JP6193919B2 - 加工条件の変化を考慮した工具寿命管理機能を備えた数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、数値制御装置に関し、特に加工条件に基づいて工具の寿命を管理する機能を有する数値制御装置に関する。

一般に工作機械で使用される工具は、加工に使用する時間の経過と共に刃先が摩耗して切削抵抗が増加し、摩耗が進むと加工精度が悪化し、ワークに求められる所定の加工精度を維持することができなくなり、そして、その工具の寿命に至る。

工具の寿命に関する従来技術として、特許文献１，２には、加工プログラムを実行した場合に消費される工具寿命を加工条件などに基づいて加工前に予測する技術が開示されている。加工に携わる作業者は、特許文献１，２に開示される従来技術を用いて、加工で消費される工具寿命を上回る寿命を持つ工具を工具マガジン内に準備しておくことにより、加工の途中で工具の寿命が尽きてしまうことを回避することが可能となる。

特許第４２５３４６３号公報 特許第３６８６３３６号公報

工具寿命の消費速度は、クーラント濃度、ｐｈ、温度、機内温度などの加工条件により変化する。そのため、工具寿命の予測時（すなわち、加工開始前）に想定した加工条件と実際に運転した時の加工条件が異なる場合、また運転の途中で加工条件が変化した場合、予測よりも速く寿命が消費されて、加工の途中で寿命が尽きてしまう場合があり、特許文献１，２に開示される技術を用いたとしても、この課題を解決することはできない。

そこで本発明の目的は、加工条件に合わせて工具の寿命を考慮した加工制御を行なうことが可能な数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、加工プログラムから読み込まれたブロックによる指令に基づいて、工具を備えた工作機械を制御してワークを加工する数値制御装置において、前記工具と前記工具の寿命とを関連付けた工具データを記憶する工具データ記憶部と、加工時における加工条件と該加工条件における工具の工具寿命を消費する度合いを示す消費係数とを関連付けた加工条件データを記憶する加工条件データ記憶部と、前記加工プログラムに基づいて前記工作機械を制御するプログラム運転部と、前記加工プログラムの各ブロックにおける前記工具の使用量を算出する工具使用量計算部と、前記加工プログラムによる加工時における加工条件に基づいて、前記加工条件データ記憶部を参照して消費係数を特定する消費係数特定部と、前記工具使用量計算部が算出した各ブロックにおける前記工具の使用量と、前記消費係数特定部が特定した消費係数に基づいて、各ブロックまでに消費される工具寿命である累積消費寿命を算出する寿命消費量計算部と、を備え、前記プログラム運転部は、前記加工プログラムから読み込まれたブロックによる指令が工具交換指令である場合、前記累積消費寿命に基づいて、前記工具データ記憶部に記憶された工具の中から次の工具交換指令までに工具寿命が尽きない工具を選択する、ことを特徴とする数値制御装置である。

本願の請求項２に係る発明は、前記消費係数特定部は、前記加工プログラムに基づく運転中に加工条件が変化した場合、変化した加工条件に基づく直近の消費係数を特定し、前記寿命消費量計算部は、前記直近の消費係数に基づいて各ブロックまでに消費される工具寿命である累積消費寿命を再計算し、更に、再計算された前記累積消費寿命に基づいて使用中の工具の工具寿命が次の工具交換指令までに尽きる場合、使用中の前記工具の工具寿命が尽きる前記加工プログラムのブロックを特定する寿命枯渇ブロック特定部と、前記プログラム運転部が実行中の前記加工プログラムのブロックから前記寿命枯渇ブロック特定部が特定した使用中の前記工具の工具寿命が尽きる前記加工プログラムのブロックまでの区間内であって、加工運転を安全に停止できるブロックを特定する運転停止ブロック特定部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。

