JP7453255B2

JP7453255B2 - 数値制御装置、切粉除去システム、切粉除去方法

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Publication number: JP7453255B2
Application number: JP2021570047A
Authority: JP
Inventors: 拓磨大倉
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2041-01-05
Also published as: JPWO2021141016A1; WO2021141016A1; CN114945876A; DE112021000324T5; US20230078825A1

Description

本発明は、産業機械の数値制御装置、切粉除去システム、切粉除去方法に関する。

製造現場では、工作機械や産業ロボットなど、様々な産業機械が利用されている。産業機械の中には、工具でワークに穴あけを行うものがある。穴あけを行った際には、切粉が発生する。穴あけサイクルを行うと工具に切粉が絡まることがある。工具に切粉が絡まると、加工精度が変化する可能性があり、工具に絡まった切粉がワークを傷つける可能性もある。そのため、定期的に切粉を除去する必要があるが、手作業で切粉を除去する場合には、機械を停止し、直接工具を触る必要があるので、煩雑である。

従来の数値制御装置には、切粉を自動で除去するものがある。例えば、特許文献１に記載の数値制御装置は、主軸を加工時の逆方向に回転させて、工具に巻き付いた切粉を除去する。この除去の際の、数値制御装置の制御対象は主軸の回転数である。この数値制御装置は、主軸の回転数が逆回転で所定の値に到達するまで回転を継続する。

特許第６３９８２５４号

回転数だけで切粉の除去を判断すると、切粉が取り切れないことがある。また、十分な移動距離が無ければ、主軸の回転数を所定の値に到達させることが難しくなり、回転数を調節することは難しい。

産業機械の分野では、確実に切粉を除去する技術が望まれている。

本開示の一態様における制御装置は、工具を回転してワークを切削する産業機械の制御装置であって、工具の回転方向を変更させる動作変更部と、工具の逆回転の時間を判定する回転時間判定部と、工具の材料と前記ワークの材料から逆回転の時間を選択する逆回転選択部と、を備え、回転時間判定部は、工具の逆回転の時間が、逆回転選択部が選択した時間に到達したことを判定し、動作変更部は、工具がワークを切削した後、工具を逆回転させ、回転時間判定部が、工具の逆回転の時間が所定時間に到達したと判定すると、動作変更部は前記逆回転を終了する。

本開示の一態様における切粉除去システムは、工具を回転してワークを切削する産業機械の制御システムであって、工具の回転方向を変更させる動作変更部と、工具の逆回転の時間を判定する回転時間判定部と、工具の材料と前記ワークの材料から逆回転の時間を選択する逆回転選択部と、を備え、回転時間判定部は、工具の逆回転の時間が、逆回転選択部が選択した時間に到達したことを判定し、前記動作変更部は、工具がワークを切削した後、工具を逆回転させ、回転時間判定部が、工具の逆回転の時間が所定時間に到達したと判定すると、動作変更部は逆回転を終了する。

本開示の一態様における切粉除去方法は、工具の材料とワークの材料から逆回転の時間を選択し、工具を回転してワークを切削する産業機械の切粉除去方法であって、工具がワークを切削した後、工具を逆回転し、工具の逆回転の時間が選択された逆回転の時間に到達すると、工具の逆回転を終了する。

本発明の一態様によれば、確実に切粉を除去することができる。

本開示における数値制御装置のハードウェア構成図である。第１の開示における数値制御装置のブロック図である。第１の開示の数値制御装置の動作を示すフローチャートである。第２の開示における数値制御装置のブロック図である。第２の開示における数値制御装置の動作を示すフローチャートである。切粉除去動作における工具の動きを示す図である。切粉除去動作における工具の動きを示す図である。切粉除去動作における工具の動きを示す図である。第３の開示における数値制御装置のブロック図である。

以下、本開示を図面と共に説明する。
図１は本開示の一開示による数値制御装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。

本開示の数値制御装置１００が備えるＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１１１は、数値制御装置１００を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１１は、バス１２０を介してＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１１２に格納されたシステム・プログラムを読み出し、該システム・プログラムに従って数値制御装置１００全体を制御する。ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１１３には一時的な計算データや表示データ、及び外部から入力された各種データ等が一時的に格納される。

