JP6439542B2 - Numerical control device and control method - Google Patents
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Description
本発明は、数値制御装置と制御方法に関する。 The present invention relates to a numerical control device and a control method.
工作機械は工具を装着する主軸を回転し被削材を加工する。鉄等の硬い被削材の荒加工は重切削加工である。重切削加工を行う時、高速加工に比べ加工負荷は増大する。故に作業者は工作機械の最大切削能力を考慮する必要がある。最大切削能力は、びびり振動の発生、モータのトルクオーバー、主軸回転速度の大きな変化等で決定する。エンドミルを使用した加工等では工具は断続的に被削材を削るので、最大切削能力が低いと負荷変動が発生し、主軸回転速度も変動する。数値制御装置は主軸回転速度を一定になるように制御し、指令回転数から閾値を超えて大きくずれた時は、異常な状態であると判断し、サーボエラー等を表示して工作機械を停止する。特許文献1に記載の主軸駆動機構は、高速回転用モータと高トルクの低速回転用モータを備え加工内容によって使用するモータを変更している。 A machine tool rotates a spindle on which a tool is mounted to process a work material. Roughing of hard work materials such as iron is heavy cutting. When heavy cutting is performed, the processing load increases compared to high-speed processing. Therefore, the operator needs to consider the maximum cutting ability of the machine tool. The maximum cutting ability is determined by the occurrence of chatter vibration, motor torque over, a large change in spindle rotation speed, and the like. In machining using an end mill or the like, the tool cuts the work material intermittently, so if the maximum cutting ability is low, load fluctuations occur and the spindle rotation speed also fluctuates. The numerical controller controls the spindle speed to be constant, and when it deviates greatly from the command speed exceeding the threshold, it is judged to be in an abnormal state, and a servo error is displayed to stop the machine tool. To do. The spindle drive mechanism described in Patent Document 1 includes a high-speed rotation motor and a high-torque low-speed rotation motor, and the motor to be used is changed depending on the machining content.
特許文献1に記載の主軸駆動機構は、高速回転用モータと低速回転用モータ、更に使用するモータを切り替えるクラッチ機構を備えるので、部品費用の増加、機械の大型化等の問題点があった。また、サーボエラーが発生しないような閾値に変更すると、工具の回転と送り速度の関係は大きく変化するので、切削負荷が更に大きくなったり加工面の面粗さが悪くなる可能性があった。 Since the spindle drive mechanism described in Patent Document 1 includes a high-speed rotation motor, a low-speed rotation motor, and a clutch mechanism for switching between the motors to be used, there are problems such as an increase in component costs and an increase in the size of the machine. Further, when the threshold value is changed so as not to cause a servo error, the relationship between the rotation of the tool and the feed rate changes greatly, so that there is a possibility that the cutting load is further increased and the surface roughness of the processed surface is deteriorated.
本発明の目的は、工作機械の加工能力を向上できる数値制御装置と制御方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the numerical control apparatus and control method which can improve the processing capability of a machine tool.
本発明の請求項1に係る数値制御装置は、工具を装着し且つ回転する主軸と、被削材を固定するテーブルと、前記主軸又は前記テーブルを相対的に移動する移動機構を駆動するサーボモータとを備え、前記主軸と共に回転する工具で前記被削材を切削する工作機械の動作を制御する数値制御装置において、前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段の検出結果が所定回転速度以下の時、前記サーボモータの制御方式を決定するサーボパラメータの速度ループに関するゲインを基準値よりも小さく変更する変更手段とを備えたことを特徴とする。数値制御装置は、例えば鉄等の硬い被削材の荒加工を行う時、加工負荷が大きくなるので、工作機械に大きな振動を生じ、且つ主軸の回転速度は大きく変動する。主軸の回転速度が所定回転速度以下に低下すると、工作機械は重切削の状態であり、主軸が停止する可能性がある。数値制御装置はサーボパラメータの速度ループに関するゲインを基準値よりも小さく変更することで、工作機械固有の振動周波数特性を変えることができる。故に数値制御装置は重切削時に発生する振動を小さくでき、主軸を停止することなく、加工を継続できる。故に数値制御装置は加工能力を向上できる。 A numerical control device according to a first aspect of the present invention is a servomotor that drives a spindle that mounts and rotates a tool, a table that fixes a work material, and a moving mechanism that relatively moves the spindle or the table. A numerical control device that controls the operation of a machine tool that cuts the workpiece with a tool that rotates together with the spindle, and a rotation speed detection means that detects the rotation speed of the spindle, and a rotation speed detection means And changing means for changing a gain related to a speed loop of a servo parameter for determining a control method of the servo motor to be smaller than a reference value when a detection result is a predetermined rotational speed or less. When the numerical control device performs rough machining of a hard work material such as iron, for example, the machining load becomes large, so that a large vibration is generated in the machine tool, and the rotation speed of the spindle greatly fluctuates. When the rotational speed of the main spindle is reduced below a predetermined rotational speed, the machine tool is in a heavy cutting state, and the main spindle may stop. The numerical control device can change the vibration frequency characteristic unique to the machine tool by changing the gain related to the speed loop of the servo parameter to be smaller than the reference value . Therefore, the numerical control device can reduce the vibration generated during heavy cutting, and can continue machining without stopping the spindle. Therefore, the numerical control device can improve the machining capability.
請求項2に係る数値制御装置は、請求項1に記載の発明の構成に加え、前記速度ループに関するゲインは、速度ループ積分ゲインであり、前記変更手段は、前記速度ループ積分ゲインを前記基準値よりも小さくすることを特徴とする。数値制御装置は、速度ループ積分ゲインを基準値よりも小さくすることで、工作機械に生じる振動を小さくできる。 Numerical control apparatus according to claim 2, in addition to the structure of the invention according to claim 1, gain related to the velocity loop, the speed loop integral gain, the changing means, the reference value the speed loop integral gain It is characterized by making it smaller. The numerical control device can reduce the vibration generated in the machine tool by making the speed loop integral gain smaller than the reference value.
請求項3に係る数値制御装置は、請求項1に記載の発明の構成に加え、前記速度ループに関するゲインは、速度ループ比例ゲインであり、前記変更手段は、前記速度ループ比例ゲインを前記基準値よりも小さくすることを特徴とする。数値制御装置は、速度ループ比例ゲインを基準値よりも小さくすることで、工作機械に生じる振動を小さくできる。 The numerical control device according to claim 3, in addition to the structure of the invention according to claim 1, gain related to the velocity loop, the speed loop proportional gain, the changing means, the reference value the speed loop proportional gain It is characterized by making it smaller. The numerical control device can reduce the vibration generated in the machine tool by making the speed loop proportional gain smaller than the reference value.
請求項4に係る数値制御装置は、請求項1から3の何れか一つに記載の発明の構成に加え、前記変更手段が前記速度ループに関するゲインを前記基準値よりも小さく変更した後で、前記回転速度が前記所定回転速度を超えているか判断する第二判断手段と、前記第二判断手段が前記回転速度が前記所定回転速度を超えていると判断した時、前記速度ループに関するゲインを前記基準値に復帰する復帰手段を備えたことを特徴とする。主軸の回転速度が所定回転速度より低くならないような切削負荷が小さな加工の時、数値制御装置は速度ループに関するゲインを基準値に復帰できる。故に数値制御装置はサーボモータの剛性を向上し且つ応答性を向上できるので、加工精度に影響を及ぼすことなく、加工能力を向上できる。 In addition to the configuration of the invention according to any one of claims 1 to 3, the numerical control device according to claim 4 is configured such that, after the changing unit has changed the gain related to the speed loop to be smaller than the reference value, A second determining means for determining whether the rotational speed exceeds the predetermined rotational speed; and when the second determining means determines that the rotational speed exceeds the predetermined rotational speed, a gain relating to the speed loop is A return means for returning to the reference value is provided. When the machining load is small so that the rotation speed of the main shaft does not become lower than the predetermined rotation speed, the numerical control device can return the gain related to the speed loop to the reference value. Therefore, since the numerical control device can improve the rigidity of the servo motor and improve the responsiveness, the machining capability can be improved without affecting the machining accuracy.
請求項5に係る制御方法は、工具を装着し且つ回転する主軸と、被削材を固定するテーブルと、前記主軸又は前記テーブルを相対的に移動する移動機構を駆動するサーボモータとを備え、前記主軸と共に回転する工具で前記被削材を切削する工作機械の動作を制御する数値制御装置の制御方法において、前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出工程と、前記回転速度検出工程での検出結果が所定回転速度以下の時、前記サーボモータの制御方式を決定するサーボパラメータの速度ループに関するゲインを基準値よりも小さく変更する変更工程とを備えたことを特徴とする。数値制御装置は上記工程を実行することで、請求項1に記載の効果を得ることができる。 The control method according to claim 5 includes a spindle that mounts and rotates a tool, a table that fixes a work material, and a servo motor that drives a movement mechanism that relatively moves the spindle or the table, In a control method of a numerical control device that controls the operation of a machine tool that cuts the workpiece with a tool that rotates together with the spindle, a rotation speed detection step that detects a rotation speed of the spindle, and a rotation speed detection step And a changing step of changing a gain related to a speed loop of a servo parameter for determining a control method of the servo motor to be smaller than a reference value when a detection result is equal to or lower than a predetermined rotation speed. The numerical control device can obtain the effect of the first aspect by executing the above steps.
