JP6544921B2 - 捻りひずみ補正手段を備えた２主軸対向旋盤 - Google Patents

Description

この発明は、２主軸対向旋盤に関し、同一軸線上に配置された２本の主軸の対向端でワークの両端を把持して加工を行う際に、加工中に生ずるワークの捻じれ方向のひずみによって、ワークの加工精度が低下するのを防止する手段を備えた上記旋盤に関するものである。

例えば、素材ワークの内部に偏った残留応力が残っている場合や、ワークの中心軸に対して非対称な加工を行う場合に、加工時に残留応力が残っている部分を切除するなどにより、ワークに変形（ひずみ）が生ずることがある。

１本の主軸でワークの一端のみを把持する加工では、加工中にワークに発生したひずみは、把持されていない他端が変位することで常に解放されるから、加工中にワークに生じたひずみによって加工精度が低下することはない。

これに対して、２主軸対向旋盤でワークの両端を把持して加工する場合、ワークの両端が拘束されているので、加工中に生じたひずみが内部応力として残り、加工が完了して把持が解放されたときに、拘束力が解放されることによって加工中に生じたひずみが顕在化して加工誤差となることがある。

旋盤でワークの両端を把持して行う加工は、軸方向（旋盤の主軸軸線方向）に長いワークが普通であり、そのようなワークの加工中に起こるひずみとしては、ワークの曲がり方向の撓みひずみ、ワークの軸方向の伸縮である軸ひずみ及び捻じれ方向のひずみの３種類のひずみが考えられる。

ワークの両端を把持して行う長尺物の加工では、ワークを横方向、すなわちワークの軸と直交する方向に加工反力が加わる。加工中にワークの撓みひずみが生じたとしても、工具をワークから離したときにそのひずみは解放される。工具がワークを切削しているときのワークの撓みは、加工反力による撓みと区別がつかず、撓みひずみによる誤差は、軽加工負荷での仕上げ加工を行うことで除去されると考えて良い。

軸ひずみについては、特許文献１に、ワークに作用する軸方向の負荷（軸力）を制御しながら加工を行う技術が提案されている。特許文献１で提案されている技術は、加工中のワークに付与する軸力ないし軸方向変位を演算する演算手段と、演算された軸力ないし変位をワークに付与するように主軸送りモータを逐次駆動する主軸送り手段とを備え、ワークの両端を対向する主軸で把持して加工を行う際に、演算した軸力ないし変位がワークに作用するように主軸送りモータを制御すると言うものである。この技術において、加工中のワークに付与する軸力を０にした状態で加工を行えば、常に軸方向のひずみが解放された状態で加工が行われることになり、加工後に両端の把持を解放したときに加工中に生じた軸ひずみが顕在化して加工精度を低下させるのを防止できる。

一方、捻り方向のひずみについては、特許文献２に、マシニングセンタによるワーク（タービンブレード）の加工において、ワークの両端をクランプ機構によって把持して加工するようにし、加工の途中で、一方のワーク主軸のサーボモータをＯＦＦとし、ワークの一方の端部側を回転自在とし、ひずみによってワークの一方の端部側が自動的に回転することによって、ワークに生じたひずみを解消させ、その後、ワークの両端をクランプして加工を継続することにより、ワークの加工精度を向上させる切削加工方法が提案されている。

特開２０１２−１９６７４８号公報 特開２０１４−１２１７４６号公報

上記のように、加工中におけるワークのひずみによって生ずる加工精度の低下は、従来技術によって防止できると考えられる。

しかし、マシニングセンタではワークの回転速度が遅いので、加工途中で捻り変形を解放するために主軸（ワーク主軸）を停止して再回転しても、消費動力や加工時間のロスは少ない。これに対して、旋盤では、通常、ワークの回転が早いので、加工途中で主軸を停止させたときの加減速によるロスタイムや動力消費が大きい。

この発明は、２主軸対向旋盤でワークの両端を把持して加工を行う際に、その加工中に生じたワークのひずみが解放されないまま加工が継続されて、加工が完了してワークが旋盤から取り出されたときに、拘束されていた捻りひずみが解放されることによるワークの加工精度の低下を、主軸の回転停止による加工時間のロスや加減速時の消費動力の増大を生ずることなく防止する技術手段を提供することを課題としている。

この発明の２主軸対向旋盤は、同一軸線上で対向する２主軸及び当該２主軸のそれぞれを個別に回転駆動する主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒと、少なくとも一方の主軸台を前記軸線方向に移動する主軸送りモータ３と、これらのモータのトルク及び回転速度ないし回転角を制御するモータ制御器１２Ｌ、１２Ｒとを備えている。

この発明の２主軸対向旋盤は、上記手段に加えて、２個の主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒの負荷トルクの差が設定した制限値以下に維持されるように、主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒの少なくとも一方に与える回転速度ないし回転角の指令信号（角度指令）ａｒに前記トルク差を解消する方向の補正値を付加する捻りひずみ補正手段３２、１３、１４を備えている。

