JP6731391B2 - 工作機械、および、切削条件の設定方法 - Google Patents

Description

本開示は、工作機械における切削条件を設定するための技術に関する。

ワークを効率的に切削するように切削条件を決定する工作機械がある。設定され得る切削条件の一例として、ワークの切削幅がある。

ワークを効率的に切削するために、最少の加工回数でワークを切削するように切削幅が設定される。たとえば、切削幅の上限が６ｍｍである工具を用いてワークの２０ｍｍの幅を切削する場合、４回の加工回数で切削が終了するように切削条件が設定される。一例として、工作機械は、６ｍｍ×３回＋２ｍｍ×１回の計４回で切削を終了するように切削条件を設定する。しかしながら、切削幅が大きいほど、びびり振動が発生しやすくなり、切削精度が低下につながる。また、主軸モータへの負荷も増加する。そのため、切削幅は均等に分割することで、その分割数における最大切削幅を最小にすることが好ましい。したがって、上記の例では、５ｍｍ×４回の加工を行うように切削条件を設定することが好ましい。これにより、切削幅が一定になり、びびり振動が発生する可能性が低くなる。

びびり振動を抑制するための他の技術として、特開２０１２−０９６３０１号公報（特許文献１）は、主軸の軸方向の切削幅と主軸の径方向の切削幅との積が一定になるように切削条件を設定する加工手法を開示している。

特開２０１２−０９６３０１号公報

切削時間をより短縮するためには、切削幅を一定にするだけでなく、工具の送り速度を可能な限り上げることが有効である。しかしながら、工具の摩耗、工具の破損、工具の面密度などを考慮して、工具メーカによって工具ごとに推奨の送り速度の範囲が規定されている。工具が推奨の送り速度の範囲内で駆動されると、摩耗や破損などを抑制することができる。そのため、推奨の送り速度の範囲内で工具を駆動することが好ましい。特許文献１に開示される加工手法では、工具の推奨の送り速度の範囲が考慮されていない。

本開示は上述のような問題点を解決するためになされたものであって、ある局面における目的は、工具の推奨の送り速度の範囲内で最も切削効率が良くなるように切削条件を設定することが可能な工作機械を提供することである。他の局面における目的は、工具の推奨の送り速度の範囲内で最も切削効率が良くなるように切削条件を設定することが可能な設定方法を提供することである。

ある局面に従うと、工作機械は、ワークを保持するためのワーク保持部と、上記ワークを切削するための切削工具と、上記切削工具を回転するための主軸と、上記ワーク保持部および上記主軸の少なくとも一方を駆動するための駆動機構と、所定の主軸回転数下において、上記主軸の軸方向に直交する方向であって上記ワークに対する上記切削工具の移動方向に直交する方向と、上記主軸の軸方向との少なくとも一方において上記ワークを等分し、等分の切削幅で上記ワークを順次切削するように上記工作機械における切削条件を設定するための制御装置とを備える。上記制御装置は、上記切削工具の送り速度と、上記等分の切削幅と、上記ワークの切削効率との間の予め定められた相関関係に基づいて、上記切削工具について予め規定されている推奨の送り速度の範囲内で上記切削効率が最大となる送り速度と等分の切削幅とを特定し、当該特定された送り速度と等分の切削幅とを上記切削条件として設定する。

ある局面に従うと、上記予め定められた相関関係は、上記ワークの切削効率を目的変数とし、上記送り速度と上記等分の切削幅とを少なくとも説明変数とする論理式である。

ある局面に従うと、上記制御装置は、上記推奨の送り速度の範囲内において、上記送り速度と上記等分の切削幅とをそれぞれ異ならせた複数の組み合わせを取得し、上記複数の組み合わせのそれぞれを上記論理式に代入することで各組み合わせについての切削効率を算出し、上記複数の組み合わせの内で切削効率が最大となる組み合わせを上記切削条件として設定する。

ある局面に従うと、上記複数の組み合わせは、上記推奨の送り速度の範囲内における最速の第１送り速度と、当該第１送り速度で上記切削条件として設定可能な等分の第１切削幅と、の第１の組み合わせと、上記第１送り速度で上記切削条件として設定可能な等分の切削幅の次に大きい等分の第２切削幅と、当該第２切削幅での切削条件下において設定可能な最速の第２送り速度と、の第２の組み合わせとを含む。

ある局面に従うと、上記制御装置は、上記所定の主軸回転数下で上記駆動機構に出力することが可能な定格出力を算出し、当該定格出力および上記第２切削幅の条件下で上記駆動機構を駆動したときにおける送り速度を上記第２送り速度として算出する。

ある局面に従うと、上記推奨の送り速度の範囲は、少なくとも予め定められた上限値によって規定されている。

ある局面に従うと、工作機械における切削条件の設定方法が提供される。上記工作機械は、ワークを保持するためのワーク保持部と、上記ワークを切削するための切削工具と、上記切削工具を回転するための主軸と、上記ワーク保持部および上記主軸の少なくとも一方を駆動するための駆動機構とを備える。上記設定方法は、所定の主軸回転数下において、上記主軸の軸方向に直交する方向でかつ上記ワークに対する上記切削工具の移動方向に直交する方向と、上記主軸の軸方向との少なくとも一方において上記ワークを等分し、等分の切削幅で上記ワークを順次切削するように上記工作機械における切削条件を設定するステップを備える。上記設定するステップは、上記切削工具の送り速度と、上記等分の切削幅と、上記ワークの切削効率との間の予め定められた相関関係に基づいて、上記切削工具について予め規定されている推奨の送り速度の範囲内で上記切削効率が最大となる送り速度と等分の切削幅とを特定するステップと、上記特定するステップで特定された送り速度と等分の切削幅とを上記切削条件として設定するステップとを含む。

