JP5300970B2 - 主軸の回転制御方法及び工作機械の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具を把持して回転させる主軸の回転制御方法及び工作機械の制御装置に関する。

工作機械では、回転工具を用いてワーク加工をするとき、びびり振動が発生することがある。びびり振動が発生すると加工に悪影響を与えるため、高精度な加工を行うためにはびびり振動を抑制する必要がある。びびり振動を抑制する方法として、回転工具の刃のピッチを不等ピッチ刃にする方法がある。特開２００７−８３３２９号公報には、一つの工具で様々なパターンの不等ピッチ工具を構成することが可能な回転切削工具が開示されている。また、特開２００７−４４８５２号公報には、びびり振動を検出し、主軸の回転速度をびびり振動が発生しない回転速度に制御することが開示されている。
不等ピッチ刃の工具を使用する従来技術や特開２００７−８３３２９号公報に記載の従来技術は、不等ピッチ刃の特殊な工具を用意する必要があり、工具にかかる費用が多くなる問題点があった。また、特開２００７−４４８５２号公報に記載の従来技術は、びびり振動を検出して、主軸回転速度を制御しているので、びびり振動検出手段が必要になり、工作機械にかかる費用が多くなる問題点があった。

本発明は、従来技術の問題点を解決することを課題としており、本発明の目的は、不等ピッチ刃の特殊な工具やびびり振動検出手段を使用せず、びびり振動が発生しないように加工することができる工作機械の主軸装置の回転制御方法及び工作機械の制御装置を提供することである。
前述の目的を達成するため、本発明によれば、工作機械の主軸装置の回転制御方法において、主軸の回転速度を指令速度に対してどのように変動させるかを決定する主軸回転速度変動データを加工条件及び安定限界データに対応させて記憶し、指令された主軸回転速度及び加工条件、並びに記憶された安定限界データから、振動が少なくなる主軸回転速度変動データを選択し、選択した主軸回転速度変動データに基づいて前記主軸の回転速度を変動させ、主軸回転速度変動データは、主軸に装着された等ピッチ刃工具の刃がワークに当たるタイミングが不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように主軸の回転速度を変動させるデータでなる主軸の回転制御方法が提供される。
上記回転制御方法では、予め、主軸回転速度変動データを加工条件及び安定限界データに対応させて記憶してあるので、実加工に際して、指令された主軸回転速度及び加工条件、並びに記憶された安定限界データから、振動が少なくなる主軸回転速度変動データを選択することができる。そして、その選択した主軸回転速度変動データに基づいて主軸の回転速度を変動させながら加工を行うのでびびり振動が発生しにくい。
また、本発明によれば、工作機械の主軸装置の回転制御方法において、主軸の回転速度を指令速度に対してどのように変動させるかを決定する主軸回転速度変動データを工具の刃数及びピッチ角に対応させて記憶し、主軸に装着された工具の刃数及び所望のピッチ角から、主軸に装着された工具の刃がワークに当たるタイミングが所望のピッチ角の不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように主軸回転速度を変動させる主軸回転速度変動データを選択し、選択した主軸回転速度変動データに基づいて前記主軸の回転速度を変動させる主軸の回転制御方法が提供される。
上記回転制御方法では、予め、主軸回転速度変動データを種々の工具の刃数及びピッチ角に対応させて記憶してあるので、実加工に際して、所望の工具の刃数及びピッチ角を入力すれば、主軸に装着された等ピッチ刃の工具の刃がワークに当たるタイミングが所望のピッチ角の不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるような主軸回転速度変動データを選択することができる。そして、その選択した主軸回転速度変動データに基づいて主軸の回転速度を変動させるので、不等ピッチ刃の工具を使用した時と同様にびびり振動が抑制される。
