(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-28
(45)【発行日】2022-12-06
(54)【発明の名称】産業機械、寸法推定装置、および寸法推定方法
(51)【国際特許分類】
B24B 49/04 20060101AFI20221129BHJP
B23Q 17/20 20060101ALI20221129BHJP
B23Q 17/22 20060101ALI20221129BHJP
B24B 5/42 20060101ALI20221129BHJP
【ＦＩ】
B24B49/04 A
B23Q17/20 A
B23Q17/22 E
B24B5/42
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019068540
(22)【出願日】2019-03-29
(65)【公開番号】P2020163547
(43)【公開日】2020-10-08
【審査請求日】2022-02-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000001236
【氏名又は名称】株式会社小松製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001634
【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】板東 賢一
(72)【発明者】
【氏名】ムンジル モハマド
【審査官】須中 栄治
(56)【参考文献】
【文献】特開平０８－２９４８６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－００１３０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１１５９８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５０１８９５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２４Ｂ５／００－７／３０
Ｂ２４Ｂ４１／００－５１／００
Ｂ２３Ｑ１７／００－２３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ワークに接触して前記ワークを加工する工具と、前記工具を切り込み方向に移動させるアクチュエータと、
前記ワークの寸法を計測するゲージと、
前記アクチュエータを制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記ゲージによる前記寸法の計測値を取得する計測値取得部と、
前記工具による目標切込量を特定する目標切込量特定部と、
前記ゲージによる前記寸法の計測値と前記目標切込量と前記寸法の計測値に乗る雑音との関係に基づいて生成された、前記寸法の計測値および前記目標切込量を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する推定モデルと、
前記寸法の計測値および前記目標切込量を前記推定モデルに入力することで、前記寸法の推定値を得る寸法推定部と
を備える産業機械。
【請求項2】
前記アクチュエータの変位を計測する変位センサを備え、前記制御装置は、前記アクチュエータの変位指令値と前記変位の計測値に基づいて前記アクチュエータの制御誤差によって生じる前記ワークの輪郭誤差を算出する誤差算出部を備え、
前記推定モデルは、前記寸法の計測値、前記目標切込量、および前記ワークの輪郭誤差を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する
請求項１に記載の産業機械。
【請求項3】
前記ワークを主軸回りに回転させる回転モータと、前記回転モータの回転角を計測する回転角センサと
を備え、
前記計測値取得部は、前記回転角センサによる前記回転角の計測値を取得し、
前記誤差算出部は、前記変位指令値および前記変位の計測値、前記回転モータの角度指令値および前記回転角の計測値、ならびに前記ワークの目標形状とに基づいて、前記アクチュエータの制御誤差によって生じる前記ワークの輪郭誤差を算出する
請求項２に記載の産業機械。
【請求項4】
前記寸法推定部は、前記ワークが前記工具が当たる位置から前記ゲージが当たる位置まで移動するむだ時間に基づいて、前記輪郭誤差および前記目標切込量を前記推定モデルに入力する請求項２または請求項３に記載の産業機械。
【請求項5】
前記推定モデルは、前記寸法の計測値を変数に持つ観測モデルと、前記寸法の推定値と、前記目標切込量とを変数に持つ時間発展モデルとを有するカルマンフィルタである請求項１から請求項４の何れか１項に記載の産業機械。
【請求項6】
アクチュエータにより工具を切り込み方向に移動させることで加工されるワークの寸法を推定する寸法推定装置であって前記寸法の計測値を取得する計測値取得部と、
前記アクチュエータの目標切込量を特定する目標切込量特定部と、
前記寸法の計測値と前記目標切込量と前記寸法の計測値に乗る雑音との関係に基づいて生成された、前記寸法の計測値および前記アクチュエータの目標切込量を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する推定モデルと、
前記寸法の計測値および前記目標切込量を前記推定モデルに入力することで、前記寸法の推定値を得る寸法推定部と
