JPWO2018117203A1 - 工作機械およびその制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、振動手段の振動周波数は工作機械の制御装置が指令可能な周期に基づいて定まり、ユーザの入力した振動条件に対して、工作機械の制御装置で使用可能な振動条件に自動的に補正されることが知られている(例えば特許文献2参照。)。
本発明は、前述したような従来技術の課題を解決するものであって、入力した回転数または振動数の値に応じて、振動条件をユーザに選択可能にする工作機械とその制御装置を提供することである。
前記切削工具とワークとの相対的な回転数または振動数を入力する入力手段と、前記振動手段に指令可能な周期に起因する振動周波数と前記入力手段を介して入力された前記回転数または振動数とに基づいて求められる回転数および振動数からなる各パラメータの組み合わせを選択可能にする選択手段と、該選択手段によって選択可能にされた組み合わせから選択された所定の組み合わせに基づいた前記回転数および振動数の各パラメータを前記制御部に設定する設定手段とを有することを第1の特徴とする。
第3に、前記各パラメータの組み合わせと、該各パラメータの組み合わせに対応する振動動作をグラフィカルに示すグラフとが表示されることを特徴とする。
第4に、前記制御部が、前記振動周波数に基づいた複数の組み合わせからなる組み合わせテーブルを備え、前記選択手段が、前記入力手段を介して入力された値との差が小さい組み合わせを前記組み合わせテーブルから選択可能にすることを特徴とする。
選択可能にされた振動条件の中に所望の振動条件が無い場合であっても新たな振動条件を追加可能であるため、選定する振動条件としてより所望の振動条件を選定することができる。
本発明の第1実施例である工作機械100の全体構成について、以下に説明する。
図1に示すように、本発明に係る工作機械100は、主軸110と、切削工具台130Aと、制御装置180とを備えている。
主軸110をワーク保持手段とし、ワークWは、チャック120を介して主軸110に保持されている。
主軸110は、主軸台110Aに回転自在に支持され、主軸モータの動力によって回転駆動される。
主軸モータは、例えば、主軸台110Aと主軸110との間に設けられる公知のビルトインモータとすることができる。
Z軸方向送り機構160は、ベッドと一体的なベース161と、ベース161に固定されたZ軸方向ガイドレール162とを備えている。
Z軸方向ガイドレール162には、Z軸方向送りテーブル163がZ軸方向ガイド164を介してスライド自在に支持されている。
Z軸方向送りテーブル163に、主軸台110Aが搭載される。
主軸台110Aは、主軸110の軸線方向がZ軸方向ガイドレール162の延出方向と一致するように配置されている。
主軸台110Aは、Z軸方向送り機構160によって主軸110の軸線方向(図示のZ軸方向)に移動自在に設けられ、主軸110は、主軸台110Aを介してZ軸方向に沿って移動できる。
リニアサーボモータ165の固定子165bが、ベース161に設けられている。
Z軸方向送りテーブル163が、リニアサーボモータ165の駆動によってZ軸方向に移動すると、主軸台110AがZ軸方向に移動し、主軸110がZ軸方向に沿って移動する。
X軸方向送り機構150は、前記ベッド側と一体的なベース151と、Z軸方向に対して上下方向で直交するX軸方向に延びるX軸方向ガイドレール152とを備えている。
X軸方向ガイドレール152は、ベース151に固定され、X軸方向ガイドレール152には、X軸方向送りテーブル153がX軸方向ガイド154を介してスライド自在に支持されている。
切削工具台130Aは、X軸方向送り機構150によって、X軸方向に移動自在に設けられている。
切削工具台130Aは、ワークWを加工するバイト等の切削工具130が装着され、切削工具130を保持する刃物台を構成している。
リニアサーボモータ155の固定子155bが、ベース151に設けられている。
X軸方向送りテーブル153がリニアサーボモータ155の駆動によってX軸方向に移動すると、切削工具台130AがX軸方向に移動し、切削工具130がX軸方向に沿って移動する。
Y軸方向送り機構は、X軸方向送り機構150と同様の構造とすることができる。
X軸方向送り機構150をY軸方向送り機構を介してベッドに搭載することにより、Y軸方向送りテーブルをリニアサーボモータの駆動によってY軸方向に移動して、切削工具台130AをY軸方向に移動させ、切削工具130をX軸方向およびY軸方向に移動させることができる。
