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特開2019-209420切削加工システム、及び情報処理装置
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-209420(P2019-209420A)
(43)【公開日】2019年12月12日
(54)【発明の名称】切削加工システム、及び情報処理装置
(51)【国際特許分類】
   B23Q 17/09 20060101AFI20191115BHJP
   B23B 27/00 20060101ALI20191115BHJP
   G05B 19/404 20060101ALI20191115BHJP
【FI】
   B23Q17/09 A
   B23Q17/09 H
   B23B27/00 D
   G05B19/404 K
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2018-106985(P2018-106985)
(22)【出願日】2018年6月4日
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000176
【氏名又は名称】一色国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】野村 亜未
(72)【発明者】
【氏名】西川 顕二
(72)【発明者】
【氏名】牧野 瑞希
【テーマコード(参考)】
3C029
3C046
3C269
【Fターム(参考)】
3C029CC06
3C046BB01
3C269AB02
3C269BB03
3C269EF10
3C269MN16
3C269MN29
(57)【要約】      (修正有)
【課題】切削加工に際し切削工具の撓み(たわみ)に起因する加工誤差を精度よく検知して加工精度を向上することのできる切削加工システムを提供する。
【解決手段】工具固定部5に固定され所定長さで延出する切削工具4の端部に設けられた刃先41を回転する被削物7に接触させて切削加工を行う加工装置本体20を用いた切削加工方法において、切削加工時の切削抵抗により切削工具に生じる歪を計測する複数の歪センサ6を切削工具の長手方向に沿って並べて設け、情報処理装置が、複数の歪センサの夫々の出力信号に基づくデータであるセンサデータを取得し、複数の歪センサの夫々のセンサデータに基づき切削工具の撓みを求め、撓みに基づき切削加工における加工誤差を求めて出力する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
工具固定部に固定され所定長さで延出する切削工具の端部に設けられた刃先を回転する被削物に接触させて切削加工を行う加工装置本体と、
測定データ取得装置と、
情報処理装置と、
を備える切削加工システムであって、
切削加工時の切削抵抗により前記切削工具に生じる歪を計測する複数の歪センサが、前記切削工具の長手方向に沿って並べて設けられ、
前記測定データ取得装置は、歪センサの夫々の出力信号に基づくデータであるセンサデータを取得し、
前記情報処理装置は、前記複数の歪センサの夫々の前記センサデータを受信し、前記複数の歪センサの夫々の前記センサデータに基づき前記切削工具の撓みを求め、前記撓みに基づき前記切削加工における加工誤差を求める、
切削加工システム。
【請求項2】
請求項1に記載の切削加工システムであって、
前記情報処理装置は、
前記複数の歪センサの夫々の前記センサデータに基づき、前記刃先からの距離に対する前記切削工具に生じる歪の大きさを示す情報である歪の傾きを求め、
前記歪の傾き、前記切削工具の剛性、及び前記工具固定部の剛性に基づき前記切削工具の撓みを求める、
切削加工システム。
【請求項3】
請求項2に記載の切削加工システムであって、
前記情報処理装置は、
前記切削工具の剛性及び前記工具固定部の剛性を記憶し、
前記切削工具の撓みに基づき前記加工誤差を求める、
切削加工システム。
【請求項4】
請求項3に記載の切削加工システムであって、
前記加工装置本体は、前記情報処理装置と通信可能に接続するNC(Numerical Control)装置によって制御され、
前記情報処理装置は、前記加工誤差を補正するように前記NC装置を制御するための情報である制御情報を生成し、前記制御情報を前記NC装置に送信し、
前記NC装置は、前記制御情報を受信し、前記制御情報に基づき前記加工装置本体を制御する、
切削加工システム。
【請求項5】
請求項1に記載の切削加工システムであって、
前記複数の歪センサの夫々は、前記切削抵抗の主分力により前記切削工具に生じる撓みに起因する歪を主として検出するように、前記複数の歪センサを直線状に並べて前記切削工具に設けられる、
切削加工システム。
【請求項6】
