JP6514876B2

JP6514876B2 - 工作機械における送り軸の制御方法及び工作機械

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Publication number: JP6514876B2
Application number: JP2014218475A
Authority: JP
Inventors: 稲垣　浩; 浩稲垣
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2034-10-27
Also published as: JP2016083728A; US9952582B2; US20160114449A1; ITUB20154057A1; DE102015221000A1; CN105538036B; CN105538036A

Description

本発明は、工作機械の加工中、特にチタン合金といった難削材の重切削加工中において、工具の切れ刃の振れ量を考慮して送り軸を制御することでびびり振動や工具チッピングの発生を抑制するために行う送り軸の制御方法と、当該制御方法を用いて切削加工を行う工作機械とに関する。

ミーリング加工で難削材を加工する場合、加工コスト低減のためにスローアウェイやインサートと呼ばれる脱着式の切れ刃を装着する工具が使用される。この工具においては、工具本体の切れ刃の取付座面や切れ刃自身の加工精度の影響により、装着した切れ刃の高さは均一にならず、切れ刃には振れ量（各切れ刃間の相対取付誤差）が生じる。この振れ量が大きな切れ刃の場合、工具チッピングが生じて工具寿命が短くなるという問題があった。そこで、本件出願人は、特許文献１において、切れ刃の各位置と予め測定した振れ量とに基づいて振幅や位相を設定して、振れ量をキャンセルするように主軸に同期させて送り軸を加工進行方向と逆方向に微小変位させることで、各切れ刃の１刃送り量を本来の指令通りの値に近づけて工具チッピングの抑制を図る発明を提供している。

特開２０１３−２４０８３７号公報

上記特許文献１の加工方法においては、１刃列内に複数の切れ刃（複数の刃段）がある工具を使用して加工する場合、各切れ刃の振れ量にはばらつきがあるため、加工逆方向に送り軸を動作させる量は、１刃列内で測定した各刃段における振れ量の平均値としている。しかし、平均値では振れ量を最小にできないため、必ずしも十分な工具寿命を得ることが難しかった。この対策として、例えば表計算ソフトのソルバー機能を利用して各切れ刃における実際の加工代が平均化するように制御量を計算する方法が考えられるが、これは最適解を求めるために繰り返し計算して収束させる方法であるため、複数回実施する必要があって計算に時間を要し、計算式が複雑となるという問題があった。

そこで、本発明は、簡単な演算で実際の加工代の最大値が平均化する制御量が得られ、工具の長寿命化を図ることができる工作機械における送り軸の制御方法及び工作機械を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、同心円上に複数配置される切れ刃の段を、各段の前記切れ刃の数をそれぞれ等しくして、各前記切れ刃が軸方向と平行に或いは当該軸方向から周方向へ徐々にずれるねじれ方向に並ぶ複数の刃列を形成するように複数段装着してなる工具を回転させて被加工物を加工する工作機械において、加工中の送り軸に対して予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する送り軸の制御方法であって、前記振れ量に基づいて前記切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算して、各刃列における前記加工代の最大値が平均化される制御量を算出し、前記制御量に基づいて前記微小変位の制御を重畳することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記制御量Ｒ_ｉは、以下の手順で算出されることを特徴とするものである。
刃列の番号添え字をｉ（１≦ｉ≦Ｚ、Ｚ：刃数）
各刃列内の切れ刃の段番号添え字をｊ（１≦ｊ≦Ｎ、Ｎ：刃列内で実加工に使用する切れ刃段数）
測定した各切れ刃振れ量をＣ_ｉ，ｊ（μｍ）として、各切れ刃における実際の加工代の増減分Ｄ_ｉ，ｊを、以下の式（１）により算出する。
Ｄ_ｉ，ｊ＝Ｃ_ｉ，ｊ−Ｃ_{ｉ−１，ｊ}（但し、ｉ−１がゼロの場合はＺに置き換える）・・（１）
次に、Ｒ_１＝０として、制御量Ｒ_ｉを以下の式（２）により算出する。
Ｒ_ｉ＝（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）−｛各刃列ｉにおける（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）の総和を刃数Ｚで除した値｝＋Ｒ_ｉ−１・・（２）
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、同心円上に複数配置される切れ刃の段を、各段の前記切れ刃の数をそれぞれ等しくして、各前記切れ刃が軸方向と平行に或いは当該軸方向から周方向へ徐々にずれるねじれ方向に並ぶ複数の刃列を形成するように複数段装着してなる工具を回転させて被加工物を加工すると共に、加工中の送り軸に対して予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する工作機械であって、前記振れ量に基づいて前記切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算して、各刃列における前記加工代の最大値が平均化される制御量を算出する制御量算出手段と、前記制御量に基づいて前記微小変位の制御を重畳する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、前記制御量Ｒ_ｉは、以下の手順で算出されることを特徴とするものである。
刃列の番号添え字をｉ（１≦ｉ≦Ｚ、Ｚ：刃数）
各刃列内の切れ刃の段番号添え字をｊ（１≦ｊ≦Ｎ、Ｎ：刃列内で実加工に使用する切れ刃段数）
測定した各切れ刃振れ量をＣ_ｉ，ｊ（μｍ）として、各切れ刃における実際の加工代の増減分Ｄ_ｉ，ｊを、以下の式（１）により算出する。
Ｄ_ｉ，ｊ＝Ｃ_ｉ，ｊ−Ｃ_{ｉ−１，ｊ}（但し、ｉ−１がゼロの場合はＺに置き換える）・・（１）
次に、Ｒ_１＝０として、制御量Ｒ_ｉを以下の式（２）により算出する。
Ｒ_ｉ＝（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）−｛各刃列ｉにおける（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）の総和を刃数Ｚで除した値｝＋Ｒ_ｉ−１・・（２）

