JP2022106438A - 工作機械、工具にかかる力の推定方法、および工具にかかる力の推定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】動力計を用いる以外の新たな方法で切削力を推定する技術を提供する。【解決手段】工具を用いてワークを切削することが可能な工作機械は、ワークの切削により力を受ける、工作機械内の第１面と、ワークの切削により力を受ける、工作機械内の第２面とを備える。第２面は、第１面と平行ではなく、第１面と第２面とに連結している第１歪みセンサと、ワークの切削中における第１歪みセンサの出力値に基づいて、工具にかかる力を推定するための推定部とを備える。【選択図】図２

Description

本開示は、工具にかかる力を推定するための技術に関する。

ワークの加工中に工具にかかる力（以下、「切削力」ともいう。）を推定するための技術が開発されている。当該技術に関し、特開平０６－３１５８５３号公報（特許文献１）は、動力計を用いて切削力を推定する旋削機械を開示している。当該動力計は、旋削機械のタレットに設けられており、タレットに取り付けられている工具にかかる切削力を検出する。

特開平０６－３１５８５３号公報

動力計は、高価であるため、動力計を用いる以外の新たな方法で切削力を推定できる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を切削することが可能な工作機械は、上記ワークの切削により力を受ける、上記工作機械内の第１面と、上記ワークの切削により力を受ける、上記工作機械内の第２面とを備える。上記第２面は、上記第１面と平行ではなく、上記第１面と上記第２面とに連結している第１歪みセンサと、上記ワークの切削中における上記第１歪みセンサの出力値に基づいて、上記工具にかかる力を推定するための推定部とを備える。

本開示の一例では、上記工作機械は、さらに、上記工具を回転するための主軸と、上記主軸を収容するためのハウジングとを備える。上記第１面は、上記主軸の軸方向と所定角度を成す面であって上記ハウジング上の一面である。上記第２面は、上記主軸の軸方向に平行な面であって上記ハウジング上の一面である。

本開示の一例では、上記工作機械は、さらに、上記ワークを回転するための主軸と、上記ワークを切削する工具を保持可能に構成される刃物台とを備える。上記第１面は、上記主軸の軸方向と上記所定角度を成す面であって上記刃物台上の一面である。上記第２面は、上記主軸の軸方向に平行な面であって上記刃物台上または上記刃物台の設置面上の一面である。

本開示の一例では、上記所定角度は、９０度である。

本開示の一例では、上記工作機械は、さらに、第２歪みセンサと、第３歪みセンサと、第４歪みセンサとを備える。上記第２歪みセンサは、上記第１面と、上記ワークの切削により力を受ける第３面とに連結している。上記第３面は、上記第１面と平行ではない。上記第３歪みセンサは、上記第１面と、上記ワークの切削により力を受ける第４面とに連結している。上記第４面は、上記第１面と平行ではなく、かつ、上記第２面と対向している。上記第４歪みセンサは、上記第１面と、上記ワークの切削により力を受ける第５面とに連結している。上記第５面は、上記第１面と平行ではなく、かつ、上記第３面と対向している。

本開示の一例では、上記工作機械は、さらに、第２歪みセンサと、第３歪みセンサとを備える。上記第２歪みセンサは、上記第１面と、上記ワークの切削により力を受ける第３面とに連結している。上記第３面は、上記第１面と平行ではなく、かつ、上記第２面と対向していない。上記第３歪みセンサは、上記第１面と、上記ワークの切削により力を受ける第４面とに連結している。上記第４面は、上記第１面と平行ではなく、かつ、上記第２面および上記第３面と対向していない。

本開示の他の例では、工作機械においてワークを切削している際に工具にかかる力の推定方法が提供される。上記工作機械は、上記ワークの切削により力を受ける、上記工作機械内の第１面と、上記ワークの切削により力を受ける、上記工作機械内の第２面とを備える。上記第２面は、上記第１面と平行ではない。上記工作機械は、さらに、上記第１面と上記第２面とに連結している歪みセンサを備える。上記推定方法は、上記ワークの切削中に上記歪みセンサの出力値を取得するステップと、上記出力値に基づいて、上記工具にかかる力を推定するステップとを備える。

本開示の他の例では、工作機械においてワークを切削している際に工具にかかる力の推定プログラムが提供される。上記工作機械は、上記ワークの切削により力を受ける、上記工作機械内の第１面と、上記ワークの切削により力を受ける、上記工作機械内の第２面とを備える。上記第２面は、上記第１面と平行ではない。上記工作機械は、さらに、上記第１面と上記第２面とに連結している歪みセンサを備える。上記推定プログラムは、上記工作機械に、上記ワークの切削中に上記歪みセンサの出力値を取得するステップと、上記出力値に基づいて、上記工具にかかる力を推定するステップとを実行させる。

