JP3699458B2 - 切削抵抗検出方法及び切削抵抗による加工制御方法並びに制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械に関し、切削抵抗の検出、該検出された切削抵抗に基づく制御方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械において、切削加工中に、主軸や運動軸にかかる負荷をモニタリングして、加工異常や工具摩耗、工具寿命等を検出したり、さらに、検出負荷に基づいて運動軸の送り速度を減速制御して切削加工を制御する方法や、検出負荷が設定基準値を超えるような場合にはアラームを出力して機械停止を行うように制御する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この負荷を検出するには、主軸や運動軸を駆動するモータの駆動電流を検出し、この検出駆動電流に基づいて負荷を求める方法が知られている（例えば特許文献２参照）。又、主軸や運動軸を駆動するモータの制御系に外乱推定オブザーバを組み込み負荷トルクを推定する方法も知られている（特許文献１、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−７６１４４号公報
【特許文献２】
特開平８−３２３５８５号公報
【特許文献３】
特開平７−５１９７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
エンドミル加工においても、加工中の切削抵抗をモニタリングして、工具摩耗の検出、適応制御による加工精度・加工効率の向上など多くの制御が可能になり、加工の合理化が図れる。エンドミル加工では数十Ｎといった小さな切削抵抗をモニタリングする必要がある。最近のデジタル制御技術の発展により、主軸モータの電流値を用いてかなり小さい切削抵抗をもモニタリングできるようになっているが、エンドミル加工の制御で重要な工具移動接線方向切削抵抗、工具移動法線方向切削抵抗に分けて検出することはできない。工具を送る運動軸のサーボモータの駆動電流よりこの切削抵抗を工具移動接線方向切削抵抗、工具移動法線方向切削抵抗に分けてモニタリングすることも、一般のマシニングセンタ等の工作機械においては極めて困難であった。その原因は、加工物と工具を相対移動させるための案内とボールネジ系の摩擦抵抗が数百Ｎあるので、これが外乱となり、運動量の大きい軸はともかく、運動量の小さい軸のサーボモータの駆動電流値からはその方向に作用する小さな切削抵抗を検出することは非常に困難であった。そこで、本発明は、エンドミル加工において、主軸モータの電流値と運動軸モータの電流値とを合わせ用いて、切削抵抗を検出すること、検出された切削抵抗に基づく加工制御方法、及び制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に係わる発明は、エンドミル工具による加工における切削抵抗の検出方法であって、主軸モータ、運動軸のモータの電流値、エンドミル工具の半径値及び切削関与角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とするものである。請求項２に係わる発明は、請求項１の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成し、該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
請求項３に係わる発明は、請求項１の記載の切削抵抗検出方法で切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求め、該工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および／または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
請求項４に係わる発明は、請求項１の記載の切削抵抗検出方法で、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および／または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
【０００７】
請求項５に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、求めた主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の１番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出するものである。
請求項６に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、移動量が１番大きい運動軸のモータの電流値より切削抵抗の該運動軸方向分力を求め、求めた主分力と運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出するものである。
請求項７に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、該各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求めるものである。
【０００８】
請求項８に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【０００９】
請求項９に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成する手段と、該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【００１０】
請求項１０に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、該切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【００１１】
請求項１１に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求める手段と、該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【００１２】
そして、請求項１２に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の１番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。又、請求項１３に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、主分力と移動量が１番大きい運動軸の運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。さらに、請求項１４に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理から説明する。図１は、加工物２に対してスクエアエンドミル工具１により切り込み量Ｉで切削加工している状態を表す図である。主軸(工具)は正回転し（図１において時計方向周り）、切削方法はダウンカットを示している。
スクエアエンドミル工具１が加工物２を切削する際に関与する部分を示す切削関与角αen（正方向にとり、単位はラジアン）は、工具１の半径Ｒと切込み量Ｉより、次の式を演算して求めることができる。
【００１４】
αen＝ｃｏｓ−１（（Ｒ−Ｉ）／Ｒ） …（１）
又、ボールエンドミルによる加工の場合には、図２、図３に示すように、切削関与角αenは次式によって求められる。
【００１５】
αen＝ｃｏｓ−１（（Ｒ＊ｓｉｎ(θ)−Ｉ）／（Ｒ＊ｓｉｎ(θ)））…（２）
すなわち、図２はボールエンドミル工具１により加工物２を切削している状態を表す斜視図であり、図３はその正面図である。この場合も工具半径をＲ、切込み量をＩとする。又、工具軸方向切込み量をＪとする。図３に示すように、加工物２を切削しているボールエンドミル工具１の先端部分を示す先端切削関与角θは、次の３式で求められる。
【００１６】
θ＝ｃｏｓ−１（（Ｒ−Ｊ）／Ｒ） …（３）
又、図２に示すように、切削している部分の工具半径Ｒ’は、Ｒ’＝Ｒｓｉｎ（θ）となるから、切削関与角αenは、スクエアエンドミル工具１における切削関与角αenを求める１式の半径Ｒの代わりにＲ’（＝Ｒｓｉｎ（θ））を代入した上記２式によって求められることになる。
【００１７】
図４は、主軸モータの電流値、工具１を送る運動軸（Ｘ軸、Ｙ軸）を駆動するモータの電流値及び切削関与角αen等に基づいて、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める原理説明図である。
【００１８】
この工作機械の座標系を図４に示すようにＸ−Ｙとし、切削の基準座標系をＦt0−Ｆn0とする。加工物２に対するエンドミル工具（スクエアエンドミル工具，ボールエンドミル工具）１の移動方向角β（単位：ラジアン）は、Ｘ軸方向の運動軸への補間データΔＸとＹ軸方向の運動軸への補間データΔＹにより、次の式を演算して求めることができる。
【００１９】
β＝ｔａｎ−１（ΔＹ／ΔＸ） …（４）
但し、この補間データより求められる移動方向角βは０〜πまでで、ΔＹ＜０のときには、この移動方向角βは、補間データより求めたβにπを加算したもの（β＝β＋π）となる。
【００２０】
又、切削関与角αenは上述したように、工具半径Ｒ、切込み量Ｉ、さらには工具軸方向切込み量Ｊによって、１式又は２式によって求められるものであり、ＣＡＭの段階において決定されており、加工プログラムに記載しておいてもよく、又は、加工プログラムで指定された工具の半径Ｒ、切込み量Ｉ，Ｊに基づいて、算出してもよい。そして、求められた切削関与角αenより切削点角γは次の５式で求められる。
【００２１】
γ＝β−{(π／２）−αen｝ …（５）
そして、主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆtは、主軸電流値Ａsと工具半径Ｒを含む係数Ｋt(Ｒ)から次の６式より求めることができる。
【００２２】
Ｆt＝Ｋt(Ｒ)＊Ａs …（６）
又、切削抵抗ベクトルＦのＸ軸方向分力（Ｘ軸方向切削抵抗）、Ｙ軸方向分力（Ｙ軸方向切削抵抗）Ｆx，Ｆyは、それぞれ各運動軸Ｘ，Ｙのサーボモータの電流値Ａvx，Ａvyと各軸のボールネジのピッチＰx，Ｐyを含む係数Ｋx(Ｐx)，Ｋy(Ｐy)によって、次の７、８式によって求めることができる。
【００２３】
Ｆx = Ｋx(Ｐx)*Ａvx …（７）
Ｆy = Ｋy(Ｐy)*Ａvy …（８）
