JPH0796165B2 - 数値制御工作機械の同期タッピング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マシニングセンタ等の工作機械において主軸
にタッパを取りつけ、このタッパの回転位相とＺ軸の送
りを同期制御することにより、タッピング加工を行う数
値制御工作機械の同期タッピング装置に関する。

［従来の技術］ マシニングセンタ等においてタッピング加工を行う場
合、主軸に取り付けられたタッパの回転位相とタッパの
送りを制御するＺ軸の位置を精度よく同期させることが
必要である。

そこで、主軸の回転位相とＺ軸の位置を指令信号で同期
させ、主軸制御装置及びＺ軸制御装置が前記各々の指令
に対して正確に主軸及びＺ軸を追従させることにより、
精度の良い同期制御を実現し、タッピング加工を行うと
いう制御方法が一般的に実現されている。

第７図にこのようなタッピングを行う従来のシステムの
ブロック図を示す。１は、主軸制御装置Ａ、Ｚ軸制御装
置Ｂに対して同期した位置指令CONθ、CONzを出力する
位置指令部で、前記装置A,Bは指令CONθ,CONzに従っ
て、主軸及びＺ軸を同期制御する。

この従来の同期タッピング制御方式では、主軸を駆動す
る主軸モータＭθ及びＺ軸を駆動するＺ軸モータMzの出
力トルクが有限であることから主軸の加速度並びにＺ軸
の加速度は、常に所定量以下になるように制御する必要
がある。したがって、主軸モータＭθならびにＺ軸モー
タMzの各々の制御装置に与えられる位置指令に対し、加
減速処理部2a,2bが所定の加減速時定数により加減速処
理を行うことによって、加速度を所望の値に抑えるとい
う制御方法が一般的である。さらに、主軸とＺ軸は、常
時同期させる必要があるため、同一の加減速時定数で制
御されなければならない。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のべた従来の同期タッピング制御方式によるタッピ
ング時の主軸モータ速度ならびにトルク指令値は第２図
（ａ），（ｂ）に示すタイミングチャートのような変化
を示す。

第２図において、（ａ）は呼び径M3乃至M10程度の比較
的小径のタッピング時の主軸回転数Ｎと主軸トルクTQ^＊
を示す波形であり、（ｂ）は、呼び径M30乃至M50程度の
比較的大径のタッピング時の主軸回転数Ｎと主軸トルク
TQ^＊を示す波形である。

第２図（ａ）のタイミングチャートに示すように、比較
的小径のタッピングでは、タッピング加工時の所要トル
クは、無視できる程極めて小さい。これに対し、第２図
（ｂ）に示すように比較的大径のタッピングでは、タッ
ピング加工時の所要トルクが同図に示す主軸モータが最
大に出力し得るトルクリミットレベル（TQL）に対し、
さほど余裕を確保できない領域まで増大することがあ
る。

なお、第２図（ｂ）において、主軸モータトルク指令値
が図示の如くタッピング加工開始時点t₁より徐々に増加
していくのは第３図に示すようにタッパの先端が細くな
っており、下穴に対する切込み量がＺ軸の移動に応じて
大きくなっていくからである。

さて、第２図（ｂ）に示したような、呼び径M30乃至M50
程度の比較的大径のタッピングを行う場合において、タ
ッピングの加工回数を重ねていくと、タッパが徐々に摩
耗してくるため、第４図に示すように、加工所要トルク
が徐々に大きくなる。そして、このまま、続けてタッピ
ング加工回数を重ねていくと、主軸モータトルク指令値
は、遂には主軸モータが最大に出力し得るトルクリミッ
トレベル（TQL）にまで達するようになる。

また、前記のようなタッパ摩耗による過負荷の他にタッ
ピング下穴加工の径が小さすぎるなど不適切な場合に
も、トルクリミットレベル（TQL）に達するような過負
荷状態になることがある。

さて、このような過負荷状態になった時、従来の同期タ
ッピング制御方式では、制御装置内のパラメータがダイ
ナミックレンジを超え、主軸を指令回転位相に従って正
確に追従させる位置制御が不能となるため、指令回転位
相と実際の回転位相の差、すなわち追従誤差（DIF）が
急激に増大し、DIF値を監視することによって追従異常
状態を検知する主軸制御装置内のアラーム回路が動作し
て、即時主軸モータの停止処理を実行する。

