JP6748141B2 - 工作機械の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ切り加工時に複数軸が協調してねじ切りを行う工作機械の制御装置に関する。特に、ねじ切り時の切り屑の細断を効率的に行うことができる工作機械の制御装置に関する。

従来、ねじ切り加工は、様々な方法で実行されている。例えば、複数軸を備えた工作機械を用いて、複数軸を協調させてねじ切り加工を行う場合が多い。このようなねじ切り加工は、円柱のワークの表面を螺旋状に旋削加工することによって実現される。この旋削加工を円柱のワークの表面で繰り返すことによって、最終的には図５のような十分な深さのねじ溝１０が形成され、全体としてねじ１２の加工が完成する。

旋削加工の途中の状態を図６に示す。図６に示すように、ワーク１４に対するねじ溝１０の切削は、ワーク１４上の所定の軌跡１０ａ（ねじ溝１０の位置）上を切削工具１６で複数回切削していくことによって行われる。図６は、切削を開始したばかりの状態であり、ねじ溝１０はまだ浅い状態である。何度も切削を繰り返すことによって深いねじ溝１０（図５参照）が形成されて最終的なねじ１２が完成する。なお、軌跡１０ａは、図６に示すように、ワーク１４の裏側にも存在する。また、図６において、軌跡１０ａは、その性質から便宜上ねじ溝１０と同じ線で表されている。

図６において、ワーク１４は、主軸１８に取り付けられて回転する。主軸１８を囲むような円形の矢印Ｃで示されるように回転する。矢印Ｃで示される回転座標軸を、ここではＣ軸と呼ぶ。すなわち、Ｃ軸は主軸周りの角度を表す角度座標である。

切削工具１６は、回転しているワーク１４表面の軌跡１０ａ上を移動していき、ねじ溝１０を切削加工する。そのため、切削工具１６は、ワーク１４のＣ軸方向の回転と同期して、ワーク１４の長手方向の座標軸であるＺ軸（図６参照）に沿って移動する必要がある。矢印Ｚが、Ｚ座標軸（以下、Ｚ軸と呼ぶ）の方向を表す。

このようなＺ軸方向の切削工具１６の移動によって、図６中のＰ２に示すように、いわゆる螺旋状のねじ溝１０が切削されてねじ１２が形成される。切削工具１６のＺ軸方向の移動が早ければ、ねじ溝１０はより急峻な螺旋を描き、切削工具１６のＺ軸方向の移動が遅い場合は、ねじ溝１０はより緩やかな螺旋を描く。

さらに、上述したように、切削は複数回行われ、最初は浅いねじ溝１０が形成され、何度も切削を繰り返す毎に、より深いねじ溝１０が形成されていく。すなわち、切削工具１６は、切削の回数毎に徐々に、ワーク１４の表面と垂直方向のＸ座標軸（図６参照）方向に移動していき、ワーク１４に対して徐々に深い位置で切削を行うように制御される。矢印Ｘが、Ｘ座標軸（以下、Ｘ軸と呼ぶ）の方向を表す。このような制御によって、最終的に図５に示すようなねじ１２が完成する。

このようなねじ切り加工においても、切り屑の細断処理を適切に行う必要がある。そのため様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、切り上げ運動、切込み運動、又は、円運動挿入機能を有する数値制御装置が開示されている。この特許文献１に記載されている数値制御装置は、プログラムで指定される切り上げ運動、切込み運動の動作条件を解析し、解析結果に基づき、切り上げ運動、切込み運動を、旋削加工に挿入することができるとされている。また、この数値制御装置は、プログラムで指定される円運動の動作条件を解析し、解析結果に基づき、円運動を旋削加工に挿入することができるとされている。この結果、切り屑の分断を行うことができる旋削加工を工作機械に実行させる数値制御装置が実現されると記載されている。

また、特許文献２によれば、複数回の切り込み加工によってねじ切り加工を行う装置において、駆動軸の移動に対して振動を重畳し、各切り込み加工において振動位相シフト量をずらす技術が開示されている。この装置によれば、切り込み毎に振動の位相を適切に調整することにより、振動による切り屑の分断が可能になると記載されている。

また、特許文献３によれば、ワークの径方向へ相対的に切刃を振動させて、切り込み加工を行わせ、その切り込みの切削加工部分が、他の切り込みの切削加工部分を部分的に含む技術が開示されている。このような構成によって、切削中の切り屑が分断されると記載されている。

