JP5860072B2 - ねじ切り中のびびりの発生を抑制する機能を備えた数値制御装置 - Google Patents

ねじ切り中のびびりの発生を抑制する機能を備えた数値制御装置 Download PDF

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Description

本発明は工作機械を制御する数値制御装置に関し、特に、ねじ切り中のびびりの発生を抑制する機能を備えた数値制御装置に関する。
一般的に、ねじ切り中にびびりが発生すると、加工面の劣化や工具欠損などの問題を生じる。ねじ切り中のびびりの問題に対しては、ねじ切り中に主軸速度を変更することでびびりを抑制できることが知られている。
一般的には、ねじ切り中に主軸速度を変更する際には、主軸位置と送り軸位置との関係における位相誤差の課題があるが、この位相誤差の問題を解決し、位相誤差なくねじ切り中に主軸速度を変更する先行技術(特許文献1参照)が公知である。この技術では位置制御に対応した検出器やスピンドルモータが必要となる。またこの他にもびびりを抑制する効果のある工具も公知である(特許文献2参照)。
特許第3926739号公報 特許第4313482号公報
背景技術で説明した先行技術でもねじ切りのびびりの対策はできる。しかし、特許文献1に開示される技術は、検出器やスピンドルモータに依存したものである。また、特許文献2に開示される技術は工具に依存するものである。
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、検出器やスピンドルモータ、工具に依存せずにびびりの抑制が可能な、ねじ切り中のびびりの発生を抑制する機能を備えたねじ切りを行う工作機械を制御する数値制御装置を提供することである。
本発明は、ねじ切り実行中にびびりが発生した際に切込み量を一定量変更すること、もしくは最初から切込み量を周期的に変化させながらねじ切りを行うことによりびびりを抑制する。
そして、本願の請求項1に係る発明は、ワークを回転軸まわりに回転させ、該回転軸周りの回転に同期して工具を該回転軸方向に移動させて、該ワークへのねじ切りを行う工作機械を制御する数値制御装置において、ねじ切り中の切込み量の変化量の大きさをあらかじめ設定する切込み量の変化量設定手段を有し、ねじ切り中に前記切込み量の変化量設定手段により切込み量変更の指示がされた場合には、設定された変化量に基づいて切込み量を変更してねじ切りを継続し、前記切込み量が変更されたねじ切りを実行した後に、切込み量を変更した前記回転軸方向の位置付近であって、前回のねじ切りの開始点からリードの整数倍ずれた回転軸方向の位置かつ十分な加速を行える位置を開始点として、変更前の切込み量でねじ切りを実行することを特徴とする数値制御装置である。
請求項2に係る発明は、ワークの回転に同期して工具を移動させてねじ切りを行う工作機械を制御する数値制御装置において、ねじ切り中の切込み量の変化量の大きさや周期をあらかじめ設定する手段と、あらかじめ設定された変化量にしたがって、ねじ切り中に周期的に切込み量を変更する手段を有し、前記周期的に切込み量を変更したねじ切りを行った後は、元々の切込み深さ一定のねじ切りを行うことを特徴とする数値制御装置である。
本発明により、検出器やスピンドルモータ、工具に依存せず、びびりの抑制が可能なねじ切り中のびびりの発生を抑制する機能を備えたねじ切りを行う工作機械を制御する数値制御装置を提供できる。
本発明に係るねじ切り加工装置を説明する図である。 ねじきり中の切込み量変化を示す図である。 切込み量を変化した区間の加工の経路を示す図である。 実施例の状況設定を示す図である。 ねじ切りの切込み量変更動作の実施形態である。 切込み量を変化した区間の加工の実施形態である。 切込み量の変化と、ねじ切りの再実行の処理を示すフローチャートである。 X軸方向の周期的な動作を重畳したねじ切り動作を示す図である。 X軸方向の周期的な動作を重畳したねじ切りの実施例である。 周期的な動作を重畳した後の切込み深さ一定のねじ切りの実施例である。 X軸方向の周期的な動作を重畳したねじ切りのフローチャート例である。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1は本発明に係るねじ切り加工装置を説明する図である。CPU11は数値制御装置10を全体的に制御するプロセッサである。CPU11は、ROM12に格納されたシステムプログラムを、バス20を介して読み出し、該システムプログラムにしたがって数値制御装置全体を制御する。RAM13には一時的な計算データや表示データおよび表示器/MDIユニット70を介してオペレータが入力した各種データが格納される。SRAMメモリ14は、数値制御装置10の電源がOFFされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。SRAMメモリ14内には、インタフェース15を介して読み込まれた加工プログラムや表示器/MDIユニット70を介して入力された加工プログラムなどが記憶される。
