JP6517879B2 - 数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、数値制御装置に関し、特に切削工具の加工条件に基づいて送り速度を制御する数値制御装置に関する。

工作機械を用いた切削加工には、溝加工、自由曲面加工、側面加工、傾斜面加工などのように、フライス工具、エンドミル工具等のように、工具の側面等に１乃至複数枚の刃が設けられた工具が取り付けられた主軸を該主軸の方向とは異なる方向に切削を行う加工方法がある（特許文献１など）。例えば、エンドミル工具２を用いた側面溝加工では、図４に示すように、主軸に取り付けられ回転しているエンドミル工具２を、主軸の方向に対して略直交する方向へと工具を切削送りしたり、図５に示すように、主軸に取り付けられ回転しているエンドミル工具２を、ワークに対して切り込んだ状態でワークの表面と平行に切削送りしたりすることで溝の加工を行う。また、エンドミル工具２を用いたランピング溝加工では、図６に示すように、主軸に取り付けられ回転しているエンドミル工具２を、ワークの表面に対して傾斜をつけて切込むように切削送りすることで溝を形成する。

ボールエンドミル工具４を用いた自由曲面加工では、図７に示されるように、主軸に取り付けられ回転しているボールエンドミル工具４を主軸の方向とは異なる方向（例えば、目標とする自由曲面に沿った方向）へ切削送りすることで曲面の加工を行う。また、エンドミル工具２を用いた側面加工では、図８に示すように、主軸に取り付けられ回転しているエンドミル工具２を、ワークに切れ込んだ状態で側面と平行に切削送りすることでワークの側面を加工する。

上記したように、フライス工具、エンドミル工具等の切削工具は、工具の側面等に１乃至複数枚の刃が設けられていることが殆どであるが、単一刃、複数刃によらず、上記で例示した加工方法では、１枚の刃に限定して切削動作を観察すると、主軸の回転運動（主軸回転方向）と主軸の方向とは異なる方向への移動とにより、ワークに刃が当たることでワークの加工が行われ、特に複数枚の刃が設けられている工具の場合には、それぞれの刃が交替でワークに当たることでワークの加工が行われる。

更に、理解を深めるために、図９に示したフライス加工を例として説明する。図９の例では、フライス工具５には６枚の刃６が設けられており、主軸の回転運動により刃６が主軸回転方向Ｍに向かって回転する。また、フライス工具５は主軸の移動軸が制御されることで、主軸の方向とは異なる移動方向Ｑへ移動する。そして、フライス工具５が備える刃６がワーク３に当たると、主軸の回転運動と主軸の方向とは異なる移動方向Ｑへの移動とにより、刃６はワーク３を切削しながらワーク３の外側に抜けて行く。このような動作が連続して行われることで、フライス工具５が備える６枚の刃６を用いたワーク３のフライス加工が成り立つ。このような加工方法において、フライス工具５が備える１つの刃６あたり１回の加工量を示す一刃送り量Ｄは、フライス工具５が備える刃６の数と、主軸回転方向Ｍへの単位時間当たりの回転数と、移動方向Ｑへの切削送り速度とを用いて、以下の数１式により算出することができる。なお、一刃送り量は、上記した各加工方法でも同様の方法で算出できる。

工具の一刃送り量は、工具毎に工具メーカーが設定した推奨値が提供されており、オペレータは、工具メーカーのカタログなどに記載される一刃送り量の推奨値と、ワークの加工形状、加工精度、使用機械、ツーリングの剛性等、切削にかかわる全ての要因を考慮しながら、切削送り速度や主軸回転数を含む加工条件を設定する。ここで、オペレータが加工条件の設定を誤り、その結果として一刃送り量が推奨値を超えるものとなった場合、ワークの加工品質の低下や、工具寿命の大幅な減少、工具の破損を招く場合がある。

