JP7104497B2

JP7104497B2 - スキップ信号生成装置及び工作機械

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Publication number: JP7104497B2
Application number: JP2017142361A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井; 良明永峯
Original assignee: MITSUISEIKI KOGYO KABUSHIKI KAISHA
Current assignee: MITSUISEIKI KOGYO KABUSHIKI KAISHA
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2037-07-24
Also published as: JP2019022915A

Description

本発明は、ジグ研削盤を主とする工作機械及びそのスキップ信号生成装置に関する。

ジグ研削盤を主とする研削に適用可能な工作機械には、例えば、チョッピング動作と呼ばれる高速回転する砥石を被工作物（以下、ワークと呼ぶ）の表面に接触させたまま１軸もしくは複数軸の組み合わせで高速に往復運動させワークに対する面の研削を高能率化かつ高品質化する機能モードを備える機械がある。また、砥石軸を回転させたまま偏芯して回転させることができる機能モードを備えるものもある。一方で、工作機械の制御系には一般に機上測定などの用途にＣＮＣ制御中にある外部装置から信号がＯＮまたはＯＦＦになった瞬間に駆動軸を一旦停止させるスキップ機能と呼ぶ機能が設けられている。このときに外部装置から送られる信号をスキップ信号と称している。スキップ信号の生成に利用する外部装置としては、タッチプローブ・ツールセッタ・ＡＥセンサなどがある。

例えば、ツールセッタのうちレーザツールセッタではレーザ光をエミッタからレシーバに向けて出しておき、遮られていない時間のレシーバの受ける光の強度に対してある一定以上強度が低下したところで光線が遮られたと判断され、信号が送出される（例えば、特許文献１参照）。ＡＥセンサ（音響センサ）では、例えば、工具となる砥石がワークに衝突した時に発生する弾性波をセンサで捕らえ、そのセンサ出力が一定以上に達したところで信号が送出される。装置によっては単にＯＮ／ＯＦＦの２つの信号レベルのみでなく、信号の強弱まで出力できるものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９－２３３７８５号公報特開２００３－３１１５３５号公報

例えば、ＡＥセンサを利用する場合、僅かな信号の変化を捉えようと感度を上昇させると、砥石を回転しただけで軸受けなどから弾性波が発生し、この弾性波が雑音となってしまう場合がある。

本発明は、以上のような事情から為されたものであり、その目的は、雑音の影響を抑制することができるスキップ信号生成技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明者は、種々検討を重ねた結果、例えば、チョッピングの動作の基本周期にあわせた同期検波を行うことにより雑音の影響を抑制することを見出した。

即ち、本発明の第１の様相に係るスキップ信号生成装置は、工具とワークとの接触を示すＯＮ／ＯＦＦ信号のみから成る接触信号に対して、チョッピングの周期ないしクイルの遊星回転の周期にあわせた同期検波もしくは周波数分析を行い、前記チョッピングの周期ないし前記遊星回転の周期と同じ周期成分の振幅情報、または、チョッピングないし遊星回転を基準とした前記接触信号の位相の変化、もしくは、その両方を使用してスキップ信号を生成することにより、雑音の影響を抑制する機能を備えることを特徴とする。

尚、上記スキップ信号生成装置ないし当該装置の機能を備えることを特徴とする工作機械を構成しても良い。

また、上記の工作機械において、更に、チョッピングないし遊星回転の替わりに位置指令、速度指令、トルク指令ないし電流指令に微小振動の指令を重畳させる機能を備え、チョッピングの動作ないし遊星回転の周期にあわせた同期検波もしくは周波数分析を行うか、または重畳された信号に合わせた同期検波もしくは周期分析を行い、同じ周期成分の振幅情報、チョッピングの動作ないし遊星回転を基準とした、もしくは重畳された信号を基準とした、信号の位相差変化情報、もしくはその両方をスキップ信号生成に使うことにより雑音の影響を抑制する機能を備えるスキップ信号生成装置を備えることを特徴とする工作機械を構成することも可能である。

