(57)【要約】【課題】楕円形状等の非真円形状の孔加工を、一工程かつ短時間のうちに行えるようにすることを目的とする。【解決手段】主軸と、この主軸の装着口に、該主軸の中心軸と偏心した状態で装着され、かつ主軸に対して相対的に回転可能な工具保持具を備え、前記主軸に取り付けられた主軸用サーボモータと、前記主軸の中心部に形成された孔に回転可能に設けられ前記工具保持具に回転を伝える制御軸と、この制御軸を回転させるための制御軸用サーボモータと、前記制御軸用サーボモータの回転を前記制御軸に伝え、かつ前記制御軸の回転を前記工具保持具に伝えるカップリングと、前記主軸用サーボモータと前記制御軸用サーボモータの回転を制御するためのバイナリーデータを記憶した記憶部とを備えている。【選択図】  図５
2018122403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値制御工作機械において、主軸と、この主軸の装着口に、該主軸の中心軸と偏心した状態で装着され、かつ主軸に対して相対的に回転可能な工具保持具と、この工具保持具に取り付けられた工具とを備え、
前記主軸に取り付けられた主軸用サーボモータと、
前記主軸の中心部に形成された孔に回転可能に設けられ前記工具保持具に回転を伝える制御軸と、
この制御軸を回転させるための制御軸用サーボモータと、
前記制御軸用サーボモータの回転を前記制御軸に伝え、かつ前記制御軸の回転を前記工具保持具に伝えるカップリングと、
前記主軸用サーボモータと前記制御軸用サーボモータの回転を制御するためのバイナリーデータを記憶した記憶部とを備えた、
ことを特徴とした回転工具の径方向切込み装置
【請求項２】
前記バイナリーデータが、前記主軸が一回転する間に、前記工具が前記主軸の半径方向に複数回進退するよう前記制御軸を回転させるデータである請求項１記載の回転工具の径方向切込み装置。
【請求項３】
前記制御軸の両端が、所定距離偏心した状態で配置された一対のカップリングによって軸支されている請求項１又は２記載の回転工具の径方向切込み装置。
【請求項４】
主軸と、この主軸の装着口に、該主軸の中心軸と同心状に装着される工具保持具と、この工具保持具に該工具保持具の軸心と偏心した状態で回転可能に取り付けられた工具と、前記主軸に取り付けられた主軸用サーボモータと、前記主軸の中心部に形成された孔に貫通して設けられた制御軸と、この制御軸を回転させるための制御軸用サーボモータと、前記制御軸用サーボモータの回転を前記制御軸に伝え、かつ前記制御軸の回転を前記工具保持具に伝えるカップリングと、前記主軸用サーボモータと前記制御軸用サーボモータの回転を制御するためのデータを記憶する記憶部とを有した数値制御工作機械において、
前記記憶部に、前記主軸が一回転する間に、前記工具が前記主軸の半径方向に複数回進退するよう前記制御軸を回転させるためのデータをバイナリーデータとして記憶させておき、前記数値制御工作機械の数値制御装置から非真円の孔加工指令信号を受けたときに、前記記憶部に記憶させてあるバイナリーデータによって前記主軸用サーボモータと前記制御軸用サーボモータの回転を制御して前記主軸と前記制御軸の回転を制御する、
ことを特徴とした工具の径方向切込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械、特に、マシニングセンタのような数値（ＮＣ）制御工作機械において、回転工具の径方向の切込み制御により真円形状のみならず、楕円形状等の非真円形状の孔加工を可能とした  回転工具の径方向切込み制御装置及び回転工具の径方向切込み制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マシニングセンタ等の数値制御工作機械において回転工具の径方向への切込み制御を行なう代表的な技術として特許文献１において開示されているものがある。また、この技術を改良したものとして特許文献２において開示されている技術がある。
【０００３】