ある局面において、工具の推奨の送り速度の範囲内で最も切削効率が良くなるように切削条件を設定することができる。

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。

実施の形態に従う工作機械の一例を示す図である。 ワークの切削態様の一例を示す図である。 図２に示される切削態様をＺ方向から表わす図である。 工具の送り速度とワークの切削効率との関係をグラフで表した図である。 主軸回転数と定格トルクとの相関関係、および主軸回転数と定格出力との相関関係を示す図である。 実施の形態に従う工作機械の主要なハードウェア構成を示すブロック図である。 切削条件の設定処理を表わ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＞
図１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１００が示されている。以下では、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、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、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。また、工作機械１００は、工具が鉛直方向に取り付けられる横形のマシニングセンタであってもよいし、工具が水平方向に取り付けられる立形のマシニングセンタであってもよい。

図１に示されるように、工作機械１００は、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には、被加工物であるワーク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３２が主軸２２に装着されている。

主軸頭２１は、ボールねじ２５に沿ってＺ軸方向に駆動可能に構成されている。ボールねじ２５にはサーボモータなどの駆動機構が接続されている。当該駆動機構は、ボールねじ２５を駆動することで主軸頭２１を移動させ、Ｚ軸方向の任意の位置に主軸頭２１を移動する。

また、主軸２２にはサーボモータなどの駆動機構が接続される。当該駆動機構は、Ｚ軸方向（鉛直方向）に平行な中心軸ＡＸ１を中心に主軸２２を回転駆動する。その結果、主軸２２に装着された工具３２は、主軸２２の回転に伴って中心軸ＡＸ１を中心に回転する。なお、工作機械１００が旋盤である場合には、主軸２２には、ワークが装着される。この場合、主軸２２の回転に伴って、主軸２２に装着されたワークが回転する。

工作機械１００は、自動工具交換装置（ＡＴＣ：Automatic Tool Changer）３０をさらに有する。自動工具交換装置３０は、マガジン３１と、押出し機構３３と、アーム３６とで構成されている。マガジン３１は、ワークを加工するための種々の工具３２を収容するための装置である。マガジン３１は、複数の工具保持部３４と、スプロケット３５とで構成されている。

工具保持部３４は、種々の工具３２を保持可能なように構成されている。複数の工具保持部３４は、スプロケット３５の周囲に環状に配列されている。スプロケット３５は、モータ駆動により、Ｘ軸に平行な中心軸ＡＸ２を中心に回転可能に設けられている。スプロケット３５の回転に伴って、複数の工具保持部３４が中心軸ＡＸ２を中心に回転移動する。

自動工具交換装置３０は、工具の交換命令を受けたことに基づいて、マガジン３１から装着対象の工具３２を抜き取り、当該工具３２を主軸２２に装着する。より具体的には、自動工具交換装置３０は、目的の工具３２を保持する工具保持部３４を押出し機構３３の前に移動する。次に、押出し機構３３は、アーム３６による交換位置に向けて目的の工具３２を押し出す。その後、アーム３６は、目的の工具３２を工具保持部３４から抜き取るとともに、現在装着されている工具３２を主軸２２から抜き取る。その後、アーム３６は、これらの工具３２を保持した状態で半回転し、目的の工具３２を主軸２２に装着するとともに、元の工具３２を工具保持部３４に収容する。これにより、工具３２の交換が行われる。

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（ワーク保持部）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、ガイド５１上に設けられており、Ｘ軸に対して平行に設置されている。ガイド５３は、ガイド５１に沿って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。

ボールねじ５２にはサーボモータなどの駆動機構が接続されている。当該駆動機構は、ボールねじ５２を駆動することでガイド５３をガイド５１に沿って移動し、Ｙ軸方向の任意の位置にガイド５３を移動する。同様に、ボールねじ５４にもサーボモータなどの駆動機構が接続されている。当該駆動機構は、ボールねじ５４を駆動することでテーブル５５をガイド５３に沿って移動し、Ｘ軸方向の任意の位置にテーブル５５を移動する。すなわち、工作機械１００は、ボールねじ５２，５４のそれぞれに接続される駆動機構を協働して制御することで、ＸＹ平面上の任意の位置にテーブル５５を移動する。これにより、工作機械１００は、テーブル５５上で保持されるワークをＸＹ平面上で移動させながら加工を行うことができる。

＜Ｂ．ワークの切削態様＞
図２および図３を参照して、工具３２によるワークＷの切削態様について説明する。図２は、ワークＷの切削態様の一例を示す図である。図３は、図２に示される切削態様をＺ方向から表わす図である。

図２および図３には、エンドミルとしての工具３２が示されている。工具３２は、その側面に複数の刃を有し、回転しながらワークＷに接触することでワークＷを切削する。

図２および図３の例では、工具３２は、予め設定された加工経路Ｌに沿ってワークＷを繰り返し切削している。このとき、工作機械１００は、切削条件を変化させないようにワークＷを切削する。工作機械１００は、切削条件を一定にすると、びびり振動の発生を抑制することができる。