不揮発性メモリ１１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされたメモリやＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）等で構成され、数値制御装置１００の電源がオフされても記憶状態が保持される。不揮発性メモリ１１４には、インタフェース１１５を介して外部機器７２から読み込まれたプログラム、図示しない表示器／ＭＤＩユニットを介して入力されたプログラム、サーボモータ５０が備える位置・速度検出器やスピンドルモータに取り付けられたポジションコーダからフィードバックされた各モータの位置や速度のフィードバックデータ等が記憶される。不揮発性メモリ１１４に記憶されたプログラムや各種データは、プログラムの実行時やデータの利用時にはＲＡＭ１１３に展開されても良い。また、ＲＯＭ１１２には、公知の解析プログラムなどの各種システム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。

インタフェース１１５は、数値制御装置１００のＣＰＵ１１１とＵＳＢ装置等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２からは工作機械の制御に用いられる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１００内で編集したプログラムや各種パラメータ等は、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）１１６は、数値制御装置１００に内蔵されたシーケンス・プログラムで工作機械及び該工作機械の周辺装置（例えば、工具交換装置や、ロボット等のアクチュエータ、工作機械に取付けられているセンサ等）にＩ／Ｏユニット１１７を介して信号を出力し制御する。また、ＰＭＣ１１６は、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチや周辺装置等からの信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１１に渡す。

工作機械が備える軸を制御するための軸制御回路１３０はＣＰＵ１１１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１４０に出力する。サーボアンプ１４０はこの指令を受けて、工作機械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１３０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。サーボモータ５０には主軸用サーボモータ５０１と送り用サーボモータ５０２がある。主軸用サーボモータ５０１には工具が取り付けられている。送り用サーボモータ５０２は工具ＴとワークＷを軸方向に相対移動させる。

なお、図１のハードウェア構成図では軸制御回路１３０、サーボアンプ１４０、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。また、図１の軸制御回路１３０及びサーボアンプ１４０は、後述するサーボモータ制御部１６に対応する。

図２を参照して、数値制御装置１００について説明する。数値制御装置１００は、加工プログラムやデータを記憶する記憶部１１と、加工プログラムを解析するプログラム解析部１２と、加工プログラムに基づき穴あけサイクルを作成するサイクル作成部１３と、切粉除去動作の指令を生成する切粉除去動作生成部１４と、各種指令をサーボモータ５０の制御命令に変換する補間部１５と、工作機械２００のサーボモータ５０を制御するサーボモータ制御部１６と、を備える。切粉除去動作生成部１４は、回転時間判定部１８と主軸動作変更部１７を含む。

プログラム解析部１２は、記憶部１１に記憶された加工プログラムを解析する。加工プログラムには、固定サイクルプログラムが含まれる。固定サイクルプログラムには、決められたフォーマットに従い、データを入力することにより、予め決められた複数ブロックの指令を１ブロックに記述できる。固定サイクルプログラムでは、穴あけ、タップ、ドリル、ボーリングなどを指令できる。切削加工では、ワークの切粉が発生する。加工プログラムに、切削加工が含まれる場合、切粉除去動作生成部１４が切粉除去動作指令を生成し、工作機械に切粉を除去させる。本開示では、固定サイクルプログラムで穴あけを行う。本開示の切粉除去動作は、他の加工にも適応できる。

サイクル作成部１３は、プログラム解析部１２が解析した固定サイクルプログラムを通常の指令に変換し、補間部１５に出力する。

切粉除去動作生成部１４は、加工プログラムに切削指令が含まれるとき、切粉除去動作を工作機械に実行させる指令を生成する。切粉除去動作では、主軸を所定時間逆回転させる。主軸動作変更部１７は、主軸の回転方向を変更する指令を補間部１５に出力する。回転時間判定部１８は、主軸の逆回転時間が所定時間に到達したことを判定する。

補間部１５は、サイクル作成部１３からの指令と、切粉除去動作生成部１４からの指令と、を基にサーボモータ５０の制御命令を生成する。

サーボモータ制御部１６は、補間部１５からの制御命令に従い、サーボモータ５０を制御する。穴あけサイクルの場合、サーボモータ制御部１６は、最初に、送り用サーボモータ５０２を制御し、工具Ｔを所定の加工位置に移動する。次いで、主軸用サーボモータ５０１を加速し、主軸用サーボモータ５０１の回転速度を加工速度に上昇させる。工具Ｔは、回転速度が加工速度に到達した状態でＲ点（リファレンス点切削送り開始点）を通過する。その後、工具ＴはワークＷに進入し、ワークＷを切削しながら所定の深さまで移動する。ワークＷの穴あけが完了すると、サーボモータ制御部１６は、工具Ｔを退避させ、次の加工の準備を開始する。穴あけが完了して次の加工を開始するまでの間、数値制御装置１００は、切粉除去動作を行う。切粉除去動作は、加工動作と並列して行われる。

