JP5409835B2 - 工作機械の制御装置及び回転工具によるワークの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、断続切削を行う回転工具とワークとの相対移動によりワークを切削加工する工作機械の制御装置及び回転工具によるワークの加工方法に関する。

工作機械は、種々の原因によって生じる駆動系の時間遅れのため、送り軸に運動誤差を生じることがある。運動誤差を生じる原因の一例には、切削負荷の変動によるものや、円弧補間運動などの象限切り替わり時に生じる象限突起などがある。切削負荷の変動は、回転工具の切れ刃がワークに喰い付き始めるときや、切り込みが変化するときなどに生じる。図７には、その加工形態の一例として、エンドミルなどの断続切削を行う回転工具１００により段差を有する領域１０１を切削する場合が示されている。回転工具１００は、領域１０１を切削する瞬間に、切削抵抗を受けることにより基端を支点として撓み、これにより、工具の移動軌跡にずれが生じて、運動誤差を生じる。図８及び図９には、回転工具１００によりワーク上面１０４やワーク内周面のインコーナ部１０３の切削において、象限突起を生じる加工形態の一例が示されている。一般に、図８のワーク上面１０４の加工では、ワーク上面１０４の頂点に突起状の好ましくない加工痕である象限突起の集合体が筋１０５として形成され、図９のインコーナ部加工では円弧部から直線部に変わる象限切り替わり部のワーク内周面に部分的に凹状の好ましくない加工痕が形成される。

工作機械の運動誤差は、上述したように、種々の原因によって回転工具の移動軌跡にずれを生じさせ、ワーク外周の加工面に突起状の加工痕を形成したり、ワーク内周の加工面に凹状の加工痕を形成したりすることがある。特に、図８や図９のような好ましくない突起状や凹状の加工痕は、象限突起として知られ、送り軸の送り方向がプラスからマイナス、又はマイナスからプラスに切り替わる付近に発生し、例えば、サーボモータが円弧指令を受けた場合に、送り軸の送り方向が反転する際の送り軸の動作タイミングがずれることによって生じる加工誤差である（又は運動誤差がワーク表面に転写されたものである）。このような加工誤差は、工作機械のＮＣパラメータを適切に調整することにより、小さくすることができる。しかしながら、加工誤差に影響を与えるＮＣパラメータを最適な値に設定するには、実機でテスト加工を繰り返し行うと共に、形状測定を行う必要があり、トライアルアンドエラーにてＮＣパラメータを調整することは、非常に時間を要し、また経験が必要な作業になるという問題がある。

特許文献１は、波形の条痕が回転工具の送り速度に対応して一定の間隔でワーク加工面に形成されないようにすることを技術的課題とした曲面加工方法及び加工装置を開示する。段落０００６には、加工中に回転工具の回転速度、回転工具とワークとの相対送り方向、回転工具とワークとの相対送り速度の３つの加工条件のうち少なくとも１つ加工条件を変化させながらワークを加工することが記載されている。

特許文献２は、ロストモーションなどに起因する加工痕が加工面に形成されないようにすること、すなわち、工作機械の駆動機構の運動誤差、サーボの遅れに起因する運動誤差がワーク外周面に現れる象限突起を排除して、加工面を高精度に仕上げることを課題とした被削材の切削方法を開示する。段落００２９には、エンドミル工具でワーク外周を１回走査する間に、ワークとエンドミル工具との接触点である切削点の送り速度ベクトルの向き及び大きさを不変とすることが記載されている。また、切削点の送り速度ベクトルの向き及び大きさを不変とするために、エンドミル工具のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の並進運動と、テーブルのＢ軸方向及びＣ軸方向の回転運動とを同期制御することが記載されている。

特開２０００−６１７７７号公報 特開２０１１−２２８９８号公報

特許文献１で開示されている加工方法は、サイクリックに回転速度や送り速度を変化させることにより、送り速度に対応して一定の間隔でワーク加工面に形成される波形の条痕を除去するものであり、スティックモーションや、ロストモーションなどに起因する加工痕がワーク加工面に形成されないようにするものではない。すなわち、特許文献１は、回転工具によるワーク外周の円弧加工などによって、ワーク加工面に形成される好ましくない加工痕としての象限突起を排除する方法を開示するものではない。