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。

工作機械の装置構成の一例を示す図である。 歪みセンサが取り付けられた主軸頭を示す図である。 主軸頭に外力が加わっている場合における主軸頭の歪みの度合いを視覚的に示す図である。 工作機械の機能構成の一例を示す図である。 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。 切削力の推定処理の流れを示すフローチャートである。 主軸頭のハウジングをＺ方向から示す正面図である。 主軸頭のハウジングをＸ方向から示す側面図である。 主軸頭のハウジングをＺ方向から示す正面図である。 主軸頭のハウジングをＸ方向から示す側面図である。 歪みセンサの様々な配置パターンを示す図である。 変形例に従う工作機械を示す図である。

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１０の構成＞
まず、図１を参照して、工作機械１０の装置構成について説明する。図１は、工作機械１０の装置構成の一例を示す図である。

図１には、マシニングセンタとしての工作機械１０が示されている。工作機械１０は、横形のマシニングセンタであってもよいし、縦形のマシニングセンタであってもよい。

以下では、マシニングセンタとしての工作機械１０について説明するが、工作機械１０は、マシニングセンタに限定されない。たとえば、工作機械１０は、旋盤であってもよいし、付加加工機であってもよいし、その他の切削機械や研削機械であってもよい。

図１に示されるように、工作機械１０は、制御部５０と、サーボドライバ１１１Ｒ，１１１Ｘ～１１１Ｚと、サーボモータ１１２Ｒ，１１２Ｘ～１１２Ｚと、移動体１１３と、主軸頭１３１と、工具１３４と、テーブル１３６とを含む。

本明細書でいう「制御部５０」とは、工作機械１０を制御する装置を意味する。制御部５０の装置構成は、任意である。制御部５０は、単体の制御ユニットで構成されてもよいし、複数の制御ユニットで構成されてもよい。一例として、制御部５０は、ＮＣ（Numerical Control）ユニットを含んでよいし、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）を含んでもよい。

主軸頭１３１は、主軸１３２と、ハウジング１３３とで構成されている。ハウジング１３３は、主軸１３２を収容するためのものである。主軸１３２には、被加工物であるワークＷを加工するための工具が装着される。図１の例では、エンドミルとしての工具１３４が主軸１３２に装着されている。

以下の説明では、主軸１３２の軸方向を「Ｚ方向」と称し、重力方向（すなわち、紙面の上下方向）を「Ｙ方向」と称し、Ｚ方向およびＹ方向の両方に直交する方向を「Ｘ方向」と称する。

制御部５０は、加工開始指令を受けたことに基づいて、予め準備されている加工プログラムの実行を開始し、当該加工プログラムに従ってサーボドライバ１１１Ｒ，１１１Ｘ～１１１Ｚを制御することで、テーブル１３６に固定されるワークＷを加工する。当該加工プログラムは、たとえば、ＮＣプログラムで記述されている。

サーボドライバ１１１Ｒは、制御部５０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（回転駆動部）を制御する。サーボモータ１１２Ｒは、Ｚ方向の軸を中心として主軸１３２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（図示しない）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。

サーボドライバ１１１Ｘは、制御部５０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、主軸頭１３１が取り付けられている移動体１１３をボールネジ（図示しない）を介して送り駆動し、Ｘ方向の任意の位置に主軸１３２を送り駆動する。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（図示しない）のフィードバック信号から移動体１１３の実位置を算出し、当該実位置が目標位置よりも小さい場合にはサーボモータ１１２Ｘの実位置を上げ、当該実位置が目標位置よりも大きい場合にはサーボモータ１１２Ｘの実位置を下げる。このように、サーボドライバ１１１Ｘは、サーボモータ１１２Ｘの実位置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の実位置を目標位置に近付ける。これにより、サーボドライバ１１１Ｘは、Ｘ方向の任意の位置に主軸１３２を送り駆動する。

サーボドライバ１１１Ｙは、制御部５０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、主軸頭１３１が取り付けられている移動体１１３をボールネジ（図示しない）を介して送り駆動し、Ｙ方向の任意の位置に主軸１３２を送り駆動する。サーボドライバ１１１Ｙによるサーボモータ１１２Ｙの制御方法は、サーボドライバ１１１Ｘと同様であるので、その説明については繰り返さない。

サーボドライバ１１１Ｚは、制御部５０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１３１が取り付けられている移動体１１３をボールネジ（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１３２を送り駆動する。サーボドライバ１１１Ｚによるサーボモータ１１２Ｚの制御方法は、サーボドライバ１１１Ｘと同様であるので、その説明については繰り返さない。

＜Ｂ．概要＞
次に、工作機械１０による切削力の推定方法の概要について説明する。

工作機械１０は、歪みセンサを用いて、ワークの加工中に工具にかかる切削力を推定する。歪みセンサは、その装着部分の歪みを検出するためのセンサである。歪みとは、装着部分に加わる外力に応じて当該装着部分が変形する度合いを示す。歪みセンサは、その装着部分の変形の度合いを電気信号として検出する。当該電気信号は、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換回路によりデジタル値に変換された上で工作機械１０の制御部５０に出力される。

