特許 7362468 加工面形状予測装置、及びその方法

(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】2023-10-06

(45)【発行日】2023-10-17

(54)【発明の名称】加工面形状予測装置、及びその方法

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/18 20060101AFI20231010BHJP

   B23Q 17/09 20060101ALI20231010BHJP

【ＦＩ】

G05B19/18 W

B23Q17/09 H

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019230348

(22)【出願日】2019-12-20

(65)【公開番号】P2021099590

(43)【公開日】2021-07-01

【審査請求日】2022-04-20

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】佐野 靖

(72)【発明者】

【氏名】岡田 真

(72)【発明者】

【氏名】大内 尚

【審査官】中川 康文

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２０９４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９２８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５４２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１６１９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２５４４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０６１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２３７８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０６９５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１４４６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３００１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公平０７－０４１４４２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】実開平０３－０４７７４６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２５４４９６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５８７１３９１（ＵＳ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１４５２７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００３／０１７０１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１０－０１３３６８６（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｑ １５／００－１５／２８

Ｂ２３Ｑ １７／００－２３／００

Ｇ０５Ｂ １９／１８－１９／４１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工中の加工機における工具の位置座標値を取得する座標値取得部と、
加工中に前記加工機の駆動軸における加工負荷を取得する加工負荷取得部と、
前記工具の体積を計測する工具体積計測器と、
前記工具の刃の枚数と前記工具の体積を基に、工具断面形状を簡易断面形状に変換した模擬体の構造解析情報を格納したＤＢと、
前記工具の刃数と材料特性に対応する模擬体の刃長と断面二次モーメントを含む構造解析情報を前記ＤＢから受け取り、前記加工負荷により前記工具が変形するたわみ量を算出し、前記たわみ量と前記位置座標値から加工面形状を予測する予測処理部とを有する加工面形状予測装置。

【請求項2】

請求項１に記載の加工面形状予測装置において、
前記座標値取得部は、前記加工機の制御盤に保持された座標値を取得する加工面形状予測装置。

【請求項3】

請求項１に記載の加工面形状予測装置において、
前記座標値取得部は、基準点から前記工具の変位量を計測する計測部を有し、
前記計測部からの前記位置座標値を取得する加工面形状予測装置。

【請求項4】

請求項１に記載の加工面形状予測装置において、
前記加工負荷取得部は、ひずみゲージ式、もしくは水晶圧電式の切削動力計からの切削動力を取得する加工面形状予測装置。

【請求項5】

請求項１に記載の加工面形状予測装置において、
前記加工負荷取得部は、
前記駆動軸におけるモータと、前記モータのインバータとの間の配線にプローブを設置して、検出した電流値もしくは電力値を取得する加工面形状予測装置。

【請求項6】

請求項１に記載の加工面形状予測装置において、
前記工具に送り運動を与える送り軸を、前記駆動軸とした加工面形状予測装置。

【請求項7】

請求項１に記載の加工面形状予測装置において、
前記ＤＢは前記工具の刃数が３以上の場合は、丸棒形状の模擬体の構造解析情報を格納し、前記工具の刃数が２以下の場合は直方体の模擬体の構造解析情報を格納する加工面形状予測装置。

【請求項8】

座標値取得部が加工中の加工機における工具の位置座標値を取得し、
加工負荷取得部が加工中に前記加工機の駆動軸における加工負荷を取得し、
工具体積計測器が前記工具の体積を計測し、
ＤＢが前記工具の刃の枚数と前記工具の体積を基に、工具断面形状を簡易断面形状に変換した模擬体の構造解析情報を格納し、
予測処理部が前記工具の刃数と材料特性に対応する模擬体の刃長と断面二次モーメントを含む構造解析情報を前記ＤＢから受け取り、前記加工負荷により前記工具が変形するたわみ量を算出し、前記たわみ量と前記位置座標値から加工面形状を予測する加工面形状予測方法。