特開２０１６−０６６２０１号公報

このように、送り速度や主軸回転数などを決める際に、オペレータは工具の切削条件の推奨値を意識する必要があるが、加工プログラムの新規作成時には妥当でない（切削条件の推奨値を満足しない）加工条件を設定してしまう可能性がある。また、既存のプログラムに対し、同じ形状の工具（異なるコーティング、メーカ）に変更した場合、新しい工具の切削条件の推奨値を確認することなく加工条件の変更せずに加工した結果、工具の切削条件の推奨値を満足しない加工をしてしまう可能性がある。更に、オペレータが加工前に主軸回転数を変更したり、加工中にオーバライド等を操作して主軸回転数を変更したりすることで、工具の切削条件の推奨値を満足しない加工となってしまう可能性がある。

そこで本発明の目的は、主軸の方向とは異なる方向に切削を行う加工において、最適な送り速度を算出することが可能な数値制御装置を提供することである。

本発明では、主軸回転数、一刃送り、刃数の情報から、制御装置が自動的に送り速度を算出する機能を数値制御装置に設けることにより上記課題を解決する。

そして、本発明の一態様は、加工プログラムに基づいて主軸を備えた工作機械を制御して、該主軸をワークに対して相対的に移動させて該主軸の方向とは異なる方向に切削加工を行う数値制御装置において、前記主軸に取り付けられた工具に係る少なくとも前記工具の一刃送りの推奨値及び前記工具の刃数を含む工具データを記憶する工具データ記憶部と、前記加工プログラムから指令ブロックを読み出して解析し、前記主軸をワークに対して相対的に移動させる移動指令データと、前記主軸を回転させる主軸回転指令データとを生成する指令解析部と、前記工具の工具データに含まれる工具の一刃送りの推奨値及び工具の刃数を少なくとも用いて前記主軸の推奨切削送り速度を算出し、前記移動指令データに含まれる前記主軸の切削送り速度が前記推奨切削送り速度よりも大きい場合に、前記主軸の切削送り速度を前記推奨切削送り速度でクランプする切削速度制御部と、を備える数値制御装置である。

本発明により、工具の切削条件の推奨値に基づく切削送り速度の算出をしなくても適切な切削送り速度で加工プログラムの実行されるようになり、また、加工プログラムの作成時に想定していた工具以外の工具（異なる種類、メーカ）でも切削送り速度を変更せずにプログラムを使用することが可能となる。更に、主軸回転数を変更しても、送り速度指令の変更をしなくても良くなる。そのため、オペレータの労力やミスを軽減することができる。

一実施形態による数値制御装置と該数値制御装置によって駆動制御される加工機の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。 一実施形態による数値制御装置の概略的な機能ブロック図である。 切削速度制御の処理の流れを示す概略的なフローチャートである。 側面溝加工について説明する図である。 加工面が傾斜したワークの側面溝加工について説明する図である。 ランピング溝加工について説明する図である。 自由曲面加工について説明する図である。 側面加工について説明する図である。 フライス加工について説明する図である。

以下に本発明を実現するための数値制御装置の構成例を示す。ただし、本発明の数値制御装置の構成は下記の例に限定されるものではく、本発明の目的を実現可能なものであれば、どのような構成を採用しても良い。

図１は一実施形態による数値制御装置と該数値制御装置によって駆動制御される加工機の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。本実施形態による数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１は、数値制御装置１を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステム・プログラムをバス２０を介して読み出し、該システム・プログラムに従って数値制御装置１全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及び後述する表示器／ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種データ等が格納される。

不揮発性メモリ１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされるなどして、数値制御装置１の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリとして構成される。不揮発性メモリ１４には、インタフェース１５を介して読み込まれた加工プログラムや後述する表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラムに加えて、加工に使用する工具の切削条件の推奨値を含む工具データなどが記憶されている。不揮発性メモリ１４には更に、加工プログラムを運転するために用いられる加工プログラム運転処理用プログラム等が記憶されるが、これらプログラムは実行時にはＲＡＭ１３に展開される。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理などを実行するための各種のシステム・プログラム（切削送り速度算出用のシステム・プログラムを含む）があらかじめ書き込まれている。

インタフェース１５は、数値制御装置１とアダプタ等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からは加工プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１内で編集した加工プログラムは、外部機器７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１に内蔵されたシーケンス・プログラムで加工機の周辺装置（例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、加工機の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。

