特許 7534386 判定システム

(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】2024-08-05

(45)【発行日】2024-08-14

(54)【発明の名称】判定システム

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/18 20060101AFI20240806BHJP

   G05B 19/4093 20060101ALI20240806BHJP

   B23Q 17/22 20060101ALI20240806BHJP

   B23Q 17/20 20060101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

G05B19/18 W

G05B19/4093 A

B23Q17/22 F

B23Q17/20 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022510630

(86)(22)【出願日】2021-03-24

(86)【国際出願番号】 JP2021012400

(87)【国際公開番号】W WO2021193768

(87)【国際公開日】2021-09-30

【審査請求日】2022-11-21

(31)【優先権主張番号】P 2020058165

(32)【優先日】2020-03-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】手塚 淳一

【審査官】中田 善邦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１８１０５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２０７２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１１８１７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－２２００９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５７８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０５６１１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０５７８４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ １９／１８，

Ｂ２３Ｑ １７／２０， １７／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作機械の駆動軸を駆動するモータの実際の位置を取得するモータ位置取得部と、
前記工作機械の駆動軸構成、工具形状及び未加工ワーク形状を含む機械情報を取得する機械情報取得部と、
前記モータの実際の位置及び前記機械情報に基づいて、加工されたワークの加工面の形状を算出するモータ位置加工面算出部と、
実際に加工されたワークの加工面の形状を取得する実加工面取得部と、
工作機械の駆動軸を駆動するモータの指令位置を取得する指令位置取得部と、
前記指令位置及び前記機械情報に基づいて、加工されたワークの加工面の形状を算出する指令加工面算出部と、
実際に加工されたワークに加工面不良又は形状誤差が確認されたときに、問題個所を判定する加工面分析部と、を備え、
前記加工面分析部は、前記モータ位置加工面算出部で算出された加工面の形状及び前記実加工面取得部で取得された加工面の形状の相関である第１の相関を比較し、前記第１の相関が相関有りと判定された場合には、前記指令加工面算出部で算出された加工面の形状及び前記モータ位置加工面算出部で算出された加工面の形状の相関である第２の相関を比較して問題個所を判定する、判定システム。

【請求項2】

ワークの加工プログラムを生成するプログラム生成部と、
前記加工プログラムに基づいて、ワークの加工面の形状を算出するプログラム加工面算出部と、をさらに備え、
前記加工面分析部は、前記第１の相関が相関有りと判定され、前記第２の相関が相関有りと判定された場合には、前記プログラム加工面算出部で算出された加工面の形状及び前記指令加工面算出部で算出された加工面の形状の相関である第３の相関を比較して問題個所を判定する請求項１に記載の判定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加工面不良や形状誤差などの要因の判定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械の各駆動軸を駆動するモータの位置制御の精度は、加工結果に大きな影響を与えることが知られている。そのため、例えば工作機械を用いて加工されたワークの加工面不良や形状誤差などについて、その要因を判別する技術が種々知られている（例えば、特許文献１～３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６３６６８７５号公報

【文献】特許第５１９７６４０号公報

【文献】特開２０１７－３００６６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、実際のモータの位置に基づいて算出された加工面形状と、加工されたワークの加工面を実際に測定して得た加工面形状とを直接比較する技術はこれまでのところなく、加工面不良や形状誤差の要因の特定に長時間を要しているのが現状である。

【0005】

そこで、実際のモータの位置に基づいて算出された加工面形状と、加工されたワークの加工面を実際に測定して得られた加工面形状とを比較して、加工面不良や形状誤差などの要因を短時間で判定できる技術の提供が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、工作機械の駆動軸を駆動するモータの実際の位置を取得するモータ位置取得部と、前記工作機械の駆動軸構成、工具形状及び未加工ワーク形状を含む機械情報を取得する機械情報取得部と、前記モータの実際の位置及び前記機械情報に基づいて、加工されたワークの加工面の形状を算出するモータ位置加工面算出部と、実際に加工されたワークの加工面の形状を取得する実加工面取得部と、前記モータ位置加工面算出部で算出された加工面の形状及び前記実加工面取得部で取得された加工面の形状の相関である第１の相関を比較する加工面分析部と、を備える判定システムである。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、実際のモータの位置に基づいて算出された加工面形状と、加工されたワークの加工面を実際に測定して得られた加工面形状の相関を直接比較して、加工面不良や形状誤差などの要因を短時間で判定できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る判定システムの構成を示す機能ブロック図である。