【請求項9】

請求項８に記載の加工面形状予測方法において、
前記ＤＢは前記工具の刃数が３以上の場合は、丸棒形状の模擬体の構造解析情報を格納し、前記工具の刃数が２以下の場合は直方体の模擬体の構造解析情報を格納する加工面形状予測方法。

【請求項10】

請求項８に記載の加工面形状予測方法において、
前記加工負荷は、前記駆動軸にかかる切削動力である加工面形状予測方法。

【請求項11】

請求項８に記載の加工面形状予測方法において、
前記加工負荷は、前記駆動軸のモータ電流、もしくはモータ電力から求める加工面形状予測方法。

【請求項12】

請求項８に記載の加工面形状予測方法を、コンピュータに実行させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加工により成形される加工面の形状予測装置及びその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

切削工具を用いて形状加工を行う技術として特許文献１が知られている。特許文献１には「送り軸位置情報を含む各ブロックデータ毎に、工具と被加工物との接触点における加工面の法線ベクトルを示す法線ベクトル情報を記述されたＮＣプログラムを用い、ＮＣプログラムを各ブロックデータ毎に、解析し、解析した各ブロックデータ毎に、前記加工面の法線ベクトルに応じた工具のたわみ補正量を算出し、算出された工具たわみ補正量に応じて送り軸位置を補正し、補正された送り軸位置に従って形状加工を行う」ことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－１４４６２０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

切削加工後の加工面の形状評価は、接触式検査プローブや、光学観察による計測が用いられている。加工面で計測されるべき形状とは、例えば直角度や面粗さである。この計測された結果が設計段階で規定した範囲内であるかを評価して良否の判断を行っている。

【0005】

切削加工の高精度・微細化や、被加工物の形状複雑化が進むにつれ、被加工物の形状計測は困難となっている。例えば、例えば直径１ｍｍ以下で、且つ深さ２０ｍｍ程度の穴を加工した場合、加工面の形状を計測しようとしても、接触式検査プローブが挿入できない、光学観察用計測器の光学深度の限界で観察できないなどがあり、計測は困難であった。

【0006】

また、大型の加工部品では、長大な加工面の品質を検査する必要があるが、専用の計測機器は無いために、生産現場などでは、従来の計測手段を工夫して計測を実施している。専用計器でないために、多数箇所を測定しなければならない等、検査に多く時間を費やされている。多数箇所を計測しても、その結果によって加工面形状を把握することは困難であった。

【0007】

特許文献１は、加工箇所毎の加工面から工具に向かって放たれるベクトル、即ち法線ベクトルの大きさや方向を予め演算して、工具変形量、即ち補正量として、ＮＣプログラムに反映させることで加工面形状の高精度化を図っている。

【0008】

特許文献１では、加工面の形状評価を行なった場合、工具軌跡と工具のたわみ量は考慮されるが、実際の加工時負荷によって工具の一部分が変形したことによる加工面形状の変化は考慮されないので高精度な加工面の形状予測は行なえない。また、法線ベクトルの値が固定値であり、加工中の加工負荷変動は加味されないため、加工面の高精度な形状は予測できない。

【0009】

本発明の目的は、検査困難な形状における加工面の形状を高精度に予測できる加工面形状予測装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の好ましい一例としては、加工中の加工機における工具の位置座標値を取得する座標値取得部と、加工中に前記加工機の駆動軸における加工負荷を取得する加工負荷取得部と、前記工具の体積を計測する工具体積計測器と、前記工具の刃の枚数と前記工具の体積を基に、工具断面形状を簡易断面形状に変換した模擬体の構造解析情報を格納したＤＢと、前記工具の刃数と材料特性に対応する模擬体の刃長と断面二次モーメントを含む構造解析情報を前記ＤＢから受け取り、前記加工負荷により前記工具が変形するたわみ量を算出し、前記たわみ量と前記位置座標値から加工面形状を予測する予測処理部とを有する加工面形状予測装置である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、検査困難な形状における加工面の形状を高精度に予測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例１における加工面形状予測装置の構成を示す図。

