JP4809488B1 - 任意区間で速度変更が可能な揺動動作機能を有する数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】境界点の折り返し時に加減速の溜まりを発生させず、境界点の精度向上が実現でき、揺動制御に合った任意区間の速度変更が可能な、精度を保持しながら、加工サイクルタイムの短縮が可能な任意区間で速度変更が可能な揺動動作機能を有する数値制御装置を提供すること。
【解決手段】揺動動作指令コードを解析し、上死点位置をＺ_U、下死点位置をＺ_L、揺動動作の基準速度をＦ_Bに設定し、現在位置を取得し、Ｚ_oldをＺに代入する（ＳＡ１００〜ＳＡ１０２）。現在位相を算出し、現在速度を算出し、位置を更新する（ＳＡ１０３〜ＳＡ１０５）。終了指令か否か判断し、終了の場合には処理を終了し、終了指令でない場合には、データ変更か否か判断し、変更する場合にはステップＳＡ１０１へ移行し、変更しない場合にはステップＳＡ１０２へ移行する。
【選択図】図７

Description

本発明は研削盤等における研削工具の揺動動作を制御する機能を有する数値制御装置に関する。

機械工具等を研削する研削盤等では、例えば、Ｚ軸を上下させながら、それに伴ってＸ，Ｙ軸を移動させて、ワークの側面を研削していく揺動動作が行われる。

特許文献１には、輪郭制御を行うための２軸以上の制御軸を制御し輪郭制御を行う数値制御装置において、前記２軸以上の制御軸を同時制御してチョッピング動作させると同時に輪郭制御する移動データを生成するチョッピング移動データ生成手段を、備えた数値制御装置の技術が開示されている。

特許文献２には、研削工具のチョッピング動作を制御するチョッピング制御方式において、指令された上死点と下死点とからチョッピング距離を演算するチョッピング距離演算手段と、チョッピング速度と対応するチョッピング補正値を格納した補正テーブルと、前記チョッピング距離と前記チョッピング補正値を加算してチョッピング距離指令値を計算する加算器と、を有する数値制御装置の技術が開示されている。

特許文献３には、切削加工においてＮＣ工作機械に予め設定した領域に対して工具の切り込み量と送り速度を変化させることにより、特定の領域のみ加工を行うことで加工時間を短縮する技術が開示されている。また、特許文献４には、設定した領域に対して送り速度・主軸回転数の比率を変化させる技術が開示されている。また、特許文献５には、パンチプレス機において、パンチ工具の経路を細区分化することで、同一の位置でも別の位置として扱い、区間ごとに速度変更を行なえるパンチ動作制御装置が開示されている。

特許第４２９３１３２号公報 特開平４−８４７３号公報 特許第３８０８１２５号公報 特許第３８５６９１７号公報 特許第２７４６１８２号公報

特許文献１や特許文献２に開示される揺動動作における速度制御は、指定された一定の速度で移動量を出力している。このため、境界点の折り返しにおいて加減速処理が必要となり、移動量の溜まりが発生し、境界点の精度に影響を与える。
特許文献２には、加減速処理による溜まりとサーボモータの遅れを補正する技術が開示されているが、速度や加減速時の時定数の指定によっては、加減速時の移動量の溜まりが大きくなり、それに乗じて補正量も大きくなることで、補正が完了するまでに要する時間が長くなる。

また、特許文献３や特許文献４に開示される技術では、指定領域は、ビットパターンで扱われるため、移動方向の違いの判定は行われていない。揺動動作では同一の位置でも、移動方向が違えば別の位置として扱う必要があるため、特許文献３や特許文献４に開示される従来技術を揺動動作に適用することはできない。
特許文献５に開示される技術では、ワークの板厚によって、各区間の位置が変更される。しかし、そもそも、パンチ動作制御を目的としているため、揺動動作のように連続的な制御は想定されてない。さらに、経路自体の変更も想定されていないため、揺動領域のシフトされるケースも適用できない。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、境界点の折り返し時に加減速時に移動量の溜まりを発生させず境界点の精度向上が実現できる工作機械を制御する数値制御装置を提供することである。

