JPS63200944A - 切削加工機械における送り速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は切削加工機械における送り速度の制御装置、
特に荒切削、仕上げ切削の両方を含む場合の送り速度制
御の改善に関する。

［従来の技術］ プレス金型などを対象とした切削加工機械においては、
切削から刃具交換、段取りなどへのＮＣ化の拡大によっ
て、長時間連続無人運転が行なわれるようになっている
。そして、このような連続無人運転による切削加工の効
率化のためには、−型当たりの加工に必要な時間を短縮
する必要がある。この効率化の手法として、次のような
ことが行なわれている。

■刃具が実際に被切削材料の切削を行っている時間（実
切削時）と、実際には切削を行っていない時間（空切削
時）の別を検出し、空切削時には送り速度を速くし、加
工時間を短縮する ■切削加工機械において刃具を回転させる主軸モータの
電流値を検出し、この電流値の変化によって被切削材の
送り速度を制御し、加工時間を短縮する なお、実切削、空切削の判定をＡＥセンサを用いて行う
ことは、例えば特開昭６１−１５９３５４号公報、特開
昭５７−１７３４６２などに提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ このような従来の技術では次のような問題点があった。

■主軸電流センサを利用する方法では、主軸モータの回
転慣性が大きいことから微小な負荷の識別かできない。

このため、荒切削、仕上げ切削の混在するプレス金型な
どの切削加工においては、空切削、実切削の識別及び仕
上げ切削時の負荷変動の識別が大変困難である。

■ＡＥセンサは一般にその周波数特性がフラットでない
帯域で使用されており、またその特性が十分には明らか
にされていないため、負荷変動の識別には使用されず、
空切削と実切削の識別などのオン・オフ信号としてのみ
利用されていた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たものであって、荒切削、実切削の混在する切削加工機
械の長時間連続無人運転における加工時間を大幅に短縮
できる切削加工機械における送り速度制御装置を提供す
ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明の切削加工機械における送り速度制御装置は、
被切削材を刃具によって荒切削及び仕上げ切削する金型
切削加工機械において、被切削材と刃具を相対的に移動
させる送り装置と、上記刃具を回転させる主軸モータの
電流を検出する主軸電流センサと、上記切削加工機械に
取付けられたＡＥセンサと、このＡＥセンサによって得
られた検出値から所定の周波数帯域のＡＥセンサ出力値
を取出すバンドパスフィルタと、このＡＥセンサ出力値
と主軸電流センサからの主軸電流値の両方が人力され空
切削と実切削の識別にはＡＥセンサ出力値を用い実切削
時における荒切削時の送り速度制御には主軸電流値を用
い実切削時における仕」ニげ切削時にはＡＥセンサ出力
値を用いて上記送り装置を制御する送り速度コントロー
ラとををすることを特徴とする。

［作用］ このような切削加工機械における送り速度制御装置は、
次のように動作する。

被切削材と刃具は、送り装置によって相対的に移動され
る。そして、この移動を行いながら回転する刃具によっ
て被切削材の切削を行う。この時、刃具を回転させる主
軸モータの電流値は主軸電流センサによって検出され、
切削加工時に発生されるＡＥはＡＥセンサによって検出
される。そして、ＡＥセンサの検出値は、バンドパスフ
ィルタによって所定の周波数帯域のＡＥセンサ出力値に
変換される。主軸電流センサで得られた主軸電流値及び
上記ＡＥセンサ出力値は、送り速度コントローラに入力
される。送り速度コントローラは、ＡＥセンサ出力値を
用いて荒切削と実切削の識別を行う。また、荒切削時の
実切削時には主軸電流値を用い、仕上げ切削時の実切削
時にはＡＥセンサ出力値を用いて送り速度を制御する。

［実施例］ 次に、この発明の一実施例について図面に基づいて説明
する。

第１図は、この発明に係る切削加工機械における送り速
度制御装置を存するシステムの全体構成を示したもので
ある。被切削材１０は、テーブル１２上に載置固定され
ている。刃具１４は、機枠（図示せず）などに固定され
た主軸頭１６を介し主軸モータ１８の出力軸に接続され
ている。送りモータ２０はテーブル１２を１軸（図中Ｘ
軸２前後）方向に、主軸頭１６を２軸（図中Ｙ、Ｚ軸、
左右上下）方向に移動させるものである。そして、テー
ブル１２にはＡＥセンサ２２、主軸モータ１８には主軸
電流センサ２４が取付けられている。