歪みセンサは、工作機械１０内の第１面と第２面とに連結するように設けられる。第１面および第２面は、ワークの切削中に力を受ける面であり、工作機械１０内の部材の表面を成す面である。第１面および第２面は、互いに平行ではない。異なる言い方をすれば、第２面は、第１面と所定角度を成す。

第１面および第２面は、それぞれ、同一部材上の面であってもよいし、異なる部材上の面であってもよい。また、第１面および第２面は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。

第１面および第２面の少なくとも一方がワークの加工中に外力を受けると、第１面および第２面の一方の面に対する他方の面の相対位置は微少に変化する。これに応じて、歪みセンサが歪む。歪みセンサは、その歪みの度合いに応じた出力値を出力する。このとき、第１面および第２面にかかる外力が大きいほど、歪みセンサの歪みの度合いが大きくなり、歪みセンサの出力値が大きくなる。

この点に着目して、工作機械１０は、ワークの切削中における歪みセンサの出力値に基づいて、工具にかかる切削力を推定する。歪みセンサは、動力計などの他のセンサと比べて安価である。そのため、歪みセンサが用いられることで、工作機械１０自体の価格が安くなる。また、歪みセンサは、工作機械１０内の任意の部材に取り付られ得、加工中に工具にかかる切削力を容易に検出することができる。

＜Ｃ．歪みセンサの取り付け位置＞
次に、図２および図３を参照して、歪みセンサの取り付け位置の具体例について説明する。図２は、歪みセンサ１４０が取り付けられた主軸頭１３１を示す図である。

歪みセンサ１４０は、たとえば、主軸頭１３１のハウジング１３３に装着される。ハウジング１３３は、フランジ部１３３Ａと、円筒部１３３Ｂとで構成される。フランジ部１３３Ａは、円筒部１３３Ｂの端部と繋がっている。

歪みセンサ１４０の一端は、フランジ部１３３Ａ上の面ＳＦ１（第１面）に連結されている。面ＳＦ１は、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）と所定角度を成す面であり、Ｚ方向と平行ではない面である。典型的には、当該所定角度は、約９０度である。一例として、面ＳＦ１は、ＸＹ平面と平行な面である。

一方、歪みセンサ１４０の他端は、円筒部１３３Ｂ上の面ＳＦ２（第２面）に連結されている。面ＳＦ２は、面ＳＦ１とは平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ２は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。この場合、面ＳＦ２は、面ＳＦ１と直交する。一例として、面ＳＦ２は、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）と平行な面であってハウジング１３３上の一面である。

歪みセンサ１４０は、固定部材１４１と、カバー１４２と、センシング部１４３とを含む。センシング部１４３は、金属箔等で構成され、当該金属箔の伸縮による抵抗値の変化を歪みとして検出する。当該抵抗値の変化は、センシング部１４３に接続される導線（図示しない）を介して工作機械１０の制御部などに出力される。センシング部１４３は、固定部材１４１に形成された穴内に貼り付けられており、カバー１４２によって封止されている。

図３は、主軸頭１３１に外力が加わっている場合における主軸頭１３１の歪みの度合いを視覚的に示す図である。より詳細には、図３（Ａ）には、加工中においてＹ方向の正側から負側に力を受けている主軸頭１３１が示されている。図３（Ｂ）には、主軸頭１３１の各部分の歪みの度合いが濃淡で示されている。なお、説明の便宜のために、図３（Ｂ）には、曲がっている状態の主軸頭１３１が示されているが、実際には、加工中における主軸頭１３１の曲がり度合いは図３（Ｂ）に示されるよりも微少である。

図３（Ｂ）に示されるように、主軸頭１３１が加工中に力を受けている場合、主軸頭１３１の歪みの度合いは、フランジ部１３３Ａと円筒部１３３Ｂとの接続部分で最大となる。そのため、歪みセンサ１４０は、フランジ部１３３Ａと円筒部１３３Ｂとに連結されことで主軸頭１３１の歪みの影響を受けやすくなり、主軸頭１３１にかかる力を感度よく検出することができる。

なお、上述では、歪みセンサ１４０が主軸頭１３１に取り付けられている例について説明を行ったが、歪みセンサ１４０の取り付け位置は、主軸頭１３１に限定されず、切削により力を受ける任意の部材上に取り付けられ得る。

また、上述では、１つの歪みセンサ１４０が工作機械１０に設けられている例について説明を行ったが、２つ以上の歪みセンサ１４０が工作機械１０に設けられてもよい。

＜Ｄ．機能構成＞
次に、図４を参照して、切削力の推定処理を実現するための機能構成について説明する。図４は、工作機械１０の機能構成の一例を示す図である。

図４に示されるように、工作機械１０は、機能構成として、取得部５２と、推定部５４と、出力部５６とを含む。

取得部５２は、歪みセンサ１４０の出力値を取得するための機能モジュールである。取得部５２は、加工プログラムの実行中において、歪みセンサ１４０の出力値を順次取得する。取得部５２は、歪みセンサ１４０の出力値を推定部５４に順次出力する。

