方法を、図３に示すフローチャート図に基づいて説明する。
主軸の回転開始時、回転停止時、回転速度変更時等の主軸の回転速度、すなわち主軸サーボモータ１８Ｍの回転速度を変更する場合には、まず、ステップＳ１で、主軸の最大能力で主軸が目標回転速度に到達するまでの時間Ｔ０を算出する。例えば、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の最大能力（最大加速度αｋ）、主軸の現在の回転速度Ｋ１及び目標回転速度Ｋ２に基づいて、主軸の回転速度が目標回転速度Ｋ２に到達するまでの時間Ｔ０（Ｔ０＝｜[Ｋ２−Ｋ１]／αｍ｜）を算出する。
【００１１】
次に、ステップＳ２で、第１砥石１４（第１砥石台８）が目標進退速度（目標移動速度）に到達するまでの時間Ｔ１を算出する。
例えば、まず、主軸の回転速度変更開始時点における、第１砥石１４により研削されるクランクピンの位置を判別する。例えば、回転位相角が０度の位置で主軸の回転速度の変更を開始する場合、第１砥石１４により研削されるクランクピンＣＰ（イ）は、主軸の回転速度変更開始時点では回転位相角が９０度の位置にあることを判別する。そして、主軸の回転速度変更開始時点における第１砥石１４により研削されるクランクピンＣＰ（イ）の位置（この場合９０度）、そのクランクピンＣＰ（イ）の加工形状及び主軸の目標回転速度Ｋ２に基づいて、主軸が目標回転速度Ｋ２で回転する場合の、主軸の回転速度変更開始時点における第１砥石１４（第１砥石台８）の目標移動速度Ｍ２を算出する。そして、第１砥石１４（第１砥石台８）の最大能力（最大加速度αｍ）、第１砥石１４（第１砥石台８）の現在の移動速度Ｍ１及び目標移動速度Ｍ２に基づいて、第１砥石１４（第１砥石台８）が目標移動速度Ｍ２に到達するまでの時間Ｔ１（｜Ｔ１＝[Ｍ２−Ｍ１]／αｍ｜）を算出する。
【００１２】
次に、ステップＳ３で、第２砥石１５（第２砥石台９）が目標進退速度（目標移動速度）に到達するまでの時間Ｔ２を算出する。例えば、ステップＳ２と同様に、まず第２砥石１５により研削されるクランクピンＣＰ（ハ）は、主軸の回転速度変更開始時点では回転位相角が０度の位置にあることを判別する。そして、主軸の回転速度変更開始時点における第２砥石１５により研削されるクランクピンＣＰ（ハ）の位置（この場合０度）、そのクランクピンＣＰ（ハ）の加工形状及び主軸の目標回転速度Ｋ２に基づいて、主軸が目標回転速度Ｋ２で回転する場合の、主軸の回転速度変更開始時点における第２砥石１５（第２砥石台９）の目標移動速度Ｎ２を算出する。そして、第２砥石１５（第２砥石台９）の最大能力（最大加速度αｎ）、第２砥石１５（第２砥石台９）の現在の移動速度Ｎ１及び目標移動速度Ｎ２に基づいて、第２砥石１５（第２砥石台９）が目標移動速度Ｎ２に到達するまでの時間Ｔ２（Ｔ２＝｜[Ｎ２−Ｎ１]／αｎ｜）を算出する。
【００１３】
次に、ステップＳ４で、時間Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２の中から一番長い時間を選択し、時間ｔｍａｘとする。
次に、ステップＳ５で、主軸の目標回転速度Ｋ２、現在の回転速度Ｋ１及び時間ｔｍａｘに基づいて、主軸の加速度αａ（αａ＝[Ｋ２−Ｋ１]／ｔｍａｘ）を算出する。αａの符号によってαａが加速度であるか減速度であるかが判別される。
【００１４】
以上のような、主軸の加速度を算出する方法を用いて、図１に示す双頭型クランクピン研削盤によりクランクシャフトを研削する動作の一例を、図４に示すフローチャート図に基づいて説明する。
加工物の加工が指示されると（例えば、入出力装置１０７のテンキー１０５の加工開始キーが操作されると）、まず、ステップＰ１では、第１砥石１４（第１砥石台８）及び第２砥石１５（第２砥石台）を研削開始位置まで、早送り前進させる。この時、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）は適宜の回転速度で回転している。
次に、ステップＰ２では、図３に示した方法を用いて、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の回転速度を現在の回転速度から粗研削時の目標回転速度に変更する場合における、回転速度変更開始時点（回転速度の変更を開始する回転位相角）からの主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の加速度を算出する。
そして、ステップＰ３では、クランクピンＣＰ（イ）〜ＣＰ（ニ）の粗研削プロフィールデータを作成し、粗研削プロフィールデータに基づいて第１砥石台８及び第２砥石台９を主軸の回転位相角に同期して進退移動させる粗研削同期制御を実行する。この時、ステップＰ２で算出した主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の加速度により、回転速度変更開始時点から主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の回転速度を粗研削時の目標回転速度に変更する。
【００１５】
次に、ステップＰ４では、図３に示した方法を用いて、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の回転速度を粗研削時の目標回転速度から精研削時の目標回転速度に変更する場合における、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の加速度を算出する。
