JP6866213B2 - 工作機械における送り軸の制御方法及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の加工中、特にチタン合金といった難削材の重切削加工において、工具の切れ刃の振れ量を考慮して送り軸を制御することでびびり振動や工具チッピングの発生を抑制するために行う送り軸の制御方法と、当該制御方法を用いて切削加工を行う工作機械とに関する。

ミーリングで難削材を加工する場合、加工コスト低減のためにスローアウェイやインサートと呼ばれる脱着式の切れ刃を装着するタイプの工具を使用するが、工具本体の切れ刃取付け座面や切れ刃自身の加工精度の影響で、装着した刃には振れ量（各刃間の相対取付け誤差）が生じる。この値は小さくないため、刃振れ量の大きな切れ刃から工具チッピングが生じて工具寿命が短くなるといった問題があった。この対策として、特許文献１において、工具の刃振れ量を予め測定し、加工進行方向と逆方向に刃振れ量だけ送り軸を制御することでその影響を抑制するといった加工方法を提供している。

特許第５９０８３４２号公報 特開２０１６−８３７２８号公報

上記特許文献１の加工方法においては、切れ刃１刃列ごとに送り軸の微小変位制御を重畳して加工を行う。このとき、制御量と制御タイミングの計算には、上記特許文献２に記載の手法を用い、各刃列における実加工代の最大値を平均化する最適な値を算出する。この手法において、各最適値の計算は切れ刃の刃列ごとに行うため、同刃列に装着する切れ刃の段数が少ない場合には、同刃列内における切れ刃の取り付け位置（工具回転角度）の差が小さく、全ての切れ刃において制御が十分に効果を発揮する。
しかし、切れ刃の段数が多い場合は、工具ねじれ角により、同刃列内における各切れ刃取り付け位置の位相差が大きく、制御位置から大きく外れる切れ刃が発生してしまい、十分な効果を得ることができなかった。

そこで、本発明は、切れ刃の段数・ねじれ角が大きい工具においても、制御開始角度及び制御量を最適化して微小変位重畳制御が行うことができる送り軸の制御方法及び工作機械を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、同心円上に複数配置される切れ刃の段を、各段の前記切れ刃の数をそれぞれ等しくして、各前記切れ刃が周方向へ徐々にずれるように工具ねじれ角を有した複数の刃列を形成するように軸方向へ複数段装着してなる工具を回転させて被加工物を加工する工作機械において、加工中の送り軸に対して予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する送り軸の制御方法であって、
各前記切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算する加工代算出ステップと、
前記工具の１周分を所定の制御回数（１回は除く）で分割し、分割した制御範囲内に取り付けられた前記切れ刃の前記加工代の増減分の最大値を分割した制御範囲ごとに求め、これを平均化する制御量と制御位置とを各前記制御範囲ごとに算出する制御量算出ステップと、
前記制御量及び前記制御位置に基づいて前記微小変位の制御を重畳する重畳ステップと、を実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記制御量は、所定の制御回数での前記制御範囲内の前記加工代の増減分の最大値から、各前記制御範囲それぞれにおける前記加工代の増減分の最大値の平均を減算して、当該制御回数の前回の前記制御回数での前記制御量を加えたものであることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、前記制御位置は、前記制御範囲内での各前記切れ刃の取り付け位置の平均であることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、同心円上に複数配置される切れ刃の段を、各段の前記切れ刃の数をそれぞれ等しくして、各前記切れ刃が周方向へ徐々にずれるように工具ねじれ角を有した複数の刃列を形成するように軸方向へ複数段装着してなる工具を回転させて被加工物を加工すると共に、加工中の送り軸に対して予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する工作機械であって、
各前記切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算する加工代算出手段と、
前記工具の１周分を所定の制御回数（１回は除く）で分割し、分割した制御範囲内に取り付けられた前記切れ刃の前記加工代の増減分の最大値を分割した制御範囲ごとに求め、これを平均化する制御量と制御位置とを各前記制御範囲ごとに算出する制御量算出手段と、
前記制御量及び前記制御位置に基づいて前記微小変位の制御を重畳する重畳手段と、を備えることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、前記制御量算出手段は、前記制御量を、所定の制御回数での前記制御範囲内の前記加工代の増減分の最大値から、各前記制御範囲それぞれにおける前記加工代の増減分の最大値の平均を減算して、当該制御回数の前回の前記制御回数での前記制御量を加えて算出することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５の構成において、前記制御量算出手段は、前記制御位置を、前記制御範囲内での各前記切れ刃の取り付け位置の平均とすることを特徴とする。

