JP3686015B2 - オービットボーリングの制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１ 】
【発明の属する技術分野】
この発明は、オービットボーリングの制御方法に関し、特に、オービットボーリング中の加速度制御に関するものである。
【０００２ 】
【従来の技術】
数値制御工作機械（ＮＣ工作機械）における旋削加工法の一つとして、主軸に装着されたボーリングバー（工具）が常に円弧半径方向（法線方向）に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行う旋削加工法が開発された（特許第３０９３９３５号）。この旋削加工法は、運動形態からオービットボーリングと名付けられ、一つのボーリングバーによって任意の穴寸法の穴加工を行えると云う利点を有する。
【０００３ 】
【発明が解決しようとする課題】
オービットボーリングの加工精度（真円度）は、慣性力による送り軸の伸びによる楕円誤差や半径減少誤差、工作機械の構造体の振動による脈動誤差の影響を受け、これら誤差は軸送り方向の加速度の増加により大きくなる。図５は、加速度と慣性力誤差および真円度との関係を示しており、この図から、加速度の増加に伴い真円度誤差が増加することが分かる。
【０００４ 】
この真円度誤差は、オービットボーリング中の加速度による誤差と云うことができ、オービットボーリングの加工精度（真円度）は、軸送り方向の加速度にほぼ比例して低下することが実測により確かめられている。このため、高速、高加速度のオービットボーリングの加工精度に関して問題が生じる。なお、実際には、速度と粘性摩擦による影響も受けるが、慣性力および振動の加振力は速度の２乗に比例して大きくなるから、加速度が真円度を悪くする大部分を占め、真円度は加速度による誤差とほぼ決められる。
【０００５ 】
また、テーパ加工など、オービットボーリングの加工半径が変化する場合には、軸送り方向の加速度は、加工半径に反比例して変化するため、テーパ加工などでは、加工半径の変化に伴いオービットボーリングの加工精度が変化し、一様な真円度を得ることができない。
【０００６ 】
この発明は、加速度による加工誤差を抑制し、加工精度が許容範囲に入るように加工誤差を一定に保ったり、要求加工精度を満たすよう加速度制御を行うオービットボーリングの制御方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明によるオービットボーリングの制御方法は、数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、オービットボーリングの加工半径が変化する場合、加工半径の平方根に比例させて送り速度を変化させ、加工中の軸送り方向の加速度を一定に保つ自動制御を行う。
【０００８ 】
テーパ加工などにおいて、オービットボーリングの加工半径が変化する場合には、送り速度を加工半径の平方根に比例させて変化させることで、加工中の軸送り方向の加速度が一定に保たれ、加工精度が許容範囲に入るように加工誤差を一定に保つことができる。
【０００９】
また、上述の目的を達成するために、この発明によるオービットボーリングの制御方法は、数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係を予め記憶手段に格納し、この記憶情報よりオービットボーリングの要求加工精度を満たす軸送り方向の最大加速度を取得し、軸送り方向の加速度が前記最大加速度を超えないように、加工半径に応じて送り速度と主軸回転速度を制御する。
【００１０ 】
軸送り方向の加速度がオービットボーリングの要求加工精度を満たす最大加速度を超えないように、加工半径に応じて送り速度と主軸回転速度を制御することにより、軸送り方向の加速度がオービットボーリングの要求加工精度を満たす最大加速度を超えることがなく、要求加工精度を満たすオービットボーリングが行われる。
【００１１】
また、上述の目的を達成するために、この発明によるオービットボーリングの制御方法は、数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係を予め記憶手段に格納し、この記憶情報よりオービットボーリングの要求加工精度を満たす軸送り方向の最大加速度を取得し、軸送り方向の加速度が前記最大加速度を超えないように、送り速度と主軸回転速度をクランプする。
【００１２ 】
軸送り方向の加速度がオービットボーリングの要求加工精度を満たす最大加速度を超えないように、送り速度と主軸回転速度をクランプすることにより、軸送り方向の加速度がオービットボーリングの要求加工精度を満たす最大加速度を超えることがなく、要求加工精度を満たすオービットボーリングが行われる。