これと同時に、前記アラーム回路が動作したことが主軸
制御装置並びにＺ軸制御装置に位置指令を発する位置指
令部に伝達され、これを受けた位置指令部はＺ軸制御装
置に対しても停止処理を実行し、Ｚ軸を速やかに停止さ
せる。

以上述べた停止処理は、アラーム発生時の緊急停止処理
のため一般に主軸並びにＺ軸が各々別個に最短時間で停
止するようになっている。したがって、主軸とＺ軸の同
期性が著しく崩れることになる。この結果、タッパが破
損したり、タッパを保持するミーリングチャックやワー
クの固定材まで損傷させることがある。

本発明は、上記課題に鑑み為されたものであり、本発明
の目的は、前記課題を解決し、工具や治具を損傷させる
ことのない安全な大径ねじの同期タッピング装置を実現
するものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明にかかる数値制御工
作機械の同期タッピング装置は、主軸モータのフィード
バック制御の指令値であるトルク指令値を算出するトル
ク指令値算出手段と、主軸回転数を検出する回転数検出
器と、前記トルク指令値とトルク指令値の加速側上限値
である予め設定された過負荷監視トルクレベルとを比較
して主軸モータが過負荷状態となったことを検出する過
負荷検出部と、前記過負荷検出部にて過負荷状態が検出
されると、この時点での前記主軸回転数と、予め測定さ
れた主軸モータおよび主軸のイナーシャ値と、主軸減速
方向のトルク指令値の予め設定された制御上限値に基づ
き、トルク指令値が前記制御上限値を超えない範囲で減
速トルクを発生させた場合に、主軸停止までに要する時
間である減速時定数を算出する時定数算出部と、前記減
速時定数に基づき主軸を減速し、停止させる主軸制御装
置と、前記減速時定数に基づきＺ軸を減速し、停止させ
るＺ軸制御装置とを備えている。

さらに、前記時定数算出部は、前記減速時定数をｔde
c、前記主軸回転数をＮ、前記主軸モータおよび主軸の
イナーシャ値をＪMおよびＪL、前記制御上限値をTQOLと
したときに数式 ｔdec＝Ｎ（ＪM＋ＪL）／（２×TQOL） に基づき減速時定数を算出するものとすることもでき
る。

［作用］ 従って、本発明によれば、タッパの摩耗や不適正な加工
条件等により主軸モータのトルクリミットレベルを超過
する様な過負荷タッピング加工を行った時、トルクリミ
ットレベルを超過して主軸の回転位相制御が不能となる
前に、過負荷状態を検出し、主軸とＺ軸の同期制御が可
能な状態で安全停止させることがでる。

また、本発明によれば、前記停止制御が行われた後に、
主軸及びＺ軸をタッピングモード開始点まで復帰させて
次のタッピング動作を迅速に行うことを可能とする。

［実施例］ 以下、本実施例の好適な実施例を図面に従って説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。

１は位置指令部であり、主軸制御装置Ａ、Ｚ軸制御装置
Ｂに対し同期した位置指令CONθ,CONzを指令する。主軸
制御装置ＡとＺ軸制御装置Ｂではそれぞれの位置指令を
加減速処理部2a,2bにより加減速処理するが、主軸とＺ
軸の同期性を保つために加減速定数は同一としている。

加減速処理された主軸,Z軸の位置指令は、減算器14a,14
bに入力され、主軸の回転位相検出器15からの位相検出
信号、Ｚ軸の位置検出器11からの位置検出信号を前記位
置指令からそれぞれ減算し、位置のフイードバック制御
が行われる。

また、第１図中、８は主軸モータ、９はエンコーダ、15
は主軸回転位相検出器、10はＺ軸モータ、11はＺ軸位置
検出器である。

主軸制御装置Ａにおいて、主軸位置指令は微分器3aにて
速度指令に変換され、また位置指令と主軸回転位相との
位置誤差信号は減算器14aから誤差増幅器4aを介して出
力され、さらに速度検出器6aによるエンコーダ９から得
られた速度信号がそれぞれ演算され、速度アンプ5aによ
ってトルク指令値TQ^＊として算出され、さらにパワーア
ンプ7aに供給される。このパワーアンプ7aは主軸モータ
８に所望の駆動電流を供給する。

