CN117157169A - 切削装置和位置关系确定方法 - Google Patents

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CN117157169A CN202280005465.9A CN202280005465A CN117157169A CN 117157169 A CN117157169 A CN 117157169A CN 202280005465 A CN202280005465 A CN 202280005465A CN 117157169 A CN117157169 A CN 117157169A
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Abstract

运动控制部(101)在使切削工具(20)或者被切削件(30)中的一方进行旋转运动或者沿着规定的轨迹的运动的同时，使切削工具(20)沿切削工具(20)和被切削件(30)的接触方向进行相对于被切削件(30)的移动。取得部(104)取得示出切削工具(20)和被切削件(30)的接触的有无的信号。处理部(105)根据由取得部(104)取得的信号，来确定切削工具(20)和被切削件(30)接触的区间，并根据确定出的区间，来确定切削工具(20)和被切削件(30)的相对位置关系。

Description

切削装置和位置关系确定方法
技术领域
本公开涉及使用切削工具来切削被切削件的切削装置及确定被切削件和切削工具之间的相对位置关系的方法。
背景技术
在机械加工中，将被切削件(也被称为工件)固定于切削装置的工作台或者主轴，将工具固定于刀架(转塔刀架)或者主轴，通过工具和被切削件之间的相对运动来进行形状创造。为了实现高精度的形状创造，需要在加工前进行确定工具和被切削件之间的相对位置关系的准备作业(准备工作)。
专利文献1公开了在工具和工件之间施加电压，使工具进行相对于工件的移动，判断工具和工件接触时的电压变化，决定接触时的工件和/或者工具的位置的方法。
专利文献2公开了根据接触前取得的与驱动电动机相关的检测值的第一时间序列数据和接触后取得的与驱动电动机相关的检测值的第二时间序列数据，来确定切削工具和被切削件的接触位置的技术。通过对第二时间序列数据进行回归分析而求得的回归方程来确定切削工具和被切削件的接触。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：日本特表2018-508374号公报
专利文献2：国际公开第2020/174585号
发明内容
(发明所要解决的问题)
利用电气导通的有无来检测工具和被切削件的接触的方法具有灵敏度高且可以低成本地实现的优点。然而，在像使用非旋转工具来进行自由曲面加工的刨床那样的机床中，若使切削刃进行直线运动而接触被切削件，则工具可能会破损。虽然也可以在检测到导通的瞬间使工具减速、停止而退避，但无法使得停止为止的减速期间成为零，因此依然存在工具破损的可能性。
此外，在旋转工具的情况下，工具切削刃的安装角度位置通常是未知的，若使旋转工具在旋转的同时接触被切削件，则在接触的瞬间，已经切入了每转(或者每刃)的进给量以下的切入量，因此无法准确地确定切入开始位置。在使用非旋转工具的车削中，被切削件的安装通常存在微小的偏心，而该偏心的旋转位置通常是未知的，若使被切削件在旋转的同时接触非旋转工具，则在接触的瞬间，已经切入了每转的进给量以下的切入量，因此无法准确地确定切入开始位置。即，根据利用电气导通的方法，可以检测出工具和被切削件的接触，但在接触时，工具相对于被切削件位于比切入开始位置更前进一步的位置，接触瞬间的工具位置与切入开始位置不同。
本公开是鉴于这种情况而提出的，其目的之一在于提供一种准确地确定工具和被切削件之间的相对位置关系的技术。
(解决问题所采用的措施)
为了解决上述问题，本公开的某一方式的切削装置包括：运动控制部，其使切削工具或者被切削件中的一方进行旋转运动或者沿着规定的轨迹的运动的同时，使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动；取得部，其取得示出切削工具和被切削件的接触的有无的信号；以及处理部，其根据由取得部取得的信号，来确定切削工具和被切削件接触的区间，并根据确定出的区间，来确定切削工具和被切削件的相对位置关系。
本公开的其他方式的位置关系确定方法为确定切削工具和被切削件的相对位置关系的方法，包括：使切削工具或者被切削件中的一方进行旋转运动或者沿着规定的轨迹的运动的步骤；使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动的步骤；取得示出切削工具和被切削件的接触的有无的信号的步骤；根据取得的信号，来确定切削工具和被切削件接触的区间的步骤；以及根据确定出的区间，来确定切削工具和被切削件的相对位置关系的步骤。使切削工具或者被切削件中的一方进行旋转运动或者沿着规定的轨迹的运动的步骤和使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动的步骤可以各自单独地实施，也可以同时实施。
本公开的其他方式的切削装置包括：运动控制部，其使切削工具或者被切削件中的一方进行沿着规定的轨迹的运动的同时，使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动；取得部，其取得示出切削工具和被切削件的接触的有无的信号；以及处理部，其根据由取得部取得的信号，来确定切削工具和被切削件接触的时间点或者切削工具和被切削件从接触的状态分离的时间点，并对确定出时间点的切削工具和被切削件的相对位置关系进行确定。
本公开的其他方式的位置关系确定方法为确定切削工具和被切削件的相对位置关系的方法，包括：使切削工具或者被切削件中的一方进行沿着规定的轨迹的运动的步骤；使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动的步骤；取得示出切削工具和被切削件的接触的有无的信号的步骤；根据取得的信号，来确定切削工具和被切削件接触的时间点或者切削工具和被切削件从接触的状态分离的时间点的步骤；以及对确定出的时间点的切削工具和被切削件的相对位置关系进行确定的步骤。使切削工具或者被切削件中的一方进行沿着规定的轨迹的运动的步骤和使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动的步骤可以各自单独地实施，也可以同时实施。
此外，以上构成要素的任何组合、将本公开的表达在方法、装置、系统等之间进行转换的方案都作为本公开的方式而有效。
附图说明
图1为示出实施方式一的切削装置的示意性结构的图。
图2为示出测定部所测定的电气信号的示例的图。
图3为示意性地示出工具切削刃接触被切削件的状态的图。
图4为示出针对各时间区间计算出的占空比的图。
图5为示出回归曲线的示例的图。
图6为示出根据关系式计算出的占空比的图。
图7为示出测定部所测定的电气信号的示例的图。
图8为示出针对各时间区间计算出的占空比的图。
图9为示出回归曲线的示例的图。
图10为示意性地示出工具切削刃接触被切削件的状态的图。
图11为示出实施方式二的切削装置的示意性结构的图。
图12为示出测定部所测定的电气信号的示例的图。
图13为示意性地示出工具切削刃接触被切削件的状态的图。
图14为示出针对各时间区间计算出的占空比的图。
图15为示出回归曲线的示例的图。
图16为示出根据关系式计算出的占空比的图。
图17为示出实施方式三的切削装置的示意性结构的图。
图18为示意性地示出工具切削刃接触被切削件的状态的图。
图19为示出切削刃的轨迹运动和测定的电气信号的关系的图。
图20为示出运动轨迹的示例的图。
图21为示出切削刃的轨迹运动和测定的电气信号的关系的图。
图22为示出实施方式四的切削装置的示意性结构的图。
具体实施方式
<实施方式一>
图1示出实施方式一的切削装置1a的示意性结构。切削装置1a以确定切削工具20和被切削件30的相对位置关系为目的，具有在正式的切削加工开始前使切削工具20和被切削件30接触，导出相对位置关系的功能。
实施方式一的切削装置1a为使通过保持器32来安装于主轴10的切削工具20旋转，使旋转的切削工具20的刃切入被切削件30的卧式铣床或者卧式加工中心。在实施方式一中，主轴10、保持架32、切削工具20、被切削件30和被切削件固定部23为导电体，切削工具20的刃在切削点50切削被切削件30。在许多切削加工中，利用由导电性的工具材料(硬质合金、高速钢、PCD、CBN等)形成的切削工具20。这些工具大多数涂有涂层，但大多数涂膜都具有导电性。在精密加工中，使用非导电性的金刚石工具，但在该情况下，切削工具20优选使用导电性的金刚石工具，可以是单晶金刚石工具、金刚石涂层工具、多晶金刚石工具中的任意一种。