【００１３ 】
上述のようなオービットボーリングの制御方法の実施に際しては、加工プログラムの先読みを行い、先読みした加工プログラムよりオービットボーリングの送り速度と加工半径を取得して軸送り方向の加速度を計算し、当該加速度が前記最大加速度を超えないようにすることができる。
【００１４ 】
この発明によるオービットボーリングの制御方法は、さらに、ワーク重量を検出し、ワーク重量に応じて前記最大加速度を修正する。この場合、オービットボーリング前に、ワーク搭載の工作機械のワークテーブルを移動させ、これの加速中の駆動トルクの増減量より前記ワークテーブルの質量の増減量を算出し、この算出値よりワーク重量を検出することができる。
【００１５ 】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
まず、オービットボーリングの概要を、図１を参照して説明する。図１において、１０はボーリングバー等の工具を、Ｗは被加工物を各々示している。工具１０は主軸中心Ｃｓで示されている主軸（図示省略）に取り付けられている。
【００１６ 】
オービットボーリングでは、主軸と被加工物Ｗとが、相対的なＸＹ軸移動により円弧補間運動を行い、主軸の回転角制御によって工具１０が常に円弧半径方向（法線方向）に向くように、主軸中心Ｃｓの円弧補間運動と主軸の回転運動との同期制御が行われる。
【００１７ 】
この同期制御により、主軸中心Ｃｓは円弧補間軌跡Ａを描き、工具１０の突き出し半径（工具長）Ｒｔ、円弧補間運動の半径（円弧半径）Ｒｏとを合成した半径Ｒｔ＋Ｒｏのボーリング加工が行われる。工具１０の突き出し半径Ｒｔは、工具長により決まり、工具交換以外に物理的に変更できないが、円弧半径Ｒｏは、数値制御の加工プログラムの指令によって任意に設定できるから、１本の工具１０で、加工プログラムの指令によって任意半径のボーリング加工を行うことができる。
【００１８ 】
図２は、テーパ加工部を含み、オービットボーリングの加工半径Ｒｔ＋Ｒｏ＝Ｒが変化する場合のオービット軸移動形状の例を示している。工具長Ｒｔは一定とすれば、円弧半径Ｒｏは、軸線方向位置により異なることがあるから、ここでは、便宜上、円弧半径ＲｏをＺの関数としている。
【００１９ 】
図３はこの発明によるオービットボーリングの制御方法の実施に使用される数値制装置を示している。数値制御装置は、入力された加工プログラムＰを先読みして１ブロック毎の補間用データに解析する加工プログラム解析部１１と、先読みプログラムに関するデータを一時格納するバッファメモリ１２と、バッファメモリ１２より与えられる１ブロック毎の補間用データより補間演算を行い、各制御軸の移動量、送り速度を算出する補間器１３と、補間演算に必要な各種パラメータを格納するパラメータ格納部１４とを含んでいる。なお、数値制御装置はコンピュータ式のものであり、加工プログラム解析部１１、補間器１３は、コンピュータがプログラムを実行することにより実現される。
【００２０ 】
補間器１３は、工作機械の各制御軸、オービットボーリングを行う工作機械では、主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の位置指令（速度指令）を演算するものであり、各制御軸の位置指令（速度指令）を生成する。
【００２１ 】
補間器１３が出力する位置指令（速度指令）は、主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各位置制御器２１、２２、２３、２４に入力される。各制御軸の位置制御器２１、２２、２３、２４には、各制御軸のサーボモータ２５、２６、２７、２８が電気的に接続されており、各制御軸の位置制御器２１〜２３は各制御軸のサーボモータ２５〜２８の駆動制御を行う。
【００２２ 】
オービットボーリングの位置指令は、
Ｘ＝Ｒｏ（Ｚ）ｃｏｓωｔ
Ｙ＝Ｒｏ（Ｚ）ｓｉｎωｔ
であり、オービットボーリングは、円弧補間と主軸の回転とを同期させた加工法である。
【００２３ 】
オービットボーリングの送り速度をＶｚとすると、加速度αは、次式により表される。
α＝Ｖｚ２ ／Ｒｏ（Ｚ）
このため、テーパ加工などにおいて、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）が加工中に変化すると、それに伴い加速度αも変化する。
【００２４ 】