特許第５９０２７５３号公報 特許第５８５１６７０号公報 国際公開ＷＯ２０１６／０５６５２６号

しかしながら、上記特許文献１の技術では、切り上げ、切込み運動等を挿入することはできるが、これらの運動は切削工具の運動であり、ワークの運動と同期した処理は実行されていない。すなわち、特許文献１では、上記運動の挿入に際して、動作条件の解析を行い、挿入できるか否かは判断するが、ワークの運動を伴うねじ切り加工の処理とは同期していない処理（振動）である。

また、上記特許文献２の技術では、揺動（振動）の位相を調整する技術は開示されているが、特許文献１と同様に、この揺動（振動）は、ワークの運動を伴うねじ切り加工の処理とは同期していない。

また、上記特許文献３では、ワークの径方向への切削工具の振動は記載されているが、ワークの運動を伴うねじ切り加工とは同期していない。

したがって、従来の揺動加工では、ねじ切り加工と完全に同期していないため、切り屑の細断を１パスで効率的に行うことは原理的に困難である。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、複数軸において同期した揺動動作を行い、切り上げ動作と切り込み動作とを断続的に実行することで、１パスで効率的に切り屑を細断することができる工作機械の制御装置を提供することを目的とする。

本願発明者らはこのような観点から、ねじ切り加工時の切り屑を細断するために、ワーク回転軸と、工具送り軸と、工具の径方向動作との少なくとも３軸を同期して揺動運動を行わせれば、ねじ切り加工と合致した揺動を行わせることができ、１パスで効率的に切り屑を細断することができることを見出した。具体的には、本発明は、下記のような手段を採用する。

（１）本発明は、複数軸を用いて、ねじ切り加工の対象であるワーク（例えば、後述するワーク２１４）にねじ切り加工を行う工作機械の制御装置（例えば、後述する制御装置１００）であって、前記複数軸に対する移動指令を生成する移動指令生成部（例えば、後述する移動指令生成部１０４）と、少なくともワーク回転軸（例えば、後述する主軸２１８）、工具送り軸（例えば、後述するＺ軸）及び径方向動作軸（例えば、後述するＸ軸）の３種の軸を同期させた揺動動作を、少なくとも前記ワーク回転軸、前記工具送り軸及び前記径方向動作軸の３種の軸に行わせるための揺動指令であって、前記ワークに対して前記ねじ切り加工を行う切削工具（例えば、後述する切削工具２１６）が、前記ワークに対して切り上げ動作を行いながら前記ワークから離れる動作及び前記ワークに対する切り込み動作を、断続的に行わせるための揺動指令を生成する揺動指令生成部（例えば、後述する円弧指令生成部１０２）と、前記移動指令と、前記揺動指令とを加算して加算後の総移動指令（例えば、後述する速度指令）を出力する加算器（例えば、後述する加算器１０６）と、を備え、前記総移動指令を前記工作機械に対して出力する工作機械の制御装置を提供する。

（２） （１）の工作機械の制御装置において、前記揺動動作は、円弧動作であり、前記揺動指令は、円弧指令であってよい。

（３） （１）又は（２）に記載の工作機械の制御装置において、前記揺動指令生成部は、前記断続動作を所定の周期で行わせるための前記揺動指令を生成してよい。

（４） （３）記載の工作機械の制御装置において、前記所定の周期は、前記ワーク回転軸に同期した周期でよい。

（５） （３）記載の工作機械の制御装置において、前記所定の周期は、設定された任意の時間周期でよい。

（６） （３）記載の工作機械の制御装置において、前記所定の周期は、外部信号で規定される周期でよい。

本発明によれば、ねじ切りを行う際の揺動動作で切り屑を１パスで効率的に細断することができる。

本実施形態の制御装置１００の構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態の制御装置１００が実行させる各軸において同期した揺動動作（円弧動作）の説明図である。 図２のＡ部の拡大図である。 図３の矢印Ｄから見た各軸において同期した揺動動作（円弧動作）の説明図である。 ねじ切り加工によって作成したねじの外観図である。 ねじを作成するためにねじ切り加工を実行している最中の様子を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る工作機械の制御装置１００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、制御装置１００は、円弧指令生成部１０２と、移動指令生成部１０４と、加算器１０６と、制御部１０８と、を備えている。制御装置１００のこれら各構成は、その動作を記述するプログラムと、当該プログラムを実行するＣＰＵと、から構成してよい。また、制御装置１００をコンピュータで構成し、そのコンピュータのＣＰＵが、制御装置１００の各構成の機能を記述したプログラムを実行することによって、各構成を実現してもよい。

