特許 7453330 工作機械の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(54)【発明の名称】工作機械の制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/4093 20060101AFI20240312BHJP

   B23Q 15/12 20060101ALI20240312BHJP

   B23B 1/00 20060101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

G05B19/4093 M

B23Q15/12 A

B23B1/00 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022501945

(86)(22)【出願日】2021-02-17

(86)【国際出願番号】 JP2021005983

(87)【国際公開番号】W WO2021166974

(87)【国際公開日】2021-08-26

【審査請求日】2022-09-14

(31)【優先権主張番号】P 2020025891

(32)【優先日】2020-02-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】山本 健太

(72)【発明者】

【氏名】森田 有紀

【審査官】中田 善邦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１８２３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１４６９４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－００９２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第５７８１２４１（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開平２－１３１８３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ １９／４０９３

Ｂ２３Ｑ １５／１２

Ｂ２３Ｂ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具とワークを相対的に揺動させて加工する工作機械の制御装置であって、
加工条件から揺動振幅及び揺動周波数を算出し、揺動指令を生成する揺動指令生成部と、
前記揺動指令生成部で生成される揺動指令を位置指令又は位置偏差に重畳することにより生成される重畳指令に基づいて、前記工具と前記ワークとを相対的に揺動させる制御部と、を備え、
前記揺動指令生成部は、加工位置、切削送り開始からの経過時間、又は加工方向の移動量に基づいて、加工が安定状態に入ったと判断された後、加工中に前記揺動振幅及び前記揺動周波数のうち少なくとも一つを変更する、工作機械の制御装置。

【請求項2】

工具とワークを相対的に揺動させて加工する工作機械の制御装置であって、
加工条件から揺動振幅及び揺動周波数を算出し、揺動指令を生成する揺動指令生成部と、
前記揺動指令生成部で生成される揺動指令を位置指令又は位置偏差に重畳することにより生成される重畳指令に基づいて、前記工具と前記ワークとを相対的に揺動させる制御部と、を備え、
前記揺動指令生成部は、主軸負荷、主軸速度、主軸速度偏差、主軸速度変動、送り軸負荷、送り軸速度、送り軸速度偏差、及び送り軸速度変動のうち少なくとも一つに基づいて、加工が安定状態に入ったと判断された後、加工中に前記揺動振幅及び前記揺動周波数のうち少なくとも一つを変更する、工作機械の制御装置。

【請求項3】

前記揺動指令生成部は、前記揺動振幅及び前記揺動周波数のうち少なくとも一つを、時定数をもって変更する、請求項１又は２に記載の工作機械の制御装置。

【請求項4】

前記揺動指令生成部は、前記揺動振幅及び前記揺動周波数のうち少なくとも一つを、特定の揺動位相の時に変更する、請求項１又は２に記載の工作機械の制御装置。

【請求項5】

前記揺動指令生成部は、前記揺動振幅及び前記揺動周波数のうち少なくとも一つを、より小さい値に変更する、請求項１から４いずれかに記載の工作機械の制御装置。

【請求項6】

前記位置偏差に基づいて前記重畳指令の補正量を算出し、算出された補正量を前記重畳指令に加算することにより前記重畳指令を補正する学習制御部をさらに備える、請求項１から５いずれかに記載の工作機械の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、工作機械の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、穴開け加工や旋削加工等において、切り始めでは負荷が変動し易く、ブレーカによる切屑の細断が困難なため、揺動切削を適用することがある。例えば特許文献１には、切削工具とワークを相対的に揺動させながら切削加工することにより、切屑を細断できることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－５６５１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、切り始めにおいて切屑を確実に細断するためには揺動振幅を大きくする必要があるところ、加工が安定した後においてもそのままの揺動振幅で加工を継続すると、工作機械に大きな振動が発生する。工作機械の振動は、加工精度に悪影響を及ぼすため、解決すべき重要課題である。

