特開 2022-42825 工作機械の制御装置

(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】P2022042825

(43)【公開日】2022-03-15

(54)【発明の名称】工作機械の制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/404 20060101AFI20220308BHJP

   B23Q 15/12 20060101ALI20220308BHJP

【ＦＩ】

G05B19/404 K

B23Q15/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020148440

(22)【出願日】2020-09-03

(71)【出願人】

【識別番号】000149066

【氏名又は名称】オークマ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100078721

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 喜樹

(72)【発明者】

【氏名】西村 浩平

【テーマコード（参考）】

3C001

3C269

【Ｆターム（参考）】

3C001KA01

3C001KB01

3C001TA01

3C001TB03

3C001TC05

3C269AB02

3C269BB03

3C269BB07

3C269CC17

3C269EF10

3C269GG01

3C269MN07

3C269MN23

3C269MN29

(57)【要約】      （修正有）

【課題】工作機械を用いてワークの加工を行う場合、予め行うワーク又は工具の変形量の測定や、ワーク又は工具の材料特性の制御装置への事前登録等を行う必要がなく、ワークの変形により生じる幾何学的形状の誤差を抑制可能な制御装置を提供する。
【解決手段】旋盤１７の制御装置１４は、幾何学的形状の誤差が小さいワーク３に加工を施す際に、モータ６に供給する電力により求める加工負荷およびモータ６の回転速度をモニタし、それらの加工負荷および回転速度に基づいて、ワーク３への切削力が一定となるように切込方向における工具１６の位置を補正するようになっている。そのため、制御装置１４によれば、加工に伴いワーク３の静剛性が低下した場合も、加工負荷によるワーク３の変形に起因する幾何学的形状の悪化を抑制することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具又はワークを装着して回転または直進させるための駆動軸を備えており、その駆動軸を駆動させる駆動装置に供給する電力により加工負荷を検知する工作機械において、工具又はワークの切込方向における位置を補正するための制御装置であって、
加工中の切削力を同定する切削力同定演算部と、
その切削力同定演算部によって求められる切削開始から一定時間経過後までの切削力と現在の切削力との差が予め設定された閾値以下となるように、工具又はワークの切込方向における位置を補正するための補正量を算出する切込補正量演算部とを有していることを特徴とする工作機械の制御装置。

【請求項2】

前記切削力同定演算部は、
切削時の電力に基づいて算出するモータトルクから、回転軸の回転速度が一定の回転速度に達した後から直進軸の動作開始前までの間の電力値により算出する非切削状態でのモータトルクと、回転速度変化の勾配により算出する加減速に要するモータトルクとを差し引くことにより切削トルクを算出し、その切削トルクと加工径とにより切削力を算出することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の制御装置。

【請求項3】

前記切削力同定演算部は、
切削前の非切削状態でのモータトルク波形の近似曲線を用いて、切削開始後の非切削状態でのモータトルクを予測することを特徴とする請求項２に記載の工作機械の制御装置。

【請求項4】

前記切削力同定演算部は、
切削開始から一定時間経過後の切削力を同定する際に、少なくとも主軸回転周期経過後のモータに供給する電力値により切削力を同定することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の工作機械の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＮＣ工作機械を制御して加工負荷によるワークの変形に起因するワーク形状の誤差を抑制するための工作機械の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械を用いてワークの加工を行う場合、加工負荷によりワークや機械構造が弾性変形することにより目的のワーク形状を得ることができない場合がある。そのようなワーク形状の誤差を抑制する手段として、特許文献１には、リアルタイムでモニタした加工負荷とワークの変形量とからワークの材料特性を算出し、予測するスプリングバック量に基づき加工負荷を補正する技術が開示されている。また、特許文献２には、データベースを用いて工作機械の運動機構部の性能を解析し、その解析結果に基づいて運動機構部の動作量を補正する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、データベースを用いて送り速度を指標として回転工具の変形を予測し、工具変形量の予測値に基づいて工具の切込量を補正する技術が開示されている。加えて、特許文献４には、加工負荷が許容範囲内でない場合に工具の切込量を補正する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平６－７９３５７号公報

【特許文献2】特開２００３－１０８２０６号公報

【特許文献3】特開平８－２５７８７５号公報

【特許文献4】特開２０００－１０５６０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の補正方法は、ワークのスプリングバック量を予測するために、ワークの弾性定数や復元直線といった材料特性を算出する必要があったため、予め実際に加工を行い、変形量を測定する必要があった。そのため、材質の異なるワークを加工する際に予め加工を行って変形量を測定しなければならず、変形量の同定に手間がかかる、という不具合があった。

