JP3141711B2 - ねじ加工装置及びねじ加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、タップ盤に代表される
ねじ加工装置及びねじ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】被加工物にねじ加工工具（以下、タップ
と称する）を用いてねじ山を加工する場合、タップの食
いつき部で創成されたねじ溝に完全ねじ部が導かれるこ
とで、一定のねじ山のピッチを持ったねじが創成され
る。

【０００３】従来、数値制御装置（以下、ＮＣ装置と称
する）を適用したねじ加工装置におけるタッピング動作
の制御は、タップのピッチＰと主軸の回転速度との積が
送り軸（以下、Ｚ軸と称する）の送り速度と一致するよ
うに制御していた。

【０００４】つまり、ピッチＰと主軸の回転位置の積が
Ｚ軸の位置と一致するように制御していた。ここでは、
送り軸に対する主軸回転の追従性（または主軸回転に対
する送り軸の追従性）をいかに向上させるかが一つの課
題であった。

【０００５】そこで、実際の送りの移動量を検出し、そ
の移動量に従って回転モータを駆動するもの（特開昭６
０−１５５３１９号公報）とか、送り速度及び送り加速
度から回転指令値を演算するもの（特開昭６３−２５１
１２１号公報）などの装置が提案されている。

【０００６】これらの装置は送りと回転との同期精度が
高いため、精度よいねじ加工ができる。

【０００７】以下、図５を参照して従来技術のねじ加工
装置の構成及び動作を説明する。

【０００８】ねじ加工装置の機械本体１は立て型のタッ
プ盤をなすものであり、基台２に直立配置したコラム３
にスライダ４を介して主軸ヘッド５が上下に摺動自在に
支持され、主軸ヘッド５はボールねじ６に係合されてい
る。ボールねじ６はＡＣサーボモータからなる送りモー
タ７に連結されて回転駆動され、主軸ヘッド５を昇降す
る。送りモータ７には、回転速度を検出するタコゼネレ
ータ８と、回転位置を検出するパルスゼネレータ９とが
設けられている。パルスゼネレータ９は主軸ヘッド５の
送り位置を検出する送り位置検出手段をなす。

【０００９】主軸ヘッド５には主軸１１が回転自在に軸
支えされ、回転モータ１２により回転駆動される。回転
モータ１２はＡＣサーボモータからなり、回転速度を検
出するタコゼネレータ１３と、回転位置を検出するパル
スゼネレータ１４が設けられている。

【００１０】主軸１１の下端にはタップ工具１５がタッ
パーを介することなく直接取り付けられ、下穴１６のあ
けられた被加工物１７にねじ加工を施す。

【００１１】主軸ヘッド５を上下する送り系（Ｚ軸と称
する）の制御回路について説明する。

【００１２】入力装置２１から入力されたデータに基づ
き、演算器２２において送り指令値Ｚが演算され、送り
速度に応じたパルス列として送り偏差カウンタ２３に出
力される。送り偏差カウンタ２３には位置フィードバッ
クとして、送りモータ７の回転角に応じたパルスがパル
スゼネレータ９から入力される。送り偏差カウンタ２３
では送り指令値Ｚとパルスゼネレータ９で検出された機
械の送り位置ｚとの偏差Ｅ（Ｚ）＝Ｚ−ｚを演算し、そ
の送り偏差Ｅ（Ｚ）を速度指令として送りサーボアンプ
２４に出力する。送りサーボアンプ２４には速度フィー
ドバック信号としてタコゼネレータ８からの実際の速度
に応じた信号ｖ（ｚ）が入力され、速度ループ系を構成
して送りモータ７を駆動する。

【００１３】次に、主軸１１を回転制御する回転系（Ｒ
軸と称する）の制御回路について説明する。回転系で
は、回転指令値Ｒが入力装置２１から直接与えられるの
ではなく、送り指令値Ｚから算出され制御される。

