JP2009285792A - Ｎｃ工作機械におけるツールモニタ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多大な手間のかかる設定作業を行なわなくても、実加工区間のモニタリング信号を得ることができるＮＣ工作機械におけるツールモニタ方法を提供すること。
【解決手段】ＮＣ工作機械においてツールモニタを行なうにあたって、ツールがワークを加工する際の加工区間Ｔ0のうち、実加工を行なう前の実加工前エアカット区間Ｔ1と、実加工を終えた後の実加工後エアカット区間Ｔ3とを避けた実加工区間Ｔ2中に測定した負荷トルク（モニタリング信号）に基づいてツール２の状態を監視する。その際、ツール２とワークＷとの相対位置情報に基づいてツール２の監視を開始すべきタイミングおよび停止すべきタイミングを設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＮＣ工作機械においてツールとワークの状態を監視するツールモニタ方法に関するものである。

ＮＣ工作機械の稼動率や歩留まりなどの向上に向けた課題として、ツールの損傷や摩耗といった異常を自動的に監視することが掲げられており、かかる監視を行なう方法としては、加工中、モニタリング信号を得、かかるモニタリング信号を比較判定する方法が一般的である（特許文献１参照）。
特開平６−２１８６５５号公報 特開２００５−１１１５８８号公報

しかしながら、ツールがワークを加工する際の加工区間には、実加工を行なう前の実加工前エアカット区間、実加工区間、および実加工を終えた後の実加工後エアカット区間が含まれており、かかる区間のうち、実加工前エアカット区間や実加工後エアカット区間などのエアカット区間では、ツールとワークとが接触していないため、かかる区間に測定したモニタリング信号に基づいてツールとワークを監視すると誤った判定を行なってしまう。例えば、モニタリング信号として負荷トルクを用いる場合、図５に示すように、実加工区間Ｔ2中の負荷トルクは切削負荷であるのに対して、実加工前エアカット区間Ｔ1や実加工後エアカット区間Ｔ3などのエアカット区間では、加速や減速の他、未加工状態等不確定要素が含まれているため、エアカット区間に測定した負荷トルクに基づいてツールの良否を判定すると誤った判定を行なってしまうことになる。

従って、ツールがワークを加工する際、タイマー設定により、監視開始点Ｐsと監視停止点Ｐeとを設定し、かかる設定に基づいて、実加工前エアカット区間Ｔ1と実加工後エアカット区間Ｔ3とを避けた実加工区間Ｔ2中に測定したモニタリング信号のみによって、ツールの良否を判定する必要がある。しかしながら、ＮＣ工作機械で行なわれる加工は、多種多様であるため、これらの加工毎にエアカット区間を排除するためのタイマー設定を行なう方法では多大な手間がかかるという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、多大な手間のかかる設定作業を行なわなくても、実加工区間のモニタリング信号を得ることができるＮＣ工作機械におけるツールモニタ方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、ワークをツールで加工する工作機械本体と、該工作機械本体での加工を制御するＮＣ装置とを有するＮＣ工作機械において、前記ワークを前記ツールで加工する際に得たモニタリング信号に基づいて前記ツールと前記ワークの状態を監視するツールモニタ方法であって、前記ＮＣ装置において、前記ツールと前記ワークとの相対位置情報に基づいて前記ツールと前記ワークの監視を開始すべきタイミングおよび停止すべきタイミングを設定して、前記ツールが前記ワークを加工する際の加工区間のうち、実加工を行なう前の実加工前エアカット区間と、実加工を終えた後の実加工後エアカット区間とを避けた実加工区間中に測定した前記モニタリング信号に基づいて前記ツールの状態と前記ワークを監視することを特徴とする。

本発明では、ツールがワークを加工する際の加工区間のうち、実加工を行なう前の実加工前エアカット区間と、実加工を終えた後の実加工後エアカット区間とを避けた実加工区間中に測定したモニタリング信号に基づいてツールとワークの状態を監視するにあたって、ツールとワークとの相対位置情報に基づいてツールとワークの監視を開始すべきタイミングおよび停止すべきタイミングを設定する。かかる相対位置情報であれば、加工を行う際、ＮＣ装置での加工プログラムや、加工図面から得ることができるので、多大な手間のかかる設定作業を行なう必要がない。

本発明においては、前記モニタリング信号として、例えば、前記ワークを加工する際に前記ツールを駆動する際の負荷トルクまたは／および前記ワークを加工する際に前記ワークを駆動する際の負荷トルクが測定される。

