JP2024078226A - 特定方法及び数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサを設けることなく、送り軸の伸縮量を特定できる特定方法及び数値制御装置を提供する。【解決手段】数値制御装置は、工具の装着動作におけるＺ軸モータの外乱力及び回転角度を時系列で取得する。数値制御装置は、外乱力を時間微分して、微分値を算出する。数値制御装置は、最小を示す微分値に対応する回転角度をピーク角度として決定する。数値制御装置は、決定したピーク角度、及びＲＡＭに記憶された初回ピーク角度φ１に基づき、差分ρを算出する（Ｓ２６）。数値制御装置は、工具ごとに差分ρを記憶し（Ｓ２７）、其の平均を算出する（Ｓ２８）。数値制御装置は、算出した平均に基づき、ボールねじの伸縮量Ｌｂを特定する（Ｓ２９）。【選択図】図８

Description

本発明は、特定方法及び数値制御装置に関する。

特許文献１には、工作機械における送り軸の熱変位を補正する補正方法が開示されている。工作機械のコラムには、位置検出センサが設けられる。位置検出センサは送り軸の位置を検出する。位置検出センサが検出した送り軸の位置に基づいて、送り軸の各区間における熱変位量が推定される。そして、推定された熱変位量を打ち消す量を熱変位補正量として熱変位の補正が行われる。

特開２０１２－１０１３３０号

上記補正方法では、位置検出センサのために追加のコストが必要になる。また、位置検出センサが故障した場合、送り軸の位置を検出できないので、送り軸の熱変位量を推定できない虞がある。

本発明の目的は、センサを設けることなく、送り軸の伸縮量を特定できる特定方法及び数値制御装置を提供することである。

請求項１の特定方法は、工具を装着する主軸と、所定方向に延びる送り軸と、前記送り軸を前記所定方向に延びる軸周りに回転させるモータとを備え、前記モータが前記送り軸を回転させることで、前記主軸を移動して工具交換装置が把持する前記工具を前記主軸に装着可能な工作機械における前記送り軸の前記所定方向への伸縮量の特定方法であって、前記工具の装着動作又は前記工具の脱離動作の少なくとも一方における前記モータのトルクと、前記モータの回転角度とを時系列で取得する取得工程と、前記取得工程により取得された前記トルクと前記回転角度との時系列データについての特徴量に基づいて、前記回転角度から特定角度を決定する決定工程と、前記決定工程により決定された前記特定角度と、前記特定角度の基準となる基準特定角度との第一差分に基づき、前記送り軸の前記伸縮量を特定する特定工程とを含むことを特徴とする。

特定方法において、モータのトルクを制御するための構成により、送り軸の伸縮量が特定される。これにより、特定方法は、伸縮量を特定するためのセンサを別途設けることなく、送り軸の伸縮量を特定できる。

請求項２の特定方法において、前記特徴量は、前記取得工程により取得された前記トルクを微分した微分値ｆであって、前記取得工程により取得された前記トルクから前記回転角度に対応する前記微分値を算出する微分工程を、更に含み、前記決定工程は、前記微分工程により算出された前記微分値及び前記回転角度に基づいて、前記特定角度を決定してもよい。特定角度において、微分値の変動は、トルクの変動と比較してより顕著に変化する。よって、特定方法は、決定工程において特定角度を精度よく決定できる。

請求項３の特定方法において、前記決定工程は、前記微分工程により算出された前記微分値のうち、最大又は最小の何れか一方を示す前記微分値に対応する前記回転角度を前記特定角度として決定してもよい。これにより、特定方法は、決定工程において簡単に特定角度を決定できる。

請求項４の特定方法において、前記取得工程は、前記トルクに含まれる、前記モータの駆動に対する反力として前記モータに作用する外乱力を取得し、前記微分工程は、前記取得工程により取得された前記外乱力を微分した外乱力微分値を算出し、前記決定工程は、前記微分工程により算出された前記外乱力微分値のうち、最大又は最小の何れか一方を示す前記外乱力微分値に対応する前記回転角度を、前記特定角度として決定してもよい。モータのトルクには、外乱力の他にモータの加減速に伴う慣性力等が含まれる。特定方法は、トルクに含まれる外乱力を取得し、外乱力を微分した外乱力微分値に基づき特定角度を決定するので、モータの加減速によるトルクの変化の影響をなくし、送り軸の伸縮量を精度よく特定できる。

請求項５の特定方法において、前記微分工程は、前記取得工程により取得された前記回転角度を補間した補間角度、及び前記補間角度に対応し、且つ前記取得工程により取得された前記トルクを補間した補間トルクを生成する補間工程と、前記補間工程により補間された前記補間トルクを微分して、前記補間角度に対応する前記補間トルクの補間微分値を算出する補間微分工程とを含み、前記決定工程は、前記補間微分工程により算出された前記補間微分値のうち、最大又は最小の何れか一方を示す前記補間微分値に対応する前記補間角度を前記特定角度として決定してもよい。特定方法において、特定角度の分解能は回転角度及びトルクの取得周期に依存する。モータの回転角度と、回転角度に対応するトルクとが補間されることで、取得周期を短くすることなく、実際の特定角度に対して、決定工程で決定される特定角度をより近似する事ができる。よって、特定方法は、送り軸の伸縮量が僅かである場合にも、精度よく伸縮量を特定できる。

請求項６の特定方法において、前記決定工程により一回目に決定された前記特定角度を、前記基準特定角度として決定する基準決定工程を含み、前記特定工程は、前記決定工程により二回目以降に決定された前記特定角度と、前記基準決定工程により決定された前記基準特定角度との前記第一差分に基づき、前記伸縮量を特定してもよい。特定方法は、最初に決定工程により決定された特定角度を基準特定角度として、伸縮量を特定する。これにより、特定方法は、最初の状態からの送り軸の伸縮量を特定できる。

請求項７の特定方法において、前記決定工程によりｎ回目（ｎは二以上の整数）に決定された前記特定角度と、前記決定工程によりｎ－１回目に決定された前記特定角度との第二差分に基づき、前記装着動作又は前記脱離動作における異常を判定する判定工程とを含んでもよい。装着動作又は脱離動作における異常として、例えば装着動作において主軸と工具の間で切粉の噛み込みが生じた場合、又は脱離動作において工具の主軸からの脱離で異常が生じた場合、ｎ－１回目に決定された特定角度に対してｎ回目に決定された特定角度が過剰に変化する。よって、特定方法は、第二差分に基づき、工具の装着動作又は脱離動作における異常を判定できる。

請求項８の特定方法は、前記決定工程により決定された前記特定角度に基づき算出される前記第一差分を記憶する記憶工程を備え、前記特定工程は、前記記憶工程により記憶された複数の前記第一差分の平均に基づき、前記伸縮量を特定してもよい。特定方法は、第一差分の平均に基づき、送り軸の伸縮量を特定することで、装着動作又は脱離動作のばらつきによる特定角度の決定の際の誤差を小さくできる。よって、特定方法は、特定工程で特定される送り軸の伸縮量と、実際の伸縮量との誤差を小さくできる。

請求項９の特定方法は、前記記憶工程は、前記第一差分を前記主軸に装着された前記工具ごとに記憶し、前記特定工程は、前記記憶工程により前記工具ごとに記憶された複数の前記第一差分の平均に基づき、前記伸縮量を特定してもよい。これにより、特定工程は、工具ごとで第一差分にばらつきがある場合にも、第一差分の平均に基づき、送り軸の伸縮量を特定することで、ばらつきによる影響を抑制できる。よって、特定工程は、送り軸の伸縮量を精度よく特定できる。

請求項１０の数値制御装置は、工具を装着する主軸と、所定方向に延びる送り軸と、前記送り軸を前記所定方向に延びる軸周りに回転させるモータとを備え、前記モータが前記送り軸を回転させることで、前記主軸を移動して工具交換装置が把持する前記工具を前記主軸に装着可能な工作機械の動作を制御する数値制御装置において、前記工具の装着動作又は前記工具の脱離動作の少なくとも一方における前記モータのトルクと、前記モータの回転角度とを時系列で取得する取得部と、前記取得部により取得された前記トルクと前記回転角度との時系列データについての特徴量に基づいて、前記回転角度から特定角度を決定する決定部と、前記決定部により決定された前記特定角度と、前記特定角度の基準となる基準特定角度との第一差分に基づき、前記送り軸の前記所定方向への伸縮量を特定する特定工程とを備えることを特徴とする。数値制御装置は、請求項１の特定と同様の効果を奏する。

