JP5287986B2 - 数値制御装置及び数値制御工作システム - Google Patents

Description

この発明は、数値制御装置（Numerical Controller：以下ＮＣ装置）及びＮＣ工作システムに係るものである。特に主軸として回転を行なう第１の回転軸上に、工具を制御する第２の回転軸を有するもので、被加工物の加工径（従来の旋盤型工作機械においてはＸ軸と称される直線軸に相当する仮想軸（以下：仮想軸Ｘ））を有する工作機械を制御するＮＣ装置及びＮＣ工作システムに関するものである。

従来の旋盤型工作機械においては、被加工物を主軸上に装着して回転させる。被加工物を旋削する工具を被加工物の径方向に移動する直線軸と被加工物の長さ方向に移動する軸に沿って移動させることで加工を行なう。

一方、特許文献１では、円筒もしくはテーパ形状の加工を行なう場合に、被加工物自体を回転させずに、ボーリング工具などを回転させこの工具を直交する２軸（Ｘ軸とＹ軸）の直線軸を円弧状に移動するよう制御することにより加工する方法、すなわち、固定された被加工物に対して回転する工具（ドリルのように回転する工具）を、固定された被加工物に対して円弧を描くように移動させることにより円筒形状の切削を行なう技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開平８−１２６９３８号公報

しかし、上記のような従来のＮＣ装置では、被加工物を主軸上に配置して回転させることから、被加工物の直径、および長さが大きくなると被加工物の重量が増し、被加工物の回転中の安定性が悪化するため、主軸の回転数を低く抑えなければならないという課題があった。

一方、特許文献１に示される加工方法においては、円筒もしくはテーパ形状の加工を行なうための動作は直交する２軸（Ｘ軸とＹ軸）の直線軸による円弧状の移動によるため、被加工物に対する加工時間は通常の旋盤型工作機械よりも長くなるという課題があった。

このＮＣ装置にかかる発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、主軸として回転させる回転軸である第１の回転軸上に工具の位置制御を行なう軸である第２の回転軸を配置して、被加工を加工することを目的としている。

この発明における数値制御工作システムは、被加工物を固定するチャックと、チャックに対向し、主軸として回転する第１の回転軸と、第１の回転軸上に中心をおき回転する第２の回転軸と、予め設けられた加工プログラムに基づいて、第１の回転軸に対する回転指令と第２の回転軸に対する回転指令とを出力する数値制御装置と、第２の回転軸に固定され、第１の回転軸の回転により被加工物の周りを移動し、第２の回転軸の回転により加工径が決定される工具と、を有するものである。

この数値制御工作システムは、加工プログラムに基づいて、工具の位置と第１の回転軸の中心とを結ぶ直線である仮想軸上を工具が移動するよう第１の回転軸の回転指令及び第２の回転軸の回転指令を出力するものである。

この数値制御工作システムは、加工プログラムに基づいて工具を被加工物と前記チャックとを結ぶ直線方向に移動させる移動指令を出力するものである。

この発明における数値制御装置は、被加工物を固定するチャックに対向し主軸として回転する第１の回転軸と、工具を固定するとともに第１の回転軸上に中心をおき回転する第２の回転軸に対し、予め設けられた加工プログラムに基づいて、被加工物の周りを移動するように第１の回転軸に対する回転指令と、加工径を決定するように第２の回転軸に対する回転指令を出力するものである。

この数値制御装置は、加工プログラムに基づいて、予め定められた工具の位置と第１の回転軸の中心とを結ぶ直線である仮想軸上を工具が移動するよう第１の回転軸の回転指令及び第２の回転軸の回転指令を出力するものである。

この数値制御装置は、加工プログラムに基づいて工具を被加工物とチャックとを結ぶ直線方向に移動させる移動指令を出力するものである。

この数値制御装置は、加工プログラムを１ブロック毎に分析し、仮想軸の１ブロックでの移動量を解析するプログラム解析処理部と、プログラム解析処理部での解析結果に基づいて仮想軸の補間周期で移動する移動量を計算する補間処理部と、補間処理部にて計算された仮想軸の移動量を第１の回転軸の回転角度の移動量及び第２の回転軸の回転角度の移動量に変換する移動分配処理部と、有するものである。