表示器／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８は表示器／ＭＤＩユニット７０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インタフェース１９は各軸を手動で駆動させる際に用いる手動パルス発生器等を備えた操作盤７１に接続されている。

加工機が備える軸を制御するための軸制御回路３０はＣＰＵ１１からの軸の移動指令量を受けて、軸の指令をサーボアンプ４０に出力する。サーボアンプ４０はこの指令を受けて、加工機が備える軸を移動させるサーボモータ５０を駆動する。軸のサーボモータ５０は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図１のハードウェア構成図では軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０は１つずつしか示されていないが、実際には制御対象となる工作機械に備えられた軸の数だけ用意される。

スピンドル制御回路６０は、加工機への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、加工機のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。
スピンドルモータ６２にはポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはＣＰＵ１１によって読み取られる。

図２は、切削速度制御機能を実現するためのシステム・プログラムを図１で示した数値制御装置１に実装した場合の、本発明の一実施形態による数値制御装置の概略的な機能ブロック図である。図２に示した各機能ブロックは、図１に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１が、切削送り速度算出用のシステム・プログラムを実行し、数値制御装置１の各部の動作を制御することにより実現される。本実施形態の数値制御装置１は、指令解析部１００、補間部１１０、サーボ制御部１２０、オーバライド入力部１４０を備え、また、数値制御装置１に設定された加工条件を記憶する加工条件記憶部２１０と、加工に用いる工具に係る工具データを記憶する工具データ記憶部２２０とが不揮発性メモリ１４上に設けられている。

指令解析部１００は、不揮発性メモリ１４から加工プログラム２００に含まれる指令ブロックを逐次読み出して、読み出した指令ブロックを解析し、主軸の送り速度の指令値Ｆを含む移動指令データや主軸回転数の指令値Ｓを含む主軸回転指令データを算出する。指令解析部１００は、加工プログラム２００で指令ブロックに主軸回転数の指令値Ｓが含まれていない場合には、加工条件記憶部２１０などにあらかじめ設定されている主軸回転数の値を使用する。また、主軸の送り速度に対するオーバライド値や主軸回転数に対するオーバライド値がオーバライド入力部１４０から入力されている場合には、指令解析部１００は、算出した主軸の送り速度の指令値Ｆや主軸回転数の指令値Ｓに対してそれぞれのオーバライド値を乗算する。

指令解析部１００は、切削送りを行う際の主軸の送り速度を制御する切削速度制御部１０２を備える。切削速度制御部１０２は、工具データ記憶部２２０に記憶されている現在の加工に使用している工具の工具データを参照して、参照した工具データに基づいて主軸の推奨切削送り速度Ｖｃを算出する。切削速度制御部１０２が算出する主軸の推奨切削送り速度Ｖｃは、例えば指令解析部１００が算出した主軸回転数Ｓと、工具データに含まれる工具の一刃送りの推奨値Ｄ_r、工具の刃数Ｎに基づいて、以下の数２式により算出することができる。

そして、切削速度制御部１０２は、加工時に切削送り指令に基づく制御を行う際に、指令解析部１００が算出した主軸の送り速度の指令値Ｆが推奨切削送り速度Ｖｃを超える場合に、主軸の送り速度の指令値Ｆを推奨切削送り速度Ｖｃでクランプする。

補間部１１０は、指令解析部１００により算出された（そして切削速度制御部１０２によりクランプされた）主軸の送り速度の指令値Ｆに基づいて、移動指令データにより指令される指令経路上の点を補間周期で補間計算した補間データを生成する。
サーボ制御部１２０は、補間部１１０が生成した補間データに基づいて制御対象となる機械の各軸を駆動するサーボモータ５０を制御する。
また、スピンドル制御部１３０は、主軸回転指令データに基づいて制御対象となる機械の主軸を回転させるスピンドルモータ６２を制御する。

オーバライド入力部１４０は、操作盤７１等に設けられたオーバライドスイッチ（図示せず）をオペレータが操作することにより該操作盤７１等から数値制御装置１に入力される主軸の送り速度に対するオーバライド値や主軸回転数に対するオーバライド値を受け付け、受け付けた値オーバライド値を指令解析部１００に対して出力する。

