JPH06328317A - 差速タップ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 工具の回転速度とワークの回転速度差による
ねじ切り加工の精度を向上させる。 【構成】 ワークを取付けた主軸のモータＭm からの位
置フィードバック量Ｐfmに工具主軸を同量だけ移動させ
れ移動指令に変換する定数γを乗じる。得られた値を工
具主軸（工具が取付けられた主軸）を駆動するサーボモ
ータＭs への移動指令とする。さらに、ワークと工具に
回転速度差を生じせしめ、ねじを切らせるための移動指
令を加算しサーボモータＭs を駆動する。さらに、位置
ループによる遅れを補償するために位置のフィードフォ
ワード制御３２を実行する。工具を軸方向に移動させる
Ｚ軸に対してもフィードフォワード制御３７し、Ｚ軸サ
ーボモータを駆動する。ワークの回転移動のフィードバ
ック量Ｐfmが工具主軸のサーボモータへの移動指令とな
っているから、遅れが少なく、重畳された差速分の移動
指令により精度の高いねじ切りができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２つの主軸の速度差に
よってねじ切り加工を行う加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】２つの主軸を有する旋盤等の工作機械に
おいて、ねじ切り加工等を行う場合、主軸で駆動される
ワークの回転を停止して、サーボモータで駆動される刃
物を回転させて加工を行う方法が、一般に採用されてい
る。また、主軸の加減速をなくし、加工を効率的に行う
ために、ワークを取付けた主軸を回転させたまま、該ワ
ークの主軸の回転速度と刃物を取付けた主軸の回転速度
に差を設け（刃物の回転速度＝ワークの回転速度±加工
のための回転速度）、この両者の回転数の差によってね
じ切りを行う方法（以下差速タップ加工方法という）も
採用されている。

【０００３】図４はこの従来から実施されている差速タ
ップ加工方法のブロック図である。図４において、１０
は工作機械を制御するＣＮＣ等の数値制御装置、３０は
該数値制御装置からの移動指令を受けて工具取付けた主
軸、及び送り軸等のサーボモータを制御するディジタル
サーボ（ソフトウエアサーボ）回路、Ｍs は工具を取付
けた主軸（以下工具主軸という）のサーボモータ、Ｍm
はワークを取付けた主軸のスピンドルモータ、Ｍz は工
具を軸方向に移動させるＺ軸のサーボモータである。ま
た、ＰＣs 、ＰＣm 、ＰＣz は各モータに取付けられ、
位置、速度を検出するパルスコーダである。また、ディ
ジタルサーボ回路３０内の３１，３６は、工具主軸のサ
ーボモータＭs の位置ループのポジションゲインＰg の
項、Ｚ軸のサーボモータＭz の位置ループのポジション
ゲインＰg の項であり、３３，３７はそれぞれ工具主軸
のサーボモータＭs 、Ｚ軸のサーボモータＭz の速度ル
ープ制御を行う速度補償器である。

【０００４】数値制御装置１０は、ＩＴＰ周期（パルス
分配周期）毎、例えば８ｍｓｅｃ毎ワークが取付けられ
たスピンドモータＭm のパルスコーダＰＣm からフィー
ドバックされる位置フィードバック量を取り込み、この
位置フィードバック量に基づいて、ワークの回転速度と
工具の回転速度が目標の速度差がでるように、工具主軸
のサーボモータＭs に移動指令をＩＴＰ周期（８ｍｓｅ
ｃ）毎出力する。さらに、これに同期して、Ｚ軸サーボ
モータＭz に対してもＩＴＰ周期毎に工具送り移動量を
出力する。

【０００５】工具主軸モータＭs への移動指令を受け
て、ディジタルサーボ回路３０では、位置・速度ループ
処理周期毎（ＩＴＰ周期を分割した周期で、例えば１ｍ
ｓｅｃ）、移動指令を位置・速度ループに均等に分割し
た移動指令として、該移動指令からサーボモータＭs の
パルスコーダＰＣs より出力される位置のフィードバッ
ク量Ｐfsを差し引いた値を積算し位置偏差を求め、該位
置偏差にポジションゲインＰg を乗じて速度指令を求め
る。すなわち、通常の位置ループ処理を行い速度指令を
求める。そして、この速度指令からパルスコーダＰＣs
から出力される速度フィードバック量Ｖfsを減じて速度
偏差を求め、通常の速度ループ処理を行いトルク指令を
求め、工具主軸サーボモータＭs を駆動する。この場
合、工具主軸の回転速度とワークが取付けられた主軸の
回転速度はねじ切り加工を行う分の速度差がある。

