JP2022126459A - 工作機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】びびり振動を効果的に抑制するための切込み量と送り速度とを求める。【解決手段】旋盤の制御装置１０は、工具に係る情報を入力する入力部４と、入力部４に入力された情報を用いて、切削加工時の一回転前の加工面と重複する切削領域である再生幅と、ワークへの工具の切込み量と、工具の送り速度との関係を演算する再生幅演算部５と、再生幅演算部５で求めた再生幅と比切削抵抗とに基づいてびびり振動に対する不安定度を演算する不安定度演算部６とを備えている。【選択図】図４

Description

本開示は、工作機械に設けられて切削加工の制御を行う制御装置に関する。

工作機械には、主軸モータと送り軸モータとの負荷を表示部に表示するロードモニタ機能を備えたものがある。ロードモニタ機能により、オペレータは加工により機械にかかる負荷を確認することができるため、切込み量、送り速度、回転速度を調整することにより、過負荷による発熱や機械停止を回避することができる。
また、振動センサで測定したびびり振動の周波数を解析し、周波数と回転速度情報とを用いて、びびり振動が発生しにくい回転速度を演算し表示部に表示する最適回転速度表示機能を備えたものもある（例えば特許文献１参照）。最適回転速度表示機能により、オペレータは経験が浅くてもびびり振動に対する最適な回転速度を知ることができるため、回転速度を調整することにより容易にびびり振動を抑制することができる。

特開２０１２－９１２４９号公報

最適回転速度表示機能は、びびり振動に対する最適な回転速度を求めることができる。しかしながら、びびり振動に対する最適な切込み量と送り速度とについては求めることができない。
また、びびり振動は、必ずしも加工負荷が大きいほど発生しやすくなるわけではないため、ロードモニタ機能で表示される負荷の値も、びびり振動を抑制するために切込み量、送り速度を調整する際の参考にすることができない。

そこで、本開示は、びびり振動を効果的に抑制するための切込み量と送り速度とを求め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したものである。

上記目的を達成するために、本開示は、工具又はワークを回転させてワークを切削加工する工作機械の制御装置であって、
前記工具に係る情報を入力する入力部と、
前記入力部に入力された情報を用いて、切削加工時の一回転前の加工面と重複する切削領域である再生幅と、ワークへの前記工具の切込み量と、前記工具の送り速度との関係を演算する再生幅演算部と、
前記再生幅演算部で求めた前記再生幅と比切削抵抗とに基づいてびびり振動に対する不安定度を演算する不安定度演算部と、を備えることを特徴とする。
本開示の別の態様は、上記構成において、前記不安定度演算部は、前記不安定度を、前記再生幅と前記比切削抵抗との積又は和によって演算することを特徴とする。
本開示の別の態様は、上記構成において、前記不安定度を、前記切込み量及び前記送り速度との関係と共に表示する表示部を備えることを特徴とする。
本開示の別の態様は、上記構成において、前記表示部は、前記工具の形状情報と前記送り速度とから求める加工面の理論粗さと、前記切込み量と前記送り速度とから求める切削断面積とのうちの少なくとも１つを併せて表示することを特徴とする。
本開示の別の態様は、上記構成において、前記表示部は、前記切込み量及び前記送り速度に対応した前記不安定度と、前記理論粗さと、前記切削断面積とをグラフ化して表示し、前記グラフ上の所定の位置が選択されると、当該位置に対応した前記切込み量及び前記送り速度を加工プログラムに反映させることを特徴とする。
本開示の別の態様は、上記構成において、切削断面積と加工面粗さとの少なくとも一方が入力情報として前記入力部に入力されると、所定の前記不安定度の値以下で、且つ前記入力情報に応じた前記切込み量及び前記送り速度を自動的に加工プログラムに反映させることを特徴とする。

本開示によれば、工具の切込み量及び送り速度からびびり振動に対する不安定度が演算されるので、得られた不安定度に基づいてびびり振動を効果的に抑制するための切込み量及び送り速度を選択することができる。
特に、不安定度を、再生幅と比切削抵抗との積又は和によって演算する別の態様によれば、不安定度が簡単に得られる。
不安定度を、切込み量及び送り速度との関係と共に表示する表示部を備える別の態様によれば、上記効果に加えて、オペレータは、不安定度が低い切込み量と送り速度とを容易に最適値に調整することができ、容易にびびり振動を抑制することができる。
表示部が、工具の形状情報と送り速度とから求める加工面の理論粗さと、切込み量と送り速度とから求める切削断面積とを併せて表示する別の態様によれば、上記効果に加えて、切込み量及び送り速度を変更した後の理論粗さと切削断面積とがわかりやすくなる。よって、品質と加工能率の維持および改善も行いやすくなる。
表示部が、切込み量及び送り速度に対応した不安定度と、理論粗さと、切削断面積とをグラフ化して表示し、グラフ上の所定の位置が選択されると、当該位置に対応した切込み量及び送り速度を加工プログラムに反映させる別の態様によれば、上記効果に加えて、びびり振動が発生しにくい切込み量と送り速度との選択が容易に行える。
切削断面積と加工面粗さとの少なくとも一方が入力情報として入力部に入力されると、所定の不安定度の値以下で、且つ入力情報に応じた切込み量及び送り速度を自動的に加工プログラムに反映させる別の態様によれば、上記効果に加えて、びびり振動が発生しにくい切込み量と送り速度とで自動的に切削加工が行われ、加工能率が向上すると共に、オペレータの入力作業も軽減される。

