JPS63237842A - 切りくず折断方法とその適応制御装置 - 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］ 本発明は、工作１ｔｌｉｄｉの切りくず処理のための切
りくず処理方法とその適応制御装置に関する。更に詳し
くは、旋削によって生じる切りくずを常に最適な状態で
切断するために、熱起電力を検出しその検出値によって
送りを制御した切りくず折断方法とその適応制御装置に
関する。

［従来技術］ 機械加工工場を完全に無人化するために、各種の要素技
術の開発が進められている。この中で旋削加工で発生す
る切りくずは、適当な長さに切断しないと種々のトラブ
ルを引き起こす原因となる。このため、工具の刃先を階
段状に形成するナツアブレーカーが用いられている。切
りくず処理は、被削材材質、切込み、送り、切削速度な
どの組み合わせによって微妙に変（ヒする。特にＮＣ旋
盤による旋削では被削材の径や切込みの変化に対応して
、切りくず処理が自動的に確実に行われることが望まれ
る。

本出願人らは、切りくず処理状態の認識方法として工具
と被削材間の熱起電力の変動特性が利用できることを提
案した。（精密機械、４５巻、第５号Ｐ５９２〜Ｐ　５
９８　、及び同第８号Ｐ９２５〜Ｆ）　９３１　）第１
０図に示すものは、切込みを一定にして送りを変化させ
たときに／、％られな明りくず形状と、典型的な熱起電
力波形を示す。第１０＋１．１一段の○内を拡大したの
が（ａ）〜（ｄ）である。第１０図（ａ）は、送りが小
さいために、チップブレーカ−の作用がなく、切りくず
が連続する場合であって、波形に規則性がない。

第１０図（ｂ）は、切りくずは折断されるが、折断切り
くずの大きさが大き°く異なるもので、チップブレーカ
−の作用が不七分なときの波形を示す。第１０図（ｃ）
は、切りくず折断が安定して行われている状態での熱起
電力波形である。折断りＪりくずの大きさは一定で５か
つ切りくずは飛散せず、限られた領域内に落下するもの
で、切りくず折断に対する制御が完全に行われている状
態である。この場合、熱起電力波形は規則的である。

第１０図（ｄ）は、送りをさらに大きくした場りに得ら
れるもので、切りくずはチップブレーカ−により規則的
、かつ確実に折断されるが切りくずが広範囲に飛散する
状態である。本出願人は、便宜上前記（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）を連続流れ型、不完全制御型、完全制御
型、制御過剰型と命名して分類した。以」−１第１０図
から明らかなように、切りくずの折断及び落下の仕方に
より、熱起電力波形が異なり、規則性が変化することが
わかる。

［発明が解決しようとする問題点］ 本出願人らが明らかにした前記報告は、工１１と被削材
を熱電対として、熱起電力を測定する方法は切りくず折
断状態の検出器として有効であるという点と、検出した
熱起電力の周期変動は、切りくず折断周期に一致すると
いう点等のみである。

本発明は、熱起電力の周期を測定し、この周期の値によ
り工具の送りを制御して、常に最適な切りくず折断方法
と、この折断方法を実施する適応制御装置を提供しよう
とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、前記問題点を解決するために次のような手段
を採る。

第１の手段は、被工作物を工具で連続的に切削する連続
切削の切りくず処理方法において、被工作物と工具との
切削によって生じる熱起電力の変動成分を測定する工程
と、該変動する熱起電力の周期を測定するニ［程と、該
周期の値に基づいて前記工具の切削送りの速度の増減を
制御する工程とから成る切りくず折断方法である。

第２の手段は、フレームと、該フレーム内で被工作物を
保持して回転駆動される主軸と、前記フレーム上を駆動
されて摺動する工具とを有する旋削装置において、前記
被工作物と工具との間の変動する熱起電力を検出する検
出手段と、該検出手段で検出値の変動波形を２値化する
２値化手段と、該２値化手段で２値化された２値化パル
スの周期を計測する周期計測手段と、該周期計測手段で
求めた計測値と直前の計測値の平均値との比率を演算す
る周期比演算１段と、該周期比演算手段の出力値で前記
工具の送り速度を制御することを特徴とする切りくず折
断の適応制御装置である。

［作　用］ 披１−作物を工具で連続的に切削する連続切削の切りく
ず処理であって、被工作物と工具との切削によって生じ
る熱起−Ｒ力の変動成分を測定し、該変動する熱起電力
の周期を測定すると共に、該周期の値に基づいて前記工
具の切削送りの速度の増減を制御する切りくず折断方法
とその適応制御装置である。