工作機械１の斜視図である。 主軸ヘッド７の周囲の縦断面図である。 主軸９の内部の縦断面図である。 工作機械１及び数値制御装置３０の電気的構成を示すブロック図である。 Ｚ軸モータ５１の回転角度θに応じて変動するＺ軸モータ５１に加わる外乱力Ｆ及び微分値ｆを示すグラフである。 補間角度θ及び補間外乱力Ｆの生成を説明する図である。 工具交換処理のフローチャートである。 図８の続きを示すフローチャートである。

本発明の一実施形態を、図面を参照し説明する。以下説明は、図中に矢印で示す左右、前後、上下を使用する。工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は夫々、工作機械１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。右方向、前方向、上方向は夫々、正方向であり、左方向、後方向、下方向は夫々、負方向である。図１に示す工作機械１は、工具３により被削材（図示略）に切削加工を施す機械である。数値制御装置３０は、工作機械１の動作を制御する。本実施形態に記載する「ＡＴＣ」とは「Automatic Tool Changer」の略称である。また、本実施形態に記載する「ＮＣ」とは「Numerical Control」の略称である。

＜工作機械１の構造＞
図１、図２に示すように、工作機械１は、ベース２、コラム５、制御箱６、テーブル装置１０、主軸ヘッド７、主軸９、及び工具交換装置２０を有する。ベース２は、略直方体状の金属製土台である。コラム５は、ベース２の上面の後部に固定される。コラム５は上下方向に延びる立柱である。制御箱６は、コラム５の背面に固定される。制御箱６は、数値制御装置３０を収納する。

テーブル装置１０は、Ｙ軸移動機構（図示略）、Ｙ軸テーブル１２、テーブル１３、Ｘ軸移動機構（図示略）を有する。Ｙ軸移動機構は、ベース２の上面、且つコラム５の前方に設けられ、Ｙ軸モータ５４（図４参照）を有する。Ｙ軸移動機構は、Ｙ軸モータ５４の駆動に応じて、Ｙ軸テーブル１２をＹ軸方向に移動する。Ｘ軸移動機構は、Ｙ軸テーブル１２の上部に設けられ、Ｘ軸モータ５３（図４参照）を有する。Ｘ軸移動機構は、Ｘ軸モータ５３の駆動に応じてテーブル１３をＸ軸方向に移動する。故にテーブル１３は、Ｘ軸移動機構とＹ軸移動機構により、ベース２の上方をＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能である。

＜Ｚ軸移動機構８の構造＞
図２に示すように、コラム５の前部には、Ｚ軸移動機構８が設けられる。Ｚ軸移動機構８は、ボールねじ４１、軸受部４２、４３、カムフォロア４９、Ｚ軸モータ５１（図４参照）を有する。ボールねじ４１は、コラム５の前部に設けられ、Ｚ軸方向に延びる。軸受部４２、４３は、ボールねじ４１に挿通され、ボールねじ４１を回転可能に支持する。軸受部４２は、軸受部４３の上方に設けられる。カムフォロア４９は、軸受部４２の前方に設けられる。カムフォロア４９は、後述する主軸ヘッド７の板カム４７のカム面を摺動する。

Ｚ軸モータ５１は、軸受部４２の上方に固定される。ボールねじ４１は、カップリング（図示略）を介して、Ｚ軸モータ５１の出力軸に連結される。ボールねじ４１は、Ｚ軸モータ５１の駆動により、上下方向に延びる軸周りに正逆回転される。ボールねじ４１には、軸受部４２、４３の間でナット４４が螺合される。ナット４４は、主軸ヘッド７の後端部に固定される。Ｚ軸モータ５１が正方向に回転すると、ボールねじ４１が回転し、ナット４４と主軸ヘッド７とが一体となって上昇する。Ｚ軸モータ５１が逆方向に回転すると、ボールねじ４１が逆回転し、ナット４４と主軸ヘッド７とが一体となって下降する。

＜主軸ヘッド７の内部構造＞
図２に示すように、主軸ヘッド７は、コラム５の前部に設けられる。主軸ヘッド７は、箱形状である。主軸ヘッド７は、主軸モータ５２、クランクレバー４５、支軸４６、コイルバネ４８を有する。主軸モータ５２は、主軸ヘッド７の上面の前部に固定される。

支軸４６は、主軸ヘッド７の後部の内側に固定される。支軸４６は、左右方向に延びる棒状である。クランクレバー４５は、主軸ヘッド７の上部に設けられる。クランクレバー４５は、左側面視略Ｌ字状の板である。クランクレバー４５の屈曲部分には、支軸４６が挿通される。クランクレバー４５は、支軸４６を中心に揺動可能である。クランクレバー４５は、板カム４７を有する。板カム４７の背面には、カム面が形成される。板カム４７のカム面は、カムフォロア４９と接離可能である。コイルバネ４８は、主軸ヘッド７の後部の内側に設けられる。コイルバネ４８は、前後方向に延びる。コイルバネ４８の一端は主軸ヘッド７の背面に固定される。コイルバネ４８の後端は、板カム４７の下方で、クランクレバー４５の後端部に固定される。コイルバネ４８は、クランクレバー４５を右側面視で時計回りに常時付勢する。

＜主軸９の内部構造＞
図２、図３に示すように、主軸９は、主軸ヘッド７の前下部の内側に設けられ、上下方向に延びる円筒状である。主軸９は、主軸ヘッド７に支持される。主軸９は、上下方向に延びる軸周りに回転可能に支持される。主軸９は、主軸モータ５２の出力軸に連結する。主軸９は、主軸モータ５２の駆動により、上下方向に延びる軸周りに正逆回転される。

主軸９は、軸穴９１、装着穴９２、空間９３、摺動穴９４、クランプ軸８１、ばね８２を有する。軸穴９１は、主軸９の上端部から下部に亘り形成され、主軸９の中心を通る。装着穴９２は、主軸９の下端部に形成される。装着穴９２には、工具３が装着される。空間９３は、装着穴９２の上部に連通して形成される。摺動穴９４は、軸穴９１と空間９３との間を連通して形成される。

クランプ軸８１は、軸穴９１の内側、且つ軸穴９１に対して上下方向に移動可能に設けられる。クランプ軸８１は、支持部８３、軸部８４、把持部８５を有する。支持部８３は、クランプ軸８１の上端に設けられ、柱状である。支持部８３は、ピン９５を支持する。ピン９５は、クランプ軸８１に突出して設けられる。ピン９５は、ピン９５の上方に位置するクランクレバー４５の前端部と接離可能である。

軸部８４は、支持部８３から下方に延びる柱状である。把持部８５は、軸部８４の下端に設けられ、複数の鋼球（図示略）を有する。ばね８２は、軸穴９１の内側に挿通して設けられる。ばね８２の上端は、支持部８３と係合する。ばね８２は、クランプ軸８１を上方に常時付勢する。

主軸９は、工具３を装着可能である。工具３はホルダ１４及び刃具４を有する。ホルダ１４の一端部は、刃具４を保持する、ホルダ１４の他端部は、装着部１５、プルスタッド１７を有する。装着部１５は、ホルダ１４の他端に向けて縮径する円錐状である。プルスタッド１７は、装着部１５の頂上部からホルダ１４の他端に向けて突出する。装着部１５は、装着穴９２に装着される。

クランプ軸８１がばね８２の弾性力に抗して下方に移動すると、把持部８５は摺動穴９４から空間９３に出る。把持部８５は、ホルダ１４のプルスタッド１７の把持を解除する。クランプ軸８１が下方に移動した状態からばね８２の弾性力により上方に移動すると、把持部８５は空間９３から摺動穴９４に移動する。把持部８５は、複数の鋼球によりプルスタッド１７を把持する。