本発明によれば、時間を要する複雑な計算方法でなく、簡単な演算により、加工中に工具位置（回転角度）に応じた各軸方向の工具振れ量を送り軸側にて補正することで、実際の加工代の最大値が平均化される制御量が得られる。よって、工具振れ量の影響を好適に抑制して加工でき、工具の長寿命化を図ることができる。

工作機械の構成図である。送り軸制御方法のフローチャートである。工具の横断面図である。刃数４で３段の切れ刃を使用して加工する場合の各切れ刃振れ量の測定結果及び実加工代の増減分の計算結果である。刃数４で３段の切れ刃を使用して加工する場合の各切れ刃振れ量の測定結果及び実加工代の増減分の計算結果と、制御量に工具振れ量の平均を使用した場合の計算結果である。刃数４で３段の切れ刃を使用して加工する場合の各切れ刃振れ量の測定結果及び実加工代の増減分の計算結果と、実加工代の最大値を平均化した制御量の計算結果である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る送り軸の制御方法を実施する工作機械の一例を示す構成図である。同図において、１はベッド、２はコラムで、コラム２の前面には、主軸頭３が、Ｘ軸制御ユニット４及びＺ軸制御ユニット５によってＸ軸方向及びＺ軸方向へ移動制御可能に設けられて、主軸頭３の下部で下向きに設けた主軸６に、工具７が装着されている。一方、ベッド１上には、Ｙ軸制御ユニット８によってＹ軸方向へ移動制御可能なテーブル９が設けられて、テーブル９上に被加工物１０が固定可能となっている。

工作機械の制御系は、主軸６の回転速度を制御する主軸回転制御装置１１、送り軸（各制御ユニット４，５，８）の制御量を演算する制御量算出手段としての演算装置１２、送り軸を制御する制御手段としての数値制御装置１３と、図示しない記憶装置とを含んでなり、演算装置１２には、外部入力装置１４によって後述する工具７の切れ刃の振れ量が入力可能となっている。

このように構成された工作機械においては、図２のフローチャートに基づいて加工が実施される。なお、工具７は、図３に示すように、４枚の切れ刃７ａ，７ａ・・を９０°間隔で備えた同心円上の段を軸方向に所定間隔をおいて３段設けてなり、軸方向の各列（図３に示す丸数字）の切れ刃７ａは、工具７の先端から回転方向前方側へ徐々にずれて取り付けられて、各列丸数字１〜４では３つの切れ刃７ａ，７ａ・・がねじれ方向に配列されるようになっている。
まず、Ｓ１において、工具７の切れ刃７ａ毎の振れ量を測定して外部入力装置１４を介して予め演算装置１２に入力しておく。演算装置１２は、Ｓ２において、所定の計算式を使用して回転角度における各刃列の制御量を計算する。この制御量の計算は以下の通り行われる。