【図2】図１の切削加工部を説明する３次元図。

【図3】実施例１で用いたＮＣプログラムを示す図。

【図4】実施例１の処理手順を示すフローチャート。

【図5】図４の処理ステップ１７を詳細に示したフローチャート。

【図6】実施例１のＸ、Ｙ、Ｚ軸の切削動力の時間変化を示す図。

【図7】実施例１のＸ、Ｙ、Ｚ軸の実効座標値の変化を示す図。

【図8】工具体積計測器の構成を示す図。

【図9】実工具の静剛性比率と、工具の模擬体の静剛性比率を比較した図。

【図10】図９に直方体の模擬体についての静剛性比率を追加した図。

【図11】加工した後の被加工物形状の全体図と、加工面の形状予測の比較に用いた部分の拡大図。

【図12】切削加工した実加工面の形状と、予測した加工面形状と、設計形状のそれぞれを示した図。

【図13】実施例２における加工面形状予測装置の構成を示す図。

【図14】実施例２における検電プローブとクランプ式電流計の配置例を示す図。

【図15】クランプ式電流計で取得された切削加工時のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸におけるモータ電流の変化を示す図。

【図16】各軸モータ電流値と切削動力値の関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施例について図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0014】

図１は、実施例１における形状予測装置の構成を示す図である。加工機４の回転主軸の先端に工具２が取り付けられていて、この工具２により被加工物３を切り取り、設計された所望の形状に加工する。

【0015】

被加工物３（１５０ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍ、炭素鋼材）は、マシンバイス１１によって把持されている。マシンバイス１１は加工機４のＸ、Ｙ、Ｚ軸のそれぞれの方向にかかる力を計測することができる加工負荷計測器９の上に設置されている。

【0016】

加工負荷計測器９は切削加工中の加工機４の各駆動軸方向の力を計測する切削動力計を用いた。切削動力計は、加工中に各駆動軸方向にかかる力を水晶圧電素子にて電圧に変換して外部に出力している。

【0017】

切削動力計の電圧出力はデータ収集機７によってデジタル変換されて、コンピュータ６に格納される。加工負荷計測器９としては、ひずみゲージ式の切削動力計を用いてもよい。そのような切削動力計を用いることで加工機４における切削動力を正しく計測できる。ここでは加工負荷は駆動軸にかかる切削動力であり、工具２が受ける力である。

【0018】

また、加工機４の制御盤５に予め設置されている通信用コネクタに、通信用ケーブル１０の一方を接続して、もう一方をコンピュータ６の通信用コネクタに接続する。制御盤５はその機能として加工機４の各駆動軸における工具２の現在の位置座標値を保持し、その工具２の位置座標値を出力する機能によりコンピュータ６は、工具２の位置座標値を取り込む。

【0019】

工具２の体積を計測するため、加工機４に工具体積計測器８を設置する。工具体積計測器８の図１で図示しない液面センサの電圧出力をデータ収集機７でデジタル変換して、コンピュータ６に格納する。

【0020】

図１の破線の枠で示した枠の内部に設置されている、コンピュータ６、データ収集機７、工具体積計測器８、加工負荷計測器９の４つの部品から、加工面形状予測装置１は構成されている。

【0021】

次に、加工機４による切削加工について説明する。図２は、図１の切削加工部を詳細に説明する３次元図である。加工機４の回転主軸に取り付けられた工具２は主軸モータの回転により、所定回転数に向けて回転開始する。工具２として、工具直径１２ｍｍの超硬素材のスクエアエンドミルを用いた。主軸の回転方向１３は時計回りで、回転数は３１８５回転／分とした。回転開始時には工具２は加工機４に予め設定されている機械座標原点（Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｚ＝０）で待機している。