特許文献１には、工具を回転させるための主軸と、この主軸に回転可能かつ主軸軸心と偏心した状態で保持される工具保持具と、この工具保持具に固定された工具を有する径方向切込み制御装置が開示されている。このような構成からなる径方向切込み制御装置によれば、主軸を回転制御している間に、主軸に保持されている工具保持具を回転させて工具の刃先位置を変えることによって、工具の径方向位置（径方向の切込み量）の制御（Ｕ軸制御）を行うことができ、テーパ状の孔加工を行うことができる。
その原理は、次のとおりである。
図１は工具保持具２０と工具２１及び主軸１１との関係を示す説明図であり、工具２１を取り付けた工具保持具２０が主軸１１に偏心して取り付けられた状態を示している。
【０００４】
図１において、
Ｓ  主軸中心
Ｃ  工具保持具中心
Ｐ  工具刃先
θ  主軸中心と工具保持具中心を結ぶ線に対する工具刃先と工具保持具の中心を結ぶ線の角度(工具刃先の角度）
ＳＰ＝加工半径  Ｒ
ＣＰ＝工具長  Ｂ
ＳＣ＝偏心量  Ｅ
とすると、次の関係式が成立する。
Ｒ＝√Ｂ２＋Ｅ２−２ＢＥｃｏｓθ
【０００５】
ここで、ＢとＥは一定であるので、工具保持具２０を回転させて工具刃先の角度θを変化させると、図２（ａ)(ｂ)(ｃ)に示すように、工具刃先の回転半径を変化させることができる。これを表で表わすと図３のようになる。
このように、特許文献１に示す装置によれば、一つの工具で径の異なる孔加工を行うことができるだけでなく、主軸を回転させながら工具保持具を回転させることによって工具刃先の位置を変化させることにより孔径が連続的に変化する形状の孔加工を行うことができる。
【０００６】
また、特許文献２に記載の発明は、特許文献１に記載の発明を改良したものであり、作動歯車機構を用いることなく、容易に工具の径方向切込み制御を行なえるようにしたものである。具体的には、主軸と、工具の径方向への切込み制御を行なわせる制御軸との相対的な回転速度差で、前記工具の径方向への切込み制御を行なう方法において、前記制御軸を回転させる駆動モータに、前記主軸の回転と同期したパルス及び制御装置からの切込み制御パルスにもとづいたパルス信号を入力して、前記主軸と制御軸との間に相対的な回転速度差をもたせるようにしてある。
【０００７】
特許文献２に記載の発明によれば、工具の径方向位置（径方向の切込み量）の制御（Ｕ軸制御）を微小に行なえることから、径の変化する孔加工を高精度に行うことができる。
しかしながら、特許文献２に記載の発明においても、Ｕ軸制御の機構は、主軸の中心孔に工具の駆動軸を内設しており、主軸の外部に位置するモータから駆動軸に回転を伝えるための機構は歯車を用いたメカニック構造となっている。また、主軸にモータから回転を伝える機構も歯車を用いたメカニック構造となっているため、装置全体からすると、これら歯車におけるバックラッシュは加工精度に影響を与え無視することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公昭６２−４２７２６号公報
【特許文献２】特開平１０−１５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、近年では孔加工においても単なる真円の孔加工だけでなく、非真円形、たとえば楕円形等の非真円形状の孔加工を行えるような装置の出現についての要望がある。しかしながら、楕円形の孔加工を行う場合、主軸が一回転する間に工具刃先を二往復させる必要があるので、高速かつ精密な制御を行わなければならないが、上記した従来のメカニカルな伝達機構による回転伝達系では歯車のバックラッシュの影響を受け、精密な制御を行うことができないという問題があった。
【００１０】
さらに、楕円形の孔を加工するような場合、主軸を一回転させる間に工具刃先を二往復させる必要があるが、現在用いられている数値制御装置における信号処理ではＣ軸制御に対する指令が間に合わないという問題が生じた。
すなわち、鉄材に長軸６３．６６ｍｍ、短軸６３．６ｍｍ、（楕円０．０３ｍｍ）の径からなる楕円形の孔加工を行う場合を想定すると、数値制御装置におけるプログラムは次のようになり、主軸一回転分のプログラムは３６０行にもなる。