まず、刃列の番号添え字をｉ（１≦ｉ≦Ｚ、Ｚ：刃数）
各刃列内の切れ刃７ａの段番号添え字をｊ（１≦ｊ≦Ｎ、Ｎ：刃列内で実加工に使用する切れ刃段数）
測定した各切れ刃振れ量をＣ_ｉ，ｊ（μｍ）
とすると、各切れ刃における実際の加工代の増減分Ｄ_ｉ，ｊは、以下の式（１）で算出できる。
Ｄ_ｉ，ｊ＝Ｃ_ｉ，ｊ−Ｃ_{ｉ−１，ｊ} ・・（１）
但し、ｉ−１がゼロの場合はＺに置き換える。
つまり、各切れ刃７ａの振れ量の大小が各切れ刃７ａにおける実際の加工代ではなく、各切れ刃７ａの振れ量の差（増減分）が実際の加工代の差となる。この差が大きな切れ刃７ａほどチッピングが早く進行して工具寿命が短くなるため、この値を計算するのである。

そして、各刃列における制御量Ｒ_ｉを以下の式（２）により計算する。
Ｒ_１＝０として、
Ｒ_ｉ＝（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）−｛各刃列ｉにおける（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）の総和を刃数Ｚで除した値｝＋Ｒ_ｉ−１・・（２）
なお、この計算式は、刃列内の実加工代最大値は、各刃列で計算した最大値の平均値より小さくならないことを意味している。

制御の位置（工具回転角度）は、刃列内の各段における振れ量を測定した位置（基準位置からの回転角度（図３のα））から、例えば、実際に加工に使用する切れ刃７ａのみの回転角度平均値を使用する。切れ刃７ａの各位置と工具７の本体との位相関係は、例えば、主軸６に接続されているエンコーダで把握するようにしてもよい。このエンコーダの出力に基づいて、主軸回転制御装置１１が切れ刃７ａの位相情報を得ることができる。

こうして各刃列における制御量Ｒ_ｉが計算されると、演算装置１２は、Ｓ３において、Ｓ２で計算した制御量を各軸方向に変換して、記憶装置に記憶されるＮＣプログラムの送り軸指令値から減算する。そして、数値制御装置１３は、Ｓ４において、減算された送り軸指令値に基づいて各送り軸（制御ユニット）を制御して加工を実施する。例えばＸ−Ｙ平面における加工であれば、加工進行方向に対して計算した制御量をＸ軸、Ｙ軸方向に分配して加工逆方向に送り軸を制御する。このＳ３，４の処理は、Ｓ５で加工終了となるまで繰り返される。
この制御により、送り動作に対して微小な強制振動が重畳されるが、この強制振動は、工具７の振れに等しい振動数となるため、主軸６の１回転内における工具７の振れ量を抑制するように送り軸に振動を重畳でき、工具振れ量の影響をキャンセルするよう作用させることができる。その結果、切れ刃７ａに作用する最大切削力を削減して工具チッピングの発生割合を低減することができる。また、最大切削力の削減によってびびり振動の抑制にも繋がる。

図４は、１段の刃数が４で３段の切れ刃を有する工具を使用することを想定した場合の各切れ刃振れ量測定値と実加工代の増減分の計算値とを示したものである。この場合、相対的に実加工代が最も大きい切れ刃は３列目の１段で３０μｍである（太枠部）。
図５は、図４の工具において、１刃列内で測定した、各段における切れ刃振れ量の平均値を制御量とした場合の計算値と、当該計算値に基づいて制御した場合の切れ刃振れ量の計算値と実加工代増減分の計算値とを示したものである。この場合、相対的に実加工代が最も大きい切れ刃は３列目の１段で１２．３μｍとなっている（太枠部）。

これに対して、図６は、同じ工具において、上記計算式にて求めた制御量と、当該制御量に基づいて制御した場合の切れ刃振れ量の計算値と実加工代増減分の計算値とを示したものである。この場合、相対的に実加工代が最も大きい切れ刃は４カ所に増えて（より平均化して）６．３μｍとなり（太枠部）、振れ量の影響が殆どなくなっている。なお、これは、表計算ソフトのソルバー機能で解析した結果とも略一致している。

このように、上記形態の送り軸の制御方法を実行する工作機械によれば、時間を要する複雑な計算方法でなく、簡単な演算により、加工中に工具位置（回転角度）に応じた各軸方向の工具振れ量を送り軸側にて補正することで、実際の加工代の最大値が平均化される制御量が得られる。よって、工具振れ量の影響を好適に抑制して加工でき、工具７の長寿命化を図ることができる。