【００１４】演算器２２からの送り指令値Ｚは加速度演
算器２５に入力される。加速度演算器２５では単位時間
当たりの送り指令値ΔＺから送りの加速度Ａ（Ｚ）＝ｄ
／ｄｔ＊ΔＺを演算し、その加速度Ａ（Ｚ）を加算器２
６に出力する。加算器２６のもう一方の入力には、パル
スゼネレータ９からの送りフィードバックパルスが入力
される。加算器２６では、単位時間当たりの実際の送り
量Δｚと送り指令値Ｚの加速度Ａ（Ｚ）を加算し、回転
指令演算器２７に出力する。単位時間当たりの送り量Δ
ｚは実際の送り速度ｖ（ｚ）に対応した値になるから、
加算器２６の出力は送りの速度と加速度を加え合わせた
もの（Δｚ＋ｄ／ｄｔ＊ΔＺ）になる。回転指令値演算
器２７では、あらかじめ入力装置２１から入力され演算
器２２を経由して与えられるねじ加工のピッチＰとボー
ルねじ６のリードＬから、加算器２６の出力をＬ／Ｐ倍
し回転指令値Ｒ１＝Ｌ／Ｐ＊（Δｚ＋ｄ／ｄｔ＊ΔＺ）
を算出する。

【００１５】回転指令値演算器２７から出力される回転
指令値Ｒ１は、送り速度と加速度を加え合わせたものに
相当する値となるから、主軸ヘッド５のこれからの移動
を予測した回転指令値になる。そして、この回転指令値
Ｒ１は加算器２８を経由して回転サーボアンプ２９に出
力される。

【００１６】加算器２８では回転指令値Ｒ１の補正が行
われる。すなわち、主軸１１の回転位置ｒを検出するパ
ルスゼネレータ１４からのパルスは回転偏差カウンタ３
０に入力される。一方、送り量ｚを検出するパルスゼネ
レータ９からのパルスは回転補正演算器３１に入力さ
れ、ねじ加工のねじピッチＰとボールねじのリードＬと
から送り量ｚをＬ／Ｐ倍し、送り量ｚに相当する回転補
正値ｒ（ｚ）＝Ｌ／Ｐ＊ｚを演算して回転偏差カウンタ
３０に出力する。回転偏差カウンタ３０では、上記回転
補正値ｒ（ｚ）と主軸１１の回転位置ｒとの回転偏差Ｅ
（ｒ）を演算し、加算器２８に出力する。加算器２８で
は、回転指令値演算器２７からの回転指令値Ｒ１を回転
偏差Ｅ（ｒ）により補正し、補正された回転指令値Ｒ
（Ｅ）＝Ｒ１＋Ｅ（ｒ）を回転サーボアンプに２９に出
力する。

【００１７】回転サーボアンプ２９には速度フィードバ
ック信号として、タコゼネレータ１３からの速度に応じ
た信号ｖ（ｒ）が入力され、速度ループ系を構成して回
転モータ１２を補正された回転指令値Ｒ（Ｅ）に従って
駆動する。

【００１８】入力装置２１からねじのピッチ、送りのス
トローク（タップ深さ）、送り速度などのデータを入力
することにより、送りモータ７が駆動され、送りモータ
７に従動して回転モータ１２が同期して回転駆動され、
ねじ加工が行われる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ねじ加工装置においては、ねじ加工の開始時点つまり被
加工物にタップが食い込むとき、およびねじ加工中など
に、被加工物とタップの間にＺ軸方向の負荷（以下、Ｚ
軸方向の負荷を負荷と称する）が発生する。この負荷を
負荷Ｆａとすると、負荷Ｆａはタップの種類により異な
るが、例えば転造タップを使用する場合、２００ｋｇｆ
もの値になる場合がある。この負荷Ｆａにより、被加工
物や主軸などにはＺ軸方向に「たわみ」が生じる。負荷
Ｆａと「たわみ」には比例関係があり、負荷が発生する
と「たわみ」を生じる。また逆に「たわみ」を生じてい
る場合は、負荷が発生している。