【0005】

また、特許文献２の補正方法は、ワークが変形しない場合に関しては、運動機構部の動作量を補正することにより精度よく加工することが可能であるものの、ワークが変形する場合に関しては、ワーク変形量について補正をすることができなかった。そのため、切削負荷によりワークが変形する場合には、必ずしも目的とする形状を得ることができない、という不具合があった。

【0006】

一方、特許文献３の補正方法は、たわみ量を算出するための工具のヤング率、断面二次モーメント、突出し長さ、比切削抵抗等のデータから送り速度と工具の変形量とを対応させたデータを、予め制御装置に登録しておく必要があった。そのため、工具およびワーク、または両者の組み合わせに応じたデータの収集に時間と労力とを要する上、登録した物性値に誤差がある場合には補正量と実際の変形量との間に誤差が生じる、という不具合があった。

【0007】

また、特許文献４の補正方法は、粗加工のように重切削を行い加工負荷が許容値を超えた場合などに、負荷が適正値となるように切込量を変更することは可能であるものの、ワークの変形量に応じた切り込みの変更量を求める手段がないため、ワークの変形量だけ切込量を補正することができなかった。

【0008】

すなわち、加工負荷によるワークの変形量を補正するための上記特許文献１～４の如き従来の方法では、予め材料特性を調査し、加工負荷から変形量を予測する必要があったため、加工を行う前の準備に時間を要していた上、比切削抵抗などの物性値に誤差が存在する場合には、補正量に誤差を生じてしまう虞があった。

【0009】

本発明は、以上の背景を鑑みてなされたものであり、予め材料特性および加工負荷とワークの変形量との関係をデータベースに登録する必要がなく、所望するワークの幾何学的精度を得ることが可能な工作機械の制御装置（数値制御装置）を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具又はワークを装着して回転または直進させるための駆動軸を備えており、その駆動軸を駆動させる駆動装置に供給する電力により加工負荷を検知する工作機械において、工具又はワークの切込方向における位置を補正するための制御装置であって、加工中の切削力を同定する切削力同定演算部と、その切削力同定演算部によって求められる切削開始から一定時間経過後までの切削力と現在の切削力との差が予め設定された閾値以下となるように、工具又はワークの切込方向における位置を補正するための補正量を算出する切込補正量演算部とを有していることを特徴とする。

【0011】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記切削力同定演算部は、切削時の電力に基づいて算出するモータトルクから、回転軸の回転速度が一定の回転速度に達した後から直進軸動作開始前までの間の電力値により算出する非切削状態でのモータトルクと、回転速度変化の勾配により算出する加減速に要するモータトルクとを差し引くことにより切削トルクを算出し、その切削トルクと加工径により切削力を算出することを特徴とするものである。

【0012】

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記切削力同定演算部は、切削前の非切削状態でのモータトルク波形の近似曲線を用いて、切削開始後の非切削状態でのモータトルクを予測することを特徴とするものである。

【0013】

請求項４に記載の発明は、請求項１～３のいずれかに記載の発明において、前記切削力同定演算部は、切削開始から一定時間経過後の切削力を同定する際に、少なくとも主軸回転周期（主軸が１回転するのに要する時間）経過後のモータに供給する電力値により切削力を同定することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0014】

請求項１に係る工作機械の制御装置によれば、予め実施するワーク又は工具の変形量の測定や、ワーク又は工具の材料特性の制御装置への登録を行う必要がなく、モータに供給する電力により求める加工負荷とモータの回転速度のみをモニタし、ワークの切削量が一定となるように切込方向における位置を補正することにより、加工負荷によるワークの変形に起因する幾何学的形状の誤差を抑制することが可能になる。

【0015】

請求項２に係る工作機械の制御装置は、切削力同定演算部が切削時の消費電力に基づくモータトルクから非切削状態でのモータトルクと加減速に要するモータトルクとを差し引いた切削トルクに基づいて切削力を算出するため、切込方向における位置をより正確に補正することができ、加工負荷によるワークの変形に起因する幾何学的形状の誤差を非常に低いレベルまで抑制することができる。

【0016】

請求項３に係る工作機械の制御装置は、切削力同定演算部が非切削状態でのモータトルク波形の近似曲線を用いて切削開始後の非切削状態でのモータトルクを予測するため、切込方向における位置を非常に正確に補正することができ、加工負荷によるワークの変形に起因する幾何学的形状の誤差をきわめて低いレベルまで抑制することができる。

