JP6462858B2

JP6462858B2 - 穴加工方法

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Publication number: JP6462858B2
Application number: JP2017508962A
Authority: JP
Inventors: 康輔井上
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: CN107427981B; US10328542B2; EP3278925A4; JPWO2016157456A1; EP3278925B1; US20180079043A1; EP3278925A1; WO2016157456A1; CN107427981A

Description

本発明は、２つの工具経路をつなぐ工具経路生成に関し、特に、ワークの表面に回転工具を用いて穴を形成する穴加工のための工具経路生成方法、穴加工方法および工具経路生成装置に関する。

ワークの表面に回転工具、例えばドリル等を用いて多数の穴を加工する場合、図５に示すように、１つの穴Ｈ1を加工するために、工具Ｔが穴Ｈ1の位置に配置され、次いで、ワークＷへ向けてその回転軸線方向（Ｚ軸方向）に送られる（経路１）。次いで、工具Ｔは、Ｚ軸方向にワークＷから離反するように移動させられ穴Ｈ1から抜去される（経路２）。工具Ｔの先端がワークＷから離反すると、次いで、工具Ｔは、Ｘ軸、Ｙ軸の送り装置によって次の穴Ｈ2を形成すべき位置へ向けて送られる（経路６）。次の穴Ｈ2の位置に到達すると、工具Ｔは、再びワークＷへ向けてＺ軸方向に送られ、穴Ｈ2が形成される（経路４）。このように、１つの加工部位から次の加工部位へ工具をワークに対して移動する際に、工具の送り方向が方向転換する際、図５の例では経路２と経路６の間および経路６と経路４の間で送り動作を一旦停止しなければならないので、工具の移動に要する時間が長くなる。

特許文献１には、移動時間を短縮するように、移動体を２つの駆動装置、例えばＸ軸駆動装置とＹ軸駆動装置とを用いて移動させる工作機械が記載されている。特許文献１の工作機械では、移動体を２軸制御で移動させるときに、何れかの軸方向に少なくとも１箇所での方向転換を要する場合において、移動体が、方向転換点に到達したときから、移動体を、方向転換する軸方向に最大加減速度以下で緩やかに加減速させ、他方の駆動装置では最大下限速度するようになっている。

特開２００６−０２４１７４号公報

特許文献１の発明によれば、移動体の移動時間は短縮できるが、制御が複雑であり、制御装置に入力されるＮＣプログラム中に通常の加工用プログラムに加えて、移動体の経路、速度、下限速度を予め規定しておかなければならない問題がある。

本発明は、こうした従来技術の問題点を解決することを技術課題としており、工作機械においてワーク加工中に１つの工具経路から隣の工具経路へ工具をワークに対して移動させるときに、該２つの工具経路を接続する接続経路であって、工具の移動に要する時間を短縮した接続経路を容易かつ非常に短時間でリアルタイムに生成できる工具経路生成方法および装置並びに該工具経路生成方法を用いた穴加工方法を提供することを目的としている。

更に、本発明の他の特徴によれば、回転軸線を中心として回転する主軸の先端に装着された回転工具と、該主軸に対面配置されたワークとを、前記主軸の回転軸線方向をＺ軸としてＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に相対移動させるＸ、Ｙ、Ｚ送り軸を有した工作機械で、前記ワークの表面にＺ軸方向に延びる第１と第２の穴を加工する穴加工方法において、前記第１の穴の加工終了位置と前記第２の穴の加工開始位置との間のＸ軸方向の距離と、Ｙ軸方向の距離を演算し、前記Ｘ軸方向の距離をＸ送り軸の最大加速度で除算したＸ軸基準値と、前記Ｙ軸方向の距離をＹ送り軸の最大加速度で除したＹ軸基準値を求め、前記Ｘ軸基準値とＹ軸基準値との大きい方の値を最大基準値と設定し、前記最大基準値にＺ送り軸の最大加速度を乗じてＺ軸方向の退避距離を求め、前記第１の穴の加工終了位置と前記第２の穴の加工開始位置を両端とする線分を長軸または短軸とし、ＸＹ平面に垂直な平面内に延びる楕円状の接続経路であって、前記退避距離が前記楕円の短軸または長軸の１／２となる楕円状の接続経路を生成し、前記接続経路に沿って前記回転工具を前記ワークの前記第１の穴の加工の終了位置から前記第２の穴の加工の開始位置へ移動させ、前記回転工具を前記回転軸線に沿って前記ワーク内へ向けて駆動する穴加工方法が提供される。