ＡＥプロセッサ２６は、ＡＥセンサ２２で得られた交流
波形のＡＥ検出信号ａを信号処理し、直流波形のＡＥセ
ンサ出力値すに変換するものである。

送り速度コントローラ２８は、ＡＥプロセッサ２６から
のＡＥセンサ出力値ｂ１主軸電流センサ２４からの主軸
電流値Ｃ及びマシンコントローラ３０からの刃具情報な
どが入力され、送り速度係数ｋを出力するものである。

マシンコントローラ３０は、ＮＣコントローラ３２から
の刃具情報などが入力され、これを自動刃具交換装置（
ＡＴＣ）へ出力する。また、マシンコントローラ３０は
、送り速度コントローラ２８からの送り速度係数にのＮ
Ｃコントローラ３２への伝達も行う。ＮＣコントローラ
３２は軌跡情報、送り指令値、刃具情報などを含むＮＣ
プログラムが入力され、これをマシンコントローラ３０
、送りモータサーボユニット３４へ供給するものである
。また、ＮＣコントローラ３２は、マシンコントローラ
３０から入力された送り速度係数ｋをＮＣプログラム中
の送り指令値に乗算して得た速度指示値Ｖを送りモータ
サーボユニット３４に供給する。送りモータサーボユニ
ット３４は、この速度指示値■に基づいて、送りモータ
２０の速度を制御する。

このような切削加ニジステムでは、ＮＣプログラムがＮ
Ｃコントローラ３２に供給されると、これに基づいて所
定の切削加工が行なわれるが、送りモータ２０によるテ
ーブル１２の送り速度は、ＡＥセンサ出力値ｂ１主軸電
流値Ｃによって変更される。

ここで、まずＡＥセンサ２２によるＡＥ検出信号ａにつ
いて説明する。ＡＥセンサ２２で検出するＡＥとは、ア
コースティックやエミッション（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　　
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の略で、「固体の変型及び破壊にと
もなって開放されるエネルギーが音響パルスとなり、伝
播する現象」である。ここで、被切削材が刃具によって
切削される時のＡＥ発生の原因としては、被切削材亀裂
、せん断面における被切削材の塑成変型、被切削材と刃
具との摩擦、切屑の破断、切屑と被切削材や刃具との衝
突、刃具と被切削材の衝突により発生する弾性波、刃具
と被切削材間のびびり等が考えられる。そして、このよ
うな原因で発生するＡＥがＡＥセンサ２２で検出される
。このＡＥセンサ２２で得られたＡＥ検出信号ａは、そ
の振動に応じて上下を繰返し、振幅が振動の大きさを表
わすものである。第２図ＡＳＢにこのＡＥ検出信号ａの
周波数解析の結果の一例を示す。ここで、第２図Ａは実
切削時、第２図Ｂは空切削時のものである。このように
実切削時のＡＥ検出信号ａには５０〜８０ｋＨｚの周波
数帯域にピークがあり、空切削時には５０ｋＨｚ以下の
周波数帯域にピークがある。これより、切削によって発
生するＡＥは、周波数が５０〜８０ｋＨｚの帯域にある
ことが分る。また、空切削時のピークはテーブルの送り
などによって生じるものである。また、ＡＥセンサ２２
で得られたＡＥ検出信号ａは、刃具が被切削材に衝突す
る頻度に応じ振幅の極大を断続的に繰返す交流波形の信
号となる。例えば、２枚刃の刃具を１１０００ｒｐで回
転させる場合ならば、１分間２０００回の極大値を有す
る交流波形になる。

このようなＡＥセンサ２２で得られたＡＥ検出信号ａは
、ＡＥブａセッサ２６に入力され、第３図に示されるよ
うな処理が行なわれる。つまり、ＡＥ検出信号ａは、増
幅比が２０〜４０ｄＢ程度の間で数段階切換え可能なプ
リアンプ（Ａ　Ｍ　Ｐ　）によって増幅される。そして
、ロウバスフィルタ（Ｌ　Ｐ　Ｆ）で８０　ｋＨ２以上
の信号がカットされ、バイパスフィルタ（ＨＰＦ）で５
０ｋＨｚ以下の信号がカットされ、５０に〜８０ｋＩ（
ｚの信号のみが取出される。そして、この特定周波数の
（；号は中間アンプ（ＡＭＰ）でもう一度増幅された後
、両波検波（検波）される。この検波された信号はピー
クホールド回路（ピークホールド）に入力され、ここで
極大値が順次ホールドされる。以上の処理値は平滑回路
（平滑）で平滑化処理された後、直流波形のＡＥセンサ
出力値すとして、送り速度コントローラ２８に入力され
る。