本発明において、前記ツールと前記ワークの状態を監視するにあたっては、先に測定した前記実加工区間中のモータトルクを負荷トルク基準レベルとして記憶しておき、今回測定した前記実加工区間中の負荷トルクと前記負荷トルク基準レベルとの比較を行なうことが好ましい。

この場合、前記ＮＣ装置は、オフセット番号に基づいて前記ツールについて位置基準となる刃先位置が参照される記憶部を備え、前記負荷トルク基準レベルは、前記オフセット番号に関連づけて前記記憶部に記憶されていることが好ましい。

本発明では、ツールとワークとの相対位置情報に基づいてツールとワークの監視を開始すべきタイミングおよび停止すべきタイミングを設定し、かかる相対位置情報であれば、加工を行う際、ＮＣ装置での加工プログラムや、加工図面から得ることができるので、加工プログラムの修正が不要で、基準レベルの分析・監視開始点と停止点の考慮など多大な手間のかかる作業を行なう必要がない。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（全体構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したＮＣ工作機械の全体構成を示す説明図、およびこのＮＣ工作機械のＮＣ装置の構成を示すブロック図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明を適用したＮＣ工作機械１は、複数のツール２を保持するタレット１３０を備えた刃物台１３と、この刃物台１３に保持されたツール２でワークＷを加工する工作機械本体１１と、刃物台１３および工作機械本体１１を制御して工作機械本体１１での加工を制御するＮＣ装置１５とを有している。

かかるＮＣ工作機械１において、加工されるワークＷの形状は、ワークＷとツール２の刃先（ワークＷを切削する部分）の相対位置関係で決定されることから、ＮＣ装置１５には、工作機械本体１１で行なう加工プログラムが格納された加工プログラム記憶部１５５に加えて、刃物台１３に保持された複数のツール２の各情報が記憶されたツール情報記憶部１５７が設けられており、ＮＣ装置１５の制御部１５１は、加工プログラム記憶部１５５に記憶されている加工プログラム、およびツール情報記憶部１５７に記憶されているツール情報に基づいて、ワークＷに所定の加工を行なう。

ここで、ツール２は各々、サイズや刃先位置が相違するため、ワークＷ加工時の刃物台１３などの動作基準となる刃先位置（基準刃先位置）をツール２毎に設定しておく必要がある。かかる設定は、加工プログラム上において、例えば「Ｔ０１０１」、「Ｔ０２０２」・・・等と表示される。ここでＴはツール２を意味し、これに続く数字の上２桁は、ツール情報記憶部１５７のうち、ツール２の種類を登録したメモリ領域を参照するための番号となっている一方、下２桁は基準刃先位置を登録したメモリ領域をそれぞれ参照するための番号となっている。かかる番号のうち、ツール２の種類を示す番号は一般に「ツール番号」と称され、刃先位置を示す番号は「オフセット番号」と称されている。従って、オフセット番号で参照されるメモリ領域には、刃物台１３が基準位置にあるときのツール２の刃先位置がワークＷの加工原点からのＺ軸距離Ｚ0及びＸ軸距離Ｘ0で設定されている。それ故、ツール２が選択されたとき、ＮＣ装置１５は、オフセット番号で参照されるメモリ領域からＺ0値とＸ0値とを読み取って、それを基準として刃物台１３を移動させることにより、ワークＷとツール２の刃先との位置関係を制御することができるので、工作機械本体１１ではツール２によってワークＷを所定形状に加工することができる。なお、オフセット番号で参照されるメモリ領域に記録されている基準刃先位置は、新たなツール２の場合、その初期値が設定され、ツール２が磨耗した場合、補正した値が設定されることになる。

（ツールモニタの構成）
図２は、本発明を適用したＮＣ工作機械でツールモニタを行なう際の監視開始点および監視停止点の説明図である。

本形態のＮＣ工作機械１において、稼動率や歩留まりなどを向上するには、ツール２の損傷や摩耗といった異常を自動的に監視する必要がある。そこで、本形態のＮＣ工作機械１において、ＮＣ装置１５には、ツールモニタ制御プログラムがツールモニタ制御部１５９に記憶されており、ＮＣ装置１５は、かかるモニタプログラムに基づいて、ツール２の監視を行なう。

かかる監視を行なうにあたって、本形態では、ＮＣ工作機械１において、Ｘ軸駆動装置のモータ、Ｚ軸駆動装置のモータ、ツール２を回転駆動するモータ、ワークＷを回転駆動するスピンドル用のモータ、その他、加工時に駆動するモータの各々のトルクがモニタリング信号として用いられており、かかるモータトルク（負荷トルク）を、先に設定したトルク基準レベルと比較し、ツール２の損傷や摩耗といった異常を検出する。