各軸の軸制御回路30,32はCPU11からの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアンプ40,42に出力する。サーボアンプ40,42はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ50,52を駆動する。各軸のサーボモータ50,52は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路30,32にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図1では、位置・速度のフィードバックについては省略している。
サーボモータ50,52は、工作機械のX,Z軸を駆動するものである。スピンドル制御回路60はCPU11から主軸回転数指令Sを受け、さらに、主軸モータ(SM)の主軸位置を検出する主軸位置検出器63からの主軸位置フィードバック信号を受ける。そして、スピンドル制御回路60はスピンドルアンプ61にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ61はスピンドル速度信号を受けて、主軸モータ(SM)62を指令された回転速度で回転駆動する。
CPU11は、加工プログラムを解析し、軸制御回路30,32を介してX軸,Z軸の各モータ50,52を駆動制御する。主軸モータ(SM)62は、前記加工プログラムで指示された主軸回転数指令S、主軸位置検出器63からの主軸位置フィードバック信号に基づきスピンドル制御回路60を介して回転制御される。主軸位置をマスターとして、送り軸(X軸,Z軸)がスレーブとして制御されるから、主軸を所定の回転数で動作させてネジ切り加工を行えば、主軸速度とZ軸の相対速度は一定の関係を保って動作するため加工精度の高いネジ切り加工が可能である。
<実施形態1>◎請求項1の詳細について
図2はねじきり中の切込み量変化を示す図である。図3は切込み量を変化した区間の加工の経路を示す図である。符号Tは工具、符号Wはワークを表している。
本発明では、図2の動作1のように、ある切込み量でねじ切りを行っている最中に、信号が数値制御装置10に入った場合に図2の動作2のようにX軸方向へ工具を移動させ切込み量を変化させる。その後は図2の動作3のように変化後の切込み量でねじ切りを継続する。一般的に、切込み量が減少すると切削力が減少する。またびびりが発生するかどうかは切削力に依存する。そのため、切込み量を減少する変更によってびびりが抑制されることが期待される。
びびりを抑制するために必要な切込み量の変化量は、使用する機械や工具、ワークの材質や形状、主軸回転数によって変わることから、切込み量の変化量(図2におけるΔd)はパラメータや指令により任意に設定できるようにする。
切込み量の変更は、操作盤71のボタンやセンサ等から数値制御装置10への信号入力により指示される。操作盤71のボタンをオペレータが押した時に数値制御装置10に入力されるようにすれば、オペレータの任意のタイミングでの工具TによるワークWへの切込み量の変更を実行できる。また、図示しないマイクなどのセンサから信号入力がされるようにすれば、びびりを検出したときの切込み量の変更を自動化できる。
図2の動作3のようにねじ切りを継続した後は、図3のように、切込み量を減少させた区間でねじ切りを再度行う動作を数値制御装置10の内部で生成し実行する。この一連の動作で元々除去したかった分を切取ることにより元々実現しようとしていた形状に加工できる。この時の切込み量はびびりが発生したときの切込み量より少なくなっているので、びびりの発生を抑制できる。
図3において、動作1は逃げ動作、動作2は2回目のねじ切り開始点までの移動、動作3はZ軸方向に加速をしながら前回加工されたねじ溝に工具を近づける動作、動作4は前回のねじ切りの切込み深さでねじ切りを行う動作である。これらの一連の動作については以下の(a)〜(d)に注意して動作を設計する必要がある。