また、主軸電流センサ２４は、主軸モータ１８の電流値
を主軸電流値Ｃとして送り速度コントロ−ラ２８に供給
する。第４図に平板状の被切削材１０を切削した場合の
ＡＥプロセッサ２６の出力値であるＡＥセンサ出力値す
及び主軸電流センサ２４の出力値である主軸電流値Ｃの
一例を示す。

第４図Ａから明らかなようにＡＥセンサ出力値すは、刃
具が被切削材に接触し始めた時及び刃具が被切削材から
離れる時に大きくなる。つまり、この信号は切削開始時
と終了時に極大となる。このため、空切削と実切削の変
化に対する応答が非常に良く、この識別に非常に適して
いることが分る。

また、第４図Ｂから主軸電流は、空切削、実切削に変更
に対しての応答は非常に悪く、この識別に適していない
ことが分る。

また、第４図Ａに示すように平板状の被切削材の場合は
、ＡＥセンサ出力値すは実切削時においてその負荷の大
きさに対応している。そこで、切削負荷とＡＥセンサ出
力値すの関係を第５図に示す。これは平板状の被切削材
を直径１０ｍｍのボールエンドミルで切削したものであ
る。このように送り速度が２００〜１０００＋ｍ／ｓｉ
ｎの例を示すと、切込み量が大きい程ＡＥセンサ出力値
すも大きくなる。また、切込み量が０．５〜２．０ｍｍ
の例を示すと送り速度が大きくなるにつれてＡＥセンサ
出力値すも大きくなる。これより、ＡＥセンサ出力値す
は切込み量及び送り速度に対し、正の相関があることが
分る。これは、切込み量、送り速度の増加にともないＡ
Ｅの発生規模が増加するためと考えられ、適当な信号処
理を行えばＡＥセンサ出力値すを送り速度制御に利用で
きること分る。このような特性は、周波数解析によって
被切削材の材質に応じたＡＥの周波数を調査し、これに
よって取出す周波数帯域を決定することによって得られ
る。この例における５０に〜８０ｋＨｚという周波数帯
域は被切削材が鋳鉄製の場合の一般的値であり、例えば
鉄鋼材の場合数ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲が選ばれる。

このＡＥプロセッサ２６におけるロウパスフィルタ及び
バイパスフィルタで構成されたバンドパスフィルタの上
下限周波数についてもＮＣプログラムに含ませておき、
被切削材の材質に応じて自動的に設定されるようにしで
もよい。送り速度コントローラ２８には、このようにし
て得られたＡＥセンサ出力値す及び主軸電流値Ｃが入力
される他、マシンコントローラ３０から刃具の類別情報
が入力される。そして、送り速度コントローラ２８は、
この刃具情報によって、ＡＥセンサ出力値すあるいは主
軸電流値Ｃと比較する設定値を呼出す。ここで、設定値
は刃具の種類によってあらかじめセットされている上限
値、下限値、空切削判定値などからなり、送り速度コン
トローラ２８に内蔵されているメモリ、例えばバブルメ
モリなどの不揮発性メモリに記憶されており、随時呼出
される。なお、刃具の種類によって、現在の切削が荒切
削であるか、仕上げ切削であるかの判定を行えるが、こ
の種別を独立の情報としてもよい。更に、ＡＥセンサ出
力値す又は主軸電流値Ｃの大きさを常時監視しておき、
適正な大きさの値が得られた方の値を自動的に採用する
ようにしてもよい。