推定部５４は、歪みセンサ１４０の出力値と切削力との予め定められた相関関係１２６に基づいて、歪みセンサ１４０の出力値から切削力を推定する。相関関係１２６における歪みセンサの出力値と切削力との関係は、テーブル形式で規定されてもよいし、所定の算出式で規定されていてもよい。当該算出式は、たとえば、歪みセンサ１４０の出力値を説明変数とし、工具にかかる切削力を目的変数とする。

典型的には、相関関係１２６は、歪みセンサ１４０の出力値が大きいほど推定値としての切削力が大きくなるように規定される。異なる言い方をすれば、相関関係１２６は、歪みセンサ１４０の出力値が小さいほど推定値としての切削力が小さくなるように規定される。

出力部５６は、推定部５４によって推定された切削力を種々の態様で出力する。ある局面において、出力部５６は、推定された切削力が所定値を超えたことに基づいて、予め定められた異常対処処理を実行する。当該異常対処処理は、たとえば、過大な力が工具にかかったことを示す警告を作業者に出力する処理である。警告の出力態様は、任意である。一例として、当該警告は、工作機械１０のディスプレイ上に表示されてもよいし、音声で出力されてもよいし、レポート形式でデータとして出力されてもよい。

他の局面において、出力部５６は、推定された切削力に基づいて、工作機械１０内の駆動機構（たとえば、上述のサーボドライバ１１１Ｒ，１１１Ｘ，１１１Ｙ，１１１Ｚ）を制御する。一例として、出力部５６は、推定された切削力が所定値を超えたことに基づいて、工作機械１０内の駆動機構を停止する。他の例として、出力部５６は、推定された切削力に基づいて、主軸１３２の移動速度、主軸１３２の回転速度などを制御する。

他の局面において、出力部５６は、推定された切削力をログとして出力する。ログの出力形式は、任意である。一例として、出力部５６は、推定された切削力を時刻に対応付けた上でログに出力する。これにより、作業者は、ログを確認することで異常の原因を突き止めることができる。

＜Ｅ．ＣＮＣユニット３０のハードウェア構成＞
次に、図５を参照して、制御部５０の一例であるＣＮＣユニット３０のハードウェア構成について説明する。図５は、ＣＮＣユニット３０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３０は、プロセッサ１０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３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、上述の歪みセンサ１４０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。

プロセッサ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（Central Processing Unit）、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。

プロセッサ１０１は、加工プログラム１２２および推定プログラム１２４などの各種プログラムを実行することでＣＮＣユニット３０の動作を制御する。プロセッサ１０１は、各種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３０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３０は、加工プログラム１２２および推定プログラム１２４を当該外部機器から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、ＰＬＣやＩ／Ｏユニットなどが挙げられる。

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、推定プログラム１２４、および上述の相関関係１２６などを格納する。

加工プログラム１２２は、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。推定プログラム１２４は、歪みセンサ１４０の出力値と切削力との相関関係１２６と、歪みセンサ１４０の出力値とに基づいて、切削力を推定するためのプログラムである。当該切削力は、たとえば、加工プログラム１２２によって参照される。

加工プログラム１２２、推定プログラム１２４、および相関関係１２６の格納場所は、記憶装置１２０に限定されず、プロセッサ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。

推定プログラム１２４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、推定プログラム１２４による切削力の推定処理は、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推定プログラム１２４の趣旨を逸脱するものではない。さらに、推定プログラム１２４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つのサーバーが推定プログラム１２４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工作機械１０が構成されてもよい。

＜Ｆ．制御フロー＞
次に、図６を参照して、切削力の推定処理に係る制御フローについて説明する。図６は、切削力の推定処理の流れを示すフローチャートである。

図６に示される処理は、制御部５０が制御プログラムを実行することにより実現される。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５０は、加工プログラム１２２が実行されたか否かを判断する。制御部５０は、加工プログラム１２２が実行されたと判断した場合（ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１１２に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１１０においてＮＯ）、制御部５０は、ステップＳ１１０の処理を再び実行する。

ステップＳ１１２において、制御部５０は、上述の取得部５２（図４参照）として機能し、歪みセンサ１４０の出力値を取得する。

ステップＳ１１４において、制御部５０は、上述の推定部５４（図４参照）として機能し、歪みセンサ１４０の出力値に基づいて、工具にかかる切削力を推定する。当該切削力の推定方法については上述の通りであるので、その説明については繰り返さない。

ステップＳ１２０において、制御部５０は、ステップＳ１１４で推定された切削力が所定値を超えたか否かを判断する。制御部５０は、当該切削力が所定値を超えたと判断した場合（ステップＳ１２０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１２２に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１２０においてＮＯ）、制御部５０は、制御をステップＳ１３０に切り替える。

ステップＳ１２２において、制御部５０は、上述の出力部５６（図４参照）として機能し、工作機械１０内の駆動機構（たとえば、上述のサーボドライバ１１１Ｒ，１１１Ｘ，１１１Ｙ，１１１Ｚ）に停止指令を出力する。これにより、加工が停止する。

