JP5778801B2 - 工作機械の数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークのタップ加工を行う工作機械の数値制御装置に関する。

工作機械によってワークのタップ加工を行う際には、タップ工具が取り付けられた主軸と、主軸を送り動作させる送り軸とを精度良く同期させる必要がある。そして、タップ加工のサイクルタイムを短縮するためには、送り軸による主軸の移動時間が、予め定められた主軸の回転量に対して最小になるように、主軸の回転速度及び加速度等を決定する必要がある。しかしながら、これらパラメータの決定は、熟練した操作者の技能と経験に依るところが大きいので、多くの操作者にとっては困難な作業であった。

これに関連して、特許文献１には、タップ加工による切込深さｌ及びねじピッチＰに基づいて、加工時間が最小になる加減速度時定数Ｔを算出する技術が開示されている。より具体的に、特許文献１の技術では、主軸の回転量Ｓ（Ｓ＝ｌ／Ｐ）、主軸の加速度α、及び加減速度時定数Ｔの間に成立する関係式：Ｓ＝ｌ／Ｐ＝αＴ²を用いて加減速時定数Ｔを算出している。しかしながら、特許文献１の技術は、予め定められた主軸の回転速度に対する適切な加減速時定数を算出することを目的としており、加工時間が最小になる主軸の回転速度を求めることはできない。また、特許文献１の技術は、主軸が指令回転速度まで加速された後に即座に減速されるような場面のみを想定しているので、あらゆる場面において最適な加減速時定数が算出できるとは限らない。

特開平３−１１７５１５号公報

タップ加工の加工時間が最小になる主軸の指令回転速度を決定できる数値制御装置が求められている。

本発明の第１の態様によれば、タップ工具が取り付けられる主軸と、主軸を送り動作させる送り軸とによってワークのタップ加工を行う工作機械の数値制御装置であって、主軸の指令回転速度と、主軸の設定可能な最大加速度との間の対応関係を示す、予め定められた加減速特性情報を取得する加減速特性取得部と、主軸の送り動作が開始されてからタップ工具がワークの穴底に到達するまでの間の主軸の回転量を示す、予め定められた回転量情報を取得する回転量取得部と、加減速特性情報及び回転量情報に基づいて、主軸の指令回転速度と、主軸が回転量を達成するのに要する加工時間との間の対応関係を算出する加工時間算出部と、加工時間算出部によって算出した対応関係に基づいて、加工時間が最小になる主軸の指令回転速度の最適値を決定する速度決定部と、を有する数値制御装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、主軸の指令回転速度の複数の選択値を取得する指令速度取得部をさらに有し、加工時間算出部が、複数の選択値の各々と加工時間との間の対応関係を算出し、速度決定部が、主軸の指令回転速度の最適値を、複数の選択値の中から決定する、数値制御装置が提供される。
本発明の第３の態様によれば、第１又は第２の態様において、主軸の指令回転速度をｖとし、最大加速度をａ（ｖ）とし、回転量をＤとし、加工時間をＴ（ｖ）とするときに、加工時間算出部が下記の数式（１）

を用いて、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を算出する、数値制御装置が提供される。
本発明の第４の態様によれば、第１〜第３の態様のいずれか１つにおいて、数値制御装置が、加減速特性情報における最大加速度を、タップ加工の負荷による主軸のトルク低下を考慮して補正する加減速特性補正部をさらに有し、加工時間算出部が、加減速特性補正部による補正後の加減速特性情報に基づいて、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を算出する、数値制御装置が提供される。
本発明の第５の態様によれば、第１〜第４の態様のいずれか１つにおいて、加工時間算出部によって算出した主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を表示する表示部をさらに有する数値制御装置が提供される。
本発明の第６の態様によれば、第５の態様において、回転量取得部が、複数の回転量をそれぞれ示す複数の回転量情報を取得し、加工時間算出部が、複数の回転量情報の各々に基づいて、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を算出し、表示部が、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を、複数の回転量の各々について表示する、数値制御装置が提供される。
本発明の第７の態様によれば、第５又は第６の態様において、加減速特性取得部が、複数の主軸の各々について定められた加減速特性情報を取得し、加工時間算出部が、複数の加減速特性情報の各々に基づいて、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を算出し、表示部が、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を、複数の主軸の各々について表示する、数値制御装置が提供される。