本発明によれば、楕円を演算するだけで接続経路が生成されるので、非常に簡単で短時間に工具経路生成の演算をすることができ、特許文献１の発明のように、予め演算しＮＣプログラム中に規定する必要がない。

本発明の好ましい実施形態による工具経路生成部を含んだ制御装置を示すブロック図である。本発明を適用する工作機械の一例を示す側面図である。本発明の工具経路生成方法による穴加工を説明するための略図である。本発明の工具経路生成方法を説明するフローチャートである。従来の工具経路生成方法による穴加工を説明するための略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
先ず、図２を参照すると、本発明を適用する工作機械の一例が示されている。図２において、本発明の好ましい実施の形態による工作機械１００は、立形マシニングセンタを構成しており、工場の床面に固定された基台としてのベッド１０２、ベッド１０２の前方部分（図１では左側）の上面で前後方向またはＸ軸方向（図１では左右方向）に移動可能に設けられワークＷが固定されるテーブル１１４、ベッド１０２の後端側（図１では右側）で同ベッド１０２の上面に立設、固定されたコラム１０４、該コラム１０４の前面で左右方向またはＹ軸方向（図１では紙面に垂直な方向）に移動可能に設けられたサドル１０６、サドル１０６の前面で上下方向またはＺ軸方向に移動可能に取り付けられたＺスライダ１０８、Ｚスライダ１０８に取付けられ主軸１１２を回転可能に支持する主軸頭１１０を具備している。

テーブル１１４は、ベッド１０２の上面において水平なＸ軸方向に延設された一対のＸ軸案内レール１０２ａに沿って往復動可能に設けられている。ベッド１０２には、テーブル１１４をＸ軸案内レール１０２ａに沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＸ軸サーボモータが設けられており、テーブル１１４には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。テーブル１１４には、また、Ｘ軸方向のテーブル１１４のＸ軸方向の座標位置を測定するＸ軸スケール（図示せず）が取り付けられている。

主軸頭１１０は、Ｚ軸に平行な鉛直方向に延びる中心軸線Ｏ周りに回転可能に主軸１１２を支持している。主軸１１２は、テーブル１１４に対面する先端部に回転工具Ｔを装着するための工具装着穴（図示せず）が加工されている。主軸頭１１０は主軸１１２を回転駆動するサーボモータ（図示せず）を有している。

サドル１０６は、コラム１０４の上方部分の前面においてＹ軸方向に延設された一対のＹ軸案内レール１０４ａに沿って往復動可能に設けられている。コラム１０４には、サドル１０６をＹ軸案内レールに沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＹ軸サーボモータが設けられており、サドル１０６には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。コラム１０４には、また、サドル１０６のＹ軸方向の座標位置を測定するＹ軸スケール（図示せず）が取り付けられている。

Ｚスライダ１０８は、サドル１０６の前面においてＺ軸方向に延設された一対のＺ軸案内レール１０６ａに沿って往復動可能に設けられている。サドル１０６には、Ｚスライダ１０８をＺ軸案内レールに沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＺ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、主軸頭１１０には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。サドル１０６には、また、Ｚスライダ１０８のＺ軸方向の座標位置を測定するＺ軸スケール（図示せず）取り付けられている。回転工具ＴはＺ軸送り装置によって、その中心軸線に沿って送られる。

Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータおよびＸ軸スケール、Ｙ軸スケール、Ｚ軸スケールは、工作機械１００を制御するＮＣ装置（図示せず）に接続されており、該ＮＣ装置によって、Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータへ供給される電力（電流値）が制御される。

本発明の穴加工方法を実施するための制御装置の一例を示すブロック図である図１を参照すると、制御装置１０は、通常のＮＣ装置と同様に、読取解釈部１２、プログラム実行制御部１４、補間部１８およびサーボ部２０を具備している。つまり、制御装置１０は、工作機械１００のためのＮＣ装置に組込むことができる。制御装置１０は、更に、本発明の工具経路生成部３０を具備している。工具経路生成部３０は、後述するように、反対経路抽出部３２、反転位置演算部３４および反転経路生成部３６を具備している。

