JP7152630B1

JP7152630B1 - 数値制御装置

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Publication number: JP7152630B1
Application number: JP2022534805A
Authority: JP
Inventors: 賢治貝原
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2042-03-15
Also published as: WO2023175747A1; JPWO2023175747A1

Abstract

適切に切粉の排出を促し、穴あけ加工の加工時間を低減することができる数値制御装置を提供する。数値制御装置は、切削工具を回転させながらワークを切り込む切り込み動作と、前記切削工具を回転させながら前記切削工具を後退させる戻り動作とを繰り返しながら深穴あけ加工を行う深穴加工実行部と、前記切り込み動作における各切り込み後の前記切削工具の位置に応じた切粉排出時間を算出する切粉排出時間算出部と、を備え、前記深穴加工実行部は、前記切粉排出時間の間、前記戻り動作を行う。

Description

本発明は、数値制御装置に関する。

従来、穴あけ加工には固定サイクル機能を使用した加工方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。特に、連続した穴あけ加工では、固定サイクル機能を使用した加工が一般的である。固定サイクルにおいて必要な引数を指令することによって、指定した穴位置に対して加工する加工プログラムが作成される。

穴あけ加工の精度は、低精度から高精度まで幅広く、いずれの穴あけ加工においても低振動且つ高速な加工を求められている。特に、深穴あけ加工では、切粉詰まりを防ぐため、切り込みと戻りとを繰り返しながら加工する固定サイクル（ペックサイクル）がよく利用される。切削工具２１の戻り量は、固定サイクルの指令値によって任意に指定できる。また、戻り量は、切粉の排出量を考慮して、戻り量を指令する必要がある。なお、Ｒ点から穴底まで切り込み及び戻り量の値は、加工開始時から一定である。

特開２０２０－０８６４７５号公報

戻り量の値を、切粉の排出に対して十分な戻り量を指令していない場合、排出しきれなかった切粉が穴に堆積し、切粉によって工具が磨耗又は破損する可能性がある。そのため、ある程度余裕を持たせた戻り量の指令が必要である。

一方、切粉の排出距離は、穴の深さに比例する。そのため、穴あけ開始後の浅い穴ならば少ない戻り量でも切粉を排出できるが、穴あけが進んで穴が深くなると、切粉を排出するために戻り量が多く必要となる。

しかし、従来の固定サイクルでは、戻り量が一定でしか指令できないため、戻り量が少なくて済む浅い箇所でも深い箇所と同程度の戻り動作を行っており、穴あけ加工の効率を低下させていた。すなわち、適切に切粉の排出を促し、穴あけ加工の加工時間を低減することができる数値制御装置が求められている。

本開示の一態様に係る数値制御装置は、切削工具を回転させながらワークを切り込む切り込み動作と、前記切削工具を回転させながら前記切削工具を後退させる戻り動作とを繰り返しながら深穴あけ加工を行う深穴加工実行部と、前記切り込み動作における各切り込み後の前記切削工具の位置に応じた切粉排出時間を算出する切粉排出時間算出部と、を備え、前記深穴加工実行部は、前記切粉排出時間の間、前記戻り動作を行う。

本発明によれば、適切に切粉の排出を促し、穴あけ加工の加工時間を低減することができる。

本実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。従来の固定サイクル機能によって工作機械による深穴あけ加工の一例を示す図である。本実施形態に係る深穴あけ加工の一例を示す図である。本実施形態に係る切削工具のねじれ角及び１回転あたりの工具長さを示す図である。ねじれ角が３０°の場合における切粉排出時間の算出に用いられる切削工具を示す図である。本実施形態に係る深穴あけ加工の別の例の概要を示す図である。

以下、本発明の実施形態の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る数値制御装置１及び工作機械２の構成を示す図である。