更に、本発明の第２の様相に係るスキップ信号生成装置は、工具とワークとの接触を示すＯＮ／ＯＦＦ信号のみから成る接触信号に対して、チョッピング周波数同期フィルタを適用してスキップ信号を生成することを特徴とする。

本発明によれば、雑音の影響を抑制することができるスキップ信号生成技術を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤の全体構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤の主としてヘッド部分を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤の制御系の概略を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤において、制御機器からモータ類を介して最終的に工具としての砥石を動かす動作を説明するための第１の図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤において、制御機器からモータ類を介して最終的に工具としての砥石を動かす動作を説明するための第２の図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤において、レーザツールセッタを使用する場合を示す第１の図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤において、レーザツールセッタを使用する場合を示す第２の図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤において、ＡＥセンサを使用する場合を示す第１の図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤において、ＡＥセンサを使用する場合を示す第２の図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤において、レーザツールセッタ又はＡＥセンサを使用する場合に出力されるＯＮ／ＯＦＦ信号を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤において、信号の強度まで出力される装置の場合に得られるＯＮ／ＯＦＦ信号を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る工作機械としてのジグ研削盤の要部の構成を示す図であり、図２は、主として、そのヘッド部分を示す図である。図１及び図２には図示しないが、本実施形態に係るジグ研削盤は、ベッド、コラム等の一般的な機構部を有することは勿論である。図１に示すように、本実施形態に係るジグ研削盤は、ヘッド１００の先端に設けられた砥石１０２を回転させつつ、テーブル１２０上に載置されたワーク（図示せず）に対し、上下駆動装置１０４、回転駆動装置１０６、切り込み装置１０８等を介して、様々な加工動作を加えることにより、ワークに対するジグ研削を行う。

ヘッド１００の動作を詳細に述べれば、図１及び図２に示すように、本実施形態に係るジグ研削盤において、上下駆動装置１０４は、上下運動伝達装置１０４Ａ及びスリップリング１０４Ｂを介して、回転可能なクイル１１０を上下に駆動する。また、回転駆動装置１０６は、回転伝達装置１０６Ａ及びスリップリング１０４Ｂを介して、クイル１１０およびヘッド下の切り込み装置１０８を回転駆動する。また、切り込み装置１０８は、砥石回転モータ１０２Ａごと砥石１０２をワークに切り込ませる。更に、回転伝達装置・上下運動伝達装置からの運動は一種のジョイント１０１を介して伝達され、そのジョイント１０１下側には、クイル１１０が取り付けられ、このクイル１１０を支える軸受け筒を介してＷ軸に固定されているが、クイル１１０自体は上述した回転駆動装置１０６及び回転伝達装置１０６Ａにより遊星回転（公転）することができる。クイル１１０は切り込み装置１０８に結合されておりクイル１１０の運動は切り込み装置１０８の運動と同じになる。切り込み装置１０８の切り込み部１０８Ａに取り付けられた砥石回転モータ１０２Ａは、例えば、高周波モータにより構成されており、この砥石回転モータ１０２Ａが回転することにより、そのモータ軸を砥石軸として取り付けられた砥石１０２が砥石回転（自転）することができる。