ここで、主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆt及び背分力（主軸回転方向の法線方向の切削抵抗）Ｆnを求めることは、切削抵抗ベクトルＦを（γ＋π／２）(単位：ラジアン)だけ逆回転させて、工具回転方向の逆方向への接線方向軸Ｆt0、その工具中心への法線方向軸Ｆn0を座標軸とする基準座標系(Ｆt0,Ｆn0)に変換することであるので、(Ｆx，Ｆy)を（γ＋π／２）(単位：ラジアン)だけ逆回転させた、次の９式の関係式が成り立つ。
【００２４】
【数１】
【００２５】
さらに、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsは、(Ｆt，Ｆn)を切削関与角αenだけ回転することによって、次１０式のように求めることができる。
【００２６】
【数２】
【００２７】
したがって、９式、１０式から次の１１式の関係式も成り立つ。
【００２８】
【数３】
【００２９】
本発明は、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求めるものであるが、移動方向角βは補間データから求められ、切削関与角αen、切削点角γは加工プログラムに記述されたデータより求められるものであるから、運動軸のＸ軸，Ｙ軸の駆動電流を検出し７，８式によって、切削抵抗ベクトルＦのＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyを求め、１１式の演算を行うことによって、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求めることができる。
【００３０】
しかし、前述したように、運動軸Ｘ，Ｙ軸にかかる負荷は、案内やボールネジの摩擦抵抗を含むものであるから、検出精度が落ちる。一方、主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆtは、６式に示すように、主軸モータの駆動電流値Ａsによって求められる。主軸モータの回転出力トルクは、主軸を介して該主軸に取り付けられているエンドミル工具１を回転させるものであり、伝動経路には摩擦抵抗等は少なく、主軸モータの駆動電流値（出力トルク）は切削抵抗Ｆtによって生じる電流値を運動軸の場合よりもより正確に表し、この主軸モータの駆動電流値によって求められる主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆtは、精度の高い接線方向の切削抵抗を表している。
【００３１】
そこで、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求めるには、より精度の高い主分力Ｆtを用いるようにする。９式より、主分力Ｆtと切削抵抗ベクトルＦのＸ軸方向分力Ｆx又はＹ軸成分Ｆyのどちらか一方が分かれば、（Ｆt，Ｆn）が求まり、この（Ｆt，Ｆn）を１０式に代入することによって、（Ｆm，Ｆs）すなわち切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsが求まる。よって、より精度高く求めるために、７式、８式で求めた切削抵抗ベクトルＦのＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyの内、絶対値の大きい方を使用する。若しくは、Ｘ軸，Ｙ軸のうち移動量の大きい軸に対応する軸方向分力Ｆx又はＦyを使用する。さらには、７式、８式で求められる切削抵抗ベクトルＦのＸ軸方向分力Ｆx又はＹ軸成分Ｆyを用いて１１式により切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを求め（一般に、工具移動接線方向切削抵抗Ｆmの方が工具移動法線方向切削抵抗Ｆsより大きい値となることから、誤差を少なくするために１１式から求められる工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを採用する）、この工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと１式で求めた主分力Ｆtを用いて１０式より工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。
【００３２】
以上まとめると、
（ａ）６式で求めた主分力Ｆtと、７式，８式で求めたＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyの内、絶対値の大きい方を使用して９式、１０式より、工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。
（ｂ）６式で求めた主分力Ｆtと、７式，８式で求めた切削抵抗のＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyの内、Ｘ軸，Ｙ軸の移動量（ΔＸ，ΔＹ）が大きい方を使用して９式、１０式より、工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。
（ｃ）７式，８式で求めた切削抵抗のＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyより１１式で切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを求め、該工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと６式で求めた主分力Ｆtにより１０式により工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。
こうして検出された切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを使用して以下のように各種切削加工制御が可能になる。
【００３３】
（ｉ）切削抵抗ベクトルＦを一定以下になるように制御する。
切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsより、次の１２式の演算を行うことによって合成切削抵抗Ｆcを求め、該合成切削抵抗Ｆcを設定した一定値Ｆc0、又はそれ以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する。
Ｆc=√（Ｆm2＋Ｆs2） …（１２）
又、ボールエンドミルの場合は、切削抵抗のＺ軸方向分力（Ｚ軸方向切削抵抗）Ｆzを、運動軸Ｚのサーボモータの電流値ＡvzとＺ軸のボールネジのピッチＰzを含む係数Ｋz(Ｐz)から、次の１３式によって求め、合成切削抵抗Ｆcを１４式で求め、該合成切削抵抗Ｆcを設定した一定値Ｆc0、又はそれ以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御することもできる。
Ｆz = Ｋz(Ｐz)*Ａvz …（１３）
Ｆc=√（Ｆm2＋Ｆs2＋Ｆz2） …（１４）
合成切削抵抗Ｆcは工具に対する合成切削抵抗を意味するものであるから、この合成切削抵抗Ｆcが常に適切に設定した一定値Ｆc0、又はそれ以下に制御することによって、
・工具寿命を延ばすことができる。
・熱の発生を抑え、熱変位による加工誤差を小さくする。
等の効果を達成することができる。
【００３４】
（ii）工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを制御する。
工具進行方向垂直方向の切削抵抗である工具移動法線方向切削抵抗Ｆsが常に一定値Ｆs0、又はそれ以下となるように送り速度および／または主軸速度を制御する。
工具移動法線方向切削抵抗Ｆsは、工具進行方向垂直方向に作用する力であり、エンドミル工具１を加工面垂直方向から倒す（傾ける）原因となる。エンドミル工具１が倒れて（傾いて）加工が行われると、加工面はその倒れ分加工精度が低下する。よって、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを一定値、又は一定値以下に制御することによって、倒れが一定以下となることにより、加工形状精度の低下を防止することができる。
【００３５】
（iii）切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを制御する。
工具進行方向の切削抵抗である工具移動接線方向切削抵抗Ｆmが設定された一定値Ｆm0又は該一定値Ｆm0以下となるように送り速度および／または主軸速度を制御する。
工具進行方向の切削抵抗の大／小により生じる加工むらを改善することができ、加工むらに原因する加工面品位の低下を防止することができる。
【００３６】
なお、図１、図２および図４では、主軸（工具１）は正回転、切削方法はダウンカット、工具１が移動する例で説明したが、主軸逆回転、および／または、切削方法はアップカット、および／または、テーブル移動する場合も上述したと同様に適用できるものである。また、運動軸としてX軸，Ｙ軸のみの移動に着目したが、任意の軸の移動を対象にすることも可能である。
【００３７】
次に、上述した主軸モータを駆動するモータの電流値より求めた切削抵抗がどの程度正確に検出できるかを、スクエアエンドミル工具を用いて検証した。
図５は試験装置の概要を示す図である。
運動軸Ｘ軸、Ｙ軸の切削抵抗の測定用に高感度な圧電素子を用いた工具動力計４を用い、この工具動力計４上に設置した加工物２をスクエアエンドミル工具１で切削する。この図５に示す例では、工具１が取り付けられた主軸６が直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動し、かつ主軸モータ５で工具１は駆動され回転する。なお、符号７は主軸アンプであり、該主軸アンプ７より主軸のモータ電流値Ａsを検出した。
【００３８】
動力計４により検出された切削抵抗をＦdx，Ｆdyとし、９式の(Ｆx,Ｆy)に代入し、切削関与角αen、を用いて次の１５式により接線方向の切削抵抗Ｆdtを求める。
Ｆdt=ｃｏｓ(-γ-π/2)＊Ｆdx−ｓｉｎ(-γ-π/2)＊Ｆdy …（１５）
そして、求めた接線方向の切削抵抗Ｆdt に工具１の半径Ｒを乗じて（Ｆdt＊R）「動力計によるトルク値（切削抵抗値）」を得る。又、主軸モータ電流Asから６式によって導かれるＦtを「主軸モータ電流による接線方向の切削抵抗値」とし、両者を比較することによって、主軸モータ電流Asから６式によって導かれるＦtがどの程度信頼性あるものであるかを検証した。その結果を図７に示す。
【００３９】