同様に、Ｚ軸制御装置Ｂにも前記主軸制御装置Ａと同様
に、微分器3b、誤差増幅器4b、速度検出器6b、速度アン
プ5b、パワーアンプ7bが設けられており、従来と同様の
速度及び位置制御がそれぞれの主軸モータ８及びＺ軸モ
ータ10に対して行われている。

本発明において特徴的なことは、主軸モータ８の過負荷
状態を事前に検出して所定の減速時定数で主軸及びＺ軸
を停止制御することにあり、以下に本実施例における特
徴的な構成を説明する。

12は主軸モータの過負荷検出部であり、ここに主軸制御
装置Ａから主軸モータトルク指令TQ^＊が入力され、過負
荷検出部12内に設定された過負荷監視トルクレベルTQOL
と比較することにより過負荷監視を行う。すなわち、ト
ルク指令値TQ^＊は、エンコーダ９および主軸回転位相検
出器15がフィードバックされている数値であり、もし切
削抵抗が増加していればこのトルク指令値TQ^＊が抵抗の
増加に応じて増加する。よって、このトルク指令値TQ^＊
を監視することによって主軸の負荷状況を把握し、過負
荷状態の監視を行うことができる。

トルク指令TQ^＊がレベルTQOLを超過すると、過負荷検出
部12から位置指令部１に対して過負荷信号OLが出力さ
れ、位置指令部１は主軸制御装置Ａ及びＺ軸制御装置Ｂ
に対する位置指令の発生を停止する。このレベルTQOLは
主軸モータが最大に出力し得るトルクリミットレベルTQ
Lに対して安全率を見込んでやや低め（本実施例にいて
は85〜90％）のレベルに設定される過負荷監視トルクレ
ベルである。

さらに、この時、時定数演算部13は、以下に示す手段で
決定した時定数ｔdecを2a,2bに設定し、この時定数を用
いて主軸及びＺ軸の同期性を保ちながら停止させる。

今、求めるべき時定数をｔdec、減速開始時点の主軸回
転数をＮ、主軸のモータのイナーシャ値をＪM、主軸の
イナーシャ値をＪLとする。主軸モータのイナーシャ値
ＪMは主にモータのロータの慣性モーメントであり、予
め測定されている。また主軸のイナーシャ値ＪLは工具
を含めた主軸の回転部材の慣性モーメントであり、これ
についても予め予測されている。

tad＝Ｎ（ＪM＋ＪL）/TQOL ・・・（１） 一方、タップ穴底等のようにタッピング加工しながら減
速停止するときに必要とする主軸減速トルクTbは、
（２）式のようになる。ここに、Ttapは、タッピング加
工に必要なトルク、すなわち切削負荷トルクである。

Td＝Ｎ（ＪM＋ＪL）/tad−Ttap ・・・（２） 過負荷が検知されたとき最短でかつ位置制御が維持され
たまま減速停止させるためには主軸減速トルクTdを制御
可能な上限値とする必要がある。本実施例の装置は加速
側と減速側のトルクリミットレベルTQLの絶対値は等し
い。したがって加速側と同様の安全率を見込んだレベル
TQOLを制御上限値とする。したがって（２）式において
主軸減速トルクTdをTQOLとすることによって上記の条
件、すなわち最短の時間で停止させることができる。ま
た、過負荷が検知されたということはそのときの切削抵
抗がほぼレベルTQOLに達したことを意味するから（２）
式において加工トルクTtapをTQOLとおいて（３）式を得
る。（２）式の右辺第２項、つまりタッピング加工トル
クがTQOLに達していることを考慮し、以下の（３）式の
満たす時定数ｔdecに設定されていればよい。

TQOL＝Ｎ（ＴM＋ＪL）/tdec−TQOL ・・・（３） さらに（３）式を変形し、下記（４）式によりｔdecを
得る。

ｔdec＝Ｎ（ＪM＋ＪL）／（２×TQOL） ・・・（４） 以上述べたような手段により求められた時定数を用いて
過負荷時に主軸及びＺ軸の停止処理を行うと主軸モータ
の速度及びトルク波形は第５図に示すようになる。

なお、以上の停止処理後、タッパが加工穴の中に挿入し
たままで放置するのは好ましくないので、位置指令部１
はワーク上面より数ミリ上に位置するタッピング開始点
まで主軸及びＺ軸を反転させながら戻すべく復帰指令を
発生する。