設定され得る切削条件の一例として、ワークＷの切削幅がある。ここでいう切削幅とは、主軸２２の軸方向（すなわち、Ｚ方向）におけるワークＷの切削幅であってもよいし、当該軸方向に直交する方向であって工具の移動方向に直交する方向（すなわち、Ｙ方向）におけるワークの切削幅であってもよい。以下では、説明の便宜のために、主軸２２の軸方向に直交する方向であって工具の移動方向に直交する方向を「径方向」とも称する。また、径方向におけるワークの切込み幅を「径方向の切削幅」と称する。また、主軸２２の軸方向における切込み幅を「軸方向の切削幅」とも称する。また、径方向の切削幅と軸方向の切削幅とを区別しない場合には単に「切削幅」とも称する。

工作機械１００は、所定の主軸回転数下において、径方向（Ｙ方向）と軸方向（Ｚ方向）との少なくとも一方においてワークＷを等分し、等分の切削幅でワークＷを順次切削するように切削条件を設定する。図２および図３の例では、径方向の切削幅Ａｅと軸方向の切削幅Ａｅとが切削条件として設定されている。この切削条件に従って切削が開始されると、工具３２は、切削幅Ａｐの１段目の切削部分を切削幅Ａｅごとに順次切削する。次に、工具３２は、切削幅Ａｐの２段目の切削部分を切削幅Ａｅごとに順次切削する。次に、切削幅Ａｐの３段目の切削部分を切削幅Ａｅごとに順次切削する。次に、切削幅Ａｐの４段目の切削部分を切削幅Ａｅごとに順次切削する。このように、工具３２は、予め設定された加工経路Ｌに沿って等分の切削幅Ａｅ，ＡｐでワークＷを順次切削することでワークＷを任意の形状に加工する。

＜Ｃ．切削条件の決定方法＞
図４を参照して、切削条件の決定方法について説明する。図４は、工具３２の送り速度とワークＷの切削効率との関係をグラフで表した図である。

以下では、設定対象の切削条件として、工具３２の送り速度と軸方向の切削幅Ａｅとを例に挙げて説明を行うが、設定対象の切削条件は、これらに限定されない。たとえば、設定対象の切削条件は、工具３２の送り速度、および径方向の切削幅Ａｐであってもよい。あるいは、設定対象の切削条件は、工具３２の送り速度、軸方向の切削幅Ａｅ、および径方向の切削幅Ａｐであってもよい。

図４には、当該関係が相関関係１２４として示されている。相関関係１２４の横軸は、工具３２の１刃当たりの送り速度を表わす。１刃当たりの送り速度は、工具３２の第１の刃がワークＷに接触してから、次の第２の刃がワークＷに接触するまでの間に工具３２が進む距離に相当する。１刃当たりの送り速度の単位は、たとえば、「ｍｍ／ｔｏｏｔｈ」である。

相関関係１２４の縦軸は、ワークＷの切削効率を表わす。ワークＷの切削効率とは、単位時間当たりに切削することが可能なワークＷの量のこという。切削効率の単位は、たとえば、「ｃｃ／ｍｉｎ」で表わされる。

図４には、工具３２の送り速度とワークＷの切削効率との相関関係１２４が異なる切削幅ごとに示されている。軸方向においてワークの１０ｍｍを切削する場合、設定可能な等分の切削幅は、たとえば、Ａｐ_Ａ〜Ａｐ_Ｄ（すなわち、２．０ｍｍ，２．５ｍｍ，３．３ｍｍ，５．０ｍｍ）となる。より具体的には、５段に分けて加工を行う場合には、等分の切削幅Ａｐ_Ａは２．０ｍｍ（＝１０ｍｍ／５段）となる。４段に分けて加工を行う場合には、等分の切削幅Ａｐ_Ｂは２．５ｍｍ（＝１０ｍｍ／４段）となる。３段に分けて加工を行う場合には、等分の切削幅Ａｐ_Ｃは３．３ｍｍ（＝１０ｍｍ／３段）となる。２段に分けて加工を行う場合には、等分の切削幅Ａｐ_Ｄは５．０ｍｍ（＝１０ｍｍ／２段）となる。以下では、切削幅Ａｐ_Ａ〜Ａｐ_Ｄを総称して切削幅Ａｐもいう。

図４に示されるように、切削幅Ａｐが同じ領域においては、切削効率は、送り速度に比例して向上する。しかしながら、ある程度まで送り速度が上がると、工具３２を駆動するためのサーボモータにかかる負荷（以下、「モータ負荷」ともいう。）が上限に達するため、工作機械１００は、切削幅Ａｐを短くする必要がある。切削幅Ａｐが短くなると、切削の段数が増えるため、同じ送り速度の条件下では、切削効率は下がる。しかしながら、切削幅Ａｐが短くなった分、モータ負荷が下がるので、工作機械１００は、その分、送り速度を上げることができる。このような関係から、工具３２の送り速度とワークＷの切削効率との関係は、図４に示されるようになる。

このように、切削幅Ａｐが可能な限り短く設定され、送り速度が可能な限り速く設定されると、切削効率が向上する。しかしながら、工具の摩耗や破損を抑制するために、工具メーカによって工具の種類ごとに推奨の送り速度の範囲が規定されている。図４には、その例として、推奨の送り速度の範囲Ｒが示されている。推奨の送り速度の範囲Ｒを考慮すると、切削幅Ａｐが可能な限り短く設定され、送り速度が可能な限り速く設定されるだけでは、切削効率が最大とならない場合がある。図４の例では、切削幅Ａｐ_Ａかつ送り速度がｆｚ_Ａである切削条件Ｃ１よりも、切削幅Ａｐ_Ｂかつ送り速度がｆｚ_Ｂである切削条件Ｃ２の方が、切削効率が高くなっている。