特許文献２に記載の発明は、送り駆動機構の並進方向の運動及び回転方向の運動の同期制御により、加工中に象限が切り替わらないようにして、ロストモーションなどに起因する象限突起がワーク外周面に形成されることを一部排除するものであるが、象限突起の形成を排除できる方向は、切削点の送り速度ベクトルの向きと運動誤差を生じる向きとが一致する方向に制限され、切削点の送り速度ベクトルの向きと直交する方向に生じる象限突起を排除することができない。これに関して、特許文献２の段落００４８には、Ｘ軸マイナス側とＸ軸プラス側に象限突起が形成されることが記載されている。また、工作機械のテーブル上でワークを回転させる構成を新たに追加する必要もあり、工作機械が複雑化するという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、断続切削を行う回転工具によるワークの加工中に、工具移動経路上で特定した目標位置では、切れ刃がワーク加工面に好ましくない加工痕を残さない工作機械の制御装置及び回転工具によるワークの加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、断続切削を行う回転工具とワークとを相対移動させワークを切削加工する工作機械の制御装置において、運動誤差を生じる工具経路上の目標位置を予め特定する目標位置特定手段と、特定した目標位置における回転工具の切れ刃がワークを切削するときと非切削になるときとが交互に繰り返される断続切削のうち非切削の回転角度位置に存在するように回転工具の位相を制御する位相制御手段と、を具備する工作機械の制御装置が提供される。

前記工作機械の制御装置において、前記位相制御手段が、前記目標位置特定手段により特定された目標位置における回転工具の位相を予測する工具位相予測部と、該工具位相予測部により回転工具の切れ刃が前記特定された目標位置においてワークを切削する回転角度位置に存在すると予測された場合に、回転工具の位相又は前記相対移動の送り速度を変化させる工具位相／送り速度修正部とを備える。

また、本発明によれば、断続切削を行う回転工具とワークとを相対移動させワークを切削加工するワークの加工方法において、運動誤差を生じる工具経路上の目標位置を予め特定するステップと、特定した目標位置における回転工具の切れ刃がワークを切削するときと非切削になるときとが交互に繰り返される断続切削のうち非切削の回転角度位置に存在するように回転工具の位相を制御するステップと、を含むことを特徴とした回転工具によるワークの加工方法が提供される。

以上の如く、本発明によれば、テーブル上でワークを回転させる構成を工作機械に新たに追加することなく、既存の工作機械を使用して、ワーク加工面に生じる好ましくない加工痕を排除又は抑制することができ、精度の高いワーク加工面を得ることができる。

本発明の工作機械の制御装置の機能的構成を示すブロック図である。 本発明の工作機械の制御装置の一実施形態を示すブロック図である。 回転工具によるワークの加工方法の一実施形態を示すフローチャートである。 回転工具によるワークの加工方法の他の実施形態を示すフローチャートである。 回転工具の位相を制御できない従来の方法でワークの孔内周を円弧加工する場合の説明図であり、（ａ）は回転工具の移動経路及び特定目標位置Ａ〜Ｄ点での回転工具の位相を示す図、（ｂ）は回転工具がワーク内周を１周回するときの、ワーク加工面から切れ刃までの距離を示す図である。 本発明の方法でワークの孔内周を円弧加工する場合の説明図であり、（ａ）は回転工具の移動経路及び特定目標位置Ａ〜Ｄ点での回転工具の位相を示す図、（ｂ）は回転工具がワーク内周を１周回するときの、ワーク加工面から切れ刃までの距離を示す図である。 回転工具を使用した加工において、切削負荷が変化するときの加工形態の一例を示す説明図である。 象限が切り替わるときの加工形態の一例として、回転工具を使用したワーク上面の加工を示す説明図である。 象限が切り替わるときの加工形態の他の一例として、回転工具を使用したワーク内周のコーナ部（インコーナ部）の切削を示す説明図である。

以下において、本発明の工作機械の制御装置について詳細に説明する。
図１では、本発明の制御装置１０の機能的な構成がブロック図で示されている。工作機械５の基本的構成に関しては、一般的なものであるため図示は省略するが、例えば、直交３軸の直線送り軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）を有する横形マシニングセンタを対象とすることができる。一般的な構成において、マシニングセンタは、ワークを保持するテーブルと、コラムに上下方向に移動可能に支持された主軸頭と、主軸頭に回転自在に保持された主軸とを備え、主軸とテーブルとは互いに直交する３軸方向に相対移動することが可能である。