円弧指令生成部１０２は、外部から円弧動作設定を入力し、移動指令に加えるべき揺動指令を生成する。円弧動作設定は、操作者が制御装置１００に対して揺動指令の円弧の動作を設定するデータである。例えば、円弧動作設定は、キーボードやタッチパネルを介して、操作者が入力する円弧動作設定のデータであってよい。この円弧動作設定は、揺動を構成する円弧の周波数（周期）や各軸の振幅等を含むパラメータでよい。このようなパラメータを入力した円弧指令生成部１０２は、これらパラメータに基づき円弧動作である揺動指令（円弧指令）を生成する。ここでいう円弧動作は、円の円弧でもよいし、楕円の円弧も含んでよい。

円弧指令生成部１０２は、そのような動作を記述したプログラムと、そのプログラムを実行するＣＰＵと、円弧動作設定を入力する入力インターフェース（キーボード等）とから構成することができる。

本実施形態において特徴的なことは、揺動指令が指令する揺動動作を円弧動作として指令することができる点であり、したがって、この揺動指令を便宜上、円弧指令と呼ぶ。ここで、揺動指令を円弧指令として生成するためには、複数の軸が同期して揺動する指令であることがよい。このように各軸が同期した揺動を行うことによって、トータルの揺動は、例えば円弧を描くように揺動することができ、円弧指令たりうることができる。円弧指令である揺動指令による揺動の具体的な動作は後に詳述する。

移動指令生成部１０４は、ワークに対して例えばねじ切り加工を行う場合の各軸の移動指令を生成する。このように所定の加工プログラムに基づき、各軸の移動指令を生成することは従来の制御装置でも実行されている事項である。例えば、ねじ切り加工を行う場合の各軸の移動指令の様子は、図６において既に説明している。

加算器１０６は、上述した移動指令と、円弧指令（揺動指令）と、を加算し、位置フィードバック値を減算する。算出された位置偏差はモータ１２０へ出力される。このように、移動指令に円弧指令を加算することによって、各軸の動作に揺動を加えることができる。また、位置フィードバック値を減算することによって、いわゆる位置フィードバック制御を実現することができる。

制御部１０８は、入力された位置偏差に応じて、モータ１２０を駆動する指令を生成してモータ１２０へ出力する。この指令に基づいて、切削工具のモータ１２０が駆動され、切削工具をワークに対して移動させる。

この（軸毎の）指令は、モータ１２０に供給され、工作機械の各軸は、例えば図６で説明したような動作を行い、ねじ切り加工が行われる。本実施形態において特徴的なことは、このねじ切り加工において、各軸に円弧指令である揺動指令が加えられていることである。本実施形態においては、各軸の揺動指令が同期しているため、円弧指令となっている。

本実施形態における特徴的な事項である円弧指令の動作が図２に示されている。図２は、図６と同様に、ねじ切り加工の途中の様子を示す図であり、旋削加工が進むことによって、最終的に図５に示すようなねじ１２が完成する。図２に示すように、本実施形態におけるねじ切り加工でも、ワーク２１４が主軸２１８に取り付けられており、回転している．この回転座標をＣ軸として表している。図２の矢印ＣはこのＣ軸を表しており、Ｃ軸は回転角を表す角度座標であることは、図６と同様である。

ワーク２１４の長手方向に平行な軸がＺ軸である。図２の矢印ＺはこのＺ軸を表している。切削工具２１６は、このＺ軸に沿って移動することによって、ワーク２１４上の表面に螺旋状のねじ溝２１０を切削していく。このとき、制御装置１００が出力する速度指令は、Ｃ軸とＺ軸との動きが同期しており、螺旋状のねじ溝２１０を切削することができる。本実施形態において特徴的なことの一つは、Ｃ軸の揺動と、Ｚ軸との揺動とが同期していることである。この結果、図２中のＰ１に示すように、速度指令による切削工具が切削するねじ溝２１０に沿った揺動を加えることができ、ねじ溝２１０に沿って切り屑を細断することができる。