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。以下説明は、図中に矢印で示す左右、前後、上下を使用する。工作機械1の左右方向、前後方向、上下方向は、夫々、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向である。図1に示す工作機械1は主軸9に装着した工具4を回転し、テーブル13上面に保持した被削材3に切削加工を施す機械である。数値制御装置30(図2参照)は工作機械1の動作を制御する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, left, right, front, back, and top and bottom indicated by arrows in the figure are used. The left-right direction, the front-rear direction, and the vertical direction of the machine tool 1 are an X-axis direction, a Y-axis direction, and a Z-axis direction, respectively. A machine tool 1 shown in FIG. 1 is a machine that rotates a tool 4 mounted on a spindle 9 and performs a cutting process on a work material 3 held on the upper surface of a table 13. The numerical control device 30 (see FIG. 2) controls the operation of the machine tool 1.
図1を参照し、工作機械1の構造を簡単に説明する。工作機械1は、基台2、コラム5、主軸ヘッド7、主軸9、テーブル装置10、工具交換装置20、制御箱6、操作パネル15(図2参照)等を備える。基台2は金属製の略直方体状の土台である。コラム5は基台2上部後方に立設する。主軸ヘッド7はコラム5前面に沿ってZ軸方向に移動可能に設ける。主軸ヘッド7は内部に主軸9を回転可能に支持する。主軸9は主軸ヘッド7下部に装着穴(図示略)を有する。主軸9は該装着穴に工具4を装着し、主軸モータ52(図2参照)の駆動で回転する。主軸モータ52は主軸ヘッド7に設ける。主軸ヘッド7はコラム5前面に設けたZ軸移動機構(図示略)でZ軸方向に移動する。数値制御装置30はZ軸モータ51の駆動を制御することで、主軸ヘッド7をZ軸方向に移動制御する。 The structure of the machine tool 1 will be briefly described with reference to FIG. The machine tool 1 includes a base 2, a column 5, a spindle head 7, a spindle 9, a table device 10, a tool changer 20, a control box 6, an operation panel 15 (see FIG. 2), and the like. The base 2 is a substantially rectangular parallelepiped base made of metal. The column 5 is erected on the upper rear side of the base 2. The spindle head 7 is provided so as to be movable in the Z-axis direction along the front surface of the column 5. The spindle head 7 supports the spindle 9 rotatably inside. The spindle 9 has a mounting hole (not shown) in the lower part of the spindle head 7. The main shaft 9 is mounted with the tool 4 in the mounting hole, and is rotated by driving a main shaft motor 52 (see FIG. 2). The spindle motor 52 is provided on the spindle head 7. The spindle head 7 moves in the Z-axis direction by a Z-axis moving mechanism (not shown) provided on the front surface of the column 5. The numerical controller 30 controls the movement of the spindle head 7 in the Z-axis direction by controlling the driving of the Z-axis motor 51.
テーブル装置10は、Y軸移動機構(図示略)、Y軸テーブル12、X軸移動機構(図示略)、テーブル13等を備える。Y軸移動機構は基台2上面前側に設け、一対のY軸レール、Y軸ボール螺子、Y軸モータ54(図2参照)等を備える。一対のY軸レールとY軸ボール螺子はY軸方向に延びる。一対のY軸レールは上面にY軸テーブル12をY軸方向に案内する。Y軸テーブル12は略直方体状に形成し、底部外面にナット(図示略)を備える。該ナットはY軸ボール螺子に螺合する。Y軸モータ54がY軸ボール螺子を回転すると、Y軸テーブル12はナットと共に一対のY軸レールに沿って移動する。故にY軸移動機構はY軸テーブル12をY軸方向に移動可能に支持する。 The table device 10 includes a Y-axis moving mechanism (not shown), a Y-axis table 12, an X-axis moving mechanism (not shown), a table 13, and the like. The Y-axis moving mechanism is provided on the front surface of the base 2 and includes a pair of Y-axis rails, a Y-axis ball screw, a Y-axis motor 54 (see FIG. 2), and the like. The pair of Y-axis rails and the Y-axis ball screw extend in the Y-axis direction. The pair of Y-axis rails guides the Y-axis table 12 on the upper surface in the Y-axis direction. The Y-axis table 12 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape, and includes a nut (not shown) on the bottom outer surface. The nut is screwed onto the Y-axis ball screw. When the Y-axis motor 54 rotates the Y-axis ball screw, the Y-axis table 12 moves along the pair of Y-axis rails together with the nut. Therefore, the Y-axis moving mechanism supports the Y-axis table 12 so as to be movable in the Y-axis direction.
X軸移動機構はY軸テーブル12上面に設け、一対のX軸レール(図示略)、X軸ボール螺子(図示略)、X軸モータ53(図2参照)等を備える。X軸レールとX軸ボール螺子はX軸方向に延びる。テーブル13は平面視矩形板状に形成し、Y軸テーブル12上面に設ける。テーブル13は底部にナット(図示略)を備える。該ナットはX軸ボール螺子に螺合する。X軸モータ53がX軸ボール螺子を回転すると、テーブル13はナットと共に一対のX軸レールに沿って移動する。故にX軸移動機構はテーブル13をX軸方向に移動可能に支持する。故にテーブル13は、Y軸移動機構、Y軸テーブル12、X軸移動機構により、基台2上をX軸方向とY軸方向に移動可能である。 The X-axis moving mechanism is provided on the upper surface of the Y-axis table 12, and includes a pair of X-axis rails (not shown), an X-axis ball screw (not shown), an X-axis motor 53 (see FIG. 2), and the like. The X-axis rail and the X-axis ball screw extend in the X-axis direction. The table 13 is formed in a rectangular plate shape in plan view and provided on the upper surface of the Y-axis table 12. The table 13 includes a nut (not shown) at the bottom. The nut is screwed into the X-axis ball screw. When the X-axis motor 53 rotates the X-axis ball screw, the table 13 moves along the pair of X-axis rails together with the nut. Therefore, the X-axis moving mechanism supports the table 13 so as to be movable in the X-axis direction. Therefore, the table 13 can be moved on the base 2 in the X-axis direction and the Y-axis direction by the Y-axis moving mechanism, the Y-axis table 12, and the X-axis moving mechanism.
工具交換装置20は主軸ヘッド7の前側に設け、円盤型の工具マガジン21を備える。工具マガジン21は外周に複数の工具(図示略)を放射状に保持し、工具交換指令が指示する工具を工具交換位置に位置決めする。工具交換指令はNCプログラムで指令する。工具交換位置は工具マガジン21の最下部位置である。工具交換装置20は主軸9に装着する工具4と工具交換位置にある工具とを入れ替え交換する。 The tool changer 20 is provided on the front side of the spindle head 7 and includes a disk-shaped tool magazine 21. The tool magazine 21 holds a plurality of tools (not shown) radially on the outer periphery, and positions the tool indicated by the tool change command at the tool change position. The tool change command is commanded by the NC program. The tool change position is the lowest position of the tool magazine 21. The tool changer 20 exchanges and exchanges the tool 4 mounted on the spindle 9 and the tool at the tool change position.
制御箱6は数値制御装置30(図2参照)を格納する。数値制御装置30は、Z軸モータ51、主軸モータ52、X軸モータ53、Y軸モータ54を夫々制御し、テーブル13上に保持した被削材3と主軸9に装着した工具4を相対移動することで各種加工を被削材3に施す。各種加工とは、例えばドリル、タップ等を用いた穴空け加工、エンドミル、フライス等を用いた側面加工等である。 The control box 6 stores the numerical controller 30 (see FIG. 2). The numerical control device 30 controls the Z-axis motor 51, the main shaft motor 52, the X-axis motor 53, and the Y-axis motor 54, and relatively moves the work material 3 held on the table 13 and the tool 4 mounted on the main shaft 9. Thus, various kinds of processing are performed on the work material 3. The various types of processing include, for example, drilling using a drill, a tap or the like, side processing using an end mill, a milling cutter, or the like.