を備える寸法推定装置。
【請求項7】
アクチュエータにより工具を切り込み方向に移動させることで加工されるワークの寸法推定方法であって前記ワークの寸法の計測値を取得するステップと、
前記アクチュエータの目標切込量を特定するステップと、
前記寸法の計測値と前記目標切込量と前記寸法の計測値に乗る雑音との関係に基づいて生成された、前記寸法の計測値および前記アクチュエータの目標切込量を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する推定モデルに、前記寸法の計測値および前記目標切込量を入力することで、前記寸法の推定値を得るステップと
を備える寸法推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、産業機械、寸法推定装置、および寸法推定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、研削盤からワークを取り外すことなく、ワークの真円度を計測する技術が開示されている。特許文献１に記載の技術によれば、三点接触式測定器をワークの周面に沿って接触移動させ、計測値と、ワークの回転角と、ワークの回転軸と三点接触式測定器との位置とに基づいて、ワークの真円度を特定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００１－６６１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、研削盤がワークを研削しているとき、ワークは砥石を押し当てられることによって撓む。また、研削中は砥石の移動やクーラントによる外乱の影響が大きいため、特許文献１に記載の手法によって三点接触式測定器の計測値は誤差を含む。本発明の目的は、ワークの研削中に、砥石による研削の影響を除去してワークの寸法を推定することができる産業機械、寸法推定装置、および寸法推定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の第１の態様によれば、研削盤は、ワークに接触して前記ワークを研削する円盤状の砥石と、前記砥石を切り込み方向に移動させるアクチュエータと、前記ワークの寸法を計測するゲージと、前記アクチュエータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ゲージによる前記寸法の計測値を取得する計測値取得部と、前記砥石による目標切込量を特定する目標切込量特定部と、前記ゲージによる計測値と前記目標切込量と前記寸法の計測値に乗る雑音との関係に基づいて生成された、前記寸法の計測値および前記目標切込量を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する推定モデルと、前記寸法の計測値および前記目標切込量を前記推定モデルに入力することで、砥石による研削の影響を除去した前記寸法の推定値を得る寸法推定部とを備える。
【発明の効果】
【0006】
上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、砥石による研削の影響を除去してワークの寸法を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】第１の実施形態に係る研削盤の構成を示す上面図である。
【図2】砥石とワークと定寸ゲージとの位置関係を示す研削盤の断面図である。
【図3】第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図4】第１の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図5】第１の実施形態に係る制御装置による真円度の計測結果の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
〈第１の実施形態〉
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
【0009】
《研削盤の構成》
図１は、第１の実施形態に係る研削盤の構成を示す上面図である。研削盤は、産業機械の一例である。
研削盤１００は、基台１１０、支持装置１２０、砥石台１３０、定寸ゲージ１４０、制御装置１５０、表示装置１６０を備える。基台１１０は、工場の床面に設置される。支持装置１２０および砥石台１３０は、基台１１０の上面に設けられる。支持装置１２０は、ワークＷの両端を支持し、ワークＷを主軸回りに回転させる。砥石台１３０は、支持装置１２０に支持されたワークＷを加工するための砥石１３１を支持する。
以下、基台１１０の上面において主軸と直交する方向をＸ方向とよび、主軸の伸びる方向をＹ方向とよび、基台１１０の上面に直交する方向をＺ方向と呼ぶ。すなわち、以下の説明においては、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸からなる三次元直交座標系を参照しながら研削盤１００の位置関係を説明する。また、以下、研削盤１００の主軸をＣ軸ともいう。
図１は、第１の実施形態に係る研削盤の構成を示す上面図である。研削盤は、産業機械の一例である。