数値制御装置１は、工作機械２を制御することにより、工作機械２に所定の機械加工等を行わせるための装置である。数値制御装置１は、制御部１１及び記憶部１２を備える。制御部１１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のプロセッサであり、記憶部１２に記憶されたプログラムを実行することによって、深穴加工実行部１１１及び切粉排出時間算出部１１２として機能する。

記憶部１２は、ＯＳ（ＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）やアプリケーションプログラム等を格納するＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、その他の各種情報を格納するハードディスクドライブやＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）等の記憶装置である。

工作機械２は、数値制御装置１の制御に基づいて、穴あけ加工等の所定の機械加工や、工具の測定等を行う装置である。具体的には、本実施形態において、工作機械２は、切削工具２１を備え、穴あけ加工を行うための装置である。

工作機械２は、ワークを加工するために駆動するサーボモータや、このサーボモータに取り付けられた主軸及び送り軸、これら各軸に対応する治具及び切削工具、ワークを固定するテーブル等を備える。そして、工作機械２は、数値制御装置１から出力される動作指令に基づいてサーボモータを駆動させ、切削工具２１を回転及び移動することにより穴あけ加工を行う。より具体的には、工作機械２は、切削工具２１によって深穴あけ加工を行う。ここで、深穴あけとは、穴あけを行う場合に、一般的に穴の長さと直径との比が４倍以上ある穴をあけることをいう。

数値制御装置１は、深穴あけ加工を行うための加工プログラムを用いて、工作機械２に深穴あけ加工を行わせるように制御する。加工プログラムは、例えば、深穴あけ加工を実行するためのＧコードや穴あけ条件を定義する各種アルファベットによる引数コードによって構成される。

図２は、従来の固定サイクル機能によって工作機械２による深穴あけ加工の一例を示す図である。一般的な深穴あけ加工では、工作機械２は、まず、穴あけ開始位置であるリファレンス点（以下、Ｒ点）まで切削工具２１を早送りさせる。

次に、工作機械２は、Ｒ点から切削送りの送り速度で切削工具２１を回転させながら、Ｒ点から切り込み量ｑを切り込む。次に、工作機械２は、切削工具２１を戻り量ｄまで後退させる。

このように工作機械２は、切り込み及び戻りを繰り返しながら、Ｒ点から穴底Ｚまで深穴を形成する。特に、深穴あけ加工では、切粉詰まりを防ぐため、切り込みと戻りとを繰り返しながら加工する固定サイクル（ペックサイクル）がよく利用される。切削工具２１の戻り量は、固定サイクルの指令値によって任意に指定できる。また、戻り量は、切粉の排出量を考慮して、戻り量を指令する必要がある。なお、Ｒ点から穴底まで切り込み及び戻り量の値は、加工開始時から一定である。

なお、本明細書において、説明の便宜上、複数の切り込み及び戻りの動作は、Ｘ位置及びＹ位置が異なるように図示されているが、実際には、同一のＸ位置及びＹ位置において行われる。

図３は、本実施形態に係る深穴あけ加工の一例を示す図である。図４は、本実施形態に係る切削工具２１のねじれ角Ｖ及び１回転あたりの工具長さＺ’’を示す図である。図５は、ねじれ角Ｖが３０°の場合における切粉排出時間の算出に用いられる切削工具２１を示す図である。なお、図３におけるＷ点は、ワーク３の表面の基準点を示し、Ｚ点は、深穴の穴底の位置（深さ）を示す。

深穴加工実行部１１１は、切削工具２１を回転させながらワーク３を切り込む切り込み動作と、切削工具２１を回転させながら切削工具２１を後退させる戻り動作とを繰り返しながら深穴あけ加工を行う。

切粉排出時間算出部１１２は、切り込み動作における各切り込み後の切削工具２１の位置に応じた切粉排出時間を算出する。そして、深穴加工実行部１１１は、切粉排出時間の間、戻り動作を行う。

