JP3926739B2

JP3926739B2 - ねじ切り加工制御方法及びその装置

Info

Publication number: JP3926739B2
Application number: JP2002379109A
Authority: JP
Inventors: 正行杉江
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: US6847857B2; JP2004209558A; US20040128018A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、数値制御工作機械のネジ切り加工の制御方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のねじ切り加工制御方法は、主軸回転数指令Sに応じて主軸を回転させ、主軸位置が所定の位置Ｍ（一般的にはマーカ位置と呼ばれる）に達したのち、主軸回転角とネジピッチ指令Pを乗算して送り軸移動量を算出し、送り軸を駆動制御するようにしている。つまり、主軸速度をマスターとして、送り軸がスレーブとして制御されている。以降、図３のブロック図を用いて従来技術を説明する。
【０００３】
主軸６は、別途加工プログラムで指示された主軸回転数指令Sに基づき主軸速度制御部５を介して回転制御され、主軸位置検出部８は、主軸位置検出器（ＰＧ）７からの検出信号を用いて主軸位置APA-Sを検出している。プログラム解析部１にて、加工プログラムを解析し、ネジ切削加工指令が解析されるとネジピッチデータPが含まれたネジ切削指令をネジ切削制御部２へ送出する。ネジ切削制御部２は、主軸位置検出部８からの主軸位置APA-Sに基づき所定の回転角（マーカ位置）に達したのちネジ切削加工を開始し、以降、主軸位置APA-Sの変化量ΔAPA-SとネジピッチデータPを乗算した送り軸（Z軸）移動量ΔZを算出し、Z軸位置制御部３へ送出する。Z軸位置制御部３は、送り軸移動量ΔZに基づいて、Z軸４を位置制御する。
【０００４】
上述した従来技術によれば、主軸速度をマスターとして、送り軸がスレーブとして制御されるから、主軸を所定の回転数で動作させてネジ切り加工を行えば、主軸速度とＺ軸の相対速度は一定の関係を保って動作するため加工精度の高いネジ切り加工が可能である。しかし、ネジ切りバイトのように総形形状の場合、一般的に切削ビビリが発生しやすく、結果安定したネジ切り加工が出来ないといった課題があった。切削ビビリを無くす為には、主軸回転数を変化させながら加工すると安定した加工ができるといった加工技術が従来から知られているが（特許文献１参照）、ネジ切り加工においては、主軸回転数を変化させるとスレーブ軸の加減速誤差が変化し主軸位置と送り軸位置との関係において位相誤差を発生させるためネジ加工精度が著しく低下してしまうことからネジ切り加工では、主軸回転数の変更が出来なかった（特許文献２参照）。
【特許文献１】
特開昭４９−１０５２７７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１２６９９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本課題を図４のタイムチャートを用いて補足説明する。
主軸回転速度がSv₁で動作した場合、主軸が所定の位置（マーカ位置）に到達すると、送り軸は主軸回転移動量に所定のネジピッチを乗算した速度指令Zv₁で動作する。次に主軸回転数の速度を変化させSv₂の速度で動作させると同様に主軸が所定の位置（マーカ位置）に到達すると送り軸は主軸回転移動量に所定のネジピッチを乗算した速度指令Zv₂で動作することになる。ここで送り軸（Z軸）の速度立ち上がりをみると、主軸が所定の位置（マーカ位置）に到達したタイミングで動作を開始している。送り軸（Z軸）は、送り軸の加減速定数Tzにより速度指令Zv₁またはZv₂に向かって加速処理を行っている。このとき速度指令Zv₁へ加速する場合においては△abc、速度指令Zv₂へ加速する場合においては△ab’c’が主軸位置に対する送り軸の追従遅れ量となる。この遅れ量は主軸位置と送り軸位置との位置関係の差となり、結果ネジ切り加工時におけるネジリード位置の位相差となる。つまり主軸速度を変化させると送り軸の速度も変化し、その結果送り軸の追従遅れ量が変化するためネジ加工ピッチの精度を悪化させることになる。