［Ｕ）りくず折断方法］ 本発明の切りくず折断原理を先ず説明する。第１図に示
すものは、被工作物をチップブレーカ−を有したバイト
で旋削する状態を示した図である。旋削の実行にしたが
って、被工作物とチップとの境界面で摩擦熱が生じる。

この摩擦熱は、被工作物と工具との間に熱起電力を発生
させる。この発生した熱起電力は、１ｍＶ以下の微弱な
ものである。切削速度によって違ってくるが、第２図（
ｃ）ように１０　（’）　〜２０　Ｆ、）　Ｈｚ程度の
周波数の波形を生じる。この変動周期の中心成分は、切
りくずの折断周波数と一致することは、前記したように
既に本出願人が報告した。

本発明は、第２図（ｃ）のような変動波形を、第２図（
１′））のように変動波形をθレベルで切り２値化する
。その２＆Ｉｉ化された個々のパルスの周ｉ！Ｊｌ　（
−−−−Ｔｎ−１、’ｒ”ｎ、　Ｔｎ＋１、−−−−）
を測定する。ずなわちパルス幅の時間をクロックパルス
のパルス数を計算回路で計数して測定する。第２図（ａ
）は、クロックパルスのパルスを示したものであり、２
値化したパルスの立ち上がりから、次の立ち上がりまで
のクロックパルス数をカウントして、ＴＩ・・・Ｔｎす
なわち周期を測定する。

測定した周期の時系列としての変動割合の平均値、すな
わち本発明でいう周期比−（ΣＴ　ｎ　／　Ｔ臂：Ｉ ｎ　　ｌ　）　／’　（ｉ−１＞を求める。この周期比
によって切りくず処理状態を判別し、常に折断切りくず
の形と大きさが一定の切りくず処理をインプロセスで実
現するものである。

［適応制御装置の実施例］ 第３図に示す図は本発明の適応制御装置の１実施例機能
を示す機能ブロック図である。

シ瞥ｇ’；ｔ；、−フＬ＋１」ｔＬＪ不−主軸ｌの一端
には、ワークチャック２が設けてあり、ワークチャック
２には被削材３を把持固定しである。主軸ｌの他端には
、パルスエンコーダ５が設けてあり主軸１の回転を検出
している。更に、主軸１の後端部には、コイルスプリン
グ６が固定してあり、このコイルスプリング６の先端に
は銀製の丸棒が連結されている。丸棒は水銀液筒７中に
漬けである。（図示せず）このため被削材３、ワ“−ク
チャツク２．主軸ｌ、水銀液筒７は、主軸１が回転中で
も電気的に導通している。

牝ｌ夙豊芸１− 水銀液筒７は、交流増幅器８につながれており、交流増
幅器８の出力は波形を微分する波形整形２ユ９に入力さ
れる。波形整形器９は後述するように必ずしも必要では
ない９波形整形器９の出力は、ローパスフィルタ１０に
入力されるよう導通している。前記したように本出願人
の実験の結果から切りくず切断に関する情報は低周波な
ので、ローパスフィルタ１０に入力し、高周波成分をカ
ッ１〜する。この出力は、マルチプレクサ１１を介して
２値化器１２に入力される。２値化器１２−は、変動波
形をＯレベルで切り上下の２値信号にする。第２図（ｂ
）２値１ヒ器１２の出力は、カウンタ１３に入力され、
２値化された信号の立ち上がりから次の立ち上がりまで
の時間をクロックパルス数をカウントして計測する。カ
ウンタ１３の出力は、入出力回路１４を経てＣＰＵ１５
につながっている。

一方、演算プロセッサー１６は、ＲＯＭ１７に記録され
たプログラムにしたがって前記した周期比の演算を行う
もので、演算結果はＣＰＵ　１５に転送される。サンプ
リングした一時的な周期データなどはＲ−ＡＭ１８に格
納される。セ〉・す１９は、工具が切削を開始したこと
を検出するものである。入出力回路２０は、ステッピン
グモータ２３の回転開始、後述する熱起電力の測定開始
等のＯＮ・ＯＦＦのためのものである。補間器２１は、
テーブル２７．主軸１の運動軌跡、送り速度を制御する
回路である。補間器２１の出力は、増幅器２２を介して
ステッピングモータ２３の回転駆動を指令する。この回
転駆動は、歯車２４．歯車２５を伝達して送りねじ２６
が回転されて、デープル２７を移動させる。テーブル２
７上の刃物台に固定した二［具３０で被削材を旋削する
。