ステップＳ１３０において、制御部５０は、加工が終了したか否かを判断する。一例として、制御部５０は、ユーザによる停止操作を受け付けた場合、加工プログラムが最終行まで実行された場合、または加工プログラムが所定回数実行された場合などに、加工が終了したと判断する。制御部５０は、加工が終了したと判断した場合（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、図６に示される処理を終了する。そうでない場合には（ステップＳ１３０においてＮＯ）、制御部５０は、制御をステップＳ１１２に戻す。

＜Ｇ．変形例１＞
次に、図７および図８を参照して、変形例１に従う工作機械１０について説明する。図７は、主軸頭１３１のハウジング１３３をＺ方向から示す正面図である。図８は、主軸頭１３１のハウジング１３３をＸ方向から示す側面図である。

上述の工作機械１０においては、１つの歪みセンサ１４０がハウジング１３３に設けられていた。これに対して、本変形例に従う工作機械１０においては、４つの歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄがハウジング１３３に設けられている。歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄは、上述の歪みセンサ１４０と同じセンサである。

上述のように、主軸頭１３１のハウジング１３３は、フランジ部１３３Ａと、円筒部１３３Ｂとで構成される。フランジ部１３３Ａは、円筒部１３３Ｂの端部と繋がっている。

フランジ部１３３Ａは、加工中にワークから力を受ける面ＳＦ１を含む。面ＳＦ１は、フランジ部１３３Ａとの接続面であり、ＸＹ平面と平行な一面である。

円筒部１３３Ｂは、加工中にワークから力を受ける面ＳＦ２～ＳＦ５を含む。面ＳＦ２～ＳＦ５のそれぞれは、円筒部１３３Ｂの外面の一部を成し、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）と平行な面である。

面ＳＦ２は、面ＳＦ１と平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ２は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。この場合、面ＳＦ２は、面ＳＦ１と直交する。

面ＳＦ３は、面ＳＦ１と平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ３は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。また、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）から見た場合において、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ３の中心に向かう方向と、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ２の中心に向かう方向との間の角度は、約９０度である。

面ＳＦ４は、面ＳＦ１と平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ４は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。また、面ＳＦ４は、面ＳＦ２に対向している。より具体的には、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）から見た場合において、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ４の中心に向かう方向と、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ２の中心に向かう方向とが成す角度は、約１８０度である。

面ＳＦ５は、面ＳＦ１と平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ５は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。また、面ＳＦ５は、面ＳＦ３に対向している。より具体的には、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）から見た場合において、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ５の中心に向かう方向と、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ３の中心に向かう方向とが成す角度は、約１８０度である。

歪みセンサ１４０Ａの一端は面ＳＦ１に連結されており、歪みセンサ１４０Ａの他端は面ＳＦ２に連結されている。また、歪みセンサ１４０Ｂの一端は面ＳＦ１に連結されており、歪みセンサ１４０Ｂの他端は面ＳＦ３に連結されている。また、歪みセンサ１４０Ｃの一端は面ＳＦ１に連結されており、歪みセンサ１４０Ｃの他端は面ＳＦ４に連結されている。また、歪みセンサ１４０Ｄの一端は面ＳＦ１に連結されており、歪みセンサ１４０Ｄの他端は面ＳＦ５に連結されている。その結果、図７および図８に示されるように、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄは、主軸１３２の軸中心から見て９０度間隔で等間隔に設けられる。

工作機械１０は、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄのそれぞれの出力値に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のそれぞれにおける切削力を推定する。各方向の切削力は、たとえば、下記の式（１）に基づいて推定される。

Ｆ＝Ｍ・Ｓ・・・（１）
式（１）に示される「Ｆ」は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の各方向における切削力（Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ）を成分とするベクトルである。「Ｓ」は、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄの各々の出力値（Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂ，Ｓ_Ｃ，Ｓ_Ｄ）を成分とするベクトルである。「Ｍ」は、固定値からなる行列である。「Ｍ」の値は、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄの位置関係などに基づいて、工作機械１０の設計時などに予め決められる。

＜Ｈ．変形例２＞
次に、図９および図１０を参照して、変形例２に従う工作機械１０について説明する。図９は、主軸頭１３１のハウジング１３３をＺ方向から示す正面図である。図１０は、主軸頭１３１のハウジング１３３をＸ方向から示す側面図である。

変形例１に従う工作機械１０においては、４つの歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄがハウジング１３３に設けられていた。これに対して、本変形例に従う工作機械１０においては、３つの歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｃがハウジング１３３に設けられている。

上述のように、主軸頭１３１のハウジング１３３は、フランジ部１３３Ａと、円筒部１３３Ｂとで構成される。フランジ部１３３Ａは、円筒部１３３Ｂの端部と繋がっている。

フランジ部１３３Ａは、加工中にワークから力を受ける面ＳＦ１を含む。面ＳＦ１は、フランジ部１３３Ａとの接続面であり、ＸＹ平面と平行な一面である。

円筒部１３３Ｂは、加工中にワークから力を受ける面ＳＦ２～ＳＦ４を含む。面ＳＦ２～ＳＦ４のそれぞれは、円筒部１３３Ｂの外面の一部を成し、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）と平行な面である。