本発明の第１の態様によれば、工作機械の主軸の加減速特性情報及び回転量に基づいて主軸の指令回転速度とタップ加工の加工時間との間の対応関係が算出されるので、工作機械によるタップ加工の加工時間が最小になる主軸の指令回転速度を最適値として決定できるようになる。
本発明の第２の態様によれば、主軸の指令回転速度の複数の選択値のうちの加工時間が最小になる選択値を最適値として決定できるようになる。
本発明の第３の態様によれば、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を容易に算出できるようになる。
本発明の第４の態様によれば、タップ加工の負荷による主軸のトルク低下を考慮して補正された加減速特性情報に基づいて、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係が算出されるので、主軸のトルク低下が大きい場合であっても、加工時間が最小になる主軸の指令回転速度を正確に決定できるようになる。
本発明の第５の態様によれば、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係が表示されるので、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を視覚的に確認できるようになる。
本発明の第６の態様によれば、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係が、複数の回転量の各々について表示されるので、回転量の変更に伴う加工時間の変化を視覚的に確認できるようになる。
本発明の第７の態様によれば、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係が、複数の主軸の各々について表示されるので、複数の主軸の各々による加工時間を視覚的に確認できるようになる。

本発明の第１実施形態による例示的な数値制御装置を備える加工システムの構成を示すブロック図である。 図１の加工システムによるワークのタップ加工について説明するための図である。 図１における工作機械の主軸が指令回転速度に到達するまでの間の主軸の回転速度の時間変化を表すグラフである。 図１における工作機械の主軸が所定の回転量を達成するまでの間の主軸の回転速度の時間変化を示す第１のグラフである。 図１における工作機械の主軸の加減速特性を示すグラフである。 図１における工作機械の主軸が所定の回転量を達成するまでの間の主軸の回転速度の実際の時間変化を示す第２のグラフである。 図１における工作機械の主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を示すグラフである。 図７のグラフの部分拡大図である。 図１における数値制御装置が主軸の最適回転速度を決定する処理の手順を示すフローチャートである。 本実施形態の他の例示的な数値制御装置を備える加工システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の数値制御装置を備える加工システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態の数値制御装置の加減速特性補正部による補正前後の加減速特性情報を比較して示すグラフである。 本発明の第３実施形態の数値制御装置を備える加工システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態の数値制御装置の表示部によって表示された、主軸の指令回転速度と加工時間との間の対応関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の記載は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲や用語の意義等を限定するものではない。

図１〜図１０を参照して、本発明の第１実施形態による工作機械の数値制御装置について説明する。図１は、本実施形態による例示的な数値制御装置１を備える加工システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の数値制御装置１は、ワークのタップ加工を実行可能な工作機械ＭＣを数値制御する数値制御装置である。図１のように、本例の工作機械ＭＣは、タップ工具が取り付けられる主軸Ａ１と、主軸Ａ１を送り動作させる送り軸Ａ２と、主軸Ａ１を回転させる主軸モータＭ１と、送り軸Ａ２を回転させる送り軸モータＭ２と、を備えている。そして、数値制御装置１が主軸モータＭ１と送り軸モータＭ２を同期制御することによって、工作機械ＭＣがワークのタップ加工を実行するようになっている。

ここで、図２を参照して、図１の加工システムによるワークのタップ加工について説明する。図２は、工作機械ＭＣの主軸Ａ１に取り付けられたタップ工具ＴＬの近傍を概略的に示す側面図である。本例のタップ加工では、先ず、主軸Ａ１がワークＷに形成された穴Ｈに対して位置決めされる。これにより、図２のように、タップ工具ＴＬの先端部が穴Ｈの上方の加工開始点Ｒ１に配置される。次いで、主軸モータＭ１と送り軸モータＭ２の同期制御によって、タップ工具ＴＬが回転しながらワークＷに対して移動する。これにより、ワークＷの穴Ｈの内周壁にねじ溝が順次形成される。そして、タップ工具ＴＬの先端部がワークＷの穴底の加工終了点Ｒ２に到達したら、タップ工具ＴＬの先端部が再び加工開始点Ｒ１に引き戻される。この際、主軸モータＭ１と送り軸モータＭ２は、主軸Ａ１の一回転当たりの送り軸Ａ２による移動量ｐ（ｍｍ／ｒｅｖ）が所定のねじピッチと等しくなるように同期制御される。また、図２の加工開始点Ｒ１から加工終了点Ｒ２までの距離を主軸Ａ１の送り動作による移動距離Ｌとすると、主軸Ａ１の送り動作が開始されてからタップ工具ＴＬがワークＷの穴底に到達するまでの間の主軸Ａ１の回転量Ｄ（ｒｅｖ）は、主軸Ａ１の移動距離Ｌ及び移動量ｐ（ｍｍ／ｒｅｖ）から下記の数式（２）によって算出される。主軸Ａ１の移動距離Ｌ及び移動量ｐは、例えば加工プログラムから取得されうる。