本発明の目的は主軸速度を変動させても安定したネジ切り加工を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ねじ切り加工制御方法に関し、本発明の上記目的は、主軸回転数指令Sに応じて主軸を回転させる主軸回転制御手段と該主軸位置APA-Sを検出する主軸位置検出手段と、該主軸位置検出手段により得られる実主軸回転移動量ΔSとネジピッチ指令Pとから送り軸の移動量を算出し、送り軸を駆動制御する送り軸駆動制御手段を具備し、主軸回転と送り軸移動により、ネジ切削加工を行うネジ切り加工装置のねじ切り加工制御方法であって、ネジ切削加工を開始した後のネジ切削途中に主軸回転数を変化させ、前記主軸位置 APA-S の変化から実主軸回転数 Sv _n を算出し、該実主軸回転数 Sv _n と送り軸の加減速時定数 Tz とから算出される主軸位置 APA-S と送り軸位置 Zの相対位相誤差を主軸位置（回転角）で算出し、該主軸位置 ( 回転角 ) で算出した相対位相誤差量を前記主軸位置に対し誤差補償した擬似主軸位置APA-S’に基づいて送り軸の移動量を算出することを特徴とするねじ切り加工制御方法により達成される。
また、本発明はねじ切り加工装置に関し、本発明の上記目的は、主軸回転数指令Sに応じて主軸を回転させる主軸回転制御手段と、該主軸位置APA-Sを検出する主軸位置検出手段と、該主軸位置検出手段により得られる実主軸回転移動量ΔSとネジピッチ指令Pとから送り軸の移動量を算出し、送り軸を駆動制御する送り軸駆動制御手段とを具備し、主軸回転と送り軸移動により、ネジ切削加工を行うネジ切り加工装置であって、ネジ切削加工を開始した後のネジ切削途中に主軸回転数を変更可能とする主軸速度オーバライド制御手段と、該主軸が速度変化する際の実主軸回転数 Sv _n を前記実主軸回転移動量ΔSにより算出する実主軸回転数算出手段と、前記実主軸回転数Sv_nと前記ネジピッチ指令Pとから前記送り軸の移動速度指令Zvを算出する送り軸移動速度指令算出手段と、該移動速度指令Zvと送り軸を加減速するための加減速時定数Tzとから送り軸移動速度に相関して発生する加減速追従誤差εzを算出する加減速追従誤差算出手段と、前記加減速追従誤差εzから主軸位置に換算した相対位相誤差εsを算出する位相誤差補償値算出手段と、前記主軸位置APA-Sから前記相対位相誤差εsを減算し擬似主軸位置APA-S’を算出する減算手段を備え、前記擬似主軸位置APA-S’と前記ネジピッチ指令Pとから送り軸の移動量を算出することを特徴とするねじ切り加工装置によって達成される。
さらに、本発明の上記目的は、前記主軸回転数指令Sを所定の周期で速度変動させる主軸速度指令変動手段をさらに備えることにより、効果的に達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
主軸が所定の位置（マーカ位置）を起点としたZ軸位置との位相を位相差ゼロとした時、主軸が所定の位置からZ軸が加速し定常速度に達した時の位相差εzの一般式は下記の数式１となる。
εz＝Sv×P×Tz／２……（数式１）
但し、Sv：現在の主軸回転数 P：ネジピッチ Tz：Z軸加減速定数
※現在の主軸回転数Svは、主軸位置APA-Sの変化量により算出する。
従って、マーカ位置を起点としたZ軸位置との位相差をゼロとするようZ軸を立ち上げるには、マーカ位置を位相差εzに相当する角度分を補償制御することによりマーカ位置と位置レベルで同期することになる。
なお、補償角度εsの一般式は、下記の数式２により算出することができる。