操作パネル15は、例えば工作機械1を覆うカバー(図示略)の外壁に設ける。操作パネル15は入力部16と表示部17(図2参照)を備える。入力部16は各種情報、操作指示等の入力を受け付け、後述する数値制御装置30に出力する。表示部17は後述する数値制御装置30からの指令に基づき、各種画面を表示する。 The operation panel 15 is provided on the outer wall of a cover (not shown) that covers the machine tool 1, for example. The operation panel 15 includes an input unit 16 and a display unit 17 (see FIG. 2). The input unit 16 receives input of various information, operation instructions and the like, and outputs them to the numerical controller 30 described later. The display unit 17 displays various screens based on commands from the numerical controller 30 described later.
図2を参照し、数値制御装置30と工作機械1の電気的構成を説明する。数値制御装置30と工作機械1は、CPU31、ROM32、RAM33、記憶装置34、入出力部35、駆動回路51A〜55A等を備える。CPU31は数値制御装置30を統括制御する。ROM32は、後述する主プログラム、Kvi制御プログラムを含む各種プログラム等を記憶する。主プログラムは、後述する主処理(図7参照)を実行するものである。主処理は、NCプログラムを1行ずつ読み込んで各種動作を実行する。NCプログラムは各種制御指令を含む複数行で構成し、工作機械1の軸移動、工具交換等を含む各種動作を行単位で制御するものである。Kvi制御プログラムは、後述するKvi制御処理(図8参照)を実行するものである。RAM33は各種情報を一時的に記憶する。記憶装置34は不揮発性であり、NCプログラム、後述するサーボパラメータ等の各種データを記憶する。CPU31は作業者が操作パネル15の入力部16で入力したNCプログラムに加え、外部入力で読み込んだNCプログラム等を記憶装置34に記憶できる。 With reference to FIG. 2, the electrical configuration of the numerical controller 30 and the machine tool 1 will be described. The numerical control device 30 and the machine tool 1 include a CPU 31, a ROM 32, a RAM 33, a storage device 34, an input / output unit 35, drive circuits 51A to 55A, and the like. The CPU 31 performs overall control of the numerical control device 30. The ROM 32 stores a main program, various programs including a Kvi control program, which will be described later, and the like. The main program executes main processing (see FIG. 7) described later. The main process reads the NC program line by line and executes various operations. The NC program is composed of a plurality of lines including various control commands, and controls various operations including axis movement of the machine tool 1, tool change, etc. in line units. The Kvi control program executes a Kvi control process (see FIG. 8) described later. The RAM 33 temporarily stores various information. The storage device 34 is nonvolatile and stores various data such as an NC program and servo parameters described later. The CPU 31 can store, in the storage device 34, an NC program read by an external input in addition to the NC program input by the operator through the input unit 16 of the operation panel 15.
駆動回路51AはZ軸モータ51とエンコーダ51Bに接続する。駆動回路52Aは主軸モータ52とエンコーダ52Bに接続する。駆動回路53AはX軸モータ53とエンコーダ53Bに接続する。駆動回路54AはY軸モータ54とエンコーダ54Bに接続する。駆動回路55Aは工具マガジン21を駆動するマガジンモータ55とエンコーダ55Bに接続する。Z軸モータ51、主軸モータ52、X軸モータ53、Y軸モータ54、マガジンモータ55は何れもサーボモータである。駆動回路51A〜55AはCPU31から指令を受け、対応する各モータ51〜55に駆動電流を夫々出力する。駆動回路51A〜55Aはエンコーダ51B〜55Bからフィードバック信号を受け、位置と速度のフィードバック制御を行う。入出力部35は操作パネル15の入力部16と表示部17に夫々接続する。 The drive circuit 51A is connected to the Z-axis motor 51 and the encoder 51B. The drive circuit 52A is connected to the spindle motor 52 and the encoder 52B. The drive circuit 53A is connected to the X-axis motor 53 and the encoder 53B. The drive circuit 54A is connected to the Y-axis motor 54 and the encoder 54B. The drive circuit 55A is connected to a magazine motor 55 that drives the tool magazine 21 and an encoder 55B. The Z-axis motor 51, the main shaft motor 52, the X-axis motor 53, the Y-axis motor 54, and the magazine motor 55 are all servo motors. The drive circuits 51A to 55A receive commands from the CPU 31 and output drive currents to the corresponding motors 51 to 55, respectively. The drive circuits 51A to 55A receive feedback signals from the encoders 51B to 55B and perform position and speed feedback control. The input / output unit 35 is connected to the input unit 16 and the display unit 17 of the operation panel 15, respectively.
図3を参照し、X軸モータ53の駆動回路53Aの構成を説明する。駆動回路51A〜54Aの構成は同一であるので、駆動回路51A,52A,54Aの構成の説明は省略する。X軸モータ53のエンコーダ53Bは、X軸モータ53の現在位置情報を位置フィードバック信号Sbとして数値制御装置30に出力する。数値制御装置30はNCプログラムから取得した制御指令に基づき、位置指令Saを生成し、駆動回路53Aに出力する。 With reference to FIG. 3, the configuration of the drive circuit 53A of the X-axis motor 53 will be described. Since the configuration of the drive circuits 51A to 54A is the same, the description of the configuration of the drive circuits 51A, 52A, 54A is omitted. The encoder 53B of the X-axis motor 53 outputs the current position information of the X-axis motor 53 to the numerical controller 30 as a position feedback signal Sb. The numerical control device 30 generates a position command Sa based on the control command acquired from the NC program, and outputs it to the drive circuit 53A.
駆動回路53Aは、位置指令Saに従い、X軸モータ53が動作するようにX軸モータ53に出力する駆動電流を制御する。具体的には、駆動回路53Aの加算器62は、位置指令Saと実際の位置の信号である位置フィードバック信号Sbの位置偏差Seを算出し、該位置偏差Seに位置ループゲインKpを乗ずることで速度指令Sfを算出する。 The drive circuit 53A controls the drive current output to the X-axis motor 53 so that the X-axis motor 53 operates in accordance with the position command Sa. Specifically, the adder 62 of the drive circuit 53A calculates the position deviation Sa of the position feedback signal Sb that is the position command Sa and the actual position signal, and multiplies the position deviation Se by the position loop gain Kp. A speed command Sf is calculated.
加算器63は、上記速度指令Sfと実際の速度、即ち位置フィードバック信号Sbを微分回路64で微分して得た速度Sgとの速度偏差Shを算出する。加算器66は、速度偏差Shに速度ループ比例ゲインKvpを乗ずることで得た電流指令(比例)Siと、上記速度偏差Shを積分回路65で積分してその積分結果に速度ループ積分ゲインKviを乗ずることで得た電流指令(積分)Sjを加算し、電流指令Skを算出する。電流制御部67は算出した電流指令Skに基づき、X軸モータ53の通電制御を行う。電流制御部67は、X軸モータ53の電流情報、即ち、X軸モータ53のトルク情報T(n)を数値制御装置30に出力する。 The adder 63 calculates a speed deviation Sh between the speed command Sf and the actual speed, that is, the speed Sg obtained by differentiating the position feedback signal Sb by the differentiation circuit 64. The adder 66 integrates the current command (proportional) Si obtained by multiplying the speed deviation Sh by the speed loop proportional gain Kvp and the speed deviation Sh by the integration circuit 65, and the speed loop integral gain Kvi is integrated into the integration result. The current command (integration) Sj obtained by multiplication is added to calculate the current command Sk. The current control unit 67 performs energization control of the X-axis motor 53 based on the calculated current command Sk. The current control unit 67 outputs current information of the X-axis motor 53, that is, torque information T (n) of the X-axis motor 53 to the numerical controller 30.
次に、サーボパラメータの速度ループに関するゲインを説明する。上述の通り、送り軸であるX軸モータ53、Y軸モータ54、Z軸モータ51は何れもサーボモータである。サーボモータの制御方式はセミクローズドループ制御である。セミクローズドループ制御は入力パルスとエンコーダからフィードバックするパルスの差を監視する制御方式である。慣性負荷の大きさに応じて最適なセミクローズドループ制御を行う為、数値制御装置30はゲイン調整を行う。ゲイン調整は負荷慣性モーメントの大きさに合わせて応答性を調整することを意味する。 Next, the gain related to the speed loop of the servo parameter will be described. As described above, the X-axis motor 53, the Y-axis motor 54, and the Z-axis motor 51, which are feed axes, are all servo motors. The servo motor control method is semi-closed loop control. Semi-closed loop control is a control method for monitoring the difference between an input pulse and a pulse fed back from an encoder. In order to perform the optimal semi-closed loop control according to the magnitude of the inertial load, the numerical controller 30 performs gain adjustment. Gain adjustment means adjusting the response in accordance with the magnitude of the load inertia moment.