面ＳＦ２は、面ＳＦ１と平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ２は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。この場合、面ＳＦ２は、面ＳＦ１と直交する。

面ＳＦ３は、面ＳＦ１と平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ３は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。また、面ＳＦ３は、面ＳＦ２と対向していない。一例として、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）から見た場合において、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ３の中心に向かう方向と、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ２の中心に向かう方向との間の角度は、約１２０度である。

面ＳＦ４は、面ＳＦ１と平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ４は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。また、面ＳＦ４は、面ＳＦ２および面ＳＦ３の両方と対向していない。より具体的には、主軸１３２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）から見た場合において、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ４の中心に向かう方向と、主軸１３２の回転中心から面ＳＦ２の中心に向かう方向とが成す角度は、約１２０度である。

歪みセンサ１４０Ａの一端は面ＳＦ１に連結されており、歪みセンサ１４０Ａの他端は面ＳＦ２に連結されている。また、歪みセンサ１４０Ｂの一端は面ＳＦ１に連結されており、歪みセンサ１４０Ｂの他端は面ＳＦ３に連結されている。また、歪みセンサ１４０Ｃの一端は面ＳＦ１に連結されており、歪みセンサ１４０Ｃの他端は面ＳＦ４に連結されている。その結果、図９および図１０に示されるように、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｃは、主軸１３２の軸中心から見て１２０度間隔で等間隔に設けられる。

工作機械１０は、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｃのそれぞれの出力値に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のそれぞれにおける切削力を推定する。各方向の切削力は、たとえば、下記の式（２）に基づいて推定される。

Ｆ＝Ｍ・Ｓ・・・（２）
式（２）に示される「Ｆ」は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の各方向における切削力（Ｆ_ｘ，Ｆ_ｙ，Ｆ_ｚ）を成分とするベクトルである。「Ｓ」は、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｃの各々の出力値（Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂ，Ｓ_Ｃ）を成分とするベクトルである。「Ｍ」は、固定値からなる行列である。「Ｍ」の値は、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｃの位置関係などに基づいて、工作機械１０の設計時などに予め決められる。

＜Ｉ．変形例３＞
次に、図１１を参照して、歪みセンサ１４０の配置パターンの他の例について説明する。図１１は、歪みセンサ１４０の様々な配置パターンを示す図である。図１１には、歪みセンサ１４０の配置パターンとしてパターン（Ａ）～（Ｆ）が示されている。

上述の図７および図８の例では、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄは、主軸１３２の軸方向から見て９０度間隔に配置されていたが、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｄは、パターン（Ａ）～（Ｃ）に示されるように配置されてもよい。

また、上述の図９および図１０の例では、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｃは、主軸１３２の軸方向から見て１２０度間隔に配置されていたが、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｃは、パターン（Ｄ），（Ｅ）に示されるように配置されてもよい。また、歪みセンサ１４０Ａ～１４０Ｃは、図１１のパターン（Ｆ）に示されるように配置されてもよい。

＜Ｊ．変形例４＞
次に、図１２を参照して、変形例４に従う工作機械１０について説明する。図１２は、変形例４に従う工作機械１０を示す図である。

本変形例における工作機械１０は、回転するワークに工具を接触させてワークの加工を行なう旋削機能と、ワークに回転する工具を接触させてワークの加工を行なうミーリング機能とが備わった複合加工機である。

図１２に示されるように、工作機械１０は、ベッド２３６と、ワーク主軸２１１と、対向ワーク主軸２１６と、工具主軸２２１と、刃物台２３１とを有する。

ベッド２３６は、ワーク主軸２１１、対向ワーク主軸２１６、工具主軸２２１および刃物台２３１などを支持するためのベース部材であり、工場などの床面に設置されている。ベッド２３６は、鋳鉄などの金属から形成されている。

ワーク主軸２１１および対向ワーク主軸２１６は、ワークを保持可能なように構成されている。ワーク主軸２１１および対向ワーク主軸２１６は、Ｚ軸方向において、互いに対向して設けられている。ワーク主軸２１１および対向ワーク主軸２１６は、主に、固定工具を用いた旋削加工時にワークを回転させるために設けられている。ワーク主軸２１１は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能なように設けられている。対向ワーク主軸２１６は、Ｚ軸に平行な中心軸２０２を中心に回転可能なように設けられている。ワーク主軸２１１および対向ワーク主軸２１６には、それぞれ、ワークを着脱可能なように把持するための第１チャック機構２１３および第２チャック機構２１８が設けられている。

ワーク主軸２１１は、ベッド２３６上において固定されている。対向ワーク主軸２１６は、各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどによって、Ｚ軸方向に移動可能なように設けられている。