また、本発明によれば、工具とワークを相対移動させワークを加工する工作機械の制御装置において、複数の主軸回転速度変動データを加工条件及び安定限界データに対応させて記憶する記憶部と、指令された主軸回転速度及び加工条件、並びに記憶された安定限界データから、振動が少なくなる主軸回転速度変動データを選択し、選択した主軸回転速度変動データに基づいて主軸の回転速度を変動させる回転指令部とを具備し、主軸回転速度変動データは、主軸に装着された等ピッチ刃工具の刃がワークに当たるタイミングが不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように主軸の回転速度を変動させるデータでなる工作機械の制御装置が提供される。
また、本発明によれば、工具とワークを相対移動させワークを加工する工作機械の制御装置において、複数の主軸回転速度変動データを工具の刃数及びピッチ角に対応させて記憶する記憶部と、主軸に装着された工具の刃数及び所望のピッチ角から、主軸に装着された工具の刃がワークに当たるタイミングが所望のピッチ角の不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように主軸回転速度を変動させる主軸回転速度変動データを選択し、選択した主軸回転速度変動データに基づいて主軸の回転速度を変動させる回転指令部とを具備する工作機械の制御装置が提供される。
本発明によれば、予め記憶された主軸回転速度変動データを指令回転速度や加工条件に応じて選択し、選択した主軸回転速度変動データに基づいて主軸回転速度を変動させることによりびびり振動を抑制することができるので、不等ピッチ刃の特殊な工具を用意する必要が無く、びびり振動を検出する必要も無いので、工具や工作機械にかかる費用が少なくなる。また、加工プログラムで指令された所望の主軸回転速度を基準に主軸回転速度を変動させているので、主軸回転速度を指令された主軸回転速度から大きく変えることなくびびり振動を抑制できる。
本発明の上述及びその他の目的、特徴、利点を以下、添付図面を参照して本発明の実施形態に基づいてさらに詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明の工作機械の主軸装置の回転制御方法及び工作機械の制御装置の実施の形態を説明する。
最初に、図１を参照して、本発明による工作機械の制御装置の構成を説明する。工作機械の制御装置１は、入力部３と、読取解釈部５と、記憶部７と、回転指令部９とを具備している。入力部３から入力された様々なデータは、必要に応じて記憶部７に記憶することができる。ワークを加工する加工プログラムや加工条件は、入力部３を介して制御装置１に入力される。入力された加工プログラムは、読取解釈部５で読み取り、解釈され、主軸回転速度や送り速度等のデータが回転指令部９に送られる。回転指令部９は主軸モータ１１に指令すべき回転速度を演算し、回転速度指令を主軸モータ１１へ出力する。主軸モータ１１は、回転角度の位置決め制御や回転送り制御等を行うことができるサーボモータの機能を有した主軸モータが好ましい。
びびり振動を抑制する方法の一つとして、不等ピッチ刃の工具を使用する方法がある。図２Ａを参照すると、等ピッチ刃のエンドミル１３は、第１の刃１５と、第２の刃１７と、第３の刃１９と、第４の刃２１を有している。それぞれの刃のピッチ角は９０°で、等ピッチに配置されている。図２Ｂを参照すると、不等ピッチ刃のエンドミル２３は、第１の刃２５と、第２の刃２７と、第３の刃２９と、第４の刃３１を有している。第１の刃２５と第２の刃２７のピッチ角は９９°、第２の刃２７と第３の刃２９のピッチ角は８１°、第３の刃２９と第４の刃３１のピッチ角は９９°、第４の刃３１と第１の刃２５のピッチ角は８１°で、不等ピッチに配置されている。