この発明によれば、主軸として回転を行なう第１の回転軸上に被加工物を旋削する工具を有するので被加工物自身を回転させる必要がなく、安定的に被加工物を加工することができるる。また、この発明によれば、被加工物を固定する方法として引用文献１のように、回転工具を円弧状に動作させるマシニングセンタとしての加工方式を採用するのではなく、工具側が回転する旋盤状の加工方式（旋削）を採用するために、旋削により円状の加工を安定して高速に行なうことができる。

本発明の実施例１におけるＮＣ装置及びこのＮＣ装置によって制御されるＮＣ工作機械の要部を示す図である。 切削工具が被加工物の加工径の最外の位置にある場合の第１の回転軸及び第２の回転軸を回転軸の軸の延長点から見た場合の概念図である。 補間処理部によって計算された仮想軸ＸのＦｄＴにより、仮に仮想軸ＸがＸｂの位置に移動した場合の第２の回転軸の動作を示した概念図である。 第１の回転軸に対する補正動作により、切削工具の第１の回転軸に対する位置が改善した状態の概念図である。 第１の回転軸に対する補正動作により、切削工具の第１の回転軸に対する位置が改善しているものの工具の刃の方向がずれた場合の概念図である。 一連の制御によって、テーパ形状のねじ切り加工を行なった際の様子を示す図である。

ＮＣ工作機械：１００、ＮＣ装置：５０、第１のドライブユニット：１、第２のドライブユニット：２、第３のドライブユニット：３、サーボモータ：４、第１の回転軸：５、第２の回転軸：６、切削工具：７、ポールスクリュー：９、主軸台：１０、チャック：１１、被加工物：１２、サーボ通信処理部：５５、プログラム解析処理部：５１、補間処理部：５２、手動指令処理部：５３、移動分配処理部：５４、サーボ通信処理部：５５、加工プログラム：６０、操作盤：６１、手動パルス発生器：６２

実施の形態１．
図１はこの発明の実施例１に係るＮＣ装置５０およびこのＮＣ装置５０によって制御されるＮＣ工作機械１００の要部を示すものである。図１において、ＮＣ装置５０は、制御対象の工作機械であるＮＣ工作機械１００を制御する。

ＮＣ工作機械１００は、第１のドライブユニット１、第２のドライブユニット２、第３のドライブユニット３、サーボモータ４、第１の回転軸５、第２の回転軸６、工具７、ポールスクリュー９、主軸台１０、チャック１１を有する。被加工物１２はチャック１１により固定される。後述するサーボ通信処理部５５からの指示に基づいて第１のドライブユニット１は主軸である第１の回転軸５を回転させる。第１の回転軸５は主軸台１０に保持されている。また、第２のドライブユニット２は、第１の回転軸５上で第２の回転軸６を回転させ、切削工具７（切削工具）を被加工物１２の径方向（仮想Ｘ軸）に移動させる。また、第３のドライブユニット３はサーボモータ４を回転させ、サーボモータ４はポールスクリュー９を回転させることにより主軸台１０及び主軸台にある第１の回転軸５を被加工物１２の長手方向である第１の回転軸５とチャック１１を結ぶ直線上に移動させる。なお、工具７の一例として切削工具を用いて説明するが、工具７はこれに限られるものではない。

一方、ＮＣ装置５０は、プログラム解析処理部５１、補間処理部５２、手動指令処理部５３、移動分配処理部５４、サーボ通信処理部５５を有する。プログラム解析処理部５１は、加工プログラム６０を１ブロック毎に解析し、各軸の１ブロックでの移動量を解析する。

加工プログラム６０とは、ＮＣ工作機械１００が動作すべき指令の専用プログラムである。例えば、ＪＩＳＢ６３１５‐２に定義されているようなＧコードやｍ２コードを使用する場合もあるが、これに限られるものではない。加工プログラム６０の１ブロックとは、加工プログラムにおいて１Line分のコードをいう。加工プログラム６０は一般的にはインタプリタ方式で１Lineづつ処理するため、この処理単位を「ブロック」とする。