テーパ加工などにおいて、加工精度（真円度）が一定に保たれるよう、先読みとした加工プログラムより、オービットボーリングの円弧半径Ｒｏ（Ｚ）を読み取り、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）の平方根に比例させて送り速度（制御軸の送り速度）を変化させる速度制御を行う。
【００２５ 】
なお、加工プログラムの記述が加工半径Ｒによる場合には、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）は、工具長Ｒｔが既知値であることから、加工半径Ｒ−Ｒｔ＝Ｒｏなる演算によって算出することができる。
【００２６ 】
円弧半径Ｒｏ（Ｚ）の平方根に比例させて送り速度を変化させると、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）の変化に拘わらず加工中の軸送り方向の加速度が一定に保たれ、加工精度（真円度）が一定に保たれる。
【００２７ 】
また、工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係を予め計測により求め、この関係データを記憶手段であるパラメータ格納部１４に格納し、この記憶情報よりオービットボーリングの要求加工精度を満たす軸送り方向の最大加速度を取得し、軸送り方向の加速度が前記最大加速度を超えないように、円弧半径に応じて送り速度と主軸回転速度を制御することができる。
【００２８ 】
工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係は、ダブルボールバー測定器（ＤＢＢ測定器）などの外部測定器や、スケールフィードバックなどの数値制御装置の内部処理などにより、各加速度での真円度を実測することにより求めることができる。
【００２９ 】
具体的には、先読みした加工プログラムを解析することにより、オービットボーリングの指令を検出し、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）、オービット回転数Ｓ（Ｚ）を各々Ｚの関数として、また、Ｚ方向の送り速度Ｖｚを補間器１２に渡す。補間器１３では、Ｚ方向送り速度Ｖｚとサンプリング周期Δｔから１サンプリング周期当たりのＺ軸移動量を算出し。Ｚ軸位置を更新する。
ΔＺ＝Ｖｚ・Δｔ
Ｚ＝Ｚ＋ΔＺ
そして、この値をもとにして、今回の円弧半径Ｒｏ（Ｚ）を求める。
【００３０ 】
パラメータ設定された要求加工精度を満たす最大加速度（加速度上限値）αｍａｘを、パラメータ格納部１4に格納されている軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係データより取得し、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）と最大加速度αｍａｘより今回のオービット回転数最大値Ｓｍａｘを求める。
Ｓｍａｘ＝√（αｍａｘ／Ｒｏ（Ｚ））
【００３１ 】
指令オービット回転数Ｓ（Ｚ）がオービット回転数最大値Ｓｍａｘより大きい場合には、実指令のオービット回転数Ｓａをオービット回転数最大値Ｓｍａｘでリミットし、指令オービット回転数Ｓ（Ｚ）がオービット回転数最大値Ｓｍａｘより小さい場合には、指令オービット回転数Ｓ（Ｚ）を、そのまま、実指令のオービット回転数Ｓａとする。
【００３２ 】
上述したように決定された実指令のオービット回転数Ｓａを用いて、主軸位置指令θ＊ 、Ｘ軸位置指令Ｘ＊ 、Ｙ軸位置指Ｙ＊ を各々求める。
Δθ＝Ｓａ・Δｔ
θ＊ ＝θｏ＋Δθ
Ｘ＊ ＝Ｒｏ（Ｚ）ｃｏｓ（θ＊）
Ｙ＊ ＝Ｒｏ（Ｚ）ｓｉｎ（θ＊）
【００３３ 】
これにより、各軸送り方向加速度が最大加速度αｍａｘを超えないように、加工半径に応じて送り速度と主軸回転速度が制御され、結果として、要求加工精度を満すオービットボーリングが行われる。
【００３４ 】
また、各軸送り方向加速度が最大加速度αｍａｘを超えないよう、各送り速度、主軸回転速度をクランプしてもよい。
【００３５ 】
軸送り方向加速度と最大加速度αｍａｘとの関係は、工作機械のワークテーブルに搭載されたワーク重量の影響を受けるから、ワーク重量を検出し、ワーク重量に応じて最大加速度αｍａｘを修正する。
【００３６ 】
ワーク重量の変化は軸送り方向加速度と駆動トルクの変化より検出できるので、オービットボーリング前に、ワーク搭載の工作機械のワークテーブルを移動させ、これの加速中の駆動トルクの増減量よりワークテーブルの質量の増減量を算出し、この算出値よりワーク重量を検出することができる。
【００３７ 】
ワークテーブルの直線移動による加速中のトルク増減量をδＴ（Ｎ・ｍ）から、下式により質量δＭ（ｋｇ）の増減量を検出する。
δＴ＝（Ｌ／２π）δＭ・α