但し、360：主軸一回転分の移動角度（単位：度）
主軸回転数指令Sを主軸オーバライドスイッチを用いて変化[主軸回転数指令S×オーバライド値]させた現在の主軸回転数Sv_n（n=1,2…）における主軸位置APA-SとZ軸位置の位相差εz’は下記数式３により算出できる。
εz’＝ Sv_n×P×Tz／２ ……（数式３）
上述した数式２、数式３から、主軸位置APA-SとZ軸位置との位相差εz’を主軸位置に換算した位相差εs’は、数式４により算出される。

従って、現在の主軸回転数Sv_nの状態を検出し、数式４から主軸位置マーカ位置に換算した位相差εs’を算出し、その位相差εs’を主軸位置APA-Sに加算した擬似主軸位置APA-S’を求め、擬似主軸位置APA-S’に基づいて送り軸の移動量を算出することにより主軸位置APA-Sと送り軸との位相差発生を無くすことが出来る。
図２は、上述した本発明の動作を示すタイムチャートであり、その動作を説明する。主軸回転数指令Sにて主軸が回転しているとき、主軸オーバーライドスイッチが変更され、主軸回転数指令は主軸回転数指令S×オーバライド値に変化し、主軸実速度Sv_nは主軸回転数指令S×オーバライド値に向かって徐々に減速制御される。擬似主軸位置APA-S’は、主軸実速度Sv_nにより算出される位相差を加算された速度となり、図示したように減速時は擬似主軸位置APA-S’の速度Sv’（擬似主軸位置の速度）は図示するように実際の主軸の実速度より早く減速する（位相が進んだ状態）で減速する。なお、本発明では主軸回転数と主軸速度は実質的には同義として使用している。
一方、送り軸（Z軸）は、擬似主軸位置APA-S’に基づいて動作を開始するから主軸位置が所定の位置にくる前に動作が開始される。なお、その動作は、数式２で示されるように主軸位置が回転し所定の位置（マーカ位置）にくる［Tz／２］時間前に開始されることになる。また擬似主軸速度が減速すると擬似主軸の変化も減速し送り軸の移動速度指令Zvも減速する。実際の送り軸（Z軸）の速度Zv’は、加減速定数分遅れるからZ軸の実送り速度Zv’は、主軸の実速度Sv_nと位置・位相が同期した速度となり、ネジ切削時の実際の主軸位置と送り軸が位置・位相差が発生しないネジ切り加工が実現できる。
【０００８】
本発明の一実施例を図１のブロック図を用いて説明する。なお従来技術と同じ内容は説明を省略する。
主軸速度制御部５は、主軸回転数指令Sに図示しないオペレータにより主軸速度オーバライドスイッチが変更設定され、変更された主軸速度オーバライドスイッチにより決定される主軸オーバライド信号とを乗算した主軸速度により主軸６を回転制御する。また、主軸位置検出部８を介して主軸位置検出器（ＰＧ）７からの検出信号である主軸位置APA-Sが検出されると微分器１１により主軸の実速度Sv_nを算出する。位相誤差補償値算出部１０では、主軸の実速度Sv_nと予め設定されている送り軸（Z軸）の加減速定数Tzとから前記数式４を用いて位相差εs’を算出する。加算器９は、主軸位置検出部８からの主軸位置APA-Sと位相差εs’を加算し、擬似主軸位置APA-S’を算出する。ネジ切削制御部２は、擬似主軸位置APA-S’に基づいて、所定の回転角（マーカ位置）に達したのちネジ切削加工を開始し、以降、擬似主軸位置APA-S’の変化量ΔAPA-S’とネジピッチデータPを乗算した送り軸（Z軸）移動量ΔZを算出し、Z軸位置制御部３へ送出する。
なお、本実施例では、主軸速度制御部５への主軸速度オーバライド信号をオペレータにより主軸速度オーバライドスイッチの変更にて行っているが、主軸回転数指令Sを所定の周期で速度変動させるため主軸速度オーバライド信号を時間、振幅で変動制御する主軸速度指令変動手段を設けることによりオペレータの操作を介することなく同様な制御を実現できる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、主軸速度を変動させても主軸位置と送り軸との位相差を発生させること無くネジ切り加工を実現できるから、切削ビビリを発生することなく安定したネジ切り加工が実現できるという効果がある。
また、主軸回転数を変化させてもネジ切り加工が可能となるから、加工負荷の大きい粗加工と仕上げ加工との回転数を変更することが出来るため効率的で高精度なネジ切削加工が実現できるといった効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のネジ切り加工装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の制御動作を示すタイムチャートである。
【図３】従来技術におけるネジ切り加工装置の一実施例を示すブロック図である。
【図４】従来技術におけるネジ切り加工の制御動作を示すすタイムチャートである。
【符号の説明】
１プログラム解析部
２ネジ切削制御部
３ Z軸位置制御部
４ Z軸（送り軸）
５主軸速度制御部
６主軸
７主軸位置検出器（ＰＧ）
８主軸位置検出部
９加算器
１０位相誤差補償値算出部
１１微分器

