JP6317923B2 - Ｎｃ旋盤 - Google Patents

Description

この発明は、ＮＣ旋盤に関するもので、特に、周速一定制御の下で旋削加工を行っているときのＮＣ装置の制御動作に特徴がある、ＮＣ旋盤に関するものである。

精度が高く仕上げ面の良好な切削加工を能率良く行うためには、加工されるワークの材質や使用する工具の種類に応じた最適な切削条件を選択する必要がある。切削速度は、切削条件の重要な要素であり、ワークに対する特定の加工を継続して行うときは、切削速度を一定に保持する必要がある。旋削加工における切削速度は、ワークを把持している主軸やテーブルの回転数と加工位置の回転中心からの半径に比例し、外周加工では、加工が進むにつれて加工位置のワーク半径が減少し、中ぐりでは、逆に増大するので、主軸やテーブルの回転数を一定にして旋削加工を行うと、加工が進むにつれて切削速度が変化することになる。また、円錐面や径の異なる箇所を加工するときも、加工箇所によって切削速度が変化することになる。

このように加工箇所によって切削速度が変化したり、加工の進行によって切削速度が変化する不都合を避けるために、周速一定制御、すなわちワークの加工位置の周速を一定に維持する制御が行われている。ワークの回転数、すなわちワークを保持している主軸やテーブルの回転数をｎ（ｒｅｖ／ｍｉｎ）、回転中心からワークの加工位置までの半径をｒ（ｍｍ）、加工位置におけるワークの周速（旋削加工では切削速度）をｖとすると、ｖ＝２πｒ×ｎ／１０００（ｍ／ｍｉｎ）であり、ｒは刃物台の位置と使用している工具の補正値（工具オフセット値）によって検出できるから、最適な切削速度として予め設定されているｖの値を時々刻々と変化するｒの値で除した回転数指令を主軸モータやテーブル回転モータに与えることによって切削速度を一定にした旋削加工を実現できる。

旋削加工は、通常、工具交換位置から加工開始位置への急速接近、加工開始位置から終了位置までの切削送りと早戻りの繰り返し、加工終了位置から工具交換位置への急速退避とによって行われる。主軸やテーブルを指令された回転数にまで立ち上げるにはある程度の時間を必要とするから、主軸モータやテーブル回転モータへの回転指令は、加工開始位置への急速接近の前に与えられるのが普通である。ＮＣ旋盤では、周速一定制御の開始にＧ９６、その終了にＧ９７、急速接近、早戻り、急速退避などの早送り（「位置決め」とも言う）にＧ００、切削送りにＧ０１、Ｇ０２、Ｇ０３など、切削送りと早戻りのサイクルにＧ７１、Ｇ７７などのコードが割り当てられている。例えば図４に破線で示す素材から実線で示す鍔付き円筒の加工を行う場合、これらのＧコードの並びは次のようになる。
Ｇ９６：周速一定制御を開始
Ｇ００：待機位置ｓからｔを経由して加工開始位置ａへ急速接近
Ｇ７１：切削送りと早戻りの繰り返し指令（サイクル送り）
Ｇ０１：図のｂ−ｃ−ｄ−ｅの加工指令
Ｇ００：加工終了位置ｅから退避位置ｓに急速退避
Ｔ０６０６：退避位置ｓで工具割り出し
Ｇ００：ｕを経由して次の加工開始位置ｆへ急速接近
Ｇ７１：切削送りと早戻りの繰り返し指令
Ｇ０１：図のｇ−ｈ−ｉの加工指令
Ｇ９７：周速一定制御を終了
Ｇ００：加工終了位置ｉから退避位置ｓに急速退避

周速一定制御の下での切削送り中は、工具刃先のワーク半径方向の位置（旋盤ではＸ座標）に応じて主軸の回転数が制御されている。一方、Ｇ００による早送り時には、その移動終了位置における工具刃先のＸ座標に対応する回転数指令が与えられる。従って、加工開始位置への急速接近時においては、その移動の比較的早い段階で主軸回転が切削開始位置における回転数に達することになる。