ただし、Ｌは送り軸のボールねじのリード（ｍ）、αは加速度（ｍ／ｓｅｃ２）
【００３８ 】
慣性力による送り軸の伸びによって楕円誤差や半径減少誤差が生じるから、質量増加による慣性力の増加を計算し、加速度の制限値を修正する。これにより、最大加速度がαｍａｘよりα’ｍａｘになったとすると、
１）α’ｍａｘ＝｛Ｍｘ／（Ｍｘ＋δＭｘ）｝αｍａｘ
２）α’ｍａｘ＝｛Ｍｙ／（Ｍｙ＋δＭｙ）｝αｍａｘ
３）α’ｍａｘ＝（ＭｘＫｙ−ＭｙＫｘ）／｛（Ｍｘ＋δＭｘ）Ｋｙ−（Ｍｙ＋δＭｙ）Ｋｘ｝αｍａｘ
のうちの一番小さい加速度が制限値となる。
なお、Ｋｘ、Ｋｙは、Ｘ軸、Ｙ軸の軸線方向剛性を示している。
【００３９ 】
１）、２）は、慣性力に比例する誤差による加速度の上限値、３）は、送り軸毎の慣性力の差による送り軸の伸びによる加速度の上限値を示す。なお、３）は、厳密には粘性（速度）の影響も受ける。
【００４０ 】
任意の加速度αｎの真円度をεｎとすると、ワークを載せた後の真円度εｎに対応する加速度α’ｎは、
１）α’ｎ＝｛Ｍｘ／（Ｍｘ＋δＭｘ）｝αｎ
２）α’ｎ＝｛Ｍｙ／（Ｍｙ＋δＭｙ）｝αｎ
３）α’ｎ＝（ＭｘＫｙ−ＭｙＫｘ）／｛（Ｍｘ＋δＭｘ）Ｋｙ−（Ｍｙ＋δＭｙ）Ｋｘ｝αｎ
のうちの一番小さい加速度がが対応する。
【００４１ 】
上述した加速度制御を図４に示されているフローチャートを参照して説明する。
【００４２ 】
まず、トレランスＥを設定し（ステップＳ１０）、慣性質量を検出する（ステップＳ１１）。つぎに、慣性質量を考慮して要求加工精度を満たす加速度の上限値αｍａｘを計算する（ステップＳ１２）。これは、要求加工精度のユーザ入力により、それに適合した加速度の上限値αｍａｘが設定されることを意味する。
【００４３ 】
つぎに、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）と加速度の上限値αｍａｘより今回のオービット回転数最大値Ｓｍａｘを計算し（ステップＳ１３）、加工プログラムによる指令回転数Ｓを解析する（ステップＳ１４）。
【００４４ 】
つぎに、指令回転数Ｓとオービット回転数最大値Ｓｍａｘとを比較し（ステップＳ１５）、Ｓ＜Ｓｍａｘであれば、指令回転数Ｓをそのまま実指令回転数Ｓａとし（ステップＳ１６）、これに対し、Ｓ＜Ｓｍａｘでなければ、オービット回転数最大値Ｓｍａｘを実指令回転数Ｓａとする（ステップＳ１７）。そして、Δθ＝Ｓａ・Δｔを計算する（ステップＳ１８）。
【００４５ 】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明によるオービットボーリングの制御方法によれば、加速度による加工誤差を抑制し、加工精度が許容範囲に入るように加工誤差を一定に保ったり、要求加工精度を満たすよう加速度制御が行われ、加工プログラム上の設定速度の如何に拘わらず、要求加工精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オービットボーリングの概要を示す説明図である。
【図２】加工半径が変化する場合のオービット軸移動形状の例を示す図である。
【図３】この発明によるオービットボーリングの制御方法の実施に使用される数値制装置を示すブロック図である。
【図４】この発明によるオービットボーリングの制御方法における加速度制御のフローチャートである。
【図５】加速度と慣性力誤差および真円度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ 加工プログラム解析部
１２ バッファメモリ
１３ 補間器
１４ パラメータ設定部
【発明の属する技術分野】
この発明は、オービットボーリングの制御方法に関し、特に、オービットボーリング中の加速度制御に関するものである。
【０００２ 】
【従来の技術】
数値制御工作機械（ＮＣ工作機械）における旋削加工法の一つとして、主軸に装着されたボーリングバー（工具）が常に円弧半径方向（法線方向）に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行う旋削加工法が開発された（特許第３０９３９３５号）。この旋削加工法は、運動形態からオービットボーリングと名付けられ、一つのボーリングバーによって任意の穴寸法の穴加工を行えると云う利点を有する。
【０００３ 】
【発明が解決しようとする課題】
オービットボーリングの加工精度（真円度）は、慣性力による送り軸の伸びによる楕円誤差や半径減少誤差、工作機械の構造体の振動による脈動誤差の影響を受け、これら誤差は軸送り方向の加速度の増加により大きくなる。図５は、加速度と慣性力誤差および真円度との関係を示しており、この図から、加速度の増加に伴い真円度誤差が増加することが分かる。
