JP5325949B2

JP5325949B2 - タッピング加工装置

Info

Publication number: JP5325949B2
Application number: JP2011172711A
Authority: JP
Inventors: 賢一高山; 肇置田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: DE102012107210B4; JP2013035095A; CN102922059A; US8662799B2; CN102922059B; US20130039707A1; DE102012107210A1

Description

本発明は、主軸モータと送り軸モータとを同期運転してタッピング加工動作を行うタッピング加工装置に関する。

一般的なタッピング加工装置は、タップ加工工具と、タップ加工工具を備えた昇降可能な主軸ヘッドとを含んでいる。タップ加工工具は主軸モータによって主軸回りに回転する。また、送り軸モータによって送り軸が駆動されると、主軸ヘッドは送り軸に沿って昇降する。

特許文献１においては、送り軸が主軸に追従しており、主軸位置とねじピッチとに基づいて送り軸指令および補正値を作成している。また、特許文献２においては、補間回路を通じて（指令同期）でタッピング加工を行う方式が開示されている。また、特許文献３においては、同期誤差を記憶して、記憶された同期誤差を用いて位置指令データを補正することが開示されている。

さらに、特許文献４には、主軸の回転位置と送り偏差、及び送り軸モータの送り偏差から計算された送り加速度、加加速度を計算し、これらとねじピッチとに基づいて回転指令値を作成すること、および送り位置からねじピッチに基づいて回転補正値を作成し、回転補正値にて補正された回転指令値に基づいて主軸モータを駆動することが開示されている。

特許第２６２９７２９号特開平３−４３０１２号公報特開２００３−１８１７２２号公報特許第３０９７１８１号

しかしながら、送り軸が主軸に追従する方式のタッピング加工動作の場合には、送り軸の応答性に応じて同期の精度が変化する。送り軸のゲインを極めて大きく設定できる場合には問題にならないものの、送り軸のゲインをあまり大きく設定できない場合もある。そのような場合には、主軸の反転時に送り軸の応答が遅延し、その結果、同期誤差が増すこととなる。また、特許文献１〜特許文献４には、主軸が反転したときに、同期誤差を低減することについては開示されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、送り軸のゲインをあまり大きく設定できない場合であっても、主軸と送り軸との同期誤差を低減することのできるタッピング加工装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、タップ加工工具を主軸回りに回転させる主軸モータと、該主軸モータまたは主軸の回転角を検出する回転角検出部と、前記タップ加工工具が取付けられた送り軸を駆動する送り軸モータと、該送り軸モータまたは前記送り軸の位置を検出する位置検出部と、前記主軸モータの移動指令値を作成する移動指令値作成部と、該移動指令値作成部により作成された前記移動指令値と前記回転角検出部により検出された回転角検出値との間の位置偏差に基づいて前記主軸モータを駆動する主軸制御部と、前記回転角検出値と前記タップ加工工具のネジピッチとに基づいて送り軸の移動指令値を作成する送り軸同期指令値作成部と、該送り軸同期指令値作成部により作成された前記移動指令値と前記位置検出部により検出された位置検出値との間の位置偏差に基づいて前記送り軸モータを駆動する送り軸制御部と、を備え、前記主軸モータと前記送り軸モータとを同期運転してタッピング加工動作を行うタッピング加工装置において、タッピング加工時に前記主軸の反転動作を検出する主軸反転動作検出部と、該主軸反転動作検出部によって前記主軸の反転動作が検出されたときに、前記送り軸の反転動作の追従性を向上させる反転補正量を作成する反転補正量作成部と、具備し、前記主軸反転動作検出部によって反転動作が検出された際に、前記反転補正量作成部により作成された反転補正量を前記送り軸制御部の速度制御ループの速度指令または、前記速度制御ループの積分器に加算する、タッピング加工装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記主軸反転動作検出部は、所定の制御周期で監視された前記主軸または前記主軸モータの実移動量がゼロでなくて且つ前回の実移動量とは符号が異なっている場合に、前記主軸が反転動作したと検出する。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記反転補正量は、所定の値を所定時間に亙って加算されるようにした。
４番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記反転補正量の初期値は前記送り軸モータ反転直前のトルク指令または前記積分器に基づいて算出され、前記反転補正量は前記送り軸モータの反転後のトルク指令、速度ループ積分器、または前記送り軸モータの移動距離に応じて低下するようにした。
５番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記反転補正量は、主軸と送り軸モータとの同期誤差に比例するようにした。