なお、Y軸方向送り機構を、X軸方向送り機構150を介してベッド側に設け、Y軸方向送りテーブルに切削工具台130Aを搭載してもよい。
X軸方向送り機構150とZ軸方向送り機構160とによって、あるいはY軸方向送り機構を含めて送り手段が構成され、X軸方向送り機構150あるいはY軸方向送り機構とZ軸方向送り機構160との協動により、図2に示すように、主軸台110Aと切削工具台130Aとを所定の位置に移動させることができる。
主軸台110Aと切削工具台130Aとを所定の位置に移動させることによって、切削工具130を主軸110に対して相対的に移動させるとともに、主軸110を、ワークWと切削工具130とを相対的に回転させる回転手段として駆動させ、ワークWを切削工具130に対して回転させることによって、ワークWを所望の形状に加工することができる。
この場合、送り手段は、切削工具台130Aを移動させる送り機構によって構成される。
あるいは、切削工具台130Aをベッドに固定し、主軸台110AをX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に移動可能な構造としてもよい。
この場合、送り手段は、ベッドに設けた送り機構によって構成される。
第1実施例においては、切削工具130に対してワークWを回転させた例で説明するが、切削工具130にドリル等の回転工具を用い、ワークWに対して切削工具130を回転させてもよい。
この場合、切削工具130を回転させるモータが、本発明の回転手段に相当する。
X軸方向送り機構150とZ軸方向送り機構160、あるいはY軸方向送り機構を含めた送り手段によって振動手段が構成され、主軸台110Aと切削工具台130Aとを往動移動および復動移動させることにより、ワークWに対して切削工具130を振動させることができる。
切削工具130は、振動手段を兼用した送り手段によって、ワークWに対して送り方向に沿った振動を伴って送られ、主軸110の1回転分、すなわち、主軸位相0°から360°まで変化したときの上記進行量の合計を送り量として、ワークWを切削加工する。
図4は、主軸110の1回転当たりにおける主軸台110Aの振動数Nが、3.5回(振動数N=3.5)の例を示す。波形の谷を通過する仮想線(1点鎖線)が送りの直線となり、この送りの直線における主軸位相360°の位置がワークW1回転あたりの送り量に相当する。
図4では、ワーク外周面の状態を分かり易く説明するため、グラフの縦軸を加工送り方向におけるワークWに対する切削工具130の位置、グラフの横軸をワークWの1回転、すなわち、主軸位相0°から360°とし、ワーク外周面を周方向に沿って展開したワーク外周面の切削工具130による振動切削加工の切削軌跡を示している。
具体的には、図4に破線で示したワーク外周面形状の位相の谷の最も浅い点(言い換えると、切削工具130から見た山の頂点)の位置が、図4に実線で示したワーク外周面形状の位相の谷の最も浅い点(言い換えると、切削工具130から見た山の頂点)の位置に対して、主軸位相方向(グラフの横軸方向)で一致せずにずれる。
振動切削加工時にワークWから生じる切削屑は、この空振り動作によって順次分断される。
この結果、工作機械100は、切削工具130による加工送り方向に沿った往復振動によって切削屑を分断しながら、ワークWの振動切削加工を円滑に行うことができる。
n+1回転目の切削部分がn回転目の切削済み部分に含まれる期間は、送り量と振動波形の振幅に応じて変化するため、空振り動作が生ずるように、送り量に比例して振動波形の振幅を設定する。具体的には、送り量に対する振幅の比率を振幅送り比率Qとして、送り量に振幅送り比率Qを乗じて振幅を設定している。
図4では、今回の往動時の切削加工部分と次回の復動時の切削加工部分とが位相の谷の最も浅い点を一部重複する例を示した。
ただし、切削工具130の空振り動作は、例えば、主軸110のn+1回転目におけるワーク外周面の切削部分に、主軸110のn回転目におけるワーク外周面の切削済み部分が含まれていれば発生する。
言い換えると、ワーク外周面のn+1回転目(nは1以上の整数)における復動時の切削工具130の切削軌跡が、ワーク外周面のn回転目における切削工具130の切削軌跡まで到達すればよい。