＜工具交換装置２０の構造＞
図２に示すように、工具交換装置２０は、主軸ヘッド７の前方に設けられる。工具交換装置２０は、タレット式である。工具交換装置２０は、工具マガジン２１、複数のグリップアーム２３、マガジンモータ５５を有する。工具マガジン２１は、略円盤状である。工具マガジン２１は、前下方に延びる支軸２５を中心に回転可能に支持される。夫々のグリップアーム２３は、工具マガジン２１の外周に所定間隔ごとに設けられる。複数のグリップアーム２３は、工具マガジン２１の前後方向に揺動可能に設けられる。グリップアーム２３の先端部は、工具３のホルダ１４を着脱可能に把持する。マガジンモータ５５の出力軸は、支軸２５と連結する。工具マガジン２１は、マガジンモータ５５の駆動により、支軸２５を中心に正逆回転される。

＜工具３の着脱、交換動作＞
図３に示すように、主軸９の装着穴９２にホルダ１４の装着部１５を装着した状態で、数値制御装置３０の制御指令に基づき、Ｚ軸モータ５１が正方向に回転する。ボールねじ４１が軸周りに回転し、主軸ヘッド７及び主軸９はテーブル１３の加工原点から上昇する。加工原点は、機械原点であり、被削材を加工可能な最上端位置である。

主軸ヘッド７及び主軸９が上昇すると、カムフォロア４９はクランクレバー４５の板カム４７に接触し、板カム４７のカム面を摺動する。クランクレバー４５は、コイルバネ４８の弾性力に抗して、右側面視で支軸４６を中心に反時計回りに回転する。クランクレバー４５の前端は、ピン９５に上方から係合し、クランプ軸８１を下方に押圧する。クランプ軸８１は、ばね８２の弾性力に抗して把持部８５を下方に付勢する。把持部８５はプルスタッド１７の把持を解除する。

主軸９はＡＴＣ原点まで更に上昇する。ＡＴＣ原点は、主軸９の位置であり、加工原点よりも上方にある。主軸９がＡＴＣ原点に位置する場合、工具マガジン２１は回転可能である。

主軸９が上昇すると、工具３は主軸９の装着穴９２から脱離する。主軸９から脱離した工具３を、第一工具と称す。工具交換装置２０の複数のグリップアーム２３のうち、工具交換位置にある一のグリップアーム２３（以下、第一グリップアームと称す。）は、主軸９から脱離した第一工具を把持する。工具交換位置は、工具マガジン２１の最下方位置であり、且つ主軸９に近接して対向する位置である。

主軸ヘッド７がＡＴＣ原点に到達すると、工具交換装置２０は数値制御装置３０の制御指令に基づき、マガジンモータ５５の駆動により工具マガジン２１を回転させる。工具交換装置２０は、ＮＣプログラムの制御コマンドが指定する刃具４を保持する工具３（以下、第二工具と称す。）を工具交換位置に割り出す。このとき、工具マガジン２１は第一工具が工具交換位置にある状態から、第二工具が工具交換位置にある状態まで回転する。工具マガジン２１は第一工具を第一グリップアームにより把持し、且つ第二工具を他のグリップアーム２３（以下、第二グリップアームと称す。）に把持した状態で回転する。工具交換位置に割り出した第二工具はＡＴＣ原点に移動した主軸ヘッド７の下方に位置する。

次いで、数値制御装置３０の制御指令に基づき、Ｚ軸モータ５１が逆方向に回転する。ボールねじ４１が軸周りに逆回転し、主軸９はＡＴＣ原点から下降する。第二工具の装着部１５が主軸９の装着穴９２に進入する。

装着穴９２に装着部１５が挿入した状態で、主軸９及び主軸ヘッド７は更に下降する。カムフォロア４９は、板カム４７のカム面を摺動した後、板カム４７から離れる。クランクレバー４５は、コイルバネ４８の弾性力により、右側面視で支軸４６を中心に時計回りに回転する。クランクレバー４５の前端は、ピン９５から離れ、クランプ軸８１の下方への押圧を解除する。クランプ軸８１は、把持部８５の下方への付勢を解除する。把持部８５は、空間９３から摺動穴９４に移動する。把持部８５は、第二工具のプルスタッド１７を複数の鋼球により把持して、引っ張り上げる。工具交換装置２０の第二グリップアームは、第二工具のホルダ１４の把持を解除する。主軸９の装着穴９２に装着部１５の装着が完了し、主軸９に対する第二工具の装着が完了する。主軸９に対して工具３が装着されるときのクランプ軸８１、クランクレバー４５の動作を、装着動作と称す。主軸９から工具３が脱離されるときのクランプ軸８１、クランクレバー４５の動作を、脱離動作と称す。装着動作においてＺ軸モータ５１の回転で駆動する主軸ヘッド７、クランクレバー４５等を、装着機構と称す。

＜数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成＞
図４に示すように、数値制御装置３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、記憶装置３４、入出力インタフェイス３５、駆動回路６１～６５を有する。ＣＰＵ３１は、数値制御装置３０を統括制御する。ＲＯＭ３２は、各種プログラムを記憶する。ＲＡＭ３３は、処理実行中の各種データを記憶する。

記憶装置３４は、不揮発性メモリであり、ＮＣプログラム等を記憶する。ＮＣプログラムは複数のブロックで構成される。各ブロックは、工具交換指令等の少なくとも一つの指令を含む。

入出力インタフェイス３５は、駆動回路６１～６５、エンコーダ７１～７５、入力部３７、表示部３８と電気的に接続し、各種信号の入出力を行う。入力部３７及び表示部３８は、工作機械１の操作盤３６に設けられる。操作盤３６は、工作機械１を覆うカバー（図示略）の外壁に設けられる。入力部３７は、各種情報、操作指示等の入力を受け付け、入出力インタフェイス３５を介して、ＣＰＵ３１に入力する。表示部３８は、入出力インタフェイス３５を介してＣＰＵ３１から入力される指令に基づき、各種画面、異常情報等を表示する。

駆動回路６１は、Ｚ軸モータ５１に電気的に接続する。駆動回路６２は、主軸モータ５２に電気的に接続する。駆動回路６３は、Ｘ軸モータ５３に電気的に接続する。駆動回路６４は、Ｙ軸モータ５４に電気的に接続する。駆動回路６５は、マガジンモータ５５に電気的に接続する。駆動回路６１、６２、６３、６４、６５は、入出力インタフェイス３５を介してＣＰＵ３１から入力される指令に基づき、Ｚ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、マガジンモータ５５に駆動電流を出力する。Ｚ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、マガジンモータ５５は、入力された駆動電流に応じて回転するサーボモータである。駆動回路６１、６２、６３、６４、６５は、戻り値として駆動電流を入出力インタフェイス３５に出力する。

Ｚ軸モータ５１はエンコーダ７１を備える。主軸モータ５２はエンコーダ７２を備える。Ｘ軸モータ５３はエンコーダ７３を備える。Ｙ軸モータ５４はエンコーダ７４を備える。マガジンモータ５５はエンコーダ７５を備える。エンコーダ７１、７２、７３、７４、７５は、絶対値エンコーダであり、Ｚ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、マガジンモータ５５の回転角度を夫々検出する。エンコーダ７１、７２、７３、７４、７５は、検出した回転角度を入出力インタフェイス３５に入力する。ＣＰＵ３１は、エンコーダ７１が検出したＺ軸モータ５１の回転角度を取得することで、Ｚ軸モータ５１と連結するボールねじ４１の回転角度を推定し、ボールねじ４１の回転により移動する主軸９のＺ軸方向の位置を算出する。

＜装着動作における外乱力及び外乱力の微分値の変動＞
図５（Ａ）は、装着動作におけるＺ軸モータ５１の回転角度（横軸）とＺ軸モータ５１に加わる外乱力（縦軸）との関係を示すグラフである。図５（Ａ）には、工作機械１の振動等による影響を除くため、工作機械１の固有振動を除去するローパスフィルタによる処理を施してある。装着動作において、Ｚ軸モータ５１の回転角度は負方向に変化する。

Ｚ軸モータ５１に加わる外乱力は、Ｚ軸モータ５１の駆動に対する反力としてＺ軸モータ５１に作用する力である。外乱力は、Ｚ軸モータ５１のトルクに含まれ、以下の数１の関係を満たす。

