JP6426662B2 - スカイビング加工制御を行う数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、数値制御装置に関し、特にスカイビング加工制御を行う数値制御装置に関する。

スカイビング加工とは、バイトを用いて工作物を削り加工する場合において工作物の接線方向にバイトを送ることにより工作物を切削する加工方法をいう（ＪＩＳ規格Ｂ０１０６ ０．２０９）。旋削機械におけるスカイビング加工では、回転しているワークの回転軸線に対して斜めに配置された直線刃を備えた工具を使用して、Ｙ軸が移動しながらワークの加工を行う（例えば、特許文献１）。

このようなスカイビング加工を、従来の数値制御装置により行う場合は、Ｚ軸の移動に合わせてＹ軸の移動を指令する必要がある。図７は、スカイビング加工を行う際のワークに対する切削加工の切削経路と、該切削経路に沿った切削加工を行う場合の工具の移動経路を示した図である。図７に示すように、スカイビング加工においては、ワークに対する切削加工の切削経路は回転軸方向(Ｚ軸方向)であるのに対して、工具は直線刃が向いている方向(直線刃のおおよそ垂直方向)に移動させて切削するため、工具経路は回転軸方向に対して傾いたＺ軸方向とＹ軸方向との合成ベクトルの向きとなる。

従来、スカイビング加工のプログラムを作成する際に、オペレータは切削経路が図７に示す経路となるようにプログラムにより指令する工具経路のＺ軸とＹ軸の移動量を計算し、計算した結果に基づいてプログラムを作成してきたが、この作業がオペレータにとって大きな負荷となる。そのため、オペレータがプログラムによりスカイビング加工の切削経路を指令すると、数値制御装置が工具経路を自動的に算出することが望まれている。

図８は、切削点の移動量Ｚｃおよび送り速度Ｆｃと、工具の移動に係る各値との関係を示す図である。また、図９は、工具の刃先に関する各値を示す図である。図８に示すように、切削点の移動量がＺｃ、切削点の送り速度がＦｃとなるように工具を移動させる時の、工具のＺ軸方向の移動量をＺａ、工具のＹ軸方向の移動量をＹａ、工具のＺ軸方向とＹ軸方向の合成の送り速度をＦａとし、工具の有効刃先長をＬｖ、工具角度をθとすると、それぞれの値に関係は以下の数１式で表すことができる。このように、数１式を用いることで、スカイビング加工における切削経路の指令に基づいて、数値制御装置が工具経路を自動的に算出することができる。

図１０は、上記数１式を用いて、スカイビング加工によるテーパ加工の切削経路を指令した場合に、該切削経路の指令に基づいて工具経路を自動的に算出する例を示す図である。図１０に示すように、スカイビング加工によるテーパ加工を行う場合であっても、プログラムにより切削点の移動量Ｚｃ、Ｘｃと送り速度Ｆｃとを指令すると、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の移動量と送り速度が適宜補正されるためにプログラムした通りの加工形状を得ることができる。

特許第３９８４０５２号公報

図１１は、上記数１式を用いて、スカイビング加工による円弧形状加工の切削経路を指令した場合に、該切削経路の指令に基づいて工具経路を自動的に算出する例を示す図である。図１１に示すように、スカイビング加工による円弧形状加工を指令した場合、上記数１式を用いて事前にＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の移動量と送り速度を補正して工具経路に対して円弧補間を行ったとしても、切削経路は歪んだ円弧形状となるという問題点があった。

そこで本発明の目的は、スカイビング加工により円弧形状などを加工する際にも切削経路にゆがみが生じない数値制御装置を提供することである。

本発明では、スカイビング加工を行う工作機械を制御する数値制御装置に対して円弧形状加工を行う場合であっても切削点の移動経路を指定することができるようにするために、スカイビング加工指令で指令される切削点の経路、切削点の速度、工具角度データ、工具有効刃先データ、および、実加工中のブロック進捗率から工具の実際の経路、および速度を演算し機械を制御する機能を設けることにより上記課題を解決する。