請求項5に記載の切削加工システムであって、
前記切削工具の側面の一つに前記複数の歪センサが直線状に並べて設けられ、前記切削工具の前記側面に対向する側面に他の前記複数の歪センサが直線状に並べて設けられる、
切削加工システム。
【請求項7】
請求項1に記載の切削加工システムであって、
前記複数の歪センサの夫々が前記切削抵抗の送り分力より前記切削工具に生じる撓みに起因する歪を主として検出するように、前記複数の歪センサが直線状に並べて前記切削工具に設けられる、
切削加工システム。
【請求項8】
請求項7に記載の切削加工システムであって、
前記切削工具の側面の一つに前記複数の歪センサが直線状に並べて設けられるとともに、前記切削工具の前記側面に対向する側面に他の前記複数の歪センサが直線状に並べて設けられる、
切削加工システム。
【請求項9】
請求項1に記載の切削加工システムであって、
前記複数の歪センサの夫々が、前記切削工具の表面に設けられる、
切削加工システム。
【請求項10】
請求項1に記載の切削加工システムであって、
前記複数の歪センサの夫々が、前記切削工具の内部に設けられる、
切削加工システム。
【請求項11】
工具固定部に固定され所定長さで延出する切削工具の端部に設けられた刃先を回転する被削物に接触させて切削加工を行う加工装置本体と、
前記切削工具の長手方向に沿って並ぶように設けられ、切削加工時の切削抵抗により前記切削工具に生じる歪を計測する複数の歪センサと、
前記複数の歪センサの夫々の出力信号に基づくデータであるセンサデータを取得する測定データ取得装置と、
情報処理装置と、
を含んで構成される切削加工システムにおける前記情報処理装置であって、
前記センサデータに基づき前記切削工具の撓みを求め、前記撓みに基づき前記切削加工における加工誤差を求める、
情報処理装置。
【請求項12】
請求項11に記載の情報処理装置であって、
前記複数の歪センサの夫々の前記センサデータに基づき、前記刃先からの距離に対する前記切削工具に生じる歪の分布を示す情報である歪の傾きを求め、
前記歪の傾きに基づき前記切削工具の撓みを求める、
情報処理装置。
【請求項13】
請求項12に記載の情報処理装置であって、
前記切削工具の剛性、及び前記工具固定部の剛性を記憶し、
前記センサデータ、前記切削工具の剛性、及び前記工具固定部の剛性に基づき、前記加工誤差を求める、
情報処理装置。
【請求項14】
請求項13に記載の情報処理装置であって、
前記切削加工システムは、前記加工装置本体を制御する、前記情報処理装置と通信可能に接続するNC(Numerical Control)装置を含み、
前記加工誤差を補正するように前記NC装置を制御するための情報である制御情報を生成し、
前記制御情報を前記NC装置に送信する、
情報処理装置。
【請求項15】
請求項11に記載の情報処理装置であって、
前記センサデータ、前記撓み、及び前記加工誤差のうち少なくともいずれかを出力する、
情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、切削加工システム、及び情報処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、「切削加工中に何らかの外乱が発生したとしても確実に加工表面の硬さが所定値以下に維持し得る切削品質維持方法を提供する。」、「加工条件を調節して表層硬さが所定硬さよりも低くなるように行われている切削加工における加工工具の切削抵抗を目標切削抵抗として取得するデータ取得ステップと、切削加工時の加工工具の切削抵抗を検知し、検知された切削抵抗が前記目標切削抵抗よりも低くなるように制御して切削加工を行う切削加工ステップと、が備えられている。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2012−91277号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
工作機械を用いて行われる被削物の切削加工に際しては、切削工具に作用する切削抵抗により切削工具に撓み(たわみ)が生じ、それにより工具刃先が所定の位置からずれて加工精度を低下させる要因となる。そのため、切削加工の加工精度を向上するには、切削加工中における切削工具の撓みを精度よく検知して加工誤差を低減する必要がある。
【0005】
特許文献1では、加工工具の切削抵抗を目標切削抵抗とし、検知された切削抵抗が目標切削抵抗よりも低くなるように制御することにより、加工表面の硬さが所定値以下に維持されるようにしている。しかし特許文献1の技術を工具の撓みの検知に応用したとしても、工具ホルダの上面及び側面に一つずつ貼付した歪ゲージのみの計測信号だけでは、撓みに大きな影響を与える切削工具の固定状態については考慮していないため、撓みを精度よく検知することができない。
【0006】