【0022】

工具２の回転数が予め定めておいた所定の回転数に達したところで、工具２の先端はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の連動により図２の「×」で示す開始座標１４（Ｘ＝１６５、Ｙ＝－５、Ｚ＝－１５）へ移動して待機する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は被加工物に送り運動を与えるための送り軸である。各軸の送り運動をさせるために各軸の駆動モータが配置される。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は工具２を移動させるモータの駆動軸でもある。

【0023】

開始座標１４の設定により、被加工物を加工する際のＹ軸方向切込み量と、Ｚ軸方向切込み量を設定する。本実施例ではＹ軸方向切込み量は１．０ｍｍ、Ｚ軸方向切込み量は１５ｍｍとした。

【0024】

その後、工具２の移動は、回転しながら工具送りの方向１２へ進行し、図２の「◎」で示す終点座標１５（Ｘ＝-１５、Ｙ＝－５、Ｚ＝－１５）まで移動するといった流れで行なわれる。本実施例では工具１回転あたりの送り量は０．０３ｍｍ／１回転とした。

【0025】

図３に示すようなＮＣプログラムを、加工機４の制御盤５に手動で入力、もしくは図示しない外部コンピュータで予め作成したＮＣプログラムを転送するなどして制御盤５に与えられる。制御盤５がＮＣプログラムに従ってプログラムの処理を実行することで加工機４の前記の一連の動作が制御される。

【0026】

次に図３のＮＣプログラムを説明する。まず１行目及び１０行目の％はＮＣプログラムのデータスタートとデータストップの位置を示しているものである。２行目のＯ１０００は本プログラム名を示している。

【0027】

３行目の＃１＝０．０３は加工条件である１回転あたりの送り量０．０３ｍｍ／１回転を変数＃１に代入している。

【0028】

４行目の＃２＝４は、使用する工具の刃数を変数＃２に代入している。＃２への入力値は、使用する工具に応じて適宜入力し直す。

【0029】

次の５行目の＃３＝＃１＊＃２＊３１８５は、工具の送り速度を変数＃３に計算して代入している。

【0030】

本実施例では＃３には変数＃１、＃２の値と回転数３１８５回転／分の値から、＃３＝３８２と計算代入される。６行目のＳ３１８５は回転主軸の回転数の指令値を示している。本実施例では３１８５回転／分であることを示している。

【0031】

次いで記載されているＭ０３は回転主軸の時計方向への回転開始指令である。７行目以降のＧ番号はそれぞれ、加工機４の準備・実動作指令を示している。Ｇ００は実際の加工は行なわず、指定の座標位置へ即座に移動するいわゆる位置決め動作である。Ｇ０１は直線動作で実際に加工する動作である。Ｇ９０は、設定されている座標原点を０とした座標値で軸移動を行なうアブソリュート指令の記述である。

【0032】

従って、７行目では、Ｘ方向１６５ｍｍ、Ｙ方向－５ｍｍ、Ｚ方向－１５ｍｍに位置決めされ、８行目では直線加工動作でＸ軸のマイナス方向に１６５ｍｍ移動する。８行目に記載されているＦ＃３は工具送り速度の指令であり、＃３には３８２が代入されているので、工具は３８２ｍｍ／ｍｉｎの速度で移動して、任意の形状を加工する。９行目のＭ０５は回転主軸の回転停止指令である。１０行目のＭ０２はＮＣプログラムの終了を示している。

【0033】

図４は、実施例１における加工面形状予測装置におけるコンピュータ６の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに従い順次説明する。本実施例では、図４、図５のフローチャートは、コンピュータ６が実行する処理である。コンピュータ６におけるＣＰＵなどのプロセッサーが、記録媒体に記録したプログラムを読み出して座標値取処理部、加工負荷取得部、予測処理部といった各処理部が下記に記載するような各ステップを実行する。そして、加工面形状を予測する処理が実現できる。