数１において、Ｔ_ｍはＺ軸モータ５１のトルク（Ｎｍ）を示す。ＦはＺ軸モータ５１に加わる外乱力（Ｎｍ）を示す。θはＺ軸モータ５１の回転角度（ｒａｄ）を示す。「θ（上付き一つドット）」は、回転角度θの一階時間微分（角速度（ｒａｄ／ｓ））を示す。「θ（上付き二つドット）」は、回転角度θの二階時間微分（角加速度（ｒａｄ／ｓ^２））を示す。Ｊ（ｋｇ・ｍ^２）はＺ軸モータ５１に関する慣性モーメントを示す。右辺第二項は慣性力を示す。ＤはＺ軸モータ５１に関する粘性係数（Ｎｍ／（ｒａｄ／ｓ））を示す。右辺第三項は粘性力を示す。ｋはＺ軸モータ５１に関するクーロン摩擦に関する係数（Ｎｍ）を示す。右辺第四項はクーロン摩擦力を示す。慣性モーメントＪ、粘性係数Ｄ、係数ｋの大きさはＺ軸モータ５１の動作に伴い回転するＺ軸モータ５１内部のロータ部分（図示略）、ボールねじ４１、Ｚ軸モータ５１の動作に伴い上下に移動するナット４４、主軸ヘッド７等に依るが、詳細は割愛する。

ＣＰＵ３１は、Ｚ軸モータ５１の駆動電流を駆動回路６１から取得し、Ｚ軸モータ５１の回転角度θをエンコーダ７１から取得することで、Ｚ軸モータ５１のトルクＴ_ｍを取得する。そして、ＣＰＵ３１は、Ｚ軸モータ５１のトルクＴ_ｍ、回転角度θに基づき、外乱力Ｆを取得する。

ＣＰＵ３１は、Ｚ軸モータ５１の回転角度θをエンコーダ７１から取得する。ＣＰＵ３１は、取得した回転角度θ及びボールねじ４１のリードに基づき、主軸９のＺ軸方向の位置を算出する。

図５（Ｂ）は、装着動作におけるＺ軸モータ５１の回転角度θ（横軸）と外乱力Ｆの時間微分値（以下、微分値ｆと称す。）（縦軸）との関係を示すグラフである。図５（Ｂ）において、装着動作における微分値ｆが最小となる場合のＺ軸モータ５１の回転角度θを、ピーク角度φと称す。装着動作において微分値ｆが最小となる（即ち、回転角度θがピーク角度φとなる）タイミングは、板カム４７がカムフォロア４９から離隔するタイミングである。なお、装着動作の間、Ｚ軸モータ５１の角速度は一定であるものとする。このように、装着動作において変動する微分値ｆは、装着動作の特徴を示す特徴量である。

＜回転角度θ及び外乱力Ｆの補間＞
数値制御装置３０のＣＰＵ３１は、ピーク角度φを決定する際、ピーク角度φをより精度よく決定するために、取得した回転角度θ及び外乱力Ｆを補間する。

図６を参照し、回転角度θ及び外乱力Ｆの補間について説明する。図６（Ａ）は、取得した回転角度θ（横軸）と外乱力Ｆ（縦軸）との関係を示すグラフである。ＣＰＵ３１が回転角度θ（１）、θ（５）、θ（９）、及び外乱力Ｆ（１）、Ｆ（５）、Ｆ（９）を連続して取得した場合を例示する。外乱力Ｆ（１）、Ｆ（５）、Ｆ（９）は、夫々、回転角度θ（１）、θ（５）、θ（９）に対応する。

図６（Ｂ）に示すように、ＣＰＵ３１は、連続して取得した回転角度θと外乱力Ｆとの組み合わせ（θ（１），Ｆ（１））と（θ（５），Ｆ（５））の間を直線で連結する。ＣＰＵ３１は、連結した直線上の複数の点であって横軸方向に等時間間隔に配置した複数の点を決定する。ＣＰＵ３１は、該複数の点の各々の横軸の座標を、回転角度θ（２）、θ（３）、θ（４）として決定する。ＣＰＵ３１は、該複数の点の各々の縦軸の座標を、外乱力Ｆ（２）、Ｆ（３）、Ｆ（４）として決定する。

ＣＰＵ３１は同様の方法で、連続して取得した回転角度θと外乱力Ｆとの組み合わせ（θ（５），Ｆ（５））と（θ（９），Ｆ（９））に基づき、回転角度θ（６）、θ（７）、θ（８）、及び外乱力Ｆ（６）、Ｆ（７）、Ｆ（８）を決定する。以下、取得した回転角度θ（１）、θ（５）、θ（９）及び決定した回転角度θ（２）～θ（４）、θ（６）～θ（８）を、補間角度と総称する。取得した外乱力Ｆ（１）、Ｆ（５）、Ｆ（９）及び決定した外乱力Ｆ（２）～Ｆ（４）、Ｆ（６）～Ｆ（８）を、補間外乱力と総称する。以下では特に断りがない限り、回転角度と補間角度とを同じ符号（θ）を付し、同一に取り扱う。外乱力と補間外乱力とを同じ符号（Ｆ）を付し、同一に取り扱う。

ＣＰＵ３１は、以上のように生成した補間外乱力Ｆに対してローパスフィルタをかけた後時間微分して微分値ｆを算出する。ＣＰＵ３１は、算出した微分値ｆと、補間角度θとを対応付けてＲＡＭ３３に記憶する。ＣＰＵ３１は、ＲＡＭ３３に記憶された微分値ｆの変動からピーク角度φを決定する。ＣＰＵ３１は、装着動作を実行する度に、決定したピーク角度φと工具３の装着回数とを対応付けて、記憶装置３４に順次記憶する。

＜ボールねじ４１の伸縮＞
主軸９をＺ軸方向に移動させるＺ軸移動機構８のボールねじ４１は、Ｚ軸モータ５１の発熱、ナット４４との摩擦熱により加熱される。また、ボールねじ４１は、外気との温度差により放熱される。このため、ボールねじ４１は、外部からの加熱、及び外部への放熱により温度が変化する。温度変化が生じると、ボールねじ４１は、特に長手方向であるＺ軸方向に伸縮する。

ボールねじ４１が伸縮すると、板カム４７がカムフォロア４９から離隔するタイミングが、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂに応じて変化する。即ち、伸縮量Ｌ_ｂに応じてピーク角度φが変化する。数値制御装置３０は、工具交換装置２０による工具交換の際に、ピーク角度φの変化に基づきボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定する。

より詳細に、数値制御装置３０は、Ｚ軸モータ５１の回転角度θ、及びＺ軸モータ５１に加わる外乱力Ｆを０．５ｍｓ周期で取得する（工程Ｐ１）。ここで、０．５ｍｓは、数値制御装置３０における制御周期のうちで最も短い時間である。

ＣＰＵ３１は、取得した回転角度θ及び外乱力Ｆを補間して補間角度θ及び補間外乱力Ｆを生成する（工程Ｐ２）。ＣＰＵ３１は、補間外乱力Ｆにローパスフィルタによる処理を施す（工程Ｐ３）。ＣＰＵ３１は、補間外乱力Ｆを時間微分し、微分値ｆを算出する（工程Ｐ４）。ＣＰＵ３１は、算出した微分値ｆと補間角度θとを対応付けてＲＡＭ３３に記憶する（工程Ｐ５）。ＣＰＵ３１は、装着動作が完了するまで工程Ｐ１～工程Ｐ５を繰り返し実行する。本実施形態において、装着動作の完了のタイミングは、ＡＴＣ原点から下降する主軸９が加工原点に到達したタイミングである。

ＣＰＵ３１は、ＲＡＭ３３に記憶された微分値ｆに基づき、ピーク角度φを決定する（工程Ｐ６）。ＣＰＵ３１は、決定したピーク角度φをＲＡＭ３３に記憶する（工程Ｐ７）。工作機械１の電源投入後、１回目に行われた装着動作におけるピーク角度φ_１を、初回ピーク角度と称す。工作機械１の電源投入後、ｎ（ｎは２以上の整数）回目に行われた装着動作におけるピーク角度を、φ_ｎと称す。ＣＰＵ３１は、以下の数２に示すように、初回ピーク角度φ_１と、２回目以降に決定したピーク角度φ_ｎと、の差分ρを算出する（工程Ｐ８）。
［数２］
ρ＝φ_ｎ－φ_１

ピーク角度φから、板カム４７がカムフォロア４９から離隔するタイミングでの主軸９の位置が算出される。φ_１は１回目に行われた装着動作での板カム４７がカムフォロア４９から離隔するタイミングでの主軸９の位置を示す。φ_ｎはｎ回目に行われた装着動作での板カム４７がカムフォロア４９から離隔するタイミングでの主軸９の位置を示す。即ち、差分ρは、同じタイミングでの１回目の主軸９の位置からｎ回目の主軸９の位置までの変化量を示す。