研削盤１００は、基台１１０、支持装置１２０、砥石台１３０、定寸ゲージ１４０、制御装置１５０、表示装置１６０を備える。基台１１０は、工場の床面に設置される。支持装置１２０および砥石台１３０は、基台１１０の上面に設けられる。支持装置１２０は、ワークＷの両端を支持し、ワークＷを主軸回りに回転させる。砥石台１３０は、支持装置１２０に支持されたワークＷを加工するための砥石１３１を支持する。
以下、基台１１０の上面において主軸と直交する方向をＸ方向とよび、主軸の伸びる方向をＹ方向とよび、基台１１０の上面に直交する方向をＺ方向と呼ぶ。すなわち、以下の説明においては、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸からなる三次元直交座標系を参照しながら研削盤１００の位置関係を説明する。また、以下、研削盤１００の主軸をＣ軸ともいう。
【0010】
第１の実施形態では、研削盤１００がワークＷの研削によってクランクシャフトを形成する例について説明する。クランクシャフトは、クランクジャーナルＷ１とクランクピンＷ２とクランクアームＷ３とから構成される。クランクジャーナルＷ１は、エンジンの軸受けに保持される軸である。クランクジャーナルＷ１の軸は、研削盤１００による加工時における主軸と一致する。クランクピンＷ２は、ピストンのコネクティングロッドに接続される円形断面状の部位である。クランクピンＷ２は、クランクシャフトの回転によってピストンが往復運動するように、クランクジャーナルＷ１の軸から離れた位置に軸を有する。クランクアームＷ３は、クランクジャーナルＷ１とクランクピンＷ２とを接続する。
【0011】
基台１１０には、砥石台１３０をＹ軸方向にスライド可能に支持するＹ軸ガイド部１１１と、Ｙ軸ガイド部１１１に沿って砥石台１３０をＹ軸方向に移動させるＹ軸アクチュエータ１１２とを備える。Ｙ軸アクチュエータ１１２は、直動モータによって構成されてもよいし、ボールねじと回転モータとの組み合わせによって構成されてもよい。
【0012】
支持装置１２０は、略円筒状のワークＷの一端を支持する主軸台１２１と、他端を支持する芯押し台１２２とを備える。主軸台１２１には、ワークＷを軸回りに回転させる回転モータ１２３と、回転モータ１２３の回転角を計測する主軸センサ１２４とを備える。
【0013】
砥石台１３０は、砥石１３１と、Ｘ軸ガイド部１３２と、Ｘ軸アクチュエータ１３３と、変位センサ１３４と、回転モータ１３５と、回転角センサ１３６とを備える。
砥石１３１は、円盤状に形成され、回転モータ１３５によって中心軸回りに回転される。砥石１３１は、中心軸がＹ軸と平行になるように設けられる。砥石１３１の面には、修正錘を取り付けるための複数の取付孔が同一円周上に等間隔に設けられる。
Ｘ軸ガイド部１３２は、基台１１０に対して砥石台１３０をＸ軸方向にスライド可能に支持する。
Ｘ軸アクチュエータ１３３は、Ｘ軸ガイド部１３２に沿って砥石１３１をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸方向は砥石１３１の切り込み方向である。Ｘ軸アクチュエータ１３３は、直動モータによって構成されてもよいし、ボールねじと回転モータとの組み合わせによって構成されてもよい。
変位センサ１３４は、基台１１０に対する砥石台１３０のＸ軸方向の変位を計測する。変位センサ１３４は、例えばリニアエンコーダによって構成される。
回転モータ１３５は、砥石１３１を中心軸回りに回転させる。
回転角センサ１３６は、砥石１３１の回転角を計測する。回転角センサ１３６は、例えばロータリエンコーダによって構成される。
砥石１３１は、円盤状に形成され、回転モータ１３５によって中心軸回りに回転される。砥石１３１は、中心軸がＹ軸と平行になるように設けられる。砥石１３１の面には、修正錘を取り付けるための複数の取付孔が同一円周上に等間隔に設けられる。
Ｘ軸ガイド部１３２は、基台１１０に対して砥石台１３０をＸ軸方向にスライド可能に支持する。
Ｘ軸アクチュエータ１３３は、Ｘ軸ガイド部１３２に沿って砥石１３１をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸方向は砥石１３１の切り込み方向である。Ｘ軸アクチュエータ１３３は、直動モータによって構成されてもよいし、ボールねじと回転モータとの組み合わせによって構成されてもよい。
変位センサ１３４は、基台１１０に対する砥石台１３０のＸ軸方向の変位を計測する。変位センサ１３４は、例えばリニアエンコーダによって構成される。
回転モータ１３５は、砥石１３１を中心軸回りに回転させる。
回転角センサ１３６は、砥石１３１の回転角を計測する。回転角センサ１３６は、例えばロータリエンコーダによって構成される。
【0014】
すなわち、第１の実施形態に係る研削盤１００では、支持装置１２０の主軸台１２１および芯押し台１２２の間にワークＷを支持し、砥石１３１によってワークＷの外周面を研削加工する。
【0015】
図２は、砥石とワークと定寸ゲージとの位置関係を示す研削盤の断面図である。
定寸ゲージ１４０は、砥石台１３０に設けられ、ワークＷの外周面に接触しながらワークＷの寸法を計測する。第１の実施形態に係る定寸ゲージ１４０は、ワークＷのうち、砥石１３１による研削点と同一周面上において、寸法を計測する。
定寸ゲージ１４０は、砥石台１３０に設けられ、ワークＷの外周面に接触しながらワークＷの寸法を計測する。第１の実施形態に係る定寸ゲージ１４０は、ワークＷのうち、砥石１３１による研削点と同一周面上において、寸法を計測する。
【0016】
