JP7777951B2

JP7777951B2 - 研削装置及びその制御方法

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Publication number: JP7777951B2
Application number: JP2021158063A
Authority: JP
Inventors: 岳見浅井; 良明永峯
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2025-12-01
Anticipated expiration: 2041-09-28
Also published as: JP2023048638A

Description

本発明は、研削装置及びその制御方法に関し、特に、ジグ研削盤等の砥石をつけた砥石回転装置を直線軸で半径方向に送ったり固定したりでき、さらにそれらの装置ごと別の回転装置で回すことで円の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置及びその制御方法に関する。

ジグ研削盤による加工対象物（以下、「ワーク」と称する）の研削は、例えばいわゆるシングルコラム方式の機械においては、テーブル上に載置されたワークを滑台により前後（Ｙ軸方向）、左右（Ｘ軸方向）に移動させつつ、砥石とそれを回転させるための高周波モータが下端に取り付けられた、いわゆるクイルを上下動（Ｚ軸方向）させることにより実現される。なお、いわゆるダブルコラム方式（門形機）のジグ研削盤の場合は、ワークはＸ軸方向のみに移動させ、Ｙ軸方向については、砥石側（主軸本体）を移動させる。Ｘ軸やＹ軸やＺ軸などという軸方向の命名は機械の製作者によって入れ替え可能であることは言うまでもない。

また、更に詳細には、大別して次の二通りの研削がある。一つは、主軸に対して砥石の回転軸（砥石軸）を偏心させる（切り込ませる）ことにより、砥石を砥石軸について回転させつつ主軸の連続回転により砥石を旋回させ、すなわち砥石を遊星回転させ、また同時に、クイルを上下動させることにより、砥石を螺旋状に旋回させ、内壁の均等研削による真円の穴ぐり加工を行う研削である。この場合、基本的に、砥石外径の大きさと砥石軸の偏心の程度（切り込み量（例えば最大５０ｍｍ）に応じて、穴の径が決定されることとなる。他の一つは、曲率が一定でない非真円の穴ぐり加工や曲率が一定でない端部の加工を行う研削である。この場合は、いわゆるチョッピング加工を行う。詳細には、砥石軸は偏心させないか、又は主軸回転中心と砥石の外周とが一致するように砥石の半径相当分だけ砥石を上述の切り込みとは逆方向（マイナス方向）偏心させておき、まず、ワークの加工位置（研削点）までの移動は、Ｘ，Ｙ軸送りにより行う。その後、正味切り込み加工分だけ自動で砥石を偏心させ、すなわち自動切り込みを行いつつチョッピング加工を行う。このとき、曲率が一定でないワークの加工面に砥石により切り込む際に、ワークが当接する加工点における法線が、砥石の切り込み方向と常に一致するように、主軸の角度制御（割り出し）を行う。特許文献１は、かかるジグ研削盤の主要構成を開示している。但し、特許文献１は砥石を上下させる構成は省略している。ここでは、直線の往復運動をチョッピングと呼んでいるのであって一般的なチョッピング加工で使われる往復速度の遅い・速いについて制限を設けたチョッピングという語の定義はしない。

特開２００６－１０２８９１号公報

上述したジグ研削盤では、ＣＮＣの機能の選択や制御ソフトの作り方によって、例えば、オーバーライドスイッチを動作させた直後やオシレーション範囲・速度・中心位置の設定変更させた直後はその後よりも先の面に近づくことがある。そこで，チョッピングおよびオシレーション研削中におけるオーバーライドスイッチを含むオシレーション範囲・速度・中心位置の設定変更の際に一瞬だけ砥石の往復範囲の端と研削面の先の面を引き離す指令を重畳させ、しかる後にオーバーライドスイッチや前述の設定変更を適用し、往復回数とともに徐々に通常の位置に戻すことにより、往復の範囲の向こう側にある面に砥石が衝突することを防止するソフトウェアまたは機械装置の開発が望まれており、本発明者らは、かかる要望に答える研削装置やその制御方法を特願２０１８－１６００３０及び特願２０１９－１０７５３４として出願している。