切削装置1a在机座2上具有使切削工具20进行相对于被切削件30的移动的进给单元24、25。被切削件30固定于被切削件固定部23，被切削件固定部23可移动地受到进给单元24的支持。主轴外壳12可移动地受到进给单元25的支持。在切削装置1a中，进给单元24使被切削件固定部23沿X轴方向(前后方向)移动，进给单元25使主轴外壳12沿Y轴方向(上下方向)、Z轴方向(左右方向)移动，由此，进给单元24、25使切削工具20进行相对于被切削件30的移动。此外，左右方向是指主轴10的轴线方向，上下方向是指垂直方向，前后方向是指与主轴10的轴线方向和垂直方向相垂直的方向。进给单元24、25可以构成为包括各轴用的电动机(motor)和滚珠丝杠。
主轴10可旋转地受到主轴外壳12的支持，具体地，固定于主轴外壳12的金属制的轴承13a、13b可旋转地支持主轴10。旋转单元11具有使主轴10旋转的单元，具有电动机和将电动机的旋转动力传递至主轴10的传动结构。传动结构可以构成为包括将电动机的旋转动力传递至主轴10的V带、齿轮。此外，旋转单元11可以是内置于主轴10的内装式电动机，可以直接驱动主轴10。
切削装置1a具有在切削工具20和被切削件30之间施加规定的电压的电压施加部46。接触监视部40监视切削工具20和被切削件30的接触的有无。接触监视部40具有与旋转的主轴10电连接的触电结构41、与触电结构41电连接的导线42、与被切削件30电连接的导线43、设置于导线42和导线43之间的电阻47、设置于导线42和导线43之间的电阻44、测定施加于电阻44的电压的测定部45。接触监视部40可以监视因切削工具20和被切削件30的接触而产生的电阻44的电压变化，从而检测切削工具20和被切削件30的接触的有无。此外，测定部45也可以具有测定流过电阻44的电流的功能。在切削装置1a中，导线43与固定被切削件30的被切削件固定部23相连接，触点结构41接触主轴10的旋转中心。旋转中心的圆周速度理论上为零，因此通过使触点结构41接触主轴10的旋转中心，可以抑制接触位置的磨损。
在接触监视部40中，为了防止在切削工具20和被切削件30非接触时产生电气噪声的情况而设置电阻47。在没有设置针对噪声的电阻47的情况下，在切削工具20和被切削件30非接触时，电路处于开路状态，接触监视部40通过检测切削工具20和被切削件30接触时的电路的导通，来检测切削工具20和被切削件30的接触。在下文中，为了简化在电阻44测定的电压波形以方便说明，接触监视部40采用没有设置针对噪声的电阻47的电路。因此，接触监视部40通过电路的导通的有无，来监视切削工具20和被切削件30的接触的有无。
控制部100具有控制切削工具20和/或者被切削件30的运动的运动控制部101、取得由测定部45测定的电气信号的取得部104、根据由取得部104取得的电气信号来确定切削工具20和被切削件30的相对位置关系的处理部105。运动控制部101具有在使切削工具20或者被切削件30中的一方进行旋转运动的同时，使切削工具20沿切削工具20和被切削件30的接触方向进行相对于被切削件30的移动的功能。运动控制部101具有控制由旋转单元11实现的主轴10的旋转运动的主轴控制部102和控制由进给单元24、25实现的切削工具20和被切削件30之间的相对移动(进给运动)的移动控制部103。
在作为控制部100的功能块而记载的各成分中，硬件可以由电路块、存储器、其他LSI、CPU等构成，软件由系统软件、加载于存储器的应用程序等实现。因此，本领域技术人员应当理解，这些功能块可以仅通过硬件、仅通过软件或者通过这些的组合以各种方式实现，并不限于任何一个。
在接触监视部40中，从与主轴10的后端部相接触的触点结构41取出切削工具20侧的电气信号。因此，优选主轴10和主轴外壳12电绝缘，但在此，轴承13a、13b为金属制，处于停止状态(非旋转状态)的主轴10与主轴外壳12短路。
关于这一点，本公开人发现若主轴10以规定的旋转速度RS以上的旋转速度旋转，则在轴承13a、13b中出现流体润滑状态，出现主轴10和主轴外壳12因润滑油而不再电气导通的现象。利用这一现象，在切削装置1a中，在主轴控制部102使主轴10以旋转速度RS以上的规定的旋转速度旋转时，移动控制部103控制进给单元24、25而使切削工具20切入被切削件30，取得部104同时取得测定部45测定出的电压信号和时间信息(时间戳(time stamp))而存储于存储器(未图示)。此外，旋转速度RS取决于轴承，是数百转/分钟左右。因此，在切削装置1a中，测定部45可以测定电阻44的电压而无需在主轴10和主轴外壳12之间添加绝缘部件。
此外，在测定部45测定电压时，需要主轴10和旋转单元11也电绝缘。例如，在旋转单元11将V带利用为动力传动结构的情况下，以橡胶等绝缘材料形成V带，由此，可以使主轴10和旋转单元11电绝缘。此外，在旋转单元11将齿轮利用为动力传动结构的情况下，使旋转中的齿轮之间出现如上所述般的流体润滑状态，通过使润滑油存在于啮合的齿之间，来使主轴10和旋转单元11电绝缘。因此，在切削装置1a中，测定部45可以测定电阻44的电压而无需在主轴10和旋转单元11之间添加绝缘部件。
以下，说明在实施方式一的切削装置1a中，导出切削工具20和被切削件30的相对位置关系的方法。在该方法中，在使切削工具20旋转的状态下，使切削工具20沿Y轴方向(上下方向)进行相对于被切削件30的移动，在工具切削刃开始切削(或者接触)被切削件30后，分析测定部45所测定的电气信号而导出相对位置关系。
图2示出测定部45所测定的电气信号的示例。在利用测定部45来进行测定时，主轴10的旋转速度一定，相对于切削工具20的被切削件30的进给速度也一定。测定部45测定示出切削工具20和被切削件30的接触的有无的电气信号。在图2所示的图中，纵轴表示测定部45所测定的电气信号(在此为电压信号)，横轴表示以一定的进给速度使切削工具20和被切削件30进行相对移动(接近)时的时间。此外，在进给速度发生变化的情况下，横轴也可以表示进给单元24的坐标值。在图2所示的示例中，使用的切削工具20为单刃(一刃)的铣工具。
若单刃的铣工具开始切削被切削件30，则如图2所示，仅在工具切削刃接触被切削件30期间，接触监视部40检测导通，具体地，测定部45测定脉冲状的电压P1～P10。导通期间(脉冲宽度)与工具切削刃接触被切削件30的角度相对应，从旋转中心观察时的接触角度越大，则导通期间越长。此外，在电路设置有针对噪声的电阻47的情况下，测定部45在工具切削刃接触被切削件30的期间测定与非接触期间不同的电压。
图3示意性地示出工具切削刃接触被切削件的状态。在可以将刀尖所接触的被切削件30的被接触面视为平面且每一转的工具进给量相对于工具刀尖半径R微小的情况下，成为该导通期间的中点的瞬间的重复周期与主轴10的旋转周期T大致一致。在图3中，工具刀尖半径R表示切削工具20的最外周点(旋转时位于最外周的刀尖位置)的半径，因此旋转轨迹圆表示工具最外周点的旋转轨迹。在图2中，示出按照时间序列测定的十个电压脉冲P1～P10，但随着时间的经过，切入变深，由此，接触角度区间(2θ)变大，电压脉冲的脉冲宽度随时间变长。
回到图1，测定部45测定示出切削工具20和被切削件30的接触的有无的电气信号(电压信号)而供给至控制部100，取得部104同时取得测定出的电气信号和时间信息而存储于存储器。此时，取得部104优选将电气信号和进给单元的位置信息一同存储于存储器。存储于存储器的电气信号可以是对电压波形进行A/D转换后的数字值(digital value)。若取得部104取得规定数量的电压脉冲，则移动控制部103停止切削工具20和被切削件30的沿切入方向的相对移动，中止为了相对位置关系的确定处理(准备工作)而实施的切削。若取得部104取得规定数量的电压脉冲，则移动控制部103可以使切削工具20和被切削件30进行沿彼此分离的方向的相对移动而中止切削。使此时的切入深度小于实际的加工余量(例如精加工时的切入深度)，由此，可以使得准备工作时的切削痕迹不留在最终的加工面。
在实施方式一中，处理部105具有根据一个或者多个电压脉冲的信号来确定被切削件30到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆的位置的功能。此外，被切削件30到达旋转轨迹圆的位置是指在图3中相对于旋转轨迹圆接触被切削件30的被接触面时的旋转中心位置的、被切削件30的位置。以下，说明基于一个电压脉冲信号的确定处理和基于多个电压脉冲信号的确定处理。
(使用一个电压脉冲P1的确定处理)
处理部105可以根据一个电压脉冲P1来确定被切削件30到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆的位置。参照图3，处理部105导出在切削工具20和被切削件30最初接触时切削工具20的刀尖切入被切削件30的被接触面的深度(最大深度)d，由此可以确定被切削件30到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