また、他の目的は、何往復もする研削加工時間を削減するため、揺動制御に合った任意区間の速度変更を可能とし、加工サイクルタイムの短縮が可能な工作機械を制御する数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、任意の領域を往復運動する揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置において、前記揺動軸が往復運動する際の下死点および上死点の位置、前記揺動軸が往復運動する際に揺動動作の最大速度となる基準速度を指定する指定手段と、前記揺動軸の現在位置から、前記揺動軸の一往復を１周期としたときの現在の位相を算出する位相算出手段と、前記位相算出手段によって算出された現在の位相と前記基準速度に基づいて現在の位相における前記揺動軸の速度を算出する速度算出手段と、前記速度算出手段によって算出された速度に基づいて揺動軸を制御する制御手段と、を有することを特徴とする揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置である。

請求項２に係る発明は、前記揺動軸の位相の任意の区間の速度を変更する速度変更手段を有することを特徴とする請求項１に記載の揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置である。
請求項３に係る発明は、前記速度変更手段により変更した区間の前記揺動軸の速度と変更前の速度との差である速度差が最大加速度内にあるかどうかを判断する判断手段と、前記判断手段による判断の結果、前記速度差が最大加速度を超える場合、速度変更率を変更する変更手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置である。
請求項４に係る発明は、前記基準速度は、前記揺動軸が下死点から上死点に移動する間の最大速度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置である。

本発明により、境界点の折り返し時に加減速時に移動量の溜まりを発生させず境界点の精度向上が実現できる工作機械を制御する数値制御装置を提供できる。
また、何往復もする研削加工時間を削減でき、揺動制御に合った任意区間の速度変更が可能であり、加工サイクルタイムの短縮が可能な工作機械を制御する数値制御装置を提供できる。

研削盤などで用いられる揺動動作を説明するための図である。 揺動軸の位置を位相情報に基づいて管理する揺動機能を説明する図である。 加減速が正弦波形のように滑らかな速度制御ができることを説明する図である。 本発明に係る揺動動作を実行する数値制御装置のブロック図である。 従来技術に係る速度制御を説明する図である。 本発明に係る速度制御を説明する図である。 本発明に係る位相情報に基づく速度制御による揺動動作を行うアルゴリズムを示すフローチャートである。 位相情報で指定された任意区間の速度変更および角度情報を維持した状態で速度変更時のショックを低減させる手段を説明する図である。 ショックを低減できたことを説明する図である。 研削工具が切削面に接触しない区間の速度比率を上げることで、サイクルタイムを削減することを説明する図である。 揺動領域をシフトした場合においても、指定区間を変更することなく速度変更を行うことができることを説明する図である。 位相情報で指定した区間で速度比率を変更可能な揺動動作のアルゴリズムを示すフローチャートである（その１）。 位相情報で指定した区間で速度比率を変更可能な揺動動作のアルゴリズムを示すフローチャートである（その２）。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、研削盤などで用いられる揺動動作を説明するための図である。
研削軸である揺動軸１はＺ軸方向に上下し、揺動動作５として示されているように研削工具２を上下させる。研削工具２は回転方向６で示す方向に回転し、Ｘ軸方向に進み、研削面４として示されるワーク３の側面を研削する。図１では、工具２は揺動動作の１周期の中で、ワーク３から離れる期間を有するように駆動されている。

揺動動作機能を有する数値制御装置は、研削盤などの工作機械を制御し、Ｚ軸を上下させながら、それに伴ってＸ，Ｙ軸を移動させて、ワーク３の側面を研削していく揺動動作を行わせる。Ｚ軸の動きは上下方向に一定であり、上方向の揺動領域境界点である端点を上死点、下方向の揺動領域境界点の端点を下死点という。図１では、上方向の端点を上死点Ｚ_U1，Ｚ_U2、下方向の端点を下死点Ｚ_L1，Ｚ_L2で表す。図１では、シフト地点Ｚｓで揺動領域Ａ１から揺動領域Ａ２に工具２の揺動領域を変更している。この揺動領域の変更は後述するように加工プログラムによって指定することができる。