切削加工は、通常空切削から始まる。このため、送り速
度コントローラ２８は最初の状態として、ＡＥセンサ出
力値すを所定のノイズレベル以、にの所定の空切削判定
値と比較する。最初は空切削であるので、ＡＥセンサ出
力値すは空切削判定値より小さく、空切削であることが
識別される。そして、空切削時に対応する送り速度係数
ｋが呼出される。空切削の場合の送り速度係数には例え
ば２゜０という１．０以上の値が採用される（最高速度
係数）。この送り速度係数にはマシンコントローラ３０
を経て、ＮＣコントローラ３２に入力され、ここでＮＣ
プログラムに含まれている送り指令値に乗算され、送り
速度指示値Ｖとされる。つまり、送り指令値の２倍の値
が送り速度指示値Ｖとして送りモータサーボユニット３
４に供給され、送りモータ２０がテーブル１２を送り指
令値の２倍の速度で送る。次に、ＡＥセンサ出力値すが
所定の空切削判定値を上回り、実切削が開始されたこと
を検知した時は、この送りコントローラ２８で行う比較
の対象が変更される。つまり、その時の切削が荒切削で
ある場合には、主軸電流値Ｃによって、その時の切削負
荷を検知し、送り速度が適当な速度になるような信号を
出力する。つまり、主軸電流値Ｃが所定の上限値より大
きい場合は、切削負荷が高いのであるから、主軸電流値
Ｃが上限値よりも小さくなるまで送り速度係数ｋを徐々
に小さな値にしていく。また、主軸電流値Ｃが下限値よ
り小さい場合は、切削負荷が小さいのであるから、主軸
電流値Ｃが下限値よりも大きくなるまで送り速度係数ｋ
を徐々に大きな値にしていく。

このようにして、荒切削の実切削時には主軸電流値Ｃを
利用して、送り速度が制御され、常に最適の負荷で切削
が行なわれる。なお、送り速度係数には通常０，５〜２
．０の範囲で変更を行い、それ以」二の変更は行なわな
いようになっている。

これは、大幅な変更が切削加工の他の要素（刃具のｊｆ
耗・欠損、切削面精度・ｍ度）に、悪影響を及ぼさない
ようにとの配慮からである。例えば送り速度が余り速い
と負荷が急激に高くなった時、制御遅れによって刃具の
損傷が起きる場合がある。

このような場合、最高速度を刃具の強度、制御遅れ時間
に対応して設定しておけば、刃具の損傷を防止できる。

次に、ＡＥセンサ出力値すが所定の空切削判定値を下回
った時は、空切削に移行（、たことが識別され、送り速
度コントローラ２８からは空切削時の送り速度係数にで
ある２、０（最高速度係数）が出力され、送り速度がこ
れに対応する高速とされる。

また仕」二げ切削ときには、実切削時の切削負荷の検出
にもＡＥセンサ出力値すが利用される。つまり、仕上げ
切削時は、切込み二が微小であり、切削負荷が比較的小
さい。このため、主軸電流は切削負荷に十分応答せず、
これを切削負荷の検出手段として利用することができな
い。そして、ＡＥセンサ出力値すは仕上げ切削時のよう
な負荷の小さいときには、上記第４図及び第５図に示し
たように、切削負荷に対し良い応答を示すからである。

この制御の方法は、主軸電流の場合と同様である。つま
り、あらかじめ記憶されている仕」二げ切削時における
上限値及び下限値とＡＥセンサ出力値すを比較し、上限
値を越えた場合には送り速度係数ｋを上げ、下限値を下
回った場合には送り速度係数ｋを下げる。

次に、第６図に基づいて特定形状の被切削材を用いて実
際に切削加工を行った場合の動作を説明する。第６図Ａ
に、この加工に使用した被切削材１０の形状が示されて
いる。このように、３段の階段状の形状をしており、段
差はそれぞれ０．４ｍｍである。刃具は直径１０ｍｍの
ボールエンドミルで、第１段に対する切込みｆｆ１０．
４ｍｍ、送り速度指令値２００ｍｍ／ｍｉｎで図面の左
方向から右方向に水平に相対的に移動する。このため、
切込み量は０．４．０．８．１．２．０，８．０゜４ｍ
ｍの順で変化する。空切削時にはＡＥセンサ出力値すは
空切削、実切削の識別をする空切削判定値より十分低く
、空切削であることが識別される。このため、送り速度
係数にはその最高値２゜０に設定され、送り速度指示値
Ｖは送り速度指令値の２倍の速度に設定される。次に、
ＡＥセンサ出力値すから実切削に入ったことが識別され
ると送り速度係数には一旦１．０に設定され、ＮＣプロ
グラムに折込まれた送り速度指令値で切削が行われるよ
うにする。その後、ＡＥセンサ出力値すが下限値を下回
っている場合、送り速度係数には上昇し、この例では１
段目の切削においては実切削時の最高値である１、５ま
で上昇される。そし。