Ｇ０１ Ｕ０．００１ Ｃ１．０ Ｚ−０．００１
Ｕ０．００２ Ｃ２．０ Ｚ−０．００２
Ｕ０．００３ Ｃ２．０ Ｚ−０．００３
｜
｜
Ｕ０．０３０ Ｃ９０．０ Ｚ−０．０２５
Ｕ０．０２９Ｃ９１．０Ｚ−０．０２６
Ｕ０．０２８Ｃ９２．０Ｚ−０．０２６
｜
｜
Ｕ０  Ｃ３６０．０  Ｚ−０．１００
このため、数値制御装置がこのプログラムを読み込んで演算処理を行ったうえで主軸と工具のサーボモータに制御指令を行うには時間がかかり過ぎてしまい加工速度が遅くなってしまうといった問題が生じる。  
【００１１】
上記のような問題を有するため、現段階では、楕円形等の非真円の孔を加工する場合は複数の工程で行っており、一工程で短時間のうちに楕円形等の非真円の孔を加工できる装置は存在しなかった。
【００１２】
そこで、種々検討したところ、バックラッシュによる問題解決には、主軸のＣ軸制御及び工具のＵ軸制御の機構、特に、Ｃ軸制御の回転を、メカニカルな伝達機構を介することなく直接Ｃ制御軸に伝えることができ、メカニカルなバックラッシュを有しないビルトインサーボモータによって行うと有効であることに思い至った。
【００１３】
さらに、主軸のＣ軸制御及び工具のＵ軸制御をビルトインサーボモータで行わせるとともに、これらサーボモータに対する動作指令を予め演算処理してバイナリーデータ化しておき、数値制御プログラムによる指令に代えて、このバイナリーデータによって主軸のＣ軸制御及び工具のＵ軸制御を行うことにより、短時間のうちに楕円形の孔加工等を行えることに思い至った。
すなわち、数値制御プログラムによって制御される工作機械において、非真円形状の孔加工を行う場合は数値制御プログラムではなくバイナリーデータを利用し、数値制御プログラムによる処理時間をゼロとすることにより、上記問題点を解決できることを見出した。
【００１４】
本発明は、上記知見に基づき、数値制御工作機械において、主軸と、工具の径方向への切込み制御を行なわせる制御軸との相対的な回転速度差で非真円の孔加工を行うときに、前記主軸と、前記工具の径方向への切込み制御を行う駆動モータとしてサーボモータを用いるとともに、これらサーボモータに対する回転制御をバイナリーデータによって行うようことにより、楕円形状等の非真円形状の孔加工を、一工程かつ短時間のうちに行えるようにした回転工具の径方向切込み制御装置及び径方向切込み制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明の工具の径方向切込み制御装置は、数値制御工作機械において、主軸と、該主軸の装着口に、該主軸の中心軸と偏心した状態で装着され、かつ主軸に対して相対的に回転可能な工具保持具と、この工具保持具に取り付けられた工具とを備え、前記主軸に取り付けられた主軸用サーボモータと、前記主軸の中心部に形成された孔に回転可能に設けられ前記工具保持具に回転を伝える制御軸と、この制御軸を回転させるための制御軸用サーボモータと、前記制御軸用サーボモータの回転を前記制御軸に伝え、かつ前記制御軸の回転を前記工具保持具に伝えるカップリングと、前記主軸用サーボモータと前記制御軸用サーボモータの回転を制御するためのバイナリーデータを記憶した記憶部とを有した構成としてある。ここで、前記バイナリーデータは、前記主軸が一回転する間に、前記工具が前記主軸の半径方向に複数回進退するよう前記制御軸を回転させるデータとしてある。
【００１６】
また、本発明の工具の径方向切込み制御方法は、主軸と、この主軸の装着口に、該主軸の中心軸と同心状に装着される工具保持具と、この工具保持具に該工具保持具の軸心と偏心した状態で回転可能に取り付けられた工具と、前記主軸に取り付けられた主軸用サーボモータと、前記主軸の中心部に形成された孔に貫通して設けられた制御軸と、この制御軸を回転させるための制御軸用サーボモータと、前記制御軸用サーボモータの回転を前記制御軸に伝え、かつ前記制御軸の回転を前記工具保持具に伝えるカップリングと、前記主軸用サーボモータと前記制御軸用サーボモータの回転を制御するためのデータを記憶する記憶部とを有した数値制御工作機械において、