【0017】

請求項４に係る工作機械の制御装置は、切削力同定演算部が少なくとも主軸回転周期経過後のモータへの供給電力値により定常状態の切削力を同定するため、切込方向における位置をより正確に補正することができ、加工負荷によるワークの変形に起因する幾何学的形状の誤差を非常に低いレベルまで抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】工作機械の制御装置の一例を示す説明図である。

【図2】主軸のトルクの変化の一例を示す説明図である。

【図3】長尺なワークを切削する様子を示す説明図である。

【図4】主軸のトルクの変化の一例（実測値）を示す説明図である。

【図5】制御装置が搭載される工作機械の変更例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態の一例を図面にもとづき詳細に説明する。

【0020】

＜工作機械の構成＞
図１は本発明に係る工作機械の制御装置の一例を示す説明図である。工作機械である旋盤１７は、主軸１、チャック２、心押４、エンコーダ５、モータ（駆動装置）６、主軸台７等によって構成されている。そして、当該旋盤１７は、主軸１に取り付けられたチャック２、および、チャック２と対向する心押４によってワーク３を把持し、そのワーク３に対して、刃物台１５に装着された工具１６によって切削加工を施すことができるようになっている。また、主軸１を回転可能に支持する主軸台７内には、主軸１を回転させるためのモータ６と、主軸１の回転速度を検出するためのエンコーダ５とが内蔵されている。さらに、旋盤１７には、エンコーダ５によって主軸１の回転速度を監視するとともに、主軸１の回転速度を制御するための主軸制御部８が設けられている。

【0021】

＜制御装置の構成＞
上記した旋盤１７には、制御装置１４が搭載されている。当該制御装置１４には、旋盤１７全体の挙動を制御する工作機械制御部９、回転速度の変更の指示等を行うための入力手段１０、加工プログラム等を記憶する記憶部１１、切削力を同定するための切削力同定演算部１２、その切削力同定演算部１２の演算結果に基づいて切込方向における位置を補正するための切込補正量演算部１３等が設けられている。そして、工作機械制御部９は、上記した主軸制御部８、入力手段１０、記憶部１１等と接続されており、主軸制御部８を介してワーク３の回転速度を制御するようになっている。また、工作機械制御部９は、刃物台１５に固定された工具１６を回転中のワーク３の周面に切り込ませる加工動作や、ワーク３及び／又は工具１６を回転軸方向及び／又は径方向へ送る加工動作等についても、周知の構成により制御するようになっている。

【0022】

上記した旋盤１７では、記憶部１１に記憶されている加工プログラムにしたがい、主軸制御部８による制御の下、モータ６へ電力を供給して主軸１を所定の回転速度で回転させるとともに、工具１６をワーク３の表面に切り込ませる等してワーク３への加工が行われる。また、工作機械制御部９は、上記した切削力同定演算部１２と切込補正量演算部１３とが接続されており、切削加工中、常に切削力を算出し、算出した切削力と切削開始時に算出した切削力との差が予め設定した閾値以下になるように、切込方向における工具１６の位置を常に補正しながらワーク３への切削を実行させる。

【0023】

＜制御装置の作動内容＞
次に、制御装置１４の切削力同定演算部１２により算出した切削力を用いて、切込補正量演算部１３により切込方向における位置を補正する具体的な手段について説明する。

【0024】

制御装置１４の切削力同定演算部１２は、非切削時の主軸１にかかるトルクを算出するための非切削時主軸トルク演算手段、主軸１の加減速に要するトルクを算出するための加減速時主軸トルク演算手段、ワーク３の切削時におけるトルクを算出するための切削トルク演算手段、および、ワーク３の切削時における切削力を算出するための切削力演算手段として機能するようになっている。

【0025】

制御装置１４は、主軸制御部８による制御の下、モータ６に供給される電力値とエンコーダ５により算出される主軸１の回転速度とに基づいて、下式（１）を用いて主軸１にかかるトルク（主軸トルク）を検出する（算出する）。図２は、算出される主軸トルクの変化の様子（一加工例）を示したものである。

【0026】

【数1】

【0027】

主軸１が回転を開始すると、切削力同定演算部１２は、主軸１の回転速度が目標値に達してから送り軸動作又は切削を開始するまでの時間における非切削時の主軸トルクの値を検出する（算出する）。その後、切削力同定演算部１２は、切削開始前後の主軸トルクの差異（変動）により切削開始時の切削トルクを検出する（算出する）。

【0028】

なお、非切削時の主軸トルクは、温度などの影響を受けて主軸１の回転開始からの時間の経過に伴い低下する場合があるが、そのような事態が想定される場合には、たとえば、指数関数を用いた非切削時のトルク波形の近似曲線を用いて、所定の時間が経過した後の非切削時の主軸トルクを予測し、その予測値を利用しても良い。