て、この速度で２段目の切削に入る。すると負荷が上が
るため、ＡＥセンサ出力値すは」二限値を越え、送り速
度計数は０．９程度まで減少される。

そして、ＡＥセンサ出力値すは設定値の上限値と下限値
の間になる。次に、刃具が３段目に入ると、ＡＥセンサ
出力値すは再文上限値を越えるため、送り速度係数には
減少される。そして、最低値である０、５に設定される
。刃具がさらに移動し負荷が徐々に上昇した場合にも、
送り速度制御が負荷に追従して同様に行なわれる。

また、送り速度コントローラによって実切削であること
が識別されている場合、この実切削時間をタイマ（図示
せず）でカウントするようになっている。そして、この
時間は刃具ごとに積算される。刃具ごとの耐用時間は分
かっているため、この実切削時間がこの耐用時間に達し
た場合には、マシンコントローラ３０よりＡＴＣ（Ａｕ
　ｔ　ｏｍａｔｉｃ　　Ｔｏｏｌ　　Ｃｈａｎｇｅｒ）
に指令が発せられ、刃具の交換が自動的に行なわれる。

この実施例の装置によれば、次のような効果が得られる
。

■空切削、実切削の識別を行い、空切削時には送り速度
が最高速度に設定されるので、空切削時送り時間の短縮
ができる。

■実切削時においては、刃具情報によって荒切削と仕上
げ切削との識別が行なわれる。そして、荒切削時には主
軸電流値の大小によって送り速度が制御され、ＡＥセン
サ出力値によって送り速度が制御される。このため、荒
切削、仕上げ切削の混在するプレス金型などの切削にお
いても常に的確な送り速度制御が行える。

■ＡＥセンサの検出値をバンドパスフィルタによって、
特定周波数帯域のものとするので、切削負荷に応じた信
号を安定して取出すことができる。

■このバンドパスフィルタによって取出す周波数帯域は
、被切削材の種類によって変更するようにしたので、常
に最適な切削が行える。

［発明の効果］ 以上のように、この発明の切削加工機械における送り速
度制御装置によれば、荒切削、仕上げ切削の混在するプ
レス金型に切削加工においても実切削に刃具の負荷に応
じた最適な送り速度にでき、空切削時には所定の高速度
にできるので、切削加工機械の長時間連続無人運転が効
率的に行えるという効果か得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る切削加工機械の送り速度制御
装置の一例のシステムの概要を示す全体構成図、 第２図はＡＥセンサ出力値の周波数特性を示す波形図、 第３図はＡＥプロセッサの内容を示す構成図、第４図は
被切削材切削時におけるＡＥセンサ出力値及び主軸電流
値の一例を示す波形図、第５図は切り込み二及び送り速
度に対するＡＥセンサの出力値を示した特性図、 第６図は切削加工時の被切削材の形状、ＡＥセンサ出力
値及び送り速度を示した説明図である。 １０　・・・　被切削材、 １２　・・・　テーブル、 １４　・・・　刃具、 １８　・・・　主軸モータ、 ２０　・・・　送りモータ、 ２２　・・・　ＡＥセンサ、 ２４　・・・　主軸電流センサ、 ２６　・・・　ＡＥプロセッサ、 ２８　・・・　送り速度コントローラ、３０　・・・　
マシンコントローラ、 ３２　・・・　ＮＣコントローラ、 ３４　・・・　送りモータサーボユニット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被切削材を刃具によって荒切削及び仕上げ切削する切削
   加工機械において、 被切削材と刃具とを相対的に移動させる送り装置と、 上記刃具を回転させる主軸モータの電流値である主軸電
   流値を検出する主軸電流センサと、上記切削加工機械に
   取付けられたＡＥセンサと、このＡＥセンサによって得
   られた検出値から所定の周波数帯域の信号であるＡＥセ
   ンサ出力値を取出すバンドパスフィルタと、 このＡＥセンサ出力値と主軸電流値の両方が入力され、
   空切削と実切削の識別にはＡＥセンサ出力値を用い、実
   切削時における荒切削時の送り速度制御には主軸電流値
   を用い、実切削時における仕上げ切削時にはＡＥセンサ
   出力値を用いて上記送り装置を制御する送り速度コント
   ローラと、を有することを特徴とする切削加工機械にお
   ける送り速度制御装置。