JP2021117608A - 工作機械、工作機械の制御方法、および工作機械の制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】切り屑の排出効果を維持しつつステップ加工に要する時間を短縮するための技術を提供する。【解決手段】工具を用いてワークにおける穴を切削することが可能な工作機械は、上記工具を回転するための主軸と、上記主軸の軸方向に当該主軸を駆動するための駆動部と、上記駆動部の駆動を制御するための制御部とを備える。上記制御部は、第１方向への上記主軸の駆動と、当該第１方向の反対方向である第２方向への上記主軸の駆動とを繰り返しながら、上記ワークの穴を切削する処理を実行する。上記第１方向は、上記主軸の軸方向に沿った方向で、かつ上記ワークに形成された穴の切削を進める方向である。上記主軸が上記第１方向へ駆動されてから上記第２方向に駆動されるまでの間の１回当たりの切削工程で上記第１方向に切削される上記穴の幅は、上記第１方向における上記穴の深さに応じて決められる。【選択図】図４

Description

本開示は、ワークにおける穴を加工するための技術に関する。

ワークに穴を形成するための加工方法の１つとして、ステップ加工がある。ステップ加工とは、穴を深くする方向に工具を駆動する処理と、穴から工具を引き抜く方向に工具を駆動する処理とを繰り返しながら、所定の幅ずつワークの切削を進める加工方法である。ステップ加工は、切削時に発生する切り屑の排出効果の面で優れている。そのため、ステップ加工においては、切り屑の詰まりによる工具欠損が生じる可能性が、戻りが発生しないノンステップ加工よりも低い。一方で、ステップ加工にかかる時間は、ノンステップ加工よりも長くなる。

ステップ加工に関し、特開２０１７−１７３８９６号公報（特許文献１）は、ステップ加工を高速化することを目的とした数値制御装置を開示している。より具体的には、当該数値制御装置は、工具を最大速度（所謂、早送り）で駆動する距離をステップ加工の際に増やすことでステップ加工に要する加工時間を短縮する。

特開２０１７−１７３８９６号公報

以下では、ワークの穴を深くする方向における工具の駆動方向を「正方向」とも称する。また、工具を穴から引き抜く方向における工具の駆動方向を「負方向」とも称する。すなわち、負方向は、正方向と反対の方向を示す。また、工具を正方向に駆動してから負方向に駆動するまでの間の１回当たりの切削工程で正方向に切削されるワークの穴の幅を「ステップ幅」とも称する。

ステップ加工の時間を短縮するためには、各切削工程でのステップ幅を可能な限り長くし、工具の戻り回数を減らすことが好ましい。一方で、切り屑の排出効果を高めるためには、各切削工程でのステップ幅を可能な限り短くし、工具の戻り回数を増やすことが好ましい。加工時間の短縮効果と切り屑の排出効果との両方を得るためには、各切削工程でのステップ幅を最適化する必要がある。特許文献１に開示される数値制御装置は、早送りでの駆動距離を可能な限り増やすだけで、ステップ幅を最適化するものではない。

そのため、切り屑の排出効果を維持しつつステップ加工に要する時間を短縮することが可能な技術が望まれている。

本開示の一例では、工具を用いてワークにおける穴を切削することが可能な工作機械は、上記工具を回転するための主軸と、上記主軸の軸方向に当該主軸を駆動するための駆動部と、上記駆動部の駆動を制御するための制御部とを備える。上記制御部は、第１方向への上記主軸の駆動と、当該第１方向の反対方向である第２方向への上記主軸の駆動とを繰り返しながら、上記ワークの穴を切削する処理を実行する。上記第１方向は、上記主軸の軸方向に沿った方向で、かつ上記ワークに形成された穴の切削を進める方向である。上記主軸が上記第１方向へ駆動されてから上記第２方向に駆動されるまでの間の１回当たりの切削工程で上記第１方向に切削される上記穴の幅は、上記第１方向における上記穴の深さに応じて決められる。

本開示の一例では、上記穴の深さが第１値である場合における上記幅は、上記穴の深さが第２値である場合における上記幅よりも長い。上記第２値は、上記第１値よりも大きい。

本開示の一例では、上記工作機械は、さらに、上記主軸にかかる負荷を検知するための検知部を備える。上記制御部は、上記穴の深さが上記第１値を含む第１範囲または上記第２値を含む第２範囲に属する場合には、上記穴の深さに応じて上記幅を決める処理と、上記穴の深さが第３範囲に属する場合には、上記負荷が所定第１閾値を超えたことに基づいて、上記第１方向から上記第２方向への駆動を切り替える処理とを実行する。上記第１範囲は、上記第３範囲よりも上記第１方向側にある範囲を示す。上記第２範囲は、上記第３範囲よりも上記第２方向側にある範囲を示す。

本開示の一例では、上記制御部は、上記穴の深さが上記第１範囲または上記第２範囲に属する場合には、上記負荷に基づいては上記主軸の駆動方向を上記第１方向から上記第２方向へ切り替えない。

本開示の一例では、上記制御部は、さらに、上記穴の深さが上記第１範囲または上記第２範囲に属する場合には、上記負荷が第２閾値を超えたことに基づいて、上記第１方向から上記第２方向への駆動を切り替える処理を実行する。上記第２閾値は、上記第１閾値よりも大きい。

本開示の一例では、上記制御部は、上記穴の深さが深いほど上記幅を短くする。
本開示の他の例では、工具を用いてワークにおける穴を切削することが可能な工作機械の制御方法は、上記工具が装着された主軸を回転するステップと、上記主軸の軸方向に当該主軸を駆動するステップとを備える。上記駆動するステップは、第１方向における上記主軸の駆動と、当該第１方向の反対方向である第２方向における上記主軸の駆動とを繰り返しながら、上記ワークの穴を切削するステップを含む。上記第１方向は、上記主軸の軸方向に沿った方向で、かつ上記ワークに形成された穴の切削を進める方向である。上記主軸が上記第１方向へ駆動されてから上記第２方向に駆動されるまでの間の１回当たりの切削工程で上記第１方向に切削される上記穴の幅は、上記第１方向における上記穴の深さに応じて決められる。