旋盤における外周切削の模式図である。 背分力方向の比切削抵抗と切込み量と送り速度との関係を表す模式図である。 再生幅と切込み量と送り速度との関係を表す模式図である。 制御装置のブロック構成図である。 不安定度演算部が演算したびびり振動に対する不安定度の表示の模式図である。

以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例である旋盤Ｍにおける外周切削の模式図である。ここでは、周知の機械構成によって、回転するワーク１に工具２を主軸の径方向に切り込み、主軸方向に送ることでワーク１の外径を円筒形状に加工する様子を表している。
図１において、ａは切込み量、ｆは送り速度、Ｒは工具２のノーズ、ｂは切削幅、ｂ_ｄは再生幅（一回転前の加工面と重複する切削領域）である。図１に示すように、再生幅ｂ_ｄは、切込み量ａ、送り速度ｆ、ノーズＲを用いて幾何学的に求めることができる。
図２は、背分力方向（ワーク１の半径方向）の比切削抵抗Ｋ_ｒと、切込み量ａと、送り速度ｆとの関係を表す模式図である。図２に示すように、比切削抵抗Ｋ_ｒは、切込み量ａが小さいほど、また、送り速度ｆが小さいほど大きくなる。
図３は、再生幅ｂ_ｄと、切込み量ａと、送り速度ｆとの関係を表す模式図である。なお、ノーズＲは、工具２の諸元の一つであり、オペレータが加工条件を調整する際には既知であるためここでは変数としない。図３に示すように、再生幅ｂ_ｄは、切込み量ａが大きいほど大きくなり、送り速度ｆが小さいほど大きくなる。

図４は、本開示の制御装置１０の構成の一例を示す。ここでの制御装置１０は、旋盤ＭのＮＣ装置に構成される。制御装置１０は、記憶部３と、入力部４と、再生幅演算部５と、不安定度演算部６と、表示部７とを備えている。
記憶部３には、入力部４からオペレータが入力するワーク１の材質情報と、ノーズＲなどの工具形状情報と、図２に示すような、予め実験等で求めた比切削抵抗Ｋ_ｒと、切込み量ａと、送り速度ｆとの関係とが保管されている。
再生幅演算部５は、記憶部３に保管された情報を読み込み、工具形状を基にした再生幅ｂ_ｄの演算を行い、図３に示すような、再生幅ｂ_ｄと、切込み量ａと、送り速度ｆとの関係を演算する。
不安定度演算部６は、これから加工を行うワーク１の材質に対応した比切削抵抗Ｋ_ｒと、再生幅演算部５が演算した再生幅ｂ_ｄとを乗算したものを、びびり振動に対する不安定度として算出する。

図５は、不安定度演算部６が演算したびびり振動に対する不安定度の表示の模式図であり、横軸に切込み量ａをとり、縦軸の第１軸に送り速度ｆをとり、縦軸の第２軸にノーズＲと送り速度ｆから求める加工面の理論粗さをとり、比切削抵抗Ｋ_ｒと再生幅ｂ_ｄとの積を不安定度としてカラーマップで示す。また、切込み量ａと送り速度ｆとから求める切削断面積を等高線を用いて示す。不安定度のカラーマップは、色が濃くなるに連れて大きくなり、上限が最大、下限が０であることを示している。表示部７は、図５に示すようなグラフ表示を行う。
よって、オペレータは、表示部７に表示される不安定度に基づいて、適切な切込み量ａと送り速度ｆとを、グラフ上で位置を選択するか、或いは数値を直接入力するかすることで入力部４から入力する。すると、制御装置１０は、入力された切込み量ａと送り速度ｆとを加工プログラムに反映して加工を行う。

以上のように、上記形態の旋盤Ｍの制御装置１０は、工具２に係る情報を入力する入力部４と、入力部４に入力された情報を用いて、切削加工時の一回転前の加工面と重複する切削領域である再生幅ｂ_ｄと、ワーク１への工具２の切込み量ａと、工具２の送り速度ｆとの関係を演算する再生幅演算部５と、再生幅演算部５で求めた再生幅ｂ_ｄと比切削抵抗Ｋ_ｒとに基づいてびびり振動に対する不安定度を演算する不安定度演算部６と、を備えている。
この構成によれば、工具２の切込み量ａ及び送り速度ｆからびびり振動に対する不安定度が演算されるので、得られた不安定度に基づいてびびり振動を効果的に抑制するための切込み量ａ及び送り速度ｆを選択することができる。