【０００６】また、工具をワークに対して軸方向に相対
的に移動させるＺ軸に対しても、上記工具主軸のサーボ
モータのサーボ制御と同じように、工具がワークに対し
て相対的に１回転する間にねじの１ピッチ分だけのＺ軸
への移動指令を基に、同様な位置ループ処理、速度ルー
プ処理を行いＺ軸サーボモータＭz を駆動し、工具をワ
ークに対して相対的に軸方向に移動させ、ワークにねじ
切りを行う。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】差速タップ加工方法で
は、ワークと工具ができるだけ同期して動き、その上に
ねじを切るための移動指令が工具軸に重畳されることが
望ましい。しかし、上述した従来の差速タップ加工方法
では、処理周期の問題から、遅れなくワークと工具が所
定速度差をもって回転させることが難しい。すなわち、
数値制御装置はＩＴＰ周期毎スピンドルモータからの位
置フィードバック量を読み取り、この位置フィードバッ
ク量を基に工具の移動指令を作成する。そのため、工具
の移動指令は、読み取った位置フィーバック量から２Ｉ
ＴＰ周期遅れた後に出力される。さらに、サーボモータ
を制御する位置・速度ループ制御の周期は上記ＩＴＰ周
期と比較し数倍の早さである（上記例では、ＩＴＰ周期
が８ｍｓｅｃで位置・速度ループ処理周期が１ｍｃｅｃ
であり、位置・速度ループは８倍の速さで処理され
る）。そのため、ワークの回転にある速度差をもって追
従すべき工具の回転が遅れることになり、精度の良いタ
ップが切れないことになる。そこで、本発明の目的は、
上記従来例の欠点を改善し、精度よくねじが切れる差速
タップ加工方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】ワーク若しくは工具を取
付けた少なくとも一方の主軸（工具を取付けた主軸）を
駆動するモータの制御系に位置ループを設け、両主軸の
移動量が一致するように他方の主軸からの位置フィード
バック量を一方の主軸を駆動するモータの移動量に変換
する定数を他方の主軸の位置フィードバック量に乗じた
値と、上記速度差分の位置ループ処理周期毎の移動量と
を加算して、上記一方の主軸の位置ループへの移動指令
とする。この移動指令により位置ループの制御を行い上
記一方の主軸のモータを駆動制御して、工具とワーク間
に所定の速度差をもたせてタップ加工を行う。

【０００９】さらに、上記位置ループの遅れを補償する
ために、上記移動指令に対して、位置のフィードフォワ
ード制御を行う。これにともない、工具軸方向に工具を
ワークに対して相対的に移動させる軸の位置の制御にも
位置のフィードフォワード制御を行う。

【００１０】

【作用】両主軸の回転移動量が一致するように、他の主
軸からの位置のフィードバック量を一方のモータの移動
量に変換するギア比等によって決まる定数を、他方の主
軸（ワークが取付けられた主軸）の位置フィードバック
量に乗じ、この乗じて得た値を一方の主軸のサーボモー
タの位置ループへの移動指令とすれば、一方の主軸（工
具主軸）は他方の主軸（ワーク主軸）と同一速度で同期
して回転することになる。そして、上記位置フィードバ
ック量によって構成された移動指令にタップ加工のため
の速度差をもたせるための移動量を位置ループ毎加算し
て位置ループへの移動指令とすれば、ワークに対し工具
は所定の速度差をもって回転し、ねじ切り加工が実行さ
れることになる。