特許文献１には、旋盤における周速一定制御の下での急速接近時に主軸回転が早く立ち上がることや、そのときの工具の移動経路によって主軸回転が変化することによる電力消費の無駄や主軸軸受の発熱を抑制する手段が提案されている。

その手段は、周速一定制御が指令されたとき、後続のブロックを先読みし、周速一定制御が解除されるか、最初の切削加工が指令される迄の予想時間を演算し、その時間から主軸の回転立ち上げに要する時間を減じた時間が経過したときに、周速一定制御を開始するというものである。

また、特許文献１には、ドリルで複数箇所の孔開けを行うときの制御手段として、加工プログラムのブロックを先読みして次の孔開け位置迄の移動に要する時間を演算し、その時間から主軸の加速に要する時間を減じた時間のあいだは主軸を停止し、その時間が経過した時点で主軸に回転指令を与えることで、電力の無駄な消費や主軸軸受の発熱を抑制することも提案されている。

国際公開第２００２／６７０６８号パンフレット

複数の刃物台を備えた工作機械で一の刃物台が他の刃物台の加工終了を待ったり、工具交換を行ったりする退避位置は、加工位置に比べてＸ値が大きいのが普通であるから、周速一定制御の下では、刃物台が退避位置に移動したとき、主軸回転は低速になり、工具交換等が終了して次の加工開始位置への移動指令が与えられた時点で、その加工開始位置のＸ値に対応する回転数指令が主軸に与えられることになる。

特許文献１で提案されている手段では、工具交換のために刃物台が退避したときには主軸の回転数が低下し、次に加工開始位置に急速接近するときの主軸の立ち上がりをできるだけ遅くして電力消費の無駄や機械の熱変形を抑制しようというものである。工具を加工開始位置に移動する際に、回転の立ち上がりに要する時間が工具の移動に要する時間より短い場合には、移動を開始したときに主軸回転を立ち上げる制御よりも、工具が加工開始位置に到達したときに主軸回転が必要な回転数になるように主軸回転を立ち上げる特許文献１の制御の方が、電力消費や機械の発熱を抑制する上で有利である。

しかし、主軸回転を加速するときは、一定の回転数を維持するときより単位時間当りの消費電力が大きくなるのが普通であるから、刃物台が退避している時間が短い場合、例えば工具交換を短時間で実行できるタレット旋盤のような場合には、主軸やワークの慣性モーメントやワーク寸法の大小などとも関係して、特許文献１で提案されている制御が必ずしも最善であるとは言えない。

一般にＮＣ工作機械は、ＮＣ装置メーカが提供する制御装置を工作機械に組み込むことによって製作される。加工プログラムのＧコードで指令される動作態様は、当該ＮＣ装置の仕様としてＮＣ装置メーカによって決められているが、多くのＮＣ装置は、ＧコードやＭコードを読み取ったときに行うオプションの動作を設定するマクロ機能（マクロプログラムの作成及び実行機能）を備えている。

そして、特許文献１で提案されている制御動作は、一般的なＮＣ装置のマクロ機能では達成できないので、工作機械メーカがユーザの要望に応じて既存の工作機械に特許文献１で提案されている制御動作を行わせたり、工作機械のユーザがワークの種類に応じて特許文献１で提案されている制御動作を行わせることができない。

この発明は、タレット旋盤のように工具交換を短時間で行うことができる旋盤の周速一定制御において、刃物台の早送り（移動先への位置決め）時における主軸モータの消費電力や主軸軸受の発熱による加工精度の低下を低減可能な技術手段であって、かつＮＣ装置のマクロ機能を利用することで実現が可能な手段を提供することを課題としている。

この発明では、周速一定制御の下で早送りや切削送りが指令されて、ワークの加工を行っているときに、ワークからの退避方向又は並行方向の早送り指令を受けたとき、主軸回転をそのときの回転数に固定して早送りを実行し、その後切削送り指令又はワークへの接近方向の早送り指令を受けたときに、周速一定制御に復帰させることにより、上記課題を解決している。ここで言う並行方向は、ワークの回転中心軸と平行な方向を言う。

