JP4238709B2 - 数値制御工作機械における制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、エアーの圧力でフローティングする非接触流体軸受を用いた主軸を有する工作機械において、工作機械が置かれる環境温度に基づき、主軸回転指令値と切削送り速度を制御する工作機械制御方法に関する。

高速回転する工作機械の主軸は発熱が大きく、焼き付き故障する危険がある。これを防止する方法として、軸受近傍の温度を温度センサにより監視し、この測定値が予め設定した値を越えた場合には主軸回転を停止させ、焼き付きを防止する制御方法が知られている。また、転がり軸受を用いた主軸装置において、潤滑油の供給不足を検出して焼き付き故障を防止する主軸装置が公開されている（特許文献１参照。）。

しかし、発熱がさほど大きくなく、潤滑油を必要としない静圧空気軸受においては、上記のような方法では主軸の焼き付き故障を防止する手だてにはならない。また、静圧空気軸受は主軸をフローティングしているギャップ隙間が変わると主軸支持剛性が変化し、それにより許容できる主軸最高回転数も制限されてしまう。そのため、主軸周囲環境温度の影響で隙間に変化が生じる静圧空気軸受を主軸に用いる場合は、ある限られた周囲環境温度範囲で使用する上では十分な回転数能力を発揮させる事ができるが、周囲環境温度が大きく変化してしまうような場所で使用すると、軸受異常でなくても高温又は低温で不安定現象を起こしてしまう。
特開２００２−１２６９１０号公報

本発明は静圧空気軸受を用いた主軸において、周囲温度が大きく変化する環境での使用においても、主軸が焼き付き故障を起こす事を防止するとともに、加工能率の低下を最小限にする数値制御工作機械における制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１による本発明は、カバー内部に位置する主軸頭に静圧空気軸受により支持された主軸と、上記カバー内部の、工作機械が設置された環境温度を測定するための環境温度センサとを備えた数値制御工作機械において、上記環境温度およびこれに対応する主軸許容最高回転数を所定温度範囲にわたって設定しておいて、上記環境温度センサによって、現在の環境温度を測定し、設定した主軸許容最高回転数の中から、測定した環境温度に対応する現在の主軸許容最高回転数を抽出し、抽出した主軸許容最高回転数に基づいて主軸の回転数を制御する制御方法である。

請求項２による発明は、工作機械が設置されている場所の室温などが変化する事により基準温度が変わった場合において、主軸が指令回転数で回転しているときに、指令回転数および抽出した主軸許容最高回転数とを比較し、前者の回転数が後者の回転数を超えるときに、主軸の回転数を、抽出した主軸許容最高回転数まで低下させることにより、主軸が損傷してしまう事を防止する事を特徴とする制御方法である。

請求項３による発明は、請求項２において、主軸の回転数を低下させることに代えて、主軸の回転そのものを停止させることを特徴とする制御方法である。

請求項４による発明は、停止している主軸を回転させるに際し、主軸の回転数を指令する指令回転数および抽出した主軸許容最高回転数とを比較し、前者の回転数が後者の回転数を超えるときに、主軸を、抽出した主軸許容最高回転数と等しい回転数で回転させるように起動させる制御方法である。

請求項５による発明は、請求項４において、主軸を指令回転数よりも小さい回転数に置き換えて回転させるように起動させることに代えて、停止中の主軸を、起動させないようにし、指令回転数が正しくないとして回転指令を受け付けないようにすることで、誤った指令が実行される事で主軸が損傷してしまう事を防止する事を特徴とする制御方法である。

請求項６による発明は、プログラム上で指定された指令回転数に対し、それよりも小さい回転数で主軸を回転させる場合、指令回転数に対応して設定される主軸の送り量を、主軸に取付られた工具１刃当たりの設定送り量を変更させないために抽出した主軸許容最高回転数に対応するように変更することにより、加工される工作物の面粗さや品位を保つとともに、加工むらを起こさせないようにすることを特徴とする制御方法である。

請求項７による発明は、環境温度が変化しても主軸の回転を続けさせる場合において、主軸許容最高回転数を上昇させる方向に温度が変化するときに、変化する温度が設定値を超えるまでは、主軸の回転数を現在の回転数に保持することにより、環境温度が微小変動してもそれにつられて主軸回転が頻繁に変化しないようにさせることで、主軸回転がばたつかないようにして加工の安定化を図ることを特徴とする制御方法である。