(a)逃げ動作の終点はワークと干渉しない位置にすること
(b)Z軸方向の加速の距離を十分大きく設けること
(c)1回目の加工でできたねじ溝に沿った加工をすること(1回目のねじ切りとの位相ずれがないこと)
(d)削り残しがないようにすること
なお、(a)の逃げ動作の移動量Xretractとして適正な値はワークWの形状に依存するので、ユーザがパラメータや指令により任意の値を設定できるようにする。また、Z軸方向の開始点の座標(Zrestart)は(b)〜(d)を考慮して、数値制御装置の内部で以下のように計算する。
restart=(Zfirst_startからリードの整数倍離れた位置のうち、Z’restartより大きく、Z’restartにもっとも近い位置)
なお、請求項1の「切込み量を変更した回転軸方向の位置付近」に対応する。
Z’restart=Zchange_start+Dmargin+Daccel
ここで、各変数の意味は以下である。
first_start:1回目のねじ切りにおける開始点(1回目のねじ切りを実行するときに数値制御装置の内部で保存しておく)
change_start:1回目のねじ切りで切込み量を変化させた位置のZ軸座標(切込み量を変化させるときに数値制御装置の内部で保存しておく)
margin:動作4の開始点と切込み量を変化させたZ軸座標の差(パラメータや指令でユーザが任意に設定)
accel:Z軸方向の加速に必要な距離(パラメータや指令でユーザが任意に設定)なお、請求項1の「十分な加速を行える位置」に対応する。
ここで、動作3の開始位置を、1回目のねじきりの開始点からリードの整数倍ずれた位置としている理由は、1回目のねじ切りとの位相誤差がないようにするためである。また、動作4の開始点をZchange_startからDmarginずらしている理由は、ずらさずにZchange_startぎりぎりから切り始める場合には検出や制御、機械的な誤差などで削り残しが発生する可能性があるためである。Dmarginに設定すべき値は機械によって異なると思われるのでユーザが任意に設定する。また、Daccelについても設定すべき値は機械によって異なると思われるのでユーザが任意に設定する。
以上のびびり対策動作は、検出器(主軸位置検出器63)やスピンドルモータ(主軸モータ(SM)62)、工具Tに依存せずに実施が可能であるので、幅広い機械に適用可能である。また切込み量の変化や2回目のねじ切りの動作は内部的に作成するため、オペレータはパラメータや指令によりいくつかの移動量を設定するのみで実施でき、オペレータの負担も少なく容易に実施できる。
◎請求項1の実施例
図4に示す経路のねじ切りをしようとしているときに、Z=15.0[mm]の位置でびびりが発生した場合を考える。ねじ切りのリードは1[mm]とする。ワークWの半径は5.0[mm]とする。ワークWの径と1回目の切り込みの深さから1回目のねじ切りの切込み量は5.0[mm]−4.8[mm]=0.2[mm]となる。また、元々の通る予定の経路において、ねじ切りの切り上げ後のZ軸の座標はZ=10.0[mm]とする。また、ここで考える工作機械にはボタンが取り付けられており、そのボタンを押すと切込み量を変更する動作を開始するための信号が数値制御装置10へ入力されるとする。また、ユーザがパラメータ等の手段によりΔd=0.05[mm]、Dmargin=0.5[mm]、Daccel=1.0[mm]、Xretract=7.0[mm]をあらかじめ設定していたとする。この例における動作は以下のようになる。
(1)びびりを感じたオペレータがボタンを押すと数値制御装置10に信号が入り、図5のように切込み量が0.20[mm]から0.15[mm]に変更される。ここで、切込み量が0.15[mm]に減少したことにより切削力が変化しびびり現象が発生しなくなったとする。なお、切込み量を変化させたときに、2回目のねじ切り動作の開始点のZ軸方向の座標Zrestartを、請求項1に記載の方法で以下のように計算する。
Z’restart=Zchange_start+Dmargin+Daccel=15[mm]+0.5[mm]+1.0[mm]=16.5[mm]
restart=(Zfirst_start(20[mm])からリード(1mm)の整数倍離れた位置のうち、Z’restart(16.5[mm])より大きく、Z’restart(17.0[mm])にもっとも近い位置)=17[mm]
(2)切込み量が変化された後、切込み量が0.15[mm]でねじ切りが継続される。切込み量が0.15[mm]でねじ切りを行った後、切り上げ動作を行う。