特に、不安定度を、切込み量ａ及び送り速度ｆとの関係と共に表示する表示部７を備えるので、オペレータは、不安定度が低い（びびり振動が発生しにくい）切込み量ａと送り速度ｆとを容易に最適値に調整することができ、容易にびびり振動を抑制することができる。
また、表示部７が、工具２の形状情報と送り速度ｆとから求める加工面の理論粗さと、切込み量ａと送り速度ｆとから求める切削断面積とを併せて表示するので、切込み量ａ及び送り速度ｆを変更した後の理論粗さと切削断面積とがわかりやすくなる。よって、品質と加工能率の維持および改善も行いやすくなる。
さらに、表示部７は、切込み量ａ及び送り速度ｆに対応した不安定度と、理論粗さと、切削断面積とをグラフ化して表示し、グラフ上の所定の位置が選択されると、当該位置に対応した切込み量ａ及び送り速度ｆを加工プログラムに反映させるので、びびり振動が発生しにくい切込み量ａと送り速度ｆとの選択が容易に行える。

以下、本開示の変更例について説明する。
上記形態では、再生幅と比切削抵抗との積を不安定度としているが、再生幅と比切削抵抗との和を不安定度としてもよい。このように再生幅と比切削抵抗との積又は和によって求めれば、不安定度が簡単に得られる。但し、不安定度は、再生幅と比切削抵抗とを含む別の計算式により演算してもよい。
上記形態では、表示部に、加工面の理論粗さと切削断面積との双方を表示しているが、何れか一方のみでもよいし、双方を表示しなくてもよい。不安定度は、切込み量及び送り速度と共に表示せず、不安定度のみを表示してもよい。
表示部でのグラフ表示において、カラーマップの範囲（上限と下限）は、任意に設定可能である。色も、マス目による段階的な表示に限らず、グラデーションのように連続的に変化させてもよい。勿論上記形態以外のグラフ形式も採用できる。

上記形態では、表示部に表示したグラフ上でオペレータが切込み量及び送り速度を選択することで加工プログラムに反映される構成となっているが、オペレータによる設定を契機とするものに限らず、加工負荷等により決まる切削断面積と、必要な加工面粗さとの少なくとも一方を入力部に入力すると、所定の不安定度の値以下で、且つ当該入力情報に応じた切込み量と送り速度とを自動的に決定して加工プログラムに反映させるようにしてもよい。このようにすれば、びびり振動が発生しにくい切込み量と送り速度とで自動的に切削加工が行われ、加工能率が向上すると共に、オペレータの入力作業も軽減される。
その他、本発明は、旋盤以外の工作機械にも適用可能である。

１・・ワーク、２・・工具、３・・記憶部、４・・入力部、５・・再生幅演算部、６・・不安定度演算部、７・・表示部、Ｍ・・旋盤、ａ・・切込み量、ｆ・・送り速度、Ｒ・・ノーズ、ｂ・・切削幅、ｂ_ｄ・・再生幅、Ｋ_ｒ・・比切削抵抗。

Claims (6)

1. 工具又はワークを回転させてワークを切削加工する工作機械の制御装置であって、
   前記工具に係る情報を入力する入力部と、
   前記入力部に入力された情報を用いて、切削加工時の一回転前の加工面と重複する切削領域である再生幅と、ワークへの前記工具の切込み量と、前記工具の送り速度との関係を演算する再生幅演算部と、
   前記再生幅演算部で求めた前記再生幅と比切削抵抗とに基づいてびびり振動に対する不安定度を演算する不安定度演算部と、
   を備えることを特徴とする工作機械の制御装置。
2. 前記不安定度演算部は、前記不安定度を、前記再生幅と前記比切削抵抗との積又は和によって演算することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の制御装置。
3. 前記不安定度を、前記切込み量及び前記送り速度との関係と共に表示する表示部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の制御装置。
4. 前記表示部は、前記工具の形状情報と前記送り速度とから求める加工面の理論粗さと、前記切込み量と前記送り速度とから求める切削断面積とのうちの少なくとも１つを併せて表示することを特徴とする請求項３に記載の工作機械の制御装置。
5. 前記表示部は、前記切込み量及び前記送り速度に対応した前記不安定度と、前記理論粗さと、前記切削断面積とをグラフ化して表示し、前記グラフ上の所定の位置が選択されると、当該位置に対応した前記切込み量及び前記送り速度を加工プログラムに反映させることを特徴とする請求項４に記載の工作機械の制御装置。
6. 切削断面積と加工面粗さとの少なくとも一方が入力情報として前記入力部に入力されると、所定の前記不安定度の値以下で、且つ前記入力情報に応じた前記切込み量及び前記送り速度を自動的に加工プログラムに反映させることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の制御装置。

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