JP7469466B2

JP7469466B2 - 工作機械の制御装置、制御システム

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Publication number: JP7469466B2
Application number: JP2022521954A
Authority: JP
Inventors: 庸士大西
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2041-05-12
Also published as: US20230201986A1; JPWO2021230276A1; CN115516390A; DE112021002754T5; WO2021230276A1

Description

本発明は、ポリゴン加工を行う工作機械の制御装置、制御システムに関する。

従来、工具とワークとを一定の比率で回転させることにより、ワークを多角形（ポリゴン：ｐｏｌｙｇｏｎ）の形状に加工するポリゴン加工が存在する。ポリゴン加工において、工具刃先はワークに対して楕円軌道を描く。ワークと工具の回転比及び工具の本数を変更すると、楕円の位相や個数が変化し、ワークを四角形や六角形などの多角形に加工できる。

図７Ａは、ワーク中心を原点としたときの、ワークに対する工具刃先の移動経路を示す。この例では、ワークと工具との回転比は１：２で、工具本数は２本である。ワークに対する工具Ｔ１の移動経路は軌道１であり、ワークに対する工具Ｔ２の移動経路は軌道２である。ワークが１回転する間に、２本の工具Ｔ１、Ｔ２はワークの周囲で楕円軌道を描き、ワーク表面に四角形が形成される。図７Ｂは回転比率１：２で工具が３つの場合の工具Ｔの移動経路である。この場合、３本の工具がワークの周囲で楕円軌道を描き、この軌道に沿ってワーク表面を切削すると六角形が形成される。

ポリゴン加工を行うための工具は、ポリゴンカッタと呼ばれ、工具本体と工具本体に取り付けられる刃具から構成される。特許文献１には、ポリゴン加工用工具が、円環状をなすカッタ本体と、３つの切削インサートと、この３つのインサートのそれぞれを固定するよう設けられている３つの固定用ボルトと、さらに、インサートの刃先の位置決め調整用の位置決め用ボルトとから構成されていることが記載されている。

前記特許文献１の加工用工具（ポリゴンカッタに相当）では、インサート（刃具に相当）をカッタ本体の空孔に配置、固定したとき、一方の切れ刃が工具本体の外周面から突出するように取り付けられる。固定用ボルトで切れ刃を固定すると、その締め付け力により、空孔内でのインサートの回転が止められる。

特許文献１の加工用工具では、カッタ本体にインサートを装着する構成にしたことにより、工具機構を大きくすることなく、工具径を大径化し、ポリゴン加工の精度を高めている。また、位置決め用ボルトと、固定用ボルトを備えることにより、刃具の位置決め調整機能を高めている。

特開２０１８－１４０４８２号公報

特許文献１の加工用工具では、位置決めボルトと、固定用ボルトとを備え、刃具の位置決め精度を高めているが、刃具の取付は手動で行うため、取付位置に多少のズレが生じることがある。また、ポリゴン加工において、それぞれの刃具は、回転しながら、切削と空転を繰り返すが、刃具と工具が接触した際の負荷により、取付位置のズレや工具変形を生じることもある。取付位置のズレや工具変形は加工形状の精度に影響を及ぼす。

図７Ａ及び図７Ｂで示したように、ポリゴン加工は、楕円の組合せで多角形を作るので、切削面が緩やかな曲線となり、高い平面度が必要とされるような高精度な加工には不向きである。ポリゴン加工は、フライス盤などによる多角形加工と比較して加工時間が短い。そのため、実用上高精度でなくとも支障のない部材（ボルトの頭部やドライバのビットなど）の加工に用いられている。
しかしながら、ポリゴン加工の精度を向上できれば、短い加工時間で高精度の加工が可能となる。