そのため、工作機械１００は、工具３２の送り速度と、等分の切削幅Ａｐと、ワークＷの切削効率との間の予め定められた相関関係に基づいて、推奨の送り速度の範囲Ｒ内で切削効率が最大となる送り速度と等分の切削幅とを特定し、特定した送り速度と等分の切削幅とを切削条件として設定する。これにより、工作機械１００は、サーボモータを安全に駆動することができる範囲内で切削効率を最大にすることができる。

一例として、工作機械１００は、ワークの切削効率を目的変数とし、工具３２の送り速度と等分の切削幅Ａｐとを少なくとも説明変数とする論理式に基づいて、切削条件を決定する。当該論理式は、たとえば、下記の式（１）で示される。

式（１）に示される「Ｅ」は、ワークの切削効率を表わす。「Ｅ」の単位は、たとえば、「ｃｃ／ｍｉｎ」で表わされる。「Ｚ」は、工具の刃数を表わす。「Ｚ」は、たとえば、工具情報などから特定されてもよいし、ユーザによって予め設定されてもよい。「Ｎ」は、単位時間当たりの主軸２２の回転数を表わす。「Ｎ」の単位は、たとえば、「ｒｐｍ（revolution per minute）」である。「Ｎ」は、たとえば、ワークＷの加工プログラムから特定されてもよいし、ユーザによって予め設定されてもよい。「ｆｚ」は、１刃当たりの送り速度を表わす。「ｆｚ」の単位は、たとえば、「ｍｍ／ｔｏｏｔｈ」である。「Ａｅ」は、径方向におけるワークの切削幅を表わす。「Ａｐ」は、軸方向におけるワークの切削幅を表わす。「Ａｅ」および「Ａｐ」の単位は、たとえば、「ｍｍ」である。

好ましくは、工作機械１００は、推奨の送り速度の範囲Ｒ内において、送り速度ｆｚと等分の切削幅Ａｐ（または切削幅Ａｅ）とをそれぞれ異ならせた複数の組み合わせを切削条件候補として取得する。工作機械１００は、取得した切削条件候補のそれぞれを上記式（１）に代入することで各設定候補について切削効率「Ｅ」を算出する。工作機械１００は、取得した切削条件候補の切削条件の内で、切削効率「Ｅ」が最大となる切削条件候補を切削条件として設定する。工作機械１００は、複数の切削条件候補のそれぞれについて切削効率を算出した上で切削条件を決定することで、推奨の送り速度の範囲Ｒ内で切削効率をより確実に上げることができる。

上記式（１）に代入する切削条件候補の決定方法は、任意である。一例として、工作機械１００は、切削条件Ｃ１および切削条件Ｃ２を少なくとも切削条件候補として決定する。切削条件Ｃ１は、推奨の送り速度の範囲Ｒ内における最速の送り速度ｆｚ_Ａと、最速の送り速度ｆｚ_Ａの条件下で設定可能な等分の切削幅Ａｐ_Ａとの組み合わせ（第１の組み合わせ）である。切削条件Ｃ２は、最速の送り速度ｆｚ_Ａの条件下で切削条件として設定可能な等分の切削幅Ａｐ_Ａの次に大きい等分の切削幅Ａｐ_Ｂと、当該切削幅Ａｐ_Ｂでの切削条件下において設定可能な最速の送り速度ｆｚ_Ｂとの組み合わせ（第２の組み合わせ）である。工作機械１００は、切削条件候補を切削条件Ｃ１，Ｃ２に絞り込むことで、切削条件を決定するための処理時間を短縮することができる。また、工作機械１００は、切削条件Ｃ１，Ｃ２を切削条件候補とすることで、より確実に切削効率を最大化にすることができる。

なお、上述では、工具３２の送り速度と、等分の切削幅と、ワークＷの切削効率との間の相関関係が上記式（１）で規定されている前提で説明を行ったが、これらの相関関係は、必ずしも演算式で規定される必要はない。たとえば、これらの相関関係は、テーブル形式で予め規定されていてもよい。この場合、当該テーブルにおいて、工具３２の送り速度ごと、および、等分の切削幅Ａｐごとに、切削効率が関連付けられている。工作機械１００は、当該テーブルを参照して、切削条件候補のそれぞれに関連付けられている切削効率を取得し、切削効率が最大となる切削条件候補を切削条件として設定する。

また、図４には、推奨の送り速度の範囲Ｒが予め定められた下限値および予め定められた上限値で規定されている例が示されているが、推奨の送り速度の範囲Ｒは、少なくとも上限値で規定さていればよい。