本発明によれば、切れ刃の段数やねじれ角が大きい工具においても、刃振れ量を送り軸にて補正して加工する、微小変位重畳制御における加工代最大値を分割した制御範囲ごとに求め、これを平均化する制御量が、簡単な演算により得られる。これにより、刃振れ量の影響を好適に抑制して加工でき、工具の長寿命化を図ることができる。

工作機械の構成図である。 工具の縦断面・横断面図である。 刃数４列で６段の切れ刃を使用して加工する場合の各切れ刃の振れ量の測定結果及び実加工代の増減分の計算結果である。 従来手法によって得られた、刃数４列で６段の切れ刃を使用して加工する場合の微小変位重畳制御量の計算値と、当該計算値に基づいて制御した場合の実加工代増減分の計算値とを示したものである。 本発明手法によって得られた、刃数４列で６段の切れ刃を使用して加工する場合の微小変位重畳制御量の計算値と、当該計算値に基づいて制御した場合の実加工代増減分の計算値とを示したものである（主軸１回転中に入る重畳制御回数は６回）。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る送り軸の制御方法を実施する工作機械の一例を示す構成図である。同図において、１はベッド、２はコラムで、コラム２の前面には、主軸頭３が、Ｘ軸制御ユニット４及びＺ軸制御ユニット５によって、Ｘ軸方向及びＺ軸方向へ移動制御可能に設けられている。主軸頭３の下部で下向きに設けられた主軸６には、工具７が装着されている。
一方、ベッド１上には、Ｙ軸制御ユニット８によってＹ軸方向へ移動制御可能なテーブル９が設けられて、テーブル９上に被加工物１０が固定可能となっている。

工作機械の制御系は、主軸６の回転速度を制御する主軸回転制御装置１１と、送り軸（各制御ユニット４、５、８）の制御量及び制御位置を演算する演算装置１２と、送り軸を制御する数値制御装置１３と、図示しない記憶装置と、を含んでなる。演算装置１２には、外部入力装置１４によって後述する工具７の切れ刃の振れ量入力が可能となっている。

このように構成された工作機械において、演算装置１２は、工具７の各切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算し（加工代算出ステップ）、工具７の１周分を所定の制御回数（１回は除く）で分割し、分割した制御範囲内に取り付けられた切れ刃の加工代の最大値を平均化する制御量と制御位置とを各制御範囲ごとに算出し（制御量算出ステップ）、計算した制御量を各軸方向に変換して、各軸制御装置によるＮＣプログラム指令の軸送り量に対して重畳させる（重畳ステップ）。すなわち、演算装置１２は、加工代算出手段、制御量算出手段、重畳手段としての機能を有する。
そして、数値制御装置１３は、演算装置１２で制御量を重畳させた軸送り量に基づいて各送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を加えて加工を実施する。例えばＸ−Ｙ平面における加工であれば、加工進行方向に対して計算した制御量をＸ軸、Ｙ軸方向に分配して加工逆方向に送り軸を制御する。

この制御を行うためには予め工具切れ刃の各位置とその刃振れ量を測定し、最適な制御量と制御の位置（工具回転角度）を計算しておく必要がある。
このとき使用する工具の一例として、刃列数Ｚ＝４、刃段数Ｎ＝６の工具７を挙げる。工具７は、図２（１）に示すように、４枚の切れ刃７ａ，７ａ・・が９０°間隔で同心円上に配置されたもの（図２（１）における丸数字１〜４）を同刃段として（図２（２）７ｂ）、これを軸方向に６段設けてなるものである。但し、軸方向の同刃列の切れ刃７ａは、工具７の先端から回転方向前方側へ徐々にずれて配列されるようになっている（図２（２）７ｃ）。

まず、工具７の切れ刃７ａ毎の振れ量を測定して、外部入力装置１４を介して予め演算装置１２に入力しておく。演算装置１２は所定の計算式を使用して回転角度における制御量を計算する。
従来の微小変位重畳制御においては、切れ刃１刃列ごとに制御量と制御タイミングとの最適値計算を行うため、段数が多い場合は、図２（２）７ｃに示すように、工具ねじれ角により、同刃列内における各切れ刃位置の差が大きく、制御位置から大きく外れる切れ刃が発生してしまい、十分な効果を得ることが難しかった。
そこで、本発明は、装着する切れ刃の段数・ねじれ角が大きい工具においても、制御開始角度および制御量を最適化するため、工具１周分を制御回数で分割し、分割した範囲内に取り付けられた切れ刃ごとに制御量と制御位置との最適値を算出する。