図２は、揺動軸の位置を位相情報に基づいて管理する揺動機能を説明する図である。揺動軸１（図１参照）の揺動する領域を揺動領域Ａで表し、揺動動作の下方向の揺動領域境界点である端点を下死点Ｚ_L、上方向の揺動領域境界点である端点を上死点Ｚ_Uで表す。そして、下死点Ｚ_Lの位相θ_Lを０（２π）［ｒａｄ］、上死点Ｚ_Uの位相θ_Uをπ［ｒａｄ］とする。図２の波形は揺動軸１（工具２）の揺動動作の１周期分を表している。
ここで、揺動動作における位置Ｚの位相θは、下死点Ｚ_Lから上死点Ｚ_Uへの移動時は、０<θ<πであり、上死点Ｚ_Uから下死点Ｚ_Lへの移動時は、π＜θ＜２π（０）であるため、同一の位置でも揺動軸の移動方向によって別の位置７，８として扱うことができる。なお、位置Ｚと位相θは数１式，数２式の関係式で表すことができる。

数１式，第２式を微分することにより、数５式のような正弦波を基にした速度式が求まる。ここで、揺動動作中の最大速度となる基準速度Ｆ_Bを予め設定するか、または、揺動動作と同時に指令し、揺動動作中の速度を数５式により算出することで、加減速が正弦波形（図３参照）のように滑らかに行われる速度制御が実現できる。

数４式，数５式に替えて、数６式，数７式を用い、揺動動作の基準速度Ｆ_Bの替わりに角速度ωを設定または指令することで速度を算出してもよい。

ところで、加工プログラムで指令する揺動動作指令は、下記のフォーマットで指令してもよい。
Ｇ８１．１ Ｚ Ｑ Ｆ_B ；（ ：任意の数値）
Ｇ０１ Ｘ Ｙ Ｆ ；
Ｇ８０
なお、Ｇ８１．１は揺動動作起動指令コード、Ｚは上死点（Ｚ_U）、Ｑは揺動距離（上死点（Ｚ_U）から下死点（Ｚ_L）までの距離）、Ｆ_Bは揺動動作の基準速度を意味する。また、Ｇ８０は揺動動作停止指令である。Ｇ０１は直線補間指令コードであり、ＸはＸ軸の移動量、ＹはＹ軸の移動量、ＦはＸ軸およびＹ軸の合成速度である。

図４は、本発明に係る揺動動作を実行する数値制御装置のブロック図である。数値制御装置は、上述した加工プログラムをブロック毎に読込み、解析して実行する。数値制御部２２は、後述して説明する図７や図１２−１，図１２−２に示すフローチャートの処理を実行し、本発明に係る揺動制御の動作を実行する。

次に、図５と図６を用いて、従来技術に係る速度制御と本発明に係る速度制御とを対比して説明する。ここでは、揺動区間３０．０００［ｍｍ］（上死点：３０．０００［ｍｍ］、下死点：０．０００［ｍｍ］）、１往復約０．３［ｓｅｃ］の揺動動作を補正なしで行った場合を例として説明する。
図５において、太線は実軸の移動を示し、細線は数値制御装置の数値制御部（図４参照）からサーボ制御部に出力される出力パルスの積算を示している。従来技術の速度制御の場合、図５のように、加減速（時定数０．０９［ｓｅｃ］）の遅れとサーボモータの遅れにより、約６．０３６［ｍｍ］の誤差が生じる。
一方、本発明に係る速度制御の場合、図６のように、サーボモータの遅れのみとなり、約２．２３５［ｍｍ］の誤差である。したがって、従来技術に比較して、本発明の誤差は約１／３となる。なお、太線は実軸の移動を示し、細線は出力パルスの積算を示している。