ポリゴン加工の分野では、精度を向上する技術が望まれている。

本発明の一開示は、ワークと工具を同時に回転させてワークの表面に多角形を形成するポリゴン加工を制御する制御装置であって、ワークの角速度の指令を生成するワーク軸指令生成部と、工具の角速度の指令を生成する工具軸指令生成部と、工具に取り付けられた刃具の径方向のずれに関する情報を取得するずれ取得部と、ずれ取得部が取得した刃具の径方向のずれに関する情報に基づき、工具軸又はワーク軸の何れか一方又は両方の移動を調整するパルスを生成する調整量生成部と、ポリゴン加工における工具の空転時に、パルスを出力しワーク軸及び工具軸、又は何れか一方を移動させる調整量指令部と、を備える。

本発明の他の開示は、ワークと工具を同時に回転させてワークの表面に多角形を形成するポリゴン加工を制御する制御システムであって、ワークの角速度の指令を生成するワーク軸指令生成部と、工具の角速度の指令を生成する工具軸指令生成部と、工具に取り付けられた刃具の径方向のずれに関する情報を取得するずれ取得部と、ずれ取得部が取得した刃具の径方向のずれに関する情報に基づき、工具軸又はワーク軸の何れか一方又は両方の位置を調整するパルスを生成する調整量生成部と、ポリゴン加工における工具の空転時に、パルスに従い、ワーク軸及び工具軸又は何れか一方を移動させる移動軸指令生成部と、を備える。

本開示によれば、ポリゴン加工の精度を向上することができる。

本開示における数値制御装置のハードウェア構成図である。本開示における制御システムのブロック図である。径方向のずれが生じていない工具の例（理想的な状態）を示す図である。径方向のずれが生じた工具の例（ずれがある状態）を示す図である。径方向のずれの補正方法を説明する図である。径方向のずれの補正方法を説明する図である。径方向のずれの補正方法を説明する図である。本開示における刃具の軌跡の変化を示す図である。本開示における刃具の軌跡の変化を示す図である。試し加工の結果得られたワークから刃具の径方向のずれを算出する方法を説明する図である。試し加工の結果得られたワークから刃具の径方向のずれを算出する方法を説明する図である。従来のポリゴン加工を説明する図である。従来のポリゴン加工を説明する図である。

以下、ポリゴン加工の調整機能を備えた数値制御装置１００の一例を示す。数値制御装置１００は、図１に示すように、数値制御装置１００を全体的に制御するＣＰＵ１１１、プログラムやデータを記録するＲＯＭ１１２、一時的にデータを展開するためのＲＡＭ１１３を備え、ＣＰＵ１１１はバス１２０を介してＲＯＭ１１２に記録されたシステムプログラムを読み出し、システムプログラムに従って数値制御装置１００の全体を制御する。

不揮発性メモリ１１４は、例えば、図示しないバッテリでバックアップされるなどして、数値制御装置１００の電源がオフされても記憶状態が保持される。不揮発性メモリ１１４には、インタフェース１１５、１１８、１１９を介して外部機器７２から読み込まれたプログラムや入力部３０を介して入力されたユーザ操作、数値制御装置１００の各部や工作機械２００等から取得された各種データ（例えば、設定パラメータやセンサ情報など）が記憶される。

インタフェース１１５は、数値制御装置１００とアダプタ等の外部機器７２とを接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からはプログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１００内で編集したプログラムや各種パラメータ等は、外部機器７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＬＣ１１６（プログラマブル・ロジック・コントローラ）は、数値制御装置１００に内蔵されたシーケンス・プログラムで工作機械２００やロボット、該工作機械２００や該ロボットに取り付けられたセンサ等のような装置との間でＩ／Ｏユニット１１７を介して信号の入出力を行い制御する。

表示部７０には、工作機械２００の操作画面や工作機械２００の運転状態を示す表示画面などが表示される。入力部３０は、ＭＤＩや操作盤、タッチパネル等から構成され、作業者の操作入力をＣＰＵ１１１に渡す。