【0029】

そして、切削力同定演算部１２は、切削中においては、常に、下式（２）のように、主軸トルクＴから、切削開始前に検出した非切削時のトルクＴ_ｆ、および、主軸１の加減速に要するトルクＴ_αを差し引くことにより、切削トルクＴ_ｃを算出する。また、そのように切削トルクＴ_ｃを算出する際には、主軸１の加減速に要するトルクＴ_αは、主軸１の回転速度を変化させる際の回転速度の勾配ｄＳ／ｄｔと主軸１のイナーシャＪとから、下式（３）を用いて算出される。

【0030】

【数2】

【0031】

【数3】

【0032】

さらに、切削力同定演算部１２は、上記の如く算出された切削トルクＴ_ｃと加工半径との除算により切削力を算出する。そして、制御装置１４においては、その切削力に基づいて、主軸１の送り軸の作動が制御される。

【0033】

上記の如く、制御装置１４が切削開始を検出する際には、上式（２）により算出する切削トルクＴ_ｃが予め設定した閾値以上になった瞬間を切削開始とみなして検出する。なお、かかる切削開始のタイミングは、主軸１への電源投入から所定の時間が経過するまでとし、予め入力手段１０により工作機械制御部９に入力しておくことも可能であるし、切削されるワーク３の形状と加工プログラム（記憶部１１に保存されているもの）から求められる工具軌跡とに基づいて予測されるワーク３と工具１６とが干渉する瞬間とすることも可能である。さらに、ワーク３に旋削加工を施す場合には、切削幅が一定になってから（すなわち、旋削加工が定常状態になってから）切削開始時の切削トルクＴ_ｃを求めることも可能であり、そのような構成を採用する場合には、上述した各方法での切削開始の検出時から主軸１が少なくとも一周期分回転した後（すなわち、主軸回転周期経過後）を旋削加工の定常状態の始まりとみなすことも可能である。

【0034】

また、上記の主軸１の加減速に要するトルクＴ_αを算出する場合には、主軸１のイナーシャＪについては、主軸１の回転開始時の角加速度、主軸１の回転開始時の主軸トルクＴ_ｓおよび非切削時のトルクＴ_ｆから、下式（４）により同定することが可能である。

【0035】

【数4】

【0036】

また、上記した切削トルクＴ_ｃの算出においては、ワーク３の形状と密度とを用いて計算により求められる数値を予め記憶部１１に登録しておき、加工時にその数値を参酌して主軸１の加減速に要するトルクＴ_αを算出し、その数値に基づいて切削トルクＴ_ｃを算出することも可能である。一方、主軸１の回転速度の勾配ｄＳ／ｄｔについては、過去の主軸１の回転速度の履歴を記憶部１１に保存しておき、当該履歴に基づいて求められる微小時間の速度変化量から算出することも可能であるし、加工プログラム中の主軸１の回転速度に関する指令および送り軸の半径方向における位置から算出することも可能である。

【0037】

上記の如き方法によって、切削力同定演算部１２が切削力を算出した後には、切込補正量演算部１３は、切削開始時に算出した切削力から、その時点においてリアルタイムで算出した切削力（すなわち、加工中の任意の時点での切削力）を差し引いた値を評価値とし、最急降下法（関数の傾き（一階微分）のみから関数の最小値を探索する方法）等を用いて当該評価値が予め設定した閾値以下となるように、工具の切込量を補正するための補正値を算出する。そして、制御装置１４は、その補正値に基づいて、工作機械制御部９により送り軸を動作させて、切削開始から切削終了までの切削力が常に一定に保たれるように制御する。

【0038】

図３は、旋盤１７を用いて長尺なワーク３に切削加工を施す様子を示したものである。また、図４は、一定の回転速度で図３の切削加工を施す際に切込方向における位置の補正を行わない場合に、ワーク３の長手方向の位置（チャックの把持部からの距離）により主軸トルクＴが変化する様子を示したもの（一加工例）である。

【0039】

図３の如き長尺なワーク３への切削加工において切込方向における位置の補正を行わない場合には、ワーク３の静剛性が高いチャックの把持部付近では、ワーク３の変形量が小さくなり、ワーク３の静剛性が低い心押４の付近や中央付近では、ワーク３の変形量が大きくなる。しかしながら、制御装置１４によれば、切削力同定演算部１２および切込補正量演算部１３の機能により、ワーク３の変形量に応じた切込方向における位置の補正が可能となる。したがって、制御装置１４によれば、加工負荷による変形をほとんど生じない状態のワーク３（たとえば、十分に径が大きい状態のワーク３）を切削加工する際に、ワーク３の幾何学的精度の良い加工をしておくことによって、以降の切削加工において、ワーク３が加工負荷による変形を生じ易い状態になっても、幾何学的精度の悪化を抑制することが可能になる。