ＣＰＵ３１は、装着動作を実行する度に、算出した差分ρを工具３ごとに対応付けて、記憶装置３４に記憶する（工程Ｐ９）。ＣＰＵ３１は、工具３ごとに記憶された差分ρの平均を算出する。ＣＰＵ３１は、算出した差分ρの平均（ｒａｄ）に基づき主軸９の位置の変化量（ｍ）を算出する。ＣＰＵ３１は、算出した主軸９の位置の変化量をボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂとして特定する（工程Ｐ１０）。

また、ＣＰＵ３１は、ピーク角度φに基づき、装着動作における異常を判定する。装着動作における異常は、例えば主軸９と工具３との間で生じる切粉噛み込みである。切粉噛み込みが生じた場合、ｎ回目に決定されたピーク角度φ_ｎがｎ－１回目に決定されたピーク角度φ_ｎ－１に対して所定の閾値Δφ_ｍａｘよりも大きく変化する。ＣＰＵ３１は、以下の数３に示すように、ｎ回目に決定したピーク角度φ_ｎと、ｎ－１回目ピーク角度のφ_ｎ－１との差分Δφを算出する（工程Ｐ１１）。ＣＰＵ３１は、差分Δφが閾値Δφ_ｍａｘよりも大きい場合、装着動作において異常が発生したと判定する（工程Ｐ１２）。
［数３］
Δφ＝φ_ｎ－φ_ｎ－１

＜工具交換処理＞
図７、図８を参照し、数値制御装置３０のＣＰＵ３１が実行する工具交換処理を説明する。工具交換処理において、ＣＰＵ３１は、工具交換装置２０による工具３の交換、及びボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂの特定を行う。作業者は、入力部３７を操作する。入力部３７は、作業者の操作に応じてＣＰＵ３１に工具交換指令を送信する。ＣＰＵ３１は、工具交換指令を受信した場合、ＲＯＭ３２に記憶された制御プログラムを読み出し、実行することにより工具交換処理を開始する。工具交換処理が開始される際、主軸９は加工原点に位置する。工具交換処理において用いられる変数ｊは、１以上の整数であり、工具交換を実行した回数を示す。変数ｊは、ＲＡＭ３３に記憶され、工作機械１の電源投入後において値が１に設定される。

図７に示すように、ＣＰＵ３１は、Ｚ軸モータ５１を正方向に回転し、主軸９の上昇を開始する（Ｓ１）。ＣＰＵ３１は、エンコーダ７１が検出するＺ軸モータ５１の回転角度θに基づき、主軸９がＡＴＣ原点に到達したか否かを判定する（Ｓ２）。

ＣＰＵ３１は、主軸９がＡＴＣ原点に到達していないと判定した場合（Ｓ２：ＮＯ）、処理をＳ２に戻す。ＣＰＵ３１は、主軸９がＡＴＣ原点に到達したと判定した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、Ｚ軸モータ５１の回転を停止し、主軸９の上昇を停止する（Ｓ３）。

ＣＰＵ３１は、工具交換により主軸９に対して装着する工具３（第二工具）を示す工具情報を取得する（Ｓ４）。ＣＰＵ３１は、マガジンモータ５５を駆動して工具マガジン２１を回転し、第二工具を把持するグリップアーム２３を工具交換位置に割り出す（Ｓ５）。

ＣＰＵ３１は、Ｚ軸モータ５１を逆方向に回転し、主軸９の下降を開始する（Ｓ６）。ＣＰＵ３１は、Ｚ軸モータ５１の回転角度θ及び外乱力Ｆの取得を開始する（Ｓ７）。Ｓ７の処理は、工程Ｐ１に対応する。ＣＰＵ３１は、Ｓ７の処理を実行後、０．５ｍｓ周期ごとにＺ軸モータ５１の回転角度θ及び外乱力Ｆを取得する。

ＣＰＵ３１は、Ｓ７の処理で開始したＺ軸モータ５１の回転角度θ及び外乱力Ｆを取得したか否かを判定する（Ｓ８）。ＣＰＵ３１は、回転角度θ及び外乱力Ｆを取得していないと判定した場合（Ｓ８：ＮＯ）、処理をＳ８に戻す。ＣＰＵ３１は、Ｓ７の処理で回転角度θ及び外乱力Ｆを取得したと判定した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、取得した回転角度θに基づき、主軸９が加工原点に到達したか否かを判定する（Ｓ９）。

ＣＰＵ３１は、主軸９が加工原点に到達していないと判定した場合（Ｓ９：ＮＯ）、Ｓ７の処理で取得したＺ軸モータ５１の回転角度θ及び外乱力Ｆを補間し、補間角度θ及び補間外乱力Ｆを生成する（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理は、工程Ｐ２に対応する。ＣＰＵ３１は、Ｓ１０の処理で生成した補間角度θ及び補間外乱力Ｆにローパスフィルタによる処理を施す（Ｓ１１）。Ｓ１１の処理は、工程Ｐ３に対応する。

ＣＰＵ３１は、微分処理を実行し、補間外乱力Ｆを時間微分して、微分値ｆを算出する（Ｓ１２）。Ｓ１２の処理は、工程Ｐ４に対応する。ＣＰＵ３１は、補間角度θと微分値ｆとを対応付けてＲＡＭ３３に記憶する（Ｓ１３）。Ｓ１３の処理は、工程Ｐ５に対応する。ＣＰＵ３１は、処理をＳ８に戻す。

ＣＰＵ３１は、主軸９が加工原点に到達したと判定した場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、Ｓ７の処理で開始したＺ軸モータ５１の回転角度θ及び外乱力Ｆの取得を停止する（Ｓ１４）。ＣＰＵ３１は、Ｚ軸モータ５１のＺ軸モータ５１の回転を停止し、主軸９の下降を停止する（Ｓ１５）。

ＣＰＵ３１は、ＲＡＭ３３に記憶された微分値ｆのうち、最小を示す微分値ｆに対応する補間角度θをピーク角度φ_ｊとして決定する（Ｓ１６）。Ｓ１６の処理は、工程Ｐ６に対応する。ＣＰＵ３１は、ピーク角度φ_ｊをＲＡＭ３３に記憶する（Ｓ１７）。ＣＰＵ３１は、処理をＳ２１（図８参照）に移行する。

図８に示すように、ＣＰＵ３１は、実行中の工具交換処理が工作機械１の電源投入後１回目の処理であるか否かを判定する（Ｓ２１）。ＣＰＵ３１は、Ｓ２１の処理において、ＲＡＭ３３に記憶された変数ｊの値に基づき判定する。

ＣＰＵ３１は、変数ｊの値が１であり、実行中の工具交換処理が工作機械１の電源投入後１回目の処理であると判定した場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、Ｓ１６で決定したピーク角度φ_ｊを初回ピーク角度φ_１として決定し、ＲＡＭ３３に記憶する（Ｓ２２）。Ｓ２２の処理は、工程Ｐ７に対応する。ＣＰＵ３１は、変数ｊの値に１加算し（Ｓ２３）、工具交換処理を終了する。

ＣＰＵ３１は、変数ｊの値が２以上であり、実行中の工具交換処理が工作機械１の電源投入後１回目の処理でないと判定した場合（Ｓ２１：ＮＯ）、差分Δφを算出する（Ｓ２４）。ＣＰＵ３１は、Ｓ２４の処理において、実行中の工具交換処理においてＳ１６で決定したピーク角度φ_ｊ、及び前回の工具交換処理のＳ１６で決定し、Ｓ１７で記憶したピーク角度φ_ｊ－１に基づき、数３により差分Δφを算出する。Ｓ２４の処理は、工程Ｐ１１に対応する。ＣＰＵ３１は、Ｓ２４で算出した差分Δφが閾値Δφ_ｍａｘ以下であるか否かを判定する（Ｓ２５）。Ｓ２５の処理は、工程Ｐ１２に対応する。