及１隨 以下、前記した本発明の切りくず切断方法及びこの適応
制御装置による実験例を述べる。

第４図は、良好な切りくず処理状態が得られる切削条件
において、切削開始後、主軸１回転の時間が経過した後
の熱起電力変動周期の変化を示したもので、１０周期程
度で安定した起電力変化が得られている。これより周期
計測の開始時期が決定できる。また周期計測のサンプリ
ング数は切りくず処理状態の認識の確度及び応答時間に
影響するが、送りを広範囲に変えて調べた結果、１００
個萌後戻適当であった。第５１：￥１は、切込み２ｍｍ
において送りを変化させたときの起電力の周期比の変化
を見たものである。

周期比の平均値は送りの増加とともに低下し０．２ｍｍ
／ｒｅｖ前後で最小となり、その後再び増加している。

切りくず処理形態の目視観察では送りｆ＝０．１６ｍｍ
／′ｒｅｖ−０．２４ｍｍ、ｙ”　ｒｅＶの範囲で切り
くず処理は完全制御型（第１０図（Ｃ））と判断され、
周期比の極小化現象と一致している。また図中の白丸印
は、微分回路９で波形を修正した後に、周期比を求めた
結果で、送りの増加とともに切りくず折断が確実に行わ
れているかぎり、周期比はほぼ一定値を保っており、切
りくず折断の有無の判断に用いることができることを示
している。ここで周期比の最小値は周期比の定義より１
．００である。

第６［ＡはＩＪＪりくず処理状態の評価値く周期比の゛
ド均値）の物理的意味を調べるため、切込み、切削速度
を一定として、送りを変化させた時の切りくず折断周波
数及び比切削抵抗と周期比の対応を見たものである。送
りの増加とともに、切りくず折断周波数（１／（充Ｔｎ
／ｉ））は増加し、比切削抵抗は直線的に減少し、両者
ともｔ−＝０．２５　ｍ　＋ｎ　／　ｒ　ｃ　ｖ以上で
はほぼ一定値になって１／）る。すなわち、チップブレ
ーカ−の効果はある送り以上では切削現象に対しマイナ
ス作用をすることが推定できる。このことから周期比の
最小値部分が実用的送りと判断してもよいといえる。

適４．応−制Ｕｊ−ｆ藍！とスーユジσ２」（讃１以上
のような実験結果から第７図のような概念で逐次探索に
より最小値をインプロセスで探索する送り制御プログラ
ムを作成し、切りくず折断処理の適応制御を試みた。第
８図（ａ＞に示すフローチャートは、第７図の概念の制
御を実現したメインプログラムである。他に割込プロゲ
ラ１１２本を有している。適応制御装置がスタートする
と、カウンタ１３　、　ＲＡＭ　１８内などずべてクリ
アにするか、必要な初期値を入力するしくステラ７（Ｊ
））。ステップ■で制御変数を設定し、スター１〜時の
適当な送りを出力し、主軸１を回し設電の駆動を開始す
る。

工具が被削材３に接触し加工を開始するとセンサ１（９
が切削開始を検出し、第８図（ｂ）の割込プログラムで
あるデータサンプリングプログラムでデータを収集し演
算プロセッサー１６へデータを送り込み更に、第８図（
Ｃ）の割込プログラムである演算プロセッサー処理プロ
グラムで演算ブ１７セツサー１６／＼の割算指令をし、
平均値の計算の解答を得る（ステップＯ））。この計算
結果にしたがってテーブル２７の送りを変更する。再度
ステップ■と同様のデータの収集、演算プロセッサー１
６への割込指令、平均値の計算を行う（ステップ■）。

ステップ■の平均値の計算結果と比較して評価する（ス
テップ■）。第７図の曲線で示すどの位置か計算し、最
小値すなわち、本例の定義の周期比１．ＯＯに近い値か
否か判断する（ステップ°（つ））。最小値であれば、
最適送りとして送り念固定するくステップ（８））、最
小値でないと凹所ずれば、ステップ（イ）に戻り１１１
ｆ記同様の動作を繰り返す。

第８図（ｂ　）は、データサンプリング用の割込ブＩ７
グラムである。第４図の実験結果から、１　ｆ）周間程
度から所定数のデータ数（本例では＋　（’）　０個前
後）を収集し、この計測データを加算するフ゛ログラム
デある９第８図（（：）は５演算ブＩ７セ・・ノサー１
６の処理用の割込ブログラノ、である。演算プロセッサ
ー１（ンへ収集したデータを送り、演算プロセッサーＩ
Ｃ）が計算した結果を受は取る７’　Ｄグラムである。