前記記憶部に、前記主軸が一回転する間に、前記工具が前記主軸の半径方向に複数回進退するよう前記制御軸を回転させるためのデータをバイナリーデータとして記憶させておき、前記数値制御工作機械の数値制御装置から非真円の孔加工指令信号を受けたときに、前記記憶部に記憶させてあるバイナリーデータによって前記主軸用サーボモータと前記制御軸用サーボモータの回転を制御する方法としてある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の  工具の径方向切込み装置及び径方向切込み制御方法によれば、非真円形状の孔加工を高速かつ高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、回転工具径方向切込み装置の動作原理を説明するための主軸と工具保持具の軸心の関係を示す概略図である。
【図２】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、工具保持具（工具刃先）を３０度、９０度、１３５度回転させたときの工具の位置と加工孔の径を示す説明図である。
【図３】図３は、工具保持具（工具刃先）の回転角度と加工孔の半径の関係を示したグラフである。
【図４】図４は、本発明の第一実施形態にかかる主軸装置の概略外観図である。
【図５】図５は、図４の概略断面図である。
【図６】図６は、本発明の制御方法を説明するための概略フローチャートを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図４は、本発明の工具の径方向切込み装置を組み込んだ工作機械における主軸装置の外観図を示す一実施形態であり、図５はその概略断面図である。
図４及び図５において、主軸装置１０の内部には主軸１１が回転可能に組み込まれており、この主軸１１の後部には主軸用サーボモータ１２が取り付けてある。このサーボモータ１２はビルトイン型のサーボモータであって、歯車系の伝達機構を介することなく主軸に直接取り付けられた構成となっており、主軸用サーボモータ１２からの回転が直接主軸１１に伝わるようになっている。また、この主軸１１の中心部は中空となっており、かつ前端には工具保持具２０を装着するための装着口１３が形成してあり、この装着口１３の軸心は主軸軸心と所定の距離（Ｅ）だけ偏心した状態となっている。
【００２０】
工具保持具２０は、主軸１１の装着口１３に回転可能に装着口の軸心と同軸の状態で装着される。したがって、装着された工具保持具２０は主軸軸心と所定距離（Ｅ）偏心した状態で装着されることになる。工具保持具２０は、装着口１３にクロスローラベアリング等のベアリングを介して装着されるので、主軸に対して相対的に回転可能となる。この工具保持具２０の先端には工具２１が着脱自在に取り付けてある。
【００２１】
工具保持具２０を回転させ、工具２１に径方向切込み制御（Ｕ軸制御）を行わせるための制御軸２２は、主軸１１の中空部に配置されている。この制御軸２２の後部には工具２１の径方向切込み制御をするための制御軸用サーボモータ２３が取り付けてある。このサーボモータ２３はビルトイン型のサーボモータであって、歯車系の伝達機構を介することなく回転を直接回転軸２３ａに伝えられるようになっている。
【００２２】
制御軸２２は、一対のカップリング２４ａと２４ｂを介して制御軸用サーボモータ２３の回転を工具保持具２０伝えている。カップリング２４ａ，２４ｂは、対をなすカップリング２４ａ，２４ｂが偏心した状態で軸（制御軸２２）を軸支できるタイプのものを採用している。すなわち、図５に示すように、一対のカップリング２４ａ，２４ｂは所定の距離Ｅだけ偏心して配置された状態において制御軸２２の両端を軸支している。
ここで、カップリング２４ａは主軸１１と同軸心であって、カップリング２４ｂは工具保持具装着口１３と同軸心に配置されている。
【００２３】