(3)図6の<1>の逃げ動作のようにXretract=7.0[mm]の位置までX軸方向の逃げ動作を行う。
(4)図6の<2>のように2回目のねじ切り動作の開始点までの移動を行う。
(5)図6の<3>、<4>のように、(1)で計算されたZrestart=17[mm]を開始点として、再度ねじ切り、切り上げ動作を行う。この時の切込み量は元々の切込み量より小さい(0.05[mm])であるためびびりが抑制されることが期待される。この時点で、元々のねじ切りで削りとる予定だった0.2[mm]の厚さが削り取られる。
(6)同様に以降のねじ切りも実行すればびびりの影響を除去できた加工が実現できる。以降のねじ切りでもびびりが発生した場合には、(1)〜(5)と同様の手順でびびりを回避した加工を行う。
以上の動作の処理のフローチャートの例は、図7のようになる。特許案部分1,2によって上記(1)の切込み量の変化と2回目のねじ切り動作の開始点の計算が実現される。また特許案部分1、3によって、上記(2)の2回目のねじ切り動作の作成、実行が実現される。
以下、各ステップに従って説明する。
[ステップsa01]ねじ切りの開始点のX軸座標Xfirst_startとZ軸座標Zfirst_startと指令したリードをデータ記憶部に保存する。
[ステップsa02]ねじ切り動作を開始する。
[ステップsa03]ねじ切り・切り上げ動作が完了したか否か判定し、完了した場合(YES)にはステップsa07へ移行し、完了していない場合(NO)にはステップsa04へ移行する。
[ステップsa04]信号が入力されたか否か判断し、信号が入力された場合(YES)にはステップsa05へ移行し、信号が入力されなかった場合(NO)にはステップsa03へ戻る。
[ステップsa05]2回目のねじ切りの開始点Zrestartを以下から計算してデータ記憶部に保存する。
・ねじ切り開始前にデータ記憶部に保存したねじ切りの開始点Zfirst_startと指令したリードの値、
・あらかじめパラメータ設定や、指令などの手段によりデータ記憶部に保存されているDmargin、Daccelの値
・信号が入力されたときZ軸座標Zchange_start
[ステップsa06]ねじ切りの切込み量を変更し、ステップsa03に戻る。
[ステップsa07]ねじ切り中に切込み量の変化があったか否か判断し、変化があった場合(YES)にはステップsa08へ移行し、変化がなかった場合(NO)にはねじ切りの処理を終了、または、次の指令(逃げ動作など)を実行する。
[ステップsa08]データ記憶部に保存されているXretractの位置まで逃げ動作を実行する。
[ステップsa09]2回目のねじ切りの開始点Zrestartまで移動する。
[ステップsa10]データ記憶部に保存されているXfirst_start、Zfirst_start、Zrestart、Dmargin、Daccelを用いて2回目のねじ切り動作(切り上げまで)を作成し実行し、ねじ切りの処理を終了、または、次の指令(逃げ動作など)を実行する。
<実施形態2>◎請求項2の詳細について
ねじ切り中のびびり現象の発生にはX軸方向の切削力が影響する。そこで、図8のように元々の切削経路にあらかじめX軸方向の周期的な動作を加えることによって、X軸方向の切削力が変化し、びびりが抑えられることが期待できる。
加える周期的な動作の例としては図8のように、元々のねじ切りの切込み深さを下限とした正弦波が考えられる。この正弦波の動作を行うときのX軸の切込み深さXを式で表すと以下のようになる。
X=X+A(1−sin(2π×Z/A))
ここで、
:元々のねじ切りの切込み深さ
:振幅
:周期
Z:工具のZ軸座標
である。
元々のねじ切りの切込み深さを下限とすることで、元々のねじ切りよりも深く切り込まれることを防ぐ。なお、上式では、切込み量をZ軸の移動に依存させて変化させているが、以下の式のように時間経過に依存させたり、ワークを掴んでいる主軸の回転に依存させたりすることも可能である。
時間経過にともない切込み量を変化させる場合の式
X=X+A(1−sin(2π×t/A))
:元々のねじ切りの切込み深さ
:振幅
:周期
t:経過時間
主軸の回転にともない切込み量を変化させる場合の式
X=X+A(1−sin(2π×S/A))
:元々のねじ切りの切込み深さ
:振幅
:周期
S:主軸の回転角度
びびりの抑制効果がある周期的動作の周期や振幅については、使用する機械や工具、ワークの材質や形状、主軸回転数によって変わるので、パラメータや指令によって振幅A、周期A、周期A、周期Aを調整できるようにする。切込み量の変化量の大きさや周期は、数値制御装置10の表示器/MDIユニット70を用いて入力することにより予め設定しておくことができる。また、周期的な動作の有効/無効は信号、指令などの手段により、任意に切り替えられるようにしてもよい。