上述したジグ研削盤では、砥石をつけた砥石回転装置を直線軸で半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置を有し、さらにそれらの装置ごと別の回転装置（前述の主軸に相当する装置）で回すことで円の内面ないし外面の研削を行うことができる。また、別の回転装置に相当する装置の回転速度はオーバライドスイッチにより作業者が自由に回転速度の指令回転速度に対する倍率を変えられるものがある。
しかしながら、別の回転装置に相当する装置の回転速度を変更してしまうと遠心力などにより切込過ぎを生じる可能性があり、オーバライドスイッチ等により特に急激な変化が生じた時に、切込過ぎを感じざるを得ないことが多い。そこで、かかるオーバライド指令変更時の切込過ぎ緩和機能を有するジグ研削盤の開発が望まれるが、かかる課題を解決するための有効な提案は殆どなされていない。

本発明の目的は、研削装置及びその制御方法において、オーバライド指令変更時の切込過ぎ緩和機能を実現する技術を提供することにある。

本発明者は、オーバライド指令変更時の切込過ぎ緩和機能を実現する研削装置及びその制御方法の構成について、鋭意研究した結果、オーバライドスイッチの操作時にそれをそのまま制御装置に適用するのではなく一旦砥石回転装置を直線軸で半径方向に研削対象から遠い方向に送りオーバライドを適用させることで、このような緩和機能を実現し得ることを想到した。または、オーバライドスイッチの操作時にそれをそのまま制御装置に適用するのではなく一旦砥石回転装置を直線軸で半径方向に研削対象から遠い方向に送りオーバライドを適用させ徐々に元の座標に戻すという操作を自動で行う機能を用意することで、同様の緩和機能を実現し得ることを想到した。さらに、外側を研削している時と内側を研削している時では逃がす方向を変えることができるようにすれば好適であることも見出した。

即ち、本発明の第一の様相によれば、砥石をつけた砥石回転装置を直線軸で半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置を有し、更に、前記砥石回転装置を含む前記自動切込装置全体ごと別の回転装置で回すことで円の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置であって、前記別の回転装置の回転速度をオーバライドスイッチで操作者が自由に変更できるように構成された研削装置において、前記オーバライドスイッチの操作時に直ちに制御装置に適用するのではなく、一旦前記自動切込装置を動作させて前記砥石回転装置を直線軸で半径方向に研削対象から遠い方向に送り、その後前記別の回転装置の回転速度のオーバライドを適用させる研削装置であって、外側を研削している時と内側を研削している時では逃がす方向を変えることを特徴とする研削装置が得られる。

また、本発明の第二の様相によれば、砥石をつけた砥石回転装置を直線軸で半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置を有し、更に、前記砥石回転装置を含む前記自動切込装置全体ごと別の回転装置で回すことで円の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置であって、前記別の回転装置の回転速度をオーバライドスイッチで操作者が自由に変更できるように構成された研削装置において、前記オーバライドスイッチの操作時に直ちに制御装置に適用するのではなく、一旦前記自動切込装置を動作させて前記砥石回転装置を直線軸で半径方向に研削対象から遠い方向に送り、その後オーバライドを適用させ時間の経過とともに徐々に元の座標に戻すという操作を自動で行う機能を有する研削装置であって、外側を研削している時と内側を研削している時では逃がす方向を変えることを特徴とする研削装置が得られる。

更に、本発明によれば、砥石をつけた砥石回転装置を直線軸で半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置を有し、さらにそれら砥石回転装置や自動切込装置を含む装置ごと別の回転装置で回すことで円の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置で、別の回転装置の回転速度をオーバライドスイッチで操作者が自由に変更できるように構成された研削装置で、加工中にオーバライド変化が生じた場合に速度変化が生じるか否かを判定する第１の工程と、速度変化が生じる場合は逃がし加算量を計算して逃がし加算操作を実行する第２の工程と、速度を変更し、この変更された速度で切込を行う第３の工程を有し、前記第１乃至第３の工程を、この順番で実行することを特徴とする研削装置の制御方法が得られる。