なお、主軸110のn+1回転目におけるワーク外周面の切削部分と、主軸110のn回転目におけるワーク外周面の切削済み部分とを近接させ、該近接部分で前記切削屑を折れるように分断させてもよい。
例えば、主軸110を1回転させる間にワークWと切削工具130とを往復振動させる回数である振動数Nは、例えば、1.1や1.25、2.6、3.75(回/r)等とすることができる。
また、振動数Nを1(回/r)よりも小さな値(0<振動数N<1.0)に設定することもできる。
振動数Nを1(回/r)よりも小さな値に設定した場合、切削工具台130Aが1往復するまでに、主軸110は1回転よりも多く回転する。
この動作指令によって、主軸台110A(主軸110)または切削工具台130A(切削工具130)の往復振動は、制御部181の指令周期に基づく所定の振動周波数fで動作可能となる。
例えば、制御部181によって1秒間に500回の動作指令を送ることが可能な工作機械100の場合、制御部181の指令周期は、1(秒間)÷500(回)=2(ms/回)が基準周期となる。
例えば、基準周期(2(ms))の5倍の10(ms)を指令周期とすると、10(ms)毎に往動と復動を実行させることができ、1÷(0.002×5)=100.0(Hz)で主軸台110A(主軸110)または切削工具台130A(切削工具130)を往復振動させることができる。
指令周期に応じた振動周波数fの集まりを振動周波数f群とすると、主軸台110Aまたは切削工具台130Aの振動周波数は、振動周波数f群から選択される値に定められる。
なお、制御装置180(制御部181)によっては、基準周期(2(ms))の整数倍以外の倍数で指令周期を設定することができる場合もある。
N=f×60/S
振動数Nは、振動周波数fに比例し、回転数Sに対して反比例する。
主軸110は、振動周波数fを高くするほど、また、振動数Nを小さくするほど高速回転になる。
本実施例の制御装置180は、ユーザによって所望の回転数または振動数を入力することができる入力手段182と、入力された前記回転数または振動数に応じて振動条件を選出して選択可能にユーザに提示する提示手段183と、選択された振動条件を制御部181に設定する設定手段184とを備えている。
提示手段183は、振動手段に指令可能な周期に起因する振動周波数fと入力された回転数または振動数に基づいて、入力された回転数または振動数に近い回転数と振動数を振動周波数に応じて算出する算出部183a、算出部183aによって算出される回転数および振動数からなる各パラメータの組み合わせの候補を選出する選出部183b、選出部183bによって選出された各パラメータの組み合わせの候補をユーザに対して選択可能となるように提示する選択部183cを有する。選択部183cが本発明の選択手段に相当する。
組み合わせテーブルは、制御部181に設定する振動数Nを複数の所定値に限定し、所定の各振動周波数fと限定された複数の振動数Nから算出される回転数Sとの組み合わせの数を有限にしてもよい。なお、各パラメータの組み合わせの候補は、複数選出してもよいし、1つだけ選出してもよい。
設定手段184は、例えばディスプレイのタッチパネル等を備え、表示部186に表示された組み合わせの候補をタッチ操作することによって、ユーザが所望する組み合わせを選択し、選択された組み合わせを、振動周波数fを含めて振動条件のパラメータとして制御部181に設定することができる。
制御部181は、設定手段184によって設定された振動条件に基づいて主軸110や振動手段、送り手段を制御し、工作機械100にワークWの振動切削加工を実行させる。
ユーザは、工作機械100が選択できる振動条件を容易に把握することができ、ユーザが把握して選択した振動条件によって容易に工作機械100に加工を行わせることができる。
なお、ユーザによる所望の回転数または振動数の入力は、本発明のようにキーボードやタッチパネルなどの入力デバイスを使用する他、例えば、回転数Sや振動数Nの値を加工プログラム中に記載することや、所定のプログラムブロック(プログラムの1行)における引数として振動数Nを設定することもできる。
なお、提示手段183(算出部183a)が、回転数と振動数を、振動周波数fと入力された回転数または振動数に基づいて算出する例で説明した。しかし、本発明はこの例に限定されない。例えば、回転数や振動数を所定のテーブルから求めるような、計算を伴わない場合にも適用できる。また、選択部183cは、組み合わせの候補を表示部186に表示させてもよいし、組み合わせの候補を例えば音声でユーザに伝えてもよい。