本開示の他の例では、工具を用いてワークにおける穴を切削することが可能な工作機械の制御プログラムは、上記工作機械に、上記工具が装着された主軸を回転するステップと、上記主軸の軸方向に当該主軸を駆動するステップとを実行させる。上記駆動するステップは、第１方向における上記主軸の駆動と、当該第１方向の反対方向である第２方向における上記主軸の駆動とを繰り返しながら、上記ワークの穴を切削するステップを含む。上記第１方向は、上記主軸の軸方向に沿った方向で、かつ上記ワークに形成された穴の切削を進める方向である。上記主軸が上記第１方向へ駆動されてから上記第２方向に駆動されるまでの間の１回当たりの切削工程で上記第１方向に切削される上記穴の幅は、上記第１方向における上記穴の深さに応じて決められる。

本発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解される本発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。

工作機械の外観を示す図である。 工作機械の内部構成の概略を示す図である。 工作機械における駆動機構の構成例を示す図である。 工作機械によるステップ加工を時系列に示す図である。 工作機械によるステップ加工を時系列に示す図である。 工作機械の制御部の機能構成の一例を示す図である。 ステップ幅を徐々に短くする処理を一部の切削工程で無効にしている態様を表わした図である。 ステップ加工中における主軸負荷の推移を示す図である。 ＣＮＣ（Computer Numerical Control）ユニットのハードウェア構成の一例を示す模式図である。 ステップ加工の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明に従う各実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。なお、以下で説明される各実施の形態および各変形例は、適宜選択的に組み合わされてもよい。

＜Ａ．工作機械１００の構成＞
まず、図１および図２を参照して、工作機械１００の構成について説明する。図１は、工作機械１００の外観を示す図である。図２は、工作機械１００の内部構成の概略を示す図である。

図１および図２には、立形マシニングセンタとしての工作機械１００が示されている。以下では、立形マシニングセンタとしての工作機械１００について説明するが、工作機械１００は、立形マシニングセンタに限定されない。たとえば、工作機械１００は、横形マシニングセンタであってもよいし、旋盤であってもよいし、その他の切削機械や研削機械であってもよい。

以下では、説明の便宜のために、水平面の一方向をＸ軸方向と称する。また、Ｘ方向に直交する水平面上の一方向をＹ軸方向と称する。また、Ｘ方向およびＹ方向の両方に直交する方向（すなわち、鉛直方向）をＺ軸方向と称する。

工作機械１００は、操作盤１３０を含む。操作盤１３０は、加工に関する各種情報を表示するためのディスプレイ１３１と、工作機械１００に対する各種操作を受け付ける入力デバイス１３２とを含む。

また、工作機械１００は、その内部に、主軸頭２１を有する。主軸頭２１は、主軸２２と、ハウジング２３とで構成されている。主軸２２は、ハウジング２３の内部に配置されている。主軸２２は、Ｚ軸方向に移動可能に構成されるとともに、Ｚ軸方向を軸中心として回転可能に構成される。主軸２２には、被加工物であるワークを加工するための工具３２が装着される。図２には、工具３２の例として、ドリル工具が示されているが、工具３２は、ドリル工具に限定されない。一例として、工具３２は、タップ工具であってもよいし、ワークの穴を切削するためのその他の切削工具であってもよい。

工作機械１００は、加工対象のワークをＸＹ平面上で移動するための移動機構５０をさらに有する。移動機構５０は、ガイド５１，５３と、ボールねじ５２，５４と、ワークを保持するためのテーブル５５とで構成されている。

ガイド５１は、Ｙ軸に対して平行に設置されている。ガイド５３は、Ｘ軸方向に対して平行に設置されている。ガイド５３は、ガイド５１上に設けられており、Ｙ軸方向に駆動可能に構成されている。テーブル５５は、ガイド５３上に設けられており、ガイド５３に沿って駆動可能に構成されている。

＜Ｂ．工作機械１００の駆動機構＞
次に、図３を参照して、工作機械１００内の各種の駆動機構について説明する。図３は、工作機械１００における駆動機構の構成例を示す図である。

図３に示されるように、工作機械１００は、制御部１０と、主軸頭２１と、工具３２と、移動機構５０と、サーボドライバ１１１Ｒ，１１１Ｘ〜１１１Ｚと、サーボモータ１１２Ｒ，１１２Ｘ〜１１２Ｚと、エンコーダ１１３Ｒ，１１３Ｘ〜１１３Ｚとを含む。

本明細書でいう「制御部１０」とは、工作機械１００を制御するための少なくとも１つの制御回路を意味する。制御部１０の装置構成は、任意である。一例として、制御部１０は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）ユニットや、ＣＮＣユニットなどで構成される。ＣＰＵユニットおよびＣＮＣユニットは、フィールドバスに接続されており、当該フィールドバスを介して互いに通信を行う。

制御部１０は、加工開始指令を受けたことに基づいて、予め設計されている加工プログラムの実行を開始する。当該加工プログラムは、たとえば、ＮＣ（Numerical Control）プログラムで記述されている。制御部１０は、当該加工プログラムに従ってサーボドライバ１１１Ｒ，１１１Ｘ〜１１１Ｚを制御し、主軸２２や移動機構５０の駆動を制御する。

サーボドライバ１１１Ｘは、制御部１０から目標位置の入力を逐次的に受け、サーボモータ１１２Ｘを制御する。サーボモータ１１２Ｘは、上述のボールねじ５４（図２参照）を駆動することで、ガイド５３（図２参照）に沿って移動機構５０を移動する。

より具体的には、サーボドライバ１１１Ｘは、サーボモータ１１２Ｘの回転角度を検知するためのエンコーダ１１３Ｘのフィードバック信号からサーボモータ１１２Ｘの実回転速度を算出し、当該実回転速度が目標回転速度よりも小さい場合にはサーボモータ１１２Ｘの回転速度を上げ、当該実回転速度が目標回転速度よりも大きい場合にはサーボモータ１１２Ｘの回転速度を下げる。このように、サーボドライバ１１１Ｘは、サーボモータ１１２Ｘの回転速度のフィードバックを逐次的に受けながらサーボモータ１１２Ｘの回転速度を目標回転速度に近付ける。