この制御量の計算は以下の通りである。
ここで、刃列の番号を添え字ｉ（１≦ｉ≦Ｚ、Ｚ：刃列数）、刃段の番号を添え字ｊ（１≧ｊ≧Ｎ、Ｎ：刃段数）、測定した各切れ刃の振れ量をＣ_ｉ，Ｊ（μｍ）、各刃位置（工具回転角度）をＰ_ｉ，Ｊ（°）とする。
まず、各切れ刃における実際の加工代の増減分Ｄ_ｉ，Ｊは以下の式１により算出することができる。

つまり、各切れ刃の振れ量の大小が各切れ刃における実際の加工代ではなく、振れ量の差（増減分）が実際の加工代の差となる。この差が大きな切れ刃ほどチッピングが早く進行して工具寿命が短くなる。

そこで、この値を平均化するために、主軸１回転の間にＬ回、制御量Ｒ_ｋの送り軸制御を制御位置Ｑ_ｋ（工具回転角度）において重畳する。所定の重畳制御ｋ回目（ｋ＝1,2・・L）の最適制御量・制御位置の算出に用いる切れ刃は、図２（１）７ｄに示す制御範囲ごとで分けられる。
例えば、図２（１）に示す工具において、Ｌ＝６の場合、制御範囲はi〜viで６分割される。
ここで、制御回数ｋに用いる切れ刃の取り付け位置（工具回転角度）Ｐ_ｉ，Ｊの範囲は、以下の式２となる。

このとき、主軸１回転中に入る微小変位重畳制御の回数Ｌは、加工する主軸回転速度と数値制御装置の制御周期から、動作が保障できる最大の値とする。
そして、所定の重畳制御ｋ回目における制御範囲内の各切れ刃の実加工代の増減分をＤ_{ｉ，ｊ，ｋ}とすると、制御量Ｒ_ｋは以下の式３により得られる。
Ｒ_ｋ＝（ｋ回目制御範囲内の実加工代増減分Ｄ_{ｉ，ｊ，ｋ}の最大値）
−（全ての制御回数（ｋ＝1,2・・L） それぞれにおける実加工代増減分Ｄ_{ｉ，ｊ，ｋ}の最大値の平均）
＋（ｋ−１回目の制御量Ｒ_ｋ−１）
(但し、ｋ＝１の場合、Ｒ_１＝０とする) ・・式３

なお、この計算式は、制御回数ｋ回目における切れ刃の実加工代増減分の最大値は、各制御回数で計算した実加工代増減分の最大値の平均値より小さくならないことを意味している。
また、切れ刃の取り付け位置に関しても同様に、所定の重畳制御ｋ回目における制御範囲内の各切れ刃の取り付け位置をＰ_{ｉ，ｊ，ｋ}とすると、制御位置Ｑ_ｋはＰ_{ｉ，ｊ，ｋ}の平均として得られる。
ここで、切れ刃７ａの各位置と工具７の本体との位相関係は、例えば、主軸６に接続されているエンコーダで把握する。このエンコーダの出力に基づいて、主軸回転制御装置１１が切れ刃７ａの位相情報を得ることができる。

図３は、１段の刃数が４列で６段の切れ刃を有する工具を使用することを想定した場合の刃振れ量測定値と実加工代の増減分の計算値とを示したものである。この場合、相対的に実加工代が最も大きい切れ刃は２列目の３段で２０μｍである（太枠部）。
図４は、図３と同じ工具において、切れ刃の振れ量をもとに従来の刃列ごとに算出した制御量の計算値と、実加工代の増減分を示したものである。この場合、制御量が最適化できておらず、実加工代増減分の最大値は２０μｍ（太枠部）で、制御なしから変化していない。

これに対し、図５は、図３と同じ工具において、振れ量をもとに本発明手法によって得られた制御量の計算値と、当該計算値に基づいて制御した場合の振れ量の計算値、実加工代増減分の計算値を示したものである。この場合、相対的に実加工代増減分が最も大きい切れ刃は６段目、取り付け位置１６３°で１３μｍとなる（太枠部）。
なお、図５において制御量Ｒ_１＝０となっていないのは、実際の工作機械で制御量が０以上となるように加算しているためである。但し、制御量は各制御範囲で相対的な差が同じであればよいので、加算は必須ではなく、上述の計算で得たＲ_ｋの値のままであっても差し支えない。