（Ｃ１．切削条件Ｃ１の算出方法）
以下では、図４に示される切削条件Ｃ１の算出方法について説明する。

切削条件Ｃ１の送り速度ｆｚ_Ａは、推奨の送り速度の範囲Ｒの最大値に相当する。切削条件Ｃ１の切削幅Ａｐ_Ａは、たとえば、下記の式（２）によって算出される。

式（２）に示される「Ｈ」は、主軸２２の軸方向におけるワークＷの切削部分の幅を表わす。「ｎ」は、下記の式（３）によって算出される。

式（３）に示される「ｎ」は、ワークＷの切削時における最大の等分の分割数を表わす。「ＲＯＵＮＤＵＰ（ｘ）」は、括弧内の値「ｘ」について小数点以下を切り上げるための関数である。「Ｈ」は、主軸方向におけるワークＷの切削部分の幅を表わす。「ＭＡＸ（ｘ１，ｘ２）」は、括弧内の値「ｘ１」，「ｘ２」の内の大きい方を取得するための関数である。「Ａｐ_tooth」は、ワークＷに対する工具３２の最大切削幅を表わす。「Ａｐ_tooth」は、たとえば、工具情報などから特定されてもよいし、ユーザによって予め設定されてもよい。「Ａｐ_max」は、下記の式（４）によって算出される。

式（４）に示される「Ｐｃ」は、目標とする回転数「Ｎ」で主軸２２を駆動するためにサーボモータに出力する電力値を表わす。「Ｐｃ」の単位は、たとえば、「ｋＷ」である。「Ｐｃ」は、主軸２２に対する負荷が上限値の８割程度になるように決定される。「Ａｅ」は、主軸２２の径方向におけるワークＷの切削幅を表わす。「Ｎ」は、単位時間当たりの主軸２２の回転数を表わす。「Ｎ」の単位は、たとえば、「ｒｐｍ」である。回転数「Ｎ」は、たとえば、ワークＷの加工プログラムから特定されてもよいし、ユーザによって予め設定されてもよい。「Ｚ」は、工具の刃数を表わす。刃数「Ｚ」は、たとえば、工具情報などから特定されてもよいし、ユーザによって予め設定されてもよい。「ｋ_ＣＡ」は、比切削抵抗を表わす。比切削抵抗とは、ワークＷの単位面積を１ｍｍの厚さ切削するために要する力（すなわち、切削抵抗）を表わす。比切削抵抗「ｋ_ＣＡ」の単位は、たとえば、「Ｎ／ｍｍ^２」である。

（Ｃ２．切削条件Ｃ２の算出方法）
続いて、図４に示される切削条件Ｃ２の算出方法について説明する。

切削条件Ｃ２の切削幅Ａｐ_Ｂは、たとえば、下記の式（５）によって算出される。

式（５）に示される「Ａｐ_Ｂ」は、切削条件候補としての等分の切削幅の中で、２番目に短い切削幅に相当する。すなわち、「Ａｐ_Ｂ」は、切削条件Ｃ１の切削幅Ａｐ_Ａの次に短い切削幅に相当する。「Ｈ」は、主軸方向におけるワークＷの切削部分の幅を表わす。「ｎ」は、上記式（５）に従って算出され、ワークＷの切削時における最大分割数を表わす。

切削条件Ｃ２の送り速度ｆｚ_Ｂは、たとえば、下記の式（６）によって算出される。

式（６）に示される「Ａ」は、下記の式（７）によって算出される。式（６）に示される「Ｂ」は、下記の式（８）によって算出される。式（６）に示される「Ｃ」は、下記の式（９）によって算出される。

「ｍ_ｃ」は、単位量当たりの切削厚さで変化する比切削抵抗の割合を表わす。「ｋ_ｃ１」は、切削幅が１ｍｍのときの比切削抵抗を表わす。「ｋ_ｃ１」の単位は、たとえば、「Ｎ／ｍｍ」である。「ｈ_ｍＡ」は、ワークＷの切削後における切り屑の厚さを表わす。「ｈ_ｍＡ」の単位は、たとえば、「ｍｍ」である。「ｆｚ_１」は、切削幅が１ｍｍのときの１刃の送り速度を表わす。「ｆｚ_１」の単位は、たとえば、「ｍｍ／ｔｏｏｔｈ」である。「ｋ_ｃＡ」は、切削幅が「ｈ_ｍＡ」であるときの比切削抵抗を表わす。「Ｐｃ」は、目標とする回転数「Ｎ」で主軸２２を駆動するためにサーボモータに出力する電力値を表わす。「Ｐｃ」の単位は、たとえば、「ｋＷ」である。「Ａｅ」は、径方向におけるワークの切削幅を表わす。「Ａｅ」の単位は、たとえば、「ｍｍ」である。「Ｎ」は、単位時間当たりの主軸２２の回転数を表わす。「Ｎ」の単位は、たとえば、「ｒｐｍ」である。「Ｚ」は、工具３２の刃数を表わす。

＜Ｄ．最速の送り速度＞
上述の図４で説明したように、ワークの切削幅Ａｐが同じ領域においては、切削効率は、送り速度に比例して向上する。そのため、送り速度は、可能な限り大きく設定されることが好ましい。しかしながら、主軸２２のモータにかけることができる負荷には、限界がある。そのため、このような制約下で、主軸２２の送り速度を最速にする必要がある。

以下では、図５を参照して、主軸２２の最速送り速度の算出方法について説明する。図５は、主軸回転数と定格トルクとの相関関係Ｒ１、および主軸回転数と定格出力との相関関係Ｒ２を示す図である。

図５に示される「定格出力」は、安全な範囲で主軸２２を駆動するためにモータに出力することが可能な出力値を表わす。「定格出力」は、たとえば、出力電流値、出力電圧値、または出力電力などで表される。「定格トルク」は、定格出力で主軸２２のモータを駆動した場合における回転トルクを表わす。

図５に示されるように、主軸回転数が「Ｎ１」よりも小さい場合には、定格トルクは、一定または略一定となる。主軸回転数が「Ｎ１」よりも大きい場合には、主軸回転数が増加するほど、定格トルクが減少する。