そして、本発明の請求項１に係る発明は、加工プログラムに基づいて、回転するワークの回転対称面を工具により切削加工するスカイビング加工を行う工作機械を制御する数値制御装置において、前記加工プログラムにはスカイビング加工における切削点の移動経路を指定可能なスカイビング加工指令を含めることが可能であり、前記加工プログラムを解析し、前記加工プログラムから読み出したブロックが前記スカイビング加工指令であるか否かを判別する指令解析部と、前記指令解析部が前記スカイビング加工指令を判別した場合、前記スカイビング加工指令で指令される切削点の経路及び切削点の送り速度に基づいて、前記工具の経路及び送り速度を演算するスカイビング加工指令データ演算部と、前記スカイビング加工指令データ演算部により演算された前記工具の経路と実加工中の座標値とに基づいて、実加工中のブロックの進捗率に応じた補間データを演算する補間部と、を備え、前記補間部が演算した補間データに基づいて前記工作機械を制御する、ことを特徴とする数値制御装置である。

本発明の請求項２に係る発明は、前記ワークの回転軸線に対する前記工具の角度を示す工具角度データ、および前記工具の有効刃先を示す工具有効刃先データを記憶する工具データ記憶部を更に備え、前記スカイビング加工指令データ演算部は、前記スカイビング加工指令で指令される切削点の経路及び切削点の送り速度と、前記工具データ記憶部に記憶された前記工具角度データおよび工具有効刃先データとに基づいて前記工具の実際の経路及び送り速度を演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。

本発明の請求項３に係る発明は、前記スカイビング加工指令は、スカイビング加工の繰返し動作を指令するスカイビング加工サイクル指令を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置である。

本発明によれば、オペレータは特別な補正を考えることなく、通常の旋削加工と同様に切削点の移動経路を指令するだけで、スカイビング加工におけるテーパ加工のみならず、円弧形状などの様々な形状を加工することができるようになる。従来はスカイビング加工による円弧形状などの加工を行う際、オペレータは切削経路が目的の形状となるような工具経路を算出する必要があり極めて困難であったが、本発明では容易に加工できるようになる。

本発明の数値制御装置が実行する加工プログラムの例と、該加工プログラムにより指令される切削経路及び該切削経路を補正した工具経路を示す図である。 本発明の数値制御装置によるスカイビング加工による円弧形状加工をする場合の各パラメータの算出方法について説明する図である。 本発明の一実施形態による数値制御装置の要部を示すハードウェア構成図である。 本発明の一実施形態による数値制御装置の概略的な機能ブロック図である。 本発明の一実施形態による数値制御装置上で実行される処理の概略的なフローチャートである。 スカイビング加工サイクル指令を実行した際における工具の動きを示す図である。 スカイビング加工を行う際のワークに対する切削加工の切削経路と、該切削経路に沿った切削加工を行う場合の工具の移動経路を示した図である。 スカイビング加工における切削点の移動量および送り速度と、工具の移動に係る各値との関係を示す図である。 スカイビング加工で用いる工具の刃先に関する各値を示す図である。 従来技術でのスカイビング加工によるテーパ加工を行った場合の例を示す図である。 従来技術でのスカイビング加工による円弧形状加工を行った場合の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明の数値制御装置では、加工プログラムにおいてスカイビング加工中に円弧補間の指令がされると、切削点の経路、切削点の速度、工具角度データ、工具有効刃先データ、および、実加工中のブロック進捗率から工具の実際の経路、および速度を演算し機械を制御する。本発明の数値制御装置による、実加工中のブロック進捗率を考慮した工具経路の制御方式は、スカイビング加工によるテーパ加工、円弧形状加工だけでなく、その他の形状を加工する場合にも適用することができる。以下では、円弧形状加工を行う場合を例として説明する。

図１は、本発明の数値制御装置が実行する加工プログラムの例と、該加工プログラムにより指令される切削経路及び該切削経路を補正した工具経路を示す図である。なお、図１に示した加工プログラムでは工具の有効刃先長Ｌｖ、工具角度θは指令しておらず、これらの値は予め数値制御装置に対して設定されているものとしているが、これら値を加工プログラム内の指令で直接指令できるようにしても良い。図１に示した加工プログラムのＮ３０ブロックで指令している円弧指令は仕上げ形状であり、スカイビング加工を行うにあたりオペレータが補正を考慮する必要はない。オペレータが意識する指令は、Ｎ２０ブロックのスカイビングモード開始指令と、Ｎ４０ブロックスカイビングモード終了指令のみである。なお、この例では、スカイビング加工モードを考えてモード開始／終了を例としたが、ワンショットと考えて１ブロックのみスカイビング加工を行う指令を作成してもよい。また、この例では、旋削加工を想定してＺＸ平面（Ｇ１８）を選択している。