次いで、図３を参照して、本開示の数値制御装置１００の動作を説明する。
オペレータが加工の開始を指示すると、プログラム解析部１２は加工プログラムを解析する（ステップＳ１）。加工プログラムに固定サイクルプログラムが存在すると、サイクル作成部１３は、固定サイクルプログラムを通常の指令に変換し（ステップＳ２）、補間部１５に出力する。補間部１５は、サイクル作成部１３からの指令に従いサーボモータ５０の制御命令を生成する。サーボモータ制御部１６は、補間部１５からの制御命令に従い、サーボモータ５０を制御する。本開示では、数値制御装置１００は、固定サイクルプログラムによって穴あけ加工を行う。

穴あけ加工において、送り用サーボモータ５０２は、工具Ｔを加工位置に移動させる。
このとき、工具ＴのＺ軸上の位置をイニシャルレベルという（ステップＳ３）。イニシャルレベルは、固定サイクル加工の起点となる位置である。次いで、送り用サーボモータ５０２は、工具ＴをワークＷの方向に近づけながら、主軸用サーボモータ５０１の回転速度を加工速度に近づける。主軸用サーボモータ５０１の回転速度は、Ｒ点を通過する前に加工速度に達する。

Ｒ点を通過し（ステップＳ４）、工具ＴがワークＷの表面に達すると、穴あけが開始する。主軸を回転させながら、工具Ｔが穴底まで移動され、穴あけを行う（ステップＳ５）。穴あけが終了すると、工具Ｔは、退避を行う（ステップＳ６）。そして、次の加工の準備を行う（ステップＳ７）。

切粉除去動作生成部１４は、工具ＴがワークＷから離れ、次の加工を開始するまでの間に、切粉除去動作を行う。なお、工具ＴとワークＷが離間したか否かは、工具Ｔに掛かる負荷やＲ点を基準に判定される。

切粉除去動作において、主軸動作変更部１７は、まず、補間部１５に指令を出力し、主軸用サーボモータ５０１の逆回転を開始させる（ステップＳ８）。回転時間判定部１８は、主軸の逆回転が所定時間に到達したか判定する。逆回転の時間が所定時間に到達すると（ステップＳ９）、主軸動作変更部１７は、補間部１５に指令を出力し、主軸用サーボモータ５０１の逆回転を終了する（ステップＳ１０）。

以上説明したように、第１の開示の数値制御装置１００は、所定時間だけ工具Ｔを逆方向に回転させることで、工具Ｔに絡まった切粉を除去することができる。なお、工具Ｔを逆回転させるときの回転速度は、回転時間との関係から求める。

次いで、第２の開示を示す。図４の数値制御装置１００は、主軸がイニシャルレベルに到達したか否かを判定する主軸位置判定部１９と、主軸の動作を待機させる待機処理部２０と、を備える。この数値制御装置１００では、主軸がイニシャルレベルに到達したか否かを判定し、主軸がイニシャルレベルにあるときに、切粉除去動作を行う。

図５は、第２の開示の数値制御装置１００の動作を示すフローチャートである。このフローチャートのステップＳ１～ステップＳ５までの処理は、図４の動作と同じであるため説明を省略する。ステップＳ５において穴あけが終了すると、主軸位置判定部１９は、主軸のＺ軸上の位置を監視する（ステップＳ２１）。主軸位置判定部１９は、主軸がイニシャルレベルに到達するまで（ステップＳ２２；ＮＯ）、主軸の位置を監視する。主軸がイニシャルレベルに到達すると（ステップＳ２２；ＹＥＳ）、主軸動作変更部１７は、主軸の逆回転を開始する指令を補間部１５に出力する。サーボモータ制御部１６は、主軸用サーボモータ５０１を逆回転させる（ステップＳ２３）。回転時間判定部１８は、逆回転時間が所定の時間に到達したか否かを判定する。逆回転の時間が所定の時間に到達すると（ステップＳ２４）、主軸動作変更部１７は、主軸の逆回転を終了する指令を補間部１５に出力する。サーボモータ制御部１６は、補間部１５からの制御命令に従い、主軸の逆回転を終了する（ステップＳ２５）。ここで、切粉除去動作は終了する。