ＣＰＵ３１は、差分Δφが閾値Δφ_ｍａｘ以下であると判定した場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、装着動作において異常が発生していないとして、差分ρを算出する（Ｓ２６）。Ｓ２６の処理は、工程Ｐ８に対応する。ＣＰＵ３１は、Ｓ２６において、Ｓ１６で決定したピーク角度φ_ｊ、及びＳ２２で記憶した初回ピーク角度φ_１に基づき、数２により差分ρを算出する。ＣＰＵ３１は、Ｓ２６で算出した差分ρと、Ｓ４（図７参照）で取得した第二工具とを対応付けて、記憶装置３４に記憶する（Ｓ２７）。Ｓ２７の処理は、工程Ｐ９に対応する。

ＣＰＵ３１は、Ｓ２７の処理で工具３ごとに記憶した差分ρの平均を算出する（Ｓ２８）。ＣＰＵ３１は、Ｓ２８の処理で算出した差分ρの平均に基づき、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定する（Ｓ２９）。Ｓ２９の処理は、工程Ｐ１０に対応する。ＣＰＵ３１は、変数ｊの値に１加算し（Ｓ２３）、工具交換処理を終了する。

ＣＰＵ３１は、差分Δφが閾値Δφ_ｍａｘよりも大きいと判定した場合（Ｓ２５：ＮＯ）、装着動作において異常が発生したとして報知処理を実行する（Ｓ３０）。ＣＰＵ３１は、Ｓ３０の処理において報知処理として、表示部３８に装着動作において異常が発生した旨を表示する。ＣＰＵ３１は、工具交換処理を終了する。

＜本実施形態の作用、効果＞
以上説明したように、ボールねじ４１は、外部からの加熱、及び外部への放熱により温度が変化する。温度変化が生じると、Ｚ軸方向においてボールねじ４１は伸縮する。ボールねじ４１が伸縮すると、回転角度θから算出される主軸９のＺ軸方向の位置と、実際の主軸９のＺ軸方向の位置とが一致しなくなる。この状態で工具３を用いた被削材の加工が行われると、被削材の加工精度が低下する虞がある。

数値制御装置３０のＣＰＵ３１は、工具３の装着動作におけるＺ軸モータ５１の外乱力Ｆ及び回転角度θを０．５ｍｓ周期で取得する（Ｐ１、Ｓ７）。外乱力ＦはＺ軸モータ５１のトルクＴ_ｍに含まれ、ＣＰＵ３１はトルクＴ_ｍを取得することで外乱力Ｆを取得する。ＣＰＵ３１は、時系列で変動する外乱力Ｆの微分値ｆ及び回転角度θに基づき、回転角度θからピーク角度φ_ｊを決定する（Ｐ６、Ｓ１６）。ＣＰＵ３１は、決定したピーク角度φ_ｊ、及びＲＡＭ３３に記憶された初回ピーク角度φ_１に基づき、差分ρを算出する。ＣＰＵ３１は、工具３ごとに差分ρを記憶し、差分ρの平均に基づき、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定する（Ｐ１０、Ｓ２９）。

このように、数値制御装置３０は、Ｚ軸モータ５１の外乱力Ｆ（トルクＴ_ｍ）を制御するための構成により、伸縮量Ｌ_ｂを特定する。これにより、数値制御装置３０は、伸縮量Ｌ_ｂを特定するためのセンサを別途設けることなく、伸縮量Ｌ_ｂを特定できる。数値制御装置３０は、特定した伸縮量Ｌ_ｂに基づき回転角度θを補正することで、回転角度θから算出される主軸９のＺ軸方向の位置と実際の主軸９のＺ軸方向の位置とのずれを抑制できる。

ＣＰＵ３１は、微分処理を実行し、外乱力Ｆを時間微分して、特徴量である微分値ｆを算出する（Ｐ４、Ｓ１２）。ＣＰＵ３１は、微分値ｆ及び回転角度θに基づきピーク角度φ_ｊを決定する（Ｐ６、Ｓ１６）。板カム４７がカムフォロア４９から離隔するタイミングにおける回転角度θであるピーク角度φにおいて、微分値ｆの変動は、トルクＴ_ｍの変動と比較してより顕著に変化する。よって、数値制御装置３０は、ピーク角度φ_ｊを精度よく決定できる。

ＣＰＵ３１は、微分値ｆのうち、最小を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φ_ｊとして決定する（Ｐ６、Ｓ１６）。これにより、数値制御装置３０は、微分値ｆの変動から簡単にピーク角度φ_ｊを決定できる。

ＣＰＵ３１はトルクＴ_ｍ及び回転角度θを取得することで、トルクＴ_ｍに含まれる外乱力Ｆを取得する。ＣＰＵ３１は、微分処理を実行し、外乱力Ｆを時間微分して、微分値ｆを算出する。ＣＰＵ３１は、微分値ｆのうち、最小を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φ_ｊとして決定する。数１に示すように、トルクＴ_ｍには、外乱力Ｆの他に慣性力等が含まれる。数値制御装置３０は、トルクＴ_ｍに含まれる外乱力Ｆを取得し、外乱力Ｆを時間微分した微分値ｆに基づきピーク角度φ_ｊを決定するので、Ｚ軸モータ５１の加減速によるトルクＴ_ｍの変化の影響をなくし、伸縮量Ｌ_ｂを精度よく特定できる。

ＣＰＵ３１は、取得した回転角度θ及び外乱力Ｆを補間し、補間角度θ及び補間外乱力Ｆを生成する（Ｐ２、Ｓ１０）。ＣＰＵ３１は、微分処理を実行し、補間外乱力Ｆを時間微分して、微分値ｆを算出する（Ｐ４、Ｓ１２）。ＣＰＵ３１は、微分値ｆのうち、最小を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φ_ｊとして決定する。ピーク角度φ_ｊの分解能は、回転角度θ及び外乱力Ｆの取得周期（０．５ｍｓ）に依存する。回転角度θ及び外乱力Ｆが補間されることで、取得周期を短くすることなく、実際に板カム４７がカムフォロア４９から離隔するタイミングにおける回転角度θに対して工程Ｐ６（Ｓ１６の処理）で決定されるピーク角度φ_ｊをより近似できる。よって、数値制御装置３０は、伸縮量Ｌ_ｂが僅かである場合にも、精度よく伸縮量Ｌ_ｂを特定できる。

ＣＰＵ３１は、工作機械１の電源投入後１回目に行われた装着動作において決定したピーク角度φ_ｊを初回ピーク角度φ_１として決定し、ＲＡＭ３３に記憶する（Ｐ７、Ｓ２２）。ＣＰＵ３１は、電源投入後二回目以降に決定したピーク角度φ_ｊ、及び初回ピーク角度φ_１に基づき、差分ρを算出する。ＣＰＵ３１は、差分ρに基づき伸縮量Ｌ_ｂを特定する。これにより、数値制御装置３０は、電源投入後の状態からのボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定できる。

ＣＰＵ３１は、実行中の工具交換処理において決定したピーク角度φ_ｊ、及び前回の工具交換処理で決定したピーク角度φ_ｊ－１に基づき、差分Δφを算出する。ＣＰＵ３１は、差分Δφが閾値Δφ_ｍａｘ以下であるか否かを判定する（Ｐ１２、Ｓ２５）。装着動作における異常として、例えば装着動作において主軸９と工具３の間で切粉の噛み込みが生じた場合、前回の工具交換処理で決定されたピーク角度φ_ｊ－１に対して今回決定されたピーク角度φ_ｊが閾値Δφ_ｍａｘよりも大きくなる。よって、数値制御装置３０は、工程Ｐ１２（Ｓ２５の処理）を行うことで、装着動作における異常を判定できる。

ＣＰＵ３１は、差分ρを算出し、記憶装置３４に記憶する（Ｐ９、Ｓ２７）。ＣＰＵ３１は、記憶装置３４に記憶した差分ρの平均を算出する。ＣＰＵ３１は、算出した平均に基づき、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定する。これにより、数値制御装置３０は、装着動作のばらつきによるピーク角度φ_ｊの決定の際の誤差を小さくできる。よって、数値制御装置３０は、特定した伸縮量Ｌ_ｂと、実際のボールねじ４１の伸縮量との誤差を小さくできる。