【０００４ 】
この真円度誤差は、オービットボーリング中の加速度による誤差と云うことができ、オービットボーリングの加工精度（真円度）は、軸送り方向の加速度にほぼ比例して低下することが実測により確かめられている。このため、高速、高加速度のオービットボーリングの加工精度に関して問題が生じる。なお、実際には、速度と粘性摩擦による影響も受けるが、慣性力および振動の加振力は速度の２乗に比例して大きくなるから、加速度が真円度を悪くする大部分を占め、真円度は加速度による誤差とほぼ決められる。
【０００５ 】
また、テーパ加工など、オービットボーリングの加工半径が変化する場合には、軸送り方向の加速度は、加工半径に反比例して変化するため、テーパ加工などでは、加工半径の変化に伴いオービットボーリングの加工精度が変化し、一様な真円度を得ることができない。
【０００６ 】
この発明は、加速度による加工誤差を抑制し、加工精度が許容範囲に入るように加工誤差を一定に保ったり、要求加工精度を満たすよう加速度制御を行うオービットボーリングの制御方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明によるオービットボーリングの制御方法は、数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、オービットボーリングの加工半径が変化する場合、加工半径の平方根に比例させて送り速度を変化させ、加工中の軸送り方向の加速度を一定に保つ自動制御を行う。
【０００８ 】
テーパ加工などにおいて、オービットボーリングの加工半径が変化する場合には、送り速度を加工半径の平方根に比例させて変化させることで、加工中の軸送り方向の加速度が一定に保たれ、加工精度が許容範囲に入るように加工誤差を一定に保つことができる。
【０００９】
また、上述の目的を達成するために、この発明によるオービットボーリングの制御方法は、数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係を予め記憶手段に格納し、この記憶情報よりオービットボーリングの要求加工精度を満たす軸送り方向の最大加速度を取得し、軸送り方向の加速度が前記最大加速度を超えないように、加工半径に応じて送り速度と主軸回転速度を制御する。
【００１０ 】
軸送り方向の加速度がオービットボーリングの要求加工精度を満たす最大加速度を超えないように、加工半径に応じて送り速度と主軸回転速度を制御することにより、軸送り方向の加速度がオービットボーリングの要求加工精度を満たす最大加速度を超えることがなく、要求加工精度を満たすオービットボーリングが行われる。
【００１１】
また、上述の目的を達成するために、この発明によるオービットボーリングの制御方法は、数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係を予め記憶手段に格納し、この記憶情報よりオービットボーリングの要求加工精度を満たす軸送り方向の最大加速度を取得し、軸送り方向の加速度が前記最大加速度を超えないように、送り速度と主軸回転速度をクランプする。
【００１２ 】
軸送り方向の加速度がオービットボーリングの要求加工精度を満たす最大加速度を超えないように、送り速度と主軸回転速度をクランプすることにより、軸送り方向の加速度がオービットボーリングの要求加工精度を満たす最大加速度を超えることがなく、要求加工精度を満たすオービットボーリングが行われる。
【００１３ 】
上述のようなオービットボーリングの制御方法の実施に際しては、加工プログラムの先読みを行い、先読みした加工プログラムよりオービットボーリングの送り速度と加工半径を取得して軸送り方向の加速度を計算し、当該加速度が前記最大加速度を超えないようにすることができる。
【００１４ 】
この発明によるオービットボーリングの制御方法は、さらに、ワーク重量を検出し、ワーク重量に応じて前記最大加速度を修正する。この場合、オービットボーリング前に、ワーク搭載の工作機械のワークテーブルを移動させ、これの加速中の駆動トルクの増減量より前記ワークテーブルの質量の増減量を算出し、この算出値よりワーク重量を検出することができる。
【００１５ 】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
まず、オービットボーリングの概要を、図１を参照して説明する。図１において、１０はボーリングバー等の工具を、Ｗは被加工物を各々示している。工具１０は主軸中心Ｃｓで示されている主軸（図示省略）に取り付けられている。
【００１６ 】