【００１１】しかも、位置・速度ループ周期毎の移動指
令に上記位置フィードバック量が組み込まれるので、ワ
ークと工具間には遅れが少なく精度の高いねじ切りが行
われる。さらに、位置ループ処理を行うことから、この
位置ループ分の遅れを生じるが、これを補うために位置
のフィードフォワード制御を行い遅れを小さくする。ま
た、工具の回転に対し位置のフィードフォワード制御を
行うことから、工具回転に同期させて工具をワークに対
し相対的に軸方向に送る必要のある軸のサーボモータの
制御にも位置のフィードフォワード制御を実施する。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例の差速タップ加工方
法のブロック図である。図４に示す従来の方法と同一の
ものは同一記号を付している。そして、図４と比較して
相違する点は、ワークを取付けた主軸のスピンドルモー
タＭm のパルスコーダＰＣm から出力される位置のフィ
ードバック量は数値制御装置１０に帰還されず、ディジ
タルサーボ回路３０の位置ループに移動指令として帰還
されている点と、工具主軸のサーボモータ及び工具をワ
ークに対して軸方向に駆動するＺ軸のサーボモータの位
置ループに位置フィードフォワード制御が加算されてい
る点である。

【００１３】すなわち、図１において、項３２、３７は
位置のフィードフォワードの項で、工具主軸サーボモー
タＭs 、Ｚ軸サーボモータＭz への移動指令をそれぞれ
微分して、フィードフォワード係数αを乗じた値を速度
指令に加算するようにしている。また、符号３４はパル
スコーダＰＣm から出力される位置のフィードバック量
に乗じられる定数γの項で、この定数は、ワーク主軸の
移動量と工具主軸の移動量を同一にするために、ワーク
主軸のスピンドルモータからの位置のフィードバック量
からワーク主軸と工具主軸の移動量が同じになるように
工具主軸のサーボモータへの移動指令に変換するための
係数であり、スピンドルモータＭm 、とワーク主軸間の
伝動機構のギア比、工具主軸とサーボモータＭs 間の伝
動機構のギア比、さらにはパルスコーダＰＣm の分解能
等によって決まる定数である。また、３５は本発明の差
速タップ加工方法を実施するときにオンとなるスイッチ
を意味する。

【００１４】差速タップ加工指令が出されると、上記ス
イッチ３５がオンとなり、パルスコーダＰＣm からのス
ピンドルモータＭm の位置のフィードバック量に定数γ
を乗じられた値が、工具主軸のサーボモータＭs のサー
ボ回路の位置ループに移動指令として入力される。ま
た、数値制御装置１０は工具主軸のサーボモータのサー
ボ回路に対しては、ＩＴＰ周期間におけるワークに対す
る工具の相対的移動量を移動指令としてＩＴＰ周期毎に
出力すると共に、Ｚ軸に対してもこのＩＴＰ周期間にお
ける工具回転移動量に対する工具軸方向の送り量を移動
指令としてＩＴＰ周期毎に出力する。

【００１５】そこで、ディジタルサーボ回路のプロセッ
サは、ＩＴＰ周期毎の移動指令を各周期均等になるよう
に位置・速度ループ周期Ｔs 毎の移動指令に変換し（Ｎ
＝ＩＴＰ周期／Ｔs とすると、（ＩＴＰ周期毎の移動指
令／Ｎ）が位置・速度ループ周期毎の移動指令とな
る）、位置・速度ループ周期毎、該周期毎の移動指令に
スピンドルモータからの位置のフィードバック量に定数
γが乗じられた値を加算して移動指令とし、該移動指令
から、サーボモータＭs のパルスコーダＰＣs から出力
される位置フィードバック量Ｐfsを減じた値を積算して
位置偏差を求め、該位置偏差にポジションゲインＰg を
乗じて速度指令を求める。さらに、上記移動指令を微分
しフィードフォワード係数αを乗じフィードフォワード
量を求め、該フィードフォワード量を上記速度指令に加
算し、速度補償器３３への速度指令とする。

【００１６】速度補償器３３では入力された速度指令と
パルスコーダから出力されるサーボモータの速度フィー
ドバック量Ｖfsにより、従来と同様に速度ループ処理を
実行しトルク指令を求めサーボモータＭs を駆動する。
すなわち、数値制御装置１０から出力されるワークに対
する工具回転移動量に基づいて得られる位置・速度ルー
プ周期毎の移動量にワーク回転の移動量を加算した移動
量を移動指令として、従来と同様の位置ループ制御と位
置のフィードフォワード制御、さらに速度ループ制御を
実行してサーボモータを駆動制御する。