本発明によれば、研削装置及びその制御方法において、オーバライド指令変更時の切込過ぎ緩和機能を実現することができる。

本発明が適用される研削装置の一例としてのジグ研削盤を示す斜視図である。図１に示した研削装置（ジグ研削盤）を各軸の移動又は旋回方向と共に説明するための図である。図１に示した研削装置（ジグ研削盤）におけるＵ軸送り装置と砥石軸周辺の拡大図である。図１に示した研削装置（ジグ研削盤）における回転する砥石によるワークの加工と、Ｕ軸、Ｚ軸それぞれの軸移動の関係を示す図である。図１に示した研削装置（ジグ研削盤）の制御系の概略を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態の研削装置及びその制御方法において、オーバライド指令、実回転速度、自動切込位置の関係を示すグラフである。本発明の第１の実施形態の研削装置における加工プロセス開始から終了までの制御処理のフローチャートである。

まず、本発明の理解を容易にするために、本発明が適用される研削装置について図面を参照して説明する。図１は、本発明が適用される研削装置の一例を示す斜視図、図２は、その研削装置を各軸の移動又は旋回方向と共に説明するための図であり、ヘッドに対してＵ軸送り装置をＺ軸直線移動とＺ軸周り旋回（Ｃ軸と呼称）に旋回させられる。Ｕ軸送り装置は砥石軸をＵ軸方向に直線移動できる。各軸は複数の平行軸を組み合わせたものでも良い。図３は、その研削装置（ジグ研削盤）におけるＵ軸送り装置と砥石軸周辺の拡大図、図４は、その研削装置（ジグ研削盤）における回転する砥石によるワークの加工と、Ｕ軸、Ｚ軸それぞれの軸移動の関係を示す図である。本発明が適用される研削装置１０は、図１に示すように、ベッド１２上にテーブル送り装置３６およびテーブル３０がレール１６を介してＹ軸方向（前後方向）へ移動可能に支持されている。コラム１４はベッド１２に固定されているが、送り装置３６との間にはレール１６に沿った方向に相対運動を与えることができる。ベッド１２の後部には図示しない送り装置３６移動用モータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してテーブル送り装置３６がレール１６に沿って前後移動されるようになっている。コラム１４にはヘッド１８がＷ軸方向に移動可能（昇降可能）に支持され、そのヘッド１８の先端には砥石軸２０が設けられており、砥石軸２０の先端には、砥石１００（図３参照）が取付けられる。コラム１４の上部には図示しないヘッド昇降用モータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してヘッド１８が昇降されるようになっている。ヘッド１８の内部や後部には砥石軸回転用モータ（図５の302のうちＣモータ）が配設され、このモータにより砥石軸２０が回転されるようになっている。ヘッド昇降用モータには、図示しない計測手段を構成するエンコーダが付設される。このほかの砥石軸を除く直線軸および回転軸には図示しない場合にもエンコーダおよびモータを備え送り量ないし回転量が算出・制御できるようになっている。このエンコーダから出力されるデータによりヘッド１８の昇降量、及び後述するワーク（図４参照）に対する切り込み量が算出される。Ｗ軸方向に平行にＺ軸が設けられており、Ｗ軸のヘッドの動き、Ｃ軸回転およびＵ軸直線運動を妨げることなくＺ軸運動を与えることができる。