また、戻り動作によって薄くなる切粉が標準の送り速度で生成された切粉と分断されることは、材質や工具のすくい角（ねじれ角）、摩擦係数に大きく依存する。それを実験値によって求めた係数が切粉分断能力係数Ｋｃである。鋳鉄のように切粉の分断性が良いものからアルミニウムのような延性をもつワークもあり、切粉が完全に分断されないことや、切粉の長さによっては第２の切り込み動作内での排出ができなくなるが、切粉分断能力係数Ｋｃを用いることで切粉排出時間Ｔが最適化できる。

具体的には、切粉排出時間算出部１１２は、切削工具２１の回転数Ｓ、刃数Ｂ、半径Ｄ_ｃ及びねじれ角Ｖと、切り込み動作における各切り込み後の切削工具２１の位置Ｚｑと、切粉分断能力係数Ｋｃとに基づいて切粉排出時間Ｔを算出し、深穴加工実行部１１１は、切粉排出時間Ｔの間、戻り動作を行う。

ここで、切粉排出時間Ｔは、下記のように式（１）、（２）、（３）及び（４）を用いて算出される。
１回転あたりの時間Ｔ’’＝１／Ｓ×６０（１）
切り込み後、切粉が分断される時間Ｔ１＝１／Ｓ×６０×１／Ｂ（２）
ねじれ角Ｖにおける１回転あたりの工具長さＺ’’＝Ｄ_ｃ×π／ｔａｎＶ（３）
切粉排出時間Ｔ＝（Ｚｑ／Ｚ’’×Ｔ’’×Ｋｃ）＋Ｔ１（４）

なお、上記の式において、回転数Ｓは、固定サイクル指令より前に指令された値を参照する。また、ねじれ角Ｖ及び工具長さＺ’’は、図４に示すように定義される。

図５に示すように、式（２）において、ねじれ角Ｖが３０°である場合、ｔａｎ３０°＝Ｄ_ｃ×π／Ｚ’’となり、Ｚ’’＝Ｄ_ｃ×π／ｔａｎ３０°となる。
また、ねじれ角Ｖにおける１回転あたりの工具長さＺ’’は、切削工具２１の刃先先端から溝に沿って３６０°回転させたときの切粉の移動距離に相当する。

上述したような深穴あけ加工を行うために、加工プログラムは、例えば、以下のようになる。
Ｇ７３．１Ｘ＊＊Ｙ＊＊Ｚ＊＊Ｂ＊＊Ｒ＊＊Ｑ＊＊Ｆ＊＊Ｋ＊＊Ｖ＊＊，Ｄ９９９

ここで、Ｇ７３．１は、深穴あけ加工を行うためのＧコードの一例であり、引数指令Ｘ及びＹは、切削工具２１の位置決め、引数Ｚは指令値、引数ＲはＲ点、引数Ｑは切り込み量、引数Ｆは切削送り速度、引数Ｋは繰り返し動作、引数Ｖは切削工具２１のドリルのねじれ角、引数，Ｄ９９９は、上述した切粉排出時間Ｔを用いて戻り動作を行う最適化モードを示す。

このように切粉が穴から排出される切粉排出時間Ｔの間、戻り動作を行うことによって、効率良く切粉を穴から適切に排出することを促すことができる。

また、固定サイクルの指令に含まれないパラメータが存在する場合、切粉排出時間算出部１１２は、深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令において、ねじれ角Ｖの指令がない場合、予め定めたねじれ角Ｖを切粉排出時間Ｔの算出に採用する。例えば、切粉排出時間算出部１１２は、ねじれ角Ｖの指令がない場合、汎用ドリルの一般的なねじれ角である３０°を採用する。

また、切削工具２１の半径Ｄ_ｃ及び切粉分断能力係数Ｋｃは、加工プログラムの引数として指令されず、工作機械２内に登録されたデータを参照してもよい。切削工具２１の回転数Ｓは、固定サイクル指令より前に指令された値を参照する。数値制御装置１は、このように固定サイクルの指令に含まれないパラメータが存在する場合であっても問題なく深穴あけ加工を行うことができる。