处理部105根据由取得部104取得而存储于存储器的电气信号，来确定切削工具20和被切削件30接触的时间区间(导通期间)。在此，确定的时间区间为电压脉冲P1的脉冲宽度W1。处理部105计算相对于切削工具20的旋转周期T的、电压脉冲P1的脉冲宽度W1的比例，即计算占空比(W1/T)。在可以得到编码器输出等旋转同步信号的情况下，处理部105可以根据旋转同步信号来得到旋转周期T，但若得不到旋转同步信号，则可以将相邻的成为电压脉冲P1的脉冲宽度W1的中点的瞬间和成为电压脉冲P2的脉冲宽度W2的中点的瞬间的间隔视为旋转周期T。
在已知被切削件30和切削工具20的形状和相对姿态的情况下，可以如下所述般导出切入的深度d和占空比D的关系。例如，在接触的立铣工具的扭转角为0度且被切削件30的被接触面为如图3所示般的与工具旋转轴相平行的平面的情况下，相对于从被切削件30的表面切入的深度d，如下所述般导出切削工具20接触被切削件30的角度区间(角度范围)2θ。
若设R：工具刀尖半径、d：切入的深度、θ：单侧接触角度，则根据直角三角形可知
cosθ＝(R-d)/R
因此，切入的深度d为
d＝R(1-cosθ)
通过
2θ＝2cos-1{(R-d)/R}
来计算接触角度区间2θ。
因此，通过
[数1]
来计算接触角度区间2θ相对于一圈的比例、即占空比D(＝2θ/2π)。
在此，关于切削工具20和被切削件30接触时的时间区间的占空比，
导出D＝W1/T
的关系，因此通过
[数2]
来计算切入的深度d。
如此地，处理部105可以根据一个电压脉冲P1，来导出切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆(参照图3)进入被切削件30的被切削面的最大深度d。因此，处理部105可以使用切入的深度d，来确定切削工具20和被切削件30的相对位置关系。具体地，处理部105确定切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆在使切削工具20沿工具进给方向的反方向仅移动距离d的位置到达被切削件30。切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆到达被切削件30的位置相当于切削工具20的切入开始位置。此外，在可以通过利用了编码器等的角度测定部来测定切削工具20接触被切削件30的角度区间2θ的情况下，可以根据测定出的角度区间2θ来导出最大深度d。
(使用多个电压脉冲P1～P10的确定处理)
处理部105可以根据多个电压脉冲P1～P10，来确定被切削件30到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆的位置。在实施方式一中，使用十个电压脉冲，但也可以使用十个以外的多个电压脉冲。
处理部105根据由取得部104取得而存储于存储器的电气信号的时间序列数据，来确定切削工具20和被切削件30接触的时间区间(导通期间)。而后，处理部105确定成为各电压脉冲P1～P10的时间区间(脉冲宽度)的中点的瞬间而导出时间t1～t10。如上所述般，若每一转的进给量相对于工具刀尖半径R微小，则时间t1～t10的相邻间隔可实质上视为旋转周期T。
此外，在可以准确地确定切削工具20的旋转周期的情况下，可以通过(时间t1+旋转周期T×(n-1))来决定时间tn(2≤n≤10)。此外，在可以得到编码器输出等旋转同步信号的情况下，也可以以时间t1为起点而决定各电压脉冲P2～P10的时间区间所含有的与旋转周期相对应的时间t2～t10。
对于各时间区间，处理部105计算相对于旋转周期T的时间区间的比例，即计算占空比。在单刃铣工具的情况下，占空比的最大值为50％，但在进给量不被视为微小的情况下，存在占空比的最大值略微超过50％的情况。
图4为在与旋转周期T相对应的时间t1～t10上以x标记绘制出针对各时间区间计算出的占空比的图。处理部105统计处理多个时间区间的占空比，曲线拟合占空比的变化，求出拟合后的回归曲线(回归方程)过零(zero cross)的时间(占空比变为0的时间)。
图5示出处理部105计算出的回归曲线60的示例。处理部105回归分析多个时间区间的占空比而求出回归曲线(回归方程)60，使用求出的回归曲线60来导出被切削件30的被接触面到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
具体地，处理部105求出计算出的回归曲线60的占空比变为0的时间t0。由回归曲线60和零线(zero line)62(占空比＝0)的交点确定的时间t0为被切削件30的被接触面到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆(参照图3)的时间，即被切削件30的被接触面接触旋转轨迹圆的时间。切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆到达被切削件30的位置相当于切削工具20的切入开始位置。
在图5所示的图中，在与切入开始位置相对应的时间t0，切削工具20的最外周点的旋转角度位置不是被切削件30的被接触面上的位置，切削工具20和被切削件30还未接触。从时间t0开始到电压脉冲P1上升为止，切削工具20在旋转的同时沿接近被切削件30的方向进给，在电压脉冲P1上升的瞬间，开始切削工具20和被切削件30的最初的接触。
如上所述般，处理部105根据由取得部104取得的电气信号的时间序列数据，来确定切削工具20和被切削件30接触的时间区间，并根据确定出的多个时间区间，来确定被切削件30到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆的时间t0，从而确定该时间t0时的切削工具20和被切削件30的位置。处理部105利用电气信号的时间序列数据，由此可以导出切削工具20的准确的切入开始位置。
此外，在上述示例中，使主轴10的旋转速度一定且使相对于切削工具20的被切削件30的进给速度一定，但在可以通过利用了编码器等的角度测定部来测定出接触角度区间2θ的情况下，没有必要使主轴10的旋转速度一定为一定，且在可以测定出相对于切削工具20的、被切削件30的进给单元的位置信息的情况下，没有必要使进给速度一定为一定。在该情况下，处理部105可以确定切削工具20和被切削件30接触的角度区间2θ，并根据确定出的多个角度区间，来确定被切削件30到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆的进给位置。
图6示出根据关系式(1)来计算出的占空比。在图6所示的图中，纵轴表示占空比(2θ/2π)，横轴表示切入的深度d。在此，R＝10mm。
处理部105可以基于关系式(1)来导出回归曲线60(参照图5)。例如，对于图5所示的多个x标记，处理部105以其与关系式(1)的误差评价值(例如偏差的平方和)变为最小的方式确定横轴原点(零线62上的点(时间t0))。如此地，处理部105求出占空比和切入的深度的关系而确定关系式(1)的横轴原点，以拟合以旋转周期T为单位测定的多个占空比，由此，可以确定被切削件30到达工具最外周点的假想的旋转轨迹圆的瞬间的时间t0，可以准确地确定该时间t0的切削工具20和被切削30的位置。
此外，在上述的统计处理中，利用偏差的平方和作为误差评价值，但处理部105也可以以其他的误差评价值、例如误差的绝对值的和变为最小的方式确定横轴原点。
此外，在图6的示例中，工具刀尖半径R已知，但也存在工具刀尖半径R未知的情况。在工具刀尖半径R未知的情况下，对于图5所示的多个x标记，处理部105可以以其与关系式(1)的误差评价值(例如偏差的平方和)变为最小的方式调整工具刀尖半径R的值，并在此基础上确定横轴原点(零线62上的点(时间t0))。在该情况下，处理部105不仅可以确定关系式(1)的横轴原点，还可以同时确定工具刀尖半径R。
在被切削件30的表面形状、切削工具20的形状、它们之间的相对姿态等未知的情况下，存在不易导出表示切入的深度d和占空比D的关系的理论公式的情况。即使在这种情况下，也可以通过例如假定幂函数、多元函数并决定与多个x标记最匹配的系数，来确定横轴原点t0。
横轴的时间与工具刀尖和被切削件表面的相对位置之间的关系可以利用机床的控制装置内的信息来求得。例如，取得部104将示出接触有无的电气信号和为了实现接触动作而移动的进给单元的位置信息(测定值或者指示值)同时存储于存储器，由此，处理部105可以确定各时刻的位置。在难以同时存储的情况下，取得部104可以将示出以一定速度接近时的接触有无的信号以时间序列的方式存储于存储器，并同时将对接近动作的停止进行指示的瞬间的位置信息存储于存储器。处理部105可以使用以时间序列存储的电气信号、取得最后的电气信号时的位置信息和一定的接近速度，来计算工具刀尖与被切削材料表面相接触的区间的位置。此外，若时间信息存储于存储器，则处理部105可以使用以时间序列存储的电气信号和取得最后的电气信号时的位置信息，来计算接触的区间的位置。
