JPH0573521B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は数値制御による異形形状の加工装
置、特にその位置決め機構のおくれの補正を行な
つたものに関する。

一般に、非円形断面形状の製品は、フライス盤
等で加工されているが、これらの工作機械は加工
能率の点で旋盤よりかなり劣つている。一方、旋
盤加工は、工具台に固定したバイトによつて切削
する加工法であり、加工能率は高いが得られる製
品は円形断面を有するものに限られている。

このため、第１図に示すような比較的円形に近
い断面形状を有する製品、例えばカムやスエージ
加工用ロール等を旋盤で能率よく加工したいとい
う要求がある。

このためには、第２図第３図にその概念図を示
すように、旋盤の主軸１の回転に同期させてバイ
ト２をＸ方向に往復動させることが必要となる。
すなわち、同図ｂのように、目標とする製品の輪
廓形状は、ある送りの位置Ｚにおいてある閉曲線
となる。この閉曲線を極座標（ｒ，θ）を用いて
ｒ＝ｆ（θ）と表わせば、主軸１の回転角θの関
数としてｒの値を与え、これを満たすようにバイ
ト２の刃先位置Ｘを制御しなければならないこと
となる。

もつとも実際には、位置決め系の原点のシフト
量Ａ，Ｂ及び正負の方向の指定によつて、位置決
めの指令値はＸ＝Ｆ（θ）＋ＡあるいはＸ＝Ｂ−Ｆ
（θ）等に変換して使用される。

従来、このようなバイトの位置決め制御には、
主として油圧サーボ機構による倣いモデルを入力
とするサーボ系が用いられていた。しかし、この
油圧ならい機構では、主軸と同期して回転するな
らいモデルを油圧サーボ機構の機械的な入力とし
ているため、製品形状毎にならいモデルを製作し
なければならなかつた。また、カム機構を用いて
主軸と工具台の位置との同期を実現したものもあ
るが、ならいモデルを用いた場合と同様に、製品
の多様化には適さないものであつた。

製品の多様化に対応するため、製品形状を自由
に変更するには、数値制御（NC）によつて工具
台のＸ方向の位置決め制御を行なえば、プログラ
ムの変更だけによつてこれを行なうことが出来
る。

最近、このような旋盤のNC化の例が若干は見
られるが、これらは主軸の回転速度が非常に遅
く、折角旋盤を用いながら加工能率が極めて悪い
という欠点を持つものであつた。

このNC化は、主軸の回転角θをエンコーダ等
の角度検出器によつて検出し、検出したθの値に
対して、制御装置のメモリに格納してあるｒの値
ｆ（θ）を出力し、これによつて工具の位置決め
の指令値を得るようにしたものである。

その構成の１例を第４図に示す。主軸の回転軸
１にエンコーダを取り付け、エンコーダの１回転
についてＮケのパルスを出力する。一方、Ｎケの
メモリに順次 ｆ（2nπ／Ｎ）ただしｎ＝１〜Ｎ のデータを入れておき、エンコーダからパルスを
受ける毎に順次メモリを呼び出すことを繰り返
す。出力はＤ／Ａ変換器を介して電気油圧サーボ
機構等の工具台３のＸ方向の位置決めサーボ機構
の入力とする。勿論、計算速度の早い計算機を使
用する場合には、メモリにｆ（θ）を格納するか
わりにθに対してｆ（θ）を算出するプログラム
によつてもよい。

工具台３のＸ方向の位置決めサーボ機構として
は、切削抵抗に打ち勝つパワーと高速応答性を必
要とする。これには、電気油圧サーボ機構が適し
ているが、高出力サーボモータ等の優れたサーボ
アクチユエータがあれば、これを用いることも可
能である。図中４，５は電気油圧サーボ機構を構
成するサーボ弁、サーボシリンダ６はコネクテイ
ングロツドを示す。

このような位置決めサーボ系は、一般に、入出
力、すなわち指令値と実際の位置との間の伝達特
性は、入力をＲ（ｓ）、出力をＹ（ｓ）、伝達関数Ｔ
（ｓ）とすれば Ｙ（ｓ）＝Ｔ（ｓ）Ｒ（ｓ） ……(1) Ｔ（ｓ）＝Ｋ／１＋a₁ｓ＋a₂s²＋a₃s³＋ ……(2) （ただしＫ，a₁〜a_oは定数であり、一般にはＫ
＝１である。） で表現される。