サーボドライバ１１１Ｙは、制御部１０から目標位置の入力を逐次的に受け、サーボモータ１１２Ｙを制御する。サーボモータ１１２Ｙは、上述のボールねじ５２を駆動することでガイド５３（図２参照）をガイド５１に沿って移動し、Ｙ軸方向の任意の位置に移動機構５０を移動する。

より具体的には、サーボドライバ１１１Ｙは、サーボモータ１１２Ｙの回転角度を検知するためのエンコーダ１１３Ｙのフィードバック信号からサーボモータ１１２Ｙの実回転速度を算出し、当該実回転速度が目標回転速度よりも小さい場合にはサーボモータ１１２Ｙの回転速度を上げ、当該実回転速度が目標回転速度よりも大きい場合にはサーボモータ１１２Ｙの回転速度を下げる。このように、サーボドライバ１１１Ｙは、サーボモータ１１２Ｙの回転速度のフィードバックを逐次的に受けながらサーボモータ１１２Ｙの回転速度を目標回転速度に近付ける。

サーボドライバ１１１Ｚは、制御部１０から目標位置の入力を逐次的に受け、サーボモータ１１２Ｚを制御する。サーボモータ１１２Ｚは、主軸頭２１に接続されているボールねじ（図示しない）を介して送り駆動し、Ｚ方向の任意の位置に主軸２２を移動する。

より具体的には、サーボドライバ１１１Ｚは、サーボモータ１１２Ｚの回転角度を検知するためのエンコーダ１１３Ｚのフィードバック信号からサーボモータ１１２Ｚの実回転速度を算出し、当該実回転速度が目標回転速度よりも小さい場合にはサーボモータ１１２Ｚの回転速度を上げ、当該実回転速度が目標回転速度よりも大きい場合にはサーボモータ１１２Ｚの回転速度を下げる。このように、サーボドライバ１１１Ｚは、サーボモータ１１２Ｚの回転速度のフィードバックを逐次的に受けながらサーボモータ１１２Ｚの回転速度を目標回転速度に近付ける。

サーボドライバ１１１Ｒは、制御部１０から目標回転速度の入力を逐次的に受け、サーボモータ１１２Ｒを制御する。サーボモータ１１２Ｒは、Ｚ軸方向を中心として主軸２２を回転駆動する。

より具体的には、サーボドライバ１１１Ｒは、サーボモータ１１２Ｒの回転角度を検知するためのエンコーダ１１３Ｒのフィードバック信号からサーボモータ１１２Ｒの実回転速度を算出し、当該実回転速度が目標回転速度よりも小さい場合にはサーボモータ１１２Ｒの回転速度を上げ、当該実回転速度が目標回転速度よりも大きい場合にはサーボモータ１１２Ｒの回転速度を下げる。このように、サーボドライバ１１１Ｒは、サーボモータ１１２Ｒの回転速度のフィードバックを逐次的に受けながらサーボモータ１１２Ｒの回転速度を目標回転速度に近付ける。

このように、制御部１０は、サーボドライバ１１１Ｘ〜１１１Ｚ，１１１Ｒを制御することで、移動機構５０の駆動と、主軸２２の駆動とを協働させる。これにより、工作機械１００は、移動機構５０に保持されるワークを任意の形状に加工することができる。

＜Ｃ．ステップ加工＞
次に、図４および図５を参照して、工作機械１００によるステップ加工について説明する。図４および図５は、工作機械１００によるステップ加工を時系列に示す図である。

上述のように、ステップ加工は、Ｚ軸の正方向への主軸２２の駆動と、Ｚ軸の負方向への主軸２２の駆動とを繰り返しながら、ワークの穴の切削を進める加工方法である。ステップ加工に要する時間を短縮するためには、主軸２２がＺ軸の正方向へ駆動されてから負方向に駆動されるまでの間の１回当たりの切削工程で当該正方向に切削される穴の幅（すなわち、ステップ幅）を可能な限り長くし、主軸２２の戻り回数を減らすことが好ましい。

しかしながら、ステップ幅が長くなると、切り屑の詰まりが穴内で発生する可能性が高くなってしまう。これに関して、穴が浅い段階では切り屑の詰まりが発生したとしても、加工を継続することにより切り屑の詰まりが解消することがある。そこで、工作機械１００は、ワークの穴の深さに応じてステップ幅を決める。ワークの穴の深さに応じてステップ幅が最適化されることで、工作機械１００は、切り屑の排出効果を維持しつつ加工時間を短縮することができる。

より具体的な処理として、ステップＳ１において、工作機械１００の制御部１０（図３参照）は、各切削工程で切削される予定の穴の深さに応じて、次の切削工程でのステップ幅を決定する。図４の例では、まず、制御部１０は、１回目の切削工程におけるステップ幅をＤ（１）とする。１回目の切削工程におけるステップ幅をＤ（１）は、予め定められてもよいし、ユーザによって設定されてもよい。

次に、制御部１０は、１回目の切削工程におけるステップ幅Ｄ（１）に基づいて、２回目の切削工程におけるステップ幅Ｄ（２）を決定する。このとき、制御部１０は、２回目の切削工程におけるステップ幅Ｄ（２）を１回目の切削工程におけるステップ幅Ｄ（１）よりも短くする。一例として、制御部１０は、ステップ幅Ｄ（２）に所定の係数ｗ（０＜ｗ＜１）を乗算し、当該乗算結果をステップ幅Ｄ（１）とする。

次に、制御部１０は、２回目の切削工程におけるステップ幅Ｄ（２）に基づいて、３回目の切削工程におけるステップ幅Ｄ（３）を決定する。このとき、制御部１０は、３回目の切削工程におけるステップ幅Ｄ（３）を２回目の切削工程におけるステップ幅Ｄ（２）よりも短くする。一例として、制御部１０は、ステップ幅Ｄ（２）に所定の係数ｗ（０＜ｗ＜１）を乗算し、当該乗算結果をステップ幅Ｄ（３）とする。このように、穴の深さが「Ｄ（１）＋Ｄ（２）」（第２値）である場合におけるステップ幅Ｄ（３）は、穴の深さがＤ（１）（第１値）である場合におけるステップ幅Ｄ（２）よりも短い。