ＣＰＵ３１は、算出した差分ρと、第二工具とを対応付けて、記憶装置３４に記憶する。ＣＰＵ３１は、工具３ごとに記憶した差分ρの平均を算出する。ＣＰＵ３１は、算出した平均に基づき、伸縮量Ｌ_ｂを特定する。これにより、数値制御装置３０は、工具３ごとで差分ρにばらつきがある場合にも、差分ρの平均に基づき、伸縮量Ｌ_ｂを特定することで、差分ρのばらつきによる伸縮量Ｌ_ｂの特定の精度への影響を抑制できる。よって、数値制御装置３０は、伸縮量Ｌ_ｂを精度よく特定できる。

＜変形例＞
本発明は上記実施形態から種々変更できる。以下説明する各種変形例は、矛盾が生じない限り夫々組み合わせ可能である。例えば、数値制御装置３０は工作機械１に設けられる場合に限らず、工作機械１とは別体に設けられてもよい。例えば数値制御装置３０は、工作機械１に接続した装置（ＰＣ、専用機等）でもよい。工具交換装置２０は、タレット式に限らず、例えばアーム式でもよい。

数値制御装置３０は、脱離動作におけるモータの外乱力Ｆを取得してもよい。図示はしないが、脱離動作において回転角度θは正方向に変化するので、脱離動作における外乱力Ｆの微分値ｆは、図５（Ｂ）に示す装着動作における微分値ｆと正負が逆になる。脱離動作における微分値ｆが最大となるタイミングは、板カム４７がカムフォロア４９に接触するタイミングである。数値制御装置３０のＣＰＵ３１は、脱離動作における微分値ｆが最大を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φ_ｊとして決定する。ＣＰＵ３１は、装着動作と同様に、決定したピーク角度φ_ｊ、及びＲＡＭ３３に記憶された初回ピーク角度φ_１に基づき、差分ρを算出する。ＣＰＵ３１は、差分ρの平均に基づき、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定する（Ｐ１０、Ｓ２９）。このように、数値制御装置３０は、脱離動作における外乱力Ｆの変動からも伸縮量Ｌ_ｂを特定できる。

数値制御装置３０は、脱離動作における外乱力Ｆの変動から伸縮量Ｌ_ｂを特定した場合、脱離動作における異常を差分Δφにより判定してもよい。脱離動作における異常として、例えば主軸９のクランプ軸８１が正常にＺ軸方向に移動せず、把持部８５が主軸９に対する工具３の脱離を正常に行えない場合がある。この場合、前回の工具交換処理で決定されたピーク角度φ_ｊ－１に対して今回決定されたピーク角度φ_ｊが過剰に大きくなる。よって、数値制御装置３０は、差分Δφの大きさに基づき、脱離動作における異常を判定できる。

数値制御装置３０は、外乱力Ｆではなく、Ｓ７の処理で取得を開始したトルクＴ_ｍの変動に基づき、伸縮量Ｌ_ｂを特定してもよい。ＣＰＵ３１は、トルクＴ_ｍの変動に基づく場合も外乱力Ｆの変動に基づく場合と同様に、トルクＴ_ｍを時間微分する。ＣＰＵ３１は、トルクＴ_ｍの微分値のうち、最小を示すトルクＴ_ｍの微分値に対応する回転角度θをピーク角度φ_ｊとして決定する。ＣＰＵ３１は、決定したピーク角度φ_ｊ、及びＲＡＭ３３に記憶された初回ピーク角度φ_１の差分ρに基づき、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定する。このように、数値制御装置３０は、トルクＴ_ｍの変動に基づき、伸縮量Ｌ_ｂを特定できる。

数値制御装置３０は、Ｚ軸モータ５１の回転角度θに基づき算出される主軸９のＺ軸方向の位置に基づき、伸縮量Ｌ_ｂを特定してもよい。この場合、ＣＰＵ３１は、最小を示す微分値ｆに対応する主軸９のＺ軸方向の位置をピーク位置として、伸縮量Ｌ_ｂを特定する。

上記実施形態において、数値制御装置３０は、外乱力Ｆの取得方法を適宜変形してもよい。例えば、数値制御装置３０は、数１に代わり、トルクＴ_ｍと慣性力の差分を外乱力Ｆとして取得してもよい。

数値制御装置３０は、回転角度θ及び外乱力Ｆの補間を行わなくてもよい。この場合、工程Ｐ２（Ｓ１０の処理）を省略してもよい。数値制御装置３０は、伸縮量Ｌ_ｂの特定の工程（処理）を簡略化できる。

上記実施形態において、数値制御装置３０は、複数の回転角度θと外乱力Ｆとの組み合わせを直線で連結することで（線形近似）回転角度θと外乱力Ｆを補間したが、この方法に限定されない。数値制御装置３０は、例えば、回転角度θ及び外乱力Ｆをスプラインによる曲線近似で補間してもよい。数値制御装置３０は、最小二乗法により線形近似した近似直線に基づき、回転角度θ及び外乱力Ｆを補間してもよい。

数値制御装置３０は、初回ピーク角度φ_１を基準として伸縮量Ｌ_ｂとして特定しなくてもよい。この場合、記憶装置３４が基準ピーク角度を工具交換処理の前に予め記憶し、数値制御装置３０は工具交換処理で決定したピーク角度φ_ｊ、及び記憶装置３４に記憶された基準ピーク角度の差分に基づき、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定する。

数値制御装置３０は、電源投入後１回目の工具交換処理で決定されたピーク角度φ_ｊを初回ピーク角度φ_１として決定しなくてもよい。数値制御装置３０は、例えば、被削材を加工するためのＮＣプログラムの実行後１回目の工具交換処理で決定されたピーク角度φ_ｊを初回ピーク角度φ_１として決定してもよい。

数値制御装置３０は、装着動作における異常を判定しなくてもよい。この場合、工程Ｐ１１（Ｓ２４の処理）及び工程Ｐ１２（Ｓ２５の処理）を省略してもよい。数値制御装置３０は、伸縮量Ｌ_ｂの特定の工程（処理）を簡略化できる。

数値制御装置３０は、ｊ回目の差分ρからｊ－１回目の差分ρを差し引いた差分に基づき、装着動作における異常を判定してもよい。この場合も、数値制御装置３０は、装着動作における異常を判定できる。

上記実施形態において、数値制御装置３０は、決定したピーク角度φ_ｊと初回ピーク角度φ_１の差分ρを算出し、其の平均に基づき、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定したが、これに限定されない。数値制御装置３０は、例えば、差分ρから算出する主軸９の位置の変化量を伸縮量Ｌ_ｂとして特定してもよい。数値制御装置３０は、差分ρの中央値に基づき、ボールねじ４１の伸縮量Ｌ_ｂを特定してもよい。数値制御装置３０は、差分ρの代わりに、差分ρから算出する主軸９の位置の変化量を記憶装置３４に記憶してもよい。この場合、当該変化量の平均を伸縮量Ｌ_ｂとして特定してもよい。

数値制御装置３０は、差分ρを記憶装置３４に記憶する際、工具３ごとに対応付けなくてもよい。

数値制御装置３０は、補間角度θ及び補間外乱力Ｆにローパスフィルタによる処理を施さなくてもよい。この場合、工程Ｐ３（Ｓ１１の処理）を省略してもよい。数値制御装置３０は、伸縮量Ｌ_ｂの特定の工程（処理）を簡略化できる。数値制御装置３０は、補間角度θ及び補間外乱力Ｆにハイパスフィルタ、バンドパスフィルタによる処理を施してもよい。

数値制御装置３０は、工具３の工具交換において生じる外乱力Ｆ以外の外乱力Ｆを使って伸縮量Ｌ_ｂを特定しても良い。例えば、Ｘ軸モータ５３を回転させてテーブル１３をモータの反対側に移動させ、ストローク端に押し当てることで生じる外乱力Ｆによって伸縮量Ｌ_ｂを特定しても良い。

Ｚ軸移動機構８の構成は適宜変更してもよい。Ｚ軸移動機構８は、ボールねじ４１の代わりに、Ｚ軸モータ５１の回転によって主軸９を移動する構成を有してもよい。Ｚ軸移動機構８は、ボールねじ４１に代わり、例えばＺ軸方向に延びるすべりねじ、Ｚ軸方向に歯が形成されたスプライン軸を有してもよい。この場合、すべりねじ、スプライン軸は、本発明の「送り軸」の一例である。