第５図は電気油圧サーボ系の伝達特性の１例で
ある。

（２）式及び第５図からわかるように、一般に
位置決めサーボ系では、入力の周波数が高くなる
と位相の遅れと振幅の減少がみられるようにな
る。

このため、従来のように、主軸の回転角θに対
して単にｆ（θ）の値をサーボ系の入力とする方
法では、主軸の回転数が高く、ｆ（θ）がθに対
して高次の高調波成分を含む場合には、上記の位
相遅れふゃ振幅の減少によつて正確な輪廓を形成
することができない。その例を第６図ａ，ｂに示
す。入力値（目標形状）を点線で、出力値を実線
で示す。これが低速でしか主軸を回転させること
ができなかつた原因の主なものであつた。

この発明は、サーボ系の遅れや利得の減少を補
償することによつて高速回転下の加工を可能とす
る装置を得ようとするものである。

すなわち、（１）式のように Ｙ（ｓ）＝Ｔ（ｓ）Ｒ（ｓ） で表現されるサーボ系中にＫ／Ｔ（ｓ）という伝達要 素を直列に加えることによつて入力出力間は Ｙ(s)＝Ｔ(s)・Ｋ／Ｔ(s)・Ｒ(s)＝KR(s)……(3) となり、いかなる周波数成分に対しても、位相お
くれ、振幅の変化を伴わないサーボ系を構成でき
ることとなる。

実際には、このＫ／Ｔ（ｓ）の伝達要素は制御
用計算機内で構成され、計算機出力を Ｕ（ｓ）＝Ｋ／Ｔ（ｓ）・Ｒ（ｓ） ……(4) とし、これをサーボ系の入力とすることによつて
サーボ系の出力Ｙ(s)をＫ・Ｒ(s)とすることが出
来る。このサーボ系のブロツク図を従来のものを
第７図ａに、この発明のものを同図ｂに示す。

変数として時間ｔをとれば、上記の関係は、入
力ｒ（ｔ）の代わりに ｕ（ｔ）＝ｒ（ｔ）＋a₁ｄ／dtｒ（ｔ）＋a₂d2／dt²
ｒ（ｔ） ＋a₃a3／at³ｒ（ｔ）＋ ……(5) を新しい入力としてサーボ系に与えればよいこと
を意味する。

旋盤の主軸の回転速度が、時間についての変動
が小さいとすれば、 θ＝ωt とおいてもよいので、 ｕ（θ）＝ｒ（θ）＋a₁ωdr／dθ＋a₂ω²d²ｒ／
dθ²＋a₃ω³d³ｒ／dr³＋…… ＝ｆ（θ）＋a₁ωdf（θ）／dθ＋a₂ω²d²ｆ（
θ）／dθ²＋a₃ω³df（θ）／dθ³……(6) が得られる。

ここで、df（θ）／dθ，d²ｆ（θ）／dθ²，d³ｆ（
θ）／dθ³等は、 形成するべき形状ｆ（θ）が与えられているので、
予めこれを求めておくことが出来る。

実際には、（２）式は Ｔ（ｓ）＝Ｋ／１＋a₁ｓ＋a₂s² ……(7) で充分近似出来るので、（６）式ｕ（θ）のｒ（θ）
に対する補正項として、ωの２次の項迄を取れば
足り、ω³以上の高次の項を省いても実用上充分
な精度を得ることが出来る。もつとも、正確さを
求め、高速域での精度を要する場合は３次以上の
適当な補正項までをとるのが良い。第６図ｃ，ｄ
は２次項迄をとつた場合の例であり、ｄのように
高調波成分を含むときは僅かに誤差を生じるが、
３次項迄をとれば、この誤差はなくなる。

上記の原理に基づくNC加工システムの１例を
第８図に示し、同図ａはその概要構成を示すブロ
ツク図、ｂは信号処理（ｕ（θ）算出手順）のブ
ロツク図である。

ｆ（θ），df（θ）／dθ，d²ｆ（θ）／dθ²の値は、
主軸１の１ 回転中に発生するパルス数Ｎに応じてθ＝2nπ／Ｎ (ただしn=1~N)に対して計算し、予め、計算機の
メモリに夫々格納しておく。Ｎの値は要求される
精度に依るが、一般に500〜600程度でよい。

主軸に取り付けたエンコーダの周期あるいは周
波数から、主軸の回転速度ωを検出し、デジタル
化して計算機に入力する。勿論、この主軸の回転
速度ωは、主軸１にタコジエネレータを付けて求
め、或は主軸駆動用モータの回転数から求める
等、適宜の方法で求め入力してもよいことは云う
迄もない。

主軸の回転に伴い、エンコーダのパルス毎に順
次、ｆ（θ），f′（θ），f″（θ）をよみ出し、
f′（θ），f″（θ）については先に入力したω及び
ω²との積を求めて加算する演算によつてＫ（Ｋ＝
Ｏ〜Ｎ）に対するｕ（θ）＝ｕ（ｋ△θ）（△θ＝
2π／Ｎ）の値を算出し、これをＤ／Ａコンバータに よりアナログ量として位置決めサーボ系の入力と
する。