本発明の制御装置１０は、主軸回転軸制御（Ｃｓ軸制御）機能を有し、主軸位相の位置決めをサーボ制御で行うサーボ制御部（不図示）と、各直線送り軸における送りを直線補間したり、円弧補間したりするために移動指令に基づいて補間パルスを演算する補間部（不図示）とを備えている。

更に、本発明の制御装置１０は、上記構成に加えて、加工中に工具中心の移動軌跡である工具移動経路上で制御対象位置となる目標位置を予め特定する目標位置特定手段１２と、特定した目標位置では回転工具の切れ刃がワーク加工面に加工痕を残さないように回転工具の位相を加工中に制御する位相制御手段１４と、を具備する。
工具移動経路上で特定される目標位置は、理論的には回転工具の切れ刃がワークに喰い付き始めるときの工具中心位置、ワーク内周のインコーナ部を加工するときの象限切り替わり部の工具中心位置、及び段差部などの切り込みが変化する領域を加工するときの工具中心位置、回転工具が円弧運動することによって直線送り軸の送り方向（象限）がプラスからマイナス又はマイナスからプラスに切り替わる部位を加工するときの工具中心位置などである。種々の加工条件でテスト加工して、理論上の目標位置と実際の加工痕が発生する位置とのずれをデータベース化しておき、実際の加工プログラム実行時に、データベースを基にしてシミュレーションを行い、目標位置を決定するのがよい。
工具移動経路は、例えば、ＣＡＤ１６、ＣＡＭ１７システムを利用した場合、記憶装置２８や外部入力装置（不図示）からシステムに入力された工具形状データ、ワーク形状データ、加工条件データに基づいて加工プログラムとして生成される。なお、工具形状データ、ワーク形状データ、加工条件データは、ネットワークを介してシステムに入力することもできる。また、回転工具やワークの現在位置（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，Ｃｓ軸）などの位置データは、工作機械５を制御するＮＣ装置から制御装置１０に直接入力される。

目標位置特定手段１２は、上述したように、工具移動経路上で特定される目標位置を演算又はシミュレーションにより特定する。特定された位置では、工作機械５の運動誤差により、回転工具の移動軌跡にずれを生じるため、ワークのインコーナ部などの内周面を切削している場合は、その位置、すなわち象限の切り替わる位置において部分的に深い切り込みとなり、回転工具の切れ刃がワーク加工面に過剰に喰い込んで凹みを形成することになり、一方、ワークの外周面などを切削している場合は、その位置において部分的に浅い切り込みとなり、ワーク加工面に象限突起を形成することとなる。以下、本明細書でいう「加工痕」には、ワーク加工面に部分的に形成される凹みや、突起状の象限突起の両方が含まれるものとする。

図２には、ワーク加工面に形成される象限突起を排除又は抑制する場合の具体例として、制御装置の一実施形態の機能的構成が示されている。制御装置２０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，Ｃｓ軸の現在位置、主軸回転速度Ｎ及び送り速度Ｆの指令値を読み込むための読込み部２１と、図１に示す目標位置特定手段１２としての象限突起発生位置予測演算部２２と、後述する位相制御手段１４とを備えている。位相制御手段１４は、図２に示すように、工具位相予測部２４と、予め作成された加工プログラムの内容を修正する工具位相／送り速度修正部２６を備えている。工具位相予測部２４は、象限突起発生位置予測演算部２２により特定されたそれぞれの目標位置において、回転工具に対するワーク加工面の向きを取得し、個々の目標位置において、回転工具の切れ刃がワーク加工面に対してどのような位相にあるのかを演算により予測する。これにより、個々の目標位置において、切れ刃位置を回転角度とワーク加工面からの距離（図５，６参照）とで表すことが可能となり、ワーク加工面に対して切れ刃が接触する（切削状態）か否かを求めることができる。

工具位相／送り速度修正部２６は、特定された目標位置において、工具位相予測部２４により切れ刃がワーク加工面に接触すると予測された場合に、回転工具の切れ刃がワークから離脱するように（断続切削の断の状態、つまり切れ刃が非切削位置にあるように）、Ｃｓ軸制御により回転工具の位相を変化させる。