本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、切削工具の撓みに起因する加工誤差を精度よく検知して加工精度を向上することが可能な、切削加工システム、及び情報処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するための本発明の一つは、工具固定部に固定され所定長さで延出する切削工具の端部に設けられた刃先を回転する被削物に接触させて切削加工を行う加工装置本体と、測定データ取得装置と、情報処理装置と、を備える切削加工システムであって、切削加工時の切削抵抗により前記切削工具に生じる歪を計測する複数の歪センサが、前記切削工具の長手方向に沿って並べて設けられ、前記測定データ取得装置は、歪センサの夫々の出力信号に基づくデータであるセンサデータを取得し、前記情報処理装置は、前記複数の歪センサの夫々の前記センサデータを受信し、前記複数の歪センサの夫々の前記センサデータに基づき前記切削工具の撓みを求め、前記撓みに基づき前記切削加工における加工誤差を求める。
【0008】
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、切削工具の撓みに起因する加工誤差を精度よく検知して加工精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】切削加工システムの概略的な構成を示す図である。
図2】制御装置のハードウェア構成を示す図である。
図3】制御装置が備える主な機能を示す図である。
図4】切削工具への歪センサの設置態様の一例である。
図5】切削工具への歪センサの設置態様の一例である。
図6】切削工具への歪センサの設置態様の一例である。
図7】切削工具への歪センサの設置態様の一例である。
図8】切削工具への歪センサの設置態様の一例である。
図9】切削工具への歪センサの設置態様の一例である。
図10】切削工具への歪センサの設置態様の一例である。
図11】制御処理を説明するフローチャートである。
図12】歪センサから取得されるセンサデータの例である。
図13】切削工具の刃先からの距離と切削工具の歪との関係を示す図である。
図14】切削抵抗と切削工具の刃先の撓みとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下の説明において、同一の又は類似する構成に共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。
【0012】
図1は、一実施形態として説明する切削加工システム1の概略的な構成を示す図である。同図に示すように、切削加工システム1は、加工装置本体20、測定データ取得装置21、及び制御装置10を含む。加工装置本体20と制御装置10とは、通信手段8を介して通信可能に接続されている。
【0013】
同図に示すように、加工装置本体20は、NC装置22(NC:Numerical Control)、及び通信装置23を含む。
【0014】
加工装置本体20は、例えば、旋盤であり、切削工具4、工具固定部5、及び歪センサ6を含む。切削工具4は、例えば、バイトやエンドミル等である。本実施形態では、切削工具4がバイトである場合を例として説明する。歪センサ6は、切削工具4に生じる歪を検知する。歪センサ6の詳細については後述する。
【0015】
図中、符号7で示す部材は、切削工具4による切削加工の対象となる被削物である。被削物7は、チャック等により加工装置本体20の主軸に固定される。本実施形態では、一例として被削物7を外径加工する場合について説明するが、以下に説明する構成は、被削物7を内径加工等の他の態様で加工する場合にも適用することができる。加工装置本体20は、被削物7を主軸回りに回転させ、工具固定部5に固定されている切削工具4を主軸方向に送ることにより被削物7を切削加工する。
【0016】
NC装置22は、加工装置本体20を数値制御する。具体的には、NC装置22は、切削工具4が取り付けられる工具固定部5の動作を制御(2軸制御、3軸制御等)するサーボ機構や被削物7を主軸周りに回転させるモータ等を、加工装置本体20の随所に設けられた各種センサ(感圧センサ、温度センサ、加速度センサ、回転数センサ、位置センサ等)から取得される情報に基づきフィードバック制御する。
【0017】
測定データ取得装置21は、センサから出力される信号を取得する。尚、測定データ取得装置21は、センサから出力される信号を増幅する増幅機能、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換機能を備えていてもよい。測定データ取得装置21は、通信手段8を介して制御装置10と通信を行う。通信手段8は、例えば、所定の通信規格(USB(Universal Serial Bus)、RS−232C等)に準拠した通信ケーブル、有線又は無線の通信ネットワーク(LAN(Local Area Network)、WAN(Wide Area Network)