サーボアンプ１４０は、工作機械２００の各軸を制御する。サーボアンプ１４０は、ＣＰＵ１１１からの軸の移動指令量を受け取って、サーボモータを駆動する。工作機械２００は、少なくとも、工具軸回転用サーボモータ１５１、Ｘ軸用サーボモータ１５２（又はＹ軸用サーボモータ）を含む。工具軸回転用サーボモータ１５１、Ｘ軸用サーボモータ１５２（又はＹ軸用サーボモータ）は、位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号をサーボアンプ１４０にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。

数値制御装置１００は、工作機械２００に仮想の座標系を設定している。以下の説明では、ワークＷの中心軸をＺ軸、ワーク中心Ｏと工具中心を結ぶ軸をＸ軸、Ｘ軸及びＺ軸と直交する軸をＹ軸として説明する。

本開示の工作機械２００は、少なくとも、工具Ｕ（工具軸）を回転させる工具軸回転用サーボモータ１５１と、刃物台（以下、工具Ｕとして説明する）をＸ軸方向に移動させるＸ軸用サーボモータ１５２と、を備える。

スピンドルアンプ１６１は、工作機械２００の主軸１６４への主軸回転指令を受け、スピンドルモータ１６２を駆動する。スピンドルモータ１６２の動力はギアを介して主軸１６４に伝達され、主軸１６４は指令された回転速度で回転する。主軸１６４にはポジションコーダ１６３が結合され、ポジションコーダ１６３が主軸１６４の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはＣＰＵ１１１によって読み取られる。

主軸１６４にはワークＷが取り付けられている。主軸１６４と工具軸の軸方向は平行であり、主軸１６４と工具軸は所定の回転比で回転する。主軸１６４と工具軸が同時に回転すると、工具軸に取り付けられた工具Ｕがワーク表面を切削し、ワーク表面に多角形が形成される。

図２は、ポリゴン加工の調整機能を備えた制御システム１０００のブロック図である。
ブロック図内の機能は、数値制御装置１００のＣＰＵ１１１がＲＯＭ１１２などの記憶装置に記録されたプログラムを実行して実現する。
数値制御装置１００は、ポリゴン加工制御部１０を備える。ポリゴン加工制御部１０は、ワーク軸の回転指令を生成するワーク軸指令生成部１１と、工具軸の回転指令を生成する工具軸指令生成部１２と、工具Ｕの移動指令を生成する移動軸指令生成部１３と、を備える。

ワーク軸指令生成部１１は、主軸１６４の回転指令を生成する。ワーク軸指令生成部１１は、主軸１６４を一定の角速度ωで回転させる指令を生成し、スピンドルアンプ１６１に出力する。スピンドルアンプ１６１は、ワーク軸指令生成部１１からの指令に従いスピンドルモータ１６２を制御する。スピンドルモータ１６２は、主軸１６４を一定の角速度ωで回転させる。これにより主軸１６４に取り付けられたワークＷが一定の角速度ωで回転する。

工具軸指令生成部１２は、工具Ｕの回転指令を生成する。工具軸指令生成部１２は、工具Ｕを一定の角速度で回転させる指令を生成し、サーボアンプ１４０に出力する。サーボアンプ１４０は、工具軸指令生成部１２からの指令に従い工具軸回転用サーボモータ１５１を制御する。工具軸回転用サーボモータ１５１は、サーボアンプ１４０の制御に従い工具Ｕを一定の角速度で回転させる。工具Ｕの角速度はワークＷと工具Ｕの回転比で決まり、後述の例では、工具Ｕの角速度は２ωである。

移動軸指令生成部１３は、工具Ｕを載置する刃物台の移動指令を生成する。移動指令は、工具ＵのＸ軸方向の移動を制御する。
Ｘ軸方向の指令は、刃具の径方向の調整量である。Ｘ軸用サーボモータ１５２は、調整量指令部１６の指令に従い、工具軸とワーク軸との軸間距離を調整する。

位置ずれ取得部１４は、刃具Ｔの径方向のずれに関する情報を取得する。刃具Ｔの径方向のずれ量σは、ノギス、光学測定器、画像計測器などで計測できるが、計測方法は、特定しない。計測結果は、位置ずれ取得部１４に入力される。