本形態において、負荷トルク基準レベルは、図１（ｂ）に示すように、負荷記憶部１６１において、オフセット番号と関連づけて記憶されている。なお、負荷記憶部１６１には、負荷トルク基準レベルとして、負荷状態の基準レベルに加えて、無負荷状態の基準レベルも記憶されている。かかる負荷トルク基準レベルは、ツール２を新たにセットした後、あるいは、ツール２の磨耗に伴って刃先基準位置を補正した後、加工動作を実際に行なった際に得られたデータであり、初期値に相当する。

ここで、ツール２がワークＷを加工する際の加工区間Ｔ0には、図２に示すように、実加工を行なう前の実加工前エアカット区間Ｔ1、実加工区間Ｔ2、および実加工を終えた後の実加工後エアカット区間Ｔ3が含まれており、かかる区間のうち、実加工前エアカット区間Ｔ1や実加工後エアカット区間Ｔ3などのエアカット区間では、ツール２とワークＷとが接触していないため、かかるエアカット区間に測定したトルクを負荷トルク基準レベルと比較すると誤った判定を行なってしまう。すなわち、実加工区間Ｔ2中の負荷トルクは切削負荷であるのに対して、実加工前エアカット区間Ｔ1や実加工後エアカット区間Ｔ3などのエアカット区間では、加速や減速の他、未加工状態等不確定要素が含まれているため、エアカット区間に測定したトルクに基づいてツール２の良否を判定すると誤った判定を行なってしまうことになる。

そこで、本形態では、ＮＣ装置１５による監視および制御の下、ツール２とワークＷとが相対移動した際の各々の相対位置情報に基づいてツール２の監視を開始すべきタイミング（監視開始点Ｐs）および停止すべきタイミング（監視停止点Ｐe）を設定して、ツール２がワークＷを加工する際の加工区間Ｔ0のうち、実加工を行なう前の実加工前エアカット区間Ｔ1と、実加工を終えた後の実加工後エアカット区間Ｔ3とを避けた実加工区間Ｔ2中に測定した負荷トルクに基づいてツール２の状態を監視する。

例えば、
移動量≧監視開始点距離設定値
になったとき、あるいは、
移動開始時の残移動量−残移動量≧監視開始点距離設定値
になったときを監視開始点Ｐsとし、
残移動量≦監視停止点距離設定値
になったとき監視停止点Ｐeとする。

（具体的なツールモニタの動作）
以下、図３および図４を参照して、かかる監視を行なう際、負荷トルク基準レベルを得るサンプリング工程と、負荷トルク基準レベルとの比較によってツール２の磨耗や損傷を監視するモニタリングを得るモニタリング工程とを説明する。図３および図４は各々、本発明を適用したＮＣ工作機械１におけるサンプリング工程と、およびモニタリング工程の動作を示すフローチャート図である。

まず、図３に示すサンプリング工程では、ステップＳＴ１０１においてサンプリングをスタートした後、無負荷状態でのトルク基準レベルを設定するには、まず、ステップＳＴ１０２において無負荷運転モードであると判断されると、ステップＳＴ１０４において負荷記憶部１６１のうち、無負荷メモリ領域が選択される。

次に、ステップＳＴ１０５においてオフセット番号が読み込まれた後、ステップＳＴ１０６において移動量が監視開始点距離設定値以上か否かが判断され、ステップＳＴ１０６において移動量が監視開始点距離設定値以上であると判断されると、ステップＳＴ１０７で監視がスタートする。そして、ステップＳＴ１０８において移動量が監視開始点距離設定値以上であると判断された場合には、ステップＳＴ１０９において、これまで記憶されている格納データと、新たに得られた帰還データとの対比が行なわれ、新たに得られた帰還データが、これまで記憶されている格納データより大きい場合には、ステップＳＴ１０９においてデータ更新が行なわれる一方、新たに得られた帰還データが、これまで記憶されている格納データより小さい場合には、データ更新が行なわれない。

そして、ステップＳＴ１１０において残移動量が監視停止点距離設定値以下か否かが判断され、ステップＳＴ１１０において残移動量が監視停止点距離設定値以下になるまで、ステップＳＴ１０６〜ステップＳＴ１０９の処理が繰り返される。

これに対して、ステップＳＴ１１０において残移動量が監視停止点距離設定値以下であると判断されると、ステップＳＴ１１１において監視を停止し、ステップＳＴ１１２にて運転継続時はステップＳＴ１０５へ、運転停止時はステップＳＴ１１３で無負荷状態でのトルク基準レベルの設定が終了する。

