JP2018190346A - 工作機械の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の寸法がばらつきを持つ加工であっても、加工時間を最小とすることができると共に、高価なセンサの設置や事前測定による加工時間の延長を必要とせず、また経験の少ないオペレータでも最良の結果を得ることができる工作機械の制御方法及び制御装置を提供する。【解決手段】マシニングセンタ１のＮＣ装置１０は、確率分布記憶手段１３で、被加工物３の寸法のばらつきを確率分布として保持し、駆動軸送り速度算出手段１４で、駆動軸の位置に応じた駆動軸の送り速度を、確率分布を基に算出し、駆動軸制御手段１５により、算出された送り速度で駆動軸を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、工具または被加工物を回転させながら加工を行う工作機械において、工具の破損を抑制しつつ加工時間を短縮するための制御方法及び制御装置に関する。

切削加工において、加工時間短縮を目的として、非加工領域の送り速度をできるだけ高速にするためワーク端面直前まで高速で軸送りを行い、工具とワークが接触する直前に切削に適した条件に変更する、ということが行われている（特許文献１等参照）。
しかし、鋳物素材などワーク寸法がばらつきを持つ場合、高速での工具・ワーク接触を防止するため、ある程度ワーク端面から余裕を持った位置で速度を落とすことが多い。この場合、寸法のばらつき度合いを正しく考慮してマージンを設定していれば問題ないが、経験の少ない作業者の場合、ばらつき量を正しく見積もることが難しく、加工時間が無用に延びたり、高速での接触による工具破損を招いたりする。
このような課題に対し、例えば特許文献２のように、センサにて工具とワークとの接触を検出し、接触を検出した場合に送り速度を下げる、という技術が提案されている。
また、特許文献３のように、前回加工時の切削開始位置を記憶しておき、その部分から送り速度を変化させるように加工プログラムを編集する技術も提案されている。本文献ではクリアランスパラメータの設定によりばらつきを吸収するとしている。
さらに、特許文献４のような技術も提案されている。本技術では、別途距離センサを設け、加工前に実際のワーク寸法を測定してその結果に応じて加工プログラムを修正している。

特開平６−２６２４８４号公報 特開昭５９−１４３９０１号公報 特開平１０−２９３６０６号公報 特開平８−２５７８７４号公報

しかしながら特許文献２の技術の場合、接触検出後に減速を開始することから、接触時点では送り速度が高速であり、工具の破損や加工目の悪化につながる恐れがある。
特許文献３の技術の場合、二回目以降の加工では工具接触前に減速することが可能なため高速での接触による工具破損を防止することができるが、オペレータがばらつきの量を考慮して適切なクリアランスパラメータを設定しなければならず、経験が少ないオペレータでは工具破損につながる恐れがある。
特許文献４の技術の場合、加工前にワーク寸法を知ることができるため、適切なエアカット量を設定することが可能である一方、加工前に測定を行うための時間が別途必要になる上、センサの設置費用も必要となる。

そこで、本発明は、被加工物の寸法がばらつきを持つ加工であっても、加工時間を最小とすることができると共に、高価なセンサの設置や事前測定による加工時間の延長を必要とせず、また経験の少ないオペレータでも最良の結果を得ることができる工作機械の制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工具または被加工物を回転させる主軸と、工具を被加工物に対して相対移動させるための駆動軸とを備え、工具にて被加工物を加工する工作機械において、駆動軸の送り速度を駆動軸の位置に応じて変化させる制御方法であって、被加工物の寸法のばらつきを確率分布として保持し、駆動軸の位置に応じた駆動軸の送り速度を、当該確率分布を基に算出することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の工作機械の制御方法であって、加工時に工具と被加工物との接触を検知した場合、接触を検知した時点の駆動軸の位置を用いて確率分布を更新することを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、工具または被加工物を回転させる主軸と、工具を被加工物に対して相対移動させるための駆動軸とを備え、工具にて被加工物を加工する工作機械において、駆動軸の送り速度を駆動軸の位置に応じて変化させる制御装置であって、被加工物の寸法のばらつきを表す確率分布を保持する確率分布記憶手段と、確率分布記憶手段に記憶された確率分布を基に駆動軸の送り速度を算出する駆動軸送り速度算出手段とを備えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の工作機械の制御装置であって、工具と被加工物との接触を検知する接触検知手段と、接触検知手段が接触を検知した時点の駆動軸の位置を用いて確率分布記憶手段に保持された確率分布を更新する確率分布更新手段とを備えることを特徴とする。