本発明によれば、リアルタイムに変化する加工条件に合わせて、必要な工具寿命を持った工具に交換することにより、加工の途中で工具の寿命が尽きてしまう問題を回避する。

また、加工条件が大きく変化して工具の寿命が尽きてしまう場合であっても、運転時間を最長とするブロックで安全に停止することができる。

本発明の数値制御装置が備える機能の概要を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。 本発明のエンドミル工具の工具使用量について説明する図である。 本発明のタップ工具の工具使用量について説明する図である。 本発明の加工条件データ記憶部の例を示す図である。 本発明の累積消費寿命について説明する図である。 本発明の工具データ記憶部の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第２の実施形態における数値制御装置の動作を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
本発明の数値制御装置が備える１つの機能は、クーラント濃度・ｐｈ・温度、機内温度などの様々な加工条件とその条件における工具寿命の消費速度を表す消費係数を加工条件データベースとしてあらかじめ内部メモリに保持しておき、加工プログラムに基づく加工運転中に、工具交換（Ｔコード）が指令された場合、バックグラウンドで次の工具交換までのブロックに対して工具の使用量（切削時間、切削長、穴開け・タッピングの回数など）を計算すると同時に、加工条件（クーラント濃度・ｐｈ・温度、機内温度など）を計測して上述の加工条件データベースを参照して消費係数を算出し、工具の使用量と消費係数から、工具寿命の消費量を算出する。そして、図１（ａ）に示すように、算出した工具寿命の消費量を上回る工具寿命を持つ工具を検索し、検索された工具へと交換する。

また、本発明の数値制御装置が備える別の機能は、加工運転中にブロックによる指令や信号等により変化する加工条件を計測し、変化した加工条件から算出される消費係数を直前の工具交換時に算出した消費係数と比較する（図１（ｂ）＜１＞）。直前の工具交換時に算出した消費係数よりも直近で計測した加工条件の消費係数が大きくなっていた場合には、直近で計測した加工条件の消費係数を使って次の工具交換までの残りのブロックにおいて消費される工具寿命（消費寿命）を算出し、次の工具交換に至る前に途中で寿命が尽きてしまうことが判明した場合（図１（ｂ）＜２＞）、現在実行中のブロックから寿命が尽きるブロックまでの間にある非切削ブロック（早送りブロック、補助機能など）の内で最も後ろにある非切削ブロックまで加工運転を継続し、当該ブロックで加工運転を一時停止する（図１（ｂ）＜３＞）。

＜第１の実施形態：最適寿命工具選択機能＞
本実施形態では、工具寿命の消費量に基づく工具選択を行う機能の実施形態を示す。なお、以下では本実施形態で用いられる機能手段及び処理についてのみ説明する。
図２は、本実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。本実施形態の数値制御装置１は、プログラム運転部１０、工具使用量計算部１１、消費係数特定部１２、寿命消費量計算部１３、および工具データ記憶部２０、加工条件データ記憶部２１を備える。

プログラム運転部１０は、図示しないメモリに記憶された加工プログラムを読込み、該加工プログラムのブロックによる指令に従って工作機械の制御を行なう。本実施形態のプログラム運転部１０は、工具交換指令（Ｔコード指令）を含むブロックを読込むと、当該ブロックから次の工具交換を指令するブロックまでの間のブロックを先読みし、先読みしたブロックによる指令に基づくワークの加工で消費される工具寿命を算出するように後述する工具使用量計算部１１に対して指令する。

工具使用量計算部１１は、プログラム運転部１０から指令を受けると、プログラム運転部１０が先読みした各ブロックの指令に基づくワークの加工で使用される工具の使用量を算出する。工具の使用量は、工具の種類に応じて、切削時間、切削長、穴開け・タッピングの回数などで計量する。

例えば、エンドミル工具である場合には切削時間や切削長などにより使用量を計量する。図３は、エンドミル工具の使用量を切削時間により計量する例である。切削時間により計量する場合には、それぞれの切削指令（Ｇ０１など）について工具が移動する座標位置と送り速度とに基づいて切削時間を算出する。

別の例として、タップ工具である場合にはタッピング回数で使用量を計量する。図４は、タップ工具の使用量をタッピング回数により計量する例である。タッピング回数により計量する場合には、タッピング指令（Ｇ８４など）が実行される回数ごとにタッピング回数をカウントする。