読取解釈部１２は、ＮＣプログラムを読み取り解釈し、実行可能なプログラムデータをプログラム実行制御部１４へ逐次出力する。プログラム実行制御部１４は、読取解釈部１２から出力される実行可能なプログラムデータに基づいて動作指令を加減速制御部１６に出力する。この移動指令は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の送り量と送り速度を含んでいる。

加減速制御部１６は、プログラム実行制御部１６からの移動指令を加減速フィルタに通して各軸の送り速度の加減速処理を行う。加減速制御部１６において加減速処理された移動指令は補間部１８に出力される。補間部１８は、受け取ったＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸移動指令を補間演算し、補間関数および送り速度に合った位置指令を各軸のサーボ部２０へ出力する。サーボ部２０は、受け取ったＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各位置指令から工作機械１００のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各送り軸を駆動するための電流値を出力し、この電流値が工作機械１００のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各送り軸のサーボモータ２２に供給される。

工具経路生成部３０の反対経路抽出部３２は、読取解釈部１２が読み取り解釈したＮＣプログラムから反対経路を抽出する。反対経路は、工具Ｔの移動方向が略反対向きの隣接する２つの工具経路（反対経路）である。本実施形態では、図３に示すように、ワークＷに工具Ｔとしてドリルを用いて隣り合う第１と第２の穴Ｈ1、Ｈ2を加工するような場合、工具Ｔは、先ず、第１の穴Ｈ1の加工開始点Ｐ1から加工終点Ｐ2へ向けて、ワークＷに対して押し付けられつつ軸方向に直線的に移動し（工具経路１）、次いで、加工終点Ｐ2から加工開始点Ｐ1へ向けて工具経路１と同一経路に沿って反対向きにワークＷから離反するように移動する（工具経路２）。工具Ｔは、次いで、接続経路３を経て、第２の穴Ｈ2の加工の開始位置である加工開始点Ｐ3へ移動し、加工開始点Ｐ3から加工終点Ｐ4へ向けて、ワークＷに対して押し付けられつつ軸方向に直線的に移動し（工具経路４）、次いで、加工終点Ｐ4から加工開始点Ｐ3へ向けて工具経路４と同一直線に沿って反対向きにワークＷから離反するように移動する（工具経路５）。図３の例では、隣接する工具経路２と工具経路４が反対経路になる。工具経路１と工具経路２は、工具Ｔの移動方向が反対向きであるが、同一直線上の経路であり隣接する経路ではないので反対経路ではない。工具経路４と工具経路５も同様に反対経路ではない。

なお、以下の説明では、互いに反対経路を構成する工具経路２、４のうち、先行する工具経路２を第１の工具経路、後続の工具経路４を第２の工具経路とする。また、Ｐ1は、第１の穴Ｈ1の加工の終了位置、つまり第１の工具経路２の終点である。Ｐ3は、第２の穴Ｈ2の加工開始位置であり第２の工具経路４の始点となる。

反転位置演算部３４は、後述するように、反対経路抽出部３２によって抽出された反対経路に関連したプログラムデータに基づいて、接続経路３上において工具Ｔの移動方向が反転する反転位置Ｐrを演算する。反転経路生成部３６は、反対経路抽出部３２が抽出した反対経路に関するプログラムデータと、反転位置演算部３４が演算した反転位置Ｐrの座標から反転経路を生成する。図３の例では、反転経路は工具Ｔを第１の穴Ｈ1から引き戻す経路である第１の工具経路２、第２の穴Ｈ2を加工するための工具経路である第２の工具経路４の間で反転位置Ｐrを通過する接続経路３である。

図４のフローチャートを参照しつつ、図３に示す例において反転経路を生成するための方法を説明する。なお、図３では、座標系を左右方向にＸ軸、紙面に垂直な方向にＹ軸、ワークＷの上面からＺ軸方向に所望距離を以って離間した位置をＺ＝０と定義する。このワークＷの表面から所望距離離間した位置とは、ユーザが設定した任意の位置であり、ワーク表面の形状誤差や寸法誤差により、工具とワークとが衝突することを回避するための逃がし量を加味してワーク表面から離れた位置である。この位置は、加工プログラムのＧコードの固定サイクルでＲ点と称される位置などに相当する。