【図2】本実施形態に係る各形状Ａ～Ｄにおける基準面の算出方法を説明するための図である。

【図3】本実施形態に係る各形状Ａ～Ｄを同一の座標系に表すことを説明するための図である。

【図4】本実施形態に係る加工面不良や形状誤差の要因の分析方法を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

【0010】

図１は、本実施形態に係る判定システム１００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示されるように、判定システム１００は、プログラム生成部１と、数値制御装置２と、サーボ制御装置３と、モータ４と、工作機械５と、判定部６を備える。

【0011】

プログラム生成部１は、加工前後のワーク（未加工のワーク及び加工されたワーク）の形状データや、後述する機械情報等に基づいて、加工プログラムを生成する。形状データとしては、３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データ等が挙げられる。加工プログラムとしては、ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）で作成された加工プログラムが挙げられる。

【0012】

数値制御装置２は、加工プログラムに基づいてモータの指令位置を後述する指令位置取得部１１に指令を分配する。具体的には、数値制御装置２は、プログラム生成部１で生成された加工プログラムに基づいて、モータ４の位置指令を生成する。この位置指令により規定される位置は、モータ４の指令位置（以下、単に「指令位置」ともいう）を意味する。そして、数値制御装置２は、サーボ制御装置３に指令位置を分配する。指令を分配する制御としては、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御：Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）が挙げられる。また、数値制御装置２は、後述する工作機械５の駆動軸構成、工具形状及び未加工ワーク形状を含む機械情報を、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリに記憶している。

【0013】

サーボ制御装置３は、数値制御装置２からの位置指令（指令位置）と、モータ４に設けられたエンコーダによって検出された位置フィードバックとに基づいて、モータ４の駆動電流を制御する。

【0014】

モータ４は、工作機械５に設けられる。モータ４は、工作機械５における可動部、例えば工具の送り軸やワークの送り軸を駆動するモータを含む。モータ４には、モータ４の回転位置（回転角度）を検出するエンコーダ（不図示）が設けられる。エンコーダによって検出された回転位置は、モータ４の実位置を意味し、位置フィードバックとして利用される。ここで、モータ４の回転位置と工作機械５の可動部の位置とは対応関係にあるため、エンコーダによって検出された回転位置、即ち位置フィードバックは、工具の位置やワークの位置を示す。

【0015】

工作機械５は、例えばボールエンドミル等の工具を用いてワーク（加工対象物）の表面の切削加工を行う機械である。工作機械５の各駆動軸は、モータ４により駆動される。

【0016】

次に、本実施形態に係る判定部６について詳しく説明する。本実施形態に係る判定部６は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むコンピュータ等の演算処理装置によって構成される。図１では、判定部６を、数値制御装置２とは別個のコンピュータ等により構成した例を示したが、数値制御装置２と一体に構成されてもよい。

【0017】

図１に示されるように、本実施形態に係る判定部６は、位置情報取得部１０と、機械情報取得部１２と、指令加工面算出部１３と、モータ位置加工面算出部２２と、実加工面取得部２４と、プログラム加工面算出部２６と、加工面分析部５０と、を備える。

【0018】

位置情報取得部１０は、工作機械５の各駆動軸を駆動するモータ４の指令位置を取得する指令位置取得部１１と、工作機械５の各駆動軸を駆動するモータ４の実際の位置（以下、単に「実位置」ともいう）を取得するモータ位置取得部２１とを備える。具体的には、モータ４の指令位置は、数値制御装置２から取得される。また、モータ４の実位置は、サーボ制御装置３から取得される。

【0019】

機械情報取得部１２は、工作機械５の駆動軸構成、工具形状及び未加工ワーク形状を含む機械情報を取得する。具体的には、これら機械情報は、プログラム生成部１又は数値制御装置２から取得される。あるいは、これら機械情報は、ユーザが直接入力して設定することでも取得可能である。

【0020】

指令加工面算出部１３は、指令位置取得部１１で取得された指令位置と、機械情報取得部１２で取得された機械情報とに基づいて加工されたワークの加工面の形状を算出する。

【0021】

具体的には、指令加工面算出部１３は、指令位置及び工作機械５の各駆動軸の位置情報に基づいて工具経路を算出し、工具形状及び未加工ワーク形状に基づいて３次元的な加工面の形状をシミュレーションする。該シミュレーションの結果から、指令加工面算出部１３は、加工されたワークの加工面形状を取得する。