【0034】

処理ステップ１６では、利用者が加工に関する情報を入力し、コンピュータ６が入力された情報を設定および記憶媒体に記憶する。加工に関する情報とは、加工する際の加工方向、即ちアップカットか、ダウンカットか、工具２の刃長Ｌ、Ｚ軸方向の切込み量、工具２の工具半径、工具２の刃数、工具２の材料特性値（例えばヤング率、ポアソン比）などである。

【0035】

処理ステップ１７では、座標値取得部が、加工機４から工具２の位置座標値を取得する。また、加工負荷取得部が加工負荷を取得する。処理ステップ１７を詳細に示したフローチャートを図５に示す。

【0036】

図５のフローチャートを順次説明する。まず、処理ステップ２３では、加工機４から、加工時間、工具２の位置座標値、加工負荷である動力計のデータの取得を開始するデータ取得開始指令をコンピュータ６が受け取る。その後、コンピュータ６は、加工機４に対して処理ステップ２４において切削加工の開始指令を与えて、コンピュータ６は、工具２の位置座標値、加工負荷である動力計のデータ、加工時間の取得をする。

【0037】

切削加工が終えると、処理ステップ２５では切削完了の指令が加工機４からコンピュータ６に伝達される。切削完了の指令により、処理ステップ２６では、コンピュータ６の座標取得部が工具２の位置座標値の取得を完了し、加工負荷取得部が動力計のデータの取得を完了し、コンピュータ６は加工機４からの加工時間の取得を完了する。

【0038】

図６は、図１に示す加工負荷計測器９が図３のＮＣプログラムにて切削加工している際に取得されたＸ、Ｙ、Ｚ軸の切削動力の変化を示す図である。図６の上段、中断、下段とも横軸が時間で、縦軸が切削動力である。上段がＸ軸、中段がＹ軸、下段がＺ軸の切削動力の変化をそれぞれ示している。２０秒前後から３５秒前後の切削動力の振幅が大きくなっている部分が実際に切削加工を行なっている時の切削動力となっている。

【0039】

図７は、図１に示す加工機４の制御盤５の機能を利用してコンピュータ６が取得した位置決め移動と切削加工中のＸ、Ｙ、Ｚ軸の実効座標値を３次元の図にしたものである。各座標データ取得時の時間間隔は２．５ｍｓとした。このデータより、図３のＮＣプログラムにて指令された内容で動作しているかが確認でき、且つ、ＮＣプログラムで指定された座標間の詳細な実効座標値が取得できる。

【0040】

図３のＮＣプログラムの７行目と８行目には開始座標と終了座標のみしか記載されていないが、前記の座標取得方法を用いることで工具２の実効座標の取得が可能であり、工具２が被加工物３をどのような経路で材料を切り取って行ったかが分かるため、大まかな被加工物３の表面の形状予測が可能である。

【0041】

図４のフローチャートに戻り、説明を進める。図４の処理ステップ２０では、予測処理部が、工具の体積を取得、体積の記録を行う。工具の体積の計測器、及び計測方法について図８に示す。

【0042】

図８は、工具体積計測器８の構成を示す図である。工具体積計測器８は、工具体積計測用液体２７が注入された、Ｕ字管２８と、Ｕ字管２８の一方の開口部に取り付けられた液面センサ２９からなっている。工具体積計測器８の計測原理にはアルキメデス法を用いている。

【0043】

工具体積計測器８の測定手順は、まず、工具２を挿入しない状態の液面位置を液面センサ２９の出力電圧Ｕ０として記憶する。その後、工具２を加工機４のＺ軸動作により工具体積計測用液体２７に挿入する。工具２を工具体積計測用液体２７への挿入する際には、工具２の切削機能を有している部分、即ち刃部まで挿入する。

【0044】

工具２の挿入によって、工具体積計測用液体２７の液面の変化が生じ、液面センサ２９の出力電圧は電圧値Ｕ１に変化する。別途求めていた液面センサ２９の出力電圧と体積の関係式から、液面センサ２９の出力電圧Ｕ０の時の体積Ｖ０（図８に図示した初期体積）と、出力電圧Ｕ１の時の体積Ｖ１をそれぞれ求める。体積Ｖ１と初期体積Ｖ０の差分ΔＶを求め、これを工具２の実体積とする。