手動指令処理部５３は、操作盤６１および手動パルス発生器６２により入力される手動移動指令を処理する。補間処理部５２は、プログラム解析処理部５１および手動指令処理部５３にて計算された結果に基づいて軸毎に補間周期で移動する移動量（以後ＦｄＴ）を計算する。移動分配処理部５４は、補間処理部５２で計算されたＦｄＴのうち被加工物１２の仮想軸Ｘに対する指令を第１の回転軸５および第２の回転軸６の移動量に分配する。サーボ通信処理部５５は、補間処理部５２および移動分配処理部５４により計算されたＦｄＴを第１のドライブユニット１、第２のドライブユニット２、第３のドライブユニット３に送信する。なお、数値制御装置１０の外として、操作盤６１、および手動パルス発生器６２を説明したがこれに限られるものではない。操作盤６１、および手動パルス発生器６２は数値制御装置１０の一部として存在する場合もある。

次に、本ＮＣ装置の動作について、自動運転による場合、手動運転による場合を分けて説明する。

自動運転の場合、加工プログラム６０には仮想Ｘ軸以外の軸である他動作軸（Ｙ軸及びＺ軸）の移動指令とともに、第１の回転軸５を主軸として動作させるための回転速度指令、仮想軸Ｘに対する移動指令が書き込まれている。プログラム解析処理部５１は加工プログラム６０を読み込み、読み込んだ加工プログラム６０を１ブロック毎に解析し、主軸である第１の回転軸５の回転速度および仮想軸Ｘを含む各軸毎に１ブロックで移動する量を算出する。

手動運転による場合、操作盤６１には他動作軸の操作スイッチとともに仮想軸Ｘに対する操作スイッチが組み込まれている。さらに、手動パルス発生器６２により発生させた手動パルスを仮想軸Ｘに対して割り当てるためのスイッチが組み込まれている。手動指令処理部５３は操作盤６１上のスイッチもしくは手動パルス発生装置により発生した手動移動指令を、仮想軸Ｘを含む各軸毎に移動する量として算出する。

補間処理部５２は補間周期と称する一定の周期（例えば１ミリ秒など）で起動され、前記自動運転による場合にプログラム解析処理部５１により計算された移動量、および前記手動運転による場合に手動指令処理部５３により計算された移動量を用い、公知の補間方式に従い仮想軸Ｘを含む各軸毎にＦｄＴを計算する。

補間処理部５２により計算された各軸毎のＦｄＴのうち、仮想軸Ｘに対するＦｄＴに基づき移動分配部１４が行う第１の回転軸５及び第２の回転軸６のＦｄＴの分配計算方法を説明する。まず、図２を用いて、仮想軸Ｘに対する位置指令から第２の回転軸６の回転角度への変換を説明する。

図２は切削工具７が被加工物１２の加工径の最外の位置にある場合に、被加工物１２側から見た概念図である。この状態を第１の回転軸５および第２の回転軸６と仮想軸Ｘの関係における基準の位置とする。このときの切削工具７の仮想軸Ｘにおける位置をＸａと表記する。また、切削工具７及び第１の回転軸中心（Ｃｗ）を結ぶ直線と仮想Ｘ軸とのなす角である第１の回転軸の回転角度（Ｄ）を０として扱う。また、切削工具７及び第２の回転軸中心（Ｃｓ）を結ぶ直線と仮想Ｘ軸とのなす角である第２の回転軸の回転角度（Ｕ）を０として扱う。なお、図２−図４における第１の回転軸の中心（Ｃｗ）は、切削工具７が固定されている第２の回転軸６の円周を通る。

第２の回転軸６の半径をＲとすると、図２における切削工具７の仮想軸Ｘ上の位置Ｘａは
Ｘａ＝２Ｒcos(０)
＝２Ｒ
の式にて示される。

一般的には、第２の回転軸６の回転角度（Ｕ）と仮想軸Ｘの関係は
Ｕ＝２cos^-1（Ｘ／２Ｒ）
の式にて示される。

図３は、第１の回転軸５が１回転（３６０度）し、第２の回転軸６が第２の回転軸（Ｃｓ）を中心にＵｂ回転した場合の概念図である。このとき第２の回転軸の回転角度（Ｕｂ）は
Ｕｂ＝２cos-1（Ｘｂ／２Ｒ）
の式にて示される。