また、タップ工具ＴＬが加工開始点Ｒ１から加工終了点Ｒ２まで移動する間の主軸Ａ１の指令回転速度は、例えば加工プログラムから取得されうる。図３は、図１における工作機械ＭＣの主軸Ａ１の回転速度が所定の指令回転速度ｖ₀に到達するまでの間の主軸Ａ１の回転速度の時間変化を表すグラフである。図３のように、主軸Ａ１の回転速度は、指令回転速度ｖ₀に到達するまで一定の加速度で増加するように制御される。すなわち、図３のグラフは、主軸Ａ１の加速度を傾きとする直線であり、主軸Ａ１の加速度は、主軸Ａ１の指令回転速度ｖ₀と、主軸Ａ１の回転速度が指令回転速度ｖ₀に到達するまでの時定数ｔ_aという２つのパラメータによって決定される。後述するように、主軸Ａ１の設定可能な最大加速度は、主軸Ａ１の指令回転速度に応じて変化しうる（図５参照）。

図４は、図１における工作機械ＭＣの主軸Ａ１が所定の回転量Ｄを達成するまでの間の主軸Ａ１の回転速度の時間変化を表すグラフである。図４には、３つの任意の最大加速度ａ₁，ａ₂，ａ₃（ａ₁＞ａ₂＞ａ₃）のそれぞれに対応するグラフＧ４１，Ｇ４２，Ｇ４３が示されている。３つのグラフＧ４１，Ｇ４２，Ｇ４３のそれぞれに対応する主軸Ａ１の指令回転速度ｖはｖ₁，ｖ₂，ｖ₃であり（ｖ₁＞ｖ₂＞ｖ₃）、３つのグラフＧ４１，Ｇ４２，Ｇ４３をそれぞれ時間積分した積分値は、いずれも主軸Ａ１の所定の回転量Ｄと等しくなる。３つのグラフＧ４１，Ｇ４２，Ｇ４３を比較すると分かるように、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと最大加速度ａ（＝ｖ／ｔ_a）を大きくするほど、主軸Ａ１が所定の回転量Ｄを達成するのに要する時間Ｔを短くすることができる（Ｔ₁＜Ｔ₂＜Ｔ₃）。主軸Ａ１が所定の回転量Ｄを達成するのに要する時間Ｔを以下では加工時間Ｔと称する。しかしながら、一般にモータの出力トルクは高速回転領域において低下するので、主軸Ａ１の設定可能な最大加速度ａは高速回転領域において制限されることになる。すなわち、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと最大加速度ａの両方を同時に大きくすることはできないので、加工時間Ｔを短くするためには、主軸Ａ１の回転速度ごとの加減速特性を考慮した上で最適な指令回転速度ｖを決定することが望ましい。本例の工作機械ＭＣの主軸Ａ１の加減速特性について以下に詳細に説明する。

図５は、図１における工作機械ＭＣの主軸Ａ１の加減速特性を示すグラフである。図５のように、本例による主軸Ａ１の最大加速度ａは、指令回転速度ｖが所定値ｖ_b未満の範囲では指令回転速度ｖによらず一定値（ａ＝ａ_max）であるものの、指令回転速度ｖが所定値ｖ_b以上の範囲では指令回転速度ｖに反比例して減少する。すなわち、本例による主軸Ａ１の最大加速度ａは、下記の数式（３）によって、指令回転速度ｖの関数ａ（ｖ）で表される。図５のグラフにおいて最大加速度ａが減少し始めるときの指令回転速度ｖ_bを以下では基底回転速度ｖ_bと称することがある。

図６は、図１における工作機械ＭＣの主軸Ａ１が所定の回転量Ｄを達成するまでの間の主軸Ａ１の回転速度の時間変化を表す、図４と同様のグラフである。ただし、図４には、主軸Ａ１の加減速特性を考慮しない回転速度の時間変化が示されているのに対し、図６には、図５の例による主軸Ａ１の加減速特性を考慮した回転速度の時間変化が示されている。より具体的に、図６には、図５のグラフにおける３つの指令回転速度ｖ_b，ｖ₁，ｖ₂（ｖ_b＜ｖ₁＜ｖ₂）のそれぞれに対応するグラフＧ６０，Ｇ６１，Ｇ６２が示されている。図４と同様に、３つのグラフＧ６０，Ｇ６１，Ｇ６２をそれぞれ時間積分した積分値は、いずれも主軸Ａ１の所定の回転量Ｄと等しくなる。図５のグラフから分かるように、３つの指令回転速度ｖ_b，ｖ₁，ｖ₂はそれぞれ最大加速度ａ_max，ａ₁，ａ₂に対応している（ａ_max＞ａ₁＞ａ₂）。そして、３つのグラフＧ６０，Ｇ６１，Ｇ６２のそれぞれに対応する加工時間Ｔ_b，Ｔ₁，Ｔ₂を比較すると分かるように、主軸Ａ１の最大加速度ａが高速回転領域において減少する場合には、主軸Ａ１の指令回転速度ｖを大きくしたからといって加工時間Ｔが短縮されるとは限らない（Ｔ₂＞Ｔ_b＞Ｔ₁）。特に、最大加速度ａ₂に対応するグラフＧ６２では、主軸Ａ１の回転速度が指令回転速度ｖ₂に到達する前に減少し始めるので、加工時間Ｔが比較的長くなっている。そのため、本実施形態の数値制御装置１は、図５のような主軸Ａの加減速特性を考慮して、加工時間Ｔが最小になる主軸Ａ１の最適な指令回転速度ｖを決定する機能を有している。