加工１は、図６（ａ）に示すように、主軸正回転させながら、加工物２に対して工具１をＸ軸マイナス方向（１８０度方向）に移動させ、ダウンカット（工具は正回転、加工物２は工具進行方向右側）による加工であり、工具半径Ｒ＝０．００５ｍを用いた加工である。
又、加工物２は、図６（ｂ）に示すように、加工１と同一の工具を用い、主軸正回転させながら、Ｘ軸、Ｙ軸マイナス方向（２２５度方向）に移動させ、ダウンカット（工具は正回転、加工物２は工具進行方向右側）による加工である。そして送り速度、切込み量を変えて測定したものである。
【００４０】
この図７の比較表が示すように、「動力計によるトルク値（切削抵抗値）Ｆdt＊R」と６式から求めた「主軸モータ電流による切削抵抗値Ｆt 」はよく一致しており、６式によるＦtは本発明における計算値として十分使用できる。さらに、（ａ）〜（ｃ）に示した方法によりＦm，Ｆsが計算できるため、精度の高い工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを９式〜１１式によって得ることができる。
【００４１】
図８は本発明の一実施形態の制御装置の機能ブロック図である。ＮＣプログラムＢ１に記述されたプログラム情報を読込み（Ｂ２）、その情報が移動指令であれば、該情報を解析し（Ｂ３）、補間処理を行って（Ｂ４）、各運動軸のサーボ制御部３０に出力する。サーボ制御部３０は、指令された移動指令と位置・速度検出器６０からの位置、速度フィードバック信号に基づいて、位置、速度ループ制御を行い、さらには、図示しない電流検出器からのフィードバック信号に基づいて電流ループ制御を行い、運動軸のサーボモータ５０をサーボアンプ４０を介して駆動制御する。又、プログラム情報が主軸への回転指令であれば指令された回転速度指令を主軸制御部７０に出力し、主軸制御部７０は、指令された回転速度とポジションコーダ７３からの速度フィードバック信号に基づいて速度ループ制御を行い、主軸アンプ７１を介して主軸モータ７２を指令回転速度で駆動制御する。
【００４２】
一方、工具径（指令工具によって求められる工具径）Ｒ，切込み量Ｉ，工具軸方向切込み量Ｊのプログラム情報が読み込まれると、これらの情報は記憶される。又、補間処理（Ｂ４）によって得られたＸ，Ｙ軸への移動指令量ΔＸ，ΔＹ、及びサーボ制御部で求められている運動軸Ｘ，Ｙ軸を駆動するモータの駆動電流Ａvx，Ａvy及び主軸モータの駆動電流Ａsを読み取り（Ｂ６）、これらの情報Ｒ，Ｉ，Ｊ，ΔＸ，ΔＹ，Ａvx，Ａvyに基づいて、上述した１式〜１１式により、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求め、求めた工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsより、上述した（ｉ）〜（iii）の制御しようとする事項に応じて、運動軸の送り速度のオーバライド値、主軸回転速度に対するオーバライド値を算出する（Ｂ８、Ｂ７）。そして、送り速度のオーバライド値は、プログラムＢ１で指令された送り速度に対して求めたオーバライド値を乗じて、送り速度を算出し（Ｂ５）、補間処理部（Ｂ４）では該送り速度で補間処理を行う。又、主軸制御部７０は、求められた主軸オーバライド値をプログラム指令された主軸速度に乗じて新たな主軸速度を求めて、該主軸速度になるように制御する。
これにより、上述した（ｉ）〜（iii）の制御の目的を達成させるものである。
【００４３】
図９は、本発明を実施する一実施形態の制御装置１０のハードウエアの要部ブロック図である。
ＣＰＵ１１は制御装置１０を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、フラッシュメモリ１２に格納されたシステムプログラムをバス２０を介して読み出し、ＤＲＡＭ１３に格納し、該ＤＲＡＭ１３に格納された該システムプログラムに従って制御装置全体を制御する。該ＤＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及び表示器／ＭＤＩユニット８０を介してオペレータが入力した各種データも格納される。Ｂａｃｋ−ｕｐメモリ１４は図示しないバッテリでバックアップされ、制御装置１０の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。Ｂａｃｋ−ｕｐメモリメモリ１４中には、インターフェイス１５を介して読み込まれた加工プログラムや表示器／ＭＤＩユニット８０を介して入力された加工プログラム等が記憶される。また、フラッシュメモリ１２には、上述した切削抵抗に基づく加工制御方法を実施する各種システムプログラムがあらかじめ書き込まれている。
【００４４】
インターフェイス１５は、制御装置１０と外部機器との接続を可能とするものである。外部機器からは加工プログラム等が読み込まれる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、制御装置１０に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置にＩ／Ｏリンク１７を介して信号を出力し制御する。
【００４５】
表示器／ＭＤＩユニット８０は液晶やＣＲＴ等のディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インターフェイス１８は表示器／ＭＤＩユニット８０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インターフェイス１９に接続された操作盤８１には手動パルス発生器や各種スイッチ等が設けられている。
【００４６】
各運動軸Ｘ，Ｙ，Ｚの軸制御回路３０〜３２はＣＰＵ１１からの各運動軸の移動指令を受けて、位置、速度、電流のループ制御を行い各運動軸の駆動指令をサーボアンプ４０〜４２に出力する。サーボアンプ４０〜４２はこの指令を受けて、各運動軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。各運動軸のサーボモータ５０〜５２は位置・速度検出器６０〜６２を内蔵し、この位置・速度検出器６０〜６２からの位置、速度フィードバック信号をサーボアンプ４０〜４２を介して軸制御回路３０〜３２にフィードバックし、軸制御回路３０〜３２は移動指令とこのフィードバック信号に基づいて位置・速度のループ制御を行う。又、図示していないが、サーボアンプ４０〜４２から駆動電流のフィードバックがなされており、軸制御回路３０〜３２はこの電流フィードバック信号により電流ループ制御をも実施している。なお、この軸制御回路３０〜３２フィードバックされてくる駆動電流のフィードバック信号は、読み出され本発明の切削抵抗の算出に利用される。
【００４７】
また、主軸制御回路７０は主軸回転指令を受け、主軸アンプ７１に主軸速度信号を出力する。主軸アンプ７１は主軸速度信号を受けて、主軸モータ７２を指令された回転速度で回転させる。ポジションコーダ７３は、主軸モータ７２の回転に同期して帰還パルスを主軸制御回路７０にフィードバックし、速度制御を行う。さらに、主軸制御回路７０は、主軸アンプから主軸モータの駆動電流のフィードバックを受けて電流ループ制御をも行っている。そして、本発明に関係して、この主軸モータ７２の駆動電流のフィードバック信号は読み出され切削抵抗による加工制御に利用される。
【００４８】
上述した制御装置１０のハードウェア構成は従来から公知の数値制御装置の構成と同一であり、相違する点は、切削抵抗による加工制御のプログラムがフラッシュメモリ１２に格納されている点である。
【００４９】
図１０は、本実施形態の制御装置が所定周期（分配周期）毎に実施する切削抵抗による加工制御方法による処理フローチャートである。
まず、運動軸Ｘ，ＹのボールネジピッチＰによって決まる７式、８式における係数Ｋx（Ｐx），Ｋy（Ｐy）は予めパラメータ設定されている。又、工具１の半径Ｒによって決まる６式における係数Ｋt（Ｒ）は、使用する工具１に対して予め設定記憶されている。さらに、オーバライドＯＶＲを調整するための抵抗値Ｆ0も、上述した（ｉ）〜（iii）の制御に応じて、設定しておく、すなわち、合成切削抵抗Ｆｃが一定値Ｆc0以下にになるように制御する上記（ｉ）の制御の場合には、この目標とする一定値Ｆc0を、設定値Ｆc0として設定しておく。又、上記（ii）の制御の場合で、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを一定値Ｆs0以下に制御する場合はこの一定値Ｆs0を設定する。又、上記（iii）の制御の場合で、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを一定値Ｆm0以下に制御する場合はこの一定値Ｆm0を設定しておく。
【００５０】
ＣＰＵ１１が加工プログラムを読み込むが、工具半径Ｒ、切込み量Ｉ、工具軸方向切込み量Ｊが読み込まれたとき、移動指令の分配処理を行う前の前処理において、読み込んだ工具半径Ｒ、切込み量Ｉ、工具軸方向切込み量Ｊに基づいて１式又は２式によって切削関与角αenを算出し記憶しておく。
【００５１】
そして、所定周期（分配処理周期）毎、図１０の処理を実行する。
まず、前処理段階で求められ記憶されている切削関与角αenを読み込むと共に補間処理によって補間データΔＸ，ΔＹを読み出す（ステップ１００，１０１）。この読み出した補間データΔＸ，ΔＹにより４式の演算（β＝ｔａｎ−１（ΔＹ／ΔＸ））を行って移動方向角βを求める。この場合、ΔＹが負であれば、πを加算してβ＝β＋πとする（ステップ１０２）。
【００５２】
次に、移動方向角βと切削関与角αenから５式の演算（γ＝β−{(π／２）−αen｝）を行い切削点角γを求める（ステップ１０３）。そして、主軸制御回路７０、軸制御回路３０，３１より主軸モータの駆動電流値Ａs及び運動軸のＸ，Ｙ軸のモータ駆動電流値Ａvx，Ａvyを読み込む（ステップ１０４）。
【００５３】
こうして求めた、切削関与角αen，移動方向角β，切削点角γ，主軸モータの駆動電流値Ａs，Ｘ，Ｙ軸のモータ駆動電流値Ａvx，Ａvyに基づいて、工具移動接線方向切削抵抗Ｆm又は工具移動法線方向切削抵抗Ｆs又は合成切削抵抗Ｆｃを求める（ステップ１０５）。
すなわち、主軸モータの駆動電流値Ａsと設定されている工具径Ｒに対応する係数Ｋt（Ｒ）に基づいて６式の演算を行うことによって、主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆtを求め、モータ駆動電流値Ａvx，Ａvyと設定されている係数Ｋx（Ｐx），Ｋy（Ｐy）に基づいて７式、８式の演算を行って、切削抵抗の各運動軸方向分力Ｆx，Ｆyを求める。
【００５４】