誤差が少ないと必要な補正量も減少するため、補正時に必要な時間の削減も実現可能となる。また、サーボモータの遅れのみとなるため、先行フィードフォワードや学習機能のようなサーボモータの技術を組み合わせることで、先行技術による補正なしで誤差を低減することも可能となる。

図７は、本発明に係る位相情報に基づく速度制御による揺動動作を行うアルゴリズムを示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。なお、本フローチャートでは単位時間を１［ｍｓｅｃ］として扱う。
●［ステップＳＡ１００］揺動動作指令コードを解析する。なお、揺動動作指令コードは数値制御装置が読み込んだ加工プログラムで記述されている。
●［ステップＳＡ１０１］データを設定する。つまり、上死点位置をＺ_U［ｍｍ］、下死点位置をＺ_L［ｍｍ］、揺動動作の基準速度をＦ_B［ｍｍ／ｍｉｎ］に設定する。また、単位時間当たりの基準速度ｆ_Bは、ｆ_B＝Ｆ_B＊１／６００００［ｍｍ／ｍｓｅｃ］とする。
●［ステップＳＡ１０２］現在位置Ｚを取得する。つまり、Ｚ_oldをＺに代入する。Ｚ_oldは前演算周期における位置、Ｚは現演算周期における現在位置を意味する。
●［ステップＳＡ１０３］現在位相θを数８式により算出する。

●［ステップＳＡ１０４］単位時間当たりの移動量ΔＺを、近似式ΔＺ＝ｆ_Bｓｉｎθ［ｍｍ／ｍｓｅｃ］＊１［ｍｓｅｃ］により算出する。
●［ステップＳＡ１０５］現在位置Ｚを更新する。つまり、Ｚ＋ΔＺをＺ_oldとする。
●［ステップＳＡ１０６］終了指令か否か判断し、終了の場合には処理を終了し、終了指令でない場合にはステップＳＡ１０７へ移行する。
●［ステップＳＡ１０７］データ変更か否か判断し、変更する場合にはステップＳＡ１０１へ移行し、変更しない場合にはステップＳＡ１０２へ移行する。ここで、データはＳＡ１０１で設定されるデータを意味する。

図８は、位相情報で指定された任意区間の速度変更を説明する図である。
速度変更を行う任意区間の開始位相θ_Sと終了位相θ_Eおよび変更後の揺動動作の基準速度（角速度）Ｆ_Bを、予め設定するか、または揺動動作と同時に指令する。この任意区間および変更後の揺動動作の基準速度（角速度）Ｆ_Bの組は複数あってもよい。研削軸が、指定した区間にあるかどうかを揺動動作中、常に判定を行う。指定区間にあるときは、対応する揺動動作の基準速度（角速度）を変更する。揺動動作の基準速度（角速度）が変更されることにより、同一位相において算出される速度が変わる。

また、数９式のように速度比率ｋを用いて、揺動動作の基準速度（角速度）の代わり、速度比率ｋを変更してもよい。

ただし、基準速度（角速度）または速度比率を変更すると、実際の現在の位相と時間ｔで求まる現在の位相に差異が発生する。そのため、基準速度（角速度）または速度比率変更時、時間ｔの変更も行なう必要がある。ここで、数１０式，数１１式のように、数１式での現在位置Ｚと角度θの関係を用いることで、時間（制御周期）ｔに依存せずに、現在位置Ｚにより速度を求めることができる。

一方で、基準速度または速度比率を単純に変更した場合、図８に示されるように速度差が大きいと、ショックが発生する可能性がある。そのため、加減速の処理が必要となるが、基準速度または速度比率変更の前後ともに、正弦波の速度式により現在速度を算出しているため、加減速中も角度情報を維持する必要がある。ここで、最大加速度αを超えないように加速または減速させる数１２式〜数１７式のような速度比率変更の場合のアルゴリズムを用いることで、角度情報を維持しつつ、最大加速度αを超えない速度変動が可能となり、図９に示されるようにショックを低減することができる。