【0022】

モータ位置加工面算出部２２は、モータ位置取得部２１で取得された実位置と、機械情報取得部１２で取得された機械情報とに基づいて加工されたワークの加工面の形状を算出する。

【0023】

具体的には、モータ位置加工面算出部２２は、実位置及び工作機械５の各駆動軸の位置情報に基づいて工具経路を算出し、工具形状及び未加工ワーク形状に基づいて３次元的な加工面の形状をシミュレーションする。該シミュレーションの結果から、モータ位置加工面算出部２２は、加工されたワークの加工面形状を取得する。

【0024】

実加工面取得部２４は、プログラム生成部１で生成された加工プログラムに基づいて実際に加工されたワークの加工面形状を測定して取得する。測定機器としては、加工面形状を測定できるものであればよく、例えば、従来公知の表面粗さ計等を用いて測定された測定結果から、加工されたワークの加工面形状の取得が可能である。

【0025】

プログラム加工面算出部２６は、加工プログラムに基づいて、ワークの加工面の形状を算出する。本実施形態においては、プログラム加工面算出部２６、加工プログラム内におけるモータの位置と、機械情報取得部１２で取得された機械情報とに基づいて、加工されたワークの加工面の形状を算出する。

【0026】

より具体的には、プログラム加工面算出部２６は、加工プログラム内におけるモータの位置及び工作機械５の各駆動軸の位置情報に基づいて工具経路を算出し、工具形状及び未加工ワーク形状に基づいて３次元的な加工面の形状をシミュレーションする。該シミュレーションの結果から、プログラム加工面算出部２６は、加工されたワークの加工面形状を取得する。

【0027】

加工面分析部５０は、プログラム加工面算出部２６で算出された加工面の形状（以下、単に「形状Ａ」ともいう）及び指令加工面算出部１３で算出された加工面の形状（以下、単に「形状Ｂ」ともいう）の相関である第３の相関と、指令加工面算出部１３で算出された加工面の形状（形状Ｂ）及びモータ位置加工面算出部２２で算出された加工面の形状（以下、単に「形状Ｃ」ともいう）の相関である第２の相関と、モータ位置加工面算出部２２で算出された加工面の形状（形状Ｃ）及び実加工面取得部２４で取得された加工面の形状（以下、単に「形状Ｄ」ともいう）の相関である第１の相関と、を分析し、これにより、加工面不良や形状誤差などの要因を分析する。

【0028】

加工面分析部５０が、各形状Ａ～Ｄの相関を比較しやすくするために、各形状Ａ～Ｄを同一の座標系に表すことが好ましい。そこで、各形状Ａ～Ｄを同一の座標系に表す方法の一例について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、各形状Ａ～Ｄにおける基準面の算出方法を説明するための図である。図３は、各形状Ａ～Ｄを同一の座標系に表すことを説明するための図である。

【0029】

各形状Ａ～Ｄを同一の座標系に表すためには、各加工面形状の基準面を算出する必要がある。そのため、対象となる加工面上の点群から、基準面の方程式を算出する方法について説明する。先ず、加工面上の点Ｐｎ（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）、基準面ｄ＝ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺと定義したときに、加工面上の点Ｐｎから基準面ｄまでの距離ｌｎは、以下の式（１）で表される。

【0030】

【数1】

【0031】

各加工点からの距離の二乗の総和Ｌが最小となる平面を基準面とする。即ち、以下の式（２）で表されるＬが最小となるａ，ｂ，ｃ，ｄを求める。

【0032】

【数2】

【0033】

具体的には、行列Ａを以下の式（３）のように定義し、この行列Ａを特異値分解（ＳＶＤ）することにより、基準面を算出する。

【0034】

【数3】

【0035】

最小の特異値σに対応するベクトルｖが、求める基準面の法線ベクトルとなる。そのため、ｖ＝（ａ，ｂ，ｃ）が定まれば、以下の式（４）により基準面ｄを算出できる。

【0036】

【数4】

【0037】

以上、点群の座標値から基準面を算出する方法について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、理想とする加工面を外部から設定し、これを基準面としてもよい。

【0038】

次いで、上述のようにして基準面を算出した後、算出した基準面上に新たに座標系（Ｘ軸とＹ軸）を定める。また、加工点から基準面上に正射影した点（ｘ，ｙ）における凹凸情報ｚを表す関数を、以下の式（５）のように定義する。