サーボモータの制御はサーボパラメータで決定する。サーボパラメータは、数値制御装置30に接続するサーボモータの制御方式を決定するパラメータで、軸毎に設定する。各パラメータは基準値を持ち、各軸の制御条件に合わせて変更する。サーボパラメータはゲイン調整のパラメータを含む。ゲイン調整のパラメータは、速度ループに関するゲインを含む。速度ループに関するゲインは、上述した速度ループ比例ゲイン、速度ループ積分ゲイン(速度ループ積分時定数)等である。速度ループに関するゲインを変更すると、サーボモータの応答性(周波数特性)は変化する。 Servo motor control is determined by servo parameters. The servo parameter is a parameter that determines the control method of the servo motor connected to the numerical controller 30 and is set for each axis. Each parameter has a reference value and is changed according to the control conditions of each axis. Servo parameters include gain adjustment parameters. The gain adjustment parameter includes a gain related to the speed loop. The gain related to the speed loop is the speed loop proportional gain, the speed loop integral gain (speed loop integral time constant) described above, or the like. When the gain relating to the speed loop is changed, the response (frequency characteristic) of the servo motor changes.
速度ループ比例ゲインは、全ての周波数帯にわたって応答性を変化する。速度ループ比例ゲインを大きくすると、サーボ剛性は高くなり且つ応答性は向上する。サーボ剛性とは、サーボモータ停止時に保持トルクを発生し、外力による移動を防止する性質である。速度ループ比例ゲインを小さくすると、サーボ剛性は低くなり且つ応答性は低下する。速度ループ積分ゲインは、低い周波数での応答性を変化する。速度ループ比例ゲインと同様に、速度ループ積分ゲインを大きくすると、サーボ剛性は高くなり且つ応答性は向上する。速度ループ積分ゲインを小さくすると、サーボ剛性は低くなり且つ応答性は低下する。 The velocity loop proportional gain changes the responsiveness across all frequency bands. When the speed loop proportional gain is increased, the servo rigidity is increased and the response is improved. The servo rigidity is a property that generates a holding torque when the servo motor is stopped and prevents movement due to an external force. When the speed loop proportional gain is reduced, the servo rigidity is lowered and the response is lowered. The velocity loop integral gain changes the response at low frequencies. As with the speed loop proportional gain, increasing the speed loop integral gain increases the servo stiffness and improves the responsiveness. When the speed loop integral gain is reduced, the servo rigidity is lowered and the response is lowered.
本実施形態の数値制御装置30は、送り軸であるX軸モータ53、Y軸モータ54、Z軸モータ51について、輪郭精度を要求する通常切削時は応答性の高い速度ループ積分ゲインを設定し、鉄等の硬い材料の荒加工のような重切削時は通常切削時に比べて小さい重切削用の速度ループ積分ゲインに設定する。輪郭精度を要求する加工は、例えば切削経路中のコーナ部である。以下説明は、速度ループ積分ゲインを単にKviと呼ぶ。 The numerical control device 30 of the present embodiment sets a speed loop integral gain with high responsiveness for the X-axis motor 53, the Y-axis motor 54, and the Z-axis motor 51, which are feed axes, during normal cutting that requires contour accuracy. In heavy cutting such as roughing of hard materials such as iron, the speed loop integral gain for heavy cutting is set smaller than that in normal cutting. Processing that requires contour accuracy is, for example, a corner portion in a cutting path. In the following description, the speed loop integral gain is simply referred to as Kvi.
図4を参照し、工作機械1の被削材3加工時の振動周波数特性を説明する。本実施形態は工作機械1の加工時の振動周波数特性を解析する為、被削材3の加工試験を行った。試験条件は以下の通りである。図1に示す如く、テーブル13上面に100kgの被削材3を固定する。工具4はエンドミルを使用する。Y軸テーブル12の振動周波数特性を解析する為、加速度ピックアップ(図示略)はY軸テーブル12側面に取り付ける。加速度ピックアップはY軸テーブル12の加速度と振動を測定するセンサである。Y軸テーブル12は重量のあるテーブル13を上面に支持するので、テーブル13よりも大きな負荷がかかる。故に加工時のY軸テーブル12の振動周波数の変動はテーブル13よりも大きくなるので、本実施形態はY軸テーブル12の振動周波数を解析することで、工作機械1の振動周波数特性を確認した。 With reference to FIG. 4, the vibration frequency characteristic at the time of processing the workpiece 3 of the machine tool 1 will be described. In this embodiment, a machining test of the work material 3 was performed in order to analyze vibration frequency characteristics during machining of the machine tool 1. The test conditions are as follows. As shown in FIG. 1, 100 kg of the work material 3 is fixed to the upper surface of the table 13. The tool 4 uses an end mill. In order to analyze the vibration frequency characteristics of the Y-axis table 12, an acceleration pickup (not shown) is attached to the side surface of the Y-axis table 12. The acceleration pickup is a sensor that measures acceleration and vibration of the Y-axis table 12. Since the Y-axis table 12 supports the heavy table 13 on the upper surface, a larger load than the table 13 is applied. Therefore, since the fluctuation of the vibration frequency of the Y-axis table 12 during machining is larger than that of the table 13, the vibration frequency characteristics of the machine tool 1 are confirmed by analyzing the vibration frequency of the Y-axis table 12 in this embodiment.
更に本実施形態は、送り軸であるX軸モータ53、Y軸モータ54、Z軸モータ51のKviについて、通常切削時に使用するKvi(以下基準Kviと呼ぶ)と、重切削時に使用するKvi(以下重切削Kviと呼ぶ)を夫々用意する。基準Kviの一例は200Hz、重切削Kviの一例は83Hzである。重切削Kviは、基準Kviよりも小さいゲインである。加工試験では、工具4に対しテーブル13をY軸方向に移動することで被削材3のエンドミル加工を行った。エンドミル加工は基準Kviを設定した場合と重切削Kviを設定した場合の二回行った。そして、夫々の加工中にY軸テーブル12に生じる振動を加速度ピックアップで測定し、測定した振動データをFFT解析した。 Further, in the present embodiment, the Kvi of the X-axis motor 53, the Y-axis motor 54, and the Z-axis motor 51, which are feed axes, is used for normal cutting (hereinafter referred to as reference Kvi) and used for heavy cutting. (Hereinafter referred to as heavy cutting Kvi). An example of the reference Kvi is 200 Hz, and an example of the heavy cutting Kvi is 83 Hz. The heavy cutting Kvi is a gain smaller than the reference Kvi. In the machining test, the workpiece 3 was end milled by moving the table 13 in the Y-axis direction with respect to the tool 4. The end milling was performed twice when the reference Kvi was set and when the heavy cutting Kvi was set. And the vibration which arises in the Y-axis table 12 during each process was measured with the acceleration pick-up, and the measured vibration data were FFT-analyzed.
図4に示す図表は、Y軸テーブル12の振動周波数特性を示し、縦軸に振動の大きさ[m/s]、横軸に振動周波数[Hz]を示す。(1)線は、基準Kviで加工した時の振動周波数特性を示す。(2)線は、重切削Kviで加工した時の振動周波数特性を示す。何れの振動周波数特性においても、Y軸方向に40〜50Hz付近の大きな振動振幅を確認できた。即ち40〜50Hz付近でY軸テーブル12は大きく振動する。更に40〜50Hz付近にて、基準Kviを設定した時と、重切削Kviを設定した時とでは、重切削Kviを設定した時の方が振動振幅の大きさは小さくなった。尚、(1)線と(2)線で60Hz付近に生じた振動振幅は、工具の刃が被削材3に当たる時に発生するものである。 The chart shown in FIG. 4 shows the vibration frequency characteristics of the Y-axis table 12, with the vertical axis representing the vibration magnitude [m / s] and the horizontal axis representing the vibration frequency [Hz]. (1) The line shows the vibration frequency characteristics when processed with the reference Kvi. (2) The line shows the vibration frequency characteristics when machining with heavy cutting Kvi. In any vibration frequency characteristic, a large vibration amplitude in the vicinity of 40 to 50 Hz was confirmed in the Y-axis direction. That is, the Y-axis table 12 vibrates greatly in the vicinity of 40 to 50 Hz. Furthermore, when the reference Kvi is set near 40 to 50 Hz and when the heavy cutting Kvi is set, the magnitude of the vibration amplitude is smaller when the heavy cutting Kvi is set. Note that the vibration amplitude generated in the vicinity of 60 Hz in the lines (1) and (2) is generated when the blade of the tool hits the work material 3.