この時、加減速処理部2a,2bの時定数は、過負荷停止時
に設定された（１）式による時定数から通常時に用いら
れる時定数に戻し、これにより前記反転動作が行われ
る。

以上述べたタッピング過負荷時の一連の処理を第６図の
フローチャートに示す。

タッピング動作が開始されるとステップ101において、
過負荷検出部12は常時主軸モータトルク指令TQ^＊を過負
荷監視トルクレベルTQOLと比較し、この監視レベルを越
えたときにステップ102により減速時定数ｔdecを算出す
る。

この減速時定数ｔdecはただちに主軸及びＺ軸の加減速
処理部2a,2bに設定される。

次にステップ103において、前記過負荷検出部12は位置
指令部１に対して主軸及びＺ軸への位置指令停止を指示
し、この結果、主軸制御装置Ａ及びＺ軸制御装置Ｂは前
記時定数演算部13によって設定された減速時定数に同期
状態で減速停止作用を行う。

装置が停止すると、ステップ104において、加減速処理
部2a,2bの時定数を前記減速時定数から通常の時定数に
戻し、ステップ105において、主軸及びＺ軸を反転しタ
ッピング開始点まで復帰動作を行う。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、タッパの摩擦や加工
条件の不適正等により過負荷となったとき、最短でかつ
精度のよい位置制御が維持されたまま減速停止させるこ
とが可能な減速時定数を算出して主軸位置指令およびＺ
軸位置指令を減速処理して停止させるので、工具、治
具、または機械を損傷させることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図、 第２図は、同期タッピング中の主軸モータ速度及びトル
ク指令値の変化を示すタイムチャートで、（ａ）は呼び
径M3乃至M10程度の小径の加工を行う場合のタイムチャ
ート、（ｂ）は呼び径M30乃至M50程度の大径の加工を行
う場合のタイムチャート、 第３図は、タッパの形状を示す断面図、 第４図は、タッピング加工回数の増加と共に主軸モータ
のトルク指令値が増加していくことを示す図、 第５図は、本発明により負荷過なるタッピングを行った
時の主軸モータ速度、トルク指令値の変化を示すタイム
チャート、 第６図は、本発明の動作の流れを示すフローチャート、 第７図は、従来のシステムのブロック図である。 １……位置指令部 2a,2b……加減速処理部 14a,14b……減算器、 5a,5b……速度アンプ ８……主軸モータ ９……エンコーダ 10……Ｚ軸モータ 11……Ｚ軸位置検出器 12……過負荷検出部 13……時定数算出部 ｔdec……減速時定数

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主軸の回転位相とＺ軸の進み距離を同期さ
   せてタッピングを行う数値制御工作機械の同期タッピン
   グ装置において、 主軸モータのフィードバック制御の指令値であるトルク
   指令値を算出するトルク指令値算出手段と、 主軸回転数を検出する回転数検出器と、 前記トルク指令値とトルク指令値の加速側上限値である
   予め設定された過負荷監視トルクレベルとを比較して主
   軸モータが過負荷状態となったことを検出する過負荷検
   出部と、 前記過負荷検出部にて過負荷状態が検出されると、この
   時点での前記主軸回転数と、予め測定された主軸モータ
   および主軸のイナーシャ値と、主軸減速方向のトルク指
   令値の予め設定された制御上限値に基づき、トルク指令
   値が前記制御上限値を超えない範囲で減速トルクを発生
   させた場合に、主軸停止までに要する時間である減速時
   定数を算出する時定数算出部と、 前記減速時定数に基づき主軸を減速し、停止させる主軸
   制御装置と、 前記減速時定数に基づきＺ軸を減速し、停止させるＺ軸
   制御装置と、 を備えたことを特徴とする数値制御工作機械の同期タッ
   ピング装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲（１）に記載の数値制御工
   作機械の同期タッピング装置において、 前記時定数算出部は、前記減速時定数をｔdec、前記主
   軸回転数をＮ、前記主軸モータおよび主軸のイナーシャ
   値をＪMおよびＪL、前記制御上限値をTQOLとしたときに
   数式 Ｔdec＝Ｎ（ＪM＋ＪL）／（２×TQOL） に基づき減速時定数を算出することを特徴とする数値制
   御工作機械の同期タッピング装置。