定寸ゲージ１４０は、ゲージ本体１４１、第１アーム１４２、第２アーム１４３、スタンド１４４を備える。ゲージ本体１４１は、ワークＷの周面の２点に内接する凹部を有するＶブロックと、Ｖブロックの凹部の中央に設けられた計測部とを有する馬乗りゲージである。第１アーム１４２の第１端は、ゲージ本体１４１に固定される。第１アーム１４２の第２端は、第２アーム１４３の第１端に回転可能に支持される。第２アーム１４３の第２端は、スタンド１４４に回転可能に支持される。スタンド１４４は、砥石台１３０に固定される。
第１アーム１４２および第２アーム１４３は、ゲージ本体１４１の計測部が常にワークＷのクランクピンＷ２部分に接触するようにゲージ本体１４１を支持する。クランクピンＷ２の中心軸は、研削盤１００の主軸から離れた位置にあるため、ワークＷの回転に伴って、計測部が当たる位置がクランクピンＷ２の断面円における同一位相（例えば、３５度の位置）から±１０度前後変化する。
第１アーム１４２および第２アーム１４３は、ゲージ本体１４１の計測部が常にワークＷのクランクピンＷ２部分に接触するようにゲージ本体１４１を支持する。クランクピンＷ２の中心軸は、研削盤１００の主軸から離れた位置にあるため、ワークＷの回転に伴って、計測部が当たる位置がクランクピンＷ２の断面円における同一位相（例えば、３５度の位置）から±１０度前後変化する。
【0017】
《制御装置の構成》
図３は、第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１５０は、Ｙ軸アクチュエータ１１２、回転モータ１２３、Ｘ軸アクチュエータ１３３、および回転モータ１３５を制御する。制御装置１５０は、プロセッサ１５１、メインメモリ１５３、ストレージ１５５、インタフェース１５７を備える。プロセッサ１５１は、プログラムをストレージ１５５から読み出してメインメモリ１５３に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ１５１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ１５３に確保する。
プログラムは、制御装置１５０に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ１５５に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置１５０は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ１５１によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
図３は、第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１５０は、Ｙ軸アクチュエータ１１２、回転モータ１２３、Ｘ軸アクチュエータ１３３、および回転モータ１３５を制御する。制御装置１５０は、プロセッサ１５１、メインメモリ１５３、ストレージ１５５、インタフェース１５７を備える。プロセッサ１５１は、プログラムをストレージ１５５から読み出してメインメモリ１５３に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ１５１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ１５３に確保する。
プログラムは、制御装置１５０に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ１５５に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置１５０は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ１５１によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
【0018】
ストレージ１５５の例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ１５５は、制御装置１５０のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース１５７または通信回線を介して制御装置１５０に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によって制御装置１５０に配信される場合、配信を受けた制御装置１５０が当該プログラムをメインメモリ１５３に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ１５５は、一時的でない有形の記憶媒体である。
【0019】
プロセッサ１５１は、プログラムの実行により、計測値取得部５１１、目標切込量特定部５１２、誤差算出部５１３、目標状態量算出部５１４、指令値算出部５１５、指令出力部５１６、計測位置補償部５１７、推定モデル５１８、寸法推定部５１９、表示制御部５２０として機能する。
【0020】
計測値取得部５１１は、主軸センサ１２４、変位センサ１３４、および定寸ゲージ１４０から計測値を取得する。つまり、計測値取得部５１１は、砥石１３１のＸ軸方向の変位の計測値Ｌ、主軸の回転角の計測値θ、およびワークＷの寸法の計測値ｘを取得する。
【0021】