第９図＜ａ＞、（ｈ）、（（：＞は、その結果の一例で
、第５　Ｉ’にのＭ＆小（Ｉｌｔに近い収束送りが得ら
れている。また第０［４の応答時間のく）９°６以七は
周期サンプリングの時間である。

第１０図（３【）に示すフローチャー１へは、第（）図
のデータのＵＪりくず折断周波数（○印の折線グラフ）
の傾きすなわち、接線含計算して制御する陽りの送りの
最適化制御な行うメインプロクラムを示す。第６図に示
す実験結果から周期化の最小部分と、切りくず折断周波
数がプラトーになる部分とがほぼ一致している。この結
果から、切りくず折断周波数の傾きが０に近い点が最も
安定することが判明した。基本的には、第８図（ａ）の
プログラムと同様なものであるが、前のデータと、新し
いデータとの間で計算し常に傾）゛を求め、設定値と比
較して送りの方向が正が負か判断する。

例えば送りが小さく、すなわち傾きが大きいと送りを大
きい方ヘシフトする。ここを起点として更に前後を探っ
て設定の学習回数繰り出して最適値を探す。所定値は、
第６図のデータでプラトーになる直前の肩部付近すなわ
ち傾きＯに近い部分が最も望ましい。０に設定すると送
りの大きすぎる点と肩部との違いが判明できず制御が困
難となる５、シたがって、前記学習は、肩部の値を探す
制御といえる。

［検出部の他の実験例］ 第１１図（ａ）に示すものは、チップと被剛材との間の
熱起電力を検出したものである。図中斜線は、絶縁材料
であり、他は導電体である。絶縁材料は、コーティング
又は機械的に介在させたものでも良い。第９図（ｂ）は
、チップブレーカ−とチ・ツブとの間の熱起電力変化を
検出した例を示す、第９図（Ｃ）は、チップブレーカ−
と工作物の間の熱起電力変化をとったものである。

［発明の効果］ 以上、詳記したように本発明の切りくず折断方法とその
制御装置は、どのような切削条件下でも切りくずの形と
大きさを一様に制御できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱起電力変動を検出する検出部分を示す図、第
２図は熱起電力測定回路と変動波形の２値化・周期計測
を示す図、第３図は適応制御装置のブロック図、第４図
は切削開始直後の熱起電力波形の周期を示す図、第５図
は送り変化に対応する切りくず処理形態と熱起電力の周
期性の変化を示す図、第６図は送り変化に伴うチップブ
レーカ−の作用の変化を示す図、第７図は最適送りの探
索手順を示す図、第８図（ａ）°は適応制御のメインプ
ログラムフローチャート、第８図（ｂ−）。 （Ｃ）は第８図（ａ）の割込プ占グラムのフローチャー
１・、第９図は適応制御によるデータの例を示す図、第
１０図（ａ）は他の適応制御メインプログラムの例、第
１０図（ｂ）は第１Ｏ図（ａ＞のプログラムによる適応
制御によるデータ例、第１１図（ａ＞、（ｂ）、（ｃ）
は熱起電力変動を検出する検出部分の他の実施例を示す
図、第１２図は切りくず処理形態と熱起電力の変動波形
を示す図である。 １・・・主軸、９・・・波形整形器、１２・・・２値化
器、１３・・・カウンタ、１５・・・ＣＰＵ、１６・・
・演算プロセッサー、２１・・−補間器、２３・・・ス
テップモータ、３０・・・工具

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被工作物を工具で連続的に切削する連続切削の切り
   くず処理方法において、被工作物と工具との切削によっ
   て生じる熱起電力の変動成分を測定する工程と、該変動
   する熱起電力の周期を測定する工程と、該周期の値に基
   づいて前記工具の切削送りの速度の増減を制御する工程
   とから成る切りくず折断方法。 ２、フレームと、該フレーム内で被工作物を保持して回
   転駆動される主軸と、前記フレーム上を駆動されて摺動
   する工具とを有する旋削装置において、前記被工作物と
   工具との間の変動する熱起電力を検出する検出手段と、
   該検出手段で検出値の変動波形を２値化する２値化手段
   と、該２値化手段で２値化された２値化パルスの周期を
   計測する周期計測手段と、該周期計測手段で求めた計測
   値と直前の計測値の平均値との比率を演算する周期比演
   算手段と、該周期比演算手段の出力値で前記工具の送り
   速度を制御する送り制御手段とを有することを特徴とす
   る切りくず折断の適応制御装置。