、インターネット等)である。例えば、歪センサ6から出力される信号に基づくデータ(後述のセンサデータ)は、通信手段8を介して測定データ取得装置21から制御装置10に送られる。また制御装置10は、通信装置23を介してNC装置22に制御情報を送信する。
【0018】
歪センサ6は、例えば、歪ゲージやピエゾ素子等を用いて構成される。切削加工中は切削工具4から被削物7に切削力が作用し、その反作用として切削工具4は被削物7から切削抵抗を受ける。切削抵抗が切削工具4に作用することで切削工具4が撓み、切削工具4に歪が生じる。歪センサ6はこの歪を計測する。尚、切削抵抗は、被削物7の円周接線方向に作用する主分力、切削工具4を被削物7の軸線方向に送る際に送り方向に作用する送り分力、及び、切削工具4を被削物7に押し付ける方向に作用する背分力の各成分を有する。外径加工における切削工具4の撓みにはこれら各分力のうち主分力が大きく影響する。
【0019】
図2に制御装置10のハードウェア構成を示している。同図に示すように、制御装置10は、プロセッサ11、主記憶装置12、補助記憶装置13、入力装置14、出力装置15、及び通信装置16を備える。制御装置10は、情報処理装置(コンピュータ)として機能する。
【0020】
プロセッサ11は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)を用いて構成されている。
【0021】
主記憶装置12は、プログラムやデータを記憶する装置であり、例えば、ROM(Read
Only Memory)(SRAM(Static Random Access Memory)、NVRAM(Non Volatile RAM)、マスクROM(Mask Read Only Memory)、PROM(Programmable ROM)等)、RAM(Random Access Memory)(DRAM(Dynamic Random Access Memory)等)等である。
【0022】
補助記憶装置13は、ハードディスクドライブ(Hard Disk Drive)、フラッシュメモ
リ(Flash Memory)、SSD(Solid State Drive)、光学式記憶装置(CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)等)等である。補助記憶装置13に格納されて
いるプログラムやデータは、随時、主記憶装置12に読み込まれる。
【0023】
入力装置14は、ユーザから情報を受け付けるユーザインタフェースであり、例えば、キーボード、マウス、カードリーダ、タッチパネル等である。出力装置15は、情報を出力(表示出力、音声出力、印字出力等)することによりユーザに情報を提供するユーザインタフェースであり、例えば、各種情報を可視化する表示装置(LCD(Liquid Crystal
Display)、グラフィックカード等)や音声出力装置(スピーカ)、印字装置等である。
【0024】
通信装置16は、通信ネットワーク等の通信手段を介して他の装置と通信する通信インタフェースであり、例えば、USB(Universal Serial Interface)モジュール、シリアル通信モジュール、無線通信モジュール、NIC(Network Interface Card)等である。通信装置16は、通信可能に接続する他の装置から情報を受信する入力装置として機能させることもできる。また通信装置16は、通信可能に接続する他の装置に情報を送信する
出力装置として機能させることもできる。
【0025】
制御装置10は、協調して動作する複数の情報処理装置によって実現されるものであってもよい。また制御装置10は、仮想的な情報処理資源(例えば、クラウドシステム(Cloud System)により提供されるクラウドサーバ(Cloud Server)等)を用いて実現されるものであってもよい。
【0026】
図3に制御装置10が備える主な機能を示している。同図に示すように、制御装置10は、記憶部105、センサデータ受信部110、加工誤差算出部120、制御情報生成部130、及び情報入出力部140の各機能を備える。
【0027】
制御装置10が備える機能は、プロセッサ11が、主記憶装置12に格納されているプログラムを読み出して実行することにより実現される。尚、上記のプログラムは、例えば、記録媒体に記録して配布することができる。また上記のプログラムは、例えば、上記プログラムを蓄積管理する配信サーバ装置から通信設備を介して制御装置10にダウンロードすることができる。制御装置10は、上記の機能に加えて、例えば、オペレーティングシステム、ファイルシステム、デバイスドライバ、DBMS(DataBase Management System)等の他の機能をさらに備えていてもよい。制御装置10は、各種の情報(データ)を、例えば、データベースのテーブルやファイルとして記憶する。