消費係数特定部１２は、現在のクーラント濃度・ｐｈ・温度、機内温度などの加工条件を、数値制御装置あるいは機械に備えられた周辺機器、センサなどから取得し、取得した加工条件と、工具交換指令により選択された工具の種類、および加工条件データ記憶部２１に記憶されている加工条件データとに基づいて、工具の消費係数を特定する。

図５は、本実施形態における加工条件データ記憶部２１に記憶されている加工条件データの例を示している。加工条件データ記憶部２１には、クーラント濃度・ｐｈ・温度、機内温度などの加工条件と、それぞれの加工条件において工具を使用した時の工具寿命の消費速度を示す消費係数とを関連付けた加工条件データが複数記憶されている。

消費係数は、基準とする加工条件においては１．０となり、加工条件が過酷（クーラント濃度高、高温など）になるほど大きくなる。各加工条件における消費係数は、当該加工条件における工具寿命の消費速度と基準の消費速度を比較し、その比率に従って定めることができる。消費係数は、あらかじめ実験などによって求めても良いし、過去に使用した工具の使用実績に係るデータを収集し、それぞれの加工時の加工条件と、材質や形状などの情報から統計的処理により算出するようにしてもよい。このようにして求められた消費係数は、加工条件と関連付けた工具の種類毎の加工データとして加工条件データ記憶部２１に保存しておく。

寿命消費量計算部１３は、工具使用量計算部１１が計量した各ブロックによる指令毎の工具の使用量と、消費係数特定部１２が特定した消費係数とに基づいて、今回の工具交換から次回の工具交換までの区間内の各ブロックで消費される工具寿命（消費寿命）を算出すると共に、該消費寿命を積算することにより各ブロックまでに消費される累積消費寿命を算出する。寿命消費量計算部１３は、以下の数１式に従って当該区間内のブロックを実行した場合に消費される工具寿命を予測する。なお、算出された各ブロックの消費寿命は、図示しない内部メモリ（ＲＡＭなど）に設けられた領域に記憶しておく。

図６は、タップ工具を使用している場合における工具交換の区間内での工具の消費寿命を算出する例を示す図である。図に示すように、寿命消費量計算部１３は、工具使用量計算部１１が計量した指令毎の工具の使用量に基づいて各ブロックにおける累積工具使用量を算出する。ここで、消費係数特定部１２が特定した消費係数が１．５である場合、累積工具使用量に対して１．５を乗算して、最終的に次の工具交換時点までに工具の寿命を９．０回消費することを予測することができる。

本実施形態では、寿命消費量計算部１３は予測した次の工具交換までに消費される工具寿命をプログラム運転部１０に対して通知する。次の工具交換までに消費される工具寿命の通知を受けたプログラム運転部１０は、工具交換指令（Ｔコード指令）による同一種類の工具の中から工具を選択する時、寿命消費量計算部１３から通知を受けた次の工具交換までに消費される工具寿命を上回る工具寿命を持つ工具を工具データ記憶部２０に記憶されている工具から選択することにより、次の工具交換まで寿命が尽きることなく加工を行うことができる。なお、この段階において工具データ記憶部２０に次の工具交換までに消費される工具寿命を上回る工具寿命を持つ工具が登録されていない場合には、ユーザに対して適切な工具が無い旨を警告として通知するようにすればよい。

図７は、本実施形態における工具データ記憶部２０に記憶されている工具データの例である。図に示すように、工具データは各工具について、工具番号と関連付けて、工具の種類と、工具寸法などのデータ、工具の種類に応じた残りの工具寿命、工具の位置（自動工具交換装置の場合）などが記憶されている。プログラム運転部１０は、図６で説明したように、タップ工具への交換時に区間内における消費寿命が９回であると寿命消費量計算部１３から通知された場合、工具データ記憶部２０を参照し、タップ工具であって消費寿命が９回以上である工具（工具位置４の工具）を選択する。なお、工具の選択においては、予め決めておいた割合または寿命値の分だけ余裕を持たせて工具を選択することとしても良い。