【0045】

図８における液面センサ２９は、超音波を発信し、液面で反射した超音波を受信し、発信から受信までの時間で測距する超音波式の液面センサを用いることが望ましい。また、工具体積計測用液体２７は、水、油などを用いることができる。本実施例では、加工機４の切削用クーラントを用いた。図８においてＵ字管２８は説明の都合上、光透過性のあるように記載しているが、光透過性のない材料を用いても良い。

【0046】

上記のように計測した工具２の実体積を基に、図４のフローチャートの処理ステップ２１で、予測処理部が、構造解析用の工具形状の簡易化を行う。ここで、工具形状は簡易化されて、丸棒形状になるものとする。本実施例では簡易化された物体と模擬体と呼ぶこととする。

【0047】

工具形状の簡易化は、以下の手順で実施する。まず、処理ステップ２０において計測された工具２の実体積を、処理ステップ１６において設定・記憶してある工具２の刃長Ｌで除して、平方根を求めることで模擬体の半径Ｒを求める。これらの算出結果より模擬体は、直径２×Ｒで、工具２の刃長Ｌに等しい長さを持つ丸棒形状と仮定する。

【0048】

図９は、横軸に工具２が工具形状を成している際のある工具Ａ１の静剛性を１とした場合の工具の静剛性比率を示しており、縦軸は工具Ａ１の模擬体の静剛性を１とした場合の模擬体の静剛性比率を示している。

【0049】

ここで、静剛性比率については、例えば基準となる刃数が刃数４で直径１０ｍｍの工具の静剛性Ａを基準に、刃数５で直径５ｍｍの工具Ａ１の静剛性Ｂから静剛性比率をＢ／Ａと決める。つまり、基準となる工具の静剛性に対し、刃数と直径を変えた他の工具の静剛性の比率で、その他の工具の静剛性比率を求めることになる。

【0050】

図９における「○」で示したマーカは、具直径、刃数の異なる３種類の工具の静剛性比率と、各々工具の工具体積を計測して、模擬体に簡易化した時の静剛性比率を示している。

【0051】

図９における相関係数は０．９９９と高く、工具体積から模擬体に簡易化する本実施例の手法は妥当である。

【0052】

工具２の刃数が３以上の工具の静剛性は、工具の半径方向のいかなる向きにおいても同一の数値示す、即ち等方性を示す。しかし、工具２の刃数が２以下の場合は、工具の半径方向において、静剛性が異なる、即ち異方性を示す。そのため、工具２に刃数２以下の工具を選んだ場合には、丸棒形状の模擬体に簡易化せず、高さが、工具２の刃長Ｌと等しい直方体に簡易化する。直方体の高さを除く、底面の縦、横の長さについては、以下の方法で算出する。

【0053】

まず、工具２の実体積を、処理ステップ１６では設定・記憶してある工具２の刃長Ｌで除して、面積Ａを得る。

【0054】

工具２の半径方向に仮想の線を結びそれをＸ軸とし、そのＸ軸に直交する軸をＹ軸と仮定する。発明者らの検討では、工具２の刃数２以下の場合、Ｘ軸方向の工具径を１０とすると、Ｙ軸方向の工具径はおおむね７となることが分かった。つまり、アスペクト比は０．７である。このアスペクト比０．７を維持して、面積Ａとなるような底面の縦、の長さを決定する。

【0055】

縦、横の長さ決定はソルバーを用いて求める。ソルバーでは、アスペクト比０．７を目標値として、工具２の最大径から逸脱しない範囲内で縦、横のそれぞれの解を得る。

【0056】

上記の方法で得た工具２の刃数が２以下の場合の、工具形状での静剛性比率と、直方体模擬体の静剛性比率を図９に追加すると、の通りとなる。図１０の「□」のマーカで示したものが工具２の刃数が２以下の場合の比較結果である。前述の図９の説明でも示した、相関係数０．９９９を示した近似直線上に工具２の刃数が２の場合のデータもプロットされ妥当であることが確認された。