工具保持具２０は主軸１１の装着口１３に連結されると、主軸１１と所定の距離Ｅだけ偏心した状態となる。これにより、制御軸２２を回転させると、主軸中心からの工具２１の刃先位置Ｐを変化させることができる。すなわち工具２１の径方向切込みを行うことができ、孔加工における内径を変化させることが可能となる。
【００２４】
このような構成からなる主軸装置を用いて孔加工を行う場合には、図６に示すような手順で行う。
加工作業をスタートさせると、数値制御装置に入力してあるプログラムにしたがって工作機械が動作を開始し、主軸１１と被加工物（図示せず）を接近させるべく、主軸１１を保持する主軸装置または被加工物を固定してあるテーブル（図示せず）を移動させる制御（Ｚ軸制御）を行う。
主軸１１と被加工物を接近させて孔加工の開始が可能な位置関係になるようなＺ軸制御を行う前後あるいは制御中に、加工すべく孔の内径形状が真円かあるいは非真円の例えば楕円形かを判断する。
具体的には、プログラムに組み込まれている孔の形状情報に基づき、孔の形状が真円か楕円形かを判断するような方法が一例として考えられる。そして、加工すべき形状情報が真円であると判断した場合にはそのままプログラムにしたがってＺ軸、Ｃ軸及びＵ軸の制御を数値制御のプログラムによって行い真円の加工を行う。
一方、加工すべき形状が楕円形であると判断した場合は、数値制御プログラムによる制御を中断し、記憶部からバイナリーデータを読みだして、このバイナリーデータにしたがってＺ軸、Ｃ軸及びＵ軸の各制御用サーボモータを制御して楕円形の孔加工を行う。
【００２５】
ここで、バイナリーデータは、あらかじめ、加工すべき孔の非真円形状データに基づいて加工寸法の演算処理を行い、単位時間当たりのＺ軸、Ｃ軸及びＵ軸の動作データを二値化し、そのデータを記憶部に記憶させておく。この記憶部は、図示してないが、数値制御装置に内蔵するタイプか、数値制御装置等へ外付けするタイプのものを用いる。
【００２６】
そして、プログラムからバイナリーデータにしたがって加工との指令を受けたときには、記憶部からそのバイナリーデータを読みだして図示しないＺ軸制御のサーボモータと、Ｃ軸制御の主軸用サーボモータ１２とＵ軸制御の制御用サーボモータ２３のそれぞれにＺ軸、Ｃ軸及びＵ軸の制御動作を行わせる。
【００２７】
通常、数値制御プログラムの指令に基づいて加工を行う場合は、プログラムを解析してＣ軸及びＵ軸の移動量を算出した上でサーボモータへパルス信号を分配出力する必要があるため、非真円形、例えば、楕円加工のように、主軸１１が一回転する間に工具２１が径方向に二往復しなければならないような場合には処理に時間を要し、加工に長時間を要してしまう。
しかし、バイナリーデータとしておくと、数値制御プログラムの解析、各制御軸の移動量算出等の処理が不要となるのでＺ軸、Ｃ軸及びＵ軸制御用の各サーボモータに対して迅速に信号を送ることが可能となり、工具２１の刃先Ｐ（Ｕ軸）を主軸１１が一回転する間に径方向に二往復しなければならないような加工についても対応することができる。
【００２８】
具体的には、鉄材に長軸６３．６６ｍｍ、短軸６３．６ｍｍの径からなる楕円量０．０３ｍｍ）楕円形の孔加工を３０ｍｍにわたって行ったところ、数値制御プログラムを用いた方法によると６分かかったのに対して、本実施例によるバイナリーデータを用いた方法によると０．５９分であった。
【００２９】
本発明は非円形の孔加工として楕円形のものについて説明したが、他の非真円の孔加工にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０  主軸装置
１１  主軸
１２  主軸用サーボモータ
１３  工具保持具装着口
２０  工具保持具
２１  工具
２２  制御軸
２３  制御軸用サーボモータ
２４ａ，２４ｂ  カップリング
【図１】
2018122403.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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