ここで、Ｃｓ軸制御される主軸回転軸は、サーボ制御で主軸の位相を決めるために、主軸に付加的に設けられた制御軸であり、Ｃｓ軸制御によって、ワーク加工面に対して切れ刃が離脱するように主軸（回転工具）の位相を変化させることができる。Ｃｓ軸の回転速度を一定にした場合、送り速度を変化させて、象限突起発生予測位置における工具位相を修正することもできる。したがって、工具位相／送り速度修正部２６では、回転工具の位相又は回転工具の送り速度の一方を選択的に修正して、ワーク加工面に対して加工痕を残さないようにすることができる。

これにより、工作機械５が運動誤差を有して、回転工具の移動経路にずれが生じる場合であっても、移動経路のずれが生じる箇所において、切れ刃をワーク加工面から離脱させるなどして、ワーク加工面に加工痕が形成されることを排除又は抑制することができる。

図３及び図４には、本発明のワークの加工方法を説明するフローチャートがそれぞれ示されている。図３は、工作機械５が運動誤差を生ずる工具移動経路上の目標位置として、切削負荷の急変位置が特定（取得）される場合の一例を示し、図４は、工作機械５が運動誤差を生ずる工具移動経路上の目標位置として、象限突起の発生位置が特定される場合の他の一例を示す。

図３のフローチャートについて説明すると、ステップＳ１０において、ＣＡＤ１６、ＣＡＭ１７システムにより作成された加工プログラムに基づいて加工を開始し、ステップＳ２０において、工具移動経路上に存在する切削負荷の急変位置を演算により予め特定し、ステップＳ３０において、特定された個々の切削負荷の急変位置で、回転工具に対するワーク加工面の向きを特定し、ステップＳ４０において、個々の切削負荷の急変位置で回転工具の切れ刃がワーク加工面に不要な加工痕を残さないように、Ｃｓ軸制御又は送り軸制御によって主軸に保持される回転工具の位相を制御して、特定された切削負荷の急変位置では切れ刃が非切削範囲に入るようにし、ステップＳ５０において加工を終了する。この場合、工具ＣＴの移動経路ＴＰの始点から位相を決めるのが好ましい。そうすれば、工具ＣＴの移動中に１刃当たりの送り量が変化せず、加工面品位は良くなる。なお、図４については、工具移動経路上の目標位置として象限突起の発生位置が特定されることを除いて、図３と同様であるため説明を省略する。

図５及び図６は、断続切削を行う回転工具の位相を制御できない従来の場合と、回転工具の位相を制御できる本発明の場合とにおいて、一枚の切れ刃を有する回転工具をワークの内周に沿って反時計方向に周回移動させてワークの内径加工を行うときの、特定目標位置における回転工具の位相及びワーク加工面からの切れ刃離脱量をそれぞれ示したものである。

図５（ａ）は、回転工具ＣＴの位相を制御できない従来の場合における特定目標位置Ａ〜Ｄ点での回転工具ＣＴの位相を示す。一枚刃の回転工具ＣＴは、ワークＷの内周に沿う移動経路ＴＰ上を反時計方向に移動する。象限が切り替わる特定目標位置Ａ〜Ｄ点では、工作機械５の運動誤差のために、工具ＣＴの移動経路ＴＰに突起状のずれが生じている。すなわち、回転工具ＣＴは、特定目標位置Ａ〜Ｄ点を除く箇所ではワーク加工面との間に一定の距離が保たれているが、特定目標位置Ａ〜Ｄ点ではワーク加工面に接近することとなる。特定目標位置Ａ，Ｂ及びＤ点では、切れ刃ＣＥが非切削状態、すなわち、ワーク加工面から離脱しているため問題はないが、特定目標位置Ｃ点では、切れ刃ＣＥがワーク加工面に接触し（喰い付き）、好ましくない凹状の加工痕を残すことになる。

図５（ｂ）は、ワーク加工面から切れ刃ＣＥまでの距離を示したものである。加工を始めると、回転工具ＣＴ自身の回転に伴って一枚の切れ刃ＣＥはワーク加工面に対して周期的に接触と離脱とを繰り返し、特定目標位置Ａ，Ｂ及びＤ点では、切れ刃ＣＥのワーク加工面からの距離が大きくなるが、特定目標位置Ｃ点では、切れ刃ＣＥがワーク加工面に接触し、加工面に切り込むことが示されている。