一方、サンプリング工程において、負荷状態でのトルク基準レベル（負荷トルク基準レベル）を設定する場合、ステップＳＴ１０２において負荷運転モードであると判断されると、ステップＳＴ１０３において負荷記憶部１６１のうち、負荷メモリ領域が選択される。

それ以降は、無負荷状態でのトルク基準レベルを設定する場合と同様、ステップＳＴ１０５においてオフセット番号が読み込まれた後、ステップＳＴ１０６において移動量が監視開始点距離設定値以上か否かが判断され、ステップＳＴ１０６において移動量が監視開始点距離設定値以上であると判断されると、ステップＳＴ１０７で監視がスタートする。そして、ステップＳＴ１０８において移動量が監視開始点距離設定値以上であると判断された場合には、ステップＳＴ１０９において、これまで記憶されている格納データと、新たに得られた帰還データとの対比が行なわれ、新たに得られた帰還データが、これまで記憶されている格納データより大きい場合には、ステップＳＴ１０９においてデータ更新が行なわれる一方、新たに得られた帰還データが、これまで記憶されている格納データより小さい場合には、データ更新が行なわれない。そして、ステップＳＴ１１０において残移動量が監視停止点距離設定値以下か否かが判断され、ステップＳＴ１１０において残移動量が監視停止点距離設定値以下になるまで、ステップＳＴ１０６〜ステップＳＴ１０９の処理が繰り返される。これに対して、ステップＳＴ１１０において残移動量が監視停止点距離設定値以下であると判断されると、ステップＳＴ１１１において監視を停止し、ステップＳＴ１１２にて運転継続時はステップＳＴ１０５へ、運転停止時はステップＳＴ１１３で無負荷状態でのトルク基準レベルの設定が終了する。

次に、図４に示すモニタリング工程では、ステップＳＴ２０１においてモニタリングをスタートした後、ステップＳＴ２０２においてオフセット番号を読み込む。

次に、ステップＳＴ２０３において移動量が監視開始点距離設定値以上か否かが判断され、ステップＳＴ２０３において移動量が監視開始点距離設定値以上であると判断されると、ステップＳＴ２０４で監視がスタートする。

そして、ステップＳＴ２０５において、今回測定した負荷トルクが無負荷状態のトルク基準レベルであると判断された場合には、ツール２が欠けているなどの問題が発生したとして、ステップＳＴ２０６でＮＣ工作機械１（マシン）を即刻停止させた後、ステップＳＴ２１５において加工を終了する。かかるマシン無負荷レベルは、無負荷状態の負荷トルク基準レベルに対して所定の係数を乗じた値、例えば、負荷状態の負荷トルク基準レベル±２０％の範囲であり、ツール２が大幅に損傷している状態を示唆する。かかるツール２については廃棄する。

また、ステップＳＴ２０５において、今回測定した負荷トルクが無負荷状態のトルク基準レベルでないと判断された後、ステップＳＴ２０７において、今回測定した負荷トルクがマシン停止レベルであると判断した場合には、ステップＳＴ２０６でＮＣ工作機械１（マシン）を即刻停止させた後、ステップＳＴ２１５において加工を終了する。かかるマシン停止レベルは、負荷状態の負荷トルク基準レベルに対して所定の係数を乗じた値、例えば、負荷状態の負荷トルク基準レベルの１５０％以上であり、ツール２が大幅に損傷している状態を示唆する。かかるツール２については廃棄する。

また、ステップＳＴ２０７において、今回測定した負荷トルクがマシン停止レベルでないと判断した後、ステップＳＴ２０８で、今回測定した負荷トルクがサイクル停止レベルであると判断した場合には、ステップＳＴ２０９においてＮＣ工作機械１（マシン）を１サイクル運転後停止させる要求をした後、ステップＳＴ２１２において、残移動量が監視停止点距離設定値以下であるか否かを判断する。かかるサイクル停止レベルも、負荷状態の負荷トルク基準レベルに対して所定の係数を乗じた値、例えば、負荷状態の負荷トルク基準レベルの１４０％以上であり、ツール２が摩耗し寿命であることを示唆する。

また、ステップＳＴ２０８において、今回測定した負荷トルクがサイクル停止レベルでないと判断された後、ステップＳＴ２１０で、今回測定した負荷トルクが予報レベルであると判断した場合には、ステップＳＴ２１１においてＮＣ工作機械１において、ツール２の交換時期や基準刃先位置の補正時期が近い旨を報知した後、ステップＳＴ２１２において、残移動量が監視停止点距離設定値以下であるか否かを判断する。かかる予報レベルは、負荷状態の負荷トルク基準レベルに対して所定の係数を乗じた値、例えば、負荷状態の負荷トルク基準レベルの１３０％以上である。