オービットボーリングでは、主軸と被加工物Ｗとが、相対的なＸＹ軸移動により円弧補間運動を行い、主軸の回転角制御によって工具１０が常に円弧半径方向（法線方向）に向くように、主軸中心Ｃｓの円弧補間運動と主軸の回転運動との同期制御が行われる。
【００１７ 】
この同期制御により、主軸中心Ｃｓは円弧補間軌跡Ａを描き、工具１０の突き出し半径（工具長）Ｒｔ、円弧補間運動の半径（円弧半径）Ｒｏとを合成した半径Ｒｔ＋Ｒｏのボーリング加工が行われる。工具１０の突き出し半径Ｒｔは、工具長により決まり、工具交換以外に物理的に変更できないが、円弧半径Ｒｏは、数値制御の加工プログラムの指令によって任意に設定できるから、１本の工具１０で、加工プログラムの指令によって任意半径のボーリング加工を行うことができる。
【００１８ 】
図２は、テーパ加工部を含み、オービットボーリングの加工半径Ｒｔ＋Ｒｏ＝Ｒが変化する場合のオービット軸移動形状の例を示している。工具長Ｒｔは一定とすれば、円弧半径Ｒｏは、軸線方向位置により異なることがあるから、ここでは、便宜上、円弧半径ＲｏをＺの関数としている。
【００１９ 】
図３はこの発明によるオービットボーリングの制御方法の実施に使用される数値制装置を示している。数値制御装置は、入力された加工プログラムＰを先読みして１ブロック毎の補間用データに解析する加工プログラム解析部１１と、先読みプログラムに関するデータを一時格納するバッファメモリ１２と、バッファメモリ１２より与えられる１ブロック毎の補間用データより補間演算を行い、各制御軸の移動量、送り速度を算出する補間器１３と、補間演算に必要な各種パラメータを格納するパラメータ格納部１４とを含んでいる。なお、数値制御装置はコンピュータ式のものであり、加工プログラム解析部１１、補間器１３は、コンピュータがプログラムを実行することにより実現される。
【００２０ 】
補間器１３は、工作機械の各制御軸、オービットボーリングを行う工作機械では、主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の位置指令（速度指令）を演算するものであり、各制御軸の位置指令（速度指令）を生成する。
【００２１ 】
補間器１３が出力する位置指令（速度指令）は、主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各位置制御器２１、２２、２３、２４に入力される。各制御軸の位置制御器２１、２２、２３、２４には、各制御軸のサーボモータ２５、２６、２７、２８が電気的に接続されており、各制御軸の位置制御器２１〜２３は各制御軸のサーボモータ２５〜２８の駆動制御を行う。
【００２２ 】
オービットボーリングの位置指令は、
Ｘ＝Ｒｏ（Ｚ）ｃｏｓωｔ
Ｙ＝Ｒｏ（Ｚ）ｓｉｎωｔ
であり、オービットボーリングは、円弧補間と主軸の回転とを同期させた加工法である。
【００２３ 】
オービットボーリングの送り速度をＶｚとすると、加速度αは、次式により表される。
α＝Ｖｚ２ ／Ｒｏ（Ｚ）
このため、テーパ加工などにおいて、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）が加工中に変化すると、それに伴い加速度αも変化する。
【００２４ 】
テーパ加工などにおいて、加工精度（真円度）が一定に保たれるよう、先読みとした加工プログラムより、オービットボーリングの円弧半径Ｒｏ（Ｚ）を読み取り、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）の平方根に比例させて送り速度（制御軸の送り速度）を変化させる速度制御を行う。
【００２５ 】
なお、加工プログラムの記述が加工半径Ｒによる場合には、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）は、工具長Ｒｔが既知値であることから、加工半径Ｒ−Ｒｔ＝Ｒｏなる演算によって算出することができる。
【００２６ 】
円弧半径Ｒｏ（Ｚ）の平方根に比例させて送り速度を変化させると、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）の変化に拘わらず加工中の軸送り方向の加速度が一定に保たれ、加工精度（真円度）が一定に保たれる。
【００２７ 】
また、工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係を予め計測により求め、この関係データを記憶手段であるパラメータ格納部１４に格納し、この記憶情報よりオービットボーリングの要求加工精度を満たす軸送り方向の最大加速度を取得し、軸送り方向の加速度が前記最大加速度を超えないように、円弧半径に応じて送り速度と主軸回転速度を制御することができる。