【0028】
上記の機能のうち、記憶部105は、センサデータ151、加工誤差152、制御情報153、及び剛性値154の各情報を記憶する。これらの情報の詳細については後述する。
【0029】
センサデータ受信部110は、測定データ取得装置21を介して加工装置本体20中の切削工具4に設けられている歪センサ6の出力信号に基づくデータ(以下、センサデータと称する。)を受信する。記憶部105は、センサデータ受信部110が取得したセンサデータをセンサデータ151として記憶する。
【0030】
加工誤差算出部120は、センサデータ151を前処理(平均化処理(移動平均化処理等)、オフセット処理、フィルタリング処理等)する。そして加工誤差算出部120は、前処理後のセンサデータと剛性値とに基づき、切削工具4に生じる撓みを求める。また加工誤差算出部120は、求めた上記撓みに基づき、切削加工において生じる誤差(以下、加工誤差と称する。)を求める。ここで剛性値は、切削工具4の剛性Iと工具固定部5の剛性αの和(I+α)である。剛性値が大きい程、切削工具4の撓みは小さくなる。記憶部105は、剛性値を剛性値154として記憶し、また加工誤差算出部120が求めた加工誤差を加工誤差152として記憶する。
【0031】
制御情報生成部130は、加工誤差152を補正するため加工装置本体20の制御情報を生成し、生成した制御情報をNC装置22に送信する。上記制御情報は、例えば、加工装置本体20の加工条件を調整する情報や切削工具4の位置を調整する情報である。
【0032】
情報入出力部140は、ユーザインタフェース(入力装置14及び出力装置15)を介してユーザから剛性値等の情報の入力を受け付ける。また情報入出力部140は、記憶部105が記憶している情報等の各種情報を提示(出力)する。ユーザは、情報入出力部140が提示する情報を参照することで、例えば、加工装置本体20における切削加工の状態を把握することができる。
【0033】
図4は、切削工具4への歪センサ6の設置態様の例であり、切削工具4及び工具固定部5周辺の様子を示す図である。本例では、同図に示すように、切削工具4を、その端部に
設けられた刃先41の近傍部分が屈曲し4つの側面を有する略直方体状で示しているが,切削工具4は円筒形状でもよい。同図に示すxyz座標(直交座標)は、y軸が主分力の方向に、z軸が背分力の方向に、x軸が送り分力の方向に、夫々一致するように設定されている。切削工具4はその長手方向がz軸方向に延出する。
【0034】
同図に示すように、本例では、切削工具4の+y側の面にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。これら3つの歪センサ6は、いずれも切削抵抗により切削工具4に生じるy軸方向の撓みに起因する歪を検出する目的で設けている。
【0035】
尚、このように撓みの検出に複数の歪センサ6を用いることで、後述する、切削工具4の刃先41からの距離に応じた歪(y軸方向の撓みによって生じる歪)の分布(歪の傾き)を求めることが可能になる。例えば、図5は、図4の構成において複数の歪センサ6を直線状でない態様で配置した例であるが、図4のように複数の歪センサ6を直線状に配置した場合、図5の場合に比べ、切削工具4に軸回り(z軸回り)の捻じれが生じた際の各歪センサ6に対する影響を抑えることができる。本例では、歪センサ6を切削工具4の表面に設けているため、歪センサ6の取り付けや取り回しが容易である。また歪センサ6を設けるために切削工具4を加工する必要もない。本例では歪センサ6の数を3つとしているが、歪センサ6の数は必ずしも限定されない。
【0036】
図6は、切削工具4への歪センサ6の設置態様の他の例を示す図であり、切削工具4及び工具固定部5周辺の様子を示す図である。尚、切削工具4の構成並びにxyz座標軸の設定方法については図4と同様である。
【0037】
同図に示すように、本例では、切削工具4の+y側の面にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。また切削工具4の+x側の面にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。前者の3つの歪センサ6は、いずれも切削抵抗により切削工具4に生じるy軸方向の撓みに起因する歪を検出する目的で設けている。また後者の3つの歪センサ6は、いずれも切削抵抗により切削工具4に生じるx軸方向の撓みに起因する歪を検出する目的で設けている。
【0038】