こうして求められた主分力Ｆt，切削抵抗の各運動軸方向分力Ｆx，Ｆyと切削関与角αen，移動方向角β，切削点角γにより、９式から１１式を用いて、上述した（ａ）〜（ｃ）の工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める方法により、これら工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。但し、上述した（ｉ）の合成切削抵抗Ｆｃで加工を制御する場合には、工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを共に求めて、１２式の演算処理を行うことによって合成切削抵抗Ｆｃを求める。又、上述した（ii）の工具移動法線方向切削抵抗Ｆsで加工を制御する場合には、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求め、（iii）の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmで加工を制御する場合には、工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを求めるだけでよい。
【００５５】
次に、こうして求めた合成切削抵抗Ｆｃ、工具移動法線方向切削抵抗Ｆs又は工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと、設定された設定値Ｆ0と比較する（ステップ１０６）。すなわち、（ｉ）の合成切削抵抗Ｆｃによる制御方法の場合には、設定値Ｆc0と合成切削抵抗Ｆｃを比較し、（ii）の工具移動法線方向切削抵抗Ｆsによる制御方法の場合には、設定値Ｆs0と工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを比較し、（iii）の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmによる制御方法の場合には、設定値Ｆm0と工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを比較する。設定値Ｆ0（＝Ｆc0，Ｆs0，Ｆm0）方が大きいときには（加工開始時には通常、設定値Ｆ0の方が大きい）、オーバライド値ＯＶＲを０％とし（ステップ１１１）、オーバライド処理を行わず、運動軸の送り速度、主軸の回転速度をプログラムで指令された送り速度、主軸回転速度とし、運動軸Ｘ，Ｙ及び主軸を制御することになる。
【００５６】
一方、合成切削抵抗Ｆｃ、工具移動法線方向切削抵抗Ｆs又は工具移動接線方向切削抵抗Ｆmがそれぞれの設定値Ｆc0，Ｆs0，Ｆm0を越えたときには、オーバライド値ＯＶＲが「０」か判断する（ステップ１０７）。すなわち、加工を開始してから最初に設定値を超えたか否か判断する。「０」ならばオーバライド値ＯＶＲを「１００％」として（ステップ１０８）、ステップ１０９に進む。又、ステップ１０７でオーバライド値ＯＶＲが「０」でない場合は、そのままステップ１０９に進む。ステップ１０９では、設定値Ｆ0（＝Ｆc0又はＦs0又はＦm0）と求めた力Ｆ（＝Ｆｃ又はＦs又はＦm）の比Ｆ0／Ｆ（＝Ｆc0／Ｆｃ又はＦs0／Ｆｓ又はＦm0／Ｆm）に現在のオーバライド値ＯＶＲを乗じて新たなオーバライド値ＯＶＲを求める。
【００５７】
そして、現在プログラムで指令されている送り速度にこの新たに求めたオーバライド値ＯＶＲを乗じて、切削抵抗を一定値以下に保持するように制御された送り速度を求める。そしてこの求められた送り速度により、運動軸Ｘ，Ｙへの補間処理を行い移動指令を軸制御回路３０，３１に出力し、サーボモータ５０，５１を制御する。又は、プログラム指令の主軸回転速度にオーバライド値ＯＶＲを乗じて新たな主軸回転速度を求め、この主軸回転速度を主軸制御回路７０に指令して、主軸モータ７２を制御する。さらには、プログラムされた送り速度、主軸回転速度にオーバライド値ＯＶＲを乗じて、新たな送り速度、主軸回転速度を求め、運動軸Ｘ，Ｙのサーボモータ５０，５１、主軸モータ７２を制御する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明は、エンドミル加工において、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を検出することができるので、検出した工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗により各種目的に応じた加工制御ができる。工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成した合成切削抵抗を求めて、該合成切削抵抗を一定値以下に制御することにより、工具寿命を延ばすことができ、又、熱の発生を抑え、熱による加工誤差を小さくすることができる。さらに、工具移動法線方向切削抵抗を一定値以下に制御することによって、工具の倒れ（工具軸の傾き）を小さくし、工具倒れによる加工誤差を小さくすることができ加工形状精度を向上させることができる。
さらに、工具移動接線方向切削抵抗を一定値以下に制御することによって、加工むらなくし、加工面の品質低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するためのスクエアエンドミルによる切削加工状態を表す斜視図である。
【図２】本発明の原理を説明するためのボールエンドミルによる切削加工状態を表す斜視図である。
【図３】図２における正面図である。
【図４】本発明における切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める原理説明図である。
【図５】本発明により求める切削抵抗の精度を検証するための試験装置の概要を示す図である。
【図６】実験装置により実施した加工例の説明図である。
【図７】実験結果を表す図である。
【図８】本発明の一実施形態の機能ブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態の制御装置のハードウェアの要部ブロック図である。
【図１０】同一実施形態における切削抵抗による加工制御方法の処理フローチャートである。
【符号の説明】
１ エンドミル工具
２ 加工物
１０ 制御装置
αen 切削関与角
β 移動方向角
γ 切削点角
Ｆx Ｘ軸方向分力（Ｘ軸方向切削抵抗）
Ｆy Ｙ軸方向分力（Ｙ軸方向切削抵抗）
Ｆt 主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）
Ｆn 背分力（主軸回転方向の法線方向の切削抵抗）
Ｆm 工具移動接線方向切削抵抗
Ｆs 工具移動法線方向切削抵抗
Ｒ 工具半径
Ｉ 切込み量
Ｊ 工具軸方向切込み量
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械に関し、切削抵抗の検出、該検出された切削抵抗に基づく制御方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械において、切削加工中に、主軸や運動軸にかかる負荷をモニタリングして、加工異常や工具摩耗、工具寿命等を検出したり、さらに、検出負荷に基づいて運動軸の送り速度を減速制御して切削加工を制御する方法や、検出負荷が設定基準値を超えるような場合にはアラームを出力して機械停止を行うように制御する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この負荷を検出するには、主軸や運動軸を駆動するモータの駆動電流を検出し、この検出駆動電流に基づいて負荷を求める方法が知られている（例えば特許文献２参照）。又、主軸や運動軸を駆動するモータの制御系に外乱推定オブザーバを組み込み負荷トルクを推定する方法も知られている（特許文献１、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−７６１４４号公報
【特許文献２】
特開平８−３２３５８５号公報
【特許文献３】
特開平７−５１９７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
エンドミル加工においても、加工中の切削抵抗をモニタリングして、工具摩耗の検出、適応制御による加工精度・加工効率の向上など多くの制御が可能になり、加工の合理化が図れる。エンドミル加工では数十Ｎといった小さな切削抵抗をモニタリングする必要がある。最近のデジタル制御技術の発展により、主軸モータの電流値を用いてかなり小さい切削抵抗をもモニタリングできるようになっているが、エンドミル加工の制御で重要な工具移動接線方向切削抵抗、工具移動法線方向切削抵抗に分けて検出することはできない。工具を送る運動軸のサーボモータの駆動電流よりこの切削抵抗を工具移動接線方向切削抵抗、工具移動法線方向切削抵抗に分けてモニタリングすることも、一般のマシニングセンタ等の工作機械においては極めて困難であった。その原因は、加工物と工具を相対移動させるための案内とボールネジ系の摩擦抵抗が数百Ｎあるので、これが外乱となり、運動量の大きい軸はともかく、運動量の小さい軸のサーボモータの駆動電流値からはその方向に作用する小さな切削抵抗を検出することは非常に困難であった。そこで、本発明は、エンドミル加工において、主軸モータの電流値と運動軸モータの電流値とを合わせ用いて、切削抵抗を検出すること、検出された切削抵抗に基づく加工制御方法、及び制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に係わる発明は、エンドミル工具による加工における切削抵抗の検出方法であって、主軸モータ、運動軸のモータの電流値、エンドミル工具の半径値及び切削関与角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とするものである。請求項２に係わる発明は、請求項１の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成し、該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
請求項３に係わる発明は、請求項１の記載の切削抵抗検出方法で切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求め、該工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および／または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
請求項４に係わる発明は、請求項１の記載の切削抵抗検出方法で、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および／または主軸速度を制御するようにしたエンドミル工具による加工の制御方法である。