請求項１及び３に記載の発明によれば、被加工物の寸法のばらつきを確率分布として保持し、駆動軸の位置に応じた駆動軸の送り速度を、確率分布を基に算出することで、被加工物の寸法のばらつきが既知である場合に、工具と被加工物が接触する確率が低い領域では送り速度を高速に、接触する確率が高い領域では送り速度を低速にするように制御を行うことができる。よって、寸法にばらつきを持った被加工物に対しても最適な送り速度を設定することができ、加工時間を最小化することができる。
請求項２及び４に記載の発明によれば、上記効果に加えて、実加工時に工具と被加工物との実際の接触位置を検出し、その検出結果を元に確率分布を更新することで、加工回数を重ねるごとに被加工物の実際の寸法ばらつきを学習することができ、オペレータの技量に依存せず加工時間の最小化を図ることができる。
なお、工具と被加工物の接触検知方法としては既存の技術を用いることができ、例えば駆動軸の負荷の上昇を監視して接触を検知することで、追加のセンサを必要とせず加工時間の短縮を図ることができる。この場合実際に工具と被加工物が接触してから検出することになるが、その時点で保持されている確率分布を元に予め送り速度が減速されているため、不意の工具破損につながるリスクが軽減できる。

マシニングセンタのブロック構成図である。 制御方法のフローチャートである。 被加工物寸法の確率分布と送り速度との関係図である。 被加工物端面が存在する確率の累積分布関数を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明を実施する一例となるマシニングセンタのブロック構成図を示す。１は、加工用の工具２を装着可能な回転軸としての主軸を備えたマシニングセンタであって、被加工物３を設置可能なテーブルを備える。
１０は本発明の制御方法を実行する制御装置としてのＮＣ装置で、ここでは接触検知手段１１と、確率分布更新手段１２と、確率分布記憶手段１３と、駆動軸送り速度算出手段１４と、駆動軸制御手段１５とを備えている。

接触検知手段１１は、工具２と被加工物３との接触の有無を監視し、接触を検知した場合には、確率分布更新手段１２にその旨を通知する。接触を検知する方法としては、前述した特許文献２に開示されるセンサを用いる方法などを適宜用いることができる。
確率分布更新手段１２では、接触検知手段１１が接触を検知した時点の駆動軸位置を元に確率分布を計算し、確率分布記憶手段１３が保持する確率分布を更新する。計算手法については後述する。
確率分布記憶手段１３は、被加工物３の寸法ばらつきを表す確率分布を保持する。駆動軸送り速度算出手段１４は、確率分布記憶手段１３が保持する確率分布を元に、後述する計算式に基づいてマシニングセンタ１の駆動軸（図示しない）の送り速度を算出する。算出された送り速度に基づいて、駆動軸制御手段１５が駆動軸の制御を実行する。

以降、図２に示すフローチャート及び図３に基づき、確率分布及び送り速度を計算して制御する方法の詳細について説明する。
まず、図３では、横軸を駆動軸位置ｘとして、工具２と被加工物３との関係（上段）、確率分布記憶手段１３が保持する確率分布（中段）、駆動軸送り速度算出手段１４が算出する送り速度（下段）の関係を図示している。本実施例では確率分布記憶手段１３が保持する確率分布を正規分布として説明するが、必要に応じて他の確率分布を使用しても構わない。

図２において、まず加工開始時、加工が初品であるか否かを判断する（S001）。初品加工の場合、被加工物３の実際の寸法ばらつきは未知であるため、確率分布記憶手段１３に任意の事前確率分布を設定する（S002）。ここで設定する事前確率分布（平均値μ及び標準偏差σ）は図面上の設定公差や過去の経験に基づいて任意に設定できるが、不意の衝突を防止するため大きめの余裕を持たせておくことが望ましい。設定した平均値μ及び標準偏差σに基づく確率分布ｆ（ｘ）は、次式１で表される。

被加工物３の設置位置及び寸法公差を元に、被加工物端面の平均値を９０ｍｍ、標準偏差を２ｍｍとした場合、初期確率分布は、図３中段「初期分布」の形となる。
初品加工でなかった場合は、既に確率分布記憶手段１３に保持されている確率分布をそのまま使用する。
続いて、駆動軸送り速度算出手段１４で駆動軸の送り速度を算出する（S003）。例として、工具２と被加工物３が接触する確率が低い領域では、送り速度をプログラム指令値Ｆ_０の２００％まで増速し、確率が高い領域では１００％とすることを考える。この場合、次式２のような形で所望の送り速度Ｆ（ｘ）を得ることができる（図３下段「初期速度」）。