反対経路抽出部３２が、読取解釈部１２が読み取り解釈したＮＣプログラムから反対経路２、４を抽出した後、反転位置演算部３４は、Ｐ1の座標（Ｘ1、Ｙ1、０）およびＰ2の座標（Ｘ2、Ｙ2、０）を読取解釈部１２が読み取り解釈したＮＣプログラムから読み込む（ステップＳ１０）。なお、以下のパラメータは、工具経路生成部３０のメモリ領域に予め格納しておくことができる。或いは、工作機械１００のオペレータが、手動で適宜入力するようにしてもよい。
Ａx＝Ｘ方向の送り軸の最高加速度
Ａy＝Ｙ方向の送り軸の最高加速度
Ａz＝Ｚ方向の送り軸の最高加速度

次いで、
Ｌx＝反対経路間のＸ方向の距離＝Ｘ2−Ｘ1
Ｌy＝反対経路間のＹ方向の距離＝Ｙ2−Ｙ1
が演算される。

次に、Ｌx／ＡxとＬy／Ａyとが比較され（ステップＳ１２）、Ｌx／ＡxがＬy／Ａyよりも大きい場合（ステップＳ１２でYesの場合）、つまり工具ＴのＸ軸方向への移動時間がＹ軸方向への移動時間よりも長くなると判断できる場合、工具ＴのＺ軸方向への退避距離Ｑzが以下の式から演算される（ステップＳ１４）。
Ｑz＝（Ｌx／Ａx）×Ａz

Ｌx／ＡxがＰy／Ａyよりも小さい場合（ステップＳ１２でNoの場合）、工具ＴのＺ軸方向への退避距離Ｑzが以下の式から演算される（ステップＳ１６）。
Ｑz＝（Ｌy／Ａy）×Ａz

Ｚ軸方向への退避距離Ｑzが演算されると、ステップＳ１８において、反転位置Ｐrの座標が以下の式から演算される。なお、第１と第２の穴Ｈ1、Ｈ2が、例えばＸ軸方向に整列するように、ワークＷをテーブル１１４に対して取り付ければ、Ｌy＝０となる。
Ｐr（Ｘ, Ｙ, Ｚ）＝（（Ｘ１＋Ｘ２）／２, （Ｙ1＋Ｙ2）／２, Ｑz）

次いで、反転経路生成部３６が、Ｐ1、Ｐr、Ｐ3を通過し、反転位置Ｐrを頂点とする楕円形状の接続経路３を演算する。つまり、楕円の対称軸の一方がＰ1およびＰ3を通過し、対称軸の他方が反転位置Ｐrを通過する楕円の上側半分を接続経路３とする。より詳細には、接続経路３は、Ｐ1およびＰ3を両端とする線分を長軸または短軸として有し、反転位置Ｐrを通過する楕円であって、Ｚ＝０のＸ−Ｙ平面に対して垂直な平面内の楕円のＺ＝０のＸ−Ｙ平面から上側の半分によって規定される。反転経路生成部３６は、このように演算された接続経路３を第１と第２の工具経路２、４と共にプログラム実行制御部１４へ出力する。

本実施形態の接続経路３は、は第１の工具経路２の終点Ｐ1および第２の工具経路４の始点Ｐ3で、接線方向に第１の工具経路２および第２の工具経路４に接続されるので、工具Ｔを非常に高速で接続経路３に沿ってワークＷに対して相対移動させることが可能となる。つまり、工具Ｔは工具経路２で加速しながらワークＷから離反し、Ｚ軸方向の速度が加工指令の速度のままＰ1を通過する。次いで、工具Ｔは反転位置ＰrでＺ軸方向の速度が零となりＺ軸方向の速度が反転するように減速し、Ｐ3へ向けて逆方向に加速する。そして、Ｐ3を通過するときには、Ｚ軸方向の速度は加工指令の速度にまで到達する。このように、接続経路３上でＺ軸方向の速度が零になる点が１ヶ所しかないため、移動に要する時間が短縮され、非常に高速に工具ＴをワークＷに対して相対移動させることが可能となる。反転位置ＰrのＺ軸方向の位置も、第１と第２の穴Ｈ1、Ｈ2の間の距離と、各送り軸の最高速度に基づいて算出しているため、反転位置ＰrのＺ軸方向の位置が必要以上にワークＷから離れることのない効率的な経路が得られる。