工具主軸２２１および刃物台２３１は、ワークを切削する工具を保持可能なように構成されている。工具主軸２２１は、刃物台２３１よりも上方に設けられている。

工具主軸２２１は、鉛直方向に延びるＹ軸に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。工具主軸２２１には、工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構（不図示）が設けられている。

工具主軸２２１は、さらに、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＸ軸に平行な中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている（Ｂ軸旋回）。工具主軸２２１の旋回範囲は、たとえば、工具主軸２２１の主軸端面２２３が下方を向く姿勢（図１２中に示す姿勢）を基準にして±１２０°の範囲である。

工具主軸２２１は、図示しないコラムなどによりベッド２３６上に支持されている。工具主軸２２１は、コラムなどに設けられた各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどによって、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。

刃物台２３１は、いわゆるタレット形であり、複数の工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。

より具体的には、刃物台２３１は、旋回部２３２を有する。旋回部２３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０６を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０６を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部２３２が中心軸２０６を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された工具が周方向に移動し、ワーク加工に用いられる工具が割り出される。

刃物台２３１は、図示しないサドルなどによりベッド２３６上に支持されている。刃物台２３１は、サドルなどに設けられた各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどによって、Ｙ軸方向とＺ軸方向とに移動可能に設けられている。なお、刃物台２３１は、Ｚ軸方向と、Ｚ軸方向に直交し、鉛直方向成分を含む斜め上下方向とに移動可能に設けられてもよい。この場合に、刃物台２３１は、Ｙ軸方向と、Ｘ軸方向とに同時に送られることによって、Ｚ軸方向に直交し、鉛直方向成分を含む斜め上下方向に移動する構成であってもよい。

工具主軸２２１および刃物台２３１の各々には、回転工具が保持されてもよいし、固定工具が保持されてもよい。回転工具は、回転しながらワークを加工する工具であり、ドリル、エンドミルまたはリーマなどである。刃物台２３１に回転工具を保持する場合、刃物台２３１には、回転を出力するモータと、モータから出力された回転を回転工具に伝達する動力伝達機構とが内蔵される。

工作機械１０は、スプラッシュガード２１０をさらに有する。スプラッシュガード２１０は、工作機械１０の外観をなすとともに、ワークの加工エリア２００を区画形成している。

工作機械１０は、刃物台２３１に設けられている歪みセンサ１４０を用いて、工具にかかる切削力を推定する。歪みセンサ１４０の一端は、面ＳＦ１（第１面）に連結されている。面ＳＦ１は、工具主軸２２１の軸方向（すなわち、Ｚ方向）と所定角度を成す面であり、刃物台２３１上の一面である。典型的には、当該所定角度は、約９０度である。一例として、面ＳＦ１は、ＸＹ平面と平行な一面である。

一方、歪みセンサ１４０の他端は、面ＳＦ２（第２面）に連結されている。面ＳＦ２は、面ＳＦ１とは平行ではない面である。異なる言い方をすれば、面ＳＦ２は、面ＳＦ１と所定角度を成す。当該所定角度は、たとえば、約９０度である。一例として、面ＳＦ２は、工具主軸２２１の軸方向（すなわち、Ｚ方向）と平行な面であって刃物台２３１上の一面である。あるいは、面ＳＦ２は、工具主軸２２１の軸方向に平行な面であって刃物台２３１の設置面上（すなわち、ベッド２３６上）の一面である。典型的には、面ＳＦ２は、面ＳＦ１と直交する。

歪みセンサ１４０は、加工中における刃物台２３１の歪みの度合いを検出する。工作機械１０は、歪みセンサ１４０の出力値と切削力との予め定められた相関関係に基づいて、歪みセンサ１４０の出力値から切削力を推定する。当該相関関係における歪みセンサの出力値と切削力との関係は、テーブル形式で規定されてもよいし、所定の算出式で規定されていてもよい。当該算出式は、たとえば、歪みセンサ１４０の出力値を説明変数とし、工具にかかる切削力を目的変数とする。

＜Ｋ．まとめ＞
以上のようにして、歪みセンサ１４０は、加工中に外力を受ける面ＳＦ１，ＳＦ２に連結される。面ＳＦ１と面ＳＦ２とは所定角度を成している。面ＳＦ１および面ＳＦ２が外力を受けると、面ＳＦ１および面ＳＦ２の相対位置が微少に変化し、それに応じて歪みセンサ１４０が歪む。工具が受ける外力が大きいほど、歪みセンサ１４０の歪みの度合いも大きくなり、歪みセンサ１４０の出力値が大きくなる。このように、歪みセンサ１４０の出力値は、工具にかかる切削力と相関している。したがって、工作機械１０は、歪みセンサ１４０の出力値に基づいて、工具にかかる切削力を推定することができる。歪みセンサは、動力計などの他のセンサと比べて安価である。そのため、歪みセンサが用いられることで、工作機械１０自体の価格が安くなる。