１番目の発明においては、主軸の反転動作が検出された場合には、反転補正量を送り軸制御部の速度制御ループの速度指令または、前記速度制御ループの積分器に加算している。これにより、送り軸モータの反転動作が速まるので、同期誤差が低減され、送り軸の応答精度を高めることができる。
２番目の発明においては、主軸の反転動作を簡易かつ正確に検出することができる。
３番目から５番目の発明においては、送り軸の応答精度をより高めることができる。

本発明に基づくタッピング加工装置の略図である。図１に示されるタッピング加工装置の機能ブロック図である。本発明に基づくタッピング加工装置の動作を示すフローチャートである。（ａ）速度制御部を拡大して示す第一の拡大図である。（ｂ）速度制御部を拡大して示す第二の拡大図である。主軸速度、送り軸速度および反転補正量のタイムチャートを示す図である。（ａ）速度制御部を拡大して示す第三の拡大図である。（ｂ）重力分を含まないトルク指令の挙動を示す図である。重力分を含まないトルク指令および反転補正量のタイムチャートである。送り軸の位置データおよび反転補正量のタイムチャートである。同期誤差および反転補正量のタイムチャートである。（ａ）本発明における主軸速度と時間との関係を示す図である。（ｂ）反転補正しない場合における同期誤差と時間との間の関係を示す図である。（ｃ）反転補正した場合における同期誤差と時間との間の関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づくタッピング加工装置の略図である。図１に示されるように、タッピング加工装置１は、タップ盤２と、タップ盤２の動作を制御するＣＮＣ１０とから主に構成されている。

タップ盤２は、スライダ７が昇降するボールネジ６を備えたベース３を含んでいる。スライダ７には、タップ加工工具５が先端に取付けられた主軸ヘッド４が連結している。図示されるように、主軸モータ２１が主軸ヘッド４の頂面に配置されており、主軸モータ２１によってタップ加工工具５は主軸８回りに回転する。

同様に、送り軸モータ３１がボールネジ６に連結されており、送り軸モータ３１によってボールネジ６が駆動されると、スライダ７は主軸ヘッド４と一緒にボールネジ６に沿って上下方向に送られる。なお、これら主軸モータ２１および送り軸モータ３１は、それぞれについて座標管理された座標系に対して動作される。

また、主軸モータ２１にはエンコーダ２２が取付けられており、主軸モータ２１の主軸８の回転角を所定の制御周期で検出する。同様に、送り軸モータ３１に取付けられたエンコーダ３２は、送り軸モータ３１の出力軸の回転に基づいて、ボールネジ６における主軸ヘッド４の送り位置を所定の制御周期で検出する。従って、これらエンコーダ２２、３２は、それぞれ回転角検出部および送り位置検出部としての役目を果たす。図１から分かるように、エンコーダ２２、３２で検出された値はＣＮＣ１０に供給される。

図２は図１に示されるタッピング加工装置の機能ブロック図である。ＣＮＣ１０は一種のデジタルコンピュータであり、図２に示されるように、記憶部１１と、主軸モータ２１の移動指令値ＣＰ１を作成する移動指令作成部１２と、主軸モータ２１を制御する主軸制御部２０と、送り軸モータ３１を制御する送り軸制御部３０とを主に含んでいる。

記憶部１１はＲＯＭおよびＲＡＭの組合せである。記憶部１１のＲＯＭには、タップ盤２の動作プログラムに加えて、タップ加工工具５のネジピッチＳＴＰなどが記憶されている。なお、ネジピッチＳＴＰはタップ加工工具５の一つのネジ山から隣のネジ山までの距離を指す。また、記憶部１１のＲＡＭには、指令値作成などの目的で各種データが一時的に記憶される。