例えば、ねじ切り加工を行なう場合には、通常の旋削では主軸１回転（３６０度）の回転の間にＺ軸をねじピッチ（ねじ山の幅）だけ移動させることにより加工を行なう。ＮＣ工作機械１００では、テーパねじ切り（ねじ部分の直径が変化して斜めになっているねじ）の加工において、図２から図３の間に第１の回転軸５が１回転（３６０度）動作した場合、第２の回転軸６の第２の回転軸中心（Ｃｓ）を中心とした回転により、第１の回転軸５の回転角度はＤｂとなる。すなわち、切削工具７の位置は仮想Ｘ軸からＤｂだけ傾くことになる。このため、切削工具７は、実際には第１の回転軸中心（Ｃｗ）に３６０度以上の回転（３６０度＋Ｄｂ）となり、ねじ山の幅が不正になってしまう。このために、切削工具７の位置を図４の位置に補正することで、切削工具７の位置を３６０度の回転位置としたテーパねじ切りの加工が必要となる。すなわち、図３において、第２の回転軸の回転角度（Ｕｂ）を０度となるように切削工具７が移動（切削工具７が仮想軸Ｘ軸上を移動）する必要がある。

次に、切削工具７が仮想軸Ｘ上を直線移動するように第１の回転軸５に加える補正量の計算について説明する。切削工具７は第２の回転軸６の回転に従って移動するため、図３に示すように、第１の回転軸中心（Ｃｗ）からＸｂの位置に切削工具７が存在する場合には、第１の回転軸の回転角度はＤｂとなる。すなわち、切削工具７は第１の回転軸５の上において基準位置からＤｂだけ傾いた位置に移動する。ここで傾きＤｂは
Ｄｂ＝Ｕｂ／２
の式にて示される。

特に切削工具７が穴加工を行なうためのドリルなどを装着して、被加工物１２の表面から中心方向への穴あけ加工を行なうような場合においては、図３のように切削工具７が傾いた位置へ移動することを避ける必要がある。図４は第１の回転軸５に対する補正動作により、切削工具７の第１の回転軸５に対する位置が改善した状態すなわち、第２の回転軸６の回転角度が０の場合の概念図である。第２の回転軸６において第２の回転軸の角度をＵｂにする、すなわち、切削工具７をＵｂの位置に移動するのに同期して、図４に示すように第１の回転軸５において切削工具７を３６０度-Ｄｂの位置に移動させることにより、切削工具７の位置を補正する。

すなわち、切削工具７が傾いた位置へ移動した状態は図３の状態であり、図２と比較して傾いた位置にある。これを補正して図２と比べて傾いていない位置へ補正したものが図４とするものである。何の措置もせずに、図２から図３に移行する場合、第１の回転軸５は３６０度回転するために、切削工具７は（３６０+Ｄｂ）度回転してしまう。このために、このＮＣ工作機械１００では、第１の回転軸５を（３６０-Ｄｂ）度回転させることにより、切削工具７を３６０度回転させ、図２から図４に移行させる。Ｄｂの発生元が仮想軸Ｘの移動に伴うものであり、図２から図３（図４）に移行する間に仮想軸Ｘが移動する量によって、Ｄｂが発生するので、その分を第１の回転軸５の回転角度を補正するものである。

なお、図２から図４に移行した場合、図５のように、切削工具７は意図せざる方向を向くので、制御対象としているＮＣ工作機械１００側において処理をすることにより、切削工具７を常に第１の回転軸５の中心を指向させる。

これら一連の制御は、第１の回転軸５を主軸として回転させている間にも同様に実行される。すなわち、この一連の制御とは、第１の回転軸５のＦｄＴは主軸として回転することを指令した回転速度によるＦｄＴと前記仮想軸Ｘの移動による切削工具７の位置の補正によるＦｄＴとが該当する。

移動分配処理部５４において前記のように計算された第１の回転軸のＦｄＴと第２の回転軸のＦｄＴ、および補間処理部５２において計算されたその他の軸に対するＦｄＴをサーボ通信部１５により第１のドライブユニット１、第２のドライブユニット２、第３のドライブユニット３に対して送信する。

図６は上記一連の制御によって、テーパ形状のねじ切り加工を行なった際の様子を示す図である。通常のねじ切り加工では、被加工物の長さ方向移動する軸がねじピッチにて指令された量を移動する間に主軸が１回転することにより一定ピッチのねじを加工することができる。