Claims

主軸回転数指令(S)に応じて主軸を回転させる主軸回転制御手段と、主軸位置(APA-S)を検出する主軸位置検出手段と、該主軸位置検出手段により得られる実主軸回転移動量(ΔS)とネジピッチ指令(P)とから送り軸の移動量を算出し、送り軸を駆動制御する送り軸駆動制御手段とを具備し、主軸回転と送り軸移動により、ネジ切削加工を行うネジ切り加工装置のねじ切り加工制御方法であって、
ネジ切削加工を開始した後のネジ切削途中に主軸回転数を変化させ、前記主軸位置 (APA-S) の変化から実主軸回転数 (Sv _n ) を算出し、該実主軸回転数 (Sv _n ) と送り軸の加減速時定数 (Tz) とから算出される主軸位置 (APA-S) と送り軸位置 (Z)との相対位相誤差を主軸位置（回転角）で算出し、該主軸位置 ( 回転角 ) で算出した相対位相誤差量を前記主軸位置に対し誤差補償した擬似主軸位置(APA-S’)に基づいて送り軸の移動量を算出することを特徴とするねじ切り加工制御方法。
主軸回転数指令(S)に応じて主軸を回転させる主軸回転制御手段と、主軸位置(APA-S)を検出する主軸位置検出手段と、該主軸位置検出手段により得られる実主軸回転移動量(ΔS)とネジピッチ指令(P)とから送り軸の移動量を算出し、送り軸を駆動制御する送り軸駆動制御手段とを具備し、主軸回転と送り軸移動により、ネジ切削加工を行うネジ切り加工装置であって、
ネジ切削加工を開始した後のネジ切削途中に主軸回転数を変更可能とする主軸速度オーバライド制御手段と、該主軸が速度変化する際の実主軸回転数 (Sv _n ) を前記実主軸回転移動量(ΔS)により算出する実主軸回転数算出手段と、
前記実主軸回転数(Sv_n)と前記ネジピッチ指令(P)とから前記送り軸の移動速度指令(Zv)を算出する送り軸移動速度指令算出手段と、
該移動速度指令(Zv)と送り軸を加減速するための加減速時定数(Tz)とから送り軸移動速度に相関して発生する加減速追従誤差(εz)を算出する加減速追従誤差算出手段と、
前記加減速追従誤差(εz)から主軸位置に換算した相対位相誤差(εs)を算出する位相誤差補償値算出手段と、
前記主軸位置(APA-S)から前記相対位相誤差(εs)を減算し擬似主軸位置(APA-S’)を算出する減算手段を備え、
前記擬似主軸位置(APA-S’)と前記ネジピッチ指令(P)とから送り軸の移動量を算出することを特徴とするねじ切り加工装置。
前記主軸回転数指令(S)を所定の周期で速度変動させる主軸速度指令変動手段を備えたことを特徴とする請求項２記載のネジ切り加工装置。