数値制御装置１００は、主軸がイニシャルレベルに到達すると（ステップＳ２２；ＹＥＳ）、ステップＳ２３～ステップＳ２５の切粉除去動作と並行して、次の加工準備を開始する（ステップＳ２６）。

待機処理部２０は、工具Ｔが所定の位置（待機判定位置と呼ぶ）を通過するとき、切粉除去動作が終了しているか否かを判定する。工具Ｔが待機判定位置に到達したとき、切粉除去動作が終了している場合（ステップＳ２７；ＹＥＳ）、数値制御装置１００は、加工プログラムに従う加工準備を継続する（ステップＳ２８）。工具Ｔが待機判定位置に到達したとき切粉除去動作が終了していなければ（ステップＳ２７；ＮＯ）、待機処理部２０は、補間部１５に指令を出力し、加工準備動作である工具Ｔの早送りを停止し、工具Ｔは切粉除去動作が終了を待機する（ステップＳ２９）。切粉除去動作が終了すると、加工準備を再開する（ステップＳ３０）。

図６、図７は、連続して穴あけを行うときの工具Ｔの動きを示す。図６の例では、工具Ｔは待機しない。図７の例では、工具Ｔが待機する。
まず、図６について説明する。工具Ｔの穴あけの終了後、工具は一旦イニシャルレベル（図６の［１］）に戻される。このとき、次の加工の準備動作として、工具Ｔを早送りし、次の加工位置に移動させる。これは加工プログラムに記載された通常の加工準備動作である。数値制御装置１００は、通常の加工準備動作と同時に、切粉除去動作を開始する。
具体的に説明すると、主軸動作変更部１７は、補間部１５に指令を出力し、工具Ｔを逆回転させる。回転時間判定部１８は、逆回転の時間が所定時間に達したか否かを判定する。逆回転の時間が所定時間に達したとき、主軸動作変更部１７は、逆回転を終了させる。
図６の［２］が逆回転の終了位置である。図６の［２］において、工具Ｔは次の加工位置に向けて移動している。そのため、数値制御装置１００は、加工プログラムに従い、通常の加工準備を継続する。すなわち、主軸を正回転させて、次の加工位置まで早送りする。次の加工位置に到達すると、数値制御装置１００は、２回目の穴あけを開始する。

図７は、加工準備を待機するときの切粉除去動作を示す。穴あけ終了後、工具Ｔがイニシャルレベル（図７の［１］）に到達したとき、工具Ｔの早送りを開始すると同時に、工具Ｔの逆回転を開始する。工具Ｔは、イニシャルレベルで平行移動するが、工具Ｔが移動経路のある位置（図７［２］；待機判定位置という）に到達したとき、逆回転の時間が所定時間に到達していない場合には、待機処理部２０は、早送りの停止指令を補間部１５に出力する。工具Ｔは、早送りを停止し、切粉除去動作が終了するまで待機する。切粉除去動作が終了すると、早送りを再開させて工具Ｔを次の加工位置に移動させる。工具Ｔが次の加工位置に到達すると（図７の［３］）、数値制御装置１００は、２回目の穴あけ行う。

図６、図７の例では、工具Ｔの早送りと並行して工具Ｔを逆回転して切粉を除去する。
切粉除去動作は、工具の早送りの他に、例えば、加工位置を変えずに２重加工する場合や工具を少しずらしてエアーを供給する場合などの他の動作でも、イニシャルレベル（又はＲ点）に到達した時点で開始することができる。

イニシャルレベルで切粉除去動作を開始すると、切粉除去動作を終了するまで、工具Ｔを下降させないことが望ましい。また、図８に示すように、イニシャルレベルではなくＲ点レベルで次の加工の準備動作を開始することもある。その場合には、Ｒ点レベルに到達した時点で切粉除去動作を開始することができる。Ｒ点レベルで切粉除去動作を開始すると、切粉除去動作を終了するまで、工具Ｔを下降させないことが望ましい。

図４の数値制御装置１００は、イニシャルレベル（又はＲ点レベル）で切粉除去動作を行う。この切粉除去動作では、工具の逆回転を時間で制御するので効率的に切粉が除去できる。また、時間で制御するため、サイクルタイムの調節が容易である。イニシャルレベルに到達した後に切粉除去動作を行うことで、工作機械２００に問題が発生したときの退避動作が素早い。さらに、イニシャルレベルで切粉除去動作をした場合には、ワークとの距離が遠いため、ワークと接触する可能性が低い。