【００２０】そして、従来のように、ピッチＰと主軸の
回転速度との積を送り軸の送り速度と一致するように制
御してねじ加工する場合は、タップがねじ溝に導かれる
場合と同じように主軸と送り軸は移動する。言い替える
ならば、ねじ溝に完全ねじ部が導かれない場合でも、一
定のねじ山のピッチを持ったねじが創成されるように主
軸と送り軸は移動する。そのため、ねじの加工中（以
下、往路と称する）や、ねじの加工後主軸を反転させて
タップを加工前の位置に戻すとき（以下、復路と称す
る）に負荷Ｆａは除去されない。

【００２１】なぜならば、往路では、被加工物にタップ
が食い込むときに発生した負荷Ｆａにより生じた「たわ
み」を含む状態で始めのねじ溝が創成される。タップは
このねじ溝に導かれて移動しようとする。主軸と送り軸
もタップがこのねじ溝に導かれたように移動するため、
両者の間に移動量の差はない。そのため往路では始めに
発生した「たわみ」を常に含んだ状態でねじが創成され
る。言い替えるならば、始めに負荷Ｆａが発生すると、
往路の間、負荷Ｆａは常に維持されていることになる。
復路では、往路で創成された「たわみ」を含んだねじ溝
に沿ってタップが戻る。そのため「たわみ」が生じ、負
荷Ｆａが発生する。

【００２２】以上のような負荷Ｆａにより次のような問
題点を生じる。一つは被加工物の厚さが薄い場合、負荷
Ｆａにより被加工物が変形する恐れがあることである。
もう一つはこの負荷Ｆａにより、被加工物とタップの刃
の前面または後面が強く押しつけられた状態でねじ加工
するため、タップの刃の前面または後面の摩耗を引き起
こし、タップの寿命が短くなることである。それ故、タ
ップの限界に近いような高速加工もできなくなる。

【００２３】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、その目的は、負荷Ｆａを低減さ
せることにより、被加工物の損傷を防ぎ、また工具寿命
を長くすることができ、更に、タップの限界に近いよう
な高速加工を可能にすることのできるねじ加工装置及び
ねじ加工方法を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１のねじ加工装置は、被加工物とねじ
加工工具とを相対的に一軸線の回りに回転させる回転駆
動手段と、一軸線と同方向に被加工物とねじ加工工具と
を相対的に移動させる送り駆動手段とを備え、ねじ加工
工具のねじピッチと回転駆動手段の回転速度の積を送り
駆動手段の送り速度とを一致させるようにして被加工物
にねじ溝を形成するねじ加工装置において、送り駆動手
段の送り方向における負荷を検出する負荷検出手段と、
その負荷検出手段によって検出された負荷に応じて、ね
じピッチと回転速度と送り速度との少なくとも１つの値
を補正する補正手段とを備えている。

【００２５】また、請求項２のねじ加工装置は、補正手
段が負荷検出手段によって検出された負荷が低減するよ
うにねじピッチと前記回転速度と前記送り速度との少な
くとも１つの値を補正する。

【００２６】そして、請求項３のねじ加工装置は、ねじ
加工工具のねじピッチを入力するねじピッチ入力手段を
備え、補正手段が検出された負荷に応じてねじピッチ入
力手段から入力されたねじピッチを補正し、送り駆動手
段の送り速度が補正されたねじピッチと回転駆動手段の
回転速度の積に一致させられる。

【００２７】更に、請求項４のねじ加工方法は、ねじ加
工工具の回転速度とねじ加工工具のねじピッチとの積
を、被加工物とねじ加工工具との相対送り速度に一致さ
せるようにして被加工物にねじ溝を形成するねじ加工方
法において、ねじ加工工具に加わる負荷を検出するステ
ップと、検出された負荷に応じてねじピッチと回転速度
と相対送り速度との少なくとも１つの値を補正するステ
ップとを備えている。