ＮＣ工作機械１００においては、被加工物１２の長さ方向移動する軸がねじピッチにて指令された量を移動する間に切削工具７の第１の回転軸５に対する位置が１回転することにより一定ピッチのねじ切り加工を行なうことが可能となるため、テーパ形状のねじ切り加工の場合、第１の回転軸５に対する補正量を、被加工物１２の長さ方向への移動に同期して変化させる。

図６においては、被加工物の長さ方向への位置がＺｃにおける第１の回転軸５に対する補正量Ｃｃ、被加工物の長さ方向への位置がＺｄにおける第１の回転軸５に対する補正量Ｃｄとなる。第１の回転軸５に対する補正量は補間処理部５２において、仮想軸Ｘの位置が変化する毎に計算されるため、補間処理部５２により計算される被加工物１２の長さ方向への移動と同期して変動する。

この発明に係る数値制御装置５０及び数値制御工作システムは、加工径が大きい被加工物、もしくは長さが長大な被加工物、一部のみが円筒形状もしくはテーパ状の形状をした被加工物など、被加工物を回転させることなく円筒形状もしくはテーパ形状の加工を行なうことを目的とした工作機械を制御する装置として用いられるのに適している。

この発明は、数値制御装置（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ;以下ＮＣ装置）及び数値制御工作システムに係るものである。

Claims (6)

1. 被加工物を固定するチャックと、
   該チャックに対向し、主軸として回転する第１の回転軸と、
   該第１の回転軸上に中心をおき回転する第２の回転軸と、
   予め設けられた加工プログラムに基づいて、前記第１の回転軸に対する回転指令と前記第２の回転軸に対する回転指令とを出力する数値制御装置と、
   前記第２の回転軸に固定され、前記第１の回転軸の回転により前記被加工物の周りを移動し、前記第２の回転軸の回転により加工径が決定される工具と、
   を備え、
   前記加工プログラムに基づいて、加工開始前の前記工具の位置と前記第１の回転軸の中心とを結ぶ直線である仮想軸上を加工中に前記工具が移動するよう前記第１の回転軸の回転指令及び前記第２の回転軸の回転指令を出力する
   ことを特徴とする数値制御工作システム。
2. 前記数値制御装置は、
   前記加工プログラムに基づいて工具を前記被加工物と前記チャックとを結ぶ直線方向に移動させる移動指令を出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御工作システム。
3. 前記数値制御装置は、
   前記加工プログラムを１ブロック毎に分析し、仮想軸の１ブロックでの移動量を解析するプログラム解析処理部と、
   該プログラム解析処理部での解析結果に基づいて前記仮想軸の補間周期で移動する移動量を計算する補間処理部と、
   該補間処理部にて計算された前記仮想軸の移動量を前記第１の回転軸の回転角度の移動量及び前記第２の回転軸の回転角度の移動量に変換する移動分配処理部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の数値制御工作システム。
4. 被加工物を固定するチャックに対向し主軸として回転する第１の回転軸と、工具を固定するとともに前記第１の回転軸上に中心をおき回転する第２の回転軸に対し、予め設けられた加工プログラムに基づいて、加工開始前の前記工具の位置と前記第１の回転軸の中心とを結ぶ直線である仮想軸上を加工中に前記工具が移動するように前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸の回転指令と、
   加工径を決定するように前記第２の回転軸に対する回転指令と、
   を出力することを特徴とする数値制御装置。
5. 前記数値制御装置は、
   前記加工プログラムに基づいて工具を前記被加工物と前記チャックとを結ぶ直線方向に移動させる移動指令を出力する
   ことを特徴とする請求項４に記載の数値制御装置。
6. 前記数値制御装置は、
   前記加工プログラムを１ブロック毎に分析し、仮想軸の１ブロックでの移動量を解析するプログラム解析処理部と、
   該プログラム解析処理部での解析結果に基づいて前記仮想軸の補間周期で移動する移動量を計算する補間処理部と、
   該補間処理部にて計算された前記仮想軸の移動量を前記第１の回転軸の回転角度の移動量及び前記第２の回転軸の回転角度の移動量に変換する移動分配処理部と、
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の数値制御装置。

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