【0039】

【数5】

【0040】

このようにして、形状Ａに関する凹凸情報を表す関数を
ｚ＝ｆ_Ａ（ｘ,ｙ）
と、形状Ｂに関する凹凸情報を表す関数を
ｚ＝ｆ_Ｂ（ｘ,ｙ）
と、形状Ｃに関する凹凸情報を表す関数を
ｚ＝ｆ_ｃ（ｘ,ｙ）
と、形状Ｄに関する凹凸情報を表す関数を
ｚ＝ｆ_Ｄ（ｘ,ｙ）
と、それぞれ定義することができる。

【0041】

加工面分析部５０は、形状Ａに関する凹凸情報を表す関数（ｚ＝ｆ_Ａ（ｘ,ｙ））と、形状Ｂに関する凹凸情報を表す関数（ｚ＝ｆ_Ｂ（ｘ,ｙ））の相関を算出することで、形状Ａと形状Ｂとの相関（第３の相関）を比較することができる。形状Ｂと形状Ｃとの相関（第２の相関）、形状Ｃと形状Ｄとの相関（第１の相関）についても同様である。

【0042】

加工面分析部５０は、画像の相関を算出する一般的な手法を用いて加工面の凹凸情報の相関を算出する。２つの画像Ａ（ｘ,ｙ），Ｂ（ｘ,ｙ）の相関を算出する一般的な手法として以下の式（６）～（８）を用いた方法がある。式（６）は、ＳＡＤ（Ｓｕｍ оｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、式（７）は、ＳＳＤ（Ｓｕｍ оｆ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、式（８）は、ＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ－Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ)と呼ばれる手法である。

【0043】

【数6】

【0044】

【数7】

【0045】

【数8】

【0046】

続いて、加工面分析部５０における加工面不良や形状誤差などの要因の分析方法について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る加工面不良や形状誤差などの要因の分析方法を説明するための図である。

【0047】

図４に示すように、形状Ａは加工プログラムに基づいて算出される加工面の形状であり、形状Ｂは指令位置に基づいて算出される加工面の形状であり、形状Ｃは実位置に基づいて算出される加工面の形状であり、形状Ｄは実際の加工されたワークの加工面の形状である。

【0048】

加工されたワークに加工面不良や形状誤差が確認された場合、加工面分析部５０は、形状Ｃと形状Ｄとの相関を比較する。そして相関無しと判定された場合には、加工面分析部５０は、加工面不良や形状誤差の要因（問題個所）を、その他（工具等）と判定する。その理由は、例えば、実位置（モータ４の実際の位置）と加工面との間の工具形状が影響して、相関無しと判定されたと考えられるからである。

【0049】

形状Ｃと形状Ｄとに相関有りと判定された場合、加工面分析部５０は、形状Ｂと形状Ｃとの相関を比較する。そして相関無しと判定された場合には、加工面分析部５０は、加工面不良や形状誤差の要因を、モータ４を制御するサーボ制御装置３と判定する。その理由は、指令位置と実位置とがずれたために相関無しと判定されたと考えられるからである。

【0050】

形状Ｂと形状Ｃとに相関有りと判定された場合、加工面分析部５０は、形状Ａと形状Ｂとの相関を比較する。そして相関無しと判定された場合には、加工面分析部５０は、加工面不良や形状誤差の要因を、モータ４の指令位置を分配する数値制御装置２と判定する。その理由は、加工プログラム内のモータの位置と数値制御装置２によって分配されたモータ４の指令位置とがずれたために相関無しと判定されたと考えられるからである。

【0051】

反対に、形状Ａと形状Ｂとに相関有りと判定された場合には、加工面分析部５０は、加工面不良や形状誤差の要因を、加工プログラムを生成したプログラム生成部１と判定する。加工面不良や形状誤差の要因は、数値制御装置２、サーボ制御装置３、モータ４、工作機械５には無いと考えられるからである。

【0052】

以上説明したように、本実施形態に係る判定システム１００は、工作機械５の駆動軸を駆動するモータ４の実際の位置を取得するモータ位置取得部２１と、工作機械５の駆動軸構成、工具形状及び未加工ワーク形状を含む機械情報を取得する機械情報取得部１２と、モータ４の実際の位置及び機械情報に基づいて、加工されたワークの加工面の形状を算出するモータ位置加工面算出部２２と、実際に加工されたワークの加工面の形状を取得する実加工面取得部２４と、モータ位置加工面算出部２２で算出された加工面の形状及び実加工面取得部２４で取得された加工面の形状の相関である第１の相関を比較する加工面分析部５０と、を備える。