【０００７】
請求項５に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、求めた主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の１番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出するものである。
請求項６に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、移動量が１番大きい運動軸のモータの電流値より切削抵抗の該運動軸方向分力を求め、求めた主分力と運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出するものである。
請求項７に係わる発明は、エンドミル工具による加工において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、該各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求めるものである。
【０００８】
請求項８に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【０００９】
請求項９に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成する手段と、該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【００１０】
請求項１０に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、該切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【００１１】
請求項１１に係わる発明は、エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求める手段と、該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置である。
【００１２】
そして、請求項１２に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の１番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。又、請求項１３に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、主分力と移動量が１番大きい運動軸の運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。さらに、請求項１４に係わる発明は、前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段を、各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求めるものとした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理から説明する。図１は、加工物２に対してスクエアエンドミル工具１により切り込み量Ｉで切削加工している状態を表す図である。主軸(工具)は正回転し（図１において時計方向周り）、切削方法はダウンカットを示している。
スクエアエンドミル工具１が加工物２を切削する際に関与する部分を示す切削関与角αen（正方向にとり、単位はラジアン）は、工具１の半径Ｒと切込み量Ｉより、次の式を演算して求めることができる。
【００１４】
αen＝ｃｏｓ−１（（Ｒ−Ｉ）／Ｒ） …（１）
又、ボールエンドミルによる加工の場合には、図２、図３に示すように、切削関与角αenは次式によって求められる。
【００１５】
αen＝ｃｏｓ−１（（Ｒ＊ｓｉｎ(θ)−Ｉ）／（Ｒ＊ｓｉｎ(θ)））…（２）
すなわち、図２はボールエンドミル工具１により加工物２を切削している状態を表す斜視図であり、図３はその正面図である。この場合も工具半径をＲ、切込み量をＩとする。又、工具軸方向切込み量をＪとする。図３に示すように、加工物２を切削しているボールエンドミル工具１の先端部分を示す先端切削関与角θは、次の３式で求められる。
【００１６】
θ＝ｃｏｓ−１（（Ｒ−Ｊ）／Ｒ） …（３）
又、図２に示すように、切削している部分の工具半径Ｒ’は、Ｒ’＝Ｒｓｉｎ（θ）となるから、切削関与角αenは、スクエアエンドミル工具１における切削関与角αenを求める１式の半径Ｒの代わりにＲ’（＝Ｒｓｉｎ（θ））を代入した上記２式によって求められることになる。
【００１７】
図４は、主軸モータの電流値、工具１を送る運動軸（Ｘ軸、Ｙ軸）を駆動するモータの電流値及び切削関与角αen等に基づいて、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める原理説明図である。
【００１８】
この工作機械の座標系を図４に示すようにＸ−Ｙとし、切削の基準座標系をＦt0−Ｆn0とする。加工物２に対するエンドミル工具（スクエアエンドミル工具，ボールエンドミル工具）１の移動方向角β（単位：ラジアン）は、Ｘ軸方向の運動軸への補間データΔＸとＹ軸方向の運動軸への補間データΔＹにより、次の式を演算して求めることができる。
【００１９】
β＝ｔａｎ−１（ΔＹ／ΔＸ） …（４）
但し、この補間データより求められる移動方向角βは０〜πまでで、ΔＹ＜０のときには、この移動方向角βは、補間データより求めたβにπを加算したもの（β＝β＋π）となる。
【００２０】
又、切削関与角αenは上述したように、工具半径Ｒ、切込み量Ｉ、さらには工具軸方向切込み量Ｊによって、１式又は２式によって求められるものであり、ＣＡＭの段階において決定されており、加工プログラムに記載しておいてもよく、又は、加工プログラムで指定された工具の半径Ｒ、切込み量Ｉ，Ｊに基づいて、算出してもよい。そして、求められた切削関与角αenより切削点角γは次の５式で求められる。
【００２１】
γ＝β−{(π／２）−αen｝ …（５）
そして、主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆtは、主軸電流値Ａsと工具半径Ｒを含む係数Ｋt(Ｒ)から次の６式より求めることができる。
【００２２】
Ｆt＝Ｋt(Ｒ)＊Ａs …（６）
又、切削抵抗ベクトルＦのＸ軸方向分力（Ｘ軸方向切削抵抗）、Ｙ軸方向分力（Ｙ軸方向切削抵抗）Ｆx，Ｆyは、それぞれ各運動軸Ｘ，Ｙのサーボモータの電流値Ａvx，Ａvyと各軸のボールネジのピッチＰx，Ｐyを含む係数Ｋx(Ｐx)，Ｋy(Ｐy)によって、次の７、８式によって求めることができる。
【００２３】
Ｆx = Ｋx(Ｐx)*Ａvx …（７）
Ｆy = Ｋy(Ｐy)*Ａvy …（８）
ここで、主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆt及び背分力（主軸回転方向の法線方向の切削抵抗）Ｆnを求めることは、切削抵抗ベクトルＦを（γ＋π／２）(単位：ラジアン)だけ逆回転させて、工具回転方向の逆方向への接線方向軸Ｆt0、その工具中心への法線方向軸Ｆn0を座標軸とする基準座標系(Ｆt0,Ｆn0)に変換することであるので、(Ｆx，Ｆy)を（γ＋π／２）(単位：ラジアン)だけ逆回転させた、次の９式の関係式が成り立つ。
【００２４】
【数１】
さらに、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsは、(Ｆt，Ｆn)を切削関与角αenだけ回転することによって、次１０式のように求めることができる。
【００２６】
【数２】
したがって、９式、１０式から次の１１式の関係式も成り立つ。
【００２８】
【数３】
本発明は、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求めるものであるが、移動方向角βは補間データから求められ、切削関与角αen、切削点角γは加工プログラムに記述されたデータより求められるものであるから、運動軸のＸ軸，Ｙ軸の駆動電流を検出し７，８式によって、切削抵抗ベクトルＦのＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyを求め、１１式の演算を行うことによって、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求めることができる。
【００３０】
しかし、前述したように、運動軸Ｘ，Ｙ軸にかかる負荷は、案内やボールネジの摩擦抵抗を含むものであるから、検出精度が落ちる。一方、主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆtは、６式に示すように、主軸モータの駆動電流値Ａsによって求められる。主軸モータの回転出力トルクは、主軸を介して該主軸に取り付けられているエンドミル工具１を回転させるものであり、伝動経路には摩擦抵抗等は少なく、主軸モータの駆動電流値（出力トルク）は切削抵抗Ｆtによって生じる電流値を運動軸の場合よりもより正確に表し、この主軸モータの駆動電流値によって求められる主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆtは、精度の高い接線方向の切削抵抗を表している。
【００３１】
そこで、切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求めるには、より精度の高い主分力Ｆtを用いるようにする。９式より、主分力Ｆtと切削抵抗ベクトルＦのＸ軸方向分力Ｆx又はＹ軸成分Ｆyのどちらか一方が分かれば、（Ｆt，Ｆn）が求まり、この（Ｆt，Ｆn）を１０式に代入することによって、（Ｆm，Ｆs）すなわち切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsが求まる。よって、より精度高く求めるために、７式、８式で求めた切削抵抗ベクトルＦのＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyの内、絶対値の大きい方を使用する。若しくは、Ｘ軸，Ｙ軸のうち移動量の大きい軸に対応する軸方向分力Ｆx又はＦyを使用する。さらには、７式、８式で求められる切削抵抗ベクトルＦのＸ軸方向分力Ｆx又はＹ軸成分Ｆyを用いて１１式により切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを求め（一般に、工具移動接線方向切削抵抗Ｆmの方が工具移動法線方向切削抵抗Ｆsより大きい値となることから、誤差を少なくするために１１式から求められる工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを採用する）、この工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと１式で求めた主分力Ｆtを用いて１０式より工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。