２個の主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒの負荷トルクは、これらのモータに与えられている電流値で検出することもできるが、ＮＣ装置２２から主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒに与える回転速度ないし回転角の角度指令ａｌ、ａｒとそれらのモータに設けたエンコーダのフィードバック信号ｂｌ、ｂｒとの差である角度偏差ｃｌ、ｃｒによって検出することもできる。

前記捻りひずみ補正手段は、主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒの電流値の差又は角度偏差ｃｌ、ｃｒの差に基づいて補正信号ｐをモータ制御器１２Ｌ、１２Ｒの少なくとも１つに出力し、補正信号ｐ受けたモータ制御器（図の例では１２Ｒ）は、ＮＣ装置２２から受け取った回転速度ないし回転角の指令信号ａｒを電流値や角度偏差の差を解消するように補正する。

この発明により、２主軸対向旋盤でワークの両端を把持して行う加工において、加工中に発生するワークのひずみを主軸回転の有無に関わらずワーク加工中に常時検知して対向する２主軸の回転速度ないし回転角制御を行うことにより、加工中に生ずるワークの捻りひずみを最小限に抑制することができ、より高精度な加工を行うことができる。

この発明では、主軸の回転を停止させることなく、加工中のワークの捻りひずみをリアルタイムで解消することができるので、主軸の回転停止で生ずる加工時間のロスや加減速時の電力消費を増大させることなく、ワークのひずみによる加工精度の低下を防止できるという効果がある。

実施例の２主軸対向旋盤の要部を模式的に示すブロック図

図１は、固定側の左主軸１Ｌと軸方向移動可能な右主軸１Ｒとを備えた２主軸対向ＮＣ旋盤の要部を模式的に示すブロック図である。固定側主軸１Ｌは、旋盤のフレーム（ベッド）と実質上一体の固定主軸台２Ｌに軸着されて定位置に保持されている。移動側主軸１Ｒは、主軸の軸線方向（Ｚ軸方向）に移動可能な移動主軸台２Ｒに軸着されて固定側主軸１Ｌと対向している。移動主軸台２Ｒには、主軸送りモータ（サーボモータ）３で正逆方向に回転駆動される送りねじ４が螺合しており、主軸送りモータ３の正逆回転により移動側主軸１ＲはＺ軸方向に移動する。固定側主軸１Ｌと移動側主軸１Ｒの間には、タレット６を備えた刃物台５が装着されている。

主軸送りモータ３はサーボモータで、加工プログラム２１の主軸台送り指令がＮＣ装置２２の位置指令発生器２８及びモータ制御器９を介して主軸送りモータ３に与えられている。モータ制御器９には、ＮＣ装置２２の位置指令発生器２８から位置指令ａが与えられている。主軸送りモータ３はパルスエンコーダ１０を備えており、ＮＣ装置２２から与えられた位置指令ａとパルスエンコーダ１０で検出された位置フィードバック信号ｂの差信号（位置偏差）ｃが差分検出器２５から補償回路２６に与えられている。そして、この位置偏差ｃに基いて補償回路２６から出力される速度指令と微分器２４からの速度フィードバック信号との差信号とがパワーアンプ２７に与えられ、パワーアンプ２７は主軸送りモータ３の負荷トルクに応じた値の電流を主軸送りモータ３に供給している。

主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒは、主軸送りモータ３と同様に、それぞれの主軸の回転角を検出するパルスエンコーダ１０Ｌ、１０Ｒを備えており、加工プログラム２１の主軸回転指令がＮＣ装置２２の角度指令発生器３１及びモータ制御器１２Ｌ、１２Ｒを介してＮＣ装置２２で制御されている。

ワークの両端を把持する加工においては、角度指令発生器３１からモータ制御器１２Ｌ、１２Ｒに同一の角度指令が与えられている。ＮＣ装置２２は、モータ制御器１２Ｌ、１２Ｒの差分検出器から取得した差信号（角度偏差）ｃｌ、ｃｒ（角度指令、すなわち主軸の回転速度ないし回転角の指令信号ａｌ、ａｒとパルスエンコーダ１０Ｌ、１０Ｒからの角度フィードバック信号ｂｌ、ｂｒとの差信号）により、それぞれの主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒの負荷トルクを逐次検出することができる。

ＮＣ装置２２には、モータ制御器１２Ｌ、１２Ｒから角度偏差ｃｌ、ｃｒを取得する角度偏差取得手段３３Ｌ、３３Ｒ、取得した角度偏差ｃｌ、ｃｒの差を検出する比較手段３４及び当該比較手段が検出した角度偏差の差信号Δｃ＝ｃｒ−ｃｌに基づいて移動側の主軸モータ１１Ｒへの角度指令を補正する捻りひずみ補正手段を備えている。実施例の捻りひずみ補正手段は、補正信号発生器３２、カウンタ１３及び指令値補正手段１４で構成されている。