このような処理が繰り返されることで、各切削工程でのステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）が決定される。これにより、ステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）は、ワークの穴の深さが深いほど短くなる。ステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）の合計は、ワークＷに最終的に形成される穴の深さに相当する。

次に、制御部１０は、決定した各切削工程でのステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）に基づいて、Ｚ方向における各切削工程での工具３２（または主軸２２）の目標位置ｚ（１）〜ｚ（ｎ）を算出する。より具体的には、制御部１０は、所定のマージンＤ（０）とステップ幅Ｄ（１）とを原点位置ｚ（０）に加算し、当該加算結果を１回目の切削工程の目標位置ｚ（１）として算出する。原点位置ｚ（０）は、各切削工程での工具３２の戻り位置であり、たとえば、加工プログラム内において規定されている。マージンＤ（０）は、原点位置ｚ（０）からワーク表面までの間の距離を示す。マージンＤ（０）は、たとえば、加工プログラム内において規定されていてもよいし、加工プログラム内の各種情報から算出されてもよい。

制御部１０は、算出した目標位置ｚ（１）にステップ幅Ｄ（２）を加算した結果を２回目の切削工程の目標位置ｚ（２）とする。このような算出処理が繰り返されることで、各ステップ幅に対応する目標位置ｚ（１）〜ｚ（ｎ）が算出される。

次に、制御部１０は、ステップＳ１で決定した目標位置ｚ（１）に基づいて、上述のサーボドライバ１１１Ｚ（図３参照）を制御し、Ｚ方向への主軸２２の駆動を開始する。その後、サーボドライバ１１１Ｚは、サーボモータ１１２Ｚ用のエンコーダ１１３Ｚ（図３参照）からフィードバック信号を逐次的に受け、当該フィードバック信号に基づいてＺ方向における主軸２２の現在位置を算出する。算出された主軸２２の現在位置は、制御部１０に逐次的に出力される。制御部１０は、サーボドライバ１１１Ｚから得た主軸２２の現在位置に所定のオフセット値を加算することで、工具３２の先端部の現在位置ｚＡを算出する。これにより、工具３２の現在位置ｚＡがリアルタイムに特定される。制御部１０は、工具３２の現在位置ｚＡが１回目の切削工程の目標位置ｚ（１）に一致したか否かを逐次的に判断する。

ステップＳ２において、工具３２の現在位置ｚＡが１回目の切削工程の目標位置ｚ（１）に一致したとする。このことに基づいて、制御部１０は、上述のサーボドライバ１１１Ｚを制御し、Ｚ軸の負方向に主軸２２を駆動する。これにより、制御部１０は、工具３２を原点位置ｚ（０）に戻す。

ステップＳ３において、工具３２の現在位置ｚＡが原点位置ｚ（０）に一致したとする。このことに基づいて、制御部１０は、Ｚ軸の正方向への主軸２２の駆動を再び開始する。その後、制御部１０は、工具３２の現在位置ｚＡを逐次的に取得し、当該現在位置ｚＡを２回目の切削工程の目標位置ｚ（２）と順次比較する。

ステップＳ４において、工具３２の現在位置ｚＡが２回目の切削工程の目標位置ｚ（２）に一致したとする。このことに基づいて、制御部１０は、上述のサーボドライバ１１１Ｚを制御し、Ｚ軸の負方向に主軸２２を駆動する。これにより、制御部１０は、工具３２を原点位置ｚ（０）に戻す。

ステップＳ５において、工具３２の現在位置ｚＡが原点位置ｚ（０）に一致したとする。このことに基づいて、制御部１０は、Ｚ軸の正方向への主軸２２の駆動を再び開始する。その後、制御部１０は、工具３２の現在位置ｚＡを逐次的に取得し、当該現在位置ｚＡを３回目の切削工程の目標位置ｚ（３）と順次比較する。

ステップＳ６において、工具３２の現在位置ｚＡが３回目の切削工程の目標位置ｚ（３）に一致したとする。このことに基づいて、制御部１０は、上述のサーボドライバ１１１Ｚを制御し、Ｚ軸の負方向に主軸２２を駆動する。これにより、制御部１０は、工具３２を原点位置ｚ（０）に戻す。

ステップＳ７において、工具３２の現在位置ｚＡが原点位置ｚ（０）に一致したとする。このことに基づいて、制御部１０は、Ｚ軸の正方向への主軸２２の駆動を再び開始する。その後、制御部１０は、工具３２の現在位置ｚＡを逐次的に取得し、当該現在位置ｚＡを４回目の切削工程の目標位置ｚ（４）と順次比較する。

以上のような切削工程が繰り返されることで、制御部１０は、最終目標位置までワークＷの切削を進める。結果として、ステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）の合計に相当する深さの穴がワークＷに形成される。

なお、上述では、ステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）および目標位置ｚ（１）〜ｚ（ｎ）がステップ加工の開始前に決定される例について説明を行ったが、ステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）および目標位置ｚ（１）〜ｚ（ｎ）は、ステップ加工中に逐次的に決定されてもよい。

また、図４では、ドリル工具としての工具３２を用いてステップ幅を徐々に短くするステップ加工について説明を行ったが、当該ステップ加工は、タップ工具や、穴を切削するためのその他の工具にも応用され得る。

＜Ｄ．機能構成＞
次に、図６〜図８を参照して、ステップ加工を実現するための機能構成について説明する。図６は、制御部１０の機能構成の一例を示す図である。

図６に示されるように、制御部１０は、駆動制御部１５２と、閾値設定部１５４と、強制反転部１５６とを含む。典型的には、これらの機能構成は、後述のＣＮＣユニット１０Ａ（図９参照）に実装されるが、これらの機能構成の一部または全部は、工作機械１００と通信可能なその他の装置に実装されてもよい。当該その他の装置は、たとえば、ＣＮＣユニットに接続されるＣＰＵユニットや、サーバーなどを含む。