実施例１
本発明の第１の実施の形態による主軸装置の回転制御方法を説明する。
最初に、予め記憶部７に主軸の回転速度を指令速度に対してどのように変動させるかを決定する主軸回転速度変動データを様々な加工条件と安定限界データに対応させ、複数のデータをマップ状に記憶しておく。主軸回転速度変動データは、様々な形式が考えられるが、本実施の形態では、主軸に装着された等ピッチ刃工具の刃がワークに当たるタイミングが不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように主軸の回転速度を変動させるデータとする。
図３は、図２Ａの等ピッチ刃のエンドミル１３で、工具径５０ｍｍ、送り速度１４４ｍｍ／ｍｉｎで加工したときの安定限界線図である。横軸は主軸回転速度であり、縦軸は切込み深さである。本実施の形態の安定限界線図の縦軸は工具の軸線方向の切込み深さである。安定限界曲線３３の上部がびびり振動が発生しやすい不安定領域３５であり、安定限界曲線３３の下部がびびり振動が発生しにくい安定領域３７である。図４は、図２Ｂの不等ピッチ刃のエンドミル２３で、工具径５０ｍｍ、送り速度１４４ｍｍ／ｍｉｎで加工したときの安定限界線図である。安定限界曲線３９の上部がびびり振動が発生しやすい不安定領域４１であり、安定限界曲線３９の下部がびびり振動が発生しにくい安定領域４３である。
例えば、工具径５０ｍｍ、４枚刃等ピッチの工具を使用し、送り速度１４４ｍｍ／ｍｉｎ、主軸回転速度３００ｍｉｎ^-1、切込み深さ１２ｍｍで加工したい場合、図３の安定領域での最大切込み深さは約６ｍｍなので、そのまま加工すると不安定領域で加工することになる。しかし、図４の安定領域での最大切込み深さは約１４ｍｍとなっているので、図４の安定限界データに対応したピッチ角９９°、８１°、９９°、８１°のタイミングで工具の刃がワークに当たる主軸回転速度変動データを選択すれば安定領域で加工されることになり、びびり振動が抑制される。
この場合、主軸回転速度が３００ｍｉｎ^-1なので１回転当りの時間は２００ｍｓとなる。使用する工具は４枚刃等ピッチなので刃の当たるタイミングは５０ｍｓに１回当たることになる。４枚刃等ピッチの工具のピッチ角は９０°であるから、ピッチ角９９°で刃がワークに当たるには、１．１倍の時間がかかる。つまり、ピッチ角９０°の工具でピッチ角９９°の工具を使用した時のタイミングで刃をワークに当てるには、工具を９０°回転させるのに５５ｍｓかかるように主軸の回転速度を制御すればよい。同様に、ピッチ角９０°の工具でピッチ角８１°の工具を使用した時のタイミングで刃をワークに当てるには、工具を９０°回転させるのに４５ｍｓかかるように主軸の回転速度を制御すればよい。したがって、この場合に選択される主軸回転速度変動データは、図５のように、主軸回転速度２７３ｍｉｎ^-1で５５ｍｓ、主軸回転速度３３３ｍｉｎ^-1で４５ｍｓ、主軸を回転させることを繰り返すデータとなる。
回転指令部９は、選択された主軸回転速度変動データに基づいて主軸モータ１１の回転速度を主軸回転速度２７３ｍｉｎ^-1で５５ｍｓ、主軸回転速度３３３ｍｉｎ^-1で４５ｍｓ、を繰り返すように制御する。このように制御することによって、等ピッチの工具を使用して不等ピッチの工具を使用した時のタイミングで刃をワークに当てることができる。また、そのときの主軸回転速度の変動量は最小になる。
本実施の形態において、工具の進行方向が変化したとき、工具の刃がワークに当たるタイミングが所望のタイミングに対して変化してしまう。そこで、工具の進行方向に応じて、工具の刃がワークに当たるタイミングが所望のタイミングになるように主軸の回転速度を制御する。この制御によって、工具の刃がワークに当たるタイミングを所望のタイミングにし続けることができる。

実施例２
次に、本発明の第２の実施の形態による主軸装置の回転制御方法を説明する。
第１の実施の形態と同様に、記憶部７に記憶されているデータの中から、指令された主軸回転速度での切込み深さが安定領域に入るような安定限界データを選択し、選択された安定限界データに対応したピッチ角のタイミングで工具の刃がワークに当たる主軸回転速度変動データを選択する。このとき第１の実施の形態では、主軸回転速度の変動が図５のように矩形５１を描くように制御していたが、第２の実施の形態では、主軸回転速度の変動が図６のように２次曲線５７を描くように制御する。
この時、２次曲線５７は、図５における指令回転速度４５と矩形５１で囲まれた部分の面積と、図６における指令回転速度４５と２次曲線５７で囲まれた部分の面積とが、同じになるように決定すればよい。具体的には、図５の斜線部分４７の面積と図６の斜線部分５３の面積が同じで、図５の斜線部分４９の面積と図６の斜線部分５５の面積が同じになるように２次曲線５７を決定する。回転指令部９は、決定した２次曲線に基づいて主軸モータ１１の回転速度を制御する。このように制御することによって、等ピッチの工具を使用して不等ピッチの工具を使用した時のタイミングで刃をワークに当てることができ、主軸回転速度が徐々に変化するため主軸の速度変化による衝撃を少なくすることができる。