本例の態様で切削工具4に歪センサ6を設けることで、切削工具4の刃先41からの距離に応じた歪(y軸方向の撓みによって生じる歪)の分布(歪の傾き)を求めることが可能になる。また切削工具4の刃先からの距離に応じた歪(x軸方向の撓みによって生じる歪)の分布(歪の傾き)を求めることが可能になる。尚、本例では歪センサ6の数を各面について夫々3つとしているが、歪センサ6の数は必ずしも限定されない。
【0039】
図7は、切削工具4への歪センサ6の設置態様の他の例を示す図であり、切削工具4及び工具固定部5周辺の様子を示す図である。尚、切削工具4の構成並びにxyz座標軸の設定方法については図4と同様である。
【0040】
同図に示すように、本例では、切削工具4の+y側の面にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。また切削工具4の−y側の面にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。前者及び後者の夫々の3つの歪センサ6は、いずれも切削抵抗により切削工具4に生じるy軸方向の撓みに起因する歪を検出する目的で設けている。このように切削工具4の対向する面の双方に歪センサ6を設けた場合、対象としている測定方向以外の歪の影響を小さくすることができ、後述する歪の分布の精度を高めることができる。尚、本例では歪センサ6の数を各面について夫々3つとしているが、歪センサ6の数は必ずしも限定されない。
【0041】
図8は、切削工具4への歪センサ6の設置態様の他の例を示す図であり、切削工具4及
び工具固定部5周辺の様子を示す図である。尚、切削工具4の構成並びにxyz座標軸の設定方法については図4と同様である。
【0042】
同図に示すように、本例では、切削工具4の+x側の面にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。また切削工具4の−x側の面にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。前者及び後者の夫々の3つの歪センサ6は、いずれも切削抵抗により切削工具4に生じるx軸方向の撓みに起因する歪を検出する目的で設けている。このように切削工具4の対向する面の双方に歪センサ6を設けた場合、対象としている測定方向以外の歪の影響を小さくすることができ、後述する歪の分布の精度を高めることができる。尚、本例では歪センサ6の数を各面について夫々3つとしているが、歪センサ6の数は必ずしも限定されない。
【0043】
図9は、切削工具4への歪センサ6の設置態様の他の例を示す図であり、切削工具4及び工具固定部5周辺の様子を示す図である。切削工具4の構成並びにxyz座標軸の設定方法については図4と同様である。
【0044】
同図に示すように、本例では、切削工具4の+y側の面と−y側の面の夫々にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。また切削工具4の+x側の面と−x側の面の夫々にz軸に沿って3つの歪センサ6を直線状に並べて配置している。前者の6つの歪センサ6は切削抵抗により切削工具4に生じるy軸方向の撓みに起因する歪を検出する目的で設けられている。また後者の6つの歪センサ6は切削抵抗により切削工具4に生じるx軸方向の撓みに起因する歪を検出する目的で設けられている。このように切削工具4の対向する面の双方に歪センサ6を設けることにより、対象としている測定方向以外のひずみの影響を小さくすることができ、後述する分布の精度を高めることができる。尚、本例では歪センサ6の数を各面について夫々3つとしているが、歪センサ6の数は必ずしも限定されない。
【0045】
図10は、切削工具4への歪センサ6の設置態様の他の例を示す図であり、切削工具4及び工具固定部5周辺の様子を示す図である。尚、切削工具4の構成並びにxyz座標軸の設定方法については図4と同様である。
【0046】
同図に示すように、本例では、3つの歪センサ6をz軸に沿って切削工具4の内部に埋め込んだ状態で直線状に並べて設けている。各歪センサ6から延出する信号線(リード)は切削工具4の表面に格納してもよいし、切削工具4の内部に設けてもよい。各歪センサ6を切削工具4の表面に設けた場合は歪センサ6から延出する信号線(リード)の処理が煩雑になるが、このように歪センサ6を切削工具4の内部に埋め込むことで信号線(リード)の取り回しが容易になり、かつ、信号線(リード)の外部への露出を防いで美観性や安全性を確保することができる。
【0047】
続いて、歪センサ6から取得されるセンサデータに基づき撓みを求める方法について説明する。ここでは歪センサ6を図4に示す態様で切削工具4に設けた場合を例として、3つの歪センサ6から取得されるセンサデータに基づきy軸方向の撓みdを求める方法について説明する。
【0048】
まず切削工具4の刃先からのz軸方向に沿った距離zと切削工具4の歪εとの間には、傾きをA(以下、歪の傾きAと称する。)として次式に示す比例関係(線形関係)がある。