【0040】

＜制御装置の効果＞
上記したように、旋盤１７の制御装置１４によれば、切削力同定演算部１２によって算出される切削力を一定に保つように切込方向における工具１６の位置が補正されるため、加工負荷とワーク３の変形量との関係を予め制御装置１４に登録する必要なく、ワーク３の変形による除去量（補正量）の過不足を抑制し、高い幾何学的精度を得ることが可能になる。

【0041】

＜工作機械の制御装置の変更例＞
本発明に係る工作機械の制御装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、切削力同定演算部、切込補正量演算部等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。また、本発明に係る制御装置が搭載される工作機械も、上記実施形態の如き旋盤に何ら限定されず、研削盤やマシニングセンタ等の他の種類の工作機械に変更することも可能である。

【0042】

たとえば、制御装置は、上記実施形態の如く、主軸の負荷から切削力を算出するものに限定されず、送り軸の負荷から切削力を算出するもの等に変更することも可能である。

【0043】

また、制御装置は、上記実施形態の如く、加工負荷による変形をほとんど生じない状態のワーク（たとえば、十分に径が大きいワーク）の切削加工時に幾何学的精度の良い加工をしておき、以降の切削加工において、ワークの剛性の低下による加工精度の悪化を抑制するものに限定されず、加工負荷による変形が大きいワーク（たとえば、径が小さいワーク）を加工する場合に、切込量や送り速度の低減等のワークが変形しにくい条件で前加工を施すことよって、ワークの剛性の低下による加工精度の悪化を抑制するもの等でも良い。

【0044】

加えて、本発明に係る制御装置が搭載される工作機械によって行われる加工の内容も、上記実施形態の如き旋削に何ら限定されず、研削やミーリング加工等の他の各種の加工に変更することが可能である。図５は、工作機械であるマシニングセンタ２１に本発明に係る制御装置を搭載した様子を示すブロック図である。工作機械であるマシニングセンタ２１は、基台であるベッド２２、工具１６を装着可能な主軸２３、主軸２３を支持するためのサドル２４、サドル２４を上下動可能に支持する鉛直状のコラム２５、ワーク３を載置可能なテーブル２６等を備えている。また、主軸２３を回転可能に支持するサドル２４内には、主軸２３を回転させるためのモータ２７と、主軸２３の回転速度を検出するためのエンコーダ２８とが内蔵されている。そして、当該マシニングセンタ２１にも、上記実施形態における旋盤１７と同様な主軸制御部８と制御装置１４とが搭載されている。

【0045】

上記の如きマシニングセンタ２１において制御装置１４によって研削やミーリング加工時の工具１６の切込方向における位置を補正する場合でも、上記実施形態における旋盤１７でのワーク３の切込方向における位置補正の場合と同様に、切削力同定演算部１２によって式（１）～（３）を用いて切削トルクＴ_ｃを算出し、その切削トルクＴ_ｃ（あるいは切削トルクＴ_ｃを加工半径で除した数値）を一定に保つように切込量を調整することによって、加工負荷とワーク３の変形量との関係を予め制御装置１４に登録する必要なく、ワーク３の変形による除去量（補正量）の過不足を抑制し、高い幾何学的精度を得ることが可能になる。なお、そのように本発明に係る制御装置によって工作機械による研削やミーリング加工時の工具の切込方向における位置を補正する場合には、工具が一回転する間にワークへの当接度合いが変化することを考慮して、工具が一回転する間の平均値（あるいは、所定数回転する間の平均値）としての主軸トルク、切削トルク，切削力等に基づいて、工具の切込方向における位置を補正することも可能である。

【符号の説明】

【0046】

１・・主軸
２・・チャック
３・・ワーク
４・・心押
５・・エンコーダ
６・・モータ
７・・主軸台
８・・主軸制御部
９・・工作機械制御部
１０・・入力手段
１１・・記憶部
１２・・切削力同定演算部
１３・・切込補正量演算部
１４・・制御装置
１５・・刃物台
１６・・工具
１７・・旋盤（工作機械）
２１・・マシニングセンタ（工作機械）
２２・・ベッド
２３・・主軸
２４・・サドル
２５・・コラム
２６・・テーブル
２７・・モータ
２８・・エンコーダ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】