目標切込量特定部５１２は、計測値取得部５１１が取得した砥石１３１のＸ軸方向の変位の計測値Ｌ、主軸の回転角の計測値θ、およびワークＷの目標形状に基づいて、砥石１３１の目標切込量ｘｒを特定する。ここで、図２を参照しながら、目標切込量特定部５１２による具体的な目標切込量ｘｒの特定方法を説明する。まず目標切込量特定部５１２は、計測値取得部５１１が取得した主軸の回転角の計測値θとワークＷの目標形状とから、砥石１３１と対向する目標形状に係るクランクピンＷ２の中心軸の位置Ｏを特定する。次に、目標切込量特定部５１２は、砥石１３１の半径Ｒ、主軸からクランクピンＷ２の中心軸までの距離Ｅ、Ｘ軸の変位の計測値Ｌ、主軸の回転角の計測値θ、およびワークＷの目標半径ｒ０に基づいて、ワークＷの直径方向の目標切込量ｘｒを算出する。具体的には、以下の式（１）に基づいてワークＷの半径ｒを算出する。そして、目標切込量特定部５１２は、ワークＷの半径ｒから目標形状に係る半径ｒ０を減算した値を２倍することで、ワークＷの直径当たりの目標切込量ｘｒを算出する。目標切込量特定部５１２は、特定した目標切込量ｘｒを、図２に示すクランクピンＷ２と砥石１３１の当たり点のピン角度Ψに関連付けてメインメモリ１５３に記録する。
【0022】
【数1】
【0023】
誤差算出部５１３は、計測値に基づいて求められたワークＷの半径ｒ、変位指令値Ｌｒｅｆ、角度指令値θｒｅｆおよびワークＷの目標形状に基づいて、Ｘ軸アクチュエータ１３３および回転モータ１２３の制御誤差によって生じるワークＷの直径当たりの輪郭誤差を算出する。変位指令値Ｌｒｅｆは、Ｘ軸アクチュエータ１３３の変位の目標値、角度指令値θｒｅｆは、主軸の回転角の目標値である。具体的には、誤差算出部５１３は、以下の式（２）に基づいて、ワークＷの直径当たりの輪郭誤差Δｒを算出する。誤差算出部５１３は、特定した輪郭誤差Δｒを、当たり点のピン角度Ψに関連付けてメインメモリ１５３に記録する。
【0024】
【数2】
【0025】
目標状態量算出部５１４は、Ｘ軸アクチュエータ１３３の変位の目標値に基づいて砥石１３１の変位に係る状態量の目標値を算出する。具体的には、目標状態量算出部５１４は、砥石１３１のＸ軸方向の目標速度、目標加速度、および目標ジャークの値を算出する。
【0026】
指令値算出部５１５は、砥石１３１の状態量の目標値に基づいてＸ軸アクチュエータ１３３の電流指令値を算出する。具体的には、指令値算出部５１５は、砥石１３１の状態量の目標値を当該目標値を達成するための電流値に変換することで、電流指令値を算出する。
【0027】
指令出力部５１６は、指令値算出部５１５が算出した電流指令値をＸ軸アクチュエータ１３３に出力する。また指令出力部５１６は、所定の回転数で主軸を回転させるための電流指令値を、回転モータ１２３に出力する。
【0028】
計測位置補償部５１７は、目標切込量ｘｒおよび輪郭誤差Δｒについて、クランクピンＷ２における砥石１３１の当たり点と定寸ゲージ１４０の当たり点との位相差を補償する。つまり、計測位置補償部５１７は、クランクピンＷ２のうち定寸ゲージ１４０によって計測された点に対応した、研削された時点の砥石１３１の目標切込量ｘｒ（Ψ～）および輪郭誤差Δｒ（Ψ～）を特定する。
具体的には、計測位置補償部５１７は、メインメモリ１５３に記録された、クランクピンＷ２と砥石１３１の当たり点のピン角度Ψの中から、定寸ゲージ１４０が当たる角度Ψ～に最も近い角度を示すものを特定する。計測位置補償部５１７は、特定した角度に係る定寸ゲージ１４０が当たる角度Ψ～に関連付けられた、砥石１３１の目標切込量ｘｒ（Ψ～）、および輪郭誤差Δｒ（Ψ～）を特定する。
具体的には、計測位置補償部５１７は、メインメモリ１５３に記録された、クランクピンＷ２と砥石１３１の当たり点のピン角度Ψの中から、定寸ゲージ１４０が当たる角度Ψ～に最も近い角度を示すものを特定する。計測位置補償部５１７は、特定した角度に係る定寸ゲージ１４０が当たる角度Ψ～に関連付けられた、砥石１３１の目標切込量ｘｒ（Ψ～）、および輪郭誤差Δｒ（Ψ～）を特定する。
【0029】
推定モデル５１８は、ワークＷの寸法の計測値ｘ、砥石１３１の目標切込量ｘｒ、および制御誤差によって生じるワークＷの輪郭誤差Δｒを入力することで、ワーク撓み、計測外乱、および制御誤差などの影響を考慮したワークＷの寸法の推定値を出力するモデルである。ワーク撓み、計測外乱、および制御誤差は、ワークＷの寸法の計測値に乗る雑音の一例である。推定モデル５１８は、ワーク撓み、計測外乱、およびクランクピンＷ２と砥石１３１との位置関係に鑑みた数理モデルに基づいたカルマンフィルタによって構成される。
【0030】
ここで、推定モデル５１８の設計思想について説明する。
砥石１３１によるワークＷの実際の切込量は、撓みによるワークＷの変位量を考慮すると、目標切込量ｘｒを入力、ワークＷの実寸法に係る説明変数ｚを状態、およびＴ、Ｍを動特性パラメータとした状態方程式によって表すことができる。また、ワークＷの寸法の計測値ｘは、ワークＷの実寸法に係る説明変数ｚを状態、Ｎを動特性パラメータとした出力方程式によって表すことができる。なお、動特性パラメータＴ、ＭおよびＮは、スカラーまたは行列である。
つまり、砥石１３１によるワークＷの実際の切込量は、以下の式（３）によって表される。また、寸法の計測値ｘは、以下の式（４）によって表される。