図5を参照し、工作機械1固有の振動周波数特性を説明する。本実施形態は、工作機械1固有の振動周波数特性を確認する為、加速度ピックアップ(図示略)をY軸テーブル12に取り付けた状態で、基準Kviと重切削Kviに設定を夫々変えて、ハンマリング試験(加振試験)を行った。ハンマリング試験では、ハンマ(図示略)で対象のY軸テーブル12に対してY軸方向に打撃を加え、Y軸テーブル12に生じる振動を加速度ピックアップで計測し、FFT解析でY軸テーブル12固有の振動周波数特性を解析した。 The vibration frequency characteristic unique to the machine tool 1 will be described with reference to FIG. In this embodiment, in order to confirm the vibration frequency characteristic specific to the machine tool 1, the setting is changed to the reference Kvi and the heavy cutting Kvi with the acceleration pickup (not shown) attached to the Y-axis table 12, respectively, and hammering is performed. A test (excitation test) was performed. In the hammering test, a hammer (not shown) strikes the target Y-axis table 12 in the Y-axis direction, and vibrations generated in the Y-axis table 12 are measured with an acceleration pickup. The vibration frequency characteristics of were analyzed.
図5に示す図表は、Y軸テーブル12固有の振動周波数特性を示し、縦軸に振動の大きさ[m/s/N]、横軸に振動周波数[Hz]を示す。(3)線は、基準Kvi設定時のY軸テーブル12固有の振動周波数特性を示す。(4)線は、重切削Kvi設定時のY軸テーブル12固有の振動周波数特性を示す。何れの振動周波数特性においても、Y軸方向に40〜50Hz付近の大きな振動振幅を確認できた。40〜50Hz付近の大きな振動振幅は、Y軸テーブル12固有の振動周波数であり、工作機械1固有の振動周波数である。故に上記加工試験とハンマリング試験は、被削材3加工時の振動周波数特性と、工作機械1固有の振動周波数特性は相互に一致することを実証した。 The chart shown in FIG. 5 shows the vibration frequency characteristics unique to the Y-axis table 12, with the vertical axis indicating the vibration magnitude [m / s / N] and the horizontal axis indicating the vibration frequency [Hz]. (3) A line indicates a vibration frequency characteristic unique to the Y-axis table 12 when the reference Kvi is set. (4) The line shows the vibration frequency characteristic unique to the Y-axis table 12 when the heavy cutting Kvi is set. In any vibration frequency characteristic, a large vibration amplitude in the vicinity of 40 to 50 Hz was confirmed in the Y-axis direction. A large vibration amplitude in the vicinity of 40 to 50 Hz is a vibration frequency specific to the Y-axis table 12 and a vibration frequency specific to the machine tool 1. Therefore, the machining test and the hammering test demonstrated that the vibration frequency characteristics when machining the workpiece 3 and the vibration frequency characteristics unique to the machine tool 1 coincide with each other.
重切削時は通常切削時に比べて加工負荷が増大するので、主軸回転速度は著しく変動する。上記加工試験とハンマリング試験の結果より、エンドミル加工等の断続切削において、主軸回転速度を変動する成分は、切削周波数(回転周波数の整数倍)以外に、工作機械1固有の振動周波数の成分を含むことがわかった。工作機械1固有の振動周波数の成分は工作機械1の剛性を向上することで小さくできるが、部品費用の増加と設計工数の増加という問題を生じる可能性があるので好ましくない。 Since the processing load increases during heavy cutting compared to normal cutting, the spindle rotation speed fluctuates significantly. From the results of the machining test and the hammering test, in the intermittent cutting such as end milling, the component that fluctuates the spindle rotational speed is the vibration frequency component specific to the machine tool 1 in addition to the cutting frequency (integer multiple of the rotational frequency). It was found to contain. The vibration frequency component inherent to the machine tool 1 can be reduced by improving the rigidity of the machine tool 1, but this is not preferable because it may cause problems such as an increase in component costs and an increase in design man-hours.
前者の加工試験は、送り軸のKviを変更することで、加工中に生じた40〜50付近の振動振幅の大きさが変化することを確認した。本実施形態は、後述するKvi制御処理(図8参照)を実行し、通常切削時は基準Kviに設定し、重切削を検出した時は重切削Kviに設定を変更することで、40〜50Hz付近の大きな振動振幅を低減し、以下のように加工能力の向上を試みた。 In the former machining test, it was confirmed that the magnitude of vibration amplitude in the vicinity of 40 to 50 generated during machining was changed by changing Kvi of the feed shaft. In the present embodiment, a Kvi control process (see FIG. 8) described later is executed, and is set to the reference Kvi during normal cutting, and when heavy cutting is detected, the setting is changed to heavy cutting Kvi, so that the frequency is 40 to 50 Hz. We tried to improve machining capacity as follows by reducing the large vibration amplitude in the vicinity.
図7を参照し、CPU31が実行する主処理を説明する。作業者は操作パネル15の入力部16を用いて、記憶装置34に記憶する複数のNCプログラムの中から一のNCプログラムを選択し、選択したNCプログラムの加工開始を指示する。CPU31は入力部16から加工開始指示を受け付けると、ROM32に記憶する主プログラムを読み込み、本処理を実行する。本実施形態は、図6に示すNCプログラムP1を実行する時を例に説明する。 A main process executed by the CPU 31 will be described with reference to FIG. The operator uses the input unit 16 of the operation panel 15 to select one NC program from among a plurality of NC programs stored in the storage device 34, and instructs the machining start of the selected NC program. When receiving a machining start instruction from the input unit 16, the CPU 31 reads the main program stored in the ROM 32 and executes this processing. In the present embodiment, a case where the NC program P1 shown in FIG. 6 is executed will be described as an example.
図6に示す如く、NCプログラムP1のN01行目は、主軸9を1000rpmで回転する制御指令である。M3は主軸回転指令である。Sは主軸回転速度(rpm)を設定する指令である。N02行目のM141は、通常モードから重切削モードに切り替えて設定する制御指令である。通常モードは送り軸のKviを基準Kviに常時設定する制御方式であり、重切削モードは、現在の主軸回転速度(以下主軸実回転速度と呼ぶ)の変動に基づき、送り軸のKviを基準Kviから重切削Kviに変更する制御方式である。尚、本実施形態の数値制御装置30は、主軸実回転速度が主軸指令回転速度に対し50%を下回る時、サーボエラーを表示部17に表示し、主軸9を停止するように工作機械1を制御する。CPU31は現在設定中のモード情報をRAM33に記憶する。モード情報は制御方式の種類の情報である。CPU31はデフォルトで通常モードに設定する。 As shown in FIG. 6, the N01th line of the NC program P1 is a control command for rotating the spindle 9 at 1000 rpm. M3 is a spindle rotation command. S is a command for setting the spindle rotation speed (rpm). M141 on the N02 line is a control command that is set by switching from the normal mode to the heavy cutting mode. The normal mode is a control method in which the feed shaft Kvi is always set to the reference Kvi, and the heavy cutting mode is based on the fluctuation of the current main shaft rotation speed (hereinafter referred to as the main shaft actual rotation speed), and the feed shaft Kvi is set to the reference Kvi. It is a control system which changes from heavy cutting Kvi. The numerical control device 30 of the present embodiment displays the servo error on the display unit 17 and stops the spindle 9 when the actual spindle rotational speed is less than 50% of the spindle command rotational speed. Control. The CPU 31 stores the currently set mode information in the RAM 33. The mode information is information on the type of control method. The CPU 31 sets the normal mode by default.
N03行目は、アブソリュート指令で主軸9をX=100の位置まで送り速度500mm/minで切削送りする制御指令である。N04行目のM142は、重切削モードを解除して通常モードに戻す制御指令である。N05行目のM30はNCプログラムを終了する終了指令である。尚、作業者は、操作パネル15の入力部16で基準Kviと重切削Kviを夫々変更できる。本実施形態は、送り軸の基準Kviと重切削Kviを記憶装置34に予め記憶し、現在設定中のKviをRAM33に記憶する。基準Kviは基準値である。 The N03th line is a control command for cutting and feeding the spindle 9 to the position of X = 100 at a feed speed of 500 mm / min by an absolute command. M142 on the N04th line is a control command for canceling the heavy cutting mode and returning to the normal mode. M30 on the N05th line is an end command to end the NC program. The operator can change the reference Kvi and the heavy cutting Kvi with the input unit 16 of the operation panel 15, respectively. In the present embodiment, the feed shaft reference Kvi and the heavy cutting Kvi are stored in the storage device 34 in advance, and the currently set Kvi is stored in the RAM 33. The reference Kvi is a reference value.