精度を向上させるために３次の項をとる場合
は、メモリを増し、第８図ｂにさらにｆ（θ）
の値を同様に格納し、これとω³との積を加えて
ｕ（θ）の値とすればよい。

第１図ｃのようにＺ方向による断面形状の変化
のない場合は、上記のＫ＝ＮをＫ＝０と等しいと
置き、Ｋ＝Ｎに達すれば、またＫ＝１から順次メモ
リーを繰り返し読み出せばよく、送り方向Ｚの値
に対してｆ(θ)を変化させれば第１図ａに示すよ
うな３次元形状を旋盤で加工することが出来る。

この発明は上記のように、サーボ系の伝達関数
によつて生じる加工精度の低下を、逆の伝達特性
を有する要素を挿入することによつて、例えば旋
盤の主軸の回転速度が10〜1000rpm程度において
も殆んど位相、振幅のずれのない形状を形成でき
るものである。

そして、被加工物の回転数が定まつている場合
には、補正された入力ｕ（θ）の値をあらかじめ
計算しておき、その値ｕ（θ）をメモリーに格納
することによつて制御系の構成を簡単にすること
が出来る。

また、計算機の演算速度が早ければ、f′（θ）、
f″（θ）の値をON TIMEで計算して制御するこ
とが出来ることは云うまでもない。

そして、この方法は、加工力によつて旋盤の回
転数が変動しても、刻々の回転数の値に基づき、
入力を補正することが出来るので、加工力の変動
による加工精度への影響を減ずる効果がある等、
多くの顕著な効果を奏する。

なお、この発明は、上記実施例のように直線運動
によつて位置決めを行うサーボ機構だけでなく、
第９図のように、片持ち式の腕７をシリンダー８
によつて振つて研削砥石のような工具９の位置決
めをするサーボ機構にも応用することが出来る。

また、旋盤による内外周面や端面の加工の他に
円筒研削盤による内外周面や端面の加工や、円板
上への描画機構等にも広く利用出来、工具も例え
ばレーザー等、任意のものでよい。従つて被加工
物も金属に限らず、木材、プラスチツク、セラミ
ツク、粘土等、各種の材料が加工可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による加工形状の１例を示す
斜視図、第２図、第３図はこの発明の制御法の１
例を示す概念図、第４図は従来のNC旋盤の制御
回路のブロツク図、第５図はその制御特性図、第
６図は制御特性による制御誤差の１例の説明図、
第７図はそのサーボ系のブロツク図、第８図はこ
の発明のNC旋盤の制御回路のブロツク図、第９
図は同じく研削制御の実施例の構成図 １……旋盤主軸、２……バイト、３……工具
台、４……サーボ弁、５，８……シリンダ、６…
…コネクテイングロツド、７……アーム、９……
研削砥石。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 数値制御により回転物体の回転中心からの距
   離を制御され、該物体上に予め指定された閉曲線
   を形成する可動部を駆動するサーボ機構を有する
   装置において、上記回転物体の回転角を検出する
   装置、各回転角に対応する上記予め指定された閉
   曲線形状を表わす関数値及びその予め計算された
   導関数値を記憶するメモリー、上記検出装置から
   の回転角を示す信号に応じてそれに対応する上記
   メモリーの関数値及び導関数値を読み出し、これ
   らの読み出し値からサーボ機構の伝達関数と逆の
   伝達特性を得るように修正された信号値を演算
   し、上記指定された閉曲線を形成する上記可動部
   の位置を指定する信号を出力し、前記サーボ機構
   に該信号を入力する演算装置からなることを特徴
   とする異形形状形成装置 ２ 数値制御により、ワークの回転中心からのバ
   イトまたは研削工具の距離が制御される異形形状
   加工旋盤または研削盤であつて、ワークの１回転
   ごとにＮケのパルスを発生する回転角検出装置、
   加工される形状により、各上記パルス発生角度ご
   とのバイトまたは研削工具の位置及び上記加工さ
   れる形状を示す関数の１次、２次等の導関数の値
   を予め記憶させた各Ｎケずつからなるメモリーを
   内蔵するコンピユータ、及び該コンピユータの出
   力によりバイトまたは研削工具の位置を制御する
   サーボ機構からなり、上記コンピユータは上記回
   転角検出装置からのパルスごとに順次上記のメモ
   リーからバイトまたは研削工具の位置及び導関数
   値を読みだし、サーボ機構の伝達関数と逆の伝達
   特性を得るように修正されたバイトまたは研削工
   具の位置信号値を演算し、上記サーボ機構に修正
   された位置指定信号を出力することを特徴とする
   異形形状形成装置。