式（３）は、クランクピンＷ２における砥石１３１の当たり点での状態方程式である。式（３）を、定寸ゲージ１４０の当たり点での状態方程式に変換するには、クランクピンＷ２における砥石１３１の当たり点と定寸ゲージ１４０の当たり点との位相差を時変むだ時間として表現すればよい。つまり，砥石１３１との当たり点で研削された部分は、ある時間（時変むだ時間）を経て定寸ゲージ１４０との当たり点で計測される。具体的には、式（３）の目標切込量ｘｒに計測位置補償部５１７で特定したｘｒ（Ψ～）を代入すればよい。
砥石１３１によるワークＷの実際の切込量は、撓みによるワークＷの変位量を考慮すると、目標切込量ｘｒを入力、ワークＷの実寸法に係る説明変数ｚを状態、およびＴ、Ｍを動特性パラメータとした状態方程式によって表すことができる。また、ワークＷの寸法の計測値ｘは、ワークＷの実寸法に係る説明変数ｚを状態、Ｎを動特性パラメータとした出力方程式によって表すことができる。なお、動特性パラメータＴ、ＭおよびＮは、スカラーまたは行列である。
つまり、砥石１３１によるワークＷの実際の切込量は、以下の式（３）によって表される。また、寸法の計測値ｘは、以下の式（４）によって表される。
式（３）は、クランクピンＷ２における砥石１３１の当たり点での状態方程式である。式（３）を、定寸ゲージ１４０の当たり点での状態方程式に変換するには、クランクピンＷ２における砥石１３１の当たり点と定寸ゲージ１４０の当たり点との位相差を時変むだ時間として表現すればよい。つまり，砥石１３１との当たり点で研削された部分は、ある時間（時変むだ時間）を経て定寸ゲージ１４０との当たり点で計測される。具体的には、式（３）の目標切込量ｘｒに計測位置補償部５１７で特定したｘｒ（Ψ～）を代入すればよい。
【0031】
【数3】
【数4】
【0032】
ここで、計測外乱ηｄ（θ）およびワークＷの輪郭誤差Δｒ（Ψ～）を鑑みると、寸法の計測値ｘは、以下の式（５）のように表すことができる。
【0033】
【数5】
【0034】
ここで、ワークＷの実寸法に係る状態ｚと計測外乱ηｄ（θ）を統合した新たな状態ｚθを構成する。具体的には、式（５）は、式（６）として表すことができる。
【0035】
【数6】
【0036】
ここで、式（３）におけるワークＷの実寸法に係る状態ｚを、ワークＷの実寸法に係る状態ｚと計測外乱ηｄ（θ）の状態ｚθとして扱うことで、式（３）を、式（７）として表すことができる。ただし、式（７）は、簡単のため計測外乱ηｄ（θ）が一定値外乱であると仮定した式である。研削中は砥石１３１の移動やクーラントによる計測外乱が大きいため、実際には、これらの外乱をモデル化して式（７）に組み込むとよい。
【0037】
【数7】
【0038】
上記の式（６）および式（７）に基づいてカルマンフィルタを構成することで、以下の式（８）に示す推定モデル５１８を設計することができる。
【0039】
【数8】
【0040】
すなわち、推定モデル５１８は、寸法と計測外乱に係る状態の推定値ｚθ＾、寸法の計測値ｘ、輪郭誤差Δｒ（Ψ～）、および目標切込量ｘｒ（Ψ～）を変数に持つ時間発展モデルのカルマンフィルタである。
【0041】
寸法推定部５１９は、計測値取得部５１１が取得した寸法の計測値ｘ、目標切込量特定部５１２が特定した目標切込量ｘｒ（Ψ～）、および誤差算出部５１３が算出した輪郭誤差Δｒ（Ψ～）を推定モデル５１８に入力することで、砥石による研削の様々な影響を除去したワークＷの寸法の推定値を得る。ここで、目標切込量ｘｒ（Ψ～）と輪郭誤差Δｒ（Ψ～）は、計測位置補償部５１７により特定した値を用いることで、クランクピンＷ２における砥石１３１の当たり点と定寸ゲージ１４０の当たり点との位相差を補償した寸法推定が可能となる。
【0042】
表示制御部５２０は、寸法推定部５１９が推定した寸法の推定値に基づいて、ワークＷの真円度を表す画面の表示信号を表示装置１６０に出力する。
【0043】
《制御装置の動作》
図４は、第１の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。
研削盤１００がワークＷの加工を開始すると、計測値取得部５１１は、主軸センサ１２４から主軸の回転角の計測値を、変位センサ１３４から砥石１３１のＸ軸方向の変位の計測値を、定寸ゲージ１４０からワークＷの寸法の計測値をそれぞれ取得する（ステップＳ１）。目標切込量特定部５１２は、ステップＳ１で取得した主軸の回転角の計測値および砥石１３１のＸ軸方向の変位の計測値と上述の式（１）とに基づいて、ワークＷの半径を算出する（ステップＳ２）。また目標切込量特定部５１２は、算出したワークＷの半径とワークＷの目標形状とに基づいて、ワークＷの直径当たりの目標切込量を特定する（ステップＳ３）。目標切込量特定部５１２は、図２に示すクランクピンＷ２と砥石１３１の当たり点のピン角度Ψに関連付けて、特定した目標切込量をメインメモリ１５３に記録する。
図４は、第１の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。
研削盤１００がワークＷの加工を開始すると、計測値取得部５１１は、主軸センサ１２４から主軸の回転角の計測値を、変位センサ１３４から砥石１３１のＸ軸方向の変位の計測値を、定寸ゲージ１４０からワークＷの寸法の計測値をそれぞれ取得する（ステップＳ１）。目標切込量特定部５１２は、ステップＳ１で取得した主軸の回転角の計測値および砥石１３１のＸ軸方向の変位の計測値と上述の式（１）とに基づいて、ワークＷの半径を算出する（ステップＳ２）。また目標切込量特定部５１２は、算出したワークＷの半径とワークＷの目標形状とに基づいて、ワークＷの直径当たりの目標切込量を特定する（ステップＳ３）。目標切込量特定部５１２は、図２に示すクランクピンＷ２と砥石１３１の当たり点のピン角度Ψに関連付けて、特定した目標切込量をメインメモリ１５３に記録する。