また、主軸回転数が「Ｎ１」よりも小さい場合には、主軸回転数が増加するほど、定格出力が増加する。主軸回転数が「Ｎ１」よりも大きい場合には、定格出力は、一定または略一定となる。

主軸回転数、定格出力、および定格トルクは、下記の式（１０）の関係を有する。

式（１０）に示される「Ｎ」は、単位時間当たりの主軸２２の回転数を表わす。「Ｎ」の単位は、たとえば、「ｒｐｍ」である。「ｋ」は、左辺の単位と右辺の単位とを合わせるための定数である。「ｋ」は、下記式（１１）で表される。

工作機械１００は、主軸回転数と定格出力との相関関係Ｒ２に基づいて、現在設定されている主軸回転数下で主軸モータに出力することが可能な定格出力を算出する。相関関係Ｒ２は、定格出力を目的変数とし、主軸回転数を説明変数とする相関式で示されてもよいし、テーブル形式で示されてもよい。相関関係Ｒ２に基づいて算出された定格出力は、上記式（９）の「Ｐｃ」に相当する。あるいは、当該定格出力の所定パーセント（たとえば、８０％）が、上記式（９）の「Ｐｃ」に相当する。工作機械１００は、算出された定格出力や、現在設定されている切削幅Ａｐを上記式（９）に代入し、上記式（６）における最速の送り速度ｆｚ_Ｂを算出する。

このように、工作機械１００は、定格出力で主軸モータを駆動したときの送り速度を最速送り速度として算出する。これにより、工作機械１００は、安全な範囲内でモータを駆動しつつ、ワークの切削効率を最大化することができる。

＜Ｅ．工作機械１００のハードウェア構成＞
図６を参照して、工作機械１００のハードウェア構成の一例について説明する。図６は、工作機械１００の主要なハードウェア構成を示すブロック図である。

工作機械１００は、主軸２２と、ボールねじ２５，５２，５４と、制御装置１０１と、ＲＯＭ１０２と、ＲＡＭ１０３と、通信インターフェイス１０４と、表示インターフェイス１０５と、入力インターフェイス１０９と、サーボドライバ１１１Ａ〜１１１Ｄと、サーボモータ１１２Ａ〜１１２Ｄと、エンコーダ１１３Ａ〜１１３Ｄと、記憶装置１２０とを含む。

制御装置１０１は、たとえば、ＮＣ（Numerical Control）プログラムを実行可能なＮＣ制御装置である。ＮＣ制御装置は、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る。

制御装置１０１は、工作機械１００の加工プログラム１２２（ＮＣプログラム）などの各種プログラムを実行することで工作機械１００の動作を制御する。制御装置１０１は、加工プログラム１２２の実行命令を受け付けたことに基づいて、記憶装置１２０からＲＯＭ１０２に加工プログラム１２２を読み出す。ＲＡＭ１０３は、ワーキングメモリとして機能し、加工プログラム１２２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。工作機械１００は、通信インターフェイス１０４を介して、外部の通信機器との間でデータをやり取りする。外部の通信機器は、たとえば、サーバーや、その他の通信端末などを含む。工作機械１００は、当該通信端末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。

表示インターフェイス１０５は、ディスプレイ１３０などの表示機器と接続され、制御装置１０１などからの指令に従って、ディスプレイ１３０に対して、画像を表示するための画像信号を送出する。ディスプレイ１３０は、たとえば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、またはその他の表示機器である。一例として、ディスプレイ１３０は、図４に示される相関関係１２４を表示し、当該相関関係１２４上に切削条件候補を表示する。工作機械１００は、ディスプレイ１３０に表示された切削条件候補を選択できるように構成されてもよい。選択された切削条件候補は、切削条件として設定される。

入力インターフェイス１０９は、入力デバイス１３１に接続され得る。入力デバイス１３１は、たとえば、マウス、キーボード、タッチパネル、またはユーザ操作を受け付けることが可能なその他の入力機器である。

サーボドライバ１１１Ａは、制御装置１０１から目標回転数（または目標位置）の入力を逐次的に受け、サーボモータ１１２Ａが目標回転数で回転するようにサーボモータ１１２Ａを制御する。より具体的には、サーボドライバ１１１Ａは、エンコーダ１１３Ａのフィードバック信号からサーボモータ１１２Ａの実回転数（または実位置）を算出し、当該実回転数が目標回転数よりも小さい場合にはサーボモータ１１２Ａの回転数を上げ、当該実回転数が目標回転数よりも大きい場合にはサーボモータ１１２Ａの回転数を下げる。このように、サーボドライバ１１１Ａは、サーボモータ１１２Ａの回転数のフィードバックを逐次的に受けながらサーボモータ１１２Ａの回転数を目標回転数に近付ける。サーボドライバ１１１Ａは、ボールねじ５４に接続されるテーブル５５（図１参照）をＸ軸方向に沿って移動し、テーブル５５をＸ軸方向の任意の位置に移動する。

同様のモータ制御により、サーボドライバ１１１Ｂは、ボールねじ５２に接続されるガイド５３（図１参照）をＹ軸方向に沿って移動し、ガイド５３上のテーブル５５（図１参照）をＹ軸方向の任意の位置に移動する。同様のモータ制御を行うことにより、サーボドライバ１１１Ｃは、ボールねじ２５に接続される主軸頭２１（図１参照）をＺ軸方向の任意の位置に移動する。同様のモータ制御を行うことにより、サーボドライバ１１１Ｄは、主軸２２の回転数を制御する。