在上述示例中，示出切削工具20为单刃旋转工具的情况。在刃数为多个的旋转工具的情况下，在偏心极小时(具体地，偏心量比耕(ploughing)深和每一刃的进给量之和小时)，在一个旋转周期T内最多产生与刃数相同个数的、表示接触的电压脉冲。在此，耕深是指在刀尖的圆角的作用下，没有进行材料去除而仅擦过的情况下的设定切入深度(即弹性变形量)的最大值。因此，若变为耕深以上的深度，则开始由切削刃进行的材料去除。在切削工具20为多个刃的铣工具的情况下，在偏心量在耕深和每一刃的进给量之和以上的情况下，内侧的切削刃不会接触被外侧的切削刃切削后的面。
图7示出测定部45所测定的电气信号的示例。在利用测定部45来进行测定时，主轴10的旋转速度一定，相对于切削工具20的被切削件30的进给速度也一定。在图7所示的图中，纵轴表示测定部45所测定的电气信号(在此为电压信号)，横轴表示以一定的进给速度来使切削工具20和被切削件30进行相对移动(接近)时的时间。此外，在进给速度发生变化的情况下，横轴也可以表示进给单元24的坐标值。在图7所示的示例中，使用的切削工具20为两刃的铣工具。在此，将两刃中的一个称为第一切削刃，将另一方称为第二切削刃，第一切削刃的工具刀尖半径R1因偏心而比第二切削刃的工具刀尖半径R2大。
若两刃的铣工具开始切削被切削件30，则如图7所示，仅在工具切削刃接触被切削件30期间，接触监视部40检测导通，具体地，测定部45测定脉冲状的电压P1～P20。电压脉冲P1、P3、P5、P7、P9、P11、P13、P15、P17、P19为因第一切削刃接触被切削件30而测定出的波形，电压脉冲P2、P4、P6、P8、P10、P12、P14、P16、P18、P20为因第二切削刃接触被切削件30而测定出的波形。
回到图1，测定部45测定示出切削工具20和被切削件30的接触的有无的电气信号(电压信号)而供给至控制部100，取得部104同时取得测定出的电气信号和时间信息而存储于存储器。处理部105根据由取得部104取得而存储于存储器的电气信号的时间序列数据，来确定切削工具20和被切削件30接触的时间区间(导通期间)。而后，处理部105确定成为各电压脉冲P1～P20的时间区间(脉冲宽度)的中点的瞬间而导出时间t1～t20。与第一切削刃相关的电压脉冲的中点时间点t1、t3、t5、t7、t9、t11、t13、t15、t17、t19的相邻间隔可实质上视为旋转周期T，与第二切削刃相关的电压脉冲的中点时间点t2、t4、t6、t8、t10、t12、t14、t16、t18、t20的相邻间隔可实质上视为旋转周期T。此外，关于时间tn的决定方法，在可以准确地确定旋转周期T的情况下，可以利用旋转周期T，而在可以得到旋转同步信号的情况下，可以利用旋转同步信号的时间点。
对于各时间区间，处理部105计算相对于旋转周期T的时间区间的比例，即计算占空比。
图8为在时间t1～t20上以x标记绘制出针对各时间区间计算出的占空比的图。处理部105统计处理针对第一切削刃计算出的多个占空比和针对第二切削刃计算出的多个占空比，曲线拟合各自的占空比的变化，求出拟合后的回归曲线(回归方程)过零的时间(占空比变为0的时间)。
图9示出处理部105计算出的回归曲线60a、60b的示例。此外，回归曲线60a为示出第一切削刃的占空比的时间变化的曲线，回归曲线60b为示出第二切削刃的占空比的时间变化的曲线。如上所述，处理部105可以基于关系式(1)来导出回归曲线60a、60b。
处理部105分别求出计算出的回归曲线60a、60b的占空比变为0的时间ta0、tb0。由回归曲线60a和零线62(占空比＝0)的交点确定的时间ta0为被切削件30到达切削工具20的第一切削刃的最外周点的旋转轨迹圆(工具刀尖半径R1)的时间，即被切削件30的被接触面接触旋转轨迹圆(工具刀尖半径R1)的时间。此外，由回归曲线60b和零线62(占空比＝0)的交点确定的时间tb0为被切削件30到达切削工具20的第二切削刃的最外周点的旋转轨迹圆(工具刀尖半径R2)的时间，即被切削件30的被接触面接触旋转轨迹圆(工具刀尖半径R2)的时间。在此，时间ta0和时间tb0的差为与第一切削刃和第二切削刃的偏心量相对应的值。处理部105可以根据时间ta0和时间tb0的差，来确定偏心量。
此外，在该示例中，以偏心量比耕深和每一刃的进给量之和小的条件为前提使第二切削刃接触被切削件30，结果为处理部105可以确定偏心量。反过来说，通过增大每一刃的进给量，处理部105可以确定偏心量。具体地，处理部105将每一刃的进给量设定为内侧的切削刃可以接触外侧的切削刃切削后的面，由此，除可以确定切削工具20和被切削件30的相对位置关系外，还可以确定安装于主轴10的切削工具20的偏心量。
工具刀尖半径R通常为公差以内的准确的值，更进一步地，多为事先通过对刀仪等来完成测定的值。然而，在将该工具安装于保持器，再将该保持器安装于机床主轴时，经常产生偏心而成为加工误差的原因。此外，被切削件的安装(固定)位置也存在误差，因此需要用于偏移(校正)加工原点的原点设定(准备工作)。对此，在本方法中，如上所述般可以同时确定偏心量和原点，因此通过根据偏心量来校正工具直径，根据切入开始位置来校正(偏移)加工原点，可以提高加工精度，更进一步地，可以实现准备工作自动化或者省力化。
此外，在上述示例中，对于各时间区间，处理部105计算出相对于旋转周期T的时间区间的比例(占空比)。在主轴10的旋转速度一定且相对于切削工具20的、被切削件30的进给速度一定的情况下，处理部105可以统计处理多个时间区间的长度(脉冲宽度)而不计算占空比。在该情况下，处理部105曲线拟合脉冲宽度的变化，求出拟合后的回归曲线过零的时间(占空比变为0的时间)，由此可以导出切削工具20和被切削件30的相对位置关系。
图10示意性地示出工具切削刃接触被切削件的状态。相比于图3，刀尖接触的被切削件30的被接触面不再是平面而是具有曲率半径R’的曲面。在图10中，工具刀尖半径R表示切削工具20的最外周点(旋转时位于最外周的刀尖位置)的半径，因此旋转轨迹圆表示工具最外周点的旋转轨迹。
在接触的立铣工具的扭转角为0度且被切削件30的被接触面为如图10所示般的半径R’的曲面的情况下，相对于从被切削件30的表面切入的最大深度d(＝d1+d2)，如下所述般导出切削工具20接触被切削件30的角度区间2θ。
设R：工具刀尖半径、d：切入的深度、θ：单侧接触角度、R’：被切削件曲率半径。
通过工具侧的直角三角形，可知
cosθ＝(R-d1)/R
因此，
d1＝R(1-cosθ)
根据工具侧的直角三角形的底边和被切削件侧的直角三角形的底边相等可知，
R2-(R-d1)2＝R’2-(R’-d2)2
根据d＝d1+d2来求解d1，则有
d1＝(2dR’-d2)/(2(R+R’-d))
因此，
R(1-cosθ)＝(2dR’-d2)/(2(R+R’-d))成立，
通过[数3]
来计算接触角度区间2θ。
因此，通过
[数4]
来计算接触角度区间2θ相对于一圈的比例、即占空比D(＝2θ/2π)。
此外，通过
[数5]
来计算切入的深度d。
如上所述，在被切削件30的被接触面具有曲率半径的情况下，处理部105可以使用关系式(5)，根据一个电压脉冲P1，来导出切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆(参照图10)切入被切削件30的被接触面的切入的深度d。此外，处理部105根据多个电压脉冲P1～P10，使用关系式(4)来求出横轴原点，由此，可以确定被切削件30到达切削工具20的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
<实施方式二>
图11示出实施方式二的切削装置1b的示意性结构。切削装置1b以确定切削工具20和被切削件30的相对位置关系为目的，具有在正式的切削加工开始前使切削工具20和被切削件30接触，导出相对位置关系的功能。在实施方式二的切削装置1b中，以与实施方式一的切削装置1a相同的附图标记示出的结构具有与切削装置1a中的结构相同或者同样的结构和功能。
切削装置1b为使通过卡盘31来安装于主轴10的被切削件30旋转，使切削工具20的刃切入旋转的被切削件30的车床或者车削中心。在实施方式二中，主轴10、卡盘31、被切削件30、切削工具20和工具固定部22为导电体，切削工具20的刃在切削点50切削被切削件30。
切削装置1b在机座2上具有主轴外壳12和使切削工具20进行相对于被切削件30的移动的进给单元21。切削工具20固定于工具固定部22，工具固定部22可移动地受到进给单元21的支持。在该切削装置1b中，进给单元21通过使工具固定部22沿X轴、Y轴、Z轴方向移动，来使切削工具20进行相对于被切削件30的移动。进给单元21可以构成为包括各轴用的电动机和滚珠丝杠。