【0057】

これらから、実施例１の加工面形状予測方法における、工具２の形状の簡易化は、工具２の刃数が３以上の場合には、丸棒形状の模擬体に、工具２の刃数が２以下の場合には直方体形状の模擬体に、それぞれ簡易化するアルゴリズムが、処理ステップ２１において実行される。

【0058】

加工機４においては、切削加工処理時に、複数の工具を用いるので、加工機４内部に保管されている工具毎に処理ステップ２０、処理ステップ２１が実施され、工具形状の模擬体の構造解析用の情報がＤＢ（データベース）２２に保存される。

【0059】

処理ステップ１７での加工負荷・座標値データ取得がなされた後、処理ステップ１６で、事前に設定された工具２の刃数、工具２の材料特性値を読み取り、これらの工具情報に応じた模擬体の情報をＤＢ２２に問合せ、ＤＢ２２はそれに応じて回答結果を処理ステップ１８に渡す。回答結果には、工具２の模擬体の刃長Ｌや、断面二次モーメントが含まれる。

【0060】

処理ステップ１８では、予測処理部が、上記の工具２の模擬体の刃長Ｌや、断面二次モーメント、工具２の材料特性値情報から、模擬体の構造計算をすることで工具２のたわみ量を計算する。たわみ量の計算は、自由端のはりのたわみ量の一般式（１）から算出する。

【0061】

【数1】

【0062】

式（１）において、σはたわみ量、Ｋはたわみの係数で１／３が定められている。次いで、Ｗははりの端部にかかる荷重、Ｌは本実施例では工具２の模擬体の刃長、Ｅは工具２のヤング率、Ｉは本実施例では工具２の模擬体の断面二次モーメントである。Ｗは、本実施例の場合、処理ステップ２３乃至処理ステップ２６で取得された切削動力が当てはまる。

【0063】

次に処理ステップ１９では、予測処理部が、処理ステップ２３乃至処理ステップ２６で得られた加工時間毎の切削動力を抽出して、その切削動力に応じた工具たわみ量を計算する。さらに、工具たわみ量を、加工時間毎の工具の実効座標値に加算する。そして、実効座標値と工具たわみ量との加算値を、加工時間毎に３次元空間上に展開する。その３次元空間に展開した値により加工面形状が予測される。

【0064】

前述の図３に示すＮＣプログラムを用い、工具２に工具直径１２ｍｍ、刃数４の超硬エンドミルを用いて、被加工物の側面加工を実施した結果を説明する。

【0065】

図１１は、加工した後の被加工物形状の全体図と、加工面の形状予測の比較に用いた部分の拡大図である。

【0066】

本実施例では、被加工物３の加工した加工面（図１１のａ－ａ’－ｂで図示）の中から、特に工具のたわみ影響を及ぼしやすいＹ軸方向の切削動力が１００Ｎであった座標における加工面の形状（断面）を取り出して比較した。

【0067】

図１２には、実加工面の形状と、本実施例の加工面形状予測装置で予測した加工面の形状と、ＮＣプログラムと工具の外形から想定される設計形状をそれぞれ示した図である。実加工面の形状は、本実施例では、非接触のレーザ変位計を用いて計測した。図１２中のａ－ａ’－ｂは、図１１のａ－ａ’－ｂに、対応する。

【0068】

図１２から分かるように、設計形状（図１２の点線で図示）に対して、加工負荷による工具のたわみがあるため、実加工面は図１２の右方向に形成されている。この実加工面に対して、本実施例の加工面形状予測方法、及び加工面形状予測装置により予測した結果を図１２に「〇」で示す。本実施例の加工面形状予測方法を用いて算出した加工面形状と、実加工形状は非常によく再現されていることが分かる。