ε=A×z ・・・式1
【0049】
一方、切削工具4の刃先に作用する切削抵抗Fと撓みdとの間には、切削工具4と工
具固定部5に基づく剛性、即ち剛性値をKとして次式の関係がある。
【0050】
=1/K×F ・・・式2
【0051】
また材料力学における曲げ応力と歪の関係から、切削工具4の断面係数をZ、切削工具4のヤング率をEとして、歪の傾きAと切削抵抗Fとの間には次の関係がある。
F=A×Z×E ・・・式3
【0052】
ここで式2に式3を代入すれば次式が得られる。
=1/K×(A×Z×E) ・・・式4
【0053】
上式におけるZ×Eは、切削工具4の断面係数Zと切削工具4のヤング率Eの積であり定数である。従って、式4は、上記の定数を調節すれば次式のように表わすことができる。
=1/K×A ・・・式5
【0054】
尚、剛性値Kは、前述したように切削工具4の剛性Iと工具固定部5の剛性αとの和(I+α)である。剛性値Kは、例えば、実際に切削工具4に切削抵抗(主分力または送り分力)に相当する力を与えてdを実測(例えば、ダイヤルゲージ等で実測)することにより式2から求めることができる。
【0055】
以上より、切削工具4に設けられている複数の歪センサ6から取得されるセンサデータから歪の傾きAを求め、予め求めておいた剛性値Kに基づき、撓みdを求めることができることがわかる。
【0056】
図11は、以上の原理に基づき、加工装置本体20による被削物7の切削加工に際して制御装置10が行う処理(以下、制御処理S1100と称する。)の流れを説明するフローチャートである。ここでは歪センサ6を図4に示す態様で切削工具4に設けた場合を例として説明する。以下、制御処理S1100について説明する。
【0057】
まず制御装置10のセンサデータ受信部110が、測定データ取得装置21からセンサデータを受信し、受信したセンサデータを記憶部105がセンサデータ151として記憶する(S1111)。
【0058】
図12は、図4に示す態様で歪センサ6が設けられた切削工具4により被削物7を切削加工した際、3つの歪センサ6の一つから取得されるセンサデータの一例である。同図において、横軸は時間[s]であり、縦軸は切削工具4の長手方向(z軸方向)の歪センサ6
が設けられている位置における歪ε[μstrain]である。同図において、0から30秒付近までは、切削工具4が被削物7に接触していない空転状態であり、30秒付近で切削工具4が被削物7に接触して外径加工が開始されている。同図に示すように、空転状態における切削工具4の歪はほぼ0であるが、外径加工が開始されると切削抵抗が切削工具4に作用して歪εが発生している。
【0059】
図11に戻り、続いて、制御装置10の加工誤差算出部120は、切削加工中の所定の時間範囲のセンサデータを対象として前処理(平均化処理(移動平均化処理等)、オフセット処理、フィルタリング処理等)を行う(S1112)。前処理は3つの歪センサ6の夫々について行われる。上記時間範囲は任意に設定してよいが、上記時間範囲は各歪センサ6について同じとする。
【0060】
続いて、制御装置10の加工誤差算出部120が、各歪センサ6について求めた歪ε
に基づき、歪の傾きAを求める(S1113)。具体的には、加工誤差算出部120が、各歪センサ6について求めた歪εに基づき、切削工具4の刃先からの距離zと切削工具4の歪εとの関係を求める。
【0061】
図13は、上記関係の一例である。同図において、横軸は切削工具刃先からの距離z[mm]であり、縦軸はデータ処理後の切削工具の歪ε[μstrain]である。同図に示す3つの点は、3つの歪センサ6の夫々のセンサデータから求められる歪εに対応している。このように、複数の歪センサ6から取得されるセンサデータを用いることで、歪の傾きAを求めることができる。尚、歪の傾きAは切削条件によって変化するが、切削条件が同じであれば一定値をとる。
【0062】
ここで従来、歪から切削抵抗を求めようとすると、歪の位置(歪センサの設置位置)を正確に特定する必要があった。しかし本実施形態のように複数の歪センサ6から取得される値に基づき求めた歪の傾きAを用いることで、歪センサ6の設置位置の誤差の影響をキャンセルすることができ、切削抵抗を容易かつ精度よく求めることができる。
【0063】
図11に戻り、続いて、加工誤差算出部120は、歪の傾きAと剛性値154とに基づき、切削抵抗Fと切削工具4の刃先41の撓みdとの関係を求める(S1114)。
【0064】
図14に、上記関係の一例を示す。尚、同図には実測値も併記している。同図に示すように、加工誤差算出部120の算出値と実測値とがよく一致している。
【0065】