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 工作機械、３０ ＣＮＣユニット、５０ 制御部、５２ 取得部、５４ 推定部、５６ 出力部、１０１ プロセッサ、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、１１１Ｒ，１１１Ｘ，１１１Ｙ，１１１Ｚ サーボドライバ、１１２Ｒ，１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚ サーボモータ、１１３ 移動体、１２０ 記憶装置、１２２ 加工プログラム、１２４ 推定プログラム、１２６ 相関関係、１３１ 主軸頭、１３２ 主軸、１３３ ハウジング、１３３Ａ フランジ部、１３３Ｂ 円筒部、１３４ 工具、１３６ テーブル、１４０，１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃ，１４０Ｄ 歪みセンサ、１４１ 固定部材、１４２ カバー、１４３ センシング部、２００ 加工エリア、２０１，２０２，２０３，２０４，２０６ 中心軸、２１０ スプラッシュガード、２１１ ワーク主軸、２１３ 第１チャック機構、２１６ 対向ワーク主軸、２１８ 第２チャック機構、２２１ 工具主軸、２２３ 主軸端面、２３１ 刃物台、２３２ 旋回部、２３６ ベッド。

Claims (8)

1. 工具を用いてワークを切削することが可能な工作機械であって、
   前記ワークの切削により力を受ける、前記工作機械内の第１面と、
   前記ワークの切削により力を受ける、前記工作機械内の第２面とを備え、前記第２面は、前記第１面と平行ではなく、
   前記第１面と前記第２面とに連結している第１歪みセンサと、
   前記ワークの切削中における前記第１歪みセンサの出力値に基づいて、前記工具にかかる力を推定するための推定部とを備える、工作機械。
2. 前記工作機械は、さらに、
   前記工具を回転するための主軸と、
   前記主軸を収容するためのハウジングとを備え、
   前記第１面は、前記主軸の軸方向と所定角度を成す面であって前記ハウジング上の一面であり、
   前記第２面は、前記主軸の軸方向に平行な面であって前記ハウジング上の一面である、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記工作機械は、さらに、
   前記ワークを回転するための主軸と、
   前記ワークを切削する工具を保持可能に構成される刃物台とを備え、
   前記第１面は、前記主軸の軸方向と所定角度を成す面であって前記刃物台上の一面であり、
   前記第２面は、前記主軸の軸方向に平行な面であって前記刃物台上または前記刃物台の設置面上の一面である、請求項１に記載の工作機械。
4. 前記所定角度は、９０度である、請求項２または３に記載の工作機械。
5. 前記工作機械は、さらに、
   第２歪みセンサと、
   第３歪みセンサと、
   第４歪みセンサとを備え、
   前記第２歪みセンサは、前記第１面と、前記ワークの切削により力を受ける第３面とに連結しており、前記第３面は、前記第１面と平行ではなく、
   前記第３歪みセンサは、前記第１面と、前記ワークの切削により力を受ける第４面とに連結しており、前記第４面は、前記第１面と平行ではなく、かつ、前記第２面と対向しており、
   前記第４歪みセンサは、前記第１面と、前記ワークの切削により力を受ける第５面とに連結しており、前記第５面は、前記第１面と平行ではなく、かつ、前記第３面と対向している、請求項４に記載の工作機械。
6. 前記工作機械は、さらに、
   第２歪みセンサと、
   第３歪みセンサとを備え、
   前記第２歪みセンサは、前記第１面と、前記ワークの切削により力を受ける第３面とに連結しており、前記第３面は、前記第１面と平行ではなく、かつ、前記第２面と対向してらず、
   前記第３歪みセンサは、前記第１面と、前記ワークの切削により力を受ける第４面とに連結しており、前記第４面は、前記第１面と平行ではなく、かつ、前記第２面および前記第３面と対向していない、請求項４に記載の工作機械。
7. 工作機械においてワークを切削している際に工具にかかる力の推定方法であって、
   前記工作機械は、
   前記ワークの切削により力を受ける、前記工作機械内の第１面と、
   前記ワークの切削により力を受ける、前記工作機械内の第２面とを備え、前記第２面は、前記第１面と平行ではなく、
   前記工作機械は、さらに、前記第１面と前記第２面とに連結している歪みセンサを備え、
   前記推定方法は、
   前記ワークの切削中に前記歪みセンサの出力値を取得するステップと、
   前記出力値に基づいて、前記工具にかかる力を推定するステップとを備える、推定方法。
8. 工作機械においてワークを切削している際に工具にかかる力の推定プログラムであって、
   前記工作機械は、
   前記ワークの切削により力を受ける、前記工作機械内の第１面と、
   前記ワークの切削により力を受ける、前記工作機械内の第２面とを備え、前記第２面は、前記第１面と平行ではなく、
   前記工作機械は、さらに、前記第１面と前記第２面とに連結している歪みセンサを備え、
   前記推定プログラムは、前記工作機械に、
   前記ワークの切削中に前記歪みセンサの出力値を取得するステップと、
   前記出力値に基づいて、前記工具にかかる力を推定するステップとを実行させる、推定プログラム。

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