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、本実施の形態に従う加工プログラム１２２、工具３２の送り速度と等分の切削幅とワークの切削効率との間の相関関係１２４と、工具３２の種類別に準備されている推奨の送り速度の範囲１２６、加工プログラム１２２の実行時に参照される切削条件１２８（制御パラメータ）などを格納する。相関関係１２４は、たとえば、上記式（１）などの演算式で規定されてもよいし、テーブル形式で規定されてもよい。加工プログラム１２２、相関関係１２４、推奨の送り速度の範囲１２６、および切削条件１２８の格納場所は、記憶装置１２０に限定されず、制御装置１０１の記憶領域（たとえば、キャッシュ領域など）、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、本実施の形態に従う制御処理は、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工作機械１００が構成されてもよい。

＜Ｆ．工作機械１００の制御構造＞
図７を参照して、工作機械１００の制御構造について説明する。図７は、切削条件の設定処理を表わすフローチャートである。図７の処理は、工作機械１００の制御装置１０１が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Ｓ１０において、制御装置１０１は、ワークＷの切削開始指示を受け付けたか否かを判断する。制御装置１０１は、ワークＷの切削開始指示を受け付けたと判断した場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ２０に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１０においてＮＯ）、制御装置１０１は、ステップＳ１０の処理を再び実行する。

ステップＳ２０において、制御装置１０１は、切削に使用する工具の種類を特定する。切削に使用する工具の種類は、たとえば、加工プログラム１２２を読み取ることにより特定される。あるいは、切削に使用する工具の種類は、ユーザによって選択されてもよい。制御装置１０１は、工具の種類ごとに規定されている複数の推奨の送り速度の範囲の中から、切削に使用する工具に対応する推奨の送り速度の範囲を取得する。

ステップＳ２２において、制御装置１０１は、ステップＳ２０で取得した推奨の送り速度の範囲内において、工具の送り速度と等分の切削幅とをそれぞれ異ならせた複数の組み合わせを切削条件候補として取得する。一例として、制御装置１０１は、等分の切削幅ごとに最速の送り速度を算出し、等分の切削幅の各々と当該最速の送り速度との組み合わせを切削条件候補として取得する。たとえば、制御装置１０１は、図４に示される切削条件Ｃ１，Ｃ２を切削条件候補として取得する。

より具体的には、制御装置１０１は、推奨の送り速度の範囲内で設定することが可能な等分の切削幅Ａｐの内で、最短の切削幅Ａｐ_Ａと、２番目に短い切削幅Ａｐ_Ｂとを特定する。制御装置１０１は、最短の切削幅Ａｐ_Ａと、推奨の送り速度の範囲における最速の送り速度ｆｚ_Ａとの組み合わせを切削条件Ｃ１として切削条件候補の１つに決定する。

また、制御装置１０１は、２番目に短い切削幅Ａｐ_Ｂと、当該切削幅Ａｐ_Ｂで切削を行った場合の最速の送り速度ｆｚ_Ｂとの組み合わせを切削条件Ｃ２として切削条件候補の１つに決定する。当該送り速度ｆｚ_Ｂは、主軸回転数と定格出力との相関関係Ｒ２（図５参照）に基づいて算出される。すなわち、制御装置１０１は、相関関係Ｒ２を参照して、現在設定されている主軸回転数下で主軸モータに出力することが可能な定格出力を算出する。制御装置１０１は、上記式（６）〜（９）に基づいて、当該定格出力および２番目に短い切削幅Ａｐ_Ｂの条件下での最速の送り速度ｆｚ_Ｂを算出する。

なお、ステップＳ２２で取得される切削条件候補は、切削条件Ｃ１，Ｃ２に限定されず、３つ以上の異なる切削条件候補が取得されてもよい。あるいは、切削条件Ｃ１，Ｃ２とは異なる切削条件候補が取得されてもよい。

ステップＳ２４において、制御装置１０１は、ステップＳ２２で取得した設定候補の切削条件のそれぞれを上記式（１）に代入し、各切削条件候補について切削効率を算出する。

ステップＳ２６において、制御装置１０１は、ステップＳ２４で算出した切削効率に基づいて、ステップＳ２２で取得した切削条件候補の内から、切削効率が最大となる送り速度と等分の切削幅との組み合わせを特定し、当該特定した組み合わせを切削条件として設定する。

ステップＳ２８において、制御装置１０１は、ステップＳ２６で設定された切削条件に従ってワークＷの切削を工作機械１００に開始させる。これにより、工作機械１００は、切削条件に規定される送り速度で、切削条件に規定される切削幅ごとにワークＷを順次切削する。

ステップＳ３０において、制御装置１０１は、工具の交換指示を受け付けたか否かを判断する。一例として、制御装置１０１は、加工プログラム１２２に含まれる工具交換命令が実行されたことに基づいて、工具の交換指示を受け付けたと判断する。制御装置１０１は、工具の交換指示を受け付けたと判断した場合（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、制御をステップＳ２０に戻す。そうでない場合には（ステップＳ３０においてＮＯ）、制御装置１０１は、制御をステップＳ４０に切り替える。

ステップＳ４０において、制御装置１０１は、ワークＷの切削が終了したか否かを判断する。制御装置１０１は、ワークＷの切削が終了したと判断した場合（ステップＳ４０においてＹＥＳ）、図７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Ｓ４０においてＮＯ）、制御装置１０１は、制御をステップＳ３０に戻す。