実施例３
次に、本発明の第３の実施の形態による主軸装置の回転制御方法を説明する。
まず、予め主軸の回転速度を指令速度に対してどのように変動させるかを決定する主軸回転速度変動データを工具の刃数及びピッチ角に対応させて記憶部７に記憶させる。びびり振動が少なくなる工具の刃数及びピッチ角が分かっている場合、入力部３から加工プログラムやパラメータで所望の刃数及びピッチ角を入力する。回転指令部９は、入力された刃数及びピッチ角から、主軸回転速度変動データを選択し、前述の第１又は第２の実施の形態と同様に選択された主軸回転速度変動データに基づいて主軸モータ１１の回転速度を制御する。

本発明の工作機械の制御装置を示すブロック図である。 図２Ａは等ピッチ刃の工具の説明図であり、図２Ｂは不等ピッチ刃の工具の説明図である。 図２Ａの等ピッチ刃の工具を使用した時の安定限界線図である。 図２Ｂの不等ピッチ刃の工具を使用した時の安定限界線図である。 本発明の実施例１に係る主軸回転速度の変動データのグラフである。 本発明の実施例２に係る主軸回転速度の変動データのグラフである。

Claims (4)

1. 工作機械の主軸装置の回転制御方法において、
   主軸の回転速度を指令速度に対してどのように変動させるかを決定する主軸回転速度変動データを加工条件及び安定限界データに対応させて記憶し、
   指令された主軸回転速度及び加工条件、並びに記憶された安定限界データから、振動が少なくなる主軸回転速度変動データを選択し、
   選択した主軸回転速度変動データに基づいて前記主軸の回転速度を変動させ、
   前記主軸回転速度変動データは、主軸に装着された等ピッチ刃工具の刃がワークに当たるタイミングが不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように前記主軸の回転速度を変動させるデータでなることを特徴とした主軸の回転制御方法。
2. 工作機械の主軸装置の回転制御方法において、
   主軸の回転速度を指令速度に対してどのように変動させるかを決定する主軸回転速度変動データを工具の刃数及びピッチ角に対応させて記憶し、
   前記主軸に装着された工具の刃数及び所望のピッチ角から、前記主軸に装着された工具の刃がワークに当たるタイミングが前記所望のピッチ角の不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように主軸回転速度を変動させる主軸回転速度変動データを選択し、
   選択した主軸回転速度変動データに基づいて前記主軸の回転速度を変動させることを特徴とした主軸の回転制御方法。
3. 工具とワークを相対移動させワークを加工する工作機械の制御装置において、
   複数の主軸回転速度変動データを加工条件及び安定限界データに対応させて記憶する記憶部と、
   指令された主軸回転速度及び加工条件、並びに記憶された安定限界データから、振動が少なくなる主軸回転速度変動データを選択し、選択した主軸回転速度変動データに基づいて主軸の回転速度を変動させる回転指令部と、を具備し、
   前記主軸回転速度変動データは、主軸に装着された等ピッチ刃工具の刃がワークに当たるタイミングが不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように前記主軸の回転速度を変動させるデータでなることを特徴とした工作機械の制御装置。
4. 工具とワークを相対移動させワークを加工する工作機械の制御装置において、
   複数の主軸回転速度変動データを工具の刃数及びピッチ角に対応させて記憶する記憶部と、
   主軸に装着された工具の刃数及び所望のピッチ角から、前記主軸に装着された工具の刃がワークに当たるタイミングが前記所望のピッチ角の不等ピッチ刃の工具を使用した時のタイミングでワークに当たるように主軸回転速度を変動させる主軸回転速度変動データを選択し、選択した主軸回転速度変動データに基づいて主軸の回転速度を変動させる回転指令部と、
   を具備することを特徴とした工作機械の制御装置。

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