図６は、本実施形態に係る深穴あけ加工の別の例の概要を示す図である。深穴加工実行部１１１は、深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令においてドウェルを指令する引数Ｐを含む場合、加工プログラムの指令値までの全ての切込みが終了した穴底に対して、切削工具２１の回転を継続したまま、ドウェルを指令する引数Ｐによって指令した時間だけ切削工具２１の停止動作を行う。これにより、数値制御装置１は、深穴あけ加工の完了時、穴底の品質向上のために、固定サイクルの指令値に応じたドウェルを行うことができる。

なお、ドウェル機能とは、指令された時間分を次のブロックの動作に移る前に遅らせる機能である。固定サイクル時にドウェルが指令されると、切削工具２１の刃先は、穴底に到達した時点で指令時間分停滞する。ドウェルが実行されている間、主軸の回転等は停止しない。ドウェル機能は、主に溝加工や穴加工等において底面の削り残しを防ぎ、精度を向上させために用いられる。

更に、深穴加工実行部１１１は、深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令において退避速度を指令する引数Ｅを含む場合、退避速度を指令する引数Ｅによって指令される退避速度を用いて切削工具２１を移動する。加工プログラムの引数指令において引数Ｅを含まない場合、深穴加工実行部１１１は、早送り速度を用いて切削工具２１を移動する。これにより、数値制御装置１は、加工後の退避速度を引数によって指令できる。

加工プログラムは、例えば、以下のようになる。
Ｇ７３．１Ｘ＊＊Ｙ＊＊Ｚ＊＊Ｂ＊＊Ｒ＊＊Ｑ＊＊Ｆ＊＊Ｋ＊＊Ｖ＊＊，Ｄ９９９Ｅ＊＊Ｐ＊＊
ここで、引数Ｐは、ドウェル（穴底戻り）を示し、引数Ｅは、加工後の退避速度を示す。

また、深穴加工実行部１１１は、固定サイクルのステップごとに切り込み量を変化させてもよい。これにより、数値制御装置１は、切削が容易なワークを用いる場合、ステップ回数を削減することができる。この場合、切り込み量を変化させて切粉排出を促すため、切り込み後の戻り量は常に一定となる。

また、深穴加工実行部１１１は、固定サイクルのステップごとに送り速度を変化させてもよい。これにより、数値制御装置１は、従来よりも汎用性を有することが可能となる。例えば、切り込み位置が浅い部分では、送り速度を増加させ、深い位置では送り速度を減少させる。また、例えば、数値制御装置１は、切削工具２１がワーク３へ進入する際に送り速度を減少させることによって、加工完了時における深穴の曲がりを抑制することができる。また、送り速度を変動させて切粉排出を促すため、切り込み後の戻り量は常に一定であるが、戻りの速度は変化する。

以上説明したように、本実施形態によれば、数値制御装置１は、切削工具２１を回転させながらワーク３を切り込む切り込み動作と、切削工具２１を回転させながら切削工具２１を後退させる戻り動作とを繰り返しながら深穴あけ加工を行う深穴加工実行部１１１と、切り込み動作における各切り込み後の切削工具２１の位置に応じた切粉排出時間Ｔを算出する切粉排出時間算出部１１２と、を備え、深穴加工実行部１１１は、切粉排出時間Ｔの間、戻り動作を行う。

このように数値制御装置１は、穴の深さに応じて最適な切粉排出時間Ｔを自動的に算出し、最適な戻り量によって深穴あけ加工を行う。これにより、数値制御装置１は、切り込んだ穴の深さを考慮し、戻り時間が変動することによって適切な切粉の排出を促し、従来よりも深穴あけ加工の加工時間を低減することができる。戻り動作は、従来の引数，Ｄや数値制御装置１に記憶されている不揮発性パラメータを用いた戻り量による戻り動作ではなく、切り込み動作における各切り込み後の切削工具２１の位置に応じた切粉排出時間を算出し、都度戻り時間が変動することでサイクルタイム短縮が可能である。