【００１７】一方、このサーボモータＭs の制御と同期
して、数値制御装置１０からＺ軸に対して出力される、
ワークに対し相対的に工具が１回転する間にねじの１ピ
ッチ分に相当する量の移動指令に基づいて、位置・速度
ループ周期毎のＺ軸の移動指令を求めこの移動指令によ
り、位置・速度ループ周期毎前述した位置ループ制御、
位置のフィードフォワード制御、速度ループ制御を実行
し、Ｚ軸のサーボモータを駆動する。

【００１８】その結果、工具の回転移動量はワークの回
転移動量に対して、数値制御装置１０が出力する移動指
令分だけの差をもった移動量となると共に、Ｚ軸方向に
工具は移動し、ねじ切り加工が行われることになる。図
２はこの差速タップ加工方法を実施する工作機械の制御
系のブロック図で、モータは工具主軸のサーボモータＭ
s のみを表示している。

【００１９】図２において、１０は工作機械を制御する
ＣＮＣ等の数値制御装置、２０は該数値制御装置からの
移動指令、制御信号をディジタルサーボ回路３０に転送
し、ディジタルサーボ回路３０からの信号を数値制御装
置１０に転送するための共有メモリである。ディジタル
サーボ回路３０はプロセッサＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成さ
れ、サーボモータのサーボ制御を実行する。４０はサー
ボアンプ、Ｍs はサーボモータでこの図では工具主軸の
サーボモータを表している。ＰＣs はこのサーボモータ
に取付けられたパルスコーダであり、位置、速度のフィ
ードバック量をディジタルサーボ回路に出力する。この
図２に示す制御系は、工作機械におけるディジタルサー
ボ回路を使用した制御系と同一であり、従来から公知の
ものであるので詳細は省略する。

【００２０】図３は、上記ディジタルサーボ回路３０の
プロセッサが工具主軸のサーボモータＭs を制御するた
めに位置・速度ループ処理周期毎に実施する処理のフロ
ーチャートである。まず、数値制御装置１０からＩＴＰ
周期毎出力される移動指令Ｍcmd を共有メモリ２０を介
して読み取って、該移動指令Ｍcmd が位置・速度ループ
処理周期毎に均等に分配されるようにの移動指令Ｐcmd
を求める（ステップＳ１）。次に、差速タップ加工指令
が出されたとき数値制御装置１０により、「１」にセッ
トされる共有メモリ２０上のフラグＦが「１」にセット
されているか否か判断し（ステップＳ２）、「１」にセ
ットされてなければ、工具主軸を駆動するサーボモータ
の位置のフィードバック量Ｐfsを取り込み（ステップＳ
５）、位置偏差Ｅr を記憶するレジスタに上記移動指令
Ｐcmd から位置フィードバック量Ｐfsを減じた値を加算
して位置偏差Ｅr を求め（ステップＳ６）、該位置偏差
Ｅr にポジションゲインＰg を乗じた値に、移動指令Ｐ
cmd をこの位置・速度ループの周期Ｔsで除し求めた移
動指令の微分値に、フィードフォワード係数αを乗じた
値を加算して速度指令Ｖc を求める（ステップＳ７）。

【００２１】そして、この速度指令Ｖc により従来と同
様の速度ループ処理を実行してトルク指令を求め（ステ
ップＳ８）、当該周期の処理を終了する。以下、各周期
毎、差速タップ加工指令が出されず、フラグＦが「１」
にセットされない限り、従来の位置ループ制御処理、位
置フィードフォワード制御処理、及び速度ループ制御処
理の通常のサーボ制御を行って工具主軸のサーボモータ
Ｍs を駆動する。

【００２２】一方、差速タップ加工指令が出され、フラ
グが「１」にセットされると、ディジタルサーボ回路３
０のプロセッサは、ステップＳ２で、フラグＦが「１」
であることを検出し、ワークが取付けられた主軸のスピ
ンドルモータＭm のパルスコーダＰＣm からの位置・速
度ループ処理周期間の位置フィードバック量Ｐfmを取り
込み（ステップＳ３）、該位置フィードバック量Ｐfmに
設定定数γを乗じた値をステップＳ１で求めた移動指令
に加算し位置ループ処理への移動指令Ｐcmd とする（ス
テップＳ４）。