【００３２】
以上まとめると、
（ａ）６式で求めた主分力Ｆtと、７式，８式で求めたＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyの内、絶対値の大きい方を使用して９式、１０式より、工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。
（ｂ）６式で求めた主分力Ｆtと、７式，８式で求めた切削抵抗のＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyの内、Ｘ軸，Ｙ軸の移動量（ΔＸ，ΔＹ）が大きい方を使用して９式、１０式より、工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。
（ｃ）７式，８式で求めた切削抵抗のＸ軸，Ｙ軸方向分力Ｆx，Ｆyより１１式で切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを求め、該工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと６式で求めた主分力Ｆtにより１０式により工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。
こうして検出された切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを使用して以下のように各種切削加工制御が可能になる。
【００３３】
（ｉ）切削抵抗ベクトルＦを一定以下になるように制御する。
切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsより、次の１２式の演算を行うことによって合成切削抵抗Ｆcを求め、該合成切削抵抗Ｆcを設定した一定値Ｆc0、又はそれ以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する。
Ｆc=√（Ｆm2＋Ｆs2） …（１２）
又、ボールエンドミルの場合は、切削抵抗のＺ軸方向分力（Ｚ軸方向切削抵抗）Ｆzを、運動軸Ｚのサーボモータの電流値ＡvzとＺ軸のボールネジのピッチＰzを含む係数Ｋz(Ｐz)から、次の１３式によって求め、合成切削抵抗Ｆcを１４式で求め、該合成切削抵抗Ｆcを設定した一定値Ｆc0、又はそれ以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御することもできる。
Ｆz = Ｋz(Ｐz)*Ａvz …（１３）
Ｆc=√（Ｆm2＋Ｆs2＋Ｆz2） …（１４）
合成切削抵抗Ｆcは工具に対する合成切削抵抗を意味するものであるから、この合成切削抵抗Ｆcが常に適切に設定した一定値Ｆc0、又はそれ以下に制御することによって、
・工具寿命を延ばすことができる。
・熱の発生を抑え、熱変位による加工誤差を小さくする。
等の効果を達成することができる。
【００３４】
（ii）工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを制御する。
工具進行方向垂直方向の切削抵抗である工具移動法線方向切削抵抗Ｆsが常に一定値Ｆs0、又はそれ以下となるように送り速度および／または主軸速度を制御する。
工具移動法線方向切削抵抗Ｆsは、工具進行方向垂直方向に作用する力であり、エンドミル工具１を加工面垂直方向から倒す（傾ける）原因となる。エンドミル工具１が倒れて（傾いて）加工が行われると、加工面はその倒れ分加工精度が低下する。よって、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを一定値、又は一定値以下に制御することによって、倒れが一定以下となることにより、加工形状精度の低下を防止することができる。
【００３５】
（iii）切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを制御する。
工具進行方向の切削抵抗である工具移動接線方向切削抵抗Ｆmが設定された一定値Ｆm0又は該一定値Ｆm0以下となるように送り速度および／または主軸速度を制御する。
工具進行方向の切削抵抗の大／小により生じる加工むらを改善することができ、加工むらに原因する加工面品位の低下を防止することができる。
【００３６】
なお、図１、図２および図４では、主軸（工具１）は正回転、切削方法はダウンカット、工具１が移動する例で説明したが、主軸逆回転、および／または、切削方法はアップカット、および／または、テーブル移動する場合も上述したと同様に適用できるものである。また、運動軸としてX軸，Ｙ軸のみの移動に着目したが、任意の軸の移動を対象にすることも可能である。
【００３７】
次に、上述した主軸モータを駆動するモータの電流値より求めた切削抵抗がどの程度正確に検出できるかを、スクエアエンドミル工具を用いて検証した。
図５は試験装置の概要を示す図である。
運動軸Ｘ軸、Ｙ軸の切削抵抗の測定用に高感度な圧電素子を用いた工具動力計４を用い、この工具動力計４上に設置した加工物２をスクエアエンドミル工具１で切削する。この図５に示す例では、工具１が取り付けられた主軸６が直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動し、かつ主軸モータ５で工具１は駆動され回転する。なお、符号７は主軸アンプであり、該主軸アンプ７より主軸のモータ電流値Ａsを検出した。
【００３８】
動力計４により検出された切削抵抗をＦdx，Ｆdyとし、９式の(Ｆx,Ｆy)に代入し、切削関与角αen、を用いて次の１５式により接線方向の切削抵抗Ｆdtを求める。
Ｆdt=ｃｏｓ(-γ-π/2)＊Ｆdx−ｓｉｎ(-γ-π/2)＊Ｆdy …（１５）
そして、求めた接線方向の切削抵抗Ｆdt に工具１の半径Ｒを乗じて（Ｆdt＊R）「動力計によるトルク値（切削抵抗値）」を得る。又、主軸モータ電流Asから６式によって導かれるＦtを「主軸モータ電流による接線方向の切削抵抗値」とし、両者を比較することによって、主軸モータ電流Asから６式によって導かれるＦtがどの程度信頼性あるものであるかを検証した。その結果を図７に示す。
【００３９】
加工１は、図６（ａ）に示すように、主軸正回転させながら、加工物２に対して工具１をＸ軸マイナス方向（１８０度方向）に移動させ、ダウンカット（工具は正回転、加工物２は工具進行方向右側）による加工であり、工具半径Ｒ＝０．００５ｍを用いた加工である。
又、加工物２は、図６（ｂ）に示すように、加工１と同一の工具を用い、主軸正回転させながら、Ｘ軸、Ｙ軸マイナス方向（２２５度方向）に移動させ、ダウンカット（工具は正回転、加工物２は工具進行方向右側）による加工である。そして送り速度、切込み量を変えて測定したものである。
【００４０】
この図７の比較表が示すように、「動力計によるトルク値（切削抵抗値）Ｆdt＊R」と６式から求めた「主軸モータ電流による切削抵抗値Ｆt 」はよく一致しており、６式によるＦtは本発明における計算値として十分使用できる。さらに、（ａ）〜（ｃ）に示した方法によりＦm，Ｆsが計算できるため、精度の高い工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを９式〜１１式によって得ることができる。
【００４１】
図８は本発明の一実施形態の制御装置の機能ブロック図である。ＮＣプログラムＢ１に記述されたプログラム情報を読込み（Ｂ２）、その情報が移動指令であれば、該情報を解析し（Ｂ３）、補間処理を行って（Ｂ４）、各運動軸のサーボ制御部３０に出力する。サーボ制御部３０は、指令された移動指令と位置・速度検出器６０からの位置、速度フィードバック信号に基づいて、位置、速度ループ制御を行い、さらには、図示しない電流検出器からのフィードバック信号に基づいて電流ループ制御を行い、運動軸のサーボモータ５０をサーボアンプ４０を介して駆動制御する。又、プログラム情報が主軸への回転指令であれば指令された回転速度指令を主軸制御部７０に出力し、主軸制御部７０は、指令された回転速度とポジションコーダ７３からの速度フィードバック信号に基づいて速度ループ制御を行い、主軸アンプ７１を介して主軸モータ７２を指令回転速度で駆動制御する。
【００４２】
一方、工具径（指令工具によって求められる工具径）Ｒ，切込み量Ｉ，工具軸方向切込み量Ｊのプログラム情報が読み込まれると、これらの情報は記憶される。又、補間処理（Ｂ４）によって得られたＸ，Ｙ軸への移動指令量ΔＸ，ΔＹ、及びサーボ制御部で求められている運動軸Ｘ，Ｙ軸を駆動するモータの駆動電流Ａvx，Ａvy及び主軸モータの駆動電流Ａsを読み取り（Ｂ６）、これらの情報Ｒ，Ｉ，Ｊ，ΔＸ，ΔＹ，Ａvx，Ａvyに基づいて、上述した１式〜１１式により、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求め、求めた工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsより、上述した（ｉ）〜（iii）の制御しようとする事項に応じて、運動軸の送り速度のオーバライド値、主軸回転速度に対するオーバライド値を算出する（Ｂ８、Ｂ７）。そして、送り速度のオーバライド値は、プログラムＢ１で指令された送り速度に対して求めたオーバライド値を乗じて、送り速度を算出し（Ｂ５）、補間処理部（Ｂ４）では該送り速度で補間処理を行う。又、主軸制御部７０は、求められた主軸オーバライド値をプログラム指令された主軸速度に乗じて新たな主軸速度を求めて、該主軸速度になるように制御する。
これにより、上述した（ｉ）〜（iii）の制御の目的を達成させるものである。
【００４３】
図９は、本発明を実施する一実施形態の制御装置１０のハードウエアの要部ブロック図である。
ＣＰＵ１１は制御装置１０を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、フラッシュメモリ１２に格納されたシステムプログラムをバス２０を介して読み出し、ＤＲＡＭ１３に格納し、該ＤＲＡＭ１３に格納された該システムプログラムに従って制御装置全体を制御する。該ＤＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及び表示器／ＭＤＩユニット８０を介してオペレータが入力した各種データも格納される。Ｂａｃｋ−ｕｐメモリ１４は図示しないバッテリでバックアップされ、制御装置１０の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。Ｂａｃｋ−ｕｐメモリメモリ１４中には、インターフェイス１５を介して読み込まれた加工プログラムや表示器／ＭＤＩユニット８０を介して入力された加工プログラム等が記憶される。また、フラッシュメモリ１２には、上述した切削抵抗に基づく加工制御方法を実施する各種システムプログラムがあらかじめ書き込まれている。