なお、第1実施例においては、制御装置180には、前記組み合わせテーブルを記憶したメモリ185が予め設けられている。
提示手段183は、入力手段182を介してユーザによって回転数または振動数が入力されたか否かを判定する(STEP101)。
例えば、回転数が入力されると、入力された回転数を目標回転数Suとして設定し、振動数が入力されると、入力された振動数を目標振動数Nuとして設定し、設定された目標回転数Suまたは目標振動数Nuをメモリ185に記憶させる。
例えば、目標回転数Suに基づいて組み合わせの候補を選出する場合、提示手段183は、STEP101でメモリ185に記憶された目標回転数Suと組み合わせテーブルにおける各組み合わせの回転数とを比較し、目標回転数Suに近い組み合わせを選択候補として抽出する。
具体的には、提示手段183は、目標回転数Suと各組み合わせの回転数との差を算出し、差の小さい順に組み合わせを選択候補として抽出する。
決定ボタンが実行されることによって、選択された組み合わせを、振動周波数fを含めて振動条件のパラメータとして制御部181に設定するように構成することができる。
複数の組み合わせの候補を表示する際、例えば、目標回転数Suまたは目標振動数Nuの値に近い順にソートして表示することによって、各組み合わせの比較を容易におこなうことができるようにしてもよい。
提示される組み合わせの候補が1つの場合は、提示した組み合わせを振動条件として決定または却下することができるように二択の選択肢として決定ボタン及び却下ボタンを表示部186に表示することができる。
ユーザによる決定または却下の操作は、ディスプレイのタッチパネル等の他、入力手段182を介して入力できるように構成することができる。
提示した組み合わせの候補が却下であった場合(図5のSTEP105における判定NO)、提示手段183は表示部186の組み合わせ表示を消去して、所望する回転数または振動数を入力する表示に切り換え、入力手段182を介してユーザが入力できるように制御する。
設定された各パラメータは、振動条件の選択履歴としてメモリ185に記憶することができる。
このように、ユーザが入力した所望の回転数または振動数に応じて、工作機械100が動作可能な振動条件の組み合わせの候補から選択できるため、ユーザは所望の振動条件に近い条件を選択し、かつ振動条件を把握してワークWの振動切削加工を行うことができる。
図7Aに示すように、表示部186に所望する回転数の入力窓が表示され、ユーザの入力操作によって入力手段182に回転数=1500(r/min)が入力された場合、提示手段183は目標回転数Suを1500に設定する。
提示する組み合わせを目標回転数Suに近い順に3つを選ぶ構成とする場合、入力された回転数に近い順に1500、1538、1429が選ばれ、各回転数に対応して、S=1500、N=2.5、f=62.5と、S=1538、N=1.5、f=38.5と、S=1429、N=3.5、f=83.3の3つの組み合わせが選択候補として選出される。
例えば、図7Cに示すように、ユーザにより回転数Sが1500(r/min)の組み合わせの選択ボタン187が選択され、決定ボタン188が選択されると、設定手段184は、制御部181に対して回転数S=1500(r/min)、振動数N=2.5(回/r)、振動周波数f=62.5(Hz)に設定する。
制御部181は、設定された振動条件に基づいて主軸110の回転と切削工具130の往復振動とを制御し、ワークWの振動切削加工を行う。
特に、振動数Nが整数+0.5となる値に限定した組み合わせテーブルを用いることにより、ワーク外周面に生ずる切削軌跡の位相が主軸110の回転毎に180°反転するため、ユーザは所望の回転数に近い回転数を有する振動条件を選択し、かつ、切削屑を確実に分断することができる。
本発明の第2実施例は、第1実施例における制御装置180に別の振動条件の組み合わせテーブルを使用したものであって、その他の構成については第1実施例と共通するので、共通する事項については説明を省略する。
そこで、本第2実施例について詳説すると、前述した第1実施例におけるSTEP102の組み合わせの候補を選出する際、設定手段184が、入力手段182を介して入力された所望の回転数を確定値である目標回転数Suに設定し、目標回転数Suと各振動周波数fとから算出される振動数の値に基づいて、選択候補となる組み合わせを選出するものである。