補正信号発生器３２は、角度偏差の差Δｃが正（右主軸モータ１１Ｒの負荷トルクが左主軸モータ１１Ｌの負荷トルクより大きい）ときには負の補正信号ｐを出力し、角度偏差の差Δｃが負（右主軸モータ１１Ｒの負荷トルクが左主軸モータ１１Ｌの負荷トルクより小さい）ときには正の補正信号ｐを出力する。

右主軸のモータ制御器１２Ｒは、補正信号発生器３２から出力された補正信号ｐを積算記憶するカウンタ１３と、角度指令ａｒにカウンタ１３のカウント値を付加する指令値補正手段１４とを備えている。指令値補正手段１４は、カウンタ１３のカウント値を角度指令ａｒに加算（カウント値が負のときは減算になる。）する。すなわち右主軸のモータ制御器１２Ｒは、カウンタ１３のカウント値で補正された指令信号で右主軸モータ１１Ｒの回転速度ないし回転角を制御する。

ワークの両端を把持して加工を行うときは、両端の主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒに同じ角度指令ａｌ、ａｒが与えられているので、右主軸モータ１１Ｒは、カウンタ１３に積算された角度分だけずれた状態で駆動されることとなり、この角度ずれは、ワークに生じた捻りひずみの角度に相当するずれとなるので、ワークｗに生じた捻りひずみが解放されることになる。

補正信号発生器３２による補正信号ｐの出力とカウンタ１３のカウント値に基づく角度指令の補正とを、指令値が増減したときの主軸モータ１１Ｒの応答時間間隔を待って繰り返し行えば、加工中にワークの捻りひずみが変化したときにもそのときどきの捻りひずみを常時解消しながらワークの加工を行うことができる。また、比較手段３４に角度偏差の差信号Δｃのしきい値を設定するようにすれば、捻りひずみを設定されたしきい値以下にした状態で加工を行うことができる。

以上のように、左右の主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒの負荷トルクが常に同一になるように制御され、加工の進行に伴ってワークｗに捻り応力が生じたときには、その応力が０になるように、左右の主軸モータの回転角が制御されるので、加工の進行に伴ってワークに捻り方向のひずみが生じても、そのひずみを解放した状態で加工が継続されるので、加工中の捻り方向のひずみによって加工誤差が生じるのを防止することができる。

そして、この発明によれば、主軸を停止させることなくワークのひずみを解放できるので、ワークを高速回転して加工する旋盤において、ひずみを解放するための主軸回転の停止を必要としないから、加工時間の低下や消費動力の増大を招くこともない。

以上の例では、ワークに生じた捻りひずみに相当する補正値を右主軸モータの指令信号に加減することによって捻りひずみに起因する加工精度の低下を防止しているが、同様な補正値を左主軸モータの指令信号ａｌのみに与える（この場合はΔｃの値は正負逆になる。）ようにしても良く、ひずみ分に相当する補正値を二分して左右の主軸モータの指令信号ａｌ、ａｒに割り振るようにしても良い。

また、上記の実施例では、主軸モータに作用している負荷トルクをサーボアンプに相当する２個の制御器１２Ｌ、１２Ｒから取得した角度偏差から取得しているが、主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒの電流値の差から取得することもできる。この場合には、主軸モータ１１Ｌ、１１Ｒに電流計を設け、角度偏差取得手段に代えてそれぞれの主軸モータの電流値検出手段を設ける。

３ 主軸送りモータ
１１Ｌ、１１Ｒ 主軸モータ
１２Ｌ、１２Ｒ モータ制御器
１３、１４、３２ 捻りひずみ補正手段
２２ ＮＣ装置
ａｌ、ａｒ 角度指令
ｂｌ、ｂｒ フィードバック信号
ｃｌ、ｃｒ 角度偏差
ｐ 補正信号

Claims (2)

1. 同一軸線上で対向する２主軸及び当該２主軸のそれぞれを個別に回転駆動する主軸モータと、少なくとも一方の主軸台を前記軸線方向に移動する主軸送りモータと、これらのモータのトルク及び回転速度ないし回転角を制御する制御器とを備えている２主軸対向旋盤であって、
   ２個の主軸モータのトルクの差が設定した制限値以下に維持されるように、前記主軸モータの少なくとも一方に与える回転速度ないし回転角の指令信号に前記トルク差を解消する方向の補正値を付加する捻りひずみ補正手段を備えている、２主軸対向旋盤。
2. それぞれがエンコーダを備えた前記２個の主軸モータと、ＮＣ装置からの指令信号に基づいてこれらの主軸モータに与える電流値を制御するモータ制御器と、２個のモータ制御器から取得した指令信号とエンコーダからのフィードバック信号との差信号を比較する比較手段とを備え、前記捻りひずみ補正手段が、比較手段の検出信号に基づいて前記モータ制御器の少なくとも１つに補正信号を出力する、請求項１記載の２主軸対向旋盤。

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