【００４４】
インターフェイス１５は、制御装置１０と外部機器との接続を可能とするものである。外部機器からは加工プログラム等が読み込まれる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、制御装置１０に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置にＩ／Ｏリンク１７を介して信号を出力し制御する。
【００４５】
表示器／ＭＤＩユニット８０は液晶やＣＲＴ等のディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インターフェイス１８は表示器／ＭＤＩユニット８０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インターフェイス１９に接続された操作盤８１には手動パルス発生器や各種スイッチ等が設けられている。
【００４６】
各運動軸Ｘ，Ｙ，Ｚの軸制御回路３０〜３２はＣＰＵ１１からの各運動軸の移動指令を受けて、位置、速度、電流のループ制御を行い各運動軸の駆動指令をサーボアンプ４０〜４２に出力する。サーボアンプ４０〜４２はこの指令を受けて、各運動軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。各運動軸のサーボモータ５０〜５２は位置・速度検出器６０〜６２を内蔵し、この位置・速度検出器６０〜６２からの位置、速度フィードバック信号をサーボアンプ４０〜４２を介して軸制御回路３０〜３２にフィードバックし、軸制御回路３０〜３２は移動指令とこのフィードバック信号に基づいて位置・速度のループ制御を行う。又、図示していないが、サーボアンプ４０〜４２から駆動電流のフィードバックがなされており、軸制御回路３０〜３２はこの電流フィードバック信号により電流ループ制御をも実施している。なお、この軸制御回路３０〜３２フィードバックされてくる駆動電流のフィードバック信号は、読み出され本発明の切削抵抗の算出に利用される。
【００４７】
また、主軸制御回路７０は主軸回転指令を受け、主軸アンプ７１に主軸速度信号を出力する。主軸アンプ７１は主軸速度信号を受けて、主軸モータ７２を指令された回転速度で回転させる。ポジションコーダ７３は、主軸モータ７２の回転に同期して帰還パルスを主軸制御回路７０にフィードバックし、速度制御を行う。さらに、主軸制御回路７０は、主軸アンプから主軸モータの駆動電流のフィードバックを受けて電流ループ制御をも行っている。そして、本発明に関係して、この主軸モータ７２の駆動電流のフィードバック信号は読み出され切削抵抗による加工制御に利用される。
【００４８】
上述した制御装置１０のハードウェア構成は従来から公知の数値制御装置の構成と同一であり、相違する点は、切削抵抗による加工制御のプログラムがフラッシュメモリ１２に格納されている点である。
【００４９】
図１０は、本実施形態の制御装置が所定周期（分配周期）毎に実施する切削抵抗による加工制御方法による処理フローチャートである。
まず、運動軸Ｘ，ＹのボールネジピッチＰによって決まる７式、８式における係数Ｋx（Ｐx），Ｋy（Ｐy）は予めパラメータ設定されている。又、工具１の半径Ｒによって決まる６式における係数Ｋt（Ｒ）は、使用する工具１に対して予め設定記憶されている。さらに、オーバライドＯＶＲを調整するための抵抗値Ｆ0も、上述した（ｉ）〜（iii）の制御に応じて、設定しておく、すなわち、合成切削抵抗Ｆｃが一定値Ｆc0以下にになるように制御する上記（ｉ）の制御の場合には、この目標とする一定値Ｆc0を、設定値Ｆc0として設定しておく。又、上記（ii）の制御の場合で、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを一定値Ｆs0以下に制御する場合はこの一定値Ｆs0を設定する。又、上記（iii）の制御の場合で、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを一定値Ｆm0以下に制御する場合はこの一定値Ｆm0を設定しておく。
【００５０】
ＣＰＵ１１が加工プログラムを読み込むが、工具半径Ｒ、切込み量Ｉ、工具軸方向切込み量Ｊが読み込まれたとき、移動指令の分配処理を行う前の前処理において、読み込んだ工具半径Ｒ、切込み量Ｉ、工具軸方向切込み量Ｊに基づいて１式又は２式によって切削関与角αenを算出し記憶しておく。
【００５１】
そして、所定周期（分配処理周期）毎、図１０の処理を実行する。
まず、前処理段階で求められ記憶されている切削関与角αenを読み込むと共に補間処理によって補間データΔＸ，ΔＹを読み出す（ステップ１００，１０１）。この読み出した補間データΔＸ，ΔＹにより４式の演算（β＝ｔａｎ−１（ΔＹ／ΔＸ））を行って移動方向角βを求める。この場合、ΔＹが負であれば、πを加算してβ＝β＋πとする（ステップ１０２）。
【００５２】
次に、移動方向角βと切削関与角αenから５式の演算（γ＝β−{(π／２）−αen｝）を行い切削点角γを求める（ステップ１０３）。そして、主軸制御回路７０、軸制御回路３０，３１より主軸モータの駆動電流値Ａs及び運動軸のＸ，Ｙ軸のモータ駆動電流値Ａvx，Ａvyを読み込む（ステップ１０４）。
【００５３】
こうして求めた、切削関与角αen，移動方向角β，切削点角γ，主軸モータの駆動電流値Ａs，Ｘ，Ｙ軸のモータ駆動電流値Ａvx，Ａvyに基づいて、工具移動接線方向切削抵抗Ｆm又は工具移動法線方向切削抵抗Ｆs又は合成切削抵抗Ｆｃを求める（ステップ１０５）。
すなわち、主軸モータの駆動電流値Ａsと設定されている工具径Ｒに対応する係数Ｋt（Ｒ）に基づいて６式の演算を行うことによって、主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）Ｆtを求め、モータ駆動電流値Ａvx，Ａvyと設定されている係数Ｋx（Ｐx），Ｋy（Ｐy）に基づいて７式、８式の演算を行って、切削抵抗の各運動軸方向分力Ｆx，Ｆyを求める。
【００５４】
こうして求められた主分力Ｆt，切削抵抗の各運動軸方向分力Ｆx，Ｆyと切削関与角αen，移動方向角β，切削点角γにより、９式から１１式を用いて、上述した（ａ）〜（ｃ）の工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める方法により、これら工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める。但し、上述した（ｉ）の合成切削抵抗Ｆｃで加工を制御する場合には、工具移動接線方向切削抵抗Ｆm、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを共に求めて、１２式の演算処理を行うことによって合成切削抵抗Ｆｃを求める。又、上述した（ii）の工具移動法線方向切削抵抗Ｆsで加工を制御する場合には、工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求め、（iii）の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmで加工を制御する場合には、工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを求めるだけでよい。
【００５５】
次に、こうして求めた合成切削抵抗Ｆｃ、工具移動法線方向切削抵抗Ｆs又は工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと、設定された設定値Ｆ0と比較する（ステップ１０６）。すなわち、（ｉ）の合成切削抵抗Ｆｃによる制御方法の場合には、設定値Ｆc0と合成切削抵抗Ｆｃを比較し、（ii）の工具移動法線方向切削抵抗Ｆsによる制御方法の場合には、設定値Ｆs0と工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを比較し、（iii）の工具移動接線方向切削抵抗Ｆmによる制御方法の場合には、設定値Ｆm0と工具移動接線方向切削抵抗Ｆmを比較する。設定値Ｆ0（＝Ｆc0，Ｆs0，Ｆm0）方が大きいときには（加工開始時には通常、設定値Ｆ0の方が大きい）、オーバライド値ＯＶＲを０％とし（ステップ１１１）、オーバライド処理を行わず、運動軸の送り速度、主軸の回転速度をプログラムで指令された送り速度、主軸回転速度とし、運動軸Ｘ，Ｙ及び主軸を制御することになる。
【００５６】
一方、合成切削抵抗Ｆｃ、工具移動法線方向切削抵抗Ｆs又は工具移動接線方向切削抵抗Ｆmがそれぞれの設定値Ｆc0，Ｆs0，Ｆm0を越えたときには、オーバライド値ＯＶＲが「０」か判断する（ステップ１０７）。すなわち、加工を開始してから最初に設定値を超えたか否か判断する。「０」ならばオーバライド値ＯＶＲを「１００％」として（ステップ１０８）、ステップ１０９に進む。又、ステップ１０７でオーバライド値ＯＶＲが「０」でない場合は、そのままステップ１０９に進む。ステップ１０９では、設定値Ｆ0（＝Ｆc0又はＦs0又はＦm0）と求めた力Ｆ（＝Ｆｃ又はＦs又はＦm）の比Ｆ0／Ｆ（＝Ｆc0／Ｆｃ又はＦs0／Ｆｓ又はＦm0／Ｆm）に現在のオーバライド値ＯＶＲを乗じて新たなオーバライド値ＯＶＲを求める。
【００５７】
そして、現在プログラムで指令されている送り速度にこの新たに求めたオーバライド値ＯＶＲを乗じて、切削抵抗を一定値以下に保持するように制御された送り速度を求める。そしてこの求められた送り速度により、運動軸Ｘ，Ｙへの補間処理を行い移動指令を軸制御回路３０，３１に出力し、サーボモータ５０，５１を制御する。又は、プログラム指令の主軸回転速度にオーバライド値ＯＶＲを乗じて新たな主軸回転速度を求め、この主軸回転速度を主軸制御回路７０に指令して、主軸モータ７２を制御する。さらには、プログラムされた送り速度、主軸回転速度にオーバライド値ＯＶＲを乗じて、新たな送り速度、主軸回転速度を求め、運動軸Ｘ，Ｙのサーボモータ５０，５１、主軸モータ７２を制御する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明は、エンドミル加工において、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を検出することができるので、検出した工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗により各種目的に応じた加工制御ができる。工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成した合成切削抵抗を求めて、該合成切削抵抗を一定値以下に制御することにより、工具寿命を延ばすことができ、又、熱の発生を抑え、熱による加工誤差を小さくすることができる。さらに、工具移動法線方向切削抵抗を一定値以下に制御することによって、工具の倒れ（工具軸の傾き）を小さくし、工具倒れによる加工誤差を小さくすることができ加工形状精度を向上させることができる。