【0005】

従って、工具とワークを相対的に揺動させて加工する工作機械の制御装置において、工作機械の振動を抑制しつつ切屑を確実に細断できることが望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、工具とワークを相対的に揺動させて加工する工作機械の制御装置であって、加工条件から揺動振幅及び揺動周波数を算出し、揺動指令を生成する揺動指令生成部と、前記揺動指令生成部で生成される揺動指令を位置指令又は位置偏差に重畳することにより生成される重畳指令に基づいて、前記工具と前記ワークとを相対的に揺動させる制御部と、を備え、前記揺動指令生成部は、加工中に前記揺動振幅及び前記揺動周波数のうち少なくとも一つを変更する、工作機械の制御装置である。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、加工中に該加工に合わせた揺動条件（揺動振幅、揺動周波数）に変更することにより、工作機械の振動を抑制しつつ切屑を確実に細断できる工作機械の制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態に係る工作機械の制御装置の機能ブロック図である。

【図2】実施例１の穴開け加工における揺動条件の変更を示す図である。

【図3】実施例２の穴開け加工における揺動条件の変更を示す図である。

【図4】実施例３の穴開け加工における揺動条件の変更を示す図である。

【図5】実施例４の穴開け加工における揺動条件の変更を示す図である。

【図6】実施例５の旋削加工における揺動条件の変更を示す図である。

【図7】実施例６の旋削加工における揺動条件の変更を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0010】

図１は、本開示の一実施形態に係る工作機械の制御装置１の機能ブロック図である。図１に示されるように、本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、サーボ制御装置１０を含んで構成され、送り軸を駆動するモータ３０を駆動制御する。

【0011】

本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、図１に示されるように、加算器１１と、積算器１２と、揺動指令生成部１３と、加算器１４と、学習制御器１５と、加算器１６と、位置速度制御部１７と、を備える。

【0012】

本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、加工プログラムよりモータ３０の駆動指令を生成する。生成された駆動指令（位置指令）は、図１に示されるように、後述するサーボ制御装置１０の加算器１１に入力される。

【0013】

また、本実施形態に係る工作機械の制御装置１の加工プログラムは、例えば、図示しないＣＡＤシステムで作成された加工形状に対して、同じく図示しないＣＡＭシステムにより工具情報や工具の動作情報等が設定されることにより作成される。

【0014】

加算器１１は、位置偏差を算出する。具体的には、加算器１１は、送り軸のモータ３０のエンコーダによる位置検出に基づいた位置フィードバックと位置指令との差分である位置偏差を算出する。

【0015】

積算器１２は、位置偏差の積算値を算出する。具体的には、積算器１２は、上記加算器１１で算出された位置偏差を積算することにより、位置偏差の積算値を算出する。

【0016】

揺動指令生成部１３は、加工条件から揺動振幅及び揺動周波数を算出し、揺動指令を生成する。即ち、揺動指令生成部１３は、揺動振幅及び揺動周波数からなる揺動条件を、加工条件から算出し、算出された揺動条件に基づいて揺動指令を生成する。

【0017】

また、本実施形態の揺動指令生成部１３は、加工中に、揺動条件を構成する揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを変更することを特徴としている。ここで、揺動振幅Ｋ’（ｍｍ）は、揺動振幅倍率をＫ（倍）、送り速度をＦ（ｍｍ／回転）とすると、Ｋ’＝Ｆ×Ｋで表され、同様に、揺動周波数Ｉ’（Ｈｚ）は、揺動周波数倍率をＩ（倍）、主軸回転数をＳ（分^－１）とすると、Ｉ’＝Ｓ／６０×Ｉで表わされる。そのため、本実施形態における揺動振幅及び揺動周波数の変更には、揺動振幅倍率及び揺動周波数倍率の変更も含まれる。

【0018】

このように本実施形態では、加工中に該加工に合わせた揺動条件に変更することにより、工作機械の振動を抑制しつつ、切屑を確実に細断できるようになっている。なお、本実施形態における加工中には、切り込み開始後の切削中のみならず、切り込み前における切削送り時も含まれる。また、揺動条件の変更には、例えば継続的に揺動条件を変化させることや、途中で揺動動作を停止する、即ち揺動振幅をゼロとすることも含まれる。