ここで、図１に示すように、テーブル基準座標として、Ｘ－Ｙ－Ｗの３軸（直線駆動軸）とＣ軸（回転軸）を取り、図１及び図２に示すように、ヘッド基準座標として、Ｕ－Ｚの２軸（直線駆動軸）とＣ軸（回転軸）を取れば、後述するように、テーブル基準座標のＷ軸は、ヘッド基準座標のＺ軸と平行になる。即ち、上下駆動装置１０４には、図示しないボールネジやリニアモータなどの駆動装置を備えており、Ｚ軸に沿ってヘッド１００に上下直線方向の運動を行う機能を与えている。また、回転駆動装置１０６は、図の下側の砥石１０２および砥石回転モータ１０３を切り込み装置１０８ごと、Ｃ軸（回転軸）に沿って回転させる機能を与えている。即ち、回転運動（Ｃ軸）と往復運動（Ｚ軸）が互いを妨げず同時に行えるような構造になっている。また、切り込み装置１０８も、上記の上下駆動（Ｚ軸）と直交する方向（Ｕ軸）に沿って直線運動を行うことが出来るように配置され、これも上記２つの運動を妨げない。そして、これらの運動とは別に砥石１０２に回転運動（自転）を与えることが出来る。そして、図１に示すように、ヘッド１００とは別にワークをのせてＸ－Ｙ方向に駆動できるテーブル１２０及びその駆動装置（図示せず）を組み合わせることで、上述したワークに対するジグ研削加工が行える。また、図示しないコラム等に対してヘッド１００全体を上下に運動できるＷ軸を備えている。従って、Ｗ軸は、Ｚ軸と平行になる。本実施形態に係るジグ研削盤は、上記の座標軸を備え、以上の動作を行うことができるが、同期制御で以上の動作を代替できるならば、必ずしも上記のＸ、Ｙ、Ｚ、Ｕ、Ｃ、Ｗ軸を全て備える必要が無いのは勿論である。

図３は、図１に示したジグ研削盤の制御系の概略を示すブロック図である。本実施形態に係るジグ研削盤は、制御系として、制御装置３００と、入出力装置３１０と、各軸モータ３２０及びそれぞれのモータドライバ３３０、砥石回転モータ１０２Ａと砥石モータインバータ１０２invを有している。制御装置３００は、コンピュータ数値制御部（ＣＮＣ）３０２と、プログラマブルコントローラ３０４と、I/O（入出力）モジュール３０６を有している。本実施形態に係るジグ研削盤の制御系には、入出力装置３１０として、キーボード、各種スイッチ、温度センサ等と、本発明のポイントであるスキップ信号に関わるツールセッタ、ＡＥセンサ等も有している。

以下、図４乃至図１１を参照して、本実施形態に係るジグ研削盤におけるスキップ信号処理の詳細を説明する。図４は、本実施形態に係るジグ研削盤において、制御装置３１０からモータ類３２０を介して最終的に工具としての砥石１０２を動かす動作を説明するための第１の図であり、ＡＥセンサによりスキップ信号を発生する場合を示す。図４において、工具としての砥石１０２は、制御装置３１０からの数値制御指令により物体（ワーク）Ｗに対し切り込みを行うが、その指令前位置ＰＰと指令目標位置ＴＰに対し、砥石１０２が物体（ワーク）Ｗに接触すると、この接触をＡＥセンサ４００が感知して接触信号を制御装置３１０に出力する。これを受けて、制御装置３１０は、ドライバ類３３０（ここでは、Ｕ軸モータドライバ）を介してモータ類３２０（ここでは、Ｕ軸モータ）の回転駆動を停止させることで、切り込み装置１０８の切り込み部１０８ＡのＵ軸移動を停止させる。これにより、最終的に砥石１０２が停止位置ＳＰで停止する。

図５は、本実施形態に係るジグ研削盤において、制御装置３１０からモータ類３２０を介して最終的に工具としての砥石１０２を動かす動作を説明するための第２の図であり、ツールセッタによりスキップ信号を発生する場合を示す。図５において、工具としての砥石１０２は、制御装置３１０からの数値制御指令により図示しない物体（ワーク）に対し切り込みを行うが、その指令前位置ＰＰと指令目標位置ＴＰに対し、砥石１０２が物体（ワーク）表面又は近傍のスポットＳに来ると、ツールセッタから出力されている光線が遮断されるので、この遮断をツールセッタ５００が感知して光線遮断信号を制御装置３１０に出力する。これを受けて、制御装置３１０は、ドライバ類３３０（ここでは、Ｕ軸モータドライバ）を介してモータ類３２０（ここでは、Ｕ軸モータ）の回転駆動を停止させることで、切り込み装置１０８の切り込み部１０８ＡのＵ軸移動を停止させる。これにより、最終的に砥石１０２が停止位置ＳＰで停止する。