再び図１を参照して、本実施形態の数値制御装置１の構成について説明する。図１のように、本例の数値制御装置１は、記憶部１０と、加減速特性取得部１１と、回転量取得部１２と、加工時間算出部１３と、速度決定部１４と、を備えている。これら構成要素の機能について以下に詳細に説明する。本例の加減速特性取得部１１は、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと、設定可能な最大加速度ａとの間の対応関係を示す、予め定められた加減速特性情報Ｉ１を取得する機能を有する。本例の加減速特性情報Ｉ１によって示される対応関係の一例が、図５のグラフに示されている。加減速特性情報Ｉ１は、例えば、主軸モータＭ１の出力特性の仕様値又は実測値に基づいて予め作成されて記憶部１０に格納されうる。本例の回転量取得部１２は、主軸Ａ１の送り動作が開始されてからタップ工具ＴＬがワークＷの穴底に到達するまでの間の主軸Ａ１の回転量Ｄを示す、予め定められた回転量情報Ｉ２を取得する機能を有する。回転量情報Ｉ２は、例えば、主軸Ａ１の移動距離Ｌ及び移動量ｐに基づいて算出されて記憶部１０に格納されうる（上記の数式（２）を参照）。

続いて、本例の数値制御装置１の加工時間算出部１３について説明する。本例の加工時間算出部１３は、上述した加減速特性情報Ｉ１及び回転量情報Ｉ２に基づいて、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと、主軸Ａ１が所定の回転量Ｄを達成するのに要する加工時間Ｔとの間の対応関係を算出する機能を有する。より具体的に、加工時間算出部１３は、指令回転速度ｖを変数とする加工時間Ｔの関数Ｔ（ｖ）を用いて、指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を算出する。この点について以下に詳細に説明する。なお、図６に示されるように、本例のタップ加工では、主軸Ａ１が設定可能な最大加速度で直線的に加速ないし減速されるものとする。

先ず、加工時間算出部１３は、主軸Ａ１の所定の回転量Ｄと、図５のような加減速特性が与えられたときに指令回転速度ｖが取りうる範囲、すなわち、関数Ｔ（ｖ）の定義域（０≦ｖ≦ｖ_max）を求める。より具体的に、加工時間算出部１３は、主軸Ａ１が加速ないし減速されている間の回転数Ｄａが所定の回転数Ｄと一致するときの指令回転速度ｖを、関数Ｔ（ｖ）の定義域の上限値ｖ_maxとして算出する。主軸Ａ１が加速ないし減速されている間の回転数Ｄａは、下記の数式（４）によって表される。式中のｔａは、主軸Ａ１の加減速時定数である。

ここで、再び図６を参照すると、上記の数式（４）から算出される回転量Ｄａと主軸Ａ１の所定の回転量Ｄの大小関係に応じて、主軸Ａ１の回転速度の時間変化を示すグラフの形状が以下のように変化することが分かる。

Ｄａ＜Ｄの場合：主軸Ａ１は指令回転速度ｖまで加速され、指令回転速度ｖで定速回転してから減速される。従って、この場合の時間変化のグラフは、図６のグラフＧ６０のような台形の形状を有する。
Ｄａ＝Ｄの場合：主軸Ａ１は指令回転速度ｖまで加速され、定速回転することなく減速される。従って、この場合の時間変化のグラフは、図６のグラフＧ６１のような三角形の形状を有する。
Ｄａ＞Ｄの場合：Ｄａ＝Ｄの場合よりも主軸Ａ１の最大加速度ａが小さいので（すなわち、加速時の傾きが小さいので）、主軸Ａ１は指令回転速度ｖまで加速されることなく途中で減速される。従って、この場合の時間変化のグラフは、図６のグラフＧ６２のような底辺が比較的長い三角形の形状を有する。