＜Ｇ．利点＞
以上のようにして、工作機械１００は、サーボモータを安全に駆動することが可能な推奨の送り速度の範囲内で、工具３２の送り速度とワークＷの等分の切削幅とを異ならせた切削条件候補を取得する。その後、工作機械１００は、工具３２の送り速度と、等分の切削幅と、ワークの切削効率との間の予め定められた相関関係に基づいて、切削条件候補のそれぞれについて切削効率を算出する。工作機械１００は、切削条件候補の中から、切削効率が最大になる切削条件候補を特定し、当該切削条件候補と切削条件として採用する。これにより、工作機械１００は、サーボモータを安全に駆動することができる範囲内で切削効率を最大にすることができる。

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。

２１ 主軸頭、２２ 主軸、２３ ハウジング、２５，５２，５４ ボールねじ、３０ 自動工具交換装置、３１ マガジン、３２ 工具、３３ 押出し機構、３４ 工具保持部、３５ スプロケット、３６ アーム、５０ 移動機構、５１，５３ ガイド、５５ テーブル、１００ 工作機械、１０１ 制御装置、１０２ ＲＯＭ、１０３ ＲＡＭ、１０４ 通信インターフェイス、１０５ 表示インターフェイス、１０９ 入力インターフェイス、１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ サーボドライバ、１１２Ａ，１１２Ｄ サーボモータ、１１３Ａ，１１３Ｄ エンコーダ、１２０ 記憶装置、１２２ 加工プログラム、１２４ 相関関係、１２６，Ｒ 範囲、１２８，Ｃ１，Ｃ２ 切削条件、１３０ ディスプレイ、１３１ 入力デバイス。

Claims (4)

1. 工作機械であって、
   ワークを保持するためのワーク保持部と、
   前記ワークを切削するための切削工具と、
   前記切削工具を回転するための主軸と、
   前記ワーク保持部および前記主軸の少なくとも一方を駆動するための駆動機構と、
   所定の主軸回転数下において、前記主軸の軸方向に直交する方向であって前記ワークに対する前記切削工具の移動方向に直交する方向と、前記主軸の軸方向との少なくとも一方において前記ワークを等分し、等分の切削幅で前記ワークを順次切削するように前記工作機械における切削条件を設定するための制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記切削工具について予め規定されている推奨の送り速度の範囲内において、前記切削工具の送り速度と前記等分の切削幅とをそれぞれ異ならせた複数の組み合わせを取得し、
   前記ワークの切削効率を目的変数とし、前記送り速度と前記等分の切削幅とを少なくとも説明変数とする論理式に前記複数の組み合わせのそれぞれを代入することで各組み合わせについての切削効率を算出し、
   前記複数の組み合わせの内で切削効率が最大となる組み合わせを前記切削条件として設定し、
   前記複数の組み合わせは、
   前記推奨の送り速度の範囲内における最速の第１送り速度と、当該第１送り速度で前記切削条件として設定可能な等分の第１切削幅と、の第１の組み合わせと、
   前記第１送り速度で前記切削条件として設定可能な等分の切削幅の次に大きい等分の第２切削幅と、当該第２切削幅での切削条件下において設定可能な最速の第２送り速度と、の第２の組み合わせとを含む、工作機械。
2. 前記制御装置は、前記所定の主軸回転数下で前記駆動機構に出力することが可能な定格出力を算出し、当該定格出力および前記第２切削幅の条件下で前記駆動機構を駆動したときにおける送り速度を前記第２送り速度として算出する、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記推奨の送り速度の範囲は、少なくとも予め定められた上限値によって規定されている、請求項１または２に記載の工作機械。
4. 工作機械における切削条件の設定方法であって、
   前記工作機械は、
   ワークを保持するためのワーク保持部と、
   前記ワークを切削するための切削工具と、
   前記切削工具を回転するための主軸と、
   前記ワーク保持部および前記主軸の少なくとも一方を駆動するための駆動機構とを備え、
   前記設定方法は、所定の主軸回転数下において、前記主軸の軸方向に直交する方向でかつ前記ワークに対する前記切削工具の移動方向に直交する方向と、前記主軸の軸方向との少なくとも一方において前記ワークを等分し、等分の切削幅で前記ワークを順次切削するように前記工作機械における切削条件を設定するステップを備え、
   前記設定するステップは、
   前記切削工具について予め規定されている推奨の送り速度の範囲内において、前記切削工具の送り速度と前記等分の切削幅とをそれぞれ異ならせた複数の組み合わせを取得するステップと、
   前記ワークの切削効率を目的変数とし、前記送り速度と前記等分の切削幅とを少なくとも説明変数とする論理式に前記複数の組み合わせのそれぞれを代入することで各組み合わせについての切削効率を算出するステップと、
   前記複数の組み合わせの内で切削効率が最大となる組み合わせを前記切削条件として設定するステップとを含み、
   前記複数の組み合わせは、
   前記推奨の送り速度の範囲内における最速の第１送り速度と、当該第１送り速度で前記切削条件として設定可能な等分の第１切削幅と、の第１の組み合わせと、
   前記第１送り速度で前記切削条件として設定可能な等分の切削幅の次に大きい等分の第２切削幅と、当該第２切削幅での切削条件下において設定可能な最速の第２送り速度と、の第２の組み合わせとを含み、設定方法。

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