【００２８】

【作用】上記の構成を有する本発明の請求項１のねじ加
工装置においては、負荷検出手段が送り駆動手段の送り
方向における負荷を検出すると、補正手段がその負荷検
出手段によって検出された負荷に応じて、ねじピッチと
回転速度と送り速度との少なくとも１つの値を補正し、
その補正された値に従って、ねじ加工工具のねじピッチ
と回転駆動手段の回転速度の積を送り駆動手段の送り速
度とを一致させるようにねじ溝を形成する。

【００２９】また、請求項２のねじ加工装置において
は、補正手段が負荷検出手段によって検出された負荷が
低減するようにねじピッチと前記回転速度と前記送り速
度との少なくとも１つの値を補正する。

【００３０】そして、請求項３のねじ加工装置において
は、ねじピッチ入力手段がねじ加工工具のねじピッチを
入力すると、補正手段が検出された負荷に応じてねじピ
ッチ入力手段から入力されたねじピッチを補正し、送り
駆動手段の送り速度が補正されたねじピッチと回転駆動
手段の回転速度の積に一致させられる。

【００３１】更に、請求項４のねじ加工方法において
は、ねじ加工工具に加わる負荷を検出すると、検出され
た負荷に応じて、ねじピッチと回転速度と相対送り速度
との少なくとも１つの値を補正して、ねじ加工工具の回
転速度とねじ加工工具のねじピッチとの積を、被加工物
とねじ加工工具との相対送り速度に一致させるようにし
て被加工物にねじ溝を形成する。

【００３２】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。

【００３３】図１は本実施例の構成を示すブロックずで
あり、従来技術の構成と同一の構成については同一の符
号を付し、その詳細な説明を省略する。

【００３４】入力装置２１は、ねじピッチ入力手段に相
当し、主軸１１の下端に取り付けられたタップ工具１５
のねじピッチＰを入力して、そのねじピッチＰに関する
データを演算器２２に供給するように構成されている。
そして、演算器２２は、送りモータ７を駆動するための
送り指令値Ｚを偏差カウンタ２３に供給すると共に、ね
じピッチＰを補正器４２に供給するように構成されてい
る。

【００３５】補正器４２は、補正手段に相当し、入力さ
れたねじピッチＰを後述する負荷検出器４１によって検
出された負荷に応じて新たな補正ピッチＰ１に補正し
て、回転指令値演算器２７、回転補正演算器３１に供給
するように構成されている。

【００３６】次に、負荷検出器４１について説明する
と、負荷検出器４１は、送りモータ７を駆動するために
送りサーボアンプ２４から出力される電流、電圧を受
け、その入力された電流、電圧より負荷を求め補正器４
２に出力するように構成されている。

【００３７】負荷検出器４１の負荷の検出方法は例えば
次のようになる。空切削（被加工物がない場合の運転）
時の電流、電圧値を０とした場合に現在入力されている
値はいくつになるのかというように相対値を求める。つ
まり、負荷検出器４１はタップ加工により発生した負荷
を補正器４２に出力することになる。従って、負荷検出
器４１が送り方向の負荷を検出する負荷検出手段とな
る。

【００３８】補正器４２は負荷検出器４１からの値に応
じピッチＰを補正し変更されたピッチＰ１を出力する。
補正器４２のピッチＰの補正方法は例えば次のようにな
る。演算器２２より入力したピッチＰを負荷検出器４１
の値がプラス方向であれば小さくし、マイナス方向であ
れば大きくするように補正する。また、検出した負荷の
値と補正する量の関係は予め実験等により求めておき補
正器４２に入力されている。こうして、補正器４２から
補正されたピッチＰ１が出力される。具体的に数値に置
き換えると、負荷が＋１００ｋｇｆの時補正量は−０．
０１ｍｍとなり、ピッチＰが２．００ｍｍの時ピッチＰ
１は１．９９ｍｍとなる。補正器４２は負荷検出手段か
らの値によりねじピッチ入力手段より入力されたねじピ
ッチを変更するねじピッチ補正手段となる。