図7に示す如く、CPU31は入力部16で選択を受け付けたNCプログラムP1を読み込み(S1)、N01行目を解釈する(S2)。CPU31は解釈した1行目にM30が有るか否か判断する(S3)。N01行目はM3S1000であるので(S3:NO)、CPU31は主軸モータ52を駆動し、主軸9を1000rpmで回転する(S4)。1行目の制御指令実行後、CPU31はS2に戻り、N02行目を解釈する。N02行目はM141であるので(S3:NO)、CPU31は通常モードから重切削モードに切り替えて設定する(S4)。CPU31はRAM33に記憶するモード情報に重切削モードが設定中であることを記憶する。重切削モードを設定すると、CPU31は後述するKvi制御処理(図8参照)において、主軸実回転数の変動に応じて、送り軸のKviを基準Kviから重切削Kviに変更する。N02行目の制御指令を実行後、CPU31はS2に戻り、N03行目を解釈する。 As shown in FIG. 7, the CPU 31 reads the NC program P1 that has been selected by the input unit 16 (S1), and interprets the N01th line (S2). The CPU 31 determines whether there is M30 in the interpreted first line (S3). Since the N01th line is M3S1000 (S3: NO), the CPU 31 drives the spindle motor 52 and rotates the spindle 9 at 1000 rpm (S4). After executing the control command on the first line, the CPU 31 returns to S2 and interprets the N02 line. Since the N02 line is M141 (S3: NO), the CPU 31 switches from the normal mode to the heavy cutting mode and sets it (S4). The CPU 31 stores in the mode information stored in the RAM 33 that the heavy cutting mode is being set. When the heavy cutting mode is set, the CPU 31 changes the feed shaft Kvi from the reference Kvi to the heavy cutting Kvi in accordance with fluctuations in the actual spindle speed in a Kvi control process (see FIG. 8) described later. After executing the control command on the N02 line, the CPU 31 returns to S2 and interprets the N03 line.
N03行目はG90G01X100.F500であるので(S3:NO)、CPU31は主軸9をX=100の位置まで送り速度500mm/minで移動し、被削材3のエンドミル加工を行う(S4)。N03行目の制御指令を実行後、CPU31はS2に戻り、N04行目を解釈する。N04行目はM142であるので(S3:NO)、CPU31は重切削モードを解除して通常モードに戻す(S4)。CPU31はRAM33に記憶するモード情報に通常モードが設定中であることを記憶する。N04行目の制御指令を実行後、CPU31はS2に戻り、N05行目を解釈する。N05行目はM30であるので(S3:YES)、CPU31は本処理を終了する。 The N03 line is G90G01X100. Since it is F500 (S3: NO), the CPU 31 moves the spindle 9 to the position of X = 100 at a feed speed of 500 mm / min and performs end milling of the work material 3 (S4). After executing the control command on the N03th line, the CPU 31 returns to S2 and interprets the N04th line. Since the N04th line is M142 (S3: NO), the CPU 31 cancels the heavy cutting mode and returns to the normal mode (S4). The CPU 31 stores in the mode information stored in the RAM 33 that the normal mode is being set. After executing the control command on the N04th line, the CPU 31 returns to S2 and interprets the N05th line. Since the N05th line is M30 (S3: YES), the CPU 31 ends this process.
図8を参照し、Kvi制御処理を説明する。CPU31は図7の主処理でNCプログラムP1を実行する時、ROM32からKvi制御プログラムを読み込み、主処理と並行して本処理を実行する。 The Kvi control process will be described with reference to FIG. When the CPU 31 executes the NC program P1 in the main process of FIG. 7, the CPU 31 reads the Kvi control program from the ROM 32 and executes this process in parallel with the main process.
CPU31はRAM33に記憶するモード情報を参照し、現在設定の制御方式が重切削モードか否か判断する(S11)。通常モードである時(S11:NO)、CPU31は現在設定のKviは、重切削Kviか否か判断する(S18)。現在設定のKviが基準Kviである時(S18:NO)、CPU31は現在実行するNCプログラムP1が終了か否か判断する(S20)。NCプログラムP1が実行中の時(S20:NO)、CPU31はS11に戻り処理を繰り返す。 The CPU 31 refers to the mode information stored in the RAM 33 and determines whether or not the currently set control method is the heavy cutting mode (S11). When in the normal mode (S11: NO), the CPU 31 determines whether or not the currently set Kvi is the heavy cutting Kvi (S18). When the currently set Kvi is the reference Kvi (S18: NO), the CPU 31 determines whether or not the NC program P1 that is currently executed is finished (S20). When the NC program P1 is being executed (S20: NO), the CPU 31 returns to S11 and repeats the process.
現在設定の制御方式が重切削モードである時(S11:YES)、CPU31は主軸モータ52のエンコーダ52B(図2参照)から受信する信号に基づき、主軸実回転速度を検出する(S12)。CPU31は検出した主軸実回転速度の絶対値が所定回転速度以下か否か判断する(S13)。所定回転速度は以下の式で算出する。
所定回転速度=|主軸指令回転速度|×Kvi切替比率÷100
尚、Kvi切替比率は、サーボエラーを発生する50%よりも高い値に設定するのが好ましく、例えば60〜70%にするとよい。Kvi切替比率は、操作パネル15で自由に変更可能である。
When the currently set control method is the heavy cutting mode (S11: YES), the CPU 31 detects the actual spindle rotational speed based on the signal received from the encoder 52B (see FIG. 2) of the spindle motor 52 (S12). The CPU 31 determines whether or not the detected absolute value of the actual spindle rotational speed is equal to or lower than a predetermined rotational speed (S13). The predetermined rotation speed is calculated by the following formula.
Predetermined rotational speed = | Spindle command rotational speed | × Kvi switching ratio ÷ 100
The Kvi switching ratio is preferably set to a value higher than 50% at which a servo error occurs, for example, 60 to 70%. The Kvi switching ratio can be freely changed on the operation panel 15.
NCプログラムP1のN01行目のS1000は、主軸指令回転速度を1000rpmに設定する。故に所定回転速度は1000×60÷100=600rpmとなる。CPU31は600rpm以下か否か判断する。主軸実回転速度が600rpmよりも高い時(S13:NO)、CPU31は現在設定のKviは重切削Kviか否か判断する(S16)。現在設定のKviが基準Kviである時(S16:NO)、CPU31はNCプログラムP1が終了か否か判断する(S20)。NCプログラムP1が実行中の時(S20:NO)、CPU31はS11に戻り処理を繰り返す。 In S1000 on the N01th line of the NC program P1, the spindle command rotational speed is set to 1000 rpm. Therefore, the predetermined rotation speed is 1000 × 60 ÷ 100 = 600 rpm. CPU31 judges whether it is 600 rpm or less. When the spindle actual rotation speed is higher than 600 rpm (S13: NO), the CPU 31 determines whether or not the currently set Kvi is heavy cutting Kvi (S16). When the currently set Kvi is the reference Kvi (S16: NO), the CPU 31 determines whether or not the NC program P1 is finished (S20). When the NC program P1 is being executed (S20: NO), the CPU 31 returns to S11 and repeats the process.
主軸実回転速度が600rpm以下の時(S13:YES)、加工負荷が大きく工作機械1に振動を生じているので重切削である。故にCPU31はKviを重切削Kviに変更する(S14)。重切削Kviは基準Kviよりも小さい値であるので、サーボ剛性が低下して工作機械1に生じる振動は小さくなる。主軸実回転速度は徐々に復帰して上昇する。故に数値制御装置30はサーボエラーを発生することなく加工を継続できる。また振動が小さくなるので重切削時における被削材3の加工面を良好にできる。 When the main spindle actual rotation speed is 600 rpm or less (S13: YES), the machining load is large and the machine tool 1 is vibrated, which is heavy cutting. Therefore, the CPU 31 changes Kvi to heavy cutting Kvi (S14). Since the heavy cutting Kvi is a value smaller than the reference Kvi, the servo rigidity is lowered and the vibration generated in the machine tool 1 is reduced. The actual spindle speed gradually recovers and rises. Therefore, the numerical controller 30 can continue the machining without generating a servo error. Further, since the vibration is reduced, the machined surface of the work material 3 during heavy cutting can be improved.
CPU31は別の主軸回転指令を実行か否か判断する(S15)。別の主軸回転指令を実行する時(S15:YES)、主軸指令回転速度が変更する可能性があるので、CPU31はKviを基準Kviに戻す(S17)。例えば別の主軸回転指令で切削負荷の小さい加工を行う時、サーボ剛性が向上し且つ応答性は向上するので、加工精度は向上する。別の主軸回転指令を実行しない時(S15:NO)、CPU31はNCプログラムP1が終了か否か判断する(S20)。NCプログラムP1が実行中の時(S20:NO)、CPU31はS11に戻り処理を繰り返す。 The CPU 31 determines whether to execute another spindle rotation command (S15). When another spindle rotation command is executed (S15: YES), the spindle command rotation speed may change, so the CPU 31 returns Kvi to the reference Kvi (S17). For example, when machining with a small cutting load is performed with another spindle rotation command, the servo rigidity is improved and the responsiveness is improved, so that the machining accuracy is improved. When another spindle rotation command is not executed (S15: NO), the CPU 31 determines whether or not the NC program P1 is finished (S20). When the NC program P1 is being executed (S20: NO), the CPU 31 returns to S11 and repeats the process.