【００２８ 】
工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係は、ダブルボールバー測定器（ＤＢＢ測定器）などの外部測定器や、スケールフィードバックなどの数値制御装置の内部処理などにより、各加速度での真円度を実測することにより求めることができる。
【００２９ 】
具体的には、先読みした加工プログラムを解析することにより、オービットボーリングの指令を検出し、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）、オービット回転数Ｓ（Ｚ）を各々Ｚの関数として、また、Ｚ方向の送り速度Ｖｚを補間器１２に渡す。補間器１３では、Ｚ方向送り速度Ｖｚとサンプリング周期Δｔから１サンプリング周期当たりのＺ軸移動量を算出し。Ｚ軸位置を更新する。
ΔＺ＝Ｖｚ・Δｔ
Ｚ＝Ｚ＋ΔＺ
そして、この値をもとにして、今回の円弧半径Ｒｏ（Ｚ）を求める。
【００３０ 】
パラメータ設定された要求加工精度を満たす最大加速度（加速度上限値）αｍａｘを、パラメータ格納部１4に格納されている軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係データより取得し、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）と最大加速度αｍａｘより今回のオービット回転数最大値Ｓｍａｘを求める。
Ｓｍａｘ＝√（αｍａｘ／Ｒｏ（Ｚ））
【００３１ 】
指令オービット回転数Ｓ（Ｚ）がオービット回転数最大値Ｓｍａｘより大きい場合には、実指令のオービット回転数Ｓａをオービット回転数最大値Ｓｍａｘでリミットし、指令オービット回転数Ｓ（Ｚ）がオービット回転数最大値Ｓｍａｘより小さい場合には、指令オービット回転数Ｓ（Ｚ）を、そのまま、実指令のオービット回転数Ｓａとする。
【００３２ 】
上述したように決定された実指令のオービット回転数Ｓａを用いて、主軸位置指令θ＊ 、Ｘ軸位置指令Ｘ＊ 、Ｙ軸位置指Ｙ＊ を各々求める。
Δθ＝Ｓａ・Δｔ
θ＊ ＝θｏ＋Δθ
Ｘ＊ ＝Ｒｏ（Ｚ）ｃｏｓ（θ＊）
Ｙ＊ ＝Ｒｏ（Ｚ）ｓｉｎ（θ＊）
【００３３ 】
これにより、各軸送り方向加速度が最大加速度αｍａｘを超えないように、加工半径に応じて送り速度と主軸回転速度が制御され、結果として、要求加工精度を満すオービットボーリングが行われる。
【００３４ 】
また、各軸送り方向加速度が最大加速度αｍａｘを超えないよう、各送り速度、主軸回転速度をクランプしてもよい。
【００３５ 】
軸送り方向加速度と最大加速度αｍａｘとの関係は、工作機械のワークテーブルに搭載されたワーク重量の影響を受けるから、ワーク重量を検出し、ワーク重量に応じて最大加速度αｍａｘを修正する。
【００３６ 】
ワーク重量の変化は軸送り方向加速度と駆動トルクの変化より検出できるので、オービットボーリング前に、ワーク搭載の工作機械のワークテーブルを移動させ、これの加速中の駆動トルクの増減量よりワークテーブルの質量の増減量を算出し、この算出値よりワーク重量を検出することができる。
【００３７ 】
ワークテーブルの直線移動による加速中のトルク増減量をδＴ（Ｎ・ｍ）から、下式により質量δＭ（ｋｇ）の増減量を検出する。
δＴ＝（Ｌ／２π）δＭ・α
ただし、Ｌは送り軸のボールねじのリード（ｍ）、αは加速度（ｍ／ｓｅｃ２）
【００３８ 】
慣性力による送り軸の伸びによって楕円誤差や半径減少誤差が生じるから、質量増加による慣性力の増加を計算し、加速度の制限値を修正する。これにより、最大加速度がαｍａｘよりα’ｍａｘになったとすると、
１）α’ｍａｘ＝｛Ｍｘ／（Ｍｘ＋δＭｘ）｝αｍａｘ
２）α’ｍａｘ＝｛Ｍｙ／（Ｍｙ＋δＭｙ）｝αｍａｘ
３）α’ｍａｘ＝（ＭｘＫｙ−ＭｙＫｘ）／｛（Ｍｘ＋δＭｘ）Ｋｙ−（Ｍｙ＋δＭｙ）Ｋｘ｝αｍａｘ
のうちの一番小さい加速度が制限値となる。
なお、Ｋｘ、Ｋｙは、Ｘ軸、Ｙ軸の軸線方向剛性を示している。
【００３９ 】
１）、２）は、慣性力に比例する誤差による加速度の上限値、３）は、送り軸毎の慣性力の差による送り軸の伸びによる加速度の上限値を示す。なお、３）は、厳密には粘性（速度）の影響も受ける。
【００４０ 】
任意の加速度αｎの真円度をεｎとすると、ワークを載せた後の真円度εｎに対応する加速度α’ｎは、
１）α’ｎ＝｛Ｍｘ／（Ｍｘ＋δＭｘ）｝αｎ
２）α’ｎ＝｛Ｍｙ／（Ｍｙ＋δＭｙ）｝αｎ
３）α’ｎ＝（ＭｘＫｙ−ＭｙＫｘ）／｛（Ｍｘ＋δＭｘ）Ｋｙ−（Ｍｙ＋δＭｙ）Ｋｘ｝αｎ
のうちの一番小さい加速度がが対応する。