【0019】

より具体的には、本実施形態の揺動指令生成部１３は、加工位置、切削送り開始からの経過時間、又は加工方向の移動量に基づいて、揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを変更する。例えば、所定の加工位置、所定の切削送り開始からの経過時間、又は所定の加工方向の移動量となった後に、揺動条件の変更を直ちに開始してもよく、所定時間経過後に揺動条件の変更を開始してもよい。また、例えば、加工位置、切削送り開始からの経過時間、又は加工方向の移動量の各変化に対応させて揺動条件を変化させていってもよい。

【0020】

あるいは、本実施形態の揺動指令生成部１３は、主軸負荷、主軸速度、主軸速度偏差、主軸速度変動、送り軸負荷、送り軸速度、送り軸速度偏差、及び送り軸速度変動のうち少なくとも一つに基づいて、揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを変更する。例えば、所定の主軸負荷、所定の主軸速度、所定の主軸速度偏差、所定の主軸速度変動、所定の送り軸負荷、所定の送り軸速度、所定の送り軸速度偏差、及び所定の送り軸速度変動となった後に、揺動条件の変更を直ちに開始してもよく、所定時間経過後に揺動条件の変更を開始してもよい。また、例えば、主軸負荷、主軸速度、主軸速度偏差、主軸速度変動、送り軸負荷、送り軸速度、送り軸速度偏差、及び送り軸速度変動の各変化に対応させて揺動条件を変化させていってもよい。

【0021】

具体的な揺動条件の変更のさせ方としては、時定数をもって変更してもよく、特定の揺動位相の時に例えば段階的に切り替えて変更してもよい。特定の揺動位相としては、例えば０°や９０°が挙げられる。また、揺動指令生成部１３は、揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを、より小さい値に変更してもよく、逆により大きい値に変更してもよい。この揺動指令生成部１３による加工中の揺動条件の変更については、種々の態様があるため、後段で具体例を挙げて詳述する。

【0022】

加算器１４は、重畳指令を生成する。具体的には、加算器１４は、積算器１２で算出された位置偏差の積算値に対して、揺動指令生成部１３で生成される揺動指令を重畳することにより、重畳指令を生成する。なお、加算器１４は、揺動指令生成部１３で生成される揺動指令を位置指令に加算する構成としてもよい。

【0023】

学習制御器１５は、位置偏差に基づいて重畳指令の補正量を算出し、算出された補正量を加算器１６で重畳指令に加算することにより、重畳指令を補正する。この学習制御器１５は、メモリを有し、ある周期を定義できるモータ３０の理想位置と実位置との偏差をメモリに記憶し、周期毎にメモリに記憶された偏差を読み出すことで偏差を０に近づけるための補正量を算出する。本実施形態の重畳指令は、揺動指令を含むことで位置偏差が生じ易いところ、この学習制御器１５による補正により、周期的な揺動指令に対する追従性が向上する。

【0024】

位置速度制御部１７は、重畳指令に基づいて、送り軸を駆動するモータ３０に対するトルク指令を生成し、生成したトルク指令によりモータ３０を制御する。これにより、工具とワークとを相対的に揺動させながら加工が行われる。

【0025】

次に、揺動指令生成部１３による加工中の揺動条件の変更について具体例を挙げながら、図２～図７を参照して詳しく説明する。
なお、図２～図７に示される各実施例では、それぞれ揺動振幅（揺動振幅倍率含む）又は揺動周波数（揺動周波数倍率含む）を変更する例を示しているが、揺動振幅の代わりに揺動周波数を変更してもよく、揺動周波数の代わりに揺動振幅を変更してもよい。あるいは、揺動振幅及び揺動周波数の両者を変更してもよい。また、各実施例では、揺動条件の変更は、時定数をもって変更してもよく、段階的に切り替えてもよい。

【0026】

さらには、後述の各実施例では、切屑が細断できるのであれば、エアーカット（空振り）が発生しない、後退しない揺動振幅まで小さくしてもよい。また、途中で揺動動作を止めて（即ち、揺動振幅をゼロとして）、チップブレーカによる切屑細断に切り替えてもよい。実用上は、加工が進むにつれて揺動振幅や揺動周波数を小さくしていくことになるが、これに限定されず、揺動振幅や揺動周波数を大きくしていくことも可能である。