先に述べた通り、ベッド１２上にはレール１６を介してＹ軸送り装置３６が載っている。このＹ軸送り装置３６はレール１６の方向に沿ってＹ軸方向に前後直線運動できるように構成されている。このＹ軸送り装置３６の上に更に図示しないレールを介してテーブル３０が支持されている。このテーブル３０はＹ軸送り装置３６に対して左右方向（Ｘ軸方向）に直線運動できるように構成されている。その上面には図示しないワークが着脱可能に設置固定されるようになっている。当然ながらベッド１２にはＹ軸送り装置３６を移動する用のモータが配設され、このモータにより図示しないボールネジ等を介してＹ軸送り装置３６がレール１６に沿って移動されるようになっている。テーブル３０についても同様に図示しないモータおよびボールネジ等を介してＹ軸送り装置３６上を動くようになっている。そして、上記砥石軸回転用モータにより砥石軸２０が回転された状態で、上記ヘッド昇降用モータによりヘッド１８（砥石軸２０）が下降されて、砥石軸２０の先端に取り付けられた砥石１００がテーブル３０上のワークの面に接触させられる。テーブル３０は上述の２つのモータでＸ－Ｙ方向に自由に可動させられる。これにより、ワークの表面が砥石１００にて研削されるようになっている。尚、研削装置１０は、各種の操作用スイッチ類またはそれに類する入力機器を備え、動作中にその状態を操作者の操作で変更できるように構成され、また砥石１００とワークとの接触検知手段としての図示しないＡＥ（アコースティックエミッション）センサをワーク側に備えている。そして、ＡＥセンサによりワークと砥石１００との接触を検知したら、操作者にそれを表示するか、スキップ信号により砥石１００の送りを止めることができるように構成されている。

図１に示す工作機械（研削装置）１０は、以上に述べたように、少なくともＸ－Ｙ－Ｚの三軸の同時制御ができるＣＮＣ制御の工作機械（研削装置）であり、更に、砥石軸２０という回転軸と軸方向が平行な駆動軸（回転軸又は直線駆動軸）を有している。即ち、工作機械（研削装置）１０は、ヘッド１８の下部にＵ軸送り装置４０を有しており、このＵ軸送り装置４０は、砥石軸２０と、その上部の円盤体２７を含む直線送り機構であり、砥石軸２０とその上部の円盤体２７を、その時のＣ軸の角度位置に応じて所定のストロークの範囲内で直線移動させる装置であり、この直線移動方向をＵ軸（方向）と定義している。即ち、図１に示す工作機械（研削装置）１０では、ヘッド１８は、Ｚ軸方向に直線移動（上下移動）できる。Ｚ軸との区別のため、Ｗ軸送り装置と呼称する。また、ヘッド１８に対して、Ｕ軸送り装置４０をＺ軸直線移動とＺ軸周り旋回（Ｃ軸と呼称する）に旋回させることができる。Ｕ軸送り装置４０は、砥石軸２０をＵ軸方向に直線移動させることができる。図２及び図３を参照して、工作機械（研削装置）１０の駆動軸制御を更に具体的に述べれば、工作機械（研削装置）１０では、Ｕ軸の直線送り機構はＣ軸の回転側に載っている。砥石軸（Ｕ軸）の送り指令によって、Ｕ軸送り装置４０をＵ軸の方向に沿って直線移動させることができる。Ｃ軸の回転指令によって砥石軸の中心ごと回転する。更に、このＣ軸装置は、Ｚ軸装置で鉛直方向に直線移動させることができる。

図５は、図１に示したジグ研削盤の制御系の概略を示すブロック図である。本発明に係るジグ研削盤は、制御系として、制御装置３００と、入出力装置３１０と、各軸モータ３２０及びそれぞれのモータドライバ３３０、砥石回転モータ１０２Ａと砥石モータインバータ１０２ｉｎｖを有している。制御装置３００は、コンピュータ数値制御部（ＣＮＣ）３０２と、プログラマブルコントローラ３０４と、Ｉ／Ｏ（入出力）モジュール３０６を有している。本発明に係るジグ研削盤の制御系には、入出力装置３１０として、キーボード、各種スイッチ、温度センサ等と、スキップ信号に関わるツールセッタ、ＡＥセンサ等も有している。