上記制御は、ＮＣ装置に設けられている一般的なマクロ機能を利用して実現できる。具体的には、退避方向又は並行方向の早送り指令のコードを読み取ったときに、そのときの主軸回転数を取得して一時記憶し、周速一定指令で指定された周速を記憶した状態で周速一定制御を解除し、当該一時記憶した主軸回転数での早送りを実行し、切削送りや接近方向の早送り指令のコードを読み取ったときに、指定されている周速での周速一定制御に復帰する、という動作を記述したマクロプログラムを作成することにより、実現できる。

この発明の周速一定制御では、工具の退避方向や並行方向の早送り時には、主軸の加減速が行われない。一方、ワークの切削は、周速一定指令で指定された周速で行われる。次の加工開始位置に急速接近する際には、通常の周速一定制御下における早送り動作が行われ、次の加工開始位置におけるＸ値に対応する回転数が指定された周速（一時記憶されている）に基づいて演算されて、当該回転数による主軸回転指令が与えられる。

通常、待機や工具交換をする退避位置のＸ値に比べて、加工終了位置と次の加工開始位置との径差は小さいので、加工終了位置から刃物台が退避して次の加工開始位置に移動するまでの間、主軸回転はほぼ一定に維持され、かつ工具が新たな加工開始位置に到達したときには、主軸回転が周速一定制御で指定された周速で回転していることとなる。

従って、この発明の周速一定制御によれば、工具退避時の主軸の加減速による主軸モータの電力消費を低減できる。また、次の加工に必要な主軸回転の加減速量も小さくなるので、主軸やワークの回転慣性が大きい場合でも、工具が加工開始位置で主軸の回転立ち上がりを待つという事態が生ずるのを避けることができる。

工具の退避位置のＸ値に比べてワークの半径が十分に小さいときは、ワークに接近する方向か退避する方向かに関わりなく、早送り指令が与えられたときには、常にそれが指令されたときの主軸回転数を維持して早送り動作を行うという制御も可能である。この場合には、工具が加工開始位置に位置決めされるまで前の加工終了位置における回転数が維持されるので、加工終了位置のＸ値と加工開始位置のＸ値の差が大きいと、次の加工送りが指令されてから、主軸回転が指定された周速に達するまでの間、刃物台が待機することとなる。加工開始位置と加工終了位置の径差の小さい棒状のワークであれば、この径差はほとんど無視できる程度になるので、そのような制御を行っても生産性を低下させるおそれはほとんどない。

この発明によれば、周速一定制御の下で刃物台がＸ軸方向に大きく移動するときの主軸の加減速による電力ロスや発熱による機械の熱変形を低減できる。そして、この発明による制御は、ＮＣ装置のマクロ機能を利用して実現できるので、周速一定制御の下における早送り時の主軸回転変動による電力消費や発熱を低減することについての考慮がされていないＮＣ装置を用いた工作機械においても、工作機械メーカやユーザが必要に応じて実施できるという効果がある。

ＮＣ装置の要部のブロック図 主軸回転固定手段のブロック図 主軸回転固定手段の制御動作を示すフローチャート ワークと工具の移動軌跡の一例を示す図

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。この発明の旋盤は、ＮＣ装置を備え、当該ＮＣ装置は、図１に示すように、加工プログラムを１ブロックずつ読み取るコード読取手段１と、主軸の回転を一時固定する主軸回転固定手段２と、コード解析手段３と、送り補間手段４と、工具位置指令手段５と、回転数演算手段６と、主軸回転指令手段７とを備えている。主軸回転固定手段２は、その動作を記述したマクロプログラム２１と、周速一定指令で指定された周速を記憶する周速記憶手段２２と、現在の工具のＸ座標Ｘoを取得するＸo値取得手段２３と、早送り指令で指定された移動先のＸ座標Ｘと取得したＸo値を比較するＸ値比較手段２４と、主軸回転数取得手段２５と、取得した主軸回転数での定速回転を指令する回転指令手段２６と、周速一定制御解除手段２７と、周速一定制御再開手段２８とを備えている。