図２に示されるように、主軸制御部２０は、位置指令作成部１２により作成された主軸モータ２１の移動指令値ＣＰ１から、エンコーダ２２により検出された回転角検出値ＤＡを減算して第一位置偏差ΔＰ１を作成する第一位置偏差作成部２３と、第一位置偏差ΔＰ１に位置ゲインを乗算してトルク指令を出力する速度制御部２４とを含んでいる。作成されたトルク指令はサーボアンプ２５を通じて主軸モータ２１に出力され、それにより、主軸モータ２１が動作される。

また、送り軸制御部３０は、回転角検出値ＤＡとネジピッチＳＴＰとに基づいて送り軸の同期指令値を作成する同期指令値作成部３３と、主軸モータ２１または主軸８が反転したのを検出する主軸反転検出部３４とを含んでいる。本発明においては、送り軸は主軸８の反転動作に追従して動作する。さらに、送り軸制御部３０は送り軸の反転動作の追従性を向上させる反転補正量を作成する反転補正量作成部３５も含んでいる。

また、送り軸制御部３０は、同期指令値作成部３３により作成された同期指令値からエンコーダ３２により検出された送り位置検出値ＤＰを減算することにより第二位置偏差ΔＰ２を作成する第二位置偏差作成部３６と、第二位置偏差ΔＰ２に位置ゲインを乗算して送り軸モータ３１のトルク指令を作成する速度制御部３７と、トルク指令に基づいて送り軸モータ３１の電流を制御する電流制御部３８とを含んでいる。電流制御部３８はサーボアンプ３９を通じて送り軸モータ３１を制御する。

図３は本発明に基づくタッピング加工装置の動作を示すフローチャートである。以下、図３を参照しつつ、タッピング加工装置の動作について説明する。

はじめに図３のステップＳ１００において主軸８が反転動作したか否かを判定する。この反転動作の検出は、図２に示される主軸反転検出部３４によって行われる。以下、具体的に反転動作の検出について説明する。ただし、図３とは異なる手法で反転動作を検出してもよい。

エンコーダ２２は、所定の制御周期毎に、主軸モータ２１または主軸８の回転角を検出している。ステップＳ１０１においては、主軸反転検出部３４に順次供給された回転角検出値ＤＡに基づいて、主軸モータ２１または主軸８の速度Ｖｍ０が符号付きで算出される。このとき、所定の制御周期で検出された最新の複数の回転角検出値ＤＡが使用されうる。算出された速度Ｖｍ０は記憶部１１に記憶される。

次いで、ステップＳ１０２において、速度Ｖｍ０がゼロか否かを判定する。速度Ｖｍ０がゼロである場合には、主軸モータ２１または主軸８は反転していないので、処理を終了する。

これに対し、速度Ｖｍ０がゼロでない場合には、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３においては、速度Ｖｍ０よりも一つの制御周期以上前における主軸モータ２１または主軸８の速度Ｖｍ１（≠０）を算出する。速度Ｖｍ１の算出は速度Ｖｍ０の算出と概ね同様であるので説明を省略する。

そして、ステップＳ１０４において速度Ｖｍ０と速度Ｖｍ１との間で符号が変化したか否かを判定する。符号が変化した場合には、主軸モータ２１または主軸８が反転動作したと判断して、ステップＳ１０５に進む。従って、本発明においては、主軸８の反転動作を容易かつ正確に検出できるのが分かるであろう。

符号が変化していない場合には、主軸モータ２１または主軸８は反転動作していないと判断し、ステップＳ１０６において、反転補正量をゼロにする。これに対し、ステップＳ１０５においては反転補正量作成部３５が作成したパラメータ設定値を反転補正量として設定する。図２を再び参照すると、反転補正量作成部３５により作成された反転補正量は速度制御部３７に供給される。

図４（ａ）は速度制御部を拡大して示す第一の拡大図である。図４（ａ）に示されるように、速度制御部３７は積分器４１とゲイン乗算部４２とを含んでいる。図４（ａ）においては、反転補正量は積分器４１にのみ供給される。

これに対し、速度制御部を拡大して示す第二の拡大図である図４（ｂ）においては、反転補正量は積分器４１およびゲイン乗算部４２の両方に供給される。図４（ｂ）に示される場合には、同期誤差をより低減することのできる速度指令が作成されるのが分かるであろう。