【0044】
誤差算出部５１３は、ステップＳ２で特定したワークＷの半径、主軸の角度指令値、砥石１３１のＸ軸方向の変位指令値、およびワークＷの目標形状と、上述の式（２）とに基づいて、ワークＷの直径当たりの輪郭誤差を算出する（ステップＳ４）。誤差算出部５１３は、図２に示すクランクピンＷ２と砥石１３１の当たり点のピン角度Ψに関連付けて、算出した輪郭誤差Δｒをメインメモリ１５３に記録する。
【0045】
目標状態量算出部５１４は、Ｘ軸アクチュエータ１３３の変位の目標値に基づいて砥石１３１の変位に係る状態量の目標値を算出する（ステップＳ５）。指令値算出部５１５は、ステップＳ５で算出した状態量の目標値に基づいてＸ軸アクチュエータ１３３の電流指令値を算出する（ステップＳ６）。指令出力部５１６は、ステップＳ６で算出した電流指令値をＸ軸アクチュエータ１３３に出力する。また指令出力部５１６は、所定の回転数で主軸を回転させるための電流指令値を、回転モータ１２３に出力する（ステップＳ７）。
【0046】
計測位置補償部５１７は、メインメモリ１５３に記録された、クランクピンＷ２と砥石１３１の当たり点のピン角度Ψの中から、定寸ゲージ１４０が当たる角度Ψ～に最も近いものを特定する（ステップＳ８）。計測位置補償部５１７は、ステップＳ８で特定した角度に係る定寸ゲージ１４０が当たる角度Ψ～に関連付けられた、砥石１３１の目標切込量、および輪郭誤差を特定する（ステップＳ９）。すなわち、計測位置補償部５１７は、クランクピンＷ２における砥石１３１の当たり点と定寸ゲージ１４０の当たり点との位相差を補償したワークＷの直径当たりの目標切込量、および輪郭誤差を特定する。寸法推定部５１９は、ステップＳ１で取得した寸法の計測値、ならびにステップＳ９で特定した輪郭誤差および目標切込量を、推定モデル５１８に入力することで、ワークＷの寸法の推定値を得る（ステップＳ１０）。
【0047】
表示制御部５２０は、寸法推定部５１９が推定した寸法の推定値に基づいて、ワークＷの真円度を表す画面を更新し、当該画面の表示信号を表示装置１６０に出力する（ステップＳ１１）。
【0048】
制御装置１５０は、ワークＷの加工が終了したか否かを判定する（ステップＳ１２）。加工が終了していない場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、ステップＳ１に処理を戻し、加工制御を継続する。他方、加工が終了した場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、制御装置１５０は加工制御を終了する。
【0049】
《作用・効果》
第１の実施形態に係る制御装置１５０は、定寸ゲージ１４０による寸法の計測値と、砥石１３１の目標切込量とを、推定モデルに入力することで、ワークＷの寸法の推定値を得る。このように、制御装置１５０は、定寸ゲージ１４０による寸法の計測値、砥石１３１の目標切込量、およびモデルに基づいてワークＷの寸法を推定することで、ワークＷの撓みなどの砥石１３１による研削の影響や計測外乱を除去してワークＷの寸法を推定することができる。
図５は、第１の実施形態に係る制御装置による真円度の計測結果の例を示す図である。図５に示すように、制御装置１５０が図４に示す方法でリアルタイムに計測した真円度は、後工程において計測された真円度と同程度の精度が得られることがわかる。これに対して、定寸ゲージ１４０による寸法の計測値そのもの（定寸ゲージによるリアルタイム測定値）は、後工程において計測された真円度に対して大きく誤差を有する。このことから、第１の実施形態によれば、砥石１３１による研削の影響や計測外乱を除去してワークＷの寸法を推定することができることがわかる。
第１の実施形態に係る制御装置１５０は、定寸ゲージ１４０による寸法の計測値と、砥石１３１の目標切込量とを、推定モデルに入力することで、ワークＷの寸法の推定値を得る。このように、制御装置１５０は、定寸ゲージ１４０による寸法の計測値、砥石１３１の目標切込量、およびモデルに基づいてワークＷの寸法を推定することで、ワークＷの撓みなどの砥石１３１による研削の影響や計測外乱を除去してワークＷの寸法を推定することができる。
図５は、第１の実施形態に係る制御装置による真円度の計測結果の例を示す図である。図５に示すように、制御装置１５０が図４に示す方法でリアルタイムに計測した真円度は、後工程において計測された真円度と同程度の精度が得られることがわかる。これに対して、定寸ゲージ１４０による寸法の計測値そのもの（定寸ゲージによるリアルタイム測定値）は、後工程において計測された真円度に対して大きく誤差を有する。このことから、第１の実施形態によれば、砥石１３１による研削の影響や計測外乱を除去してワークＷの寸法を推定することができることがわかる。
【0050】
また、第１の実施形態に係る制御装置１５０は、変位センサ１３４による変位の計測値と回転角センサ１３６による回転モータ１２３の回転角の計測値とに基づいて、Ｘ軸アクチュエータ１３３および回転モータ１２３の制御誤差によって生じるワークＷの輪郭誤差を算出し、当該輪郭誤差に基づいてワークＷの寸法の推定値を補正する。これにより、制御装置１５０は、Ｘ軸アクチュエータ１３３および回転モータ１２３の制御誤差の影響を考慮してワークＷの寸法を推定することができる。なお、他の実施形態においては、制御装置１５０は、Ｘ軸アクチュエータ１３３および回転モータ１２３の制御誤差を加味せずにワークＷの寸法を推定してもよい。