以上のように、Ｄａ＞Ｄの場合には、主軸Ａ１が指令回転速度ｖまで加速されることなく途中で減速されるので、Ｄａ＞Ｄの場合の加工時間Ｔ（例えば、図６のグラフＧ６２に対応する加工時間Ｔ₂）がＤａ＝Ｄの場合の加工時間Ｔ（例えば、図６のグラフＧ６１に対応する加工時間Ｔ₁）よりも短くなることはない。そのため、加工時間算出部１３は、Ｄａ＝Ｄの場合の主軸Ａ１の指令回転速度ｖを、関数Ｔ（ｖ）の定義域の上限値ｖ_maxとして算出する。これにより、Ｄａ＞Ｄの場合の主軸Ａ１の指令回転速度ｖが関数Ｔ（ｖ）の定義域から除外される。そして、Ｄａ＝Ｄの場合には、上記の数式（４）並びに下記の数式（５）及び数式（６）から下記の数式（７）が導かれるので、関数Ｔ（ｖ）の定義域の上限値ｖ_maxは、下記の数式（８）によって表される。

続いて、加工時間算出部１３は、以下の手順に従って、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を算出する。先ず、加工時間算出部１３は、主軸Ａ１の加速及び減速に要する時間である加減速時間Ｔａを算出する。より具体的に、主軸Ａ１の加速及び減速に要する時間はそれぞれｖ／ａ（ｖ）であるので、主軸Ａ１の加減速時間Ｔａは、下記の数式（９）によって表される。

次いで、加工時間算出部１３は、主軸Ａ１が指令回転速度ｖで定速回転する時間である定速回転時間Ｔｂを算出する。より具体的に、主軸Ａ１が定速回転する間の回転量はＤ−Ｄａで表され、Ｄａは上記の数式（４）で表されるので、主軸Ａ１の定速回転時間Ｔｂは、下記の数式（１０）によって表される。

次いで、加工時間算出部１３は、主軸Ａ１の加減速時間Ｔａと定速回転時間Ｔｂを加算することによって加工時間Ｔを算出する。より具体的に、主軸Ａ１の加減速時間Ｔａ及び定速回転時間Ｔｂはそれぞれ上記の数式（９）及び数式（１０）によって表されるので、加工時間Ｔは、下記の数式（１１）によって表される。すなわち、加工時間算出部１３は、主軸Ａ１の指令回転速度ｖを変数とする加工時間Ｔの関数Ｔ（ｖ）を用いて、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を算出する。

そして、主軸Ａ１の加減速特性が上記の数式（３）によって表される場合、関数Ｔ（ｖ）は、０≦ｖ≦ｖ_maxかつｖ＜ｖ_bの範囲では下記の数式（１２）によって表され、０≦ｖ≦ｖ_maxかつｖ≧ｖ_bの範囲では下記の数式（１３）によって表される。

続いて、本例の数値制御装置１の速度決定部１４について説明する。本例の速度決定部１４は、加工時間算出部１３によって算出した主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係に基づいて、加工時間Ｔが最小になる主軸Ａ１の指令回転速度ｖの最適値ｖ_pを決定する機能を有する。このような指令回転速度ｖの最適値ｖ_pを以下では最適回転速度ｖ_pと称する。より具体的に、本例の速度決定部１４は、上記の数式（１２）及び数式（１３）をそれぞれ一階微分することによって得られる下記の数式（１４）及び数式（１５）を用いて、関数Ｔ（ｖ）の極小値を与える指令回転速度ｖを算出する。

ここで、上記の数式（１４）においてＴ’（ｖ）＝０とすると、下記の数式（１６）が得られるとともに、下記の数式（１６）から下記の数式（１７）が導かれる。

同様に、上記の数式（１５）においてＴ’（ｖ）＝０とすると、下記の数式（１８）が得られるとともに、下記の数式（１８）から下記の数式（１９）が導かれる。

そして、上記の数式（１７）から算出される指令回転速度ｖを指令回転速度ｖ₁とすると、０≦ｖ＜ｖ_bかつｖ₁＜ｖ_bであるときには、上記の数式（１２）から算出される関数値Ｔ（０），Ｔ（ｖ₁），Ｔ（ｖ_b）のうちの最も小さい値が、関数Ｔ（ｖ）の最小値になる。また、０≦ｖ＜ｖ_bかつｖ₁＞ｖ_bであるときには、上記の数式（１２）から算出される関数値Ｔ（０），Ｔ（ｖ_b）のうちの小さい方の値が、関数Ｔ（ｖ）の最小値になる。

他方、上記の数式（１９）から算出される指令回転速度ｖを指令回転速度ｖ₂とすると、ｖ≧ｖ_bかつｖ₂＞ｖ_bであるときの関数Ｔ（ｖ）の最小値は、上記の数式（１３）から算出される関数値Ｔ（ｖ_b），Ｔ（ｖ₂）のうちの小さい方の値である。また、ｖ≧ｖ_bかつｖ₂＝ｖ_bであるときの関数Ｔ（ｖ）の最小値は、上記の数式（１３）から算出される関数値Ｔ（ｖ₂）であり、ｖ≧ｖ_bかつｖ₂＜ｖ_bであるとき関数Ｔ（ｖ）の最小値は、上記の数式（１３）から算出される関数値Ｔ（ｖ_b）である。そして、数式（１２）及び数式（１３）から算出される上記の関数値のうちの最も小さい値を与える指令回転速度ｖが、主軸Ａ１の最適回転速度ｖ_pとして決定される。なお、主軸Ａ１の最適回転速度ｖ_pに対応する加減速時定数ｔａは、下記の数式（２０）によって表される。