例えば、振動周波数f群が25.0、26.3、27.8、・・・、71.4、83.3、100.0(Hz)である工作機械100に対して、入力手段182により回転数の値として1500が入力された場合、目標回転数Suに1500(r/min)が設定される。
提示手段183が算出された振動数に対して整数+0.5に近い値を抽出するように構成されている場合、算出された振動数の小数点以下の値と整数+0.5との差を比較し、差が小さくなる組み合わせをユーザによる選択可能な振動条件の候補として選出する。
また、入力手段182によってユーザが入力する値を回転数に換えて振動数とし、入力された所望の振動数を目標振動数Nuに固定し、目標振動数Nuと振動周波数f群の各振動周波数fとから算出される回転数とを組み合わせの候補にしてもよい。
また、算出された組み合わせの中から、回転数の値が予め定められた設定範囲内にあるものを候補として選出することもできる。
本発明の第3実施例は、第1実施例における制御装置180に別の振動条件の設定フローチャートを使用したものであって、その他の構成については第1実施例と共通するので、共通する事項については説明を省略する。
そこで、本第3実施例について詳説すると、前述した制御部180が、表示部186に提示された組み合わせの候補とは異なる組み合わせ候補をユーザの指示によって新たに選出した後、表示部186に提示する組み合わせの候補を新規に選出する追加手段を有するものである。
例えば、追加手段は、提示手段183によって選出された組み合わせの候補を表示部186に表示する際、表示部186に異なる組み合わせを追加する追加ボタンを表示させ、入力手段182に追加ボタンの選択有無について判断させるように制御している。
図9において、STEP301〜306は第1実施例のSTEP101〜106と同様の処理であるため、説明を省略する。
STEP304による組み合わせの候補を提示する際、図10に示すように、異なる組み合わせの候補を追加可能にする追加ボタン190を提示し、追加ボタン190が選択されたか否かを確認する(図9のSTEP307)。
追加される組み合わせの候補は、STEP303によって抽出された組み合わせテーブルにおける目標回転数Suまたは目標振動数Nuに近い組み合わせのうち、既に提示した組み合わせの次に近い(誤差が小さい)組み合わせが選ばれる。
STEP308で選出された組み合わせの候補は、STEP304によって表示部186に追加表示される。
さらに、提示手段183は、表示部186に表示する構成、音声によって入出力する構成、これらを組み合わせた構成とすることもできる。
本発明の第4実施例は、第1実施例における制御装置180に別の表示内容を使用したものであって、その他の構成については第1実施例と共通するので、共通する事項については説明を省略する。
そこで、本第4実施例について詳説すると、図11に示すように、表示部186に、所望する回転数S、振幅送り比率Q、振動数N、切削送り、材料径の入力欄191が表示され、ユーザが回転数S、振幅送り比率Q、振動数N、切削送り、材料径を入力することができる。図11の場合、切削送り=0.03(mm/r)、材料径=10(mm)が設定入力されている。切削送りが、ワークW1回転あたりの送り量に相当する。振幅送り比率Qと振動数Nを入力欄191で設定しない場合は、予め定められるデフォルト値とすることができる。例えば、振幅送り比率Qのデフォルト値を1.5、デフォルト値として選択可能な振動数Nを1.5、2.5、3.5、4.5(回/r)とすることができる。入力欄191で回転数S=1500(r/min)を設定入力することによって、提示手段183は目標回転数Suを1500に設定する。
回転数S=1500、振動数N=2.5、周波数f=62.5とした第1の候補が、図12に示すように、表示部186に、表示欄192およびグラフ欄193や、次へボタン187a、決定ボタン188が示される。表示欄192には、回転数、振動数、周波数などの各パラメータの組み合わせが示される。
グラフ欄193には、2次元の振動動作がグラフィカルに示される。図12と同様に、主軸110の1回転目における切削工具130の切削軌跡が実線で示され、主軸110の2回転目における切削工具130の切削軌跡が破線で示されており、主軸位相120°、360°付近で、空振り動作が生じることが分かる。