なお、工具における切れ刃の段数や１つの段内の切れ刃の数は上記形態に限らず、適宜増減可能である。工作機械も、同心円上に複数配置される切れ刃の段を軸方向へ複数段装着してなる工具を回転させて送り軸制御して加工を行うものであれば、複合加工機やマシニングセンタ等、特に機種を限定するものではない。

１・・ベッド、２・・コラム、３・・主軸頭、４・・Ｘ軸制御ユニット、５・・Ｚ軸制御ユニット、６・・主軸、７・・工具、７ａ・・切れ刃、８・・Ｙ軸制御ユニット、９・・テーブル、１０・・被加工物、１１・・主軸回転制御装置、１２・・演算装置、１３・・数値制御装置、１４・・外部入力装置。

Claims

同心円上に複数配置される切れ刃の段を、各段の前記切れ刃の数をそれぞれ等しくして、各前記切れ刃が軸方向と平行に或いは当該軸方向から周方向へ徐々にずれるねじれ方向に並ぶ複数の刃列を形成するように複数段装着してなる工具を回転させて被加工物を加工する工作機械において、加工中の送り軸に対して予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する送り軸の制御方法であって、
前記振れ量に基づいて前記切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算して、各刃列における前記加工代の最大値が平均化される制御量を算出し、前記制御量に基づいて前記微小変位の制御を重畳することを特徴とする工作機械における送り軸の制御方法。
前記制御量Ｒ_ｉは、以下の手順で算出されることを特徴とする請求項１に記載の工作機械における送り軸の制御方法。
刃列の番号添え字をｉ（１≦ｉ≦Ｚ、Ｚ：刃数）
各刃列内の切れ刃の段番号添え字をｊ（１≦ｊ≦Ｎ、Ｎ：刃列内で実加工に使用する切れ刃段数）
測定した各切れ刃振れ量をＣ_ｉ，ｊ（μｍ）として、各切れ刃における実際の加工代の増減分Ｄ_ｉ，ｊを、以下の式（１）により算出する。
Ｄ_ｉ，ｊ＝Ｃ_ｉ，ｊ−Ｃ_{ｉ−１，ｊ}（但し、ｉ−１がゼロの場合はＺに置き換える）・・（１）
次に、Ｒ_１＝０として、制御量Ｒ_ｉを以下の式（２）により算出する。
Ｒ_ｉ＝（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）−｛各刃列ｉにおける（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）の総和を刃数Ｚで除した値｝＋Ｒ_ｉ−１・・（２）
同心円上に複数配置される切れ刃の段を、各段の前記切れ刃の数をそれぞれ等しくして、各前記切れ刃が軸方向と平行に或いは当該軸方向から周方向へ徐々にずれるねじれ方向に並ぶ複数の刃列を形成するように複数段装着してなる工具を回転させて被加工物を加工すると共に、加工中の送り軸に対して予め測定した前記切れ刃の振れ量に基づいて前記送り軸を加工逆方向に微小変位させる制御を重畳する工作機械であって、
前記振れ量に基づいて前記切れ刃が実際に加工する加工代の増減分を計算して、各刃列における前記加工代の最大値が平均化される制御量を算出する制御量算出手段と、前記制御量に基づいて前記微小変位の制御を重畳する制御手段と、を備えることを特徴とする工作機械。
前記制御量Ｒ_ｉは、以下の手順で算出されることを特徴とする請求項３に記載の工作機械。
刃列の番号添え字をｉ（１≦ｉ≦Ｚ、Ｚ：刃数）
各刃列内の切れ刃の段番号添え字をｊ（１≦ｊ≦Ｎ、Ｎ：刃列内で実加工に使用する切れ刃段数）
測定した各切れ刃振れ量をＣ_ｉ，ｊ（μｍ）として、各切れ刃における実際の加工代の増減分Ｄ_ｉ，ｊを、以下の式（１）により算出する。
Ｄ_ｉ，ｊ＝Ｃ_ｉ，ｊ−Ｃ_{ｉ−１，ｊ}（但し、ｉ−１がゼロの場合はＺに置き換える）・・（１）
次に、Ｒ_１＝０として、制御量Ｒ_ｉを以下の式（２）により算出する。
Ｒ_ｉ＝（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）−｛各刃列ｉにおける（Ｄ_ｉ，１からＤ_ｉ，ｊまでの最大値）の総和を刃数Ｚで除した値｝＋Ｒ_ｉ−１・・（２）