ここで、改めて従来例の問題点を説明しておく。図１乃至図５に示したジグ研削盤１０は、特に図３に分かり易く示されるように、砥石１００をつけた砥石回転装置１０２（砥石回転装置としては、砥石回転モータ１０２Ａ、砥石モータインバータ１０２ｉｎｖ[図５参照]等を含むことは勿論であるがそのうち加工室に入れられる部分）を直線軸（Ｕ軸）で（Ｃ軸の）半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置１０４（Ｕ軸送り装置４０に相当する、以下同様）ごと別の回転装置（Ｃ軸回転装置）１０６（C軸回転のためのCモータ、C軸モータドライブ[図５参照] 等を含むことは勿論である）で回すことで研削対象の円（厚みを考慮すれば円筒形）の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置である。また、別の回転装置（Ｃ軸回転装置）１０６に相当する装置の回転速度はオーバライドスイッチにより作業者が自由に回転速度の指令回転速度に対する倍率を変えられるものとする。しかしながら、別の回転装置（Ｃ軸回転装置）１０６に相当する装置の回転速度を変更してしまうと、その質量があるので遠心力などにより切込過ぎを生じる可能性がある。特に、オーバライド指令変更時のような急激な変化時に切込過ぎを感じることとなる虞れがある。

そこで、本発明の実施形態の研削装置及びその制御方法においては、オーバライドスイッチの操作時にそれをそのまま制御装置３００（図５参照）に適用するのではなく、一旦砥石回転装置１０２を直線軸（Ｕ軸）で半径方向に研削対象から遠い方向に送りオーバライドを適用させることとした。即ち、本発明の実施形態の研削装置１０は、砥石１００をつけた砥石回転装置１０２を直線軸（Ｕ軸）で半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置１０４を有し、更に、砥石回転装置１０２を含む自動切込装置１０４全体ごと別の回転装置（Ｃ軸回転装置）１０６で回すことで研削対象の円（厚みを考慮すれば円筒形）の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置であって、別の回転装置（Ｃ軸回転装置）１０６の回転速度をオーバライドスイッチで操作者が自由に変更できるように構成された研削装置において、オーバライドスイッチの操作時に直ちに制御装置３００（図５参照）に適用するのではなく、一旦自動切込装置１０４を動作させて砥石回転装置１０２を直線軸（Ｕ軸）で半径方向に研削対象から遠い方向に送り、その後、別の回転装置（Ｃ軸回転装置）１０６の回転速度のオーバライドを適用させることを特徴とする。また、上記研削装置１０において、オーバライドスイッチの操作時に直ちに制御装置３００（図５参照）に適用するのではなく、一旦自動切込装置１０４を動作させて砥石回転装置１０２を直線軸（Ｕ軸）で半径方向に研削対象から遠い方向に送り、その後、別の回転装置（ｃ軸回転装置）１０６の回転速度のオーバライドを適用させ、時間の経過とともに徐々に元の座標（ＣＮＣ制御の目標座標）に戻すという操作を自動で行う機能を有するようにしても良い。尚、上記研削装置１０において、研削対象の外側（外周面加工時等）を研削している時と内側（内周面加工時等）を研削している時では、上記の逃がす方向を変えるようにしても良い。図６は、本発明の実施形態の研削装置及びその制御方法における（ａ）オーバライド指令、（ｂ）自動切込位置、（ｃ）実回転速度の関係を示すグラフである。本発明の実施形態の研削装置及びその制御方法では、図６（ａ）に示すように、オーバライドスイッチが操作された時点で、図６（ｂ）に破線で示すように、直ちに（制御装置３００（図５参照）に）適用するのではなく、一旦自動切込装置１０４による自動切込位置を半径方向に研削対象から遠い方向に送り、徐々に元の（座標の）指令位置に戻す操作とすることで、図６（ｃ）に示すように、実回転速度もその分遅れて追いついてくるようになる。