調整量生成部１５は、各刃具Ｔ_ｉの径方向のずれ量σ_ｉに対する調整量μ_ｉを算出し、算出した調整量μ_ｉに対応したパルスを生成する。
調整量指令部１６は、空転タイミングの間に、Ｘ軸用サーボモータ１５２にパルスを出力する。パルスにより、工具軸がＸ軸方向に移動する。その結果、ワーク軸と工具軸との軸間距離が調整できる。パルスは、次の切削を行う刃具（Ｔ_ｉとする）の軸間距離を調整量μ_ｉだけ変化させ、刃具Ｔ_ｉの径方向のずれを補正する。軸間距離の調整は、ポリゴン加工の空転タイミングに行う。空転タイミングとは、工具Ｕの刃具ＴがワークＷを切削しておらず、空転している時間のことであり、切削に影響を与えない。

［第１の開示のずれ調整方法］
第１の開示のずれ調整方法について説明する。前提として、ポリゴン加工を行う工具Ｕをポリゴンカッタと呼ぶ。ポリゴンカッタは、カッタ本体と刃具とから構成され、カッタ本体に刃具を取り付けて使用する。カッタ本体に刃具を取り付ける際、径方向の取付誤差が生じることがある。取付誤差は、加工精度に影響する。また、刃具やベアリングの摩耗によりずれが生じることもある。摩耗によって生じたずれも加工精度に影響する。

以下の式は、調整量μの算出式である。本開示では、以下の式を用いることにより、刃具Ｔの本数Ｎやずれ量σに関わらず調整量μを算出することができる。
工具ＴとワークＷを近づける方向をプラスとすると、各刃具Ｔ_ｉの径方向のずれ量σ_ｉに対する調整量μ_ｉは
μ_ｉ＝σ_ｉ－１－σ_ｉ
（但し、上の式で、μ_１＝σ_Ｎ－σ_１であり、また、１削目の調整量μ_ｉは－σ_ｉである）
である。
このように調整量μ_ｉを算出し、最初の切削で工具軸の位置を－σ_ｉ調整すると、刃具Ｔ_ｉのずれ量＋σ_ｉが相殺されてゼロになる。刃具Ｔ_ｉでの切削の終了時点では、工具軸の位置のずれは－σ_ｉである。工具軸の位置をσ_ｉ－σ_ｉ＋１調整すると、工具軸の位置のずれは－σ_ｉ＋１になり、刃具Ｔ_ｉ＋１のずれ量＋σ_ｉ＋１が相殺されてゼロになる。
刃具Ｔ_ｉ＋１での切削の終了時点において、工具軸の位置のずれは－σ_ｉ＋１である。工具軸の位置をσ_ｉ＋１－σ_ｉ＋２調整すると、工具軸のずれは－σ_ｉ＋２になり、刃具Ｔ_ｉ＋２のずれ量＋σ_ｉ＋２が相殺されてゼロになる。刃具Ｔ_ｉは回転しており、切削する刃具Ｔ_ｉに応じて調整量μ_ｉが周期的に変化する。

具体例として、図３Ａ～図４Ｃを参照して、２本の刃具Ｔ_１、Ｔ_２の調整量μ_１、μ_２の算出方法について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、２本の刃具を等間隔に取り付ける例である。２本の刃具を等間隔に取り付ける場合、理想的には、図３Ａに示すように、工具Ｕの中心Ｑから刃具の刃先までの距離はｒになるが、何らかの原因により、図３Ｂに示すように径方向のずれ（ずれ量＋σ）が生じることがある。図面左側の刃具をＴ_１、図面右側の刃具をＴ_２とすると、刃具Ｔ_１、Ｔ_２の径方向のずれ量（σ_１，σ_２）＝（０，＋σ）である。