なお、図７の説明では、工具Ｔを待機させるか否かを判定する待機判定位置で、工具Ｔを待機させたが、必要に応じて、工具Ｔを移動させ、待機判定位置とは異なる待機位置で工具Ｔを待機させてもよい。

次いで、第３の開示を説明する。図９の数値制御装置１００は、工具ＴやワークＷの材質と工具Ｔの逆回転時間とを対応づける時間テーブル２１と、時間テーブル２１を参照して逆回転時間を選択する時間選択部２２と、を備える。時間テーブル２１は、工具ＴやワークＷの材質に適した工具Ｔの逆回転時間を記載している。時間選択部２２は、時間テーブル２１を参照して工具ＴやワークＷの材質に応じた工具Ｔの逆回転時間を選択する。工具ＴやワークＷの材質に関する情報は、オペレータが入力してもよいし、記憶部１１から読み出してもよい。回転時間判定部１８は、時間選択部２２が選択した時間だけ工具Ｔを逆回転させる。

図９の数値制御装置１００は、工具やワークの材質に応じて逆回転時間を変化させる。
例えば、粘性の高い材料を加工すると切粉が長くなる。この場合、長い切粉は絡みやすいので逆回転時間を長くする。逆に、材料の粘性が低く脆い材料では、切粉が短くなるので逆回転時間は短くてもよい。

図９の数値制御装置１００は、工具ＴやワークＷの材質に応じて、工具Ｔの逆回転時間を変化させるので、より効率的に切粉を除去することができる。

１００数値制御装置
１１１ＣＰＵ
１１記憶部
１２プログラム解析部
１４切粉除去動作生成部
１５補間部
１６サーボモータ制御部
１７主軸動作変更部
１８回転時間判定部
１９主軸位置判定部
２０待機処理部
２１時間テーブル
２２時間選択部

Claims

工具を回転してワークを切削する産業機械の制御装置であって、
前記工具の回転方向を変更させる動作変更部と、
前記工具の逆回転の時間を判定する回転時間判定部と、
前記工具の材料と前記ワークの材料から前記逆回転の時間を選択する逆回転選択部と、を備え、
前記回転時間判定部は、前記工具の逆回転の時間が、前記逆回転選択部が選択した時間に到達したことを判定し、
前記動作変更部は、前記工具がワークを切削した後、前記工具を逆回転させ、前記回転時間判定部が、前記工具の逆回転の時間が所定時間に到達したと判定すると、前記動作変更部は前記逆回転を終了する、
制御装置。
前記工具の位置を判定する位置判定部を備え、
前記工具の位置が所定位置に到達したと前記位置判定部が判定した場合、前記動作変更部は、前記工具の逆回転を開始する、請求項１記載の制御装置。
前記所定位置は、工具のイニシャルレベルである、請求項２記載の制御装置。
加工プログラムに従い前記産業機械を制御し、前記加工プログラムに従う動作を前記産業機械に実行させる加工動作制御部と、
前記加工プログラムに従う動作の経路上の所定位置において、前記工具の逆回転が終了していない場合、前記加工プログラムに従う動作を待機させる待機処理部と、
を備える請求項１記載の制御装置。
加工プログラムに従い前記産業機械を制御し、前記加工プログラムに従う動作を前記産業機械に実行させる加工動作制御部を備え、
前記工具の逆回転と、前記加工プログラムに従う動作と並行して行う、請求項１記載の制御装置。
工具を回転してワークを切削する産業機械の制御システムであって、
前記工具の回転方向を変更させる動作変更部と、
前記工具の逆回転の時間を判定する回転時間判定部と、
前記工具の材料と前記ワークの材料から前記逆回転の時間を選択する逆回転選択部と、を備え、
前記回転時間判定部は、前記工具の逆回転の時間が、前記逆回転選択部が選択した時間に到達したことを判定し、
前記動作変更部は、前記工具がワークを切削した後、前記工具を逆回転させ、前記回転時間判定部が、前記工具の逆回転の時間が所定時間に到達したと判定すると、前記動作変更部は前記逆回転を終了する、切粉除去システム。
工具を回転してワークを切削する産業機械の切粉除去方法であって、
前記工具の材料と前記ワークの材料から前記逆回転の時間を選択し、
前記工具がワークを切削した後、前記工具を逆回転し、
前記工具の逆回転の時間が選択された前記逆回転の時間に到達すると、
前記工具の逆回転を終了する、切粉除去方法。