図11に戻り、続いて、加工誤差算出部120は、撓みdに基づき加工誤差を求める(S1115)。例えば、加工誤差算出部120は、撓みdから求められる切削加工後の被削物7の外径と切削加工後の被削物7の目標外径との差を加工誤差として求める。尚、主軸の回転数を869rpm、切削工具4の送り速度を87mm/min、切込み量を0.1mmとして外径加工を行い、加工誤差算出部120が求めた加工誤差と実際に測定した加工誤差とを比較したところ、加工誤差算出部120が求めた加工誤差は18μm、実際に測定した加工誤差は20μmとなり、両者はよく一致することが確認された。
【0066】
続いて、制御情報生成部130が、求めた加工誤差に基づき、加工誤差を補正するためにNC装置22の制御情報153を生成し(S1116)、生成した制御情報153を通信手段8を介してNC装置22に送信する(S1117)。
【0067】
S1118では、制御装置10は、被削物7が目的形状に達したか否かを判定する。この判定は、例えば、加工装置本体20の状態を人が目視することにより行ってもよいし、NC装置22から取得される情報に基づき制御装置10が行ってもよい。被削物7が目的形状に達していない場合(S1118:NO)、処理はS1111に戻る。被削物7が目的形状に達している場合(S1118:YES)、制御装置10は制御処理S1100を終了する。
【0068】
尚、以上の制御処理S1100の手順に従い、切削加工システム1により、工具径16mmの切削工具4で被削物7である直径43mmの炭素鋼(S45C)の丸棒材の外径加工試験を行ったところ、切削工具4の撓みによる加工誤差が約80%低減されることが確認された。
【0069】
ところで、以上に示した制御処理S1100では、S1115求めた加工誤差をNC装置22の制御に直接利用しているが、例えば、S1115で求めた加工誤差を人が解析し、解析した結果に基づきNC装置22の機能を実現しているソフトウェア(プログラム)を修正するようにしてもよい。またS1115求めた加工誤差を出力装置15に出力(表
示)し、出力された加工誤差を参考にユーザが加工装置本体20を操作するといった利用態様も考えられる。
【0070】
以上に説明したように、本実施形態の切削加工システム1によれば、切削工具の撓みに起因する加工誤差を精度よく検知して加工精度を向上することができる。ここで従来、切削加工においては、熟練者や経験者等が切削工具4の送り量を調整することで切削抵抗を低減させ、切削工具4の撓みに基づく加工誤差を抑制していた。そのため、作業者によって加工精度が不均一になったり、加工条件の変更に伴い加工工数が増加して加工能率が低下する等の課題があった。しかし本実施形態の切削加工システム1によれば、実際に計測した切削工具4の歪に基づき撓みを求めて加工誤差を自動的に求めることができ、求めた加工誤差に基づき生成した制御情報によってNC装置22を制御するため、加工精度や加工効率を向上することができる。
【0071】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また上記実施形態の構成の一部について、他の構成の追加や削除、置換をすることが可能である。
【0072】
また上記の各構成、機能部、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、IC
カード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
【0073】
また上記の各図において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしも実装上の全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。例えば、実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【0074】
また以上に説明した制御装置10の各種機能部、各種処理部、各種データベースの配置形態は一例に過ぎない。各種機能部、各種処理部、各種データベースの配置形態は、これらの装置が備えるハードウェアやソフトウェアの性能、処理効率、通信効率等の観点から最適な配置形態に変更し得る。
【0075】
また前述した各種のデータを格納するデータベースの構成(スキーマ(Schema)等)は、リソースの効率的な利用、処理効率向上、アクセス効率向上、検索効率向上等の観点から柔軟に変更し得る。
【符号の説明】
【0076】
1 切削加工システム
4 切削工具
5 工具固定部
6 歪センサ
7 被削物
8 通信手段
10 制御装置
105 記憶部
110 センサデータ受信部
120 加工誤差算出部
130 制御情報生成部
140 情報入出力部
20 加工装置本体
21 測定データ取得装置
22 NC装置
33 通信装置
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14