刃具Ｔ_１、Ｔ_２のずれ量（σ_１，σ_２）＝（０，＋σ）のとき、上式より、調整量（μ_１，μ_２）＝（＋σ，－σ：１削目のときのみ－σ_ｉ）となる。図４Ａ～図４Ｃを参照して具体的に説明すると、１削目に刃具Ｔ_１で切削する場合、刃具Ｔ_１のずれ量は０なので補正をしない（図４Ａ）。２削目に刃具Ｔ_２で切削する場合、刃具Ｔ_２は径方向に＋σずれているので、刃具Ｔ_２でワークＷを切削する前の空転タイミングに工具ＵをＸ軸方向に－σ移動させてずれ量をゼロに補正する（図４Ｂ）。３削目では工具Ｕが１回転し、再度刃具Ｔ１で切削を行う。刃具Ｔ１の調整量は＋σである。そのため、刃具Ｔ_１でワークＷを切削する前の空転タイミングで工具ＵをＸ軸方向に＋σ移動させて、工具Ｕの移動量を０に戻す（図４Ｃ）。
このように、刃具Ｔ_１から切削を開始する場合には、０、－σ、＋σ、－σ、…の順に工具ＵをＸ軸方向に移動させて径方向のずれを補正する。

補正の結果刃具Ｔの軌跡は図５Ａ及び図５Ｂのように変化する。
図５Ａの点線は理想的なポリゴン加工における刃具の軌跡を示し、図５Ａの一点鎖線は片方の刃具にずれがある場合の刃具の軌跡を示している。一方の刃具が基準の長さｒに対して＋σずれている場合、刃具の切込み量がσ長いため、刃具ＴはワークＷに対して、図５Ａの一点鎖線に示すような軌跡を描き、ワーク中心Ｏから切削面までの距離がσ短くなる。

図５Ｂの実線は、刃具Ｔ_２の切削時に工具を－σ移動させたときのワークＷに対する刃具Ｔ_１、Ｔ_２の軌道を示している。補正後のポリゴン加工の軌跡は理想的なポリゴン加工の軌跡と重なっており、同じ軌跡をたどることが分かる。このように、工具Ｕの位置を補正することにより、刃具Ｔの径方向のずれが補正され、ポリゴン加工で形成される四角形Ｓが、略正方形になる。

［第２の開示］
［ずれ量σの測定方法］
第２の開示では、試し加工の結果得られたワークＷを用いて径方向のずれ量σを算出する。ずれ量σは、ワークＷの対向面の距離を計測することにより算出できる。
計測は、例えば、オペレータが行う。計測機器には、ノギスや画像計測機などがあるが限定しない。オペレータは、計測した距離を入力部３０に入力する。ずれ量σの算出は、位置ずれ取得部１４が行う。

図６Ａ及び図６Ｂを参照して、ずれ量σの算出方法について説明する。図６Ａは、理想的な工具Ｕで形成したワークＷの形状を示している。理想的な工具Ｕで切削したときのワーク中心Ｏからワーク表面までの距離をｌとする。
工具Ｕの刃先が＋σずれると、切込み深さが＋σ深くなるので、図６Ｂに示すように、ワーク中心Ｏからワーク表面までの距離が＋σ短くなる。このときワークの対向面の距離は２ｌ－２σとなる。ｌは既知なので、ワークの対向面の距離を測定すると、刃具Ｔの径方向のずれ量σが算出できる。

一例として、２本の刃具Ｔで四角形を形成する例について述べたが、上述の方法を用いれば、刃具Ｔの本数には関係なく、試し加工の結果得られたワークＷから刃具Ｔの径方向のずれ量σを算出することができる。

以上説明したように、本開示の数値制御装置１００は、刃具Ｔの径方向のずれ量σに応じたパルスを生成し、工具軸の空転タイミングで、工具ＵをＸ軸方向に移動させることにより、刃具Ｔを付け替えることなしに刃具Ｔの径方向のずれ量を補正することができる。

第２の開示の数値制御装置１００では、試し加工の結果得られたワークＷの対向面の距離を計測することによって、刃具Ｔの径方向のずれ量σを算出することができる。ワークＷの対向面の距離はノギスなどの器具で計測することが可能であるため、特別な計測機器は不要である。