・現在の速度比率ｋ_tによる正弦波速度ｆ_tを数１２式により表す。
なお、ｆ_Bは単位時間当たりの基準速度とする。

・変更後の速度比率ｋ_newによる正弦波速度ｆ_newを数１３式により表す。

｜ｆ_new−ｆ_t｜＞α かつ θ≠０，πの場合、単位時間当たりの最大加速度αに準じて変更する。今回の速度ｆを数１４式で表す。

次回の速度比率ｋ_t+1を数１５式により更新する。

一方、｜ｆ_new−ｆ_t｜＞α または θ＝０，πの場合、即変更後の速度比率ｋ_newに変更する。今回の速度ｆを数１６式により表す。

次回の速度比率ｋ_t+1を数１７式により更新する。

また、最大加速度αを固定値として扱う以外に、例えば、時定数や現在の速度差に応じて変動させることで、より滑らかに加減速させることもできる。

ところで、前述した図１は、研削軸がＺ軸方向へ揺動動作を行いながら、Ｘ軸方向へ移動する加工例である。研削軸が研削面に接触しない区間の速度比率を上げることでサイクルタイムを削減できる。なお、図１に示される加工例では、研削軸がシフト地点Ｚ_Sに到着した時、揺動領域Ａ１から揺動領域Ａ２へのシフト指令が行われたものとする。

図１０は、研削工具が切削面に接触しない区間の速度比率を上げることで、サイクルタイムを削減することを説明する図である。例えば、研削面のＸ軸方向の長さが６０［ｍｍ］、研削軸のＸ軸方向速度が揺動動作１往復で約１．０［ｍｍ］進む指令であるとすると、約６０往復の揺動動作が必要である。指定区間で速度変更を行わない場合、１往復約０．４０［ｓｅｃ］の揺動動作を指令であれば、６０往復するのに、約２４．０［ｓｅｃ］かかる。ここで、指定区間（０．５π〜１．２π）の速度比率を１．５０倍にすると、１往復約０．３５［ｓｅｃ］となる。この場合、約２１．０［ｓｅｃ］で６０往復でき、サイクルタイムが３．０［ｓｅｃ］削減できる。

また、図１１は、シフト地点Ｚ_Sにおいて揺動領域をシフトした場合においても、指定区間を変更することなく速度変更を行うことができることを説明する図である。

図１２−１，図１２−２は、位相情報で指定した区間で速度比率を変更可能な揺動動作のアルゴリズムを示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。なお、本フローチャートでは単位時間を１［ｍｓｅｃ］として扱う。
●［ステップＳＢ１００］揺動動作指令コードを解析する。なお、揺動動作指令コードは数値制御装置が読み込んだ加工プログラムで記述されている。
●［ステップＳＢ１０１］ｔを０とし、ｋを１とする。ｔは時間、ｋは速度比率を意味する。
●［ステップＳＢ１０２］データを設定する。つまり、上死点位置をＺ_U［ｍｍ］、下死点位置をＺ_L［ｍｍ］、揺動動作の基準速度をＦ_B［ｍｍ／ｍｉｎ］に設定する。また、単位時間当たりの基準速度ｆ_Bは、ｆ_B＝Ｆ_B＊１／６００００［ｍｍ／ｍｓｅｃ］とする。
●［ステップＳＢ１０３］ｔ＝０、または、指定区間変更か否か判断し、いずれかである場合にはステップＳＢ１０４へ移行し、いずれでもない場合にはステップＳＢ１０５へ移行する。
●［ステップＳＢ１０４］指定区間を設定し、区間速度を設定する。
●［ステップＳＢ１０５］現在位置Ｚを取得する。つまり、Ｚ_oldをＺに代入する。Ｚ_oldは前演算周期における位置、Ｚは現演算周期における位置を意味する。
●［ステップＳＢ１０６］現在位相θを数８式により算出する。