【0051】
また、第１の実施形態に係る制御装置１５０は、砥石１３１が当たる位置から定寸ゲージ１４０が当たる位置までワークＷが移動するむだ時間を補償した輪郭誤差および目標切込量を推定モデルに入力する。これにより、砥石１３１による研削点と定寸ゲージ１４０による計測点とが異なる場合にも、適切にワークＷの寸法を推定することができる。
【0052】
なお、第１の実施形態に係る制御装置１５０に係る推定モデルは、寸法の計測値を変数に持つ観測モデルと、寸法の推定値と目標切込量とを変数に持つ時間発展モデルとを有するカルマンフィルタである。他方、他の実施形態においては、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る推定モデルは、寸法の計測値および目標切込量の入力により、ワークＷの寸法を出力するように訓練された学習済みモデルであってもよい。学習済みモデルは、例えばニューラルネットワークによって構成されてよい。
【0053】
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第１の実施形態においては、研削盤１００の制御装置１５０が真円度を計測するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、定寸ゲージ１４０を備え、真円度の表示機能を有する寸法推定装置を既存の研削盤１００に取り付けてもよい。この場合、寸法推定装置は、第１の実施形態に係る制御装置１５０の目標状態量算出部５１４、指令値算出部５１５、および指令出力部５１６の構成を有しなくてよい。また他の実施形態において、定寸ゲージ１４０を備える研削盤１００に、第１の実施形態に係る寸法推定機能を実現するためのプログラムをインストールしたＰＣを接続し、当該ＰＣによってワークＷの真円度を推定してもよい。
例えば、第１の実施形態においては、研削盤１００の制御装置１５０が真円度を計測するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、定寸ゲージ１４０を備え、真円度の表示機能を有する寸法推定装置を既存の研削盤１００に取り付けてもよい。この場合、寸法推定装置は、第１の実施形態に係る制御装置１５０の目標状態量算出部５１４、指令値算出部５１５、および指令出力部５１６の構成を有しなくてよい。また他の実施形態において、定寸ゲージ１４０を備える研削盤１００に、第１の実施形態に係る寸法推定機能を実現するためのプログラムをインストールしたＰＣを接続し、当該ＰＣによってワークＷの真円度を推定してもよい。
【0054】
また、第１の実施形態に係る定寸ゲージ１４０は、馬乗りゲージであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る定寸ゲージ１４０は、ワークＷを両側から挟み込むことで直径を計測するものなど、三点計測以外の方式に係る定寸ゲージ１４０であってもよい。
【0055】
また、第１の実施形態に係る研削盤１００は、ワークＷからクランクシャフトを切り出すが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る研削盤１００は、ワークＷから円筒状の軸など、断面円形状の他の物体を切り出すものであってもよい。
【0056】
また、第１の実施形態に係る制御装置１５０の推定モデルは、ワークＷの寸法に影響を与える研削抵抗やびびりを変数に含むものであってよい。この場合、計測値取得部５１１は、主軸の回転角の計測値、砥石１３１のＸ軸方向の変位の計測値、ワークＷの寸法の計測値以外に、砥石の回転モータ１３５のトルクおよび回転角の計測値、Ｘ軸アクチュエータ１３３の推力なども取得する。
【0057】
例えば、第１の実施形態に係る制御装置１５０は、研削盤１００を制御するものであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１５０は、砥石１３１以外の工具を用いた産業機械を制御するものであってよい。また、他の実施形態においては、制御装置１５０に代えて、外付けの計測機器がワークＷの真円度を推定してもよい。
【符号の説明】
【0058】
１００…研削盤 １１０…基台 １１１…Ｙ軸ガイド部 １１２…Ｙ軸アクチュエータ １２０…支持装置 １２１…主軸台 １２２…芯押し台 １２３…回転モータ １２４…主軸センサ １３０…砥石台 １３１…砥石 １３２…Ｘ軸ガイド部 １３３…Ｘ軸アクチュエータ １３４…変位センサ １３５…回転モータ １３６…回転角センサ １４０…定寸ゲージ １４１…ゲージ本体 第１１４２…アーム 第２１４３…アーム １４４…スタンド １５０…制御装置 １５１…プロセッサ １５３…メインメモリ １５５…ストレージ １５７…インタフェース １６０…表示装置 ５１１…計測値取得部 ５１２…目標切込量特定部 ５１３…誤差算出部 ５１４…目標状態量算出部 ５１５…指令値算出部 ５１６…指令出力部 ５１７…計測位置補償部 ５１８…推定モデル ５１９…寸法推定部 ５２０…表示制御部 Ｗ…ワーク Ｗ１…クランクジャーナル Ｗ２…クランクピン Ｗ３…クランクアーム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】