このように、本実施形態の数値制御装置では、加工開始前では無く、工具交換が行われるたびに工具の消費寿命を予測し、予測した消費寿命を上回る工具寿命を持つ工具を選択するため、加工途中において工具の寿命が尽きてしまう問題を回避することが可能となる。

＜第２の実施形態：停止ブロック検出機能＞
第１の実施形態では、工具交換時における加工条件に基づいて、次回工具交換時までに消費される工具の寿命を予測し、予測した消費寿命を上回る工具を選択する機能について説明した。本実施形態では、加工中に加工条件が大きく変化して工具の寿命が尽きてしまう場合であっても、運転時間を最長とするブロックで安全に停止する機能について説明する。

図８は、本実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。本実施形態の数値制御装置１は、第１の実施形態で説明した構成に加えて、更に、寿命枯渇ブロック特定部１４、運転停止ブロック特定部１５、表示装置１６を備える。

本実施形態の消費係数特定部１２は、プログラム運転部１０による加工運転中に、クーラント濃度・ｐｈ・温度、機内温度などの加工条件を数値制御装置あるいは機械に備えられた周辺機器、センサなどから取得し、該取得した加工条件の変化を監視する。取得した加工条件があらかじめ定められた所定の閾値を超える範囲で変化した場合、変化後の現在の加工条件と、工具交換指令により選択された工具の種類、および加工条件データ記憶部２１に記憶されている加工条件データとに基づいて、工具の消費係数を特定し、特定された消費係数と前回工具交換時において取得された消費係数とを比較する。

そして、消費係数特定部１２は、現在の加工条件に基づく工具の消費係数が、前回工具交換時において取得された消費係数よりも大きくなっている場合、現在の加工条件に基づく直近の消費係数に基づいて各ブロックにおける消費寿命を算出するよう寿命消費量計算部１３に指令する。

本実施形態の寿命消費量計算部１３は、消費係数特定部１２が特定した直近の消費係数に基づいて、現在実行中のブロックから次の工具交換のブロックまでの区間内の各ブロックについて、工具交換時に工具使用量計算部１１が内部メモリに記録しておいたブロック毎の消費寿命を読出し、次の式に従って各ブロックの指令による消費寿命を再計算する。

そして、寿命消費量計算部１３は、現在実行中のブロックの１つ前のブロックにおける累積消費寿命に、再計算した各ブロックの消費寿命を積算することで、現在実行中のブロック以降の各ブロックまでに消費される累積消費寿命を再計算した後、現在使用中の工具の寿命が枯渇するブロックを予測するよう寿命枯渇ブロック特定部１４に指令する。

寿命枯渇ブロック特定部１４は、寿命消費量計算部１３が再計算した累積消費寿命に基づいて、次の工具交換のブロックまでの累積消費寿命が、現在使用中工具の工具寿命以下であるか否かを判定する。次の工具交換のブロックまでの累積消費寿命が、現在使用中工具の残りの工具寿命以下である場合には、現在使用中の工具の寿命が次の工具交換まで尽きないので、何もせずにそのまま加工を継続する。

ここで、次の工具交換のブロックまでの累積消費寿命が現在使用中の工具寿命を上回る場合、即ち、現在使用中の工具の工具寿命が次の工具交換までに尽きてしまう場合には、図９に示すように、現在実行中のブロックから順に累積消費寿命と現在使用中の工具の工具寿命とを比較することで、使用中工具の工具寿命が尽きるブロックを特定し、当該ブロックを基準として運転停止ブロックを特定するよう運転停止ブロック特定部１５へと指令する。

運転停止ブロック特定部１５は、寿命枯渇ブロック特定部１４が特定した使用中工具の工具寿命が尽きるブロックからブロックの実行順を遡り、早送りブロックなどの非切削ブロックを運転停止ブロックとして特定し、該運転停止ブロックで停止するようプログラム運転部１０に対して指令すると共に、警告メッセージと、寿命が尽きるブロックおよび運転停止ブロックを表示装置１６に強調表示することでユーザに通知する。