●［ステップＳＢ１０７］単位時間当たりの移動量ΔＺを、近似式ΔＺ＝ｆ_Bｓｉｎθ［ｍｍ／ｍｓｅｃ］＊１［ｍｓｅｃ］により算出する。
●［ステップＳＢ１０８］現在位相が指定区間内であるか否か判断し、指定区間内である場合にはステップＳＢ１０９へ移行し、指定区間内でない場合にはステップＳＢ１１３へ移行する。
●［ステップＳＢ１０９］速度比率変更後の単位時間当たりの移動量ΔＺ_nを算出する。
●［ステップＳＢ１１０］単位時間当たりの最大加速度α以内であるか否か判断し、以内である場合にはステップＳＢ１１１へ移行し、以内でない場合にはステップＳＢ１１２へ移行する。
●［ステップＳＢ１１１］単位時間当たりの移動量ΔＺ・速度比率の更新１を行う。つまり、ΔＺ_nをΔＺに、ｋ_nをｋに更新する。
●［ステップＳＢ１１２］単位時間当たりの移動量ΔＺ・速度比率の更新２を行う。つまり、数１８式により更新する。なお、式中の最大加速度αは、左式はα［ｍｍ／ｍｓｅｃ²］＊１²［ｍｓｅｃ²］として扱い、右式はα［ｍｍ／ｍｓｅｃ²］＊１［ｍｓｅｃ］として扱い、単位を一致させる。

●［ステップＳＢ１１３］位置を更新する。つまり、Ｚ_oldをＺ＋ΔＺにより更新する。
●［ステップＳＢ１１４］終了指令か否か判断し、終了指令の場合には処理を終了し、終了指令でない場合にはステップＳＢ１１５へ移行する。
●［ステップＳＢ１１５］ｔ＋１をｔとする。つまり、１単位時間進める。
●［ステップＳＢ１１６］データ変更か否か判断し、データ変更の場合にはステップＳＢ１０２へ移行し、データ変更でない場合にはステップＳＢ１０３へ移行する。

１ 揺動軸
２ 研削工具
３ ワーク
４ 研削面
５ 揺動動作
６ 回転方向

２０ 数値制御装置
２２ 数値制御部
２４ サーボ制御部
２６ サーボモータ

Ａ１，Ａ２ 揺動領域
Ｚ_U，Ｚ_U1，Ｚ_U2上死点
Ｚ_L，Ｚ_L1，Ｚ_L2下死点

Ｚｓ シフト地点
Ｚ 現制御周期における位置
Ｚ_old 前制御周期における位置

ｔ 時間（制御周期）
α 最大加速度

Claims (4)

1. 任意の領域を往復運動する揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置において、前記揺動軸が往復運動する際の下死点および上死点の位置、前記揺動軸が往復運動する際に揺動動作の最大速度となる基準速度を指定する指定手段と、
   前記揺動軸の現在位置から、前記揺動軸の一往復を１周期としたときの現在の位相を算出する位相算出手段と、
   前記位相算出手段によって算出された現在の位相と前記基準速度に基づいて現在の位相における前記揺動軸の速度を算出する速度算出手段と、
   前記速度算出手段によって算出された速度に基づいて揺動軸を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置。
2. 前記揺動軸の位相の任意の区間の速度を変更する速度変更手段を有することを特徴とする請求項１に記載の揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置。
3. 前記速度変更手段により変更した区間の前記揺動軸の速度と変更前の速度との差である速度差が最大加速度内にあるかどうかを判断する判断手段と、
   前記判断手段による判断の結果、前記速度差が最大加速度を超える場合、速度変更率を変更する変更手段と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置。
4. 前記基準速度は、前記揺動軸が下死点から上死点に移動する間の最大速度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置。

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