以下では、駆動制御部１５２、閾値設定部１５４、および強制反転部１５６について順に説明する。

（Ｄ１．駆動制御部１５２）
まず、駆動制御部１５２の機能について説明する。

駆動制御部１５２は、上述のサーボドライバ１１１Ｚ（図３参照）に駆動命令を出力することで、Ｚ軸方向における主軸２２の駆動を制御する。当該駆動命令は、たとえば、主軸２２の回転のＯＮ／ＯＦＦ、主軸２２の回転方向、Ｚ方向における主軸２２の目標位置、または、主軸２２の駆動に関するその他の駆動指令などを含む。駆動制御部１５２は、適切なタイミングでサーボドライバ１１１Ｚに駆動指令を出力することで、上述の図４および図５に示されるステップ加工を実現する。

なお、上述の図４および図５では、ワークの穴の深さに応じてステップ幅を徐々に短くするステップ加工の例について説明を行ったが、このようなステップ幅を徐々に短くする処理は、必ずしも、ステップ加工の全切削工程で実行される必要はなく、ステップ加工の少なくとも一部の切削工程で実行されればよい。

図７は、ステップ幅を徐々に短くする処理を一部の切削工程で無効にしている態様を表わした図である。図７に示されるＤ（１）〜Ｄ（９）は、各切削工程におけるステップ幅を示す。「ｚ０’」は、ワーク表面の位置（Ｚ座標）を示す。ｚ（１）〜ｚ（９）は、各切削工程における工具３２の目標位置（Ｚ座標）を示す。

本例では、ステップ加工の各切削工程が複数の工程に分類する。図７の例では、ステップ加工の切削工程が、初期工程、中間工程、および最終工程の３つに分類されている。初期工程では、表面位置ｚ０’から目標位置ｚ（３）までの範囲ΔＷＳ（第１範囲）の切削が進められる。中間工程では、目標位置ｚ（３）から目標位置ｚ（６）までの範囲ΔＷＭ（第３範囲）の切削が進められる。最終工程では、目標位置ｚ（６）から目標位置ｚ（９）までの範囲ΔＷＥ（第２範囲）の切削が進められる。

範囲ΔＷＥは、範囲ΔＷＭよりもＺ軸の正方向側の範囲を示す。すなわち、範囲ΔＷＥの最小値は、範囲ΔＷＭの最大値以上である。

範囲ΔＷＭは、範囲ΔＷＳよりもＺ軸の正方向側の範囲を示す。すなわち、範囲ΔＷＭの最小値は、範囲ΔＷＭの最大値以上である。

駆動制御部１５２は、穴の深さが範囲ΔＷＳまたは範囲ΔＷＥに属する場合には、ステップ幅を徐々に短くする処理を有効にする。一方で、駆動制御部１５２は、穴の深さが範囲ΔＷＭに属する場合には、ステップ幅を徐々に短くする処理を無効にする。この場合は、駆動制御部１５２は、ステップ幅を固定する。一例として、ステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（９）は、以下の式（１）の関係を満たす。

（数１）
Ｄ（１）＞Ｄ（２）＞Ｄ（３）≧Ｄ（４）＝Ｄ（５）＝Ｄ（６）≧Ｄ（７）＞Ｄ（８）＞Ｄ（９）・・・（１）
なお、ステップ幅を徐々に短くする処理を無効にする区域は、範囲ΔＷＭに限定されない。当該区域は、範囲ΔＷＳ，ΔＷＭ，ΔＷＥの内の１〜２つの範囲であってもよい。また、ステップ加工の切削工程の分類数は、範囲ΔＷＳ，ΔＷＭ，ΔＷＥの３つに限定されるわけではなく、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

好ましくは、駆動制御部１５２は、主軸２２にかかる負荷が所定値を超えた場合には、主軸２２の駆動を正方向から負方向に強制的に切り替えてもよい。主軸負荷が所定値よりも高いことは、ワークの穴内で切り屑の詰まりが発生している可能性が高いことを示す。強制反転処理により、切り屑の詰まりによる工具の欠損が防止される。強制反転命令は、たとえば、後述の強制反転部１５６から出力される。駆動制御部１５２は、強制反転部１５６から強制反転命令を受けた場合には、主軸２２の駆動を正方向から負方向に切り替える。

駆動制御部１５２は、強制反転処理を有効にする切削工程を適宜切り替えてもよい。ある局面において、駆動制御部１５２は、穴の深さが範囲ΔＷＭに属するときにのみ強制反転処理を有効にし、穴の深さが範囲ΔＷＳまたは範囲ΔＷＥに属するときには強制反転処理を無効にする。他の局面において、駆動制御部１５２は、穴の深さに依存せずに強制反転処理を有効する。この場合、強制反転部１５６が強制反転命令を出力する感度を穴の深さに応じて変える。この処理の詳細については後述する。

（Ｄ２．閾値設定部１５４）
次に、図８を参照して、閾値設定部１５４の機能について説明する。図８は、ステップ加工中における主軸負荷の推移を示す図である。

閾値設定部１５４は、後述の強制反転部１５６が強制反転命令を出力する基準となる主軸負荷の閾値をワークの穴の深さに応じて切り替える。一例として、ワークの穴の深さが範囲ΔＷＭに属する場合には、閾値設定部１５４は、主軸負荷の閾値を「ｔｈ１」（第１閾値）に設定する。また、ワークの穴の深さが範囲ΔＷＳまたは範囲ΔＷＥに属する場合には、閾値設定部１５４は、主軸負荷の閾値を「ｔｈ２」（第２閾値）に設定する。閾値「ｔｈ２」は、閾値「ｔｈ１」よりも大きい。

このような閾値の効果は、次の通りである。上述のように穴が浅い初期工程においては、切削を続けることで穴の詰まりが解消することがある。また、穴が深くなる最終工程においては、ステップ幅が短いので、切り屑の詰まりが発生する可能性が低い。そのため、切り屑の詰まりが発生する可能性は、中間工程において高くなる。中間工程における閾値「ｔｈ１」が初期工程および最終工程における閾値「ｔｈ２」よりも低く設定されることで、強制反転命令は、中間工程において出力されやすくなる。これにより、中間工程における切り屑の詰まりがより確実に検知される。