本発明の制御方法によれば、環境温度の変化によって剛性特性が変わり主軸最高回転数の限界値が変化するような静圧空気軸受を用いた主軸において、使用中の主軸焼き付き故障を防止するとともに、主軸回転を停止させることなく加工を継続させることができるため、加工能率の低下を最小限にすることができる。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるシステム全体図である。

数値制御工作機械1は、カバー内部に位置する主軸頭2に静圧空気軸受4により回転自在に支持された主軸3を備えている。主軸3の先端部には工具5が取り付けられている。ＮＣ装置10により主軸3の回転及び、主軸頭2やテーブル7を制御することで、テーブル7上のワーク6を加工する。軸受4の近傍位置には軸受近傍の温度を計測する軸受温度センサ8が取り付けられるとともに、工作機械１には工作機械が設置される環境温度を測定するための環境温度センサ9が取り付けられている。両センサ8、9は、ともに演算器11に接続されている。演算器11は、外部からの入力部12とＮＣ装置10に接続されかつ演算結果に基づきＮＣ装置10に指令を与える。この入力部12はＮＣ装置10に備えられていてもよい。

図２は、環境温度と主軸許容最高回転数の関係を表すグラフであり、これは、あらかじめ測定された結果に基づいて設定されてものである。このグラフによれば、静圧空気軸受主軸は、常温付近では良い回転特性を示すが、一方、温度が高い、あるいは低い環境下では軸受隙間が変わる事により軸受剛性が落ちることで回転特性が悪くなってしまうことが分かる。グラフに示すように、一定の範囲にわたる環境温度毎に許容最高回転数を決め、それ以上の回転数では回せないようにする事で、主軸の損傷を防止する事ができる。

ＮＣ装置10には予め加工プログラムが記録されている。加工プログラムによって、主軸3の回転数を指令する指令回転数が指令される。入力部12を通じて、演算器11には、上記した環境温度と主軸許容最高回転数の関係を表すグラフ、主軸の回転を停止させるか否かの制御値等が入力される。主軸の回転を続行させる場合、制御値は１とし、主軸の回転を停止させる場合、制御値は０とする。

図３は、回転中の主軸に対し、環境温度が変化した時の制御のフローチャートを示している。

主軸3が回転を始めると(S1)、本発明の処理フローが開始される。まず、環境温度センサ9により機械周辺の環境温度が測定される（S2）。測定された環境温度に基づいて、環境温度に相当する基準温度に対応する主軸許容最高回転数が、グラフから、現在の主軸許容最高回転数として抽出される(S3)。次に、抽出された現在の主軸許容最高回転数と、指令回転数とを比較する（S4）。そして、指令回転数が主軸許容最高回転数以下であるときは、そのままの回転が持続させられる。一方、指令回転数が主軸許容最高回転数を超えているとき、制御値が調べられる(S5)。制御値１を選択してある場合は、主軸３の回転を持続するものとし、回転数を許容最高回転数まで下げる（S6）。そして、この温度測定に基づく一連の手順は、プログラムから主軸停止指令が出されるまで繰り返す事となる(S7)。一方。制御値が０を選択している場合は、主軸の回転を停止させる(S8)。

図４は、停止中の主軸の回転を開始する際の制御のフローチャートを示している。まず、環境温度センサ9により機械周辺の基準温度が測定され（S11）、この測定された基準温度に対応する現在の主軸許容最高回転数がグラフから抽出される（Ｓ12)。ついで、指令回転数と抽出された現在の主軸許容最高回転数が比較される(S13)。指令回転数が許容最高回転数以下であるときは、指令回転数そのままの回転数での運転が開始される（S16）。一方、指令回転数が許容最高回転数を超えている場合、制御値が調べられる(S14)。制御値が１を選択している場合、指令値を許容最高回転数に置換し(S15)し、置換した指令値で主軸の運転を開始する(S16)。制御値が０を選択している場合、主軸の回転を起動させることなく、停止させたままとする(S17)。

プログラム上で指定された主軸の指定回転数に対し、これに対応する主軸の送り量が設定されている。

主軸の運転中または主軸の運転を開始する前に、主軸の回転数を指令回転数未満である許容最高回転数に設定した場合、主軸の回転数下降割合に比例してこれに相当する分だけ主軸の送り速度も同時に低下させる。