図３は、主軸回転固定手段のマクロプログラム２１の動作を示すフローチャートである。コード読取り手段１が加工プログラムの１ブロックを読み取ったとき、そのコードがＧ９７（周速一定制御の終了）であれば、周速一定制御を解除し、周速記憶手段２２の内容を消去して終了する（ｓ１〜ｓ３）。読み取ったブロックのコードがＧ９６（周速一定制御の開始）であれば、当該コードで指定されている周速を周速記憶手段２２に記憶する（ｓ４、ｓ５）。

周速一定制御下で切削送りコード（Ｇ０１、Ｇ０２、Ｇ０３など）が指令されたときは、周速記憶手段２２に記憶している周速を指定して周速一定制御を開始する（ｓ６、ｓ７）。読み取ったコードが切削送りでもＧ００（早送り）でもないときは、何もしないで終了（コードをコード解析手段３に渡す）する（ｓ６、ｓ８）。Ｇ００（早送り）で、かつ当該コードで指定された移動先のＸ値がＸo値取得手段２３で取得した現在の工具位置のＸ座標Ｘoより小さいときも同様である（ｓ８、ｓ９）。

コードがＧ００でかつ移動先位置のＸ値が工具の現在位置のＸ座標であるＸoと等しいか大きいときは、並行方向又は退避方向の早送りであるから、現在の主軸回転数を取得し、周速一定制御を解除し、Ｇ００コードに取得した主軸回転数での主軸回転指令を付加して終了する（ｓ１０〜ｓ１２）。

なお、周速一定制御の解除と再開は、読み取ったコードをコード解析手段３に出力する前にＧ９７又はＧ９６コードを生成してコード解析手段３に出力してやればよい。

また、図３の制御でステップｓ８でコードがＧ００であると判断されたときには常にステップｓ１０〜ｓ１２の処理を行う（ステップｓ９の分岐を設けない）ようにすれば、早送りがワークに接近する方向の移動か退避する方向の移動かに関わりなく、最初に早送りを開始したときの回転数で主軸回転を維持するという制御が実現できる。

２ 主軸回転固定手段
２１ マクロプログラム
２２ 周速記憶手段
２３ Ｘo値取得手段
２４ Ｘ値比較手段
２５ 主軸回転数取得手段
２６ 回転指令手段
２７ 周速一定制御解除手段
２８ 周速一定制御再開手段

Claims (3)

1. 工具の刃先位置におけるワークの周速が一定となるようにワークの回転速度を制御する周速一定制御手段を含むＮＣ装置を備え、当該ＮＣ装置は、当該周速一定制御の下でワークの加工を行っているときに工具がワークから退避する方向又は並行に移動する方向の早送り指令を受けたとき、主軸回転をそのときの回転数に固定して当該早送りを実行し、当該早送りの後に切削送り指令又は工具がワークに接近する方向の早送り指令を受けたときに、次の加工開始位置又は当該接近する方向の早送りの終了位置における工具刃先のＸ座標を指定して周速一定制御に復帰させることを特徴とする、ＮＣ旋盤。
2. ＮＣ装置が、工具がワークから退避する方向又は並行に移動する方向の早送り指令のコードを読み取ったときに、そのときの主軸回転数を取得して一時記憶し、周速一定指令で指定された周速を記憶した状態で周速一定制御を解除し、当該一時記憶した主軸回転数での指令された早送りを実行し、切削送り指令又は工具がワークに接近する方向の早送り指令の制御コードを読み取ったときに、次の加工開始位置又は当該接近する方向の早送りの終了位置における工具刃先のＸ座標を指定して前記記憶した周速での周速一定制御を指令する、請求項１記載のＮＣ旋盤。
3. 主軸回転をそのときの回転数に固定して早送りを実行する制御及び周速一定制御に復帰させる制御が、ＮＣ装置のマクロ機能を用いたマクロプログラムで実現されている、請求項１又は２記載のＮＣ旋盤。

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