【0053】

これにより、加工面分析部５０は、モータ位置加工面算出部２２で算出された加工面の形状（形状Ｃ）及び実加工面取得部２４で取得された加工面の形状（形状Ｄ）の相関を直接比較できる。そのため、加工面不良や形状誤差などの要因は、工具形状等にあるか否かということを機械的に短時間で判定可能となる。つまり、実際のモータの位置に基づいて算出された加工面形状（形状Ｃ）と、加工されたワークの加工面を実際に測定して得られた加工面形状（形状Ｄ）の相関を直接比較して、加工面不良や形状誤差などの要因を短時間で判定できる。

【0054】

また、本実施形態に係る判定システム１００は、工作機械５の駆動軸を駆動するモータ４の指令位置を取得する指令位置取得部１１と、指令位置及び機械情報に基づいて、加工されたワークの加工面の形状を算出する指令加工面算出部１３と、をさらに備え、加工面分析部５０は、指令加工面算出部１３で算出された加工面の形状及びモータ位置加工面算出部２２で算出された加工面の形状の相関である第２の相関と、第１の相関と、を分析する。

【0055】

これにより、加工面分析部５０は、形状Ｃ及び形状Ｄの相関（第１の相関）に加えて、指令加工面算出部１３で算出された加工面の形状（形状Ｂ）及びモータ位置加工面算出部２２で算出された加工面の形状（形状Ｃ）の相関（第２の相関）を比較できる。そのため、加工面不良や形状誤差などの要因は、工具形状等にあるか否か、又はサーボ制御装置にあるか否かということを機械的に短時間で判定可能となる。

【0056】

また、本実施形態に係る判定システム１００は、ワークの加工プログラムを生成するプログラム生成部１と、加工プログラムに基づいて、ワークの加工面の形状を算出するプログラム加工面算出部２６と、をさらに備え、加工面分析部５０は、プログラム加工面算出部２６で算出された加工面の形状及び指令加工面算出部１３で算出された加工面の形状の相関である第３の相関と、第２の相関と、第１の相関と、を分析する。

【0057】

これにより、加工面分析部５０は、形状Ｃ及び形状Ｄの相関（第１の相関）と、形状Ｂ及び形状Ｃの相関（第２の相関）とに加えて、プログラム加工面算出部２６で算出された加工面の形状（形状Ａ）及び指令加工面算出部１３で算出された加工面の形状（形状Ｂ）の相関（第３の相関）を比較できる。そのため、加工面不良や形状誤差などの要因は、工具形状等にあるか否か、サーボ制御装置にあるか否か、数値制御装置にあるか否か、又は、プログラム生成部にあるか否かということを機械的に短時間で判定可能となる。

【0058】

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

【0059】

例えば、指令加工面算出部１３、モータ位置加工面算出部２２及びプログラム加工面算出部２６は、機械情報取得部１２から機械情報を取得する例について説明した。しかし、指令加工面算出部１３、モータ位置加工面算出部２２及びプログラム加工面算出部２６は、プログラム生成部１又は数値制御装置２から機械情報を取得してもよい。この場合、プログラム生成部１又は数値制御装置２が機械情報取得部としても機能する。また、機械情報は、ユーザによって指令加工面算出部１３、モータ位置加工面算出部２２又はプログラム加工面算出部２６に直接入力されてもよい。この場合、指令加工面算出部１３、モータ位置加工面算出部２２又はプログラム加工面算出部２６が機械情報取得部としても機能する。

【0060】

また、加工面分析部５０は、形状Ａ及び形状Ｂの相関と、形状Ｂ及び形状Ｃの相関と、形状Ｃ及び形状Ｄの相関とを比較する例について説明したがこれに限定されない。これらの相関以外に、加工面分析部５０は、形状Ａ及び形状Ｃの相関、形状Ａ及び形状Ｄの相関、形状Ｂ及び形状Ｄの相関を比較してもよい。

【符号の説明】

【0061】

１ プログラム生成部
２ 数値制御装置
３ サーボ制御装置
４ モータ
５ 工作機械
６ 判定部
１０ 位置情報取得部
１１ 指令位置取得部
１２ 機械情報取得部
１３ 指令加工面算出部

２１ モータ位置取得部
２２ モータ位置加工面算出部
２４ 実加工面取得部
２６ プログラム加工面算出部
５０ 加工面分析部
１００ 判定システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】