そして、ステップＰ５では、クランクピンＣＰ（イ）〜ＣＰ（ニ）の精研削プロフィールデータを作成し、精研削プロフィールデータに基づいて第１砥石台８及び第２砥石台９を主軸の回転位相角に同期して進退移動させる精研削同期制御を実行する。この時、ステップＰ４で算出した主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の加速度により、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の回転速度を精研削時の目標回転速度に変更する。
【００１６】
次に、ステップＰ６では、図３に示した方法を用いて、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の回転速度を精研削時の目標回転速度から微研削時の目標回転速度に変更する場合における、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の加速度を算出する。
そして、ステップＰ７では、クランクピンＣＰ（イ）〜ＣＰ（ニ）の微研削プロフィールデータを作成し、微研削プロフィールに基づいて第１砥石台８及び第２砥石台９を主軸の回転位相角に同期して進退移動させる微研削同期制御を実行する。この時、ステップＰ６で算出した主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の加速度により、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の回転速度を微研削時の目標回転速度に変更する。
【００１７】
次に、ステップＰ８では、スパークアウト（仕上げ加工）同期制御を行実行する。
次に、ステップＰ９では、第１砥石１４（第１砥石台８）及び第２砥石１５（第２砥石台）を待機位置まで、早送り後退させる。
【００１８】
以上のように、本発明では、主軸（主軸サーボモータ１８Ｍ）の回転速度を変更する場合には、砥石（砥石台）の移動能力の範囲内で主軸に同期して進退移動できる最適な加速度で主軸の回転を制御する。この場合には、図６の（ｂ）にＲで示すように、砥石台の加減速指令がが砥石台の最大加速度を越えることがない。このため、加工精度を低下させることなく、短時間に加工を行うことができる。
【００１９】
なお、以上の実施の形態では、クランクシャフトのクランクピンを２つの砥石で研削する研削盤について説明したが、砥石の数は２つに限定されず種々変更可能である。
また、砥石によって工作物を研削する研削盤について説明したが、本発明は、研削盤に限定されず、独立して移動可能な複数の加工手段によって工作物を加工する加工装置に適用することができる。
また、加工手段の移動能力を加工手段の最大加速度により判別したが、加工手段の移動能力は最大加速度に限定されず、種々のパラメータによって判別することができる。
また、主軸の加速度の算出方法は、前記した実施例に限定されず、加工手段の移動能力の範囲内で加工手段が加工状態を維持しながら主軸の回転に同期して移動することができれば、種々の方法で算出することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の加工装置を用いれば、主軸の加速度を最適に制御することができるため、加工精度を低下させることなく、短時間でクランクシャフトのクランクピンの加工を行うことができる。
また、請求項２に記載の加工装置を用いれば、主軸の加速度をより最適に制御することができる。
また、請求項３に記載の加工装置を用いれば、主軸の最適な加速度を容易に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】双頭型クランクピン研削盤の概略構成図である。
【図２】図１に示した双頭型クランクピン研削盤の制御装置のブロック図である。
【図３】主軸の加速度を算出する方法の一実施の形態を説明するためのフローチャート図である。
【図４】研削加工法の一実施の形態を説明するためのフローチャート図である。
【図５】双頭型クランクピン研削盤の加工動作を説明するための図である。
【図６】双頭型クランクピン加工装置における主軸位相角に対する砥石台位置の関係、主軸の回転速度を変更した時の時間に対する砥石台速度との関係を示す図である。
【符号の説明】
６、７テーブル
８、９砥石台
１４、１５砥石
１８主軸台
１８Ｍ、４４、４８、６０、６８サーボモータ
７８数値制御装置
８０、９０制御用ＣＰＵ
８４、８６、９４、９６サーボモータ用制御回路

Claims

クランクピンを有するクランクシャフトをそのジャーナル部を中心として回転させる主軸と、前記主軸の回転に同期して移動可能であり前記クランクシャフトの回転により前記主軸の回りの円軌跡に沿って異なる回転位相で移動する２箇所のクランクピンをそれぞれ独立して同時に研削加工可能な２つの砥石台と、前記主軸の回転を制御するとともに、前記２つの砥石台の移動を前記主軸の回転に同期して制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記主軸の回転開始時、回転停止時、および前記主軸の回転速度を各工程間で変更する回転速度変更時に、前記２つの砥石台がそれぞれの移動能力の範囲内で移動できるように前記主軸の加速度を制御する加工装置。
請求項１に記載の加工装置であって、前記制御手段は、前記２つの砥石台がそれぞれの最大加速度を越えない加速度で移動できるように前記主軸の加速度を制御する加工装置。
請求項２に記載の加工装置であって、前記制御手段は、主軸の最大加速度で前記主軸が目標回転速度に到達するまでの時間と、各砥石台の最大加速度で各砥石台が前記主軸の目標回転速度に対応する目標移動速度に到達するまでの時間の中で最も長い時間を選択し、選択した最も長い時間と前記主軸の目標回転速度とに基づいて算出した加速度で前記主軸の回転を制御する加工装置。