なお、初期工程における閾値「ｔｈ１」と、最終工程における閾値「ｔｈ１」とは、同じある必要はない。初期工程における閾値「ｔｈ１」は、最終工程における閾値「ｔｈ１」よりも大きくてもよいし、最終工程における閾値「ｔｈ１」よりも小さくてもよい。典型的には、初期工程における閾値「ｔｈ１」は、最終工程における閾値「ｔｈ１」よりも小さい。

（Ｄ３．強制反転部１５６）
引き続き、図８を参照して、強制反転部１５６の機能について説明する。

強制反転部１５６は、Ｚ方向における主軸負荷を定期的に取得し、当該主軸負荷が閾値設定部１５４に設定された閾値を超えた場合に、強制反転命令を駆動制御部１５２に出力する。

主軸負荷は、たとえば、任意の方法で取得される。一例として、主軸負荷は、主軸２２をＺ方向に駆動する上述のサーボモータ１１２Ｚ（図３参照）への出力値（電流値）を、Ｚ方向における主軸負荷として取得する。当該出力値が高いほど、主軸負荷が高いことを示す。

他の例として、主軸負荷を検知するために動力計（図示しない）が用いられる。当該動力計は、たとえば、上述のテーブル５５（図２参照）のワークの設置部分に設けられる。動力計１１０は、工具３２がワークに及ぼす力を検知することで、主軸２２にかかる負荷を間接的に検知する。

強制反転部１５６は、取得した主軸負荷に基づいて、駆動制御部１５２に強制反転命令を出力する。一例として、強制反転部１５６は、ワークの穴の深さが範囲ΔＷＳに属する初期工程では、主軸負荷が閾値「ｔｈ２」を超えたことに基づいて、強制反転命令を出力する。また、強制反転部１５６は、ワークの穴の深さが範囲ΔＷＭに属する中間工程では、主軸負荷が閾値「ｔｈ１」を超えたことに基づいて、強制反転命令を出力する。さらに、強制反転部１５６は、ワークの穴の深さが範囲ΔＷＥに属する最終工程では、主軸負荷が閾値「ｔｈ２」を超えたことに基づいて、強制反転命令を出力する。図８の例では、最終工程において、工具負荷が閾値「ｔｈ２」を超えているので、強制反転部１５６は、最終工程において強制反転命令を出力する。

＜Ｅ．ＣＮＣユニット１０Ａのハードウェア構成＞
次に、図９を参照して、上述の制御部１０（図３参照）の一例であるＣＮＣユニット１０Ａのハードウェア構成について説明する。図９は、ＣＮＣユニット１０Ａのハードウェア構成の一例を示す模式図である。

ＣＮＣユニット１０Ａは、制御回路１０１と、ＲＯＭ１０２と、ＲＡＭ１０３と、通信インターフェイス１０４と、フィールドバスコントローラ１０５と、記憶装置１２０とを含む。これらのコンポーネントは、内部バス１０９に接続される。

制御回路１０１は、たとえば、少なくとも１つの集積回路によって構成される。集積回路は、たとえば、少なくとも１つのＣＰＵ、少なくとも１つのＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、少なくとも１つのＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、少なくとも１つのＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはそれらの組み合わせなどによって構成され得る。

制御回路１０１は、加工プログラム１２２などの各種プログラムを実行することでＣＮＣユニット１０Ａの動作を制御する。加工プログラム１２２は、工作機械１００の制御プログラムであり、ワークの加工を実現するための各種命令を規定している。上述のステップ加工に係る命令コードは、たとえば、設計者によって加工プログラム１２２に記述される。当該命令コードは、設計者が利用可能なＧコードの一部として予め実装されている。

制御回路１０１は、加工プログラム１２２などのプログラムの実行命令を受け付けたことに基づいて、記憶装置１２０またはＲＯＭ１０２からＲＡＭ１０３にプログラムを読み出す。ＲＡＭ１０３は、ワーキングメモリとして機能し、プログラムの実行に必要な各種データを一時的に格納する。

通信インターフェイス１０４には、ＬＡＮやアンテナなどが接続される。ＣＮＣユニット１０Ａは、通信インターフェイス１０４を介して外部機器（たとえば、サーバー）とデータをやり取りする。ＣＮＣユニット１０Ａは、当該外部機器から加工プログラム１２２をダウンロードできるように構成されてもよい。

フィールドバスコントローラ１０５は、フィールドバスに接続される各種ユニットとの通信を実現するためのインターフェイスである。当該フィールドバスに接続されるユニットの一例として、ＣＰＵユニット２００やＩ／Ｏユニット（図示しない）などが挙げられる。

記憶装置１２０は、たとえば、ハードディスクやフラッシュメモリなどの記憶媒体である。記憶装置１２０は、加工プログラム１２２や制御パラメータ１２４などを格納する。制御パラメータ１２４は、ステップ加工に関するパラメータであり、ステップ加工時において加工プログラム１２２に参照される。一例として、制御パラメータ１２４は、各切削工程におけるステップ幅、各切削工程における工具の目標位置、および、ステップ加工時における工具の戻り位置（原点位置）などを含む。制御パラメータ１２４は、図８に示されるように加工プログラム１２２と別に規定されていてもよいし、加工プログラム１２２内に規定されていてもよい。加工プログラム１２２および制御パラメータ１２４の格納場所は、記憶装置１２０に限定されず、制御回路１０１の記憶領域（たとえば、キャッシュメモリなど）、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、外部機器（たとえば、サーバー）などに格納されていてもよい。

加工プログラム１２２は、単体のプログラムとしてではなく、任意のプログラムの一部に組み込まれて提供されてもよい。この場合、加工プログラム１２２によるステップ加工処理は、任意のプログラムと協働して実現される。このような一部のモジュールを含まないプログラムであっても、本実施の形態に従う加工プログラム１２２の趣旨を逸脱するものではない。さらに、加工プログラム１２２によって提供される機能の一部または全部は、専用のハードウェアによって実現されてもよい。さらに、少なくとも１つのサーバーが加工プログラム１２２の処理の一部を実行する所謂クラウドサービスのような形態でＣＮＣユニット１０Ａが構成されてもよい。