本発明の数値制御装置は、図１に示すようにＮ２０ブロックでスカイビング加工であることが通知されると、工具の有効刃先長Ｌｖ、工具の角度θを元にしてＹ軸の移動量を補正する。ＸＺ平面の円弧については、後述する数式に基づいてスカイビング加工用の円弧補間を行い工具の制御を行う。これにより、工具は図１の破線の歪んだ円弧形状の経路となるが、切削点は実線の経路となるので、加工形状は歪みのない円弧となる。なお、送り速度の補正も行われるため、工具の送り速度は、加工プログラム指令の通りとなる。

以下では、本発明の数値制御装置でのスカイビング加工による円弧形状加工の補正について図２を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明では旋削加工を想定したＺＸ平面での円弧補間を例とするが、その他の平面でも同様に計算可能である。

工具のＺ軸座標ｚｒは、切削点のＺ軸座標ｚに、ブロック進捗率を加味した工具の有効刃先長ＬｖのＺ軸方向成分を加えたものであるから、以下に示す数２式により算出される。数２式において、θは工具の傾斜角度である。

なお、ブロック進捗率は、以下の数３式に示すようにＹ軸の移動量と座標値から計算されるブロックの実行割合である。ＺＸ平面における円弧補間では、Ｙ軸は円弧補間と無関係で直線的に動作するため割合算出に適している。

円弧補間が指令されたＺＸ平面において、加工プログラムで指定された始点／終点と円弧半径もしくは中心位置から切削点の円弧経路を計算する。加工プログラムで指定された円弧中心座標を（ａ，ｂ）、円弧の半径をｒとすると、円弧形状は以下の数４式で示すことができる。

上記した数４式をｚについて解くと、以下に示す数５式になる。

そして、上記の数５式を数２式に代入すると、円弧補間における工具のＺ軸座標ｚｒは以下の数６式のように表すことができる。

本発明の数値制御装置では、上記した数６式に従って工具を制御すればよく、このように制御することで、結果として切削点の経路が加工プログラムで指定したとおりの円弧形状となる。なお、スカイビング加工によるテーパ加工の場合には、切削点のＺ軸座標ｚの式はｚ＝ａｘ＋ｃなどのようにＸ軸座標ｘについての一次式がとなるだけで、同様に工具の式が得られるので、その式に従って工具を制御すればよい。結果として、切削点の経路が加工プログラムで指定したとおりのテーパとなる。

また、送り速度については、テーパ加工や円弧補間を考慮してＸ軸方向の速度成分も含めると以下に示す数７式の通りとなる。これにより、工具を速度Ｆａで制御することにより切削点の速度が加工プログラムで指令された速度Ｆｃで加工されることになる。なお、工具のＺ軸方向の移動量Ｚａ及び工具のＹ軸方向の移動量Ｙａは数１式に示したとおりである。

以下では、上記した各式を用いて工具を制御する本発明の数値制御装置の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による数値制御装置と該数値制御装置によって駆動制御される工作機械の要部を示すハードウェア構成図である。数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１は、数値制御装置１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・プログラムに従って数値制御装置１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及びＣＲＴ／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等が格納される。

不揮発性メモリ１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされるなどして、数値制御装置１の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリとして構成される。不揮発性メモリ１４には、インタフェース１５を介して読み込まれた後述する加工プログラムやＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラムが記憶されている。不揮発性メモリ１４には更に、加工プログラムを運転するために用いられる加工プログラム運転処理用プログラムや、軸制御処理用プログラム等が記憶されるが、これらプログラムは実行時にはＲＡＭ１３に展開される。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理などを実行するための各種のシステム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。本発明を実行する加工プログラム等の各種加工プログラムはインタフェース１５やＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０を介して入力し、不揮発性メモリ１４に格納することができる。

インタフェース１５は、数値制御装置１とアダプタ等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からは加工プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１内で編集した加工プログラムは、外部機器７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１に内蔵されたシーケンス・プログラムで工作機械の周辺装置（例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。

ＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８はＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インタフェース１９は手動パルス発生器等を備えた操作盤７１に接続されている。

工作機械が備える軸を制御するための軸制御回路３０はＣＰＵ１１からの軸の移動指令量を受けて、軸の指令をサーボアンプ４０に出力する。サーボアンプ４０はこの指令を受けて、工作機械が備える軸を移動させるサーボモータ５０を駆動する。軸のサーボモータ５０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３のハードウェア構成図では軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０は１つずつしか示されていないが、実際には工作機械に備えられた軸の数だけ用意される。また、図３は、サーボモータ５０からの位置・速度のフィードバックについては省略している。