ここでｇ（ｘ）は累積分布関数（図４）であり、次式３で表される（erf：ガウスの誤差関数）。

上記の計算に基づいて駆動軸の送り速度を算出することで、被加工物が存在する確率が低い部分では高速で、確率が高い部分ではプログラムで設定した加工条件に従って駆動軸を動作させることができる。
次に、駆動軸制御手段１５にて上記の計算結果に従って駆動軸を制御し、切削を行う（S004）。軸送り開始直後は非切削状態であるが、ある時点（図３の例ではｘ＝９５〜１００付近）で工具２と被加工物３とが接触する。その時点で接触検知手段１１が接触を検知し（S005）、確率分布更新手段１２にて確率分布の更新を行う（S006）。以下で、確率分布更新手段１２での計算について説明する。

確率分布更新手段１２の一例として、接触検知時の軸位置ｘ_ｉを都度保持しておき、それらを母集団と見なして次式４に従って確率分布を更新することができる。

また別の方法として、ベイズ推定の手法を利用することもできる。確率分布記憶手段１３が保持している確率分布を表すパラメータθ（本実施例ではμ及びσ に相当）の事前確率をπ（θ）とし、接触検知手段１１によって新しく検出した被加工物寸法ｘに基づく尤度関数をＬ（ｘ｜θ）とすると、更新後の確率分布を次式５として求めることができる（ｋは比例定数）。

上記のようにして、実際の被加工物寸法を元にして確率分布記憶手段１３が保持する確率分布を最適化することができる（図３の学習後分布及び学習後速度）。

このように、上記形態の制御方法及びＮＣ装置１０によれば、被加工物の寸法のばらつきを確率分布として保持し、駆動軸の位置に応じた駆動軸の送り速度を、確率分布を基に算出することにより、被加工物寸法にばらつきがある場合でも、送り速度を高速にする区間を機械が最適化することができ、工具破損のリスクを増やすことなく加工時間の短縮を図ることができる。また、高価なセンサの設置や事前測定による加工時間の延長を必要とせず、また経験の少ないオペレータでも最良の結果を得ることができる。

なお、本実施例では確率分布記憶手段１３が保持する確率分布に基づいて駆動軸の送り速度を算出する形態を例示したが、工具２と被加工物３が接触する確率が低い領域では送り軸を早送りモードとし、接触する確率が高い領域では切削送りモードとするなど、確率分布に応じて指令形態を変更する様態としても良い。この場合、例えば図４の累積確率が予め設定するしきい値を上回った位置で切削送りモードに切り替えることで、本発明が意図する効果を発揮することができる。

１・・マシニングセンタ、２・・工具、３・・被加工物、１０・・ＮＣ装置、１１・・接触検知手段、１２・・確率分布更新手段、１３・・確率分布記憶手段、１４・・駆動軸送り速度算出手段、１５・・駆動軸制御手段。

Claims (4)

1. 工具または被加工物を回転させる主軸と、前記工具を前記被加工物に対して相対移動させるための駆動軸とを備え、前記工具にて前記被加工物を加工する工作機械において、前記駆動軸の送り速度を前記駆動軸の位置に応じて変化させる制御方法であって、
   前記被加工物の寸法のばらつきを確率分布として保持し、
   前記駆動軸の位置に応じた前記駆動軸の送り速度を、前記確率分布を基に算出することを特徴とする工作機械の制御方法。
2. 請求項１に記載の工作機械の制御方法であって、
   前記加工時に前記工具と前記被加工物との接触を検知した場合、
   接触を検知した時点の前記駆動軸の位置を用いて前記確率分布を更新することを特徴とする工作機械の制御方法。
3. 工具または被加工物を回転させる主軸と、前記工具を前記被加工物に対して相対移動させるための駆動軸とを備え、前記工具にて前記被加工物を加工する工作機械において、前記駆動軸の送り速度を前記駆動軸の位置に応じて変化させる制御装置であって、
   前記被加工物の寸法のばらつきを表す確率分布を保持する確率分布記憶手段と、
   前記確率分布記憶手段に記憶された確率分布を基に前記駆動軸の送り速度を算出する駆動軸送り速度算出手段とを備えることを特徴とする工作機械の制御装置。
4. 請求項３に記載の工作機械の制御装置であって、
   前記工具と前記被加工物との接触を検知する接触検知手段と、
   前記接触検知手段が接触を検知した時点の前記駆動軸の位置を用いて前記確率分布記憶手段に保持された確率分布を更新する確率分布更新手段とを備えることを特徴とする工作機械の制御装置。

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