続いて、主軸Ａ１の回転量Ｄと加減速特性が与えられたときの加工時間Ｔと最適回転速度ｖ_pの具体的な計算結果について説明する。図７は、以下の表１に示す具体的な数値を上記の数式（１２）及び数式（１３）に代入したときの主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を示すグラフであり、図８は、図７の部分拡大図である。本例では、主軸Ａ１の加減速特性として、上記の数式（３）によって表される関数ａ（ｖ）を採用している（図５も参照）。図８から分かるように、本例による加工時間Ｔは、ｖ＝２８００ｒｐｍの近傍で最小になっている。そして、上記の数式（１７）及び数式（１９）を用いて最適回転速度ｖ_pを計算すると、数式（１７）による計算結果は５４８０ｒｐｍであり、数式（１９）による計算結果は２８２４ｒｐｍである。ここで、数式（１７）の適用範囲は０≦ｖ＜１５００ｒｐｍであり、数式（１９）の適用範囲はｖ≧１５００ｒｐｍであるので、本例による最適回転速度ｖ_pは２８２４ｒｐｍであることが分かる。

続いて、本実施形態の数値制御装置１の動作の概要について、フローチャートを参照して説明する。図９は、図１における数値制御装置１が主軸Ａ１の最適回転速度ｖ_pを決定する処理の手順を示すフローチャートである。図９のように、先ず、ステップＳ９０１では、加減速特性取得部１１が主軸Ａ１の加減速特性情報Ｉ１を記憶部１０から取得する。Ｓ９０１で取得される加減速特性情報Ｉ１による指令回転速度ｖと最大加速度ａとの間の対応関係は、例えば、上記の数式（３）によって表される（図５も参照）。

次いで、ステップＳ９０２では、回転量取得部１２が主軸Ａ１の回転量情報Ｉ２を記憶部１０から取得する。次いで、ステップＳ９０３では、ステップＳ９０１で取得した加減速特性情報Ｉ１及びステップＳ９０２で取得した回転量情報Ｉ２に基づいて、加工時間算出部１３が指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を算出する。例えば、加工時間算出部１３は、上記の数式（１１）を用いて、指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を算出する。次いで、ステップＳ９０４では、ステップＳ９０３で算出した指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係に基づいて、加工時間Ｔが最小になる主軸Ａ１の最適回転速度ｖ_pを算出する。

以上のように、本実施形態の数値制御装置１によれば、工作機械ＭＣの主軸Ａ１の加減速特性情報Ｉ１及び回転量情報Ｉ２に基づいて主軸Ａ１の指令回転速度ｖとタップ加工の加工時間Ｔとの間の対応関係が算出されるので、工作機械ＭＣによるタップ加工の加工時間Ｔが最小になる主軸Ａ１の最適回転速度ｖ_pを決定できるようになる。なお、以上の説明では、数式（１４）〜数式（１９）を用いて、加減速特性情報Ｉ１及び回転量情報Ｉ２のみから最適回転速度ｖ_pを算出しているものの、本実施形態の数値制御装置１による最適回転速度ｖ_pの決定方法はこのような例に限定されない。例えば、本実施形態の数値制御装置１は、指令回転速度ｖの複数の選択値を使用者から取得するとともに、それら複数の選択値の各々について上記の数式（１２）ないし数式（１３）を用いて加工時間Ｔを算出し、それら加工時間Ｔの最小値を与える選択値を最適回転速度ｖ_pとして決定することもできる。図１０は、本例による数値制御装置１の構成を示すブロック図である。

図１０のように、本例の数値制御装置１は、記憶部１０、加減速特性取得部１１、回転量取得部１２、加工時間算出部１３、及び速度決定部１４に加えて、指令速度取得部１５及び加速度抽出部１６を備えている。本例の指令速度取得部１５は、主軸Ａ１の最適回転速度ｖ_pの候補となる、指令回転速度ｖの複数の選択値を取得する機能を有する。より具体的に、指令速度取得部１５は、使用者によって予め選択された複数の選択値を数値制御装置から取得しうる。ただし、本例の指令速度取得部１５は、専用のソフトウェアを用いて複数の選択値を使用者から直接的に取得することもできる。また、本例の加速度抽出部１６は、指令回転速度ｖの複数の選択値の各々に対応する最大加速度を、加減速特性情報Ｉ１から取得する機能を有する。また、本例の加工時間算出部１３は、指令速度取得部１５が取得した複数の選択値の各々と、加速度抽出部１６が抽出した最大加速度を上記の数式（１２）ないし数式（１３）に代入することによって、複数の選択値の各々に対応する加工時間Ｔを算出する。そして、本例の速度決定部１４は、加工時間算出部１３が算出した加工時間Ｔが最小になる選択値を、主軸Ａ１の最適回転速度ｖ_pとして決定する。このように、本例の数値制御装置１によれば、主軸Ａ１の指令回転速度ｖの複数の選択値のうちの加工時間Ｔが最小になる選択値を最適値ｖ_pとして決定できるようになる。