【0027】

図２は、実施例１の穴開け加工における揺動条件の変更を示す図である。実施例１は、本実施形態を穴開け加工に適用した例であり、加工位置に基づいて揺動振幅を変更する例である。加工位置としては、Ｚ軸位置、即ちＺ軸の基準位置であるＲ点からの移動量を用いている。ただし、加工位置の代わりに、切削送り開始からの経過時間や加工方向の移動量に基づいて、揺動振幅を変更してもよい。

【0028】

図２に示されるように本実施例１では、Ｚ軸位置がＲ点から穴底に向かって移動していく中で、Ｒ点から所定の距離まで離隔する方向に移動する過程で、揺動振幅をより小さい値に変化させている。これにより、工作機械の振動を抑制しつつ切屑を細断できるようになっている。またこのとき、加工中における揺動振幅の変更によってショックが生じないように、時定数をもって揺動振幅を変化させている。そのため、揺動振幅が緩やかに徐々に変化するため、揺動振幅の急な変化によるショックを低減でき、加工精度を向上できるようになっている。

【0029】

また、本実施例の変形例として、特定の揺動位相の時に揺動条件を変更してもよい。具体的には、例えば揺動位相０°又は９０°の時に、揺動振幅を切り替えて変更してもよい。これによっても、揺動振幅の急な変化によるショックを低減でき、加工精度を向上することができる。

【0030】

図３は、実施例２の穴開け加工における揺動条件の変更を示す図である。実施例２は、本実施形態を穴開け加工に適用した例であり、主軸負荷に基づいて揺動振幅を変更する例である。図３に示されるように、加工が開始されると、主軸負荷は急激に増大してピークを迎えた後、次第に低下して所定値に収束する。主軸負荷が所定値に収束した時点で加工が安定状態に入ったと判断されるため、この時点で揺動振幅を、時定数をもって変更している。これにより、実施例１と同様の効果が得られる。また、本実施例２のように、揺動振幅を一旦小さい値に変更した後、所定時間経過後に今度は大きい値に変更してもよい。

【0031】

なお、本実施例の変形例として、主軸負荷以外に、主軸速度や主軸速度偏差に基づいて揺動条件を変更してもよく、主軸速度変動に基づいて揺動条件を変更してもよい。あるいは、送り軸の負荷、速度、速度偏差及び速度変動の少なくとも一つに基づいて揺動条件を変更する構成としてもよい。

【0032】

図４は、実施例３の穴開け加工にける揺動条件の変更を示す図である。実施例３は、本実施形態を穴開け加工に適用した例であり、主軸速度に基づいて揺動振幅を変更する例である。図４に示されるように、加工が開始されると、主軸速度は一旦低下した後、次第に上昇して所定値に収束する。主軸速度が所定値に収束した時点で加工が安定状態に入ったと判断されるため、この時点で揺動振幅を、時定数をもって変更している。これにより、実施例１、２と同様の効果が得られる。

【0033】

図５は、実施例４の穴開け加工における揺動条件の変更を示す図である。実施例４は、本実施形態を穴開け加工に適用した例であり、主軸速度偏差に基づいて揺動振幅を変更する例である。図５に示されるように、加工が開始されると、主軸速度偏差は増減を繰り返して不安定化した後、元の所定値に収束する。主軸速度偏差が所定値に収束した時点で加工が安定状態に入ったと判断されるため、この時点で揺動振幅を、時定数をもって変更している。これにより、実施例１～３と同様の効果が得られる。

【0034】

図６は、実施例５の旋削加工における揺動条件の変更を示す図である。実施例５は、本実施形態を旋削加工に適用した例であり、加工方向の移動量に基づいて揺動振幅を変更する例である。図６に示されるように、加工が開始されると加工方向の移動量は時間の経過とともに大きくなり、加工開始から所定時間経過して加工が安定状態に入った時点で、揺動振幅をより小さい値に切り替えている。これにより、工作機械の振動を抑制しつつ切屑を細断できるようになっている。