重切削モードで重切削Kviを設定した状態で、引き続き加工が継続する時(S11:YES)、CPU31は主軸実回転速度を再検出する(S12)。検出した主軸実回転速度が所定回転速度を超えた時(S13:NO)、切削負荷が小さくなるので、現在の切削状態は重切削ではなくなる。故に現在設定のKviが重切削Kviである時(S16:YES)、CPU31は基準Kviに戻す(S17)。サーボ剛性が向上し且つ応答性は向上するので、加工精度は向上する。CPU31はNCプログラムP1が終了か否か判断する(S20)。NCプログラムP1が実行中の時(S20:NO)、CPU31はS11に戻り処理を繰り返す。 When the machining continues with the heavy cutting Kvi set in the heavy cutting mode (S11: YES), the CPU 31 redetects the actual spindle rotational speed (S12). When the detected actual spindle rotational speed exceeds the predetermined rotational speed (S13: NO), the cutting load is reduced, so the current cutting state is not heavy cutting. Therefore, when the currently set Kvi is the heavy cutting Kvi (S16: YES), the CPU 31 returns to the reference Kvi (S17). Since the servo rigidity is improved and the responsiveness is improved, the machining accuracy is improved. The CPU 31 determines whether or not the NC program P1 is finished (S20). When the NC program P1 is being executed (S20: NO), the CPU 31 returns to S11 and repeats the process.
NCプログラムP1のN04行目で重切削モードが解除した時(S11:NO)、CPU31は現在設定のKviは重切削Kviか否か判断する(S18)。現在設定のKviが重切削Kviであるので(S18:YES)、CPU31は基準Kviに戻し(S19)、NCプログラムP1が終了か否か判断する(S20)。NCプログラムP1が終了した時(S20:YES)、CPU31は本処理を終了する。 When the heavy cutting mode is canceled in the N04th line of the NC program P1 (S11: NO), the CPU 31 determines whether or not the currently set Kvi is heavy cutting Kvi (S18). Since the currently set Kvi is the heavy cutting Kvi (S18: YES), the CPU 31 returns to the reference Kvi (S19) and determines whether the NC program P1 is finished (S20). When the NC program P1 is finished (S20: YES), the CPU 31 finishes this process.
図9を参照し、基準Kviを設定した時の最大加工能力と、重切削Kviを設定した時の最大加工能力を説明する。図9は下側の横軸に振動周波数[Hz]、上側の横軸に主軸回転速度[rpm]を示し、左側の縦軸に振動の大きさ[m/s/N]を示し、右側の縦軸に最大加工能力[mm]を示す。(3)線と(4)線は、図5に示すものと同じである。(5)線は基準Kviを設定時の最大加工能力、(6)線は重切削Kviを設定時の最大加工能力を夫々示す。最大加工能力は、被削材3をエンドミル加工した時にサーボエラーを発生しない最大切削幅(ae)として測定した。図9の最大加工能力を示す右側の縦軸は、上から下に向かって最大切削幅が大きくなることを示す。 With reference to FIG. 9, the maximum machining capability when the standard Kvi is set and the maximum machining capability when the heavy cutting Kvi is set will be described. FIG. 9 shows the vibration frequency [Hz] on the lower horizontal axis, the spindle rotational speed [rpm] on the upper horizontal axis, the magnitude of vibration [m / s / N] on the left vertical axis, The vertical axis indicates the maximum processing capacity [mm]. Lines (3) and (4) are the same as those shown in FIG. The line (5) indicates the maximum machining capacity when the reference Kvi is set, and the line (6) indicates the maximum machining capacity when the heavy cutting Kvi is set. The maximum machining capability was measured as the maximum cutting width (ae) at which no servo error occurred when the workpiece 3 was end milled. The vertical axis on the right side showing the maximum machining capacity in FIG. 9 indicates that the maximum cutting width increases from top to bottom.
図9に示す如く、最大加工能力は基準Kvi設定時に比べ、重切削Kvi設定時の方が大きいことが実証された。振動振幅の大きい40〜50Hz付近においても、重切削Kvi設定時の方が最大加工能力は大きいことから、主軸実回転速度が大きく低下する重切削時に、Kviを基準Kviから重切削Kviに変更することで、工作機械1に生じる振動を小さくでき、且つ硬い材料等を良好に切削できることが実証された。 As shown in FIG. 9, it was proved that the maximum machining capability was larger when the heavy cutting Kvi was set than when the standard Kvi was set. Even in the vicinity of 40 to 50 Hz where the vibration amplitude is large, the maximum machining capability is larger when the heavy cutting Kvi is set, and therefore Kvi is changed from the reference Kvi to the heavy cutting Kvi during heavy cutting where the actual spindle rotational speed is greatly reduced. Thus, it was proved that the vibration generated in the machine tool 1 can be reduced and that a hard material or the like can be cut well.
以上説明にて、テーブル装置10は本発明の移動機構に相当し、図8のS12の処理を実行するCPU31は本発明の回転速度検出手段に相当し、S14の処理を実行するCPU31は本発明の変更手段に相当する。CPU31が実行するS12の工程は本発明の回転速度検出工程に相当し、CPU31が実行するS14の工程は本発明の変更工程に相当する。 In the above description, the table device 10 corresponds to the moving mechanism of the present invention, the CPU 31 that executes the processing of S12 in FIG. 8 corresponds to the rotational speed detecting means of the present invention, and the CPU 31 that executes the processing of S14 is the present invention. Corresponds to the changing means. The step S12 executed by the CPU 31 corresponds to the rotational speed detecting step of the present invention, and the step S14 executed by the CPU 31 corresponds to the changing step of the present invention.
以上説明の如く、本実施形態の数値制御装置30は、被削材を切削する工作機械1の動作を制御する。工作機械1は、主軸9、テーブル装置10、X軸モータ53、Y軸モータ54を備える。主軸9は工具4を装着し且つ回転する。テーブル装置10はX軸移動機構とY軸移動機構を備え、テーブル13を主軸9に対して相対的にX軸方向とY軸方向に移動する。X軸モータ53とY軸モータ54は、X軸移動機構とY軸移動機構を駆動するサーボモータである。数値制御装置30は、主軸9の主軸実回転速度を検出する。検出結果が所定回転速度以下の時、X軸モータ53とY軸モータ54のKviを重切削Kviに変更する。数値制御装置30はKviを重切削Kviに変更することで、テーブル13の振動周波数特性を変化できる。数値制御装置30は重切削時に発生する振動を軽減できるので、サーボエラーを発生することなく加工を継続できる。故に数値制御装置30は加工能力を向上できるので、より多くの体積を切削でき、生産性を向上できる。 As described above, the numerical control device 30 of the present embodiment controls the operation of the machine tool 1 that cuts the work material. The machine tool 1 includes a spindle 9, a table device 10, an X-axis motor 53, and a Y-axis motor 54. The spindle 9 is mounted with a tool 4 and rotates. The table device 10 includes an X-axis moving mechanism and a Y-axis moving mechanism, and moves the table 13 in the X-axis direction and the Y-axis direction relative to the main shaft 9. The X-axis motor 53 and the Y-axis motor 54 are servo motors that drive the X-axis movement mechanism and the Y-axis movement mechanism. The numerical control device 30 detects the actual rotation speed of the main shaft 9. When the detection result is equal to or lower than the predetermined rotation speed, Kvi of the X-axis motor 53 and the Y-axis motor 54 is changed to heavy cutting Kvi. The numerical controller 30 can change the vibration frequency characteristics of the table 13 by changing Kvi to heavy cutting Kvi. Since the numerical control device 30 can reduce the vibration generated during heavy cutting, the machining can be continued without generating a servo error. Therefore, since the numerical control apparatus 30 can improve a processing capability, it can cut more volume and can improve productivity.
本発明は上記実施形態に限らず、各種の変形が可能なことはいうまでもない。上記実施形態は、速度ループに関するゲインの一つである速度ループ積分ゲイン(Kvi)について、基準Kviと、基準Kviよりも小さい重切削Kviを夫々設け、主軸実回転速度で重切削を検出した時に、基準Kviから重切削Kviに変更することで、工作機械1に生じる振動を小さくした。この他に、例えば加工中に重切削を検出した時、速度ループ比例ゲイン(Kvp)を変更してもよい。上記の如く、速度ループ比例ゲインを大きくすると、サーボ剛性は高くなり応答性は向上する。速度ループ比例ゲインを小さくすると、サーボ剛性は低くなり応答性は低下する。故に加工中に重切削を検出した時、数値制御装置30は、速度ループ積分ゲインと同様に、重切削を検出した時は基準値よりも低いゲインに変更すればよい。数値制御装置30は、速度ループ比例ゲインについて、図8に示すKvi制御処理と同じ処理を実行すればよい。故に数値制御装置30は上記実施形態と同様の効果を得ることができる。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. In the above embodiment, when the speed loop integral gain (Kvi), which is one of the gains related to the speed loop, is provided with the reference Kvi and the heavy cutting Kvi smaller than the reference Kvi, respectively, and when heavy cutting is detected at the actual spindle rotational speed, The vibration generated in the machine tool 1 is reduced by changing the reference Kvi to the heavy cutting Kvi. In addition, for example, when heavy cutting is detected during machining, the speed loop proportional gain (Kvp) may be changed. As described above, when the speed loop proportional gain is increased, the servo rigidity is increased and the response is improved. When the speed loop proportional gain is reduced, the servo rigidity is lowered and the responsiveness is lowered. Therefore, when heavy cutting is detected during machining, the numerical control device 30 may change to a gain lower than the reference value when heavy cutting is detected, similarly to the speed loop integral gain. The numerical controller 30 may perform the same process as the Kvi control process shown in FIG. 8 for the speed loop proportional gain. Therefore, the numerical control device 30 can obtain the same effect as the above embodiment.