【００３９】図２は本装置を用いてねじ加工を行う場合
の負荷の発生について、模式的に表した図であり、この
図２を用いて負荷の発生状況を説明する。この図２で
は、Ｚ軸の上方をプラス、下方をマイナスとし、負荷Ｆ
ａがＺ軸のマイナス方向に働く場合を想定している。ま
た、説明をわかりやすくするため、回転速度が一定状態
の場合について説明する。

【００４０】ピッチＰと回転速度の積を送り速度と一致
するように制御すると負荷Ｆａがマイナス方向に発生す
る。負荷検出によりピッチＰ１がピッチＰよりΔＰ（補
正量）だけ小さくなった場合、つまり、主軸一回転当た
りのねじ溝５１に導かれるタップの移動量と送り移動量
の差がΔＰが生ずると、被加工物１７にはＺ軸のプラス
方向に新たな、負荷Ｆｂが働く。また、実際に発生する
負荷Ｆｃは負荷Ｆａと負荷Ｆｂを加算した値である。そ
れ故、負荷Ｆａと負荷Ｆｂは逆方向に発生し互いに打ち
消し合うため、被加工物１７やタップ１５にかかる実際
の負荷Ｆｃは低減する。

【００４１】以上説明したこれらの制御回路は、マイク
ロコンピュータを用いた内部演算処理として実現され
る。

【００４２】以上説明したように、本実施例において
は、補正器４２にて、入力装置２１から入力されたピッ
チＰを負荷検出器４１の値に応じて補正を行い、この補
正されたピッチＰ１と回転駆動手段の回転速度の積を送
り駆動手段の送り速度と一致させるよう制御する。それ
故、被加工物にねじが食いついた時や、加工中に発生す
る負荷Ｆａを打ち消す負荷Ｆｂを発生し、被加工物やタ
ップにかかる実際の負荷は低減する。この結果、被加工
物の損傷を防ぎ、また工具寿命を長くでき、タップの限
界に近いような高速加工も可能になる。

【００４３】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものでなく、負荷検出器４１の入力を送りサーボアンプ
２４からとるのでなく、基台２と被加工物１７の間に検
出器を設け負荷検出してもよい。

【００４４】また、本実施例においては、負荷検出器４
１が検出した負荷を補正器４２に出力し、補正器４２に
よってピッチＰをピッチＰ１に補正するように構成され
ているが、次に示すように構成してもよい。

【００４５】まず、図３を参照して送り速度を補正する
場合を説明する。

【００４６】パルス補正器５０、５１、５２は、入力パ
ルスを負荷に応じて補正して出力するものである。

【００４７】そして、負荷が発生し、送りモータ７の送
り速度を上げるように補正する場合、パルス補正器５２
では負荷に応じたパルスが挿入され、実際の送り速度が
上がる。この時、回転速度は変えてはいけないため、パ
ルス補正器５０、５１では、パルス補正器５２に挿入し
たパルス数と同じ数だけパルス数を減じる。

【００４８】即ち、パルス補正器５０、５１とパルス補
正器５２の補正する符号は常に反転する。この理由は、
主軸１１の回転速度は、Ｚ軸の送り速度により発生して
いるため、送り速度を負荷による補正を加えると同時に
主軸の回転速度も変化するためである。

【００４９】よって負荷Ｆａが発生すると、パルス補正
器５２により送り速度が補正され、更に回転速度は、パ
ルス補正器５０、５１により一定に保たれる。よって、
負荷Ｆａを打ち消す負荷Ｆｂを発生し、実際の負荷Ｆｃ
は低減する。