主轴10可旋转地受到主轴外壳12的支持，具体地，固定于主轴外壳12的金属制的轴承13a、13b可旋转地支持主轴10。旋转单元11具有使主轴10旋转的单元，具有电动机和将电动机的旋转动力传递至主轴10的传动结构。切削装置1b具有在切削工具20和被切削件30之间施加规定的电压的电压施加部46，接触监视部40监视由切削工具20和被切削件30的接触导致的导通的有无。此外，接触监视部40可以在导线42和导线43之间设置电阻47(参照图1)，监视因切削工具20和被切削件30的接触而产生的电压变化。
被切削件30通常以存在微小的偏心的方式安装于主轴10。以下，说明在实施方式二的切削装置1b中，导出切削工具20和被切削件30的相对位置关系的方法。在该方法中，在使被切削件30旋转的状态下，使切削工具20沿X轴方向(上下方向)进行相对于被切削件30的移动，在工具切削刃开始切削(或者接触)被切削件30后，分析测定部45所测定的电气信号的时间序列数据，导出相对位置关系。
图12示出测定部45所测定的电气信号的示例。在利用测定部45来进行测定时，主轴10的旋转速度一定，相对于切削工具20的被切削件30的进给速度也一定。测定部45测定示出切削工具20和被切削件30的接触的有无的电气信号。在图12所示的图中，纵轴表示测定部45所测定的电气信号(在此为电压信号)，横轴表示以一定的进给速度来使切削工具20和被切削件30进行相对移动(接近)时的时间。此外，在进给速度发生变化的情况下，横轴也可以表示进给单元21的坐标值。在实施方式二中，在以被切削件30偏心地安装于主轴10为前提，来使切削工具20沿切入方向向被切削件30进给时，切削工具20周期性地切削被切削件30。
若切削工具20开始切削被切削件30，则如图12所示，仅在工具切削刃接触被切削件30期间，接触监视部40检测导通，具体地，测定部45测定脉冲状的电压P1～P10。导通期间(脉冲宽度)与工具切削刃接触被切削件30的角度相对应，从旋转中心观察时的接触角度越大，则导通期间越长。此外，在电路设置有针对噪声的电阻47的情况下，测定部45在工具切削刃接触被切削件30的期间测定出与非接触期间不同的电压。
图13示意性地示出工具切削刃接触具有圆筒面的被切削件的状态。在将接触的被切削件30的面可以视为圆筒面(这是因为与通常的卡紧时的偏心量相比，多用作圆棒的金属材质的剥离(peeling)材料、拉拔材料、无心(centerless)材料的圆度高)且每一转的进给量相对于偏心量e微小的情况下，成为该导通期间的中点的瞬间的重复周期与主轴10的旋转周期T大致一致。在图13中，被切削件表面70表示被切削件30不偏心地安装于主轴10时的被切削件外周面。在实施方式二中，被切削件30偏心地安装于主轴10，在图示的状态中，偏心量为e。此外，偏心量e存在接触位置越接近卡盘31则越小，越远离卡盘31则越大的倾向。
被切削件30的中心在以偏心量e为半径的中心轨道72上进行相对于主轴10的旋转中心C的旋转移动。在图13中，以(被切削件半径R+偏心量e)为半径的旋转轨迹圆74表示被切削件表面的最外周点所描绘的旋转轨迹。其中，被切削件表面76表示被切削件30的中心位于点E时的被切削件外周面，被切削件表面78表示被切削件30的中心位于点D时的被切削件外周面。在图12中，示出按照时间序列测定的十个电压脉冲P1～P10，但随着时间的经过，切入变深，由此，接触角度区间(2θ)变大，电压脉冲的脉冲宽度随时间变长。
回到图11，测定部45测定示出切削工具20和被切削件30的接触的有无的电气信号(电压信号)而供给至控制部100，取得部104取得测定出的电气信号的同时取得时间信息和/或者位置信息而存储于存储器。处理部105根据由取得部104取得而存储于存储器的电气信号的时间序列数据，来确定切削工具20和被切削件30接触的时间区间(导通期间)。处理部105确定成为各电压脉冲P1～P10的时间区间(脉冲宽度)的中点的瞬间而导出时间t1～t10。若被切削件30的面可以视为圆筒面且每一转的进给量相对于被切削件30的半径R微小，则时间t1～t10的相邻间隔可实质性上视为旋转周期T。此外，关于时间tn的决定方法，在可以准确地确定旋转周期T的情况下，可以利用旋转周期T，而在可以得到旋转同步信号的情况下，可以利用旋转同步信号的时间点。
对于各时间区间，处理部105计算相对于旋转周期T的时间区间的比例，即计算占空比。
图14为在与旋转周期T相对应的时间t1～t10上以x标记绘制出针对各时间区间计算出的占空比的图。处理部105统计处理多个时间区间的占空比，曲线拟合占空比的变化，求出拟合后的回归曲线(回归方程)过零的时间(占空比变为0的时间)。
图15示出处理部105计算出的回归曲线60c的示例。处理部105求出计算出的回归曲线60c的占空比变为0的时间t0。由回归曲线60c和零线62(占空比＝0)的交点确定的时间t0为切削工具20到达被切削件30的最外周点的旋转轨迹圆74(参照图13)的时间，即切削工具20的工具刀尖A接触的时间，在时间t0，切削工具20和被切削件30还未接触。从时间t0开始到电压脉冲P1上升为止，被切削件30在旋转的同时沿切削工具20接近被切削件30的方向进给，在电压脉冲P1上升的瞬间，开始切削工具20和被切削件30的最初的接触。
如上所述般，处理部105根据由取得部104取得的电气信号的时间序列数据，来确定切削工具20和被切削件30接触的时间区间，并根据确定出的多个时间区间，来确定切削工具20到达被切削件30的最外周点的旋转轨迹圆74的时间t0，从而确定该时间t0的切削工具20和被切削件30的位置。处理部105利用电气信号的时间序列数据，由此可以导出切削工具20的准确的切入开始位置。
参照图13，接触角度区间2θ根据从被切削件30的表面切入的深度而增大。若设e：偏心量、R：被切削件半径、d：切入的深度、θ：单侧接触角度，则根据直角三角形ABC可知
(R+e-d)2＝(e+x)2+y2
同样地，根据直角三角形ABD可知，
R2＝x2+y2
联立这两个式子而求解x，则
x＝R-d+(d2-2dR)/(2e)
因此，通过
[数6]
来计算接触角度区间2θ。
图16示出根据关系式(6)来计算出的占空比。在图16所示的图中，纵轴表示占空比(2θ/2π)，横轴表示切入的深度d。在此，被切削件半径R和偏心量e都设为已知，R＝10mm，e＝0.1mm。
处理部105可以基于关系式(6)来导出回归曲线60c(参照图15)。例如，对于图15所示的多个x标记，处理部105以其与关系式(6)的误差评价值(例如偏差的平方和)变为最小的方式确定横轴原点(零线62上的点(时间t0))。如此地，处理部105求出示出接触角度区间和切入的深度的关系的关系式(6)而以拟合以旋转周期T为单位测定的多个占空比方式确定关系式(6)的横轴原点，由此，可以确定切削工具20到达被切削件最外周点的假想的旋转轨迹圆的瞬间的时间t0，可以准确地确定该时间t0的切削工具20和被切削30的位置。
此外，在上述的统计处理中，利用偏差的平方和作为误差评价值，但处理部105也可以以其他的误差评价值、例如误差的绝对值的和变为最小的方式确定横轴原点。
此外，在图16的示例中，偏心量e已知，但也存在偏心量e未知的情况。在偏心量e未知的情况下，对于图15所示的多个x标记，处理部105可以以其与关系式(6)的误差评价值(例如偏差的平方和)变为最小的方式调整偏心量e的值，并在此基础上确定横轴原点(零线62上的点(时间t0))即可。在该情况下，处理部105不仅可以确定关系式(6)的横轴原点，还可以同时确定偏心量e。此外，若切入偏心量e的两倍以上，则占空比变为1，因此，通过确定占空比变为1的最初的时间区间，处理部105可以确定偏心量e。
通常，多数的圆棒材料被精加工至公差以内的准确的直径。然而，在将该材料安装于卡盘时，经常产生偏心，且工具的安装(固定)位置也存在误差。因此，需要用于偏移(工具长度校正)加工原点的原点设定(准备工作)。对此，在本方法中，如上所述般可以同时确定偏心量和切入开始位置，因此在材料的直径已知的情况下，可以根据该直径与确定出的偏心量和切入开始位置，来求出加工原点的偏移量(offset，工具长度校正)，可以提高加工精度，更进一步地，可以实现准备工作自动化或者省力化。
<实施方式三>
图17示出实施方式三的切削装置1c的示意性结构。切削装置1c以确定切削工具20和被切削件30的相对位置关系为目的，具有在正式的切削加工开始前使切削工具20和被切削件30接触，导出相对位置关系的功能。在实施方式三的切削装置1c中，以与实施方式一的切削装置1a相同的附图标记示出的结构具有与切削装置1a中的结构相同或者同样的结构和功能。
与实施方式一的切削装置1a、实施方式二的切削装置1b不同地，实施方式三的切削装置1c不具有主轴10。切削装置1c为使用非旋转工具来进行自由曲面加工的机床，也可以是刨床。在实施方式三中，工具固定部93、切削工具20、被切削件30和被切削件固定部92为导电体，切削工具20的刃在切削点50切削被切削件30。