図５は主軸速度、送り軸速度および反転補正量のタイムチャートを示す図である。図５から分かるように、時刻ｔ１においては、主軸速度がゼロからマイナスになるときであり、主軸反転検出部３４は時刻ｔ１において反転動作があったと判定する。反転補正量作成部３５が作成する反転補正量Ｙ１は、図５に示されるように所定の大きさであり、この反転補正量Ｙ１が所定の継続時間に亙って速度制御部３７に供給される。所定の継続時間は例えば所定の一つの制御周期ぶんであってよい。

あるいは、図５の下方に示されるように、反転補正量作成部３５は、反転補正量Ｙ２がその初期値から時間が経過するにつれて低下するように、反転補正量Ｙ２を作成してもよい。図９を参照して後述するように、反転補正量Ｙ２を主軸モータ２１と送り軸モータ３１との間の同期誤差に応じて減少させるのが好ましい。なお、図５においては反転補正量Ｙ２がその初期値から単調減少しているが、反転補正量Ｙ２が指数関数的に減少するようにしてもよい。

図６は速度制御部を拡大して示す第三の拡大図である。図６に示されるように、第一位置偏差ΔＰ１に位置ゲインを乗算することにより得られる速度指令が速度制御部３７に入力されると、それに反転補正量が加算され、積分器４１を通過する。また、図６においては、速度指令はゲイン乗算部４２を別途通って、積分器４１からの出力に加算される。これにより、送り軸モータ３１の重力分を含まないトルク指令（所定値）が作成される。そして、図６に示されるように、送り軸モータ３１の重力分のトルク指令がこれに加算されて、トルク指令Ｔが作成される。

図７は重力分を含まないトルク指令および反転補正量のタイムチャートである。反転直前におけるトルク指令Ｔ０＝−Ａとすると、反転後の目標トルク指令＝Ａである。ここで、単位時間当たり、例えば所定の制御周期当たりのトルク指令ＴをＴｎ、反転補正量をＹｎとする（ｎは自然数）。そして、以下の式（１）により反転補正量作成部３５が反転補正量Ｙｎを算出する。
Ｙｎ＝Ａ−Ｔｎ（１）
この場合には、トルクの立ち上がりに応じて反転補正量が低下するようになる。

なお、図面には示さないものの、送り軸モータ３１反転時における積分器４１はトルク指令Ｔと概ね同様な挙動を示す。従って、前述したのと同様な手法で、積分器４１の挙動に応じて反転補正量を低下させてもよい。

さらに、図８は送り軸の位置データおよび反転補正量のタイムチャートである。反転時における送り軸の位置データは図８に示されるように変化する。また前述したように、トルク指令Ｔは図７に示されるように変化する。ここで、反転直前におけるトルク指令Ｔ０＝−Ａとすると、反転後の目標トルク指令＝Ａであるので、反転補正量の初期値は２Ａになる。

ここで、単位時間当たり、例えば所定の制御周期当たりの送り軸の位置データをＰｎ、反転補正量をＹｎとする（ｎは自然数）。そして、図８に示されるように反転補正量の追加動作を停止する送り軸の位置データをＫとする。この場合には、以下の式（２）により反転補正量作成部３５が反転補正量Ｙｎを算出する。
Ｙｎ＝２Ａ／Ｋ×（Ｋ−Ｐｎ）（２）
この場合には、送り軸の位置データに応じて反転補正量が低下するようになる。

さらに、図９は同期誤差および反転補正量のタイムチャートである。図９においては、同期誤差に比例するように反転補正量を与えている。単位時間当たり、例えば所定の制御周期当たりの同期誤差をＥｎ、反転補正量をＹｎとする（ｎは自然数）と、以下の式（３）により反転補正量作成部３５が反転補正量Ｙｎを算出する。なお、式（３）における文字Ｃは比例定数である。
Ｙｎ＝Ｃ×Ｅｎ（３）
この場合には、同期誤差の量に応じて反転補正量が低下するようになる。このように単位時間当たりの反転補正量Ｙｎを変化させた場合には、送り軸が主軸８に追従する応答精度をより高められるのが分かるであろう。