＜Ｆ．ステップ加工のフロー＞
図１０を参照して、ワークの穴の深さに応じてステップ幅を徐々に短くする上述のステップ加工の流れについて説明する。図１０は、ステップ加工の流れを示すフローチャートである。

図１０に示されるステップ加工は、上述の加工プログラム１２２（図９参照）に規定されているステップ加工の命令コードが工作機械１００の制御部１０に実行されることにより開示される。他の局面において、処理の一部または全部が、回路素子またはその他のハードウェアによって実行されてもよい。

ステップＳ１１０において、制御部１０は、上述の駆動制御部１５２（図６参照）として機能し、ステップ加工の各切削工程におけるステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）を決定する。より具体的には、まず、制御部１０は、ワークに形成する目標の穴の深さを取得する。当該目標の穴の深さは、たとえば、加工プログラム１２２内のステップ加工に係る命令コードに規定されている。次に、制御部１０は、取得した目標の穴の深さに基づいて、ステップ加工の各切削工程におけるステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）を決定する。典型的には、制御部１０は、前の切削工程におけるステップ幅よりも今回のステップ幅を短くする。ステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）の合計値は、ワークに最終的に形成される穴の深さに相当する。すなわち、ｎ回の切削工程が実行されることで、１回のステップ加工が完了する。

ステップＳ１１２において、制御部１０は、上述の駆動制御部１５２として機能し、ステップＳ１１０で決定したステップ幅Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ）に基づいて、各切削工程における工具３２の目標位置ｚ（１）〜ｚ（ｎ）を算出する。より具体的には、制御部１０は、所定の原点位置ｚ（０）（図４参照）に、所定のマージンＤ（０）（図４参照）とステップ幅Ｄ（１）とを加算し、当該加算結果を１回目の切削工程の目標位置ｚ（１）として算出する。次に、制御部１０は、算出した目標位置ｚ（１）にステップ幅Ｄ（２）を加算し、当該加算結果を２回目の切削工程の目標位置ｚ（２）として算出する。このような算出処理が繰り返されることで、各切削工程における工具３２の目標位置ｚ（１）〜ｚ（ｎ）が算出される。

ステップＳ１１４において、制御部１０は、現在何回目の切削工程が実行されているかを示す変数「ｉ」を「１」に初期化する。１回の切削工程は、原点位置ｚ（０）から目標位置に向けてＺ方向の正方向に工具３２を駆動する処理と、当該目標位置から原点位置ｚ（０）に工具３２を戻す処理とを含む。

ステップＳ１１６において、制御部１０は、上述の閾値設定部１５４（図６参照）として機能し、現在の穴の深さに応じた、主軸負荷の閾値を設定する。当該閾値は、主軸２２の強制反転を実行するか否かの基準となる。一例として、制御部１０は、ステップ幅Ｄ（０）〜Ｄ（ｉ）の合計を算出し、当該合計値を現在の穴の深さとして算出する。穴の深さと閾値との対応関係は閾値情報として予め定められている。制御部１０は、当該閾値情報を参照して、現在の穴の深さに対応する閾値を取得する。

ステップＳ１１８において、制御部１０は、上述の駆動制御部１５２として機能し、目標位置ｚ（ｉ）に向けてＺ軸の正方向に主軸２２の駆動を開始する。

ステップＳ１２０において、制御部１０は、工具３２の先端部の現在位置ｚＡを取得する。より具体的には、まず、サーボドライバ１１１Ｚは、サーボモータ１１２Ｚ用のエンコーダ１１３Ｚからフィードバック信号を受け、当該フィードバック信号に基づいてＺ方向における主軸２２の現在位置を算出する。次に、制御部１０は、主軸２２の現在位置に所定のオフセット値を加算し、当該加算結果を工具３２の現在位置ｚＡとして算出する。

ステップＳ１２２において、制御部１０は、主軸２２にかかる負荷を取得する。一例として、制御部１０は、主軸２２をＺ方向に駆動する上述のサーボモータ１１２Ｚへの出力値（電流値）を主軸負荷として取得する。

ステップＳ１３０において、制御部１０は、上述の強制反転部１５６（図６参照）として機能し、ステップＳ１２２で取得した主軸負荷が、ステップＳ１１６で設定された閾値を超えたか否かを判断する。制御部１０は、当該主軸負荷が当該閾値を超えたと判断した場合（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１４２に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１３０においてＮＯ）、制御部１０は、制御をステップＳ１４０に切り替える。

ステップＳ１４０において、制御部１０は、ステップＳ１２０で取得した工具の現在位置ｚＡが目標位置ｚ（ｉ）に達したか否かを判断する。制御部１０は、工具の現在位置ｚＡが目標位置ｚ（ｉ）に達したと判断した場合（ステップＳ１４０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１４２に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１４０においてＮＯ）、制御部１０は、制御をステップＳ１２０に戻す。

ステップＳ１４２において、制御部１０は、上述の駆動制御部１５２として機能し、Ｚ軸の負方向に主軸２２を駆動し、工具３２を原点位置ｚ（０）に戻す。

ステップＳ１５０において、制御部１０は、現在の切削工程の実行回数「ｉ」が予定実行回数「ｎ」以上であるか否かを判断する。制御部１０は、実行回数「ｉ」が予定実行回数「ｎ」以上であると判断した場合（ステップＳ１５０においてＹＥＳ）、図１０に示されるステップ加工を完了する。そうでない場合には（ステップＳ１５０においてＮＯ）、制御部１０は、制御をステップＳ１５２に切り替える。

ステップＳ１５２において、制御部１０は、変数「ｉ」をインクリメントする。すなわち、制御部１０は、変数「ｉ」に１を加算する。その後、制御部１０は、制御をステップＳ１１６に戻す。