図４及び図５に示したように、本実施形態に係るジグ研削盤では、制御装置３１０からモータ類３２０を動かすことで最終的に工具としての砥石１０２を動かす。スキップ機能（ここでは、スキップ信号を使用する機能をスキップ機能と称する）を利用する場合、移動指令の目標より先にスキップ信号を生成できる装置から信号が入れば指令を完了していなくてもその位置で機械の送り指令を止めることができるようになっている。また、スキップ信号は、直接ＣＮＣ３０２にＯＮ／ＯＦＦ信号の形で送ることもできるし、プログラマブルコントローラ３０４で一旦計算させてからＯＮ／ＯＦＦ信号に直すこともできるようになっている。

図６は、本実施形態に係るジグ研削盤において、レーザツールセッタを使用する場合を示す第１の図である。図５では、切り込み装置１０８による切り込み動作をツールセッタによるスキップ信号で停止する例を挙げたが、図６は、クイルの遊星回転と砥石回転（自転）を組み合わせるザグリ加工動作をスキップ信号で停止する例である。図示しないが、制御装置、物体（ワーク）、ドライバ類（ここでは、Ｃ軸モータドライバ及び砥石モータインバータ）、モータ類（ここでは、Ｃ軸モータ及び砥石モータ）等の構成は、略同様である。即ち、本実施例では、レーザツールセッタを使用し、砥石１０２がそのスポットＳに来ると、レーザツールセッタから出力されているレーザ光線が遮断されるので、この遮断をレーザツールセッタ（図示せず）が感知してレーザ光線遮断信号を制御装置に出力するようにしている。そして、制御装置がドライバ類を介してモータ類の回転駆動を停止させることで、砥石１０２を送る装置のある軸が所定の停止位置で停止する。同時にクイルの遊星回転及び砥石回転（自転）が停止され、と共にその砥石回転も停止することも可能であるし、クイルの遊星回転および砥石回転の制御を同期制御からはずしておくことで、これらをスキップ信号とは別のタイミングで止める、安全な場所に退避させてから止める、もしくはそのまま次の動作に移るなどの操作が可能なことは言うまでもない。

図７は、本実施形態に係るジグ研削盤において、レーザツールセッタを使用する場合を示す第２の図である。図６では、クイルの遊星回転と砥石回転（自転）を組み合わせるザグリ加工動作をスキップ信号で停止する例について述べたが、図７は、チョッピング動作をスキップ信号で停止する例である。図示しないが、制御装置、物体（ワーク）、ドライバ類（ここでは、Ｚ軸モータドライバ及び砥石モータインバータ）、モータ類（ここでは、Ｚ軸モータ及び砥石モータ）等の構成は、略同様である。即ち、本実施例では、レーザツールセッタを使用し、砥石１０２が図示しない物体（ワーク）の上端寄りに位置するそのスポットＳに来ると、レーザツールセッタから出力されているレーザ光線が遮断されるので、この遮断をレーザツールセッタ（図示せず）が感知してレーザ光線遮断信号を制御装置に出力するようにしている。そして、制御装置がドライバ類を介してモータ類の回転駆動を停止させることで、チョッピング動作が停止され、砥石１０２が所定の停止位置で停止すると共にその砥石回転も停止する。これも上記同様、チョッピング動作と砥石回転をプログラマブル制御器の制御下に置く等、別系統の制御器による制御にしてスキップ機能を行う制御器の同期制御から外せば、これらをスキップ信号とは別のタイミングで止める、安全な場所に退避させてから止める、もしくはそのまま次の動作に移るなどの操作が可能なことは言うまでもない。