速度ループ積分ゲインは速度ループ積分時定数の値を変更することで速度ループ積分ゲインの値を変更するようにしてもよい。該場合、速度ループ積分ゲインを小さくするには速度ループ積分時定数を大きくすることになる。 The speed loop integral gain may be changed by changing the value of the speed loop integral time constant. In this case, the speed loop integration time constant is increased in order to reduce the speed loop integration gain.
上記実施形態の重切削KviとKvi切替比率は、作業者が自由に選択可能なパラメータとして設定してもよい。例えば操作パネル15で選択可能としてもよい。 The heavy cutting Kvi and the Kvi switching ratio in the above embodiment may be set as parameters that can be freely selected by the operator. For example, the selection may be made on the operation panel 15.
上記実施形態は、主処理で実行するNCプログラムの中で、M141とM142を用いて、重切削モードの設定と解除を行うが、それ以外の方法で設定するようにしてもよい。例えば操作パネル15の入力部16で、重切削モードの設定と解除を行うようにしてもよい。 In the above embodiment, the heavy cutting mode is set and canceled using M141 and M142 in the NC program executed in the main process, but may be set by other methods. For example, the heavy cutting mode may be set and canceled by the input unit 16 of the operation panel 15.
上記実施形態は、主軸実回転速度を検出して、現在の加工が重切削か否かを判断するが、例えば主軸トルク値、送り軸(X軸モータ53、Y軸モータ54、Z軸モータ51)の回転速度、送り軸トルク値等を検出して、重切削か否かを判断するようにしてもよい。 In the above embodiment, the actual rotational speed of the main shaft is detected and it is determined whether or not the current machining is heavy cutting. For example, the main shaft torque value, the feed shaft (X-axis motor 53, Y-axis motor 54, Z-axis motor 51). ) Rotation speed, feed shaft torque value, etc. may be detected to determine whether heavy cutting is to be performed.
上記実施形態は、加速度ピックアップをY軸テーブル12の側面に取り付け、Y軸テーブル12の振動を測定することで、工作機械1の動特性を確認したが、加速度ピックアップをテーブル13の側面に取り付け、テーブル13の振動を測定することでも、工作機械1の動特性を確認できる。 In the above embodiment, the acceleration pickup is attached to the side surface of the Y-axis table 12, and the dynamic characteristics of the machine tool 1 are confirmed by measuring the vibration of the Y-axis table 12, but the acceleration pickup is attached to the side surface of the table 13. The dynamic characteristics of the machine tool 1 can also be confirmed by measuring the vibration of the table 13.
上記実施形態は、例えば加工中に重切削を検出した時、送り軸であるX軸モータ53、Y軸モータ54、Z軸モータ51の三軸のKviを重切削Kviに変更するが、少なくとも一つ以上の送り軸について重切削Kviに変更すればよい。 In the above embodiment, for example, when heavy cutting is detected during machining, the three axes Kvi of the X-axis motor 53, the Y-axis motor 54, and the Z-axis motor 51, which are feed axes, are changed to heavy cutting Kvi. What is necessary is just to change to heavy cutting Kvi about two or more feed axes.
上記実施形態の工作機械1は、工具4を装着する主軸がZ軸方向に移動可能であり、テーブル13がX軸とY軸方向の二軸に移動可能である工作機械である。テーブル13に対してX軸、Y軸、Z軸方向に相対的に移動する工具4の移動機構の仕組みは上記実施形態に限定しない。例えば、主軸がX軸、Y軸、Z軸方向の三軸に移動可能であり、作業台を固定した工作機械であってもよい。上記実施形態の工作機械1は縦型の工作機械であるが、横型の工作機械であってもよい。 The machine tool 1 of the above embodiment is a machine tool in which the main shaft on which the tool 4 is mounted is movable in the Z-axis direction, and the table 13 is movable in two axes in the X-axis direction and the Y-axis direction. The mechanism of the moving mechanism of the tool 4 that moves relative to the table 13 in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions is not limited to the above embodiment. For example, a machine tool in which the main shaft is movable in three axes in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions and the work table is fixed may be used. The machine tool 1 of the above embodiment is a vertical machine tool, but may be a horizontal machine tool.
上記実施形態は、エンドミル加工で説明したが、フライス加工等の他の加工方法にも適用可能である。 Although the said embodiment demonstrated by the end mill process, it is applicable also to other processing methods, such as a milling process.
上記実施形態の駆動回路51A〜55Aは工作機械1に設けているが、駆動回路51A〜55Aを数値制御装置30に設けてもよい。 Although the drive circuits 51 </ b> A to 55 </ b> A of the above embodiment are provided in the machine tool 1, the drive circuits 51 </ b> A to 55 </ b> A may be provided in the numerical controller 30.
1 工作機械
4 工具
9 主軸
10 テーブル装置
13 テーブル
30 数値制御装置
31 CPU
51 Z軸モータ
53 X軸モータ
54 Y軸モータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Machine tool 4 Tool 9 Spindle 10 Table apparatus 13 Table 30 Numerical control apparatus 31 CPU
51 Z-axis motor 53 X-axis motor 54 Y-axis motor
Claims (5)
前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記回転速度検出手段の検出結果が所定回転速度以下の時、前記サーボモータの制御方式を決定するサーボパラメータの速度ループに関するゲインを基準値よりも小さく変更する変更手段と
を備えたことを特徴とする数値制御装置。 A spindle that mounts and rotates a tool; a table that fixes a work material; and a servomotor that drives a movement mechanism that relatively moves the spindle or the table, and the tool is rotated by the tool that rotates together with the spindle. In the numerical control device that controls the operation of the machine tool that cuts the work
A rotational speed detecting means for detecting the rotational speed of the spindle;
And changing means for changing a gain related to a speed loop of a servo parameter for determining a control method of the servo motor to be smaller than a reference value when a detection result of the rotation speed detecting means is equal to or lower than a predetermined rotation speed. A numerical control device.
前記変更手段は、前記速度ループ積分ゲインを前記基準値よりも小さくすること
を特徴とする請求項1に記載の数値制御装置 The gain for the speed loop is a speed loop integral gain,
The changing means, the numerical control device according to the speed loop integral gain in claim 1, characterized in that the smaller than the reference value
前記変更手段は、前記速度ループ比例ゲインを前記基準値よりも小さくすること
を特徴とする請求項1に記載の数値制御装置。 The gain for the speed loop is a speed loop proportional gain,
The changing means, the numerical control device according to the speed loop proportional gain in claim 1, characterized in that the smaller than the reference value.
前記第二判断手段が前記回転速度が前記所定回転速度を超えていると判断した時、前記速度ループに関するゲインを前記基準値に復帰する復帰手段を備えたこと
を特徴とする請求項1から3の何れか一つに記載の数値制御装置。 After the changing means has changed less than the reference value a gain related to the velocity loop, a second determination unit that the rotational speed is determined whether it exceeds the predetermined rotational speed,
4. A return means for returning a gain related to the speed loop to the reference value when the second judging means judges that the rotational speed exceeds the predetermined rotational speed. The numerical control device according to any one of the above.
前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出工程と、
前記回転速度検出工程での検出結果が所定回転速度以下の時、前記サーボモータの制御方式を決定するサーボパラメータの速度ループに関するゲインを基準値よりも小さく変更する変更工程と
を備えたことを特徴とする制御方法。 A spindle that mounts and rotates a tool; a table that fixes a work material; and a servomotor that drives a movement mechanism that relatively moves the spindle or the table, and the tool is rotated by the tool that rotates together with the spindle. In the control method of the numerical control device for controlling the operation of the machine tool for cutting the cutting material,
A rotational speed detecting step for detecting the rotational speed of the spindle;
A change step of changing a gain related to a speed loop of a servo parameter for determining a control method of the servo motor to be smaller than a reference value when a detection result in the rotation speed detection step is equal to or lower than a predetermined rotation speed. Control method.
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