さらに、工具移動接線方向切削抵抗を一定値以下に制御することによって、加工むらなくし、加工面の品質低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するためのスクエアエンドミルによる切削加工状態を表す斜視図である。
【図２】本発明の原理を説明するためのボールエンドミルによる切削加工状態を表す斜視図である。
【図３】図２における正面図である。
【図４】本発明における切削抵抗ベクトルＦの工具移動接線方向切削抵抗Ｆmと工具移動法線方向切削抵抗Ｆsを求める原理説明図である。
【図５】本発明により求める切削抵抗の精度を検証するための試験装置の概要を示す図である。
【図６】実験装置により実施した加工例の説明図である。
【図７】実験結果を表す図である。
【図８】本発明の一実施形態の機能ブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態の制御装置のハードウェアの要部ブロック図である。
【図１０】同一実施形態における切削抵抗による加工制御方法の処理フローチャートである。
【符号の説明】
１ エンドミル工具
２ 加工物
１０ 制御装置
αen 切削関与角
β 移動方向角
γ 切削点角
Ｆx Ｘ軸方向分力（Ｘ軸方向切削抵抗）
Ｆy Ｙ軸方向分力（Ｙ軸方向切削抵抗）
Ｆt 主分力（主軸回転方向の接線方向の切削抵抗）
Ｆn 背分力（主軸回転方向の法線方向の切削抵抗）
Ｆm 工具移動接線方向切削抵抗
Ｆs 工具移動法線方向切削抵抗
Ｒ 工具半径
Ｉ 切込み量
Ｊ 工具軸方向切込み量
Claims (14)
- エンドミル工具による加工において、主軸モータ、運動軸のモータの電流値、エンドミル工具の半径値、および切削関与角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とする切削抵抗検出方法。
- 請求項１の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成し、該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御するエンドミル工具による加工の制御方法。
- 請求項１の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および／または主軸速度を制御するエンドミル工具による加工の制御方法。
- 請求項１の記載の切削抵抗検出方法で求めた切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように送り速度および／または主軸速度を制御するエンドミル工具による加工の制御方法。
- 請求項１の切削抵抗検出方法または請求項２乃至４の内のいずれか１項に記載のエンドミル工具による加工の制御方法において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、求めた主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の１番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とする切削抵抗検出方法。
- 請求項１の切削抵抗検出方法または請求項２乃至４の内のいずれか１項の記載のエンドミル工具による加工の制御方法において、主軸モータの電流値より主分力を求め、移動量が１番大きい運動軸のモータの電流値より切削抵抗の該運動軸方向分力を求め、求めた主分力と運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を検出することを特徴とする切削抵抗検出方法。
- 請求項１の切削抵抗検出方法または請求項２乃至４の内いずれか１項の記載のエンドミル工具による加工の制御方法において、主軸モータの電流値より主分力を求め、各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求め、該各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求めることを特徴とする切削抵抗検出方法。
- エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、
主軸モータの電流値を検出する手段と、
検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、
各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、
検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、
工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、
切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、
主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置。 - エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、
主軸モータの電流値を検出する手段と、
検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、
各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、
検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、
工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、
切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、
主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、
切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と工具移動法線方向切削抵抗を合成する手段と、
該合成切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置。 - エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、
検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、
各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、
検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、
工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、
切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、
主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求める手段と、
該切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置。 - エンドミル工具による加工を制御する制御装置であって、主軸モータの電流値を検出する手段と、
検出した主軸モータの電流値とエンドミル工具の半径値より主分力を求める手段と、
各運動軸のモータの電流値を検出する手段と、
検出された各運動軸のモータの電流値より切削抵抗の各運動軸方向分力を求める手段と、
工具半径と切込み量より切削関与角を求めて若しくは設定された切削関与角を記憶する手段と、
切削送りする運動軸の移動量より移動方向角を求める手段と、
主分力、各運動軸方向分力、切削関与角及び移動方向角に基づいて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求める手段と、
該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗が一定以下になるように、送り速度および／または主軸速度を制御する手段とを備えたエンドミル工具による加工の制御装置。 - 前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段は、主分力と各運動軸方向分力の中で絶対値の１番大きい運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を求める請求項８乃至１１の内いずれか１項に記載のエンドミル工具による加工の制御装置。
- 前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段は、主分力と移動量が１番大きい運動軸の運動軸方向分力と、切削関与角、移動方向角を用いて、切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗及び／又は工具移動法線方向切削抵抗を求める請求項８乃至１１の内いずれか１項に記載のエンドミル工具による加工の制御装置。
- 前記切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗及び／又は工具移動接線方向切削抵抗を求める手段は、各運動軸方向分力と移動方向角に基づいて切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗を求め、求めた該切削抵抗の工具移動接線方向切削抵抗と主分力及び切削関与角に基づいて、切削抵抗の工具移動法線方向切削抵抗を求める請求項８乃至１１の内いずれか１項に記載のエンドミル工具による加工の制御装置。
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