更に、ワークＷから最も離れた位置を反転位置Ｐrとし、該反転位置Ｐrを通過する経路を生成するため、工具と周辺機器との干渉の判定や、経路が送り軸のストローク範囲を超えた位置を通過するかの判定は、反転位置Ｐrの座標だけを評価すればよく、生成した接続経路３が、利用可能な経路か否かの判定を容易に行うことができるとの利点もある。

また、本実施形態によれば、２つの隣接する穴Ｈ1、Ｈ2の中心Ｐ1、Ｐ3をＮＣプログラムから読み取り、それに基づいてＰrを演算し、該３つの点Ｐ1、Ｐr、Ｐ3を通過する楕円を演算するだけで接続経路３が生成されるので、非常に簡単で短時間で演算することができるので、特許文献１の発明のように、予め演算しＮＣプログラム中に規定する必要がない。

図４に示した方法では、工具ＴのＺ軸方向への退避距離Ｑzは、単に第１と第２の穴Ｈ1、Ｈ2の軸間距離またはワークＷの第１と第２の穴Ｈ1、Ｈ2の中心間距離、つまり加工される穴のピッチと、ＸまたはＹ送り軸の最大加速度に基づいて演算されているが、本発明は、これに限定されない。加工される穴が浅ければ、加速する距離が短く、工具Ｔが穴から離反したときにＺ軸の送り速度は高くなっていないので、工具ＴをワークＷから遠くに離反させなくとも、短い距離で減速することができ、工具Ｔを円滑かつ高速に移動させることが可能となる。そこで、上記（Ｌx／Ａx）×Ａzおよび（Ｌy／Ａy）×Ａzを、第１と第２の穴Ｈ1、Ｈ2のうち浅い方の穴の深さＬdに定数αを乗じたαＬdと比較し、αＬdが（Ｌx／Ａx）×Ａzおよび（Ｌy／Ａy）×Ａzよりも小さい場合に、Ｑz＝αＬdとするようにしてもよい。αは、工作機械の特性により異なるが、実験等により予め決定することができ、例えば、α＝１．２とすることができる。

２第１の工具経路
３接続経路
４第２の工具経路
１０制御装置
１２読取解釈部
１４プログラム実行制御部
３０工具経路生成部
３２反対経路抽出部
３４反転位置演算部
３６反転経路生成部

Claims

回転軸線を中心として回転する主軸の先端に装着された回転工具と、該主軸に対面配置されたワークとを、前記主軸の回転軸線方向をＺ軸としてＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に相対移動させるＸ、Ｙ、Ｚ送り軸を有した工作機械で、前記ワークの表面にＺ軸方向に延びる第１と第２の穴を加工する穴加工方法において、
前記第１の穴の加工終了位置と前記第２の穴の加工開始位置との間のＸ軸方向の距離と、Ｙ軸方向の距離を演算し、
前記Ｘ軸方向の距離をＸ送り軸の最大加速度で除算したＸ軸基準値と、前記Ｙ軸方向の距離をＹ送り軸の最大加速度で除したＹ軸基準値を求め、
前記Ｘ軸基準値とＹ軸基準値との大きい方の値を最大基準値と設定し、
前記最大基準値にＺ送り軸の最大加速度を乗じてＺ軸方向の退避距離を求め、
前記第１の穴の加工終了位置と前記第２の穴の加工開始位置を両端とする線分を長軸または短軸とし、ＸＹ平面に垂直な平面内に延びる楕円状の接続経路であって、前記退避距離が前記楕円の短軸または長軸の１／２となる楕円状の接続経路を生成し、
前記接続経路に沿って前記回転工具を前記ワークの前記第１の穴の加工の終了位置から前記第２の穴の加工の開始位置へ移動させ、
前記回転工具を前記回転軸線に沿って前記ワーク内へ向けて駆動することを特徴とした穴加工方法。