上記実施形態において、トルクＴ_ｍに含まれる外乱力Ｆの微分値ｆを特徴量として、ピーク角度φが決定されたが、ピーク角度φを決定するための特徴量は適宜変更してもよい。数値制御装置３０は、例えば外乱力Ｆを微分せず、時間により変動する外乱力Ｆ（トルクＴ_ｍ）を特徴量としてピーク角度φを決定してもよい。この場合、数値制御装置３０は、外乱力Ｆのうち、最大又は最小の何れか一方を示す外乱力Ｆに対応する回転角度θをピーク角度φとして決定してもよい。

数値制御装置３０は、時間により変動するトルクＴ_ｍを特徴量としてピーク角度φを決定してもよい。この場合、数値制御装置３０は、トルクＴ_ｍのうち、最大又は最小の何れか一方を示すトルクＴ_ｍに対応する回転角度θをピーク角度φとして決定してもよい。

数値制御装置３０は、外乱力Ｆ（トルクＴ_ｍ）を二乗した値、外乱力Ｆ（トルクＴ_ｍ）を二階微分した値、所定時間内の外乱力Ｆ（トルクＴ_ｍ）を平均した値等を特徴量としてピーク角度φを決定してもよい。

数値制御装置３０は、装着動作において、最小を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φとしなくてもよい。数値制御装置３０は、装着動作において、最大を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φとしてもよい。数値制御装置３０は、脱離動作において、最大を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φとしなくてもよい。数値制御装置３０は、脱離動作において、最小を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φとしてもよい。

数値制御装置３０は、微分値ｆのうち最大又は最小の何れか一方を示す微分値ｆに対応する回転角度θをピーク角度φとして決定しなくてもよい。数値制御装置３０は、例えば最小を示す微分値ｆに対応する回転角度θから所定の角度θ_１だけずれた回転角度（θ―θ_１）をピーク角度φとして決定してもよい。数値制御装置３０は、例えば最小を示す微分値ｆに対応する回転角度θに所定の係数βを乗算した回転角度（βθ）をピーク角度φとして決定してもよい。

＜その他＞
上記実施形態において、Ｚ軸方向は、本発明の「所定方向」の一例である。ボールねじ４１は、本発明の「送り軸」の一例である。Ｚ軸モータ５１は、本発明の「モータ」の一例である。工程Ｐ１は、本発明の「取得工程」の一例である。工程Ｐ４は、本発明の「微分工程」及び「補間微分工程」の一例である。工程Ｐ６は、本発明の「決定工程」の一例である。初回ピーク角度φ_１は、本発明の「基準特定角度」の一例である。差分ρは、本発明の「第一差分」の一例である。工程Ｐ１０は、本発明の「特定工程」の一例である。微分値ｆは、本発明の「外乱力微分値」の一例である。工程Ｐ２は、本発明の「補間工程」の一例である。工程Ｐ７は、本発明の「基準決定工程」の一例である。Δφは、本発明の「第二差分」の一例である。工程Ｐ１２は、本発明の「判定工程」の一例である。工程Ｐ９は、本発明の「記憶工程」の一例である。Ｓ７の処理を実行するＣＰＵ３１は、本発明の「取得部」の一例である。Ｓ１２の処理を実行するＣＰＵ３１は、本発明の「微分部」の一例である。Ｓ１６の処理を実行するＣＰＵ３１は、本発明の「決定部」の一例である。Ｓ２９の処理を実行するＣＰＵ３１は、本発明の「特定部」の一例である。ピーク角度φ、φ_ｎ、φ_ｊは、本発明の「特定角度」の一例である。微分値ｆは、本発明の「特徴量」の一例である。

１ 工作機械
３ 工具
９ 主軸
２０ 工具交換装置
３０ 数値制御装置
３１ ＣＰＵ
４１ ボールねじ
５１ Ｚ軸モータ

Claims (10)

1. 工具を装着する主軸と、所定方向に延びる送り軸と、前記送り軸を前記所定方向に延びる軸周りに回転させるモータとを備え、前記モータが前記送り軸を回転させることで、前記主軸を移動して工具交換装置が把持する前記工具を前記主軸に装着可能な工作機械における前記送り軸の前記所定方向への伸縮量の特定方法であって、
   前記工具の装着動作又は前記工具の脱離動作の少なくとも一方における前記モータのトルクと、前記モータの回転角度とを時系列で取得する取得工程と、
   前記取得工程により取得された前記トルクと前記回転角度との時系列データについての特徴量に基づいて、前記回転角度から特定角度を決定する決定工程と、
   前記決定工程により決定された前記特定角度と、前記特定角度の基準となる基準特定角度との第一差分に基づき、前記送り軸の前記伸縮量を特定する特定工程と
   を含むことを特徴とする特定方法。
2. 前記特徴量は、前記取得工程により取得された前記トルクを微分した微分値であって、
   前記取得工程により取得された前記トルクから前記回転角度に対応する前記微分値を算出する微分工程を、更に含み、
   前記決定工程は、前記微分工程により算出された前記微分値及び前記回転角度に基づいて、前記特定角度を決定すること
   を特徴とする請求項１に記載の特定方法。
3. 前記決定工程は、前記微分工程により算出された前記微分値のうち、最大又は最小の何れか一方を示す前記微分値に対応する前記回転角度を前記特定角度として決定すること
   を特徴とする請求項２に記載の特定方法。
4. 前記取得工程は、前記トルクに含まれる、前記モータの駆動に対する反力として前記モータに作用する外乱力を取得し、
   前記微分工程は、前記取得工程により取得された前記外乱力を微分した外乱力微分値を算出し、
   前記決定工程は、前記微分工程により算出された前記外乱力微分値のうち、最大又は最小の何れか一方を示す前記外乱力微分値に対応する前記回転角度を、前記特定角度として決定すること
   を特徴とする請求項３に記載の特定方法。
5. 前記微分工程は、
   前記取得工程により取得された前記回転角度を補間した補間角度、及び前記補間角度に対応し、且つ前記取得工程により取得された前記トルクを補間した補間トルクを生成する補間工程と、
   前記補間工程により補間された前記補間トルクを微分して、前記補間角度に対応する前記補間トルクの補間微分値を算出する補間微分工程と
   を含み、
   前記決定工程は、前記補間微分工程により算出された前記補間微分値のうち、最大又は最小の何れか一方を示す前記補間微分値に対応する前記補間角度を前記特定角度として決定すること
   を特徴とする請求項３に記載の特定方法。
6. 前記決定工程により一回目に決定された前記特定角度を、前記基準特定角度として決定する基準決定工程を含み、
   前記特定工程は、前記決定工程により二回目以降に決定された前記特定角度と、前記基準決定工程により決定された前記基準特定角度との前記第一差分に基づき、前記伸縮量を特定すること
   を特徴とする請求項１に記載の特定方法。
7. 前記決定工程によりｎ回目（ｎは二以上の整数）に決定された前記特定角度と、前記決定工程によりｎ－１回目に決定された前記特定角度との第二差分に基づき、前記装着動作又は前記脱離動作における異常を判定する判定工程と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の特定方法。
8. 前記決定工程により決定された前記特定角度に基づき算出される前記第一差分を記憶する記憶工程を備え、
   前記特定工程は、前記記憶工程により記憶された複数の前記第一差分の平均に基づき、前記伸縮量を特定すること
   を特徴とする請求項１に記載の特定方法。
9. 前記記憶工程は、前記第一差分を前記主軸に装着された前記工具ごとに記憶し、
   前記特定工程は、前記記憶工程により前記工具ごとに記憶された複数の前記第一差分の平均に基づき、前記伸縮量を特定すること
   を特徴とする請求項８に記載の特定方法。
10. 工具を装着する主軸と、所定方向に延びる送り軸と、前記送り軸を前記所定方向に延びる軸周りに回転させるモータとを備え、前記モータが前記送り軸を回転させることで、前記主軸を移動して工具交換装置が把持する前記工具を前記主軸に装着可能な工作機械の動作を制御する数値制御装置において、
    前記工具の装着動作又は前記工具の脱離動作の少なくとも一方における前記モータのトルクと、前記モータの回転角度とを時系列で取得する取得部と、
    前記取得部により取得された前記トルクと前記回転角度との時系列データについての特徴量に基づいて、前記回転角度から特定角度を決定する決定部と、
    前記決定部により決定された前記特定角度と、前記特定角度の基準となる基準特定角度との第一差分に基づき、前記送り軸の前記所定方向への伸縮量を特定する特定部と
    を備えることを特徴とする数値制御装置。

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