以上、一実施形態について説明したが、本発明は上述した開示のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。例えば、本開示では、ワーク軸をスピンドル軸、工具軸をサーボ軸とする構成としたが、２軸ともスピンドル軸である主軸間ポリゴン加工としてもよい。
また、工具軸ではなく、ワーク軸をＸ軸方向に移動させて主軸間距離を調整してもよい。

また、刃具Ｔの回転方向のずれの補正と径方向の補正とを組み合わせてもよい。
刃具Ｔのずれは、通常、径方向だけでなく回転方向でも生じる。そのため、両方を組み合わせて補正することが望ましい。
回転方向のずれの補正では、まず、回転方向のずれ量δを検出する。回転方向のずれ量は、例えば、試し加工した結果得られるワークの角度から算出できる。また、負荷トルクを用いてずれを検出することができる。その他、レーザ変位計や角度計、画像計測機などを用いて工具Ｕを直接計測してずれ量δを検出することもできる。
ずれ量δは、工具軸を加速又は減速することにより補正できる。すなわち、刃具Ｔが基準の位相よりプラス方向にずれている場合には減速して、ずれ量をゼロにする。また、刃具Ｔが基準の位相よりマイナス方向にずれている場合には、加速してずれ量をゼロにする。
回転方向のずれ量δは刃具Ｔごとに異なるので、刃具Ｔｉの回転方向のずれ量をδｉとすると、刃具Ｔｉで切削する前の空転タイミングで、回転方向のずれ量δｉと径方向のずれ量σｉを同時に補正する。
回転方向の補正と径方向の補正とを同時に行うと、刃具を付け替えることなく、ポリゴン加工の精度を向上させることができる。

１０００制御システム
１００数値制御装置
２００工作機械
１０ポリゴン加工制御部
１１ワーク軸指令生成部
１３移動軸指令生成部
１４位置ずれ取得部
１５調整量生成部
１６調整量指令部
１７トルク検出部
１１１ＣＰＵ
１１２ＲＯＭ
１１３ＲＡＭ
１４０サーボアンプ
１５１工具軸回転用サーボモータ
１５２Ｘ軸用サーボモータ
１６１スピンドルアンプ
１６２スピンドルモータ
１６４主軸

Claims

ワークと工具を同時に回転させてワークの表面に多角形を形成するポリゴン加工を制御する制御装置であって、
前記ワークの角速度の指令を生成するワーク軸指令生成部と、
前記工具の角速度の指令を生成する工具軸指令生成部と、
前記工具に取り付けられた刃具の径方向のずれに関する情報を取得するずれ取得部と、
前記ずれ取得部に入力された刃具の径方向のずれに関する情報に基づき、工具軸又はワーク軸の何れか一方又は両方の位置を調整するパルスを生成する調整量生成部と、
前記ポリゴン加工における前記工具の空転時に、前記パルスを出力する調整量指令部と、
を備えるポリゴン加工の制御装置。
前記調整量生成部が生成するパルスに基づいて、前記ワーク軸及び工具軸の軸間距離を調整する、請求項１記載の制御装置。
前記刃具の径方向のずれに関する情報は、試し加工をしたときのワークの対向面の距離である、請求項１記載の制御装置。
ワークと工具を同時に回転させてワークの表面に多角形を形成するポリゴン加工を制御する制御システムであって、
前記ワークの角速度の指令を生成するワーク軸指令生成部と、
前記工具の角速度の指令を生成する工具軸指令生成部と、
前記工具に取り付けられた刃具の径方向のずれに関する情報を取得するずれ取得部と、
前記ずれ取得部が取得した刃具の径方向のずれに関する情報に基づき、工具軸又はワーク軸の何れか一方又は両方の移動を調整するパルスを生成する調整量生成部と、
前記ポリゴン加工における前記工具の空転時に、前記パルスを出力し、ワーク軸及び工具軸又は何れか一方を移動させる調整量指令部と、
を備えるポリゴン加工の制御システム。