【0035】

図７は、実施例６の旋削加工における揺動条件の変更を示す図である。実施例６は、本実施形態を旋削加工に適用した例であり、加工方向の移動量に基づいて揺動周波数を変更する例である。図７に示されるように、加工が開始されると加工方向の移動量は時間の経過とともに大きくなり、加工開始から所定時間経過して加工が安定状態に入った時点で、揺動周波数を時定数をもって変更している。これにより、工作機械の振動を抑制しつつ切屑を細断できるようになっている。また、揺動周波数の急な変化によるショックを低減でき、加工精度を向上できるようになっている。

【0036】

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、加工条件から揺動振幅及び揺動周波数を算出し、揺動指令を生成する揺動指令生成部１３と、揺動指令生成部１３で生成される揺動指令を位置指令又は位置偏差に重畳することにより生成される重畳指令に基づいて、工具とワークとを相対的に揺動させる位置速度制御部１７と、を備え、揺動指令生成部１３は、加工中に揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを変更する構成とした。
従来、切り始めでは負荷が大きいことから切屑を確実に細断するべく揺動振幅を大きく設定していたため工作機械に振動が発生していたところ、この構成によれば、加工中に揺動振幅等を適切な値に変更することにより、工作機械の振動の発生を抑制できる。従って、この構成によれば、工作機械の振動を抑制しつつ切屑を細断でき、加工精度を向上できる。

【0037】

また本実施形態では、揺動指令生成部１３は、加工位置、切削送り開始からの経過時間又は加工方向の移動量に基づいて、揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを変更する構成とした。
この構成によれば、加工位置、切削送り開始からの経過時間又は加工方向の移動量に基づいて揺動条件を変更することにより、加工が安定した後に揺動条件を変更することができ、より適切なタイミングで揺動条件を変更できる。

【0038】

また本実施形態では、揺動指令生成部１３は、主軸負荷、主軸速度、主軸速度偏差、主軸速度変動、送り軸負荷、送り軸速度、送り軸速度偏差、及び送り軸速度変動のうち少なくとも一つに基づいて、揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを変更する構成とした。
この構成によれば、主軸負荷、主軸速度、主軸速度偏差、主軸速度変動、送り軸負荷、送り軸速度、送り軸速度偏差、及び送り軸速度変動のうち少なくとも一つに基づいて揺動条件を変更することにより、加工が安定した後に揺動条件を変更することができ、より適切なタイミングで揺動条件を変更できる。

【0039】

また本実施形態では、揺動指令生成部１３は、揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを、時定数をもって変更する構成とした。
この構成によれば、揺動条件を時定数をもって変更することにより、揺動条件の変更によるショックを低減でき、加工精度を向上できる。

【0040】

また本実施形態では、揺動指令生成部１３は、揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを、特定の揺動位相の時に変更する構成とした。
この構成によれば、特定の揺動位相の時、例えば揺動位相０°や９０°の時に揺動条件を変更することにより、揺動条件の変更によるショックを低減でき、加工精度を向上できる。

【0041】

また本実施形態では、揺動指令生成部１３は、揺動振幅及び揺動周波数のうち少なくとも一つを、より小さい値に変更する構成とした。
従来、切り始めでは負荷が大きいことから切屑を確実に細断するべく揺動振幅を大きく設定していたため工作機械に振動が発生していたところ、この構成によれば、加工中に揺動振幅等を小さい値に変更することにより、工作機械の振動の発生をより確実に抑制できる。従って、工作機械の振動をより確実に抑制しつつ切屑を細断でき、加工精度を向上できる。

【0042】

また本実施形態では、位置偏差に基づいて重畳指令の補正量を算出し、算出された補正量を重畳指令に加算することにより重畳指令を補正する学習制御器１５をさらに備える構成とした。
この構成によれば、本実施形態の重畳指令は揺動指令を含むことで位置偏差が生じ易いところ、重畳指令を補正することにより周期的な揺動指令に対する追従性を向上できる。

【0043】

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0044】

１ 工作機械の制御装置
１０ サーボ制御装置
１１ 加算器
１２ 積算器
１３ 揺動指令生成部
１４ 加算器
１５ 学習制御器（学習制御部）
１６ 加算器（学習制御部）
１７ 位置速度制御部（制御部）
３０ モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】