このように、上記形態の送り軸の制御方法を実行する工作機械によれば、各切れ刃の振れ量と取り付け位置の測定結果に基づいて得られた、実際の加工代増減分によって、加工代増減分の最大値が平均化する制御量を算出する際、工具１周分を制御回数で分割し、分割した制御範囲内に取り付けられた切れ刃ごとに制御量と制御位置との計算を行うようにしている。これにより、切れ刃の段数・ねじれ角が大きい工具７においても、簡単な演算により、加工中に工具位置（回転角度）に応じた各軸方向の工具振れ量を送り軸側にて補正することで、実際の加工代の最大値が平均化される制御量が得られる。よって、工具振れ量の影響を好適に抑制して加工でき、工具７の長寿命化を図ることができる。

なお、工具における切れ刃の段数や１つの段内の切れ刃の数、制御回数は上記形態に限らず、適宜増減可能である（但し、発明の趣旨から制御回数１回は除かれる）。
工作機械も、同心円上に複数配置される切れ刃の段を軸方向へ複数段装着してなる工具を回転させて送り軸制御して加工を行うものであれば、複合加工機やマシニングセンタ等、特に機種を限定するものではない。

１・・ベッド、２・・コラム、３・・主軸頭、４・・Ｘ軸制御ユニット、５・・Ｚ軸制御ユニット、６・・主軸、７・・工具、７ａ・・切れ刃、７ｂ・・刃段、７ｃ・・刃列、７ｄ・・制御範囲、８・・Ｙ軸制御ユニット、９・・テーブル、１０・・被加工物、１１・・主軸回転制御装置、１２・・演算装置、１３・・数値制御装置、１４・・外部入力装置。

Claims (6)

1. 同心円上に複数配置される切れ刃の段を、各段の前記切れ刃の数をそれぞれ等しくして、各前記切れ刃が周方向へ徐々にずれるように工具ねじれ角を有した複数の刃列を形成するように複数段装着してなる工具を回転させて被加工物を加工する工作機械において、加工中の送り軸に対して予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する送り軸の制御方法であって、
   各前記切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算する加工代算出ステップと、
   前記工具の１周分を所定の制御回数（１回は除く）で分割し、分割した制御範囲内に取り付けられた前記切れ刃の前記加工代の増減分の最大値を分割した制御範囲ごとに求め、これを平均化する制御量と制御位置とを各前記制御範囲ごとに算出する制御量算出ステップと、
   前記制御量及び前記制御位置に基づいて前記微小変位の制御を重畳する重畳ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械における送り軸の制御方法。
2. 前記制御量は、所定の制御回数での前記制御範囲内の前記加工代の増減分の最大値から、各前記制御範囲それぞれにおける前記加工代の増減分の最大値の平均を減算して、当該制御回数の前回の前記制御回数での前記制御量を加えたものであることを特徴とする請求項１に記載の工作機械における送り軸の制御方法。
3. 前記制御位置は、前記制御範囲内での各前記切れ刃の取り付け位置の平均であることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械における送り軸の制御方法。
4. 同心円上に複数配置される切れ刃の段を、各段の前記切れ刃の数をそれぞれ等しくして、各前記切れ刃が周方向へ徐々にずれるように工具ねじれ角を有した複数の刃列を形成するように軸方向へ複数段装着してなる工具を回転させて被加工物を加工すると共に、加工中の送り軸に対して予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する工作機械であって、
   各前記切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算する加工代算出手段と、
   前記工具の１周分を所定の制御回数（１回は除く）で分割し、分割した制御範囲内に取り付けられた前記切れ刃の前記加工代の増減分の最大値を分割した制御範囲ごとに求め、これを平均化する制御量と制御位置とを各前記制御範囲ごとに算出する制御量算出手段と、
   前記制御量及び前記制御位置に基づいて前記微小変位の制御を重畳する重畳手段と、を備えることを特徴とする工作機械。
5. 前記制御量算出手段は、前記制御量を、所定の制御回数での前記制御範囲内の前記加工代の増減分の最大値から、各前記制御範囲それぞれにおける前記加工代の増減分の最大値の平均を減算して、当該制御回数の前回の前記制御回数での前記制御量を加えて算出することを特徴とする請求項４に記載の工作機械。
6. 前記制御量算出手段は、前記制御位置を、前記制御範囲内での各前記切れ刃の取り付け位置の平均とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の工作機械。

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