【0069】

実施例１の加工面の形状予測装置を用いることで、実加工面の形状を予測することが可能となる。そのため、従来、計測困難であった複雑形状、微細形状などの加工面の形状を評価することが可能となる。

【実施例2】

【0070】

図１３は、実施例２における加工面形状予測装置の構成を示す図である。実施例２では、図１で示した加工負荷計測器９を被加工物用のテーブルに置き換えた。

【0071】

さらに、実施例２では、制御盤５に設置されている各軸モータのインバータ３０と、加工機４の各軸に配置されているモータ３１の間に、配線されているモータ配線３２の一部に図１４で示すようにクランプ式電流計３４の検電プローブ３３を設置する。クランプ式電流計３４は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸といった各駆動軸の方向に工具２もしくは被加工物３を移動させる動力を与える各駆動モータの負荷を計測するように加工面形状予測装置を構成した。

【0072】

クランプ式電流計としては、例えば、検電プローブ３３として直流から数十ｋＨｚの周波数帯域を持ち、各駆動軸で駆動するモータの定格電流を測定可能な入力電流範囲を持つものが接続されている。クランプ式電流計３４は検電プローブ３３で検出された電流値を表示し、且つコンピュータ６との通信によりデータを出力できる計測器を用いることができる。

【0073】

図１４は、実施例２における検電プローブとクランプ式電流計の配置例を示す図である。図１４では、加工機４と制御盤５の間に、検電プローブ３３とクランプ式電流計３４を設置している。この配置に限らず、各駆動軸で加工中に駆動するモータの電流を計測することができるのであれば、加工機４の中に検電プローブ３３とクランプ式電流計３４を設置してもよいし、制御盤５の中に検電プローブ３３とクランプ式電流計３４を設置してもよい。

【0074】

図１５は、クランプ式電流計で取得された切削加工時のＸ、Ｙ、Ｚ軸のモータ電流の変化を示す図である。

【0075】

図１６は、駆動軸におけるモータ電流値と切削動力値の関係を示す図である。図１６に示すとおり、モータ電流値と切削動力値は一次方程式で示される関係にあり、モータ電流に所定の係数を乗ずることで切削動力値に置き換えることができる。

【0076】

図１６は、ひとつの軸方向の移動を駆動するモータ電流値の例だけを示したが、Ｘ軸、Ｙ軸、もしくはＺ軸のいずれのモータ電流値と切削動力値との関係についても、同様な関係にある。

【0077】

各軸モータ電流を切削動力値に置き換えることで、実施例１で示した加工面の加工面形状予測装置と同じように、加工面の形状予測が可能となる。

【0078】

本実施例では、各軸モータ電流値について説明したが、モータ電流値にモータ印加電圧値を乗ずることで演算される各軸の電力値についても同様に用いることができる。本実施例では、駆動軸のモータ電流もしくは電力から切削動力値に相当する加工負荷を加工負荷部が取得できる。

【0079】

上記の実施例では、加工機の制御盤５が保有する加工機４の各駆動軸の現在座標値をコンピュータ６の座標値取得部が取得する例で説明してある。そのようにすることで、加工機４に備えられた機能をそのまま使って駆動軸における工具２の位置座標を取得することができ、他の装置を追加する必要がない。

【0080】

コンピュータ６が加工機４と通信できない場合もありえる。その場合は、加工機４とは別に、工具２の変位量を計測するセンサなどの計測部を設置し、例えば加工機４内の基準点に基づいて計測部が工具２の変位量を検出し、工具２の位置座標値をコンピュータ６の座標取得部が取得するようにしてもよい。

【0081】

以上、本発明者らによってなされた実施例を説明したが、上記の実施例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、上記の実施例は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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0082】

また、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。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

【符号の説明】

【0083】

１：加工面形状予測装置、２：工具、３：被加工物、４：加工機、５：制御盤、６：コンピュータ、７：データ収集機、８：工具体積計測器、９：加工負荷計測器

【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】

【図15】

【図16】