図９は、消費係数が１．５から３．０へ変化した場合における本発明の数値制御装置１の動作を説明する図である。図においては、工具交換時における加工条件から消費係数が１．５であると特定され、次の工具交換までに消費される工具寿命が２０．０秒であるため、工具寿命が２５．０秒である工具が選択されている（図９＜１＞）。その後、消費係数特定部１２は、加工条件の変化を検出し、変化した加工条件に基づいて直近の消費係数が３．０になったことを特定する（図９＜２＞）。特定された直近の消費係数は、前回工具交換時において特定した消費係数よりも大きくなっているため、寿命消費量計算部１３により消費される工具寿命の再計算が行われる。

そして、寿命枯渇ブロック特定部１４は、現在使用中の工具の工具寿命（２５秒）が次回工具交換までに尽きてしまうことを検出し、使用中の工具の寿命が尽きるブロックを特定する（図９＜３＞）。その後、運転停止ブロック特定部１５が、安全に停止できる運転停止ブロックを特定し（図９＜４＞）、プログラム運転部１０に指令することで、加工運転を安全に停止することができる。

このように、本実施形態の数値制御装置では、加工中に加工条件が大きく変化して工具の寿命が尽きてしまう場合であっても、運転時間を最長とするブロックで安全に停止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

例えば、上記した実施形態では、エンドミル工具とタップ工具の例を示したが、他の工具についても、当該工具に適切である工具の使用量と工具寿命を管理することにより、本発明を適用することが可能である。

１ 数値制御装置
１０ プログラム運転部
１１ 工具使用量計算部
１２ 消費係数特定部
１３ 寿命消費量計算部
１４ 寿命枯渇ブロック特定部
１５ 運転停止ブロック特定部
１６ 表示装置
２０ 工具データ記憶部
２１ 加工条件データ記憶部

Claims (2)

1. 加工プログラムから読み込まれたブロックによる指令に基づいて、工具を備えた工作機械を制御してワークを加工する数値制御装置において、
   前記工具と前記工具の寿命とを関連付けた工具データを記憶する工具データ記憶部と、
   加工時における加工条件と該加工条件における工具の工具寿命を消費する度合いを示す消費係数とを関連付けた加工条件データを記憶する加工条件データ記憶部と、
   前記加工プログラムに基づいて前記工作機械を制御するプログラム運転部と、
   前記加工プログラムの各ブロックにおける前記工具の使用量を算出する工具使用量計算部と、
   前記加工プログラムによる加工時における加工条件に基づいて、前記加工条件データ記憶部を参照して消費係数を特定する消費係数特定部と、
   前記工具使用量計算部が算出した各ブロックにおける前記工具の使用量と、前記消費係数特定部が特定した消費係数に基づいて、各ブロックまでに消費される工具寿命である累積消費寿命を算出する寿命消費量計算部と、
   を備え、
   前記プログラム運転部は、前記加工プログラムから読み込まれたブロックによる指令が工具交換指令である場合、前記累積消費寿命に基づいて、前記工具データ記憶部に記憶された工具の中から次の工具交換指令までに工具寿命が尽きない工具を選択する、
   ことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記消費係数特定部は、前記加工プログラムに基づく運転中に加工条件が変化した場合、変化した加工条件に基づく直近の消費係数を特定し、
   前記寿命消費量計算部は、前記直近の消費係数に基づいて各ブロックまでに消費される工具寿命である累積消費寿命を再計算し、
   更に、
   再計算された前記累積消費寿命に基づいて使用中の工具の工具寿命が次の工具交換指令までに尽きる場合、使用中の前記工具の工具寿命が尽きる前記加工プログラムのブロックを特定する寿命枯渇ブロック特定部と、
   前記プログラム運転部が実行中の前記加工プログラムのブロックから前記寿命枯渇ブロック特定部が特定した使用中の前記工具の工具寿命が尽きる前記加工プログラムのブロックまでの区間内であって、加工運転を安全に停止できるブロックを特定する運転停止ブロック特定部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。

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