スピンドル制御回路６０は、工作機械への主軸回転指令を受け、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はこのスピンドル速度信号を受けて、工作機械のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。
スピンドルモータ６２には歯車あるいはベルト等でポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはＣＰＵ１１によって読み取られる。

図４は、本発明により提供されるスカイビング加工による加工指令を実行する際に工具経路を補正する機能を図３に示した数値制御装置１に対してシステム・プログラムにより実装した場合の一実施形態による概略的な機能ブロック図を示している。図４に示されている各機能手段は、図３に示したＣＰＵ１１がシステム・プログラムを実行して各機能を提供することにより実現される。なお、図４における太線矢印は、スカイビング加工による加工指令を処理する際のデータの流れを示している。
本発明の数値制御装置１は、指令解析部１００、補間部１１０、サーボ制御部１２０、スカイビング加工指令データ演算部１３０、工具データ記憶部１４０を備えている。

指令解析部１００は、メモリ（図示せず）に記憶された加工プログラムのブロックを順次読出し、読み出したブロックを解析する。解析した結果、読み出したブロックが通常の指令である場合には通常通り解析結果に基づいて指令データを生成して補間部１１０へと出力し、読み出したブロックがスカイビング加工による加工指令（例えば、円弧形状加工を行う円弧補間指令）のブロックである場合には、当該ブロックで指令される指令データをスカイビング加工指令データ演算部１３０に出力する。

補間部１１０は、指令解析部１００、またはスカイビング加工指令データ演算部１３０が出力した指令データに対して補間処理を行い、各軸の補間周期毎の点として補間データを生成する。また、加減速部１１５は、生成した補間データに対して加減速処理を行うことで各補間点における速度を調整し、調整した補間データをそれぞれのサーボモータ５０を制御するサーボ制御部１２０へと出力する。なお、補間部１１０は、スカイビング加工指令データ演算部１３０が出力した指令データに対して補間処理を行う際には、切削経路の形状にゆがみが生じないように実加工中ブロックの進捗率に応じて補間点を求めながら補間処理を行う。
サーボ制御部１２０は、補間部１１０から入力された補間データに基づいてサーボモータ５０を駆動し、ワークと工具を相対的に移動させる。

スカイビング加工指令データ演算部１３０は、指令解析部１００から入力されたスカイビング加工による加工指令（例えば、円弧形状加工を行う円弧補間指令）の指令データに基づいて、上記した各数式を用いて工具経路、及び送り速度を演算し、演算結果に基づいた工具の指令データを生成して補間部１１０へと出力する。本実施形態の数値制御装置１では、工具に関する工具の角度や有効刃先長などの工具データを記憶する工具データ記憶部１４０を設けており、スカイビング加工指令データ演算部１３０は、工具データ記憶部１４０から取得した工具データを用いて演算を行う。

なお、工具データ記憶部１４０に記憶される工具データは、加工を開始する際に操作盤などの入力手段（図示せず）を介してオペレータが設定できるようにしてもよいし、加工プログラムの指令により設定できるようにしてもよい。また、工作機械に取り付けられた工具の工具データを自動的に取得して設定するようにしてもよい。

図５は、本発明の一実施の形態における数値制御装置１においてスカイビング加工による加工指令を処理するフローチャートである。図５において、太線の箱で表現されている処理（ステップＳＡ０２，ＳＡ０３）は本発明において追加された処理を示している。
●［ステップＳＡ０１］指令解析部１００が、メモリ（図示せず）から加工プログラムの指令ブロックを読出して解析し、指令データを生成する。解析したブロックがスカイビング加工による加工指令である場合には、当該指令データをスカイビング加工指令データ演算部１３０に対して出力し、工具経路を演算するように指令する。

●［ステップＳＡ０２］スカイビング加工指令データ演算部１３０は、指令解析部１００から入力された指令データと、工具データ記憶部１４０から取得したデータとに基づいて、上記した各数式を用いて工具経路及び工具の送り速度を演算し、演算結果に基づく補正された指令データを生成する。

●［ステップＳＡ０３］補間部１１０は、ステップＳＡ０２で生成された補正された指令データに基づいて各軸の補間周期毎の点として補間データを生成する補間処理を実行する。補間処理の際には、切削経路の形状にゆがみが生じないように実加工中ブロックの進捗率に応じて補間点を求めながら補間処理を行う。
●［ステップＳＡ０４］補間部１１０は、補間データに基づいて制御軸の座標値（位置）を更新する。
●［ステップＳＡ０５］加減速部１１５は、補間データの各補間点における速度を調整する加減速処理を実行する。