周期的な動作を加えたねじ切りを行った後は、元々の切込み深さ一定のねじ切りを行うことで、元々加工しようとしていた形状に加工できる。このときのねじ切りでは、前回の切込み深さが変動したことから、切込み量が周期的に変動するので、これに伴う切削力の変化が、びびりを抑制する可能性がある。
◎請求項2の実施例
例として深さをX=5.0[mm]からX=4.8[mm]の0.2[mm]切り取る場合を考える。通常は工具の先端がX=4.8[mm]の状態でZ軸方向へ送っていく。このとき本機能を適用したときの動作について説明する。なお、あらかじめ周期的動作が、パラメータもしくは指令により、振幅A=0.01[mm],周期A=0.05[mm]と設定されているとする。
1回目は図9のようにX軸方向に周期的に動作させながらZ軸方向へ送る。切込み量一定でねじ切りを行う場合に比較して、X軸方向の切削力が変わるためびびりが抑制されることが期待される。
2回目は図10のように、工具先端のX軸座標がX=4.8[mm]で固定のまま通常のねじ切りを行う。
1回目のねじ切りのときに削った後のねじ溝の深さはX=4.82[mm]〜X=4.80[mm]で周期的に変化しているので、2回目のねじ切りの時の切込み量は0.00[mm]〜0.02[mm]で周期的に変化する。この切込み量の変化によって、切削力が変化しびびりが抑制されることが期待される。
これらの動作を実現するためには、ねじ切りの動作を図11のフローチャートに示されるように修正する。データ記憶部に保存されている周期的動作の有効/無効の情報を、ねじ切り中にチェックし、有効の場合には周期的動作を加える処理を実行する。このようにねじ切りの動作を改良し、さらに、ユーザにて1回目のねじ切りでは周期的動作を有効にし、2回目のねじ切りでは周期的動作を無効にして実行することで実現できる。以下、各ステップに従って説明する。
[ステップsb01]ねじ切りが完了したか否か判断し、完了した場合(YES)には処理を終了し、完了していない場合(NO)にはステップsb02へ移行する。
[ステップsb02]信号が入力されたか否か判断し、入力された場合(YES)にはステップsb03へ移行し、入力されていない場合(NO)にはステップsb01へ戻る。[ステップsb03]データ記憶部に保存されている周期や振幅の情報を元にX軸方向の周期的な動作を作成し、ねじ切り動作に加え、ステップsb01へ戻る。
10 数値制御装置
11 CPU
12 ROM
13 RAM
14 SRAM
15 インタフェース
16 PMC
17 I/Oユニット
18 インタフェース
19 インタフェース
20 バス
30 軸制御回路
32 軸制御回路
40 サーボアンプ
42 サーボアンプ
50 X軸モータ
52 Z軸モータ
60 スピンドル制御回路
61 スピンドルアンプ
62 主軸モータ(SM)
63 主軸位置検出器

T 工具
W ワーク
Δd 切込み量の変化量

Claims (2)

  1. ワークを回転軸まわりに回転させ、該回転軸周りの回転に同期して工具を該回転軸方向に移動させて、該ワークへのねじ切りを行う工作機械を制御する数値制御装置において、
    ねじ切り中の切込み量の変化量の大きさをあらかじめ設定する切込み量の変化量設定手段を有し、
    ねじ切り中に前記切込み量の変化量設定手段により切込み量変更の指示がされた場合には、設定された変化量に基づいて切込み量を変更してねじ切りを継続し、前記切込み量が変更されたねじ切りを実行した後に、切込み量を変更した前記回転軸方向の位置付近であって、前回のねじ切りの開始点からリードの整数倍ずれた回転軸方向の位置かつ十分な加速を行える位置を開始点として、変更前の切込み量でねじ切りを実行することを特徴とする数値制御装置。
  2. ワークの回転に同期して工具を移動させてねじ切りを行う工作機械を制御する数値制御装置において、
    ねじ切り中の切込み量の変化量の大きさや周期をあらかじめ設定する手段と、
    あらかじめ設定された変化量にしたがって、ねじ切り中に周期的に切込み量を変更する手段を有し、
    前記周期的に切込み量を変更したねじ切りを行った後は、元々の切込み深さ一定のねじ切りを行うことを特徴とする数値制御装置。
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