従来は、揺動は各軸において独立して加えられる場合もあり、その場合は、必ずしもねじ溝２１０に沿った揺動とはならず、切り屑を効率的に細断することができない場合も想定された。これに対して、本実施形態においては、Ｃ軸の揺動とＺ軸との揺動とが同期しているので、その揺動の動きがねじ溝に沿った揺動とすることができ、切り屑の効率的な細断を実現することができる。
このように、本実施形態においては、円弧指令生成部１０２が各軸に同期した円弧指令を生成しているので、切削工具２１６が、ワーク２１４に対する切り上げ動作を行いながらワーク２１４から離れる動作と、ワークに対する切り込み動作を断続的に行うことができる。したがって、より切り屑の効率的な細断を実現することができる。

切削工具２１６の先端部のＡ部の拡大図が図３に示されている。Ａ部の場合は、Ｃ軸は図に対しておよそ垂直方向に向かう座標軸となる。Ｘ軸、Ｚ軸は、図２と同様の向きである。図３に示すように、切削工具２１６は、Ｘ軸の速度指令によって、Ｘ軸に沿った動きもしており、この動きが、Ｃ軸、Ｚ軸の動きと同期していることによって、ねじ切り加工が実現されることは既に図６等で説明した通りである。切削工具２１６は、ワーク２１４を切削する度にＸ軸方向の深さ方向に移動し、ねじ溝２１０を徐々に深く切削していく。図３においては、まだねじ溝２１０は浅い状態であるが、切削が進むにつれて、ねじ溝２１０はより深くなり最終的にはＢで示される深さにまで切削が進む。なお、図２、図３において、矢印Ｘが、Ｘ時を表している。Ｘ軸方向への揺動は、切り込みと、切り上げとからなる。切り込みは切削工具２１６がワーク２１４へ近づく方向に揺動することであり、切り上げは、切削工具２１６がワーク２１４から離れる方向に揺動することをいう。このように、切り上げと、切り込みとを断続動作させることによって、ワーク２１４から発生する切り屑を細断することができる。

本実施形態において特徴的なことは、Ｃ軸とＺ軸に加えて、Ｘ軸も含めて同期した揺動を用いていることである。このように同期させた結果、切削工具２１６を切り上げて、切削工具２１６が過去の位置から再び切り込むことが可能となり、切り屑の効率的な細断が可能となる。

このように、本実施形態では、切り上げ動作と切り込み動作の断続動作を、上述した３軸を同期させた揺動動作で実現している。ここで、軸としては、種々の軸を採用してよい。例えば、ワーク回転軸（本実施形態では主軸がその好適な一例に相当する）でもよいし、工具送り軸（本実施形態では、Ｚ軸が好適な一例として相当する）でもよい。また、径方向動作（本実施形態では、Ｘ軸方向の動作がその好適な一例に相当する）を同期した揺動を適用する軸の一つとして採用してもよい。

図３の矢印Ｄ方向から見た図が図４に示されている。矢印Ｄから見ているので、Ｃ軸に代わってＺ軸が図に対して垂直方向となる。Ｃ軸は回転座標軸であるため、正確には、円弧を描くような座標軸となるが、図２のＡ部のような狭い範囲では、図４に示すように近似的におよそ直線の座標として表すことができる。

図４に示すように、本実施形態におけるＣ軸上の揺動動作と、Ｘ軸上の揺動動作とを同期させている。これによって、図４に示すように切削工具２１６の先端部分は、円弧を描くような揺動をしながら、Ｃ軸方向及びＺ軸方向に移動してワーク２１４に対する切削を行う。この結果、切削工具２１６が、ワーク２１４から離れることができ、切り屑を細断（又は分断と呼ぶ）することが可能である。図４においては、切削工具２１６の先端の動きを円で抽象的に表現しているが、円弧を描くように回転しながら、加工方向に進んでいくので、実際にはより複雑な軌跡を描く。

このように、本実施形態において特徴的なことは、少なくとも３軸（Ｘ軸、Ｚ軸、Ｃ軸）の揺動が同期していることである。この結果、第１に、切削工具２１６が円弧を描くように運動させることができ、切削工具２１６がワーク２１４から離れることを可能としている。第２に、ワークに対する加工（例えば、ねじ切り加工）の方向と、揺動の方向とを合わせることができるので、例えばねじ溝２１０に沿った揺動を行わせることができる。

そのため、いわゆる仕上げ加工が不要となる場合もあり、いわゆる１パスで加工をすることができ、種々の加工条件に左右されにくい処理を実現することもできる。
また、このいわゆる仕上げ加工が不要となるので、より効率的な工作処理を実現することができる。例えば、上述した特許文献２の技術では、必ず最後に仕上げ処理（揺動ではない加工処理）が必要となる。したがって、本実施形態によれば、より加工時間の短縮化を図ることができる。