切削装置1c在机座2上具有使切削工具20进行相对于被切削件30的移动的进给单元90、91。被切削件30固定于被切削件固定部92，被切削件固定部92可移动地受到进给单元90的支持。切削工具20固定于工具固定部93，安装有工具固定部93的工具台94可移动地受到进给单元91的支持。在切削装置1c中，进给单元90使被切削件固定部92沿X轴方向(前后方向)移动，进给单元91使工具台94沿Y轴方向(上下方向)、Z轴方向(左右方向)移动，由此，进给单元90、91使切削工具20进行相对于被切削件30的移动。进给单元90、91可以构成为包括各轴用的电动机和滚珠丝杠。此外，工具台94可以被支持为可以在C轴(绕Z轴的旋转轴)方向旋转(可改变姿态)，被切削件固定部92可以被支持为可以在B轴(绕Y轴的旋转轴)方向旋转(可改变姿态)。
切削装置1c具有在切削工具20和被切削件30之间施加规定的电压的电压施加部46。接触监视部40监视切削工具20和被切削件30的接触的有无。接触监视部40具有与工具固定部93电连接的导线42、与被切削件30电连接的导线43、设置于导线42和导线43之间的电阻44和测定施加于电阻44的电压的测定部45。此外，测定部45也可以具有测定流过电阻44的电流的功能。在切削装置1c中，导线43与固定被切削件30的被切削件固定部92相连接。接触监视部40监视由切削工具20和被切削件30的接触导致的导通的有无。此外，接触监视部40也可以具有设置于导线42和导线43之间的电阻47(参照图1)。
控制部100具有控制切削工具20和/或者被切削件30的运动的运动控制部101、取得由测定部45测定的电气信号的取得部104和根据由取得部104取得的电气信号来确定切削工具20和被切削件30的相对位置关系的处理部105。运动控制部101具有使切削工具20或者被切削件30中的一方进行沿着规定的轨迹的运动的同时，使切削工具20沿切削工具20和被切削件30的接触方向进行相对于被切削件30的移动的功能。
在作为控制部100的功能块而记载的各成分中，硬件可以由电路块、存储器、其他LSI、CPU等构成，软件由系统软件、加载于存储器的应用程序等实现。因此，本领域技术人员应当理解，这些功能块可以仅通过硬件、仅通过软件或者通过这些的组合以各种方式实现，并不限于任何一个。
图18示意性地示出工具切削刃接触被切削件的状态。运动控制部101在使切削工具20进行沿着规定的轨迹的运动(以下，称为“轨迹运动”)的同时，使切削工具20进行沿切削工具20和被切削件30的接触方向的进给运动。轨迹运动可以是至少包括方向与进给运动的方向相反的运动方向成分的周期性运动。运动控制部101在不改变相对于被切削件30的切削工具20的姿态的情况下，使切削工具20进行轨迹运动和进给运动。在实施方式三中，轨迹运动不是仅沿一个直线轨迹的运动(直线运动)。
在该示例中，运动控制部101在包括实际加工时的切削方向和切入方向(准备工作时的工具进给方向)的面内，使切削工具20的切削刃以摆线轨迹接近被切削件30。运动控制部101优选使切削工具20至少切削一次被切削件30，并在变为过量的切入前，停止切削工具20的轨迹运动而退避。可以基于切削的次数来设定每次的进给量，在一次切削后退避的情况下，将(进给量/次)设定为(精加工余量)以下，在多次切削后退避的情况下，将(进给量/次)设定为(精加工余量/切削次数)以下。
此外，运动控制部101使工具切削刃在即将进行上述的退避动作之前的运动轨迹最深地切入被切削件。在该接触期间，运动轨迹优选为向下凸的形状。此外，为了防止工具后刀面被压入被切削件而产生工具破损，优选地，轨迹的向下的角度(进入角)设定为始终在工具后角以下。
图19示出切削刃的轨迹运动和测定部45所测定的电气信号的关系。若切削工具20的切削刃以摆线轨迹接近被切削件30，并在接触高度(原点)接触被切削件30，则测定部45测定示出切削工具20和被切削件30的接触的电气信号。若取得部104取得示出接触的电气信号，则处理部105确定接触的时间点而对确定出的时间点的切削工具20和被切削件30的相对位置关系、即接触高度(原点)进行确定。在此，接触高度(原点)为预加工面的高度。若切削工具20和被切削件30接触的区间结束，取得部104取得示出不接触的电气信号，则运动控制部101可以使切削工具20进行沿切削工具20和被切削件30彼此分离的方向的进给运动。此外，若取得部104从持续取得示出接触的电气信号的状态取得示出不接触的电气信号，则处理部105可以确定切削工具20和被切削件30从接触的状态分离的时间点，从而对确定出的时间点的切削工具20和被切削件30的相对位置关系进行确定。
如此地，运动控制部101在从切削工具20接触被切削件30开始到分离为止的期间，继续使切削工具20或者被切削件30中的至少一方进行轨迹运动。轨迹运动不是直线运动，而是包括实际加工时的切削方向的成分，且以工具后刀面不会压入被切削件30的角度进行接触(擦过或者切入)，由此，可以防止工具破损。
图20中的(a)示出运动轨迹的其他示例。图20中的(a)所示的运动轨迹为切削工具20交替重复正圆轨迹运动和直线轨迹运动而接近被切削件30的轨迹。
图20中的(b)示出运动轨迹的其他示例。图20中的(b)所示的运动轨迹为切削工具20交替重复半圆轨迹运动和直线轨迹运动而接近被切削件30的轨迹。
图20中的(c)示出运动轨迹的其他示例。图20中的(c)所示的运动轨迹为切削工具20重复连接了多个直线轨迹的三角形轨迹而接近被切削件30的轨迹。
如此地，在实施方式三中，运动控制部101使切削工具20进行沿着规定的轨迹的运动，并同时使切削工具20进行沿切削方向的进给运动，由此，使切削工具20接触被切削件30。
图21示出切削刃的轨迹运动和测定部45所测定的电气信号的关系。测定部45测定示出切削工具20和被切削件30的接触的有无的电气信号，取得部104将测定出的电气信号存储于存储器的同时，将时间信息和/或者位置信息存储于存储器。在图21所示的示例中，切削工具20的切削刃以图20中的(a)所示的运动轨迹接近被切削件30。即切削工具20的切削刃交替重复正圆轨迹运动和直线轨迹运动而接近被切削件30，并切削被切削件30一次。在切削刃接触被切削件30的期间，测定部45测定示出接触(导通)的电气信号。
处理部105根据由取得部104取得而存储于存储器的电气信号，来确定切削工具20和被切削件30接触的时间区间(导通期间)W1。处理部105计算相对于切削刃的正圆轨迹运动的周期T的、时间区间W1的比例，即计算占空比(W1/T)。在图21中，接触高度(原点)为预加工面的高度，从接触高度(原点)到正圆轨迹运动最下点的距离表示切入的最大深度d。如在实施方式一中所说明，在被切削件30的被接触面为平面的情况下，处理部105可以使用关系式(2)来计算切入的深度d。在被切削件30的被接触面为曲面的情况下，处理部105可以使用关系式(5)来计算切入的深度d。取得部104可以通过将计算出的d与正圆轨迹运动最下点相加，来计算接触高度(原点)。
已知在使用数值控制(NC)机床的进给单元来生成图18和/或者图20中的(a)～(c)所示的多轴的运动轨迹的情况下，会在拐角、圆的内侧产生内转误差。其原因在于遵守电机功率导致的加速度限制和为了使机床自身不振动而进行的填充。多轴的轨迹生成(向各轴的控制装置赋予目标(指示)值之前的处理)的内转误差是基于各个机床已确定的特性(过滤器(filter)的特性)，因此处理部105可以预先计算包括内转误差的轨迹(内转轨迹)。此外，也可以预先测定实际的运动轨迹中的内转误差而存储内转轨迹。即，在运动控制部101生成多轴的运动轨迹时，处理部105可以事先或者事后取得内转轨迹。在实施方式三中，在运动控制部101使切削工具20进行轨迹运动而使切削工具20和被切削件30接触时，处理部105可以使用已知的内转轨迹而通过求解关系式(2)至关系式(5)，来准确地求出切入的深度d。特别地，在运动轨迹具有小直径的圆弧形状、进行高速运动、过滤器时间常数长的情况下，内转误差会变大，因此处理部105优选使用内转误差来求出切入的深度d。
<实施方式四>
图22示出实施方式四的切削装置1d的示意性结构。切削装置1d为使通过卡盘31来安装于主轴10的被切削件30旋转，使切削工具20的刃切入旋转的被切削件30的车床或者车削中心。在实施方式四中，主轴10、卡盘31、被切削件30、切削工具20、工具固定部82和工具台83为导电体，切削工具20的刃在切削点50切削被切削件30。此外，在其他示例中，切削装置1d也可以是使安装于主轴10的切削工具20旋转，使旋转的切削工具20的刃切入被切削件30的铣床，或者还可以是其他种类的机床。在实施方式四的切削装置1d中，以与实施方式一的切削装置1a相同的附图标记示出的结构具有与切削装置1a中的结构相同或者同样的结构和功能。
实施方式四的切削装置1d可以是实现纳米级的加工精度的超精密机床，因此，主轴外壳12具有轴支主轴10的静压轴承80a、80b(之后，在无需特别区分的情况下称为“静压轴承80”)。静压轴承80具有将润滑流体强制性地送入主轴10和轴承面之间，利用在流体膜中产生的静压来支持载荷的功能，轴承摩擦非常小。润滑流体可以是空气等气体，或者也可以是油等液体。此外，在图22所示的主轴装置3中，省略了将润滑流体供给至主轴10的流路、压缩润滑流体的泵等的图示。