また、切粉排出時間算出部１１２は、切削工具２１の回転数Ｓ、刃数Ｂ、半径Ｄ_ｃ及びねじれ角Ｖと、切り込み動作における各切り込み後の切削工具２１の位置Ｚｑと、切粉分断能力係数Ｋｃとに基づいて切粉排出時間Ｔを算出し、深穴加工実行部１１１は、切粉排出時間Ｔの間、戻り動作を行う。これにより、数値制御装置１は、切粉が穴から排出される切粉排出時間Ｔの間、変動送り速度Ｆを用いて戻り動作を行うことによって、効率良く切粉を穴から適切に排出することを促すことができる。

また、切粉排出時間算出部１１２は、深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令において、ねじれ角Ｖの指令がない場合、予め定めたねじれ角を切粉排出時間Ｔの算出に採用する。これにより、数値制御装置１は、このように固定サイクルの指令に含まれないパラメータが存在する場合であっても効率良く深穴あけ加工を行うことができる。

また、深穴加工実行部１１１は、深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令においてドウェルを指令する引数Ｐを含む場合、加工プログラムの指令値までの全ての切り込みが終了した穴底に対して、切削工具２１の回転を継続したまま、ドウェルを指令する引数Ｐによって指令した時間だけ停止動作を行う。これにより、数値制御装置１は、深穴あけ加工の完了時、固定サイクルの指令値に応じたドウェルを行うことができ、穴底の品質向上させることができる。

また、深穴加工実行部１１１は、深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令において退避速度を指令する引数Ｅを含む場合、退避速度を指令する引数Ｅによって指令される退避速度を用いて切削工具２１を移動する。これにより、数値制御装置１は、加工後の退避速度を引数によって指令でき、深穴あけ加工の効率を更に向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の数値制御装置１は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。また、上記の数値制御装置１により行なわれる制御方法も、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ））を含む。

また、上述した各実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記各実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

１数値制御装置
２工作機械
３ワーク
２１切削工具
１１制御部
１２記憶部
１１１深穴加工実行部
１１２切粉排出時間算出部

Claims

切削工具を回転させながらワークを切り込む切り込み動作と、前記切削工具を回転させながら前記切削工具を後退させる戻り動作とを繰り返しながら深穴あけ加工を行う深穴加工実行部と、
前記切り込み動作における各切り込み後の前記切削工具の位置に応じた切粉排出時間を算出する切粉排出時間算出部と、を備え、
前記深穴加工実行部は、前記切粉排出時間の間、前記戻り動作を行う、
数値制御装置。
前記切粉排出時間算出部は、前記切削工具の回転数、刃数、半径及びねじれ角と、前記切り込み動作における各切り込み後の前記切削工具の位置と、切粉分断能力係数とに基づいて前記切粉排出時間を算出し、
前記深穴加工実行部は、前記切粉排出時間の間、前記戻り動作を行う、請求項１に記載の数値制御装置。
前記切粉排出時間算出部は、前記深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令において、前記ねじれ角の指令がない場合、予め定めたねじれ角を前記切粉排出時間の算出に採用する、請求項２に記載の数値制御装置。
前記深穴加工実行部は、前記深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令においてドウェルを指令する引数を含む場合、前記加工プログラムの指令値までの全ての切込みが終了した穴底に対して、前記切削工具の回転を継続したまま、引数で指令した時間だけ停止動作を行う、請求項２又は３に記載の数値制御装置。
前記深穴加工実行部は、前記深穴あけ加工を行う加工プログラムの引数指令において退避速度を指令する引数を含む場合、前記引数によって指令される前記退避速度を用いて前記切削工具を移動する、請求項２から４のいずれか一項に記載の数値制御装置。