図３は、図２で示した数値制御装置１上で実行される処理の概略的なフローチャートである。図３に示した処理の流れは、加工プログラムの指令ブロックにより切削送りを指令されているときの動作を示しており、その他の指令（早送り等）に基づく動作の処理については省略している。
●［ステップＳＡ０１］指令解析部１００は、加工プログラム２００の指令ブロックを解析して主軸回転数の指令値Ｓを算出する。
●［ステップＳＡ０２］指令解析部１００は、オーバライド入力部１４０から主軸回転数に対するオーバライド値が入力されている場合、ステップＳＡ０１で算出した主軸回転数の指令値Ｓに対して主軸回転数に対するオーバライド値を乗算する。

●［ステップＳＡ０３］指令解析部１００は、加工プログラム２００の指令ブロックを解析して主軸の切削送り速度の指令値Ｆを算出する。
●［ステップＳＡ０４］指令解析部１００は、オーバライド入力部１４０から主軸の送り速度に対するオーバライド値が入力されている場合、ステップＳＡ０３で算出した主軸の切削送り速度の指令値Ｆに対して主軸の送り速度に対するオーバライド値を乗算する。

●［ステップＳＡ０５］切削速度制御部１０２は、工具データ記憶部２２０に記憶されている現在の加工に使用している工具の工具データを参照して、参照した工具データに基づいて主軸の推奨切削送り速度Ｖｃを算出する。
●［ステップＳＡ０６］切削速度制御部１０２は、指令解析部１００が算出した主軸の切削送り速度の指令値Ｆと、ステップＳＡ０５で算出した主軸の推奨切削送り速度Ｖｃとを比較する。主軸の切削送り速度の指令値Ｆが主軸の推奨切削送り速度Ｖｃよりも大きい場合にはステップＳＡ０７へ処理を移行し、そうでない場合にはステップＳＡ０８へ処理を移行する。

●［ステップＳＡ０７］切削速度制御部１０２は、主軸の切削送り速度の指令値Ｆを主軸の推奨切削送り速度Ｖｃでクランプする（主軸の切削送り速度の指令値Ｆを主軸の推奨切削送り速度Ｖｃとする）。
●［ステップＳＡ０８］指令解析部１００は、主軸の切削送り速度の指令値Ｆを含む移動指令データと、主軸回転数の指令値Ｓを含む主軸回転指令データとを生成して出力する。

以上の構成により、工具の切削条件の推奨値に基づく切削送り速度の推奨値を算出しなくても適切な切削送り速度で加工プログラムの実行されるようになり、加工プログラムの作成時に想定していた工具以外の工具（異なる種類、メーカ）でも切削送り速度を変更せずにプログラムを使用することが可能となる。更に、加工前に加工プログラムを書き換えたり加工中にオーバライドスイッチを操作して主軸回転数を変更したりしても、切削送り速度が工具の切削条件の推奨値から算出された推奨切削送り速度値で自動的にクランプされるため、オペレータは送り速度指令の変更をしなくても良くなる。本発明は、１乃至複数の刃が設けられている工具であって、主軸の回転と、移動軸による（ワークに対する）主軸の移動とにより、それぞれの刃が交替で（１刃の場合には断続的に）ワークを切削する加工全般に適用することができる。このような加工方法は、側面溝加工、ランピング溝加工、自由曲面加工、側面加工、傾斜面加工だけなく、正面フライス加工、平フライス加工、ヘリカル加工など、様々な加工方法が存在するが、いずれの加工方法であっても本発明を適用することで一刃送り量を適切に制御することが可能となる。

本実施形態の数値制御装置の一変形例として、切削速度制御部１０２は、加工プログラム内で切削送り速度が指令されていない場合に、切削送り速度Ｆを推奨切削送り速度Ｖｃに自動的に設定するようにしても良い。

上記変形例によれば、オペレータが加工プログラム中で切削送り速度を指令しなくとも、切削速度制御部１０２が、現在使用している工具の工具データに基づいて算出される推奨切削送り速度Ｖｃを主軸の送り速度の指令値Ｆとして設定するため、オペレータの労力やミスを軽減することができる。