切削装置1d在机座2上具有使切削工具20进行相对于被切削件30的移动的进给单元84、85。进给单元84使工具台83沿X轴方向(前后方向)移动，进给单元85使主轴装置3沿Y轴方向(上下方向)、Z轴方向(左右方向)移动。进给单元84、85优选具有静压引导支持结构而实现高精度的定位。
主轴装置3配置于进给单元85上，具有收容主轴10而可旋转地支持主轴10的主轴外壳12。作为径向轴承/推力轴承的多个静压轴承80a、80b形成于主轴外壳12。静压轴承80a设置于主轴10的一端侧，静压轴承80b设置于主轴10的另一端侧，主轴10被静压轴承80a、80b可旋转地支持。在实施方式四中，导电性的被切削件30保持于卡盘31，但在其他示例中，也可以是导电性的切削工具20保持于卡盘31。
静压轴承80具有比较大的轴承面，且配置为轴承面和主轴表面之间具有极为狭窄的间隙。例如，轴承面的轴向长度至少为100mm以上，轴承面和主轴表面的间隔设定为约10μm左右。因此，轴承面和主轴表面在其间存在润滑流体的状态下，作为具有较大的静电容量的电容器而发挥功能。
旋转单元11具有使主轴10旋转的结构，具有电动机和将电动机的旋转动力传递至主轴10的传动结构。此外，旋转单元11可以是内置于主轴10的内装式电动机，可以直接驱动主轴10。
工作台83配置于进给单元84上。工作台83支持用于保持切削工具20的工具固定部82，工具固定部82和工具台83构成用于固定切削工具20的固定部。
切削装置1d具有在切削工具20和被切削件30之间施加交流电压的电压施加部86。接触监视部40监视由切削工具20和被切削件30的接触导致的导通的有无。
接触监视部40具有与主轴外壳12电连接的导线42、与固定部电连接的导线43、设置于导线42和导线43之间的电阻44和测定施加于电阻44的电压的测定部45。此外，测定部45也可以具有测定流过电阻44的电流的功能。测定部45测定出的电气信号(电压或者电流)被供给至控制部100。
控制部100具有控制切削工具20和/或者被切削件30的运动的运动控制部101、取得由测定部45测定的电气信号的取得部104和根据由取得部104取得的电气信号来确定切削工具20和被切削件30的相对位置关系的处理部105。运动控制部101具有在使切削工具20或者被切削件30中的一方进行旋转运动的同时，使切削工具20沿切削工具20和被切削件30的接触方向进行相对于被切削件30的移动的功能。运动控制部101具有控制由旋转单元11实现的主轴10的旋转运动的主轴控制部102和控制由进给单元84、85实现的切削工具20和被切削件30之间的相对移动(进给运动)的移动控制部103。
电压施加部86在切削工具20和被切削件30之间施加高频的交流电压。切削装置1d工作时，在驱动轴承结构的泵(未图示)而将润滑流体供给至主轴10的外周面的状态下，主轴控制部102使主轴10旋转。在主轴10的旋转开始时，被切削件30和切削工具20未接触，因此电流不流过电阻44，测定部45测定的电压为零。
而后，移动控制部103控制进给单元84、85而使被切削件30和切削工具20缓缓接近。若被切削件30和切削工具20接触，则对于电压施加部86施加的交流电压，形成由通过导线42、主轴外壳12、静压轴承80和主轴10来形成的电容器、主轴10、卡盘31、被切削件30、切削工具20、工具固定部82、工具台83、导线43、电阻44组成的闭合电路而供电流流动。测定部45测定产生于电阻44的电压而供给至取得部104。根据实施方式四的切削装置1d，不设置与主轴10相连接的触点结构41，因此可以使主轴10高精度地旋转。
以上，基于多个实施方式对本公开进行了说明。本领域技术人员可以理解的是：该实施方式是一个示例，各构件、各处理过程的组合可产生各种各样的变形例，并且这些变形例都属于本公开的范围。在实施方式中，为了导出相对位置关系而使切削工具20和被切削件30接触，而在接触动作前，优选进行送风来吹飞切削液、上次接触时的切屑，以避免切削液、切屑导致的导通。
在实施方式中，通过导通的有无或者电压变化来检测切削工具20和被切削件30的接触，但也可以使用其他传感器来检测。也可以使用例如声发射传感器的检测值、通过从接触监视部40中去除了电压施加部46后的电路来测定的热电动势、主轴负载、电动机电流等，来检测接触的有无。
本公开的方式的概要如下所述。
本公开的某一方式的切削装置包括：运动控制部，其使切削工具或者被切削件中的一方进行旋转运动或者沿着规定的轨迹的运动的同时，使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动；取得部，其取得示出切削工具和被切削件的接触的有无的信号；以及处理部，其根据由取得部取得的信号，来确定切削工具和被切削件接触的区间，并根据确定出的区间，来确定切削工具和被切削件的相对位置关系。
根据该方式，可以根据切削工具和被切削件接触的区间，来高精度地确定切削工具和被切削件的相对位置关系。
处理部可以根据确定出的区间，来导出切削工具的刀尖切入被切削件的深度，并使用导出的深度来确定切削工具和被切削件的相对位置关系。通过导出切入的深度，可以准确地确定切削工具和被切削件的相对位置关系。处理部可以计算相对于运动周期的区间的比例，使用计算出的比例来导出切入的深度。处理部可以根据切削工具和被切削件最初接触时的区间，来确定切削工具和被切削件的相对位置关系。
运动控制部可以具有：主轴控制部，其控制安装有作为切削工具或者被切削件中的一方的第一部件的主轴的旋转；以及移动控制部，其控制第一部件和作为切削工具或者被切削件中的另一方的第二部件之间的相对移动。处理部可以根据由取得部取得的信号的时间序列数据，来确定第一部件和第二部件接触的区间，并根据确定出的多个区间，来确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
根据该方式，根据示出第一部件和第二部件的接触的有无的电气信号的时间序列数据，来确定并分析第一部件和第二部件接触的多个区间，由此，可以确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的时间，并确定与该确定出的时间相对应的位置。
处理部可以计算相对于主轴的旋转周期的、区间的比例，并使用针对多个区间计算出的比例，来确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。通过使用针对多个区间计算出的比例，可以准确地确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。处理部可以使用对针对多个区间计算出的比例进行回归分析而求出的回归曲线，来确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
处理部可以基于多个区间的长度，来确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。通过使用多个区间的长度，可以准确地确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。处理部可以使用对多个区间的长度进行回归分析而求出的回归曲线，来确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
处理部可以使用示出切削工具接触被切削件的角度区间和切削工具切入被切削件的深度之间的关系的关系式，来确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。通过使用关系式，可以准确地确定第二部件到达第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。处理部可以同时导出相对位置关系和安装于主轴的第一部件的偏心量。
还可以具有：主轴外壳，其收容主轴，具有可旋转地支持主轴的静压轴承；电压施加部，其在第一部件和第二部件之间施加交流电压；以及测定部，其测定示出第一部件和第二部件的接触的有无的电气信号而供给至取得部。切削装置在包括具有静压轴承的主轴外壳的情况下，可以通过在切削工具和被切削件之间施加交流电压，来测定切削工具和被切削件接触时产生的电气信号而不必使触点结构接触主轴。
本公开的其他方式的位置关系确定方法为确定切削工具和被切削件的相对位置关系的方法，包括：使切削工具或者被切削件中的一方进行旋转运动或者沿着规定的轨迹的运动的步骤；使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动的步骤；取得示出切削工具和被切削件的接触的有无的信号的步骤；根据取得的信号，来确定切削工具和被切削件接触的区间的步骤；以及根据确定出的区间，来确定切削工具和被切削件的相对位置关系的步骤。