【００４１ 】
上述した加速度制御を図４に示されているフローチャートを参照して説明する。
【００４２ 】
まず、トレランスＥを設定し（ステップＳ１０）、慣性質量を検出する（ステップＳ１１）。つぎに、慣性質量を考慮して要求加工精度を満たす加速度の上限値αｍａｘを計算する（ステップＳ１２）。これは、要求加工精度のユーザ入力により、それに適合した加速度の上限値αｍａｘが設定されることを意味する。
【００４３ 】
つぎに、円弧半径Ｒｏ（Ｚ）と加速度の上限値αｍａｘより今回のオービット回転数最大値Ｓｍａｘを計算し（ステップＳ１３）、加工プログラムによる指令回転数Ｓを解析する（ステップＳ１４）。
【００４４ 】
つぎに、指令回転数Ｓとオービット回転数最大値Ｓｍａｘとを比較し（ステップＳ１５）、Ｓ＜Ｓｍａｘであれば、指令回転数Ｓをそのまま実指令回転数Ｓａとし（ステップＳ１６）、これに対し、Ｓ＜Ｓｍａｘでなければ、オービット回転数最大値Ｓｍａｘを実指令回転数Ｓａとする（ステップＳ１７）。そして、Δθ＝Ｓａ・Δｔを計算する（ステップＳ１８）。
【００４５ 】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明によるオービットボーリングの制御方法によれば、加速度による加工誤差を抑制し、加工精度が許容範囲に入るように加工誤差を一定に保ったり、要求加工精度を満たすよう加速度制御が行われ、加工プログラム上の設定速度の如何に拘わらず、要求加工精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オービットボーリングの概要を示す説明図である。
【図２】加工半径が変化する場合のオービット軸移動形状の例を示す図である。
【図３】この発明によるオービットボーリングの制御方法の実施に使用される数値制装置を示すブロック図である。
【図４】この発明によるオービットボーリングの制御方法における加速度制御のフローチャートである。
【図５】加速度と慣性力誤差および真円度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ 加工プログラム解析部
１２ バッファメモリ
１３ 補間器
１４ パラメータ設定部
Claims (6)
- 数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、
オービットボーリングの加工半径が変化する場合、加工半径の平方根に比例させて送り速度を変化させ、加工中の軸送り方向の加速度を一定に保つ自動制御を行うことを特徴とするオービットボーリングの制御方法。 - 数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、
工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係を予め記憶手段に格納し、この記憶情報よりオービットボーリングの要求加工精度を満たす軸送り方向の最大加速度を取得し、軸送り方向の加速度が前記最大加速度を超えないように、加工半径に応じて送り速度と主軸回転速度を制御することを特徴とするオービットボーリングの制御方法。 - 数値制御装置によって、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行うオービットボーリングの制御方法において、
工作機械の固有特性として存在する軸送り方向の加速度とオービットボーリングの加工精度との関係を予め記憶手段に格納し、この記憶情報よりオービットボーリングの要求加工精度を満たす軸送り方向の最大加速度を取得し、軸送り方向の加速度が前記最大加速度を超えないように、送り速度と主軸回転速度をクランプすることを特徴とするオービットボーリングの制御方法。 - 加工プログラムの先読みを行い、先読みした加工プログラムよりオービットボーリングの送り速度と加工半径を取得して軸送り方向の加速度を計算し、当該加速度が前記最大加速度を超えないようにすることを特徴とする請求項２または３記載のオービットボーリングの制御方法。
- ワーク重量を検出し、ワーク重量に応じて前記最大加速度を修正することを特徴とする請求項２〜４の何れか１項記載のオービットボーリングの制御方法。
- オービットボーリング前に、ワーク搭載の工作機械のワークテーブルを移動させ、これの加速中の駆動トルクの増減量より前記ワークテーブルの質量の増減量を算出し、この算出値よりワーク重量を検出することを特徴とする請求項５記載のオービットボーリングの制御方法。
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