また、図７は、本実施形態の研削装置における加工プロセス開始から終了までの制御処理のフローチャートである。即ち、本実施形態の研削装置において加工プロセスが開始され（Ｓ７０１）、加工中にオーバライドスイッチの操作等がありオーバライド変化が生じるかチェックし（Ｓ７０２）、速度変化が生じるか否かを判定する（Ｓ７０３）。速度変化が生じる場合は（Ｓ７０３でＹＥＳ）、その時点で残っている逃がし量に対する逃がし加算量を計算し（Ｓ７０４）、逃がし方向を判断し（Ｓ７０５）、逃がし加算操作を実行し（Ｓ７０６）、速度が変更される（Ｓ７０７）。この変更された速度で切込が行われ、砥石の回転が終了したか否かを判定し（Ｓ７０８）、砥石の回転が終了した場合は（Ｓ７０８でＹＥＳ）、加工プロセスが終了する（Ｓ７０９）。一方、砥石の回転が終了していなければ（Ｓ７０８でＮＯ）、Ｓ７０２に戻る。また、上述したＳ７０３の判定で速度変化が無い場合は（Ｓ７０３でＮＯ）、逃がし減衰操作を実行し（Ｓ７１０）、Ｓ７０８に至る。

尚、回転速度の変化に応じた切込み過ぎ量（半径変化Δr）は、以下の数式（１）で定義するのが一般的である。なお、c(u)は定数としてもよいし、自動切込装置１０４の構成方法によってはＵ軸の座標に関する関数として定義しておくことも可能である。この場合には、一定のＲとωに対してU軸座標と半径変化Δrの関係を事前に調査しておき、多項式近似やテーブルで定義して良い。

１０ジグ研削盤（研削装置）、１００砥石、１０２砥石回転装置、１０４自動切込装置、１０６別の回転装置（Ｃ軸回転装置）、３００制御装置、Ｗワーク、

Claims

砥石をつけた砥石回転装置を直線軸で半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置を有し、更に、前記砥石回転装置を含む前記自動切込装置全体ごと別の回転装置で回すことで円の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置であって、前記別の回転装置の回転速度をオーバライドスイッチで操作者が自由に変更できるように構成された研削装置において、前記オーバライドスイッチの操作時に直ちに制御装置に適用するのではなく、一旦前記自動切込装置を動作させて前記砥石回転装置を直線軸で半径方向に研削対象から遠い方向に送り、その後前記別の回転装置の回転速度のオーバライドを適用させる研削装置であって、外側を研削している時と内側を研削している時では逃がす方向を変えることを特徴とする研削装置。
砥石をつけた砥石回転装置を直線軸で半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置を有し、更に、前記砥石回転装置を含む前記自動切込装置全体ごと別の回転装置で回すことで円の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置であって、前記別の回転装置の回転速度をオーバライドスイッチで操作者が自由に変更できるように構成された研削装置において、前記オーバライドスイッチの操作時に直ちに制御装置に適用するのではなく、一旦前記自動切込装置を動作させて前記砥石回転装置を直線軸で半径方向に研削対象から遠い方向に送り、その後オーバライドを適用させ時間の経過とともに徐々に元の座標に戻すという操作を自動で行う機能を有する研削装置であって、外側を研削している時と内側を研削している時では逃がす方向を変えることを特徴とする研削装置。
砥石をつけた砥石回転装置を直線軸で半径方向に送ったり固定したりできる自動切込装置を有し、さらにそれら砥石回転装置や自動切込装置を含む装置ごと別の回転装置で回すことで円の内面ないし外面の研削を行うことができる研削装置で、別の回転装置の回転速度をオーバライドスイッチで操作者が自由に変更できるように構成された研削装置で、加工中にオーバライド変化が生じた場合に速度変化が生じるか否かを判定する第１の工程と、速度変化が生じる場合は逃がし加算量を計算して逃がし加算操作を実行する第２の工程と、速度を変更し、この変更された速度で切込を行う第３の工程を有し、前記第１乃至第３の工程を、この順番で実行することを特徴とする研削装置の制御方法。