本実施形態の数値制御装置の他の変形例として、切削速度制御部１０２は、加工プログラム内で指令された（そしてオーバライドスイッチの操作に基づいてオーバライドされた）主軸の切削送り速度の指令値Ｆを現在使用している工具の工具データに基づいて算出される推奨切削送り速度Ｖｃでクランプした場合に、速度をクランプした旨オペレータに対して表示器／ＭＤＩユニット７０の表示や操作盤７１のランプ、音等により通知するようにしても良い。

上記変形例によれば、加工プログラム内で指令された（そしてオーバライドスイッチの操作に基づいてオーバライドされた）主軸の切削送り速度の指令値Ｆがクランプされたことや、クランプされた速度（推奨切削送り速度Ｖｃ）を確認することができるようになる。

本実施形態の数値制御装置の他の変形例として、切削速度制御部１０２は、加工プログラム内で指令されている切削送り速度の指令値Ｆが、現在使用している工具の工具データに基づいて算出される推奨切削送り速度Ｖｃを下回る場合に、その旨オペレータに対して表示器／ＭＤＩユニット７０の表示や操作盤７１のランプ、音等により通知するようにしてもよい。

上記変形例によれば、加工プログラム内で指令された主軸の切削送り速度の指令値Ｆをより大きな値へと変更できることや、主軸の切削送り速度の推奨される上限（推奨切削送り速度Ｖｃ）を確認することができるようになる。

本実施形態の数値制御装置の他の変形例として、切削速度制御部１０２は、加工プログラム内で指令されている切削送り速度が、現在使用している工具の工具データに基づいて算出される推奨切削送り速度Ｖｃを下回る場合に、主軸の切削送り速度の指令値Ｆを推奨切削送り速度Ｖｃに自動的に設定するようにしても良い。

上記変形例によれば、加工プログラム内で指令された主軸の切削送り速度の指令値Ｆをより大きな値へと変更できる場合に、自動的に推奨される上限速度まで上昇させるため、加工のサイクルタイムを低減することができるようになる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

１ 数値制御装置
２ 切削工具
３ ワーク
４ ワーク
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
１５，１８，１９ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／Ｏユニット
２０ バス
３０ 軸制御回路
４０ サーボアンプ
５０ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ 表示器／ＭＤＩユニット
７１ 操作盤
７２ 外部機器
１００ 指令解析部
１０２ 切削速度制御部
１１０ 補間部
１２０ サーボ制御部
１３０ スピンドル制御部
１４０ オーバライド入力部
２００ 加工プログラム
２１０ 加工条件記憶部
２２０ 工具データ記憶部

Claims (4)

1. 加工プログラムに基づいて主軸を備えた工作機械を制御して、該主軸をワークに対して相対的に移動させて該主軸の方向とは異なる方向に切削加工を行う数値制御装置において、
   前記主軸に取り付けられた工具に係る少なくとも前記工具の一刃送りの推奨値及び前記工具の刃数を含む工具データを記憶する工具データ記憶部と、
   前記加工プログラムから指令ブロックを読み出して解析し、前記主軸をワークに対して相対的に移動させる移動指令データと、前記主軸を回転させる主軸回転指令データとを生成する指令解析部と、
   前記工具の工具データに含まれる工具の一刃送りの推奨値及び工具の刃数を少なくとも用いて前記主軸の推奨切削送り速度を算出し、前記移動指令データに含まれる前記主軸の切削送り速度が前記推奨切削送り速度よりも大きい場合に、前記主軸の切削送り速度を前記推奨切削送り速度でクランプする切削速度制御部と、
   を備える数値制御装置。
2. 前記切削速度制御部は、前記加工プログラムの指令ブロックで切削送り速度が指令されていない場合に、前記主軸の切削送り速度を前記推奨切削送り速度とする、
   請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記切削速度制御部は、前記加工プログラムの指令ブロックで指令される切削送り速度が前記推奨切削送り速度よりも小さい場合に、前記主軸の切削送り速度を前記推奨切削送り速度とする、
   請求項１または２に記載の数値制御装置。
4. 前記切削速度制御部が前記主軸の切削送り速度を変更した場合に、前記主軸の切削送り速度を変更した旨オペレータに通知する、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置。

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