●［ステップＳＡ０６］サーボ制御部１２０は、ステップＳＡ０５で調整された補間データ基づいてサーボモータ５０を駆動し、ワークと工具を相対的に移動させる。

ここまで、スカイビング加工指令に基づいた数値制御装置１００の動作について説明してきたが、スカイビング加工は工具を繰返し動作させて連続して行われることも多い。そこで、本発明においては単一動作を指令するスカイビング加工指令に加えて、スカイビング加工のサイクル指令を導入する。スカイビング加工のサイクル指令は、例として円弧形状を加工する円弧補間指令の場合には以下のように指令する。
Ｇｘｘ Ｘ＿ Ｚ＿ Ｒ＿ Ｆ＿；
Ｘ＿，Ｚ＿：スカイビング加工により加工する円弧形状の切削終了点
Ｒ＿：スカイビング加工により加工する円弧形状の半径
Ｆ＿：スカイビング加工を行う切削点の送り速度

本発明において、サイクルでスカイビング加工を行うように指令する場合には、あらかじめ工具を切削開始点に移動した上で、上記したスカイビング加工のサイクル指令を用いて切削点における切削終了点（Ｘ＿Ｚ＿）、円弧形状の半径（Ｒ＿）、および切削送り速度（Ｆ＿）を指令する。

図６は、スカイビング加工サイクル指令を実行した際における工具の動きを示す図である。図６上はＸ軸方向からワークを見た場合における工具の動きを示しており、図６下は同じワークをＹ軸方向から見た場合における工具の動きを示している。図６において＜１＞〜＜４＞は工具の動作を表している。以下に、工具の各動作について説明する。

●動作＜１＞：工具を切削開始点まで早送りで移動する。同時にＹ軸をスカイビング加工開始位置まで早送りで移動する。
●動作＜２＞：単一動作を指令するスカイビング加工指令の場合と同様に切削点の移動量と送り速度からＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の移動を制御する。
●動作＜３＞：Ｘ軸を早送りで移動して工具をワークから引き離す。
●動作＜４＞：Ｚ軸とＹ軸の開始位置まで早送りで移動する。
このような、スカイビング加工サイクル指令を導入することにより、オペレータは容易にサイクルでのスカイビング加工を指令するプログラムを作成することが可能となる。

以上、ここまで本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態の例にのみ限定されるものでなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。
例えば、図４の機能ブロック図の説明においてスカイビング加工指令データ演算部１３０は独立した機能手段として説明しているが、指令解析部１００に属する機能手段として実装してもよい。

１ 数値制御装置
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
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
４０ サーボアンプ
５０ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ ＣＲＴ／ＭＤＩユニット
７１ 操作盤
７２ 外部機器
１００ 指令解析部
１１０ 補間部
１１５ 加減速部
１２０ サーボ制御部
１３０ スカイビング加工指令データ演算部
１４０ 工具データ記憶部

Claims (3)

1. 加工プログラムに基づいて、回転するワークの回転対称面を工具により切削加工するスカイビング加工を行う工作機械を制御する数値制御装置において、
   前記加工プログラムにはスカイビング加工における切削点の移動経路を指定可能なスカイビング加工指令を含めることが可能であり、
   前記加工プログラムを解析し、前記加工プログラムから読み出したブロックが前記スカイビング加工指令であるか否かを判別する指令解析部と、
   前記指令解析部が前記スカイビング加工指令を判別した場合、前記スカイビング加工指令で指令される切削点の経路及び切削点の送り速度に基づいて、前記工具の経路及び送り速度を演算するスカイビング加工指令データ演算部と、
   前記スカイビング加工指令データ演算部により演算された前記工具の経路と実加工中の座標値とに基づいて、実加工中のブロックの進捗率に応じた補間データを演算する補間部と、
   を備え、
   前記補間部が演算した補間データに基づいて前記工作機械を制御する、
   ことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記ワークの回転軸線に対する前記工具の角度を示す工具角度データ、および前記工具の有効刃先を示す工具有効刃先データを記憶する工具データ記憶部を更に備え、
   前記スカイビング加工指令データ演算部は、前記スカイビング加工指令で指令される切削点の経路及び切削点の送り速度と、前記工具データ記憶部に記憶された前記工具角度データおよび工具有効刃先データとに基づいて前記工具の実際の経路及び送り速度を演算する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記スカイビング加工指令は、スカイビング加工の繰返し動作を指令するスカイビング加工サイクル指令を含む、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置。