根据该方式，可以根据切削工具和被切削件接触的区间，来高精度地确定切削工具和被切削件的相对位置关系。
本公开的其他方式的切削装置包括：运动控制部，其使切削工具或者被切削件中的一方进行沿着规定的轨迹的运动的同时，使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动；取得部，其取得示出切削工具和被切削件的接触的有无的信号；以及处理部，其根据由取得部取得的信号，来确定切削工具和被切削件接触的时间点或者切削工具和被切削件从接触的状态脱离的时间点，并对确定出的时间点的切削工具和被切削件的相对位置关系进行确定。
根据该方式，可以在降低发生工具破损的可能性的同时，高精度地确定切削工具和被切削件的相对位置关系。运动控制部优选在从切削工具的刀尖接触被切削件开始到分离为止的期间，使切削工具或者被切削件中的一方持续进行沿着规定的轨迹的运动。此外，切削工具每次进行沿着规定的轨迹的运动而接近被切削件的移动量优选设定为不超过被切削件的加工余量(精加工余量)。由此，可以降低超过加工余量而切削、在精加工面留下接触痕迹的风险。为了确实地规避该风险，可以在每次沿着规定的轨迹的运动时，暂时停止于切削工具离开被切削件的一侧，并确认接触的有无。
本公开的其他方式的位置关系确定方法为确定切削工具和被切削件的相对位置关系的方法，包括：使切削工具或者被切削件中的一方进行沿着规定的轨迹的运动的步骤；使切削工具沿切削工具和被切削件的接触方向进行相对于被切削件的移动的步骤；取得示出切削工具和被切削件的接触的有无的信号的步骤；根据取得的信号，来确定切削工具和被切削件接触的时间点或者切削工具和被切削件从接触的状态脱离的时间点的步骤；以及对确定出的时间点的切削工具和被切削件的相对位置关系进行确定的步骤。
根据该方式，可以在降低发生工具破损的可能性的同时，高精度地确定切削工具和被切削件的相对位置关系。
(产业上的可利用性)
本公开的方法可以用于切削被切削件的切削装置。
(附图标记的说明)
1a、1b、1c、1d：切削装置；2：机座；3：主轴装置；
10：主轴；11：旋转单元；12：主轴外壳；13a、13b：轴承；
20：切削工具；21：进给单元；22：工具固定部；
23：被切削件固定部；24、25：进给单元；30：被切削件；
31：卡盘；32：保持器；40：接触监视部；41：触点结构；
42、43：导线；44：电阻；45：测定部；46：电压施加部；
47：电阻；80a、80b：静压轴承；82：工具固定部；
83：工具台；84、85：进给单元；86：电压施加部；
100：控制部；101：运动控制部；102：主轴控制部；
103：移动控制部；104：取得部；105：处理部。

Claims (17)

1.一种切削装置，其特征在于，包括：
运动控制部，其使切削工具或者被切削件中的一方进行旋转运动或者沿着规定的轨迹的运动的同时，使所述切削工具沿所述切削工具和所述被切削件的接触方向进行相对于所述被切削件的移动；
取得部，其取得示出所述切削工具和所述被切削件的接触的有无的信号；以及
处理部，其根据由所述取得部取得的信号来确定所述切削工具和所述被切削件接触的区间，并根据确定出的区间来确定所述切削工具和所述被切削件的相对位置关系。
2.根据权利要求1所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部根据确定出的区间来导出所述切削工具的刀尖切入所述被切削件的深度，并使用导出的深度来确定所述切削工具和所述被切削件的相对位置关系。
3.根据权利要求2所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部计算相对于运动周期的区间的比例，使用计算出的比例来导出切入的深度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部根据所述切削工具和所述被切削件最初接触时的区间来确定所述切削工具和所述被切削件的相对位置关系。
5.根据权利要求1所述的切削装置，其特征在于，
所述运动控制部具有：
主轴控制部，其控制安装有作为所述切削工具或者所述被切削件中的一方的第一部件的主轴的旋转；以及
移动控制部，其控制所述第一部件和作为所述切削工具或者所述被切削件中的另一方的第二部件之间的相对移动。
6.根据权利要求5所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部根据由所述取得部取得的信号的时间序列数据来确定所述第一部件和所述第二部件接触的区间，并根据确定出的多个区间来确定所述第二部件到达所述第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
7.根据权利要求6所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部计算相对于所述主轴的旋转周期的、区间的比例，并使用针对多个区间计算出的比例来确定所述第二部件到达所述第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
8.根据权利要求7所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部使用对针对多个区间计算出的比例进行回归分析而求出的回归曲线来确定所述第二部件到达所述第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
9.根据权利要求6所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部基于多个区间的长度来确定所述第二部件到达所述第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
10.根据权利要求9所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部使用对多个区间的长度进行回归分析而求出的回归曲线来确定所述第二部件到达所述第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部使用示出所述切削工具接触所述被切削件的角度区间和所述切削工具切入所述被切削件的深度之间的关系的关系式来确定所述第二部件到达所述第一部件的最外周点的旋转轨迹圆的位置。
12.根据权利要求6所述的切削装置，其特征在于，
所述处理部导出安装于所述主轴的所述第一部件的偏心量。
13.根据权利要求5所述的切削装置，其特征在于，还包括：
主轴外壳，其收容所述主轴，具有可旋转地支持所述主轴的静压轴承；
电压施加部，其在所述第一部件和所述第二部件之间施加交流电压；以及
测定部，其测定示出所述第一部件和所述第二部件的接触的有无的电气信号而供给至所述取得部。
14.一种位置关系的确定方法，其确定切削工具和被切削件的相对位置关系，其特征在于，包括：
使所述切削工具或者所述被切削件中的一方进行旋转运动或者沿着规定的轨迹的运动的步骤；
使所述切削工具沿所述切削工具和所述被切削件的接触方向进行相对于所述被切削件的移动的步骤；
取得示出所述切削工具和所述被切削件的接触的有无的信号的步骤；
根据取得的信号来确定所述切削工具和所述被切削件接触的区间的步骤；以及
根据确定出的区间来确定所述切削工具和所述被切削件的相对位置关系的步骤。
15.一种切削装置，其特征在于，包括：
运动控制部，其使切削工具或者被切削件中的一方进行沿着规定的轨迹的运动的同时，使所述切削工具沿所述切削工具和所述被切削件的接触方向进行相对于所述被切削件的移动；
取得部，其取得示出所述切削工具和所述被切削件的接触的有无的信号；以及
处理部，其根据由所述取得部取得的信号来确定所述切削工具和所述被切削件接触的时间点或者所述切削工具和所述被切削件从接触的状态分离的时间点，并对确定出的时间点的所述切削工具和所述被切削件的相对位置关系进行确定。
16.根据权利要求15所述的切削装置，其特征在于，
所述运动控制部在从所述切削工具的刀尖接触所述被切削件开始到分离为止的期间，使所述切削工具或者所述被切削件中的一方持续进行沿着规定的轨迹的运动。
17.一种位置关系的确定方法，其确定切削工具和被切削件的相对位置关系，其特征在于，包括：
使所述切削工具或者所述被切削件中的一方进行沿着规定的轨迹的运动的步骤；
使所述切削工具沿所述切削工具和所述被切削件的接触方向进行相对于所述被切削件的移动的步骤；
取得示出所述切削工具和所述被切削件的接触的有无的信号的步骤；
根据取得的信号来确定所述切削工具和所述被切削件接触的时间点或者所述切削工具和所述被切削件从接触的状态分离的时间点的步骤；以及
对确定出的时间点的所述切削工具和所述被切削件的相对位置关系进行确定的步骤。
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