次に、図１１及び図１２を参照して、本発明の第２実施形態の数値制御装置について説明する。本実施形態の数値制御装置は、以下に具体的に説明される部分を除いて、上述した第１実施形態の数値制御装置と同様の構成を有する。従って、第１実施形態と同様の構成を有する部分には第１実施形態と同一の符号を用いることとし、それら同様の構成を有する部分についての説明は省略する。

図１１は、本実施形態の例示的な数値制御装置１を備える加工システムの構成を示すブロック図である。図１１のように、本例の数値制御装置１は、上述した記憶部１０、加減速特性取得部１１、回転量取得部１２、加工時間算出部１３、及び速度決定部１４に加えて、加減速特性補正部１７を備えている。本例の数値制御装置１は、上述した指令速度取得部１５及び加速度抽出部１６をさらに備えていてもよい。そして、本例の加減速特性補正部１７は、加減速特性情報Ｉ１における主軸Ａ１の最大加速度ａを、タップ加工の負荷による主軸Ａ１のトルク低下を考慮して補正する機能を有する。図１２は、本例の加減速特性補正部１７による補正前後の加減速特性情報Ｉ１を比較して示すグラフである。図中の実線のグラフＧ１２０は、加減速特性補正部１７による補正前の加減速特性情報Ｉ１を示しており、図中の破線のグラフＧ１２１は、加減速特性補正部１７による補正後の加減速特性情報Ｉ１を示している。

本例の加減速特性補正部１７は、主軸Ａ１の最大出力トルクから切削分のトルクを除いた最大出力トルクをイナーシャで除算することによって、トルク低下を考慮した主軸Ａ１の出力特性を算出するとともに、その出力特性に基づいて加減速特性情報Ｉ１を補正する。そして、本例の加工時間算出部１３は、加減速特性補正部１７による補正後の加減速特性情報Ｉ１に基づいて、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を算出する。このように、本実施形態の数値制御装置１によれば、タップ加工の負荷による主軸Ａ１のトルク低下を考慮して補正された加減速特性情報Ｉ１に基づいて、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係が算出されるので、主軸Ａ１のトルク低下が大きい場合であっても、主軸Ａ１の最適回転速度ｖ_pを正確に決定できるようになる。

次に、図１３及び図１４を参照して、本発明の第３実施形態の数値制御装置について説明する。本実施形態の数値制御装置は、以下に具体的に説明される部分を除いて、上述した第１実施形態の数値制御装置と同様の構成を有する。従って、第１実施形態と同様の構成を有する部分には第１実施形態と同一の符号を用いることとし、それら同様の構成を有する部分についての説明は省略する。

図１３は、本実施形態の例示的な数値制御装置１を備える加工システムの構成を示すブロック図である。図１３のように、本例の数値制御装置１は、上述した記憶部１０、加減速特性取得部１１、回転量取得部１２、加工時間算出部１３、及び速度決定部１４に加えて、表示部１８を備えている。本例の数値制御装置１は、上述した指令速度取得部１５及び加速度抽出部１６、並びに上述した加減速特性補正部１７の少なくともいずれか一方をさらに備えていてもよい。本例の表示部１８は、加工時間算出部１３によって算出した主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を表示する機能を有する。そして、本例の数値制御装置１では、回転量取得部１２が主軸Ａ１の複数の回転量Ｄをそれぞれ示す複数の回転量情報Ｉ２を取得するとともに、加工時間算出部１３が複数の回転量情報Ｉ２の各々に基づいて、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を算出するようになっている。

図１４は、本例の表示部１８によって表示された、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を示すグラフである。図１４のように、本例の表示部１８は、加工時間算出部１３が算出した主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を、複数の回転量Ｄの各々について表示している。より具体的に、図中の破線のグラフＧ１４１は、或る回転量Ｄ₁に基づいて算出された指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を示しており、図中の実線のグラフＧ１４２は、回転量Ｄ₁とは異なる他の回転量Ｄ₂に基づいて算出された指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を示している。さらに、本例の表示部１８は、各グラフＧ１４１，Ｇ１４２における加工時間Ｔが最小になる点を強調して表示するとともに、複数の回転量Ｄ₁，Ｄ₂の各々に基づく最適回転速度ｖ_p1，ｖ_p2の計算結果を表示するようになっている。