図８は、本実施形態に係るジグ研削盤において、ＡＥセンサを使用する場合を示す第１の図である。図４では、ＡＥセンサを使用するスキップ信号処理の場合の機能ブロック図を示したが、図８では、ＡＥセンサと砥石或いはワーク（ないしドレッサ）との物理的な位置関係の配置例を示している。即ち、図８に示す例では、クイルの遊星回転と砥石回転（自転）を組み合わせる加工動作をスキップ信号で停止する例について、テーブル上のワーク（ないしドレッサ）に対し、砥石１０２を挟んだ対向する位置にＡＥセンサを配置するようにしている。図９は、本実施形態に係るジグ研削盤において、ＡＥセンサを使用する場合を示す第２の図である。図９では、チョッピング動作をＡＥセンサに基づくスキップ信号で停止する場合において、ＡＥセンサと砥石或いはワーク（ないしドレッサ）との物理的な位置関係の配置例を示している。即ち、図９に示す例では、チョッピング動作をスキップ信号で停止する例について、この場合にはテーブル上のワーク（ないしドレッサ）に対し、砥石１０２を挟んだ対向する位置にＡＥセンサを配置するようにしている。ＡＥセンサの位置は接触時の弾性波が十分に伝達する場所に設けるものであって必ずしもこの位置にある必要がないのは言うまでもない。これらの例では砥石を工具としているがエンドミルやドリルなど切削工具を代わり使用しても良いことは勿論である。

ここで、本発明の特徴について述べる。本発明者は、雑音の影響を抑制することができるスキップ信号生成技術を提供するため、種々検討を重ねた結果、例えば、チョッピングの動作の基本周期にあわせた同期検波を行うことにより雑音の影響を抑制することができることに想到した。即ち、本発明のスキップ信号生成装置は、チョッピングの動作ないし遊星回転の周期にあわせた同期検波もしくは周波数分析を行い、同じ周期成分の振幅情報をスキップ信号生成に使うことにより雑音の影響を抑制する機能を備えることを特徴とする。以下、この機能を本実施形態に係るジグ研削盤に適用する場合について述べる。図１０は、本実施形態に係るジグ研削盤において、レーザツールセッタ又はＡＥセンサを使用する場合に出力されるＯＮ／ＯＦＦ信号を示す図である。

ＯＮ／ＯＦＦ信号しか出ない装置の場合、例えば、図６と図８の場合、砥石回転をさせたまま遊星回転をさせてそれぞれ光線遮断ないし接触検出の位置に持っていくと、図１０のようなＯＮ／ＯＦＦ信号になる。丸破線で囲った部分のように信号が切り替わる周辺が太く見えているが、これはＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替わる部分である。この場合、同期検波とは、ある信号に対し規格化された基準信号の９０度位相がずれた２つの正弦波をそれぞれ掛け合わせ、ローパスフィルタにて直流信号のみを取り出す操作である。この操作により基準信号に同期した成分のみが残る。この操作自体は信号を離散フーリエ変換などの周期分析をして対象の信号だけ取り出してもよい。同期検波の実装として、ローパスフィルタの性能を強化し、信号に掛け合わせる波形として矩形波など正弦波に限らない場合もあることは言うまでもない。同期検波や周波数分析では通常振幅以外に位相情報も得られる。これらの例では振幅情報を使用するが、特にＡＥセンサを使用して工具としてエンドミルを使用する場合、遊星回転に同期するパルス波形を基準としたＡＥセンサの信号の位相の変化を接触検地信号として使用することも可能であり、一つの装置で振幅情報と位相変化情報どちらでもスキップ信号として使用することも可能である。

例えば、基準信号をＣＮＣ３０２で出している遊星回転の周期にあわせれば、砥石回転に起因する成分は無視される。逆に砥石回転にあわせることで遊星回転を除くことが出来ることも言うまでもない。実際には制御装置３１０の処理スピードにより多くの場合には別置き装置で処理することになると考えられる。またそれ以外の送り駆動系に関する信号も取り除くことができる。