【００５０】次に、図４を参照して主軸１１の回転速度
を補正する場合を説明する。

【００５１】パルス補正器５３、５４は入力パルスを負
荷に応じて補正し出力するものである。

【００５２】そして、負荷が発生し、主軸１１の回転速
度を上げるように補正する場合、パルス補正器５４では
負荷に応じたパルスが挿入され、実際の回転速度が上が
る。この時、回転偏差カウンタ３０の値が補正した分だ
け大きくなってしまうのを防ぐため、パルス補正器５３
では、パルス補正器５４に挿入したパルス数と同じ数だ
けパルス数を減じる。即ち、パルス補正器５３とパルス
補正器５４の補正する符号は常に反転する。この理由
は、回転偏差カウンタ３０は、回転補正値ｒ（ｚ）と主
軸１１の回転位置ｒとの回転偏差Ｅ（ｒ）を演算するた
め、送り速度を変化させず回転速度のみ負荷による補正
を加え、主軸１１の回転速度が変化すると回転偏差Ｅ
（ｒ）の値が補正した分大きくなるためである。

【００５３】よって負荷Ｆａが発生すると、パルス補正
器５４により回転速度が補正され、更に回転偏差Ｅ
（ｒ）は、パルス補正器５３により一定に保たれる。よ
って、負荷Ｆａを打ち消す負荷Ｆｂを発生し、実際の負
荷Ｆｃは低減する。

【００５４】そして、これらのピッチ、送り速度、回転
速度の補正を組み合わせてもよいし、１つのみを単独で
補正するようにしてもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のねじ加工装置及びねじ加工方法においては、負荷
Ｆａを低減させることにより、被加工物の損傷を防ぐこ
とができ、また工具寿命が長くなるという効果がある。
また、タップの限界に近いような高速加工が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示すブロック図である。

【図２】本実施例のねじ加工を行う場合の負荷の発生に
ついて模式的に示した図である。

【図３】本発明の第１変形例を示すブロック図である。

【図４】本発明の第２変形例を示すブロック図である。

【図５】従来技術の実施例を示したブロック図である。

【符号の説明】

７ 送りモータ １１ 主軸 １２ 回転モータ １５ タップ １７ 被加工物 ２１ 入力装置 ２２ 演算器 ２３ 偏差カウンタ ２８ 加算器 ４１ 負荷検出器 ４２ 補正器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23G 1/16

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物とねじ加工工具とを相対的に一
   軸線の回りに回転させる回転駆動手段と、前記一軸線と
   同方向に被加工物とねじ加工工具とを相対的に移動させ
   る送り駆動手段とを備え、ねじ加工工具のねじピッチと
   回転駆動手段の回転速度の積を送り駆動手段の送り速度
   とを一致させるようにして被加工物にねじ溝を形成する
   ねじ加工装置において、 前記送り駆動手段の送り方向における負荷を検出する負
   荷検出手段と、 その負荷検出手段によって検出された負荷に応じて、前
   記ねじピッチと前記回転速度と前記送り速度との少なく
   とも１つの値を補正する補正手段とを備えたことを特徴
   とするねじ加工装置。
2. 【請求項２】 前記補正手段は、前記負荷検出手段によ
   って検出された負荷が低減するように前記ねじピッチと
   前記回転速度と前記送り速度との少なくとも１つの値を
   補正することを特徴とする請求項１記載のねじ加工装
   置。
3. 【請求項３】 前記ねじ加工工具のねじピッチを入力す
   るねじピッチ入力手段を備え、 前記補正手段は、検出された負荷に応じて前記ねじピッ
   チ入力手段から入力されたねじピッチを補正し、 前記送り駆動手段の送り速度は、補正されたねじピッチ
   と前記回転駆動手段の回転速度の積に一致させられるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載のねじ加工装置。
4. 【請求項４】 ねじ加工工具の回転速度とねじ加工工具
   のねじピッチとの積を、被加工物とねじ加工工具との相
   対送り速度に一致させるようにして被加工物にねじ溝を
   形成するねじ加工方法において、 前記ねじ加工工具に加わる負荷を検出するステップと、 検出された負荷に応じて、前記ねじピッチと前記回転速
   度と前記相対送り速度との少なくとも１つの値を補正す
   るステップとを備えたことを特徴とするねじ加工方法。