図１０（ａ）は本発明における主軸速度と時間との関係を示す図であり、図１０（ｂ）は反転補正しない場合における同期誤差と時間との間の関係を示す図であり、図１０（ｃ）は反転補正した場合における同期誤差と時間との間の関係を示す図である。図１０（ａ）と図１０（ｂ）とを比較して分かるように、主軸が動作しているときには、同期誤差は発生し続けている。特に、主軸の速度がゼロから正の値になるとき、および主軸の速度がゼロから負の値になるときに同期誤差は大きくなる。

本発明においては、前述したように反転補正量を送り軸制御部３０の速度制御部３７に追加している。従って、図１０（ａ）と図１０（ｃ）とから分かるように、主軸の速度がゼロから正の値になるとき、および主軸の速度がゼロから負の値になるときの同期誤差は大幅に小さくなっている。つまり、本発明のような反転補正量を導入することによって、主軸反転時に送り軸モータ３１の反転動作が速まって同期誤差を大幅に低減できる。その結果、本発明では、送り軸のゲインをあまり大きく設定できない場合であっても、送り軸の応答精度を高められるのが分かるであろう。

１タッピング加工装置
２タップ盤
３ベース
５タップ加工工具
７スライダ
１０ＣＮＣ
１１記憶部
２０主軸制御部
２１主軸モータ
２２エンコーダ（回転角検出部）
２３第一位置偏差作成部
２４速度制御部
２５サーボアンプ
３０送り軸制御部
３１送り軸モータ
３２エンコーダ（送り位置検出部）
３３同期指令値作成部
３４主軸反転検出部
３５反転補正量作成部
３６第二位置偏差作成部
３７速度制御部
３８電流制御部
３９サーボアンプ
４１積分器
４２ゲイン乗算部

Claims

タップ加工工具を主軸回りに回転させる主軸モータと、
該主軸モータまたは主軸の回転角を検出する回転角検出部と、
前記タップ加工工具が取付けられた送り軸を駆動する送り軸モータと、
該送り軸モータまたは前記送り軸の位置を検出する位置検出部と、
前記主軸モータの移動指令値を作成する移動指令値作成部と、
該移動指令値作成部により作成された前記移動指令値と前記回転角検出部により検出された回転角検出値との間の位置偏差に基づいて前記主軸モータを駆動する主軸制御部と、
前記回転角検出値と前記タップ加工工具のネジピッチとに基づいて送り軸の移動指令値を作成する送り軸同期指令値作成部と、
該送り軸同期指令値作成部により作成された前記移動指令値と前記位置検出部により検出された位置検出値との間の位置偏差に基づいて前記送り軸モータを駆動する送り軸制御部と、
を備え、前記主軸モータと前記送り軸モータとを同期運転してタッピング加工動作を行うタッピング加工装置において、
タッピング加工時に前記主軸の反転動作を検出する主軸反転動作検出部と、
該主軸反転動作検出部によって前記主軸の反転動作が検出されたときに、前記送り軸の反転動作の追従性を向上させる反転補正量を作成する反転補正量作成部と、
を具備し、
前記主軸反転動作検出部によって反転動作が検出された際に、前記反転補正量作成部により作成された反転補正量を前記送り軸制御部の速度制御ループの速度指令または、前記速度制御ループの積分器に加算する、タッピング加工装置。
前記主軸反転動作検出部は、所定の制御周期で監視された前記主軸または前記主軸モータの実移動量がゼロでなくて且つ前回の実移動量とは符号が異なっている場合に、前記主軸が反転動作したと検出する、請求項１に記載のタッピング加工装置。
前記反転補正量は、所定の値を所定時間に亙って加算されるようにした請求項１または２に記載のタッピング加工装置。
前記反転補正量の初期値は前記送り軸モータ反転直前のトルク指令または前記積分器に基づいて算出され、前記反転補正量は前記送り軸モータの反転後のトルク指令、速度ループ積分器、または前記送り軸モータの移動距離に応じて低下するようにした請求項１または２に記載のタッピング加工装置。
前記反転補正量は、主軸と送り軸モータとの同期誤差に比例するようにした請求項１または２に記載のタッピング加工装置。