図１１は、本実施形態に係るジグ研削盤において、信号の強度まで出力される装置の場合に得られるＯＮ／ＯＦＦ信号を示す図である。信号の強度まで出力される装置の場合、例えば、図１１のような信号が得られる。この場合も線が太く見える部分は実際には信号レベルの変動部分である。この場合のほうがより効果的に雑音成分を除くことが期待できる。尚、同期検波や周期数分析は、プログラマブルコントローラ３０４側で行うこともできるし、ＣＮＣ３０２のソフトウェアとして実装することもできる。また、要求される処理スピードによっては別途検波や周期数分析のみを行う装置を設けても良い。更に、チョッピング動作させない場合にも、制御装置によってはプログラマブルコントローラやＣＮＣのプログラムから位置指令ないし速度指令に一定の信号を重畳させる機能を備えている場合がある。即ち、信号を追加してチョッピング動作や遊星回転動作を持たない一般の工作機械にも適用可能である。

本発明によれば、雑音の影響を抑制することができるスキップ信号生成技術を提供することができる。尚、上記スキップ信号生成装置ないし当該装置の機能を備えることを特徴とする工作機械を構成しても良い。また、上記同期検波もしくは周波数分析を行うためにチョッピング動作の替わりに位置指令、速度指令、トルク指令ないし電流指令に微小振動の指令を重畳させる機能を備えることを特徴とする工作機械を構成することも可能である。更に、本発明のスキップ信号生成装置は、チョッピング周波数同期フィルタを適用するようにしても良い。

１００ヘッド、１０１ジョイント、１０２砥石、１０２Ａ砥石回転モータ、
１０２inv 砥石モータインバータ、１０４上下駆動装置、
１０４Ａ、上下運動伝達装置、１０４Ｂスリップリング、
１０６回転駆動装置、１０６Ａ回転伝達装置、１０８切り込み装置、
１０８Ａ切り込み部、１１０クイル、３００制御装置、
３０２コンピュータ数値制御部（ＣＮＣ）、
３０４プログラマブルコントローラ、３０６ I/O（入出力）モジュール
３１０入出力装置、３２０各軸モータ、３３０モータドライバ、
４００ＡＥセンサ、ＰＰ指令前位置、ＴＰ指令目標位置、
Ｓスポット、Ｗワーク

Claims

工具とワークとの接触を示すＯＮ／ＯＦＦ信号のみから成る接触信号に対して、チョッピングの周期ないしクイルの遊星回転の周期にあわせた同期検波もしくは周波数分析を行い、前記チョッピングの周期ないし前記遊星回転の周期と同じ周期成分の振幅情報、または、チョッピングないし遊星回転を基準とした前記接触信号の位相の変化、もしくは、その両方を使用してスキップ信号を生成することにより、雑音の影響を抑制する機能を備えることを特徴とするスキップ信号生成装置。
請求項１記載のスキップ信号生成装置ないし当該装置の機能を備えることを特徴とする工作機械。
請求項２記載の工作機械において、更に、チョッピングないし遊星回転の替わりに位置指令、速度指令、トルク指令ないし電流指令に微小振動の指令を重畳させる機能を備え、チョッピングの動作ないし遊星回転の周期にあわせた同期検波もしくは周波数分析を行うか、または重畳された信号に合わせた同期検波もしくは周期分析を行い、同じ周期成分の振幅情報、チョッピングの動作ないし遊星回転を基準とした、もしくは重畳された信号を基準とした、信号の位相差変化情報、もしくはその両方をスキップ信号生成に使うことにより雑音の影響を抑制する機能を備えるスキップ信号生成装置を備えることを特徴とする工作機械。
工具とワークとの接触を示すＯＮ／ＯＦＦ信号のみから成る接触信号に対して、チョッピング周波数同期フィルタを適用してスキップ信号を生成することを特徴とするスキップ信号生成装置。