グラフ欄193には、2次元の振動動作がグラフィカルに示され、図12,13と同様に、主軸110の1回転目における切削工具130の切削軌跡が実線で示され、主軸110の2回転目における切削工具130の切削軌跡が破線で示される。このグラフから、主軸位相51.4°、154.2°、257°、360°付近で、空振り動作が生じることが分かる。
そして、図12の表示部186でユーザが決定ボタン188を選択すると、設定手段184は、制御部181に対して回転数S=1500(r/min)、振動数N=2.5(回/r)、振動周波数f=62.5(Hz)に設定する。
110 ・・・ 主軸(回転手段)
110A・・・ 主軸台
120 ・・・ チャック(ワーク保持手段)
130 ・・・ 切削工具
130A・・・ 切削工具台
150 ・・・ X軸方向送り機構(送り手段、振動手段)
151 ・・・ ベース
152 ・・・ X軸方向ガイドレール
153 ・・・ X軸方向送りテーブル
154 ・・・ X軸方向ガイド
155 ・・・ リニアサーボモータ
155a・・・ 可動子
155b・・・ 固定子
160 ・・・ Z軸方向送り機構(送り手段、振動手段)
161 ・・・ ベース
162 ・・・ Z軸方向ガイドレール
163 ・・・ Z軸方向送りテーブル
164 ・・・ Z軸方向ガイド
165 ・・・ リニアサーボモータ
165a・・・ 可動子
165b・・・ 固定子
180 ・・・ 制御装置
181 ・・・ 制御部(切削制御手段)
182 ・・・ 入力手段
183 ・・・ 提示手段
183a・・・ 算出部
183b・・・ 選出部
183c・・・ 選択部
184 ・・・ 設定手段
185 ・・・ メモリ
186 ・・・ 表示部
187 ・・・ 選択ボタン
187a・・・ 次へボタン
187b・・・ 戻るボタン
188 ・・・ 決定ボタン
189 ・・・ 却下ボタン
190 ・・・ 追加ボタン
191 ・・・ 入力欄
192 ・・・ 表示欄
193 ・・・ グラフ欄
f ・・・ 振動周波数
N ・・・ 振動数
S ・・・ 回転数
W ・・・ ワーク
Claims (6)
- ワークを切削加工する切削工具と、該切削工具とワークとを相対的に回転させる回転手段と、前記切削工具とワークとを所定の加工送り方向に送り動作させる送り手段と、前記切削工具とワークとを相対的に往復振動させる振動手段とを備えた工作機械に設けられ、
前記切削工具とワークとの相対的な回転と、前記ワークに対する切削工具の往復振動を伴う送り動作とによって、前記工作機械にワークの振動切削加工を実行させる制御部を有する工作機械の制御装置であって、
前記切削工具とワークとの相対的な回転数または振動数を入力する入力手段と、前記振動手段に指令可能な周期に起因する振動周波数と前記入力手段を介して入力された前記回転数または振動数とに基づいて求められる回転数および振動数からなる各パラメータの組み合わせを選択可能にする選択手段と、該選択手段によって選択可能にされた組み合わせから選択された所定の組み合わせに基づいた前記回転数および振動数の各パラメータを前記制御部に設定する設定手段とを有する工作機械の制御装置。 - 前記選択手段が、求められた前記回転数および振動数からなる各パラメータの組み合わせを選択可能に表示させる請求項1に記載の工作機械の制御装置。
- 前記各パラメータの組み合わせと、該各パラメータの組み合わせに対応する振動動作をグラフィカルに示すグラフとが表示される請求項2に記載の工作機械の制御装置。
- 前記制御部が、前記振動周波数に基づいた複数の組み合わせからなる組み合わせテーブルを備え、
前記選択手段が、前記入力手段を介して入力された値との差が小さい組み合わせを前記組み合わせテーブルから選択可能にする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の工作機械の制御装置。 - 前記制御部が、前記選択手段によって選択可能にされた組み合わせとは異なる組み合わせを新規に選出する追加手段を有し、
前記選択手段が、前記追加手段によって選出された異なる組み合わせを選択可能にする請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載の工作機械の制御装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか1つに記載の制御装置を備えている工作機械。
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