【００２３】そして、前述したステップＳ５以下の処理
を実行する。その結果、工具主軸を駆動するサーボモー
タへの移動指令は、工具主軸が、ワーク主軸の回転移動
量（回転速度）に数値制御１０から指令された移動量に
対応する分の移動量が加算された回転移動量（回転速
度）となるような指令となり、その移動量（速度）に差
が生じることになる。

【００２４】また、フローチャートでは示していない
が、Ｚ軸に対しても、ワークに対する工具の回転移動量
に対応する工具軸方向送り量が移動指令として出力さ
れ、このＺ軸のサーボモータＭz に対しても、従来と同
様の位置ループ処理、位置のフィードフォワード制御処
理、速度ループ制御処理を実行してＺ軸サーボモータＭ
zを駆動するので、ワークに対して工具が１回転する間
Ｚ軸はねじ山の１ピッチだけ移動し、ワークにタップが
切られることになる。

【００２５】なお、上記実施例では、工具をサーボモー
タで駆動される主軸に取付けた例を説明したが、該サー
ボモータで駆動される主軸にはワークを取り付け、スピ
ンドルモータに工具を取付けてもよい。また、工具、ワ
ークを取付けるそれぞれのモータに対し共に位置ループ
制御を行うことができる場合には、一方のモータの位置
のフィードバック量を他方の位置ループへの移動指令に
加算し、上述した処理を実行すればよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明においては、２つの主軸に、工具
とワークを取り付け、他方の主軸からの位置フィードバ
ック量に変換定数を乗じて、両主軸の回転移動量（回転
速度）が一致するような移動指令を求め、該移動指令を
直接一方の主軸を駆動するサーボモータの位置ループへ
の移動指令とし、さらに、該移動指令に、ワークと工具
にねじを切るための速度差を出すための移動量を加算し
て一方の主軸を駆動したから、従来のように、数値制御
装置での処理周期による遅れがなく精度が高いねじ切り
を行うことができる。さらに、位置ループによる遅れを
補うために、位置のフィードフォワードを位置ループに
対して行ったので、ワークの回転と工具の回転の遅れは
小さくなり、精度が高いねじ切りを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の差速タップ加工方法の一実施例の制御
ブロック図である。

【図２】本発明の実施する工作機械の制御系のブロック
図である。

【図３】本発明の一実施例の工具主軸を駆動するサーボ
モータに対し、ディジタルサーボ回路のプロセッサが実
施する位置・速度ループ毎の処理のフローチャートであ
る。

【図４】従来の差速タップ加工方法の制御ブロック図で
ある。

【符号の説明】

１０ 数値制御装置 ３０ ディジタルサーボ回路 ３２，３７ 位置のフィードフォワードの項 Ｍs 工具主軸のサーボモータ Ｍm ワークを取付けた主軸のスピンドルモータ Ｍz 工具をワークに対して相対的に軸方向に移動させ
るＺ軸のサーボモータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークを取付けた主軸と工具を取付けた
   主軸の速度差によってねじ切り加工を行う差速タップ加
   工方法において、少なくとも一方の主軸を駆動するモー
   タの制御系に位置ループを設け、両主軸の移動量が一致
   するように他方の主軸からの位置フィードバック量を一
   方の主軸を駆動するモータの移動量に変換する定数を他
   方の主軸の位置フィードバック量に乗じた値と、上記速
   度差分の位置ループ処理周期毎の移動量とを加算して上
   記一方の主軸の上記位置ループへの移動指令とし、位置
   ループの制御を行い上記一方の主軸のモータを駆動制御
   する差速タップ加工方法。
2. 【請求項２】 上記移動指令に対して、位置のフィード
   フォワード制御を行うと共に、工具軸方向に工具をワー
   クに対して相対的に移動させる軸のサーボモータの位置
   の制御にも位置のフィードフォワード制御を行う請求項
   １記載の差速タップ加工方法。
3. 【請求項３】 上記一方の主軸は、工具を取付けた主軸
   である請求項１若しくは請求項２記載の差速タップ加工
   方法。