また、本例の数値制御装置１では、加減速特性取得部１１が複数の主軸の各々について定められた加減速特性情報Ｉ１を取得しうるとともに、加工時間算出部１３が複数の加減速特性情報Ｉ１の各々に基づいて、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係を算出しうる。これにより、主軸Ａ１の指令回転速度ｖと加工時間Ｔとの間の対応関係が、複数の主軸の各々について表示されるので、複数の工作機械ＭＣの各々による加工時間Ｔを視覚的に確認できるようになる。

本発明は、上記の実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で種々改変されうる。また、上述した各部の寸法、形状、材質等は一例にすぎず、本発明の効果を達成するために多様な寸法、形状、材質等が採用されうる。

１ 数値制御装置
１０ 記憶部
１１ 加減速特性取得部
１２ 回転量取得部
１３ 加工時間算出部
１４ 速度決定部
１５ 指令速度取得部
１６ 加速度抽出部
１７ 加減速特性補正部
１８ 表示部
ａ 最大加速度
Ａ１ 主軸
Ａ２ 送り軸
Ｄ 回転量
Ｉ１ 加減速特性情報
Ｉ２ 回転量情報
Ｌ 移動距離
Ｍ１ 主軸モータ
Ｍ２ 送り軸モータ
ＭＣ 工作機械
ｐ 移動量
Ｒ１ 加工開始点
Ｒ２ 加工終了点
Ｔ 加工時間
Ｔ（ｖ） 関数
ｔａ 時定数
ＴＬ タップ工具
ｖ 指令回転速度
ｖ_p 最適回転速度
Ｗ ワーク

Claims (7)

1. タップ工具が取り付けられる主軸と、前記主軸を送り動作させる送り軸とによってワークのタップ加工を行う工作機械の数値制御装置であって、
   前記主軸の指令回転速度と、前記主軸の設定可能な最大加速度との間の対応関係を示す、予め定められた加減速特性情報を取得する加減速特性取得部と、
   前記主軸の送り動作が開始されてから前記タップ工具がワークの穴底に到達するまでの間の前記主軸の回転量を示す、予め定められた回転量情報を取得する回転量取得部と、
   前記加減速特性情報及び前記回転量情報に基づいて、前記主軸の指令回転速度と、前記主軸が前記回転量を達成するのに要する加工時間との間の対応関係を算出する加工時間算出部と、
   前記加工時間算出部によって算出した対応関係に基づいて、前記加工時間が最小になる前記主軸の指令回転速度の最適値を決定する速度決定部と、を有する数値制御装置。
2. 前記主軸の指令回転速度の複数の選択値を取得する指令速度取得部をさらに有し、
   前記加工時間算出部が、前記複数の選択値の各々と前記加工時間との間の対応関係を算出し、前記速度決定部が、前記主軸の指令回転速度の最適値を、前記複数の選択値の中から決定する、請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記主軸の指令回転速度をｖとし、前記最大加速度をａ（ｖ）とし、前記回転量をＤとし、前記加工時間をＴ（ｖ）とするときに、
   前記加工時間算出部が下記の数式（１）
   

   

   を用いて、前記主軸の指令回転速度と前記加工時間との間の対応関係を算出する、請求項１または２に記載の数値制御装置。
4. 前記加減速特性情報における前記最大加速度を、タップ加工の負荷による前記主軸のトルク低下を考慮して補正する加減速特性補正部をさらに有し、
   前記加工時間算出部は、前記加減速特性補正部による補正後の前記加減速特性情報に基づいて、前記主軸の指令回転速度と前記加工時間との間の対応関係を算出する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置。
5. 前記加工時間算出部によって算出した前記主軸の指令回転速度と前記加工時間との間の対応関係を表示する表示部をさらに備える請求項１〜４のいずれか１つに記載の数値制御装置。
6. 前記回転量取得部は、複数の前記回転量をそれぞれ示す複数の前記回転量情報を取得し、
   前記加工時間算出部は、複数の前記回転量情報の各々に基づいて、前記主軸の指令回転速度と前記加工時間との間の対応関係を算出し、
   前記表示部は、前記主軸の指令回転速度と前記加工時間との間の対応関係を、複数の前記回転量の各々について表示する、請求項５に記載の数値制御装置。
7. 前記加減速特性取得部は、複数の前記主軸の各々について定められた前記加減速特性情報を取得し、
   前記加工時間算出部は、複数の前記加減速特性情報の各々に基づいて、前記主軸の指令回転速度と前記加工時間との間の対応関係を算出し、
   前記表示部は、前記主軸の指令回転速度と前記加工時間との間の対応関係を、複数の前記主軸の各々について表示する、請求項５または６に記載の数値制御装置。

Images