本実施形態における揺動の同期がなされているためには、各軸の揺動の周波数が合っている必要がある。
このように周波数（周期）があっていれば同期を実現することができる。各軸の揺動波形の振幅や位相が異なる場合は、切削工具２１６が描く円弧は一般的には楕円となる。各軸における揺動の振幅や位相を調製すれば、種々の円弧を描かせることが可能である。本実施形態ではこのような揺動を少なくとも３軸で同期させているので、加工方向に沿った揺動をおこなわせることができる。

このように本実施形態によれば、切削工具２１６をワーク２１４に対して切り上げを行いながらワーク２１４から離れる動作と、ワークに対して切り込む動作と、を断続的に行うことができる。この断続動作の周期は、様々に定めることができる。
例えば、断続動作の周期を、主軸２１８等のワーク回転軸に同期した周期とすることができる。また例えば、予め定めた任意の時間周期とすることができる。また例えば、外部信号から規定される周期としてもよい。この場合、外部信号をその周期を表すクロック信号としてもよいし、外部信号が周期を表すデータとして供給してもよい。

以上、本発明の一実施形態について詳細に説明したが、前述した実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したに過ぎない。本発明の技術的範囲は、前述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であり、それらも全て本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上述した実施形態では、主軸２１８がワーク２１４を回転させる場合を例として説明したが、主軸が切削工具２１６を回転させる構成としてもよい。この場合でも、主軸の回転によって同様の処理を実行してよい。すなわち、主軸がワーク回転軸の場合だけでなく、工具回転軸の場合であってもよい。

また、上述した実施形態では、３軸を同期させたが、４軸以上を同期させてもよい。
また、上述した実施形態では、揺動は例えば正弦波であることを前提として説明したが、周期的な波形であり、周波数（周期）が定義できればどのような波形でもよい。例えば、矩形波、三角波の場合に本発明を適用してもよい。このような場合は、切削工具２１６の先端は必ずしも円や円弧ではなく、三角形や矩形を描いてよい。

１０、１０ａ、１０ｂ、２１０ ねじ溝
１２ ねじ
１４、２１４ ワーク
１６、２１６ 切削工具
１８、２１８ 主軸
１００ 制御装置
１０２ 円弧指令生成部
１０４ 移動指令生成部
１０６ 加算器
１０８ 制御部
１２０ モータ
Ａ 部分
Ｂ （完成時の）ねじ溝
Ｃ Ｃ軸
Ｄ 矢印
Ｘ Ｘ軸
Ｚ Ｚ軸

Claims (6)

1. 複数軸を用いて、ねじ切り加工の対象であるワークにねじ切り加工を行う工作機械の制御装置であって、
   前記複数軸に対する移動指令を生成する移動指令生成部と、
   少なくともワーク回転軸、工具送り軸及び径方向動作軸の３種の軸を全て同期させた揺動動作を、少なくとも前記ワーク回転軸、前記工具送り軸及び前記径方向動作軸の３種の軸全てに行わせるための揺動指令であって、前記ワークに対して前記ねじ切り加工を行う切削工具が、前記ワークに対して切り上げ動作を行いながら前記ワークから離れる動作及び前記ワークに対する切り込み動作を、断続的に行わせるための揺動指令を生成する揺動指令生成部と、
   前記移動指令と、前記揺動指令とを加算して加算後の総移動指令を出力する加算器と、を備え、
   前記総移動指令を前記工作機械に対して出力する工作機械の制御装置。
2. 前記揺動動作は、円弧動作であり、前記揺動指令は、円弧指令である請求項１記載の工作機械の制御装置。
3. 前記揺動指令は、前記切削工具が、前記ワークに対して切り上げ動作を行いながら前記ワークから離れる動作及び前記ワークに対する切り込み動作を、所定の周期で断続的に行わせるための揺動指令である請求項１又は２に記載の工作機械の制御装置。
4. 前記所定の周期は、前記ワーク回転軸に同期した周期である請求項３に記載の工作機械の制御装置。
5. 前記所定の周期は、設定された任意の時間周期である請求項３に記載の工作機械の制御装置。
6. 前記所定の周期は、外部信号で規定される周期である請求項３に記載の工作機械の制御装置。

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