なお、上述では、主軸負荷が閾値を超えた場合に、ステップ幅が更新されない例について説明を行ったが、制御部１０は、主軸負荷が閾値を超えた場合に、ステップＳ１１０で決定したステップ幅を更新してもよい。

＜Ｇ．まとめ＞
以上のように、工作機械１００は、ワークに形成される穴が深くなるど、ステップ幅を短くする。穴が浅い段階では切り屑の詰まりが発生したとしても、加工を継続することにより切り屑の詰まりが解消することが多い。そのため、穴が浅い段階ではステップ幅が長く設定されたとしても、切り屑の詰まりによる工具の欠損が生じにくい。また、工作機械１００は、ステップ幅をより長く設定することで工具の戻り回数を減らすことができ、ステップ加工に要する時間を通常よりも短縮することができる。

一方で、穴が深い段階では切り屑の詰まりが発生しやすい。そのため、工作機械１００は、穴が深い段階ではステップ幅をより短く設定する。これにより、工作機械１００は、切り屑の排出効果を高めることができ、切り屑の詰まりによる工具の欠損を防止することができる。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０ 制御部、１０Ａ ＣＮＣユニット、２１ 主軸頭、２２ 主軸、２３ ハウジング、３２ 工具、５０ 移動機構、５１，５３ ガイド、５２，５４ ボールねじ、５５ テーブル、１００ 工作機械、１０１ 制御回路、１０２ ＲＯＭ、１０３ ＲＡＭ、１０４ 通信インターフェイス、１０５ フィールドバスコントローラ、１０９ 内部バス、１１０ 動力計、１１１Ｒ，１１１Ｘ，１１１Ｙ，１１１Ｚ サーボドライバ、１１２Ｒ，１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚ サーボモータ、１１３Ｒ，１１３Ｘ，１１３Ｙ，１１３Ｚ エンコーダ、１２０ 記憶装置、１２２ 加工プログラム、１２４ 制御パラメータ、１３０ 操作盤、１３１ ディスプレイ、１３２ 入力デバイス、１５２ 駆動制御部、１５４ 閾値設定部、１５６ 強制反転部、２００ ＣＰＵユニット。

Claims (8)

1. 工具を用いてワークにおける穴を切削することが可能な工作機械であって、
   前記工具を回転するための主軸と、
   前記主軸の軸方向に当該主軸を駆動するための駆動部と、
   前記駆動部の駆動を制御するための制御部とを備え、前記制御部は、第１方向への前記主軸の駆動と、当該第１方向の反対方向である第２方向への前記主軸の駆動とを繰り返しながら、前記ワークの穴を切削する処理を実行し、前記第１方向は、前記主軸の軸方向に沿った方向で、かつ前記ワークに形成された穴の切削を進める方向であり、
   前記主軸が前記第１方向へ駆動されてから前記第２方向に駆動されるまでの間の１回当たりの切削工程で前記第１方向に切削される前記穴の幅は、前記第１方向における前記穴の深さに応じて決められる、工作機械。
2. 前記穴の深さが第１値である場合における前記幅は、前記穴の深さが第２値である場合における前記幅よりも長く、
   前記第２値は、前記第１値よりも大きい、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記工作機械は、さらに、前記主軸にかかる負荷を検知するための検知部を備え、
   前記制御部は、
   前記穴の深さが前記第１値を含む第１範囲または前記第２値を含む第２範囲に属する場合には、前記穴の深さに応じて前記幅を決める処理と、
   前記穴の深さが第３範囲に属する場合には、前記負荷が所定第１閾値を超えたことに基づいて、前記第１方向から前記第２方向への駆動を切り替える処理とを実行し、
   前記第１範囲は、前記第３範囲よりも前記第１方向側にある範囲を示し、
   前記第２範囲は、前記第３範囲よりも前記第２方向側にある範囲を示す、請求項２に記載の工作機械。
4. 前記制御部は、前記穴の深さが前記第１範囲または前記第２範囲に属する場合には、前記負荷に基づいては前記主軸の駆動方向を前記第１方向から前記第２方向へ切り替えない、請求項３に記載の工作機械。
5. 前記制御部は、さらに、前記穴の深さが前記第１範囲または前記第２範囲に属する場合には、前記負荷が第２閾値を超えたことに基づいて、前記第１方向から前記第２方向への駆動を切り替える処理を実行し、
   前記第２閾値は、前記第１閾値よりも大きい、請求項３に記載の工作機械。
6. 前記制御部は、前記穴の深さが深いほど前記幅を短くする、請求項１または２に記載の工作機械。
7. 工具を用いてワークにおける穴を切削することが可能な工作機械の制御方法であって、
   前記工具が装着された主軸を回転するステップと、
   前記主軸の軸方向に当該主軸を駆動するステップとを備え、前記駆動するステップは、第１方向における前記主軸の駆動と、当該第１方向の反対方向である第２方向における前記主軸の駆動とを繰り返しながら、前記ワークの穴を切削するステップを含み、前記第１方向は、前記主軸の軸方向に沿った方向で、かつ前記ワークに形成された穴の切削を進める方向であり、
   前記主軸が前記第１方向へ駆動されてから前記第２方向に駆動されるまでの間の１回当たりの切削工程で前記第１方向に切削される前記穴の幅は、前記第１方向における前記穴の深さに応じて決められる、制御方法。
8. 工具を用いてワークにおける穴を切削することが可能な工作機械の制御プログラムであって、
   前記制御プログラムは、前記工作機械に、
   前記工具が装着された主軸を回転するステップと、
   前記主軸の軸方向に当該主軸を駆動するステップとを実行させ、前記駆動するステップは、第１方向における前記主軸の駆動と、当該第１方向の反対方向である第２方向における前記主軸の駆動とを繰り返しながら、前記ワークの穴を切削するステップを含み、前記第１方向は、前記主軸の軸方向に沿った方向で、かつ前記ワークに形成された穴の切削を進める方向であり、
   前記主軸が前記第１方向へ駆動されてから前記第２方向に駆動されるまでの間の１回当たりの切削工程で前記第１方向に切削される前記穴の幅は、前記第１方向における前記穴の深さに応じて決められる、制御プログラム。

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