図６（ａ）は、回転工具ＣＴの位相を制御する本発明の場合における特定目標位置Ａ〜Ｄ点での回転工具ＣＴの位相を示す。回転工具ＣＴの移動経路ＴＰは従来の場合と同じであるが、特定目標位置Ｃ点において、回転工具ＣＴの位相がＣｓ軸制御され、切れ刃ＣＥがワーク加工面から離脱している点が従来例と相違している。

図６（ｂ）は、ワーク加工面から切れ刃ＣＥまでの距離を示したものである。本実施形態の場合は、Ｃｓ軸制御は特定目標位置Ｂ点を過ぎてから行われ、特定目標位置Ｃ点において、切れ刃ＣＥがワーク加工面の例えば１８０゜反対側に位置するように制御されている。特定目標位置Ｄ点は示されていないが、一枚の切れ刃ＣＥはワーク加工面から離脱するように制御されている。その後、この加工条件で回転工具ＣＴがワーク内周に沿って連続的に移動し、特定目標位置Ｄ点において、切れ刃ＣＥがワーク加工面に対して接触するか否かが判断され、接触しない場合はそのまま加工を行い、接触する場合はＣｓ軸制御により切れ刃ＣＥがワーク加工面に接触しないように制御される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。図５及び図６には、一枚の切れ刃ＣＥを有する回転工具ＣＴが示されているが、複数の切れ刃を有する多刃の回転工具を用いた場合であっても、Ｃｓ軸制御により個々の切れ刃がワーク加工面に接触しないように制御することが可能である。また、ワークＷの内径加工に限られず、ワークのインコーナ部の加工や、ワークの外径加工や、等高線に沿う加工や、切り込み量が変化する領域などを加工する場合であっても、個々の切れ刃がワーク加工面に加工痕を残さないように、加工中に回転工具の位相を逐次制御することが可能である。

以上のように、本実施形態の工作機械の制御装置及びワークの加工方法によれば、断続切削を行う回転工具ＣＴによるワークＷの加工中に、工具移動経路ＴＰ上で特定した目標位置における切れ刃ＣＥの位相（回転位置）を制御することにより、切れ刃ＣＥがワーク加工面に好ましくない加工痕を残さないようにでき、ワークＷの高品質で高精度な加工を行うことが可能となる。

１０，２０ 制御装置
１２ 目標位置特定手段
１４ 工具の位相制御手段
２２ 象限突起発生位置予測演算部
２４ 工具位相予測部
２６ 工具位相／送り速度修正部
Ｗ ワーク
ＣＴ 回転工具
ＣＥ 切れ刃
ＴＰ 工具移動経路
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 特定された目標位置

Claims (3)

1. 断続切削を行う回転工具とワークとを相対移動させワークを切削加工する工作機械の制御装置において、
   運動誤差を生じる工具経路上の目標位置を予め特定する目標位置特定手段と、
   特定した目標位置における回転工具の切れ刃がワークを切削するときと非切削になるときとが交互に繰り返される断続切削のうち非切削の回転角度位置に存在するように回転工具の位相を制御する位相制御手段と、
   を具備することを特徴とした工作機械の制御装置。
2. 前記位相制御手段が、前記目標位置特定手段により特定された目標位置における回転工具の位相を予測する工具位相予測部と、該工具位相予測部により回転工具の切れ刃が前記特定された目標位置においてワークを切削する回転角度位置に存在すると予測された場合に、回転工具の位相又は前記相対移動の送り速度を変化させる工具位相／送り速度修正部とを備える請求項１記載の工作機械の制御装置。
3. 断続切削を行う回転工具とワークとを相対移動させワークを切削加工するワークの加工方法において、
   運動誤差を生じる工具経路上の目標位置を予め特定するステップと、
   特定した目標位置における回転工具の切れ刃がワークを切削するときと非切削になるときとが交互に繰り返される断続切削のうち非切削の回転角度位置に存在するように回転工具の位相を制御するステップと、
   を含むことを特徴とした回転工具によるワークの加工方法。

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