ステップＳＴ２１２において残移動量が監視停止点距離設定値以下であると判断されると、ステップＳＴ２１３において監視を停止し、ステップＳＴ２１４にて運転継続時はステップＳＴ２０２へ、運転停止時はステップＳＴ２１５で加工を終了する。なお、ステップＳＴ２１２において残移動量が監視停止点距離設定値以下でない場合、上記のステップＳＴ２０３〜ステップＳＴ２１０の処理が繰り返される。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、ツール２がワークＷを加工する際の加工区間Ｔ0のうち、実加工を行なう前の実加工前エアカット区間Ｔ1と、実加工を終えた後の実加工後エアカット区間Ｔ3とを避けた実加工区間Ｔ2中に測定した負荷トルク（モニタリング信号）に基づいてツール２の状態を監視するにあたって、ツール２とワークＷとの相対位置情報に基づいてツール２の監視を開始すべきタイミングおよび停止すべきタイミングを設定する。かかる相対位置情報であれば、加工を行う際、ＮＣ装置１５での加工プログラムや、加工図面から得ることができるので加工プログラムの修正が不要で、基準レベルの分析・監視開始点と停止点の考慮など、多大な手間のかかる作業を行なう必要がない。

また、ＮＣ装置１５は、オフセット番号に基づいてツール２について位置基準となる刃先位置が参照される記憶部を備え、負荷トルク基準レベルは、オフセット番号に関連づけて負荷記憶部１６１に記憶されるため、簡素なデータ構成でツールモニタを行なうことができる。

（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したＮＣ工作機械の全体構成を示す説明図、およびこのＮＣ工作機械のＮＣ装置の構成を示すブロック図である 本発明を適用したＮＣ工作機械でツールモニタを行なう際の監視開始点および監視停止点の説明図である。 本発明を適用したＮＣ工作機械におけるサンプリング工程の動作を示すフローチャート図である。 本発明を適用したＮＣ工作機械におけるモニタリング工程の動作を示すフローチャート図である。 本発明の参考例に係るＮＣ工作機械でツールモニタを行なう際の監視開始点および監視停止点の説明図である。

符号の説明

１ ＮＣ工作機械
２ ツール
１１ 工作機械本体
１３ 刃物台
１５ ＮＣ装置

Claims (4)

1. ワークをツールで加工する工作機械本体と、該工作機械本体での加工を制御するＮＣ装置とを有するＮＣ工作機械において、前記ワークを前記ツールで加工する際に得たモニタリング信号に基づいて前記ツールと前記ワークの状態を監視するツールモニタ方法であって、
   前記ＮＣ装置において、前記ツールと前記ワークとの相対位置情報に基づいて前記ツールと前記ワークの監視を開始すべきタイミングおよび停止すべきタイミングを設定して、前記ツールが前記ワークを加工する際の加工区間のうち、実加工を行なう前の実加工前エアカット区間と、実加工を終えた後の実加工後エアカット区間とを避けた実加工区間中に測定した前記モニタリング信号に基づいて前記ツールと前記ワークの状態を監視することを特徴とするＮＣ工作機械におけるツールモニタ方法。
2. 請求項１に記載のＮＣ工作機械におけるツールモニタ方法において、
   前記モニタリング信号として、前記ワークを加工する際に前記ツールを駆動する際の負荷トルクまたは／および前記ワークを加工する際に前記ワークを駆動する際の負荷トルクが測定されることを特徴とするＮＣ工作機械におけるツールモニタ方法。
3. 請求項１または２に記載のツールモニタ方法において、
   前記ツールと前記ワークの状態を監視するにあたっては、先に測定した前記実加工区間中のモータトルクを負荷トルク基準レベルとして記憶しておき、今回測定した前記実加工区間中の負荷トルクと前記負荷トルク基準レベルとの比較を行なうことを特徴とするＮＣ工作機械におけるツールモニタ方法。
4. 請求項３に記載のツールモニタ方法において、
   前記ＮＣ装置は、オフセット番号に基づいて前記ツールについて位置基準となる刃先位置が参照される記憶部を備え、
   前記負荷トルク基準レベルは、前記オフセット番号に関連づけて負荷記憶部に記憶されていることを特徴とするＮＣ工作機械におけるツールモニタ方法。