主軸の回転数を低下させる場合は、図５に示すように、時刻t1において軸受近傍の温度が基準温度よりも高いと判断してから予め設定した回転低下率-dn/dtで徐々に回転数を下げると同時に、主軸回転数の低下に比例して工具送り速度を下げることで、回転数と切削送り速度の急激な変化を避けることができ、加工面に段差が生じないようにできる。以上のような制御を行うことで、主軸が焼き付くことなく回転し、かつ、工具１刃当たりの送り量が変わらないため、工具負荷が変わらず工具折損の問題が生じずに安定した加工を続けることが可能となる。

図６は、基準温度が変化しても主軸の回転を続けさせる場合において、許容主軸回転数が下がる時の温度変化に対し、そこから温度が戻って主軸回転数を上げることができるようになる場合には、温度にある範囲のヒステリシスを持たせることで、環境温度が微小変動してもそれにつられて主軸回転が頻繁に変化しないようにさせる制御を説明する図である。図６では、例として温度が上がって許容主軸回転数が低下した状態から、再び温度が下がって許容主軸回転数が上がる場合を示している。

図６において、P1が現在の主軸回転数である。この状態で環境温度が上がっていくと、ある環境温度にてP2の状態となり、主軸回転数は許容回転数限界になる。さらに環境温度が上がると、許容回転数は下がるため、主軸回転数もP3のように下がっていく。その状態から環境温度が下がり、許容回転数が上がる場合に、単純にP2の回転数状態にもっていくのでなく、ある範囲のヒステリシスを持たせ、P4まで回転数を維持させる。そして、それ以上環境温度が下がった時に、P5の回転数まで上げる事とする。

本発明の工作機械制御方法に係るシステムの構成を示す説明図である。 環境温度毎に設けられた主軸許容最高回転数を示す図である。 回転中の主軸の制御方法を示すフローチャート図である。 停止中の主軸の制御方法を示すフローチャート図である。 主軸の回転を下げる時の時間割合を示す図である。 環境温度が上下した時の主軸回転数の追従性にヒステリシスを持たせた概念図である。

符号の説明

１・・・工作機械
２・・・主軸頭
３・・・主軸
４・・・軸受
５・・・工具
６・・・ワーク
７・・・テーブル
８・・・軸受温度センサ
９・・・環境温度センサ
１０・・・ＮＣ装置
１１・・・演算器
１２・・・入力部

Claims (7)

1. カバー内部に位置する主軸頭に静圧空気軸受により支持された主軸と、上記カバー内部の、工作機械が設置された環境温度を測定するための環境温度センサとを備えた数値制御工作機械において、上記環境温度およびこれに対応する主軸許容最高回転数を所定温度範囲にわたって設定しておいて、上記環境温度センサによって、現在の環境温度を測定し、設定した主軸許容最高回転数の中から、測定した環境温度に対応する現在の主軸許容最高回転数を抽出し、抽出した主軸許容最高回転数に基づいて主軸の回転数を制御する制御方法。
2. 主軸が指令回転数で回転しているときに、指令回転数および抽出した主軸許容最高回転数とを比較し、前者の回転数が後者の回転数を超えるときに、主軸の回転数を、抽出した主軸許容最高回転数まで低下させる請求項１に記載の制御方法。
3. 主軸が指令回転数で回転しているときに、指令回転数および抽出した主軸許容最高回転数とを比較し、前者の回転数が後者の回転数を超えるときに、主軸の回転を停止させる請求項１に記載の制御方法。
4. 主軸の回転が停止させられているときに、主軸の回転数を指令する指令回転数および抽出した主軸許容最高回転数とを比較し、前者の回転数が後者の回転数を超えるときに、主軸を、抽出した主軸許容最高回転数と等しい回転数で回転させるように起動させる請求項１〜３のいずれか１つに記載の制御方法。
5. 主軸の回転が停止させられているときに、主軸の回転数を指令する指令回転数および抽出した主軸許容最高回転数とを比較し、前者の回転数が後者の回転数を超えるときに、主軸を、起動させない請求項１〜３のいずれか１つに記載の制御方法。
6. 請求項２または４に記載の制御方法において、指令回転数に対応して設定される主軸の送り量を、主軸に取付られた工具１刃当たりの設定送り量を変更させないために抽出した主軸許容最高回転数に対応するように変更する制御方法。
7. 主軸許容最高回転数を上昇させる方向に温度が変化するときに、変化する温度が設定値を超えるまでは、主軸の回転数を現在の回転数に保持する請求項１に記載の制御方法。

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